KR101254968B1 - Fabricating method of anode for molten carbonate fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용융탄산염 연료전지용 전극 제조 방법에 관한 것으로, 니켈 분말과 알루미늄 분말이 91-95:5-9의 중량비로 혼합된 혼합 금속 분말에 분산제, 결합제, 가소제, 소포제 및 용매를 혼합하고 분쇄하여 슬립(slip)을 제조하는 단계, 상기 슬립을 테이프 캐스팅법으로 성형하여 용융탄산염 연료전지의 전극 성형체를 제조하는 단계, 및 상기 성형체를 1050~1100℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, 이때 상기 혼합 금속 분말의 고형분 함량이 상기 혼합 금속 분말 및 용매의 중량의 합에 대하여 61 내지 63중량%이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for manufacturing an electrode for a molten carbonate fuel cell, comprising mixing and grinding a dispersant, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent and a solvent in a mixed metal powder in which a nickel powder and an aluminum powder are mixed in a weight ratio of 91-95: 5-9. Manufacturing a slip, forming the slip by a tape casting method, manufacturing an electrode molded body of a molten carbonate fuel cell, and sintering the molded body at a temperature of 1050 to 1100 ° C, wherein the Provided is a method for producing an electrode for molten carbonate fuel cell, characterized in that the solid content of the mixed metal powder is 61 to 63% by weight based on the sum of the weights of the mixed metal powder and the solvent.

용융탄산염 연료전지, 음극, 알루미늄, 소결 Molten Carbonate Fuel Cell, Cathode, Aluminum, Sintered

Description

용융탄산염 연료전지용 음극 제조 방법{FABRICATING METHOD OF ANODE FOR MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}Anode manufacturing method for molten carbonate fuel cell {FABRICATING METHOD OF ANODE FOR MOLTEN CARBONATE FUEL CELL}

본 발명은 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)용 음극(anode)의 제조 방법에 관한 것으로서, 음극(anode), 양극(cathode), 탄산염의 전해질 및 용융된 탄산염으로 구성되는 용융탄산염 연료전지의 음극을 제조하는데 있어서, 니켈(Ni)에 알루미늄(Al) 분말을 첨가하여 테이프 캐스팅(tape casting)에 의하여 제조된 음극 성형체(green sheet)를 소결하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing an anode for a molten carbonate fuel cell, comprising a cathode, an anode, an electrolyte of carbonate, and a molten carbonate. In manufacturing a cathode, the present invention relates to a method of sintering a green sheet produced by tape casting by adding aluminum (Al) powder to nickel (Ni).

일반적으로, 용융탄산염 연료전지는 음극, 양극, 전해질, 매트릭스(matrix)및 분리판(separator plate)으로 구성되며(도 1), 환원성(reducing)의 음극과 산화성(oxidizing)의 양극 분위기로 액상 탄산염(Li2/K2CO3, Li2/Na2CO3) 전해질의 존재 하에서 550~700℃의 고온에서 작동된다. In general, a molten carbonate fuel cell is composed of a cathode, an anode, an electrolyte, a matrix and a separator plate (FIG. 1), and a liquid carbonate with a reducing cathode and an oxidizing anode atmosphere. (Li 2 / K 2 CO 3 , Li 2 / Na 2 CO 3 ) It is operated at high temperature of 550 ~ 700 ℃ in the presence of electrolyte.

1970년대 용융탄산염 연료전지용 음극은 주로 니켈만을 이용하여 제조하였으나, 음극이 1.5~2㎏/㎠의 높은 면압하에 노출됨으로써 니켈 입자의 소결 및 크립(creep)이 발생하여 음극의 반응면적 감소와 매트릭스 크랙(matrix crack) 발생 으로 크로스 오버(cross-over)를 일으키는 문제점이 있었다. In the 1970s, anodes for molten carbonate fuel cells were mainly manufactured using nickel, but the anodes were exposed to high surface pressure of 1.5-2 kg / cm 2, resulting in sintering and creep of nickel particles, which reduced the reaction area of the cathodes and matrix cracks. There was a problem that caused crossover due to (matrix crack).

이와 같은 니켈 전극의 크립을 억제하기 위하여 니켈에 크롬(Cr) 또는 알루미늄(Al)을 첨가함으로 용해-강화(solute-strengthening), 석출-강화(precipitation-strengthening) 및 산화물-분산-강화기구(oxide-dispersion-strengthening mechanism)에 의하여 그 특성을 향상시켰다. In order to suppress the creep of the nickel electrode, by adding chromium (Cr) or aluminum (Al) to the nickel, it is dissolved-strengthening, precipitation-strengthening and oxide-dispersion-enhancing The characteristics were improved by dispersion-strengthening mechanism.

그러나, Ni-Cr 음극은 Ni-Al 음극 보다 크립 저항성이 낮을 뿐 아니라, 산화크롬(Cr2O3)을 생성하여 전해질과 반응한 후, 리튬크로메이트(LiCrO2) 형성으로 전극 불안정성과 장기운전 시에 전해질 손실을 일으키는 문제점을 지니고 있다. However, the Ni-Cr cathode not only has lower creep resistance than the Ni-Al cathode, but also forms chromium oxide (Cr 2 O 3 ) and reacts with the electrolyte, and then forms lithium chromate (LiCrO 2 ) for electrode instability and long-term operation. Has the problem of causing electrolyte loss.

