KR20220073395A - Method and apparatus for producing electrolyte layer of solid oxide fuel cell based on roll-to-roll continuous process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 인피드를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 단계, 히팅 영역을 경유하여 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계, 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계, 및 상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, comprising the steps of performing a first calendering process on the electrolyte layer via an infeed, slot-die coater ( forming a thin film by providing ink on the electrolyte layer to perform calendering via a slot-die coater) Comprising the steps of calculating a quality index by sensing the side of the electrolyte layer performed, and performing a second calendaring process on the electrolyte layer performing the sintering by controlling the pressure of the outfeed based on the quality index.
Description
본 발명은 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, and more particularly, to an electrolyte layer by performing a calendaring process in a process for forming an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process capable of improving the layer packing density.
대량, 고속 생산을 위한 롤-투-롤(Roll-to-roll) 연속공정은 최근 주목받고 있는 공정 중 하나이다. 롤-투-롤 연속공정은 유연한 필름(film)을 기반으로 장력을 견인력으로 하여 기능성 필름을 제작하는 공정이다.A roll-to-roll continuous process for mass, high-speed production is one of the recent attention-grabbing processes. The roll-to-roll continuous process is a process for producing a functional film by using tension as a traction force based on a flexible film.
기능성 필름의 균일한 박막 형성을 위한 코팅 방법에는 그라비어(Gravure), 블레이드(Blade), 스프레이(Spray), 슬롯-다이 코팅(slot-die coating) 등을 통해 수행된다. 여기에서, 슬롯-다이 코팅 방법의 경우 높은 균일도와 박막 형성을 하는데 적합함과 더불어 여러 공정 조건을 적절하게 설정함으로써 예측 가능한 박막 두께를 형성할 수 있다는 장점으로 널리 사용되고 있다.A coating method for forming a uniform thin film of a functional film is performed through gravure, blade, spray, slot-die coating, or the like. Here, in the case of the slot-die coating method, it is widely used because it is suitable for forming a thin film with high uniformity and can form a predictable thin film thickness by appropriately setting various process conditions.
한편, 고체산화물 연료전지는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 현존하는 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700~1000℃)에서 작동한다. 고체산화물 연료전지는 각 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다.On the other hand, a solid oxide fuel cell is a fuel cell using a solid oxide as an electrolyte, and operates at the highest temperature (700 ~ 1000°C) among existing fuel cells. The solid oxide fuel cell has a simpler structure than other fuel cells because each component is made of a solid, and there is no problem of electrolyte loss and replenishment and corrosion.
기존에 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제작은 전해질 층 형성 이후 캘린더링(calendaring) 공정을 추가로 진행하여 전해질 층의 충진밀도를 향상시킨다. 따라서, 전해질 층 제작 시 2가지의 단계를 거쳐야 하므로 생산 단가의 상승이 불가피한 문제가 있다.In the conventional manufacturing of the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell, a calendaring process is additionally performed after the formation of the electrolyte layer to improve the packing density of the electrolyte layer. Therefore, there is an unavoidable problem of an increase in production cost because two steps are required to manufacture the electrolyte layer.
한국공개특허 제10-2014-0070761(2014.06.11)호는 불용성 세라믹 물질과 용해성 세라믹 물질을 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계, 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계, 성형체를 1차 소결하여 제1 소결체를 형성하는 단계, 제1 소결체 상에 불용성 세라믹 분말을 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계, 코팅층이 형성된 제1 소결체를 2차 소결하여 제2 소결체를 형성하는 단계, 및 제2 소결체로부터 용해성 세라믹 물질을 침출하여 제거하여 다공성 층을 형성하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지 제조 방법을 제공한다.Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0070761 (June 11, 2014) discloses a step of mixing an insoluble ceramic material and a soluble ceramic material to form a mixture, molding the mixture to form a compact, and first sintering the compact Forming a sintered body, coating an insoluble ceramic powder on the first sintered body to form a coating layer, secondary sintering the first sintered body on which the coating layer is formed to form a second sintered body, and a soluble ceramic material from the second sintered body It provides a method for manufacturing a solid oxide fuel cell comprising the step of leaching and removing to form a porous layer.
