KR100348718B1 - Fabrication Method of Li/Na Electrolyte Green Sheets for Molten Carbonate Fuel Cells, and Pre-treatment and Operation Method of MCFC Comprising Li/Na Electrolyte - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Li/Na 탄산염 혼합 분말, 에탄올 용매, 결합제, 가소제, 분산제 및 소포제를 포함하는 분말 슬러리를 테이프 캐스팅법으로 성형하고 건조시켜서 용융 탄산염 연료 전지 (molten carbonate fuel cell, 이하 MCFC)용 전해질 그린 시트를 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 전처리를 포함한 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolyte green for a molten carbonate fuel cell (MCFC) by molding and drying a powder slurry including a Li / Na carbonate mixed powder, an ethanol solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, and an antifoaming agent by tape casting. It relates to a method of producing a sheet. The present invention also relates to an operating method including pretreatment of a molten carbonate fuel cell containing a Li / Na electrolyte.

본 발명의 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법에 따르면, 용매로서 에탄올을 사용함으로써 인체에 유해한 용매를 사용하지 않고도 캐소드의 용해 속도를 감소시키고, 증발에 의한 손실이 적으며, 열팽창계수가 작은 동시에 이온 전도도가 큰 양질의 Li/Na 전해질 그린 시트를 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 Li/Na 전해질이 포함된 용융 탄산염 연료 전지의 운전 방법에 따라 용융 탄산염 연료 전지를 전처리하고 운전함으로써 금속 재료로 만들어진 집전판 및 분리판의 부식 및 이에 의한 전해질 소모와 전지 성능 저하를 방지할 수 있고, Li/Na 전해질이 가진 고유의 장점을 모두 이용할 수 있다.According to the manufacturing method of the Li / Na electrolyte green sheet of the present invention, the use of ethanol as the solvent reduces the dissolution rate of the cathode without using a solvent harmful to the human body, reduces the loss by evaporation, and at the same time has a small coefficient of thermal expansion. A high quality Li / Na electrolyte green sheet having high ion conductivity can be produced. In addition, the pretreatment and operation of the molten carbonate fuel cell according to the operation method of the molten carbonate fuel cell containing the Li / Na electrolyte of the present invention, corrosion of the current collector plate and the separator plate made of a metal material, thereby reducing electrolyte consumption and battery performance And all the inherent advantages of the Li / Na electrolyte.

Description

용융 탄산염 연료 전지(MCFC)용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법 및 Li/Na 전해질을 포함하는 MCFC의 전처리 및 운전 방법 {Fabrication Method of Li/Na Electrolyte Green Sheets for Molten Carbonate Fuel Cells, and Pre-treatment and Operation Method of MCFC Comprising Li/Na Electrolyte}Method for preparing a Li / Na electrolyte green sheet for molten carbonate fuel cell (MCFC) and pretreatment and operation method for an MCC containing a Li / Na electrolyte {Fabrication Method of Li / Na Electrolyte Green Sheets for Molten Carbonate Fuel Cells, and Pre- treatment and Operation Method of MCFC Comprising Li / Na Electrolyte}

본 발명은 용융 탄산염 연료 전지 (molten carbonate fuel cell, 이하 MCFC)에 사용되는 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법 및 Li/Na 전해질을 포함하는 연료 전지의 전처리 및 운전 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 용매로서 에탄올을 사용하는 Li2CO3/Na2CO3(이하 Li/Na로 기술함) 2 성분계 알칼리 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법과, Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 및 운전 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a Li / Na electrolyte green sheet used in a molten carbonate fuel cell (hereinafter MCFC) and a method for pretreatment and operation of a fuel cell including a Li / Na electrolyte. More specifically, Li 2 CO 3 / Na 2 CO 3 (hereinafter referred to as Li / Na) using ethanol as a solvent, a method for producing a Li / Na electrolyte green sheet for a two-component alkaline molten carbonate fuel cell, and Li / Na A method of pretreatment and operation of a molten carbonate fuel cell comprising an electrolyte.

용융 탄산염 연료 전지의 전해질로 사용되는 알칼리 탄산염은 상온에서는 고체이나 작동 온도인 650 ℃에서는 용융 상태로 변화하고, 이 용융 탄산염은 애노드(anode:연료극)과 캐소드(cathode:공기극) 사이에 있는 매트릭스의 미세 기공에 함침되어 애노드에서 생성된 카보네이트 이온(CO3 2-)을 캐소드로 이동시켜 주는 통로 역할을 한다.Molten carbonates Alkali carbonates used as electrolytes in fuel cells are solid at room temperature but change to molten state at 650 ° C, and the molten carbonate is formed in the matrix between the anode and the cathode. Impregnated in the micropores serves as a passage to move the carbonate ions (CO 3 2- ) generated in the anode to the cathode.

용융 탄산염 연료 전지의 전해질의 조성은 연료 전지의 성능과 수명에 매우 밀접한 관계가 있다. 즉, 알칼리 탄산염 전해질은 금속인 집전판 및 분리판 재료를 부식시키고, 이 부식에 의해 전해질이 대량 소모되고, 캐소드인 NiO이 용해되어 매트릭스 내에서 재석출함으로써 전극간 단락이 일어나 전지 성능이 저하되고 전지 수명이 단축될 수 있다.The composition of the electrolyte of the molten carbonate fuel cell is very closely related to the performance and lifetime of the fuel cell. That is, the alkali carbonate electrolyte corrodes the current collector plate and the separator plate material, which consumes a large amount of electrolyte, dissolves the NiO as a cathode, and reprecides it in the matrix, resulting in short-circuit between the electrodes, thereby degrading battery performance. Battery life can be shortened.

용융 탄산염 연료 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 알칼리 탄산염 전해질의 특성들을 열거하면 다음의 7가지로 요약될 수 있다:Listing the properties of alkaline carbonate electrolytes that can have a significant impact on the performance of molten carbonate fuel cells can be summarized into the following seven:

1) 매트릭스에서의 이온전도도,1) ion conductivity in the matrix,

2) 반응기에의 용해도 및 전해질 내에서의 확산,2) solubility in the reactor and diffusion in the electrolyte,

3) 전해질의 표면장력과 친화력 (affinity)에 관련된, 매트릭스와 전극에서의 전해질 분포,3) electrolyte distribution in the matrix and in the electrode, related to the surface tension and affinity of the electrolyte,

4) 애노드 배기 가스 중의 수증기와 알칼리 탄산염 간의 반응으로 형성되는 알칼리 수산화물의 증발에 의한 전해질의 손실 현상,4) loss phenomenon of electrolyte by evaporation of alkali hydroxide formed by reaction between water vapor and alkali carbonate in anode exhaust gas,

5) 전극과 분리판 등의 금속과 알칼리 탄산염의 반응 및 부식 현상과 이에 따른 전해질 손실 및 전지 성능 저하,5) reaction and corrosion of metals and alkali carbonates such as electrodes and separators, resulting in electrolyte loss and degradation of battery performance,

6) 전해질 내에서의 이온의 이동 속도 (mobility), 및6) mobility of ions in the electrolyte, and

7) 전극, 특히 캐소드 물질의 전해질로의 용해 및 확산.7) Dissolution and diffusion of electrodes, especially cathode materials, into the electrolyte.