한편, Ni-Al 음극은 보통 니켈에 순수한 알루미늄 분말을 첨가하는 것이 아니라, NiAl, NiAl3, Ni:Al(95:5wt%) 등과 같은 Ni-Al 합금을 사용함으로써 니켈의 크립 및 Ni-Cr 음극의 불안정성과 전해질 손실에 대한 문제는 없으나, 첨가된 알루미늄의 강화기구(creep 억제) 발현을 위해 엄밀한 소결 분위기 제어가 필요하며, Ni-Al 합금 원료 가격이 고가인 단점이 있다. On the other hand, the Ni-Al cathode is usually not a pure aluminum powder added to nickel, but using a Ni-Al alloy such as NiAl, NiAl 3 , Ni: Al (95: 5wt%), etc., to creep nickel and Ni-Cr cathode. Although there is no problem with the instability and electrolyte loss, it is necessary to strictly control the sintering atmosphere in order to express the strengthening mechanism (creep suppression) of the added aluminum, and there is a disadvantage that the Ni-Al alloy raw material is expensive.

그리고 용융탄산염 연료전지의 대용량에 따라서 사용되는 전극의 크기가 2500㎠에서 7500㎠ 및 10000㎠로 점점 증가하고 있으나, 이러한 대형 전극을 대량으로 소결하기 위해서는 소결 분위기가 질소와 수소를 동시에 사용하는 연속 소결로가 이용되어야 한다. 그리고 이러한 연속 소결로의 분위기를 유지하기 위해서는 사용되는 수소를 로의 입구와 출구에서 연소시켜 분위기를 유지시키는 수소 커튼을 이용해야 한다. In addition, the size of the electrode used is increasing from 2500 cm 2 to 7500 cm 2 and 10000 cm 2 according to the large capacity of the molten carbonate fuel cell. The furnace should be used. In order to maintain the atmosphere of the continuous sintering furnace, it is necessary to use a hydrogen curtain that maintains the atmosphere by burning the used hydrogen at the inlet and outlet of the furnace.

이와 같이 니켈에 알루미늄을 Ni-Al 합금으로 첨가하여 음극 전극의 크립을 방지하고 성능을 향상시키기 위해, 니켈에 알루미늄 분말을 첨가하여 용융탄산염 연료전지용 음극을 테이프 캐스팅하여 성형체를 제조한 후, 이 성형체를 대량으로, 그리고 연속적으로 소결하는 방법은 보고되어 있지 않다.In this way, in order to prevent the creep of the cathode electrode and improve the performance by adding aluminum to the nickel as a Ni-Al alloy, the molded article was manufactured by adding aluminum powder to nickel and tape casting the cathode for a molten carbonate fuel cell. The method of sintering in bulk and continuously is not reported.

본 발명은 니켈에 알루미늄 분말을 첨가하여 제조한 성형체를 대량 및 연속적으로 제조할 수 있을 뿐 아니라, 소결 후에 기공율, 기공크기 및 크립을 만족시키는 용융탄산염 연료전지용 음극 성형체의 소결 방법을 제공한다.The present invention provides a method for sintering a molten carbonate fuel cell negative electrode molded body which not only can produce a molded product prepared by adding aluminum powder to nickel in bulk and continuously, but also satisfies porosity, pore size and creep after sintering.

본 발명은 The present invention

제1 관점으로서, 니켈 분말과 알루미늄 분말이 91-95:5-9의 중량비로 혼합된 혼합 금속 분말에 분산제, 결합제, 가소제, 소포제 및 용매를 혼합하고 분쇄하여 슬립(slip)을 제조하는 단계; 상기 슬립을 테이프 캐스팅법으로 성형하여 용융탄산염 연료전지의 전극 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 1050~1100℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, As a first aspect, a step of preparing a slip by mixing and grinding a dispersant, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent, and a solvent to a mixed metal powder in which a nickel powder and an aluminum powder are mixed in a weight ratio of 91-95: 5-9; Forming an electrode molded body of a molten carbonate fuel cell by molding the slip by a tape casting method; And a step of sintering the molded body at a temperature of 1050 ~ 1100 ℃,

이때 상기 혼합 금속 분말의 고형분 함량이 상기 혼합 금속 분말 및 용매의 중량의 합에 대하여 61 내지 63중량%인 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,Wherein the solids content of the mixed metal powder is 61 to 63% by weight based on the sum of the weights of the mixed metal powder and the solvent;

제2 관점으로서, 상기 분쇄는 슬립을 평균 입경이 10 내지 15㎛로 분쇄하는 것인 용융탄산염 연료전지 전극 제조방법,As a second aspect, the pulverization is molten carbonate fuel cell electrode manufacturing method, which is to grind the slip to an average particle diameter of 10 to 15㎛,

제3 관점으로서, 상기 알루미늄 분말은 평균 입경이 8 내지 20㎛인 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,As a third aspect, the aluminum powder is a method of manufacturing an electrode for molten carbonate fuel cell having an average particle diameter of 8 to 20㎛,

