KR100534764B1 - 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법 Download PDF

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Abstract

고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법이 개시된다. 개시된 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법은, (a) 구성분말과 결합제로 이루어진 비수계 슬러리 조성에서 분말 응집체를 분리시키고 구성물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비하는 단계와; (b) 상기 슬러리를 결합제에 대한 용해도가 거의 없거나, 부분적인 용해가 가능한 비용매에 분무하여 분말과 결합제가 균일한 분포를 가지는 과립을 제조하는 단계와; (c) 건조된 상기 과립을 금속 몰드에 채우고, 가압하여 원하는 형상의 음극을 제조하는 단계와; (d) 성형된 상기 음극으로부터 결합제를 제거하고, 소결하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 대면적 음극기판 제조가 가능하고, 기공의 연결도 및 기체투과도가 높으며, 높은 전기전도도를 구현할 수 있는 이점이 있다.

Description

고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING ANODE SUBSTRATE OF SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대면적 음극 지지기판의 제조가 가능하고, 기체 투과도가 높은 효과가 가능하며, 높은 전기전도도를 구현할 수 있고, 얇은 음극기판의 제조가 가능하며, 후속 공정을 용이하게 하기 위한 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법에 관한 것이다.
음극 지지형 고체산화물 연료전지에서 지지체로 사용되는 음극은, 구조적인 물성과 함께 전기 화학적인 물성을 만족시켜야 하는 매우 중요한 요소 부품이다. 상기한 음극에서 요구되는 물성을 살펴보면, 기계적 강도, 전기전도도, 기체투과도, 전기 화학적 활성 등을 들 수 있다.
이와 같은 물성들을 동시에 만족시키기 위하여 음극은, 이온 전도성 산화물과 전기 화학적 활성을 가지면서도 전자전도도가 우수한 금속이고, 그리고 기체의 전달을 위한 기공으로 이루어진 삼상 복합재료이다. 가장 대표적인 음극조성의 예를 다공성 Ni-YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 열경화성 수지(thermoset)에서 찾을 수 있다. 이 경우 NiO와 YSZ의 혼합 분말을 성형하거나, 추가적인 기공을 확보하기 위하여 기공형성제로서 고상 전구체 분말을 첨가하는 것이 널리 알려져 있다.
그리고 음극은 보통 테이프 캐스팅법(미국특허 US5922486과 US5935727참조)으로 제조하는 것이 일반적인데, 상기한 NiO, YSZ, 기공형성제의 구성 분말을 혼합하여 결합제 용액에서 분산하고, 테이프 캐스팅 공정을 거쳐 건조하면 음극용 세라믹 테이프를 얻을 수 있다. 또한 세라믹 테이프의 한 면에 스크린 인쇄법을 사용하여 전해질층을 형성하고, 마지막으로 양극층을 동일한 스크린 인쇄법으로 형성하면 음극 지지형 고체산화물 연료전지의 단위전지를 얻을 수 있다.
그리고 세라믹 프로세스에서 널리 사용하고 있는 열분무 건조법을 통해 음극용 과립을 만들고, 이 과립을 몰드에 채워 압축 성형하여 음극 지지체를 얻는 방법이 있다.
또한 이와 유사하게 코트믹스법(미국특허 US4023979와 US4619805 참조)으로 음극 구성분말의 과립을 제조하여 이를 열간 압축성형하여 음극을 형성하는 방법도 사용되고 있다. 상기한 열간 압축 성형법은 페놀 수지를 부분 경화시켜 과립을 얻고 이를 금형에 채우고 열과 압력을 가하여 성형체를 얻는 방법이다.
부분 경화된 과립간의 조대 기공과 페놀수지에 의하여 형성되는 미세기공이 공존하여 테이프 캐스팅에 의한 음극에 비하여 높은 기체 투과도를 얻을 수 있는 동시에 구성분말의 균일한 혼합에 의하여 전기전도도를 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
그밖에도 세라믹 분말과 결합제, 가소제가 첨가된 고점도의 반죽물을 2개 혹은 그 이상의 롤에 통과시켜 세라믹 테이프를 얻는 테이프 캘린더링방법(미국특허 US4816036과 US5162167참조)도 사용되고 있다.
