KR102328999B1 - 연료 전지 또는 전기분해 전지용 금속 지지체 상에 물질 층을 침착시키는 방법 - Google Patents

Abstract

금속 지지체(1)의 표면을 제조하는 단계,
하나 이상의 물질(5)을 수득하는데 필요한 양이온을 가진 수성 용액을 함유하는, 관련 작동 수단을 가진 전해질 욕조를 위한 장치를 준비하는 단계,
상기 금속 지지체(1)를 상기 전해질 욕조에 침지시키는 단계, 및
상기 전해질 욕조의 상기 작동 수단을 제어하여 상기 금속 지지체(1) 상에 하나 이상의 물질(5)의 층의 전기화학적 침착을 선택적으로 수행하는 단계
를 포함하고, 이때 상기 물질(5)의 층이 부식방지 보호성 세라믹 물질 및/또는 촉매 특성을 가진 세라믹 물질을 포함하는, 연료 전지용 금속 지지체(1) 상에 물질의 층을 침착시키는 방법.

Description

연료 전지 또는 전기분해 전지용 금속 지지체 상에 물질 층을 침착시키는 방법{METHOD FOR DEPOSITING A LAYER OF MATERIAL ONTO A METALLIC SUPPPORT FOR FUEL CELLS OR ELECTROLYSIS CELLS}

본 발명은, 연료 전지 또는 전기분해 전지용 금속 지지체 상에 물질 층을 침착시키는 방법 및 그러한 방법에 의해 수득된 금속 지지체에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따르면, 그러한 물질 층은 보호 물질, 특히 세라믹 보호 물질이며, 본 발명의 또 하나의 양태에 따르면, 그러한 물질 층은 세라믹 촉매 물질이다.

연료 전지 또는 전기분해 전지는, 산화 반응의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 전화시키는 전기화학적 장치이다.

연료 전지의 전형적인 구조는, 이온 전송을 허용하는 멤브레인 또는 전해질에 의해 분리된 두 개의 다공성 전극, 애노드 및 캐쏘드를 포함한다.

멤브레인의 유형 및 따라서 작동 온도가 본질적으로 다른 다양한 유형의 연료전지가 있다.

특히, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 산소 이온의 전도성 세라믹 멤브레인을 포함하며, 이 유형 전지의 전형적인 작동 온도는 600 내지 900℃ 범위이다.

고체 산화물 전지는 전형적으로, 이동성 및 고정성 용도 둘 다를 위한, 전기 에너지 및 열 에너지를 동시에 생성하기 위한 연료 스택을 제조하는데, 및 전기분해를 통해 연료 가스를 생산하는데 사용된다.

종래 기술에서, 애노드는 니켈 산화물과 이트리아-안정화된 지르코니아("YSZ")의 혼합물로 구성되며, 전해질은 이트리아-안정화된 지르코니아("YSZ")로 구성되고, 한편 캐쏘드는 일반적으로 페로브스카이트 유형 구조를 가진 혼합된 산화물(예를 들면, 가장 통상적인 것은 두음자로 "LSCF" 및 "LSM"으로 나타내어진다)로 구성된다.

고체 산화물 전지는 평면형 또는 관형 구조를 가질 수 있다.

또한, 기계적 지지를 보장하는 전지의 요소에 따라 다양한 전지 유형이 있다.

실제로, 전해질에 의해 지지된 전지, 전극들(애노드 또는 캐쏘드)에 의해 지지된 전지, 및 금속 지지체를 가진 전지가 있다.

본 발명의 목적을 위해 특히 관심이 있는 이 마지막 구조에 따르면, 전지는 복잡한 3D 기하형태의 다공성 또는 조밀한 금속 지지체(이 위에 다양한 비교적 얇은 세라믹 층이 적용된다)를 포함하며, 전지의 각 요소는 상이한 물질로 이루어진다.

이 유형의 전지는 사용 상의 이점이 몇 가지 있으며, 이들 중에서 저비용, 더 큰 기계적 강도 및 산화/환원 사이클에 대한 더 큰 내성을 언급할 수 있다.

이 전지는 또한, 애노드와 캐쏘드 중 어느 것이 금속 지지체와 접촉되는지와 관련하여 서로 상이할 수 있다.

이 전지는 보통 분말 형태의 원료 물질로부터 제조된다.