한국등록특허 제10-0194615(1999.02.10)호는 리튬 고분자 2차전지용 고분자 전해막의 제조방법 및 전극과의 캘린더링에 의한 리튬 고분자 2차 전지의 제조방법에 관한 것으로, 고분자 지지체 필름에 고분자 전해질 슬러리(slurry)를 테이프 롤 캐스팅에 의해 캐스팅하는 단계, 및 고분자 전해질이 캐스팅된 고분자 지지체 필름을 건조기에 통과시켜 고분자 전해질을 고체화하여 고분자 전해막을 형성하는 단계를 포함하고, 고분자 전해막 필름으로부터 고분자 전해질과 고분자 지지체를 분리하는 단계, 상기한 단계에서 분리된 고분자 전해질과 양전극 필름을 캘린더링하여 고분자 전해질과 양전극 필름을 접합하는 단계 및 상기 단계로부터 얻어진 고분자 전해질과 양전극 필름의 접합체에 음전극 필름을 캘린더링에 의해 접합시켜 3층의 단위 셀을 형성하는 단계를 포함한다.Korean Patent No. 10-0194615 (February 10, 1999) relates to a method for manufacturing a polymer electrolyte membrane for a lithium polymer secondary battery and a method for manufacturing a lithium polymer secondary battery by calendering with an electrode, and a polymer electrolyte on a polymer support film Casting the slurry by tape roll casting, and passing the polymer support film on which the polymer electrolyte is cast through a dryer to solidify the polymer electrolyte to form a polymer electrolyte membrane, Separating the polymer support and the polymer electrolyte, calendering the polymer electrolyte and the positive electrode film separated in the above step to bond the polymer electrolyte and the positive electrode film, and calendering the negative electrode film to the assembly of the polymer electrolyte and the positive electrode film obtained from the above step and bonding to form a three-layer unit cell.
본 발명의 일 실시예는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention provides a roll-to-roll continuous process-based solid oxide fuel cell capable of improving the packing density of the electrolyte layer by performing a calendaring process on the process of forming the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell An object of the present invention is to provide a method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer.
본 발명의 일 실시예는 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층을 생성하는 과정과 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킴으로써 고체산화물 연료전지의 생산 단가를 절감시킬 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.In one embodiment of the present invention, the production cost of the solid oxide fuel cell is improved by simultaneously performing the process of generating the electrolyte layer through nipping of the infeed and the process of performing the calendering process to improve the packing density of the electrolyte layer. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process that can reduce
본 발명의 일 실시예는 소결 수행 전해질층의 품질(내부 충진율)을 감지하여 소결 수행 전해질층에 관한 캘린더링 공정을 수행함으로써 전해질층의 품질 지수를 높일 수 있는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치를 제공하고자 한다.An embodiment of the present invention is a roll-to-roll continuous process-based solid that can increase the quality index of the electrolyte layer by sensing the quality (internal filling rate) of the electrolyte layer performing sintering and performing a calendering process on the electrolyte layer performing sintering An object of the present invention is to provide a method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of an oxide fuel cell.
실시예들 중에서, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법은 인피드를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 단계, 히팅 영역을 경유하여 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계, 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계, 및 상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함한다.Among the embodiments, the method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process includes performing a first calendering process on the electrolyte layer via an infeed, slot-die coater (slot-die coater) Coater) to form a thin film by providing ink on the calendering-performing electrolyte layer, sintering the thin-film-forming electrolyte layer via a heating region, and performing the sintering through an electrolyte layer quality sensor. Calculating the quality index by sensing the side of the , and controlling the pressure of the outfeed based on the quality index to perform a second calendaring process with respect to the sintered electrolyte layer.
상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 상기 전해질층을 생성하는 과정과 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Performing the first calendering process may include simultaneously performing the process of generating the electrolyte layer by sequential lamination of the first and second electrolyte materials and the process of performing the first calendering process .
상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 상기 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함할 수 있다.The performing of the first calendering process may include implementing the first calendering process by providing a specific pressure through nipping of the infeed.
상기 특정 압력은 상기 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 상기 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용될 수 있다.The specific pressure is determined based on the thickness of each of the first and second electrolyte materials and may be utilized to improve the packing density of the electrolyte layer.
상기 박막을 형성하는 단계는 상기 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다.The forming of the thin film may include dynamically adjusting a nozzle gap of the slot-die coater based on the type of the second electrolyte material disposed on the upper part of the electrolyte layer.
