KR20110129617A - 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이의 제조 방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20110129617A
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Abstract

고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법 및 이 제조방법에 의해 제조된 밀봉재가 제공된다. 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법은 고체산화물 연료전지의 운전 온도보다 높은 제1 온도에서 용융되는 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계, 운전 온도보다 낮은 제2 온도에서 용융되는 제2 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계, 제1 밀봉유리 조성물과 제2 밀봉유리 조성물이 일정 비율로 혼합된 밀봉유리 파우더를 얻는 단계, 및 밀봉유리 파우더를 이용하여 일정 크기의 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계를 포함한다.

Description

고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이의 제조 방법{SEAL FOR SOLID OXIDE FUEL CELL AND MENUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고체산화물 연료전지용 밀봉재와 이의 제조 방법에 관한 것이다.
고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)는 연료극과 공기극에 공급되는 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의하여 연료를 직접 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다. SOFC는 구성요소로서 연료극, 공기극 및 이들 사이에 위치하는 전해질을 포함한다. SOFC는 통상 수소연료가 공기로부터 산소이온을 받아 물이 되고, 이 반응 과정에서 전자가 생성되고, 생성된 전자가 외부 회로를 흐르면서 전기를 발생시키는 장치이다. 이때, 전자는 공기극으로 흘러가 산소를 산소이온으로 분해시킨다. SOFC에서 연료극, 공기극 및 전해질을 한 세트로 묶은 것을 단위 셀이라고 한다. 전해질은 예로써 지르코니아 전해질과 같은 산화물이온전도성 세라믹으로 형성된다.
SOFC는 여러 개의 단위 셀들로 구성되는데, 이 단위 셀의 개수에 따라 SOFC의 용량이 결정된다. 지르코니아 전해질을 사용하는 SOFC에 있어서, 지르코니아 전해질은 약 800℃ 이상에서 산소이온의 전도체가 된다. 따라서, 지르코니아 전해질을 사용하는 SOFC의 운전 온도는 약 800℃ 내지 약 1000℃에 이른다. 이러한 높은 운전 온도에서는 자체 개질 분위기로 인하여 다양한 연료 사용이 가능하고, 높은 열 효율 및 고에너지 전환 효율을 얻을 수 있다.
한편, SOFC의 주된 문제 중 하나는 장치 내부의 가스가 외부로 새지 않도록 적절하게 밀봉하는 것이다. 이를 위하여, 지금까지는 보통 단위 셀의 동작 온도와 비슷한 천이온도를 가진 유리를 사용해 왔다.
하지만, SOFC 밀봉재는 신뢰성과 내구성이 매우 중요한데, 기존의 유리를 사용하여 SOFC를 밀봉하는 경우, 유리 밀봉재는 SOFC의 작동 온도에서 녹지 않아 SOFC를 적절히 밀봉하지 못하고 장치 내부의 가스를 누출시킬 가능성이 있다.
또한, SOFC의 작동 온도에서 잘 용융되는 저온 유리를 SOFC의 밀봉재로 사용하는 것을 고려할 수 있지만, 그것은 저온유리의 큰 유동성으로 인하여 밀봉 상태를 유지하기 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 고체산화물 연료전지의 신뢰성과 내구성을 향상시킬 수 있는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 밀봉재의 제조 방법에 의해 제조된 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 의하면, 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도보다 높은 제1 온도에서 용융되는 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계; 최대 운전 온도보다 낮은 제2 온도에서 용융되는 제2 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계; 제1 밀봉유리 조성물과 제2 밀봉유리 조성물이 일정 비율로 혼합된 밀봉유리 파우더를 얻는 단계; 및 밀봉유리 파우더를 이용하여 일정 크기의 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법이 제공된다.
일 실시예에서, 제1 밀봉유리 조성물은 SiO2 50 내지 60 중량%, B2O3 10 내지 20 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량%, CaO 1 내지 5 중량%, Na2O 1 내지 10 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, BaO 1 내지 5 중량%의 조성을 가진다. 또한, 제2 밀봉유리 조정물은 SiO2 10 내지 20 중량%, B2O3 1 내지 5 중량%, Al2O3 1 내지 5 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, PbO 70 내지 80 중량%의 조성을 가진다.
