KR101047699B1 - Method for manufacturing electrolyte-impregnated porous dry electrode for molten carbonate fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극의 제조 방법에 관한 것으로, 분말간 소결공정을 통해 다공성 전극을 제조한 뒤 전극의 일면 상에 공정염 조성에 맞춰 분말로 형성된 전해질의 분말을 균일하게 분산시키고 일정한 압력으로 가압하여 전극에 압착시킨 다음 전극에 압착된 전해질 분말을 열처리함으로써 다공성의 전극 내부로 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 다공성 건식 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an electrolyte-impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell, wherein after manufacturing a porous electrode through an inter powder sintering process, uniformly powder the electrolyte powder formed according to the composition of the process salt on one surface of the electrode. The present invention relates to a method of manufacturing a porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell in which an electrolyte is impregnated into a porous electrode by heat dissipating and pressing the electrode to a predetermined pressure and compressing the electrode powder.
용융탄산염, 연료전지, 스택, 전극, 전해질, 함침, 건식공정, 건식전극 Molten Carbonate, Fuel Cell, Stack, Electrode, Electrolyte, Impregnation, Dry Process, Dry Electrode
Description
본 발명은 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용융탄산염 연료전지의 단위셀이 적층된 연료전지 스택의 전처리 과정 중에, 전해질 판이 용융되면서 발생하는 연료전지 스택의 높이변화를 방지하고 균일한 면압 균형을 맞추기 위하여, 종래 전해질 판을 사용하지 않고, 연료전지 스택의 단위 셀에 요구되는 사양에 맞는 전체 전해질 양을 계산하여 사전에 전극으로 모두 함침시키는 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 건식 전극 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte-impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell, and more particularly, a fuel cell generated while melting an electrolyte plate during a pretreatment of a fuel cell stack in which unit cells of a molten carbonate fuel cell are stacked. In order to prevent the height change of the stack and to balance the surface pressure uniformly, molten carbonate is impregnated with the electrode in advance by calculating the total amount of electrolyte meeting the specification required for the unit cell of the fuel cell stack without using the conventional electrolyte plate. The present invention relates to a method for manufacturing an electrolyte-impregnated dry electrode of a fuel cell.
용융탄산염 연료전지는 수소 산화반응과 산소 환원반응을 이용하여 전기를 생산해 내는 전기화학적 발전장치이다. 이러한 수소 산화반응과 산소 환원반응의 반응식은 하기 반응식 1 및 2와 같다. 즉, 연료극에서는 수소가 산화되면서 전자가 공여되고, 전극에서는 산소가 환원되면서 전자를 공여받는다.Molten carbonate fuel cells are electrochemical generators that produce electricity using hydrogen oxidation and oxygen reduction. Schemes of the hydrogen oxidation and oxygen reduction reaction are shown in the following
일반적인 용융탄산염 연료전지는 도 1과 같이 연료극(5), 매트릭스(4), 전극(3)을 포함하며, 매트릭스(4) 내에는 통상적으로 전해질이 함침되어 있어 이온의 흐름을 원활하게 한다. A typical molten carbonate fuel cell includes a
연료극(5)에는 수소와 같은 연료가스가 주입되고, 이러한 수소가 산화되면서 전자를 공여하며, 전극(3)에는 산소 또는 산소가 포함된 공기가 이산화탄소와 함께 주입되어 카보네이트 이온(CO3 2 -)을 만들면서 연료극으로부터 공여된 전자를 소모시킨다. A fuel electrode (5) is provided with a fuel gas such as hydrogen implantation, these and hydrogen-donating electrons as oxide, the
카보네이트 이온은 연료극(5)과 전극(3) 사이에 위치하는 매트릭스(4)를 통하여 전극(3)에서 연료극(5)으로 이동되며, 전자는 연료전지와 연결된 외부회로를 경유하여 흐르게 된다. 따라서 용융탄산염 연료전지에는 각 구성요소 전반에 적정한 전해질이 분포되어야 하고, 연료극(5)과 전극(3)에 기체, 액체, 고체의 3 상이 만나는 3 상계면이 충분하게 형성되어야 유효한 전기를 생산할 수가 있다. The carbonate ions move from the
이러한 이유로 연료극(5)과 전극(3)에 필요한 전해질양은 모세관력을 바탕으로 한 이론계산과 실험을 통한 실측값을 상호 비교하면서 설정되는 연료극(5)과 전극(3)의 미세한 기공의 크기와 분포에 따라 결정된다. For this reason, the amount of electrolyte required for the
종래의 용융탄산염 연료전지는 매트릭스(4)와, 연료극(5) 및 전극(3)의 사이에 전해질 판(4)을 삽입하여, 열처리를 통해 전해질을 녹여 각 구성요소로 분산되게 하였다. 이러한 경우, 연료전지 단위 셀을 수십 내지 수백 장 적층하여 연료전지 스택을 제작할 때, 열처리를 통해 전해질 판이 녹게 되면, 전해질 판 두께만큼의 공간이 없어지면서 스택의 높이가 감소하게 된다. 더욱이 전해질 판이 불균일하게 녹으면서 균일한 면압분포를 얻을 수 없으며, 전해질 판이 녹으면서 연료전지 단위 셀 외부로 밀려나가게 되면서 전해질 양을 적절하게 관리할 수 없다. In the conventional molten carbonate fuel cell, an
상기와 같은 점을 극복하기 위하여 전극으로 전해질을 함침시키는 방법이 고안되었다. 이러한 종래 전극으로의 전해질 함침 방법은 전해질 슬러리를 전극 위에 직접 코팅하여 건조한 후 열처리 하거나 전해질 판을 전극 위에 위치시킨 후 열처리를 하는 방식이었다. 그러나, 이러한 경우에는 몇 가지 문제점이 발생한다. 첫째로는, 전해질 슬러리 중에 포함되어 있는 유기물을 제거하기 위하여 450℃ 이하의 온도 범위를 유지하는 산화분위기(산소 혹은 공기)에서 열처리를 한 후, 450℃ 이상의 온도 범위를 유지하는 환원분위기에서 산화되었던 전극을 환원시키는 공정이 필수적이어서, 연료전지 생산 공정의 연속성이 보장되지 못하며 유기물 제거가 어려워 수율이 낮아진다. 둘째, 전극 내에 전해질이 함침된 후 냉각과정에서 심한 뒤틀림 현상이 발생되어 전극의 평탄도가 떨어지기 때문에 결과적으로 연료전지 스택에 사용되기에는 부적합하게 된다. In order to overcome the above, a method of impregnating an electrolyte with an electrode has been devised. The electrolyte impregnation method of the conventional electrode was a method of directly coating the electrolyte slurry on the electrode to dry and then heat treatment or heat treatment after placing the electrolyte plate on the electrode. However, some problems arise in this case. First, in order to remove organic matter contained in the electrolyte slurry, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere (oxygen or air) maintaining a temperature range of 450 ° C. or lower, and then oxidized in a reducing atmosphere maintaining a temperature range of 450 ° C. or higher. Since the process of reducing the electrode is essential, the continuity of the fuel cell production process is not guaranteed and the organic matter is difficult to remove, resulting in low yield. Second, after the electrolyte is impregnated in the electrode, a severe distortion occurs during the cooling process, resulting in poor flatness of the electrode, which is not suitable for use in a fuel cell stack.
