KR20230139378A - 대규모 풋프린트 고체 산화물 연료 전지 컬럼에서 열적으로 유도되는 응력 균열을 방지하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

대규모 풋프린트 고체 산화물 연료 전지 컬럼에서 열적으로 유도되는 응력 균열을 방지하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전기화학적 전지 스택용 인터커넥트를 제조하는 방법은, 인터커넥트를 제공하는 단계, 및 인터커넥트를 전기화학적 전지 스택 내에 배치하기 이전에 인터커넥트를 크리프 평탄화하는 단계를 포함한다.

Description

대규모 풋프린트 고체 산화물 연료 전지 컬럼에서 열적으로 유도되는 응력 균열을 방지하기 위한 방법 및 장치{METHODS AND DEVICES FOR PREVENTING THERMALLY-INDUCED STRESS CRACKS IN LARGE FOOTPRINT SOLID OXIDE FUEL CELL COLUMNS}
본 개시 내용은 일반적으로 연료 전지 스택들에 관한 것으로, 특히 연료 전지 인터커넥트들에 관한 것이다.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; 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 통해 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.
일 실시 예에 따르면, 전기화학적 전지 스택용 인터커넥트를 제조하는 방법은, 인터커넥트를 제공하는 단계 및 인터커넥트를 전기화학적 전지 스택 내에 배치하기 이전에 인터커넥트를 크리프 평탄화하는 단계를 포함한다.
다른 실시 예에 따르면, 전기화학적 전지 스택용 인터커넥트는, 인터커넥트의 대향하는 제 1 및 제 2 주변 에지들에 인접하여 인터커넥트를 통해 연장되는 연료 유입구들 및 배출구들, 인터커넥트의 제 3 주변 에지로부터 제 3 주변 에지에 대향하는 인터커넥트의 제 4 주변 에지까지 제 1 방향으로 연장되는 공기 채널들 및 공기 측 리브들을 포함하는 공기 흐름 필드, 및 인터커넥트의 제 1 및 제 2 주변 에지들 상에 배치되는 라이저 밀봉 표면들을 포함하는, 공기 측 - 라이저 밀봉 표면들은 연료 유입구들 및 배출구를 둘러쌈 -, 공기 측에 대향하는 연료 측 -연료 측은 연료 유입구들 및 배출구들 사이에서 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 연장되는 연료 채널들 및 연료 측 리브들을 포함하는 연료 흐름 필드를 포함함 -, 및 공기 측 리브들 상에는 위치하지만 라이저 밀봉 표면들 상에는 위치하지 않는 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM) 또는 (Mn, Co)3 O4 스피넬(MCO) 중 적어도 하나를 포함하는 코팅 -라이저 밀봉 표면들은 공기 측 리브들의 팁들 상의 코팅의 상단 표면에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 함몰됨 -, 을 포함한다.
본원에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 개시 내용의 예시적인 실시 예들을 묘사하며, 전술한 일반적인 설명 및 후술되는 구체적인 설명과 함께, 본 개시 내용의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 통상적인 연료 전지 컬럼의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 컬럼 내에 포함된 하나의 역류 고체 산화물 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 1c는 도 1b의 스택의 일부의 측면 단면도이다.
도 2a는 도 1b의 스택의 통상적인 인터커넥트의 공기 측의 상면도이다.
도 2b는 도 1b의 스택의 통상적인 인터커넥트의 연료 측의 상면도이다.
도 3a는 다양한 실시 예들에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
도 3b는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택의 일부의 분해 사시도이다.
도 3c는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택 내에 포함된 인터커넥트의 연료 측의 상면도이다.
도 3d는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 스택 내에 포함된 연료 전지의 개략도이다.
도 4a는 다양한 실시 예들에 따른 도 3c의 교차-흐름 인터커넥트의 공기 측을 도시하는 평면도이다.
도 4b는 다양한 실시 예들에 따른 도 3c의 교차-흐름 인터커넥트의 연료 측을 도시하는 평면도이다.
도 5는 다양한 실시 예들에 따른 라이저 밀봉부들이 없는 인터커넥트의 공기 측을 도시하는 평면도이다.
도 6a는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 연료 전지 스택에 조립된 연료 전지 및 도 4a 및 도 4b의 2개의 인터커넥트들의 단면 사시도이다.
도 6b는 다양한 실시 예들에 따른 도 6a의 인터커넥트의 연료 측 상의 밀봉부들과 연료 전지의 중첩을 도시하는 상면도이다.
도 7은 다양한 실시 예들에 따른 인터커넥트 위에 놓인 (투명도에서 점선으로 표시된) SOFC를 포함하는 SOFC 스택의 일부의 평면도이다.
도 8a는 다양한 실시 예들에 따른 도 7의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이다.
도 8b는 다양한 실시 예들에 따른 공기 측 리브들에 코팅이 적용된 이후의 도 8a의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이다.
도 8c는 다양한 실시 예들에 따른 도 8a의 높이 프로파일과는 상이한 높이 프로파일을 갖는 도 7의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이다.
도 8d는 다양한 실시 예들에 따른 공기 측 리브들에 코팅이 적용된 이후의 도 8c의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이다.
첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시 예들이 상세히 설명된다. 도면은 반드시 실제 축척인 것이 아니고, 본 개시 내용의 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 개시 내용 또는 청구범위의 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(counter-flow) SOFC 스택(20)의 사시도이며, 도 1c는 도 1b의 스택(20)의 일부의 측면 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 컬럼(column; 30)은 하나 이상의 스택(stack; 20), 연료 유입 도관(fuel inlet conduit; 32), 애노드 배출물 도관(anode exhaust conduit; 34), 및 애노드 공급/회수 조립체들(anode feed/return assemblies; 36)(예를 들어, 애노드 분배기 플레이트(anode splitter plate; ASP)(36)들을 포함할 수 있다. 컬럼(30)은 또한 측면 배플들(side baffles; 38) 및 압축 조립체(compression assembly; 40)를 포함할 수 있다. 측면 배플들은 세라믹 커넥터들(ceramic connectors; 39)에 의해 압축 조립체(40) 및 하부의 스택 구성 요소(미도시)에 연결될 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 공급받도록 구성된다.
ASP들(36)은 스택들(20) 사이에 배치되고, 연료 공급물을 포함하는 탄화수소 연료를 스택(20)에 제공하도록 그리고 스택(20)로부터 애노드 연료 배출물을 공급받도록 구성된다. 예를 들어, ASP들(36)은, 후술되는 바와 같이, 스택(20) 내에 형성된 내부 연료 라이저 채널들(internal fuel riser channels; 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(fuel cells; 1)을 포함한다. 각각의 연료 전지(1)는 캐소드 전극(cathode electrode; 3), 고체 산화물 전해질(solid oxide electrolyte; 5), 및 애노드 전극(anode electrode; 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 공급받는 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. 다양한 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.
도 3a는 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.
T인터커넥트들(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(yttrium) 또는 이트리아(yttria)뿐만 아니라 잔류 또는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 인터커넥트들(400)은 3 내지 3.9 중량%의 철, 예를 들어 3 내지 3.7 중량%의 철, 예를 들어 3.2 내지 3.5 중량%의 철, 96.1 내지 97 중량%의 크로뮴, 예를 들어 96.5 내지 96.8 중량%의 크로뮴, 및 잔류 또는 불가피한 불순물 합금을 포함할 수 있다. 이 합금은 더 넓은 면적의 SOFC들에 대해 개선된 CTE 정합(match)을 제공할 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(350), 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(350) 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(350)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 공급받을 수 있다. 연료 플레넘(350)은, 연료 플레넘(350)의 아래에 위치하는 연료 유입 및 배출 도관들(320)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(예를 들어, 애노드 배출물) 배출구(404)를 포함할 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)은 연료 전지들(310)의 주변(perimeter)의 외측에 배치될 수 있다. 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.
