KR101959451B1 - 대량 생산용으로 인덕션 가열에 의한 연료전지 전극의 소결 및 전해액 파우더를 가진 다공성 전극을 함침하기 위한 방법 및 제조 장치 - Google Patents

Abstract

연료전지용 전해액 함침된 전극을 제조하는 방법은 소정의 파우더로부터 파우더 베드를 형성하는 단계, 소정의 제1온도에서 파우더 베드를 소결하여 기판을 형성하는 단계, 특정 실시예에서 부차적으로 기판의 표면에 전해액 파우더를 배포하는 단계, 및 전해액을 기판에 용융 및 위킹하도록 소정의 제2온도까지 그 위에 전해액 파우더를 가진 기판을 가열하여 전해액에 기판을 함침하는 단계를 포함하여, 연료전지용 전극을 형성하며, 소결 및 함침 중 적어도 하나는 상기 파우더 베드와 상기 기판 중 적어도 하나에 인덕션 가열을 인가하여 실행된다.

Description

대량 생산용으로 인덕션 가열에 의한 연료전지 전극의 소결 및 전해액 파우더를 가진 다공성 전극을 함침하기 위한 방법 및 제조 장치{METHOD AND MANUFACTURING ASSEMBLY FOR SINTERING FUEL CELL ELECTRODES AND IMPREGNATING POROUS ELECTRODES WITH ELECTROLYTE POWDERS BY INDUCTION HEATING FOR MASS PRODUCTION}

일반적으로, 본 발명은 연료전지에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연료전지에 사용되는 전극, 그런 전극을 제조하는 방법과 제조 시스템, 및 그런 전극을 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학에너지와 직접적으로 전기화학 반응하여 전기에너지로 변환하는 장치이다. 일반적으로, 연료전지는 전해액에 의해 분리되는 애노드와 캐소드를 포함하며, 전해액은 전기적으로 하전된 이온을 전달하는 역할을 한다. 다수의 각각의 연료전지를 각 쌍의 셀 사이의 도전성 분할판과 직렬로 적층하여 유용한 전력 수준의 연료전지를 생성한다. 연료전지 시스템의 타입과 성능은 전해액에 사용되는 연료전지 및 재료를 지지하는 구조의 설계로 결정된다.

산화가스가 애노드를 통과하는 동안, 용융탄산형 연료전지(MCFC)는 애노드를 통하여 반응 연료가스를 통과시켜 작동한다. 전형적인 MCFC는 니켈 합금 첨가제로 안정화 되어 있는 다공성 니켈(Ni) 애노드 및 알칼리 전해액과의 다공성 매트릭스에 의해 애노드로부터 분리되는 다공성의 인 시츄(in situ) 산화 니켈(Ni) 또는 니켈 산화물(NiO) 캐소드를 포함한다. MCFCs는 일반적으로 약 650℃의 온도에서 연료와 산화제 가스가 작동한다.

MCFCs의 작동수명과 성능은 부분적으로 연료전지에 사용되는 애노드와 캐소드의 특성에 따른다. MCFCs의 작동온도가 높을수록 전체 연료전지 시스템의 효율이 높고 사용가능한 연료 사용의 유연성이 크기는 하지만, 높은 온도는 연료전지 구성요소의 부식 안정성과 수명에 상당한 손해를 끼치는 것이다. 예를 들어, MCFC 캐소드는 우수한 전도성, 높은 기계적 강도 및 내구성, 그리고 낮은 분해율(issolution rate)을 가질 필요가 있는 것이다.

용융 탄산염 연료전지(MCFC)의 캐소드를 제조하는 과정에서, 니켈 캐소드 전극은 일반적으로 500℃ 이상의 온도에서 소결되며 전해액에 함침된다. 이러한 온도를 달성하고 전해액을 용해시키기 위해서, 마이크로파 가열 및 전기- 또는 가스- 연소로(fired furnaces)가 공작물(work piece)을 가열하는 데 사용되었다. 그러나, 마이크로파 가열, 가스 연소로 또는 전기 연소로는 모두 대형 공작물을 신속히 가열하거나 공작물 내부에 균일한 온도분포를 이루는데 그다지 적합하지 않은 것이며, 그것은 생성된 공작물의 품질을 떨어뜨린다. 또한, 마이크로파 가열 및 가스로 또는 전기로의 사용은 장비 크기와 장비유지 비용으로 인해서 전기 또는 가스 사용으로 발생하는 상당한 운영비용을 초래한다.

본 발명은 공작물의 신속한 가열 및 공작물 내부의 균일한 온도 분포를 보장하고, 전극을 제조하는 과정에서 가열 및 냉각 속도의 균일성을 향상시킨 전극 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 전기에너지, 질소가스, 천연가스의 소비량을 감소하며, 설치 공간 및 장비 유지비용을 감소시킨 전극 제조공정을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 전극 공작물을 생성하는데 소요되는 처리 시간을 단축하는 전극 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 이점들 중 1개 이상이 다음과 같은 단계를 포함하는 연료전지용 전해액 함침된 전극을 제조하는 방법으로 실현된다. 상기 방법은 소정의 파우더로부터 파우더 베드를 형성하는 단계, 소정의 제1온도에서 파우더 베드를 소결하여 전극 기판을 형성하는 단계, 전극 기판의 표면에 전해액 파우더를 배포하는 단계, 전해액을 용해하여 기판에 모세관작용으로 전해지도록(wick) 소정의 제2온도까지 그 위에 전해액 파우더를 가진 전극 기판을 가열하여 전해액에 전극 기판을 함침하는 단계를 포함하여, 연료전지용 전극을 형성하며, 소결 및 함침 중 적어도 1개는 파우더 베드와 전극 기판 중의 적어도 하나에 인덕션 가열을 인가하여 실행된다. 인덕션 가열은 적어도 하나의 코일과 적어도 하나의 서셉터(susceptor)를 포함하는 인덕션 가열 시스템에 의해 적용된다. 적어도 하나의 서셉터는 파우더 베드와 전극 기판 중 적어도 하나를 지지하고, 열을 파우더 베드와 전극 기판 중 적어도 1개로 전달한다. 적어도 하나의 코일은 기판을 둘러싸는 멀티-턴 코일 또는 1쌍의 코일일 수 있으며, 예를 들어 타원형 단면 또는 1쌍의 편평한 코일을 가진 멀티-턴 코일이 있다. 특정 실시예에서, 적어도 1개의 서셉터는 흑연 평판, 질화 알루미늄 평판, 실리콘 탄화물 평판, 탄화 붕소 평판, 또는 초경합금 평판 중의 하나이다. 상기 방법을 사용하여 형성된 전극은 캐소드 전극 또는 애노드 전극일 수 있다.

특정 실시예에서, 인덕션 가열 시스템은 1쌍의 편평한 코일과 1쌍의 서셉터를 포함하며, 파우더 베드와 전극 기판 중 적어도 하나에 인덕션 가열을 인가하는 단계는 상기 쌍으로 이루어진 서셉터의 사이에 파우더 베드 또는 전극 기판을 배치하고 코일 사이에 서셉터를 배치하는 단계 및, 소정의 시간 동안 코일에 소정의 주파수의 교류전류를 공급하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에서, 코일에 의해 발생되는 인덕션 가열 시스템의 온도가 모니터링 되고, 코일에 공급된 교류의 주파수는 만일 온도가 소정의 온도범위 밖에 있는 경우 조정된다. 소정의 주파수는 50kHz와 500kHz 사이에 있다.

특정 실시예에서, 인덕션 가열 시스템은 타원형 단면과 1쌍의 서셉터를 가진 멀티-턴 코일을 포함한다. 그런 실시예에서, 파우더 베드 또는 기판은 상기 쌍의 서셉터 사이에 배치되며, 파우더 베드 또는 기판을 가진 서셉터는 멀티-턴 코일에 있는 타원형 개구를 통해 반송되며, 반면에 소정의 온도범위 내에서 인덕션 가열 시스템 내의 온도를 유지하도록 멀티-턴 코일로 소정의 주파수의 교류를 공급한다.

특정 실시예에서, 질소-기재 분위기 및/또는 단열 처리된 환경이 인덕션 가열이 인가되는 동안 제공된다. 특정 실시예에서, 1개 이상의 세라믹 부재가 적어도 1개의 서셉터와 파우더 베드 또는 기판 사이에 제공되어, 그들 사이의 직접적인 접촉을 방지한다.