분말, 세라믹 및/또는 금속을, 전지에 제공되기를 원하는 구조에 따라 침착시키고, 이어서 이들을 고온, 전형적으로 1000 내지 1400℃에서 소결시켜 치밀한 생성물을 수득한다.

완전 세라믹 전지의 소결은 공기중의 다양한 소결 단계로 수행될 수 있다.

한편, 금속에 의해 지지되는 전지와 관련해서는, 생성 단계 중에 미리 금속이 산화되는 것을 피하기 위해, 환원성 또는 보호성 대기 중에서, 따라서 공기 부재 하에서, 물질을 소결할 필요가 있다.

이 유형의 전지의 높은 작동 온도로 인해, 이의 금속 요소들(전형적으로 금속 지지체)는 산화 및 부식 현상에 처하기 쉽다.

특히, 산화 현상은 금속 지지체와 촉매 층 사이의 계면에서 가장 중요하다.

또한, 소위 스택(stack)은 보통, 편평하거나 심지어 복잡한 기하구조를 가진 금속 상호접속부를 통해 서로 연결되는 직렬 배열된 특정 수의 전지들로 구성됨을 이해하여야 한다.

높은 작업 온도는 또한, 전기 전도성의 감소와 함께 이들 성분들의 산화를 야기하며, 또한 전지의 촉매 특성에 해가 될 수 있는 휘발성 원소들의 방출이 일어난다.

상호접속부의 고온 산화는 일반적으로, 보호성 세라믹 코팅을 금속 위에 적용하는 것을 통해 제한될 수 있다.

그러한 코팅은 전형적으로 망간 및 코발트 산화물로 구성된다.

상기 코팅은 금속을 산화성 대기로부터 보호하면서도 여전히 우수한 전기 전도도를 유지한다.

이 코팅을 단순한 기하구조로 상호접속부에 적용하는 것은 통상적인 기법, 예를 들어 실크-스크린 인쇄, 침지 코팅, 즉 함침에 의한 코팅, 및 기타 방법을 통해 수행될 수 있다.

이 경우, 단일 금속 성분은, 공정에 의해 설정된 가장 적합한 온도 조건 및 대기에 따라 비교적 쉽게 취급될 수 있다.

금속 지지체를 가진 전지를 제조하기 위한 다양한 기법 및/또는 전략은 공지되어 있으며, 이들을 이하에서 간단히 언급한다.

제1 기법은, 기재를 예비-소결하고 이어서 몇 단계로 전극들 및 전해질을 침착시키는 것이다.

또 하나의 기법은, 다공성 지지체 및 전해질로 이루어진 이중 층을 제조하는 것이며, 이때 상기 지지체와 전해질 사이의 전극은, 고온에서 분해되어 산화물을 형성하는 염의 용액으로 지지체 자체를 함침시킴으로써 제조된다.

또 하나의 기법에 따르면, 미리 소결된 다공성 지지체 상에 진공 플라즈마 분사 코팅(즉, 프라즈마 분사 진공, 펄스 레이저 침착(PLD) 등에 의해 수득된 코팅)과 같은 기법으로 세라믹 층을 침착시키며, 이는 추가의 소결 단계를 필요로 하지 않고도 조밀한 전해질을 수득할 수 있게 한다.

또다른 기법에 따르면, 미리 소결된 다공성 금속 지지체 상에 진공 기법, 예를 들어 물리적 증착(PVD), 화학적 증착(CVD) 등으로 세라믹 층을 적용한다.

추가의 기법은, 다중 층의 동시 소결(여기서는 층들이 모두 단일 제조 단계에서 고온에서 소결된다)이며, 이것이 특히 흥미롭다.

따라서 단순하고 비용효과적인 생산이라는 이점이 있는 이 기법은, 그러나, 동일 단계에서 전극 및 금속을 소결시키는 것과 주로 관련된 몇 가지의 적용상의 어려움이 있다.

실제로, 금속이 전극을 오염시키지 않아야 함은 공지되어 있다.

애노드와 직접 접촉되는 금속의 경우, 고온에서는 실제로, 애노드 내의 크롬 및 철의 확산 및 금속 내의 니켈의 확산이 있을 수 있다.

가능한 결과는, 애노드의 촉매 활성의 감소 및 금속의 확산 계수의 변화이다.

