KR102563609B1 - 전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법 - Google Patents

전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가압된 가소성체를 열처리하여 소성체를 형성하는 과정을 통해 평탄한 전해질 기판을 제조할 수 있는 전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법은 고체 전해질용 원료 파우더를 성형하여 성형체를 형성하는 과정; 상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체를 형성하는 과정; 상기 가소성체를 가압하는 과정; 및 가압된 상기 가소성체를 제2 열처리하여 소성체를 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.

Description

전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법{Methods for manufacturing electrolyte substrate and solid oxide fuel cell}
본 발명은 전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전해질 기판의 평활도를 높일 수 있는 전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법에 관한 것이다.
연료전지란 연료와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 연료전지는 기존의 발전기술이 연료의 연소, 증기 발생, 터빈 구동, 발전기 구동 과정을 취하는 것과 달리 연소 과정이나 구동 장치가 없으므로 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는다. 특히, 이러한 연료전지는 SOx와 NOx 등의 대기오염 물질을 거의 배출하지 않고 이산화탄소의 발생도 적어 무공해 발전이며, 저소음, 무진동 등의 장점이 있다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell), 고체 고분자 전해질형(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell 또는 PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 등으로 분류된다.
이 중 고체산화물형 연료전지(SOFC)는 모든 구성요소가 고체이기 때문에 고온 작동 시 부식의 문제가 없으며, 전력밀도가 높다는 장점이 있다. 또한, 고체산화물형 연료전지는 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하며 전해질의 손실, 보충, 및 부식의 문제가 없다. 그리고 고체산화물형 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 고온의 가스를 배출하므로 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다.
그러나 고체산화물 연료전지를 제작하는 과정 중 소성 시에 휘어지는 문제가 발생한다. 특히, 높은 용량과 낮은 제조단가를 위해 큰 기판으로 제조 후 분할하여 연료전지를 제작하는데, 이에 따라 소성 과정에서 큰 기판으로 인해 휘어짐이 더 증가할 수 있다. 이러한 휘어짐 현상이 발생하는 경우에는 고체산화물 연료전지가 받는 스트레스가 커져서 제품의 불량률이 높아지므로 제품으로 만들 수 없게 된다.
따라서, 양질의 제품을 생산하기 위해서는 소성 시 발생하는 휘어짐 현상을 해결하여 평탄한 고체산화물 연료전지를 얻을 수 있는 기술이 필요하다.
공개특허 제2010-0108957호
본 발명은 가압된 가소성체를 열처리하는 과정을 통해 전해질 기판의 평활도를 높일 수 있는 전해질 기판 제조방법 및 고체산화물 연료전지 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법은 고체 전해질용 원료 파우더를 성형하여 성형체를 형성하는 과정; 상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체를 형성하는 과정; 상기 가소성체를 가압하는 과정; 및 가압된 상기 가소성체를 제2 열처리하여 소성체를 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 가소성체를 가압하는 과정은 상기 가소성체에 가압판을 적층하여 수행될 수 있다.
상기 가압판은, 상기 고체 전해질용 원료 파우더를 이루는 금속 성분 중 적어도 하나의 금속 성분을 포함할 수 있다.
상기 가압판의 적어도 일부분은 다공질의 세라믹으로 이루어질 수 있다.
상기 가소성체를 가압하는 과정은 0.01 내지 0.1 ㎏f/㎠ 인 단위 하중을 가하여 수행될 수 있다.
상기 소성체의 가장자리를 절단하는 레이저 가공 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공 과정은, 레이저 가공 스테이지의 상면에 상기 소성체를 정렬하여 제공하는 과정; 및 상기 레이저 가공 스테이지 또는 상기 소성체의 위치정보를 이용하여, 상기 소성체에 레이저를 조사하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지는 상기 레이저 가공 스테이지의 상면에 형성된 복수의 진공홀을 포함하고, 상기 소성체를 정렬하여 제공하는 과정은 상기 복수의 진공홀 중 적어도 하나의 진공홀을 기준으로 상기 위치정보를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
베이스를 이루는 제1 지지판; 및 상기 제1 지지판의 상면에 제공되는 제2 지지판을 포함하고, 상기 제2 지지판은 상기 제1 지지판에 탈부착이 가능할 수 있다.
