KR101457614B1 - Glass composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant and the manufacturing method using the same - Google Patents

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황종희
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강석모
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박현아
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한국세라믹기술원
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Abstract

The present invention relates to a glass composition for a solid oxide fuel cell sealant which comprises 55-62 mole% of SiO_2, 0-7 mole% of B_2O_3, 5-30 mole% of BaO+SrO, 1-15 mole% of ZnO and 1-3 mole% of Al_2O_3. In the glass composition, SiO_2/RO (R=Ba, Sr or Zn) is 1.5-2.0. (BaO+SrO)/ZnO is 2.0-3.0, wherein 5-30 mole% of BaO, 0-23 mole% of SrO and 0-20 mole% of ZnO are contained. The present invention relates to a solid oxide fuel cell sealant additionally comprising 40 wt% or less of ceramic or glass ceramic with a high temperature expansion coefficient of 120x10^-7/°C or more. The present invention is able to secure stability even in being used for long periods of time since the sealant and a solid oxide fuel cell stack have excellent glass stability, mobility and sealing adhesion at high temperatures when a sealant is manufactured by using the glass composition for the solid oxide fuel cell sealant.

Description

고체산화물 연료전지 밀봉재용 유리 조성물, 상기 유리 조성물을 이용한 밀봉재 및 그 제조방법{GLASS COMPOSITION FOR SOLID OXIDE FUEL CELL SEALANT, SEALANT AND THE MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a glass composition for a solid oxide fuel cell sealing material, a sealing material using the glass composition, and a method for manufacturing the same. BACKGROUND ART [0002]

본 발명은 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 위한 유리 조성물과 상기 유리 조성물을 이용한 밀봉재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SiO2 55~62 몰%, B2O3 0~7 몰%, (BaO+SrO) 5~30 몰%, ZnO 1~15 몰%, Al2O3 1~3 몰%를 포함하며, SiO2/RO (R=Ba, Sr 또는 Zn)가 1.5~2.0이고, (BaO+SrO)/ZnO가 2.0~3.0 으로 BaO 5~30 몰%, SrO 0~23 몰%, ZnO 0~20 몰% 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재용 유리 조성물을 제공한다.The present invention relates to a glass composition for a sealing material for a solid oxide fuel cell and a sealing material using the glass composition. More particularly, the present invention relates to a sealing composition comprising 55 to 62 mol% of SiO 2 , 0 to 7 mol% of B 2 O 3 , (BaO + SrO) (R = Ba, Sr or Zn) of 1.5 to 2.0, (BaO + SrO) 2 , and more preferably 1 to 30 mol% of ZnO, 1 to 15 mol% of ZnO and 1 to 3 mol% of Al 2 O 3 , / ZnO in the range of 2.0 to 3.0, 5 to 30 mol% of BaO, 0 to 23 mol% of SrO and 0 to 20 mol% of ZnO.

고체산화물 연료전지 스택은 일반적으로 전해질, 음극, 양극으로 이루어진 단전지와, 단전지와 단전지를 연결하는 연결재료, 연결재료와 단전지를 밀봉하는 밀봉재로 구분된다. 이러한 각각의 구성요소는 스택의 형태에 따라 그 역할에 조금씩 차이를 나타내는데, 그 중에서도, 셀의 구조적 특성상 원통형 스택과 달리 평판형 스택의 경우에는 연료전지 운전 중 양극 및 음극 간 또는 단전지간의 가스흐름을 차단하며, 구성층 사이를 접합하고, 스택 전체를 지지하기 위한 밀봉재로서의 밀봉유리(sealing glass)의 개발이 필수적으로 요구된다. 밀봉재는 스택전체를 지지해 주는 역할을 해야 하므로 고온, 압력 하에서 변형이 일어나지 않아야 함은 물론, 열팽창계수의 차이에 따른 열응력을 완화시킬 수 있도록 고온 유동성과 고온강도를 동시에 보유하고 있어야 한다. 또한 전지의 가동 중 발생하는 열응력을 최소화하기 위해 전지의 구성층들과 열팽창계수가 부합되어야 하고, 우수한 접합성에 따른 기밀성, 산화 및 환원분위기 가스에 대한 화학적 안정성 등이 요구되며 내열충격성 및 우수한 전기 절연성(2 ㏀·㎠ 이상)이 필요하고, 다공성 미세구조를 갖는 전극과 접촉할 수 있으므로 접촉시 모세관현상에 의해 미세 기공내로의 침투되지 않도록 물성제어가 되어야 한다. 즉, 기밀 접착 시 밀봉재와 피접착재의 젖음각은 90°보다 커야하며, 밀봉재의 점도는 제조온도(850~1000℃)에서 105 Pa·s, 작동온도(650~850℃)에서 109 Pa·s 이하이어야 한다.The solid oxide fuel cell stack is generally divided into a single cell composed of an electrolyte, a cathode and an anode, a connecting material connecting the unit cell and the unit cell, and a sealing material sealing the connecting material and the unit cell. In the case of the planar stack, unlike the cylindrical stack, the gas flow between the anode and the cathode or between the anode and the cathode during operation of the fuel cell differs slightly depending on the structure of the cell. It is essential to develop a sealing glass as a sealing material for bonding the constituent layers and supporting the entire stack. Since the sealing material must support the entire stack, it must not be deformed under high temperature and pressure, and should have both high temperature fluidity and high temperature strength so as to alleviate the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient. In addition, in order to minimize the thermal stress generated during operation of the battery, the thermal expansion coefficient should be matched with the constituent layers of the battery, and the airtightness due to excellent bonding property and the chemical stability against the oxidizing and reducing atmosphere gas are required. (2 ㏀ · cm 2 or more), and it is possible to make contact with an electrode having a porous microstructure. Therefore, physical properties should be controlled so as to prevent penetration into micropores due to capillary phenomenon during contact. That is, the milk engraved upon confidential adhesive sealing material and the target bonding material shall be greater than 90 °, the viscosity of the sealing material is manufactured temperature (850 ~ 1000 ℃) 10 at 5 Pa · s, 10 9 Pa at the operating temperature (650 ~ 850 ℃) · S or less.

고체산화물 연료전지용 고온 유리 밀봉재는 SrO-La2O3-Al2O3-B2O3-SiO2와 BaO-Al2O3-B2O3-As2O3 등의 유리 조성과 CaO-Al2O3-SiO2의 결정화 유리 조성이 이미 알려져 있으나, 장시간 사용시 크랙, 표면 탈착, 기공형성, 중간층 형성과 같은 구조적 안정성이 결여되며, 표면반응, 기화, 분리, 수소와의 결합과 같은 화학적 안정성도 문제가 있는 것으로 알려져 있다.The solid oxide fuel cell, a high temperature glass sealing material is SrO-La 2 O 3 -Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 and BaO-Al 2 O 3 -B 2 O 3 -As 2 O 3 and CaO in the glass composition, etc. -Al 2 O 3 -SiO 2 has already been known, but it lacks structural stability such as cracking, surface desorption, pore formation, and interlayer formation during long-term use, and has a problem of surface reaction, vaporization, separation, Chemical stability is also known to be problematic.

