KR101595224B1 - Unit stack seal, solid oxide fuel cell stack and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

단위스택 밀봉재, 고체산화물 연료전지 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면은 다수의 단위스택이 적층되어 이루어진 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 단위스택과 단위스택 사이에 단위스택 밀봉부가 구비되며, 상기 단위스택 밀봉부는 상부 단위스택과 접하는 상부 지지층; 하부 단위스택과 접하는 하부 지지층; 및 유리 분말 소결체를 포함하며, 상기 유리 분말 소결체는 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 위치되는 분리부; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층을 에워싸 이들이 외부에 노출되지 않도록 하는 밀봉부를 포함하며, 상기 밀봉부는 상부 단위스택 및 하부 단위스택과 융착되어 있는 고체산화물 연료전지를 제공한다.A unit stack sealant, a solid oxide fuel cell, and a manufacturing method thereof are disclosed. According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising a plurality of unit stacks stacked, wherein a unit stack seal is provided between the unit stack and the unit stack, the unit stack seal includes an upper support layer contacting the upper unit stack; A lower support layer in contact with the lower unit stack; And a glass powder sintered body, wherein the glass powder sintered body comprises: a separator positioned between the upper support layer and the lower support layer; And a sealing portion surrounding the upper support layer and the lower support layer so that they are not exposed to the outside, wherein the seal portion is fused with the upper unit stack and the lower unit stack.

Description

단위스택 밀봉부, 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제조방법{UNIT STACK SEAL, SOLID OXIDE FUEL CELL STACK AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack and a solid oxide fuel cell stack,

본 발명은 단위스택 밀봉재, 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a unit stack sealant, a solid oxide fuel cell stack, and a manufacturing method thereof.

현재 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)가 경쟁력이 있는 10~100kW급 건물용 연료전지 시스템에서 단위스택 제조 비용을 줄이기 위해 대면적 고적층 단위스택 제조기술이 요구되고 있다. 그런데, 상기와 같은 대면적 고적층 단위스택은 제조과정에서 불량률이 높아 신뢰성 및 경제성이 불리한 단점이 있다. 따라서, 저적층 단위스택을 제조한 후, 이들을 적층시켜 단위스택 적층체를 제조하는 기술이 하나의 대안으로 대두되고 있다.
In order to reduce the manufacturing cost of unit stack in the 10 ~ 100kW class building fuel cell system, which is competitive with solid oxide fuel cell (SOFC), large-sized high-stack unit stack manufacturing technology is required. However, such a large-area high-stack unit stack has a disadvantage that reliability and economical efficiency are disadvantageously high due to a high defect rate in the manufacturing process. Therefore, a technique of manufacturing a unit stacked laminate by laminating the low stacked unit stacks has emerged as an alternative.

한편, 상기와 같이 단위스택 적층체를 형성하기 위해서는 각각의 단위 스택간의 연결 및 가스 누출방지를 위하여 단위스택과 단위스택 사이에 밀봉(Sealant)을 해야 한다. 이와 관련하여, 종래에는 단위스택 내부에 사용되는 밀봉재와 동일한 유리계 밀봉재를 사용하여 왔다. 그러나, 유리계 밀봉재는 각각의 단위스택의 엔드판에 융착되어 밀봉이 이루어지기 때문에 단위스택 적층체 중 일부 단위스택에 문제가 발생하여 이를 제거하고자 할 경우에 제거가 용이하지 않으며. 상당한 충격을 가해 제거하여야 하기 때문에 문제가 발생하지 아니한 단위스택에도 충격이 전달되어 파손될 우려가 있었다.
Meanwhile, in order to form the unit stack structure as described above, it is necessary to seal between the unit stack and the unit stack in order to prevent connection and gas leakage between the unit stacks. In this regard, conventionally, the same glass-based sealing material as the sealing material used in the unit stack has been used. However, since the glass-based sealing material is fused to the end plates of the respective unit stacks and sealed, a problem arises in some unit stacks of the unit stacked stacks, which is difficult to remove when they are to be removed. The impact is transmitted to the unit stack in which the problem does not occur because the impact must be removed to cause the unit stack to be damaged.

