KR102167852B1 - 연료 전지 - Google Patents

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마르쿠스 쾨글
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플란제 콤포지트 마테리얼스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 금속-지지 전기화학 기능 장치를 위한 패널형 다공성 캐리어 기판(1)에 관한 것이며, 그것은 분말야금에 의해 제조되며 중심 영역(2)과 에지 영역(3)을 포함한다. 상기 중심 영역의 하나의 표면상에서는, 전기화학적-활성층들을 포함하는 층 스택이 셀을 향하는 캐리어 기판의 측에 배치될 수 있다. 에지 영역(3)의 표면 섹션(4)은 캐리어 기판의 셀을-향하는 측에 캐리어 기판 물질 용융 상을 갖고, 용융 상을 갖는 표면 섹션(4)의 아래에 놓이는 영역(5)의 적어도 일부 섹션은 위에 배치되는 용융 상을 갖는 상기 표면 섹션(4)보다 더 높은 다공성을 갖는다.

Description

연료 전지{FUEL CELL}
본 발명은, 금속-지지 전기화학 기능 장치(metal-supported electrochemical functional device)를 위한 캐리어 기판(carrier substrate), 이러한 종류의 캐리어 기판을 위한 제조 방법, 그리고 연료 전지에서 그 적용에 관한 것이다.
본 발명의 캐리어 기판을 위한 하나의 가능한 적용 분야는, 전형적으로 약 600 - 1000 ℃ 의 온도에서 작동되는, 고온 연료 전지(SOFCs; solid oxide fuel cells, 고체산화물 연료전지)이다. 기본적인 구성에 있어서, SOFC의 전기화학적 활성 셀(electrochemically active cell)은, 가스-투과성 애노드(gas-pervious anode)와 가스-투과성 캐소드(gas-pervious cathode) 사이에 배치되는, 가스-불투과성 고체 전해질(gas-impervious solid electrolyte)을 포함한다. 일반적으로, 이러한 고체 전해질은, 산소 이온의 도체이지만 전자(electron)의 도체는 아닌, 금속 산화물의 고체 세라믹 재료로부터 제조된다. 디자인 측면에서는, (플랫 셀 디자인(flat cell design)이라고도 불리는) 평면 SOFC 시스템이 현재 전 세계적으로 선호되는 셀 디자인이다. 이러한 디자인에서, 개개의 전기화학적 활성 셀들은, 스택을 형성하도록 배치되고, 인터커넥터(interconnector) 또는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 지칭되는, 금속 구성요소에 의해 결합된다. SOFC 시스템에 대해서, 다양한 실시형태들이 종래기술로부터 알려져 있으며, 이하에서 간략히 설명된다. 기술적으로 가장 앞서 있고 이미 시장 도입 단계에 있는, 제1 변형 형태에 있어서, 전해질은 기계적으로 지지하는 셀 구성요소(“전해질 지지형 셀(Electrolyte Supported Cell)”, ESC)이다. 여기에서 전해질의 층 두께는 약 100 - 150 ㎛ 로 비교적 크고, 일반적으로 산화이트륨(yttrium oxide)을 이용하여 안정화된 이산화지르코늄(YSZ) 또는 산화스칸듐(scandium oxide)을 이용하여 안정화된 이산화지르코늄(ScSZ)으로 구성된다. 전해질의 부분에서 충분한 이온 전도도를 달성하기 위해서, 이들 연료 전지는 약 850 - 1000 ℃ 의 비교적 고온에서 작동되어야 한다. 이러한 높은 작동 온도는 채용되는 재료에 엄격한 요구 조건들을 부과한다.
더 낮은 작동 온도를 달성하기 위한 노력은 결과적으로 다른 박층 시스템(thin-layer system)들의 개발로 이어졌다. 이것들은 애노드-지지형 그리고 캐소드-지지형 셀 SOFC 시스템들을 포함하며, 여기서 비교적 두꺼운 (적어도 약 200 ㎛) 기계적으로 지지하는 세라믹 애노드 또는 캐소드 기판은 얇은, 전기화학적 활성 기능 캐소드 또는 애노드 층에, 각각, 결합된다. 전해질 층은 더 이상 기계적인 지지 역할을 수행해야 할 필요가 없기 때문에, 비교적 얇게 제조될 수 있고, 작동 온도는 더 낮은 옴 저항(ohmic resistance)에 기초하여 그에 따라 감소될 수 있다.
