KR20080105041A - 다공성 전극들을 갖는 연료 전지 부품 - Google Patents

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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은, 제1 전극, 제1 전극 위의 전해질, 및 상기 전해질 위의 제2 전극을 포함하는 SOFC 부품에 관한 것이다. 상기 제2 전극은 벌크층 부분과 작용층 부분을 포함하며, 상기 작용층 부분은 상기 전해질과 제2 전극의 벌크층 부분 사이로 연장되고, 상기 벌크층 부분은 바이모드(bimode) 공극 크기 분포를 갖는다.
SOFC 부품, 벌크층, 작용층, 바이모드 공극 크기 분포.

Description

다공성 전극들을 갖는 연료 전지 부품 {Fuel cell components having porous electrodes}
본 발명은 일반적으로 고체 산화물 연료 전지(SOFC)에 관한 것이다.
고효율, 환경 친화적인 에너지 생산을 추구하면서, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 기술이 기존의 터빈 및 연소 엔진에 대한 강력한 대안으로서 출현하였다. SOFC는 일반적으로, 전해질이 고체 금속 산화물(통상, 무공성이거나 제한된 독립 기포형 공극부가 존재함)이고 O2 - 이온이 캐소드로부터 아노드로 이송되는 연료 전지의 한 형태로서 정의된다. 연료 전지 기술, 및 특히 SOFC는 전형적으로 효율이 높고 기존의 연소 엔진에 비해 CO 및 NOx 방출이 낮다. 또한, 연료 전지 기술은 무소음 및 무진동 추세이다. 고체 산화물 연료 전지는 기타 다양한 연료 전지들에 비해 유리하다. 예를 들면, SOFC는 특히 내부 연료 재형성을 허용하기에 충분히 높은 작동 온도에서 작동한다는 이유로 천연 가스, 프로판, 메탄올, 등유 및 디젤과 같은 연료 공급원을 사용할 수 있다. 그러나, 연소 엔진 및 기타 연료 전지 기 술에 대해 경쟁력을 가지려면 SOFC 시스템의 가격 감소를 시도해야 한다. 이러한 시도는 재료 가격의 감소, 분해 또는 수명 사이클의 개선, 및 전류 및 동력 밀도와 같은 작동 특성의 개선을 포함한다.
SOFC를 제조하려는 다수의 시도 중에서도, 다공성 전극, 특히 전해질 계면에 연료와 공기를 전달하기 위한 상호연결된 공극 네트워크를 갖는 캐소드 층 및 아노드 층의 형성이 주목할 만한 기술적 장애물로 남아 있다. 이와 관련해서, 선행 기술은, 열처리 동안 통상 휘발되어 없어지는 퓨지티브(fusitive) 성분들을 사용하여 상호연결된 공극 네트워크를 잔류시키는 방법과 같은 방법들에 초점을 맞췄다. 퓨지티브 공극 형성제의 사용은 일반적으로 열처리 동안 다량의 기체를 발생시키며, 이로써 SOFC 전지 내에 균열이 생성되는 경향이 있다. 기타 기술은 연장되어 전해질과 접촉하는 전극의 매우 얇은 작용층 부분에 초점을 맞추나, 이는 SOFC 전지로 공기 및 연료를 전달하기 위한 매니폴드 구조에 의존한다. 그러나, 내부 매니폴드를 상업적으로 활용 가능한 방식으로 제조하기는 어렵다. 전자에 비추어, 당업계는 재현 가능하고 저렴한 방식으로 제조될 수 있는 SOFC 전지 및 SOFC 전지 적층물을 여전히 필요로 하고 있다.
[발명의 요지]
한 양태에 따라, 제1 전극 층, 제1 전극 층 위의 전해질 층, 및 상기 전해질 층 위의 제2 전극 층을 포함하는 SOFC 부품이 제공된다. 상기 제2 전극 층은 2개 이상의 영역, 즉 벌크층 부분과 작용층 부분을 포함하며, 상기 작용층 부분은 상기 전해질 층과 제2 전극 층의 벌크층 부분 사이로 연장된 계면층이다. 상기 벌크층 부분은 바이모드(bimode) 공극 크기 분포를 갖는다.
또 다른 양태에 따라, 제1 전극 층, 제1 전극 층 위의 전해질 층, 및 상기 전해질 층 위의 제2 전극 층을 포함하는 SOFC 부품이 제공된다. 상기 제2 전극 층은 바이모드 그레인 입자 분포를 갖는다.
또 다른 양태에 따라, 제1 전극 층, 전해질 층 및 제2 전극 층을 포함하는 SOFC 부품의 형성방법이 제공된다. 상기 제2 전극 층은 응집물로 구성된 분말을 포함한다. 추가로, 상기 층들은 열처리되어 SOFC 부품을 형성한다.
또 다른 양태에 따라, 미가공 층들인 제1 전극 층, 전해질 층 및 제2 전극층을 형성하는 단계(상기 제2 전극 층은 상대 미가공 밀도 ρg를 갖는다)를 포함하는 SOFC 부품의 형성방법이 제공된다. 추가로, 상기 층들을 소결하여 치밀화함으로써 미가공 제2 전극층이 치밀화된 제2 전극 층을 형성하는 단계를 연속해서 수행하며, 이때 치밀화된 제2 전극 층은 소결된 밀도 ρs과 공극부를 가지며, 치밀화된 제2 전극 층의 공극부는 퓨지티브 공극 형성제 없이 달성된다.
도 1은 본 발명의 양태에 따르는 공정 흐름을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 양태에 따르는 캐소드 층을 형성하는 데 사용될 수 있는 도착 상태(as-received)의 LSM 분말을 도시한 것이다.
