KR101247261B1 - 고성능을 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지 - Google Patents

고성능을 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 높은 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도를 나타낼 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 포함하여 구성된 원통형 고체산화물 연료전지는 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가될 수 있다.

Description

고성능을 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지{PREPARATION METHOD OF ANODE SUPPORT FOR TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL HAVING HIGH PERFORMANCE, ANODE SUPPORT PREPARED THEREWITH AND TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고성능을 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도를 나타낼 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600∼1000℃의 고온에서 연료(H2, CO)와 공기(산소)의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하는 연료전지로서, 현존하는 발전 기술 중 발전 효율이 가장 높고 경제성이 우수한 장점이 있다.
SOFC는 전해질과 전극이 고체 상태이기 때문에 평판형이나 원통형 등 여러 가지 형태의 셀(cell)로 제조가 가능하고, 연료전지의 지지체(support)에 따라서 연료극 지지체식과 공기극 지지체식 및 전해질 지지체식으로 분류된다.
일반적으로 원통형 SOFC의 연료극 지지체는 지르코니아계 세라믹, 기공형성제, 바인더, 가소제, 윤활유 및 증류수를 혼합하여 페이스트를 제조한 후, 이를 이용하여 원통형의 다공성 연료극 지지체로 압출하고 열처리 및 가소결 공정을 수행하여 제조된다.
상술한 원통형 SOFC가 고출력화가 가능하며, 높은 기동속도 및 열사이클 저항성을 나타내기 위해서는 원통형의 다공성 연료극 지지체가 높은 기공도, 전기 전도도, 기계적 강도 및 가스 투과도를 나타낼 것이 요구된다.
이에 본 발명자들은 우수한 성능을 나타내는 원통형 SOFC에 대하여 예의 연구를 거듭하였고, 그 결과 Ni/8YSZ 서멧, 기공형성제, 바인더, 가소제, 윤활유 및 증류수를 최적의 비율로 혼합하여 제조하는 경우 높은 기공도, 전기 전도도, 기계적 강도 및 가스 투과도를 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조할 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 높은 기공도, 전기 전도도, 기계적 강도 및 가스 투과도를 나타낼 수 있는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법, 이를 사용하여 제조된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체 및 이를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Ni/8YSZ 서멧 90~97 중량% 에 활성탄 혹은 카본 블랙 3~10 중량%를 혼합한 후, 이에 용매를 첨가한 후 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링하여 균일화하는 단계(단계 1);
상기 균일화된 Ni/8YSZ 서멧에 활성탄 혹은 카본 블랙을 건조기에서 건조한 후 분쇄하여 분말화하는 단계(단계 2);
상기 분말화된 혼합물에 혼합물 100 중량부 기준으로 바인더 15~20 중량부, 가소제 4~8 중량부, 윤활제 2~6 중량부 및 증류수 20~25 중량부를 첨가하여 혼련함으로써 페이스트를 제조하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 제조된 페이스트를 압출하여 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 제조된 연료극 지지체를 열처리 및 가소결하는 단계(단계 5)를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 Ni/8YSZ 서멧은 Ni과 8YSZ가 40:60 vol%로 혼합된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 Ni/8YSZ 서멧과 혼합되는 활성탄 혹은 카본 블랙은 90:10 ~ 97:3의 중량비로 혼합하여 제조되는 것이 연료극 지지체의 높은 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도에 있어서 바람직하다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 단계 1에서는 Ni/8YSZ 서멧 및 활성탄 혹은 카본 블랙의 혼합물에 용매로서 에탄올을 첨가하고 고순도 지르코니아 볼을 혼합하여 볼 밀링하여 연료극 지지체의 혼합 분말을 제조할 수 있다.
상기 단계 3에서 연료극 지지체의 혼합 분말에 첨가되는 상기 바인더로는 메틸 셀룰로오스 또는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스를 사용하여, 상기 가소제로는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate) 등을 사용할 수 있으며, 상기 윤활유로는 스테아르산(Stearic Acid)을 사용할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법에 따라 제조된 연료극 지지체 및 이를 포함하여 제조된 원통형 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 발명은 높은 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도를 나타내는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제공함으로써 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 원통형 고체산화물 연료전지의 제작에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 3, 5, 10 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체에 기공도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 5 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체 표면에 대해 촬영한 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB)을 사용하여 제조된 연료극 지지체에 형성된 기공을 광학 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량% 및 5 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 표면에 대해 촬영한 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 시험예 1에서 연료극 지지체의 전기 전도도를 측정하기 위한 직류 4단자법의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체에 대해 전기 전도도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 시험예 1에서 연료극 지지체의 압환강도 측정법을 개략적으로 나타낸 압환강도 측정 모식도이다.
