KR20140068227A - 고체 산화물 연료전지 성형방법 - Google Patents

고체 산화물 연료전지 성형방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140068227A
KR20140068227A KR1020147011009A KR20147011009A KR20140068227A KR 20140068227 A KR20140068227 A KR 20140068227A KR 1020147011009 A KR1020147011009 A KR 1020147011009A KR 20147011009 A KR20147011009 A KR 20147011009A KR 20140068227 A KR20140068227 A KR 20140068227A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
untreated
electrode
electrolyte
interconnect
Prior art date
Application number
KR1020147011009A
Other languages
English (en)
Inventor
아라빈드 모하람
예쉬완 나렌다
한송 황
?용 린
Original Assignee
생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 filed Critical 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
Publication of KR20140068227A publication Critical patent/KR20140068227A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/1213—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the electrode/electrolyte combination or the supporting material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8878—Treatment steps after deposition of the catalytic active composition or after shaping of the electrode being free-standing body
    • H01M4/8882—Heat treatment, e.g. drying, baking
    • H01M4/8885—Sintering or firing
    • H01M4/8889—Cosintering or cofiring of a catalytic active layer with another type of layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88—Processes of manufacture
    • H01M4/8825—Methods for deposition of the catalytic active composition
    • H01M4/8857—Casting, e.g. tape casting, vacuum slip casting
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/90—Selection of catalytic material
    • H01M4/9016—Oxides, hydroxides or oxygenated metallic salts
    • H01M4/9025—Oxides specially used in fuel cell operating at high temperature, e.g. SOFC
    • H01M4/9033—Complex oxides, optionally doped, of the type M1MeO3, M1 being an alkaline earth metal or a rare earth, Me being a metal, e.g. perovskites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0215—Glass; Ceramic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • H01M8/124—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte
    • H01M8/1246—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides
    • H01M8/1253—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte characterised by the process of manufacturing or by the material of the electrolyte the electrolyte consisting of oxides the electrolyte containing zirconium oxide
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 전해질 층, 상호접속층, 전해질 층과 상호접속층 사이에 배치되는 제1 전극층으로 구성되는 SOFC 단위 전지를 단일, 무소결 공정으로 성형하는 단계를 포함한다. SOFC 단위 전지의 전해질 층은 성형 후 압축 상태이다.

Description

고체 산화물 연료전지 성형방법{METHOD OF FORMING A SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 및 SOFC 성형 방법, 특히 SOFC 단위 전지 성형을 위한 단일, 무소결 (free-sintering) 방법에 관한 것이다.
연료전지는 화학 반응으로 전기를 발생시키는 장치이다. 다양한 연료전지들 중에, 고체 산화물 연료전지 (SOFC)는 전해질로서 경질의 세라믹 혼합 금속(예를들면, 칼슘 또는 지르코늄) 산화물을 사용한다. 일반적으로, 고체 산화물 연료전지에서, O2와 같은 산소 기체는 양극 (cathode)에서 산소 이온(O2-)으로 환원되며, H2 기체와 같은 연료 기체는 음극 (anode)에서 산소 이온에 의해 산화되어 물을 형성한다.
일부 경우에, 연료전지 조립체는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 고체 전해질을 포함하는 적층체로 설계된다. 각각의 적층체는 부조립체로 간주되고 다른 적층체와 조합되어 완전한 SOFC 물품을 형성한다.
그러나, 개개의 연료 전지 적층체는 이들의 성형이나 사용 중에 온도 변화로 야기되는 손상에 취약하다. 구체적으로는, 다른 조성의 세라믹들을 포함하는, 다양한 구성요소들을 형성하기 위해 사용되는 재료는 차별되는 재료적, 화학적 및 전기적 특성을 보이고, 이는 SOFC 물품의 파손 및 고장으로 이어진다. 특히, 연료전지는 온도 변화에 대한 제한된 허용 범위를 가진다. 온도 변화에 의해 야기되는 기계적 응력과 관련된 문제는 개개의 연료전지가 적층 될 때 악화된다. 연료전지의, 특히 적층체들로 조립된 연료전지의 제한된 열 충격 저항성은 생산 수율을 제한하며 작동 중에 높은 고장의 위험을 초래한다.
또한, SOFC 물품 조립 자체에 문제가 있다. 조성이 다른 층들을 적층하고 소결하는 과정에서의 문제들이 SOFC 제조에서 직면한 가장 큰 문제 중 하나이다. 현재의 해결책은 다단계 소성 공정 또는 일 단계 열간-압축 및 금속성 상호접속 재료를 사용하는 것이다. 산업 분야에서 계속하여 개선된 SOFC 물품 및 성형방법을 요구한다.
일 양태에 의하면, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 단일, 무소결 공정으로 SOFC 단위 전지를 성형하는 단계를 포함하며, SOFC 단위 전지는 전해질 층, 상호접속층, 및 전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되는 제1 전극층으로 제조되고, 전해질 층은 성형 후 압축된다 (in compression).
다른 양태에서, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 미처리 전해질 층, 미처리 상호접속층, 및 전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되는 제1 미처리 전극층을 가지는 미처리 (green) SOFC 단위 전지 성형 단계를 포함한다. 본 방법은 소결된 SOFC 단위 전지를 성형하기 위하여 단일 소결 공정에서 미처리 SOFC 단위 전지를 소결하는 단계를 추가로 포함하고, 상호접속층 및 제1 전극층의 요소들 간 확산 결합이 형성된다.
또 다른 양태에서, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 전해질 층, 상호접속층, 및 전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되고 직접 접촉하는 음극 층을 가지고 음극 층 및 상호접속층 사이 및 전해질 층 및 음극 층 사이 중간 버퍼층을 가지지 않는 미처리 SOFC 단위 전지 성형 단계를 포함한다. 본 방법은 미처리 SOFC 단위 전지를 단일, 무소결 공정으로 소결하는 단계를 추가로 포함한다.
다른 양태에 의하면, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 전해질 소결온도를 가지는 전해질 층을 성형하고, 상호접속체 소결온도를 가지는 상호접속층을 성형하고, 전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되고 제1 전극 소결온도를 가지는 제1 전극층을 성형함으로써 SOFC 단위 전지를 성형하는 단계를 포함한다. 단일 소결 공정으로 SOFC 단위 전지를 제조하는 과정에서, 제1 전극 소결온도 이하, 전해질 소결온도 이상 및 상호접속체 소결온도 이상인 소결온도에서 소결이 수행된다.
다른 양태에 의하면, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법은 단일, 무소결 공정에서 SOFC 단위 전지를 성형하는 단계를 포함하고, 상기 SOFC 단위 전지는 제1 양극 층, 제1 양극 층에 적층되는 전해질 층, 전해질 층에 적층되는 음극 층, 음극 층에 적층되는 상호접속층, 및 상호접속층에 적층되는 제2 양극 층을 가진다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하면 더욱 이해될 것이며 다양한 특징부들 및 이점들이 당업자들에게 명백하여 질 것이다.
도 1은 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다.
도 2는 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다.
도 3은 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다.
도 4는 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다.
도 5는 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다.
도 6은 실시태양에 따라 형성된 단위 전지 일부 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 7은 실시태양에 따라 형성된 단위 전지의 일부 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 8은 실시태양에 따라 형성된 단위 전지의 일부 단면에 대한 SEM 사진이다.
도 9는 실시태양에 따라 형성된 단위 전지의 일부 단면에 대한 SEM 사진이다.
다른 도면들에서 유사하거나 동일한 부분에 대하여 동일한 도면부호가 사용된다.
SOFC 단위 전지들을 포함하는 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 및 SOFC 단위 전지 성형방법을 하기한다. 도 1은 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다. SOFC 단위 전지 (100)는 전해질 층 (101), 상호접속층 (107), 및 전해질 층 (101) 및 상호접속층 (107) 사이에 배치되는 전극층 (103)을 포함한다. 특히, 전해질 층 (101)은 전극층 (103)과 직접 접촉하고 상호접속층 (107)은 전극층 (103)과 직접 접촉한다.
도 1에 도시된 단위 전지 (100)에서 구성 층들을 조립하기 전에, 각각의 층은 개별적으로 성형된다. 즉, 층들은 미처리 층으로 별개로 성형되고 단위 전지 (100)로 함께 조립된다. 대안으로, 층들은 미처리 상태로 서로 연속적으로 성형되어, 제1 미처리 전해질 층 (101)이 성형되고, 이어, 미처리 전극층 (103)이 미처리 전해질 층 (101)에 적층하여 성형되고, 이후, 미처리 상호접속층 (107)이 미처리 전극층 (103)에 적층하여 성형된다.
본원에서 “미처리” 물품이란 치밀화 또는 입자 성장에 영향을 주기 위한 소결을 진행하지 않은 재료를 의미한다. 미처리 물품은 건조되어 함수량이 낮지만 소성되지 않은 미완성 물품이다. 미처리 물품은 자체 및 이에 성형되는 다른 미처리 층을 지지할 수 있는 강도를 가진다.
본원의 실시태양들에 의해 기재되는 층들은 제한되지 않지만, 캐스팅, 증착, 인쇄, 압출, 적층, 다이-압축, 겔 캐스팅, 분무 도포, 스크린 인쇄, 압연 성형 (roll compaction), 사출성형, 및 이들의 조합을 포함한 기술들로 성형된다. 일 특정 예에서, 각각의 층은 스크린 인쇄로 형성된다. 다른 실시태양에서, 각각의 층은 테이프 캐스팅 공정으로 형성된다.
전해질 층 (101)은 무기 재료, 예컨대 세라믹 재료를 포함한다. 예를들면, 전해질 층 (101)은 산화물 재료를 포함한다. 일부 적합한 산화물은 지르코니아 (ZrO2), 상세하게는, 다른 원소들 예컨대 안정화제 또는 도펀트를 포함하는 지르코니아-기재 재료를 포함하고, 다른 원소들은 예컨대 이트리아 (Y), 이테르븀 (Yb), 세륨 (Ce), 스칸듐 (Sc), 사마륨 (Sm), 가돌리늄 (Gd), 란탄 (La), 프라세오디뮴 (Pr), 네오디뮴 (Nd), 및 이들의 조합의 원소들을 포함한다. 적합한 전해질 재료의 특정 예시로는 Sc2O3-도핑 ZrO2, Y2O3-도핑 ZrO2, Yb2O3-도핑 ZrO2, Sc2O3-도핑 및 CeO2-도핑 ZrO2, 및 이들의 조합을 포함한다. 또한 전해질 층은 세리아 (CeO2), 상세하게는 세리아-기재 재료, 예컨대 Sm2O3-도핑 CeO2, Gd2O3-도핑 CeO2, Y2O3-도핑 CeO2, 및 CaO-도핑 CeO2를 포함한다. 또한 전해질 재료는 란타나이드-기재 재료, 예컨대 LaGaO3를 포함한다. 란타나이드-기재 재료는 제한되지 않지만, Ca, Sr, Ba, Mg, Co, Ni, Fe, 및 이들의 조합을 포함한 특정 원소들로 도핑 될 수 있다. 특히, 전해질 재료는 란탄 스트론튬 망가나이트 (LSM) 재료를 포함한다. 일부 예시적 전해질 재료는 La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.2O3, La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.15Co0.5O3, La0.9Sr0.1Ga0.8Mn0.2O3, LaSrGaO4, LaSrGa3O7, 또는 La0.9A0.1GaO3을 포함하고, A는 Sr, Ca, 또는 Ba 군에서 선택되는 하나의 원소를 의미한다. 특정 실시태양에 의하면, 전해질 층 (101)은 8 mol % Y2O3로 도핑된 ZrO2 (즉, 8 mol % Y2O3-도핑 ZrO2)으로 제조된다. 8 mol % Y2O3 는 전해질 재료의 열 반응 특성을 조장하고 가공 특성을 개선시키는 특정 도펀트, 예컨대 Al 및/또는 Mn을 가질 수 있다. 기타 예시적 전해질 재료는 도핑된 이트륨-지르코네이트 (예를들면, Y2Zr2O7), 도핑된 가돌리늄-티타네이트 (예를들면, Gd2Ti2O7) 및 브라운 밀레라이트 (예를들면, Ba2In2O6 또는 Ba2In2O5)를 포함한다.
