KR20230069006A - 개선된 유전체 레이어들을 포함하는 연료 전지 스택들 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택은 적층된 고체 산화물 연료 전지들, 연료 전지들 사이에 배치된 인터커넥트들, 및 인터커넥트들 상에 배치되고 제 1 유리 함유 성분 및 부식 장벽 재료를 포함하는 유전체 레이어들을 포함한다. 선택적으로, 유전체 레이어들은 라이저 밀봉부들에 의해 덮이는 인터커넥트 라이저 밀봉 표면들의 일부만을 덮을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 전지 스택은 고체 산화물 연료 전지들의 전해질 상의 전해질 보강 레이어를 포함할 수 있다.

Description

개선된 유전체 레이어들을 포함하는 연료 전지 스택들{FUEL CELL STACKS INCLUDING IMPROVED DIELECTRIC LAYERS}
본 개시 내용은 연료 전지 유전체 레이어들에 관한 것으로, 특히 비정질 성분을 포함하는 유전체 레이어들에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템과 같은 고온 연료 전지 시스템에서, 산화 흐름이 연료 전지의 캐소드 측을 통과하는 한편, 연료 흐름이 연료 전지의 애노드 측을 통과한다. 산화 흐름은 전형적으로 공기인 한편, 연료 흐름은 탄화수소 연료, 예를 들어 메테인, 천연 가스, 펜테인, 에탄올, 또는 메탄올일 수 있다. 750℃ 내지 950℃ 사이의 전형적인 온도에서 동작되는 연료 전지는 캐소드 흐름 스트림으로부터 애노드 흐름 스트림으로의 음으로 하전된 산소 이온의 수송을 가능하게 하고, 이온은 탄화수소 분자 내의 수소 또는 자유 수소와 결합되어 수증기를 형성하고 및/또는 일산화탄소와 결합되어 이산화탄소를 형성한다. 음으로 하전된 이온으로부터의 잉여 전자는, 애노드와 캐소드 사이에서 완성된 전기 회로를 통해서 연료 전지의 캐소드 측으로 다시 전달되고, 그에 따라 회로를 통한 전류 흐름을 초래한다.
연료 전지 스택들은 연료 및 공기를 위해서 내부적으로 또는 외부적으로 매니폴드될(manifolded) 수 있다. 내부적으로 매니폴드된 스택들에서, 연료 및 공기는 스택 내에 포함된 라이저(riser)들을 이용하여 각각의 전지로 분배된다. 다시 말해서, 가스는 각각의 전지의 가스 흐름 분리기, 및 전해질 레이어와 같은 각각의 연료 전지의 지지 레이어의 개구부들 또는 홀들을 통해서 흐른다. 외부적으로 매니폴드된 스택들에서, 스택은 연료 및 공기 유입구 및 배출구 측들에서 개방되어 있으며, 연료 및 공기는 스택 하드웨어와 독립적으로 도입되고 수집된다. 예를 들어, 유입구 및 배출구 연료 및 공기는 스택과 스택이 위치하는 매니폴드 하우징 사이의 분리된 채널들 내에서 흐른다.
연료 전지 스택들은 흔히 평면형 요소의 형태, 튜브의 형태, 또는 기타의 기하학적 형태의 복수의 전지들로 구축된다. 연료 및 공기는, 클 수 있는, 전기화학적 활성 표면에 제공되어야 한다. 연료 전지 스택의 하나의 구성 요소는, 스택 내의 개별 전지들을 분리하는, (평면형 스택 내의 가스 흐름 분리기 플레이트로 지칭되는) 소위 가스 흐름 분리기이다. 가스 흐름 분리기 플레이트는 스택 내의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드)으로 흐르는 수소 또는 탄화수소 연료와 같은 연료를, 스택 내의 인접 전지의 공기 전극(즉, 캐소드)으로 흐르는 공기와 같은 산화제로부터 분리한다. 흔히, 가스 흐름 분리기 플레이트는 또한, 하나의 전지의 연료 전극을 인접 전지의 공기 전극에 전기적으로 연결하는 인터커넥트로서 이용된다. 이러한 경우에, 인터커넥트로서 기능하는 가스 흐름 분리기 플레이트는 전기 전도성 재료로 제조되거나 이러한 재료를 포함한다.
본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따르면, 연료 전지 스택은, 적층된 고체 산화물 연료 전지들; 연료 전지들 사이에 배치된 인터커넥트들; 및 인터커넥트들 상에 배치된 유전체 레이어들 - 유전체 레이어들은 제 1 유리 함유 성분 및 부식 장벽 재료를 포함함 -; 를 포함하되, 유전체 레이어는, 약 5:95 내지 약 60:40 범위의 제 1 유리 함유 성분 대 부식 장벽 재료의 중량비를 갖고, 제 1 유리 함유 성분은, 적어도 15분 동안 약 950 °C 내지 약 1050 °C 범위의 온도에서 소결한 이후에, 적어도 50%(예를 들어, 부피 기준으로) 비정질이며, 부식 장벽 재료는, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4), 칼륨 장석(KAlSi3O8), 알루미나(Al2O3), 란타늄 트라이실리케이트(La2Si3O9), 실리콘 카바이드 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따르면, 연료 전지 스택은, 적층된 고체 산화물 연료 전지들 - 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함함 -; 연료 홀들을 포함하며 연료 전지들 사이에 배치된 교차 흐름 인터커넥트들; 인터커넥트들의 연료 측들과 연료 전지들의 연료 측들 사이에 배치된 주변 밀봉부들; 인터커넥트들의 공기 측들과 연료 전지들의 공기 측들 사이에 배치된 연료 홀들을 둘러싸는 라이저 밀봉부들; 및 전해질들 상에 직접 배치되고, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 마그네시아, 지르코니아, 지르코니아, ZrSiO4, 알루미나 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 전해질 보강 레이어들; 을 포함한다.
본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따르면, 연료 전지 스택은, 적층된 고체 산화물 연료 전지들 - 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함함 -; 연료 전지들 사이에 배치된 교차 유동 인터커넥트들 -인터커넥트들 각각은 공기 측, 대향하는 연료 측, 인터커넥트의 대향하는 측들을 통해 연장되는 연료 홀들을 포함하고, 공기 측 각각은 연료 홀들을 둘러싸는 라이저 밀봉 표면들 및 공기 흐름 필드를 포함함 -; 인터커넥트들의 연료 측들과 연료 전지들의 연료 측들 사이에 배치된 주변 밀봉부들; 인터커넥트들의 공기 측들과 연료 전지들의 공기 측들 사이에 배치된 라이저 밀봉부들; 라이저 표면들을 완전히 덮는 라이저 밀봉부들; 및 라이저 밀봉 표면들과 라이저 밀봉부들 사이에 배치된 유전체 레이어들; 을 포함하되, 유전체 레이어들은 라이저 밀봉 표면들 중 적어도 일부의 50% 미만을 덮는다.
본원에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 예시적인 실시 예를 묘사하고, 전술한 일반적인 설명 및 후술되는 구체적인 설명과 함께, 본 발명의 특징을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 통상적인 연료 전지 컬럼의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 컬럼 내에 포함된 하나의 역류 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 스택의 사시도이며, 도 1c는 도 1b의 스택의 일부의 측면 횡단면도이다.
도 2a는 도 1b의 스택의 통상적인 인터커넥트의 공기 측의 상면도이고, 도 2b는 통상적인 인터커넥트의 연료 측의 상면도이다.
도 3a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 스택의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 스택의 일부의 분해 사시도이고, 도 3c는 도 3a의 스택 내에 포함된 인터커넥트의 연료 측의 상면도이며, 도 3d는 도 3a의 스택 내에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 도 3c의 교차-흐름 인터커넥트의 공기 측 및 연료 측을 각각 도시하는 평면도들이다.
도 5a는 도 3c의 인터커넥트의 공기 측을 도시하는 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 인터커넥트의 수정된 버전을 도시하는 평면도이다. 도 5c 및 도 5d는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 인터커넥트들의 공기 측을 보여주는 평면도이다.
도 6a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 도 4a 및 도 4b의 2개의 인터커넥트들 및 도 3a의 연료 전지 스택에 조립된 연료 전지의 단면 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 인터커넥트의 연료 측 상의 밀봉부들 및 연료 전지의 중첩을 도시하는 상면도이다.
도 7a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지의 연료 측의 상면도이고, 도 7b는 도 7b의 연료 전지의 공기 측의 상면도이다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예들이 상세히 설명될 것이다. 도면은 반드시 실제 축척인 것이 아니고, 본 발명의 다양한 특징들을 예시하기 위한 것이다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 부분들을 지칭하기 위해서, 도면 전체를 통해서 동일한 참조 번호가 이용될 것이다. 특정 예들 및 구현들에 대한 언급은 예시를 위한 것이고, 본 발명 또는 청구 범위의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 본 명세서에서 범위(range)는 "약(about)" 하나의 특정 값 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현되는 경우, 예들은 하나의 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값까지를 포함한다. 마찬가지로, 값들이 근사치로 표현되는 경우, 선행사 "약" 또는 "실질적으로"의 사용에 의해 특정 값이 다른 양상을 형성한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 일부 실시 예들에서, "약 X"의 값은 +/- 1% X의 값들을 포함할 수 있다. 범위들 각각의 종점은 다른 종점과 관련하여 그리고 다른 종점과는 독립적으로 중요하다는 것이 더 이해될 것이다.
도 1a는 통상적인 연료 전지 컬럼(30)의 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 컬럼(30) 내에 포함된 하나의 역류 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC) 스택(20)의 사시도이고, 도 1c는 도 1b의 스택(20)의 일부의 측면 횡단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 컬럼(column; 30)은 하나 이상의 스택(stack; 20), 연료 유입 도관(32), 애노드 배출물 도관(34), 및 애노드 공급/회수 조립체들(36)(예를 들어, 애노드 분배기 플레이트(anode splitter plate; ASP)(36)들)을 포함할 수 있다. 컬럼(30)은 또한 측면 배플들(side baffles)(38) 및 압축 조립체(40)를 포함할 수 있다. 연료 유입 도관(32)은 ASP(36)에 유체적으로 연결되고 각각의 ASP(36)에 연료 공급물을 제공하도록 구성되며, 애노드 배출물 도관(34)은 ASP(36)에 유체적으로 연결되고 각각의 ASP(36)로부터 애노드 연료 배출물(anode fuel exhaust)을 수용하도록 구성된다.
ASP들(36)은 스택들(20) 사이에 배치되고, 연료 공급물을 포함하는 탄화수소 연료를 스택(20)에 제공하도록 그리고 스택(20)로부터 애노드 연료 배출물을 수용하도록 구성된다. 예를 들어, ASP들(36)은, 후술되는 바와 같이, 스택(20) 내에 형성된 내부 연료 라이저 홀들(internal fuel riser holes; 22)에 유체적으로 연결될 수 있다.