이와 같이 알칼리 탄산염 전해질이 용융 탄산염 연료 전지의 성능에 미치는 영향이 상당히 크기 때문에, 여전히 용융 탄산염 연료 전지의 전해질 조성을 최적화하기 위한 연구가 진행되고 있다. 그러나, 최적의 전해질 조성을 전지 성능 실험을 통하여 구하는 것은, 전해질의 조성이 전극이나 매트릭스의 물리화학적 특성에 따라 정해지는 종속변수이므로 매우 어려운 일이다. 따라서, 위에서 열거한 특성들을 모두 다 충족시키는 최적의 조성은 구할 수 없으나, 그 중 현재까지 MCFC에 가장 널리 사용되는 전해질 재료는 Li/K로서, 그 조성은 공융점(eutectic point)을 갖는 62 몰% Li2CO3/38 몰% K2CO3혼합물이다.As described above, since the effect of the alkali carbonate electrolyte on the performance of the molten carbonate fuel cell is very large, studies are still underway to optimize the electrolyte composition of the molten carbonate fuel cell. However, it is very difficult to obtain the optimal electrolyte composition through battery performance experiments because the composition of the electrolyte is a dependent variable determined by the physicochemical characteristics of the electrode or the matrix. Therefore, the optimum composition that satisfies all of the above listed characteristics cannot be obtained, but the most widely used electrolyte material for MCFC to date is Li / K, whose composition is 62 mol having an eutectic point. % Li 2 CO 3/38 mole% K 2 CO 3 mixture.

그러나, Li/K 혼합염은 캐소드의 용해 속도가 크고, 증발에 의한 전해질 손실이 크며, 열팽창계수가 큰 동시에 이온전도도가 낮은 단점이 있다. 특히, MCFC의 캐소드 재료인 NiO는 전지 작동 중에 전해질로 용출되어 Ni로 재석출된 후 전극간의 단락을 일으킴으로써 전지 수명을 단축시키게 되는데, Li/K 혼합염에서는 이러한 캐소드의 용해 속도가 크며 가압 조건에서는 용해 속도가 더욱 커진다.However, Li / K mixed salts have a disadvantage in that the cathode dissolution rate is large, the electrolyte loss due to evaporation is large, the coefficient of thermal expansion is large, and the ion conductivity is low. In particular, NiO, the cathode material of MCFC, is eluted with electrolyte during cell operation, reprecipitated with Ni, and short-circuits between electrodes, which shortens battery life. In Li / K mixed salts, the cathode dissolution rate is high and pressurized conditions At higher dissolution rates.

이러한 Li/K 혼합염 전해질의 단점을 해결하기 위해서는 리튬카보네이트(Li2CO3) 와 나트륨카보네이트(Na2CO3)의 혼합염을 사용해야 한다. Li/K 및 Li/Na 공융조성 혼합염의 전해질 특성은 표 1과 같다.In order to solve the drawbacks of the Li / K mixed salt electrolyte, a mixed salt of lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) should be used. The electrolyte characteristics of the Li / K and Li / Na eutectic mixed salts are shown in Table 1.

공융점을 갖는 조성의 Li/K 및 Li/Na 혼합염의 전해질 특성Electrolyte Characteristics of Li / K and Li / Na Mixed Salts with Eutectic Points 특성characteristic 62몰% Li/38몰% K62 mol% Li / 38 mol% K 52몰% Li/48몰% Na52 mol% Li / 48 mol% Na 융점 [℃]Melting point [℃] 488488 501501 밀도(액체) [g/cc]Density (Liquid) [g / cc] 1.941.94 1.961.96 표면 장력 [mN/M]Surface tension [mN / M] 217217 243243 점도 [mN-s/m2]Viscosity [mN-s / m 2 ] 4.84.8 5.65.6 이온전도도 [ohm-1cm-1]Ionic Conductivity [ohm -1 cm -1 ] 1.651.65 2.42.4 기체 용해도(O2)[몰/cm3·atm] x10-7 Gas solubility (O 2 ) [mol / cm 3 atm] x10 -7 약 2About 2 약 1About 1 수산화물 증발 상수 [atm2]Hydroxide evaporation constant [atm 2 ] 10-13 10 -13 10-14 10 -14 2,000 시간 후의 캐소드 용해 속도 [mg/cm2]Cathode dissolution rate after 2,000 hours [mg / cm 2 ] 14.614.6 4.64.6

상기한 바와 같이 Li/Na 혼합염은 기존의 Li/K 혼합염보다 캐소드의 용해속도가 작고 증발에 의한 전해질 손실이 작으며 열팽창계수가 작은 동시에 이온전도도가 크다. 특히 MCFC의 캐소드 재료인 산화니켈(NiO)은 전지 작동 중에 전해질로 용출되어 Ni로 재석출된 후 전극간의 단락을 일으킴으로써 전지 수명을 단축시키게 되는데, NiO의 용출은 산성 용해 거동을 보이므로 기존의 Li/K 혼합염에 비해 염기성이 강한 Li/Na 혼합염을 전해질로 사용하게 되면 산화니켈의 용출을 크게 감소시킬 수 있다.As described above, the Li / Na mixed salt has a smaller dissolution rate of the cathode, a smaller electrolyte loss due to evaporation, a smaller thermal expansion coefficient, and a higher ion conductivity than the conventional Li / K mixed salt. In particular, nickel oxide (NiO), a cathode material of MCFC, is eluted as an electrolyte during battery operation, reprecipitated with Ni, and short-circuits between electrodes, resulting in shortening of battery life. NiO dissolution causes acid dissolution behavior. The use of Li / Na mixed salt, which is more basic than Li / K mixed salt, can significantly reduce the elution of nickel oxide.

그러나 이러한 이점에도 불구하고 스테인레스 스틸 계통의 금속 재료에 대한나트륨카보네이트의 부식성이 칼륨카보네이트보다 크기 때문에 현재까지는 Li/K가 표준 전해질 물질로 많이 사용되어 왔다. 또한 Li/Na 전해질은 실제 전지에서 사용되고 있는 분리판 및 캐소드 집전판 재료인 스테인레스강의 안정성에도 기존의 Li/K 혼합염과는 다른 경향을 보이는 것으로 알려져 있다. 특히, 이러한 Li/Na 전해질의 부식성은 용융 탄산염 연료 전지를 상온에서 운전온도인 650℃까지 상승시키는 과정에서 나타나는 것으로 알려져 있다. 따라서, Li/Na 전해질을 실제 전지에 사용하기 위해서는 적합한 전처리 방법이 필요하다.In spite of these advantages, however, Li / K has been used as a standard electrolyte material until now because the corrosion of sodium carbonate on metal materials of stainless steel is greater than that of potassium carbonate. In addition, Li / Na electrolyte is known to show a tendency different from the conventional Li / K mixed salt in the stability of the stainless steel, which is a separator and cathode current collector material used in the actual battery. In particular, the corrosiveness of the Li / Na electrolyte is known to appear in the process of raising the molten carbonate fuel cell from room temperature to 650 ℃ operating temperature. Therefore, suitable pretreatment methods are needed to use Li / Na electrolytes in actual cells.

한편, 용융 탄산염 연료 전지에서 전해질을 매트릭스에 함침시키는 방법으로는 여러 가지가 있으나 스택(stack)의 대형화를 위해서는 다음의 2 가지가 적합한 것으로 평가되고 있다. 첫째로 매트릭스 제조시 미리 탄산염 분말을 매트릭스 분말과 혼합하여 슬러리를 제조하고 이를 시트(sheet)의 형태로 제조하는 방법과, 둘째로 매트릭스 시트와 전해질 시트를 독립적으로 제조하는 방법이 있다. 이들 방법 중에서도 전해질 조성 및 전해질 주입량의 변화를 고려할 때, 두번째 방법, 즉 전해질 시트와 매트릭스 시트를 각각 제조하는 방법이 가장 많이 사용되고 있으며, 전해질을 시트 형태로 제조하는 데에는 두께 조절과 대면적화가 용이한 테이프 캐스팅 (tape casting)법이 주로 사용된다.On the other hand, in the molten carbonate fuel cell, there are a number of methods for impregnating the electrolyte into the matrix, but the following two are considered to be suitable for the enlargement of the stack. First, there is a method of preparing a slurry by mixing carbonate powder with a matrix powder in advance in preparing a matrix and preparing the slurry in the form of a sheet, and second, a method of independently manufacturing a matrix sheet and an electrolyte sheet. Among these methods, considering the change of electrolyte composition and electrolyte injection amount, the second method, that is, the method of manufacturing the electrolyte sheet and the matrix sheet, is the most widely used, and the thickness control and the large area are easy to prepare the electrolyte in the form of a sheet. Tape casting is mainly used.