도 3은 응집된 분말을 형성하기 위해 열처리한 후의 도 2의 분말을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따르는 연료 전지의 다양한 층들을 나타낸 SEM 단면을 도시한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 캐소드 벌크층의 SEM 단면과 아노드 벌크층의 SEM 단면을 도시한 것이다.
도 7은 한 양태에 따르는 공극 크기 분포를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 양태에 따르는 SOFC 전지의 일부를 도시한 것이다.
도 9는 한 양태에 따르는 SOFC 전지의 단면도를 도시한 것이다.
도 10은 도 9에 도시한 SOFC 전지의 확대된 단면도를 도시한 것이다.
도 11은 현 시점에서의 첨단 기술의 SOFC 전지를 도시한 것이다.
일반적으로 캐소드, 아노드 및 이들 사이에 배치된 전해질로 구성된 단일 SOFC 전지 뿐만 아니라 다수의 SOFC 전지로 구성된 SOFC 전지 적층물도 포함하는 SOFC 부품은 도 1에 도시된 공정 흐름에 따라 제조할 수 있다. 단계(101)에서, 도착 상태의 전극 분말이 수득된다. 도착 상태의 분말은 일반적으로 미세 분말이고, 상업적으로 입수할 수 있다. 한 양태에 따라, 캐소드 물질의 맥락에서 도착 상태의 분말은 주로 LSM(란탄 스트론튬 망가네이트)과 같은 산화물로 구성되며, 아노드의 맥락에서, 도착 상태의 분말이 NiO 및 지르코니아(전형적으로, 이트리아로 안정화된 지르코니아와 같은 안정화된 지르코니아)로 구성된 2상 분말일 수 있다. 도 2는 특정한 도착 상태의 분말, 시판 중인 LSM을 도시한다. 도시된 바와 같이, LSM 분말은 매우 미세한 입자 크기를 가지며, d50은 0.5 내지 1.0㎛의 범위이다.
후속적으로, 도착 상태의 전극 분말을 단계(103)에서 하소시킨다. 일반적으로, 하소 공정은 분말을 응집시키는 환경에서 승온에서 수행한다. 예를 들면, 도 2에 도시된 LSM 분말의 맥락에서, 하소는 분말과 반응하지 않는 적합한 노(예: 알루미나 노)에서 수행한다. 하소 공정은 공기 중에서 수행할 수 있다. 한 특정한 양태에서, 하소는, 약 1 내지 100℃/min, 예를 들면, 5 내지 20℃/min의 범위 내와 같은 가열 속도에서 전극 분말을 가열시켜 수행한다. 이어서, 상기 분말은 적합한 하소 온도에서, 일반적으로 약 900 내지 1700℃의 범위 내에서 유지된다. 종종, 하소 온도는 약 1,000℃ 이상, 예를 들면, 약 1,100℃ 이상이다. 전형적으로, 상기 하소 온도는 약 1,600℃ 미만, 예를 들면, 1,500℃이다. 일반적으로, 상기 분말은 응집시키기에 충분한 시간 동안, 예를 들면, 0.5 내지 10시간, 가장 전형적으로는 0.5 내지 5시간, 예를 들면, 1 내지 4시간 동안 유지된다. LSM 분말에 대한 입자 크기에 소결 시간 및 온도가 미치는 영향은 하기 표 1에 보고하였다.
Figure 112008057138040-PCT00001
LSM 분말이 2시간 동안 1,400℃에서 하소된 샘플 번호 6은 2.98㎛와 26.1㎛에서 바이모드 피크를 나타낸다는 점을 주목한다. 피크가 클수록 분말의 응집이 두드러짐을 보여준다.
도 3은 2시간 동안 공기 중에서 1,400℃의 조건하에 하소된 특정한 LSM 제품의 SEM 현미경 사진을 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, LSM 물질은 평균 응집물 크기(직경)가 약 30㎛ 이상인 다공성 응집물을 갖는 고도의 응집도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 추가로, 연장된 시간 및 온도에서 열처리를 수행하여 추가로 더 응집물을 생성할 수도 있다.
전형적으로, 상기 하소 공정은 물질의 응집 케이크를 형성한다. 물질의 케이크는 추가의 가공을 위해 그다지 유용하지 않으므로, 형성된 케이크는 일반적으로 단계(105)에서 분쇄하여, 도착 상태의 분말의 분말 입자들 사이에서 넥킹(necking) 및 입자내 그레인 성장을 통해 함께 견고하게 결합된 그레인들로 구성된 개별 응집물을 형성시킨다. 분쇄 후, 응집된 분말을 단계(107)에서 분류한다. 일반적으로, 분류는, 잘 설정된 응집물 크기 범위 내의 응집된 입자들을 제공하기 위해 적합한 메쉬 스크린을 통해 물질들을 공급하여 수행한다. 명확하게 하자면, 상기 응집물은 일반적으로 다공성 응집물 매스 형태의 그레인(1차 입자 크기를 갖는 그레인)과 관련된 1차 입자로 구성되며, 상기 다공성 응집물 매스는 본원에서 2차 입자 크기라고 하는 보다 큰 입자 크기를 갖는다. 본 발명의 양태에 따라, 상기 평균 1차 입자 크기는, 예를 들면, 약 0.1 내지 10.0㎛의 범위일 수 있다. 1차 입자 크기는 일반적으로 하소 단계 동안 열처리 조건의 함수이다. 2차 입자 크기는 일반적으로 열처리 조건 뿐만 아니라 분쇄 정도와 하소 후 수행된 분류와도 관련된다. 따라서, 응집물과 관련된 상기 2차 입자 크기는 이후 상세하게 기술될 SOFC 전지의 특정 영역에서 사용하도록 선택할 수 있다. 일반적으로, 상기 평균 2차 입자 크기는 4㎛ 초과, 예를 들면, 약 5 내지 300㎛의 범위이다. SOFC 전지 내부의 특정 용도는 보다 미세한 응집물 크기 범위, 예를 들면, 약 5 내지 100㎛를 사용할 수 있다. 다른 용도에서, 상기 응집물은 50㎛ 이상, 전형적으로 약 50 내지 300㎛의 범위로 보다 거대해질 수 있다. 이와 관련해서, 일반적으로, 체(sieve)를 사용하는 방법과 같은 분류 방법은, 분류된 응집 분말이 소정의 응집 크기 범위 내의 응집물로만 형성되도록 보장한다. 일반적으로, 분류된 응집 분말은 75중량% 이상, 예를 들면, 약 85중량% 이상, 90중량% 이상, 또는 95중량% 초과의 응집물로 구성된다. 분류 공정이 100% 응집된 분말을 보장하지 못할 수도 있음을 이해해야 하지만, 특정 양태에서, 분말들이 거의 완전히 응집물로 형성되는 것이 바람직하다.