전해질 층 (101)은 특히 평탄 박층일 수 있다. 예를들면, 전해질 층 (101)의 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 500 미크론 이하, 예컨대 약 300 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 80 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 또는 약 25 미크론 이하일 수 있다. 또한, 전해질 층 (101)의 평균 두께는 적어도 약 1 미크론, 예컨대 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 8 미크론, 또는 적어도 약 10 미크론일 수 있다. 전해질 층 (101) 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전해질 층 (101)은 캐스팅, 증착, 인쇄, 압출, 적층, 다이-압축, 겔 캐스팅, 분무 도포, 스크린 인쇄, 압연 성형, 사출성형, 및 이들의 조합으로 성형될 수 있다. 전해질 층 (101)은 개별적으로 또는 다른 층들 형성에 연속하여 성형된다. 예를들면, 전해질 층 (101)은 다른 미리-성형된 층들 중 하나 (예를들면, 전극층 (103))에 성형될 수 있다. 특히, 특정 실시태양에서, 전해질 층 (101)은 미처리 단위 전지 (100) 성형 전에 소결될 필요가 없고, 이후 단일 무소결 공정에서 소결되는 미처리 층으로 성형될 수 있다.
전해질 층 (101)은 본원의 실시태양들에 의한 단위 전지 성형을 가능하게 하는 특정 입도를 가지는 전해질 분말 재료로 형성된다. 예를들면, 전해질 분말 재료의 평균 입도는 약 100 미크론 미만, 예컨대 약 50 미크론 미만, 약 20 미크론 미만, 약 10 미크론 미만, 약 5 미크론 미만, 또는 약 1 미크론 미만이다. 또한, 특정 실시예들에서, 전해질 분말 재료의 평균 입도는 적어도 약 0.01 미크론, 적어도 약 0.05 미크론, 적어도 약 0.08 미크론, 적어도 약 0.1 미크론, 또는 적어도 약 0.2 미크론이다. 전해질 분말 재료의 평균 입도는 상기 임의의 최소값 및 최소값 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
상호접속층 (107)은 무기 재료를 포함한 세라믹 재료로 구성된다. 특히, 상호접속층은 산화물 재료를 포함하며, 상세하게는, 크로마이트 또는 니켈 산화물을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게는, 상호접속층 (107) 란탄 (La), 망간 (Mn), 스트론튬 (Sr), 티탄 (Ti), 니오븀 (Nb), 칼슘 (Ca), 갈륨 (Ga), 코발트 (Co), 이트리아 (Y), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 원소를 포함한다. 소정 실시예들에서, 상호접속층 (107)은 크롬 산화물-기재 재료, 니켈 산화물-기재 재료, 코발트 산화물-기재 재료, 및 티탄 산화물-기재 재료 (예를들면, 란탄 스트론튬 티타네이트)를 포함한다. 특히, 상호접속층 (107)은, 예컨대 LaSrCrO3, LaMnCrO3, LaCaCrO3, YCrO3, LaCrO3, LaCoO3, CaCrO3, CaCoO3, LaNiO3, LaCrO3, CaNiO3, CaCrO3, 및 이들의 조합으로 제조된다. 특히, 상호접속층 (107)은 LST (또는 YST)로 구성되고, 실질적으로 Nb 도핑된 LST, 예컨대, 하나 이상의 도펀트를 La0.2 Sr0.8TiO3로 이루어진다. 상호접속체 재료는 예를들면, 전형적으로 란탄 또는 스트론튬 양이온들에 의해 점유되는 격자 자리들이 비어있어 비-화학양론적 조성을 가지는 A-자리 결함 재료를 포함한다는 것을 이해하여야 한다.
상호접속층 (107)은 특히 평탄 박층일 수 있다. 예를들면, 상호접속층 (107)의 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 500 미크론 이하, 예컨대 약 300 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 80 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 또는 약 25 미크론 이하이다. 또한, 상호접속층 (107)의 평균 두께는 적어도 약 1 미크론, 예컨대 적어도 약 2 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 8 미크론, 또는 적어도 약 10 미크론이다. 상호접속층 (107) 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
상호접속층 (107)은 전해질 층 (101) 성형과 유사한 공정을 이용하여, 예를들면, 캐스팅, 증착, 인쇄, 압출, 적층, 다이-압축, 겔 캐스팅, 분무 도포, 스크린 인쇄, 압연 성형, 사출성형, 및 이들의 조합으로 성형될 수 있다. 상호접속층 (107)은 개별적으로 또는 다른 층들 성형에 연속하여 성형되어, 상호접속층 (107)은 이미-성형된 층들 중 하나 (예를들면, 전극층 (103))에 성형될 수 있다. 특히, 특정 실시태양에서, 상호접속층 (107)은 미처리 단위 전지 (100) 성형 전에 소결될 필요가 없고, 이후 단일 무소결 공정에서 소결되는 미처리 층으로 성형될 수 있다.
상호접속층 (107)의 열팽창계수 (CTE)는 전해질 층 (101) CTE와 실질적으로 동일할 수 있다. 특정 실시예들에서, 상호접속층 (107) CTE는 전해질 층 (101) CTE와 본질적으로 동일하다.
상호접속층 (107)은 본원의 실시태양들에 의한 단위 전지 형성을 조장할 수 있는 특정 입도를 가지는 상호접속체 분말 재료에서 형성된다. 예를들면, 상호접속체 분말 재료의 평균 입도는 약 100 미크론 미만, 예컨대 약 50 미크론 미만, 약 20 미크론 미만, 약 10 미크론 미만, 약 5 미크론 미만, 또는 약 1 미크론 미만이다. 또한, 특정 실시예들에서, 상호접속체 분말 재료의 평균 입도는 적어도 약 0.01 미크론, 적어도 약 0.05 미크론, 적어도 약 0.08 미크론, 적어도 약 0.1 미크론, 적어도 약 0.2 미크론, 또는 적어도 약 0.4 미크론이다. 상호접속체 분말 재료의 평균 입도는 상기 임의의 최소값 및 최소값 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
SOFC 단위 전지 (100)는 전해질 층 (101) 및 상호접속층 (107) 사이에 배치되고 미소결 (즉, 미처리) 상태일 수 있는 전극층 (103)을 포함한다. 특히, 전극층 (103)은 전해질 층 (101)과 직접 접촉한다. 더불어, 전극층 (103)은 상호접속층 (107)과 직접 접촉한다. 실제로, 소정 실시예들에서, 전극층 (103) 및 전해질 층 (101), 또는 전극층 (103) 및 상호접속층 (107) 사이에 임의의 중간 버퍼층들이 존재할 필요는 없다.
전극층 (103)의 열팽창계수 (CTE)는 상호접속층 (107)의 CTE와 다르다. 또한, 전극층 (103) CTE는 전해질 층 (101) CTE와 다를 수 있다. 특정 실시예들에서, 전극층 (103) CTE는 전해질 층 (101) CTE보다 크다. 소정의 기타 실시예들에서, 전극층 (103) CTE는 상호접속층 (107) CTE보다 클 수 있다.
일 실시태양에 따르면, 전극층 (103)은 음극일 수 있다. 특정 실시예들에서, 음극은 서멧 재료, 즉 세라믹 및 금속성 재료의 조합물일 수 있다. 일부 적합한 금속은 예를들면, 니켈 또는 구리를 포함한 전이금속을 포함할 수 있다. 음극은 예를들면, 세라믹 재료, 및 특히, 산화물 재료를 포함한 이온 전도체를 포함할 수 있다. 예를들면, 음극은 니켈 및 지르코니아-기재 재료, 예를들면, 이트리아-안정화 지르코니아로 형성될 수 있다. 대안으로, 음극은 세리아-기재 재료, 예를들면, 가돌리늄 산화물-안정화 세리아를 포함할 수 있다. 니켈은 음극 미처리 재료에 포함되는 니켈 산화물 환원으로 생성된다. 대안으로, 소정의 다른 유형의 산화물 예컨대 티타나이트, 망가나이트, 크로마이트, 이들의 조합, 및 기타 등이 전극층 (103), 특히 음극에 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 산화물은 또한 페로브스카이트 소재일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전극층 (103)은 실질적으로 평탄한 박층일 수 있다. 전극층 (103)의 평균 두께는 전해질 층 (101) 또는 상호접속층 (107)의 평균 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를들면, 전극층 (103)의 평균 두께는 적어도 약 100 미크론, 예컨대 적어도 약 300 미크론, 적어도 약 500 미크론, 적어도 약 700 미크론, 또는 적어도 약 1 mm이다. 또한, 전극층 (103)의 평균 두께는 약 5 mm 이하, 예컨대 약 2 mm 이하, 약 1.5 mm 이하, 또는 약 1 mm 이하이다. 전극층 (103)의 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전극층 (103)은 본원의 실시태양들에 의한 단위 전지 형성이 가능한 특정 입도를 가지는 전극 분말 재료로 성형될 수 있다. 예를들면, 전극 분말 재료의 평균 입도는 약 100 미크론 미만, 예컨대 약 50 미크론 미만, 약 20 미크론 미만, 약 10 미크론 미만, 약 5 미크론 미만, 또는 약 1 미크론 미만이다. 또한, 특정 실시예들에서, 전극 분말 재료의 평균 입도는 적어도 약 0.01 미크론, 적어도 약 0.05 미크론, 적어도 약 0.08 미크론, 적어도 약 0.1 미크론, 적어도 약 0.2 미크론, 또는 적어도 약 0.4 미크론이다. 전극 분말 재료의 평균 입도는 상기 임의의 최소값 및 최소값 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전극층 (103)은 다공층일 수 있다. 다공성은 채널 형태이고, 연료를 SOFC 물품으로 전달하기 위하여 활용된다. 채널은 특정 방식으로 배열될 수 있고, 예컨대 전극층 (103) 전체에 걸쳐 규칙적이고 반복적인 패턴을 가질 수 있다. 다공성 및/또는 채널을 형성하기 위한 임의의 적합한 방법이 적용될 수 있고, 예를들면, 형상화 소모재 (shaped fugitive) 결합, 엠보싱, 테이프에 채널 절삭 및 채널 형성을 위한 테이프 적층, 예비성형체를 통한 압출, 압연 성형에서 패턴화 롤 적용을 포함한다.
