KR20000043718A - 연료전지의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 무소결전극을 사용하는 연료전지의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 탈포하고, 테이프캐스팅하여 매트릭스, 전해질판, 애노드 및, 캐소드로 이루어진 그린시트를 제조하는 단계; 및 상기 그린시트를 스택에 장착한 후, 열처리하여 운전 중에 소결을 행하는 단계로 구성된다. 또, 상기 열처리 단계는, 상기 그린시트를 바인더 분해온도까지 승온시키는 제 1의 열처리단계; 바인더를 분해하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 2의 열처리단계; 캐소드의 산화반응을 개시하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 3의 열처리단계; 캐소드의 산화반응이 일어나도록 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 4의 열처리단계; 전해질의 용융을 개시하기 위해 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 5의 열처리단계; 전해질이 완전히 용융될때까지 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 6의 열처리단계; 소결을 개시하기 위해 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 7의 열처리단계; 및 애노드의 소결을 진행시키기 위해 상기 제 7의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 8의 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 무소결전극을 사용하는 연료전지의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 전극의 그린시트를 제조한 후 별도의 소결없이 스택에 바로 장착하여 사용하는 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지란, 애노드에는 연료를, 캐소드에는 연료를 산화하는 물질을 각각 연속적으로 공급해서, 화학반응의 자유에너지 변화를 직접 전기에너지로 변환하는 고효율, 저공해의 장치를 말한다.
통상 연료전지는, 적당한 유기용제, 바인더, 가소제 및, 금속분말을 혼합하여 제조한 슬러리를 탈포 및 테이프캐스팅 처리하여 그린시트를 제조하고, 다음으로, 이 그린시트를 소결하여 스택에 장착하여 사용한다.
따라서, 지금까지는, 대출력의 연료전지 스택을 제조하기 위해서는 대면적의 전극을 사용하여야 했다. 그러나, 이 경우, 전극의 면적이 증가할수록 전극의 소결과 취급에 있어서 상당히 큰 문제들이 있어왔다.
즉, 대면적의 전극을 사용하기 위해서는 대면적의 소결받침대가 필요하며, 때로는 소결로의 설비증설이 요구되기도 하였다.
예를 들어, 대면적의 전극 소결시에는, 전극의 그린시트는 수축하게 되며, 그 길이방향의 수축률은 보통 10∼20%에 이른다. 이러한 수축과정에서 소결받침대와의 마찰 때문에 전극이 찢어지기도 하고 전극 그린시트상에 있던 바인더가 덜 분해되어 잔류탄소가 남거나 소결로 분위기상의 문제 때문에 반응잔류물들이 소결로 상부에서 응결되어 떨어지는 등의 문제가 발생하여 불량률과 제조원가는 전극면적증가에 따라 급격히 증가하게 된다.
본 발명의 목적은, 대면적의 소결받침대가 필요 없으며, 또는 소결로의 설비증설이 필요 없는, 대출력 연료전지용 스택을 제조할 수 있는 무소결전극을 사용하는 연료전지의 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 승온과정을 나타내는 그래프이다.
상기 본 발명의 목적은, 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 탈포하고, 테이프캐스팅하여 매트릭스, 전해질판, 애노드 및, 캐소드로 이루어진 그린시트를 제조하는 단계; 및 상기 그린시트를 스택에 장착한 후, 열처리하여 운전 중에 소결을 행하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 열처리 단계는, 상기 그린시트를 바인더 분해온도까지 승온시키는 제 1의 열처리단계; 바인더를 분해하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 2의 열처리단계; 캐소드의 산화반응을 개시하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 3의 열처리단계; 캐소드의 산화반응이 일어나도록 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 4의 열처리단계; 전해질의 용융을 개시하기 위해 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 5의 열처리단계; 전해질이 완전히 용융될때까지 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 6의 열처리단계; 소결을 개시하기 위해 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 7의 열처리단계; 및 애노드의 소결을 진행시키기 위해 상기 제 7의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 8의 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 구성을 첨부한 도면 및 바람직한 실시예를 참고하여 설명한다.
본 발명자들은, 상기 종래의 문제들을 해결하기 위한 한 방법이, 그린시트를 제조한 후 별도의 소결과정 없이 스택에 바로 장착하여 사용하는 것이라는 것을 여러 시험을 통해 발견하였다.
또한, 전극은 분말상태만으로는 사용하기 곤란하므로 전극이 셀 내에서 승온과정과 운전 중에 소결이 이루어지도록 승온분위기와 승온스케줄을 조절하는 것도 중요하다는 것을 알았다.
이는, 승온 과정에서는 그린시트상태로 장착한 매트릭스, 전해질판 및, 전극들을 열처리하여 그린시트에 포함된 가소제 결합제들을 제거하고 동시에 산화, 환원 및, 소결과정을 거쳐 전지작동에 적절한 상태로 만들어야 하기 때문이다.
이러한 일련의 전처리 과정은 연료전지의 성능을 결정하는 중요한 점이다. 즉, 매트릭스, 전해질, 전극으로 구성된 그린시트 제조를 위해 사용된 결합제, 가소제 등이 열분해 또는 증발되면서 매트릭스와 전극에 기공을 형성하고, 애노드에 환원과 소결, 캐소드의 산화 및 리티에이션이 전처리 과정 중에 일어나므로 전처리 조건 결정은 신중해야 한다.