도 1c를 참조하면, 스택(20)은, 가스 흐름 분리기 플레이트들(gas flow separator plates) 또는 바이폴라 플레이트들(bipolar plates)로도 지칭될 수 있는 인터커넥트들(interconnects; 10)에 의해 분리된 복수의 연료 전지들(1)을 포함한다. 각각의 연료 전지(1)는 캐소드 전극(3), 고체 산화물 전해질(5), 및 애노드 전극(7)을 포함한다.
각각의 인터커넥트(10)는 스택(20) 내의 인접 연료 전지들(1)을 전기적으로 연결한다. 특히, 인터커넥트(10)는 하나의 연료 전지(1)의 애노드 전극(7)을 인접 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 1c는 하부 연료 전지(1)가 2개의 인터커넥트들(10) 사이에 위치된 것을 도시한다.
각각의 인터커넥트(10)는 연료 채널들(8A) 및 공기 채널들(8B)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브들(ribs)(12)을 포함한다. 인터커넥트(10)는, 스택 내의 하나의 전지의 연료 전극(즉, 애노드(7))으로 흐르는 탄화수소 연료와 같은 연료를 스택 내의 인접 전지의 공기 전극(즉, 캐소드(3))으로 흐르는 공기와 같은 산화제로부터 분리하는, 가스-연료 분리기로서 동작할 수 있다. 스택(20)의 양 단부에는, 단부 전극에 공기 또는 연료를 각각 제공하기 위한 공기 단부 플레이트 및 연료 단부 플레이트(미도시)가 존재할 수 있다.
도 2a는 통상적인 인터커넥트(10)의 공기 측(air side)의 상면도이고, 도 2b는 인터커넥트(10)의 연료 측(fuel side)의 상면도이다. 도 1c 및 도 2a를 참조하면, 공기 측은 공기 채널들(8B)을 포함한다. 공기는 공기 채널들(8B)을 통해 인접 연료 전지(1)의 캐소드 전극(3)으로 흐른다. 특히, 공기는, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 1 방향(A)으로 인터커넥트(10)에 걸쳐 흐를 수 있다.
연료가 캐소드 전극과 접촉되는 것을 방지하기 위해서, 링 밀봉부들(ring seals; 23)이 인터커넥트(10)의 연료 홀들(fuel holes; 22A)을 둘러쌀 수 있다. 주변 스트립-형상의 밀봉부들(24)이 인터커넥트(10)의 공기 측의 주변 부분들(peripheral portions)에 위치된다. 밀봉부들(23, 24)은 유리 재료로 형성될 수 있다. 주변 부분들은, 리브들 또는 채널들을 포함하지 않는 상승된 고원부(elevated plateau)의 형태일 수 있다. 주변 영역들의 표면은 리브들(12)의 상단부들과 공면(coplanar)을 이룰 수 있다.
도 1c 및 도 2b를 참조하면, 인터커넥트(10)의 연료 측은 연료 채널들(8A) 및 연료 매니폴드들(fuel manifolds; 28)(예를 들어, 연료 플레넘(fuel plenum))을 포함할 수 있다. 연료는 연료 홀들(22A) 중 하나로부터 인접 매니폴드(28) 내로, 연료 채널들(8A)을 통해서, 그리고 인접 연료 전지(1)의 애노드(7)까지 흐른다. 과잉 연료는 다른 연료 매니폴드(28) 내로 그리고 이어서 인접 연료 홀(22A) 내로 흐를 수 있다. 특히, 연료는, 화살표로 표시된 바와 같이, 제 2 방향(B)으로 인터커넥트(10)에 걸쳐 흐를 수 있다. 제 2 방향(B)은 제 1 방향(A)(도 2a 참조)에 수직일 수 있다.
프레임-형상의 밀봉부(26)가 인터커넥트(10)의 연료 측의 주변 영역에 배치된다. 주변 영역은, 리브들 또는 채널들을 포함하지 않는 상승된 고원부일 수 있다. 주변 영역의 표면은 리브들(12)의 상단부들과 공면을 이룰 수 있다.
따라서, 도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은, 통상적인 역류(counter-flow) 연료 전지 컬럼은 복잡한 연료 분배 시스템들(연료 레일들 및 애노드 분배기 플레이트들)을 포함할 수 있다. 또한, 내부 연료 라이저의 이용은 연료 전지들 내의 홀들 및 대응하는 밀봉부들을 필요로 할 수 있고, 이는 그 활성 면적을 감소시킬 수 있고 연료 전지(1)의 세라믹 전해질 내에서 균열을 유발할 수 있다.
연료 매니폴드들(28)은 인터커넥트(10)의 비교적 큰 영역을 차지할 수 있고, 이는 인터커넥트(10)와 인접 연료 전지 사이의 접촉 면적을 약 10%만큼 감소시킬 수 있다. 연료 매니폴드들(28)은 또한 비교적 깊어서, 연료 매니폴드들(28)은 인터커넥트(10)의 비교적 얇은 영역들을 나타낸다. 인터커넥트(10)가 일반적으로 분말 야금 압밀(powder metallurgy compaction) 공정에 의해서 형성되기 때문에, 연료 매니폴드 영역들의 밀도는 인터커넥트 재료의 이론적 밀도 한계에 접근할 수 있다. 따라서, 압밀 공정에서 이용되는 압밀 프레스의 행정의 길이는, 더 압밀될 수 없는 고밀도 연료 매니폴드 영역들로 인해서, 제한될 수 있다. 결과적으로, 압밀 행정에 대한 제한으로 인해서, 인터커넥트(10) 내의 임의의 곳에서 달성되는 밀도가 낮은 레벨로 제한될 수 있다. 결과적인 밀도 변동은 지형적인(topographical) 변동을 초래할 수 있고, 이는 인터커넥트(10)와 연료 전지(1) 사이의 접촉의 양을 감소시킬 수 있고 낮은 스택 수율(yield) 및/또는 성능을 초래할 수 있다.
연료 전지 시스템 설계에서의 다른 중요한 고려 사항은 동작 효율의 영역에 있다. 연료 활용도를 최대화하는 것은 동작 효율을 달성하기 위한 중요 인자이다. 연료 활용도는, 얼마나 많은 연료가 연료 전지에 전달되는지에 대한, 얼마나 많은 연료가 동작 중에 소비되는지의 비율이다. 연료 전지 사이클 수명을 보존하는데 있어서 중요한 인자는, 연료를 활성 영역들에 적절히 분배함으로써 연료 전지 활성 영역들 내에서 연료 결핍(fuel starvation)을 방지하는 것일 수 있다. 연료가 잘못 분배되고 그에 따라 일부 흐름 필드 채널들(flow field channels)이 이 채널의 영역 내에서 발생되는 전기화학적 반응을 지원하기에 충분하지 않은 연료를 수용하는 경우에, 이는 이 채널에 인접한 연료 전지 영역들 내에서 연료 결핍을 초래할 수 있다. 연료를 보다 균일하게 분배하기 위해서, 통상적인 인터커넥트 설계는 흐름 필드에 걸친 채널 깊이 변동을 포함한다. 이는, 제조 공정에서 복잡성을 생성할 뿐만 아니라, 이러한 치수를 정확하게 측정하기 위한 복잡한 계측법을 필요로 할 수 있다. 변화되는 채널 기하학적 형태는, 연료가 연료 홀들 및 분배 매니폴드들을 통해서 분배되는 방식에 의해서 제약을 받을 수 있다.
이러한 복잡한 기하학적 형태 및 연료 매니폴드를 제거하기 위한 하나의 가능한 해결책은 더 넓은 연료 개구부를 갖는 것이고, 그에 따라 연료 흐름 필드(fuel flow field)에 걸쳐 훨씬 더 균일한 연료 분배를 보장하는 것이다. 연료 매니폴드 형성이 밀도 변동(density variation)에서의 인자이기 때문에, 연료 매니폴드의 제거는 더 균일한 인터커넥트 밀도 및 투과도를 가능하게 할 것이다. 따라서, 통상적인 연료 매니폴드를 이용하지 않으면서 연료를 연료 전지들에 균일하게 분배하면서도, 연료 전지들과의 균일한 접촉을 제공하는 개선된 인터커넥트들이 필요하다.
연료 전지 시스템의 핫 박스(hotbox)의 크기 확장의 전반적인 제한으로 인해서, 핫 박스의 풋프린트(footprint)를 증가시키지 않으면서, 연료 활용도 및 연료 전지 활성 영역을 최대화하도록 설계된 개선된 인터커넥트가 또한 필요하다.
교차-흐름 연료 전지 시스템들(Cross-Flow Fuel Cell Systems)
도 3a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 스택(300)의 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 스택(300)의 일부의 분해 사시도이고, 도 3c는 스택(300) 내에 포함된 인터커넥트(400)의 연료 측의 상면도이고, 도 3d는 스택(300) 내에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, ASP를 포함하지 않음으로 인해서 연료 전지 컬럼으로도 지칭될 수 있는 연료 전지 스택(300)은, 인터커넥트들(400)에 의해 분리된 복수의 연료 전지들(310)을 포함하고, 인터커넥트(400)는 가스 흐름 분리기 플레이트 또는 바이폴라 프레이트로 지칭될 수도 있다. 하나 이상의 스택(300)가 공통 외장 또는 "핫 박스(hotbox)" 내에서 연료 전지 전력 생성 시스템의 다른 구성 요소들(예를 들어, 하나 이상의 애노드 테일 가스 산화기(anode tail gas oxidizer), 연료 개질기(fuel reformer), 연료 도관 및 매니폴드 등)와 열적으로 통합될 수 있다.
인터커넥트들(400)은 전기 전도성 금속 재료로 제조된다. 예를 들어, 인터커넥트들(400)은, Cr-Fe 합금과 같은, 크로뮴 합금을 포함할 수 있다. 인터커넥트들(400)은 전형적으로, 원하는 크기 및 형상(예를 들어, "최종 형상(net shape)" 또는 "거의 최종적인 형상(near net shape)" 공정)으로 Cr-Fe 인터커넥트를 형성하기 위해서, Cr 분말 및 Fe 분말의 혼합물 또는 Cr-Fe 합금 분말일 수 있는, Cr-Fe 분말을 프레스(pressing)하는 것 및 소결(sintering)하는 것을 포함하는 분말 야금 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 전형적인 크로뮴-합금 인터커넥트(400)는 약 90 중량% 초과의 크로뮴, 예를 들어 약 94 내지 96 중량%(예를 들어, 95 중량%)의 크로뮴을 포함한다. 인터커넥트(400)는 또한 약 10 중량% 미만의 철(iron), 예를 들어 약 4 내지 6 중량%(예를 들어, 5 중량%)의 철을 포함할 수 있고, 약 2 중량% 미만, 예를 들어 약 0 내지 1 중량%의 다른 재료들, 예를 들어 이트륨 또는 이트리아뿐만 아니라 잔류하는 또는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
각각의 연료 전지(310)는 고체 산화물 전해질(312), 애노드(314), 및 캐소드(316)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 애노드(314) 및 캐소드(316)는 전해질(312)에 인쇄(print)될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 전도성 레이어(318), 예를 들어 니켈 메시(nickel mesh)가 애노드(314)와 인접 인터커넥트(400) 사이에 배치될 수 있다. 연료 전지(310)는, 통상적인 연료 전지의 연료 홀들과 같은 관통 홀들을 포함하지 않는다. 그에 따라, 연료 전지(310)는, 그러한 관통 홀들의 존재로 인해서 발생될 수 있는 균열을 방지한다.