또한, 기존 고체산화물 연료전지용 밀봉재는 밀봉시 결정화가 빠르게 진행되어 크랙 및 누출(leak)의 원인이 되고 있어, 이를 방지하기 위해서는 고온의 밀봉 온도에서 결정화가 최대한 억제되어 유리 안정성이 우수한 밀봉재가 필수적이다. In addition, a sealing material for a conventional solid oxide fuel cell is rapidly crystallized during sealing and causes cracks and leaks. In order to prevent this, a sealing material having an excellent glass stability is required because crystallization is suppressed to the maximum at a high temperature sealing temperature .

또한 고체산화물 연료전지 스택을 제조함에 있어, 사용되는 대부분의 분리판은 열팽창계수가 높은 금속을 사용하므로 분리판과 단전지 사이에서 기밀을 유지하여야 하는 밀봉재는 실제 가동시 스택의 안정성을 반드시 고려하여야 하며, 이를 위해서는 고체산화물 연료전지의 전극 및 연결부재 등과의 기밀 접착과 온도 변화에 따른 열적 스트레스 최소화에 필요하도록 열팽창계수가 100×10-7/℃ 이상의 값을 가져야 한다.Also, most of the separators used in manufacturing solid oxide fuel cell stacks use metal with high thermal expansion coefficient. Therefore, the sealing material which must maintain airtightness between the separator plate and the unit cells must consider the stability of the stack in actual operation For this purpose, the thermal expansion coefficient of the solid oxide fuel cell should have a value of at least 100 × 10 -7 / ° C. so that it is necessary for airtight adhesion with electrodes and connecting members, and minimization of thermal stress due to temperature changes.

이와 같은 여러 조건들에 부합하는 밀봉유리를 제조하고자 하는 연구는 SOFC의 개발과 더불어 계속해서 활발하게 진행되어 왔다. SOFC에 사용되는 기밀접착재는 일차적으로 피접착재와 기밀접합이 이루어져야 하고 또한 열팽창계수, 내열성 등 앞에서 언급한 물성을 모두 만족해야 한다.The research to manufacture the sealing glass conforming to these various conditions has continued to be active with the development of the SOFC. The airtight adhesive used in the SOFC must be airtightly bonded to the adherend primarily, and the above-mentioned properties such as thermal expansion coefficient and heat resistance must be satisfied.

고체산화물 연료전지 개발초기에는 soda-lime silicates, alkali silicates, alkaline-earth silicate, alkali borosilicates 유리 등을 밀봉재로 사용하였다. 그러나 이들 유리는 전지구성요소와 반응하거나 800~1000℃에서 점도가 103 Pa·s 이하로 매우 점도가 낮아 기밀접착재가 누출되는 문제가 있으며 파이렉스(pyrex)와 같은 붕규산 유리는 열팽창계수가 3.210-6/℃로 SOFC 구성요소에 비해 크게 작기 때문에 열응력이 생성된다. In the early stage of solid oxide fuel cell development, soda-lime silicates, alkali silicates, alkaline-earth silicates, and alkali borosilicate glasses were used as sealants. However, these glasses react with the components of the battery or have a viscosity of less than 10 3 Pa · s at 800-1000 ° C., which causes a problem of leakage of the tightly sealed adhesive. The borosilicate glass such as pyrex has a thermal expansion coefficient of 3.210 - 6 / 캜, which is significantly smaller than that of the SOFC component, resulting in thermal stress.

또한, 개발되어 있는 대부분의 조성들이 고체산화물 연료전지 작동 온도와 분위기에서 장시간 사용하거나, 사이클이 진행되면 결정화가 진행되어 유리상 일 때보다 크랙, 표면 탈착, 기공형성, 중간층 형성과 같은 구조적 안정성으로 인해 밀봉효율이 80%를 넘지 못하는 등의 문제점을 가지고 있다. In addition, most of the compositions developed have been used for a long time in the operating temperature and atmosphere of the solid oxide fuel cell, or as the cycle progresses, the crystallization progresses, resulting in structural stability such as cracking, surface desorption, pore formation, And the sealing efficiency can not exceed 80%.

또한, 높은 열팽창계수를 갖기 위해 일부 금속을 혼합하여 밀봉하기도 하나 그 경우 금속이 팽창하는 문제점이 있고, 전기적으로 절연을 유지하기 힘들며, 실제 작동 분위기에서 안정하지 못한 등의 문제점을 가지고 있다. Further, in order to have a high thermal expansion coefficient, some metals are mixed and sealed, but in this case, there is a problem that the metal expands, and it is difficult to maintain electrical insulation and is not stable in an actual working atmosphere.

이외에도, 마이카 형태로 금속 분리판과 단전지 사이를 밀봉하는 경우가 있으나, 이 경우 기밀접착이 어려워 누출(leak)이 쉽게 발생하고, 열사이클에 약한 문제점을 가지고 있다.In addition, there is a case where the metal separator is sealed between the metal separator and the unit cell in the form of a mica. However, in this case, leakage is easily generated due to difficulty in hermetic sealing and has a weak heat cycle.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 밀봉재 보다 밀봉성능이 우수하고, 크랙, 기공형성, 중간층 형성과 같은 구조적 문제점이 발생되지 아니하여 안정성이 높으며, 따라서 SOFC의 장기간 사용시에도 높은 신뢰성을 유지하는 고체산화물 연료전지용 유리 조성물과 상기 유리 조성물을 이용하여 제조되는 고열팽창계수의 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a sealing material which is excellent in sealing performance and is free from structural problems such as cracks, pores, A glass composition for a solid oxide fuel cell which maintains high reliability even when using SOFC for a long time, and a sealing material for a solid oxide fuel cell having a high thermal expansion coefficient produced by using the glass composition.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, SiO2 55~62 몰%, B2O3 0~7 몰%, (BaO+SrO) 5~30 몰%, ZnO 1~15 몰%, Al2O3 1~3 몰%를 포함하며, SiO2/RO (R=Ba, Sr 또는 Zn)가 1.5~2.0이고, (BaO+SrO)/ZnO가 2.0~3.0 으로 BaO 5~30 몰%, SrO 0~23 몰%, ZnO 0~20 몰% 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재용 유리 조성물을 제공한다.The present invention to achieve the above object, SiO 2 55 ~ 62 mol%, B 2 O 3 0 ~ 7 mol%, (BaO + SrO) 5 ~ 30 mol%, ZnO 1 ~ 15 mol%, Al 2 O 3 contains from 1 to 3 mol%, SiO 2 / RO (R = Ba, Sr or Zn) is 1.5 ~ 2.0, and, (BaO + SrO) / ZnO is a 2.0 ~ 3.0 BaO 5 ~ 30 mol%, SrO 0 To 23 mol%, and ZnO in an amount of 0 to 20 mol% based on the total weight of the solid oxide fuel cell encapsulant.

상기 밀봉재용 유리 조성물을 이용하여 밀봉재를 제조할 때, 소성 온도가 1000℃를 초과하지 아니하며, 밀봉재를 적용한 후의 작동온도가 850℃를 초과하지 아니하는 것이 바람직하다.When the sealing material is produced using the glass composition for a sealing material, it is preferable that the firing temperature does not exceed 1000 占 폚, and the operating temperature after applying the sealing material does not exceed 850 占 폚.

