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KR20100106973A - 집전 구조체 - Google Patents

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KR20100106973A
KR20100106973A KR1020107013254A KR20107013254A KR20100106973A KR 20100106973 A KR20100106973 A KR 20100106973A KR 1020107013254 A KR1020107013254 A KR 1020107013254A KR 20107013254 A KR20107013254 A KR 20107013254A KR 20100106973 A KR20100106973 A KR 20100106973A
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KR
South Korea
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layer
current collector
electrically conductive
electrode layer
micrometers
Prior art date
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KR1020107013254A
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English (en)
Inventor
데이비드 매튜 리드
조이 마이클 코푸스
제린 루이스 네프
조나단 에이 레인
Original Assignee
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

전기화학 전지의 전극층에 전위를 분배하는 데 사용하는 집전 구조체. 전기화학 전지는 산소 이온의 이동을 위하여 전극층에 인접한 전해질층을 포함한다. 집전 구조체는 전극층상에 위치하는 다공성 전기 전도층을 포함한다. 추가로, 전기 전도성 물질로 형성된 적어도 하나의 긴 스트립 타입 층은 다공성 전기 전도층상에 위치하고, 전극층에 대향하고, 전극층의 길이 방향으로 배향된다.

Description

집전 구조체{CURRENT COLLECTOR STRUCTURE}
본 발명은 전기화학 전지의 전극층에 전위를 분배하는 집전 구조체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 다공성 전기 전도층이 전극상에 위치하고, 전기 전도성 물질로 형성된 하나 이상의 긴 스트립 타입 층이 다공성 전기 전도층상에 위치하는, 집전 구조체에 관한 것이다.
전기화학 전지는 산소 함유 공급물로부터 산소를 분리하기 위하여 사용한다. 분리의 목적은 정제 목적으로 공급물로부터 산소를 농축시키거나 산소를 제거하는 것일 수 있다.
전기화학 전지는, 전해질층을 가로질러 전위를 적용하도록 2개의 전극층 사이에 위치하는, 산소 이온을 전도하는 전해질층을 갖는다. 전극층들은 다공성이고 서브층들을 구비할 수 있는 반면, 전해질층은 기밀(air-tight) 치밀층이다. 그 결과로서 생긴 복합 구조체는 튜브의 형태일 수 있는데, 산소 함유 공급물이 튜브의 내부에 공급되고, 분리된 산소는 튜브의 외부에 수집된 후 분산된다. 그 반대가 가능한데, 산소는 튜브의 외부에 공급되고, 투과된 산소가 튜브의 내부에 수집될 수 있다. 다른 형태, 예를 들어 평평한 플레이트 및 벌집 타입 구조체가 가능하다.
전해질층은 전극층에 승온과 전위가 인가되는 경우 산소 이온을 전도할 수 있는 이온 전도체로 형성된다. 이러한 환경하에서, 산소 이온은 전해질층의 한 표면상에서 이온화될 것이고, 전위의 자극하에 전해질층을 통과하여 반대쪽으로 이동할 것인데, 여기서 산소 이온은 분자 산소로 재결합될 것이다. 전해질층을 형성하는 데 사용하는 일반적인 물질은 이트리아 안정화 지르코니아 및 가돌리늄 도핑된 세리아이다. 전위는 캐소드 전극과 애노드 전극을 통해 전해질층으로 적용된다. 산소는 캐소드에서 이온화되고, 산소 이온은 애노드에서 재결합된다. 일반적으로, 전극들은 전해질 물질과 전도성 금속, 금속 합금 또는 전기 전도성 페로브스카이트(perovskite)의 혼합물로 제조될 수 있다.
전극에 전류를 분배하기 위하여, 집전체는 전해질층에 대향하는 전극상에 층 형태로 활용된다. 몇몇 전기화학 전지에서는 캐소드 전극층만이 집전체층을 구비한다. 다른 전기화학 전지에서는 캐소드 전극층과 애노드 전극층 둘 다가 집전체를 구비한다. 그러나, 집전체층도 이온화 목적으로 산소를 집전체층을 통하여 전극층으로 이동시키도록 다공성이라는 점이 중요하다. 집전체층은 이동 저항을 최소화하기 위하여 가능한 얇게 제조한다. 그러나, 이는 집전체층의 전기 저항을 증가시킨다.
