KR20180071673A - Preparation method of support of solid oxide fuel cell and support of solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법 및 이로부터 제조된 고체산화물형 연료전지 지지체에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a solid oxide fuel cell backing and a solid oxide fuel cell backing made therefrom.
연료전지는 천연가스, 석탄가스, 메탄올 등의 탄화수소 화합물에 함유된 수소와 공기 중에 포함된 산소가 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 생산하는 고효율의 자연친화적인 기술이다. 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물형, 고분자형으로 분류된다. 상기 인산형 연료전지(제1세대)는 화석연료에서 유래된 수소가스와 공기 중의 산소를 연료로 사용하면서 인산 전해질을 이용하고, 상기 용융탄산염 연료전지(제2세대)는 전해질로 인산 대신 용융염을 이용하여 약 650℃에서 작동하고, 상기 고체산화물형 연료전지(제3세대)는 전해질로 고체상의 세라믹을 이용하여 600 내지 1000℃의 고온에서 작동한다. A fuel cell is a highly efficient, naturally friendly technology in which hydrogen contained in a hydrocarbon compound such as natural gas, coal gas, and methanol and oxygen contained in the air produce electrical energy by an electrochemical reaction. These fuel cells are largely divided into alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate, solid oxide type, and polymer type depending on the type of electrolyte used. The phosphoric acid fuel cell (first generation) uses a phosphoric acid electrolyte while using hydrogen gas derived from a fossil fuel and oxygen in the air as a fuel, and the molten carbonate fuel cell (second generation) uses a molten salt , And the solid oxide fuel cell (third generation) operates at a high temperature of 600 to 1000 DEG C using solid ceramics as an electrolyte.
일반적인 고체산화물형 연료전지는 지지체 위에 단전지가 배치되고, 상기 지지체 상부에 순차적으로 연료극, 전해질, 공기극이 적층되는 구조를 갖는다. 상기 고체산화물형 연료전지는 종래의 연료전지들 중에서 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라 연료 개질기를 필요로 하지 않으며 복합발전이 가능하다는 장점이 있다. 이러한 고체산화물형 연료전지는 형태에 따라 크게 원통형, 평판형, 일체형으로 구분되며, 원통형과 평판형의 장점을 동시에 갖는 평관형도 있다. 평관형의 경우에는 전력 밀도와 생산성이 우수하고, 전해질 박막화가 가능하다는 장점이 있다. In a typical solid oxide fuel cell, a unit cell is disposed on a support, and a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are sequentially stacked on the support. The solid oxide fuel cell has the advantages of being the most efficient among the fuel cells of the related art, having less pollution, requiring no fuel reformer, and capable of combined power generation. Such a solid oxide fuel cell is roughly classified into a cylindrical shape, a flat plate shape, and an integral shape depending on the shape thereof, and also has a flat shape having the advantages of a cylindrical shape and a flat shape. In the case of the flat tubular type, the power density and the productivity are excellent, and the electrolytic thin film can be formed.
한편, 고체산화물형 연료전지는 지지체를 통해 연료 투과량이 증가할수록 고출력 발전이 가능하므로, 지지체의 다공성과 내열성이 필수적으로 요구된다. 일반적으로, 지지체는 원료 물질들이 혼합된 혼합 분말을 이용하여 제조된다. 이때, 원료 물질들이 균일하게 혼합되지 않을 경우에는 지지체의 각 부위마다 공극이 일정하게 형성되지 않아 연료 효율이 저하될 수 있고, 열팽창계수가 균일하지 않아 열적 쇼크가 문제될 수 있다. 그러므로, 이러한 지지체의 문제들을 해결하기 위해서는 많은 연구가 진행될 필요가 있다.On the other hand, in the solid oxide fuel cell, as the fuel permeation amount increases through the support, high output power generation is possible, so that the porous body and heat resistance of the support are indispensably required. Generally, the support is prepared using a mixed powder in which raw materials are mixed. At this time, if the raw materials are not mixed uniformly, voids are not formed uniformly in each portion of the support, so that the fuel efficiency may be lowered, and the thermal expansion coefficient may not be uniform and thermal shock may be a problem. Therefore, a lot of research is needed to solve the problems of such supports.
상기한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 액상법으로 제조되어 균일하게 혼합된 분말을 이용하여, 각 부위마다 기공률 및 열팽창계수가 균일한 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법 및 이로부터 제조된 고체산화물형 연료전지 지지체를 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for producing a solid oxide fuel cell support having uniform porosity and thermal expansion coefficient at each site by using a powder prepared by a liquid phase method and uniformly mixed, and a solid oxide Type fuel cell support.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물을 순수에 용해하여 혼합 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합 수용액을 80 내지 200℃에서 6 내지 15시간 동안 건조하여 건조물로 제조하는 단계; (c) 상기 건조물을 1차 분쇄한 후 1000 내지 2000℃에서 2 내지 6시간 동안 소성하는 단계; (d) 상기 소성된 분말을 2차 분쇄하는 단계; (e) 상기 2차 분쇄된 분말에 용매와 기공형성제를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (f) 상기 슬러리를 성형체로 성형한 후 건조하여 소결하는 단계를 포함하는 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법을 제공한다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for producing a water-soluble magnesium compound, comprising: (a) dissolving a water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound in purified water to prepare a mixed aqueous solution; (b) drying the mixed aqueous solution at 80 to 200 ° C for 6 to 15 hours to obtain a dried product; (c) firstly pulverizing the dried material and then calcining at 1000 to 2000 ° C for 2 to 6 hours; (d) secondarily pulverizing the fired powder; (e) adding a solvent and a pore-forming agent to the second pulverized powder to prepare a slurry; And (f) shaping the slurry into a molded body, followed by drying and sintering the solid oxide fuel cell support.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 고체산화물형 연료전지 지지체를 제공한다.Further, the present invention provides a solid oxide fuel cell scaffold prepared by the above method.
