KR102063688B1 - 연료 셀 매트릭스 조성물 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

다공질 몸체로 형성된 지지 재료 및 부가 재료, 및 다공질 몸체의 기공들에 배치된 전해질 재료를 포함한 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스로서, 부가 재료는 플레이크의 형태에 있으며 1 ㎛ 미만의 평균 두께를 가진다.

Description

연료 셀 매트릭스 조성물 및 이를 제조하는 방법{FUEL CELL MATRIX COMPOSITION AND METHOD OF MANUFACTURING SAME}
본 발명은 연료 셀들에 관한 것이며, 특히 용융 탄산염 연료 셀들("MCFC들")에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스 및 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
연료 셀은 전기화학 반응에 의해 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하는 디바이스이다. 일반적으로, 연료 셀은 하전 이온들을 도전시키는, 전해질에 의해 분리된 양극(anode) 및 음극(cathode)을 포함한다. 충분한 전력을 생성하기 위해, 개개의 연료 셀들은 각각의 셀 사이에서 전기적 도전성 분리기 판과 직렬로 적층된다.
MCFC들은 일반적으로 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함한 연료를 사용하여 575℃에서 650℃까지의 중간 온도들에서 동작한다. 종래의 연료 셀 어셈블리는 탄산 리튬/탄산 칼륨(Li2CO3/K2CO3) 또는 탄산 리튬/탄산 나트륨(Li2CO3/Na2CO3)의 혼합물들과 같은, 탄산염 전해질을 저장한 전해질 매트릭스에 의해 분리된, 다공질 니켈 양극 및 다공질 리튬화된 니켈 산화물 음극을 포함한다. MCFC들은 양극을 통해 반응성 연료 가스를 전달함으로써 전력을 발생시키는 반면, 산화 가스는 음극을 통해 전달된다. MCFC들의 양극 및 음극은 탄산염 전해질을 갖고 포화되는 다공질 세라믹 매트리스에 의해 서로로부터 분리된다. 매트릭스는 통상적으로 다공질, 비소결 알루미늄산염 리튬(LiAlO2) 세라믹 분말을 포함하며 탄산염 전해질을 갖고 주입되며, 동작 동안, 매트릭스는 이온 전도 및 가스 밀봉을 제공한다.
MCFC 동작 동안, 매트릭스는 매트릭스에서 결함들 또는 파단들을 야기할 수 있는 기계적 및 열적 응력들 모두를 겪는다. 유효 가스 밀봉을 제공하기 위해, 매트릭스는 특히 열 사이클들 동안, 가동 응력들을 견디기 위해 충분한 강도, 기계적 무결성 및 재료 내구성을 가져야 한다. 특히, 매트릭스는 MCFC 열 사이클링 동안 탄산염 용해 및 응고와 연관된 부피 변화들을 충분히 수용하고, 매트릭스에 걸친 압력 차이들에 대한 저항을 제공하며, 긴 시간 기간들에 걸쳐 용융 밀봉 유지 압력을 제공할 수 있어야 한다. 매트릭스가, 전극들의 홍수 및 매트릭스의 건조를 방지하기 위해 매트릭스의 기공(pore)들 내에 탄산염 전해질을 유지하도록 강한 모세관 힘을 유지하기 위해 충분한 다공성 및 서브-마이크론 기공 분포를 갖는 것이 요구된다. 매트릭스는 모세관 힘들에 의해 그 안에 전해질을 계속해서 유지하기 위해 MCFC의 수명에 걸쳐 느린 기공 성장을 갖거나 또는 어떤 기공 성장도 갖지 않는 것이 또한 요구된다.
증가된 강도 및 개선된 전해질 보유 특성들을 가진 다공질 세라믹 매트릭스를 제조하는 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 예를 들면, 10 내지 120 ㎛의 크기 범위에서의 알루미늄 산화물(Al2O3) 입자들과 같은, 조립자들이 압축 강도, 균열 저항 및 열 사이클 능력을 개선하기 위해 매트릭스에서 사용되어 왔다. 게다가, 알루미늄 분말 및/또는 분말 또는 미립자 형태에서의 탄산염 화합물들과 같은, 첨가제들이 강도 및 전해질 보유 모세관 힘을 개선하기 위해 사용되어 왔다. 그러나, 강도를 개선하기 위한 매트릭스에서의 알루미늄 입자들의 사용은 전해질 저장 용량 및 안정성을 감소시키는 바람직하지 않은 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성으로 이어진다. 특히, 알루미늄 입자들은 용융 탄산염 전해질과 반응한 후 매트릭스 내에서 2 내지 6 ㎛ 이상의 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성에 기여한다. 이러한 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조의 형성은 종종 수명의 처음에, 즉 동작의 첫 500 시간들을 갖고, 및 조절 동안 발생한다. 도 1 및 도 2는 종래의 전해질 매트릭스에서 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 예들의 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 이미지들을 도시한다. 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성은 매트릭스 내에서 모세관 힘을 감소시키며 전해질의 손실을 가속화한다.
매트릭스 안정성 및 기계적 강도에 대한 알루미늄 입자들 및 Li2CO3의 부가의 효과는 Lee 외의 J. Power Sources 179(2008) 504 내지 510에서 또한 연구되어 왔다. Lee 외는 알루미늄 입자 크기가 매트릭스의 스냅 강도에 영향을 미치며, 범위가 20 ㎛에서 30 ㎛까지 이르는 입자들은 대략 3 ㎛에서 사이징된 보다 작은 입자들에 비교하여 보다 높은 강도를 제공한다고 보고한다. 그러나, 이러한 알루미늄 입자들의 사용은 알루미늄 입자들 및 용융 탄산염 전해질이 MCFC의 조절 및/또는 시작 동작 동안 반응할 때 10 ㎛에서 50 ㎛까지의 크기 범위에서의 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성을 야기한다.
또 다른 조사에서, Lee 외는 매트릭스 강도를 개선하기 위해 전구체들로서 알루미늄 아세테이트, 알루미늄 이소프로폭시드 및 알루미늄 아세틸아세테이트를 사용하였다. Lee 외의, J. Power Sources 101 (2002) 90 내지 95를 참조하자. 알루미늄 아세틸아세테이트는, 알루미늄 및 Li2CO3의 조합보다 적은 강도가 획득되었을지라도, 개선된 매트릭스 강도를 제공하는 것으로서 표시되었다. 그러나, 이러한 조사에서 연구된 모든 전구체들은 대략 400℃의 온도들에서 Al2O3를 형성하기 위해 분해되어, 매트릭스 내에서 열악한 소결을 야기하며 약한 기계적 속성들을 제공한다.
