KR20090035428A - 연료전지 지지체의 시일 - Google Patents

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KR20090035428A
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니엘스 에릭스트러프
니엘스 크리스티안센
할도르 에프.에이. 토프쉐
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토프쉐 푸엘 셀 에이/에스
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Abstract

국소 융해에 의해 제조된 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 적어도 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장된 시일 깊이의 시일을 가진 다공성 금속 지지체를 포함하는 연료전지 스택에 사용하기 위한 유닛으로서, 상기 시일은 다공성 금속 지지체의 외주부를 따라 위치되며, 다공성 금속 지지체의 평면에 수송되는 기체에 대해 불침투성이다.
연료전지, 스택, 다공성 금속 지지체, 기체 누출, 국소 융해, 시일

Description

연료전지 지지체의 시일{SEAL FOR A FUEL CELL SUPPORT}
본 발명의 연료전지 스택용 유닛, 특히 고체산화물 연료전지 스택용 유닛에 관한 것으로서, 상기 유닛은 시일을 가진 다공성 금속 지지체를 포함하며, 상기 시일이 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장됨으로써, 사용 중에 다공성 금속 지지체에서 원치 않는 기체 수송이 시일에 의해 차단된 유닛에 관한 것이다.
연료전지 스택으로부터 기체의 외부 누출은 세라믹 구성요소의 균열, 시일의 실패, 또는 다공성 층을 통한 기체 수송 때문이다.
여러 개의 전지를 포함하는 연료전지 스택에서, 각 전지는 기밀성 산소 이온 전도 전해질 및 다공성 캐소드 및 다공성 애노드를 포함한다. 다공성 층을 통해서 반응물이 확산되어 반응이 일어날 수 있다. 수소가 애노드로 수송되고 산소가 캐소드로 수송됨으로써 캐소드로부터 산소 이온이 전해질을 통해 애노드로 수송되어 애노드 상에서 수소와 산소가 반응하여 H2O가 생기고 전자가 수송되는 전기화학적 과정이 일어난다.
다공성 애노드 및 캐소드는 세라믹 분말로부터 제조될 수 있다. 또한, 다공성 지지체, 예를 들어 애노드 다공성 지지체가 알려져 있는데, 이 경우 다공성 지지체는 분말야금술에 기반한다. 다공성 지지체의 일례가, 예를 들어 EP 특허출원 제1122806호에 설명되는데, 여기서는 기체 공급 채널이 전지 지지체 및 애노드 층과 통합된다. 지지체가 다공성이므로 기체의 일부가 지지체를 통하여 전해질로 확산되는 한편, 기체의 다른 일부는 지지체의 테두리로 수송된다. 주변으로의 누출을 피하기 위해 상기 테두리는 기체 불침투성이다.
기체 불침투성 테두리는 실링 재료로 유리를 사용하여 획득될 수 있는데, 이것은 EP 특허출원 제1010675에 개시된다. 유리 사용의 단점은 유리가 취약하고 유리의 열 특성이 금속의 열 특성과 아주 달라서, 작동 중 스택이 가열되거나 냉각될 때 어려움이 야기될 수 있다는 점이다.
더욱이, 유리의 높은 점성으로 인해 유리 용융물을 다공성 층에 함침시키는 것이 어렵다.
WO 2007080518은 사출성형에 의해 외부에서 시일된 연료전지 유닛을 설명한다.
본 발명의 한 목적은 주변으로의 기체 누출이 방지된 연료전지 스택용 유닛을 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 연료전지 스택 내 구성요소의 수를 줄이는 대안의 방식을 제공하는 것이다.
더 이상의 목적은 사용 중의 열 스트레스에 더욱 강고한 연료전지를 제공하는 것이다.