본 발명에 따른 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법은, 원료 물질로 사용되는 수용성 화합물들을 용해한 후 건조 및 분쇄하여 균일하게 혼합된 분말을 성형체(지지체)의 제조에 이용한다. 이러한 분말을 기공형성제와 혼합하여 성형체를 제조할 경우에는 기공이 균일하게 형성되며, 지지체의 각 부위마다 열팽창계수가 균일하다. 결과적으로, 이러한 지지체를 적용한 고체산화물형 연료전지는 연료 및 전력 효율이 향상되어 우수한 성능을 나타낼 수 있다.In the method for producing a solid oxide fuel cell support according to the present invention, water-soluble compounds used as raw materials are dissolved, followed by drying and pulverization, and uniformly mixed powders are used in the production of a molded article (support). When such a powder is mixed with a pore-forming agent to produce a molded article, the pores are uniformly formed, and the thermal expansion coefficient is uniform for each portion of the support. As a result, the solid oxide fuel cell to which such a support is applied can exhibit excellent performance with improved fuel and power efficiency.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평관형상을 갖는 지지체의 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체의 표면 및 파단면 SEM 이미지이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a view of a support having a flat profile according to one embodiment of the present invention.
2 is a SEM image of a surface and a fracture surface of a support according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
고체산화물형 연료전지는 지지체를 통해 연료 투과량이 조절되며, 이로 인해 고출력 발전이 가능하다. 이러한 지지체는 연료가 충분히 투과할 수 있는 다공성과 함께, 발전시 생성되는 고열을 견딜 수 있는 내열성이 요구된다. 종래에는 분말 형태의 원료 물질을 직접 혼합한 후 지지체를 제조하였기 때문에, 분말이 균일하게 혼합되지 않아 지지체의 각 부위마다 물성(다공성, 내열성)이 상이하였다. 이러한 물성이 상이한 지지체를 고체산화물형 연료전지에 적용할 경우에는 각 부위마다 연료 투과량과 내열특성이 일정하지 않아, 결국에는 연료전지의 효율이 저하되고 열적 쇼크가 문제될 수 있다.In the solid oxide fuel cell, the fuel permeation amount is regulated through the support, thereby enabling high output power generation. Such a support is required to have heat resistance such that it can withstand the high heat generated at the time of power generation as well as the porosity through which the fuel can sufficiently permeate. Conventionally, since the support is prepared after directly mixing the powdery raw material, the powder is not uniformly mixed, and the physical properties (porosity, heat resistance) are different for each part of the support. When the support having different physical properties is applied to the solid oxide fuel cell, the fuel permeation amount and the heat resistance property are not constant at each site, and the efficiency of the fuel cell may be lowered and thermal shock may be a problem.
이에, 본 발명은 종래 분말 형태의 원료 물질을 사용하되, 액상법을 이용하여 균일한 조성과 구조를 갖는 분말을 1차로 제조한 후 이를 이용하여 지지체를 제조하는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 2종 이상의 수용성 화합물들을 원료 물질로 이용하여 혼합 수용액을 제조한 후 건조 및 분쇄를 거쳐 균일한 조성과 입도를 갖는 분말을 제조하고, 이러한 분말을 소성 및 분쇄한 후 기공형성제가 첨가된 슬러리로 제조하여 성형함으로써, 각 부위마다 기공률 및 열팽창계수가 균일한 지지체를 제조할 수 있다. Accordingly, the present invention is characterized in that a powder having a uniform composition and structure is first prepared using a raw material of powder type, and a liquid phase method is used, and then a support is manufactured using the powder. More specifically, two or more water-soluble compounds are used as a raw material to prepare a mixed aqueous solution, followed by drying and pulverization to prepare powders having uniform composition and particle size. The powders are calcined and pulverized, And then the resulting slurry is molded into a support having uniform porosity and thermal expansion coefficient at each site.
<고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법>≪ Method of producing solid oxide type fuel cell support >
본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법은 (a) 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물을 순수에 용해하여 혼합 수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합 수용액을 80 내지 200℃에서 6 내지 15시간 동안 건조하여 건조물로 제조하는 단계; (c) 상기 건조물을 1차 분쇄한 후 1000 내지 2000℃에서 2 내지 6시간 동안 소성하는 단계; (d) 상기 소성된 분말을 2차 분쇄하는 단계; (e) 상기 2차 분쇄된 분말에 용매와 기공형성제를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 및 (f) 상기 슬러리를 성형체로 성형한 후 건조하여 소결하는 단계를 포함한다. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell support according to an embodiment of the present invention includes the steps of: (a) preparing a mixed aqueous solution by dissolving a water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound in pure water; (b) drying the mixed aqueous solution at 80 to 200 ° C for 6 to 15 hours to obtain a dried product; (c) firstly pulverizing the dried material and then calcining at 1000 to 2000 ° C for 2 to 6 hours; (d) secondarily pulverizing the fired powder; (e) adding a solvent and a pore-forming agent to the second pulverized powder to prepare a slurry; And (f) shaping the slurry into a compact, followed by drying and sintering.
