KR20170032702A - 고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 - Google Patents

고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서는 수평 단면이 고리 형태이고, 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 실링재에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이가 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이보다 큰 것인 고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법 {SEALING MATERIAL FOR SOLID OXIDE FUEL CELL, SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 명세서는 고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.
연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.
연료전지에는 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC) 등이 있다.
이들 중 고체산화물 연료전지는 낮은 활성화 분극을 바탕으로 하여 과전압이 낮고, 비가역적 손실이 적으므로 발전효율이 높다. 또한, 수소뿐만 아니라 탄소 또는 하이드로카본계 물질을 연료로 사용할 수 있어 연료 선택의 폭이 넓으며, 전극에서의 반응 속도가 빠르기 때문에 전극 촉매로서 값비싼 귀금속을 필요로 하지 않는다. 게다가, 발전에 부수하여 배출되는 열은 온도가 매우 높아 이용 가치가 높다. 즉, 고체산화물 연료전지에서 발생한 열은 연료의 개질에 이용될 뿐만 아니라, 열병합 발전에서 산업용이나 냉방용 에너지원으로 이용될 수 있다.
이러한 고체산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)의 기본적인 작용 원리를 살펴보면, 고체산화물 연료전지는 기본적으로 수소의 산화반응으로 발전하는 장치이고, 연료극인 애노드와 공기극인 캐소드에서 아래의 반응식 1과 같은 전극 반응이 진행된다.
[반응식 1]
공기극: (1/2)O2 + 2e-→ O2-
연료극: H2 + O2-→ H2O + 2e-
전체반응: H2 + (1/2)O2 → H2O
즉, 전자는 외부 회로를 거쳐 공기극에 도달하고, 동시에 공기극에서 발생한 산소 이온이 전해질을 통해서 연료극으로 전달되어 연료극에서는 수소가 산소 이온과 결합하여 전자 및 물을 형성한다.
한편, 고체산화물 연료전지는 공기극, 전해질, 연료극으로 이루어진 단위전지로 구성되고, 이 단위전지 여러 개를 적층하여 스택을 형성하게 된다. 이러한 적층을 위해서는 한 단위전지의 공기극과 다른 단위전지의 연료극은 전기적으로 연결되어야 하고, 각 단위전지에 연료와 공기를 공급할 수 있는 구조물이 필요하며, 이를 위해 금속 재질의 분리막이 사용된다. 이때, 이 연료전지 스택에서 연료가스인 수소와 연소 가스인 공기의 혼합 방지, 스택 외부로 가스 누출방지 및 단위전지 간의 절연을 하기 위하여 금속 분리판과 단위전지 구성요소 사이를 실링(sealing)하는 것이 중요하다.
즉, 이러한 연료가스 및 공기가 정해진 경로를 통해서만 이동되어야 하는데, 상기 연료가스 및 공기가 섞이거나 밖으로 누출되는 경우에는 전지의 성능이 급격히 저하되므로 높은 수준의 실링 기술이 요구된다.
한국 특허 등록 제0590968호
본 명세서는 고체산화물 연료전지용 실링재, 이를 포함하는 고체산화물 연료전지 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 명세서의 일 실시상태는
수평 단면이 고리 형태이고, 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 실링재에 있어서,
상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이가 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이보다 큰 것인 고체산화물 연료전지용 실링재를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는
연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀;
상기 연료전지 셀의 상면 및 하면에 구비된 전술한 고체산화물 연료전지용 실링재; 및
상기 실링재의 상면 및 하면에 구비된 분리판(seperator)을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태는
연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀을 준비하는 단계;
상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 전술한 실링재를 적층하는 단계; 및
상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 각각 실링재가 적층된 적층체를 가열하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 실링재 내 존재하는 유기물을 제거하기 위한 별도의 유기물 제거 공정이 필요 없으므로 제조 원가가 절감되는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 고체산화물 연료전지용 실링재의 제조과정에서 유기물에 의한 기포발생이 없으므로 가스 누출에 의한 불량 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 고체산화물 연료전지용 실링재의 고온에서의 부착과정에서 접착력이 향상되어 실링(sealing) 성능이 향상될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지의 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 종래기술에 따른 고체산화물 연료전지용 실링재의 형태를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지용 실링재의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 종래기술에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 실링재와 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 실링재를 측면에서 바라본 구조를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 명세서의 비교예 1에 따라 제조된 페이스트를 실링 재료로서 사용한 경우의 부착 불량 및 기포 형성이 관찰된 모습을 나타낸 것이다.
