KR20200061122A - 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법 및 고체산화물 연료전지 스택 - Google Patents
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Abstract
본 명세서는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법 및 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
Description
본 명세서는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법 및 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 목표 출력을 위하여 수십에서 수백장 수준의 단위셀을 직렬 연결이 필요하며, 특히 평판형 연료전지의 경우 셀들을 수직으로 적층(stacking)하여 원하는 목표 출력에 도달한다. 이때 층 간의 고른 면압 분포는 스택 성능과 내구성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 요소이다.
따라서, 이를 위한 다양한 방법의 구조적 장치 및 가압 방법의 개선 방안들이 시도되고 있는데, 이 발명은 층간 접착과 밀봉형성을 위하여 사용하는 밀봉재의 사용 및 컨디셔닝(conditioning) 방법에 관한 것이다.
통상적으로 밀봉 형성을 위하여 유리 밀봉재를 사용하는데, 상온에서 각 구성의 접착면에 유리 밀봉재를 도포하거나 개스켓(gasket) 형태의 층(layer)을 삽입하여 적층 후 적절한 컨디셔닝(가열, 가압)을 거쳐 사용한다. 컨디셔닝을 거치는 중 유리전이온도(Tg)에서부터 유리가 녹기(softening) 시작되며, 이때 적절한 압력을 스택에 가해주어 층간의 캡(gap)을 메우며 동시에 적절한 두께를 형성하여 내부의 밀봉을 형성한다.
그러나, 이러한 방법은 낮은 적층 수(예를 들어, 10개 이하의 셀을 포함하는 스택)의 스택 제작 시에는 문제가 되지 않으나, 고적층 스택의 제작 시에는 컨디셔닝 시에 가해지는 층간 온도 불균형에 의하여 밀봉재가 동시에 무너져 내리기가 쉽지 않아, 수직으로 곧은 스택 제작이 어려운 문제가 있다.
도 1은 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체산화물형 연료전지는 전해질(Electrolyte)과 이 전해질의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)로 구성된다. 고체산화물형 연료전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다.
본 명세서는 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법 및 고체산화물 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 명세서는 셀프레임 상에 각각 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 단위셀을 구비하는 단계; 상기 단위셀과 단위셀 사이에 분리판을 구비하는 단계; 상기 셀프레임과 상기 분리판 사이 및 상기 셀프레임과 단위셀 사이에 밀봉재를 구비하여 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계; 및 가열 및 가압하는 단계를 포함하고, 상기 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계는 m개의 셀프레임에 유리전이온도가 동일한 밀봉재를 반복 사용하는 것으로 이루어진 단위 사이클을 n회 반복 수행하는 것이고, 상기 어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클에서 사용하는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)가 서로 상이하고, 상기 m은 각 단위 사이클마다 동일하거나 상이한 1 내지 30의 정수이고, 상기 n은 2 내지 20의 정수인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 명세서는 상술한 제조방법에 의해 제조되고, 하기 식 1을 만족하는 것인 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
[식 1]
상기 식 1에 있어서,
Hmax는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 높은 높이이고, Hmin는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 낮은 높이이고, L은 셀프레임의 가로 또는 세로 중 가장 큰 길이이다.
본 명세서의 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법에 따르면, 셀의 적층 수에 따라 셀 간에 도포된 밀봉재가 순차적으로 녹음으로써, 스택이 기울어지는 것을 방지하여, 올곧은 구조의 고체산화물 연료전지 스택을 제조할 수 있다.
도 1은 고체산화물 연료전지(SOFC)의 전기 발생 원리를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 실시예 1의 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1의 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 비교예 1의 고체산화물 연료전지 스택을 나타낸 것이다.
도 9는 셀프레임의 구조를 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1의 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예 1에 따른 고체산화물 연료전지 스택을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1의 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 8은 비교예 1의 고체산화물 연료전지 스택을 나타낸 것이다.
도 9는 셀프레임의 구조를 간략히 나타낸 것이다.