본 발명은 강화된 기공 구조 안정성, 큰 기공들의 감소된 부분 및 전해질의 개선된 보유를 가진 연료 셀 매트릭스를 제조하는 개선된 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 비용 효과적이고, 쉽게 확장 가능하며 지속적인 형성을 가진 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 원리들에 따르면 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스가 설명되며, 상기 연료 셀 매트릭스는 다공질 몸체로 형성된 지지 재료 및 부가 재료, 및 상기 다공질 몸체의 기공들에 배치된 전해질 재료를 포함하며, 상기 부가 재료는 플레이크(flake)의 형태로 있으며 1 ㎛ 미만의 평균 두께를 가진다. 상기 부가 재료는: 5 ㎛에서 40 ㎛까지의 평균 길이, 1 m2/g에서 6 m2/g까지의 평균 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller; BET) 표면적 및 70 내지 100의 리핑(leafing) 값 중 하나 이상을 가진다. 특정 실시예들에서, 상기 부가 재료는 알루미늄을 포함한 금속 부가 재료이다. 매트릭스에서 부가 재료의 양은 3 용량 퍼센트 및 35 용량 퍼센트 사이에 있다. 특정한 예시적인 실시예들에서, 상기 지지 재료는 리튬 알루미늄 산화물을 포함하고, 상기 부가 재료는 알루미늄을 포함하며, 상기 전해질 재료는 탄산염 전해질 및 탄산염 전해질 전구체 중 하나 이상을 포함한다.
하나 이상의 연료 셀들을 포함한 연료 셀 시스템으로서, 상기 연료 셀들의 각각이 양극 전극, 음극 전극 및 상기 연료 셀 매트릭스를 포함하는, 상기 연료 셀 시스템이 또한 설명된다. 또한, 상기 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법들이 설명된다. 본 발명에 따르면, 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법은: 제1 미리 결정된 양의 지지 재료, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료 및 제3 미리 결정된 양의 부가 재료를 제공하는 단계, 상기 지지 재료 및 상기 부가 재료로부터 형성된 다공질 몸체 및 상기 다공질 몸체의 기공들에 배치된 상기 전해질 재료를 포함한 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하도록 상기 지지 재료, 전해질 재료 및 부가 재료를 처리하는 단계를 포함하며, 상기 부가 재료는 플레이크의 형태에 있으며 1 ㎛ 미만의 평균 두께를 가진다. 특정한 실시예들에서, 상기 처리하는 단계는 제1 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 미리 결정된 양의 지지 재료 및 상기 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료를 혼합하는 단계 및 제2 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 혼합물에 상기 제3 미리 결정된 양의 부가 재료를 부가하는 단계를 포함한다. 상기 처리하는 단계는 제3 혼합물을 형성하기 위해 상기 제2 혼합물에 결합제 및 가소제 중 적어도 하나를 부가하는 단계 및 상기 제3 혼합물로부터 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계를 추가로 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 상기 부가 재료는 상기 제1 혼합물에 부가되기 전에 사전-분쇄(pre-milled)된다.
특정한 실시예들에서, 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법은: 제1 미리 결정된 양의 지지 재료, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료 및 제3 미리 결정된 양의 부가 입자 재료를 제공하는 단계, 상기 부가 입자 재료를 플레이트의 형태 및 1 ㎛ 미만의 평균 두께를 가진 부가 플레이크 재료로 변환하기 위해 및 상기 지지 재료 및 상기 부가 플레이크 재료로부터 형성된 다공질 몸체 및 상기 다공질 몸체의 기공들에 배치된 상기 전해질 재료를 포함한 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하기 위해 상기 지지 재료, 상기 전해질 재료 및 상기 부가 입자 재료의 혼합물을 처리하는 단계를 포함한다. 몇몇 예시적인 실시예들에서, 상기 처리하는 단계는: 제1 혼합물을 형성하기 위해 상기 지지 재료 및 상기 전해질 재료를 혼합하는 단계, 제2 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 혼합물에 상기 부가 입자 재료를 부가하는 단계, 및 상기 부가 입자 재료가 상기 첨가 플레이크 재료로 변환될 때까지 상기 제2 혼합물을 분쇄(milling)하는 단계를 포함한다. 상기 처리하는 단계는 제3 혼합물을 형성하기 위해 상기 제2 혼합물에 결합제 및 가소제 중 적어도 하나를 부가하는 단계 및 상기 제3 혼합물로부터 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
본 발명의 상기 및 다른 특징들 및 양상들은 첨부한 도면들과 함께 다음의 상세한 설명을 판독할 때 보다 분명해질 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 전해질 매트릭스로부터 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 예들의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지들을 도시한다;
도 3은 전해질 매트릭스를 포함한 용융 탄산염 연료 셀의 개략적인 구조를 도시한다;
도 4는 용융 탄산염 연료 셀을 제조할 때 사용하기 위한 연료 셀 매트릭스를 만들기 위한 방법의 흐름도를 도시한다;
도 5는 용융 탄산염 연료 셀의 제조 시 사용하기 위한 연료 셀 매트릭스를 만들기 위한 또 다른 방법의 흐름도를 도시한다;
도 6은 종래의 연료 셀 매트릭스를 제조하기 위해 사용된 알루미늄 입자들의 SEM 이미지를 도시한다;
도 7은 여기에 설명된 방법들에 따라 연료 셀 매트릭스를 제조하기 위해 사용된 알루미늄 플레이크들의 SEM 이미지를 도시한다;
도 8 및 도 9는 종래의 알루미늄 입자들을 사용하여 만들어진 소손된 연료 셀 매트릭스 샘플들의 SEM 이미지들을 도시한다;
도 10 및 도 11은 알루미늄 플레이크들을 사용하여 만들어진 소손된 연료 셀 매트릭스 샘플들의 SEM 이미지들을 도시한다;
도 12는 종래의 알루미늄 입자들을 사용하여 만들어진 연료 셀 매트릭스에, 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 두 개의 알루미늄 플레이크 연료 셀 매트릭스 샘플들의 평균 스냅 강도들을 비교한 그래프를 도시한다;
도 13은 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스의 및 종래의 알루미늄 입자들로 만들어진 종래의 연료 셀 매트릭스의 상대적 사용 기간에 대비하여 종래의 매트릭스 저항 대 알루미늄 플레이크 매트릭스 저항의 비를 비교한 그래프를 도시한다; 및
도 14는 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스의 및 종래의 연료 셀 매트릭스의 로그 차등 인입에 대비하여 기공 직경을 비교한 그래프를 도시한다.
