KR101196658B1 - 연료 전지 적층체를 위한 세라믹 상호접속체 - Google Patents

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Abstract

연료 전지(10)는 복수의 하위 전지를 포함하며, 각각의 하위 전지(12)는 산소 기체의 공급원과 유체 소통(fluid communication)하는 제1 전극(14), 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극(16), 및 제1 전극(14)과 제2 전극(16) 사이의 고체 전해질(22)을 포함한다. 하위 전지(12)는 상호접속체(interconnect) (24)로 서로 접속된다. 상호접속체(24)는 각각의 전지의 제1 전극(14)과 접촉된 제1 층(26), 및 각각의 전지의 제2 전극(16)과 접촉된 제2 층(28)을 포함한다. 제1 층은 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb로 표시되는 (La, Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다. 일 실시 형태에서, 제2 층은 실험식 Sr(1-1.5z-0.5k±δ)YzNbkTi(1-k)Od로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 페로브스카이트를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상호접속체는 두께가 약 10μm 내지 약 100μm이고, 상호접속체의 제2 층은 실험식 Sr(1-z±δ)LazTiOd로 표시되는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다.

Description

연료 전지 적층체를 위한 세라믹 상호접속체{Ceramic interconnect for fuel cell stacks}
관련 출원
본 출원은 2008년 2월 5일자로 출원된 미국 가출원 제61/063,643호 및 2007년 12월 21일자로 출원된 미국 가출원 제61/009,003호의 이득을 주장한다. 상기 출원들의 교시 내용 전체는 본 명세서에 참조로 포함된다.
배경기술
연료 전지는 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 디바이스이다. 다양한 연료 전지 중에서도, 고체 산화물 연료 전지는 전해질로서 금속(예를 들어, 칼슘 또는 지르코늄) 산화물의 경질, 세라믹 화합물을 사용한다. 전형적으로, 고체 산화물 연료 전지에서, 산소 기체, 예를 들어 O2는 캐소드에서 산소 이온(O2-)으로 환원되고, 연료 기체, 예를 들어 수소 기체(H2)는 산소 이온에 의해 산화되어 애노드에서 물을 형성한다.
상호접속체(interconnect)는 고체 산화물 연료 전지의 상용화를 제한하는 중요한 문제 중 하나이다. 현재, 평면형 전지를 사용하여 작업하는 대부분의 회사 및 연구원들은 코팅된 금속 상호접속체를 사용하고 있다. 금속 상호접속체는 제작 및 공정이 상대적으로 용이하지만, 일반적으로, 작동 동안 상호접속체-애노드/캐소드 계면에서의 금속 산화물, 예를 들어 Cr2O3의 형성이 일부 원인이 되어, 높은 전력 열화 속도(power degradation rate)(예를 들어, 10%/1,000시간)라는 문제가 있다. 란탄 크로마이트(LaCrO3)를 기재로 한 세라믹 상호접속체는 금속 상호접속체와 전극의 계면 상에 형성되는 Cr2O3에 비하여 LaCrO3의 상대적으로 높은 열역학적 안정성 및 낮은 Cr 증기압이 일부 원인이 되어 금속 상호접속체보다 낮은 열화 속도를 갖는다. 그러나, 란탄 크로마이트는 일반적으로 완전히 치밀화하기가 어려우며, 소결을 위하여 고온, 예를 들어 약 1,600℃ 이상을 필요로 한다. 소정의 도핑된 란탄 크로마이트, 예를 들어 스트론튬-도핑된 및 칼슘-도핑된 란탄 크로마이트는, 보다 낮은 온도에서 소결될 수 있다 하더라도, 불안정하거나 또는 전해질(예를 들어, 지르코니아 전해질) 및/또는 애노드와 반응하는 경향이 있다.
따라서, 상기 언급된 문제들의 하나 이상에 대처하는 고체 산화물 연료 전지를 위한 새로운 상호접속체의 개발에 대한 필요성이 있다.
발명의 개요
본 발명은 복수의 하위 전지를 포함하는 연료 전지, 예를 들어 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 및 상기 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다. 각각의 하위 전지는 산소 기체의 공급원과 유체 소통(fluid communication)하는 제1 전극, 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함한다. 연료 전지는 하위 전지들 사이에 있는 상호접속체를 추가로 포함한다. 상호접속체는 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉된 제1 층, 및 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉된 제2 층을 포함한다. 제1 층은 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb(여기서, x는 0 이상 0.6 이하이고; y는 0.2 이상 0.8 이하이고; b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다. 일 실시 형태에서, 제2 층은 실험식 Sr(1-1.5z-0.5k±δ)YzNbkTi(1-k)Od(여기서, k 및 z 각각은 독립적으로 0 이상 0.2 이하이고; d는 2.5 이상 3.5 이하이고; δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상호접속체는 두께가 약 10μm 내지 약 100μm이고, 상호접속체의 제2 층은 실험식 Sr(1-z±δ)LazTiOd(여기서, z는 0 이상 0.4 이하이고; d는 2.5 이상 3.5 이하이고; δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (Sr)La-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다.
