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KR20030036705A - 고온형 가스 실 - Google Patents

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KR20030036705A
KR20030036705A KR10-2003-7002350A KR20037002350A KR20030036705A KR 20030036705 A KR20030036705 A KR 20030036705A KR 20037002350 A KR20037002350 A KR 20037002350A KR 20030036705 A KR20030036705 A KR 20030036705A
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KR
South Korea
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ceramic
alumina
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sealant
Prior art date
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Withdrawn
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KR10-2003-7002350A
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English (en)
Inventor
고쉬데바브라타
톰슨스코트
Original Assignee
글로벌 써모일렉트릭 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.)
Filing date
Publication date
Application filed by 글로벌 써모일렉트릭 인코포레이티드 filed Critical 글로벌 써모일렉트릭 인코포레이티드
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Abstract

복수의 고체 입자로 함침된 섬유 매트릭스로부터 고체상태 산화물 연료전지 스택에 사용하기 위한 신축성 있는 실이 형성된다. 섬유와 입자는 세라믹인 것이 바람직하며, 알루미나 또는 지르코니아로 형성하는 것이 가능하다. 실은 섬유 매트릭스를 입자의 슬러리로 알콜에 침지하고, 시일을 건조시키며, 연료전지 스택에 설치하기에 앞서 예비압축하여 형성된다.

Description

고온형 가스 실{HIGH TEMPERATURE GAS SEALS}
평판형의 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC로 약칭) 스택은 세라믹 전기화학 전지막, 금속 인터커넥트(metallic interconnects) 및 실의 배치(an arrangement of seals)라는 3가지 기본 구성을 갖는다. SOFC 막은, 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 기능을 수행하기 위하여, 산화제가스에 노출되는 하나의 전기화학면과 연료가스에 노출되는 다른 하나의 전기화학면을 반드시 가지며, 이 2개의 면 모두 600℃ 이상의 작동온도에서 노출된다. 금속 인터커넥트에 의하여 연료가스 및 산화제가스는 개별 플레넘을 이용하여 전지에 분배되고, 금속 인터커넥트가 연료 스택 배치의 셀 사이에 배열되면, 하나의 전지로부터 다른 전지로 전류가 전달된다. SOFC 스택에서의 전지와 인터커넥트 사이에 필요한 가스 실은 가스 침투에 대한 적절한 내성을 가져, 반응물을 가스 분배 플레넘내에 유지하고 셀과 인터커넥트사이가 적절하게 전기적으로 분리될 수 있어야 한다. 상기 실은 시간이 지남에 따라 크게 열화되지 않아야 하며, 열순환이 가능한 것이 바람직할 것이다.
종래의 밀봉 방법들은 모두 평판형 SOFC 스택의 사용에 문제점이 있다. 종래의 대부분의 실은 밀봉될 2개의 부재 사이에서 결정화된 유리이기 때문에, 부서지기 쉬운(brittle) 가스 밀폐 실이 된다. 유리 실이 갖는 이러한 문제점은 스택을 상온으로부터 700-900℃의 작동온도로 열순환시킬 필요성에 위하여 생긴 것이다. 여러 스택 성분들은 완전하게 부합되는 자체 열팽창 계수를 가지지 않는 경향이 있어, 전지의 열순환시에 변형력(stresses)이 생기게 된다. 열팽창 계수가 부합되는 경우라 하더라도, 스택내의 열전도율은 부합하지 않는 것이 일반적이며, 이에 의하여 열팽창이 균일하지 않게 된다. 유리는 부서지기 쉬운 성질을 가지고 있기 때문에, 열순환 조건하에서는 파열되어 손상된다. 이러한 유리의 부서지기 쉬운 성질 때문에, 유리 실은 충격이나 진동에 의하여 파괴되기가 쉽다. 이러한 유리 실의 문제점은 전지가 차량에 사용되는 경우에 더 많이 생긴다. 유리 실의 다른 문제점으로는, 유리 실이 전자촉매 전지와 화학적으로 부합하지 않아, 작동중에 전력이 열화되는 문제점이 있다. SOFC는 많은 유리 실에 함유되어 있는 알칼리 원소에 특히 영향을 많이 받는데, 이 알칼리 원소가 SOFC 촉매에 악영향을 미칠 수 있다.