SOFC 부품을 형성하기 위한 가공은 일반적으로 단계(109)로 계속되며, 상기 단계에서는, 상술한 바와 같은 전극들 중의 하나 이상(즉, 캐소드 또는 아노드)과 연관된 응집 분말을 사용하여, SOFC 전지 또는 SOFC 적층물 내부의 각각의 구성 요소(즉, 전극 및/또는 전해질)에 대한 전구체 조성물을 형성한다. 상기 조성물은 슬러리의 형성과 같은 다양한 공지된 세라믹 가공 기술 중의 하나를 통해 스크린 인쇄, 테이프 캐스팅 등에 의해 형성될 수 있다. 이와 같이, 구성 부품의 형성은 종종 층들이 형성되는 방식으로 완성된다. 상기 조성물은 단계(111)에서 제1 전극 층을 적층시키고 단계(113)에서 전해질 층을 적층시키며 단계(115)에서 제2 전극 층을 적층시킴으로써 하나 이상의 미가공 또는 전구체 전지로 형성될 수 있다. 층 형성을 1회씩만 수행하여 단일 전지를 형성하거나 층들을 반복적으로 형성시켜 전지의 수직 적층물을 형성할 수도 있다. 도시되지는 않았지만, 임의로, 일련의 연결된 적층물을 형성하도록 인접 전지들 사이에 상호접속부를 사용하는 등과 같이 추가의 층들 또는 특징들을 반복적인 적층 공정으로 집적시킬 수 있다. 대안으로는, 상기 전지는, 공계류 중인 미국 특허원 제10/864,285호(대리인 참조 번호:1035-FC4290-US)에 기술된 구조물과 같이, 각각 공유된 캐소드와 공유된 아노드를 갖도록 제조될 수 있다.
한 양태에 따라, 일련의 물질 층들을 다이-프레싱하여 미가공 상태로 형성시킨다. 일례로서, 전극들(캐소드 및 아노드)은 각각 2개의 별개 영역, 즉 일반적으로 상당히 큰 입자들로 구성된 벌크층 부분과, 상기 벌크층 부분과 전해질 사이의 계면 영역을 형성하는 작용층 부분을 가지며, 상기 작용층 부분은 전형적으로 응집된 분말들로 형성되어, 각각의 벌크 영역에 비해 작용층 부분의 공극이 더 미세하다.
보다 상세하게는, 한 양태는 응집물 크기가 약 50 내지 250㎛, 예를 들면, 50 내지 150㎛인 응집된 캐소드 분말을 주로 포함하는 벌크층 부분을 우선 적층시킬 것을 요구한다. 이어서, 최종 장치에서 캐소드 작용층 부분을 형성하는 캐소드 중간층은 2차 응집물 크기가 약 20 내지 100㎛, 예를 들면, 약 20 내지 50㎛인 보다 미세하게 응집된 캐소드를 사용하여 침착시킨다. 대안으로는, 캐소드 작용층을 형성하는 중간층은 훨씬 더 미세한 입자 크기를 갖는 대체로 응집되지 않은 분말로 형성될 수 있다. 예를 들면, 평균 입자 크기는 약 0.1 내지 약 10㎛의 범위일 수 있다. 전형적으로, 비교적 미세한 물질의 평균 입자 크기는 약 5㎛ 이하이다. 평균 입자 크기가 약 0.5 내지 약 5㎛인 분말이 특히 적합할 수 있다.
이어서, 도착 상태의 테이프-캐스트 미가공 층 형태의 전해질 층이 캐소드 물질 위에 침착된다. 상기 테이프-캐스트 전해질 층은 안정화된 지르코니아, 바람직하게는 이트리아로 안정화된 지르코니아와 같은 지르코니아로 형성될 수 있다. 미가공 테이프-캐스트 층의 두께는 약 10 내지 200㎛, 예를 들면, 20 내지 150㎛, 또는 심지어 30 내지 100㎛의 범위일 수 있다.
캐소드 형성과 유사한 방식으로, 아노드 형성은 아노드 작용층 부분을 형성하는 중간층을 침착시켜 수행할 수 있다. 상기 중간층은 일반적으로 응집물 크기가 약 100㎛ 이하, 예를 들면, 약 75㎛ 이하이고, 특정 양태에서 약 45㎛ 이하인 비교적 미세한 응집 분말로 형성된다. 캐소드 작용층을 형성하는 중간층과 유사하게, 아노드 작용층을 형성하는 중간층은 대안으로 입자 크기가 훨씬 미세한 대체로 응집되지 않은 분말로 형성될 수 있다. 예를 들면, 평균 입자 크기는 약 0.1 내지 약 10㎛의 범위일 수 있다. 전형적으로, 비교적 미세한 물질의 평균 입자 크기는 약 5㎛ 이하이다. 평균 입자 크기가 약 0.5 내지 약 5㎛의 범위인 분말이 특히 적합할 수 있다.
