KR0123750B1 - Synthesizing method for electrolyte matrix of molten carbonate fuel cell - Google Patents

Synthesizing method for electrolyte matrix of molten carbonate fuel cell

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KR0123750B1 KR1019930023906A KR930023906A KR0123750B1 KR 0123750 B1 KR0123750 B1 KR 0123750B1 KR 1019930023906 A KR1019930023906 A KR 1019930023906A KR 930023906 A KR930023906 A KR 930023906A KR 0123750 B1 KR0123750 B1 KR 0123750B1
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Abstract

A fabrication method of an electrolyte matrix for MCFC(melting carbonate fuel cell) is provided to improve dipping performance using taped casting method. The method comprises the steps of: preparing a suspension made of lithium aluminate by ball milling a mixing solution and a mixing carbonate; forming a green sheet of electrolyte matrix by taped casting the suspension used by a doctor blade; and sintering the green sheet of electrolyte matrix at 500-700 deg.C in order to form unit MCFC. Thereby, it is possible to improve cell performance.

Description

용융탄산염 연료전지용 전해질 매트릭스의 제조방법Manufacturing method of electrolyte matrix for molten carbonate fuel cell

제1도는 용융탄산염 연료전지의 단위전지의 구조를 보여주는 모식 단면도이고1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a unit cell of a molten carbonate fuel cell.

제2도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 전해질-매트릭스의 전자주사현미경(SEM)사진으로, (A)는 전해질을 첨가하지 않은 경우, (B)는 전해질을 45% 첨가한 경우의 확대 사진이고2 is an electron scanning microscope (SEM) photograph of an electrolyte-matrix prepared according to the method of the present invention. (A) is an enlarged photograph of 45% of an electrolyte when no electrolyte is added.

제3도는 단위전지 시험장치의 개략도이고3 is a schematic diagram of a unit cell test apparatus;

제4도는 단위전지의 운전시험결과를 시간 경과에 따른 전류밀도로 나타낸 그래프이다4 is a graph showing current test results of a unit cell as a current density over time.

본 발명은 용융탄산염 연료전지용 전해질-매트릭스(Electrolyte Matrix)의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 전해질을 매트릭스에 함침시키는 방법을 개선하여 전지 성능을 향상시킬 수 있도록 한 전해질-매트릭스의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing an electrolyte-matrix for a molten carbonate fuel cell, and more particularly, to a method of manufacturing an electrolyte-matrix to improve a cell performance by improving a method of impregnating an electrolyte into a matrix. will be.

연료전지는 연료가스와 산화제가스를 전기화학적으로 반응시켜 생기는 에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜 사용하는 새로운 발전 시스템이다. 전기적 에너지가 연소 등이 아닌 전기화학적 반응에 의하여 발생되므로 환경오염원의 생성이 적고, 소음 등의 발생이 없을 뿐 아니라 열효율이 높다는 장점이 있는 반면, 고온에서 동작하는데 따르는 전해질의 증발 및 재료의 열화 등 단점도 있다. 이러한 연료전지는 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설의 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 자동차용 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.A fuel cell is a new power generation system that converts energy generated by reacting fuel gas and oxidant gas directly into electric energy. Since electrical energy is generated by electrochemical reactions, not by combustion, etc., it has the advantage of generating less environmental pollutants, no noise, and higher thermal efficiency.However, evaporation of electrolytes and deterioration of materials due to operation at high temperatures There are also disadvantages. Such fuel cells include power generation facilities, power supplies for aerospace stations, power supplies for unmanned facilities at sea or coast, power supplies for fixed or mobile radios, power supplies for automobiles, power supplies for home appliances, and power supplies for leisure. We are interested in reviewing.

연료전지를 구분하면, 고온(약 500 내지 700℃)에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 200℃ 근방에서 작동하는 인산 전해질형 연료전지, 상온 내지 약 100℃ 이하에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 또는 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 전해질형 연료전지 등이 있다.The fuel cell is classified into a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at a high temperature (about 500 to 700 ° C.), a phosphate electrolyte fuel cell operating at a temperature near 200 ° C., and an alkaline electrolyte fuel cell operating at room temperature to about 100 ° C. or lower. Or a solid electrolyte fuel cell operating at a high temperature of 1000 ° C. or higher.

