KR100300757B1 - 용융탄산염연료전지의전극소성방법및그소성용치구 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 전극소성용치구의 배치, 온도조절 및, 분위기가스조성의 조절을 통하여 연료전지용 전극으로서의 충분한 조건 및 성능을 갖는 우수한 전극을 제조할 수 있는 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법 및 그 소성용치구에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 전극을 덮개가 있는 소성용 치구에 안착수납한 후 소성로에 올려놓는 단계; 저온부에서의 폴리머분해를 촉진하기 위해서 수증기가 포함된 수소와 질소의 혼합가스를 공급하는 단계; 및 상기 소성로의 각 구역별로 승온하는 시간 및 온도를 조절하여 폴리머를 완전분해하여 제거하는 단계로 구현된다. 이에 의해서, 본 발명에 따른 전극소성방법은 전극으로서의 충분한 조건 및 성능을 갖는 우수한 전극을 제조할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 치구도 전극을 소성시 전극그린시트를 보호하고 적절한 조건을 유지케 함으로써 전극소성중의 안정성을 확보할 수 있어 좋은 품질의 전극을 생산할 수 있게 한다.

Description

용융탄산염 연료전지의 전극소성방법 및 그 소성용치구

본 발명은 용융탄산염 연료전지의 전극을 소성하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 전극소성용치구의 배치, 온도조절 및, 분위기가스조성의 조절을 통하여 연료전지용 전극으로서의 충분한 조건 및 성능을 갖는 우수한 전극을 제조할 수 있는 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법 및 그 소성용치구에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지, 즉 연료속의 수소와 공기중의 산소를 전기화학반응을 시켜 전기를 발생시키는 고효율, 저공해의 발전장치이다. 이와 같은 연료전지는 전해질의 종류에 따라 분류되며, 그 중에서 본 발명에서 다루고자 하는 용융탄산염 연료전지는 용융탄산염을 전해질로, 천연가스를 개질한 가스를 연료로, 공기를 산화재로 하고 있다. 이 용융탄산염 연료전지는 보통 2세대 연료전지라 불리며 650℃의 고온에서 동작하기 때문에 백금등의 고가의 촉매를 사용하지 않아도 되고 고온의 폐열을 이용할 수 있어 차세대 연료전지로 각광받고 있다. 물론, 연료전지스택은 기본단위인 셀들이 반복적층되는 구조를 갖고 있으며, 그 기본단위인 셀구성은 수소의 산화가 일어나는 연료극인 애노드와, 산소의 환원이 일어나는 공기극인 캐소드의 전극들과, 그들 사이에 개재되어 이온의 이동통로를 제공하는 전해질매트리스 및, 분리판으로 구성되어 있다.

이러한 연료전지전극은 테잎캐스팅에 의하여 그린시트를 제작하고, 그것을 소성하여 제작하게 된다. 특히, 전극을 소성할 때에는 전극의 기계적 강도를 향상시키는 것 이외에도 그린시트에 섞여 있는 폴리머를 태워서 날리는 공정(burn-out)이 포함되는 데, 그 과정중 연소가스의 일부가 소성로의 배기구를 통해 배출되다가 냉각부 천정에서 응축되어 타르가 되어 전극에 떨어지게 된다. 이렇게 생긴 타르자국은 전극의 소성이 끝난 후에도 남아 불량을 초래하게 되었다. 또한, 전극이 소성로의 가열부에서 냉각부로 나갈때 저온의 냉각가스의 급격한 유입으로 인해 전극의 소성불량이 발생하는 문제가 있었다. 그리고, 소성로의 머플로부터의 직접적인 복사열을 받아 전극에 엉룩이 발생하는 폐단도 있었다. 또한, 온도 및 가스분위기를 적절하게 유지하지 못하여 폴리머의 불완전분해로 인한 소성불량이 발생하기도 하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 전극소성치구의 배치, 온도조절 및, 분위기가스조성의 조절을 통하여 연료전지용 전극으로서의 충분한 조건 및 성능을 갖는 우수한 전극을 제조할 수 있는 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 위의 전극소성방법으로 전극을 소성시 전극그린시트를 보호하고 적절한 조건을 유지케 함으로써 전극소성중의 안정성을 확보하기 위한 용융탄산염 연료전지의 전극소성용치구를 제공함에 있다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 연료전지전극을 소성할 때 사용되는 치구를 나타낸 측면도 및 그 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 전극소성방법을 설명하기 위한 소성로의 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