이어서, 아노드 벌크층 부분은 응집물 크기가 약 250㎛ 이하, 예를 들면, 약 200㎛ 이하인 응집된 분말과 같은 보다 큰 물질로 형성된다. 한 특정 양태에서, 아노드 벌크층 부분의 응집물은 약 150㎛ 미만의 크기이다. 특정 양태는 하기 표 2에 요약하였다.
부품 재료 재료 가공
캐소드 벌크 LSM 1400℃/2시간 하소; 75 내지 106㎛의 크기로 분쇄
캐소드 중간층 LSM 1400℃/2시간 하소; 25 내지 45㎛의 크기로 분쇄
전해질 YSZ 도착 상태의 테이프-캐스트
아노드 중간층 NiO/YSZ 1400℃/2시간 하소; 45㎛ 이하의 크기로 분쇄
아노드 벌크 NiO/YSZ 1400℃/2시간 하소; 150㎛ 이하의 크기로 분쇄
단일 전지 또는 전지 적층물 형태의 다중 전지를 형성한 후, SOFC 부품 전구체를 단계(117)에서 열처리하여 치밀화시키고 집적된 구조물을 형성한다. 일반적으로, 열처리는 승온에서 수행되어 다양한 층들을 견고하게 집적시키며, 이는 일반적으로 소결이라고 한다. 본원에서 사용되는 소결은 일반적으로 비가압 소결, 단축 고온 프레싱 또는 이소스태틱 프레싱(HIP 처리)과 같은 열처리 과정을 의미한다. 본원의 특정 양태에 따라, 상기 전지 또는 적층물 전구체는 단축 고온 프레싱에 의해 소결된다. 한 양태에서, 단일 전지와 다중 전지 적층물은 1 내지 100℃/min의 가열 속도에서 고온 프레싱되며, 이때 피크 온도는 약 1,000 내지 1,700℃, 전형적으로 1,100 내지 1,600℃, 보다 전형적으로 1,200 내지 1,500℃의 범위이다. 프레싱은 10분 내지 2시간 동안, 예를 들면, 15분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다. 특정 양태는 15 내지 45분 동안 고온 프레싱된다. 고온 프레싱 동안 사용되는 피크 압력은 약 0.5 내지 10.0MPa, 예를 들면, 1 내지 5MPa의 범위일 수 있다. 냉각시킨 후, 최종 전지 또는 적층물을 단계(119)에서 수득한다.
도 4에는 연료 전지 적층물의 완성된 고체 산화물 연료 전지의 후 소결이 도시되어 있다. 연료 전지(40)는 캐소드(42), 전해질(48) 및 아노드(49)로 구성된다. 캐소드와 아노드는 둘 다 작용층 부분과 벌크층 부분을 갖는다. 보다 특히, 캐소드(42)는 캐소드 벌크층 부분(44)과 캐소드 작용층 부분(46)을 갖는다. 유사하게, 아노드(49)는 아노드 벌크층 부분(52)과 아노드 작용층 부분(50)을 갖는다. 명백하게 도시된 바와 같이, 상기 전극들의 벌크층 부분과 작용층 부분의 미세 구조는 대조적이다. 예를 들면, 캐소드 벌크층 부분(44)은 거대 공극과 관련된 비교적 큰 그레인으로 구성되며, 상기 공극은 공극의 상호연결 네트워크를 형성한다. 반면, 캐소드 작용층 부분(46)은 비교적 미세한 그레인으로 구성되며, 공극의 상호연결 네트워크가 보다 미세한 기하학적 형태를 갖는다. 유사하게는, 아노드 벌크층 부분(52)은 공극들의 상호연결 네트워크를 갖는 거대 그레인 구조로 형성되는 반면, 아노드 작용층 부분(50)은 비교적 미세한 그레인으로 구성되며, 공극의 상호연결 네트워크가 보다 미세하다. 전해질(48)은 비교적 치밀한 재료이다. 가공의 자연스러운 결과이기는 하지만, 일부 잔여 공극부가 전해질(48)에 유지될 수 있다. 그러나, 이러한 임의의 잔여 공극부는 전형적으로 독립 기포형이며 상호연결된 네트워크가 아니다.
전형적으로, 전극들의 벌크층 부분은 각각의 벌크층 부분의 총 용적의 약 15용적% 이상, 예를 들면, 약 25용적% 이상인 연속기포형 공극부를 갖는다. 종종, 전극들의 작용층 부분은 각각의 벌크층 부분에 비해 비교적 다공도가 낮다. 그러나, 작용층 부분의 다공도는 일반적으로, 각각의 작용층 부분의 총 용적을 기준으로 하여, 약 10용적% 이상, 예를 들면, 약 15용적% 이상이다.