이하, 본 명세서에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서는 셀프레임 상에 각각 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 단위셀을 구비하는 단계;
상기 단위셀과 단위셀 사이에 분리판을 구비하는 단계;
상기 셀프레임과 상기 분리판 사이 및 상기 셀프레임과 단위셀 사이에 밀봉재를 구비하여 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계; 및
가열 및 가압하는 단계를 포함하고,
상기 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계는 m개의 셀프레임에 유리전이온도가 동일한 밀봉재를 반복 사용하는 것으로 이루어진 단위 사이클을 n회 반복 수행하는 것이고,
상기 어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클에서 사용하는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)가 서로 상이하고,
상기 m은 각 단위 사이클마다 동일하거나 상이한 1 내지 30의 정수이고,
상기 n은 2 내지 20의 정수인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법을 제공한다.
이로써, 단위셀 사이에 도포되는 밀봉재의 유리전이온도가 모두 동일한 경우, 또는 단위셀 사이에 도포되는 밀봉재의 유리전이온도가 순차적으로 감소하는 것이 아니라 증가하거나 감소하는 등, 경향성을 갖지 않는 경우에 비하여 적층 안정성이 우수한 효과를 갖는다. 구체적으로, 상기 단위 도포 사이클 횟수에 따라 상기 각 단위 도포 사이클에서 도포되는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)가 순차적으로 감소하므로, 고온 및 고압에서 가열 및 가압할 때 상층부에 위치한 밀봉재부터 하층부에 위치한 밀봉재까지 순차적으로 녹음(softening)으로써, 셀이 기울어지는 것을 방지할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 “셀프레임”은 단위셀을 지지하는 구성으로, 윈도우 프레임으로 호칭될 수 있으며, 세라믹 및 금속제 중 어느 하나로 제조될 수 있다. 이를 도 9에 나타내었다.
본 명세서에 있어서, 상기 “단위셀”이란, 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 연료전지의 가장 기본 단위(unit)를 의미한다. m개의 단위셀이 순차적으로 적층될 때는, 어느 하나의 단위셀에 포함된 연료극과 다른 단위셀에 포함된 공기극이 맞닿도록 적층하게 된다.
본 명세서에 있어서, 상기 “밀봉재”는 연료전지의 각 구성을 서로 연결하는 연결재로 사용될 수 있으며, 연료극에 공급되는 연료가스와 공기극에 공급되는 공기가 서로 혼합되는 것을 방지하고, 외부로의 가스 누설을 방지하는 역할을 한다. 이러한 밀봉재는 고체산화물 연료전지 스택의 열기계적 안정성 및 장기수명을 보장하기 위해 매우 중요한 핵심 부품이다. 한편, 상기 밀봉재는 “실링재 조성물”로 표현될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 “분리판”은 상기 단위셀을 전기적으로 연결하면서 연료 가스와 공기의 혼합을 막기 위한 구성이다. 상기 분리판은 기본적으로 Fe-Cr을 기본으로 하는 페라이트계 스테인레스 강판을 사용하며, 공기극과 연료극에는 가스가 이동할 수 있는 통로(유로)를 제공하며, 셀과 셀을 전기적으로 연결시키는 기능이 필요하다.
본 명세서에 있어서, 상기 “단위 사이클”이란, 단위셀 사이에 밀봉재를 도포하여 m개의 단위셀을 순차적으로 적층하는 단계로 이루어진 하나의 사이클을 의미한다. 또한, 어느 하나의 단위 도포 사이클 내에서 도포되는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)는 동일할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 “어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클”이란, 순서가 인접한 단위 사이클을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 단위 사이클과 제2 단위 사이클은 인접한 것이고, 제1 단위 사이클과 제3 단위 사이클은 순서가 인접하지 않은 단위 사이클이다.
