KR20010040721A - 스트레이트 연료전지관을 만드는 방법 - Google Patents

스트레이트 연료전지관을 만드는 방법 Download PDF

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Abstract

스트레이트 연료전지관을 만드는 방법 및 장치가 발표된다. 연료전지 재료의 분말과 용매를 포함하는 압출관은 압출관을 회전시킴으로써 건조된다. 회전 공정은 균일한 원주 건조를 제공하여 결과로 관의 균일한 직선수축이 생긴다. 결과로서 생기는 건조된 관은 매우 곧아서 종래 공정에서 요구되는 연속적인 교정 단계를 제거한다. 본 방법은 고체산화 연료전지의 내부 공기 전극관을 형성하는데 특히 유용하다.

Description

스트레이트 연료전지관을 만드는 방법{METHOD OF MAKING STRAIGHT FUEL CELL TUBES}
연료전지는 최대 효율 발전 장치에 속한다. 고체산화 연료전지(SOFC) 발전기의 한 형태는 터빈 연소기가 SOFC로 교체되는 집약된 SOFC-연소 터빈 동력 시스템에서 사용되어질 때 놀라운 70 퍼센트 순효율을 갖는다.
몇 개의 연료전지 설계가 알려져 있다. 예를 들어, 고체산화 연료전지의 한 형태는 개방 끝과 폐쇄 끝을 갖는 내부 다공성 도핑된-란타늄 망가나이트 관으로 구성되고, 이것은 개별적인 전지를 위한 지지 구조로서 사용되고, 또한 전지의 캐소드 또는 공기 전극이다. 얇은 기밀 이트륨-안정화된 지르코니아 전해질은 상호 연결 표면의 상대적으로 얇은 스트립을 제외한 공기 전극을 덮고, 이것은 도핑된-란타늄 크로마이트의 조밀한 기밀 층이다. 이 스트립은 이웃하는 전지 또는, 대안적으로, 파워 콘택트에 전지 접촉 지역으로서 사용된다. 애노드 또는 연료전극인 다공성 니켈-지르코니아 서멧 층은 전해질을 덮지만 상호 연결 스트립은 덮지 않는다.
연료전지의 예가 Isenberg의 U.S.특허 제 4,431,715호, 제 4,490,444호, Ruka의 U.S.특허 제 4,562,124호, 제 4,631,138호, Isenberg의 U.S.특허 제 4,748,091호, Reichner의 U.S.특허 제 4,791,035호, Pollack등의 U.S.특허 제 4,833,045호, Reichner의 U.S.특허 제 4,874,678호, 제 ,876,163호, Carlson등의 U.S.특허 제 5,108,850호, Di Croce등의 U.S.특허 제 5,258,240호 및 Draper의 U.S.특허 제 5,273,828호에 발표되었고, 각각은 언급하여 여기에 집약되었다.
고체산화 연료전지에 사용되어지는 공기 전극 관는 매우 곧아야 하는데, 예를 들어, 길이 1.81m에 최대 허용 구부러짐은 2.0㎜이다. 완성된 관을 만드는데 사용되는 공정은 몇 가지 단계로 구성되어진다. 먼저, 유기결합재, 무기 분말 및 물이 적당한 유동학적인 특성을 갖는 페이스트를 형성하기 위하여 높은 전단응력 아래 섞인다. 다음, 이 혼합은 요구되는 단면적의 기하학적 구조의 관 모양을 형성하기 위하여 고압에서 다이를 통해 압출된다. 관이 건조됨에 따라, 그것은 단단해져 다룰 수 있게 되어진다. 종래 공기 전극관은 두 가열 단계를 거친다. 압출관은 먼저 유기결합재를 태워 버리기 위하여 그리고 조작력을 개발하기 위하여 수평적으로 가열된다. 다음, 수직적으로 걸려있는 동안 태워져서 요구되는 밀도가 된다.
스트레이트 관을 조립하는데 있어 주요 장애는 유기결합재와 공기 전극 재료로 구성되어진 스트레이트 그린 관을 형성하는 것이다. 소결에 앞선 관의 진직도는 소결된 관의 결과적인 진직도를 주로 지시한다. 과거에, 관은 V-모양의 선반으로 압출되었고 제어된 온도/습도 쳄버에서 건조된다. 이것은 관의 건조율을 완화하고 제어하기 위한 노력에서 이루어졌다. 그러나, 이 공정은 단지 변두리적에 성공적이었고, 관은 흔히 심하게 휘어졌다. 건조된 관이 구부러진다면, 수직 소결은 재래적으로 그 문제를 해결하기 위하여 공기 전극관을 곧게 하기 위하여 요구되어진다. 1,500-1,600℃의 일반적인 공기 전극 소결 온도에서, 고온 크리프와 중력은 일단 구부러진 관을 허용될 수 있는 제한안으로 곧게 하기 위하여 작용한다. 그러나, 수직 소결은 또 다른 공정 단계를 추가하고 요구되는 진직도 공차안에서 일관되게 관을 형성하는 것이 아니다. 따라서, 충분한 진직도의 건조된 공기 전극관을 형성하여 연속적인 교정 공정이 요구되지 않는 것이 유리하다. 본 발명은 앞서의 관점에서, 그리고 종래 기술의 결함을 처리하기 위하여 개발되었다.
