KR20150064046A - Hte 전해기 또는 sofc 연료 셀의 연결자를 구성하는 부품 및 그것과 관련된 제조 방법 - Google Patents

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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄 에뜨 옥스 에너지스 앨터네이티브즈
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Abstract

본 발명은 기저 금속이 철(Fe) 또는 니켈(Ni)인 크로미아-형성 금속 합금(82)으로 이루어지고 2개의 메인 플랫 면들을 가진 기판을 포함하는 부품(8)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 메인 플랫 면들 중 하나에는 H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널(800)들을 정의할 수 있도록 홈이 파여져 있는 두꺼운 세라믹 층(80)을 포함하는 코팅으로 코팅되어 있고(또는 있거나), 상기 메인 플랫 면들 중 다른 하나에는 H2O 증기, H2, O2 또는 배기 가스와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널(810)들을 정의할 수 있도록 홈이 파여져 있는 두꺼운 금속 층(81)으로 코팅되어 있다. 본 발명은 또한 관련된 제조 공정과도 관련이 있다.

Description

HTE 전해기 또는 SOFC 연료 셀의 연결자를 구성하는 부품 및 그것과 관련된 제조 방법 {Component constituting an HTE electrolyser interconnector or SOFC fuel cell interconnector and associated production processes}
본 발명은 고체 산소 연료 셀(SOFC) 및 고온 전기분해(HTE) 또는 고온 스팀 전기분해(HTSE)와 관련된 것이다.
본 발명은 고온 환경에 노출되거나, HTE 전해기에 있어서 H2O/H2 증기(습식 수소 또는 수소가 많은 증기) 또는 SOFC 셀에 있어서 H2 가스에 풍부하게 형성되는 환원 분위기에 노출되거나, HTE 전해기에 있어서 O2 가스 또는 SOFC 셀에 있어서 공기에 풍부하게 형성되는 산화 분위기에 노출되는 연결자 디바이스를 구성하는 금속 합금으로 이루어진 부품에 대한 것으로서, 그것의 기능들 중에 하나는 HTE 전해기에 있어서 전류의 통과를 보장하는 것이다.
연결자 또는 연결자 플레이트로 알려진 전기적이고 유체 공학적인 연결자 디바이스는, HTE 전해기들 및 셀들의 적층체에서 각각의 전기화학적 셀(전기분해 셀)을 직렬로 연결함으로써 각 셀의 생산을 통합시키는 디바이스이다. 상기 연결자는 전류를 운송하고 모으는 기능을 해야 하고 가스들의 순환 구획(분산 및/또는 포집)들을 정의할 수 있어야 한다.
그러한 기능들 이외에도, 상기 연결자는 HTE 전해기의 양극 측 상에서 H2O/H2 증기에 풍성하게 형성되는 분위기와 같이 600 내지 900℃ 사이의 매우 높은 온도 범위에서 매우 산화성을 띠는 분위기에서 부식을 견딜 수 있어야 한다. 그러한 분위기는 전해기들의 내구성에 악영향을 미친다.
또한, 상기 연결자는 그러한 분위기 내에서 양극 부분으로 알려진 양극들을 가지는 구획들과 음극 부분으로 알려진 음극들을 가지는 구획들 사이에서 누설에 대한 양호한 밀봉성을 유지할 수 있도록 전기화학적 셀들과 유사한 열변형 거동을 가져야 한다.
본 발명은 보다 구체적으로 지간(interdigital) 또는 채널 플레이트 타입의 연결자에 대한 생산을 단순화하고 그것의 제조 비용을 절감함으로써 해당 연결자를 장착하고 있는 HTE 전해기 또는 SOFC 연료 셀의 제조 단가를 줄이고자 한다.
본 발명은 또한 연결자와 그것이 대향하고 있는 전기화학적 셀 사이의 전기적 접촉을 개선시키고자 한다.
SOFC 연료 셀 또는 HTE 전해기는 각각이 고체 산소 전기화학적 셀을 포함하는 기본 유닛들의 적층체로 이루어진다. 각 셀은 겹쳐서 쌓은 음극/전해질/양극의 3개 층들과 이극판(bipolar plate)이라고도 알려진 금속 합금으로 이루어진 연결자 플레이트 또는 연결자로 이루어진다. 상기 연결자의 기능은 전류의 흐름과 각 셀의 영역(HTE 전해기에서는 증기가 주입되고 수소와 산소가 추출됨; SOFC 셀에서는 공기와 수소가 주입되고 물이 추출됨)에서 가스들의 순환을 모두 보장하고, 셀들의 음극 및 양극 측 각각에서 가스들의 흐름을 위한 구획에 해당하는 음극 구획과 양극 구획의 분리를 보장하는 것이다.
고온, 전형적으로는 600 내지 950℃ 사이의 고온에서 증기의 HTE 전기분해를 수행하기 위해서는, H2O 증기가 양극 구획 측으로 주입된다. 셀에 인가되는 전류의 영향에 의해, 기체 형태의 물 분자들에 대한 분해가 수소 전극(양극) 및 전해질 사이의 계면에서 일어난다. 이러한 분해는 이수소(dihyrogen) H2 가스와 산소 이온을 생산한다. 이수소(dihydrogen)는 채집되어 수소 전극 구획의 출구에서 배출된다. 산소 이온 O2-는 전해질 측으로 이동하여 전해질과 산소 전극(음극) 사이의 계면에서 이산소(dioxygen, O2)로서 재 결합된다.
SOFC 연료 셀의 기능을 보장하기 위해서, 공기(산소)는 양극 구획 쪽으로 주입되고, 수소는 음극 구획 쪽으로 주입된다. 수소 H2는 H+ 이온들로 바뀌고 음극에 의해 포획될 전자를 방출한다. 상기 H+이온들은 양극으로 이동하여 공기의 산소로부터 만들어진 O2- 이온들과 결합하여 물을 형성한다. 이러한 H+ 이온들과 전자들이 양극 측으로 이동하는 것은 수소로부터 연속적인 전기적 흐름을 생성한다.
HTE 전해기의 기능 조건들은 SOFC 연료 셀과 매우 흡사하기 때문에, 동일한 기술적인 제한이 발견되는데, 주로 서로 다른 물질들(세라믹들과 금속 합금들)의 적층체가 겪는 열적 사이클에 대한 기계적 강도, 음극과 양극 구획들 사이의 누설 밀봉성 유지, 금속 연결자의 시효(aging) 열화에 의한 내성과 상기 적층체의 여러 가지 계면들에서 생기는 오믹 손실의 최소화가 그것이다.