도 3은 본 발명의 전해질 매트릭스(2)(이후, "연료 셀 매트릭스" 또는 "매트릭스")를 포함한 용융 탄산염 연료 셀("MCFC")(1)을 개략적으로 도시한다. 연료 셀(1)은 또한 매트릭스(2)에 의해 서로 분리되는 양극(3) 및 음극(4)을 포함한다. 연료 가스는 양극(3)에 공급되며 산화제 가스는 음극(4)에 공급된다. 연료 셀(1)에서, 연료 가스 및 산화제 가스는 전해질 매트릭스(2)의 기공들에 존재하는 탄산염 전해질의 존재 시 전기화학 반응을 겪는다. 통상적인 연료 셀 어셈블리들에서, 개개의 연료 셀들(1)은 스택을 형성하기 위해 적층되며 충분한 양의 전력을 생성하기 위해 직렬로 연결된다.
본 발명에 따르면, 매트릭스(2)는 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO2)과 같은 지지 재료, 탄산염 전해질 또는 탄산염 전해질 전구체와 같은 전해질 재료, 및 알루미늄과 같은 금속 부가 재료를 포함하며, 그로부터 형성된다. 금속 부가 재료는 부가 재료 플레이크들의 평균 입자 크기 또는 길이가 범위가 5㎛ 내지 40㎛에 이르며, 바람직하게는 12 내지 20㎛이도록 하는 플레이크 형태를 가지며, 알루미늄이 전해질과 반응할 때 큰 보이드들 또는 기공들의 형성을 회피하기 위해 플레이크들의 평균 두께는 1㎛ 미만, 바람직하게는 0.5㎛ 미만이다. 부가 재료 플레이크들의 두께는 부가 재료가 연료 셀의 조절 또는 동작 동안 전해질 재료와 반응한 후 형성된 큰 기공들을 방지하거나 또는 제거하기 위한 주요 파라미터이다. 0.1㎛ 내지 0.3㎛의 두께를 가진 보다 얇은 부가 재료 플레이크들은 바람직하지 않은 큰 기공들의 형성을 효과적으로 제거하기 위해 요구된다. 매트릭스에서 금속 부가 재료의 양은 3 vol% 및 35 vol% 사이에 있다. 최적의 기공 구조를 위해, 부가 재료의 평균 BET 표면적은 1 m2/g 및 6 m2/g 사이에 있다. 지지 재료, 전해질 재료 및 부가 재료로부터 매트릭스를 형성할 때, 부가 재료 플레이크들은 플레이크들의 재-응집을 방지하기 위해 및 임의의 다루고 있는 염려들을 제거하기 위해, 스테아르 산 코팅과 같은, 코팅을 그것 상에 가질 수 있다.
LiAlO2가 매트릭스에서 지지 재료로서 사용될 수 있지만, 용융 탄산염 전해질에서의 다른 안정된 지지 재료들이 지지 재료에서 사용될 수 있다. 전해질 재료는 Li2CO3, Na2CO3 및 K2CO3 중 하나 이상을 포함하여, 탄산염 전해질을 포함한다. 연료 셀의 조절 및/또는 동작 동안 탄산염 재료를 형성하는 알칼리 전구체들이 또한 매트릭스에서 전해질 재료들로서 사용될 수 있다. 금속 부가 재료는 알루미늄 플레이크 재료일 수 있다. 다른 재료들이 연료 셀(1)의 연료 셀 매트릭스(2)에서의 사용에 적합할 수 있다는 것이 이해된다.
도 4는 용융 탄산염 연료 셀(1)에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 만들기 위한 방법의 흐름도를 도시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 단계(S401)에서, 제1 미리 결정된 양의 지지 재료가 제공되며 제2 단계(S402)에서, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료가 제공된다. 여기에서 언급된 바와 같이, γ-LiAlO2, 및 α-LiAlO2를 포함한, LiAlO2는 지지 재료로서의 사용에 적합하다. 이러한 예시적인 실시예에서 적절한 전해질 재료들은 탄산 리튬, 탄산 칼륨 및 탄산 나트륨, 및 보다 구체적으로, 이들 탄산염 재료들의 공정 또는 비-공정 혼합물들을 포함한다. 여기에서 상기 언급된 바와 같이, 탄산염 전해질을 형성하는 전구체 재료들은 전해질 재료로서 사용될 수 있다. 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료는 제1 미리 결정된 양의 지지 재료에 비례한다. 특히, 단계(S402)에서 제공된, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료는 제1 미리 결정된 용적량의 지지 재료의 5 및 100 용량 퍼센트 사이에 있다. 지지 재료 및/또는 전해질 재료는 원하는 입자 크기를 달성하기 위해 사전-분쇄될 수 있다. 지지 재료의 적절한 입자 크기는 0.005 ㎛에서 0.5 ㎛까지이며 전해질 재료의 적절한 입자 크기는 0.01 ㎛에서 0.5 ㎛까지이다.
제3 단계(S403)에서, 단계(S401)에서 제공된 지지 재료 및 단계(S402)에서 제공된 전해질 재료는 적절한 용제에서 이들 재료들을 분쇄하거나 또는 혼합함으로써 제1 혼합물을 형성하도록 처리된다. 용제는 입자들의 재-응집을 방지하기 위해 미리 결정된 퍼센티지의 어유 또는 다른 오일을 포함할 수 있다. 처리는 원하는 크기가 달성될 때까지 미리 결정된 양의 시간 동안 계속된다. 블렌더에서의 건식 혼합과 같은, 종래의 방법들이 제3 단계(S403)에서 이용될 수 있다.
제4 단계(S404)에서, 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 재료가 제2 혼합물을 형성하기 위해 처리된 제1 혼합물에 부가된다. 특히, 금속 부가 재료의 제3 미리 결정된 양은 연료 셀 매트릭스의 약 3 용량 퍼센트에서 35 용량 퍼센트까지, 및 몇몇 실시예들에 따르면, 10 용량 퍼센트에서 25 용량 퍼센트까지(또는 6 내지 12 wt%)를 포함한다. 상기 논의된 바와 같이, 금속 첨가제는 5 ㎛에서 40 ㎛까지의 평균 길이를 가진, 및 몇몇 예시적인 실시예들에서 12 ㎛ 내지 20 ㎛의 평균 길이를 갖는, 및 추가의 예시적인 실시예들에서, 15 ㎛에서 18 ㎛까지의 평균 길이를 갖는 플레이크 형태에 있다. 상기 논의된 바와 같이, 금속 부가 재료 플레이크들은 1 ㎛ 미만, 및 몇몇 실시예들에서, 0.5 ㎛ 미만, 및 추가 실시예들에서 0.1 ㎛에서 0.3 ㎛까지의 평균 두께를 가진다. 금속 부가 재료는 1 m2/g에서 6 m2/g까지의 평균 브루나우어-에메트-텔러(BET) 표면적을 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 금속 첨가제는 70에서 100%까지의 리핑 값을 포함할 수 있다.
