KR20170110124A - 전해질 형성 공정 - Google Patents

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Abstract

금속 지지된 고체 산화물 연료 전지용 전해질을 형성하는 공정으로서, 상기 공정은, a. 도핑된 세리아 그린 전해질을 애노드 층에 도포하는 단계; b. 상기 그린 전해질로부터 용매 및 유기물을 제거하는 단계; c. 상기 그린 전해질을 가압하여 그린 전해질 밀도를 증가시키는 단계; 및 d. 800 - 1000℃ 온도 범위에서 5 - 20℃/분 범위의 온도 증가의 비율로 상기 그린 전해질을 가열하여 전해질을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 공정에 의해 얻어지는 전해질, 상기 전해질을 포함하는 연료 전지 및 연료 전지 스택, 및 상기 전지의 전기 에너지의 생성 용도.

Description

전해질 형성 공정
본 발명은 금속 지지된 고체 산화물 연료 전지용 전해질을 형성하는 공정에 관한 것으로, 특히 전해질 밀도를 개선하기 위한 공정에 관한 것이다. 연료 전지들, 연료 전지 스택들 및 용도들이 또한 설명된다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell(SOFC))는 연료 가스(일반적으로 수소 기반)의 전기화학적 산화를 통해 전기 에너지를 생성하는 전기화학 장치이다. 상기 장치는 세라믹 기반이고, 산소 이온 전도성 금속 산화물 유래 세라믹(metal-oxide derived ceramic)을 전해질로서 사용한다. 이 기술 분야에 공지된 세라믹 산소 이온 전도체(가장 일반적으로, 도핑된 지르코늄 산화물(zirconium oxide) 또는 도핑된 세륨 산화물(cerium oxide))는 (세륨 산화물 기반 전해질에 대해) 500℃ 또는 (지르코늄 산화물 기반 세라믹에 대해) 600℃를 초과하는 온도에서 기술적으로 관련된 이온 전도도를 보여줄 뿐이기 때문에, 모든 SOFC는 높은 온도에서 작동해야 한다.
전해질은 전지의 필수 부분이고, SOFC에서는 4개의 주요한 기능을 갖는다:
* 이동성 산소 이온의 형태로 캐소드(cathode, 양의 공기 전극)과 애노드(anode, 음의 연료 전극) 사이에서의 전류의 통과를 허용하는 기능.
* 전지 내의 내부 단락(internal short circuit)을 야기하는 전자의 형태로 전극 사이에서의 전류의 통과를 차단하는 기능.
* 연료 및 공기의 혼합을 방지하는 기능, 이는 상호연결 다공성이 없고, 따라서 전해질 층은 가스 불투과성이고 실질적으로 결함이 없도록, 전해질이 이론적 밀도의 적어도 95%가 될 필요가 있다는 것을 의미한다.
* 예컨대 GB 2,368,450에 정의된 출원인의 전지와 같은 일부 전지들은 연료 측 반응물 및 산화제 측 반응물이 전지의 전기화학 반응영역 부근에서 혼합되는 것을 방지하기 위해, 전극 중 하나, 공칭으로(nominally) 애노드의 주위의 금속 기판에 부착됨으로써 기밀 엣지 밀봉(gas tight edge seal)을 제공하는 기능.
전통적으로, SOFC는 올 세라믹(all-ceramic) 장치였고, 전해질 또는 전극 중 하나가 전지에 대한 구조적 지지를 제공한다. 이 접근법은 아래에 요약된 잘 알려진 단점을 가지며, 이는 SOFC 기술의 광범위한 상용화를 억제해 왔다.
지르코니아 기반 전해질 재료의 상대적으로 낮은 이온 전도도는 전해질이 충분한 기계적 강도를 갖기 위해 상대적으로 두껍고(>100㎛) 따라서 저항성일 필요가 있음에 따라, 전해질 지지된 SOFC 전지(ESC)가 실질적으로 유용한 전력 출력을 달성하기 위해 고온(일반적으로 850 - 1000℃)에서 작동될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이것은 이와 같은 고온에서 연속 작동을 견딜 스택 및 시스템 구성요소의 재료로 높은 비용이 소요되는 점으로부터 기인하는 과제들을 제공한다.
보다 최근에 개발된 것으로는 <20 ㎛ 두께의 전해질 필름을 갖는, 전지의 구조적 부분이 애노드(일반적으로 니켈-전해질 재료 서밋 복합체)인 애노드 지지된 전지(anode-supported cell(ASC))이 있다. ASC의 더 얇은 전해질은 650 - 800℃의 범위의 훨씬 더 낮은 작동 온도를 허용한다. ASC의 주요 문제는 애노드 내의 니켈이 작동 온도에서 연료의 손실로 인해 산화니켈로 산화되는 것이 허용되는 경우, (시스템의 기술적인 고장으로 인한 제어되지 않는 셧다운이 발생할 수 있는 것과 같은) 치명적인 고장이 발생하는 경향이 있다는 것이다. 이것이 발생하면, 니켈의 재 산화시의 부피 팽창으로 인하여 전체 전지를 균열하게 하는 응력이 야기될 수 있다.
캐소드 지지된 전지는, 많은 SOFC 캐소드 재료의 전해질에 비해 상대적으로 높은 열팽창 계수, 및 전해질 소성 온도에서 충분한 다공성을 유지시켜야 하는 과제로 인해 제조하기 매우 어렵다.
또한, 열 사이클(thermal cycling) 및 기계적 진동으로부터의 응력으로 인한 손상에 취약하지 않은 방식으로 세라믹 연료 전지를 스택으로 밀봉하는 것은 정말로 어렵다.
위의 문제를 회피하는 SOFC 전지의 설계는 Ceres Power(GB 2,368,450)에 의해 개시되는 금속 지지된 SOFC 설계가 있다. 이러한 SOFC 전지는 그것의 구조적 지지체로서의 애노드에 대한 연료 액세스를 허용하기 위해 그것의 중심 영역에 부분적으로 다공성으로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 호일(ferritic stainless steel foil)을 사용한다. 주 활성 전지 층(애노드, 전해질 및 캐소드)는 일반적으로 두꺼운 필름으로서 기판 호일의 상단 상에 증착된다.