한편, 종래 건식 공정의 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법에 관한 특허문헌으로는 국제특허 제WO03/053613호에 일정 크기의 금속 니켈 파우더를 준비하 고 상기 파우더를 건식 덕터링(doctoring)을 통해 배열한 다음 소결하고 소결된 애노드 지지체와 애노드 전극을 핀치 롤링을 통해 라미네이트 시키는 것을 특징으로 하는 MCFC용 애노드의 제조방법이 개시되어 있다.On the other hand, as a patent document on the manufacturing method of the electrode for the molten carbonate fuel cell of the conventional dry process, a metal nickel powder of a predetermined size is prepared in WO03 / 053613 and the powder is arranged by dry ducting (doctoring) Thereafter, a method of manufacturing an anode for MCFC, which is sintered and laminated by sintering the anode support and the anode electrode through pinch rolling, is disclosed.
그러나, 상기 특허문헌은 애노드만을 위한 공정이며, 캐소드에 관하여는 전혀 언급된 바가 없다. 또한, 상기 특허문헌의 애노드의 제조 공정은 기공크기와 기공율을 정밀하게 제어할 수 없고 전극의 두께 공차 또한 제어하기 어려울 뿐만 아니라 전해질 함침 공정이 포함되어 있지 않다. However, the patent document is a process for the anode only, and nothing is mentioned about the cathode. In addition, the manufacturing process of the anode of the patent document can not precisely control the pore size and porosity, difficult to control the thickness tolerance of the electrode, and also does not include an electrolyte impregnation process.
이에 본 발명자는 상기와 같은 점을 감안하여 연구하던 중 분말간 소결공정을 통해 다공성 전극을 제조한 뒤 전극의 일면 상에 공정염 조성에 맞춰 분말로 형성된 전해질의 분말을 균일하게 분산시키고 일정한 압력으로 가압하여 전극에 압착시킨 다음 전극에 압착된 전해질 분말을 열처리함으로써 다공성의 전극 내부로 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 다공성 건식 전극을 제조할 수 있음을 발견하였다. Accordingly, the present inventors prepared the porous electrode through the powder sintering process during the study in view of the above point, and then uniformly disperses the powder of the electrolyte formed of the powder according to the process salt composition on one surface of the electrode to a constant pressure It has been found that a porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell in which an electrolyte is impregnated into a porous electrode may be manufactured by pressing and compressing the electrode powder, followed by heat treatment of the electrolyte powder.
또한, 상기와 같은 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 다공성 건식 전극의 제조방법이 습식 테이프 캐스팅 기술에 비해 공정이 간단하고 제조 비용이 절감되는 장점이 있으며, 연료전지 스택의 운전 중 전해질판의 용융으로 인해 발생되는 면압 불균형 및 구조적인 문제점을 해결할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.In addition, the method of manufacturing a porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell impregnated with the above electrolyte has advantages in that the process is simpler and the manufacturing cost is reduced compared to the wet tape casting technology. The present invention was completed by confirming that surface pressure imbalance and structural problems caused by the solution could be solved.
따라서, 본 발명의 목적은 건식 공정을 이용하여 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte-impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell using a dry process.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극을 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an electrolyte impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell prepared by the above method.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention
a) 금속 분말의 드라이 캐스팅 공정, 소결 공정 및 프레싱 공정을 통해 다공성 건식 전극을 제조하는 단계; a) manufacturing a porous dry electrode through a dry casting process, a sintering process and a pressing process of the metal powder;
b) 상기 전극의 일면 상에 전해질 분말을 분산시키는 단계; b) dispersing the electrolyte powder on one surface of the electrode;
c) 상기 전극의 일면 상에 균일하게 분산된 전해질 분말을 일정한 압력으로 가압하여 상기 전극에 압착시키는 단계; 및c) pressing the electrolyte powder uniformly dispersed on one surface of the electrode to a predetermined pressure to compress the electrode powder; And
d) 상기 압착된 전해질 분말을 전극에 함침시키기 위해 열처리하는 단계를 포함하는 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극의 제조 방법을 제공한다.d) a method of manufacturing an electrolyte-impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell, comprising the step of heat treatment to impregnate the compressed electrolyte powder into an electrode.
또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침형 다공성 건식 전극을 제공한다.The present invention also provides an electrolyte impregnated porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell prepared by the above method.
이하, 본 발명의 구성을 각 단계별로 설명한다.Hereinafter, the configuration of the present invention will be described for each step.
본 발명의 a) 다공성 건식 전극의 제조 단계는, A) The manufacturing step of the porous dry electrode of the present invention,
금속 분말을 드라이 캐스팅하는 공정;Dry casting a metal powder;
상기 금속 분말을 소결하는 공정; 및 Sintering the metal powder; And
상기 소결을 통해 제조된 다공성 건식 전극을 프레싱하는 공정; 을 포함할 수 있다.Pressing the porous dry electrode manufactured through the sintering; It may include.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 드라이 캐스팅 공정 후 소결하는 공정 전에 금속 분말을 압축하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the method may further include a step of compressing the metal powder before the step of sintering after the dry casting process.