그러한 확산을 피하기 위해서는, 따라서, 금속과 애노드 간의 장벽 층(보통 세륨-계 산화물로 이루어짐)을 고려하는 것이 필요하며, 세륨은 불활성이고 합리적인 전기 전도성을 갖는다.

그러나, 그러한 장벽은 과도한 두께로 제조되는 경우 전기 저항이 과도하게 증가될 수 있으며 따라서 전지의 성능이 저하될 수 있다.

더욱이, 애노드가 작동 조건에서 환원성 기체와 함께 공급될지라도, 산화 반응에 의해 생성된 물은 전지 측 상의 산소의 분압을 증가시켜 금속 지지체의 부식 현상을 크게 증가시킨다. 자명하게, 이 현상은, 전극이 높은 증기 함량으로 공급되는 경우, 전기분해 모드에서 더욱 더 두드러진다.

더 잘 이해할 수 있게 하기 위해 첨부된 도 1은, 종래 기술에 따른 연료 스택의 단일 반복적 소자(101)를 도시한다.

특히 도 1은, 언급된 바와 같이 본 발명에서 특히 관심있는 금속 지지체 유형의 단일 소자(101)를 도시한다.

보통, 그러한 소자(101)는 다공성 금속 지지체(102)를 포함하며, 여기에 앞에서 기술한 유형의, 소자의 상호확산에 대한 보호 장벽(103), 애노드(104), 전해질(105) 및 캐쏘드(106)가 차례대로 결합되어 있다.

언급된 요소(102) 내지 (106)은, 또한 복잡한 기하구조를 가질 수 있는 두 개의 금속 상호접속부(107) 사이에 배열된다.

캐쏘드(106) 및 그와 결합된 상호접속부(107) 간의 계면은 접촉 층(108)에 의해 보증된다.

또한, 연료와 외부 환경을 단리되게 유지하는 측방향 가스켓(109)이 존재한다.

따라서, 연료 스택은 기술된 유형의 단일 반복적 소자(101)의 서열을 포함한다.

상호접속부와 관련하여, 이것이 조밀한 상호접속부인 경우, 상기 비교적 간단한 기하구조는 통상의 방법으로 적절한 세라믹 코팅을 적용함으로써 금속을 산화로부터 보호하게 할 수 있다.

한편, 다공성 금속 지지체의 경우, 지지체 자체의 물질에 균질한 코팅을 적용하는 것이 특히 어렵다.

고온에서의 소결 공정 이전에 보호성 세라믹 코팅을 적용하는 것을 가정해보면, 코팅 자체가 분말의 소결 또는 금속 존재물(presenter)의 소결을 방지하여, 조밀한 전해질을 얻는데 필수적인 부피 수축을 제한한다.

이 마지막 이유로, 세라믹 층 결합 후 및 전해질 조밀화 후 다공성 금속 지지체 상에 부식방지 코팅이 필수적으로 적용되어야 한다.

금속 상에 지지된 세라믹 층의 존재는 더욱이, 침착 기법이 특히 선택적일 것, 따라서 금속 표면을 우선적으로 피복할 것을 필요로 한다.

용액에 의해 습윤된 표면 모두에 부식 방지 코팅을 침착시키기 위해, 염수 용액의 침입에 의한 함침 기법이 공지되어 있고 적용가능하다.

그러나, 상기 기법은 다양한 연속적인 침착으로 수행될 수 있기 때문에 실시면에서 너무 느리며, 더욱이 이는 세라믹 상을, 지지체의 표면에 선택적으로 부착시키지 않고, 지지체의 기공에만 독점적으로 침착시킨다.

따라서, 본 발명의 기술적 과제는 종래 기술을 개선시키는 것이다.

그러한 기술적 과제에서, 본 발명의 목적은, 세라믹 물질로부터 제조된 전해질 및/또는 전극에 이미 결합된 금속 지지체 상에 부식방지 보호 층을 적용하는 것이 가능한, 연료 전지용 금속 지지체 상에 물질 층을 침착시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 또한 복잡한 기하구조를 가진 금속 지지체 상에, 예를 들어 연료 전지의 금속 상호접속부 상에, 부식방지 보호성 세라믹 물질의 층을 적용하는 것을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제 및 목적은, 첨부된 청구항 1에 따른, 연료 전지용 금속 지지체 상에 물질의 층을 침착시키는 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 방법은, 지지체의 표면을 제조하는 단계, 세라믹 물질의 하나 이상의 층을 제조하는데 필요한 양이온을 가진 수성 용액을 함유하는, 관련 작동 수단을 가진 전해질 욕조를 위한 장치를 준비하는 단계, 상기 지지체를 상기 전해질 욕조에 침지시키는 단계, 및 상기 전해질 욕조의 상기 작동 수단을 작동시켜 상기 금속 지지체 상에 하나 이상의 물질 층의 전기화학적 침착을 선택적으로 수행하는 단계를 포함한다.