크로미아-형성 페라이트계 스테인레스 스틸은 SOFC 고온 연료 셀에서 이미 합금으로서 성공적으로 사용된 바 있기 때문에 HTE 전해기를 위해 가장 유망한 연결자 합금 중 하나이다[1-3]. 그러한 연결자 합금들 중에서, 600 내지 900℃ 사이의 온도에서 동작하는 것으로서, 'ThyssenKrupp VDM(회사명)'이 Fe-22%Cr을 기반으로 하여 상용화한 'Crofer 22 APU' 및 'Crofer 22 H'라는 이름의 합금, 'Sandvik(회사명)'이 Fe-22%Cr을 기반으로 하여 상용화한 'Sanergy HT'라는 이름의 합금, 'APERAM(회사명)'에 의해 생산된 'K41X'라는 이름의 제품이 있다.
이러한 타입의 합금들은 셀 물질들 수준의 영역에서 열 팽창 계수를 가지며 다른 금속 물질들과 비교하였을 때 상대적으로 양호한 부식 내성을 가진다. 그럼에도 불구하고, 그러한 합금은 첫 번째로 산화로부터의 보호와 함께 동작 조건 하에서 산화가 일어나는 측에서 공기와 함께 전극을 오염시켜 그것의 기능을 상당히 저하시키는 Cr의 증발을 방지하는 것을 의도한 복수의 코팅을 요구하고, 두 번째로 연결자와 셀 사이의 전기적 저항을 최소화시킬 수 있는 코팅을 요구한다.
공기 중에서 산화되는 것에 대한 그러한 합금들의 저항성은 크롬이 많은 산화물(크로미아 Cr2O3 및 스피넬 산화물 (Cr,Mn)3O4)로 이루어진 표면층의 형성에 의해 보장될 수 있다[4].
그런데, 표면에 아무것도 없는 그러한 합금들은 산소 전극과 접하는 연결자, 즉 SOFC 양극 연결자와 HTE 음극 연결자에 적용되었을 경우 충분한 시간 동안 동작 요구 조건들이 완전하게 충족되지 않는다고 알려져 있다. 첫 번째로, 전류의 집전과 연관된 표면 비저항(ASR)이 산소 전극 측에서 너무 높아진다[1,3]. 또한, 수소 전극 측에서 보면, 습기가 있는 수소 분위기에서의 ASR이 공기 중에서의 ASR보다 더 크다[5]. 또한, 동작 온도에서 크로미아 Cr2O3의 휘발성은, SOFC 산소 전극(SOFC 양극)에 대해서 관찰되는 것과 비교했을 때 HTE 산소 전극(HTE 음극)의 오염을 더 유발시키며 이러한 오염은 기능의 열화와 함께 수반된다.
본 명세서가 참조하는 상기 문서들은 SOFC 셀 연결자 또는 산소 전극을 면하고 있는 연결자의 표면에 대한 코팅들에 대해서 기술하고 있다[6]. 그러한 코팅들은 크롬의 증발을 제한하는 고유한 기능, 즉 SOFC 셀들의 양극 구획들에서 공기 중, 즉 대기 중에서 합금의 양호한 산화 저항성을 보장하는 고유한 기능을 가진다. 그러한 코팅들 중에서, 연결자들의 기하학적 형상에 부합되도록 2개의 전도성 세라믹 층들로 이루어진 증착물을 생성하는 것은 잘 알려진 관행인데, 하나의 층은 금속 합금이 산화 구획에서 산화되는 것을 보호하는 기능을 하는 보호층으로서 알려져 있고, 두 번째 층은 연결자와 셀 사이의 전기적 접촉을 개선하기 위한 전기적 접촉층으로서 알려져 있으며 그것의 평평도는 흔히 완전하지 않고 평평도 오차를 측정해 보면 10 내지 20um 정도가 된다.
연결자들에 대한 기하학적 구조와 관련하여, 도면 1, 1a 및 1b는 HTE 전해기와 SOFC 연료 셀들에서 공통적으로 사용되는 채널 플레이트(1)를 보여준다. 전극에서의 전류 이송이나 집전은 해당되는 전극과 직접적으로 기계적인 접촉을 이루는 이빨(tooth) 또는 리브(10)들에 의해 수행된다. 도 1에 있어서, HTE 전해기에서 양극에서의 증기 유입 또는 음극 에서의 배기 가스(draining gas)의 유입, 그리고 SOFC 셀에서 양극에서의 공기(O2) 유입 또는 음극에서의 수소 유입은 화살표로서 나타냈다. HTE 전해기에 있어서, 양극에서 생성되는 수소의 포집 또는 음극에서 생성되는 산소의 포집, 그리고 SOFC 셀에 있어서 양극에서 생성되는 물의 포집 또는 음극에서의 잉여 수소의 포집은 셀들의 적층체에서 유체 공학적인 연결로서 공통적으로 나타나는 소위 '매니폴드'라고 알려진 채널(11)들에 의해 수행된다. 그러한 연결자들의 구조는 가스/전류의 도입과 포집이라는 2가지 기능들 사이의 절충을 달성하기 위해서 만들어진다.
다른 연결자 플레이트(1)가 이미 제안되었다. 그것은 도 2에서 화살표에 의해 나타낸 유체의 순환을 가진 것으로 나타냈는데, 그것의 구조는 지간(interdigital) 타입이다.
이러한 채널 플레이트 또는 지간 구조 플레이트의 단점은 그것들을 제조하기 위한 기술과 관련이 있다. 따라서, 이러한 플레이트 구조들은 생성된 가스들의 포집 존 그리고 가스 분산 채널을 벌크 형태의 절삭에 의해 형성하기 위해 일반적으로 5-10mm의 두께를 요구한다. 그러한 절삭된 플레이트에 대한 사진 형태의 예시가 도 3에 주어져 있다. 재료와 절삭 비용은 높은데, 이는 절삭된 채널의 피치에 대한 촘촘함(fineness)과 직접적으로 관련이 있다. 보다 구체적으로, 채널 사이의 거리는 1mm 미만이다.
압연 후에 레이저 용접에 의해 조립한 0.5 내지 2mm 정도의 얇은 시트 금속들의 사용이 이미 시험된 바 있다. 압연된 시트 금속들을 결집시켜서 얻은 그러한 플레이트에 대한 사진 형태의 예시가 도 4에 주어져 있다. 이 기술은 출발 재료의 비용을 낮게 제한한다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 절삭 가공만큼 높은 촘촘한 선밀도를 구현하기 어렵게 만든다. 특히, 채널 깊이, 단위 이빨의 폭 및 이빨들 사이의 피치에 대한 다양한 형태의 제조가 제한된다. 게다가, 압연 공구의 비용 때문에 대규모의 생산을 필요하게 만든다.
셀들과 연결자들 사이의 전기적 접촉과 셀에 대한 유체의 조정을 개선하기 위한 목적을 가지고 많은 개발들이 이루어졌다.
미국 특허 US6106967은 금속(슈퍼 합금)으로 이루어진 평평하고 얇은 연결자(1-10mm)와 유체들의 분산을 보장하는 내부 채널들을 가지고 있는 전극들을 가진 전기화학적 셀을 제안하고 있다. 하지만, 그러한 솔루션은 유체들의 양호한 분산을 허용한다는 장점을 가지고 있지만 금속과 전극들 사이의 전기적 접촉에 대한 질을 전혀 개선하지 못한다. 게다가, 그러한 셀들은 복잡하고 결과적으로 제조하기에 비싸다.
