KR101512633B1

KR101512633B1 - 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 밀봉 신축성 링크, 그러한 링크의 제조 방법, 및 그러한 방법의 고온 전해조와 연료 전지 밀봉에의 응용

Info

Publication number: KR101512633B1
Application number: KR1020107013980A
Authority: KR
Inventors: 마갈리 레이띠에르; 필리프 부시
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
Priority date: 2007-12-24
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2015-04-16
Also published as: ES2366465T3; EP2231901B1; KR20100099206A; CA2710429A1; US20100266931A1; FR2925487B1; WO2009083539A1; US8424878B2; ZA201004049B; DK2231901T3; EP2231901A1; JP5475682B2; ATE509142T1; JP2011508825A; FR2925487A1

Abstract

본 발명은, 세라믹 기판(2)이 백-테이퍼 그루브(20)를 포함하는, 서로 분리된 금속 기판(3)과 세라믹 기판(2) 사이의 밀봉 신축성 링크(5)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 링크는, 금속 기판에 연결된 아코디언(300) 및 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 말단부(301)를 포함하는 금속 부분(30), 및 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가지며, 백-테이퍼 그루브 내에 수용된 금속 부분의 말단부에 부착된 실런트(sealant; 50)를 포함하고, 금속 부분은, 백-테이퍼 그루브의 반경 방향을 따르는 그루브 내에서, 그리고 금속 기판과 분리 방향을 따르는 세라믹 기판 사이의 분리 공간 내에서 탄성적으로 변형가능하고, 실런트는 백-테이퍼 그루브(20)의 기울어진 측벽들(200)의 높이 중 일부분과 직접 접촉한다.

Description

금속 기판과 세라믹 기판 사이의 밀봉 신축성 링크, 그러한 링크의 제조 방법, 및 그러한 방법의 고온 전해조와 연료 전지 밀봉에의 응용{Sealed flexible link between a metal substrate and a ceramic substrate, method of producing such a link, and application of the method to sealing high-temperature electrolyzers and fuel cells}

본 발명은 일반적으로 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 밀봉 신축성 링크의 제조에 관한 것이다.

본 발명은 구체적으로 금속 연결자와, 전기화학 전지라고도 불리우는 전기분해 전지의 세라믹 지지부 사이의 밀봉에 관한 것이다.

본 발명은 일반적으로 고온에서 동작하는 세라믹-금속 링크에 적용된다.

본 발명은 바람직하게는 수소 생성에 사용되는 고온 스팀 전해조(high temperature steam electrolyzers; 이하, 'HTE'라 한다)에 적용된다.

본 발명은 또한 고온에서 동작하는 연료 전지(고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell); 이하, 'SOFC'라 한다)에 적용될 수 있다.

HTE는 600℃ 내지 1000℃에서 물을 전기분해함으로써 수소를 생성하기 위한 전기화학 시스템이다. HTE는 가장 유망한 수소 생성 방법들 중 하나이다.

그러므로, 출원인은 온실 가스를 생성하지 않는 열원들, 특히 핵, 지열 또는 태양열과 관련된 전해조의 신속한 제조를 연구해 왔다.

경쟁력 있는 제조 비용에 도달하기 위한 옵션들 중 하나는 물을 증기 상태와 고온에서 전기분해하는 것이다. 이러한 기술을 위하여, 시간에 따른 가스 관리와 밀봉 유지는 주요 장애들 중의 하나이다.

실제로, 위에서 고려되는 온도에 대하여, 3층 세라믹 적층 구조로 이루어진 전기화학 전지가 사용되고, 이러한 전기 화학 전지의 단점은 취성(brittleness)이다. 취성은 적용가능한 힘을 제한한다. 게다가, 전해 물질이 저온에서 낮은 이온 도전 특성을 가지기 때문에, 저항손을 줄이기 위하여 동작 온도를 700℃보다 높게 상승시키는 것이 필요하다. 이것은 금속 물질, 특히 양극판 및 조인트(joint)의 강도에 악영향을 미친다. 양극판에 대하여 고온으로 인한 주요 단점이 산화라고 한다면, 조인트의 기계 강도 악화는 이보다 더 심각한 문제가 된다.

적층 구조로서 2가지가 존재하는데, 하나는 소위 튜브 구조이며 다른 하나는 평판 구조이다.

