KR101198851B1 - 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법 - Google Patents

전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC)용 전극의 제조방법에 대한 것으로서, 특히 공기극(cathode)을 제조하는 방법에 대한 것이다. 본 발명에 의한 전극의 제조방법은 공정이 단순하고 비용이 저렴할 뿐만 아니라 전극 제조의 수율을 향상시킬 수 있어, 특히 대면적 전극의 제조에 유리하다.

Description

전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING AN ELECTROLYTE-FILLED ELECTRODE FOR A MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}
본 발명은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; MCFC)용 전극의 제조방법에 대한 것으로서, 단위전지의 전극이 필요로 하는 전해질을 미리 함침시켜 전극을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 제조방법은 특히 공기극(cathode)을 제조에 적절한 방법이다.
연료전지는 탄화수소계 혹은 수소 연료의 화학에너지를 전기에너지로 전기화학적으로 변환시켜 전기를 생산하는 장치로서, 연료극인 애노드(anode), 공기극인 캐소드(cathode) 및 전해질 매트릭스(electrolyte matrix)를 포함한다.
이러한 연료전지는 운전온도와 전해질의 종류 등에 따라, 알칼리 연료전지(Alkaline fuel cell, AFC), 인산염 연료전지(Phosphoric acid fuel cell; PAFC), 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC), 용융탄산염 연료전지(Molten carbonate fuel cell; MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell; SOFC), 직접메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell; DMFC) 등으로 분류된다.
일반적으로 용융탄산염 연료전지는 아래와 같은 수소 산화반응과 산소 환원반응을 이용하여 전기를 생산한다.
2H2 + 2CO3 2- →2H2O + 2CO2 + 4e- (연료극 산화반응)
O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO3 2 - (공기극 환원반응)
이러한 연료전지에서 상기 연료극으로는 연료가스(통상 수소)가 주입되어 산화되면서 전자를 생산하며, 상기 생산된 전자는 외부회로를 통하여 공기극쪽으로 흐르게 된다. 한편, 공기극으로는 공기(산소)가 이산화탄소와 함께 공급되는데, 상기 이산화탄소는 외부 회로를 경유하여 공급되는 전자를 소모하면서 카보네이트 이온(CO3 2-)이 된다. 상기 카보네이트 이온은 연료극과 공기극 사이에 존재하는 전해질 매트릭스를 통하여 공기극에서 연료극으로 이동된다.
이와 같이, 용융탄산염 연료전지는 크게 연료극, 전해질 매트릭스 및 공기극으로 구분되는데, 전해질 매트릭스 내에는 전해질이 함침되어 있으며, 또한 이온의 흐름을 원활하게 하기 위하여 연료극과 공기극에도 적정한 양의 전해질이 분포되어 있어야 한다.
이를 위한 종래의 방법으로서, 전해질 매트릭스와 연료극 및 전해질 매트릭스와 공기극 사이에 전해질 시트를 삽입하여 연료전지 스택을 형성하고, 전처리 과정에서 상기 전해질을 용융시켜 각각의 구성요소로 전해질이 분산되도록 하는 방법이 있다.
그런데, 필요한 용량의 연료전지를 제조하기 위해서는 통상적으로 단위전지를 수십 내지 수백장 쌓아서 스택을 형성하게 된다. 이러한 스택의 형성과정에서 상기와 같이 전극과 전해질 매트릭스 사이에 별도의 전해질 시트를 삽입하게 되면 삽입된 전해질 시트의 부피만큼 공간이 소요되어 한정된 스택의 공간에서 수용할 수 있는 단위전지의 수가 적어진다. 한편, 상기 전해질 시트에 균일한 면압이 가해지지 않을 경우 전해질 시트가 용융될 때 용융된 전해질이 단위전지 외부로 밀려나가 전해질의 손실이 생길 수 있고 불균형한 용융으로 인하여 셀 내 온도차이가 발생하여 전극에 스트레스를 줄 수도 있다.