상기 유리 조성물은 Y2O3, Ga2O3, In2O3, WO3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합을 더 포함하는 것이 바람직하다.It is preferable that the glass composition further comprises any one selected from Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , WO 3 , GeO 2 , and La 2 O 3 , or a combination thereof.

상기 Y2O3, Ga2O3, In2O3, WO3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합은 조성물 중량대비 0 초과 10중량%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.It is preferable that any one or a combination thereof selected from the group consisting of Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , WO 3 , GeO 2 and La 2 O 3 is added in an amount of more than 0 to 10 wt% desirable.

상기 유리 조성물에 적어도 120×10-7/℃의 열팽창계수를 나타내는 세라믹 또는 글라스 세라믹을 더 포함하도록 하는 것이 바람직하다.It is preferable that the glass composition further includes a ceramic or glass ceramic exhibiting a thermal expansion coefficient of at least 120 x 10 < -7 > / DEG C or less.

상기 적어도 120×10-7/℃의 열팽창계수를 나타내는 세라믹 또는 글라스 세라믹은 MgO, SrO, KAlSiO4, YSZ (Yittria stabilized Zirconia), 크리스토발라이트, SiO2계 글라스 세라믹을 포함하며, 조성물 중량대비 0 초과 40중량% 이내의 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다.The ceramic showing the thermal expansion coefficient of at least 120 × 10 -7 / ℃ or glass ceramic is MgO, SrO, KAlSiO 4, YSZ (Yittria stabilized Zirconia), cristobalite, SiO 2 type glass, and comprising a ceramic, more than 0 to 40, based on the weight of the composition It is preferably added in the range of within the range of% by weight.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재를 제공한다.Also, the present invention provides a solid oxide fuel cell sealing material, which is produced using the above composition.

상기 밀봉재는 복수의 쉬트를 적층하여 제조되는 것이 바람직하다.The sealing material is preferably produced by laminating a plurality of sheets.

또한, 본 발명은 상기 조성물에 용매를 가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재용 페이스트를 제공한다.Also, the present invention provides a paste for a solid oxide fuel cell sealing material, which is produced by adding a solvent to the composition.

또한, 본 발명은 상기 조성물을 용융하여 유리로 제조하는 단계; 상기 제조된 유리를 분쇄하고, 분무 건조하여 과립화된 유리를 제조하는 단계; 및 상기 과립화된 유리를 금형을 이용하여 밀봉재로 제조하는 단계;를 포함하되, 상기 밀봉재로 제조하는 단계에서는 과립화된 유리는 그 연화점 보다 높은 온도에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재의 제조방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a glass composition, Milling the prepared glass and spray drying to produce granulated glass; And a step of preparing the granulated glass as a sealing material by using a mold. In the step of manufacturing the sealing material, the granulated glass is manufactured by heat treatment at a temperature higher than its softening point, A method of manufacturing a battery sealing material is provided.

상기 연화점 보다 높은 온도는 연화점 대비 5~40℃ 높은 온도인 것이 바람직하다.The temperature higher than the softening point is preferably 5 to 40 ° C higher than the softening point.

상기 열처리 시간은 0.5~4시간인 것이 바람직하다.The heat treatment time is preferably 0.5 to 4 hours.

이상과 같은 본 발명에 따르면, SOFC의 장시간 사용시에도 결정화의 진행정도가 적어 기밀접착이 유지되고, 크리스토발라이트(cristobalite)와 같은 120×10-7/℃ 이상의 고열팽창계수를 가진 산화물 세라믹 또는 글라스 세라믹을 첨가하여 열팽창 계수를 조절함으로써 종래 스택의 각부 구성 요소간 큰 열팽창 계수의 차이에 의해서 발생되는 파손현상 등을 방지하여 단위전지 스택의 내구성과 신뢰성을 향상시키는 작용효과가 기대된다.According to the invention as described above, for a long time when used in SOFC the progress of the crystallization of the less tight adhesion is maintained, and an oxide ceramic or a glass ceramic with at least 120 × 10 -7 / ℃ high thermal expansion coefficient, such as cristobalite (cristobalite) It is expected that the effect of improving the durability and reliability of the unit cell stack by preventing the breakage phenomenon caused by the difference in the thermal expansion coefficient between the respective components of the conventional stack by adding the thermal expansion coefficient.

또한, 유리 또는 글라스 세라믹 재질의 밀봉 시트 또는 밀봉 페이스트의 절연특성을 이용하여 통상 금속재질인 연결부재와 지지체간 절연작용을 유도함으로써 지지체가 금속으로 제조될 수 있도록 하는 등 지지체의 재질을 보다 폭넓게 선택할 수 있도록 하는 작용효과가 기대된다.Further, by using insulation properties of a sealing sheet or a sealing paste made of glass or a glass ceramic material, it is possible to more widely select the material of the support, for example, by allowing the support to be made of metal by inducing insulating action between a connecting member, And the like.

본 발명에서는 알칼리 산화물을 포함하지 않은 유리 조성물을 이용하여 밀봉재를 제조하였는데, 알칼리 산화물을 포함하는 경우 제조가 용이하고 쉽게 유리를 제조할 수 있으나, 고온과 급격한 온도변화에 대한 저항도는 낮으며. 따라서 고체산화물 연료전지 처럼 고온에서 사용해야 하는 경우는 알칼리 산화물을 포함하지 않는 것이 유리하다.In the present invention, a sealing material is prepared using a glass composition containing no alkali oxide. When a glass material containing alkali oxide is used, it is easy to manufacture and can easily produce glass, but resistance to high temperature and rapid temperature change is low. Therefore, it is advantageous not to include an alkali oxide when it is to be used at a high temperature such as a solid oxide fuel cell.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 유리 조성물을 이용하여 산화 및 환원분위기 중 750℃에서 유지시간을 달리하여 유지한 후, 각 유지시간에 따른 X선 분석을 행하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 유리 조성물로서, La2O3, B2O3, SrO를 30중량% 첨가한 유리 성분에 15중량%의 크리스토발라이트를 함께 혼합하여 제조한 유리조성물의 열팽창계수를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의하여 제조된 밀봉재를 금속분리판인 스테인레스 스틸(stainless steel)과 음극재 사이에 적용한 예를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 4에 의해 적용된 밀봉재를 750℃에서 100시간 동안 유지하고, 유지 전후의 미세구조를 관찰하기 위하여 촬영한 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 유리 조성물로 제조되는 밀봉재로서, 쉬트형 사각형상의 가스켓을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 유리 조성물로 제조되는 밀봉재로서, 쉬트형 원형 링형상의 가스켓을 나타내는 사진이다.
도 8은 대량 생산체제로 생산된 밀봉재로서 사각 가스켓을 나타내는 사진이다.
도 9는 대량 생산체제로 생산된 밀봉재로서 원형 링 가스켓을 나타내는 사진이다.
FIG. 1 and FIG. 2 are graphs showing the results of X-ray analysis of the glass composition according to an embodiment of the present invention at various holding times at 750.degree.
3 is a graph showing the thermal expansion of a glass composition prepared by mixing 15% by weight of cristobalite with 30% by weight of La 2 O 3 , B 2 O 3 and SrO in a glass composition according to an embodiment of the present invention. Fig.
4 is a schematic view showing an example in which a sealing material manufactured according to an embodiment of the present invention is applied between stainless steel and a negative electrode material, which is a metal separator.
FIG. 5 is a SEM photograph taken to maintain the sealing material applied by FIG. 4 at 750 ° C. for 100 hours and to observe the microstructure before and after the holding.
6 is a photograph showing a gasket of a sheet-like rectangular shape as a sealing material made of a glass composition according to an embodiment of the present invention.
7 is a photograph showing a sheet-like circular ring-shaped gasket as a sealing material made of a glass composition according to an embodiment of the present invention.
8 is a photograph showing a square gasket as a sealing material produced in a mass production system.
9 is a photograph showing a circular ring gasket as a sealing material produced in a mass production system.