특정 실시예에서, 전극은 캐소드 전극이며, 캐소드 전극을 형성하는 소정의 파우더는 니켈 파우더, 니켈-기초된 파우더, 구리 파우더, 구리-기초된 파우더, 코발트 파우더, 및 코발트-기초된 파우더 중 하나를 포함하거나 또는 캐소드 전극을 형성하기 위한 임의의 다른 파우더를 포함한다. 특히, 소정의 제1온도는 750 ~ 950℃ 사이의 온도이고, 소정의 제2온도는 적어도 500℃이며, 전형적으로는 550℃와 700℃ 사이에 있다.

[12]파우더 베드에 열을 가하여 파우더 베드의 소결을 수행할 때, 파우더 베드는 인덕션 가열 시스템의 제1서셉터의 오목부에 형성될 수 있으며, 제2서셉터는 제1서셉터와 파우더 베드에 대해 간격을 두고 떨어져 배치되며, 인덕션 가열은 타원형의 단면을 가진 1쌍의 플랫(flat) 코일 또는 멀티-턴 코일을 사용하여 파우더 베드에 인가된다. 특정 실시예에서, 제1 및 제2플랫 코일 사이에서 제1서셉터에 형성된 파우더 베드에 제1 및 제2서셉터를 배치하고, 소정의 시간 동안 제1 및 제2코일에 소정의 주파수의 교류전류를 공급하여, 인덕션 가열이 인가된다. 다른 실시예에서는 소정의 주파수의 교류를 멀티-턴 코일에 공급하고, 인덕션 가열은 기판을 둘러싸는 멀티-턴 코일을 통해 제1서셉터에 형성된 파우더 베드에 제1 및 제2서셉터의 이송으로 인가된다.

특정 실시예에서, 전극은 소결 후 및/또는 전해액에 전극을 함침한 후 냉각될 수 있다. 냉각하는 동안, 전극을 지지하는 적어도 1개의 서셉터는 1개 이상의 냉각된 평판 또는 칠드(chilled) 평판과 접촉하거나 또는 냉전달(cooling transfer) 방법으로 냉각작용을 하는 인덕션 코일과 접촉하게 된다.

연료전지용으로 전해액에 함침된 전극을 제조하기 위한 제조 장치를 설명하면 다음과 같다. 상기 제조 장치는 다음을 포함하는 인덕션 가열 시스템을 갖는다. 즉, 인덕션 가열 시스템은: 피가열되는 전극부재를 지지하고 전극부재에 열을 전달하기 위한 적어도 1개의 서셉터와, 상기 전극부재는 전극 파우더 베드와 전극 기판 중 하나를 갖고, 교류를 수용하며 전극부재를 지지하는 서셉터를 둘러싸는 1개 이상의 코일을 가진 적어도 1개의 코일을 포함한다. 1개 이상의 코일은 타원형 단면의 멀티-턴 코일이거나 또는 1쌍의 플랫 코일이 될 수 있다. 인덕션 가열 시스템은 전극부재 파우더 베드의 소결 및 전해액에 전극 기판의 함침 중 적어도 하나를 수행하는 동안 인덕션 가열을 제공하며, 전극부재는 적어도 1개의 서셉터에 의해 지지된다. 상기 장치는, 특정 실시예에서, 전극 파우더 베드의 소결은 소정의 제1온도에서 수행되고 그리고 전극 기판의 함침은 소정의 제2온도에서 수행되도록 적어도 1개의 코일에 공급되는 교류전류의 주파수를 조정하여, 인덕션 가열 시스템을 제어하는 제어기도 포함한다. 인덕션 가열 시스템의 온도를 감지하기 위해 적어도 1개의 온도 센서가 장치에 제공될 수 있다. 그런 실시예에서, 제어기는 적어도 1개의 온도 센서에 의해 감지된 온도에 기초하여 적어도 1개의 코일에 공급되는 교류전류의 주파수를 조정한다. 특정 실시예에서의 제조 장치는, 또한, 냉각장치도 포함하며, 상기 냉각장치는 인덕션 가열 시스템에 의한 인덕션 가열이 완료된 후 적어도 1개의 서셉터와 전극부재를 냉각하기 위한 1개 이상의 냉각 또는 칠드(chilled) 요소를 포함한다. 다른 실시예에서, 1개 이상의 냉각 또는 칠드 요소가 인덕션 가열을 하는 동안 사용되고 인덕션 가열이 완료된 후 냉각되는 1개 이상의 코일을 포함하는 반면에, 특정 일부 실시예에서는 1개 이상의 냉각 또는 칠드 요소는 냉각 또는 칠드 평판을 포함한다. 특정 실시예에서는 인덕션 가열 시스템이 가열 챔버에 수용되는 반면에, 냉각장치가 냉각 챔버에 수용되고, 제어기는 인덕션 가열 시스템의 동작과 냉각장치의 동작을 제어한다.

본 발명의 상기 특징 및 그 밖의 다른 특징 및 양태는 첨부된 도면과 함께, 이들의 예시적인 실시예를 통한 상세한 설명으로 명백히 나타날 것이다.

도 1은 연료전지용 전극을 제조하기 위한 방법의 흐름도이다.
도 2는 전극을 소결하기 위한 인덕션 가열 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 전해액에 전극을 함침하기 위한 인덕션 가열 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 인덕션 시스템에 사용하기 위한 코일을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 전극을 제조하는데 사용하기 위한 인덕션 가열 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6은 전극을 제조하는데 사용하기 위한 냉각 시스템을 나타낸 도면이다.
도 7은 연료전지용 전극을 제조하기 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 전기로 및 인덕션 가열 시스템을 사용하여 소결 및 전해액에 함침되는 캐소드 전극의 기공(pore) 분포의 그래프를 나타낸 도면이다.

본 발명은 다양한 연료전지 장치용 전극을 제조하기 위한 방법 및 시스템의 여러 실시예를 포함하는 것이다. 상세히 후술하는 바와 같이, 일부 실시예들은 원하는 특성의 전극을 형성하기 위해 전해액에 니켈-기초된 공작물을 함침하는데 인덕션 가열을 사용하는 연료전지용 전극을 제조하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 일부 실시예에서, 상기 방법 및 시스템은 또한 인덕션 가열을 사용하여 전해액에 공작물을 함침하기에 앞서 자립 공작물(freestanding work piece)에 전극 파우더를 소결한다. 또한, 특정 실시예에서, 방법 및 시스템은 또한 칠드 판 또는 냉각부재를 사용하여 함침된 전극을 냉각하고, 제어된 분위기에서 소결 및 함침을 수행하기 위해서 제공한다.

아래에 개시된 기술과 방법은 당 기술분야의 현재 상태의 기술을 능가하는 여러 이점을 제공한다. 특히, 본원에 개시된 시스템 및 방법의 다양한 실시예는 공작물의 신속한 가열, 가열하는 동안 공작물 내의 온도의 균일한 분포, 및 캐소드 제조과정에서 가열 및 냉각 속도의 균일성 향상을 보장하여서, 연료전지용의 고품질 저비용의 전극, 특히 캐소드를 생산할 수 있다. 또한, 후술하는 실시예는 전기에너지, 질소가스, 천연가스의 소비 량을 줄이고, 필요한 설치 공간 및 캐소드 제조 공정과 관련된 장비유지 비용을 감소시켰다.

도 1은 본 발명의 일례의 실시예에 따른 연료전지용 전극을 제조하는 방법(100)을 나타낸다. 도 1의 방법(100)이 캐소드 전극을 제조하기 위한 단계를 나타내었지만, 애노드 전극용으로 적당한 재료 및/또는 파우더를 사용하여 애노드 전극을 제조하는 방법의 단계는 도 1의 방법의 단계와 유사 및/또는 사실상 동일하다. 따라서, 애노드 전극을 제조하는 대응 방법에 대한 설명은 생략한다.