상기 제2 지지판의 탄성은 상기 제1 지지판 보다 더 클 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지는 상기 소성체가 정렬되는 상면에 형성된 커팅홈을 포함하고, 상기 소성체에 레이저를 조사하는 과정은, 상기 커팅홈에 대응하는 상기 소성체의 위치에 레이저를 조사하여 수행될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 고체산화물 연료전지 제조방법은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법으로 제조된 전해질 기판을 준비하는 과정; 상기 전해질 기판의 일면에 연료극을 제공하는 과정; 및 상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 전해질 기판 제조방법은 가압된 가소성체를 열처리하여 소성체를 형성하는 과정을 포함함으로써, 휘어짐이 제거된 소성체를 제조할 수 있다. 그리고 가소성체를 가압하기 위해 사용되는 가압판은 고체 전해질용 원료 파우더를 이루는 금속 성분 중 적어도 하나를 포함하고 적어도 일부분은 다공질의 세라믹으로 이루어져, 가소성체와의 반응 및 부착을 억제할 수 있다. 그리고 가소성체를 가압과 열처리를 동시에 진행함으로써, 소성 후 별도로 진행하는 평탄화 공정의 필요가 없으므로 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
그리고 소성체의 가장자리를 레이저 가공 과정을 통해 절단함으로써, 가압된 가소성체를 열처리하여 소성체를 형성하는 과정에서 충분히 제거되지 못한 휘어짐까지 제거할 수 있다. 여기서, 레이저 가공 과정에서 소성체를 지지하는 레이저 가공 스테이지의 상면에 진공홀 및 커팅홈이 제공됨으로써, 소성체에 레이저가 조사되는 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 이때, 커팅홈은 오목한 형태를 가짐으로써 레이저 조사로 인한 열 누적이 억제되어 소성체의 손상을 줄일 수 있다. 그리고 레이저 가공 스테이지는 제1 지지판 보다 탄성이 더 큰 제2 지지판을 포함함으로써, 소성체에 전달되는 충격을 완화시킬 수 있다.
이러한 전해질 기판으로 제조된 고체산화물 연료전지는 평탄한 전해질 기판으로 인해 셀을 균일하고 평탄하게 형성할 수 있으므로 제품의 불량률을 낮출 수 있다. 또한, 이러한 전해질 기판으로 제조된 고체산화물 연료전지는 얇으면서 평탄한 전해질 기판으로 인해 다층으로 적층이 가능하고 이에 따라 높은 용량을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법의 열처리 온도 구간을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조 장치를 나타낸 모식도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법의 레이저 가공 과정을 나타낸 모식도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다른 방향에서 바라본 전해질 기판 제조방법의 레이저 가공 과정을 나타낸 모식도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법은 고체 전해질용 원료 파우더를 성형하여 성형체를 형성하는 과정(S100); 상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체(100a)를 형성하는 과정(S200); 상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정(S300); 및 가압된 상기 가소성체(100a)를 제2 열처리하여 소성체(100b)를 형성하는 과정(S400);을 포함할 수 있다.
먼저, 고체 전해질용 원료 파우더를 성형하여 성형체를 형성한다(S100). 상기 성형체를 형성하는 과정은 파우더 조합, 볼밀 작업, 캐스팅, 시트 절단, 적층 및 온간 등가압 성형(WIP: Warm isotactic pressing)의 과정으로 수행될 수 있다. 상기 파우더 조합은 상기 고체 전해질용 원료 파우더로서 8YSZ(8mol% yttria stabilized zirconia)를 조합할 수 있다. 이때, 상기 8YSZ는 99.9 중량%의 ZrO2+HfO2+Y2O3, 최대 0.01 중량%의 F2O3, 최대 0.01 중량%의 SiO2 및 최대 0.01 중량%의 Na2O 로 이루어질 수 있다. 상기 파우더 조합 후, 상기 볼밀 작업을 RPM 60에서 20 내지 48시간으로 진행할 수 있다. 상기 볼밀 작업 후, 상기 캐스팅을 통해 시트를 형성할 수 있다. 그리고 상기 시트 절단을 통해 상기 시트를 절단할 수 있다. 상기 적층은 절단된 상기 시트를 상기 시트의 두께에 따라 2 내지 5매 교차 적층을 하여 진행될 수 있다. 상기 온간 등가압 성형은 30분 간 5kgf/㎠ 및 10분 간 300kgf/㎠의 단위 하중을 가하여 진행될 수 있다. 그리고 소성 전에 소성 시 발생하는 수축을 고려하여 절단하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 소성 시 발생하는 수축에 대한 수축률은 약 23%일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법의 열처리 온도 구간을 나타낸 그래프로, 도 2(a)는 제1 열처리를 위해 승온시키는 온도 및 시간을 나타내고, 도 2(b)는 제2 열처리를 위해 승온시키는 온도 및 시간을 나타낸다.
도 2(a)를 살펴보면, 가소성을 위한 제1 열처리 구간인 c-d 구간은 일정한 온도로 상기 성형체에 열을 가하는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 도 2(b)를 살펴보면, 소성을 위한 제2 열처리 구간인 C-E 구간은 승온 구간인 C-D와 일정 온도 구간인 D-E로 나뉘어 상기 가소성체(100a)에 열을 가하는 것을 알 수 있다.
