KR100849995B1 - 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한테이프 캐스팅 장치 - Google Patents

고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한테이프 캐스팅 장치 Download PDF

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Abstract

하나의 공정으로 음극지지체형 전해질을 제조할 수 있어 공정단계를 단순화시키고, 조직이 치밀하고 높은 산소 이온 전도성을 가지는 전해질을 얻을 수 있는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치는 슬러리가 저장되며, 일측이 개구되어 상기 슬러리를 배출하는 저장유닛, 이송필름을 일방향으로 이송시켜 상기 저장유닛에서 배출된 슬러리를 상기 이송필름 상에 도포시키는 이송유닛 및 상기 슬러리가 배출되는 경로상에 구비되어, 상기 이송필름에 도포되는 슬러리의 두께를 제어하는 블레이드를 포함하여 구성된다. 따라서, 본 발명에 의하면 공정단계를 단순화하여 이에 따른 비용을 절감할 수 있고, 조직이 치밀하고 산소 이온 전도성이 높은 전해질을 얻을 수 있게 된다.
고체산화물 연료전지, 테이프 캐스팅, 슬러리, 블레이드, 이송필름

Description

고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치{Method of Tape Casting for Solid Oxide Fuel Cell and Tape Casting Apparatus Using the Same}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치를 나타내는 구성도;
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치를 나타내는 구성도;
도 3은 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 단위전지 제조방법을 나타내는 순서도;
도 4는 본 발명에 의해 제조된 음극지지체형 전해질의 단면을 나타낸 사진;
도 5는 본 발명에 의해 제조된 음극지지체형 전해질의 표면을 나타내는 사진;
도 6은 본 발명에 의해 제조된 음극지지체형 전해질의 성능 분석을 수행한 결과를 나타내는 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
100: 테이프 캐스팅 장치 110: 저장유닛
120: 이송유닛 122: 제1이송부
124: 제2이송부 130: 블레이드
132: 제1블레이드 134: 제2블레이드
140: 높이조절유닛 150: 히팅유닛
S: 슬러리 T: 이송필름
본 발명은 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조를 개선하여 하나의 공정으로 음극지지체형 전해질을 제조할 수 있어 공정단계를 단순화시키고, 조직이 치밀하고 높은 산소 전도성을 가지는 전해질을 얻을 수 있는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 약 1000도에서 운전이 되며 이때 공기극은 LSM(LaSrMnO3), 연료극은 Ni-안정화 지르코니아(YSZ) 합금, 전해질은 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia; YSZ)로 구성되어 있다.
이때 공기극과 연료극은 다공성 물질로 구성되어 공기 및 연료를 쉽게 통과시키며 전극 표면에서 반응이 일어나도록 하는 미세구조를 지니고 있어야 한다. 그리고, 전해질은 매우 치밀한 구조를 가져서 산소기체나 수소기체는 통과할 수 없으며 이온 전도성이 매우 뛰어나 공기극에서 생성된 산소이온만이 통과할 수 있는 구조로 되어 있어야 한다.
종래의 기술은 이러한 구성을 구현하기 위해서 다양한 세라믹 공정을 이용하 여 연료극과 공기극 및 전해질을 각각 제조하여 접합하는 기술을 구현 하였다. 종래의 기술은 음극지지체형 전해질을 구현하기 위해서 음극지지체 위에 전해질을 코팅하거나 증착하는 방법을 사용하였다. 이를 구현하기 위해 종래의 기술은 음극의 경우 펠렛법 등을 통해 지지체를 제조하고 위에 박막 전해질을 기상법과 액상법을 통해 증착하거나 코팅하는 방법을 사용하여 음극지지체형 전해질을 제조하고 있다.
위의 구성을 가지는 종래의 기술은 공정이 복잡하고 제조단가가 매우 높으며 박막형 전해질 제조시 여러 번 코팅을 하는 등의 다양한 문제점을 가지고 있다.