방법(100)의 제1단계(110)에서, 소정의 캐소드 파우더가 제공되어 소정의 형상으로 예비 형성되며, 소정의 형상은 제조되는 캐소드 전극의 대략적인 형상에 상당한다. 본원에서 설명된 예시적인 실시예에서, 소정의 캐소드 파우더는 니켈-기초된 파우더를 포함하며, 그 예로는 니켈(Ni)만이거나 1개 이상의 금속 합금 첨가제를 가진 니켈(Ni)이 있다. 그러나, 니켈 파우더 또는 Ni-기초된 파우더의 사용은 단지 예시적인 것이며, 캐소드 전극은 구리 또는 구리-기초된 파우더 또는 코발트 또는 코발트-기초된 파우더 등의 캐소드 전극에 사용하기에 적당한 다른 재료로 형성될 수 있다. 제1단계(110)에서, 파우더 베드(예를 들면, 몰드, 용기, 자립 형태 등)는 Ni-기초된 파우더 또는 원하는 특성을 가진 다른 적당한 파우더로 채워진다. 자립 파우더 베드 형성공구 또는 파우더 베드의 중공 공간의 치수 및 형상은 일반적으로 연료전지의 캐소드의 치수 및 형상에 대응하여 정해진다. 용도에 맞게 캐소드가 제조되는 특정 연료전지 장치 및 연료전지 장치의 의도된 사용에 따라 캐소드의 형상(정사각형, 직사각형 등) 및 치수(12" X 12", 51" X 31", 50" X 28" 등)는 변할 수 있다. 예를 들어, 캐소드는 편평한 직사각형 평판 형상을 가질 수 있다. 또한, 연료전지 장치와 장치의 의도된 사용은, 차례로 단계(110)에서 사용된 파우더의 특성 및 단계(120) 또는 단계(140)에서 필요한 온도를 한정하는, 예를 들어 다공성 및 구성물과 같은 캐소드의 요청된 특성도 한정한다.

캐소드 파우더가 원하는 형상 및 크기로 예비 형성된 후, 방법(100)은 제2단계(120)로 진행한다. 단계(120)에서, 각각의 캐소드 공작물 또는 기판을 형성하도록 캐소드 파우더를 소결하게 예비 형성된 캐소드 파우더에 열이 가해진다. 이 실시예에서, 파우더 베드가 750℃ 및 950℃의 범위에 있는 소정의 온도에서 소결되도록 단계(120)에서 인덕션 가열(induction heating)을 인가한다. 일례의 실시예에서, 단계(120)에서의 가열은 인덕션 가열이며, 상기 인덕션 가열은 도 2에 도시된 시스템(200)과 같은 인덕션 가열 시스템을 사용하여 파우더 베드에 인가된다.

도 2를 참조하면, 인덕션 가열 시스템(200)은 1쌍의 플랫 코일(21OA, 210B)(아래에서, 도 4와 관련하여 상세하게 설명됨), 1쌍의 서셉터(220A, 220B), 및 세라믹 막대와 같은 1개 이상의 세라믹 부재(230)를 포함한다. 소정의 주파수의 AC전류가 RF전력공급장치로부터 공급되어 코일(21OA, 210B) 사이에 자기장을 생성하는 주 변압기로 코일(21OA, 210B)이 동작한다. 전극 및/또는 서셉터 판과 같은 열을 받게 되는 물체가 코일(21OA, 210B) 사이에 생성된 자기장에 들어오면, 순환전류(맴돌이 전류)가 물체의 몸체 내로 유도된다. 전류가 물체의 몸체의 전기적 저항에 대해 흐르기 때문에, 정밀하고 국부적인 열이 물체의 몸체와 코일 사이의 직접적인 접촉이 없이 생성된다.

일례의 실시예에서, 서셉터(220A, 220B)를 코일(21OA, 210B) 사이에 배치하여, 일 실시예에 따라, 인덕션 가열 시스템(200)의 가열 효과를 향상시킨다. 다음, 예비 형성된 캐소드 또는 애노드 파우더 베드를 서셉터(220A, 220B) 사이에 배치하여, 인덕션 가열을 하는 동안 서셉터(220A, 220B) 내부에서 생성된 열이 물체에 전달된다. 특정 실시예에서, 서셉터(220)의 각각은 열적 전도성 물질(들)로 제조된 편평한 평판이다. 그런 물질의 예로는 한정적이지 않은 기재로, 흑연, 질화 알루미늄, 실리콘 탄화물, 탄화 붕소, 초경합금, 등을 들 수 있다. 일반적으로, 서셉터(220)의 형상은 코일(210)의 형상에 대응하고, 예비 형성된 캐소드 또는 애노드 파우더의 형상에 대응한다. 특정 실시예에서, 서셉터(220), 코일(210), 및 예비형성된 캐소드 또는 애노드 파우더의 크기는 대체로 동일한 반면에, 다른 실시예에서는 그 크기가 다르다. 예를 들어, 일 실시예에서, 서셉터(220A, 220B)의 크기는 각각의 코일(210A, 210B)의 크기보다 작지만 예비 형성된 파우더의 크기보다는 크게 형성되어서, 서셉터(22OA, 220B) 사이에 배치되어 가열될 수 있다. 서셉터는 코일보다 크거나 작을 수 있는 ½ 인치 내지 5인치의 크기로 형성될 수 있다.

특정 실시예에서, 1개 이상의 전기적 비전도성 부재 또는 세라믹 부재(230)를 사용하여, 각각의 코일(21OA, 210B)과 서셉터(220A, 220B) 사이의 직접적인 접촉을 막을 수 있다. 도 2의 예시된 실시예에서는 막대 모양의 세라믹 부재가 사용되었다. 그러나, 세라믹 부재의 형상은 가변적인 것으로 이해한다. 또한, 인덕션 가열 시스템(200)에 사용되는 세라믹 부재(230)의 크기와 위치설정 및 세라믹 부재(230)의 수도 시스템의 필요 및 예비 형성된 파우더의 형상 및 크기에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 실시예에서, 2개의 세라믹 막대(230)가 서셉터(220A)와 인접 코일(210A) 사이에 배치되었으며, 2개의 세라믹 막대(230)는 다른 서셉터(220B)와 인접 코일(210B) 사이에 배치되었다.

도 2의 예시된 실시예에서, 서셉터(220) 중 하나 즉, 하부 서셉터(220A)는, 또한 캐소드 또는 애노드 파우더(240)용 파우더 베드 형태로 역할을 할 수도 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2서셉터(220B)는 제1서셉터(220A) 위에 올려져 있으며, 세라믹 막대(230)를 사용하여 서셉터(220A)에 배치된 예비 형성된 파우더와 서셉터(220B) 사이의 직접적인 접촉을 막는다. 또한, 제어기(도시되지 않음)를 사용하여 파우더 베드의 인덕션 가열 및 파우더 베드가 가열되는 온도를 제어한다.

상술한 바와 같이, 니켈 또는 니켈-기초된 파우더는 전극용 파우더 베드를 형성하는데 사용할 수 있다. Ni는 자성재료(magnetic material)이기 때문에, 추가 열이 자기 파트가 인덕터를 통과할 때 생성되는 자기 이력(magnetic hysteresis) 즉, 내부 마찰을 통해 Ni-기초된 파우더 내에 생성된다. 특히, 자성재료는 인덕터 내에서 빠르게 변하는 자기장에 전기적 저항을 제공하며, 이 저항은 차례로 열을 생성하는 내부 마찰을 생성한다. 일 실시예에서, 인덕션 가열에 의해 니켈 소결의 효과를 추가로 개선하기 위해, 인덕션 가열이 제어기에 의해 제어된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 파우더 베드가 서셉터 중 하나에 의해 형성되었지만, 다른 실시예에서는 파우더 베드가 서셉터와는 따로 분리되어 형성될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 예시된 실시예에서 서셉터(220B)가 파우더 베드와 직접 접촉하지 않게 있더라도, 다른 실시예에서, 서셉터(220A, B)의 배치는 시스템과 생성된 캐소드 또는 애노드 전극의 요청에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 파우더 베드는 1개 이상의 세라믹 막대(230)에 의해, 예를 들어, 서셉터 중 1개 또는 2개 모두로부터 분리되어 있을 수 있고, 또는 2개의 서셉터(220A, 220B) 모두와 직접 접촉하게 있을 수도 있다. 또한, 도 2의 예시된 실시예에서, 인덕션 가열 시스템(200)이 2개의 서셉터(220A, 220B)를 포함하고 있지만, 각각의 공작물 또는 기판에 파우더 재료를 소결하는데 사용할 수 있는 서셉터의 수는 변경될 수 있다. 예를 들어, 인덕션 가열 시스템(200)은 시스템 및 제조되는 캐소드 또는 애노드 전극의 요청에 따라 0개의 서셉터, 1개의 서셉터, 2개의 서셉터, 3개의 서셉터 등등을 포함할 수 있다.