도 6은 본 명세서의 비교예 2에 따라 제조된 테이프(시트 또는 가스킷)를 밀봉 재료로서 사용한 경우의 기포 형성이 관찰된 모습을 나타낸 것이다.
도 7은 본 명세서의 실시예에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 실링재의 기포 형성이 관찰되지 않은 모습을 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 자세히 설명한다.
본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 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.
본 명세서의 일 실시상태는
수평 단면이 고리 형태이고, 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 실링재에 있어서,
상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이가 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이보다 큰 것인 고체산화물 연료전지용 실링재를 제공한다.
고체산화물 연료전지의 상용에 있어서 가장 큰 문제 중 하나는 가스의 실링(sealing)이라고 할 수 있다. 현재 고체산화물 연료전지의 실링 기술은 유리계 실링재를 이용하는 방법이 가장 대표적이라고 할 수 있다.
이러한 종래의 유리계 실링재를 이용하는 방법은 유리 파우더(powder)를 테이프(Tape) 또는 페이스트(Paste)의 형태로 적용하여 각각 연료전지 셀에 적용하는 방법이 일반적으로 사용되었다. 즉, 최초 연료전지 셀에 부착시키기 위해서는 테이프나 페이스트의 형태가 통상적으로 사용되었다.
하지만, 테이프나 페이스트의 형태로 실링재를 제조하는 경우에는, 유리 파우더 외에 바인더나 용매와 같은 유기물을 포함하고 있어 실링재의 제조 과정에서 유기물을 제거하는 공정이 별도로 필요하다. 또한, 이러한 별도의 유기물 제거 공정이 있다고 하더라도, 유기물이 제거되는 과정에서 발생하는 기포에 의하여 가스 누출이 발생하고, 이에 따라 제조된 최종 제품의 불량이 생기는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 고체산화물 연료전지용 실링재를 사용함에 있어서, 통상적인 테이프나 페이스트의 형태가 아닌 유리계 재료로만 이루어진 실링 조성물을 이용하여 실링재를 제조하는 본원 발명을 하기에 이르렀다.
본 명세서에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이란 실링재를 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점에서 자른 수평단면의 중심으로부터 먼 쪽 고리의 가장 긴 직경을 의미한다.
본 명세서의 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이란 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 중심으로부터 먼 쪽 고리의 가장 긴 직경을 의미한다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이는 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이의 50% 이하일 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이는 0mm 이상 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이의 50% 이하일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이는, 접착되는 연료전지 셀의 접착 부위의 길이와 동일할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지용 실링재는 측면에서 바라보았을 때의 형상이 마름모 형태 또는 육각형 형태와 같이 다각형의 형태일 수 있다.
상기와 같은 실링재의 형태는 실링재를 연료전지 셀에 부착하기 위해 적절히 위치시켰을 때, 즉, 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지용 셀의 상면 및 하면에 상기 실링재를 위치시킨 후에 이들을 접착시키기 위해 열을 가하는 공정에서 실링재 및 연료전지 셀의 부착부분의 유리가 빠르게 녹아 연해지면서 셀 표면과의 접착력을 향상시키는 효과를 위한 것이다.
본 명세서의 도 2에는 종래기술에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 실링재의 일반적인 형태를 모식적으로 나타내었고, 도 3에는 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실링재를 나타내었다.
또한, 종래기술에 따라 제조된 실링재 및 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실링재를 측면에서 바라본 모습의 모식적인 형태를 도 4에 나타내었다.
즉, 도 4는 고리형태의 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 잇는 단면으로 잘랐을 때, 그 단면의 형태를 나타낸 것이다.
