KR20220069213A - Glass ceramic composite sealant for solid oxide fuel cell with low shrinkage - Google Patents

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KR20220069213A
KR20220069213A KR1020200156112A KR20200156112A KR20220069213A KR 20220069213 A KR20220069213 A KR 20220069213A KR 1020200156112 A KR1020200156112 A KR 1020200156112A KR 20200156112 A KR20200156112 A KR 20200156112A KR 20220069213 A KR20220069213 A KR 20220069213A
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임경태
이희락
신형철
윤태수
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주식회사케이세라셀
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Abstract

Provided is a glass ceramic composite sealant for a solid oxide fuel cell with a low shrinkage rate, comprising: 91 to 96 wt% of a BaO-B_2O_3-SiO_2-Al_2O_3-based a glass composition; 3 to 4 wt% of 8YSZ; and 0.5 to 5 wt% of expanded vermiculite. The glass ceramic composite sealant for a solid oxide fuel cell according to the present invention includes 8YSZ and expanded vermiculite in the glass composition to prevent the glass ceramic composite sealant from shrinking under a sealing heat treatment condition at a high temperature of 750 to 900 ℃.

Description

낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재{Glass ceramic composite sealant for solid oxide fuel cell with low shrinkage}Glass ceramic composite sealant for solid oxide fuel cell with low shrinkage

본 발명은 고체산화물연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)에 사용되는 밀봉재에 관한 것으로, 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함하여 750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건에서 수축을 억제할 수 있는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재에 관한 것이다.The present invention relates to a sealing material used in a solid oxide fuel cell (SOFC), which contains 8YSZ and expanded vermiculite in a glass composition, and a solid capable of suppressing shrinkage under sealing heat treatment conditions at a high temperature of 750 to 900 ° C. It relates to a glass-ceramic composite sealing material for an oxide fuel cell.

일반적으로 평판형 SOFC 스택 내에서 밀봉재는 다음과 같은 두 가지 기능을 가진다. 첫째로 SOFC 작동 중 공기와 연료가스가 스택 내부에서 서로 혼입되지 않도록 하는 기능과 연료가스가 스택 외부로 누출되지 않도록 차단하는 역할을 한다. 연료가스와 공기의 혼합 또는 연료가스의 외부 누출은 연료의 전기화학 반응에 의한 전력 생성에 앞서 연료의 연소반응에 의한 연료가스의 손실을 가져와 SOFC용 스택의 에너지 효율을 낮추고 연소반응에 의한 과열은 스택의 내구성을 심각하게 손상시킨다.In general, the encapsulant has two functions in the flat SOFC stack. First, it serves to prevent air and fuel gas from mixing inside the stack during SOFC operation and to block fuel gas from leaking out of the stack. Mixing of fuel gas and air or external leakage of fuel gas causes loss of fuel gas due to combustion reaction of fuel prior to power generation by electrochemical reaction of fuel, lowering energy efficiency of SOFC stack, and overheating due to combustion reaction It seriously impairs the durability of the stack.

둘째로 밀봉재는 스택을 구성하는데 있어 기계적인 접착제 또는 가스 누설 방지막이며 스택에 주어지는 열·기계적 충격에 대한 완충제의 역할도 동시에 수행하게 된다. 즉 밀봉재는 밀봉효과를 높이기 위해 스택에 주어지는 압력이나 스택 내·외부의 압력차를 견딜 수 있어야하고 스택의 제조단계 및 운전 중 발생하는 열·기계적 응력을 완화시킬 수 있어야 하는 등 요구되는 물성이 상당히 복잡하다.Second, the sealing material is a mechanical adhesive or a gas leakage preventing film in constructing the stack, and also serves as a buffer against thermal and mechanical shocks given to the stack at the same time. In other words, the sealing material has considerable required properties, such as being able to withstand the pressure applied to the stack or the pressure difference inside and outside the stack in order to enhance the sealing effect, and to relieve thermal and mechanical stress generated during the manufacturing stage and operation of the stack. Complex.

이와 같이 SOFC의 원활한 작동을 위해 요구되어지는 밀봉재의 기본적인 조건들을 정리해 보면 다음과 같다. 밀봉재는 물리적으로 접하게 되는 스택 핵심 구성 부품소재들과 접착이 잘 이루어져야 하며 특히 SOFC 작동 중 주어지는 열 사이클에도 접착부위가 약화되지 않아야 한다. 다른 구성성분과의 열팽창계수의 차이가 크지 않아 열 사이클이 주어지더라도 열응력에 의한 파괴가 없어야 하고, 연료가스와 공기의 두 극단적인 산소분압 조건에서 화학적으로 분해, 증발되지 않고 사용될 수 있어야 한다. As such, the basic conditions of the sealing material required for the smooth operation of the SOFC are summarized as follows. The sealing material must adhere well to the stack's core component materials that are in physical contact, and especially, the bonding area must not be weakened by the heat cycle given during SOFC operation. Since the difference in coefficient of thermal expansion with other components is not large, there should be no destruction due to thermal stress even if a thermal cycle is given, and it should be able to be used without chemical decomposition and evaporation under the two extreme oxygen partial pressures of fuel gas and air. .

또한 SOFC 스택 작동온도에서 다른 구성성분들과의 화학반응이 일어나지 않는 안정한 물질이어야 하며 SOFC 작동온도에서 전기 전도성이 없으며 전기적 절연을 유지할 수 있어야 한다. In addition, it must be a stable material that does not undergo chemical reaction with other components at the SOFC stack operating temperature, and has no electrical conductivity at the SOFC operating temperature and can maintain electrical insulation.

이와 같이 SOFC에 사용되는 밀봉재는 일차적으로 피접착재와 밀봉접합이 이루어져야하고 또한 앞에서 언급한 물성들을 모두 만족해야 하므로 결정질 세라믹보다는 유리 또는 결정화 유리 재질이 주로 연구, 개발되었다.As such, the sealing material used in SOFC must first perform sealing bonding with the material to be adhered, and also satisfy all of the physical properties mentioned above.

