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고온에서 신속하고 균일한 가열이 가능한 면상 발열체의 개발

요약 본 기술은 Ag/Pd 분말을 포함하는 발열 조성물을 이용하여 면상 발열체를 제조하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 고온에서 신속하고 균일한 가열이 가능하며, 고체산화물 연료전지에 적용 시 초기 가열시간을 줄이고 경제적 손실을 줄일 수 있습니다. 또한, 본 발명은 무게와 부피가 감소하여 소형장치에 적용될 수 있습니다. 이는 에너지 분야의 기술 발전과 산업 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대됩니다.

기본 정보

특허명: 고체산화물 연료전지 근접 가열을 위한 발열 조성물, 이를 포함하는 면상 발열체 및 이의 제조방법
대표 발명자: 명재하 교수
출원번호: 10-2023-0064889

발명의 배경 및 필요성

기술의 배경

연료전지는 연료를 산화시킬 때 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 바꾸는 장치임
고체 산화물 연료전지(SOFC)는 전극과 전해질이 모두 고체로 이루어져 안정성이 높음
SOFC는 수소뿐만 아니라 가스와 같은 다양한 연료를 직접 전기로 만들 수 있고, 전기를 이용한 전해반응을 통해 연료를 생산할 수 있어 친환경 미래에너지원으로 주목받고 있음
그러나 SOFC의 전극과 전해질이 고체산화물로 만들어졌기 때문에 충분한 이온전도도 확보 및 전기를 생성하는 반응을 위해서는 높은 온도를 필요로 함

기술의 필요성

일반적으로 500℃ 내지 900℃의 고온에서 작동하는 연료전지는 초기작동 시 가열장치를 필요로 함
현재 연료전지 모듈 및 평가장비의 가열장치로 주로 사용되고 있는 전기로는 연료전지 시스템에서 50% 이상 부피를 차지하고 있음
이에 가열장치를 사용하지 않고 연료의 연소열을 이용하여 작동하는 Direct Flame SOFC가 연구되고 있지만 온도편차를 제어하기가 어렵다는 한계가 있음
따라서 최근에는, 외부 전류에 의한 전기적 저항을 통해 발열하는 면상발열체를 SOFC에 적용하여 연료전지 시스템의 부피를 최소화하고 안정적으로 가열시키기 위한 연구가 계속되고 있음
하지만, 현재까지 연구된 SOFC용 면상발열체들은 고체산화물 연료전지의 주 작동온도인500℃ 이상으로 가열할 경우 전극 및 기판 파손, 열화 등이 발생하여 안정적인 가열이 어렵고 특히 고온 가열에 따라 전극산화에 의한 열화와 기판과의 열팽창 계수차이에 의한 전극-기판 파손이 나타난다는 한계가 있음
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, Ag 와 Pd를 최적의 중량비로 혼합하여 열효율 및 열전달속도가 우수한 발열 조성물을 제조하고, 면상발열체와 기판(분리판) 사이에 절연층을 코팅하여 전극 및 기판의 파손 및 열화를 방지하고 고온에서 신속하고 균일한 가열이 가능한 면상 발열체를 제공하는 것에 목적이 있음

구현방법

기술의 원리

본 기술은 Ag/Pd 분말을 포함하는 발열 조성물을 이용하여 면상 발열체를 제조하는 것을 목표로 함.
발열 조성물은 Ag/Pd 분말, 산화물, 바인더, 분산제, 분산매를 포함하며, 이들의 조합과 비율에 따라 발열 조성물의 특성이 결정됨.
면상 발열체는 발열 조성물로부터 형성된 발열층을 포함하며, 발열층의 저항은 발열 조성물에 포함된 Ag/Pd의 조성 및 인쇄 패턴을 통해 제어 가능.

구체적인 구현 방법

Ag/Pd 분말, BaTiO3, 에틸 셀룰로오스, 포스페이트계 블록 공중합체, 부틸 셀로솔브 아세테이트를 이용하여 발열 조성물을 제조.
제조한 발열 조성물을 Quartz 기판에 스크린 프린팅하여 발열 조성물을 인쇄.
1100도에서 1시간 동안 소성하여 면상 발열체를 제조.