본 발명에서, 산소 공급원에 노출된 제1 전극과 접촉된, (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 제1 층은 상대적으로 높은 소결성(예를 들어, 약 1,500 oC보다 낮은 온도에서 95% 초과의 이론 밀도에 이르는 소결성), 산화 분위기 내에서의 안정성 및/또는 전기 전도성을 제공할 수 있다. 연료 공급원에 노출된 제2 전극과 접촉된, (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트 및/또는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 제2 층은 높은 전기 전도성 및 환원 분위기 내에서의 안정성을 제공할 수 있다. (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트와 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트 물질은 열 팽창 계수가 서로 유사하다. 예를 들어, La0.4Sr0.6Ti0.4Mn0.6O3은 공기 중에서 30℃ 내지 1,000℃에서 평균 열 팽창 계수가 11.9 x 10-6 K-1이고, Sr0.86Y0.08TiO3은 공기 중에서 25℃ 내지 1,000℃에서 평균 열 팽창 계수가 11 ~ 12 x 10-6 K-1이다. 따라서, (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 제1 층 및 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 제2 층 둘 모두는 동시에 공-소결될(co-sintered) 수 있어 공정 단계를 최소화할 수 있다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 복수의 하위 전지를 포함하는 연료 전지의 형성 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 하위 전지들 각각을 상호접속체와 접속시키는 단계를 포함한다. 각각의 하위 전지는 산소 기체의 공급원과 유체 소통하는 제1 전극, 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함한다. 상호접속체는 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb(여기서, x는 0 이상 0.6 이하이고, y는 0.2 이상 0.8 이하이고, b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하는 제1 층을 포함한다. 제1 층은 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉되어 있다. 상호접속체는 또한 실험식 Sr(1-1.5z-0.5 k±δ)YzNbkTi(1-k)Od (여기서, k 및 z 각각은 독립적으로 0 이상 0.2 이하이고, d는 2.5 이상 3.5 이하이고, δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하는 제2 층을 포함한다. 제2 층은 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉되어 있다. 일 실시 형태에서, 상기 방법은 각각의 하위 전지의 적어도 하나의 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상기 방법은 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및 상호접속체를 형성하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과는 독립적으로 형성되고, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과 함께 형성된다. 일 실시 형태에서, 복수의 하위 전지의 제1 하위 전지의 제1 전극은 상호접속체의 제1 및 제2 층과 함께 형성되고, 제1 전극, 제1 층 및 제2 층의 형성은 상호접속체의 제2 층 재료를 제1 하위 전지의 제2 전극 위에 배치시키는 단계, 상호접속체의 제1 층 재료를 제2 층 재료 위에 배치시키는 단계, 제2 하위 전지의 제1 전극 재료를 상호접속체의 제1 층 위에 배치시키는 단계; 및 상호접속체의 제1 층 및 제2 층 재료가 각각 상호접속체의 제1 및 제2 층을 형성하도록, 그리고 제1 전극 재료가 제1 전극을 형성하도록 재료들을 가열하는 단계를 포함한다.
다른 실시 형태에서, 본 발명은 복수의 하위 전지를 포함하는 연료 전지의 형성 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 하위 전지 각각을, 두께가 약 10μm 내지 약 100μm인 상호접속체와 접속시키는 단계를 포함한다. 각각의 하위 전지는 산소 기체의 공급원과 유체 소통하는 제1 전극, 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함한다. 상호접속체는 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb(여기서, x는 0 이상 0.6 이하이고, y는 0.2 이상 0.8 이하이고, b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하는 제1 층을 포함한다. 제1 층은 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉되어 있다. 상호접속체는 또한 실험식 Sr(1- z±δ)LazTiOd (여기서, z는 0 이상 0.4 이하이고, d는 2.5 이상 3.5 이하이고, δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하는 제2 층을 포함한다. 제2 층은 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉되어 있다. 일 실시 형태에서, 상기 방법은 각각의 하위 전지의 적어도 하나의 구성요소를 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 상기 방법은 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및 상호접속체를 형성하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시 형태에서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과는 독립적으로 형성되고, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과 함께 형성된다. 일 실시 형태에서, 복수의 하위 전지의 제1 하위 전지의 제1 전극은 상호접속체의 제1 및 제2 층과 함께 형성되고, 제1 전극, 제1 층 및 제2층의 형성은 상호접속체의 제2 층 재료를 제1 하위 전지의 제2 전극 위에 배치시키는 단계, 상호접속체의 제1 층 재료를 제2 층 재료 위에 배치시키는 단계, 제2 하위 전지의 제1 전극 재료를 상호접속체의 제1 층 위에 배치시키는 단계, 및 상호접속체의 제1 층 및 제2 층 재료가 각각 상호접속체의 제1 및 제2 층을 형성하도록, 그리고 제1 전극 재료가 제1 전극을 형성하도록 재료들을 가열하는 단계를 포함한다.
본 발명은 많은 이점을 갖는다. 본 발명의 2층 세라믹 상호접속체는 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 적층체 상호접속체의 모든 주요 요건을 만족한다. (La, Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 안정하고, 그의 전기 전도성은 산화 분위기 내에서 높으며, 따라서 이 물질은 2층 세라믹 상호접속체에서 공기 측에 사용될 수 있다. (Nb, Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트 및 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 안정하며, 그의 전기 전도성은 환원 분위기 내에서 높으며, 따라서 이 물질은 2층 세라믹 상호접속체에서 연료 측에 사용될 수 있다. 이들 물질은 또한, 크롬을 함유하지 않아서, 란탄 크로마이트 (LaCrO3)와 관련된 문제를 갖지 않는다는 이점을 갖는다. 본 발명은 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템, 특히 평면 SOFC 적층체에 사용될 수 있다. SOFC는 저배출(low emission) 및 저노이즈(low noise) 작동과 함께, 고효율 전기 발생에 대한 잠재성을 제공한다. SOFC는 또한 전기 효율, 열전병합(co-generation) 효율 및 연료 가공 간소성의 유리한 조합을 제공하는 것으로 보여지고 있다. SOFC에 대한 사용의 일례는 주택 또는 다른 건물에서이다. SOFC는 주택을 난방하는 데 사용되는 것과 동일한 연료, 예를 들어 천연 가스를 사용할 수 있다. SOFC 시스템은 주택에 동력을 공급하기 위한 전기를 발생시키기 위해서 연장된 기간 동안 작동될 수 있으며, 과잉량이 발생될 경우에는, 과잉량은 전력망(electric grid)에 판매될 수 있다. 또한, SOFC 시스템에서 발생된 열은 주택에 온수를 제공하는 데 사용될 수 있다. SOFC는 전기 서비스가 믿을 만하지 않거나 존재하지 않는 지역에서 특히 유용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 개략 단면도이다.