최근 가장 널리 사용되는 전기화학적 증착법(EVD)의 경우 음극지지체는 Ni-안정화 지르코니아(YSZ)를 펠렛으로 제조하고 위에 박막형 전해질을 증착하게 된다. 그러나 이러한 제조법은 단전지의 크기가 증가할수록 대용량의 제조설비에 따른 고가의 생산비가 소요되게 되며 반응시간이 장시간 소요되게 되는 단점을 가지고 있다. 이와 마찬가지로 전기화학증착법 (CVD, Chemical Vapor Deposition)법, 스퍼터링 (Sputtering)법, 이온빔 (Ion Beam)법, EB(Electron Beam)법 등의 다양한 기상법들도 고가의 제조장비를 요구하며 느린 박막 성장속도 및 음극지지체와의 부착성, 박리, 시편의 크기의 대용화 등의 문제점등을 가지게 된다.
따라서, 액상법으로 사용될 수 있는 졸-겔법, 슬립캐스팅, 슬러리코팅, 스핀코팅, 디핑, 전기화학적 방법, 전기영동법, 수열합성법 등이 현재 다양한 방법으로 시도되고 있으나 제시된 액상법의 경우에도 음극을 우선적으로 제조하고 그 위에 코팅을 해야 하기 때문에 공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다. 최근 해외문헌 (Solid State Ionics, Vol. 177, p. 931-938, 2006년; Solid State Ionics, Vol. 177, p. 281-287, 2006년)의 경우에도 음극지지체형 전해질을 다른 공정을 이용하여 제조하기 때문에 소결공정이 한 단계 더 필요하게 된다.
기존의 방법을 이용하여 음극지지체형 전해질을 제조하기 위해서는 최소한 두 가지 공정이 혼합되어 사용되며 연속식으로 제조하기가 불가능 하기 때문에 장치설비비 및 공정의 복잡성이 요구된다.
뿐만 아니라, 기존의 특허 10-0284892는 제시된 액상법을 통해 박막 전해질 코팅시 낮은 성형밀도 (green density)로 인하여 큰 수축이 발생하여 코팅층 간의 응력이 발생하고 소결 공정에서 코팅층의 균열이나 박리가 일어난다고 제시하고 있다.
이로 인해, 10 ㎛ 의 전해질을 제조하기 위해서는 1회 코팅층의 두께를 1 ㎛ 이하로 조절해야 하기 때문에 10회 이상의 건조 및 열처리를 반복해야 하기 때문에 공정이 복잡해지는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공정단계를 단순화하여 비용이 절감되는 고체산화물 연료전지의 단위전지 제조용 가압장치 및 이를 이용한 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 조직이 치밀하고 높은 산소 이온 전도성을 가지는 전해질을 얻을 수 있는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 슬러리가 저장되며, 일측이 개구되어 상기 슬러리를 배출하는 저장유닛, 이송필름을 일방향으로 이송시켜 상기 저장유닛에서 배출된 슬러리를 상기 이송필름 상에 도포시키는 이송유닛 및 상기 슬러리가 배출되는 경로상에 구비되어, 상기 이송필름에 도포되는 슬러리의 두께를 제어하는 블레이드를 포함하여 구성되는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치를 제공한다.
그리고, 상기 슬러리는 고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리가 될 수 있다.
한편, 상기 테이프 캐스팅 장치는 상기 블레이드의 상하 방향 높이를 조절하는 높이조절유닛이 포함되는 것이 바람직하다.
이와 함께, 상기 이송유닛은 상기 이송필름의 이송 속도를 조절할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 이송유닛은 일방향으로 회전하는 하나 이상의 이송모터 및 상기 이송모터에 연결되어 상기 이송모터와 함께 회전하며 상기 슬러리가 도포된 이송필름이 귄취되는 귄취롤을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 테이프 캐스팅 장치는 상기 이송필름이 이송되는 경로상에 구비되어 상기 이송필름에 열을 공급하는 히팅유닛을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 히팅유닛은 상기 이송필름의 배면에서 열을 공급하도록 구성된다.
