KR20140102741A - 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 고체 산화물 연료전지 상호접촉체들 - Google Patents

세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 고체 산화물 연료전지 상호접촉체들 Download PDF

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Abstract

고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체가 개시된다. 상호접속체는 고체 산화물 연료전지 물품의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된다. 상호접속체는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성된다. 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피%의 범위이다.

Description

세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 고체 산화물 연료전지 상호접촉체들{SOLID OXIDE FUEL CELL INTERCONNECTS INCLUDING A CERAMIC INTERCONNECT MATERIAL AND PARTIALLY STABILIZED ZIRCONIA}
본 발명은 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 및 더욱 상세하게는 SOFC 상호접촉체들에 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 적층체로 설계된다. 단일 고체산화물 연료전지는 양극, 음극 및 양극과 음극 사이의 고체 전해질을 포함한다. 각각의 전지는 부조립체로 간주되고 다른 전지와 조합되어 완전한 SOFC 적층체를 형성한다. SOFC 적층체 조립에 있어서, 하나의 전지의 양극 및 다른 전지의 음극 사이에 전기적 상호접속체가 배치된다.
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 적층될 때 악화된다. 연료전지의, 특히 적층체들로 조립된 연료전지의 제한된 열 충격 저항성은 생산 수율을 제한하며 작동 중에 높은 고장의 위험을 초래한다.
일 실시태양에 의하면, 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체가 개시된다. 상호접속체는 고체 산화물 연료전지 물품의 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치된다. 상호접속체는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성된다. 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피% 범위이다.
다른 실시태양에 따르면, 고체 산화물 연료전지 물품 상호접속체 형성방법이 개시된다. 본 방법은 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아 소결 단계를 포함하며, 세라믹 상호접속체 재료는 제1 상이고 부분 안정 지르코니아는 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 제2 상이다. 부분 안정 지르코니아는 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피% 범위이다.
다른 실시태양에 따르면, 고체 산화물 연료전지 물품이 개시된다. 고체 산화물 연료전지 물품은 상호접속체, 제1 전극층, 및 제2 전극층을 포함한다. 상호접속체는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성된다. 제1 전극층은 상호접속체와 직접 접촉하는 제1 세라믹 재료를 포함하고, 제2 전극층은 상호접속체와 직접 접촉하는 제2 세라믹 재료를 포함한다.
다른 실시태양에 따르면, 고체 산화물 연료전지 물품이 개시되고, 이는 양극, 음극, 및 양극 및 음극 사이에 개재되는 상호접속체로 구성된다. 상호접속체는 란탄 도핑된 스트론튬 티타네이트 (LST) 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성된다. 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피%의 범위이다.
또 다른 실시태양에 의하면, 고체 산화물 연료전지 물품이 개시되고, 이는 양극, 음극, 및 양극 및 음극 사이에 배치되는 상호접속체를 포함한다. 상호접속체는 제1 상 및 제2 상으로 구성된다. 상호접속체는 상호접속체 및 양극의 계면에서 부분 안정 지르코니아의 제1 농도 및 상호접속체 및 음극의 계면에서 부분 안정 지르코니아의 제2 농도를 가진다. 제1 농도는 제2 농도와 다르다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하면 더욱 이해될 것이며 다양한 특징부들 및 이점들이 당업자들에게 명백하여 질 것이다.
도 1은 실시태양에 의한 고체 산화물 연료전지 (SOFC) 물품의 상호접속체 형성방법을 도시한 것이다.
도 2는 실시태양에 따른 SOFC 물품을 도시한 것이다.
도 3은 실시태양에 따른 다중-층 상호접속체를 포함하는 SOFC 물품를 도시한 것이다.
도 4는 팽창계로 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 피크 온도를 나타낸 것이다.
도 5는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무 (free) 소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5)의 SEM 사진이다.
도 6은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y10)의 SEM 사진이다.
도 7은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y15)의 SEM 사진이다.
도 8은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y20)의 SEM 사진이다.
도 9는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 2축 굽힘강도 (MPa)를 나타낸 것이다.
도 10은 약 1시간 동안 약 1500℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5)의 SEM 사진이다.
도 11은 약 1시간 동안 약 1500℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y10)의 SEM 사진이다.
도 12는 약 1시간 동안 약 1500℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y15)의 SEM 사진이다.
도 13은 약 1시간 동안 약 1500℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y20)의 SEM 사진이다.
도 14는 약 1시간 동안 약 1500℃에서 무소결 작업 후 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 2축 굽힘강도 (MPa)를 나타낸 것이다.
도 15는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5)의 SEM 사진이다.
도 16은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y10)의 SEM 사진이다.
도 17은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y15)의 SEM 사진이다.
도 18은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y20)의 SEM 사진이다.
도19는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 2축 굽힘강도 (MPa)를 나타낸 것이다.
도 20은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y5)의 SEM 사진이다.
도21은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y10)의 SEM 사진이다.
도 22는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y15)의 SEM 사진이다.
도 23은 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후의 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y20)의 SEM 사진이다.
도24는 약 1시간 동안 약 1320℃에서 무소결 작업 후 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 2축 굽힘강도 (MPa)를 나타낸 것이다.
도 25는 LST 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는예시적 상호접속체 재료의 화학적 팽창을 도시한 것이다.
도 26은 LSTN 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는예시적 상호접속체 재료의 화학적 팽창율을 도시한 것이다.
도 27은 약 1000℃에서 포밍 가스 분위기에서 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 LST 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 체적 도전율 (S/cm)을 나타낸 것이다.
도 28은 약 1000℃에서 포밍 가스 분위기에서 측정되는 부분 안정 지르코니아 부피%에 따른 LSTN4.0 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 예시적 상호접속체 재료의 체적 도전율 (S/cm)을 나타낸 것이다.
다른 도면들에서 유사하거나 동일한 부분에 대하여 동일한 도면부호가 사용된다.
본 발명은 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접촉체 및 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접촉체 형성방법에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체 형성방법에 대한 특정 실시태양이 도시되고 포괄적으로 도면부호 100으로 표기된다. 방법 (100)은 단계 (102)에서 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아의 조합 (예를들면, 혼합)을 포함한다. 특정 실시태양에서, 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아는 통상적인 세라믹 공정 예컨대 볼 밀링으로 혼합된다.
특정 실시태양에서, 하나 이상의 바인더들이 볼 밀링 완성 전에 혼합물에 첨가되어 강도 및 전도도 측정용다이-압축 디스크 및 바 샘플의 미처리 (green) 형성을 개선시킨다. 예를들면, 바인더들은 Celanese Chemicals Ltd (Dallas, Texas)의 폴리비닐 알코올 (PVA) Celvol 2050.5 wt% 및 Mallinckrodt Baker, Inc. (Paris, Kentucky)의 폴리에틸렌 글리콜 (PEG-400) 0.75 wt%를 포함한다.
또한 방법 (100)은 단계 (104)에서 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아의 소결 단계를 포함하여 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체를 형성한다. 예를들면, 소결은 약 1200 ℃ 내지 약 1650 ℃, 예컨대 약 1250 ℃ 내지 약 1600 ℃, 또는 약 1300 ℃ 내지 약 1550 ℃ 범위의 소결 온도에서 진행된다. 소결 온도는 상기 임의의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
SOFC 물품에서 상호접속체의 하나의 기능은 하나의 전지에서 다른 전지로 전자가 이동되도록 커넥터로서 전자 도체를 제공하는 것이다. 상호접속층의 다른 기능은 기체 분리체로서 음극 측에 있는 연료 기체 (즉, H2 또는 CH4)가 양극 측에 있는 산화제 (즉, 공기)와 혼합되는 것을 방지하는 것이다. 상호접속체에 있는 임의의 균열들은 전자 전도 면적을 좁히고 기체 누출을 초래하여, 전자 도체 및 기체 분리체로서의 기능을 감소시킬 수 있다. 따라서, 상호접속체에서 임의의 균열들을 피하여야 한다.
특정 실시태양에서, 상호접속체는 SOFC 물품의 다른 성분들과 공동-소결된다. 열응력 및 균열은 세라믹 상호접속체 재료와 SOFC 물품 다른 성분들과의 열팽창계수 (CTE) 불일치에 기인할 수 있다. 특정 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 소결 온도에서 정방정 t-ZrO2을 포함한다. 정방정 t-ZrO2 는 소결 온도 미만인 정방정에서 단사정 (t-m)으로의 상변태 온도에서 단사정 m-ZrO2으로 변환된다. 부분 안정 지르코니아는 t-m 상변태 과정에서 체적이 변한다. 예를들면, 부분 안정 지르코니아의 체적 변화는 약 3 부피% 내지 약 5 부피%이다.