Ceres Power SOFC 전지는 또한 정상 사용 온도보다 낮은 온도에서 작동을 허용한다. 이들은 450 - 650℃의 범위일 수 있고, 종종 작동 온도는 500 - 620℃의 범위에 있다(따라서, Ceres Power 전지는 650℃ 초과, 종종 700℃ 초과의 온도에서 작동하는 종래 고체 산화물 연료 전지와는 대조적으로, "저온 고체 산화물 연료 전지"인 것으로 간주된다). 이것은 산소 이온 전도성 전해질로서 대개 세륨 산화물 (세리아)-기반 세라믹 재료, 예컨대 CGO10(Ce0.9Gd0.1O1.95)의 사용을 통해 달성되며, 이는 지르코니아-기반 재료보다 본질적으로 더 높은 산소 이온 전도도를 갖는다. 안정화된 지르코니아의 박막은 GB 2,456,445에 개시된 바와 같이, 세리아-기반 전해질의 혼합된 이온 전자 전도도로 인한 전지의 내부 단락을 방지하기 위해 전해질에 증착된다. 지르코니아 층이 매우 얇기 때문에, 산소 이온 수송에 대한 그것의 저항은 저온 작동이 여전히 가능할 정도로 충분히 낮다.
금속 지지된 SOFC의 제조에서의 주요한 과제는 대량 제조에 적합한 비용 효율적인 공정을 사용하는 조밀하고 실질적으로 결함이 없는 도핑된 세리아 전해질 층의 제조이다. 진정으로 견고하고 효율적인 전지가 생산되려면 해결해야할 주요 이슈는 다음과 같다:
* 전해질 층을 금속 기판의 초과 산화를 야기하지 않을 온도에서(페라이트계 스테인레스강 기판을 사용하는 Ceres Power 설계에 대해, 일반적으로 <1100℃) 이론 밀도의 >95%로 소결시킬 필요가 있다.
* 전해질 층을 비수축 금속 지지체 상에 소결시킬 필요가 있다. 이것은 소결 수축이 일차원으로 제약된다는 점을 의미하며, 소결 동안에 수축 제한과 같은 문제는 제약되지 않는 등방성 소결에 비해 치밀화를 억제하는 것으로 공지되어 있다.
* 세라믹 층에 결함을 포함하거나 유도하는 것을 회피하는 증착 방법을 개발할 필요가 있다.
도핑된 세리아는 SOFC 전해질에서 일반적으로 사용되는 지르코니아보다 완전 밀도(full density)로 소결되는 것이 더 용이한 것으로 공지되어 있으며, 이는 금속 지지된 전지의 제조에 유리하다. 그러나, 지르코니아와는 달리, 세리아는 높은 온도에서 환원성 분위기에 노출되는 경우 환원될 수 있으며, Ce4 + 이온은 Ce3 + 이온으로 부분적으로 환원된다. 이것은 상기 재료의 결정 격자의 팽창을 야기하는 것으로 공지되어 있고, 이는 결과적으로 균열을 통한 전해질의 파손을 야기하기에 충분히 높은 세라믹 전해질 내의 응력의 발생을 야기한다. 세리아계 전해질의 이러한 특징은 지르코니아 기반 전해질로 금속 지지된 SOFC의 제조에 대해 보고된 바와 같이, 환원성 분위기의 사용을 배제하여 강재(steel)를 산화시키는 것 없이 매우 높은 온도에서 전해질의 소결을 가능하도록 한다. 게다가, 저비용 대량 제조를 용이하게 하고 애노드 내의 니켈과 스테인레스강 지지체 사이의 상호작용 문제를 회피하기 위해, 공기에서 전해질을 소결시키는 것이 매우 바람직하다.
도핑된 세리아의 치밀화는 특정 금속 산화물, 특히 산화 코발트, 산화 구리 및 산화 리튬의 저농도(level) 첨가에 의해 현저히 향상될 수 있다는 점이 공지되어 있다.
세라믹 분말 성형체(compact)의 그린 밀도(green density)는 분말을 가능한 단단히 압축하기 위해, 상기 성형체에 대하여 고압을 가하여 향상될 수 있다. 가압 후 분말 성형체의 통상적인 그린 밀도는 상기 분말의 몰폴로지(morphology) 및 표면적에 따라, 이론 밀도의 35-60% 범위이다.
본 발명은 위의 문제 중 적어도 일부 측면을 극복하거나 개선하기 위해 의도된 것이다. 예컨대 그것은 조밀하고 기밀한 전해질을 생산하는 방법을 제공할 수 있고, 저비용 대량 제조 방법을 사용하여 페라이트계 스테인레스강 지지체 상에서 제조될 수 있다.
따라서, 본 발명의 제1 측면에서는, 금속 지지된 고체 산화물 연료 전지용 전해질을 형성하는 공정을 제공하며, 공정은 단계 a 내지 d 중 적어도 하나를 포함한다:
a. 도핑된 세리아 그린 전해질을 애노드 층에 도포하는 단계;
b. 상기 그린 전해질로부터 용매 및 유기물을 제거하는 단계;
c. 상기 그린 전해질을 가압하여 그린 전해질 밀도를 증가시키는 단계; 및
d. 800 - 1000℃ 온도 범위에서 5 - 20℃/분 범위의 온도 증가의 비율로 상기 그린 전해질을 가열하여 전해질을 형성하는 단계.
종종 공정은 조밀하고 기밀한 도핑된 세리아 전해질을 제공하기 위하여 단계 a 및 단계 b 내지 d 중 하나, 종종 단계 a 내지 d의 임의의 단계 중 2개 또는 3개 이상의 조합 또는 단계 a 내지 d 모두를 포함할 것이다.
보다 구체적으로, 95%의 이론 밀도보다 큰 밀도, 예를 들어 95 - 100% 범위의 밀도를 갖는 전해질을 생산하는 것이 가능하며, 종종 95.1, 97 또는 98 - 100%의 밀도가 달성될 수 있다. 이것은 다공성 및 이에따라 가스 투과성을 감소시키며, 따라서 상기 전해질은 기밀된다. 또한, 이론 밀도의 이처럼 높은 백분율에서 전해질 밀도를 달성하는 것은 상기 전해질이 매우 낮은 수준의 미세 다공성만을 가지고, 따라서 사용 동안에 균열(따라서 파손)의 경향이 덜하다는 것을 보장한다.
상기 도핑된 세리아 그린 전해질은 종종 높은 산소 전도도를 갖는 도핑된 세리아, 예컨대 가돌리늄 도핑된 세리아(예컨대 Ce0 . 9Gd0 . 1O1 .95(CGO10)) 또는 사마륨 도핑된 세리아(예컨대 Ce0.9Sm0.1O1.95)로부터 형성될 것이다. 종종 상기 도핑된 세리아 그린 전해질은 CGO(가돌리늄 도핑된 세리아)로부터 형성될 것이다. 많은 경우에서, 상기 도핑된 세리아는 초기에 분말의 형태일 것이므로, 초기 공정 단계는 도핑된 세리아 분말을 제공하는 것일 수 있다. 종종 상기 분말은 약 0.45㎛에서의 피크 및 약 1.6㎛에서의 피크를 갖는 바이모달 입도 분포를 가질 것이다.