현재까지 SOFC용 밀봉재로 개발된 대표적인 유리 조성으로는 SrO- La2O3-Al2O3-B2O3-SiO2계, BaO-Al2O3-SiO2-B2O3계, MgO-Al2O3-P2O5계, BaO -Al2O3-SiO2-ZnO계, CaO-TiO2-SiO2계 등을 들 수 있으며, 특히 최근 들어 자동차 보조전원용으로 SOFC를 활용하기 위한 연구들에선 급격한 열 사이클에 대한 요구조건이 심화되어 유리질만을 이용한 밀봉재 개발이 어려워 첨가물을 적용한 복합체 구성을 통해 한계를 극복하고자 하는 연구가 이어지고 있다.Representative glass compositions developed as sealants for SOFCs so far include SrO- La 2 O 3 -Al 2 O 3 -B 2 O 3 -SiO 2 , BaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -B 2 O 3 , MgO-Al 2 O 3 -P 2 O 5 type, BaO -Al 2 O 3 -SiO 2 -ZnO type, CaO-TiO 2 -SiO 2 type, etc. In the studies for this purpose, it is difficult to develop a sealing material using only glass material due to the intensifying requirements for a rapid thermal cycle, so studies are continuing to overcome the limitations through the composition of a composite using additives.

1. 한국 등록특허공보 제10-2119318호1. Korean Patent Publication No. 10-21119318 2. 한국 등록특허공보 제10-1182379호2. Korean Patent Publication No. 10-1182379

본 발명은 고체산화물연료전지용 밀봉재로서 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함하여 750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건에서 수축을 억제할 수 있는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell that can suppress shrinkage in a sealing heat treatment condition at a high temperature of 750 to 900° C. by including 8YSZ and expanded vermiculite in a glass composition as a sealing material for a solid oxide fuel cell.

또한 본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 팽창질석의 첨가로 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용 시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다.In addition, the glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention increases the thermal expansion coefficient of the glass ceramic composite sealing material by the addition of expanded vermiculite, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3계 유리 조성물: 91 내지 96 중량%, 8YSZ: 3 내지 4 중량% 및 팽창질석: 0.5 내지 5 중량%를 포함한다.A glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage rate according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem is BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 based glass composition: 91 to 96 wt% , 8YSZ: 3 to 4% by weight and expanded vermiculite: 0.5 to 5% by weight.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 BaO 50 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 12 중량%, SiO2 25 내지 35 중량% 및 Al2O3 2 내지 6 중량%를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the BaO may include 50 to 60% by weight, B 2 O 3 5 to 12% by weight, SiO 2 25 to 35% by weight, and Al 2 O 3 2 to 6% by weight. .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유리 조성물 91 내지 96 중량%, 8YSZ 3 내지 4 중량% 및 팽창질석 0.5 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the glass composition may include 91 to 96 wt%, 3 to 4 wt% of 8YSZ, and 0.5 to 5 wt% of expanded vermiculite.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 유리 조성물 92 내지 95.7 중량%, 8YSZ 3.5 내지 4 중량% 및 팽창질석 0.8 내지 4.5 중량%를 포함할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the glass composition may include 92 to 95.7 wt%, 3.5 to 4 wt% of 8YSZ, and 0.8 to 4.5 wt% of expanded vermiculite.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.05 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 11% 이하일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.05 to 0.08 or less, and the shrinkage rate after heat treatment at 750 to 900° C. for 1 hour may be 11% or less.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.06 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 8% 이하일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.06 to 0.08 or less, and the shrinkage rate after heat treatment at 750°C to 900°C for 1 hour may be 8% or less.

또한 본 발명은 상술한 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 페이스트를 포함한다.In addition, the present invention is a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell as described above; and a sealing paste including an organic binder.

또한 본 발명은 상술한 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 성형 시트를 포함한다.In addition, the present invention is a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell as described above; and a sealing molding sheet including an organic binder.

본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 밀봉재로서 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함하여 750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건에서 수축을 억제하여 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재를 제공할 수 있다.As a sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention, it is possible to provide a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell that contains 8YSZ and expanded vermiculite in a glass composition to suppress shrinkage under a sealing heat treatment condition at a high temperature of 750 to 900 ° C and has a low shrinkage rate have.

또한 본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 팽창질석의 첨가로 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용 시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다.In addition, the glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention increases the thermal expansion coefficient of the glass ceramic composite sealing material by the addition of expanded vermiculite, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 수축률 및 접착강도를 비교 분석하기 위한 시편의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 접합강도를 평가하는 방법을 도시한 그림이다.
도 5는 상부 금속판(STS460FC)의 변위에 따른 하중 변화를 측정한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 접합강도를 측정하고 비교 도시한 그래프이다.
1 is a graph illustrating a comparison of shrinkage rates of sealing materials for SOFCs according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a specimen for comparative analysis of the shrinkage rate and adhesive strength of the plate-shaped sealant molded with the sealant for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
3 is a graph showing a comparison of shrinkage rates of plate-shaped sealing materials molded with SOFC sealing materials according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
4 is a diagram illustrating a method for evaluating the bonding strength of a plate-shaped sealing material molded with a sealing material for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention.
5 is a result of measuring the load change according to the displacement of the upper metal plate (STS460FC).
6 is a graph showing the measurement and comparison of bonding strength of plate-shaped sealing materials molded with SOFC sealing materials according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을/ 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided in order to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey/completely the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. As used herein, the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of those listed items. The same symbols refer to the same elements from time to time. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

고체산화물연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)에 사용되는 밀봉재는 SOFC 스택의 핵심부품인 세라믹 셀, 셀 프레임, 금속 분리판을 고온에서 접착시켜 공기 및 연료의 혼입 및 누출을 방지하는 핵심 소재이다. The sealing material used in Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is a key material that prevents mixing and leakage of air and fuel by bonding ceramic cells, cell frames, and metal separators, which are core components of SOFC stacks, at high temperatures. .

SOFC용 스택의 제조단계에서 밀봉재의 접착과 구성 부품들의 접촉저항 최소화를 위해 750~900℃의 고온에서 열처리와 아울러 기계적 압력이 주어지게 된다. 그러나 과도한 열처리 온도와 압력 조건에서는 유리 밀봉재의 경우에는 스택의 내부 및 외부로 흘러 유출되는 경우가 발생한다. 이러한 밀봉재의 내·외부 유출은 접착강도를 낮추거나 통전이 발생하고 심할 경우에는 공기 및 연료가스 통로를 막아 결과적으로 스택의 안정적인 운전을 불가능하게 한다. 따라서 가장 이상적인 SOFC용 밀봉재는 기본적으로 요구되는 물성들과 아울러 밀봉 과정에서 최대한 수축이 억제될 필요가 있다. In the manufacturing stage of the stack for SOFC, mechanical pressure is applied as well as heat treatment at a high temperature of 750~900℃ to bond the sealing material and minimize the contact resistance of the components. However, under excessive heat treatment temperature and pressure conditions, the glass sealant may flow into and out of the stack. The leakage of these sealants to the outside lowers the adhesive strength or generates electricity, and in severe cases blocks the air and fuel gas passages, making it impossible to operate the stack stably as a result. Therefore, the most ideal sealing material for SOFC needs to have basic properties and to suppress shrinkage as much as possible during the sealing process.