상기 가소성체(100a)를 형성하는 과정 전에, 상기 성형체 내부의 바인더를 제거하기 위해 열처리를 하는 BBO(Binder burning out) 과정을 추가로 진행할 수 있다. 이는 a-b 구간으로, 약 480 내지 520℃의 열을 가하여 진행된다. 그리고 상기 BBO 과정을 위해 상온에서 a까지 가기 위해 승온시키는 승온속도는 약 0.6℃/min 와 같거나 작을 수 있다. 이때, BBO 과정에서 바인더가 제거되는 동안 상기 성형체의 휘어짐이 발생할 수 있다.
다음으로, 상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체(100a)를 형성한다(S200). 상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체(100a)를 형성하는 과정은 c-d 구간으로, 상기 성형체에 약 1310 내지 1350℃의 열을 가하여 가소성을 진행할 수 있다. 이에 따라 제조된 가소성체(100a)는, 상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정으로 인한 하중을 견딜 수 있도록 강도를 높일 수 있다. 이때, 상기 BBO 과정 후 상기 제1 열처리 과정의 온도로 승온시키는 승온속도는 약 1.7℃/min와 같거나 작을 수 있다.
그 다음 상기 가소성체(100a)를 가압한다(S300). 상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정은 상기 가소성체(100a)의 상면에 가압판(200)을 적층하여 상기 가소성체(100a)에 압력을 가할 수 있다. 이에 따라, 상기 가소성체(100a)에 하중이 가해져 수축이 억제되므로, 상기 제1 열처리로 인해 발생되었던 상기 가소성체(100a)의 휘어짐이 평탄화될 수 있다. 그리고 가압하는 과정에 있어서, 가압되는 하중을 조절함으로써 상기 소성체(100b)의 크기와 두께 조절을 할 수 있다. 이때, 상기 가압판(200)은 상기 가소성체(100a)의 면적 보다 같거나 클 수 있다.
그리고 가압된 상기 가소성체(100a)를 제2 열처리하여 소성체(100b)를 형성한다(S400). 즉, 상기 소성체(100b)를 형성하는 과정은 상기 가소성체(100a)를 가압시키면서 상기 제2 열처리를 동시에 진행할 수 있다. 이렇게 가소성체를 가압과 열처리를 동시에 진행함으로써, 소성 후 별도로 진행하는 평탄화 공정의 필요가 없으므로 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
이때, 상기 제2 열처리 전에, 상기 가소성체(100a)에 열을 가하여 이물질을 제거하는 하소 과정을 더 포함할 수 있다. 상기 하소 과정은 A-B 구간으로, 약 330 내지 370℃를 가하여 수행될 수 있다.
상기 제2 열처리 과정은 C-E 구간으로, 승온 구간인 C-D와 일정 온도 구간인 D-E로 나뉘어 상기 가소성체(100a)에 열을 가하여 본소성을 진행할 수 있다. 여기서, 약 1260 내지 1300℃의 온도부터 1460 내지 1500℃의 온도까지 승온시키는 C-D 구간에서, 0.25℃/min 의 승온속도 보다 같거나 느리게 진행될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 열처리 온도로 승온시키기 위한 b-c 구간의 속도 보다 상기 제2 열처리 온도의 승온 구간인 C-D의 승온속도가 더 느릴 수 있다. 또한, C-D 구간의 온도는 상기 제1 열처리를 위한 온도를 거쳐 승온될 수 있다. 이렇게 C-D 구간에서 상기 가소성체(100a)를 낮은 승온속도로 승온시킴으로써, 상기 소성체(100b)는 기공 발생이 억제되어 밀도가 높고 단단하게 형성될 수 있다. 그리고 상기 제2 열처리 과정의 일정 온도 구간인 D-E는 약 1460 내지 1500℃의 온도의 열을 가하여 수행될 수 있다.
고체산화물 연료전지는 전해질 지지체형 단전지(ESC: electrolyte supported cell), 연료극 지지체형 단전지(ASC: anode supported cell) 및 공기극 지지체형 단전지(CSC: cathode supported cell)로 크게 나눌 수 있다. 이 중, 상기 전해질 기판 제조방법으로 제조된 전해질은 상기 전해질 지지체형 단전지에 사용될 수 있다.
상기 연료극 지지체형 단전지는 일반적으로 약 0.4 내지 0.5㎜의 두께로 제조된다. 또한, 연료극 지지체형 단전지는 전해질, 연료극 및 공기극을 적층한 후 소성하여 제조되는데 전해질, 연료극 및 공기극의 각각 다른 열팽창계수로 인해 휘어짐이 크게 발생한다.
