KR101989419B1 - 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스와, 상기 제 1 전극홈에 구비되는 연료극과, 상기 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 제 2 전극홈에 구비되는 공기극을 포함함으로써, 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.

Description

타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법{INTEGRATED MOLTEN CARBONATE FUEL CELL AND MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속(Wet Seal)의 사용 없이도 연료전지를 밀봉(씰링)할 수 있는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 종래의 용융탄산염 연료전지는 연료극, 매트릭스, 공기극 등을 포함하며, 연료극, 매트릭스, 공기극 등을 각각 별도로 제조하는 전극 제조 공정, 제조된 전극을 조립하는 조립(Sub-Assembly) 공정 등을 이용하여 제조될 수 있다.
여기에서, 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래의 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정에 대해 설명한다.
첫째, 연료극 제조 공정 및 매트릭스 제조 공정에서는 연료극 원재료 분말, 유기 결합제, 분산제 등을 유기 용매에 혼합하는 슬러리 공정을 수행하고, 테이프 캐스팅 공정을 통해 시트 형태로 제조하며, 제조된 시트는 적층 공정을 통해 니켈 메쉬 또는 테이프 2장 이상을 적층한 후에 필요한 크기에 따라 절단하는 방식으로 연료극 및 매트릭스를 각각 제조할 수 있다.
둘째, 공기극 제조 공정에서는 니켈 파우더를 흑연판에 도포하고, 이를 수결하여 소결제를 제조하며, 전해질을 소결제의 상부에 도포한 후에 재소결함으로서, 전해질을 용융시켜 함침한 후에, 필요한 크기에 따라 절단하는 방식으로 고기극을 제조할 수 있다.
셋째, 조립 공정에서는 전기와 가스를 공급하는 분리판에 제조된 각 구성요소(예를 들면, 연료극, 매트릭스, 공기극 등)을 적층하여 제조하고자 하는 용융탄산염 연료전지를 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이 전극을 조립하는 경우 일반적으로 매트릭스의 크기가 연료극 및 공기극의 크기보다 크게 제조되기 때문에, 각 구성요소를 적층하는 과정에서 단차가 발생할 수 있고, 이러한 단차에 의해 씰링(밀봉) 문제가 발생될 수 있으며, 응력 분포가 불균일하게 되어 크랙(crack) 등을 유발하기 때문에, 이를 해결하기 위해서 별도의 박판금속(Wet Seal)이라 부르는 금속 부품을 추가하여 각 단차를 보정한 후에 씰링할 수 있다.
이러한 박판금속은 연료극용 및 공기극용에 따라 각각 별도로 필요하며, 연료극용 박판금속 및 공기극용 박판금속의 각 두께는 연료극 두께 및 공기극 두께만큼 각각 제공됨으로써, 조립 후에 매트릭스와 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하고, 순서에 따라 조립해야만 하기 때문에 박판금속의 사용은 용융탄산염 연료전지의 제조 단가를 증가시키는 문제점이 있고, 연료극과 공기극의 두께 편차가 발생할 경우 전극의 접촉 불량이 발생하는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-0195091호(1999.02.11.등록)
본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 일측면과 타측면에 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 제 2 전극홈에 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
아울러, 본 발명은 연료극에 인접하여 반응부가 타공되어 있는 제 1 타공판을 구비하고, 공기극에 인접하여 반응부가 타공되어 있는 제 2 타공판을 구비하는 일체형 용융탄산염 연료전제를 제공함으로써, 전하 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 반응 시 발생되는 열을 분산시켜 연료전지의 부식과 열화를 방지할 수 있는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스와, 상기 제 1 전극홈에 구비되는 연료극과, 상기 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 제 2 전극홈에 구비되는 공기극을 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지는, 상기 연료극의 일측면에 구비되는 제 1 타공판과, 상기 공기극의 타측면에 구비되는 제 2 타공판을 더 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제 1 타공판은, 상기 연료극과 접하는 반응부에만 타공되고, 상기 제 2 타공판은, 상기 공기극과 접하는 반응부에만 타공되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은, 각각 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 형성되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은, 각각 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 연료극, 매트릭스 및 공기극을 포함하는 단위전지는, 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판이 구비되며, 복수개가 분리판을 통해 분리되어 밀봉되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 분리판은, 내측면이 요철 형상으로 형성되는 제 1 분리판과, 양측면이 요철 형상으로 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계와, 매트릭스 성형몰드를 이용하여 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스를 제조하는 단계와, 연료극 성형몰드를 이용하여 연료극을 제조하는 단계와, 상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 매트릭스의 타측면에 상기 공기극이 구비되거나, 상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 제 2 