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell : 이하 MCFC로 약칭)는 수소, 일산화탄소와 산소가 반응하는 전기화학반응을 이용하여 반응생성열을 직접 전기로 얻어 발전을 하는 시스템이다. 제1도는 MCFC 단위전지의 모식 단면도를 보여준다. 제1도에서 보면, 다공성의 Ni 양전극(anode)(1), Li-도프된 다공성의 Ni 산화물 음전극(cathode)(3) 및 전해질로서 리튬 및 칼륨의 혼합 탄산염으로 채워진 리튬 알루미네이트 매트릭스(2)를 전지 몸체(4)가 둘러싸고 있다. 양전극(1) 쪽에는 연료가스 입구(5)가 있으며, 음전극(3) 쪽에는 산화제가스 입구(6)가 위치한다. 매트릭스(2) 중에 포함된 전해질은 전지의 작동온도인 500 내지 700℃에서 용융 이온화되고, 여기에서 생성된 탄산염 이온이 전극 사이에서 전하를 운반하게 된다. 즉, 양전극(1) 쪽에는 연료인 수소나 일산화탄소가 공급되고 음전극(3) 쪽에는 산화제로 사용되는 산소와 이산화탄소가 공급되는데, 양전극 영역에서는 수소가 소모되어 물, 이산화탄소 및 전자를 생성하고, 전자가 외부회로를 통하여 음전극으로 흐르면서 원하는 전류를 생성하게 된다.Molten Carbonate Fuel Cell (hereinafter abbreviated as MCFC) is a system that generates electricity by directly generating electricity by using reaction electrochemical reaction of hydrogen, carbon monoxide and oxygen. 1 shows a schematic cross-sectional view of an MCFC unit cell. In FIG. 1, a porous Ni anode (1), a Li-doped porous Ni oxide cathode (3) and a lithium aluminate matrix (2) filled with a mixed carbonate of lithium and potassium as electrolyte The battery body 4 is enclosed. A fuel gas inlet 5 is located on the positive electrode 1 side, and an oxidant gas inlet 6 is located on the negative electrode 3 side. The electrolyte contained in the matrix 2 is melt ionized at 500 to 700 ° C., which is the operating temperature of the cell, and the carbonate ions generated therein carry charge between the electrodes. That is, hydrogen or carbon monoxide as a fuel is supplied to the positive electrode 1, and oxygen and carbon dioxide used as an oxidant are supplied to the negative electrode 3, and hydrogen is consumed in the positive electrode region to generate water, carbon dioxide, and electrons. Flows to the negative electrode through the external circuit to generate the desired current.

전해질-매트릭스(electrolyte-matrix)는 통상 γ-리튬 알루미네이트(γ-LiAlO2) 매트릭스판 중에, 전해질로서 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)의 혼합탄산염을 총 매트릭스 용적의 약 30% 정도 함침시켜 이루어진다. 매트릭스판 중에 전해질을 함침시키는 기술은 MCFC의 성능에 영향을 끼치는 중요한 요소가 되고 있다.Electrolyte-matrix is usually a mixed matrix of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) as an electrolyte in a γ-lithium aluminate (γ-LiAlO 2 ) matrix plate. It is made by impregnating about 30% of the volume. The technique of impregnating electrolyte in the matrix plate has become an important factor affecting the performance of MCFC.