스택(300)의 최상부 인터커넥트(400) 및 최하부 인터커넥트(400)는, 공기 또는 연료를 각각 인접 단부 연료 전지(310)에 제공하기 위한 특징부(feature)를 포함하는 공기 단부 플레이트 또는 연료 단부 플레이트 중의 상이한 단부 플레이트들일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "인터커넥트(interconnect)"는 2개의 연료 전지들(310) 사이에 위치된 인터커넥트, 또는 스택의 단부에 위치되고 하나의 연료 전지(310)에만 직접 인접하는 단부 플레이트를 지칭할 수 있다. 스택(300)이 ASP들 및 그와 연관된 단부 플레이트들을 포함하지 않기 때문에, 스택(300)은 2개의 단부 플레이트들만을 포함할 수 있다. 결과적으로, 컬럼 내(intra-column) ASP들의 이용과 관련된 스택의 치수적 변동을 피할 수 있다.
스택(300)은 측면 배플들(302), 연료 플레넘(304), 및 압축 조립체(306)를 포함할 수 있다. 측면 배플들(302)은 세라믹 재료로 형성될 수 있고, 적층된 연료 전지들(310) 및 인터커넥트들(400)을 포함하는 연료 전지 스택(300)의 대향 측들에 배치될 수 있다. 측면 배플들(302)은, 압축 조립체(306)가 스택(300)에 압력을 가할 수 있도록, 연료 플레넘(304) 및 압축 조립체(306)를 연결할 수 있다. 측면 배플들(302)은 곡선형 배플 플레이트들일 수 있고, 각각의 배플 플레이트는 연료 전지 스택(300)의 3개의 측들의 적어도 일부를 덮는다. 예를 들어, 하나의 배플 플레이트가 스택(300)의 연료 유입구 라이저 측을 완전히 덮고 스택의 인접한 전방 측 및 후방 측을 부분적으로 덮을 수 있는 한편, 다른 배플 플레이트는 스택의 연료 배출구 라이저 측을 완전히 덮고 스택의 전방 측 및 후방 측의 인접한 부분을 부분적으로 덮을 수 있다. 스택의 전방 측 및 후방 측의 덮이지 않은 남은 부분들은 공기가 스택(300)을 통해서 흐를 수 있게 한다. 곡선형 배플 플레이트들은, 스택의 하나의 측만을 덮는 통상적인 배플 플레이트들(38)에 비해서, 스택을 통한 개선된 공기 흐름 제어를 제공한다. 연료 플레넘(304)은 스택(300)의 아래에 배치될 수 있고, 수소 함유 연료 공급물을 스택(300)에 제공하도록 구성될 수 있으며, 스택(300)로부터의 애노드 연료 배출물을 수용할 수 있다. 연료 플레넘(304)은, 연료 플레넘(304)의 아래에 위치하는 연료 유입구 및 배출구 도관들(308)에 연결될 수 있다.
각각의 인터커넥트(400)는 스택(300) 내의 인접 연료 전지들(310)을 전기적으로 연결한다. 특히, 인터커넥트(400)는 하나의 연료 전지(310)의 애노드 전극을 인접 연료 전지(310)의 캐소드 전극에 전기적으로 연결할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 각각의 인터커넥트(400)는 제 1 방향(A)으로 공기를 전달하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 공기는 인접 연료 전지(310)의 캐소드에 제공될 수 있다. 각각의 인터커넥트(400)는 또한 연료를 제 2 방향(F)으로 전달하도록 구성될 수 있고, 그에 따라 연료는 인접 연료 전지(310)의 애노드에 제공될 수 있다. 방향(A) 및 방향(F)은 수직일 수 있거나, 실질적으로 수직일 수 있다. 따라서, 인터커넥트들(400)은 교차-흐름(cross-flow) 인터커넥트로 지칭될 수 있다.
인터커넥트(400),는 인터커넥트(400)를 통해 연장되고 연료 분배를 위해 구성된 연료 홀들(fuel holes)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 홀들은 하나 이상의 연료 유입구(402), 및 애노드 배출물 배출구(404)로도 지칭되는 하나 이상의 연료 배출구(404)를 포함할 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)은 연료 전지들(310)의 주변의 외측에 배치될 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404) 중 각각의 2개가 도시되지만, 하나의 연료 유입구(402) 및 하나의 연료 배출구(404)가 있을 수 있거나, 또는 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404) 중 각각의 3개 이상이 있을 수 있다는 것에 유의한다. 따라서, 연료 전지들(310)은, 연료 흐름을 위한 대응하는 관통 홀들이 없이 형성될 수 있다. 연료 유입구들(402)의 조합된 길이 및/또는 연료 배출구들(404)의 조합된 길이는 인터커넥트(400)의 대응하는 길이, 예를 들어 방향(A)을 따라서 취한 길이의 적어도 75%일 수 있다.
일 실시 예에서, 각각의 인터커넥트(400)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 인터커넥트(400)의 넥 부분(neck portion; 412)에 의해 분리된 2개의 연료 유입구들(402)을 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 넥 부분들(412)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 유입구들과 같은, 2개 초과의 연료 유입구들(402)이 포함될 수 있다. 일 실시 예에서, 각각의 인터커넥트(400)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 인터커넥트(400)의 넥 부분(414)에 의해 분리된 2개의 연료 배출구들(404)을 포함한다. 그러나, 2개 내지 4개의 넥 부분들(414)에 의해 분리된 3개 내지 5개의 배출구들과 같은, 2개 초과의 연료 배출구들(404)이 포함될 수 있다.
인접한 인터커넥트들(400)의 연료 유입구들(402)은 스택(300) 내에서 정렬되어 하나 이상의 연료 유입구 라이저(fuel inlet riser; 403)를 형성할 수 있다. 인접한 인터커넥트들(404)의 연료 배출구들(404)은 스택(300) 내에서 정렬되어 하나 이상의 연료 배출구 라이저(fuel outlet riser; 405)를 형성할 수 있다. 연료 유입구 라이저(403)는 연료 플레넘(304)으로부터 수용되는 연료를 연료 전지들(310)에 분배하도록 구성될 수 있다. 연료 배출구 라이저(405)는 연료 전지들(310)로부터 수용되는 애노드 배출물(anode exhaust)을 연료 플레넘(304)에 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1a의 편평한 관련된 기술의 측면 배플들(38)과 달리, 측면 배플들(302)은 인터커넥트(400)의 에지들(edges) 주위에서 곡선화될 수 있다. 특히, 측면 배플들(302)은 인터커넥트들(400)의 연료 유입구들(402) 및 배출구들(404) 주위에 배치될 수 있다. 따라서, 측면 배플들은, 측면 배플들(302) 사이에서 노출되고 도 4a 및 도 4b와 관련하여 구체적으로 설명되는, 인터커넥트들(400)의 공기 채널들을 통한 공기 흐름을 더 효율적으로 제어할 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 스택(300)은, 연료 라이저들(403, 405)만을 이용하여 연료가 공급될 수 있는, 적어도 30개, 적어도 40개, 적어도 50개, 또는 적어도 60개의 연료 전지들을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 통상적인 연료 전지 시스템과 비교할 때, 교차-흐름 구성은, ASP들 또는 외부 스택 연료 매니폴드들, 예를 들어 도 1a에 도시된 외부 도관들(32, 34)을 필요로 하지 않고, 많은 수의 연료 전지들이 연료를 공급받을 수 있게 한다.
각각의 인터커넥트(400)는, 전지들 내의 고체 산화물 전해질의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 갖는(예를 들어, 차이가 0 내지 10%인) 금속 합금(예를 들어, 크로뮴-철 합금)과 같은 전기 전도성 재료로 제조되거나 그러한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트들(400)은 금속(예를 들어, 크로뮴-철 합금, 예를 들어 4 내지 6 중량% 철, 선택적으로 1 이하의 중량%의 이트륨 및 잔량의 크로뮴 합금)을 포함할 수 있고, 하나의 연료 전지(310)의 애노드 측 또는 연료 측을 인접 연료 전지(310)의 캐소드 측 또는 공기 측에 전기적으로 연결할 수 있다. 니켈 접촉 레이어(예를 들어, 니켈 메시)과 같은 전기 전도성 접촉 레이어가 애노드와 각각의 인터커넥트(400) 사이에 제공될 수 있다. 기타의 선택적인 전기 전도성 접촉 레이어가 캐소드 전극들과 각각의 인터커넥트(400) 사이에 제공될 수 있다.
동작 동안 인터커넥트(400)의 캐소드 대향 측과 같은 산화 환경(예를 들어, 공기)에 노출되는 인터커넥트(400)의 표면은, 인터커넥트 상에서의 크로뮴 산화물 표면 레이어의 성장률을 감소시키기 위해서 그리고 연료 전지 캐소드에 유해할 수 있는 크로뮴 증기 종들(species)의 증발을 억제하기 위해서, 보호 코팅 레이어로 코팅될 수 있다. 전형적으로, 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM)와 같은 페로브스카이트(perovskite)를 포함할 수 있는 코팅 레이어가 분무 코팅 또는 침지 코팅 공정을 이용하여 형성될 수 있다. 대안적으로, 기타의 금속 산화물 코팅, 예를 들어 스피넬(spinel), 예를 들어 (Mn, Co)3O4 스피넬(MCO)이 LSM 대신에 또는 LSM에 더하여 이용될 수 있다. Mn2-xCo1+xO4 (0 ≤ x ≤ 1)의 조성을 갖는 또는 z(Mn3O4) + (1-z)(Co3O4) (여기서, 1/3 ≤ z ≤ 2/3)로 표기되는, 또는 (Mn, Co)3O4 로 표기되는 임의의 스피넬이 이용될 수 있다. 다른 실시 예들에서, LSM 및 MCO의 혼합 레이어, 또는 LSM 레이어 및 MCO 레이어의 스택이 코팅 레이어로서 이용될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 교차-흐름 인터커넥트(400)의 공기 측 및 연료 측을 각각 도시하는 평면도들이다. 도 4a를 참조하면, 인터커넥트(400)의 공기 측은, 그 위에 배치된 연료 전지(310)의 캐소드(cathode)에 공기를 제공하도록 구성된 공기 채널들(408)을 적어도 부분적으로 정의하도록 구성된 리브들(ribs; 406)을 포함할 수 있다. 인터커넥트(400)의 공기 측은 공기 채널들(408)을 포함하는 공기 흐름 필드(air flow field; 420), 및 공기 흐름 필드(420)의 2개의 대향 측들에 배치된 라이저 밀봉 표면(riser seal surface; 422)으로 구획될 수 있다. 라이저 밀봉 표면들(422) 중 하나는 연료 유입구들(402)을 둘러쌀 수 있고, 다른 라이저 밀봉 표면(422)은 연료 배출구들(404)을 둘러쌀 수 있다. 공기 채널들(408) 및 리브들(406)은, 공기 채널들(408) 및 리브들(406)이 인터커넥트(400)의 대향되는 주변 에지들에서 종료되도록, 인터커넥트(400)의 공기 측에 완전히 걸쳐 연장될 수 있다. 다시 말해서, 스택(300)으로 조립되는 경우, 공기 채널들(408) 및 리브들(406)의 대향 단부들은 스택의 외부 표면들에 대향되게(예를 들어, 전방 및 후방으로) 배치되고, 그에 따라 송풍된 공기가 스택을 통해서 흐를 수 있게 한다. 따라서, 스택은 공기를 위해서 외부적으로 매니폴드될 수 있다.