제4 관점으로서, 상기 슬립의 점도는 7000 내지 20,000cP인 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,As a fourth aspect, a method of manufacturing an electrode for molten carbonate fuel cell, the viscosity of the slip is 7000 to 20,000 cP,

제5 관점으로서, 상기 분산제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량부의 양으로 첨가되는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,As a fifth aspect, the dispersant is a method of manufacturing an electrode for molten carbonate fuel cell is added in an amount of 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of mixed metal powder,

제6 관점으로서, 상기 결합제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 4.5 내지 8.0중량부의 양으로 첨가되는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,As a sixth aspect, the binder is a manufacturing method of an electrode for molten carbonate fuel cell is added in an amount of 4.5 to 8.0 parts by weight based on 100 parts by weight of mixed metal powder,

제7 관점으로서, 상기 가소제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 3.6 내지 5.6중량부의 양으로 첨가되는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법,As a seventh aspect, the plasticizer is a method of manufacturing an electrode for molten carbonate fuel cell is added in an amount of 3.6 to 5.6 parts by weight based on 100 parts by weight of mixed metal powder,

제8 관점으로서, 상기 소포제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5중량부의 양으로 첨가되는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공한다.As an eighth aspect, the antifoaming agent provides a method for producing an electrode for molten carbonate fuel cell is added in an amount of 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder.

본 발명의 용융탄산염 연료전지용 음극 시편의 소결 방법에 따르면, 니켈에 알루미늄 분말을 첨가하여 제조한 성형체를 대량 및 연속적으로 소결하여 음극을 제조할 수 있을 뿐 아니라, 소결 후에 기공율과 기공크기 및 크립을 만족시키는 음극을 제공한다.According to the sintering method of the negative electrode specimen for molten carbonate fuel cell of the present invention, not only the negative electrode can be prepared by sintering a molded body prepared by adding aluminum powder to nickel in a large amount and continuously, but also the porosity, pore size and creep after sintering. Provided is a cathode that satisfies.

본 발명은 니켈 및 알루미늄 분말로 이루어진 혼합 금속 분말에 분산제, 결합제, 가소제, 소포제 및 용매를 혼합하여 슬립(slip)을 제조하고, 상기 슬립(slip)을 분쇄하고, 상기 슬립을 테이프 캐스팅법으로 성형하여 용융탄산염 연료전지의 전극 성형체를 제조하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법을 제공하는바, 이하, 본 발명을 첨부 도면을 들어 보다 구체적으로 설명한다.The present invention manufactures a slip by mixing a dispersant, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent, and a solvent with a mixed metal powder composed of nickel and aluminum powder, crushing the slip, and molding the slip by tape casting. By providing a method for producing an electrode for a molten carbonate fuel cell for producing an electrode molded body of a molten carbonate fuel cell, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 용융탄산염 연료전지의 음극 전극은 니켈과 알루미늄 분말의 혼합 금속분말을 사용하며, 이외에 분산제, 결합제, 가소제, 소포제 및 용매를 포함한다.The cathode electrode of the molten carbonate fuel cell of the present invention uses a mixed metal powder of nickel and aluminum powder, and further includes a dispersant, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent, and a solvent.

상기 니켈분말은 91 내지 95중량%인 것이 바람직하다. 니켈의 함량이 91중량%보다 작으면 소결이 진행되지 않으며, 95중량% 이상이면 과도한 소결으로 음극에 적합한 기공크기와 기공율을 얻을 수 없기 때문이다. The nickel powder is preferably 91 to 95% by weight. If the nickel content is less than 91% by weight, the sintering does not proceed, and if it is 95% by weight or more, the excessive porosity and porosity suitable for the negative electrode cannot be obtained.

알루미늄 분말은 상기 알루미늄 분말의 함량은 5 내지 9 중량%인 것이 바람직하다. 알루미늄 분말이 5중량% 미만으로 첨가되면 니켈의 소결을 촉진시켜 충분한 기공을 얻을 수 없다. 또한, 알루미늄이 산화되어 형성되는 산화알루미늄이 니켈 전극의 크립을 억제하는데, 알루미늄 분말의 첨가량이 5% 미만인 경우에는 이러한 산화알루미늄을 충분히, 그리고 균일하게 분포시키는 것이 어렵다. 한편, 알루미늄 분말이 9중량%를 초과하는 경우에는 산화알루미늄이 너무 많이 생성되어 전극의 성능을 저하시킬 뿐 아니라, 전극의 기공 크기와 기공율을 조절하는 것이 어렵다.The aluminum powder is preferably 5 to 9% by weight of the aluminum powder. If aluminum powder is added at less than 5% by weight, sintering of nickel may be promoted and sufficient pores may not be obtained. In addition, aluminum oxide formed by oxidizing aluminum suppresses creep of the nickel electrode, but when the amount of aluminum powder added is less than 5%, it is difficult to distribute such aluminum oxide sufficiently and uniformly. On the other hand, when the aluminum powder is more than 9% by weight, too much aluminum oxide is produced to reduce the performance of the electrode, and it is difficult to control the pore size and porosity of the electrode.