미국특허번호 6,457,657은 집전체가 세라믹 입자와 금속 전도성 입자의 혼합물로 형성되어 집전체의 에이징 특성을 개선하는 다공성 집전체를 개시한다. 이와 관련하여, 집전체가 금속과 금속 합금으로 제조되고, 전기화학 전지의 동작 온도가 주어진 경우, 이러한 구조체 내의 공극은 시간이 경과하면 폐쇄되는 경향이 있어 집전체를 통과하는 산소 이동을 감소시킨다.
다른 집전체는 층으로 형성되지 않는다. 예를 들어 미국특허 출원번호 2007/0003818 A1에서는 전극과 접촉하는 스프링 장착형 와이어 집전체를 사용한다. 문헌["High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications", Elsevier, pp. 219-220 by Singhal et al. (2004)]에는 랩형 와이어 집전체가 개시되어 있다. 문헌["Cathode Current-Collectors for a Novel Tubular SOFC Design", Journal of Power Sources 70, pp. 85-90 by Hatchwell et al. (1998)]에서는 은 스트립 및 은 와이어를 사용하여 전극에 전위를 분배한다.
논의할 바와 같이, 본 발명은 기타 장점들 중에서 다공성 전기 전도층을 전극층 위에 사용하는 집전 구조체를 제공하여 전위를 전극층의 표면 곳곳에 분배할 수 있다. 그러나, 본 발명은 집전체가 충분히 얇게 제조되어 이러한 층을 통과하는 분자 산소의 이동에 대한 저항을 최소화시키는 시도를 하므로 저항이 증가하는 구조체의 단점을 극복한다.
본 발명은 산소 이온의 이동을 위하여 전극층에 인접한 전해질층을 갖는 전기화학 전지의 전극층에 전위를 분배하는 집전 구조체를 제공한다. 집전 구조체는 전극층상에 위치하는 다공성 전기 전도층을 구비한다. 전기 전도성 물질로 형성된 적어도 하나의 긴 스트립 타입 층은 다공성 전기 전도층상에 위치하고, 전극층에 대향하고, 전극층의 길이 방향으로 배향된다.
다공성 전기 전도층은 금속산화물의 표면 퇴적물을 함유하는 금속 또는 금속 합금의 입자로 형성할 수 있다. 바람직하게는, 전기 전도성 물질 및 금속 또는 금속 합금은 은이고, 금속산화물은 지르코니아이다. 적어도 하나의 긴 스트립 타입 층 내의 은은 이론적인 은 밀도의 약 50% 내지 약 100%의 밀도를 가질 수 있다. 즉, 스트립 타입 층은 다공성이거나 공극이 없고 치밀할 수 있다.
긴 스트립 타입 층은 바람직하게는 각각 약 100마이크로미터 내지 약 1000마이크로미터의 두께 및 폭을 갖는다. 바람직하게는, 다공성 전기 전도층의 두께는 약 15마이크로미터 내지 약 25마이크로미터이다.
본 명세서는 출원인이 발명으로서 간주하는 대상을 명확하게 나타내는 특허청구범위로 끝을 맺지만, 본 발명은 첨부한 도면을 참조할 때 더욱 이해하게 될 것으로 생각된다.
도 1은 본 발명에 따른 집전 구조체를 갖는 관 형태의 전기화학 전지의 부분적이고 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 횡단면도이다.
도 3은 전기화학 전지의 전극에 적용되는 본 발명에 따른 집전체의 부분적인 전자현미경 사진이다.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명에 따른 집전 구조체를 포함하는 전기화학 전지(1)가 도시되어 있다.
전기화학 전지(1)는 약 400℃ 내지 1000℃와 같은 고온에서 이온 전도체인 세라믹으로 형성되는 전해질층(10)을 포함한다. 전기화학 전지(1)가 고온하에 있고, 전위가 전해질층(10)의 대향 표면들에 인가되는 경우, 산소 이온은 전해질층을 통해 전도되어 산소 투과물을 제공할 것이다. 따라서, 본 기술분야에 잘 알려진 바와 같이, 전기화학 전지는 절연된 인클로저(enclosure) 내에 위치하는데, 인클로저 내에서 전기화학 전지(1)는 가열되고, 산소 함유 스트림(14)이 공급되고, 이로부터 산소 투과물 스트림(16)이 방출된다.