특히 급격한 열분해나 산화에 의한 부피팽창이나 온도변화 등을 방지하기 위해서는 정밀한 온도조절과 가스분위기 조절이 필수적이다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 제조방법에 있어서, 시간에 따른 승온과정을 나타내는 그래프이다.
본 실시예에 있어서는, 유기용제, 바인더, 가소제 및, 금속분말을 혼합하여 제조한 슬러리를 탈포 및 테이프캐스팅 처리하여 그린시트를 제조한 다음, 소결없이 스택에 바로 장착하여 그린시트에 포함된 가소제, 결합제들을 제거하고 동시에 산화, 환원 및 소결과정을 거쳐 전지작동에 적절한 상태로 만들기 위해 다음과 같은 제 1∼8단계로 구성된 열처리를 행한다.
또, 애노드로는 니켈-알루미늄 합금전극을 사용하고, 캐소드로는 니켈을 사용한다. 이는 애노드로 니켈-알루미늄 전극을 사용하면 수축이 거의 없고 운전분위기가 소결에 적당하므로 초기 크립이 약간 큰 문제를 제외하고는 별 어려움이 없으며, 캐소드로 니켈을 사용하면 수축률은 크나 산화시 팽창하므로 이를 상쇄할 수 있기 때문이다.
먼저 제 1의 열처리 단계는, 도 1에 도시하듯이, 그린시트를 상온에서 바인더 분해온도, 예를 들어 300℃까지 서서히 승온시킨다. 이 때 승온 분위기는 산화분위기로, 공기를 공급한다.
제 2의 열처리단계는, 바인더를 분해하기 위해 산화분위기로 공기공급을 유지하면서 상기 제 1의 열처리단계의 온도인 300℃를 유지한다.
제 3의 열처리단계는 캐소드의 산화반응을 개시하기 위한 단계로서, 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 약 450℃까지 서서히 승온한다. 이 때, 애노드쪽은 환원분위기로 5%의 H2/ 85%의 CO2/10%의 H2O를 공급하며, 캐소드쪽은 공기를 공급한다.
제 4의 열처리단계는 캐소드의 산화반응이 일어나도록 상기 제 3의 열처리단계의 온도인 450℃를 유지하는 단계로서, 애노드쪽에는 환원분위기로 5%의 H2/ 85%의 CO2/10%의 H2O를 공급하며, 캐소드쪽은 10%의 O2/90%의 CO2를 공급한다.
제 5의 열처리단계는 전해질의 용융을 개시하기 위해 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 약 550℃까지 서서히 승온한다. 이 때 애노드와 캐소드의 가스분위기는 상기 제 4의 열처리단계와 동일하다.
다음으로, 제 6의 열처리단계에서는 전해질을 완전히 용융시키고, 전극기공과 매트릭스 기공이 모세관 압력에 의해 재분포되는 단계로서, 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 550℃로 유지한다.
제 7의 열처리단계는 소결을 개시하기 위해 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 약 650℃까지 서서히 승온한다.
마지막으로, 제 8의 열처리단계에서는 상기 제 7의 열처리단계의 온도인 650℃를 유지해서 연료전지의 운전을 시작한다. 이 때, 애노드쪽은 72%의 H2/ 18%의 CO2/10%의 H2O를 공급하여 소결(니켈 소결, 알루미늄 산화)을 진행시키고, 캐소드쪽은 70%의 O2/30%의 CO2를 공급한다. 그래서, 전극의 그린시트를 유기바인더와 입자상의 니켈 또는 니켈-알루미늄 등으로 구성한다.
상술한 본 발명의 구성에 의해, 소결에 드는 비용, 예를 들어 고가의 소결받침대의 비용을 절감할 수 있고, 또한 공정을 단순화시킬 수 있으므로, 원가절감과 공수절감에 도움이 된다.
Claims (2)
- 슬러리를 제조하는 단계;상기 슬러리를 탈포하고, 테이프캐스팅하여 매트릭스, 전해질판, 애노드 및, 캐소드로 이루어진 그린시트를 제조하는 단계; 및상기 그린시트를 스택에 장착한 후, 열처리하여 운전 중에 소결을 행하는 단계를 포함하는 연료전지의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 열처리 단계는,상기 그린시트를 바인더 분해온도까지 승온시키는 제 1의 열처리단계;바인더를 분해하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 2의 열처리단계;캐소드의 산화반응을 개시하기 위해 상기 제 1의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 3의 열처리단계;캐소드의 산화반응이 일어나도록 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 4의 열처리단계;전해질의 용융을 개시하기 위해 상기 제 3의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 5의 열처리단계;전해질이 완전히 용융될때까지 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 6의 열처리단계;소결을 개시하기 위해 상기 제 5의 열처리단계의 온도를 서서히 승온하는 제 7의 열처리단계; 및애노드의 소결을 진행시키기 위해 상기 제 7의 열처리단계의 온도를 유지하는 제 8의 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조방법.
Priority Applications (1)
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| KR1019980060128A KR20000043718A (ko) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | 연료전지의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| KR1019980060128A KR20000043718A (ko) | 1998-12-29 | 1998-12-29 | 연료전지의 제조방법 |
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1998
- 1998-12-29 KR KR1019980060128A patent/KR20000043718A/ko not_active Application Discontinuation
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