미국 특허 출원 US2004/0200187은 전극들과 평평한 금속 세퍼레이터(슈퍼 합금) 사이에 금속(크롬 기반의 합금 또는 귀금속 기반의 합금)으로 이루어지고 물결이 져 있는 구조를 개재시키는 것을 제안하고 있다. 이러한 구조는 전극들과 세퍼레이터 사이의 전기적 접촉을 확실하게 한다. 이 솔루션은 양극 구획(SOFC)에 적용된다는 단점, 결과적으로는 물결이 져 있는 구조가 실질적으로 산화되게 하는 단점을 가진다.
특허 출원 WO2010/085248은 절삭된 연결자에 다공성의 금속층을 용접하여 부가하는 것을 제안하고 있다. 이 층은 바람직하게는 니켈 플레이트로서, 셀의 어느 한쪽 위에, 즉 음극 및 양극과 접촉되도록 놓여진다. 하지만 그 플레이트는 다른 물성을 가진 금속으로 이루어진 연결자에 일체로 부착되기 때문에 온도가 상승하면 바이메탈 효과에 의하여 휘어버리게 된다. 이러한 바이메탈 효과의 결과는 셀의 전기적 접촉에 대한 손실을 가져오거나 셀의 열화를 초래한다. 게다가, 양극 구획(SOFC)에 니켈 플레이트를 위치시키면 그것의 산화가 결국 높은 전기적 저항을 초래한다.
미국 특허 출원 US2002/0048700은 전극들과 평평한 연결자 사이에 놓을 수 있는 금속 쇠살대(grate)의 사용을 제안하고 있다. 이러한 쇠살대의 목적은 전극들로의 가스 분산을 향상시키는데 있다. 그것은 또한 셀의 어느 쪽이든, 즉 산화 구획(양극) 및 환원 구획(음극)에 놓을 수 있다. 바람직하게 선택되는 금속은 니켈 또는 구리이다. 하지만, 산화 매질 내에서 산화 내성이 나쁘기 때문에, 니켈 또는 구리 또는 이들의 합금은 저항이 높은 산화층을 형성한다. 따라서 이 솔루션은 실행 불가능하다.
캐나다 특허 출원 CA2567673은 평평한 연결자 위에 층들의 증착을 제안하고 있다. 그 층들은 전기화학적 셀의 열변형 거동(열 팽창 계수)에 적응시키기 위한 의도로 용매, 고분자들, 제1상 및 제2상으로 구성된 현탁액으로부터 증착된다. 음극 측의 경우, 상기 제1상은 바람직하게 Ni, Ag, Au, Pt, Pd, Rh, Cu, Co 또는 이들의 산화물 또는 도핑된 세륨 산화물 또는 다른 전도성 산화물로 이루어진다. 상기 제2상은 Al2O3, MgO, TiO2와 같은 산화물, 망간계 산화물 또는 ZrO2일 수 있다. 양극 측의 경우, 상기 제1상은 망가나이트(manganite) 또는 보다 넓게는 전도성 페로브스카이트(perovskite)로 구성된다. 상기 제2상은 귀금속으로 구성되거나 CuO, La2O3, SrO와 같은 산화물로 구성되거나, 망간 산화물 또는 코발트 산화물로 구성될 수 있다. 상기 현탁액은 디핑, 스프레잉 또는 스크린 프린팅과 같은 다양한 공법에 의해 적용될 수 있다. 600-1000℃ 사이의 열 처리는 유기 물질의 제거를 가능하게 한다. 이 솔루션은 음극 및 양극 구획에 특히 적합한 물질을 제공한다는 장점을 가지지만, 평평한 연결자와 전극들 사이의 유체 분산을 적절하게 처리할 수 없다. 게다가, 열 처리 이후에 남는 층의 높은 다짐도 때문에 그 층들에 의해 형성된 압력의 손실은 셀들의 양호한 기능에 치명적이다.
따라서, 제조 기술을 단순화시키고 제조 비용을 절감하기 위해서, 전극들로의 양호한 기체 분산을 보장하기 위해서, 연결자들과 전기화학적 셀들 사이의 열변형 차이에 대한 양호한 적응을 허용하기 위해서, 연결자의 산화로부터 유래하는 크롬의 확산에 대항하여 양극(SOFC)을 보호하기 위해서, 그리고 전극들과 연결자 사이의 양호한 전기적 접촉을 얻기 위해서, SOFC 셀들 또는 HTE 전해기들에 대한 연결자를 개선해야 할 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 적어도 그러한 필요를 부분적으로 만족시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 상술한 목적을 달성할 수 있고 제조하기에 큰 비용이 소요되지 않는 연결자를 제안하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명은 상기 목적을 위하여 크로미아-형성 타입의 금속 합금으로 이루어진 기판을 포함하는 부품에 관한 것으로서, 상기 기판의 기저 원소는 철(Fe) 또는 니켈(Ni)이고, 기판은 2개의 메인 플랫 면들을 가지고, 상기 메인 플랫 면들 중 하나는 두꺼운 세라믹 층을 포함하는 코팅으로 코팅되어 있고, 상기 두꺼운 세라믹 층은 홈이 파여있고, H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 기체들을 분산 및/또는 포집시키는데 적합한 채널들을 정의한다.
본 발명은 또한 크로미아-형성 타입의 금속 합금으로 이루어진 기판을 포함하는 부품에 관한 것으로서, 상기 기판의 기저 원소는 철(Fe) 또는 니켈(Ni)이고, 기판은 2개의 메인 플랫 면들을 가지고, 상기 메인 플랫 면들 중 하나는 두꺼운 금속 층으로 코팅되어 있고, 상기 두꺼운 금속 층은 홈이 파여있고, H2O 증기, H2, O2 또는 배기 가스와 같은 기체들을 분산 및/또는 포집시키는데 적합한 채널들을 정의한다.
일 실시예에 따르면, 상기 메인 플랫 면들의 한 쪽 면은 두꺼운 세라믹 층을 포함하는 코팅으로 코팅되어 있고, 다른 쪽 면은 두꺼운 금속 층으로 코팅되어 있는데, 각각의 두꺼운 층은 홈이 파여 있고, H2O 증기, 배기 가스, 공기, O2, H2와 같은 기체들을 분산 및/또는 포집시키는데 적합한 채널들을 정의한다.
본 발명의 설명에 있어서, 두꺼운 층이라는 용어는 그것의 두께가 박막 기술을 통해 얻는 막의 두께보다 두껍다는 것을 의미하며, 전형적으로는 2 내지 15 um의 두께를 의미한다는 것을 밝혀둔다.
