KR100838731B1 - 고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평판형 고체전해질연료전지용 밀봉재를 결정화 유리에 결합제와 분산매를 첨가하여 복잡한 기구 없이 간단하고 빠른 공정으로 밀봉재를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 저렴하게 밀봉재 제조가 가능한 고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있는 것으로, 그 구성은 산화바륨-산화규소-붕산-산화알루미늄 혼합물을 용융시켜 프리트를 제조하고, 그 제조된 프리트를 평균입경 5.4~20.0㎛의 결정화 유리 입자로 분쇄한 후, 여기에 분산매로 자이렌, 아크릴 레진을 프리트 대비 50중량%를 초과하지 않도록 첨가하여 결정화 유리 레진을 제조한 후, 그 유리 레진을 원하는 규격의 몰드에 부어 건조시키는 것으로 이루어진다.

고체전해질연료전지용 밀봉재, 자이렌, 아크릴 레진, 프리트

Description

고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조방법{Method for manufacturing sealant for solid electrolyte fuel cell}

도1은 평판형 고체전해질연료전지의 단면 구조,

도2는 고체전해질연료전지용 밀봉재를 제조하기 위한 몰드,

도3은 밀봉재 제조용 몰드에 밀봉재를 부은 형상,

도4는 제조된 고체전해질연료전지용 밀봉재 판,

도5는 비교 예 1로 제조된 밀봉재 판의 크랙,

도6은 비교 예 1로 제조된 밀봉재의 단면 구조,

도7은 비교 예 2로 제조된 밀봉재의 단면 구조,

도8은 발명 예 1로 제조된 밀봉재 판,

도9는 발명 예 3으로 제조된 밀봉재의 단면 구조.

본 발명은 고체전해질연료전지용 밀봉재 (sealant)를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 평판형 고체전해질연료전지는 음극, 전해질 및 양극으로 이루어진 단위전지로 구성되고 이 단위전지와 분리판(interconnect)의 여러 개 가 스택을 형성하며, 이 연료전지 스택에서 연료인 수소가스와 공기의 혼합을 방지하기 위하여 밀봉재를 사용하게 되는데 있어서, 유리입자에 용매를 첨가한 후 레진을 첨가하여 밀봉재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

고체전해질연료전지는 단위전지의 구성방법에 따라서 평판형(planar design), 원통형(tubular design) 및 적층형(monolithic design) 등으로 구분할 수 있으며, 특히 평판형 연료전지에서는 구성요소와 분리판의 밀봉이 매우 중요하게 된다.

도1에 나타내었듯이 평판형 연료전지는 음극, 전해질 및 양극으로 이루어진 단위전지로 구성되고, 이 단위전지 여러 개를 적층하여 스택을 형성하게 되며, 그리고 이 연료전지 스택에서 연료 가스인 수소와 공기의 혼합을 방지하기 위하여 분리판과 단위전지 구성요소 사이를 밀봉해야 한다.

이와 같이 분리판과 구성요소 사이를 고온에서 기밀하기 위하여 사용하는 밀봉재는 열 충격(thermal cycling) 가동 중에도 연료가스와 산화제 (즉 공기)의 장기적으로 안정한 분리가 가능하고, 구성요소와 열화학 (thermochemical) 및 열기계적 (thermomechanical) 보완성이 있어야 하며, 분리판과 접합할 때 단락 (short circuit)이 일어나지 않으며, 그리고 스택 요소와 기계적 및 열적 불일치를 보완할 수 있는 특성이 요구된다.

그러므로 이러한 밀봉재를 제조하기 위한 원료로는 주로 결정화 유리 (glass ceramics)가 사용되고 있으며, 이 재료는 장기간이 아닌 몇 천 시간에는 충분하며, 열 충격은 스택의 가열 및 냉각속도를 조절하여 사용하며, 유리와 분리판의 화학적 반응으로 부식저항성이 감소되며 그리고 결정화 유리의 취성으로 인하여 그 사용이 제한된다는 특성이 있다.

이러한 문제를 극복하기 위하여 결정화 유리에 알루미나, 지르코니아 등의 섬유를 첨가하는 방안, 운모 등의 원료를 이용하여 압축시킨 단일 및 복합 층으로 된 밀봉재를 제조하는 방안 그리고 운모와 유기 결합제를 물결 모양의 금속 가스켓 (gasket)에 첨가하는 방안 등이 제안되고 있다.