본 발명은 연료전지에 관한 것이고, 더 세부적으로 고체산화 연료전지를 위한 스트레이트 관을 만드는 방법에 관한 것이다.
도 1은 압출된 연료전지관을 건조하는 종래 공정을 설명하는 부분약끝면도이다.
도 2는 불균일한 수축에서 나온 실재하는 뒤틀림을 갖는 종래 방법에 의해 건조된 연료전지관의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라서 연료전지관을 건조하는 공정을 설명하는 부분약끝면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라서 생산된 스트레이트 건조된 연료전지관의 정면도이다.
(발명의 개요)
본 발명은 압출된 연료전지관이 원주 건조와 균일한 직선수축을 제공하기 위하여 건조되는 동안 그것을 지속적으로 회전하는 단계를 포함한다. 합성 세라믹 관은 과거에 사용되었던 방법에 의해 건조된 관에 비하여 뛰어나게 곧다. 추가적으로, 연속적인 교정 단계와 그것과 관련된 장비는 제조공정에서 제거된다. 본 공정은 추가적으로 공기 전극관의 가격을 줄이는, 한 단계 수평적 소결과 양립할 수 있는 세라믹 관을 생산한다.
본 발명의 방법은 공기 전극관의 제조 생산량을 증가시키고, 장비에 요구되는 자본 투자를 감소시키며, 제조 사이클타임을 감소시키고, 제조 설비의 작업량을 증가시키고, 그럼으로써 SOFC발전기를 위한 고체산화 연료전지의 생산 단가를 줄이게 된다.
본 발명의 목적은 연료전지관의 건조 방법을 제공하는 것이다. 본 방법은 세라믹 연료전지 분말과 용매를 포함하는 혼합물에서 관을 형성하는 단계와 관에서 용매를 제거하기 위하여, 형성된 관을 그것의 축에 대하여 회전하여서 건조된 연료전지관을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은 연료전지관을 건조하는 기구를 제공하는 것이다. 연료전지관이 회전할 때, 형성된 관에서 용매를 제거하기 위하여, 형성된 연료전지관을 그것의 축으로 회전하는 수단을 포함한다.
본 발명의 이것과 다른 목적은 다음의 설명에서 더 명백해질 것이다.
(바람직한 실시예의 설명)
본 발명에 따라서 압출된 연료전지관은 그런 방법으로 건조되어 매우 곧게 된다. 여기에 사용된 바와 같이, 용어 "연료전지관"은 연료전지를 만드는 사용되는 형성된 연료전지 성분을 의미한다. 예를 들어, 일반적 연료전지관은 일반적으로 기둥형 공기 전극 또는 고체산화 연료전지의 연료 전극을 포함한다.
과거에, 압출된 연료전지관은 관의 구부러짐을 방지하기 위하여 건조율을 완화하고 제어하기 위한 노력으로 제어된 온도/습도 쳄버에서 건조되었다. 그러나, 관 구부러짐의 주요 원인은 불균일한 건조임이 발견되었다. 도 1에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 압출관(10)이 종래의 V-모양의 건조 선반(11)에 정지한 채로 남아 있을 때, 우선 건조가 화살 (12)에 도시된 바와 같이, 관의 상부 위에 일어난다. 이것은 지지된 면 위보다 관의 상부 위에 더 큰 직선수축에 상승을 주고, 도 2의 화살표(14)에 도시된바와 같이 관의 구부러짐을 일으킨다.
본 발명의 연료전지 건조의 향상된 방법은 그것이 건조하는 동안 관을 지속적으로 회전하는 단계를 바람직하게 포함한다. 이 방법의 실시는 도 3에 대략적으로 설명되어진다. 연료전지관(20)은 두 롤러(21,22)에 놓이게 된다. 화살표(23,24)에 의해 도시된 방향으로의 롤러(21,22)의 회전은 화살표(25)에 도시된 방향으로 축에 대하여 연료전지관(20)을 회전하게 한다. 연료전지관(20)의 건조는 실질적으로 관의 원주를 따라 균일하고, 그래서 관의 직선수축은 또한, 도 4에서 상부 화살표(26)와 하부 화살표(27)에 의해 도시된 바와 같이, 균일하다. 이것은 스트레이트 건조된 그린 관을 생산한다.
롤러(21,22)는 스테인레스강, 폴리염화비닐 또는 나일론과 같은 적당한 재료로 만들어진다. 각각의 롤러(21,22)의 직경은 건조되기 위하여 바람직하게 연료전지관 직경의 약 25 에서 200퍼센트이다. 대안적인 건조 구조는 에어 베드 위에서 관을 지지하는 것이고 관 자신을 관의 지속적인 회전을 제공하는 구동 메커니즘에 연결한다.