상기한 테이프 캐스팅법으로 제조한 세라믹 테이프는 일반적으로 열가소성 고분자계의 결합제와 가소제를 포함하고 있기 때문에 스크린 인쇄법으로 형성하는 다른 기능성 층들과 결합하여 균일한 층간 계면을 얻을 수 있는 장점이 있다.
그러나, 테이프 캐스팅법에서 기공을 형성하기 위하여 첨가하는 흑연이나 고분자 분말과 같은 고체상 기공 형성제는 기공율, 기공형상, 기공크기와 같은 기공구조에 대한 자유도가 부족하고, 기공 형성제의 기하적 특성이 기공 특성에 그대로 반영되는 단점이 있다. 그리고 상기한 고상 기공 형성제는 기공율의 제어는 상당히 우수하지만, 기체투과도와 밀접한 관련이 있는 기공연결도의 제어는 매우 어려운 단점이 있다.
또한 현재까지 세라믹 제조분야에서 분말의 과립화방법으로 가장 널리 사용해온 열분무 건조법은 세라믹 분말과 용매, 결합제 등이 들어있는 슬러리에서 과립화하는데 드는 시간과 사용하는 고분자 결합제의 양이 적게드는 장점이 있다.
그러나, 열분무 건조법은 용매의 모세관 이동에 의해 건조가 이루어지는데 이때, 미세분말이 용매와 같이 과립의 표면으로 이동하여 과립의 불균일을 초래하며, 이것은 성형체의 결함으로 이어진다는 단점이 있다. 그리고 열분무 건조법에 의한 과립을 이용한 성형에는 150-250MPa 정도의 상당한 가압력이 필요하므로 100-400㎠에 이르는 대면적의 음극성형에는 상당한 어려움이 따른다.
또한 상기한 코트믹스법의 장점은 열경화성 고분자의 네트워크 구조를 통한 기공 연결도의 향상 효과는 있지만, 열간 가압성형에 의한 음극 표면에 스크린 인쇄법에 의하여 전해질층을 형성하는 것이 매우 어렵다.
즉, 경화처리가 됨에 따라 형성된 페놀수지가 스크린 인쇄 과정에서 용해나 결합제의 유동이 제한되기 때문에 음극과 전해질 계면의 접합이 불균일하고 취약한 단점이 있다. 그리고 대부분의 스크린 인쇄층은 페이스트(paste)의 용매가 기판층에 침투하여 기판의 결합제 일부를 용해하고 용해된 결합제의 유동에 따라 기판 표면에 존재하는 분말입자의 재배열을 유도하여 계면 접합강도를 확보하여야 하지만, 기판의 페놀수지가 거의 용해도가 없기 때문에 스크린 인쇄법에 의하여 결함 없는 전해질층을 형성하는 것이 매우 어렵다.
또한 테이프 캘린더링에 의한 성형은 고분자계 물질에 주로 사용하는 방법으로 비용측면에서 경제적이고 대면적의 기판성형에 용이한 장점이 있지만, 세라믹 분말을 이용할 시 공정 특성상 많은 양의 결합제와 가소제 등이 요구되므로 추후의 공정 즉, 결합제의 탈지와 소성에 어려움이 따르는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 대면적 음극을 얻을 수 있고, 고상 기공 형성제에 비하여 기공의 연결도가 높으며, 기체 투과도가 높은 효과를 낼 수 있고, 높은 전기전도도를 구현할 수 있으며, 얇은 음극기판의 제조가 가능하고, 후속 구성층의 스크린 인쇄가 가능하도록 한 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법은, (a) 구성분말과 결합제로 이루어진 비수계 슬러리 조성에서 분말 응집체를 분리시키고 구성물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비하는 단계와; (b) 상기 슬러리를 결합제에 대한 용해도가 거의 없거나, 부분적인 용해가 가능한 비용매에 분무하여 분말과 결합제가 균일한 분포를 가지는 과립을 제조하는 단계와; (c) 건조된 상기 과립을 금속 몰드에 채우고, 가압하여 원하는 형상의 음극을 제조하는 단계와; (d) 성형된 상기 음극으로부터 결합제를 제거하고, 소결하는 단계;를 포함하고,이때, 상기 단계 (b)에서 상기 과립은, 음극을 구성하는 YSZ 분말과 NiO 분말을 분말대비 7∼15 무게분율(weight %)의 열경화성 수지와, 분말대비 1∼5 무게분율(weight %)의 열가소성 수지를 첨가한 알코올 용액에 분산하고, 분산 슬러리를 비용매인 증류수에 분무하여 제조하는 것을 그 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 방법이 적용되는 개략적인 장치가 도시되어 있다.