한편, 상기 알루미늄 분말의 평균 입경은 8 내지 20㎛인 것이 바람직한데, 이는 알루미늄의 평균입도가 8㎛보다 작으면 제조가 어렵고, 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 니켈과 균일하게 혼합되기 어렵고, 평균 입경이 20㎛보다 크면 니켈-알루미늄 슬립을 제조할 때 알루미늄이 너무 무거워서 가라앉아 균일한 슬립을 제조하기 어렵기 때문이다.On the other hand, the average particle size of the aluminum powder is preferably 8 to 20㎛, which is difficult to manufacture if the average particle size of aluminum is less than 8㎛, not only expensive, but also difficult to be uniformly mixed with nickel, the average particle diameter If it is larger than 20 mu m, the aluminum is too heavy when sinking the nickel-aluminum slip, and it is difficult to produce a uniform slip.

상기 용매로는 에틸 알코올, 톨루엔, 자이렌 등을 사용할 수 있다. 상기 용 매는 상기 혼합 금속 분말의 고형분 함량의 합이 상기 혼합 금속 분말 및 용매의 중량의 합에 대하여 61 내지 63 중량% 정도가 되도록 첨가하는 것이 바람직하다. 혼합 금속 분말의 고형분 함량의 합이 61중량% 보다 적으면 제조된 슬립의 점도가 너무 낮아져 테이프 캐스팅 장치로 균일한 성형체를 제조하는 것이 어렵고, 용매의 양이 너무 많아지면 건조 중에 성형체의 불균일한 건조로 인한 성형체의 불량이 발생할 수 있기 때문이다. 반면, 고형분 함량의 합이 63중량%를 초과하면 슬립의 점도가 너무 높아져 균일한 성형체를 제조할 수 없게 된다.Ethyl alcohol, toluene, xylene, or the like may be used as the solvent. The solvent is preferably added so that the sum of the solids content of the mixed metal powder is about 61 to 63 wt% based on the sum of the weights of the mixed metal powder and the solvent. If the sum of the solids content of the mixed metal powder is less than 61% by weight, the viscosity of the produced slip becomes too low, making it difficult to produce a uniform molded body with a tape casting device, and if the amount of solvent is too large, uneven drying of the molded body during drying This is because the defective molded body may occur. On the other hand, if the sum of the solids content exceeds 63% by weight, the viscosity of the slip is too high to produce a uniform molded body.

한편, 상기 분산제로는 산 그룹(acidic group)의 공중합체, 예를 들면, 상품 명 BYK110(BYK Chemie사) 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 혼합 금속 분말 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량부 정도인 것이 바람직하다. 분산제가 0.5중량부 미만으로 첨가되면 분말을 분산시키기 어렵고, 1.5중량부를 초과하여 첨가되면 오히려 슬립을 응집시키게 되기 때문이다. Meanwhile, as the dispersant, a copolymer of an acidic group, for example, a product name BYK110 (BYK Chemie) may be used, and the content thereof is 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. It is preferable that it is about degree. This is because when the dispersant is added in less than 0.5 parts by weight, it is difficult to disperse the powder, and when it is added in excess of 1.5 parts by weight, the slip aggregates.

상기 결합제로는 폴리비닐 부티랄(Polyvinyl butyral) 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 4.5 내지 8.0중량부 정도인 것이 바람직하다. 결합제가 4.5중량부 미만으로 첨가되면 슬립을 성형하여 판(sheet)을 제조할 수 없으며, 8.0중량부를 초과하여 첨가되면 슬립의 점도를 증가시켜 적당한 두께의 판을 제조하기가 어렵게 되기 때문이다.As the binder, polyvinyl butyral may be used, and the content thereof is preferably about 4.5 to 8.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. If the binder is added in less than 4.5 parts by weight, the slip can not be molded to produce a sheet, and if it is added in excess of 8.0 parts by weight, the viscosity of the slip increases, making it difficult to manufacture a plate having a suitable thickness.

또한, 상기 가소제로는 디부틸 프탈레이트 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 3.6 내지 5.6중량부 정도인 것이 바람직하다. 가소제가 3.6중량부 미만으로 첨가되면 비 가소성의 슬립을 성형하여 판(sheet)을 제조할 수 없으며, 5.6중량부를 초과하여 첨가되면 슬립 점도 제어가 곤란하게 된다.In addition, dibutyl phthalate may be used as the plasticizer, and the content thereof is preferably about 3.6 to 5.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. If the plasticizer is added to less than 3.6 parts by weight, the non-plastic slip can not be molded to produce a sheet, and if it is added in excess of 5.6 parts by weight, slip viscosity control becomes difficult.

상기 소포제로는 아크릴 폴리머, 예를 들면, 상품 명 SN-D348(Sannopco사) 등을 사용할 수 있으며, 그 함량은 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량부 정도인 것이 바람직하다. 소포제가 0.5중량부 미만으로 첨가되면 슬립을 제조하는 과정에 생성된 기포를 제거할 수 없으며, 1.5중량부를 초과하여 첨가되면 슬립의 점도를 증가시켜 적당한 두께의 판을 제조하기가 어렵게 된다.As the antifoaming agent, an acrylic polymer, for example, the trade name SN-D348 (Sannopco Co.) may be used, and the content thereof is preferably about 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. If the antifoaming agent is added in less than 0.5 parts by weight, it is impossible to remove the bubbles generated during the manufacturing of the slip, if it is added in excess of 1.5 parts by weight it is difficult to produce a plate of a suitable thickness by increasing the viscosity of the slip.