본 발명의 설명에 있어서, '크로미아-형성' 이라는 용어는 일반적인 의미를 가지는데 그것은 크롬을 함유하는 금속 합금으로 이루어진 기판을 의미한다. 이러한 정의의 일반적인 의미를 파악해 보기 위해서, 명세서 마지막의 참조문헌 [9]의 제30쪽에 있는 문단 1.4를 참조할 수 있다.
바람직하게, 두꺼운 세라믹 층을 구성하는 물질은, 화학식 La1-xSrxMO3(M은 전이금속으로서 Ni, Fe, Co, Mn 또는 Cr의 단일 원소 또는 이들의 혼합물)로 표시되는 란타늄 망가나이트; 화학식 Ln2NiO4(Ln=La, Nd, Pr)로 표시되는 란탄계열 원소의 니켈레이트(nickelate)와 같은 층상 조직 물질; 또는 전기적으로 전도성이 있는 또 다른 페로브스카이트 산화물로부터 선택될 수 있다.
바람직하게, 두꺼운 금속 층을 구성하는 물질은, 니켈(Ni) 또는 그것의 합금, 또는 기저 원소가 철(Fe)인 모든 크로미아-형성 합금들로부터 선택될 수 있다.
바람직하게, 상기 세라믹 층의 두께는 60 내지 500um이다.
바람직하게, 상기 금속 층의 두께는 60 내지 500um이다.
상기 기판의 크로미아-형성 금속 합금은 페라이트계(Fe-Cr) 스테인레스 스틸 합금, 오스테나이트계(Ni-Fe-Cr) 스테인레스 스틸 합금, 또는 표면에 크로미아 층이라고 알려진 크롬 산화물 Cr2O3 층을 형성할 수 있는 니켈을 기저로 하는 슈퍼 합금으로부터 선택될 수 있다.
유용한 변형 실시예에 따르면, 상기 기판은 적어도 하나의 얇은 쉬트로 이루어지는데, 그것의 두께는 바람직하게 0.1 내지 1mm 이다.
다른 유용한 변형 실시예에 따르면, 상기 기판은 메인 플랫 면들을 가진 하나의 플레이트로 이루어지는데, 그것의 두께는 바람직하게 1 내지 10mm이다.
하나의 구체화된 응용에 따르면, 본 발명에 따른 부품은 고온 전기분해(HTE) 전해기의 연결자를 구성한다. 상기 고온 전기분해 전해기는, 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질로부터 형성된 기본 전기분해 셀들의 스택을 포함한다. 두껍고 홈이 파여진 세라믹 층은 인접하는 2개의 기본 셀들 중 어느 하나의 음극과 접촉을 하고, 두껍고 홈이 파여진 금속 층은 상기 인접하는 2개의 기본 셀들 중 다른 하나의 양극과 접촉을 한다.
다른 구체화된 응용에 따르면, 본 발명에 따른 부품은 연료 셀(SOFC)의 연결자를 구성한다. 상기 연료 셀은, 양극, 음극 및 이들 사이에 개재된 전해질로부터 형성된 기본 셀들의 스택을 포함한다. 두껍고 홈이 파여진 세라믹 층은 인접하는 2개의 기본 셀들 중 어느 하나의 양극과 접촉을 하고, 두껍고 홈이 파여진 금속 층은 상기 인접하는 2개의 기본 셀들 중 다른 하나의 음극과 접촉을 한다.
본 발명에 따른 연결자는 종래 기술에 따른 연결자 보다 유용하다. 한 쪽 메인 면에 두꺼운 세라믹 층을 가지고 다른 메인 면에 금속 층을 가진 코팅은 유연성을 가지기 때문이다. 상기 세라믹 층과 상기 금속 층은 연결자에 있어서 원료 형태로 있기 때문에 조밀(dense)하지 않다. 따라서 그들은 기계적인 적응성을 가진다. 이것은 스택을 구성하는 여러 가지 셀들 사이에서 누설 밀봉성을 보장하기 위해 압축력(load)을 인가할 필요가 있는 HTE 전해기 또는 SOFC 연료 셀의 경우에 유용한 장점이 된다. 따라서, 두꺼운 층 그대로의 세라믹 또는 금속 스트립의 증착물은 로드가 스택에 가해졌을 때 적응적으로 변형된다. 그럼으로써, 스택의 다양한 부품들(연결자들 및 전기화학적 셀들)을 맞출 때의 불완전성이 두꺼운 층들의 적응(변형)에 의해서 보상될 수 있다.
본 발명의 설명에서 생성되는 채널은 바람직하게 0.15 내지 5mm의 폭을 가지며, 0.1 내지 0.5mm의 깊이를 가진다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 주제는 연료 셀(SOFC) 또는 고온 전해기(HTE)의 연결자를 구성하기 위한 부품을 준비하는 공정으로서,
(a) 크로미아-형성 타입의 금속 합금으로 이루어지고, 기저 원소는 철(Fe) 또는 니켈(Ni)이고, 2개의 메인 플랫 면들을 가진 기판을 준비하는 단계,
(b1) 상기 기판의 플랫 면들 중 하나에 두꺼운 세라믹 층을 코팅하는 단계, 및
(c1) H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널을 정의할 수 있도록 상기 두꺼운 세라믹 층에 홈을 파는(grooving) 단계를 포함한다.
본 발명의 주제는 또한 연료 셀(SOFC) 또는 고온 전해기(HTE)의 연결자를 구성하기 위한 부품을 준비하는 공정으로서,
(a) 크로미아-형성 타입의 금속 합금으로 이루어지고, 기저 원소는 철(Fe) 또는 니켈(Ni)이고, 2개의 메인 플랫 면들을 가진 기판을 준비하는 단계,
(b2) 상기 기판의 플랫 면들 중 하나에 두꺼운 금속 층을 코팅하는 단계, 및
(c2) H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널을 정의할 수 있도록 상기 두꺼운 금속 층에 홈을 파는(grooving) 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 (b1) 및 (c1) 단계는 상기 기판의 어느 한 쪽 플랫 면에 대해 수행되고, 상기 (b2) 및 (c2) 단계는 상기 기판의 다른 쪽 플랫 면에 대해 수행된다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 (b1) 및/또는 상기 (b2) 단계 이전에, 두꺼운 세라믹 층 또는 금속 층이 붓기(pouring)에 의해 스트립 형태로 얻어진다. 상기 (b1) 및/또는 상기 (b2) 단계는 상기 기판의 한쪽 면 또는 다른 쪽 면에 상기 스트립을 열 접착 또는 열 압착 또는 화학적으로 접착하는 단계로 이루어진다.
상기 세라믹 스트립의 준비와 관련하여, 세라믹 분말, 용매, 분산제 및 가소제를 함유하는 현탁액이 비점착성의 서포트 상에 부어진다. 용매의 증발이 완료된 이후에, 상기 서포트에서 떼어내면 크루드(crude) 스트립이 얻어진다.