일반적으로, 전극들의 작용층 부분은 벌크층 부분에 비해 비교적 얇고, 이들 사이에 삽입된 전해질 층 위에 직접 적층되어 전해질 층과 접촉하는 계면층을 형성한다. 일반적으로, 상기 작용층 부분의 두께는 약 10㎛ 이상이고, 다른 양태에서는 약 20㎛ 이상이지만, 벌크층 부분의 두께는 약 500㎛ 이상이다. 한 양태에 따르면, 하나 이상의 캐소드의 미세 구조는 일반적으로 보다 큰 미세구조를 갖는다. 정량적으로, 이러한 양태에서, 캐소드의 평균 그레인 크기는 약 10㎛ 이상, 예를 들면, 약 15㎛ 이상이다. 특히 캐소드의 작용층 부분에 대하여, 이 영역의 평균 그레인 크기는 일반적으로 약 150㎛ 이하, 예를 들면, 약 100㎛ 이하, 75㎛ 이하, 또는 심지어 약 50㎛ 이하이다. 전극들의 작용층용으로 비교적 미세한 대체로 응집되지 않은 분말을 사용하는 상기 설명과 관련해서, 작용층의 평균 그레인 크기는 약 0.1 내지 약 10㎛, 전형적으로 약 약 5㎛ 이하의 범위일 수 있다. 이러한 양태에서, 약 0.5 내지 약 5㎛ 범위의 그레인 크기가 특히 적합할 수 있다. 캐소드의 벌크층 부분은 작용층 부분에 비해 비교적 그레인 크기가 크며, 일반적으로 평균 그레인 크기가 약 50㎛ 이상이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 평균 그레인 크기는 스캐닝 전극 현미경법(SEM)에 의해 전극의 다양한 부분에서 측정된 그레인 크기를 평균내어 결정한다.
보다 상세하게는 도 5 및 도 6에는 캐소드 벌크층 부분(44)과 아노드 벌크층 부분(52)의 미세 구조가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 이들 벌크층 부분의 평균 그레인 크기는 전형적으로, 예를 들면, 약 30 내지 100㎛의 범위이다.
도 7을 살펴 보면, 특히 전해질 층(48), 캐소드 작용층(46) 및 아노드 작용층(50)을 포함하는 연료 전지의 소정 부분이 도시되어 있다. 캐소드 작용층(46)을 도 5에 도시된 캐소드 벌크층 부분과 비교하면, 유사한 미세 구조를 나타내지만, 그레인 크기가 보다 미세하며, 평균 그레인 크기가 10 내지 40㎛ 정도이다.
한 양태의 특정한 특징에 따르면, SOFC 부품을 형성하기 위한 가공 동안, 응집된 원료로부터 형성된 전극들 중의 하나 이상이 소결되는 동안 적정하게 수축하고 소결된 층이 통상 상호연결된 공극들로 형성된 잔여 공극부를 갖도록 소결을 수행한다. 응집된 분말로 구성된 미가공 전극의 밀도로부터 소결 후 최종 전극의 밀도로의 밀도 변화는 이를 정량화하기 위해 ρs-ρg(여기서, ρs는 상대 소결된 밀도를 나타내고, ρg는 상대 미가공 밀도를 나타낸다)로 정의하며, 이는 약 0.3 이하, 예를 들면, 0.2 이하이다. '상대' 밀도라는 용어의 사용은 당분야에 익히 인지되고 있으며, 100% 치밀한 물질의 밀도를 1.0이라고 한다. 전형적인 상대 미가공 밀도 값 ρg는 0.4 내지 0.5의 범위이고, 전형적인 상대 소결된 밀도 ρs는 0.6 내지 0.7의 범위이다. 한 양태에 따라, 이러한 적정한 수축율은 상술한 바와 같은 하소 공정을 통해 형성된 응집된 분말을 사용하여 달성될 수 있으며, 이로써 단일 전지 또는 다중 전지로 구성된 SOFC 부품의 소결 동안의 수축을 제한할 수 있다. 퓨지티브 공극 형성제를 사용하지도 않고 이에 의존하지도 않으면서 소결된 층에서 잔여 공극부를 형성시킬 수 있음을 주목한다. 본원에서 퓨지티브 공극 형성제는 미가공 층의 매트릭스 전체에 걸쳐 분포되었다가 가공 동안 제거되는 물질로서 정의된다. 제거는 예를 들면 휘발을 통해 달성할 수 있다. 한 양태에 따라, 이러한 퓨지티브 공극 형성제는 적정한 치밀화의 결과인 잔여 공극부와 소결 동안의 공극부의 유지, 특히 미가공 상태로부터의 주목할 만한 입자내 공극부의 유지에 의존하지 않는다.
하기 표 3은 표 2에 제공된 재료 및 가공 조건을 사용하여 도 1의 단계(101) 내지 단계(109)와 단계(117)에 따라 가공된 벌크 캐소드와 벌크 아노드의 미가공 밀도 및 소결된 밀도를 요약한 것이다.
Figure 112008057138040-PCT00002
본 발명의 한 양태의 또 다른 양태에 따라, 전극들 중의 하나 이상을 형성하기 위해 응집된 원료를 사용함으로써 생성된 전극은 각각의 작용층 부분 및/또는 벌크층 부분 중의 하나 이상의 내부에 바이모드 공극 크기 분포를 갖는다.
다시 도 6을 살펴보면, 비교적 미세한 입자내 공극들이 아노드 벌크층 부분(52)의 그레인 내부에 제공되며, 본원에서는 입자간 공극이라고 기술되는 훨씬 큰 공극들은 아노드 벌크층 부분(52)의 그레인들 사이에 제공된다. 일반적으로, 통상 입자내의 미세한 공극들과 통상 입자간의 거대한 공극들 사이의 평균 공극 크기의 분포는 상당히 크다. 정량적으로, 미세한 공극들은 평균 공극 크기가 Pf이고, 거대한 공극들은 평균 공극 크기가 Pc이며, Pc/Pf는 일반적으로 약 2.0 이상, 예를 들면, 약 5.0 이상, 또는 심지어 약 10.0 이상이며, 이는, 적어도, 미세한 공극들과 거대한 공극들 사이의 평균 공극 크기의 크기 차이를 나타낸다.
실제로, 벌크 아노드 부품의 바이모드 공극 크기 분포는 도 7에 도시한 바와 같이 정량화된다. 도 7은 표 2에 제공된 재료 및 가공 조건을 사용하여 도 1의 단계(101) 내지 단계(109)와 단계(117)에 따라 가공된 한 예를 수은 다공도측정법(mercury porisometry)에 의해 측정한 공극 분포를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 평균 공극 크기 Pc는 7㎛이고, 평균 미세 공극 크기 Pf는 0.2㎛이며, Pc/Pf 비는 35이다.