다른 종래의 실로서 운모로 만들어진 것이 있는데, 이것은 고온에 내성이 있는 반면, 통상적으로 연료전지 입력가스를 격리시키기 위한 적절한 실을 제공하지는 못한다. 또, 운모는 전지에 미네럴을 침출시켜 촉매작용이 원활하게 수행되지 못하게 한다고 알려져 있다. 다른 문제점으로서, 운모시트의 두께와 운모의 상대적 비압축율에 고유편차가 있다는 것이 알려져 있다. 이러한 요인들 모두가 효과적인 실을 형성하는데 방해가 된다.
그러므로, 종래기술에서의 문제점을 완화 내지 해소하는 SOFC에 사용하기 적절한 실에 관한 기술이 필요하다.
본 발명은 고온형의 가스 실에 관한 것으로, 특히 고체산화물 연료전지 스택의 전지에 사용하기 위한 고온형의 가스 실에 관한 것이다.
이하, 본 발명을, 간단하게 표현되고, 개략적으로 도시되어 있으며, 실척이 아닌 첨부 도면을 참조하여 실시예로서 개시한다.
도 1은 본 발명의 적소에 있는 실을 나타내는 연료전지의 배치도.
도 2는 본 발명의 실을 어느 정도 개략적인 형태로 나타내는 단면도.
도 3은 입자를 충전(充塡)하기에 앞서 알루미나 섬유 매트릭스를 3000X 배율로 확대한 주사전자현미경(SEM) 사진.
도 4는 압축을 행하기에 앞서 지르코니아 입자로 충전된 후 알루미나 섬유 매트릭스를 5000X의 배율로 확대한 SEM 사진.
도 5는 충전된 알루미나 섬유 매트릭스를 1000X의 배율로 확대한 SEM 사진.
도 6은 예비압축 후 충전된 알루미나 섬유 매트릭스를 10,000X의 배율로 확대한 SEM 사진.
본 발명은 전지를 작동시킬 필요가 있는 조악한 작동 환경하에서도 SOFC의 전지들을 효과적으로 밀봉시키기 위한 개스킷형 밀봉 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일면에 따르면, SOFC 스택내에서 인접한 전지들로부터 고체산화물 연료전지를 밀봉하고, 입력 가스가 스택을 통해 이동하도록 하면서 이들을 밀봉하기 위한 실이 제공된다. 본원의 일 실시예에서, 상기 실은 세라믹 섬유의 매트릭스와 이 세라믹 섬유 사이에 산재된 복수의 고체입자를 구비한다.
일 실시예에서, 상기 실은 접착물질, 바람직하게는 무기 접착제를 추가로 구비한다. 섬유는 무작위 배향될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 실은 사용 전에 예비압축시켜 놓을 수 있다.
상기 세라믹 섬유로서는, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 마그네시아 또는 실리카를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 고체 입자는, 세라믹 입자, 유리 입자 또는 SOFC 스택의 작동온도에서 열화 및 소결에 내성을 가질 수 있는 다른 불활성물질일 수 있다. 이러한 입자가 세라믹 입자인 경우, 그 입자는 알루미나, 지로코니아, 티타니아, 마그네시아 또는 실리카를 포함하는 그룹으로부터 선택이 가능하다.