인접 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(350)으로부터 공급되는 연료를 연료 전지들(310)에 분배하도록 구성될 수 있다. 연료 배출구 라이저(405)는 연료 전지들(310)로부터 공급되는 애노드 배출물(anode exhaust)을 연료 플레넘(350)에 제공하도록 구성될 수 있다.
도 1a의 평탄한 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 열 팽창 계수와 유사한 열 팽창 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 3 내지 6 중량%의 철, 선택적으로 1 중량% 이하의 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. 일 실시 예에서, 인터커넥트들(400)은 4 내지 6 중량%의 철, 선택적으로 1 중량% 이하의 이트륨 및 잔량의 크로뮴 및 잔류 또는 불가피한 불순물 합금을 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 인터커넥트들(400)은 3 내지 3.9 중량%의 철, 예를 들어 3 내지 3.7 중량%의 철, 예를 들어 3.2 내지 3.5 중량%의 철, 96.1 내지 97 중량%의 크로뮴, 예를 들어 96.5 내지 96.8 중량%의 크로뮴, 및 잔류 또는 불가피한 불순물 합금을 포함할 수 있다. 이 합금은 더 넓은 면적의 SOFC들에 대해 개선된 CTE 정합을 제공할 수 있다. 애노드와 각각의 인터커넥트(400) 사이에는 니켈 접촉 레이어(예를 들어, 니켈 메시)와 같은 전기 전도성 접촉 레이어가 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, LSM과 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-x Co1+x O4 (0 ≤ x ≤ 1)의 조성을 갖는 또는 z(Mn3 O4) + (1-z)(Co3 O4) (여기서, 1/3 ≤ z ≤ 2/3)로 표기되는, 또는 (Mn, Co)3 O4 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 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).
밀봉부들(424, 434)은 유리 또는 세라믹 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 밀봉 재료는 낮은 전기 전도성을 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.
일부 실시 예들에서, 밀봉부들(424, 434)은 SiO2, BaO, CaO, Al2O3, K2O 및/또는 B2O3를 포함하는 실리케이트 유리 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는, 중량 기준으로: 약 40% 내지 약 60% 범위의, 예를 들어 약 45% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2; 약 10% 내지 약 35% 범위의, 예를 들어 약 15% 내지 약 30% 범위의 양의 BaO; 약 5% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 7% 내지 약 16% 범위의 양의 CaO; 약 10% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 13% 내지 약 15% 범위의 양의 Al2O3; 및 약 0.25% 내지 약 7% 범위의, 예를 들어 약 0.5% 내지 약 5.5% 범위의 양의 B2O3 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 약 0.5% 내지 약 1.5% 범위의, 예를 들어 약 0.75% 내지 약 1.25% 범위의 양의 K2O 를 추가적으로 포함할 수 있다.
일부 실시 예들에서, 밀봉부들(424, 434)은 SiO2, B2O3, Al2O3, CaO, MgO, La2O3, BaO 및/또는 SrO 를 포함하는 실리케이트 유리 밀봉 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 밀봉 재료는, 중량 기준으로: 약 30% 내지 약 60% 범위의, 예를 들어 약 35% 내지 약 55% 범위의 양의 SiO2; 약 0.5% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 12% 범위의 양의 B2O3; 약 0.5% 내지 약 5% 범위의, 예를 들어 약 1% 내지 약 4% 범위의 양의 Al2O3; 약 2% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 25% 범위의 양의 CaO; 약 2% 내지 약 25% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 20% 범위의 양의 MgO; 및 약 2% 내지 약 12% 범위의, 예를 들어 약 5% 내지 약 10% 범위의 양의 La2O3 를 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 약 0% 내지 약 35% 범위의, 예를 들어 약 0% 내지 약 30% 범위의, 또는 약 0.5% 내지 약 30% 범위의, 예를 들어 약 20% 내지 약 30% 범위의 BaO, 및/또는 약 0% 내지 약 20% 범위의, 예를 들어 약 0% 내지 약 15% 범위의, 또는 약 0.5% 내지 약 15% 범위의, 예를 들어 약 10% 내지 약 15% 범위의 SrO를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 밀봉 재료는 BaO 및/또는 SrO 중 적어도 하나를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로, 예를 들어 BaO 및 SrO 둘 다를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로 추가로 포함할 수 있다.
도 5a는 다양한 실시 예들에 따른 라이저 밀봉부들(424)이 없는 인터커넥트(400)의 공기 측을 도시하는 평면도이다. 종래의 역류 연료 전지 시스템 설계에서, 연료 전지 전해질은 인터커넥트들을 완전히 덮어서, 연료 전지 전해질은 인접 인터커넥트들 사이의 유전체 레이어들(dielectric layers)로서 동작한다. 교차 흐름 설계에서, 인터커넥트들은 연료 전지들의 주변을 지나 연장될 수 있다. 이로 인해, 스택이 기울어지거나 시간이 경과함에 따라 밀봉부들이 전도성이 되는 경우, 인터커넥트들 간에 전기적 단락이 발생할 수 있다.
도 5를 참조하면, 인터커넥트(400)는 라이저 밀봉 표면들(422) 상에 배치된 유전체 레이어들(440)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 5에 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 5의 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(미도시), 유전체 레이어들(440)은 대응되는 라이저 밀봉 표면(422)의 일부만을 덮을 수 있다. 유전체 레이어들(440)은 인접 인터커넥트들(400) 사이에서 전기 절연 장벽을 형성하고, 대응하는 스택이 기울어지는 경우에 또는 밀봉부가 전도성이 되는 경우에, 전기적 단락을 방지한다.
유전체 레이어들(440)은 알루미나, 지르콘(지르코늄 실리케이트), 실리콘 카바이드, 결정질 유리(예를 들어, 석영 또는 유리-세라믹), 또는 기타의 고온 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 유전체 레이어들(440)은 부식 장벽(corrosion barrier) 재료 또는 레이어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유전체 레이어들(440)은 내부식성 유리, 알루미나, 지르콘 등을 포함하는 복합 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시 예들에서, 유전체 레이어들(440)은 SOFC 스택(300)의 인터커넥트(400)의 표면에 적용되는 적어도 90 중량%의 유리(예를 들어, 90 내지 100 중량%의 유리, 예를 들어 약 99 내지 100 중량%의 비정질 유리 및 0 내지 1 중량%의 결정질 상)를 함유하는 실질적으로 유리 장벽 전구체 레이어(glass barrier precursor layer)로 형성된 유리 세라믹 레이어를 포함한다. 일 실시 예에서, 적어도 90 중량%의 유리를 함유하는 유리 장벽 전구체 레이어는 산화물 중량 기준으로: 45 내지 55 중량%의 실리카(SiO2); 5 내지 10 중량%의 칼륨 산화물(K2O); 2 내지 5 중량%의 칼슘 산화물(CaO); 2 내지 5 중량%의 바륨 산화물(BaO); 0 내지 1 중량%의 붕소 삼산화물(B2O3); 15 내지 25 중량%의 알루미나(Al2O3); 및 20 내지 30 중량%의 지르코니아(ZrO2)를 포함한다.
