KR101544404B1 - 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고체 산화물 연료 전지의 밀봉 방법에 있어서, 디스펜싱 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계; 및 테이프 캐스팅 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법을 제공한다.

Description

고체산화물 연료전지의 밀봉 방법{SEALING METHOD OF SOLID OXIDE FUEL CELL}
본 발명은 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재 및 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 밀봉재를 이용한 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 단위전지의 구성방법에 따라서 평판형(Planar Design), 원통형(Tubular Design) 및 적층형 (Monolithic Design) 등으로 구분할 수 있다.
상기 평판형 연료전지는 공기극(양극), 전해질 및 연료극(음극)으로 이루어진 단위전지로 이루어지는데, 상기 단위전지 하나에서 발생하는 전력은 작은 편이므로, 여러 개의 단위전지를 적층한 스택 구조로 연료 전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있다.
상기 스택 구조를 형성하기 위하여 단위전지들을 연결할 때, 연료극과 공기극을 전기적으로 연결하면서, 연소 가스인 공기와 연료 가스인 수소의 혼합을 막기 위해 설치되는 것이 분리판(Interconnector)이다. 또한, 상기 분리판과 단위전지 구성요소 사이를 밀봉함으로써, 상기 스택 구조에서 연소 가스와 연료 가스의 혼합을 방지하고, 스택 구조 외부로 가스 누출을 방지하며, 단위전지 간의 절연을 꾀할 수 있다. 이와 같이, 분리판과 단위전지 구성요소 사이를 기밀하기 위하여 사용되는 밀봉재는 열 싸이클(Thermal Cycling) 가동 중에도 연료 가스와 연소 가스를 안정적으로 분리할 수 있고, 단위전지 구성요소와 열화학(Thermochemical) 및 열기계적(Thermomechanical) 보완성이 있으며, 분리판과 접합할 때 단락(Short Circuit)이 일어나지 않을 뿐만 아니라, 스택 구조를 이루는 구성요소와의 기계적 및 열적 불일치를 보완할 수 있는 특성을 갖는 것이 바람직하다.
일반적으로 고체산화물 연료전지용 밀봉재는 크게 경화형 밀봉재(Rigid Seal), 압축 밀봉재(Compressive Seal) 및 순응형 밀봉재(Compliant Seal)로 구분할 수 있는데, 현재까지는 기밀 특성이 우수하고, 수천 시간의 사용에 적합하며 제조가 간단할 뿐만 아니라 가격이 저렴한, 유리 및 결정화 유리의 경화형 밀봉재가 주로 사용되고 있다.
상기 결정화 유리를 사용한 밀봉재의 제조에는 주로 실크스크린 인쇄, 디스펜싱(Dispensing) 공정, 테이프 캐스팅(Tape Casting) 등의 방법이 사용된다. 상기 실크스크린 인쇄는 원료의 손실은 적으나, 대량 연속 작업은 어려운 단점이 있다. 한편, 상기 디스펜싱 공정은 분리판에 밀봉재를 직접 인쇄하는 것으로, 원료의 손실이 적고, 자동화에 의한 대량 생산이 가능하며, 별도의 부착 작업없이 밀봉재를 제조할 수 있는 장점은 있으나, 복잡한 형상의 제조에는 시간당 생산속도가 느리다는 단점이 있다. 또한, 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재는 두께가 균일하지 못하거나, 단면 형상이 직각형태를 이루지 못해, 스택 구조 형성시 불균일성이 초래되는 문제점이 있었다.
한편, 상기 테이프 캐스팅 공정은 연속적으로 밀봉재 시트를 제작하여 대량생산이 가능하고, 다양한 두께의 밀봉재를 제조할 수 있으며, 생산 속도가 빠르다는 장점이 있으나, 원하는 두께의 밀봉재를 제조하기 위해서는 다양한 두께의 밀봉재 시트를 형성한 후, 원하는 두께마다 조립해야 하므로 번거롭다는 단점이 있다.
