KR101566976B1 - 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및 상기 적층체를 소결하는 단계를 포함하며, 상기 적층체는 폭이 300mm이상이고, 두께가 0.5~2.0mm이며, 상기 소결시, 소결 시작 온도는 1100~1250℃이고, 최고 승온 도달 온도는 1300~1400℃이며, 상기 최고 승온 도달 온도에서 2~10시간 유지하는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 소결시 연료전지 구동층의 수축에 따른 휘어짐과 하중체 사용시 발생할 수 있는 표면결함을 억제할 수 있어, 전지의 기능을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법을 제공할 수 있다.

Description

고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법{METHOD FOR SINTERING SOLID OXIDE FUEL CELL WITHOUT APPLICATION OF LOAD THERETO}

본 발명은 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법에 관한 것이다.

평판형 고체산화물 연료전지는 공기극층, 전해질층, 연료극 기능층, 연료극 지지체층 등(이하 '구동층'이라고도 함) 조성이 다른 다수의 세라믹 층으로 구성된다. 상기 각각의 연료전지 구성층들은 분말 성형 방법, 테이프 캐스팅을 통해 얻은 시트의 적층 방법, 스크린 프린팅과 같은 코팅 방법 등을 이용하여 제작될 수 있다. 상기 연료전지 구성층들은 순차적으로 적층된 후, 고온에서 동시에 소성됨으로써 일체화 된다.

각 층을 구성하는 물질은 소결 수축율에 있어 차이가 있기 때문에 상기와 같은 동시 소성 과정을 거친 소결체는 휨(캠버) 또는 국부적인 변형이 발생한다. 이와 같은 현상은 소결체의 크기가 커질수록 더욱 심해진다. 특히, 평판형 고체 산화물 연료전지에 휨(캠버) 또는 국부적인 변형이 발생하는 경우, 다층의 셀이 적층되는 연료전지 스택에서 구조적인 불안정성을 유발할 뿐만 아니라 집전의 불균일성이 발생되어 발전 성능이 저하된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 대표적인 기술로는 특허문헌 1이 있다. 상기 특허는 하중 담체에 의하여 하중을 두는 상태로 적층체를 소성하는 방법을 제시하는 기술에 관한 것이다. 그러나, 상기 기술과 같이 단순히 하중을 부여하는 방법은 많은 문제점을 유발한다. 예를 들면, 하중체의 수직하중이 적층체가 소결될 때 수평 방향의 수축을 방해하게 된다. 이는 결국 셀의 구성요소 중 치밀도가 매우 중요한 전해질층의 치밀도를 떨어뜨리게 되어 연료전지 동작 중에 가스 누설(leak)의 원인으로 작용하며, 수축 저하에 따라 소성이 완료된 셀의 기계적 강도 저하를 유발한다. 또한, 대부분의 적층체는 목적에 따라 다양한 유기물을 포함하고 있는데, 이러한 유기물들은 소결과정 중에 번 아웃(burn out)되어야 한다. 그러나, 적층체 상부에 위치하는 하중체가 상기 적층체의 표면을 덮고 있기 때문에 유기물의 번 아웃이 원활하지 않게 된다. 더욱이, 이러한 유기물들은 하중체에 의해 트랩(teap)되어 있다가 보다 고온에서 폭발적으로 번 아웃됨에 따라 크랙 등을 유발하기도 한다. 이 외에도 하중체 표면의 굴국이나 거칠기, 이물질의 존재 여부가 연료 전지 특성에 매우 중요한 영향을 미치기 때문에, 상기 하중체의 관리에도 세심한 주의가 필요하다는 단점이 있다. 이는, 하중체의 표면이 적층체와 제대로 밀착되지 않을 경우 하중의 국부적 불균일을 유발할 뿐만 아니라, 미세한 이물질이 적층체가 수축될 때 마찰을 유발하여 전해질층의 표면결함을 생성하기 때문이다. 특히, 대면적의 연료전지를 제조하기 위해서는 매우 큰 면적을 갖는 하중체를 이용하여야 하는데, 이러한 대면적(예를 들면, 500~1000cm²)의 하중체는 상용화되어 있지 않아 실제 사용하는데에도 제약이 있을 뿐만 아니라, 전체 면적에 걸쳐 균일한 표면 조도를 유지하기가 매우 어렵다는 문제점이 있다.

