KR100350364B1 - Ceramic Fiber Reinforced Matrix for Molten Carbonate Fuel Cell and a Process for Production Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell, 이하 MCFC)에 사용되는 매트릭스 (matrix) 및 그 제조 방법에 관한 것이다. MCFC용 매트릭스 제조시 단섬유의 세라믹 섬유를 첨가함으로써, MCFC의 장기 운전시에 발생할 수 있는 탄산염의 상변화에 따른 매트릭스의 균열 발생 및 그에 따른 탄산염의 손실을 방지할 수 있고, 재용융된 탄산염이 전극과 매트릭스에서 원활하게 재분포될 수 있도록 매트릭스 자체의 강도가 증진된 고성능의 용융탄산염 연료전지가 구축될 수 있다.The present invention relates to a matrix used in a molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as MCFC) and a manufacturing method thereof. By adding ceramic fibers of short fibers when manufacturing the matrix for MCFC, it is possible to prevent cracking of the matrix and loss of carbonate due to phase change of carbonate which may occur during long-term operation of MCFC. High performance molten carbonate fuel cells with enhanced strength of the matrix itself can be constructed to facilitate redistribution at the electrodes and the matrix.

Description

용융탄산염 연료전지용 세라믹 섬유 강화 매트릭스 및 그의 제조 방법 {Ceramic Fiber Reinforced Matrix for Molten Carbonate Fuel Cell and a Process for Production Thereof}Ceramic Fiber Reinforced Matrix for Molten Carbonate Fuel Cell and Manufacturing Method Thereof {Ceramic Fiber Reinforced Matrix for Molten Carbonate Fuel Cell and a Process for Production Thereof}

본 발명은 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)에사용되는 매트릭스 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 세라믹 섬유로 강화되어 통상의 매트릭스보다 열주기 (thermal cycle)에 강한 전지 성능을 나타낼 수 있는 MCFC용 매트릭스를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a matrix used in a molten carbonate fuel cell (hereinafter referred to as MCFC) and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a method for producing a matrix for MCFC, which can be reinforced with ceramic fibers and exhibit a cell performance that is stronger in thermal cycle than a conventional matrix.

MCFC용 매트릭스는 전해질인 용융탄산염을 지지하는 역할을 하며 캐소드에서 생성된 CO3 2-이온이 애노드로 이동될 때 통로를 제공한다. 또한, 양 전극을 전기적으로 절연시키고, 각 전극으로 유입되는 연료 및 공기 등의 반응 기체들이 전지 내부에서 서로 혼합되지 않게 하며 전지 외부로의 가스 누출을 방지하는 습식 밀봉 (wet seal) 역할도 한다.The matrix for MCFC serves to support molten carbonate, which is an electrolyte, and provides a passage when CO 3 2- ions produced at the cathode are transferred to the anode. In addition, it electrically insulates the two electrodes, prevents the reaction gases such as fuel and air flowing into each electrode from mixing with each other in the cell and serves as a wet seal to prevent gas leakage to the outside of the cell.

MCFC의 매트릭스는 실온에서는 고체이나 작동온도인 650℃에서는 탄산염이 용융되어 매트릭스 기공에 함침됨으로써 페이스트 상태로 존재하며, 매트릭스의 성능은 주로 전지의 내부 저항 (internal resistance), 기체가 혼합되는 현상, 습식 밀봉 기능에 의하여 결정되므로, 적절한 기공크기 분포와 안정한 구조를 유지해야 좋은 성능을 나타낼 수 있다. 특히, 전해질인 탄산염이 500℃ 부근에서 용융되므로 열주기에 따른 열 충격 등의 온도 변화에서도 전체 매트릭스의 구조에 변화가 일어나지 않도록 충분한 강도를 유지해야 한다.Matrix of MCFC is solid at room temperature but carbonate melts at 650 ℃ and is impregnated into matrix pores, so it exists in paste state. Matrix performance is mainly due to internal resistance of battery, mixing of gas, wet Since it is determined by the sealing function, a proper pore size distribution and a stable structure must be maintained for good performance. In particular, since carbonate, which is an electrolyte, is melted at around 500 ° C., sufficient strength must be maintained so that the structure of the entire matrix does not change even when temperature changes such as heat shock due to heat cycle.

일반적으로, 매트릭스가 구비해야 할 조건을 나열하면 다음과 같다 (참조. H. C. Maru, et al., "Review of Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte." Proceedings of the Second International Symposium on Molten Carbonate Fuel Cell Technology, Proceedings Volume 90-16, The Electrochemical Society,Pennington, NJ, pp.121-136 (1990)).In general, the conditions that the matrix must have listed are as follows (see HC Maru, et al., "Review of Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte." Proceedings of the Second International Symposium on Molten Carbonate Fuel Cell Technology, Proceedings) Volume 90-16, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, pp. 121-136 (1990)).

1) 매트릭스의 재료는 전지의 다른 구성요소나 반응 기체들과 화학적으로 불활성이어야 한다.1) The material of the matrix must be chemically inert with other components of the cell or with the reactant gases.

2) 매트릭스의 모세관에 의해 전해질이 담지되므로 연료전지 작동 조건에서 기공율이나 기공 크기의 변화가 작아야 한다. 즉, 고온에서 표면 확산, 벌크 확산, 오스왈드 숙성 (Ostwald ripening) 등에 의한 소결 현상이 작아야 한다.2) Since the electrolyte is supported by the capillary of the matrix, the change in porosity or pore size should be small under the fuel cell operating conditions. That is, the sintering phenomenon due to surface diffusion, bulk diffusion, Oswald ripening at high temperature should be small.

3) 매트릭스는 기체들의 혼합 현상 (cross-over)을 방지함과 동시에 작동중에 계속해서 전해질을 보유하고 있어야 하므로 매트릭스의 기공 크기는 두 전극의 기공 크기보다 작아야 하며 그 분포도 좁아야 한다.3) Since the matrix must keep electrolytes in operation while preventing cross-over of gases, the pore size of the matrix must be smaller than the pore size of the two electrodes and the distribution must be narrow.

상기한 구비조건을 고려할 때, 현재 적합한 매트릭스 재료로는 LiAlO2가 알려져 있으며, 통상적인 MCFC용 매트릭스는 직경이 0.5 ㎛ 이하인 LiAlO2분말과 유기용매, 그리고 분산제, 가소제, 결합제 등의 유기 첨가제를 혼합한 슬러리를 테이프 주형 (tape casting) 또는 페이퍼 밀링 (paper milling)법을 이용하여 시트 형태로 성형하여 제조된다 (참조. H. C. Maru, et al., "Review of Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte" Proceedings of the Second International Symposium on Molten Carbonate Fuel Cell Technology, Proceedings Volume 90-16, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, pp.121-136 (1990)).Considering the above conditions, LiAlO 2 is currently known as a suitable matrix material, and a conventional MCFC matrix is a mixture of LiAlO 2 powder having a diameter of 0.5 μm or less, an organic solvent, and an organic additive such as a dispersant, a plasticizer, and a binder. A slurry is prepared by molding into a sheet using tape casting or paper milling (see HC Maru, et al., "Review of Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte" Proceedings of the Second International Symposium on Molten Carbonate Fuel Cell Technology, Proceedings Volume 90-16, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, pp. 121-136 (1990)).