본 발명의 슬립은 상기한 바와 같은 혼합 금속 분말에 용매, 분산제, 결합제, 가소제, 소포제를 동시에 또는 각각 첨가한 후, 혼합하는 방법으로 제조될 수 있다. The slip of the present invention may be prepared by adding a solvent, a dispersant, a binder, a plasticizer, and an antifoam simultaneously or separately to the mixed metal powder as described above, and then mixing them.

한편, 본 발명의 슬립은 7000 내지 20,000cP의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 슬립의 점도가 7000cP 보다 적으면 테이프 캐스팅 후의 성형체 건조 과정 중에 불량과 결함이 발생되기 쉽고, 점도가 20,000cP 보다 크면 두께가 균일한 성형체를 제조할 수 없게 되기 때문이다. 슬립의 점도는 증발기 또는 탈포기 등을 이용하여 용매 또는 기포를 제거하는 방법으로 조절할 수 있다.On the other hand, the slip of the present invention preferably has a viscosity of 7000 to 20,000 cP. This is because if the viscosity of the slip is less than 7000 cP, defects and defects are likely to occur during the process of drying the molded body after tape casting, and if the viscosity is greater than 20,000 cP, a molded product having a uniform thickness cannot be produced. The viscosity of the slip can be adjusted by removing solvent or bubbles by using an evaporator or a deaerator.

또한, 상기 슬립은 입경이 10 내지 15㎛ 정도가 되도록 볼밀 등을 통해 분쇄하는 것이 바람직하다. 슬립의 평균 입경이 10㎛보다 작거나 15㎛보다 크게 되면 테이프 캐스팅에 적합한 상기 범위의 슬립의 점도를 갖도록 조절할 수 없을 뿐 아니라, 전극을 소결 후에 전극의 기본 요구 조건인 기공 크기와 기공율을 조절할 수 없게 되기 때문이다.In addition, the slip is preferably pulverized through a ball mill or the like so that the particle diameter is about 10 to 15㎛. If the average particle diameter of the slip is smaller than 10 μm or larger than 15 μm, not only the viscosity of the slip in the above range suitable for tape casting can be adjusted, but also the pore size and porosity, which are the basic requirements of the electrode after sintering the electrode, can be adjusted. Because there is no.

본 발명의 방법은 상기와 같이 형성된 슬립을 테이프 캐스팅법으로 성형하여 전극 성형체를 제조하는 단계를 포함한다. 일반적으로 테이프 캐스팅법에는 닥터 블레이드를 이용하며, 제조된 성형체의 두께는 닥터 블레이드의 높이, 이동 속도, 슬립의 점도, 건조시의 수축율 등의 영향을 받는다. 따라서, 이러한 점들을 고려하여 닥터 블레이드의 이동 속도를 설정한다.The method of the present invention comprises the step of forming the electrode formed by molding the slip formed as described above by a tape casting method. In general, a doctor blade is used for the tape casting method, and the thickness of the manufactured molded product is affected by the height of the doctor blade, the moving speed, the viscosity of the slip, and the shrinkage rate during drying. Therefore, in consideration of these points, the moving speed of the doctor blade is set.

나아가, 상기 얻어진 전극 성형체를 1050 내지 1100℃ 이하의 온도에서 소결하는 단계를 포함한다. 1050℃ 미만의 상기 전극 성형체를 소결하면 음극이 충분하게 소결되지 않아 기공율이 높아지고, 기공분포가 적합하지 않을 뿐 아니라, 충분한 강도를 지니지 않아 스택에 적용하기가 어렵게 된다. 그리고 소결 온도가 1100℃를 초과하면 전극의 소결이 촉진되어 용융탄산염 연료전지용 전극으로써 충분한 기공율과 기공분포를 갖지 못하므로, 상기 온도 범위 내에서 전극 성형체를 소결하는 것이 바람직하다.Further, the electrode molded body obtained includes the step of sintering at a temperature of 1050 to 1100 ℃ or less. Sintering the electrode molded body below 1050 ° C. causes the cathode to not be sufficiently sintered to increase porosity, not to be suitable for pore distribution, and to be difficult to apply to a stack because it does not have sufficient strength. When the sintering temperature is higher than 1100 ° C., the sintering of the electrode is promoted and the electrode for molten carbonate fuel cell does not have sufficient porosity and pore distribution. Therefore, it is preferable to sinter the electrode molded body within the above temperature range.

이상과 같은 본 발명의 방법에 의해 용융탄산염 연료전지의 음극 성형체를 제조하면, 니켈에 알루미늄 분말이 첨가되어 제조된 성형체를 대량 및 연속적으로 소결하여 음극을 제조할 수 있으며, 이에 의해 얻어진 전극은 용융탄산염 연료전지의 음극으로서 적합한 기공율(55~65%)과 기공크기(1.5~3.5㎛) 및 크립(10% 이하)을 만족시킨다.When the negative electrode molded body of the molten carbonate fuel cell is manufactured by the method of the present invention as described above, the negative electrode may be manufactured by sintering the molded body prepared by adding aluminum powder to nickel in a large quantity and continuously, and the electrode obtained thereby is melted. It satisfies the porosity (55 to 65%), the pore size (1.5 to 3.5 mu m) and the creep (10% or less), which are suitable as the cathode of the carbonate fuel cell.