본 발명에 있어서, 건식 전극이란 종래 습식 테이프 캐스팅법에 의해 제조된 그린쉬트를 열처리 한 다공성 전극이 아닌 금속분말 자체의 열처리를 이용하여 분말간 소결 또는 목성장을 시켜 제조되는 다공성 전극을 의미한다.In the present invention, the dry electrode refers to a porous electrode manufactured by sintering or powder growth between powders using a heat treatment of a metal powder itself, rather than a porous electrode heat-treated a green sheet manufactured by a conventional wet tape casting method.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a) 다공성 건식 전극의 제조 단계는, In a preferred embodiment of the present invention, the step a) of manufacturing a porous dry electrode,
a1) 흑연지지판 위에 금속 분말을 방출하고 스프레딩하는 공정;a1) discharging and spreading the metal powder on the graphite support plate;
a2) 상기 금속 분말을 드라이캐스팅하는 공정;a2) drycasting the metal powder;
a3) 상기 드라이캐스팅된 금속 분말을 압축하는 공정;a3) compressing the drycast metal powder;
a4) 상기 압축된 금속 분말을 소결하는 공정; 및a4) sintering the compressed metal powder; And
a5) 상기 소결을 통해 제조된 다공성 건식 전극을 프레싱(압착)하는 공정; 을 포함할 수 있다.a5) pressing (compressing) the porous dry electrode manufactured through the sintering; It may include.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a1) 공정에 앞서 흑연지지판의 둘레에 지그를 설치하는 공정을 추가로 포함할 수 있다. 이는 상기 금속 분말을 분산 시킬 때, 흑연지지판을 고정하면서 상기 분산된 금속 분말이 흑연지지판으로부터 이탈하는 것을 방지하기 위함이다.In a preferred embodiment of the present invention, prior to the a1) step may further comprise the step of installing a jig around the graphite support plate. This is to prevent the dispersed metal powder from leaving the graphite support plate while fixing the graphite support plate when the metal powder is dispersed.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 금속은 니켈, 알루미늄, 크롬, 코발트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며 이에 제한되지 않는다.In a preferred embodiment of the present invention, the metal may be selected from the group consisting of nickel, aluminum, chromium, cobalt and combinations thereof, but is not limited thereto.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a2) 드라이캐스팅 공정은 블레이드로 수행할 수 있으며 이에 제한되지 않는다.In a preferred embodiment of the present invention, the a2) drycasting process may be performed by a blade, but is not limited thereto.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a3) 압축 공정은 롤을 이용하여 수행할 수 있으며 이에 제한되지 않는다. 이때 가하는 압력 범위는 50-200Kgf/cm2일 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the a3) compression process may be performed using a roll, but is not limited thereto. In this case, the applied pressure range may be 50-200 Kgf / cm 2 .
본 발명에 있어서, 상기 a2) 및 a3) 공정은 상기 금속 분말의 고른 두께와 상부측의 고른 표면 및 분말간 공극을 일정화시키기 위함이다.In the present invention, the a2) and a3) process is to uniform the thickness of the metal powder and the even surface of the upper side and the gap between the powder.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a4) 소결하는 공정은 650℃ 이상, 바람직하게는 650~1050℃의 온도에서 수행할 수 있으며, 환원분위기하에서 30분 이상, 바람직하게는 30분 내지 3시간 동안 수행할 수 있다. 이는 분말간 결합을 이루기 위함이다.In a preferred embodiment of the present invention, the a4) sintering process may be carried out at a temperature of 650 ℃ or more, preferably 650 ~ 1050 ℃, 30 minutes or more, preferably 30 minutes to 3 hours under a reducing atmosphere Can be done. This is to achieve the bonding between the powders.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 a5) 프레싱(압착) 공정은 50-200Kgf/cm2의 압력으로 수행할 수 있다. 이는 소결현상으로 인한 다공성 전극의 두께 불균일화를 제어하기 위한 공정이다. In a preferred embodiment of the present invention, the a5) pressing (compression) process can be carried out at a pressure of 50-200Kgf / cm 2 . This is a process for controlling the thickness unevenness of the porous electrode due to the sintering phenomenon.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기와 같은 압력하의 압축을 통해 두께 공차는 10㎛ 이내로 제어될 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the thickness tolerance can be controlled to within 10 mu m through such compression under pressure.
본 발명에 있어서, 상기 b) 전해질 분말을 분산시키는 단계는 상기 전극의 일면 상에 공정염 조성이나 고리튬 전해질 조성에 맞춰 분말로 형성된 전해질의 분말을 균일하게 분산시키는 단계이다.In the present invention, the b) dispersing the electrolyte powder is a step of uniformly dispersing the powder of the electrolyte formed of the powder in accordance with the process salt composition or the cyclic lithium electrolyte composition on one surface of the electrode.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 b) 전해질 분말을 분산시키는 단계는, b1) 전극을 거치시키는 흑연지지판과, 상기 흑연지지판의 일측단과 타측단에 수직으로 연속되게 형성되며 상기 전극의 일측단과 타측단을 고정시키는 흑연지그를 통하여 상기 전극을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the step b) dispersing the electrolyte powder, b1) the graphite support plate for mounting the electrode, and is formed to be continuous to the one end and the other end of the graphite support plate vertically and vertically It may include the step of fixing the electrode through the graphite jig for fixing the side end.
상기 전극의 고정 단계는 전해질 분말을 분산시킬 때 상기 전극을 일정한 위치에 고정하여 분산된 전해질이 상기 전극의 일면으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위함이다.The fixing step of the electrode is to fix the electrode at a predetermined position when the electrolyte powder is dispersed to prevent the dispersed electrolyte from being separated from one surface of the electrode.
또한, 본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 b) 전해질 분말을 분산시키는 단계는, b2) 내장된 진동기로 일정한 진동을 일으키며 상기 전극의 일면 상에서 상기 전극의 일측단으로부터 타측단으로 이동하면서 전해질 분말을 상기 전극의 일면으로 균일하게 분산시키는 분산장치를 통해 상기 전해질을 분산시키는 단계를 포함할 수 있다.In addition, in the preferred embodiment of the present invention, the step of b) dispersing the electrolyte powder, b2) causing a constant vibration with the built-in vibrator and moving the electrolyte powder from one end of the electrode to the other end on one surface of the electrode Dispersing the electrolyte through a dispersion device for uniformly dispersing to one surface of the electrode.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 c) 전해질 분말을 전극에 압착시키는 단계는 c1) 압착롤러를 이용하여 상기 전해질 분말을 상기 전극의 일면에 압착시켜 수행할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the step of c) pressing the electrolyte powder on the electrode may be performed by pressing the electrolyte powder on one surface of the electrode using a c1) pressing roller.
