KR100887430B1 - 고형산화물 연료셀(ｓｏｆｃ)-연료셀을 위한 전류집적기 - Google Patents

고형산화물 연료셀(ｓｏｆｃ)-연료셀을 위한 전류집적기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 SOFC-고체 전해질 고온-연료셀에서 전류집적기를 위한 재료로서 1 내지 10 중량%의 Mo을 본 발명의 주요한 구성 성분으로서 포함하고 있는 높은 크롬 함유의 페라이트계 철합금에 관한 것이다. 이 합금은 700℃ 내지 900℃의 온도범위에서 통상적인 셀분위기에 비하여 특히 높은 내식성을 가진다.
연료셀, 전류집적기, 전해질, 산화물, 지르코늄

Description

고형산화물 연료셀(ＳＯＦＣ)-연료셀을 위한 전류집적기{Current collector for SOFC fuel cells}
도 1은 700℃, 800℃ 및 900℃에서 공기중에서 500시간 동안 산화한후의 전류집적기에 대하여 처방된 페라이트강과 대비한 그러나 역시 이 전류집적기에 대하여 널리 사용된 크롬기초합금(약칭 : CRF)에 대비한 본 발명에 따른 페라이트 철 기초의 합금의 구성의 산화거동을 도시한다.
도 2는 마찬가지로 700℃, 800℃ 및 900℃의 경우에 80 체적%의 H2O/20 체적%의 H2의 분위기에서 650 시간동안 산화후의 전류집적기에 대하여 처방된 페라이트강과 대비한, 그러나 역시 이 전류집적기에 대하여 널리 사용된 크롬기초 합금(약칭 : CRF)에 대비한 본 발명에 따른 페라이트 철 기초의 합금의 구성의 산화 거동을 도시한다.
700℃와 900℃ 사이의 온도에서 작동하며 그리고 고형체 전해질로서 공급되어 있으며 양극, 전해질 및 음극을 포함하고 있는, 개별적인 평탄한 SOFC-고온-연 료셀들(Solid Oxide Fuel Cell)의 적재의 기계적인 지지를 위해 그리고 전기적 연결을 위해 페라이트의 철합금으로 된 전류집적기에 관한 것이다.
SOFC-고온-연료셀들은 지난 수 년 동안 큰 발전이 있었으며 그리고 경제적인 이용성의 시초에 있다. SOFC-타입-연료셀은 판형상의 구조에 의하여 그리고 고형의 산화물 세라믹의 전해질들에 의하여 특징지워진다. 500℃와 1000℃ 사이의 범위에서 셀의 작업온도의 선택 여하에 따라서는 예를들면 부여된 지르코늄 산화물 또는 세륨산화물과 같은 상이한 산화물 세라믹의 전해질들이 사용 된다. 개별적인 연료셀의 셀전압은 대략 1볼트에 놓여 있으며 그 결과 기술적으로 이용 가능한 전기적인 전압들과 성능을 얻기 위하여 끊임없이 가급적이면 큰 면적 치수의 개별적인 셀들의 다수가 소위 "스택"으로 적재되며 그리고 전기적으로 직렬로 접속된다.
실제로 오늘날 1000 ㎠ 까지의 면적의 판형상의 연료셀의 배열들이 사용되며, 연료셀의 배열들의 경우에 전극의 그리고 고형전해질들의 두께는 규칙적으로 100㎛의 훨씬 아래에 놓여 있다. 셀의 상기한 효율에 중요한, 가급적이면 적은 전해질 두께는 5 와 30㎛ 사이에 놓여 있다. 이 경우에는 자체 반송하는 그리고 자체 반송하지 않는 전해질들 사이에는, 예를들면 타입 ASE(양극 지지된 전해질)로 구분된다. 서로 겹쳐져서 적재된 판형상의 상기한 종류의 개별셀들은 역시 결합요소들, 상호 연결기들 또는 이극 판으로 불리우는 소위 전류집적기에 의하여 서로 분리되어 있다. 압도적으로 상기한 셀들은 전류집적기에로 개방된 분배 채널을 거쳐서 필요한 연료들을 공급하거나 또는 반응된 매질들을 제거하거나 그리고 동시에 역시 기계적으로 안정화된다.