상기 박막을 형성하는 단계는 상기 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The forming of the thin film may further include increasing a nozzle gap of the slot-die coater when the second electrolyte material is formed of a strong electrolyte material.
상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계는 상기 박막의 두께를 기초로 상기 히팅 영역의 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Sintering the thin film-forming electrolyte layer may include determining the temperature of the heating region based on the thickness of the thin film.
상기 품질 지수를 산출하는 단계는 상기 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 상기 품질 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the quality index may include calculating the quality index by detecting the internal filling rate of the electrolyte layer through the electrolyte layer quality sensor.
상기 전해질층 품질감지센서는 광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현될 수 있다.The electrolyte layer quality detection sensor may be implemented through magnification based on an optical camera module.
상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 상기 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다.In the step of performing the second calendering process, when the quality index exceeds a specific criterion, an outfeed having a relatively small diameter among a series of outfeeds is selected to improve the uniformity of the electrolyte layer for performing the sintering. may include increasing.
상기 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 상기 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.In the step of performing the second calendering process, when the quality index is below a specific standard, selecting an outfeed having a relatively large diameter from among a series of outfeeds to increase the interlocking pressure with respect to the electrolyte layer performing sintering It may include further steps.
실시예들 중에서, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치는 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행하는 인피드, 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 슬롯-다이 코터(slot-die coater), 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 히팅 영역, 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 전해질층 품질감지센서, 및 상기 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 아웃피드를 포함한다.In embodiments, the roll-to-roll continuous process-based electrolyte layer manufacturing apparatus of a solid oxide fuel cell provides an infeed for performing a first calendering process with respect to the electrolyte layer, and ink on the calendering-performing electrolyte layer. A slot-die coater for forming a thin film, a heating region for sintering the thin film-forming electrolyte layer, an electrolyte layer quality sensor for detecting a side surface of the electrolyte layer performing sintering to calculate a quality index, and the quality and an outfeed for performing a second calendering process with respect to the sintered electrolyte layer by controlling the pressure based on the index.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.The disclosed technology may have the following effects. However, this does not mean that a specific embodiment should include all of the following effects or only the following effects, so the scope of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 형성하는 공정 상에서 캘린더링(calendaring) 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있다.The method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention perform a calendaring process in a process of forming an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell to obtain electrolyte It is possible to improve the packing density of the layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층을 생성하는 과정과 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킴으로써 고체산화물 연료전지의 생산 단가를 절감시킬 수 있다.A method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention performs a process of generating an electrolyte layer through nipping of an infeed and a calendering process The production cost of the solid oxide fuel cell can be reduced by improving the filling density of the electrolyte layer by simultaneously performing the process.
본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법 및 장치는 소결 수행 전해질층의 품질(내부 충진율)을 감지하여 소결 수행 전해질층에 관한 캘린더링 공정을 수행함으로써 전해질층의 품질 지수를 높일 수 있다.A method and apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention is a calendering process for an electrolyte layer performed sintering by sensing the quality (internal filling rate) of the electrolyte layer performing sintering By performing this, it is possible to increase the quality index of the electrolyte layer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에 의해 제조된 전해질층의 캘린더링 공정 수행 전과 후의 충진 밀도를 나타내는 도면이다.1 is a view for explaining an apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the packing density before and after performing the calendering process of the electrolyte layer manufactured by the method for manufacturing the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell based on the roll-to-roll continuous process according to an embodiment.