제1 밀봉유리 조성물과 제2 밀봉유리 조성물의 혼합 비율은 제1 밀봉유리 조성물의 비율이 제2 밀봉유리 조성물의 비율보다 큰 것이 좋다. 제1 및 제2 밀봉유리 조성물들의 혼합 비율은 약 60 내지 70 중량% 대 약 30 내지 40 중량%인 것이 바람직하다. 제1 및 제2 밀봉유리 조성물들의 혼합 비율은 약 60 대 약 40 중량%인 것이 더욱 바람직하다.
밀봉유리 플레이트는 그 용융 온도가 880℃ 내지 900℃이며, 사용 온도 830℃ 내지 850℃에서 일정 점성을 구비하는 것이 좋다. 이 경우, 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도는 약 850℃인 것이 바람직하다.
밀봉유리 플레이트의 두께는 1.0㎜ 내지 3㎜일 수 있다.
일 실시예에서, 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는, 제1 및 제2 밀봉유리 조성물의 배합 성분을 용해하여 유리화를 진행하는 단계를 포함한다.
또한, 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는, 유리화된 성분을 급냉, 건조 및 분쇄하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는, 유리화된 성분을 바인더를 혼합하여 사출 및 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는, 밀봉유리 파우더 100중량에 글리세롤 0.1 내지 1.0 중량부, 디옥틸 프탈레이트(DOP; dioctyl phthalate) 0.1 내지 1.0 중량부, 폴리에킬렌 글리콜(PEG; polyethylene glycol) 0.1 내지 1.0 중량부, 물 10 내지 20 중량부, 셀룰로오즈 1.0 내지 10 중량부를 첨가하여 배찌를 만드는 단계를 포함한다.
또한, 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는, 배찌 입자가 골고루 섞일 수 있도록 롤러 밀을 이용하여 혼합 및 숙성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는, 혼합 및 숙성된 성분을 유압성형기를 이용하여 요구되는 규격으로 성형하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는, 성형된 제품을 가열로를 이용하여 소정 온도로 탈바인더 및 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 전술한 실시예들 중 어느 하나에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법에 의해 제조된 고체산화물 연료전지용 밀봉재가 제공된다.
본 발명에 의하면, 고체산화물 연료전지의 밀봉 작업을 간소화하여 제조 공정을 단순화함으로써 고체산화물 연료전지에 대한 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 제조된 고체산화물 연료전지에 대한 밀봉 효과를 높이고, 그에 의하여 장치의 신뢰성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
부언하면, 밀봉유리 플레이트들을 이용하여 SOFC 유닛들 사이와 SOFC 유닛과 매니폴드 간의 밀봉 공정을 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 밀봉유리 플레이트를 사용하여 밀봉 부위에서의 밀봉재 수축을 방지함으로써, 밀봉성을 향상시키면서 SOFC 구성품들 간의 열팽창 거동을 더욱 일치시킬 수 있고, 그에 의하여 SOFC의 내구성, 장기간 운전 안정성, 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법에 대한 절차도이다.
도 2는 도 1의 밀봉재 제조방법의 일부 공정에 대한 상세 흐름도이다.
도 3은 도 1의 밀봉재 제조방법의 또 다른 일부 공정에 대한 상세 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 사용하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조 방법에 대한 절차도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법(이하, 밀봉재 제조 방법이라 한다)은 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계(S10), 제2 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계(S20), 제1 및 제2 밀봉유리 조성물이 일정 비율로 혼합된 밀봉유리 파우더를 얻는 단계(S30), 및 밀봉유리 파우더를 이용하여 일정 크기의 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계를 포함한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 제1 단계(S10)는 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도보다 높은 제1 온도에서 용융되는 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계이다.
고체산화물 연료전지의 운전 온도는 통상 800℃ 내지 1000℃이다. 본 실시예에서 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도는 약 850℃인 것이 바람직하다.
고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도가 약 850℃일 때, 제1 밀봉유리 조성물의 용융 온도는 약 880℃ 내지 900℃인 것이 바람직하다. 이것은 후술하는 제2 밀봉유리 조성물과의 혼합시 재료가 원하는 성질을 가질 수 있도록 하기 위한 것이다.
제2 단계(S20)는 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도보다 낮은 제2 온도에서 용융되는 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계이다.