이하, 본 발명에 따른 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법에 대해 설명한다. 그러나, 본 발명의 고체산화물형 연료전지 지지체는 하기 제조방법으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 각 공정의 단계가 변형되거나 또는 선택적으로 혼용될 수 있다.Hereinafter, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell support according to the present invention will be described. However, the solid oxide fuel cell support of the present invention is not limited to the following production method, and the steps of each step may be modified or optionally mixed as necessary.
(a) 단계: 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물을 순수에 용해하여 혼합 수용액을 제조한다.(a): A water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound are dissolved in purified water to prepare a mixed aqueous solution.
상기 수용성 마그네슘 화합물은 아세트산마그네슘((CH3CO2)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 염화마그네슘(MgCl2), 질산마그네슘(Mg(NO3)2) 및 황산마그네슘(MgSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이때 혼합 수용액에 불순물이 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 수용성 마그네슘 화합물은 아세트산마그네슘 또는 수산화마그네슘인 것이 바람직하다.The water-soluble magnesium compound is a magnesium acetate ((CH 3 CO 2) 2 ), magnesium hydroxide (Mg (OH) 2), magnesium chloride (MgCl 2), magnesium nitrate (Mg (NO 3) 2) and magnesium sulfate (MgSO 4 ). ≪ / RTI > At this time, in order to prevent impurities from being formed in the mixed aqueous solution, the water-soluble magnesium compound is preferably magnesium acetate or magnesium hydroxide.
상기 수용성 알루미늄 화합물은 아세트산알루미늄(Al(CH3CO2)3), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 염화알루미늄(AlCl3), 질산알루미늄(Al(NO3)3) 및 살리실산알루미늄(Al(C7H5O3)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이때 혼합 수용액에 불순물이 형성되는 것을 방지하기 위해, 상기 수용성 알루미늄 화합물은 아세트산알루미늄 또는 수산화알루미늄인 것이 바람직하다.The water-soluble aluminum compound is ethyl aluminum (Al (CH 3 CO 2) 3), aluminum hydroxide (Al (OH) 3), aluminum chloride (AlCl 3), aluminum nitrate (Al (NO 3) 3) and acid aluminum (Al (C 7 H 5 O 3 ) 3 ). At this time, in order to prevent impurities from being formed in the mixed aqueous solution, the water-soluble aluminum compound is preferably aluminum acetate or aluminum hydroxide.
이러한 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물은 순수에 충분히 용해될 수 있도록 적절한 양을 사용하여 혼합 수용액으로 제조된다. 상기 혼합 수용액은 당 업계에 공지된 통상적인 혼합 방법을 제한 없이 사용하여 제조될 수 있다. 이때, 상기 혼합 수용액은 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물을 30 내지 60 : 40 내지 70의 중량비로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물의 혼합 비율이 40 내지 50 : 50 내지 60의 중량비일 수 있다. Such a water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound are prepared as a mixed aqueous solution using an appropriate amount so that they can be sufficiently dissolved in pure water. The above-mentioned mixed aqueous solution can be produced by using any conventional mixing method known in the art without limitation. At this time, the mixed aqueous solution may contain a water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound in a weight ratio of 30 to 60: 40 to 70. Preferably, the mixing ratio of the water-soluble magnesium compound and the water-soluble aluminum compound is 40 to 50: 50 to 60.
(b) 단계: 상기 혼합 수용액을 80 내지 200℃에서 4 내지 15시간 동안 건조하여 건조물을 제조한다.(b): The mixed aqueous solution is dried at 80 to 200 ° C for 4 to 15 hours to prepare a dried product.
상기 혼합 수용액은 용해된 마그네슘 이온과 알루미늄 이온이 혼합된 상태로, 이를 건조하여 마그네슘과 알루미늄이 균일하게 혼합된 건조물로 제조될 수 있다.The mixed aqueous solution may be prepared as a dried product in which magnesium ions and aluminum ions are mixed with each other and dried to uniformly mix magnesium and aluminum.
건조시 급격한 온도 변화가 있을 경우에는 미반응물로 인해 순도가 저하될 수 있어, 상기 혼합 수용액은 80 내지 200℃에서 4 내지 15시간 동안 건조될 수 있다. 보다 구체적으로, (b-1) 상기 혼합 수용액을 85 내지 95℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제1단계; (b-2) 상기 제1단계의 결과물을 96 내지 120℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제2단계; 및 (b-3) 상기 제2단계의 결과물을 150 내지 200℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제3단계를 순차적으로 실시할 수 있다. 이때, 상기 혼합 수용액은 핫 플레이트(hot plate)에서 교반하면서 건조될 수 있다.If there is a rapid temperature change during drying, the purity may be lowered due to unreacted materials, and the mixed aqueous solution may be dried at 80 to 200 ° C for 4 to 15 hours. (B-1) stirring the mixed aqueous solution at 85 to 95 캜 for 2 to 5 hours and drying the mixture; (b-2) a second step of stirring the resultant of the first step at 96 to 120 ° C for 2 to 5 hours to dry; And (b-3) a third step of stirring and drying the resultant of the second step at 150 to 200 ° C for 2 to 5 hours. At this time, the mixed aqueous solution may be dried while stirring in a hot plate.