지금까지 알려져 있는 MCFC용 매트릭스판의 제조방법은 프레싱(pressing)법과 테이프 캐스팅(tape casting)법의 두가지가 있다. 프레싱법은 매트릭스의 구성성분의 γ-LiAlO2분말을 골고루 혼합하여 고온고압하에서 찍어내는 방법으로, 두께 조절이 어렵고 큰 면적의 판을 제조하는 데에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 테이프 캐스팅법은 닥터 블레이드(doctor blade)라고 하는 칼날을 이용하는 방법으로, γ-LiAlO2분말, 첨가제 및 용매 등을 혼합하여 슬러리(slurry)상의 현탁액으로 만들고 칼날을 이용하여 매트릭스판의 그린시트(green sheet)를 제조하는 방법인데, 두께를 조절할 수 있으며 큰 면적의 판을 제조할 수 있다는 장점이 있다.There are two known methods for producing a matrix plate for MCFC, a pressing method and a tape casting method. Pressing method is a method of mixing the γ-LiAlO 2 powder of the constituents of the matrix evenly and dipping under high temperature and high pressure, it is difficult to control the thickness and can not be used to manufacture a large area plate. Tape casting method uses a blade called a doctor blade. The γ-LiAlO 2 powder, an additive, and a solvent are mixed to form a slurry suspension, and the blade is used as a green sheet of the matrix sheet. It is a method of manufacturing a sheet, and the thickness can be adjusted and there is an advantage that a large area plate can be manufactured.

상기와 같이 제조된 매트릭스판에 전해질을 함침시켜 전해질-매트릭스를 제조하는 방법은 여러 가지가 있는데, 프레싱법으로 매트릭스판을 제조할 때는 전해질 성분을 γ-LiAlO2분말과 혼합하여 찍어내는 방법을 주로 사용한다. 또한, 테이프 캐스팅법으로 매트릭스판을 제조할 때는 γ-LiAlO2분말로 제조한 그린시트를 고온(약 1200℃)에서 소결한 후 MCFC를 작동시키기 전에, ① 전해질 분말을 매트릭스 위에 산포하는 방법, ② 전해질 분말을 알콜이나 물 등의 용매에 녹여서 매트릭스 상에 도포하는 방법, 및 ③ 전해질 분말 및 첨가제를 용매와 혼합하여 전해질판을 만들어 함침시키는 방법 등을 사용하고 있다. 그러나 이와 같이 전해질을 외부에서 함침시키는 방법에 의해서는, 매트릭스판 안으로 전해질을 함침시키는 것이 쉽지 않을 뿐 아니라, 그 함침되는 전해질의 분포도 고르지 않다는 문제점이 있다.There are a number of methods for producing an electrolyte-matrix by impregnating an electrolyte in the matrix plate prepared as described above. When manufacturing a matrix plate by pressing, a method of mixing an electrolyte component with γ-LiAlO 2 powder and dipping it is mainly used. use. In addition, when manufacturing the matrix plate by the tape casting method, after sintering the green sheet made of γ-LiAlO 2 powder at a high temperature (about 1200 ° C.) before operating MCFC, ① the method of dispersing electrolyte powder on the matrix, ② A method of dissolving an electrolyte powder in a solvent such as alcohol or water and applying it on a matrix, and a method of mixing an electrolyte powder and an additive with a solvent to form an electrolyte plate and impregnation. However, by the method of impregnating the electrolyte externally, there is a problem that it is not only easy to impregnate the electrolyte into the matrix plate, but also the distribution of the impregnated electrolyte is uneven.

즉, 전해질-매트릭스를 제조하는 방법에 있어서, 프레싱법을 사용하면 매트릭스판의 두께 조절이 어렵고 큰 면적은 제조하기 어렵다는 문제점이 있고, 테이프 캐스팅법을 사용할 경우에는 매트릭스판 안으로 전해질을 고르게 함침시키기 어렵다는 문제점이 있다.That is, in the method of manufacturing the electrolyte-matrix, it is difficult to control the thickness of the matrix plate and difficult to manufacture a large area when the pressing method is used. When using the tape casting method, it is difficult to evenly impregnate the electrolyte into the matrix plate. There is a problem.