이러한 단점을 해결하기 위하여, 전극을 제조한 후 전극에 형성된 기공에 전해질을 함침시킨 후 스택에 적층하는 방법이 개발되었다. 예를 들어, 한국특허공개 2008-0063105호 및 2008-0061123호에는 전해질 슬러리를 만들어서 이를 전극(예컨대 공기극)에 직접 코팅 및 건조한 후 열처리를 하는 방법 또는 전해질 시트를 전극(예컨대 공기극) 위에 배치한 후 열처리를 하는 방법에 의하여 전극의 기공에 전해질을 함침시키는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 상기 방법의 경우 전극의 제조단계에서 열처리를 하고 다시 전해질의 함침단계에서도 열처리를 하게 되어 두 번의 열처리 과정을 거치게 된다. 즉, 먼저, 전극 슬러리를 이용하는 테이프 캐스팅 등의 방법에 따라 전극시트를 제조하고, 상기 전극시트를 환원분위기에서 열처리하여 전극시트에 포함되었던 유기물을 열분해시켜 다공성 전극을 형성한다. 아울러 상기 열처리된 전극 위에 전해질 시트나 전해질 파우더 등을 배치한 후 다시 열처리를 하여 전해질을 공융점 이상의 용융시켜 전극에 전해질을 함침시킨다. 이러한 방법은 전극 슬러리제조, 테이프 캐스팅, 전해질 시트 제조, 2회 이상의 열처리를 거치기 때문에 비용과 시간이 많이 소요되고, 또한 여러번의 공정을 거치기 때문에 수율이 낮다.
이에 본 발명에서는 전극에 함침되는 전해질의 함침율을 높이면서도 제조 공정이 간단한, 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하고자 한다.
따라서 본 발명의 목적은 제조 공정이 간단한, 전해질이 함침된 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 방법으로, 그리고 조비용과 제조시간이 적게 소요되는 용융탄산염 연료전지용 대면적 전극을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 연료전지용 공기극을 제조하는 방법 및 상기 방법으로 제조된 용융탄산염 연료전지용 공기극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 금속분말, 전해질 및 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 전극기재(110)를 준비하는 단계; 및 상기 슬러리를 상기 전극기재(110)에 도포하여 전극활성층(120)을 형성하는 단계;를 포함하고, 고, 상기 슬러리를 전극기재(110)에 도포하는 방법은 스프레이 방법인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극(100)의 제조방법을 제공한다.
상기와 같은 스프레이 방법을 적용할 경우 제조공정이 간단해지고 또한 대면적의 전극의 제조에 용이하다. 즉, 스프레이 방법으로 슬러리를 도포할 경우 넓은 면적에 슬러리를 균일하게 도포하는 것이 가능하기 때문에 대면적 전극의 제조에 유리하며 제조공정도 간단해진다.
본 발명의 일례에 따르면 상기 전극은 공기극이다. 따라서 본 발명은 용융탄산염 연료전지용 공기극의 제조방법을 제공한다.
삭제
본 발명에 의하면, 종래 전극의 제조공정에 포함되던 테이프 캐스팅 공정 및 전해질 함침 전 전극시트 열처리 공정을 거치지 않는다는 장점이 있다. 종래와 같이 전극 함침전에 전극을 열처리하는 공정을 거치게 되면 전극이 세라믹처럼 부서지기 쉬운(brittle) 상태가 되어 재단, 이송, 적층 중에 파손 등의 문제점이 있지만, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점이 없다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 슬러리를 전극기재에 도포한 후 건조하는 과정을 거칠 수 있는데, 예를 들면, 상기 슬러리가 도포된 전극기재를 50℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조시킬 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 전극기재(110)의 표면에 다공성 금속막(130)을 배치한 후 슬러리를 도포하여 다공성 금속막(130)에 의한 지지층이 형성된 전극을 제조할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 일례에 의하면, 상기 슬러리를 전극기재에 도포한 후, 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 예를 들면, 슬러리가 코팅된 전극기재를 500℃로 승온 후, 850℃까지 0.2℃/min 내지 5℃/min의 속도로 승온하는 단계를 포함하는 방법이 가능하다. 본 발명의 일례에 의하면, 상기 열처리는, 상기 제조된 전극을 스택에 장착하여 연료전지를 제조한 후 연료전지의 전처리 과정에서 이루어질 수도 있다.
본 발명에 의하면, 상기 열처리 후 상기 전극에 형성된 기공에 전해질이 함침되는데, 전해질의 함침율은 전극 기공 부피의 75 내지 99% 정도까지 가능하다.
