자가-지지형 세라믹 멤브레인 및 전기화학 전지 및 이것을포함하는 전기화학 전지 적층체 document_id A220623068442

튜브형 고체 산화물 연료 전지 (SOFCs)는 SOFC에 대해 제안되는 다양한 디자인 중 가장 널리 실시된다. 이 구조에서, 다층 튜브가 캐소드, 전해질 및 애노드 층으로 제작된다. 애노드, 캐소드 및 전해질 각각에 의해 지지되는 튜브가 문헌에서 제안되었고 실시되었다. 전해질 및 캐소드 지지형 튜브로서 원형 튜브이기도 하고 평평한 튜브이기도 한 것이 웨스팅하우스 (Westinghouse) 및 지멘스-웨스팅하우스 파워 코포레이션 (Siemens-Westinghouse Power Corporation)에 의해 실시되었고, 애노드 지지형 튜브가 다양한 제조자에 의해 실시되었다. 튜브형 SOFC에서, 튜브가 애노드 지지형인지 또는 캐소드 지지형인지에 따라 연료 또는 공기가 튜브의 중심을 따라 흐르는 반면, 상보적인 혼합 기체가 튜브 바깥으로 흐른다. 그러한 튜브는 개방되거나 폐쇄된 말단을 가질 수 있으며 전형적으로 SOFC의 반응 구역 외에서 밀봉된다. 큰 튜브는 잘 패킹되지 않고 낮은 표면적 대 부피 비를 갖기 때문에, 종래의 튜브형 전지는 일반적으로 낮은 부피 또는 중량 전력 밀도를 겪는다. 작은 직경 (즉, 5 mm 미만)의 전해질 튜브가 캐소드 및 애노드 성분으로 코팅되는 마이크로 튜브형 SOFC는 종래 튜브의 단점을 일부 극복한다. 작은 직경의 마이크로 튜브를 밀봉하는 것이 종래의 튜브를 밀봉하는 것보다 간단하다. 또한 마이크로 튜브형 전지는 종래의 튜브형 전지와 관련이 있는 낮은 표면적 대 부피비의 문제도 극복한다. 그러나, 마이크로 튜브형 전지는 복잡한 복제 및 전기적 상호 연결 체계가 필요하여, 큰 전력 적층체로 확장하기 어렵다. 전극 또는 전해질 중 어느 하나에 의해 지지될 수 있는 평면형 SOFC 역시 널리 실시되어 왔다. 전극-지지형 전지는 전지의 기계적 하중을 견디는 부재를 제공하는 두꺼운 전극 요소와 전지 내에서 전해질 옴 저항을 극적으로 감소시키고 적절한 온도 (예컨대 800 ℃ 미만)에서 작동하도록 하는 얇은 전해질층을 갖는다. 전극 지지형 SOFC는 일반적으로 지지체 전극 재료와 전해질 재료의 얇은 코팅을 함께 소결함으로써 제조된다. 다른 제조 방법이 실시되기도 하였으나, 전극 지지체는 일반적으로 테이프 캐스팅, 캘린더링 또는 슬립 캐스팅된다. 얇은 전극은, 전해질 테이프의 라미네이팅, 스크린 프린팅, 캘린더링 및 스프레이 침적과 같은 (이에 한정되지 않음) 다양한 방법으로 침적될 수 있다. 전극-지지형 전지는 바람직하게는 소결 이후 두께가 20 마이크로미터 미만이고 전해질층이 전극 지지체에 잘 부착되는 전해질을 갖는다. 전극 지지형 평면형 SOFC는 캐소드 및 애노드 지지형 전지를 모두 포함한다. 캐소드 지지형 전지는 애노드 지지형 전지보다 경량이고 저비용일 가능성이 있다. 그러나, 캐소드 지지형 전지를 가공하는 것은, 대부분의 캐소드 재료를 전해질과 접촉하여 함께 소성하면 절연성 중간체 화합물이 생성되기 때문에 어렵다. 애노드 지지형 전해질이 저온 동작으로 인해 아마도 가장 널리 평가된 전지 형태이다. 애노드 지지형 전지를 가공하는 것은 비교적 쉬운데, 이는 애노드 재료와 지지되는 전해질 사이의 상호작용에 대한 염려 없이 1300 ℃를 초과하는 소결 온도가 고밀도 전해질을 얻는데 이용될 수 있기 때문이다. 평면형의 애노드 지지형 전지는 높은 지면 전력 밀도로 인해 염가용 대중 판매 시장에 있어 특히 매력적이다. 