한편, 용융탄산염 연료전지의 장기 운전시에는 계획적인 혹은 돌발적인 사고에 의한 조업 중단과 그에 따르는 열주기 (thermal cycle)가 존재하게 된다. 열주기 중에는 탄산염이 액체-고체-액체로 변화하는 상변화가 일어날 뿐만 아니라 서로 다른 열팽창 계수를 가진 전지 구성 요소들이 최대 600 ℃ 이상의 온도 변화를 겪게 되므로 전지의 성능을 계속 유지하기 위하여서는 기체 분위기 조절과 냉각 및 승온 속도 조절에 세심한 주의를 기울여야 한다. 특히, 긴 수명을 구현할 수 있는 고성능의 연료 전지를 구축하기 위해서는 탄산염의 상변화에 따른 매트릭스의 균열 발생과 그에 따른 탄산염의 손실을 방지하고 재용융된 탄산염이 전극과 매트릭스에서 원활하게 재분포될 수 있도록 매트릭스 자체의 강도를 증진시켜 열주기시 발생되는 균열을 최소화하는 것이 필요하다.On the other hand, in the long-term operation of the molten carbonate fuel cell, there is an interruption of operation due to a planned or accidental accident and a thermal cycle that follows. During the heat cycle, not only is the phase change of carbonate to liquid-solid-liquid, but also the battery components with different coefficients of thermal expansion undergo a temperature change of up to 600 ° C or more, so that the atmosphere of the battery can be controlled Careful attention should be paid to overcooling and temperature control. In particular, in order to construct a high-performance fuel cell capable of long life, it is possible to prevent cracking of the matrix and loss of carbonate caused by phase change of carbonate, and remelted carbonate can be redistributed smoothly in the electrode and the matrix. In order to improve the strength of the matrix itself, it is necessary to minimize the cracks generated during the heat cycle.

따라서, 이와 같은 목적을 위하여 MCFC 매트릭스를 강화하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 이 연구들을 매트릭스 강화에 사용되는 세라믹 물질의 형상과 크기로 분류하면 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.Therefore, many studies have been conducted to strengthen the MCFC matrix for this purpose. These studies can be divided into the following two types of ceramic materials used for matrix reinforcement:

1) 구형 또는 판상의 거대 입자를 매트릭스에 첨가하는 방법으로, 여기에서는 거대 입자로 주로 10 ㎛ 이상의 입자크기를 갖는 γ-LiAlO2또는 α-Al2O3입자가 사용된다 (참조. C. Y. Yuh, et al., "Advances in Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte" Proceedings of the Fourth Internatioanl Symposium of Carbonate Fuel Cell Technology, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, pp.66-78 (1997), 또는 Farooque and C. Y. Yuh, 미국특허 제5,580,673호 (1996)). 이 방법에 의하면 고강도의 거대 입자가 균열 저지제 (crack arrester) 또는 균열 굴곡제 (crack deflector)로 작용하여 매트릭스내 균열 발생을 저지하고 발생한 균열의 전파 경로를 길게하여 매트릭스 파괴에 필요한 에너지를 크게 함으로써 결과적으로 매트릭스의 강화가 가능하게 된다.1) A method of adding spherical or plate-like large particles to a matrix, wherein γ-LiAlO 2 or α-Al 2 O 3 particles having a particle size of 10 μm or more are mainly used as large particles (see CY Yuh, et al., "Advances in Carbonate Fuel Cell Matrix and Electrolyte" Proceedings of the Fourth Internatioanl Symposium of Carbonate Fuel Cell Technology, The Electrochemical Society, Pennington, NJ, pp.66-78 (1997), or Farooque and CY Yuh, USA Patent 5,580,673 (1996)). According to this method, high-strength macroparticles act as crack arresters or crack deflectors to prevent cracking in the matrix and to increase the energy required to break the matrix by lengthening the propagation path of the cracks. As a result, the matrix can be strengthened.

2) 높은 장경비 (aspect ratio)를 갖는 분말을 매트릭스에 첨가하는 방법으로, 여기에서는 직경이 약 1 ㎛이고 길이가 약 5 ㎛인 봉상의 β-LiAlO2분말이 사용되며, 매트릭스 물질로 γ-LiAlO2가 아닌 α-LiAlO2를 사용했을 때 매트릭스 강화 효과가 우수한 것으로 보고된 바 있다 (참조. K. Nakagawa, H. Ohzu, Y. Akasaka, and N. Tomimatsu, "Durable MCFC Electrolyte Plate Consisting of α- and β-LiAlO2," Denki Kagaku, 64 (6), 478-481 (1996)).2) A method of adding a powder having a high aspect ratio to a matrix, wherein a rod-like β-LiAlO 2 powder having a diameter of about 1 μm and a length of about 5 μm is used, and γ- as the matrix material. The use of α-LiAlO 2 rather than LiAlO 2 has been reported to be superior in matrix strengthening effects (see K. Nakagawa, H. Ohzu, Y. Akasaka, and N. Tomimatsu, “Durable MCFC Electrolyte Plate Consisting of α). and β-LiAlO 2 , "Denki Kagaku, 64 (6), 478-481 (1996)).

그러나, 상기 종래 방법들은 제한된 효과만을 제공할 뿐이다. 즉, 거대 입자를 첨가하는 경우에는 슬러리 제조시 분산성에 문제가 있고, 입자 크기가 작은 분말과 함께 슬러리를 제조할 때 기공율이 낮아지는 단점이 있다. 또한, 거대 입자로 인해 큰 기공이 형성되어 매트릭스내의 전해질 함침이 완전하지 못하여 연료기체가 혼합되는 현상 (cross-over)이 발생한다.However, these conventional methods only provide a limited effect. That is, in the case of adding the macroparticles, there is a problem in dispersibility when preparing the slurry, and there is a disadvantage that the porosity is lowered when preparing the slurry together with the powder having a small particle size. In addition, large pores are formed due to the large particles, and the electrolyte impregnation in the matrix is incomplete, resulting in cross-over of fuel gas.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같이 용융탄산염 연료전지의 장기 운전시에 발생할 수 있는 열주기에 의한 매트릭스의 균열 발생과 그에 따른 전지 성능 저하를 억제할 수 있는 세라믹 섬유 강화 매트릭스를 제조하는 신규한 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to produce a ceramic fiber reinforced matrix capable of suppressing the occurrence of cracking of the matrix due to thermal cycles and the deterioration of battery performance, which may occur during long-term operation of the molten carbonate fuel cell. One way is to provide it.