본 발명에 의하면, 종래 전극의 제조공정에 포함되던 테이프 캐스팅 공정과 전해질 함침전 시트 열처리 공정을 거치지 않기 때문에, 전극의 공정이 단순해지고 비용이 저렴해진다. 종래의 경우, 열처리에 의하여 전극을 제조하고 다시 열처리에 의한 전해질 함침 공정을 거치게 되는데, 이때 전극이 세라믹처럼 깨지기 쉬운(brittle) 상태가 되어 재단, 이송, 적층 중에 파손되기 쉬워 상대적으로 높은 수율을 얻을 수 없었지만 본 발명에서는 상기와 같은 문제점이 없다.
종래, 전극에 전해질을 공급하기 위하여 전해질 시트를 사용하는 방법의 경우, 전해질 용융에 따른 스택 높이변화가 발생하고 불균일한 면압분포를 유발하여 스택의 기계적 불안정성이 증가되는 문제점이 있었으나, 본 발명에 의할 경우 별도의 전해질 시트를 사용하지 않아 전해질 시트의 용융시에 발생하는 연료전지 스택의 높이변화를 방지할 수 있으며, 그 결과 균일한 면압분포를 얻을 수 있게 되어 전지의 기계적인 안정성을 확보할 수가 있다. 또한 전극의 제조 단계에서 전해질이 전극활성물질인 금속입자와 함께 분산되어 있기 때문에 전해질이 전극 내에 고르게 분산되게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조과정을 개략적으로 보여주는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일례로 제조된 전극의 기공크기 분포 및 전해질 함침 분포를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일례에 의한 용융탄산염 연료전지용 전극의 일례를 도식적으로 표시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일례에 의한 용융탄산염 연료전지용 전극의 일례를 도식적으로 표시한 개념도이다.
본 발명은, 금속분말, 전해질 및 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 전극기재(110)를 준비하는 단계; 및 상기 슬러리를 상기 전극기재에 도포하여 전극활성층(120)을 형성하는 단계;를 포함하는 용융탄산염 연료전지용 전극(100)의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 전극은 공기극이다. 본 발명에 따른 상기 전극의 제조방법은 연료극의 제조에도 적용될 수 있을 것이다.
본 발명의 일례에 따르면 상기 전해질은 용융되지 않은 고체상태 전해질로서 입자상태의 전해질이다.
본 발명의 일례에 의하면, 상기 슬러리에 포함되는 전해질의 함량은 상기 슬러리에 포함되는 금속분말 100 중량부에 대하여 10 내지 150 중량부 만큼 포함되는 것이 가능하다. 상기 전해질의 함량은 상기 함량범위 내에서 연료전지의 용도 및 규격 등에 따라 당업자가 적의하게 선택할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 전해질은 탄산리튬(lithium carbonate), 탄산칼륨(potassium carbonate) 및 탄산나트륨(sodium carbonate)에서 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 전해질은, Rb, Cs, Mg, Sr, Gd, Ba 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 금속의 탄산염(carbonate)을 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 전해질은 탄산리튬, 탄산칼륨 및 탄산나트륨에서 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하고, 아울러 Rb, Cs, Mg, Sr, Gd, Ba 및 Ca로 이루어진 군에서 선택된 금속의 탄산염(carbonate)을 적어도 1종을 더 포함할 수도 있다.
본 발명에서 상기 슬러리에 포함되는 금속분말은 전극활성물질로 작용한다. 이러한 금속분말로서, 예를 들어, 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄 및 이들의 합금으로 된 분말이 있다. 즉, 상기 금속분말로서, 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 사용할 수 있다.
본 발명의 일례에 의하면, 상기 금속분말로서 니켈분말을 사용할 수 있다.
본 발명의 일례에 의하면, 상기 금속분말은 입자표면이 전해질로 코팅되어 있는 것을 사용할 수도 있다.
본 발명의 일례에 의하면, 상기 슬러리는 금속분말, 전해질 및 용매 이외에, 바인더, 가소제 및 소포제 중 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일례에 의하면, 상기 용매의 함량은 상기 금속분말 100 중량부에 대하여 30 내지 1000 중량부로 할 수 있다. 상기 용매의 함량은 슬러리의 도포 방법에 따라 달라질 수 있다. 스크린 코팅이나, 롤러를 이용한 코팅 등의 경우 용매의 함량이 낮아 슬러리가 고점도 상태여도 무방할 것이다. 반면, 스프레이 코팅의 경우에는 스프레이 분산을 위하여 슬러리에 용매가 상대적으로 많이 포함된 저점도 상태일 것이다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 슬러리를 전극기재(110)에 도포하는 방법으로서 스프레이 방법을 적용할 수 있다.