도 2를 참조하면, 상호접속체 (202)를 포함하는 SOFC 물품 (200) 특정 실시태양이 도시된다. 특정 실시태양에서, 도 2의 상호접속체 (202)는 도 1의 방법 (100)으로 형성된다. 상호접속체 (202)는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상을 포함한다. 특정 실시태양에서, 제2 상은 실질적으로 부분 안정 지르코니아 이루어진다. 도 2에 도시된 특정 실시태양에서, 상호접속체 (202)는 제1 전극 (즉, 양극 (204)) 및 제2 전극 (즉, 음극 (206)) 사이에 배치되는 단일 개별 상호접속층을 포함한다. 대안적 실시태양들에서, 상호접속체 (202)는 다중 개별 상호접속층들을 포함한다 (도 3 참고).
양극 (204) 및 음극 (206)은 다중 전극층들을 포함한다. 도 2에 도시된 실시태양에서, 양극 (204)은 양극 결합층 (208), 양극 벌크층 (210), 및 양극 기능층 (212)을 포함한다. 또한, 도 2에 도시된 실시태양에서, 음극 (206)은 음극 결합층 (214), 음극 벌크층 (216), 및 음극 기능층 (218)을 포함한다. 따라서, 양극 결합층 (208)은 상호접속체 (202)와 직접 접촉하는 제1 전극층 (제1 세라믹 재료 포함)이고, 양극 벌크층 (210)은 양극 결합층 (208)과 직접 접촉하고, 양극 기능층 (212)는 양극 벌크층 (210)과 직접 접촉한다. 음극 결합층 (214)은 상호접속체 (202)와 직접 접촉하는 제2 전극층 (제2 세라믹 재료 포함)이고, 음극 벌크층 (216)은 음극 결합층 (214)과 직접 접촉하고, 음극 기능층 (218)은 음극 벌크층 (216)과 직접 접촉한다. 양극 기능층 (212)은 전해질 층 (220)과 직접 접촉되고, 음극 기능층 (218)은 다른 전해질 층 (222)과 직접 접촉된다. 당업자는 도 2에 도시된 SOFC 물품 (200)이 추가 층들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를들면, SOFC 적층체는 다중 SOFC 단위 전지들을 포함하고, 이들 각각은 양극, 음극, 및 전해질을 포함하고, 개별 SOFC 단위 전지들은 상호접촉체들 예컨대 도 2의 상호접속체 (202)로 연결된다.
특정 실시태양에서, 도 2에 도시된 각각의 층은 미처리 층으로 별도로 형성되고 함께 조립된다. 대안으로, 층들은 미처리 상태로 연속하여 형성된다. 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.
상호접속체 (202)는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상을 포함한다. 부분 안정 지르코니아의 범위는 상호접속체 (202) 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피%이다. 예를들면, 부분 안정 지르코니아의 범위는 약 1 부피% 내지 약 70 부피%, 예컨대 약 5 부피% 내지 약 70 부피%, 약 10 부피% 내지 약 70 부피%, 약 15 부피% 내지 약 70 부피%, 또는 약 20 부피% 내지 약 70 부피%이다. 다른 예시로서, 부분 안정 지르코니아의 범위는 약 1 부피% 내지 약 50 부피%, 약 5 부피% 내지 약 50 부피%, 약 10 부피% 내지 약 50 부피%, 약 15 부피% 내지 약 50 부피%, 약 20 부피% 내지 약 50 부피%, 또는 약 20 부피% 내지 약 40 부피%이다. 부분 안정 지르코니아의 부피% 는 상기의 임의의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
예시적 비-제한적 실시예로서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTiO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하이다. 즉, 세라믹 상호접속체 재료는 란탄 도핑된 스트론튬 티타네이트 재료를 포함하고 이하 “LST” 재료로 칭한다. 비-제한적 예시적 실시태양에서, x는 약 0.2 (즉, La0.2 Sr0.8TiO3)이고, 이하 “LST28”로 칭한다.
다른 예시로서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTi1-yNbyO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하이고, y는 약 0.001 이상 및 약 0.25 이하이다. 즉, 세라믹 상호접속체 재료는 Nb2O5 로 더욱 도핑된 LST 재료를 포함하고, 이하 “LSTN” 재료로 칭한다. 예를들면, Nb2O5 도펀트 함량은 약 0.01 mol% 이상, 예컨대약 0.1 mol% 이상, 또는 약 0.5 mol% 이상일 수 있다. 다른 예시로서, Nb2O5 도펀트 함량은 약 12.0 mol% 이하, 예컨대 약 11.0 mol%이하, 약 10.0 mol% 이하, 약 9.0 mol% 이하, 또는 약 8.0 mol% 이하일 수 있다. Nb2O5 도펀트 함량은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예시적, 비-제한적 실시태양에서, Nb2O5 도펀트 함량의 범위는 약 0.5 mol% Nb2O5 내지 약 8.0 mol% Nb2O5이다. 예를들면, Nb2O5 도펀트 함량은 약 4.0 mol% Nb2O5일 수 있고, 이하 “LSTN4.0”로 칭한다. 다른 예시로서, Nb2O5 도펀트 함량은 약 6.0 mol% Nb2O5이고, 이하 “LSTN6.0”로 칭한다.
상기된 바와 같이, 열응력 및 균열은 세라믹 상호접속체 재료와 SOFC 물품 다른 성분들, 특히 상호접속체와 인접 및/또는 직접 접촉하는 성분들과의 열팽창계수 (CTE) 불일치에 기인할 수 있다. 특정 실시태양에서, 상호접속체 재료는 예를들면 음극 기능층 (AFL), 양극 기능층 (CFL), 음극 결합층, 또는 양극 결합층과 같은 상호접속체와 직접 접촉하는 SOFC 물품 다른 성분의 CTE 값에 더욱 가까운 CTE를 가지도록 선택된다. 최소한 하나의 실시태양에서, 상호접속체 재료는 상호접속체 직접 접촉 성분보다 더 낮은 CTE를 가지고, 고온에서 SOFC 물품를 냉각하면 상호접속체는 압축 상태에 놓인다. 이러한 실시태양들에서, 상호접속체 재료 및 다른 성분 간의 CTE 차이 (Δ CTE)는 약 0.9 ℃x10-6/K 이하, 예컨대 약 0.8 ℃x10-6/K이하, 예컨대 약 0.7 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.6 ℃x10-6/K미만, 예컨대 약 0.5 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 미만 0.4 ℃x10-6/K, 예컨대 약 0.3 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.2 ℃x10-6/K 미만이다. 실시태양에서, 상호접속체 재료 및 다른 성분 간의 Δ CTE는 바람직하게는 약 0.1 ℃x10-6/K보다 크고, 예컨대 약 0.2 ℃x10-6/K보다 크다.
최소한 하나의 실시태양에서, 상호접속체 재료는 상호접속체 직접 접촉 성분보다 더 큰 CTE를 가진다. 이러한 실시태양들에서, 상호접속체 재료 및 다른 성분 간의 CTE 차이 (Δ CTE)는 약 0.9 ℃x10-6/K 미만, 예컨대약 0.8 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.7 ℃x10-6/K 미만, 예컨대약 0.6 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.5 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.4 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.3 ℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 0.2 ℃x10-6/K 미만이다. 실시태양에서, 상호접속체 재료 및 다른 성분 간의 Δ CTE는 약 0.1 ℃x10-6/K보다 크고, 예컨대 약 0.2 ℃x10-6/K보다 크다.
실시태양에서, 1200 ℃에서의 상호접속체 재료 CTE는 약 11.8℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 11.3 ℃x10-6/K미만, 예컨대 약 11.2℃x10-6/K미만, 예컨대 약 11.1℃x10-6/K, 미만 및 약 10.9℃x10-6/K 초과, 예컨대 약 11.0℃x10-6/K초과이다. 실시태양에서, 900℃에서의 상호접속체 재료 CTE는 약 11.0℃x10-6/K 미만, 예컨대 약 10.8℃x10-6/K미만, 및 약 10.4℃x10-6/K 초과, 예컨대 약 10.5℃x10-6/K초과이다. 특정 실시태양에서, 상호접속체 재료는 LSTN6.0을 포함한다. 다른 특정 실시태양에서, 적어도 하나의 상호접속체 개별 층은 LSTN6.0을 포함한다.
다른 실시태양에서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTi1-yMnyO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하이고, y는 약 0.001 이상 및 약 0.70 이하이다. 다른 실시태양에서, 세라믹 상호접속체 재료는 Sr1-1.5zYzTiO3을 포함하고, 식 중 z는 약 0.001 이상 및 약 0.30 이하이다. 다른 실시태양에서, 세라믹 상호접속체 재료는 Sr1-0.5kNbkTi1-kO3을 포함하고, 식 중 k는 약 0.001 이상 및 약 0.30 이하이다.