상기 본 발명의 목적은The object of the present invention is

a) LiAlO2분말, 분산제, 소포제 및 용매를 혼합하고 볼밀하여 슬러리를 제조하는 단계,a) mixing and ball milling LiAlO 2 powder, a dispersant, an antifoaming agent and a solvent to prepare a slurry,

b) 제조된 슬러리에 결합제, 가소제 및 세라믹 섬유를 첨가하여 혼합하고, 볼밀하는 단계,b) adding, mixing and ball milling a binder, a plasticizer and a ceramic fiber to the prepared slurry,

c) 단계 b)의 슬러리를 탈기하는 단계, 및c) degassing the slurry of step b), and

d) 탈기된 슬러리를 테이프 캐스팅하여 성형한 후 건조하는 단계d) forming the degassed slurry by tape casting followed by drying

를 포함하는 용융탄산염 연료전지용 매트릭스의 제조 방법에 의하여 달성될 수 있다.It can be achieved by a method for producing a matrix for molten carbonate fuel cell comprising a.

도 1은 본 발명의 세라믹 섬유 강화 매트릭스 제조 방법의 공정도.1 is a process diagram of a method of manufacturing a ceramic fiber reinforced matrix of the present invention.

도 2는 종래 매트릭스와 본 발명의 방법에 의하여 제조된 섬유 강화 매트릭스 단면에 대한 주사 전자현미경 사진.2 is a scanning electron micrograph of a cross section of a fiber reinforced matrix prepared by the conventional matrix and the method of the present invention.

도 3은 단위전지 열 충격 주기 실험을 위한 냉각 및 승온 속도를 나타낸 그래프.Figure 3 is a graph showing the cooling and temperature increase rate for the unit cell heat shock cycle experiment.

도 4는 종래 매트릭스와 본 발명의 방법에 의하여 제조된 섬유 강화 매트릭스의 열주기 및 운전 시간에 따른 단위 전지 성능을 비교하여 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the unit cell performance according to the heat cycle and operating time of the conventional matrix and the fiber reinforced matrix prepared by the method of the present invention.

도 5는 α-Al2O3섬유 표면에 LiAlO2를 코팅하는 방법의 공정도.5 is a process chart of a method of coating LiAlO 2 on the α-Al 2 O 3 fiber surface.

도 6는 α-Al2O3와 보에마이트의 pH의 따른 제타 전위를 나타낸 그래프.6 is a graph showing zeta potential according to pH of α-Al 2 O 3 and boehmite.

본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 매트릭스는 LiAlO2를 기재로 하는 통상의 매트릭스 재료에 세라믹 섬유를 첨가하여 슬러리를 제조한 후, 이를 테이프 캐스팅 방법을 사용하여 그린 시트를 성형함으로써 제조된다.The molten carbonate fuel cell matrix according to the present invention is prepared by adding ceramic fibers to a conventional matrix material based on LiAlO 2 to prepare a slurry, and then molding the green sheet using a tape casting method.

본 발명에 사용되는 LiAlO2분말은 통상 당분야에서 연료전지용 매트릭스에 사용되는 것으로서, α-, β-, γ- 형태일 수 있다.LiAlO 2 powder used in the present invention is generally used in the fuel cell matrix in the art, it may be in the α-, β-, γ- form.

본 발명에 사용될 수 있는 세라믹 섬유로는 다양한 길이 및 직경을 갖는 다양한 물질의 섬유를 사용될 수 있다. 예를 들면, α-Al2O3, γ-LiAlO2, β-LiAlO2, α-LiAlO2, Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 매트릭스의 대면적화 및 재현성을 고려할 때 α-Al2O3류의 단섬유가 바람직하다.As the ceramic fiber that can be used in the present invention, fibers of various materials having various lengths and diameters can be used. For example, α-Al 2 O 3 , γ-LiAlO 2 , β-LiAlO 2 , α-LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 , CeO 2 , and the like. However, the present invention is not limited thereto. In consideration of the large area and reproducibility of the matrix, short fibers of the α-Al 2 O 3 family are preferred.

또한, 본 발명의 바람직한 구현예로서, 세라믹 섬유의 조성이나 형상 변형을방지하기 위하여 세라믹 섬유를 첨가하기 전에 특정 성분으로 코팅하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, Al2O3섬유를 용융탄산염 연료전지의 매트릭스 강화에 사용하는 경우, 탄산염내 Li2CO3가 Al2O3와 반응하여 LiAlO2가 생성되기 때문에 전해질 감소 및 조성 변화와 섬유 형상 변형에 의해 강화 효과가 감소될 수 있다. 따라서, 용융탄산염에 안정하며, 매트릭스 입자로 사용되는 성분을 졸-겔법으로 Al2O3섬유에 코팅하여 사용함으로써 장시간 고유의 섬유 형상을 유지하면서도 강화 효과가 우수한 매트릭스를 제조할 수 있다. 이러한 코팅 성분으로는 상기 매트릭스 성분으로 사용될 수 있는 LiAlO2, Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2등을 들 수 있다.In addition, as a preferred embodiment of the present invention, it may be desirable to coat with a specific component before adding the ceramic fiber in order to prevent the composition or shape deformation of the ceramic fiber. For example, when Al 2 O 3 fibers are used for matrix reinforcement of molten carbonate fuel cells, Li 2 CO 3 in carbonate reacts with Al 2 O 3 to produce LiAlO 2 , which reduces electrolytes and changes in composition and fiber shape. The deformation can reduce the strengthening effect. Therefore, a matrix that is stable to molten carbonate and used as a matrix particle is coated on Al 2 O 3 fibers by a sol-gel method, and thus, a matrix having excellent reinforcing effect can be produced while maintaining a unique fiber shape for a long time. Such coating components include LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 and CeO 2 , which may be used as the matrix component.

이하, 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 매트릭스의 제조 방법은 첨부된 도면의 도 1에 따라 상세히 설명된다.Hereinafter, a method of manufacturing a matrix for a molten carbonate fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 of the accompanying drawings.

먼저, 고표면적 (HSA, high surface area)의 LiAlO2분말을 용매, 분산제 및 소포제와 함께 혼합하고, 이 혼합물을 1차 볼밀한다. 그 후, 결합제, 가소제, 저표면적 (LSA, low surface area)의 LiAlO2분말과 세라믹 섬유를 첨가하여 2차 볼밀하여 슬러리를 제조한다. 제조된 슬러리를 회전 증발기를 이용하여 슬러리 중의 기포를 제거함과 동시에 슬러리의 점도를 15,000∼20,000 cP사이로 조절하고, 테이프 주형 장치에서 일정한 두께 및 폭의 시트로 성형한 후 건조시켜 매트릭스용 그린 시트를 제조한다.First, a high surface area (HSA) LiAlO 2 powder is mixed with a solvent, a dispersant and an antifoaming agent and the mixture is first ball milled. Thereafter, a binder, a plasticizer, a low surface area (LSA, LiAlO 2 powder) and ceramic fibers are added to the secondary ball mill to prepare a slurry. The prepared slurry was removed by using a rotary evaporator to simultaneously control the viscosity of the slurry between 15,000 and 20,000 cP, and then formed into a sheet having a constant thickness and width in a tape molding machine, followed by drying to prepare a green sheet for the matrix. do.