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.Since the description of the present invention is merely an embodiment for structural or functional description, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiment described in the text. That is, since the embodiment may have various changes and may have various forms, it should be understood that the scope of the present invention includes equivalents capable of realizing the technical idea. In addition, since the object or effect presented in the present invention does not mean that a specific embodiment should include all of them or only such effects, it should not be understood that the scope of the present invention is limited thereby.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.On the other hand, the meaning of the terms described in the present application should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as “first” and “second” are for distinguishing one component from another, and the scope of rights should not be limited by these terms. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected to” another component, it may be directly connected to the other component, but it should be understood that other components may exist in between. On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Meanwhile, other expressions describing the relationship between elements, that is, "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expression is to be understood as including the plural expression unless the context clearly dictates otherwise, and terms such as "comprises" or "have" refer to the embodied feature, number, step, action, component, part or these It is intended to indicate that a combination exists, and it should be understood that it does not preclude the possibility of the existence or addition of one or more other features or numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, identification numbers (eg, a, b, c, etc.) are used for convenience of description, and identification numbers do not describe the order of each step, and each step clearly indicates a specific order in context. Unless otherwise specified, it may occur in a different order from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined. Terms defined in the dictionary should be interpreted as being consistent with the meaning of the context of the related art, and cannot be interpreted as having an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining an apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치(100)는 언와인더(Unwinder)(110), 제1 및 제2 댄서(Dancer)(120a,120b), 인피드(Infeed)(130), 가이드 롤(Guide roll)(140), 슬롯-다이 코터(Slot-die coater)(150), 히팅 영역(Heating area)(160), 전해질층 품질감지센서(170), 아웃피드(Outfeed)(180) 및 리와인더(Rewinder)(190) 등의 롤-투-롤 장비를 포함하고, 이들은 컨트롤러(미도시)를 통해 연속공정 수행이 이루어진다.Referring to FIG. 1 , an
소재필름은 언와인더(110)를 통하여 인피드(130)로 공급된다. 이때, 제1 댄서(120a)에 의해 공급되는 소재필름의 장력이 일정하게 유지될 수 있다. The material film is supplied to the infeed 130 through the
인피드(130)는 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 인피드(130)는 소재필름에 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 전해질층을 생성하는 과정과 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행할 수 있다. 여기에서, 하층에 적층되는 제1 전해질 물질은 GDC(Gadolinium-doped ceria)에 해당할 수 있고 상층에 적층되는 제2 전해질 물질은 YSZ(Yttria-Stabilized zirconia)에 해당할 수 있다.The infeed 130 may perform a first calendering process with respect to the electrolyte layer. In one embodiment, the infeed 130 may simultaneously perform the process of generating an electrolyte layer by sequentially stacking the first and second electrolyte materials on the material film and the process of performing the first calendering process. Here, the first electrolyte material stacked on the lower layer may correspond to Gadolinium-doped ceria (GDC) and the second electrolyte material stacked on the upper layer may correspond to Yttria-Stabilized zirconia (YSZ).
인피드(130)는 경유하는 소재필름에 전해질층을 생성함과 동시에 상하 롤의 맞물리기(nipping)를 통해 전해질층에 특정 압력을 제공하여 제1 캘린더링 공정을 구현할 수 있다. 일 실시예에서, 인피드(130)는 제1 및 제2 전해질 물질들을 순차적으로 적층하여 전해질층을 생성하는 과정에서 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께에 따라 맞물리기 압력을 결정하여 전해질층의 충진 밀도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 전해질 물질들 중 더 두꺼운 물질이 적층되는 전해질층에는 높은 압력을 제공하고, 제1 및 제2 전해질 물질들 중 더 얇은 물질이 적층되는 전해질층에는 낮은 압력을 제공한다. The infeed 130 may implement the first calendering process by providing a specific pressure to the electrolyte layer through nipping of the upper and lower rolls while generating the electrolyte layer on the material film passing therethrough. In one embodiment, the infeed 130 determines the engagement pressure according to the thickness of each of the first and second electrolyte materials in the process of sequentially stacking the first and second electrolyte materials to create an electrolyte layer to determine the electrolyte It is possible to improve the packing density of the layer. For example, a high pressure is provided to an electrolyte layer in which a thicker material of the first and second electrolyte materials is laminated, and a low pressure is provided in an electrolyte layer in which a thinner material of the first and second electrolyte materials is laminated.