상기 도핑된 세리아 분말은 형성될 상기 그린 전해질 층의 양호한 소결을 보장하기 위해 정의된 표면적일 것이다. 종종 상기 도핑된 세리아 분말은 15 - 40 m2/g, 더욱 종종 20 - 35 m2/g, 더욱더 종종 24 - 28 m2/g 범위의 BET 표면적을 가질 것이다. 일반적으로, 밀링이 사용되는 경우에도, 상기 분말의 BET 표면적은 이러한 범위일 것이다. 상기 분말의 BET 표면적의 범위는 그것이 분말의 충분한 소결성을 허용할 정도로 충분히 높지만, 적어도 50% 이론 밀도의 그린 전해질의 밀도가 얻어질 수 있다는 점을 보장하는 너무 작은 크기(너무 큰 개별 표면적)의 입자 사이에서 나타나는 갭을 최소화할 정도로 충분히 낮도록 선택된다. 그린 밀도가 이러한 범위에 있는 경우, 95% 이론 밀도 이상의 최종 소결된 전해질 밀도를 달성하는 것이 더 용이하며, 기밀하고 견고한 전해질의 제공을 보장한다. 특정 범위 밖의 BET 표면적을 갖는 도핑된 세리아 분말을 사용하는 것은 상기 소결된 층의 부적절한 치밀화 또는 균열을 야기할 수 있다.
많은 경우에서, 상기 분말은 탄산암모늄과 같은 염기를 사용하여 도펀트의 질산염과 질산 세륨의 용액으로부터 상기 도핑된 세리아에 대한 전구체의 공침(co-precipitation)에 의해 제조될 것이다. 이러한 전구체(일반적으로 도핑된 세륨 히드록시카보네이트)는 분리, 건조 및 하소되어 히드록시카보네이트의 비정질 산화물(amorphous oxide)의 열분해를 통해 목표하는 도핑된 세리아 분말을 형성하고, 그 다음에 결정화된다. 상기 도핑된 세리아가 CGO인 경우, 결정화는 단일상의 입방 형석 결정(single-phase cubic-fluorite crystal)을 형성할 것이다. 이러한 방법은 유리한데, 대략 구형의 몰폴로지, 및 다소 불규칙한 형상의 입자를 갖는 분말을 사용하는 것이 일반적으로 바람직하기 때문이다. 이것의 장점은 본 발명의 공정에서 채용되는 (표준 세라믹 공정에 의할 때) 낮은 소결 온도에서 고밀도 전해질의 제공을 보조하는 입자의 개선된 패킹 중 하나라는 점이다. 이러한 방법에 의해 생산되는 분말은 대략 구형의 몰폴로지를 가지며, 따라서 이러한 도핑된 세리아 분말 제조 방법이 종종 채용된다. 본원에서 사용된 용어 "대략 구형의"는 전체 형태를 설명하기 위한 것이다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 상기 입자는 정상 허용오차 내에서 구형이고 이러한 형상으로부터 명백히 왜곡되지 않는다. 또한, 거의 모든 입자는 "대략 구형"일 것이며, 예컨대 90 - 100% 범위에서 구형일 것이며, 종종 벌크 입자의 95 - 100%, 또는 98 - 100% 범위에서 "대략 구형의" 몰폴로지를 가질 것이다.
많은 경우에, 상기 전해질은 소결 조제(sintering aid)를 포함할 것이며, 종종 이것은 전이 금속 산화물들(transition metal oxide(TMO))이 뛰어난 소결 향상을 제공하기 때문에 TMO 분말(거의 종종 Co3O4 또는 CuO)을 포함할 것이다. 상기 소결 조제는 전체 양이온의 0.5 - 5 mol% 범위, 더욱 종종 0.75 - 3 mol% 범위, 더욱더 종종 1 - 2 mol% 범위의 수준으로 존재할 수 있다. 이 수준은 상기 재료의 전기적 물성을 변경시키지 않으면서 고밀도를 향상시키기 위한 필요의 균형을 맞추어준다. 본 발명의 공정에서, 상기 소결 조제는 일반적으로 분말 형태이고 상기 도핑된 세리아와 혼합될 것이다. 이러한 경우, 일반적으로 CGO와 비슷하거나 더 작은 입자 크기일 것이다. 이것은 상기 TMO가 소결시에 단일상의 형성을 제공하기 위해 CGO와 균질하게 혼합될 수 있도록 보장한다. 그러나, 상기 소결 조제는 또한 소결 조제의 질산염을 도펀트의 질산염 및 질산 세륨과 공침시킴으로써 상기 도핑된 세리아 제조 공정 동안에 상기 도핑된 세리아 분말 안으로 혼입될 수 있다. 대안적으로, 상기 소결 조제는 에탄올과 같은 비수성 용매에서 소결 조제의 질산염의 용액으로 상기 도핑된 세리아를 도핑함으로써 상기 도핑된 세리아에 첨가될 수 있고, 그 다음에 질산염을 상기 소결 조제로 분해하기 위한 건조 및 열분해가 이어질 수 있다. 이러한 공정은 상기 분해 공정 동안에 독성 질소 산화물의 배출 때문에 바람직하지 않지만, 이로 인한 이익이 질소 산화물 배출의 문제보다 큰 상황인 경우에 사용될 수 있다. 상기 소결 조제를 상기 도핑된 세리아와 결합하는 다른 가능한 방법은 상기 도핑된 세리아 분말을 상기 소결 조제의 질산염의 수용성 용액과 혼합하고, 그 다음에 적절한 염기, 예컨대 탄산나트륨을 사용하여 상기 소결 소제의 수산화물 또는 탄산염을 침전시키는 것이다. 그 다음, 상기 분말은 세정, 건조 및 하소되어 상기 소결 조제의 탄산염 또는 수산화물을 그 산화물로 분해시킬 것이다. 모든 경우에서, 본 발명은 소결이 균일한 방식으로 향상되도록, 상기 소결 조제를 상기 도핑된 세리아와 균질하게 혼합하도록 의도된다.
