KR20150076165A - 관형 지지 격자를 포함한 전기 화학 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 관형 기능 층 시스템(11)을 포함하는 전기 화학 전지(10), 예컨대 연료 전지, 전해 전지, 및/또는 금속 공기 전지에 관한 것이며, 상기 관형 기능 층 시스템은 2개의 전극 층(11a, 11b)과, 이들 전극 층(11a, 11b) 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c)을 포함한다. 전지(10)의 높은 기계적 안정성 및 전지(10)의 높은 성능을 달성하기 위해, 전지(10)는 관형 기능 층 시스템(11)에 대해 이격 간격(d)으로 이격되어 형성되는 하나 이상의 지지 웨브(13)를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 전기 화학 전지의 제조 방법뿐만 아니라, 상기 전기 화학 전지를 장착한 에너지 저장 및/또는 변환 시스템에도 관한 것이다.
Description
본 발명은 전기 화학 전지, 상기 전기 화학 전지의 제조 방법, 그리고 상기 전기 화학 전지를 장착한 에너지 저장 및/또는 변환 시스템에 관한 것이다.
풍력 에너지 및 태양 에너지는 날씨 변동들 또는 주야 리듬으로 인해 지속적으로 이용 가능하지 않기 때문에, 전기 에너지를 저장하기 위한 시스템들은 전기 에너지 및 열을 생성하기 위한 시스템들과 마찬가지로 특히 중요하다.
전기 에너지 및 열의 생성을 위해, 고체 산화물 연료 전지들(SOFC: solid oxide fuel cell)이라고도 하는 연료 전지들, 예컨대 고온 연료 전지들은 공지되어 있다.
전기 에너지의 변환/저장을 위해, 전해 전지들, 예컨대 고온 전해 전지들과, 금속 공기 전지들(Metal-Air cells), 예컨대 고온 금속 공기 전지들이 사용될 수 있다.
상기 유형의 전기 화학 전지들은 관형, 다시 말하면 튜브형, 또는 평면 형태를 가질 수 있다.
공보 EP 1 079 453 B1, DE 10 2012 001 988 A1 및 WO 2005/018018 A2는 관형 연료 전지들을 기술하고 있다.
공보 JP 2010-129542 A는 연료 전지 제조 방법을 기술하고 있다.
본 발명의 과제는, 전지의 높은 기계적 안정성뿐만 아니라 그 높은 성능을 달성하는 전기 화학 전지, 상기 전기 화학 전지의 제조 방법, 및 상기 전기 화학 전지를 장착한 에너지 저장 및/또는 변환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 대상은, 관형 기능 층 시스템을 포함하는 전기 화학 전지, 예컨대 연료 전지 및/또는 전해 전지 및/또는 금속 공기 전지, 예컨대 고온 연료 전지 및/또는 고온 전해 전지 및/또는 고온 금속 공기 전지이다. 따라서 전지는 관형 전지라고도 할 수 있다.
공기란, 특히 산소 함유 가스, 다시 말하면 산소 함유 가스 혼합물뿐만 아니라 순수한 산소도 의미할 수 있다.
이 경우, 기능 층 시스템은 특히 2개의 전극 층과, 이들 전극 층 사이에 배치되는 하나의 전해질 층을 포함한다.
두 전극 층 중 일측 전극 층은 특히 산소 전극 층일 수 있다.
전기 화학 전지가 연료 전지 및/또는 전해 전지이면, 타측 전극 층은 연료 가스 전극 층일 수 있다. 전기 화학 전지가 금속 공기 전지이면, 타측 전극 층은, 예컨대 가역적으로 산화 및 환원 가능한 금속/금속 산화물계로 이루어진 저장 전극 층일 수 있다.
관형 몸체란, 특히, 기본적으로 실질적으로 둥근, 예컨대 원형인, 또는 달걀 면(타원형)인 베이스면 뿐만 아니라 다각형인 베이스면도 포함할 수 있는 실질적으로 중공 실린더형 몸체를 의미할 수 있다. 특히 관형 몸체는 원형의 베이스면을 포함할 수 있다.
본 발명에 따라서, 전지는, 관형 기능 층 시스템에 대해 이격되어 형성되는 하나 이상의 지지 웨브(support web)를 포함한다. 예컨대 전지는 관형 기능 층 시스템에 대해 이격되어 형성된 2개 또는 그 이상의 지지 웨브를 포함할 수 있다. 특히 지지 웨브 또는 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 전극 층에 대해 이격될 수 있다. 예컨대 지지 웨브 또는 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 외면 또는 내면에 대해, 특히 관형 기능 층 시스템의 외부 또는 내부 전극 층에 대해 이격되어 형성될 수 있다.
지지 웨브 또는 지지 웨브들을 통해, 기능 층 시스템의 기계적 안정성이 개선될 수 있다. 이는, 기능 층 시스템의 층들이 종래의 방식에서 최소 200㎛보다 더 얇게 형성될 수 있다는 장점을 제공한다. 예컨대, 이런 방식으로, 50㎛ 미만, 예컨대 심지어 15㎛의 층 두께들이 실현될 수 있다. 이런 얇은 층 두께는 특히 전해질 층의 경우 전지의 작동 온도 감소 및 그 성능 증대에 바람직하게 작용한다. 또한, 층들의 상대적으로 더 얇은 형성을 통해 재료 비용이 절약될 수 있다.
지지 웨브 또는 지지 웨브들이 또한 기능 층 시스템 또는 상응하는 전극 층으로부터 이격되고 그에 따라 지지 웨브 또는 지지 웨브들과 기능 층 시스템, 특히 상응하는 전극 층 사이에 예컨대 가스가 흐를 수 있는 자유 공간이 있기 때문에, 지지 웨브들을 통해, 기능 층 시스템 또는 상응하는 전극 층의 전기 화학 활성 표면이 감소되지 않을뿐더러, 그 아래에 배치되는, 기능 층 시스템 또는 전극 층의 섹션 쪽으로 향하는 가스 확산도 실질적으로 방해받지 않는다. 따라서 바람직하게는 기능 층 시스템 또는 전극 층의 특히 우수한 가스 접근성과 그에 따른 전지의 높은 성능이 달성될 수 있다. 이는, 특히, 여타의 경우 가스 확산, 예컨대 산소 확산의 억제가 전지의 성능 감소를 초래할 수 있는 높은 전류 밀도의 조건에서 바람직하게 작용한다.
지지 웨브란, 특히 자체 지지 구조(self supporting structure)를 의미할 수 있다.
전기 화학 전지는, 기밀한 재료, 특히 세라믹 재료로 이루어진 특히 2개의 단부 섹션을 포함할 수 있다. 기밀한 재료는 특히 전기 화학적으로 비반응성 또는 불활성 재료, 특히 전기 화학적으로 비반응성 또는 불활성 세라믹 재료일 수 있다.
단부 섹션들은 관형 기능 층 시스템 또는 전지의 단부 상에 각각 형성될 수 있다. 예컨대 단부 섹션들은 각각 관형 기능 층 시스템의 튜브 개구부를 에워싸는 기능 층 시스템의 테두리 섹션에 인접하는 방식으로 형성될 수 있다.
원칙상, 전기 화학 전지는 일 측면이 폐쇄된 방식으로 형성될 수 있을 뿐만 아니라, 양 측면이 개방된 방식으로도 형성될 수 있다.