그래서, 상기한 개발에 적합한 전류집적기는 재료선택의 관점에서도, 복잡한 구조 부품들에로의 이것의 경제적인 가공의 관점에서도 과거 수년 동안에 특별한 관심이 있었다는 것이 이해될 수 있다. 구조 부품들의 복잡성은 첫째로 가스형상의 매질에 대한 대부분의 금은선 세공된, 공개된 채널-및 도관시스템들에 의하여 결정된다.
상기한 전류집적기는 경제적인 관점으로 부터 충분히 긴 전체의 연료셀의 수명기간에 걸친 이것의 만족할만한 이용 가능성을 위하여 기계적인, 물리적인 그리고 화학적인 재료 특성들의 다수에의 높은 요구 사항에 상응하며 그리고 이 경우에 비용면에서 유리하게 가공되어야 한다. 순수한 재료비용은 전체의 연료셀 시스템을 상업적으로 매력있게 만들어야 한다.
포기할 수 없는 높은 재료-품질요구들은,
ㆍ실온과 그리고 약 1000℃ 사이의 큰 온도범위에 걸친 역시 얇은 전류집적판들의 특별히 높은 강성과 같은 큰기계적 강도
ㆍ고형 전해질 박막의 열적 팽창계수에의 열적인 팽창계수의 최고의 적합성; 여기서 실온과 작업온도 사이의 전체의 범위에서의 각각의 온도에서의 상기한 적합은 마찬가지로 주워지지 않으면 안됨.
ㆍ높은 열적 및 전기적 전도성, 근소한 전기적인 표면ㆍ중간저항 특히 역시 연료셀의 전체의 수명기간에 걸친 상기치들의 유지.
ㆍ양극측에서는 대체로 수소 및 H2O-증기, CO 및 CO2이며, 음극측에서는 대체 로 산소 내지 공기인 셀의 연소가스-및 폐가스 분위기에 대한 재료의 높은 내식성과 관련한다.
전류집적기에 대하여 적합한 재료들의 개발은 먼저 크롬 합금들에 집중했으며 그리고 최근 수년내에는 상당한 크롬 비율을 가지는 페라이트 철합금에로 옮겨졌다. SOFC-타입-연료셀 유니트에서 전류집적기를 위한 제안된 페라이트 합금의 계속되는 미세화를 위한 노력에서는 전류집적기로 부터의 일출하는 크롬화합물들의 형성 및 그의 증발을 가능한 최상으로 저지하는 것이 필요했다. 대처 조치로서는 예를들면 티탄 및 망간의 적합한 양의 첨가가 제안되었다.
내식성으로서 알려진 페라이트 재료들의 경우조차도 표면의 산화물 성장은 완전히 피하게 하지 못한다. 산화물 성장속도의 감소를 위하여, 그러나 동시에 역시 기계적 강도의 향상을 위하여 이트륨, 세륨, 란탄, 지르콘 및/또는 하프늄등 원소들의 소량의 첨가가 제안되었다.
전문가는 상기한 종류의 재료-개발들에서 개별적인 금속 및 비금속의 성분들의 작용에 관한 이론적인 그리고 경험적인 지식에 기초하였다. 오늘날 규정된 다수의 첨가물들을 가지는 이미 공지된 페라이트 철기의 재료들은 최고로 상이한 재료 특성의 다수에의 적합한 요구사항들의 경우에 도달된 위치를 보고서 또다른 특성 적합성을 위한 조치에 관한 예측을 불가능하게 만들거나 또는 오히려 불확실하게 만든다.
보증된 선행기술은 하나의 중요한 플랫폼을 형성하나 그러나 이 종류의 재료-계속 개발을 위한 신뢰할 만한 지침을 형성하지는 않는다.
