KR101951101B1 - 타공판을 구비하여 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈 - Google Patents

타공판을 구비하여 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박스 박판시트에 타공판을 사용함에 따라, 연료전지의 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 (a) 일측면 또는 양측면에 홈이 형성되어 있는 매트릭스; (b) 상기 매트릭스의 일측면 홈에 삽입되는 연료극; 및 (c) 상기 매트릭스의 타측면 홈에 삽입되거나, 타측면에 결합되는 공기극;을 포함하는 일체형 단위전지 2~100개를 내부에 포함하는 용융탄산염 연료전지 모듈을 제공한다.

Description

타공판을 구비하여 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈{Molten Carbonate Fuel Cell Module Capable of Block Assembly with Perforated Plate}
본 발명은 타공판을 구비하여 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박스 박판시트에 타공판을 사용함에 따라, 연료전지의 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈에 관한 것이다.
종래의 용융탄산염 연료전지는 연료극, 매트릭스, 공기극으로 구성되어 있으며, 각각 별도로 제조하는 전극 제조 공정과 제조된 전극을 조립하는 조립(Sub-Assembly) 공정으로 구성(도 1 내지 도3 참조)되어 있다. 조립이 완료된 연료전지 구성품을 모듈이라 칭하며, 각 구성요소의 제조공정의 세부 사항은 아래와 같다.
연료극 제조공정: 연료극 원재료 분말과 유기 결합제, 분산제 등을 유기 용매에 섞는 슬러리 공정을 거쳐 테이프 캐스팅 공정으로 시트 형태로 제조한다. 제조된 시트는 적층 공정을 통해 니켈 메쉬 또는 테이프 2장 이상을 적층한 후 크기에 맞게 절단하여 완성한다.
매트릭스 제조공정: 연료극과 동일한 공정으로 슬러리 공정을 거쳐 테이프 캐스팅 공정으로 시트로 제조한 후, 적층 공정으로 2장 이상을 적층하여 최종 절단하여 완성한다.
공기극 제조공정: 니켈 파우더를 흑연판에 도포하여 소결하여 소결제를 완성하고, 전해질을 그 위에 도포하여 재 소결하여 전해질을 용융시켜 함침하고 크기에 맞게 절단하여 최종 완성한다.
또한 기존의 MCFC 모듈은 연료극, 연료극용 집전체, 연료극용 Wet Seal, 분리판, 매트릭스, 공기극용 Wet Seal, 공기극용 집전체, 공기극이 각각 Set로 조립된다.
일반적으로 분리판을 기준으로 한쪽 면에 연료극 집전체와 다른 쪽 면에 캐소드 집전체가 부착되고 각각의 집전체에 연료극 전극과 캐소드 전극이 올려져 있는 상태를 하나의 싱글 모듈이라하며 각 싱글 모듈 사이에는 매트릭스가 포함되어 있다.
조립 방법은 분리판을 기준으로 연료극과 공기극용 Wet Seal을 용접으로 부착하고 각각에 집전체를 양면 테이프로 접착시킨다. 그리고, 각각의 집전체에 연료극과 공기극 전극을 양면테이프나 유기 결합제를 뿌려 붙이는 공정이 추가된다. 마지막에는 매트릭스를 올려 하나의 싱글 모듈을 완성한다. 싱글 모듈을 여러장 겹쳐 쌓아올리는 것을 스택 모듈이라 한다.
하나의 싱글 모듈에는 각각 한장의 연료극, 매트릭스, 캐소드가 별도로 조립된다.
다만 기존의 방법으로 제조되는 싱글모듈의 경우 셀의 크기가 고정되어 있어 발전용량을 조절하기 위해서는 스텍 모듈의 수를 조절하여야 하며, 하나의 싱글모듈에서 불량 또는 고장이 발생하는 경우 싱글모듈 전체를 교환해야 하는 단점을 가지고 있다. 아울러 제조라인이 하나의 크기를 가지는 싱글모듈을 생산하는 것으로 고정되어 있어 다른 크기의 싱글모듈을 생산하는 경우 라인 전체를 변경해야 하는 단점을 가지고 있다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 싱글 모듈의 크기에 따른 블록조립이 가능하며, 불량 셀 발생시 최소한의 교체만으로 수리가 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈을 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 제1양태에 의한 본 발명은 (a) 일측면 또는 양측면에 홈이 형성되어 있는 매트릭스; (b) 상기 매트릭스의 일측면 홈에 삽입되는 연료극; 및 (c) 상기 매트릭스의 타측면 홈에 삽입되거나, 타측면에 결합되는 공기극;을 포함하는 일체형 단위전지 2~30개를 내부에 포함하는 용융탄산염 연료전지 모듈을 제공한다.