한편, 테이프 캐스팅에 의하여 제조된 밀봉재 시트는 한 장의 두께로 사용하거나, 또는 상기 밀봉재 시트를 여러 장 적층하고 일축 가압 또는 웜 아이소스택 프레싱(Warm Isostatic Pressing) 등을 수행하여 소정의 두께를 갖는 밀봉재 판을 제조한 후, 원하는 형상의 목형 등을 이용하여 밀봉재를 형성하여 사용할 수 있다.
다만, 종래 기술은 디스펜싱 공정과 테이프 캐스팅 공정을 복합화하여 고체산화물 연료전지를 밀봉하는 방법에 관한 기술은 거의 없는 실정이다. 본 발명의 발명자들은 각 공정의 장점을 활용함으로써, 비용 절감 및 작업 공정의 효율을 도모하고자 하기와 같은 발명을 발명하였다.
고체산화물 연료전지 밀봉 방법에 있어서, 디스펜싱 공정에 따라 복잡한 형상의 밀봉재 제조시 생산 속도가 저하되는 문제 및 테이프 캐스팅에 따른 밀봉재 형성시 발생하는 작업상 번거로움과 같은 단점들을 개선하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 고체 산화물 연료 전지의 밀봉 방법에 있어서, 디스펜싱 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계 및 테이프 캐스팅 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법은 디스펜싱 공정으로 제1밀봉재를 형성하는 단계 및 상기 제1밀봉재 상에 테이프 캐스팅 공정으로 제2밀봉재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1밀봉재는 최종 밀봉재 두께의 30% 내지 70%의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법은, 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 영역에 제3밀봉재를 형성하는 단계 및 상기 제3밀봉재 사이를 연결하여 폐루프를 형성하는 제4밀봉재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행되고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다. 또는, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
한편, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행되고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다. 또는, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
본 발명은 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법에 있어서, 디스펜싱 공정 및 테이프 캐스팅 공정을 함께 사용함으로써, 고체산화물 연료 전지 밀봉 시 소요되는 비용을 절감하고, 공정 효율을 높이며, 복잡한 형상의 밀봉을 용이하게 수행할 수 있도록 하였다.
도 1은 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 1에 따라 밀봉재가 형성된 모습을 촬영한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 2에 따라 디스펜싱 공정으로 네 개의, 곡선을 포함하는 직각 형상의 밀봉재가 형성된 모습을 촬영한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 1의 스테인레스 판을 기밀도 측정 장치에서 해체한 모습을 촬영한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 2의 스테인레스 판을 기밀도 측정 장치에서 해체한 모습을 촬영한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 2에 따라 밀봉재가 형성된 스테인레스 판 및 기밀도 측정 장치를 촬영한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현 예로서, 실시예 2에 따라 형성된 밀봉재의 기밀도 측정 결과를 그래프로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 한편, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
상기한 바와 같이, 디스펜싱 공정 및 테이프 캐스팅 공정 각각에 의하여 밀봉재를 형성하고 이를 이용하여 고체산화물 연료전지를 밀봉하는 경우, 밀봉 비용 및 공정 효율성 등에서 문제점이 있어 왔으나, 이를 해결할만한 적절한 기술이 없었다. 이와 같은 기술적 필요에 따라서, 본 발명은 고체 산화물 연료 전지의 밀봉 방법에 있어서, 디스펜싱 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계; 및 테이프 캐스팅 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법은 디스펜싱 공정으로 제1밀봉재를 형성하는 단계 및 상기 제1밀봉재 상에 테이프 캐스팅 공정으로 제2밀봉재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1밀봉재는 최종 밀봉재 두께의 30% 내지 70%의 두께를 가지도록 형성될 수 있다. 디스펜싱 공정으로 형성된 제1밀봉재의 두께가 최종 밀봉재 두께의 30% 미만이면 테이프캐스팅에 의하여 형성되는 제2밀봉재의 두께가 두꺼워지므로 제1밀봉재와 제2밀봉재 사이의 부착력 등의 면에서, 제조에 적합하지 않을 수 있다. 또한, 상기 제1밀봉재의 두께가 최종 밀봉재 두께의 70%를 초과하면 매우 얇은 두께의 제2밀봉재를 부착해야 하므로, 제2밀봉재의 두께 조절에 어려움이 있을 수 있다.