상기 설명된 특성들을 가진 금속 부가 재료 플레이크들을 사용하는 것은 부가 재료가 전해질 전구체 재료와 반응한 후 연료 셀 매트릭스에서의 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성을 완화시키며, 최적의 기공 구조를 제공하여, 연료 셀 매트릭스의 강도를 강화하며 40 퍼센트 넘게 수명 저항 안정성을 개선한다.
예시적인 실시예에 따르면, 금속 첨가제는 재-응집을 방지하는 산성 화합물의 코팅을 포함한다. 특히, 산성 화합물은 스테아르 산 또는 이러한 사용에 적합한 또 다른 산을 포함한다.
제5 단계(S405)에서, 제4 미리 결정된 양의 결합제 및 가소제 중 적어도 하나가 제3 혼합물을 형성하기 위해 제2 혼합물에 부가된다. 결합제는 아크릴로이드(acryloid) 결합제일 수 있으며 가소제는 Santicizer® 160 가소제일 수 있다. 다른 적절한 재료가 원하는 농도의 혼합물을 형성하기 위해 제3 혼합물에서 사용될 수 있다.
제6 단계(S406)에서, 제3 혼합물은 연료 셀 매트릭스를 형성하기 위해 테이프 캐스팅(tape cast)된다. 테이프 캐스팅된 연료 셀 매트릭스는 미리 결정된 양의 시간 동안 미리 결정된 온도에서 건조되며, 그 후 연료 셀 매트릭스의 시트들은 사용할 준비가 된다. 테이프 캐스팅이 연료 셀 매트릭스를 형성하기 위해 사용되지만, 다른 적절한 방법들이 테이프 캐스팅 대신에 사용될 수 있다.
몇몇 예시적인 실시예들에서, 금속 부가 재료는 단계(S407)에서 현장-외 처리되며, 이것은 제4 단계(S404) 이전에, 즉 제1 혼합물에 부가 재료를 부가하기 이전에 발생한다. 금속 부가 재료는 미리 결정된 속도에서 미리 결정된 크기의 연마 매체(grinding media)를 사용하여 원하는 플레이크 치수들을 달성하기 위해 미리 결정된 양의 시간 동안 처리, 즉 분쇄된다. 몇몇 실시예들에서, 금속 부가 재료는 120분들 내지 300분들의 미리 결정된 양의 시간 동안, 2,000 분당 회전수(RPM) 내지 3,000 RPM까지의 미리 결정된 속도에서 YTZ® 연마 매체 또는 0.3 mm 내지 0.6 mm의 볼 크기를 가진 다른 적절한 연마 매체를 사용하여 분쇄된다. 처리된 금속 부가 재료 플레이크는 0.1 ㎛에서 1.0 ㎛까지의 평균 두께를 갖고 5 ㎛에서 40 ㎛까지의 평균 길이를 가진다.
도 5는 용융 탄산염 연료 셀(1)에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 만들기 위한 또 다른 방법의 흐름도를 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 단계(S501)에서, 제1 미리 결정된 양의 지지 재료가 제공되며 제2 단계(S502)에서, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료가 제공된다. 적절한 지지 재료들 및 전해질 재료들이 여기에서 상기에 설명된다. 도 4의 방법에서처럼, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료는 제1 미리 결정된 양의 지지 재료에 비례한다. 특히, 단계(S502)에서 제공된, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료는 제1 미리 결정된 용적량의 지지 재료의 5 및 100 용량 퍼센트 사이에 있다. 지지 재료 및 전해질 재료는 원하는 입자 크기를 달성하기 위해 사전-분쇄될 수 있다.
제3 단계(S503)에서, 단계(S501)에서 제공된 지지 재료 및 단계(S502)에서 제공된 전해질 재료는 적절한 용제에서 분쇄하거나 또는 혼합함으로써 제1 혼합물을 형성하도록 처리된다. 용제는 입자들의 재-응집을 방지하기 위해 미리 결정된 양의 어유 또는 다른 오일을 포함할 수 있다. 처리는 원하는 크기가 달성될 때까지 미리 결정된 양의 시간 동안 계속된다. 단계(S503)에서의 처리는 상기 설명된 도 4의 방법에서의 단계(S403)에서 수행된 처리와 유사하다. 게다가, 블렌더에서의 건식 혼합과 같은, 다른 혼합 또는 분쇄 방법들이 제3 단계(S503)에서 이용될 수 있다.
제4 단계(S504)에서, 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 입자성 재료가 제2 혼합물을 형성하기 위해 처리된 제1 혼합물에 부가된다. 특히, 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 입자성 재료는 약 5 용량 퍼센트에서 35 용량 퍼센트까지의 연료 셀 매트릭스이다. 금속 부가 입자성 재료는 둥근 입자들의 형태에 있으며 5 내지 7 ㎛의 평균 입자 크기를 가진다.
제5 단계(S505)에서, 제2 혼합물은 금속 부가 입자들이 플레이크의 속성들을 보일 때까지 현장-내 처리되며, 즉 금속 부가 입자성 재료는 상기 설명된 플레이크 형태를 가진 금속 부가 재료로 물리적으로 변환된다. 특히, 제2 혼합물은 금속 부가 입자들을 플레이크들로 납작하게 만들도록 분쇄 또는 혼합에 의해 처리된다. 제2 혼합물은 미리 결정된 속도에서 미리 결정된 크기의 연마 매체를 사용하여 금속 부가 재료의 원하는 플레이크 치수들을 달성하기 위해 미리 결정된 양의 시간 동안 처리, 즉 분쇄된다. 몇몇 예시적인 실시예들에서, 미리 결정된 양의 시간은 120분들 내지 300분들이고, 연마 매체, 예로서 YTZ® 연마 매체의 미리 결정된 크기는 0.3 mm에서 0.6 mm까지이며 미리 결정된 속도는 2,000 RPM에서 3,000 RPM까지이다. 처리된 금속 부가 재료는 5 ㎛에서 40 ㎛까지의 평균 길이 및 0.1 ㎛에서 1.0 ㎛까지의 평균 두께를 가진 플레이크 크기를 갖는다.
제6 단계(S506)에서, 제4 미리 결정된 양의 결합제 및 가소제 중 적어도 하나가 제3 혼합물을 형성하기 위해 제2 혼합물에 부가된다. 결합제 및/또는 가소제는 도 4의 방법에서 사용된 것들과 동일하거나 또는 유사하다. 게다가, 다른 적절한 재료들이 혼합물의 원하는 농도를 달성하기 위해 사용될 수 있다.