구체적으로, 도 4의 (a)에는 종래기술에 따라 제조된 고리형태의 실링재를 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 잇도록 수직으로 자른 단면의 형태를 나타낸 것이며, 그 수직 단면은 사각형의 형태임을 알 수 있다.
이에 비하여, 도 4의 (b)에는 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 고리형태의 실링재를 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 잇도록 수직으로 자른 단면의 형태를 나타낸 것이며, 그 수직 단면은 마름모의 형태임을 알 수 있다.
즉, 도 4의 (a)를 살펴보면, 종래기술에 따라 제조된 고체산화물 연료전지용 실링재의 경우, 실링재를 두께 방향으로 자른 수직단면의 면적은 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수직단면의 면적과 두께방향으로 내부의 어느 한 지점의 수직단면의 면적이 구분없이 동일함을 알 수 있다.
이에 비하여, 도 4의 (b)를 살펴보면, 본 명세서의 일 실시상태에 따라 제조된 실링재의 경우, 실링재를 두께 방향으로 잘랐을 때의 수직단면의 면적을 비교해보면, 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수직단면의 면적이 두께방향으로 내부의 어느 한 지점의 수직단면의 면적보다 작음을 알 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재에 있어서, 상기 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 수직단면의 면적은 두께방향으로 내부의 어느 한 지점의 수직단면의 면적보다 작을 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 수직단면은 실링재를 두께 방향으로 잘랐을 때의 단면의 면적을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 면적은 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평 단면의 면적보다 작을 수 있다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 면적은 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 면적의 50% 이하일 수 있다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 면적은 0 mm2 이상 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 면적의 50% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지용 실링재를 상기와 같은 형태로 제조하는 경우에는 실링재의 제조 과정에서 발생하는 유기물에 의한 기포 발생을 억제할 수 있고, 이러한 가스 누출에 의한 제품 불량의 문제를 개선할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지용 실링재는 유리계 물질을 포함할 수도 있고, 유리계 물질로 이루어질 수도 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 유리계 물질이란 반드시 SiO만 포함할 필요는 없고, 금속산화물 또는 비금속산화물을 포함할 수 있다. 또한, 고체산화물 연료전지의 실링재를 제조함에 있어서 유리계 물질로서 통상적으로 사용되는 물질을 포함할 수 있고, 특별히 제한되지는 않는다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 유리계 물질은 금속산화물 또는 비금속산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, Si, B, Al, Zn, Ca, P, Ba 및 Sr로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 원소들의 산화물을 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재는 고리 형태일 수 있고, 실링재를 두께방향으로 자른 단면 또한 고리 형태일 수 있다.
다만, 상기 실링재의 고리 형태는 그 형태가 특별히 한정되는 것은 아니고, 부착되는 연료전지 셀의 형태에 따라 바뀔 수 있다.
예를 들어, 상기 실링재를 두께방향으로 자른 단면은 사각형, 오각형, 육각형 등과 같은 다각형의 고리 형태일 수도 있고, 원형의 고리 형태일 수도 있으나, 그 형태를 특별히 제한하지 않는다.
즉, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면은 사각형, 오각형, 육각형 등과 같은 다각형의 고리 형태이거나, 원형의 고리 형태일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평 단면 역시 사각형, 오각형, 육각형 등과 같은 다각형의 고리 형태이거나, 원형의 고리 형태일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼쪽 고리 간의 최단 선폭은 실링재에 접착되는 연료전지 셀의 접착부위의 길이의 50% 이하일 수 있다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 실링재의 상단부 및 하단부의 수평단면의 수평단면의 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼 쪽의 고리간의 선폭은 0mm 이상 실링재에 접착되는 연료전지 셀의 접착부위의 길이의 50% 이하일 수 있고, 상기 실링재의 상단부 및 하단부의 수평단면의 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼 쪽의 고리간의 선폭은 0mm인 경우를 포함할 수 있다.