도 8은 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체에 대해 압환강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 시험예 1에서 연료극 지지체의 가스 투과도를 측정하기 위한 측정 장치의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 시험예 1에서 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체에 대해 가스 투과도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
본 발명에 따른 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법을 하기에서 구체적으로 설명한다.
우선, Ni/8YSZ 서멧 90~97 중량% 에 활성탄 혹은 카본 블랙 3~10 중량%를 혼합한 후, 이에 용매를 첨가한 후 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링하여 균일화한다(단계 1).
본 발명에서는 연료극 지지체의 원료 분말로서 Ni/8YSZ 서멧을 사용하며, 상기 Ni/8YSZ 서멧은 Ni과 8YSZ가 40:60 vol%로 혼합된 것을 사용할 수 있다.
고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 재료로서는 Ni, Co, Ru, Pt이 전극으로 사용될 수 있으나, 가격과 성능 측면에서 Ni이 가장 적절한 재료이다. 그러나 Ni은 소결과 결정립 성장에 대한 저항성이 낮은 단점이 있다. 다공성 조직의 유지와 전해질과의 열팽창 계수 차이를 줄이기 위해 Ni/8YSZ 서멧(cermet)이 연료극 지지체의 재료로 사용되는 것이 바람직하며, 연료극 지지체의 전기 전도도는 Ni의 함량과 연결도에 의해 결정되며 Ni과 8YSZ가 40:60 vol%로 혼합된 것을 연료극 지지체의 재료로 사용하는 것이 우수한 성능 발현에 있어서 보다 바람직하다.
상기 단계 1에서는 연료극 지지체의 원료 분말로서 미세 분말화된 NiO 분말과 8YSZ 분말을 40:60 vol%가 되도록 칭량하여 혼합한 후, 이에 기공형성제로서 활성탄 혹은 카본 블랙을 첨가하고 용매를 첨가한 후 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링하여 균일화한다.
보다 상세하게는, Ni/8YSZ 서멧 90~97 중량% 에 활성탄 혹은 카본 블랙 3~10 중량%를 혼합한 후 이에 용매로서 에탄올을 첨가하고 고순도 지르코니아 볼을 혼합하여 1일 ~ 2주 동안 볼 밀링함으로써 연료극 지지체의 혼합 분말을 균일화하여 제조한다.
상기 연료극 지지체의 혼합 분말의 제조시 활성탄 및 카본 블랙은 3~10 중량%로 Ni/8YSZ 서멧과 혼합되는 것이 바람직하다.
상기 활성탄 혹은 카본 블랙이 3 중량% 미만으로 사용되는 경우 연료극 지지체의 기공도가 저하될 수 있고, 상기 활성탄 혹은 카본 블랙이 10 중량%를 초과하여 사용되는 경우 기공도가 높아지지만 강도가 저하될 수 있다.
고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조하는 과정에서 기공형성제로 활성탄을 사용하는 경우 연료극 지지체의 기공도와 가스 투과도가 높아지기 때문에 SOFC의 성능을 향상시킬 수 있으나 전기 전도도가 낮아지는 단점을 가진다. 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조하는 과정에서 기공형성제로 카본 블랙을 사용하는 경우 연료극 지지체의 전기 전도도가 높아지기 때문에 SOFC의 성능을 향상시킬 수 있으나, 기공도와 가스 투과도가 낮아지는 단점을 가진다.
본 발명에서는 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조 과정에서 기공형성제로서 활성탄 혹은 카본 블랙을 사용함으로써 연료극 지지체의 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도 모두 우수한 특성을 나타낼 수 있다는 것을 실험을 통하여 알게 되었다(하기 시험예 1 참조).
이후, 상기 단계 1에서 균일화된 Ni/8YSZ 서멧과 활성탄 혹은 카본 블랙의 혼합물을 건조기(hot plate)에서 건조한 후 분쇄하여 분말화한다(단계 2).