제7 단계(S507)에서, 제3 혼합물이 연료 셀 매트릭스를 형성하기 위해 테이프 캐스팅된다. 테이프 캐스팅된 연료 셀 매트릭스는 미리 결정된 양의 시간 동안 미리 결정된 온도에서 건조되며, 그 후 연료 셀 매트릭스의 시트들은 사용할 준비가 된다. 상기 언급된 바와 같이, 다른 적절한 방법들이 제3 혼합물로부터 연료 셀 매트릭스를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
상기 설명된 방법들을 사용하여 연료 셀 매트릭스를 제조하기 위해 사용된 이들 구성요소들의 최적의 구성요소들 및 양들은 용융 탄산염 연료 셀의 특정한 적용 및 요건들에 의존적이다. 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법들 및 방법들로부터 만들어진 조성물들의 예시적인 예들이 이하에서 설명된다.
예 1:
이러한 예시적인 예에서, 도 4에 도시되며, 상기 설명된 방법이 연료 셀 매트릭스를 준비하기 위해 사용된다.
제1 단계(S401)에서, 제1 미리 결정된 양의 지지 재료가 제공되며 제2 단계(S402)에서, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료가 제공된다. 이러한 예시적인 예에서, 지지 재료는 LiAlO2를 포함하며 전해질 재료는 Li2CO3를 포함한다. LiAlO2의 제1 미리 결정된 양은 150 그램들(g)이며, Li2CO3의 제2 미리 결정된 양은 69.3 g이다.
제3 단계(S403)에서, 지지 재료 및 전해질 전구체 재료는 제1 혼합물을 형성하기 위해, 메틸-에틸-케톤(MEK)과 같은, 용제와 조합된다. 특히, 용제는 1 용량 퍼센트에서 6 용량 퍼센트까지의 어유를 포함하며, 이것은 혼합물에서 입자들의 재-응집을 방지한다. 이러한 예시적인 예에서, 제1 혼합물은 0.3 mm에서 3 mm까지의 볼 크기를 가진 이트리아-안정화 지르코니아(Yttria-stabilized Zirconia; YTZ) 연마 매체를 사용하여 마멸 분쇄 기술에 따라 처리된다. 연마 매체 로딩은 60 퍼센트에서 80 퍼센트까지이며 연마 속도는 2,000 RPM에서 3,000 RPM까지이다.
적절한 크기로 제1 혼합물을 처리한 후, 제4 단계(S404)에서, 플레이크 형태를 가진 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 재료가 제2 혼합물을 형성하기 위해 처리된 제1 혼합물에 부가된다. 특히, 금속 부가 재료는 화합물(A) 또는 화합물(B)와 같은, 알루미늄 첨가제를 포함하며, 제3 미리 결정된 양은 대략 약 3 용량 퍼센트에서 35 용량 퍼센트까지이다. 이러한 예시적인 예에서, 제3 미리 결정된 양은 지지 재료, 전해질 재료 및 금속 부가 재료를 포함한 총 혼합물의 약 3 용량 퍼센트 및 5 용량 퍼센트(5 중량 퍼센트 내지 8 중량 퍼센트) 사이에 있다. 이 예에서, 알루미늄 부가 재료는 상기 설명된 형태를 가진 알루미늄 플레이크들을 포함한다.
이러한 예시적인 예에서, 알루미늄 부가 재료는 각각 표 1 및 표 2에 표시된 화합물들((A) 및 (B)) 중 하나로부터 형성된다;
화합물 (A)
속성들 값 단위
입자 크기 분포 D 50 (대략) 16 ㎛
통과 45 ㎛ 99 %
비-휘발분 75.8 %
휘발분 24.2 %
스파츌라 리핑(리핑 값) 65-100 %
화합물 (B)
속성들 값 단위
입자 크기 분포 D 50 (대략) 17.5 ㎛
통과 45 ㎛ 98.5-100 %
리핑 값 70-100 %
제5 단계(S405)에서, 제1 미리 결정된 양의 결합제 및 가소제 중 적어도 하나는 제3 혼합물을 형성하기 위해 제2 혼합물에 부가된다. 특히, 결합제 및 가소제는 각각 아크릴로이드 결합제 및 Sancticizer® 160과 같은, 극성 고분자 가소제를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 예에서, 제4 미리 결정된 양은 연료 셀 매트릭스의 총 중량의 약 19 내지 20 중량 퍼센트를 포함한다.제6 단계(S406)에서, 연료 셀 매트릭스를 형성하는 것은 제3 혼합물을 테이프 캐스팅하는 것 및 20 내지 40분들과 같은 미리 결정된 양의 시간 동안, 60℃와 같은, 미리 결정된 온도로 캐스팅된 제3 혼합물을 건조시키는 것을 포함한다. 건조 후, 그린 테이프 요소의 형태에서의 연료 셀 매트릭스가 사용 및 검사할 준비가 된다.
도 6은 종래의 연료 셀 매트릭스를 제조하기 위해 사용된 알루미늄 입자들의 SEM 이미지를 도시한다. 특히, 도 6은 알루미늄 입자들이 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들을 형성한다는 것을 보여준다.
도 7은 여기에 설명된 방법들에 따라 연료 셀 매트릭스를 제조하기 위해 사용된 알루미늄 플레이크들의 SEM 이미지를 도시한다. 특히, 도 7에서의 알루미늄 플레이크들은 5 ㎛ 내지 40 ㎛의 평균 길이, 및 몇몇 실시예들에서 12 ㎛ 내지 20 ㎛의 평균 길이, 및 추가 실시예들에서, 15 ㎛ 내지 18 ㎛의 평균 길이를 가지며; 플레이크들의 평균 두께는 1 ㎛ 미만, 및 몇몇 실시예들에서 0.5 ㎛ 미만, 및 추가 실시예들에서 0.1 ㎛ 및 0.3 ㎛ 사이에 있다. 알루미늄 플레이크들의 부가적인 속성들은 1 m2/g에서 6 m2/g까지의 평균 BET 표면적; 및 70 퍼센트에서 100 퍼센트(%)까지의 리핑 값을 포함한다.