이들 목적 및 다른 목적의 일부는 본 발명의 제 1 양태에 따라서, 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 다공성 금속 지지체의 적어도 바닥면까지 연장된 시일 깊이의 시일을 가진 다공성 금속 지지체를 포함하는 연료전지 스택용 유닛에 의해 충족되며, 이때 상기 시일은 다공성 금속 지지체의 외주부를 따라 위치되고, 다공성 금속 지지체의 평면에 수송되는 기체에 대해 불침투성이다.
또한, 본 발명은, 접촉면에서 다공성 금속 지지체를 그 외주부를 따라 일부 융해하여 어떤 시일 깊이의 기체 불침투성 시일로 만드는 단계를 포함하는 연료전지 스택용 유닛의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 시일 깊이는 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 적어도 다공성 금속 지지체를 지나 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장된다.
본 발명은 시일에 의해 주변으로의 기체 누출이 방지된 다공성 금속 지지체를 포함하는 연료전지 스택용 유닛을 제공한다.
상기 유닛이 연료전지 스택을 구성할 때, 시일은 또한 다공성 금속 지지체와 인터커넥트 사이의 접촉면에 위치될 수 있다. 이 방식에 의하여, 다공성 금속 지지체에서 원치 않는 기체 수송이 시일에 의해 차단된다.
연료전지 스택용 유닛은 하나 이상의 구성요소를 포함한다.
구성요소로는, 예를 들어 다공성 금속 지지체, 인터커넥터, 애노드, 캐소드, 전해질, 실링 재료 또는 이격 부재가 있다.
접촉면은 연료전지 스택으로 적층되었을 때 다공성 금속 지지체의 표면 일부가 연료전지 스택 내 다른 요소의 표면 일부와 접촉하고 있는 면적이다.
기체는 작동 중에 연료전지 스택에서 사용하기 위한 기체이다.
용어 상부면과 하부면은 도면에 예시된 대로 연료전지의 이 요소가 수평으로 위치되었을 때 각각 위 아래쪽의 마주한 면으로 이해되어야 한다.
다공성 금속 지지체는 애노드 또는 캐소드로의 기체 확산을 허용하는 기공도를 가진다. 다공성 금속 지지체의 기공도는 20 vol% 내지 90 vol%, 바람직하게는 30 vol% 내지 70 vol%일 수 있다. 다공성 금속 지지체의 평균 기공 크기는 바람직하게 0.1㎛ 내지 100㎛의 범위이다.
본 발명의 한 구체예에서, 다공성 금속 지지체는, 예를 들어 Thyssen Krupp Crofer 22 APU 같은 페라이트 스테인리스 강으로 제조된 다공성 금속박이다. 다공성 금속박은, 예를 들어 0.05mm 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다.
애노드 또는 캐소드로의 확산 속도를 증가시키기 위해 얇은 다공성 박을 사용하는 것이 유리하며, 이것은 또한 더 컴팩트한 연료전지 스택을 제공할 것이다.
또한, 다공성 금속 지지체는 기체 확산 경로를 제공하는 다수의 천공, 공동 및/또는 작은 구멍을 함유하는 금속박일 수 있다. 이런 다공성 금속 지지체는, 예를 들어 화학적 에칭에 의해서 제조될 수 있으며, 천공, 공동 및/또는 작은 구멍은 다공성 금속 지지체에 제어된 패턴이 형성되도록 위치될 수 있다.
다공성 금속 지지체는 소결된 금속 분말로 제조될 수 있으며, 이로써 다공성 금속박이 제공된다. 금속 인터커넥트가 또한 페라이트 스테인리스 강으로 제조될 수 있으며, 이것의 두께는, 예를 들어 0.1mm 내지 8mm일 수 있다. 금속 인터커넥트는 금속박으로 제조될 수 있는데, 이 경우 금속박을 압축함으로써 유동 장을 포함하는 인터커넥트가 형성될 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 시일은 다공성 금속 지지체 내 결정립의 국소 융해에 의해 제조된다. 이러한 시일은, 예를 들어 사용 중 균열함으로써 기체가 주변으로 누출될 수 있는 외부 유리 코팅 시일보다 연료전지 스택에 있어서 사용 중의 열 스트레스에 더욱 강할 것이다. 바람직하게, 국소 융해는 레이저 가열, 전기저항 가열, 전자빔 가열 및 경납땜으로부터 선택된 과정에 의해 만들어진다.