종속항들은 본 발명의 바람직하고 유리한 실시양태에 관한 것이다.

본 발명의 특성은, 비제한적 예로 주어진 하기 설명 및 첨부 도면으로부터 당업자에게 자명해질 것이다. 도면에서,
도 1은 공지된 유형의 연료 스택의 단일 반복적 소자의 개략적인 단면도이고;
도 2는 금속에 의해 지지된 연료 전지의 개략적인 단면도이고;
도 3은 도 2에서 원형으로 표시된 부분의 상세도이고;
도 4는 연료 전지의 다공성 금속 지지체를 형성하기 위해 소결된 금속 분말의 단일 그레인의 개략도이고;
도 5는, 본 발명에 따른 방법을 통해 부식방지 보호성 물질의 층이 상부에 침착되어 있는 도 4의 금속 분말의 단일 그레인의 개략도이고;
도 6은, 도 9의 버전에 따른, 연료 전지의 금속 지지체의 개략적인 단면도이고;
도 7은 도 6에서 원형으로 표시된 부분의 상세도이고;
도 8은, 금속 지지체의 단일 그레인이 부식방지 보호성 물질의 층으로 코팅된, 도 6에서 원형으로 표시된 부분의 상세도이고;
도 9는, 도 6, 7 및 8의 버전에 따르는, 연료 전지의 다공성 금속 지지체를 형성하기 위해 소결된 금속 분말의 단일 그레인의 개략도로서, 여기서는 부식방지 보호성 물질의 층 상에 전극을 구성하는 추가의 물질 층이 적용되어 있고;
도 10은 보호성 물질의 층의 침착 전과 후의 소결된 다공성 금속 지지체의 현미경 사진이고;
도 11은 연료 전지의 상호접속부로 이루어진 복잡한 기하구조의 금속 지지체의 개략적인 측면도이고;
도 12는, 부식방지 보호성 물질의 층이 구비된 도 11의 상호접속부의 개략적인 측면도이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 참조번호 (1)은 연료 전지의 금속 지지체를 전체적으로 나타낸다.

특히, 도 2에 나타낸 지지체(1)는, 제조할 연료 전지의 애노드(2)를 구성하는 세라믹 물질의 제1 층 및 동일 전지의 전해질(3)을 구성하는 제2 층과 결합되어 있다.

이 구조는, 전해질과 단지 하나의 전극으로 이루어지므로 보통 "반-전지(half-cell)"로 정의된다.

애노드(2)는 예를 들어 니켈 산화물과 이트리아-안정화된 지르코니아의 혼합물로 이루어지거나 또는 또다른 적절한 물질로 제조될 수 있다.

전해질(3)은 예를 들어 이트리아-안정화된 지르코니아 또는 또다른 적절한 물질로 제조될 수 있다.

지지체(1) 상에 적용된 세라믹 물질의 층(2, 3)은 임의의 경우 또다른 유형을 갖거나 연료 전지 내에서 다른 기능을 갖는 것일 수 있다.

예를 들어, 애노드(2) 대신에 금속 지지체(1)의 표면 상에 캐쏘드가 적용될 수 있다.

도 3의 상세도에서 개략적으로 예시한 바와 같이, 금속 지지체(1)는 다공성 유형의 것이다. 즉, 이는 바람직하게는(독점적이지는 않음) 분말 형태의 원료 물질의 소결에 의해 제조된다.

예를 들어, 금속 지지체(1)는 크롬을 특정 백분율(예를 들어 22%)로 함유하는 페라이트계 강으로 제조된다.

그러나 이 물질의 선택은 본 발명의 목적에 있어서 제한적인 것은 아니다.

금속 지지체(1)와 애노드(2)(또는 캐쏘드) 및 전해질(3) 구성 물질의 층 간의 결합은 이 결과를 수득하기에 적합한 공지의 기법들 중 하나를 통해 수행될 수 있다.