본 발명의 일 측면은, 단위스택간 분리가 용이하면서도, 단위스택간 기밀성을 확보할 수 있는 단위스택 밀봉부를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
An aspect of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack including a unit stack seal capable of securing airtightness between unit stacks while facilitating separation between unit stacks and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 일 측면은, 단위스택간 분리가 용이하면서도, 단위스택간 기밀성을 확보할 수 있는 단위스택 밀봉부를 제공하기 위한 단위스택 밀봉재를 제공하고자 하는 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide a unit stack sealing material for providing a unit stack sealing part which can easily separate unit stacks and ensure airtightness between unit stacks.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 다수의 단위스택이 적층되어 이루어진 고체산화물 연료전지에 있어서, 상기 단위스택과 단위스택 사이에 단위스택 밀봉부가 구비되며, 상기 단위스택 밀봉부는 상부 단위스택과 접하는 상부 지지층; 하부 단위스택과 접하는 하부 지지층; 및 유리 분말 소결체를 포함하며, 상기 유리 분말 소결체는 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 위치되는 분리부; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층을 에워싸 이들이 외부에 노출되지 않도록 하는 밀봉부를 포함하며, 상기 밀봉부는 상부 단위스택 및 하부 단위스택과 융착되어 있는 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell comprising a plurality of unit stacks stacked, wherein a unit stack seal is provided between the unit stack and the unit stack, An upper support layer contacting the upper unit stack; A lower support layer in contact with the lower unit stack; And a glass powder sintered body, wherein the glass powder sintered body comprises: a separator positioned between the upper support layer and the lower support layer; And a seal surrounding the upper support layer and the lower support layer so that they are not exposed to the outside, wherein the seal provides a solid oxide fuel cell stack fused with the upper unit stack and the lower unit stack.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 다수의 단위스택이 적층되어 있는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법에 있어서, 단위스택 밀봉재를 제조하는 단계; 단위스택과 단위스택 밀봉재를 교대로 적층하여 단위스택 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 단위스택 적층체를 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 단위스택 밀봉재의 제조방법은, 상부 지지층 및 하부 지지층을 준비하는 단계; 유리 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 테이프 캐스팅 방법에 의하여 유리 분말 그린시트를 제조하는 단계; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 상기 유리 분말 그린시트를 위치시키고, 온간등방압 프레스(WIP, Warm Isostatic Press)하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of unit stacks are stacked, the method comprising: fabricating a unit stack sealant; Stacking a unit stack and a unit stack sealant alternately to form a unit stacked stack; And heat treating the unit stack laminate, wherein the method of preparing the unit stack sealant comprises: preparing an upper support layer and a lower support layer; Mixing a glass powder, a binder, a dispersant, a plasticizer and a solvent to prepare a glass powder green sheet by a tape casting method; And placing the glass powder green sheet between the upper support layer and the lower support layer and performing a warm isostatic pressing (WIP).

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은, 상부 지지층 및 하부 지지층; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 위치한 유리 분말 그린시트;를 포함하는 단위스택 밀봉재를 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: an upper supporting layer and a lower supporting layer; And a glass powder green sheet positioned between the upper support layer and the lower support layer.

덧붙여, 상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점 및 효과는 하기의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
In addition, the solution of the above-mentioned problems does not list all the features of the present invention. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The various features and advantages and effects of the present invention will become more fully understood with reference to the following specific embodiments.

본 발명에 의하면, 다수의 단위스택이 적층되어 이루어진 고체산화물 연료전지 스택으로서 신뢰성 및 경제성이 우수할 뿐만 아니라, 각각의 단위스택의 분리 및 교체가 용이한 고체산화물 연료전지 스택을 제공할 수 있다.
According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of unit stacks are stacked and which is excellent in reliability and economy as well as easy to separate and replace each unit stack.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 단위스택 적층체를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 단위스택 밀봉재를 개략적으로 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating a solid oxide fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating a unit stack structure according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view schematically showing a unit stack sealant according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 측면인 고체산화물 연료전지 스택에 대하여 상세히 설명한다. Hereinafter, referring to FIG. 1, a solid oxide fuel cell stack which is one aspect of the present invention will be described in detail.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The shape and the size of the elements in the drawings may be exaggerated for clarity and the same elements are denoted by the same reference numerals in the drawings. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 측면인 고체산화물 연료전지 스택(100)은 다수의 단위스택(120,140)이 적층되어 이루어진 고체산화물 연료전지 스택으로서, 상기 단위스택(120)과 단위스택(140) 사이에 단위스택 밀봉부(10b)를 포함한다.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention is a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of unit stacks 120 and 140 are stacked. 140 of the unit stack seal 10b.