테이프 캐스팅법을 이용해 전해질 시트를 제조하기 위해서는 먼저, 적당한 조성의 슬러리를 제조하여야 한다. 슬러리는 전해질 분말, 용매, 결합제, 점도 조절제 등으로 이루어져 있으며, 이러한 슬러리 조성에 따라 캐스팅시 슬러리의 작업성, 그리고 제조된 시트의 두께와 강도 및 균열 발생 여부 등이 결정된다.In order to manufacture the electrolyte sheet by the tape casting method, first, a slurry having a suitable composition must be prepared. The slurry is composed of an electrolyte powder, a solvent, a binder, a viscosity modifier, and the like. The slurry composition determines the workability of the slurry during casting, and the thickness and strength and cracking of the manufactured sheet.

슬러리를 구성하는 성분 중에서 특히 용매가 중요한 역할을 하며, 용매의 종류에 따라 점도, 건조 속도 및 첨가제의 종류 등이 정해지게 된다. 현재 일반적으로 테이프 캐스팅 슬러리 제조에는 용매로서 톨루엔, 메틸에틸케톤, 또는 이들과 다른 용매의 혼합물이 사용되는데, 이러한 톨루엔 또는 메틸에틸케톤 계통의 용매는 점도 조절이 용이하고 건조 속도가 느리기 때문에 용이하여 테이프 캐스팅 작업에 적당하며, 이로부터 제조된 전해질 시트는 균열이 나타나지 않고 안정하여 품질 또한 좋은 것으로 알려져 있다. 이외에도 미국특허 제5468573호에서는 전해질 페이스트 제조를 위해 석유에서 추출한 젤리, 왁스 및 글리세린 등의 물질을 사용하였다. 그러나, 톨루엔 계통의 용매는 작업성은 좋으나 환경과 인체에 매우 유해하며, 글리세린 등은 점도가 너무 높아 테이프 캐스팅에는 적당치 않은 문제점이 있다. 한편, 에탄올과 같은 낮은 탄소수의 용매는 환경과 인체에 무해하지만 건조 속도가 빠르고 점도가 낮기 때문에 테이프 캐스팅법으로 시트를 제조할 때 건조 과정에서 균열이 생기는 등의 문제점이 있다. 따라서, 환경과 인체에 무해한 용매를 사용하여 우수한 성능의 전해질 그린 시트를 제조하는 방법이 요구되고 있는 실정이다.Among the components constituting the slurry, a solvent plays an important role, and the viscosity, drying rate, and the type of the additive are determined according to the type of the solvent. Currently, toluene, methyl ethyl ketone, or a mixture of these and other solvents are generally used as a solvent for preparing a tape casting slurry. Toluene or methyl ethyl ketone solvents are easy to control because of viscosity and slow drying speed. It is suitable for casting operation, and the electrolyte sheet produced therefrom is known to have good crack quality without any cracks. In addition, US Pat. No. 5468573 used materials such as jelly, wax, and glycerin extracted from petroleum to prepare electrolyte paste. However, the solvent of the toluene system is good workability, but very harmful to the environment and the human body, glycerin and the like is too high viscosity has a problem that is not suitable for tape casting. On the other hand, a low carbon number solvent such as ethanol is harmless to the environment and the human body, but there is a problem such as cracking during the drying process when manufacturing the sheet by the tape casting method because of the fast drying speed and low viscosity. Therefore, there is a demand for a method for producing an electrolyte green sheet having excellent performance using a solvent that is harmless to the environment and the human body.

이에, 본 발명자들은 종래의 MCFC의 문제점을 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭한 결과, 환경과 인체에 무해한 에탄올을 용매로 사용하여 슬러리 조성과 공정 조건을 특성화하면 전해질 성능이 우수한 Li/Na 전해질 그린 시트를 얻을 수 있고, Li/Na 전해질이 포함된 용융 탄산염 연료 전지의 부식성을 제어할 수 있는 전처리 방법을 개발함으로써 우수하고 안전한 전지 성능을 얻을 수 있음을 발견하고, 본발명을 완성하기에 이르렀다.Accordingly, the present inventors have intensively researched to solve the problems of the conventional MCFC. As a result, when the slurry composition and process conditions are characterized by using ethanol, which is harmless to the environment and human body, the electrolyte composition is excellent in Li / Na electrolyte green sheet. It has been found that excellent and safe cell performance can be obtained by developing a pretreatment method capable of obtaining and controlling the corrosiveness of a molten carbonate fuel cell containing a Li / Na electrolyte, thereby completing the present invention.

본 발명의 목적은 용매로서 환경과 인체에 무해한 에탄올을 포함하는 Li/Na 혼합 탄산염 슬러리를 테이프 캐스팅법으로 성형하는 것을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a Li / Na electrolyte green sheet for a molten carbonate fuel cell, comprising molding a Li / Na mixed carbonate slurry containing ethanol, which is harmless to the environment and human body, as a solvent by tape casting.

본 발명의 다른 목적은 Li/Na 전해질이 포함된 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 및 운전 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a pretreatment and operation method of a molten carbonate fuel cell containing a Li / Na electrolyte.

도 1은 본 발명의 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트 (green sheet)의 제조 공정도.1 is a manufacturing process diagram of a Li / Na electrolyte green sheet for a molten carbonate fuel cell of the present invention.

도 2는 Li/Na 전해질을 포함하는 단위 전지의 시간에 따른 전압 변화를 나타내는 그래프로서, 제1 곡선은 Li/K 전처리 조건으로 전처리한 경우, 제2 곡선은 전지 주변을 공기 중에 노출하면서 본 발명의 Li/Na 전처리 조건으로 전처리한 경우, 제3 곡선은 전지 주변을 질소로 유지시킨 상태에서 본 발명의 Li/Na 전처리 조건으로 전처리한 경우를 나타내는 그래프.FIG. 2 is a graph showing a voltage change with time of a unit cell including a Li / Na electrolyte. When the first curve is pretreated under Li / K pretreatment conditions, the second curve is exposed to air around the cell. In the case of pretreatment with Li / Na pretreatment conditions, the third curve is a graph showing the case of pretreatment with Li / Na pretreatment conditions of the present invention while maintaining the surroundings of the battery with nitrogen.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명에 따르면,First, according to the present invention,

Li2CO3와 Na2CO3의 탄산염 혼합 분말, 이 분말 100 중량부에 대해 결합제 10∼20 중량부, 가소제 10∼20 중량부, 분산제 1∼2 중량부, 소포제 1∼2 중량부, 및 에탄올 용매 50∼100 중량부를 포함하는 혼합물을 볼밀하여 분말 슬러리를 제조하는 단계,Carbonate mixed powder of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 , 10 to 20 parts by weight of binder, 10 to 20 parts by weight of plasticizer, 1 to 2 parts by weight of dispersant, 1 to 2 parts by weight of defoamer, and Ball milling a mixture comprising 50 to 100 parts by weight of an ethanol solvent to prepare a powder slurry,

얻어진 분말 슬러리를 테이프 캐스팅법으로 성형하여 슬립(slip) 성형체를 얻는 단계,Molding the obtained powder slurry by a tape casting method to obtain a slip molded article,

상기 성형체를 40∼90 ℃의 온도에서 건조하는 단계Drying the molded body at a temperature of 40-90 ° C.

를 포함하는, 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법이 제공된다.Provided is a method of manufacturing a Li / Na electrolyte green sheet for a molten carbonate fuel cell.

이와 같은 본 발명의 MCFC용 전해질 그린 시트의 제조 공정을 도 1을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.The manufacturing process of the MCFC electrolyte green sheet of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 1.

