WO2019066206A1 - 핫박스 내부 구조 코팅 방법 - Google Patents

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신석재
김민수
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method of coating a hot box internal structure of a fuel cell.
  • Hotboxes operate at high temperatures, including stacks, burners, and other high temperature operated BOPs.
  • the present invention has been made in order to solve these problems, and it is an object of the present invention to provide a method of coating a hot box internal structure of a fuel cell with a stable material at a high temperature.
  • a hot box internal structure coating method includes: preparing a hot box internal structure formed by assembling a fuel cell component including a burner, a heat exchanger, and a fuel cell stack to a plate-shaped plate; Coating the hot box internal structure by immersing the hot box internal structure in a slurry which is a suspension of an insoluble seawater and a solvent; And releasing the immersed hot box internal structure from the slurry, thereby coating the hot box internal structure and removing the excess slurry remaining.
  • a hot box internal structure coating method includes: preparing a hot box internal structure formed by assembling a fuel cell component including a burner, a heat exchanger, and a fuel cell stack to a plate-shaped plate; And spraying a slurry, which is a suspension of the insoluble material and the solvent, in the hot box internal structure to coat the hot box internal structure.
  • the internal structure of the hot box can be coated at one time without the necessity of separately coating the parts, thereby preventing the high temperature oxidation. Because it can prevent oxidation at high temperature by coating, it can use low-cost material compared with existing method and it can obtain insulation effect according to coating material.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hot box internal structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a method of dip coating a hot box internal structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective view illustrating a method of spray coating a hot box internal structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating a process of manufacturing a slurry for coating the internal structure of a hot box according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating an apparatus for performing a post-coating process of a hot box internal structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of coating a hot box internal structure according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements.
  • FIG. 1 is a perspective view of a hot box internal structure 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a hot box internal structure 10 includes a plate 11 and includes a fuel cell stack 121, a burner 122, and a fuel such as heat exchanger 123 And a battery component 12. And may further include a pipe 124 for communicating the respective components, and may further include a reformer, a preheater, and the like.
  • a hot box can be formed by covering the case with the hot box internal structure 10.
  • the plate 11 is a component formed in a plate shape and serves as a base portion constituting a hot box of the fuel cell.
  • the fuel cell components 12 constituting the hot box are seated on the upper surface of the plate 11 and fastened and secured to the plate 11 by fastening means. Thus, as the plate 11 is moved, the fuel cell components 12 can be moved simultaneously.
  • the fuel cell components 12 can be arranged to constitute the fuel cell so that the upper surface of the plate 11 is provided with the fuel A surface suitable for seating the battery component 12 can be machined. And fastening holes through which fastening means for fastening the respective fuel cell components 12 can be fastened.
  • the fuel cell stack 121 is a component that generates electricity using hydrogen by fuel and air in the atmosphere.
  • the fuel cell stack 121 includes a fuel electrode to which fuel is injected and an air electrode to which air is injected, thereby converting the chemical energy possessed by the fuel into electric energy.
  • As the fuel hydrogen in a reformed gas obtained by reforming natural gas, methanol, gasoline or the like can be used.
  • the hot box internal structure 10 may further include a reformer (not shown) for reforming the fuel.
  • the heat exchanger 123 is a component that heats the fuel or air supplied to the room temperature from the outside of the hot box to a temperature suitable for being supplied to the fuel cell stack 121.
  • the heat exchanger 123 receives the high temperature exhaust gas from the burner 122 through the pipe 124 to heat the fuel or the air and supplies the exhaust gas and the fuel or air through the heat exchanger 123 To exchange heat.
  • heat is transferred from the hot exhaust gas to the fuel or air, and the fuel or air is heated.
  • the heated fuel is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 121, and the heated air is supplied to the air electrode of the fuel cell stack 121 and reacted.
  • Exhaust gas generated after the reaction in the fuel cell stack 121 can be supplied to the heat exchanger 123 or the burner 122.
  • the waste heat of the exhaust gas can be used to heat the fuel or air passing through the heat exchanger 123.
  • the exhaust gas can be used for burning the burner 122 in the burner 122.