본 발명의 한 구체예에서, 시일은 다공성 금속 지지체의 기공을 충전재, 예를 들어 경납으로 충전한 다음 가열하여 시일을 만듦으로써 제조된다.
본 발명의 다른 구체예에서, 시일의 적어도 일부분은 기체 채널의 외주부를 따라 위치된다. 이 방식에 의하여, 사용 중에 상이한 기체가 혼합되는 것이 회피 된다. 기체 채널은, 예를 들어 산화체 유입구, 산화체 출구, 연료 유입구 또는 연료 출구일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 다공성 금속 지지체는 금속박이다.
본 발명의 다른 구체예에서, 시일은 어떤 구성요소와 다공성 금속 지지체 사이의 접촉면에 위치된다. 바람직하게, 상기 구성요소는 인터커넥트이다. 시일 깊이는 인터커넥트 쪽으로 더 연장될 수 있으며, 이로써 또한 다공성 금속 지지체 사이에 기체 불침투성 시일이 제공된다. 이 방식에 의하여, 인터커넥트와 다공성 금속 지지체 사이에 실링 재료를 제공하는 것이 불필요하게 되어 연료전지 스택의 구성요소의 수가 감소된다.
인터커넥트는 하나 이상의 기체 채널을 갖는 채널 시스템을 가지며, 이로써 연료전지 스택에서 이것이 사용 중일 때 기체가 전기화학 활성 영역 전체로 분포된다. 전기화학 활성 영역은 연료전지 스택 내의 전기화학적 반응이 일어나는 전지 영역이다. 전지는 애노드, 전극 및 캐소드를 포함한다. 인터커넥트는, 예를 들어 분말야금술, 단조, 압연 또는 에칭에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 다공성 금속 지지체의 바닥면에서 시일 너비에 걸친 유닛의 단면과 상기 단면에서 접촉면의 접촉면 너비의 비는 1 이하이다. 바람직하게, 상기 비는 0.3 이하이다. 시일 너비는, 예를 들어 0.1mm 내지 3.0mm, 예를 들어 0.5mm 내지 1.5mm, 바람직하게는 1mm일 수 있다.
또 다른 구체예에서, 애노드는 다공성 구조 내부에 적용된다. 애노드는 니켈 결정으로 제조될 수 있다. 산화 조건이 금속을 손상시키거나 산화물의 증발을 야기할 수 있으므로, 환원 기체가 다공성 금속 지지체 다음에 오도록 유닛을 배향하는 것이 유리하다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 다공성 금속 지지체는 전기화학 활성 캐소드와 밀착하여 캐소드 측 상에 위치된다.
더 나아가, 유닛은 전해질, 캐소드, 및 캐소드 측 실링 재료를 포함하며, 이로써 상기 유닛이 사용 중일 때 연료와 공기가 주변으로부터 시일된다. 캐소드 측 실링 재료는, 예를 들어 유리, 금속 경납 또는 운모일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 유닛은 고온 연료전지에서 사용하기 위한 것이며, 고온 연료전지는 전형적으로 500℃ 이상의 작동 온도를 갖는 것으로서, 예를 들어 고체산화물 연료전지 스택이 있다.
또한, 본 발명은 상기 설명된 구체예 중 어느 하나에 따른 유닛을 하나 이상 포함하는 연료전지 스택, 특히 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
본 발명의 제 2 양태로서, 연료전지 스택용 유닛의 제조 방법이 제공되는데, 상기 방법은 다공성 금속 지지체를 그 외주부를 따라 일부 융해하여 어떤 시일 깊이의 기체 불침투성 시일로 만드는 단계를 포함하며, 상기 시일 깊이는 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 적어도 다공성 금속 지지체를 지나 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장된다.