10 : 전극그린시트 20 : 받침대

30 : 덮개 40,41 : 측면지지대

50,51 : 전후면지지대 60 : 메쉬벨트

70 : 가열/냉각부 81 : 유입관

82 : 배출관

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법은 전극용 그린시트를 소성로에서 소성하여 용융탄산염 연료전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서, 전극을 덮개가 있는 소성용 치구에 안착수납한 후 소성로에 올려놓는 단계; 저온부에서의 폴리머분해를 촉진하기 위해서 수증기가 포함된 수소와 질소의 혼합가스를 공급하는 단계; 및 상기 소성로의 각 구역별로 승온하는 시간 및 온도를 조절하여 폴리머를 완전분해하여 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 위의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 전극소성용치구는 전극용 그린시트를 소성로에서 소성하여 용융탄산염 연료전지용 전극을 제조할 때 그린시트를 장착수납하여 보호하는 장치에 있어서, 전극을 지지하는 받침대; 상기 전극의 윗면을 외부로부터 차단하여 이물질이 낙하했을 때 전극에 묻지 않토록 보호하는 덮개; 및 상기 받침대와 덮개 사이에 개재되어 전극의 전후면 및 측면을 보호하는 측면/전후면지지대를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1a은 본 발명에 따른 연료전지전극을 소성할 때 사용되는 치구를 나타낸 측면도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 전극소정용치구는 전극용 그린시트(10)를 지지하는 받침대(20) 및, 전극그린시트(10)의 윗면을 외부로부터 차단하여 이물질이 낙하했을 때 전극에 묻지 않토록 보호하는 덮개(30)를 구비하고 있다. 이 받침대(20)와 덮개(30)는 그래파이트(Graphite)나 컴포지트카본(Composite Carbon)등의 탄소판으로 제작된다. 받침대(20)와 덮개(30) 사이에는 전극그린시트(10)가 개재되어 안착되어 있게 되는 데, 이때 그 옆면을 보호하는 한쌍의 측면지지대(40,41)가 그 양측면과 일정간격 이격하여 개재되어 있고, 그 전후면을 보호하는 한쌍의 전후면지지대(50,51)가 그 전후면과 일정간격 이격하여 개재되어 있다. 이 측면지지대(40,41) 및 전후면지지대(50,51)로는 무게가 가벼운 탄소막대를 사용한다. 전후면지지대(50,51)는 전극그린시트(10)와 덮개(30)사이의 공간을 만들어 가스의 확산을 양호하게 하는 덮개지지대의 역할을 할 뿐만 아니라, 전극그린시트(10)가 소성로의 가열부에서 냉각부로 이동될때 저온의 냉각가스의 급격한 유입을 차단하여 줌으로써 전극의 소성불량을 방지하는 기능도 한다. 또한, 전술한 측면지지대(40,41)는 소성로의 머플로부터의 직접적인 복사열을 차단하여 전극그린시트(10)와 직접 접촉되지 않토록 함으로써 전극에 엉룩이 생기는 것을 방지하게 된다. 이를 위해 전후면지지대(50,51)들은 그 폭이 전극그린시트(10)보다 커야 하고, 측면지지대(40,41)는 그 길이가 전극그린시트(10)보다 길어야 한다. 이상의 치구는 모든 구성요소가 탄소계 재료로 되어 있어 열에 의한 변형을 방지할 수 있게 되어 있다.

도 2는 본 발명에 따른 전극소성방법을 설명하기 위한 소성로의 개략도로, 소성로는 도 1에서 기술한 바와 같은 소성용치구에 안착수용된 전극그린시트를 올려놓고 공정순서에 따라 이동시키는 메쉬벨트(60)를 구비하고 있다. 또한, 몇개의 구역으로 분할되어 각 구역의 온도를 개별적으로 조절함으로써 전극의 공정온도를 변경시키는 가열/냉각부(70)도 구비하고 있다. 뿐만아니라, 분위기가스를 공급하는 배관이 설치되어 있는 데, 이 배관은 가열부입구측에 설치된 유입관(81)과 가열부 출구측에 위치된 배출관(82)이 있다.

본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법을 설명하면 다음과 같다.

테잎캐스팅으로 제조된 전극용 그린시트를 도 1에서 설명한 바와 같이 치구에 장착한 후 도 2에 도시된 소성로위에 안착시킨다. 이때, 소성로의 온도설정은 각 구역별로 조절된다.