  • the burner 122 receives exhaust gas, combustion fuel, and combustion air to generate heat through a combustion reaction, and transfers generated heat to the heat exchanger 123 in the form of exhaust gas. Therefore, the burner 122 can further receive combustion fuel and combustion air in addition to the exhaust gas of the stack.
  • the combustion fuel and the combustion air provided to the burner 122 may also be preheated through the heat exchanger 123.
  • the fuel cell components 12 communicate with each other to allow gas exchange through the piping 124, and the piping 124 also communicates with the outside of the hot box internal structure 10 to receive fuel or air from the outside have.
  • the hot box internal structure 10 needs to be coated to have heat resistance.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a method of dip coating a hot box internal structure 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the hot box internal structure 10 may be dip-coated by being immersed in a slurry 30.
  • the slurry (30) means a suspension in which various insoluble materials and a solvent (31) are mixed, and is a liquid in which solid matters are dispersed. Therefore, the insoluble material to be coated can be mixed with the solvent 31. How the slurry 30 used in the embodiment of the present invention can be made by adding a certain material will be described later with reference to FIG.
  • the dip coating means a method of coating the coating material by immersing the coating material in the coating material. Therefore, a slurry reservoir 39, which is a container for containing a large amount of slurry 30 as a coating material, may be provided.
  • the plate 11 of the hot box internal structure 10 can be gripped by the grip portion 20.
  • the grip portion 20 may fix the plate 11 with respect to the grip portion 20 in such a manner that the grip portion 20 is fastened to the plate 11 in addition to the method of pressing and holding the plate 11.
  • the grip portion 20 can be moved in a desired direction by being connected to a driving portion that transmits a driving force.
  • the hot box internal structure 10 gripped by the grip portion 20 is moved into the slurry storage tank 39 by moving the grip portion 20.
  • the grip portion 20 and the hot box internal structure 10 are immersed in the slurry 30 because the slurry 30 is already contained in the slurry reservoir 39.
  • the slurry 30 is applied to all the surfaces exposed to the outside of the hot box internal structure 10, and a coating layer of the slurry 30 is formed.
  • the thickness of the coating layer is preferably larger than 0.5 mm.
  • An oxide film may be further formed on the surface of the coating layer.
  • the grip portion 20 is operated again to release the hot box internal structure 10 from the slurry 30 and form a coating layer on the hot box internal structure 10 to remove the remaining excess slurry 30.
  • the grip portion 20 can tilt the hot box internal structure 10 to facilitate removal of the excess slurry 30.
  • the coating operation can be performed more easily than when the fuel cell components 12 are individually coated and assembled.
  • the thickness of the coating layer can be roughly predicted and the fastening may not be properly performed.
  • the inconvenience does not occur by coating the substrate 10 at one time.
  • the thickness of the coating layer may vary, but a uniform thickness of the coating layer can be obtained by dip coating.
  • coatings can be easily applied to parts that have been difficult to coat, such as sensors and piping.
  • the cover surrounding the fuel cell stack 121 may be covered with the fuel cell stack 121, and then the hot box internal structure 10 may be immersed in the slurry 30.
  • the hot box internal structure 10 may be removed from the slurry 30 and then the cover may be removed to allow the slurry 30 to be applied only to the fuel cell components 12 other than the fuel cell stack 121.
  • Such a cover may be a cover attachable to the plate 11, but a masking tape may be used.
  • FIG 3 is a perspective view showing a method of spray coating a hot box internal structure 10 according to another embodiment of the present invention.
  • a hot-box internal structure 10 may be provided, followed by a spray coating in which the slurry 30 is sprayed and coated.
  • a nozzle 40 is provided to spray the slurry 30.
  • the nozzle 40 can be arranged so that the hot box internal structure 10 is viewed in a plurality of different directions so that coating can be performed without generating a square.
  • the four nozzles 40 are arranged so as to face each corner of the plate 11 formed in a rectangular plate shape, but the arrangement thereof is not limited thereto.
  • the slurry 30 is sprayed on the surface exposed to the outside of the hot box internal structure 10 by spraying the slurry 30 from the nozzle 40 toward the hot box internal structure 10 and the coating layer of the slurry 30 .
  • the effect of forming the coating layer is the same as that of the embodiment.