그래서 EP 0 880 082 B1은 고체 재료 전해질로서 안정화된 산화 지르코늄을 가지는 고온-연료셀들을 기재하고 있으며 이 전해질의 경우에는 이 재료가 13 및 14 ×10-6K-1 사이의 열적팽창계수들을 가지는 그러한 방법으로 상기 전류집적기가 17 내지 30 중량% 크롬을 가지는 철 기초-합금으로 되어 있다.
전류집적기를 위한 그러한 방법으로 특징 지워진 재료는 특성 적합성에 대한 오늘날 달성된 선행기술로 보아서 방향을 지시하는 의미를 갖지 않는다. 역시 열적인 팽창 계수들에 관해서는 오늘날 예를들면 구성의 관점에서 그리고 그때그때에 사용된 고체 전해질의 재료의 관점에서 미세화된 요구 판별 기준들이 적용된다.
EP 0 767 248 A1은 특히 15 내지 40 중량%의 크롬, 5 내지 15 중량%의 텅스텐, Y, Hf, Ce, La, Nd 및 Dy 의 그룹으로 부터 선택된 하나 또는 다수의 원소들의 0.01 내지 1 중량%, 나머지가 철인 조성의 고온-연료셀을 위한 역시 전류집적기에서의 사용을 위한 내산화성의 금속재료를 기재하고 있으며, 이 재료는 실온과 1000℃ 사이의 온도범위에서 12 ×10-6 보다 크고 13 ×10-6K-1 보다는 작은 열팽창계수들을 가지고 있다.
대안으로 상기한 재료는 추가적으로 필수적으로 0.001 내지 0.01 중량%의 붕소를 포함한다.
상기한 공보에서는 상기한 재료는 특별히 900℃ 와 1000℃ 사이의 직업온도에서 고체 전해질로서 산화지르코늄과 결합한 사용을 목표로 함이 기술된다.
양 발명자의 상기 우선일 이후에 나타난 작업(M. Ueda, H. Taimatsu, Thermal Expansivity and High-Temperature Oxidation Resistance of Fe-Cr-W Alloys Developed for a Metallic Separator of SOFC, 4th European SOFC Forum Luzern, 10.-14. Juli 2000)에서는 전류직접기로서 상기한 재료의 곤란성들과 그리고 단점들에 관하여 대단히 비판적으로 보고 되었다. 18 중량% 이상의 크롬을 가지는 합금들은 불리하게 가공할 수 있는 것으로서 여겨진다. 재료상에 침식에 의하여 형성된, 파열하는 층들에 관하여 보고 되었다.
이 합금의 열적인 팽창계수는 합금의 보호범위의 전체의 폭에 있어서 Cr-및 W-함량의 시료방식의 이용에도 불구하고 이트륨 안정화된 ZrO2-고체 전해질에 대한 값에 만족스럽게는 균일화 되어 질 수 없었다. 새로운 측정들에 상응하여 20℃ 내지 1000℃의 온도범위 내에서 상기한 재료상수들은 연속적으로 11.7, 10.8 및 다시 11.7 ×10-6K-1 사이에서 변동한다.
무엇보다도 셀 운영에서 양극측에서 존재하는 더운 H2/H2O-증기 분위기에 비한 내산화성은 불만족스러운 것으로서 확인되었다.
본 발명의 과제는 공지된 재료들 보다도 처음에 언급한 높은 그리고 다양한 특성 요구사항들에 해당하는 고체 재료 전해질을 가지는 고온-연료셀들로된 전류집적기에 대한 페라이트 재료를 준비하는 것이다. 상기한 재료는 특별히 연소가스 분위기 및 폐가스 분위기에 비하여 더 좋은 내식성을 가질 것이다. 이 경우에는 이들 전류집적기 및 셀전극들이 셀 배열에서 서로 면접촉을 하고 있다면 전류집적기 및 셀전극들 사이의 동시에 가능한한 일정한, 낮은 전기적인 중간저항이 긴 시간공간들에 걸쳐서 주어질 것이다. 이 재료는 또 700℃ 및 900℃ 사이에 작업범위에서 중간온도-연료셀들에 대한 공지된 SOFC-,고체 재료 전해질 및 전극 재료들의 팽창계수들에 대하여 잘 적합하여진 열적 팽창계수를 가진다.