도 8을 살펴보면, 캐소드 벌크층 부분(44) 뿐만 아니라 캐소드 작용층 부분(46)도 바이모드 공극 크기 분포를 가짐을 다시 확인할 수 있다. 작용층 부분의 맥락에서, 미세 공극은 "삼중점" 위치의 개수를 증가시킴으로써 작용성을 개선시키는 데 기여할 수 있다. 본원에서 사용되는 "삼중점"은 전해질 층(46), 공극(기체) 및 전극 재료(예: 캐소드의 경우 LSM) 사이의 교점 영역을 나타낸다.
또 다른 양태에 따르면, 전극들 중의 하나 이상이 바이모드 그레인 크기 분포를 가지며, 특히 약 1.5 이상의 Gc/Gf에 의해 정량화되며, 여기서 Gf는 미세 그레인의 평균 그레인 크기이고, Gc는 거대 그레인의 평균 그레인 크기이다. 특정 양태에 따르면, Gc/Gf는 일반적으로 약 2.0 이상, 예를 들면, 2.2 이상, 또는 심지어 약 2.5 이상이다. 다른 양태들은 Gc/Gf가 일반적으로 약 3.0 이상, 또는 심지어 약 5.0 이상인 보다 큰 그레인 크기 분포를 가질 수 있다. 전술한 거대/미세 비율은 응집된 작용층 물질을 이용하는 양태에 특히 적합하다. 상술한 바와 같이 응집되지 않은 분말과 같은 비교적 보다 미세한 작용층 물질을 사용하는 양태들은 Gc/Gf가 약 10.0 이상, 예를 들면, 약 15.0 이상, 약 20.0 이상, 또는 심지어 25.0 이상이도록 보다 큰 그레인 크기 분포를 가질 수 있다. 이와 관련해서, 일반적으로 상기 바이모드 그레인 크기 분포는 동일한 전극의 작용층 부분의 평균 그레인 크기에 대한 전극의 벌크층 부분의 평균 그레인 크기로서 정의된다. 즉, 바이모드 그레인 크기 분포는 전형적으로 각각의 벌크층 부분과 작용층 부분의 평균 그레인 크기를 비교함으로써 정량화된다.
표 2를 참조하면, 기술된 구조는 평균 그레인 크기가 75 내지 106㎛인 캐소드 벌크층과 평균 그레인 크기가 25 내지 45㎛인 캐소드 작용층을 가지며, Gc/Gf 비는 약 1.7(75㎛/45㎛) 내지 약 4.2(106㎛/25㎛)의 범위이다. 유사하게는, 아노드 층의 Gc/Gf 비는 약 3.3이다.
상술한 바와 같이, 특정 양태는 캐소드 작용층과 아노드 작용층 중의 어느 하나 또는 둘 다에 대해 비교적 미세한 작용층을 사용한다. 특정 예는 다음 재료 및 조건에 따라 가공하였다.
NiO/YSZ 아노드 벌크 재료를 1400℃에서 2시간 동안 하소하고, 150㎛ 이하의 크기로 분쇄하였다. 응집되지 않은 형태의 아노드 작용성 물질은 d50이 0.6㎛인 YSZ 15중량%, d50이 0.25㎛인 YSZ 31중량%, 및 d50이 2.0㎛인 NiO로 구성된다.
LSM 캐소드 벌크 재료를 1400℃에서 2시간 동안 하소하고, 75 내지 106㎛의 크기로 분쇄하였다. 1:1 비의 LSM:SDC를 1050℃에서 45㎛ 이하의 크기로 분쇄하였다.
전해질 재료는 0.75중량%의 Al2O3-도핑된 YSZ 분말로 구성된다.
상기 아노드, 캐소드 및 전해질 재료를 테이프 캐스팅하여 층들을 형성하였다. 상기 아노드 작용층 테이프, 전해질 테이프 및 캐소드 작용층 테이프를 10,000psi의 압력하에 105℃에서 적층시켰다. 이어서, 다이에서 캐소드 벌크 물질 위에 아노드 작용층 테이프, 전해질 테이프 및 캐소드 작용층 테이프로 구성된 프레싱된 적층물을 배치하고, 상기 프레싱된 적층물 위에 아노드 벌크 물질을 배치함함으로써 미가공 SOFC 전지를 형성시켰다. 이어서, 이와 같이 형성된 미가공 구조물을 고온 프레싱함으로써 치밀화를 수행하였다.
생성된 구조물은 도 9에 도시하였으며, 이는 SOFC 전지의 구성층들을 묘사하고 있는 절개 연마된 부분이다. 도 10은 벌크 전극 층과 각각의 작용층 사이의 그레인 크기의 차이가 매우 현저함을 명백하게 보여주는 도 9의 확대도이다.
비교용으로, 현 시점에서 첨단 기술인, 캐소드(802), 전해질(808) 및 아노드(810)를 갖는 연료 전지(800)을 도시한 도 11을 주목한다. 도시된 바와 같이, 캐소드(802)는 캐소드 벌크층 부분(804) 및 캐소드 작용층 부분(806)을 포함한다. 캐소드(802)의 평균 그레인 크기는 일반적으로 약 1 내지 4㎛의 범위이고, 캐소드의 벌크층 부분과 작용층 부분 사이의 그레인 크기 분포는 매우 적정하다. 도 11에 도시된 선행 기술의 구조물은 캐소드에서 퓨지티브 성분들이 휘발되어 없어지는 방법을 통해 형성되며 통상적인 하소되지 않은 미세 그레인(비응집) 원료가 가공을 위해 사용되는 것으로 사료된다.
