KR20070049198A - 저항-가변 전극 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전하 이동 부재(612)를 포함하는 저 전압, 고 전류 전기 생성 디바이스용 전극 구조물에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 불균일 저항을 갖는 전기 전도성 부재(605)가 전류 커플링을 최적화시키기 위하여 전하 이동 부재(612) 상에 배치된다.
가변, 저항, 전극, 구조물, 전하 이동 부재, 전도성 부재

Description

저항-가변 전극 구조물 {Resistive-varying electrode structure}
본 발명은 배터리, 연료 또는 광전지 및 산소 세퍼레이터, 촉매, 센서, 등과 같은 전기화학 디바이스에 관한 것으로서, 특히 이러한 전기화학 디바이스용 전류 커플링(집전 또는 배전을 포함함) 구조물에 관한 것이다.
고체 산소 연료 전지(SOFC)는 캐소드 전극층과 애노드 전극층 사이에 샌드위치된 산화물 전해질의 단일 전지를 가로질러 산화제(예를 들어, 산소)와 기체 연료(예를 들어, 수소)를 전기화학적으로 반응시켜 직류 전기를 생성시키는 에너지 변환 또는 파워 발생용 디바이스이다. 전류 SOFC 기술의 주요 특징은 모든 고상 구조(construction), 다중-전지 용량, 및 고온의 작동을 포함한다. 이러한 특징들에 기인하여 상기 SOFC는 고정식 및 이동식 적용품을 위한 고-성능, 고품질(claen)의 효율적인 전기 파워 소스가 될 가능성을 갖고 있다.
대부분의 고상 전기화학 디바이스들에 있어서 주요 손실은 전극들 및/또는 전극/전해질 계면에서 발생된다고 알려져 있다. 농도 분극 또는 활성화 분극 중 어느 하나 또는 이들 모두로부터 기인되는 손실들의 최소화는 이러한 디바이스의 효율적 작동에 중요하다는 점 또한 인식되어 있다. 예를 들어, 이러한 손실의 최소화는 고체 산화 연료 전지에서 고 전류 및 파워 밀도를 얻는데 중요하다.
통상적인 작동 조건하에서, SOFC 단일 전지는 1V 미만을 생성한다. 따라서, 실제 적용에서 단일 전지는 전압을 높이기 위하여(build) 전기 시리즈(electric series) 내에 스택된다(stacked). 스태킹은 스택 내에서 하나의 전지의 애노드를 다음 전지의 캐소드와 전기적으로 연결시키는 인터커넥트로서 기술되는, 구성요소에 의해 제공된다. 통상적인 SOFC들은 약 1000℃ 및 대기압(ambient pressure)에서 작동된다.
SOFC 시스템의 비용은 상업적으로 경쟁력 있다고 고려될 수 있는 기술로서는 너무 높다. 경비는 1차적으로 SOFC 스택의 불량한 성능에 기인한다. SOFC 비용 감소 프로그램의 최대 관건은 전해질 구성(fabrication), 전극 미세구조, 및 인터커넥트 디자인 및 재료에 있다. 첫 번째의 2가지 도전들은 다루어져 왔으나, 인터커넥트 디자인 및 재료는 여전히 향상될 필요가 있다.
낮은 저항을 갖는 이트리아 안정화 지르코니아의 얇은, 밀폐된 전해질을 생산하고자 하는 몇 가지 공정 기술이 개발되어 왔다. 저 활성화 저항을 갖는 전극 미세구조는 널리 알려져 있으며 사용되고 있다.
SOFC 단일 전극의 한 가지 예는 도핑된 란탄 크로마이트 인터커넥트에 연결된 스트론튬-도핑 란탄 망가나이트(LSM) 캐소드와 애노드용 니켈/YSZ 사이에 샌드위치된 산화물 이트리아-도핑 또는 안정화된 지르코니아 전해질(YSZ)로 구성된 세라믹 3중층이다. 일반적인 최신 단일 전지는 Sr0 .2La0 .8MnO3(LSM)/8 m/o 이트리아-안정화된 지르코니아(8 YSZ)의 다공성 복합 캐소드, 니켈/8YSZ의 다공성 복합 애노 드, 및 YSZ 전해질 및 800℃에서 2W/㎠를 초과하는 운반파워(deliver power)에 기초한다.
인터커넥트 재료와 디자인에 대한 향상이 여전이 요구된다. 애노드-지지체 디자인의 인터커넥트는 전이금속에 기초하며, 전류 흐름을 방해하는 산화물 스케일을 향상시킨다. 인터커넥트의 디자인 및 몇몇 디자인의 인터커넥트 단일 전지들은 상기 전극으로부터 전류를 효율적으로 집전하지 않는다는 점이 단지 최근에 인식되어 있다. 전극 내의 전류 배전이 시스템 성능에 미치는 역할 및 효과는 기술되지 않았다.
시스템 성능은 종종 전극 내의 전류 배전 손실에 의해 전적으로 좌우된다. 실제, 상기 단일 전지의 저항 효과는 무시될 수 있다. 애노드-지지된 또는 캐소드-지지된 전해질과 반대로, 코닝의 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 디자인은 미국특허번호 제5,273,837호에 기술된 바와 같은 얇은, 기계적으로 연성을 띠는 전해질 시트에 기초한다. 상기 전해질은 전극에서 지지체로서 작용하며, 미국특허번호 제6,623,881호에 기술된 바와 같은 "전해질을 통한(through-the-electrolyte)" 인터커넥션을 위해 비아 홀로 펀치된다. 캐소드-지지된 튜브 또는 애노드-지지된 플레이트와 같은 개개의 전해질이 실린 부재들의 인터커넥션에 의해 전압이 높아지는 다른 SOFC 디자인과 달리, 코닝 디자인은 상기 인터커넥트를 전해질과 통합하여 단일 전해질 멤브레인 상에 배열된 다중 단일 전지들로부터 전압을 높인다.
결국, 상기 코닝 디자인은 다른 디자인보다 높은 부피의 파워 밀도를 운반할 가능성을 갖는다. 낮은 비용의 재료 외에, 전해질을 통과하는 인터커넥트를 갖는 연성 전해질 디자인은 상기 인터커넥트 재료의 문제를 동시에 해결하고 전류를 전극들로 배전시킬 수 있다(전류를 집전함).
비용이 상업적 실행가능성을 궁극적으로 결정하나, 성능은 모든 디자인에서 비용과 연결된다. 면적 비저항(Area specific resistance)(ASR)은 연료 전지에 대해 이점을 갖는 것으로 일반적으로 인용되는 특성이다. 전지 전압 대비 전류 밀도의 절대 기울기를 나타낸 것은 전지의 면적 비저항으로서 정의된다(ohm-㎠).
많은 요인들이 재료의 성질, 공정 조건, 및 디자인 외형과 같은 ASR에 의존한다. 공정의 효과를 고려치 않더라도, SOFC를 제작하는데 사용되는 대부분의 재료들의 성질이 알려져 있다. 어느 한 디자인의 성능 및 비용이 예측되어 최적화될 수 있다.
산소 이온 수송에 대한 활성화 분극 및 저항이 단일 전극의 내부 저항에 1차적으로 기여한다. 낮은 내부 저항 전극들의 이론적인 구성 및 필수적 기능(feature)들이 알려져 있다. 농도 분극은 특정 조건에서 성능에 영향을 미치지만, 그러나, 이러한 효과는 5A/㎠를 초과하는 전류 밀도에서 또는 연료 또는 산화제 고갈 조건하를 제외하고는 통상적으로 무시된다는 점이 언급되어야 한다. 다음 수준의 디자인에서, 전류는 캐소드로부터 인터커넥트 패드로, 비아를 통해서 또 다른 인터커넥트 패드로 집전되며, 최종적으로 코닝 타입의 스트립 전지의 애노드를 통해서 배전된다.
단일 전지는 전극에서의 전류 배전과 집전을 용이하게 하도록 디자인되어야 한다. 그러나, 우수하게 디자인된 단일 전지의 고 파워 밀도는 여전히 전류 배전시 손실될 수 있다. 배전/집전 손실은 전극이 너무 넓거나 너무 얇거나 또는 전도성이 부족할 때 과도해질 수 있다. 이는 특히 캐소드의 LSM에서 두드러진다. LSM의 전도도는 애노드의 니켈에 대해 24,000 S/㎝인 것에 반해 단지 100 S/㎝이다. 20㎛ 두께의 LSM 캐소드에 대해 최적화된 이론적인 전극 폭은 파워 손실을 최소화하기 위해 약 1㎜ 미만이다. 실제로는 이러한 두께의 스트립 전지 전극을 제조하기가 어렵다. 현재 약 10㎛의 두께를 갖는 다공성 실버-팔라듐 합금의 고 전도성(>10,000 S/㎝)층은 전류 배전을 용이하게 하기 위하여 캐소드의 상부 상에 증착된다. 이러한 연료 전지는 미국특허번호 제6,623,881호에 개시되어 있으며, 여기서 전기 전도체는 상대적으로 평평하며 은-팔라듐 합금(예를 들어, 70% 은-30% 팔라듐)으로 제조되어 있다. 상기 특허출원에 개시된 평평한 은-팔라듐 전기 전도체의 사용이 대부분의 적용에서는 잘 작동하지만 이들은 몇몇 적용에 있어서 연료 전지의 내구성을 제한할 수 있고 비용적인 요구사항을 충족시키지 않을 수 있다. 은은 SOFC의 일반적인 작업 온도에서 휘발성 및 이동성을 띤다.