본 발명에 따른 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법에 있어서, Li2CO3와 Na2CO3의 탄산염 혼합 분말의 조성은 Li2CO340∼60 몰% 및 Na2CO360∼40 몰%이고, 바람직한 조성은 공융점을 갖는 조성인 Li2CO352 몰% 및 Na2CO348 몰%이다.In the method for producing a Li / Na electrolyte green sheet for a molten carbonate fuel cell according to the present invention, the composition of the carbonate mixed powder of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 is 40 to 60 mol% of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3. 60 to 40 mol%, and preferred compositions are 52 mol% of Li 2 CO 3 and 48 mol% of Na 2 CO 3 , which have a eutectic point.

전해질 슬러리의 조성은 테이프 캐스팅의 두께 조절, 두께 편차, 건조시의 균열 발생, 건조에 따른 전해질 시트의 수축율, 제조된 전해질 그린 시트의 기계적 강도와 유연성 등과 같은 성질에 영향을 주게 되므로 상기와 같은 조성 범위로 적절히 조절되어야 한다.The composition of the electrolyte slurry affects such properties as controlling the thickness of the tape casting, thickness variation, cracking during drying, shrinkage of the electrolyte sheet due to drying, and mechanical strength and flexibility of the prepared electrolyte green sheet. The range should be adjusted appropriately.

또한, 전해질 그린 시트는 유기 첨가제가 제거된 후 용융되어 매트릭스 내로 함침되므로, 가능하면 슬러리에 함유된 유기 첨가제의 양을 줄일 필요가 있다. 유기 첨가제란 용매와 탄산염 분말을 제외한 나머지 성분을 말한다. 유기 첨가제의 총량은 슬러리를 기준으로 15∼30 중량% 정도가 적당하다. 15 중량% 이하로 줄일 경우 균열이 발생하고, 30 중량%를 초과할 경우에는 유기 첨가제의 제거에 어려움이 있다.In addition, since the electrolyte green sheet is melted after the organic additive is removed and impregnated into the matrix, it is necessary to reduce the amount of the organic additive contained in the slurry if possible. An organic additive means remaining components except a solvent and carbonate powder. The total amount of the organic additive is suitably about 15 to 30% by weight based on the slurry. If it is reduced to 15% by weight or less, cracking occurs, and when it exceeds 30% by weight, it is difficult to remove the organic additive.

이와 같은 분말 슬러리를 제조하는 단계에서, 바람직하게는 탄산염 혼합 분말, 가소제, 분산제, 소포제 및 에탄올을 먼저 10∼50 시간 동안 교반한 후, 이 혼합물에 결합제를 넣고 1∼3일 동안 교반한다.In the preparation of such powder slurry, preferably, the carbonate mixed powder, the plasticizer, the dispersant, the antifoaming agent, and the ethanol are first stirred for 10 to 50 hours, and then the binder is added to the mixture and stirred for 1 to 3 days.

이와 같은 조성의 혼합물을 볼밀하여 안정한 분말 슬러리를 제조하고, 증발기에서 용매 또는 기포를 제거하면서 점도를 조절할 수 있다. 이 때, 슬러리의 최종 점도는 3000∼12000 cps, 바람직하게는 6000∼9000 cps 사이로 조절한다.The mixture of this composition may be ball milled to produce a stable powder slurry, and the viscosity may be adjusted while removing solvents or bubbles in the evaporator. At this time, the final viscosity of the slurry is adjusted to between 3000 and 12000 cps, preferably between 6000 and 9000 cps.

이와 같이 점도 조절된 분말 슬러리를 테이프 캐스팅법으로 성형하여 슬립을 제조한다. 일반적으로, 이와 같은 테이프 캐스팅법에는 닥터 블레이드를 이용한다. 제조된 슬립의 두께는 일차적으로 닥터 블레이드의 높이에 의해 결정되지만 닥터 블레이드의 이동 속도, 슬러리 점도, 건조시 수축율 등의 영향을 받는다. 이를 고려하여 닥터 블레이드의 이동 속도를 설정한다.Thus, the viscosity-adjusted powder slurry is molded by tape casting to prepare slips. Generally, a doctor blade is used for such a tape casting method. The thickness of the slip produced is primarily determined by the height of the doctor blade but is affected by the speed of the doctor blade, slurry viscosity, shrinkage during drying, and the like. In consideration of this, the moving speed of the doctor blade is set.

성형된 슬립을 40 ∼ 90 ℃에서 건조하여 전해질 그린 시트를 제조한다. 40 ℃ 미만인 경우 건조 속도가 너무 느리고, 90 ℃를 초과할 경우 균열 현상이 생긴다.The molded slip is dried at 40 to 90 ° C. to produce an electrolyte green sheet. If it is below 40 ° C., the drying rate is too slow. If it is above 90 ° C., cracking occurs.

다만 Li2CO3와 Na2CO3의 탄산염 혼합 분말은 수분과의 반응성이 매우 높아 슬러리 제조 공정 및 건조 공정시 수분과 접촉하면 그린 시트에 균열이 생기거나 변형이 발생하므로, 그린 시트의 건조 공정은 항온항습실에서 수행하고 건조 후 즉시 플라스틱 백에 넣고 밀봉하여 건조기 내에 보관한다.However, the carbonate mixed powder of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 has a very high reactivity with moisture, so that contact with moisture during the slurry manufacturing process and the drying process causes cracks or deformation of the green sheet. The solution shall be carried out in a constant temperature and humidity room, immediately dried and placed in a plastic bag, sealed and stored in the dryer.

또한, 본 발명에 따르면,In addition, according to the present invention,

Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 구성 요소들을 결합하고,Combining the components of a molten carbonate fuel cell comprising a Li / Na electrolyte,

상기 연료 전지의 애노드부에 상온 내지 300℃에서는 공기를 흘려주고, 300 내지 650℃에서는 5 몰%의 수소가 함유된 이산화탄소 혼합 기체를 흘려주고, 650℃에 도달한 후에는 반응 기체인 수소, 이산화탄소와 수증기의 혼합 기체를 흘려주고,At ambient temperature to 300 ° C, air is flowed to the anode portion of the fuel cell, and at 300 to 650 ° C, a carbon dioxide mixed gas containing 5 mol% of hydrogen is flown, and after reaching 650 ° C, hydrogen and carbon dioxide are reaction gases. Flowing a mixture of water and steam,

상기 연료 전지의 캐소드부에 상온 내지 450℃에서는 공기를 흘려주고, 450 내지 650℃에서는 불활성 기체 또는 이 불활성 기체와 10 몰% 이하의 수소가 함유된 혼합 기체를 흘려주고, 650℃에 도달한 후에는 반응 기체인 공기와 이산화탄소의 혼합 기체를 흘려주는 것을 포함하는,At room temperature to 450 ° C., air is flowed to the cathode portion of the fuel cell, and at 450 to 650 ° C., an inert gas or a mixed gas containing 10% or less of hydrogen and an inert gas is passed therethrough, and after reaching 650 ° C. Includes flowing a mixed gas of air and carbon dioxide, which are reaction gases,

Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 및 운전 방법이 제공된다.A method of pretreatment and operation of a molten carbonate fuel cell comprising a Li / Na electrolyte is provided.

상기 방법에서, 연료 전지의 캐소드부에 흘려주는 기체를 공기에서 불활성 기체 또는 이 불활성 기체와 10 몰% 이하의 수소가 함유된 혼합 기체로 교체하는 온도는 300 내지 500℃이다.In this method, the temperature at which the gas flowing into the cathode portion of the fuel cell is replaced with an inert gas or a mixed gas containing not more than 10 mol% of hydrogen with the inert gas is 300 to 500 ° C.

이와 같이 본 발명에 따라 Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지를 전처리 및 운전할 때에는, 연료 전지의 외부를 불활성 기체, 예를 들면 질소, 아르곤 또는 헬륨으로 채우거나 또는 이들 불활성 기체를 전지 외부에 흘려주어 전지의 외부 표면이 공기 중의 산소에 노출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.As described above, when pretreating and operating a molten carbonate fuel cell containing a Li / Na electrolyte according to the present invention, the outside of the fuel cell is filled with an inert gas, such as nitrogen, argon or helium, or the inert gas is placed outside the battery. It is desirable to allow the outer surface of the cell to not be exposed to oxygen in the air.

