KR20180110460A - 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180110460A
KR20180110460A KR1020170040026A KR20170040026A KR20180110460A KR 20180110460 A KR20180110460 A KR 20180110460A KR 1020170040026 A KR1020170040026 A KR 1020170040026A KR 20170040026 A KR20170040026 A KR 20170040026A KR 20180110460 A KR20180110460 A KR 20180110460A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
matrix
electrode
mixed powder
air electrode
mold
Prior art date
Application number
KR1020170040026A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102005377B1 (ko
Inventor
박상필
류보현
Original Assignee
류보현
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 류보현 filed Critical 류보현
Priority to KR1020170040026A priority Critical patent/KR102005377B1/ko
Publication of KR20180110460A publication Critical patent/KR20180110460A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102005377B1 publication Critical patent/KR102005377B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M8/141—Fuel cells with fused electrolytes the anode and the cathode being gas-permeable electrodes or electrode layers
    • H01M8/142—Fuel cells with fused electrolytes the anode and the cathode being gas-permeable electrodes or electrode layers with matrix-supported or semi-solid matrix-reinforced electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/14—Fuel cells with fused electrolytes
    • H01M2008/147—Fuel cells with molten carbonates
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/526—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/56—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료극, 매트릭스 및 공기극을 일체형으로 성형함에 따라, 매트릭스 간의 단차를 최소화하여 박판금속(Wet Seal)의 사용 없이도 연료전지의 밀봉(씰링)이 가능한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법에 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 공기극을 포함하는 일체형 용융탄산염 연료전지를 제공한다.