상기 단위스택 밀봉부(10b)는 상부 단위스택(120)과 접하는 상부 지지층(12); 하부 단위스택(140)과 접하는 하부 지지층(14); 및 유리 분말 소결체(16a,16b)를 포함한다. The unit stack seal 10b includes an upper support layer 12 contacting the upper unit stack 120; A lower support layer 14 in contact with the lower unit stack 140; And glass powder sintered bodies 16a and 16b.

이하에서, '지지층(12,14)'이란 상부 지지층(12) 및 하부 지지층(14)를 의미한다.
Hereinafter, the 'support layers 12 and 14' mean the upper support layer 12 and the lower support layer 14.

상기 지지층(12,14)은 유리 분말 소결체(16a,16b)와 상,하부 단위스택(120,140)의 접촉 면적을 최소화하는 역할을 하며, 이에 의해, 각각의 단위스택의 분리 및 교체를 용이하게 할 수 있게 된다.
The support layers 12 and 14 serve to minimize the contact area between the glass powder sintered bodies 16a and 16b and the upper and lower unit stacks 120 and 140 thereby facilitating the separation and replacement of the respective unit stacks .

상기 지지층(12,14)의 재질은 특별히 한정하지 않으며, 고체산화물 연료전지의 작동 환경인 700℃ 이상의 고온 조건 하 용융되지 않고, 단위스택과 융착되지 않으며, 유리 분말 소결체와 화학 반응을 일으키지 않는 물질이라면 지지층으로 이용될 수 있다. 예를 들어, 운모(Mica) 또는 페라이트계 스테인리스 강(Ferritic Stainless Steel) 재질의 것을 이용할 수 있다.The material of the support layers 12 and 14 is not particularly limited and may be any material that does not melt under the high temperature condition of 700 ° C. or higher which is the operating environment of the solid oxide fuel cell and does not melt with the unit stack and does not chemically react with the glass powder sintered body It can be used as a support layer. For example, Mica or Ferritic Stainless Steel may be used.

한편, 상기 지지층으로 이용될 수 있는 운모(Mica)의 종류 및 형태는 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 페이퍼 형태의 금운모(Phlogophite mica, KMg3(AlSi3O10)(OH)2)를 이용할 수 있다.On the other hand, the type and form of mica that can be used as the support layer are not particularly limited, but preferably paper-like phlogopite mica (KMg 3 (AlSi 3 O 10 ) (OH) 2 ) .

금운모와 함께 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 소재로서 검토되어온 백운모(Muscovite mica, KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2)의 경우, 열팽창계수가 7X10-6/℃로 고체산화물 연료전지 스택의 다른 구성요소들과 열팽창계수 차이가 커서 반복되는 열사이클 과정에서 파손의 우려가 있다. 또한, 백운모는 600℃ 부근에서 화학수를 잃는데 반해, 금운모는 950℃에서 화학수를 잃기 때문에 열적 안정성 측면에서도 보다 유리한 장점이 있다.In the case of Muscovite mica, KAl 2 (AlSi 3 O 10 ) (F, OH) 2 ), which has been studied as a sealant for solid oxide fuel cells together with gold mica, the thermal expansion coefficient is 7 × 10 -6 / The difference in thermal expansion coefficient between the other components of the stack is large, and there is a risk of breakage in the repeated heat cycle process. In addition, while muscovite loses chemical water at around 600 ° C, muscovite loses chemical water at 950 ° C, which is advantageous in terms of thermal stability.