기술의 장점

면상 발열체의 발열 특성을 조절 가능.
Ag/Pd 분말의 조성 및 분말의 인쇄 패턴에 따라 발열 조성물의 특성을 제어 가능.
면상 발열체의 저항을 발열 조성물에 포함된 Ag/Pd의 조성 및 인쇄 패턴을 통해 제어 가능.
면상 발열체의 생산 공정이 간단하고 효율적.

실험 및 결과

실험의 목적

면상 발열체의 발열 특성을 확인하고, 이를 통해 발열 조성물의 최적의 조성 및 인쇄 패턴을 결정하는 것을 목표로 함.

실험 방법 및 과정

면상 발열체에 대해 100V 이하의 저전압 및 100V 이상의 고전압에서 안정성 평가를 진행.
가열장치를 이용하여 1분간 인가하여 가열하고, 가열장치를 OFF 하여 1분간 냉각시키기를 반복하면서 표면온도 변화를 분석.
발열체의 표면온도는 써머커플과 방사 온도계를 이용하여 측정.
가열, 냉각을 100회 반복하면서 안정성 평가를 진행.

실험 결과

면상 발열체의 표면온도는 가열 시 820도까지 올라가며, OFF 시 400도까지 냉각됨.
가열, 냉각을 100회 반복한 결과, 전극의 단선 현상이 일어나지 않았음.
면상 발열체의 안정성이 높아, 100회의 가열 냉각 반복을 달성함.

발명의 활용 방안

고체산화물 연료전지의 가열

본 발명은 고체산화물 연료전지의 근접 가열을 위한 발열 조성물, 면상 발열체를 포함한 제품임
열효율과 열전달속도가 향상되어 고체산화물 연료전지의 각 스택의 효율적인 가열이 가능함
고온에서의 신속하고 균일한 가열이 가능하여 고체산화물 연료전지에 적용 시 초기 가열시간을 줄이고 경제적 손실을 줄일 수 있음

소형장치에의 적용

본 발명은 무게와 부피가 감소하여 소형장치에 적용될 수 있음

기대효과

기술적 혁신

본 발명은 여러 번의 가열, 냉각 이후에도 전극의 단선이 발생하지 않고 높은 안정성을 보이는 기술적 혁신을 달성함
면상 발열체에 인쇄된 발열 조성물 패턴 변화로 부분발열을 최소화하여 안정성이 개선된 것을 확인함

사회적 가치

열효율과 열전달속도의 향상으로 고체산화물 연료전지의 각 스택의 효율적인 가열이 가능하여 에너지 효율성을 높일 수 있음
고온에서의 신속하고 균일한 가열이 가능하여 고체산화물 연료전지에 적용 시 초기 가열시간을 줄이고 경제적 손실을 줄일 수 있어, 환경적 가치와 경제성을 동시에 추구할 수 있음

장기적인 비전

본 발명의 안정성과 효율성, 그리고 소형장치로의 적용 가능성을 통해 에너지 분야의 기술 발전과 산업 경쟁력 향상에 기여할 것으로 기대됨

기술 SWOT 분석

Strengths

고효율 및 고온 가열 가능성

Ag/Pd 분말을 이용한 발열 조성물은 고온에서의 신속하고 균일한 가열이 가능하여 고체산화물 연료전지에 적용 시 초기 가열시간을 줄이고 경제적 손실을 줄일 수 있습니다.

소형화 가능성

본 기술은 무게와 부피가 감소하여 소형장치에 적용될 수 있습니다.

Weaknesses

제조 과정의 복잡성

Ag/Pd 분말의 조성비와 발열 조성물의 인쇄 패턴을 제어하는 과정이 복잡할 수 있습니다.

Opportunities

에너지 효율성 향상

열효율과 열전달속도의 향상으로 고체산화물 연료전지의 각 스택의 효율적인 가열이 가능하여 에너지 효율성을 높일 수 있습니다.

환경적 가치 추구

고온에서의 신속하고 균일한 가열이 가능하여 고체산화물 연료전지에 적용 시 초기 가열시간을 줄이고 경제적 손실을 줄일 수 있어, 환경적 가치와 경제성을 동시에 추구할 수 있습니다.

Threats

기존 가열장치와의 경쟁

기존에 널리 사용되고 있는 전기로와 같은 가열장치와의 경쟁에서 밀릴 수 있습니다.

대표도면

기술이전 담당자 연락처

담당자명: 고소라 계장
부서: 기술사업화팀
전화번호: 032-835-9766
이메일: ksr@inu.ac.kr
인천대학교 산학협력단
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