KR100534022B1 - Unit cell of honeycomb-type solid oxide fuel cell by the method of Mixed Gas Fuel Cell, stack design using thereit, method to work the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는, 벌집형 SOFC 단전지에 있어서, 탄화수소 부분산화[partial oxidation, 또는 산화개질 (oxyreforming)]용 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는, 연료극 채널; 상기 연료극 채널과 독립적으로 설치되며, 탄화수소 비활성 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는 공기극 채널; 및 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 사이에 형성되는 이온 전도성 고체 전해질층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지를 개시하고, 또한, 상기 단전지가 복수개 적층되고, 상기 단전지의 연료극 채널 및 공기극 채널의 구멍 크기와 같은 크기의 구멍 크기를 갖는 망형태의 집전체가 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 상단부 또는 하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지를 이용한 스택 구조를 개시하며, 또한, 벌집형 SOFC의 작동 방법에 있어서, 벌집형 SOFC 스택 구조중 연료극 채널에 탄화수소 부분산화용 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S1); 상기 벌집형 SOFC 스택구조중 공기극 채널에 탄화수소 비활성 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S2); 및 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널에 탄화수소 및 공기의 혼합가스를 동시에 주입하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 작동 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 혼합 가스 연료 전지 방식에 의한 벌집형 고체산화물 연료전지의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법에 따라, 벌집형 SOFC에 있어서, 탄화수소와 공기 혼합가스를 직접 공기극 및 연료극에 동시에 주입함으로써, 기체밀봉이 필요 없이 벌집형 SOFC 전지를 작동시킬 수 있으며, 열충격에 강하고, z축 방향으로 적층이 용이한 장점을 갖는다. 또한, 단위부피 당 연료전지 반응 면적을 최대로 하여 출력밀도를 높일 수 있고, 연료극 쪽에 충진된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 탄화수소의 전환율을 높여 연료극 쪽의 탄소 침적 문제를 해결할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 연료극 쪽 채널에 형성된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 열사이클 시 저온까지 환원분위기를 유지할 수 있어 연료극의 산화-환원에 의한 전지 구조 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 연료극 채널은 공기극 채널과 독립적으로 형성되어 있어 연료극 쪽에서 생성된 수소 및 일산화탄소와 같은 연료극 연료가 공기극 연료 즉, 산소와 섞이는 것을 방지할 수 있으므로 높은 개회로 전압 및 전지 성능을 달성할 수 있다. 또한, 종래의 MGFC 형의 SOFC 스택보다 연료극과 공기극 간의 크로스 오버 현상을 줄일 수 있다. 그리고, 전해질을 벌집형태로 제조함에 의해 기존의 압출 공정등을 이용할 수 있음에 따라 제조 단가를 낮출 수 있다.In the present invention, a honeycomb SOFC unit cell comprising: a fuel electrode channel having a catalyst for hydrocarbon partial oxidation (oxyreforming), into which a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; An anode channel installed independently of the anode channel and having a hydrocarbon inert catalyst and into which a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; And an ion conductive solid electrolyte layer formed between the anode channel and the cathode channel. The single cell of the honeycomb SOFC by the MGFC method is further disclosed. The honeycomb type SOFC according to the MGFC method is characterized in that a net-shaped current collector having a pore size having the same size as the pore size of the anode channel and the cathode channel of the battery is installed at the upper end or the lower end of the anode channel and the cathode channel. Disclosed is a stack structure using a single cell, and further comprising the steps of: filling or coating a catalyst powder for hydrocarbon partial oxidation in a cathode channel of a honeycomb SOFC stack structure (S1); Filling or coating a hydrocarbon inert catalyst powder in the cathode channel of the honeycomb SOFC stack structure (S2); And injecting a mixed gas of hydrocarbons and air into the anode channel and the cathode channel at the same time (S3). The method of operating a honeycomb SOFC according to the MGFC method comprises a. In the honeycomb type SOFC according to the unit cell of the honeycomb type solid oxide fuel cell using the mixed gas fuel cell method, the stack structure using the same, and a method of operating the same, in the honeycomb type SOFC, the hydrocarbon and the air mixed gas are directly added to the cathode and the anode. By injecting, it is possible to operate the honeycomb type SOFC battery without the need for gas sealing, and has the advantage of being resistant to thermal shock and easy to stack in the z-axis direction. In addition, it is possible to increase the output density by maximizing the fuel cell reaction area per unit volume, and to improve the conversion of hydrocarbons by the hydrocarbon partial oxidation catalyst charged on the anode side, thereby solving the carbon deposition problem on the anode side. In addition, the catalyst for hydrocarbon partial oxidation formed in the anode side channel can maintain a reducing atmosphere at low temperatures during the heat cycle, thereby minimizing the cell structure change due to oxidation-reduction of the anode. In addition, since the anode channel is formed independently of the cathode channel, anode fuels such as hydrogen and carbon monoxide generated on the anode side can be prevented from mixing with cathode fuel, that is, oxygen, thereby achieving high open circuit voltage and cell performance. In addition, it is possible to reduce the crossover phenomenon between the anode and the cathode than the conventional MGFC-type SOFC stack. In addition, by manufacturing the electrolyte in a honeycomb form, it is possible to use a conventional extrusion process and the like, thereby lowering the manufacturing cost.