즉, 본 명세서에 있어서, 상기 실링재의 상단부 및 하단부의 수평단면의 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼 쪽 고리간의 선폭이 0mm이라 함은, 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼쪽 고리가 서로 일치하여 상단부 및/또는 하단부가 뾰족한 형태인 것을 의미할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 두께는 0.2mm 이상 2mm이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.2mm 이상 0.75mm 이하이다. 상기 실링재의 두께는 실링재의 상단부 및 하단부를 수직으로 연결하는 최단 길이를 의미하고, 상기 실링재의 두께가 0.2mm 이상인 경우에는 접착대상이 되는 물질과의 열팽창계수 차이에 의한 응력차이를 물리적으로 견디지 못하여 실링재가 파손되는 문제를 방지할 수 있는 효과가 있고, 상기 실링재의 두께가 2mm 이하인 경우에는 셀의 적층 이후 연료전지 스택의 부피가 매우 커지는 문제 및 실링재 내부의 열 응력에 의한 크랙 발생 문제를 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재 내부 수평단면 중 면적이 가장 큰 영역의 외선의 한 지점과 실링재의 상단부 및 하단부 중 어느 하나의 외선의 한 지점을 외곽을 따라 연결하는 선은 곡선 형태, 각진 형태 또는 직선 형태일 수 있으나, 그 형태를 특별히 한정하지는 않는다.
또한, 본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 상단부 및 하단부는 뾰족한 형태일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 실링재의 상단부 및 하단부가 뾰족한 형태인 경우에는 고체산화물 연료전지의 제작 단계에서, 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 상기 실링재를 적층하여 가열하는 단계를 통해 실링재의 상면부 및 하면부가 녹아 연해지면서 연료전지 셀과의 접착력을 향상시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는 전술한 실링재를 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태는
연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀;
상기 연료전지 셀의 상면 및 하면에 구비된 전술한 고체산화물 연료전지용 실링재; 및
상기 실링재의 상면 및 하면에 구비된 분리판(seperator)을 포함하는 고체산화물 연료전지를 제공한다.
본 명세서에 있어서, 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 연료전지 셀(단위 전지)라고 하며, 1개의 단위 전지가 생산하는 전기에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 이용하기 위해서는 단위전지를 직렬로 연결해 놓은 형태인 적층 구조물(스택)을 제작하게 된다. 스택을 형성하기 위해서는 각각의 단위 전지의 공기극과 연료극을 전기적으로 연결하면서 연료와 공기의 혼합을 막기 위해 분리막을 사용한다. 이러한 고체산화물 연료전지의 구조를 도 1에 모식적으로 나타내었다.
상기 분리판을 이용하여 적층 구조물을 형성함에 있어서, 연료인 수소가스와 공기의 혼합을 방지하고, 가스의 누출 방지 및 전지 사이의 절연을 위해 실링재를 설치하게 된다. 고체산화물 연료전지는 단위전지의 구성방법에 따라 평판형, 원통형, 및 적층형 등으로 구분될 수 있고, 본 명세서에 있어서는 그 형태를 크게 제한하지 않으나, 평판형 연료전지에서 특히 구성요소와 분리판의 밀봉이 중요하다.
본 명세서에 있어서, 상기 연료극, 전해질 및 공기극에 관한 내용은 당해 기술분야에서 일반적으로 적용되는 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지에 관한 내용은 당해 기술분야에서 일반적으로 적용되는 내용이 동일하게 적용될 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태는
연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀을 준비하는 단계;
상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 전술한 실링재를 적층하는 단계; 및
상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 각각 실링재가 적층된 적층체를 가열하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 고체산화물 연료전지의 제조방법에 있어서, 상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 각각 실링재가 적층된 적층체를 가열하는 단계를 통하여 실링재의 상면부 및 하면부가 연해지면서 연료전지 셀과의 접착력이 증가되는 효과가 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 따르면, 상기 가열하는 단계는 750℃ 내지 850℃ 범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 본 명세서의 일 실시상태에 따른 고체산화물 연료전지용 실링재는 접착성을 가지기 위해 상기 적층체를 가열하는 단계를 통하여 적절한 점도를 형성하여 연료전지 셀의 상면 및 하면에 젖음을 일으키고, 이를 냉각한 후 고체와 유사한 거동을 함으로써 고체산화물 연료전지의 밀봉이 이루어질 수 있다.