개연성 있는 다양한 소모재 소재, 예를들면, 흑연 또는 섬유가 존재하고 이들은 양극 및 음극 층 내부 채널 또는 통로 형성에 사용된다. 소모재는 SOFC 물품 성형을 위한 열처리 과정에서 증발 또는 기화되는 재료에서 선택된다. 일 실시태양에서, 소모재는 유기 물질일 수 있다. 소정의 적합한 소모재 예시로는 천연섬유, 면, 인피섬유, 로프용 섬유, 또는 동물성 섬유, 예컨대 양털을 포함한다. 대안으로, 소모재는 인조 재료 예컨대, 재생 셀룰로스, 셀룰로스 디아세테이트, 셀룰로스 트리아세테이트, 전분, 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리아크릴, 폴리비닐, 폴리올레핀 수지, 탄소 또는 흑연 섬유, 또는 액정중합체를 포함한다. 또한 소모재는 바인더 재료, 예컨대 합성 고무, 열경화성 플라스틱, 또는 폴리비닐 및 가소제 물질 예컨대 글리콜 및 프탈레이트 그룹일 수 있다. 다른 실시태양에서, 재료는 파스타, 예컨대 스파게티일 수 있다.
일 실시태양에 따르면, SOFC 단위 전지 (100)는 미처리 상호접속층 (107), 미처리 전극층 (103) (즉, 음극), 및 미처리 전해질 층 (101)을 포함하고 이들은 소성 공정 (firing process)에서 각각의 구성요소 층들로 함께 소결되어 통합된 일체화, 공 -소결된 SOFC 단위 전지로 성형된다. 일 특정 실시태양에서, 소성 공정 (즉, 공-소성 공정)은, 미처리 SOFC 단위 전지 (100)가 주위 압력에서 소성되는 무소결 공정일 수 있다. 즉, 소결 과정에서 반드시 외부 압력이 SOFC 단위 전지 (100)에 인가될 필요는 없다. 무소결 공정은 소결 과정에서 적용되는 온도 및 분위기 변화를 고려하여 실질적으로 대기압에서 수행될 수 있다.
일 실시태양에서, 무소결 공정은 SOFC 단위 전지를 적어도 약 800℃, 예컨대 적어도 약 900℃, 적어도 약 1000℃, 또는 적어도 약 1100℃의 소결온도로 가열하는 단계를 포함한다. 소정 실시예들에서, 소결온도는 약 1500℃ 이하, 약 1400℃ 이하, 또는 약 1300℃ 이하일 수 있다. 소결온도는 상기 임의의 최소 및 최대 온도 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
무소결 공정은 등온 처리를 포함한다. 예를들면, SOFC 단위 전지 (100)는 특정 지속시간 동안 소결온도로 유지된다. 등온 처리 지속시간은 적어도 약 10 분, 예컨대 적어도 약 20 분, 예컨대 적어도 약 30 분, 예컨대 적어도 약 40 분, 적어도 약 50 분, 적어도 약 60 분, 또는 적어도 약 90 분이다. 또한, 등온 처리 지속시간은 약 600 분 이하, 약 500 분 이하, 약 400 분 이하, 약 300 분 이하, 약 200 분 이하, 또는 약 120 분 이하일 수 있다. 소결온도에서 등온 유지되는 지속시간은 상기 임의의 최소 및 최대 지속시간 사이의 범위에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
무소결 공정은 특정 소결 분위기를 이용한다. 적합한 분위기는 SOFC 단위 전지 (100)의 구성요소 층들과의 반응이 제한되도록 불활성 종들을 포함할 수 있다. 무-소결 과정에서 분위기는 약 1 atm 이하로 압력이 유지된다. 따라서, 등온 처리 과정에서 단위 전지에 인가되는 압력은 약 10-20atm 내지 약 1 atm, 예컨대 약 10-10atm 내지 약 1 atm, 또는 약 10-4atm 내지 약 1 atm이다. 다른 실시예들에서, 무소결 공정은 주위 조건보다 낮은 산소 분압의 분위기에서 수행된다. 다른 실시태양에서, 무소결 공정은 환원제를 포함할 수 있고, 상세하게는, SOFC 단위 전지에 대하여 환원 분위기일 수 있다.
더욱 상세하게는, 무소결 공정은 전해질 층 (101)이 압축되고 (in compression) 전극층 (103)이 긴장되는 (in tension) 소결온도에서 수행된다. 특히, 예를들면 재료의 형태학 특성, 물리적 특성, 및 화학적 특성의 조합을 포함한 미처리 전해질 층 (101), 미처리 전극층 (103), 및 미처리 상호접속층 (107)의 소정의 특성이 적용되어 무소결 공정 및 단위 전지 성형 및 궁극적으로 본원에 기재된 특성을 가지는 SOFC 적층체를 조장한다. 특정 이론에 구속되지 않고, 특성들, 예컨대 분말 성분들의 입도 분포, 충전율, 다공도, 각각의 구성요소 층의 화학적 조성, 열팽창 특성, 및 기타 등의 조합으로 인하여 등온 처리 과정에서 전해질 층 (101)이 압축되는 무소결 공정이 가능하다고 판단된다.
특히, 전해질 층 (101)은 특정 온도에서 층의 치수와 관련되는 특정 소결온도를 가진다. 예를들면, 일 실시태양에 따르면, 전해질 층 (101)의 전해질 소결온도는 전극층 (103) 재료 소결온도 (즉, 전극 소결온도) 및 상호접속층 (107) 소결온도 (즉, 상호접속체 소결온도)와 다르다. 특정 실시예들에서, 전해질 층 (101)의 소결온도는 전극층 (103) 소결온도 미만이고 및 상호접속층 (107) 소결온도 미만이다.
더욱 특정된 실시예들에서, 무소결 공정, 특히 등온 유지는 전해질 소결온도보다 높은 소결온도에서 수행된다. 즉, 예를들면, 무-소결온도는 전해질 소결온도보다 높은 온도이고, 상세하게는, 전극 소결온도 미만일 수 있다. 다른 실시태양에서, 무-소결은 전해질 소결온도 초과, 전극 소결온도 미만 및 상호접속체 소결온도 미만에서의 온도에서 수행된다. 또 다른 실시태양에서, 일 실시태양에 따르는 무-소결은, 전해질 소결온도 초과, 전극 소결온도 미만, 및 상호접속체 소결온도 초과의 온도에서 수행될 수 있다.
무소결 공정 완료 후, 상호접속층 (107), 전극층 (103), 및 전해질 층 (101)은 일체화 SOFC 단위 전지 (100)를 성형한다. 추가 층들을 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에 접합시키고 기능성 SOFC 물품을 성형하기 위한 추가 단계들이 수행될 수 있다. 예를들면, 제2 소결 공정이 완료되어 제한되지 않지만, 전극층 (103)과는 다른 전극층을 포함한 다른 층들이 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에 접합된다. 제2 소결 공정은 제1, 무소결 공정과는 별개이다.
예를들면, 특정 실시태양에서, 후-무소결 공정은 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에 적층되는 제2 전극층, 또는 제2 전극층 부분 성형 단계를 포함한다. 제2 전극층은 전극층 (103)과는 다르고, 특히, 양극 층일 수 있다. 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에 접합되어 최종 SOFC 물품을 성형하기 전에 양극은 개별 소결 공정을 통하여 일체화 양극 단위 전지로 예비-성형된다. 대안으로, 양극 또는 다른 층들은 미처리 층일 수 있고, 이는 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에 성형되고 접합되어 일체화 SOFC 단위 전지 (100)에서 직접 제2 소결 공정을 통해 열적 처리될 수 있다. 제2 소결 공정은 무소결 공정일 수 있다. 제2 소결 공정은 제1 소결온도보다 상당히 낮은 결합 또는 접합 소결온도에서 수행될 수 있다. 예를들면, 접합 온도는 SOFC 단위 전지 성형에 적용되는 소결온도 (즉, 제1 무-소결온도)보다 낮을 수 있다. 또한, 접합 온도는 일체화 양극 단위 전지 성형에 적용되는 소결온도보다 낮을 수 있다. 특정 실시예들에서, 접합 온도는 양극 일체화 단위 전지 성형에 적용되는 소결온도보다 적어도 약 5℃, 예컨대 적어도 약 8℃, 적어도 약 10℃, 또는 적어도 약 12℃ 낮을 수 있다.
상기 접합 공정은 다른 공정 방법으로 수행될 수 있다. 예를들면, 접합 공정은 2-단계 공정일 수 있고, SOFC 단위 전지는 본원에 기재된 단일, 무소결 공정으로 성형되고, 제2 전극층 (예를들면, 양극 부분)은 미처리 상태로 소결된 SOFC 단위 전지에 성형되고 접합된다. 2-단계 공정의 접합 공정은 소결온도와는 다른 접합 온도, 특히 SOFC 단위 전지 성형을 위한 무소결 공정에서 적용되는 소결온도보다 더 낮은 접합 온도를 적용한다.
다른 실시태양에서, 접합 공정은 3-단계 공정일 수 있고, SOFC 단위 전지는 본원에 기재된 바와 같이 단일, 무소결 공정으로 성형되고, 제2 전극층 (예를들면, 양극 부분)은 SOFC 단위 전지와는 별개로 성형되고 소결된다. 소결된 SOFC 단위 전지 및 소결된 제2 전극층은 제3 열 처리로 접합된다. 제3 열 처리는 SOFC 단위 전지 또는 제2 전극 성형에 적용된 소결온도들과는 다른 접합 온도를 적용한다. 특히, 접합 온도는 SOFC 단위 전지 성형을 위한 무소결 공정에서의 소결온도보다 더 낮은 온도 및 소결된 제2 전극층 성형에서의 소결온도보다 더 낮은 온도일 수 있다.
제2 전극 (예를들면, 양극) 또는 제2 전극 부분은 상호접속층 (107)에 적층되도록 성형된다. 실제로, 제2 전극은 상호접속층 (107)에 직접 접촉하고 결합된다. 대안으로 또는 추가로, 제2 전극은 전해질 층 (101)에 적층되어, 전해질 층 (101)은 전극층 (103) (예를들면, 음극) 및 제2 전극층 (예를들면, 양극) 사이에 배치된다. 제2 전극층 (103)은 전해질 층 (101)과 직접 접촉한다.
일 실시태양에서, 제2 전극은 양극일 수 있고, 무기 재료로 제조된다. 소정의 적합한 무기 재료는 산화물을 포함한다. 양극은 희토류 원소를 포함한다. 최소한 하나의 실시태양에서, 양극은 예컨대 란탄 (La), 망간 (Mn), 스트론튬 (Sr), 및 이들의 조합의 원소들을 포함한다.
일 특정 실시태양에서, 양극 재료는 란탄 망가나이트를 포함한다. 양극은 도핑된 란탄 망가나이트로 제조되어, 양극 조성물은 페로브스카이트 유형의 결정 구조체가 된다. 따라서, 도핑된 란탄 망가나이트는 일반 조성식, (La1-xAx)yMnO3-δ 로 표기되고, 식 중 도핑 물질은 “A”로 표기되고 페로브스카이트 결정 구조체의 A-자리에서 란탄 (La)을 치환한다. 도핑 물질은 알칼리 토금속, 납, 또는 일반적으로 원자비가 약 0.4 내지 0.9 옹스트롬인 2가 양이온들에서 선택된다. 따라서, 일 실시태양에 따르면, 도핑 물질은 Mg, Ba, Sr, Ca, Co, Ga, Pb, 및 Zr로 이루어진 원자 군에서 선택된다. 특정 실시태양에 의하면, 도펀트는 Sr이고, 양극 재료는 일반적으로 LSM로 알려진 란탄 스트론튬 망가나이트이다.