본 발명의 목적은, 상기와 같은 문제점을 고려하여 MCFC용 전해질-매트릭스를 테이프 캐스팅법에 의하여 제조하는데 있어서, 매트릭스판 안으로 보다 많은 양의 전해질을 보다 고르게 함침시킬 수 있으며, 그린시트를 별도로 고온 소결할 필요가 없는 MCFC용 전해질-매트릭스의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems, an object of the present invention is to prepare an electrolyte-matrix for MCFC by a tape casting method, and to impregnate a larger amount of electrolyte more evenly into a matrix plate, and to separately sinter the green sheet at high temperature. It is to provide a method for producing an electrolyte-matrix for MCFC that does not need to.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 MCFC용 전해질-매트릭스 제조방법은 리튬 알루미네이트의 현탁액으로 테이프 캐스팅법에 의하여 매트릭스판을 만들고 탄산염 전해질 성분을 함침시키는 것을 포함하는 MCFC용 전해질-매트릭스의 제조방법에 있어서, 탄산염 전해질 성분을 리튬 알루미네이트의 현탁액에 45중량% 이하로 첨가 혼합하여 테이프 캐스팅하고 건조하여 전해질-매트릭스 그린시트를 만든 후, 500 내지 700℃의 온도에서 소결시키는 것을 특징으로 한다.MCFC electrolyte-matrix manufacturing method of the present invention for achieving the above object is a method for producing an electrolyte-matrix for MCFC comprising a matrix plate made by a tape casting method of a suspension of lithium aluminate, and impregnating a carbonate electrolyte component. In the method, the carbonate electrolyte component is added to the suspension of lithium aluminate in an amount of 45 wt% or less, mixed, tape cast, and dried to form an electrolyte-matrix green sheet, followed by sintering at a temperature of 500 to 700 ° C.

본 발명의 제조방법에 있어서, 전해질-매트릭스 그린시트의 상기와 같은 저온 소결은, MCFC의 작동온도인 500 내지 700℃에서, 바람직하게는 약 650℃의 작동온도에서 수행되어, in-situ 운전조작을 할 수 있다는 것이 특징이다.In the production method of the present invention, the low temperature sintering of the electrolyte-matrix green sheet is carried out at an operating temperature of 500 to 700 ° C, preferably about 650 ° C, which is the operating temperature of the MCFC, so as to operate in-situ It can be characterized by.

또한 상기의 제조방법에 있어서, 탄산염 전해질 성분은 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)의 62/38몰% 혼합 탄산염인 것이 바람직하다.In the above production method, the carbonate electrolyte component is preferably 62/38 mol% mixed carbonate of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ).

매트릭스판에 전해질을 함침시키는 것이 MCFC의 성능을 좌우하는 중요한 인자중 하나라는 것은 상기에서 언급한 바와 같다. 종래 기술에서와 같이 매트릭스판에 전해질을 외부에서 함침시키는 방법보다는, 전해질 성분과 매트릭스 성분인 γ-LiAlO2분말을 함께 혼합하고 현탁액으로 만들어 제조한 전해질-매트릭스가 함침에 더욱 유리한 것으로 밝혀졌다. 이는 MCFC가 반응할 수 있는 반응면적(active site)인 3상계면(기체/액체/고체=연료가스/전해질/Ni촉매)을 더욱 잘 형성하기 때문인 것으로 생각된다.As mentioned above, impregnation of the electrolyte in the matrix plate is one of the important factors that determine the performance of the MCFC. Rather than the method of externally impregnating the electrolyte in the matrix plate as in the prior art, it has been found that an electrolyte-matrix prepared by mixing the electrolyte component and the matrix component γ-LiAlO 2 powder together and making a suspension is more advantageous for impregnation. It is thought that this is because MCFC forms a three phase interface (gas / liquid / solid = fuel gas / electrolyte / Ni catalyst) which is an active site where it can react.

이하 본 발명의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described in more detail.

(1) 전해질을 포함하는 리튬 알루미네이트 현탁액의 제조(1) Preparation of Lithium Aluminate Suspension Including Electrolyte

에탄올, 톨루엔 또는 크실렌등의 단독 또는 혼합용매에, 결합제로서 PVB(polyvinyl butyral)를 5 내지 15%, 가소제로서 DBP(dibutyl phthalate)를 5내지 20%, 그리고 분산제로서 옥수수유(corn oil)를 3 내지 6% 가하여 약 1시간 동안 볼밀링하여 혼합한다. 매트릭스 분체인 γ-LiAlO2분말에 탄산리튬/탄산칼륨(62/38몰%)의 혼합탄산염을 0 내지 45중량% 되도록 혼합하여 상기 용액에 가한 후, 48 내지 72시간 동안 볼밀링하여 분산시켜 현탁액을 제조한다.In a single or mixed solvent such as ethanol, toluene or xylene, 5 to 15% of polyvinyl butyral (PVB) as a binder, 5 to 20% of dibutyl phthalate (DBP) as a plasticizer and corn oil as a dispersant 3 Add to 6% and mix by ball milling for about 1 hour. Mixed powdered carbonate of lithium carbonate / potassium carbonate (62/38 mol%) to γ-LiAlO 2 powder, which is a matrix powder, was added to the solution to 0 to 45% by weight, followed by ball milling and dispersion for 48 to 72 hours. To prepare.