본 발명의 방법에 따라서, 관은 세라믹 연료전지 분말과 용매를 포함하는 혼합물에서 형성된다. 혼합물은 바람직하게 페이스트 형태이다. 세라믹 연료전지 분말은 연료전지 성분을 형성하기 위한 어떤 적당한 구성이다. 예를 들어, 연료전지의 공기 전극을 위하여, 세라믹 연료전지 분말은, M1이 칼슘, 스트론튬, 이트륨, 세륨, 다른 적당한 도핑제 또는 그것의 조합이고, M2는 니켈, 크로늄, 아연, 코발트, 다른 적당한 도핑제 또는 그것의 조합이며, X가 0에서 약 0.5이고, Y가 0에서 약 0.5인 La1-X(M1)XMn1-Y(M2)YO3를 포함한다. 용매는 물, 프로판올, 아세트산 부틸 또는 부톡시에탄올을 포함하고, 많은 적용에서 물이 바람직하다. 세라믹 연료전지 분말과 용매에 더하여, 혼합물은 메틸셀룰로스, 히드록시프로필 메틸셀룰로스, 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 부티랄 수지 또는 아크릴 폴리머와 같은 유기결합재를 포함하고,/또는 폴리에틸렌 글리콜, 부틸벤질 프탈레이트 또는 중합체 지방산과 같은 가소제를 포함한다.
관은 어떤 적당한 방법, 바람직하게 압출에 의해서 형성된다. 예를 들어, 페이스트는 위에 언급된 화합물의 적당한 혼합물을 조합함으로써 그리고 그들을 높은 전단응력의 조건에서 혼합함으로써 만들어진다. 그 다음, 관은 페이스트를 다이에 높여진 압력, 예컨대, 800 내지 5,000psi로 밀어 넣음으로써 압출된다. 다이의 모양은 압출관의 단면 기하학적 구조를 결정한다.
결과로서 형성된 관은 어떤 바람직한 기하학적 구조이다. 바람직하게, 형성된 관은 환상의 단면적과 함께 속이 비었다. 속이 빈 관은 양 끝에서 개방되거나 양 끝에서 폐쇄되거나, 또는 한 끝에서 개방되고 다른 끝에서 폐쇄되어 있다.
바람직한 실시예에 따라서, 형성된 관은 실질상 수평축에 따라 회전된다. 바람직하게, 형성된 관은 실질상 지속적인 속도로 회전된다. 예를어, 도 3에서 도시된 바와 같이 위에 압출된 연료전지관이 놓이고 약 0.1 내지 20rpm의 바람직한 속도로, 더 바람직하게는 약 1에서 약 2rpm의 속도로 회전하게 되는 롤러(21,22)의 세트가 제공되어진다.
관의 회전동안에, 어떤 적당한 주변 환경이 사용된다. 더 바람직한 실시예에서, 주변 환경은 대기이다. 대안적으로, 가스가 관의 건조를 가속화하기 위하여 회전하는 관을 향한다. 그러한 강요된 가스는 공기 또는 다른 적당한 가스를 포함한다. 공기는 요구된다면 탈습된다.
일반적인 건조 시간은 약 48시간보다 작고 , 바람직하게는 약 36시간보다 작다. 더 바람직하게는 , 약 16시간에서 약 24시간의 건조시간이 사용된다.
결과로서 얻어지는 건조된 연료전지관은 실질상 곧다. 예를 들어, 건조된 연료전지관은 미터당 0.15㎜ 보다 작고 더 바람직하게는 미터당 약 0.10㎜보다 작은 축상의 구부러짐을 갖는다. 특별한 예로써, 2m의 길이를 갖고, 내경이 1.95㎝이고, 외경이 2.45㎝인 10개의 최근 압출관은 약 25℃의 온도에서 24시간동안 대기에서 롤러 시스템에서 건조되었다. 결과로서 생기는 건조된 관은 모두 0.25㎜보다 작은 구부러짐을 가졌다. 이것은 흔히 2㎝를 넘는 관 구부러짐을 가졌던, 도 1에 도시된 종래 방법을 사용하여 건조된 관과 대조적이다.
연료전지관이 건조된 후에, 그들은 선택적으로 약 1,500에서 약 1,600℃의 일반적인 온도에서 소결된다. 바람직하게는, 건조된 관은 수평된 방향으로 소결된다. 수평 연료전지관은 선택적으로 소결 공정동안에 회전된다.
본 발명은 종래 기술에 대하여 몇 가지 장점을 갖는다. 예를 들어, 그것은 뛰어난 진직도를 갖고 1-단계 수평 소결과 함께 양립하는 공기 전극관을 생산한다. 본 발명은 대용량의 공기 전극 제조 설비에서 매우 비싸고 큰, 제어된 상대 습도/온도 쳄버의 필요를 제거한다. 본 발명은 또한 건조율을 제어할 필요 없이 관의 건조 균일함을 제어한다. 결과적으로, 예를 들어, 습도/온도 쳄버 안에서 48시간동안 건조하는 것에 반하여, 관은 대기에서 24시간동안에 완전히 건조된다. 또한 거꾸로 진직도에 영향을 미치지 않고, 건조하는 동안에 공기를 관에 통과하게 함으로써 건조를 가속화하는 것이 가능하다.
본 발명의 특별한 실시예가 설명의 목적으로 위에서 설명되었지만, 본 발명의 세부사항의 다수의 변형이 첨부된 청구항에서 정의된 것처럼 본 발명에서 떠나는 일없이 만들어진다는 것은 기술상 숙련자들에게 명백할 것이다.