튜브 구조는 튜브 바닥 자체가 밀봉을 이룸으로써, 더욱 간단하게 밀봉할 수 있다. 그러나, 튜브 구조는 전류 라인의 길이로 인한 높은 저항손을 생성하는 단점을 가지고 있다.

평판 구조는 높은 전력에 대하여 더 많은 전망을 보인다. 2개의 연결자들 사이의 3층 세라믹 적층 구조는 평판형이지만, 밀봉의 문제점은 튜브 구조의 경우보다 더욱 중요하다. 그 다음에, 각각의 칸 사이, 즉 애노드 연결자(anode interconnector)와 애노드를 포함하는 전지 부분 사이 및 캐소드 연결자(cathode interconncetor)와 캐소드를 포함하는 전지 부분 사이 각각에 대한 밀봉을 확실히 하는 것이 필요하다. 밀봉을 확실히 함으로써, 형성된 수소와 산소 사이의 재결합을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 실제 시스템(전기분해 전지와 애노드 연결자와 캐소드 연결자)과 외부 매체 사이의 재결합 발생도 방지할 수 있다. 이러한 밀봉을 하는 것과 관련된 주요 문제점은, 이러한 밀봉이 금속 물질과 세라믹 물질 사이의 온도를 견뎌야한다는 사실에 있다. 이러한 세라믹 물질은 낮은 열팽창계수(대략 10×10^-6/℃)를 가지며, 취성이 있다. 형성될 밀봉 링크는 전지를 보호하도록 적용되어야 하고, 팽창 차이를 극복하기 위해 충분히 신축성이 있어야 하며, 고온에서 장시간 밀봉을 유지하기 위해 좋은 크리프 강도(creep resistance)를 가져야 한다.

오늘날, 이러한 시스템의 밀봉을 위한 표준 해결책은 유리를 기반으로 한다.

그러나, 현 상태의 개별단계에서, 이러한 유형의 조인트는 여러가지 단점들을 가지고 있다. 이러한 조인트는 유리 전이 온도 미만의 온도에서 잘 부러지고, 특히 팽창 차이로 인하여 응력을 받는 경우 깨지기 쉽다. 이것은 <<재료과학 학회지(Journal of Materials Science) 42 (2007); 3465쪽 - 3476쪽>>에 공개된 폴 에이. 레싱(Paul A. Lessing)의 논문에 의해 확인되었다.

유리는 또한 적층 구조의 구성요소들 사이의 단단한 링크를 생성하고, 열 전이 동안의 응력을 생성한다. 게다가, 밀봉이 유리를 기반으로 행해질 때, 구성요소들의 해체는 전지를 변화시키지 않으면 어렵거나 불가능하다. 게다가, 유리가 중력에 민감하기 때문에, 수직 또는 "천장" 조인트들이 부러지기 쉽다. 유리는 천천히 흐르고, 어셈블리의 수명을 감소시키며, 수개의 바(bar)들의 통상적인 압력들을 견디지 못할 수 있다. 이러한 압력들은 HTE에 대하여 장시간의 산업상 이용에 고려되어야 한다. 마지막으로, 유리는 전지 및 연결자의 다른 구성요소들과 항상 화학적 호환성을 가지는 것은 아니고, 조인트면들(joint facings)의 상당한 부식을 일으킬 수 있다.

이러한 단점들로 인하여, 특히 위에서 언급한 폴 에이. 레싱의 논문에서 언급된 선택적인 밀봉 해결책들에 대한 연구가 행해졌다.

다른 해결책들은 세라믹에 연결자의 금속을 납땜하는 것으로 이루어진다. 세라믹과 연결자의 금속 사이의 열팽창 차이뿐만 아니라 세라믹과 연결자의 금속 사이의 습윤현상이 이러한 작업을 여러가지 면에서 어렵게 한다. 실제로, 경납땜(brazing solder)의 고형화 이후의 냉각이 세라믹의 파괴를 자주 가져온다.

마지막으로, 운모 또는 금속을 기반으로 한 다른 압축 조인트들이 제안된다: 이러한 조인트들은, 가열 동안 전지가 파괴되지 않게 효과적으로 밀봉하기 위해 외부 조임(exterior tightening)을 제어하고 유지하는 것이 필요하다.