이들 순수 세라믹 시스템들뿐만 아니라, 더 최근의 개발 세대를 통해, 금속-지지 SOFCs(“금속-지지 셀(metal-supported cells)”, MSC)로서 알려진, 금속성 캐리어 기판에 기초하는 SOFC 박층 시스템들이 출현했다. 이러한 메탈로-세라믹 복합 시스템(metallo-ceramic composite system)들은 열 및 산화환원 순환가능성(cyclability)과 기계적 안정성 면에서 순수 세라믹 박층 시스템보다 장점을 나타내고, 박층 전해질에 기초하여, 약 600 ° 내지 800 ℃ 의 더 낮은 온도에서조차 작동될 수도 있다. 특유의 장점들 때문에, 그것들은, 예를 들어, 개인 자동차 또는 유틸리티 차량(APU - auxiliary power unit, 보조 동력 장치)의 전기 공급과 같이, 특히 모바일 적용(mobile application)에 적합하다. 완전히 세라믹 SOFC 시스템과 비교하여, 메탈로-세라믹 MSC 시스템은 상당히 감소된 재료 비용에 대해, 그리고 또한, 예를 들어, 솔더링(soldering) 또는 용접(welding) 작업에 의한 것과 같이, 스택 통합(stack integration)에서 새로운 가능성들에 대해, 주목할 만하다. 예시적인 MSC는 다공성 금속 캐리어 기판(porous metallic carrier substrate)으로 구성되며, 그것의 다공성과 약 1 ㎜ 의 두께는 그것을 가스-투과성(gas-permeable)이도록 하며; 이 기판 위에는 60 - 70 ㎛ 의 두께를 갖는 세라믹 복합 구조체가 배치되며, 이것은 전해질 및 전극들을 갖춘, 실제로 전기화학적으로 활성인, 층 배치이다. 애노드는 전형적으로 캐리어 기판을 향해 있고, 층 배치의 순서에서 캐소드 보다 금속 기판에 더 가까이 있다. SOFC의 작동시, 애노드에는, 거기에서 전자의 방출과 함께 촉매반응으로(catalytically) 산화되는, 연료(예를 들어, 수소 또는, 메탄, 천연 가스, 바이오가스 등과 같은 통상의 탄화수소)가 공급된다. 전자는 연료 전지로부터 전환되고, 전기화학적 소비자(electrochemical consumer)를 통해 캐소드로 흐른다. 캐소드에서, 산화제(예를 들어, 산소 또는 공기)는 전자의 수용에 의해 환원된다. 전기 회로는, 전해질을 통해 애노드로 흐르고 해당 경계면에서 연료와 반응하는, 산소 이온에 의해 완성된다.
연료 전지의 개발에 영향을 미치는 도전적인 문제는 2개의 공정 가스 공간들 사이에서 신뢰가능한 분리 - 즉, 애노드에 공급되는 연료를 캐소드에 공급되는 산화제로부터 분리 - 이다. 이 점에 있어서, MSC는 큰 장점을 약속하는데, 왜냐하면 용접 또는 금속 솔더링 작업에 의해 장기 안정성을 갖는 밀봉(sealing) 및 스택 디자인이 저비용으로 실현될 수 있기 때문이다. 연료 전지 유닛(fuel cell unit)의 일 예시적인 변형형태는 WO 2008/138824 에서 제시된다. 이러한 연료 전지 유닛에서, 가스-투과성 기판은, 윈도형 개구부(window-like opening)를 구비하는, 비교적 복잡한 프레임 장치(frame device) 안으로 전기화학적 활성 층들과 함께 실장되고 솔더링된다. 그러나, 이러한 프레임 장치는, 그것의 복잡성 때문에, 실현하기가 매우 어렵다.
EP 1 278 259 는, 전기화학적 활성 층들을 구비하는 가스-투과성 기판이 윈도형 개구부를 구비하는 금속 프레임 내에 실장되는, 연료 전지 유닛을 개시하며, 그 안으로 연료 가스의 공급 및 제거를 위한 추가 개구들이 제공된다. 가장자리에서 가압되는 금속 기판을 이 금속 프레임 안으로 용접하고 이어서 그것을 인터커넥터로서 역할을 하는 접촉 플레이트(contact plate)에 가스-불투과성으로 연결함으로써, 가스-불투과성 가스 공간이 생성된다. 2개의 공정 가스 공간들의 신뢰가능한 분리를 위해, 가스-불투과성 전해질은 결합 이후에 용접 심(weld seam)을 통해 드로잉된다(drawn). 또 다른 개발형태는 분말 야금에 의해 제조되고 DE 10 2007 034 967 에 기술된 변형형태이며, 여기서 금속 프레임과 금속성 캐리어 기판은 일체형 구성요소(integral component)로서 구성된다. 이 경우, 금속성 캐리어 기판은 가장자리 영역에서 가스-불투과성 압축에 투입되고, 연료 가스의 공급과 폐가스(waste gas)의 제거를 위해 필요한, 연료 가스와 배기 가스 개구들은, 각각, 캐리어 기판의 가장자리 영역에 통합된다. 소결 작업 이후에, 프레스(press)와 그에 따라 형상화된 프레싱 다이(pressing dies)의 도움으로, 금속 기판을 가장자리 영역에서 가스-불투과성 압축에 투입함으로써 가스-불투과성 가스 공간이 형성되고, 이후에 인터커넥터로서 역할을 하는 접촉 플레이트와 함께 가장자리 영역에서 용접된다. SOFC의 작동 면에서 높은 재료 요구조건을 충족하는, 캐리어 기판에 전형적으로 사용되는 분말-야금 합금은 비교적 잘 깨지고(brittle) 형성되기가 어렵기 때문에, 가장자리 영역의 가스-불투과성 밀봉은 달성하기가 지극히 어렵다는 것이 단점이다. 예를 들어, DE 10 2007 034 967 에서 Fe-Cr 합금으로부터 제조되는 캐리어 기판의 가스-불투과성 형성을 위해서는, 대략 1200 톤(tonne) 이상 크기의 가압력(pressing force)이 필요하다. 이것은 해당 파워 용량을 갖는 프레스를 위한 높은 자본 비용(capital cost)뿐만 아니라, 또한 높은 작동 비용, 프레싱 도구 상에서 비교적 높은 마모, 그리고 프레스에 대한 더 높은 유지보수 노력을 발생시킨다.