이러한 방법의 일례로서 도 1에서 그 공정을 도식적으로 표시하였다. 도 1은 스프레이 방법에 의하여 전극을 제조하는 방법의 일례로 나타낸 것으로서, 상기 슬러리는 슬러리 보관 탱크(10)에 보관되며, 슬러리 토출밸브(20)를 거쳐 노즐부(30)를 통하여 스프레이 분사된다.
상기 슬러리는, 본 발명의 일례에 따르면, 니켈입자와 같은 전극활성용 금속입자 및 전해질 입자를 용매에 첨가하고, 바인더 등의 유기물질을 혼합한 후, 이들이 고르게 분산되도록 혼합하는 과정을 거쳐 제조될 수 있다. 상기 제조된 슬러리는 스프레이 방식에 의해 흑연판과 같은 전극기재(110)에 도포된다. 이때 도포되는 슬러리의 두께가 일정하도록 하는 것이 중요하다.
상기 슬러리 제조시 혼합되는 전해질로는, 예를 들어, 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3)의 공정염(eutectics), 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산나트륨(Na2CO3)의 공정염(eutectics) 등이 있다. 이때 첨가되는 전해질은 전지가 작동하기에 필요한 만큼의 양을 계산하여 첨가된다.
한편, 금속분말과 전해질 입자는 밀도 차이가 크기 때문에, 볼밀링(ball - milling) 방법으로 혼합하는 것이 유용하다. 볼밀링 시간이 길어질 경우 전해질과 금속분말 입자가 지나치게 미세하게 분쇄되어 전극 제조 후 기공의 크기가 작아지는 문제점이 발생할 수도 있으므로 밀링 시간은 조성에 따라 30분 ~ 5시간 이내로 비교적 짧도록 한다. 상기 슬러리를 만드는 공정은 테이프 캐스팅 공정을 적용하는 경우와 유사하나, 슬러리가 시트 형태를 유지할 필요가 없으므로 바인더 등과 같은 유기물의 양은 테이프 캐스팅용 슬러리를 제조할 때보다 적게 하여도 무방하다.
전극 제조용 슬러리에 함유된 바인더 등의 유기물이 많을 경우, 열처리시 유기물의 발열 때문에 온도제어가 어렵다는 문제점이 있다. 특히, 전극을 스택에 장착한 후 열처리를 하는 경우에는, 스택을 작동온도까지 승온시키는 전처리 과정에서 유기물의 발열 때문에 스택의 온도제어가 어렵다는 문제점이 있다. 따라서, 바인더 등의 유기물의 양은 필요한 만큼만 사용하여야 한다.
상기 도 1과 같은 스프레이 방법의 경우 그 공정이 간단하며 대면적의 전극을 제조에 유리하다. 스프레이 방법으로 슬러리를 도포할 경우 넓은 면적에 슬러리를 균일하게 도포하는 것이 가능하기 때문이다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 전극기재(110)로서 흑연 지지대를 사용할 수 있다. 상기 흑연 지지대는 공기극의 제조에 유용하다.
즉, 상기 제조된 슬러리를 흑연판에 분무한다. 이 때 흑연판이 건조부(40)를 거치도록 하여 50~80℃ 정도의 온도로 가열되도록 하는 것이 좋다. 이는 상기 슬러리의 건조 속도를 증가시키기 위한 것인데, 온도가 너무 높을 경우 용매의 휘발이 너무 빨라 표면에 큰 기공이 생길 수 있으므로 온도는 용매의 종류와 공기극의 두께에 따라 조절하여야 한다. 슬러리 분무 단계에서 공기압을 이용하여 분무할 수 있는데, 분무 압력, 분무 진행 속도, 슬러리 점도 등을 조절하여 전극의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 슬러리를 전극기재에 도포하는 단계 후에, 상기 슬러리가 도포된 전극기재를 50℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이를 위하여 도 1에 도시된 건조부(40)가 이용될 수 있다. 상기 건조를 거친 후 제조된 전극을 스택에 장착할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 슬러리를 전극기재에 도포하는 단계 후, 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 상기 슬러리를 상기 전극기재(110)에 도포하여 전극활성층(120)을 형성하여 이루어진 전극(100)을 스택에 장착하기 전에 할 수도 있고, 스택에 장착한 후에 할 수도 있다.
전극을 스택에 장착하기 전에 열처리를 한 경우라면, 상기 열처리된 전극을 스택에 장착함으로써 연료전지를 완성할 수 있다.