그리고, 상기 히팅유닛은 상기 이송필름에 공급하는 열의 양을 조절할 수 있 도록 구성되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 블레이드는 상기 슬러리가 배출되는 경로 상에서 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되는 것도 또한 가능하다.
본 발명에 따른 테이프 캐스팅 방법은 슬러리를 배출하는 단계, 상기 배출된 슬러리를 이송필름 상에 도포하면서 상기 이송필름을 이송시키는 단계, 상기 배출되는 슬러리의 두께를 제어하는 단계 및 상기 슬러리가 도포된 이송필름에 열을 가하는 단계를 수행한다.
여기서, 상기 슬러리는 고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리가 될 수 있다.
한편, 상기 배출되는 슬러리의 두께를 제어하는 단계는 상기 슬러리의 점도에 대응하여 상기 슬러리의 두께를 다르게 제어하고, 상기 이송필름을 이송시키는 단계는 상기 슬러리의 점도에 대응하여 이송 속도를 조절하는 것이 바람직하다.
이와 함께, 상기 슬러리가 도포된 이송필름에 열을 가하는 단계는 상기 슬러리의 점도에 따라 가하는 열의 양을 조절하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치의 구성을 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치는 크게 저장유닛(110), 이송유닛(120), 블레이드(130), 높이조절유닛(140) 및 히팅유닛(150)을 포함하여 구성된다.
상기 저장유닛(110)은 슬러리(S)를 저장하며, 하부가 개구되어 슬러리(S)를 외부로 배출하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 슬러리(S)는 고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리(S) 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리(S)인 것이 일반적이다. 보다 상세하게는, 음극 슬러리(S)는 니켈 옥사이드(NiO)와 안정화 지르코니아(YSZ)가 5:5 또는 6:4 비율로 혼합되며, 전해질 슬러리(S)는 안정화 지르코니아(YSZ)로 이루어진다.
상기 이송유닛(120)은 이송필름(T)을 일방향으로 이송시키며, 이송유닛(120) 상에 슬러리(S)를 도포하게 된다. 여기서, 이송필름(T)은 PET 필름으로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 상기 이송유닛(120)은 제1이송부(122)와 제2이송부(124)로 구성되며, 각각의 이송부(122,124)는 일방향으로 회전하는 이송모터와, 이들에 연결되어 함께 회전하며 슬러리(S)가 도포된 이송필름(T)이 귄취되는 귄취롤을 포함한다.
여기서, 상기 이송모터의 회전속도는 슬러리(S)의 점도에 따라 변경이 가능 하여, 이송필름(T)의 이송속도를 조절할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 상기 이송속도는 300 내지 1,000 ㎜/min의 구간에서 변경될 수 있도록 구성된다.
그리고, 상기 이송모터는 다양한 형태로 구성이 가능하며, 예를 들어 AC 모터가 적용될 수 있다.
상기 블레이드(130)는, 상기 슬러리(S)가 배출되는 경로상에 구비되며, 슬러리(S)의 배출량을 조절하여 이송필름(T)에 도포되는 슬러리(S)의 두께를 제어하는 역할을 수행한다.
본 실시예에서는 블레이드(130)가 슬러리(S)의 배출 경로상에 배치된 제1블레이드(132)와 제2블레이드(134)로 구성된 형태를 예시하고 있다.
상기 높이조절유닛(140)은 블레이드(130)의 상하 방향 높이를 조절하여 결과적으로 이송필름(T)에 도포되는 슬러리(S)의 두께를 변경할 수 있도록 한다.
한편, 상기 히팅유닛(150)은 이송필름(T)이 이송되는 경로상에 구비되어, 상기 이송필름(T)에 열을 공급한다.
본 실시예에서는 히팅유닛(150)이 이송필름(T)의 배면에 열판의 형태를 예시하고 있다.
한편, 상기 히팅유닛(150)은 내부에 컨트롤러가 내장되어 온도를 변화시킬 수 있어, 슬러리(S)의 점도에 따라 이송필름(T)에 가하는 열의 양을 조절할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 상기 히팅유닛(150)은 상온에서 120 ℃ 의 범위에서 온도를 변화시킬 수 있도록 구성된다.
