KR101341962B1 - Segment-in-series type sofc sub-module, preparation method thereof and segment-in-series type sofc module using the same - Google Patents

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송락현
박석주
임탁형
이승복
이종원
신동열
윤의진
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a segment type solid oxide fuel cell sub-module, a method for producing the same, and a segment type solid oxide fuel cell sub-module using the same. The segment type solid oxide fuel cell sub-module of the present invention can present high-power output, and have increased resistance to heat cycles by using porous scaffold supporter with higher gas permeability than the conventional technique and excellent mechanical strength.

Description

세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈 {SEGMENT-IN-SERIES TYPE SOFC SUB-MODULE, PREPARATION METHOD THEREOF AND SEGMENT-IN-SERIES TYPE SOFC MODULE USING THE SAME}Segmented Solid Oxide Fuel Cell Submodule, Manufacturing Method Thereof and Segmented Solid Oxide Fuel Cell Module Using The Same

본 발명은 종래에 비해 개선된 기체 투과도 및 기계적 강도를 나타내는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈에 관한 것이다.
The present invention relates to a segmented solid oxide fuel cell submodule exhibiting improved gas permeability and mechanical strength compared to the prior art, a method of manufacturing the same, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same.

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.Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) produces electricity by electrochemical reaction of fuel (H 2 , CO) and air (oxygen) at high temperature of 600 ~ 1000 ℃ using solid ceramic as electrolyte. As a fuel cell, there is an advantage in generating power generation efficiency and excellent economic efficiency among the existing power generation technology.

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.Since the electrolyte and the electrode are in a solid state, the SOFC can be manufactured in various types of cells such as a plate type or a cylindrical type, and can be classified into an anode support type and an air cathode support type and an electrolyte support type according to a support of a fuel cell do.

평판형 SOFC는 전력밀도와 생산성이 높고 전해질 박막화가 가능한 반면, 별도의 밀봉재를 이용한 기체 밀봉이 요구되는 단점이 있고, 고온에서 금속연결재를 사용하기 때문에 크롬 휘발로 인해 전극 효율이 저하되는 문제가 있으며, 열 사이클에 대한 저항성이 낮아 신뢰성이 부족하다는 단점이 있다. 더욱이, 평판형 SOFC는 대면적 셀의 제조가 어려울 뿐만 아니라 대용량 스택(stack)의 제작도 쉽지 않기 때문에, 이러한 문제를 해결하는 것이 실용화의 관건이 된다.Flat SOFCs have high power density, high productivity, and thin electrolyte, but require gas sealing using a separate sealant, and due to the use of metal connecting materials at high temperatures, electrode efficiency is reduced due to chromium volatilization. However, it has a disadvantage of lacking reliability due to low resistance to thermal cycles. Moreover, since flat panel SOFCs are not only difficult to manufacture large-area cells but also easy to manufacture large-capacity stacks, solving these problems becomes a key to practical use.

원통형 SOFC의 경우는 기체 밀봉이 불필요하고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 여러 가지 시험 항목에서 신뢰성이 검증되었기 때문에, 상용화에 가장 근접한 SOFC 디자인으로 평가받고 있다. 그러나, 원통형 SOFC는 전류의 이동 경로가 길기 때문에 내부저항이 높고 출력밀도가 낮은 단점이 있다. 또한, 셀의 집합체인 모듈에서 출력되는 전압이 낮기 때문에 운전 중 전력변환 손실이 크며, 그 결과 효율이 떨어진다는 취약점이 있다.Cylindrical SOFCs are evaluated as SOFC designs closest to commercialization because they do not require gas sealing, have excellent mechanical strength, and have been tested for reliability in various test items. However, the cylindrical SOFC has a disadvantage of high internal resistance and low power density because of a long current path. In addition, since the voltage output from the module, which is a collection of cells, is low, the power conversion loss during operation is large, and as a result, there is a weakness in efficiency.

현재, 20kW급 이상의 발전용 SOFC 시스템은 대부분 원통형 또는 개량 원통형 셀을 사용한 스택을 채택하고 있으며, 20kW급 이하의 경우에는 평판형 셀도 채택하고 있다.Currently, SOFC systems for power generation above 20 kW are mostly adopting stacks using cylindrical or improved cylindrical cells, and in the case of 20 kW or lower, flat cells are also adopted.

한편, 기존의 발전용 SOFC 셀 형태의 단점을 보완하는 개량 셀 형태 중 세그먼트형 고체산화물 연료전지(Segment-in-series type SOFC)는 가장 장점이 많고 경제성이 우수한 형태의 것으로서, 기존의 단전지 관형 셀을 마디형으로 여러 개의 셀로 분리 제작한 구조로 이루어져 있다. 이 세그먼트형 SOFC 셀은 단위 전지들이 직렬 형태로 연결된 모듈이기 때문에 고전압 저전류 출력으로 고효율의 발전이 가능하고, 스택의 부피를 감소시킬 수 있어 시스템을 간략화할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이외에도 세그먼트형 SOFC 셀은 스택 제조 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능한 저가의 습식 코팅 공정을 적용할 수 있으며, 원통형 셀의 모서리 부분만 가스 밀봉하면 되므로 가스 밀봉 문제를 극소화할 수 있고, 원통형 셀 지지체 길이의 증대를 통한 대면적화가 용이하다는 장점 등이 있다.On the other hand, the segment-in-series type SOFC is one of the most advantageous and economical types of the improved cell type to compensate for the shortcomings of the conventional SOFC cell type for power generation. The cell is composed of nodes made of several cells. Since the segmented SOFC cell is a module in which unit cells are connected in series, it is possible to generate high efficiency with a high voltage and low current output, reduce the volume of the stack, and simplify the system. In addition, segmented SOFC cells can reduce stack manufacturing costs, apply low-cost wet coating processes that can be mass-produced, and minimize gas sealing problems by only gas sealing the edges of cylindrical cells. There is an advantage in that large area is easy through increasing the length of the cell support.

본 발명자들은 한국공개특허 제2012-0034508호에서 다공성 관형 지지체, 상기 다공성 관형 지지체 외면에 형성된 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈로서, 상기 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄 분말의 혼합물, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 개시하고 있다.The present invention is a segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connecting member formed on the outer surface of the porous tubular support in Korea Patent Publication No. 2012-0034508, the porous tubular support is uniform And a paste prepared by kneading a mixture of powdered calcia stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon powder, a binder, and distilled water, by extrusion, drying, heat treatment, and sintering. Starting a module.