예시한 실시양태에서 전기화학 전지(1)는 관 형태이다. 상술한 바와 같이, 평평한 플레이트와 같은 다른 형태도 가능하다. 산소 함유 스트림(14)은 전기화학 전지(1)의 외부와 접촉한다. 산소 함유 기체 내의 산소 이온은 전해질층(10)을 통과하여 전도된다. 산소 이온은 튜브의 내부에서 재결합하여 화살표(16)로 표기한 산소 투과물 스트림을 형성한다. 예시한 실시양태에서 전위는 전해질층(10)의 대향 면상에 위치하는 캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)에 인가된다. 캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)에 인가되는 전위(12)는 산소 이온 이동을 위한 구동력의 역할을 한다.
캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)은 열 양립성 목적으로 전해질층에 사용한 세라믹과 금속 또는 금속 합금의 혼합물로 형성할 수 있다. 예를 들어, 캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)은 전해질층(10)이 이트리아 안정화 지르코니아로 형성된 경우 이트리아 안정화 지르코니아와 은 입자의 혼합물로 형성할 수 있다. 가돌리늄 도핑된 세리아로 형성된 전해질층(10)의 경우, 캐소드 전극(18)과 애노드 전극(20)은 란타늄 스트론튬 철 코발트 산화물 65 중량% 및 그 나머지인 가돌리늄 도핑된 세리아를 함유하는 혼합물로 형성할 수 있다. 본원에서 예시한 예에서, 전해질층(10)은 스칸디아 안정화 지르코니아로 형성하고, 캐소드 전극(18)과 애노드 전극(20)은 란타늄 스트론튬 망간네이트 약 60 중량% 및 그 나머지인 스칸디아 안정화 지르코니아의 혼합물로 각각 형성한다. 산소가 전극(10)의 표면에 도달하기 위하여, 캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)은 다공성이고, 약 25% 내지 약 40%의 공극률 및 약 0.1 내지 약 2.0 마이크로미터의 공극 크기를 가질 수 있다. 전해질층(10)은 공극이 거의 없는 치밀층이고, 존재하는 임의의 공극도 연결되지 않아 전해질층(10)은 기밀층이다. 그러나, 본 발명은 임의의 구조 및 임의의 적합한 물질로 형성한 임의의 타입의 전기화학 전지에 적용될 수 있다는 점을 이해하게 된다.
본 발명의 집전 구조체는 캐소드 전극층(18)상에 위치한 다공성 전기 전도층(22)을 포함하고, 예시한 실시양태에서 2개의 스트립 타입 층(24 및 26) 각각은 서로 반대쪽에 위치하고 캐소드 전극층(18)에 대향하고, 2개의 스트립 타입 층(28 및 30)은 애노드 전극층(20)상에 위치한 다공성 전기 전도층(32)상에 위치한다. 그러나, 각 다공성 전기 전도층과 관련된 하나의 스트립 타입 층만이 존재하거나 전기화학 전지(1)의 크기에 따라 2개 초과의 스트립 타입 층이 존재할 수 있음을 알아야 한다.
인식할 수 있는 바와 같이, 상술한 집전 구조체는 본 기술분야에 알려진 특정 적용에서 캐소드 전극층(18)상에만 제공될 수 있다. 추가로, 예시한 구조체는 역전되어 튜브의 내부에 캐소드층(18)이 위치하고 튜브의 외부에 애노드층(20)이 위치할 수 있다. 이러한 경우 산소 함유 기체(14)는 튜브로 도입된다.