바람직하게는(독점적이지는 않음), 금속 지지체(1) 및 애노드(2) 및 전해질(3) 구성 물질의 층을 단일 제조 단계로 고온에서 동시 소결시킨다.

그러나, 본원의 서두에서 기술한 다른 공지의 기법들 모두 사용할 수 있다.

도 4에서는, 보다 명확하게 하기 위해, 금속 지지체(1)의 단일 소결된 그레인(4)이 확대되어 나타내어져 있다.

본 발명의 버전에 따르면, 침착 방법은, 애노드(2) 및 전해질(3)에 이미 결합된 금속 지지체(1)의 표면을 제조하는 단계를 포함한다.

특히, 그러한 제조 단계는, 금속 지지체(1)를 용매, 산, 또는 금속 지지체(1)의 전체 표면으로부터 모든 불순물을 제거하는데 적합한 다른 제품으로 세척하는 것으로 이루어질 수 있다.

상기 방법은 또한 전해질 욕조에 장치를 제공하는 단계를 포함한다.

그러한 단계는 또한, 전해질 욕조 자체의 작동 수단의 제공을 고려한다.

더욱 상세하게는, 이 단계는, 또한, 이 유형의 적용에 적합한 파형(waveform) 생성 장치, 전력 공급원 및 상기 욕조에 삽입될 애노드의 제공을 포함한다.

이 전해질 욕조 제공 단계에, 이후 더 잘 기술하는 바와 같이, 하나 이상의 세라믹 물질(5)을 얻는데 필요한 양이온을 함유하는 적합한 수성 용액을 제조하는 것이 포함된다.

이어서, 그렇게 제공된 전해질 욕조 내로 금속 지지체(1)를 침지시키는 단계가 뒤따른다.

침지 후, 금속 지지체(1) 상에 하나 이상의 물질 층(5)을 전기화학적으로 침착시키는 것을 선택적으로 수행하기 위해, 전해질 욕조의 상기 작동 수단을 제어하는 단계가 고려될 것이다.

특히, 금속 지지체(1)를 전해질 욕조에 침지시킨 후, 상기 욕조 자체의 애노드와 캐쏘드 사이에 전류가 인가된다. 상기 물질(5)이 세라믹 물질인 경우, 그러한 전류의 통과는 원하는 층이 생성될 때까지 선택적인 방식으로 상기 금속 지지체(1)의 표면 상에 세라믹 상을 침착시킨다.

전해질 욕조의 작동 중에, 특정 요건과 관련하여, 전해질 욕조 중의 양이온의 농도를 주기적으로 조절하는 작동 단계를 수행할 수 있다.

특히, 이 단계는 상이한 원소들의 동시 침착을 수행하는 것이 필요한 경우에 수행될 수 있다.

이 경우, 상기 전해질 욕조 제공 단계는, 침착시키기를 원하는 다양한 요소들을 함유하는 용액의 제조를 고려한다.

상기 욕조에 삽입된 이들 원소중 일부는 실제로, 예를 들면 패러데이(Faraday) 법칙에 의해 제어되는 (즉, 또한 존재하는 다른 것들보다 큰) 소비 속도를 특징으로 하며, 따라서 이들이 우선적으로 침착된다.

따라서, 상기 욕조 내부의 특정 양이온의 농도를 변화시킴으로써, 즉 가장 빨리 소비되는 원소의 재저장 사이클을 조정함으로써, 상이한 조성의 세라믹 물질의 층 및/또는 많은 상이한 세라믹 물질의 혼합물의 층을 수득하는 것이 가능하다.

도 5는 전술된 방법으로 수득될 수 있는 결과를 개략적으로 나타낸다.

실제로, 상기 방법은, 금속 지지체(1)의 단일 그레인(4)의 표면 상에, 따라서 기공 자체에 포함된 그레인의 표면 상에, 물질(5)의 층을 침착시키는 것을 가능하게 한다.

상기 물질이 그레인의 표면 상에만 침착되고 기공을 충전하지는 않는 것에 주목하여야 한다.

본 발명의 이 실시양태에서, 물질(5)의 층은 부식방지 보호성 세라믹 층으로 이루어진다.

예를 들어, 상기 물질(5)의 층은, 세륨 산화물 및/또는 유사한 부식방지 특성, 전기 전도성 및 상호확산에 대한 차단성을 가진 다른 화합물을 포함할 수 있다.