이에 따라, 소결 과정 중에 휘어짐을 방지하기 위한 대책으로서, 특허문헌 2내지 4가 제안되었으나, 이 역시 대상체의 전체 표면을 가압하는 장치에 관한 것으로서, 전술한 문제점을 지니고 있다.

일본 공개특허공보 특개2009-146745호 한국 공개특허공보 제2002-0055227호 한국 공개특허공보 제2009-0106996호 한국 공개특허공보 제2009-0132305호

본 발명은 고체산화물 연료전지를 소결함에 있어, 상기 연료전지의 구동층이 원활히 수축되도록 하고, 휘어짐의 발생을 방지함과 동시에 표면에 결함이 생기는 것을 방지할 수 있는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및 상기 적층체를 소결하는 단계를 포함하며, 상기 적층체는 폭이 300mm이상이고, 두께가 0.5~2.0mm이며, 상기 소결시, 소결 시작 온도는 1100~1250℃이고, 최고 승온 도달 온도는 1300~1400℃이며, 상기 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 승온 속도는 0.1~1℃/min의 조건을 만족하는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 소결시 연료전지 구동층의 수축에 따른 휘어짐과 하중체 사용시 발생할 수 있는 표면결함을 억제할 수 있어, 전지의 기능을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 기존의 연료전지의 소결시 휨 현상 거동을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 소결시 휨 현상을 거동을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발명예의 소결체 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 비교예 1의 소결체 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 비교예 2의 소결체 사진이다.

본 발명자들은 연료전지의 소결시 하중체 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 연구를 행하던 중, 연료전지를 구성하는 구동층들을 대면적화하고, 소결시 온도조건을 적절히 제어함으로써 하중체를 사용하지 않고도 셀의 휨을 방지할 수 있고, 나아가 표면품질과 전지성능을 우수한 수준으로 확보할 수 있다는 식견하에 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명을 설명한다.

도 1은 기존의 연료전지의 소결시 휨 현상 거동을 나타내는 모식도이다. 일반적으로 고체산화물 연료전지는 연료극 지지체층, 연료극 기능층, 전해질층을 순차적으로 적층한 뒤, 동시에 소결시키고, 이후, 상기 전해질층 상에 공기극층을 형성함으로써 제조된다. 그러나, 상기 연료전지를 구성하는 각 층들은 각기 다른 열변형에 따른 수축율이 상이하기 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 소결시 적층체(100)가 휘는 현상이 발생하게 되고, 일정 시간이 지나고 소결이 완료되더라도 소결체(200)가 휘어있는 상태로 존재하게 된다.

이에 따라, 본 발명에서는 연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층함으로써 얻어지는 적층체를 소결함에 있어, 상기 적층체를 대면적화하여 적층체 자체의 하중에 의해서 자연적으로 평탄화가 발생하도록 하는 것을 특징으로 한다. 도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지의 소결시 휨 현상을 거동을 나타내는 모식도이다. 도 2를 참조하여 보다 상세히 살펴보면, 소결 초기에는 적층체(100)에 휘어짐이 발생하지만 소결이 진행되는 과정에서 적층체 자체의 하중에 의해서 휘어짐이 가장 컸던 중심부가 점점 평탄화되면서 최종적으로는 적층체의 에지(edge)부까지 평탄화가 진행된다. 물론, 본 발명은 적층체 자체의 하중을 이용하므로, 자체 하중 효과가 낮은 에지부는 평탄화가 쉽지 않고, 이에 따라 소결체(200) 전면에 걸쳐 평탄화가 완벽히 이루어지는 것은 어렵다. 상기와 같은 적층체 자체 하중 효과를 위해서는 상기 적층체의 폭이 300mm이상이고, 두께가 0.5mm이상인 것이 바람직하다. 만일, 적층체의 폭이 300mm미만이거나, 두께가 0.5mm미만일 경우에는 상기 효과가 충분하지 않아, 평탄화가 이루어지지 않아 제거해야 하는 에지부의 영역이 증가하게 되어 생산성이 저하되고, 원가절감 효과가 떨어지는 문제점이 있다. 한편, 상기 효과를 위해서는 상기 적층체의 크기가 커질수록 유리하므로, 본 발명에서는 상기 적층체 폭의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 다만, 상기 적층체의 두께가 2.0mm를 초과하는 경우에는 셀의 두께가 과도하게 두꺼워지기 때문에 연료전지 스택 형성시 단위 셀의 수가 적어져 전지효율이 저하되는 단점이 있다. 한편, 본 발명의 연료전지 구동층은 정사각형, 직사각형, 원형 등 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이 때, 전술한 폭 및 두께는 최대 크기를 기준으로 한다.