도 8 및 도 9는 종래의 알루미늄 입자들을 사용하여 만들어진 소손된 연료 셀 매트릭스 샘플들의 SEM 이미지들을 도시한다. 도 10 및 도 11은 알루미늄 플레이크들을 사용하여 만들어진 소손된 연료 셀 매트릭스 샘플들의 SEM 이미지들을 예시한다. 확대된 소손 검사들은 종래의 알루미늄 입자들을 사용하여 만들어진 종래의 연료 셀 매트릭스 및 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스를 비교하기 위해 150시간들 동안 650℃에서 연료 셀 매트릭스 샘플들에 대해 수행되었다. 도 8 및 도 9는 종래의 알루미늄 입자들을 갖고 만들어진 연료 셀 매트릭스 샘플들이 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들을 보인다는 것을 보여준다. 도 10 및 도 11은 알루미늄 플레이크들을 갖고 만들어진 연료 셀 매트릭스 샘플들이 길이의 감소 및 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 감소 또는 제거를 보인다는 것을 보여준다.
도 12는 종래의 알루미늄 입자들을 사용하여 만들어진 연료 셀 매트릭스의 평균 스냅 강도에, 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 두 개의 알루미늄 플레이크 연료 셀 매트릭스 샘플들의 평균 스냅 강도를 비교한 그래프를 도시한다. 샘플들은 2시간 동안 대략 500℃에서 연료 셀 매트릭스 샘플들을 가열함으로써 스냅 강도 검사를 위해 준비되었다. 도 12에 제공된 평균 스냅 강도 데이터는 3-포인트 굽힘 검사를 사용하여 결정되었다. 도 12에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법들을 사용하여 알루미늄 플레이크들을 갖고 만들어진 연료 셀 매트릭스 샘플들은 평방 인치당 667 파운드들(PSI) 및 657 PSI의 스냅 강도를 보인 반면, 종래의 알루미늄 입자들을 갖고 만들어진 종래의 연료 셀 매트릭스는 470 PSI의 스냅 강도를 보였다. 스냅 강도에서의 이러한 개선은 연료 셀 매트릭스에서 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 감소 및/또는 제거에 기인한다.
용융 탄산염 연료 셀 검사:
벤치-스케일 MCFC는 종래의 연료 셀 매트릭스에 비교하여 여기에 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스의 성능 및 안정성을 결정하기 위해 상기 설명된 바와 같이 준비되고 검사되었다. 검사된 MCFC 어셈블리는 니켈-알루미늄 양극, 니켈-크롬 양극 및/또는 니켈-알루미늄 크롬 양극과 같은 양극, 및 다공질 현장-내 산화된 및 리튬화된 니켈-산화물 음극과 같은, 음극을 포함하였다. 양극 및 음극은, 별개의 검사들에서, 종래의 연료 셀 매트릭스 및 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스인, 다공질 세라믹 연료 셀 매트릭스에 의해 분리되었다. 음극은 적절한 양의 Li2CO3/K2CO3 또는 Li2CO3/Na2CO3 전해질로 채워졌으며 적절한 양의 Li2CO3/K2CO3 또는 Li2CO3/Na2CO3 전해질이 또한 전해질 균형을 보장하기 위해 음극 집전 장치에 저장되었다.
검사 동안, 양극 가스는 72.8 퍼센트 H2, 18.2 퍼센트 CO2, 및 9 퍼센트 H2O의 조성을 포함하였으며, 음극 가스는 18.5 퍼센트 CO2, 12.1 퍼센트 O2, 66.4 퍼센트 N2, 및 3 퍼센트 H2O의 조성을 포함하였다. 검사들은 665℃의 동작 온도, 80퍼센트의 연료 이용 및 20 퍼센트의 증기 함량을 가진 가속화 조건들 하에서 수행되었다. 검사들은 양극 및 음극에서 160 mA/㎠ 및 80 퍼센트 이용에서 수행되었다. 셀 저항, 전압 및 가스 크로스-오버 안정성은 각각의 연료 셀 매트릭스의 성능 및 안정성을 평가하기 위해 모니터링되었다.
도 13은 본 발명에 따른 알루미늄 플레이크 부가 재료를 가진 연료 셀 매트릭스의 저항 안정성(라인(B))에 종래의 매트릭스의 저항 안정성(라인(A))을 비교한 그래프를 도시한다. 도 13에서, X-축은 매트릭스의 상대적인 사용 기간(Y-축이 저항 안정성(상대적인 단위들로)을 표현하는 동안 연료 셀 매트릭스의 상대적인 시간의 단위들로)을 나타낸다. 도 13에서 보여질 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 알루미늄 플레이크들을 갖고 만들어진 연료 셀 매트릭스는 종래의 연료 셀 매트릭스의 저항 안정성과 비교될 때 40 퍼센트 이상 개선된 저항 안정성을 보여준다. 개선은 본 발명의 연료 셀 매트릭스에서의 보다 적은 큰 기공들 및 그것의 보다 안정된 기공 구조에 기인한다. 여기에서 설명된 방법들에서 부가 재료로서 이용된 알루미늄 플레이크들은 결과적인 연료 셀 매트릭스들에서 큰 기공들 및 큰 코어 셸 구조들의 형성을 감소시켜서, 안정된 모세관 힘 및 전해질 보유를 유지한다.
도 14는 여기에 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스(라인(A)) 및 수명의 끝에서 종래의 연료 셀 매트릭스(라인(B))의 기공 직경(㎛) 대 로그 차등 인입(mL/g)을 비교한 그래프를 도시한다. 매트릭스 샘플들의 검사는 160 mA/㎠ 전류 밀도 및 75 퍼센트 연료 이용의 조건들 하에서 행해졌다. 도 14는 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀이 종래의 연료 셀 매트릭스보다 적은 큰 기공들 및 보다 적은 큰 코어 셸 구조들을 보여서, 큰 기공들에서의 40 퍼센트 이상 감소를 제공하고 종래의 연료 셀 매트릭스에 비해 알루미늄 플레이크들을 사용하여 여기에서 설명된 방법들에 따라 만들어진 연료 셀 매트릭스의 개선을 증명한다는 것을 보여준다.
예 2:
이러한 예시적인 예에서, 도 5에 도시되며, 상기 설명된 방법은 연료 셀 매트릭스를 준비하기 위해 사용된다.
제1 단계(S501)에서, 제1 미리 결정된 양의 지지 재료가 제공되며 제2 단계(S502)에서, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료가 제공된다. 이러한 예시적인 예에서, 지지 재료는 LiAlO2를 포함하며 전해질 재료는 Li2CO3를 포함한다. 지지 재료의 제1 미리 결정된 양은 150 g이며, 전해질 재료의 제2 미리 결정된 양은 69.3 g이다. 제3 단계(S503)에서, 지지 재료 및 전해질 재료는 제1 혼합물을 형성하기 위해, MEK와 같은, 용제와 조합된다. 특히, 용제는 어유의 용량으로 1 용량 퍼센트에서 6 퍼센트까지 포함하며, 이것은 입자들의 재-응집을 방지한다. 이러한 예시적인 예에서, 제1 혼합물은 0.3 mm에서 3 mm까지의 볼 크기를 가진 이트리아-안정화 지르코니아(YTZ) 연마 매체를 사용한 마멸 분쇄 기술을 사용하여 처리된다. 연마 매체 로딩은 60 퍼센트에서 80 퍼센트까지이며 연마 속도는 2,000 RPM에서 3,000 RPM까지이다.