라이저 밀봉부들(riser seals; 424)은 라이저 밀봉 표면(422) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 라이저 밀봉부(424)는 연료 유입구들(402)을 둘러쌀 수 있고, 하나의 라이저 밀봉부(424)는 연료 배출구들(404)을 둘러쌀 수 있다. 라이저 밀봉부들(424)은 연료 및/또는 애노드 배출물이 공기 흐름 필드(420)에 진입하는 것 그리고 연료 전지(310)의 캐소드와 접촉되는 것을 방지할 수 있다. 라이저 밀봉부들(424)은 또한 연료가 연료 전지 스택(100)의 외부로 누설되는 것을 방지하도록 동작할 수 있다(도 3a 참조).
도 4b를 참조하면, 인터커넥트(400)의 연료 측은, 그 위에 배치된 연료 전지(310)의 애노드에 연료를 제공하도록 구성된 연료 채널들(418)을 적어도 부분적으로 정의하는 리브들(416)을 포함할 수 있다. 인터커넥트(400)의 연료 측은 연료 채널들(418)을 포함하는 연료 흐름 필드(430), 및 연료 흐름 필드(430) 및 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)을 둘러싸는 주변 밀봉 표면(perimeter seal surface; 432)으로 구획될 수 있다. 리브들(416) 및 연료 채널들(418)은, 공기 측 채널들(408) 및 리브들(406)이 연장되는 방향에 수직인 또는 실질적으로 수직인 방향으로 연장될 수 있다.
프레임-형상의 주변 밀봉부(perimeter seal; 434)가 주변 밀봉 표면(432)에 배치될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는 공기가 연료 흐름 필드(430)에 진입하는 것 그리고 인접 연료 전지(310) 상의 애노드에 접촉하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 주변 밀봉부(434)는 또한 연료가 연료 라이저들(403, 405)을 빠져 나가는 것 그리고 연료 전지 스택(300)의 외부로 누설되는 것을 방지하도록 동작할 수 있다(도 3a 및 도 3b 참조).
상세히 후술될 바와 같이, 밀봉부들(424, 434)는 유리 또는 세라믹 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 낮은 전기 전도도를 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉부(424, 434)는 밀봉 재료의 하나 이상의 레이어를 인터커넥트(400) 상에 인쇄하는 것, 그리고 이어서 소결하는 것에 의해서 형성될 수 있다.
도 5a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 라이저 밀봉부(424)가 없는 인터커넥트(400)의 공기 측을 도시하는 평면도이고, 도 5b 내지 도 5d는 도 5a의 인터커넥트의 수정된 버전들을 도시하는 평면도이다.
종래의 연료 전지 스택들에서, 연료 전지 전해질은 인터커넥트들을 완전히 덮어서, 연료 전지 전해질은 인접한 인터커넥트들 사이의 유전체 레이어들(dielectric layers)로서 동작한다. 교차 흐름 설계에서, 인터커넥트들(400)의 부분들은 연료 전지들의 주변의 외부, 예를 들어 라이저 밀봉 표면(422)에 대응되는 인터커넥트 영역들에 배치될 수 있다. 스택이 기울어지거나 시간이 지남에 따라 밀봉부가 전도성이 되는 경우, 이러한 영역들에서 인터커넥트들 간의 전기적 단락이 잠재적으로 발생할 수 있다. 누설 전류는 또한 시간이 지남에 따라 밀봉 열화를 초래할 수 있다. 따라서, 다양한 실시 예들은 전기적 단락 및/또는 밀봉 열화로부터 보호하는 유전체 레이어들을 제공한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 인터커넥트(400)는 라이저 밀봉 표면들(422) 상에 배치된 유전체 레이어들(440)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 유전체 레이어들(440)은 인접한 밀봉부들로의 오염물들의 확산을 감소시킬 수 있기 때문에, 부식 장벽 레이어(corrosion barrier layer; CBL)들로도 지칭될 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 각각의 유전체 레이어(440)는 환형(annular)일 수 있고, 대응되는 라이저 밀봉 표면(422)의 전부, 또는 실질적으로 전부를 덮을 수 있다. 예를 들어, 도 5a의 실시 예에서, 유전체 레이어들(440)은 D-형상일 수 있고, 그 위에 배치된 도 4a에 도시된 라이저 밀봉부들(424)과 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다.
다른 실시 예들에서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 유전체 레이어들(440)은 C-형상일 수 있고, 대응되는 라이저 밀봉 표면(422)의 외부 영역(422E)만을, 예를 들어 인터커넥트(400)의 외부 주변에 인접한 부분만을 덮을 수 있다. C-형상 유전체 레이어들(440)은, 공기 리브들(406) 및 공기 채널들(408)의 방향에 수직하게 연장되는 2개의 평행한 부분들, 및 공기 리브들(406) 및 공기 채널들(408)의 방향에 평행하게 연장되고 2개의 평행한 부분들을 연결하는 연결부를 포함할 수 있다. 유전체 레이어들(440)은 인접한 인터커넥트들(400) 사이에서 전기 절연 장벽을 형성하고, 대응하는 스택이 기울어지는 경우에 또는 밀봉부가 전도성이 되는 경우에, 전기적 단락을 방지한다. 도 5b의 실시 예에서, 라이저 밀봉 표면들(422) 각각은 대응되는 공기 흐름 필드(420)에 가장 가깝게 배치된 라이저 밀봉 표면(422)의 일부를 포함하는 내부 영역(422I), 및 대응되는 공기 흐름 필드(420)로부터 가장 멀리 배치된 라이저 밀봉 표면(422)의 일부를 포함하는 외부 영역(422E)을 포함한다. 이러한 실시 예에서, 유전체 레이어들은 각각의 외부 영역(422E)의 적어도 95%를 덮고 내부 영역(422I)에서는 생략된다.
다른 실시 예들에서, 도 5c에 도시된 바와 같이, 유전체 레이어들(440)은 상대적으로 좁은 폭(즉, 얇은)의 밀봉 재료의 라인으로 형성된 D-형상 구조물들일 수 있고, 유전체 레이어들(440)은 라이저 밀봉부들(424)에 의해 덮이는 전체 라이저 밀봉 표면(422)의 50% 미만, 예를 들어 약 25% 내지 약 50%, 예를 들어 라이저 밀봉부들(424)에 의해 덮이는 표면 영역의 30% 내지 45%를 덮는다.
소결 동안, 상대적으로 좁은 유전체 레이어(440)는 인접한 라이저 밀봉부가 유전체 레이어(440)를 오버플로우(overflow)하도록 하여, 라이저 밀봉 재료의 적어도 일부가 라이저 밀봉 표면(422)과 직접 접촉하게끔 할 수 있다. 따라서, 상대적으로 좁은 유전체 레이어(440)는, 스택 내의 인접한 인터커넥트들(400) 사이의 전기적 접촉(즉, 단락(short circuit))을 방지하면서도, 증가된 밀봉부 대 인터커넥트 접착을 허용할 수 있다.
도 5d와 관련하여, 라이저 밀봉 표면들(422)의 각각은, 외부 영역(422E) 이외에도, 공기 흐름 필드(420) 및 연료 유입구들(402) 또는 출구들(404) 사이에 배치된 내부 영역(422I)을 가질 수 있다. 내부 영역(422I)은 공기 흐름 필드(420)에 가장 가까운 라이저 밀봉 표면(422)의 일부(예를 들어, 절반)를 포함할 수 있고, 외부 영역(422E)은 공기 흐름 필드(420)로부터 가장 먼 라이저 밀봉 표면(422)의 나머지 부분(예를 들어, 절반)을 포함할 수 있다. 내부 영역들(422I) 상에 배치된 라이저 밀봉부들의 부분들은, 유전체 레이어(440)가 사용되지 않는 경우, 외부 영역(422E) 상에 배치된 라이저 밀봉부의 부분들보다 더 빠르게 열화될 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 증기 상(vapor phase)의 생성물과의 반응으로 인해 라이저 밀봉부들의 내부 부분들 내에서 전해질 부식(electrolytic corrosion)이 발생할 수 있으며, 이로 인해, 특히 시간이 지남에 따라 라이저 밀봉부들의 내부 부분들에서, 라이저 밀봉부들에 기공들/공극들이 형성될 수 있다.
따라서, 일부 실시 예들에서, 유전체 레이어들(440)은 내부 영역(422I)을 덮는 상대적으로 넓은 폭(즉, 두꺼운)의 내부 부분(440I), 및 외부 영역(422E)을 덮는 상대적으로 좁은 폭의 외부 부분(440E)을 포함할 수 있다. 도 5a 내지 도 5d와 관련하여 사용된 바와 같이, 유전체 레이어들(440) 및 부분들(440I, 440E)의 폭은, 라이저 밀봉 표면(422)(즉, 연료 전지 스택의 축 방향에 수직인)에 평행한 치수이다. 특히, 내부 부분(440I)은 내부 영역(422I)의 실질적으로 전부(예를 들어, 내부 영역(422I)의 적어도 95%)를 덮을 수 있는 반면, 외부 부분(440E)은 외부 영역(422E)의 표면의 50% 미만을 덮을 수 있다.
실질적으로 모든 내부 영역(422I)을 유전체 레이어(440)의 내부 부분(440I)으로 덮는 것은, 증기 상 반응을 감소시킴으로써 라이저 밀봉부들의 중첩 부분들의 열화를 방지 및/또는 감소시킬 수 있다. 외부 영역(422E)의 일부만을 유전체 레이어의 외부 부분(440E)으로 덮는 것은, 증가된 밀봉부 대 인터커넥트 접착을 제공할 수 있다.
통상적인 유전체 레이어들은 유리 성분과 혼합된 세라믹 성분을 포함할 수 있다. 유리 성분은 응집력 및 접착력을 제공하도록 소결되도록 구성된 유리 재료일 수 있다. 예를 들어, 유리 성분은 실리카 유리 재료들 또는 유리-세라믹 재료들, 예를 들어 BaO-CaO-Al2O3-B2O3-SiO2　(BCAS) 유리-세라믹 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 재료들에 포함되는 유리 성분의 양은 통상적인 유리 성분 재료들의 상대적으로 낮은 유전 강도(dielectric strength)로 인해 약 15 중량% 이하로 제한될 수 있다. 또한, 유리 성분은 상대적으로 낮은 온도에서 완전히 결정화될 수 있다. 결과적으로, 이러한 통사적인 유전체 레이어들은 유리 성분의 결정화로 인해 충분한 접착력 및/또는 응집력이 결여될 수 있고, 연료 전지 동작 온도에서 열적 사이클링(thermal cycling) 동안 인접한 밀봉부들로부터 박리될 수 있다.