본 발명은 이와 같이 이송필름(T)의 배면에 히팅유닛(150)을 구비함으로써, 히팅유닛의 온도를 일정하게 유지시켜 한번의 건조로 연속식 박막 전해질을 제조할 수 있게 된다.
한편, 상기 히팅유닛은 온도와 가열 시간을 조절할 수 있도록 컨트롤러가 내부에 내장되는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 100~200 cp 슬러리 점도, 250㎛ 블레이드 높이, 10 min/m 테이프 이송속도의 조건에서 40 ㎛의 음극지지체 박막을 제조하고, 100 cp 슬러리 점도, 40 ㎛ 블레이드 높이, 10 m/min 테이프 이송속도의 조건에서 10 ㎛의 전해질 박막 제조하게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 테이프 캐스팅 장치를 구성함으로써 한가지 공정만을 이용하여 음극지지체형 전해질의 제조가 가능하며, 10 ㎛ 미만의 박막 전해질 제조를 위해 온도 조절 및 블레이드 높이, 테이프 제조 속도를 조절하여 1회의 건조공정만을 통해 높은 산소 이온 전도성을 가지는 치밀한 박막을 제조할 수 있다.
본 실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치(100)에 의해 음극 박막 또는 전해질 박막을 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 박막 전해질용 슬러리(S)를 넣고 높이조절유닛(140)을 이용하여 블레이드(130)의 높이를 조절한다. 이송필름(T)의 이동속도가 일정한 속도를 유지하도록 이송모터를 돌리게 되면 이송필름(T)가 화살표 방향으로 히팅유닛(150)의 위에 서 이동하게 되며, 이송필름(T) 위에 슬러리(S)가 코팅되게 된다.
히팅유닛(150)에 내장된 컨트롤러를 이용하여 이송필름(T)의 온도를 적정 온도로 유지시켜 한번의 건조로 연속식 박막 전해질을 제조하게 된다.
구체적으로, 슬러리(S)의 점도를 100 cp정도의 점도를 가지도록 한 후 블레이드(130)의 높이를 40 ㎛로 고정한 후 10 m/min의 속도로 전해질을 제조한다.
이때, 이송필름(T) 바닥의 온도를 약 80 ℃로 유지하여 열처리나 건조를 한번에 수행하도록 하며 수축이 박리 및 균열을 방지하도록 한다.
한편, 상기 이송필름(T)는 PET 재질 등으로 이루어질 수 있으며, 슬러리(S)에 의해 박막의 제조가 완료된 후에는 이송필름이 제거된 상태로 적층이 이루어진다.
도 2를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치의 구성을 설명하다.
본 실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치의 기본적인 구성은 상술한 제1실시예와 동일하다. 즉, 본 실시예에 따른 테이프 캐스팅 장치(200)는 저장유닛(210), 이송유닛(220), 블레이드(230), 높이조절유닛(240) 및 히팅유닛(250)을 포함하여 구성된다.
다만, 본 실시예에서는 장치의 구성을 보다 단순화하여, 이송유닛(220)이 하나의 이송모터와 권취롤로 구성되고, 블레이드(230)도 단일한 형태로 구성되어 있다. 이와 함께, 저장유닛(210)이 이송필름(T)의 중간부위에 구비된다. 한편, 도면부호 252는 히팅유닛의 온도를 제어하는 컨트롤러를 나타낸다.
본 실시예에 따른 테이프 이송장치에 의해 음극 박막 또는 전해질 박막을 제조하는 과정은 상술한 제1실시예와 거의 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 테이프 캐스팅 방법을 설명하면 다음과 같다.
단위전지 제조방법은, 크게 음극 슬러리에 의해 음극지지체를 형성하는 단계, 이에 전해질을 적층하고 라미네이션을 행하여 음극지지체형 전해질을 형성하는 단계, 음극지지체형 전해질을 하소 및 소결하는 단계를 포함하여 구성된다.