  • the coating may be performed in such a manner that the slurry 30 is directly applied to the hot box internal structure 10 by using a brush-like member without using the nozzle 40.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing a process of manufacturing a slurry 30 for coating a hot box internal structure 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the slurry 30 is formed by mixing the insoluble material and the solvent 31 as described above. Therefore, the slurry 30 can be formed by mixing the ceramic material 32, the binder 37, the dispersant 33 and the plasticizer 36, which are insoluble seawater, in the solvent 31, and the defoaming agent, the insulating material, .
  • Ball milling is a method in which balls to be mixed are injected into a ball mill 34, which is a mixing apparatus including a plurality of spheres in a cylinder, and rotated so as to be well pulverized, mixed or dispersed.
  • the ceramic material 32 is a material having high heat resistance and can be formed of powder. It may contain at least one of alumina (Al 2 O 3 ) or zirconia (ZrO 2 ), and it is preferable to use a ceramic material not containing silicon, sulfur, phosphorus or chromium. Such a ceramic material 32 can have a dense structure, and is suitable for preventing contact between the fuel cell component 12 and oxygen.
  • the dispersant 33 is a substance that uniformly disperses the solid ceramic material 32 in the liquid solvent 31.
  • a plasticizer 36 and a binder 37 are further added to the resultant milled mixture 35 and further mixed by ball milling using a ball mill 38 to obtain a slurry 30.
  • the plasticizer 36 is a substance added to increase the workability of the insoluble material added in the slurry 30 and the binder 37 is a material which is used when the slurry 30 is completely It is a substance that is added to increase the viscosity so that it does not flow off.
  • a defoaming agent, an insulating material, or a thermal insulating material may be further added during the production of the slurry (30).
  • the antifoamer is added to prevent a situation where bubbles are formed during the production of the slurry 30 and the coating is not properly performed.
  • the insulating material is a material that prevents the slurry 30 forming the coating layer from being conductive and thus maintains a more electrically stable hot box internal structure 10.
  • the heat insulating material is a material added to the slurry 30 to add heat insulation to be. By imparting a thermal insulation effect to the coating layer, it is possible to increase the overall efficiency of the system by reducing the heat energy emitted from the hot box to the outside.
  • the viscosity of the slurry 30 may be set differently depending on the application. Therefore, the viscosity of the slurry 30 used for dip coating as in one embodiment of the present invention is not less than 10P (poise) and not more than 20P. Also, the viscosity of the slurry 30 used for spray coating may be 200 P or higher and 800 P or lower.
  • FIG. 5 is a view showing an apparatus for performing post-coating process of the hot box internal structure 10 according to the embodiment of the present invention.
  • the hot box internal structure 10 is transferred to the post-processing unit 50 that performs a continuous post-processing process.
  • the hot box internal structure 10 enters the heating section 51 and is heated. In the heating section 51, the temperature of the hot box internal structure 10 is raised to a temperature suitable for sintering.
  • the heated hot box internal structure 10 is transferred to the sintered portion 52 and sintered to a predetermined temperature.
  • Sintering refers to a process in which when the powder is heated to a temperature below the melting point, it is melted and solidified through a thermal activation process.
  • the slurry 30 is sintered against the surface of the hot box internal structure 10, so that it does not separate or separate from the surface of the hot box internal structure 10.
  • the sintered hot box internal structure 10 is transferred to the cooling section 53 and cooled.
  • the cooled hot box inner structure 10 is covered with a case to form a finished hot box.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of coating a hot box internal structure 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell component 12 is assembled and coupled to the plate 11 so as not to be separated from each other, thereby preparing the hot box internal structure 10 (S10).
  • the hot box internal structure 10 is immersed in the slurry 30 by dip coating the hot box internal structure 10 or spraying the slurry 30 onto the hot box internal structure 10, (S20).
  • the hot box internal structure 10 is released from the slurry 30 and the hot box internal structure 10 is heated (S30).
  • the coating of the hot box inner structure 10 is performed by sintering the coated hot box inner structure 10 and the slurry 30 coating layer S40 and cooling the sintered hot box inner structure 10 and the coating layer S50, Is completed.
  • the coated hotbox inner structure 10 can be a hot box by covering a case that covers it.