이에 비해, 상기 전해질 지지체형 단전지는 상기 연료극 지지체형 단전지 및 공기극 지지체형 단전지에 비해 전해질의 두께가 두껍기 때문에, 전해질만 단독으로 제작할 수 있다. 이로 인해, 상기 전해질 지지체형 단전지는 상기 연료극 지지체형 단전지 보다 휘어짐이 적을 수 있다.
또한, 상기 전해질 지지체형 단전지용 전해질은 밀도가 높아 단단하므로, 약 0.13 내지 0.16㎜의 얇은 두께로 제작이 가능할 수 있다. 이러한 전해질로 제조된 고체산화물 연료전지는 일반적으로 약 0.2㎜의 얇은 두께로 제조될 수 있다.
이렇게 얇게 제작된 전해질의 두께로 인해 상기 전해질 지지체형 단전지의 두께가 얇으므로, 상기 전해질 지지체형 단전지를 다층으로 적층함으로써 연료전지의 용량을 높일 수 있다. 그리고 전해질의 밀도가 높으므로 연료전지로 사용 시 반응물 누출이 적을 수 있다. 특히, 상기 전해질 지지체형 단전지용 전해질은 지지체로서 높은 평활도를 가져야 하고, 이로 인해 고체산화물 연료전지로 제조 시 손상을 줄일 수 있다.
상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정은 상기 가소성체(100a)에 가압판(200)을 적층하여 수행될 수 있다.
상기 가소성체(100a)에 상기 가압판(200)을 적층함으로써 상기 가소성체(100a)에 하중을 가할 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 열처리 이후 발생되었던 상기 가소성체(100a)의 휘어짐을 상기 가압판(200)을 적층함으로써 상기 가소성체(100a)를 평탄화 시킬 수 있다. 이를 위해, 상기 가압판(200)은 상기 가소성체(100a)의 상면에 전체적으로 적층하도록 대응되기 위해, 상기 가소성체(100a)의 면적 보다 같거나 큰 평판형일 수 있다.
상기 가압판(200)은, 상기 고체 전해질용 원료 파우더를 이루는 금속 성분 중 적어도 하나의 금속 성분을 포함할 수 있다.
상기 가압판(200)은 지르코니아를 포함한 성분으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 고체 전해질용 원료 파우더는 8-YSZ이므로 지르코니아를 포함함으로써, 상기 제2 열처리 시 발생 가능한 상기 가소성체(100a)와 상기 가압판(200)의 화학적인 반응을 억제할 수 있다.
상기 가압판(200)의 적어도 일부분은 다공질의 세라믹으로 이루어질 수 있다.
상기 가압판(200)의 전체 또는 상기 가소성체(100a)와 접촉되는 상기 가압판(200)의 표면이 다공질의 세라믹으로 이루어짐으로써, 상기 제2 열처리 시 상기 가소성체(100a)와 상기 가압판(200)이 부착되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 상기 가압판(200)이 다공질로 이루어짐으로써 상기 제2 열처리 시 상기 BBO 과정에서 제거되지 못한 바인더가 제거될 수 있는 통로를 제공할 수 있다.
예를 들어, 상기 가압판(200)은 지르코니아를 포함하는 다공질 세라믹 또는 지르코니아를 포함하는 코팅층으로 코팅된 다공질의 세라믹일 수 있다. 이러한 상기 가압판(200)은 상기 가소성체(100a)와 화학적으로 반응하지 않고, 상기 제2 열처리 온도에서 상기 가압판(200) 자체에 물리화학적으로 변형이 발생하지 않을 수 있다.
상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정은 0.01 내지 0.1 ㎏f/㎠ 인 단위 하중을 가하여 수행될 수 있다. 특히, 상기 가소성체(100a)는 가소성을 위한 상기 제1 열처리로 인해 단단하여 강도가 높으므로, 상기 가소성체(100a)의 평활도를 높이기 위한 상기 가소성체(100a)를 가압하는 과정의 단위 하중은 0.05 내지 0.06 ㎏f/㎠ 일 수 있다.
상기 가소성체(100a)를 0.01 내지 0.1 ㎏f/㎠ 인 단위 하중을 가하여 수축을 억제함으로써, 상기 제2 열처리 과정에서 상기 가소성체(100a)를 평탄화시킬 수 있다.
이때, 상기 가소성체(100a)를 가압하는 단위 하중이 0.01 ㎏f/㎠ 보다 적을 경우, 상기 가소성체(100a)의 휘어짐을 충분히 제거할 수 없다.