인덕션 가열 시스템(200)에서, 서셉터(220A, 220B) 내측에 맴돌이 전류를 유도하는 코일에 교류전류의 주파수는 시스템의 크기 및 요청에 따라 변할 수 있으며, 일반적으로 100-400kHz의 넓은 무선 주파수 범위 내에 있다. 교류전류의 특별 주파수는 다음과 같은 여러 특성에 따른다. 즉, 특별한 인덕션 가열 시스템(200)(예, 서셉터의 두께, 서셉터 재료의 타입, 등), 예비 형성된 파우더 등의 두께와 다공성을 포함한 사용되는 파우더, 및 공극률, 공극 부피 등과 같이 최종 공작물의 원하는 특성에 따른다. 일반적으로, 교류전류의 주파수는 서셉터가 얇을수록 그리고 열전도성이 클수록, 선택된 주파수가 높도록 선택된다.

또한, 교류전류의 주파수는 제어기에 의해 제어될 수 있으며, 인덕션 가열 시스템 내에서 검출된 온도에 따른 시간으로 조절될 수 있다. 특히, 특정 실시예에서, 인덕션 가열 시스템 내의 온도는 예를 들어 열전대와 같은 온도감지 장치를 사용하여 일정한 시간 간격(예를 들어, 1초, 1분, 5분 등등)으로 모니터링 되며, 교류전류의 주파수는 검출된 온도에 따른 필요에 따라 조정된다. 예를 들면, 검출된 온도가 소정의 온도 범위를 벗어나면, 교류전류의 주파수는 인덕션 시스템 내의 온도를 감소/증가하도록 변경된다. 또한, 인덕션 가열 시스템이 예열 또는 냉각 단계에 있는 동안, 소정의 주파수 범위를 시간 경과에 따라 변경하여 온도가 인덕션 가열 시스템 내에서 변하는 빠르기 정도를 조절할 수 있다.

또한, 각각의 공작물 또는 기판에 파우더 베드를 소결하는 데 소요되는 시간은 다양하며, 일반적으로 다음과 같은 특성에 따른다. 즉, 인덕션 가열 시스템의 여러 특성(예, 서셉터 및/또는 코일의 크기, 형상, 두께; 서셉터 및/또는 코일 사이의 거리, 등), 예비 형성된 파우더의 특성(예, 다공성 또는 입자 크기), 공작물 또는 기판의 원하는 특성(예, 다공성 또는 세기), 인덕션 가열 시스템으로부터의 열 손실율, 그 밖의 변수들에 따른다. 특정 실시예에서, 인덕션 가열 공정을 짧게 하기 위해서, 인덕션 가열 시스템(200)은 열적으로 외부 환경으로부터 절연되거나 또는 도전성, 대류성 또는 복사열(또는 냉각)의 도움을 받는다. 단열재는 예를 들어 단열 섬유(250)로 인덕션 가열 시스템(200)을 싸서 제공된다. 인덕션 가열 공정 과정에서 발생하는 열 손실을 제한하여, 각각의 공작물 또는 기판에 캐소드 또는 애노드 파우더를 소결하는데 필요한 전체 시간을 단축할 수 있다.

시험은 대략 51" x 31" 크기를 가진 독립형 캐소드 공작물에 예비 형성된 니켈 파우더를 소결하여 실행되었다. 특별히, 시험에 사용되는 인덕션 가열 시스템은 단열되었다. 서셉터(220A, 220B)는 약 3/8" 내지 1/2" 두께의 흑연 판을 포함하며, 흑연 판 중 하나는 1/4" 세라믹 막대를 사용하여 다른 흑연 판 위에 올려졌다. 또한, 하부 흑연 서셉터는 니켈 파우더용 형태 또는 지지부로서 역할을 한다. 약 45 분 동안 교류전류를 인가 한 후, 파우더 베드는 각각의 캐소드 공작물에 성공적으로 소결되었으며, 상기 공작물은 여전히 고온인 상태에서 비교적 쉽게 지지부로부터 방출할 수 있었다. 이 시험에서, 가열 온도 825℃는 850℃의 목표 온도보다 낮았다. 실험 결과는 또한 상술된 방식으로 인덕션 가열 시스템(200 또는 300)을 사용하여 소결된 Ni-기초된 공작물 또는 기판이, 예를 들어 일괄 또는 연속 가마(kiln)를 사용하는 대류, 전도, 또는 복사 가열 방법을 사용하여 생성되는 Ni-기초된 공작물보다 전체 공작물을 통해서 다공성, 기공 크기 분포, 전체 공극 부피(void volume), 및 공극률의 균일함이 우수하게 나타남을 확인시켰다. 또한, 상술한 방식으로 캐소드 또는 애노드 파우더를 소결하는 것은 바람직하게, 연료전지 시스템의 제조와 관련된 자본 비용을 절감하고, 일관성 및 반복성을 증진하고, 생산성 및 제품의 품질을 향상하고, 관리 비용, 공간 사용 및 에너지 소비량을 절감한다.

다시 도 1을 참조하여 설명하면, 캐소드 공작물 또는 기판이 소결에 의해 형성된 후, 공작물 또는 기판은 냉각장치 등을 사용하여 냉각되는 냉각 단계(125)로 진행된다. 단계(125)에서 사용할 수 있는 예시된 냉각장치는 아래에서 상세히 설명된다. 냉각 후, 방법(100)은 진행을 멈추거나 또는 소정 량의 전해액을 캐소드 공작물 또는 기판에 걸쳐 분포하는 단계(130)로 진행할 수 있다. 일 실시예에서, 전해액 파우더는 캐소드 기판의 표면상에 균일하게 확산된다. 공작물에 분포되는 전해액 파우더의 양은 공작물의 크기와 최종 캐소드의 원하는 특성, 캐소드 전극의 다공성, 전해액 충전 수준, 세기, 및/또는 정제 공극률에 의해 주로 결정된다. 전해액 파우더의 분포가 단계(130)에서 완료된 후, 공작물 또는 기판은 공작물 또는 기판을 가열하기 위해 단계(140)에서 인덕션 가열 시스템 내에 배치되어 공작물 또는 기판의 다공성 몸체에 전해액을 용해하여 모세관작용으로 전해지도록 한다. 특정 실시예에서, 공작물 또는 기판 몸체에 전해액을 용해 및 모세관작용으로 전달하는 인덕션 가열 시스템은 도 2의 인덕션 가열 시스템과 유사한 구성을 갖는다. 다른 실시예에서는 도 3의 인덕션 가열 시스템(300)이 단계(140)에서 사용된다.

도 3을 참조하여 일 실시예를 설명하면, 인덕션 가열 시스템(300)은 1쌍의 플랫 코일(310A, 310B)(도 4와 관련하여 아래에서 상세히 설명됨), 1쌍의 서셉터(320A, 320B), 및 1개 이상의 세라믹 막대(330)를 포함한다. 코일(31OA, 310B)은 변압기로서 작용하며, 소정의 주파수의 AC전류가 RF전력공급장치로부터 공급되어 코일(31OA, 310B) 사이에 자기장을 생성한다. 분산분포되는 전해액 파우더를 가진 캐소드 또는 애노드 공작물 또는 기판은 코일(310A, 310B) 사이에 배치되는 쌍으로 된 서셉터(320A, 320B) 사이에 배치되며, 샌드위치 된다. 1개 이상의 세라믹 막대(330)를 각각 서셉터와 인접 코일 사이에 배치하여 각각의 코일(31OA, 310B)과 서셉터(320A, 320B) 사이의 직접적인 접촉을 막는다. 인덕션 가열 시스템(300)에 사용되는 세라믹 막대(330)의 크기 및 배치와 세라믹 막대(330)의 수는 시스템(300)의 크기 및 구조에 따라 변경된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 세라믹 막대(330)는 서셉터(320) 및 각각의 코일(310) 사이에 약 1/4" 의 간격을 제공하게 약 1/4" 의 두께를 갖는다.