본 명세서에 있어서, 상기 “밀봉재의 유리전이온도(Tg)”는 Transition temperature로, 밀봉재의 열적 성질, 화학적 성질, 기계적 성질 또는 전기적 성질과 관련된 물성이다. 상기 유리전이온도는 DSC(differential scanning calorimeter, 일본 시마즈사 DSC-60A)를 사용하여 분당 10℃의 조건으로 상온에서 800℃까지 승온하며 측정할 수 있다. 또는, 상기 밀봉재를 펠릿(pellet) 형태로 제작한 후, Dilatometer를 이용하여 온도의 변화에 따른 열팽창 정도를 측정하여 계산할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재의 조성은 상기 밀봉재의 유리전이온도(Tg) 조건을 만족하기 위한 것이라면 특별히 한정되지 않는다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재는 유리 분말을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 유리 분말은 유리 상태에 있는 물질의 분말을 의미한다. 이때, 유리 상태는 용융된 액체가 냉각하여 결정화되지 않고 그대로 응고하는 상태를 의미하며, 유리 상태에 있는 무기 물질을 유리라고 한다. 상기 유리 분말은 당 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 유리의 분말을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 상기 유리 분말은 산화물 유리의 분말일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유리 분말은 B2O3, Bi2O3, Li2O, Na2O, K2O, Rb2O, Cs2O, Sb2O3, SnO, La2O3, 및 PbO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제1 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유리 분말은 Al2O3, BaO, CaO, MgO, ZnO, SrO, TiO2, 및 Y2O3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 제2 화합물을 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 유리 분말은 이산화규소(SiO2)를 포함한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 화합물, 제2 화합물 및 SiO2의 함량은 동일하거나 상이하고, 유리 분말 전체 중량을 기준으로 각각 0.1 wt% 내지 60wt%, 또는 16 wt% 내지 20wt%, 45 wt% 내지 55wt%, 10wt% 내지 15wt%, 또는 0.1 wt% 내지 3wt%일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 밀봉재 조성물은 바인더, 가소제, 분산제 및 용매 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 바인더, 가소제, 분산제 및 용매는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 바인더는 폴리(부틸 메타크릴레이트)(Poly(butyl methacrylate), PBMA)와 폴리(2-에틸헥실 메타크릴레이트)(poly(2-ethylhexyl methacrylate), PEHMA)의 공중합체(PBMA-PEHMA), 에틸셀룰로오즈(Ethyl cellulose, EC), 폴리비닐이소부티랄(PViB, Poly vinylisobutyral) 및 폴리(2-에틸헥실 아크릴레이트)(PEHA, Poly(2-ethylhexylacrylate)) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는 SOKEN LRRS001일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 바인더의 함량은 1 중량% 이상 20 중량% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가소제는 상용 제품인 디부틸프탈레이트(DBP, Di-butyl-phthalate), 디-2-에틸헥실 프탈레이트(DOP, Di-2-ethylhexyl phthalate), 디-이소노닐 프탈레이트(DINP, Di-isononyl phthalate), 디-이소데실 프탈레이트(DIDP, Di-isodecylphthalate) 및 부틸 벤질 프탈레이트(BBP, Butyl benzyl phthalate) 중 적어도 하나일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 가소제의 함량은 0.1 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 분산제는 BYK-110, BYK-111 및 BYK-112 중 적어도 하나일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 분산제의 함량은 5 중량% 이상 15 중량% 이하일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 용매는 유리 분말을 분산시키고 막 또는 그린시트로부터 제거하기 용이한 물질이면 크게 제한되지 않으며, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 재료를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 용매는 물, 이소프로판올(iso propanol), 톨루엔, 에탄올, n-프로판올, n-부틸 아세테이트, 에틸렌 글리콜, 부틸카비톨(BC) 및 부틸카비톨아세테이트(BCA) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재 조성물의 총 중량을 기준으로, 상기 용매의 함량은 10 중량% 이상 40 중량% 이하일 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 단위 도포 사이클 횟수에 따라 상기 각 단위 도포 사이클에서 도포되는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)가 순차적으로 감소한다. 