슬롯-다이 코터(150)는 가이드 롤(140)을 통해 이송되는 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성할 수 있다. 슬롯-다이 코터(150)는 슬롯-다이(slot-die)라고 불리는 노즐 형상의 미세 금속판 사이로 잉크를 공급하여 전해질층 위에 슬롯-다이의 이동방향의 직각방향(폭방향)으로 잉크를 일정한 두께로 도포하여 박막을 형성한다. 슬롯-다이 코팅의 성능은 잉크(코팅액)가 분사되는 노즐부의 형상과 치수에 의해 결정된다. 일 실시예에서, 슬롯-다이 코터(150)는 전해질층 중 상부에 있는 전해질 물질의 종류를 기초로 노즐 갭을 동적으로 조절하여 슬롯-다이 코팅 성능을 향상시킬 수 있다. The slot-
히팅 영역(160)은 슬롯-다이 코터(150)의 후단에 위치하여 박막이 형성된 전해질층을 소결한다. 히팅 영역(160)의 온도는 박막의 두께에 따라 결정될 수 있다. 소결(Sintering)이란 분말과 같은 비표면적이 넓은 입자들을 더욱 치밀한 덩어리로 만들기 위해 충분한 온도와 압력을 가하는 공정을 의미한다. 히팅 영역(160)은 박막이 형성된 전해질층의 건조 및 소결을 수행한다. The
전해질층 품질감지센서(170)는 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출한다. 전해질층 품질감지센서(170)는 광학 카메라 모듈을 포함하여 전해질층의 측면을 확대 촬영하여 전해질층 내부의 충진율 검출을 통해 품질 지수를 산출할 수 있다.The electrolyte layer
아웃피드(180)는 전해질층 품질감지센서(170)에 의해 산출한 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행할 수 있다.The outfeed 180 may perform a second calendaring process with respect to the electrolyte layer performed sintering by controlling the pressure based on the quality index calculated by the electrolyte layer
리와인더(190)는 아웃피드(180)를 경유하여 제2 캘린더링 수행 전해질층이 형성된 필름을 일정 장력으로 감는다. 이때, 제2 댄서(120b)에 의해 장력이 일정하게 유지될 수 있다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법은 인피드(130)를 경유하여 전해질층에 관한 제1 캘린더링 공정을 수행한다(단계 S210). 일 실시예에서, 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 전해질층을 생성하는 과정과 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 인피드(130)의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함할 수 있다. 여기에서, 특정 압력은 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용될 수 있다. Referring to FIG. 2 , in the roll-to-roll continuous process-based method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell according to an embodiment, a first calendering process for the electrolyte layer is performed via an infeed 130 ( step S210). In one embodiment, performing the first calendering process may include simultaneously performing the process of generating an electrolyte layer by sequentially stacking the first and second electrolyte materials and the process of performing the first calendering process. can The performing the first calendering process may include implementing the first calendering process by providing a specific pressure through nipping of the
그런 다음, 슬롯-다이 코터(slot-die coater)(150)를 경유하여 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성한다(단계 S230). 일 실시예에서, 박막을 형성하는 단계는 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 슬롯-다이 코터(150)의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 박막을 형성하는 단계는 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 슬롯-다이 코터(150)의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. Then, a thin film is formed by providing ink on the calendering-performing electrolyte layer via a slot-die coater 150 (step S230). In one embodiment, the forming of the thin film may include dynamically adjusting the nozzle gap of the slot-
그런 다음, 히팅 영역(160)을 경유하여 박막 형성 전해질층을 소결한다(단계 S250). 일 실시예에서, 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계는 박막의 두께를 기초로 히팅 영역(160)의 온도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. Then, the thin film-forming electrolyte layer is sintered via the heating region 160 (step S250). In one embodiment, the step of sintering the thin film-forming electrolyte layer may include determining the temperature of the
그런 다음, 전해질층 품질감지센서(170)를 통해 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출한다(단계 S270). 일 실시예에서, 품질 지수를 산출하는 단계는 전해질층 품질감지센서(170)를 통해 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 품질 지수를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 전해질층 품질감지센서(170)는 광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현될 수 있다. 품질 지수를 산출하는 단계는 광학 카메라 모듈을 통해 소결 수행 전해질층의 측면을 확대 촬영한 이미지 분석을 통해 전해질층의 내부 충진율을 검출하고 이를 품질 지수로 산출할 수 있다. 여기에서, 품질 지수는 내부 충진율에 비례할 수 있다. Then, the quality index is calculated by detecting the side of the electrolyte layer to be sintered through the electrolyte layer quality detection sensor 170 (step S270). In one embodiment, calculating the quality index may include calculating the quality index by detecting the internal filling rate of the electrolyte layer through the electrolyte
그런 다음, 품질 지수를 기초로 아웃피드(180)의 압력을 제어하여 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행한다(단계 S290). 일 실시예에서, 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계는 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기에서, 맞물리기 압력을 증가시켜 전해질층의 충진 밀도를 높일 수 있다. Then, by controlling the pressure of the outfeed 180 based on the quality index, a second calendering process is performed on the sintered electrolyte layer (step S290). In one embodiment, the performing of the second calendering process may include selecting an outfeed having a relatively small diameter from among a series of outfeeds when the quality index exceeds a specific criterion to perform sintering uniformity with respect to the electrolyte layer may include the step of increasing The step of performing the second calendering process further includes the step of increasing the interlocking pressure with respect to the electrolyte layer performing sintering by selecting an outfeed having a relatively large diameter from among a series of outfeeds when the quality index is less than or equal to a specific standard. may include Here, the packing density of the electrolyte layer may be increased by increasing the interlocking pressure.