이러한 예에 따르면, 상기 (b1) 단계는 60 내지 130℃ 사이의 온도에서 상기 크루드 세라믹 스트립을 열 압착 또는 열 접착하는 단계로 이루어진다. 이 온도 범위는 세라믹 스트립에 함유된 고분자 바인더를 연화시키기에 충분히 높으면서도 고분자 바인더를 열적으로 열화시키지는 않을 정도로는 너무 높지 않은 온도이므로 유용한 온도 범위이다.
다른 실시예에 따르면, 상기 (b1) 단계 및/또는 상기 (b2) 단계는 상기 기판의 한쪽 또는 다른 쪽 면에 세라믹 또는 금속 페이스트로 이루어진 두꺼운 층을 스크린 프린트하는 단계로 이루어진다.
채널들을 정의하기 위해 홈을 파는 것과 관련하여, 제1실시예에 따르면, 상기 (c1) 단계는 붓기에 의해 얻은 세라믹 크루드 스트립을 세라믹 스트립에 함유된 고분자의 연화점까지 가열된 2개의 롤러들 사이에서 칼렌더링(calendaring)하는 것에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 2개의 롤러들 중 적어도 하나는 정의될 채널들에 대응되는 리브들을 포함하고, 상기 (b1) 단계는 상기 (c1) 단계 이후에 수행된다.
제2실시예에 따르면, 상기 (c1) 단계 및/또는 상기 (c2) 단계는 바람직하게 CO2 레이저를 사용하는 것을 통해 수행되고 보다 바람직하게는 두꺼운 층 위로 레이저를 여러 차례 통과시킨 후에 완료된다.
지금까지 기술된 본 발명은 다음과 같은 장점을 가진다.
종래 기술에 따른 연결자들로서 사용된 기판들과 비교했을 때 얇거나 심지어는 아주 얇은 금속 합금으로 이루어진 기판을 수용할 수 있기 때문에 금속 합금의 원료 비용을 절감할 수 있다.
종래 기술에 따른 연결자들을 절삭 가공하거나 압연하여 제조하는 것과 비교하였을 때 채널의 제조 단가를 낮추거나 없앨 수 있다.
두꺼운 층을 레이저 융발할 수 있기 때문에 기체들을 주입하기 위한 채널들의 정의에 대한 촘촘도를 증가시킬 수 있다.
하나의 단계에서 보호층과 전기적 접촉층을 증착할 수 있다.
금속 합금으로 이루어진 기판과 조립된 크루드 층의 유연한 성질 때문에 연결자와 전기화학적 셀 사이의 열변형 적응성이 개선된다.
금 쇠살대와 균등한 수준으로 전기적 접촉 저항이 낮은 두꺼운 세라믹 층을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 장점들과 특징들은 다음의 도면들을 참조하여 비제한적인 예시로서 주어지는 본 발명의 실시예들에 관한 상세한 설명을 읽는 것에 의해 명확하게 드러나게 될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 HTE 전해기의 연결 플레이트의 개략적인 전면도이다.
도 1a는 도 1에 따른 연결 플레이트의 상세 단면도이다.
도 1b는 상기 플레이트를 통과하는 전류 라인들을 보여주는 것으로서 도 1A와 유사한 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 전해기의 다른 연결 플레이트에 대한 개략적인 전면도이다.
도 3은 절삭에 의해 얻어진 도 1에 따른 플레이트에 대한 실사도이다.
도 4는 압연에 의해 얻어진 도 1에 따른 플레이트에 대한 실사도이다. 도 5는 종래 기술에 따른 연결자들을 포함하는 고온 전해기의 부분을 개략적으로 보여주는 분해도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 SOFC 연료 셀의 부분을 개략적으로 보여주는 분해도이다.
도 7은 본 발명에 따라 코팅된 연결자에 대한 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따라 페라이트계 합금으로 이루어진 기판 위에 열 접착된 홈이 파여진 두꺼운 세라믹 층의 예에 대한 실사도이다.
도 8a는 두꺼운 세라믹 층의 채널들에 대한 고려된 치수들을 보여주는 도 8의 개략적인 단면도이다.
도 9는 두꺼운 세라믹 층 위에 CO2 레이저 융발을 하여 얻은 홈들(고랑들)에 대한 기하학적 모양을 나타낸 커브이다.
도 10은 800℃의 온도에서 압축 로드를 가하는 테스트 전과 후에 도 9에 나타낸 홈들의 프로파일에 대한 변화를 보여주는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 800℃의 온도에서 압축 로드를 가하는 테스트 전과 후에 두꺼운 세라믹 층의 실사도들이다.
도 12는 본 발명에 따른 여러 가지 두꺼운 세라믹 층들과 비교 목적의 금 쇠살대에 대한 직렬 저항 측정 결과를 보인 곡선들로서, 상기 측정은 상기 층들과 상기 금 쇠살대가 금속 합금으로 이루어진 기판과 접촉한 상태에서 이루어진 것이다.
도 1 내지 4에 대해서는 이미 앞서 설명되었다. 따라서 해당 도면들에 대해서는 이후에 자세하게 설명하지 않는다.
도 5는 종래 기술에 따른 고온 증기 전해기의 단위 유닛들에 대한 분해도이다. 이 HTE 전해기는 연결자(8)과 함께 번갈아 가면서 적층된 복수의 단위 전기분해 셀들(C1, C2, …)을 포함한다. 각 셀(C1, C2, …)은 양극(2.1, 2.2, …) 및 음극(4.1, 4.2, …)과 이들 사이에 놓여진 전해질(6.1, 6,2, …)로 이루어진다. 도 5에는, 명확성을 기하기 위해, 증기, 이수소, 산소 및 전류의 기호 및 경로를 나타내는 화살표가 도시되어 있다.
HTE 전해기에 있어서, 연결자(8)는 연결자(8) 및 인접하는 음극(4.2) 사이의 공간과 연결자(8) 및 인접하는 양극(2.1) 사이의 공간에 의해 각각 정의된 음극 구획(7) 및 양극 구획(9) 사이의 분리를 제공한다. 그들은 또한 셀들로 가스들이 분산되는 것을 확실하게 한다. 각 단위 유닛에 있어서 증기의 주입은 양극 구획(9)에서 일어난다. 양극(2.1, 2.2)에서 생긴 수소와 잔류 증기의 포집은 증기가 셀에서 분해되고 나서 셀(C1, C2)의 하류에 있는 양극 구획(9)에서 수행된다. 음극(4.2)에서 생성된 산소는 셀에서 분해되고 나서 셀(C1, C2)의 하류에 있는 음극 구획(7)에서 포집된다.
연결자(8)는 인접하는 전극들, 즉 음극(4.2)과 양극(2.1)(도 1)과 직접적으로 접촉하여 셀들(C1, C2) 사이에서 전류가 통과되는 것을 보장한다.
도 6은 도 5와 같이 단위 셀들(C1, C2) 및 연결자(8)을 가진 SOFC 연료 셀에 대한 단위 유닛들을 나타내고 있다. 도 6에는, 명확성을 기하기 위해, 공기, 이수소, 산소 및 전류의 기호와 경로를 나타내는 화살표가 나타나 있다.