상술한 발명의 대상은 설명을 위한 것이지 제한을 가하기 위한 것은 아니며, 첨부된 청구의 범위가 본 발명의 진정한 범위에 속하는 모든 변형, 개선 및 기타 양태들을 포함하는 것이다. 따라서, 법이 허용하는 최대한도로, 본 발명의 범위는 하기 청구의 범위 및 이의 등가 범위의 허용되는 가장 넓은 범위로 해석되어야 하며, 상술한 상세한 설명에 한정되거나 제한받지 않아야 한다.

Claims (68)

  1. 제1 전극,
    제1 전극 위의 전해질, 및
    상기 전해질 위의 제2 전극(제2 전극은 벌크층 부분과 작용층 부분을 포함하며, 상기 작용층 부분은 상기 전해질과 제2 전극의 벌크층 부분 사이로 연장되고, 상기 벌크층 부분은 바이모드(bimode) 공극 크기 분포를 갖는다)을 포함하는 SOFC 부품.
  2. 제1항에 있어서, 제1 전극이 벌크층 부분과 작용층 부분을 포함하며, 제1 전극의 작용층 부분이 상기 전해질과 제1 전극의 벌크층 부분 사이로 연장되고, 제1 전극의 벌크층 부분이 바이모드 공극 크기 분포를 갖는, SOFC 부품.
  3. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분이 평균 공극 크기가 Pf인 미세 공극과 평균 공극 크기가 Pc인 거대 공극을 포함하며, Pc/Pf가 약 2.0 이상인, SOFC 부품.
  4. 제3항에 있어서, Pc/Pf가 약 5.0 이상인, SOFC 부품.
  5. 제4항에 있어서, Pc/Pf가 약 10.0 이상인, SOFC 부품.
  6. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분이 미세 공극과 상기 미세 공극보다 큰 거대 공극을 포함하며, 상기 미세 공극이 입자간 공극이고 거대 공극이 입자내 공극인, SOFC 부품.
  7. 제1항에 있어서, 제2 전극의 작용층 부분이 바이모드 공극 크기 분포를 갖는, SOFC 부품.
  8. 제1항에 있어서, 제2 전극이 캐소드이고, 제1 전극이 아노드를 포함하는, SOFC 부품.
  9. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 평균 그레인 크기가 제2 전극의 작용층 부분의 평균 그레인 크기보다 큰, SOFC 부품.
  10. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 평균 그레인 크기가 약 50㎛ 이상인, SOFC 부품.
  11. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 두께가 제2 전극의 작용층 부분 의 두께보다 두껍고, 상기 작용층 부분의 두께가 약 10㎛ 이상이고, 상기 벌크층 부분의 두께가 약 500㎛ 이상인, SOFC 부품.
  12. 제1항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 다공도 %가 약 15용적% 이상인, SOFC 부품.
  13. 제12항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 다공도 %가 약 25용적% 이상인, SOFC 부품.
  14. 제1항에 있어서, 제2 전극의 작용층 부분의 다공도 %가 약 10용적% 이상인, SOFC 부품.
  15. 제14항에 있어서, 제2 전극의 작용층 부분의 다공도 %가 약 15용적% 이상인, SOFC 부품.
  16. 제1항에 있어서, 제1 전극과 제2 전극 중의 하나가 캐소드이고, 상기 캐소드가 란탄 및 망간의 세라믹 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  17. 제16항에 있어서, 캐소드가 추가로 스트론튬을 포함하는, SOFC 부품.
  18. 제1항에 있어서, 전해질이 지르코니아를 포함하는, SOFC 부품.
  19. 제18항에 있어서, 지르코니아가 안정제를 포함하는, SOFC 부품.
  20. 제19항에 있어서, 안정제가 희토류 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  21. 제20항에 있어서, 안정제가 이트리아를 포함하는, SOFC 부품.
  22. 제1항에 있어서, 제1 전극과 제2 전극 중의 하나가 아노드이고, 상기 아노드가 서멧(cermet)을 포함하는, SOFC 부품.
  23. 제22항에 있어서, 서멧이 금속 상과 세라믹 상을 포함하고, 상기 세라믹 상이 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  24. 제23항에 있어서, 산화물이 지르코니아를 포함하고, 금속 상이 니켈을 포함하는, SOFC 부품.
  25. 제1항에 있어서, 제1 전극, 제2 전극 및 전해질이 SOFC 전지를 형성하고, 이와 같이 형성된 다수의 SOFC 전지를 적층물 형태로 포함하는, SOFC 부품.
  26. 제1 전극 층,
    제1 전극 층 위의 전해질 층, 및
    상기 전해질 층 위의 제2 전극 층(제2 전극 층은 평균 그레인 크기가 Gf인 미세 그레인과 평균 그레인 크기가 Gc인 거대 그레인을 포함함으로써 바이모드 그레인 크기 분포를 가지며, 이때 Gc/Gf는 약 1.5 이상이다)을 포함하는, SOFC 부품.
  27. 제26항에 있어서, Gc/Gf가 약 2.0 이상인, SOFC 부품.
  28. 제26항에 있어서, Gc/Gf가 약 5.0 이상인, SOFC 부품.
  29. 제26항에 있어서, Gc/Gf가 약 10.0 이상인, SOFC 부품.
  30. 제26항에 있어서, Gc/Gf가 약 15.0 이상인, SOFC 부품.
  31. 제26항에 있어서, Gc/Gf가 약 20.0 이상인, SOFC 부품.
  32. 제26항에 있어서, 제2 전극이 캐소드인, SOFC 부품.