용융 탄산염 연료 전지는 애노드부, 전해질+매트릭스 및 캐소드부의 3부분으로 구성되어 있으며, 애노드와 캐소드의 외부에는 기체 유로가 새겨져 있는 분리판이 위치하여 전해질과 전극 요소를 지지하게 된다. 애노드, 전해질+매트릭스, 캐소드 이외에 연료, 산화제 등을 조립하여 전지를 결합한 뒤, 애노드부와 캐소드부에 각각 반응 기체를 흘려주면서 전지를 650 ℃의 운전 온도에서 운전하게 된다.전지를 운전하는 과정은 전처리 단계와 운전 단계로 구분되며, 전처리 단계는 온도를 상온에서 실제 운전 온도인 650 ℃까지 상승시키는 과정을 말하며, 이 과정에서 전지 내부로 흘려주는 기체의 조성은 전극의 종류와 온도에 따라 달라지게 된다.The molten carbonate fuel cell is composed of three parts: an anode part, an electrolyte + matrix, and a cathode part, and a separator plate engraved with a gas flow path is positioned outside the anode and the cathode to support the electrolyte and the electrode element. In addition to the anode, the electrolyte + matrix, and the cathode, fuel, oxidant, and the like are assembled to form a cell, and then the reaction gas is flowed into the anode and cathode portions, respectively, to operate the battery at an operating temperature of 650 ° C. It is divided into pretreatment stage and operation stage, and pretreatment stage refers to the process of raising the temperature from room temperature to actual operating temperature of 650 ℃. In this process, the composition of gas flowing into the battery depends on the electrode type and temperature. do.

예를 들어, 종래의 Li/K 전해질을 사용하는 연료 전지의 전처리 공정을 살펴보면, 애노드부에는, 상온∼300℃에서는 공기를 흘려주며, 300∼650℃에서는 5% 수소가 함유된 이산화탄소 혼합 기체를 흘려준다. 온도가 연료 전지의 운전온도인 650℃에 도달하게 되면 반응 기체인 수소+이산화탄소+수증기의 혼합 기체를 흘려주게 된다. 한편, 캐소드에는, 상온∼450℃에서는 공기를 흘려주고, 450∼650℃에서는 미량의 산소가 포함된 이산화탄소 혼합 기체를 흘려준다. 이 때, 연료 전지의 외부는 공기에 노출된 상태로 유지하게 된다.For example, looking at a pretreatment process of a fuel cell using a conventional Li / K electrolyte, the anode part is allowed to flow air at room temperature to 300 ° C, and at 300 to 650 ° C, a carbon dioxide mixed gas containing 5% hydrogen is used. Shed. When the temperature reaches 650 ° C., the operating temperature of the fuel cell, a mixture gas of hydrogen gas, carbon dioxide, and water vapor, which is a reaction gas, is flowed. On the other hand, the cathode is made to flow air at normal temperature-450 degreeC, and the carbon dioxide mixed gas containing a trace amount of oxygen is flowed at 450-650 degreeC. At this time, the outside of the fuel cell is maintained in the state exposed to air.

그러나, 본 발명에 따른 용융 탄산염 연료 전지와 같이 Li/Na 전해질을 사용하는 연료 전지의 경우에는 Li/K 전해질을 사용할 때와 동일한 전처리 조건을 사용하면 전처리 과정에서 집전판과 분리판에 심각한 부식현상이 나타나며, 이로 인해 전지성능이 크게 감소하게 된다. 그 이유는 400∼650℃ 구간에서 산소 존재하에 스테인레스 스틸 계통의 금속 재료가 나트륨카보네이트와 접촉하게 되면 부식반응이 일어나기 때문이다. 따라서, Li/Na 전해질을 사용할 때는 부식 방지를 위해 전처리 조건을 변화시켜야 한다. Li/Na 전해질을 사용하는 경우, 애노드부에는 Li/K 전해질을 사용하는 경우와 동일한 전처리 조건을 사용한다. 그러나, 캐소드부의 경우에는, 상온∼450℃에서는 공기를 흘려주고, 450∼650℃에서는 불활성 기체, 예를 들면 아르곤, 질소 또는 헬륨 등의 기체 또는 이 불활성 기체와 10 몰%이하의 수소가 포함된 혼합 기체를 흘려주며, 운전 온도인 650℃에 도달한 후에는 반응 기체인 공기와 이산화탄소의 혼합 기체를 흘려준다.However, in the case of a fuel cell using a Li / Na electrolyte, such as a molten carbonate fuel cell according to the present invention, if the same pretreatment conditions as in the case of using the Li / K electrolyte are used, severe corrosion occurs in the current collector plate and the separator plate during the pretreatment process. This appears, which leads to a significant decrease in battery performance. The reason is that the corrosion reaction occurs when the metal material of stainless steel is in contact with sodium carbonate in the presence of oxygen in the 400 to 650 ° C section. Therefore, when using Li / Na electrolytes, pretreatment conditions must be changed to prevent corrosion. In the case of using a Li / Na electrolyte, the same pretreatment conditions as in the case of using a Li / K electrolyte are used for the anode portion. However, in the case of the cathode portion, air is allowed to flow at room temperature to 450 ° C., and at 450 to 650 ° C., an inert gas such as argon, nitrogen, or helium, or an inert gas and 10 mol% or less of hydrogen are contained. The mixture gas is flowed, and after reaching the operating temperature of 650 ° C., the mixed gas of air and carbon dioxide which are reaction gases is flowed.

Li/Na 혼합염을 포함한 용융 탄산염 연료 전지를 운전할 경우, 본 발명에 따라 450 ℃ 이상의 온도 범위에서 캐소드부에 불활성 기체인 질소나 헬륨 또는 아르곤을 불어 넣으면 초기 부식이 방지된다.When operating a molten carbonate fuel cell containing a mixed Li / Na salt, according to the present invention, if the inert gas nitrogen, helium or argon is blown to the cathode in the temperature range of 450 ℃ or more to prevent the initial corrosion.

이 때, 캐소드부에 불활성 기체를 공급하더라도, 전지의 외부가 공기에 노출된다면 초기에는 일정한 전지 성능을 얻을 수 있지만 내부 저항(IR)이 증가함에 따라 전지 성능이 감소한다. 이것은 습윤 봉합 (wet-seal) 부위의 외부가 공기에 노출되어 있어 초기 전처리 중 습윤 봉합 부위에 부식층이 성장하게 되기 때문이다. 이로 인해 습윤 봉합 부위 외부 쪽의 매트릭스 일부가 파열됨으로써 반응 기체의 크로스-오버 (cross-over) 또는 전기적 단락이 나타나고, 그에 따라 전지의 수명이 단축되게 된다. 실제로, 전지를 해체한 뒤 살펴보면 전지 내부 표면은 부식되지 않은 매우 깨끗한 상태를 유지하고 있으나, 습윤 봉합 부위의 외부는 부식층이 성장하고 매트릭스의 일부가 파열되어 있는 현상이 관찰된다.At this time, even if the inert gas is supplied to the cathode portion, if the outside of the battery is exposed to air, constant battery performance can be obtained initially, but the battery performance decreases as the internal resistance IR increases. This is because the exterior of the wet-seal site is exposed to air, resulting in the growth of a corrosion layer on the wet-sealing site during the initial pretreatment. This ruptures a portion of the matrix outside of the wet seal, resulting in cross-over or electrical short-circuit of the reaction gas, thereby shortening the life of the cell. In fact, when the battery is dismantled, the inside surface of the cell is maintained in a very clean state without being corroded, but the exterior of the wet seal portion is observed that a corrosion layer grows and a part of the matrix is ruptured.