본 발명에 사용되는 고표면적 LiAlO2분말은 입자 직경이 작은 분말에 해당하는 것이고, 저표면적 분말은 입자 직경이 큰 분말에 해당한다. 일반적으로 종래 매트릭스 강화 방법에는 저표면적 분말이 사용되었다. 이들 고표면적 분말 및 저표면적 분말의 성분비를 조절함으로써 매트릭스의 기공 크기와 기공율을 결정할 수 있으며 이로 인하여 전해질 함침에 대한 정도와 기체 혼합 정도가 결정된다. 즉, 거대 분말 (저표면적 분말)을 다량 첨가하면 오히려 강도가 저하될 뿐만아니라 기공 크기가 커져 전해질을 충분히 담지할 수 없게된다.The high surface area LiAlO 2 powder used in the present invention corresponds to a powder having a small particle diameter, and the low surface area powder corresponds to a powder having a large particle diameter. In general, low surface area powders have been used in conventional matrix strengthening methods. The pore size and porosity of the matrix can be determined by controlling the composition ratio of these high surface area powders and low surface area powders, thereby determining the degree of electrolyte impregnation and the degree of gas mixing. In other words, when a large amount of the large powder (low surface area powder) is added, not only the strength is lowered but also the pore size becomes large so that the electrolyte cannot be sufficiently supported.

상기 공정에서, 세라믹 섬유는 매트릭스 내의 균일한 분포 및 거대 기공 형성의 방지를 위하여 일반적으로 10 ㎛ 내지 3 mm, 바람직하게는 약 1 mm정도의 길이의 단섬유를 사용하는 것이 바람직하다.In the above process, it is preferable to use short fibers of generally 10 μm to 3 mm, preferably about 1 mm in length, for the ceramic fibers to have a uniform distribution in the matrix and to prevent macropore formation.

또한, 저표면적의 LiAlO2분말을 첨가함으로써, 전해질 용융에 의한 매트릭스내 미세균열 발생을 억제함과 동시에 MCFC용 매트릭스의 적합한 기공 크기 및 기공율을 얻을 수 있다.In addition, by adding LiAlO 2 powder having a low surface area, it is possible to suppress the occurrence of microcracks in the matrix due to melting of the electrolyte and to obtain a suitable pore size and porosity of the matrix for MCFC.

슬러리의 용매로는 톨루엔과 알콜의 혼합물이 사용되며 분산제, 소포제, 가소제, 결합제 등의 유기물을 첨가한 후 볼밀하여 안정한 슬러리가 제조될 수 있으며, 상기 성분들은 당분야에 일반적으로 사용될 수 있는 것이면 특별한 제한은 없다. 일반적으로, 분산제로는 어유, 옥수수유 등이 주로 사용되며, 소포제는 이소프로필알콜 및 2-프로판올이 가소제로는 DBP가, 결합제로는 PVB 등이 가장 널리 사용된다.As a solvent of the slurry, a mixture of toluene and alcohol is used, and after the addition of organic materials such as a dispersant, an antifoaming agent, a plasticizer, and a binder, a ball mill can be prepared to produce a stable slurry, and the components may be specially used in the art. There is no limit. Generally, fish oil, corn oil and the like are mainly used as the dispersant, and isopropyl alcohol and 2-propanol are the most widely used antifoaming agents such as DBP as the plasticizer and PVB as the binder.

본 발명에서, 결합제로는 폴리비닐 부티랄, 가소제로는 비부틸 프탈레이트, 소포제는 DAPPO-348 (San Nopco Korea), 분산제는 Solsperse-9000 (San Nopco Korea)이 사용되었다. 용매로는 톨루엔 및 에탄올의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 성분의 조성은 LiAlO2및 세라믹 섬유 100 중량부를 기준으로 할 때, 결합제 10 내지 40 중량부, 가소제 10 내지 40 중량부, 소포제 1 내지 5 중량부, 분산제 1 내지 2 중량부가 사용되고 용매는 150 내지 250 중량부로 사용될 수 있다.In the present invention, polyvinyl butyral as a binder, bibutyl phthalate as a plasticizer, DAPPO-348 (San Nopco Korea) as an antifoam, and Solsperse-9000 (San Nopco Korea) as a dispersant were used. As a solvent, a mixture of toluene and ethanol may be used. The composition is based on LiAlO 2 and 100 parts by weight of ceramic fibers, 10 to 40 parts by weight of binder, 10 to 40 parts by weight of plasticizer, 1 to 5 parts by weight of antifoaming agent, 1 to 2 parts by weight of dispersant and 150 to solvent. 250 parts by weight can be used.

상기 공정에서 테이프 주형시 일정하고 균일한 두께의 매트릭스 그린 시트를 제조하기 위하여, 슬러리내의 기포를 제거함과 동시에 점도를 조절하는 것이 바람직하다. 슬러리의 점도는 15,000∼20,000 cP의 범위가 바람직하다.In order to produce a constant and uniform thickness of the matrix green sheet during the tape casting in the process, it is preferable to remove the bubbles in the slurry and to adjust the viscosity at the same time. The viscosity of the slurry is preferably in the range of 15,000 to 20,000 cP.

본 발명의 목적 및 이점은 첨부된 도면과 함께 본 발명의 실시예를 통하여 더욱 명확하게 될 것이다.The objects and advantages of the present invention will become more apparent through the embodiments of the present invention in conjunction with the accompanying drawings.

<실시예 1><Example 1>

하기 표 1에 나타낸 조성으로, γ-LiAlO2HSA (고표면적, high surface area) 분말을 볼밀통에 넣고 용매, 분산제 및 소포제를 첨가하였다. 이 혼합물을 1일간 100 rpm의 속도로 볼밀한 후 결합제, 가소제, γ-LiAlO2LSA 분말과 α-Al2O3섬유를 첨가하여 6일간 다시 볼밀하였다. 세라믹 섬유 강화 매트릭스 제조용 단섬유로는 섬유 길이가 1, 3 또는 10 ㎜인 α-Al2O3섬유를 사용하여 비교하였다. 제조된 슬러리를 회전 증발기를 이용하여 30∼40분간 기포를 제거함과 동시에 슬러리의 점도를 15,000∼20,000 cP사이로 조절하였다. 제조된 슬러리는 폭 55 ㎝의 테이프 주형 장치에 의해 일정한 두께 및 폭의 시트로 성형하였으며 이를 건조온도 25 ℃, 상대습도 45%로 유지된 항온 항습실에서 4일간 건조시켜 매트릭스 그린 시트를 제조하였다.With the composition shown in Table 1 below, γ-LiAlO 2 HSA (high surface area) powder was placed in a ball mill and a solvent, a dispersant and an antifoaming agent were added. The mixture was ball milled at a speed of 100 rpm for 1 day and then ball milled again for 6 days by adding a binder, a plasticizer, γ-LiAlO 2 LSA powder, and α-Al 2 O 3 fibers. The short fibers for preparing the ceramic fiber reinforced matrix were compared using α-Al 2 O 3 fibers having a fiber length of 1, 3 or 10 mm. The prepared slurry was bubbled for 30 to 40 minutes using a rotary evaporator, and the viscosity of the slurry was adjusted to between 15,000 and 20,000 cP. The prepared slurry was molded into a sheet having a constant thickness and width by a tape casting device having a width of 55 cm, and dried for 4 days in a constant temperature and humidity chamber maintained at a drying temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 45% to prepare a matrix green sheet.