이하, 하기 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

[실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3][Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3]

사슬 형태(chain type)의 니켈 분말(평균입경 16㎛, INCO)에 평균 입경 8㎛ 및 20㎛의 알루미늄 분말을 표 1에 기재된 중량비로 혼합한 혼합 분말 100중량부, 분산매로서 에틸 알코올 63중량부, 결합제로서 폴리 비닐 부티랄 7.04중량부 및 분산제로서 BYK Chemie사제 상품명 BYK110 1중량부를 혼합하였다. 상기 얻어진 혼합물을 80rpm으로 3시간 볼 밀하여 1차로 분쇄한 후, 다시 가소제와 분산제를 첨가하여 2차로 2시간 동안 볼 밀하여 슬립을 제조하였다. 100 parts by weight of mixed powder obtained by mixing a chain type nickel powder (average particle size 16 µm, INCO) with an aluminum powder having an average particle diameter of 8 µm and 20 µm at a weight ratio shown in Table 1, and 63 parts by weight of ethyl alcohol as a dispersion medium. And 7.04 parts by weight of polyvinyl butyral as a binder and 1 part by weight of BYK110 manufactured by BYK Chemie as a dispersant. The resultant mixture was ball milled at 80 rpm for 3 hours and pulverized first, followed by the addition of a plasticizer and a dispersant, followed by ball milling for 2 hours to prepare a slip.

제조된 슬립을 약 10분간 진공 탈포기로 슬립에 포함된 공기를 제거한 후, 그 점도와 입도 분석을 수행하여, 그 결과를 표 1에 나타내었다. After removing the air contained in the slip with a vacuum degassing machine for about 10 minutes in the slip produced, the viscosity and particle size analysis was performed, the results are shown in Table 1.

그리고 블레이드 갭(blade gap) 0.8㎜, 속도 10㎝/분, 그리고 온도 50℃의 조건으로 테이프 캐스팅 장치를 이용하여 성형체를 제조하였다. 이 음극 성형체를 질소와 수소 가스를 흘리면서 1100℃의 온도로 연속 소결로에서 소결하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.And the molded object was manufactured using the tape casting apparatus on the conditions of the blade gap of 0.8 mm, the speed of 10 cm / min, and the temperature of 50 degreeC. The cathode molded body was sintered in a continuous sintering furnace at a temperature of 1100 ° C. while flowing nitrogen and hydrogen gas, and the results are shown in Table 1.

[표 1][Table 1]

니켈nickel 알루미늄aluminum 점도(cP)
1.5rpm
Viscosity (cP)
1.5 rpm
입도분석
(㎛)
Particle size analysis
(Μm)
소결 상태Sintered State
8㎛8㎛ 20㎛20 탆 비교예 1Comparative Example 1 8585 1515 -- 1126011260 10.8210.82 불량 (크랙, 휨)Poor (Crack, Warp) 비교예 2Comparative Example 2 9090 1010 -- 1140011400 11.2411.24 불량 (파손, 크랙)Poor (break, crack) 비교예 3Comparative Example 3 8888 -- 1212 1360013600 13.5113.51 불량 (휨)Poor (Bending) 실시예 1Example 1 9595 55 -- 1252012520 11.9911.99 양호Good 실시예 2Example 2 9595 -- 55 1048010480 12.8012.80 양호Good 실시예 3Example 3 9393 77 -- 94409440 11.4111.41 양호Good 실시예 4Example 4 9292 -- 88 87508750 12.3412.34 양호Good

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 혼합분말의 알루미늄이 10중량% 이상 첨가된 음극은 첨가된 알루미늄의 입자 크기에 상관없이 시편을 소결하면 시편이 반쪽으로 또는 조각으로 파손되거나, 또는 크랙(도 2)이나 시편의 휨(bending) 현상이 발생하였다. 이러한 현상이 있는 경우에는 실제 용융탄산염 연료전지용 전극으로 사용하기에는 부적합하다. 그러나 본 발명에 따라 알루미늄이 5~8중량% 첨가된 전극은 소결 후에도 그 형상이 우수할 뿐 아니라, 전극으로 사용할 충분한 강도도 지녔다.As can be seen in Table 1, the negative electrode to which aluminum in the mixed powder is added in an amount of 10% by weight or more, the specimen breaks in half or in pieces or cracks when the specimen is sintered regardless of the particle size of the added aluminum. ) And the bending of the specimen. If such a phenomenon exists, it is not suitable for use as an electrode for an actual molten carbonate fuel cell. However, according to the present invention, the electrode added with 5 to 8% by weight of aluminum not only has excellent shape after sintering, but also has sufficient strength to be used as an electrode.