용접 기술과 통합될 수 있는 MSC 스택을 위한 또 다른 대안적인 접근 방안은, 금속성 캐리어 기판으로서, 불투과성의 가장자리 영역을 갖는 중앙 천공된 금속 시트(centrally perforated metal sheet)에 기초한다 (WO 0235628). 이 접근 방안의 단점은, 효율성의 이유로 전극의 영역에 걸쳐 매우 균일하게 이루어져야 하는, 전극에 연료 가스의 공급이 단지 불만족스럽게만 달성된다는 것이다.
본 발명의 목적은, 전기화학 기능 장치에, 특히 고온 연료 전지에, 사용되는 경우, 2개의 공정 가스 공간들이 신뢰할 수 있게, 용이하게 그리고 저렴하게 분리되는 것을 가능하게 하는, 앞서 기술된 유형의 캐리어 기판을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항들에 따른 특징을 갖는 대상물 및 방법들에 의해 달성된다.
본 발명의 일 예시적인 실시형태에 따르면, 캐리어 기판의 셀을 향하는 측(cell-facing side)에서, 캐리어 기판 재료의 용융 상(melt phase)을 갖는 표면 섹션이 캐리어 기판의 가장자리 영역에 형성되는, 청구항 1의 전제부의 특징들을 갖고 분말 야금에 의해 제조되는, 플레이트형 금속 캐리어 기판이 본 발명에 따라 제안된다. 본 발명에 따르면, 용융 상을 갖는 표면 섹션 아래에 위치하는 영역은, 그 위에 배치되고 용융 상을 갖는 표면 섹션보다 다공도(porosity)가 더 높은, 적어도 섹션들을 포함한다.
여기에서 “셀을 향하는(cell-facing)”이라는 것은, 전기화학적 활성 층들을 구비하는 층 스택(layer stack)이 후속 작동 단계에서, 다공성 캐리어 기판의 중심 영역에, 적용되는, 캐리어 기판 측을 지칭한다. 일반적으로, 캐리어 기판 상에 애노드가 배치되며, 애노드 상에 산소 이온을 전도하는 가스-불투과성 전해질이 배치되고, 전해질 상에 캐소드가 배치된다. 그러나, 전극 층들의 순서는 반대로 될 수도 있고, 층 스택은 추가 기능 층들을 구비할 수도 있다; 예를 들어, 캐리어 기판과 제1 전극 층 사이에 제공된 확산 장벽 층(diffusion barrier layer)이 존재할 수 있다.
“가스-불투과성(gas-impervious)”은 가스에 대한 충분한 불투과도에서 누설율(leakage rate)이 (압력 차이 dp = 100 mbar 로 하여, 압력 증가 방법(Dr. Wiesner, Remscheid, type: Integra DDV)에 의해 공기 하에서 측정되는) 표준 기준(standard basis)에서 < 10-3 mbar l/cm2 s 인 것을 의미한다.
본 발명에 의해 제공되는 해법은, DE 10 2007 034 967 에서 종래 기술에서 제안된 것처럼, 캐리어 기판의 전체 가장자리 영역을 가스-불투과성 압축에 투입하는 것이 필요하지 않고, 그 대신 원래 가스-투과성 다공성 가장자리 영역 또는 예비압축된 다공성 가장자리 영역이, 표면-근처의 영역에서 캐리어 기판의 재료로부터 용융 상의 형성에 이르게 하는 표면 후처리 단계에 의해, 가스에 대해 불투과성으로 될 수 있다는 발견에 기초한다. 이러한 유형의 표면 후처리 단계는, 다공성 캐리어 기판 재료의 국부적인 표면 용융에 의해, 즉, 용융 온도보다 더 높은 온도로 잠시 국부적인 가열에 의해, 달성될 수 있고, 예를 들어 연마, 블라스팅(blasting)에 의하는 것 또는 레이저 빔, 전자 빔 또는 이온 빔의 적용에 의하는 것과 같은, 기계적, 열적 또는 화학적 방법 단계들에 의해 달성될 수 있다. 용융 상을 갖는 표면 섹션은, 바람직하게는, 고-에너지 광자, 전자, 이온 또는 다른 적합한 포커싱 가능한 에너지 소스의 다발형 빔(bundled beam)으로 하여금 가장자리 영역의 표면상에 특정 깊이까지 작용하도록 함으로써 얻어진다. 국부적인 용융과 용융 이후 급속한 냉각의 결과로서, 이 영역은, 무시해도 될 정도이거나 또는 지극히 낮은 잔류 다공도(residual porosity)를 갖는, 변화된 금속 미세구조를 형성한다.