각 단위 유닛으로 산소를 함유하는 공기가 주입되는 것은 양극 구획(9)에서 일어난다. 양극(2.1, 2.2)에서 생성된 물의 포집은 셀(C1, C2)의 하류에 있는 양극 구획(9)에서 수행되는데 셀(C1, C2)의 상류 영역에 있는 음극 구획(7)에서 음극(4.2)에 주입된 수소 H2와 산소에 의해서 물이 합성된 이후에 수행된다. 물이 합성되는 동안 생성되는 전류는 연결자(8)에 의해 집전된다.
종래 기술에 따르면, 이러한 연결자(8)들은 두꺼운 판의 절삭에 의해 준비되거나 압연시킨 후 레이저 용접에 의해 집합시킨 전형적으로 0.5 내지 2mm의 얇은 금속 쉬트들을 이용하여 준비된다. 전자의 기술은 재료 비용과 절삭 비용이 높다. 후자의 생산 기술은 출발 물질의 가격을 높지 않게 제한할 수 있다는 장점은 있지만 절삭처럼 채널을 촘촘하게 할 수 없다는 단점이 있다. 구체적으로는, 채널들의 깊이, 단위 이빨의 폭이나 이빨들 사이의 피치에 대한 생산 가능한 경우의 수가 제한을 받는다. 또한 전극들과 연결자 사이의 전기적 접촉이 특히 전극들의 평탄도 부족으로 완전히 만족스럽지는 못하다.
따라서, SOFC 연료 셀이나 HTE 전해기 용도의 연결자를 생산하는 기술을 단순화하기 위해서, 본 발명자는 도 7에 예시된 것과 같은 새로운 타입의 연결자(8)를 제안하고자 한다.
본 발명에 따라 새로운 연결자를 구성하는 부품(8)은 금속 합금으로 만들어지고 기저 원소로서 철(Fe) 또는 니켈(Ni)을 포함하고 2개의 메인 플랫 면들을 가지는 기판(82)을 포함하고, 상기 메인 플랫 면들 중 하나에는 두꺼운 세라믹 층(80)을 포함하는 코팅이 코팅되어 있고 상기 메인 플랫 면들 중 다른 하나에는 두꺼운 금속 층(81)이 코팅되어 있고, 각각의 두꺼운 층들은 H2O 증기, 배기 가스, 공기, O2, H2와 같은 가스들의 분산 및/또는 포집을 위해 적합한 채널들(800, 810)을 정의하도록 홈이 파여져 있다.
선택적으로, 얇은 보호 세라믹 층(82)이 두꺼운 세라믹 층(80)과 기판(82) 사이에 개재될 수 있다.
HTE 전해기 또는 SOFC 연료 셀이 기능할 때, 작동 조건들은 통상적으로 사용되는 것들의 작동 조건들과 동일하다. 즉, 환원성이 있는 가스 혼합물의 순환은 두꺼운 금속 층(81)의 채널(810)들에서 수행되고, 산화성이 있는 가스 혼합물의 순환은 두꺼운 세라믹 층(80)의 채널(800)들에서 수행된다.
채널(800)들을 가진 두꺼운 세라믹 층(80)의 예를 제조하는데 있어서의 여러 가지 단계들과, 목적한 응용에서, 즉 SOFC 연료 셀과 HTE 전해기에서 그것의 사용 가능성을 입증하기 위한 여러 가지 시험들이 이후에 자세하게 설명될 것이다.
단계 1: 크루드 LSM 스트립의 제조
화학식 La0.8Sr0.2MnO3로 표시되는 란타늄 망가나이트 60g과, 분산제로서 사용되는 0.8중량%의 올레산(oleic acid)과, 용매로서 사용되는 15.7중량%의 2-부탄온(butanone)와 15.7중량%의 에탄올을 포함하는 혼합물이 준비된다.
상기 혼합물은 유성 밀(planetary)에서 밀링(milling)된다. 유성 밀의 동작 사이클은 다음과 같다.
- 회전 속도: 400rpm
- 동작 시간: 1시간
그러고 나서, 용매로서 사용될 3.2g의 폴리비닐 부티랄(PVB 90)과 5.5g의 폴리에틸렌 글리콜을 밀링된 혼합물에 부가하고 그 전체를 유성 밀을 이용하여 다시 밀링하였다. 유성 밀의 동작 사이클은 다음과 같다.
- 회전 속도: 20rpm
- 동작 시간: 10시간
그런 다음, 롤 타입의 믹서를 사용해서 혼합물에서 기포를 제거하였다. 롤 믹서의 동작 사이클은 다음과 같다.
- 회전 속도: 20rpm
- 동작 시간: 24시간
이어서, 기포 제거 후에 얻어진 현탁액은 닥터 블레이드를 사용하여 스트립 형태로 부었다. 블레이드의 활성 높이는 1000um이다. 붓는 속도는 1.5m/min이다. 붓기는 마른 후에 스트립을 떼어낼 때 떼는 것이 쉽도록 실리콘 처리된 폴리머(폴리에스터)로 된 쉬트 상에 수행되었다.
다음으로, 붓기를 통해 얻은 크루드 스트립을 말리는 공정이 대기 중에서 3시간 동안 수행되었다.
마른 LSM 크루드 스트립은 SOFC에 있어서 상기 스트립을 붙여야 하는 공기 전극에 해당하는 크기로 최종적으로 재단된다. 상기 재단은 예를 들어 레이저 절단 테이블을 이용하여 수행될 수 있다.
단계 2: 열 압착
LSM 크루드 스트립은 1.5mm 두께의 페라이트계 스틸로 이루어진 얇은 쉬트 상에 놓여진 다음, 프레스를 이용한 열 압착에 의해 거기에 웰딩된다. LSM 크루드 스트립의 두께는 325um이다.
얇은 보호 세라믹 층(83)이 부가되는 경우에도, 본 발명의 공정은 동일한 방식으로 수행된다.
상기 압착의 동작 사이클은 다음과 같다.
- 압착 힘: 1kg/mm2
- 압착 시간: 2시간
- 2개의 프레스 플레이트들의 규제된 온도: 80℃
상온까지 냉각을 시킨 후, LSM 크루드 스트립과 페라이트계 스틸로 이루어진 얇은 쉬트 사이의 준비된 어셈블리가 프레스로부터 분리된다.
단계3: 홈의 생성
레이저 융발을 이용하여 LSM 크루드 스트립의 홈 파기가 수행된다. 상기 융발은 최대 출력 50 와트까지 출력이 변화되는 CO2 레이저를 장착한 플렛 베드 플로터를 이용하여 수행된다. 레이저의 움직이는 속도는 최고 속도 2cm/s까지 변화될 수 있다. 그러한 기계의 사용은 특히 유용하다. 왜냐하면, 기계의 가변적인 동작 특성들을 통해서 크루드 스트립을 구성하는 폴리머를 상당히 깊게 태워서, 즉 마멸을 수행함으로써 관련된 장전물, 즉 LSM을 배출하는 것이 가능하기 때문이다. 그 결과로서, 상당히 깊은 홈(골)이 파여질 수 있다. 적절한 경우, 홈의 깊이 및/또는 폭을 많든 적든 어느 정도 증가시키기 위해서 크루드 스트립 위로 CO2 레이저를 여러 차례 통과시킬 수 있다.