세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에 사용되는 다공성 관형 지지체는 기계적 및 열적 안정성을 가져야 하고, 다공성 구조를 이루어야 한다.Porous tubular supports used in segmented solid oxide fuel cell submodules must have mechanical and thermal stability and have a porous structure.

세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈은 다공성 관형 지지체의 표면에 연결재로 직렬연결 코팅된 셀에서 전기화학 반응을 통하여 발전이 이루어진다. 이로 인하여 다공성 관형 지지체를 통해 연료 투과량이 증가할수록 고출력 발전이 이루어지기 때문에 기공률이 증가할수록 좋다. 하지만 다공성이 증가할수록 기계적 물성이 약해지는 결과를 초래하기 때문에 기계적 강도를 고려하여 기공형성제의 함량을 결정하여 최적화할 것이 요구된다.
Segmented solid oxide fuel cell submodules generate power through electrochemical reactions in cells coated in series with a connecting material on the surface of the porous tubular support. For this reason, as the fuel permeation rate increases through the porous tubular support, high power generation is achieved, so the porosity increases. However, as the porosity increases, the mechanical properties are weakened. Therefore, the pore-forming agent must be determined and optimized in consideration of mechanical strength.

본 발명자들은 상기 종래기술에 개시된 세그먼트형 고체산화물 연료전지를 개선하기 위한 연구를 거듭하였고, 그 결과 가스 투과도 및 기계적 강도가 개선된 다공성 관형 지지체를 개발하여 적용함으로써 최적화시킬 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors have repeatedly studied to improve the segmented solid oxide fuel cell disclosed in the prior art, and as a result, it has been found that the present invention can be optimized by developing and applying a porous tubular support having improved gas permeability and mechanical strength. Came to complete.

따라서 본 발명의 목적은 개선된 물성을 갖는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공하는 데 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a segmented solid oxide fuel cell submodule having improved physical properties, a method of manufacturing the same, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다공성 관형 지지체, 상기 다공성 관형 지지체 외면에 형성된 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈로서, 상기 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode and a connecting member formed on the outer surface of the porous tubular support, the porous tubular support is uniform and powdered Segmented solid oxide fuel, characterized in that the paste prepared by kneading a mixture of oxidized 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder and distilled water is subjected to extrusion, drying, heat treatment and sintering. Provides a battery submodule.

또한, 본 발명은 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 포함하는 페이스트를 사용하여 다공성 관형 지지체를 제조하는 단계(S1); 상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 형성하는 단계(S2); 상기 연료극 상에 전해질층을 형성하는 단계(S3); 상기 전해질층 상에 공기극을 형성하는 단계(S4); 및 전기적 연결을 위해 연결재를 형성하는 단계(S5)를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법을 제공한다.
The present invention also provides a method for preparing a porous tubular support using a paste comprising a mixture of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder and distilled water (S1); Forming a fuel electrode on the porous tubular support (S2); Forming an electrolyte layer on the anode (S3); Forming an air electrode on the electrolyte layer (S4); And forming a connection material for electrical connection (S5).

본 발명은 종래기술에 비해 높은 가스 투과도 및 우수한 기계적 강도를 나타내는 다공성 관형 지지체를 사용함으로써, 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 제공한다.
The present invention provides a segmented solid oxide fuel cell submodule capable of high output, increased starting speed and thermal cycle resistance by using a porous tubular support having high gas permeability and excellent mechanical strength compared to the prior art, and a method of manufacturing the same. It provides a segmented solid oxide fuel cell module.

도 1의 (A) 내지 (E)는 본 발명에 따라 다공성 관형 지지체를 제조하기 위한 공정 중 (A) 원료 분말 입도 조절을 위한 균일화 단계, (B) 지지체 분말의 균일한 혼합을 위한 혼련 단계, (C) 압출을 위해 혼련된 페이스트 제조 단계, (D) 상기 페이스트의 압출 단계 및 (E) 지지체의 직진도 향상을 위해 롤링 건조하는 단계를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1에서 제조된 다공성 관형 지지체의 기공형성제 및 첨가제의 온도에 따른 상태 변화를 TGA를 사용하여 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1에서 활성탄과 바인더의 연소를 고려한 다공성 세라믹 지지체의 가소결 조건을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 시험예 1에서 다른 함량의 기공형성제(활성탄)이 첨가된 CSZ와 3YSZ의 다공성 관형 지지체를 압출한 후 소결하여 제조된 시편에 대해 촬영한 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 시험예 1에서 10 중량부의 활성탄이 첨가된 3YSZ의 다공성 관형 지지체의 외부 표면 및 내부 표면에 대해 촬영한 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 시험예 2에서 실시예 1 및 비교예 1에 따른 3YSZ 및 CSZ의 다공성 관형 지지체에 대해 측정한 기공분포에 대한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 시험예 2에서 실시예 1 및 비교예 1에 따른 3YSZ 및 CSZ의 다공성 관형 지지체에 대해 측정한 기공률에 대한 그래프이다.
1 (A) to (E) is a homogenization step for controlling the particle size of the raw material powder (A) during the process for producing a porous tubular support according to the present invention, (B) a kneading step for uniform mixing of the support powder, (C) A photograph of the paste-kneaded step for extrusion, (D) extrusion of the paste, and (E) rolling drying to improve the straightness of the support.
Figure 2 is a graph showing the results of measuring the state change according to the temperature of the pore-forming agent and the additive of the porous tubular support prepared in Example 1 according to the present invention using TGA.
3 is a graph showing the plasticization conditions of the porous ceramic support in consideration of the combustion of activated carbon and a binder in Example 1 according to the present invention.
FIG. 4 is a SEM photograph of a specimen prepared by extruding a porous tubular support of CSZ and 3YSZ to which different amounts of pore-forming agents (activated carbon) were added in Test Example 1 according to the present invention.
Figure 5 is a SEM photograph taken on the outer surface and the inner surface of the porous tubular support of 3YSZ added 10 parts by weight of activated carbon in Test Example 1 according to the present invention.
Figure 6 is a graph of the pore distribution measured for the porous tubular support of 3YSZ and CSZ according to Example 1 and Comparative Example 1 in Test Example 2 according to the present invention.
Figure 7 is a graph of the porosity measured for the porous tubular support of 3YSZ and CSZ according to Example 1 and Comparative Example 1 in Test Example 2 according to the present invention.