일부 실시 예들에서, 유리 장벽 전구체 레이어는 중량 기준으로 적어도 90%의 유리(예를 들어 90 내지 100 중량%의 유리, 예를 들어 약 99 내지 100 중량%의 비정질 유리 및 0 내지 1 중량%의 결정질 상)를 포함한다. 예를 들어, 유리 장벽 전구체 레이어는, 산화물 중량 기준으로: 약 30% 내지 약 60%의, 예를 들어 약 35% 내지 약 55%의 실리카(SiO2); 약 0.5% 내지 약 15%의, 예를 들어 약 1% 내지 약 12%의 붕소 삼산화물(B2O3); 약 0.5% 내지 약 5%의, 예를 들어 약 1% 내지 약 4%의 알루미나(Al2O3); 약 2% 내지 약 30%의, 예를 들어 약 5% 내지 약 25%의 칼슘 산화물(CaO); 약 2% 내지 약 25%의, 예를 들어 약 5% 내지 약 20%의 마그네슘 산화물(MgO); 약 0% 내지 약 35%의, 예를 들어 약 20% 내지 약 30%의 바륨 산화물(BaO); 약 0% 내지 약 20%의, 예를 들어 약 10% 내지 약 15%의 스트론튬 산화물(SrO); 및 약 2% 내지 약 12%의, 예를 들어 약 5% 내지 약 10%의 란타늄 산화물(La2O3)을 포함할 수 있다. 일부 실시 예들에서, 유리 장벽 전구체 재료는 BaO 및/또는 SrO 중 적어도 하나를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로, 예를 들어 BaO 및 SrO 둘 다를 0이 아닌 양(예를 들어, 적어도 0.5 중량%)으로 포함할 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.
도 6a는 다양한 실시 예들에 따른 도 3a의 연료 전지 스택(300)에 조립된 연료 전지(310) 및 도 4a 및 도 4b의 2개의 인터커넥트들(400)의 단면 사시도이다. 도 6b는 도 6a의 인터커넥트(400)의 연료 측 상의 밀봉부들(424, 434)과 연료 전지(310)의 중첩을 도시하는 상면도이다.
도 4a, 도 4b, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 연료 전지 스택 내에 조립되는 경우, 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. 따라서, 밀봉부들(424, 434)의 부분들은 연료 전지(310)의 주변(예를 들어, 연료 전지(310)와 중첩되는) 내부보다 연료 전지(310)의 주변 외부에서 더 두꺼울 수 있다. 연료 유입구들 및 배출구들(402, 404)에 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)와 밀봉부들(424, 434)의 중첩된 부분들의 조합된 두께는 밀봉부들(424, 434)의 중첩된 부분들의 두께보다 더 두꺼울 수 있다.
이러한 두께 변화를 고려하고 및/또는 연료 전지 스택을 적절하게 밀봉하기 위해, 연료 전지(310)의 주변 외부에 배치된 인터커넥트들(400)의 부분들의 두께는 연료 전지(310)의 소결후(after-sintering) 두께(예를 들어, 도 3d에 도시된 바와 같이 전극들(314, 316), 전해질(312) 및 니켈 메쉬(318)의 소결후 두께)와 동일한 양만큼 증가될 수 있다.
밀봉부들(424, 434)이 연료 전지(310)의 모서리들과 중첩되기 때문에, 라이저 밀봉부들(424) 각각의 아래(예를 들어, 전해질(312) 아래)의 모서리들 사이에 간극(G)이 형성될 수 있다. 스택(300)이 압축되는 경우, 하향력이 인터커넥트(400) 및 라이저 밀봉부들(424)을 통해 그리고 간극들(G)에 인접한 연료 전지(310)의 지지되지 않은 에지들로 전달될 수 있으며, 이는 라이저 밀봉부들(424) 아래의 인접 간극들(G)로 인한 레버 아암(leaver arm) 효과를 생성할 수 있다.
통상적으로, 연료 전지의 전극들 및 전도성 레이어는 연료 전지의 활성 영역(예를 들어, 연료 전지가 연료 및 공기에 노출되는 영역) 상에만 배치된다. 즉, 전극들 및/또는 전도성 레이어로 덮이지 않은 전해질의 부분들 상에 밀봉부들이 배치될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 연료 전지(310)의 에지들을 지지하기 위해서, 전도성 레이어(318)(예를 들어, 니켈 메시)는 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 있으며, 세라믹 재료, 예를 들어 알루미나 및/또는 지르코니아로 형성될 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.
연료 전지 스택(300) 및/또는 이의 구성 요소들은 컨디셔닝(conditioning) 및/또는 소결(sintering)될 수 있다. "소결(sintering)"은 유리 또는 유리-세라믹 밀봉 전구체 재료들을 가열, 용융 및/또는 리플로우(reflow)하여 연료 전지 스택에 밀봉부들을 형성하는 공정들을 포함하며, 이는 공기/불활성 가스에서 승온(elevated temperature)(예를 들어, 600 내지 1000℃)에서 수행될 수 있다. "컨디셔닝(conditioning)"은 애노드 전극의 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))의 금속(예를 들어, 니켈)으로 환원하기 위한, 및/또는 성능 특성화(performance characterization)/테스팅 동안 스택(300)을 가열하기 위한 공정들을 포함하고, 연료가 스택을 통해서 흐르는 동안 승온(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) 수행될 수 있다.
이러한 고온 작업 동안, 라이저 밀봉부들(424)에 너무 큰 압력이 가해지면, 라이저 밀봉부들(424)은 라이저 밀봉 표면들(422)로부터, 연료 전지(310)의 에지들을 지나, 인접 인터커넥트(400)의 연료 채널들(418), 연료 유입구들(402) 및/또는 연료 배출구들(404) 내로 밀려날 수 있다. 심각한 경우에, 이는 연료 흐름의 압력 강하를 증가시킬 수 있고, 전지로부터 전지로의 연료의 불균형 분배를 야기하거나, 심지어 스택(300)을 사용 불가능하게 할 수 있다.
따라서, 일부 실시 예들에서, 라이저 밀봉 표면들(422)은 공기 측 리브들(406)의 상단들에 대해 함몰(recess)될 수 있다. 즉, 인터커넥트(400)의 공기 측을 위에서 바라볼 때, 라이저 밀봉 영역들은 리브들(406)의 팁(tip)들보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 라이저 밀봉 표면들(422)은 리브들(406)의 팁들에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 약 30 내지 약 50 미크론(micron)만큼 함몰될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 약 20 내지 30 미크론 범위의 두께를 가질 수 있는 연료 전지(310)가 인터커넥트(400)의 공기 측과 접촉하게 되는 경우, 리브들(406)은 연료 전지(310)와 접촉하고, 연료 전지(310)와 각각의 라이저 밀봉 표면(422) 사이에 공간 또는 함몰부(recess)가 형성될 수 있다.
연료 전지 스택(300)의 조립 시에, 함몰된 라이저 밀봉 표면들(422)은 라이저 밀봉부들(424)을 수용하기 위한 추가적인 공간을 제공한다. 그 결과, 라이저 밀봉부들(424)에 가해지는 힘이 감소되어, 라이저 밀봉부들(424)은 소결과 같은 고온 작업 동안 라이저 밀봉 표면들(422)에 남을 수 있다. 일부 실시 예들에서, 연료 전지(310)의 하나 이상의 구성 요소들은, 예를 들어 더 두꺼운 접촉 인쇄된 연료 전지 레이어들을 형성하기 위해 접촉 인쇄(contact printing)에 의해, 더 두껍게 만들어질 수 있다. 이러한 증가된 두께는 또한 라이저 밀봉부들(424)에 가해지는 힘을 감소시킬 수 있다. 일부 실시 예들에서, 함몰된 라이저 밀봉 표면(422)과 함께 더 두꺼운 연료 전지(310)가 이용될 수 있다.