Description

혼합 가스 연료 전지 방식에 의한 벌집형 고체산화물 연료전지의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법{Unit cell of honeycomb-type solid oxide fuel cell by the method of Mixed Gas Fuel Cell, stack design using thereit, method to work the same} Unit cell of honeycomb-type solid oxide fuel cell by the method of Mixed Gas Fuel Cell, stack design using thereit, method to work the same}

본 발명은 혼합 가스 연료 전지(Mixed Gas Fuel Cell; 이하 MGFC라고 한다) 방식에 의한 벌집형(honeycomb-type; 이하 벌집형이라고 한다) 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC; 이하 SOFC라고 한다)의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 상세하게는 종래 SOFC의 구조에 기인한 가스 밀봉 문제 및 낮은 열충격 저항성등을 개선할 수 있는, 탄화수소 연료에서 직접 작동되는 값싸고 안정한 구조를 갖는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법에 관한 것이다.The present invention is referred to as a honeycomb-type (hereinafter referred to as honeycomb type) solid oxide fuel cell (SOFC) by a mixed gas fuel cell (hereinafter referred to as MGFC) method. ), A stack structure using the same, and a method of operating the same, and more particularly, a low-cost, stable and direct operation on a hydrocarbon fuel, which can improve gas sealing problems and low thermal shock resistance caused by a conventional SOFC structure. The present invention relates to a unit cell of a honeycomb type SOFC by a MGFC method having a structure, a stack structure using the same, and a method of operating the same.

일반적으로 SOFC는 그 단전지의 모양에 따라 원통형과 평판형으로 구분된다.In general, SOFCs are classified into cylindrical and flat plates according to the shape of the unit cell.

상기 원통형 SOFC의 경우, 기체 밀봉이 필요 없는 대신 EVD(Electrochemical Vapor Deposition) 법과 같은 고가의 공정이 필요하고, 전극간 집전 거리가 멀어 내부저항(internal resistance)이 크다는 단점이 있다. In the case of the cylindrical SOFC, an expensive process such as an electrochemical vapor deposition (EVD) method is required instead of gas sealing, and a current collecting distance between electrodes is large, so that internal resistance is large.

이와는 반대로 상기 평판형 SOFC의 경우, 수계(wet) 공정의 사용으로 제조 공정비가 싸고 집전 거리가 짧다는 장점이 있으나, 가스 밀봉의 어려움과 단전지간 두께 불균일로 스택의 내부저항이 크다는 단점이 있다. On the contrary, the flat plate type SOFC has advantages in that the manufacturing process cost is low and the current collecting distance is short due to the use of a wet process, but the internal resistance of the stack is large due to difficulty in gas sealing and uneven thickness between cells.

따라서, 상기한 형태의 SOFC의 단점들을 극복하기 위한 여러가지 시도가 이루어져왔으며, 또한, 고체산화물 연료전지의 성능 향상 및 경박 단소화를 위하여 다양한 형태의 SOFC 단전지 및 스택 구조가 개발되어 왔는데, 전해질 두께를 10㎛ 이하로 박막화할 수 있는 연료극 지지형 SOFC 및 벌집형 SOFC가 그 대표적인 예이다.Therefore, various attempts have been made to overcome the shortcomings of the above-described type of SOFC, and various types of SOFC unit cells and stack structures have been developed to improve the performance and light weight of the solid oxide fuel cell. Representative examples are anode-supported SOFCs and honeycomb-type SOFCs capable of reducing the film thickness to 10 µm or less.

상기 연료극 지지형 SOFC는, 다공성의 NiO와 YSZ 서멧트(cermet)를 지지체로 하여, 10㎛ 이하의 박막 전해질을 형성하는 단전지 구조로서, 최근 1W/cm2 이상의 고성능 단전지 성능을 나타내는 것들이 많이 보고 되고 있으나<S. D. Souza, S. J. Visco, and L. C. De Jonghe, Thin-film Solid Oxide Fuel Cell with High Performance at Low-temperature, Solid State Ionics, 98, p.57-61, 1997 참조>, 금속 분리판과의 열팽창계수 차이에 의한 기계적 응력 발생, 금속 분리판의 산화에 의한 전기전도도 저하, 그리고 열사이클 시 연료극의 산화-환원에 의한 구조 변화로 전지 안정성이 크게 떨어지는 단점 등이 있다.The anode-supported SOFC is a unit cell structure that forms a thin film electrolyte of 10 μm or less by using porous NiO and YSZ cermet as a support, and many of them exhibit high-performance unit cell performance of 1 W / cm 2 or more recently. Although reported <SD Souza, SJ Visco, and LC De Jonghe, Thin-film Solid Oxide Fuel Cell with High Performance at Low-temperature, Solid State Ionics, 98, p.57-61, 1997> The mechanical stress due to the difference in thermal expansion coefficient of the, the electrical conductivity is reduced by the oxidation of the metal separator plate, and the structural stability due to the oxidation-reduction of the anode during the thermal cycle, the battery stability is greatly reduced.

상기 벌집형 SOFC는 전지의 반응 면적을 넓힘으로써 단위부피 당 출력 밀도를 개선하는데 도움이 되는 스택 구조이다. The honeycomb SOFC is a stack structure that helps to improve the output density per unit volume by widening the reaction area of the cell.

그러나 이러한 벌집형 SOFC 역시 연료기체와 공기를 분리해서 공급해야하는 기존 전지의 문제점 때문에 집전과 연료기체 공급 부분이 매우 복잡하게 구성되는 단점이 있다<미국특허등록 제4,499,663호, 제4,476,198호, 제4,510,212호, 제4,476,197호, 제6,551,735호, 제4,476,196호 참조>.However, the honeycomb SOFC also has a drawback in that the current collector and fuel gas supply part are very complicated due to the problem of the existing cell that must separately supply the fuel gas and air <US Patent Nos. 4,499,663, 4,476,198, 4,510,212 4,476,197, 6,551,735, 4,476,196.