이러한 건조물은 벌크(bulk) 형태일 수 있다.Such a dried material may be in a bulk form.
(c) 단계: 상기 건조물을 1차 분쇄한 후 1000 내지 2000℃에서 2 내지 6시간 동안 소성한다.(c): The dried material is first pulverized and then calcined at 1000 to 2000 ° C for 2 to 6 hours.
상기 건조물은 당 업계에 공지된 미분쇄 공정을 제한 없이 사용하여 1차로 분쇄된다.The dried material is first pulverized using a finely pulverizing process known in the art without limitation.
상기 미분쇄 공정의 일례로는 튜브 밀(tube mill), 콤파운드 밀(compound mill), 로드 밀(rod mill) 등의 볼 밀(ball mill)일 수 있다. 상기 볼 밀의 조건은 분쇄되는 건조물에 따라 상이할 수 있으며, 일례로 지르코늄(Zr) 볼을 건조물 투입량 대비 1 내지 5배로 투입하고 에탄올, 아세톤 등의 용매를 사용하여 200 내지 300rpm으로 2 내지 12시간 동안 분쇄할 수 있다. 이때, 1차 분쇄된 분말은 평균 입도가 10 내지 15㎛일 수 있다.Examples of the pulverization process include a ball mill, such as a tube mill, a compound mill, and a rod mill. For example, zirconium (Zr) balls are charged at a rate of 1 to 5 times the amount of the dried material and dried at 200 to 300 rpm for 2 to 12 hours using a solvent such as ethanol or acetone. The conditions of the ball mill may vary depending on the dried material to be pulverized. It can be pulverized. At this time, the primary pulverized powder may have an average particle size of 10 to 15 mu m.
이러한 1차 분쇄된 분말은 도가니에 장입하여 대기에서 1000 내지 2000℃, 2 내지 6시간 동안 소성한다. 상기 분말은 소성 공정을 통해 반응하여, 마그네슘-알루미늄 반응물(예컨대, MgAl2O4)로 전환될 수 있다.These primary pulverized powders are charged into a crucible and fired in the atmosphere at 1000 to 2000 ° C for 2 to 6 hours. The powder may be reacted through a calcination process and converted to a magnesium-aluminum reactant (e.g., MgAl 2 O 4 ).
(d) 단계: 상기 소성된 분말을 2차 분쇄한다.(d): The fired powder is secondarily pulverized.
상기 (c) 단계에서 수득된 분말은 소성 공정으로 인해 입도가 커진 상태로, 이를 미분말화하기 위해 2차 분쇄한다. 상기 2차 분쇄는 당 업계에 공지된 조분쇄 공정 및/또는 미분쇄 공정을 제한 없이 사용할 수 있다. The powder obtained in the step (c) is in a state of increased particle size due to the firing process and is secondly pulverized to make it into a powder. The secondary pulverization can be carried out without any limitation in the coarsely pulverizing process and / or the pulverizing process known in the art.
상기 조분쇄 공정으로는 커터 믹서(cutter mixer)를 사용할 수 있으며, 커터 믹서의 조건은 일례로 배치(batch) 당 분말 500g을 2,000 내지 3,000rpm으로 1 내지 10분 동안 분쇄할 수 있다. 이때, 10분을 초과하여 분쇄할 경우에는 이물질의 혼입으로 인해 분말이 오염될 수 있다.A cutter mixer may be used as the coarse grinding process. For example, 500 g of powder per batch may be milled at 2,000 to 3,000 rpm for 1 to 10 minutes. At this time, if the powder is pulverized for more than 10 minutes, the powder may be contaminated due to the inclusion of foreign matter.
상기 미분쇄 공정으로는 제트 밀(ject mill) 또는 유성 밀(planetary mill)을 사용할 수 있다. 이때, 유성 밀의 조건은 일례로 지르코늄 볼(Ø15mm)을 분말 투입량 대비 3 내지 6배로 투입하여 200 내지 500rpm으로 5 내지 30분 동안 분쇄할 수 있다. As the pulverization process, a jet mill or a planetary mill may be used. At this time, for example, zirconium balls (Ø15 mm) can be pulverized at 200 to 500 rpm for 5 to 30 minutes by feeding the powder at a rate of 3 to 6 times the amount of the powder.
상기 소성된 분말을 6㎛ 이하의 미분말로 얻기 위해, 2차 분쇄로 조분쇄 및 미분쇄 공정을 모두 실시하는 것이 바람직하다.In order to obtain the fired powder as a fine powder having a size of 6 탆 or less, it is preferable to carry out both of the coarse grinding and the fine grinding by the secondary grinding.