상기 단계 2에서 분말화된 혼합물에 혼합물 100 중량부 기준으로 바인더 15~20 중량부, 가소제 4~8 중량부, 윤활제 2~6 중량부 및 증류수 20~25 중량부를 첨가하여 혼련함으로써 페이스트를 제조한다(단계 3).
상기 바인더, 가소제 및 윤활유로는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 바인더로는 메틸 셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스(Hydroxypropyl methyl cellulose) 등을 사용하여, 상기 가소제로는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate) 등을 사용할 수 있으며, 상기 윤활유로는 스테아르산(Stearic Acid)을 사용할 수 있다.
상기 바인더는 분말화된 연료극 지지체의 혼합 분말 100 중량부 기준으로 15~20 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 바인더가 15 중량부 미만으로 첨가되는 경우 연료극 지지체의 성형성이 떨어짐과 아울러 기공 형성률이 저하될 수 있으며, 바인더가 20 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 연료극 지지체에 기공은 많이 형성되지만 강도가 저하되고 소결 과정에서 크랙이 발생될 수 있다.
상기 가소제는 분말화된 연료극 지지체의 혼합 분말 100 중량부 기준으로 4~8 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 가소제가 4 중량부 미만으로 첨가되는 경우 압출시 성형성이 저하되어, 압출체의 변형 및 크랙이 발생될 수 있으며, 상기 가소제가 8 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 압출체의 연성이 과도하게 증가하여, 압출체의 휨변상이 발생될 수 있다.
상기 윤활제는 분말화된 연료극 지지체의 혼합 분말 100 중량부 기준으로 2~6 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 윤활제가 2 중량부 미만으로 첨가되는 경우 압출몰드와 압출체의 마찰증가에 따른 표면벗겨짐 문제가 발생될 수 있으며, 상기 윤활제가 6 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 압출체와 몰드간 접착력에 의한 표면 줄무늬 현상이 발생될 수 있다.
상기 증류수는 분말화된 연료극 지지체의 혼합 분말 100 중량부 기준으로 20~25 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 증류수가 20 중량부 미만으로 첨가되는 경우 혼련시 페이스트가 아닌 파우더 상태로 남는 부분이 생기게 되며, 연료극 지지체의 압출이 용이하지 않은 문제가 발생될 수 있다. 또한, 상기 증류수가 25 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 연료극 지지체의 압출시 압출기의 스크류 표면에 페이스트가 달라 붙어 압출이 잘 이루어지지 않고, 소결기 연료극 지지체에 크랙이 발생될 우려가 있다.
다음으로, 상기 단계 3에서 제조된 페이스트를 압출하여 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조한다(단계 4).
상기 단계 4에서는 상기 페이스트를 통상의 압출기를 압출하여 연료극 지지체를 제조하며, 압출 전에 페이스트의 수분이 고르게 분포되도록, 일정 시간동안 냉장 보관하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.
마지막으로, 상기 압출된 연료극 지지체를 열처리 및 가소결한다(단계 5).
상기 단계 5는 압출된 연료극 지지체에 포함된 바인더, 기공형성제, 가소제, 윤활유 등의 성분을 연소시키는 과정이다.
이후, 열처리된 연료극 지지체를 1350∼1450℃에서 소결함으로써 본 발명에 따른 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조한다.
상술한 상기 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법에 따라 제조된 연료극 지지체는 기공도, 전기 전도도, 강도 및 가스 투과도가 우수하며, 이를 이용하여 제조된 원통형 고체산화물 연료전지는 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가될 수 있다.
시험예 1: 연료극 지지체의 물성 및 미세구조 측정시험
NiO 분말(J.T. Baker) 1000g과 8YSZ 분말(Tosoh Co.) 790.32g을 혼합한 서멧(cermet)에 기공형성제를 혼합하였다. 이에 에탄올을 첨가하여 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 습식 볼 밀링을 하여 균일화하였고, 핫 플레이트에서 건조한 후 분쇄기를 이용하여 분쇄하였다. 제조된 NiO/YSZ 분말 및 활성탄 분말의 혼합물에 바인더로서 YB-131D 356 g 및 증류수 440 g를 첨가하여 혼련하여 페이스트를 제조하였고, 제조된 페이스트를 수분이 고르게 분포되도록 24시간 동안 냉장보관 후 압출 성형하였다. 각각의 조건으로 압출된 지지체를 1400℃에서 5시간 동안 소결 후 800℃에서 환원하였다. 기공형성제로서 활성탄, 카본 블랙 및 PMMA를 각각 3, 5, 10 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 상기 방법에 따라 연료극 지지체를 제조하였고, 대조군(reference)으로서 기공형성제를 첨가하지 않고 상기 방법에 따라 연료극 지지체를 제조하였다.