한가지 해결방법은 은을 금과 같은, 좀 더 내구성을 갖는 귀금속 전류 집전기(collector)로 대체하는 것이다. 킬로와트 당 전류 집전기의 재료 비용은 p가 그램 당 달러로서 전류 집전기 재료의 비용이고, d는 밀도이며, t는 디자인된 ASR을 달성하는데 요구되는 두께인 다음의 수학식 4000×ASR×p×d×t에 의해 전지 ASR에 관련되어 평가될 수 있다. 금의 전도도는 은과 유사하며, 따라서 10㎛ 두께의 금층이 또한 바람직하다. 최대 파워에서 ∼0.5W/㎠의 성능 타겟은 0.5Ω㎠의 ASR에 대응된다. 이는 홀로 값비싼 전류 집전기에 대해 ∼200달러의 대략적인 재료 비용을 부여한다.
따라서, 캐소드 전류 집전기 내의 귀금속의 이용을 최소화하거나 및/또는 은에 의존하지 않는 제조가능한 인터커넥트 디자인이 바람직하다. 은을 제거한 용액 또한 작업 온도 범위를 600-800에서 600-900℃로 넓힌다. 이는 열적 관리에 있어서의 제약이 어느 정도 제거되며 ASR이 좀 더 높은 온도에서 더욱 낮아질 수 있다는 이점이 있다.
따라서, 스택 레벨에서 파워 출력을 최대화하는 반면, 주어진 일련의 재료의 성질, 비용 및 제조 역량의 제약 하에 성능을 최적화시키는(ASR을 최소화시키는) 다양한 SOFC 디자인의 선택이 요구된다. 비아 및 비아/전극 접점과 열결된 단일-전지의 디자인을 향상시키기 위한 이러한 조건들은 은을 함유하지 않으며, 단일 전지 당 귀금속의 고정된 양, 단일 전지 당 인터커넥트의 제한된 숫자, 제조가능한 전극의 폭, 산화물 캐소드 전류 집전기의 사용, 및 형상된 비아, 등을 포함한다.
특히, 일반적으로 은, 특히 상기 캐소드를 통해 전자를 배전시키는데 사용되는 전류 집전기 구조 내의 은을 제거하는 SOFC 디자인은 다음과 같은 이점을 갖는다:
1) 작동 시스템의 수명을 향상시킴;
2) 특정 파워가 더욱 높은 좀 더 고온에서의 작동을 향상시킴; 그리고
3) 작동 시 온도 유지에 따른 제약을 없앰.
따라서, 연료 전지의 내구성을 향상시키면서 비용 효율이 높은 특정 조성 및/또는 특정 외형을 갖는 전기 전도성 전류 집전기를 이용하는 연료 전지가 요구된 다. 이러한 요구 및 기타 요구들이 본 발명의 연료 전지 및 전기 전도체에 의해 충족된다.
발명의 요약
저 전압, 고 전류 전기 생산 디바이스에 대한 전극 구조물은 전하 이동 부재를 포함한다. 불균일 저항을 갖는 전기 전도성 부재는 전류 커플링을 최적화하기 위하여 전하 이동 부재 상에 배치된다.
첨부되는 도면과 함께 후술되는 상세한 설명을 참고함으로써 본 발명을 좀 더 완전하게 이해할 수 있을 것이다:
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 저항-가변 전기 전도성 부재에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지를 갖는 저항-가변 연료 전지의 평면도 및 단면도이고;
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 가변 두께를 갖는 저항-가변 전기 전도성 부재에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지를 갖는 연료 전지의 평면도 및 단면도이고;
도 3은 도 2a 및 도 2b에 나타낸 연료 전지 내에 포함될 수 있는 몇몇 부가 구성요소층을 상세하게 나타낸 단면도이고;
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른, 다른 전극 폭(㎝)에 대해서 비아 접점(㎝)으로부터의 거리의 함수로 가변 캐소드 두께 프로파일(㎛)을 나타낸 그래프이고;
도 5는 본 발명에 따른 캐소드 구조를 나타낸 투시도이며;
도 6은 본 발명에 따른 전극 구조의 평면도이며;
도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 2-차원 어레이에서 저항-가변 전기 전도성 부재에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지를 갖는 저항-가변 연료 전지의 평면도 및 단면도이며;
도 8은 본 발명에 따른 향상된 외형 및 조성을 갖는 저항-가변 전류 집전기에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지의 연료 전지를 나타낸 평면도이고;
도 9는 본 발명에 따른 직각 비아 어레이 내의 향상된 외형 및 조성을 갖는 저항-가변 전기 전도성 부재에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지를 갖는 연료 전지를 나타낸 평면도이고;
도 10은 본 발명에 따른 저항을 대비하여 나타낸 그래프이다.
도 1-10는 본 발명에 따른 연료 전지 또는 기타 전기화학 변환기와 같은, 저 전압, 고 전류 전기 생성 디바이스에 사용될 수 있는 전기 전도성 부재의 몇 가지 다른 실시형태를 도시한 것이다. 후술되는 연료 전지가 고체 산화물 연료 전지("SOFCs")일 수 있으나, SOFCs 외에 다른 형태의 연료 전지가 본 발명에서 사용될 수 있음이 주지되어야 한다. 따라서, 상기 연료 전지 및 본 발명에 따른 연료 전지를 제조하기 위한 방법은 한정된 방식으로 해석되지 않아야 한다. 더욱이, 불균일 또는 저항-가변 전류 가변기 구조의 정확한 패턴은 이들이 다른 적용에 대해 변화될 수 있기 때문에 복사될 필요는 없다.
도 6은 저 전압, 고 전류 전기 생성 디바이스에 대한 전극 구조를 나타낸 것이다. 상기 전극 구조는 전하 이동 부재(612)를 포함한다. 불균일 저항을 갖는 전기 전도성 부재(605)는 전류 집전기를 최적화하기 위하여 전하 이동 부재(612) 상에 배치된다. 상기 전기 전도성 부재(605)는 상기 전하 이동 부재(612) 상에 배치된 전류 집전기(226)를 포함한다. 비아 접점(5)은 상기 전류 집전기(226)와 전하 이동 부재(612)를 인터커넥트한다. 상기 비아 접점(5)은 전기 전도체(104)를 함께 형성하는 비아 필로 채워지는 비아, 홀, 또는 구멍(114)을 갖는 비아 패드 또는 탭(104)을 포함한다. 상기 전하 이동 부재(612)는 연료 전지로서의 사용을 위하여 연성 전해질(108)의 반대편 상에 배치된 애노드 또는 캐소드일 수 있는 전극이다. 그러나, 다른 사용들이 본 발명의 동일한 저항 가변 전극 구조를 사용할 수 있을 것으로 예상된다.