또한, 상업적으로 생산되는 운모는 페이퍼 형태와 단결정 형태가 있는데, 단결정 형태의 운모는 가격과 가공성 측면에서 상업적 활용이 어렵기 때문에, 페이퍼 형태의 운모를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 페이퍼 형태의 운모는 운모 플레이크를 3~5wt% 유기 바인더에 의해 페이퍼 형태로 가공된 것을 사용한다. 예를 들어, MCMASTER-CARR(ATLANTA, GA)에서 제공하는 페이퍼 형태의 금운모를 이용할 수 있다.
Commercially produced mica is in the form of paper and monocrystal. Since monocristallin mica is difficult to commercialize in terms of price and processability, it is more preferable to use paper mica. Paper mica uses mica flakes processed in paper form by 3-5 wt% organic binder. For example, paper-like gold mica provided by MCMASTER-CARR (ATLANTA, GA) can be used.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 지지층(12,14)의 두께는 0.05~0.2mm 인 것이 보다 바람직하다. 상기 지지층(12,14)의 두께가 0.05mm 미만인 경우에는 공정비용이 상승할 뿐만 아니라, 작업성이 저하될 우려가 있다. 반면, 0.2mm를 초과하는 경우에는 이들을 밀봉하기 위해 필요한 유리분말 소결체의 양이 지나치게 증가하며, 이 경우, 밀봉과정에서 수축량이 과다하여 스택의 높이에 대한 예측성이 저하되는 단점이 있다.
According to an embodiment of the present invention, the thickness of the support layer 12 and 14 is more preferably 0.05 to 0.2 mm. If the thickness of the support layers 12 and 14 is less than 0.05 mm, not only the process cost is increased but also the workability is lowered. On the other hand, when the thickness exceeds 0.2 mm, the amount of the glass powder sintered body necessary for sealing them is excessively increased. In this case, the shrinkage amount in the sealing process is excessive, and the predictability of the stack height is deteriorated.

상기 유리 분말 소결체(16a,16b)는 공차흡수부(16a); 밀봉부(16b)를 포함한다. 상기 공차흡수부(16a)는 상기 상부 지지층(12) 및 하부 지지층(14) 사이에 위치되며, 단위스택(120,140) 간 수평이 맞지 않거나, 휨이 있을 경우, 점성유동에 의한 변형을 통해 공차를 흡수하는 역할을 한다. 또한, 상기 밀봉부(16b)는 상기 지지층(12,14)을 에워싸 이들이 외부에 노출되지 않도록 함으로써 단위스택간 기밀성을 확보하는 역할을 한다.
The glass powder sintered bodies 16a and 16b include a tolerance absorbing portion 16a; And includes a sealing portion 16b. The tolerance absorbing portion 16a is located between the upper support layer 12 and the lower support layer 14 and when the unit stacks 120 and 140 are not leveled or warped, It plays a role of absorption. The sealing portion 16b surrounds the support layers 12 and 14 so that they are not exposed to the outside, thereby securing airtightness between the unit stacks.

상기 밀봉부(16b)는 상,하부 단위스택(120,140)과 융착되며, 이때, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 밀봉부(16b) 및 상,하부 단위스택(120,140)의 융착길이(d)는 1~2mm인 것이 바람직하다. 상기 융착길이(d)가 1mm 미만일 경우에는 기밀성 확보가 충분치 못할 우려가 있으며, 반면, 2mm를 초과하는 경우 밀봉부와 단위스택간 접촉면적이 지나치게 넓어, 단위스택의 분리 및 교체가 곤란해질 우려가 있다. 여기에서 '융착길이(d)'란 단위스택의 적층방향과 수직인 방향으로, 밀봉부(16b)와 상,하부 단위스택(120,140)이 융착되어 있는 길이를 의미한다.
The sealing portion 16b is fused to the upper and lower unit stacks 120 and 140. The sealing portion 16b and the fusion length d of the upper and lower unit stacks 120 and 140 ) Is preferably 1 to 2 mm. If the fused length d is less than 1 mm, the airtightness may be insufficient. On the other hand, when the fused length d is more than 2 mm, the contact area between the sealing portion and the unit stack is excessively wide, have. Here, 'fusion length (d)' means a length in which the sealing portion 16b and the upper and lower unit stacks 120 and 140 are fused in a direction perpendicular to the stacking direction of the unit stack.

상기 유리 분말 소결체(16a,16b)를 구성하는 유리 분말의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 본 발명의 일 구현예에 따르면 일반적으로 널리 사용되는 BaO-Al2O3-B2O3-SiO2-M2O3계(단, M은 ZrO2 또는 ZnO를 의미함)일 수 있다.
The kind of glass powder constituting the glass powder sintered bodies 16a and 16b is not particularly limited, but according to one embodiment of the present invention, generally used BaO-Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 - M 2 O 3 system (where M means ZrO 2 or ZnO).