본 발명에 따른 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함한다. 상기 8YSZ는 8mol% 이트리아 안정화제가 고용된 지르코니아(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92이고, 상기 팽창질석(Expanded vermiculite)은 질석을 파쇄, 소성하여 팽창시킨 질석을 뜻한다.The glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage rate according to the present invention contains 8YSZ and expanded vermiculite in a glass composition. The 8YSZ is zirconia (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 in which the 8 mol% yttria stabilizer is dissolved, and the expanded vermiculite refers to vermiculite expanded by crushing and calcining vermiculite.

750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건(온도 및 압력)에서 수축을 억제하도록 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함한다. 8YSZ만 첨가하는 경우 수축률이 증가하나 팽창질석과 함께 첨가하는 경우 밀봉재의 수축률이 감소할 수 있다. 또한 팽창질석의 함량이 증가함에 따라 수축률의 감소를 나타낸다.8YSZ and expanded vermiculite are included in the glass composition to suppress shrinkage under high temperature sealing heat treatment conditions (temperature and pressure) of 750~900°C. When only 8YSZ is added, the shrinkage rate increases, but when it is added together with expanded vermiculite, the shrinkage rate of the sealing material may decrease. It also shows a decrease in the shrinkage rate as the content of expanded vermiculite increases.

밀봉재는 세라믹 셀과 셀 프레임과의 밀봉 그리고 셀 프레임과 금속 분리판의 밀봉처리에 사용되며 실제로는 셀 프레임과 금속 분리판 밀봉에 사용되는 양이 상대적으로 많다. 또한 셀 프레임 및 금속 분리판 소재는 대부분 STS400계 소재들로서 대부분 열팽창계수가 12×10-6K-1 이상인 반면에 유리 밀봉재들은 SOFC용 셀 전해질 소재인 8YSZ의 열팽창계수와 유사한 10~11×10-6K-1 정도의 열팽창계수를 갖도록 설계되었다. The sealing material is used for sealing the ceramic cell and the cell frame and sealing the cell frame and the metal separator, and in reality, the amount used for sealing the cell frame and the metal separator is relatively large. In addition, most of the cell frame and metal separator materials are STS400-based materials, and most have a thermal expansion coefficient of 12×10 -6 K -1 or higher, whereas glass encapsulants 10-11×10 - similar to the thermal expansion coefficient of 8YSZ, a cell electrolyte material for SOFC. It is designed to have a coefficient of thermal expansion of about 6 K -1 .

따라서 팽창질석의 첨가는 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다.Therefore, the addition of expanded vermiculite increases the thermal expansion coefficient of the glass-ceramic composite sealing material, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

상기 유리 조성물은 BaO, B2O3, SiO2 및 Al2O3를 포함할 수 있으며, 상기 BaO 50 내지 60 중량%, B2O3 5 내지 12 중량%, SiO2 25 내지 35 중량% 및 Al2O3 2 내지 6 중량%로 이루어질 수 있다.The glass composition may include BaO, B 2 O 3, SiO 2 and Al 2 O 3 , the BaO 50 to 60% by weight, B 2 O 3 5 to 12% by weight, SiO 2 25 to 35% by weight, and Al 2 O 3 2 to 6% by weight.

상기의 조성비를 갖는 유리 조성물은 850℃ 이상에서 우수한 유동성을 나타내므로, 고체산화물 연료전지의 제조온도와 동일한 온도에서 제조가 가능하며, 높은 합착강도로 인하여 물리적으로 강한 특징이 있다. 또한, 상기 유리 조성물은 고체산화물 연료전지의 작동온도인 약 700℃에서 연화되지 않고, 전해질과의 반응성이 거의 없어서 물리적, 화학적으로 안정하다는 장점을 가진다.Since the glass composition having the above composition ratio exhibits excellent fluidity at 850° C. or higher, it can be manufactured at the same temperature as the manufacturing temperature of the solid oxide fuel cell, and has a physically strong characteristic due to high bonding strength. In addition, the glass composition does not soften at about 700° C., which is the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and has little reactivity with the electrolyte, so that it is physically and chemically stable.

상기 BaO는 망목 변형제로서 유리 구조를 형성하는 주요 성분이며, 화학적 내구성, 열전도도를 증대시키는 역할을 한다. 그러나 BaO가 지나치게 높게 함유되는 경우 상분리 현상이 쉽게 발생하여 용융 및 유리 형성이 어려워지거나, 실투 특성 및 화학적 내성을 떨어뜨리고 점도를 증가시킬 수 있으며, BaO가 지나치게 낮게 함유되는 경우, 열전도도가 낮아질 수 있다. 따라서 BaO의 함량은 50 내지 60 중량%의 범위를 만족하는 것이 좋다. 상기 BaO의 함량이 50 중량% 미만이거나, 60 중량%를 초과하게 되면, 유리 제조 시 상분리 현상이 나타날 수 있고, 상기 유리 조성물이 용융되지 않는 현상이 발생할 수 있다.The BaO is a network modifier and is a major component forming a glass structure, and serves to increase chemical durability and thermal conductivity. However, if BaO is contained too high, phase separation may easily occur, making it difficult to melt and form glass, or may decrease devitrification properties and chemical resistance and increase viscosity. If BaO is contained too low, thermal conductivity may decrease. have. Therefore, the content of BaO is preferably in the range of 50 to 60% by weight. When the content of BaO is less than 50% by weight or exceeds 60% by weight, a phase separation phenomenon may occur during glass manufacturing, and a phenomenon in which the glass composition does not melt may occur.