(1) 연료극 지지체의 기공도 측정
상기에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 3, 5, 10 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체에 대해 기공도를 측정하였고 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면, 기공형성제를 첨가하지 않고 제조된 연료극 지지체 시편(Reference)의 경우 30.73%의 기공도를 나타내었다. 이는 환원 공정과 첨가제의 제거로 인한 효과이다. 활성탄 3 중량%, 5 중량%, 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 시편은 각각 41.00%, 43.60%, 47.10%의 기공도를 나타내었으며, 카본 블랙 3 중량%, 5 중량%, 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 시편은 각각 33.83%, 34.12%, 34.79%의 기공도를 나타내었다. 또한 PMMA 5 중량% 사용하여 제조된 연료극 지지체 시편의 기공도는 36.63%를 나타내었다. 이로부터 연료극 지지체를 제조하는 과정에서 기공형성제로서 활성탄을 사용하는 경우 기공 형성 효과가 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
(2) 연료극 지지체의 미세구조 측정
상기에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 5 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체 표면에 대해 SEM 사진을 측정하여 도 2에 나타내었고, 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB)을 사용하여 제조된 연료극 지지체에 형성된 기공을 광학 현미경으로 촬영한 사진을 각각 도 3의 (a) 및 (b)에 나타내었고, 기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량% 및 5 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 표면에 대해 SEM 사진을 측정하여 도 4에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 기공형성제 첨가에 의한 연료극 지지체에의 기공 형성 효과를 확인할 수 있다. 활성탄과 카본블랙이 첨가된 연료극 지지체의 입자 분포와 기공분포는 균일하지 않지만 PMMA가 첨가된 연료극 지지체는 비교적 균일하게 분포 되어 있는 것을 알 수 있다. PMMA의 경우에는 1차 입자들의 분산이 잘 되어있지만, 활성탄과 카본블랙의 1차 입자들은 응집되어있기 때문으로 예상할 수 있다. 균일한 미세구조의 연료극 지지체를 제조하기 위해서는 연료극 지지체의 분말을 혼합하기 전 활성탄과 카본블랙의 응집체 처리가 중요하다. 1차 입자들의 응집 현상 문제는 활성탄 보다 카본 블랙에서 더 크게 작용한다.
도 3을 참조하면, 카본 블랙이 첨가된 연료극 지지체의 내부에는 1차 입자의 응집체에 의한 거대 기공들을 관찰할 수 있고, 도 4를 참조하면, 활성탄과 카본블랙의 함량을 증가시킴으로써 연료극 지지체의 기공도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
(3) 연료극 지지체의 전기 전도도 측정
도 5에 도시된 직류 4단자법을 이용하여 상기에서 기공형성제로서 활성탄(AC), 카본 블랙(CB) 및 PMMA 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%로 상기 서멧과 혼합하여 제조된 연료극 지지체에 대해 전기 전도도를 측정하였다. 전기 전도도는 환원분위기에서 100㎃의 전류를 인가하면서 650∼850℃의 범위에서 측정하였고 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 기공형성제의 함량이 증가할수록 연료극 지지체의 전기 전도도가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 전기 전도도의 감소는 기공이 증가하면서 Ni 입자의 연결을 저해하였기 때문이다. 카본 블랙이 3 중량% 첨가된 시편은 600℃에서 1057 S/㎝의 우수한 전도도를 나타내었다.
(4) 연료극 지지체의 기계적 강도 측정
기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체의 파괴강도는 표준화된 도 7에 도시된 압환강도 측정 모식도에 나타난 압환강도 측정법을 이용하여 하기 수학식 1로 표시된 JIS Z 2507 표준식에 의해 계산되었고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서 : 압환강도, : 파단시 최대하중, : 시편의 외경, : 링의 두께, : 시편의 길이임.