섬유 강화 매트릭스 그린 시트 제조를 위한 슬러리의 조성.Composition of Slurry for Fabrication of Fiber Reinforced Matrix Green Sheets. 종류Kinds 성분ingredient 중량 (g)Weight (g) 분체Powder γ-LiAlO2 γ-LiAlO 2 HSA (2 ㎛)HSA (2 μm) HSA :20LSA: 30섬유: 10HSA: 20LSA: 30 Fiber: 10 LSA (50 ㎛)LSA (50 μm) 세라믹 섬유Ceramic fiber ALMAX 섬유 (α-Al2O399.9%), 직경 10 ㎛; 1, 3, 10 ㎜ 절단ALMAX fiber (α-Al 2 O 3 99.9%), 10 μm in diameter; 1, 3, 10 mm cutting 결합제Binder PVB-B76 (폴리비닐 부티랄)PVB-B76 (polyvinyl butyral) 3535 가소제Plasticizer DBP (디부틸 프탈레이트)DBP (dibutyl phthalate) 3030 소포제Antifoam DAPPO-348DAPPO-348 2525 분산제Dispersant Solsperse-9000Solsperse-9000 22 용매menstruum 톨루엔toluene 123123 에탄올ethanol 5252

제조된 매트릭스 그린 시트의 표면에서는 일반적으로 건조시 발생할 수 있는 균열 등이 발견되지 않았으며 기포나 굵은 입자들도 보이지 않았다. 또한, 표면도 매끄러웠을 뿐만 아니라 매우 유연하였다.On the surface of the manufactured matrix green sheet, cracks that may occur during drying are not generally found, and no bubbles or coarse particles were seen. In addition, the surface was not only smooth but also very flexible.

세라믹 섬유 강화 매트릭스의 성능을 비교하기 위하여, 대조용으로 α-Al2O3섬유를 첨가하지 않은 것을 제외하고는 동일한 방법으로 종래의 매트릭스를 제조하였다. 즉, γ-LiAlO2HSA 분말 70 g을 볼밀통에 넣고 용매, 분산제 및 소포제를 첨가하였다. 이 혼합물을 1일간 100 rpm의 속도로 볼밀한 후, 결합제, 가소제, γ-LiAlO2LSA 분말 30 g을 첨가하여 6일간 다시 볼밀하였다. 용매 및 유기 첨가제의 조성과 구체적인 테이프 주형 공정은 섬유 첨가시와 동일한 조건에서 수행하였다.In order to compare the performance of the ceramic fiber reinforced matrix, a conventional matrix was prepared in the same manner except that no α-Al 2 O 3 fibers were added as a control. That is, 70 g of γ-LiAlO 2 HSA powder was placed in a ball mill and a solvent, a dispersant, and an antifoaming agent were added. The mixture was ball milled at a speed of 100 rpm for 1 day, and then ball milled again for 6 days with the addition of a binder, a plasticizer, and 30 g of γ-LiAlO 2 LSA powder. The composition of the solvent and organic additives and the specific tape casting process were carried out under the same conditions as when the fibers were added.

매트릭스 그린 시트를 실제 전지 운전 온도인 650 ℃에서 열처리한 후 수은 압입법 (mercury porosimetry)으로 기공 크기와 기공률을 측정한 결과 세라믹 섬유를 첨가한 매트릭스와 첨가하지 않은 통상의 매트릭스 모두 평균 기공 크기가 0.20∼0.30 ㎛ 범위에 존재하였으며 기공율은 55∼60% 범위를 나타내어 MCFC용으로 적합한 기공 특성을 갖는 매트릭스가 제조된 것을 확인하였다.After heat-treating the matrix green sheet at the actual battery operating temperature of 650 ° C, the pore size and porosity were measured by mercury porosimetry. It was present in the range of -0.30 ㎛ and porosity was in the range of 55 to 60% to confirm that a matrix having a pore property suitable for MCFC was prepared.

도 2는 통상의 매트릭스와 본 발명의 섬유강화 매트릭스 그린 시트를 650℃에서 열처리하여 유기 첨가제를 모두 제거한 후 주사 전자현미경으로 파단면을 촬영한 사진이다. 3 또는 10 mm 길이의 섬유를 첨가한 경우에는 매트릭스내 섬유가 균일하게 분산되어 있지 않을 뿐만 아니라 주사 전자현미경으로는 길이를 측정할 수 없을 정도로 긴 최소한 1 mm 이상 길이의 섬유가 매트릭스 내에 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 1mm 섬유 첨가 매트릭스에서는 이러한 분산의 문제점이 적으면서 섬유 길이 또한 300μm 이하로 나타났다.Figure 2 is a photograph taken of the fracture surface with a scanning electron microscope after removing all the organic additives by heat-treating the conventional matrix and the fiber-reinforced matrix green sheet of the present invention at 650 ℃. When 3 or 10 mm long fibers were added, the fibers in the matrix were not uniformly dispersed and there was at least 1 mm of fiber in the matrix that was too long to be measured by scanning electron microscopy. I could confirm it. On the other hand, in the 1 mm fiber addition matrix, the fiber length was also less than 300 μm with less dispersion problem.

매트릭스를 650℃에서 열처리한 후, 3점 꺽임강도 (3 point bending strength) 측정법에 의해 강도를 분석하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.After heat treatment of the matrix at 650 ℃, the strength was analyzed by the three-point bending strength measurement method, the results are shown in Table 2 below.

매트릭스의 꺽임 강도Bending strength of matrix 매트릭스matrix 꺽임 강도 [kgf/cm2]Bending strength [kg f / cm 2 ] 섬유없음No fiber 6.56.5 1 mm1 mm 10.210.2 3 mm3 mm 13.013.0 10 mm10 mm 16.516.5

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 종래 매트릭스는 6.5 kgf/cm2정도에불과하였으나 섬유로 강화된 매트릭스는 첨가된 섬유의 길이에 따라 10.2~16.5 kgf/cm2정도의 꺽임강도를 나타내어 세라믹 섬유 첨가후 57 ~ 250 %의 강도 개선 효과를 거둘 수 있다.As can be seen in Table 2, the conventional matrix is only about 6.5 kg f / cm 2 but the matrix reinforced with fibers exhibits a bending strength of about 10.2 ~ 16.5 kg f / cm 2 depending on the length of the added fiber After adding ceramic fiber, the strength can be improved by 57 ~ 250%.