도 3은 일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에 의해 제조된 전해질층의 캘린더링 공정 수행 전과 후의 충진 밀도를 나타내는 도면이다.3 is a view showing the packing density before and after performing the calendering process of the electrolyte layer manufactured by the method for manufacturing the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell based on the roll-to-roll continuous process according to an embodiment.
도 3을 참조하면, (가)는 캘린더링 공정을 수행하기 전의 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 나타내고, (나)는 캘린더링 공정을 수행한 후의 고체산화물 연료전지의 전해질 층을 나타낸다. 도 3의 (가)와 (나)를 비교해보면, 캘린더링 공정을 수행하여 전해질 층의 충진 밀도가 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 3, (A) shows the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell before performing the calendering process, and (B) shows the electrolyte layer of the solid oxide fuel cell after performing the calendering process. Comparing (A) and (B) of FIG. 3 , it can be seen that the packing density of the electrolyte layer is improved by performing the calendering process.
일 실시예에 따른 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법에서는 롤-투-롤 연속공정 상에서 인피드(130)를 경유하여 전해질층을 생성하는 과정에서 맞물리기 압력을 통해 캘린더링 과정을 동시에 수행할 수 있고 소결 후 아웃피드(180)를 경유하는 과정에서 전해질층의 내부 충진율에 기초한 품질 지수에 따라 추가로 캘린더링 과정을 수행함으로써 고체산화물 연료전지의 전해질층에 관한 충진 밀도 향상 및 균일성을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 고체산화물 연료전지의 전해질 층 생성과 충진 밀도 향상을 한번의 공정을 통해서 진행하므로 고체산화물 연료전지의 제조 단가를 절감시킬 수 있다.In the roll-to-roll continuous process-based electrolyte layer manufacturing method of the solid oxide fuel cell according to an embodiment, the interlocking pressure is applied in the process of generating the electrolyte layer via the
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as described in the claims below. You will understand that it can be done.
100: 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치
110: 언와인더 120a,120b: 댄서
130: 인피드 140: 가이드 롤
150: 슬롯-다이 코터 160: 히팅 영역
170: 전해질층 품질감지센서 180: 아웃피드
190: 리와인더100: Electrolyte layer manufacturing apparatus of solid oxide fuel cell based on roll-to-roll continuous process
110: unwinder 120a, 120b: dancer
130: infeed 140: guide roll
150: slot-die coater 160: heating area
170: electrolyte layer quality detection sensor 180: outfeed
190: rewinder
Claims (12)
슬롯-다이 코터(slot-die coater)를 경유하여 상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 단계;
히팅 영역을 경유하여 상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 단계;
전해질층 품질감지센서를 통해 상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 단계; 및
상기 품질 지수를 기초로 아웃피드의 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 단계를 포함하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
performing a first calendering process on the electrolyte layer via the infeed;
forming a thin film by providing ink on the calendering-performing electrolyte layer via a slot-die coater;
sintering the thin film-forming electrolyte layer via a heating region;
Calculating a quality index by detecting the side of the electrolyte layer to be sintered through the electrolyte layer quality detection sensor; and
A method of manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, comprising: performing a second calendering process on the sintered electrolyte layer by controlling the pressure of the outfeed based on the quality index.
제1 및 제2 전해질 물질들의 순차적 적층으로 상기 전해질층을 생성하는 과정과 상기 제1 캘린더링 공정을 수행하는 과정을 동시에 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 1, wherein performing the first calendering process comprises:
Roll-to-roll continuous process-based solid comprising the step of simultaneously performing the process of generating the electrolyte layer by sequential lamination of the first and second electrolyte materials and the process of performing the first calendering process A method for manufacturing an electrolyte layer of an oxide fuel cell.