한편, 상기 열처리 전에 전극을 스택에 장착한 경우에는, 연료전지의 전처리 과정에서 열처리가 이루어질 것이다(in-situ).
본 발명의 일례에 따르면, 상기 열처리는, 500℃로 승온 후, 850℃까지 0.2℃/min 내지 5℃/min의 속도로 승온하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 열처리 후 상기 전극의 공극률은 전해질을 제외하고 70 내지 90 부피%인 것이 가능하다. 상기와 같은 범위의 공극률을 가질 경우 전극으로의 가스의 유입과 유출이 용이하고, 또한 전해질의 함침에도 적절하다.
상기 열처리 후 상기 전극에 형성된 기공에 전해질이 함침되며, 전해질의 함침율은 공기극 기공 부피의 70 내지 99％인 것이 가능하다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 전극기재를 준비하는 단계 후에, 상기 전극기재의 표면에 다공성 금속막(130)을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 다공성 금속막은 전극의 강도를 높여주는 지지체 역할을 한다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 다공성 금속막(130)은 당업자의 필요에 따라 적절한 것을 선택할 수 있는데, 예를 들어, 금속 폼(metal foam) 또는 금속 메시(metal mesh) 형태의 다공성 금속막을 사용할 수 있다. 본 발명의 일례에 따르면, 상기 다공성 금속막은 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄 및 이들의 합금 중 어느 하나에 의하여 형성된 것이 가능하다.
본 발명의 일례에 따르면, 상기 다공성 금속막에는 기공이 형성되어 있으며, 상기 기공의 크기는 직경 10 내지 70㎛인 것이 가능하다.
상기 다공성 금속막은 특히, 슬러리를 전극기재(110)에 도포하여 전극활성층(120)을 형성한 후 열처리를 하지 않고 전극을 스택에 장착하는 경우 전극을 지지하는 데에 유용하다. 즉, 전극을 열처리 하지 않고 직접 스택에 적층하는 인-시추 (In-situ) 방식에서 전극의 강도를 높일 수 있다. 종래의 테이프 캐스팅 방법을 적용할 경우에는 전극 시트에 금속 폼이나 금속 메쉬를 배치한 후 이를 고정시키기 위하여 열과 압력을 가하여야 하겠지만, 본 발명에 의한 스프레이 분무 방법을 적용할 경우 흑연판 위에 금속 폼이나 금속 메쉬를 배치한 후 스프레이하는 간단한 방법으로 전극의 제조가 가능하다.
본 발명은 상기 제조방법에 의하여 제조된 용융탄산염 연전지용 전극을 제공한다.
본 발명은 또한 상기 제조방법에 의하여 제조된 용융탄산염 연전지용 공기극을 제공한다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 더 구체적으로 설명한다. 이들 실시예 및 비교예는 본 발명의 예시적인 기재일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1-3 및 비교예 1-3>
본 발명에 따른 전극을 제조하여 실시예 1 내지 3로 하였으며, 종래 방법으로 제조된 전극을 비교예 1 내지 3으로 하였다. 본 실시예 및 비교예에서는 공기극을 제조하였다.
전극 제조를 위하여 먼저 표 1에 따른 조성으로 슬러리를 제조하였다.
성분 실시예 1
(단위; g)		 실시예 2
(단위; g)		 실시예 3
(단위; g)		 비교예 1
(단위; g)		 비교예 2
(단위; g)		 비교예 3
(단위; g)
금속분말 Ni 900.0 900 900 900.0 900 900
전해질 Li2CO3 375.5 245.2 499.6 - - -
K2CO3 301.0 281.0 400.4 - - -
CsCO3 30.5 26.3 - - - -
용매 Toluene 788.0 699.3 882.6 788.0 699.3 882.6
Ethanol 525.3 466.2 588.4 525.3 466.2 588.4
바인더 PVB 100.4 89.1 112.5 100.4 89.1 89.1
가소제 DBP 31.5 28.0 35.3 31.5 28.0 28
용매와 금속분말 및 전해질을 혼합하여 1시간 동안 볼밀링하여 상기 분말을 고르게 혼합시킨 뒤, 유기물인 바인더와 가소제를 혼합하여 4시간 동안 밀링하여 바인더인 PVB가 충분히 혼합될 수 있도록 하여 슬러리를 제조하였다. 상기 제조된 슬러리는 점도계 스핀들의 속도가 1rpm일 때 1800 cPs, 5 rpm일 때 600 cPs 정도의 점도를 가졌다.