이들 섬유 첨가 매트릭스의 단위 전지 성능 (초기 성능)을 분석한 결과 1 mm 섬유 첨가 매트릭스는 150 mA/cm2의 전류 밀도에서 0.83 V 이상으로 통상의 매트릭스와 유사한 성능을 보였으나, 3 또는 10 mm 섬유 첨가 매트릭스는 동일한 전류 밀도에서 0.7 V 이하의 낮은 값을 나타내었다. 이는 도 2에서 설명한 바와 같이 첨가된 섬유가 길수록 매트릭스내 섬유가 균일하게 분산되어 있지 않고 국부적으로 응집되어 있는 부분이 존재하므로 매트릭스내 거대 기공이 형성될 가능성이 크기 때문이라고 할 수 있다. 즉, 전지 작동 온도에서 매트릭스는 용융탄산염 전해질과 함께 유동성이 있는 페이스트 상태로 존재하는데 이러한 페이스트 내에서는 매트릭스 입자 (γ-LiAlO2및 α-Al2O3섬유)와 탄산염의 재배열이 일어나 용융탄산염의 표면 장력에 의해 크기가 작은 γ-LiAlO2입자간 응집이 일어나고, 섬유와 응집된 매트릭스 입자간에 거대 기공이 발생하여 탄산염이 채워지지 않는 기공이 존재하게 된다. 이러한 거대 기공 발생 현상은 첨가 섬유의 길이가 길고 첨가량이 많을수록 두드러진다. 매트릭스내 섬유 길이는 첨가 섬유의 길이에 비례하며, 그 길이가 길이가 길수록 탄산염-매트릭스 페이스트내에서 유동성이 작기 때문에 본 발명에서 사용한 섬유 중 3 또는 10mm 섬유 첨가의 전지 성능을 얻지 못하는 것으로 판단된다.Analysis of the unit cell performance (initial performance) of these fiber-added matrices showed that the 1 mm fiber-added matrix showed similar performance to that of the conventional matrix with 0.83 V or more at a current density of 150 mA / cm 2 , but with 3 or 10 mm fibers. The addition matrix showed low values of 0.7 V or less at the same current density. This is because, as described in FIG. 2, the longer the added fibers, the more the fibers are not uniformly dispersed in the matrix and there are locally aggregated portions, so that large pores in the matrix are more likely to be formed. In other words, at the battery operating temperature, the matrix is present as a fluidic paste with the molten carbonate electrolyte, in which the rearrangement of matrix particles (γ-LiAlO 2 and α-Al 2 O 3 fibers) and carbonate results in molten carbonate. Agglomeration between small γ-LiAlO 2 particles occurs due to the surface tension of, and large pores are generated between the fibers and the matrix particles agglomerated, so that pores that are not filled with carbonate are present. This large pore generation phenomenon is more prominent as the length of the added fiber is longer and the amount added. The fiber length in the matrix is proportional to the length of the added fiber, and the longer the length is, the less fluidity is in the carbonate-matrix paste, so it is judged that the cell performance of 3 or 10 mm fiber addition of the fibers used in the present invention is not obtained.

따라서, 열주기에 따른 전지 성능은 통상의 매트릭스와 1 mm 섬유 첨가 매트릭스를 사용하여 분석하였다. 단위전지의 구성 및 운전 조건은 하기 표 3에 나타내었으며, 열주기 (냉각 및 재승온) 조건은 도 3에 나타낸 바와 같이 수행하였다. 즉, 650℃의 운전온도에서 0.5℃/분의 속도로 300℃까지 냉각한 후 그 온도에서 1시간 유지하였다. 재승온시에는 450℃까지 0.5℃/분, 550℃까지 0.17℃/분으로 승온시킨후 최종 전지 작동 온도인 650℃까지 0.33℃/분으로 승온시켜 열주기 전후의 전지 성능 변화를 분석하였으며 이 과정을 20회 반복하였다. 냉각 및 재승온시에도 표 3에 나타낸 것과 동일한 조성의 기체를 공급하였다.Therefore, cell performance over heat cycle was analyzed using a conventional matrix and a 1 mm fiber addition matrix. The configuration and operating conditions of the unit cell are shown in Table 3 below, and the heat cycle (cooling and reheating) conditions were performed as shown in FIG. 3. That is, after cooling to 300 ° C at a rate of 0.5 ° C / min at an operating temperature of 650 ° C and maintained at that temperature for 1 hour. At the time of re-heating, the temperature of 0.5 ℃ / min up to 450 ℃ and 0.17 ℃ / min up to 550 ℃ was raised to 0.33 ℃ / min up to 650 ℃, which was the final battery operating temperature. Was repeated 20 times. The gas of the same composition as shown in Table 3 was supplied also at the time of cooling and reheating.

단위전지의 구성 및 운전조건Unit Battery Configuration and Operation Conditions 애노드Anode Ni-10% CrNi-10% Cr 매트릭스matrix 섬유 첨가 γ-LiAlO2또는 섬유 무첨가 γ-LiAlO2 Γ-LiAlO 2 with fiber or γ-LiAlO 2 without fiber 캐소드Cathode NiONiO 전해질Electrolyte 70 Li2CO3/30 K2CO3 70 Li 2 CO 3/30 K 2 CO 3 연료fuel 72% H2/18% H2/10% H2O72% H 2 /18% H 2 /10% H 2 O 산화제Oxidant 70% 공기/30% CO2 70% Air / 30% CO 2 온도Temperature 650℃650 ℃

도 4는 본 발명에서 제조한 1 mm 섬유 첨가 매트릭스와 통상의 매트릭스의 열주기에 따른 전지 성능 변화를 나타낸다. 20회의 열주기까지 통상의 매트릭스와 본 발명에서 제조한 매트릭스간의 전지 성능 차이는 발견할 수 없었으나 매트릭스 균열 발생에 의한 반응 기체 혼합 척도인 연료극 (애노드) 출구 가스내 질소 농도는 섬유 첨가 매트릭스의 경우가 더 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 20회 열주기 후 650℃에서 연속 운전을 수행한 결과 통상의 매트릭스는 600시간 경과후 급격한 성능 저하가 나타났으나, 섬유 첨가 매트릭스에서는 초기 성능을 1500시간 이상 유지하였다.Figure 4 shows the change in battery performance according to the heat cycle of the 1 mm fiber addition matrix and the conventional matrix prepared in the present invention. The cell performance difference between the conventional matrix and the matrix prepared by the present invention up to 20 heat cycles was not found, but the nitrogen concentration in the anode (anode) outlet gas, which is a measure of reaction gas mixing due to matrix cracking, was found to be the case of the fiber-added matrix. It can be seen that is lower. In addition, as a result of continuous operation at 650 ° C. after 20 heat cycles, the normal matrix showed a sharp decrease in performance after 600 hours, but the initial performance was maintained for 1500 hours or longer in the fiber-added matrix.

이와 같이 동일한 운전 조건에서 섬유 첨가 매트릭스를 장착한 전지의 장기 운전이 가능한 이유는 통상의 매트릭스에 비해 반응 기체의 혼합 정도가 작기 때문에, 전극 특히 연료극의 산화에 의한 성능 저하 현상이 억제될 수 있을 뿐만 아니라 매트릭스에 발생한 균열이 적어서 전해질 담지량이 높기 때문으로 생각된다. 따라서, 본 발명의 목적에 부합하는 고강도 매트릭스, 즉 통상의 매트릭스에 비해 기계적 강도 뿐만 아니라 열주기에 의한 전지 성능 저하가 적은 매트릭스를 제조할 수 있었다.The reason for the long term operation of the cell equipped with the fiber-added matrix under the same operating conditions is that the reaction gas mixture is smaller than that of the conventional matrix, so that the performance deterioration due to oxidation of the electrode, especially the anode, can be suppressed. Rather, it is believed that the amount of electrolyte support is high due to the small cracks in the matrix. Therefore, it was possible to produce a high-strength matrix that meets the object of the present invention, i.e., a matrix having lower mechanical performance as well as a decrease in battery performance due to thermal cycles as compared with a conventional matrix.