인덕션 가열 시스템(300)은 교류전류로 서셉터(320)를 가열하며, 상기 서셉터는 차례로 그 위에 분포되고 서셉터(320) 사이에 배치된 전해액 파우더를 가진 캐소드 또는 애노드 공작물 또는 기판(340)으로 열을 전달한다. 도시된 실시예에서, 공작물 또는 기판(340)은 서셉터(320)와 직접 접촉한다. 도 2의 인덕션 가열 시스템에서, 이 실시예에서의 서셉터(320)의 각각은 높은 열 전도성 및 비교적 높은 전기 저항을 가진 열전도 물질(들)로 제조되는 플랫 평판을 포함한다. 그런 물질의 예로는 한정적이지 않은 기재로서, 흑연, 질화 알루미늄, 실리콘 탄화물, 탄화 붕소, 초경합금, 등을 들 수 있다. 이 실시예에서의 서셉터(320)의 형상은 코일(310)의 형상과 공작물 또는 기판(340)의 형상에 대응한다. 특정 실시예에서, 서셉터(320), 코일(310), 및 공작물 또는 기판의 크기는 대체로 동일하지만, 다른 실시예에서는 그 크기가 다를 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 서셉터(320A, 320B)의 크기는 각각의 코일(31OA, 320B)의 크기보다 작지만 가열용 서셉터(320A, 320B) 사이에 배치된 공작물 또는 기판의 크기보다 클 수 있다. 서셉터는 코일(들)보다 ½인치 내지 5인치 더 크거나 작을 수 있다.

인덕션 시스템(300)에서 서셉터(320)의 사용은 인덕션 가열 공정의 효과를 향상하고, 공작물 또는 기판(340) 내에서 매우 균일한 열분포 및 온도분포가 이루어지게 한다. 또한, 서셉터(320)는 전해액 파우더로 빠르게 열을 전달하여 전해액 파우더가 빠르게 용해되게 하는 공작물 또는 기판(340)에 대한 캐리어로서 역할을 하며, 공작물 또는 기판의 몸체로의 용해된 전해액의 함침이 행해지는 동안 공작물에 압력을 가한다. 공작물 또는 기판(340)에 전해액을 용해하고 이어서 모세관작용으로 전하는 동작을 보장하기 위해서는 공작물 또는 기판이 용융 온도 위로 적어도 20℃까지 가열된다. 특정 실시예에서, 공작물 또는 기판(340)은 500℃ 위의 온도까지, 특별하게는 550℃ 와 700℃ 사이의 온도까지 가열된다. 특정 실시예에서, 인덕션 가열 시스템(300)에 의해 생성된 온도는 서셉터(320) 또는 공작물/기판 중 하나에 부착된 열전대(390)와 같은 온도 감지장치 및 제어기를 사용하여 모니터링 되고 제어된다. 예를 들어, 온도는 약 5분의 체류 시간으로 585℃ 로 제어되거나 또는 585℃ +/- 5℃로 제어될 수 있다.

도 3의 예시된 실시예에서, 인덕션 시스템(300)은 또한 챔버(350)를 포함하며, 상기 챔버는 전해액에 공작물 또는 기판을 함침하는 공정을 용이하게 하는 환경을 제공한다. 특정 실시예에서는 챔버(350)를 챔버 내부에 질소, 질소-수소 분위기, 또는 다른 보호 분위기를 생성하는데 사용하여 공작물 재료 또는 기판과 흑연이 인덕션 가열 공정 동안 산화 또는 부착하는 것을 막는다. 예를 들면, 니켈-기초된 기판에서, 질소-수소 또는 다른 보호 분위기는 니켈을 산화로부터 보호한다. 챔버(350)는 예를 들어 단열 섬유로 인덕션 가열 시스템(300)을 싸서 인덕션 가열 시스템(300)의 단열을 제공할 수도 있다. 또한, 인덕션 가열 과정에서 열 손실을 제한하여, 공작물 또는 기판의 다공성 몸체에 전해액을 용해하고 모세관작용으로 전하는데 필요한 전체 시간을 단축할 수도 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 인덕션 가열 시스템(300)이 2개의 서셉터(320)를 포함하고 있지만, 시스템에 사용되는 서셉터의 수는 변경할 수 있다. 예를 들어, 인덕션 가열 시스템(300)은 0개의 서셉터, 1개의 서셉터, 2개의 서셉터, 3개의 서셉터 등등을 포함할 수 있다. 또한, 인덕션 가열 시스템(300)의 서셉터(320A, 320B) 내부의 맴돌이 전류를 유도하는 코일의 교류전류의 주파수는 가변적이며, 전형적으로 50 ~ 500kHz의 넓은 무선 주파수 범위 내에 있다. 교류전류의 특정 주파수는 다음과 같은 특성에 따른다. 즉, 서셉터의 두께, 서셉터 재료의 타입, 등과 같은 특별한 인덕션 가열 시스템(300)의 다양한 특성; 서셉터의 도전성 및 입자 크기와 같은 전해액 파우더의 다양한 특성; 서셉터의 두께 및 다공성과 같은 공작물 또는 기판의 다양한 특성; 인덕션 가열 시스템 내에서 발생하는 원하는 온도 등에 따른다. 일반적으로 교류전류에 대한 주파수는 서셉터가 얇을수록 그리고 열전도성이 클수록, 더 높은 주파수가 선택되도록 선택된다.

도 1을 다시 참조하면, 연료전지 캐소드가 단계(140)에서 인덕션 가열을 사용하여 다공성 공작물 또는 기판의 몸체 내에 전해액을 용해하여 모세관작용으로 전해져 형성된 후, 제조방법은 연료전지 캐소드가 냉각되는 단계(150)로 진행된다. 특히, 특정 실시예에서, 공작물 또는 기판(340) 및 공작물을 지지하는 서셉터(320)는 도 6에 도시된 챔버(600)와 같은 냉각용으로 분리된 챔버로 이송된다.

도 6을 참조하여 특정 실시예를 설명하면, 1개 이상의 냉각 금속-기초된 평판(680)(예를 들면, 알루미늄-기초된 플랫 평판) 또는 다른 높은 열전도성 물질로 제조된 평판을 사용하여, 전해액 함침 캐소드의 냉각을 수행한다. 특히, 도 6의 예시된 실시예에서, 전극(640)은 함침 동안에 사용되는 서셉터(620)에 의해 또는 냉각 물질 또는 장치를 추가하여 지지되어 유지된다. 이러한 방식으로, 서셉터(620) 또는 추가된 냉각 물질 또는 장치는 전극 제조공정의 냉각 단계 동안에 전극에 대한 지지부로서 역할을 하며, 전해액의 냉동(freezing) 동안 전극의 전해액이 채워진 몸체를 뒤틀림(warping) 및 균열로부터 보호한다.

특정 실시예에서는 인덕션 가열을 하는데 사용되는 1개 이상의 코일이 분리된 냉각 또는 칠드 평판을 대신하여 냉각 챔버에서 사용된다. 그런 실시예에서, 전극(640) 및/또는 서셉터(620)는 1개 이상의 코일에 의해 지지되며, 코일은 냉각 장치 또는 냉각 매체를 사용하여 냉각되며, 전극(640)을 직접적으로 또는 서셉터(620)를 통해 냉각한다. 예를 들어, 인덕션 코일은 일반적으로 인덕션 가열을 하는 동안 코일을 과열로부터 지켜내기 위해서 코일을 통해 흐르는 냉각 유체 또는 매체를 갖는다. 냉각 단계 동안, 냉각 유체 또는 매체는 코일에 의해 지지되며 코일과 접촉하는 전극 및/또는 서셉터를 냉각하는데 사용된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 전극(640)과 전극을 둘러싸는 또는 중간에 개재된 서셉터(620)와 조합된 구성체가, 냉각 챔버(600) 내에서 지지부(670)에 제공되는 칠드 평판 또는 코일(680A)의 상부에 배치되어, 전극(640)을 냉각한다. 또한, 예시된 실시예에서, 다른 칠드 평판 또는 코일(680B)이 서셉터(620B)의 상부에 배치될 수 있다. 칠드 평판 또는 코일(680A, 680B)은 각각의 서셉터(620A, 620B)를 냉각하며, 차례로 서셉터(620A, 620B) 사이에 배치된 전극을 냉각한다..

전해액-함침된 전극을 냉각하기 위해 1개 이상의 칠드 평판 또는 코일(680)을 사용하여서 냉각 시간을 단축시켰고, 냉각 속도를 증가시켰다. 상기 냉각작용은 또한 생산량 및 연료전지용 전극을 제조하기 위한 시스템의 소형화 및 일체성도 향상시켰다. 또한, 서셉터(620)와 냉각 평판 또는 코일(680)과의 조합된 구성으로 사용하여서 함침된 전극의 균일한 냉각작용이 확실하게 이루어져, 최종 제품의 품질이 향상되었다. 도 6에는 2개의 칠드 평판(680A, 680B)을 도시했지만, 1개의 칠드 평판 또는 코일이 냉각 단계에서 예를 들어 칠드 평판 또는 코일(680A)을 대신하여 사용될 수도 있다. 또한, 보호 분위기는 가공 온도가 산화 온도 밑으로 될 때까지 필요할 수도 있다.