따라서, 이상에서 언급된 종래기술에서, 시간에 따른 금속 조인트의 변형과 기계적 강도 사이에서 발견되는, 밀봉을 이루기 위한 절충안이 고려된다. 특히, 밀봉 기능을 충족시키기 위해 탄성 물질과 가소성 물질을 조합하는 것뿐만 아니라, 구조면에서 조인트의 신축성을 찾는 것이 언급된다. 이러한 상황에서, 현재, SOFC 및/또는 HTE에서 적용가능한 금속 조인트들에 대하여 제안된 연구 결과들은 거의 없다.

본 발명의 목적은, 밀봉이 700℃가 넘는 고온에서 효과적으로 확보되고 HTE 및/또는 SOFC에서 적용가능한, 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 새로운 유형의 링크를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 밀봉 신축성 링크에 의해 서로 분리된, 백-테이퍼 그루브(back-tapered groove)를 포함하는 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면, 링크는:

금속 기판에 연결된 아코디언 및 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 말단부를 포함하는 금속 부분, 및

상기 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가지며, 백-테이퍼 그루브 내에 수용된 금속 부분의 말단부에 부착된 금속 조인트를 포함하고,

상기 금속 부분은, 백-테이퍼 그루브 내에서 백-테이퍼 그루브의 반경 방향을 따라, 그리고 상기 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 분리 공간 내에서 분리 방향을 따라 탄성적으로 변형가능하고,

금속 조인트(metal joint)는 상기 백-테이퍼 그루브의 기울어진 측벽들(tilted sidewalls)의 높이 중 일부분과 직접 접촉하는 것을 특징으로 한다.

위에서 언급된 '부착'은, 본 발명의 범위에서는, 변형가능한 금속 요소와의 부착을 의미하고, 세라믹 기판과의 부착을 의미하지는 않는다. 본 발명에 따른 접착제는, 은과 같은 금속에 의해 형성되는 경우 경납땜이다.

바람직하게는, 700℃가 넘는 경우, 조인트는 백-테이퍼 그루브의 기울어진 측벽들의 높이 중 일부분과 밀착되게 끼워맞춰진다. 따라서, 접착제가 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가진 은과 같은 경납땜인 경우, 경납땜은 가소변형되는 동안 체적이 증가하고, 백-테이퍼 그루브의 측벽에 밀착되게 될 것이다. 그러므로, 연결 링크가 전해조(HTE)와 고온 연료 전지(SOFC)에서 사용되는 경우, 효율적인 밀봉이 확실하게 이루어질 것이다.

바람직한 실시형태에서, 금속 부분과 금속 기판은 일체로 형성된다. 금속 기판의 금속은 페라이트 스틸(ferritic steel) 또는 니켈-기반 합금(nickel-based alloy)을 포함할 수 있다.

또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 세라믹 요소의 그루브 내에 수용된 금속 요소의 말단부는 후크(hook)의 모양을 가지며, 후크의 내부는 그루브의 반경 방향을 따라 탄성적으로 변형가능하도록 금속 조인트 재료가 없다.

또 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 금속 부분은 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 말단부과 다른 아코디언 접힘부(accordion folding portion)를 포함하고, 아코디언 접힘부는 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 분리 방향을 따라 탄성적으로 변형가능하다.

세라믹 기판은 지르코니아(zirconia), 바람직하게는 산화이트륨 지르코니아(yttriated zirconia)로 형성될 수 있다.

백-테이퍼 그루브는 도브테일(dovetail)의 형태 또는 물방울의 형태의 반경 방향 단면을 가질 수 있다.

조인트 형성 부재는 바람직하게는 경납땜이다.

본 발명은 또한 앞에서 기술된 적어도 하나의 밀봉 신축성 링크를 포함하는 고온 전해조(HTE; high temperature electrolyzer)로서, 금속 기판은 음극 연결자를 형성하고, 세라믹 기판은 전기분해 전지 지지부를 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 전해조에 관한 것이다.

바람직한 일 실시형태에 따르면, HTE는 앞에서 기술된 적어도 2개의 밀봉 신축성 링크들을 포함하고, 2개의 금속 기판들 중 하나는 캐소드 연결자를 형성하고, 2개의 금속 기판들 중 다른 하나는 애노드 연결자를 형성하며, 단일 세라믹 기판은 단일 전기분해 전지의 지지부를 형성함으로써 캐소드 연결자와 애노드 연결자에 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시형태에 따르면, 세라믹 기판(들), 금속 요소(들), 백-테이퍼 그루브(들) 및 조인트 형성 부재(들) 각각은 고리 모양을 가지며, 밀봉 신축성 링크는 고리 모양들을 따라 연속적으로 형성된다. 이러한 실시형태는 HTE들을 웨이퍼의 형태로 설계하려할 때 시도된다.