전극홈에 상기 공기극이 구비되도록 일체화하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계를 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계와, 상기 제조된 공기극이 결합된 매트릭스 성형몰드를 이용하여 상기 공기극이 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 매트릭스의 타측면에 형성된 제 2 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스 결합체를 제조하는 단계와, 상기 제조된 공기극-매트릭스 결합체가 결합된 연료극 성형몰드를 이용하여 연료극이 상기 매트릭스의 일측면에 형성된 제 1 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계를 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면과 또 다른 측면에 따르면, 상기 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법은, 상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체인 단위전지의 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에, 상기 단위전지를 분리판을 통해 분리시켜 밀봉하는 단계를 더 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면과 또 다른 측면에 따르면, 상기 매트릭스는, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말 및 Al2O3 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되고, 상기 연료극은, Ni-3Al 분말 및 Ni-4Cr 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되며, 상기 공기극은, Ni 분말 및 전해질 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면과 또 다른 측면에 따르면, 상기 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면과 또 다른 측면에 따르면, 상기 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따른 가압 방식으로 제조되거나, 혹은 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따른 주입 방식으로 제조되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.
또한, 본 발명은 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 일측면과 타측면에 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 제 2 전극홈에 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
아울러, 본 발명은 연료극에 인접하여 반응부가 타공되어 있는 제 1 타공판을 구하고, 공기극에 인접하여 반응부가 타공되어 있는 제 2 타공판을 구비하는 일체형 용융탄산염 연료전제를 제공함으로써, 전하 유량을 조절할 수 있을 뿐만 아니라 반응 시 발생되는 열을 분산시켜 연료전지의 부식과 열화를 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 종래에 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정을 설명하기 위한 도면이고,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 예시한 도면이며,
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 예시한 도면이고,
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이며,
도 9 및 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이고,
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이며,
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 전기적 특성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 예시한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(100)는 매트릭스(110), 연료극(120), 공기극(130), 제 1 타공판(140), 제 2 타공판(150), 분리판(160) 등을 포함할 수 있다.
매트릭스(110)는 일측면에 제 1 전극홈(112)이 형성되는 것으로, 전해질의 이동이 가능하고, 연료극(120)과 공기극(130)를 분리하며, 용융된 전해질을 포함하여 공기극(130)에서 생성된 탄산이온이 연료극(120)으로 이동하는 통로 역할을 수행할 수 있다.
여기에서, 매트릭스(110)는 홈이 형성되지 않은 부분이 대략 1.5-2.5mm의 두께를 가지면서 대략 50-500mm의 폭길이를 갖는 사각플레이트형태로 제공되며, 연료극(120)이 구비되는 일측면에는 제 1 전극홈(112)이 형성될 수 있으며, 제 1 전극홈(112)은 대략 40-490mm의 폭길이와 대략 0.2-0.6mm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들면, 매트릭스(110)는 Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말 및 Al2O3 분말 중 적어도 하나를 포함하는 분말과, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조될 수 있다.
연료극(120)은 매트릭스(110)의 일측면에 형성된 제 1 전극홈(112)에 구비되는 것으로, 공기극(130)으로부터 공급되는 탄산이온과 내부개질을 통해 공급되는 수소가 반응하여 전자를 발생시키는 전극 역할을 수행할 수 있다.
여기에서, 연료극(120)은 매트릭스(110)의 일측면에 형성된 제 1 전극홈(112)에 삽입될 수 있도록 대략 40-490mm의 폭길이와 대략 0.2-0.6mm의 두께를 가지며, 수소를 포함하는 연료가 통과할 수 있도록 다공성물질로 제조될 수 있다.
예를 들면, 연료극(120)은 Ni-3Al 분말 및 Ni-4Cr 분말 중 적어도 하나를 포함하는 분말과, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조될 수 있다.