도 1로 다시 돌아가서 설명하면, 단계(125) 및/또는 단계(150)에서는 소결된 공작물 또는 기판 및/또는 전해액-함침된 전극을 냉각하는 다른 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 소결된 공작물 또는 기판 또는 전해액-함침된 전극은 냉각을 위해 도 3의 인덕션 가열 시스템(300)에서 유지하며, 차가운 물 또는 다른 냉각 액체가 서셉터(320)를 냉각하도록 코일(310) 내에서 순환한다. 그러나, 다른 실시예에서는 차가운 공기가 서셉터(320) 및 소결된 공작물/기판 또는 전해액-함침된 전극(340)을 냉각하기 위해 사용될 수 있다. 전해액-함침된 전극이 단계(150)에서 냉각된 후, 그것은 연료전지에 사용하기 위한 준비된 상태에 있는다. 특정 실시예에서는 전극이 전해액에 함침되지 않고, 소결된 공작물 또는 기판이 단계(125)에서 냉각된 후, 연료전지에 사용하기 위한 준비된 상태에 있는다. 다른 실시예에서는 하이브리드 냉각 시스템이 사용될 수 있으며, 여기에서는 대류, 전도 또는 복사 냉각이 단독으로 또는 상기 칠드 또는 냉각 평판/코일 냉각작용과 조합하여 사용한다.

도 2 및 도 3에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 인덕션 가열 시스템은 서셉터를 가열하기 위한 1개 이상의 코일을 포함한다. 도 4는 도 2 및 도 3의 인덕션 가열 시스템에 사용하기에 적당한 코일(400)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 2개의 대칭형 코일(400)은, 코일(400) 사이에 배치되는, 파우더 베드 또는 공작물/기판을 가진, 또는 서셉터 사이에 개재된 파우더 베드 또는 공작물/기판을 가진 각각의 인덕션 가열 시스템에 사용된다. 일반적으로, 인덕션 가열 시스템에 사용되는 코일의 특별한 설계, 형상, 및 코일과 각각의 서셉터 사이의 거리와 서셉터의 두께는, 코일(400) 사이에 배치된 파우더 베드 또는 공작물/기판 내에 분포되는 열의 균일한 분포의 정도를 정의할 것이다.

도 4는 평탄하며 또는 대체로 평탄하며 복수의 대칭형 턴 부분(405)을 가진 코일(400)의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4의 코일(400)에서, 인접한 턴 부분(405) 사이의 갭 또는 공간(415)은 코일(400) 전체에 걸쳐 대체로 동일하게 형성된다. 특정 실시예에서, 인접한 턴 부분 사이의 공간(415)은 예를 들어 코일(400)의 중심(420)으로부터 멀어지는 방향으로 더 크게(또는 더 작게) 변할 수 있다. 코일(400)이 사각형의 형상으로 도시되었지만, 코일(400)의 형상과 크기는 제조되는 캐소드의 원하는 형상 및 크기에 따라 그리고 온도 균일성을 제어하여 변경할 수 있다. 예를 들어, 만일 제조되는 전극이 일 실시예에서 직사각형 형상으로 50" x 28" 크기를 가진 경우, 그런 전극을 소결 및 함침하기 위한 인덕션 가열 시스템에 사용된 코일(400)도 또한 최외측 코일 턴 부분이 예를 들어 52" x 31"의 캐소드 크기보다 약간 더 크게 형성된 직사각형의 형상을 가질 수 있다.

도 4에 도시된 코일(400)과 같은 플랫 코일은 코일(400)의 중심(420)에 위치한 소위 "사점"이라고 불리는 부분을 갖는다. "사점"에서는 맴돌이 전류가 일반적으로 없으며, 따라서 중심 지역은 무 열원(no heat source)을 나타낸다. 따라서, 국소부분의 온도 불균일성이 코일(400) 사이에 배치된 개체 내에서 발생할 수 있다. 특정 실시예에서, 허용가능한 수준으로 "사점" 지역의 온도 결핍을 줄이기 위해, 파우더 베드 또는 공작물/기판을 코일 사이에 배치하기에 앞서 2개의 서셉터 사이에 배치한다. 따라서, 서셉터는 열전도를 통해 열을 중계하여 파우더 베드 또는 공작물/기판 내에 매우 균일한 온도 분포를 제공한다.

다른 실시예에서, 연료전지용 캐소드 또는 애노드 전극을 제조하는데 사용되는 인덕션 가열 시스템은 다른 유형의 코일을 사용하여 인덕션 가열을 생성한다. 예를 들어, 도 5는 1쌍의 플랫 코일 대신, 타원형의 멀티-턴 솔레노이드 코일(505)을 사용하는 인덕션 가열 시스템(500)을 나타낸 도면이다. 인덕션 가열 시스템(500)은 멀티-턴 솔레노이드 코일(505)을 통해 이동하는 파우더 베드 또는 공작물/기판 및/또는 서셉터에 인덕션 가열을 인가한다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 파우더 베드 또는 공작물/기판(540)은 서셉터(520A, 520B)와 조합하여 그 사이에 개재되어, 컨베이어 같은 구동 또는 견인 기구(560)를 사용하여 코일(505)의 일측 단부로부터 타측 단부까지 코일(505)을 통해 따라서 이동된다.

인덕션 가열 시스템(500)에서는 소정의 주파수의 AC전류가 RF전력공급장치로부터 공급되어 코일(505) 내에 자기장이 생성된다. 파우더 베드 또는 공작물/기판(540)과 서셉터(520)와 같은 피가열 물체가 코일(505) 내에 생성되는 자기장 내에 들어가게 되면, 순환 전류(맴돌이 전류)가 물체의 몸체 내로 유도된다. 물체가 코일을 통해 이동하고 전류가 물체의 몸체의 전기적 저항에 대하여 흐르기 때문에, 정밀하고 국부적인 열이 물체의 몸체와 코일 사이의 직접적인 접촉을 하지 않고 일어난다. 도 5에 도시되지 않았지만, 세라믹 막대와 같은 세라믹 부재가 1개 이상의 서셉터(520)와 코일 사이의 직접적인 접촉을 막는데 사용할 수 있다.

도 4의 플랫 코일과 대비하여, 도 5의 코일(505)과 같은 타원형의 코일(505)은 분명하지 않은 가장자리와 끝 부분까지 영향을 미치고, 파우더 베드, 공작물/기판과 코일 형상 및 위치 변화에 민감하지도 않다. 따라서, 전극 제조과정에서 인덕션 가열을 하는 타원형 코일(505)은 파우더 베드 또는 공작물/기판 내에 전체 온도의 균일성을 향상시키고 반복가능한 온도 분포를 제공할 수 있는 것이다. 또한, 도 5에 도시된 코일(505)과 같은 타원형의 코일은 에너지 효율을 향상시켜서, 연료전지의 전극을 제조하는 시스템의 전체 효율에 추가적인 향상을 제공할 수 있다.

특정 실시예에서, (도 1에 도시된 방법(100)의 단계(140)와 관련하여 상술한 바와 같이) 전해액 함침된 캐소드 또는 애노드 전극을 형성하도록 전해액에 공작물 또는 기판을 함침하는 처리 과정과 마찬가지로, (도 1에 도시된 방법(100)의 단계(120)와 관련하여 상술한 바와 같이) 인덕션 가열 시스템(500)은 소결된 공작물 또는 기판에 캐소드 또는 애노드 전극재료를 소결하는 처리 과정에서 바람직하게 이용된다. 그러나, 다른 실시예에서, 인덕션 가열 시스템(500)은 전극 재료의 소결 및 전해액에 공작물/기판의 함침 중 1개 만에 대해 이용되고, 도 2 또는 도 3에 도시된 시스템과 같은 다른 인덕션 가열 시스템, 또는 다른 종래의 가열 방법과 시스템이 전극 재료의 소결 및 전해액에 공작물/기판의 함침의 나머지 1개용으로 사용된다. 그런 종래의 가열 방법 및 시스템은 한정적이지 않은 기재로서, 대류 가열, 전도 가열 및/또는 복사 가열을 포함한다.