한편, 디스펜싱 공정 및 테이프 캐스팅 공정은, 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 수행되는 방법에 따라 이루어질 수 있다. 또한, 상기 각각의 공정에서 이용되는 밀봉재 조성물로는, 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것을 제한 없이 사용할 수 있다.
우선, 테이프 캐스팅 공정에 의해 밀봉재를 형성하는 경우, 고체산화물 연료전지의 밀봉재 제조방법은 테이프 캐스팅 공정용 밀봉재 조성물을 제조하는 단계; 상기 밀봉재 조성물을 테이프 캐스팅하는 단계; 및 건조하여 밀봉재 시트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 테이프 캐스팅 공정용 밀봉재 조성물은 결정화 유리 분말, 결합제, 가소제, 분산제 및 용매를 혼합한 후 볼 밀하여 제조될 수 있다.
이때, 상기 결정화 유리 분말의 평균 입경은 10 ㎛ 내지 13 ㎛일 수 있다. 또한, 상기 결합제로는 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral)을 사용할 수 있고, 상기 가소제로는 디옥틸 프탈레이트(Dioctyl Phthalate) 또는 디부틸 프탈레이트 (Dibutyl Phthalate)를 사용할 수 있으며, 상기 분산제로는 산 기(acid group)를 포함하는 화합물의 공중합체 또는 노닐페놀 폴리에톡시에이트 포스페이트 에스테르 (Nonylphenol Polyethoxyate Phosphate Ester)계 화합물을 사용할 수 있다. 또한, 상기 용매로는 에틸 알코올(Ethyl alcohol)과 톨루엔(toluene)의 혼합 용매를 사용할 수 있다.
또한, 상기 테이프 캐스팅 공정용 밀봉재 조성물은 전체 조성물에 대해 고형분 기준 52중량% 내지 65중량% 정도, 또는 55중량% 내지 62중량% 정도의 결정화 유리 분말을 포함할 수 있다. 고형분 기준으로 상기 결정화 유리 분말의 함량이 55중량% 미만이면 조성물의 점도가 낮아 균일한 두께의 밀봉재를 제조하기 어려울 수 있고, 과량의 분산매가 첨가되어, 건조하는 단계에서 불균일한 건조로 인해 밀봉재의 불량이 발생할 수 있다. 또한, 고형분 기준으로 상기 결정화 유리 분말의 함량이 65중량%를 초과하면 조성물의 점도가 높아져 균일한 두께의 밀봉재를 제조하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 테이프 캐스팅 공정용 밀봉재 조성물의 점도는 2,000 cP 내지 13,000 cP 일 수 있다. 조성물의 점도가 2,000 cP 미만이면 상기 밀봉재 조성물을 테이프 캐스팅하는 단계 이후 건조하는 단계에서 불량과 결함이 발생될 수 있고, 조성물의 점도가 13,000 cP 보다 크면 균일한 두께의 밀봉재를 형성하기 어려울 수 있다.
또한, 볼 밀에 의해 분쇄된 조성물을 이루는 입자의 평균 입경은 5 ㎛ 내지 15 ㎛, 또는 10 ㎛ 내지 13 ㎛일 수 있다. 상기 입자의 평균 입경이 5 ㎛ 보다 작거나 15 ㎛ 보다 크면, 조성물의 점도를 상기한 바와 같이 테이프 캐스팅에 적합한 정도로 조절하기 어려울 뿐만 아니라, 제조된 밀봉재를 단위전지 및 스택 구조에 적용할 때 밀봉재의 두께수축율, 폭팽창율 및 선팽창율을 조절하기 어려울 수 있다.
또한, 상기 밀봉재 시트의 두께는 0.1 mm 내지 0.3 mm 일 수 있다.
또한, 상기 고체산화물 연료전지의 밀봉재 제조방법은 상기 밀봉재 시트를 복수 개 적층하고 온도 및 압력을 가하여 밀봉재 판을 형성하는 단계 및/또는 밀봉재 판을 원하는 형상으로 절단하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 밀봉재 시트 복수 개를 적층한 후 라미네이팅 (Laminating) 또는 웜 아이소스태틱 프레싱 (Warm isostatic pressing)에 의하여 온도와 압력을 가할 수 있으며, 이로써 제조된 밀봉재 판의 두께는 0.8 mm 내지 1.5 mm 일 수 있다.