순차적으로 감소하는 것이란, 어느 하나의 도포 사이클에서 도포되는 밀봉재의 유리전이온도보다 그 다음 번째의 도포 사이클에서 도포되는 밀봉재의 유리전이온도가 작은 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서, 상기 m은 하나의 단위 도포 사이클에서 적층되는 단위셀의 개수를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m은 2 내지 30의 정수, 2 내지 20의 정수, 또는 5 내지 15의 정수일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 하나의 단위 도포 사이클에서 적층되는 단위셀의 개수가 일정 범위로 유지되므로, 스택의 높이가 높아지더라도 스택이 기울어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 n은 스택 전체에 포함되는 단위 도포 사이클의 개수를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 n은 2 내지 20의 정수, 2 내지 15의 정수, 또는 3 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 도포 사이클의 개수를 일정 범위로 조절하여, 스택의 높이가 높아지더라도 스택이 기울어지는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 m과 상기 n을 곱한 값은 스택에 포함되는 단위셀의 총 개수를 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 m과 상기 n을 곱한 값이 10 내지 300, 10 내지 100, 20 내지 80, 또는 20 내지 50일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 스택에 포함되는 단위셀을 개수를 일정 범위로 조절할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클에서 사용하는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)의 차이가 100℃ 이상 300 ℃ 이하, 바람직하게는 120℃ 이상 250 ℃이하, 더욱 바람직하게는 130℃ 이상 200 ℃이하이고, 상기 n은 2 이상의 정수이다. 상기 수치 범위를 만족할 때, 사이클마다 도포되는 밀봉재의 유리전이온도 분포가 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 도포된 밀봉재를 녹이고(softening), 스택에 적절한 압력을 가하여 단위셀 간의 gap을 메우고, 스택 내부의 밀봉을 형성하기 위한 단계이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 400℃ 내지 750℃의 최종 온도 및 100 kgf/(15*15cm2) 내지 350 kgf/(15*15cm2)의 최종 압력 조건에서, 1 시간 내지 10 시간 동안 상기 최종 온도 및 최종 압력을 유지하는 것일 수 있다. 상기 수치 범위를 만족할 때, 연료전지 스택이 무너지지 않고 올곧은 상태로 유지될 수 있다.
본 명세서에 있어서, 상기 압력 조건은 해당 면적에 해당 힘을 가하는 조건일 수 있다. 예를 들어, 100 kgf/(15*15cm2)은 15*15cm2의 면적에 100kgf의 힘을 가하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 초기 온도에서부터 0.25 ℃/min 내지 1℃/min의 승온 속도로 가열하는 것일 수 있다. 상기 초기 온도는 상기 가열 및 가압하는 단계를 수행하기 이전의 초기 온도일 수 있으며 예를 들어 25℃일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 초기 압력에서부터 0.5 kgf/[(15*15cm2)*min] 내지 3 kgf/[(15*15cm2)*min]의 가압 속도로 가압하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 2회 이상 수행되는 것일 수 있고, 구체적으로는 2회 내지 10회 수행되는 것일 수 있다. n회번째 가열 및 가압하는 단계를 제n 가열 및 가압단계로 표현할 수 있다.
또한, 각 단계의 온도 및 압력 조건을 상이하게 조절할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 수행 횟수에 따라 최종 온도 및 최종 압력 중 어느 하나 이상이 증가하거나 감소하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 가열 및 가압하는
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 수행 횟수에 따라 최종 온도 및 최종 압력 중 어느 하나 이상이 증가하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 수행 횟수에 따라 최종 온도 및 최종 압력이 증가하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 가열 및 가압하는 단계는 제1 가열 및 가압단계 및 제2 가열 및 가압단계의 2회로 수행되고, 제2 가열 및 가압단계의 최종 온도 및 최종 압력은 제1 가열 및 가압단계의 최종 온도 및 최종 압력보다 높은 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 가열 및 가압하는 하나의 사이클을 2회 이상 수행하는 것이고, 사이클을 증가함에 따라 수행 온도가 25℃ 내지 100℃, 30℃ 내지 90℃ 또는 35℃ 내지 80℃씩 증가하는 것일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 2회 이상 수행되고, 수행 횟수에 따라 최종 압력이 10 내지 150kgf/(15*15cm2), 바람직하게는 20 내지 120kgf/(15*15cm2), 더욱 바람직하게는 30 내지 100kgf/(15*15cm2) 증가할 수 있다.
상기 수치 범위를 만족하는 경우, 각 층마다 도포된 밀봉재가 동시에 녹는 것(softening)이 아니라, 상층부에 위치한 밀봉재부터 하층부에 위치한 밀봉재까지 순차적으로 녹게 함으로써, 스택이 한번에 무너지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 수행 온도 및 수행 압력을 상기 수치 범위로 조절하는 것은 도포된 밀봉재의 유리전이온도를 고려한 것이다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 밀봉재를 구비하는 방법은 밀봉재 조성물을 스크린 프린팅하는 방법; 밀봉재 조성물을 주사기를 통해 직접 도포하는 방법; 및 가스켓으로 제작된 밀봉재를 구비하는 방법으로부터 선택된 어느 하나이다.