마찬가지로, 전극의 소결 및 함침의 어느 하나를 위해 인덕션 가열을 이용하는 하이브리드 전극 제조 시스템은 본 발명의 특정 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 도 2, 3 또는 5에 도시된 장치와 같은 인덕션 가열 장치가 애노드 또는 캐소드 파우더 베드를 소결하여 각각의 공작물 또는 기판을 형성하는데 사용되고, 다른 가열방법이 전해액에 공작물/기판을 함침하는데 사용된다. 다른 실시예에서, 파우더 베드의 소결은 인덕션 가열 방법과는 다른 가열 방법을 사용하여 실시되며, 전해액에 공작물/기판을 함침하는 동작은 도 2, 3, 또는 5에 도시된 장치와 같은 인덕션 가열 장치를 사용하여 수행된다. 그런 하이브리드 시스템에 사용되는 다른 가열 방법은 한정적이지 않은 기재로서 대류, 전도 및/또는 복사를 포함한다. 또한, 제조 공정의 다른 단계를 위한 시스템의 다른 변형을 이용하는 인덕션 가열 시스템이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 특정 실시예에서, 파우더 베드의 소결은 도 2, 3, 또는 5에 도시된 변형의 어느 하나와 같이, 인덕션 가열 시스템 중 하나의 변형 예를 사용하여 수행되고, 공작물/기판의 함침은 도 2, 3, 또는 5에 도시된 변형 중 다른 하나와 같이, 인덕션 가열 시스템의 다른 변형 예로 수행된다. 또한, 하이브리드 전극 제조 시스템은 2개의 다른 타입의 가열 방식을 이용할 수 있으며, 적어도 1개의 전극을 소결 및 함침용 인덕션 가열을 포함한다. 예를 들면, 전극을 소결하고, 전해액에 전극을 함침하는 데, 시스템은 인덕션 가열과, 대류, 전도 또는 복사와 같은 다른 가열 방식을 함께 사용할 수 있다. 전극을 소결 및/또는 함침하는데 다양하게 가열 방식을 조합하여 사용할 수도 있다.

도 7은 1개 이상의 가열 챔버(705) 및 1개 이상의 냉각 챔버(710)를 포함하는 연료전지 전극 제조장치(700)를 개략적으로 도시한 도면이다. 각각의 가열 챔버(705)는 도 2, 3, 5에 대해 위에서 논의된 인덕션 가열 시스템과 같은 가열 시스템을 포함한다. 각각의 냉각 챔버(710)는 도 6 및 도 1의 단계(150)에 대하여 위에서 논의된 냉각 시스템과 같은 냉각 시스템을 포함한다. 특정 실시예에서, 예를 들어 냉각작용이 인덕션 코일을 사용하여 실행되는 경우 또는 컨베이어-형식의 배치와 같이 연료전지용 캐소드 또는 애노드 전극을 제조하는 공정의 연속된 실행을 촉진하는 순서로 전극제조 장치 내에 배치되는 경우에는 가열 챔버(들)와 냉각 챔버(들)(710)가 1개의 챔버로 이루어진다. 그런 실시예에서, 전극 공작물/기판은 최종 캐소드 또는 애노드가 형성될 때까지 1개의 챔버로부터 다른 챔버로 순차적으로 이동하게 된다.

예를 들어, 전극(100)이 특정 실시예에서 도 1에 대하여 위에서 논의 된 방법(100)을 사용하여 제조되는 경우, 전극 제조장치(700)는 3개의 챔버, 즉 파우더 재료를 소결하기 위한 제1가열 챔버(705₁)(도 1의 단계(120)), 전해액에 공작물 또는 기판을 함침하기 위한 제2가열 챔버(705₂)(도 1의 단계(140)), 소결된 공작물/기판을 냉각 및/또는 함침된 전극을 냉각하기 위한 1개 이상의 냉각 챔버(710)를 포함하며, 공작물/기판은 제1가열 챔버로부터, 제2가열 챔버로 이동한 다음, 냉각 챔버로 이동한다, 특정 실시예에서, 제1 및 제2가열 챔버는 예를 들면 모두 플랫 코일을 사용, 모두 타원형의 코일을 사용, 등등 과 같이 동일한 장비를 사용한다. 다른 실시예에서, 제1 및 제2가열 챔버는 한정적이지 않은 기재로서 플랫 또는 타원형의 코일을 사용하는 인덕션 가열, 가스 로(furnace) 가열, 전기 로 가열, 마이크로파 가열, 등등 을 포함하는 다른 장비를 사용한다. 또한, 특정 실시예에서, 동일한 가열 챔버(705)가 파우더 베드를 소결하고 전해액에 공작물 또는 기판을 함침하는데 사용되어, 동일한 인덕션 가열 시스템이 제조 공정 중 소결 및 함침 단계에서 모두 사용된다. 그런 실시예에서, 가열 챔버 내의 조건(예, 온도, 환경, 사용된 서셉터 등)은 가열 챔버 내에서 실행되는 특별한 공정(소결 또는 함침)에 따라 변경되거나 조정된다.

또한, 각각의 공작물 또는 기판이 전해액에 함침되기 전에 냉각되는 경우, 추가적인 냉각 챔버가 캐소드 제조장치(700)에 포함될 수 있다. 선택적으로, 전해액에 함침되기 전에 그리고 전해액에 함침된 후에 공작물 또는 기판을 냉각하는데 동일한 냉각 챔버가 사용될 수 있다. 따라서, 그런 실시예에서, 전해액에 공작물/기판을 함침하기에 앞서, 공작물/기판은 냉각을 위해 냉각 챔버로 보내지거나, 또는 공작물/기판을 함침하기 위해 사용되는 인덕션 가열 시스템에서 가열되기 전에 냉각작용을 받게 한다.

도시하지 않았지만, 프로세서를 포함하는 1개 이상의 제어기를 사용하여, 상술한 전극 제조방법의 소결, 함침 및 냉각작용을 제어할 수 있다. 1개 이상의 온도 감지장치를 포함하는 인덕션 가열 시스템에서, 상기 제어기는 온도 감지장치(들)로부터 측정되는 온도 값을 수신하며, 인덕션 가열 시스템의 온도가 소정 범위 내에 있는지의 여부를 판단하며, 이 판단에 기초하여 인덕션 가열 시스템의 작동을 제어한다. 즉, 제어기가 인덕션 가열 시스템의 온도가 소정 범위의 밖에 있다고 판단하는 경우, 제어기는 그 온도가 소정 범위의 내에 있을 때까지 가열하는 열의 양이 증가 또는 감소하도록 교류전류의 주파수를 조정하도록 인덕션 가열 시스템을 제어한다. 제어기는 또한, 소결 및/또는 함침 요구에 기초한 인덕션 가열 시스템으로 가열 시간도 제어한다.

특정 실시예에서, 제어기는 작업자 또는 사용자로부터 파우더 베드 또는 공작물/기판의 특성, 서셉터의 특성(예를 들어 두께), 및 다른 입력 사항 등과 같은 1개 이상의 입력 내용을 수신하고, 소정의 온도 및/또는 파우더 베드를 소결하고 및/또는 공작물/기판을 함침하는데 필요한 소정의 온도 및/또는 가열 시간을 판단한다. 특정 실시예에서, 작업자 또는 사용자로부터 제어기에 의해 수신된 1개 이상의 입력 내용은 소정의 온도 범위 및/또는 가열 시간을 포함할 수 있다. 그런 실시예에서, 제어기는 사용자 입력 및 온도 감지장치(들)로부터의 온도 판독에 기초하여 인덕션 가열 시스템을 제어한다.

특정 실시예에서, 1개 이상의 제어기는 또한 냉각 챔버의 냉각 공정도 제어한다. 예를 들어, 온도 감지장치(들)가 냉각 챔버에 사용되는 실시예에서, 제어기는 온도 감지장치(들)로부터의 온도 측정값을 수신하고, 공작물/기판의 냉각 속도가 지지부에 대한 균열, 뒤틀림, 또는 부착을 막도록 소정의 범위 내에 있는 지를 판단하고, 그리고 공작물/기판이 충분히 냉각되었는지, 예를 들면 공작물이 소정의 온도까지 냉각되었는지를 판단한다. 특정 실시예에서, 제어기가 냉각 속도가 소정의 범위를 벗어난 것으로 판단한 경우, 제어기는 냉각 시스템을 제어하여 냉각 속도를 조정한다. 특정 실시예에서, 제어기가 공작물/기판이 충분히 냉각된 것으로 판단한 경우, 제어기는 냉각이 완료되었음을 작업자 또는 사용자에게 알리는 통보를 한다. 다른 실시예에서, 제어기가 냉각작용이 완료되었음을 판단했으면, 공작물/기판이 냉각 챔버로부터 제거되도록, 필요하다면 다음 챔버로, 예를 들면 인덕션 가열 시스템으로 이송되도록, 전극 제조공정을 제어한다.