이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시에들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실링재의 제조
각 성분의 원료를 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성(몰% 기준)이 되도록 조합하고, 백금 도가니를 사용하여 1200℃의 온도에서 5시간 가열하여 융융시켰다. 용융시에는 백금 스터러(stirrer)를 삽입하고 1시간 교반하여 유리를 균질화하였다. 이어서 용융 유리를 600℃에서 서냉하여 각 실시예의 유리를 얻었다. 한편, 얻어진 유리에 대해서는 파쇄 후 입자크기를 10 μm 내지 20μm 수준으로 분급하여 선별 사용하였다. 프레스법을 이용하여 셀의 형태 테두리만 존재하는 모양으로 압축성형 한 후, 각 조성물의 연화점보다 30℃ 높은 온도까지 가열하고, 30분 유지하여 실링재를 제조하였다. 이렇게 제조된 실링재의 모습을 도 2에 나타내었다.
SiO2 B2O3 P2O5 Al2O3 ZnO CaO BaO SrO 총합
제조예 1 29.1 25.6 5 8.3 10.8 9.8 5.5 6.2 100
제조예 2 23.3 25.4 10 9.7 5.0 10.8 10.9 5 100
제조예 3 13.7 35.3 5 9.9 6.3 12.0 5.2 12.7 100
제조예 4 15.9 39.8 5 6.5 9.9 10.5 9 3.5 100
제조예 5 - 70 - 15 - - 15 - 100
제조예 6 - 60 - 12.5 - 7.5 20 - 100
제조예 7 - 60 - 12.5 - - 27.5 - 100
제조예 8 - 60 - 10 - - 30 - 100
제조예 9 - 60 - 7.5 - 2.5 30 - 100
제조예 10 - 60 - 5 - 5 15 15 100
연료전지의 제조
1. 슬러리 제작 단계
전해질을 분산제, 가소제 및 아크릴계 바인더를 혼합하여 고체 전해질 슬러리를 제작하였다. 또한, 음극 지지층 슬러리는 전해질과 NiO, 기공형성제, 분산제, 가소제 및 아크릴계 바인더를 혼합하여 제작하였다.
2. 테이프 제작 및 적층 단계
제작된 슬러리를 닥터 블레이드(doctor blade)에 도포하여 고체 전해질층, 음극 기능층, 음극 지지층 테이프를 제작하였다. 각각의 테이프를 적층하여 고체산화물 연료전지(SOFC)용 적층체를 제작하였다.
3. 소결 단계
고체 산화물 연료 전지용 적층체를 1000℃ 내지 1600℃ 범위에서 소결시켜, 전해질 및 연료극을 형성하였다.
4. 공기극 제조 단계
공기극 소재와 바인더로서 ESL441를 3 roll mill을 이용하여 페이스트로 제조하였다. 공기극 조성물 페이스트를 스크린 프린팅(screen printing)법으로 도포하고 건조하여 공기극을 형성한 후 소결 후 셀을 제조하였다.
5. 실링 및 구동단계
분리재와 제조한 셀 사이에 실링재를 위치시킨 후, 실링온도까지 가열 후 구동하고자 하는 온도까지 냉각하였다.
<비교예 1>
실링재의 제조
각 성분의 원료를 상기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성(몰% 기준)이 되도록 조합하고, 백금 도가니를 사용하여 1200℃의 온도에서 5시간 가열하여 융융시켰다. 용융시에는 백금 스터러(stirrer)를 삽입하고 1시간 교반하여 유리를 균질화하였다. 이어서 용융 유리를 600℃에서 서냉하여 각 제조예의 유리를 얻었다. 한편, 얻어진 유리에 대해서는 파쇄 후 입자크기를 10 μm 내지 20μm 수준으로 분급하여 선별 사용하였다. 유리분말과 바인더로서 ESL441를 3 roll mill을 이용하여 페이스트로 제조 한 후, 분리재와 셀 사이에 Printing을 통해 코팅한 하고 실링온도까지 가열 후 구동하고자 하는 온도까지 냉각하였다.