즉, 애노드의 경우에는 상온에서부터 300℃까지는 3~6℃/분의 승온속도로 승온하고, 300~600℃영역에서는 1~3시간 유지하며, 이후 950℃까지는 4~6℃/분의 속도로 승온한다. 그리고, 950~1000℃영역에서 30분간 유지시킨 다음 상온까지 냉각한다.

반면에, 캐소드의 경우에는 3~6℃/분의 승온속도로 300℃까지 승온한 다음 300~500℃영역에서 1~3시간 유지하고, 700℃까지 4~6℃/분의 속도로 승온한다. 그리고 나서, 700℃에서 30분간 유지한 후 상온까지 냉각한다.

이때, 소성로의 분위기가스로는 수소와 질소의 혼합가스를 사용하며, 수소의 비율을 3~50%범위내에서 설정하여 배관을 통해 로내로 공급하게 된다. 이때, 유입관으로는 4~10%의 수증기가 혼합된 혼합가스가 공급된다.

이하부터는 본 발명의 작용효과에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에서는 애노드의 경우 폴리머가 급격히 분해되는 300~600℃구간의 유지시간을 충분히 하여 폴리머의 불완전분해에 의한 불량발생을 방지할 수 있다. 또한, 캐소드의 경우 애노드보다 소성온도가 낮기 때문에 300~500℃범위에서 유지시간을 길게 하여 폴리머를 완전히 제거시킬 수 있게 된다. 특히, 소성로 입구측에서 수증기가 포함된 혼합가스를 공급함에 의해 저온부에서 폴리머의 분해를 촉진시킬 수 있게 된다.

이와 같은 소성과정중 전후면지지대는 전극이 소성로의 가열부에서 냉각부로 나갈때 저온의 냉각가스의 급격한 유입을 차단하여 줌으로써 전극의 소성불량을 방지하고, 측면지지대는 소성로의 머플로부터의 직접적인 복사열을 차단하여 전극과 직접 접촉되지 않토록 함으로써 전극에 엉룩이 생기는 것을 막아 전극의 품질을 향상시키게 된다.

위와 같은 방법으로 소성한 전극은 용융탄산염 연료전지용 전극으로서의 전극을 만족시키며, 애노드의 경우 60%이상, 캐소드의 경우 80%이상의 기공율을 갖는다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전극소성방법은 전극소성치구의 배치, 온도조절 및, 분위기가스조성의 조절을 통하여 연료전지용 전극으로서의 충분한 조건 및 성능을 갖는 우수한 전극을 제조할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 치구는 전극을 소성시 전극그린시트를 보호하고 적절한 조건을 유지케 함으로써 전극소성중의 안정성을 확보할 수 있어 좋은 품질의 전극을 생산할 수 있게 한다.

Claims (2)

1. 전극용 그린시트를 소성로에서 소성하여 용융탄산염 연료전지용 전극을 제조하는 방법에 있어서,

   전극을 덮개가 있는 소성용 치구에 안착수납한 후 소성로에 올려놓고;

   3-50%정도의 수소가 혼합되며, 4-10%의 수증기가 포함된 수소와 질소의 혼합가스를 사용하여 가스저온부에서 폴리머분해를 촉진하기 위한 분위기를 형성하며;

   상기 소성에서 애노드는 전극을 상온에서 부터 300℃까지는 분당 3-6℃승온하고, 300-600℃영역에서는 1-3시간 유지하며, 이후 950℃까지는 분당 4-6℃승온하며, 950-1000℃영역에서는 30분간 유지한 다음 상온으로 냉각하며;

   상기 소정로의 캐소드는 분당 3-6℃의 승온속도로 300℃까지 승온한 다음, 300-500℃영역에서는 1-3시간 유지하고, 700℃까지는 분당 4-6℃ 승온하며, 700℃영역에서 30분간 유지한 다음 상온까지 냉각함으로써 각 구역별로 승온하는 시간 및 온도를 조절하며 폴리머를 완전분해하여 제거하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지의 전극소성방법.
2. 전극용 그린시트를 소성로에서 소성하여 용융탄산염 연료전지용 전극을 제조할 때 그린시트를 장착수납하여 보호하는 장치에 있어서,

   전극을 지지하는 받침대;

   상기 전극의 윗면을 외부로부터 차단하여 이물질이 낙하했을 때 전극에 묻지 않토록 보호하는 덮개; 및

   상기 받침대와 덮개 사이에 개재되어 전극의 전후면 및 측면을 보호하는 측면/전후면지지대를 포함하는 용융탄산염 연료전지의 전극소성용 치구.