다공성 전기 전도층(22 및 32)은 산소가 캐소드 전극층(18)을 통과하여 전해질층(10)으로 투과하도록 다공성이어야 한다. 다공성 전기 전도층(22 또는 32)은 금속 또는 금속 합금 혹은 이들의 혼합물, 또는 금속과 지르코니아와 같은 금속산화물의 혼합물로 형성할 수 있지만, 바람직한 다공성 전기 전도층(22 또는 32)은 금속산화물의 표면 퇴적물(surface deposit)을 갖는 금속 또는 금속 합금을 함유하는 분말로 형성한다. 이러한 분말은 본 기술분야에 잘 알려진 방법, 예를 들어 워시-코팅 또는 기계적 합금화 방법으로 제조할 수 있다. 예시적인 목적을 위하여, FERRO S11000-02 분말로 표기된 은 분말을 3900 South Clinton Avenue, South Plainfield, New Jersey 07080 USA 소재 Ferro Corporation, Electronic Material Systems로부터 얻었다. 이러한 분말에 함유된 입자의 크기는 직경이 약 3 내지 약 10 마이크로미터이고, 입자는 약 0.2 ㎡/그램의 낮은 비표면적을 갖는다. 지르코니아 표면 퇴적물은, 지르코니아가 코팅된 입자의 약 0.25 중량%를 차지하도록 이러한 분말상에 형성되었다. 인식할 수 있는 바와 같이, 다른 전기 전도성 금속 및 금속 합금, 예컨대 Au, Pd, Pt, Ni, Ru, Rh, Ir 및 이러한 원소 중 둘 이상의 합금을 사용할 수 있다. 또한, 금속산화물은 지르코니아 외에 CeO2, 도핑된-ZrO2(예컨대, 이트리아 안정화 지르코니아 - YSZ), 도핑된 CeO2(예컨대, 가돌리니아 도핑된 세리아 - CGO), Y2O3, Al2O3, Cr2O3, MoO3, Nb2O5, TiO2, Ta2O5, SnO2, La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3, La0 .8Sr0 .2MnO3, La0 .8Sr0 .2FeO3, La0 .8Sr0 .2CrO3, 또는 La0 .8Sr0 .2CoO3일 수 있다.
금속 또는 금속 합금의 입자 크기는 상술한 입자 크기보다 클 수 있지만, 바람직하게는 입자 크기는 약 0.1마이크로미터 내지 약 20마이크로미터 범위이다. 추가로, 0.25% 중량%가 금속산화물의 특히 바람직한 함량이지만, 양이 전기 전도성 입자를 형성하는 데 이용한 금속 또는 금속 합금의 중량 이하이면 더 많은 양을 이용할 수 있다. 이와 관련하여, 전기 전도성 입자의 금속산화물 함량은 바람직하게는 약 0.05 중량% 내지 약 1.0 중량%이다. 상술한 중량 기준 함량은, 소결 후 집전체층을 형성하는 데 사용한 금속 또는 금속 합금 및 금속산화물이 집전체층 전체에 분포된다는 점에서 최종 집전체층에서 불변으로 유지될 것이다.
이러한 분말은, 슬러리 침지 적용 기법으로 전해질층(10) 및 캐소드 전극층(18) 및 애노드 전극층(20)을 포함하는 층형 구조체의 소결 형태의 캐소드 전극층(18)과 애노드 전극층(20)에 적용할 수 있다. 에어로졸 적용, 스크린 인쇄 및 테이프 캐스팅과 같은 다른 타입의 적용을 이용할 수 있다. 물론, 슬러리 함량은 이용하는 특정 타입의 적용에 맞도록 본 기술분야에 잘 알려진 방식으로 변화된다. 소결 형태는 압출, 사출성형, 이소프레싱(isopressing) 및 테이프 캐스팅과 같은 다양한 잘 알려진 기법 또는 이러한 기법들의 조합으로 제공될 수 있다. 층형 구조는 비소결 또는 그린(green) 상태인 것이 가능하다는 점을 알아야 한다. 이러한 경우, 다공성 전기 전도층(22)을 캐소드 전극층(18)에 그리고 다공성 전기 전도층(32)을 애노드 전극층(20)에 적용한 후, 코팅된 구조체를 함께 열처리하여 복합 구조체를 소결시킨다.