상기 과제는 본 발명에 따라서 68 중량% 이상의 Fe 및 통상적인 불순물들 이외에 또 22 내지 32 중량% Cr, 1 내지 10 중량% Mo 및 0.01 내지 1.5 중량% 이트륨 및/또는 희토류 금속 및/또는 그의 산화물을 가지는 페라이트 재료로 된 전류집적기에 의하여 해결된다.
특히 본 발명에 따르는 전류집적기의 유리한 구성은 종속항들에서 기술되어 있다.
본 발명에 따르는 페라이트 철재료는 SOFC-고온-연료셀들에 대한 더 앞에서 말한 모든 특성요구사항들은 고도로 충족시킨다.
본 발명에 따르는 재료는 산화물의 고체 전해질 재료가 오늘날 통상적으로 고온-연료셀들에 대하여 사용되어진 바와 같이 산화물의 고체 전해질 재료의 열팽창 계수들과 본 발명 재료의 열팽창 계수들과의 잘 일치함을 보이며-특히 800℃에서 12.5×10-6K-1의, 900℃에서 12.7×10-6K-1의 열팽창계수를 가지는 역시 700℃ 내지 900℃의 작업범위에서 전해질로서 사용된, 가도리니움 안정화된 세륨 산화물을 가진다. 열팽창에 대한 온도에 의존하여 변동하는 값은 실온과 900℃ 사이의 각각의 온도의 경우에 통상적으로 사용된 산화물의 고체 전해질들의 값과 만족할만하게 까지 대단히 잘 일치한다.
"만족할만하게 까지 대단히 잘"이라는 평가는 열팽창계수 및 전기적 중간 저항과 같은 상이한 재료특성의 최적화에 관련하여 경우에 따라서 결정해야하는 절충을 고려한다.
뒤에 표현되어진 바와같이 본 발명에 따르는 합금은 특히 침식거동과 관련하여 그리고 이것과 관련하는 재료표면에서의 전기적 중간 저항과 관련하여 최소의 절충이 이루어지고 있다.
전류집적기의 열적 팽창계수에 관련하는 적절한 절충들은 오늘날 익숙한 ASE-기술에서 사용한다면 다음과 같이, 그럼에도 불구하고 무제한 하게 좋은 셀의 기능들을 초래한다.
작은 두께의 고체 전해질 박막은 더이상 자체 반송하는 것이 아니며 이 고체 전해질은 자체 반송하는 것이 아닌 박막으로서 직접 전극표면상에 캐리어재료로서, 예를들면 ASE(양극 지지된 전해질) 결합구성 부품으로서 부착된다. 박막이 얇을수록 이것은 더욱 탄성적이다. 즉 납작하게 서로 접하여 놓여 있는 셀구성품들의 상이한 열팽창계수들은-제한된 범위 내에서-이 박막이 찢어지는 위험이 진행되는 일이 없이 보상된다.
전류집적기 재료들을 위하여 포기할 수 없는 열팽창계수의 우수한 적합성 이외에 선행기술과 비교하여 대단한 장점으로서, 본 발명에 따르는 페라이트 철 재료 에 대하여는 700℃ 내지 900℃의 온도범위에서 연소가스분위기 및 폐가스분위기에 비하여 경이적인, 전에 볼수 없던 높은 내식성이 이 페라이트 재료의 표면 범위에 유리한 산화제품들의 동시의 형성의 경우에 나타났다.