고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도가 약 850℃일 때, 제2 밀봉유리 조성물의 용융 온도는 약 800℃ 내지 830℃인 것이 바람직하다. 이러한 제2 온도는 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도와 제1 밀봉유리 조성물의 제1 온도를 고려한 것이다.
제3 단계(S30)와 제4 단계(S40)는 밀봉유리 파우더를 얻는 단계와 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계로서 아래에서 구체적으로 설명될 것이다.
전술한 공정을 통하여 일정 규격의 밀봉유리 플레이트가 제조된다. 밀봉유리 플레이트는 본 명세서를 통하여 설명하고자 하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재에 상응한다.
제조된 밀봉유리 플레이트를 사용하여 고체산화물 연료전지를 밀봉하면, 고체산화물 연료전지의 밀봉 작업을 단순화할 수 있고, 고체산화물 연료전지의 운전 온도에서 밀봉재가 일정 점도를 갖게 되므로, 밀봉재가 밀봉 영역에서 흘러내리지 않아 밀봉 효과를 높일 수 있다.
도 2는 도 1의 밀봉재 제조방법의 일부 공정에 대한 상세 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는, 제1 및 제2 밀봉유리 조성물의 배합 성분을 용해하여 유리화를 진행하는 단계(이하, 제3A 단계라고 한다)(S32), 유리화된 성분을 급냉, 건조 및 분쇄하는 단계(이하, 제3B 단계라고 한다)(S34), 및 유리화된 성분을 바인더를 혼합하여 사출 및 소성하는 단계(이하, 제3C 단계라고 한다)(S36)를 포함한다.
또한, 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는 제3A 단계(S32) 전에 제1 및 제2 밀봉유리 조성물을 일정 비율로 혼합 또는 배합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 밀봉유리 조성물은 SiO2 50 내지 60 중량%, B2O3 10 내지 20 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량%, CaO 1 내지 5 중량%, Na2O 1 내지 10 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, BaO 1 내지 5 중량%의 조성을 구비한다.
제2 밀봉유리 조정물은 제1 밀봉유리 조성물보다 융점이 낮은 저융점 유리 조성물을 사용한다. 예컨대, 제2 밀봉유리 조성물은 SiO2 10 내지 20 중량%, B2O3 1 내지 5 중량%, Al2O3 1 내지 5 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, PbO 70 내지 80 중량%의 조성을 가진다.
또한, 일 실시예에서, 제1 및 제2 밀봉유리 조성물의 배합 성분에는 제1 밀봉유리 조성물이 제2 밀봉유리 조성물보다 큰 비율로 함유된다. 예를 들면, 제1 및 제2 밀봉유리 조성물의 혼합 또는 배합 비율은 약 60 내지 70 중량% 대 약 30 내지 40 중량%인 것이 바람직하다. 제1 및 제2 밀봉유리 조성물들의 혼합 비율은 약 60 대 약 40 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 이러한 배합 비율은 전술한 제1 및 제2 밀봉유리 조성물에 있어서 열 팽창 계수, 밀봉재의 안정성, 및 용융 성질 등을 고려하여 설정된 것이다.
도 3은 도 1의 밀봉재 제조방법의 또 다른 일부 공정에 대한 상세 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는, 밀봉유리 파우더에 첨가물을 첨가하여 배찌(badge)를 만드는 단계(S42), 배찌 입자가 골고루 섞일 수 있도록 롤러 밀을 이용하여 혼합 및 숙성하는 단계(S44), 혼합 및 숙성된 성분을 유압성형기 등의 성형기를 이용하여 요구되는 규격으로 성형하는 단계(S46), 및 성형된 제품을 가열로를 이용하여 소정 온도로 탈바인더 및 소결하는 단계(S48)를 포함한다.
배찌를 만드는 단계(S42)는 밀봉유리 파우더 100중량에 글리세롤 0.1 내지 1.0 중량부, 디옥틸 프탈레이트(DOP; dioctyl phthalate) 0.1 내지 1.0 중량부, 폴리에킬렌 글리콜(PEG; polyethylene glycol) 0.1 내지 1.0 중량부, 물 10 내지 20 중량부, 셀룰로오즈 1.0 내지 10 중량부를 첨가하여 배찌를 만드는 단계를 포함할 수 있다.
일정 규격으로 성형하는 단계(S46)는 탈바인더 및 소결 공정 후에 밀봉유리 플레이트의 수축율을 고려하여 수행된다. 즉, 성형 단계(S46)는 최종 생산될 밀봉유리 플레이트의 크기를 고려하여 수행된다.