따라서, 다양한 실시 예들은 인터커넥트 대 인터커넥트 단락(예를 들어, 누설 전류)을 방지하기에 충분한 유전 강도를 갖는 유전체 레이어 재료들을 제공할 뿐만 아니라, 열적 사이클링 동안 박리를 방지하기에 충분한 밀봉 접착을 제공한다.
다양한 실시 예에 따르면, 유전체 레이어들(440)은 부식 장벽 재료 및 적어도 부분적으로 비정질(amorphous)인 제 1 유리 함유 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 레이어들(440)은 약 5:95 내지 약 60:40 범위의, 예를 들어 약 10:90 내지 약 50:50 범위의 제 1 유리 함유 성분 대 부식 장벽 재료 중량비를 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 배리어 재료 및 제 1 유리 함유 성분은 별개의 상들(phases)로서 유전체 레이어들(440) 내에 존재할 수 있다.
제 1 유리 함유 성분은 적어도 940 °C의 온도에서, 예를 들어 약 950 °C 내지 약 1050 °C의 온도에서의 소결 이후에 비정질/유리 상태(amorphous/glassy state)를 완전히 또는 적어도 부분적으로 유지하는 유리 또는 유리-세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 유리 함유 성분은, 적어도 15분의 시간 동안 940 °C 초과의 온도에서 소결된 이후에 적어도 50 부피%, 예를 들어 적어도 70 부피%, 적어도 80 부피%, 또는 적어도 90 부피%의 비정질 상을 가질 수 있다. 일부 실시 예들에서, 제 1 유리 함유 성분은 독일 마인츠 소재의 회사(Schott AG)로부터 입수 가능한 Schott G018-281 (SOFC 응용을 위한 유리-세라믹 실란트)와 같은 바륨 실리케이트 유리(barium silicate glass) 함유 조성물, 칼슘-마그네슘-알루미노실리케이트(calcium-magnesium-aluminosilicate; CMAS) 유리 또는 유리-세라믹 재료, 이들의 조합 등을 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 제 1 유리 함유 성분은, 산화물 기준으로, 몰%로: 약 85% 내지 약 95% 범위, 예를 들어 약 87% 내지 약 93%, 또는 약 89.2%의 양의 SiO2; 약 2.5% 내지 약 6.5% 범위, 예를 들어 약 4.0% 내지 약 5.0%, 또는 약 4.6%의 양의 Al2O3; 약 2.0% 내지 약 5.0% 범위, 예를 들어 약 3.0% 내지 약 4.0%, 또는 약 3.5%의 양의 CaO; 및 약 1.2% 내지 약 4.2% 범위, 예를 들어 약 2.2% 내지 약 3.2%, 또는 약 2.7%의 양의 MgO; 를 포함하는 CMAS 유리 또는 유리-세라믹 재료를 포함할 수 있다.
부식 장벽 재료는, 세라믹 성분 및 제 2 유리 함유 성분을 포함하는 유리 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 세라믹 성분은 지르콘(zircon)(지르코늄 실리케이트(zirconium silicate)(ZrSiO4)), 칼륨 장석(potash feldspar)(KAlSi3O8), 알루미나(alumina)(Al2O3), 란타늄 트라이실리케이트(lanthanum trisilicate)(La2Si3O9), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및/또는 기타의 고온 내성 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 제 2 유리 함유 성분은 실리카 유리 재료들 또는 유리-세라믹 재료들, 예를 들어 BaO-CaO-Al2O3-B2O3-SiO2　(BCAS) 유리-세라믹 재료를 포함할 수 있다.
예를 들어, 부식 장벽 재료는, 부식 장벽 재료의 총 중량을 기준으로: 약 25 중량% 내지 약 50 중량%, 예를 들어 약 30 중량% 내지 약 45 중량%, 약 35 중량% 내지 약 40 중량%, 또는 약 37.5 중량%의 ZrSiO4; 약 25 중량% 내지 약 50 중량%, 예를 들어 약 30 중량% 내지 약 45 중량%, 약 35 중량% 내지 약 40 중량%, 또는 약 37.5 중량%의 KAlSi3O8; 약 2 중량% 내지 약 25 중량%, 예를 들어 약 4 중량% 내지 약 20 중량%, 약 5 중량% 내지 약 15 중량%, 또는 약 10 중량% Al2O3; 및 약 0 중량% 내지 약 15 중량%, 예를 들어 약 10 중량% 내지 약 15 중량%, 또는 약 12 내지 약 15 중량%의 제 2 유리 함유 성분을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제 2 유리 함유 성분은, 산화물 중량 기준으로: 약 30% 내지 약 60% 범위의, 예를 들어 약 35% 내지 약 55% 범위의 양의 실리카(SiO2); 약 0.5% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 12% 범위의 양의 붕소 삼산화물(B2O3); 약 0.5% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 알루미나(Al2O3); 약 2% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 25% 범위의 양의 칼슘 산화물(CaO); 약 0% 내지 약 35% 범위의, 예를 들어 약 20% 내지 약 30% 범위의 양의 바륨 산화물(BaO); 약 0% 내지 약 25% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 20% 범위의 양의 마그네슘 산화물(MgO); 약 0% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 10% 내지 약 15% 범위의 양의 스트론튬 산화물(SrO); 및 약 0% 내지 약 12%, 예를 들어 약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 란타늄 산화물(La2O3)을 포함한다.
일부 실시 예들에서, 제 2 유리 함유 성분은 생략될 수 있다. 예를 들어, 제 1 유리 함유 성분은 제 2 유리 함유 성분을 대체할 수 있으며, 유전체 레이어들(440)은 약 15:85 내지 약 70:30 범위의, 예를 들어 약 20:80 내지 약 60:40의 제 1 유리 함유 성분 대 부식 장벽 재료의 중량비를 가질 수 있다.
대안적인 실시 예에서, 부식 장벽 재료는 산화물 기준으로, 몰%로: 약 30% 내지 약 45% 범위의, 예를 들어 약 35% 내지 약 40%, 또는 약 39%의 양의 SiO2; 약 23% 내지 약 33% 범위의, 예를 들어 약 25% 내지 약 30%, 또는 약 27%의 양의 CaO; 약 15% 내지 약 25% 범위의, 예를 들어 약 18% 내지 약 20%, 또는 약 19%의 양의 MgO; 약 6% 내지 약 7% 범위의, 예를 들어 약 6.5%의 양의 Al2O3; 약 4% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 4.5%의 양의 B2O3; 약 0.5% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 1.5% 내지 약 3.5%, 또는 약 2%의 양의 La2O3; 및 약 0.5% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 1.5% 내지 약 3.5%, 또는 약 2%의 양의 ZrO2; 를 포함한다. 부식 장벽 재료는 또한 Na2O, P2O5, SrO, BaO, Li2O, 및/또는 K2O 와 같은 미량의 불순물을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 부식 장벽 재료는 적어도 90% 결정질일 수 있다(예를 들어, 부피 기준으로 적어도 90% 또는 적어도 95%의 하나 이상의 결정질 상을 포함할 수 있음). 예를 들어, 부식 장벽 재료는 1차 결정 상(primary crystal phase)으로서 란타늄 트라이실리케이트(La2Si3O9)를 포함할 수 있다. 1차 결정 상은 모든 결정 상들 중에서 가장 큰 부피 퍼센트를 갖는 결정 상이며, 모든 결정 상들의 적어도 50 부피 퍼센트를 포함할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 부식 장벽 재료는, 산화물을 기준으로, 몰%로: 약 45% 내지 약 55% 범위의, 예를 들어 약 47% 내지 약 53%, 또는 약 50.5%의 양의 SiO2; 약 0.5% 내지 약 3% 범위의, 예를 들어 약 1.5% 내지 약 2.5%, 또는 약 2.0%의 양의 CaO; 약 1% 내지 약 4% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 2%, 또는 약 1.5%의 양의 MgO; 약 2% 내지 약 3% 범위의, 예를 들어 약 2.5%의 양의 Al2O3; 약 10% 내지 약 16% 범위의, 예를 들어 약 11% 내지 약 13%, 또는 약 12%의 양의 B2O3; 약 15% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 18% 내지 약 24%, 또는 약 21.5%의 양의 BaO; 약 5% 내지 약 10% 범위의, 예를 들어 약 7% 내지 약 9%, 또는 약 8%의 양의 La2O3; 및 약 0.5% 내지 약 3% 범위의, 예를 들어 약 1.5% 내지 약 3.5%, 또는 약 2%의 양의 ZrO2; 를 포함할 수 있다. 부식 장벽 재료는 또한 Na2O, P2O5, SrO, BaO, Li2O, 및/또는r K2O 와 같은 미량의 불순물을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 부식 장벽 재료는 적어도 90% 결정질일 수 있다(예를 들어, 적어도 90% 또는 적어도 95%의 하나 이상의 결정질 상을 포함할 수 있음). 예를 들어, 부식 장벽 재료는 1차 결정 상으로서 란타늄 트라이실리케이트(La2Si3O9)를 포함할 수 있다. 결정성 부식 장벽 재료는 또한 지르콘(ZrSiO4) 및/또는 산보나이트(BaSi2O5)와 같은 하나 이상의 2차 결정 상들(secondary crystal phases)을 포함할 수 있다.
유전체 레이어(440)는 또한 인접한 인터커넥트들(400) 사이의 분리를 유지하기 위해 물리적 지지체로서 동작하도록 구성된 세라믹 지지 입자들(ceramic support particles)(예를 들어, 경질의 원형 세라믹 입자들)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지지 입자들은, 인접한 밀봉부의 유리 상(glass phase)이 과도하게 압축되는 경우에 발생할 수 있는 인터커넥트들(400) 사이의 누설 전류의 발생을 방지 및/또는 감소시키기에 충분한 인접한 인터커넥트들(400) 사이의 최소 거리를 유지하도록 구성될 수 있다. 지지 입자들은 알루미나, 지르콘(지르코늄 실리케이트(ZrSiO4)), 안정화 지르코니아(stabilized zirconia)(예를 들어, 이트리아 안정화 지르코니아), 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 지지 입자들은 약 5 μm 내지 약 50 μm 범위의, 예를 들어 약 10 μm 내지 약 30 μm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
일부 실시 예들에서, LSM/MCO 코팅의 일부 또는 전부는 Mn이 LSM/MCO 재료로부터 라이저 밀봉부(424) 내로 확산되는 것을 방지하기 위해 라이저 밀봉부(424) 주위의 영역에서 인터커넥트(400)의 공기 측에서 제거될 수 있고, 그에 따라 라이저 밀봉부(424)가 전도성이 되는 것을 방지할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 라이저 밀봉부들(424)은 LSM/MCO 코팅과 반응하지 않는 결정질 유리 또는 유리-세라믹 재료들, 예를 들어 전술한 보로실리케이트 유리-세라믹 조성물로 형성될 수 있다.