다양한 실시 예들에서, 모따기부(chamfer; 407)가 인터커넥트(400)의 공기 측의 연료 유입구들(402) 및/또는 연료 배출구들(404)에 추가될 수 있다. 모따기부(407)는 라이저 밀봉 표면(422)으로부터 이탈된 밀봉 재료를 포획하도록 동작할 수 있다. 예를 들어, 인터커넥트(400)의 다른 에지들에, 예를 들어 인터커넥트(400)의 연료 측 상의 유입구들 및 배출구들(402, 404)의 에지들에 및/또는 인터커넥트(400)의 주변 에지들에, 모따기부들(409)이 추가될 수도 있다. 모따기부들은 인터커넥트(400)의 형성 동안, 예를 들어 인터커넥트(400)를 형성하기 위해 사용되는 분말 야금 작업 동안 치핑(chipping)을 방지하는 것과 같은, 이점을 제공할 수 있다.
정상 상태 동작 동안 연료 전지(310)에 걸친 열 구배(thermal gradient)는 I2R 가열, (주로 연료 유입구(402)에서의) 흡열 스팀 개질, 및 대류 냉각(예를 들어, 가장 차가운 공기가 공기 채널들(408)의 유입구들과 접촉함)을 포함하는 동작 조건뿐만 아니라 스택(300)의 물리적 특성들, 예를 들어 인터커넥트(400)의 두께 및 열 전도성의 함수이다. 결과적으로, 연료 전지(310)의 특정 부분들, 예를 들어 연료 입구/공기 출구 모서리의 공기 채널(408) 출구들 및 연료 유입구(402)에 인접한 모서리(뜨거운 모서리)는, 정상 상태 동작 동안 상대적으로 뜨거울 수 있다. 이러한 모서리에 인접한 밀봉부들(424, 434)의 부분들은, 특히 바륨 함유 보로실리케이트 유리 밀봉 재료가 사용되는 경우, 이 모서리에서의 상대적으로 승온에서의 증발로 인해 다공성 및/또는 누출이 될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 밀봉부들(424, 434)은 전술한 유리 재료들과 같이 고온에서 안정한 유리 재료로 형성될 수 있다. 대안적으로, 인터커넥트들(400)의 두께는 평면내(in-plane) 방향으로의 열 전도를 개선시키기 위해 증가될 수 있다. 증가된 두께는 인터커넥트들(400)의 열 구배를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 뜨거운 모서리의 온도를 감소시킬 수 있다. 스택(300)은 통상적인 스택의 애노드 분배기 플레이트들을 필요로 하지 않기 때문에, 인터커넥트들(400)의 두께는, 통상적인 스택에 비해, 스택(300)의 전체 두께를 증가시키지 않으면서 증가될 수 있다.
본 발명자들은 SOFC 스택의 초기 동작 동안, 예를 들어 금속 합금 인터커넥트들을 갖는 SOFC 스택의 초기 전류 인출(draw), 가열 및/또는 예비 컨디셔닝 동안, SOFC들이 종종 균열(crack)된다는 것을 깨달았다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 SOFC 균열이 SOFC에 걸쳐 축적될 수 있는 큰 열 구배로 인해 발생하는 응력 유도(stress-induced) 균열을 포함할 수 있다고 믿는다. 이러한 균열은 연료/공기 혼합, 연소, 과도한 열 발생 및 결국 전지 고장을 초래할 수 있다.
특정 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 SOFC 스택의 넓은 면적의 분말 압착된 인터커넥트들의 휨(camber)(즉, 평탄성의 부족) 및/또는 더 높은 다공성이, 스택의 인터커넥트들과 접촉하는 SOFC들의 응력 유도 균열을 야기하거나 악화시킬 수 있다고 믿는다. 구체적으로, 휜(cambered) 및/또는 더 낮은 밀도의 인터커넥트들은 스택 상의 첫 전류 램프(current ramp) 동안 SOFC에 걸친 높은 열 구배로 인해 스택의 SOFC에 비해 더 크고 더 빠른 횡방향 이동을 받는 것으로 여겨진다. 이러한 열 구배는 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion; CTE)의 차이로 인해 SOFC 전해질들과 인터커넥트들 사이에 열 응력을 발생시킬 수 있다. 이는 SOFC를 장력으로 강제하고(즉, SOFC에 인장 응력을 가함) SOFC들을 이들의 인장 강도 너머로 균열시킬 수 있다.
따라서, 일 실시 예에서, 인터커넥트들은, 인터커넥트의 평탄성(flatness)을 증가시키고 인터커넥트의 휨을 감소시키고 SOFC 스택의 SOFC들의 응력 유도 균열을 감소시키기 위해 크리프 평탄화(creep flattening) 공정을 거친다. 크리프 평탄화 동안, 인터커넥트들은 하중(load) 하에서(즉, 인터커넥트들에 가해지는 하중(즉, 중량)로부터의 물리적 압력 하에서) 승온(예를 들어, 실온 초과)에 노출된다. 크리프 평탄화는 인터커넥트의 평탄성을 개선시키고 인터커넥트의 휨을 감소시킨다. 따라서, 인터커넥트들을 SOFC 스택 내에 배치하기 이전에 인터커넥트들을 크리프 평탄화하면 스택 내 SOFC들에 대한 인터커넥트들의 횡방향 이동을 감소시켜, 초기 스택 전류 인출, 가열 및/또는 예비 컨디셔닝 동안 (예를 들어, 밀봉 리플로우 동안 및/또는 환원 분위기에서 SOFC 스택의 열적 어닐링 동안 SOFC 금속 산화물(예를 들어, 니켈 산화물) 애노드를 금속(예를 들어, 니켈)으로 환원시키는 동안) SOFC 스택 내 SOFC들의 응력 유도 균열을 감소시킬 수 있다고 생각된다.
도 7은 전술한 바와 같은 인터커넥트(400) 위에 놓인 (투명도에서 점선으로 표시된) SOFC(310)를 포함하는 SOFC 스택의 일부의 평면도(즉, 상면도)이다. 본 실시 예의 인터커넥트(400)는 전술한 연료 유입구들(402) 및 연료 배출구들(404)을 각각 2개 포함하는 것이 아니라 이들 각각을 3개 포함할 수 있다. 대안적으로, 2개 또는 3개 초과의 연료 유입구들(402) 및 연료 배출구들(404)이 제공될 수 있다. SOFC(310)의 하부에는 인터커넥트(400)의 공기 측 리브들(406)이 도시되었다.
전술한 바와 같이, 휜 인터커넥트(400)가 스택 내에 배치되기 이전에 적절하게 크리프 평탄화되지 않는다면, 휜 인터커넥트(400)는 SOFC 스택의 동작 동안(예를 들어, 스택의 첫 전류 인출 동안) SOFC(310)에 균열(702)의 발달을 초래할 수 있는 큰 인장 응력을 야기할 수 있다. 균열(702)의 발달은 스택에서 더 낮게 위치된 SOFC들(310)에 대해 더 많은 수로 발생할 수 있고, 따라서 스택에서 더 높은 곳에 있는 인터커넥트(400)의 사중(dead weight)을 받게 된다.