이하, 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the accompanying drawings and preferred embodiments.

본 발명은 밀봉재용 유리 조성물의 물성을 개선하였다는 점, 이러한 조성물을 이용하여 밀봉재를 제조함으로써 밀봉재 특성도 개선되었다는 점, 그리고, 지지체의 고온강도를 보강하였다는 점에 특징이 있다. The present invention is characterized in that the physical properties of the glass composition for a sealing material are improved, that the sealing material is improved by preparing the sealing material using such a composition, and that the high temperature strength of the support is reinforced.

본 발명에서는 SiO2 55~62 몰%, B2O3 0~7 몰%, (BaO+SrO) 5~30 몰%, ZnO 1~15 몰%, Al2O3 1~3 몰%를 포함하며, SiO2/RO (R=Ba, Sr 또는 Zn)가 1.5~2.0이고, (BaO+SrO)/ZnO가 2.0~3.0 으로 BaO 5-30 몰%, SrO 0-23 몰%, ZnO 0-20 몰% 인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재용 유리 조성물을 제공한다.The present invention includes 55 to 62 mol% of SiO 2 , 0 to 7 mol% of B 2 O 3 , 5 to 30 mol% of (BaO + SrO), 1 to 15 mol% of ZnO and 1 to 3 mol% of Al 2 O 3 and, SiO 2 / RO a (R = Ba, Sr or Zn) is 1.5 ~ 2.0, (BaO + SrO ) / ZnO is a 2.0 ~ 3.0 BaO 5-30% by mole, SrO 0-23% by mole, ZnO 0- 20 mol%, based on the total weight of the solid oxide fuel cell sealing material.

여기서, SiO2의 함량이 55몰%보다 적으면 유리형성이 어렵고 쉽게 결정화가 발생하며, 62몰%보다 많으면 유리구조가 강해 밀봉온도에서 쉽게 유동이 발생하지 않는다. B2O3는 포함되지 않을수도 있으며, 포함될 경우 7몰%를 넘지 않은 것이 바람직하다. 7몰%를 넘을 경우 유리가 상분리 또는 결정화가 발생한다. (BaO+SrO)는 함유량이 5몰% 보다 작으면 낮은 온도에서 쉽게 유동이 발생하여 고체산화물 연료전지 작동온도에서 사용이 불가능하며, 30몰% 보다 많으면 결정화가 발생한다. ZnO의 함유량은 1몰% 보다 작을 경우에는 유동성이 부족하고, 15몰%이상이 함유되면 낮은 온도에서 쉽게 유동이 발생하게 된다. Al2O3는 1몰% 보다 작을 경우에는 유리의 안정성이 저하되고, 3몰%보다 많이 첨가될 경우에는 유리의 결정화를 유발시킨다. 상기 SiO2/RO (R=Ba, Sr 또는 Zn)에서 SiO2/RO가 1.5 이하일 때에는 유리 용융이 잘 되지 않거나 결정화가 쉽게 발생하며, 2.0 이상이면 밀봉온도에서 유동이 발생되지 않거나 결정화가 발생한다. 상기 (BaO+SrO)/ZnO에서 더욱 바람직하게는 2.0 내지 2.5인 것이 좋다. (BaO+SrO)/ZnO가 2.0 이하일 때는 유리 형성이 잘 되지 않으며, 3.0 이상일 경우에는 유동이 잘 일어나지 않는다.
If the content of SiO 2 is less than 55 mol%, glass formation is difficult and crystallization easily occurs. If the content of SiO 2 is more than 62 mol%, the glass structure is strong and the flow does not easily occur at the sealing temperature. B 2 O 3 may or may not be contained, and it is preferably not more than 7 mol%. When it exceeds 7 mol%, the glass is phase-separated or crystallized. (BaO + SrO), if the content is less than 5 mol%, the flow easily occurs at a low temperature and is not usable at the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and when it is more than 30 mol%, crystallization occurs. When the content of ZnO is less than 1 mol%, the flowability is insufficient. When the content of ZnO is more than 15 mol%, flow occurs easily at a low temperature. When the content of Al 2 O 3 is less than 1 mol%, the stability of the glass is deteriorated, and when it is more than 3 mol%, crystallization of the glass is caused. When SiO 2 / RO is less than 1.5 in the above SiO 2 / RO (R = Ba, Sr or Zn), the glass is not melted or crystallized easily. If the SiO 2 / RO is 2.0 or more, no flow occurs or crystallization occurs at the sealing temperature . It is more preferably 2.0 to 2.5 in (BaO + SrO) / ZnO. When (BaO + SrO) / ZnO is 2.0 or less, the glass is not formed well, and when it is 3.0 or more, the flow does not occur easily.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

본 발명에서는 고체산화물 연료전지용 고온 유리 밀봉재를 제조하기 위하여, 원료조성인 SiO2-BaO-ZnO-Al2O3계에 La2O3, B2O3 및 SrO를 0~31몰% 첨가하여 표 1의 조성으로 밀봉재용 유리 조성물을 제조하였다. 여기서, La2O3 대신 Y2O3, Ga2O3, In2O3, WO3, GeO2, 중에서 선택되는 적어도 어느 하나를 더 첨가하는 것도 가능하며, 여기서는 La2O3의 혼합을 실시예로 든다. 한편, 상기 Y2O3, Ga2O3, In2O3, WO3, GeO2, 및 La2O3에서 선택된 어느 하나 또는 이들의 조합은 조성물 전체를 기준으로 10몰% 이내로 더 포함할 수 있는데, 이들은 상기 유리의 열팽창 계수의 증대를 위해 포함되는 것이며, 10몰%보다 많이 첨가될 경우 유리의 결정화를 유발할 수 있으며, 따라서 열팽창계수가 낮아질 수 있으므로 바람직하지 아니하다.In the present invention, 0 to 31 mol% of La 2 O 3 , B 2 O 3 and SrO are added to a SiO 2 -BaO-ZnO-Al 2 O 3 system as a raw material composition in order to produce a high temperature glass sealing material for a solid oxide fuel cell A glass composition for a sealing material was prepared in the composition shown in Table 1. Here, a mixture of La 2 O 3 instead of Y 2 O 3, Ga 2 O 3, In 2 O 3, WO 3, GeO 2, at least can also be further added to any one selected from the group consisting of and, in which La 2 O 3 It is an embodiment. On the other hand, any one selected from Y 2 O 3 , Ga 2 O 3 , In 2 O 3 , WO 3 , GeO 2 , and La 2 O 3 or a combination thereof may be contained in an amount of 10 mol% These are included for the purpose of increasing the coefficient of thermal expansion of the glass. If it is added in an amount of more than 10 mol%, crystallization of the glass may be caused and the thermal expansion coefficient may be lowered.