HTE의 동작 동안 밀봉 상태가 저하되는 것을 방지하기 위해, 조인트는 고온 전해조의 동작 온도보다 적어도 50℃만큼 더 큰 녹는점을 가진다.

본 발명은, 또한 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 밀봉 신축성 링크 제조 방법으로서,

세라믹 기판 내에 백-테이퍼 그루브를 제조하는 a 단계;

반경 방향으로 탄성변형할 수 있는 말단 및 길이 방향으로 탄성변형할 수 있는 또 다른 부분을 가지는 금속 부분을 금속 기판에 연결하는 b 단계;

백-테이퍼 그루브 중 일부분을, 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가진 금속 부재로 채우는 c 단계;

반경 방향으로 탄성변형할 수 있는 말단을 그루브 내에 삽입하고,

금속 부재를 액체 상태가 될 때까지 가열하는 d 단계;

금속 부재를, 고형화와 접합을 일으키는 온도까지 냉각시키는 e 단계;

금속 부분을 중간 탄성 변형 상태로 만들기 위해, 금속 부재가 백-테이퍼 그루브의 기울어진 측벽들의 높이 중 일부분과 직접 접촉하게 끼워맞춰질 때까지 금속 기판과 세라믹 기판을 상대이동시켜 분리하는 f 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법에 관한 것이다.

바람직하게는, f 단계 이후에, 조인트 형성 부재가 백-테이퍼 그루브의 기울어진 측벽들의 높이 중 일부분과 밀착되게 끼워맞춰지도록, 700℃가 넘는 온도까지 가열하는 단계가 적어도 한번 수행된다. 그러므로, 본 발명이 구현하고자 하는 밀착은 HTE 또는 연료 전지 SOFC의 온도 상승 동안 직접 얻어질 수 있다.

부재는 바람직하게는 경납땜, 더욱 바람직하게는 은이다.

본 밀봉 신축성 링크 제조 방법의 특징에 따르면, f 단계가 수행되는 온도는 대략 상온이다.

마지막으로, 본 발명은, 이상에서 기술된 링크를 포함하는 고온 작동 연료 전지(SOFC; fuel cell operating at high temperature)에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 밀봉이 700℃가 넘는 고온에서 효과적으로 확보되고 HTE 및/또는 SOFC에서 적용가능한, 금속 기판과 세라믹 기판 사이의 밀봉 신축성 링크가 제공된다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 다음의 도면들과 관련하여 기술된 구체적인 내용을 읽으면 더욱 잘 이해될 것이다:
도 1은 고온 전해조 내에서 실시되는 본 발명에 따른 링크의 개략 부분 단면도이고,
도 1a는 사용되는 전기분해 전지의 구조를 개략적으로 도시하는 도 1의 세부도이며,
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 따른 링크를 제조하기 위한 여러 단계들을 도시하는 부분 단면도들로서의 개략도들이다.

제안된 밀봉 해결책은 도 1 내지 2d에 개략적으로 도시된, 고온 전해조의 링크에 의해 이루어진다.

고온 전해조는, 세라믹 기판(2)에 의해 지지되고, 본 발명에서 캐소드 연결자를 형성하는 금속 기판(3)과 애노드 연결자(4) 사이에 끼워넣어진 전기분해 전지(1), 및 본 발명에 따른 밀봉 링크(5)를 포함한다.

도시된 전기분해 전지(1)는, 전지 홀더를 형성하는 세라믹 기판(2)에 의해 직접 지지되고, 애노드(11)와 캐소드(12) 사이에 끼워넣어진 전해액(10)을 포함한다(도 1a).

이러한 밀봉 링크(5)는, 캐소드 연결자의 금속 부분(30)에 납땜된, 강한 열팽창 계수를 가진 연질의 금속 조인트(50, 경납땜에 의해 형성될 수 있다)를, 밀착을 증진시키는 세라믹으로 된 지지용 세라믹 기판(2) 내에 형성된 백-테이퍼 그루브(20) 내에 열박음(shrink fitting)함으로써 형성된 기계적 어셈블리를 포함한다. 한편, 세라믹 전지 홀더가 열박음을 형성하는 동안, 캐소드 연결자의 금속 부분(30)에 납땜된 금속 조인트에 의해 형성된 서브-어셈블리는 열박음 요소를 형성한다.