[실시예 5 내지 6 및 비교예 4 내지 5][Examples 5 to 6 and Comparative Examples 4 to 5]

니켈 분말(평균입경 16㎛, INCO) 및 평균 입경 8㎛ 및 20㎛의 알루미늄 분말을 표 2에 기재된 바와 같은 중량비를 혼합한 혼합분말 100중량부를 첨가한 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 슬립을 제조하였다.Nickel powder (average particle diameter 16㎛, INCO) and aluminum powder having an average particle diameter of 8㎛ and 20㎛ in the same manner as in Example 1 except that 100 parts by weight of a mixed powder mixed with the weight ratio as shown in Table 2 was added The slip was made.

제조된 슬립을 약 10분간 진공 탈포기로 슬립에 포함된 공기를 제거하여 슬립을 제조한 후, 블레이드 갭 0.8㎜, 속도 10㎝/분, 그리고 온도 50℃의 조건으로 테이프 캐스팅 장치를 이용하여 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 질소와 수소 가스를 흘리면서 표 2에 기재된 바와 같은 소결 온도로 연속 소결로에서 소결하였다. The slip was manufactured by removing the air contained in the slip with a vacuum deaerator for about 10 minutes, and then a molded article was formed using a tape casting apparatus under conditions of a blade gap of 0.8 mm, a speed of 10 cm / min, and a temperature of 50 ° C. Was prepared. The formed article was sintered in a continuous sintering furnace at a sintering temperature as shown in Table 2 while flowing nitrogen and hydrogen gas.

소결된 시편을 가로 10㎜, 세로 10㎜ 및 두께 0.7~0.8㎜로 절단하여 수은을 이용한 포로시메터(porosimeter)로 각 시편의 기공율과 기공분포를 측정하였다. 그리고 소결된 시편의 변형을 확인하기 위하여 가로 10㎜, 세로 10㎜ 및 두께 0.7~0.8㎜ 시편을 650℃, 수소 분위기에서 시편의 변형 정도를 연속적으로 측정하였다. 크립은 원래 두께에 대한 변형 두께의 비율로서 계산하였다. 이들 시편에 대한 기공율, 평균 기공크기 및 크립에 대한 결과를 표 2에 나타내었다.The porosity and pore distribution of each specimen were measured with a porosimeter using mercury by cutting the sintered specimens 10 mm long, 10 mm long and 0.7-0.8 mm thick. In order to confirm the deformation of the sintered specimens, the specimens were continuously measured at 650 ° C. in a hydrogen atmosphere at a width of 10 mm, a length of 10 mm, and a thickness of 0.7 to 0.8 mm. Creep was calculated as the ratio of deformation thickness to original thickness. The porosity, average pore size and creep results for these specimens are shown in Table 2.

[표 2][Table 2]

니켈nickel 알루미늄aluminum 소결온도
(℃)
Sintering temperature
(℃)
기공율
(%)
Porosity
(%)
기공크기
(㎛)
Pore size
(Μm)
크립
(%)
Creep
(%)
미세구조Microstructure
8㎛8㎛ 20㎛20 탆 비교예 4Comparative Example 4 9797 33 -- 11001100 44.544.5 2.12.1 8.48.4 도 55 비교예 5Comparative Example 5 9090 1010 -- 11001100 71.071.0 6.36.3 1.91.9 도 66 실시예 5Example 5 9595 55 -- 11001100 60.560.5 1.71.7 7.67.6 도 77 실시예 6Example 6 9595 -- 55 10501050 55.555.5 1.61.6 4.24.2 도 88

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 혼합분말의 알루미늄 함량이 3중량%로 매우 작으면 니켈의 소결을 촉진시켜 기공율이 매우 낮아져 용융탄산염 연료전지용 음극에 적합한 기공율(55~65%)을 가지지 못하여 전극으로는 부적합하였다(비교예 4). 한편, 니켈에 알루미늄 10중량%을 첨가하여 소결한 시편의 크립은 1.9%로 매우 우수하였으나, 알루미늄 산화물의 과다 생성으로 인해, 음극의 전도성 저하를 일으켜 부적합하고, 기공율은 매우 높았으나, 기공 크기가 용융탄산염 연료전지용 음극에 적합한 기공크기(1.5~3.5㎛)보다 너무 커서 음극으로는 부적합하였다(비교예 5).As can be seen from Table 2, when the aluminum content of the mixed powder is very small, 3% by weight, the sintering of nickel is promoted, and the porosity is very low, so that the electrode does not have a porosity (55-65%) suitable for the anode for molten carbonate fuel cells. It was not suitable (Comparative Example 4). On the other hand, the creep of the specimen sintered by adding 10% by weight of aluminum to nickel was very good at 1.9%. However, due to the excessive production of aluminum oxide, the conductivity of the cathode was reduced, which was unsuitable, and the porosity was very high. The pore size (1.5-3.5 μm) suitable for the negative electrode for the molten carbonate fuel cell was too large and unsuitable for the negative electrode (Comparative Example 5).