한편, 디스펜싱 공정에 의해 밀봉재를 형성하는 경우, 고체산화물 연료전지의 밀봉재 제조방법은 디스펜싱 공정용 밀봉재 조성물을 제조하는 단계; 상기 밀봉재 조성물을 디스펜싱하는 단계; 및 건조하여 밀봉재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 밀봉재 원료에 중량%로 7.5 % 내지 15 %의 결합제, 1 % 내지 5 %의 분산제 및 4 % 내지 7 %의 용매를 포함하는 디스펜싱 공정용 밀봉재 조성물을 사용할 수 있다. 상기 밀봉재 원료로는 특별히 그 종류를 제한하지 않으며, 예를 들어 밀봉재 원료로서 널리 사용되는 결정화 유리를 사용할 수 있다.
또한, 상기 결합제로는 특별히 그 종류를 제한하지 않으나, 고온에서 쉽게 분해되고 잔류 탄소가 적은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 메틸셀룰로스, 에틸셀룰로스, 니트로셀룰로스, 히드록시에틸셀룰로스, 히드록시프로필셀룰로스 및 아크릴 수지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
또한, 상기 분산제로는 유기 용매에서 사용될 수 있는 것이라면 특별히 그 종류를 제한하지 않으나, 예컨대 현재 시판되고 있는 제품으로서 BYK-110, BYK-111, 또는 NOPCOPLUS DS-101, NOPCOPLUS DS-106을 사용할 수 있다.
또한, 상기 용매로는 유기 용매, 예를 들면, 터피네올(Terpineol), 부틸캐비톨(Butyl Cabitol), 에틸캐비톨(Ethyl Cabitol), 부틸캐비톨아세테이트(Butyl Cabitol Acetate), 텍사놀에스터알콜(Texanol Ester Alcohol) 및 에틸캐비톨아세테이트(Ethyl Cabitol Acetate)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
또한, 상기 디스펜싱 공정용 밀봉재 조성물의 점도는 160,000 cP 내지 850,000 cP일 수 있다.
또한, 상기 밀봉재 조성물을 디스펜싱하는 단계에 있어서, 디스펜싱 로봇을 이용할 수 있다. 상기 디스펜싱 로봇은 구비된 주사기에 페이스트 형태의 밀봉재 조성물을 넣으면 자동으로 상기 조성물을 디스펜싱하는 기기이다. 이러한 디스펜싱 로봇을 이용할 경우 충분한 두께의 밀봉재를 단시간에 제조할 수 있으므로, 공정시간의 단축이 가능하고, 균일한 두께와 폭을 갖는 밀봉재를 용이하게 제조할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 건조하는 단계는 80 ℃ 내지 150 ℃로 유지될 수 있다. 상기 건조 온도가 80 ℃ 미만이면 페이스트 형태의 디스펜싱 공정용 밀봉재 조성물이 충분히 건조되지 못하거나, 건조하는 데에 오랜 시간이 소요되는 문제가 있다. 반면, 건도 온도가 150 ℃를 초과하게 되면 디스펜싱 공정용 밀봉재 조성물의 내부와 표면이 균일하게 건조되지 못할 우려가 있으며, 조성물 내 함유된 용매 등이 증발될 우려가 있다.
또한, 본 발명의 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법은, 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 제3밀봉재를 형성하는 단계 및 상기 제3밀봉재 사이를 연결하는 제4밀봉재를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 2차원 형상은, 굴곡진 부분을 포함하는 형상을 의미하는 것으로, 예를 들면, 원형, 타원형, 곡선형 형상 또는 ㄱ자형, ㄴ자형과 같이 절곡된 부분을 포함하는 형상을 포함하는 개념이다. 한편, 상기 3차원 형상은 수직(높이) 방향으로 형성되는 영역을 포함하는 형상을 의미하는 것으로, 예를 들면, 홈부를 메우는 형상 등을 의미한다.
상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행되고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계와 제4밀봉재를 형성하는 단계의 수행 순서는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계가 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수도 있고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계가 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수도 있다.
