용융탄산염 연료전지용 음극 제조 방법 document_id A220623106439

일반적으로, 용융탄산염 연료전지는 음극, 양극, 전해질, 매트릭스(matrix)및 분리판(separator plate)으로 구성되며(도 1), 환원성(reducing)의 음극과 산화성(oxidizing)의 양극 분위기로 액상 탄산염(Li2/K2CO3, Li2/Na2CO3) 전해질의 존재 하에서 550~700℃의 고온에서 작동된다. 1970년대 용융탄산염 연료전지용 음극은 주로 니켈만을 이용하여 제조하였으나, 음극이 1.5~2㎏/㎠의 높은 면압하에 노출됨으로써 니켈 입자의 소결 및 크립(creep)이 발생하여 음극의 반응면적 감소와 매트릭스 크랙(matrix crack) 발생으로 크로스 오버(cross-over)를 일으키는 문제점이 있었다. 이와 같은 니켈 전극의 크립을 억제하기 위하여 니켈에 크롬(Cr) 또는 알루미늄(Al)을 첨가함으로 용해-강화(solute-strengthening), 석출-강화(precipitation-strengthening) 및 산화물-분산-강화기구(oxide-dispersion-strengthening mechanism)에 의하여 그 특성을 향상시켰다. 그러나, Ni-Cr 음극은 Ni-Al 음극 보다 크립 저항성이 낮을 뿐 아니라, 산화크롬(Cr2O3)을 생성하여 전해질과 반응한 후, 리튬크로메이트(LiCrO2) 형성으로 전극 불안정성과 장기운전 시에 전해질 손실을 일으키는 문제점을 지니고 있다. 한편, Ni-Al 음극은 보통 니켈에 순수한 알루미늄 분말을 첨가하는 것이 아니라, NiAl, NiAl3, Ni:Al(95:5wt%) 등과 같은 Ni-Al 합금을 사용함으로써 니켈의 크립 및 Ni-Cr 음극의 불안정성과 전해질 손실에 대한 문제는 없으나, 첨가된 알루미늄의 강화기구(creep 억제) 발현을 위해 엄밀한 소결 분위기 제어가 필요하며, Ni-Al 합금 원료 가격이 고가인 단점이 있다. 그리고 용융탄산염 연료전지의 대용량에 따라서 사용되는 전극의 크기가 2500㎠에서 7500㎠ 및 10000㎠로 점점 증가하고 있으나, 이러한 대형 전극을 대량으로 소결하기 위해서는 소결 분위기가 질소와 수소를 동시에 사용하는 연속 소결로가 이용되어야 한다. 그리고 이러한 연속 소결로의 분위기를 유지하기 위해서는 사용되는 수소를 로의 입구와 출구에서 연소시켜 분위기를 유지시키는 수소 커튼을 이용해야 한다. 이와 같이 니켈에 알루미늄을 Ni-Al 합금으로 첨가하여 음극 전극의 크립을 방지하고 성능을 향상시키기 위해, 니켈에 알루미늄 분말을 첨가하여 용융탄산염 연료전지용 음극을 테이프 캐스팅하여 성형체를 제조한 후, 이 성형체를 대량으로, 그리고 연속적으로 소결하는 방법은 보고되어 있지 않다.