유닛이 연료전지 스택에서 사용 중일 때, 외주부를 향하는 다공성 금속 지지체의 평면에 수송되는 기체가 시일에 의해 차단된다. 이 방식에 의하여, 주변으로의 기체 누출이 회피된다.
본 발명의 한 구체예에서, 연료전지의 전기화학 활성 영역은 지지체 구조 상에서 다수의 작은 개별 전기화학 활성 구획들로 분할된다. 각 구획은 전기화학적 활성 전해질, 애노드 및 캐소드를 포함한다. 이 방식으로 연료전지가 분할될 때, 각 전기화학 활성 구획에서 다공성 금속박 부분은 해당 구획 영역에서 다공성 금속 지지체의 일부를 융해함으로써 해당 구획의 각 외주부에 상응하는 위치에서 시일된다. 이 방식에 의하여, 각 구획이 구획의 모든 면에서 그 외주부에서 완전히 시일될 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 다공성 금속 지지체의 일부를 융해하는 단계는 또한 인터커넥트의 일부와의 동시 융해를 포함하며, 이로써 시일 깊이가 인터커넥트 쪽으로 더 연장되어, 유닛이 연료전지 스택에서 사용 중일 때 인터커넥트와 다공성 금속 지지체 사이의 기체 수송이 차단된다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 시일의 융해 단계는 레이저 빔에 의해 수행된다.
본 발명의 다른 구체예에서, 시일은 경납땜에 의해 제조되며, 이로써 다공성 금속 지지체의 공극이 충전재로 충전되고 가열되어 시일이 생긴다.
본 발명의 다른 구체예에서, 상기 방법은 다공성 금속 지지체의 다공성 구조 내부에 애노드를 적용하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 방법은 플라스마 분무에 의해 전해질을 적용하는 단계와 실크스크린법, 플라스마 분무 또는 습식 분무 과정 등의 과정에 의해 캐소드를 적용하는 또 다른 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은 캐소드 측 실링 재료를 적용하는 단계를 포함할 수 있으며, 이로써 연료전지 스택이 사용 중일 때 캐소드 기체가 주변으로부터 시일된다.
도 1의 도 1A 및 1B는 다수의 유닛을 가진 고체산화물 연료전지 스택을 예시한다. 도 1A는 고체산화물 연료전지 스택의 분해도를 도시한다. 연료전지 스택은 1개 이상의 반복 유닛(8)을 포함하며, 각 반복 유닛은 다공성 금속 지지체를 가진다. 스택은 연료 유입구(9)와 산화체 유입구(10)를 구비한다. 작동하는 동안 연료 유입구(9)로부터 연료가 공급되고 반복 유닛(8) 내의 각 전지를 가로질러 전파된다. 마찬가지로, 산화체 유입구(10)로부터 반복 유닛(8) 내의 각 전지에 산화체가 공급된다.
도 1B는 반복 유닛(8)의 모서리의 확대도를 도시한다. 시일(1)이 접촉면에서 반복 유닛(8)의 외주부를 따라 신장되어 연속 기체 불침투성 영역을 이루며, 이로써 주변으로의 연료 누출이 차단된다. 시일(1)의 한 부분은 반복 유닛(8)의 바깥쪽 외주부(11A)를 따라 평행하게 신장된다. 시일의 다른 부분은 반복 유닛(8)의 바깥쪽 외주부(11A)를 따라 평행하게, 또한 연료 출구(9B)의 원주를 구성하는 안쪽 외주부(11B)의 일부를 따라 평행하게 신장된다. 두 부분은 곡률(1A)을 이루며 연결된다. 이 방식에 의하여, 주변으로의 연료 누출이 차단된다.