일 실시 예에서, 크리프 평탄화는 인터커넥트들을 산화시키기 위해 산화 분위기(예를 들어, 공기, 순수 산소, 수증기 등의 분위기)에서 수행될 수 있다. 특정 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 산화가 인터커넥트의 금속의 산화물로 기공을 충진함으로써 인터커넥트의 다공성을 감소시키고, 또한 인터커넥트의 휨을 감소시킬 수 있다고 믿는다. 또한, 특정 이론에 얽매이지 않고, 크리프 평탄화 동안의 고온 산화는 금속 산화물 형성 및 스택의 SOFC들에 대해 인터커넥트를 밀봉하기 이전에 인터커넥트의 관련된 기하학적 구조의 왜곡을 야기한다고 믿어진다. SOFC 스택의 후속 고온 동작 동안, 산화로 인한 스택 내의 인터커넥트들의 물리적 왜곡이 감소되거나 제거되고, 스택 내의 SOFC에 대한 응력은 사전 산화되지 않은 인터커넥트들을 포함하는 SOFC 스택들에 비해 감소된다. 따라서, 크리프 평탄화 및 크리프 평탄화 동안의 선택적 산화는 인터커넥트를 SOFC 스택에 배치하기 이전에 인터커넥트 상에서 수행된다.
SOFC 스택들이 전술되었지만, 인터커넥트 크리프 평탄화는 또한, 크리프 평탄화된 금속 인터커넥트들이 산재된 세라믹 전해질 고체 산화물 전해조 전지(solid oxide electrolyzer cell; SOEC)들을 포함하는 고체 산화물 전해조 스택들과 같은 다른 전해질 스택들에 대해서도 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
고체 산화물 연료 전지 및 전해조 스택들의 경우, 인터커넥트는 크로뮴-철 합금, 예를 들어 Cr-Fe-Y 분말을 가압 및 소결하는 것과 같은 분말 야금 기술에 의해 제조된 Cr-Fe-Y 합금을 포함할 수 있다. 이 합금은 3 내지 6 중량%의 철, 예를 들어 4.5 내지 5.5 중량%의 Fe, 0 내지 1 중량%의 이트륨, 예를 들어 200 내지 2000 마이크로그램/그램의 Y를 포함할 수 있고, 잔량은 크로뮴 및 잔류 또는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 불순물은 존재하지 않거나 또는 O, H, Al, Si, N 및/또는 C 중 하나 이상을 1 중량% 미만의 총량으로, 예를 들어 0.1 중량% 미만으로 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 인터커넥트는 4 내지 6 중량%의 철, 0 내지 1 중량%의 이트륨 및 94 내지 96 중량%의 크로뮴을 포함하는 크로뮴 합금을 포함하고, 인터커넥트는 분말 야금 기법에 의해 형성된다. 일 실시 예에서, Y는 생략될 수 있고, 인터커넥트는 약 5 중량%의 Fe 및 잔량의 Cr(예를 들어, 약 95 중량%의 Cr), 및 선택적으로 불가피한 불순물을 포함한다. 다른 실시 예에서, 합금은 3 내지 3.9 중량%의 철, 예를 들어 3 내지 3.7 중량%의 철, 예를 들어 3.2 내지 3.5 중량%의 철, 96.1 내지 97 중량%의 크로뮴, 예를 들어 96.5 내지 96.8 중량%의 크로뮴, 및 잔류 또는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 이 합금은 더 넓은 면적의 고체 산화물 연료 전지 및 전해조 전지에 대해 개선된 CTE 정합을 제공할 수 있다. 특정 전해질 전지(electrolytic cell) 재료들에 대해 원하는 특성을 갖는 다른 금속 및 금속 합금도 이용될 수 있다.
연료 전지 또는 전해조 스택과 같은 전해질 전지 스택용 인터커넥트를 제조하는 방법은 임의의 적절한 방법을 사용하여 인터커넥트를 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시 예에서, 인터커넥트는 금속 분말이 분말 프레스의 다이 캐비티(die cavity) 내로 제공되는 분말 야금 기술에 의해 형성될 수 있다. 분말은 사전 합금된(pre-alloyed) 크로뮴 분말 또는 크로뮴 분말과 원소 철의 혼합물을 포함할 수 있다. 다이 캐비티 내의 분말은 3 내지 6 중량%의 철, 0 내지 1 중량%의 이트륨, 예를 들어 200 내지 2000 마이크로그램/그램의 Y를 함유할 수 있고, 잔량은 크로뮴 및 잔류 또는 불가피한 불순물을 포함한다. 이후, 다이 캐비티 내의 분말은 분말 프레스의 다이(즉, 하나 이상의 펀치)에 의해 압축되어 미완성(green) 인터커넥트를 형성한다. 바람직하게는, (예를 들어, 미완성 인터커넥트가 소결된 이후) 완성된(finished) 인터커넥트가 입방 센티미터 당 적어도 6.5 그램의 밀도, 예를 들어 입방 센티미터 당 6.55 내지 6.65 그램의 밀도를 갖도록 충분한 압력이 분말에 제공된다.
실시 예의 방법은 또한 인터커넥트를 전해질 전지 스택 내에 제공하기 이전에 크리프 평탄화하는 단계 및 선택적으로 크리프 평탄화 동안 금속 인터커넥트를 산화시키는 단계를 포함한다. 크리프 평탄화된, 사전 산화된 인터커넥트는 전해질 전지 스택에 통합되지 않은 독립적인(free standing) 인터커넥트를 포함할 수 있다. 인터커넥트가 크리프 평탄화되고 선택적으로 산화된 이후, 인터커넥트는 연료 전지 또는 전해조 스택과 같은 전해질 전지 스택 내에 제공될 수 있다. 이후, 인터커넥트는 스택 내의 2개의 연료 전지들 또는 2개의 전해조 전지들 사이에 위치될 수 있고, 인터커넥트는 2개의 연료 전지들 또는 전해조 전지들을 서로 전기적으로 연결하도록 구성될 수 있다.
금속 인터커넥트의 적어도 하나의 치수는 크리프 평탄화 및 선택적 산화 공정 동안 변화할 수 있다. 인터커넥트의 크기는 크리프 평탄화 및 선택적 산화 공정 동안 하나 이상의 차원을 따라 증가할 수 있다. 예를 들어, 플레이트형 인터커넥트(즉, 그 폭 또는 길이보다 적어도 10배 더 작은 두께를 갖는 인터커넥트)의 경우, 크리프 평탄화 및 산화 공정 후에 인터커넥트의 두께는 적어도 0.02%만큼, 예를 들어 약 0.1% 내지 약 0.9%만큼 증가할 수 있다. 인터커넥트의 적어도 표면 부분들 및 선택적으로 인터커넥트의 두께 전체에 걸친 기공들은 산화되어 금속 산화물을 형성할 수 있다. Cr-Fe 인터커넥트(즉, Y가 0 중량%인 Cr-Fe-Y 인터커넥트)의 경우, 산화는 인터커넥트의 적어도 표면 상에 및 선택적으로 인터커넥트의 내부 기공에 크로뮴 및/또는 철 산화물을 형성할 수 있다.
일반적으로, 산화는, 인터커넥트가 스택 내로 제공되고 스택 동작 동안 산화 분위기에 노출된 이후에 실질적으로 추가로 산화되지 않도록, 충분한 시간 동안 수행될 수 있다. 즉, 인터커넥트는 산화 단계 동안 가능한 최대 산화량의 적어도 99%까지 산화될 수 있다. 따라서, 사전 산화된 금속 인터커넥트는, 스택 내에 제공되기 이전 또는 이후에 적어도 800℃의 온도에서 후속 산화 분위기에 노출될 때, 실질적으로 추가적으로 산화되지 않을 수 있다.