상기 매트릭스와 연료극의 접촉면 또는 매트릭스와 연료극의 접촉면에는 요철구조 또는 웨이브 구조가 형성될 수 있다.
상기 매트릭스는 한 변의 길이가 50~500mm인 사각형이며, 일측면 또는 양측면에 한 변의 길이가 40~490mm인 사각형의 홈이 형성될 수 있다.
상기 일체형 단위전지는 2~10개의 타공된 박스와 박스사이에 배열되어 한 개의 외부박스내에 위치할 수 있다.
상기 타공된 박스는 공기극 및 연료극과 접촉되는 부분만 타공되어 있으며, 매트릭스와 접촉되는 부분은 타공되어 있지 않을 수 있다.
상기 타공된 박스내부에는 양측의 타공면으로 반응가스가 균일하게 공급하는 가스 흐름체를 포함하며, 상기 가스 흐름체는 연료공급채널까지 연장되어 연료공급채널과 일체화되어 있을 수 있다.
상기 연료전지 모듈은 내부에 상기 단위전지가 평면상에 배열될 수 있다.
제2양태에 의한 본 발명은 상기 연료전지 모듈을 1~100개 포함하는 연료전지 스텍을 제공한다.
본 발명에 의한 용융탄산염 연료전지 모듈은 내부에 작은 크기의 단위전지를 포함하여 불량 모듈 발생시 쉽게 교체가 가능하며, 타공된 박스 박판시트를 사용하므로 스텍 모듈 구성시에도 기체의 교환이 용이하여 블록조립이 가능하다는 장점을 가진다.
도 1 내지 도3은 기존의 방법에 따른 용융탄산염 연료전지 제조방법의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 단위전지의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단위전지의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 단위전지의 형성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 싱글 모듈의 개략도 및 내부에 단위전지가 배열된 형상을 나타낸 개략도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
제1양태에 의한 본 발명은 (a) 일측면 또는 양측면에 홈이 형성되어 있는 매트릭스; (b) 상기 매트릭스의 일측면 홈에 삽입되는 연료극; 및 (c) 상기 매트릭스의 타측면 홈에 삽입되거나, 타측면에 결합되는 공기극;을 포함하는 일체형 단위전지(10) 2~30개를 내부에 포함하는 용융탄산염 연료전지 모듈을 제공한다.
기존의 연료전지 싱글모듈은 내부에 매트릭스, 연료극 및 공기극을 각각 하나씩 포함함에 따라 셀 불량이 발생하는 경우 싱글모듈 전체를 교환해야 한다는 단점을 가지고 있다. 하지만 본 발명에서는 일정한 크기를 가지는 매트릭스, 연료극 및 공기극을 일체형으로 제작하며, 이러한 일체형 단위전지(10)를 2~30개를 배열하여 연료전지 모듈(싱글 모듈)을 제작함에 따라, 셀 불량이 발생하는 경우 연료전지 모듈 내부의 단위전지(10)를 교체하여 재사용할 수 있다.
상기 매트릭스는 공기극과 연료극을 분리하며, 전해질의 이동이 가능한 분리막의 일종으로, 최외곽 매트릭스의 경우 밀봉(씰링)의 기능도 포함하고 있다. 또한 상기 매트릭스는 용융된 전해질을 포함하고 있어, 공기극에서 생성된 탄산이온이 연료극으로 이동할 수 있는 통로의 역할을 한다.
따라서 이러한 매트릭스는 공기극과 연료극의 접촉을 막기 위하여 공기극 및 연료극의 크기보다 크게 제작되는 것이 일반적이다. 하지만 매트릭스의 크기와 공기극 및 연료극의 크기가 차이가 남에 따라, 매트릭스와 각 전극(공기극 및 연료극)의 두께를 균일하게 하기 위하여 전극의 테두리를 따라 박판금속을 배치하여 각 셀이 균일한 두께를 가지도록 하였다.