도핑된 란탄 망가나이트 양극 재료의 화학양론을 참조하면, 일 실시태양에 따르면, 변수들 예컨대 존재하는 원자 유형, 결정 구조체 내부 빈자리 비율, 및 원자비, 특히 양극 재료의 La/Mn 비율은, 연료전지 작동 과정에서 양극/전해질 계면에서 전도도-제한 조성물 형성을 조정하도록 제공된다. 전도도-제한 조성물이 형성되면 전지 효율이 감소되고 SOFC 수명이 단축된다. 일 실시태양에 따르면, 도핑된 란탄 망가나이트 양극 소재는 (La1-xAx)yMnO3-δ로 구성되고, 식 중 x는 약 0.5 이하, y는 약 1.0 이하이고, La/Mn 는 약 1.0 이하이다. 도핑된 란탄 망가나이트 조성물에서 x 값은 구조체에서 La를 치환하는 도펀트 함량이다. 일 실시태양에 따르면, x는 약 0.5 이하, 예컨대 약 0.4 또는 0.3 이하이다. 또한, 양극 재료에 제공되는 도펀트 함량은 더 적을 수 있고, 따라서 x는 약 0.2, 또는 0.1 이하일 수 있고, 특히 약 0.4 내지 0.05이다.
특정 실시태양에서, 도핑 물질은 Sr이고 (LSM 양극), 따라서 양극 조성은 (La1-xSrx)yMnO3-δ이고, 식 중 x는 약 0.5 이하, 예컨대 약 0.4, 0.3, 0.2 이하 또는 약 0.1 이하, 특히 약 0.3 내지 0.05이다. 상기 실시태양들에 기재된 바와 같은 도펀트 함유 양극은 연료전지 작동 과정에서 양극/전해질 계면에서 전도도-제한 조성물 형성을 감소시키기 위하여 바람직하다.
양극의 화학양론을 더욱 참조하면, 일반식 (La1-xAx)yMnO3-δ 에서 y 값은 결정 격자 내부에서 A-자리의 원자 점유 비율을 나타낸다. 달리 판단하면, 1.0에서 y 값을 빼면 결정 격자 내부에서 A-자리의 빈자리 비율을 나타낸다. 본 개시 목적으로, 1.0 미만의 y 값을 가지는 도핑된 란탄 망가나이트는 결정 구조체 내부 A-자리가 100% 점유되지 않았으므로 “A-자리 결함” 구조라고 칭한다. 일 실시태양에 따르면, y는 약 0.95 이하, 예컨대 약 0.90, 0.88 이하, 또는 약 0.85 이하이다. 특정 실시태양에서, 양극 재료는 LSM이고 (도핑 물질은 Sr으로 조성물은 (La1-xSrx)yMnO3-δ), y 값은 약 1.0 이하, 예컨대 약 0.95, 0.93 또는 0.90 이하, 특히 약 0.70 내지 0.99이다. 상기 실시태양들에서 제공되는 A-자리 결함을 가지는, 도핑된 란탄 망가나이트 조성의 양극은 연료전지 작동 과정에서 양극/전해질 계면에서 전도도-제한 조성물 형성을 감소시키기 위하여 바람직하다.
도핑된 란탄 망가나이트 양극 재료 조성을 더욱 참조하면, 일 실시태양에서, La/Mn은 약 1.0 이하이다. 양극의 La/Mn 비율은 도펀트 (일반식에서 x 값) 첨가뿐 아니라 란탄 망가나이트 결정 구조체 내부 A-자리의 빈 자리 생성 (y 값과 관련)에 의해 변경될 수 있다. 따라서, 다른 실시태양에서, La/Mn은 1.0 미만, 예컨대 약 0.97, 0.95 미만, 또는 약 0.93 미만이다. 특정 실시태양에 의하면, 양극 재료는 일반식 (La1-xSrx)yMnO3-δ을 가지는 LSM이고, 식 중 x는 약 0.5 이하, y는 약 1.0 이하, La/Mn은 1.0 이하이다. 따라서, LSM 양극 재료의 La/Mn 비율은 약 1.0 미만, 예컨대 약 0.97, 0.95 또는 0.90 미만이다. 일반적으로 1.0 이하, 특히 1.0 미만의 La/Mn 비율은, SOFC 작동 과정에서 양극/전해질 계면에서의 전도도-제한 조성물 형성을 감소시키는 바람직한 화학양론적 조건을 제공한다. 이러한 전도도-제한 조성물이 형성되면 SOFC 효율 및 작동 수명이 감소된다.
대안으로 또는 추가로, 양극 재료는 La-페라이트 기재의 재료를 포함한다. 전형적으로, La-페라이트 기재의 재료는 하나 이상의 적합한 도펀트, 예컨대 Sr, Ca, Ba, Mg, Ni, Co 또는 Fe로 도핑된다. 도핑된 La-페라이트 기재의 재료의 예시로는 LaSrCo-페라이트 (LSCF) (예를들면, La1-gSrqCo1-jFejO3, 식 중 q 및 j 각각은 독립적으로 0.1 이상, 0.4 이하이고 (La+Sr)/(Fe+Co)는 약 1.0 내지 약 0.90 (몰비)이다. 일 특정 실시태양에서, 양극은 La-망가나이트 및 La-페라이트 재료의 혼합물을 포함한다. 예를들면, 양극은 LaSr-망가나이트 (LSM) (예를들면, La1-kSr kMnO3) 및 LaSrCo-페라이트 (LSCF)를 포함한다. 통상의 예로는 (La0.8Sr0.2) 0.98Mn3+-Δ (Δ는 0 이상이고 0.3 이하이다) 및 La0.6Sr0.4Co42Fe0.8O3을 포함한다.
도 2는 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다. SOFC 단위 전지 (200)는 전해질 층 (101), 상호접속층 (107), 및 전해질 층 (101) 및 상호접속층 (107) 사이에 배치되는 전극층 (103)을 포함한다. 특히, 전해질 층 (101)은 전극층 (103)과 직접 접촉한다. 상호접속층 (107)은 전극층 (103)과 직접 접촉한다. 특히, 상기 실시태양들에서와 같이, 단위 전지 (200)는 다수의 미처리 층들을 가질 수 있고 이들은 열 처리 전에 함께 적층되고 단일, 무소결 공정 수행 후에 다수의 층들이 일체로 성형된다.
특히, 음극 층 (103)은 다수의 층들로 제조되고, 기능층 (203), 벌크층 (202), 및 결합층 (201)으로 구성된다. 음극 기능층 (203)은 전해질 층 (101)과 직접 접촉한다. 더욱 상세하게는, 음극 기능층 (203)은 전해질 층 (101)과 직접 결합된다. 음극 기능층 (203)은 본원에 기재된 음극 층 (103) 재료와 동일 재료를 포함한다. 음극 기능층 (203)은 완성 SOFC 물품의 적합한 전기적 및 전기 화학적 특성을 조장하고, 음극 층 (103) 및 전해질 층 (101) 간 전기적 및 기계적 연결을 개선시킨다.
일 실시태양에 따르면, 음극 기능층 (203)은 음극 기능층 (203) 총 부피의 약 20 vol% 내지 약 50 vol% 범위의 다공도를 가지는 다공층일 수 있다. 음극 기능층 (203)의 평균 세공 크기는 음극 벌크층 (202) 세공의 평균 세공 크기보다 훨씬 작다.
특정 실시예들에서, 음극 기능층 (203)의 미처리 재료는 비교적 미세한 응집 분말로 성형된다. 대안으로, 분말은 미-응집 상태일 수 있다. 분말의 평균 입도는 약 100 미크론 이하, 예컨대 약 75 미크론 이하이고, 소정의 실시태양들에서, 약 45 미크론 이하이다. 더불어, 분말은 응집 및 미-응집 분말들의 혼합물일 수 있고, 미-응집 분말은 더욱 미세한 입도를 가진다. 이러한 크기로 인하여 음극 기능층 (203)의 적합한 세공 크기 및 입도 형성이 가능하다.
음극 기능층 (203)은 실질적으로 평탄한 박층이고, 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 700 미크론 이하, 약 500 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 예컨대 약 100 미크론 이하, 또는 약 50 미크론 이하이다. 또한, 음극 기능층 (203)의 평균 두께는 적어도 약 0.5 미크론, 예컨대 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 또는 적어도 약 20 미크론이다. 음극 기능층 (203)의 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 벌크층 (202)은 기능층 (203) 및 결합층 (201)에 직접 접촉된다. 더욱 상세하게는, 벌크층 (202)은 기능층 (203) 및 결합층 (201)에 직접 결합된다. 음극 벌크층 (202)은 본원에 기재된 음극 층 (103)과 동일 재료를 포함한다.
음극 벌크층 (202)은 음극 벌크층 (202) 총 부피의 약 30 vol% 내지 약 60 vol% 범위의 다공도를 가지는 다공층일 수 있다. 음극 벌크층 (202)의 평균 세공 크기는 음극 기능층 (203) 또는 음극 결합층 (201) 세공의 평균 세공 크기보다 훨씬 크다. 특히, 벌크층 (202)은 연료를 음극 층 (103), 특히 기능층 (203)으로 전달하기 위한 채널을 포함한다.
음극 벌크층 (202)의 미처리 재료는 일반적으로 기능층 (203) 또는 결합층 (201)보다 더욱 거친 재료로 성형된다. 특정 실시예들에서, 음극 벌크층 (202)은 응집 분말로 형성된다. 응집체의 평균 입도는 약 1 미크론 내지 약 300 미크론, 예컨대 약 1 미크론 내지 약 200 미크론, 또는 약 1 미크론 내지 약 100 미크론이다. 특정 실시태양들에서, 응집 분말 대신 또는 이와 함께 거친 입자들이 사용된다. 거친 입자의 평균 입도는 약 0.1 미크론 내지 약 100 미크론, 예컨대 약 0.1 미크론 내지 약 50 미크론, 또는 약 0.1 미크론 내지 약 15 미크론이다.
음극 벌크층 (202)은 실질적으로 평탄한 박층이고, 평균 두께는 음극 기능층 (203) 또는 음극 결합층 (201)의 평균 두께보다 두껍다. 특히, 음극 벌크층 (202)의 평균 두께는 약 2 mm 이하, 예컨대 약 1 mm 이하, 또는 약 800 미크론 이하이다. 또한, 음극 벌크층 (202)의 평균 두께는 적어도 약 50 미크론, 예컨대 적어도 약 100 미크론, 적어도 약 200 미크론, 또는 적어도 약 500 미크론이다. 음극 벌크층 (202)의 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 결합층 (201)은 음극 벌크층 (202) 및 상호접속층 (107)과 직접 접촉한다. 더욱 상세하게는, 결합층 (201)은 벌크층 (202) 및 상호접속층 (107)과 직접 결합한다. 음극 결합층 (202)은 상기 음극 층 (103)과 동일 재료를 포함한다.