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Abstract

본 발명에 따른 핫박스 내부 구조 코팅 방법은, 버너, 열교환기 및 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 구성품이 판형의 플레이트에 조립됨으로써 형성된 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계; 불용해물과 용매가 혼합된 현탁액인 슬러리(slurry)에 상기 핫박스 내부 구조를 침지시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계; 및 상기 침지시킨 핫박스 내부 구조를 상기 슬러리로부터 이탈시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅시키고 남은 잉여 슬러리를 제거하는 단계를 포함한다.

Description

핫박스 내부 구조 코팅 방법
본 발명은 연료전지의 핫박스 내부 구조를 코팅하는 방법에 관한 것이다.
용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)와 같은 고온형 연료전지의 연료전지 스택 등이 수용되어 있는 용기는 핫박스(Hot box)로 불린다. 핫박스는 스택, 버너 및 기타 고온에서 운전되는 BOP가 포함되어 고온에서 운전된다.
고온에서 연료전지 스택이 운전되므로, 고온에 노출된 부품 및 배관의 고온 산화가 발생할 수 있다. 고온 산화는 소재의 수명을 단축시켜 결국 연료전지 시스템 전체 수명에 영향을 미친다. 따라서 고온에 노출된 부품의 물리적, 화학적 보호가 필요하다.
부품 등을 열저항성이 강한 소재로 구성하는 방법이 있으나, 이는 매우 고가이고 가공이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연료전지의 핫박스 내부 구조를 고온에서 안정한 물질로 코팅하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조 코팅 방법은, 버너, 열교환기 및 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 구성품이 판형의 플레이트에 조립됨으로써 형성된 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계; 불용해물과 용매가 혼합된 현탁액인 슬러리(slurry)에 상기 핫박스 내부 구조를 침지시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계; 및 상기 침지시킨 핫박스 내부 구조를 상기 슬러리로부터 이탈시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅시키고 남은 잉여 슬러리를 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조 코팅 방법은, 버너, 열교환기 및 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 구성품이 판형의 플레이트에 조립됨으로써 형성된 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계; 및 불용해물과 용매가 혼합된 현탁액인 슬러리를 상기 핫박스 내부 구조에 분무함으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계를 포함한다.
이에 따라, 부품을 개별코팅할 필요 없이 핫박스의 내부 구조를 한번에 코팅해 고온 산화를 방지할 수 있다. 코팅에 의해 고온 산화를 방지할 수 있으므로 기존 방법에 비해 저가 소재를 사용할 수 있으며 코팅 소재에 따라 단열 효과를 얻을 수 있다.
핫박스 내부 구조의 배관, 센서 등 기존 코팅이 어려웠던 부품까지 전체를 균일하게 코팅하여 핫박스 전체 부품에 대해 동일한 내구성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스 내부 구조를 딥 코팅하는 방법을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫박스 내부 구조를 스프레이 코팅하는 방법을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조를 코팅하기 위한 슬러리를 제조하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조의 코팅 후 후처리 과정이 이루어지는 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조를 코팅하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)는 플레이트(11)를 포함하고, 연료전지 스택(121), 버너(122) 및 열교환기(123)와 같은 연료전지 구성품(12)을 포함한다. 또한 각 구성요소를 연통시키기 위한 배관(124)을 포함할 수 있으며, 개질기와 예열기 등을 더 포함할 수 있다. 이러한 핫박스 내부 구조(10)에 케이스를 씌움으로써 핫박스를 형성할 수 있다.
플레이트(11)는 판형으로 형성되는 구성요소로, 연료전지의 핫박스를 구성하는 기저부가 된다. 핫박스를 구성하는 연료전지 구성품(12)들이 플레이트(11)의 상면에 안착되고, 체결 수단을 이용해 플레이트(11)에 체결 및 고정된다. 따라서 플레이트(11)를 이동시킴에 따라서, 연료전지 구성품(12)들을 동시에 이동시킬 수 있다.
연료전지를 구성하기 위해 연료전지 구성품(12)이 배치될 수 있는 적합한 배치가 있을 수 있으므로, 플레이트(11)의 상면에는 각 연료전지 구성품(12)이 배치되어야 하는 위치에 양각 또는 음각으로 각 연료전지 구성품(12)이 안착되기에 적합한 표면이 가공될 수 있다. 또한 각 연료전지 구성품(12)을 체결하기 위한 체결 수단이 체결될 수 있는 체결용 구멍 등이 배치될 수 있다.