본 발명에 따른 금속 조인트(50)는, 연결자(3)의 금속에 인접하고, 세라믹 기판(2)과 반응하지 않거나 반응하더라도 매우 적게 반응하는, 즉 세라믹 기판(2)에 경납땜의 확실한 부착이 이루어지지 않는 경납땜에 의해 형성된다.

경납땜을 형성하는 금속은 세라믹 기판(2) 내에 형성된 백-테이퍼 그루브(20)를 충전한다. 캐소드 연결자(3)의 금속 부분(30)은 세라믹 기판(2)의 백-테이퍼 그루브(20) 내에 수용된 말단부(301)를 이용하여 위치된다(도 2a). 삽입 깊이는, 경납땜이 액화될 때 말단부(301)의 내부로 스며들지 않도록 계산된다. 그 다음에, 어셈블리의 온도는 부재가 녹을 때(예를 들어, 은의 경우 1,050℃)까지 증가한다.

뒤에 언급되는 것처럼, 본 발명에 따르면, 연결자(3)의 금속 부분(30)은, 그루브(20) 내에 수용된 자유 말단부(301)의 반경 방향(R), 및 세라믹 기판(2)과 캐소드 연결자(3)의 연결 부분 사이의 분리 방향을 따르는 직선부의 길이 방향(X)을 따라 탄성적으로 변형가능하다. 반경 방향(R)은 베이스(base)에 평행한 그루브 단면을 따라 연장하는 방향이다. 길이 방향(X)은 베이스에 수직인 그루브 단면을 따라 연장하는 방향이다.

캐소드 연결자(3)가 위치되면, 냉각은 경납땜이 고형화될 때까지 수행되고, 경납땜의 부착을 일으킨다(도 2b). 냉각시의 고형화 및 부착은 금속 조인트(50)의 경납땜과 그루브(20) 사이의 움직임을 일으킨다.

다음으로, 경납땜이 냉각되고 부착된 이후에, 20℃에서의, HTE를 형성하는 부분들 전체의 어셈블리에서의 위치는, 캐소드 연결자(3)가 (도 2b의 거리(l)로부터 도 2c의 거리(L)까지) 상승할 수 있게 함으로써, 금속 조인트(50)가, 세라믹 기판(2)의 도브테일(dovetail)의 형태를 가진 그루브(20)의 기울어진 측벽(200)의 높이 중 일부분과 접촉할 수 있게 한다(도 2c). 연결자(3) 및 경납땜 어셈블리를 그루브(20)의 상부로 이동시킴으로써, 경납땜은 기울어진 측벽(200)에 접촉하게 된다. 본 발명에 따르면, 연결자(3)와 전지(1) 사이에 배열된 신축 수단(도시되지 않음)은 수직 상방이동에도 불구하고 전기적 접촉을 확보할 수 있다. 이러한 수직 상방이동에 의해, 연결자(3)의 금속 부분(30)은, 금속 조인트(50)가 고온에서 동작할 때 회전하거나 변형될 수 있도록 중간 변형 상태로 탄성적으로 변형된다.

HTE의 동작 온도까지 가열함으로써, 금속 경납땜이 세라믹 기판(2)의 세라믹 보다 더 크게 팽창한다. 이것은, 금속 부분(30)에 납땜된 경납땜이 세라믹 기판(2)의 도브테일(dovetail) 형태 그루브(20)에 밀착되게 끼워맞춰지도록 한다. 본 발명에 따르면, 밀봉을 이루기 위해 크기와 재료를 적절히 선택함으로써 이러한 경납땜의 가소화가 이루어진다(도 2d). 동작 온도가 상승하는 동안, 경납땜은 크게 팽창함으로써, 밀봉을 이루도록 그루브(20)에 밀착하고 필요한만큼 가소화된다.

연결자(3)의 금속 부분(30)은 2개의 신축가능 영역들, 반경 방향의 신축성을 제공하며 세라믹 기판(2)이 너무 응력을 받는 것을 방지하는 말단부(301) 후크, 및 경납땜의 변형 또는 열순환의 경우에 기울어진 측벽(200)에 접촉하는 것을 보증하는 수직 신축성을 제공하는 부분적으로 수직인 아코디언(300)을 가진다.