일부 경우에서, 공정은 잉크로부터 상기 도핑된 세리아 그린 전해질을 형성하는 추가 단계를 더 포함할 것이다. 종종 잉크는 스크린 인쇄가능한 잉크일 것이지만, 당업자는 상기 잉크가 가압 분사 도포(pressurised jet application) 또는 유동 도포(flow application)를 포함하는 매우 다양한 방법을 사용하여 도포될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이것은 종종 상기 도핑된 세리아 분말과 상기 소결 조제(소결 조제가 존재하지 않을 수 있음)의 혼합, 및 후속 슬러리 형성을 통해 이루어질 것이다. 선택적으로, 상기 용매의 분산을 향상시키기 위해, 분산제가 또한 존재할 것이다. 상기 분산제는 종종 상기 CGO의 중량에 대해 5 - 15% 범위로 존재할 것이다. 상기 슬러리에 사용되는 용매는 무기 안료를 갖는 스크린 인쇄 잉크를 제조하기에 적절한 광범위한 용매로부터 선택될 수 있지만, 종종 저휘발성(따라서 잉크가 증착 전에 건조되지 않음), 제한된 극성 및 잉크에게 필요한 레올로지 물성을 수여하기 위해 요구되는 폴리머에 대한 양호한 상용성(compatibility)을 갖는 용매일 것이다. 적절한 용매는 텍사놀(2,2,4-트리메틸 1,3-펜타디올 모노이소부틸레이트), 테르피네올, 부틸 카르비톨, 물 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이 중, 물은 입자 표면상에서 물과 수산화물 그룹 사이의 수소 결합 형성으로 인해 금속 산화물 분말의 분산이 어려워 입자 응집을 야기하기 때문에 가장 덜 바람직하다.
일부 실시예에서, 상기 슬러리는 밀링되어, 일반적으로 어트리션 밀링되어 상기 도핑된 세리아 분말 입자 크기 및 존재하는 임의의 소결 조제의 입자 크기를 감소시킨다. 선택적으로 밀링은 또한 바이모달 입도 분포를 제공할 수 있으며, 약 0.15 ㎛에서 주된 피크(dominant peak)를 가지며, 종종 0.1 - 0.4 ㎛ 또는 0.15 - 0.35 ㎛ 범위에서 피크를 갖고; 약 1.0㎛에서 2차 피크(secondary peak)를 가지며, 종종 0.5 - 1.5 ㎛ 또는 0.75 - 1.25 ㎛ 범위(텍사놀에서 분산되는 Malvern mastersizer powder를 사용하여 측정됨)에서 피크를 갖는다. 바이모달 입도 분포를 제공하기 위하여 사용되는 경우, 상기 밀링 단계는 그린 전해질의 소결을 향상시켜 조밀하고 균열이 없는 전해질 층을 제공한다. 이론에 구애됨이 없이, 더 큰 입자의 파퓰레이션(population)의 존재가 상기 입자의 증착과 이에 따른 상기 그린 전해질 층의 패킹 및 강도에 도움을 주기 때문에, 모노모달 입도 분포보다는 바이모달 입도 분포로 달성하는 것이 더 용이하다고 믿는다. 상기 밀링 공정은 존재하는 임의의 소결 조제를 상기 도핑된 세리아 분말과 균질하게 분산시키는 이점을 또한 갖는다. 존재하는 경우, 상기 소결 조제는 입자 크기에서 종종 서브 미크론 수준으로, 예를 들어 0.1 - 0.9 ㎛, 종종 0.3 - 0.6 ㎛ 범위로 감소될 것이다.
따라서, 본 발명의 공정은 선택적으로 바이모달 입도 분포를 생성하기 위해, 슬러리를 밀링하는 추가적인 단계를 포함할 수 있다. 적절한 밀링 공정은 비드 밀링(bead milling), 진동 밀링(vibro-milling), 바스킷 밀링(basket milling) 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 이들 모두는 매우 단단한 세라믹 비드를 슬러리에 첨가하는 단계, 및 비드가 서로 연속적으로 충돌하도록 기계적 에너지를 가하여, 그것이 충돌하는 비드 사이에 포획됨에 따라 분말을 분해하는 단계를 수반한다. 비드가 존재하는 경우, 밀링이 완료된 후에 상기 비드를 슬러리로부터 제거하는 단계가 있을 수 있다.
선택적으로, 유기 폴리머는 종종 밀링 후에, 그것을 스크린 인쇄 가능한 잉크로 전환시키기 위해 상기 슬러리에 첨가될 수 있다. 일반적으로 사용되는 유기 폴리머는 바인더(종종 1 - 5 wt% 범위), 분산제(밀링 단계에서 추가되지 않는 경우), 인쇄의 레벨링에 도움을 주고 제조 및 프린팅 동안에 잉크로부터 기포를 방출시키기 위한 계면활성제(종종 0.05 - 5 wt% 범위), 및 그들의 조합을 포함한다. 상기 바인더는 효과적인 프린팅을 위해 중요한 요번성 성질(thixotropic nature)을 증가시키기 위해 잉크의 레올로지를 변경하고, 건조됨에 따라 인쇄된 층에 입자를 서로 결합하여 균열을 방지하고 건조된 그린 분말 성형체에 어느 정도의 힘을 가하는 이중의 역할을 한다. 적절한 바인더는 폴리비닐부티랄(PVB) 및 에틸셀룰로오스를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 적절한 분산제 및 계면활성제는 일반적으로 Byk-Chemie, BASF, TEGO 또는 Schwegmann와 같은 회사에 의해 공급되는 전매 첨가제이다. 잉크 형성은 종종 상기 첨가제의 용해를 필요로 할 것이다. 이것은 적절한 고전단 분산 혼합 공정(high shear dispersion mixing process), 예컨대 고속 분산기(High Speed Disperser(HSD))의 사용을 통해 이루어질 수 있지만, 다른 방법이 사용될 수 있다. 상기 잉크는 트리플-롤 밀(triple-roll mill)을 사용하여 더 균질화될 수 있다. 잉크의 형성은 애노드 층 상으로의 도핑된 세리아의 더 용이한 증착을 제공한다.
단계 a 전에, 상기 애노드 층이 금속 기판에 도포되는 경우가 종종 있다. 상기 금속은 금속 지지된 SOFC에서 통상적으로 사용되는 임의의 금속 기판일 수 있으나, 본 발명에 대한 금속 기판은 GB 2,368,450에 개시된 바와 같은 비천공된 영역에 의해 둘러싸인 천공된 영역을 종종 포함할 것이며, 그 개시는 특히 이러한 유형의 금속 지지된 SOFC의 기본 구조와 관련하여 본원에 참조로서 통합된다. 이러한 설계에서, 애노드는 상기 천공된 영역 위에 위치되며, 이러한 구성은 상기 천공된(종종 레이저 드릴링된) 영역을 통해 애노드에 가스가 도달하도록 한다. 종종 상기 금속 기판은 스테인레스 강 기판일 것이며, 페라이트계 스테인레스강이 가장 통상적으로 사용되는 도핑된 세리아인 GDC에 대해 유사한 열팽창 계수를 가지기 때문에 종종 페라이트계 스테인레스강 일 것이며, 이에 의해 가열/냉각 사이클 동안에 반전지(half-cell) 내의 응력을 감소시킨다.
상기 그린 전해질 층은 애노드 층 상으로의 잉크의 증착에 의해 종종 형성될 것이다. 종종 이것은 잉크를 애노드 층 상으로 스크린 인쇄하는 것에 의할 것이다. 일반적으로, 상기 스크린 인쇄된 전해질 층은 상기 애노드 층을 커버하고 상기 애노드 층의 엣지들을 오버랩하여 상기 전해질 층이 상기 애노드 층에 의해 커버되지 않은 금속 기판의 일부 또는 전부를 커버하도록 할 것이다.