연료전지 스택(121)은 연료에 의한 수소와 대기 중의 공기를 이용하여 전력을 발생시키는 구성요소이다. 연료전지 스택(121)은 연료를 주입받는 연료극과 공기를 주입받는 공기극을 구비하여, 연료가 가지고 있는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 연료로는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등을 개질시켜 얻은 개질가스 중의 수소가 사용될 수 있다. 따라서 연료를 개질시키기 위한 개질기(미도시)를 핫박스 내부 구조(10)가 더 포함할 수 있다.
열교환기(123)는 핫박스 외부에서 상온으로 공급되는 연료 또는 공기를 상기 연료전지 스택(121)에 공급되기에 적합한 온도로 가열하는 구성요소이다. 열교환기(123)는 연료 또는 공기의 가열을 위해서 고온의 배기가스를 버너(122)로부터 배관(124)을 통해 받아들이고, 배기가스와 연료 또는 공기가 서로 섞이지 않고 열교환기(123)를 통해 전도 방식으로 열을 교환하도록 한다. 열교환기(123)에서는 고온의 배기가스로부터 열이 연료 또는 공기로 전달되어, 연료 또는 공기가 가열된다. 가열된 연료는 연료전지 스택(121)의 연료극으로 공급되고, 가열된 공기는 연료전지 스택(121)의 공기극으로 공급되어 반응한다.
연료전지 스택(121)에서의 반응 이후 발생한 배출가스는 열교환기(123)나 버너(122)로 공급될 수 있다. 배출가스의 폐열은 열교환기(123)를 통과하는 연료 또는 공기를 가열하는데 사용될 수 있다.
배출가스는 버너(122)에서 버너(122)의 연소에 사용될 수 있다. 버너(122)는 배출가스나 연소용 연료, 연소용 공기를 공급받아 연소반응을 통해 열을 발생시키고, 발생한 열을 배기가스의 형태로 열교환기(123)로 전달하는 구성요소이다. 따라서 버너(122)는 스택의 배출가스 외에 연소용 연료와 연소용 공기를 더 공급받을 수 있다. 버너(122)로 제공되는 연소용 연료와 연소용 공기 역시 열교환기(123)를 통과해 예열될 수 있다.
이 밖에 연료전지 구성품(12)들은 배관(124)을 통해 기체 교환이 가능하도록 연통되고, 배관(124)은 핫박스 내부 구조(10)의 외부로도 연통되어 외부로부터 연료 또는 공기를 공급받을 수 있다.
이러한 핫박스 내에 수용되는 연료전지 구성품(12)들이 매우 고온의 환경에서 작동하게 되므로, 핫박스 내부 구조(10)가 내열성을 가지도록 코팅될 필요가 있다.
일 실시예 - 딥 코팅(Dip coating)
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)를 딥 코팅하는 방법을 도시한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)는, 슬러리(slurry, 30)에 침지됨으로써 딥 코팅될 수 있다. 슬러리(30)란, 다양한 불용해물과 용매(31)를 혼합한 현탁액을 의미하는 것으로, 고형물이 분산되어 있는 액체이다. 따라서 코팅하고자 하는 불용해물을 용매(31)에 혼합하여 만들 수 있다. 본 발명의 실시예에 사용되는 슬러리(30)가 어떤 물질을 첨가하여 어떠한 방식으로 만들어질 수 있는지에 대해서는 도 4에 대한 설명에서 후술한다.
딥 코팅이란, 피코팅재를 코팅재에 침지시킴으로써 코팅하는 방식을 의미한다. 따라서 코팅재인 슬러리(30)를 다량 수용하고 있는 용기인 슬러리 저장조(39)가 구비될 수 있다.
핫박스 내부 구조(10)의 플레이트(11)는 파지부(20)에 의해서 파지될 수 있다. 파지부(20)는 플레이트(11)를 가압하여 파지하는 방식 이외에도 플레이트(11)와 체결되는 방식으로, 플레이트(11)를 파지부(20)에 대해 고정시킬 수도 있다. 파지부(20)는 구동력을 전달하는 구동부에 연결됨으로써 원하는 방향으로 이동할 수 있다.