이하 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈, 이의 제조방법 및 이를 이용한 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a segmented solid oxide fuel cell submodule of the present invention, a manufacturing method thereof, and a segmented solid oxide fuel cell module using the same will be described in detail.

또한, 본 발명자의 한국공개특허 제2012-0034508호는 본 발명에 참조로써 전체적으로 포함된다.In addition, Korean Patent Publication No. 2012-0034508 of the present inventors is incorporated in its entirety by reference to the present invention.

본 발명은 다공성 관형 지지체, 상기 다공성 관형 지지체 상부에 형성된 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈로서,The present invention is a segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connection member formed on the porous tubular support.

상기 다공성 관형 지지체로는 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조된 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.The porous tubular support is prepared by extrusion, drying, heat treatment and sintering of a paste prepared by mixing a mixture of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder, and distilled water. It is characterized by using a thing.

세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에서 다공성 관형 지지체는 셀의 프레임을 형성하면서 연료/반응물의 유로로서의 역할을 하며, 2개 이상의 단위전지를 연결하므로 전기전도성이 없는 물질로 구성된다.In the segmented solid oxide fuel cell submodule, the porous tubular support serves as a flow path of fuel / reactant while forming a frame of a cell, and is composed of a material having no electrical conductivity because it connects two or more unit cells.

본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에서 사용되는 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아와 기공형성제로서 활성탄의 혼합분말을 포함한 페이스트를 사용하여 제조되어 종래의 균일화 및 분말화된 칼시아 안정화 지르코니아(CSZ) 및 활성탄을 사용하여 제조된 다공성 관형 지지체에 비해 높은 가스 투과도 및 우수한 기계적 강도를 나타낼 수 있다.The porous tubular support used in the segmented solid oxide fuel cell submodule of the present invention is prepared using a paste containing a mixed powder of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon as a pore former. And high gas permeability and excellent mechanical strength as compared to porous tubular supports prepared using powdered calcia stabilized zirconia (CSZ) and activated carbon.

본 발명에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈은 상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재가 순차적으로 형성되어 제조된다.The segmented solid oxide fuel cell submodule according to the present invention is manufactured by sequentially forming a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connecting material on the porous tubular support.

상기 연료극은 산화니켈(NiO) 분말, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 사용하여 제조된다.The anode is manufactured using a slurry prepared by mixing nickel oxide (NiO) powder, yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, a binder, a homogeneous agent, a dispersant, a plasticizer and a solvent.

상기 전해질층은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 분말, 바인더, 균일제, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 제조된 슬러리를 연료극 상에 코팅하여 형성된다.The electrolyte layer is formed by coating a slurry prepared by mixing yttria stabilized zirconia (YSZ) powder, a binder, a homogeneous agent, a dispersant, a plasticizer and a solvent on the anode.

상기 공기극은 LSM-YSZ층, LSM층 및 LSCF층이 순차적으로 형성된 다층 구조 공기극으로 형성된다.The cathode is formed of a multilayer structure cathode in which an LSM-YSZ layer, an LSM layer, and an LSCF layer are sequentially formed.

상기 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈은 다공성 관형 지지체 상에 연료극, 전해질층 및 공기극으로 구성된 단위전지가 복수개 형성된 후 연결재에 의해 전기적으로 연결된다.The segmented solid oxide fuel cell submodule is electrically connected by a connecting member after a plurality of unit cells including a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode are formed on the porous tubular support.

상기 연결재는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈에서 단위전지의 연료극과 다른 단위전지의 공기극을 전기적으로 연결시키기 위해 형성된다.The connecting member is formed in the segmented solid oxide fuel cell submodule to electrically connect the anode of the unit cell and the cathode of another unit cell.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 연결재는 은-유리 페이스트를 사용하여 형성될 수 있으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 물질을 제한없이 사용할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the connecting material may be formed using silver-glass paste, but may be used without limitation, materials commonly used in the art to which the present invention pertains.

이하 본 발명의 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a segmented solid oxide fuel cell submodule of the present invention will be described.

우선, 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 포함하는 페이스트를 사용하여 다공성 관형 지지체를 제조한다(S1).First, a porous tubular support is prepared using a paste comprising a mixture of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder and distilled water (S1).

본 발명에서는 다공성 관형 지지체를 제조하기 위한 주원료로서 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아(3mol.% Yittria stabilized zirconia) 분말을 사용하고, 기공 형성제로서 활성탄(Active Carbon) 분말을 사용하며, 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 100 중량부에 대하여 활성탄 5~15 중량부를 혼합한다.In the present invention, 3 mol% yittria stabilized zirconia powder is used as a main raw material for preparing a porous tubular support, and active carbon powder is used as a pore forming agent, and 3 mol% or less is used. 5-15 parts by weight of activated carbon is mixed with 100 parts by weight of tria stabilized zirconia.

상술한 사용함량에 따라 혼합된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아와 활성탄 분말의 혼합물을 슬러리 상태로 제조하여 볼 밀링(ball milling)에 의해 균일화한다. 이때 에탄올을 용매로 사용하는데, 에탄올은 건조가 빠르기 때문에 볼 밀링 후 건조기에서 건조될 때 작업을 빨리 진행할 수 있게 된다. 볼 밀링은 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 2주간 진행함으로써, 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아와 활성탄 분말의 혼합물을 최대한 균일하게 할 수 있게 된다(도 1의 (A) 참조).A mixture of 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder mixed according to the above-mentioned contents of use is prepared in a slurry state and homogenized by ball milling. At this time, ethanol is used as a solvent, and since ethanol is fast drying, the work can be performed quickly when dried in a dryer after ball milling. Ball milling is performed for two weeks using high-purity zirconia balls, making it possible to make the mixture of 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder as uniform as possible (see FIG. 1A).

이어서, 균일화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아와 활성탄 분말의 혼합물을 건조기(hot plate)에서 건조한 후 분쇄하여 분말화한다.Subsequently, the mixture of homogenized 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder is dried in a hot plate and then ground to powder.