일 측면이 폐쇄된 형성의 경우, 전기 화학 반응에 관여하는 가스들 중 하나의 가스는 전지의 개방 단부를 통해 삽입된 가스 공급 랜스를 통해 내부 챔버 내로 유입될 수 있고, 그 다음 상기 가스는 개방 단부를 통해 다시 내부 챔버에서 배출되며, 전기 화학 반응에 관여하는 다른 가스는 전지의 외면 주위로 흐른다.
양측 면이 개방된 형성의 경우, 전기 화학 반응에 관여하는 가스들 중 하나의 가스는 전지의 일측 단부에서부터 그 타측 단부 쪽으로 전지의 내부 챔버를 통과하여 안내될 수 있으며, 전기 화학 반응에 관여하는 다른 가스는 전지의 외면 주위로 흐른다.
일측 면이 폐쇄된 형성의 경우, 일측의 단부 섹션은 기능 층 시스템 또는 전지의 단부들 중 일측 단부, 특히 관형 기능 층 시스템의 튜브 개구부들 중 하나의 튜브 개구부를 밀폐하는 캡 섹션(cap section)일 수 있다. 이 경우, 타측의 단부 섹션은 기저 섹션(foot section) 또는 조립 섹션일 수 있다. 이 경우, 캡 섹션 및/또는 기저 섹션 및 지지 웨브 또는 지지 웨브들은 동일한 재료, 특히 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 이 경우, 특히 캡 섹션, 지지 웨브 또는 지지 웨브들 및 하기에 설명되는 지지 리브(들)(support rib), 그리고 경우에 따른 기저 섹션은 동일한 재료, 특히 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 캡 섹션 및 기저 섹션의 형성을 위해, 재료, 특히 세라믹 재료는 바람직하게는 기밀하게 형성된다. 지지 리브들 및 하기에 설명되는 지지 웨브들의 형성을 위해서 재료는 서로 무관하게 기밀하게, 또는 가스 투과성으로 형성될 수 있다. 하기에 설명되는 지지 리브들의 기밀한 형성은 화학적으로 민감한 재료들로 이루어져 그 아래에 위치하는 섹션들을 보호하는 장점을 수반하며, 그리고 지지 웨브들의 재료의 가스 투과성은 기능 층 시스템으로부터 지지 웨브들의 이격에 의해 실질적으로 중요하지 않기 때문에, 상기 지지 웨브들도 예컨대 제조 방법의 간소화를 위해 기밀하게 형성될 수 있다.
양측 면이 개방된 형성의 경우, 두 단부 섹션은 기저 섹션들 또는 조립 섹션들일 수 있다. 이 경우, 기저 섹션들 중 적어도 하나의 기저 섹션, 경우에 따라서는 두 기저 섹션 모두, 그리고 지지 웨브 또는 지지 웨브들은 동일한 재료, 특히 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 특히 기저 섹션들 중 적어도 하나의 기저 섹션, 경우에 따라서는 두 기저 섹션 모두, 그리고 지지 웨브 또는 지지 웨브들 및 하기에 설명되는 지지 리브(들)는 동일한 재료, 특히 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 기저 섹션들의 형성을 위해, 재료, 특히 세라믹 재료는 바람직하게는 기밀하게 형성된다. 이미 일측 면이 폐쇄된 형성과 관련하여 유사하게 설명한 것처럼, 지지 리브들 및 하기에 설명되는 지지 웨브들의 형성을 위한 재료는 서로 무관하게 기밀하게, 또는 가스 투과성으로, 특히 기밀하게 형성될 수 있다.
바람직한 실시예의 범위에서, 하나 이상의 지지 웨브는 두 단부 섹션과 특히 재료 결합 방식으로 결합된다. 이 경우, 하나 이상의 지지 웨브는 단부 섹션들 사이에서, 특히 자유 공간을 통과하여, 관형 기능 층 시스템에 대해 이격되어 연장될 수 있다.
추가의 바람직한 실시예의 범위에서, 기능 층 시스템 상에, 특히 기능 층 시스템의 전극 층들 중 하나의 전극 층 상에, 하나 이상의 지지 리브가 형성된다. 예컨대 기능 층 시스템 상에, 특히 전극 층들 중 하나의 전극 층 상에, 2개 또는 그 이상의 지지 리브가 형성될 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 지지 웨브는 하나 이상의 지지 리브 상에 안착될 수 있고, 특히 그 지지 리브와 결합될 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 지지 웨브는 특히 2개 또는 그 이상의 지지 리브 상에 안착될 수 있고, 특히 그 지지 리브들과 결합될 수 있다. 이 경우, 특히 하나 이상의 지지 웨브는, 특히 그가 안착되는 지지 리브와 단부 섹션 사이에서, 또는 그가 안착되는 지지 리브들 사이에서, 특히 자유 공간을 통과하여, 기능 층 시스템에 대해, 특히 지지 리브(들)가 형성되어 있는 전극 층에 대해 이격되어 연장될 수 있다.
예컨대, 하나 이상의 지지 웨브는 지지 리브들 중 2개 또는 그 이상의 지지 리브 상에 안착되어 지지 리브들과 결합될 수 있으며, 지지 리브들 사이에서 또는 하나의 지지 리브와 하나의 단부 섹션 사이에서 기능 층 시스템에 대해 이격되어 연장될 수 있다.
지지 리브들을 통해, 바람직하게는 기능 층 시스템의 기계적 안정성이 개선될 수 있다. 이는, 기능 층 시스템의 층들이 종래의 방식에서 최소 200㎛보다 더 얇게 형성될 수 있다는 장점을 제공한다. 이런 방식으로, 예컨대 50㎛ 미만, 예컨대 심지어 15㎛의 층 두께들이 실현될 수 있다. 이런 얇은 층 두께는, 특히 전해질 층의 경우에 전지의 작동 온도 감소 및 성능 증대에 바람직하게 작용한다. 또한, 층들의 상대적으로 더 얇은 형성을 통해 재료 비용이 절약될 수 있다.
또한, 하나 또는 복수의 지지 웨브 및 하나 또는 복수의 지지 리브의 조합을 통해, 높은 가스 투과성 격자 구조가, 비교적 낮은 재료 비용 및 적은 중량에서도 높은 기계적 안정성을 갖는 지지부로서 형성될 수 있다. 이 경우, 낮은 재료 비용 및 적은 중량은, 특히 이동식 적용 분야의 경우, 전지의 제조 비용 및 취급성에 바람직하게 작용한다.
지지 리브란, 특히 상승부 또는 재료 보강부를 의미할 수 있다.
지지 리브들의 조밀한, 예컨대 블록 또는 언덕 형태의 형성은, 지지 리브들에 의해 기능 층 시스템의 최대한 작은 표면이 덮인다는 장점을 갖는다.
그러나 전기 화학 전지들의 기능 층 시스템들은 종래의 방식으로 전기 화학 활성 표면 섹션들, 다시 말하면 전기 화학 전지의 실질적인 전기 화학 반응에 관여하는 표면 섹션들 외에도, 예컨대 절연 또는 전기 접촉을 위해 사용되고 보통은 길쭉한 형태를 갖는 전기 화학 비활성 표면 섹션들도 포함한다. 여하히 전기 화학 비활성인 표면 섹션들의 할당을 통해, 바람직하게는 기능 층 시스템의 전기 화학 활성 표면은 감소되지 않는다. 또한, 이런 전기 화학 비활성 표면 섹션들 상에 길쭉한 지지 리브들을 형성하는 것을 통해, 기계적 안정성이 개선될 수 있으며, 그로 인해 지지 리브들을 길쭉하게 형성하는 것이 바람직할 수 있다.