이러한 2차 분쇄된 분말은 마그네슘과 알루미늄이 균일하게 혼합된 반응물로 미세한 입자 크기를 가지며, 이때 평균 입자 크기가 1 내지 6㎛, 바람직하게는 2 내지 4㎛일 수 있다.This second milled powder is a reaction product in which magnesium and aluminum are uniformly mixed and has a fine particle size, wherein the average particle size may be 1 to 6 탆, preferably 2 to 4 탆.
(e) 단계: 상기 2차 분쇄된 분말에 용매와 (e): adding a solvent and a solvent to the second pulverized powder 기공형성제를Pore forming agent 첨가하여 슬러리를 제조한다. To prepare a slurry.
상기 용매는 당 업계에 공지된 통상적인 용매를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로는 암모니아수; 에탄올, 메탄올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; 아세톤, 메틸 에틸 케톤 등의 케톤계 용매 등일 수 있다. 이러한 용매는 상기 2차 분쇄된 분말 100중량부에 대하여 15 내지 30중량부가 첨가될 수 있다.The solvent may be any conventional solvent known in the art without limitation, and examples thereof include ammonia water; Alcohol solvents such as ethanol, methanol and isopropyl alcohol; Acetone, ketone solvents such as methyl ethyl ketone, and the like. The solvent may be added in an amount of 15 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the second pulverized powder.
상기 기공형성제는 카본 분말, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 천연흑연, 인조흑연, 그래핀, 카본 화이퍼, 플러렌, 카본 나노튜브, 카본 나노와이어, 카본 나노혼 및 카본 나노링으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 이러한 기공형성제는 상기 2차 분쇄된 분말 100중량부에 대하여 5 내지 15중량부가 첨가될 수 있다. 이때, 상기 기공형성제의 응집을 막기 위해 분산제가 더 첨가될 수 있다. 상기 분산제는 당 업계에 공지된 통상적인 분산제를 제한 없이 사용할 수 있으며, 상기 2차 분쇄된 분말 100중량부에 대하여 0.1 내지 2중량부일 수 있다.The pore-forming agent may be selected from the group consisting of carbon powder, carbon black, acetylene black, activated carbon, natural graphite, artificial graphite, graphene, carbon fiber, fullerene, carbon nanotube, carbon nanowire, ≪ / RTI > The pore former may be added in an amount of 5 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the second pulverized powder. At this time, a dispersant may be further added to prevent aggregation of the pore-forming agent. The dispersing agent may be any conventional dispersing agent known in the art and may be used in an amount of 0.1 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the second pulverized powder.
상기 2차 분쇄된 분말에는 용매와 기공형성제 외에, 바인더, 가소제 등의 통상적인 첨가제를 첨가할 수 있다. Conventional additives such as a binder and a plasticizer may be added to the secondary pulverized powder in addition to the solvent and the pore-forming agent.
상기 바인더는 퍼플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자 등의 소수성 고분자; 노블락형 페놀 수지, 레졸형 페놀 수지 등의 페놀 수지; 메틸셀룰로오스, 프로필셀룰로오스 등의 셀룰로오스일 수 있다. The binder may be at least one selected from the group consisting of perfluorinated polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyether sulfone polymers, and polyether ketone polymers Hydrophobic polymers; Phenolic resins such as novolak type phenol resins and resol type phenol resins; Cellulose such as methylcellulose, propylcellulose, and the like.
상기 가소제는 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 폴리에틸렌 옥사이드, 폴리프로필렌 글리콜, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 폴리(비닐아세테이트-co-비닐알코올) 등일 수 있다. 이러한 첨가제는 상기 2차 분쇄한 분말 100중량부에 대하여 3 내지 7중량부가 첨가될 수 있다.The plasticizer may be polyethylene glycol (PEG), polyethylene oxide, polypropylene glycol, ethylene glycol, propylene glycol, poly (vinyl acetate-co-vinyl alcohol) and the like. Such an additive may be added in an amount of 3 to 7 parts by weight based on 100 parts by weight of the powder obtained by the second pulverization.
이러한 2차 분쇄된 분말과 함께 용매, 기공형성제, 첨가제를 혼합한 후 혼련하여 슬러리를 제조한다. 이때 슬러리가 균일하게 제조될 수 있도록, 혼련 공정을 1회 이상 반복하여 수행할 수 있다.A solvent, a porogen and an additive are mixed together with the second pulverized powder, followed by kneading to prepare a slurry. At this time, the kneading step may be repeated one or more times so that the slurry can be uniformly produced.
(f) 단계: 상기 슬러리를 (f): The slurry 성형체로As a molded article 성형한 후 건조하여 소결한다. After molding, it is dried and sintered.
상기 슬러리는 원하는 형태의 성형체로 성형한다. 이때, 성형체는 고체산화물형 연료전지의 형태에 따라 원통형, 평판형, 일체형 또는 평관형일 수 있다. 상기 성형은 당 업계에 공지된 통상적인 성형 방법을 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로는 압출 성형, 프레스 성형 등일 수 있다. 상기 압출 성형인 경우에는 스크류 압출기를 이용할 수 있다.The slurry is formed into a desired shape of the formed body. At this time, the shaped body may be cylindrical, flat plate, integral or flat tube depending on the shape of the solid oxide fuel cell. The molding may be performed by any conventional molding method known in the art without limitation, and may be, for example, extrusion molding, press molding, or the like. In the case of the extrusion molding, a screw extruder may be used.