예를 들어, 상기 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법은 기판 상에 디스펜싱 공정으로 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 제3밀봉재를 형성한 후, 테이프 캐스팅 공정을 통해 상기 제3밀봉재를 연결하는 제4밀봉재를 형성할 수 있다.
또는, 예를 들어, 상기 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법은 기판 상에 테이프 캐스팅 공정을 통해 제4밀봉재를 먼저 형성한 후, 디스펜싱 공정으로 상기 제4밀봉재가 형성되지 않은 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 영역에 제3밀봉재를 형성할 수도 있다.
한편, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행되고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행될 수 있다.
이때, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계와 제4밀봉재를 형성하는 단계의 수행 순서는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계가 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수도 있고, 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계가 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수도 있다.
예를 들어, 상기 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법은 기판 상에 테이프 캐스팅 공정을 통해 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 제3밀봉재를 형성한 후, 디스펜싱 공정을 통해 상기 제3밀봉재를 연결하는 제4밀봉재를 형성할 수 있다.
또는, 예를 들어, 상기 고체산화물 연료전지의 밀봉 방법은 기판 상에 디스펜싱 공정으로 제4밀봉재를 먼저 형성한 후, 테이프 캐스팅 공정을 통해 2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 영역에 제3밀봉재를 형성할 수도 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
실시예 1
스테인레스 판(150 mm x 150 mm)에 디스펜싱 공정으로 0.5 mm 두께의 밀봉재를 가로 130 mm, 세로 130 mm, 폭 6 mm로 형태로 형성한 후, 상기 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재 위에 테이프캐스팅에 의하여 형성된 0.5 mm 두께의 밀봉재를 절단하여 가로 127 mm, 세로 127 mm, 폭 6 mm 형태로 부착하였다. 도 1은 이를 촬영한 것이다.
실시예 2
스테인레스 판(150 mm x 150 mm)에 디스펜싱 공정으로 한 변의 길이가 25 mm, 폭 6 mm, 두께 1 mm인, 곡선을 포함하는 직각 형상의 밀봉재 네 개를 형성하였다. 도 2는 이를 촬영한 것이다. 그런 다음, 상기 밀봉재 사이의 폭 6 mm, 길이 80 mm인 네 군데 공간에 테이프캐스팅에 의하여 제조된 폭 6 mm, 길이 80 mm, 두께 1 mm의 밀봉재를 부착하여 폐루프를 형성하였다.
실험예 1 - 열 싸이클 ( Thermal Cycle ) 특성 평가
상기 실시예 1 및 2에 의해 밀봉재가 형성된 스테인레스 판을 기밀도 측정 장치(150 mm x 150 mm x 두께 20 mm)에 장착(단, 상기 실시예 2에 따라 제조된 밀봉재가 형성된 스테인레스 판에는 알루미나 스토퍼 (100 mm x 100 mm x 두께 0.5 mm)도 장착함.)한 후, 질소 가스를 흘리면서 면압 3 kgf/cm2 및 승온 속도 1 ℃/분으로 850 ℃까지 승온하여 접합한 후, 700 ℃로 냉각하였다. 그런 다음, 상기 밀봉재가 형성된 스테인리스 판을 냉각속도 1 ℃/분으로 상온까지 냉각하였다. 이와 같이, 700 ℃로 승온한 후, 냉각속도 1 ℃/분으로 상온까지 냉각하는 열 싸이클을 총 4회 실시하였다.
그런 다음, 실시예 1 및 실시예 2의 스테인레스 판을 기밀도 측정 장치에서 해체한 후, 표면 상태를 육안으로 확인하였다. 도 3 및 도 4은 각각 기밀도 측정 장치에서 해체된 실시예 1 및 2의 스테인레스 판을 촬영한 사진이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재 상에 테이프 캐스팅에 의해 제조된 밀봉재를 부착한 경우(실시예 1), 승온·냉각 후에도 밀봉재의 형상이 잘 유지되므로, 밀봉재로 사용하는데 문제가 없음을 알 수 있다.