상기 압착롤러를 이용한 압착시 압력은 바람직하게는 1.0 kgf/cm2 이하, 더욱 바람직하게는 0.1-0.5 kgf/cm2의 범위인 것이 좋다.The pressure at the time of pressing using the pressing roller is preferably 1.0 kgf / cm 2 or less, more preferably in the range of 0.1-0.5 kgf / cm 2 .
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 c) 전해질 분말을 전극에 압착시키는 단계는 c2) 상기 전극의 일면에 압착된 상기 전해질 분말 위에 흑연판을 거치시키는 단계를 포함할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the step of c) pressing the electrolyte powder on the electrode may include c2) mounting a graphite plate on the electrolyte powder pressed on one surface of the electrode.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 흑연판은 1.75-1.9 gm/cc의 밀도를 가지고 20mm 이상의 두께를 가진 것을 사용할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the graphite plate may have a density of 1.75-1.9 gm / cc and a thickness of 20 mm or more.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 d) 열처리하는 단계는 500℃ 내지 650℃의 온도 범위를 형성하는 열처리로 내의 환원분위기에서 상기 전극의 일면에 압착된 상기 전해질 분말을 녹여 상기 전극에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the step d) is a step of melting the electrolyte powder pressed on one surface of the electrode in a reducing atmosphere in a heat treatment furnace forming a temperature range of 500 ℃ to 650 ℃ to impregnate the electrode It may include.
본 발명에 있어서, 전해질 분말은 10㎛ 이하의 직경을 가지는 것이 바람직하다.In the present invention, the electrolyte powder preferably has a diameter of 10 µm or less.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 전해질 분말은 리튬카보네이트와 포타슘카보네이트, 또는 리튬카보네이트와 소듐카보네이트의 조성 중 어느 하나의 조성으로 형성될 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte powder may be formed of any one of the composition of lithium carbonate and potassium carbonate or lithium carbonate and sodium carbonate.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 리튬카보네이트:포타슘카보네이트의 조성은 몰비 50:50 부터 몰비 90:10 의 범위일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composition of the lithium carbonate: potassium carbonate may range from molar ratio 50:50 to molar ratio 90:10.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 리튬카보네이트:소듐카보네이트의 조성은 몰비 50:50 부터 몰비 90:10 의 범위일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the composition of the lithium carbonate: sodium carbonate may range from molar ratio 50:50 to molar ratio 90:10.
본 발명에 있어서, 전해질 분말은 리튬카보네이트와 포타슘카보네이트, 또는 리튬카보네이트와 소듐카보네이트의 조성 중 어느 하나의 조성을 1차 용융시킨 후 냉각한 다음 재분쇄하여 사용하는 것이 바람직하다. 이는 2종의 카보네이트염을 혼합하여 전극의 일면에 압착하여 위치시켜 열처리로에서 용융시킬 경우는 균일한 용융을 위해서는 650℃ 이상의 높은 온도가 요구되기 때문이다.In the present invention, the electrolyte powder is preferably used after primary melting of any one of the compositions of lithium carbonate and potassium carbonate or lithium carbonate and sodium carbonate, followed by cooling and regrinding. This is because a high temperature of 650 ° C. or higher is required for uniform melting when two kinds of carbonate salts are mixed and pressed and placed on one surface of the electrode to be melted in a heat treatment furnace.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 전해질 분말은 리튬카보네이트와 포타슘카보네이트, 또는 리튬카보네이트와 소듐카보네이트의 조성 중 어느 하나의 조성으로 된 전해질에 Rb, Cs, Gd, Ca, Sr, Ba 또는 Mg를 원재료로 한 카포네이트염을 15 mol% 이하, 더욱 바람직하게는 1~15 mol% 범위로 첨가하여 균일하게 혼합한 혼합염을 사용할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte powder is a raw material of Rb, Cs, Gd, Ca, Sr, Ba, or Mg in an electrolyte prepared by the composition of any one of lithium carbonate and potassium carbonate, or a composition of lithium carbonate and sodium carbonate. The mixed salt in which the caponate salt is added to 15 mol% or less, more preferably in the range of 1 to 15 mol% and mixed uniformly.
본 발명의 바람직한 양태에 있어서, 상기 전해질 분말은 리튬카보네이트와 포타슘카보네이트, 또는 리튬카보네이트와 소듐카보네이트의 조성 중 어느 하나의 조성으로 된 전해질에 Rb, Cs, Gd, Ca, Sr, Ba 또는 Mg를 원재료로 한 카포네이트염을 15 mol% 이하, 더욱 바람직하게는 1~15 mol% 범위로 첨가하여 1차 용융시킨 후 재분쇄하여 사용할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the electrolyte powder is a raw material of Rb, Cs, Gd, Ca, Sr, Ba, or Mg in an electrolyte prepared by the composition of any one of lithium carbonate and potassium carbonate, or a composition of lithium carbonate and sodium carbonate. The caponate salt may be added in an amount of 15 mol% or less, more preferably in the range of 1 to 15 mol%, followed by primary melting, followed by regrinding.