상기 성형체는 대기에서 건조한 후 소결하여 최종 지지체로 제조된다. 보다 구체적으로, (f-1) 상기 성형체를 대기에서 10 내지 28시간 동안 건조하는 제1단계; 및 (f-2) 상기 제1단계의 결과물을 1000 내지 1500℃에서 4 내지 8시간 동안 소결하는 제2단계를 순차적으로 실시할 수 있다. 이때, 성형체 건조시 상온일 수 있고, 소결시 대기 또는 산소 분위기일 수 있다.The compact is dried in air and then sintered to produce the final support. More specifically, (f-1) a step of drying the molded body in the air for 10 to 28 hours; And (f-2) sintering the result of the first step at 1000 to 1500 ° C for 4 to 8 hours. At this time, it may be room temperature at the time of drying the formed body, and may be atmosphere or oxygen atmosphere at the time of sintering.
이와 같은 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법은 분말 형태의 마그네슘과 알루미늄을 이용하여 액상법으로 제조된, 조성과 구조가 균일한 분말을 이용함으로써 종래의 마그네슘 분말과 알루미늄 분말을 직접 혼합한 분말에 비해 높은 혼합률 및 균일한 입도 크기를 갖기 때문에 기공률 및 열팽창계수가 균일한 지지체를 제조할 수 있다.The method of producing such a solid oxide fuel cell backing is a method of preparing a solid oxide fuel cell backing by using a powder having a uniform composition and structure prepared by a liquid phase method using magnesium and aluminum in powder form and thus compared with a powder in which a conventional magnesium powder and aluminum powder are directly mixed Since a high mixing ratio and a uniform particle size are obtained, a support having uniform porosity and thermal expansion coefficient can be produced.
<고체산화물형 연료전지 지지체>≪ Solid oxide type fuel cell support >
상기 제조방법에 따라 제조된 고체산화물형 연료전지 지지체는 연료전지를 지지하는 역할을 하면서 연료를 공급하는 통로를 제공하며, 형태가 원통형, 평판형, 일체형 또는 평관형일 수 있다. 도 1을 참조하면, 평관형상의 지지체(10)는 연료 공급 통로(20)를 포함하며, 상기 연료 공급 통로의 형태는 사각형뿐만 아니며 원형, 타원형, 오각형, 육각형 등의 다양한 형태일 수 있다.The solid oxide fuel cell support manufactured according to the above-described method provides a passage for supplying fuel while supporting the fuel cell, and may be cylindrical, flat plate, integral or flat pipe. Referring to Fig. 1, the
이러한 지지체는 기공률이 30% 이상이며, 각 부위마다 균일한 기공률을 갖기 때문에 하나의 지지체에서 동일한 연료 투과량을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 지지체는 각 부위마다 균일한 열팽창계수를 갖기 때문에 하나의 지지체에서 동일한 내열특성을 나타낼 수 있다. 그러므로, 본 발명에 지지체를 적용한 고체산화물형 연료전지는 균일한 기공률 및 열팽창계수에 의해 우수한 연료 효율 및 발전 효율을 갖는다.Such a support has a porosity of 30% or more and can have the same fuel permeability in one support since it has a uniform porosity at each site. In addition, since the support has a uniform thermal expansion coefficient at each site, it can exhibit the same heat resistance characteristics in one support. Therefore, the solid oxide fuel cell to which the support is applied according to the present invention has excellent fuel efficiency and power generation efficiency due to uniform porosity and thermal expansion coefficient.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명하나, 하기 실시예는 본 발명의 한 형태를 예시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described concretely with reference to Examples. However, the following Examples illustrate only one embodiment of the present invention, and the scope of the present invention is not limited by the following Examples.
[[ 실시예Example 1] 지지체의 제조 1] Preparation of Support
순수에 아세트산마그네슘과 아세트산알루미늄을 42:58의 중량비로 용해하여 혼합 수용액을 제조하였다. 상기 혼합 수용액을 90℃에서 4시간, 100℃에서 4시간, 180℃에서 4시간 동안 핫 플레이트(hot plate)에서 교반하여 건조하였다. 건조물을 1차로 볼 밀(분말:볼=1:3의 중량비, 300rpm, 1시간)로 분쇄한 후 질소 분위기 하에서 1500℃, 4시간 동안 소성하였다. 소성된 분말(입자 크기: 12.992㎛)을 2차로 커터 믹서(분말 500g/배치, 2500rpm, 5분)로 분쇄한 후 유성 밀(분말:볼=1:5의 중량비, 350rpm, 15분)로 분쇄하였다. 2차 분쇄된 분말(입자 크기: 21.148㎛) 2kg, 에탄올(용매) 500g, 카본(기공형성제) 200g, PVA(분산제) 10g, 메틸셀룰로오스(바인더) 80g, PEG(가소제) 5g을 첨가하고 혼련하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 평관형 성형체로 압출하였다. 상기 성형체를 대기에서 상온으로 24시간 동안 건조한 후 1300℃, 6시간 동안 소결하였고, 최종 지지체를 제조하였다. Magnesium acetate and aluminum acetate were dissolved in pure water at a weight ratio of 42:58 to prepare a mixed aqueous solution. The mixed aqueous solution was dried by stirring on a hot plate at 90 캜 for 4 hours, at 100 캜 for 4 hours and at 180 캜 for 4 hours. The dried material was first pulverized by a ball mill (powder: ball = 1: 3 weight ratio, 300 rpm, 1 hour), and then calcined at 1500 DEG C for 4 hours under a nitrogen atmosphere. The fired powder (particle size: 12.992 탆) was pulverized by a secondary cutter mixer (powder 500 g / batch, 2500 rpm, 5 minutes) and pulverized with a planetary mill (powder: ball = 1: 5 weight ratio, 350 rpm, 15 minutes) Respectively. 2 g of the pulverized powder (particle size: 21.148 탆), 500 g of ethanol (solvent), 200 g of carbon (porogen), 10 g of PVA (dispersant), 80 g of methyl cellulose (binder) and 5 g of PEG To prepare a slurry. The slurry was extruded into a flat tubular shaped body. The formed body was dried in air at room temperature for 24 hours and then sintered at 1300 ° C for 6 hours to prepare a final support.