하지만 본 발명에서는 상기 매트릭스의 일측면 또는 양측면에 사각형의 홈을 형성하여 상기 홈에 각 전극을 배치함에 따라, 매트릭스가 박판금속의 역할을 동시에 수행하도록 하였다. 이때 상기 매트릭스는 한 변의 길이가 50~500mm인 사각형이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 80~130mm, 가장 바람직하게는 100~120mm일 수 있다. 또한 상기 매트릭스의 일측면 또는 양측면에는 한 변의 길이가 40~190mm, 바람직하게는 70~120mm, 더욱 바람직하게는 90~110mm인 사각형의 홈이 형성될 수 있다(도 6). 따라서 상기 매트릭스는 각 전극에 비하여 사방으로 5~20mm씩 더 크게 제작된다. 또한 상기 매트릭스는 Li-AlO2, Li2CO3, Al, Al2O3 Powder를 포함할 수 있다.
또한 상기 매트릭스는 가장 두꺼운 부분의 두께가 1.5~2.5mm로 제작되며, 일측면의 홈은 깊이가 0.2~0.6mm로 제작되어 연료극이 삽입되며, 타측면의 홈은 깊이가 0.2~1mm로 제작되어 공기극이 삽입된다. 또한 각 전극은 홈의 깊이와 동일한 두께로 제작되어 삽입되는 것이 바람직하다. 아울러 매트릭스의 타측면에 홈을 형성하지 않는 경우 공기극은 상기 매트릭스에 부착되어 사용될 수 있다.
상기 연료극은 공기극에서 공급되는 탄산이온과 내부개질을 통하여 공급되는 수소가 반응하여 전자를 발생시키는 전극으로, Ni-3Al 또는 Ni-4Cr을 포함할 수 있다. 상기 연료극은 공기극과 동일한 크기로 제작될 수 있지만, 두께는 공기극보다 얇은 0.2~0.6mm로 제작되는 것이 바람직하다. 또한 상기 연료극은 수소를 포함하는 연료가 통과 가능하도록 다공성물질로 제작될 수 있다.
상기 공기극은 공급된 이산화탄소와 산소 및 이동한 전자가 결합되어 탄산이온을 생성하는 전극으로, 니켈파우더, 전해질파우더 등을 이용하여 제작될 수 있다. 또한 상기 공기극은 두께 0.2~1mm를 가지며, 한 변의 길이가 40~190mm로 되어 있어, 매트릭스의 홈과 일체화되어 제작될 수 있다. 또한 상기 공기극은 산소를 포함하는 기체가 통과할 수 있도록 다공성 물질로 제작될 수 있다.
또한 상기 매트릭스와 연료극의 접촉면 또는 매트릭스와 연료극의 접촉면에는 요철구조 또는 웨이브 구조가 형성되어 있을 수 있다. 상기 매트릭스와 각 전극의 접촉면이 넓을수록 연료전지의 효율이 향상되므로, 매트릭스와 각 전극의 접촉면을 가공하여 표면적을 넓힐 수 있다. 기존의 연료전지의 경우 각 전극을 따로 제작한 다음, 매트릭스와 결합하여 제작하므로, 상기와 같은 요철 구조 또는 웨이브 구조를 가지는 경우, 결합시 틈이 생겨 오히려 전하 및 이온의 이동이 원활하지 않을 수 있다. 하지만 본 발명은 각 전극 및 매트릭스를 연속된 공정으로 일체화하여 제작하고 있으므로, 표면적으로 넓힐 수 있는 구조를 가지면서도 완전하게 각 전극과 매트릭스를 결합시킬 수 있다. 이러한 웨이브 구조 또는 요철구조가 각 전극과 매트릭스의 접촉면에 형성되는 경우, 상기 구조에 의하여 접촉 면적이 최대 4배까지 증가될 수 있으며, 이에 따라 셀의 크기가 4배로 증가되는 효과(효율 증가)를 가질 수 있다. 따라서 동일한 성능을 가지는 기존의 연료전지에 비하여 소형화가 가능하다.