상기 전하 이동 부재(612)는 통상적으로 상기 캐소드(612)에서의 산소의 환원과 같은 실제 전하 이동 반응을 수행하기 위하여 전해질 시트(108)에 근접하여 배치된 전극층이다. 상부에 배치된 패턴화된 층은 전류 집전기/배전기이다. 상기 전극(612)이 단 거리에 걸쳐 전류를 이동시키기 위하여 약간의 전기 전도도를 가져야하나, 이러한 전도도는 코닝 SOFC 디자인에 대한 연성 전해질(108)의 경우에 연성과 같은 몇가지 다른 요구조건을 포함하지 않고는 전극(612)의 전체 표면에 걸쳐 전류를 이동시키는데 통상적으로 부적합하다. 따라서, 전류 집전 기능을 수행하기 위한 좀 더 높은 전도도를 갖는 제2재료를 사용해야 한다. 캐소드(612)에서, 공기 및 고 전도도를 갖는 것 모두에서 안정한 한정된 개수의 재료가 있다. 예를 들어, Au, Pd, Rh, Ir, 백금 및 은은 LSM에 비해 높은 전도도를 갖지만 값비싸다. 그러나, 본 발명에 따르면, 백금/은 또는 금(Au), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 또는 이리듐(Ir)의 비용은 특별히 형상된 구조와 애노드에 대해 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)를 사용함으로써 감소시킬 수 있다. 도 10에 도시된 데이터는 더욱 큰 열적 안정성을 갖는 적은 양의 백금이 은 팔라듐 전류 집전기로 대체될 수 있음을 나타낸다. 이 실시예에서 3개의 전류 집전/배전 상황에 대해 온도의 함수로서 산소 펌프 견본의 고 주파수 또는 옴 저항을 측정하는데 임피던스 분광학의 널리 알려진 기술이 사용되었다. 상기 옴 저항은 전류 집전 및 배전 손실과 전해질에서 산소 이온 이동에 대한 저항을 포함한다. 90Ag/10Pd 합금의 ∼8㎛/전극 두께가 양 전극의 전체 표면에 걸쳐 전류 커플링을 위하여 사용될 때 가장 낮은 저항이 얻어진다. 90Ag/10Pd 전류 집전기 중 하나를 ∼1㎛ 두께를 갖는 본 발명에서 교시된 바와 같은 최적화된 형상의 백금 금속 전류 집전기로 대체하는 것은 저항에 있어 약간의 완만한 증가를 초래한다. 나머지 90Ag/10Pd 전류 집전기를 최적화된 프로파일을 갖는 또 다른 얇은 백금 전류 집전기로 대체하는 것은 저항에 있어 또 다른 완만한 증가로 초래된다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 전류 커플링에 대해 최적화된 형상을 갖는 얇은, 비용효율이 높은 함양의 귀금속으로부터 제조된 전류 집전기는 대부분 2개의 두꺼운 Ag/Pd 전류 커플러를 사용하는 참조 샘플만큼 우수하다. 가장 중요하게는, 동일한 형상과 두께를 갖는 Ag/Pd를 사용하는 것은 백금의 경우와 유사한 옴 저항으로 귀결되나, 좀 더 높은 사용 온도는 좀 더 낮아질 수 있고 수명을 단축시킬 수 있다. 전극 폭(10), 비아(114) 디자인 파라미터, 비아 위치(12) 및 형상, 전류 집전 구조(226)의 프로파일링, 다른 전송 성질을 갖는 재료의 사용 등이 본 발명에 의해 교시된다.
다중 층, 또는 다른 저항 변화를 갖거나 또는 도 6에 도시된 바와 같은 전하 이동 부재 아래(612)를 노출시키는 컷-어웨이 부를 갖는 단지 하나의 층의 존재에 의한 전류 집전 구조 두께(226)의 프로파일링은 몇몇 특정 이점을 갖는다:
1) 귀금속의 사용이 요구된다면, 성능은 최대화되는 반면 양은 최소화됨.
2) 단일 전지 상의 그리드 어레이 또는 픽-업 포인트의 단일-전지(610) 당 또는 전해질(108)의 단위 면적당 비아 홀(114)의 수를 감소시킴.
3) 전류 기술로 쉽게 제조되는 전극 폭(10)의 사용을 향상시킴.
예를 들어, 도 7에서, 4각형-전지 디자인(601)과 약간 작은 전극 폭(10)을 결합할 때 전극(612) 상에서 뾰족한(tapered)/프로파일된 배전을 갖는, 경우에 따라 적은 양의 귀금속(Pt, Au, Pd)과 혼합된, 란탄 스트론튬 코발타이트(LSC)와 같은 고 전도성(1000 S/㎝) 산화물에 기초한 전류 집전 구조(226)는 Ag/Pt/Pd 합금 전류 집전기를 갖는 스트립-전지 디자인보다 더욱 낮은 비용으로 감소된 ASR에서 동등하거나 또는 우수한 성능을 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명은 다음을 교시한다: 1) 캐소드 또는 애노드 중 어느 하나 상에서 프로파일된 두께를 갖는 전류 집전기 구조물의 사용, 2) ASR을 최소화한 두께 프로파일을 갖는 전류 집전기 구조물의 사용, 및 3) ASR을 최소화한 프로파일과 근사치의 두께 프로파일을 갖는 전류 집전 구조물의 사용, 4) 연속적이거나 또는 개별적인 비아 접점과 연결된 프로파일된 전류 집전 구조물의 사용.
도 1a 및 1b를 참조하면, 하나의 디멘전 또는 원주형 인터커넥트된 단일 전지 배열에 대해 전기 전도체(104)에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지(102)를 갖는 연료 전지(100)의 평면도 및 단면도가 도시되어 있다. 두께-가변 전류 집전기(226) 형태의 상기 저항-가변 전기 전도성 부재가 캐소드 면을 나타내는 도 1b의 단면도 및 도 1a의 평면도에 도시되어 있다. 바람직하게는, 상기 가변-저항 전류 집전기는 상기 캐소드 상에 배치된다. 그러나, 유사 구조가 단지 애노드 상에 또는 애노드 상에 또한 배치될 수 있다. 기본적으로, 상기 연료 전지(100)는 고 강도, 기계적 무결성, 및 온도 사이클링 및 열 충격으로부터 열적 분해(degradation)에 대한 내성을 유지하는 한편 향상된 전지 다지인 유연성을 제공하는 얇고 적합한(compliant) 전극/전해질 구조에 기초한다. 상기 전극/전해질 구조는 이트리아-(Y2O3) 안정화된 지르코니아(ZrO2)(예를 들어)로부터 제조될 수 있는 얇은 연성 고체 산화물 전해질 시트(108)를 포함한다. 상기 전극/전해질 구조는 상기 전해질 시트(108)의 반대편 면에 배치된 애노드 전극(110)(예를 들어, 음의 연료 전극(110)) 및 캐소드 전극(112)(예를 들어, 양의 공기 전극(112))의 어레이를 더욱 포함한다. 상기 애노드 전극(110)은 니켈-ZrO2 서멧(예를 들어)으로부터 제조될 수 있다. 그리고, 상기 캐소드 전극(112)은 스트론튬-도핑된 란탄 망가나이트{(La0 .8Sr0 .2)MnO3}(예를 들어)로부터 제조될 수 있다. 상기 전극(110 및 112)은 상기 전해질 시트(108) 상에 연속된 층을 형성하지 않으나, 대신 다중 개별적인 영역 또는 전기화학 전지(102)를 한정한다. 상기 전기화학 전지(102)는 상기 전해질 시트(108) 내의 비아 홀(114)을 통해서 연장되고 상기 전극(110, 112)을 접촉하는 하나 이상의 전기 전도체(104)(예를 들어, 비아 필러, 전지 인터커넥트)에 의해 일련의, 평행한 또는 이들의 조합으로 전기적으로 인터커넥트된다. 상기 전기 전도체(104)는 3개의 부위(104a, 104b, 및 104c)를 포함한다. 따라서, 전류는, 비아부(104b)를 통해서 또 다른 인터커넥트된 패드부(104a)로, 상기 캐소드(112)로부터 인터커넥트 패드부(104c)로 집전되며, 최종적으로 상기 애노드(110) 전체로 배전된다.
도 2-3을 참조하면, 전기 전도체(204)에 의해 서로 연결된 일련의 전기화학 전지(202)를 갖는 연료 전지(200)의 다른 도면이 도시되어 있다. 도 2a 및 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 연료 전지(200)는 애노드 전극(210)과 캐소드 전극(212)의 어레이의 반대편 면 상에 배치되는 전해질 시트(208)를 포함하는 전극/전해질 구조에 기초한다. 상기 전극(210, 212) 및 전해질 시트(208)는 다중 전기화학 전지(202)를 한정한다. 상기 전기화학 전지(202)는 상기 전해질 시트(208) 내의 비아 홀(214)을 통해서 확장되고 상기 전극(210, 212)을 접하는 하나 이상의 전기 전도체(204)(예를 들어, 비아 필러, 전지 인터커넥트)에 의해 일련의, 평행한, 또는 이들의 조합으로 전기적으로 인터커넥트된다.
도 1b의 전기 전도체(104)의 부분 배전 대신, 도 2b의 전기 전도체(204)는 복합 전도체이며, 비아 필 재료(203) 및 두개의 비아 패드 구조(205a, 205b)를 포함한다. 상기 비아 필 재료(203)는 상기 전해질 시트(108) 내의 비아 홀(114)의 하나를 기밀 밀봉하고 그 내에 위치된다. 그리고, 상기 2개의 비아 패드 구조(205a, 205b)는 상기 비아 홀(114)의 양면으로부터 확장되는 비아 필 재료(203)의 반대편 단부에 접착된다. 도시된 바와 같이, 상기 비아 패드 구조(205a)는 상기 애노드 전극(210) 및 상기 비아 필 물질(203)의 하나의 단부를 접촉한다. 이와 유사하게, 상기 비아 패드 구조(205b)는 상기 캐소드 전극(212)과 상기 비아 필 재료(203)의 다른 단부를 접촉한다. 따라서, 전류는, 상기 비아부(203)을 통해서 또 다른 인터커넥트 패드부(205a)로, 상기 캐소드(212)로부터 상기 인터커넥트 패드부(205b)로 집전되며, 최종적으로 상기 애노드(210) 전체로 배전된다.