이와 같이, SOFC를 상용화하기 위해서는 값싼 제조 공정, 안정된 성능을 갖는 구조, 특히 기체 밀봉 문제를 해결하는 경박 단소화가 가능한 구조등이 필수적인데, 종래의 SOFC 단전지 및 스택 구조로는 이러한 문제점이나 요구들을 해결하지 못하였으며, SOFC의 상용화에 적합한 공정은 아직까지 개발된 바 없다.As such, in order to commercialize SOFC, a cheap manufacturing process, a structure having stable performance, in particular, a structure capable of thinning and shortening to solve gas sealing problems are essential. It has not been solved, and a process suitable for commercialization of SOFC has not been developed yet.

한편, 최근 전극의 탄화수소에 대한 촉매활성 차이를 이용하는 단일 챔버 셀(single chamber cell) 혹은 MGFC<미국특허등록 제4,248,941 참조>에 대한 새로운 연구들이 진행되고 있다.Meanwhile, new researches on single chamber cells or MGFCs (see US Patent No. 4,248,941) using the catalytic activity difference of hydrocarbons of electrodes have been conducted.

MGFC 기술은 연료인 탄화수소와 공기에 대한 혼합가스를 공기극 및 연료극에 동시에 공급할 때 연료극은 탄화수소에 대한 촉매활성으로 수소 및 일산화탄소를 배출하고, 공기극은 탄화수소에 대한 불활성으로 두 전극 간 전위(potential) 차가 발생되는 것을 바탕으로 전지를 작동시키는 원리이다. When MGFC technology supplies a mixture of hydrocarbons and air as fuels to the cathode and anode simultaneously, the anode discharges hydrogen and carbon monoxide with catalytic activity for hydrocarbons, and the cathode is inert for hydrocarbons, resulting in a potential difference between the two electrodes. The principle is to operate the battery based on what is generated.

일예로, 히보노(Hibino) 등의 실험에서는 500℃ 작동온도에서 에탄과 공기의 혼합가스를 이용하여 출력밀도가 0.4W/cm2 인 단일 챔버 SOFC를 제조할 수 있음을 보고한 바 있다<Science vol. 288, p.2031 (2000) 참조>.As an example, great Bono (Hibino) such experiment, the output density by using a gas mixture of ethane and air at operating temperatures of 500 ℃ may bar a report that it is possible to manufacture a 0.4W / cm 2 in a single chamber of the SOFC <Science vol. 288, p.2031 (2000)>.

그러나, 이러한 MGFC의 경우 단전지에서 발생한 혼합 가스들이 가스 흐름 방향으로 순차적으로 혼합될 수 있기 때문에 스택 구조가 상당히 중요한데, 아직 이에 대한 적절한 스택 구조가 제시되지 못하고 있는 실정이다. However, in the case of the MGFC, the stack structure is very important because the mixed gases generated in the unit cells may be sequentially mixed in the gas flow direction. However, an appropriate stack structure for this MGFC has not been proposed yet.

또한, 종래의 MGFC의 경우 연료극 쪽에 탄소 침적이 발생하여 전기화학 반응자리를 막음으로써 전지성능을 크게 저하시키는 문제점을 갖고 있다.In addition, in the case of the conventional MGFC has a problem that carbon deposition occurs on the anode side to block the electrochemical reaction site, greatly reducing the battery performance.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, Therefore, the present invention has been made to solve the above problems,

본 발명의 목적은, 가스밀봉이 불필요함에 따라 강한 열충격 저항성을 가지며 또한 적층이 용이한, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a single cell of a honeycomb type SOFC by MGFC method, a stack structure using the same, and a method of operating the same, which have a strong thermal shock resistance and are easy to be laminated as gas sealing is unnecessary.

본 발명의 목적의 다른 측면은, 열사이클 시 저온까지 환원분위기를 유지할 수 있어 연료극의 산화-환원에 의한 전지 구조 변화를 최소화할 수 있고, 집전 및 연료기체 공급부분을 단순화할 수 있는, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법을 제공하는 것이다. Another aspect of the present invention, MGFC method that can maintain the reducing atmosphere at low temperatures during the heat cycle to minimize cell structure changes due to oxidation-reduction of the anode, and to simplify the current collector and fuel gas supply portion The present invention provides a honeycomb SOFC unit cell, a stack structure using the same, and a method of operating the same.

본 발명의 목적의 또 다른 측면은, MGFC 형태의 종래의 전지에서 관찰되는 반응가스들의 확산에 의한 혼합을 원천적으로 차단할 수 있으므로 높은 개회로 전압 및 전지성능을 달성할 수 있는, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the object of the present invention is that the honeycomb by the MGFC method can achieve a high open-circuit voltage and battery performance because it can block the mixing by the diffusion of the reaction gases observed in conventional cells of the MGFC type The present invention provides a single cell of a SOFC, a stack structure using the same, and a method of operating the same.

본 발명의 목적의 또 다른 측면은, 미반응 탄화수소 연료에 의한 연료극 내의 탄소 침적 문제를 해결할 수 있는, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the present invention is to provide a single cell of a honeycomb type SOFC by the MGFC method, a stack structure using the same, and a method of operating the same, which can solve the problem of carbon deposition in the anode by the unreacted hydrocarbon fuel.

본 발명의 목적의 또 다른 측면은, 벌집형 SOFC가 갖는 높은 기계적 강도를 구현하고, 또한 단위부피 당 최대의 연료전지 반응 면적으로 인하여 높은 출력밀도를 달성할 수 있는, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the object of the present invention is the honeycomb SOFC by the MGFC method, which realizes the high mechanical strength of the honeycomb SOFC and can achieve a high power density due to the maximum fuel cell reaction area per unit volume. A single cell, a stack structure using the same, and a method of manufacturing the same are provided.