따라서, 이러한 습윤 봉합 부위의 부식을 방지하기 위해서는 캐소드 뿐만 아니라 전지의 외부도 불활성 기체 분위기로 바꾸는 것이 중요하다. 이를 위해서 단열재와 전지 사이의 빈 공간에 Ar, He 또는 N2등의 불활성 기체를 채우거나 일정 유량으로 흘러주어 공기의 유입을 차단함으로써 상기에서 언급한 부식을 억제하는 방법이 사용될 수 있다. 즉, Li/Na 전해질을 사용하는 용융 탄산염 연료 전지의경우, 전처리 과정 및 650℃에서의 정상운전 과정에서도, 연료 전지의 외부를 질소, 아르곤 또는 헬륨 등의 불활성 기체로 채우거나 또는 이들 기체를 흘려주어 불활성 기체 분위기로 유지시킴으로써 전지의 외부 표면이 공기 중의 산소에 노출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.Therefore, it is important to change not only the cathode but also the outside of the battery to an inert gas atmosphere in order to prevent corrosion of the wet sealing portion. To this end, the above-mentioned method of suppressing corrosion may be used by filling an inert gas such as Ar, He, or N 2 in the empty space between the heat insulating material and the battery, or by flowing at a predetermined flow rate to block the inflow of air. In other words, in the case of a molten carbonate fuel cell using a Li / Na electrolyte, the fuel cell may be filled with an inert gas such as nitrogen, argon, or helium or flowed out of the fuel cell even during a pretreatment process and a normal operation process at 650 ° C. It is desirable to maintain the inert gas atmosphere so that the outer surface of the battery is not exposed to oxygen in the air.

이와 같은 운전 방법에 의해, 집전판 및 분리판 재료의 부식에 의한 전해질 소모와 전지 성능 저하 현상을 방지하는 것은 물론 본래 Li/Na 혼합염이 가지고 있는 장점을 모두 이용할 수 있게 된다.By such an operation method, it is possible to prevent electrolyte consumption and battery performance deterioration due to corrosion of the current collector and separator plates, and to take advantage of all the advantages of the original Li / Na mixed salt.

이하에, Li/K 혼합염을 포함한 전지를 650 ℃에서 운전할 경우의 일반적인 전처리 조건 및 상기에서 논의한 Li/Na 혼합염을 포함한 전지를 650 ℃에서 운전할 경우의 본 발명에 따른 전처리 조건을 요약하여 하기 표 2에 나타낸다.Hereinafter, the general pretreatment conditions when the battery containing the mixed Li / K salt at 650 ℃ and the pretreatment conditions according to the present invention when operating the battery containing the Li / Na mixed salt discussed above at 650 ℃ to summarize It is shown in Table 2.

Li/K 및 Li/Na 혼합염을 포함한 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 조건Pretreatment Conditions for Molten Carbonate Fuel Cells Including Li / K and Li / Na Mixed Salts 온도 범위 (℃)Temperature range (℃) Li/KLi / K Li/NaLi / Na 애노드Anode 캐소드Cathode 애노드Anode 캐소드Cathode 상온∼300Room temperature ~ 300 공기air 공기air 공기air 공기air 300∼450300-450 5%H2-95%CO2 5% H 2 -95% CO 2 5% H2-95%CO2 5% H 2 -95% CO 2 450∼650450-650 5%O2-95%CO2 5% O 2 -95% CO 2 Ar(또는 He, N2)Ar (or He, N 2 ) 전지주변Battery 공기중 노출Air exposure Ar(또는 He, N2) 공급Ar (or He, N 2 ) supply

이하, 본 발명의 목적 및 특징은 첨부된 도 1 및 도 2와 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 더욱 명확하게 될 것이다. 물론, 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위와 내용이 제한되지 않는다.Hereinafter, the objects and features of the present invention will become more apparent by the preferred embodiment of the present invention in conjunction with the accompanying Figures 1 and 2. Of course, the scope and content of the present invention are not limited by these examples.

<실시예 1><Example 1>

Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법Manufacturing Method of Li / Na Electrolyte Green Sheet

Li2CO3(98%, Junsei Chemical사 제품)와 Na2CO3(99.0%, Junsei Chemical사 제품) 분말을 52:48 몰비로 100 g 정량한 후, 볼밀 통에 넣고 용매 (에탄올, 99.9%, Carlo Erba사 제품) 75 g, 분산제 (Disperbyk-110, Hoechst사 제품) 1.5 g, 가소제 (디부틸 프탈레이트, Junsei Chemical사 제품) 15 g, 소포제 (DAPPO-348, San Nopco Korea사 제품) 10 g을 첨가하였다. 이 혼합물을 1일간 100rpm의 속도로 볼밀한 후 결합제 (폴리비닐 부티랄, Mowital B30H, Hoechst사 제품) 20 g을 첨가하여 3일간 다시 볼밀하였다. 100 g of Li 2 CO 3 (98%, manufactured by Junsei Chemical) and Na 2 CO 3 (99.0%, manufactured by Junsei Chemical) were quantified in a 52:48 molar ratio, and then placed in a ball mill to a solvent (ethanol, 99.9%). , Carlo Erba) 75 g, Dispersant (Disperbyk-110, Hoechst) 1.5 g, Plasticizer (dibutyl phthalate, Junsei Chemical) 15 g, Defoamer (DAPPO-348, San Nopco Korea) 10 g Was added. The mixture was ball milled at 100 rpm for 1 day and then ball milled again for 20 days with the addition of 20 g of a binder (polyvinyl butyral, Mowital B30H, manufactured by Hoechst).

제조된 슬러리를 증발기에 넣고 교반하여 30분간 40 ℃에서 기포를 제거함과 동시에 슬러리 점도를 6000 cps로 조절하였다. 테이프 캐스팅 장치에 의해 슬러리를 두께 1.2 mm 및 폭 55 cm의 슬립으로 성형하였다. 탈포후 슬러리 점도와 건조후 두께 변화 등의 변수를 고려하여 닥터 블레이드 이동 속도를 3 cm/초로 고정하였다.The prepared slurry was placed in an evaporator and stirred to remove bubbles at 40 ° C. for 30 minutes, and the slurry viscosity was adjusted to 6000 cps. The slurry was molded into a slip of 1.2 mm in thickness and 55 cm in width by a tape casting device. The doctor blade moving speed was fixed at 3 cm / sec in consideration of variables such as slurry viscosity after defoaming and thickness change after drying.

테이프 캐스팅으로 성형된 슬립을 항온항습실에서 60℃에서 3시간 동안 가열 건조시켜 전해질 그린 시트를 제조하였다. 그린 시트를 건조한 후 곧바로 플라스틱 백 안에 넣고 밀봉하여 건조기 내에 보관하였다.The slip molded by tape casting was heat dried at 60 ° C. for 3 hours in a constant temperature and humidity room to prepare an electrolyte green sheet. Immediately after drying the green sheet was placed in a plastic bag, sealed and stored in a dryer.

제조된 전해질 그린 시트의 표면에는 일반적으로 건조시 발생할 수 있는 균열 등이 발견되지 않았으며 기포나 굵은 입자들도 보이지 않았고, 또한 적당한 강도를 가지고 있어서 취급이 용이하였다.On the surface of the prepared electrolyte green sheet, cracks that may occur during drying are not generally found, no bubbles or coarse particles were seen, and they were easily handled because they had moderate strength.