그리고, 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아와 활성탄 분말의 혼합물 100 중량부를 기준으로 가소제 7~8 중량부, 윤활제 6~7 중량부, 바인더 17~18 중량부 및 증류수 20~30 중량부를 첨가하여 혼련을 실시함으로써 페이스트를 형성한다(도 1의 (B) 및 (C) 참조). 바인더로는 종합바인더인 YB-131D를 사용할 수 있는데, YB-131D는 메틸셀룰로오스와 하이드록시프로필 메틸셀룰로오스 및 가소제와 윤활제 등을 포함하는 유기바인더로 널리 알려져 있는 것이다. 바인더는 분말화된 혼합물을 결합시키는 역할을 함과 아울러 활성탄과 함께 기공을 형성하는 역할을 한다.Then, based on 100 parts by weight of the mixture of powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, 7 to 8 parts by weight of plasticizer, 6 to 7 parts by weight of lubricant, 17 to 18 parts by weight of binder, and 20 to 30 parts by weight of distilled water are added. And kneading to form a paste (see Figs. 1B and 1C). As the binder, YB-131D, which is a comprehensive binder, may be used, and YB-131D is widely known as an organic binder including methyl cellulose and hydroxypropyl methyl cellulose, a plasticizer and a lubricant. The binder serves to bind the powdered mixture and to form pores with the activated carbon.

다음으로, 상술한 과정에 따라 형성된 페이스트를 도 1의 (D)에 나타난 압출기를 이용하여 다공성 관형 지지체로 압출하는데, 압출 전에 페이스트의 수분이 고르게 분포되도록 냉장 보관하는 과정을 거치는 것이 바람직하다.Next, the paste formed according to the above-described process is extruded into the porous tubular support using the extruder shown in FIG. 1 (D), and it is preferable to undergo a process of refrigeration so that the moisture of the paste is evenly distributed before extrusion.

압출된 다공성 관형 지지체는 관형으로 형성되므로 건조시에 용매의 증발에 의해 휨 현상이나 균열이 발생할 우려가 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 다공성 관형 지지체의 관내에 스틸 바(steel bar)와 같은 금속 바(도시되지 않음)를 삽입하고 도 1의 (E)에 나타난 바와 같이 롤링 건조기로 롤링시키면서 상온에서 건조시킨다.Since the extruded porous tubular support is formed in a tubular shape, there is a fear that warpage or cracking may occur due to evaporation of the solvent during drying. Therefore, to prevent this, a metal bar (not shown) such as a steel bar (steel bar) is inserted into the tube of the porous tubular support and dried at room temperature while rolling in a rolling dryer as shown in FIG.

이후 상기 건조된 다공성 관형 지지체를 열처리하여 다공성 관형 지지체에 첨가되어 있는 바인더와 활성탄 성분을 완전 연소시키는 과정을 수행한다. 즉, 200 ℃까지 시간당 0.67 ℃/분으로 승온하여 남아있는 수분과 첨가물을 천천히 연소시키고, 200~300 ℃에서 3~5 시간 동안 유지하여 바인더를 천천히 연소시키고, 600 ℃까지 1 ℃/분 로 승온 후, 3~5 시간 동안 유지하여 활성탄을 완전 연소시킨다.Thereafter, the dried porous tubular support is subjected to a process of completely burning the binder and the activated carbon component added to the porous tubular support. That is, the temperature and the temperature are increased to 0.67 ℃ / minute to 200 ℃ slowly burned the remaining moisture and additives, and maintained for 3 to 5 hours at 200 ~ 300 ℃ to burn the binder slowly, and heated to 1 ℃ / minute to 600 ℃ After that, it is maintained for 3 to 5 hours to completely burn the activated carbon.

마지막으로, 위와 같이 열처리된 다공성 관형 지지체를 1400 ℃까지 1.67 ℃/분으로 승온하여 3 시간 동안 가소결하여 수행함으로써 다공성 관형 지지체를 완성한다.Finally, the porous tubular support heat treated as described above is heated to 1.67 ° C./min up to 1400 ° C. to be calcined for 3 hours to complete the porous tubular support.

상술한 방법에 따라 제조된 다공성 관형 지지체는 종래의 다공성 관형 지지체에 비해 높은 기체 투과도와 우수한 압축강도를 나타내므로 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈 및 이를 이용한 모듈에 사용되는 경우, 고출력화가 가능하고 기동속도 및 열사이클 저항성이 증가된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈 및 이를 이용한 모듈을 제조할 수 있다.The porous tubular support manufactured according to the above-described method exhibits higher gas permeability and excellent compressive strength than the conventional porous tubular support, so that when used in a segmented solid oxide fuel cell submodule and a module using the same, high output power and start-up are possible. Segmented solid oxide fuel cell submodules with increased speed and thermal cycle resistance and modules using the same can be manufactured.

다음으로, 상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 형성하고, 상기 연료극 상에 전해질층을 형성하고, 상기 전해질층 상에 공기극을 형성한다(S1 내지 S4).Next, a fuel electrode is formed on the porous tubular support, an electrolyte layer is formed on the fuel electrode, and an air electrode is formed on the electrolyte layer (S1 to S4).

마지막으로, 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 전기적 소통의 위해 연결재를 형성한다(S5).Finally, to form a connection for electrical communication of the segmented solid oxide fuel cell submodule (S5).

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 연결재는 은-유리 페이스트를 코팅하여 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the connecting material may be formed by coating a silver-glass paste.

본 발명에 따라 상술한 바와 같이 제조된 다공성 관형 지지체 상에 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 형성하는 방법은 본 발명에 참조로서 포함된 한국공개특허 제2012-0034508호에 개시된 바와 동일하다.
The method of forming the anode, the electrolyte layer, the cathode and the connecting member on the porous tubular support prepared as described above according to the present invention is the same as that disclosed in Korean Patent Laid-Open No. 2012-0034508, which is incorporated herein by reference.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary meanings and should be construed in accordance with the technical meanings and concepts of the present invention.

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.
The embodiments and drawings described in the present specification are preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention, so that various equivalents and modifications may be substituted for them at the time of application of the present invention.