본 발명의 목적의 또 다른 측면은, 전해질을 벌집형으로 제조하기 위하여 압출(extrusion) 법과 같은 저가 공정을 사용하게 되므로 제조 단가를 월등히 낮출 수 있는, MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법을 제공하는 것이다.Another aspect of the object of the present invention is to use an inexpensive process such as extrusion (extrusion) method for manufacturing the electrolyte in a honeycomb type, the unit cell of the honeycomb SOFC by the MGFC method, which can significantly lower the manufacturing cost, this It is to provide a stack structure and a method of operation thereof.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 벌집형 SOFC 단전지에 있어서, 탄화수소 부분산화[partial oxidation, 또는 산화개질 (oxyreforming)]용 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는, 연료극 채널; 상기 연료극 채널과 독립적으로 설치되며, 탄화수소 비활성 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는 공기극 채널; 및 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 사이에 형성되는 이온 전도성 고체 전해질층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지에 의해 달성된다.An object of the present invention as described above, in the honeycomb type SOFC unit cell, having a catalyst for hydrocarbon partial oxidation (oxyreforming), the anode channel, a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; An anode channel installed independently of the anode channel and having a hydrocarbon inert catalyst and into which a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; And an ion conductive solid electrolyte layer formed between the anode channel and the cathode channel.

그리고, 상기 단전지에 있어서, 상기 연료극 채널과 상기 공기극 채널은, 이온 전도성 고체 전해질층을 사이에 두고, 상호 인접하면서 교대로 형성된 구조인 것이 바람직하다.In the unit cell, it is preferable that the anode channel and the cathode channel have a structure formed alternately while being adjacent to each other with an ion conductive solid electrolyte layer interposed therebetween.

그리고, 상기 탄화수소 비활성 촉매는, 알루미나, 실리카 또는 지르코니아인 것이 바람직하다.The hydrocarbon inert catalyst is preferably alumina, silica or zirconia.

그리고, 상기 연료극 재료는, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; 및 Cu;로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속과 이온 전도성 세라믹 물질의 서멧트로 이루어지는 것이 바람직하다.And the anode material is Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; And Cu; at least one metal selected from the group consisting of: and a cermet of an ion conductive ceramic material.

그리고, 상기 공기극 재료는, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1-XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1-XCarX)MnO 3; x가 0.6 이하인 (La1-XSrX)CoO3; 및 x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1-XSrX)(Co1-yFey)O 3;으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속 또는 산화물인 것이 바람직하다.And, the cathode material, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; (La 1-X Sr X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; (La 1-X Car X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; x is 0.6 or less (La 1-X Sr X ) CoO 3 ; And at least one metal or oxide selected from the group consisting of (La 1-X Sr X ) (Co 1-y Fe y ) O 3, wherein x is 0.4 or less and y is 0.8 or less.

상기와 같은 본 발명의 목적은 또한, 상기 단전지가 복수개 적층되고, 상기 단전지의 연료극 채널 및 공기극 채널의 구멍 크기와 같은 크기의 구멍 크기를 갖는 망형태의 집전체가 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 상단부 또는 하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지를 이용한 스택 구조에 의해 달성된다.An object of the present invention as described above is also, a plurality of unit cells are stacked, the net current collector having a pore size having the same size as the pore size of the anode channel and the cathode channel of the unit cell is the anode channel and the cathode channel. It is achieved by a stack structure using a single cell of a honeycomb SOFC by the MGFC method, characterized in that it is installed at the upper end or the lower end of.

그리고, 상기 집전체는, 금속으로 구성되는 것이 바람직하고, Pt, Ag, Au, Ni, Cu 또는 이들의 합금 형태로 구성되는 것이 바람직하다.In addition, the current collector is preferably made of metal, and preferably made of Pt, Ag, Au, Ni, Cu, or an alloy thereof.

상기와 같은 본 발명의 목적은 또한, 벌집형 SOFC의 작동 방법에 있어서, 벌집형 SOFC 스택 구조중 연료극 채널에 탄화수소 부분산화용 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S1); 상기 벌집형 SOFC 스택구조중 공기극 채널에 탄화수소 비활성 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S2); 및 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널에 탄화수소 및 공기의 혼합가스를 동시에 주입하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 작동 방법에 의해 달성된다.In accordance with another aspect of the present invention, there is also provided a method of operating a honeycomb SOFC, comprising: filling or coating a catalyst powder for hydrocarbon partial oxidation in an anode channel of a honeycomb SOFC stack structure (S1); Filling or coating a hydrocarbon inert catalyst powder in the cathode channel of the honeycomb SOFC stack structure (S2); And simultaneously injecting a mixed gas of a hydrocarbon and air into the anode channel and the cathode channel (S3). The method of operating a honeycomb type SOFC according to the MGFC method comprises a.

그리고, 상기 탄화수소는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 경유 또는 휘발유인 것이 바람직하다.And, the hydrocarbon is preferably methane, ethane, propane, butane, light oil or gasoline.

이하, 본 발명에 따른 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a single cell of a honeycomb type SOFC by the MGFC method according to the present invention, a stack structure using the same, and a method of operating the same will be described in detail.

본 발명에 따른 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC는, 벌집형 SOFC 연료극 채널에 탄화수소 부분산화에 적합한 POX용 촉매를 채우거나 코팅하고 탄화수소 혼합가스, 즉 메탄, 에탄, 부탄, 프로판 등과 공기를 혼합 주입함으로써, 연료극 쪽에서는 탄화수소 연료에 대한 부분산화 개질 작용으로 수소 및 일산화탄소가 발생하고 탄소침적을 최소화하는 한편, 공기극 쪽에서는 이러한 촉매 반응에 불활성임에 따라 두 전극 사이 전위 (potential) 차이가 발생함으로써 연료전지로 작동하게 된다. The honeycomb SOFC by the MGFC method according to the present invention is prepared by filling or coating a honeycomb SOFC anode channel with a catalyst for POX suitable for hydrocarbon partial oxidation, and injecting a mixture of hydrocarbon gas, that is, methane, ethane, butane, propane and air. On the anode side, partial oxidation reforming of the hydrocarbon fuel produces hydrogen and carbon monoxide and minimizes carbon deposition. On the cathode side, the potential difference between the two electrodes occurs due to inertness to the catalytic reaction. Will work.