상호접속체 (202)는 하나 이상의 세라믹 상호접속체 재료를 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예시적, 비-제한적 실시예로서, 상호접속체 (202)는 제1 세라믹 상호접속체 재료 (즉, LST28) 및 제2 세라믹 상호접속체 재료 (즉, LSTN4.0 또는 LSTN 6.0)를 포함한다. 또한, 상호접속체 (202)는 상호접속체 (202) 및 양극 (204)의 계면에서 (즉, “양극 계면” (224)) 제1 농도의 세라믹 재료를 가지고 상호접속체 (202) 및 음극 (206)의 계면에서 (즉, “음극 계면” (226)) 상이한 농도의 세라믹 재료를 가진다.
상호접속체 (202)는 특히 평탄 박층일 수 있다. 예를들면, 상호접속체 (202)의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 예컨대 약 90 μm이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 또는 약 50 μm 이하이다. 또한, 상호접속체 (202)의 평균 두께는 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 또는 약 10 μm 이상이다. 상호접속체 (202)의 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 상호접속체 (202)의 제1 상의 평균 입자 (grain) 크기 (“A”)는 약 40 μm 이하, 예컨대 약 30 μm이하, 약 20 μm 이하, 약 15 μm 이하, 또는 약 10 μm 이하이다. 평균 입자 크기 A는 약 0.05 μm 이상, 예컨대 0.1 μm이상, 약 0.5 μm 이상, 약 1 μm 이상, 또는 약 2 μm 이상이다. 세라믹 상호접속체의 평균 입자 크기 A는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
부분 안정 지르코니아를 포함하는 상호접속체 (202)의 제2 상은 평균 입자 크기 (“B”)를 가진다. 평균 입자 크기 B는 약 20 μm 이하, 예컨대 약 10 μm이하, 약 9 μm 이하, 약 8 μm 이하, 약 7 μm 이하, 약 6 μm 이하, 또는 약 5 μm 이하이다. 평균 입자 크기 B는 약 0.01 μm 이상, 예컨대 약 0.05 μm이상, 약 0.1 μm 이상, 약 0.5 μm 이상, 또는 약 1 μm 이상이다. 부분 안정 지르코니아의 평균 입자 크기 B는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
제2 상의 평균 입자 크기 B는 제1 상의 평균 입자 크기 A보다 작다. 평균 입자 크기 B 및 평균 입자 크기 A 간의 입자 크기 차이 비율은 식: [(A - B)/A]*100%로 구한다. 특정 실시태양에서, 제2 상의 평균 입자 크기 B는 제1 상의 평균 입자 크기 A보다 적어도 약 5% 작고, 예컨대 평균 입자 크기 A보다 적어도 약 10% 작고, 평균 입자 크기 A보다 적어도 약 15% 작고, 또는 평균 입자 크기 A보다 적어도 약 20% 작다. 특정 실시태양에서, 제2 상의 평균 입자 크기 B는 제1 상의 평균 입자 크기 A보다 약 90% 초과하지 않고, 예컨대 평균 입자 크기 A보다 약 80% 초과하지 않고, 평균 입자 크기 A보다 약 70% 초과하지 않고, 또는 평균 입자 크기 A보다 약 60% 초과하지 않는다. 평균 입자 크기 B 및 평균 입자 크기 A 간의 입자 크기 차이 비율은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상은 연속 상이고 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상은 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 불연속 상이다. 대부분의 제2 상 내용물은 제1 상의 입자 경계들에서 분산된다. 예시적 실시예로서, 도 16은 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y10)의 SEM 사진 (배율 10k)을 포함하고 여기에서 대부분의 제2 상 (3YSZ 포함) 내용물은 제1 상 (세라믹 상호접속체 재료 LSTN4.0 포함)의 입자 경계들에 놓인다.
특정 실시태양에서, 상호접속체 (202)는 양극 계면 (224)에 제1 농도의 부분 안정 지르코니아 (“PSZ1”)를 가지고, 상호접속체 (202)는 음극 계면 (226)에 제2 농도의 부분 안정 지르코니아 (“PSZ2”)를 가진다. 양극 계면 (224)의 제1 농도 PSZ1는 음극 계면 (226)의 제2 농도 PSZ2와 상이할 수 있다. 예를들면, 음극 계면 (226)의 제2 농도 PSZ2 (즉, 부피% PSZ)는 양극 계면 (224)의 제1 농도 PSZ1 (즉, 부피% PSZ)보다 더 크다. 특정 실시태양에서, 상호접속체 (202)는 상호접속체 (202) 두께에 걸쳐 (즉, 양극 계면 (224) 및 음극 계면 (226)에 의해 규정되는 상호접속체 (202) 치수) 부분 안정 지르코니아에 대한 농도 기울기를 가진다. 예를들면, 부분 안정 지르코니아의 농도는 상호접속체 (202) 두께에 걸쳐 음극 계면 (226)에서 양극 계면 (224)으로 갈수록 감소된다. 하나의 실시태양에서, 양극 계면 (224)의 제1 농도 PSZ1는 실질적으로 0이다.
양극 계면 (224) 및 음극 계면 (226) 사이 부분 안정 지르코니아의 농도 차이 비율은 식: [(PSZ2 - PSZ1)/PSZ2]*100%으로 구한다. 특정 실시태양에서, 양극 계면 (224)의 제1 농도 PSZ1는 음극 계면 (226)의 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 5% 낮고, 예컨대 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 10% 낮고, 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 20% 낮고, 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 30% 낮고, 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 40% 낮고, 또는 제2 농도 PSZ2보다 적어도 약 50% 낮다. 특정 실시태양에서, 양극 계면 (224)의 제1 농도 PSZ1는 음극 계면 (226) 제2 농도 PSZ2보다 약 100% 초과 하지 않고, 예컨대 제2 농도 PSZ2보다 약 99.9% 초과하지 않고, 제2 농도 PSZ2보다 약 99.5% 초과하지 않고, 제2 농도 PSZ2보다 약 99% 초과하지 않고, 제2 농도 PSZ2보다 약 98% 초과하지 않고, 또는 제2 농도 PSZ2보다 약 95% 초과하지 않는다. 양극 계면 (224) 및 음극 계면 (226) 간의 부분 안정 지르코니아의 농도 차이 비율은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
부분 안정 지르코니아는 ZrO2 및 안정화 산화물을 포함한다. 특정 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 부분 안정 지르코니아 총 몰 중 약 0.1 mol% 이상의 안정화 산화물, 예컨대 약 0.2 mol% 이상의 안정화 산화물, 약 0.3 mol% 이상의 안정화 산화물, 약 0.4 mol% 이상의 안정화 산화물, 또는 약 0.5 mol% 이상의 안정화 산화물을 포함한다. 부분 안정 지르코니아는 부분 안정 지르코니아 총 몰 중 약 8.0 mol% 이하의 안정화 산화물, 예컨대 약 7.0 mol% 이하의 안정화 산화물, 약 6.0 mol% 이하의 안정화 산화물, 약 5.0 mol% 이하의 안정화 산화물, 약 4.0 mol% 이하의 안정화 산화물, 또는 약 3.5 mol% 이하의 안정화 산화물을 포함한다. 부분 안정 지르코니아의 안정화 산화물 몰비는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 안정화 산화물은 Y2O3, CeO2, CaO, MgO, 또는 이들의 조합을 포함한다. 특정 실시태양에서, 안정화 산화물은 Y2O3을 포함한다. 예를들면, 부분 안정 지르코니아는 약 1.0 mol% Y2O3 내지 약 5.0 mol% Y2O3, 예컨대 약 2.0 mol% Y2O3 내지 약 4.0 mol% Y2O3, 또는 약 2.5 mol% Y2O3 내지 약 3.5 mol% Y2O3 범위로 ZrO2 및 Y2O3을 포함한다. 예시적, 비-제한적 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 약 1.0 mol% Y2O3 내지 약 5.0 mol% Y2O3 범위로 ZrO2 및 Y2O3을 포함한다. 예를들면, 부분 안정 지르코니아는 약 3.0 mol% Y2O3을 포함한다. Y2O3 몰비는 상기의 임의의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 고체 산화물 연료전지 물품 (200) 공정 온도에서 단일 상 정방정 t-ZrO2을 포함한다. 다른 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 고체 산화물 연료전지 물품 (200) 공정 온도에서 2종의 상 정방정 t-ZrO2 및 입방정 f-ZrO2을 포함한다. 예를들면, 공정 온도는 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃, 예컨대 약 750 ℃ 내지 약 950 ℃, 약 800 ℃ 내지 약 900 ℃이다. 고체 산화물 연료전지 물품 (200)의 공정 온도는 상기의 임의의 범위일 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
부분 안정 지르코니아를 포함하는 상호접속체 (202)의 제2 상은 정방정에서 단사정 (t-m) 상변태가 진행된다. t-m 상변태 과정에서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상은 약 3 부피% 내지 약 5 부피% 범위로 체적이 변화된다. 특정 실시태양에서, 부분 안정 지르코니아는 고체 산화물 연료전지 물품 공정 온도보다 낮은 t-m 상변태 온도에서 t-m 상변태가 진행된다.