구체적으로 설명하면, 우선 니켈 옥사이드(NiO)와 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zircornia; YSZ)가 5:5 또는 6:4 비율로 혼합된 음극 슬러리를 테이프 캐스팅에 의해 대략 40㎛ 두께의 음극 박막으로 제조한다(S1).
그리고, 음극 박막을 40 내지 60장 적층하여 음극지지체를 형성한다(S3).
다음으로, 안정화 지르코니아(YSZ)가 포함된 대략 10㎛ 두께의 전해질 박막을 동일한 방법으로 제조하고(S5), 이를 음극지지체 상에 적층한다(S7).
여기서, 테이프 캐스팅에 의해 음극 박막과 전해질 박막을 제조하는 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 테이프 캐스팅 방법은, 슬러리를 배출하는 단계, 상기 배출된 슬러리를 이송필름 상에 도포하면서 상기 이송필름을 이송시키는 단계, 상기 배출되는 슬러리의 두께를 제어하는 단계 및 상기 슬러리가 도포된 이송필름에 열을 가하는 단계를 거친다.
여기서, 상기 슬러리는 고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리인 것이 일반적이다.
한편, 배출되는 슬러리의 두께는 상술한 높이조절유닛에 의해 블레이드의 높이를 변화시킴으로써, 슬러리의 점도에 대응하여 슬러리의 두께를 다르게 형성할 수 있게 된다.
그리고, 이송모터의 속도를 변경시킴으로써, 슬러리의 점도에 대응하여 이송 속도를 조절할 수 있게 된다.
한편, 컨트롤러에 의해 히팅유닛의 온도를 변경함으로써, 슬러리의 점도에 따라 가하는 열의 양이 조절할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 테이프 캐스팅 방법은 슬러리의 점도에 대응하여 블레이드의 높이, 이송 속도, 이송필름에 공급하는 열을 변경할 수 있어, 다양한 종류의 음극 박막과 전해질 박막에 대해 범용적으로 사용이 가능해진다.
한편, 테이프 캐스팅 방법에 의해 음극박막에 의해 음극지지체를 형성하고, 전해질 박막을 제조한 다음에는, 전해질이 적층된 음극지지체를 20내지 40분 동안 70 내지 90 ℃의 온도 범위에서 라미네이션을 행하여 음극지지체형 전해질을 형성한다(S9).
본 실시예에서는 대략 30분간 80 ℃의 온도에서 행하였다. 그리고 라미네이션은 일정 힘을 가하면서 이루어지는 데, 가해지는 힘은 150 내지 250 kgf/cm2의 범 위인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 대략 200 kgf/cm2의 힘으로 라미네이션을 수행하였다.
이와 같이, 형성된 라미네이션은 하소와 소결 과정을 거치게 되는데, 여기서 하소는 슬러리의 솔벤트와 바인더를 제고하고, 기공제 카본의 제거를 위해 900 내지 1100 ℃의 온도 범위로 승온시키고, 2 내지 4시간 동안 유지시킨 후 상온을 유지하여 이루어지는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 대략 1000 ℃까지 승온시키고, 대략 3시간 동안 유지시킨 후 상온을 유지하여 하소를 행한다(S11).
여기서, 1000 ℃ 이하에서는 휘어짐은 없지만 소결이 안되어 파괴되기 쉽고, 1000 ℃ 이상에서는 휘어지는 정도가 매우 심하게 된다. 따라서, 1000℃ 근처에서 하소를 수행하는 것이 바람직하다.
그리고, 소결은 공소결(Co-sintering)으로서, 하소가 완료된 음극지지체형 전해질에 대해 1300 내지 1400 ℃의 온도 범위, 구체적으로 1350 ℃의 온도에서 행하게 된다.
한편, 본 발명에 다른 단위전지 제조방법은, 소결시에 음극지지체형 전해질을 일정 힘으로 가압하면서 소결을 행한다(S13).