Description

일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법{Integrated Molten Carbonate Fuel Cell and Manufacturing Thereof}
본 발명은 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 연료전지의 밀봉(씰링)이 가능한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 용융탄산염 연료전지는 연료극, 매트릭스, 공기극으로 되어 있으며, 각각 별도로 제조하는 전극 제조 공정과 제조된 전극을 조립하는 조립(Sub-Assembly) 공정으로 구성(도 1 내지 도3 참조)되어 있다. 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.
조립 공정: 전기와 가스를 공급하는 분리판에 제조된 각 구성요소를 적층하여 최종 전극을 완성한다.
위와 같은 방법으로 전극을 조립하는 경우 일반적으로 매트릭스의 크기가 연료극 및 공기극의 크기보다 크게 제작되므로 각 구성요소를 적층하는 과정에서 단차가 발생된다(도 4의 (가)). 이러한 단차에 의해 씰링 문제가 발생될 수 있으며, 또한 응력 분포가 불균일하게 되어 크렉 등을 유발하므로, 이를 해결하기 위해 별도의 박판 금속(Wet Seal)이라 부르는 금속 부품을 추가하여 각 단차를 보정하고 씰링을 하게 된다. 이러한 박판 금속은 연료극용, 공기극용이 별도로 필요하며 두께는 각각 연료극용은 연료극 두께, 공기극용은 공기극 두께만큼으로 되어 있어 조립 후 매트릭스와 결합하게 된다.
다만 위에 나타난 바와 같이 각 공기극 및 연료극용의 박판금속을 별도로 준비해야하며, 순서에 맞춰 조립해야하기 때문에 박판금속의 사용은 용융탄산염 연료전지의 제조단가를 높이고 있으므로 이에 관한 해결방안이 필요한 실정이다.
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 각 구성요소간의 단차를 최소화 할 수 있으며, 박판금속의 사용 없이도 밀봉이 가능한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법을 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 공기극을 포함하는 일체형 용융탄산염 연료전지를 제공한다.
상기 매트릭스와 연료극의 접촉면 또는 매트릭스와 연료극의 접촉면에는 요철구조 또는 웨이브 구조가 형성되어 있을 수 있다.
상기 매트릭스는 한 변의 길이가 50~200mm인 사각형이며, 양측면에 한 변의 길이가 40~190mm인 사각형의 홈이 형성되어 있을 수 있다.
또한 제2양태에 의한 본 발명은 (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 단계를 포함하는 상기 용융 탄산염 연료전지의 제조방법을 제공한다.
또한 제3양태에 의한 본 발명은 (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 제조방법을 제공한다.
상기 공기극용 혼합분말, 매트릭스용 혼합분말 또는 연료극용 혼합분말은 (i) 유기 결합제로서 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; (ii) 윤활제(Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 카나우바 왁스; 및 (iii) 분산제로 스테아린산 또는 올레산을 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계, (b) 단계 또는 (c) 단계는 가압 시에는 10~100kg/㎠의 압력 및 60~150℃의 온도에서 10초~5분간 수행될 수 있으며, 주입 시에는 10~100kg/㎠의 압력 및 60~200℃의 온도에서 실시하며, 취출은 60℃ 이하에서 취출될 수 있다.
본 발명에 의한 용융탄산염 연료전지는 일체형의 구성을 가지고 있어 박판금속(Wet Seel)의 사용 없이도 연료전지의 제조가 가능하므로, 용접 등에 의한 후공정이 최소화되어 불량률이 감소하며, 연료극, 매트릭스 및 공기극을 동일한 제조공정을 이용하여 제조하므로, 제조공정이 단순해지므로 경제성 있는 연료전지의 생산이 가능하다.
도 1 내지 도3은 기존의 방법에 따른 용융탄산염 연료전지 제조방법의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 용융탄산염 연료전지의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 용융탄산염 연료전지의 제조방법을 나타낸 개략도이다.
도 6은 (가) 기존의 용융탄산염 연료전지와 (나)본 발명의 일실시예에 의한 용융탄산염 연료전지를 비교한 그림이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 용융탄산염 연료전지의 평면도와 단면도를 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 용융탄산염 연료전지를 제공한다.
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 40~490mm, 바람직하게는 70~120mm, 더욱 바람직하게는 90~110mm인 사각형의 홈이 형성될 수 있다(도 6 및 도 7). 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 공기극의 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.
제2양태에 의한 본 발명은 (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 단계를 포함하는 상기 용융 탄산염 연료전지의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 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(도 4), 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 및 윤활제를 믹서를 이용하여 10~60분간 혼합하여 공기극용 혼합분말을 제조한 다음, 공기극용 성형틀에 공급한다.
상기 유기 결합제로는 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; (ii) 윤활제 (Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 카나우바 왁스; 및 (iii) 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.
제3양태에 의한 본 발명은 (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 제조방법을 제공한다.
상기 제2양태에 의한 제조방법 외에도 각 전극 및 매트릭스를 각각 제조한 다음, 일체화하여 제작하는 것도 가능하다(도 5). 이때 각 전극의 조성 및 가압 또는 주입조건은 상기 제2양태와 동일하게 하여 제작할 수 있으며, 각 전극과 매트릭스의 접촉면이 웨이브 구조 또는 요철구조를 가질 수 있는 것 역시 동일하다.
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 온도에서 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 온도에서 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 온도에서 1분간 가압하여 연료극을 성형하였으며, 연료극의 전체높이는 매트릭스의 두꺼운 부분과 동일하도록 가압하여 성형하였다.
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 연료전지의 경우 박판금속을 사용하지 않았음에도 불구하고 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.

Claims (7)

  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 용융탄산염 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스와 연료극의 접촉면 또는 매트릭스와 연료극의 접촉면에는 요철구조 또는 웨이브 구조가 형성되어 있는 일체형 용융탄산염 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스는 한 변의 길이가 50~500mm인 사각형이며, 일측면 또는 양측면에 한 변의 길이가 40~490mm인 사각형의 홈이 형성되어 있는 일체형 용융탄산염 연료전지.
  4. 다음의 단계를 포함하는 제1항의 일체형 용융 탄산염 연료전지의 제조방법:
    (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.
  5. 다음의 단계를 포함하는 제1항의 일체형 용융 탄산염 연료전지의 제조방법:
    (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 단계.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 공기극용 혼합분말, 매트릭스용 혼합분말 또는 연료극용 혼합분말은
    (i) 유기 결합제로서 폴리비닐부티랄(PVB), 폴리비닐알코올(PVA) 또는 아크릴계수지; 및
    (ii) 윤활제 (Wax)로서 천연왁스, 파라핀 왁스, 폴리에틸린탈린 왁스 또는 카나우바 왁스;
    (iii) 분산제로서 스테아르산(Steric Acid) 또는 올레산(Oleic Acid);
    을 포함하는 용융 탄산염 연료전지의 제조방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 (a) 단계, (b) 단계 또는 (c) 단계는 가압 시에는 10~100kg/㎠의 압력 및 60~150℃의 온도에서 10초~5분간 수행될 수 있으며, 주입 시에는 10~100kg/㎠의 압력 및 60~200℃의 온도에서 실시하며, 취출은 60℃ 이하에서 취출되는 용융 탄산염 연료전지의 제조방법.
KR1020170040026A 2017-03-29 2017-03-29 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법 KR102005377B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170040026A KR102005377B1 (ko) 2017-03-29 2017-03-29 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170040026A KR102005377B1 (ko) 2017-03-29 2017-03-29 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180110460A true KR20180110460A (ko) 2018-10-10
KR102005377B1 KR102005377B1 (ko) 2019-07-30