일 실시예에서, 상기 입자의 실질적인 부분 또는 모든 부분은 미크론단위이하(submicronic)의 세라믹 입자이다. 이 세라믹 입자는 그 입자 크기가 대략 0.50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이 세라믹 입자는 2개의 부분을 구비하는데, 그 중 제1 부분의 입자의 크기가 제2 부분의 입자의 크기보다 큰 것이 더 바람직하다. 상기 제1 부분은 그 입자 크기를 대략 0.50㎛로 하고, 상기 제2 부분은 그 입자 크기를 대략 0.17㎛ 이하로 할 수 있다. 다른 예로서, 상기 제1 부분은 그 입자 크기를 대략 0.50㎛로 하고, 상기 제2 부분은 그 입자 크기를 대략 0.06㎛ 이하로 할 수 있다. 입자 크기가 작은 것에 대하여 입자 크기가 큰 것의 비율을 변화시켜 밀봉 성능을 최대로 달성하는 것이 가능하다.
본 발명은 600℃를 초과하는 온도에서 작동하고 열순환을 거치는 고체산화물 연료전지에 사용하기 적당한 신축성 있는 실(flexible seal)을 제공한다. 본 발명을 개시함에 있어, 다음에 기술하는 용어는 다른 의미로 사용한다는 표시가 없으면 본 명세서에서 정의하는 의미를 갖는 것으로 한다. 본 명세서에서 정의하지 않은 용어는 당업계에서 통상적으로 인식하고 있는 의미를 갖는 것으로 한다.
"세라믹"은 금속 산화물(예컨대, 알루미늄, 규소, 마그네슘, 지르코늄, 티타튬, 크롬, 란탄, 하프늄, 이트륨 및 이들의 혼합물의 산화물)을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 우세한 공유결합 또는 이온결합이 있는 무기 비금속 고체물질, 탄화물(예컨대, 티타늄, 텅스텐, 보론, 규소의 탄화물), 규화물(예컨대, 몰리브덴 디시실리사이드), 질화물(예컨대, 보론, 알루미늄, 티타늄, 규소의 질화물) 및 붕화물(예컨대, 텅스텐, 티타늄, 우라늄의 붕화물) 및 이들의 혼합물을 포함하지만 이들에 한정되지 않는 비산화물 화합물, 스피넬, 티탄산염(예컨대, 바륨, 납, 납 지르코늄 티타네이트, 스트론튬 티타네이트, 철 티타네이트), 세라믹 초전도체, 제올라이트, 세라믹 고체이온 반도체(이트륨 안정화 지르코니아, 베타-알루미나 및 납고)를 말한다.
도 1에는 연료전지 스택의 일부가 도시되어 있다. 2개의 인터커낵트(20)와 연료전지(22) 사이에 실(10a)이 끼워져 있다. 실(10b)은 가스 매니폴드(24)를 둘러싸서, 연료와 공기를 전지와 분리시킨다. 이들 2개의 가스 흐름은 효율성과 안정성을 위하여 그들 자체의 매니폴드의 내부에 밀봉된다. 본 발명의 실(10a, 10b)은 도시되어 있는 형태나 구성을 갖는 실에 한정되지 않으며, 연료전지 스택의 구성도 청구된 발명을 한정할 의도의 구성이 아니다.
도 2는, 세라믹 섬유 매트릭스(12)와 이 세라믹 섬유 매트릭스(12)의 내부에 산재되어 있는 복수의 세라믹 입자(14)로 이루어진 실(10)을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 상기 섬유(12)와 입자(14)는 모두 적당한 세라믹 물질이면 어떠한 것이든 사용이 가능하다. 적당한 세라믹 물질은 불활성 또는 연료전지 환경, 인터커넥트 및 연료전지 가스에 화학적으로 부합하는 것이 바람직하고, 연료전지의 동작온도에서 소결을 방지하는 것이 바람직할 것이다. 상기 섬유는 전지의 작동온도에서 신축성을 유지할 수 있고, 섬유 매트릭스내에서 세라믹 충전제 입자를 함유하여야 한다. 상기 섬유와 입자는 작동온도에서 소결되어서는 안되며, 상기 입자는 섬유 매트릭스에 있는 빈공간을 충분하게 충전하여 스택 가스에 대하여 실질적으로 침투가 불가능한 실을 형성할 수 있어야 한다.