  33. 제26항에 있어서, 제2 전극이 벌크층 부분과 작용층 부분을 포함하며, 상기 작용층 부분이 전해질과 제2 전극의 벌크층 부분 사이로 연장되고, 벌크층 부분이 거대 그레인을 포함하고, 작용층 부분이 미세 그레인을 포함하는, SOFC 부품.
  34. 제33항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 두께가 제2 전극의 작용층 부분의 두께보다 두껍고, 상기 작용층 부분의 두께가 약 10㎛ 이상이고, 상기 벌크층 부분의 두께가 약 500㎛ 이상인, SOFC 부품.
  35. 제33항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 다공도 %가 약 15용적% 이상인, SOFC 부품.
  36. 제33항에 있어서, 제2 전극의 벌크층 부분의 다공도 %가 약 25용적% 이상인, SOFC 부품.
  37. 제33항에 있어서, 제2 전극의 작용층 부분의 다공도 %가 약 10용적% 이상인, SOFC 부품.
  38. 제33항에 있어서, 제2 전극의 작용층 부분의 다공도 %가 약 15용적% 이상인, SOFC 부품.
  39. 제26항에 있어서, 제1 전극과 제2 전극 중의 하나가 캐소드이고, 상기 캐소드가 란탄 및 망간의 세라믹 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  40. 제39항에 있어서, 캐소드가 스트론튬을 추가로 포함하는, SOFC 부품.
  41. 제26항에 있어서, 전해질 층이 지르코니아를 포함하는, SOFC 부품.
  42. 제41항에 있어서, 지르코니아가 안정제를 포함하는, SOFC 부품.
  43. 제42항에 있어서, 안정제가 희토류 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  44. 제43항에 있어서, 안정제가 이트리아를 포함하는, SOFC 부품.
  45. 제26항에 있어서, 제1 전극과 제2 전극 중의 하나가 아노드이고, 상기 아노드가 서멧을 포함하는, SOFC 부품.
  46. 제45항에 있어서, 서멧이 금속 상과 세라믹 상을 포함하고, 상기 세라믹 상이 산화물을 포함하는, SOFC 부품.
  47. 제46항에 있어서, 산화물이 지르코니아를 포함하고, 금속 상이 니켈을 포함 하는, SOFC 부품.
  48. 제26항에 있어서, 제1 전극, 제2 전극 및 전해질이 SOFC 전지를 형성하고, 이와 같이 형성된 다수의 SOFC 전지를 적층물 형태로 포함하는, SOFC 부품.
  49. 제1 전극을 형성하는 단계,
    제1 전극 위에 전해질을 형성하는 단계,
    상기 전해질 위에 제2 전극을 형성하는 단계(제2 전극은 분말을 포함하며, 상기 분말은 그레인으로 형성된 응집물을 포함한다) 및
    제1 전극, 전해질 및 제2 전극을 열처리하여 SOFC 부품을 형성하는 단계를 포함하는, SOFC 부품의 형성방법.
  50. 제49항에 있어서, 분말이 주로 응집물을 포함하는, SOFC 부품의 형성방법.
  51. 제49항에 있어서, 원료 분말을 하소시켜 원료 분말을 응집시킴으로써 분말을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, SOFC 부품의 형성방법.
  52. 제50항에 있어서, 하소 공정이 900℃ 이상의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  53. 제49항에 있어서, 하소 공정이 1,000℃ 이상의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  54. 제53항에 있어서, 하소 공정이 1,100℃ 이상의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  55. 제49항에 있어서, 하소 공정이 1,700℃ 이하의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  56. 제55항에 있어서, 하소 공정이 1,600℃ 이하의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  57. 제56항에 있어서, 하소 공정이 1,500℃ 이하의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  58. 제49항에 있어서, 분말이 그레인과 관련된 1차 입자 크기와 응집물과 관련된 2차 입자 크기를 갖는, SOFC 부품의 형성방법.
  59. 제58항에 있어서, 평균 1차 입자 크기가 약 0.1 내지 10㎛의 범위인, SOFC 부품의 형성방법.
  60. 제58항에 있어서, 평균 2차 입자 크기가 약 20 내지 300㎛의 범위인, SOFC 부품의 형성방법.
  61. 제60항에 있어서, 평균 2차 입자 크기가 약 20 내지 100㎛의 범위인, SOFC 부품의 형성방법.
  62. 제60항에 있어서, 평균 2차 입자 크기가 약 50 내지 250㎛의 범위인, SOFC 부품의 형성방법.
  63. 미가공 제1 전극 층을 형성하는 단계,
    미가공 제1 전극 층 위에 미가공 전해질 층을 형성하는 단계,
    상기 미가공 전해질 층 위에 제2 전극 층을 형성하는 단계(상기 제2 전극 층은 상대 미가공 밀도 ρg를 갖는다) 및
    제1 전극 층, 전해질 층 및 제2 전극 층을 소결하여 상기 층들을 치밀화함으로써 미가공 제2 전극층이 치밀화된 제2 전극 층을 형성하는 단계(치밀화된 제2 전극 층은 상대 소결된 밀도 ρs와 공극부를 가지며, 치밀화된 제2 전극 층의 공극부는 퓨지티브 공극 형성제 없이 달성된다)를 포함하는, SOFC 부품의 형성방법.
  64. 제63항에 있어서, ρs-ρg가 0.3 이하인, SOFC 부품의 형성방법.
  65. 제64항에 있어서, ρs-ρg가 0.2 이하인, SOFC 부품의 형성방법.
  66. 제63항에 있어서, 소결 공정이 약 0.5Mpa 이상의 압력에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  67. 제63항에 있어서, 소결 공정이 약 900℃ 이상의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
  68. 제67항에 있어서, 소결 공정이 1,000℃ 이상의 온도에서 수행되는, SOFC 부품의 형성방법.
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