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 상술한 고체산화물 연료전지 스택을 제조하기 위한 바람직한 일 예로서, 본 발명의 다른 일 측면인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, with reference to FIGS. 1 and 2, a method for manufacturing a solid oxide fuel cell stack, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described in detail as a preferred example for manufacturing the solid oxide fuel cell stack.

먼저, 단위스택 밀봉재(10a)를 제조한다. 본 발명에서 '단위스택 밀봉재'란 열처리 전 단위스택 밀봉부를 의미한다. First, the unit stack seal 10a is manufactured. In the present invention, 'unit stack sealant' means a unit stack sealant before heat treatment.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 단위스택 밀봉재(10a)의 제조방법은, 상부 지지층(12) 및 하부 지지층(14)을 준비하는 단계; 유리 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 테이프 캐스팅 방법에 의하여 유리 분말 그린시트(16)를 제조하는 단계; 및 상기 상부 지지층(12) 및 하부 지지층(14) 사이에 상기 유리 분말 그린시트(16)를 위치시키고, 온간등방압 프레스(WIP, Warm Isostatic Press)하는 단계를 포함할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, a method of manufacturing the unit stack seal 10a includes: preparing an upper support layer 12 and a lower support layer 14; Preparing a glass powder green sheet (16) by a tape casting method by mixing glass powder, a binder, a dispersant, a plasticizer and a solvent; And placing the glass powder green sheet 16 between the upper support layer 12 and the lower support layer 14 and performing a warm isostatic press (WIP).

상기 유리 분말 그린시트(16)는 유리 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 테이프 캐스팅 방법에 의하여 제조되며, 이때, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 그린시트에 포함되는 분산제, 바인더, 가소제, 용매의 양은 유리분말 100wt%에 대하여 각각 0.5~1.5wt%, 5~10wt%, 2~4wt%, 30~50wt%일 수 있다.
The glass powder green sheet 16 is manufactured by a tape casting method by mixing glass powder, a binder, a dispersant, a plasticizer and a solvent. At this time, according to one embodiment of the present invention, the dispersant, Plasticizer and solvent may be 0.5 to 1.5 wt%, 5 to 10 wt%, 2 to 4 wt% and 30 to 50 wt%, respectively, based on 100 wt% of the glass powder.

이후, 상부 지지층(12) 및 하부 지지층(14) 사이에 상기 유리 분말 그린시트(16)를 위치시키고, 온간등방압 프레스(WIP, Warm Isostatic Press)함으로써 단위스택 밀봉재를 제조할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 온간등방압 프레스하는 단계는 60~90℃의 온도에서 100~200 kgf/cm2의 압력으로 20~40분간 수행할 수 있다.
Thereafter, the unit stack sealant can be manufactured by placing the glass powder green sheet 16 between the upper support layer 12 and the lower support layer 14, and by warm isostatic pressing (WIP). According to an embodiment of the present invention, the warm isostatic pressing step may be performed at a temperature of 60 to 90 ° C. and a pressure of 100 to 200 kgf / cm 2 for 20 to 40 minutes.

이후, 단위스택(120,140)과 단위스택 밀봉재(10a)를 교대로 적층하여 단위스택 적층체(110)를 형성한다. 본 발명에서 '단위스택 적층체(110)'란 단위스택과 단위스택 밀봉재가 교대로 적층되어 있는 열처리 전 고체산화물 연료전지를 의미한다. 한편, 본 발명에서는 상기 단위스택 적층체를 형성하는 방법에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
Then, the unit stacks 120 and 140 and the unit stack sealant 10a are alternately stacked to form a unit stacked stack 110. [ In the present invention, 'unit stack stack 110' means a pre-heat-treated solid oxide fuel cell in which a unit stack and a unit stack sealant are alternately stacked. In the present invention, the method of forming the unit stacked body is not particularly limited.