제안된 해결책의 장점은, 프레스 피팅(press fitting)이라 불리우는 열박음에 의해 연결자(3)와 세라믹 기판(2) 사이의 연질 금속의 압축에 의해 밀봉을 이루는 것이다. 그루브(20)와 그루브의 내용물 사이의 팽창 차이는 나사 또는 다른 수단에 의한 외부 작용이 없어도 밀봉에 필요한 밀착을 얻기 위해 사용된다.

상대적으로 두꺼운 세라믹 기판(2)을 이용하면, 실제 전기분해 전지(1)보다 더욱 큰 밀착을 행할 수 있는 것이 가능하다. 그루브(20) 및 금속 부분(30)의 경납땜의 경사진 외형은 실온에서 운송을 위한 어셈블리로의 기계적 강도를 제공하고, 밀봉에 필요한 밀착이 고온에서 얻어진다.

전지(1)와 세라믹 기판(2) 사이의 결합은, 또 다른 경납땜 또는 공지된 유리 기반 밀봉에 의해 고온 전해조 또는 고온 연료 전지의 실시 범위에서 달성된다. 캐소드 연결자(3)와 애노드 연결자(4)와 전지(1) 사이의 상호 지지부는 신축 수단(도시되지 않음)에 의해 달성된다. 이러한 결합 지지 링크 및 상호 지지 링크는 당업자에게 공지된 기술들에 따라 행해질 수 있다.

제안된 해결책에서, 캐소드 연결자(3)의 금속 부분(30)과 세라믹 기판(2) 사이의 연질 경납땜을 가소화함으로써 밀봉이 이루어진다. 이러한 경납땜을 가소화하는 데에 필요한 힘들은 구성요소들 사이의 팽창 차이에 의해 가열 동안 얻어지고, 세라믹 기판(2)의 구조 및 연결자(3)의 금속 부분(30)의 구조는 이러한 응력 및 시간에 따른 유지를 증진시킨다.

도시된 실시형태에 따르면, 전지 홀더는 산화이트륨 지르코니아로 이루어진 덩어리 부재이다. (은 경납땜의 경우) 1,050℃의 온도를 견딜 수 있는 전기 절연 물질이 사용될 수 있다. 세라믹 기판(2)을 이용하면, 전지(1)의 전해액은 (동일 물질이기 때문에) 가열시에 응력 없이 지지부에 고정될 수 있고, 작은 두께 때문에 전지(1)에 대하여 성취하기 힘든 해결책인 밀리미터 단위의 밀봉 해결책이 이루어질 수 있다. 마지막으로, 본 발명에 따라 제공되는 세라믹 기판(2)을 이용하면, 전지(1)만 있을 때 고려될 수 있는 밀착력보다 더 큰 밀착력을 생성할 수 있고, 이에 따라 본 발명에서 원하는 밀봉을 얻기 위해 금속 조인트(50)가 가소화되고 밀착될 수 있다.

백-테이퍼 그루브(20)의 모양은, 고속 프로토타이핑(rapid prototyping), 또는 이러한 특정 모양이 형성되고 소결될 수 있는 다른 방법에 의해 이루어질 수 있다. 도시된 바와 같이, 도브테일을 이용하면, 그루브와 그루브의 내용물 사이의 팽창 차이에 의한 밀착을 얻을 수 있고, 열 순환의 경우 이러한 밀착을 보증할 수 있다. 각각의 순환에서의 접촉은, 각각의 순환에서 경납땜이 가소화되고 밀봉이 가열시에 보존될 수 있는 서로 다른 포인트에서 이루어진다.

도시된 실시형태에 따르면, 캐소드 연결자(3)의 재료는 SOFC 분위기에서 내식성으로 유명하며 상업적으로 크로퍼 22APU로 지칭되는 22%의 크롬을 가진 페라이트 스틸이다. 니켈을 기반으로 한 다른 스테인리스 스틸 또는 합금이 또한 고려될 수 있다. 이러한 다른 고려 물질들의 팽창 계수들이 세라믹 기판(2)의 팽창 계수와 많이 다르기 때문에, 캐소드 연결자(3)의 두께는, 냉각시 세라믹 기판(2)에 너무 많이 응력을 주지 않도록 충분히 작다.