상기 애노드 층은 또한 애노드 재료를 잉크로 제형화함으로써 일반적으로 형성될 것이고, 또한 종종 스크린 인쇄에 의해 증착될 것이다. 선택적으로 상기 애노드 재료는 전해질 증착 전에 소결되어 다공성 세라믹 복합체(애노드)를 형성한다. 그러나, 본 발명은 그린 애노드 위로 그린 전해질의 증착, 및 양 층의 공동 소결(co-sintering)을 배제하지 않으며, 그리하여 애노드 층은 그린 애노드고 상기 그린 애노드 층 및 그린 전해질은 단일 소성 단계에서 소결된다. 공동 소결은 고품질의 전해질 층을 형성하기 더 어렵기 때문에 종종 순차 소결(sequential sintering)이 사용되긴 하지만, 공동-소결은 제조 비용 관점에서 유리할 수 있다. 일부 경우에서, 상기 그린 전해질은 각각의 층의 도포 사이를 건조하면서, 애노드 층 위에 상기 도핑된 세리아 전해질을 층으로 도포함으로써 형성되는 다중 전해질 층을 포함한다. 이것은 애노드 층 상에 단일의 "두꺼운" 층을 도포하는 것으로부터 발생하는 구조적 제어의 손실 없이, 더 두꺼운 전해질이 형성되도록 한다. 일반적으로 상기 전해질 층은 1 - 20 ㎛ 범위일 것이다.
많은 예에서, 단계 b로서, 임의의 용매 및 유기물을 상기 그린 전해질로부터 제거하는 상기 단계는 용매를 증발시키는 단계를 포함할 것이다. 이러한 단계는 잉크 또는 슬러리의 증착인 경우에 일반적으로 존재한다. 이것은 종종 100　- 250℃ 범위 또는 150 - 200℃ 범위의 온도에서, 그리고 종종 용매가 제거된 후 5 - 20분 범위의 시간 동안일 것이다. 이러한 공정의 측면은, 사용되는 경우, 바인더를 설정하는 추가적인 이점을 갖는다. 일반적으로 오븐은 열을 제공하기 위해 사용될 것이다.
이러한 단계는 추가적으로 또는 대안적으로 유기물이 분해될 때까지 상기 그린 전해질을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 당업자는 이것을 어떻게 달성하는지 이해할 것이지만, 가열은 종종 250 - 500℃ 범위 또는 300 - 400℃ 범위의 온도에서 될것이며, 상기 온도는 분해가 발생할 때까지 이러한 온도 범위(대략 일정한 온도 또는 범위 내의 가변 온도)로 유지된다. 이것은 종종 10 - 60분 범위의 시간 동안일 것이며, 이후에는 상기 유기물이 연소되고/승화되고 따라서 상기 그린 전해질로부터 제거될 것이다. 일반적으로, 오븐 또는 가열로(furnace)는 열을 제공하기 위해 사용될 것이다. 상기 유기물은 일반적으로 바인더, 분산제 폴리머 및 계면활성제 폴리머를 포함할 것이며, 이는 존재하는 경우에, 상기 도핑된 세리아 입자, 및 상기 소결 조제의 입자를 코팅한다. 상기 유기물을 분해("연소")하고 상기 잉크로부터 이를 제거하여 도핑된 세리아 및 임의의 소결 조제만을 존재하도록 남겨둠으로써 전해질이 더 조밀하게 만들어지도록한다. 이는 다른 재료가 부재하는 경우에, 상기 가압 단계(단계 c)에서 상기 도핑된 세리아 입자가 서로 더 가깝게 가압될 수 있기 때문이다.
상기 그린 전해질의 가압단계는 50 - 500 MPa 범위, 종종 100 - 400 MPa 범위, 더욱 종종 250 - 350 MPa 범위의 압력을 가하는 것을 포함할 수 있다. 가압단계는 상기 그린층의 밀도를 증가시키는 것을 돕도록 하며, 따라서 소성된 전해질의 밀도를 증시키는 것을 돕도록 한다. 상기 증착된 그린 전해질의 초기 밀도는 일반적으로 대략 20 - 40% 범위일 수 있다. 상기 그린 전해질이 이론 밀도의 50 - 60% 범위(예를 들어, 50 - 55% 범위)의 밀도인 것을 보장하기 위해 필요한 시간 동안 가압될 것이다. 당업자는 압력을 가하기 위한 적절한 시간 범위를 선택할 수 있지만, 압력은 종종 0 - 5분 범위의 시간 범위 동안에 가하여질 것이다. 상기 그린 전해질을 소성하기 전에 이들 밀도에 도달되지 않으면, 상기 전해질은 종종 그것이 기밀되고 균열에 견고할 정도로 충분히 조밀하지 않을 것이다. 기밀하고 견고한 시스템을 얻기 위해, 상술한 바와 같이 소성 후에 95% 이론 밀도 이상의 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 종종, 상기 압력은 냉간 등방 압축성형(cold isostatic pressing), 단축 블래더 압축성형(uniaxial bladder pressing), 또는 이들의 조합을 사용하여 가하여진다. 이들 방법은 상기 그린 전해질의 표면에 걸쳐 균일한 압력을 가하며, 균일한 밀도가 달성되는 것을 보장한다. 상기 가압 공정은 심하게 압축된 그린 층을 제공한다.
