KR20200063869A - 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법 - Google Patents

표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극 소재 또는 전해질 소재가 포함된 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 분산한 후 열압착하여 경화시키는 과정을 반복하는 방법으로 일정 두께의 음극층 및 전해질층을 제조함으로써 평탄도 및 균일도를 유지할 수 있어 표면저항 손실을 최소화할 수 있는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 음극층과, 전해질층과, 양극층이 순차적으로 적층된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 있어서, 상기 음극층을 형성하는 음극 세라믹 액상을 제조하는 제1 단계와; 상기 음극 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 코팅막 제판 상에 분산하는 제2 단계와; 상기 코팅막 제판 상에 분산된 음극 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 제3 단계와; 상기 코팅막 제판 상에 상기 음극 세라믹 액상이 경화되며 형성된 음극층이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 반복하는 제4 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING UNIT CELL FOR SOLID OXIDE FUEL CELL WITH IMPROVING SURFACE RESISTANCE}
본 발명은 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음극 소재 또는 전해질 소재가 포함된 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 분산한 후 열압착하여 경화시키는 과정을 반복하는 방법으로 일정 두께의 음극층 및 전해질층을 제조함으로써 평탄도 및 균일도를 유지할 수 있어 표면저항 손실을 최소화할 수 있는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지(Fuel Cell)는 메탄올과 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 산소 또는 산소를 포함한 공기의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
예를 들어, 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다.
단위 전지는 전해질층과, 전해질층의 일면에 위치하는 양극층(공기극)과, 전해질층의 다른 일면에 위치하는 음극층(연료극)을 포함한다.
양극층에 산소를 공급하고 음극층에 수소를 공급하면, 양극층에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질층을 지나 음극층으로 이동한 후 음극층에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다.
이때 음극층에서 생성된 전자가 양극층으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위 전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기 에너지를 생산한다.
이때 분리판은 단위 전지를 기구적으로 지지하면서 표면에 형성된 통로를 통해 연료 가스를 단위 전지에 지속적으로 공급함과 더불어, 단위 전지에서 생산된 전기 에너지를 집전하는 역할을 한다.
현재 단위 전지를 제조하기 위한 다양한 세라믹 공정이 개발되고 있으며, 특히 필름 타입 시트 복수개를 상호 적층하는 방법으로 단위 전지를 제조하는 테이프 캐스팅법이 공지되어 있다.
관련된 종래기술로 등록특허공보 제10-1669002호(2016.10.26. 공고)에는 테이프 캐스팅법을 이용한 "고체 산화물 연료 전지용 단위 전지 및 이의 제조 방법"이 제안된 바 있다.
하지만, 상기의 테이프 캐스팅법은 단위 전지의 제조에 시간이 많이 소요되고, 필름 타입 시트의 적층 과정에서 내부에 기포가 생겨 평탄도 및 균일도를 유지하기 어려워 표면저항 손실이 많이 발생되고, 이에 출력이 낮아져 수명이 짧아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 액상의 스프레이 분산 및 열압착 경화 방법으로 음극층 및 전해질층을 제조하여 평탄도 및 균일도 유지를 통해 표면저항 손실을 최소화할 수 있는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 음극층과, 전해질층과, 양극층이 순차적으로 적층된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 있어서, 상기 음극층을 형성하는 음극 세라믹 액상을 제조하는 제1 단계와; 상기 음극 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 코팅막 제판 상에 분산하는 제2 단계와; 상기 코팅막 제판 상에 분산된 음극 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 제3 단계와; 상기 코팅막 제판 상에 상기 음극 세라믹 액상이 경화되며 형성된 음극층이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 반복하는 제4 단계를; 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 상기 전해질층을 형성하는 전해질 세라믹 액상을 제조하는 제5 단계와; 상기 전해질 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 상기 제4 단계를 거친 음극층 상에 분산하는 제6 단계와; 상기 음극층 상에 분산된 전해질 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 제7 단계와; 상기 음극층 상에 상기 전해질 세라믹 액상이 경화되며 형성된 