특정 실시태양에서, 상호접속체 (202) 다공도는 약 0.05 부피% 이상, 예컨대 약 0.1 부피% 이상, 약 0.2 부피% 이상, 또는 약 0.5 부피% 이상이다. 상호접속체 (202) 다공도는 약 5 부피% 이하, 예컨대 약 4 부피%이하, 약 3 부피% 이하, 또는 약 2 부피% 이하이다. 상호접속체 (202) 다공도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 약 4 부피% H2 및 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기 (forming gas atmosphere)에서 상호접속체 (202)의 체적 도전율은 약 1 S/cm 이상 (즉, 약 800 ℃, 약 900 ℃, 또는 약 1000 ℃에서), 예컨대 약 2 S/cm이상, 약 3 S/cm 이상, 약 4 S/cm 이상, 또는 약 5 S/cm 이상이다. 약 4 부피% H2 및 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기에서 상호접속체 (202)의 체적 도전율은 약 25 S/cm 이하, 예컨대 약 20 S/cm이하, 또는 약 15 S/cm 이하이다. 포밍 가스 분위기에서 상호접속체 (202)의 체적 도전율은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 상호접속체 (202)의 2축 굽힘강도는 약 40 MPa 이상, 예컨대 약 45 MPa이상, 약 50 MPa 이상, 약 55 MPa 이상, 약 60 MPa 이상, 약 65 MPa 이상, 약 70 MPa 이상, 약 75 MPa 이상, 약 80 MPa 이상, 약 85 MPa 이상, 또는 약 90 MPa 이상이다. 상호접속체 (202)의 2축 굽힘강도는 약 200 MPa 이하, 예컨대 약 190 MPa이하, 또는 약 180 MPa 이하이다. 상호접속체 (202)의 2축 굽힘강도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
양극 벌크층 (210) 재료는 일반적으로 란탄 망간산염을 포함한다. 특히, 양극은 도핑된 란탄 망간산염으로 제조되어, 양극 조성물은 페로브스카이트 유형의 결정 구조체가 된다. 따라서, 도핑된 란탄 망간산염은 식 (La1-xAx)yMnO3-δ 로 표기되는 일반 조성을 가지고, 식 중 도펀트는 “A”로 나타내고 페로브스카이트 결정 구조체의 A-자리들에서 란탄 (La)을 치환한다. 도펀트는 알칼리 토금속, 납, 또는 일반적으로 원자비가 약 0.4 내지 0.9 옹스트롬인2가 양이온들에서 선택된다. 따라서, 일 실시태양에 의하면, 도펀트는 Mg, Ba, Sr, Ca, Co, Ga, Pb, 및 Zr로 이루어진 원소 군에서 선택된다. 특정 실시태양에 따르면, 도펀트는 Sr이고, 양극 벌크층 (210)은 일반적으로 LSM로 알려진 란탄 스트론튬 망간산염을 포함한다. 예시적 실시태양에서, 양극 결합층 (208)은 LSM 재료 및 일반적으로 YSZ로 알려진 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다.
도핑된 란탄 망간산염 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 망간산염 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 망간산염 조성물에서 x 값은 구조체에서 La를 치환하는 도펀트 함량이다. 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 망간산염은 결정 구조체 내부 A-자리가 100% 점유되지 않았으므로 “A-자리 결함” 구조라고 칭한다.
특정 실시태양에서, 도펀트는 Sr (LSM 양극)이고, 따라서 양극 벌크층 (210)의 조성물은 (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. 특정 실시태양에서, y 값은 약 1.0 이하이다. 예시적 비-제한적 실시태양에서, x는 약 0.2이고 y는 약 0.98이며, 양극 벌크층 (210)은 (La0.8Sr0.2)0.98MnO3조성의 LSM 재료를 포함한다. 전기 실시태양들에서 제공되는 바와 같이 A-자리 결함, 도핑된 란탄 망간산염 조성의 양극은 연료전지 작동 중 양극/전해질 계면에서 전도도-제한 조성물 형성을 감소시킬 수 있다.
대안으로, 또는 추가하여, 양극 재료는 La-페라이트 기재의 재료를 포함한다. 전형적으로, La-페라이트 기재의 재료는 하나 이상의 적합한 도펀트들, 예컨대Sr, Ca, Ba, Mg, Ni, Co 또는 Fe로 도핑된다. 도핑된 La-페라이트 기재의 재료 예시로는 LaSrCo-페라이트 (LSCF) (즉, La1-gSrqCo1-jFejO3, 식 중 각각의 q 및 j는 독립적으로 0.1 이상 및 0.4 이하이고 (La+Sr)/(Fe+Co)는 약 1.0 내지 약 0.90 (몰비)이다. 하나의 특정 실시태양에서, 양극은 La-망간산염 및 La-페라이트의 혼합물을 포함한다. 예를들면, 양극은 LaSr-망간산염 (LSM) (즉, La1-kSr kMnO3) 및LaSrCo-페라이트 (LSCF)를 포함한다. 일반적인 예시로는 (La0.8Sr0.2) 0.98Mn3+-Δ (Δ는 0 이상, 및 0.3 이하) 및 La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3을 포함한다.
양극 벌크층 (210)의 평균 두께는 약 0.10 mm 이상, 예컨대 약 0.15 mm 이상, 약 0.20 mm 이상, 또는 약 0.25 mm 이상이다. 또한, 양극 벌크층 (210)의 평균 두께는 약 2 mm 이하, 예컨대약 1.9 mm 이하, 약 1.8 mm 이하, 약 1.7 mm 이하, 약 1.6 mm 이하, 또는 약 1.5 mm 이하이다. 양극 벌크층 (210) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
양극 벌크층 (210)은 다공성 층으로, 다공도는 양극 벌크층 (210) 총 부피에 대하여 약 30 부피% 내지 약 60 부피%이다. 양극 벌크층 (210)의 평균 공극 크기는 양극 기능층 (212) 또는 양극 결합층 (208) 내부의 평균 공극 크기보다 상당히 크다.
양극 결합층 (208)의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 예컨대 약 90 μm이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 또는 약 50 μm 이하이다. 또한, 양극 결합층 (208)의 평균 두께는 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 또는 약 10 μm 이상이다. 양극 결합층 (208) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
양극 결합층(208)의 다공도 는 약 5 부피% 이상, 예컨대 약 6 vol %이상, 약 7 vol % 이상, 약 8 vol % 이상, 약 9 vol % 이상, 약 10 부피% 이상, 약 11 부피% 이상, 또는 약 12 부피% 이상이다. 또한, 양극 결합층(208) 의 다공도는 약 60 부피% 이하, 예컨대 약 55 부피%이하, 약 50 부피% 이하, 약 45 부피% 이하, 또는 약 40 부피% 이하이다. 양극 결합층 (208) 다공도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
양극 기능층 (212)의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 예컨대 약 90 μm이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 또는 약 50 μm 이하이다. 또한, 양극 기능층 (212)의 평균 두께는 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 또는 약 10 μm 이상이다. 양극 기능층 (212) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
양극 기능층 (212)은 다공성 층으로, 다공도는 양극 기능층 (212) 총 부피에 대하여 약 20 부피% 내지 약 50 부피%이다. 양극 기능층 (212) 평균 공극 크기는 양극 벌크층 (210) 내부의 평균 공극 크기보다 상당히 작다.
음극 벌크층 (216)은 서멧 재료, 즉, 세라믹 및 금속 재료의 조합물을 포함한다. 예를들면, 음극 벌크층 (216)은 니켈 및 YSZ로 형성된다. 니켈은 일반적으로 음극 전구체, 예컨대a 열-처리 대상 미처리 세라믹 조성물에 포함되는 니켈 산화물의 환원으로 생성된다. 즉, 음극 벌크층 (216)은 니켈 산화물 및 YSZ (환원 전) 또는 니켈 및 YSZ (환원 후)을 포함한다. 또한 음극 결합층 (214)은 니켈 산화물 및 YSZ (환원 전) 또는 니켈 및 YSZ (환원 후)을 포함한다.
음극 벌크층 (216)의 평균 두께는 약 0.10 mm 이상, 예컨대 약 0.15 mm 이상, 약 0.20 mm 이상, 또는 약 0.25 mm 이상이다. 또한, 음극 벌크층 (216)의 평균 두께는 약 2 mm 이하, 예컨대 약 1.9 mm이하, 약 1.8 mm 이하, 약 1.7 mm 이하, 약 1.6 mm 이하, 또는 약 1.5 mm 이하이다. 음극 벌크층 (216) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 벌크층 (216)은 다공성 층으로, 다공도 범위는 음극 벌크층 (216) 총 부피에 대하여 약 30 부피% 내지 약 60 부피%이다. 음극 벌크층 (216)의 평균 공극 크기는 음극 기능층 (218) 또는 음극 결합층 (214) 내부의 평균 공극 크기보다 훨씬 크다.