바람직한 실시예의 범위에서, 하나 이상의 지지 리브는, 기능 층 시스템, 특히 전극 층들 중 하나의 전극 층의 섹션이면서, 예컨대 (자체적으로) 전기 화학적으로 비활성 상태이며, 그리고 예컨대 기능 층 시스템, 특히 전극 층의 2개 또는 그 이상의 전기 화학 활성 섹션을 이온적으로 그리고 전기적으로 서로 절연하고(절연 섹션), 및/또는 전기 전도 방식으로 서로 연결하는(상호 연결 섹션) 상기 섹션 상에 형성된다. 예컨대 지지 리브들은, 기능 층 시스템, 특히 전극 층들 중 하나의 전극 층의 섹션들이면서, 전기 화학적으로 비활성 상태이며, 그리고 예컨대 기능 층 시스템, 특히 전극 층의 전기 화학 활성 섹션들을 이온적으로 그리고 전기 적으로 서로 절연하고(절연 섹션들), 및/또는 전기 전도 방식으로 서로 연결하는(상호 연결 섹션들) 상기 섹션들 상에 형성될 수 있다. 따라서 지지 리브들에 의해, 바람직하게는 기능 층 시스템 또는 상응하는 전극 층의 전기 화학 활성 표면은 감소되지 않는다. 또한, 지지 리브들 아래에 위치하는 섹션들은 지지 리브들에 의해 외부 영향들로부터 보호되며, 이는, 예컨대 상기 영역들에서 화학적으로 불안정한, 예컨대 산화에 민감한 재료들을 사용하는 것을 가능하게 한다.
전극 층들은, 특히 전기 및 이온 절연성인 절연 섹션들에 의해 서로 분리되는 복수의 전극 섹션을 각각 포함할 수 있으며, 그리고 전해질 층은, 특히 전기 전도성이면서 이온 절연성인 상호 연결 섹션들에 의해 서로 분리되는 복수의 전해질 섹션을 포함할 수 있다. 이 경우, 각각 일측 전극 층의 전극 섹션은 타측 전극 층의 전극 섹션 및 전해질 층의 전해질 섹션과 함께 하나의 전극-전해질 유닛을 형성할 수 있다. 이 경우, 전극-전해질 유닛들은 예컨대 전해질 층 내에 형성된 상호 연결 섹션들을 통해 직렬 및/또는 병렬로, 특히 직렬로 연결될 수 있다.
예컨대 하나의 지지 웨브는 하나 또는 2개 또는 그 이상의 지지 리브 상에 안착될 수 있다. 특히, 지지 리브들 중 2개 또는 그 이상의 지지 리브 상에 안착되고, 특히 지지 웨브들이 각각 안착되는 지지 리브들 사이에서 기능 층 시스템에 대해 이격되어 연장되는 2개 또는 그 이상의 지지 웨브가 형성될 수 있다. 예컨대 전지는 상기 유형의 지지 리브 및 지지 웨브를 복수 개 포함할 수 있다.
추가의 바람직한 실시예의 범위에서, 예컨대 지지 웨브 또는 지지 웨브들 및 지지 리브(들), 그리고 예컨대 체(sieve) 모양인, 특히 관형인 지지 격자가 형성된다. 따라서 바람직하게는 낮은 재료 비용 및 적은 중량으로 높은 기계적 안정성이 달성될 수 있다. 이 경우, 특히 관형인 지지 격자는 기능 층 시스템을 에워쌀 수 있거나, 또는 기능 층 시스템에 의해 에워싸일 수 있다. 연료 전지들 및/또는 전해 전지들의 경우, 지지 리브들 및 지지 웨브들 또는 지지 격자는 산소 측 또는 공기 측에, 또는 연료 가스 측에 형성될 수 있거나, 또는 경우에 따라서는 산소 측 또는 공기 측뿐만 아니라 연료 가스 측에도 형성될 수 있다. 금속 공기 전지들의 경우에, 지지 리브들과 지지 웨브들 또는 지지 격자는 특히 산소 측 또는 공기 측에 형성될 수 있다.
추가 실시예의 범위에서, 지지 웨브 또는 지지 웨브들은 각각의 지지 리브 또는 각각의 지지 리브들과 재료 결합 방식으로 결합된다. 이는 예컨대 하기에 설명되는 제조 방법에 의해 실현될 수 있다.
추가 실시예의 범위에서, 지지 리브들 및/또는 지지 웨브들은 하나 이상의 세라믹 재료를 포함한다. 예컨대 지지 리브들 및/또는 지지 웨브들은 하나 또는 복수의 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 예컨대 지지 리브들 및 지지 웨브들은 동일한 세라믹 재료 또는 동일한 세라믹 재료들을 포함할 수 있거나, 또는 이로 형성될 수 있다. 따라서 바람직하게는 안정된 결합이 달성될 수 있을 뿐만 아니라, 예컨대 유사하거나 동일한 팽창 계수로 인해 온도 변동 부하 하에서 높은 안정성이 달성될 수 있다. 예컨대 지지 리브들 및/또는 지지 웨브들은, 마그네슘 실리케이트, 특히 포르스테라이트, 지르코늄 이산화물, 특히 희토류 도핑된 지르코늄 이산화물, 예컨대 스칸듐 및/또는 이트륨 및/또는 세륨 도핑된 지르코늄 이산화물, 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 세라믹 재료를 포함하거나 이로 형성될 수 있다.
특히 지지 리브들 및/또는 지지 웨브들은 적어도 마그네슘 실리케이트, 특히 포르스테라이트를 포함하거나 이로 형성될 수 있다. 포르스테라이트는 실질적으로 일반 화학식 Mg2SiO4를 기반으로 하고 바람직하게는 활석 및 마그네슘 산화물과 같은 경제적인 원료들의 반응 소결을 통해 제조될 수 있다. 또한, 포르스테라이트는 우수한 소결 특성들과 통상의 기능 층 시스템 재료들과 유사한 팽창 계수들을 가지며, 이는 기능 층 시스템, 지지 리브들 및 지지 웨브들의 동시 소결(공소결; co-sintering)에 바람직하게 작용한다.
바람직한 실시예의 범위에서, 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 종축과 관련하여 실질적으로 축 방향으로, 특히 축 방향으로 연장된다.
실질적으로 축 방향 연장이란, 특히 상응하는 구조가 관형 기능 층 시스템의 종축을 따라서 연장되며, 예컨대 종축과 예컨대 ±45°의 편차를 갖는, 예컨대 파형 또는 나선형인 형성이 가능하다는 것을 의미할 수 있다.
바람직한 실시예의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 원주 방향에서 실질적으로 측면으로(lateral), 특히 측면으로 연장된다.
관형 기능 층 시스템의 원주 방향에서 실질적으로 측면 연장이란, 특히 상응하는 구조가 관형 기능 층 시스템의 원주 방향을 따라서 연장되며, 예컨대 원주 방향과 예컨대 ±45°의 편차를 갖는, 예컨대 파형 또는 나선형인 형성이 가능하다는 것을 의미할 수 있다.
상기 실시예의 특별한 형성의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 종축을 따라서 예컨대 등거리로 분포되는 방식으로 형성되고, 및/또는 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 외주와 관련하여 원주를 따라서, 예컨대 등거리로 분포되는 방식으로 형성된다.
다른 실시예의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 종축과 관련하여 실질적으로 축 방향으로, 특히 축 방향으로 연장된다. 이 경우, 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 원주 방향에서 실질적으로 측면으로(lateral), 특히 측면으로 연장될 수 있다.