종종 소성 단계 d는 가열로에서 일어날 것이고, 종종 공기 분위기에서 일어날 것이며, 800 - 1000℃의 온도 범위에서 5 - 20℃/분 범위의 온도 상승의 가열 속도(heating rate of temperature increase)로 행해져 상기 전해질을 형성할 것이다. 상기 속도는 5℃/min 미만이어야 하는 점이 중요하다. 종종, 이러한 가열 속도는 900 - 1100℃, 더욱 종종 950 - 1050℃, 더더욱 종종 990 - 1030℃의 온도 범위에서 가하여질 것이다. 종종 전체 가열 시간은 20 - 120분, 종종 30 - 90분, 더욱 종종 35 - 60분 또는 35 - 40분의 범위일 것이다. 800 - 1000℃의 온도 범위에서 5 - 20℃/분의 온도 증가 속도는 중요한데, 왜냐하면 소결됨에 따라 금속 기판 상의(특히 강재 기판 상의) 상기 전해질 층 내에서 경쟁 공정(competing processes)이 발생하기 때문이다. 소망하는 공정은 치밀화됨에 따라 세라믹 내의 입계(grain boundaries)로 휘발성 소결 조제 양이온이 이동하여, 거기서 소결을 가속시키는 것이다. 그러나, 경쟁적인, 바람직하지 않은 공정이 발생하는 범위가 있다. 이들 중 하나는 높은 온도에서 휘발성 소결 조제 종(species)의 완전한 손실인데, 이는 가열로 분위기(furnace atmosphere) 내 로의 증발 또는 상기 애노드 내 로의 확산에 의한 것이다. 다른 바람직하지 않은 공정으로는 강재로부터 증발하는 휘발성 전이 금속 산화물 종(특히 산화 크롬)에 의한 상기 전해질 층의 오염이 있다. 다른 곳(GB 2,400,486)에서 개시된 바와 같이, 크롬 이온은 도핑된 세리아, 예컨대 CGO의 소결을 억제하는 것으로 공지되어 있다. 만약 상기 전해질이 완전히 밀도를 높이는 온도(일반적으로 >980℃) 아래지만 >800℃인 온도에서 너무 오래 사용되도록 허용되면, 상기 소결 조제는 증발하는 경향이 있을 것이고 크롬 오염의 수준은 전해질이 완전히 조밀해지지 않을 정도가 될 것이다. 이러한 빠른 가열을 달성하기 위해 연속 벨트 가열로(continuous belt furnace)가 전해질 소결에 일반적으로 사용되지만, 소결 체류 동안에 온도의 과한 스프레드를 야기하지 않으면서 충분히 빠른 가열이 >800℃에서 가능하다면 배치 가열로(batch furnace)가 사용될 수 있다. 이것은 상기 그린 전해질을 일반적으로 이론 밀도의 적어도 95%의 밀도를 가진 조밀한 가스 불투과성 세라믹으로 소결시킬 것이다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 가스 불투과성 전해질 층의 제조는 일반적으로 전해질 내에 잔류하는 비접촉된 다공성의 존재를 야기하며, 따라서 이론 밀도의 100%에 가까운 어딘가의 밀도를 갖는 전해질을 제공하는 것은 매우 어려우며, 종종 단지 이론 밀도의 50 - 85%의 범위이다. 본원에서 설명되는 공정은 매우 낮은 다공성, 따라서 높은 밀도인 전해질을 제공하는 이러한 문제를 해결하여, 이 기술 분야에 공지된 것들보다 균열될 가능성이 훨씬 적은 기밀한 전해질 층을 제공한다.
본 발명의 제 2 측면에서는, 금속 지지된 고체 산화물 연료 전지를 형성하기 위한 공정을 제공하며, 상기 공정은 전해질 및/또는 애노드의 소결 동안에 금속 지지체의 적어도 한 일부를 평탄하게 유지시키기 위해, 전해질의 소성 전에 애노드도 전극 재료도 도포되지 않은 금속 지지체의 일부 중 적어도 일부에 매스(mass)를 도포하는 단계를 포함한다. 상기 매스는 가열로 조건에 대해 견고하고, 금속 지지체의 변형을 방지하기에 충분히 큰 질량인 임의의 물질일 수 있다. 임의의 불활성 세라믹(inert ceramic) 또는 대안적으로, 코팅된 금속 부품도 괜찮지만, 종종 상기 매스는 가열로 조건 하에서 불활성이므로 알루미나(alumina)일 수 있다. 종종, 상기 매스는 상기 그린 전해질의 둘레의 전체는 아닐지라도 거의 대부분을 두르며 상기 금속 지지체 상에 배치될 것이며, 그리하여 금속 지지체가 소결 후에도 평탄하도록 할 것이다. 예를 들어, 상기 매스는 그린 전해질의 둘레의 30 - 100%, 또는 필요한 경우 50 - 95%, 종종 70 - 90% 또는 90 - 99%를 커버할 수 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 커버리지의 정도는 금속 지지체의 성질 및 애노드/전해질의 소결 동안에 그것에 배치되는 응력의 정도에 의존한다. 일부 경우에 완전한 둘레 커버리지가 요구될 수 있으며, 일부에서는 부분적으로만 요구될 수 있다.
상기 공정은 금속 지지된 SOFC 상에 큰 고품질의 전해질 층의 반복 가능한 증착을 허용한다는 것이 보여졌으며, 소결 온도에서 금속 지지체의 소성 변형으로 인해 전해질 층을 금속 지지체 상에 소결시키는 것이 완전히 제한된 소결이 아니기 때문에 더 큰 층들도 가능하다. 이것은 금속 지지체의 변형에 의해 완화되는 세라믹 층 내의 소결 응력(sintering stresses)을 가져오는 경향이 있다. 이러한 이유 때문에 금속 지지체를 평탄하게 유지시키기 위해 소결 동안에 피닝 매스(pinning mass)를 금속 지지체에 도포하는 것이 유리하며, 그렇지 않으면 전해질로부터 금속 지지체에 가하여지는 소결 응력이 금속 지지체의 소성 변형으로 인해 기판의 광범위한 곡률을 야기하기에 충분할 수 있다. 상기 제 2 측면의 공정은 상기 제 1 측면의 공정과 결합될 수 있으며, 그렇게 상기 제 1 측면의 공정은 소결 동안에 금속 지지체의 적어도 일부를 평탄하게 유지시키기 위해 전해질의 소성 전에 애노드도 전극 재료도 도포되지 않았던 금속 지지체의 부분 중 적어도 일부에 매스를 도포하는 추가적인 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 3 측면에서, 본 발명의 제 1 또는 제 2 측면의 공정을 사용하여 전해질을 금속 지지된 애노드 층 상에 형성하는 단계, 및 캐소드 재료를 전해질에 도포하는 단계를 포함하는 연료 전지를 형성하는 공정이 제공된다.
본 발명의 제 4 측면에서, 본 발명의 제 1 또는 제 2 측면에 따른 공정에 의해 얻어지는 전해질이 제공된다.
본 발명의 제 5 측면에서, 본 발명의 제 4 측면에 따른 전해질을 포함하는 연료 전지, 및 본 발명의 제 6 측면에서, 적어도 2개의 본 발명의 제 5 측면에 따른 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택이 더 제공된다.
게다가, 본 발명의 제 7 측면에서, 본 발명의 제 5 또는 제 6 측면에 따른 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 전기 에너지의 생성 용도가 제공된다.