슬러리를 분무용기에 투입하고, 흑연판을 50℃로 가열한 후 그 위에 니켈폼을 얹고 니켈폼 판과 노즐의 간격은 약 10cm로 유지하면서, 진행속도는 분당 6cm 로 조절하여 분무하였다. 분무 후 건조시킨 전극의 물성 및 전해질 함침량을 확인하기 위하여 환원분위기에서 열처리 한 뒤 전해질을 수세하고 물성을 측정하였다.
도 2에는 상기 실시예 1에서 제조된 전극을 열처리하고 전해질을 녹여낸 후 측정한 기공크기 분포이다. 기공크기는 수은 기공률 측정장치 (Mercury Porosimeter)를 사용하여 측정하였다. 상기 수은기공률 측정장치는 non-wetting 액체인 수은이 일정 압력이 되면 일정 크기의 시편 기공에 밀려들어가는 모세관현상을 이용한 것으로서, 도 2에 도시된 그래프에서 intrusion volume 은 matrix인 전극의 외부에 있다가 내부로 밀려들어간 수은의 부피를 나타낸다. 도 2에서 확인할 수 있는 것처럼 실시예에서 제조된 전극은 평균 7~8㎛의 기공 분포를 가져 매우 적합한 크기의 기공을 가지고 있다고 할 수 있다.
한편 하기 표 2에서는 상기 제조된 전극을 열처리하고 전해질을 녹여낸 후 전극의 전해질 함침량과 기공율을 ASTM 373의 방법으로 측정한 결과이다.
구분 전해질 함침량
(기공의 부피%)		 전해질 함침량
(중량%)		 기공율
(%)
실시예 1 97.00 94.36 81.38
실시예 2 95.21 93.20 81.45
실시예 3 97.35 93.20 81.12
이상에서, 본 발명에 따란 제조된 전극은 전해질 함침량이 우수하다는 것을 알 수 있다.
10: 슬러리 보관 탱크 20: 슬러리 토출 밸브
30: 노즐부 40: 건조부
50: 재단용 블레이드
100: 전극 110: 전극기재
120: 전극활성층 130: 다공성 금속막

Claims (20)

  1. 금속분말, 전해질 및 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계;
    전극기재(110)를 준비하는 단계; 및
    상기 슬러리를 전극기재(110)에 도포하여 전극활성층(120)을 형성하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 슬러리를 전극기재(110)에 도포하는 방법은 스프레이 방법인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극(100)의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 공기극인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전해질의 함량은 상기 금속분말 100 중량부에 대하여 10 내지 150 중량부 만큼인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 용매의 함량은 상기 금속분말 100 중량부에 대하여 30 내지 1000 중량부 만큼인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 금속분말은 니켈, 알루미늄, 크롬, 구리, 철, 코발트, 은, 티타늄 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종 이상의 금속의 분말인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 금속분말은 입자표면이 전해질로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 전해질은 탄산리튬(lithium carbonate), 탄산칼륨(potassium carbonate) 및 탄산나트륨(sodium carbonate)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 전해질은 탄산리튬(lithium carbonate), 탄산칼륨(potassium carbonate) 및 탄산나트륨(sodium carbonate)으로 이루어진 군에서 선택된 2종의 공정염(eutetiecs)인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 전해질은 Rb, Cs, Mg, Sr, Gd, Ba 및 Ca의 탄산염(carbonate) 중 적어도 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 전극기재는 흑연지지대인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  11. 삭제
  12. 제 1항에 있어서, 상기 슬러리를 전극기재에 도포하는 단계 후에, 상기 슬러리가 도포된 전극기재를 50℃ 내지 80 ℃의 온도에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 전극기재를 준비하는 단계 후에, 상기 전극기재의 표면에 다공성 금속막(130)을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 다공성 금속막(130)은 금속 폼(metal foam) 또는 금속 메시(metal mesh)인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 슬러리를 전극기재에 도포하는 단계 후, 열처리 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 열처리는, 500℃로 승온 후, 850℃까지 0.2℃/min 내지 5℃/min의 속도로 승온하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 열처리 후 상기 전극의 공극률은 전해질을 제외하고70 내지 90 부피%인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  18. 제 15항에 있어서, 상기 열처리 후 상기 전극에 형성된 기공에 전해질이 함침되며, 전해질의 함침율은 70 내지 99 부피%인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
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