공기극(130)은 매트릭스(110)의 타측면에 인접하여 구비되는 것으로, 공급된 이산화탄소, 산소 및 이동한 전자가 결합되어 탄산이온을 생성하는 전극 역할을 수행할 수 있다.
여기에서, 공기극(130)은 매트릭스(110)의 폭길이에 대응하여 대략 50-500mm의 폭길이와 대략 0.2-1mm의 두께를 가지며, 산소를 포함하는 기체가 통과할 수 있도록 다공성물질로 제조될 수 있다.
예를 들면, 공기극(130)은 Ni 분말 및 전해질 분말 중 적어도 하나를 포함하는 분말과, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조될 수 있다.
상술한 바와 같은 매트릭스(110) 및 연료극(120)의 접촉면과 매트릭스(110) 및 공기극(130)의 접촉면은, 각각 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 형성될 수 있는데, 이는 매트릭스(110)와 각 전극의 접촉면이 증가할수록 연료전지의 효율이 향상되기 때문에, 매트릭스(110)와 각 전극의 접촉면이 증가하도록 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 가공함으로써, 표면적을 증가시킬 수 있다.
종래의 연료전지에서는 각 전극을 따로 제작한 후에 매트릭스와 결합시키기 때문에, 요철 형상 또는 웨이브 형상을 갖는 경우 결합 시 틈이 발생하여 전하 및 이온의 이동이 원활하게 이루어지지 않지만, 본 발명에서는 각 전극 및 매트릭스(110)를 연속된 공정으로 일체화하여 제조하기 때문에, 표면적을 증가시킬 수 있는 구조를 가지면서도 각 전극과 매트릭스(110)를 효과적으로 결합시킬 수 있다.
이러한 요철 형상 또는 웨이브 형상의 접촉면으로 인해 그 접촉 면적이 최대 4배까지 증가될 수 있으며, 이에 따라 단위전지의 효율이 4배로 증가하는 효과가 있을 뿐만 아니라, 연료전지의 소형화를 구현할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상술한 바와 같은 매트릭스(110) 및 연료극(120)의 접촉면과 매트릭스(110) 및 공기극(130)의 접촉면은, 각각 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅될 수 있는데, 나노입자가 코팅되는 경우 삼상계면의 증가로 인해 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있고, 촉매(예를 들면, NiO, CeO2 등)가 코딩되는 경우 카본 코킹(cocking)을 방지할 수 있으며, 고전도성 물질(예를 들면, Ag, ITO, 금, 탄소나노튜브 등)이 코팅되는 경우 연료전지의 전기전도도를 증가시킬 수 있다.
이러한 코팅층은 스프레이법, 침투법, 스크린프린팅법 등을 이용하여 각 접촉면에 균일하게 코팅할 수 있다.
제 1 타공판(140)은 연료극(120)의 일측면에 구비되는 것으로, 매트릭스(110)의 폭길이에 대응하여 대략 50-500mm의 폭길이로 구비되어 연료극(120)에서 생성된 전자를 포집하는 집전 역할을 수행할 수 있으며, 연료극(120)과 접하는 반응부에만 타공됨으로써, 전하 유량을 조절할 수 있고, 반응 시 발생되는 열을 분산시킬 수 있다. 즉, 연료극(120)과 접하는 반응부는 매트릭스(110)에 형성된 제 1 전극홈(112)의 폭길이에 대응하는 부분을 의미한다.
제 2 타공판(150)은 공기극(130)의 타측면에 구비되는 것으로, 매트릭스(110)의 폭길이에 대응하여 대략 50-500mm의 폭길이로 구비되어 공기극(130)에서 생성된 탄산이온을 포집하는 집전 역할을 수행할 수 있으며, 공기극(130)과 접하는 반응부에만 타공됨으로써, 전하 유량을 조절할 수 있고, 반응 시 발생되는 열을 분산시킬 수 있다. 즉, 공기극(130)과 접하는 반응부는 매트릭스(110)의 폭길이에 대응하는 부분을 의미한다.
이러한 제 1 타공판(140)과 제 2 타공판(150)에 구비된 복수개의 타공홀을 통해 향류형 가스 흐름을 유도하여 균일한 온도 분포를 확보할 수 있다.
상술한 바와 같은 제 1 타공판(140)과 제 2 타공판(150)의 외측 부분은 전해질의 외부 유출을 방지하기 위한 방지막이 추가로 형성될 수 있으며, 이러한 방지막은 Ceria(CeO2) 등을 페이스트화하여 코팅할 수 있다.