실시예Example 1 One

주원료인 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 분말(3YSZ 분말)을 다공성 관형 지지체를 제조하기 위한 기공형성제로 활성탄(Activated Carbon, Kuraray Chemacl Co., Janpan) 분말을 3YSZ 분말 100 중량부에 대해 각각 5, 10, 15 중량부로 정량하여 혼합하였다. 혼합된 분말을 에탄올 첨가 후, 고순도 지르코니아 볼을 이용하여 2주간 습식 볼 밀링(ball milling)을 하여 균일하게 한 후 핫 박스(Hot Box)에서 80 ℃에서 24 시간 동안 건조를 하였다. 건조 후 100, 200 ㎛의 크기를 가지는 표준체(sieve)를 이용하여 분쇄하여 지지체 분말과 기공형성제가 균일하게 혼합된 혼합분말을 얻었다.3 mol% yttria stabilized zirconia powder (3YSZ powder), the main raw material, was used as a pore-forming agent for preparing a porous tubular support. 15 parts by weight was mixed and quantified. After ethanol was added, the mixed powder was uniformly subjected to wet ball milling for 2 weeks using high purity zirconia balls, and then dried in a hot box at 80 ° C. for 24 hours. After drying, the mixture was ground using a sieve having a size of 100 and 200 µm to obtain a mixed powder in which the support powder and the pore-forming agent were uniformly mixed.

제조된 혼합분말에 수계종합바인더(YB-13D, SERANDER,.CO. Japan), 가소제(Plasticizer), 윤활제(Lubricant), 용매(증류수)를 하기 표 1에 나타낸 구성성분, 이의 재료 및 함량으로 첨가하여 압출 페이스트를 제작하였다. 혼련과정은 먼저 혼합 분말과 수계종합바인더를 분말상태로 30분간 혼련(mixing) 후 가소제, 윤활제 및 증류수와 혼합한 액상용액을 만든 후 균일하게 첨가하였다. 3YSZ 지지체는 기공형성제와 증류수의 비율을 1:1 의 비율로 증류수의 함량을 조절하여 원할한 압출이 되도록 압출용 페이스트를 제작하였다. 제조된 압출 페이스트는 용매가 고르게 분포되도록 24 시간 동안 냉장 숙성 한 후 다공성 관형 지지체를 압출 성형하였다.To the prepared mixed powder, an aqueous composite binder (YB-13D, SERANDER, .CO. Japan), a plasticizer, a lubricant, a solvent (distilled water) are added to the ingredients shown in Table 1, materials and contents thereof. To produce an extrusion paste. In the kneading process, first, the mixed powder and the water-based binder were mixed in a powder state for 30 minutes, and then a liquid solution mixed with a plasticizer, a lubricant, and distilled water was made and added uniformly. The 3YSZ supporter prepared a paste for extrusion to achieve a smooth extrusion by controlling the content of the distilled water at a ratio of 1: 1 by the ratio of the pore-forming agent and the distilled water. The prepared extrusion paste was refrigerated for 24 hours so that the solvent was evenly distributed, and then the extruded porous tubular support.

[표 1][Table 1]

Figure 112012049523505-pat00001
Figure 112012049523505-pat00001

상기에서 제조한 다공성 관형 지지체 중심의 내부에 스틸 바를 삽입하여 롤링 건조기에서 48 시간 동안 상온 건조하였다. 건조된 관형 지지체는 첨가물을 제거하고, 코팅 공정에 필요한 강도를 부여하기 위해 1100 ℃에서 3 시간 동안 가소결하였다.The steel bar was inserted into the inside of the center of the porous tubular support prepared above, and dried at room temperature for 48 hours in a rolling dryer. The dried tubular support was presintered at 1100 ° C. for 3 hours to remove the additives and impart the strength required for the coating process.

연소 가스에 의한 결함 발생을 방지하기 위하여 기공형성제 및 첨가제의 온도에 따른 상태 변화를 TGA(Thermo Gravimetric Analysis)를 사용하여 측정하였고 그 결과를 도 2에 나타내었다. 이때 승온 조건은 5 ℃/분으로 하였고, 보호 가스로는 N2 가스, 활성 가스로는 공기를 주입하였다. 도 2를 참조하면, 200~300 ℃에서는 바인더의 연소로 인한 질량감소가 일어나고, 550~600 ℃에서는 활성탄의 연소로 인한 질량 감소가 이루어졌다.In order to prevent the occurrence of defects due to the combustion gas, the state change with temperature of the pore-forming agent and the additive was measured using TGA (Thermo Gravimetric Analysis) and the results are shown in FIG. 2. At this time, the temperature raising condition was 5 ° C / min, N 2 gas as the protective gas, air was injected into the active gas. Referring to FIG. 2, the mass decrease occurs due to the combustion of the binder at 200 to 300 ° C., and the mass decrease occurs due to the combustion of the activated carbon at 550 to 600 ° C.

활성탄과 바인더의 연소를 고려한 다공성 세라믹 지지체의 가소결 조건을 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 200 ℃까지는 시간당 0.67 ℃/분으로 승온하고 남아있는 수분과 첨가물을 천천히 연소시키고, 200~300 ℃에서 각 5 시간 동안 유지하여 바인더를 천천히 연소하였다. 600 ℃까지는 1 ℃/분으로 승온한 후, 5 시간 동안 유지하여 활성탄을 완전 연소하였다. 최종적으로 1100 ℃까지 1.67 ℃/분으로 승온하여 3 시간 동안 가소결하여 본 발명에서 사용되는 다공성 세라믹 지지체를 제조하였다.
The sintering conditions of the porous ceramic support in consideration of the combustion of activated carbon and a binder are shown in FIG. 3. 3, the temperature was raised to 0.67 ° C / min per hour up to 200 ℃ and slowly burned the remaining water and additives, and maintained at 200 ~ 300 ℃ for 5 hours each to slowly burn the binder. After heating up to 1 ° C./min up to 600 ° C., the mixture was kept for 5 hours to completely burn the activated carbon. Finally, the temperature was raised to 1.67 ° C./min to 1100 ° C., followed by sintering for 3 hours to prepare a porous ceramic support used in the present invention.