<실시예 2><Example 2>

실시예 1에서 사용된 α-Al2O3세라믹 섬유 외에 γ-LiAlO2, β-LiAlO2, α-LiAlO2, Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2등의 세라믹 섬유를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1의 방법과 동일한 방법을 수행하였다. 그 결과, α-Al2O3세라믹 섬유를 첨가한 실시예 1의 경우와 유사한 강도 및 성능을 얻을 수 있었다.Γ-LiAlO 2 , β-LiAlO 2 , α-LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 and CeO 2 in addition to the α-Al 2 O 3 ceramic fibers used in Example 1 The same method as in Example 1 was carried out except that ceramic fibers such as and the like were used. As a result, strength and performance similar to those in Example 1 in which α-Al 2 O 3 ceramic fibers were added were obtained.

<실시예 3><Example 3>

연료전지용 매트릭스를 제조하기 위하여, 표면에 LiAlO2이 코팅된 1mm 길이의 α-Al2O3를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법을 수행하였다.α-Al2O3의 표면에 LiAlO2을 코팅하는 공정은 도 5에 나타내었다. 코팅용 졸로는 욜다스 법 (B. E. Yoldas, "Alumina Sol Preparation from Alkoxides" Am. Ceram, Soc. Bull, 54 (3), 289-290 (1975))에 의해 제조된 0.05M 농도의 보에마이트 (AlOOH) 졸에 LiNO3염을 녹여서 사용하였으며, 코팅 후 열처리시 Li의 증발을 고려하여 Li/Al 몰비는 1.2로 고정하였다. 염 첨가후에 1M 농도의 HNO3수용액을 첨가하여 코팅용 졸의 pH를 4 내지 5로 조절하였다. α-Al2O3와 보에마이트의 pH에 따른 제타 전위를 나타낸 도 6에서 알 수 있는 바와 같이 순수한 α-Al2O3의 등전점 (isoelectric point)은 약 6인 반면에 보에마이트 졸 입자의 등전점은 9 정도로서 정전기적 인력에 의한 코팅을 이루기 위해서는 졸의 pH가 6~9의 범위여야 한다. 그러나, pH 6~9의 범위에서는 안정한 보에마이트 졸의 제조가 불가능하므로 보에마이트 졸이 가장 안정한 pH 4~5의 영역에서 α-Al2O3의 표면전하가 음의 값을 갖도록 코팅전에 α-Al2O3표면을 처리하였다. 즉, 코팅용 졸의 4 내지 5의 pH 범위에서는 졸 입자 및 Li+이온과 마찬가지로 순수한 α-Al2O3의 표면 전하 역시 양의 값을 갖게 되므로 정전기적인 반발력에 의해 코팅 자체가 어렵게 된다. 그러나, 도 5에 나타낸 공정에서, 복합 전해질 (polyelectrolyte) 수용액으로 α-Al2O3를 표면 처리하면 α-Al2O3의 표면 전하가 음으로 바뀌게 되어 정전기적 인력에 의해 졸 입자와Li+이온의 표면 코팅이 가능하게 된다. 따라서, 암모늄 폴리메타크릴레이트 1% 수용액에 섬유를 10분 동안 담근 후 꺼내어 100℃에서 30분간 건조하여 표면 처리를 수행하였다. 표면 처리된 섬유를 10분간 혼합 졸 내에서 코팅한 후 100 ℃에서 1시간 동안 건조하고, 이러한 표면처리-코팅 공정을 2회 반복하였다. 코팅된 섬유를 800 ℃에서 2시간 열처리하여 최종 LiAlO2로 코팅된 α-Al2O3섬유를 제조하였다.For the production of a fuel cell matrix was, and performs the same operation as in Example 1 except that the α-Al 2 O 3 coating on the surface of a LiAlO 2 1mm in length on the surface of the .α-Al 2 O 3 The process of coating LiAlO 2 is shown in FIG. 5. Coating solos are 0.05M concentrations of boehmite (BE Yoldas, "Alumina Sol Preparation from Alkoxides" Am. Ceram, Soc. Bull, 54 (3), 289-290 (1975)). LiOO 3 ) was dissolved in LiNO 3 sol, and the Li / Al molar ratio was fixed at 1.2 in consideration of the evaporation of Li during heat treatment after coating. After the addition of the salt, the pH of the coating sol was adjusted to 4-5 by adding 1M aqueous HNO 3 solution. As can be seen in FIG. 6, which shows zeta potential according to pH of α-Al 2 O 3 and boehmite, the isoelectric point of pure α-Al 2 O 3 is about 6, whereas the boehmite sol particles The isoelectric point of is about 9 and the pH of the sol should be in the range of 6-9 to achieve the coating by electrostatic attraction. However, it is impossible to prepare a stable boehmite sol in the range of pH 6-9, so that the surface charge of α-Al 2 O 3 is negative in the range of pH 4-5 where the boehmite sol is most stable. α-Al 2 O 3 surface was treated. That is, in the pH range of 4 to 5 of the coating sol, since the surface charge of pure α-Al 2 O 3 , like the sol particles and Li + ions, also has a positive value, the coating itself becomes difficult due to electrostatic repulsive force. However, in the process shown in FIG. 5, surface treatment of α-Al 2 O 3 with a polyelectrolyte aqueous solution changes the surface charge of α-Al 2 O 3 to a negative value, which causes sol particles and Li + Surface coating of ions is possible. Therefore, the fiber was immersed in an aqueous solution of ammonium polymethacrylate 1% for 10 minutes, taken out, dried at 100 ° C. for 30 minutes, and subjected to surface treatment. The surface treated fibers were coated in a mixed sol for 10 minutes and then dried at 100 ° C. for 1 hour, and this surface treatment-coating process was repeated twice. The coated fibers were heat-treated at 800 ° C. for 2 hours to prepare α-Al 2 O 3 fibers coated with final LiAlO 2 .

상기 제조된 LiAlO2로 코팅된 α-Al2O3섬유를 사용하여 실시예 1에서와 동일한 테이프 주형 공정으로 매트릭스 그린 시트를 제조한 후 전지의 성능을 분석하였다. 그 결과, 실시예 1의 1 mm 섬유 첨가시와 거의 동일한 전지 초기 성능과 열 주기 특성을 얻을 수 있었다. 따라서, 실시예 1에서와 동일하게 본 실시예의 LiAlO2로 코팅된 α-Al2O3섬유 첨가 매트릭스 역시 기계적 강도 가 우수할 뿐만 아니라 열주기에 의한 전지 성능 저하가 적다는 것을 확인하였다. 특히, 용융 탄산염에 화학적으로 안정한 LiAlO2가 표면에 코팅되어 있기 때문에 실시예 1의 순수한 α-Al2O3섬유로 강화된 경우보다 장시간 강화 효과를 지속할 수 있을 뿐만아니라 섬유와 전해질의 반응에 의한 전해질 소모를 피할 수 있으므로 MCFC의 안정적인 장기 성능을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.The performance of the cell was analyzed after the matrix green sheet was prepared by the same tape casting process as in Example 1 using the prepared Al-Al 2 O 3 fibers coated with LiAlO 2 . As a result, almost the same battery initial performance and heat cycle characteristics as those of 1 mm fiber addition of Example 1 were obtained. Therefore, as in Example 1, it was confirmed that the α-Al 2 O 3 fiber-added matrix coated with LiAlO 2 of this example also had excellent mechanical strength and reduced battery performance due to heat cycle. Particularly, since LiAlO 2, which is chemically stable to molten carbonate, is coated on the surface, the reinforcing effect can be maintained for a longer time than when reinforced with pure α-Al 2 O 3 fibers of Example 1, and the reaction between the fiber and the electrolyte It is thought that stable long-term performance of MCFC can be expected since electrolyte consumption can be avoided.