상기 실시예의 특별한 형성의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 원주와 관련하여, 원주를 따라서, 예컨대 등거리로 분포되는 방식으로 형성되고, 및/또는 지지 웨브들은 관형 기능 층 시스템의 종축을 따라서 예컨대 등거리로 분포되는 방식으로 형성된다.
추가 실시예의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 외면 상에 형성된다.
또 다른 추가 실시예의 범위에서, 지지 리브들은 관형 기능 층 시스템의 내면 상에 형성된다.
기능 층 시스템의 전해질 층은, 예컨대 희토류들, 특히 스칸듐, 이트륨 및/또는 세륨 도핑된 지르코늄 이산화물(ZrO2)을 함유하는 특히 산소 이온 전도성 재료로 형성될 수 있다. 전해질 층 재료는 특히 예컨대 제조 방법의 범위에서 소결 공정에 따라서 기밀하며, 그럼으로써 전기 화학 반응을 위한 가스 챔버들은 기능 층 시스템에 의해 분리된 상태로 유지된다.
이로써 본 발명에 따른 전기 화학 전지의 추가의 기술적 특징들 및 장점들과 관련하여, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 시스템과 관련한 설명 내용들뿐만 아니라 도면들 및 실시예 설명이 참조된다.
본 발명의 추가 대상은, 전기 화학 전지, 특히 본 발명에 따른 전기 화학 전지의 제조 방법이며, 이 방법은 하기의 방법 단계들을 포함한다.
방법 단계 a)에서, 기능 층 시스템 및 사출 성형 금형이 제공된다.
이 경우, 기능 층 시스템은 2개의 전극 층과, 이들 전극 층 사이에 배치되는 하나의 전해질 층을 포함한다. 전극 층들 중 적어도 하나의 전극 층 상에는 하나 이상의 희생 재료 섹션을 포함하는 추가 층이 적층된다. 기능 층 시스템은 방법 단계 a)에서 예컨대 포일 또는 슬리브의 형태로 제공될 수 있다.
사출 성형 금형은, 실질적으로 원통형 캐비티를 구비하여 캐비티를 형성하는 사출 성형 금형 유닛과, 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 내로 삽입될 수 있는, 실질적으로 원통형인 사출 성형 금형 코어를 포함한다. 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 및/또는 사출 성형 금형 코어는 하나 이상의 그루브를 포함한다. 그 외에도, 사출 성형 금형 코어는 경우에 따라서 다수 부분으로 형성될 수 있다. 예컨대 사출 성형 금형 코어는 금형 코어 본체와 이 금형 코어 본체 상에 끼워질 수 있는 기능 층 시스템 지지 슬리브를 포함할 수 있다. 이런 형성을 통해, 바람직하게는 하기에 설명되는 방법 단계 b)에서 사출 성형 금형 코어 상에서의 기능 층 시스템의 부착 및 포지셔닝뿐만 아니라, 하기에 설명되는 방법 단계 c)에서의 사출 성형 컴포넌트의 사출 이후 사출 성형 금형 유닛으로부터 사출 성형 금형 코어의 제거가 간소화될 수 있다.
이미 언급한 것처럼, 본원의 방법은, 또한, 하나 이상의 희생 재료 섹션이 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 및/또는 사출 성형 금형 코어의 그루브를 한정하는 방식으로, 기능 층 시스템이 사출 성형 금형 코어 및/또는 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 상에 제공되고 사출 성형 금형 코어는 사출 성형 금형 유닛 내로 삽입되는, 방법 단계 b)를 포함한다.
또한, 본원의 방법은, 사출 성형 컴포넌트가 하나 이상의 그루브 내로 사출되는, 방법 단계 c)를 포함한다. 이 경우, 하나 이상의 그루브 내로 사출된 재료로 지지 웨브들이 형성된다. 특히, 방법 단계 c)에서 사용되는 사출 성형 컴포넌트는 세라믹 사출 성형 컴포넌트일 수 있다. 그에 따라서, 방법 단계 c)는 세라믹 사출 성형(CIM: Ceramic Injection Moulding)에 의해, 특히 포일 배면 사출 성형 또는 인몰드 라벨링(IML: Inmould Labeling)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 본원의 방법은 희생 재료를 제거하는 방법 단계 d)를 포함한다.
희생 재료의 특성에 따라서, 방법 단계 d)에서의 희생 재료의 제거는 상이한 유형들 및 방식들로 수행될 수 있다. 예컨대 희생 재료는 특히 분해 및/또는 가스화 및/또는 용융 및/또는 용매에서의 용해 및/또는 박리를 통해 제거될 수 있다.
바람직한 실시예의 범위에서, 희생 재료는 방법 단계 d)에서 가열을 통해 제거된다. 이를 위해, 예컨대, 특히 잔류물 없이 연소되고, 및/또는 가스화되고, 그리고/또는 용융되는 희생 재료가 사용될 수 있다.
희생 재료로서는 예컨대 종이, 특히 필터 종이가 사용될 수 있다.
특히 잔류물 없이 연소되는 희생 재료들로서는 예컨대 유기 결합제가 사용될 수 있다.
바람직한 실시예의 범위에서, 희생 재료는 유기 결합제 또는 유기 결합제 혼합물, 예컨대 폴리비닐부티레이트 및/또는 폴리에틸렌글리콜이다. 특히 희생 재료는 방법 단계 c)에서 사용되는 사출 성형 컴포넌트와 동일한 유기 결합제 또는 유기 결합제들을 함유할 수 있다.
추가의 바람직한 실시예의 범위에서, 방법 단계 e)는 소결 공정을 통해 수행된다. 이는, 연소되고, 가스화되고, 및/또는 용융되는 희생 재료들을 제거할 수 있게 할 뿐만 아니라, 동일한 공정 단계에서, 특히 지지 웨브들을 형성하면서, 기능 층 시스템 및 지지 리브 섹션들의 재료들 및 사출 성형 컴포넌트를 동시에 소결하거나 공소결할 수 있게 한다. 따라서 제조 방법은 바람직하게는 간소화되고, 제조 시간은 단축되며, 부품 수량은 증가될 수 있다.
특별한 실시예의 범위에서, 방법 단계 a)에서 사용되는 추가 층은 희생 재료 섹션에 인접하는 하나 이상의 지지 리브 섹션을 포함한다. 추가 층의 지지 리브 섹션 또는 지지 리브 섹션들은 특히 지지 리브들의 형성을 위해 사용될 수 있다. 특히 방법 단계 a)에서 사용되는 추가 층은 희생 재료 섹션에 의해 서로 분리되는 2개 이상의 지지 리브 섹션을 포함할 수 있다.
방법 단계 b)에서, 특히, 하나 이상의 지지 리브 섹션 및 특히 하나 이상의 희생 재료 섹션이 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 및/또는 사출 성형 금형 코어의 그루브를 한정하는 방식으로, 상기 유형의 기능 층 시스템은 사출 성형 금형 코어 및/또는 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 상에 제공되고 사출 형성 금형 코어는 사출 성형 금형 유닛 내로 삽입될 수 있다. 이 경우, 특히, 각각 2개 이상의 지지 리브 섹션, 예컨대 2개 이상의 지지 리브 섹션 및 이들 지지 리브 섹션 사이에 형성되는 하나의 희생 재료 섹션은, 사출 성형 금형 유닛의 캐비티 및/또는 사출 성형 금형 코어의 그루브를 한정할 수 있다.
추가 실시예의 범위에서, 방법 단계 a)에서 기능 층 시스템은 프린팅, 특히 실크 스크린 프린팅을 통해 제공된다.