본 발명의 금속 캐리어 기판은 분말 야금에 의해 제조되고 바람직하게는 철-크롬 합금(iron-chromium alloy)으로 구성된다. 기판은 AT 008 975 U1 에서처럼 제조될 수 있고, 따라서 > 50 중량％ 의 Fe 및 15 내지 35 중량％ 의 Cr; 0.01 내지 2 중량％ 의, Ti, Zr, Hf, Mn, Y, Sc 및 희토류 금속(rare earth metal)으로 구성되는 그룹으로부터 하나 이상의 원소; 0 내지 10 중량％ 의 Mo 및/또는 Al; 0 내지 5 중량％ 의, Ni, W, Nb 및 Ta 로 구성되는 그룹으로부터 하나 이상의 금속; 0.1 내지 1 중량％ 의 O; 잔부 Fe 및 불순물을 함유하는, Fe-계 합금으로 구성될 수 있으며, Y, Sc 및 희토류 금속으로 구성되는 그룹으로부터 적어도 하나의 금속과, Cr, Ti, Al 및 Mn 으로 구성되는 그룹으로부터 적어도 하나의 금속은, 혼합산화물(mixed oxide)을 형성한다. 기판은, 바람직하게는, < 150 ㎛ 의, 특히 < 100 ㎛ 의, 입자 크기를 갖는 분말 분획(powder fraction)을 이용하여 형성된다. 이러한 방식으로, 표면 거칠기는 기능 층들의 효과적인 적용의 가능성을 보장하기에 충분히 낮게 유지될 수 있다. 소결 작업 이후에, 다공성 기판은, 바람직하게는 20 ％ 내지 60 ％ 의, 특히 40 ％ 내지 50 ％ 의, 다공도를 갖는다. 기판의 두께는 바람직하게는 0.3 내지 1.5 ㎜ 일 수 있다. 바람직하게는, 기판은 이후에 가장자리 영역에서 또는 가장자리 영역의 부분에서 압축된다; 가장자리 영역 압축은 일축 압축(uniaxial compression)에 의해 또는 프로파일화된 롤(profiled roll)들에 의해 달성될 수 있다. 이 경우, 가장자리 영역은 중심 영역보다 더 높은 밀도와 더 낮은 다공도를 갖는다. 압축 작업 중에, 기판 내에 응력(stress)을 방지하기 위해, 목적은 바람직하게는, 기판 영역과 더 치밀한 가장자리 영역 사이에서 연속적인 전이를 달성하는 것이다. 이러한 압축 작업은 유리해서, 후속하는 표면 가공 단계에서, 부피에서 국부적인 변화는, 너무 뚜렷하지 않고 캐리어 기판의 미세구조에서 뒤틀림(warping) 또는 일그러짐(distortion)을 발생시키지 않는다. 가장자리 영역에 대해서, 20 ％ 이하의 다공도, 바람직하게는 4 ％ 내지 12 ％ 의 다공도가 특히 유리한 것으로 드러났다. 이 잔류 다공도는 가스에 대한 불투과성을 아직 보장하지는 않는데, 왜냐하면 이러한 압축 작업 이후에 가장자리 영역은 최대 50 ㎛ 의 크기를 갖는 표면 기공들을 가질 수 있기 때문이다.
다음 단계로서, 가장자리 영역의 셀을 향하는 표면의 적어도 일부는, 표면 섹션에서 캐리어 기판 재료의 용융 상의 형성으로 이어지는, 표면 처리 단계를 겪는다. 용융 상을 갖는 표면 섹션은 일반적으로, 캐리어 기판의 중심 영역의 바깥쪽 주연부(outer periphery)를 둘러서, 가장자리 영역의 바깥쪽 에지에까지 이어지며, 거기에서 캐리어 기판은, 둘러서 형성되는 용접 심에 의해, 예를 들어, 흔히 인터커넥터로도 지칭되는, 접촉 플레이트에, 가스-불투과성으로 결합된다. 결과적으로, 캐리어 기판의 표면을 따라 평탄한 장벽(planar barrier)이 형성되며, 그것은, 가스-불투과성 전해질을 구비하는 층 스택이 적용되는, 캐리어 기판의 중심 영역에서부터, 인터커넥터에 대해 가스-불투과성 밀봉을 형성하는, 용접 심에까지 달한다.
표면 용융으로 이어지는, 이러한 유형의 표면 처리 단계는, 예를 들어 연마 또는 블라스팅에 의하는 것 또는 고-에너지 광자, 전자, 이온 또는 다른 적합한 포커싱 가능한 에너지 소스의 다발형 빔으로 하여금 가장자리 영역의 표면상에 작용하도록 하는 것과 같은, 기계적, 열적 또는 화학적 방법 단계들에 의해 달성될 수 있다.
국부적인 표면 용융과 급속한 냉각의 결과로서, 변화된 금속 미세구조가 형성된다; 잔류 다공도는 지극히 작다. 용융은 한 번 또는 연속하여 여러 번 일어날 수 있다. 이러한 용융의 깊이는 표면 근처 영역의 가스 불투과도 요구조건에 적합하게 되어야 하며, 적어도 1 ㎛, 특히 15 ㎛ 내지 150 ㎛, 더욱 바람직하게는 15 ㎛ 내지 60 ㎛ 의 용융 깊이가 적합한 것으로 드러났다. 따라서, 용융 상을 갖는 표면 섹션은, 캐리어 기판의 표면으로부터 측정할 때, 표면으로부터 캐리어 기판 안으로 적어도 1 ㎛, 특히 15 ㎛ 내지 150 ㎛, 더욱 바람직하게는 15 ㎛ 내지 60 ㎛ 만큼 이어진다.