비교예Comparative Example 1 One

주원료인 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 분말 대신 칼시아 안정화 지르코니아(CaO-stabilized ZrO2 : CSZ) 분말을 사용하고 기공형성제와 증류수의 비율을 1:2로 조절하고, 사용된 구성성분, 재료 및 함량을 표 2와 같이 사용한 것을 제외하고 실시예 1과 동일하게 압출 성형하여 다공성 관형 지지체를 제조하였다.Instead of 3 mol% yttria stabilized zirconia powder, which is the main raw material, calcia stabilized zirconia (CaO-stabilized ZrO 2 : CSZ) powder is used, and the ratio of pore-forming agent and distilled water is 1: 2, and the components, materials and Except that the content was used as shown in Table 2 by extrusion molding in the same manner as in Example 1 to prepare a porous tubular support.

[표 2][Table 2]

Figure 112012049523505-pat00002

Figure 112012049523505-pat00002

시험예 1: 가소결 공정 조건을 달리하여 제조된 다공성 관형 지지체의 표면 특성 분석Test Example 1 Surface Characterization of Porous Tubular Support Prepared by Different Presintering Process Conditions

5, 10 및 15 중량부의 기공형성제(활성탄)이 첨가된 CSZ(비교예 1)와 3YSZ(실시예 1)의 다공성 관형 지지체를 압출한 후, 1100 ℃에서 3 시간 동안 가소결하고, 1400 ℃에서 5 시간 동안 소결한 시편을 제작하였다. 표면의 미세구조를 SEM을 이용하여 도 4에 나타내었다. After extruding the porous tubular support of CSZ (Comparative Example 1) and 3YSZ (Example 1) to which 5, 10, and 15 parts by weight of pore-forming agent (activated carbon) were added, it was calcined at 1100 ° C. for 3 hours, and then 1400 ° C. The specimen sintered for 5 hours was produced. The microstructure of the surface is shown in FIG. 4 using SEM.

도 4를 참조하면, 활성탄 함량이 증가할수록, 기공이 증가하였고 이는 연소가스에 의한 기공형성으로 생각된다. 또한 기공형성제의 함량이 증가할수록 그린바디의 입자 충진율이 낮아져 소결 후의 미세구조는 다공성의 구조를 나타낸다. 10 중량부의 활성탄이 첨가된 3YSZ의 다공성 관형 지지체의 외부 표면 및 내부 표면의 미세구조를 도 5에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 외부 표면과 내부 표면의 큰 차이가 없이 계면에 기공이 균일하게 분산되어 있음을 확인할 수 있다. 이는 기공이 연속적으로 연결되어 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 지지체로 사용할 경우, 연료가스의 투과가 원활하게 이루어질 것으로 생각된다.
Referring to FIG. 4, as the activated carbon content increased, the pores increased, which is considered to be pore formation by the combustion gas. In addition, as the content of the pore-forming agent increases, the particle filling rate of the green body is lowered, and thus the microstructure after sintering shows a porous structure. The microstructure of the outer surface and inner surface of the porous tubular support of 3YSZ to which 10 parts by weight of activated carbon was added is shown in FIG. 5. Referring to FIG. 5, it can be seen that the pores are uniformly dispersed at the interface without a large difference between the outer surface and the inner surface. It is thought that the permeation of the fuel gas is smooth when the pores are continuously connected and used as a support of the segmented solid oxide fuel cell submodule.

시험예 2: 기공형성제 함량에 따른 다공성 관형 지지체의 기공분포 및 기공률 측정Test Example 2: Pore Distribution and Porosity of Porous Tubular Supports According to Pore Formant Content

실시예 1 및 비교예 1에 따른 3YSZ 및 CSZ의 다공성 관형 지지체를 1400 ℃에서 5 시간 동안 소결한 후의 수은압입법(Mercury Penetration Method)을 통하여 기공분포와 기공률을 분석하여 도 6 및 도 7에 각각 나타내었다. 도 6 및 도 7을 참조하면, CSZ의 다공성 관형 지지체는 활성탄의 함량이 5, 10, 15 중량부일 때 각각 평균 기공의 크기 d50은 0.37, 0.67, 0.9 ㎛ 로 분포하였고, 활성탄 함량의 증가에 따라 기공의 크기가 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 5 중량부에 비해서 활성탄 함량이 15 중량부일 때 보다 2배 이상의 증가된 기공 크기 분포를 나타내었다. 활성탄 함량이 5, 10, 15 중량부일 때, 기공도는 각각 25, 34, 36%로 점차적으로 증가하는 경향을 나타내고 있다. 3YSZ의 다공성 관형 지지체는 활성탄의 함량이 5, 10, 15 중량부일 때 각각 평균 기공의 크기 d50은 0.33, 0.38, 0.52 ㎛ 로 분포하였고, CSZ의 다공성 관형 지지체와 마찬가지로 활성탄 함량의 증가에 따라 기공도는 각각 29, 39, 43%로 증가하였다. 활성탄 함량이 증가할수록 평균기공크기 및 기공도의 증가를 확인하였다. 이는 기공형성제 함량은 기공의 크기와 기공도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 활성탄 함량이 중량부일 때 CSZ의 다공성 관형 지지체의 평균기공크기 d50은 0.9 ㎛, 기공도는 36%이며, 3YSZ의 다공성 관형 지지체의 평균기공크기 d50은 0.52 ㎛ , 기공도는 43%이다. 3YSZ의 다공성 관형 지지체에는 균일한 분포를 가진 미세기공이 CSZ의 다공성 관형 지지체보다 기공이 7% 만큼 더 존재한다는 것을 보여준다.
The pore distribution and porosity were analyzed by mercury penetration method after sintering the porous tubular supports of 3YSZ and CSZ according to Example 1 and Comparative Example 1 for 5 hours at 1400 ° C. in FIGS. 6 and 7, respectively. Indicated. 6 and 7, the porous tubular support of CSZ has an average pore size d 50 of 0.37, 0.67, and 0.9 μm when the activated carbon content is 5, 10, and 15 parts by weight, respectively. As a result, the pore size gradually increases. Compared to 5 parts by weight, the pore size distribution was more than doubled when the activated carbon content was 15 parts by weight. When the activated carbon content is 5, 10, 15 parts by weight, the porosity tends to gradually increase to 25, 34 and 36%, respectively. The porous pore support of 3YSZ had an average pore size d 50 of 0.33, 0.38, and 0.52 μm when the activated carbon content was 5, 10, and 15 parts by weight, respectively. The figure increased to 29, 39 and 43%, respectively. As the activated carbon content increased, the average pore size and porosity were confirmed. It can be seen that the pore-forming agent content affects the pore size and porosity. When the activated carbon content is parts by weight, the average pore size d 50 of the porous tubular support of CSZ is 0.9 μm and the porosity is 36%. The average pore size d 50 of the porous tubular support of 3YSZ is 0.52 μm and the porosity is 43%. The porous tubular support of 3YSZ shows that the micropores with uniform distribution are 7% more pores than the porous tubular support of CSZ.