일부 실시 예들에서, 인터커넥트는 두 번 산화될 수 있다. 인터커넥트는 인터커넥트에 기계적 하중을 적용하지 않고(즉, 크리프 평탄화와는 별도로) 초기 산화될 수 있다. 선택적인 초기 산화 공정은 산화 분위기에서 승온(elevated temperature)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, Cr-Fe-Y 인터커넥트의 경우, 초기 산화는 공기 및/또는 산소 중에서 적어도 900℃의 온도에서 적어도 약 18시간 동안, 예를 들어 공기 중에서 950℃의 온도에서 20시간 내지 200시간 동안, 예를 들어 168시간 동안 수행될 수 있다. 예를 들어 951 내지 1050℃와 같은 더 높은 온도도 이용될 수 있다. 기타의 인터커넥트 재료에 기타의 온도 및 산화 지속 시간이 이용될 수 있다. 따라서, 인터커넥트의 초기 산화는 크리프 평탄화 이전에 실온보다 높은 온도에서 산화 분위기에서 수행된다. 다른 실시 예들에서, 초기 산화 단계는 생략된다.
제 1 실시 예에서, 인터커넥트들은 인터커넥트들 상에 기계적 하중을 가하지 않고 인터커넥트 표면들 상에 금속 산화물을 형성하기 위해 전술한 초기 산화를 거칠 수 있다. 이후, 금속 산화물은 그릿 블라스팅(grit blasting)과 같은 임의의 적절한 방법에 의해 인터커넥트 표면들로부터 제거된다. 이후, 인터커넥트들은 크리프 평탄화될 수 있다. 크리프 평탄화 공정 동안, 인터커넥트들은 100 lb 내지 500 lb 범위의 하중을 받을 수 있다. 또한, 크리프 평탄화 공정 동안, 인터커넥트들은 4 내지 60 시간 동안 약 920 ℃ 내지 약 1000 ℃ 범위의 온도에, 예를 들어 950 ℃ 초과의 온도에서 4 내지 8 시간 동안 노출될 수 있다. 크리프 평탄화 시간 대 온도 관계는 비선형이라고 여겨진다. 따라서, 960 ℃에서의 크리프 평탄화는, 48시간 동안 940 ℃에서 수행된 크리프 평탄화와 유사한 인터커넥트 평탄성 개선을 달성하기 위해 4시간 동안 수행될 수 있다. 바람직하게는, 크리프 평탄화는 인터커넥트의 기공들을 추가로 산화시키고 인터커넥트의 밀도를 증가시키기 위해 산화(예를 들어, 공기, 산소 또는 수증기) 환경(예를 들어, 분위기)에서 수행된다.
크리프 평탄화 이후, 인터커넥트의 공기 측 리브들(406)은, 인터커넥트(400)의 공기 흐름 필드 내에 위치하는 공기 측 리브들(406) 상에 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM) 또는 (Mn, Co)3 O4 스피넬(MCO) 중 적어도 하나로 코팅될 수 있으며, 이는 LSM/MCO 코팅(801)(예를 들어, LSM 코팅, 또는 MCO 코팅, 또는 LSM 및 MCO 코팅 모두)(도 8b 및 8d에 도시됨)으로 지칭된다. 따라서, 제 1 실시 예에서, 인터커넥트(400)의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 단계는 초기 산화 이후 및 크리프 평탄화 이전에 이루어지는 반면, 코팅(801)을 형성하는 단계는 크리프 평탄화 이후에 이루어진다.
제 2 실시 예에서, 코팅 및 크리프 평탄화의 순서는 제 1 실시 예와 비교하여 반대이다. 제 1 실시 예에서와 같이, 인터커넥트들은 초기 산화된 이후 그릿 블라스팅되어 인터커넥트들(400)의 표면들로부터 금속 산화물을 제거할 수 있다. 이후, 공기 측 리브들(406)은 그릿 블라스팅 이후에 그러나 이 제 2 실시 예에서 크리프 평탄화 이전에 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅될 수 있다. 인터커넥트들은 코팅 이후에 크리프 평탄화될 수 있다. 제 2 실시 예에서, 인터커넥트들은 크리프 평탄화 동안 100 lb 내지 500 lb의 하중 하에서 공기 중에서 4시간 내지 60시간 동안 약 940 ℃ 내지 약 960 ℃ 범위의 온도에 노출될 수 있다. 따라서, 제 2 실시 예에서, 금속 산화물을 제거하는 단계는 초기 산화 이후 및 크리프 평탄화 이전에 이루어지는 반면, 코팅을 형성하는 단계는 금속 산화물을 제거한 이후 및 크리프 평탄화 이전에 이루어진다.
제 3 실시 예에서, 그릿 블라스팅 및 크리프 평탄화의 순서는 제 1 실시 예와 비교하여 반대이다. 제 1 실시 예에서와 같이, 인터커넥트들은 초기 산화될 수 있다. 이 제 3 실시 예에서, 인터커넥트들은 초기 산화 이후 및 그릿 블라스팅 이전에 크리프 평탄화된다. 제 3 실시 예에서, 인터커넥트들은 크리프 평탄화 동안 100 lb 내지 500 lb의 하중 하에서 공기 중에서 4시간 내지 60시간 동안 약 940 ℃ 내지 약 960 ℃ 범위의 온도에 노출될 수 있다. 이후, 인터커넥트들은 그릿 블라스팅되어 인터커넥트들의 표면들로부터 금속 산화물을 제거할 수 있고, 공기 측 리브들(406)은 그릿 블라스팅 이후에 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅될 수 있다. 따라서, 제 3 실시 예에서, 크리프 평탄화 단계는 초기 산화 이후 및 금속 산화물 제거 이전에 이루어지고, 금속 산화물을 제거하는 단계는 크리프 평탄화 이후 및 코팅을 형성하기 이전에 이루어진다.
제 4 실시 예에서, 산화 및 크리프 평탄화는 단일 공정 단계로 결합된다. 즉, 초기 산화 단계는 생략되고, 인터커넥트들은 산화 분위기에서 수행되는 단일 크리프 평탄화 단계에서 산화된다. 이 제 4 실시 예에서, 인터커넥트들은 결합된 산화/크리프 평탄화 공정을 먼저 거친다. 제 4 실시 예에서, 인터커넥트는 결합된 크리프 평탄화/산화 동안 100 lb 내지 500 lb의 하중 하에서 공기 중에서 4 내지 60 시간 동안 약 920 ℃ 내지 약 1100 ℃ 범위의 온도에 노출될 수 있다. 이후, 인터커넥트들은 그릿 블라스팅되어 인터커넥트들의 표면들로부터 금속 산화물을 제거할 수 있고, 이후 공기 측 리브들(406)은 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅될 수 있다. 따라서, 제 4 실시 예에서, 금속 산화물을 제거하는 단계는 크리프 평탄화 이후 및 코팅 형성 이전에 이루어진다.