음극 결합층 (214)의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 예컨대 약 90 μm이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 또는 약 50 μm 이하이다. 또한, 음극 결합층 (214)의 평균 두께는 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 또는 약 10 μm 이상이다. 음극 결합층 (214) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 결합층(214)의 다공도는 약 5 부피% 이상, 예컨대 약 6 vol % 이상, 약 7 vol % 이상, 약 8 vol % 이상, 약 9 vol % 이상, 약 10 부피% 이상, 약 11 부피% 이상, 또는 약 12 부피% 이상이다. 또한, 음극 결합층(214)의 다공도는 약 60 부피% 이하, 예컨대 약 55 부피%이하, 약 50 부피% 이하, 약 45 부피% 이하, 또는 약 40 부피% 이하이다. 음극 결합층 (214) 다공도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 기능층 (218)의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 예컨대 약 90 μm이하, 약 80 μm 이하, 약 70 μm 이하, 약 60 μm 이하, 또는 약 50 μm 이하이다. 또한, 음극 기능층 (218)의 평균 두께는 약 5 μm 이상, 약 6 μm 이상, 약 7 μm 이상, 약 8 μm 이상, 약 9 μm 이상, 또는 약 10 μm 이상이다. 음극 기능층 (218) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
음극 기능층 (218)은 다공성 층으로, 다공도는 음극 기능층 (218) 총 부피에 대하여 약 20 부피% 내지 약 50 부피%이다. 음극 기능층 (218) 평균 공극 크기는 음극 벌크층 (216) 내부의 평균 공극 크기보다 훨씬 작다.
전해질 층들 (220, 222)은 무기 재료, 예컨대 세라믹 재료를 포함한다. 예를들면, 전해질 층들 (220, 222)은 산화물을 포함한다. 일부 적합한 산화물들은 지르코니아 (ZrO2), 더욱 상세하게는, 지르코니아-기재의 재료들을 포함하며, 이들은 다른 성분들 예컨대안정화제들 또는 도펀트들을 포함하며, 성분들 예컨대 이트리아 (Y), 이테르븀 (Yb), 세륨 (Ce), 스칸듐 (Sc), 사마륨 (Sm), 가돌리늄 (Gd), 란탄 (La), 프라세오디뮴 (Pr), 네오디뮴 (Nd), 및 이들의 조합을 포함한다. 적합한 전해질 재료의 특정 예시로는 Sc2O3-도핑된 ZrO2, Y2O3-도핑된 ZrO2, Yb2O3-도핑된 ZrO2, Sc2O3-도핑된 및 CeO2-도핑된 ZrO2, 및 이들의 조합을 포함한다. 또한 전해질 층은 세리아 (CeO2), 더욱 상세하게는 세리아-기재의 재료, 예컨대Sm2O3-도핑된 CeO2, Gd2O3-도핑된 CeO2, Y2O3-도핑된 CeO2, 및 CaO-도핑된 CeO2를 포함한다. 또한 전해질 재료는 란타나이드-기재의 재료, 예컨대LaGaO3을 포함한다. 란타나이드-기재의 재료들은 특정 성분들, 제한적이지 않지만, Ca, Sr, Ba, Mg, Co, Ni, Fe, 및 이들의 조합으로 도핑된다. 특히, 전해질 재료는 란탄 스트론튬 망간산염 (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, 식 중 A는 Sr, Ca, 또는 Ba 군 성분들 중 하나를 나타낸다. 하나의 특정 실시태양에 의하면, 전해질 층 (101)은 8 mol % Y2O3으로 도핑된 ZrO2으로 제조된다 (즉, 8 mol % Y2O3-도핑된 ZrO2). 8 mol % Y2O3 은 전해질 재료의 열 반응 특성 및 가공 특성을 개선시키기 위하여 특정 도펀트들, 예컨대Al 및/또는 Mn를 가진다. 다른 예시적 전해질 재료는 도핑된 이트륨-지르코네이트 (즉, Y2Zr2O7), 도핑된 가돌리늄-티타네이트 (즉, Gd2Ti2O7) 및 브라운밀레라이트 (즉, Ba2In2O6 또는 Ba2In2O5)를 포함한다.
전해질 층들 (220, 222)의 평균 두께는 약 1 mm 이하, 예컨대 약 500 미크론이하, 예컨대 약 300 미크론이하, 약 200 미크론 이하, 약 100 미크론 이하, 약 80 미크론 이하, 약 50 미크론 이하, 또는 약 25 미크론 이하이다. 또한, 전해질 층들 (220, 222)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. 전해질 층들 (220, 222) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도 3을 참조하면, 상호접속체 (302)를 포함하는 SOFC 물품 (300)의 특정 실시태양이 도시된다. 도 3의 예시적, 비-제한적 실시태양에서, 상호접속체 (302)는 제1 개별 상호접속층 (304) 및 제2 개별 상호접속층 (306)을 포함한다. 제1 개별 상호접속층 (304) 및 제2 개별 상호접속층 (306)은 양극 (204) 및 음극 (206) 사이에 배치된다.
제1 개별 상호접속층 (304)은 양극 계면 (224)에서 제1 농도의 부분 안정 지르코니아를 가지고, 제2 개별 상호접속층 (306)은 음극 계면 (226)에서 제2 농도의 부분 안정 지르코니아를 가진다. 음극 계면 (226)에서의 부분 안정 지르코니아 제2 농도는 양극 계면 (224)에서의 부분 안정 지르코니아 제1 농도보다 더 크다. 특정 실시태양에서, 제1 개별 상호접속층 (304)은 실질적으로 부분 안정 지르코니아를 포함하지 않는다. 예시적 실시예로서, 제1 개별 상호접속층 (304)은 세라믹 상호접속체 재료 (즉, LSTN4.0)를 포함하고, 제2 개별 상호접속층 (306)은 세라믹 상호접속체 재료 (즉, LSTN4.0) 및 부분 안정 지르코니아를 포함한다.
제1 개별 상호접속층 (304)의 두께는 도 2의 상호접속체 (202) 두께보다 작다. 또한, 제2 개별 상호접속층 (306)의 두께는 도 2의 상호접속체 (202) 두께보다 작다. 특정 실시태양에서, 제1 개별 상호접속층 (304) 및 제2 개별 상호접속층 (306)의 총 결합 두께는 도 2의 상호접속체 (202) 두께와 대략 동일하다. 하나의 실시태양에서, 제1 개별 상호접속층 (304) 두께는 제2 개별 상호접속층 (306) 두께와 대략 동일하다. 대안으로, 제1 개별 상호접속층 (304) 두께는 제2 개별 상호접속층 (306) 두께와 다르다. 예시적, 비-제한적 실시예로서, 제2 개별 상호접속층 (306)은 세라믹 상호접속체 재료 (즉, LSTN4.0) 및 부분 안정 지르코니아를 포함하고 제1 개별 상호접속층 (304)보다 더욱 두꺼울 수 있다.
특정 실시태양에서, 제1 개별 상호접속층 (304)의 평균 두께는 약 50 μm 이하, 예컨대 약 45 μm이하, 약 40 μm 이하, 약 35 μm 이하, 약 30 μm 이하, 또는 약 25 μm 이하이다. 제1 개별 상호접속층 (304)의 평균 두께는 약 2 μm 이상, 약 3 μm 이상, 약 4 μm 이상, 또는 약 5 μm 이상이다. 제1 개별 상호접속층 (304) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
제2 개별 상호접속층 (306)의 평균 두께는 약 50 μm 이하, 예컨대 약 45 μm이하, 약 40 μm 이하, 약 35 μm 이하, 약 30 μm 이하, 또는 약 25 μm 이하이다. 제2 개별 상호접속층 (306)의 평균 두께는 약 2 μm 이상, 약 3 μm 이상, 약 4 μm 이상, 또는 약 5 μm 이상이다. 제2 개별 상호접속층 (306) 평균 두께는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 제1 개별 상호접속층 (304) 다공도는 약 0.05 부피% 이상, 예컨대 약 0.1 부피%이상, 약 0.2 부피% 이상, 또는 약 0.5 부피% 이상이다. 제1 개별 상호접속층 (304) 다공도는 약 5 부피% 이하, 예컨대 약 4 부피% 이하, 약 3 부피% 이하, 또는 약 2 부피% 이하이다. 제1 개별 상호접속층 (304) 다공도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 제2 개별 상호접속층 (306) 다공도는 약 0.05 부피% 이상, 예컨대 약 0.1 부피%이상, 약 0.2 부피% 이상, 또는 약 0.5 부피% 이상이다. 제2 개별 상호접속층 (306) 다공도는 약 5 부피% 이하, 예컨대 약 4 부피% 이하, 약 3 부피% 이하, 또는 약 2 부피% 이하이다. 제2 개별 상호접속층 (306) 다공도는 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
특정 실시태양에서, 약 4 부피% H2 및 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기에서 제2 개별 상호접속층 (306)의 체적 도전율은 약 1 S/cm 이상 (즉, 약 800 ℃, 약 900 ℃, 또는 약 1000 ℃에서), 예컨대 약 2 S/cm이상, 약 3 S/cm 이상, 약 4 S/cm 이상, 또는 약 5 S/cm 이상이다. 포밍 가스 분위기에서 제1 개별 상호접속층 (304)의 체적 도전율은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
약 4 부피% H2 및 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기에서 제2 개별 상호접속층 (306)의 체적 도전율은 약 25 S/cm 이하, 예컨대 약 20 S/cm 이하, 또는 약 15 S/cm 이하이다. 포밍 가스 분위기에서 제2 개별 상호접속층 (306) 체적 도전율은 상기 임의의 최소값 및 최대값을 포함한 범위 내에 있을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
실시예들
본원에서 사용되는, 용어 “3Y”는 약 3.0 mol% Y2O3를 가지는 ZrO2 포함 부분 안정 지르코니아를 의미한다. 예시로서, 용어 “LST28-3Y5” 는 약 5 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 95 부피% LST28 세라믹 상호접속체를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LST28-3Y10” 는 약 10 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 90 부피% LST28를 포함하는 재료를 지칭하기 위하여 사용된다. 용어 “LST28-3Y15” 는 약 15 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 85 부피% LST28를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LST28-3Y20” 는 약 20 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 80 부피% LST28를 포함하는 재료를 의미한다.