또한, 연료 전지에 장착하여 전지 성능을 측정한 결과 150mA/cm2의 전류를 흘려준 상태에서 0.85V의 높은 성능을 보여, Li/K 전해질을 장착한 연료 전지와 같은 수준의 전지 성능을 나타냈다. 이러한 측정 결과는 톨루엔 계통의 용매를 사용하여 제조한 전해질로부터 얻은 결과와 동일한 것이다. 이상의 실험으로부터, Li/Na 전해질 시트를 제조함에 있어서 에탄올을 용매로 사용하여 전해질 슬러리를 제조하여도 전해질 시트의 물리적 특성과 연료 전지 성능이 매우 우수하게 나타남을 알 수 있었다.In addition, as a result of measuring the cell performance by mounting it on a fuel cell, it showed a high performance of 0.85 V under a current of 150 mA / cm 2 , and showed the same level of battery performance as a fuel cell with a Li / K electrolyte. These measurement results are the same as the results obtained from the electrolyte prepared using the solvent of the toluene system. From the above experiments, it was found that the physical properties and the fuel cell performance of the electrolyte sheet were excellent even when the electrolyte slurry was prepared using ethanol as a solvent in preparing the Li / Na electrolyte sheet.

<비교예 1>Comparative Example 1

Li/Na 전해질을 포함한 용융 탄산염 연료 전지의 Li/K의 일반적 전처리 공정에 따른 전처리 방법Pretreatment method according to general pretreatment process of Li / K in molten carbonate fuel cell containing Li / Na electrolyte

실시예 1에 따라 제조된 Li/Na 혼합염 전해질을 하기 표 3과 같은 전지 구성으로 전지에 장착하고, 상기 표 2에 나타낸 Li/K 혼합염을 포함한 용융 탄산염 연료 전지의 일반적 전처리 방법으로 전처리 공정을 수행하여 단위 전지 운전을 수행함으로써 전지 성능을 측정하였다.A Li / Na mixed salt electrolyte prepared according to Example 1 was mounted on a battery with a battery configuration as shown in Table 3 below, and a pretreatment process using a general pretreatment method of a molten carbonate fuel cell including a Li / K mixed salt shown in Table 2 above. The cell performance was measured by performing a unit cell operation.

단위 전지의 구성 및 운전 조건Unit cell configuration and operating conditions 애노드Anode Ni + 10% CrNi + 10% Cr 매트릭스matrix γ-LiAlO2 γ-LiAlO 2 캐소드Cathode NiONiO 전해질Electrolyte 52%Li2CO3/48%Na2CO3 52% Li 2 CO 3 /48% Na 2 CO 3 연료fuel 72%H2/18%CO2/10%H2O72% H 2 /18% CO 2 /10% H 2 O 산화제Oxidant 70%공기/30%CO2 70% Air / 30% CO 2 온도Temperature 650℃650 ℃

이 경우에는 캐소드 측 분리판 및 집전판 재료인 스테인레스강이 심하게 부식되어, 전지 초기 성능이 매우 나쁜 것을 관찰할 수 있었다. 이 경우의 전지 성능을 도 2에 제1 곡선으로 나타내었다.In this case, stainless steel, which is the cathode side separator and the collector plate material, was severely corroded, and it was observed that the initial performance of the battery was very bad. The battery performance in this case is shown by the 1st curve in FIG.

<실시예 2><Example 2>

Li/Na 전해질을 포함한 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 방법Pretreatment Method of Molten Carbonate Fuel Cell with Li / Na Electrolyte

실시예 1에 따라 제조된 Li/Na 혼합염 전해질을 상기 표 3과 같은 전지 구성으로 전지에 장착하고, 상기 표 2에 나타낸 Li/Na 전해질을 포함한 용융 탄산염 연료 전지의 본 발명에 따른 전처리 방법에 따라 애노드는 Li/K 전해질을 사용한 경우와 동일하게 전처리하고, 캐소드는 상온에서 450℃까지는 공기를 흘려주고, 450∼650℃ 온도 범위에서는 불활성 기체인 아르곤을 흘려주었으며, 650℃에 도달한 다음에는 반응기체인 산소와 이산화탄소 혼합 기체를 주입하여 단위 전지 운전을 수행함으로써 전지 성능을 측정하였다.In the pre-treatment method according to the invention of the molten carbonate fuel cell containing the Li / Na mixed salt electrolyte prepared according to Example 1 in the cell with a battery configuration as shown in Table 3, and shown in Table 2 Therefore, the anode was pretreated in the same manner as using the Li / K electrolyte, the cathode was allowed to flow air from room temperature to 450 ° C., and the inert gas was flowed from 450 to 650 ° C., and after reaching 650 ° C. The cell performance was measured by injecting oxygen and carbon dioxide mixed gas, which is a reaction gas, to perform a unit cell operation.

금속 분리판과 집전판에 일어나는 부식현상이 나타나지 않았으며 연료 전지의 성능이 크게 향상되었다. 이 경우의 전지 성능을 도 2에 제2 곡선으로 나타내었다. 이러한 Li/Na 전해질 연료 전지의 성능은 Li/K 전해질을 사용한 전지와 동일한 수준이다.Corrosion did not occur in the metal separator plate and the collector plate, and the performance of the fuel cell was greatly improved. The battery performance in this case is shown by the 2nd curve in FIG. The performance of such a Li / Na electrolyte fuel cell is the same as that of a cell using a Li / K electrolyte.

그러나, 전처리 과정에서 캐소드 쪽에 불활성 기체를 공급하여 전지 내부의 분리판과 집전판의 부식을 방지하는 경우에도, 전지의 외부가 공기에 노출되어 있으면 초기 1500시간까지는 일정한 성능을 얻을 수 있었지만, 그 이후부터는 내부저항(IR)이 증가하면서 전지성능이 서서히 감소하기 시작하여, 1800 시간 경과 후에는 150mA/cm2에서 0.7V 이하로 전지성능이 급격히 감소하였으며, 전지성능이 오르내리는 불안정한 상태를 나타냈다. 이것은 전해질과 분리판이 직접 닿게 되는 습윤 봉합 부위의 외부가 공기에 노출되어 있어, 초기 전처리 과정의 500∼600℃ 범위에서 습윤 봉합 부위의 외곽에 부식층이 성장하기 때문이다. 이로 인해 습윤 봉합 부위 외곽의 매트릭스 일부가 파손되어 반응기체의 크로스-오버나 전기적 단락이 나타나고 따라서, 이에 따라 전지의 수명이 단축되는 것으로 나타났다.However, even when the inert gas was supplied to the cathode side in the pretreatment process to prevent corrosion of the separator and the collector plate inside the battery, if the outside of the battery was exposed to air, constant performance was obtained until the initial 1500 hours. From now on, battery performance began to decrease gradually as the internal resistance (IR) increased, and after 1800 hours, battery performance rapidly decreased to 0.7 V or less at 150 mA / cm 2 , and the battery performance was unstable. This is because the outside of the wet seal, where the electrolyte and the separator directly contact, is exposed to air, and a corrosion layer grows outside the wet seal in the range of 500 to 600 ° C. during the initial pretreatment. As a result, a portion of the matrix outside the wet seal portion was broken, resulting in cross-over or electrical short-circuit of the reactor, thus shortening the life of the battery.

따라서, 이러한 습윤 봉합 부위의 부식을 방지하기 위해서는 전처리 과정에서 캐소드 뿐만 아니라 전지의 외부도 불활성 기체 분위기로 유지하는 것이 필요하다. 본 실시예에서는 연료 전지 본체를 밀폐된 콘테이너에 넣고, 콘테이너 내부에 질소 또는 아르곤을 흘려주어 공기의 유입을 방지함으로써 상기에서 언급한 연료 전지 외부표면에 나타나는 부식을 방지할 수 있었다. 도 2의 제3 곡선은 전지의 외부를 질소 분위기로 유지시킨 상태에서 운전한 단위 전지의 성능 변화를 보여주고 있다. 제3 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 3000 시간 이상까지 150 mA/cm2의 전류밀도에서 0.8V 이상의 양호한 전지 성능을 보여주고 있으며, 성능 저하율은 24mV/1000h 정도로 나타났다. 또한, 전지 성능의 불안정성도 나타나지 않았다. 이와 같이 전지의 외부를 불활성 기체 분위기로 유지함으로써 급격한 전지성능의 저하를 방지하고 안정된 운전을 수행할 수 있었다.Therefore, in order to prevent corrosion of the wet seal portion, it is necessary to maintain not only the cathode but also the outside of the battery in an inert gas atmosphere during the pretreatment process. In this embodiment, the fuel cell body was placed in an airtight container, and nitrogen or argon was flowed into the container to prevent the inflow of air, thereby preventing corrosion on the outer surface of the fuel cell mentioned above. The third curve of FIG. 2 shows a change in performance of the unit cell operated while the outside of the cell was maintained in a nitrogen atmosphere. As can be seen from the third curve, good battery performance of 0.8 V or more was exhibited at a current density of 150 mA / cm 2 up to 3000 hours or more, and the performance degradation rate was about 24 mV / 1000 h. In addition, there was no instability of battery performance. In this way, by maintaining the outside of the battery in an inert gas atmosphere, it was possible to prevent sudden drop in battery performance and to perform stable operation.