다음에 도 1 및 도 2는 전류집적기에 대하여 처방된 페라이트 강들과 비교한,
ㆍ 700℃, 800℃ 및 900℃에서 공기중에 500시간 동안 산화 후(도 1) 그리고 또
ㆍ마찬가지로 700℃, 800℃ 및 900℃에서 80 체적%의 H2O/20체적%의 H2의 분위기중에서 650시간 동안 산화후에(도 2) 그러나 역시 전류집적기에 대하여 널리 사용된 크롬 기초한 합금(약칭 : CRF)에 대비한, 본 발명에 따르는 페라이트 철 기초한 합금의 구성의 산화거동을 보인다.
표시된 산화 거동에 대한 척도로서는 상기 시간동안에 형성된 산화층의 두께가 적용된다.
비교재료의 어떤것도 본 발명에 따르는 페라이트 합금에서의 그의 내산화성에 도달하지 않으며-즉 높은 크롬함유의 재료 CRF는 가격의 원인으로부터 비교할 수 없으며 그리고 900℃ 와 1000℃ 사이에서의 셀온도에서 사용된다.
비교재료 Fe26Cr은 900℃에서 사용 가능한 값을 제공하지 않는다.
형성된 산화층들은 이미 표면으로 부터 갈라져 있었다.
산화층 자체의 두께 이외에 또 그 아래에 놓여 있는 기질-코아 재료상에 산 화층의 부착은 중요하며 그리고 이것은 본 발명에 따르는 재료의 경우에는 특히 알루미늄 및/또는 실리콘의 합금 함량들을 가지는 재료와 같은 공지된 페라이트 재료에 비하여 명백히 개선된다.
본 발명에 따르는 합금은 순수한 셀 분위기의 침식성 작용하에, 즉 역시 수증기의 존재하에 산화물층들을 형성하며, 이 산화물층들은 본 발명의 합금의 경우에 불가피하게 전류집적기 표면으로부터 증발하고 있는 크롬의 양에 유리한 최고의 경이의 영향을 갖는다. 셀의 사용수명에 대하여 극히 위험한 상기한 침식영향에는 이제까지의 입수 가능한 문헌에서는 적절한 주의가 경주되지 않았다. 공개된 데이터들은 오직 공기 또는 산소에 대한, 시험된 재료의 침식 거동을 기재하고 있다. 증발기구는 다음과 같다. 높은 크롬 함량을 가지는 모든 합금들의 경우에 산화물층 위에는 일출하는 크롬하이드로옥사이드층이 형성된다. 표면에서 증발하는 크롬은 재료 내부로 부터 보충되어 진다. 본 발명에 따르는 합금의 경우와는 달리 공지된 크롬을 함유하는 합금들의 경우에 이것은 이것에 의하여 상기 합금이 그리고 이후에 그의 특성들의 가장 원하지 않게 변동되도록 자주 그렇게 높은 크롬 손실들을 가져온다.
심하게 감소된 크롬 증발은 그럼에도 불구하고 크롬에 의하여 얻어진 유리한 합금성질들을 손상시키지 않기 위하여 22 중량%를 가지는 크롬 합금원소의 하부 한계를 규정하는 것을 필요하게 만든다.
방향설정에 사용되는 시험들에 따라서 본 발명에 따르는 합금에서 침식온도 여하에 의하여 형성된 상이한 산화물 층들은 통상적으로 다수층이다. 우선적으로는 기질위에 얇은 Cr2O3-층이 형성되며, 예기치 않게 낮은 그리고 셀의 수명 기간동안에 걸쳐서 일정한 전기적 중간 저항들을 가지는 Fe, Cr, Mn, Ti, Nb, Y와 같은 금속들의 스핀넬로 부터된 층이 뒤따른다. 합금 원소로서 철은 불순물로서 보통으로 Mn을 포함하며, 이것으로 인하여 보통으로 Mn을 함유하는, 작은 중간 저항의 산화물층들이 형성된다.
본 발명에 따르는 합금은 그래서 선택적으로, 원하여진 산화물 형성의 영향을 위하여 Ti, Mn, Nb, Ni 그리고/또는 Y와 같은 하나의 또는 다수의 금속에의 역시 작은 함량들, 대부분이 1 중량% 보다 훨씬 아래로 첨가되어 진다.