도 2는 평면 적층형 설계의 본 발명의 연료 전지의 개략도이다.
도 3은 관형 설계의 본 발명의 연료 전지의 개략도이다.
도 4는 La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn 0.6O3 -δ 층 및 Sr0 .86Y0 .08TiO3 -δ 층으로 제조된 본 발명의 상호접속체의 주사 전자 현미경(SEM) 상이다.
상기는 첨부되는 도면들에 예시된 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시 형태에 대한 하기의 더욱 상세한 설명으로부터 명백할 것이며, 이들 도면에서, 유사한 참조 문자는 다른 관점에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다. 도면은 반드시 일정한 비율인 것은 아니며, 그 대신에 본 발명의 실시 형태들을 예시하는 데 역점을 둔다.
도 1은 본 발명의 연료 전지(10)를 나타낸다. 연료 전지(10)는 복수의 하위 전지(12)를 포함한다. 각각의 하위 전지(12)는 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)을 포함한다. 전형적으로, 제1 및 제2 전극(14 및 16)은 다공성이다. 연료 전지(10)에서, 제1 전극(14)은 산소 기체의 공급원, 예를 들어 공기와 유체 소통하는 복수의 제1 기체 채널(18)을 적어도 일부 한정한다. 제2 전극(16)은 연료 기체 공급원, 예를 들어 H2 기체 또는 제2 전극(16)에서 원 위치에서(in situ) H2 기체로 전환될 수 있는 천연 가스와 유체 소통하는 복수의 제2 기체 채널(20)을 적어도 일부 한정한다.
도 1에서, 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)이 복수의 기체 채널(18 및 20)을 한정하더라도, 전극들 각각에서 또는 전극과 유체 소통하는 별도의 층으로서 다른 유형의 기체 채널, 예를 들어 미세구조화된 채널(예를 들어, 홈형(grooved) 채널)이 또한 본 발명에 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1 기체 채널(18)이 제1 전극(14)에 의해 적어도 일부, 그리고 상호접속체(24)에 의해 적어도 일부 한정되고, 제2 기체 채널(20)이 제2 전극(16)에 의해 적어도 일부, 그리고 상호접속체(24)에 의해 적어도 일부 한정된다.
당업계에 알려진 임의의 적합한 캐소드 재료가 제1 전극(14)에 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 전극(14)은 La-망가네이트(예를 들어, La1 - aMnO3, 여기서 a는 0 이상 0.1 이하임) 또는 La-페라이트 기재 물질을 포함한다. 전형적으로, La-망가네이트 또는 La-페라이트 기재 물질은 하나 이상의 적합한 도펀트, 예를 들어 Sr, Ca, Ba, Mg, Ni, Co 또는 Fe로 도핑된다. 도핑된 La-망가네이트 기재 물질의 예는 LaSr-망가네이트(LSM)(예를 들어, La1 - kSrkMnO3, 여기서 k는 0.1 이상 0.3 이하이고, (La + Sr)/Mn은 약 1.0 내지 약 0.95(몰비)의 범위임) 및 LaCa-망가네이트(예를 들어, La1 - kCakMnO3, k는 0.1 이상 0.3 이하이고, (La + Ca)/Mn은 약 1.0 내지 약 0.95(몰비)의 범위임)를 포함한다. 도핑된 La-페라이트 기재 물질의 예는 LaSrCo-페라이트(LSCF)(예를 들어, La1 - qSrqCo1 - jFejO3, 여기서 q 및 j 각각은 독립적으로 0.1 이상 0.4 이하이고, (La+Sr)/(Fe+Co)는 약 1.0 내지 약 0.95(몰비)의 범위임)를 포함한다. 일 특정 실시 형태에서, 제1 전극(14)은 LaSr-망가네이트(LSM)(예를 들어, La1 - kSrkMnO3) 및 LaSrCo-페라이트(LSCF) 중 적어도 하나를 포함한다. 일반적인 예는 (La0 .8Sr0 .2)0.98MnO3 ±δ(δ는 0 이상 0.05 이하임) 및 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3을 포함한다.
당업계에 알려진 임의의 적합한 애노드 재료가 제2 전극(16)에 사용될 수 있다. 일 실시 형태에서, 제2 전극(16)은 니켈(Ni) 서멧을 포함한다. 본 명세서에 사용될 때, 어구 "Ni 서멧"은, Ni, 예를 들어 약 20중량% 내지 70중량%의 Ni를 포함하는 세라믹 금속 복합재를 의미한다. Ni 서멧의 예는 Ni와 이트리아-안정화된 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 예를 들어 약 15중량%의 Y2O3을 함유하는 ZrO2를 포함하는 물질 및 Ni와 Y-지르코니아 또는 Sc-지르코니아를 포함하는 물질이다. 애노드 재료의 추가의 예는 Cu-세륨 산화물을 포함한다. Ni 서멧의 특정 예는 67중량%의 Ni과 33중량%의 YSZ, 및 33중량%의 Ni과 67중량%의 YSZ를 포함한다.
전형적으로, 제1 및 제2 전극(14 및 16) 각각의 두께는 독립적으로 약 0.5mm 내지 약 2mm의 범위이다. 구체적으로, 제1 및 제2 전극(14 및 16) 각각의 두께는 독립적으로 약 1mm 내지 약 2mm의 범위이다.