상술한 바와 같은 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지에서 연료극(120), 매트릭스(110) 및 공기극(130)을 포함하는 단위전지는, 양측면에 연료극(120)과 인접하여 제 1 타공판(140)이 구비되면서 공기극(130)과 인접하여 제 2 타공판(150)이 구비되며, 복수개가 분리판(160)을 통해 분리되어 밀봉되는데, 분리판(160)은 이러한 복수개의 단위전지를 각각 분리시키는 것으로, 양단부에 배치되어 내측면이 요철 형상으로 형성되는 제 1 분리판(160a)과, 각 단위전지의 사이에 배치되어 양측면이 요철 형상으로 형성되는 제 2 분리판(160b)을 포함할 수 있다.
이러한 분리판(160)의 테두리 부분에는 일단부에서는 제 1 타공판(140)의 테두리 부분이 접하여 밀봉되거나, 혹은 단위전지들의 각 사이에서는 제 1 타공판(140) 및 제 2 타공판(150)의 테두리 부분이 접하여 밀봉되거나, 혹은 타단부에서는 제 2 타공판(150)의 테두리 부분이 접하여 밀봉(예를 들면, 용접 방식, 접착 방식 등을 이용할 수 있음)될 수 있다.
여기에서, 각 전극이 조립될 경우 전극과 전극 사이에 대해 접착 본드를 이용한 접착 공정을 통해 조립될 수 있으며, 전극과 각 타공판의 경우에도 접착 본드를 이용한 접착 공정을 통해 접착될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(100)에서는 반응가스 유입구와 반응가스 배출구에 대해서는 기재하고 있지 않지만, 종래에 공지된 연료전지에 다양하게 개시되어 있으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
따라서, 본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.
또한, 본 발명은 일측면에 제 1 전극홈이 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 매트릭스의 타측면에 인접하여 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
다음에, 매트릭스의 일측면에 제 1 전극홈이 구비되면서 타측면에 제 2 전극홈이 구비되며, 제 1 전극홈에 연료극이 구비되고, 제 2 전극홈에 공기극이 구비되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제 2 실시예에 대해 설명한다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 예시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(200)는 매트릭스(210), 연료극(220), 공기극(230), 제 1 타공판(240), 제 2 타공판(250), 분리판(260) 등을 포함할 수 있다.
여기에서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(200)의 구성 중에서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(100)와 다른 구성에 대해서만 기재하기로 한다.
매트릭스(210)는 일측면에 제 1 전극홈(212)이 형성되고, 타측면에 제 2 전극홈(214)이 형성될 수 있으며, 공기극(130)은 매트릭스(110)의 타측면에 형성된 제 2 전극홈(214)에 구비될 수 있다.
여기에서, 공기극(130)은 매트릭스(110)의 타측면에 형성된 제 2 전극홈(214)의 폭길이에 대응하여 대략 40-490mm의 폭길이와 대략 0.2-1mm의 두께를 가지도록 제조될 수 있다.
이에 따라, 공기극(130)에 인접하여 배치되는 제 2 타공판(250)은 공기극(130)과 접하는 반응부에만 타공될 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.
또한, 본 발명은 일측면과 타측면에 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 제 2 전극홈에 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하기 위해서 각 성형몰드를 통해 공기극, 매트릭스 및 연료극을 각각 제조한 후에 일체화하여 제조하는 제 3 실시예에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이며, 도 9 및 도 10은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계(810)와, 매트릭스 성형몰드를 이용하여 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스를 제조하는 단계(820)와, 연료극 성형몰드를 이용하여 연료극을 제조하는 단계(830)와, 상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 매트릭스의 타측면에 상기 공기극이 구비되거나, 상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 제 2 전극홈에 상기 공기극이 구비되도록 일체화하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계(840)를 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법은, 상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체인 단위전지의 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에, 상기 단위전지를 분리판을 통해 분리시켜 밀봉하는 단계(850)를 더 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
여기에서, 매트릭스는, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말 및 Al2O3 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되고, 연료극은, Ni-3Al 분말 및 Ni-4Cr 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되며, 공기극은, Ni 분말 및 전해질 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다.
또한, 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조될 수 있다.