앞서 언급된 것처럼, 본 발명에 따라 금속 부분(30)으로서 고려되는 금속 요소는, 도시된 실시형태에 따라서 말단부(301)의 후크와 아코디언(300)에 의해 탄성적으로 변형가능하다. 이렇게 제공된 탄성 변형은, 경납땜이 변형되는 경우 밀봉을 유지하는 데에 필요한 탄성 에너지가 저장될 수 있게 한다. 이것은, 반경 방향(R)과 축방향(X) 모두에서 경납땜과 그루브(20)의 기울어진 측벽(200) 사이의 접촉력이 유지될 수 있게 한다. 게다가, 이러한 신축 요소들(300, 301)을 이용하면, 세라믹 기판(2)은, 고온 전해조의 동작 온도에서 경납땜의 강한 온도 팽창 동안 너무 많은 응력을 받지 않을 수 있다.

도시된 실시형태의 금속 조인트(50)는 은의 강한 팽창 계수를 가진 연질 경납땜으로 이루어져 있다. 녹는점이 800℃가 넘고 전지 홀더의 재료와 반응하지 않는 다른 금속 합금이 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다. 경납땜에 대하여 고려되는 물질에 상관없이, 경납땜은 연결자(3)의 금속 부분(30)의 금속에 완전히 부착되어야 하고, 도시된 실시형태의 산화이트륨 지르코니아와 같은 그루브(20)의 재료와 반응하지 않는다. 실제로, 제안된 해결책은 세라믹에 경납땜을 부착하지 않고, 본 발명의 범위 내에서 원하는 밀착을 증가시키기 위해 그루브(20)의 수렴 측벽을 따르는 금속 조인트(50)의 미끄러짐을 필요로 하지 않는다. 경납땜 및 녹는점의 선택은 형성된 밀봉 링크에 대한 목표 동작 온도에 의존한다.

그러나, 다른 개량례들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 고려될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 링크는, 캐소드 구획을 밀봉하고 HTE에서 생성된 수소를 잃지 않기 위한 도면들을 참조하여 기술되었다. 링크는, 전지 홀더 내에 대칭 그루브를 형성하고 애노드 측에 형성됨으로써, 산소 측에 밀봉을 이룬다. 도시된 링크(5)는 일반적인 고리 모양의 HTE 내에 있고, 크기는 대략 R1 = 60mm, R2 = 70mm 및 H = 10mm 이다. 동일한 크기를 가진 직사각형 또는 다른 모양의 연결 링크를 제조하는 것이 가능하다.