이후, 상기 단위스택 적층체(110)를 열처리하여 고체산화물 연료전지(100)를 제조한다. 상기 열처리에 의하여 유리 분말 그린시트(16)는 유리 분말 소결체(16a,16b)로 변형된다.
Thereafter, the unit stack 110 is heat-treated to produce the solid oxide fuel cell 100. By the heat treatment, the glass powder green sheet 16 is transformed into the glass powder sintered bodies 16a and 16b.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 단위스택 적층체를 열처리하는 단계는, 상기 단위스택 적층체를 1℃/sec 이하의 속도로 300~350℃의 온도까지 승온하고, 24시간 이상 유지하는 1차 열처리하는 단계; 및 상기 1차 열처리된 단위스택 적층체를 750~850℃까지 승온하고, 4~12시간 유지하는 2차 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the step of heat-treating the unit stack includes heating the unit stack to a temperature of 300 to 350 DEG C at a rate of 1 DEG C / sec or less, Car heat treating step; And a second heat treatment step of raising the temperature of the first heat treated unit stacked body to 750 to 850 캜 and holding the unit stacked body for 4 to 12 hours.

상기 1차 열처리 단계는 유리 분말 그린시트(16)에 포함되어 있는 유기 바인더를 제거하기 위한 단계로서, 유기 바인더의 확실한 제거를 위하여 상기와 같이 조건으로 1차 열처리를 수행함이 바람직하다. 한편, 상기 1차 열처리시, 공기극측은 공기(Air) 분위기를, 연료극측은 질소(N2) 분위기를 조성하는 것이 보다 바람직하다. 유기 바인더의 제거를 위해 온도가 높고, 또한 산소 분압이 높은 가스를 사용하는 것이 바람직하나, 이 경우, 연료극 내부에 이미 환원되어 있는 Ni-YSZ의 Ni 재산화를 초래할 우려가 있다. 따라서, 연료극 측에는 환원성 분위기인 질소(N2) 분위기를 조성함이 바람직하다.
The primary heat treatment step is a step for removing the organic binder contained in the glass powder green sheet 16, and it is preferable to perform the primary heat treatment under the above-mentioned condition for the reliable removal of the organic binder. On the other hand, at the time of the first heat treatment, it is more preferable to form an air atmosphere on the air electrode side and a nitrogen (N2) atmosphere on the fuel electrode side. Although it is preferable to use a gas having a high temperature and a high oxygen partial pressure for removing the organic binder, in this case, Ni reoxidation of Ni-YSZ that has already been reduced in the inside of the fuel electrode may result in Ni reoxidation. Therefore, it is preferable to form a nitrogen (N2) atmosphere, which is a reducing atmosphere, on the fuel electrode side.

상기 2차 열처리 단계는 상기 유기 바인더가 제거된 유리 분말 그린시트를 소결시켜 유리 분말 소결체로 변형시키는 단계로서, 보다 치밀한 유리 분말 소결체를 형성시키기 위하여 상기와 같은 조건으로 2차 열처리를 수행함이 바람직하다. 이때 공기극 쪽으로부터 유기 바인더의 추가적 제거가 이루어지므로, 공기극측은 공기(Air) 분위기를 유지함이 보다 바람직하며, 350℃ 이상의 고온에서는 Ni 산화 속도가 증가하므로, Ni-YSZ의 Ni 재산화를 보다 확실히 방지하기 위하여 연료극측은 수소(H2)를 약 5% 포함하는 질소(N2) 분위기를 조성함이 보다 바람직하다.
The second heat treatment step is a step of sintering the glass powder green sheet from which the organic binder has been removed and transforming it into a glass powder sintered body. In order to form a more compact glass powder sintered body, the second heat treatment is preferably performed under the above- . Since the organic binder is further removed from the air electrode at this time, it is more preferable to maintain the air atmosphere on the air electrode side, and the Ni oxidation rate is increased at a high temperature of 350 ° C or more, It is more preferable to form a nitrogen (N2) atmosphere containing about 5% hydrogen (H2) on the anode side.

이하, 도 3을 참조하여, 상술한 단위스택 밀봉부를 제조하기 위한 바람직한 일 예로서, 본 발명의 또 다른 일 측면인 단위스택 밀봉재에 대하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, with reference to FIG. 3, a unit stack sealing material, which is another aspect of the present invention, will be described in detail as a preferred example for producing the unit stack sealing portion.