도 8은 본 발명에 따라서 제품명이 CROFER 22 APU인 단일 쉬트로 이루어진 기판 위에 열로 접착된 후 홈이 파여진 두꺼운 LSM 층의 실사도이다. 촬영된 층은 예컨대 100cm2의 표면적을 가진다.
도 9는 CO2 레이저를 2번 및 4번을 통과시켰을 경우의 각각에 대해 홈(골)의 기하학적 구조, 즉 그들의 높이와 폭에 대한 예시적인 곡선들을 나타낸 것이다. 따라서, 얻어진 이빨(801)의 폭 L1은 150um까지 감소될 수 있고, 채널(800)의 폭도 150um까지 감소될 수 있다. 물론, 폭 L1 및 L2는 150um 보다 클 수 있다.
여기서 주목할 것은, 높이가 0인 지점은 페라이트계 스틸로 이루어진 얇은 쉬트와의 계면에 해당하고, 기하학적 모양의 각각은 레이저의 이동 속도를 상기에서 언급한 최대 속도 대비 40% 정도로 조절하고 출력을 상기에서 언급한 최대 출력 대비 50%(50W) 정도로 조절하여 얻었다는 것이다.
그것이 사용될 때, 즉 고온 전해기(HTE) 반응기 또는 SOFC 연료 셀의 스택 내에서 연결자를 구성할 경우, 상기 실시예에서 얻은 두꺼운 LSM 층으로 코팅된 금속 부품은 스택의 다른 요소들 및 특히 SOFC 셀의 양극과 전기적인 접촉을 확실히 이루도록 스택 내에서 압축 부하의 상황에 놓인다. 게다가, 고온 전기분해 조건에서는, LSM 층이 600 내지 900℃의 온도에 처하게 된다.
압축력을 가하는 조건 하에서 양호한 열변형 거동이 나타나는지 확인하기 위해 LSM층이 800℃의 온도와 0.2MPa의 압축 로드에 처해지는 실험이 수행되었다.
도 10은 0.2MPa의 로드가 가해지기 전과 후에 홈(골)의 기하학적 모양을 나타낸 곡선들을 보여준다. 도면으로부터, 크루드 LSM 층은 단지 약 15um 정도가 짜부라졌음을 알 수 있다. 이것은 크루드 LSM 층이 고온의 작동 온도 조건 하에서 HTE 전해기 또는 SOFC 연료 셀의 전기화학적 셀에 기계적으로 완전히 맞추어졌다는 것을 증명하다. 다시 말해, LSM 층의 크루드 특성이 LSM 층으로 하여금 양호한 열변형 가동, 즉 전기화학적 셀의 완전하지 않은 표면에도 불구하고 전기화학적 셀과의 양호한 기계적 접촉을 가지게 한다.
도 11a 및 도 11b는 800℃의 온도 및 0.2MPa 조건 하의 테스트 전과 후에 LSM 층의 3차원 모습을 보여준다. LSM 크루드 층은 그것의 충분히 높은 기계적 강도로 인해서 사용 후에도 총체적인 모습이 유지된 것을 명확하게 볼 수 있다.
또한, SOFC 셀의 양극 구획(9)에 들어가는 상황을 모사하기 위한 동작 조건 하에서 얻어진 LSM 층의 전기 전도도를 특정 짓기 위해 금속 합금으로 이루어진 부품과의 직렬 저항 측정이 수행되었다. 사용된 측정 방법은 명세서 마지막의 참조문헌들 중 간행물 [8]에 설명된 4 포인트 법이다.
측정을 수행하기 위해서, 스테인레스 스틸 부품으로부터 여러 개의 샘플들이 준비되었다. No1 내지 No4는 본 발명에 따른 샘플들로서 열 압착에 의한 LSM 층을 가진 부품의 어셈블리로 이루어져 있고, No5 및 No6는 비교에 따른 샘플들로서 금 쇠살대를 가진 부품의 어셈블리로 이루어져 있다.
주목할 것은, No1 샘플의 경우 LSM 층은 채널이 부족하다. 반면, No2 내지 No4 샘플의 경우 LSM 층은 동일한 채널들을 정의할 수 있도록 홈이 파여졌다. 채널은 1mm에 해당하는 단위 폭 L1을 가지며, 인접하는 채널들은 0.25mm에 해당하는 단위 폭 L2를 갖는 이빨 또는 리브에 의해 이격되어 있다.
도 12는, 시간의 함수로서 다양한 샘플들에 대한 직렬 저항 측정 결과를 보여준다. 여기서 대략 7 시간부터 9시간 사이의 측정 포인트들은 도 12에 나타나 있지 않다. No1 내지 No4 샘플들의 LSM 층 두께는 325um이고, No5 및 No6 샘플들에 있는 쇠살대 두께는 500um이다.
이러한 측정 결과로부터, No1 내지 No6 샘플들은 모두 직렬 저항이 거의 같다는 점을 도출할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 두꺼운 LSM 층의 접촉 저항은 지금까지 가장 낮은 접촉 저항을 가진다고 알려진 기계적 요소인 금 쇠살대의 접촉 저항과 비슷하거나 심지어는 동일하다는 결론을 내릴 수 있다. 다시 말해, 본 발명에 따른 LSM 층은 무시할만한 수준의 전기적 접촉 저항, 즉 10mΩcm2 미만의 전기적 접촉 저항을 가진다.
본 발명에 따른 연결자들과 전기화학적 셀들의 스택을 가지고 24시간을 초과한 시간 동안에도 접촉 저항에 대한 측정 테스트들이 수행되었다. 이러한 테스트에서도 만족스러운 결과가 얻어졌다.
본 발명은 지금까지 설명된 실시예들에 의해 한정되지 않는다. 특히, 예시된 실시예들의 특징들은 보여주지 않은 변형예의 범주 내에서 서로 결합될 수 있다.
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Claims (26)

  1. 기저 원소가 철(Fe) 또는 니켈(Ni)인 크로미아-형성 타입의 금속 합금(82)으로 만들어지고 2개의 메인 플랫 면들을 가지는 기판을 포함하고, 상기 메인 플랫 면들 중 하나에는 H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널들(800)을 정의하도록 홈이 파여진 두꺼운 세라믹 층(80)을 포함하는 코팅이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 부품(8).
  2. 기저 원소가 철(Fe) 또는 니켈(Ni)인 크로미아-형성 타입의 금속 합금(82)으로 만들어지고 2개의 메인 플랫 면들을 가지는 기판을 포함하고, 상기 메인 플랫 면들 중 하나에는 H2O 증기, H2, O2 또는 배기 가스와 같은 가스들을 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널들(810)을 정의하도록 홈이 파여진 두꺼운 금속 층(81)으로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 부품(8).