아울러, 본 발명의 전해질 함침 다공성 건식 전극은 연료극(anode)인 경우는 두께가 0.7mm 이하, 바람직하게는 0.1~0.6 mm의 범위, 공기극(cathode)인 경우는 0.6 mm 이상, 바람직하게는 0.6~1.0 mm의 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 스택의 1개 단위전지에 필요한 전해질양을 연료극과 공기극에 함침된 전해질만으로 충분하게 제공하기 위해서는 각 전극의 두께에 따라 전체 기공부피가 결정되기 때 문이다. In addition, the electrolyte-impregnated porous dry electrode of the present invention has a thickness of 0.7 mm or less in the case of an anode, preferably in the range of 0.1 to 0.6 mm, and 0.6 mm or more, preferably 0.6 in the case of a cathode. It is preferable to form in the range of 1.0 mm. This is because the total pore volume is determined according to the thickness of each electrode in order to provide enough electrolyte amount for one unit cell of the stack with only the electrolyte impregnated in the anode and the cathode.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 다공성 건식 전극 제조방법의 각 단계에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, each step of the method of manufacturing an electrolyte-impregnated porous dry electrode of a molten carbonate fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 다공성 건식 전극 제조방법에 따라 제조된 전극(30)이 포함된 연료전지 단위 셀의 구성을 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the configuration of a fuel cell unit cell including an
도 2를 참조하면, 연료전지 단위 셀은 수소가 산화되면서 전자를 공여하는 연료극(60), 산소가 환원되면서 전자를 소모하는 전극(30), 전극(30)과 연료극(60)의 사이에서 이온의 원활한 교환을 유도하는 매트릭스(50), 전극(30)으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 전극 전류집전판 가스유로(20), 전극(30)에서 발생하는 전하를 포집하는 전극 전류 집전판(10), 연료극(60)으로 공급되는 가스의 유로를 형성하는 연료극 전류집전판 가스유로(70), 및 연료극(60)에서 발생하는 전하를 포집하는 연료극 전류집전판(80)을 포함한다. Referring to FIG. 2, the fuel cell unit cell includes a fuel electrode 60 that provides electrons as hydrogen is oxidized, an
도 2의 연료전지 단위 셀은 도 1에서 도시된 종래의 기술에 의한 연료전지 단위 셀에 포함된 전해질 판(8, 도 1 참조)이 포함되지 않는다. 전해질은 전극(20)에 미리 함침되어 열처리되기 때문이다. 따라서, 도 2의 연료전지 단위 셀을 수십 내지 수백 장 적층하여 스택을 형성한 후 열처리를 하여도 스택의 높이에는 변화가 없으며, 전해질이 함침된 전극(30)으로부터 매트릭스(50)와 연료극(60)으로 필요한 양의 전해질이 균일하게 전파된다. 결과적으로 종래의 기술에 의한 문제점으로서 전해질 판이 녹으면서 발생하는 연료전지 단위 셀의 두께 변화와 불균일한 면압분포를 방지할 수 있다. The fuel cell unit cell of FIG. 2 does not include the electrolyte plate 8 (refer to FIG. 1) included in the conventional fuel cell unit cell shown in FIG. 1. This is because the electrolyte is impregnated in advance in the
도 2에 나타난 연료전지 단위 셀의 구성요소들 중에서, 전극 전류집전판(10), 전극 전류집전판 가스유로(20), 연료극 전류집전판 가스유로(70) 및 연료극 전류집전판(80)과 같은 구성요소들은, 일반적인 연료전지 단위 셀에 포함되는 구성요소들로서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 발명의 기술적 사상은 연료전지 단위 셀을 제작하는 방법에 있어, 필요한 전해질을 전극(30)에 미리 함침시키는 방법에 있으므로 이와 관련된 부분에 대해서 상세하게 설명하기로 한다. Among the components of the fuel cell unit cell illustrated in FIG. 2, an electrode
본 발명의 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 다공성 건식 전극 제조방법은 크게 6 단계로 이루어진다. 첫째, 금속 분말 분산 및 분말 공극 균일화를 위한 드라이캐스팅 단계, 둘째, 소결공정을 통해 전극을 제조하는 단계, 셋째, 전극의 두께 공차를 제어하기 위해 프레스를 이용하는 단계, 넷째, 전극의 일면 상에 공정염 조성에 맞춰 분말로 형성된 전해질을 균일하게 분산시키는 단계, 다섯째, 전극의 일면 상에 균일하게 분산된 전해질 분말을 일정한 압력으로 가압하여 전극에 압착시키는 단계, 여섯째, 전극에 압착된 전해질 분말을 열처리를 통해 전극에 함침시키는 단계이다. The electrolyte-impregnated porous dry electrode manufacturing method of the molten carbonate fuel cell according to the embodiment of the present invention consists of six steps. First, dry casting step for dispersing metal powder and uniformity of powder pore, second, manufacturing electrode through sintering process, third, using press to control thickness tolerance of electrode, fourth, process on one side of electrode Uniformly dispersing the electrolyte formed of the powder in accordance with the salt composition; fifth, pressing the electrolyte powder uniformly dispersed on one surface of the electrode to a predetermined pressure to compress the electrode, and sixth, heat treating the electrolyte powder compressed to the electrode. Impregnating the electrode through the.
이하 이러한 단계별로 필요한 방법과 각각의 방법을 수행하기 위해 필요한 장치의 사용에 대하여 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a method necessary for each step and use of a device required to perform each method will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 6.
본 발명에서, 소결공정이란 고체 가루를 일정한 틀 속에 넣고 프레스로 적당 히 가압한 뒤 고체 가루의 녹는점에 근접한 온도로 가열하여 각각의 고체 가루가 상호 접한 면에서 증착 또는 접합되게 하여 하나의 덩어리로 만드는 공정을 말한다. 일반적으로 적당한 공극이 형성된 고체를 만들기에 적합한 공정으로서 일반적인 소결공정과 같은 의미이다. 전극(30)은 이러한 소결공정을 통해 사전에 제작된다. In the present invention, the sintering process is to put the solid powder into a certain mold and pressurized with a press, and then heated to a temperature close to the melting point of the solid powder so that each solid powder is deposited or bonded in contact with each other into a single mass. Say the process of making. In general, it is the same process that is suitable for making solids with appropriate voids. The
도 3을 참조하면, 소결공정을 통해 제조된 건식 다공성 전극(30)의 일면 상에 일정 조성에 맞춘 분말로 형성된 전해질(90)을 균일하게 분산시킨다. 전해질(90) 분말은 전극(30)의 일면 상에 일정한 두께로 적층된다. Referring to FIG. 3, the
본 발명의 실시예에 따라, 리튬카보네이트(Li2CO3)와 포타슘카보네이트 (K2CO3)의 공정염(eutectics)은 Li2CO3: K2CO3 = 62mol%:38mol%인 것이고, 리튬카보네이트(Li2CO3)와 소듐카보네이트(Na2CO3)의 공정염(eutectics)은 Li2CO3: K2CO3 = 53mol%:47mol%인 것이다. According to an embodiment of the present invention, eutectics of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) is Li 2 CO 3 : K 2 CO 3 = 62 mol%: 38 mol%, and eutectics of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) are Li 2 CO 3 : K 2 CO 3 = 53 mol%: 47 mol% .
본 발명에 있어서, 고 리튬카보네이트 전해질은 공정염 조성에서 리튬카보네이트의 조성비율이 62mol%에서 72mol%까지의 범위인 것을 의미한다. 각각의 조성은 설계자가 필요한 전해질 양을 계산하여 설정할 수 있다. In the present invention, the high lithium carbonate electrolyte means that the composition ratio of lithium carbonate in the process salt composition is in the range of 62 mol% to 72 mol%. Each composition can be set by the designer calculating the amount of electrolyte required.