상기 B2O3는 SiO2와 유사한 망목형성제 역할을 수행하나 2차원적인 구조를 가지고 있어 유리 소재의 유리 안정성을 높이는 동시에 점도 저하에 기여한다. 그러나 B2O3의 함량이 12 중량% 초과이면 열팽창계수가 감소하고 상분리 현상이 발생할 수 있다. 또한 B2O3의 함량이 5 중량% 미만이면 상분리 현상이 쉽게 발생하여 용융 및 유리 형성이 어려워지는 문제가 있다. 따라서 B2O3의 함량은 5 내지 12 중량%의 범위를 만족하는 것이 좋다.The B 2 O 3 serves as a network former similar to that of SiO 2 , but has a two-dimensional structure and thus contributes to increasing the glass stability of the glass material and lowering the viscosity. However, if the content of B 2 O 3 is more than 12 wt%, the coefficient of thermal expansion may decrease and phase separation may occur. In addition, when the content of B 2 O 3 is less than 5% by weight, there is a problem in that a phase separation phenomenon easily occurs, thereby making it difficult to melt and form a glass. Therefore, the content of B 2 O 3 is preferably in the range of 5 to 12% by weight.

상기 SiO2는 내열성 및 내열충격성을 높여주는 유리의 주요 구성물질로서 망목(network) 구조를 형성하는 산화물이며, 그 함량이 높을 경우 유리의 용융점을 상향시키는 한편, 또한 SiO2의 함량 증가는 열전도도를 증가시킬 수 있다. 따라서 SiO2의 함량은 25 내지 35 중량%의 범위를 만족하는 것이 좋다. 상기 SiO2의 함량이 25 중량% 미만이거나 35 중량%를 초과하게 되면, 유리제조시 상분리 현상이 나타날 수 있고, 상기 유리 조성물이 용융되지 않는 현상이 발생할 수 있다.The SiO 2 is an oxide that forms a network structure as a main component of glass that increases heat resistance and thermal shock resistance, and when the content is high, the melting point of the glass is raised, while the increase in the content of SiO 2 also increases the thermal conductivity can increase Therefore, the content of SiO 2 is preferably in the range of 25 to 35% by weight. When the content of SiO 2 is less than 25% by weight or exceeds 35% by weight, a phase separation phenomenon may occur during glass manufacturing, and a phenomenon in which the glass composition is not melted may occur.

상기 Al2O3을 2 내지 6 중량%의 범위로 포함할 수 있다. Al2O3는 유리의 안정성을 향상시킬 수 있고, 상기 범주로 포함되는 경우 유리 조성물의 평균 열팽창계수를 상승시킬 수 있다. 만일, Al2O3이 상기 유리 조성물 중에 6 중량% 초과로 포함되는 경우 유리의 결정화가 발생하여 유동성이 저하될 수 있다.The Al 2 O 3 may be included in an amount of 2 to 6 wt%. Al 2 O 3 may improve the stability of the glass, and may increase the average coefficient of thermal expansion of the glass composition when included in the above category. If Al 2 O 3 is contained in an amount of more than 6 wt% in the glass composition, crystallization of the glass may occur, thereby reducing fluidity.

본 발명에 따른 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 상기 유리 조성물 91 내지 96 중량%, 8YSZ 3 내지 4 중량% 및 팽창질석 0.5 내지 5 중량%로 이루어 질 수 있다. 특히, 상기 유리 조성물 92 내지 95.7 중량%, 8YSZ 3.5 내지 4 중량% 및 팽창질석 0.8 내지 4.5 중량%로 이루어질 수 있다.The glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage according to the present invention may consist of 91 to 96 wt% of the glass composition, 3 to 4 wt% of 8YSZ, and 0.5 to 5 wt% of expanded vermiculite. In particular, the glass composition may be comprised of 92 to 95.7 wt%, 3.5 to 4 wt% of 8YSZ, and 0.8 to 4.5 wt% of expanded vermiculite.

본 발명에 따른 유리 세라믹 복합 밀봉재는 상기 유리 조성물에 8YSZ 3 내지 4 중량%를 포함할 수 있다. 밀봉재는 셀 프레임과 금속분리판의 접착과 아울러 셀 전해질 표면과 셀 프레임의 접착에도 사용되기 때문에 전해질 소재와 동일한 ZrO2계 전해질을 첨가제로 사용할 수 있다. 첨가량이 작은 경우에는 용융 및 퍼짐 억제 효과가 너무 미미하고, 과량일 경우에는 접착강도를 낮추기 때문에 상기 범위를 만족하는 것이 좋다. CeO2계 전해질을 첨가하는 경우, CeO2계 전해질의 열팽창계수가 13×10-6K-1 정도이어서 글라스 복합체의 열팽창계수를 증가시키는데 있어 유리하지만 CeO2계 전해질은 환원분위기에서 전자전도성이 나타나 스택의 절연이 어려울 수 있는 단점이 있다.The glass ceramic composite sealing material according to the present invention may include 3 to 4 wt% of 8YSZ in the glass composition. Since the sealing material is used for bonding the cell frame and the metal separator as well as bonding the cell electrolyte surface to the cell frame, the same ZrO 2 electrolyte as the electrolyte material can be used as an additive. When the amount added is small, the effect of inhibiting melting and spreading is too insignificant, and when the amount is excessive, it is preferable to satisfy the above range because the adhesive strength is lowered. When a CeO 2 -based electrolyte is added, the thermal expansion coefficient of the CeO 2 -based electrolyte is about 13×10 -6 K -1 , which is advantageous in increasing the thermal expansion coefficient of the glass composite. However, the CeO 2 -based electrolyte exhibits electron conductivity in a reducing atmosphere. There is a disadvantage that it may be difficult to insulate the stack.

본 발명에 따른 유리 세라믹 복합 밀봉재는 상기 유리 조성물에 팽창질석 0.5 내지 5 중량%를 더 포함할 수 있다. 상기 유리 조성물에 8YSZ만 첨가하는 경우 수축률이 증가하나 팽창질석과 함께 첨가하는 경우 밀봉재의 수축률이 감소할 수 있다. 또한 팽창질석의 함량이 증가함에 따라 수축률의 감소를 나타낸다. 또한 팽창질석의 첨가는 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다. 팽창질석을 0.5 중량% 미만으로 첨가하는 경우 밀봉재 수축 억제 효과를 나타내지 못하며, 5 중량% 초과하여 첨가하는 경우 밀봉재 제조 시 결정화가 나타날 수 있으며, SOFC용 셀의 연료극 지지체로 사용되는 NiO+8YSZ 세라믹 기판과의 접착이 불량해질 수 있다.The glass ceramic composite sealing material according to the present invention may further include 0.5 to 5 wt% of expanded vermiculite in the glass composition. When only 8YSZ is added to the glass composition, the shrinkage rate increases, but when added together with expanded vermiculite, the shrinkage rate of the sealing material may decrease. It also shows a decrease in the shrinkage rate as the content of expanded vermiculite increases. In addition, the addition of expanded vermiculite increases the thermal expansion coefficient of the glass ceramic composite sealing material, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator. When expanded vermiculite is added in an amount of less than 0.5 wt %, the effect of suppressing the shrinkage of the sealing material is not exhibited, and when it is added in an amount exceeding 5 wt %, crystallization may occur during the manufacture of the sealing material, and NiO+8YSZ ceramic substrate used as an anode support for a cell for SOFC adhesion may be poor.