Claims (25)

  1. 세라믹 연료전지 분말과 용매를 포함하는 혼합물에서 관을 형성하는 단계; 및
    적어도 부분적으로, 형성된 관에서 용매를 제거하여 건조된 연료전지관을 생산하기 위하여 실질상 관의 축에 대하여, 형성된 관을 회전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지관을 건조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 관이 혼합물을 압출함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 형성된 관이 속이 빈 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 형성된 관이 개방 끝과 폐쇄 끝을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 세라믹 연료전지 분말이, M1이 칼슘, 스트론튬, 이트륨, 세륨, 다른 적당한 도핑제 또는 그것의 조합이고, M2는 니켈, 크롬, 아연, 코발트, 다른 적당한 도핑제 또는 그것의 조합이며, X가 0에서 약 0.5이고, Y가 0에서 약 0.5인 La1-X(M1)XMn1-Y(M2)YO3를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 용매가 물, 프로판올, 아세트산 부틸 또는 부톡시에탄올을 포함하며, 물이 많은 적용 또는 그것의 조합에 더 바람직하다는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 용매가 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 실질상 모든 물이, 형성된 관에서 제거되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 혼합물이 메틸셀룰로스, 히드록시프로필 메틸셀룰로스, 폴리비닐알콜, 폴리비닐 부티랄 수지 또는 아크릴 폴리머로 구성되어지는 그룹에서 선택되어진 적어도 하나의 유기결합재를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 혼합물이 폴리에틸렌 글리콜, 부틸벤질 프탈레이트 또는 중합체 지방산으로 구성되어진 그룹에서 선택되어진 적어도 하나의 가소제를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 실질상 수평축에 대하여, 형성된 관을 회전시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 형성된 관을 지속적으로 회전시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 약 0.1 에서 약 20rpm의 속도로, 형성된 관을 회전시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 두 개의 반대하는 롤러 위에, 형성된 관을 회전시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 15 항에 있어서, 각각의 반대하는 롤러가, 형성된 관의 외경의 약 25에서 약 200퍼센트의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서, 형성된 관을 대기에서 회전시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1 항에 있어서, 건조를 가속화하기 위하여, 형성된 관의 회전의 반대 방향으로 가스를 향하게 하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 가스가 공기인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 공기가 탈습된 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1 항에 있어서, 건조된 연료전지관이 실질상 곧은 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 건조된 연료전지관이 미터당 약 0.15㎜보다 작은 축 구부러짐을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서, 건조된 연료전지관을 소결하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 형성된 관을 실질상 수평축에 대하여 회전시키는 단계와 건조된 연료전지관을 실질상 수평축에 대하여 소결하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서, 연료전지관이 고체산화 연료전지의 공기 전극인 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 적어도 부분적으로, 형성된 관에서 용매를 제거하여서 건조된 연료전지관을 생산하기 위하여, 형성된 연료전지관을 실질적으로, 형성된 관의 축에 대하여 회전시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지관을 건조하는 장치.
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