유전체 레이어(440)는 독립적인(freestanding) 레이어들, 예를 들어 테이프 캐스팅되고(tape cast) 소결된 레이어로 형성될 수 있고, 연료 전지 스택 조립 중에 인터커넥트들(400) 사이에 배치될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 유전체 레이어(440)는 잉크, 페이스트, 또는 슬러리 형태의 유전체 재료를 분산시키고, 후속하여 인터커넥트(400) 상에 스크린 인쇄, 패드 인쇄, 에어로졸 분무함으로써 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 유전체 레이어(440)는, 대기 플라즈마 분무(atmospheric plasma spray; APS) 공정과 같은, 용사 공정(thermal spraying process)에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전체 레이어(440)는 APS 공정에 의해서 침착된(deposited) 알루미나를 포함할 수 있다.
유전체 레이어(440)는 인터커넥트(400) 상에 직접적으로 침착될 수 있다. 예를 들어, 유전체 레이어(440)는, 인터커넥트(400)의 노출된 표면으로부터의 Cr 증발을 방지하기 위해서, 라이저 밀봉 표면(422)이 공기 흐름 필드(420)와 만나는 곳인 유전체 레이어(440)가 LSM/MCO 코팅과 중첩되는 작은 중첩 영역(예를 들어, 이음매(seam))을 제외하고, 라이저 밀봉부들(424)에 의해서 덮이게 될 그리고 LSM/MCO 코팅에 의해서 덮이지 않은 영역들 내에서 라이저 밀봉 표면들(422)(즉, 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404) 주위의 인터커넥트(400)의 부분들) 상에 직접적으로 배치될 수 있다. 따라서, LSM/MCO 코팅은 공기 채널들(408) 및 리브들(406)을 포함하는 공기 흐름 필드(420) 내의 인터커넥트(400) 표면 상에 위치되지만, 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)을 둘러싸는 인터커넥트(400)의 라이저 밀봉 표면(422)에는 위치되지 않는다. 유전체 레이어(440)는, LSM/MCO 코팅에 의해서 덮이지 않은 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)을 둘러싸는 영역 내의 인터커넥트(400)의 라이저 밀봉 표면 상에, 그리고 라이저 밀봉 표면(422)에 인접한 공기 흐름 필드(420)의 LSM/MCO 코팅의 에지 상에 위치된다. 대안적으로, 유전체 레이어(440)는 생략될 수 있고, 연료 라이저 개구부들 주위에 침착된 유전체 레이어(440)는 존재하지 않는다.
연료 전지 스택 및/또는 이의 구성 요소들은 컨디셔닝(conditioning) 및/또는 소결(singering)될 수 있다. 스택 소결은 유리 또는 유리-세라믹 밀봉 전구체 재료들을 가열, 용융 및/또는 리플로우하여 연료 전지 스택에 밀봉부들을 형성하는 공정들을 포함할 수 있으며, 이는 공기 및/또는 불활성 가스에서 상승된 온도(예를 들어, 600 내지 1000°C)에서 수행될 수 있다. "컨디셔닝(conditioning)"은 애노드 전극 내의 금속 산화물(예를 들어, 니켈 산화물)을 서멧 전극(cermet electrode)(예를 들어, 니켈 및 세라믹 재료, 예를 들어 안정화 지르코니아 또는 도핑된 세리아(ceria)) 내의 금속(예를 들어, 니켈)으로 환원하기 위한, 및/또는 성능 특성화(performance characterization)/테스팅 동안 스택(300)를 가열하기 위한 공정들을 포함하고, 연료가 스택을 통해서 흐르는 동안 상승된 온도(예를 들어, 750 내지 900℃)에서 수행될 수 있다. 연료 전지 스택(300)의 소결 및 컨디셔닝은 동일한 열적 사이클링 동안(즉, 소결과 컨디셔닝 사이에서 실온에서 스택을 냉각하지 않고) 실시될 수 있다.
도 6a는 본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따른 도 4a 및 도 4b의 2개의 인터커넥트들(400) 및 도 3a의 연료 전지 스택(300) 내에 조립된 연료 전지(310)의 단면 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 인터커넥트(400)의 연료 측 상의 밀봉부들(424, 434) 및 연료 전지(310)의 중첩을 도시하는 상면도이다.
도 4a, 도 4b, 도 6a, 및 도 6b를 참조하면, 연료 전지 스택 내에 조립될 때, 연료 전지(310)는, 각각의 인터커넥트(400)의 공기 흐름 필드(420) 및 연료 흐름 필드(430)에 대면되도록, 인터커넥트들(400) 사이에 배치된다. 라이저 밀봉부들(424)은 연료 전지(310)의 공기 측의 제 1 대향 측들과 접촉될 수 있고, 주변 밀봉부(434)는 연료 전지(310)의 연료 측의 제 2 대향 측들과 접촉될 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)과 인접하는 주변 밀봉부(434)의 부분들은 라이저 밀봉부들(424)의 대응하는 부분들과 중첩될 수 있다. 또한, 연료 전지(310)의 부분들은, 예를 들어 연료 전지(310)의 모서리(corner)들에서, 밀봉부들(424, 434)의 중첩 부분들 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 연료 전지(310) 및 밀봉부들(424, 434)의 중첩된 부분들의 조합된 두께는 밀봉부들(424, 434)의 중첩된 부분들의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
이에 따라, 조립 동안 및/또는 소결 동안, 연료 전지들(310)의 모서리들에 응력이 가해질 수 있으며, 이는 균열된 모서리와 같은 연료 전지들(310)의 손상을 초래할 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 다양한 실시 예들은 조립 및/또는 소결 공정 동안 손상으로부터 연료 전지들(310)을 보호하도록 구성된 방법들 및 스택 구성들을 제공한다.
또한, 밀봉부들(424, 434)이 연료 전지(310)의 모서리들에 중첩되기 때문에, 연료 전지(310)의 주변을 따라 그리고 연료 전지들(310)의 모서리들 사이, 라이저 밀봉부들(424) 각각의 아래(예를 들어, 전해질(312) 아래) 및 주변 밀봉부(434) 위에, 간극(gap; G)들이 형성될 수 있다. 스택(300)이 압축되는 경우, 하향력이 인터커넥트들(400) 및 밀봉부들(424, 430)을 통해 그리고 간극들(G)에 인접한 연료 전지(310)의 지지되지 않은 에지들로 전달될 수 있으며, 이는 인접한 간극들(G)로 인해 레버 아암(lever arm) 효과를 생성할 수 있다.
본 개시 내용의 다양한 실시 예들에 따르면, 전해질(312)의 에지들을 지지하기 위해서, 전도성 레이어(318)(예를 들어, 니켈 메시)가 간극들(G) 내로 연장될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 간극들(G) 내로의 전도성 레이어(318)의 연장과 조합되어, 애노드(314) 및/또는 캐소드(316) 또한 라이저 밀봉부들(424) 아래의 전해질을 덮기 위해서 연장될 수 있다. 다른 실시 예들에서, 하나 이상의 전해질 보강 레이어(325)가 라이저 밀봉부들(424) 아래의 전해질(312)의 일 측 또는 양 측들 상에 형성될 수 있다.
전해질 보강 레이어들(325)은 유전체 재료, 예를 들어 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia; YSZ) (예를 들어, 3% 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ)), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia; SSZ), 마그네시아(magnesia), 지르코니아 및/또는 알루미나를 포함하는 세라믹 재료로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 전해질 보강 레이어들(325)은 약 65 중량% 내지 약 85 중량%의, 예를 들어 약 75 중량%의 3YSZ 및 약 35 중량% 내지 약 15 중량%의, 예를 들어 약 25 중량%의 알루미나를 포함할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 전해질 보강 레이어들(325)은 YSZ, 알루미나 및 지르콘 첨가제를 포함하는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질 보강 레이어들(325)은 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의, 예를 들어 약 50 중량%의 3YSZ, 약 15 중량% 내지 약 35 중량%의, 예를 들어 약 25 중량%의 알루미나, 및 약 15 중량% 내지 약 35 중량%의, 예를 들어 약 25 중량%의 ZrSiO4를 포함할 수 있다.
전해질 보강 레이어들(325)은 또한 예를 들어 Ti, Mo, W, Mg, Hf, Rh, Co, Ni, Fe, Mn, Cu, Sn, 이들의 산화물들, 및 이들의 조합과 같은 금속 또는 금속 산화물 재료와 같은 소결 보조제를 포함하는 유전체 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질 보강 레이어들(325)은 약 0.1 내지 약 80 중량%(예를 들어, 50 내지 75 중량%)의 안정화 지르코니아, 약 0.1 내지 약 60 중량%(예를 들어, 20 내지 45 중량%)의 알루미나, 약 0.1 내지 약 30 중량%(예를 들어, 1 내지 5 중량%)의 소결 보조제(예를 들어, 금속 또는 금속 산화물 재료)를 포함할 수 있다.
전해질 보강 레이어들(325)은 애노드(314) 및/또는 캐소드(316)와 실질적으로 동일한 두께를 가질 수 있고, 전도성 레이어(318)와 함께 연료 전지(310)의 에지를 추가적으로 지지할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 전해질 보강 레이어(325)는 연료 전지(310)의 캐소드 측에 배치될 수 있고, 망가니즈 코발트 산화물 스피넬과 같은 크로뮴 게터 재료(chromium getter material)로 형성될 수 있다. 따라서, 전해질 보강 레이어(325)는 연료 전지(310)에 공급되는 공기로부터 크로뮴을 제거하도록 구성될 수 있다.
도 7a는 본 개시의 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지(310)의 연료 측의 상면도이고, 도 7b는 도 7b의 연료 전지(310)의 공기 측의 상면도이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 일부 실시 예들에서, 전해질(312)의 연료 측 상에 유전체 전해질 보강 레이어들(327)이 형성될 수 있으며, 여기서 주변 밀봉부(434)는 전해질(312)과 중첩한다. 특히, 전해질 보강 레이어들(327)은 전해질(312)의 연료 측 상에 직접 배치될 수 있다. 전해질(312)의 공기 측 상에도 유전체 전해질 보강 레이어들(329)이 형성될 수 있으며, 여기서 라이저 밀봉부들(424)은 전해질(312)과 중첩된다. 특히, 전해질 보강 레이어들(329)은 전해질(312)의 공기 측 상에 직접 배치될 수 있다. 유전체 전해질 보강 레이어들(327)에 더하여 또는 그 대신에 유전체 전해질 보강 레이어들(329)이 형성될 수 있다.
특히, 전해질 보강 레이어들(327, 329)은 전해질(312) 상에 유전체 재료를 인쇄하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 유전체 재료는 약 5 μm 내지 약 35 μm 범위, 예를 들어 약 10 μm 내지 약 30 μm 범위의 두께로 전해질(312) 상에 인쇄될 수 있다.