상기 섬유와 충전제 입자(filler particles)는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 마그네시아 또는 다른 적당한 세라믹 물질이나 적당한 세라믹 물질의 혼합물이 될 수 있다. 실리카도 사용할 수는 있지만, 실리카는 수소와 반응하여 증발하는 성질이 있기 때문에 대부분의 용도에는 적합하지 않다. 일예로, 상기 섬유가 알루미나이고, 상기 충전제 입자는 지르코니아 또는 알루미나이다. 많은 다른 배합이 가능하며, 적당한 세라믹 물질을 선택해도 당업계의 통상적인 기술로서 사용이 가능할 것이다.
금속성 섬유 또는 입자를 사용할 수도 있지만, 금속성 섬유나 입자는 전기적으로 도전성이 있어, 연료전지의 작동온도에서 불안정하거나 산화되고, 작동온도에서 소결(sinter)되거나 합체(coalesce)되는 경향이 있기 때문에, 바람직하지는 않다. 그럼에도 불구하고, 특정의 용도에서는 세라믹 물질 대신에 특정 금속을 사용하는 것이 가능하다.
상기 섬유 매트릭스는 다공성 매트 또는 펠트(highly porous mat or felt)로 형성된 무작위 배향된 섬유로 형성될 수 있다. 또한, 섬유는 직포로 하거나 특정의 배향을 갖도록 할 수 있다. 일예로서, 상기 섬유 매트릭스는 대략 90%의 공극률을 가질 수 있으며, 평방피드당 대략 4 파운드 내지 대략 15 파운드(pound/ft3)의 범위의 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 그 섬유 매트릭스는 압축성이 좋다. 섬유 매트릭스의 압축성이 좋은 경우라 하더라도, 섬유 매트릭스 자체는 밀봉 성분으로서는 적합하지 않다. 본 발명에서는, 적절한 밀봉 성능을 제공하는 섬유 매트릭스내의 입자들을 배합한다. 상기 실이 연료전지 스택에서 압축되거나 예비압축되면, 입자는 존재 가능한 누설 경로를 차단하여, 밀봉하지 않으면서도 효과적인 시일을 제공한다. 상기 실의 세라믹 성분은 비소결성이기 때문에, 실은 신축성 있게 되거나, 파열되지 않고 열팽창 또는 수축이 가능하다. 또한, 상기 실은 전지의 접하는 면에 부착되지 않기 때문에, 실에 접하는 전지의 많은 부분이 열의 차이에 의하여 이동할 때 서로 미끄러져 이동하는 것이 가능하게 된다. 또한, 이에 의하여, 차량에 사용되는 경우라 하더라도 상기 실은 진동에 대하여 내구성을 갖게 된다.
바람직한 실시예로서, 본 발명의 실은 SOFC 스택에 사용하기에 앞서 예비압축시키는 것이 가능하다. 예비압축하는 과정에서 달성되는 압축력은 연료전지 스택내에서 달성되는 압축력보다 클 수 있기 때문에, 예비압축하지 않은 실에 비해 예비압축한 실을 사용하면 더 큰 성능 이득을 얻는 것이 가능하다. 상기 실은 유압 프레스에서 압축시키는 것이 가능하고, 예비압축을 크게 하면 밀봉 성능이 향상되지만, 실이 프레스의 압판에 들러붙는 경우 압축한 후에 프레스로부터 실을 회수하는 것이 어려울 수 있다. 이러한 실의 점착(sticking)을 감소시키는데 사용될 수 있는 공지된 방법은 많이 있다. 바람직한 방법으로서, 프레스 압판과 실 사이에 비점착성 코팅이나 종이시트 등의 릴리즈 재료를 사용하는 것이 있다.