본 발명에 따르는 페라이트 재료는 기초 재료에 직접 접속하는 잘 부착하는 내부의 Cr2O3층의 형성과 그리고 예를들면 Mn-Cr-스핀넬과 같은, 그 위에 놓여 있는 외측의 산화물 층의 형성을 조장한다.
그러나 잘 부착하는 산화물 층들은 불량하게 부착하는 또는 국부적으로 기질로부터 벗겨져 있는 또는 갈라지기 까지한 산화물층들에 대조하여 재료 내부에로의 비교적 근소한 전기적 중간 저항을 보인다.
고온-연료셀들에서 전류집적기-재료의 사용 가능성에 대한, 또는 셀로부터 얻을 수 있는 전기적 효율에 대한 아직까지 또 너무 적게 주의 하여진 크기는 접경하고 있는 전극재료들에 대한 면접촉에서 전류집적기의 가급적이면 작은 전기적인 중간 저항이다. 본 발명에 따르는 합금은 다만 얇은 산화물 층만이 아니라, 이 용도에 대하여 유리한 전기적인 잔여 전도율을 가지는, 특히 역시 스핀넬과 같은 산 화물을 형성한다.
개발 전제로서는 페라이트강의 열팽창계수들을, 텅스텐, 몰리브덴, 니오브 또는 탄탈과 같은 고용융점의 금속의 하나 또는 다수의 상응하는 첨가들에 의하여 고체 전해질의 요구조건에 적합시키는 것이 제안되었다. 본 발명에 따르는 합금에서는 그럼에도 불구하고 전류집적기로서 철을 함유하는 크롬 합금의 공지된 단점들이 극복되도록 그렇게 높게 크롬 함량을 선택하지 않으면 안되는 일이 없이, 요구된 열팽창계수가 대체로 크롬 함량에 의하여 적합하게 된다. 본 발명에 따르는 페라이트 재료의 경우에는 몰리브덴과 같은 고용융점 금속에의 비교적 작은 함량이 열적인 계수 균일화의 기능을 성취시킨다. 이것은 이미 본 발명에 따르는 합금 조성에서 1 중량% 로부터의 비교적 적은 몰리브덴 함량은 상술한 예기치 않은 내식성의 상승 그리고 또 또 다른 물리적 화학적 특성의 향상을 결과로 가지는 경이적인 인식을 가져온다.
본 발명에 따르는 페라이트의 철기초의 재료에 대한 희토류 원소들 내지 산화물의 함량은 분산시키는 그리고 이와 함께 강도를 상승시키는 특성들에 관련하여 알려져 있다. 분명히 본 발명에 따르는 합금의 성분으로서 희토류 산화물은 나아가서는 침식 조건에 의해 형성하고 있는 표면 산화물과 그리고 이것의 물리적 특성에 전에 보지 못한, 안정화 시키는 영향을 행사한다.
본 발명에 따르는 합금에의 선택적인 첨가를 위해서는 몇 중량% 까지의 니오브의 근소한 양이 특히 좋은 것으로 판명되어 왔다. 이들은 전기적 접촉을 안정화시키고 또는 오늘날 최소 40,000 시간을 규정하고 있는 연료셀의 전체의 수명기간 동안에 통상적인 사용조건하에서 700℃ 및 900℃사이의 온도의 경우에 전극재료와 전류집적기 사이의 유리한 전기적인 중간저항을 안정시킨다.
전류집적기를 위한 본 발명에 따르는 재료들 중에는 26 중량%의 크롬, 2 중량%의 몰리브덴, 0.3 중량%의 티탄, 0.5 중량%의 이트륨산화물, 나머지가 철인 합금; 또 22 중량%의 크롬, 2 중량%의 몰리브덴, 0.3 중량%의 티탄, 0.5 중량%의 이트륨산화물, 나머지가 철인 합금; 그러나 역시 26 중량%의 크롬, 2 중량%의 몰리브덴, 0.3 중량%의 티탄, 0.4 중량%의 니오브, 0.5 중량%의 Y2O3, 나머지가 철인 합금이 특히 좋은 것으로 증명되었다.