이때, 분말의 입자 크기는 마이크로 입도 분석기(PSA)를 이용하여 에탄올 분위기 하에서 2500rpm으로 초음파를 분산하여 측정하였다.At this time, the particle size of the powder was measured by dispersing ultrasonic waves at 2500 rpm in an ethanol atmosphere using a micro particle size analyzer (PSA).
[[ 비교예Comparative Example 1] 지지체의 제조 1] Preparation of Support
산화마그네슘과 산화알루미늄을 70:30의 중량비로 혼합한 후 볼 밀(분말:볼=1:3의 중량비, 250rpm, 2시간)로 분쇄하여 혼합 분말(입자 크기: 21㎛)을 제조하였다. 상기 혼합 분말 2kg, 에탄올(용매) 500g, 카본(기공형성제) 200g, PVA(분산제) 10g, 메틸셀룰로오스(바인더) 80g, PEG(가소제) 5g을 첨가하고 혼련하여 슬러리를 제조하였다. 상기 슬러리를 이용하여 평관형상 성형체로 압출하였다. 상기 성형체를 대기에서 상온으로 24시간 동안 건조한 후 1300℃에서 6시간 동안 소결하였고, 최종 지지체를 제조하였다.Magnesium oxide and aluminum oxide were mixed at a weight ratio of 70:30 and then pulverized with a ball mill (weight ratio of powder: ball = 1: 3, 250 rpm, 2 hours) to prepare a mixed powder (particle size: 21 탆). 2 kg of the mixed powder, 500 g of ethanol (solvent), 200 g of carbon (pore forming agent), 10 g of PVA (dispersant), 80 g of methylcellulose (binder) and 5 g of PEG (plasticizer) were added and kneaded to prepare a slurry. The slurry was used to extrude into a flat tubular shaped body. The molded body was dried in the air at room temperature for 24 hours and then sintered at 1300 ° C for 6 hours to prepare a final support.
[[ 실험예Experimental Example 1] 단면 관찰 1] Cross section observation
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 지지체의 표면 및 파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.Surface and fracture surfaces of the support prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were observed with a scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in Fig.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체(실시예 1)는 종래 방법으로 제조된 지지체(비교예 1)에 비해 기공이 균일하게 형성된 것을 알 수 있었다.As shown in FIG. 2, it was found that the support according to the present invention (Example 1) had uniform pores as compared with the support prepared according to the conventional method (Comparative Example 1).
[[ 실험예Experimental Example 2] 기공률 측정 2] Porosity measurement
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 지지체의 기공률을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The porosity of the support prepared in Example 1 and Comparative Example 1 was measured and the results are shown in Table 1 below.
이때, 10*10mm의 크기로 제조된 시편을 프로시메터(Prosimeter, Micromeritics社)를 이용하여 수은가압을 통해 기공률을 측정하였다.At this time, the porosity of the specimen manufactured to have a size of 10 * 10 mm was measured by mercury pressurization using Proscimer (Micromeritics).
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체(실시예 1)는 종래 방법으로 지지체(비교예 1)에 비해 기공률이 높은 것을 알 수 있었다. As shown in Table 1, it was found that the support according to the present invention (Example 1) had a higher porosity than the support (Comparative Example 1) by the conventional method.
[[ 실험예Experimental Example 3] 열팽창계수 측정 3] Measurement of thermal expansion coefficient
실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 지지체의 열팽창계수를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.The thermal expansion coefficients of the supports prepared in Example 1 and Comparative Example 1 were measured and the results are shown in Table 2 below.
이때, 하나의 지지체를 전반부, 중반부, 후반부로 나눠 각각 8*5*5mm의 크기를 갖는 시편을 제조하였다. 이러한 시편들을 딜라토미터(Dilatometer, NETZSCH社)를 이용하여 1400℃까지 가공한 후 시편의 변화를 통해 열팽창계수를 측정하였다. At this time, one support was divided into the first half, the middle half, and the second half to prepare specimens each having a size of 8 * 5 * 5 mm. These specimens were processed to a temperature of 1400 ° C using a dilatometer (NETZSCH) and the thermal expansion coefficient was measured by changing the specimen.