추가 실시예의 범위에서, 지지 리브 섹션들 및 사출 성형 컴포넌트는 하나 이상의 세라믹 재료를 포함한다. 특히 지지 리브 섹션들 및 사출 성형 컴포넌트는 동일한 세라믹 재료들과 경우에 따라서는 동일한 유기 결합제들도 포함할 수 있다. 예컨대 지지 리브 섹션들 및 사출 성형 컴포넌트는 세라믹 재료로서 적어도 마그네슘 실리케이트, 예컨대 포르스테라이트를 포함할 수 있다.
이로써 본 발명에 따른 방법의 추가의 기술적 특징들 및 장점들과 관련하여, 본 발명에 따른 전기 화학 전지 및 본 발명에 따른 시스템과 관련한 설명 내용들뿐만 아니라 도면들 및 실시예 설명도 참조된다.
또한, 본 발명은, 예컨대 본 발명에 따른 전기 화학 전지를 포함하는 태양광 발전 설비 및/또는 풍력 발전 설비를 위한 에너지 저장 및/또는 변환 시스템, 예컨대 열병합 발전형 에너지 저장 및/또는 변환 시스템에도 관한 것이다.
이로써 본 발명에 따른 시스템의 추가의 기술적 특징들 및 장점들과 관련하여, 본 발명에 따른 전기 화학 전지 및 본 발명에 따른 방법과 관련한 설명 내용들뿐만 아니라 도면들 및 실시예 설명도 참조된다.
본 발명에 따른 대상들의 추가의 장점들 및 바람직한 구성들은 도면에 도시되고 하기의 설명에 제시된다. 이 경우, 유념할 사항은, 도면들이 기술한 특성만을 가질 뿐이고 그 어떠한 형태로도 본 발명을 제한하는 것으로 생각해서는 안 된다는 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 전지의 제 1 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 전지의 제 2 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 전지의 제 3 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지의 제 4 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 전지의 제 5 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 전지의 제 6 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 방법의 몇몇 실시예를 구체적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 리브 구조 섹션-희생 재료 섹션 층을 포함하여 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 기능 층 시스템의 특별한 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예를 구체적으로 설명하기 위한 개략적 횡단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 1c는 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 전지의 제 2 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 전지의 제 3 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지의 제 4 실시예를 도시한 개략적 측면도이다.
도 5a는 본 발명에 따른 전지의 제 5 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 6a는 본 발명에 따른 전지의 제 6 실시예를 절단하여 도시한 개략적 종단면도이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 7a 내지 도 9e는 본 발명에 따른 방법의 몇몇 실시예를 구체적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 리브 구조 섹션-희생 재료 섹션 층을 포함하여 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 기능 층 시스템의 특별한 실시예를 절단하여 도시한 개략적 횡단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예를 구체적으로 설명하기 위한 개략적 횡단면도이다.
도 1a 내지 도 1c에는, 2개의 전극 층(11a, 11b)과 이들 전극 층(11a, 11b) 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c)을 구비한 관형 기능 층 시스템(11)을 포함하는, 전기 화학 전지(10), 예컨대 연료 전지 및/또는 전해 전지 및/또는 금속 공기 전지의 제 1 실시예가 도시되어 있다.
도 1a 내지 도 1c에는, 또한, 전기 화학 전지(10)가 기밀한 재료로 이루어진 2개의 단부 섹션(K; F)을 포함하며, 단부 섹션들(K, F)은 관형 기능 층 시스템(11)의 일측 단부 상에 각각 형성되어 있는 것이 도시되어 있다. 이 경우, 단부 섹션들 중 일측 단부 섹션(K)은 관형 기능 층 시스템(11)의 일측 단부를 밀폐하는 캡 섹션이며, 타측 단부 섹션은 전지(10)의 조립을 위한 기저 섹션(F)[가스 포트 플랜지(gas port flange)]이다. 이 경우, 기능 층 시스템(11)은 캡 섹션(K)과 기저 섹션(F) 사이의 중간 섹션(Z) 내에 형성된다. 이 경우, 기능 층 시스템(11)의 전극들(11a, 11b)은 기능 층 시스템(11)의 전제 내부 및 외부 관 표면 상에 배치될 수 있다. 캡 섹션(K) 및 기저 섹션(F)은 도시된 실시예에서 전극 없이 형성된다.
기저 섹션(F)은 경우에 따라 정밀한 평면 연삭부를 구비할 수 있으며, 이 평면 연삭부는 (예컨대 유리 유형의 재료로 이루어진 시일의 사용 없이) 가스 공급 라인의 마찬가지로 정밀하게 평면 연삭된 대응 플랜지(counter flange)와 기저 섹션(F)을 기밀하게 연결하는 것을 가능하게 한다.
도 1a 내지 도 1c에는, 전지(10)가 관형 기능 층 시스템(11)에 대해 이격 간격(b)으로 이격되어 형성되어 있는 지지 웨브들(13)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 이 경우, 지지 웨브들(13)은 특히 기능 층 시스템(11)의 외면에 대해 또는 외부 전극 층(11a)에 대해 이격 간격(d)으로 이격되어 형성된다. 이 경우, 지지 웨브들(13)은 한편으로 캡 섹션(K)과 연결되고 다른 한편으로는 기저 섹션(F)과 연결된다. 이격 간격(d)으로 이격의 결과로 지지 웨브들(13)과 기능 층 시스템(11)의 외면, 특히 외부 전극 층(11a) 사이에 형성되는 자유 공간들을 통해서, 바람직하게는 전극 층(11a)에 특히 방해 없이 가스가 공급될 수 있다.
또한, 도 1a 내지 도 1c에는, 지지 웨브들(13)이 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 축 방향으로 연장되고, 관형 기능 층 시스템(11)의 원주와 관련하여서는 원주를 따라서 등거리로 분포되는 방식으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있다.
이 경우, 캡 섹션(K), 지지 웨브들(13), 및 경우에 따라 기저 섹션(F)은 동일한 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 도시된 실시예에서, 캡 섹션(K), 기저 섹션(F) 및 지지 리브들(12)은 세라믹 재료, 예컨대 포르스테라이트로 형성된다.
본 발명에 따른 전기 화학 전지(10)의 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제 2 실시예는, 실질적으로 추가로 기능 층 시스템(11)의 외면 상에, 특히 기능 층 시스템의 외부 전극 층(11a) 상에 복수의 지지 리브(12)가 형성되고, 이들 지지 리브 상에는 다시 지지 웨브들(13)이 안착되며, 이 지지 웨브들(13)은 지지 리브들(12)과 재료 결합 방식으로 결합되어 있다는 점에서, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 제 1 실시예와 다르다. 지지 리브들(12) 사이, 또는 단부 섹션(K, F)과 지지 리브(12) 사이에서는 지지 웨브들(13)이 기능 층 시스템(11)에 대해 이격 간격(d)으로 이격되어, 특히 지지 리브들(12)을 구비한 전극 층(11a)에 대해 이격 간격(d)으로 이격되어 형성된다. 전체적으로, 지지 리브들(12) 및 지지 웨브들(13)은, 특히 불활성 체 지지부(sieve support)로서도 형성될 수 있으면서 관형 기능 층 시스템(11)을 에워싸는 관형 지지 격자를 형성한다.
경우에 따라서, 지지 리브들(12)도, 지지 웨브들(13) 또는 캡 섹션(K) 및/또는 기저 섹션(F)과 동일한 세라믹 재료, 예컨대 포르스테라이트로 형성될 수 있다.
그 밖에도, 도 2a 내지 도 2c에는, 지지 리브들(12)이 관형 기능 층 시스템(11)의 원주 방향에서 측면으로 연장되고, 지지 웨브들(13)은 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 축 방향으로 연장되어 있는 것이 도시되어 있다. 도 2a 내지 도 2c에는, 지지 리브들(12)이 관형 기능 층 시스템(11)의 종축을 따라서 등거리로 분포되는 방식으로 형성되고, 지지 웨브들(13)은 관형 기능 층 시스템(11)의 원주와 관련하여 원주를 따라서 등거리로 분포되는 방식으로 형성되어 있는 것이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 전지(10)의 도 3a 내지 도 3c에 도시된 제 3 실시예는, 실질적으로 지지 리브들(12)이 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 축 방향으로 연장되고, 지지 웨브들(13)은 관형 기능 층 시스템(11)의 원주 방향에서 측면으로 연장된다는 점에서, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제 2 실시예와 다르다. 지지 리브들(12)은 관형 기능 층 시스템(11)의 원주와 관련하여 원주를 따라서 등거리로 분포되는 방식으로 형성되며, 지지 웨브들(13)은 관형 기능 층 시스템(11)의 종축을 따라서 등거리로 분포되는 방식으로 형성된다.
본 발명에 따른 전기 화학 전지(10)의 도 4에 도시된 제 4 실시예는, 실질적으로 지지 웨브들(13)이 나선형으로 형성되어 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 실질적으로 축 방향으로만 연장된다는 점에서, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제 2 실시예와 다르다. 도 4에 도시된 제 4 실시예의 범위에서, 지지 리브들(12)은 (도 2a 내지 도 2c에 도시된 제 2 실시예와 유사하게) 관형 기능 층 시스템(11)의 원주 방향에서 측면으로 연장된다. 그러나 마찬가지로 지지 리브들(12)을 원주 방향에서 실질적으로 측면으로만 형성할 수도 있다. 마찬가지로, 지지 리브들(12) 및 지지 웨브들(13)을 실질적으로 대각선으로, 예컨대 종축 및/또는 원주 방향에 대해 45°만큼의 각도로 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 전기 화학 전지(10)의 도 5a 및 도 5b에 도시된 제 5 실시예는, 실질적으로 지지 리브들(12)이 관형 기능 층 시스템(11)의 내면 상에 형성되고, 그에 따라 지지 웨브들(13)도 관형 기능 층 시스템(11)의 내부에서 연장된다는 점에서, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 제 2 실시예와 다르다.
본 발명에 따른 전기 화학 전지(10)의 도 6a 및 도 6b에 도시된 제 6 실시예는, 실질적으로 마찬가지로 지지 리브들(12)이 관형 기능 층 시스템(11)의 내면 상에 형성되고, 그에 따라 지지 웨브들(13)도 관형 기능 층 시스템(11)의 내부에서 연장된다는 점에서 도 3a 내지 도 3c에 도시된 제 3 실시예와 다르다.
도 7a 내지 도 9e에는, 본 발명에 따른 방법의 몇몇 실시예를 구체적으로 설명하기 위한 개략도들이 도시되어 있다. 도 7a 내지 도 7e에는, 각각 방법 단계 a) 및 b)에서 사용되는 기능 층 시스템(11)이 도시되어 있으며, 이 기능 층 시스템은 2개의 전극 층(11a, 11b) 및 이들 전극 층 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c) 외에도, 희생 층 섹션들(14) 및 지지 리브 섹션들(12)을 구비한 추가 층(12, 14)을 포함한다. 지지 웨브들(13)을 포함하지만, 지지 리브들(12)은 포함하지 않는 전지(10)의 형성을 위해, 추가 층(14)은 특히 완전하게 희생 재료(14)로 형성될 수 있거나, 또는 희생 재료 층(14)이라고 할 수 있다. 도 8a 내지 도 8e에는 방법 단계 c)에서의 사출 성형 이후 나타나는 배치 상태들이 도시되어 있고, 도 9a 내지 도 9e에는 방법 단계 d)에서의 희생 재료(14)의 제거 이후 나타나는 전기 화학 전지들이 도시되어 있다.
기본 개념의 더 나은 이해를 위해, 지지 리브 섹션-희생 층 섹션 층(12, 14)을 구비한 기능 층 시스템(11)은 도 7a ~ 7c, 8a ~ 8c 및 9a ~ 9c에서 관형이 아니라 평면으로 투영된 방식으로 도시되어 있다. 도 7a, 8a 및 9a에는, 제 1 평면에서의 횡단면이 각각 도시되어 있으며, 도 7b, 8b 및 9b에는, 제 1 평면에 대해 수직인 제 2 평면에서의 횡단면이 각각 도시되어 있으며, 도 7c, 8c, 및 9c에는, 도 7a, 7b 또는 도 8a, 8b 또는 도 9a, 9b에 도시된 대상들의 평면도가 각각 도시되어 있다.
도 7d, 7e, 8d, 8e, 9d 및 9e에는, 도 7a ~ 7c, 8a ~ 8c, 및 9a ~ 9c에 평면 투영된 도면들에 상응하는 관형 도면들이 도시되어 있으며, 도 7d, 8d 및 9d에는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 제 3 실시예의 제조 방법이 도시되어 있고, 도 7e, 8e 및 9e에는 도 6a 및 도 6b에 도시된 제 6 실시예의 제조 방법이 도시되어 있다.
도 7a 내지 도 7e에는, 방법 단계 a)에서, 2개의 전극 층(11a, 11b)과 이들 전극 층(11a, 11b) 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c)을 포함하는 기능 층 시스템(11)이 제공되는 것이 도시되어 있다. 두 전극 층 중 일측 전극 층(11a) 상에는, 희생 재료 섹션들(14)에 의해 서로 분리된 복수의 지지 리브 섹션(12)을 포함하는 추가 층(12, 14)이 적층된다. 도면 부호 X로 표시된 괄호들은, 이 경우 지지 리브 섹션들(12)이 전기 화학적으로 비활성 상태인 기능 층 시스템(11)의 섹션들(X) 상에 형성되어 있는 것을 지시한다. 상기 섹션들은 예컨대 전기 화학 활성 섹션들을 서로 전기 연결하거나, 또는 전기적으로 및/또는 이온적으로 서로 절연하기 위해 사용되는 상호 연결 섹션 및/또는 절연 섹션들일 수 있다.
도 8a 내지 도 8e에는, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 배치 상태들(11, 12, 14)이 방법 단계들 a), b) 및 c) 이후 상태로 도시되어 있다.
도 7a 내지 도 7e에 도시된 배치 상태들(11, 12, 14) 외에도, 방법 단계 a)에서는 여전히 사출 성형 금형(20)도 제공되었으며, 이 사출 성형 금형은, 실질적으로 원통형인 캐비티를 구비하여 캐비티를 형성하는 사출 성형 금형 유닛(21)과, 캐비티 내로 삽입될 수 있고 실질적으로 원통형인 사출 성형 금형 코어(22)를 포함하며(도 11a 및 도 11b에 도시되어 있음), (도 11a 및 도 11b에 도시된) 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 또는 (미도시된) 사출 성형 금형 코어(22)는 복수의 그루브(21a)를 포함한다.
그 다음, 방법 단계 b)에서는, 기능 층 시스템(11)의 각각 복수의 지지 리브 섹션(12)이 (도 11a 및 도 11b에 도시된) 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 또는 (미도시된) 사출 성형 금형 코어(22)의 그루브(21a)를 한정하는 방식으로 기능 층 시스템(11)은 (도 11a 및 도 11b에 도시된) 사출 성형 코어(22) 또는 (미도시된) 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 상에 제공되었고, 사출 성형 금형 코어(22)는 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 내로 삽입되었다.
그 다음, 방법 단계 c)에서는, 사출 성형 컴포넌트(13)가 (도 11a 및 도 11b에 도시된) 그루브들(21a) 내로 사출되었다.
도 8a 내지 도 8e에는, 이 경우 그루브들(21a) 내에 길쭉한 상승부들(13)이 형성되었으며, 이 상승부들은 지지 리브들(12)뿐만 아니라 희생 재료(14) 상에도 안착되어 있는 것이 도시되어 있다.
도 9a 내지 도 9e에는, 도 7a 내지 도 7e 및 도 8a 내지 도 8e에 도시된 배치 상태들(11, 12)이 방법 단계 d)에서의 희생 재료 층(14)의 제거 이후 상태로 도시되어 있다.
도 9a 내지 도 9e에는, 그루브들(21a) 내에 형성된 길쭉한 상승부들(13)이 희생 재료(14)의 제거 후에 지지 웨브들(13)을 형성하고, 이 지지 웨브들은 지지 리브들(12) 상에 안착되어 이 지지 리브들과 연결되지만, 지지 리브들(12) 사이에서 기능 층 시스템(11)에 대해 이격되어, 그리고 특히 지지 리브들(12)이 형성되는 기능 층 시스템(11)의 전극 층(11a)에 대해 이격되어 연장되는 것이 도시되어 있다. 방법 단계 d)에서 희생 재료(14)의 제거는 예컨대 가열에 의해 수행될 수 있다. 특히 방법 단계 d)는 소결 공정을 통해 수행될 수 있으며, 이런 소결 공정 동안 희생 재료(14)가 예컨대 연소, 가스화 및/또는 용융에 의해 제거될 뿐만 아니라, 기능 층 시스템(11) 및 지지 리브들(12)의 재료들, 및 지지 웨브들(13)을 형성하는 사출 성형 컴포넌트(13)도 공소결된다.
도 10에는, 지지 리브 섹션들(12)이 전기 화학적으로 비활성 상태인 기능 층 시스템(11)의 섹션들(X) 상에 형성되어 있는, 기능 층 시스템(11)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도시된 실시예의 범위에서, 두 전극 층(11a, 11b)은 각각 복수의 전극 섹션(11a', 11b')을 포함하며, 이들 전극 섹션은 각각 각각의 전극 층(11a, 11b)의 내부에서 전기 및 이온 절연성 절연 섹션(11a", 11b")에 의해 서로 분리된다. 두 전극 층(11a, 11b) 사이에 형성되는 전해질 층(11c) 내에는, 예컨대 란타늄-크롬 산화물(LaCrO3)로 이루어져 전기 전도성이면서 이온 절연성인 상호 연결 섹션들(11c")에 의해 각각 서로 분리되어 있는 복수의 전해질 섹션(11c')이 형성된다. 이 경우, 상호 연결 섹션들(11c")은 각각 두 전극 층(11a, 11b)의 절연 섹션들(11a", 11b") 사이에 배치되며, 절연 섹션들(11a", 11b") 및 상호 연결 섹션들(11c")은, 상이한 전극 층들(11a, 11b)의 2개의 전극 섹션(11a', 11b') 및 이들 사이에 배치되는 전해질 층(11c)의 하나의 전해질 섹션(11c')에 의해 각각 형성되는 인접한 전극-전해질 유닛들(11a', 11b', 11c')이 직렬로 연결되는 방식으로, 서로 약간 오프셋 되어 배치된다.
도 10에는, 도시된 실시예에서 지지 리브들(12)이 전극 층(11a)의 절연 섹션들(11a") 상에, 또는 전해질 층(11c)의 상호 연결 섹션들(11c")에 인접하게, 그리고 타측 전극 층(11b)의 절연 섹션들(11b")에 인접하게 형성되어 있는 것이 도시되어 있다. 파선들은, 기능 층 시스템의 구성에 따라 지지 리브들(12)이 다른 위치들에서도, 예컨대 특히 개방되어 위치하는 상호 작용 섹션(11c") 상에도 형성될 수 있는 것을 도시하고 있다. 세그먼트화된 표면 섹션들 상에 또는 위에 지지 리브들(12)의 포지셔닝이 제공되는데, 그 이유는 이런 조치를 통해 한편으로 전기 화학 활성 표면이 감소되지 않고 다른 한편으로는 지지 리브들에 의해 그 아래 위치하는 섹션들이 보호되며, 이는 산화 환경에서 상호 연결부 또는 절연체로서 예컨대 산화에 민감한 세라믹 및/또는 금속 재료들을 사용할 수 있게 하기 때문이다.
도 11a 및 도 11b에는, 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실시하기에 적합한 사출 성형 금형(20)이 매우 개략화되어 도시되어 있으며, 상기 사출 성형 금형은 실질적으로 원통형인 캐비티를 구비하여 캐비티를 형성하는 사출 성형 금형 유닛(21)과, 캐비티 내로 삽입될 수 있는 실질적으로 원통형인 사출 성형 금형 코어(22)를 포함하고 복잡한 기하구조의 제조를 가능하게 한다. 도 11a 및 도 11b에는, 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티가 길이방향 그루브들의 형태인 그루브들(21a)을 포함하는 것이 도시되어 있다. 이 경우, 사출 성형 금형 코어(22)는 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티의 길이방향 중심축에 포지셔닝된다. 사출 성형 금형 코어(22)는, 경우에 따라 플라스틱 포일 또는 슬리브 상에서 지지되는 포일 유형의 기능 층 시스템(11)이 자신(22) 상에 배치될 수 있도록 형성된다. 추가로 상기 기능 층 시스템(11)은 지지 리브들(12)과 이 지지 리브들 사이에 형성된 희생 재료 섹션들(14)을 포함하며, 지지 리브들(12)은 바람직하게는, 기능 층 시스템(11) 내에서 상호 연결 섹션들(11c") 및/또는 절연 섹션들(11a", 11b")(도 10 참조)이 형성되어 있는 구역들에 포지셔닝된다.
도 11b에는, 예컨대 세라믹인 사출 성형 재료(13)가, 사출 성형 공정 동안, 중앙에서 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티의 영역이면서 차후의 캡 섹션(K)을 형성하는 상기 영역 내로 통해 있는 탕구 런너(21b)(sprue runner)를 경유하여, 길이방향 그루브들(21a) 내로 유입되며, 기능 층 시스템(11) 주위로 부분적으로 흐르는 것이 도시되어 있다. 이를 보장하기 위해, 지지 리브들(12) 사이의 공간은 희생 재료(14)로 채워지고, 상기 희생 재료는 소결 동안 완전히 연소된다. 소결 동안, 기능 층 시스템(11)의 재료들, 특히 전극 재료(11a) 및 지지 리브 재료(12)뿐만 아니라 사출 성형 재료(13)도 지지 리브 재료(12)와 양호하게 결합될 수 있다. 기능 층 시스템이 사출 성형 컴포넌트로 형성되는 지지 웨브들(13)과 함께 기계적으로 안정된 지지 격자를 형성하는 지지 리브들(12)에 직접 인접하는 것을 통해, 기능 층 시스템의 전극 층들 및/또는 전해질 층은, 실질적으로 지지하는 기능을 충족하지 않아도 되기 때문에, 상대적으로 훨씬 더 얇은 벽 두께로, 예컨대 50㎛ 또는 그 미만으로 얇게 형성될 수 있다는 장점이 제공된다.