도 2는 도 1에 예시된 것과 유사한 고체산화물 연료전지 스택의 수직 단면과 함께 한 구체예를 도시한다. 도 2A 및 2B는 다수의 반복 유닛(8)(도 2B에 도시됨)으로 고체산화물 연료전지가 구성되는 방식을 예시하며, 이때 각 반복 유닛은 다공성 금속 지지체(2)를 지나 인터커넥트(3)(도 2A에 도시됨)로 침투된 시일(1)을 가 진다. 시일(1)은 접촉면에 위치된다.
도 3은 도 1A에 예시된 고체산화물 연료전지 스택용 유닛(8)의 분해도이다. 이 구체예에서, 인터커넥트(3)는 그 상부면 상에 연료 채널(4) 시스템을 구비한다. 연료 채널(4)은 지주 사이에 형성된다. 채널(4)은 가늘고 긴 형태이며, 인터커넥트(3)의 전기화학 활성 영역을 커버하도록 인터커넥트(3) 면적 전체에 걸쳐 있다. 마찬가지로, 인터커넥트(3)는 하부면(도면에는 도시되지 않음)에도 산화체의 분포를 위한 채널 시스템을 가진다. 다양한 기하구조의 채널 시스템의 사용이 본 분야에 잘 공지되어 있으며, 다만 채널 시스템은 인터커넥트의 중심 영역을 커버함으로써 연료와 산화체가 전기화학 영역 전체에 전파되어야 한다.
인터커넥트(3)는 연료 유입구(9A)와 연료 출구(9B)를 구비하며, 또한 산화체 유입구(10A)와 산화체 출구(10B)를 구비한다. 마찬가지로, 다공성 금속 지지체(2)도 연료 유입구(9A)와 연료 출구(9B) 및 산화체 유입구(10A)와 산화체 출구(10B)를 구비한다. 따라서, 반복 유닛(8)이 고체산화물 연료전지 스택에서 서로 적층되어 위치될 때, 다수의 연료 유입구(9A)에 의해 연료 유입 도관이 형성되고, 다수의 연료 출구(9B)에 의해 연료 출구 도관이 형성되며, 마찬가지로 다수의 산화체 유입구 (10A)에 의해 산화체 유입 도관이 형성되고, 다수의 산화체 출구(10B)에 의해 산화체 출구 도관이 형성된다.
더 나아가, 도 3은 다공성 금속 지지체(2)에서 시일(1)의 위치를 도시한다. 시일(1)의 일부는 다공성 금속 지지판(2)을 감싸서 그 외주부(11A)를 따라 신장되며, 이로써 고체산화물 연료전지 스택에서 사용 중에 다공성 금속 지지체(2) 평면 에서의 연료 확산이 시일(1)에 의해 차단되어, 고체산화물 연료전지로부터 주변으로의 누출이 회피된다. 시일의 다른 부분(1B)은 산화체 유입구(10A)와 산화체 출구(10B)를 감싸서 접촉면에서 그 외주부(11C)를 따라 신장되며, 이로써 사용 중에 산화체 유입구(10A)로부터 다공성 금속 지지체(2)의 연료 측으로 기체의 확산이 회피된다. 마찬가지로, 다공성 금속 지지체(2)로부터 산화체 유입구(10A)나 산화체 출구(10B)로의 연료 확산이 회피된다.
따라서, 도 3에 도시된 대로, 다공성 금속 지지체(2)와 인터커넥트(3)를 갖는 반복 유닛(8)이 고체산화물 연료전지 스택에서 사용 중일 때, 연료 유입구(9A)로부터 연료가 인터커넥트(3)의 연료 측 채널(4) 시스템을 통해 연료전지의 전기화학 활성 영역 전체에 전파되고, 연료가 다공성 금속 지지체(2)로 확산된다. 연료는 연료 출구(9B)를 통해 연료 전지를 이탈한다.