전술한 실시예에 의하면, 서로 다른 열팽창 계수 및/또는 점성을 가진 제1 및 제2 밀봉유리 조성물을 선택 및 조합하고, 이를 판 상의 밀봉재로 형성하여 사용함으로써, 고체산화물 연료전지의 밀봉 부위에 실질적으로 균일하게 밀봉재를 형성할 수 있으며, 고체산화물 연료전지의 운전시 소성 수축을 실질적으로 방지할 수 있고, 그에 의하여 밀봉재의 밀봉 효과를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 밀봉재의 열팽창 계수를 고체산화물 연료전지 유닛과 매니폴드의 열팽창 거동에 일치시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 고체산화물 연료전지용 밀봉재를 사용하는 고체산화물 연료전지의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
본 실시예에 따른 고체산하물 연료전지(SOFC) 제조 방법은 복수의 평판형 SOFC 유닛들을 길이 방향으로 나란히 배열하는 제1 단계, SOFC 유닛들의 길이 방향의 일단들 사이에 밀봉유리 플레이트를 삽입하는 제2 단계, SOFC 유닛들의 길이 방향의 일단을 매니폴드의 결합부에 삽입하는 제3 단계, SOFC 유닛들과 매니폴드 사이에 밀봉유리 플레이트를 삽입하는 제4 단계, 및 밀봉유리 플레이트를 가열하여 용융시킴으로써 복수의 SOFC 유닛들 사이 및 SOFC 유닛들과 매니폴드 사이를 밀봉하는 제5 단계를 포함한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 제1 단계는 도 4a에 도시한 바와 같이 일정 길이를 갖고, 이 길이보다 작은 폭을 가지며, 이 폭보다 작은 두께를 가진 대략 직방체의 판 형상 SOFC 유닛(10a, 10b, 10c)을 복수개 준비하고, 준비된 복수의 SOFC 유닛들(10a, 10b, 10c)의 길이 방향에서 인접한 두 SOFC 유닛들의 길이와 폭에 의하여 정의되는 면들이 서로 마주하도록 복수의 SOFC 유닛들을 나란히 배열하는 단계이다.
한편, 본 실시예의 변형예에 있어서, 복수의 판 형상의 SOFC 유닛들은 개개의 SOFC 유닛이 직방체의 판 형상을 구비하지 않고, 이들 복수개의 외표면 형태가 직방체의 판 형상의 구비하도록 배열될 수 있다. 예컨대, 정사각형의 외표면 단면을 갖거나 일방향으로 적층되지 않고 적어도 두 방향으로 적층되는 구조를 구비할 수 있다. 또한, 서로 마주하는 면들에 서로 끼워지는 요철부를 구비하고, 그 타면들에 평편한 면들을 각각 구비하는 복수의 SOFC 유닛들의 배열도 가능하다.
제2 단계는 도 4b에 도시한 바와 같이 서로 인접한 두 SOFC 유닛들(10a, 10b, 10c) 사이를 밀봉하기 위하여 이들 사이에 제1 두께의 판상의 밀봉유리 플레이트(14e, 14f)를 삽입하는 단계이다. 제1 두께는 최대한 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 예컨대, 제1 두께는 약 0.1㎜ 내지 약 0.5㎜인 것이 바람직하다. 또한, 제1 두께의 밀봉유리 플레이트(14e, 14f)는 가로 세로의 길이가 약 23㎜×20㎜일 수 있다.
제3 단계는 복수의 평판형 SOFC 유닛들의 길이 방향의 일단을 매니폴드의 결합부(예컨대, 홈)(12a)에 삽입하는 단계이다(도 4b 및 도 4c 참조). 제3 단계는 제2 단계 다음에 수행되거나 제2 단계 전에 수행될 수 있다.
각 SOFC 유닛의 일단을 매니폴드(12)에 결합하는 것은 매니폴드(12)를 통하여 각 SOFC 유닛을 지지하면서 각 SOFC 유닛에 연료 및/또는 산화제를 공급하고, 각 SOFC 유닛에서 나오는 반응생성물(예컨대, 물)이나 반응부산물(예컨대, 미반응 연료 및/또는 미반응 산화제)의 유동을 가이드하기 위한 것이다.