그리고, 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따른 가압 방식으로 제조(예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이 (a) 원재료 가공, (b) Matrix 성형, (c) Anode 성형, (d) Cathode 성형, (e) 구성요소 어셈블리 등의 과정을 수행함)되거나, 혹은 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따른 주입 방식으로 제조될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지에 포함되는 각 전극 및 매트릭스의 원료분말 및 유기결합제의 혼합물을 건식 공정을 통해 각 전극 및 매트릭스를 제조할 수 있는데, 각각의 분말을 각 전극 및 매트릭스에 대응하는 형상을 갖는 각각의 성형몰드에 균일하게 공급하고, 프레스로 가압하여 성형하는 가압 방식으로 제조하거나, 각각의 성형몰드에 각각의 분말을 직접 주입하여 성형하는 주입 방식으로 제조할 수 있다.
예를 들면, 공기극 제조의 경우 Ni 분말(Ni powder), 전해질 분말(Electrolyte powder), 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조한 후에, 공기극용 성형몰드에 공급할 수 있다.
이러한 공기극의 표면에 요철 형상 또는 웨이브 형상을 형성하기 위해서 해당 형상을 갖는 성형몰드를 사용할 수 있다.
그리고, 가압 방식에서는 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따라 공기극을 제조할 수 있고, 주입 방식에서는 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따라 공기극을 제조할 수 있다. 이 후, 제조된 공기극은 대략 60℃에서 취출될 수 있다.
또한, 매트릭스 제조의 경우 Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말, Al2O3 분말, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 매트릭스용 혼합분말을 제조한 후에, 매트릭스용 성형몰드에 공급할 수 있다. 이 후 가압 방식 또는 주입 방식의 제조 과정은 공기극 제조 과정과 유사하므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 연료극 제조의 경우 Ni-3Al 분말, Ni-4Cr 분말, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 연료극용 혼합분말을 제조한 후에, 연료극용 성형몰드에 공급할 수 있다. 이 후 가압 방식 또는 주입 방식의 제조 과정은 공기극 제조 과정 및 매트릭스 제조 과정과 유사하므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이 제조된 공기극, 매트릭스 및 연료극은 도 10에 도시한 바와 같은 제조 공정을 통해 일체화(예를 들면, 도 10에 도시한 바와 같은 (a) 원재료 가공, (b) 성형 공정, (c) 구성요소 어셈블리 등의 과정을 수행함)함으로써, 단위전지(공기극-매트릭스-연료극-결합체)를 제조한 후에, 연료극에 인접하여 제 1 타공판을 배치하고, 공기극에 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에 복수개의 분리판을 양단부 및 각 사이에 배치한 후에 용접, 접착 등의 방식으로 밀봉함으로써, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.
또한, 본 발명은 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 제 2 전극홈에 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하기 위해서 각 성형몰드를 통해 공기극을 제조하고, 공기극-매트릭스 결합체를 제조하며, 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 제 4 실시예에 대해 설명한다.
도 11은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이다.
도 11을 참조하면, 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계(1110)와, 상기 제조된 공기극이 결합된 매트릭스 성형몰드를 이용하여 상기 공기극이 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 매트릭스의 타측면에 형성된 제 2 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스 결합체를 제조하는 단계(1120)와, 상기 제조된 공기극-매트릭스 결합체가 결합된 연료극 성형몰드를 이용하여 연료극이 상기 매트릭스의 일측면에 형성된 제 1 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계(1130)를 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법은, 상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체인 단위전지의 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에, 상기 단위전지를 분리판을 통해 분리시켜 밀봉하는 단계(1140)를 더 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법이 제공될 수 있다.
여기에서, 매트릭스는, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말 및 Al2O3 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되고, 연료극은, Ni-3Al 분말 및 Ni-4Cr 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되며, 공기극은, Ni 분말 및 전해질 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조될 수 있다.
또한, 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조될 수 있다.
그리고, 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따른 가압 방식으로 제조되거나, 혹은 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따른 주입 방식으로 제조될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법에 대해 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지에 포함되는 각 전극 및 매트릭스의 원료분말 및 유기결합제의 혼합물을 건식 공정을 통해 각 전극 및 매트릭스를 제조할 수 있는데, 각각의 분말을 각 전극 및 매트릭스에 대응하는 형상을 갖는 각각의 성형몰드에 균일하게 공급하고, 프레스로 가압하여 성형하는 가압 방식으로 제조하거나, 각각의 성형몰드에 각각의 분말을 직접 주입하여 성형하는 주입 방식으로 제조할 수 있다.