이 결과에 의해 제공되는 몇 가지 기술적 이점이 있다.

단일 균질 층으로서(즉, 통상의 보호성 물질의 구조물로서) 배열되는 대신에 언급한 바와 같은 보호성 물질 상이 개발되어, 그의 전도성 상(즉, 금속)에서 이는 다공성 구조에 매우 근접한다.

이는 도 10에서 명확하게 볼 수 있으며, 도 10은 좌측에, 침착 전의 금속 지지체(1)의 현미경 사진을, 우측에, 세륨 산화물 결정으로 코팅된 상기 금속 지지체(1)의 현미경 사진을 도시한다.

이는, 다른 침착 기법에 대해 적은 양의 보호 물질을 사용하는 것이 가능하게 한다.

다른 중요한 이점은, 이 결과 덕분에, 공지의 전지에는 보통 존재하는, 요소들의 상호확산에 대한 장벽으로서 작용하는 층을 더 이상 적용할 필요가 없다는 사실에 있다.

실제로, 물질(5)의 층(예를 들어, 세라믹 물질의 경우, 세륨 산화물 또는 세륨 산화물과 금속 산화물의 혼합물)은, 금속을 부식으로부터 효과적으로 보호할 뿐 아니라, 자체가 금속과 전극 간의 원소의 상호확산에 대한 효과적인 장벽을 구성한다.

이 층은, 그의 조성에 따라, 전류 전도를 방해하지 않을 뿐 아니라 또한 전극 물질의 기능을 수행할 수도 있다.

세륨 산화물은 실제로 더 우수한 성능으로, 애노드 혼합물에 보통 함유되는 이트리아-안정화된 지르코니아를 대신할 수 있다.

이 덕분에, 일단 세륨 산화물이 침착되면, 애노드의 조성을 완결시키기 위해 니켈만 침착시키는 것이 충분할 수 있다.

또한, 통상적인 전극에서, 상기 물질의 단지 일부만이 실질적으로 촉매 기능을 가지며 나머지 모두는 단지 전해질과의 계면으로부터 전류 집전기로 전류를 전송하는데만 사용됨을 주지하여야 한다.

따라서, 전기화학적 침착은 상기 상을 금속에 바로 적용함으로써 이 거리를 감소시키며 따라서 물질 요구량을 최소량으로 감소시킨다.

통상적인 전지에서는, 전극이 적절한 다공도를 가져 기체의 확산을 허용하는 것을 확실히 하는 것이 중요하다.

그러나, 높은 다공도는 종종 기계적인 특성을 불량하게 만든다.

그러나, 본 발명에 따른 방법의 적용시에, 다공도는 금속 지지체(1)에 기인되며 전착 후에 실질적으로 변화되지 않는다.

본 발명에 따른 방법 덕분에, 보통 고온에서 화학적으로 안정하지 않은 원소를 침착시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 세륨 산화물은 지르코니아와 함께 동시 소결될 수 없으며, 그 이유는 고온에서 이들은 고용체를 형성하기 때문이다.

원하는 물질(5)의 층의 전기화학적 침착 단계의 말기에, 상기 방법은, 수성 용액의 잔류물, 및 따라서 여전히 가용성인 양이온성 종을 제거하기 위해 금속 지지체(1)를 세척하는 단계를 고려한다.

이후에, 일부 실시양태에서, 상기 방법은, 금속 지지체(1)의 열처리를 수행하여 세라믹 물질(5)의 층의 고결(consolidation)을 촉진시키는 단계를 포함할 수 있다.

그러나, 이 단계는 전적으로 임의적인 것임을 주지하여야 한다.

이들 단계의 말기에, 공지 기법 중 하나로 캐쏘드를 침착시킴으로써 전지의 완결을 진행할 수 있다.

도 6, 7, 8 및 9에 개략적으로 도시된 본 발명의 또 하나의 버전에서, 금속 지지체(1)는, 연료 전지의 전해질(3)을 구성하는 세라믹 물질의 제1 층과만 결합된다.

따라서, 애노드를 구성하는 세라믹 층이 존재하지 않는다.