사용 중에 산화체 유입구(10A)로부터 기체가 인터커넥트(3)의 산화체 측 채널 시스템을 통해 전기화학 활성 영역 전체에 전파되고, 산화체 출구(10B)를 통해 연료전지 밖으로 수송된다. 시일(1B)에 의해 산화체와 연료의 혼합이 차단되는데, 즉 시일(1B)에 의해 산화체 유입구(10A)로부터의 기체가 다공성 금속 지지체(2)의 연료와 혼합되는 것이 차단되고, 전기화학 영역의 연료가 산화체 출구(10B)로 나아가는 것이 차단된다.
도 4의 도 4A 및 4B는 다공성 금속 지지체 안의 시일을 도시한다. 도 4A는 시일(1)을 가진 다공성 금속 지지체(2)에 관한 본 발명의 구체예를 예시한다. 시일(1)은 다공성 금속 지지체를 국소 융해하여 기체 불침투성의 강한 장벽으로 만드 는 가열원, 예를 들어 레이저 빔에 의해서 제조된다. 또한, 이 도면은 상부면(18)에서부터 다공성 금속 지지체(2)를 지나 바닥면(19)까지 연장된 시일(1)의 시일 깊이(16)를 도시한다. 또한, 시일은 다공성 금속 지지체의 바닥면(19)에서 시일 너비(17)를 가진다.
도 4B에서, 도 4A의 다공성 금속 지지체(2)가 실링 재료(15)에 의해서 인터커넥트(3)까지 시일된다. 이 도면에서 다공성 금속 지지체(2) 안의 시일(1)은 다공성 금속 지지체(2)와 인터커넥트(3) 사이의 접촉면(13)에 위치된 것으로 나타난다. 또한, 이 도면에서는 실링 재료(15)도 역시 접촉면(13)에 위치된 것으로 나타난다. 실링 재료(15)는 단면에서 본 접촉면의 접촉면 너비(13) 전체에 걸쳐 있으며, 시일(1)은 바닥면(18)에서 접촉면 너비(13)보다 작은 시일 너비(17)를 가진다. 접촉면(13)은 인터커넥트(3)의 외주부(11A)에서부터 채널 시스템의 외주부(11D) 또는 기체 채널의 외주부까지 신장된다.
인터커넥트(3)는, 예를 들어 금속박으로 제조되며, 연료 측에 채널 시스템을 형성하는 복수의 채널(4)과 인터커넥트(3)의 산화체 측에 채널 시스템을 형성하는 복수의 채널(14)을 가진다.
도 5의 도 5A 및 5B는 인터커넥트와 함께 시일된 다공성 금속 지지체를 도시한다. 도 5A는 본 발명의 바람직한 구체예를 도시하는데, 여기서 다공성 금속 지지체(2) 안의 시일(1)은 인터커넥트(3)로 더 침투하여 다공성 금속 지지체(2)와 인터커넥트(3) 사이에 시일이 생긴다.
이 구체예가 도 5B에 분해도로 예시되는데, 여기서 침투 깊이(16)는 다공성 금속 지지체(2)의 상부면(18)에서부터 인터커넥트(3) 쪽으로 연장된다. 또한, 이 구체예에서, 다공성 금속 지지체(2)의 바닥면(19)에서 시일 너비(17)는 접촉면(13)의 단면에서 본 접촉면 너비보다 작다. 시일(1)은 외주부와 이격되어 위치된다.
다공성 금속 지지체(2) 안의 시일(1)은, 예를 들어 열 과정에 의하여, 예를 들어 경납땜, 전기저항 가열 또는 레이저 빔에 의한 가열에 의해 제조될 수 있다. 이 방식에 의하여, 시일(1)이 생기며, 이로써 유닛이 연료전지 스택에서 사용 중일 때 경계면(화살표(15)로 표시)을 향한 방향으로 다공성 금속 지지체(2) 내로의 기체 확산이 시일(1)에 의해 중단된다. 따라서, 연료전지 스택 밖으로의 기체의 유동이 방지된다.