침지 코팅의 경우, 적합한 슬러리는 전기 전도성 입자 또는 분말을 에탄올 및 톨루엔과 같은 용매, 폴리비닐 부티랄과 같은 결합제, 및 디부틸 프탈레이트와 같은 가소제와 혼합하는 것과 같은 알려진 기법으로 형성할 수 있다. 청어 어유와 같은 분산제가 슬러리에 선택적으로 혼합될 수 있다. 상술한 바와 같은 Ferro Corporation으로부터 얻은 은 코팅된 입자의 경우, 슬러리는 이러한 제조업자의 권고에 따라, 즉 전도성 입자를 FERRO B-73210 Tape Casting Binder System(상술한 Ferro Corporation으로부터 입수가능함), 에탄올 및 톨루엔과 혼합하여 형성할 수 있다. 입자는 슬러리의 약 45 중량% 내지 약 75 중량%이다. 추가로, 결합제계는 슬러리의 약 20 중량% 내지 50 중량%이고, 그 나머지는 동일한 분량의 에탄올과 톨루엔이다. 바람직한 슬러리는 입자 약 70 중량%, 결합제계 20 중량% 및 그 나머지인 동일한 분량의 에탄올과 톨루엔이다. 분명하게도, 입자의 비율이 낮을수록, 원하는 두께의 형태를 얻도록 침지해야하는 시간은 길어진다. 이어서, 층형 구조체가 슬러리에 침지되고, 이어서 용매를 제거하고 결합제 및 가소제와 같은 유기 성분을 태우도록 건조 및 가열될 수 있다. 추가 가열은 집전체층을 부분적으로 소결시켜 필요한 다공성 전기 전도층(22 및 32)을 제공한다. 상술한 방식으로 형성된 다공성 전기 전도층(22 또는 32)은 두께가 바람직하게는 약 15마이크로미터 내지 약 25마이크로미터이고, 약 30% 내지 약 50%의 공극률을 갖는다. 약 1마이크로미터 내지 약 10마이크로미터 범위의 공극 크기가 특히 바람직하다. 공극 크기 또는 구체적으로 평균 공극 직경은 알려진 정량 입체 라인 교차점 분석 기법으로 측정한다. 잘 알려져 있지만, 이러한 기법에 대한 특정 참고문헌 및 그 설명은 문헌[Quantitative Stereology, by E.E. Underwood, Addison-Wesley Publishing Co., Reading MA, (1970)]에서 찾을 수 있다. 슬러리의 약 45 중량% 내지 약 75 중량%인 전기 전도성 입자의 함량이 다공성 전기 전도층(22)에 대한 상술한 두께 범위를 제공하는 데 필요하다는 점을 알아야 한다.
인식할 수 있는 바와 같이, 두께, 공극률 및 공극 크기는 슬러리 구성, 침지 코팅의 횟수 및 입자 크기를 변경함으로써 변할 수 있다. 또한, 다공성 전기 전도층(22 및 32)이 은과 같은 금속 또는 다른 금속 또는 금속 합금 또는 다른 적합한 전기 전도성 물질 혼합물로 형성되는 경우에도, 그 결과로서 생긴 층은 상술한 두께, 공극률 및 공극 크기를 가질 수 있다.
긴 스트립 타입 층(24, 26, 28 및 30)은 각각 약 50마이크로미터 내지 약 2000마이크로미터인 두께 및 폭을 가질 수 있고, 이론적인 은 밀도의 약 50% 내지 100%일 수 있다. 100% 이론적인 밀도의 경우, 긴 스트립 타입 층(24 및 26)은 다공성이 아니다. 이 층들은 Ferro Corporation으로부터 결합제 B73210으로서 얻을 수 있는 21그램의 결합제와 혼합된 Ferro Corporation으로부터 얻은 FERRO SF4MA 은 플레이크의 슬러리로 형성될 수 있다. 혼합물은 25그램의 지르코니아 밀링 매체 함유 코팅된 유리병에 넣고 약 8시간 동안 흔들 수 있다. 긴 스트립 타입 층(24 및 26)은 주사기를 사용하여 튜브의 길이를 따라 적용할 수 있다. 긴 스트립 타입 층(28 및 30)은 약 1.3㎜의 작은 측면 개구부를 갖는 PTFE로 형성된 튜브를 전기화학 전지(1)를 형성하는 복합 구조체 내에 위치시킴으로써 형성할 수 있다. 이어서, 은과 결합제의 혼합물을 복합 구조체에 주입하고 빼낼 수 있다. 예를 들어, 소정 길이의 #16 PTFE 튜브(Cole-Parmer)가 단일 다공성 전극 및 집전체 코팅된 전해질 튜브에 완전히 삽입되고, 그 한 단부는, 17GA 니들이 구비되고, 은 페이스트로 충전된 30㎖ 주사기에 부착된다. 전해질 튜브가 18 초/피트의 속도로 선형적으로 당겨짐에 따라 은 페이스트는 40psi 압출 압력 설정을 이용하여 튜브의 내부 길이를 따라 가는 은 스트립으로 분배된다. 고정된 주사기의 니들 구멍을 통해 유지되는 PTFE 튜브를 사용하여, 은 스트립이 다공성 전극과 은 집전체로 코팅된 전해질 튜브의 외부에 동일한 방식으로 적용된다.