시험예 3: 다공성 관형 지지체의 가스투과도 측정Test Example 3 Measurement of Gas Permeability of Porous Tubular Support

활성탄 함량이 15 중량부인 실시예 1 및 비교예 1에 따른 3YSZ 및 CSZ의 다공성 관형 지지체에 대해 가스투과도 계측기(VAC, Testo 445, Testo AG, Belgium)를 사용하여 가스투과도를 측정하였다.Gas permeability was measured using a gas permeability meter (VAC, Testo 445, Testo AG, Belgium) for porous tubular supports of 3YSZ and CSZ according to Example 1 and Comparative Example 1 having an activated carbon content of 15 parts by weight.

가스투과도는 같은 두께와 길이의 CSZ 및 3YSZ의 다공성 관형 지지체 각각의 한쪽 끝을 밀봉하고, 반대쪽에서는 H2 가스를 주입시켜 다공성 관형 지지체 내부와 대기압의 차압 값을 darcy's law에 따른 하기 수학식 1에 대입하여 계산하였다.The gas permeability seals one end of each of the porous tubular supports of CSZ and 3YSZ of the same thickness and length, and injects H 2 gas on the opposite side to calculate the differential pressure values between the inside of the porous tubular support and atmospheric pressure according to the following equation (1) according to darcy's law. Calculation by substitution.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112012049523505-pat00003
Figure 112012049523505-pat00003

[식 중, Q는 유량, k는 가스투과도, 는 H2 가스의 점성계수, P는 차압, A는 지지체의 표면적, L은 지지체 두께임].[Wherein Q is the flow rate, k is the gas permeability, H 2 is the viscosity coefficient of the gas, P is the differential pressure, A is the surface area of the support, and L is the support thickness].

측정 결과, 낮은 기공도를 가지는 CSZ의 다공성 관형 지지체의 가스투과도는 3.56x10-14 m2 의 값을 나타내었고, 3YSZ의 다공성 관형 지지체는 0.92x10-14 m2 의 값을 나타내었다. 3YSZ의 다공성 관형 지지체는 CSZ의 다공성 관형 지지체의 1/4배 낮은 가스투과도를 나타내었다. 이러한 결과는 지지체의 기공 형태에 의해서 나타나게 된다. 기공의 형태는 개기공과 폐기공으로 나뉘게 되는데, 기공도 측정은 개기공과 폐기공의 구분 없이 기공의 존재를 측정하게 된다. 하지만, 가스투과도 측정은 개기공에 의한 굴곡률(tortuosity)에 의해 결정되게 된다. 따라서, 기공도는 3YSZ의 다공성 관형 지지체가 CSZ의 다공성 관형 지지체보다 기공도가 높지만 낮은 가스 투과도를 나타내는 것은 3YSZ의 다공성 관형 지지체의 기공이 폐기공으로 이루어져 있기 때문으로 판단된다. 상기 3YSZ의 다공성 관형 지지체는 가스 투과도는 CSZ의 다공성 관형 지지체보다 낮지만 이는 3YSZ의 다공성 관형 지지체가 더 높은 강도를 갖는다는 반증이다.
As a result, the gas permeability of the porous tubular support of CSZ having low porosity showed a value of 3.56 × 10 −14 m 2 , and the porous tubular support of 3YSZ showed a value of 0.92 × 10 −14 m 2 . The porous tubular support of 3YSZ exhibited a gas permeability that was one quarter times lower than the porous tubular support of CSZ. This result is due to the pore morphology of the support. The pore is divided into open and closed pores. The porosity measurement measures the presence of pores without the distinction between open and closed pores. However, gas permeability measurement is determined by tortuosity by open pores. Therefore, the porosity of the 3YSZ porous tubular support shows higher porosity than the CSZ porous tubular support, but the low gas permeability is determined because the pores of the 3YSZ porous tubular support consist of waste pores. The porous tubular support of 3YSZ has a lower gas permeability than the porous tubular support of CSZ but this is a testament to the higher strength of the porous tubular support of 3YSZ.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