또한, 상기와 같이 적층체 하중 효과를 충분히 얻기 위해서는 소결온도의 적정 제어가 필요하다. 통상적으로 이용되는 연료전지의 구성층은 소결의 시작이 1100~1250℃에서 이루어진다. 따라서, 상기 소결시, 소결 시작 온도를 1100~1250℃로 하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 소결 시작 온도 영역에서 소결을 행하더라도 연료전지에 요구되는 치밀성을 얻기 어려울 수 있다. 즉, 소결을 행할 때 각 구동층은 일정 수준으로 수축되는데 상기 온도범위에서는 수축이 충분히 일어나지 않게 된다. 특히, 전해질의 경우에는 연료로 사용되는 가스가 통과되지 못하는 수준의 치밀성이 요구되므로, 이러한 치밀한 연료전지 구성층을 얻기 위해서는 보다 높은 소결온도가 요구된다. 따라서, 상기 소결시 최고 승온 도달 온도를 1300~1400℃로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 최고 승온 도달 온도가 1300℃미만일 경우에는 전해질층에 충분한 치밀도를 부여할 수 없어 연료전지의 효율이 저하되거나, 심지어는 연료전지의 구동이 일어나지 않을 수 있다. 반면, 1400℃를 초과하는 경우에는 과소결로 인하여 전지 구동층의 입자가 불균일해 지거나, 제2상이 형성될 수 있고, 연료극 기능층이나 연료극 지지체층이 과도하게 치밀해져 적정 수준의 포어(pore)가 형성되지 않을 수 있다.

한편, 본 발명 연료전지의 전해질 재료로는 YSZ(Yttria Stablized Zirconia) 등을 이용할 수 있고, 연료극 지지체층 및 연료극 기능층으로는 NiO-YSZ 복합체 등을 이용할 수 있는데, 본 발명에는 상기 재료에 국한되지 않고 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 다양한 재질이 적용될 수 있다.

나아가, 본 발명의 소결 방법은 자체 하중에 의해 평탄화가 이루어질 수 있는 시간이 요구되므로, 상기 최고 승온 도달 온도에서 2~10시간 유지하는 것이 바람직하다. 상기 유지시간이 2시간미만일 경우에는 연료전지 구동층의 수축이 원활히 이루어지지 않아 충분한 치밀도를 얻지 못할 수 있으며, 10시간을 초과하는 경우에는 과소결로 인하여 전지 구동층의 입자가 불균일해 지거나, 제2상이 형성될 수 있고, 연료극 기능층이나 연료극 지지체층이 과도하게 치밀해져 적정 수준의 포어(pore)가 형성되지 않을 수 있다.

또한, 본 발명이 제안하는 소결 방법은 상기 소결시 상기 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 승온 속도가 0.1~1℃/min인 것이 바람직하다. 상기 승온 속도가 0.1℃/min미만일 경우에는 과소결로 인하여 전지 구동층의 입자가 불균일해 지거나, 제2상이 형성될 수 있고, 연료극 기능층이나 연료극 지지체층이 과도하게 치밀해져 적정 수준의 포어(pore)가 형성되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 승온 속도를 0.1℃/min이상으로 함으로써 적절한 수준의 치밀도를 확보하여 소결체 밀도를 증가시킬 수 있고, 이를 통해 단위 면적당 자체 하중 증가 효과가 발생하여 소결체의 평탄화를 효과적으로 달성할 수 있다. 반면, 1℃/min를 초과하는 경우에는 전지 구동층의 변형이 급격하게 일어나게 되어 제품의 불량이 발생할 수 있고, 수축이 충분히 일어나지 않게 되어 충분한 치밀도를 얻지 못할 수 있다.

전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 상기 소결 방법에 의해 얻어지는 소결체(200)는 전체 폭(L1)과 휘어진 부분의 폭(L2)은 0 ≤ L2/L1 ≤ 0.05의 조건을 만족한다(도 2 참조). 본 발명은 소결시 대면적화에 의한 적층체(100) 자체 하중을 이용하여 소결체(200)를 평탄화시키고, 이 소결체(200)를 이용하여 연료전지를 제조하는데, 앞서 언급한 바와 같이 적층체(200)의 자체 하중 적용은 소결체의 전 영역을 평탄화시키는 것에는 무리가 있다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 소결체의 에지부는 휘어진 부분이 존재하게 되는데, 본 발명이 제공하는 소결 방법에 의하면, 상기 휘어진 부분의 폭(L2)을 상당히 감소시켜 휘어진 부분의 폭(L2)/전체 폭(L1)이 0.05이하의 수준을 갖도록 할 수 있다.