(2) 전해질-매트릭스 그린시트의 제조(2) Preparation of Electrolyte-Matrix Green Sheet

상기에서 제조한 현탁액을 가지고 닥터 블레이드를 사용하여 테이프 캐스팅하고, 대기중에서 약 하루동안 건조하여 전해질-매트릭스의 그린시트를 제조한다.With the suspension prepared above, tape casting was carried out using a doctor blade and dried in air for about one day to prepare a green sheet of electrolyte-matrix.

(3) 그린시트의 소결(3) Sintering of Green Sheet

상기에서 제조한 전해질-매트릭스 그린시트와 함께 양전극으로서 다공성의 Ni전극 및 음전극으로서 Li-도프된 다공성의 NiO전극을 사용하여 MCFC 단위전지를 제조한다. MCFC의 작동온도인 약 500 내지 700℃에서 액상 소결한 후 바로 연료가스인 수소/일산화탄소(8/2)와 산화제가스인 산소/이산화탄소(6/4 또는 4/6)를 유입시켜 작동시킨다. MCFC의 작동온도인 500 내지 700℃, 바람직하게는 650℃ 정도에서 전해질-매트릭스 그린시트는 소결이 완료되므로 MCFC 단위전지를 바로(in situ) 사용할 수 있게 된다.The MCFC unit cell is manufactured by using the porous Ni electrode as the positive electrode and the Li-doped porous NiO electrode as the negative electrode together with the electrolyte-matrix green sheet prepared above. After liquid phase sintering at about 500 to 700 ° C., the operating temperature of MCFC is operated by introducing hydrogen / carbon monoxide (8/2) as fuel gas and oxygen / carbon dioxide (6/4 or 4/6) as oxidant gas. Since the sintering of the electrolyte-matrix green sheet is completed at 500 to 700 ° C., preferably about 650 ° C., the MCFC unit cell can be used in situ.

이하 실시예를 통하여 본 발명의 제조방법을 더욱 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명의 예시일 뿐 발명을 이로서 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the production method of the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are only examples of the present invention and do not limit the invention thereto.

[실시예 1]Example 1

(1) 전해질을 포함하는 리튬 알루미네이트 현탁액의 제조(1) Preparation of Lithium Aluminate Suspension Including Electrolyte

에탄올, 톨루엔 및 크실렌의 혼합용매에 결합제로서 PVB(polyvinyl butyral)을 15%, 가소제로서 DBP(dibutyl phthalate)를 20%, 그리고 분산제로서 옥수수유(corn oil)를 6% 가하여 약 1시간 동안 볼밀링하여 혼합한다. 매트릭스 분체인 γ-LiAlO2분말에 탄산리튬/탄산칼륨(62/38몰%)와 혼합탄산염을 45중량% 되도록 혼합하여, 상기 용액에 가하고 48 내지 72시간 동안 볼밀링하여 분산시켜 현탁액을 제조한다.Ball milling for about 1 hour in a mixed solvent of ethanol, toluene and xylene with 15% polyvinyl butyral (PVB) as a binder, 20% dibutyl phthalate (DBP) as a plasticizer and 6% corn oil as a dispersant To mix. Lithium carbonate / potassium carbonate (62/38 mol%) and mixed carbonate were mixed with γ-LiAlO 2 powder, which is a matrix powder, to 45% by weight, added to the solution, and ball milled and dispersed for 48 to 72 hours to prepare a suspension. .