본 명세서는 상술한 제조방법에 의해 제조되고, 하기 식 1을 만족하는 것인 고체산화물 연료전지 스택을 제공한다.
[식 1]
상기 식 1에 있어서,
Hmax는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 높은 높이이고,
Hmin는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 낮은 높이이고,
L은 셀프레임의 가로 또는 세로 중 가장 큰 길이이다.
본 명세서에 있어서, 상기 Hmax는 제조된 고체산화물 연료전지 스택을 평평한 지면에 놓았을 때, 스택의 최상층에 위치한 단위셀의 가장 높은 지점으로부터 지면까지의 거리를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 상기 Hmin는 제조된 고체산화물 연료전지 스택을 평평한 지면에 놓았을 때, 스택의 최상층에 위치한 단위셀의 가장 낮은 지점으로부터 지면까지의 거리를 의미한다.
본 명세서에 있어서, 상기 
는 연료전지 스택의 기울어진 각도를 의미할 수 있다. 분자의 Hmax-Hmin은 기울어진 연료전지 스택 의높이 차이를 의미하며, L은 셀프레임의 가로 또는 세로 중 가장 큰 길이를 의미하므로, 상기 
는 연료전지 스택의 기울어진 각도(θ)의 탄젠트(tangent)값을 의미한다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 [식 1]은 하기 [식 2] 또는 [식 3]으로 표시될 수 있다.
[식 2]
[식 3]
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질은 이온 전도성을 가지는 고체 산화물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질은 산화 지르코늄계, 산화 세륨계, 산화 란탄계, 산화 티타늄계, 산화 비스무스계 물질로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 복합 금속 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해질은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ), 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC)를 포함할 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 YSZ는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄으로서, (Y2O3)x(ZrO2)1-x로 표현될 수 있고, x는 0.05 내지 0.15일 수 있고, 상기 ScSZ는 스칸디나비아 안정화 산화 지르코늄으로서, (Sc2O3)x(ZrO2)1-x로 표현될 수 있고, x는 0.05 내지 0.15일 수 있다. 또한, 본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 SDC는 사마륨 도프 세리아로서, (Sm2O3)x(CeO2)1-x로 표현될 수 있고, x는 0.02 내지 0.4일 수 있으며, 상기 GDC는 가도리움 도프 세리아로서, (Gd2O3)x(CeO2)1-x로 표현될 수 있고, x는 0.02 내지 0.4일 수 있다.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 무기물 입자는 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 공기극의 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC:(Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC:(Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 코발트 산화물(Lanthanum strontium cobalt oxide: LSC), 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC), 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 연료극은 산소이온 전도성 무기물을 포함할 수 있다. 상기 연료극의 무기물은 산소이온 전도성을 가진다면 특별히 한정하지 않으나, 당 기술분야에서 일반적으로 사용하는 것을 채용할 수 있다.
예를 들면, 상기 연료극의 무기물은 전술한 전해질에 포함되는 산소이온 전도성 무기물과 동일한 무기물과 함께 니켈 옥사이드가 혼합된 세메트(cermet)가 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
실시예 1
공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀을 30장 준비하였다. 또한, 30장 셀을 지지해 줄 셀프레임 30장과, 분리판 29장, 엔드플레이트 2장을 준비하였다.
제1 밀봉재 재료로 SiO2 16 내지 20wt%, B2O3 16 내지 20 wt%, BaO 45 내지 55wt%, CaO 10 내지 15 wt%, MgO 0.1 내지 3wt%, Al2O3 0.1 내지 3wt% 및 SrO 0.1 내지 3 wt%를 포함하는 제1 유리를 준비하였다. 이때, 제1 유리의 유리전이온도는 570℃이다.