도 3은 구입 가능한 알루미나 섬유종이의 형태인 섬유 매트릭스를 현미경 사진으로 나타낸 것으로, 압축하지 않은 상태로 제조업자로부터 구입한 것이며, 세라믹 입자가 없다. 그 섬유 사이의 큰 공간들로 연료전지 가스가 누설되기 때문에 바람직하지 않은 실이 된다. 상기 언급한 바와 같이, 이러한 문제점은 매트릭스내의 빈공간을 세라믹 미립자로 충전함으로써 해결이 가능하며, 이러한 미립자는 도 4, 5 및 6에 현미경사진으로 나타나 있다. 도 4는 상기 섬유를 5000X의 배율로 확대한 것으로, 미립자가 섬유를 둘러싸서 충전되어 있으며, 매트릭스내의 빈공간을 채우고 있는 모양을 나타낸다. 도 5는 상기 섬유와 분말(powder)을 1000X의 배율로 확대한 것으로, 압축하기 전에, 분말이 섬유를 조밀하지 않게 채우고 있는 모양을 나타내고 있다. 도 6은 지르코니아 입자로 충전된 섬유 매트릭스를 10,000X의 배율로 확대한 것으로, 실을 더 밀집된 매트릭스로 압축한 후의 분말 입자가 섬유에 부착된 모양을 나타낸다.
본 발명의 실은 밀봉 실을 제공하려는 의도를 갖는 것이 아니다. 상기 섬유매트릭스내의 세라믹 분말이 충분히 조밀하게 압축되어 가스에 대해 누설이 매우 어려운 경로를 형성할 때, 효과적인 실이 형성된다. 상기 섬유 매트릭스는 세라믹 분말에 대해 물리적으로 억제하는 기능을 하면서, 섬유 매트릭스의 모양이 원하는 모양대로 형성되도록 하고 그 모양이 사용 중 계속 유지되도록 한다. 세라믹 분말은 알루미나 매트릭스내에 매우 조밀하게 충전되지만, 인접하는 부재와 소결작용을 일으키지 않으며, 통상 600℃ 내지 800℃의 범위를 갖는 연료전지의 동작온도에서 소결되지 않은 상태를 유지한다. 따라서, 실은 어느 정도의 신축성을 유지하게 된다.
상기 세라믹 입자는 그 크기가 미크론단위 이하의 균일한 크기를 가지며, 지르코니아 또는 알루미나 입자로 구성할 수 있다. 바람직한 일예로서, 상기 입자는 그 직경을 0.5㎛ 이하로 한다. 다른 예에서, 상기 입자는 그 직경을 0.17㎛ 이하로 한다. 직경을 더 크게(0.5㎛) 한 입자와 더 작게(0.17㎛) 한 입자를 혼합한 예에서 매우 양호한 결과가 얻어졌다. 바람직한 일예로서, 현탁액을 직경이 더 큰 지르코니아 입자 8체적% 현탁액 및 더 작은 지르코니아 입자 8체적%로 하고, 직경이 더 큰 입자에 대한 직경이 더 작은 입자의 비율을 55:45로 혼합하여 현탁액을 제조함으로써 매우 효과적인 실이 만들어 졌다. 다른 예로서, 직경이 큰(0.5㎛) 입자와 직경이 매우 작은(0.02㎛ 내지 0.06㎛) 입자를 혼합하여도 효과적인 실이 만들어졌다.
이러한 실은 임의의 적당한 두께를 가질 수 있으며, 이 두께는 입자를 함침하기 전의 섬유 매트릭스의 두께에 크게 좌우된다. 일예로서, 실은 예비압축하기에 앞서 그 두께를 대략 0.020" 내지 대략 0.067"(0.51mm 내지 대략 1.70mm)의 범위로 할 수 있다. 실을 예비압축시켰다면, 실은 대략 0.008"(0.20mm)의 두께로 압축될 수 있다.