용융 상을 갖는 표면 섹션은, 용융 상 외에도, 예를 들어 비정질 구조(amorphous structure)인, 다른 상을 포함할 수도 있다. 특히 바람직하게는, 용융 상을 갖는 표면 섹션은 전적으로 캐리어 기판 재료의 용융 상으로 형성된다. 가장자리 영역에서, 용융 작업은 낮은 거칠기의 매우 매끄러운 표면을 형성시킨다. 이것은 전해질 층과 같은 기능 층들을 쉽게 적용되도록 하며, 그러한 전해질 층은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 가장자리 영역의 부분에 또한 걸쳐 공정 가스 공간들의 더 나은 밀봉을 위해, 선택적으로 적용된다.
용융 작업으로부터 기인하는 캐리어 기판 가장자리 영역의 수축을 줄이기 위해서, 작은 입자 크기의 캐리어 기판 출발 물질의 분말 또는 분말 혼합물이, 개방 표면 기공(open superficial pore)들을 채우기 위해서, 용융 작업 전에 적용될 수 있다. 이어서 표면 용융 작업이 후속된다. 이러한 단계는 캐리어 기판 형상의 치수 안정성을 향상시킨다.
캐리어 기판의 가장자리 영역이, 예를 들어 DE 10 2007 034 967 과 같은, 종래 기술에 따른 것처럼, 가스-불투과성 압축에 투입될 필요가 없다는 것이 특별한 장점이지만, 그 대신에, 유체에 대한 불투과도가 반드시 주어지지는 않는, 밀도 및 다공도를 가질 수 있다. 결과적으로, 제조에서 상당한 비용 절감이 달성될 수 있다.
본 발명의 캐리어 기판은 전기화학 기능 장치에, 바람직하게는, 최대 1000 ℃ 의 작동 온도를 가질 수 있는, 고체 전해질 연료 전지에, 적합하다. 대안적으로, 예를 들어, 그 기판은, 전기화학적 가스 분리를 위한, 멤브레인 기술(membrane technology)에서 사용될 수도 있다.
MSC 시스템 개발의 일환으로, 다양한 접근 방안들이 추구되어 왔으며, 거기에서는 통합의 상이한 깊이를 갖는 다양한 캐리어 기판 배치(carrier substrate arrangement)들이 채용된다.
본 발명에 따르면, 제1 변형 형태로, 본 발명의 캐리어 기판을 구비하고, 전기 전도성 재료로부터 제조된 프레임 장치에 의해 둘러싸이는, 캐리어 기판 배치로서, 프레임 장치는 캐리어 기판과 전기적으로 접촉하고 적어도 하나의 가스 통로를 구비하는, 캐리어 기판 배치가 제안된다. 이러한 가스 통로들은, 예를 들어 연료 가스와 같은, 공정 가스의 공급 및 제거를 위한 역할을 한다. 캐리어 기판 배치를 인터커넥터로서 작용하는 접촉 플레이트에 가스-불투과성으로 연결함으로써 가스-불투과성 가스 공간이 생성된다. 따라서, 프레임 장치와 인터커넥터를 통해, 일종의 하우징(housing)이 형성되고, 이렇게 해서 유체-불투과성 공정 가스 공간이 실현된다. 용융 상을 갖는 캐리어 기판의 표면 섹션은 중심 영역의 바깥쪽 주연부에서부터 가장자리 영역의 바깥쪽 에지에까지, 또는 캐리어 기판이 용접 또는 솔더링에 의해 프레임 장치에 결합되는 지점에까지, 이어진다.
제2 실시형태에서, 캐리어 기판과 프레임 장치는 일체형 구성요소로서 구성된다. 펀칭(punching), 커팅(cutting), 엠보싱(embossing) 또는 유사한 기술들에 의해, 플레이트형 캐리어 기판의 대향 측들(opposite sides) 상에서, 가장자리 영역에 가스 통로들이 형성된다. 이러한 통로들은, 특히 연료 가스와 같은, 공정 가스의 공급 및 제거를 위해 의도된다. 가스 통로들을 구비하는 가장자리 영역에서, 캐리어 기판은 표면 용융에 의해 후처리된다. 여기에서 표면-후처리 영역은, 바람직하게는 공정 가스(연료 가스 및 산화물 가스)의 공급 및 회수를 위해 의도되는 통로들과 같은, 가스 통로들 중 적어도 일부를 둘러싸는 코히어런트 섹션(coherent section)을 형성하도록 선택된다. 용융 상을 갖는 표면 섹션은, 가장자리 영역의 적어도 일부에 걸쳐 코히어런트 섹션이며, 중심 영역의 바깥쪽 주연부를 둘러서, 한편으로는 둘러싸인 가스 통로들의 에지에까지, 다른 한편으로는 가장자리 영역의 바깥쪽 에지에까지 또는 캐리어 기판이 용접 또는 솔더링에 의해 인터커넥터 플레이트에 결합되는 지점에까지, 이어진다. 가스 통로들의 가장자리 영역에서 수직 방향으로 캐리어 기판의 두께에 걸쳐 가스에 대한 불투과성을 보장하기 위해서, 캐리어 기판의 전체 두께에 걸쳐 가장자리 에지의 부근에서 용융 상이 형성된다; 즉, 용융 상을 갖는 표면 섹션은, 가스 통로들의 가장자리에서, 캐리어 기판의 전체 두께에 걸쳐 반대 표면에까지 관통하여 이어진다. 이러한 통로들이, 예를 들어, 레이저, 전자, 이온, 워트-제트(water-jet) 또는 마찰 커팅(frictional cutting)과 같은, 열 작업에 의해, 제조되는 경우에는, 가스 통로들의 가장자리에서 캐리어 기판의 이러한 측방향 밀봉이 자동으로 달성된다.