매니폴드(12)는 전기전도성을 갖고 적어도 하나의 SOFC 유닛의 연료극 또는 공기극에 연결된 도전체로서 기능할 수 있다.
제4 단계(S26)는 복수의 SOFC 유닛들과 매니폴드 사이를 밀봉하기 위하여 제1 두께보다 두꺼운 제2 두께의 판 형상의 밀봉유리 플레이트(14a, 14b, 14c, 14d)를 삽입하는 단계이다. 제2 두께는 약 0.5㎜ 내지 약 3.0㎜인 것이 바람직하다. 또한, 제2 두께의 밀봉유리 플레이트(14a, 14b, 14c, 14d)는 가로 세로의 길이가 약 23㎜×12㎜, 약 24㎜×12㎜, 약 24㎜×10㎜, 약 100㎜×10㎜인 형태로 제조될 수 있다.
제2 두께의 밀봉유리 플레이트(14a, 14b, 14c, 14d)는 복수의 SOFC 유닛들(10a, 10b, 10c)과 매니폴드(12) 사이에 하나 또는 두 개 이상이 겹쳐져 삽입될 수 있다. 다시 말해서, 제4 단계에서, SOFC 유닛들과 매니폴드 사이에는 두께 약 1.0㎜ 내지 약 3.0㎜인 서로 다른 두께의 밀봉유리 플레이트가 하나 또는 두 개의 이상이 삽입될 수 있다.
한편, 전술한 제2 단계는 제3 단계 후에 제4 단계와 함께 수행될 수 있다.
제5 단계는 복수의 SOFC 유닛들(10a, 10b, 10c) 사이의 제1 두께의 밀봉유리 플레이트(14e, 14f), 및 SOFC 유닛들과 매니폴드 사이의 제2 두께의 밀봉유리 플레이트(14a, 14b, 14c, 14d)를 예컨대 약 880℃ 이상 내지 약 900℃ 미만의 온도에서 가열하여 용융시키는 단계이다.
제5 단계에서는, 판 형상의 필봉유리 플레이트를 밀봉재로 사용함으로써, 복수의 SOFC 유닛들 사이와 SOFC 유닛들과 매니폴드 사이에 밀봉재의 삽입을 용이하게 할 수 있으며, 밀봉 작업 후 밀봉재가 흘러내리거나 수축이나 증발 등에 의하여 밀봉 영역 내에서 밀봉재가 균일하게 분포되지 않는 것을 방지할 수 있고, 그에 의하여 고체산화물 연료전지의 밀봉성과 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 매니폴드는 고온 부식이나 열 응력에 대하여 충분한 내성을 가진 재료(예컨대, SUS 310 등을 포함한 스테인리스강에서 선택된 어느 하나의 재료)로 형성된다. 전해질의 재료로는 예를 들어 8몰%의 YSZ가 사용가능하고, 공기극의 전극 재료로는 예를 들어 LSM(LaSrMnO3)나 (La, Sr)Mn)3-YSZ가 사용가능하고, 연료극의 전극 재료로는 예를 들어 Ni-YSZ(cermet)이 사용가능하다. 여기서, YSZ은 이트리아 안정화 지르코니아이다. 이 경우, SOFC 유닛의 표면은 세라믹 표면이 된다.
그리고, 전해질 및 집전체(또는 전기연결층)는 소결 후 피복 층들을 통해 가스가 새지 않도록 기공이 없고 치밀한 막을 이루어야하고, 각 전극들은 가스 확산이 용이하도록 다공성 막으로 제작되어야 하며, 전해질 또는 전극의 두께는 1000㎛ 이하인 것이 바람직하다. 집전체는 전도성 물질(예컨대, LaCrO3)로서 고온의 수소 및 산소 분위기에서 변성되지 않고 연성의 성질이 있는 단일 또는 다중의 막으로 제작되는 것이 바람직하다. 집전체의 두께는 1.0㎜ 이하로 형성되는 것이 바람직하다.
제조된 SOFC의 열적 안정성은 SOFC 유닛의 세라믹 표면(YSZ 표면)와 밀봉유리 사이의 열팽창 불일치를 조사하고 열 사이클링 시험 후에 계면-크래킹을 관찰함으로써 평가될 수 있다. 장기간 화학적 안정성은 SOFC의 운전 온도에서 100시간 작동 후 SOFC와 밀봉유리 사이의 계면과 밀봉유리와 매니폴드 사이의 계면 반응에 대해 조사함으로써 평가될 수 있다.