도면을 각각 참조하면, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법은, 우선, 구성분말과 결합제(열경화성 수지와 열가소성 수지)로 이루어진 비수계(알코올 또는 아세톤계) 슬러리(slurry) 조성에서 분말 응집체를 분리시킨 구성물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비한다.(단계 110)
이어서, 상기 슬러리를 결합제에 대한 용해도가 거의 없거나, 부분적인 용해가 가능한 비용매에 분무한 후, 70℃ 이하에서 건조하여 분말과 결합제가 균일한 분포를 가지는 과립을 제조한다.(단계 120)
상기와 같이 건조된 상기 과립을 금속 몰드(mold)에 채우고, 열간(90∼120℃) 가압(press)하여 원하는 형상의 음극을 제조 성형한다.(단계 130)
상기와 같이 성형된 상기 음극으로부터 결합제를 제거하고, 소결한다.(단계 140)
특히, 상기 단계 120에서 균일한 조성을 가지는 상기 과립은, 음극을 구성하는 YSZ 분말과 NiO 분말을 분말대비 7∼15 무게분율(weight %)의 열경화성 수지와 분말대비 1∼5 무게분율(weight %)의 열가소성 수지를 첨가한 알코올 용액에 분산하고, 분산 슬러리를 비용매인 증류수에 분무하여 제조한다.
상기 열경화성 수지로는 페놀수지(Phenolic resin), 폴리에스테르 (Polyester), 폴리아미드(Poly amide)가 적용 될 수 있으며, 열가소성 수지로는 폴리비닐 부티랄(poly vinyl butyral), 폴리비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 폴리비닐 파이롤리돈(poly vinyl pyrolidone), 아크릴계 수지 (acrylic resin)가 적용될 수 있다.
그리고 액상에서 응결된 과립은 70℃ 이하에서 건조하여 성형몰드 채움(die filling)이 용이한 구형과립형태로 만든다.
이와 같이 제조된 과립을 가압 성형하여 원하는 형상과 크기의 음극 성형체를 90∼120℃ 구간에서 열간 가압하여 얻고, 성형으로 얻어진 음극기판은 탈지(debinding)와 소성(sintering)을 통하여 다공성 음극 지지판이 된다.
특히, 본 발명은 단위전지 제조를 위하여 음극 성형체 기판 위에 전해질층을 스크린 인쇄한 후 동시에 소성하는 동시소성공정을 사용할 수도 있다. 즉, 전해질을 포함하는 다층 구조의 단위 전지인 경우에는 음극 성형기판에 전해질층을 스크린 인쇄한 후, 탈지 및 소성을 거쳐 다공성 음극과 치밀한 전해질로 이루어진 다층 구조를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법은, 슬러리를 준비하는 공정, 과립을 제조하는 공정(액상응결법), 음극을 제조하는 성형공정, 소성공정으로 이루어져, 대면적 음극을 얻을 수 있고, 동시에 스크린 인쇄로 전해질을 형성할 수 있는 열경화성 수지와 열가소성 수지를 혼합 결합제로 사용하는 방법으로, 음극기판의 기체투과도와 전기 전도도 및 제조 가공성이 우수하다.
이를 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법에 있어서, 구성물질 중에서 열가소성 수지의 첨가는 두 가지의 중요한 작용을 유도하기 위하여 첨가한다.