본 발명은 또한 본 발명의 캐리어 기판들 또는 캐리어 기판 배치들 중 하나를 구비하는 연료 전지에 관한 것이며, 전기화학적 활성 층들을 구비하는, 특히 전극 층들, 전해질 층들 또는 기능 층들을 구비하는, 층 스택이 캐리어 기판의 중심 영역의 표면 상에 배치되고, 전해질 층은 유체-불투과성의 표면-근처 가장자리 영역에 가스-불투과성으로 인접한다. 층 스택은, 예를 들어, 물리적 기상 증착(physical vapour deposition, PVD), 화염 용사(flame spraying), 플라즈마 용사(plasma spraying)와 같은 물리적 코팅 기술 또는, 스크린 프린팅(screen printing) 또는 습식 분말 코팅(wet powder coating)과 같은 습식-화학 기술에 의해 적용될 수 있으며 - 이러한 기술들의 조합을 또한 생각할 수도 있다 -, 전기화학적 활성 층들뿐만 아니라 추가 기능 층들을 구비할 수도 있다. 따라서, 예를 들어, 캐리어 기판과, 일반적으로 애노드 층인, 제1 전극 층 사이에, 세륨 가돌리늄 산화물(cerium gadolinium oxide)로 제조된, 확산 장벽 층이, 예를 들어, 제공될 수도 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 2개의 공정 가스 공간들의 더욱더 신뢰가능한 분리를 위해, 가스-불투과성 전해질 층은, 그것의 전체 주연부가 유체-불투과성의 표면-근처 가장자리 영역의 적어도 일부에 걸친 상태로, 형성될 수 있으며, 즉, 가스-불투과성 가장자리 영역의 적어도 일부에 걸쳐 드로잉될 수 있다. 연료 전지를 형성하기 위해, 캐리어 기판은 접촉 플레이트(인터커넥터)에 주연부에서 가스-불투과성으로 연결된다. 복수의 연료 전지를 갖는 배치는 연료 전지 스택 또는 연료 전지 시스템을 형성한다.
이하에서는, 본 출원 발명의 예시적인 실시형태들이 후속하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명된다.
본 발명에 의하면, 전기화학 기능 장치에, 특히 고온 연료 전지에, 사용되는 경우, 2개의 공정 가스 공간들이 신뢰할 수 있게, 용이하게 그리고 저렴하게 분리되는 것을 가능하게 하는, 앞서 기술된 유형의 캐리어 기판이 제공된다.
도 1은 연료 전지의 분해 사시도를 도시한다.
도 2는, 도 1에서 선 Ⅰ-Ⅱ 를 따라, 코팅된 캐리어 기판의 일부의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3은, 가장자리 영역이 가압된, 다공성 캐리어 기판의 상세한 그라운드 섹션을 도시한다.
도 4는 열적 표면 처리 단계 전(왼쪽)과 후(오른쪽)의 가압된 가장자리 영역의 상세도를 도시한다.
도 1은, 분말 야금에 의해 제조되고 중심 영역(2)에서 다공성 및 가스-투과성이며 그 위에는 중심 영역(2)에서 화학적 활성 층들을 구비하는 층 스택(11)이 배치되는, 캐리어 기판(1)과, 접촉 플레이트(6)(인터커넥터)로 구성되는, 연료 전지(10)를 개략도로 도시한다. 도 1에서 선 Ⅰ-Ⅱ 를 따라 캐리어 기판의 일부가 도 2에서 단면도로 도시된다. 도 2에서 더 자세히 도시되는 바와 같이, 캐리어 기판(1)은 중심 영역과 접하는 가장자리 영역(3)에서 압축되며, 캐리어 기판은, 표면 상에서, 셀을 향하는 측에서 가장자리 영역에서, 표면 용융으로 이어지는 표면 가공 단계에 의해, 후처리 되어 있다. 가장자리 영역을 압축하는 것은 유리하지만, 필수적인 것은 아니다. 용융 상을 갖는 표면 섹션(4)은 가스-불투과성 장벽을 형성하며, 그것은, 가스-불투과성 전해질(8)에 접하는, 중심 영역의 바깥쪽 주연부에서부터, 캐리어 기판이 용접 심(12)에 의해 가스-불투과성으로 접촉 플레이트(6)에 연결되는 지점에까지 이어진다. 용융의 깊이는 가스에 대한 불투과도를 위한 요구조건에 따라야 한다; 15 ㎛ 와 60 ㎛ 사이의 용융 깊이가 유리한 것으로 판명되었다. 용융 상을 갖는 표면 섹션(4)의 잔류 다공도는 지극히 낮다; 가장자리 영역에서, 그 아래에 위치하는 비용융 영역(unmelted region)(5)의 다공도는 용융 상을 갖는 표면 섹션의 잔류 다공도보다 상당히 더 높다 - 비용융 가장자리 영역의 다공도는 바람직하게는 4 와 20 ％ 사이이다. 캐리어 기판의 중심 영역(2)에는, 화학적 활성 층들을 갖는 층 스택이 배치되며, 그것은 애노드 층(7)으로 시작해서, 향상된 밀봉의 목적을 위해 가스-불투과성 가장자리 영역의 부분에 걸쳐 이어지는, 가스-불투과성 전해질 층(8), 및 캐소드 층(9)으로 구성된다. 