음극 결합층 (201)은 음극 결합층 (201) 총 부피의 약 0 vol% 내지 약 40 vol% 다공도를 가지는 다공층이다. 음극 결합층 (201)의 평균 세공 크기는 음극 벌크층 (202) 세공의 평균 세공 크기보다 훨씬 작다. 음극 결합층 (201)은 완성 SOFC 물품이 적합한 전기적 특성을 가지도록 조장하고, 음극 층 (103) 및 상호접속층 (107) 사이 기계적 연결을 개선시킨다.
음극 결합층 (201)의 미처리 재료는 음극 벌크층 (202)보다 일반적으로 더욱 미세한 재료로 형성된다. 특정 실시예들에서, 음극 결합층 (201)의 미처리 재료는 비교적 미세한 응집 분말로 형성된다. 미세 응집 분말의 평균 응집체 크기는 약 100 미크론 이하, 예컨대 약 75 미크론 이하, 약 45 미크론 이하, 또는 약 20 미크론 이하이다. 또한, 미세 응집 분말의 평균 입도는 적어도 약 0.5 미크론, 예컨대 적어도 약 1 미크론, 또는 적어도 약 5 미크론이다. 미세 응집 분말의 평균 입도는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 더불어, 미세 응집 분말은 더욱 미세한 입도를 가지는 대부분 응집되지 않은 분말과 혼합된다. 대안으로, 미세 응집 분말은 부분적으로 또는 전체적으로 미-응집 입자들로 대체된다. 분말 재료의 특정 크기로 인하여 음극 결합층 (201)의 적합한 세공 크기 및 입도가 형성된다.
음극 결합층 (201)은 실질적으로 평탄한 박층이고 평균 두께는 음극 벌크층 (202) 평균 두께보다 얇다. 특히, 음극 결합층 (201)의 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 700 미크론 이하, 약 500 미크론 이하, 또는 약 200 이하이다. 또한, 음극 결합층 (201)의 평균 두께는 적어도 약 1 미크론, 예컨대 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 20 미크론, 예컨대 적어도 약 50 미크론, 적어도 약 75 미크론, 적어도 약 100 미크론이다. 음극 결합층 (201)의 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
SOFC 단위 전지 (200)의 층들은 본원의 실시태양들에 따라 캐스팅, 증착, 인쇄, 압출, 적층, 다이-압축, 겔 캐스팅, 분무 도포, 스크린 인쇄, 압연 성형, 사출성형, 및 이들의 조합과 같은 방법을 포함하여 성형된다.
SOFC 단위 전지 (200)는 본원의 실시태양들에 기재된 방법으로 성형된다. 특히, 성형 방법은 SOFC 단위 전지 (200)에 도시된 바와 같은 재료의 미처리 층들을 조립하는 단계, 및 일체화 SOFC 단위 전지 (200) 성형을 위한 단일, 무소결 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 각각의 층은 재료 층들 계면에서의 확산 결합에 의해 서로 결합된다. 또한, 일체화 SOFC 단위 전지 (200) 성형을 위한 무-소결 공정 후, 제한되지 않지만, 하나 이상의 제2 전극층 (예를들면, 양극 층)을 포함한 다른 구성요소 층들이 첨가될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 3은 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다. SOFC 단위 전지 (300)는 전해질 층 (101), 상호접속층 (107), 및 전해질 층 (101)과 상호접속층 (107) 사이에 배치되는 전극층 (103)을 포함한다. 더불어, SOFC 단위 전지 (300)는 전해질 층 (101) 아래에 놓이는 전극층 (301)을 포함한다. 전극층 (301)은 전해질 층 (101)과 직접 접촉한다. 더불어, SOFC 단위 전지 (300)는 상호접속층 (107)에 적층되는 전극층 (303)을 포함한다. 전극층 (303)은 상호접속층 (107)과 직접 접촉한다.
특히, 상기된 실시태양들에서와 같이, SOFC 단위 전지 (300)는 열 처리 전에 함께 적층되는 다수의 미처리 층들을 가진다. 대안으로 또는 추가로, SOFC 단위 전지 (300)는 단일, 무소결 공정 수행 후에 함께 일체로 성형되는 다수의 층들을 가진다.
일 실시태양에 따르면, 전극층 (301)은 양극 기능층일 수 있다. 특히, 양극 기능층 (301)은 미처리 전해질 층 (101)과 직접 접촉하는 미처리 기능층일 수 있다. 양극 기능층 (301)은 본원에 기재된 양극과 동일 재료를 포함한다. 또한, 양극 기능층 (301)은 재료의 조합물, 예컨대 양극 벌크층 및 전해질 층 또는 상호접속층의 재료의 조합을 포함할 수 있다. 예를들면, 양극 기능층 (301)은 LSM 및 YSZ의 조합을 포함한다. 양극 기능층 (301)은 상기된 다른 기능층과 동일 특성을 가진다. 또한, 양극 기능층 (301)은 완성 SOFC 물품에 적합한 전기적 특성을 가능하게 하고, 전해질 층 (101) 및 양극 간의 전기적, 전기-화학적 및 기계적 연결을 개선시킨다.
전극층 (301)은 실질적으로 평탄한 박층이고 평균 두께는 음극 (203)의 평균 두께보다 얇다. 특히, 전극층 (301)의 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 700 미크론 이하, 약 500 미크론 이하, 약 200 미크론 이하, 약 150 미크론 이하, 예컨대 약 100 미크론 이하, 또는 약 50 미크론 이하이다. 또한, 전극층 (301)의 평균 두께는 적어도 약 0.5 미크론, 예컨대 적어도 약 1 미크론, 적어도 약 5 미크론, 적어도 약 10 미크론, 적어도 약 15 미크론, 또는 적어도 약 20 미크론이다. 전극층 (301)의 평균 두께는 상기 임의의 최고값 및 최소값 사이의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
전극층 (301)은 다공층일 수 있다. 특정 실시태양들에서, 전극층 (301)은 전극층 (301) 전체 부피의 약 20 vol% 내지 약 50 vol%의 다공도를 가질 수 있다. 전극층 (301)의 평균 세공 크기는 음극 (103)의 벌크층 세공의 평균 세공 크기보다 훨씬 작다.
상호접속층 (107)에 적층되는 전극층 (303)은 전극층 (301)과 동일 속성을 가진다는 것을 이해하여야 한다. 특히, 전극층 (303)은 양극 기능층 (303)일 수 있다.
SOFC 단위 전지 (300)의 층들, 특히 전극층 (303, 301)은, 본원의 실시태양들에 의해, 캐스팅, 증착, 인쇄, 압출, 적층, 다이-압축, 겔 캐스팅, 분무 도포, 스크린 인쇄, 압연 성형, 사출성형, 및 이들의 조합을 포함한 방법으로 성형된다.
SOFC 단위 전지 (300)는 본원의 실시태양들에서 기재된 방법으로 성형된다. 특히, SOFC 단위 전지 (300) 성형방법은 도시된 바와 같이 재료의 미처리 층들을 미처리 SOFC 단위 전지 (300)로 조립하는 단계, 및 일체화 SOFC 단위 전지 (300) 성형을 위한 단일, 무소결 공정 수행 단계를 포함한다. 일체화 SOFC 단위 전지 (300)는 각각의 인접 층이 상호 결합되어 재료 층들 계면에 확산 결합 영역이 형성된다. 또한, 일체화 SOFC 단위 전지 (300)를 성형하는 무-소결 공정 후, 제한되지 않지만, 하나 이상의 제2 전극층 (예를들면, 양극 벌크층 및/또는 양극 결합층)을 포함한 기타 구성요소 층들이 추가될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
작동 SOFC 물품 성형에 적합한 거의 모든 구성요소 층들 (즉, 양극/상호접속체/음극/전해질)이 단일, 무소결 공정으로 성형되므로 일체화 SOFC 단위 전지 (300) 성형은 특히 바람직하다. 따라서, 후-공정 (즉, 무소결 공정 후 열 처리)이 제한되고 모든 층들은 단일, 무소결 공정에 의해 일체로 결합된 SOFC 단위 전지 (300)를 성형한다. 더불어, 전해질 층 (101)은 소결온도의 등온 유지 과정에서 압축 상태로 단일, 무소결 공정이 완료된다. 또한 전해질 층 (101)은 소결 공정 완료 후에도 압축 상태이다.
또한, 나머지 일체화 SOFC 단위 전지 (300) 공정은 제한적이고 일반적으로 유사하거나 동일한 조성물을 가지는 층의 접합 단계를 포함한다. 즉 예를들면, 양극 벌크층은 양극 (301, 303) 어느 쪽에도 개별의 제2 소결 공정으로 부착된다. 또한, 후-공정은 유사 조성의 층들 사이의 결합으로 제한되므로, 별도의 제2 소결 공정은 제1, 무소결 공정에서 적용되는 것보다 훨씬 낮은 소결온도에서 수행될 수 있다. 또한, 후-무소결 공정은 유사 재료의 층으로 한정되므로, (예를들면, CTE 불일치로 인한) 층들 간 기계적 변형 역시 제한적이므로 기계적 및 전기적 특성이 개선된 SOFC 물품이 얻어진다.
도 4는 실시태양에 따른 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다. SOFC 단위 전지 (400)는 SOFC 단위 전지 (200)와 유사한 구조를 가지고 전해질 층 (101) 및 상호접속층 (107)에 각각 적층되는 전극층 (301, 303)이 추가된다. 특히, SOFC 단위 전지 (400)는 전해질 층 (101), 상호접속층 (107), 및 전해질 층 (101)과 상호접속층 (107) 사이에 배치되는 전극층 (103)을 포함한다. 특히, 전해질 층 (101)은 전극층 (103)과 직접 접촉하고 및 상호접속층 (107)은 전극층 (103)과 직접 접촉한다.
전극층 (103)은 음극 층일 수 있고 다른 실시태양들에서 기재된 특징부들을 가지는 기능층 (203), 벌크층 (202), 및 결합층 (201)을 포함한 다수의 층들로 제조될 수 있다.
또한 SOFC 단위 전지 (400)는 전해질 층 (101) 아래에 놓이는 전극층 (301)을 포함한다. 전극층 (301)은 전해질 층 (101)과 직접 접촉한다. 더불어, SOFC 단위 전지 (400)는 상호접속층 (107)에 적층되는 전극층 (303)을 포함한다. 전극층 (303)은 상호접속층 (107)과 직접 접촉한다. 일 실시태양에 따르면, 전극층 (301)은 양극 기능층일 수 있고 본원의 실시태양들에 기재된 양극 기능층의 임의의 특징부들을 가진다. 비슷하게, 전극층 (303)은 양극 기능층일 수 있고 본원에 기재된 양극 기능층의 임의의 특징부들을 가질 수 있다. 양극 기능층 (301, 303)은 완성 SOFC 물품의 적합한 전기적 특성을 조장하고, 전기적 및 기계적 연결을 개선한다.