본 발명의 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법에 따르면, 용매로서 에탄올을 사용함으로써 인체에 유해한 용매를 사용하지 않고도 캐소드의 용해 속도를 감소시키고, 증발에 의한 손실이 적으며, 열팽창계수가 작은 동시에 이온 전도도가 큰 양질의 Li/Na 전해질 그린 시트를 제조할 수 있다.According to the manufacturing method of the Li / Na electrolyte green sheet of the present invention, the use of ethanol as the solvent reduces the dissolution rate of the cathode without using a solvent harmful to the human body, reduces the loss by evaporation, and at the same time has a small coefficient of thermal expansion. A high quality Li / Na electrolyte green sheet having high ion conductivity can be produced.

또한, 본 발명에 따라 Li/Na 전해질이 포함된 연료 전지를 전처리하여 운전함으로써, 금속 재료로 만들어진 집전판 및 분리판의 부식 및 이에 의한 전해질 소모와 전지 성능 저하를 방지할 수 있고, Li/Na 전해질이 가진 고유의 장점을 모두 이용할 수 있다.In addition, by operating the fuel cell containing the Li / Na electrolyte according to the present invention by pre-treatment, it is possible to prevent corrosion of the current collector plate and the separator plate made of a metal material, thereby reducing electrolyte consumption and battery performance, Li / Na All the inherent advantages of electrolytes are available.

Claims (9)

Li2CO340∼60 몰% 및 Na2CO360∼40 몰%조성의 Li2CO3와 Na2CO3의 탄산염 혼합 분말, 이 분말 100 중량부에 대해 결합제 10∼20 중량부, 가소제 10∼20 중량부, 분산제 1∼2 중량부, 소포제 1∼2 중량부 및 에탄올 용매 50∼100 중량부를 포함하되, 탄산염 혼합 분말과 용매를 제외한 결합제, 가소제, 분산제 및 소포제로 이루어진 유기 첨가제가 전체 분말 슬러리를 기준으로 15∼30 중량%인 혼합물을 볼밀하여 분말 슬러리를 제조하는 단계,Li 2 CO 3 40~60 mol% and Na 2 CO 3 of 60~40 mol% composition of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 Carbonate powder mixture, the powder 100 parts by weight of binding agent 10 to 20 parts by weight of a plasticizer for the 10 to 20 parts by weight, 1 to 2 parts by weight of a dispersant, 1 to 2 parts by weight of an antifoaming agent and 50 to 100 parts by weight of an ethanol solvent, wherein the organic additives are composed of a binder, a plasticizer, a dispersant and an antifoaming agent except for the carbonate mixed powder and the solvent. Ball milling a mixture of 15-30% by weight based on the powder slurry to produce a powder slurry, 얻어진 분말 슬러리를 테이프 캐스팅법으로 성형하여 슬립(slip) 성형체를 얻는 단계,Molding the obtained powder slurry by a tape casting method to obtain a slip molded article, 상기 성형체를 40∼90 ℃의 온도에서 건조하는 단계Drying the molded body at a temperature of 40-90 ° C. 를 포함하는, 용융 탄산염 연료 전지용 Li/Na 전해질 그린 시트의 제조 방법.A method for producing a Li / Na electrolyte green sheet for molten carbonate fuel cell, comprising a. 삭제delete 제1항에 있어서, Li2CO3와 Na2CO3의 탄산염 혼합 분말의 조성이 Li2CO352 몰% 및 Na2CO348 몰%인 방법.The method of claim 1 wherein the composition of the carbonate mixed powder of Li 2 CO 3 and Na 2 CO 3 is 52 mol% Li 2 CO 3 and 48 mol% Na 2 CO 3 . 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 분말 슬러리를 제조하는 단계가 탄산염 혼합 분말, 가소제, 분산제, 소포제 및 에탄올을 먼저 10∼50 시간 동안 교반한 후, 이 혼합물에 결합제를 넣고 1∼3일 동안 교반함으로써 수행되는 방법.The method of claim 1, wherein the preparing of the powder slurry is performed by first stirring the carbonate mixed powder, the plasticizer, the dispersant, the antifoaming agent, and the ethanol for 10 to 50 hours, and then adding the binder to the mixture for 1 to 3 days. How to be. Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 구성 요소들을 결합하고,Combining the components of a molten carbonate fuel cell comprising a Li / Na electrolyte, 상기 연료 전지의 애노드부에 상온 내지 300℃에서는 공기를 흘려주고, 300 내지 650℃에서는 5 몰%의 수소가 함유된 이산화탄소 혼합 기체를 흘려주고, 650 ℃에 도달한 후에는 반응 기체인 수소, 이산화탄소와 수증기의 혼합 기체를 흘려주고,At room temperature to 300 ° C., air is flowed to the anode portion of the fuel cell, and at 300 to 650 ° C., a carbon dioxide mixed gas containing 5 mol% of hydrogen is flowed. After reaching 650 ° C., hydrogen and carbon dioxide are reaction gases. Flowing a mixture of water and steam, 상기 연료 전지의 캐소드부에 상온 내지 450℃에서는 공기를 흘려주고, 450 내지 650℃에서는 불활성 기체 또는 이 불활성 기체와 10 몰% 이하의 수소가 함유된 혼합 기체를 흘려주고, 650℃에 도달한 후에는 반응 기체인 공기와 이산화탄소의 혼합 기체를 흘려주는 것을 포함하는,At room temperature to 450 ° C., air is flowed to the cathode portion of the fuel cell, and at 450 to 650 ° C., an inert gas or a mixed gas containing 10% or less of hydrogen and an inert gas is passed therethrough, and after reaching 650 ° C. Includes flowing a mixed gas of air and carbon dioxide, which are reaction gases, Li/Na 전해질을 포함하는 용융 탄산염 연료 전지의 전처리 및 운전 방법.Method of pretreatment and operation of a molten carbonate fuel cell comprising a Li / Na electrolyte. 제6항에 있어서, 상기 연료 전지의 캐소드부에 흘려주는 기체를 공기에서 불활성 기체 또는 이 불활성 기체와 10 몰% 이하의 수소가 함유된 혼합 기체로 교체하는 온도가 300 ℃ 내지 500℃인 방법.The method according to claim 6, wherein the temperature of the gas flowing into the cathode portion of the fuel cell is replaced with an inert gas or a mixed gas containing 10 mol% or less of hydrogen with the inert gas in the air. 제6항에 있어서, 상기 연료 전지의 외부를 불활성 기체로 채우거나 또는 전지 외부에 불활성 기체를 흘려주어 전지의 외부 표면이 공기 중의 산소에 노출되지 않도록 하는 방법.The method of claim 6, wherein the outside of the fuel cell is filled with an inert gas or an inert gas is flowed outside the cell so that the outer surface of the cell is not exposed to oxygen in the air. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불활성 기체가 아르곤, 질소 및 헬륨으로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 방법.The method of claim 6, wherein the inert gas is selected from the group consisting of argon, nitrogen and helium.
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