고체 전해질(22)은 제1 전극(14)과 제2 전극(16) 사이에 있다. 당업계에 알려진 임의의 적합한 고체 전해질이 본 발명에 사용될 수 있다. 예는 ZrO2 기재 물질, 예를 들어 Sc2O3-도핑된 ZrO2, Y2O3-도핑된 ZrO2, 및 Yb2O3-도핑된 ZrO2; CeO2 기재 물질, 예를 들어 Sm2O3-도핑된 CeO2, Gd2O3-도핑된 CeO2, Y2O3-도핑된 CeO2 및 CaO-도핑된 CeO2; Ln-갈레이트 기재 물질(Ln = 란타나이드, 예를 들어 La, Pr, Nd 또는 Sm), 예를 들어 Ca, Sr, Ba, Mg, Co, Ni, Fe 또는 그 혼합물로 도핑된 LaGaO3(예를 들어, La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O3, La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .15Co0 .05O3, La0 .9Sr0 .1Ga0 .8Mg0 .2O3, LaSrGaO4, LaSrGa3O7 또는 La0 .9A0.1Ga3, 여기서 A = Sr, Ca 또는 Ba임); 및 그 혼합물을 포함한다. 다른 예는 도핑된 이트륨-지르코네이트(예를 들어, YZr2O7), 도핑된 가돌리늄-티타네이트(예를 들어, Gd2Ti2O7) 및 브라운밀러라이트(예를 들어, Ba2In2O6 또는 Ba2In2O5)를 포함한다. 특정 실시 형태에서, 전해질(22)은 8 몰%의 Y2O3으로 도핑된 ZrO2(즉, 8 몰% Y2O3-도핑된 ZrO2)를 포함한다.
전형적으로, 고체 전해질(22)의 두께는 약 5μm 내지 약 20μm, 예를 들어 약 5μm 내지 약 10μm의 범위이다. 대안적으로, 고체 전해질(22)의 두께는 약 100μm보다 더 두껍다(예를 들어, 약 100μm 내지 약 500 100μm). 이 실시 형태에서, 두께가 약 100μm 초과인 고체 전해질(22)을 이용하게 되면, 고체 전해질(22)은 연료 전지(10)의 구조적 지지체를 제공할 수 있다.
연료 전지(10)는 하위 전지들(12) 사이에 있는 상호접속체(24)를 추가로 포함한다. 상호접속체(24)는 제1 전극(14)과 접촉된 제1 층(26), 및 제2 전극(16)과 접촉된 제2 층(28)을 포함한다. 제1 층(26)은 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb(여기서, x는 0 이상 0.6 이하이고; y는 0.2 이상 0.8 이하이고; b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함한다. 일 특정 실시 형태에서, (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 실험식 La0 .4Sr0 .6Ti(1-x)MnxOb(여기서, x 및 b의 값은 전술된 바와 같음)로 표시된다. 적합한 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 특정 예는 La0 .4Sr0 .6TiOb, La0 .4Sr0 .6Ti0 .8Mn0 .2Ob, La0.4Sr0.6Ti0.6Mn0.4Ob 및 La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn0 .6Ob를 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서는, La0.4Sr0.6Ti(1-x)MnxOb 물질이 이용되며, 상기 물질은 전기 전도성이 약 810 oC에서 공기 중에서 약 20S/cm 내지 약 25S/cm (예를 들어, 약 22.6S/cm)이고, 평균 밀도가 95% 이상의 이론 밀도이다.
제2 층(28)은 실험식 Sr(1-1.5z-0.5k±δ)YzNbkTi(1-k)Od로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트, 또는 실험식 Sr(1-z±δ)LazTiOd로 표시되는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트(여기서, k 및 z 각각은 독립적으로 0 이상 0.4 이하이고; d는 2.5 이상 3.5 이하(예를 들어, 2.9 이상 3.2 이하)이고; δ는 0 이상 0.05 이하임)를 포함한다. (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 특정 예는 Sr0.86Y0.08TiO3±δ, 및 Sr0.995Ti0.99Nb0.01O3±δ(여기서, δ는 0 이상 0.05 이하임)를 포함한다. (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트의 특정 예는 Sr0.67La0.33TiO3±δ(여기서, δ는 0 이상 0.05 이하임)를 포함한다. 추가의 특정 실시 형태에서는, Sr0.86Y0.08TiO3±δ 또는 Sr0.995Ti0.99Nb0.01O3±δ 물질이 이용되며, 상기 물질은 평균 밀도가 95% 이상의 이론 밀도이다. 또 다른 추가의 특정 실시 형태에서, Sr0.86Y0.08TiO3±δ 및 Sr0.995Ti0.99Nb0.01O3±δ 물질은 전기 전도성이 약 800℃에서 환원 환경(산소 부분 압력 10-19atm) 내에서 각각 약 82S/cm 및 10S/cm이다.