또한, 본 실시예에서 α-Al2O3섬유 코팅에 사용한 졸-겔 코팅법은 액상 코팅 공정이므로 상온 및 상압에서 연속적으로 대량 코팅이 가능하며 공정이 매우 간단하여 고가의 장비가 불필요하므로 그 적용 분야 또한 크다고 할 수 있다.In addition, since the sol-gel coating method used for the α-Al 2 O 3 fiber coating in the present embodiment is a liquid coating process, it is possible to continuously apply a large amount of coating at room temperature and atmospheric pressure, and the process is very simple, which requires no expensive equipment. The field is also large.

<실시예 4><Example 4>

코팅 물질로서 실시예 3에서 사용된 LiAlO2이외에 Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2등을 사용한 결과 실시예 3과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.As a coating material, Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 , CeO 2 , and the like, in addition to LiAlO 2 used in Example 3, resulted in similar results as in Example 3.

본 발명은 통상적인 용융탄산염 연료전지용 매트릭스를 강화하기 위하여 순수한 α-Al2O3류의 단섬유나 LiAlO2등으로 코팅된 α-Al2O3류의 단섬유를 매트릭스 그린 시트 제조시의 슬러리 제조 공정에 첨가함으로써, 통상의 매트릭스에 비해 고강도이며, 열주기 후 매트릭스 균열 발생에 의한 반응 기체의 혼합 억제 효과가 우수한 MCFC용 매트릭스를 제조할 수 있다.In order to reinforce the matrix for a conventional molten carbonate fuel cell, the present invention is a slurry for producing a matrix green sheet of α-Al 2 O 3 monofilament coated with pure α-Al 2 O 3 monofilament or LiAlO 2 . By adding to the manufacturing process, it is possible to produce a matrix for MCFC that has a higher strength than a normal matrix and has an excellent effect of suppressing the mixing of the reaction gas due to matrix crack generation after a heat cycle.

Claims (9)

a) 직경 5 ㎛ 이하의 고표면적 LiAlO2와 직경 10 ㎛ 이상의 저표면적 LiAlO2의 혼합물인 LiAlO2분말, 분산제, 소포제 및 용매를 혼합하고 볼밀하여 슬러리를 제조하는 단계,a) preparing a slurry by mixing and ball milling LiAlO 2 powder, a dispersant, an antifoaming agent and a solvent, which is a mixture of high surface area LiAlO 2 having a diameter of 5 μm or less and low surface area LiAlO 2 having a diameter of 10 μm or more, b) 제조된 슬러리에 결합제, 가소제 및 직경이 0.3 내지 30 ㎛이고 길이가 10 ㎛ 내지 3 mm이하인 세라믹 섬유를 첨가하여 혼합하고, 볼밀하는 단계,b) adding and mixing a binder, a plasticizer, and ceramic fibers having a diameter of 0.3 to 30 µm and a length of 10 µm to 3 mm or less to the slurry thus prepared, and ball milling, c) 단계 b)의 슬러리를 탈기하는 단계, 및c) degassing the slurry of step b), and d) 탈기된 슬러리를 테이프 캐스팅하여 성형한 후 건조하는 단계d) forming the degassed slurry by tape casting followed by drying 를 포함하며,Including; 여기서, 상기 저표면적 LiAlO2의 함량은 LiAlO2혼합 분말과 상기 세라믹 섬유의 합계 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 30 중량부이고, 상기 세라믹 섬유는 상기 LiAlO2혼합 분말과 이 세라믹 섬유의 합계 100 중량부를 기준으로 하여 5~20 중량부로 사용되고 α-Al2O3, γ-LiAlO2, β-LiAlO2, α-LiAlO2, Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2로 구성된 군으로부터 선택된 것인 용융탄산염 연료전지용 매트릭스의 제조 방법.Here, the content of the low surface area LiAlO 2 is 10 to 30 parts by weight based on a total of 100 parts by weight of the LiAlO 2 mixed powder and the ceramic fiber, the ceramic fiber is a total of 100 weight of the LiAlO 2 mixed powder and the ceramic fiber 5 to 20 parts by weight based on parts and used α-Al 2 O 3 , γ-LiAlO 2 , β-LiAlO 2 , α-LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3 and A method for producing a matrix for molten carbonate fuel cells, which is selected from the group consisting of CeO 2 . 제1항에 있어서, 상기 LiAlO2분말이 γ-LiAlO2, β-LiAlO2및 α-Al2O3로 이루어지는 군으로 부터 선택되는 방법.The method of claim 1, wherein the LiAlO 2 powder is selected from the group consisting of γ-LiAlO 2 , β-LiAlO 2 and α-Al 2 O 3 . 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 분말 및 섬유 100 중량부를 기준으로 하여, 결합제 10 내지 40 중량부, 가소제 10 내지 40 중량부, 소포제 1 내지 5 중량부, 분산제 1 내지 2 중량부, 및 용매 150 내지 250 중량부가 사용되는 방법.According to claim 1, 10 to 40 parts by weight of the binder, 10 to 40 parts by weight of plasticizer, 1 to 5 parts by weight of antifoaming agent, 1 to 2 parts by weight of dispersant, and 150 to 250 parts by weight of solvent based on 100 parts by weight of powder and fiber The method used additionally. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 섬유를 첨가하기 전에 표면을 LiAlO2, Li2ZrO3, 이트리아 안정화된 ZrO2, LiTaO3, LiNbO3및 CeO2으로부터 선택된 성분으로 코팅하는 방법.The method of claim 1, wherein the surface is coated with a component selected from LiAlO 2 , Li 2 ZrO 3 , yttria stabilized ZrO 2 , LiTaO 3 , LiNbO 3, and CeO 2 before adding the ceramic fiber. 제7항에 있어서, 세라믹 섬유 표면이 암모늄 폴리메타크릴레이트 등의 복합 전해질로 처리된 후 코팅되는 방법.8. The method of claim 7, wherein the ceramic fiber surface is coated after being treated with a composite electrolyte such as ammonium polymethacrylate. 제1항, 제2항 및 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 따라 제조된 용융탄산염 연료전지용 매트릭스.A matrix for a molten carbonate fuel cell prepared according to the method according to any one of claims 1, 2 and 6 to 8.
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