전해질층이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제6 단계와 상기 제7 단계를 반복하는 제8 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 상기 제8 단계를 거친 전해질층의 상부에 양극층을 증착하는 제9 단계와; 상기 제9 단계를 거쳐 음극층과, 전해질층과, 양극층이 순차적으로 적층된 제품을 일정한 형태로 제단하는 제10 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 단계는, 음극 세라믹 파우더, 에탄올 및 톨루엔, 분산제를 3 : 1 : 0.1의 중량비로 볼밀기를 이용하여 1차 희석한 후, 고분자 바인더를 상기 분산제 기준 10배 중량비로 첨가하여 볼밀기를 이용하여 2차 희석하여 상기 음극 세라믹 액상을 제조하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제3 단계는, 온도 30 ~ 40℃ , 압력 1.5Mph, 시간 5 ~ 8초의 조건으로 열압착하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 액상의 스프레이 분산 및 열압착 경화 방법으로 음극층 및 전해질층을 제조하는 것으로, 테이프 캐스팅법에 대비하여 제조시간이 적게 소요되고, 평탄도 및 균일도를 유지할 수 있어 표면저항 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법의 흐름도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지의 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음극 세라믹 액상 분산 단계(제2 단계)를 도시한 개념도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 세라믹 액상 열압착 단계(제3 단계)를 도시한 개념도
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법의 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음극 세라믹 액상 분산 단계(제2 단계)를 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음극 세라믹 액상 열압착 단계(제3 단계)를 도시한 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 음극층(A)과, 전해질층(B)과, 양극층(C)이 순차적으로 적층된 고체 산화물 연료전지 제조 방법에 있어서, 음극 세라믹 액상 제조 단계(제1 단계)(S10), 음극 세라믹 액상 분산 단계(제2 단계)(S20), 음극 세라믹 액상 열압착 단계(제3 단계)(S30), 음극층 두께 형성 단계(제4 단계)(S40), 전해질 세라믹 액상 제조 단계(제5 단계)(S50), 전해질 세라믹 액상 분산 단계(제6 단계)(S60), 전해질 세라믹 액상 열압착 단계(제7 단계)(S70), 전해질층 두께 형성 단계(제8 단계)(S80), 양극층 증착 단계(제9 단계)(S90) 및 제품 제단 단계(제10 단계)(S100)을 포함한다.
상기 제1 단계(S10)는 상기 음극층(A)을 형성하는 음극 세라믹 액상(A1)을 제조하는 단계이다.
상기 음극 세라믹 액상(A1)은 음극 세라믹 파우더, 에탄올 및 톨루엔, 분산제를 3 : 1 : 0.1의 중량비로 볼밀기를 이용하여 1차 희석한 후, 고분자 바인더를 상기 분산제 기준 10배 중량비로 첨가하여 볼밀기를 이용하여 2차 희석하여 제조된다.
상기 음극 세라믹 파우더는 NiO 또는 LST 등의 세라믹 파우더 소재가 이용될 수 있고, 상기 고분자 바인더는 PEO 또는 PEDOS 등의 소재가 이용될 수 있다.
상기 1차 희석에는 3 : 1 : 0.1의 중량비로 혼합된 음극 세라믹 파우더, 에탄올 및 톨루엔, 분산제를 지르코니아볼과 함께 PP통에 넣어 볼밀기로 희석하는데, 상기 볼밀기는 450RPM으로 24시간 작업하여 1차 희석하게 된다.
한편, 상기 2차 희석에도 상기 1차 희석과 마찬가지로 상기 볼밀기로 24시간 작업한다.
상기 제2 단계(S20)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 음극 세라믹 액상(A1)을 압력 스프레이 분산기(23)를 이용하여 코팅막 제판(21) 상에 분산하는 단계이다.
상기 음극 세라믹 액상(A1)은 1회 스프레이 당 약 10㎛의 두께를 갖는다.
상기 코팅막 제판(21)은 SUS 재질로서 60℃의 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 코팅막 제판(21)의 상부에는 PET 실리콘 이형지(22)가 구비되어 음극 세라믹 액상(A1)이 상기 코팅막 제판(21)에서 쉽게 분리될 수 있도록 한다.
상기 제3 단계(S30)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 코팅막 제판(21) 상에 분산된 음극 세라믹 액상(A1)을 상부에서 열압착하여 경화시키는 단계이다.
상기 제3 단계(S30)에서는 열압착기(31)를 이용하여 온도 30 ~ 40℃ , 압력 1.5Mph, 시간 5 ~ 8초의 조건으로 열압착하게 된다.
한편, 상기 열압착기(31)의 하부에도 역시 PET 실리콘 이형지(32)가 구비되어 열압착된 음극 세라믹 액상(A1)이 상기 열압착기(31)에서 쉽게 분리될 수 있도록 한다.
상기 제4 단계(S40)는 상기 코팅막 제판(21) 상에 상기 음극 세라믹 액상(A1)이 경화되며 형성된 음극층(A)이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제2 단계(S20)와 상기 제3 단계(S30)를 반복하는 단계이다.
종래기술에 따른 필름 타입 시트는 상기 음극층(A)이 대략 1,600㎛의 두께가 될 때까지 적층한다면, 본 발명의 일실시예에 따른 방법으로는 상기 음극층(A)이 대략 300㎛의 두께가 될 때까지 상기 제2 단계(S20)와 상기 제3 단계(S30)를 반복하면 충분하다.
상기 제5 단계(S50)는 상기 전해질층(B)을 형성하는 전해질 세라믹 액상을 제조하는 단계이다.