반면에, 상기 가소성체(100a)를 가압하는 단위 하중이 0.1 ㎏f/㎠ 보다 클 경우, 상기 가소성체(100a)에 크랙 또는 변형이 발생시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 3을 살펴보면, 상기 가소성체(100a)의 상면에 상기 가압판(200)이 적층되어 있음을 알 수 있다. 그리고 상기 전해질 기판 제조 장치는 상기 가소성체(100a) 및 상기 가압판(200)을 지지하는 복수의 세터(300)와 상기 복수의 세터(300)를 이격시키는 복수의 스페이서(400)를 더 포함하는 것을 알 수 있다. 상기 복수의 세터(300) 및 상기 복수의 스페이서(400)를 통해 상기 제1 열처리 및 상기 제2 열처리 시 공기 흐름을 증가시킬 수 있다. 또한, 한 번의 공정에서 상기 복수의 세터(300)를 층으로 쌓음으로써 다수의 전해질 제작이 가능하여 수율을 높여 생산성을 향상시킴으로써 대량 생산에 용이할 수 있다.
상기 소성체(100b)의 가장자리를 절단하는 레이저 가공 과정(S500)을 더 포함할 수 있다.
상기 가압판(200)을 통해 충분히 제거되지 못한 상기 소성체(100b)의 휘어짐을 상기 레이저 가공 과정을 통해 제거할 수 있다. 즉, 소성 시 중앙부에 비해 휘어짐이 크게 발생하는 상기 소성체(100b)의 가장자리를 절단함으로써, 평탄한 전해질 기판을 제조할 수 있다.
상기 레이저 가공 과정은, 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정(S510); 및 상기 레이저 가공 스테이지(500) 또는 상기 소성체(100b)의 위치정보를 이용하여, 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사하는 과정(S520);을 포함할 수 있다.
먼저, 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공한다(S510). 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정은 후술하는 진공홀(10)을 기준으로 진행될 수 있다. 즉, 상기 진공홀(10)은 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 복수로 형성되어 있고, 적어도 하나의 상기 진공홀(10)을 기준으로 상기 소성체(100b)를 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 정렬할 수 있다.
다음으로, 상기 레이저 가공 스테이지(500) 또는 상기 소성체(100b)의 위치정보를 이용하여, 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사한다(S520). 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사하는 과정은 상기 진공홀(10)을 기준으로 하여 획득된 상기 위치정보를 이용하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 진공홀(10)을 기준으로 상기 소성체(100b)가 절단될 위치를 획득한 후, 이에 따라 상기 위치에 레이저(L)를 조사할 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지(500)는 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 형성된 복수의 진공홀(10)을 포함하고, 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정은 상기 복수의 진공홀(10) 중 적어도 하나의 진공홀(10)을 기준으로 상기 위치정보를 획득하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지(500)는 복수의 진공홀(10)을 포함으로써 석션을 통해 상기 소성체(100b)를 상기 레이저 가공 스테이지(500)에 부착 및 고정시킬 수 있다. 즉, 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정에서 상기 소성체(100b)를 정렬시킨 후 상기 진공홀(10)을 진공으로 석션함으로써, 상기 소성체(100b)를 상기 레이저 가공 스테이지(500)에 부착 및 고정하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 복수의 진공홀(10) 중 적어도 하나의 진공홀(10)은 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정 및 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사하는 과정에 필요한 상기 위치정보를 획득하는데 기준이 될 수 있다. 이때, 상기 복수의 진공홀(10) 중 하나의 진공홀(10)이 상기 위치정보 획득을 위한 기준이 될 경우, 상기 하나의 진공홀(10)이 가상의 좌표의 원점이 되어 상기 소성체(100b)의 커팅이 될 위치를 거리 및 방향으로 상대적인 위치를 저장할 수 있다. 반면에, 상기 복수의 진공홀(10) 중 두 개 이상의 진공홀(10)이 상기 위치정보 획득을 위한 기준이 될 경우, 상기 두 개 이상의 진공홀(10) 사이의 거리 및 방향을 통해 더 정확한 상기 위치정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 있어서 상기 복수의 진공홀(10) 중, 2시 및 7시 방향의 모서리에 있는 진공홀(10a 및 10b)을 기준으로 상기 위치정보를 획득할 수 있다.
여기서, 상기 위치정보를 획득할 시 비전 영상을 통해 위치를 스캔하여 진행될 수 있다. 즉, 상기 비전 영상을 통해 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면을 촬영하여 상기 복수의 진공홀(10) 중 기준이 되는 진공홀(10)의 위치를 저장할 수 있다. 그리고 상기 기준이 되는 진공홀(10)로 가상의 좌표 만듦으로써, 상기 소성체(100b)가 절단될 위치 획득 및 저장할 수 있다.
이때, 상기 복수의 진공홀(10)의 지름은 약 2㎜로 기존 UV 레이저 가공 스테이지에 형성된 진공홀(10) 보다 작음으로써, 상기 복수의 진공홀(10)의 석션 시 상기 소성체(100b)에 가해지는 진공 충격을 완화시킬 수 있다.