여기서, 상기 소결을 행하는 단계에서 음극지지체형 전해질의 가압은 상기 음극지지체형 전해질의 상하부에 제공된 지지 플레이트에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 가압하는 힘은 35 내지 40 g/cm2 인 것이 바람직하며, 예들 들어 대략 38 kgf/cm2 의 힘으로 가압하여 소결을 행할 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하여, 상술한 과정을 통해 제조된 음극지지체형 전극의 품질 및 성능을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4는 본 발명을 통해 제조된 음극지지체형 전극에 50 ㎛의 양극(LSM:YSZ = 1:1)을 도포하여 단위전지의 단면을 전자현미경을 통해 관찰한 사진이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 10 ㎛ 전해질이 공기극과 연료극 사이에 박리현상이 없이 효과적으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 5는 전해질 박막의 표면을 전자현미경을 통해 관찰한 사진을 나타낸 것으로서, 전해질과 전해질 사이에 균열이나 미세 기공 등이 없이 치밀한 전해질이 효과적으로 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명을 통해 제조된 음극지지체형 전해질에 50 ㎛의 양극(LSM: YSZ = 1:1)을 도포하여 성능분석을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
800 ℃와 700 ℃에서 3% H2O를 포함한 H2를 음극으로 200 ml/min의 속도로 흐르게 하고 공기를 양극으로 600 ml/min의 속도로 흐르게 하여 8시간 환원 후 전기 로더를 이용하여 제조된 전극의 전류전압곡선을 측정하였다.
단위전지의 개회로 전압이 700℃의 경우가 800℃에서 수행된 경우에 비해서 더 높음을 알 수 있으며 두 경우 모두 이론적 개회로인 1.1 V와 매우 유사하여 공기나 연료의 리크 현상이 전혀 일어나지 않음을 알 수 있다.
이를 통하여, 본 발명에 따라 제조된 전해질 박막이 매우 치밀하게 효과적으로 제조되었음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명은 음극지지체형 전해질을 제조함에 있어서 한가지 공정만을 이용하여 기존 공정의 복잡성을 해결하였으며 또한 제조된 박막 전해질의 경우에도 매우 치밀하고 박리 현상이 전혀 나타나지 않아 습식법으로 전해질을 제조시 여러 번 도포해야 하는 기존 기술의 문제점을 해결 할 수 있었다.
이와 함께, 본 발명은 음극지지체형 전극의 휨에 결정적인 영향을 주는 니켈 옥사이드(NiO)과 안정화 지르코니아(YSZ)의 조성비가 최적화되지 않더라도 동소성을 통해 평평한 전극을 제조할 수 있으며 성능을 최적화 할 수 있다. 제조된 전극은 휘어짐 현상이 없기 때문에 연료의 유출(leakage)이 일어나지 않아 높은 전기화학적 성능을 보여주게 된다.
또한, 테이프 캐스팅법을 이용하여 전해질과 음극을 동시에 제조할 수 있기 때문에 두 가지 공정을 혼용하여 음극지지체형 전해질을 제조하던 기존의 방법, 예를 들어, 테이프캐스팅을 통한 음극제조 및 스크린 프린팅을 통한 전해질 제조와 달리 테이프캐스팅과 같은 한가지 공정만을 이용하여 음극지지체형 전해질을 제조할 수 있기 때문에 공정단계를 한 단계 줄이게 되며 공정장치도 줄일 수 있는 장점을 가지고 있어 비용이 효과적으로 절감되게 된다.
기존의 공정에서는 라미네이션 온도와 압력에 따라 음극의 휘어짐 현상이 발생할 수 있으나 본 발명을 이용할 경우 공소결시 휘어지는 현상이 발생하지 않는다. 이와 같은 방법으로 제조된 음극지지체형 전해질은 직접적으로 전해질 위에 양극물질을 도포할 수 있기 때문에 기존의 양면 전해질 도포시 일어날 수 있는 이물질 오염 및 크랙 현상을 원천적으로 방지하고 우수한 전극 성능을 나타낼 수 있 게 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법 및 이를 이용한 테이프 캐스팅 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 종래의 기술이 음극지지체형 전해질의 제조시 두 가지 이상이 공정 사용되는 것을 개선하여 테이프 캐스팅에 의한 공정만을 이용하여 제조할 수 있는 이점이 있다.