상기 제5 단계(S50)는 상기 제1 단계(S10)에서 음극 세라믹 파우더를 대신 전해질 세라믹 파우더를 사용하면 나머지는 동일하므로 이하 상세한 설명은 생락하기로 한다.
상기 전해질 세라믹 파우더는 YSZ, CeScSZ, LSGM 등의 전해질 파우더 소재가 이용될 수 있다.
상기 제6 단계(S60)는 상기 전해질 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 상기 제4 단계(S40)를 거친 음극층(A) 상에 분산하는 단계이다.
상기 제7 단계(S70)는 상기 음극층(A) 상에 분산된 전해질 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 단계이다.
상기 제7 단계(S60)는 상기 제3 단계(S30)와 대비하여 열압착하는 대상이 음극 세라믹 액상(A1)이 아닌 전해질 세라믹 액상이라는 점이 상이하고 나머지는 동일하므로 이하 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제8 단계(S70)는 상기 음극층(A) 상에 상기 전해질 세라믹 액상이 경화되며 형성된 전해질층(B)이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제6 단계(S60)와 상기 제7 단계(S70)를 반복하는 단계이다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법으로는 상기 전해질층(B)이 대략 50㎛의 두께가 될 때까지 상기 제6 단계(S60)와 상기 제7 단계(S70)를 반복하게 된다.
상기 제9 단계(S90)는 상기 제8 단계(S80)를 거친 전해질층(B)의 상부에 양극층(C)을 증착하는 단계이다.
상기 제9 단계(S90)는 종래기술과 동일하므로 이하 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 제10 단계(S100)은 상기 제9 단계(S90)를 거쳐 음극층(A)과, 전해질층(B)과, 양극층(C)이 순차적으로 적층된 제품을 일정한 형태로 제단하는 단계이다.
상기와 같은 구성을 같은 본 발명은 단위 전지를 원하는 사이즈 및 두께로 제단할 수 있어 여러 형상의 모듈에 적용할 수 있게 된다.
상기 제10 단계(100)를 거친 제품을 소결기로 소결하면 최종 단위전지가 완성된다.
앞에서 설명되고 도면에서 도시된 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
S10 음극 세라믹 액상 제조 단계(제1 단계)
S20 음극 세라믹 액상 분산 단계(제2 단계)
S30 음극 세라믹 액상 열압착 단계(제3 단계)
S40 음극층 두께 형성 단계(제4 단계)
S50 전해질 세라믹 액상 제조 단계(제5 단계)
S60 전해질 세라믹 액상 분산 단계(제6 단계)
S70 전해질 세라믹 액상 열압착 단계(제7 단계)
S80 전해질층 두께 형성 단계(제8 단계)
S90 양극층 증착 단계(제9 단계)
S100 제품 제단 단계(제10 단계)

Claims (5)

  1. 음극층과, 전해질층과, 양극층이 순차적으로 적층된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법에 있어서,
    상기 음극층을 형성하는 음극 세라믹 액상을 제조하는 제1 단계와;
    상기 음극 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 코팅막 제판 상에 분산하는 제2 단계와;
    상기 코팅막 제판 상에 분산된 음극 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 제3 단계와;
    상기 코팅막 제판 상에 상기 음극 세라믹 액상이 경화되며 형성된 음극층이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제2 단계와 상기 제3 단계를 반복하는 제4 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층을 형성하는 전해질 세라믹 액상을 제조하는 제5 단계와;
    상기 전해질 세라믹 액상을 압력 스프레이 분산기를 이용하여 상기 제4 단계를 거친 음극층 상에 분산하는 제6 단계와;
    상기 음극층 상에 분산된 전해질 세라믹 액상을 상부에서 열압착하여 경화시키는 제7 단계와;
    상기 음극층 상에 상기 전해질 세라믹 액상이 경화되며 형성된 전해질층이 정해진 두께가 될 때까지 상기 제6 단계와 상기 제7 단계를 반복하는 제8 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제8 단계를 거친 전해질층의 상부에 양극층을 증착하는 제9 단계와;
    상기 제9 단계를 거쳐 음극층과, 전해질층과, 양극층이 순차적으로 적층된 제품을 일정한 형태로 제단하는 제10 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 단계는, 음극 세라믹 파우더, 에탄올 및 톨루엔, 분산제를 3 : 1 : 0.1의 중량비로 볼밀기를 이용하여 1차 희석한 후, 고분자 바인더를 상기 분산제 기준 10배 중량비로 첨가하여 볼밀기를 이용하여 2차 희석하여 상기 음극 세라믹 액상을 제조하는 것을 특징으로 하는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 온도 30 ~ 40℃ , 압력 1.5Mph, 시간 5 ~ 8초의 조건으로 열압착하는 것을 특징으로 하는 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법.
KR1020180150104A 2018-11-28 2018-11-28 표면저항이 개선된 고체 산화물 연료전지용 단위 전지 제조 방법 KR102221678B1 (ko)

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