용융탄산염 연료전지용 in-situ 소결된 Ni-Al 합금 연료극 개발

Abstract

기존의 용융탄산염 연료전지용 연료극인 Ni-Cr전극은 제조과정이 복잡하며, 운전조건에서 전극의 소결과 creep현상으로 인하여 전극의 기공률과 두께가 감소하는 문제점이 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 Ni-Cr계 전극보다 creep저항성이 우수하다고 알려져 있는 Ni-Al계 합금을 사용하였다. 또한 공정의 단순화로 비용을 절감시키기 위해, 소성과정을 제외하고 tape casting과 건조과정을 거친 green sheet를 단위전지에 장착하여 전처리 과정 중에 소결시키는 in-situ 소결법에 대해 연구하였다. 그러나 기존의 전처리 방법을 이용한 단위전지 평가에서 Ni-Al 합금의 상분리 현상으로 인해 기대하였던 creep저항성 향상을 확인하지 못했고, 운전중 Ni-Al합금 연료극에 단위전지의 구성요소인 matrix 기공크기보다 작은 기공(<TEX>${\leq}0.4{\mu}m$</TEX>)이 다량 생성되어 전해질 재분배를 일으켜 성능이 하락하는 문제점이 나타났다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 전처리 조건을 변화시키며 실험을 수행하였다. 그 결과, 비활성 기체인 질소를 일정한 구간에 사용함으로써 기존 전처리에서 발생하였던 Ni-Al 합금의 상분리 현상을 억제할 수 있었으며 이로 인해 creep저항성 또한 향상시킬 수 있었다. 그러나 운전 중 생성되는 matrix기공크기보다 작은 기공(<TEX>${\leq}0.4{\mu}m$</TEX>) 형성비율은 억제할 수 없었다. 위의 전처리 조건을 가지고 단위전지 운전실험을 하였고, 전해질 함침비율을 조절함에 따라 성능을 향상시킬 수 있었으며 2000시간 동안 일정하게 유지함을 확인하였다. 이로부터 기존의 소성전극과 비교하여 많은 장점을 가지고 있는 in-situ 소결법의 가능성을 확인할 수 있었다. For commercialization of molten carbonate fuel cell (MCFC), it has some problems to be overcome such as decrease of porosity and thickness of the anode under the operating condition (at <TEX>$650^{\circ}C$</TEX> and working pressure of more than 2 <TEX>$kg_f/cm^2$</TEX>). Recently, Ni-Al alloy anode has been proposed to replace the conventional Ni-Cr anode as an alternative material to resist a creep and inhibit the sintering. The objective of this research is to sinter the green sheet of Ni-Al alloy anode during single cell pre-treatment process, which has several advantages like cost down and simplification of manufacturing process. However, the Ni-Al alloy anode prepared with a conventional pre-treatment process showed the phase separation of Ni-Al alloy and formation of micropore(<TEX>${\leqq}0.4{\mu}m$</TEX>), resulting in low creep resistance and high electrolyte re-distribution. In order to prevent the Ni-Al alloy anode from phase-separating, nitrogen gas was used in the process of pre-treatment. Introducing the nitrogen, the phase separation from Ni-Al alloy into nickel and alumina was minimized and increased creep resistance. However, there was some micropore formation on the surface of Ni-Al alloy anode during the cell operation due to creation of lithium aluminate. Addition of more amount of electrolyte into a cell, especially at cathode, made the cell performance stable for 2,000 hrs. Consequently, it was possible to make the Ni-Al alloy anode with good creep resistance by the modified in-situ sintering technique.