나아가, 본 발명의 소결 방법에 의하면, 하중체를 사용하지 않고도 연료전지 구동층의 평탄화를 달성할 수 있어, 하중체 사용시 발생할 수 있는 표면결함을 억제할 수 있어 전지의 기능을 향상시킬 수 있다.

한편, 일반적으로 소결을 통해 얻어지는 소결체는 치수 정밀도를 위하여 양 에지부가 제거된 뒤, 최종적으로 연료전지에 이용된다. 즉, 에지부가 제거된 후의 소결체 사이즈가 최종적인 연료전지 셀의 사이즈가 되는 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 제거되는 소결체의 에지부 영역이 적어 전지의 제작 비용을 낮출 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

발명예

연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층하여 적층체를 얻은 뒤, 상기 적층체를 소결 시작 온도를 1230℃, 최고 승온 도달 온도를 1385℃로 하여 소결하여 소결체를 제조하였다. 이 때, 상기 적층체의 폭은 400mm, 두께는 1.0mm였으며, 상기 소결 시작 온도로부터 최고 승온 도달 온도까지 승온속도는 0.8℃/min였고, 최고 승온 도달 온도에서의 유지시간은 6시간이었다. 상기 조건을 통해 제조된 여러 소결체에 대하여 표면 외관을 관찰한 뒤, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

비교예 1

상기 적층체의 폭을 280mm로 한 것만을 달리하여, 상기 발명예와 동일한 조건으로 소결체를 제조하였다. 상기 조건을 통해 제조된 소결체에 대하여 표면 외관을 관찰한 뒤, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

비교예 2

연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층하여 적층체를 얻은 뒤, 하중체를 이용하여 상기 적층체에 하중을 가하면서 소결하여 소결체를 제조하였다. 이 때, 소결 시작 온도를 1200℃, 최고 승온 도달 온도를 1375℃로 하여 소결하였으며, 상기 적층체의 폭은 350mm, 두께는 0.7mm였다. 또한, 상기 소결 시작 온도로부터 최고 승온 도달 온도까지 승온속도는 0.5℃/min였고, 최고 승온 도달 온도에서의 유지시간은 5시간이었다. 상기 조건을 통해 제조된 여러 소결체에 대하여 표면 외관을 관찰한 뒤, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건에 부합되도록 고체산화물 연료전지용 소결체를 제조한 경우에는 적층체의 폭이 커짐에 따라 적층체 자체의 하중에 의해서 자연적으로 평탄화가 진행되어 우수한 품질을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 4를 통해 알 수 있듯이, 적층체의 폭이 작아 본 발명의 조건을 만족하지 않는 비교예 1의 경우에는 평탄화가 이루어지지 않고 소결체가 휘어있는 상태인 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5를 통해 알 수 있듯이, 기존의 방식인 하중체 사용에 의해 소결체를 제조한 경우에는 가장자리 찢어짐, 모서리 깨짐, 표면 함몰 또는 긁힘, 전해질 표면 벗겨짐, 소성 불균일 등이 발생하여 제품의 품질이 매우 불량한 것을 알 수 있다.

100 : 적층체
200 : 소결체

Claims (3)

1. 연료극 지지체층, 연료극 기능층 및 전해질층을 순차적으로 적층하여 적층체를 얻는 단계; 및
   상기 적층체를 소결하는 단계를 포함하며,
   상기 적층체는 폭이 300mm이상이고, 두께가 0.5~2.0mm이며,
   상기 소결시, 소결 시작 온도는 1100~1250℃이고, 최고 승온 도달 온도는 1300~1400℃이며, 상기 소결 시작 온도에서 최고 승온 도달 온도까지 승온 속도는 0.1~1℃/min의 조건을 만족하는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 소결시 상기 최고 승온 도달 온도에서 2~10시간 유지하는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 소결에 의해 얻어지는 소결체는 전체 폭(L1)과 휘어진 부분의 폭(L2)은 0 ≤ L2/L1 ≤ 0.05의 조건을 만족하는 고체산화물 연료전지의 무하중 소결 방법.

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