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KR101362894B1 - 전사 방법을 이용한 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법 - Google Patents

전사 방법을 이용한 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전사 방법을 이용한 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단위셀을 제조하는 것으로서, 기존의 스크린이나 EVD, CVD등으로 제조할 때 공정이 복잡하고 두께 조절이 어려우며, 원하는 크기와 형상을 제조할 수 없는 단점을 보완한 것이다. 즉 SOFC에서 평판형, 평관형, 원통형 및 세그멘티드(segmented)형 등의 단위 셀을 제조할 때나 지지체위에 막을 형성(적층)할 때 두께 조절이 용이하고, 공정이 간단하며, 원하는 크기나 형상을 자유로이 제어하며 제작 할 수 있는 방법으로 단위셀 구성소재를 전사지에 코팅하여 지지체위에 적층할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

Description

전사 방법을 이용한 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법{Fabrication of unit cell of the Solid Oxide Fuel Cell by Transcripition Method}
본 발명은 평판형, 원통형, 평관형, 세그멘티드(segmented)형 등 다양한 형태의 고체산화물연료전지의 셀을 제작할 때 지지체 위에 셀 구성소재인 음극, 전해질, 양극, 연결재(Interconnect)를 전사코팅으로 지지체 위의 막의 두께를 균일하면서 정밀하게 제어할 수 있고 공정이 용이한 고체산화물연료전지용 셀을 제조하는 방법이다.
차세대 에너지 변환 장치로 각광받고 있는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)는 주로 지르코니아계를 전해질로 사용하여 음극(anode), 공기극(cathode)이 부착된 모양으로 연료가스의 개질 없이 수소 외의 탄화수소계 가스를 연료로 사용하며 타 연료전지에 비해 발전 효율이 가장 높고 친환경적 에너지 변환장치이다.
이러한 SOFC는 일반적으로 제조형상, 셀의 배치에 따라 구분할 수 있다. 제조형태에 따라서 평판형, 원통형, 평관형, 세그먼티드형으로 구분할 수 있다. 평판형은 전류 경로가 짧기 때문에 타 형태에 비해 효율이 높으며, 원통형에 비해 전력 밀도 가 높은 장점이 있으나 재료 대부분이 세라믹 복합체로 이루어져 있어 취성파괴의 문제점과 대면적 구현이 어려우며 셀 구조적 특성상 가스 밀봉이 어려운 단점이 있다. 이에 반해 원통형의 경우 구조적 특성상 열충격에 대한 저항성이 높고 셀과 밀봉이 쉬우며 대면적 셀 제조가 용이하기 때문에 상용화에 근접해 있으나 단위면적당 전력밀도가 낮고 고비용의 제조공정이 필요하다. 평판형 구조와 원통형 구조의 문제점을 해결하기 위해 이를 상호보완한 평관형은 평판형의 밀봉문제를 해결하는 동시에 원통형의 저 전력 밀도의 문제점을 해결할 수 있는 형태이다. 세그먼티드(segmented)형은 지지체 위에 셀이 직렬로 연속적으로 연결된 구조를 가지고 있어 스택 효율을 증가시키며 셀간의 간격이 짧아 전력의 저항손실이 작고 기계적 강도가 우수한 장점이 있으나 음극과 양극을 통하는 긴 전류 흐름은 내부 저항 손실을 가져오는 단점이 있다.
이와 같은 다양한 형상의 연료전지를 제조하기 위해 구성소재를 이용 단위셀 제조방법은 크게 기상공정과 습식공정으로 나누어진다. 기상공정에는 EVD법, CVD법, 스퍼터링법, 플라즈마 용사등 다양한 공정이 있으나 출발원료 선정과 시편크기에 한계가 있고 박막성장속도가 느려 두꺼운 시편제작이 어려우며 또 기판과 부착성이 떨어지고 고가의 장비가 필요하여 공정비용이 증가되는 등의 경제적 문제가 있다. 상대적으로 공정이 용이한 습식공정으로는 스크린 인쇄법, 테입 캐스팅법, 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 슬립 코팅법, 전기화학법등이 있다. 이중 가장 일반적으로 널리 사용되고 있는 스크린 인쇄법은 페이스트(paste)를 이용하는 방법인데 코팅 기판의 크기와 형태에 제한을 받아 원통형, 평관형에는 적용하지 못한다.
따라서 최근 상용화에 가장 근접한 원통형, 평관형 제조는 주로 딥코팅 플라즈마 용사를 사용하고 있으나 원하는 막 두께의 제어가 어려우며 공정이 복잡하고 제조가격이 상당히 고가이다.
따라서 공정이 간단하고 두께를 두껍게 하거나 균일하게 할 수 있는 새로운 막 형성공정으로 전사방법을 이용하여 해결하는 방법에 관한 배경기술이다.