예를 들면, 공기극 제조의 경우 Ni 분말(Ni powder), 전해질 분말(Electrolyte powder), 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조한 후에, 공기극용 성형몰드에 공급할 수 있다.
이러한 공기극의 표면에 요철 형상 또는 웨이브 형상을 형성하기 위해서 해당 형상을 갖는 성형몰드를 사용할 수 있다.
그리고, 가압 방식에서는 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따라 공기극을 제조할 수 있고, 주입 방식에서는 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따라 공기극을 제조할 수 있다. 이 후, 제조된 공기극은 대략 60℃에서 취출될 수 있다.
또한, 매트릭스 제조의 경우 상술한 바와 같이 제조된 공기극에 매트릭스용 성형몰드를 설치한 후에, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말, Al2O3 분말, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 매트릭스용 혼합분말을 제조한 후에, 공기극이 결합된 매트릭스용 성형몰드에 공급할 수 있다. 이 후 공기극 제조 과정과 유사한 가압 방식 또는 주입 방식의 제조 과정을 통해 공기극-매트릭스 결합체를 제조할 수 있다.
여기에서, 제 1 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(100)에서와 같이 공기극과 동일한 크기로 매트릭스가 제조될 경우 공기극과 부착되어 매트릭스가 성형될 수 있고, 제 2 실시에 다른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지(200)에서와 같이 공기극이 매트릭스의 제 2 전극홈에 삽입되도록 공기극을 덮는 형상으로 매트릭스가 성형될 수 있다.
또한, 매트릭스를 기준으로 공기극과 반대 측면에는 연료극이 부착되어야 하기 때문에, 연료극이 삽입 부착되기 위한 제 1 전극홈이 형성되도록 매트릭스용 성형몰드를 제작할 수 있으며, 각 접촉면에 접촉 면적을 증가시켜 연료전지 효율을 향상시키기 위해 요철 형상 또는 웨이브 형상이 형성되도록 매트릭스용 성형몰드를 제작할 수 있다.
한편, 연료극 제조의 경우 상술한 바와 같이 제조된 공기극-매트릭스 결합체에 연료극용 성형몰드를 설치한 후에, Ni-3Al 분말, Ni-4Cr 분말, 유기 결합제 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10-60분간 혼합하여 연료극용 혼합분말을 제조한 후에, 공기극-매트릭스 결합체가 결합된 연료극용 성형몰드에 공급할 수 있다. 이 후 공기극 제조 과정과 유사한 가압 방식 또는 주입 방식의 제조 과정을 통해 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조할 수 있다.
여기에서, 연료극은 매트릭스에 형성된 제 1 전극홈에 삽입 부착될 수 있으며, 그 접촉면도 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 단위전지(공기극-매트릭스-연료극-결합체)에서 연료극에 인접하여 제 1 타공판을 배치하고, 공기극에 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에 복수개의 분리판을 양단부 및 각 사이에 배치한 후에 용접, 접착 등의 방식으로 밀봉함으로써, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속의 사용 없이도 연료전지를 밀봉할 수 있다.
또한, 본 발명은 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스에서 제 1 전극홈에 연료극을 구비하고, 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 제 2 전극홈에 공기극을 구비하도록 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조함으로써, 각 공기극 및 연료극용 박판금속을 별도로 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 그 조립 공정도 필요하지 않기 때문에, 용융탄산염 연료전지 제조단가를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 연료극과 공기극의 두께 편차에 따라 발생하는 전극의 접촉 불량 문제점을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 방법으로 본 발명의 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지를 제조하여 그 전기적 특성을 확인한 결과에 대해 설명한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 전기적 특성을 설명하기 위한 도면으로, Ni 분말, 전해질 분말, PVB 및 파라핀왁스를 믹서에 공급한 후 30분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조하였다.
이러한 공기극용 혼합분말을 100mm×100mm의 크기를 갖는 공기극용 성형몰드에 공급한 후에, 20㎏/㎠의 압력 및 100℃의 온도에서 1분간 가압하여 두께 0.7mm의 평판 형태 공기극을 성형 및 제조하였다.