전술한 제 1 실시 예 내지 제 4 실시 예에서, 크리프 평탄화의 승온은 920 ℃ 내지 1100 ℃이고, 크리프 평탄화 동안 가해지는 하중은 100 내지 500파운드의 하중을 포함하며, 크리프 평탄화는 4 내지 60시간 동안 수행된다. 전술한 바와 같은 2단계 또는 1단계 산화 공정을 수행함으로써, 인터커넥트가 스택 동작 이전 또는 스택 동작 동안(즉, 스택에 삽입되기 이전 또는 스택에 삽입된 이후) 후속 산화 분위기에 노출되는 경우, 인터커넥트의 치수는 산화 단계 이후에 실질적으로 변하지 않을 수 있다. 따라서, 인터커넥트가 승온, 예를 들어 800℃ 초과의 온도에서, 적어도 5시간 동안, 예를 들어 20 내지 168시간 동안, 후속 산화 분위기에 노출되는 경우, 인터커넥트의 치수는 0.02% 미만만큼 변화할 수 있다. 따라서, 인터커넥트는 산화 분위기에서 승온에서 초기 스택 동작 동안 더 이상 실질적으로 변형되지 않을 수 있고 스택의 인접 전지들을 손상시키지 않을 수 있다. 대조적으로, 인터커넥트가 스택에 삽입되기 이전에 사전 산화되지 않으면, 산화 분위기에서 승온에서 초기 스택 동작 중에 스택 내부의 변형을 받을 수 있다. 이러한 변형은 스택의 인접 전지들에 손상(예를 들어, 균열들(702))을 야기할 수 있다.
도 8a는 도 7의 인터커넥트(400)의 일부의 수직 단면도이고, 도 8b는 제 5 실시 예에 따른 공기 측 리브들(406)에 LSM/MCO 코팅(801)이 적용된 이후의 도 8a의 인터커넥트(400)의 일부의 수직 단면도이다. 도 8a 및 도 8b의 시점을 정의하는 단면은 도 7에서 선(B - B')으로 표시된다. 이 제 5 실시 예에서, 공기 측 리브들(406)은 인터커넥트(400)의 평탄한 에지 부분(804)으로부터 함몰된다. 평탄한 에지 부분(804)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 공기 측 리브들(406)에 인접하게 위치된 라이저 밀봉 표면(422)의 내부 부분을 포함할 수 있다. 평탄한 에지 부분(804)은 공기 측 리브들(406)의 상단들보다 제 1 거리(802)만큼 더 높다. 제 1 거리(802)는 공기 측 리브들(406)의 상단 표면의 수평 평면(803)으로부터 에지 표면 부분(804)의 상단의 수평 평면(805)까지의 거리일 수 있다. 제 1 거리(802)는 약 85 미크론 내지 100 미크론의 범위일 수 있다. 따라서, 리브들(406)은 평탄한 에지 부분(804) 아래로 오프셋된다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 공기 측 리브들(406)은 전술한 바와 같은 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅될 수 있는 반면, 평탄한 에지 부분(804)은 코팅(801)으로 코팅되지 않을 수 있다. LSM/MCO 코팅(801)은 약 85 미크론 내지 100 미크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서, 리브들(406)은 코팅(801)의 두께와 실질적으로 동일한(즉, 0 내지 10% 이내인) 높이만큼 평탄한 에지 부분(804) 아래로 오프셋된다. LSM/MCO 코팅(801)의 형성 이후, 도 8b에 도시된 바와 같이, 공기 측 리브들(406) 및 (코팅되지 않은) 평탄한 에지 부분(804)은 공통 높이(806)를 가질 수 있다(즉, 평탄한 에지 부분(804)의 상단 표면 및 리브들(406)의 상단 표면 상의 LSM/MCO 코팅(801)의 상단 표면은 동일한 수평 평면(806)에 위치함).
도 8c는 도 8a의 높이 프로파일과는 상이한 높이 프로파일을 갖는 도 7의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이고, 도 8d는 제 6 실시 예에 따른 공기 측 리브들(406)에 LSM/MCO 코팅(801)이 적용된 이후의 도 8c의 인터커넥트의 일부의 수직 단면도이다. 도 8c 및 도 8d의 시점을 정의하는 단면 역시 도 7에서 선(B - B')으로 표시된다. 도 8c에 도시된 바와 같이, 평탄한 에지 부분(804) 및 공기 측 리브들(406)은 LSM/MCO 코팅(801) 침착 이전에 균일한 높이(806)를 갖는다. 즉, 평탄한 에지 부분(804) 및 리브들(406)의 코팅되지 않은 상단 표면들은 동일한 수평 평면(806)에 위치한다.
도 8d에 도시된 바와 같이, 공기 측 리브들(406)은 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅될 수 있다. LSM/MCO 코팅(801)은 약 85 미크론 내지 100 미크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 따라서, LSM/MCO 코팅(801)의 형성 이후에, 예를 들어 도 8d에 도시된 바와 같이, 코팅된 공기 측 리브들(406)은 평탄한 에지 부분(804)보다 약 85 미크론 내지 100 미크론의 범위에 있는 제 2 거리(808)만큼 더 높을 수 있다. 제 2 거리(808)는 공기 측 리브들(406) 상에 위치하는 LSM/MCO 코팅(801)의 상단 표면의 수평 평면(807)으로부터 에지 표면 부분(804)의 상단 표면의 수평 평면(805)까지의 거리일 수 있다.
전술한 바와 같이, 높이의 차이(즉, 제 2 거리(808))는 라이저 밀봉 표면들(422)이 코팅된 공기 측 리브들(406)의 상단들에 대해 함몰되게끔 할 수 있다. 즉, 인터커넥트(400)의 공기 측을 위에서 바라볼 때, 라이저 밀봉 표면들(422)은 LSM/MCO 코팅(801)으로 코팅된 리브들(406)의 상단들보다 더 낮을 수 있다. 예를 들어, 라이저 밀봉 표면들(422)은 코팅된 리브들(406)의 팁들에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 약 85 미크론 내지 약 100 미크론만큼 함몰될 수 있다. 평탄한 에지 부분(804)의 더 큰 함몰은 라이저 밀봉 표면들(422) 상에 더 두꺼운 라이저 밀봉부(424; 도 6a에 도시됨)가 형성되게끔 할 수 있다. 더 두꺼운 라이저 밀봉부들(424)은 그들의 증가된 두께로 인해 더 순응적일 수 있고, SOFC들(310)에서 균열(702)의 형성을 초래할 수 있는 큰 인장 응력을 발생시키지 않으면서, 증가된 열 변형을 허용할 수 있다.
제 6 실시 예에서, 인터커넥트(400)의 공기 측은, 공기 흐름 필드의 두 대향 측들 상에 배치되고 연료 유입구들(402) 및 배출구들(404)을 둘러싸는 라이저 밀봉 표면들(422)을 포함한다. 라이저 밀봉 표면들(422)(예를 들어, 평탄한 에지 부분(804)의 상단 표면)은 공기 측 리브들(406)의 팁들 상의 코팅(801)의 상단 표면에 걸쳐 연장되는 평면(807)에 대해 함몰된다. 전기화학적 스택(electrochemical stack; 300)에서, 유리 또는 유리-세라믹 밀봉부(424)는 각각의 전기화학적 전지(예를 들어, SOEC 또는 SOFC(310))과 스택(300) 내의 복수의 인터커넥트들(400) 중 각각의 인접 인터커넥트(400)의 라이저 밀봉 표면(422) 사이에 위치된다.
고체 산화물 연료 전지 인터커넥트들, 단부 플레이트들 및 전해질들이 다양한 실시 예들로 설명되었지만, 실시 예들은 임의의 기타의 연료 전지 인터커넥트들 또는 단부 플레이트들, 예를 들어 용융 탄산염, 인산 또는 PEM 연료 전지 전해질들, 인터커넥트들 또는 단부 플레이트들, 또는 전해조 인터커넥트들과 같은 연료 전지 시스템과 관련되지 않은 임의의 기타 형상의 금속 또는 금속 합금 또는 압축된 금속 분말 또는 세라믹 물체를 포함할 수 있다.