전류집적기는 오늘날 통상적으로 금속판들로서 만들어지며, 이 금속판들의 표면에는 연료셀들의 연료-및 폐가스 분위기들을 위한 다수의 개방된 도관 채널들이 가공되어져 있다. 대개가 상기한 채널 시스템들은 금은선 세공으로 만들어져 있다. 이 종류의 전류집적기판들은 예를들면 이미 이전에 언급한 도 2의 EP 0 880 802에서 표시되어 있다.
통상적으로 이 종류의 전류 집적판들은 용융된 합금들로 부터 가공되며, 여기서 금은선 세공의 채널 시스템들은 비용 집중적인 평삭가공 그리고/또는 전기화학적인 가공에 의하여 판 표면내에 가져와 진다.
그러나 초기에는 역시 분말 야금 방법으로 상기한 종류의 채널시스템들을 가지는 전류집적기의 제조가 공지되어 있다. 기하학적 정밀도를 가지고 전류집적기판들이 통상적으로 가공되지 않으면 안되는 그러한 높은 기하학적 정밀도 때문에, 분 말야금 가공은 적합한 분말 야금학적인 제조공정과의 이를 위해 경제적으로 사용할 수 있는 합금 조성의 대단히 조심스러운 합치를 필요로 하였다.
상기한 공법에 의하여는 아주 조밀한 그러나 역시 고도로 다공성의 전류집적기가 만들어졌다.
가스 안내를 위해 필요한 전류집적기 내의 채널 시스템들은 이미 조제품 프레스를 가지고 하는 그리고 소결 전에 최종 윤곽에 근사한 실시에서 가공되거나 혹은 역시 조밀한 소결 중간 소재로부터 기계적으로 또는 전기화학적으로 가공되어진다. 하나의 공법에 의하여 소결 중간소재가 강판으로 압연되고 그리고 가스채널들을 가지는 전류집적기 최종 형태가 강판의 스탬핑 및 단조에 의해서 제조되는 그러한 공정이 널리 알려져 있다. 상기 공법은 특히 얇은 벽의 전류집적기 성형을 가능하게 한다.
고도의 다공질의 전류집적기의 형성의 경우에는 개방된 기공시스템들이 가스안내 및 가스분배를 위하여 사용된다.
본 발명에 따르는 페라이트 철 기초 합금은 분말야금공법에 의한 전류집적기 판의 제조를 위하여 특히 잘 적합하여져 있다.
본 발명에 따르는 전류집적기의 가공은 다음의 예들의 도움으로 더 자세히 설명된다.
예 1
Fe, 22중량%의 Chrom, 2중량%의 Mo, 0.29 중량%의 Ti, 0.37 중량%의 Y의 조성의 본 발명에 따르는 재료가 분말야금학적인 방법으로 전류집적기 구조부품으로 가공되었다. 이에 추가하여 Fe-Y-예비합금의 분말이 여타의 합금성분들의 금속분말들과 혼합된다. 이 합금분말은 30 내지 160 ㎛의 범위의 입도분포를 가지며 그리고 혼합의 동안에 압축보조수단을 가지고 혼합된다. 그렇게 얻어진 분말 혼합물은 프레스형들 내에서 8t/㎤의 프레스압력에서 최종 형태에 가까운 전류집적기 판에로 프레스된다. 이 프레스 가공물에는 그러므로 가스형상의 매질에 대한, 판 표면상에 지나고 있는 모든 채널 시스템들이 이미 형성되어 있다. 완료된 전류 제거기 판들에로의 조제품들의 계속 가공은 수소 분위기에서 1400℃의 온도에서 소결에 의하여 이루어진다. 그렇게 얻어진 전류집적기 판들은 이들이 연료셀 유니트들에로 조립되기 전에 경우에 따라서 기계적이 아닌 재처리가 수행 된다.