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 단전지의 전해질 및 전극, 그리고 스택 구조를 나타내는 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an electrolyte, an electrode, and a stack structure of a unit cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 단전지는 공기극(20) 채널과 연료극(10) 채널이 전해질(30)을 사이에 두고 형성되어 있으며, 상기 공기극(20) 채널은, 탄화수소 비활성 촉매(25)를 보유하고, 상기 연료극(10) 채널은 탄화수소 부분산화에 적합한 촉매(15)를 보유한다.As shown in FIG. 1, in the unit cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the cathode 20 channel and the anode 10 channel are formed with the electrolyte 30 interposed therebetween. It holds a hydrocarbon inert catalyst 25 and the anode 10 channel holds a catalyst 15 suitable for hydrocarbon partial oxidation.

상기 연료극(10) 재료로는, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; 및 Cu;로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 금속과 이온 전도성 세라믹 물질의 서멧트를 사용하고, 상기 공기극(20) 재료는, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1-XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1-XCarX)MnO 3; x가 0.6 이하인 (La1-XSrX)CoO3; x가 0.4 이하 그리고 y가 0.8 이하인 (La1-XSrX)(Co1-yFey)O 3;으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속 또는 산화물을 사용하는 것이 바람직하다.As the material of the anode 10, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; And Cu; and a cermet of any one metal selected from the group consisting of Cu and an ion conductive ceramic material, wherein the cathode 20 material comprises: Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; (La 1-X Sr X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; (La 1-X Car X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; x is 0.6 or less (La 1-X Sr X ) CoO 3 ; Preference is given to using at least one metal or oxide selected from the group consisting of (La 1-X Sr X ) (Co 1-y Fe y ) O 3 ; wherein x is 0.4 or less and y is 0.8 or less.

이때, 상기 채널이 촉매를 보유하도록 하는 방법에는, 예를 들어, 채널내에 촉매를 충진하는 방법이나, 채널내의 표면을 상기 촉매로 표면 코팅하는 방법이 있다. At this time, a method of allowing the channel to have a catalyst includes, for example, a method of filling a catalyst into the channel, or a method of surface coating the surface of the channel with the catalyst.

상기 연료극(10) 채널에 보유되는 탄화수소 부분산화용 촉매(15)로서, 예를 들어 Ni계, Co계, Pt계, Pd계 등의 촉매를 사용할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 각각의 탄화수소에 적합한 상용의 탄화수소 부분산화용 촉매를 사용할 수 있다.As the hydrocarbon partial oxidation catalyst 15 held in the anode 10 channel, for example, a catalyst such as Ni, Co, Pt, or Pd may be used, and methane, ethane, propane, butane, or the like may be used. Commercially available hydrocarbon partial oxidation catalysts suitable for the respective hydrocarbons can be used.

그리고 상기 공기극(20) 채널에 보유되는 탄화수소 비활성 촉매(25)로는 알루미나, 실리카, 지르코니아 등와 같이 저가의 세라믹 분말을 사용할 수 있다.In addition, a low-cost ceramic powder such as alumina, silica, zirconia, or the like may be used as the hydrocarbon inert catalyst 25 held in the cathode 20 channel.

그리고, 상기 각 채널의 단위부피당 촉매의 충전 밀도는 동일하게 하도록 한다.In addition, the packing density of the catalyst per unit volume of each channel is the same.

한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단전지내에서, 연료극(10) 채널과 공기극 채널(20)은, 이온 전도성 고체 전해질층(30)을 사이에 두고, 상호 인접하면서 교대로 형성되는데, 즉, 어느 하나의 연료극(10) 채널은 이온 전도성 고체 전해질층(30)을 사이에 두고 공기극(20) 채널과, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 직사각 기둥 형태의 채널인 경우, 주위의 4면, 3면, 또는 2면에서 인접하도록 형성된다.Meanwhile, as shown in FIG. 1, in the unit cell, the anode 10 channel and the cathode channel 20 are alternately formed while being adjacent to each other with the ion conductive solid electrolyte layer 30 interposed therebetween, that is, In the case of any one of the anode 10 channels, the anode 20 channel is interposed between the cathode conductive solid electrolyte layer 30 and, for example, a channel having a rectangular pillar shape as shown in FIG. 1. It is formed so as to adjoin on four sides, three sides, or two sides.

마찬가지로, 상기 단전지내에서, 어느 하나의 공기극 채널(20)은 이온 전도성 고체 전해질층(30)을 사이에 두고 연료극(10) 채널과, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같은 직사각 기둥 형태의 채널인 경우, 주위의 4면, 3면, 또는 2면에서 인접하도록 형성된다.Likewise, in the unit cell, any one cathode channel 20 is formed in the form of a rectangular pillar as shown in FIG. 1 and a cathode 10 channel with an ion conductive solid electrolyte layer 30 interposed therebetween. In the case of a channel, it is formed to be adjacent on four, three, or two sides of the periphery.