본 명세서에 사용될 때, "페로브스카이트"는 당업계에 알려진 페로브스카이트 구조를 갖는다. 페로브스카이트 구조는 화학식 ABO3을 갖는 많은 산화물에 의해 채택된다. 일반적인 결정 구조는 단위 격자의 중심에 A-양이온, 단위 격자의 꼭지점에 B-양이온, 그리고 단위 격자의 각 모서리의 중심에 음이온(즉, O2 -)을 가진 단순 입방체(primitive cube)이다. 이상적인 구조는 단순 입방체이지만, A와 B 양이온 사이의 비의 차는 다수의 상이한, 이른바 뒤틀림(distortion)을 야기할 수 있으며, 이러한 뒤틀림 중 틸팅(tilting)이 가장 일반적인 것이다. 본 명세서에 사용될 때, 용어 "페로브스카이트" - 그와 조합된 다른 용어들(예를 들어, "(La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트," 및 "(Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트," 및 "(La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트")을 갖거나 갖지 않음 - 는 또한 그러한 뒤틀림을 포함한다. 또한, 본 명세서에 사용될 때, 용어 "(La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트"는 페로브스카이트 구조를 갖는 La- 및/또는 Mn- 치환된 SrTiO3 (Sr-티타네이트)을 의미한다. 일례에서, La-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 여기서, SrTiO3의 Sr 원자들의 일부분은 La 원자들로 치환된다. 다른 예에서, Mn-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 여기서, SrTiO3의 Ti 원자들의 일부분은 Mn 원자들로 치환된다. 또 다른 예에서, La- 및 Mn-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 여기서, SrTiO3의 Sr 원자들의 일부분은 La 원자들로 치환되고, SrTiO3의 Ti 원자들의 일부분은 Mn 원자들로 치환된다. 또한, 본 명세서에 사용될 때, 용어 "(Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트"는 페로브스카이트 구조를 갖는 Nb- 및/또는 Y- 치환된, SrTiO3 (Sr-티타네이트)을 의미한다. 일례에서, Y-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 여기서, SrTiO3의 Sr 원자들의 일부분은 Y 원자들로 치환된다. 다른 예에서, Nb-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 여기서, SrTiO3의 Ti 원자들의 일부분은 Nb 원자들로 치환된다. 또 다른 예에서, Nb- 및 Y-치환된, Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트는 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, SrTiO3의 Sr 원자들의 일부분은 Y 원자들로 치환되고, SrTiO3의 Ti 원자들의 일부분은 Nb 원자들로 치환된다. 또한, 본 명세서에 사용될 때, 용어 "(La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트"는 페로브스카이트 구조를 갖는 La-치환된 SrTiO3(Sr-티타네이트)를 의미하며, 여기서, SrTiO3의 Sr 원자들의 일부분은 La 원자들로 치환된다. 일반적으로, (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트에서, La 및 Sr 원자는 A-양이온 자리(site)를 점유하는 한편, Ti 및 Mn 원자는 B-양이온 자리를 점유한다. 일반적으로, (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트에서, Sr 및 Y 원자는 A-양이온 자리를 점유하는 반면, Ti 및 Nb 원자는 B-양이온 자리를 점유한다. 일반적으로, (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트에서, Sr 및 La 원자는 A-양이온 자리를 점유하는 한편, Ti 원자는 B-양이온 자리를 점유한다.
특정 실시 형태에서, 제1 층(26)은 La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn0 .6O3 ±δ를 포함하고, 제2 층(28)은 Sr0 .86Y0 .08TiO3 ±δ를 포함한다. 다른 특정 실시 형태에서, 제1 층(26)은 La0.4Sr0.6Ti0.4Mn0.6O3±δ를 포함하고, 제2 층(28)은 Sr0 .995Ti0 .99Nb0 .01O3 ±δ를 포함한다. 또 다른 특정 실시 형태에서, 제1 층(26)은 La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn0 .6O3 ±δ를 포함하고, 제2 층(28)은 Sr0 .67La0 .33TiO3 ±δ를 포함한다. 이들 실시 형태에서, 구체적으로, 제1 전극(14)은 (La0 .8Sr0 .2)0.98MnO3 ±δ 또는 La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3을 포함하고, 제2 전극(16)은 67중량%의 Ni 및 33중량%의 YSZ를 포함한다. 이들 실시 형태에서, 더 구체적으로는, 제1 전극(14)은 (La0 .8Sr0 .2)0.98MnO3 ±δ 또는 La0 .6Sr0 .4Co0 .2Fe0 .8O3을 포함하고; 제2 전극(16)은 67중량%의 Ni 및 33중량%의 YSZ를 포함하고; 전해질(22)은 8몰% Y2O3-도핑된 ZrO2를 포함한다.
전형적으로, 제1 층(26) 및 제2 층(28) 각각의 두께는 약 5μm 내지 약 1000μm의 범위이다. 구체적으로는, 제1 층(26) 및 제2 층(28) 각각의 두께는 약 10μm 내지 약 1000μm의 범위이다. 일 특정 실시 형태에서, 제2 층(28)의 두께는 상호접속체(24)의 총 두께의 약 0.005 내지 약 0.5이다.
상호접속체(24)는 임의의 형상일 수 있으며, 예를 들어 평면 형상(도 1 참조) 또는 미세구조화된(예를 들어, 홈형) 형상(도 2 참조)일 수 있다. 일 특정 실시 형태에서, 연료 전지(10)의 적어도 하나의 상호접속체(24)는 사실상 평면이다.
일 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 약 10μm 내지 약 1,000μm의 범위이다. 대안적으로, 상호접속체(24)의 두께는 약 0.005mm 내지 약 2.0mm의 범위이다. 일 특정 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 10μm 내지 약 500μm의 범위이다. 다른 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 10μm 내지 약 200μm의 범위이다. 또 다른 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 약 10μm 내지 약 100μm의 범위이다. 또 다른 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 약 10μm 내지 약 75μm의 범위이다. 또 다른 실시 형태에서, 상호접속체(24)의 두께는 약 15μm 내지 약 65μm의 범위이다.
일 특정 실시 형태에서, 제1 전극(14) 및/또는 제2 전극(16)은 두께가 약 0.5mm 내지 약 2mm의 두께이며; 상호접속체(24)는 두께가 약 10μm 내지 약 200μm, 구체적으로는 약 10μm 내지 약 200μm, 그리고 더 구체적으로는 약 10μm 내지 약 100μm이다.
다른 특정 실시 형태에서, 제2 층(28)은 전술된 SrLa-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며; 상호접속체(24)는 두께가 약 10μm 내지 약 100μm, 구체적으로는 약 10μm 내지 약 75μm, 그리고 더 구체적으로는 약 15μm 내지 약 65μm이다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 적어도 하나의 전지(12)는 다공성 제1 및 제2 전극(14 및 16)을 포함하며, 이들 각각은 약 0.5mm 내지 약 2mm의 두께이고; 고체 전해질(22)은 두께가 약 5μm 내지 약 20μm이고; 상호접속체(24)는 사실상 평면이며 두께가 약 10μm 내지 약 200μm이다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 상호접속체(24)는 사실상 평면이고; 상호접속체(24)의 제1 층(26)은 La0 .4Sr0 .6Ti(1-x)MnxOb(예를 들어, x = 0, 0.2, 0.4 또는 0.6임)를 포함하고; 제1 및 제2 전극(14 및 16) 각각은 다공성이다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 상호접속체(24)는 사실상 평면이고; 상호접속체(24)의 제1 층(26)은 La0 .4Sr0 .6Ti(1-x)MnxOb(예를 들어, x = 0, 0.2, 0.4 또는 0.6)를 포함하고; 제1 및 제2 전극(14 및 16) 각각은 다공성이고; 제1 전극(14)은 전술된 La-망가네이트 또는 La-페라이트 기재 물질, 예를 들어 La1 - kSrkMnO3 또는 La1 -qSrqCojFe1-jO3(여기서, k, q 및 j 각각의 값은 독립적으로 전술된 바와 같음)을 포함한다.