예 2
Fe, 26 중량%의 Cr, 2중량%의 Mo, 0.25중량% Y조성의 합금은 불순물들로서 0.08 중량% Mn, 0.05중량% Nb를 포함한다. 이 합금은 야금학적인 방법으로 실린더 형상의 조제품으로 프레스되며 그리고 이 조제품은 이어서 소결에 의하여 1400℃에서 H2-분위기에서 소결 조제품으로 가공된다. 이 소결 조제품은 원반으로 절단되고 그리고 표면의 가스안내 채널들이 기계적인 또는 전기화학적인 공법에 의하여 가공된다. 커버판으로서 상기한 방법으로 가공된 2개의 전류집적기는 양극-및 음극 재료들로부터 된 얇은 박막을 가지고 그리고 가도리움산화물로 안정화된 세륨 산화물 SOFC-전해질을 가지고 셀 유니트에로 가공되며 그리고 800℃의 셀온도의 경우에 통상적인 연소가스-및 폐가스 분위기하에서 650 시간 동안에 조업시간이 시험된다. 이 경우에는 개별적인 셀구성부품들의 기계적인 안정성 이외에 무엇보다도 전류집적기 판의 침식 특성이 조사되었다. 확인된 침식치들은 도 1 및 도 2에 표시된 값에 해당한다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정하지 않고 이것은 오히려 전문가에 대하여 예를 들면 열간 프레스된(HIP) 소재로부터 가공된 구성부품들과 같은 포괄적인 실시를 가지는 발명 대상물과 다른것을 포함한다.
본 발명의 페라이트 철합금으로 된 전류집적기는 양호한 내식성과 작업 범위에서 적합한 열 팽창계수를 구비한다.

Claims (8)

  1. 700℃ 및 900℃의 사이의 온도에서 작동하고 그리고 고체 전해질이 장비되어 있으며, 양극, 전해질 및 음극을 포함하고 있는 평탄한 개별적으로 된 SOFC - 고온 - 연료셀들의 적립물의 전기적인 연결과 그리고 기계적인 지지를 위한 페라이트 철합금으로 된 전류집적기에 있어서,
    상기 페라이트 재료는:
    68 중량% 이상의 Fe 및 통상적인 불순물;
    22 내지 30.99 중량%의 Cr;
    1 내지 10 중량%의 Mo; 그리고
    0.01 내지 1.5 중량%의 이트륨, 희토류금속들 및 그의 산화물들로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소한 하나의 재료
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전류집적기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    고체 전해질은 Gd, Ca Sm 및 Y로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소한 하나의 재료로 도핑된 세륨 산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 페라이트 철합금으로 된 전류집적기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    고체 전해질은 Y, Ca, Sc 및 Yb로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소한 하나의 재료로 도핑된 지르코늄 산화물로 구성되는 것을 특징으로 하는 페라이트 철합금으로 된 전류집적기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이 전류집적기는 최종 윤곽에 가까운 실시형태를 분말야금학적인 공법에 의 하여 가공되는 것을 특징으로 하는 페라이트 철합금으로 된 전류집적기.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트 재료는 추가적으로 0.1 내지 3 중량%의 Nb, Ti, Ni 및 Mn으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 최소한 하나의 재료를 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트 철합금으로 된 전류집적기.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트 재료는 22 중량%의 Cr, 2중량%의 Mo, 0.3중량%의 Ti, 0.5중량%의 Y2O3, 나머지가 철분으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 페라이트 철합금으로 된 전류집적기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트 재료는 26 중량%의 Cr, 2중량%의 Mo, 0.3 중량%의 Ti, 0.5중량%의 Y2O3, 나머지가 철분으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전류집적기.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트 재료는 26 중량%의 Cr, 2중량%의 Mo, 0.3 중량%의 Ti, 0.4 중량%의 Nb, 0.5 중량%의 Y2O3, 나머지가 철분으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전류집적기.
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