제2 밀봉재 재료로 SiO2 20 내지 30wt%, B2O3 5 내지 15 wt%, CaO 5 내지 15 wt%, 및 BaO 45 내지 55 wt%를 포함하는 제2 유리를 준비하였다. 이때, 제2 유리의 유리전이온도는 720℃이다.
바인더(SOKEN LRRS001) 10 중량부가 포함된 톨루엔 용매에 상기 유리 각각을 79wt%로 혼합하여 제1 밀봉재 페이스트 및 제2 밀봉재 페이스트를 제조하였다.
상기 셀프레임 상에 단위셀을 구비하였으며, 각 단위셀 사이에 상기 분리판을 구비하였다.
셀프레임과 분리판 사이 및 셀프레임과 단위셀 사이에는 각각 밀봉재를 구비하였다.
1 내지 10번째의 셀프레임에는 밀봉재 재료로 상기 제1 밀봉재 페이스트를 주사기를 이용하여 도포하였으며, 11번째 내지 20번째 셀프레임에는 밀봉재 재료로 상기 제2 밀봉재 페이스트를 주사기를 이용하여 도포하고, 21번째 내지 30번째 셀프레임에는 밀봉재 재료로 상기 제1 밀봉재 페이스트를 주사기를 이용하여 도포하였다.
제조된 스택을 가열 가압이 가능한 퍼니스(conditioning furnace) 내부의 정가운데 위치시키고, 장비를 이용하여 25℃의 초기 온도로부터 0.25℃/min 내지 1℃/min의 승온 속도로 가열하여 퍼니스 내부의 온도가 540℃ 내지 550℃가 유지되고, 40 내지 100kgf/(15*15cm2)의 초기 압력으로부터 150kgf/(15*15cm2)의 최종 압력까지 가압하여 1 내지 2 시간 유지하였다. 이때, 제1 밀봉재 페이스트가 도포된 21층 내지 30층의 밀봉재가 무너져 내리는 것을 확인하였다.
이후, 0.25℃/min 내지 1℃/min의 승온 속도로 가열하여 퍼니스 내부의 최종 온도가 600℃가 유지되고, 200kgf/(15*15cm2)의 최종 압력까지 가압하여 1 시간 내지 2 시간 유지하였다. 이때, 제2 밀봉재가 도포된 11층 내지 20층의 밀봉재가 무너져 내리는 것을 확인하였다.
상기 제조과정을 도 2에 개념적으로 나타내었다.
최종 완성된 고체산화물 연료전지 스택을 도 3에 나타내었다. 도 3을 참조하면, 각 층의 밀봉재가 순차적으로 녹음(softening)으로써, 스택이 기울어지지 않고 제조된 것을 확인할 수 있다.
비교예 1
상기 실시예 1과 동일한 공기극, 전해질 및 연료극을 포함하는 단위셀을 30장 준비하였다. 또한, 30장 셀을 지지해 줄 셀 프레임 30장과, 인터커넥트 29장, 엔드플레이트 2장을 준비하였다.
1 내지 30번째 셀프레임까지 동일한 제1 밀봉재 페이스트를 도포하여 스택을 제조하였다.
제조된 스택을 가열 가압이 가능한 퍼니스(conditioning furnace) 내부의 정가운데 위치시키고, 장비를 이용하여 25℃의 초기 온도로부터 0.25℃/min 내지 1℃/min의 승온 속도로 가열하여 퍼니스 내부의 온도가 570℃가 유지되고, 40 내지 100kgf/(15*15cm2)의 초기 압력으로부터 250kgf/(15*15cm2)의 최종 압력까지 가압하여 1 내지 2 시간 유지하였다. 이때, 제1 밀봉재 페이스트가 도포된 1층 내지 30층의 밀봉재가 동시에 무너져 내리는 것을 확인하였다.
상기 제조과정을 도 4에 개념적으로 나타내었다.
최종 완성된 고체산화물 연료전지 스택을 도 5 내지 도 8에 나타내었다. 도 5를 참조하면, 각 층의 밀봉재가 동시에 녹음(softening)으로써, 스택이 기울어진 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 1 및 비교예1의 결과로부터, 상술한 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법에 의하면, 연료전지 스택이 기울어지지 않고 제조될 수 있음을 확인하였다.