아울러 상기 각 전극과 매트릭스의 접촉면에는 각종 코팅층을 추가로 포함될 수 있다. 상기 코팅층은 용융탄산염 연료전지의 효율을 높이거나 새로운 기능성을 가지도록 하는 것으로, 나노입자가 코팅되는 경우 삼상계면의 증가로 인한 연료전지의 성능향상을 가져올 수 있으며, 촉매(NiO, CeO2 등)가 코팅되는 경우 카본 코킹(Cocking)을 방지할 수 있다. 또한 고전도성을 가지는 물질(Ag, ITO, 금, 탄소나노튜브 등)이 코팅되는 경우 전기전도도가 증가될 수 있다. 이러한 코팅층은 상기 코팅물질을 균일하게 도포할 수 있는 방법이면 제한 없이 사용가능 하지만, 바람직하게는 스프레이법, 침투법 또는 스크린프린팅에 의하여 코팅될 수 있다.
또한 상기 단위전지(10)는 (a) 성형틀에 공기극용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나, 성형틀에 공기극용 혼합분말을 주입하여 공기극을 제조하는 단계; (b) 상기 공기극에 매트릭스용 성형틀을 결합하고 매트릭스용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나, 성형틀에 매트릭스용 혼합분말을 주입하여 공기극-매트릭스 결합체를 제조하는 단계; (c) 상기 (b)단계에서 제조된 공기극-매트릭스 결합체에 연료극용 성형틀을 결합하고 연료극용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나 성형틀에 연료극용 혼합분말을 주입하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계; 및 (d) 상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 사용하여 용융 탄산염 연료전지를 제조하는 단계(제1 제조방법)를 통하여 제조될 수 있다.
상기 단위전지(10) 제조방법은 각 전극 및 매트릭스의 원료분말 및 유기결합제의 혼합물을 건식공정을 통하여 제조하고 있으며, 각 분말을 일정한 형상을 가지는 성형틀에 균일하게 공급한 다음, 프레스로 가압하여 성형하거나 성형틀에 각 분말을 직접 주입하여 성형한다. 그 제조방법을 상세히 살펴보면 다음과 같다.
(1) 공기극(cathode)의 제조단계
니켈 분말(Ni Powder), 전해질분말(Electrolyte Powder), 유기 결합제, 윤활제 및 분산제를 믹서를 이용하여 10~60분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조한 다음, 공기극용 성형틀에 공급한다.
상기 유기 결합제로는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; 윤활제(Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 카나우바 왁스; 및 분산제로 스테아린산 또는 올레산을 포함할 수 있다.
공기극용 성형틀은 공기극의 모양을 성형할 수 있는 형상이라면 제질 및 형상에 관계없이 사용 가능하다. 또한 상기 공기극의 표면에 웨이브 구조 또는 요철구조를 형성하기 위한 경우 이에 맞는 형상을 가지는 공기극용 성형틀을 사용할 수 있다.
공기극용 성형틀에 공기극용 혼합분말을 공급한 다음, 10~100kg/㎠, 바람직하게는 10~50kg/㎠, 더욱 바람직하게는 15~25kg/㎠의 압력 및 60~150℃, 바람직하게는 80~130℃, 더욱 바람직하게는 90~120℃의 온도에서 10초~5분간, 바람직하게는 30초~2분간, 더욱 바람직하게는 50초~70초간, 가압하여 공기극을 형성한다.
또한 상기 공기극용 성형틀에 공기극용 혼합분말을 직접 주입하여 공기극을 형성하는 것도 가능하다. 이 경우 10~100kg/㎠, 바람직하게는 10~50kg/㎠, 더욱 바람직하게는 15~25kg/㎠의 압력 및 60~200℃, 바람직하게는 90~170℃, 더욱 바람직하게는 110~150℃의 온도에서 주입하여 성형할 수 있으며, 취출은 60℃ 이하에서 취출될 수 있다.
(2) 매트릭스의 제조단계
상기 (1)단계에서 제조된 공기극에 매트릭스용 성형틀을 설치한 다음, 매트릭스용 혼합분말을 공급하여 매트릭스를 제조한다. 이때 상기 매트릭스 혼합분말은 Li-AlO2, Li2CO3, Al, Al2O3 Powder, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10~60분간 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 유기 결합제로는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; 및 (ii) 윤활제 (Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 카나우바 왁스; 및 (iii) 분산제로 스테아린산 또는 올레산을 포함할 수 있다.