상기 인피드의 맞물리기(nipping)를 통해 특정 압력을 제공하여 상기 제1 캘린더링 공정을 구현하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 2, wherein performing the first calendering process comprises:
Method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, comprising the step of implementing the first calendering process by providing a specific pressure through nipping of the infeed .
상기 제1 및 제2 전해질 물질들 각각의 두께를 기초로 결정되고 상기 전해질층의 충진 밀도를 향상시키는데 활용되는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
4. The method of claim 3, wherein the specific pressure is
A method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, which is determined based on the thickness of each of the first and second electrolyte materials and is used to improve the packing density of the electrolyte layer.
상기 전해질층 중 상부에 있는 제2 전해질 물질의 종류를 기초로 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 동적으로 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 1, wherein the forming of the thin film comprises:
Roll-to-roll continuous process-based solid oxide fuel cell, characterized in that it includes the step of dynamically adjusting the nozzle gap of the slot-die coater based on the type of the second electrolyte material on the upper part of the electrolyte layer Method for manufacturing an electrolyte layer.
상기 제2 전해질 물질이 강전해질 물질로 구성된 경우에는 상기 슬롯-다이 코터의 노즐 갭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 5, wherein the forming of the thin film comprises:
When the second electrolyte material is composed of a strong electrolyte material, the method further comprising increasing a nozzle gap of the slot-die coater.
상기 박막의 두께를 기초로 상기 히팅 영역의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
According to claim 1, wherein the step of sintering the thin film-forming electrolyte layer
and determining the temperature of the heating region based on the thickness of the thin film.
상기 전해질층 품질감지센서를 통해 상기 전해질층의 내부 충진율을 검출하여 상기 품질 지수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 1, wherein calculating the quality index comprises:
and calculating the quality index by detecting the internal filling rate of the electrolyte layer through the electrolyte layer quality sensor.
광학 카메라 모듈 기반의 확대 촬영을 통해 구현되는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 8, wherein the electrolyte layer quality detection sensor
A method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, characterized in that it is implemented through magnification based on an optical camera module.
상기 품질 지수가 특정 기준을 초과하는 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 작은 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 상기 소결 수행 전해질층에 관한 균일성을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 1, wherein performing the second calendering process comprises:
If the quality index exceeds a specific criterion, selecting an outfeed having a relatively small diameter from among a series of outfeeds to increase the uniformity of the electrolyte layer for performing the sintering; -A method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a two-roll continuous process.
상기 품질 지수가 특정 기준 이하인 경우에는 일련의 아웃피드들 중 상대적으로 큰 직경을 가지는 아웃피드를 선택하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 맞물리기 압력을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조방법.
The method of claim 10, wherein performing the second calendering process comprises:
When the quality index is less than or equal to a specific standard, selecting an outfeed having a relatively large diameter from among a series of outfeeds, further comprising the step of increasing the interlocking pressure with respect to the electrolyte layer performing sintering- A method for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a two-roll continuous process.
상기 캘린더링 수행 전해질층 상에 잉크를 제공하여 박막을 형성하는 슬롯-다이 코터(slot-die coater);
상기 박막 형성 전해질층을 소결하는 히팅 영역;
상기 소결 수행 전해질층의 측면을 감지하여 품질 지수를 산출하는 전해질층 품질감지센서; 및
상기 품질 지수를 기초로 압력을 제어하여 상기 소결 수행 전해질층에 관한 제2 캘린더링 공정을 수행하는 아웃피드를 포함하는 롤-투-롤 연속공정 기반 고체산화물 연료전지의 전해질 층 제조장치.
Infeed for performing a first calendering process with respect to the electrolyte layer;
a slot-die coater for forming a thin film by providing ink on the calendering-performing electrolyte layer;
a heating region for sintering the thin film-forming electrolyte layer;
an electrolyte layer quality sensor for calculating a quality index by sensing the side of the electrolyte layer performing the sintering; and
An apparatus for manufacturing an electrolyte layer of a solid oxide fuel cell based on a roll-to-roll continuous process, comprising an outfeed for performing a second calendering process on the sintered electrolyte layer by controlling the pressure based on the quality index.
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