파지부(20)에 파지된 핫박스 내부 구조(10)를, 파지부(20)를 이동시킴으로써 슬러리 저장조(39) 내로 이동시킨다. 이미 슬러리(30)가 슬러리 저장조(39)에 수용되어 있으므로, 파지부(20)와 핫박스 내부 구조(10)가 슬러리(30)에 침지된다. 따라서 핫박스 내부 구조(10) 중 외부로 드러나 있는 모든 면에 슬러리(30)가 도포되고, 슬러리(30) 코팅층이 형성된다. 이 때, 코팅층의 두께는 0.5mm보다 큰 것이 바람직하다. 코팅층의 표면에는 다시 산화막이 더 형성될 수 있다.
파지부(20)는 다시 작동하여 핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30)로부터 이탈시키고, 핫박스 내부 구조(10)에 코팅층을 형성하고 남은 잉여 슬러리(30)가 흘러내려 제거된다. 파지부(20)는 핫박스 내부 구조(10)를 기울여서 잉여 슬러리(30)의 제거를 촉진할 수 있다.
핫박스 내부 구조(10)를 침지시키는 방식으로 딥 코팅 함으로써, 연료전지 구성품(12)을 개별로 코팅하여 조립하는 경우보다 간편하게 코팅 작업을 수행할 수 있다. 또한 개별로 코팅된 연료전지 구성품(12)을 플레이트(11)에 조립하는 경우, 코팅층의 두께를 개략적으로밖에 예측할 수 없어 제대로 체결이 이루어지지 않는 경우가 발생할 수 있으나, 이미 조립된 핫박스 내부 구조(10)를 한번에 코팅함으로써 그러한 불편이 발생하지 않는다.
또한 개별로 코팅된 연료전지 구성품(12)의 경우 코팅층의 두께가 제각각일 수 있으나, 딥 코팅 하는 경우 균일한 두께의 코팅층을 얻을 수 있다.
또한, 센서, 배관 등 기존에는 코팅이 어려웠던 부품의 경우에도 용이하게 코팅이 가능하다.
핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30) 코팅층이 감싸므로, 산소와 각 연료전지 구성품(12)이 만나지 않아 산화를 방지할 수 있다.
연료전지 스택(121)의 경우, 슬러리(30)를 이용한 코팅이 되는 것이 적합하지 않을 수 있다. 따라서 이러한 경우, 연료전지 스택(121)에 연료전지 스택(121)을 감싸는 커버를 씌운 후 핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30)에 침지시킬 수 있다. 핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30)로부터 이탈시킨 후, 커버를 제거해 슬러리(30)가 연료전지 스택(121)을 제외한 다른 연료전지 구성품(12)에만 도포되도록 할 수 있다. 이러한 커버는 플레이트(11)에 결합 가능한 커버일 수도 있으나, 마스킹 테이프가 사용될 수도 있다.
다른 실시예 - 스프레이 코팅(Spray coating)
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)를 스프레이 코팅하는 방법을 도시한 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 핫박스 내부 구조(10)가 마련된 다음, 슬러리(30)를 분무하여 코팅하는 스프레이 코팅을 할 수 있다. 스프레이 코팅을 하기 위해, 슬러리(30)를 분무할 수 있는 노즐(40)이 구비된다. 노즐(40)은 핫박스 내부 구조(10)를 서로 다른 복수의 방향에서 바라봄으로써 사각이 발생하지 않고 코팅이 이루어질 수 있도록 배치될 수 있다. 도 3에서는 사각 판형으로 형성된 플레이트(11)의 각 모서리를 바라보고 총 4개의 노즐(40)이 배치된 것으로 도시하였으나, 그 배치는 이에 제한되지 않는다.
노즐(40)에서 슬러리(30)가 핫박스 내부 구조(10)를 향해 분무됨으로써, 핫박스 내부 구조(10) 중 외부로 드러나 있는 면에 슬러리(30)가 도포되고, 슬러리(30) 코팅층이 형성된다. 코팅층의 형성에 따른 효과는 일 실시예에 대한 설명과 동일하다.