다공성 관형 지지체, 상기 다공성 관형 지지체 외면에 형성된 연료극, 전해질층, 공기극 및 연결재를 포함하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈로서,
상기 다공성 관형 지지체는 균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 혼련하여 제조된 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결 과정을 거쳐 제조되며,
상기 다공성 관형 지지체는 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄을 혼합하고 균일화 및 분말화하는 단계;
상기 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄의 혼합 분말에 대하여 가소제 7~8 중량부, 윤활제 6~7 중량부, 바인더 17~18 중량부 및 증류수 20~30 중량부를 혼합하여 페이스트를 제조하는 단계; 및
상기 페이스트를 압출, 건조, 열처리 및 소결하는 단계를 수행하여 제조된 것임을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
A segmented solid oxide fuel cell submodule comprising a porous tubular support, a fuel electrode, an electrolyte layer, an air electrode, and a connecting member formed on an outer surface of the porous tubular support,
The porous tubular support is prepared by extruding, drying, heat treating and sintering a paste prepared by mixing a mixture of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder, and distilled water.
The porous tubular support comprises mixing, homogenizing and powdering 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon;
A paste was prepared by mixing 7 to 8 parts by weight of a plasticizer, 6 to 7 parts by weight of a lubricant, 17 to 18 parts by weight of a binder, and 20 to 30 parts by weight of distilled water based on the powdered powder of 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon. Making; And
Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that manufactured by performing the step of extruding, drying, heat treatment and sintering the paste.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 100 중량부에 대하여 활성탄 5~15 중량부를 혼합하고 균일화 및 분말화하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
Segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that for mixing and homogenizing and powdering 5 to 15 parts by weight of activated carbon with respect to 100 parts by weight of the 3 mol% yttria stabilized zirconia.
청구항 1에 있어서,
상기 페이스트를 압출하여 제조된 다공성 관형 지지체를 열처리하고 가소결하는 단계는 200 ℃까지 시간당 0.67 ℃/분으로 승온하여 남아있는 수분과 첨가물을 천천히 연소시키고, 200~300 ℃에서 3~5 시간 동안 유지하여 바인더를 천천히 연소시키고, 600 ℃까지 1 ℃/분 로 승온 후, 5 시간 동안 유지하여 활성탄을 완전 연소시키고, 1400 ℃까지 1.67 ℃/분으로 승온하여 3~5 시간 동안 가소결하여 수행되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈.
The method according to claim 1,
The step of heat-treating and pre-sintering the porous tubular support prepared by extruding the paste is heated to 0.67 ℃ / min per hour to 200 ℃ slowly burning the remaining water and additives, and maintained at 200 ~ 300 ℃ for 3 to 5 hours Slowly burn the binder, and after raising the temperature to 1 ℃ / min to 600 ℃, it is maintained for 5 hours to completely burn the activated carbon, heated to 1.67 ℃ / min to 1400 ℃ is carried out by pre-sintering for 3 to 5 hours Segmented solid oxide fuel cell submodule.
청구항 1, 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈을 복수개 포함하여 구성된 세그먼트형 고체산화물 연료전지 모듈.
A segmented solid oxide fuel cell module comprising a plurality of segmented solid oxide fuel cell submodules according to any one of claims 1, 3, and 4.
균일화 및 분말화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 및 활성탄 분말의 혼합물, 가소제, 윤활제, 바인더 및 증류수를 포함하는 페이스트를 사용하여 다공성 관형 지지체를 제조하는 단계(S1);
상기 다공성 관형 지지체 상에 연료극을 형성하는 단계(S2);
상기 연료극 상에 전해질층을 형성하는 단계(S3);
상기 전해질층 상에 공기극을 형성하는 단계(S4); 및
전기적 연결을 위해 연결재를 형성하는 단계(S5);
를 포함하고,
상기 다공성 관형 지지체를 제조하는 단계(S1)는,
상기 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 100 중량부 대하여 활성탄 분말 5~15 중량부를 혼합하여 슬러리 상태로 제조한 후 볼 밀링에 의해 균일화하는 단계;
상기 균일화된 3 몰% 이트리아 안정화 지르코니아 분말 및 활성탄 분말의 혼합물을 건조 후 분쇄하여 분말화하는 단계;
상기 분말화된 혼합물 100 중량부에 대해 가소제 7~8 중량부, 윤활제 6~7 중량부, 바인더 17~18 중량부 및 증류수 20~25 중량부를 혼합하여 페이스트를 제조한 후 관형 지지체로 압출하는 단계;
상기 압출된 관형 지지체의 관내에 금속 바를 삽입하고 롤링시키면서 상온 건조하는 단계; 및
상기 건조된 관형 지지체를 열처리하여 관형 지지체에 첨가되어 있는 바인더와 활성탄 성분을 완전 연소시키는 단계; 및
상기 열처리된 관형 지지체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
Preparing a porous tubular support using a paste comprising a mixture of homogenized and powdered 3 mol% yttria stabilized zirconia and activated carbon powder, a plasticizer, a lubricant, a binder and distilled water (S1);
Forming a fuel electrode on the porous tubular support (S2);
Forming an electrolyte layer on the anode (S3);
Forming an air electrode on the electrolyte layer (S4); And
Forming a connecting material for electrical connection (S5);
Lt; / RTI >
Preparing the porous tubular support (S1),
Mixing 5 to 15 parts by weight of the activated carbon powder with respect to 100 parts by weight of the 3 mol% yttria stabilized zirconia to prepare a slurry and homogenizing by ball milling;
Pulverizing and drying the mixture of the homogenized 3 mol% yttria stabilized zirconia powder and activated carbon powder to powder;
7 to 8 parts by weight of plasticizer, 6 to 7 parts by weight of lubricant, 17 to 18 parts by weight of binder, and 20 to 25 parts by weight of distilled water to prepare a paste, followed by extrusion into a tubular support, based on 100 parts by weight of the powdered mixture. ;
Inserting a metal bar into the tube of the extruded tubular support and drying at room temperature while rolling; And
Heat-treating the dried tubular support to completely burn the binder and activated carbon component added to the tubular support; And
Sintering the heat-treated tubular support, characterized in that it comprises a segment type solid oxide fuel cell submodule manufacturing method.
삭제delete 청구항 6에 있어서,
상기 건조된 관형 지지체를 열처리하여 관형 지지체에 첨가되어 있는 바인더와 활성탄 성분을 완전 연소시키는 단계는 페이스트를 압출하여 제조된 다공성 관형 지지체를 소결하는 단계는 200 ℃까지 시간당 0.67 ℃/분으로 승온하여 남아있는 수분과 첨가물을 천천히 연소시키고, 200~300 ℃에서 3~5 시간 동안 유지하여 바인더를 천천히 연소시키고, 600 ℃까지 1 ℃/분 로 승온 후, 5 시간 동안 유지하여 활성탄을 완전 연소시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 6,
The step of heat-treating the dried tubular support to completely burn the binder and activated carbon components added to the tubular support, the step of sintering the porous tubular support prepared by extruding the paste remains heated to 0.67 ℃ / min per hour to 200 ℃ It is carried out by slowly burning the moisture and additives present, and slowly burning the binder by holding at 200 ~ 300 ℃ for 3 to 5 hours, the temperature is raised to 1 ℃ / min to 600 ℃, and then maintained for 5 hours to completely burn the activated carbon Method of manufacturing a segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that.
청구항 6에 있어서,
상기 열처리된 관형 지지체를 소결하는 단계는 1400 ℃까지 1.67 ℃/분으로 승온하여 3 시간 동안 가소결하여 수행되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 고체산화물 연료전지 서브모듈의 제조방법.
The method of claim 6,
The step of sintering the heat-treated tubular support is a method of manufacturing a segmented solid oxide fuel cell submodule, characterized in that the temperature is increased to 1.67 ℃ / min to 1400 ℃ by performing a three-sintering.
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