적용 후, 그 결과로서 생긴 스트립 타입 층들을 포함하는 복합 구조체는 약 850℃로 열처리하여 스트립 타입 층들을 밑에 있는 전기 전도성 다공층(22)과 전기 전도성 다공층(32)에 부착시켜 스트립 타입 층(24, 26, 28 및 30)을 제공한다.
도 3을 참조하면, 캐소드 전극층(18) 및 애노드 전극층(20) 각각이 약 60 중량% 란타늄 스트론튬 망간네이트 및 그 나머지인 스칸디아 안정화 지르코니아의 복합물로 형성되고, 전해질층(10)이 스칸디아 안정화 지르코니아로 형성된, 상술한 타입의 전기화학 전지(1)가 형성되었다. 예시에서, 전해질층(10)은 두께가 약 500마이크로미터이고, 캐소드 전극층(18) 및 애노드 전극층(20) 각각은 두께가 약 40마이크로미터이다. 전기 전도성 다공층(22 및 32) 각각은 약 0.25 중량% 지르코니아의 표면 퇴적물을 갖는 은 입자로 형성되는데, 은 입자는 약 7마이크로미터의 크기를 갖는다. 전기 전도성 다공층(22 및 32)은 약 20마이크로미터의 두께, 약 12마이크로미터의 공극 크기 및 약 50 부피%의 공극률을 가졌다. 스트립 타입 층(24, 26, 28 및 30) 각각은 상술한 방식으로 은으로 형성되었고, 약 300마이크로미터 및 약 800마이크로미터의 두께 및 폭을 각각 가졌다.
본 발명은 바람직한 실시양태를 참조하여 기술하지만, 본 기술분야의 숙련자가 인식할 수 있는 바와 같이, 첨부한 특허청구범위에서 설명하는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 수많은 부가, 생략 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (6)

  1. 산소 이온의 이동을 위하여 전극층에 인접한 전해질층을 갖는 전기화학 전지의 전극층에 전위를 분배하는 집전 구조체로서,
    상기 집전 구조체는,
    전극층상에 위치하는 다공성 전기 전도층; 및
    다공성 전기 전도층상에 위치하고, 전극층에 대향하고, 전극층의 길이 방향으로 배향하는, 전기 전도성 물질로 형성된 적어도 하나의 긴 스트립 타입 층
    을 포함하는 집전 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    다공성 전기 전도층은 금속산화물의 표면 퇴적물을 함유하는 금속 또는 금속 합금의 입자로 형성되는 집전 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    전기 전도성 물질 및 금속 또는 금속 합금은 은이고, 금속산화물은 지르코니아인 집전 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    적어도 하나의 긴 스트립 타입 층 내의 은은 이론적인 은 밀도의 약 50% 내지 약 100%인 집전 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    적어도 하나의 긴 스트립 타입 층은 각각 약 50마이크로미터 내지 약 2000마이크로미터인 두께 및 폭을 갖는 집전 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    다공성 전기 전도층은 두께가 약 15마이크로미터 내지 약 25마이크로미터인 집전 구조체.
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5244423B2 (ja) * 2008-02-29 2013-07-24 株式会社東芝 固体酸化物型電気化学セル、およびその製造方法
US8465630B2 (en) * 2008-11-10 2013-06-18 Praxair Technology, Inc. Oxygen separation assembly and method
JP5834914B2 (ja) * 2011-12-29 2015-12-24 Toto株式会社 固体酸化物形燃料電池セル
CN107681172A (zh) * 2017-08-31 2018-02-09 佛山索弗克氢能源有限公司 Sofc管式单电池电流集流管的制备方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2796861B1 (fr) * 1999-07-26 2001-11-09 Air Liquide Nouvelle membrane ceramique conductrice par ions oxyde, utilisation de ladite membrane pour separer l'oxygene de l' air ou d'un melange gazeux en contenant
AUPQ315499A0 (en) * 1999-09-29 1999-10-21 Ceramic Fuel Cells Limited Fuel cell assembly
US7566509B2 (en) * 2003-11-18 2009-07-28 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Tubular fuel cell and method of producing the same
US7449262B2 (en) * 2004-12-09 2008-11-11 Praxair Technology, Inc. Current collector to conduct an electrical current to or from an electrode layer
US7758993B2 (en) * 2005-06-30 2010-07-20 Worldwide Energy, Inc. Of Delaware Tubular solid oxide fuel cell current collector

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