상술한 바와 같이 제조된 공기극에 매트릭스용 성형몰드를 설치한 후에, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말, Al2O3 분말, PVB 및 파라핀왁스를 믹서에 공급한 후 30분간 혼합하여 매트릭스용 혼합분말을 제조하였다.
이러한 매트릭스용 혼합분말을 110mm×110mm의 크기를 갖는 매트릭스용 성형몰드에 공급한 후에, 20㎏/㎠의 압력 및 100℃의 온도에서 1분간 가압하여 공기극을 포함하는 매트릭스(즉, 공기극-매트릭스 결합체)를 성형 및 제조하였다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구조와 같이 매트릭스의 타측면에 형성된 제 2 전극홈에 삽입 구비되는 공기극 구조를 제조할 수 있다.
여기에서, 매트릭스용 성형몰드는 매트릭스의 제 1 전극홈 및 제 2 전극홈이 형성되는 부분의 두께가 0.6mm이면서 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 없는 가장자리 부분은 2.0mm의 두께를 갖도록 제작될 수 있고, 그에 대응하여 공기극을 포함하는 매트릭스를 성형 및 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이 제조된 공기극-매트릭스 결합체에 연료극용 성형몰드를 설치한 후에, Ni-3Al 분말, Ni-4Cr 분말, PVB 및 파라핀왁스를 믹서에 공급한 후 30분간 혼합하여 연료극용 혼합분말을 제조하였다.
이러한 연료극용 혼합분말을 100mm×100mm의 크기를 갖는 연료극용 성형몰드에 공급한 후에, 20㎏/㎠의 압력 및 100℃의 온도에서 1분간 가압하여 연료극 및 공기극을 포함하는 매트릭스(즉, 공기극-매트릭스-연료극 결합체, 샘플1)를 성형 및 제조하였다. 즉, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 구조와 같이 매트릭스의 일측면에 형성된 제 1 전극홈에 삽입 구비되는 연료극 구조를 제조할 수 있다.
또한, 공기극 제조 시에 상부가 웨이브 형상을 갖도록 제작된 공기극용 성형몰드를 사용하였고, 매트릭스 제조 시에는 각 전극홈의 내부가 웨이브 형상을 갖도록 제작된 매트릭스용 성형몰드를 사용하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체(즉, 단위전지)를 샘플2로 제조하였다.
한편, 공기극 제조 시에 상부가 요철 형상을 갖도록 제작된 공기극용 성형몰드를 사용하였고, 매트릭스 제조 시에는 각 전극홈의 내부가 요철 형상을 갖도록 제작된 매트릭스용 성형몰드를 사용하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체(즉, 단위전지)를 샘플3으로 제조하였다.
상술한 바와 같은 본 발명의 샘플들과 비교하기 위해 종래의 방법에 따라 각각 평판 형태로 제조되는 공기극, 매트릭스, 연료극이 차례로 부착된 연료전지를 비교샘플로 제조하였다. 그 제조 공정 조건은 본 발명과 유사하게 설정하여 제조하였다.
상술한 바와 같은 샘플1, 샘플2 및 샘플3과 비교샘플의 전기적 특성을 살펴보면, 각각 제조된 샘플1, 샘플2 및 샘플3과 비교샘플을 이용하여 초기 전류밀도 및 전압을 측정하였고, 내구성을 실험하기 위해서 5000시간동안 작동시킨 후 전압변화를 측정하였다.