Claims

밀봉 신축성 링크(5)와 조립된, 백-테이퍼 그루브(20)를 가지는 금속 기판(3)과 세라믹 기판(2)의 조립부로서,
상기 밀봉 신축성 링크(5)는:
상기 금속 기판에 연결된 아코디언(300) 및 상기 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 말단부(301)를 포함하는 금속 부분(30), 및
상기 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가지며, 상기 백-테이퍼 그루브 내에 수용된 금속 부분의 말단부에 부착된 금속 조인트(50)를 포함하고,
상기 금속 부분은, 상기 백-테이퍼 그루브 내에서 상기 백-테이퍼 그루브의 반경 방향(R)을 따라, 그리고 상기 금속 기판과 상기 세라믹 기판 사이의 분리 공간 내에서 분리 방향(X)을 따라 탄성적으로 변형가능하고,
상기 금속 조인트는 상기 그루브(20)의 기울어진 측벽들(200)의 높이 중 일부분과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 700℃를 넘는 온도에서, 상기 금속 조인트는 상기 그루브의 기울어진 측벽들(200)의 높이 중 일부분에 대하여 밀착되게 끼워맞추어지는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 부분 및 상기 금속 기판은 일체로 되어 있는 부품을 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 금속 부분의 말단부(301)는 후크의 모양을 가지며, 상기 후크의 내부는 상기 그루브의 반경 방향을 따라 탄성적으로 변형가능하도록, 금속 조인트 재료가 없는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 부분은 상기 세라믹 기판의 그루브 내에 수용된 말단부와 다른 아코디언(300) 접힘부를 포함하고, 상기 아코디언(300) 접힘부는 상기 금속 기판과 상기 세라믹 기판 사이의 분리 방향을 따라 탄성적으로 변형가능한 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 기판의 금속은 페라이트 스틸 또는 니켈-기반 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 세라믹 기판은 지르코니아, 또는 산화이트륨 지르코니아로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 백-테이퍼 그루브(20)는 도브테일(dovetail)의 형태 또는 물방울의 형태의 반경 방향 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항에 있어서, 상기 금속 조인트(50)는 경납땜으로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 기판과 세라믹 기판의 조립부.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 장치를 포함하는 고온 전해조로서,
상기 금속 기판(3)은 음극 연결자를 형성하고, 상기 세라믹 기판(2)은 전기분해 전지 지지부(1, 10)를 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 장치 및,
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 제 2 장치 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고온 전해조로서,
상기 제 1 장치와 제 2 장치의 2개의 금속 기판들 중 하나는 캐소드 연결자를 형성하고, 상기 제 1 장치와 제 2 장치의 2개의 금속 기판들 중 다른 하나는 애노드 연결자를 형성하며, 단일 세라믹 기판은 단일 전기분해 전지의 지지부를 형성함으로써 상기 캐소드 연결자와 상기 애노드 연결자에 연결되는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
제10항에 있어서, 상기 세라믹 기판(들), 상기 금속 부분(들), 백-테이퍼 그루브(들) 및 상기 금속 조인트(들) 각각은 고리 모양을 가지며, 상기 밀봉 신축성 링크는 상기 고리 모양들을 따라 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
제 10 항에 있어서, 상기 금속 조인트는 상기 고온 전해조의 동작 온도보다 적어도 50℃ 더 큰 녹는점을 가지는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
제 11 항에 있어서, 상기 세라믹 기판(들), 상기 금속 부분(들), 백-테이퍼 그루브(들) 및 상기 금속 조인트(들) 각각은 고리 모양을 가지며, 상기 밀봉 신축성 링크는 상기 고리 모양들을 따라 연속적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
제 11 항에 있어서, 상기 금속 조인트는 상기 고온 전해조의 동작 온도보다 적어도 50℃ 더 큰 녹는점을 가지는 것을 특징으로 하는 고온 전해조.
금속 기판(3)과 세라믹 기판(2) 사이에 배치된 밀봉 신축성 링크(5)가 있는 상기 금속 기판(3)과 세라믹 기판(2) 조립부의 제조 방법으로서,
(a) 상기 세라믹 기판(2) 내에 백-테이퍼 그루브(20)를 제조하는 단계;
(b) 반경 방향으로 탄성변형할 수 있는 말단부(301) 및 길이 방향으로 탄성변형할 수 있는 또 다른 부분을 가지는 금속 부분(30)을 상기 금속 기판에 연결하는 단계;
(c) 상기 백-테이퍼 그루브 중 일부분을, 상기 세라믹 기판의 열팽창계수보다 더 큰 열팽창계수를 가진 금속 부재로 채우는 단계;
(d) 반경 방향(R)으로 탄성변형할 수 있는 말단부(301)를 상기 그루브 내에 삽입하고,
상기 말단부가 상기 반경 방향으로 변형가능한 상태로 남아있도록, 상기 금속 부재를 액체 상태가 될 때까지 가열하는 단계;
(e) 상기 금속 부재를, 고형화와 접합을 일으키는 온도까지 냉각시키는 단계; 및
(f) 상기 금속 부분(30)을 중간 탄성 변형 상태로 만들기 위해, 상기 금속 부재가 상기 백-테이퍼 그루브(20)의 기울어진 측벽들(200)의 높이 중 일부분과 직접 접촉하게 끼워맞춰질 때까지 상기 금속 기판(3)과 상기 세라믹 기판(2)을 분리시키는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법.
제 16 항에 있어서, 상기 (f)단계 이후에, 상기 금속 부재가 상기 백-테이퍼 그루브(20)의 기울어진 측벽들(200)의 높이 중 일부분과 밀착되게 끼워맞춰지도록, 700℃가 넘는 온도까지 가열하는 단계가 적어도 한번 수행되는 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법.
제 16 항 또는 제17항에 있어서, 상기 금속 부재는 경납땜인 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 경납땜은 은인 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 (f)단계가 수행되는 온도는 상온인 것을 특징으로 하는, 금속 기판과 세라믹 기판 조립부의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 포함하는 고온 작동 연료 전지.