(2) 전해질-매트릭스 그린시트의 제조(2) Preparation of Electrolyte-Matrix Green Sheet

상기에서 제조한 현탁액을 가지고 닥터 블레이드를 사용하여 테이프 캐스팅하고, 대기중에서 약 하루동안 건조하여 전해질-매트릭스의 그린시트를 제조한다.With the suspension prepared above, tape casting was carried out using a doctor blade and dried in air for about one day to prepare a green sheet of electrolyte-matrix.

(3) 그린시트의 소결(3) Sintering of Green Sheet

상기에서 제조한 전해질-매트릭스 그린시트와 함께 양전극으로서 다공성의 Ni전극 및 음전극으로서 Li-도프된 다공성의 NiO전극을 사용하여 MCFC 단위전지를 제작한다. 양쪽 전극 모두에 질소기체를 300cc/분, 승온속도 0.2℃/분으로 450℃까지 유입시키고, 다음에는 이산화탄소 기체로 치환하여 650℃까지 유입시킨다. 650℃에 도달하여 약 5 내지 10시간 정도 유지하다가 연료가스인 수소/일산화탄소(8/2)와 산화제가스인 산소/이산화탄소(6/4 또는 4/6)를 유입시켜 작동시킨다. 상기의 작동온도인 650℃ 정도에서 전해질-매트릭스 그린시트는 소결이 완료되므로 MCFC 단위전지를 바로(in situ) 사용할 수 있게 된다.The MCFC unit cell is manufactured by using the porous Ni electrode as the positive electrode and the Li-doped porous NiO electrode as the negative electrode together with the electrolyte-matrix green sheet prepared above. Nitrogen gas was introduced to both electrodes at 450cc at 300cc / min and a heating rate of 0.2 캜 / min, and then replaced with carbon dioxide gas to 650 캜. It is maintained at about 650 ° C. for about 5 to 10 hours and then operated by introducing hydrogen / carbon monoxide (8/2) as fuel gas and oxygen / carbon dioxide (6/4 or 4/6) as oxidant gas. Since the sintering of the electrolyte-matrix green sheet is completed at about 650 ° C., the MCFC unit cell can be used in situ.

[실시예 2]Example 2

상기 실시예 1과 동일하게 시행하되, 전해질을 포함하는 리튬 알루미네이트 현탁액을 제조할 때, PVB를 5%, DBP를 5%, 그리고 옥수수유를 3% 가하고, 전해질인 혼합탄산염의 혼합 비율을 20중량%가 되도록 하여 제조한다.In the same manner as in Example 1, when preparing a lithium aluminate suspension containing an electrolyte, 5% PVB, 5% DBP, and 3% corn oil were added, and the mixed ratio of mixed carbonates, which were electrolytes, was 20 Prepared to be in weight percent.

제2도는 상기 실시예의 방법에 따라 전해질을 첨가하여 650℃에서 소결한 전해질-매트릭스의 표면과 절단면을 전자주사현미경(SEM : Scanning Electron Microscope)으로 비교 관찰한 결과를 보여주는 확대사진으로, (A)는 전해질을 첨가하지 않은 경우의 1000배(좌측) 및 5000배(우측) 확대도이고, (B)는 전해질을 45% 첨가한 실시예 1의 경우의 500배(좌측) 및 2500배(우측) 확대도이다. 여기에서 보면, LiAlO2입자 주위에 전해질들이 많이 붙어 있는 것을 관찰할 수 있다.FIG. 2 is an enlarged photograph showing a result of comparing and observing a surface and a cut surface of an electrolyte-matrix sintered at 650 ° C. by adding an electrolyte according to the embodiment of the present invention using a scanning electron microscope (SEM). Are 1000 times (left) and 5000 times (right) enlarged views when no electrolyte is added, and (B) is 500 times (left) and 2500 times (right) for Example 1 in which 45% of the electrolyte is added. It is an enlarged view. From here, it can be observed that a lot of electrolytes are attached around LiAlO 2 particles.

상기의 실시예에서와 같이 본 발명의 방법에 의하여 제조된 전해질-매트릭스의 성능 특성을, 종래의 전해질 외부 함침법에 의하여 제조된 것과 비교 평가하기 위하여, 전극면적 5×5㎝(25㎠)의 단위전지 시험을 실시하였다.In order to evaluate the performance characteristics of the electrolyte-matrix prepared by the method of the present invention as in the above embodiment with that prepared by the conventional electrolyte external impregnation method, the electrode area of 5 x 5 cm (25 cm 2) A unit cell test was conducted.