Claims (10)
- 셀프레임 상에 각각 연료극, 전해질 및 공기극을 포함하는 단위셀을 구비하는 단계;
상기 단위셀과 단위셀 사이에 분리판을 구비하는 단계;
상기 셀프레임과 상기 분리판 사이 및 상기 셀프레임과 단위셀 사이에 밀봉재를 구비하여 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계; 및
가열 및 가압하는 단계를 포함하고,
상기 셀프레임에 밀봉재를 구비하는 단계는 m개의 셀프레임에 유리전이온도가 동일한 밀봉재를 반복 사용하는 것으로 이루어진 단위 사이클을 n회 반복 수행하는 것이고,
상기 어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클에서 사용하는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)가 서로 상이하고,
상기 m은 각 단위 사이클마다 동일하거나 상이한 1 내지 30의 정수이고,
상기 n은 2 내지 20의 정수인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 m은 2 내지 30의 정수인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 n은 2 내지 20의 정수인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 m과 상기 n을 곱한 값이 10 내지 300인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 어느 하나의 단위 사이클과 인접한 단위 사이클에서 사용하는 밀봉재의 유리전이온도(Tg)의 차이가 100℃ 이상 300℃ 이하인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 400℃ 내지 750℃의 최종 온도 및 100 kgf/(15*15cm2) 내지 350 kgf/(15*15cm2)의 최종 압력 조건에서, 1 시간 내지 10 시간 동안 상기 최종 온도 및 최종 압력을 유지하는 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 2회 이상 수행되는 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 7에 있어서, 상기 가열 및 가압하는 단계는 수행 횟수에 따라 최종 온도 및 최종 압력 중 어느 하나 이상이 증가하거나 감소하는 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 밀봉재를 구비하는 방법은 밀봉재 조성물을 스크린 프린팅하는 방법; 밀봉재 조성물을 주사기를 통해 직접 도포하는 방법; 및 가스켓으로 제작된 밀봉재를 구비하는 방법으로부터 선택된 어느 하나인 것인 고체산화물 연료전지 스택의 제조방법.
- 청구항 1 내지 9 중 어느 항에 따른 제조방법에 의해 제조되고, 하기 식 1을 만족하는 것인 고체산화물 연료전지 스택:
[식 1]
상기 식 1에 있어서,
Hmax는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 높은 높이이고,
Hmin는 상기 고체산화물 연료전지 스택의 가장 낮은 높이이고,
L은 셀프레임의 가로 또는 세로 중 가장 큰 길이이다.
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| EP3985767A1 (en) | 2020-10-13 | 2022-04-20 | Instytut Energetyki - Instytut Badawczy | Method of preparation of an intermediate product, intermediate product, and method of manufacturing a gasket |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050071887A (ko) | 2004-01-05 | 2005-07-08 | 현대자동차주식회사 | 고체산화물 연료전지용 유리/세라믹 섬유 밀봉재와 이의제조방법 |
| KR20110068510A (ko) * | 2009-12-16 | 2011-06-22 | 한국세라믹기술원 | 고체산화물 연료전지 단위스택 |
| KR20130006119A (ko) * | 2011-07-08 | 2013-01-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전기화학전지 및 이의 제조방법 |
| JP2014123498A (ja) * | 2012-12-21 | 2014-07-03 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック及びその製造方法 |
-
2018
- 2018-11-23 KR KR1020180146515A patent/KR102626015B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20050071887A (ko) | 2004-01-05 | 2005-07-08 | 현대자동차주식회사 | 고체산화물 연료전지용 유리/세라믹 섬유 밀봉재와 이의제조방법 |
| KR20110068510A (ko) * | 2009-12-16 | 2011-06-22 | 한국세라믹기술원 | 고체산화물 연료전지 단위스택 |
| KR20130006119A (ko) * | 2011-07-08 | 2013-01-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | 전기화학전지 및 이의 제조방법 |
| JP2014123498A (ja) * | 2012-12-21 | 2014-07-03 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池スタック及びその製造方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3985767A1 (en) | 2020-10-13 | 2022-04-20 | Instytut Energetyki - Instytut Badawczy | Method of preparation of an intermediate product, intermediate product, and method of manufacturing a gasket |
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