베이스를 이루는 제1 지지판(510); 및 상기 제1 지지판(510)의 상면에 제공되는 제2 지지판(520)을 포함하고, 상기 제2 지지판(520)은 상기 제1 지지판(510)에 탈부착이 가능할 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지(500)는 상기 제1 지지판(510) 및 상기 제2 지지판(520)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 지지판(520)은 상기 제1 지지판(510)의 상면에 탈부착이 가능함으로써, 필요에 따라 상기 제2 지지판(520)을 탈부착 또는 교체가 가능할 수 있다.
상기 제2 지지판(520)은 상기 복수의 진공홀(10) 포함하고 상기 제1 지지판(510)의 상기 복수의 진공홀(10)과 연통될 수 있다. 이로 인해, 상기 소성체(100b)는 상기 복수의 진공홀(10)의 석션을 통해 상기 레이저 가공 스테이지(500)에 부착 및 고정될 수 있다. 그리고 상기 진공홀(10)을 기준으로 상기 제2 지지판(520)을 상기 제1 지지판(510)의 상면에 정렬시킬 수 있다.
여기서, 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 하부에 상기 진공홀(10)의 석션을 위해 상기 진공홀(10)을 진공 상태로 만들어주는 펌프를 포함할 수 있다.
상기 제2 지지판(520)의 탄성은 상기 제1 지지판(510) 보다 더 클 수 있다.
상기 제2 지지판(520)은 탄성을 가짐으로써, 상기 소성체(100b)를 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 정렬할 시 및 상기 복수의 진공홀(10)을 석션할 시 상기 소성체(100b)가 받는 충격을 완화시킬 수 있다. 즉, 상기 복수의 진공홀(10)의 석션을 위해 진공 장비의 전원을 조작할 시 충격이 상기 소성체(100b)에 전달되어 깨지는 현상을 억제할 수 있다.
이때, 상기 제1 지지판(510)은 플라스틱이고, 상기 제2 지지판(520)은 우레탄일 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 지지판(520)은 레이저(L) 조사로 인해 발생한 열에 대한 변형도 억제함으로써, 가공이 용이해질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법의 레이저 가공 과정을 나타낸 모식도이다.
도 4를 살펴보면, 제1 지지판(510)의 상면에 제2 지지판(520)이 부착되어 레이저 가공 스테이지(500)를 이루고 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 소성체(100b)가 정렬되는 것을 알 수 있다.
상기 레이저 가공 스테이지(500)는 상기 소성체(100b)가 정렬되는 상면에 형성된 커팅홈(20)을 포함하고, 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사하는 과정은, 상기 커팅홈(20)에 대응하는 상기 소성체(100b)의 위치에 레이저(L)를 조사하여 수행될 수 있다.
상기 커팅홈(20)은 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 제공되므로, 상기 제2 지지판(520)을 부착하여 상기 레이저 가공 과정 진행 시 상기 제2 지지판(520)의 상면에 상기 커팅홈(20)이 제공될 수 있다. 반면에, 상기 제2 지지판(520)을 탈착하여 상기 레이저 가공 과정 진행 시, 상기 제1 지지판(510)의 상면에 상기 커팅홈(20)이 제공될 수 있다. 또한, 필요에 따라 다른 크기 및 모양의 상기 커팅홈(20)을 포함하는 상기 제2 지지판(520)으로 교체하여 상기 레이저 가공 과정(S500)을 수행할 수 있다.
상기 커팅홈(20)은 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 오목한 형태로 제공될 수 있다. 이에 따라, 레이저(L) 조사로 발생된 열이 오목한 형태로 인해 열의 대류가 일어나므로, 레이저(L) 조사가 진행되는 부위에 레이저(L) 조사로 인한 열 누적을 억제할 수 있다. 이로 인해, 상기 소성체(100b)에 열이 누적되고 확산됨으로써 발생할 수 있는 균열, 융해, 어닐링 등의 손상을 억제할 수 있다.