실은 적절한 임의의 공정으로 형성이 가능하다. 실은, 먼저 짧은 알루미나 섬유로부터 알루미나 펠트를 형성하고, 이를 원하는 두께의 시트로 형성 및 압연하여 만들어질 수 있다. 적당한 알루미나 섬유 펠트 또는 세라믹 종이는, 예컨대 조지아주 오거스카에 소재한 Thermal Ceramics에서 구입 가능한 KaowoolTM을 이용할 수 있다. KaowoolTM은 소량 비율의 실리카 섬유와 유기 접착제를 함유한다. 이 유기 접착제는 맨 처음 사용할 때 연료전지 동작온도가 상승함으로써 증발해버리거나 연소되어 버릴 것이다. 실을 형성한 후, 펠트는 알콜 등의 액체매질 중 지르코니아 분말의 현탁액에 담겨진다. 이 액체매질은 임의의 액체가 될 수 있지만, 표면장력이 작고 어느 정도의 휘발성이 있어 증발이 빨리 되는 것이 바람직하다. 따라서, 에탄올이나 이소프로판올 등의 알콜이 효과적인 액체매질이 된다. 지르코니아 분말은 펠트의 모세관 작용에 의해 펠트의 매트릭스로 끌어당겨지고, 이에 의하여 적당하게 조밀한 밀봉 매질이 형성된다. 지르코니아 분말의 흡착 후, 펠트는 건조되어 에탄올이 제거되며, 원하는 실을 만드는데 필요한 크기와 모양으로 절단 및 천공된다. 다음으로, 실을 설치하기에 앞서 예비압축하거나, 절단 또는 천공하기에 앞서 예비압축할 수 있다.
다른 방법으로서, 실을 몰드에서 진공 성형하는 것이 가능하다. 이 방법에서는, 다공의 스테인레스 스틸로 필요한 모양의 몰드를 만든다. 섬유, 입자, 액체매질, 분산물, 유기 접착제 및 무기 접착제의 슬러리를 혼합하여 몰드에 붓고, 진공하에서 압축하여 원하는 모양을 만든다. 이렇게 형성한 후, 실을 몰드로부터 떼어내고, 터널오븐에서 연속하여 소성시킨다. 몰드로부터 떼어낸 후, 유기 접착제에 의하여 실은 그 모양이 유지되고, 오븐에서 소성시키면서 유기 접착제는 없어진다. 소성시키는 동안에, 무기 접착제가 유기 접착제의 역활을 하여, 실이 소성 공정을 거친 후 그 최종적인 모양을 유지하도록 한다. 무기 접착제는 그 전까지 자체적으로는 소결되지 않았던 섬유와 입자를 함께 유지하여 소결되도록 한다.
다른 실시예로서, 섬유 매트릭스에 매우 작은 입자를 형성하는데 졸-겔 공정(sol-gel process)이 이용될 수 있다. 졸 공정에 의하여 매우 작은 세라믹 입자가 형성될 수 있으며, 이에 의하여 세라믹 입자의 섬유 매트릭스에의 침투력이 높아진다. 졸의 제조는 당업계에 공지되어 있다. 적당한 세라믹 졸도 이용이 가능하다. 예를 들어, 카르복실레이트-치환된 알루목산 등의 유기-금속 알루미늄 화합물의 산성 가수분해에 의하여 알루미나 졸-겔이 형성될 수 있다. 졸 입자는 엄밀하게 측정된 양의 물을 졸에 첨가하여 혼합하면 만들어진다. 이에 의하여, pH가 변화하고, 매우 작고 균일한 알루미나 입자가 형성되어 콜로이드성 분산물이 된다. 이 콜로이드성 분산물은 상기 언급한 현탁화된 분말과 동일한 방법으로 이용이 가능하다. 또한, 입자는 원심분리 또는 필터링에 의하여 리클레임되고, 알콜 등의 적당한 액체매질에서 재현탁될 수 있다.