상기 제어기는 도 2, 3 및 5의 인덕션 가열 시스템 및/또는 도 6의 냉각 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 제어기는 도 7의 전체 전극 제조장치의 작동을 제어하는데 또는 그 일부분을 작동하는데 사용될 수 있다.

도 8은 전기로 및 인덕션 가열 시스템을 각각 사용하는 전해액에 함침된 캐소드의 기공 크기(pore size)의 분포를 그래프를 나타낸 도면이다. 도 8에서 X-축은 그램 당 밀리리터의 로그 차등 침입(log differential intrusion)을 나타내며, Y-축은 기공 크기를 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 전해액의 용해 및 모세관작용에 의한 전달이 전기로를 사용하여 이루어진 캐소드의 기공 분포와 전해액의 용해 및 모세관작용에 의한 전달이 인덕션 가열을 사용하여 이루어진 캐소드의 기공 분포에서 현저한 차이는 관찰되지 않았다. 따라서, 이러한 테스트 결과는 인덕션 가열을 사용하여 제조된 캐소드 전극은 전기적 열을 사용하여 제조된 것과 적어도 동일한 기공 구조와 세기를 갖고, 전기적 열을 사용하여 제조된 것과 외형 및 치수 면에서 유사한 것임이 확인되었다. 또한, 인덕션 가열을 사용하여 제조된 캐소드의 다공성, 정제 공극률, 기공 크기 분포, 충전수준, 공극 부피, 외형, 치수, 및 세기의 특성은 전기적 열을 사용하여 제조된 캐소드에 비해 적어도 동일하거나 우수했다.

모든 경우에서, 상술된 본 발명의 배치 구조는 본 발명의 적용을 나타내는 다수의 가능한 실시예를 특정하여 단순히 설명한 것으로 이해한다. 따라서, 다양한 다른 배치 구조가 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 기본 원리에 따라 용이하게 이루어질 수 있다.

200, 300, 500: 인덕션 가열 시스템 210, 310, 400, 505, 680: 코일
220, 320, 520, 620: 서셉터 230, 330: 세라믹 막대
240: 파우더 250: 단열 섬유 340, 640: 전극
350, 600: 챔버 540: 기판 700: 연료전지 전극 제조장치

Claims (26)

1. 소정의 파우더로부터 파우더 베드를 형성하는 단계;
   소정의 제1온도에서 파우더 베드를 소결하여 전극을 형성하는 단계;
   소결 단계에 형성된 전극의 표면에 전해액 파우더를 배포하는 단계; 및
   전해액이 전극 내로 용해되어 모세관작용으로 전해지도록(melt and wick) 그 위에 전해액 파우더를 가진 전극에 압력을 가하면서 소정의 제2온도까지 전해액 파우더를 가진 전극을 가열하여 전극을 전해액으로 함침함으로써, 연료전지용 전해액 함침된 전극을 형성하는 단계
   를 포함하는, 연료전지용 전해액 함침된 전극의 제조 방법으로서,
   소결 및 함침 중 적어도 하나는 상기 파우더 베드와 상기 전극 중 적어도 하나에 인덕션 가열을 인가하여 수행되고,
   상기 인덕션 가열은 적어도 1개의 코일과 적어도 1개의 서셉터를 구비하는 인덕션 가열 시스템에 의해 인가되며,
   상기 적어도 1개의 서셉터는 상기 파우더 베드와 상기 전극 중 적어도 1개를 지지하고, 상기 파우더 베드와 상기 전극 중 적어도 1개에 열을 전도하며;
   상기 적어도 1개의 코일은 타원형의 단면을 가진 멀티-턴 코일과 1쌍의 플랫 코일 중 1개를 포함하는,
   연료전지용 전해액 함침된 전극의 제조 방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 인덕션 가열 시스템은 1쌍의 플랫 코일과 1쌍의 서셉터를 포함하고,
   상기 파우더 베드와 상기 전극 중 적어도 1개에 인덕션 가열을 인가하는 단계는
   상기 1쌍의 서셉터 사이에 파우더 베드와 전극 중 1개를 배치하고, 상기 코일 사이에 상기 1쌍의 서셉터를 배치하는 단계; 및
   소정의 시간 동안 코일에 소정의 주파수의 교류전류를 공급하는 단계
   를 포함하는, 방법.
4. 제3항에 있어서,
   인덕션 가열을 인가하는 단계는
   코일에 의해 생성된 인덕션 가열 시스템의 온도를 모니터링 하는 단계; 및
   상기 온도가 소정의 범위 밖에 있는 경우, 코일에 공급되는 교류전류의 주파수를 조정하는 단계
   를 추가로 포함하는, 방법.
5. 제4항에 있어서, 소정의 주파수는 50kHz와 500kHz의 사이에 있는, 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 인덕션 가열 시스템은 타원형의 단면을 가진 멀티-턴 코일과 1쌍의 서셉터를 포함하고,
   상기 파우더 베드와 상기 전극 중 적어도 하나에 인덕션 가열을 인가하는 단계는
   파우더 베드와 전극 중 하나를 상기 쌍의 서셉터 사이에 배치하는 단계; 및,
   소정의 온도 범위에서 인덕션 가열 시스템 내의 온도를 유지하도록 멀티-턴 코일로 소정의 주파수의 교류전류를 공급하면서, 멀티-턴 코일에 타원형의 개구를 통해 파우더 베드와 전극 중 하나를 가진 서셉터를 이송하는 단계
   를 포함하는, 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 방법은 인덕션 가열을 인가하면서, 질소-기초된 분위기와 단열 환경 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 방법은 적어도 1개의 서셉터와 적어도 1개의 코일 사이의 직접적인 접촉을 방지하도록 적어도 1개의 서셉터 및 적어도 1개의 코일 사이에 1개 이상의 세라믹 부재를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
9. 제1항에 있어서, 소정의 제1온도는 750℃ 와 950℃ 사이에 있고, 소정의 제2온도는 전해액 파우더의 용융점 위로 적어도 20℃인, 방법.
10. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 서셉터는 흑연 평판, 질화 알루미늄 평판, 실리콘 탄화물 평판, 탄화 붕소 평판 및 초경합금 평판 중 하나를 포함하는, 방법.
11. 제1항에 있어서,
    파우더 베드의 소결 단계는 파우더 베드에 인덕션 가열을 인가하는 단계를 포함하고;
    파우더 베드는 인덕션 가열 시스템의 제1서셉터의 오목부에 형성되며, 제2서셉터는 제1서셉터와 파우더 베드에 대해 간격을 갖는 관계로 제공되고;
    파우더 베드에 인덕션 가열을 인가하는 단계는:
    (a) 제1 및 제2 플랫 코일 사이에 제1 서셉터에 파우더 베드가 형성되는 제1 및 제2 서셉터를 배치하고, 소정의 시간 동안 제1 및 제2 플랫 코일에 소정의 주파수의 교류전류를 공급하는 단계; 및
    (b) 멀티-턴 코일에 소정의 주파수의 교류전류를 공급하면서, 멀티-턴 코일을 통해 제1 서셉터에 형성된 파우더 베드를 가진 제1 및 제2 서셉터를 이송하는 단계 중 하나의 단계를 포함하는, 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 방법은 전해액으로 전극을 함침한 후 전해액 함침된 전극을 냉각하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 냉각 단계는 1개 이상의 냉각부재와 함침된 전극을 지지하는 적어도 1개의 서셉터를 접촉시키는 단계를 포함하는, 방법.
13. 제1항에 있어서, 전극은 캐소드 전극과 애노드 전극 중 하나이고;
    소정의 파우더는 니켈 파우더, 니켈-기초된 파우더 및 자성 재료 중 하나를 포함하는, 방법.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 제1항에 있어서, 전극에 압력을 가하는 단계는, 적어도 하나의 서셉터를 가진 그 위에 전해액 파우더를 가진 전극에 압력을 가하는 단계를 포함하는, 방법.

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