  3. 제2항과 결합된 제1항에 따른 부품에 있어서,
    상기 메인 플랫 면들 중 하나에는 두꺼운 세라믹 층을 포함하는 코팅으로 코팅되어 있고, 상기 메인 플랫 면들 중 다른 하나에는 두꺼운 금속 층이 코팅되어 있고, 각각의 두꺼운 층은 H2O 증기, 배기 가스, 공기, O2 또는 H2와 같은 가스들의 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널들을 정의하도록 홈이 파여진 것을 특징으로 하는 부품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 층을 구성하는 물질은, 화학식 La1-xSrxMO3(M은 전이금속으로서 Ni, Fe, Co, Mn 또는 Cr의 단일 원소 또는 이들의 혼합물)로 표시되는 란타늄 망가나이트; 화학식 Ln2NiO4(Ln=La, Nd, Pr)로 표시되는 란탄계열 원소의 니켈레이트와 같은 층상 조직 물질; 또는 전기적으로 전도성이 있는 페로브스카이트 산화물로부터 선택된 것을 특징으로 하는 부품.
  5. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두꺼운 금속 층은 니켈(Ni) 또는 그것의 합금 또는 기저 원소가 철(Fe)인 크로미아-형성 합금들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 부품.
  6. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹 층의 두께는 60-500um인 것을 특징으로 하는 부품.
  7. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 층의 두께는 60-500um인 것을 특징으로 하는 부품.
  8. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 구성하는 크로미아-형성 금속 합금은 페라이트계 스테인레스 스틸 합금, 오스테나이트계 스테인레스 스틸 합금 또는 크로미아 층이라고 알려진 크롬 산화물 Cr2O3를 표면에 형성할 수 있는 니켈을 기초로 하는 슈퍼 합금 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 부품.
  9. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 하나의 얇은 쉬트로 이루어진 것을 특징으로 하는 부품.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 얇은 쉬트의 두께는 0.1 내지 1mm인 것을 특징으로 하는 부품.
  11. 제1항내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 메인 플랫 면들을 가진 하나의 플레이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 부품.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플레이트의 두께는 1 내지 10mm 인 것을 특징으로 하는 부품.
  13. 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부품은 양극, 음극 및 이것들 사이에 개재된 전해질로부터 형성된 단위 전기분해 셀들의 스택을 포함하는 고온 전해기(THE) 반응기의 연결자를 구성하고,
    홈이 파여진 상기 두꺼운 세라믹 층은 2개의 인접하는 단위 전기분해 셀들 중 하나의 음극과 접촉을 하고, 홈이 파여진 상기 금속 층은 2개의 인접하는 단위 전기분해 셀들 중 다른 하나의 양극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 부품.
  14. 제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부품은 양극, 음극 및 이것들 사이에 개재된 전해질로부터 형성된 단위 셀들의 스택을 포함하는 연료 셀(SOFC)의 연결자를 구성하고,
    홈이 파여진 상기 두꺼운 세라믹 층은 2개의 인접하는 단위 셀들 중 하나의 양극과 접촉을 하고, 홈이 파여진 상기 금속 층은 2개의 인접하는 단위 셀들 중 다른 하나의 음극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 부품.
  15. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널들의 폭은 0.15 내지 5mm인 것을 특징으로 하는 부품.
  16. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 채널들의 깊이는 0.1 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는 부품.
  17. 연료 셀(SOFC) 또는 고온 전해기(HTE)의 연결자를 구성하기 위한 부품을 제조하는 공정에 있어서,
    (a) 기저 금속이 철(Fe) 또는 니켈(Ni)인 크로미아-형성 타입의 금속 합금(8)으로 이루어지고 2개의 메인 플랫 면들을 가진 기판을 준비하는 단계;
    (b1) 상기 기판의 상기 플랫 면들 중 하나에 두꺼운 세라믹 층을 코팅하는 단계; 및
    (c1) H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스를 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널들을 정의할 수 있도록 상기 두꺼운 세라믹 층에 홈을 파는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  18. 연료 셀(SOFC) 또는 고온 전해기(HTE)의 연결자를 구성하기 위한 부품을 제조하는 공정에 있어서,
    (a) 기저 금속이 철(Fe) 또는 니켈(Ni)인 크로미아-형성 타입의 금속 합금(8)으로 이루어지고 2개의 메인 플랫 면들을 가진 기판을 준비하는 단계;
    (b2) 상기 기판의 상기 플랫 면들 중 하나에 두꺼운 금속 층을 코팅하는 단계; 및
    (c2) H2O 증기, H2 또는 공기와 같은 가스를 분산 및/또는 포집하는데 적합한 채널들을 정의할 수 있도록 상기 두꺼운 금속 층에 홈을 파는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 (b1) 및 (c1) 단계는 상기 기판의 한쪽 플랫 면에 대해 수행되고, 상기 (b2) 및 (c2) 단계는 상기 기판의 다른 쪽 플랫 면에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b1) 단계 및/또는 상기 (b2) 단계 이전에, 상기 두꺼운 세라믹 층과 상기 두꺼운 금속 층을 붓기에 의해 스트립 형태로 얻는 단계를 포함하고,
    상기 (b1) 단계 및/또는 상기 (b2) 단계는 상기 기판의 어느 한 쪽 면에 상기 스트립을 열 접착(hot-bonding)시키거나 열 압착(hot-pressing)하거나 화학적으로 접착(chemical bonding)시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 (b1) 단계는 60 내지 130℃의 온도 범위에서 세라믹으로 이루어진 크루드 스트립을 열 압착하거나 열로 접착시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정.
  22. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (b1) 단계 및/또는 상기 (b2) 단계는, 상기 기판의 어느 한쪽 면에 세라믹 페이스트 또는 금속 페이스트를 스크린 프린팅하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공정.
  23. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 (c1) 단계는 붓기에 의해 얻은 세라믹 크루드 스트립을 상기 세라믹 크루드 스트립의 고분자가 연화될 수 있는 온도까지 가열된 2개의 롤러 사이에 카렌더링(calendaring) 하는 것에 의해 수행되고,
    상기 2개의 롤러 중 적어도 하나는 정의될 상기 채널들에 대응하는 리브들을 포함하고,
    상기 (b1) 단계는 상기 (c1) 단계 이후에 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  24. 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (c1) 단계 및/또는 상기 (c2) 단계는 각각 상기 (b1) 단계 및/또는 상기 (b2) 단계가 완료된 이후에 레이저 융발에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 (c1) 단계 및/또는 상기 (c2) 단계는 CO2 레이저를 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 (c1) 단계 및/또는 상기 (c2) 단계는 상기 두꺼운 층 위로 상기 레이저를 여러 번 통과시킨 이후에 완료되는 것을 특징으로 하는 공정.
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