SOFC 단위 전지 (400)는 본원의 실시태양들에 따라 성형될 수 있다. 특히, SOFC 단위 전지 (400) 성형 방법은 도시된 바와 같이 재료의 미처리 층을 미처리 SOFC 단위 전지 (400)로 조립하는 단계, 및 일체화 SOFC 단위 전지 (400) 성형을 위한 단일, 무소결 공정 수행 단계를 포함한다. 일체화 SOFC 단위 전지 (400)는 각각의 인접 층들이 서로 결합되고 재료 층들 사이 계면에서 확산 결합 영역이 형성된다. 또한, 일체화 SOFC 단위 전지 (400) 성형을 위한 무-소결 공정 후, 제한되지 않지만, 하나 이상의 제2 전극층 (예를들면, 양극 벌크층 및/또는 양극 결합층)을 포함한 기타 구성요소 층들이 부착될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 5는 다른 실시태양에 의한 SOFC 단위 전지를 도시한 것이다. SOFC 단위 전지 (500)는 제1 SOFC 단위 전지 (400)와 동일한 구조 및 본원 실시태양들에서 기재된 동일 제조방법을 포함한다. SOFC 단위 전지 (500)는 전극 또는 전극 부분일 수 있는 제2 SOFC 단위 전지 (501)를 포함한다. SOFC 단위 전지 (501)는 결합층 (504), 결합층 (504)에 적층되는 벌크층 (503), 및 벌크층 (503)에 적층되는 결합층 (502)을 포함한다. 특정 실시예들에서, SOFC 단위 전지 (501)는 양극일 수 있고, 층들은 양극 결합층 (504), 양극 결합층 (504)에 적층되는 양극 벌크층 (503), 및 양극 벌크층 (503) 에 적층되는 양극 결합층 (504)을 포함한다. 양극 결합층 (504), 양극 벌크층 (503), 및 양극 결합층 (502)은 본원 실시태양들에 기재된 기타 양극 층들의 임의의 특성들을 가진다.
SOFC 단위 전지 (501)는 본원의 실시태양들에 기재된 방법에 따라 성형된다. 특히, SOFC 단위 전지 (501) 성형방법은 도시된 바와 같이 재료의 미처리 층들을 미처리 SOFC 단위 전지 (501)로 조립하는 단계, 및 일체화 SOFC 단위 전지 (501) 성형을 위한 단일, 무소결 공정 수행 단계를 포함한다. 일체화 SOFC 단위 전지 (501)는 각각의 인접 층들이 서로 결합되고 재료 층들 사이 계면에 확산 결합 영역이 형성된다.
또한, 일체화 SOFC 단위 전지 (501) 성형을 위한 무-소결 공정 후, SOFC 단위 전지 (501)는 일체화 SOFC 단위 전지 (400)에 접합되어 SOFC 물품을 성형할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일 실시태양에 따르면, 일체화 SOFC 단위 전지 (400, 501)의 접합 방법은 전극층 (502)과 직접 접촉하도록 전극층 (301) 배치 단계 및 접합 온도로 SOFC 단위 전지 (400, 501)를 가열하는 단계를 포함한다. 특히, 전극층 (502) 및 전극층 (301)은 예를들면, 특정 양극 재료를 포함한 동일 재료로 구성되므로, 궁극적으로 SOFC 단위 전지 (501, 400)인 두 층들의 결합은 다른 조성의 층들을 접합하는 공정보다 덜 복잡하다.
소정의 실시태양들에서, 접합 공정은 SOFC 단위 전지들에 열을 인가하는 단계를 포함한다. 상기된 바와 같이, 접합 공정은 접합 대상 요소인 SOFC 단위 전지들 성형에 적용되는 소결온도들 이하의 특정 온도에서 열 처리하는 단계를 포함한다.
또한, 접합 공정은 SOFC 물품을 성형하도록 SOFC 단위 전지들에 압력이 인가되는 압축 과정을 포함한다. 예를들면, 압력은 단축 (uniaxial) 압축으로 인가되고, 상세하게는, 열간 단축 압축일 수 있다. 대안으로, 압력은 등방적 (isostatically)으로 인가되고, 접합 공정은 열간 등방 압축을 적용할 수 있다. 접합 과정에서 압력을 이용하는 특정 실시태양들에서, 적합한 압력은 약 0.1 내지 50 MPa, 예컨대 약 0.2 내지 20 MPa이다.
본 성형방법으로 인하여 특정 특성을 가지는 일체화 SOFC 단위 전지들을 형성한다. 예를들면, 일 실시태양에 따르면, SOFC 단위 전지 성형 후 및 SOFC 물품 성형 후 전해질 층은 특정 압축 상태일 수 있다. 특히, 특정 유형의 재료, 층들의 차수, 및 소결온도들을 포함한 본원에 개시된 특징부들의 조합을 활용하면 전해질 층이 압축 상태인 SOFC 단위 전지들 및 SOFC 적층체의 무-소결 성형이 가능하다. 이는 검사 과정에서 전해질 층 내부 크랙이 거의 또는 전혀 발생되지 않는 것으로 부분적으로 입증된다.
특정 실시예들에서, 본원의 실시태양들에 의해 형성된 SOFC 단위 전지는 대략 2000X 배율로 단위 전지 단면을 관찰할 때 길이 60 미크론 당1미만의 크랙을 가진다. 도 6은 실시태양에 의해 형성되는 SOFC 단위 전지 (CFL-E-A-IC-CFL) 일부에 대한 단면도이다. 특히, 도 6은 단위 전지의 전해질 (E) 및 양극 기능층 (CFL)의 계면을 따라 길이가 대략 90 미크론 정도의 일부를 보인다. 도시된 바와 같이, 대략 2000X 배율로 무작위 선택된 전해질 및 양극 기능층을 검사하면, 전해질 층 (E)은 길이 10 미크론 당1 미만의 크랙, 예컨대 길이 20 미크론 당1 미만의 크랙, 길이 30 미크론 당1 미만의 크랙, 길이 40 미크론 당1 미만의 크랙, 길이 50 미크론 당1 미만의 크랙, 길이 60 미크론 당1 미만의 크랙, 또는 길이 90 미크론 당1 미만의 크랙을 가진다. 특정 실시예들에서, 본원 실시태양들의 단위 전지는 적당한 배율로 관찰될 때 길이 100 미크론 당1 미만의 크랙, 길이 500 미크론 당1 미만의 크랙, 또는 길이 1 cm 당 1 미만의 크랙을 가진다. 또한, 전해질 층 (E) 전체에 걸쳐 연장되는 크랙은 발견되지 않는다.
본원 실시태양에 의해 형성되는 단위 전지의 상호접속층 역시 전해질 층과 동일한 제한된 크랙 특징을 보인다. 따라서, 적어도 전해질 층, 음극 층, 및 상호접속층의 단위 전지는 단일-무소결 공정으로 성형되고, 전해질 층, 음극 층, 및 상호접속층은 거의 또는 전혀 크랙을 보이지 않아, 처리 및 성능이 개선된다.
또한, 본원의 실시태양들에 의해 형성된 SOFC 단위 전지 및 SOFC 적층체는 Malzbender et al., “적층체 밀봉 및 냉각 과정에서 평탄고체 산화물 연료전지의 곡률”, FUEL CELLS 06, 2006, No. 2, 123-129에 제공되는 바와 같이 중간-점 변형 (mid-point deflection)으로 측정될 때 특히 개선된 휨 변형 (warpage)을 보인다. 예를들면, 본원 실시태양들에 의한SOFC 단위 전지의 평균 휨 변형은 약 200 미크론 이하이다. 평균 휨 변형은 백색광 색수차 방법을 이용한 Micro Measure 3D 표면 형상측정기로 측정되고, 휨 변형은 기준 길이에 대한 파상도 변수들을 규정하는 ISO 4287 표준에 따라 측정된다. 이후 기준 길이에 대한 예측 변수들을 ISO 4288 표준에 표기된 바와 같이 모든 가용 기준 길이들에 대하여 평균화 한다. 일 실시태양에서, SOFC 단위 전지의 평균 휨 변형은 약 150 미크론 이하, 약 125 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 80 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 약 40 미크론 이하, 또는 약 30 미크론 이하이다. 다른 실시예들에서, SOFC 단위 전지의 평균 휨 변형은 적어도 약 0.1 미크론, 적어도 약 0.5 미크론, 또는 적어도 약 1 미크론이다. 평균 휨 변형은 상기 임의의 최소값 및 최대값 사이 및 이를 포함한 범위에 있다는 것을 이해하여야 한다
또한, 실시태양들에 의한 일체화 SOFC 단위 전지의 전해질 층 (101)은 특히 조밀 층일 수 있다. 예를들면, 밀도는 적어도 약 95% 이론밀도이다. 다른 실시태양들에서, 밀도는 더 클 수 있고, 예컨대 적어도 약 97%, 적어도 약 98%, 또는 적어도 약 99% 이론밀도이다. 따라서, 전해질 층의 다공도는, 예컨대 약 5% 이하, 약 3% 이하, 약 2% 이하, 또는 약 1% 이하로 제한된다.
소정 실시예들에서, 실시태양에 따른 일체화 SOFC 단위 전지의 전해질 층 (101)은, 일체화 SOFC 단위 전지의 제1 전극층 (103) (예를들면, 음극)의 열팽창계수 (CTE)보다 낮은 열팽창계수 (CTE)를 가진다. 다른 실시태양에 의하면, 상호접속층 (107)의 열팽창계수 (CTE)는 일체화 SOFC 단위 전지의 제1 전극층(103) (예를들면, 음극)의 CTE보다 크지 않다.
일 실시태양에 따르면, SOFC 단위 전지는 본원에 기재된 바와 같이 작동 가능한 SOFC 적층체로 성형되고 특정 전기-화학적 특성을 보인다. 예를들면, 본원 실시태양들의 SOFC 물품의 개로전압 (OCV)은 적어도 약 95% 이론값이고, 개로전압은 800oC, 100%H2의 시험 변수들에 따라 측정된다. 다른 실시예들에서, 개로전압 (OCV)은 적어도 약 95% 이론값, 적어도 약 97% 이론값, 또는 적어도 약 98% 이론값일 수 있다. 더욱 상세하게는, OVC의 시험 변수들은 초기 설정 및 공기측 및 연료측 누출율에 대한 체크를 포함한다. 적층체가 누출 시험을 통과하면, 2 ℃/min로 800 ℃까지 가열되고, 수소농도는 단계적으로 증가되어 NiO 함량을 감소시킨다. OCV가 100%H2에서 안정될 때, 전류, 전압 및 임피던스를 측정하여 3종의 I-V 곡선들 및 임피던스 도표를 얻는다.
특정 실시태양들에서, 본원에서 형성된 SOFC 물품의 작동 온도는 약 600℃ 내지 약 1000℃이다.
실시예 1
다음과 같은 방법으로 SOFC 단위 전지를 형성하였다. Zehntner Testing Instruments (Zehntner, Switzerland)에서 입수한 ZAA 2300 모델의 휴대용 테이블-톱 테이프 캐스터를 이용하여 평균 입도가 0.5 미크론 내지 5 미크론인 음극 분말 재료를 함유한 슬러리로부터 음극 재료 (Praxair NiO-YSZ; 50:50 wt%)의 미처리 테이프 (두께 ~100 미크론)를 캐스팅 하였다. 여러 음극 테이프들 (5 또는 10)을 캐스팅 하고, 평균 입도가 0.2 미크론 내지 5 미크론인 전해질 분말 재료 함유 슬러리로부터 형성된 단일 미처리 테이프 Al-Mn 8YSZ 전해질 재료 및 평균 입도가 0.5 미크론 내지 6 미크론인 상호접속체 분말 재료 함유 슬러리로부터 형성된 도핑된 LST 상호접속체 재료의 단일 미처리 테이프 사이에 배치하여 (즉, 적층하여) 미처리 SOFC 단위 전지를 형성하였다. 도핑된 8YSZ 전해질 재료 및 LST 상호접속체 재료의 열팽창 계수는 각각 ~10.8 ppm/oC 및 11.1 ppm/oC이다. 미처리 AB 및 CB 테이프에 레이저 절삭하여 채널을 형성하고 소모재 채널 형성재를 사용하여 기체 채널을 가진 전극들을 제조하였다.