그러나, La2O3 등은 선택적 요소이며, 이를 배제하여도 본 발명의 특징은 성립한다.
However, La 2 O 3 and the like are optional elements, and the feature of the present invention is satisfied even if it is excluded.

단위 : 몰 %Unit: mol% 시료번호Sample number 1One 22 33 44 55 66 77 조성Furtherance SiO2SiO2 57 57 5959 5959 5959 5959 5959 5959 B2O3B2O3 7 7 55 00 55 00 00 00 BaOBaO 23 23 2323 2828 5.55.5 10.510.5 5.55.5 1313 ZnOZnO 10 10 1010 1010 1010 1010 1010 1010 Al2O3Al2O3 2 2 33 33 33 33 33 33 La2O3La2O3 0 0 00 00 00 00 00 2.52.5 SrOSrO 00 00 00 17.517.5 17.517.5 22.522.5 12.512.5 TotalTotal 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 (BaO+SrO)/ZnO(BaO + SrO) / ZnO 2.3 2.3 2.3 2.3 2.8 2.8 2.3 2.3 2.8 2.8 2.8 2.8 2.0 2.0 SiO2/ROSiO2 / RO 1.7 1.7 1.8 1.8 1.6 1.6 1.8 1.8 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 열특성Thermal properties Tg ()Tg () 664664 665665 716716 668668 714714 716716 712712 CTE (x10-7)CTE (x10 -7) 85.885.8 67.267.2 75.875.8 70.270.2 74.874.8 75.575.5 74.174.1

밀봉재용 유리 조성물을 제조하기 위해 소숫점 첫째자리까지 칭량한 각 원소를 테프론 포트(pot)에 수용하고, 알루미나 볼(ball)을 이용하여 건식으로 4시간 동안 혼합한 후, 몰드에 분말을 넣어 일축 가압 성형하였다. 성형한 혼합 분말은 연속 용융로를 이용하여 1450~1500℃에서 백금도가니를 이용하여 용융하고, 용융물은 유리, 알루미나 볼, 에탄올과 함께 조분쇄하고 제트밀(jet-mill)을 이용하여 2~5㎛의 입도로 분쇄하여 제조하였다. To prepare a glass composition for a sealing material, each element weighed to the first decimal point was placed in a Teflon pot, mixed with an alumina ball for 4 hours by dry method, and powder was placed in the mold to uniaxial pressurization . The molded mixed powder is melted in a platinum crucible at 1450 to 1500 ° C using a continuous melting furnace, and the melt is coarsely crushed together with glass, alumina balls and ethanol, and is jet-milled to a thickness of 2 to 5 μm By weight.

제조된 분말의 부피밀도(bulk density)는 0.61g/cc, 가공밀도(Tap density)는 1.19g/cc, 흐름도(flowability)는 19, 분류성(floodability)은 23으로 측정되어 고체산화물 연료전지용 고온 유리 밀봉재로 사용하기에 적합한 분말임이 확인되었고, 600℃에서 70.2~85.8×10-7 ppm/℃의 열팽창계수를 나타내었으며, 전이점이 664~716℃로 고체산화물 연료전지로 사용하기에 적합한 온도인 600~1000℃의 범위안에 속하였다. 또한 실제 적용 분위기에서, 그리고, 장기간 고온이 유지된 상태에서도 결정이 생성되지 않는 고온 안정형 유리 밀봉재를 제조할 수 있었다.The prepared powder had a bulk density of 0.61 g / cc, a tap density of 1.19 g / cc, a flowability of 19, and a floodability of 23, It was confirmed that it was a powder suitable for use as a glass sealant and exhibited a thermal expansion coefficient of 70.2 to 85.8 × 10 -7 ppm / ° C. at 600 ° C. and a transition temperature of 664 to 716 ° C., a temperature suitable for use as a solid oxide fuel cell 600 ~ 1000 ℃. In addition, a high-temperature stable glass sealing material in which crystals are not generated in a practical application atmosphere and in a state where a high temperature is maintained for a long period of time can be produced.

이 때, 유리 조성물로부터 밀봉재를 제조하기 위하여 바람직한 소성온도는 1000℃를 초과하지 아니하는 것이며, 또한, 제조된 밀봉재를 이용하는 경우 스택의 작동온도는 850℃를 초과하지 아니하는 것이 바람직하다.At this time, a preferable firing temperature for producing the sealing material from the glass composition is not more than 1000 占 폚, and when the prepared sealing material is used, the operating temperature of the stack preferably does not exceed 850 占 폚.

소성온도가 1000℃를 초과하는 경우 실제 고체산화물 연료전지에서 밀봉 온도는 이 보다 높아야 하는데, 1000℃ 이상의 밀봉온도는 고체산화물 연료전지의 다른 구성요소들이 견디기 어려우므로 반드시 소성온도가 1000℃를 초과하지 않아야 한다. 또한 스택의 작동온도가 850℃를 초과하는 경우 수만 시간 이상 사용하여야 하는 고체산화물 밀봉재의 경우 연화가 진행되거나, 결정화 진행 등의 문제가 발생할 수 있으므로 850℃를 초과해서는 안된다.When the firing temperature exceeds 1000 ° C., the sealing temperature should be higher than that in actual solid oxide fuel cells. Since the sealing temperature of 1000 ° C. or more is difficult to withstand other components of the solid oxide fuel cell, the firing temperature must not exceed 1000 ° C. Should not. In addition, when the operating temperature of the stack exceeds 850 ° C, the solid oxide sealing material, which must be used for several tens of thousands of hours, may not be softened or may have problems such as crystallization progression, so it should not exceed 850 ° C.

도 1 및 도 2는 상기 유리 조성물 중 시료번호 1번을 이용하여 산화 및 환원분위기 중 750℃에서 유지시간을 달리하여 유지한 후, 각 유지시간에 따른 X선 분석을 행한 것이다. 도시된 바와 같이, 장시간 유지 후에도 결정상이 생성되지 않았다.  FIG. 1 and FIG. 2 show X-ray analysis of each of the glass compositions after holding at different temperatures at 750 ° C. in the oxidation and reduction atmosphere using sample No. 1. As shown, no crystal phase was formed even after long-term maintenance.

<실시예2>&Lt; Example 2 >

본 발명에서는 고체산화물 연료전지용 고온 유리 밀봉재를 제조하기 위하여, 원료조성인 SiO2-BaO-ZnO-Al2O3계에 La2O3, B2O3, SrO를 0~31몰% 첨가하여 제조한 유리 성분에 크리스토발라이트(cristobalite)를 15 중량 혼합하여 결정상의 산화물 혼합 밀봉재용 유리 조성물을 제조하였다.In the present invention, in order to produce a high-temperature glass sealing material for a solid oxide fuel cell, 0 to 31 mol% of La 2 O 3 , B 2 O 3 and SrO are added to the SiO 2 -BaO-ZnO-Al 2 O 3 system as a raw material composition The resulting glass composition was mixed with 15 parts by weight of cristobalite to prepare a glass composition for a crystal phase oxide mixed sealing material.