구체적으로, 본 발명은 종래의 테이프캐스팅 기술을 이용할 경우 전해질을 다른 공정을 통해서 제조했던 단점을 개선하여 전해질도 테이프캐스팅으로 동시에 도포할 수 있어 연속식으로 제조가 가능하고 비용을 줄이는 효과를 나타내게 된다.
특히, 음극지지체형 박막 전해질의 제조시 건조 및 열처리를 박리 및 균열 없이 연속식으로 한번에 제조할 수 있어, 공정을 단순화할 수 있게 된다.
둘째, 박막 전해질의 제조시 일어날 수 있는 테이프 캐스팅의 균열과 박리 현상을 블레이드 높이와 제조속도 및 온도변화를 통해 치밀하고 높은 산소 전도성을 가지는 10 ㎛ 이하의 전해질을 제조할 수 있는 효과를 지니게 된다.
셋째, 발명에 따라 기존의 테이프캐스팅 방법에서 사용되던 두 단계 소결 방법을 하나의 단계로 줄일 수 있게 되어 전해질의 동시 적층이 가능하게 되는 효과 를 나타내게 된다.
넷째, 동소성을 이용하여 전극을 제조할 경우 기존의 전극 제조 방법에 비해서 다양한 조성의 전극제조가 가능한 이점이 있다.
즉, 본 발명은 종래기술의 음극지지체형 전해질의 슬러리 조성이 정확히 일치 해야 하는 점을 개선하여 다양한 조성으로 공소결이 가능하게 되었다.

Claims (14)

  1. 슬러리가 저장되며, 일측이 개구되어 상기 슬러리를 배출하는 저장유닛;
    이송필름을 일방향으로 이송시켜 상기 저장유닛에서 배출된 슬러리를 상기 이송필름 상에 도포시키는 이송유닛; 및
    상기 슬러리가 배출되는 경로상에 구비되어, 상기 이송필름에 도포되는 슬러리의 두께를 제어하는 블레이드;
    를 포함하여 구성되는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리는,
    고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 상하 방향 높이를 조절하는 높이조절유닛이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이송유닛은,
    상기 이송필름의 이송 속도를 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이송유닛은,
    일방향으로 회전하는 하나 이상의 이송모터; 및
    상기 이송모터에 연결되어 상기 이송모터와 함께 회전하며 상기 슬러리가 도포된 이송필름이 귄취되는 귄취롤;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이송필름이 이송되는 경로상에 구비되어, 상기 이송필름에 열을 공급하는 히팅유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 히팅유닛은,
    상기 이송필름의 배면에서 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 히팅유닛은,
    상기 이송필름에 공급하는 열의 양을 조절할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는,
    상기 슬러리가 배출되는 경로 상에서 일정 간격을 두고 복수 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 장치.
  10. 슬러리를 배출하는 단계;
    상기 배출된 슬러리를 이송필름 상에 도포하면서 상기 이송필름을 이송시키는 단계;
    상기 배출되는 슬러리의 두께를 제어하는 단계; 및
    상기 슬러리가 도포된 이송필름에 열을 가하는 단계;
    를 수행하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬러리는,
    고체산화물연료전지의 음극지지체를 제조하기 위한 음극 슬러리 또는 고체산화물연료전지의 전해질을 제조하기 위한 전해질 슬러리인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 배출되는 슬러리의 두께를 제어하는 단계는,
    상기 슬러리의 점도에 대응하여 상기 슬러리의 두께를 다르게 제어하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 이송필름을 이송시키는 단계는,
    상기 슬러리의 점도에 대응하여 이송 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 슬러리가 도포된 이송필름에 열을 가하는 단계는,
    상기 슬러리의 점도에 따라 가하는 열의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 테이프 캐스팅 방법.
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