본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재에 있어 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.05 내지 0.08이하일 때, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 11% 이하의 수축률을 가진다.In the glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention, when the weight ratio of (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.05 to 0.08 or less, after heat treatment at 750 ° C. to 900 ° C. for 1 hour, the shrinkage rate of 11% or less have

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시한 그래프이고, 표 3은 (8YSZ+팽창질석)/glass의 중량비와 수축률(%)을 나타낸 표이다. 팽창질석 함량이 높을수록, (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비가 높을수록 수축률이 감소하여 우수한 결과를 나타내었으나, (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비가 0.08을 초과하는 경우, 열처리후 NiO+8YSZ 세라믹 기판과의 접착성이 저하되어 분리될 수 있어 상기 범위를 만족하는 것이 좋다.1 is a graph showing the comparison of the shrinkage ratio of sealing materials for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention, and Table 3 is a table showing the weight ratio and shrinkage ratio (%) of (8YSZ+expanded vermiculite)/glass. The higher the content of expanded vermiculite, the higher the weight ratio of (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition decreased, resulting in excellent results. After that, the adhesion to the NiO+8YSZ ceramic substrate is deteriorated and separation can occur, so it is preferable to satisfy the above range.

특히 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.06 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 8% 이하일 수 있고, 특히 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.07 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 4% 이하의 우수한 수축률을 가질 수 있다.In particular, the weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.06 to 0.08 or less, and the shrinkage rate after heat treatment at 750°C to 900°C for 1 hour may be 8% or less, in particular, the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition A weight ratio of 0.07 to 0.08 or less, after heat treatment at 750 ° C. to 900 ° C. for 1 hour, the shrinkage rate may have an excellent shrinkage rate of 4% or less.

본 발명은 상술한 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 페이스트를 포함한다. 또한 본 발명은 상술한 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 성형 시트를 포함한다. 상기 유리 세라믹 복합 밀봉재를 밀봉 페이스트(paste)를 제조 후 디스펜싱(dispensing)으로 적용하는 경우 비용이 저렴하고 제조 수율이 높으며, 상기 유리 세라믹 복합 밀봉재를 시트(sheet)로 제작 후 적용하는 경우에는 균일한 밀봉 층을 확보할 수 있다.The present invention relates to the above-described glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell; and a sealing paste including an organic binder. In addition, the present invention is a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell as described above; and a sealing molding sheet including an organic binder. When the glass-ceramic composite sealing material is applied by dispensing after manufacturing the sealing paste, the cost is low and the manufacturing yield is high. One sealing layer can be secured.

상기 유기바인더는 열가소성 수지일 수 있다. 구체적이고 비한정적인 일 예로, 상기 유기바인더는 에틸셀룰로오스, 아크릴레이트계 고분자 등을 포함할 수 있다.The organic binder may be a thermoplastic resin. As a specific and non-limiting example, the organic binder may include ethyl cellulose, an acrylate-based polymer, and the like.

이와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 고체산화물연료전지용 밀봉재로서 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함하여 750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건에서 수축을 억제할 수 있다.As described above, the glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention is a sealing material for a solid oxide fuel cell and contains 8YSZ and expanded vermiculite in the glass composition to suppress shrinkage under the sealing heat treatment conditions at a high temperature of 750 to 900 ° C.

또한 팽창질석의 첨가는 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용 시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다.In addition, the addition of expanded vermiculite increases the thermal expansion coefficient of the glass-ceramic composite sealing material, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

실시예 Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다. Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.

원판형 성형체 제작Production of disk-shaped molded body

SOFC용 유리 밀봉재로 사용되는 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 유리 분말에 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2) 및 팽창질석(vermiculite)을 혼합한 복합 분말을 제조하였으며 그 배합비(중량%)를 아래의 표 1에 정리하였다. A composite powder obtained by mixing 8YSZ (8 mol% Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ) and vermiculite with a glass powder of BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 composition used as a glass sealing material for SOFC. was prepared and the compounding ratio (wt%) is summarized in Table 1 below.

상기 유리 분말은 BaO 54 중량%, B2O3 8.8 중량%, SiO2 29 중량% Al2O3 3.1 중량%의 조성으로 이루어 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 계 유리 분말을 사용하여 제작하였다.The glass powder is BaO 54 wt%, B 2 O 3 8.8 % by weight, SiO 2 29% by weight Al 2 O 3 A composition of 3.1 wt% was prepared using BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 glass powder.

SampleSample 비교예comparative example 실시예Example 비교예comparative example 1One 22 33 44 55 66 77 GlassGlass 100100 96.1596.15 95.2495.24 94.3494.34 93.4693.46 92.6092.60 91.7491.74 8YSZ8YSZ 3.853.85 3.813.81 3.773.77 3.743.74 3.703.70 3.673.67 VermiculiteVermiculite 0.950.95 1.891.89 2.802.80 3.703.70 4.594.59

순수 유리분말(sample 1)과 균일 혼합된 복합 분말(sample 2~7)을 직경 27mm의 원판형 성형체로 일축가압성형 후 SOFC용 셀의 연료극 지지체로 사용되는NiO+8YSZ 세라믹 기판 위에 성형체들을 올리고 850℃에서 1시간 동안 열처리하여 직경 변화와 기판과의 접착상태를 확인하였다. 표 2와 같이 sample 7을 제외하고는 모두 NiO+8YSZ 세라믹 기판과 접착력을 잘 유지한다.After uniaxial pressure molding of pure glass powder (sample 1) and uniformly mixed composite powder (sample 2-7) into a disk-shaped molded body with a diameter of 27 mm, the molded bodies are placed on the NiO+8YSZ ceramic substrate used as the anode support of the SOFC cell, and 850 It was heat-treated at ℃ for 1 hour to confirm the change in diameter and adhesion to the substrate. As shown in Table 2, all but sample 7 maintain good adhesion to the NiO+8YSZ ceramic substrate.