또한, 상기 커팅홈(20)은 절단될 상기 소성체(100b)의 가장자리의 위치를 나타내는 틀로써, 사각형의 폐쇄형일 수 있다. 즉, 상기 레이저(L)는 상기 커팅홈(20)의 위치에 대응한 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사함으로써, 상기 소성체(100b)의 가장자리를 절단할 수 있다. 이렇게 상기 커팅홈(20)은 상기 레이저(L)가 조사될 위치를 제공할 수 있다. 이로 인해, 상기 소성체(100b)는 상기 커팅홈(20)의 면적 보다 클 수 있다. 따라서, 상기 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 상기 소성체(100b)를 정렬하는 과정에서 상기 소성체(100b)로 인해 가려지는 상기 커팅홈(20)의 위치를 상기 비전 영상을 통해 저장함으로써, 상기 커팅홈(20)의 위치에 대응한 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사할 수 있다. 즉, 상기 복수의 진공홀(10) 중 적어도 하나의 진공홀(10)을 기준으로 상기 커팅홈(20)의 위치정보를 상기 비전 영상을 통해 스캔 및 저장할 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 진공홀(10)을 기준으로 상기 커팅홈(20)과의 거리, 방향 및 가상의 좌표를 통해 기준이 되는 진공홀(10) 및 상기 커팅홈(20)의 위치정보를 획득할 수 있다. 이렇게 획득된 상기 위치정보를 이용하여 상기 소성체(100b)를 정렬하여 제공하는 과정 및 상기 레이저(L)를 조사하는 과정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 소성체(100b)에 레이저(L)를 조사하는 과정에 있어서, 약 0.14T 두께인 상기 (100b)의 가공 조건이 5.0W의 파워, 50KHz의 반복주파수, 300㎜/s의 속도, 사각 타입, 17㎛의 유효 스팟 사이즈일 경우, 레이저(L) 조사의 반복 횟수는 40 내지 50회일 수 있다. 상기 레이저(L) 조사의 반복 횟수가 40 내지 50회일 경우, 상기 소성체(100b)의 가장자리가 양호하게 절단될 수 있고 상기 소성체(100b)에 열 누적도 줄일 수 있다. 이때, 상기 레이저(L) 조사의 반복 횟수가 40회 보다 적을 경우, 상기 소성체(100b)의 가장자리는 절단되지 않고 손으로 절단 시 깨짐이 발생할 수 있다. 반면에, 상기 레이저(L) 조사의 반복 횟수가 50회 보다 많을 경우, 상기 소성체(100b)에 열 누적이 발생하여 상기 소성체(100b)의 레이저(L)가 조사된 부위에 탄 자국 및 깨짐이 발생할 수 있다. 이때, 상기 레이저(L) 조사의 반복 횟수가 한 번일 때 소요시간은 약 1.7초일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법의 레이저 가공 과정을 나타낸 모식도로, 도 5(a)는 레이저 가공 스테이지(500)의 상면을 나타내며, 도 5(b)는 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 소성체(100b)가 정렬하여 제공된 레이저 가공 스테이지(500)의 상면을 나타낸다.
도 5(a)를 살펴보면, 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 복수의 진공홀(10) 및 커팅홈(20)을 포함하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 도 5(b)를 살펴보면, 소성체(100b)가 위치정보를 이용하여 커팅홈(20)의 전체를 덮도록 레이저 가공 스테이지(500)의 상면에 정렬 되는 것을 알 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 고체산화물 연료전지 제조방법은 본 발명의 일실시예에 따른 전해질 기판 제조방법으로 제조된 전해질 기판을 준비하는 과정(S600); 상기 전해질 기판의 일면에 연료극을 제공하는 과정(S700); 및 상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공하는 과정(S800);을 포함할 수 있다.
먼저, 상기 전해질 기판 제조방법으로 제조된 전해질 기판을 준비한다(S600). 상기 전해질 기판을 준비하는 과정은 상기 전해질 기판 제조방법을 통해 휘어짐이 제거되어 평활도가 높은 전해질 기판을 준비할 수 있다.
다음으로, 상기 전해질 기판의 일면에 연료극을 제공한다(S700). 상기 전해질 기판의 일면에 연료극을 제공하는 과정은 상기 전해질 기판의 일면에 상기 연료극을 적층하거나 상기 연료극의 박막 형성을 통해 진행될 수 있다. 즉, 상기 연료극은 상기 전해질 기판의 일면에 스핀 코팅, 슬롯다이 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 코팅, 스크린 프린팅, 전착 및 기상 증착법 등을 이용하여 제공할 수 있다.
그 다음 상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공한다(S800). 상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공하는 과정은 상기 전해질 기판의 이면에 상기 공기극을 적층하거나 상기 공기극의 박막 형성을 통해 진행될 수 있다. 즉, 상기 공기극은 상기 전해질 기판의 이면에 스핀 코팅, 슬롯다이 코팅, 블레이드 코팅, 스프레이 코팅, 잉크젯 코팅, 스크린 프린팅, 전착 및 기상 증착법 등을 이용하여 제공할 수 있다.