용어 “LSTN4.0-3Y5” 는 약 5 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 95 부피% LSTN4.0 세라믹 상호접속체를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN4.0-3Y10” 는 약 10 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 90 부피% LSTN4.0 를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN4.0-3Y15”는 약 15 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 85 부피% LSTN4.0를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN4.0-3Y20” 는 약 20 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 80 부피% LSTN4.0를 포함하는 재료를 의미한다.
용어 “LSTN6.0-3Y5”는 약 5 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 95 부피% LSTN6.0 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN6.0-3Y10”는 약 10 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 90 부피% LSTN6.0 를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN6.0-3Y15”는 약 15 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 85 부피% LSTN6.0를 포함하는 재료를 의미한다. 용어 “LSTN6.0-3Y20”는 약 20 부피% 부분 안정 지르코니아 (즉, 약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2) 및 약 80 부피% LSTN6.0를 포함하는 재료를 의미한다.
실시예 1
세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아로부터예시적 상호접속체 재료들을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아를 포함한 각각의 예시적 상호접속체 재료에 대한 수축률 (dL/dT)을 팽창계로 측정하여 부분 안정 지르코니아 부재의 상호접속체 재료들과 비교하였다. 상세하게는, LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20에 대한 수축률을 측정하고 LST28 수축률과 비교하였다. LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, 및 LSTN4.0-3Y20에 대한 수축률을 측정하고 LSTN4.0 수축률과 비교하였다. LSTN6.0-3Y5, LSTN6.0-3Y10, LSTN6.0-3Y15, 및 LSTN6.0-3Y20 수축률을 측정하여 LSTN6.0에 대한 수축률과 대비하였다. 각각의 예시적 상호접속체 재료에 대하여 dL/dT 곡선의 피크 온도를 결정하였다.
도 4는 팽창계로 측정된 부분 안정 지르코니아의 부피%에 따른 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함한 예시적 상호접속체 재료들의 피크 온도를 도시한 것이다. 도 4에 의하면 LST28, LSTN4.0, 및 LSTN6.0에 부분 안정 지르코니아를 첨가하면 피크 온도를 떨어뜨렸고, 소결성 개선을 의미한다.
예를들면, LST28에 대한 피크 온도는 약 1493℃에서 LST28-3Y5에 대하여 약 1435℃로 감소하고, LSTN4.0에 대한 피크 온도는 약 1392℃에서 LSTN4.0-3Y5에 대하여 약 1316℃로 감소하고, LSTN6.0에 대한 피크 온도는 약 1361℃에서 LSTN6.0-3Y5에 대하여 약 1311℃로 감소하였다.
실시예 2
American Elements (Los Angeles, Calif.)에서 입수되는 LST28, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y5 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다 (free sintered). 도 5는 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y10 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 6은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y15 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 7은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y20 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 8은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다
무소결 공정 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)에 대하여 상대밀도를 측정하였다. 무소결 후 각각의 예시적 상호접속체 재료의 밀도는 아르키메데스 (Archimedes)법으로 측정하였다. 각각의 예시적 상호접속체 재료에 대한 이론밀도는 3YSZ, LST28, LSTN4.0 및 LSTN6.0의 이론밀도를 이용한 믹스 법칙 (mix law)에 기반하여 결정하였다. 각각의 예시적 상호접속체 재료에 대한 상대밀도 백분율은 측정밀도를 이론밀도로 나누어 결정된다.
예를들면, LST28-3Y5 상대밀도는 무소결 작업 후 이론밀도의 약 87.8%로 결정되었다. LST28-3Y10 상대밀도는 약 79.3%, LST28-3Y15 상대밀도는 약 77.1%, 및 LST28-3Y20 상대밀도는 75%로 결정되었다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)의 2축 굽힘강도를 측정하였다. 각각의 예시적 상호접속체 재료의2축 굽힘강도는 무소결 후 디스크 샘플들 (직경 = 25.4 mm 및 두께=2mm)에 대하여 지지 고리 (직경 = 20 mm) 및 로드 고리 (직경= 9.5 mm)를 이용한 고리 대 고리 방법 (ASTM-C1499-04)으로 측정하였다. 샘플 치수를 가지는 디스크 샘플의 절단 최대 하중을 이용하여 예시적 상호접속체 재료들의2축 굽힘강도를 결정하였다.
도 9는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)의2축 굽힘강도 (MPa)를 도시한 것이다.
예를들면, LST28의2축 굽힘강도 38.5 MPa와 비교하여 LST28-3Y5 2축 굽힘강도는 무소결 작업 후 약 48.6 MPa이다. LST28-3Y10의 2축 굽힘강도는 약 60.3 MPa, LST28-3Y15의 2축 굽힘강도는 약 59.3 MPa, 및 LST28-3Y20의 2축 굽힘강도는 63.9 MPa이었다.
실시예 3
American Elements (Los Angeles, Calif.)에서 입수되는 LST28, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y5 혼합물을 약 1500℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 10은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y10 혼합물을 약 1500℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 11은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y15 혼합물을 약 1500℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 12는 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)를 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피%이었다. 형성된 LST28-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 13은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20) 상대밀도를 결정하였다. 상대밀도는 실시예 2에 기재된 바와 같이 결정되었다.
예를들면, 무소결 작업 후 LST28-3Y5의 상대밀도는 이론밀도의 약 101.7%이었다. LST28-3Y10의 상대밀도는 약 101.6%, LST28-3Y15의 상대밀도는 약 101.3%, 및 LST28-3Y20의 상대밀도는 약 101.4%로 결정되었다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)의 2 축 굽힘강도를 측정하였다. 2축 굽힘강도는 실시예 2에 기재된 바와 같이 결정되었다.
도 14는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)에 대한2축 굽힘강도 (MPa)를 나타낸다.
예를들면, 무소결 작업 후 LST28-3Y5의2축 굽힘강도는 약 56.03 MPa로 LST28의2축 굽힘강도 62.59 MPa와 대비된다. LST28-3Y10 의2축 굽힘강도는 약 57.96 MPa, LST28-3Y15 의2축 굽힘강도는 약 98.02 MPa, LST28-3Y20 의2축 굽힘강도는 99.97 MPa로 결정되었다.
실시예 4
Saint-Gobain Corp. 에서 입수되는 LSTN4.0, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y5 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 15는 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y10 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 16은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y15 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 17은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y20 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 18은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, 및 LSTN4.0-3Y20)의 상대밀도를 측정하였다. 상대밀도는 실시예 2에 기재된 바와 같이 결정되었다.
예를들면, 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y5의 상대밀도는 이론밀도의 약 102.9%로 결정되었다. LSTN4.0-3Y10의 상대밀도는 약 103%, LSTN4.0-3Y15의 상대밀도는 약 102.5%, LSTN4.0-3Y20 의 상대밀도는 약 102.2%로 결정되었다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, 및 LSTN4.0-3Y20)의2축 굽힘강도를 측정하였다. 2축 굽힘강도 테스트는 실시예 2에 기재된 바와 같이 수행되었다.
도 19는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, 및 LSTN4.0-3Y20)의2축 굽힘강도 (MPa)를 도시한 것이다.