연료전지의 제조
상기 실시예와 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.
<비교예 2>
실링재의 제조
각 성분의 원료를 상기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성(몰% 기준)이 되도록 조합하고, 백금 도가니를 사용하여 1200℃의 온도에서 5시간 가열하여 융융시켰다. 용융시에는 백금 스터러(stirrer)를 삽입하고 1시간 교반하여 유리를 균질화하였다. 이어서 용융 유리를 600℃에서 서냉하여 각 제조예의 유리를 얻었다. 한편, 얻어진 유리에 대해서는 파쇄 후 입자크기를 10 μm 내지 20μm 수준으로 분급하여 선별 사용하였다. 유리분말을 분산제, 가소제 및 아크릴계 바인더를 혼합하여 실링재 슬러리를 제작하였다. 제작된 슬러리를 닥터 블레이드(doctor blade)에 도포하여 실링재 테이프를 제작하였다. 그리고 라미네이션을 통해 원하고자하는 두께의 실링재 테이프를 적층하여 사용하였다.
연료전지의 제조
상기 실시예와 동일한 방법으로 연료전지를 제작하였다.
<실험예>
유기물 바인더 또는 용매를 포함하는 비교예 1 및 비교예 2의 실링재와 본 발명에 의한 실링재를 이용하여 각각 연료전지의 성능측정을 진행하였으며, 실링재의 접착상태를 관찰하였다. 관찰결과를 도 3에 나타내었다.
구체적으로, 도 5 및 도 6은 종래의 제조방법과 같이 유기물 바인더 또는 용매를 포함하는 실링재용 조성물을 이용하여 제조된 실링재의 접착상태를 관찰한 결과를 나타내었고, 도 7은 본 명세서의 실링재를 이용하여 제조된 실링재의 접착상태를 관찰한 결과를 나타내었다. 도 5 및 도 6에서 볼 수 있듯이, 도 5및 도 6에는 기포 발생에 의한 실링재의 접촉 불량을 확인할 수 있고, 도 7은 기포 발생에 의한 문제가 생기지 않음을 알 수 있었다.

Claims (14)

  1. 수평 단면이 고리 형태이고, 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부를 포함하는 고체산화물 연료전지용 실링재에 있어서,
    상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이가 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이보다 큰 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면은 다각형의 고리 형태이거나, 원형의 고리 형태인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 상단부 및 하단부의 수평 단면은 다각형의 고리 형태이거나, 원형의 고리 형태인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 최대길이는 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이의 50% 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 최대길이는 연료전지 셀의 접착 부위의 길이와 동일한 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 중심으로부터 가까운 쪽의 고리와 중심으로부터 먼쪽 고리 간의 최단 선폭은 실링재에 접착되는 연료전지 셀의 접착부위의 길이의 50% 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수직단면의 면적은 두께방향으로 내부의 어느 한 지점의 수직단면의 면적보다 작은 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 면적은 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평 단면의 면적보다 작은 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께방향으로의 양 끝 지점인 상단부 및 하단부의 수평단면의 면적은 실링재의 두께방향으로 내부의 적어도 어느 한 지점의 수평단면의 면적의 50% 이하인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재 상단부 및 하단부는 뾰족한 형태인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 실링재의 두께는 0.2mm 이상 2mm이하인 것인 고체산화물 연료전지용 실링재.
  12. 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀;
    상기 연료전지 셀의 상면 및 하면에 구비된 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지용 실링재; 및
    상기 실링재의 상면 및 하면에 구비된 분리판을 포함하는 고체산화물 연료전지.
  13. 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지 셀을 준비하는 단계;
    상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 고체산화물 연료전지용 실링재를 적층하는 단계; 및
    상기 고체산화물 연료전지 셀의 상면 및 하면에 각각 상기 실링재가 적층된 적층체를 가열하는 단계를 포함하는 고체산화물 연료전지의 제조방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 가열하는 단계는 750℃ 내지 850℃ 범위에서 수행 되는 것인 고체산화물 연료전지의 제조방법.
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