상기 크리스토발라이트는 바람직하게는 0~40중량% 혼합할 수 있으며, 더 바람직하게는 10~40중량% 혼합할 수 있다. 여기서, 40 중량% 이상에서는 단단한 가스켓 형태로 제조가 불가능하다.The cristobalite may be mixed in an amount of preferably 0 to 40% by weight, more preferably 10 to 40% by weight. Here, when it is 40 wt% or more, it is impossible to produce a rigid gasket.

상기 크리스토발라이트 이외의 다른 고열팽창계수 물질로는 MgO, SrO, KAlSiO4, YSZ(Yittria stabilized Zirconia), SiO2계 글라스 세라믹 등을 더 들 수 있으며, 크리스토발라이트를 대체할 수 있고, 열팽창계수는 대체로 적어도 120×10-7/℃의 값을 나타낸다.Examples of other high thermal expansion coefficient materials other than cristobalite include MgO, SrO, KAlSiO 4 , YSZ (Yittria stabilized zirconia), and SiO 2 -based glass ceramics. They can replace cristobalite and have a thermal expansion coefficient of at least 120 × 10 -7 / ° C.

이와 같이 제조된 유리 조성물 중, La2O3, B2O3, SrO를 30중량% 첨가한 유리 성분에 15중량%의 크리스토발라이트를 함께, 10mm의 직경을 갖는 지르코니아 볼을 이용하여 2시간 동안 혼합하여 제조한 유리조성물의 열팽창계수를 측정하여 도 3에서와 같이 나타내었다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예2에 의한 유리 조성물을 이용하여 밀봉재를 제조한 결과 100×10-7/℃ 이상의 높은 열팽창계수를 나타내었다. Of the glass compositions thus prepared, 15% by weight of cristobalite and 30% by weight of La 2 O 3 , B 2 O 3 and SrO were added to the glass component and mixed with zirconia balls having a diameter of 10 mm for 2 hours The thermal expansion coefficient of the glass composition was measured and shown in FIG. As shown in the drawing, the sealing material was produced using the glass composition according to Example 2 of the present invention and showed a thermal expansion coefficient of 100 × 10 -7 / ° C or higher.

또한, 도 4와 같이 금속분리판인 스테인레스 스틸(stainless steel)과 음극재 사이에 본 발명에 의하여 제조된 밀봉재를 위치시켜 밀봉한 후 750℃에서 100시간 유지하여 유지 전후의 구조변화를 관찰하여 도 5에서와 같이 나타내었다. 도시된 바와 같이, 밀봉재와 전극의 계면에는 접합시와 동일한 구조를 이루고 있어 결함이 발생되지 아니하였음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 4, the sealing material prepared according to the present invention was sealed between stainless steel, which is a metal separator, and an anode material, and was then held at 750 ° C. for 100 hours to observe structural changes before and after the holding 5, respectively. As shown in the figure, the interface between the sealing material and the electrode has the same structure as that at the time of bonding, so that no defect is generated.

<실시예3>&Lt; Example 3 >

또한 본 실시예에서는 실시예 1과 2의 유리 조성물을 이용하여 제조한 밀봉재를 적용하여 쉬트형 고체산화물 연료전지용 가스켓을 제조하였다.In this embodiment, a gasket for a sheet-type solid oxide fuel cell is manufactured by applying a sealing material prepared using the glass composition of Examples 1 and 2. [

쉬트(sheet)형 사각 가스켓(gasket)을 제조하기 위하여 본 발명에 의한 산화물 혼합 유리분말을 10mm의 직경을 갖는 지르코니아 볼을 이용하여 혼합하였다. 혼합한 분말을 vehicle과 혼합 분말을 중량비 기준으로 0.67 : 1의 비율로 테프론 포트에 수용하고 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조하였다. 제조한 슬러리를 닥터 블레이드(doctor blade)를 이용하여 쉬트로 제작하였고, 0.4mm 이상의 두께를 갖는 쉬트는 50~80℃에서 5~30분간 적층기를 이용하여 원하는 두께로 적층한 후 원하는 크기의 쉬트형 사각 가스켓을 제작하였다. 제작된 가스켓은 도 6에 나타내었다.In order to produce a sheet-shaped rectangular gasket, the oxide mixed glass powder according to the present invention was mixed using a zirconia ball having a diameter of 10 mm. The mixed powders were mixed in a Teflon pot at a ratio of 0.67: 1 based on the weight ratio of vehicle and mixed powder, and mixed with zirconia balls for 24 hours to prepare a slurry. The prepared slurry was formed into a sheet using a doctor blade. The sheet having a thickness of 0.4 mm or more was laminated to a desired thickness using a laminator at 50 to 80 ° C for 5 to 30 minutes, A square gasket was made. The fabricated gasket is shown in Fig.

또한, 쉬트형 원형 링 가스켓은 쉬트형 사각 가스켓과 같은 슬러리를 이용하여 같은 조건에서 적합한 원형 링 가스켓을 제조하였다. 이와 같이 제작된 가스켓을 도 7에 나타내었다.In addition, a sheet type circular ring gasket was produced by using a slurry such as a sheet type square gasket and a circular ring gasket suitable under the same conditions. The gasket thus manufactured is shown in Fig.

이와 같은 공정으로 제조된 가스켓은 밀봉 효율이 높고 단전지와 분리판 등과 정확하게 크기를 맞출 수 있으며, 단전지에 맞는 원하는 형태로 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한 치수 정밀도가 높은 가스켓을 쉽제 제조할 수 있고, 연료와 공기가 혼합되거나 연료가 외부로 누출되어 낮은 출력을 나타내는 등의 문제점을 해결할 수 있다.The gasket manufactured by such a process has a high sealing efficiency and can be accurately sized with a single cell and a separator plate, and can be easily manufactured in a desired shape suitable for a single cell. Further, it is possible to easily manufacture a gasket having a high dimensional accuracy, to solve problems such as mixing of fuel and air, leakage of fuel to the outside, and low output.

즉, 쉬트를 다층으로 적층하여 제작한 결과, 비틀림이나 휘어짐이 없는 우수한 밀봉 가스켓을 제조할 수 있었다.
That is, as a result of multilayer lamination of sheets, excellent sealing gaskets free from twisting and warpage could be produced.

<실시예4><Example 4>

실시예 4는 실제로 밀봉 가스켓을 SOFC에 적용하였을 때, 의도했던 물성이 발현되는지를 확인하기 위한 것이다.Example 4 is intended to confirm whether the intended properties were manifested when the sealing gasket was actually applied to the SOFC.

본 실시예와 관련된 밀봉 사각 가스켓의 제조방법은 다음과 같다.A manufacturing method of the sealed square gasket according to this embodiment is as follows.

본 발명에 의한 밀봉재의 제조방법은 위 유리 조성물을 용융하여 유리로 제조하는 단계와, 상기 제조된 유리를 분쇄하고, 분무 건조하여 과립화된 유리를 제조하는 단계와, 상기 과립화된 유리를 금형을 이용하여 밀봉재로 제조하는 단계를 포함하여 구성된다.The method for producing a sealing material according to the present invention comprises the steps of melting a glass composition to prepare glass, grinding the glass thus produced, spray drying the granulated glass to form a granulated glass, As a sealing material.