노즐(40)을 사용하지 않고 붓과 같은 부재를 이용하여 직접 슬러리(30)를 핫박스 내부 구조(10)에 도포하는 방식으로 코팅을 할 수도 있다.
슬러리(30) 제조 과정
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)를 코팅하기 위한 슬러리(30)를 제조하는 과정을 도시한 개념도이다.
슬러리(30)는 상술한 바와 같이 불용해물과 용매(31)를 혼합하여 형성된다. 따라서 용매(31)에 불용해물인 세라믹 소재(32), 결합제(37), 분산제(33) 및 가소제(36)를 섞어 슬러리(30)를 형성할 수 있고, 소포제, 절연 물질 또는 단열 소재를 더 포함할 수 있다.
용매(31)에 세라믹 소재(32) 및 분산제(33)를 첨가한 후, 볼 밀링(ball milling)을 통해 혼합한다. 볼 밀링은 실린더 내에 다수의 구체를 포함하는 혼합장치인 볼 밀(ball mill, 34)에, 혼합하고자 하는 물질을 주입해 회전시킴으로써 잘 분쇄되거나 혼합 또는 분산되도록 하는 방법이다.
세라믹 소재(32)는 내열성이 강한 소재로, 분말로 형성될 수 있다. 알루미나(Al2O3) 또는 지르코니아(ZrO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 실리콘, 황, 인 또는 크롬을 포함하지 않는 세라믹 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 세라믹 소재(32)는 치밀한 구조를 이룰 수 있어, 연료전지 구성품(12)과 산소의 접촉을 방지하기에 적합하다.
분산제(dispersant, 33)는 액상의 용매(31)에 고형의 세라믹 소재(32)를 균일하게 분산시키는 물질이다.
섞인 밀링 결과물(35)에 가소제(36)와 결합제(37)를 더 첨가하고, 다시금 볼 밀(38)을 이용해 볼 밀링하여 혼합하면 슬러리(30)를 얻을 수 있다. 가소제(plasticizer, 36)란 슬러리(30) 내에 첨가된 불용해물의 가공성을 증가시키기 위해 첨가되는 물질이고, 결합제(binder, 37)는 슬러리(30)가 핫박스 내부 구조(10)의 표면에서 완전히 흘러내리지 않고 점착되도록 점도를 증가시키기 위해 첨가되는 물질이다.
이 외에도 소포제, 절연 물질 또는 단열 소재가 슬러리(30) 제조 과정에서 더 첨가될 수 있다. 소포제(antifoamer)란, 슬러리(30) 제작 과정에서 기포가 생겨 코팅이 올바르게 이루어지지 않는 상황을 방지하기 위해 첨가되는 물질이다. 절연 물질은 코팅층을 이루는 슬러리(30)가 전도성을 가지지 않도록 하여 보다 전기적으로 안정적인 핫박스 내부 구조(10)가 유지되도록 하는 물질이며, 단열 소재는 슬러리(30)에 단열성을 부가하기 위해서 첨가되는 물질이다. 코팅층에 단열 효과를 부여함으로써, 핫박스에서 외부로 방출되는 열 에너지를 감소 시켜 시스템 전체 효율을 증가 시킬 수 있다.
슬러리(30)의 점도는 용도에 따라 다르게 설정될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예와 같이 딥 코팅을 위해 사용되는 슬러리(30)의 점도는 10P(poise, 프와즈) 이상이고, 20P 이하일 수 있다. 또한 스프레이 코팅을 위해서 사용되는 슬러리(30)의 점도는 200P 이상이고, 800P 이하일 수 있다.
후처리
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)의 코팅 후 후처리 과정이 이루어지는 장치를 도시한 도면이다.
핫박스 내부 구조(10)를 딥 코팅 또는 스프레이 코팅하여 슬러리(30)를 도포한 뒤, 후처리를 통해 코팅층이 핫박스 내부 구조(10)로부터 분리되거나 이탈되지 않도록 해야 할 필요가 있다. 따라서 연속적인 후처리 공정을 수행하는 후처리부(50)에 핫박스 내부 구조(10)가 전달된다.
핫박스 내부 구조(10)는 가열부(51)로 진입하여 가열된다. 가열부(51)에서는 핫박스 내부 구조(10)의 온도를 상승시켜, 소결되기에 알맞은 온도까지 이르게 한다.