매트릭스용 성형틀에 매트릭스용 혼합분말을 공급한 이후 공기극과 동일한 조건으로 가압하거나 주입하여 공기극의 상부에 매트릭스를 형성한다. 이때 매트릭스용 성형틀이 공기극보다 크게 제작되는 경우, 매트릭스는 공기극을 덮는 형상으로 성형되며, 공기극과 동일한 크기로 제작되는 경우 공기극과 부착되어 성형된다. 또한 공기극과 접하지 않는 매트릭스의 일측면에는 가압 또는 주입시 공기극과 동일한 크기의 홈을 일정 깊이로 형성하여 연료극이 삽입될 공간을 형성한다. 또한 상기 일측면의 경우에도 웨이브 구조 또는 요철구조를 형성하는 경우 이후 제조되는 연료극과의 접촉 면적이 넓어져 연료전지의 효율이 향상될 수 있다.
(3) 연료극(anode)의 제조단계
상기 (2)단계에서 제조된 공기극-매트릭스 복합체에 연료극용 성형틀을 설치한 다음, 연료극용 혼합분말을 공급하여 연료극을 제조한다. 이때 상기 연료극용 혼합분말은 Ni-3Al, Ni-4Cr, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10~60분간 혼합하여 제조할 수 있다.
상기 유기 결합제로는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; 및 (ii) 윤활제 (Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 카나우바 왁스; 및 (iii) 분산제로 스테아린산 또는 올레산을 포함할 수 있다.
연료극용 성형틀에 연료극용 혼합분말을 공급한 이후 공기극과 동일한 조건으로 가압하거나 주입하여 매트릭스의 상부에 연료극을 형성한다. 이때 연료극용 성형틀은 상기 매트릭스의 홈에 연료극이 삽입될 수 있도록 제작되므로, 연료극은 매트릭스 일측면의 홈에 완전히 삽입되며, 매트릭스의 일측면 표면이 웨이브 구조 또는 요철구조를 가지고 있더라도 가압 또는 주입과정에서 밀착되어 제조될 수 있다.
또한 상기 방법 이외에도 (a) 성형틀에 공기극용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나, 성형틀에 공기극용 혼합분말을 주입하여 공기극을 제조하는 단계; (b) 성형틀에 매트릭스용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나, 성형틀에 매트릭스용 혼합분말을 주입하여 매트릭스를 제조하는 단계; (c) 성형틀에 연료극용 혼합분말을 공급한 다음 가압하거나, 성형틀에 연료극용 혼합분말을 주입하여 연료극을 제조하는 단계; (d) 성형된 공기극, 매트릭스, 연료극을 결합하여 일체화하는 단계; 및 (e) 상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 사용하여 용융 탄산염 연료전지를 제조하는 단계를 포함하는 상기 용융 탄산염 연료전지의 제조방법에 의하여 제조되는 것도 가능하다(제2제조방법).
이 경우 각 전극의 조성 및 가압 또는 주입조건은 상기 제1제조방법과 동일하게 하여 제작할 수 있으며, 각 전극과 매트릭스의 접촉면이 웨이브 구조 또는 요철 구조를 가질 수 있는 것 역시 동일하다.
또한 상기 단위전지(10)는 2~10개의 타공된 박스와 박스사이에 배열되어 한 개의 외부박스(20)내에 위치할 수 있다. 외부박스(20)는 연료전지 모듈의 외피를 구성하는 것이며, 타공된 박스는 모듈 내부에 존재하며, 타공되어 있어 공기 및 연료 기체의 이동을 용이하게 한다. 하지만 상기 타공은 각 전극 부분에만 형성되어야 하며, 매트릭스 부분에는 타공이 없어야 하므로, 상기 타공된 박스는 공기극 및 연료극과 접촉되는 부분만 타공되어 있으며, 매트릭스와 접촉되는 부분은 타공되어 있지 않는 것이 바람직하다.