상기 실시형태의 주요한 측면은 상기 비아 패드 구조(205a, 205b)가 상기 전해질 시트(208)과 비아 필 재료(203)와 관련된 산화 및 환원 조건 2가지 모두를 접하고 있지 않다는 점이다. 이처럼, 상기 2개의 비아 패드 구조(205a, 205b)는 상기 비아 필 재료(203)를 제조하기 위해 사용되는 재료에 비해서 좀 더 저렴하고 향상된 성질을 갖는 다양한 재료로부터 제조될 수 있다. 상기 2개의 비아 패드 구조(205a, 205b)는 상기 전극(210, 212)의 통합 노출(integral outcropping)일 수 있고, 도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이 개별적인 프린트가 아닐 수 있음이 또한 주지되어야 한다.
도 1 및 2는 개별적인 부재로서 전기 전도체(104, 204) 또는 비아 패드 구조(205a, 205b)를 나타낸다. 개별적인 전도체(104, 204)를 제공하는 것은 상기 전도체와 전해질 시트(108, 208) 사이의 CTE 부정합으로부터의 응력을 감소시킨다. 또 다른 실시형태에서, 상기 전기 전도체(104, 204)와 전극(110, 112, 210, 212) 사이의 전기 커넥션은 도 1 및 2에 도시된 바와 같은 개별적인 패드보다는 연속적인 선의 재료에 의해 제조될 수 있다. 적합한 선택은 상기 비아 패드 재료와 전해질 재료와의 CTE 정합 뿐만 아니라 비아 패드 재료와 비교해 볼 때 상기 전극 재료의 상대 전도도 및 비용적인 고려에 기초하여 취해질 수 있다.
도 3은 도 2a 및 2b에 나타낸 연료 전지(200) 내에 포함될 수 있는 몇몇 부가적인 선택적 구성요소 층을 자세하게 나타낸 단면도이다. 상기 연료 전지(200)를 제조하기 위해 선택되는 재료에 따라, 몇몇 부가적인 구성요소 층을 부가하는데 유리할 수 있다. 예를 들어, 상기 애노드 전극(210)은 선택적인 전기 전도성 전류 집전기층(222)을 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 캐소드 전극(212)은 전기 전도성 전류 집전기층(226)을 포함할 수 있다.
연속적인 비아 접점을 갖는 통상의 스트립-전지 외형의 수학적 분석은 2개의 주요 결과를 예상한다. 첫째, 전극 폭/비아 접점 분리에 대한 일반적인 디자인 파라미터가 얻어진다. 도 1에 나타낸 바와 같은, 전극 폭/비아 접점 스페이싱, w, 분리(10)는 근 단일 전지(near single cell)의 성능이 RSC가 고유 단일 전지 성능이고, σc가 모든 전류 집전 구조(226)를 포함하는 전체 캐소드 구조의 외형 전도도(apparent conductivity)이며, tc가 상기 캐소드 구조(212)의 두께이고, σa가 모든 전류 집전 구조(222)를 포함하는 전체 애소드 구조의 외형 전도도이며, ta가 상기 애노드(210)의 두께인 스택 레벨에서 구현되도록 하기 위하여 다음의 수학식 1 미만이어야 한다.
Figure 112007018185509-PCT00001
상기 디자인 파라미터 미만의 전극 폭 및 비아 접점 분리(10)는 본 발명의 연성 전해질 연료 전지 디자인에 대해 바람직하다. 애노드가 지지된 디바이스 상에 보다 두꺼운 전해질이 사용될 수 있으나, 비용에서의 증가와 함께, 상기 디바이스의 전기 성능에서 겪을 수 있을 만큼의 내열충격을 입을 수 있다는 점이 또한 주지되어야 한다.
제2결과는 전극 폭(10), 전도도, 및 두께(전류 집전 구조(222, 226)를 포함함) 관점에서의 ASR에 대한 분석적 표식이다. 상기 표식은 다음 수학식 2와 같다:
Figure 112007018185509-PCT00002
ASR<0.99Ω㎠을 부여하기 위하여 1Ω㎠ 이하의 모든 고유 단일 전지 저항으로 시작하는 수학식 2에서 결정된 동일하거나 다른 재료, 다공도 등을 포함하는 애노드(210) 또는 캐소드(212) 중의 어느 하나 상에서 모든 전류 집전 구조(222 또는 226)을 포함하는 전극 폭(10), 전극 두께, 및 외형 전극 전도도가 바람직하다.
수학식 2는 상기 전극의 폭에 따른 균일한 물리적 성질 및 디멘전을 추정한다. 본 발명에 따르면, 상기 ASR은 두께 또는 조성과 같은 전극을 프로파일링함으로써 더욱 감소될 수 있다. 예를 들어, 15㎛의 Ag 합금 층이 상기 캐소드(212) 상부 상에서 전류 집전기(226)로서 사용된다. Ag는 홀로 원하는 ASR을 달성하기 위해 적합한 고 전도도를 제공하나, 고온에서 Ag는 이동성을 띠며 승화되는 경향이 있다. Ag 전류 집전기의 수명은 귀금속으로 합금될 때조차 관심거리가 된다. 합금 내의 귀금속의 비용은 허용가능하다. 은은 전류 집전기(226)로서 란탄 스트론튬 코발타이트(LSC)와 같은 고 전도성 산화물과, 상기 비아 접점(5)에 대해서 상기 전류 집전기(226) 내의 귀금속의 적절한 위치, 및 1㎝에서 ∼5㎝까지의 현재가치의 전극 폭(10)의 약간의 감소의 조합을 사용함으로써 제거될 수 있다. 따라서, 은, 금, 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, LSC와 같은 란탄 전이 금속 산화물 페로브스카이트, 및 고 전기 전도도를 갖는 기타 다른 물질이 본 발명에 따른, 전극 조성물과 다른 전류 집전 조성물로서 사용될 수 있다.
저항을 1차원으로 변화시키는 것 대신, 상기 전류 집전기의 저항을 또한 2차원적으로 변화시킬 수 있다. 상기 ASR은 전극 폭(10)의 함수로서 0.25Ω㎠의 고유 저항을 갖는 단일 전지에 대한 w, 10,000S/㎝의 외형 애노드 전도도, 15㎜의 애노드 두께, 및 15㎛ 두께 및 10S/㎝의 전도도를 갖는 하나의 층(212)을 갖는 캐소드 및 상기 전류 집전기로서 0.1㎛ 두께 및 25,000S/㎝의 전도도를 갖는 제2층을 변화시킨다. 상기 재료 성질은 Au/Ag/Pd/Pt와 같은 고 전도성 전류 집전기를 갖는 다공 성 Ni/8 YSZ 애노드, 10㎛ 두께의 8 YSZ 전해질, LSM/8 YSZ 캐소드를 포함하는 실제 SOFC에 근접하도록 선택되었다. 상기 저항은 균일한 두께의 전류 집전기/캐소드 구조에 대해 0.1㎝의 전극 폭에서 약 0.2Ω㎠로부터 4.0㎝의 전극 폭에서 약 4.8Ω㎠까지 증가한다. 그러나, 본 발명에 따르면, 만약 상기 전류 집전기 두께 프로파일이 단위 면적 당 고 전도성 재료의 전체 양이 고정된다는 제약 하에서 성능에 대해 최적화된다면, 상기 저항은 계산된, 가장 넓은 전극 폭 4㎝에 대해 약 5%(3.4Ω㎠) 감소된다.
도 4를 참조하면, 2차원 경우에서, 다양한 전극 폭(0.1에서 4.0㎝까지)에 대해 최적화된 두께 프로파일이 높이 또는 y-디멘전을 달리하면서 도시되어 있다. 상기 캐소드-비아 접점(5)에서 상기 전류 집전기(226)의 두께가 제로로 접근함이 주목된다. 상기 최적화된 프로파일은 제작하기 어렵거나 또는 값비쌀 수 있다. 이러한 경우, 블록에 의해 비슷해질 수 있다. 재료 비용/부피의 제약 하에서 상기 비아-접점(5)과 디멘전에 대한 위치는 프로파일링에 의해 얻어지는 가장 큰 게인을 달성하기 위하여 최적화될 수 있다. 상기 애노드(210)와 캐소드(212) 모두에서의 전류 집전기 구조(222, 226)의 두께 프로파일링이 가능하다. 최적화된 두께 프로파일을 사용하고 값싸고 용이하게 제작가능한 접근, 블록, 또는 기타 최적화된 프로파일에 대한 형상을 사용하는 것은 따라서 본 발명에서 교시된다.