이렇게 상기 전해질 기판 제조방법으로 제조된 상기 전해질 기판의 일면에 연료극을, 상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공함으로써, 고체산화물 연료전지를 제조할 수 있다. 특히, 고체산화물 연료전지 중 전해질 지지체형 단전지로 제조할 수 있다. 이로 인해, 상기 전해질 기판은 지지체로서 단단하고 평탄하여 셀을 균일하고 평탄하게 형성할 수 있으므로 제품의 불량률을 낮출 수 있다. 또한, 고체산화물 연료전지는 얇은 전해질 기판으로 인해 다층으로 적층함으로써 높은 용량을 가질 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 전해질 기판 제조방법이 가압된 가소성체를 열처리하여 소성체를 형성하는 과정을 포함함으로써, 소성체의 휘어짐을 제거할 수 있다. 그리고 가소성체를 가압하기 위해 사용되는 가압판은 고체 전해질용 원료 파우더를 이루는 금속 성분 중 적어도 하나를 포함하고 적어도 일부분은 다공질의 세라믹으로 이루어져 가소성체와의 반응 및 부착을 억제할 수 있다. 또한, 전해질 기판 제조방법은 소성체의 가장자리를 절단하는 레이저 가공 과정을 더 포함함으로써, 가압된 가소성체를 열처리하는 과정에서 충분히 제거되지 못한 휘어짐을 제거할 수 있다. 이때, 레이저 가공 과정에서 사용되는 레이저 가공 스테이지는 진공홀 및 커팅홀을 제공함으로써, 레이저가 조사되는 소성체의 절단될 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 레이저 가공 스테이지는 제1 지지판 보다 탄성이 더 큰 제2 지지판을 포함함으로써, 소성체에 전달되는 충격을 완화시킬 수 있다. 이러한 전해질 기판으로 제조된 고체산화물 연료전지는 평탄한 전해질 기판으로 인해 셀을 균일하고 평탄하게 형성할 수 있으므로, 제품의 불량률을 낮출 수 있다. 또한, 이러한 전해질 기판으로 제조된 고체산화물 연료전지는 얇으면서 평탄한 전해질 기판으로 인해 다층으로 적층이 가능하고 이에 따라 높은 용량을 가질 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
L : 레이저 10, 10a, 10b : 진공홀
20 : 커팅홈 100a: 가소성체
100b: 소성체 200: 가압판
300: 세터 400: 스페이서
500: 레이저 가공 스테이지 510: 제1 지지판
520: 제2 지지판

Claims (12)

  1. 고체 전해질용 원료 파우더를 성형하여 성형체를 형성하는 과정;
    상기 성형체를 제1 열처리하여 가소성체를 형성하는 과정;
    상기 가소성체를 가압하는 과정;
    가압된 상기 가소성체를 제2 열처리하여 소성체를 형성하는 과정; 및
    상기 소성체의 가장자리를 절단하는 레이저 가공 과정;을 포함하고,
    상기 레이저 가공 과정은,
    레이저 가공 스테이지의 상면에 상기 소성체를 정렬하여 제공하는 과정; 및
    상기 레이저 가공 스테이지 또는 상기 소성체의 위치정보를 이용하여, 상기 소성체에 레이저를 조사하는 과정;을 포함하고,
    상기 레이저 가공 스테이지는, 상기 레이저 가공 스테이지의 상면에 형성된 복수의 진공홀을 포함하고,
    상기 소성체를 정렬하여 제공하는 과정은, 상기 복수의 진공홀 중 적어도 하나의 진공홀을 기준으로 상기 위치정보를 획득하는 과정을 포함하는 전해질 기판 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가소성체를 가압하는 과정은 상기 가소성체에 가압판을 적층하여 수행되는 전해질 기판 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가압판은,
    상기 고체 전해질용 원료 파우더를 이루는 금속 성분 중 적어도 하나의 금속 성분을 포함하는 전해질 기판 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 가압판의 적어도 일부분은 다공질의 세라믹으로 이루어진 전해질 기판 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가소성체를 가압하는 과정은 0.01 내지 0.1 ㎏f/㎠ 인 단위 하중을 가하여 수행되는 전해질 기판 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가공 스테이지는,
    베이스를 이루는 제1 지지판; 및
    상기 제1 지지판의 상면에 제공되는 제2 지지판을 포함하고,
    상기 제2 지지판은 상기 제1 지지판에 탈부착이 가능한 전해질 기판 제조방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 지지판의 탄성은 상기 제1 지지판 보다 더 큰 전해질 기판 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 가공 스테이지는 상기 소성체가 정렬되는 상면에 형성된 커팅홈을 포함하고,
    상기 소성체에 레이저를 조사하는 과정은, 상기 커팅홈에 대응하는 상기 소성체의 위치에 레이저를 조사하여 수행되는 전해질 기판 제조방법.
  12. 청구항 1 내지 5 및 청구항 9 내지 11 중 어느 한 항의 전해질 기판 제조방법으로 제조된 전해질 기판을 준비하는 과정;
    상기 전해질 기판의 일면에 연료극을 제공하는 과정; 및
    상기 전해질 기판의 이면에 공기극을 제공하는 과정;을 포함하는 고체산화물 연료전지 제조방법.
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