아울러 상기 단위전지(10)는 여러개의 층을 이루어서 싱글 모듈을 구성할 수 있지만, 이 경우 각 단위전지(10) 사이에 추가적인 절연판 또는 매트릭스가 구비되어야 하므로, 싱글 모듈이 두꺼워지며, 구조가 복잡해질 수 있다. 따라서 상기 단위전지(10)는 상기 싱글모듈 내부에 평면상으로 배치되는 것이 바람직하다. 이때 각 단위전지(10)는 싱글모듈의 크기에 따라 2X3, 2X4, 2X5, 3X3, 3X4, 3X5등 다양한 배치를 가질 수 있으며, 싱글모듈 내에는 동일한 크기의 단위전지(10)를 사용하는 사용하는 것이 바람직하지만, 싱글모듈의 크기 및 용도에 따라 다른 크기를 가지는 단위전지(10)를 혼용하여 사용하는 것도 가능하다. 다만 다른 크기를 가지는 단위전지(10)를 사용하는 경우, 단위전지(10)의 집합은 사각형을 이루도록 단위전지의 크기를 혼용하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 타공된 박스내부에는 양측의 타공면으로 반응가스가 균일하게 공급하는 가스 흐름체를 포함하며, 상기 가스 흐름체는 연료공급채널까지 연장되어 연료공급채널과 일체화되어 있을 수 있다. 상기 가스흐름체가 존재하지 않는 경우, 뷸균일하게 공급된 가스에 의하여 전지의 효율이 급격히 감소할 수 있으며, 전지 전도도가 감소하여 발열, 내부저항증가, 발전효율저하 등의 문제가 발생할 수 있다.
제2양태에 의한 본 발명은 상기 연료전지 모듈 2~100개를 포함하는 연료전지 스텍을 제공한다. 상기 연료전지 모듈은 싱글에 해당하므로, 하나의 싱글 모듈로는 사용시 높은 효율을 기대할 수 없으며, 사용자가 일반적으로 원하는 전압 및 전류량을 제공하는 것도 불가능하다. 따라서, 상기 연료전지 모듈을 직렬 또는 병렬로 조합하여 사용자가 원하는 전압 및 전류량을 생산할 수 있는 연료전지 스텍을 사용하여야한다. 이 경우, 상기 연료전지 모듈을 이격되게 설치하고 각각 연결하여 사용할 수도 있지만, 공간의 절약 및 관리의 편의성을 위하여 각 연료전지 모듈을 적층하여 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 연료전지 스텍은 연료전지 모듈을 수평으로 적층하여 사용하는 것도 가능하지만, 수직으로 적층하여 사용하는 것도 가능하며, 적층된 연료전지 모듈을 병렬로 연결하여 발전용량을 늘리는 것 역시 가능하다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명한다.
실시예 1
(1) 공기극(cathode)의 제조
니켈 분말(Ni Powder), 전해질분말(Electrolyte Powder), PVB 및 파라핀왁스를 믹서에 공급한 다음, 30분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조하였다.
100mmX100mm의 크기를 가지는 공기극용 성형틀에 상기 공기극용 혼합분말을 공급한 다음, 20kg/㎠의 압력 및 100℃의 온도로 1분간 가압하여 공기극이 두께 0.7mm의 평판형이 되도록 성형하였다.
(2) 매트릭스의 제조
상기 (1)단계에서 제조된 공기극에 매트릭스용 성형틀을 설치한 다음, 매트릭스용 혼합분말을 공급하여 매트릭스를 제조하였다.
상기 매트릭스 혼합분말은 Li-AlO2, Li2CO3, Al, Al2O3 Powder, PVB 및 파라핀 왁스를 믹서에 공급한 다음, 30분간 혼합하여 제조하였다.
110mmX110mm의 크기를 가지는 매트릭스용 성형틀에 상기 매트릭스용 혼합분말을 공급한 다음, 20kg/㎠의 압력 및 100℃의 온도로 1분간 가압하여 매트릭스를 성형하였으며, 가압시 상부에 100mmX100mm의 크기를 가지는 홈이 형성되도록 가압하였다. 매트릭스는 홈부분의 두께가 0.6mm이며, 두꺼운 부분의 두께가 2.0mm가 되도록 가압하여 성형하였다.
(3) 연료극(anode)의 제조
상기 (2)단계에서 제조된 공기극-매트릭스 복합체에 연료극용 성형틀을 설치한 다음, 연료극용 혼합분말을 공급하여 연료극을 제조하였다.
상기 연료극용 혼합분말은 Ni-3Al, Ni-4Cr, PVB 및 파라핀 왁스를 믹서에 공급한 다음, 30분간 혼합하여 제조하였다.
100mmX100mm의 크기를 가지는 연료극용 성형틀에 상기 연료극용 혼합분말을 공급한 다음, 20kg/㎠의 압력 및 100℃의 온도로 1분간 가압하여 연료극을 성형하였으며, 연료극의 전체높이는 매트릭스의 두꺼운 부분과 동일하도록 가압하여 성형하였다.