유전체 재료는 전해질 보강 레이어(325)의 유전체 재료와 유사할 수 있다. 예를 들어, 유전체 재료는 YSZ(예를 들어, 3YSZ), SSZ, 마그네시아, 지르코니아, ZrSiO4 및/또는 알루미나를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 보강 레이어들(327, 329)은, 전해질 보강 레이어들(327, 329)의 총 중량을 기준으로, 약 65 중량% 내지 약 85 중량%의, 예를 들어 약 70 중량% 내지 약 80 중량%, 또는 약 75 중량%의 3YSZ, 및 약 15 중량% 내지 약 35 중량%의, 예를 들어 약 20 중량% 내지 약 30 중량%, 또는 약 25 중량%의 알루미나를 포함할 수 있다.
다른 실시 예들에서, 전해질 보강 레이어들(327, 329)은, 전해질 보강 레이어들(327, 329)의 총 중량을 기준으로, 약 40 중량% 내지 약 60 중량%의, 예를 들어 약 50 중량%의 3YSZ, 약 15 중량% 내지 약 35 중량%의, 예를 들어 약 25 중량%의 알루미나, 및 약 15 중량% 내지 약 35 중량%의, 예를 들어 약 25 중량%의 ZrSiO4를 포함할 수 있다.
인쇄 이후, 전해질 보강 레이어들(327, 329)은 소결될 수 있다. 특히, 유전체 재료에는 유리 재료가 없을 수 있기 때문에, 전해질 보강 레이어들(327, 329)은 보다 고온에서, 예를 들어 약 1100 ºC 내지 약 1300 ºC 범위의 온도, 예를 들어 약 1150 ºC 내지 약 1250 ºC 범위의 온도, 또는 약 1200 ºC의 온도에서 소결될 수 있다. 이와 같이, 전해질 보강 레이어들(327, 329)은 완전히 또는 실질적으로 완전히 결정질일 수 있다. 예를 들어, 전해질 보강 레이어(327, 329)는, 부피 기준으로, 적어도 90%의, 예를 들어 적어도 95%, 또는 적어도 99%의 결정질 상을 포함할 수 있으며, 이는 유리 재료를 포함하는 조성물에 비해, 개선된 유전체 및 기계적 특성들을 갖는 보강 레이어들(327, 329)을 제공할 수 있다.
밀봉 재료들(Seal Materials)
다시 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 밀봉부들(424, 434)은 연료 전지 시스템에서 많은 상이한 기능을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉부들(424, 434)은 인접한 인터커넥트들(400) 사이에서 기밀(hermetic) 결합제로서 동작하여 높은 연료 활용도 및 최소 연료 누설을 달성할 수 있다. 밀봉부들(424, 434)은 또한 연료 전지 동작 동안 열적 구배(thermal gradient)로부터 발생하는 응력을 보상하기에 충분히 순응하도록 구성될 수 있다. 밀봉부들(424, 434)은 또한 연료 전지들 및/또는 인터커넥트들(400)의 CTE들과 일치하는 CTE를 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 밀봉부들(424, 434)은 산화 및 환원 분위기들에서, 다른 스택 구성 요소들에 비해 높은 화학적 안정성을 갖도록 그리고 장시간에 걸쳐 높은 동작 온도를 견디도록 구성될 수 있다.
따라서, 밀봉부들(424, 434)은, 양호한 습윤성 및 유동성을 제공하고 비정질 상을 보유하여 열적 사이클링 동안 자기-치유(self-healing)를 제공하는 유리 또는 유리/세라믹 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 연료 전지들 및 인터커넥트들(400)의 CTE와 밀접하게(closely) 일치하는 계수 또는 열팽창(coefficient or thermal expansion; CTE)을 가질 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는 연료 전지들 및/또는 연료 전지 스택의 인터커넥트들의 CTE의 +/- 10%, 또는 +/- 5% 내에 있는 CTE를 가질 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는, 약 10 ppm/ºK의 CTE를 갖는 연료 전지들(310) 및 인터커넥트들(400)을 포함하는 연료 전지 스택에서 사용되는 경우, 약 9 ppm(parts per million)/ºK 내지 약 11 ppm/ºK (여기서, 1ppm = 0.0001%) 범위의 CTE를 가질 수 있다.
밀봉 재료는, 지르코니아계 전해질 재료, 크로뮴 함유 인터커넥트 재료(예를 들어, 4 내지 6 중량%의 Fe 및 잔량의 크로뮴 및 불순물을 함유하는 Cr-Fe 합금), 및 기타의 많은 적합한 밀봉 재료와 화학적으로 반응할 수 있는 망가니즈 산화물, 코발트 산화물 등을 포함하는 코팅물과 같은 재료들에 대해 불활성일 수 있다. 밀봉 재료는 또한, 공기 및/또는 수소에 노출되는 경우, SOFC 시스템 동작 온도(예를 들어, 700 °C 내지 900 °C)에서 안정할 수 있고, 약 1000 °C 미만의 소결 온도를 가질 수 있다. 밀봉 재료는 높은 유전 상수를 가질 수 있어서, 밀봉 재료는 인접한 인터커넥트들(400)을 전기적으로 격리하도록 구성될 수 있다.
일부 실시 예들에서, 밀봉부들(424, 434)은 Si, Ca, Mg 및 선택적으로 Al을 포함하는 1차 성분(primary component)을 포함하는 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시 예들에서, 1차 성분 전구체 재료는 SiO2, CaO, MgO 및 선택적으로 Al2O3를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 또한 선택적인 2차 성분(secondary component)을 포함할 수 있다. 2차 성분 전구체 재료는 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.3 몰%)의 B2O3, BaO, SrO, La2O3, ZrO2및/또는 Y2O3 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 1차 성분으로서 Si, Ca, Al 및 Mg의 산화물들을 포함할 수 있고, 선택적으로 2차 성분으로서 B2O3, BaO, SrO, La2O3, ZrO2, Y2O3, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료에서 2차 성분은 생략될 수 있다(즉, 0 내지 0.3 몰% 미만의 2차 성분을 포함함).
예를 들어, 밀봉 전구체 재료는 약 70 몰% 내지 약 100 몰%, 예를 들어 약 80 몰% 내지 약 100 몰%, 약 90 몰% 내지 약 100 몰%, 또는 약 92.5 몰% 내지 약 100 몰%의 1차 성분 및 잔량의 2차 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는 약 20 몰% 내지 0 몰%, 약 10 몰% 내지 약 0.3 몰%, 또는 약 7.5 몰% 내지 약 0.85 몰%의 2차 성분을 포함할 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 밀봉 재료는 전구체 재료가 인터커넥트에 도포되고 소결된 이후에 결정질 및 비정질 상들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는 다이옵사이드(((CaO)1-x(MgO)x)2(SiO2)2, 여기서 0.3 ≤ x ≤ 1.0, 예를 들어 (CaMgSi2O6)), 아케르마나이트(Ca2MgSi2O7), 몬티셀라이트(CaMgSiO4), 월라스토나이트(CaSiO3), 아노르싸이트(CaAl2Si2O8) 및/또는 마그네슘 알루미늄 실리케이트 결정 중 적어도 하나를 포함하는 결정질 상을 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 결정질 상은 주로(예를 들어, 결정질 상의 적어도 50몰%, 예를 들어 50 내지 99 몰%, 예를 들어 60 내지 95 몰%) 다이옵사이드, 및 소량(예를 들어, 1 내지 40 몰%, 예를 들어 2 내지 20 몰%)의 일반식(MgOAl2O34SiO2)의 마그네슘 알루미늄 실리케이트, 월라스토나이트, 아노르싸이트를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는, 부피 기준으로, 약 55% 내지 약 85%의 결정질 상 및 약 45% 내지 약 25%의 비정질 상, 예를 들어 약 60% 내지 약 80%의 결정질 상 및 약 40% 내지 약 20%의 비정질 상, 약 65% 내지 약 75%의 결정질 상 및 약 35% 내지 약 25%의 비정질 상, 또는 약 70%의 결정질 상 및 약 30%의 비정질 상을 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 밀봉 전구체 재료는, 산화물 기준으로, 몰%로: 약 25% 내지 약 55% 범위의, 예를 들어 약 30% 내지 약 50%, 또는 약 32% 내지 약 50%의 양의 SiO2; 약 20% 내지 약 45% 범위의, 예를 들어 약 21% 내지 약 43%, 또는 약 22% 내지 약 41%의 양의 CaO; 약 5% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 6% 내지 약 27%, 약 7% 내지 약 27%, 또는 약 5% 내지 25%의 양의 MgO; 및 약 0% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 0.5% 내지 약 15%, 또는 약 1% 내지 약 14%의 양의 Al2O3 를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 밀봉 전구체 재료는, 산화물 기준으로, 몰%로: 약 85% 내지 약 95% 범위의, 예를 들어 약 87% 내지 약 93%, 또는 약 89.2% 양의 SiO2; 약 2.5% 내지 약 6.5% 범위의, 예를 들어 약 4.0% 내지 약 5.0%, 또는 약 4.6%의 양의 Al2O3; 약 2.0% 내지 약 5.0% 범위의, 예를 들어 약 3.0% 내지 약 4.0%, 또는 약 3.5%의 양의 CaO; 및 약 1.2% 내지 약 4.2% 범위의, 예를 들어 약 2.2% 내지 약 3.2%, 또는 약 2.7%의 양의 MgO; 를 포함하는 CMAS 재료를 포함할 수 있다.
전술한 방법에 관한 설명은 단지 예시적인 예들로서 제공되며, 다양한 실시 예들의 단계들이 제시된 순서대로 수행되어야 한다는 것을 요구하거나 암시하기 위한 것이 아니다. 당업자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 전술한 실시 예들의 단계들의 순서는 임의의 순서로 수행될 수 있다. "이후에, "이어서", "다음에" 등과 같은 단어가 단계들의 순서를 반드시 제한하기 위한 것이 아니며; 이러한 단어들은 방법에 관한 설명을 통해 독자를 안내하는 데 이용될 수 있다. 또한, 예를 들어 관사들("a," "an," "the")을 이용한, 단수형의 요소를 청구하는 임의의 언급이 그 요소를 단수형으로 제한하는 것으로 해석되지 않는다.
또한, 본 명세서에 설명된 임의의 실시 예의 임의의 단계 또는 구성 요소는 임의의 다른 실시 예에서 이용될 수 있다.
개시된 양상들에 관한 전술한 설명은 당업자가 본 발명을 제조 또는 이용할 수 있게 하기 위해 제공된다. 이러한 양상들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 매우 자명할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 양상들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 제시된 양상들로 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 일치되는 가장 넓은 범위를 따른다.