이때, 상기 밀봉재로 제조하는 단계에서는 바람직하게는 과립화된 유리는 그 연화점 보다 5~40℃ 높은 온도에서 열처리하여 제조되도록 한다. At this time, in the step of making the sealing material, the granulated glass is preferably manufactured by heat treatment at a temperature higher than the softening point by 5 to 40 ° C.

과립화된 분말을 이용하여 가압 성형함으로써 성형체를 만들고 이것을 열처리할 때, 이는 일종의 소결과 같은 개념으로 단단하고 강도를 가지며 내부에 기공이 없이 글라스 입자와 입자가 네크를 형성하는 것을 말한다. 글라스에서 이런 소결상태를 갖도록 열처리하기 위해서는 유리가 연화되는 연화점 보다 높은 온도, 즉 5~40℃ 정도 높여 글라스 표면을 연화시켜 입자와 입자를 붙이는 것이다. 40℃ 보다 높게 되면 글라스가 퍼져서 형태를 갖는 소결체를 유지하지 못하고 녹은 글라스 덩어리가 되며, 5℃ 보다 낮으면 성형자체가 되지 않으므로, 위 범위는 그 임계적 의의가 있다.When a molded body is formed by press molding using granulated powder and heat-treated, it is said that it is hard and strong in the same concept as a kind of sintering, and forms glass particles and particles without pores therein. In order to heat the glass in such a sintering state, the glass is heated to a temperature higher than the softening point, ie, about 5 to 40 ° C, so that the glass surface is softened to attach the particles and particles. When the temperature is higher than 40 ° C, the glass spreads and can not hold the sintered body having the shape and becomes a molten glass lump. If the temperature is lower than 5 ° C, the molding itself can not be performed.

한편, 상기 열처리 온도 뿐 아니라 열처리 시간도 중요성이 있는 바, 상기 열처리 시간은 0.5 ~ 4시간인 것이 바람직하다. 여기서, 열처리 시간이 0.5시간 미만으로 짧으면 단단한 소결체를 만들 수 없고, 4시간을 초과하면 소결상태를 유지하지 못하고 녹은 글라스 덩어리가 되므로, 위 시간 범위는 그 임계적 의의가 있다.
Meanwhile, since the heat treatment time as well as the heat treatment temperature are important, the heat treatment time is preferably 0.5 to 4 hours. If the heat treatment time is shorter than 0.5 hour, a hard sintered body can not be formed. If the heat treatment time exceeds 4 hours, the sintered state can not be maintained and melted glass lumps are formed, so that the above time range has a critical significance.

하기 제조공정은 위 공정에 대한 하나의 실시예이며, 고체산화물 연료전지용 밀봉재로서 도 6과 같은 밀봉 사각 가스켓은 아래와 같은 공정을 통하여 제조되었다. The following manufacturing process is one embodiment of the above process, and a sealed square gasket as shown in Fig. 6 as a sealing material for a solid oxide fuel cell is manufactured through the following process.

먼저 CaO-Al2O3-B2O3-SiO2계에 일부, SiO2-BaO-SrO-ZnO계에 일부 La2O3, B2O3, SrO를 첨가하고 1550℃에서 괴상의 프릿을 제조하였다. 이후, 상기 괴상의 프릿을 입자크기가 5~10㎛가 되도록 습식분쇄한 후 건조하였다. 건조한 분말에 크리스토발라이트(cristobalite)를 0~31중량%의 범위내에서 그 첨가량을 변화시키면서, 10mm의 직경을 갖는 지르코니아 볼을 이용하여 2시간 동안 혼합하였다. 이와 같이 혼합 제조된 분말에 결합재, 분산제, 가소제 등을 물과 함께 혼합하여 혼합물을 80~120㎛ 크기의 과립(granule)으로 만들기 위해 분무 건조하였다. First, some La 2 O 3 , B 2 O 3 , and SrO were added to the CaO-Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 system and the SiO 2 -BaO-SrO-ZnO system, and at 1550 ° C., . Thereafter, the massive frit was wet pulverized to have a particle size of 5 to 10 mu m, and then dried. Cristobalite was added to the dried powder in a range of 0 to 31 wt%, and the mixture was mixed for 2 hours using a zirconia ball having a diameter of 10 mm while varying the addition amount. A binder, a dispersant, a plasticizer and the like were mixed with water and spray-dried to prepare a mixture of granules having a size of 80 to 120 탆.

분무 건조한 구형의 과립이 유리화 되었을 때 20%의 수축이 일어나므로 이를 감안하여 스택용 금형을 제작하였다. 이 금형에 과립을 채워 넣고 사각형의 경우 80~200mm의 범위 내에서 4각 기둥 성형물을 만들기 위해 200kg/㎠의 압력으로 압축 성형하였다. 성형한 성형체는 고온 유리 밀봉재의 연화점보다 5~20℃ 높은 온도에서 4시간 유지하여 사각 가스켓을 제작하였다. When the spray dried spherical granules were vitrified, a 20% shrinkage occurred. Therefore, a mold for stacking was prepared. The mold was filled with granules, and in the case of a quadrangle, compression molding was performed at a pressure of 200 kg / cm 2 to form a quadrangular prism in a range of 80 to 200 mm. The molded article was held at a temperature 5 to 20 ° C higher than the softening point of the high-temperature glass sealant for 4 hours to produce a rectangular gasket.

이후, 제작한 스택용 밀봉 사각 성형물을 직사각형의 원하는 가스켓의 크기로 절단하였다. 절단된 성형물을 사각 가스켓 형태로 연결하고 같은 조성의 유리 페이스트를 각 모서리에 발라 밀봉재보다 10~50℃ 높은 온도까지 승온하여 4시간 유지한 후 최고 유지 온도에서 상온까지 로냉하여 밀봉 사각 가스켓을 제조하였다. 가스켓은 도 8에 나타내었다.Thereafter, the thus formed stacked square article of the stack was cut into a desired size of a rectangular gasket. The cut moldings were connected in the form of a rectangular gasket, and glass paste of the same composition was applied to each corner, heated to a temperature of 10 to 50 ° C higher than the sealing material, maintained for 4 hours, and then cooled to room temperature at a maximum holding temperature to produce a sealed square gasket . The gasket is shown in Fig.

제조한 가스켓은 장시간 내구성 실험결과 크랙의 발생이나 가스의 누출 등이 일어나지 않으면서, 밀봉 효율은 90%로 매우 높게 나타났다. 또한 기존의 쉬트나 페이스트 보다 스택을 밀봉할 때 간단한 장점이 있었다.As a result of long - term durability tests, the gaskets produced showed very high sealing efficiency of 90% without causing cracks or gas leakage. There was also a simple advantage in sealing the stack over existing sheets or pastes.

즉, 기존 쉬트나 페이스트의 경우 고체산화물 연료전지 적층 시 밀봉 공정에서 반드시 첨가되어 있는 바인더 번아웃 공정을 넣거나, 승온속도를 천천히 한다는 등의 공정이 필요하지만, 밀봉 사각 가스켓의 경우 제조공정에서 이미 열처리를 통해 바인더를 완전히 번아웃 하였으므로 고체산화물 연료전지 적층시 밀봉 공정을 번아웃 공정 없이 빠르고, 간단히 진행할 수 있다.
That is, in the case of existing sheets or pastes, it is necessary to add a binder burnout process, which is necessarily added in the sealing process when stacking the solid oxide fuel cell, or slow down the temperature raising rate. In the case of the sealed square gasket, The binder can be completely burnt out, so that the sealing process in the stacking of the solid oxide fuel cell can be carried out quickly and simply without burnout process.