(4) 싱글모듈 제조
상기 (1)~(3)의 단계를 거쳐 제조된 단위전지(10) 15개를 준비한 다음, 3X5로 배열하여 싱글모듈을 제작하였다. 판형 박판시트 메탈에 금형에 의한 슬롯 가공하여 집전체를 준비한 다음, 상기 집전체를 박스 박판시트(20)에 삽입하고 단위전지 15개를 배열하여 삽입하였다. 이때 판형 박판시트 메탈은 사전에 각 전극이 접촉되는 지점을 타공하여 전극부에는 타공부가 접촉되며, 매트릭스부에는 타공되지 않은 부분이 접촉되도록 한다. 이후 양 측변에 연료공급 채널(30)을 조립하여 싱글모듈을 제조하였다.
실시예 2
공기극 제조시 상부가 물결형상을 가진 성형틀을 사용하며, 매트릭스 제조시 홈내부를 웨이브 구조를 가지도록 제조한 것으로 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
실시예 3
공기극 제조시 상부가 요철형상을 가진 성형틀을 사용하며, 매트릭스 제조시 홈내부를 요철 구조를 가지도록 제조한 것으로 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.
비교예 1
기존의 방법과 동일하게 공기극, 매트릭스, 연료극을 각각 제조한 다음, 결합하여 연료전지를 제조하였다. 각 제조시 사용되는 원료, 가압조건 및 전극의 크기는 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
실험예
상기 각 실시예 및 비교예에서 제작한 연료전지를 이용하여 초기 전류밀도 및 전압을 측정하였으며, 내구성을 실험하기 위하여 5000시간 작동이후 전압변화를 측정하였다. 실험결과는 하기의 표1에 기재하였다.
초기 전류밀도
(mA/㎠)		 초기 전압
(V)		 전압 변화
(ΔV)		 측정 조건
실시예1 150 0.83 0.2 전류밀도 = 150mA/cm2 (유지)
연료이용율 = 0.4~0.72
운전온도 = 620oC
실시예2 150 0.84 0.1
실시예3 150 0.84 0.1
비교예1 150 0.82 0.2
표1에 나타난 바와 같이, 실시예1의 용융탄산염 연료전지 모듈의 경우 기존의 방법으로 제작된 비교예1과 동일한 성능을 나타내었으며, 각 전극과 매트릭스의 접촉면을 웨이브 구조 또는 요철구조로 가공한 실시예 2 및 3의 경우 초기의 전압이 상승하였다. 또한 내구성에 있어도 기존의 방법으로 제작되는 비교예1과 비교할 때 동등하거나 더욱 높은 내구성을 가지는 것으로 나타났다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10 : 단위전지
20 : 박스 박판시트
30 : 연료공급 채널

Claims (8)

  1. (a) 일측면 또는 양측면에 홈이 형성되어 있는 매트릭스;
    (b) 상기 매트릭스의 일측면 홈에 삽입되는 연료극; 및
    (c) 상기 매트릭스의 타측면 홈에 삽입되거나, 타측면에 결합되는 공기극;
    을 포함하는 일체형 단위전지 2~30개를 내부에 포함하는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스와 연료극의 접촉면 또는 매트릭스와 연료극의 접촉면에는 요철구조 또는 웨이브 구조가 형성되어 있는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 한 변의 길이가 50~500mm인 사각형이며, 일측면 또는 양측면에 한 변의 길이가 40~490mm인 사각형의 홈이 형성되어 있는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 단위전지는 2~10개의 타공된 박스와 박스사이에 배열되어 한 개의 외부박스내에 위치하는 용융탄산염 연료전지 모듈
  5. 제4항에 있어서,
    상기 타공된 박스는 공기극 및 연료극과 접촉되는 부분만 타공되어 있으며, 매트릭스와 접촉되는 부분은 타공되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 타공된 박스내부에는 양측의 타공면으로 반응가스가 균일하게 공급하는 가스 흐름체를 포함하며,
    상기 가스 흐름체는 연료공급채널까지 연장되어 연료공급채널과 일체화되어 있는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 모듈은 내부에 상기 단위전지가 평면상에 배열된 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지 모듈.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 연료전지 모듈을 1~100개 포함하는 연료전지 스텍.
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