SampleSample 비교예comparative example 실시예Example 비교예comparative example 1One 22 33 44 55 66 77 접착상태adhesion state 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 양호Good 불량error

원판형 성형체 수축률 평가Evaluation of Shrinkage Rate of Disc-shaped Molded Body

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시한 그래프이다. SOFC용 밀봉재로 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 유리 분말(sample 1), 유리 분말에 8YSZ가 첨가된 복합 분말(sample 2) 및 유리 분말에 8YSZ와 팽창질석이 동시 첨가된 복합 분말(sample 3~7)을 원판형 성형체로 제작 후 NiO+8YSZ 세라믹 기판 위에 올리고 850℃에서 1시간 동안 열처리한 시편들의 수축률을 비교하여 도시하였다.1 is a graph illustrating a comparison of shrinkage rates of sealing materials for SOFCs according to Examples and Comparative Examples of the present invention. As a sealing material for SOFC, glass powder with BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 composition (sample 1), composite powder with 8YSZ added to glass powder (sample 2), and glass powder with 8YSZ and expanded vermiculite at the same time The added composite powder (samples 3 to 7) was prepared into a disk-shaped molded body, placed on a NiO+8YSZ ceramic substrate, and the shrinkage rates of specimens heat-treated at 850° C. for 1 hour were compared and shown.

직경 변화에 따른 수축률을 측정 비교하였으며, 순수 유리인 sample 1은 11.44%의 수축률을 보였으나 8YSZ만 첨가된 sample 2는 12.44%로 더 높은 수축률을 보였다. 8YSZ와 팽창질석이 동시에 첨가된 복합 밀봉재들은 팽창질석의 함량이 증가함에 따라 수축률이 감소하였고 특히, sample 3 내지 5 구간에서 수축 억제 효과가 급격히 발생하는 경향을 보여주었다.The shrinkage ratio according to the change in diameter was measured and compared. Sample 1, which is pure glass, showed a shrinkage of 11.44%, but sample 2 with only 8YSZ added showed a higher shrinkage of 12.44%. Composite sealing materials in which 8YSZ and expanded vermiculite were added at the same time showed a decrease in shrinkage as the content of expanded vermiculite increased, and in particular, the shrinkage inhibitory effect in samples 3 to 5 showed a tendency to occur rapidly.

밀봉재는 세라믹 셀과 셀 프레임과의 밀봉 그리고 셀 프레임과 금속 분리판의 밀봉처리에 사용되며 실제로는 셀 프레임과 금속 분리판 밀봉에 사용되는 양이 상대적으로 많다. 또한 셀 프레임 및 금속 분리판 소재는 대부분 STS400계 소재들로서 대부분 열팽창계수가 12×10-6K-1 이상인 반면에 유리 밀봉재들은 SOFC용 셀 전해질 소재인 8YSZ의 열팽창계수와 유사한 10~11×10-6K-1 정도의 열팽창계수를 갖도록 설계되었다. 따라서 팽창질석의 첨가는 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용 시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.The sealing material is used for sealing the ceramic cell and the cell frame and sealing the cell frame and the metal separator, and in reality, the amount used for sealing the cell frame and the metal separator is relatively large. In addition, most of the cell frame and metal separator materials are STS400-based materials, and most have a thermal expansion coefficient of 12×10 -6 K -1 or higher, whereas glass encapsulants 10-11×10 - similar to the thermal expansion coefficient of 8YSZ, a cell electrolyte material for SOFC. It is designed to have a coefficient of thermal expansion of about 6 K -1 . Therefore, it can be expected that the addition of expanded vermiculite increases the thermal expansion coefficient of the composite sealing material, thereby reducing the difference in thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

판상 밀봉재 성형Molding of plate-shaped sealing material

도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 수축률 및 접착강도를 비교 분석하기 위한 시편의 단면도이다. SOFC용 밀봉재로 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 유리 분말(sample 1) 및 유리 분말에 8YSZ와 팽창질석이 동시 첨가된 복합 분말(sample 4)을 판상 밀봉재로 성형하고 이 판상 밀봉재의 수축률 및 접착강도를 비교 분석하기 위한 시편의 단면을 도시하였다.2 is a cross-sectional view of a specimen for comparative analysis of the shrinkage rate and adhesive strength of the plate-shaped sealant molded with the sealant for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention. As a sealing material for SOFC, a glass powder (sample 1) having a composition of BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 and a composite powder (sample 4) in which 8YSZ and expanded vermiculite are simultaneously added to the glass powder (sample 4) are molded into a plate-shaped sealing material. The cross section of the specimen for comparative analysis of the shrinkage rate and adhesive strength of this plate-shaped sealing material is shown.

순수 유리 밀봉재(Sample 1)와 복합 밀봉재(Sample 4) 분말을 테입캐스팅 공정을 이용하여 길이 60mm, 폭 10mm, 두께 0.5mm의 판상 밀봉재로 성형하였다. 다음 도 2와 같이 길이 60mm, 폭 10mm, 두께 2mm의 상부 금속판(STS460FC) 1장과 길이 29mm, 폭 10mm, 두께 1.5mm의 하부 금속판(STS430) 2장 사이에 판상 밀봉재를 적층하였다. 적층된 2개의 시편은 알루미나 판재 위에 거치시키고 상부 금속 판재 위에 알루미나 소결체를 올려 하중(62g/cm2)을 주어 실제 SOFC 스택 적층 공정과 최대한 유사한 환경이 되도록 실험 조건을 설정하였다. Pure glass sealing material (Sample 1) and composite sealing material (Sample 4) powder were molded into a plate-shaped sealing material having a length of 60 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 0.5 mm using a tape casting process. As shown in Figure 2 below, one upper metal plate (STS460FC) having a length of 60mm, a width of 10mm, and a thickness of 2mm, and two lower metal plates (STS430) having a length of 29mm, a width of 10mm, and a thickness of 1.5mm A plate-shaped sealing material was laminated in between. The two laminated specimens were placed on an alumina plate, and an alumina sintered body was placed on the upper metal plate to give a load (62 g/cm 2 ), and the experimental conditions were set to be as similar as possible to the actual SOFC stack lamination process.