적절한 크기로 제1 혼합물을 처리한 후, 제4 단계(S504)에서, 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 입자성 재료가 제2 혼합물을 형성하기 위해 처리된 제1 혼합물에 부가된다. 특히, 금속 부가 입자성 재료는 일반적으로 둥근 알루미늄 입자들을 가진, A1-100 둥근 알루미늄 분말(화합물(C))과 같은, 알루미늄 입자성 재료를 포함하며, 제3 미리 결정된 양은 대략 총 제2 혼합물의 약 3 용량 퍼센트에서 35 용량 퍼센트까지이고, 몇몇 실시예들에서 제3 미리 결정된 양은 지지 재료, 전해질 재료 및 금속 부가 입자성 재료를 포함하는 제2 혼합물의 10 용량 퍼센트에서 25 용량 퍼센트(6 중량 퍼센트 내지 12 중량 퍼센트)까지이다.
이러한 예시적인 예에서, 알루미늄 입자성 첨가제는 표 3에 도시된 속성들을 가진 화합물(C)을 포함한다:
화합물(C)
속성들 값 단위
입자 크기 1-5 ㎛
순도 99.9 %
제5 단계(S505)에서, 제2 혼합물은 금속 부가 입자성 재료가 알루미늄 플레이크들을 포함한 금속 부가 재료로 변환될 때까지 현장-내 처리된다. 제2 혼합물은 금속 부가 입자성 재료에서의 금속 부가 입자들을 플레이크들로 납작하게 만들기 위해 분쇄 또는 혼합에 의해 처리된다. 금속 첨가제가 미리 결정된 속도에서 미리 결정된 크기의 연마 매체를 사용하여 원하는 플레이크 치수들을 달성하기 위해 미리 결정된 양의 시간 동안 처리, 즉 분쇄된다. 이러한 예시적인 예에서, 미리 결정된 양의 시간은 120분 내지 300분들을 포함한다. 연마 매체의 미리 결정된 크기는 0.3 mm에서 0.6 mm까지를 포함하며 미리 결정된 속도는 2,000 RPM에서 3,000 RPM까지이다. 처리된 금속 첨가제는 5 ㎛에서 40 ㎛까지의 평균 길이를 가지며 0.1 ㎛에서 1.0 ㎛까지의 평균 두께를 갖는 플레이크들을 포함한다. 제6 단계(S506)에서, 제4 미리 결정된 양의 결합제 및 가소제 중 적어도 하나는 제3 혼합물을 형성하기 위해 제2 혼합물에 부가된다. 특히, 결합제 및 가소제는 각각 아크릴로이드 결합제 및 Sancticizer®와 같은, 극성 고분자 가소제를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 예에서, 제4 미리 결정된 양은 연료 셀 매트릭스의 총 중량의 약 19 내지 20 중량 퍼센트이다.
제7 단계(S507)에서, 연료 셀 매트릭스를 형성하는 것은 제3 혼합물을 테이프 캐스팅하는 것 및 20에서 40분들까지와 같은, 미리 결정된 양의 시간 동안, 60℃와 같은, 미리 결정된 온도에서 캐스팅된 제3 혼합물을 건조시키는 것을 포함한다. 건조 후, 그린 테이프 요소의 형태에서의, 연료 셀 매트릭스는 사용 및 검사할 준비가 된다.
모든 경우들에서 상기 설명된 배열들은 단지 본 발명의 애플리케이션들을 나타내는 많은 가능한 특정 실시예들을 예시한다는 것이 이해된다. 다수의 및 변경된 다른 배열들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 원리들에 따라 쉽게 고안될 수 있다.
1: 용융 탄산염 연료 셀("MCFC")
2 : 전해질 매트릭스3:
3: 양극
4: 음극

Claims (37)

  1. 연료 전지 매트릭스 형성에 사용되는 그린 테이프 캐스팅 요소로서,
    상기 그린 테이프 캐스팅 요소는
    리튬 알루미늄 산화물을 포함하는 지지 재료,
    하나 이상의 탄산염 및 탄산염 전해질 전구체를 포함하는 전해질 재료, 및
    1 ㎛ 미만의 평균 두께, 및 5 ㎛ 내지 40 ㎛의 평균 길이를 갖는, 알루미늄을 포함하는 플레이크(flake)로 필수적으로 이루어지는 부가 재료
    를 함유하는 조성물을 테이프 캐스팅함으로써 형성되고,
    상기 플레이크는 1 m2/g 내지 6 m2/g의 평균 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller; BET) 표면적을 가지고, 70 내지 100%의 범위의 리핑(leafing) 값을 갖는,
    그린 테이프 캐스팅 요소.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 알루미늄으로 만들어지는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  5. 제1항에 있어서, 상기 조성물 내의 부가 재료의 양은 3 내지 35 부피%인, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플레이크는 알루미늄으로 만들어지는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  7. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 12 내지 20㎛의 평균 길이를 갖는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  8. i) 제1 미리 결정된 양의 지지 재료, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료, 및 제3 미리 결정된 양의 부가 재료를 제공하는 단계; 및
    ii) 상기 지지 재료, 상기 전해질 재료, 및 상기 부가 재료를 처리하여 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계로서, 상기 형성된 연료 셀 매트릭스는 상기 부가 재료로 형성된 다공질 몸체, 및 상기 다공질 몸체의 기공에 배치된 상기 전해질 재료를 포함하는 단계
    를 포함하는, 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법으로서,
    상기 지지 재료는 리튬 알루미늄 산화물을 포함하고,
    상기 전해질 재료는 탄산염 전해질 및 탄산염 전해질 전구체 중 하나 이상을 포함하며,
    상기 부가 재료는 알루미늄을 포함하고,
    상기 부가 재료는 플레이크 모양을 가지며, 1 ㎛ 미만의 평균 두께, 5 ㎛ 내지 40 ㎛의 평균 길이, 1 m2/g 내지 6 m2/g의 평균 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller; BET) 표면적, 및 70 내지 100%의 범위의 리핑(leafing) 값을 갖는,
    연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 15 내지 18㎛의 평균 길이를 갖는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  10. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 0.5㎛ 미만의 평균 두께를 갖는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  11. 제8항에 있어서, 상기 플레이크는 알루미늄으로 만들어지는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 처리하는 단계는
    제1 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 미리 결정된 양의 지지 재료 및 상기 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료를 혼합하는 단계; 및
    제2 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 혼합물에 상기 제3 미리 결정된 양의 부가 재료를 부가하는 단계
    를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 처리하는 단계는
    제3 혼합물을 형성하기 위해 상기 제2 혼합물에 결합제 및 가소제 중 적어도 하나를 부가하는 단계, 및