본 발명에서는 셀의 적층과 배치에 따른 다양한 형태의 SOFC 제조에 있어서 음극, 양극, 전해질, 연결재 등 연료전지의 구성소재를 전사방법으로 원하는 모양으로 적층할 수 있어 대면적이거나 복잡한 구조의 전지 구성소재의 적층에도 크기와 형상에 제한을 받지 않으며 전사지 적층횟수에 따라 전지 구성소재 두께 제어가 용이하며 상대적으로 저비용으로 지지체에 코팅막을 제조하는 방법을 해결하고자 하는 과제로 하였다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
고체산화물 연료전지 셀 구성소재인 음극, 양극, 전해질 및 연결재를 슬러리화하여 전사지에 스크린 인쇄하고, 이때 스크린 공정을 반복하여 적층횟수에 따라 두께제어를 할 수 있으며 평판형, 원통형, 평관형, 세그멘티드(segmented)형 등 다양한 형태의 연료전지에 적용이 가능하다. 뿐만 아니라 전해질 지지체, 음극 지지체, 양극 지지체, 연결층 지지체, 다공성 지지체등 여러 가지 형태 어느 것에도 적용할 수 있는 것을 과제 해결수단으로 한다.
본 발명은 고체산화물 연료전지에서 단위셀을 제작할 때 구성소재를 전사법으로 제작함으로 고가의 장비가 필요하지 않아 제조비용이 저렴하며 평판형, 원통형, 평관형 등에 다양한 형태의 SOFC에 원하는 크기로 구조 형성(적층)이 가능함과 동시에, 구성소재의 적층 두께를 전사층 도수에 따라 제어가 용이하고, 제조 공정이 비교적 간단한 장점이 있다.
이 하 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명의 기술내용을 상세히 설명한다.
(실시 예 1)
단위셀은 전사방법으로 구성소재를 적층하여 형성시켰는데, 전사방법은 구성소재를 전사지 위에 코팅한 방법이다. 전사지 제작을 위해서는 <도1>과 같이 음극, 양극, 전해질, 연결재 분말을 MC계 바인더와 1:0.5~1:2의 중량비율로 혼합하여 3roll mill로 수회 반복하여 페이스트를 만든 다음 전사지에 스크린 프린팅 한다.
스크린 횟수에 따라 연료전지의 구성소재 두께를 제어하기 위해 건조 후 다중 코팅을 반복한다. 지지체에 적층시 전사된 구성소재의 손상을 방지하며, 형태유지를 위해 에폭시계 전사 코팅액을 이용하여 코팅층을 스크린 프린팅한다.
스크린 프린팅된 전사지를 건조한 후 증류수에서 전사지와 스크린된 연료극, 공기극, 전해질, 연결재를 각각 분리하여 지지체에 적층하여 80℃에서 1시간동안 건조한 후 소결하여 각 구성소재 막을 형성한다.
(실시 예2)
<도2>와 같이 다공성 세라믹 지지체는 산화알루미늄(Al2O3), 탄산마그네슘(MgCO3), 기공형성제로 활성탄(Activatied Carbon)을 ball mill로 혼합 한 후 건조된 시료에 바인더, 이형제, 가소제를 첨가하여 혼합한 뒤 숙성하여 압출성형 및 건조 공정을 거쳐 1400~14600℃에서 소성하여 지지층을 제작하였다.
(실시 예 3)
○ 세그먼티드 평관형 고체 산화물 연료전지에 적용
<도 1>과 같이 (실시 예2)에서 제조한 다공성 세라믹 지지체 위에 (실시 예1)에서 제조한 음극, 전해질, 양극 및 연결재 소재의 전사지로 <도2>와 같이 원하는 두께의 세그먼티드 형으로 막을 형성하여 제작하였다.
(실시 예 4)
○ 평판형 고체산화물 연료전지에 적용
평판형 다공성 세라믹 지지체 위에 (실시 예1)에서 제조한 음극, 전해질, 양극 및 연결재 소재의 전사지로 <도 4>와 같이 원하는 두께의 세그먼티드 형으로 막을 형성하여 제작하였다.
(실시 예 5)
○ 원통형 고체산화물 연료전지에 적용
원통형 다공성 세라믹 지지체 위에 (실시 예1)에서 제조한 음극, 전해질, 양극 및 연결재 소재의 전사지로 <도 2>와 같이 원하는 두께의 세그먼티드 형으로 막을 형성하여 제작하였다.
도 1은 전사지 제작 공정도
도 2는 다공성 세라믹 지지체 구조
도 3은 평관형 세라믹 지지체 위에 고체산화물 연료전지 구성소재인 음극, 전해질, 양극 및 연결재를 세그먼티드 형으로 막을 형성한 구조.
도4는 평판형 세라믹 지지체 위에 SOFC구성소재인 음극, 전해질, 양극 및 연결재를 segemented형으로 막을 형성한 구조
도5는 원통형 세라믹 지지체 위에 SOFC구성소재인 음극, 전해질, 양극 및 연결재를 segmented형으로 막을 형성한 구조.

Claims (1)

  1. 고체산화물 연료전지의 구성소재인 음극,전해질,양극 및 연결재를 전사법으로 제조함에 있어서 평판형,원통형,평관형,세그먼티드형의 고체산화물 연료전지용 구성소재를 전사지에 인쇄공정을 반복하여 코팅층의 두께를 제어하고,
    상기 전사방법을 이용하여 단위 셀에서의 구성소재인 음극,전해질,양극,연결재를 적층하여 막을 형성하여 셀을 제조하는 것을 특징으로 하는 전사방법을 이용한 고체산화물 연료전지용 셀 제조방법.
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