예를들면, 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y5의 2축 굽힘강도는 약 72.7 MPa로 결정되고 LSTN4.0의 2축 굽힘강도85.09 MPa와 대비된다. LSTN4.0-3Y10 의 2축 굽힘강도는 약 86.21 MPa, LSTN4.0-3Y15 의 2축 굽힘강도는 약 97.51 MPa, LSTN4.0-3Y20 의 2축 굽힘강도는 113.02 MPa로 결정되었다.
실시예 5
Saint-Gobain Corp. 에서 입수되는 LSTN6.0, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LSTN6.0-3Y5 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 20은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN6.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LSTN6.0-3Y10 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 21은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN6.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LSTN6.0-3Y15 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 22는 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
LSTN6.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LSTN6.0-3Y10 혼합물을 약 1320℃에서 약 1시간 무소결하였다. 도 23은 무소결 작업 후10k 배율의 SEM 사진이다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y5, LSTN6.0-3Y10, LSTN6.0-3Y15, 및 LSTN6.0-3Y20)의 상대밀도를 측정하였다. 상대밀도는 실시예 2에 기재된 바와 같이 결정되었다.
예를들면, 무소결 작업 후 LSTN6.0-3Y5의 상대밀도는 이론밀도의 약 102.3%로 결정되었다. LSTN6.0-3Y10의 상대밀도는 약 102.7%, LSTN6.0-3Y15의 상대밀도는 약 102.4%, LSTN4.0-3Y20 의 상대밀도는 약 102.2%로 결정되었다.
무소결 작업 후 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y5, LSTN6.0-3Y10, LSTN6.0-3Y15, 및 LSTN6.0-3Y20)의2축 굽힘강도를 측정하였다. 2축 굽힘강도 테스트는 실시예 2에 기재된 바와 같이 수행되었다.
도 24는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN6.0-3Y5, LSTN6.0-3Y10, LSTN6.0-3Y15, 및 LSTN6.0-3Y20)의2축 굽힘강도 (MPa)를 도시한 것이다.
예를들면, 무소결 작업 후 LSTN6.0-3Y5의 2축 굽힘강도는 약 57.2 MPa로 결정되고 LSTN6.0의 2축 굽힘강도50.8 MPa와 대비된다. LSTN6.0-3Y10 의 2축 굽힘강도는 약 77.7 MPa, LSTN6.0-3Y15 의 2축 굽힘강도는 약 88.5 MPa, LSTN6.0-3Y20 의 2축 굽힘강도는 113.92 MPa로 결정되었다.
실시예 6
American Elements (Los Angeles, Calif.)에서 입수되는 LST28, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y5 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다.
무소결 후 바 샘플들 (4mm × 5mm × 30mm)에 대하여 다음 절차에 따라 약 1500 ℃에서 약 6 시간에 걸쳐 팽창계에서 각각의 예시적 상호접속체 재료의 화학적 팽창율을 측정하였다. 바 샘플들을 가열속도 5 ℃ /min로 공기 중에서 1200 ℃로 가열하고 가열 과정에서 각각의 샘플의 CTE를 측정하였다. 바 샘플들을 5 ℃ /min로900 ℃까지 냉각하고 공기 중 1시간 유지한 후, 1시간 동안 질소로 분위기를 전환하고; 마지막으로 4% H2 + 96% N2 포밍 가스로 전환하고 12시간 유지하였다. 포밍 가스에 유지하는 동안 바 샘플 팽창 비율을 각각의 예시적 상호접속체 재료의 화학 팽창율로서 결정하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y10 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. LST28-3Y5에 대하여 상기된 화학적 팽창 테스트를 무소결 작업 후 LST28-3Y10에 대하여 수행하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y15 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 상기된 화학적 팽창 테스트를 무소결 작업 후 LST28-3Y15에 대하여 수행하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 상기된 화학적 팽창 테스트를 무소결 작업 후 LST28-3Y20에 대하여 수행하였다.
도 25는 LST28와 대비되는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)에 대한 화학적 팽창율을 도시한 것이다.
실시예 7
Saint-Gobain Corp. 에서 입수되는 LSTN4.0, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y5 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 6에 기재된 화학적 팽창율 테스트를 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y5에 대하여 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y10 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 6에 기재된 화학적 팽창율 테스트를 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y10에 대하여 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y15 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 6에 기재된 화학적 팽창율 테스트를 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y15에 대하여 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 6에 기재된 화학적 팽창율 테스트를 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y20에 대하여 수행하였다.
Saint-Gobain Corp. 에서 입수되는 LSTN6.0, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LSTN6.0-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 6에 기재된 화학적 팽창율 테스트를 무소결 작업 후 LSTN6.0-3Y20에 대하여 수행하였다.
도 26은 LSTN4.0와 대비되는 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, LSTN4.0-3Y20, 및 LSTN6.0-3Y20)의 화학적 팽창율을 보인다.
실시예 8
American Elements (Los Angeles, Calif.)에서 입수되는 LST28, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y5 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 약 4 mol% H2 내지 약 96 mol% N2 의 포밍 가스 분위기 및 약 1000℃에서 전도도 테스트를 수행하였다.
공기 중 약 1500 ℃에서 약 6 시간 무소결 후 바 샘플들 (4mm × 5mm × 30mm)에 대하여4-프로브 방법으로 각각의 예시적 상호접속체 재료의 체적 도전율을 측정하였다. 약 800 ℃에서 약 16 시간 동안 포밍 가스에서 바 샘플들을 유지하였다. 이후 바 샘플들은 가열속도 5 ℃ /min로 약 1000 ℃까지 가열하고 약 4 시간 포밍 가스에 유지시키고, 두 프로브들을 통해 일정 전류를 흘리고 다른 두 프로브들에서 전압 강하를 측정하여 옴 법칙으로 계산하여1000 ℃에서 전도도를 측정하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y10 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LST28-3Y10에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y15 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LST28-3Y15에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
LST28, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LST28-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LST28-3Y20에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
도 27은 포밍 가스 분위기 및 약 1000℃에서 측정된 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LST28-3Y5, LST28-3Y10, LST28-3Y15, 및 LST28-3Y20)의 체적 도전율 (S/cm)을 보인다.
실시예 9
Saint-Gobain Corp. 에서 입수되는 LSTN4.0, 및 Tosoh USA에서 입수되는 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 5 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y5 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 실시예 8에 기재된 바와 같이, 약 4 mol% H2 내지 약 96 mol% N2 의 포밍 가스 분위기 및 약 800℃, 약 900℃, 및 약 1000℃에서 전도도 테스트를 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 10 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y10 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y10에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 15 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y15 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y15에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
LSTN4.0, 및 부분 안정 지르코니아 (약 3.0 mol% Y2O3로 부분 안정화되는 ZrO2)을 볼 밀링하여 혼합물을 형성하였다. 부분 안정 지르코니아는 혼합물 총 부피의 약 20 부피% 이었다. 얻어진 LSTN4.0-3Y20 혼합물을 약 1500℃에서 약 6시간 무소결하였다. 무소결 작업 후 LSTN4.0-3Y20에 대하여 상기 전도도 테스트를 수행하였다.
도 28은 포밍 가스 분위기 및 약 1000℃에서 측정된 각각의 예시적 상호접속체 재료 (LSTN4.0-3Y5, LSTN4.0-3Y10, LSTN4.0-3Y15, 및 LSTN4.0-3Y20)에 대한 체적 도전율 (S/cm)을 나타낸 것이다.
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 한정되어서는 아니된다.
청구범위 및 의미를 해석 또는 한정하는 것이 아니라고 이해하면서 요약서가 특허법에 부합되도록 제공된다. 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 (50)

  1. 상호접속체에 있어서, 고체 산화물 연료전지 물품의 제1 전극 및 고체 산화물 연료전지 물품의 제2 전극 사이에 배치되며, 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성되고, 상기 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피% 범위에 있는, 상호접속체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 1 부피% 내지 약 70 부피%, 예컨대 약 5 부피% 내지 약 70 부피%, 약 10 부피% 내지 약 70 부피%, 약 15 부피% 내지 약 70 부피%, 또는 약 20 부피% 내지 약 70 부피% 범위에 있는, 상호접속체.
  3. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 1 부피% 내지 약 60 부피%, 예컨대 약 1 부피% 내지 약 50 부피%, 약 5 부피% 내지 약 50 부피%, 약 10 부피% 내지 약 50 부피%, 약 15 부피% 내지 약 50 부피%, 약 20 부피% 내지 약 50 부피%, 또는 약 20 부피% 내지 약 40 부피% 범위에 있는, 상호접속체.
  4. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상의 평균 입자 크기 A는 약 40 μm 이하 및 약 0.05 μm 이상인, 상호접속체.
  5. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상의 평균 입자 크기 B는 세라믹 상호접속체 재료를 포함하는 제1 상의 평균 입자 크기보다 작은, 상호접속체.