그리고 이들 밀봉재의 제조 방법은 주로 일종 조성의 밀봉재를 압착하여 판 (sheet)을 제조하는 방안, 얇은 판을 제조하는데 적합한 테이프 캐스팅(tape casting) 및 봉상(rod type)으로 만드는 방안 등이 일반적으로 알려져 있다.

그러나 이들 방법은 단지 밀봉재의 제조방법에 관한 것이고, 이 밀봉재 판을 제조하기 위한 적합한 유리의 입도분포, 레진 및 분산매의 첨가량에 관한 구체적인 방안은 잘 보고되어 있지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 평판형 고체전해질연료전지용 밀봉재를 결정화 유리에 결합제와 분산매를 첨가하여 복잡한 기구 없이 간단하고 빠른 공정으로 밀봉재를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 저렴하게 밀봉재 제조가 가능한 고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 산화바륨-산화규소-붕산-산화알루미늄 혼합물을 용융시켜 프리트를 제조하고, 그 제조된 프리트를 평균입경 5.4~20.0㎛의 결정화 유리 입자로 분쇄한 후, 여기에 분산매로 자이렌, 아크릴 레진을 프리트 대비 50중량%를 초과하지 않도록 첨가하여 결정화 유리 레진을 제조한 후, 그 유리 레진을 원하는 규격의 몰드에 부어 건조시킴으로써, 평판 형 고체산화물연료전지용 밀봉재를 제조하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 자이렌의 첨가량은 2.2~14.9중량% 이고, 아크릴 레진의 첨가량은 16.3~32.6중량% 이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

프리트를 평균입경 5.4~20.0㎛로 하는 이유는, 결정화 유리를 평균입도가5.4㎛ 보다 작으면 결정화 유리와 레진이 함유된 혼합물을 몰드에 부어 건조시킬 때, 건조 중에 제조된 판에서 크랙이 발생하게 되어 부적합하게 된다. 그리고 평균 입경이 20.0㎛ 보다 크면 제조된 밀봉재 판이 강도가 낮아 가공에 적합하지 않고 또한 실제 스택에 적용할 때 입자의 크기가 너무 크면 잘 융착되지 않기 때문이다.

결정화 유리에 첨가되는 아크릴 레진의 함량이 16.3중량%보다 작으면 밀봉재 판을 제조하기에 적합한 점성을 지니지 않아 판상으로 펼칠 수 없으며, 그리고 레진이 32.6중량% 이상 첨가되면 밀봉재 판을 단위전지 또는 스택에 적용하여 실링(sealing)할 때 너무 많은 결합제로 인하여 실링재에 다량의 기공이 존재하게 되어 연료가스와 공기가 누출 될 수 있기 때문이다.

결정화 유리에 첨가되는 아크릴 레진의 혼합성과 용해성을 증가시키기 위하여 첨가되는 자이렌은 그 함량이 2.2중량% 이하이면 결정화 유리에 첨가되는 레진의 혼합이 어려울 뿐 아니라, 레진이 잘 용해되지 않으며, 그 첨가량이 14.9중량% 이상이면 밀봉재 판의 건조 중에 첨가된 자이렌이 기공을 형성하여 이 밀봉재 판을 사용하면 형성된 기공으로 인하여 충분한 실링을 할 수 없게 된다.

이하, 하기 실시 예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시 예]

고체산화물연료전지용 밀봉재 판은 다음과 같은 과정을 통하여 제조되었다. 산화바륨 (BaO)-산화규소 (SiO₂)-붕산 (B₂O₃)-산화알루미늄 (Al₂O₃) 혼합물을 용융시켜 제조한 프리트(frit)를 분쇄하여 3가지 조건으로 결정화 유리 분말을 제조하였다.

이렇게 제조된 유리 분말은 각각 2.8, 5.4 및 20.0㎛의 평균 입도를 지녔다. 평균입경 2.8, 5.4 및 20.0㎛인 분쇄된 결정화 유리 입자 각각에 자이렌을 2.2~14.9중량%를 습윤시킨 후, 이 혼합물에 아크릴 레진 16.3~32.6중량%를 첨가하여 교반기로 충분히 혼합하여 실링재 원료를 제조하였다.

