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

Abstract

기존의 용융탄산염 연료전지용 연료극인 Ni-Cr 전극은 제조과정이 복잡하며, 운전조건에서 전극의 소결과 creep 현상으 로 인하여 전극의 기공률과 두께가 감소하는 문제점이 있어 상용화에 걸림돌이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 Ni-Cr 계 전극보다 creep 저항성이 우수하다고 알려져 있는 Ni-Al계 합금을 사용하였다. 또한 공정의 단순화로 비용을 절감 시키기 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 합 금의 상분리 현상으로 인해 기대하였던 creep 저항성 향상을 확인하지 못했고, 운전중 Ni-Al 합금 연료극에 단위전지 의 구성요소인 matrix 기공크기보다 작은 기공(≤0.4 μm)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 있었 으며 이로 인해 creep 저항성 또한 향상시킬 수 있었다. 그러나 운전 중 생성되는 matrix 기공크기보다 작은 기공(≤ 0.4 μm)의 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 소성전극 과 비교하여 많은 장점을 가지고 있는 in-situ 소결법의 가능성을 확인할 수 있었다.