<실시예5>&Lt; Example 5 >

도 7에서 나타낸 바와 같은 고체산화물 연료전지용 원형의 링형 가스켓은 분리판 등의 hole 밀봉을 위하여 사용된다. 링 가스켓의 제조는 사각 가스켓 제조시와 최종 열처리 전까지는 유사하다. 과립 유리 분말을 만들고, 이를 이용하여 최종 링 가스켓의 외경은 10~50mm, 내경은 4~46mm, 두께는 5~6mm가 되도록 금형을 만들고, 그 금형에 과립을 넣은 후 100kg/㎡의 압력으로 링을 성형한 후 고온 유리 밀봉재의 연화점보다 520℃ 높은 온도에서 4시간 유지하여 열처리하고, 이후 최고 유지 온도서부터 상온까지 로냉하여 원형의 링형 가스켓을 제조하였다. 제조한 링 가스켓은 도 9에 나타내었다.A circular ring gasket for a solid oxide fuel cell as shown in Fig. 7 is used for hole sealing of a separator plate or the like. The production of the ring gasket is similar during the manufacture of the rectangular gasket and before the final heat treatment. Granular glass powder was prepared and a mold was made so that the final ring gasket had an outer diameter of 10 to 50 mm, an inner diameter of 4 to 46 mm and a thickness of 5 to 6 mm, granules were put in the mold, And then heat-treated at a temperature higher than the softening point of the high-temperature glass sealing material by 520 DEG C for 4 hours. Thereafter, the ring-shaped gasket was manufactured by cooling from the maximum holding temperature to room temperature. The produced ring gasket is shown in Fig.

상기 링 가스켓을 이용하여 장시간 내구성 실험결과 크랙의 발생이나 가스의 누출 등이 일어나지 않음을 확인하였다.
As a result of the long-term durability test using the ring gasket, it was confirmed that no cracks or leakage of gas occurred.

상기한 바와 같이 본 발명의 특정한 실시예가 설명되었으나, 본 발명이 당 업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이처럼 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.Although specific embodiments of the invention have been described above, it will be obvious that the same may be varied in many ways by those skilled in the art. Such modified embodiments should not be understood individually from the technical idea or viewpoint of the present invention, and these modified embodiments should be included in the claims of the present invention.

Claims (12)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete SiO2 55~62 몰%, B2O3 0~7 몰%, (BaO+SrO) 12.5~30 몰%, ZnO 1~15 몰%, Al2O3 1~3 몰%를 포함하며, 몰비 기준으로 SiO2/RO (R=Ba, Sr 및 Zn)가 1.5~2.0이고, (BaO+SrO)/ZnO가 2.0~3.0이며, BaO 5-30 몰%, SrO 0-23 몰%인 유리 조성물을 용융하여 유리로 제조하는 단계;
상기 제조된 유리를 분쇄하고, 분무 건조하여 과립화된 유리를 제조하는 단계;
상기 과립화된 유리를 금형을 이용하여 밀봉재로 제조하는 단계;
를 포함하되,
상기 밀봉재로 제조하는 단계에서는 과립화된 유리는 그 연화점 보다 높은 온도에서 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재의 제조방법.
(1), wherein the composition contains 55 to 62 mol% of SiO 2 , 0 to 7 mol% of B 2 O 3 , 12.5 to 30 mol% of (BaO + SrO), 1 to 15 mol% of ZnO and 1 to 3 mol% of Al 2 O 3 , based on the SiO 2 / RO (R = Ba , Sr and Zn) is 1.5 ~ 2.0, and, (BaO + SrO) / ZnO is 2.0 to 3.0, the glass composition BaO 5-30 mol%, SrO 0-23% mol Melting glass to produce glass;
Milling the prepared glass and spray drying to produce granulated glass;
Preparing the granulated glass as a sealing material by using a mold;
, &Lt; / RTI &
Wherein the granulated glass is heat-treated at a temperature higher than its softening point in the step of producing the sealing material.
제 10 항에 있어서,
상기 연화점 보다 높은 온도는 연화점 대비 5 ~ 40℃ 높은 온도인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the temperature higher than the softening point is a temperature higher by 5 to 40 ° C than the softening point.
제 10 항에 있어서,
상기 열처리 시간은 0.5 ~ 4시간인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 밀봉재의 제조방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the heat treatment time is 0.5 to 4 hours. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017047994A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using same and method for preparing same
KR20170032703A (en) * 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using the same and method for manufacturing the same
CN108911701A (en) * 2018-08-27 2018-11-30 佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司 Dumb light dry granular glazed tile and preparation method thereof
CN109841868A (en) * 2017-11-27 2019-06-04 中国科学院大连化学物理研究所 A kind of solid oxide fuel cell compound seal agent and its application
KR20200038024A (en) * 2018-10-02 2020-04-10 공주대학교 산학협력단 Composition of sealing glass for solid oxide fuel cell and sealing paste comprising the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101209983B1 (en) * 2010-08-23 2012-12-07 한국전력공사 Manufacturing method of the glass-ceramics gasket for solid oxide fuel cell
JP2013503095A (en) * 2009-08-31 2013-01-31 ティッセンクルップ ウーデ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング High temperature heat resistant devitrifying solder glass

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013503095A (en) * 2009-08-31 2013-01-31 ティッセンクルップ ウーデ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング High temperature heat resistant devitrifying solder glass
KR101209983B1 (en) * 2010-08-23 2012-12-07 한국전력공사 Manufacturing method of the glass-ceramics gasket for solid oxide fuel cell

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017047994A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using same and method for preparing same
KR20170032703A (en) * 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using the same and method for manufacturing the same
WO2017047995A1 (en) * 2015-09-15 2017-03-23 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using same and method for preparing same
CN108028400A (en) * 2015-09-15 2018-05-11 株式会社Lg化学 Solid oxide fuel cell seal agent composition, use its sealant and preparation method thereof
KR101989499B1 (en) * 2015-09-15 2019-06-14 주식회사 엘지화학 Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using the same and method for manufacturing the same
US10615434B2 (en) 2015-09-15 2020-04-07 Lg Chem, Ltd. Composition for solid oxide fuel cell sealant, sealant using same and method for preparing same
CN109841868A (en) * 2017-11-27 2019-06-04 中国科学院大连化学物理研究所 A kind of solid oxide fuel cell compound seal agent and its application
CN108911701A (en) * 2018-08-27 2018-11-30 佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司 Dumb light dry granular glazed tile and preparation method thereof
CN108911701B (en) * 2018-08-27 2021-04-27 佛山石湾鹰牌陶瓷有限公司 Matte dry particle glazed tile and preparation method thereof
KR20200038024A (en) * 2018-10-02 2020-04-10 공주대학교 산학협력단 Composition of sealing glass for solid oxide fuel cell and sealing paste comprising the same
KR102119318B1 (en) * 2018-10-02 2020-06-04 공주대학교 산학협력단 Composition of sealing glass for solid oxide fuel cell and sealing paste comprising the same

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