따라서, 본 발명은 금속 지지된 고체 산화물 연료 전지용 전해질을 형성하는 공정을 제공하며, 공정은 다음 단계 중 하나 이상을 선택적으로 포함하는 것이라 할 수 있다:
a. 종종 독립적으로 15 - 40 m2/g 범위의 BET 표면적, 종종 대략 구형의 몰폴로지의 도핑된 세리아 분말(일반적으로 가돌리늄 도핑된 세리아 분말)을 소결조제, 일반적으로 TMO 소결 조제이고, 일반적으로 1 - 10 ㎛ 범위의 입자 크기인 소결 조제 및 용매와 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;
b. 선택적으로, 상기 도핑된 세리아 분말의 바이모달 입도 분포를 선택적으로 생성하기 위해 상기 슬러리를 밀링하는 단계;
c. 선택적으로, 분산제, 바인더, 및 계면활성제 중 하나 이상을 상기 슬러리에 선택적으로 첨가함으로써 잉크, 일반적으로 스크린 인쇄 가능한 잉크를 형성하는 단계;
d. 애노드 층을 금속 기판에 도포하는 단계로서, 상기 금속 기판은 비천공된 영역에 의해 둘러싸인 천공된 영역을 선택적으로 포함하고, 독립적으로 선택적으로 강재 기판인 단계;
e. 선택적으로, 상기 애노드 층을 소성하는 단계;
f. 도핑된 세리아 그린 전해질을 상기 애노드 층에, 선택적으로 다중 층으로 도포하는 단계;
g. 100 - 250℃ 범위의 온도에서 선택적으로 용매의 증발에 의해, 선택적으로 250 - 500℃ 범위의 온도에서 선택적으로 5 - 20분 범위의 시간 동안에 선택적으로 가열에 의한 유기물의 분해에 의해, 선택적으로 용매 및 유기물을 그린 전해질로부터 제거하는 단계;
h. 50 - 500 MPa 범위의 압력으로서, 선택적으로 냉간 등방 압축성형(cold isostatic pressing), 단축 블레이더 압축성형(uniaxial bladder pressing), 또는 이들의 결합을 사용하여 가해지는 압력을 가함으로써, 선택적으로 상기 그린 전해질을 가압하여 그린 전해질 밀도를 증가시키는 단계;
i. 선택적으로 금속 지지체의 적어도 일 부분을 전해질의 소결 동안에 평탄하게 유지하기 위해 애노드도 전극 재료도 도포되지 않았던 금속 지지체의 부분 중 적어도 일부에 매스를 도포하는 단계; 및
j. 800 - 1000℃ 온도 범위에서 5 - 20℃/분 범위의 온도 증가의 비율로, 선택적으로 20 - 120분 범위의 전체 가열 시간 동안에, 상기 그린 전해질을 가열하여 상기 전해질을 형성하는 단계.
달리 진술되지 않는 한, 설명된 정수(integer) 각각은 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같은 임의의 다른 정수와 조합으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 모든 측면이 그런 측면과 관련하여 설명되는 특징을 "포함하는" 것이 바람직하지만, 그것은 그들이 청구항에서 개략적으로 설명되는 그러한 특징들로 "구성되거나" "본질적으로 구성"될 수 있다는 것으로 특별히 예상된다. 게다가, 모든 용어는 본원에 특별히 정의되지 않는 한, 기술 분야에서 그들의 통상적으로 이해되는 의미로 주어지도록 의도된다.
또한, 본 발명의 논의에서, 반대로 진술되지 않는 한, 파라미터의 허용 범위의 상한 또는 하한에 대한 대체 값의 개시는 대체 값 중에서 더 작은 값과 더 큰 값 사이에 놓여 있는 상기 파라미터의 각각의 중간 값 그 자체가 또한 파라미터에 대한 가능한 값으로 개시된다는 암시적 진술로서 해석되어야 한다.
게다가, 달리 진술되지 않는 한, 본 명세서에 나타낸 모든 수치 값은 용어 "대략"으로 변형될 수 있는것으로 이해되어야 한다.
본 발명이 더 용이하게 이해될 수 있도록 하기 위해, 그것은 이하 도면 및 특정 예를 참조하여 더 설명될 것이다.
도 1은 GB 2,368,450에 개시된 유형의 연료 전지의 개략도이다.
도 2는 GB 2,368,450에 개시된 바와 같은, 도 1의 연료 전지의 SEM 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 반전지이다.
도 4는 소성 동안에 전지의 왜곡을 방지하기 위해 매스를 포함하는, 소성 전의 도 3의 반전지이다.
도 5는 본 발명에 따른 소결된 CGO 전해질 층의 SEM 이미지이다.
도 6은 95% 미만의 밀도를 갖는 소결된 CGO 전해질 층의 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명에서 사용을 위한 CGO 분말의 SEM 이미지이다.
도 8은 본 발명에서 사용을 위한 바이모달 입도 분포를 예시하는 그래프이다.
도 9는 가압 단계 전에 용매 및 유기물이 제거되지 않은 경우의 CGO 전해질 층의 SEM 이미지이다.
도 1 및 도 2의 종래 기술의 연료 전지는 기판의 중심 영역(2)을 통해 수천 개의 홀을 레이저 드릴링함으로써 부분적으로 다공성으로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 기판(1)을 포함한다. 다공성 기판은 상기 기판의 다공성 영역을 커버하는 애노드 층(3)에 의해 커버된다. 애노드 층 위로 CGO 전해질 층(4)이 증착되며, 이는 강재의 드릴링되지 않은 영역 상으로 애노드를 중첩하며, 따라서 애노드의 에지 주위에 밀봉을 형성한다. 상기 캐소드는 산소의 환원이 발생하는 얇은 활성층(5), 및 전류가 스택 내의 전지로부터 수집되도록 하는 더 두꺼운 집전체 층(current collector layer)(6)을 갖는다. 도 2는 매우 얇은 안정화된 지르코니아 층(7) 및 그보다 더 얇은 도핑된 세리아 층(8)을 추가적으로 도시하며, 이는 전자 전도도를 차단하고 애노드와 전해질 사이에 계면을 각각 형성한다.
도 3은 본 명세서에 개시되는 공정에 따라 제조되는 반전지를 도시한다. GB 2,368,450에 개시된 것과 같은 구조는 금속 기판이 레이저 드릴링에 의해 다공성으로 이루어지는 애노드 영역(1), 강재 기판이 불투과성인 외부 영역(2), 및 상기 2개를 중첩하고 애노드의 엣지 주위에 기밀한 밀봉을 형성하는 조밀한 CGO 전해질(3)을 갖는 것으로 보여질 수 있다.
도 4는 소결 응력으로 인한 왜곡을 방지하기 위해 소결 전에 도포되는 세라믹 피닝 매스를 갖는 부분을 도시한다.
실시예
본 발명의 연료 전지가 기밀하다는 증거는 반전지를 헬륨 누출 검출기 상에 배치시킴으로써 제공될 수 있다. 전해질의 가스 투과성이 공기 중에서 아딕센 헬륨 누설 감지기(Adixen helium leak detector)를 사용하여 측정된 2.0x10-7 mbar.l/s의 규격 상한(upper specification limit) 이하이면, 소결된 층 내의 미세 결함의 개수 및 크기는 허용 가능하고, 기밀 층이 달성된 것으로 볼 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전해질 층의 밀도는 가능한 이론 밀도의 95%보다 더 큰 경우로서, 도 6에 도시된 바와 같은 종래 기술의 전해질 층에 대하여 더 낮은 수준인 것과 비교된다. 도 5에서, 가스 불투과성이고 균열이 없는 전해질 층이 형성되고, 도 6에서, 불량하게 소결된 전해질 층이 형성된다.