모든 구체예에서, 시일(1)은 다공성 금속 지지체의 결정립을 융해하여 국소적으로 강한 장벽을 만듦으로써 제조되며, 이로써 적어도 다공성 금속 지지체(2)의 상부면에서부터 다공성 금속 지지체(2)의 바닥면까지 연장된 시일 깊이(16)를 가진 시일(1)이 생긴다. 일부 구체예에서, 융해물은 고체산화물 연료전지의 다른 금속 요소, 예를 들어 인터커넥트로 더 침투될 수 있으며, 이로써 시일 깊이(16)가 다른 금속 요소 쪽으로 연장되어, 다공성 금속 지지체와 다른 금속 요소 사이의 기체 수송을 방지하는 시일이 생긴다.
인터커넥트(3)와 다공성 금속 지지체(2)는 모두 페라이트 스테인리스 강 또는 다른 페라이트 강 등의 금속 합금, 또는 니켈 기재 또는 크롬 기재 합금으로 제조될 수 있다. 금속박의 기공도는 30 vol% 내지 70 vol%일 수 있으며, 다공성 금속 지지체의 평균 기공 크기는 0.1㎛ 내지 100㎛의 범위이다.
다공성 금속 지지체(2)는, 예를 들어 소결된 금속 분말로 제조될 수 있으며, 이로써 다공성 금속박이 제공된다. 금속박은, 예를 들어 0.05mm 내지 0.3mm 두께일 수 있다. 금속 인터커넥트(3)는, 예를 들어 0.5mm 내지 8mm일 수 있다.
다공성 금속 지지체(2)는 애노드와 함께 적용된 연료 측에 있으며, 예를 들어 애노드는 니켈 결정 형태이다. 이후, 전해질(5)이 애노드 표면에 적용되는데, 플라스마 분무 또는 분무 코팅, 딥 몰딩, 층상 주조 또는 전기영동 부착 등에 의해 적용된다.
도 6의 도 6A 및 6B는 고체산화물 연료전지용의 상이한 유닛들을 도시한다. 한 구체예에서, 전해질은 다공성 금속 지지체 상에 적용될 뿐만 아니라 다공성 금속 지지체(2) 및 인터커넥트(3)의 상부면과 바닥면에 수직인 면에도 적용되며, 이것은 도 6A에 예시된다.
전해질(5) 표면에 실크스크린법 등에 의해서 캐소드(7)가 적용된다. 이것은 도 6B에 도시되고, 도 6B는 또한 캐소드 기체 시일(6)을 도시하는데, 이것은 연료전지 스택에서 사용 중에 캐소드 기체가 고체 산화물 연료전지 스택으로부터 주변으로 유동하는 것을 차단한다. 이 산화체 시일(6)은, 예를 들어 유리나 금속 경납 또는 운모 같은 다른 실링 재료로 제조될 수 있다. 이 방식에 의하여, 전지, 인터커넥트 및 시일을 포함하는 반복 유닛(8)이 생긴다.
도 7은 서로 이어서 적층된 2개의 반복 유닛(8)을 도시한다. 이 방식에 의하여, 하나 이상의 반복 유닛(8)을 서로 이어서 적층함으로써 도 1과 같은 연료전지 스택이 제조될 수 있다.
도 8 및 도 9는 경납땜 시일에 의해 제조된 다공성 금속 지지체(2)를 도시한다. 도 8은 다공성 금속 지지체(2)의 상부면(18) 위에 놓인 충전재(20)를 도시한다. 다음에, 도 9에 도시된 대로, 다공성 금속 지지체(2)가 가열되고, 충전재(20)가 다공성 금속 지지체(2)의 기공으로 들어가 시일(1)이 생긴다.