그리고, 상기 단전지가 복수개 적층된 스택 구조에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 단전지의 상기 연료극(10) 채널 및 상기 공기극(20) 채널의 상단부 또는 하단부에는 각 채널의 구멍 크기와 같은 크기의 구멍 크기를 갖는 망형태의 금속 집전체(40)가 설치된다. 이때, 상기 집전체(40)는 일반적인 금속을 사용하거나, Pt, Ag, Au, Ni, Cu 또는 이들의 합금 형태를 사용할 수 있다.In the stack structure in which a plurality of unit cells are stacked, as illustrated in FIG. 1, the size of a hole of each channel may be formed at an upper end or a lower end of the anode 10 channel and the cathode 20 channel of the unit cell. A mesh-shaped metal current collector 40 having a hole size of a size is installed. In this case, the current collector 40 may use a general metal, or may use Pt, Ag, Au, Ni, Cu, or an alloy thereof.

상기 스택 구조의 각 채널에 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되며, 스택 외부로 통과된 미반응된 연료는 보일러 또는 가스터빈과 같은 장치에서 연소하여 SOFC에 열을 공급하거나 따로 발전할 수 있으며, 그 외의 열은 폐열로 이용할 수 있게 된다.A mixed gas of hydrocarbon and air is injected into each channel of the stack structure, and unreacted fuel passed outside of the stack can be burned in a device such as a boiler or gas turbine to supply heat to SOFC or generate power separately. The other heat becomes available as waste heat.

본 발명에 따른 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 스택 구조의 제조는 다음과 같다.Fabrication of a stack structure of a honeycomb SOFC by the MGFC method according to the present invention is as follows.

우선, 전해질의 박막화를 위하여 다공성 벌집형 연료극 지지체를 압출(extrusion)법에 의하여 제조한 후 소정 온도 및 시간에서 소성하고 1차 성형하도록 한다. First, in order to thin the electrolyte, the porous honeycomb anode support is manufactured by extrusion method, and then calcined at a predetermined temperature and time to be primary molded.

이때, 상기 지지체로는 30% 이하의 Gd가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Sm가 도핑된 CeO2, 30% 이하의 Y가 도핑된 CeO2, 20% 이하의 Y2O3가 도핑된 ZrO2, 20% 이하의 Sc2O3가 도핑된 ZrO2 및 LaGaO3 계열 이온 전도성 세라믹에서 선택된 적어도 하나 이상과, 50% 이상의 NiO로 이루어진 서멧트를 사용할 수 있다.At this time, the support to have a 30% or less of the Gd is doped is CeO 2, Sm of not more than 30% doped CeO 2, 30 with a Y% or less doping of CeO 2, less than 20% Y 2 O 3 doped At least one selected from ZrO 2 , 20% or less Sc 2 O 3 doped ZrO 2 and LaGaO 3 series ion conductive ceramics, and a cermet consisting of 50% or more NiO may be used.

그 후, 1차 성형된 성형체중의 선택된 채널 영역을 마스킹하고, 전해질을 코팅하되 마스킹한 채널 내부에는 전해질이 코팅되지 않도록 한다.Thereafter, the selected channel region in the primary molded body is masked, and the electrolyte is coated but the electrolyte is not coated inside the masked channel.

상기 마스킹 재료로, 파라핀, 또는 열처리 시 제거 가능한 고분자 재료를 사용하면, 전극 코팅시 원하지 않는 부위에 대한 코팅을 방지하도록 할 수 있다.As the masking material, using a paraffin or a polymer material that can be removed during heat treatment can prevent coating of unwanted portions during electrode coating.

그 후, 예를 들어 YSZ(Yttria-stabilized zirconia) 슬러리를 상기 지지체 전체에 코팅하고, 전해질이 박막으로 형성된 벌집형 연료극 지지체를 소정 온도 및 소정 시간에서 최종적으로 소성하여 연료극 지지체를 완성한다.Thereafter, for example, a Yttria-stabilized zirconia (YSZ) slurry is coated on the entire support, and the honeycomb anode support in which the electrolyte is formed into a thin film is finally baked at a predetermined temperature and a predetermined time to complete the anode support.

그 후, 전해질이 코팅된 부분에 공기극 형성 재료 예를 들어 LaSrMnO3 분말을 다시 슬러리 코팅하고 소정 온도 및 시간에서 소성하여 공기극을 형성하여 단전지를 제작한다.Thereafter, a cathode-forming material such as LaSrMnO 3 powder is slurry-coated again on the electrolyte-coated portion and calcined at a predetermined temperature and time to form a cathode to fabricate a unit cell.

그 후, 연료극 및 공기극 채널 크기와 채널간 크기에 맞는 예를 들어 니켈 또는 은의 금속망을 사용하여 집전하고 적층하여 스택을 제작한다.Thereafter, a stack is fabricated by collecting and laminating using a metal mesh of, for example, nickel or silver, suitable for the size of the anode and cathode channel and the inter-channel.

상기와 같이 제작된 스택 구조체 내의 연료극 쪽 채널에 탄화수소에 대하여 촉매활성이 높은 상용 촉매 분말을 충진하고(S1), 한편 공기극 쪽 채널에는 탄화수소에 비활성인 예를 들어 알루미나, 실리카, 지르코니아 등을 충진한다(S2).The anode channel in the stack structure manufactured as described above is filled with a commercial catalyst powder having high catalytic activity with respect to hydrocarbons (S1), while the cathode channel is filled with, for example, alumina, silica, zirconia and the like which are inert to hydrocarbons. (S2).

이때, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 촉매를 각 채널에 충진하는 대신, 각 채널에 코팅하는 방법도 가능하다.At this time, as described above, instead of filling the catalyst in each channel, it is also possible to coat the respective channels.