본 발명의 실시예에 따라, 전해질(90) 분말은 전극(30)과의 접착성을 좋게 하기 위해서 직경을 10 마이크로미터 이하로 형성한다. According to an embodiment of the present invention, the
또한, 본 발명의 실시예에 따라 공정염 조성에 맞춰 혼합된 전해질(90) 분말은 200℃ 이상의 진공로에서 10-2 torr정도의 진공도를 유지하면서 불순물을 제거한 후 사용한다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the
전해질(90) 분말을 전극(30)의 일면 상으로 균일하게 분산시키기 위해서는, 먼저 전극을 일정한 위치에 고정해야 한다. 따라서 전극(30)은, 도 3에서 나타내듯이, 전극(30)을 거치시킬 수 있는 흑연지지판(100)과 흑연지지판(100)의 일측단과 타측단에 수직으로 연속되게 형성되면서 전극(30)의 일측단과 타측단을 고정시키는 흑연지그(110)를 통하여 고정된다. In order to uniformly disperse the powder of the
흑연지지판(100)은 전극(30)이 거치되면서 전극(30)을 지지하는 기능을 수행하고, 흑연지그(110)는 전극이 흑연지지판(100)으로부터 이탈되지 않도록 하는 기능을 수행한다. 또한 이러한 흑연지지판(100)과 흑연지그(110)를 통해 전극(30)으로 분산되는 전해질(90) 분말이 전극(30)의 일면 상으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 전해질(90) 분말이 전극(30)의 일면 상으로 균일하게 분산될 수 있도록 하는데 도움이 된다. The
전해질(90) 분말을 전극(30)의 일면 상으로 분산시키는 방법에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시된 분산장치(130)를 사용하는 것이 바람직하다. In the method of dispersing the powder of the
분산장치(130)에는 진동기(131)가 내장되어 일정한 주기로 진동을 일으킨다. 또한 분산장치(130)의 내부에는 전해질(90) 분말이 주입되고, 분산장치(130)의 하면에는 전해질(90) 분말이 배출될 수 있는 배출구(미도시)가 형성되어, 분산장치(130)가 일정한 진동을 일으키면서 전해질(90) 분말을 배출하게 된다(도 5의 아래방향 화살표 참조). The dispersing
아울러 분산장치(130)는 전극(30)의 일측단으로부터 타측단으로 이동하면서 전해질(90) 분말을 전극의 일면 상으로 균일하게 분산한다. 분산장치(130)는 전극(30)의 일면 상의 적당한 높이에 위치하는 것이 바람직하며, 도면에 도시되지 않았으나, 전극(30) 일면 상의 일정한 가이드 레일에 결합되어 전극(30) 일면 상에서 이동할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. In addition, the dispersing
도 4 및 도 5에 분산장치(130)의 개략도를 나타내었다. 이러한 분산장치(130)의 구성요소들은 일반적인 것으로서 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 기술적 사상은 이러한 분산장치(130)의 이동과 진동을 통하여 전해질(90) 분말을 균일하게 분산시키는 방법에 있기 때문이다. 4 and 5 show a schematic view of the
다시 도 4를 참조하면, 분산장치(130)를 통하여 전극(30)의 일면 상에 일정한 두께로 분산된 전해질(90) 분말은, 다시 압착롤러(120)에 의해 전극(30)에 잘 접착되도록 압착된다. 인가 압착하중은 0.5 Kgf/cm2 이하의 압착하중이 인가되도록 한다. 왜냐하면 이보다 높은 인가하중을 인가하게 되면 전극의 압축변형으로 인한 두께 감소가 발생하기 때문이다. 압착롤러(120) 역시 도 4에서 개략도로 나타내었다. 압착롤러(120)는 수동식이나 일정한 가이드 레일에 결합되고 모터로 구동되는 자동식으로 제공될 수 있다. Referring again to FIG. 4, the
도면에는 도시하지 않았으나, 압착롤러(120)를 통해 전극(30)에 압착된 전해질(90) 분말에 일정한 압력을 인가할 수 있도록 일정한 하중을 가지는 흑연판을 전극의 일면 상에 분산된 전해질(90) 분말 위에 거치시킨다. 이러한 흑연판은 추가적으로 전해질(90) 분말을 전극(30)에 압착시킴은 물론, 흑연판이 거치된 상태로 열 처리됨으로써, 열처리시 분사되는 환원가스의 압력에 의해 전해질(90) 분말이 전극(30)으로부터 이탈되는 것을 방지한다. 또한 흑연판은 좋은 열전도도를 갖고 있을 뿐만 아니라 열처리로에서 나올 경우 전해질 함침전극의 급격한 냉각을 막게 되므로 밀도차에 의해 발생하는 뒤틀림과 크랙 발생을 해소할 수 있는 기능을 갖고 있다. 따라서 흑연판의 크기는 바람직하게 전극에 대응되거나 약간 큰 크기로 제공되어야 할 것이다. 어느 경우에나 흑연판은 전극(30)의 일면 상에 분산된 전해질(90) 분말을 모두 덮을 수 있어야 할 것이다. 흑연판은 일정한 하중을 가질 수 있는 밀도로 형성되고 두께는 10 mm 정도로 형성되는 것이 바람직하다. Although not shown in the drawing, a graphite plate having a constant load on the surface of the
위와 같은 흑연판이 인가된 상태에서 열처리를 위해 연속로(미도시)의 내부로 전해질(90) 분말이 분산된 전극(30)은 흑연지지판(100) 및 흑연지그(110)에 의해 고정된 상태로 투입된다. 열처리는 550℃ 내지 650℃의 온도 범위를 형성하는 열처리로(미도시) 내의 환원분위기에서 전극(30)의 일면에 압착된 전해질(90) 분말을 녹여 전극(30)에 함침시킨다. 열처리로 내에는 환원가스가 주입된다. 상기 환원가스는 수소와 질소의 혼합기체로서 수소와 질소의 배합비는 95:5 Vol.%이다.In the state where the graphite plate is applied, the
소결공정을 통해 형성되는 전극(30)의 기공율은 일반적으로 50%에서 80% 사이이므로, 전체 기공부피의 20%에서 100%를 차지하는 전해질로 함침하기 위해서는 연료극일 경우는 두께를 0.7mm 이하로, 공기극일 경우는(30)의 0.8 mm 이상으로 형성하는 것이 바람직하다. Since the porosity of the
본 발명의 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 건식 전극 제조방법에 의하면, 습식 테이프 캐스팅 공정을 이용하지 않고 건식 드라이캐스팅 방법을 이용하기 때문에 공정이 간단하고 제조비용을 절감할 수 있으며, 전해질 판을 사용하지 않기 때문에 용융탄산염 연료전지 스택의 높이변화를 유발하지 않아 균일한 면압분포를 얻을 수 있으므로 기계적인 안정성을 확보할 수 있고, 각 구성요소에 필요한 전해질은 전극에 함침된 전해질만으로 충분히 공급가능하기 때문에 스택 적층시의 불안정성을 배제할 수가 있다. 또한, 운전온도까지 승온시키는 과정 중에 전해질이 천천히 고르게 분산될 수가 있어서 높은 성능을 볼 수 있다. 더욱이 유기물 첨가가 없기 때문에 유기물 제거 과정이 별도로 필요 없어 환원분위기의 연속로에서의 연속공정이 가능하며 냉각공정 중 발생하는 뒤틀림현상을 최소화할 수 있다.According to the method of manufacturing an electrolyte-impregnated dry electrode of a molten carbonate fuel cell of the present invention, since the dry dry casting method is used instead of the wet tape casting process, the process is simple and the manufacturing cost can be reduced, and the electrolyte plate is not used. Since it does not cause height change of the molten carbonate fuel cell stack, it is possible to obtain a uniform surface pressure distribution, thereby ensuring mechanical stability, and the electrolyte required for each component can be sufficiently supplied only by the electrolyte impregnated with the electrode. Instability at the time of lamination can be excluded. In addition, since the electrolyte can be slowly and evenly dispersed during the process of raising the temperature to the operating temperature, high performance can be seen. Furthermore, since there is no addition of organic matter, there is no need for separate organic matter removal process, so it is possible to continuously process in a continuous atmosphere of a reducing atmosphere and to minimize distortion during the cooling process.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 효과를 보다 더 구체적으로 설명하고자 하나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적인 기재일뿐 본 발명의 범위가 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to examples, but these examples are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited only to these examples.
실시예Example 1 : 전해질 1: electrolyte 함침형Impregnation type 다공성 건식 전극( Porous dry electrode ( 캐소드Cathode )의 제조Manufacturing
본 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침 건식 캐소드(공기극)의 제조방법은 다음과 같았다(도 6 참조). The method of manufacturing an electrolyte-impregnated dry cathode (air electrode) for molten carbonate fuel cell according to the present embodiment was as follows (see FIG. 6).
본 실시예는 전해질 함침형 다공성 건식 전극 제조방법에 근거하여 용융탄산염 연료전지용 전해질 함침 건식 캐소드를 제조한 예이다. 상기 건식 캐소드의 원 료로는 INCO사의 필라멘트형 니켈 분말을 이용하였으며, 이러한 니켈 분말의 흐름성을 좋게 하기 위하여 120℃에서 24시간 이상 건조하였다. 이와 함께 니켈 분말에 PVA계 바인더를 코팅하거나 각기 다른 종류의 분말을 혼합한 합금분말도 사용할 수 있다.This embodiment is an example of manufacturing an electrolyte impregnated dry cathode for a molten carbonate fuel cell based on the electrolyte impregnated porous dry electrode manufacturing method. As a raw material of the dry cathode, a filament-type nickel powder manufactured by INCO Co., Ltd. was used, and dried at 120 ° C. for more than 24 hours in order to improve the flowability of the nickel powder. In addition, an alloy powder in which a PVA-based binder is coated on nickel powder or mixed with different kinds of powders may be used.
완벽하게 건조된 니켈분말을 호퍼를 통하여 수평이 유지된 흑연판 위에 넓게 흩뿌린 후(spreading), 다단 블레이드를 이용하여 1.4mm의 두께의 분말판을 만들었다. 이때 블레이드를 이용한 공정 시 분말의 크랙을 방지하기 위하여, 블레이드날의 각도는 10-50도 이내로 하였으며, 블레이드 날은 진행방향으로 10도 이상 기울어지도록 설계하였다. The perfectly dried nickel powder was spread widely on the horizontally maintained graphite plate through a hopper, and then a 1.4 mm thick powder plate was made using a multi-stage blade. At this time, in order to prevent the crack of the powder during the process using the blade, the angle of the blade blade was set within 10-50 degrees, the blade blade was designed to be inclined more than 10 degrees in the advancing direction.
1.4mm 두께의 분말판은 분말의 재배열을 통해 최밀충전되어 분말사이의 공극이 균일하도록 하기 위하여 1.2mm까지 롤러를 이용하여 압축하였으며 이때 일축 유압프레스를 이용한 압축방법 역시 가능하였다. 분말의 공극 균일화와 재배열 공정을 통해 전극 내 기공 크기 조절과 함께 기공율 조절이 가능하였다. The 1.4 mm thick powder plate was compacted through the rearrangement of the powder and compressed to 1.2 mm in order to make the pores uniform between the powders. At this time, the compression method using the uniaxial hydraulic press was also possible. Through the pore homogenization and rearrangement of the powder, pore size control along with pore size control was possible.
이후 드라이 캐스팅 및 분말압축된 분말판을 흑연판과 함께 750℃에서 30분 동안 환원분위기(N2:H2=95%:5%)하에서 열처리하여 소결시켜 전극판을 제조하였다. 소결 온도와 시간의 변수에 따라 전극의 기공 크기와 기공율이 제어되기는 하지만 그 변화량이 미약한 경향을 보인다.Thereafter, the dry-cast and powder-compressed powder plate was heat-treated and sintered together with the graphite plate in a reducing atmosphere (N 2 : H 2 = 95%: 5%) at 750 ° C. for 30 minutes to prepare an electrode plate. Although the pore size and porosity of the electrode are controlled by the variables of sintering temperature and time, the variation tends to be weak.
소성 후 두께가 균일하지 못한 전극을 일축 유압 프레스를 이용하여 전극의 두께 공차를 제어하였다. 0.93㎜의 가드를 설치한 후 약 10분 동안 약 200Kg/㎠의 압력으로 압착하였으며, 압착 후 전극의 두께는 0.93㎜ ± 10㎛의 두께를 보였다.The thickness tolerance of the electrode was controlled by the uniaxial hydraulic press for the electrode whose thickness is not uniform after baking. After installing the guard of 0.93mm was pressed for about 10 minutes at a pressure of about 200Kg / ㎠, the thickness of the electrode after compression showed a thickness of 0.93mm ± 10㎛.
이후 소성된 전극판 전해질 분말을 넓게 뿌린 후 블레이드장치를 통하여 고르게 펴주었다. 전해질 분말은 650℃의 금속 기공부피 기준으로 75 vol.%에 해당하는 무게를 올렸다. After spreading the electrode powder powder fired widely spread evenly through the blade device. The electrolyte powder had a weight of 75 vol.% Based on the metal pore volume of 650 ° C.
금속 분말판 및 전해질 분말은 흑연판과 함께 환원분위기 하 열처리를 하였는데, 전해질의 균일한 분배를 위하여 650℃에서 5시간 동안 열처리 하여 전해질이 함침된 전극판을 제조하였다. The metal powder plate and the electrolyte powder were heat-treated together with the graphite plate under a reducing atmosphere. In order to uniformly distribute the electrolyte, the metal powder plate and the electrolyte powder were heat-treated at 650 ° C. for 5 hours to prepare an electrode plate impregnated with the electrolyte.
상기와 같이 제조된 본 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 건식 캐소드는 0.9 mm의 두께로 제작되었으며 균일한 전해질 분포를 가지면서도 뒤틀림이 없는 균일한 평탄도를 보였다. The electrolyte-impregnated dry cathode of the molten carbonate fuel cell according to the present embodiment prepared as described above was made to have a thickness of 0.9 mm and showed uniform flatness without distortion while having a uniform electrolyte distribution.
도 7은 본 실시예에 따른 전해질 함침 건식 캐소드에 있어서 전해질 추출 후의 금속전극판의 기공의 크기 분포를 나타낸 것이다. 이때 약 8 내지 9 마이크로미터의 기공크기를 보이는 것을 알 수 있었다.Figure 7 shows the size distribution of pores of the metal electrode plate after the extraction of the electrolyte in the electrolyte impregnated dry cathode according to this embodiment. At this time, it can be seen that the pore size of about 8 to 9 micrometers.
실험예 1 : 본 발명에 따른 다공성 건식 전극의 특성Experimental Example 1: Characteristics of the porous dry electrode according to the present invention
본 발명에 따른 다공성 건식 전극의 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1에서 제조한 전해질 함침형 다공성 건식 전극에서 전해질을 추출하여 제거해낸 후의 건식 전극의 기공율을 ASTM C-373법을 이용하여 측정하였으며, 기공크기를 측정하였다. In order to confirm the characteristics of the porous dry electrode according to the present invention, the porosity of the dry electrode after extracting and removing the electrolyte from the electrolyte-impregnated porous dry electrode prepared in Example 1 was measured using the ASTM C-373 method , Pore size was measured.
표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 다공성 건식 전극의 전극 두께는 0.9㎜ 정도이고 전극의 두께 공차는 10㎛ 내외로 제어되었으며, 전극의 전체 면적에 걸쳐 평균 9㎛의 균일한 기공크기를 나타내었고, 81%의 기공율을 나타내었다.As shown in Table 1, the electrode thickness of the porous dry electrode according to the present invention was about 0.9mm and the thickness tolerance of the electrode was controlled to about 10㎛, showing a uniform pore size of 9㎛ on average over the entire area of the electrode And porosity of 81%.
이상 상기 실시예 및 실험예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명은 분말간 소결공정을 통해 다공성 전극을 제조한 뒤 전극의 일면 상에 공정염 조성에 맞춰 분말로 형성된 전해질의 분말을 균일하게 분산시키고 일정한 압력으로 가압하여 전극에 압착시킨 다음 전극에 압착된 전해질 분말을 열처리함으로써 다공성의 전극 내부로 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 다공성 건식 전극을 제공할 수 있으므로 연료전지산업상 매우 유용한 발명이다.As described above through the above Examples and Experimental Examples, the present invention is to produce a porous electrode through the powder sintering process and then uniformly disperse the powder of the electrolyte formed of the powder in accordance with the composition of the process salt on one surface of the electrode It is a very useful invention in the fuel cell industry because it is possible to provide a porous dry electrode for a molten carbonate fuel cell in which the electrolyte is impregnated into the porous electrode by heat-treating the electrolyte powder pressed to the electrode by pressing under pressure.
도 1은 종래의 기술에 의한 용융탄산염 연료전지 단위 셀의 구성도이다.1 is a block diagram of a molten carbonate fuel cell unit cell according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 전극 제조방법에 의해 제조된 전극이 적용된 용융탄산염 연료전지 단위 셀의 구성도이다. 2 is a configuration diagram of a molten carbonate fuel cell unit cell to which an electrode manufactured by the electrolyte-impregnated electrode manufacturing method of a molten carbonate fuel cell according to the present invention is applied.
도 3은 본 발명에 따른 전해질 분말 분산방법을 개략적으로 나타낸 구성도이다. Figure 3 is a schematic diagram showing the electrolyte powder dispersion method according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 전해질 분말과 다공성 전극의 접착성 향상을 위한 압착방법을 개략적으로 나타낸 구성도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing a pressing method for improving the adhesion of the electrolyte powder and the porous electrode according to the present invention.
도 5는 도 3의 전해질 분말을 다공성 전극에 분산시키는 분산장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다. FIG. 5 is a schematic view showing a dispersion device for dispersing the electrolyte powder of FIG. 3 in a porous electrode.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융탄산염 연료전지의 전해질 함침 다공성 건식 캐소드(공기극)의 제조방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 6 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing an electrolyte-impregnated porous dry cathode (air electrode) of a molten carbonate fuel cell according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전해질 함침 다공성 건식 전극의 기공분포를 조사한 결과를 나타낸 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the results of examining the pore distribution of the electrolyte-impregnated porous dry electrode according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 전극 전류집전판 20 : 전극 전류집전판 가스유로 10: electrode current collector plate 20: electrode current collector plate gas flow path
30 : 전극 50 : 매트릭스 30 electrode 50 matrix
60 : 연료극 70 : 연료극 전류집전판 가스유로 60: fuel electrode 70: fuel electrode current collector plate gas flow path
80 : 연료극 전류집전판 90 : 전해질 80: anode current collector plate 90: electrolyte
100 : 흑연지지판 110 : 흑연지그 100: graphite support plate 110: graphite jig
120 : 압착 롤러 130 : 분산장치 120: pressing roller 130: dispersion device
131 : 진동기131: vibrator
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