실시예 1
두께 0.3mm의 다공성 금속 지지체에서 두께 0.8mm의 인터커넥트로 연장된 시일을 제조했다. 인터커넥트는 22% 크롬을 함유한 페라이트 스테인리스 강으로 제조했고, 다공성 금속 지지체는 다공성 페라이트 소결 금속박으로 제조했다.
레이저 융해에 의해 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 다공성 금속 지지체의 바닥면을 지나 인터커넥트 쪽으로 0.3-0.5mm 더 연장된 시일 깊이를 획득하는 것이 가능했으며, 이때 융해 속도는 800 mm/분에서 1400 mm/분까지 변화시켰고, 레이저 파워는 350 W 내지 400 W에서 변화시켰다.
도 1은 여러 개의 유닛을 가진 고체산화물 연료전지 스택을 예시한다.
도 2는 고체산화물 연료전지 스택의 단면을 도시한다.
도 3은 고체산화물 연료전지용 유닛의 일례를 도시한다.
도 4는 다공성 금속 지지체의 시일을 도시한다.
도 5는 인터커넥트와 함께 시일된 다공성 금속 지지체를 도시한다.
도 6은 상이한 고체산화물 연료전지용 유닛들을 도시한다.
도 7은 2개의 유닛이 서로 이어서 배열된 것을 도시한다.
도 8 및 9는 경납땜 시일에 의해서 제조된 다공성 금속 지지체를 도시한다.

Claims (15)

  1. 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 적어도 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장된 시일 깊이의 시일을 가진 다공성 금속 지지체를 포함하는, 연료전지 스택에 사용하기 위한 유닛으로서, 상기 시일이 다공성 금속 지지체의 외주부를 따라 위치되며, 다공성 금속 지지체의 평면에 수송되는 기체에 대해 불침투성이고, 국소 융해에 의해서 제조된 것을 특징으로 하는 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 국소 융해는 레이저 가열, 저항 가열, 전자빔 가열 및 경납땜으로부터 선택된 과정에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 유닛.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 시일의 적어도 일부가 기체 채널의 외주부를 따라 위치된 것을 특징으로 하는 유닛.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 연료전지 스택에서 각 연료전지의 전기화학 활성 영역이 지지체 구조 상에서 다수의 작은 개별 전기화학 활성 구획들로 분할되고, 각 전기화학 활성 구획의 각 외주부를 따라 시일이 위치된 것을 특징으로 하는 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서, 다공성 금속 지지체가 금속박임을 특징으로 하는 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서, 시일이 인터커넥트와 다공성 금속 지지체 사이의 접촉면에 위치된 것을 특징으로 하는 유닛.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 시일 깊이가 인터커넥트 쪽으로 더 연장된 것을 특징으로 하는 유닛.
  8. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 금속 지지체가 다공성 금속 지지체의 다공성 구조 내부에 적용된 애노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛.
  9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 다공성 금속 지지체가 다공성 금속 지지체에 적용된 전해질과 캐소드를 포함하는 것을 특징으로 하는 유닛.
  10. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 고온 연료전지에서 사용하기 위한 유닛인 것을 특징으로 하는 유닛.
  11. 제 8 항에 있어서, 고체산화물 연료전지에서 사용하기 위한 유닛인 것을 특징으로 하는 유닛.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 유닛을 포함하는 연료전지 스 택.
  13. 접촉면에서 다공성 금속 지지체를 그 외주부를 따라 일부 융해하여, 다공성 금속 지지체의 상부면에서부터 적어도 다공성 금속 지지체를 지나 다공성 금속 지지체의 바닥면까지 연장된 시일 깊이의 기체 불침투성 시일로 만드는 단계를 포함하는, 연료전지 스택용 유닛의 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 다공성 금속 지지체의 일부를 융해하는 단계는 인터커넥트의 일부와의 동시 융해를 또한 포함하며, 이로써 시일 깊이가 인터커넥트 쪽으로 더 연장되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 시일 융해 단계는 레이저 가열에 의해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
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