상기와 같이 각 채널에 촉매를 충진한 후, 메탄, 에탄, 부탄, 프로판 등과 같은 탄화수소 및 공기의 혼합가스를 주입하는데(S3), 이와 같이, 탄화수소와 공기 혼합가스를 직접 공기극 및 연료극에 동시에 주입함으로써, 반응기체에 대한 밀봉이 불필요하게 된다. 이에 따라, SOFC가 열충격에 강하게 되고, 그 구조에 있어서 z축 방향으로 적층이 용이한 장점을 갖게 된다.After filling the catalyst in each channel as described above, and injecting a mixture gas of hydrocarbons and air, such as methane, ethane, butane, propane, etc. (S3), in this way, the hydrocarbon and air mixed gas directly injected into the cathode and anode This eliminates the need for sealing the reactor body. As a result, the SOFC is resistant to thermal shock, and the structure has an advantage of being easily laminated in the z-axis direction.

또한, 단위부피 당 연료전지 반응 면적을 최대로 하여 출력밀도를 높일 수 있고 연료극 쪽에 형성된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 탄화수소의 전환율을 높여 연료극 쪽의 탄소 침적 문제를 해결할 수 있다.In addition, it is possible to increase the output density by maximizing the fuel cell reaction area per unit volume, and to solve the problem of carbon deposition on the anode side by increasing the conversion of hydrocarbons by the hydrocarbon partial oxidation catalyst formed on the anode side.

또한, 연료극 쪽 채널에 형성된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 열사이클 시 저온까지 환원분위기를 유지할 수 있어 연료극의 산화-환원에 의한 전지 구조 변화를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. In addition, the hydrocarbon partial oxidation catalyst formed in the anode side channel can maintain the reducing atmosphere at low temperatures during the heat cycle, thereby minimizing the cell structure change due to oxidation-reduction of the anode.

또한, 연료극 채널은 공기극 채널과 독립적으로 형성되어 있어 연료극 쪽에서 생성된 수소 및 일산화탄소와 같은 연료극 연료가, 공기극 연료 즉, 산소와 섞이는 것을 방지할 수 있다. In addition, the anode channel is formed independently of the cathode channel, so that anode fuel such as hydrogen and carbon monoxide generated on the anode side can be prevented from mixing with the cathode fuel, that is, oxygen.

또한, 이러한 탄화수소 부분산화용 촉매를 연료극 채널 쪽에 담지하게 되면 탄화수소의 전환율을 높이게 됨으로써, 기존 SOFC의 직접 개질에서 문제시 되었던 연료극 내의 탄소 침적을 최대한 억제할 수 있다는 장점도 있다. In addition, by supporting the hydrocarbon partial oxidation catalyst on the anode channel side, it is possible to increase the conversion of the hydrocarbon, thereby suppressing carbon deposition in the anode, which has been a problem in the direct reforming of the existing SOFC.

또한, 연료극 채널내에 탄화수소 부분산화용 촉매를 담지한 상기한 벌집형 SOFC 스택 구조는 종래의 SOFC 예를 들어 Louis 등<USP 4,248,941 참조>이 제안한 형태의 MGFC 형의 SOFC 스택보다 연료극과 공기극 간의 크로스 오버(cross-over) 현상을 줄일 수 있다.In addition, the honeycomb SOFC stack structure in which the catalyst for hydrocarbon partial oxidation is carried in the anode channel has a crossover between the anode and the cathode than the SOFC stack of the MGFC type of the conventional SOFC, for example, Louis et al. (See USP 4,248,941). (cross-over) phenomenon can be reduced.

더욱이, 전해질을 벌집형태로 제조함에 의해 기존의 압출 공정등을 이용할 수 있음에 따라 제조 단가를 월등히 낮출 수 있을 것으로 예상된다. In addition, by manufacturing the electrolyte in a honeycomb form, it is expected that the manufacturing cost can be significantly lowered as the existing extrusion process can be used.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by explaining preferred embodiments of the present invention. However, the present invention is not limited to the following examples, and various forms of embodiments can be implemented within the scope of the appended claims, and the following examples are only common in the art while making the disclosure of the present invention complete. It is intended to facilitate the implementation of the invention to those with knowledge.

[실시예]EXAMPLE

전해질의 박막화를 위하여 다공성의 벌집형 연료극 지지체 (70wt%NiO+30wt%YSZ 서멧트)를 압출법으로 제조하여 1200℃에서 4시간 1차 소성하여 성형하였다. Porous honeycomb anode support (70wt% NiO + 30wt% YSZ cermet) was prepared by extrusion method for thinning of electrolyte and molded by primary firing at 1200 ° C for 4 hours.

상기 1차 성형체에 대하여 한 칸씩 건너뛰며 각 채널을 마스킹하고, 마스킹한 채널 내부에 전해질이 코팅되지 않도록 한 후 YSZ(8mol%) 슬러리를 연료극 지지체 전체에 코팅하고, 이를 1400℃에서 4시간 최종 소성하여 연료극 지지체를 완성하였다. Mask each channel by skipping the primary molded body one by one, prevent the electrolyte from being coated inside the masked channel, and then coat the YSZ (8 mol%) slurry on the entire anode support, which is finally baked at 1400 ° C. for 4 hours. The anode support was completed.

이때, YSZ 전해질이 코팅되지 않은 채널은 연료극으로 작동하게 되며, 전해질이 코팅된 부분에는 LaSrMnO3 분말을 다시 슬러리 코팅하고 1100℃에서 2시간 소성하여 공기극을 형성하였다.At this time, the channel not coated with the YSZ electrolyte was operated as the anode, and the slurry coated LaSrMnO 3 powder on the electrolyte-coated portion again and calcined at 1100 ° C. for 2 hours to form an cathode.

단전지 크기는 10cm×10cm×1cm (두께) 이었으며, 이를 10개 적층한 구조로 1모듈을 제조하였다. The unit cell size was 10cm × 10cm × 1cm (thickness), and one module was manufactured with a structure of 10 stacked cells.