판상 밀봉재 수축률 평가Evaluation of shrinkage rate of plate-shaped sealing material

도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시한 그래프이다. SOFC용 밀봉재로 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 유리 분말(Sample 1) 및 유리 분말에 8YSZ와 팽창질석이 동시 첨가된 복합 분말(Sample 4)을 판상 밀봉재로 성형하고, 850℃에서 1시간 동안 64g/cm2의 하중을 가하여 열처리한 판상 밀봉재의 수축률을 비교하여 도시하였다. 밀봉 열처리는 분당 5℃의 승온 속도로 850℃에서 1시간 동안 유지 후 냉각하였다. 3 is a graph showing a comparison of shrinkage rates of plate-shaped sealing materials molded with SOFC sealing materials according to Examples and Comparative Examples of the present invention. As a sealing material for SOFC, a glass powder (Sample 1) having a composition of BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 and a composite powder (Sample 4) in which 8YSZ and expanded vermiculite are simultaneously added to the glass powder (Sample 4) are molded into a plate-shaped sealing material. , shown by comparing the shrinkage rate of the plate-shaped sealing material heat treated by applying a load of 64 g / cm 2 for 1 hour at 850 ℃. In the sealing heat treatment, the temperature was maintained at 850° C. for 1 hour at a temperature increase rate of 5° C. per minute, and then cooled.

Sample 1 및 Sample 4 판상 밀봉재가 적용되고 850℃에서 1시간 동안 밀봉처리된 시편들의 두께를 측정하여 밀봉재의 수축률을 계산하였다.Sample 1 and Sample 4 plate-shaped sealing material was applied and the thickness of the specimens sealed at 850°C for 1 hour was measured to calculate the shrinkage of the sealing material.

① 열처리 전 판상 밀봉재 두께① Thickness of plate-shaped sealing material before heat treatment

② 열처리 후 판상 밀봉재 두께 = 열처리 후 시편 두께 - (STS460FC+STS430 두께)② Thickness of plate-shaped sealing material after heat treatment = thickness of specimen after heat treatment - (STS460FC+STS430 thickness)

③ 수축률(%) = (①-②)/① × 100③ Shrinkage (%) = (①-②)/① × 100

Sample 1의 판상 밀봉재는 29.8%의 수축률을 보인 반면에 Sample 4의 판상 밀봉재는 10.9%로 상대적으로 낮은 수축률을 보여주었다. 따라서 도 1의 무하중 상태에서 열처리 후 직경 변화를 측정하여 계산한 수축률 비교 결과와 동일하게 하중 상태에서 열처리 후 밀봉재의 두께 변화를 측정한 수축률 결과는 유사함을 확인하였다. The plate-shaped sealant of Sample 1 showed a shrinkage rate of 29.8%, while the plate-shaped sealant of Sample 4 showed a relatively low shrinkage rate of 10.9%. Therefore, it was confirmed that the shrinkage ratio results obtained by measuring the change in the thickness of the sealing material after heat treatment under a load were similar to the results of comparison of the shrinkage ratio calculated by measuring the diameter change after heat treatment in the unloaded state of FIG. 1 .

표 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재의 (8YSZ+팽창질석)/glass의 중량비와 수축률(%)을 나타낸 표이다. Table 3 is a table showing the weight ratio and shrinkage (%) of (8YSZ + expanded vermiculite)/glass of the sealing material for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

SampleSample 비교예comparative example 실시예Example 비교예comparative example 1One 22 33 44 55 66 77 (8YSZ+팽창질석)/glass(8YSZ+expanded vermiculite)/glass 0.000.00 0.040.04 0.050.05 0.060.06 0.070.07 0.080.08 0.090.09 수축률(%)Shrinkage (%) 11.4411.44 12.4412.44 10.5610.56 7.77.7 44 3.073.07 1.851.85

표 3과 같이 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재에 있어 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.05 내지 0.08이하일 때, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 11% 이하의 수축률을 가진다. As shown in Table 3, when the weight ratio of (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.05 to 0.08 or less in the glass ceramic composite sealing material for solid oxide fuel cell, as shown in Table 3, after heat treatment at 750 ° C. to 900 ° C. for 1 hour, the shrinkage rate of 11% or less have

상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.06 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 8% 이하일 수 있고, 특히 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.07 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 4% 이하의 우수한 수축률을 가질 수 있다.The weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.06 to 0.08 or less, and the shrinkage rate after heat treatment at 750°C to 900°C for 1 hour may be 8% or less, in particular, the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition The weight ratio is 0.07 to 0.08 or less, and the shrinkage rate after heat treatment at 750° C. to 900° C. for 1 hour may have an excellent shrinkage ratio of 4% or less.

상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비가 증가할수록 수축률이 감소하여 우수한 결과를 나타내었으나, 상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비가 0.05 미만이거나 0.08를 초과하면 유동성이 급격히 저하된다. 특히 표 2와 같이 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비가 0.09인 경우, SOFC용 셀의 연료극 지지체로 사용되는 NiO+8YSZ 세라믹 기판과 접착상태가 양호하지 않음을 확인하였으므로 상기 범위를 만족하는 것이 좋다.As the weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition increased, the shrinkage decreased, resulting in excellent results. . In particular, as shown in Table 2, when the weight ratio of (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.09, it was confirmed that the adhesion state with the NiO + 8YSZ ceramic substrate used as the anode support of the SOFC cell was not good. it's good

판상 밀봉재 접합강도 평가Evaluation of joint strength of plate-shaped sealing material

도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재의 접합강도를 평가하는 방법을 도시한 그림이다. SOFC용 밀봉재로 BaO-B2O3-SiO2-Al2O3 조성의 유리 분말(Sample 1) 및 유리 분말에 8YSZ와 팽창질석이 동시 첨가된 복합 분말(Sample 4)을 판상 밀봉재로 성형하고, 850℃에서 1시간 동안 64g/cm2의 하중을 가하여 열처리한 판상 밀봉재의 접합강도를 평가하였다.4 is a diagram illustrating a method for evaluating the bonding strength of a plate-shaped sealing material molded with a sealing material for SOFC according to Examples and Comparative Examples of the present invention. As a sealing material for SOFC, a glass powder (Sample 1) having a composition of BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 and a composite powder (Sample 4) in which 8YSZ and expanded vermiculite are simultaneously added to the glass powder (Sample 4) are molded into a plate-shaped sealing material. , the bonding strength of the plate-shaped sealing material heat treated by applying a load of 64 g/cm 2 for 1 hour at 850°C was evaluated.