가장자리 영역에서 2개의 대향 측들 상에서, 캐리어 기판은, 연료 가스 챔버(13) 안으로 그리고 밖으로, 각각, 연료 가스의 공급 및 제거를 위한 역할을 하는, 가스 통로(14)들을 구비한다. 연료 가스 챔버가 가스-불투과성으로 밀봉되는 것을 가능하게 하기 위해서, 용융 상을 갖는 표면 섹션은, 공정 가스(연료 가스 및 산화물 가스)의 공급 및 회수를 위해 의도되는 가스 통로들을 포함하는 가장자리 영역의 적어도 일부에 걸쳐 형성된다. 결과적으로, 중심 영역에서부터 공정 가스의 공급 및 회수를 위해 의도되는 가스 통로들의 가장자리 에지들에까지, 또는 캐리어 기판이 용접 심(12)에 의해 접촉 플레이트(6)에 연결되는 지점에까지 이어지는, 수평의, 가스-불투과성 장벽이 형성된다. 이러한 용접 연결은 캐리어 기판의 바깥쪽 주연부를 따라서, 또는, 도 1에 도시된 바와 같이, 바깥쪽 주연부로부터 소정의 거리에서 주변을 둘러싸는 선에서, 수행될 수 있다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 가스 통로의 가장자리는, 측면에서도 가스-불투과성 장벽을 형성하기 위해, 캐리어 기판의 전체 두께에 걸쳐 용융된다.
도 3과 도 4는, 가장자리 영역이 가압된, 다공성 캐리어 기판의 그라운드 섹션의 SEM 현미경 사진과, 레이저 용융에 의한 열적 표면 처리 단계 전(왼쪽)과 후(오른쪽)의 가압된 가장자리 영역의 상세도를 도시한다. 125 ㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 철-크롬 합금의 스크리닝된 분말(screened powder)로 구성되는 캐리어 기판은 종래의 분말 야금 방법에 의해 제조된다. 소결 이후에, 캐리어 기판은 약 40 부피％ 의 다공도를 갖는다. 가장자리 영역은 이후에 일축 가압(uniaxial pressing)에 의해 압축되어서, 약 7-15 부피％ 의 가장자리 영역에서의 잔류 다공도가 주어진다.
약 250 J/m 의 단위 길이당 에너지를 갖는 포커싱된 레이저 빔(focussed layer beam)이, 용융될 가장자리에 걸쳐 안내되고, 가장자리 영역의 표면 용융을 형성시킨다. 레이저의 초점(focal point)에서는, 약 100 ㎛ 의 깊이를 갖는 용융 구역이 형성된다. 고체화(solidification) 이후에, 용융 상을 갖는, 본 발명의 표면 섹션이 형성된다. 그라운드 섹션은 플레이트형 캐리어 기판의 표면에 수직으로 형성된다. 그라운드 섹션을 형성하기 위해, 다이아몬드 와이어 쏘(diamond wire saw)를 이용하여 캐리어 기판으로부터 부품들이 소잉되며(sawn), 이러한 부품들은, 임베딩 조성물(embedding composition)(예를 들어, 에폭시 수지) 내에 고정되고, 경화(curing) 이후에, (연속적으로 점점 더 미세한 등급의 연마지(abrasive paper)를 이용하여) 그라인딩된다(ground). 샘플들은 이후에 폴리싱 현탁액(polishing suspension)을 이용하여 폴리싱 되며, 최종적으로 전해 폴리싱 된다(polished electrolytically).
캐리어 기판의 개개의 영역들의 다공도를 측정하기 위해서, 이러한 샘플들은 SEM(scanning electron microscope, 주사전자현미경)과 BSE 감지기(BSE: back-scattered electrons, 후방-산란된 전자)(BSE 감지기 또는 4-사분면 환형 감지기(4-quadrant annular detector))에 의해 분석된다.
사용된 주사전자현미경은 자이스(Zeiss) 사로부터의 “Ultra Pluss 55” 전계 방출 기구(field emission instrument)였다. SEM 현미경 사진은 분석을 위한 측정 영역 내에서 입체학적 방법(stereological method)(사용되는 소프트웨어: Leica QWin)에 의해 정량적으로 표현되며, 분석을 위한 측정 영역 내에서, 존재하는 캐리어 기판의 부분의 상세도가 지극히 균질할 것을 보장하도록 주의된다. 다공도 측정을 위해서, 분석을 위한 전체 측정 영역에 대해 단위 면적당 기공의 비율이 확인된다. 동시에 이러한 면적 비율은 부피％로 다공도에 상응한다. 분석을 위한 측정 영역 내에 단지 부분적으로만 위치해 있는 기공은 측정 과정에서 무시된다.