가열된 핫박스 내부 구조(10)는 소결부(52)로 전달되고, 소정의 온도로 소결된다. 소결이란, 가루가 녹는점 이하의 온도로 가열될 때, 열적 활성화 과정을 거쳐 서로가 녹으면서 고결되는 과정을 의미한다. 따라서 슬러리(30)가 핫박스 내부 구조(10)의 표면에 대해 소결됨으로써, 핫박스 내부 구조(10)의 표면으로부터 이탈하거나 분리되지 않는다.
소결된 핫박스 내부 구조(10)는 냉각부(53)로 옮겨져 냉각된다. 냉각이 완료된 핫박스 내부 구조(10)에는 케이스가 씌워져 완성된 핫박스를 이룬다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫박스 내부 구조(10)를 코팅하는 방법을 나타낸 순서도이다.
플레이트(11)에 연료전지 구성품(12)을 조립 및 결합시킴으로써 서로 이탈되지 않도록 고정해 핫박스 내부 구조(10)를 준비한다(S10). 마련된 핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30)에 침지시켜 핫박스 내부 구조(10)를 딥 코팅 하거나, 슬러리(30)를 핫박스 내부 구조(10)에 분무하여 핫박스 내부 구조(10)를 스프레이 코팅한다(S20). 핫박스 내부 구조(10)를 슬러리(30)로부터 이탈시키고, 핫박스 내부 구조(10)를 가열한다(S30). 코팅된 핫박스 내부 구조(10)와 슬러리(30) 코팅층을 소결하고(S40), 소결이 완료된 핫박스 내부 구조(10)와 코팅층을 냉각함으로써(S50) 핫박스 내부 구조(10)의 코팅이 완료된다. 코팅이 완료된 핫박스 내부 구조(10)는, 이를 덮는 케이스를 씌움으로써 핫박스가 될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 버너, 열교환기 및 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 구성품이 판형의 플레이트에 조립됨으로써 형성된 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계;
    불용해물과 용매가 혼합된 현탁액인 슬러리(slurry)에 상기 핫박스 내부 구조를 침지시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계; 및
    상기 침지시킨 핫박스 내부 구조를 상기 슬러리로부터 이탈시킴으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅시키고 남은 잉여 슬러리를 제거하는 단계를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계는,
    상기 플레이트를 파지하는 단계; 및
    상기 슬러리가 수용된 슬러리 저장조에 상기 파지된 플레이트를 침지시키는 단계를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리로부터 이탈시킨 핫박스 내부 구조를 가열하는 단계;
    상기 가열된 핫박스 내부 구조에 코팅된 슬러리를 소결하는 단계; 및
    상기 소결이 완료된 핫박스 내부 구조를 냉각하는 단계를 더 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리의 점도는 10P (프와즈) 이상이고 20P 이하인, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬러리의 불용해물은, 세라믹 소재, 결합제, 분산제, 및 가소제를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 슬러리의 불용해물은, 소포제, 절연 물질 또는 단열 소재 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 세라믹 소재는, 알루미나 또는 지르코니아 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불용해물과 상기 용매를 볼 밀링(ball milling)하여 상기 슬러리를 제조하는 단계를 더 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  9. 버너, 열교환기 및 연료전지 스택을 포함하는 연료전지 구성품이 판형의 플레이트에 조립됨으로써 형성된 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계; 및
    불용해물과 용매가 혼합된 현탁액인 슬러리를 상기 핫박스 내부 구조에 분무함으로써, 상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 슬러리의 점도는 200P (프와즈) 이상이고, 800P 이하인 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
  11. 제1항 또는 제9항에 있어서,
    상기 핫박스 내부 구조를 준비하는 단계는, 상기 코팅하는 단계에서 상기 연료전지 스택에 상기 슬러리가 도포되지 않도록, 상기 연료전지 스택에 커버를 씌우는 단계를 포함하고,
    상기 핫박스 내부 구조를 코팅하는 단계는, 상기 핫박스 내부 구조가 코팅된 이후, 상기 커버를 제거하는 단계를 포함하는, 핫박스 내부 구조 코팅 방법.
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