상술한 바와 같이, '단위스택 밀봉재'란 열처리 전 단위스택 밀봉부를 의미하는 것으로, 상기 단위스택 밀봉재는 상부 지지층; 하부 지지층; 및 상기 상부 지지층과 하부 지지층 사이에 위치한 유리 분말 그린시트;를 포함한다.
As described above, the 'unit stack sealant' refers to a unit stack seal before heat treatment, and the unit stack sealant includes an upper support layer; A lower support layer; And a glass powder green sheet positioned between the upper support layer and the lower support layer.

상기 단위스택 밀봉재에 포함되는 상,하부 지지체의 두께는 0.05~0.2mm이며, 상기 유리 분말 그린시트의 두께는 1~2mm인 것이 바람직하다.
The thickness of the upper and lower supports included in the unit stack sealant is 0.05 to 0.2 mm, and the thickness of the glass powder green sheet is preferably 1 to 2 mm.

상술한 바와 같이, 상기 단위스택 밀봉재(10a)는, 고체산화물 연료전지 단위스택(120,140) 사이에 장착된 후, 열처리됨으로써 단위스택 밀봉부(10b)로 변형되며, 상기 단위스택 밀봉부(10b)를 포함하는 고체산화물 연료전지는 단위스택간 분리가 용이하면서도 단위스택간 기밀성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
As described above, the unit stack sealant 10a is mounted between the solid oxide fuel cell unit stacks 120 and 140, and then is heat-treated to be transformed into the unit stack seal portion 10b. The solid oxide fuel cell has an advantage in that the separation between the unit stacks is easy and the airtightness between the unit stacks can be ensured.

10a: 단위스택 밀봉재 10b: 단위스택 밀봉부
12: 상부 지지층 14: 하부 지지층
16: 유리 분말 그린시트 16a: 공차흡수부
16b: 밀봉부 100: 고체산화물 연료전지 스택
110: 단위스택 적층체 120: 상부 단위스택
140: 하부 단위스택 d: 융착길이10a: Unit Stack Seal 10b: Unit Stack Seal
12: upper support layer 14: lower support layer
16: glass powder green sheet 16a: tolerance absorbing portion
16b: Sealing section 100: Solid oxide fuel cell stack
110: unit stack laminate 120: upper unit stack
140: Lower unit stack d: Fused length

Claims (11)