도 7은 본 발명의 공정에서 사용하기 위한 CGO 분말을 도시한다. 준비된(as-received) 분말은 20 - 45 m2/g 범위의 BET 표면적을 가졌다. 상기 분말은 염기, 예컨대 탄산암모늄을 사용하여 세륨 및 가돌리늄 질산염의 용액으로부터 전구체의 공침에 의해 제조되었다. 그 다음, 이러한 세륨 가돌리늄 히드록시카보네이트의 전구체는 분리, 건조 및 하소되어 비정질 산화물에 대한 히드록시카보네이트의 열분해를 통해 원하는 CGO 분말을 형성하였으며, 그 다음에 결정화를 통하여 원하는 단상 입방 형석 결정 구조를 형성하였다. 도 7에 도시된 바와 같이, 생성된 상기 분말은 대략 구형의 몰폴로지를 가지며, 불규칙한 형상의 입자는 거의 없다.
그 다음, 도 7의 분말의 슬러리가 형성되었고 상기 분말은 슬러리의 200 Wh/kg의 특정 에너지에서 비드 밀링을 사용하여 밀링되었다. 최종 분말은 도 8에 도시된 바와 같은 바이모달 입자 분포를 가졌다. 바이모달 분포 내의 더 큰 입자는 그린 전해질 층의 패킹 및 강도에 도움을 준다는 것이 발견되었다.
아래 표 1은 최종 전해질 층에 대한 상이한 공정의 영향을 도시한다. 도시된 바와 같이, 전해질 층을 가압하는 단계는 용매 제거 단계가 존재하는 경우, 및 전이 금속 도펀트가 존재하는 경우와 마찬가지로 소결된 밀도(sintered density)를 향상시킨다.
전해질 파라미터 비 균열된 소결된 전해질 소결된 전해질 >95% 밀도
>50% 그린 밀도를 달성하기 위해 가압됨 Y Y
가압되지 않음 Y N
가압 전에 용매 및 유기물 제거 Y Y
가압 전에 용매 및 유기물 제거하지 않음 N N
전이 금속 도펀트 첨가 Y Y
전이 금속 도펀트 미첨가 Y N
용매 및 유기물이 가압 단계 전에 제거되지 않은 경우, 그린 전해질 층은 이러한 상대적으로 휘발성인 컴포넌트들이 소결 중에 연소됨에 따라 분쇄될 수 있다. 이것은 도 9에 도시된 바와 같이 결함이 있는 전해질 층을 야기할 수 있다.
본원에서 설명되는 공정은 108 cm2까지의 표면적으로, 금속 지지된 SOFC 상에서 고품질 전해질 층의 반복 가능한 증착을 허용한다는 것이 증명되었다. 소결 온도에서 금속 지지체의 소성 변형으로 인하여, 강재 지지체 상에 전해질 층을 소결하는 것이 완전히 제한된 소결이 아니기 때문에, 더 큰 층이 가능할 수 있다. 이것은 강재의 변형에 의해 완화되는 세라믹 층의 소결 응력을 야기한다.
본 발명의 공정 및 장치는 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 그 중 소수만이 위에 예시되고 설명되었다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 금속 지지된 고체 산화물 연료 전지용 전해질을 형성하는 공정으로서, 상기 공정은,
    a. 도핑된 세리아 그린 전해질을 애노드 층에 도포하는 단계;
    b. 상기 그린 전해질로부터 용매 및 유기물을 제거하는 단계;
    c. 상기 그린 전해질을 가압하여 그린 전해질 밀도를 증가시키는 단계; 및
    d. 800 - 1000℃ 온도 범위에서 5 - 20℃/분 범위의 온도 증가의 비율로 상기 그린 전해질을 가열하여 전해질을 형성하는 단계를 포함하는 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    스크린 인쇄 가능한 잉크로부터 상기 도핑된 세리아 그린 전해질을 형성하는 추가 단계를 포함하는 공정.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 애노드 층은 금속 기판에 도포된 것인 공정.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 기판은 비천공된 영역에 의해 둘러싸인 천공된 영역을 포함하는 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 항에 있어서,
    상기 그린 전해질로부터 용매 및 유기물을 제거하는 단계는 상기 용매를 증발시키는 단계를 포함하는 공정.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 항에 있어서,
    상기 용매 및 유기물을 제거하는 단계는 상기 유기물이 분해될 때까지 상기 그린 전해질을 250 - 500℃ 범위의 온도로 가열하는 단계를 포함하는 공정.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서,
    상기 애노드 층은 소결된 애노드 층인 공정.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서,
    상기 애노드 층은 그린 애노드 층이고 상기 그린 애노드 층 및 그린 전해질은 단일 소성 단계에서 소결되는 공정.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 항에 있어서,
    상기 그린 전해질은 상기 도핑된 세리아 전해질을 상기 애노드 층 위에 층들로 도포하고, 각 층의 도포 사이에 건조시킴으로써 형성된 다층의 전해질 층을 포함하는 공정.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 항에 있어서,
    상기 그린 전해질의 가압은 50 - 500 MPa 범위의 압력을 가하는 것을 포함하는 공정.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서,
    상기 전해질은 상기 애노드 층 및 상기 금속 지지체를 커버하는 공정.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 항에 있어서,
    상기 단계 d의 소결 온도는 1100℃ 미만인 공정.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 항에 있어서,
    상기 단계 d의 소결 공정(sintering process)은 공기 중에서 수행되는 공정
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 항에 있어서,
    상기 압력은 냉간 등방 압축성형(cold isostatic pressing) 또는 단축 블래더 압축성형(uniaxial bladder pressing)을 사용하여 가하여지는 공정.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 항의 공정을 사용하여 금속 지지된 애노드 층 상에 전해질을 형성하는 단계, 및 캐소드 재료를 상기 전해질에 도포하는 단계를 포함하는 연료 전지를 형성하는 공정.
  16. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 항에 따른 공정에 의해 얻어지는 전해질.
  17. 제 16 항에 따른 전해질을 포함하는 연료 전지.
  18. 제 17 항에 따른 적어도 2개의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 스택.
  19. 제 14 항 또는 제 16 항에 따른 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 전기 에너지의 생성 용도.
  20. 도면을 참조하여 본원에서 실질적으로 설명된 바와 같은 공정, 전해질, 연료 전지, 연료 전지 스택 및 용도.
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