또 다른 특정 실시 형태에서, 상호접속체(24)는 사실상 평면이고; 상호접속체(24)의 제1 층(26)은 La0 .4Sr0 .6Ti(1-x)MnxOb(예를 들어, x = 0, 0.2, 0.4 또는 0.6)를 포함하고; 제1 및 제2 전극(14 및 16) 각각은 다공성이고; 제1 전극(14)은 La-망가네이트 또는 La-페라이트 기재 물질(예를 들어, La1 - kSrkMnO3 또는 La1 - qSrqCojFe1 -jO3, 여기서 k, q 및 j 각각의 값은 독립적으로 전술된 바와 같음)을 포함하고, 제2 전극(16)은 Ni 서멧(예를 들어, 67중량%의 Ni 및 33중량%의 YSZ)을 포함한다. 이 특정 실시 형태의 일 측면에서, 전해질(22)은 8몰% Y2O3-도핑된 ZrO2를 포함한다.
본 발명의 연료 전지(10)는 임의의 적합한 개수의 복수의 하위 전지(12)를 포함할 수 있다. 일 실시 형태에서, 본 발명의 연료 전지(10)는 적어도 30 내지 50개의 하위 전지(12)를 포함한다. 연료 전지(10)의 하위 전지(12)는 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다.
본 발명의 연료 전지는 도 2에 나타낸 바와 같은 평면 적층형 연료 전지일 수 있다. 대안적으로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료 전지는 관형 연료 전지일 수 있다. 도 2 및 도 3에 나타낸 연료 전지는 독립적으로 도 1에 나타낸 연료 전지(10)에 대하여 기재된 특성 - 특정 변수를 포함함 - 을 갖는다(명확함을 위하여, 전지 구성요소에 대한 상세사항은 도 2 및 도 3에 나타나 있지 않다). 전형적으로, 도 2에 나타낸 바와 같은 평면형 설계에서는, 구성요소들이 평면 적층체로 조립되며, 이때, 공기 및 연료는 상호접속체 내로 구축된 채널들을 통하여 유동한다. 전형적으로, 도 3에 나타낸 바와 같은 관형 설계에서는, 구성요소들이 중공관 형태로 조립되며, 이때, 전지는 관형 캐소드 둘레에 층들로 구성되고, 공기는 관의 내부를 통하여 유동하고, 연료는 관의 외부 둘레를 유동한다.
본 발명은 또한 전술된 연료 전지의 형성 방법을 포함한다. 상기 방법은 전술된 복수의 하위 전지(12)를 형성하는 단계, 및 각 하위 전지(12)을 상호접속체(24)와 접속하는 단계를 포함한다. 하위 전지(12) 및 상호접속체(24)의 제작에는 당업계에 알려진 임의의 적합한 기술이 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 평면 적층형 연료 전지는 미립자 공정(particulate process) 또는 침착 공정(deposition process)에 의해 제작될 수 있다. 본 발명의 관형 연료 전지는, 칼시아-안정화된 지르코니아와 같은 다공성 원통형 관 상에 얇은 층의 형태의 전지 구성요소들을 가짐으로써 제작될 수 있다.
전형적으로, 적합한 미립자 공정, 예를 들어 테이프 캐스팅 또는 테이프 캘린더링은 연료 전지 구성요소 (예를 들어, 전극, 전해질 및 상호접속체) 내로의 분말, 예를 들어 세라믹 분말의 압축 및 승온에서의 치밀화를 포함한다. 예를 들어, 본 발명의 전해질, 전극 또는 상호접속체에 적합한 분말 재료는 구성 산화물들의 고상 반응에 의해 제조된다. 적합한 고표면적 분말은 질산염 및 다른 용액으로부터 젤 생성물로서 침전될 수 있으며, 이는 건조되고, 하소되고, 미분쇄되어 결정질 입자를 생성한다. 침착 공정은 적합한 화학적 또는 물리적 공정에 의한 지지체 상에의 전지 구성요소들의 형성을 포함할 수 있다. 침착의 예는 화학 증기 침착, 플라즈마 분무 및 분무 열분해를 포함한다.
일 특정 실시 형태에서, 상호접속체(24)는 약 5 내지 약 50톤의 하중으로 약 50℃ 내지 약 80℃의 범위의 온도에서 상호접속체(24)의 제1 층 재료, 및 상호접속체(24)의 제2 층 재료를 나란히 라미네이팅함으로써 제조되며, 1,300℃ 내지 약 1,500℃의 범위의 온도에서 높은 이론 밀도(예를 들어, 약 90% 초과의 이론 밀도, 또는 약 95% 초과의 이론 밀도)를 갖는 상호접속체 층들을 형성하기에 충분한 시간 동안 공-소결되어, 이에 의해 제1 층(26) 및 제2 층(28)을 각각 형성한다.
대안적으로, 상호접속체(24)는 제1 층(26)을 형성하고, 이어서, 제2 층(28)을 순차적으로 형성함으로써 (또는 제2 층(28)을 형성하고, 이어서, 제1 층(26)을 순차적으로 형성함으로써) 제조된다. 전형적으로, 제1 및 제2 슬러리 각각은 1,300℃와 약 1,500℃ 범위의 온도에서 소결될 수 있다. 예를 들어, La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn0 .6Ob의 제1 슬러리는 공기 중에서 약 1300℃에서 소결되고, Sr0 .86Y0 .08TiOd 또는 Sr0.995Ti0.99Nb0.01Od의 제2 슬러리는 공기 중에서 약 1400℃에서 소결된다.