다수의 단위스택이 적층되어 이루어진 고체산화물 연료전지 스택에 있어서,
상기 단위스택과 단위스택 사이에 단위스택 밀봉부를 구비되며,
상기 단위스택 밀봉부는 상부 단위스택과 접하는 상부 지지층; 하부 단위스택과 접하는 하부 지지층; 및 유리 분말 소결체를 포함하며,
상기 유리 분말 소결체는 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 위치되는 공차흡수부; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층을 에워싸 이들이 외부에 노출되지 않도록 하는 밀봉부를 포함하며,
상기 밀봉부는 상부 단위스택 및 하부 단위스택과 융착되어 있는 고체산화물 연료전지 스택.
In a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of unit stacks are stacked,
A unit stack seal is provided between the unit stack and the unit stack,
The unit stack seal may include an upper support layer contacting the upper unit stack; A lower support layer in contact with the lower unit stack; And a glass powder sintered body,
The glass powder sintered body having a tolerance absorber positioned between the upper support layer and the lower support layer; And a sealing portion surrounding the upper support layer and the lower support layer so that they are not exposed to the outside,
Wherein the seal is fused with an upper unit stack and a lower unit stack.
제 1항에 있어서,
상기 유리 분말은 BaO-Al2O3-B2O3-SiO2-M2O3계 분말인 고체산화물 연료전지 스택.
(단, M은 ZrO2 또는 ZnO를 의미함)
The method according to claim 1,
Wherein the glass powder is a BaO-Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 -M 2 O 3 -based powder.
(Note that M means ZrO2 or ZnO)
제 1항에 있어서,
상기 상,하부 지지층은 운모 또는 페라이트계 스테인리스 강(Ferritic Stainless Steel) 중 어느 하나인 고체산화물 연료전지 스택.
The method according to claim 1,
Wherein the upper and lower support layers are either mica or ferritic stainless steel.
제 1항에 있어서,
상기 상,하부 지지층의 두께는 0.05~0.2mm인 고체산화물 연료전지 스택.
The method according to claim 1,
Wherein the upper and lower support layers have a thickness of 0.05 to 0.2 mm.
제 1항에 있어서,
상기 밀봉부 및 상,하부 단위스택의 융착길이는 1~2mm인 고체산화물 연료전지 스택.
The method according to claim 1,
And the fusion length of the sealing portion and the upper and lower unit stacks is 1 to 2 mm.
다수의 단위스택이 적층되어 있는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법에 있어서,
단위스택 밀봉재를 제조하는 단계; 단위스택과 단위스택 밀봉재를 교대로 적층하여 단위스택 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 단위스택 적층체를 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 단위스택 밀봉재의 제조방법은, 상부 지지층 및 하부 지지층을 준비하는 단계; 유리 분말, 바인더, 분산제, 가소제 및 용매를 혼합하여 테이프 캐스팅 방법에 의하여 유리 분말 그린시트를 제조하는 단계; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 상기 유리 분말 그린시트를 위치시키고, 온간등방압 프레스(WIP, Warm Isostatic Press)하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
1. A method for manufacturing a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of unit stacks are stacked,
Producing a unit stack seal material; Stacking a unit stack and a unit stack sealant alternately to form a unit stacked stack; And heat treating the unit stacked body,
The method of manufacturing the unit stack sealant may include: preparing an upper support layer and a lower support layer; Mixing a glass powder, a binder, a dispersant, a plasticizer and a solvent to prepare a glass powder green sheet by a tape casting method; And placing the glass powder green sheet between the upper support layer and the lower support layer and performing a warm isostatic pressing (WIP).
제 6항에 있어서,
상기 상,하부 지지체의 두께는 0.05~0.2mm이며, 상기 유리 분말 그린시트의 두께는 1~2mm인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the thickness of the upper and lower supports is 0.05 to 0.2 mm, and the thickness of the glass powder green sheet is 1 to 2 mm.
제 6항에 있어서,
상기 온간등방압 프레스하는 단계는, 60~90℃의 온도에서 100~200 kgf/cm2의 압력으로 20~40분 동안 수행하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
The method according to claim 6,
Wherein the warm isostatic pressing step is performed at a temperature of 60 to 90 DEG C and a pressure of 100 to 200 kgf / cm < 2 > for 20 to 40 minutes.
제 6항에 있어서,
상기 단위스택 적층체를 열처리하는 단계는,
상기 단위스택 적층체를 0.5~1℃/sec의 속도로 300~350℃의 온도까지 승온하고, 24시간 이상 유지하는 1차 열처리하는 단계; 및
상기 1차 열처리된 단위스택 적층체를 750~850℃의 온도까지 승온하고, 4~12시간 유지하는 2차 열처리하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
The method according to claim 6,
The step of heat-treating the unit stacked-
A step of heating the unit stack to a temperature of 300 to 350 DEG C at a rate of 0.5 to 1 DEG C / sec and holding the unit stacked body for 24 hours or more; And
And a second heat treatment step of raising the temperature of the first heat treated unit stacked body to a temperature of 750 to 850 캜 and holding the unit stacked body for 4 to 12 hours.
상부 지지층; 하부 지지층; 및 상기 상부 지지층과 하부 지지층 사이에 위치한 유리 분말 소결체;를 포함하며,
상기 유리 분말 소결체는 상기 상부 지지층 및 하부 지지층 사이에 위치되는 공차흡수부; 및 상기 상부 지지층 및 하부 지지층을 에워싸 이들이 외부에 노출되지 않도록 하는 밀봉부를 포함하는 것인 단위스택 밀봉부.
An upper support layer; A lower support layer; And a glass powder sintered body disposed between the upper support layer and the lower support layer,
The glass powder sintered body having a tolerance absorber positioned between the upper support layer and the lower support layer; And a sealing portion surrounding the upper support layer and the lower support layer so that they are not exposed to the outside.
제 10항에 있어서,
상기 상부 지지층 및 하부 지지층의 두께는 0.05~0.2mm인 단위스택 밀봉부.11. The method of claim 10,
And the thickness of the upper support layer and the lower support layer is 0.05 to 0.2 mm.
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