Family

ID=63876259

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170040026A KR102005377B1 (ko) 2017-03-29 2017-03-29 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102005377B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004235169A (ja) * 2004-05-21 2004-08-19 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子形燃料電池用電解質膜、その製造方法及び固体高分子形燃料電池
JP2005063832A (ja) * 2003-08-13 2005-03-10 Dainippon Printing Co Ltd 触媒層−電解質膜積層体及びその製造方法
JP2007087728A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Toyota Motor Corp 積層体及びその製造方法並びに燃料電池
JP2009009916A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Dainippon Printing Co Ltd 触媒層付電解質膜

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005063832A (ja) * 2003-08-13 2005-03-10 Dainippon Printing Co Ltd 触媒層−電解質膜積層体及びその製造方法
JP2004235169A (ja) * 2004-05-21 2004-08-19 Sanyo Electric Co Ltd 固体高分子形燃料電池用電解質膜、その製造方法及び固体高分子形燃料電池
JP2007087728A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Toyota Motor Corp 積層体及びその製造方法並びに燃料電池
JP2009009916A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Dainippon Printing Co Ltd 触媒層付電解質膜

Also Published As

Publication number Publication date
KR102005377B1 (ko) 2019-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8771901B2 (en) SOFC stack having a high temperature bonded ceramic interconnect and method for making same
US20230261235A1 (en) Cell, cell stack device, module and module-containing device
TWI620376B (zh) 可攜式火焰發電裝置、金屬支撐型固態氧化物燃料電池及製作方法
CN106033819A (zh) 一种平板型电极支撑的陶瓷电解质电池及其制备方法
KR20110057932A (ko) 테이프 캐스팅-동시소성법에 의하여 제조되는 평판형 고체산화물 단위전지
JP5439160B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セルの製造方法、及び、同セルの分割体の成形体の製造方法
JP2001076741A (ja) 燃料電池用セパレータの製造金型、燃料電池用セパレータの成形構造、及び燃料電池用セパレータの製造方法
US11962041B2 (en) Methods for manufacturing fuel cell interconnects using 3D printing
KR102005377B1 (ko) 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조방법
KR101989419B1 (ko) 타공판을 구비한 일체형 용융탄산염 연료전지 및 그 제조 방법
KR101191638B1 (ko) 평관형 고체산화물 연료전지 음극 지지체 제조방법
KR101951101B1 (ko) 타공판을 구비하여 블록조립이 가능한 용융탄산염 연료전지 모듈
KR101741010B1 (ko) 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법
US6569372B1 (en) Fuel cell separator production system and method, and fuel cell separator
JP2003059501A (ja) 燃料電池セパレータの製造方法、中間成型物の製造方法、および中間成型物
KR101835891B1 (ko) 고체산화물 연료전지의 열처리 방법
JP3116455B2 (ja) 固体電解質型燃料電池
Minh et al. Forming and Processing of Monolithic Solid Oxide Fuel Cells
JP4181339B2 (ja) 燃料電池の組立て方法
JP2802196B2 (ja) 燃料電池用支持体の製造方法
KR101353691B1 (ko) 금속 지지체형 고체 산화물 연료전지 및 그 제조방법
JPH0622137B2 (ja) 燃料電池用電極基板及びその製造方法
US10573898B2 (en) High permeable porous substrate for a solid oxide fuel cell and the production method thereof
JPH08213035A (ja) 燃料電池用集電体とその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant