KR20150129024A - 크롬을 포획하도록 구성된 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20150129024A
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젱량 씽
쯔엔 리우
리차드 더블유. 괴틀러
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엘지 퓨얼 셀 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

몇몇 예에서, 캐소드, 캐소드에 인접한 캐소드 전도층, 캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질, 및 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드를 포함하는 연료 전지로서, 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되고, 캐소드 또는 캐소드 전도층 중 하나 이상은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물(exsolute oxide)을 포함하는 것인 연료 전지를 제공한다.

Description

크롬을 포획하도록 구성된 연료 전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM CONFIGURED TO CAPTURE CHROMIUM}
본 발명은 에너지국에 의해 수여된 지원 협정 번호 DE-FE0000303 하에 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 특정 권리를 갖는다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 고체 산화물 연료 전지와 같은 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지, 연료 전지 시스템, 및 연료 전지 및 연료 전지 시스템용 연결재는 흥미로운 분야로 남아 있다. 기존의 몇몇 시스템은 특정 용도에 대해 다양한 결점, 결함 및 단점을 가지고 있다. 따라서, 이 기술 분야에 더 기여할 필요가 있다.
본 발명의 예는 연료 전지 시스템에서 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 하나 이상의 특징을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 캐소드 전도층 및 캐소드를 포함할 수 있고, 여기서 캐소드 또는 캐소드 전도층 중 적어도 하나는, 예를 들어, 연료 전지의 산화제(oxidant) 또는 공기 측에서 Cr 증기종을 포획하기 위해 용리 산화물(exsolute oxide)을 포함한다. 예를 들어, LSM 캐소드 및/또는 LSM 캐소드 전도층은 용리 MnOx를 포함할 수 있고, 이것은 Cr 증기종과 반응하여 Cr 종을 포획해서 캐소드의 Cr 피독을 방지하거나 감소시킨다.
한 예에서, 본 발명은 캐소드, 캐소드에 인접한 캐소드 전도층, 캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질, 및 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드를 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 상기 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드, 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 상기 캐소드 전도층은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물을 포함하는 것인 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
다른 예에서, 본 발명은 연료 전지 시스템을 형성하는 것을 포함하는 방법으로서, 상기 연료 전지 시스템은 캐소드, 캐소드에 인접한 캐소드 전도층, 캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질, 및 전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드를 포함하고, 상기 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드, 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 상기 캐소드 전도층은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물을 포함하는 것인 방법에 관한 것이다.
본 발명의 하나 이상의 실시형태의 세부사항은 첨부하는 도면과 이하의 상세한 설명에 개시한다. 본 발명의 다른 특징, 목적 및 이점은 상세한 설명 및 도면과 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본원의 설명은 첨부하는 도면을 참조하며, 이 도면의 몇몇 그림에서 유사한 도면 번호는 유사한 부분을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적 연료 전지 시스템을 도시주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 예시적 횡단면도를 도시주는 개략도이다.
도 3은 실험 결과를 도시하는 플롯이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 예시적 횡단면도를 도시하는 개략도이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 비한정적인 예의 몇몇 측면을 개략적으로 설명한다. 도면에는, 본 발명의 실시형태의 여러 측면들의 다양한 특징, 구성요소 및 상호관계가 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 제시된 특정 실시형태, 및 도면에 예시되고 본원에 기술된 구성요소, 특징 및 상호관계에 한정되는 것이 아니다.
크롬종, 예를 들어 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 산화물 또는 공기 공급부에 존재하는 것과 같은 크롬종은 SOFC의 캐소드에 오염물이 될 수 있다. Cr 종은 평판형 SOFC 기술의 금속 연결재로부터 발생할 수 있다. 이러한 Cr 종은 가장 공격적인 크롬 공급원일 수 있으며, 예를 들어 금속 연결재가 전지에 인접하여 연결되어 있을 경우, 크롬이 고상 확산 및 증기상에 의해 전지로 이동할 수 있다. 크롬의 제2 공급원은 주변 보조기기(balance of plant; BOP) 금속 하드웨어, 예컨대 열 교환기, 개질기, 배관 및 장치로부터이다. 몇몇 예에서, 그러한 BOP Cr 종은, 주요 연결재가 인쇄된 귀금속 서멧 또는 세라믹계일 경우 가장 우려스러울 수 있다. 추가로, 어떤 경우에는, 금속 연결재로부터의 크롬 방출을 최소화하기 위한 노력이 있을 수 있다. 몇몇 예에서, 금속 상에 형성되는 크롬 박편과 반응하고 또한 방출되는 크롬 증기종을 포획할 수 있는 코팅을 금속 연결재에 도포할 수 있다. 그러한 예는 전지 영역, 예를 들어, 캐소드를, 특히 Cr로부터 보호하는 것이 아니라, 주요 Cr 공급원으로부터 방출되는 Cr 종의 양을 감소시키는 것이다.
연료 전지 시스템의 예시적 캐소드는 LSM에 기초한 캐소드를 포함하고, 이것은 바람직한 성능 및 내구성을 제공할 수 있으며, 예를 들어 ZrO2에 기초한 SOFC의 경우 고온에서의 바람직한 성능 및 내구성을 제공할 수 있다. 그러나, 다른 캐소드 조성물과 마찬가지로, 그러한 캐소드는 상기에 기재한 Cr 오염에 의해 피독될 수 있다. 따라서, 캐소드에서의 그러한 Cr 피독을 방지 또는 감소시키기 위해서는, 연료 전지의 캐소드/전해질 계면에 도달하기 전에, 고체 산화물 연료 전지 시스템의 업스트림(주변 보조기기) 및/또는 금속 연결재에서 발생하는 Cr 종을 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 예에 따르면, 연료 전지 시스템은 활성 캐소드층 상에 형성된 캐소드 전도층을 포함할 수 있으며, 상기 캐소드 전도층 및/또는 캐소드는, 예를 들어 연료 전지의 산화물/공기 측에서, 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 화합물을 포함한다. Cr 증기 포획 화합물을, 캐소드 전도층을 형성하는 데 사용되는 분말 또는 다른 재료에 별도로 혼합하거나 다른 방식으로 첨가하는 것보다는, 캐소드 전도층의 화학작용을, 연료 전지 작동 중에, 예를 들어, Cr 증기종과 반응함으로써 연료 전지 중의 Cr 증기종을 포획하는 용리 산화물이 캐소드 전도층 및/또는 캐소드 중에 존재하도록 선택한다. 이러한 방식으로, 캐소드 전도층 및/또는 캐소드는 캐소드가 Cr 증기종에 의해 피독되는 것을 감소 또는 방지할 수 있다.
한 예로서, LSM으로 이루어지고 전형적인 LSM+이온상 복합 캐소드의 상부에 위치하는 캐소드 전도층(캐소드 집전체 또는 CCC로 칭해지기도 함)의 경우, 캐소드 전도층 내의 용리 MnOx가 Cr 포획 물질로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 특별히 설계된 A-자리(A-site) 결핍 LSM은 집전체와 Cr 포획층 둘 다로서 기능하는 우수한 재료일 수 있는데, 그 이유는, Mn이 매우 풍부할 경우 LSM의 열역학적 불안정성으로 인해, 연료 전지 프로세싱 및 작동 중에, 평형 농도를 초과한 MnOx가 LSM 구조로부터 분리되어 유리 MnOx로서 존재하려고 하기 때문이다. 이러한 용리 MnOx는 증기상의 Cr과 상호작용하여 (Mn,Cr)3O4 스피넬을 형성하여 CCC 층에 침적되어 캐소드 피독을 방지할 수 있다.
이하에 설명하는 바와 같이, 몇몇 예에서는, 또한, 캐소드를 Cr 피독으로부터 보호하기 위해 공기로부터의 Cr 종을 포획하기 위해, (예를 들어, 단순히 얻을 수 있는 것보다 더 많은 함량으로, 비화학량론적, A-자리 결핍) 추가의 Cr 포획 물질을 전류 전도층에 의도적으로 첨가할 수 있다. Cr 포획을 위한 이러한 접근법은 다른 캐소드 재료, 예컨대, LSCF 캐소드, LSF 캐소드, PSM 캐소드, 니켈레이트 캐소드 등에도 적용될 수 있으나, CCC 층의 바람직한 게터링 물질은 캐소드 재료의 종류에 따라 달라질 것이다. 다른 캐소드 재료가 사용될 경우, 캐소드와 CCC 배합비 둘 다, Cr 게터링 물질로서 작용하도록 상응하는 산화물을 용리하기 위해 의도적으로 설계할 수도 있다. 예를 들어, 용리된 Cr 포획 물질은 LSCF 캐소드의 경우 CoO 및/또는 Fe2O3, LSF 캐소드의 경우 Fe2O3, PSM 캐소드의 경우 MnOx, 니켈레이트 캐소드의 경우 NiO이다.
본 발명의 몇몇 예는, 국소 재료들이 이온상으로 상호확산되는 것과 더불어, SOFC 작동 조건의 결과로서 잔류량의 MnOx가 발생하도록 하고, 확립된 LSM 캐소드 및 집전체로부터의 이러한 분산된 MnOx 상이, 예를 들어 주변 보조기기 구성요소로부터 기인하는 Cr 증기종을 포획하는 작용을 하도록, 캐소드 및/또는 캐소드 집전체층에 LSM 화학작용을 특별히 선택하는 것을 포함한다. 캐소드 집전체 및/또는 캐소드 층은 이들의 예상된 전기화학 및 집전 기능을 제공하는 한편, 계내에 형성된, 크롬 포획을 위한 부위로서도 작용한다.
Cr 포획 화합물로 이루어진 별개의 층을 캐소드 또는 CCC 상부에 인쇄하는 접근법의 경우와 비교하여, 본 발명의 예는 SOFC 시스템 내의 다중 공급원으로부터의 Cr을 포획할 수 있다. 예를 들어, 열 교환기 및 배관과 같은 주변 보조기기로부터 또는 평판형 SOFC 시스템에 가장 흔히 사용되는 금속 연결재로부터, 활성 캐소드로 진입하여, 특히 캐소드/전해질 계면에 도달하는 Cr 종의 양을 최소화함으로써, 캐소드의 피독과 전기화학적 성능의 열화를 방지한다. 그러나, 몇몇 예에서, Cr 증기종을 포획하기 위한 용리 산화물을 포함하는 CCC 및/또는 캐소드 이외에도 Cr 포획 화합물로 이루어진 별개의 층을 포함시킬 수 있다. 캐소드 또는 CCC 상부의 Cr 포획층은 비전도성 산화물, 예컨대 알칼리 토금속 산화물, 예를 들어 MgO일 수 있고, 이것이 바람직할 수 있으며, 또는 희토류 금속 산화물, 예를 들어 Y2O3일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적 연료 전지 시스템(10)을 도시하는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료 전지 시스템(10)은 기판(14) 상에 형성된 복수의 전기화학 전지(12)(또는 "개별 연료 전지")를 포함한다. 이하에 설명하는 바와 같이, 복수의 전기화학 전지(12) 중 하나 이상은 연료 전지(10) 중의 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 본원에 기재된 예시적 조성의 캐소드 및/또는 캐소드 전도층을 포함할 수 있다. 전기화학 전지(12)는 연결재(16)에 의해 직렬로 서로 연결된다. 연료 전지 시스템(10)은 평판형 다공성 세라믹 튜브 상에 침적된 세그먼트식(segmented-in-series) 배열이지만, 본 발명은 원형 다공성 세라믹 튜브와 같이 다른 기판 상의 세그먼트식 배열에도 동등하게 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 다양한 실시형태에서, 연료 전지 시스템(10)은 일체형 평판형 연료 전지 시스템 또는 관형 연료 전지 시스템일 수 있다.
각각의 전기화학 전지(12)는 산화제 측(18)과 연료 측(20)을 포함한다. 산화제는 일반적으로 공기이지만, 순수한 산소(O2), 또는 예를 들어, 공기 재순환 루프를 갖는 연료 전지 시스템의 경우 묽은 공기를 비롯한 다른 산화제일 수 있으며, 산화제 측(18)으로부터 전기화학 전지(12)로 공급된다. 기판(14)은 특별히 가공된 다공성을 가질 수 있으며, 예를 들어, 다공성 세라믹 재료는 연료 전지 작동 조건에서 안정하고, 다른 연료 전지 재료와 화학적으로 양립될 수 있다. 다른 실시형태에서, 기판(14)은 표면 개질 재료, 예를 들어, 전기화학 전지(12) 층과 기판(14) 사이의 상호작용을 방지 또는 감소시키도록 구성된, 코팅 또는 다른 표면 변형을 갖는 다공성 세라믹 재료일 수 있다. 연료, 예컨대 개질된 탄화수소 연료, 예를 들어, 합성 가스가 다공성 기판(14)에서 채널(도시되지 않음)을 통해 연료 측(20)으로부터 전기화학 전지(12)에 공급된다. 몇몇 예에서, 탄화수소 연료로부터 개질된 공기 및 합성 가스가 이용될 수 있지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 순수한 수소 및 순수한 산소와 같은 다른 산화제 및 연료를 사용하는 전기화학 전지도 이용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 연료는 기판(14)을 통해 전기화학 전지(12)에 공급되지만, 다른 실시형태에서는, 산화제가 다공성 기판을 통해 전기화학 전지에 공급될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템(10)의 예시적 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 연료 전지 시스템(10)은 기판(14) 상에 스크린 인쇄된 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 이것은, 직조된 메쉬의 개구를 통해 연료 전지 층을 통과시켜 기판(14) 상에 침적시키는 공정을 포함할 수 있다. 스크린의 개구는 인쇄된 층의 길이와 폭을 결정한다. 스크린 메쉬, 와이어 직경, 잉크 고체 로딩 및 잉크 레올로지가 인쇄된 층의 두께를 결정할 수 있다. 연료 전지 시스템(10) 층들은 애노드 전도층(22), 애노드층(24), 전해질층(26), 캐소드층(28) 및 캐소드 전도층(30)을 포함한다. 한 형태에서, 전해질층(26)은 단일층일 수 있거나 임의의 수의 부층으로 이루어질 수 있다. 도 2는 반드시 축척에 비례하는 것은 아님을 이해해야 한다. 예를 들어, 명쾌한 예시를 위해 수직 치수를 과장되게 표현하였다.
각각의 전기화학 전지(12)에서, 애노드 전도층(22)은 애노드(24)로부터의 자유 전자를 전도하고, 그 전자를 연결재(16)를 통해 캐소드 전도층(30)에 전도한다. 캐소드 전도층(30)은 전자를 캐소드(28)에 전도한다. 연결재(16)는 전해질층(26)에 매립되어 있고 애노드 전도층(22)에 전기적으로 연결되어 있으며, 애노드 전도층(22)으로부터 방향(32)로 전해질층(26)을 통해, 그 후 방향(36)으로 한 전기화학 전지(12)로부터 다음의 인접한 전기화학 전지(12)로 연장되며, 그 후 방향(32)로 다시 캐소드 전도층(30)을 향하며, 여기에 연결재(16)가 전기적으로 연결되어 있다. 특히, 연결재(16)의 적어도 일부는 전해질층(26)의 연장된 부분 내에 매립되어 있으며, 전해질층(26)의 연장된 부분은, 애노드(24)와 캐소드(28)를, 예를 들어 방향(32)로 넘어서 연장되고 애노드(24)와 캐소드(28) 사이에 삽입되어 있지 않은 전해질층(26)의 부분이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)용 연결재는 한 전기화학 전지로부터 다른 전기화학 전지로 전자를 수송하기 위해 전기 전도성이고, 연료 전지 작동 중에 산화성 환경과 환원성 환경 둘 다 하에서 기계적 및 화학적으로 안정하며, 연결재를 통한 연료 및/또는 산화제의 확산을 방지하기 위해 비다공성인 것이 바람직하다. 연결재가 다공성일 경우, 연료는 산화제 측으로 확산하고 연소하여 국부적 핫스팟(hot spot)이 생기게 할 수 있으며, 이는, 예를 들어 재료의 열화와 기계적 고장에 기인하는 연료 전지 수명의 단축과, 연료 전지 시스템의 효율 감소를 초래할 수 있다. 유사하게, 산화제가 연료 측으로 확산하여, 연료의 연소를 초래할 수 있다. 심각한 연결재 누출은 연료 효용 및 연료 전지 성능을 현저히 감소시키거나 연료 전지 또는 스택의 돌발 고장을 유발할 수 있다.
세그먼트형 전지의 경우, 연료 전지 구성요소들은 다공성 세라믹 기판, 예를 들어, 기판(14) 위에 박막을 침적시킴으로써 형성될 수 있다. 한 형태에서, 연결재를 포함하여 박막을 스크린 인쇄 공정에 의해 침적시킨다. 다른 실시형태에서, 기판 상에 박막을 침적시키거나 다른 방식으로 형성하기 위해 다른 공정이 이용될 수 있다. 연결재층의 두께는 5∼30 마이크론일 수 있으나, 예를 들어, 100 마이크론과 같이 훨씬 더 두꺼울 수도 있다.
연결재(16)는 Ag, Pd, Au 및/또는 Pt 및/또는 이들의 합금을 비롯한 귀금속으로 이루어질 수 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 재료도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 대안으로, 귀금속 합금, 예컨대 Ag-Pd, Ag-Au, Ag-Pt, Au-Pd, Au-Pt, Pt-Pd, Ag-Au-Pd, Ag-Au-Pt, Ag-Au-Pd-Pt 및/또는, Pt-Pd-Au-Ag 패밀리의 이원, 삼원, 사원 합금을 비롯한 다른 재료를 사용하는 것도 고려되며, 상기 다른 재료는 미량의 비귀금속 첨가제를 갖는 합금, 귀금속, 귀금속 합금 및 비활성 세라믹상, 예컨대 알루미나, 또는 유의적인 패러사이틱(parasitic)을 일으키지 않는 최소한의 이온 전도성을 갖는 세라믹상, 예컨대 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아, 이트리아 도핑 지르코니아로도 알려짐, 이트리아 도핑량은 3∼8 mol%, 바람직하게는 3∼5 mol%), ScSZ(스칸디아 안정화 지르코니아, 스칸디아 도핑량은 4∼10 mol%, 바람직하게는 4∼6 mol%), 도핑된 세리아, 및/또는 전도성 세라믹, 예컨대 연결재로서 적절한 상 안정성 및/또는 충분한 전도성을 달성하기 위해 A 또는 B-자리 치환 또는 도핑을 갖는 전도성 페로브스카이트로 이루어진 서멧, 예를 들어, 도핑된 스트론튬 티타네이트(예컨대 LaxSr1-xTiO3-δ, x=0.1∼0.3), LSCM(La1-xSrxCr1-yMnyO3, x=0.1∼0.3, y=0.25∼0.75), 도핑된 이트륨 크로마이트(예컨대 Y1-xCaxCrO3-δ, x=0.1∼0.3) 및/또는 다른 도핑된 란탄 크로마이트(예컨대 La1-xCaxCrO3-δ, 여기서 x=0.15∼0.3), 및 전도성 세라믹, 예컨대 도핑된 스트론튬 티타네이트, 도핑된 이트륨 크로마이트, LSCM(La1-xSrxCr1-yMnyO3), 및 다른 도핑된 란탄 크로마이트 중 적어도 하나를 포함한다. 한 예에서, 연결재(16)는 y(PdxPt1-x)-(1-y)YSZ로 이루어질 수 있다. x가 중량비로 0∼1일 경우, 바람직하게는 x는 더 낮은 수소 플럭스에 대해 0∼0.5의 범위이다. Y는 부피비로 0.35∼0.80이며, 바람직하게는 y는 0.4∼0.6의 범위이다.
애노드 전도층(22)은 니켈 서멧, 예컨대 Ni-YSZ(예를 들어, 여기서 지르코니아 중의 이트리아 도핑량은 3∼8 mol%), Ni-ScSZ(예를 들어, 여기서 스칸디아 도핑량은 4∼10 mol%, 바람직하게는, 예를 들어 10 mol% 스칸디아-ZrO2에 대해 상 안정성을 위해 1 mol% 세리아의 제2 도핑을 포함함) 및/또는 Ni-도핑 세리아(예컨대 Gd 또는 Sm 도핑), 도핑된 란탄 크로마이트(예컨대 A-자리 상의 Ca 도핑 및 B-자리 상의 Zn 도핑), 도핑된 스트론튬 티타네이트(예컨대 A-자리 상의 La 도핑 및 B-자리 상의 Mn 도핑), La1-x SrxMnyCr1-yO3 및/또는 일반식 (La1-xSrx)n+1MnnO3n+1의 Mn 베이스의 R-P 상으로 이루어진 전극 전도층일 수 있다. 대안으로, 애노드 전도층(22)에 다른 재료, 예컨대 일부 또는 전부를 귀금속 베이스로 하는 서멧을 이용할 수 있다. 서멧 중의 귀금속은, 예를 들어, Pt, Pd, Au, Ag, 및/또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 세라믹상은, 예를 들어, 비활성 비전기 전도성 상, 예를 들어, YSZ, ScSZ 및/또는 층의 열팽창계수(CTE)를 기판 및 전해질의 CTE에 알맞도록 조절하기 위해 원하는 CTE를 갖는 하나 이상의 다른 활성상을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 세라믹상은 Al2O3 및/또는 스피넬, 예컨대 NiAl2O4, MgAl2O4, MgCr2O4, NiCr2O4를 포함할 수 있다. 다른 실시형태에서, 세라믹상은 전기 전도성일 수 있으며, 예를 들어, 도핑된 란탄 크로마이트, 도핑된 스트론튬 티타네이트 및/또는 LaSrMnCrO의 하나 이상의 형태 및/또는 일반식 (La1-xSrx)n+1MnnO3n+1의 R-P 상일 수 있다.
전해질층(26)은 세라믹 재료로 제조될 수 있다. 한 형태에서, 양성자 및/또는 산소 이온 전도성 세라믹이 이용될 수 있다. 한 형태에서, 전해질층(26)은 YSZ, 예컨대 3YSZ 및/또는 8YSZ로 이루어진다. 다른 실시형태에서, 전해질층(26)은 YSZ에 더하여 또는 그 대신에 ScSZ, 예컨대 4ScSZ, 6ScSz 및/또는 10Sc1CeSZ로 이루어질 수 있다. 다른 실시형태에서, 다른 재료도 이용될 수 있다. 예를 들어, 대안으로, 전해질층(26)은 도핑된 세리아 및/또는 도핑된 란탄 갈레이트로 이루어질 수 있다. 어느 경우에나, 전해질층(26)은 연료 전지(10)에 사용되는 유체, 예를 들어, 연료로서의 합성 가스 또는 순수한 수소와, 예를 들어 산화제로서의 공기 또는 O2의 확산 관통에 대해 실질적으로 불투성이지만, 산소 이온 또는 양성자의 확산은 허용한다.
캐소드층(28)은 LSM(La1-xSrxMnO3, 여기서 x=0.1∼0.3), La1-xSrxFeO3(예컨대, 여기서 x=0.3), La1-xSrxCoyFe1-yO3(예컨대 La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3) 및/또는 Pr1-xSrxMnO3(예컨대 Pr0.8Sr0.2MnO3) 중 적어도 하나로 형성될 수 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 재료도 이용될 수 있다. 예를 들어, 대안으로, 루들스덴-포퍼 니켈레이트(Ruddlesden-Popper nickelate) 및 La1-xCaxMnO3(예컨대 La0.8Ca0.2MnO3) 재료를 이용하는 것도 고려된다.
캐소드 전도층(30)은 전도성 세라믹, 예를 들어, LaNixFe1-xO3(예컨대, 예를 들어, LaNi0.6Fe0.4O3), La1-xSrxMnO3(예컨대 La0.75Sr0.25MnO3), 및/또는 Pr1-xSrxCoO3, 예컨대 Pr0.8Sr0.2CoO3 중 하나로 이루어진 전극 전도층일 수 있다. 다른 실시형태에서, 캐소드 전도층(30)은 다른 재료, 예를 들어, 귀금속 서멧으로 이루어질 수 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 재료도 이용될 수 있다. 귀금속 서멧 중의 귀금속은, 예를 들어, Pt, Pd, Au, Ag 및/또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 세라믹상은, 예를 들어, YSZ, ScSZ 및 Al2O3, 또는 열팽창을 조절하기 위해 필요에 따라 다른 비전도성 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 캐소드(28) 및/또는 캐소드 전도층(30)은 연료 전지 시스템(10) 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하기 위해, 용리 산화물, 예를 들어, MnOx를 포함할 수 있다.
도 1 및 2의 전기화학 전지(12)를 형성하기 위해 임의의 적절한 기법이 이용될 수 있다. 도 2의 예에서, 애노드 전도층(22)은, 전해질(26)의 일부와 마찬가지로, 기판(14) 상에 직접 인쇄될 수 있다. 애노드층(24)은 애노드 전도층(22) 상에 인쇄될 수 있다. 전해질층(26)의 일부분들은 애노드층(24) 상에 인쇄될 수 있고, 전해질층(26)의 일부분들은 애노드 전도층(22) 및 기판(14) 상에 인쇄된다. 캐소드층(28)은 전해질층(26) 상에 인쇄된다. 캐소드 전도층(30)의 일부분들은 캐소드층(28) 및 전해질층(26) 상에 인쇄된다. 캐소드층(28)은 전해질층(26)의 국소적 두께만큼 방향(32)로 애노드층(24)으로부터 이격되어 있다.
애노드층(24)은 방향(36)으로 연장되는 애노드 갭(34)을 포함한다. 캐소드층(28)은 역시 방향(36)으로 연장되는 캐소드 갭(38)을 포함한다. 도 2의 예에서, 방향(36)은 방향(32)에 실질적으로 수직이지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 갭(34)은 애노드층(24)을 복수의 개개의 애노드(40)로 분리하며, 각 전기화학 전지(12)에 대해 하나이다. 갭(38)은 캐소드층(28)을 상응하는 복수의 캐소드(42)로 분리한다. 방향(32)로 이격되어 있는 각각의 애노드(40) 및 상응하는 캐소드(42)는 그 사이에 배치된 전해질층(26) 부분과 함께 전기화학 전지(12)를 형성한다.
유사하게, 애노드 전도층(22) 및 캐소드 전도층(30)은 애노드 전도층(22) 및 캐소드 전도층(30)을 복수의 각각의 애노드 전도체 필름(48) 및 캐소드 전도체 필름(50)으로 분리하는 각각의 갭(44, 46)을 갖는다. 용어 "애노드 전도층" 및 "애노드 전도체 필름"은, 후자가 전자로 된 하나 이상의 층으로부터 형성되는 점을 고려하면 상호 교환적으로 사용될 수 있으며, 용어 "캐소드 전도층" 및 "캐소드 전도체 필름"은 후자가 전자로 된 하나 이상의 층으로부터 형성되는 점을 고려하면 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
몇몇 예에서, 애노드 전도층(22)은 두께, 즉 방향(32)로 측정된 두께가 약 5∼15 마이크론이지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 값도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 애노드 전도층은 약 5∼50 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어 특정 재료 및 용도에 따라, 상이한 두께가 이용될 수 있다.
유사하게, 애노드층(24)은 두께, 즉 방향(32)로 측정된 두께가 약 5∼20 마이크론일 수 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 값도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 애노드층은 약 5∼40 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어 특정 애노드 재료 및 용도에 따라, 상이한 두께가 이용될 수 있다.
전해질층(26)은 약 5∼15 마이크론의 두께를 가질 수 있고, 개개의 부층은 그 두께가 최대 약 5 마이크론이지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 두께 값도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 전해질층은 약 5∼40 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있는 것이 고려된다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어 특정 재료 및 용도에 따라, 상이한 두께가 이용될 수 있다.
캐소드층(28)은 두께, 즉 방향(32)로 측정된 두께가 약 10∼20 마이크론일 수 있지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 값도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 캐소드층은 약 10∼50 마이크론 범위의 두께를 가질 수 있는 것으로 고려된다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어 특정 캐소드 재료 및 용도에 따라, 상이한 두께가 이용될 수 있다.
캐소드 전도층(30)은 두께, 즉 방향(32)로 측정된 두께가 약 5∼100 마이크론이지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 다른 값도 이용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시형태에서, 캐소드 전도층은 약 5∼100 마이크론 범위의 두께보다 더 얇거나 더 두꺼울 수 있는 것으로 고려된다. 또 다른 실시형태에서, 예를 들어 특정 캐소드 전도층 재료 및 용도에 따라, 상이한 두께가 이용될 수 있다.
도 2에 도시되지는 않았지만, 몇몇 예에서, 연료 전지 시스템(10)은, 특정 연료 전지 시스템의 성능에 유해한 영향을 미칠 수 있는, 연결재(16)와 인접한 구성요소 사이의 확산, 예를 들어, 애노드 및/또는 애노드 전도체 필름 및/또는 캐소드 및/또는 캐소드 전도체 필름 사이의 확산을 저감 또는 방지하기 위해 연결재(16)와 인접한 구성요소 사이에 하나 이상의 화학적 장벽층을 포함할 수 있다. 다양한 실시형태에서, 그러한 화학적 장벽층은 연결재와 애노드 사이, 및/또는 연결재 애노드와 전도체 필름 사이, 및/또는 연결재와 캐소드 사이, 및/또는 연결재와 캐소드 전도체 필름 사이의 계면에서의 물질 이동 또는 확산을 방지 또는 저감하도록 구성될 수 있으며, 이것은 연결재의 장기 내구성을 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 화학적 장벽이 없으면, 귀금속 서멧으로 이루어진 연결재와, Ni에 기초한 서멧으로 이루어진 애노드 전도체 필름 및/또는 애노드 사이의 계면에서 물질 이동(확산)이 일어날 수 있다. 물질 이동은 양 방향으로 일어날 수 있으며, 예를 들어, Ni는 애노드 전도층/전도체 필름 및/또는 애노드로부터 연결재로, 귀금속은 연결재로부터 전도층/전도체 필름 및/또는 애노드로 이동한다. 물질 이동은 연결재와 애노드 전도체 필름 및/또는 애노드 사이의 계면 또는 그 근처에서의 다공성 증가를 초래할 수 있고, 이는 계면에 하나 이상의 비- 또는 저-전자 전도상을 많이 발생시켜 더 높은 면적비저항(ARS)을 야기하고 이로써 연료 전지 성능이 감소하는 결과가 초래된다. 연결재와 캐소드 사이 및/또는 연결재와 캐소드 전도체 필름 사이의 물질 이동은 또한 연료 전지 성능에 유해한 영향을 초래할 수도 있다. 이러한 화학적 장벽층은 두 종류의 재료, 즉 서멧 및/또는 전도성 세라믹 중 하나 또는 둘 다로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 예시적 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 도 4의 연료 전지 시스템, 및 이것의 구성요소/층은 도 1 및 2에 도시된, 전지(14)를 갖는 연료 전지 시스템(10)에 대해 설명한 것과 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다.
상기에 언급한 바와 같이, 본 발명의 예는 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr을, 예를 들어 캐소드층, 예컨대 캐소드층(28)으로 이동하기 전에 포획하기 위한 하나 이상의 기법 및 구성을 포함할 수 있다. 상기에 언급한 바와 같이, 휘발성 Cr 종은, Cr 피독에 기인한 고체 산화물 연료 전지의 관찰된 성능 열화의 원인이 될 수 있다. 고온 SOFC 시스템에서 형성된 고원자가의 기체상 Cr 종이 산화물, 수산화물 및 옥시산화물의 형태로 존재한다. Cr2O3(s)과 기체상 Cr 종 간의 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있다:
Cr2O3(s)+(m-1.5)O2(g)=2CrOm(g)
2Cr2O3(s)+(m-3)O2(g)+2mH2O(g)=4Cr(OH)m(g)
2Cr2O3(s)+(m+2n-3)O2(g)+2mH2O(g)=4CrOn(OH)m(g)
SOFC 작동 중에, 형성된 기체상 Cr 종이 먼저 공기 흐름 중에 비말 동반되고 그 후 캐소드 측으로 운반되며, 여기에서 고체 Cr2O3(s)로 환원된다. 일반적으로, Cr2O3(s)의 침적은 산소 분자, 전자 및 산소 빈자리가 이용 가능한 반응성 삼상 계면(reactive triple phase boundary; TPB) 부위에서 우선적으로 일어난다. 그러나, 이러한 위치에서 캐소드의 산소 환원 역시 발생하여, 반응하기 위해 기체상의 고원자가 종의 산소 환원과 경쟁해야 한다. 반응성 부위에서의 촉매 불활성 Cr2O3(s) 층에 의한 적용 범위는 산소 환원 속도를 늦추고 그에 따라 내성을 증가시킨다. TPB에서 더 많은 Cr2O3(s)가 석출될수록, 산소 분자에 대한 반응성 부위 접근 수가 더 적어지며, 성능의 열화가 관찰된다.
상기에 기재한 바와 같이, 본 발명의 예는 연료 전지 시스템 중의 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 하나 이상의 특징을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 예를 들어, 연료 전지 시스템은 캐소드 전도층 및 캐소드를 포함할 수 있고, 캐소드 또는 캐소드 전도층 중 하나 이상은, 예를 들어, 연료 전지의 산화제 또는 공기 측에, Cr 증기종을 포획하기 위한 용리 산화물을 포함한다. 예를 들어, LSM 캐소드 및/또는 LSM 캐소드 전도층은 용리 MnOx를 포함할 수 있으며, 이것은 Cr 증기종과 반응하여 Cr 종을 포획하여, 캐소드의 Cr 피독을 방지 또는 감소시킨다. 그러나, 캐소드 및/또는 CCC의 조성을 용리 산화물로서 상응하는 MnOx를 갖는 LSM과 관련하여 주로 설명하였지만, 다른 조성도 고려된다. 예를 들어, 용리 Cr 포획 물질은 LSCF 조성에 대해서는 CoO 및/또는 Fe2O3, LSF 조성에 대해서는 Fe2O3, PSM 조성에 대해서는 MnOx, 니켈레이트 조성에 대해서는 NiO이다.
몇몇 연료 전지 구성에 있어서는, 기체상 Cr 종이 LSM CCC 층 내에서 환원된다. 새롭게 침적된 미립질의 Cr2O3(s) 입자는 A-자리 결핍 LSM CCC로부터의 유리 MnOx와 반응하여 이들이 LSM 캐소드로 운반되기 전에 열역학적으로 안정한 (Cr,Mn)3O4 스피넬을 형성하는 경향이 크다. 이러한 방식으로, CCC 내의 유리 MnOx(예를 들어, 용리 MnOx)는 Cr 증기종을 포획할 수 있다. 이 메커니즘은 모의 시스템 조건 하에 테스트된 서브스케일 전지에서 확인되었고 TEM으로 분석되었다.
한 예에서, A-자리 결핍 LSM, (La1-xSrx)1-yMnO3(0.02 < y < 0.2)가 CCC(30) 및/또는 캐소드(28)를 형성하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 작동 온도에서의 LSM의 평형 농도 및 연료 전지의 캐소드 측의 산소 분압은 유리 MnOx 용리를 초래한다. 일반적으로, 더 많은 A-자리 결핍 LSM 배합비가 더 많은 유리 MnOx를 용리시킨다. LSM 배합비의 선택은 연료 전지 시스템의 주변 보조기기 또는 다른 금속 부품으로부터 방출되는 Cr 농도에 따라 달라진다. CCC 층(30)을 위한 바람직한 LSM 배합비는 A-자리 결핍 정도가 크며, 예를 들어 0.1≤y<0.2이다. LSM으로부터 분리된 유리 MnOx는 Cr과 반응하여 스피넬 또는 다른 화합물을 형성할 수 있다.
몇몇 예에서, Cr 포획을 향상시키기 위해 추가의 Cr 게터링 물질을 CCC(30) 및/또는 캐소드(29)(예를 들어, LSM CCC 층)에 첨가할 수 있다. 추가의 Cr 포획 물질 또는 "Cr 게터링 물질"은 희토류 금속 산화물, 예컨대 Y2O3, 또는 알칼리 토금속 산화물, 예컨대 MgO일 수 있다. 몇몇 예에서, CCC(30)에 첨가된 추가의 Cr 게터링 물질은 전기 전도성을 요구하지 않는데, 그 이유는 이것은 전자 전도 경로가 아니라 단지 Cr 게터링 물질로서만 작용하기 때문이다.
바람직하게는, CCC 층(30)은 활성 캐소드(28)로의 Cr 증기상 수송을 최소화하고 캐소드 성능 및 장기 내구성을 향상시키기 위해 활성 캐소드층(28)보다 더 많은 Cr 게터링 물질, 즉 연료 전지 작동 중에 LSM 상으로부터 용리된 MnOx 및/또는 CCC 층에 첨가된 추가의 Cr 게터링 물질을 갖는다.
몇몇 예에서, 또한 예를 들어 CCC 층(30)을 지나는 경로를 찾는 Cr 종에 대해, 활성 캐소드(28) 내의 일부 Cr 포획을 위해, 어느 정도의 유리 MnOx 용리를 달성하는 활성 LSM+이온 복합 캐소드를 위해 A-자리 결핍을 선택할 수 있다. 활성 캐소드(28) 내의 이러한 MnOx 함량은 CCC 층(30) 내에 존재하는 Cr 포획 물질에 더하여 또는 이를 대신하여 존재할 수 있다. 예를 들어, 소량의 Cr이 CCC 층(30)에 의해 완전히 차단되지 않는 경우, 활성 캐소드(28) 중에 존재하는 MnOx는 LSM 상보다 Cr과 우선적으로 반응하여, 전기화학 성능의 열화를 최소화할 수 있다. 활성 캐소드(28)로부터의 유리 MnOx 용리는 연료 전지의 작동 온도 및 캐소드 측의 산소 분압과, 활성 캐소드(28)에 사용되는 이온상에 따라 달라진다. MnOx가 더 큰 용해도를 나타내는 스칸디아 도핑 지르코니아 또는 8YSZ가 이온상으로서 사용될 경우, 캐소드의 이온상에서의 산화망간의 용해도 제한보다 더 큰 충분한 유리 MnOx를 용리시키기 위해, 예컨대 10% 또는 높은 A-자리 결핍, 예를 들어 y≥0.1의 높은 A-자리 결핍 LSM 배합비가 바람직하다. MnOx가 낮은 용해도를 나타내는 3YSZ가 이온상으로서 사용될 경우, 5% A-자리 결핍, 예를 들어 y=0.05의 비교적 낮은 A-자리 결핍 LSM 배합비가 사용될 수 있다.
다른 예에서, 캐소드 성능에 영향을 미치지 않고 더 많은 Cr 증기종을 포획하기 위해, 활성 캐소드층에 추가의 Cr 게터링 물질을 첨가할 수 있다. Cr 게터링 물질은 전이 금속 산화물, 예컨대 FeOx, CoOx, MnOx, NiOx, CuOx 등, 희토류 금속 산화물, 예컨대 Y2O3, La2O3, 알칼리 토금속 산화물, 예컨대 MgO일 수 있다. 1종 이상의 추가의 Cr 게터링 물질을 산화물 형태로서 캐소드 잉크로 첨가하고 전지 프로세싱 중에 캐소드와 함께 동시 가열할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 연료 전지 시스템의 또 다른 예시적 횡단면도를 도시하는 개략도이다. 도 5의 연료 전지 시스템은 도 1 및 2와 도 4에 도시된 전지(14)를 갖는 연료 전지 시스템(10)에 대해 기재된 것과 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 그러나, 도 5의 시스템은, 예를 들어, 용리 산화물을 포함하는 CCC 및/또는 캐소드 이외에도, CCC 층("Cr 게터링 층"으로서 표시됨)의 표면 상에 침적된 추가의 박층을 포함한다. 박층은 Cr을 포획하도록 구성된 재료, 예컨대 LSM CCC 층 상의 MgO로 이루어질 수 있다. 예를 들어, Cr을 포획하기 위해, 증기상 Cr은 MgO 층과 상호작용하여 MgCr2O4 스피넬 상을 형성할 수 있다. 이 경우, 더 적은 Cr이 캐소드 계면에 침적될 것이다. Cr 포획 물질 또는 "Cr 게터링 물질"은 MgO에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이것은 다른 전이 금속 알칼리 토금속 산화물, 예컨대 SrO, Ca, BaO, 희토류 금속 산화물, 예컨대 La2O3, Y2O3, CeO2, PrOx, 및 NdOx, 페로브스카이트, 예컨대 LNF, 또는 다른 적절한 물질일 수 있다. 캐소드 재료는 페로브스카이트 재료, 예컨대 도핑된 란탄 망가나이트, 도핑된 란탄 코발타이트, 도핑된 란탄 페라이트로부터 선택될 수 있다.
실시예
본 발명에 따른 예시적 애노드 조성물의 하나 이상의 측면을 평가하기 위해 다양한 실험을 수행하였다. 캐소드 성능 및 열화에 대한 Cr 피독 효과를 평가하기 위해 Cr 공급 가압 테스트 리그에서 4종의 상이한 LSM에 기초한 캐소드를 테스트하였다. 4,000천 시간 이상의 테스트 후, 각각의 캐소드 및 캐소드 집전(CCC) 층 내의 Cr 함량 및 분포를 WDS 정량 분석을 통해 조사하였다. 도 3은 그 결과를 도시하는 도표이다. 이 결과는 Cr 종이 CCC 층에 유의적으로 포획되었고 그 양은 LSM 비화학량론에 크게 좌우되었음을 나타낸다. LSM CCC 내의 유리 MnOx와 반응하는 Cr 증기종에 의해 형성된 열역학적으로 안정한 (Cr,Mn)3O4 스피넬이 TEM 분석에서 관찰되었다.
지금까지 본 발명의 다양한 실시형태를 설명하였다. 이러한 실시형태와 다른 실시형태는 후술하는 청구범위 내에 포함된다.

Claims (20)

  1. 캐소드;
    캐소드에 인접한 캐소드 전도층;
    캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질; 및
    전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드
    를 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되고, 캐소드 또는 캐소드 전도층 중 하나 이상은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물(exsolute oxide)을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 캐소드 전도층은 A-자리 결핍을 갖는 LSM 재료로부터 형성되고, 용리 산화물은 연료 전지가 작동하는 동안 LSM의 평형 농도로부터 발생하는 산화망간 용리를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 용리 산화물은 Cr 증기종과 반응함으로써 캐소드 기체 스트림으로부터 Cr 증기종을 포획하는 것인 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 용리 산화물이 산화망간을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 캐소드 전도층은, 역시 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된, 상기 용리 산화물의 것 이외의 다른 추가의 재료를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 추가의 재료가 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 캐소드 전도층이 주요 전도 경로로서 기능하고, 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 기능하는 것인 연료 전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 캐소드 및 캐소드 전도층이 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 캐소드 전도층이 캐소드층보다 더 많은 유리 산화물을 용리시키도록 구성되는 것인 연료 전지 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 캐소드가 환원 촉매로서 기능하고, 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 기능하는 것인 연료 전지 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하기 위해 캐소드 전도층의 외부 표면 상에 침적된 추가의 층을 더 포함하고, 상기 추가의 층은 연료 전지에 임의의 요구되는 전자 전도 기능성을 제공하지 않는 것인 연료 전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 제3 층의 조성이 Cr 증기종과 반응하는 알칼리 토금속 또는 희토류 원소 중 하나 이상을 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
  13. 연료 전지 시스템을 형성하는 것을 포함하는 방법으로서, 상기 연료 전지 시스템은
    캐소드;
    캐소드에 인접한 캐소드 전도층;
    캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질; 및
    전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드
    를 포함하고, 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되며, 캐소드 전도층은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물을 포함하는 것인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 캐소드 전도층은 A-자리 결핍을 갖는 LSM 재료로부터 형성되고, 용리 산화물은 연료 전지가 작동하는 동안 LSM의 평형 농도로부터 발생하는 산화망간 용리를 포함하는 것인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 용리 산화물이 Cr 증기종과 반응함으로써 캐소드 기체 스트림으로부터 Cr 증기종을 포획하는 것인 방법.
  16. 제13항에 있어서, 용리 산화물이 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 것인 방법.
  17. 제13항에 있어서, 캐소드 전도층은, 역시 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된, 용리 산화물의 것 이외의 추가의 재료를 포함하는 것인 방법.
  18. 제17항에 있어서, 추가의 재료가 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 것인 방법.
  19. 제13항에 있어서, 캐소드 전도층이 주요 전도 경로로서 기능하고, 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 기능하는 것인 방법.
  20. 캐소드;
    캐소드에 인접한 캐소드 전도층;
    캐소드에 의해 캐소드 전도층으로부터 분리된 전해질; 및
    전해질에 의해 캐소드로부터 분리된 애노드
    를 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 애노드, 캐소드 전도층, 캐소드 및 전해질은 전기화학 전지를 형성하도록 구성되고, 캐소드 전도층 또는 캐소드 중 하나 이상은 연료 전지 시스템 중에 존재하는 Cr 증기종을 포획하도록 구성된 용리 산화물을 포함하며, 캐소드 전도층은 A-자리 결핍을 갖는 LSM 재료로부터 형성되고, 용리 산화물은 연료 전지가 작동하는 동안 LSM의 평형 농도로부터 발생하는 산화망간 용리를 포함하는 것인 연료 전지 시스템.
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