전술한 설명들은 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 개시된 실시 예들을 제조 및/또는 이용할 수 있게끔 하기 위해 제공된다. 이러한 양상들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 매우 자명할 것이고, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리들은 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고 다른 양상들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시 예들은 본 명세서에 제시된 양상들로 제한되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 일치되는 가장 넓은 범위를 따른다.

Claims (23)

  1. 전기화학적 전지 스택용 인터커넥트를 제조하는 방법으로서,
    상기 인터커넥트(interconnect)를 제공하는 단계; 및
    상기 인터커넥트를 상기 전기화학적 전지 스택 내에 배치하기 이전에 상기 인터커넥트를 크리프 평탄화(creep flattening)하는 단계;
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 크리프 평탄화는 하중(load) 하에서 승온(elevated temperature)에서 수행되는,
    방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 승온은 920 ℃ 내지 1100 ℃를 포함하고,
    상기 하중은 100 내지 500 파운드의 하중을 포함하며,
    상기 크리프 평탄화는 4시간 내지 60시간 동안 수행되는,
    방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 크리프 평탄화는 산화 분위기에서 수행되어 상기 크리프 평탄화 동안 상기 인터커넥트가 산화되는,
    방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 인터커넥트의 표면으로부터 금속 산화물을 제거하는 단계; 및
    상기 인터커넥트의 공기 흐름 필드(air flow field)에 위치하는 공기 측 리브(rib)들 상에 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM) 또는 (Mn, Co)3 O4 스피넬(MCO) 중 적어도 하나를 포함하는 코팅을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 크리프 평탄화 이전에 실온 초과의 온도에서 산화 분위기에서 상기 인터커넥트의 초기 산화를 수행하는 단계;
    더 포함하는, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 산화물을 제거하는 단계는, 상기 초기 산화 이후 및 상기 크리프 평탄화 이전에 이루어지고,
    상기 코팅을 형성하는 단계는, 상기 크리프 평탄화 이후에 이루어지는,
    방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 산화물을 제거하는 단계는, 상기 초기 산화 이후 및 상기 크리프 평탄화 이전에 이루어지고,
    상기 코팅을 형성하는 단계는, 상기 금속 산화물 제거 이후 및 상기 크리프 평탄화 이전에 이루어지는,
    방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 크리프 평탄화하는 단계는, 상기 초기 산화 이후 및 상기 금속 산화물 제거 이전에 이루어지고,
    상기 금속 산화물을 제거하는 단계는, 상기 크리프 평탄화 이후 및 상기 코팅 형성 이전에 이루어지는,
    방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 산화물을 제거하는 단계는, 상기 크리프 평탄화 이후 및 상기 코팅 형성 이전에 이루어지는,
    방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 공기 측은, 상기 공기 흐름 필드의 2개의 대향하는 측들 상에 배치되고 상기 연료 유입구들 및 배출구들을 둘러싸는 라이저 밀봉 표면들을 더 포함하고,
    상기 라이저 밀봉 표면들은, 상기 공기 측 리브들의 팁(tip)들 상의 코팅의 상단 표면에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 함몰(recess)되는,
    방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 인터커넥트는 3 내지 6 중량%의 철, 0 내지 1 중량%의 이트륨, 및 94 내지 97 중량%의 크로뮴을 포함하는 크로뮴 합금을 포함하고,
    상기 인터커넥트는 입방 센티미터 당 적어도 6.5 그램의 밀도를 가지며,
    상기 인터커넥트는 분말 야금 기법에 의해 형성되는,
    방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인터커넥트는 3 내지 3.9 중량%의 철, 및 96.1 내지 97 중량%의 크로뮴을 포함하는 크로뮴 합금을 포함하는,
    방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 크리프 평탄화 이후 상기 인터커넥트를 상기 전기화학적 스택 내에 배치하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기화학적 스택은, 고체 산화물 연료 전지들을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 포함하는,
    방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전기화학적 스택은, 고체 산화물 전해조 전지들을 포함하는 고체 산화물 전해조 전지 스택을 포함하는,
    방법.
  17. 전기화학적 전지 스택용 인터커넥트로서,
    상기 인터커넥트의 대향하는 제 1 및 제 2 주변 에지들에 인접하여 상기 인터커넥트를 통해 연장되는 연료 유입구들 및 배출구들;
    상기 인터커넥트의 제 3 주변 에지로부터 상기 제 3 주변 에지에 대향하는 상기 인터커넥트의 제 4 주변 에지까지 제 1 방향으로 연장되는 공기 채널들 및 공기 측 리브들을 포함하는 공기 흐름 필드, 및 상기 인터커넥트의 제 1 및 제 2 주변 에지들 상에 배치되는 라이저 밀봉 표면들을 포함하는, 공기 측 - 상기 라이저 밀봉 표면들은 상기 연료 유입구들 및 배출구를 둘러쌈 -;
    상기 공기 측에 대향하는 연료 측 - 상기 연료 측은 상기 연료 유입구들 및 배출구들 사이에서 상기 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 연장되는 연료 채널들 및 연료 측 리브들을 포함하는 연료 흐름 필드를 포함함 -; 및
    상기 공기 측 리브들 상에는 위치하지만 상기 라이저 밀봉 표면들 상에는 위치하지 않는 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite; LSM) 또는 (Mn, Co)3 O4 스피넬(MCO) 중 적어도 하나를 포함하는 코팅 - 상기 라이저 밀봉 표면들은 상기 공기 측 리브들의 팁들 상의 코팅의 상단 표면에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 함몰됨 -;
    을 포함하는, 인터커넥트.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 코팅은 약 85 내지 약 100 미크론의 두께를 갖고,
    상기 라이저 밀봉 표면들은, 상기 공기 측 리브들의 팁들 상의 코팅의 상단 표면에 걸쳐 연장되는 평면에 대해 약 85 내지 약 100 미크론만큼 함몰되는,
    인터커넥트.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 인터커넥트는 3 내지 6 중량%의 철, 0 내지 1 중량%의 이트륨, 및 94 내지 97 중량%의 크로뮴을 포함하는 크로뮴 합금을 포함하고,
    상기 인터커넥트는 입방 센티미터 당 적어도 6.5 그램의 밀도를 가지며,
    상기 인터커넥트는 분말 야금 기법에 의해 형성되는,
    인터커넥트.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 인터커넥트는 3 내지 3.9 중량%의 철, 및 96.1 내지 97 중량%의 크로뮴을 포함하는 크로뮴 합금을 포함하는,
    인터커넥트.
  21. 전기화학적 전지 스택으로서,
    제 17 항의 복수의 인터커넥트들;
    상기 복수의 인터커넥트들의 각각의 공기 측 리브들과 접촉하여 위치하는 복수의 전기화학적 전지들; 및
    각각의 전기화학적 전지와 상기 복수의 인터커넥트들 중 각각의 인접 인터커넥트의 라이저 밀봉 표면 사이에 위치하는 유리 또는 유리-세라믹 밀봉부들;
    을 포함하는, 전기화학적 전지 스택.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 전기화학적 전지들은 고체 산화물 연료 전지들을 포함하는,
    전기화학적 전지 스택.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 전기화학적 전지들은 고체 산화물 전해조 전지들을 포함하는,
    전기화학적 전지 스택.
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