도 8을 참조하면, 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체 시편은 123.77 MPa의 압환강도를 나타내었다. 또한 활성탄(AC) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 시편은 각각 81.02 MPa, 75.50 MPa, 53.40 MPa의 강도를 나타내었으며, 카본 블랙(CB) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 시편은 각각 90.78 MPa, 85.64 MPa, 73.00 MPa의 강도를 나타내었다. 활성탄과 카본 블랙을 사용하여 제조된 연료극 지지체의 미세구조와 기공도 차이는 기계적 강도에 있어서 중요한 요인으로 작용한 것으로 판단된다. 카본 블랙을 사용하여 제조된 연료극 지지체는 많은 거대 기공이 존재하지만, 낮은 기공도를 나타내며 보다 작은 기공으로 이루어져 활성탄을 사용하여 제조된 연료극 지지체 보다 높은 기계적 강도를 나타내었다. 고체산화물 연료전지에 사용되는 연료극 지지체는 단위전지의 구성에 있어서 단위전지를 지지하는 역할을 하기 때문에 열 충격이나 외부의 충격에 견딜 수 있는 충분한 강도를 가져야 한다.
(5) 연료극 지지체의 가스 투과도 측정
기공형성제로서 활성탄(AC) 및 카본 블랙(CB) 3 중량%, 5 중량% 및 10 중량%를 사용하여 제조된 연료극 지지체 및 기공형성제를 사용하지 않고 제조된 연료극 지지체의 가스 투과도는 도 9에 도시된 연료극 지지체의 가스 투과도를 측정하기 위한 측정 장치의 모식도에 나타낸 바와 같이 연료극 지지체에 일정한 유량의 수소를 흘려주고 반대쪽을 밀봉하여 수소가스가 연료극 지지체를 투과할 때 발생하는 압력차를 측정하였고, 가스 투과도는 하기 수학식 2로 나타난 Darcy’s law를 사용하여 계산하였다. 그 결과는 도 10에 나타내었다.
[수학식 2]
상기 수학식 2에서 : 유량, : 가스투과도, : 점성계수, : 차압, : 지지체 표면적, : 지지체 두께임.
도 10을 참조하면, 기공도가 높고, 기공의 크기가 큰 활성탄을 사용하여 제조된 연료극 지지체가 다른 기공형성제를 사용한 연료극 지지체 보다 높은 가스 투과도를 나타낸다. 또한 함량에 따른 가스 투과도에 대한 효과는 카본 블랙 보다 활성탄을 사용하여 제조된 연료극 지지체에서 크게 나타남을 확인할 수 있다.

Claims (11)

  1. Ni/8YSZ 서멧 90~97 중량% 에 활성탄 혹은 카본 블랙 3~10 중량%를 혼합한 후, 이에 용매를 첨가한 후 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링하여 균일화하는 단계(단계 1);
    상기 균일화된 Ni/8YSZ 서멧과 활성탄 혹은 카본 블랙의 혼합물을 건조기에서 건조한 후 분쇄하여 분말화하는 단계(단계 2);
    상기 분말화된 혼합물에 혼합물 100 중량부 기준으로 바인더 15~20 중량부, 가소제 4~8 중량부, 윤활제 2~6 중량부 및 증류수 20~25 중량부를 첨가하여 혼련함으로써 페이스트를 제조하는 단계(단계 3);
    상기 단계 3에서 제조된 페이스트를 압출하여 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 제조하는 단계(단계 4); 및
    상기 단계 4에서 제조된 연료극 지지체를 열처리 및 가소결하는 단계(단계 5)를 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Ni/8YSZ 서멧은 Ni과 8YSZ가 40:60 vol%로 혼합된 것임을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 1에서 Ni/8YSZ 서멧 90~97 중량%에 활성탄 혹은 카본 블랙의 혼합물 3~10 중량%를 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 바인더는 메틸 셀룰로오스 또는 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스인 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가소제는 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol) 및 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 윤활제는 스테아르산(Stearic Acid)인 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 1에서 Ni/8YSZ 서멧 및 활성탄과 카본 블랙의 혼합물에 용매로서 에탄올을 첨가하고 고순도 지르코니아 볼을 혼합하여 1일 ~ 2주 동안 볼 밀링하는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 4에서 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 압출하기 전에 수분이 고르게 분포되도록 냉장 보관하는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    가소결된 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 1350∼1450℃에서 소결하는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체의 제조방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체.
  11. 청구항 10의 원통형 고체산화물 연료전지용 연료극 지지체를 포함하여 구성되는 원통형 고체산화물 연료전지.
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