본 발명의 이 버전에서는, 본 발명의 이전 버전에 대해 기술한 바와 같이, 다공성 금속 지지체(1) 상에 부식방지 보호성 물질(5)의 층(예를 들어, 세라믹 물질의 경우, 세라믹 산화물 또는 세라믹 산화물과 금속 산화물의 혼합물)이 침착된다.

이는 본 발명의 이전 버전과 완전히 유사한 방식으로 도 6, 7 및 8에 개략적으로 도시되어 있다.

이어서, 역시 본 발명에 따른 방법을 적용하여, 전지의 전극을 구성하는 추가의 층, 바람직하게는 애노드(2)를, 상기 보호성 세라믹 물질(5)의 층 상에 침착시킨다.

그러한 추가의 층은 예를 들어 니켈과 세륨 산화물의 혼합물로 제조될 수 있으며, 따라서 촉매 특성을 갖는다.

수득될 수 있는 결과는 도 9에 개략적으로 도시되어 있다.

금속 지지체(1)의 다공도에 따라 물질의 최소량이 사용되도록 애노드(2)가 침착된다.

따라서, 본 발명에 따른 방법은, 다공성 금속 지지체(1) 및 이 위에 침착된 전해질(3)을 포함하는 이중층 세미-작동식 생성물로부터 출발하여, 예를 들어 통상의 기법 또는 진공 기법(예를 들어, PVD, CVD)으로, 전지를 완결하는 것을 가능하게 한다.

도 11 및 도 12에 개략적으로 도시된 본 발명의 또하나의 버전에서, 상기 방법을 적용하여, 복잡한 기하구조를 가진 조밀한 금속 지지체(1) 상에 세라믹 물질(5)의 층으로 이루어진 보호성 코팅을 침착시킨다.

복잡한 기하구조를 가진 조밀한 금속 지지체라 함은, 예를 들어 사전-천공된(pre-perforated) 표면, 또는 채널을 가진 3차원 구조, 또는 유사한 구조를 포함하는 지지체를 의미한다.

예를 들어, 이 경우, 금속 지지체(1)는, 연료 스택 내부에서 단일 전지를 분리하는 금속 상호접속부 중 하나로 이루어질 수 있다.

이 유형의 금속 지지체(1) 상의 보호성 코팅의 침착은, 특히 그의 기하구조가 복잡한 경우, 세라믹 필름의 통상의 침착 기법을 통해서는 특히 복잡하고 길고 번거롭다.

본 발명의 이 버전에서, 예를 들어 상기 세라믹 물질(5)의 층은 코발트 및/또는 망간을 포함한다.

본 발명의 또다른 목적은 또한, 이전에 기술된 본 발명의 버전들 중 하나에 따른 방법을 적용함으로써 침착된 물질(5)의 층으로 코팅된 금속 지지체(1)이다.

따라서, 본 발명이 제시된 목적을 어떻게 달성하는지 기술되었다.

본 발명에 따른 방법은, 전착 기법의 특성 덕분에, 효율적이고 비용효과적인 방식으로, 연료 전지의 금속 지지체 상에, 심지어는 예를 들어 동시 소결을 통해 전극 및 전해질 중 하나가 미리 제공되어 있는 지지체 상에, 부식방지 보호성 세라믹 물질의 층을 선택적으로 침착시키는 것을 가능하게 한다.

언급한 바와 같이, 상기 침착은, 금속 지지체의 표면상에만 주로 일어나는 방식으로 선택적이다.

따라서, 전지 또는 전지 스택에 존재하는 금속 부분(즉, 지지체, 상호접속부)의 모두의 부식과 관련된 문제가, 심지어는 이들이 복잡한 기하구조를 특징으로 한다 하더라도, 효율적으로 제거된다.

본 발명은 연료 전지 분야 및 전기분해 전지 분야 둘 다에 적용될 수 있음을 주지하여야 하며, 따라서, 예를 들어 연료 전지에 대한 적용에 본 명세서를 참조하는 경우, 동일한 개념을 어떠한 제한 없이 전기분해 전지에도 적용할 수 있는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명을 바람직한 실시양태에 따라 기술하였지만, 하기 청구범위에 의해 제공되는 보호 범위에서 벗어남이 없이 등가 변형법이 고안될 수 있다.

청구범위에 언급된 기술적 특성에 참조 부호가 이어진 경우, 그러한 참조 부호는 단지 청구범위의 명확성을 증가시킬 목적으로만 도입된 것이며, 따라서 상기 참조 부호는 그러한 참조 부호에 의해 예로서 확인되는 각각의 요소의 해석에 제한적인 영향이 없는 것이다.