본 발명에서, 하위 전지(12)는 상호접속체(24)를 거쳐 접속된다. 일 실시 형태에서, 각각의 하위 전지(12)의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체(24)로부터 독립적으로 형성된다. 각각의 하위 전지(12)의 전극들(14 및 16)의 형성은 전술된 바와 같이 당업계에 알려진 임의의 적합한 방법을 이용하여 행해질 수 있다. 일 특정 실시 형태에서는: i) 상호접속체(24)의 제2 층 재료가 제1 하위 전지의 제2 전극(16) 위에 배치되고; ii) 상호접속체(24)의 제1층 재료가 제2 층 재료 위에 배치되고, iii) 이어서, 제2 하위 전지의 제1 전극(14)이 상호접속체(24)의 제1 층 재료 위에 배치된다. 다른 특정 실시 형태에서는: i) 상호접속체(24)의 제1 층 재료가 제2 하위 전지의 제1 전극(14) 위에 배치되고; ii) 상호접속체(24)의 제2 층 재료가 상호접속체(24)의 제1 층 재료 위에 배치되고; iii) 제1 하위 전지의 제2 전극(16)이 제2 층 재료 위에 배치된다. 이들 특정 실시 형태에서는, 제1 층 및 제2 층 재료를 소결하게 되면, 상호접속체(24)의 제1 층(26) 및 제2 층(28)이 각각 형성된다.
대안적으로, 하위 전지(12)의 하나 이상의 전극 (예를 들어, 전극(14) 또는 전극(16), 또는 전극(14) 및 전극(16))이 상호접속체(24)의 형성과 함께 형성된다. 일 특정 실시 형태에서는, i) 상호접속체(24)의 제2 층 재료가 제1 하위 전지의 제2 전극 재료 위에 배치되고; ii) 이어서, 상호접속체(24)의 제1 층 재료가 제2 층 재료 위에 배치되고; iii) 제2 하위 전지의 제1 전극 재료가 상호접속체(24)의 제1 층 위에 배치되고; iv) 상호접속체(24)의 제1 층 및 제2 층 재료가 상호접속체(24)의 제1 층(26) 및 제2 층(28)을 각각 형성하도록, 그리고 제1 전극 및 제2 전극 재료가 제1 전극(14) 및 제2 전극(16)을 각각 형성하도록 재료들을 가열한다.
다른 특정 실시 형태에서는: i) 상호접속체(24)의 제2 층 재료가 제1 하위 전지의 제2 전극(16) 위에 배치되고; ii) 상호접속체(24)의 제1 층 재료가 제2 층 재료 위에 배치되고; iii) 제2 하위 전지의 제1 전극 재료가 상호접속체(24)의 제1층 위에 배치되고; iv) 상호접속체의 제1 층 및 제2 층 재료가 상호접속체(24)의 제1 층(26) 및 제2 층(28)을 각각 형성하도록, 그리고 제1 전극 재료가 제1 전극(14)을 형성하도록 재료들을 가열한다.
본 발명의 연료 전지, 예를 들어 SOFC는 휴대용일 수 있다. 또한, 본 발명의 연료 전지, 예를 들어 SOFC는 가정에서, 예를 들어 온수를 생성하기 위한 전기의 공급원으로서 이용될 수 있다.
예시
실시예: La0 .4Sr0 .6Ti0 .4Mn 0.6O3 -δ("LSTM")와 Sr0 .86Y0 .08TiO3 -δ("YST")의 2층 상호접속체
소량의 (La,Mn)Sr-티타네이트, La0.4Sr0.6Ti0.4Mn0.6O3-δ(LSTM), 분말(2.0그램)을 (Nb,Y)Sr-티타네이트, Sr0.86Y0.08TiO3-δ(YST), 분말(1.0그램) 위에 첨가하였다. 10,000 lbs의 하중에서 직경이 1.125인치인 스틸 다이를 사용하여 LSTM/YST 분말을 함께 다이-프레싱하였다. 취급을 위하여 소지(green body)의 강도를 증가시키기 위해서, La0.4Sr0.6Ti0.4Mn0.6O3-δ 분말을, 다이-프레싱 전에, 0.5중량%의 폴리에틸렌 글리콜(PEG-400) 및 0.7중량%의 폴리비닐 알코올 (PVA 21205)을 사용하여 결합화(binderize)하였다. 이어서, 2층 구조를 가진 다이-프레싱된 LSTM/YST 분말을 공기 중에서 1시간 동안 1350℃에서 무압력으로 공-소결하였다. LSTM/YST 2층 구조물을 횡단면으로 자르고, 에폭시에 고정시키고, SEM(주사 전자 현미경) 조사를 위해 연마하였다. 도 4는 제작된 LSTM/YST 2층 구조물의 SEM 결과를 보여준다. 도 4에 나타낸 바와 같이, LSTM 및 YST 물질 둘 모두는 서로 매우 잘 결합하였으며, 매우 높은 밀도를 가졌다. LSTM-YST 2층 구조물의 총 두께는 약 1.20mm였으며; LSTM 층의 두께는 약 0.72mm이고, YST 층의 두께는 약 0.48mm였다. LSTM 층 및 YST 층의 상대 밀도는 각각 약 98% 및 약 94%였다.