상기 실링재 원료를 그도2에 나타낸 몰드에 부은 후, 상온에서 건조시켜 다시 2~3회 실링재 원료를 몰드에 충분히 채워서 도3과 같이 밀봉재 판을 제조하였다.

상기 제조된 밀봉재 판은 60℃±5℃ 에서 충분히 건조시킨 후, 이 건조된 밀봉재 판을 가공하여 도4와 같이 고체전해질연료전지용 밀봉재 판으로 완성하였으며, 그 실험결과를 하기 표1에 나타내었다.

	결정화 유리의 평균입경			자이렌 (중량%)	아크릴레진 (중량%)	건조 후 상태	미세구조
	2.8㎛	5.4㎛	20㎛
비교예1	73.3			10.4	16.3	크랙 발생	도 6
비교예2	62.9			14.9	22.2	"	도 7
발명예1		69.3		6.3	24.4	크랙 없음
발명예2		65.2		2.2	32.6	"
발명예3			73.3	10.4	16.3	"	도 9
발명예4			65.2	2.2	32.6	"

상기 표1의 비교 예 1과 2에서 알 수 있듯이 결정화 유리입자가 2.8㎛ 보다 작으면 레진의 함량 16.3~22.2중량%로 증가시켜도 도5에 나타내었듯이 밀봉재의 건조 중에 크랙이 발생하는 문제점이 있었다.

그리고 비교 예 1과 2의 방법으로 제조된 밀봉재 판의 파단면의 미세구조를 각각 도6 및 도7에 나타내었다. 상기 도6 및 도7에서 알 수 있듯이 미세한 유리 입자로 구성되었으나, 첨가된 레진의 형상은 확인할 수 없었으며, 첨가된 레진이 미세한 유리 입자의 크랙을 방지 할 수 없었다.

발명 예 1과 2의 평균입경 5.4㎛인 유리 분말에 자이렌 2.2~6.3중량% 및 아크릴 레진 24.4~32.6중량% 첨가시켜 제조한 밀봉재 판은 건조 중에 크랙도 발생하지 않았을 뿐 아니라, 변형도 없이 잘 제조되었으며, 그리고 발명 예 1의 형상은 도8에 나타내었다.

평균입경 20㎛인 결정화 유리분말에 자이렌 2.2~10.4중량% 및 아크릴 레진 16.3~32.6중량 5％ 첨가하여 제조한 발명 예 3 및 4의 결과에서도 시편의 건조 중에 크랙이나 변형이 없는 균일한 밀봉재 판 (도3)을 제조 할 수 있었으며, 이 판을 가공하여 고체전해질연료전지용 밀봉재 판 (도4)을 용이하게 제작할 수 있었다.

그리고 발명 예 3의 밀봉재 판의 파단면의 미세구조를 도9에 나타내었으며, 그림에서 알 수 있듯이 굵은 골재 입자에 미세한 유리가 균일하게 분포되어 있으며, 큰 유리 입자 주위에 아크릴 레진이 분포되어 있어 건조 중에 크랙이나 변형을 억제할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 고체전해질연료전지용 밀봉재 판을 결정화 유리에 결합제와 분산매를 첨가하여 복잡한 기구 없이 간단하고 빠른 공정으로 밀봉재를 제조할 수 있을 뿐 아니라, 저렴하게 밀봉재 제조가 하게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 산화바륨-산화규소-붕산-산화알루미늄 혼합물을 용융시켜 프리트를 제조하고, 그 제조된 프리트를 평균입경 5.4~20.0㎛의 결정화 유리 입자로 분쇄한 후, 여기에 분산매로 자이렌, 아크릴 레진을 프리트 대비 50중량%를 초과하지 않도록 첨가하여 결정화 유리 레진을 제조한 후, 그 유리 레진을 원하는 규격의 몰드에 부어 건조시키는 것을 포함하고,

   상기 자이렌의 첨가량은 2.2~14.9중량% 임을 특징으로 하는 고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 아크릴 레진의 첨가량은 16.3~32.6중량% 임을 특징으로 하는 고체전해질연료전지용 밀봉재의 제조방법.

Images