Claims (25)

  1. 연료 전지 스택으로서,
    적층된 고체 산화물 연료 전지들;
    상기 연료 전지들 사이에 배치된 인터커넥트들; 및
    상기 인터커넥트들 상에 배치된 유전체 레이어들 - 상기 유전체 레이어들은 제 1 유리 함유 성분 및 부식 장벽 재료를 포함함 -;
    를 포함하되,
    상기 유전체 레이어는, 약 5:95 내지 약 60:40 범위의 제 1 유리 함유 성분 대 부식 장벽 재료의 중량비를 갖고,
    상기 제 1 유리 함유 성분은, 적어도 15분 동안 약 950 °C 내지 약 1050 °C 범위의 온도에서 소결한 이후에, 적어도 50% 비정질이며,
    상기 부식 장벽 재료는, 지르코늄 실리케이트(ZrSiO4), 칼륨 장석(KAlSi3O8), 알루미나(Al2O3), 란타늄 트라이실리케이트(La2Si3O9), 실리콘 카바이드 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는,
    연료 전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 유리 함유 성분은,
    산화물 기준으로, 몰%로:
    약 87% 내지 약 93% 범위의 양의 SiO2;
    약 4.0% 내지 약 5.0% 범위의 양의 Al2O3;
    약 3.0% 내지 약 4.0% 범위의 양의 CaO; 및
    약 2.2% 내지 약 3.2% 범위의 양의 MgO;
    를 포함하는 칼슘-마그네슘-알루미노실리케이트(calcium-magnesium-aluminosilicate CMAS) 재료, 또는
    바륨 실리케이트 유리를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부식 장벽 재료는, 산화물 기준으로, mol%로:
    약 30% 내지 약 45% 범위의 양의 SiO2;
    약 23% 내지 약 33% 범위의 양의 CaO;
    약 15% 내지 약 25% 범위의 양의 MgO;
    약 6% 내지 약 7% 범위의 양의 Al2O3;
    약 4% 내지 약 5% 범위의 양의 B2O3;
    약 0.5% 내지 약 5% 범위의 양의 La2O3; 및
    약 0.5% 내지 약 5% 범위의 양의 ZrO2;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 부식 장벽 재료는, 산화물 기준으로, mol%로:
    약 45% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2;
    약 0.5% 내지 약 3% 범위의 양의 CaO;
    약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 MgO;
    약 2% 내지 약 3% 범위의 양의 Al2O3;
    약 4% 내지 약 5% 범위의 양의 B2O3;
    약 15% 내지 약 30% 범위의 양의 BaO;
    약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 La2O3; 및
    약 0.5% 내지 약 3% 범위의 양의 ZrO2;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부식 장벽 재료는, 상기 부식 장벽 재료의 총 중량을 기준으로:
    약 30 중량% 내지 약 45 중량%의 지르코늄 실리케이트;
    약 30 중량% 내지 약 45 중량%의 칼륨 장석;
    약 4 중량% 내지 약 20 중량%의 알루미나; 및
    BaO-CaO-Al2O3-B2O3-SiO2　(BCAS) 유리-세라믹 재료를 포함하는 약 10 중량% 내지 약 15 중량%의 제 2 유리 함유 성분;
    을 포함하는,
    연료 전지 스택.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어는 알루미나, 지르콘 또는 안정화 지르코니아를 포함하는 지지 입자들을 더 포함하고,
    상기 지지 입자들은 약 10μm 내지 약 30μm 범위의 평균 입자 크기를 갖는,
    연료 전지 스택.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터커넥트들 각각은 공기 측, 대향하는 연료 측, 및 인터커넥트의 대향하는 측들을 통해 연장되는 연료 홀들을 포함하고;
    상기 공기 측들 각각은 상기 연료 홀들을 둘러싸는 공기 흐름 필드 및 라이저 밀봉 표면들을 포함하고;
    상기 연료 전지 스택은 상기 라이저 밀봉 표면들을 완전히 덮는 라이저 밀봉부들을 더 포함하며; 및
    상기 유전체 레이어들은 상기 라이저 밀봉 표면들과 상기 라이저 밀봉부들 사이에 배치되는,
    연료 전지 스택.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들은 상기 라이저 밀봉 표면들의 50% 미만을 덮는,
    연료 전지 스택.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 라이저 밀봉 표면들 각각은:
    대응하는 공기 흐름 필드에 가장 가깝게 배치된 라이저 밀봉 표면의 일부를 포함하는 내부 영역; 및
    대응하는 공기 흐름 필드로부터 가장 멀리 배치된 라이저 밀봉 표면의 일부를 포함하는 외부 영역;
    을 포함하고,
    상기 유전체 레이어들은 각각의 내부 영역의 적어도 95% 및 각각의 외부 영역의 50% 미만을 덮는,
    연료 전지 스택.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 라이저 밀봉부들 아래의 고체 산화물 연료 전지들의 전해질들 상에 직접 배치된 전해질 보강 레이어들을 더 포함하고,
    상기 전해질 보강 레이어들은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia; YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia; SSZ), 마그네시아, 지르코니아, ZrSiO4, 알루미나 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  11. 연료 전지 스택으로서,
    적층된 고체 산화물 연료 전지들 - 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함함 -;
    연료 홀들을 포함하며 상기 연료 전지들 사이에 배치된 교차 흐름 인터커넥트들;
    상기 인터커넥트들의 연료 측들과 상기 연료 전지들의 연료 측들 사이에 배치된 주변 밀봉부들;
    상기 인터커넥트들의 공기 측들과 상기 연료 전지들의 공기 측들 사이에 배치된 연료 홀들을 둘러싸는 라이저 밀봉부들; 및
    상기 전해질들 상에 직접 배치되고, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(SSZ), 마그네시아, 지르코니아, 지르코니아, ZrSiO4, 알루미나 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 포함하는 전해질 보강 레이어들;
    을 포함하는, 연료 전지 스택.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해질 보강 레이어들은, 상기 전해질 보강 레이어들의 총 중량을 기준으로:
    약 65 중량% 내지 약 85 중량%의 3% 이트리아 안정화 지르코니아(3% yttria-stabilized zirconia; 3YSZ); 및
    약 15 중량% 내지 약 35 중량%의 알루미나;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해질 보강 레이어들은, 상기 전해질 보강 레이어들의 총 중량을 기준으로:
    약 40 중량% 내지 약 60 중량%의 3% 이트리아 안정화 지르코니아(3YSZ);
    약 15 중량% 내지 약 35 중량%의 알루미나; 및
    약 15 중량% 내지 약 35 중량%의 ZrSiO4;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해질 보강 레이어들은, 부피 기준으로, 적어도 90%의 결정질 상을 포함하는,
    연료 전지 스택.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해질 보강 레이어들은 상기 라이저 밀봉부들과 상기 전해질들 사이에 배치되는,
    연료 전지 스택.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 전해질 보강 레이어들은 상기 주변 밀봉부들과 상기 전해질들 사이에 배치되는,
    연료 전지 스택.
  17. 연료 전지 스택으로서,
    적층된 고체 산화물 연료 전지들 - 각각의 연료 전지는 애노드, 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 배치된 전해질을 포함함 -;
    상기 연료 전지들 사이에 배치된 교차 유동 인터커넥트들 - 상기 인터커넥트들 각각은 공기 측, 대향하는 연료 측, 상기 인터커넥트의 대향하는 측들을 통해 연장되는 연료 홀들을 포함하고, 상기 공기 측은 상기 연료 홀들을 둘러싸는 라이저 밀봉 표면들 및 공기 흐름 필드를 포함함 -;
    상기 인터커넥트들의 연료 측들과 상기 연료 전지들의 연료 측들 사이에 배치된 주변 밀봉부들;
    상기 인터커넥트들의 공기 측들과 상기 연료 전지들의 공기 측들 사이에 배치되고 상기 라이저 밀봉 표면들을 완전히 덮는 라이저 밀봉부들; 및
    상기 라이저 밀봉 표면들과 상기 라이저 밀봉부들 사이에 배치된 유전체 레이어들;
    을 포함하되,
    상기 유전체 레이어들은 상기 라이저 밀봉 표면들 중 적어도 일부의 50% 미만을 덮는,
    연료 전지 스택.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 유전체 레이어들은 전체 라이저 밀봉 표면들의 50% 미만을 덮는,
    연료 전지 스택.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 라이저 밀봉 표면들 각각은:
    대응하는 공기 흐름 필드에 가장 가깝게 배치된 라이저 밀봉 표면의 일부를 포함하는 내부 영역; 및
    대응하는 공기 흐름 필드로부터 가장 멀리 배치된 라이저 밀봉 표면의 일부를 포함하는 외부 영역;
    을 포함하고,
    상기 유전체 레이어들은 각각의 내부 영역의 적어도 95% 및 각각의 외부 영역의 50% 미만을 덮는,
    연료 전지 스택.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 내부 영역은 대응하는 공기 흐름 필드에 가장 가깝게 배치된 라이저 밀봉 표면의 절반을 포함하고,
    상기 외부 영역은 대응하는 공기 흐름 필드로부터 가장 멀리 배치된 라이저 밀봉 표면의 또 다른 절반을 포함하는,
    연료 전지 스택.
  21. 연료 전지 스택 유전체 레이어로서,
    제 1 유리 함유 성분; 및
    부식 장벽 재료;
    를 포함하되,
    상기 유전체 레이어는, 약 5:95 내지 약 60:40 범위의 제 1 유리 함유 성분 대 부식 장벽 재료의 중량비를 갖고,
    상기 제 1 유리 함유 성분은, 적어도 15분 동안 약 950 °C 내지 약 1050 °C 범위의 온도에서 소결한 이후에, 적어도 50% 비정질이며,
    상기 부식 장벽 재료는, 란타늄 트라이실리케이트(La2Si3O9) 1차 결정 상(primary crystal phase)을 포함하는,
    연료 전지 스택 유전체 레이어.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 제 1 유리 함유 성분은, 산화물 기준으로, 몰%로:
    약 87% 내지 약 93% 범위의 양의 SiO2;
    약 4.0% 내지 약 5.0% 범위의 양의 Al2O3;
    약 3.0% 내지 약 4.0% 범위의 양의 CaO; 및
    약 2.2% 내지 약 3.2% 범위의 양의 MgO;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택 유전체 레이어.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 부식 장벽 재료는, 산화물 기준으로, mol%로:
    약 30% 내지 약 45% 범위의 양의 SiO2;
    약 23% 내지 약 33% 범위의 양의 CaO;
    약 15% 내지 약 25% 범위의 양의 MgO;
    약 6% 내지 약 7% 범위의 양의 Al2O3;
    약 4% 내지 약 5% 범위의 양의 B2O3;
    약 0.5% 내지 약 5% 범위의 양의 La2O3; 및
    약 0.5% 내지 약 5% 범위의 양의 ZrO2;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택 유전체 레이어.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 부식 장벽 재료는, 산화물 기준으로, mol%로:
    약 45% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2;
    약 0.5% 내지 약 3% 범위의 양의 CaO;
    약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 MgO;
    약 2% 내지 약 3% 범위의 양의 Al2O3;
    약 4% 내지 약 5% 범위의 양의 B2O3;
    약 15% 내지 약 30% 범위의 양의 BaO;
    약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 La2O3; 및
    약 0.5% 내지 약 3% 범위의 양의 ZrO2;
    를 포함하는,
    연료 전지 스택 유전체 레이어.
  25. 연료 전지 스택으로서,
    적층된 고체 산화물 연료 전지들;
    상기 연료 전지들 사이에 배치된 인터커넥트들; 및
    상기 인터커넥트들 상에 배치된 제 21 항의 연료 전지 스택 유전체 레이어;
    를 포함하는, 연료 전지 스택.
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