수축률 평가를 마친 시편들을 이용하여 접착강도를 비교 평가하였으며 도 4와 같이 4점 굳힘강도 평가방법을 적용하였다. 하부 STS430 판재는 중간에 연결되지 않는 구조이기 때문에 실제 측정되는 접착강도는 상부 STS460FC의 굳힘강도와 상부 판재와 하부 판재 사이에 놓인 밀봉재의 접합강도의 합으로서 비교 평가하였다. Adhesive strength was compared and evaluated using the specimens that had been evaluated for shrinkage, and a 4-point hardening strength evaluation method was applied as shown in FIG. 4 . Since the lower STS430 plate is not connected in the middle, the actual measured adhesive strength was evaluated as the sum of the hardening strength of the upper STS460FC and the bonding strength of the sealing material placed between the upper and lower plates.

도 5는 도 4의 측정방법에 따라 상부 금속판(STS460FC)의 변위에 따른 하중 변화를 측정한 결과이다. 우선 상부 판재인 STS460FC 시편에 대한 4점 굳힘강도 평가를 수행하였고, 도 5와 같이 변위 1.25mm 부근에서 변위에 따른 하중 변화 곡선 기울기가 변화됨을 확인할 수 있었고 따라서 접착강도의 비교 평가는 변위 1.25mm에서 측정되는 하중으로 비교하였다. 5 is a result of measuring the load change according to the displacement of the upper metal plate (STS460FC) according to the measurement method of FIG. First, a four-point hardening strength evaluation was performed on the STS460FC specimen, which is the upper plate, and it was confirmed that the slope of the load change curve according to the displacement was changed near the displacement of 1.25mm as shown in FIG. The measured load was compared.

도 6은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 SOFC용 밀봉재로 성형한 판상 밀봉재를 도 4의 측정방법에 따라 접합강도를 측정하고 비교 도시한 그래프이다. 실험 결과 Sample 1의 판상 밀봉재가 적용된 시편은 변위 1.25mm 지점에서 80.7kgf의 하중이 기록되었고 Sample 4의 판상 밀봉재가 적용된 시편은 동일 조건에서 그 보다 높은 82.2kgf의 하중으로 나타났다. 순수한 STS460FC는 동일한 조건에서 75.5kgf을 보임에 따라 두 시편 모두 밀봉재의 계면 접착력이 반영되어 더 높은 하중 값들로 확인되었으나 Sample 4의 판상 밀봉재가 적용된 시편에서 상대적으로 높은 접착강도가 확보되었다.FIG. 6 is a graph showing and comparing the joint strength of the plate-shaped sealing material molded with the sealing material for SOFC according to the embodiment and the comparative example of the present invention according to the measurement method of FIG. 4 . As a result of the experiment, the specimen to which the plate-shaped sealant of Sample 1 was applied had a load of 80.7 kgf at a displacement of 1.25 mm, and the specimen to which the plate-shaped sealant of Sample 4 was applied had a higher load of 82.2 kgf under the same conditions. As pure STS460FC showed 75.5 kgf under the same conditions, both specimens reflected the interfacial adhesive force of the sealing material, and thus higher load values were confirmed.

위와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재는 고체산화물연료전지용 밀봉재로서 유리 조성물에 8YSZ 및 팽창질석을 포함하여 750~900℃ 고온의 밀봉 열처리 조건에서 수축을 억제함을 확인하였다.As described above, it was confirmed that the glass ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to the present invention suppresses the shrinkage under the sealing heat treatment condition at a high temperature of 750 to 900 ° C.

또한 팽창질석의 첨가는 유리 세라믹 복합 밀봉재의 열팽창계수를 증가시켜 셀 프레임과 금속 분리판 사이에 적용 시 열팽창계수의 차이를 줄일 수 있다.In addition, the addition of expanded vermiculite increases the thermal expansion coefficient of the glass-ceramic composite sealing material, thereby reducing the difference in the thermal expansion coefficient when applied between the cell frame and the metal separator.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술 분야 에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

Claims (7)

BaO-B2O3-SiO2-Al2O3계 유리 조성물: 91 내지 96 중량%, 8YSZ: 3 내지 4 중량% 및 팽창질석: 0.5 내지 5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재.
BaO-B 2 O 3 -SiO 2 -Al 2 O 3 glass composition: 91 to 96% by weight, 8YSZ: 3 to 4% by weight and expanded vermiculite: 0.5 to 5% by weight of low shrinkage Glass-ceramic composite sealing material for solid oxide fuel cells.
제1항에 있어서,
상기 유리 조성물은 BaO: 50 내지 60 중량%, B2O3: 5 내지 12 중량%, SiO2: 25 내지 35 중량%, 및 Al2O3: 2 내지 6 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재.
The method of claim 1,
The glass composition comprises BaO: 50 to 60 wt%, B 2 O 3 : 5 to 12 wt%, SiO 2 : 25 to 35 wt%, and Al 2 O 3 : 2 to 6 wt% Glass-ceramic composite sealing material for solid oxide fuel cells with low shrinkage.
제1항에 있어서,
상기 유리 조성물 92 내지 95.7 중량%, 8YSZ 3.5 내지 4 중량% 및 팽창질석 0.8 내지 4.5 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재.
The method of claim 1,
A glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage rate, comprising 92 to 95.7 wt% of the glass composition, 3.5 to 4 wt% of 8YSZ, and 0.8 to 4.5 wt% of expanded vermiculite.
제1항에 있어서,
상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.05 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 11% 이하인 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재.
The method of claim 1,
The weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.05 to 0.08 or less, and a glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage rate of 11% or less after heat treatment at 750°C to 900°C for 1 hour.
제1항에 있어서,
상기 (8YSZ + 팽창질석)/유리 조성물의 중량비는 0.06 내지 0.08이하이고, 750℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 열처리 후 수축률이 8% 이하인 낮은 수축률을 갖는 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재.
The method of claim 1,
The weight ratio of the (8YSZ + expanded vermiculite)/glass composition is 0.06 to 0.08 or less, and the glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell having a low shrinkage rate of 8% or less after heat treatment at 750°C to 900°C for 1 hour.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 페이스트.
The glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5; and an organic binder.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 고체산화물연료전지용 유리 세라믹 복합 밀봉재; 및 유기 바인더를 포함하는 밀봉 성형 시트.

The glass-ceramic composite sealing material for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5; and an organic binder.

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