    상기 제3 혼합물로 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계
    를 더 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 결합제 및 가소제 중 적어도 하나는 연료 셀 매트릭스의 19 내지 20 중량%의 양으로 포함되는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계는
    상기 제3 혼합물을 캐스팅(casting)하는 단계, 및
    그 후 테이프 요소를 형성하기 위해 상기 캐스팅된 혼합물을 건조시키는 단계
    를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 제1 혼합물에 상기 부가 재료를 부가하기 전에 상기 부가 재료를 사전-분쇄하는 단계를 더 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 부가 재료의 상기 사전-분쇄하는 단계는 2,000 내지 3,000 분당 회전수들의 속도로 0.3 mm 내지 0.6 mm의 크기를 가진 연마 매체를 사용하여 100 내지 300분들 동안 상기 부가 재료를 분쇄하는 단계를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  18. 제8항에 있어서, 상기 부가 재료의 제3 미리 결정된 양은 상기 연료 셀 매트릭스의 5 내지 35 부피%인, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 전해질 재료의 제2 미리 결정된 양은 상기 제1 미리 결정된 양의 지지 재료의 5 내지 100 부피%인, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 제1 혼합물을 형성하기 위한 상기 지지 재료 및 상기 전해질 재료를 혼합하는 단계는 60 내지 80%의 로딩에서 0.3 내지 3 mm의 볼 크기를 가진 연마 매체를 사용하여 2,000 내지 3,000 분당 회전수들의 속도로 분쇄하는 단계를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 혼합물을 형성하기 위한 상기 지지 재료 및 상기 전해질 재료를 혼합하는 단계는 상기 지지 재료 및 상기 전해질 재료의 재-응집을 방지하기 위해 1 내지 6 부피%의 어유(fish oil)를 포함한 용제에서 수행되는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  22. 용융 탄산염 연료 셀에서의 사용을 위한 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법으로서,
    i) 제1 미리 결정된 양의 지지 재료, 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료 및 제3 미리 결정된 양의 부가 입자 재료를 제공하는 단계로서, 상기 지지 재료는 리튬 알루미늄 산화물을 포함하고, 상기 전해질 재료는 탄산염 전해질 및 탄산염 전해질 전구체 중 하나 이상을 포함하며, 상기 부가 입자 재료는 알루미늄을 포함하는, 단계,
    ii) 상기 부가 입자 재료를 1 ㎛ 미만의 평균 두께, 5 ㎛ 내지 40 ㎛의 평균 길이, 1 m2/g 내지 6 m2/g의 평균 브루나우어-에메트-텔러(Brunauer-Emmett-Teller; BET) 표면적, 및 70 내지 100%의 범위의 리핑(leafing) 값을 갖는 부가 플레이크 재료로 변환시키는 단계, 및
    iii) 상기 지지 재료 및 상기 부가 플레이크 재료로 형성된 다공질 몸체, 및 상기 다공질 몸체의 기공에 배치된 상기 전해질 재료를 포함하는 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계
    를 포함하는,
    연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 0.1 내지 0.3㎛의 평균 두께를 갖는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  24. 제1항에 있어서, 상기 플레이크는 재-응집을 방지하기 위해 산 화합물로 코팅되는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  25. 제21항에 있어서, 상기 플레이크는 알루미늄으로 만들어지는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 상기 처리하는 단계는
    제1 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 미리 결정된 양의 지지 재료 및 상기 제2 미리 결정된 양의 전해질 재료를 혼합하는 단계;
    제2 혼합물을 형성하기 위해 상기 제1 혼합물에 상기 제3 미리 결정된 양의 금속 부가 입자 재료를 부가하는 단계; 및
    상기 금속 부가 입자 재료가 금속 플레이크로 변환될 때까지 상기 제2 혼합물을 분쇄하는 단계
    를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 처리하는 단계는
    제3 혼합물을 형성하기 위해 상기 제2 혼합물에 결합제 및 가소제 중 적어도 하나를 부가하는 단계, 및
    상기 제3 혼합물로 상기 연료 셀 매트릭스를 형성하는 단계
    를 더 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  28. 제26항에 있어서, 상기 제2 혼합물을 분쇄하는 단계는 0.3 내지 0.6 mm의 크기를 가진 연마 매체를 사용하여 2,000 내지 3,000 범위의 분당 회전수의 속도에서 100 내지 300분간 분쇄하는 단계인, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 상기 부가 재료의 제3 미리 결정된 양은 상기 연료 셀 매트릭스의 5 내지 35 부피%인, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  30. 제26항에 있어서, 상기 제1 혼합물을 형성하기 위한 상기 지지 재료 및 상기 전해질 재료를 혼합하는 단계는 60 내지 80%의 로딩에서 0.3 내지 3 mm의 볼 크기를 가진 연마 매체를 사용하여 2,000 내지 3,000 범위의 분당 회전수의 속도로 분쇄하는 단계를 포함하는, 연료 셀 매트릭스를 제조하는 방법.
  31. 제24항에 있어서, 산 화합물이 스테아르산인, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  32. 제1항에 있어서, 결합제 및 가소제를 추가로 포함하는, 그린 테이프 캐스팅 요소.
  33. 부가 재료가 전해질 재료와 반응하도록 청구항 1에 기재된 그린 테이프 캐스팅 요소를 조절함으로써 형성되는, 조절된 연료 셀 매트릭스.
  34. 제33항에 있어서, 상기 조절이 2시간 이상 동안 500℃ 이상의 온도에서 그린 테이프 캐스팅 요소를 가열함으로써 수행되는, 조절된 연료 셀 매트릭스.
  35. 제33항에 있어서, 상기 조절이 2 내지 150시간 동안 500 내지 650℃의 범위의 온도에서 그린 테이프 캐스팅 요소를 가열함으로써 수행되는, 조절된 연료 셀 매트릭스.
  36. 제33항에 있어서, 조절된 연료 셀 매트릭스가 657 PSI 이상의 스냅 강도(snap strength)를 갖는, 조절된 연료 셀 매트릭스.
  37. 연료 셀이 청구항 33에 기재된 조절된 연료 셀 매트릭스, 양극 전극, 및 음극 전극을 포함하는, 하나 이상의 연료 셀을 포함하는 연료 셀 시스템.
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