700 ℃에서 애노드 지지형 전지의 성능은 연료를 적게 사용하는 경우에서 작은 전지 내에서 1 W/cm2을 넘는 것으로 실시되었다. 적절한 밀봉 및 연결 기술을 이용해, 애노드 지지형 전지 적층체에 대해 0.4 W/cm2를 초과하는 전력 밀도가 보고되었다. 평면형 구조는 또한 패킹 효율에 있어 이점을 제공한다. 그러나, 애노드 지지형 전지가 단점이 없는 것은 아니다. 지지체 재료로서 종래의 니켈 산화물/이트륨 안정화 지르코니아 (NiO/YSZ) 복합체가 사용되는 경우, NiO가 니켈 금속으로 환원되어 전해질층에 스트레스를 주고, 이것이 이러한 환원 공정 동안 상당한 변형을 초래할 수 있다. 높은 전력 밀도 및 높은 연료 이용하에서 애노드-지지형 전지를 작동하는 것 역시 어렵다: 두꺼운 다공성 층이 전해질로부터 스트림이 빠르게 확산하는 것을 방해하고 높은 전류 밀도에서 전지 ASR을 증가시킨다. 또는, 전해질 지지형 평면형 전지는 전지의 기계적 강도를 제공하는 전해질층을 갖는다. 전해질층은 테이프 캐스팅 또는 다른 방법에 의해 제조될 수 있다. 전극은 일반적으로 나중에 스크린 프린팅 또는 스프레이 코팅에 의해 전해질에 적용되고 두번째 단계에서 소성된다. 강한 전극 접착을 달성하기 위해, 잉크 입자 크기, 조성물 및 표면적이 목표 소성 온도에 맞추어져야 하고 제작 동안 조절되어야 한다. 캐소드 및 애노드에 대해 요구되는 온도에 따라, 전극은 두개의 개별적 단계에서 또는 동시에 소결될 수 있다. 많은 경우에서, 애노드 잉크는 내화성이고 소결하기 더 어렵기 때문에 먼저 소성되고, 전해질/캐소드 상호작용의 가능성을 최소화하기 위해 캐소드 잉크가 낮은 온도의 두번째 단계에서 적용되고 소성된다. 전해질 지지형 전지는 SOFC의 제조에 있어 많은 이점을 제공한다. 전해질 지지형 전지의 밀봉은 전극 지지형 평면형 전지보다 간단할 것으로 기대되는데, 이는 밀봉 작업을 위한 고밀도의 부드러운 표면을 제공하는 전극 프린팅 동안 고밀도의 전해질 경계가 보존될 수 있기 때문이다. 전해질 지지형 전지는 또한 환원 동안 양호한 안정성을 갖는다. 애노드 잉크의 얇은 층만이 환원 공정에 의해 영향을 받기 때문에, 이 공정은 일반적으로 전지의 기계적 안정성에 약간의 영향만을 갖는다. 더 얇은 애노드층의 안팎으로의 기체 확산은 또한 스팀 확산 제한 (diffusion limitation)을 덜 걱정스러운 것으로 만든다. 그러나, 전해질은 일반적으로 애노드 또는 캐소드 재료에 비해 낮은 전체(bulk) 전도성을 나타내기 때문에 전해질 지지형 전지는 종종 전극 지지형 전지에 비해 훨씬 큰 면저항 (area specific resistance) 값을 나타낸다. 이러한 높은 면저항을 보완하기 위해 전해질 지지형 전지에 대한 동작 온도는 일반적으로 동일한 재료 세트를 이용하는 애노드 지지형 전지에 비해 더 높다. 전해질 지지형 전지의 높은 동작 온도는 금속성 상호연결 재료를 사용하기를 원하는 개발자들에게 있어 특히 장애가 될 수 있다. SOFC 분야에서의 30년 이상의 지속적인 연구에도 불구하고, 이러한 시스템은 상용화되지 못했다. 현존 전지 구조의 결점을 처리하는 개선된 SOFC 전지 디자인이 확인되기까지, 종래의 에너지 생산 경로에 의해 나타나는 상용화 장벽을 극복하기 어려울 것이다. 특히 평면형 전지를 고려하는 경우, 고성능 및 높은 기계적 강도를 갖고 현재 전해질 지지형 또는 애노드 지지형 전지에 비해 밀봉이 더 쉬운 전지가 SOFC의 상용화에 대한 수단을 제공하는데 필수적이다.