그 결과, 도 12에 도시한 바와 같이 샘플1의 경우 박판금속을 사용하지 않았음에도 불구하고 비교샘플과 유사한 연료전지 성능을 나타냄을 알 수 있고, 각 전극과 매트릭스의 접촉면을 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 제조한 샘플2와 샘플3의 경우 초기 전압이 상승하였고, 내구성에서도 비교샘플과 비교할 때 동등한 성능을 나타내거나 더욱 높은 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100, 200 : 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지
110, 210 : 매트릭스
120, 220 : 연료극
130, 230 : 공기극
140, 240 : 제 1 타공판
150, 250 : 제 2 타공판
160, 260 : 분리판

Claims (13)

  1. 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스와,
    상기 제 1 전극홈에 구비되는 연료극과,
    상기 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 제 2 전극홈에 구비되는 공기극과,
    상기 연료극의 일측면에 구비되는 제 1 타공판과,
    상기 공기극의 타측면에 구비되는 제 2 타공판을 포함하며,
    상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅되고,
    상기 제 1 타공판 및 제 2 타공판의 외측 부분에는 전해질의 외부 유출을 방지하는 방지막이 코팅되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 타공판은, 상기 연료극과 접하는 반응부에만 타공되고,
    상기 제 2 타공판은, 상기 공기극과 접하는 반응부에만 타공되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은, 각각 요철 형상 또는 웨이브 형상으로 형성되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은, 각각 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료극, 매트릭스 및 공기극을 포함하는 단위전지는, 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판이 구비되며, 복수개가 분리판을 통해 분리되어 밀봉되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분리판은, 내측면이 요철 형상으로 형성되는 제 1 분리판과, 양측면이 요철 형상으로 형성되는 제 2 분리판을 포함하는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지.
  8. 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계와,
    매트릭스 성형몰드를 이용하여 일측면에 제 1 전극홈이 형성되거나, 혹은 상기 일측면과 타측면에 상기 제 1 전극홈과 제 2 전극홈이 각각 형성되는 매트릭스를 제조하는 단계와,
    연료극 성형몰드를 이용하여 연료극을 제조하는 단계와,
    상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 매트릭스의 타측면에 상기 공기극이 구비되거나, 상기 제 1 전극홈에 상기 연료극이 구비되면서 상기 제 2 전극홈에 상기 공기극이 구비되도록 일체화하여 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계와,
    상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체인 단위전지의 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에, 상기 단위전지를 분리판을 통해 분리시켜 밀봉하는 단계를 포함하며,
    상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅되고,
    상기 제 1 타공판 및 제 2 타공판의 외측 부분에는 전해질의 외부 유출을 방지하는 방지막이 코팅되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법.
  9. 공기극 성형몰드를 이용하여 공기극을 제조하는 단계와,
    상기 제조된 공기극이 결합된 매트릭스 성형몰드를 이용하여 상기 공기극이 매트릭스의 타측면에 인접하여 구비되거나, 혹은 상기 매트릭스의 타측면에 형성된 제 2 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스 결합체를 제조하는 단계와,
    상기 제조된 공기극-매트릭스 결합체가 결합된 연료극 성형몰드를 이용하여 연료극이 상기 매트릭스의 일측면에 형성된 제 1 전극홈에 구비되도록 공기극-매트릭스-연료극 결합체를 제조하는 단계와,
    상기 공기극-매트릭스-연료극 결합체인 단위전지의 양측면에 상기 연료극과 인접하여 제 1 타공판이 구비되면서 상기 공기극과 인접하여 제 2 타공판을 배치한 후에, 상기 단위전지를 분리판을 통해 분리시켜 밀봉하는 단계를 포함하며,
    상기 매트릭스 및 연료극의 접촉면과 상기 매트릭스 및 공기극의 접촉면은 나노입자가 코팅되거나, 혹은 촉매가 코팅되거나, 혹은 고전도성 물질이 코팅되고,
    상기 제 1 타공판 및 제 2 타공판의 외측 부분에는 전해질의 외부 유출을 방지하는 방지막이 코팅되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법.
  10. 삭제
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 매트릭스는, Li-AlO2 분말, Li2CO3 분말, Al 분말 및 Al2O3 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되고,
    상기 연료극은, Ni-3Al 분말 및 Ni-4Cr 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되며,
    상기 공기극은, Ni 분말 및 전해질 분말 중 적어도 하나를 이용하여 제조되는
    타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 및 아크릴 수지 중에서 선택된 유기 결합제와, 천연왁스, 파라핀왁스, 폴리에틸린탈린왁스 및 카나우바왁스 중에서 선택된 윤활제와, 스테아르산 및 올레산에서 선택된 분산제를 이용하여 제조되는
    타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 매트릭스, 연료극 및 공기극은, 10-100㎏/㎠의 압력과 60-150℃의 온도와 10초-5분의 시간에 따른 가압 방식으로 제조되거나, 혹은 10-100㎏/㎠의 압력과 60-200℃의 온도에 따른 주입 방식으로 제조되는 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지의 제조 방법.
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