또한, 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재 및 테이프 캐스팅에 의해 형성된 밀봉재를 연결한 밀봉재의 경우(실시예 2), 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 승온·냉각 후에도 각각의 밀봉재가 서로 분리되지 않고 잘 부착되어 기체의 밀봉을 잘 유지할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 4의 상기 디스펜싱 공정으로 형성된 밀봉재 및 테이프 캐스팅에 의해 형성된 밀봉재의 두께는 각각 0.47 mm 및 0.48 mm로, 균일하게 수축됨을 확인하였다.
실험예 2- 기밀 특성 평가
상기 실시예 2에 따라 제조된 밀봉재가 형성된 스테인레스 판에 알루미나 스토퍼 (100 mm x 100 mm x 두께 0.5 mm)를 장착하고, 가스-인(gas-in)과 가스-아웃(gas-out)이 설치된 기밀도 측정 장치(150 mm x 150 mm x 두께 20 mm)를 준비하였다. 도 5는 이를 촬영한 것이다.
상기 스테인레스 판과 기밀도 측정 장치를 연결하여 질소 가스를 흘리면서 면압 3 kgf/cm2 및 승온 속도 1 ℃/분으로 850 ℃까지 승온하여 접합한 후, 700 ℃로 냉각하였다. 그리고, 기밀도 측정 장치의 가스-인(gas-in)에 질소 가스를 약 1기압 (147psi)까지 채우고 가스-아웃(gas-out) 부분을 닫은 후, 20분 동안 가스의 압력 저하를 측정함으로써, 700 ℃에서의 누설율을 측정하였다. 또한, 냉각속도 1 ℃/분으로 상기 기밀도 측정 장치를 상온까지 냉각한 후, 상기한 바와 동일한 방법으로 20 ℃에서의 누설율을 측정하였다. 또한 상기 열 싸이클을 총 4회 수행하면서, 4회 열 싸이클 시 700 ℃ 및 20 ℃에서의 누설율을 각각 측정하였다. 이와 같은 방법으로 1회 열 싸이클 및 4회 열 싸이클 시의 700 ℃ 및 20 ℃에서의 누설율을 측정하였다.
도 6은 실시예 2의 밀봉 방법으로 밀봉한 경우의 기밀도를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 6의 그래프를 통해 알 수 있듯이 처음 승온한 700 ℃에서 상기 기밀도 측정 장치의 압력은 20분 경과 후에도 전혀 감소되지 않아, 완벽한 기밀 특성을 나타냈다. 또한, 상온으로 냉각한 후에도 20 ℃에서 압력은 14.64 psi에서 20분 경과 후 14.80 psi로 다소 증가하였고, 이는 기밀 특성이 우수함을 의미한다. 또한, 4회 열 싸이클 시, 700 ℃에서 측정한 압력은 14.70 psi에서 20분 경과 후 14.66 psi로 조금 감소하였으나, 이는 무시할 정도의 누설이다. 또한, 4회 열 싸이클 후 20 ℃에서도 밀봉재의 기밀 특성은 많이 감소되지 않고 일정 수준으로 유지되는 결과를 보였다. 이와 같이 디스펜싱 공정과 테이프 캐스팅의 복합 공정에 의하여 형성된 밀봉재는 1회 열 싸이클 후의 상온뿐만 아니라, 4회의 열 싸이클 후 상온에서도 기밀 특성을 일정 수준으로 유지함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (10)

  1. 고체 산화물 연료 전지의 밀봉 방법에 있어서,
    디스펜싱 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계; 및
    테이프 캐스팅 공정으로 밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    디스펜싱 공정으로 제1밀봉재를 형성하는 단계; 및
    상기 제1밀봉재 상에 테이프 캐스팅 공정으로 제2밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1밀봉재는 최종 밀봉재 두께의 30% 내지 70%의 두께를 가지도록 형성되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법은,
    2차원 형상 또는 3차원 형상을 갖는 제3밀봉재를 형성하는 단계; 및
    상기 제3밀봉재 사이를 연결하여 폐루프를 형성하는 제4밀봉재를 형성하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행되고,
    상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 테이프 캐스팅 공정에 의해 수행되고,
    상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 디스펜싱 공정에 의해 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제4밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제4밀봉재를 형성하는 단계는 상기 제3밀봉재를 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 고체산화물 연료 전지의 밀봉 방법.
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