[시험방법][Test Methods]

γ-LiAlO2분말로 테이프 캐스팅법에 의해 매트릭스판을 제조하여 약 1200℃의 고온에서 소결한 후, 1) 전해질 분말을 매트릭스판 위에 산포하는 방법, 2) 전해질 분말을 알콜이나 물 등의 용매에 녹여서 매트릭스판 위에 도포하는 방법, 3) 전해질 분말 및 첨가제를 용매와 혼합하여 전해질판을 만들어 함침시키는 방법에 의해 제조된 전해질-매트릭스와, 4) 상기 실시예 1에 의하여 제조된 전해질-매트릭스를 각각 사용하고, 양극으로서 기공도 70%의 다공성 Ni전극을, 음극으로서 NiO전극을 사용하여 MCFC 단위전지를 만들어 시험하였다.γ-LiAlO 2 powder was prepared by tape casting to form a matrix plate and sintered at a high temperature of about 1200 ° C., followed by 1) dispersion of electrolyte powder on the matrix plate, and 2) electrolyte powder in a solvent such as alcohol or water. Melt and apply to the matrix plate, 3) the electrolyte-matrix prepared by mixing the electrolyte powder and additives with a solvent to make an electrolyte plate, and 4) the electrolyte-matrix prepared in Example 1 MCFC unit cells were made and tested using a porous Ni electrode having a porosity of 70% as an anode and a NiO electrode as a cathode.

제3도는 이러한 단위전지 시험장치의 개략도이다. 여기에서 보면, 단위전지(U)에 연료가스 및 산화제가스 유입구와 수증기 발생기(S), 공기실린더(C)가 연결되고, 조절기(G)를 통해 컴프레서(P)가 연결된다. 여기에서 A, R 및 V는 각각 전류계, 저항계 및 전압계를 의미한다. 단위전지(U)의 양쪽 전극 모두에 질소기체를 300cc/분, 승온속도 0.2℃/분으로 450℃까지 유입시키고, 다음에는 이산화탄소 기체로 치환하여 650℃까지 유입시킨다. 650℃에 도달하여 약 5 내지 10시간 정도 유지하다가 연료가스인 수소/일산화탄소(8/2)와 산화제가스인 산소/이산화탄소(6/4 또는 4/6)를 유입시켜 작동시킨다.3 is a schematic diagram of such a unit cell test apparatus. Here, the fuel gas and the oxidant gas inlet, the steam generator (S), the air cylinder (C) is connected to the unit cell (U), and the compressor (P) is connected through the regulator (G). Here, A, R and V mean ammeter, ohmmeter and voltmeter, respectively. Nitrogen gas was introduced into both electrodes of the unit cell U at 300 cc / min and the heating rate was 0.2 deg. C / min up to 450 deg. C, and then replaced with carbon dioxide gas and introduced at 650 deg. It is maintained at about 650 ° C. for about 5 to 10 hours and then operated by introducing hydrogen / carbon monoxide (8/2) as fuel gas and oxygen / carbon dioxide (6/4 or 4/6) as oxidant gas.

제4도는 상기의 방법에 따라 시험한 단위전지(U)의 운전결과를 나타낸 것으로, 시간 경과에 따른 전류밀도를 보여준다. 여기에서 보면, 정전압 0.7V에서 상기 1)의 경우는 2.6mA/㎠, 2)의 경우는 4mA/㎠, 3)의 경우는 6mA/㎠를 나타내고, 4)의 경우에는 110mA/㎠를 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 매트릭스판에 전해질을 함침시키는 종래의 1), 2) 및 3)의 방법에 의하여 제조된 전해질-매트릭스를 사용한 단위전지는 전류밀도가 매우 낮은 범위에 있는 반면, 본 발명에 따른 4)의 방법에 의하여 제조된 전해질-매트릭스를 사용한 단위전지는 전류밀도가 월등히 높은데, 종래의 것에 비하여 약 20 내지 50배나 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 이렇게 높은 전류밀도는 시간이 경과하여도 저하되지 않고 유지됨을 알 수 있다. 실시예 2에 따라 제조된 전해질-매트릭스도 동등한 효과를 보여주었다.4 shows the operation results of the unit cell U tested according to the above method, and shows the current density over time. Here, at a constant voltage of 0.7 V, 2.6 mA / cm 2 for 1), 4 mA / cm 2 for 2), and 6 mA / cm 2 for 3), and 110 mA / cm 2 for 4). It can be seen. That is, the unit cell using the electrolyte-matrix prepared by the method of 1), 2) and 3) of the matrix plate to impregnate the electrolyte is in the range of very low current density, while The unit cell using the electrolyte-matrix prepared by the method is much higher current density, it can be seen that about 20 to 50 times higher than the conventional one. In addition, it can be seen that this high current density is maintained without deterioration over time. The electrolyte-matrix prepared according to Example 2 also showed an equivalent effect.

이상에서 살펴본 바와 같이, MCFC 전해질-매트릭스를 테이프 캐스팅법으로 제조하는 경우에 있어서, 전해질 성분을 45% 이하의 비율로 매트릭스 성분과 혼합하여 매트릭스 현탁액을 제조하여 그린시트를 만든 후, 1200℃의 고온에서 소결하는 것이 아니라 500 내지 700℃ 정도의 MCFC 작동온도에서 액상 소결시킴으로써, 편리하게 in-situ 운전조작을 할 수 있도록 한 본 발명의 전해질-매트릭스 제조방법에 의하면, 전해질의 매트릭스내 함침 능력이 향상될 뿐 아니라 이를 사용하여 제조된 MCFC의 전류밀도가 월등히 높아진다는 장점이 있다.As described above, in the case of manufacturing the MCFC electrolyte-matrix by the tape casting method, the electrolyte component is mixed with the matrix component at a ratio of 45% or less to prepare a matrix suspension to make a green sheet, and then to a high temperature of 1200 ° C. According to the electrolyte-matrix production method of the present invention, which enables convenient in-situ operation by sintering liquid phase at an MCFC operating temperature of about 500 to 700 ° C. instead of sintering at, the impregnation ability of the electrolyte in the matrix is improved. In addition, there is an advantage that the current density of the MCFC manufactured using this is much higher.

Claims (4)

리튬 알루미네이트의 현탁액으로 테이프 캐스팅법에 의하여 매트릭스판을 만들고 탄산염 전해질 성분을 함침시키는 것을 포함하는 용융탄산염 연료전지용 전해질-매트릭스의 제조방법에 있어서, 탄산염 전해질 성분을 리튬 알루미네이트의 현탁액에 45중량% 이하로 첨가 혼합하여 테이프 캐스팅하고 건조하여 전해질-매트릭스 그린시트를 만든 후, 500 내지 700℃의 온도에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전해질-매트릭스의 제조방법.A method for producing an electrolyte-matrix for a molten carbonate fuel cell comprising forming a matrix plate by a tape casting method with a suspension of lithium aluminate and impregnating a carbonate electrolyte component, wherein the carbonate electrolyte component is 45% by weight in a suspension of lithium aluminate. The method of manufacturing an electrolyte-matrix for a molten carbonate fuel cell, characterized in that by adding and mixing below, tape casting and drying to make an electrolyte-matrix green sheet, and then sintering at a temperature of 500 to 700 ℃. 제1항에 있어서, 상기 500 내지 700℃의 온도에서의 소결이, 용융탄산염 연료전지의 작동온도에서의 액상 소결인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1, wherein the sintering at a temperature of 500 to 700 ° C is liquid phase sintering at an operating temperature of the molten carbonate fuel cell. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 소결온도가 약 650℃인 것을 특징으로 하는 제조방법.The process according to claim 1 or 2, wherein the sintering temperature is about 650 ° C. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄산염 전해질 성분이 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨 (K2CO3)의 62/38몰% 혼합탄산염인 것을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the carbonate electrolyte component is a 62/38 mol% mixed carbonate of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ).
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