Claims (11)

1. 고체 산화물 연료 전지용 금속 지지체(1) 상에 물질의 층을 침착시키는 방법으로서, 이때 상기 금속 지지체(1)는 단일 소결된 그레인(4)을 포함하는 다공성 금속 물질을 포함하고, 연료 전지의 전해질(3)을 구성하는, 세라믹 물질의 하나 이상의 층이 상기 금속 지지체(1)에 결합되고,
   상기 금속 지지체(1)의 표면을 제조하는 단계,
   하나 이상의 보호성 세라믹 물질의 층(5)을 수득하는데 필요한 양이온을 가진 수성 용액을 함유하는, 관련 작동(relative actuation) 수단을 가진 전해질 욕조를 위한 장치를 준비하는 단계,
   상기 금속 지지체(1)를 상기 전해질 욕조에 침지시키는 단계,
   상기 전해질 욕조의 상기 작동 수단을 제어하여 상기 욕조의 애노드와 캐쏘드 사이에 전류를 인가하되, 상기 전류는 원하는 보호성 세라믹 물질의 층(5)이 형성될 때까지 선택적인 방식으로 상기 금속 지지체(1)의 표면 상에 세라믹 상을 침착시키는 단계로서, 이때 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)은 부식방지 보호 특성을 갖는 세라믹 물질을 포함하고, 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)은 상기 금속 지지체(1)의 단일 그레인(4)의 표면 상에 침착하고, 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)은 세륨 산화물, 또는 세륨 산화물과 금속 산화물의 혼합물을 포함하여, 상기 금속 지지체(1) 및 상기 전해질(3) 사이의 요소들(elements)의 상호확산에 대한 효과적인 장벽을 구성하는, 단계, 및
   니켈과 세륨 산화물의 혼합물로 제조되어 상기 연료 전지의 애노드(2)를 구성하는 추가의 층을 전해질 욕조용 장치에 의하여 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5) 상에 침착하되, 상기 애노드(2)는 상기 금속 지지체(1)의 다공도에 따라 침착되는 단계
   를 포함하는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)의 침착 후에, 상기 수성 용액의 잔류물을 제거하기 위해 상기 금속 지지체(1)를 세척하는 단계를 포함하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 지지체(1)의 열처리를 수행하여 그 위의 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)의 고결(consolidation)을 촉진시키는 단계를 포함하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상이한 조성의 보호성 세라믹 물질 및/또는 상이한 물질들의 혼합물의 상이한 층들(5)을 수득하기 위해 상기 전해질 욕조 내의 양이온의 농도를 주기적으로 조절하는 단계를 포함하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)이 니켈 및 세륨 산화물을 가진 세라믹 물질을 포함하는, 방법.
6. 단일 소결된 그레인(4)을 포함하는 다공성 금속 물질, 연료 전지의 전해질(3)을 구성하되 금속 지지체(1)에 결합된 세라믹 물질의 하나 이상의 층, 및 상기 금속 지지체(1)의 표면 상에 배열되고 부식방지 특성을 갖는 세라믹 물질을 포함하는, 하나 이상의 보호성 세라믹 물질의 층(5)을 포함하는, 고체 산화물 연료 전지용 금속 지지체(1)로서,
   상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)은 상기 금속 지지체(1)의 단일 그레인(4)의 표면 상에 침착하고,
   상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)은 세륨 산화물, 또는 세륨 산화물과 금속 산화물의 혼합물을 포함하여, 상기 금속 지지체(1) 및 상기 전해질(3) 사이의 요소들(elements)의 상호확산에 대한 효과적인 장벽을 구성하고,
   상기 금속 지지체(1)는, 니켈과 세륨 산화물의 혼합물로 제조되어 상기 연료 전지의 애노드(2)를 구성하고 상기 보호성 세라믹 물질의 층(5) 상에 침착된 추가의 층을 포함하되, 상기 애노드(2)는 상기 금속 지지체(1)의 다공도에 따라 침착된, 금속 지지체(1).
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 보호성 세라믹 물질의 층(5)이 니켈 및/또는 세륨 산화물 및/또는 코발트 및/또는 망간을 포함하는, 금속 지지체(1).
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

Images