미처리 SOFC 단위 전지를 소결온도 1280℃ 및 약 1시간 등온 유지하는 단일, 무소결 공정에서 공-소결하여 전해질/음극/상호접속체 구조를 가지는 일체화 SOFC 단위 전지를 성형하였다. 무소결 성형 과정에서 작은 알루미나 판을 SOFC 단위 전지 위에 배치하였다. 일체화 SOFC 단위 전지는 두께가 대략 500-600 미크론인 평탄 형상을 가지고, 이때 전해질 층의 대략적인 두께는 대략 30 미크론이고, 음극의 대략적인 두께는 대략 500 미크론이고, 상호접속체의 대략적인 두께는 대략 20-30 미크론이었다.
일체화 SOFC 단위 전지는 무-크랙이고 다른 구조들 예컨대 제2 열 처리로 상호접속체가 전극에 부착되는 것들과 비교하면 층들 사이 계면들은 우수한 부착력 및 결합력을 보였다. 단위 전지의 휨 변형은 100 미크론 미만이었다.
따라서, 등온 유지 과정에서, 전해질 재료 및 상호접속체 재료는 압축 상태일 수 있다.
실시예 2
다음과 같은 방법으로 SOFC 단위 전지를 형성하였다. Zehntner Testing Instruments (Zehntner, Switzerland)에서 입수한 ZAA 2300 모델의 휴대용 테이블-톱 테이프 캐스터를 이용하여 평균 입도가 0.5 미크론 내지 5 미크론인 상업적 입수되는 Praxair NiO-YSZ; 50:50 wt% 음극 분말 재료 함유 슬러리로부터 음극 재료 (AB)의 미처리 테이프를 캐스팅 하였다 (두께 ~100 미크론). 여러 음극 테이프들 (5 또는 10)을 캐스팅 하고, 평균 입도가 0.2 미크론 내지 5 미크론인 Tosoh에서 상업적으로 입수되는 Al-Mn 도핑된 8YSZ 전해질 재료 (E) 함유 슬러리로부터 형성되는 단일 미처리 테이프에 배치 (즉, 적층)하였다. American Elements에서 입수되는 도핑된 La0.2Sr0.8TiO3 상호접속체 재료 (IC)의 단일 미처리 테이프를 전해질 테이프 반대측 음극에 배치하였다. 상호접속체 재료의 미처리 테이프를 평균 입도가 0.5 미크론 내지 6 미크론을 가지는 상호접속체 분말 재료 함유 슬러리로부터 형성하였다. 양극 기능층 (CFL)의 미처리 테이프들을 상호접속체 및 전해질 재료에 적층되도록 성형하여, (CFL-E-A-IC-CFL) 구조를 가지는 미처리 단위 전지를 형성하였다. 각각의 층에 하나의 양극 기능층 테이프를 캐스팅 하였다. 양극 기능층의 테이프들은 Praxair에서 상업적으로 입수되는 LSM 분말 [(La0.8Sr0.2)0.98MnO3] 및 Unitec에서 상업적으로 입수되는8YSZ 재료의 혼합물인 양극 기능층 분말 재료 함유 슬러리로부터 캐스팅 하였다. 양극 기능층 분말 재료의 평균 입도는 1 내지 10 미크론이다. 구성요소 층들인 E, IC, CF, 및 AB의 열팽창 계수는 각각 ~10.8, 11.1, 11.5, 12.5ppm/ ℃이다.
CFL-E-A-IC-CFL 단위 전지는 저 부하 (<2 kPa)로 소결온도 1280 ℃ 및 1시간 등온 유지의 단일, 무소결 공정에서 공동-소결되었다. 무-크랙, 치밀한 전해질 및 상호접속층들이 성공적으로 조립되었다 (도 6-9 참고). 전해질 및 음극 및 상호접속체 및 음극 층들 간의 계면들은 양호하게 결합되었다. 공동 -소결된 CFL-E-A-IC-CFL 단위 전지의 휨 변형은 대략 10-40 미크론이었다.
테이프 캐스팅 및 여러 테이프들 (10-14 테이프들)을 함께 적층하여 벌크 양극 (CB) 단위 전지를 성형하였다. 25 vol% PMMA 세공 형성제 및 NexTech에서 상업적으로 입수되는 (La0.8Sr0.2)0.98MnO3 양극 분말 재료 함유 슬러리로부터 벌크 양극 재료 (CB)의 미처리 테이프를 형성하였다. CB 단위 전지를 소결온도 1120 ℃ 및 1 시간 등온 유지하면서 단일, 무소결 공정에서 공동-소결하였다.
망가나이트 슬러리 (예를들면, LSM 슬러리)를 CB 및 CFL 표면들에 적층(예를들면, 등사 또는 인쇄)하고 1120 ℃ 및 1.5. MPa-2.0 MPa 에서 소성하여 CFL-E-A-IC-CFL 및 CB 단위 전지를 결합함으로써 결합 적층체를 성형하였다. 결합 적층체를 2x2 cm2 적층체로 기계 가공하고, 밀봉 및 누출-체크하였다. 적층체는 개로전압 (OCV)이 이론값의 >95% 인 놀라운 성능을 보였다.
본원의 실시태양들은 본 분야의 종래 기술과는 차별된다. SOFC 적층체의 다중 층들 소결이 개시되지만 (예를들면, US 5,922,486 또는 US 6,228,520 참고), 본원에 개시된 특징부들의 조합을 포함하는 무소결 공정을 구현하거나 활용하지 않는다. 특히, 본원의 실시태양들에 의하여, 이러한 특징부들은, 제한적이지 않지만, 구성요소 층들 (즉, 양극, 전해질, 음극, 및 상호접속체)의 특정 조성, 구성요소 층들의 배열, 구성요소 층들의 물리적 특성 (예를들면, 두께 및 밀도), 구성요소 층들의 소결온도와 연관되는 무-소결온도, 후- 무소결 공정 및 결합 방법, 휨 변형, 열 사이클 회복 (thermal cycling resilience), 및 기타 등을 포함한다. 본원은 최신의 SOFC 물품 성형방법을 개시하고 개선된 SOFC 단위 전지 및 기계적 및 전기적 특성이 개선된 SOFC 물품을 제조할 수 있는 새로운 공정 특징들을 포함한다.
개시된 주제는 예시적이고 제한적인 것이 아니며, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위에 속하는 이러한 모든 변경, 개선 및 기타 실시태양들을 포괄할 의도이다. 따라서, 법이 허용한 최대로, 본 발명의 범위는 청구범위 및 이의 균등론을 광의로 해석하여 판단되어야 하고 상기 상세한 설명에 제한 또는 한정되어서 는 아니된다.
특허법에 부합되도록 요약서가 제공되고 청구범위 및 의미를 해석 또는 한정하는 것이 아니라는 이해로 제출된다. 또한, 상기된 상세한 설명에서, 다양한 특징부들이 개시의 간소화를 위하여 단일 실시태양에서 집합적으로 함께 설명된다. 청구되는 실시태양들이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급되는 것 이상의 특징부들을 필요로 한다는 의도로 이러한 개시가 해석되어서는 아니된다. 오히려, 하기 청구범위에서와 같이, 본 발명의 주제는 개시된 임의의 실시태양의 모든 특징부들보다 적은 것에 관한 것이다. 따라서, 하기 청구범위는 상세한 설명에 통합되고, 각각의 청구항은 그 자체로 청구되는 주제를 별개로 정의하는 것이다.

Claims (71)

  1. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    전해질 층;
    상호접속층; 및
    전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되는 제1 전극층; 으로 구성되는 SOFC 단위 전지를 단일, 무소결 공정에서 성형하는 단계를 포함하고, 상기 전해질 층은 성형 후에 압축 상태인, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
  2. 제1항에 있어서, 전해질 층은 산화물로 구성되는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 전해질 층은 지르코니아로 구성되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 전해질 층은 안정화제를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서, 전해질 층은 평균 두께가 약 1 mm 이하인, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 전해질 층은 제1 전극층과 직접 접촉하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상호접속층은 세라믹으로 구성되는, 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상호접속층은 산화물로 구성되는, 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상호접속층은 란탄, 망간, 스트론튬, 티탄, 니오븀, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 원소를 포함하는 세라믹 산화물로 구성되는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상호접속층은 란탄 스트론튬 티타네이트 (LST)로 구성되는, 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상호접속층의 평균 두께는 약 1 mm 이하인, 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상호접속층은 제1 전극층과 직접 접촉하는, 방법.
  13. 제1항에 있어서, 제1 전극층은 음극인, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 제1 전극층은 서멧으로 구성되는, 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제1 전극층은 니켈로 구성되는, 방법.
  16. 제1항에 있어서, 제1 전극층은 산화물로 구성되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 전극층은 지르코니아로 구성되는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제1 전극층은 이트리아-안정화 지르코니아로 구성되는, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 성형 단계는 SOFC 단위 전지를 제1 소결온도에서 등온 유지하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제1항에 있어서, 상호접속층에 적층되는 제2 전극층을 성형하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서, 제2 전극 성형 단계는 SOFC 단위 전지 성형의 단일, 무소결 공정과는 별개의 제2 소결 공정을 포함하는, 방법.
  22. 제20항에 있어서, 제2 전극은 양극인, 방법.
  23. 제20항에 있어서, 제2 전극은 산화물로 구성되는, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 제2 전극은 희토류 원소로 구성되는, 방법.
  25. 제24항에 있어서, 제2 전극은 란탄, 망간, 스트론튬, 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 원소로 구성되는, 방법.
  26. 제1항에 있어서, 전해질 층의 열팽창계수 (CTE)는 상호접속층의 CTE와 실질적으로 동일한, 방법.
  27. 제1항에 있어서, 전해질 층의 열팽창계수 (CTE)는 제1 전극층의 CTE보다 작은, 방법.
  28. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    미처리 전해질 층;
    미처리 상호접속층; 및
    전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되는 제1 미처리 전극층; 으로 구성되는 미처리 SOFC 단위 전지 성형 단계 및
    미처리 SOFC 단위 전지를 단일 소결 공정으로 소결하여 소결된 SOFC 단위 전지를 형성하는 단계로 구성되고, 상호접속층 및 제1 전극층 사이에 확산 결합이 형성되는, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
  29. 제28항에 있어서, 단일 소결 공정은 실질적으로 대기압에서 수행되는 무소결 공정인, 방법.
  30. 제28항에 있어서, 미처리 전해질 층, 미처리 상호접속층, 및 제1 미처리 전극층 중 하나를 성형하는 단계는 증착, 인쇄, 캐스팅, 압출, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 공정으로 구성되는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 미처리 전해질 층, 미처리 상호접속층, 및 제1 미처리 전극층 중 하나를 성형하는 단계는 테이프 캐스팅 공정으로 구성되는, 방법.