도 5를 참조하면, 밑에 있는 캐소드 바다로부터 튀어나온, 낮은 영역에 밀집된, 반도의, 모래 언덕과 매우 유사한, 돌출된 전류 집전기의 투영 또는 위상도가 도시되어 있다. 소량의 귀금속(Pt, Au, Pd)이 혼합될 수 있는, 란탄 스트론튬 코발 타이트(LSC)와 같은 고 전도성(1000S/㎝) 산화물의 연속적은 스트립 층을 형성하는 것 대신, 상기 전기 전도성 전류 집전기층(226)은 Ag/Pt/Pd 합금 전류 집전기의 균일한 두께 디자인을 갖는 좀 더 값비싼 스트립-전지보다 낮은 비용으로 불균일한 배전을 갖도록 뾰족해지거나 또는 프로파일될 수 있다.
상기 개별적인 비아 접점(5)의 사용, 특히 파라미터 "α"보다 큰 전극 분리(10)에서의 사용은 상기 비아(114) 그 자체의 성질에 관계없이 ASR을 급격하게 증가시킬 수 있다. 상기 전류 집전기(222 또는 226)의 프로파일링은 좀 더 넓은 전극 구조의 사용을 가능하게 하는 기술을 제공하며 또한 좀 더 넓은 비아 접점 스페이싱(12)을 가능하게 한다.
따라서, 불균일 가변 저항 캐소드가 나타난다. 개별적인 비아(5)를 갖는 통상적인 스트립-전지 외형에 대해 평평한 전류 집전기 디멘전으로 시작함으로써, 상기 전류 집전기 아래의 캐소드의 전극 폭은 0.7㎝이고, 상기 전극을 갖는 비아 패드 접점(5)은 1㎜의 길이를 가지며, 그리고 상기 비아 접점(5)의 센터-대-센터 분리(12)는 4㎜이다. 상기 평평한 전류 집전기의 두께는 초기에 0.45㎛으로 설정되었고, 10,000S/㎝의 전도도가 선택되었다. 전류 집전기 재료의 일정한 부피가 상기 전류 집전기 두께 프로파일을 최적화하는데 사용되었다. 상기 균일하게 평평하며 불균일한 최적화된 전류 집전기에 대한 동일한 재료 성질은 다음과 같다: Rsc=0.16Ω㎠, ta=15㎛, σa=15S/㎝, tc=15㎛, σa=10S/㎝. 이러한 평평한 전류 집전기에 대한 ASR은 0.587Ω㎠이고, 상기 캐소드(212) 아래를 노출시키도록 제거된 부위를 갖 는, 최적화된 전류 집전기 두께 프로파일에 대해 37%에 의해 0.367Ω㎠로 감소된다. 최대 파워 출력은 상기 전류 집전기층의 두께가 변화될 때 0.427에서 0.681W/㎠로 증가된다. 다시 말해, 파워에서 약 50%의 증가가 단지 상기 전류 집전기를 프로파일링함으로써 얻어진다. 이러한 분석에서, 상기 캐소드 전류 집전기의 성질은 대부분 금과 일치한다. 그러나, 다른 두께의 다른 귀금속 전류 집전기를 사용하는 것 또한 가능하다.
도 6을 참조하면, 상기 캐소드 상에 중첩된 전류 집전기의 평면도가 도시되어 있다. 도 5의 투영도에서 2차원의 전류 집전기층의 저항, 높이(y-디멘전) 및 길이(x-디멘전)을 변화시키는 것 대신, 상기 전류 집전기는 단지 1차원으로 상기 비아 접점(5)에 대해 대칭적으로 변화시킬 수 있다. 가장 얇은 선은 필라멘트(601)라고 지칭되며 최근 스크린 프린팅 공법이 허용하는 한, 1 내지 2㎛ 정도로 얇게 될 수 있다. 그러나, 공정 개선 또는 제작 기술이 발전함에 따라, 더욱 얇은 선이 재료 비용의 감소로 감소될 수 있을 것이다. 패턴이 필라멘트를 포함할 때, 상기 필라멘트는 바람직하게는 확산이 상기 전류 집전기 구조를 심각하게 변경시키지 않기에 충분히 큰 사이즈인 것이 바람직하다.
상기 전극, 전류 집전기, 및 SOFC에 대한 비아 구조를 제작하기 위한 가능한 제조 방법은 스크린 프린팅, 테이프-캐스팅, 스프레이-코팅, 브러시-프린팅, 마이크로-펜, 잉크젯 타입, 리소그라피, 등이며, 이들은 이러한 구조를 생산하기 위해 개별적으로 또는 다양한 조합을 통해 사용될 수 있다. 상기 제조 기술 리스트는 완전한 것이 아니며, 다른 기술이 이러한 구조를 생산하는데 사용될 수 있다.
다음은 상기 전류 집전기층(222, 226)과 관련된 몇몇 기타 주요 측면들이다:
● 비아 패드 구조(205a, 205b)를 갖는 전류 집전기층(222, 226)은 상기 비아 패드 구조(205a, 205b)가 비아 필 재료(203)와 같은 산화 및 환원 조건 모두와 긴밀하게 접하지 않기 때문에, 향상된 성질 또는 경제성을 갖는 폭넓은 범위의 대체 재료로부터 제조될 수 있음.
● 상기 전기 전도체(204)는 폭넓은 재료의 사용을 가능하게 하는 구조를 제공함. 예를 들어, 전이 은 합금 전기 전도체는 비아 필 재료(203)로서 매우 소량의 값비싼 백금 합금을 제공한 후 은-팔라듐과 같은 좀 더 값싼 합금이 없는 비아 패드 구조(205a, 205b)를 제조함으로써 백금을 함유하는 귀금속 합금에 의해 경제적으로 대체될 수 있음.
● 상기 애노드 면(210) 및 캐소드 면(212) 상의 비아 패드 구조(205a, 205b)는 다른 외형(예를 들어, 벨-형상), 구조, 및 재료 선택을 포함할 수 있음. 예를 들어, 상기 비아 패드 구조(205a, 205b)는 가능한 얇게 됨으로써 바람직하지 않은 열적 밀집(mass)의 빌드업을 최소화하는 것을 도울 수 있음.
다음은 연료 전지(200)를 제조하는데 사용될 수 있는 예시적인 재료 리스트이다:
● 비아 필 재료(203) : 귀금속 합금, 서멧. 예를 들어, Au-Pt-Pd 또는 소량의 Mg 또는 Sr 도핑된 LaCrO3를 갖는 Au-Pt-Pd.
● 전해질 시트(208) : 이트리아-도핑된 지르코니아(YSZ), 가돌리니아-도핑 된 세리아(GDC), 도핑된 란탄 갈레이트{LaGaO3 (도핑된) MgO}, 희토류 도핑된 지르코늄, 희토류 및 이트리아 도핑된 비스무스 산화물, 도핑된-란탄 알루미나이트{LaAlO3(MgO)}, 및 티타네이트 파이로클로어.
● 애노드 비아 패드 구조(205a) : Ni/YSZ 서멧, Ag 합금, 40부피%의 YSZ을 갖는 90%Ag-10%와 같은 Ag 합금 서멧.
● 캐소드 비아 패드 구조(205b): Sr-도핑된 LaMnO3(LSM), LSM/YSZ, Sr-도핑된 LaCoO3(LSC), 은 합금, 은 서멧, 귀금속 합금 및 LSM의 선택적인 하나의 코팅 베리어층을 갖는 서멧.
바람직하게는, 40부피%의 3YSZ 서멧을 갖는 90% 은-10% 팔라듐 전류 집전기(222, 226)가 인접한 전극(210, 212)의 상부에 프린트된다. 그 다음, 상기 전류 집전기(222, 226) 및 비아 패드 구조(205a, 205b)는 900℃에서 1시간 동안 함께 소성되었다. 이로부터 얻어지는 구조는 화학적인 내구성의 내화성 복합 전해질/비아 멤브레인(204, 208) 상의 다중 전지(202)를 갖는 기능성 고체 산화물 연료 전지(200)를 제공한다.
도 1b의 전기 전도체(104)가 도 2b의 개별적인 부분으로 이산되는 것과 같이, 도 3의 전류 집전층(222, 226)은 2차원적으로 인터커넥트된 단일 전지의 어레이로 더욱 이산된다.
도 7a-7b를 참조하면, 연속적인 비아 접점을 갖는 4각형-전지 외형과 같은, 다양한 인터커넥트 패턴을 갖는 인터커넥트된 단일 전지의 2차원 어레이가 도시되 어 있다. 그러나, 본 발명은 어떠한 특정 군의 전극, 전류 집전기 또는 전지 인터커넥트 재료로 한정되는 것은 아니다. 따라서, 백금, 백금 합금, 은, 또는 다른 귀금속, 니켈 또는 니켈 합금의 와이어 또는 메시로 통상적으로 형성되는 것과 같은 구조가 사용될 수 있으며, 이러한 재료 또는 스트론튬-도핑된 란탄 크로메이트 또는 내화성 금속 서멧의 코팅 또는 패턴화된 층이 사용될 수 있다. 이러한 전도성 구조는 전극층의 상부, 하부 또는 측면상에 제공되는 전류 집전기로서 작용할 수 있거나 또는 이들은 층 사이의 인터커넥트로서 작용할 수 있다.
이러한 연료 전지 패킷에 포함될 수 있는 다른 디자인의 부재들의 예로는 어레이된 애노드 및/또는 캐소드와 전기적으로 접촉하도록 제공되는 기타 전도성 구조 또는 저 저항 전류 집전 그리드가 있다. 이들은 저항을 증가시킬 수 있는 전극 내의 전류 배전 손실을 감소시킴으로써 상기 전지의 내부 저항을 감소시키기 위해 작동될 수 있다.
도 7a에 넓은 이트리아-지르코니아 전해질 시트(708) 상에 5개의 5-전지 대각선으로 배열된 5개의 서브-전지를 갖는, 다중-전지 패킷 모듈이 도시되어 있다. 상기 각 전지의 애노드(710)는 니켈 지르코니아 서멧으로 형성되며, 상기 캐소드(712)는 란탄 스트론튬 망가네이트로 형성된다. 각 전극은 도 1b의 단면도의 수직 교선에 의해 나타난 바에 따라, 도 7b에서 볼 수 있는 것과 같이, 시리즈 내의 각 모듈 상의 전지를 커넥트하는 단일 은-팔라듐-필된 비아에 집전 포인트에서 커넥트되는 단일 비아를 갖는 전류-집전 은-팔라듐 합금 그리드 또는 전기 전도체(704)(또는 선택적으로, 다중 비아를 갖는 전기 전도체(704))에 덮여 있도록 제 공된다.
단지 하나의 실시예, 또는 좀 더 일반적으로 2차원으로 인터커넥트된 단일 전지로서 도시된 4각형-전지가 전류를 전극으로 좀 더 효율적으로 집전하고 배전한다. 동등하게 이격된 비아 접점에 대해서, 전극의 단위 면적당 좀 더 많은 비아 접점이 존재하며, 전극에 걸친 모든 포인트로부터 비아 접점까지의 평균 거리는 도 1a의 스트립-전지보다 짧다. 연속적인 비아-접점을 갖는 4각형-전지 디자인의 ASR은 전극 폭을 포함하는 동등한 디자인 파라미터에 대해 스트립-전지보다 항상 낮다. 선택적으로, 상기 4각형-전극의 접근은 스트립-전극에서와 동일한 ASR을 부여하지만, 좀 더 넓은 전극 스페이싱에서 부여한다. 예를 들어, 다음과 같은 디자인 파라미터와 재료 성질들이다: 4각형 전지가 약 2.3Ω㎠으로 감소되는 한편 스트립 전지의 면적 비저항은 약 5.6Ω㎠이고, 10㎝의 전극 폭(10)에 대해서, RSC=0.15Ω㎠, ta=tc=10㎛, σa=σc=10,000S/㎝이다. 따라서, 동일한 디자인, 재료 및 단일 전지 성질에 대한 통상의 불균일한 스트립 전기에 대해 허용가능한 것 보다 2배를 초과하는 인자의 4각형 전지 외형에 대한 전극 폭은 본 발명에서 허용된다.
선택적으로, 동일한 전극 폭에 대해서, 4각형 전지는 면 당 단지 하나의 비아 접점으로도 더욱 높은 성능을 가질 것이다. 따라서 스트립 전지 위의 4각형 전지의 성능의 증가는 중요하다.
도 4의 스트립-전지의 경우와 같이, 고 전도성을 갖는 값비싼 귀금속과 같은 전류 집전 재료의 두께는 ASR을 감소시키도록 프로파일될 수 있다.
상기 4각형-전극 외형의 몇가지 성능적 이점은 연속적인 비아를 사용하는 것 대신에 개별적인 비아 접점으로 손실될 수 있다. 비아-전극 접점 길이의 감소는 전류가 배전 또는 집전 시 트래버스해야만 하는 평균 거리를 증가시킨다. 예를 들어, 만약 상기 ASR이 RSC=0.16 및 RSC=0.5Ω㎠의 단일 전지에 대해 동일한 파라미터에 대한 연속 비아 접점과 비교하여 1㎜의 접점 길이를 갖는 각 전극 면 당 하나의 비아 접점을 갖는 10㎝의 전극 폭의 함수로 계산된다면, 연속 비아 접점에 대해 ASR이 각각 약 5Ω㎠ 및 약 85Ω㎠로 귀결되며, 상기 분리된 비아 접점에 대해서는 각각 약 6Ω㎠ 및 약 100Ω㎠으로 귀결될 것이다. 계산에 사용된 다른 성질은 다음과 같다: ta=15㎛, σa=15S/㎝, tc=15㎛, σc=10S/㎝, 0.45㎛의 캐소드 전류 집전기 두께 및 10,000S/㎝의 전도도. 다시 말해, ASR은 비아 접점 스페이싱에 의존한다. 일단 도시되면, ASR은 좀 더 짧은 전극 폭에 대해 더욱 낮아지는 것이 보여질 수 있으며, 단일-전지 거동으로부터 전류 집전기/배전기 효과에 의해 지배를 받는 하나의 전이가 좀 더 낮은 ASR을 갖는 단일 전지에 대해 일찍 발생한다. ASR은 좀 더 넓은 전극 스페이싱에서 개별적인 비아-전극 접점에 대해 빠르게 상승한다. 스택-레벨 성능 상의 비아 접점 스페이싱의 효과는 주목할 만하다.
캐소드와 애노드의 전극 면 당 하나의 비아 접점 및 동일한 이동 성질 및 디멘전 상황에 대해서, 상기 비아 접점의 미드포인트가 도 7에 나타낸 바와 같이, 전극 면의 미드포인트에 정렬되어야 한다. 그러나, 상기 캐소드의 이동 성질은 애노드와 다른 경향이 있으며, 최소 ASR은 도 5의 비아 접점(5)에서 보여지는 바와 같 이, 어프-센터(off-center) 위치에서 발생한다. 바람직하게는, 본 발명에 따르면, 상기 전극 폭을 따르는 최적화된 비아-접점 위치는 약 0.16 내지 0.5Ω㎠ 사이의 RSC의 단일 전지에 대해 약 0.4㎝ 미만이어야 한다. 따라서, ASR을 감소시키기 위한 비아 접점의 불규칙한 또는 비대칭 위치 및 전극 면 당 비아의 가능한 감소 수 또한 본 발명에 의해 교시된다.
상기 개별적인 비아의 증가된 저항을 더욱 보상하기 위하여, 고 전도성을 갖는 값비싼 귀금속과 같은 전류 집전 재료의 두께가 도 6의 스트립-전지에서 나타낸 바와 같이, ASR을 감소시키기 위해 프로파일 될 수 있다. 다중층의 복잡함 때문에 도시되지 않은, 2개의 개별적인 비아를 갖는 4각형 전지의 실시예에서, 무한한 수의 층이 4각형 전지 개별적인 비아 전류 집전기에 대해 두께 프로파일을 최적화시키는데 사용되었다. 전압 포텐셜이 캐소드, 애노드 및 전해질에 걸쳐서 변화됨에 따라, 가변 두께에 대해서 무한 층을 갖는 최적의 두께 프로파일을 갖는 전류 집전기 재료의 동일한 양으로 캐소드 상에 금과 같은 고 전도성 전류 집전기 재료의 0.45㎛의 균일한 배전을 대조하기 위하여 캐소드 구조의 성능에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 모델링이 수행되었다. 적절한 디멘전 및 이동 성질은 다음과 같다: 단일 전지 ASR=0.16Ω㎠, 전극 폭=5㎜, 애노드 두께=15㎛, 애노드 전도도=10,000S/㎝, 캐소드 두께=15㎛, 캐소드 전도도=10S/㎝, 캐소드 전류 집전기 전도도=10,000S/㎝. 상기 전류 집전기의 프로파일링은 동일한 성질에 대해 ASR을 효율적으로 감소시키며, 특정 조건하에서 파워 밀도를 상당히 증가시키는 것으로 보인다. 전류 배전 및 집전에 중요한 이러한 평평한 구조의 ASR은 0.311Ω㎠이고, ∼0.8W/㎠의 최대 파워에 대응한다. 상기 프로파일된 구조의 ASR은 24% 적은 0.235Ω㎠이고, 최대 파워가 33% 증가된 1.06W/㎠이었다. 이러한 다중층은 두께 빌드업을 제공하기 위하여 적은 수의 층의 좀 더 용이한 제조를 위한 작은 층수에 의해 시뮬레이트될 수 있다.
도 8을 참조하면, 71×71 전류 집전 그리드에서 사용될 수 있는 캐소드 구조를 형성하기 위하여 캐소드 상에 배치된, 전류 집전기에 대해 개별적인 비아를 갖는 7㎜×7㎜의 4각형 전지의 두께 프로파일의 2개의 층 최적화가 도시되어 있다. 일정한 부피의 제약하에서 전류 집전기의 형상에 대한 제1최적화는 도 5에 나타낸 바와 같이 연속적으로 변하는 두께를 부여하였다. 연속적으로 변하는 두께를 갖는 전류 집전기가 가장 낮은 가능한 저항을 제공할 수 있지만, 다중층으로 제작하기가 상당히 어렵다. 코팅을 적용하기 위한 기술은 일반적으로 균일한 두께를 생산한다. 상기 최적화는 연속적으로 변하는 프로파일의 형상을 일치시키는 결합된 고정된 두께를 갖는 각 층의 임의의 수에 대해 최적화될 수 있다는 점에서 이를 고려하여 조절되었다. 도 8에서, 양 층(501, 502)은 동일한 두께를 갖는 각 전류 집전기 재료이다. 상기 제2전류 집전층(502)은 모든 경우에 있어 상기 제1전류 집전층(501) 상에 배치되어 이러한 위치에서의 전체 전류 집전기 두께가 적용되는 제1층(501)과 제2층(502)의 두께의 합이다. 형상된 전류 집전기의 대부분의 이점은 단지 하나의 층에 대해 얻어진다는 점이 판명되었다. 상기 단일층은 골절 손가락, 손가락 산호 화석, 불꽃 또는 상기 비아 접점(5)으로부터 방사상으로 돌출된 형상의 돌출부를 갖는다.
전류 집전기 재료의 동일량으로의 캐소드 상에 금과 같은 고 전도성 전류 집전기 재료의 균일한 배전은 동일한 성질을 갖는 가변 두께에 대한 무수 층을 갖는 최적화된 두께 프로파일과 대비되었다: RSC=0.6Ω㎠, ta=10㎛, σa=10,000S/㎝, tc=20㎛, σc=20S/㎝, tcc=0.4㎛, σcs=30,000S/㎝. 이러한 평평한 구조의 ASR은 0.761Ω㎠이었다. 단지 50%의 전극 표면이 전류 집전기 재료로 덮히는 결과로 각 층에 대하여 최적화된 두께는 0.63㎛이었다. 상기 전류 집전기의 프로파일링은 동일한 성질에 대해 ASR을 효율적으로 감소시키는 것으로 보여졌다. 프로파일된 구조의 ASR은 8% 감소하여 0.700Ω㎠였다.
도 9를 참조하면, 상기 그리드 어레이의 실제 전지 패턴이 도 7의 4각형 전지 패턴 대신에 도시되어 있다. 다른 방식으로 보면, 원형의, 계란형, 또는 타원형의 전극이 원 또는 타원을 갖는 6각형 전지 외형으로부터 6각형의 대체인 무한의 선형의 선이다. 상기 6각형 전지는 전극 면 사이의 각도가 60°이고 몇몇 전극 재료가 6각형을 형성하기 위하여 제거되는 다이아몬드 전지이다. 다이아몬드 전지는 전극 면 사이의 각이 90°가 아닌 4각형 전지의 변형으로부터 귀결된다. 전극 면 사이의 각도가 90°일 때, 직사각형의 전극이 전극 면의 길이가 더이상 같지 않은 4각형 전지의 변형으로부터 귀결된다.
상기 모델링 작업, 전류 집전기 구조를 최적화하기 위한 기술 및 본 발명의 교시는 모든 전지 패턴과, 개별적인 그리고 연속적인 비아 접점 모두와 결합된 기타 2차원 어레이에 대해 동일하게 관계된다.
상기 전기 전도체(104)는 전류 집전을 최대화하기 위하여 기판, 이 경우, 전해질의 노출된 부분에 서브-전류 집전기 각각을 연결하기 위한 1차 전류 집전/배전 구조로부터 나오는 복수의 전류 집전 또는 배전 메시를 형성한다.
각 연료 패킷 내에서, 와이어, 리본, 펠트 또는 메시 형태의 Ni 금속이 시리즈의 2개 이상의 다중-전지-시트 디바이스를 연결하기 위해 이용될 수 있다. 이는 또한 상기 전지로부터 리드 커넥션으로 트래버스되어야하는 거리와 각 테이크 어프를 통한 전류를 감소시키기 위해 각 시트 디바이스로부터 파워 테이크-어프의 하나를 초과하는 포인트를 사용하는 이점이 있다. 더욱 낮은 전류에서, 상기 테이크 어프 및 리드의 단면은 재료 비용 및 열 응력을 제한하도록 감소될 것이다. 상기 패킷의 단부에서보다 패킷의 에지를 따라 파워 테이크-어프를 위치시키는 것이 또한 챔버의 입구 및 배기 오프닝에서의 가스 흐름 중단(disruption)을 방지하는 것을 도울 수 있으나, 전극의 외형에 따라서 이러한 배향은 연료의 흐름에 평행하게 전지 전극의 세로축을 위치시킬 수 있다. 패킷 밀봉에 이어서, 은 메시 전극 리드가 다중 포인트에서 리딩 캐소드(인접한 가스 공급 튜브), 및 상기 트레일링 애노드에 연결된 비아에 부착된다.
본 발명에서는 귀금속과 같은 재료의 비용을 감소시키고 성능을 최대화하기 위하여 전류 집전기의 두께 프로파일의 최적화에 대하여 이미 기술한 바 있다. 비록 본 발명의 전술한 실시형태들이 하나의 전해질 시트 상에 전극 어레이를 갖는 SOFC 디자인에서의 향상된 비아 인터커넥트에 대해 중점을 두고 있으나, 동일한 비아 필 합금 및 본 발명과 유사한 구조가 기타 SOFC 디자인에 유리하게 적용될 수 있을 것이다. 예를 들어, 바이폴라 인터커넥트 플레이트를 갖는 평평한 연료 전지가 전술한 전기 전도체의 모든 하나의 실시형태를 사용할 수 있다. 특히, 상기 평평한 연료 전지는 세퍼레이터 플레이트 내의 비아홀을 제공함으로써 촉진되는 인터커넥션을 가질 수 있으며, 상기 비아 홀은 확고한 Pt 합금 비아 필 재료과 같은 전도성 금속 또는 서멧으로 채워지며, 여기에 기술된 외형을 접촉한다. 본 발명의 전기 전도체를 사용함으로써 향상될 수 있는 평평한 연료 전지 플레이트의 예로는 본원의 참고문헌으로 포함된, PCT WO 03/007403호에 기술되어 있다.
전기적인 관점에서 기술하면, 전극, 전류 집전기 또는 상기 전해질 시트를 연결하는 전지 인터커넥트 재료 상에 행해진 모든 것은 이러한 모든 서브파트에 동등하게 행해질 수 있다. 예를 들어, 만약 전해질 시트가 활성 표면을 증가시키거나 전류 길이를 감소시키기 위해 불균일 또는 다공성 표면(다이아몬드에서 또는 셀형으로 의도된 그리드에서)을 갖도록 야기되거나 또는 상기 비아가 변화된다면, 상기 전극 두께 또한 전류 밀도를 최대화시키기 위하여 저항 경로를 최소화시키도록 감소되어야 한다.
본 발명의 몇가지 실시형태가 첨부된 도면에서 설명되고 전술한 상세한 설명에서 기술되었으나, 본 발명은 기술된 실시형태에 의해 한정되지 않으며, 후술되는 청구범위에 의해 정의되고 설명되는 바에 따른 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 다양한 재배열, 변형 및 치환이 가능함이 주지되어야 한다.

Claims (10)

  1. 전하 이동 부재; 및
    전류 커플링 최적화를 위하여 상기 전하 이동 부재 상에 배치된 불균일 저항(non-uniform resistance)을 갖는 전기 전도성 부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 저 전압, 고 전류 전기 생성 디바이스를 위한 전극 구조물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 부재는:
    제1전지의 상기 전하 이동 부재 상에 배치된 전류 커플러; 및
    상기 전류 커플러와 제2전지를 인터커넥트하는 비아 접점;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  3. 제1항에 있어서, 기판을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판은 연성 전해질 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전하 이동 부재는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 부재는 불균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 부재 및 상기 전하 이동 부재는 불균일한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  8. 제5항에 있어서, 상기 전극은 상기 전해질 시트의 반대편 면에 배치된 하나의 애노드 및 캐소드를 포함하며, 상기 전하 이동 부재는 캐소드 전극 형성을 위하여 Sr-도핑된 란탄 망가나이트(lanthanum manganite)(LSM)의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기 전도성 부재는 백금, 은, 팔라듐(Pd), 금(Au), 로듐(Rh), 니켈, 구리 및 이리듐(Ir)으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
  10. 제2항에 있어서, 상기 전류 커플러는 상기 전하 이동 부재를 노출시키는 불균일 컷어웨이(cut-away) 패턴을 형성하며, 상기 전류 커플러는 전지의 전류 배전 그리드 어레이 내의 전류 커플러 재료를 감소시키기 위해 최적화된 복수의 불균일 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전극 구조물.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6605316B1 (en) 1999-07-31 2003-08-12 The Regents Of The University Of California Structures and fabrication techniques for solid state electrochemical devices
EP1825541A4 (en) * 2004-11-30 2010-01-13 Univ California SEAL JOINT STRUCTURE FOR ELECTROCHEMICAL DEVICE
CA2627786C (en) * 2004-11-30 2012-03-27 The Regents Of The University Of California Braze system with matched coefficients of thermal expansion
US7691770B2 (en) * 2005-09-02 2010-04-06 General Electric Company Electrode structure and methods of making same
CN101507352B (zh) * 2006-07-28 2013-09-18 加州大学评议会 接合同心管
JP5158556B2 (ja) * 2006-09-15 2013-03-06 Ｔｏｔｏ株式会社 燃料電池セルスタック及びそれを含む燃料電池
JP2008159447A (ja) * 2006-12-25 2008-07-10 Shinko Electric Ind Co Ltd 固体酸化物型燃料電池発電装置
JP5183080B2 (ja) * 2007-02-27 2013-04-17 三洋電機株式会社 燃料電池
US20080254335A1 (en) * 2007-04-16 2008-10-16 Worldwide Energy, Inc. Porous bi-tubular solid state electrochemical device
AU2008275734A1 (en) * 2007-07-05 2009-01-15 Corning Incorporated Insulation for SOFC systems
KR20100065296A (ko) * 2007-07-25 2010-06-16 더 리전트 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아 맞물림 구조를 가지는 고온 전기화학 소자
ATE540133T1 (de) * 2008-02-04 2012-01-15 Univ California Cermet auf cu-basis für hochtemperatur- brennstoffzelle
MY147805A (en) * 2008-04-18 2013-01-31 Univ California Integrated seal for high-temperature electrochemical device
WO2010100636A1 (en) 2009-03-03 2010-09-10 Technion Research & Development Foundation Ltd. Silicon-air batteries
WO2011061728A1 (en) 2009-11-19 2011-05-26 Technion Research & Development Foundation Ltd. Silicon-air batteries
CN102148384B (zh) * 2010-02-09 2014-10-15 三洋电机株式会社 复合膜、燃料电池及复合膜制备方法
US8530108B2 (en) * 2010-02-09 2013-09-10 Societe Bic Composite membrane, fuel cell and method of making composite membrane
US9105880B2 (en) * 2011-06-15 2015-08-11 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell system with interconnect
US9531013B2 (en) 2011-06-15 2016-12-27 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell system with interconnect
US9147888B2 (en) * 2011-06-15 2015-09-29 Lg Fuel Cell Systems Inc. Fuel cell system with interconnect
US20120321994A1 (en) * 2011-06-15 2012-12-20 Zhien Liu Fuel cell system with interconnect
JP2013058500A (ja) * 2012-12-27 2013-03-28 Sanyo Electric Co Ltd 燃料電池
WO2014143957A1 (en) 2013-03-15 2014-09-18 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Fuel cell system configured to capture chromium
WO2016014578A1 (en) 2014-07-21 2016-01-28 Lg Fuel Cell Systems, Inc. Composition for fuel cell electrode
US9837681B2 (en) * 2015-06-16 2017-12-05 Amazon Technologies, Inc. Low capacity, low area-specific resistance battery cell for electronic devices
US10115973B2 (en) 2015-10-28 2018-10-30 Lg Fuel Cell Systems Inc. Composition of a nickelate composite cathode for a fuel cell
US11165067B2 (en) * 2016-03-11 2021-11-02 Honda Motor Co., Ltd. Porous current collector and electrode for an electrochemical battery

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01258365A (ja) * 1988-04-06 1989-10-16 Hitachi Ltd 燃料電池
JPH01313856A (ja) * 1988-06-14 1989-12-19 Nkk Corp 固体電解質型燃料電池の電極部材、その製造方法および固体電解質型燃料電池
DE4011506A1 (de) * 1990-04-10 1991-10-17 Abb Patent Gmbh Brennstoffzellenanordnung und verfahren zu deren herstellung
USRE37749E1 (en) 1990-08-01 2002-06-18 Jaime Poris Electrodeposition apparatus with virtual anode
GB9023091D0 (en) * 1990-10-24 1990-12-05 Ici Plc Composite membranes and electrochemical cells containing them
JPH05190180A (ja) * 1992-01-13 1993-07-30 Ngk Insulators Ltd 固体電解質型燃料電池の空気電極体、その製造方法及び固体電解質型燃料電池の製造方法
US5273837A (en) 1992-12-23 1993-12-28 Corning Incorporated Solid electrolyte fuel cells
JPH06349504A (ja) * 1993-06-14 1994-12-22 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体電解質型燃料電池
DE19502391C1 (de) * 1995-01-26 1996-05-23 Fraunhofer Ges Forschung Membranelektrodeneinheit gebildet durch die Zusammenfassung von flächigen Einzelzellen und deren Verwendung
KR19980703036A (ko) 1995-03-16 1998-09-05 던칸 리치 코트 전극충들을 갖는 고체산소연료전지
US5543239A (en) 1995-04-19 1996-08-06 Electric Power Research Institute Electrode design for solid state devices, fuel cells and sensors
JPH09132459A (ja) * 1995-11-08 1997-05-20 Shin Etsu Chem Co Ltd 多孔質セラミックス焼結体
US6078842A (en) 1997-04-08 2000-06-20 Elan Corporation, Plc Electrode and iontophoretic device and method
JP4873780B2 (ja) 1998-02-27 2012-02-08 コーニング インコーポレイテッド 可撓性無機電解質燃料電池構造
EP0970719A3 (en) 1998-07-08 2000-08-23 Nitto Denko Corporation Electrode structure
US6168878B1 (en) 1998-10-26 2001-01-02 Mitsubishi Chemical Corporation Electrochemical cell having a controlled electrode surface and associated fabrication and chemical process
US6127061A (en) * 1999-01-26 2000-10-03 High-Density Energy, Inc. Catalytic air cathode for air-metal batteries
US6479178B2 (en) 1999-11-16 2002-11-12 Northwestern University Direct hydrocarbon fuel cells
EP1113518B1 (en) 1999-12-27 2013-07-10 Corning Incorporated Solid oxide electrolyte, fuel cell module and manufacturing method
EP1252680A4 (en) 1999-12-28 2005-10-19 Corning Inc FUEL CELL WITH WAVE ELECTRODES
JP4767406B2 (ja) * 2000-01-20 2011-09-07 日本碍子株式会社 電気化学装置および集積電気化学装置
US7378173B2 (en) * 2000-05-18 2008-05-27 Corning Incorporated Fuel cells with enhanced via fill compositions and/or enhanced via fill geometries
US6852436B2 (en) 2000-05-18 2005-02-08 Corning Incorporated High performance solid electrolyte fuel cells
WO2001089017A1 (en) * 2000-05-18 2001-11-22 Corning Incorporated High performance solid electrolyte fuel cells
US6811913B2 (en) 2000-11-15 2004-11-02 Technology Management, Inc. Multipurpose reversible electrochemical system
CN1233053C (zh) 2000-12-22 2005-12-21 吴崇安 一种用于棱柱形电池的电极组件
US6632554B2 (en) 2001-04-10 2003-10-14 Hybrid Power Generation Systems, Llc High performance cathodes for solid oxide fuel cells
US6949307B2 (en) 2001-10-19 2005-09-27 Sfco-Efs Holdings, Llc High performance ceramic fuel cell interconnect with integrated flowpaths and method for making same
US7008709B2 (en) 2001-10-19 2006-03-07 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell having optimized pattern of electric resistance
US20030096147A1 (en) 2001-11-21 2003-05-22 Badding Michael E. Solid oxide fuel cell stack and packet designs
GB0201800D0 (en) * 2002-01-26 2002-03-13 Rolls Royce Plc A fuel cell module
AU2003217336A1 (en) 2002-02-06 2003-09-02 Celltech Power, Inc. Current collectors
JP2004030959A (ja) * 2002-06-21 2004-01-29 Aisin Seiki Co Ltd ガス拡散部材、ガス拡散電極および燃料電池
CA2440288A1 (en) * 2002-09-10 2004-03-10 Alberta Research Council Inc. Crack-resistant anode-supported fuel cell
US6972161B2 (en) * 2002-10-10 2005-12-06 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Fuel cell assembly and method of making the same
US7056608B2 (en) * 2003-02-14 2006-06-06 Relion, Inc. Current collector for use in a fuel cell
JP2005038738A (ja) * 2003-07-16 2005-02-10 Mitsubishi Rayon Co Ltd ガス拡散層電極基材及びその製造方法ならびに高分子電解質型燃料電池
US7344793B2 (en) * 2004-03-01 2008-03-18 Utc Power Corporation Reinforcement structures for electrolyte-supported solid oxide fuel cell
JP2005276670A (ja) * 2004-03-25 2005-10-06 Toyota Motor Corp 燃料電池スタック

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