이러한 졸 과정을 이용하여, 더 작은 세라믹 입자가 상기 실 내에 더 높은수준의 입자의 충전이 이루어진다. 이 더 높은 수준의 충전에 의하여, 섬유 매트릭스의 빈공간이 더 완전하게 채우질 것이며, 실을 통하여 흐를 수 있는 가스에 대하여 그 흐름을 더 어렵게 하는 경로가 형성될 것이다. 이에 의하면, 누설율은 낮고 성능은 높은 실이 된다. 졸-겔 공정은 알루미나 입자보다 비용이 더 많이 들기 때문에, 졸 공정은 상기 언급한 알루미나 입자와 함께 침지하여 사용할 수 있다. 알루미나 입자와 함께 사용하는 경우, 배합된 알루미나 분말 졸-겔 공정은 알루미나 섬유들 사이의 공간을 약 80% 채우게 된다. 알루미나 입자와 함께 침지함으로써, 이론적으로는 최대 64%의 충전이 가능하다.
졸-겔 공정에 의하면, 침지 공정에서 이용된 알루미나 입자보다 대략 더 작은 크기의 모양을 가진 입자가 만들어지고, 이들 미립자가 알루미나 입자와 섬유 사이의 입자간 공간을 채우게 된다. 상기 2가지 유형의 입자들은 그 크기가 다르기 때문에, 충전이 더 효과적으로 되어, 더 조밀한 실이 된다. 밀도가 증가하고 이에 대응하여 공극률이 낮아지게 되면, 종래의 공지된 실보다 누설율이 낮은 실이 된다.
졸-겔 공정은 알루미나 입자로 침지하는 공정에 비하여 비용이 훨씬 더 많이 들지만, 더 효과적인 실을 만들 수 있다. 비용과 성능을 합리적으로 고려하여 알루미나 분말과 알루미나 졸을 배합하면, 알루미나 입자의 직경이 더 큰 제1 부분과 알루미나 입자의 직경이 더 작은 제2 부분이 있는 실을 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 일예로서, 상기 언급한 바와 같이 형성된 알루미나 졸 입자와 알루미나 입자의 슬러리가 이용된다. 알루미나 입자는 대략 0.5㎛이고, 졸에서의 알루미나 입자는 대략 0.05㎛이고, 그 범위는 대략 0.02㎛ 내지 대략 0.06㎛가 된다.
슬러리의 점도는 액체매질을 첨가하여 원하는 점도로 조절한다. 일예로서, 알루미나 분말에 대한 졸에서의 알루미나의 체적 비율은, 실에서의 직경이 더 큰 입자에 대한 직경이 더 작은 입자의 비율을 변화시킴으로써 변화가 가능하더라도, 대략 1:3으로 유지한다.
다음으로, 적절한 크기를 갖는 알루미나 펠트의 조각을 슬러리에 침지시키고, 슬러리내에 함유된 입자를 알루미나 펠트의 섬유 사이의 공간에 흡착되도록 한다. 침지 공정을 거친 후, 펠트 실은 건조되어 알콜이 제거되고, 실을 압축하며, 다이에서 천공하여 원하는 크기로 만든다.
다른 예로서, 알루미나 입자에 미세하게 연마한 유리 입자를 첨가하여 침지 슬러리를 형성할 수 있다. 연료전지의 작동 동안 적용되는 온도에서, 유리는 연화되어 신축성 있는 실을 형성할 것이다. 유리는 당업자가 선택하여 합체되지 않고 연화되도록 한다. 이에 의하면, 유리 입자는 용융되지 않고 균질의 실을 형성하기 때문에, 공지된 유리 실과 같이 파열되는 것이 방지된다.
본 명세서에 개시된 실 형성을 위한 특정의 방법은 특허청구의 범위에서 그 특정의 방법으로 청구되지 않는다면 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 다양한 변형, 수정 및 변경이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 가능하다는 것을 당업자라면 명백하게 알 수 있을 것이다.