니켈에 8㎛ 및 20㎛ 알루미늄을 5중량% 첨가하여 각각 1100℃ 및 1050℃에서 소결한 시편의 기공율과 기공크기는 각각 60.5% 및 1.7㎛ 그리고 55.5% 및 1.6㎛로 용융탄산염 연료전지에 적합한 사양을 가졌다. The porosity and pore size of specimens sintered at 1100 ℃ and 1050 ℃ by adding 5wt% of aluminum and 5㎛ aluminum, respectively, are 60.5% and 1.7㎛ and 55.5% and 1.6㎛, respectively. Had

비교예 4, 5 및 실시예 5, 6의 시편의 각 단면 미세구조를 도 5 내지 도 8에 각각 나타내었다. 이들 미세구조에서 알 수 있는 바와 같이, 비교예 4의 시편은 치밀하게 소결되었으나 기공크기가 크고, 비교예 5 시편은 기공율은 높고 기공크기는 커서, 음극으로는 적합하지 않은 미세구조를 나타내었다. 실시예 5와 실시예 6의 시편들은 비교예들에 비하여 균일한 기공크기와 기공율을 나타내어 음극으로 적합하였다. 또한 이들 시편의 크립은 각각 7.6% 및 4.2%로 니켈에 알루미늄 합금을 첨가한 시편의 크립과 비슷한 값을 나타내어 장시간 가동하여도 문제가 없었다.5 to 8 show cross-sectional microstructures of the specimens of Comparative Examples 4 and 5 and Examples 5 and 6, respectively. As can be seen from these microstructures, the specimen of Comparative Example 4 was densely sintered, but the pore size was large, and the Comparative Example 5 specimen had a high porosity and a large pore size, which showed an unsuitable microstructure. The specimens of Examples 5 and 6 exhibited uniform pore size and porosity compared to the comparative examples, and were suitable as the negative electrode. In addition, the creep of these specimens was 7.6% and 4.2%, respectively, and showed similar values to the creep of the specimen in which aluminum alloy was added to nickel, so that there was no problem even after long operation.

도 1은 용융탄산염 연료전지의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic cross-sectional view of a molten carbonate fuel cell.

도 2는 비교예 2로 제조된 전극의 파손된 형상을 나타내는 사진이다.2 is a photograph showing a broken shape of the electrode manufactured by Comparative Example 2. FIG.

도 3은 비교예 3으로 제조된 전극의 휜 형상을 나타내는 사진이다. 3 is a photograph showing the shape of an electrode of the electrode prepared in Comparative Example 3. FIG.

도 4는 실시예 1로 제조된 전극의 형상을 나타내는 사진이다.Figure 4 is a photograph showing the shape of the electrode produced in Example 1.

도 5는 비교예 4로 제조된 전극의 미세구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.5 is an electron micrograph showing the microstructure of the electrode prepared in Comparative Example 4.

도 6은 비교예 5로 제조된 전극의 미세구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.6 is an electron micrograph showing the microstructure of the electrode prepared in Comparative Example 5.

도 7은 실시예 5로 제조된 전극의 미세구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.7 is an electron micrograph showing the microstructure of the electrode prepared in Example 5.

도 8은 실시예 6으로 제조된 전극의 미세구조를 나타내는 전자현미경 사진이다.8 is an electron micrograph showing the microstructure of the electrode prepared in Example 6.

Claims (8)

니켈 분말과 알루미늄 분말이 91-95:5-9의 중량비로 혼합된 혼합 금속 분말에 분산제, 결합제, 가소제, 소포제 및 용매를 혼합하고 분쇄하여 슬립(slip)을 제조하는 단계; Preparing a slip by mixing and pulverizing a dispersant, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent, and a solvent with a mixed metal powder in which a nickel powder and an aluminum powder are mixed in a weight ratio of 91-95: 5-9; 상기 슬립을 테이프 캐스팅법으로 성형하여 용융탄산염 연료전지의 전극 성형체를 제조하는 단계; 및Forming an electrode molded body of a molten carbonate fuel cell by molding the slip by a tape casting method; And 상기 성형체를 1050~1100℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하며, Sintering the molded body at a temperature of 1050 ~ 1100 ℃, 이때 상기 혼합 금속 분말의 고형분 함량이 상기 혼합 금속 분말 및 용매의 중량의 합에 대하여 61 내지 63중량%가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.Wherein the solids content of the mixed metal powder is 61 to 63% by weight based on the sum of the weights of the mixed metal powder and the solvent. 제 1항에 있어서, 상기 분쇄된 슬립은 평균 입경이 10 내지 15㎛인 용융탄산염 연료전지 전극 제조방법,The method of claim 1, wherein the crushed slip has a mean particle size of 10 to 15㎛, molten carbonate fuel cell electrode manufacturing method, 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄 분말은 평균 입경이 8 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the aluminum powder has an average particle diameter of 8 to 20㎛. 제 1항에 있어서, 상기 슬립의 점도는 7000 내지 20,000cP인 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.2. The method of claim 1, wherein the slip has a viscosity of 7000 to 20,000 cP. 제 1항에 있어서, 상기 분산제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량부의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the dispersing agent is added in an amount of 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. 제 1항에 있어서, 상기 결합제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 4.5 내지 8.0중량부의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the binder is added in an amount of 4.5 to 8.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. 제 1항에 있어서, 상기 가소제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 3.6 내지 5.6중량부의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the plasticizer is added in an amount of 3.6 to 5.6 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder. 제 1항에 있어서, 상기 소포제는 혼합 금속 분말 100중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5중량부의 양으로 첨가되는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 전극의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the antifoaming agent is added in an amount of 0.5 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the mixed metal powder.
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