  32. 제28항에 있어서, 미처리 전해질 층은 미처리 전해질 층 및 제1 미처리 전극층 사이에 배치되는 중간 버퍼층 없이 제1 미처리 전극층과 직접 접촉하는, 방법.
  33. 제28항에 있어서, 미처리 상호접속층은 미처리 상호접속층 및 제1 미처리 전극층 사이에 배치되는 중간 버퍼층 없이 제1 미처리 전극층과 직접 접촉하는, 방법.
  34. 제28항에 있어서, 제1 미처리 전극층은 음극인, 방법.
  35. 제34항에 있어서, 음극은 기능층으로 구성되는, 방법.
  36. 제35항에 있어서, 기능층은 미처리 전해질 층과 직접 접촉하는, 방법.
  37. 제34항에 있어서, 음극은 벌크층으로 구성되는, 방법.
  38. 제37항에 있어서, 벌크층은 미처리 상호접속층과 직접 접촉하는, 방법.
  39. 제28항에 있어서, 미처리 SOFC 단위 전지는 미처리 상호접속층에 적층되는 제2 미처리 전극층을 추가로 포함하는, 방법.
  40. 제39항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 미처리 상호접속층과 직접 접촉하는, 방법.
  41. 제40항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 양극인, 방법.
  42. 제41항에 있어서, 양극은 상호접속층과 직접 접촉하는 기능층으로 구성되는, 방법.
  43. 제28항에 있어서, 미처리 SOFC 단위 전지는 미처리 전해질 층에 적층되는 제2 미처리 전극층을 추가로 포함하는, 방법.
  44. 제43항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 미처리 전해질 층과 직접 접촉하는, 방법.
  45. 제44항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 양극인, 방법.
  46. 제45항에 있어서, 양극은 미처리 전해질 층과 직접 접촉하는 기능층으로 구성되는, 방법.
  47. 제28항에 있어서, 소결된 SOFC 단위 전지에 제2 전극층을 성형하는 단계를 더욱 포함하는, 방법.
  48. 제47항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 양극 벌크층으로 구성되는, 방법.
  49. 제47항에 있어서, 제2 미처리 전극층은 양극 결합층으로 구성되는, 방법.
  50. 제49항에 있어서, 결합층은 미처리 상호접속층과 직접 접촉하는, 방법.
  51. 제47항에 있어서, 제2 전극층은 양극 결합층으로 구성되는, 방법.
  52. 제51항에 있어서, 결합층은 미처리 상호접속층과 직접 접촉하는, 방법.
  53. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    전해질 층;
    상호접속층;
    전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되고 직접 접촉하는 음극 층으로 구성되고 음극 층 및 상호접속층 및 전해질 층 및 음극 층 사이에는 중간 버퍼층이 없는 미처리 SOFC 단위 전지의 성형 단계; 및
    미처리 SOFC 단위 전지를 단일, 무소결 공정으로 소결하는 단계로 구성되는, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
  54. 제53항에 있어서, 단일, 무소결 공정은 실질적으로 대기압에서 수행되는, 방법.
  55. 제53항에 있어서, SOFC 단위 전지 성형 단계는 SOFC 단위 전지의 전해질 층, 상호접속층, 및 음극 층 테이프의 캐스팅 단계 및 미처리 SOFC 단위 전지를 형성하기 위하여 소결 전에 이들을 접합하는 단계로 구성되는, 방법.
  56. 제53항에 있어서, 음극은 전해질 층과 직접 접촉하는 기능층으로 구성되는, 방법.
  57. 제53항에 있어서, 음극은 상호접속층과 직접 접촉하는 벌크층으로 구성되는, 방법.
  58. 제53항에 있어서, SOFC 단위 전지는 상호접속층에 적층되는 양극 층을 추가로 포함하는, 방법.
  59. 제58항에 있어서, 양극은 상호접속층과 직접 접촉하는 기능층으로 구성되는, 방법.
  60. 제58항에 있어서, 양극은 전해질 층과 직접 접촉하는 기능층으로 구성되는, 방법.
  61. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    전해질 소결온도를 가지는 전해질 층 형성 단계;
    상호접속체 소결온도를 가지는 상호접속층 형성단계; 및
    전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되고, 제1 전극 소결온도를 가지는 제1 전극층 형성단계로 구성되는 SOFC 단위 전지 성형 단계; 및
    SOFC 단위 전지를 단일 소결 공정에서 소결하는 단계로 구성되고, 소결 단계는 제1 전극 소결온도 이하 및 전해질 소결온도 이상 및 상호접속체 소결온도 이상인 소결온도에서 수행되는, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
  62. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    제1 양극 층;
    제1 양극 층에 적층되는 전해질 층;
    전해질 층에 적층되는 음극 층;
    음극 층에 적층되는 상호접속층; 및
    상호접속층 에 적층되는 제2 양극 층으로 구성되는 SOFC 단위 전지를 단일, 무소결 공정으로 성형하는 단계로 구성되는, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
  63. 제62항에 있어서, SOFC 단위 전지의 평균 휨 변형은 약 150 미크론 이하인, 방법.
  64. 제62항에 있어서, 전해질 층의 평균 두께는 약 1 mm 이하인, 방법.
  65. 제62항에 있어서, 상호접속층의 평균 두께는 약 1 mm 이하인, 방법.
  66. 제62항에 있어서, 전해질 층의 밀도는 적어도 약 95% 이론밀도인, 방법.
  67. 제62항에 있어서, 전해질 층의 다공도는 약 5 vol% 이하인, 방법.
  68. 제62항에 있어서, 전해질 층의 열팽창계수 (CTE)는 제1 전극층의 CTE보다 작은, 방법.
  69. 제62항에 있어서, 상호접속층의 열팽창계수 (CTE)는 제1 전극층의 CTE보다 작은, 방법.
  70. 제62항에 있어서, 전해질 층의 열팽창계수 (CTE)는 상호접속층의 CTE와 실질적으로 동일한, 방법.
  71. 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법에 있어서, 상기 방법은:
    전해질 소결온도를 가지는 전해질 층 형성단계;
    상호접속체 소결온도를 가지는 상호접속층 형성단계; 및
    전해질 층 및 상호접속층 사이에 배치되고, 제1 전극 소결온도를 가지는 제1 전극층 형성단계로 구성되는 SOFC 단위 전지 성형단계; 및
    SOFC 단위 전지를 단일 소결 공정에서 소결하는 단계로 구성되고, 소결 단계는 제1 전극 소결온도 이하 및 전해질 소결온도 이상 및 상호접속체 소결온도 이하의 소결온도에서 수행되는, 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품 성형방법.
KR1020147011009A 2011-10-07 2012-10-07 고체 산화물 연료전지 성형방법 KR20140068227A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201161544367P 2011-10-07 2011-10-07
US61/544,367 2011-10-07
PCT/US2012/059157 WO2013052938A1 (en) 2011-10-07 2012-10-07 Method of forming a solid oxide fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20140068227A true KR20140068227A (ko) 2014-06-05

Family

ID=48044220

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020147011009A KR20140068227A (ko) 2011-10-07 2012-10-07 고체 산화물 연료전지 성형방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130093129A1 (ko)
EP (1) EP2764570B1 (ko)
JP (1) JP6041362B2 (ko)
KR (1) KR20140068227A (ko)
ES (1) ES2655543T3 (ko)
WO (1) WO2013052938A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10079393B1 (en) * 2014-01-09 2018-09-18 Bloom Energy Corporation Method of fabricating an interconnect for a fuel cell stack
EP2960977B1 (en) * 2014-06-27 2019-12-18 Haldor Topsøe A/S Anode support creep

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5935727A (en) * 1997-04-10 1999-08-10 The Dow Chemical Company Solid oxide fuel cells
US6228520B1 (en) 1997-04-10 2001-05-08 The Dow Chemical Company Consinterable ceramic interconnect for solid oxide fuel cells
US5922486A (en) 1997-05-29 1999-07-13 The Dow Chemical Company Cosintering of multilayer stacks of solid oxide fuel cells
US6682842B1 (en) * 1999-07-31 2004-01-27 The Regents Of The University Of California Composite electrode/electrolyte structure
US6772501B2 (en) * 2001-07-23 2004-08-10 Itn Energy Systems, Inc. Apparatus and method for the design and manufacture of thin-film electrochemical devices
US7351491B2 (en) * 2003-04-28 2008-04-01 Battelle Memorial Institute Supporting electrodes for solid oxide fuel cells and other electrochemical devices
US7595019B2 (en) * 2005-03-01 2009-09-29 Air Products And Chemicals, Inc. Method of making an ion transport membrane oxygen separation device
ES2434442T3 (es) * 2005-08-31 2013-12-16 Technical University Of Denmark Apilamiento sólido reversible de pilas de combustible de óxido y método para preparar el mismo
WO2007082209A2 (en) * 2006-01-09 2007-07-19 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Fuel cell components having porous electrodes
AU2007234833B2 (en) 2006-04-05 2010-03-25 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. A SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
DK2194597T3 (da) * 2008-12-03 2014-06-16 Univ Denmark Tech Dtu Fastoxidcelle og fastoxidcellestak
US9225024B2 (en) * 2008-12-18 2015-12-29 Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. Highly sinterable lanthanum strontium titanate interconnects through doping
KR101376996B1 (ko) * 2008-12-31 2014-03-25 생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드 Ｓｏｆｃ 음극 및 동시 소성되는 전지와 스택을 제조하기 위한 방법

Also Published As

Publication number Publication date
EP2764570A4 (en) 2015-11-11
JP6041362B2 (ja) 2016-12-07
EP2764570A1 (en) 2014-08-13
US20130093129A1 (en) 2013-04-18
ES2655543T3 (es) 2018-02-20
EP2764570B1 (en) 2017-12-13
WO2013052938A1 (en) 2013-04-11
JP2014528636A (ja) 2014-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8993194B2 (en) Fuel cell, cell stack, fuel cell module, and fuel cell device
JP6437490B2 (ja) セラミック相互接続材料および部分的に安定化したジルコニアを含む固体酸化物型燃料電池の相互接続
EP2789039B1 (en) Solid oxide fuel cell articles and methods of forming
KR20140088899A (ko) 고체 산화물 연료전지 상호접속 전지
KR101734854B1 (ko) 고체산화물 연료전지 층의 분말 혼합물
US20130344415A1 (en) Solid oxide fuel cell and method of forming
JP2016520984A (ja) 高密度バリア層を有する固体酸化物燃料電池
EP2764570B1 (en) Method of forming a solid oxide fuel cell
JP5547188B2 (ja) 電解質・電極接合体の製造方法
KR102674321B1 (ko) 접촉층을 포함하는 금속지지체형 고체산화물 연료전지
US9680157B2 (en) Bonding layer including particles having bimodal size distribution for solid oxide fuel-cells
JP6507337B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池及びその製造方法
WO2011036972A1 (ja) 固体酸化物形燃料電池のセル
KR20200099784A (ko) 고체산화물 연료전지 연결재용 조성물, 이를 이용한 고체산화물 연료전지 연결재의 제조방법 및 이를 포함하는 고체산화물 연료전지
JP2014053289A (ja) 固体酸化物型燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
WITB Written withdrawal of application