하나는, 후속 공정인 전해질층의 스크린 인쇄공정에서 페이스트의 용매가 음극기판 상부의 열가소성 수지를 부분적으로 용해하면서 분말입자의 재배열을 유도함으로서 전해질층이 음극기판층과 치밀한 계면구조를 얻을 수 있다.
다른 하나는, 대면적 음극의 경우 탈지공정에서의 결함발생 가능성이 매우 높기 때문에 열가소성 수지를 일차 탈지하여 기공채널을 형성하고 이차적으로 열분해에 의하여 열경화성 수지를 제거할 때 발생하는 생성 기체를 결함 없이 제거할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 음극기판은, 1-7Mpa의 비교적 낮은 압력에서 성형되기 때문에 대면적의 단위전지 제조가 용이하다. 그리고 고상 기공 형성제에 비하여 기공의 연결도가 높다. 특히, 잉크병 기공의 비율이 현저히 감소하여 기체투과도가 높다.
이를 실험한 데이터로, 도 3은 열분무 건조법으로 제조한 과립을 이용한 기판과 본 발명과 같이 액상응결법으로 제조한 과립을 이용해 제조한 기판에서의 기체투과도 비교한 그래프이다.
그리고 균일한 구성분말의 혼합과 과립구조에 의하여 구성 입자의 분리를 억제하여 높은 전기전도도를 구현할 수 있다. 이를 실험한 데이터로, 도 4는 열분무 건조법으로 제조한 과립을 이용한 기판과 본 발명과 같이 액상응결법으로 제조한 과립을 이용해 제조한 기판에서의 전기전도도를 비교한 그래프이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
대면적 음극기판 제조가 가능하고, 기공의 연결도 및 기체투과도가 높으며, 높은 전기전도도를 구현할 수 있다.
그리고 과립의 충전밀도 조정이 가능하기 때문에 낮은 성형압에서도 비교적 얇은 음극기판의 제조가 가능하고, 열경화 수지에 의하여 높은 성형 강도를 얻을 수 있어 후속공정이 용이하다.
또한 상용 페이스트 결합제 시스템을 이용한 후속 구성층의 스크린 인쇄가 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법이 적용되는 개략적인 장치도.
도 3 및 도 4는 열분무 건조법의 기판과 액상응결법의 기판에서 기체투과도와, 전기전도도를 비교한 각각의 그래프.

Claims (4)

  1. (a) 구성분말과 결합제로 이루어진 비수계 슬러리 조성에서 분말 응집체를 분리시키고 구성물질들이 균일하게 혼합된 슬러리를 준비하는 단계와;
    (b) 상기 슬러리를 결합제에 대한 용해도가 거의 없거나, 부분적인 용해가 가능한 비용매에 분무하여 분말과 결합제가 균일한 분포를 가지는 과립을 제조하는 단계와;
    (c) 건조된 상기 과립을 금속 몰드에 채우고, 가압하여 원하는 형상의 음극을 제조하는 단계와;
    (d) 성형된 상기 음극으로부터 결합제를 제거하고, 소결하는 단계;를 포함하고,
    이때, 상기 단계 (b)에서 상기 과립은,
    음극을 구성하는 YSZ 분말과 NiO 분말을 분말대비 7∼15 무게분율(weight %)의 열경화성 수지와, 분말대비 1∼5 무게분율(weight %)의 열가소성 수지를 첨가한 알코올 용액에 분산하고, 분산 슬러리를 비용매인 증류수에 분무하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서
    상기 열경화성 수지는 페놀수지, 폴리에스테르, 폴리아미드가 적용되고,
    상기 열가소성 수지는 폴리비닐 부티랄, 폴리비닐 알코올, 폴리비닐 파이롤리돈, 아크릴계 수지가 적용되어 상기 과립이 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서,
    상기 과립은 70℃ 이하에서 건조된 것이고, 상기 가압은 90∼120℃ 구간에서 열간 가압하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지용 음극기판 제조방법.
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