Claims (26)

  1. 세라믹 섬유의 매트릭스와, 상기 세라믹 섬유들 사이에 산재된 복수의 고체 입자를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체 입자는 비소결성 세라믹 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  3. 제1항에 있어서, 접착물질을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  4. 제1항에 있어서, 상기 섬유는 무작위 배향인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  5. 제1항에 있어서, 상기 실은 사용하기 전에 압축되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  6. 제2항에 있어서, 상기 세라믹 섬유의 전부 또는 일부는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 마그네시아 또는 실리카를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  7. 제6항에 있어서, 상기 세라믹 입자의 일부 또는 전부는 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 마그네시아 또는 실리카를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고체 입자의 실질적인 부분은 대략 1 미크론 이하의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고체 입자는 제1 부분과 제2 부분을 구비하며, 상기 제1 부분의 입자 크기가 상기 제2 부분의 입자 크기 보다 큰 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 부분은 입자 크기가 대략 0.50㎛이고, 상기 제2 부분은 입자 크기가 대략 0.17㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 부분은 입자 크기가 대략 0.50㎛이고, 상기 제2 부분은 입자 크기가 대략 0.06㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  12. 제9항에 있어서, 상기 섬유는 알루미나이고, 상기 입자는 알루미나 또는 지르코니아인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  13. 제3항에 있어서, 상기 섬유는 알루미나 섬유인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  14. 제6항에 있어서, 상기 입자는 알루미나 또는 지르코니아 입자인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  15. 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 고체 입자는 유리 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  16. 제15항에 있어서, 상기 유리 입자는 SOFC의 작동온도에서 합체되지 않고 연화되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 실.
  17. 무작위 배향된 세라믹 섬유의 매트릭스와 복수의 비소결성 세라믹 입자를 구비하는 고체산화물 연료전지에 사용하며, 상기 세라믹 입자의 제1 부분이 상기 세라믹 입자의 제2 부분보다 더 큰 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 신축성 있는 개스킷형 실.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1 부분은 입자 크기가 대략 0.50㎛이고, 상기 제2 부분은 입자 크기가 대략 0.17㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 신축성 있는 개스킷형 실.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 부분은 입자 크기가 대략 0.06㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 신축성 있는 개스킷형 실.
  20. 제17항에 있어서, 상기 섬유는 알루미나 섬유로 구성되며, 상기 입자는 알루미나 또는 지르코니아 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 신축성 있는 개스킷형 실.
  21. (a) 세라믹 섬유의 매트릭스를 제공하는 단계와;
    (b) 상기 섬유 매트릭스내에 복수의 고체 입자를 산재시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 캐스킷형 실 형성방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 고체 입자는 비소결성 세라믹 입자 또는 유리 입자인 것을 특징으로 하는 개스킷형 실 형성방법.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 고체 입자는, 적당한 액체매질에서 상기 입자의 현탁액과 상기 섬유 매트릭스를 접촉시키고, 이어서 상기 액체매질을 제거함으로써 상기 섬유 매트릭스내에 산재되는 것을 특징으로 하는 개스킷형 실 형성방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 고체 입자 현탁액은 비소결성 세라믹 입자의 제1 부분과 비소결성 세라믹 입자의 제2 부분의 배합을 포함하며, 상기 제1 부분의 세라믹 입자는 상기 제2 부분의 세라믹 입자보다 더 큰 것임을 특징으로 하는 개스킷형 실 형성방법.
  25. 제17항에 있어서, 상기 실은 상기 섬유 매트릭스내에서 상기 입자를 산재시킨 후에 압축되는 것을 특징으로 하는 개스킷형 실 형성방법.
  26. (a) 세라믹 섬유의 매트릭스를 제공하는 단계와;
    (b) 상기 섬유 매트릭스를 적당한 액체매질내에서 복수의 세라믹 입자의 현탁액과 접촉시키고, 이어서 상기 액체매질을 제거함으로써 상기 섬유 매트릭스내에 상기 복수의 세라믹 입자를 산재시키는 단계를 포함하며, 상기 세라믹 입자는 직경이 대략 0.50㎛인 입자의 제1 부분과 직경이 대략 0.06㎛ 이하인 입자의 제2 부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 신축성 있는 세라믹 셀의 형성방법.
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