SEM 현미경 사진을 위해 사용된 설정은 다음과 같았다:
경사각(tilt angle) : 0 °, 20 ㎸ 의 가속 전압, 약 10 ㎜ 의 작동 거리, 및, 약 600 ㎛ 의 수평 이미지 에지를 가져오는, 250배의 배율(기구 사양). 여기에서는 지극히 우수한 이미지 선명도에 특별한 가치를 두었다.
또한, 위의 예시적인 실시형태들 중 하나를 참조하여 설명된 특징들 또는 단계들은 위에서 설명된 다른 예시적인 실시형태들의 다른 특징들 또는 단계들과 결합되어 사용될 수도 있다는 것이 지적되어야 한다. 청구항에서 참조 부호는 어떠한 제한을 암시하는 것으로 여겨져서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 분말 야금에 의해 제조되고, 중심 영역(2)과 가장자리 영역(3)을 포함하는 금속-지지 전기화학 기능 장치를 위해 의도되는, 플레이트형 다공성 금속 캐리어 기판(1)으로서, 상기 캐리어 기판의 셀을 향하는 측에서 중심 영역의 표면에는 전기화학적 활성 층들을 구비하는 층 스택이 배치되는 것이 가능한, 캐리어 기판(1)에 있어서,
    상기 캐리어 기판의 셀을 향하는 측에서, 가장자리 영역(3)의 표면 섹션(4)은 상기 캐리어 기판 재료의 용융 상을 포함하고, 상기 용융 상을 포함하는 표면 섹션(4)의 아래에 위치하는 영역(5)의 적어도 일부 섹션들은, 그 위에 배치되고 용융 상을 포함하는 표면 섹션(4)보다 더 높은 다공도를 갖고, 표면을 따라 평탄한 장벽(planar barrier)이 형성되며, 상기 용융 상은 상기 셀을 향하는 측의 반대측 너머까지 이어지지 않는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가장자리 영역은 상기 중심 영역보다 더 높은 밀도와 더 낮은 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융 상을 포함하는 표면 섹션은, 상기 중심 영역(2)의 바깥쪽 주연부를 둘러서, 가장자리 영역(3)의 바깥쪽 에지에까지 이어지는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융 상을 포함하는 표면 섹션(4)은 캐리어 기판의 셀을 향하는 측에 수직인 방향으로 표면에서부터 캐리어 기판 안으로 적어도 1 ㎛ 이어지는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융 상을 포함하는 표면 섹션(4)은 2 ％ 이하의 잔류 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    원-피스 형태(one-piece form)인 것을 특징으로 하는 캐리어 기판.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중심 영역은 20 ％ 내지 60 ％ 의 다공도를 가지며, 그리고/또는 상기 가장자리 영역은 20 ％ 이하의 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    캐리어 기판은 Fe-Cr 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 용융 상을 포함하는 표면 섹션은, 가장자리 영역의 에지의 부근에서, 캐리어 기판의 전체 두께에 걸쳐 반대 표면에까지 관통하여 이어지는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가장자리 영역은 적어도 하나의 가스 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판.
  11. 제1항에 따른 캐리어 기판을 포함하는 캐리어 기판 장치에 있어서,
    상기 캐리어 기판 장치는 전기 전도성 재료로 이루어진 프레임 장치를 더 포함하며, 상기 프레임 장치는 캐리어 기판과 전기적으로 접촉하고, 상기 프레임 장치는 적어도 하나의 가스 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판 장치.
  12. 전기화학적 활성 층들을 갖는 층 스택이 캐리어 기판의 중심 영역의 표면에 배치되고, 전기화학적 활성 층들의 전해질 층이 용융 상을 포함하는 표면 섹션과 중첩하여 형성되는, 제10항에 따른 캐리어 기판 또는 제11항에 따른 캐리어 기판 장치를 적어도 하나 포함하는 연료 전지.
  13. 금속-지지 전기화학 기능 장치를 위한 캐리어 기판을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 적어도 다음의 단계들을 포함하는, 캐리어 기판 제조 방법:
    - 전기화학적 활성 층들을 구비하는 층 스택이 캐리어 기판의 셀을 향하는 측에서 중심 영역의 표면에 배치되는 것이 가능한, 중심 영역과 가장자리 영역을 포함하는 플레이트형 캐리어 기판을 분말 야금으로 제조하는 단계;
    - 국부적인 표면 용융에 의해, 캐리어 기판의 셀을 향하는 측에서 가장자리 영역의 적어도 일부를 후처리 하되, 표면을 따라 평탄한 장벽(planar barrier)이 형성되며, 용융 상은 상기 셀을 향하는 측의 반대측 너머까지 이어지지 않는 단계.
  14. 제13항에 있어서,
    표면 용융 전에, 가장자리 영역의 적어도 일부는, 압축되고 그에 따라 캐리어 기판의 중심 영역보다 더 낮은 다공도를 갖는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    전기화학적 활성 층들을 갖는 층 스택이 캐리어 기판의 중심 영역에 적용되는 것을 특징으로 하는, 캐리어 기판 제조 방법.
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