  6. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 상은 연속 상이고 제2 상은 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 불연속 상이고, 대부분의 제2 상 내용물은 제1 상의 입자 경계들에 배치되는, 상호접속체.
  7. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체의 2축 굽힘강도는 약 40 MPa 이상 및 약 200 MPa 이하인, 상호접속체.
  8. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 약 4 부피% H2 내지 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기에서 상호접속체의 체적 도전율은 약 1 S/cm 이상 및 약 25 S/cm 이하인, 상호접속체.
  9. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상은 정방정 구조에서 단사정 구조로 상변태되며, 상변태 과정에서 제2 상은, 약 3 부피% 내지 약 5 부피%의 체적 변화가 일어나는, 상호접속체.
  10. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 ZrO2 및 안정화 산화물을 포함하는, 상호접속체.
  11. 제10항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 부분 안정 지르코니아 총 몰의 약 0.1 mol% 이상의 안정화 산화물을 포함하고, 부분 안정 지르코니아는 부분 안정 지르코니아 총 몰의 약 8.0 mol% 이하의 안정화 산화물을 포함하는, 상호접속체.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 안정화 산화물은 Y2O3, CeO2, CaO, 및 MgO로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 안정화 산화물을 포함하는, 상호접속체.
  13. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTiO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하인, 상호접속체.
  14. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTi1-yNbyO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하이고, y는 약 0.001 이상 및 약 0.25 이하인, 상호접속체.
  15. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료는 LaxSr1-xTi1-yMnyO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 및 약 0.50 이하이고, y는 약 0.001 이상 및 약 0.70 이하인, 상호접속체.
  16. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료 Sr1-1.5zYzTiO3을 포함하고, 식 중 z는 약 0.001 이상 및 약 0.30 이하인, 상호접속체.
  17. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 세라믹 상호접속체 재료는 Sr1-0.5kNbkTi1-kO3을 포함하고, 식 중 k는 약 0.001 이상 및 약 0.30 이하인, 상호접속체.
  18. 상기 항들 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체 다공도는 약 0.05 부피% 이상 및 약 5 부피% 이하인, 상호접속체.
  19. 고체 산화물 연료전지 물품에 있어서:
    양극;
    음극; 및
    상호접속체로 구성되고, 상호접촉체는 양극 및 음극 사이에 배치되고, 상호접속체는 란탄 도핑된 스트론튬 티타네이트 (LST) 재료를 포함하는 제1 상 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상으로 구성되고, 상기 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피% 범위인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  20. 제19항에 있어서, LST 재료는 약 0.5 mol% Nb2O5 내지 약 8.0 mol% Nb2O5 범위의 Nb2O5로 도핑되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, LST재료는 약 4.0 mol% Nb2O5 로 도핑되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, LST 재료는 약 6.0 mol% Nb2O5 로 도핑되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 ZrO2 및 약 1.0 mol% Y2O3 내지 약 5.0 mol% Y2O3 범위의 Y2O3를 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 약 3.0 mol% Y2O3 를 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 1 부피% 내지 약 70 부피% 범위인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  26. 제19항 내지 제25항 중 어느 하나의 항에 있어서, LST 재료를 포함하는 제1 상의 평균 입자 크기 A는 약 40 μm 이하, 및 약 0.05 μm 이상인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  27. 제19항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상의 평균 입자 크기 B는 LST 재료를 포함하는 제1 상의 평균 입자 크기 B보다 작은, 고체 산화물 연료전지 물품.
  28. 제29항에 있어서, 평균 입자 크기 B는 평균 입자 크기 A보다 적어도 약 5% 더 작고, 이때 입자 크기 간의 차이비율은 식: [(A - B)/A]*100%에 기초하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  29. 제19항 내지 제28항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상의 평균 입자 크기 B는 약 15 μm 이하, 및 약 0.01 μm 이상인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  30. 제19항 내지 제29항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 상은 연속 상이고 제2 상은 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 불연속 상이고 대부분의 제2 상 내용물은 제1 상의 입자 경계들에 배치되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  31. 제19항 내지 제30항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체의 2축 굽힘강도는약 40 MPa 이상, 및 약 200 MPa 이하인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  32. 제19항 내지 제31항 중 어느 하나의 항에 있어서, 약 4 부피% H2 내지 약 96 부피% N2 로 구성되는 포밍 가스 분위기에서 상호접속체의 체적 도전율은1 S/cm 이상 및 약 25 S/cm 이하인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  33. 제19항 내지 제32항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아를 포함하는 제2 상은 정방정 구조에서 단사정 구조로 상변태되며, 상변태 과정에서 제2 상은, 약 3 부피% 내지 약 5 부피%의 체적 변화가 일어나는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  34. 제19항 내지 제33항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아의 정방정에서 단사정으로의 상변태 온도는 고체 산화물 연료전지 물품 공정 온도보다 낮은, 고체 산화물 연료전지 물품.
  35. 제34항에 있어서, 상기 공정 온도는 약 700 ℃ 내지 약 1000 ℃인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  36. 제19항 내지 제35항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 ZrO2 및 안정화 산화물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  37. 제36항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 부분 안정 지르코니아 총 몰의 약 0.1 mol% 이상의 안정화 산화물, 및 부분 안정 지르코니아 총 몰의 약 8.0 mol% 이하의 안정화 산화물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  38. 제19항 내지 제37항 중 어느 하나의 항에 있어서, 안정화 산화물은 Y2O3,CeO2, CaO, 및 MgO로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나의 안정화 산화물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  39. 제19항 내지 제38항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체 다공도는 약 0.05 부피% 이상, 및 약 5 부피% 이하인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  40. 제19항 내지 제39항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체의 평균 두께는 약 100 μm 이하, 및 약 5 μm 이상인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  41. 고체 산화물 연료전지 물품에 있어서,
    양극;
    음극; 및
    상호접속체로 구성되고, 상호접촉체는 양극 및 음극 사잉에 배치되고, 상호접속체는 제1 상 및 제2 상으로 구성되고, 상호접속체는 상호접속체 및 양극 계면에서 제1 농도의 부분 안정 지르코니아를 가지고, 상호접속체는 상호접속체 및 음극 계면에서 제2 농도의 부분 안정 지르코니아를 가지고, 제1 농도는 제2 농도와 다른, 고체 산화물 연료전지 물품.
  42. 제41항에 있어서, 상호접속체는:
    상호접속체 및 양극 계면에서 제1 농도의 부분 안정 지르코니아를 가지는 제1 개별 상호접속층; 및
    상호접속체 및 음극 계면에서 제2 농도의 부분 안정 지르코니아를 가지는 제2 개별 상호접속층로 구성되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  43. 제41항 내지 제42항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상호접속체 및 음극 계면에 있는 부분 안정 지르코니아의 제2 농도는 상호접속체 및 양극 계면에 있는 부분 안정 지르코니아의 제1 농도보다 더 큰, 고체 산화물 연료전지 물품.
  44. 제41항 내지 제43항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 개별 상호접속층은 실질적으로 부분 안정 지르코니아를 포함하지 않는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  45. 제41항 내지 제44항 중 어느 하나의 항에 있어서, 부분 안정 지르코니아는 상호접속체 총 부피의 약 1 부피% 내지 약 70 부피% 범위인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  46. 제41항 내지 제45항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 상은 연속 상이고 제2 상은 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 불연속 상이고 대부분의 제2 상 내용물은 제1 상의 입자 경계들에 배치되는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  47. 제41항 내지 제46항 중 어느 하나의 항에 있어서, 안정화 산화물은 Y2O3, CeO2, CaO, 및 MgO로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 안정화 산화물을 포함하는, 고체 산화물 연료전지 물품.
  48. 제41항 내지 제47항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 상은 LaxSr1-xTi1-yNbyO3을 포함하고, 식 중 x는 약 0.001 이상 약 0.50 이하, 및 y는 약 0.001 이상 및 약 0.25 이하인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  49. 제41항 내지 제48항 중 어느 하나의 항에 있어서, 제1 상은 Sr1-1.5zYzTiO3을 포함하고, 식 중 z는 약 0.001 이상 및 약 0.30 이하인, 고체 산화물 연료전지 물품.
  50. 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체 형성방법에 있어서, 상기 방법은 제1 상인 세라믹 상호접속체 재료 및 제1 상에 실질적으로 균일하게 분산된 제2 상인 부분 안정 지르코니아의 소결단계를 포함하고, 부분 안정 지르코니아는 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아의 총 부피의 약 0.1 부피% 내지 약 70 부피% 범위인, 고체 산화물 연료전지 물품의 상호접속체 형성방법.
KR1020147019086A 2011-12-22 2012-12-21 세라믹 상호접속체 재료 및 부분 안정 지르코니아를 포함하는 고체 산화물 연료전지 상호접촉체들 KR20140102741A (ko)

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