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 지지체(실시예 1)는 종래 방법으로 지지체(비교예 1)에 비해 열팽창계수가 균일한 것을 확인할 수 있었다.As shown in Table 2, it was confirmed that the support according to the present invention (Example 1) had a uniform thermal expansion coefficient as compared with the support (Comparative Example 1) by the conventional method.
10 : 지지체
20 : 연료 공급 통로10: Support
20: fuel supply passage
Claims (9)
(b) 상기 혼합 수용액을 80 내지 200℃에서 6 내지 15시간 동안 건조하여 건조물로 제조하는 단계;
(c) 상기 건조물을 1차 분쇄한 후 1000 내지 2000℃에서 2 내지 6시간 동안 소성하는 단계;
(d) 상기 소성된 분말을 2차 분쇄하는 단계;
(e) 상기 2차 분쇄된 분말에 용매와 기공형성제를 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계; 및
(f) 상기 슬러리를 성형체로 성형한 후 건조하여 소결하는 단계
를 포함하는 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.(a) preparing a mixed aqueous solution by dissolving a water-soluble magnesium compound and a water-soluble aluminum compound in purified water;
(b) drying the mixed aqueous solution at 80 to 200 ° C for 6 to 15 hours to obtain a dried product;
(c) firstly pulverizing the dried material and then calcining at 1000 to 2000 ° C for 2 to 6 hours;
(d) secondarily pulverizing the fired powder;
(e) adding a solvent and a pore-forming agent to the second pulverized powder to prepare a slurry; And
(f) molding the slurry into a compact, drying and sintering
Wherein the solid oxide fuel cell support comprises a solid oxide fuel cell.
상기 (a) 단계의 수용성 마그네슘 화합물은 아세트산마그네슘((CH3CO2)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 염화마그네슘(MgCl2), 질산마그네슘(Mg(NO3)2) 및 황산마그네슘(MgSO4)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고,
수용성 알루미늄 화합물은 아세트산알루미늄(Al(CH3CO2)3), 수산화알루미늄(Al(OH)3), 염화알루미늄(AlCl3), 질산알루미늄(Al(NO3)3) 및 살리실산알루미늄(Al(C7H5O3)3)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
The (a) water-soluble magnesium compound is a magnesium acetate in step ((CH 3 CO 2) 2 ), magnesium hydroxide (Mg (OH) 2), magnesium chloride (MgCl 2), magnesium nitrate (Mg (NO 3) 2), and Magnesium sulfate (MgSO 4 ), and the like,
Water-soluble aluminum compound is ethyl aluminum (Al (CH 3 CO 2) 3), aluminum hydroxide (Al (OH) 3), aluminum chloride (AlCl 3), aluminum nitrate (Al (NO 3) 3) and acid aluminum (Al ( C 7 H 5 O 3 ) 3 ).
상기 (a) 단계의 혼합 수용액은 상기 수용성 마그네슘 화합물과 수용성 알루미늄 화합물을 30 내지 60 : 40 내지 70의 중량비로 혼합하여 용해하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the mixed aqueous solution of the step (a) is prepared by mixing the water-soluble magnesium compound and the water-soluble aluminum compound at a weight ratio of 30 to 60:40 to 70 to dissolve the solid solution.
상기 (b) 단계는,
(b-1) 상기 혼합 수용액을 85 내지 95℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제1단계;
(b-2) 상기 제1단계의 결과물을 96 내지 120℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제2단계; 및
(b-3) 상기 제2단계의 결과물을 150 내지 200℃에서 2 내지 5시간 동안 교반하여 건조하는 제3단계
를 순차적으로 실시하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
The step (b)
(b-1) stirring the mixed aqueous solution at 85 to 95 캜 for 2 to 5 hours and drying;
(b-2) a second step of stirring the resultant of the first step at 96 to 120 ° C for 2 to 5 hours to dry; And
(b-3) The third step of stirring the resultant of the second step at 150 to 200 DEG C for 2 to 5 hours to dry
Is carried out in sequence.
상기 (c) 단계의 1차 분쇄는 볼 밀(ball mill)을 이용하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein a ball mill is used for the primary pulverization in the step (c).
상기 (d) 단계의 2차 분쇄는 커터 믹서(cutter mixer) 및/또는 유성 밀(Planetary mill)을 이용하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the second pulverization in the step (d) uses a cutter mixer and / or a planetary mill.
상기 (e) 단계는 2차 분쇄된 분말에 바인더 및/또는 가소제를 더 첨가하여 혼련하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the step (e) further comprises adding a binder and / or a plasticizer to the second pulverized powder and kneading the same.
상기 (f) 단계는,
(f-1) 상기 성형체를 대기에서 10 내지 28시간 동안 건조하는 제1단계; 및
(f-2) 상기 제1단계의 결과물을 1000 내지 1500℃에서 4 내지 8시간 동안 소결하는 제2단계
를 순차적으로 실시하는 것인 고체산화물형 연료전지 지지체의 제조방법.The method according to claim 1,
The step (f)
(f-1) drying the shaped body in the air for 10 to 28 hours; And
(f-2) a second step of sintering the result of the first step at 1000 to 1500 ° C for 4 to 8 hours
Is carried out in sequence.
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