균등물
본 발명이 그의 예시적인 실시 형태를 참조하여 상세히 보여주고 기재되어 있지만, 첨부되는 특허청구범위에 의해 포함되는 본 발명의 범주를 벗어남 없이, 형태 및 세부사항에 있어서의 다양한 변화가 본 발명에 행해질 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (34)

  1. a) 복수의 하위 전지
    [이때, 각각의 하위 전지는
    i) 산소 기체의 공급원과 유체 소통(fluid communication)하는 제1 전극,
    ii) 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및
    iii) 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함함]; 및
    b) 하위 전지들 사이에 있는 상호접속체(interconnect)
    [이때, 상호접속체는
    i) 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb
    (여기서,
    x는 0 이상 0.6 이하이고,
    y는 0.2 이상 0.8 이하이고,
    b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉된 제1 층, 및
    ii) 실험식 Sr(1-1.5z-0.5k±δ)YzNbkTi(1-k)Od
    (여기서,
    k 및 z 각각은 독립적으로 0 이상 0.2 이하이고,
    d는 2.5 이상 3.5 이하이고,
    δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉된 제2 층을 포함함]
    를 포함하는 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서, 상호접속체는 사실상 평면인 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서, 상호접속체의 두께는 5μm 내지 1,000μm의 범위인 연료 전지.
  4. a) 복수의 하위 전지
    [이때, 각각의 하위 전지는
    i) 산소 기체의 공급원과 유체 소통하는 제1 전극,
    ii) 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및
    iii) 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함함]; 및
    b) 두께가 10μm 내지 100μm이고, 하위 전지들 사이에 있는 상호접속체
    [이때, 상호접속체는
    i) 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb
    (여기서,
    x는 0 이상 0.6 이하이고,
    y는 0.2 이상 0.8 이하이고,
    b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉된 제1 층, 및
    ii) 실험식 Sr(1-z±δ)LazTiOd
    (여기서,
    z는 0 이상 0.4 이하이고,
    d는 2.5 이상 3.5 이하이고,
    δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉된 제2 층을 포함함]
    를 포함하는 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서, 상호접속체는 사실상 평면인 연료 전지.
  6. 복수의 하위 전지를 포함하는 연료 전지의 형성 방법으로서, 하위 전지 각각을 상호접속체와 접속시키는 단계를 포함하며, 여기서,
    각각의 하위 전지는
    i) 산소 기체의 공급원과 유체 소통하는 제1 전극,
    ii) 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및
    iii) 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함하고,
    상호접속체는
    i) 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb
    (여기서,
    x는 0 이상 0.6 이하이고,
    y는 0.2 이상 0.8 이하이고,
    b는 2.4 이상 3.3 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉된 제1 층, 및
    ii) 실험식 Sr(1-1.5z-0.5k±δ)YzNbkTi(1-k)Od
    (여기서,
    k 및 z 각각은 독립적으로 0 이상 0.2 이하이고,
    d는 2.5 이상 3.5 이하이고,
    δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (Nb,Y)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉된 제2 층을 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및 상호접속체를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과는 독립적으로 형성되는 방법.
  9. 제7항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과 함께 형성되는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 복수의 하위 전지의 제1 하위 전지의 제1 전극은 상호접속체의 제1 및 제2 층과 함께 형성되고, 제1 전극, 제1 층 및 제2층의 형성은
    i) 상호접속체의 제2 층 재료를 제1 하위 전지의 제2 전극 위에 배치시키는 단계;
    ii) 상호접속체의 제1 층 재료를 제2 층 재료 위에 배치시키는 단계;
    iii) 제2 하위 전지의 제1 전극 재료를 상호접속체의 제1 층 위에 배치시키는 단계; 및
    iv) 상호접속체의 제1 층 및 제2 층 재료가 각각 상호접속체의 제1 및 제2 층을 형성하도록, 그리고 제1 전극 재료가 제1 전극을 형성하도록 재료들을 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 복수의 하위 전지를 포함하는 연료 전지의 형성 방법으로서, 하위 전지 각각을, 두께가 10μm 내지 100μm인 상호접속체와 접속시키는 단계를 포함하며, 여기서,
    각각의 하위 전지는
    i) 산소 기체의 공급원과 유체 소통하는 제1 전극,
    ii) 연료 기체의 공급원과 유체 소통하는 제2 전극, 및
    iii) 제1 전극과 제2 전극 사이의 고체 전해질을 포함하고,
    상호접속체는
    i) 실험식 LaySr(1-y)Ti(1-x)MnxOb
    (여기서,
    x는 0 이상 0.6 이하이고,
    y는 0.2 이상 0.8 이하이고,
    b는 2.5 이상 3.5 이하임)로 표시되는 (La,Mn)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제1 전극과 접촉된 제1 층, 및
    ii) 실험식 Sr(1-z±δ)LazTiOd
    (여기서,
    z는 0 이상 0.4 이하이고,
    d는 2.5 이상 3.5 이하이고,
    δ는 0 이상 0.05 이하임)로 표시되는 (La)Sr-티타네이트 기재 페로브스카이트를 포함하며, 각각의 하위 전지의 제2 전극과 접촉된 제2 층을 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나를 형성하는 단계, 및 상호접속체를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과는 독립적으로 형성되는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 각각의 하위 전지의 전극들 중 적어도 하나는 상호접속체의 형성과 함께 형성되는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 복수의 하위 전지의 제1 하위 전지의 제1 전극은 상호접속체의 제1 및 제2 층과 함께 형성되고, 제1 전극, 제1 층 및 제2층의 형성은
    i) 상호접속체의 제2 층 재료를 제1 하위 전지의 제2 전극 위에 배치시키는 단계;
    ii) 상호접속체의 제1 층 재료를 제2 층 재료 위에 배치시키는 단계;
    iii) 제2 하위 전지의 제1 전극 재료를 상호접속체의 제1 층 위에 배치시키는 단계; 및
    iv) 상호접속체의 제1 층 및 제2 층 재료가 각각 상호접속체의 제1 및 제2 층을 형성하도록, 그리고 제1 전극 재료가 제1 전극을 형성하도록 재료들을 가열하는 단계를 포함하는 방법.

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