전술한 실시예들에 의하면, 고체산화물 연료전지에 적합한 밀봉유리 플레이트 즉 밀봉재를 제공할 수 있다.
다시 말하면, 파일렉스, 알루미노(alumino)-인산염 같은 알칼리 실리케이트, 알카리-토 실리케이트, 알칼리 보로실리케이트에 바탕을 둔 글래스-세라믹, 또는 글래스의 응용에도 불구하여 아직까지 SOFC용 밀봉재 분야에 있어서 SOFC 구성품과 밀봉재의 열팽창율의 불일치 및 밀봉재의 나쁜 장기간 안정성은 여전히 해결해야할 과제로 남아 있다.
하지만, 본 실시예에 의하면, 제1 및 제2 밀봉유리 조성물을 혼합하여 제조한 판상의 밀봉유리 플레이트를 사용함으로써, SOFC 유닛과 밀봉재와의 접착 거동과 결합 특성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 최대 운전 온도 약 850℃에서 운전되는 SOFC의 장기간 운전 안전성을 향상시키고, SOFC의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
10a, 10b, 10c: SOFC 유닛
12: 매니폴드
14: 밀봉재
14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f: 밀봉유리 플레이트

Claims (13)

  1. 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도보다 높은 제1 온도에서 용융되는 제1 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계;
    상기 최대 운전 온도보다 낮은 제2 온도에서 용융되는 제2 밀봉유리 조성물을 준비하는 단계;
    상기 제1 밀봉유리 조성물과 상기 제2 밀봉유리 조성물이 일정 비율로 혼합된 밀봉유리 파우더를 얻는 단계; 및
    상기 밀봉유리 파우더를 이용하여 일정 크기의 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 밀봉유리 조성물은 전체 중량에 대하여 SiO2 50 내지 60 중량%, B2O3 10 내지 20 중량%, Al2O3 1 내지 10 중량%, CaO 1 내지 5 중량%, Na2O 1 내지 10 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, BaO 1 내지 5 중량%의 조성을 구비하고,
    제2 밀봉유리 조정물은 전체 중량에 대하여 SiO2 10 내지 20 중량%, B2O3 1 내지 5 중량%, Al2O3 1 내지 5 중량%, K2O 1 내지 5 중량%, PbO 70 내지 80 중량%의 조성을 구비하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 밀봉유리 조성물과 상기 제2 밀봉유리 조성물의 혼합 비율은 상기 제1 밀봉유리 조성물의 비율이 상기 제2 밀봉유리 조성물의 혼합 비율보다 큰 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트의 용융 온도는 880℃ 내지 900℃이며,
    상기 고체산화물 연료전지의 최대 운전 온도는 850℃인 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트의 두께는 1.0㎜ 내지 3㎜인 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는,
    상기 제1 및 제2 밀봉유리 조성물의 배합 성분을 용해하여 유리화를 진행하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는,
    상기 유리화된 성분을 급냉, 건조 및 분쇄하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 밀봉유리 파우더를 얻는 단계는,
    상기 유리화된 성분을 바인더를 혼합하여 사출 및 소성하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는,
    상기 밀봉유리 파우더 100중량에 글리세롤 0.1 내지 1.0 중량부, 디옥틸 프탈레이트(DOP; dioctyl phthalate) 0.1 내지 1.0 중량부, 폴리에킬렌 글리콜(PEG; polyethylene glycol) 0.1 내지 1.0 중량부, 물 10 내지 20 중량부, 셀룰로오즈 1.0 내지 10 중량부를 첨가하여 배찌를 만드는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는,
    상기 배찌 입자가 골고루 섞일 수 있도록 롤러 밀을 이용하여 혼합 및 숙성하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는,
    상기 혼합 및 숙성된 성분을 성형기를 이용하여 요구되는 규격으로 성형하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 밀봉유리 플레이트를 얻는 단계는,
    상기 성형된 제품을 가열로를 이용하여 소정 온도로 탈바인더 및 소결하는 단계를 더 포함하는 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 고체산화물 연료전지용 밀봉재의 제조방법에 의해 제조된 고체산화물 연료전지용 밀봉재.
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