기능 층 시스템(11)의 내부 전극 층(11b)은 예컨대 연료 가스 전극 층으로서 형성될 수 있고, 예컨대 산소 이온 전도성 또는 혼합 전도성 세라믹으로 이루어진 기능 층 시스템(11)의 외부 전극 층(11a)은 산소 전극 층으로서 형성될 수 있다.
10
전기 화학 전지
11 관형 기능 층 시스템
11a,11b 전극 층
11a',11b' 전극 섹션
11a",11b" 절연 섹션
11c 전해질 층
11c' 전해질 섹션
11c" 상호 연결 섹션
12 지지 리브, 지지 리브 섹션
13 지지 웨브, 사출 성형 컴포넌트, 서출 성형 재료
14 희생 층 섹션, 희생 재료, 희생 재료 섹션
20 사출 성형 금형
21 사출 성형 금형 유닛
21a 그루브
21b 탕구 런너
22 사출 성형 금형 코어
F 기저 섹션, 전기 화학 전지의 단부 섹션
K 캡 섹션, 전기 화학 전지의 단부 섹션
Z 중간 섹션
11 관형 기능 층 시스템
11a,11b 전극 층
11a',11b' 전극 섹션
11a",11b" 절연 섹션
11c 전해질 층
11c' 전해질 섹션
11c" 상호 연결 섹션
12 지지 리브, 지지 리브 섹션
13 지지 웨브, 사출 성형 컴포넌트, 서출 성형 재료
14 희생 층 섹션, 희생 재료, 희생 재료 섹션
20 사출 성형 금형
21 사출 성형 금형 유닛
21a 그루브
21b 탕구 런너
22 사출 성형 금형 코어
F 기저 섹션, 전기 화학 전지의 단부 섹션
K 캡 섹션, 전기 화학 전지의 단부 섹션
Z 중간 섹션
Claims (15)
- 관형 기능 층 시스템(11)을 포함하는 전기 화학 전지(10), 특히 연료 전지 및/또는 전해 전지 및/또는 금속 공기 전지로서,
상기 기능 층 시스템(11)은 2개의 전극 층(11a, 11b)과, 상기 전극 층들(11a, 11b) 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c)을 포함하며,
상기 전지(10)는 상기 관형 기능 층 시스템(11)에 대해 이격 간격(d)으로 이격되어 형성되는 하나 이상의 지지 웨브(13)를 포함하는, 전기 화학 전지(10). - 제 1 항에 있어서, 상기 전기 화학 전지(10)는 기밀한 재료로 이루어진 2개의 단부 섹션(K; F)을 포함하고, 상기 단부 섹션들(K, F)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 단부 상에 각각 형성되며, 상기 하나 이상의 지지 웨브(13)는 상기 두 단부 섹션(K, F)과 연결되는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기능 층 시스템(11) 상에는 하나 이상의 지지 리브(12)가 형성되며, 상기 하나 이상의 지지 웨브(13)는 상기 하나 이상의 지지 리브(12) 상에 안착되어 그 지지 리브와 결합되는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 지지 리브(12)는 전기 화학적으로 비활성 상태인 상기 기능 층 시스템(11)의 섹션 상에 형성되는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 웨브 또는 지지 웨브들(13) 및 상기 지지 리브(들)(12)는 특히 체 모양인 하나의 지지 격자를 형성하는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 웨브 또는 지지 웨브들(13)은 각각의 지지 리브(12) 또는 각각의 지지 리브들(12)과 재료 결합 방식으로 결합되는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 리브들(12) 및/또는 상기 지지 웨브들(13)은 하나 이상의 세라믹 재료, 특히 적어도 마그네슘 실리케이트를 포함하는, 전기 화학 전지(10).
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 웨브들(13)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 실질적으로 축 방향으로 연장되며, 특히 상기 지지 웨브들(13)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 원주와 관련하여 원주를 따라서 분포되는 방식으로 형성되고, 및/또는
상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 원주 방향에서 실질적으로 측면으로 연장되며, 특히 상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 종축을 따라서 분포되는 방식으로 형성되고, 및/또는
또는
상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 종축과 관련하여 실질적으로 축 방향으로 연장되며, 특히 상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 원주와 관련하여 원주를 따라서 분포되는 방식으로 형성되며, 그리고
상기 지지 웨브들(13)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 원주 방향에서 실질적으로 측면으로 연장되며, 특히 상기 웨브들(13)은 상기 관형 기능 층 시스템의 종축을 따라서 분포되는 방식으로 형성되는, 전기 화학 전지(10). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 외면 상에 형성되거나, 또는
상기 지지 리브들(12)은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 내면 상에 형성되는, 전기 화학 전지(10). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 일측 단부 섹션은 상기 관형 기능 층 시스템(11)의 단부들 중 하나의 단부를 밀폐하는 캡 섹션(K)이며, 특히 상기 캡 섹션(K), 상기 지지 리브들(12) 및 상기 지지 웨브들(13)은 동일한 세라믹 재료로 형성되는, 전기 화학 전지(10).
- 특히 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 전기 화학 전지(10)의 제조 방법으로서,
a) 2개의 전극 층(11a, 11b)과 상기 전극 층들(11a, 11b) 사이에 배치되는 하나의 전해질 층(11c)을 포함하는 기능 층 시스템의 제공 단계로서, 상기 전극 층들 중 적어도 하나의 전극 층(11a) 상에는 하나 이상의 희생 재료 층(14)을 포함하는 추가 층(12, 14)이 적층되게 하는, 제공 단계; 및
실질적으로 원통형인 캐비티를 구비하여 캐비티를 형성하는 사출 성형 금형 유닛(21)과 캐비티 내에 삽입될 수 있으며 실질적으로 원통형인 사출 성형 금형 코어(22)를 포함하는 사출 성형 금형(20)의 제공 단계로서, 상기 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 및/또는 상기 사출 성형 금형 코어(22)는 하나 이상의 그루브(21a)를 포함하게 하는, 제공 단계;
b) 하나 이상의 희생 재료 섹션(14)이 상기 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 및/또는 상기 사출 성형 금형 코어(22)의 그루브(21a)를 한정하는 방식으로, 상기 사출 성형 금형 코어(22) 및/또는 상기 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 상에 상기 기능 층 시스템(11)을 제공하고, 상기 사출 성형 금형 유닛(21)의 캐비티 내로 상기 사출 성형 금형 코어(22)를 삽입하는 단계;
c) 상기 하나 이상의 그루브(21a) 내로 사출 성형 컴포넌트(13)를 사출하는 단계; 및
d) 특히 가열에 의해 희생 재료(14)를 제거하는 단계를; 포함하는 전기 화학 전지의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서, 상기 희생 재료는 유기 결합제 또는 유기 결합제 혼합물인, 전기 화학 전지의 제조 방법.
- 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 단계 d)는 소결 공정에 의해 수행되며, 특히 상기 기능 층 시스템(11) 및 상기 지지 리브 섹션들(12)의 재료들뿐만 아니라 상기 사출 성형 컴포넌트(13)가 동시에 소결되는, 전기 화학 전지의 제조 방법.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법 단계 a)에서, 상기 기능 층 시스템(11)은 프린팅, 특히 실크 스크린 프린팅에 의해 제공되는, 전기 화학 전지의 제조 방법.
- 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 리브 섹션들(12) 및 상기 사출 성형 컴포넌트(13)는 하나 이상의 세라믹 재료, 특히 동일한 세라믹 재료들을 포함하는, 전기 화학 전지의 제조 방법.
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