스택에서는 연료극 및 공기극 채널 크기와 채널 간 크기에 맞는 니켈과 은망을 각각 사용하여 집전하고 적층하였다. In the stack, nickel and silver meshes were selected and stacked according to the size of the anode and cathode channels and the interchannels.

그리고 스택 구조체 내의 연료극 쪽 채널에 메탄에 대한 촉매활성이 높은 촉매 분말(Ni-CeO2 및 Pt-CeO2)을 충진하여 연료가스의 수소 및 일산화탄소 전환율을 높이고, 공기극 쪽에는 불활성의 분말(알루미나)을 충진하여 연료 및 공기 가스가 공기극 채널 쪽으로만 통과(channeling)되는 것을 방지하였다.In addition, the catalyst channel (Ni-CeO 2 and Pt-CeO 2 ) having high catalytic activity against methane is filled in the anode side channel in the stack structure to increase the hydrogen and carbon monoxide conversion of the fuel gas, and the inert powder (alumina) on the cathode side. Was filled to prevent fuel and air gas from channeling only toward the cathode channel.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단전지의 성능을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the performance of a single cell according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 단전지의 경우 700℃, 25%메탄과 공기 혼합 연료 분위기 하에서 0.2W/cm2 이상의 고성능을 얻을 수 있었다. 한편, 스택의 경우 0.5kW/l의 성능을 얻을 수 있었다.As shown in FIG. 2, in the case of a single cell, high performance of 0.2W / cm 2 or more was obtained under a 700 ° C., 25% methane and air mixed fuel atmosphere. On the other hand, the stack was able to obtain a performance of 0.5kW / l .

그리고, 공기극 쪽에 공급된 미반응 탄화수소 연료는 연소시켜 SOFC 스택 온도를 유지시켜주도록 하였다. The unreacted hydrocarbon fuel supplied to the cathode was burned to maintain the SOFC stack temperature.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 1000시간 운전후의 연료극 쪽의 탄소 침적 확인 결과를 나타내는 사진으로, 도 3a는 연료극 및 전해질 계면을 나타내는 사진이며, 도 3b는 전자 탐침 미세 분석(electron probe microscopic analysis)에 의해 탄소를 맵핑한 경우의 사진을 나타내는 것이다. 즉, 흰점 부분이 탄소의 존재를 나타내는 것으로, 도 3b에서는, 전해질과 연료극 부분에 탄소 침적이 거의 이루어지지 않았음을 보여준다. 3 is a photograph showing a result of carbon deposition on the anode side after 1000 hours of operation of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 3A is a photograph showing an anode and an electrolyte interface, and FIG. 3B is an electron probe fine analysis ( The photograph in the case of mapping carbon by electron probe microscopic analysis is shown. In other words, the white point portion indicates the presence of carbon, and in FIG. 3B, it is shown that almost no carbon deposition was formed on the electrolyte and the anode portion.

따라서, 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 연료 기체에 대한 선택적 활성 촉매를 담지한 벌집형 고체산화물 연료전지의 경우, 탄화수소 연료 사용시 가장 큰 문제점인 연료극 쪽의 탄소 침적 없이 1,000 시간 이상 연속 운전 할 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, as can be seen in Figure 3b, in the case of a honeycomb solid oxide fuel cell carrying a selective active catalyst for the fuel gas of the present invention, continuous continuous for more than 1,000 hours without carbon deposition on the anode side, which is the biggest problem when using a hydrocarbon fuel You can see that you can drive.

본 발명에 따른 혼합 가스 연료 전지 방식에 의한 벌집형 고체산화물 연료전지의 단전지, 이를 이용한 스택 구조 및 그 작동 방법에 따르면, 벌집형 SOFC에 있어서, 탄화수소와 공기 혼합가스를 직접 공기극 및 연료극에 동시에 주입함으로써, 기체밀봉이 필요없이 벌집형 SOFC 전지를 작동시킬 수 있으며, 열충격에 강하고, z축 방향으로 적층이 용이한 장점을 갖는다. 또한, 단위부피 당 연료전지 반응 면적을 최대로 하여 출력밀도를 높일 수 있고, 연료극 쪽에 충진된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 탄화수소의 전환율을 높여 연료극 쪽의 탄소 침적 문제를 해결할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 연료극 쪽 채널에 형성된 탄화수소 부분산화용 촉매에 의해 열사이클 시 저온까지 환원분위기를 유지할 수 있어 연료극의 산화-환원에 의한 전지 구조 변화를 최소화할 수 있다. 또한, 연료극 채널은 공기극 채널과 독립적으로 형성되어 있어 연료극 쪽에서 생성된 수소 및 일산화탄소와 같은 연료극 연료가 공기극 연료 즉, 산소와 섞이는 것을 방지할 수 있으므로 높은 개회로 전압 및 전지 성능을 달성할 수 있다. 또한, 종래의 MGFC 형의 SOFC 스택보다 연료극과 공기극 간의 크로스 오버 현상을 줄일 수 있다. 그리고, 전해질을 벌집형태로 제조함에 의해 기존의 압출 공정등을 이용할 수 있음에 따라 제조 단가를 낮출 수 있다.According to a unit cell of a honeycomb solid oxide fuel cell using a mixed gas fuel cell method according to the present invention, a stack structure using the same, and a method of operating the same, in a honeycomb type SOFC, a mixture of hydrocarbons and air is directly applied to the cathode and the anode simultaneously. By injecting, it is possible to operate the honeycomb type SOFC battery without the need for gas sealing, and has the advantage of being resistant to thermal shock and easy to stack in the z-axis direction. In addition, it is possible to increase the output density by maximizing the fuel cell reaction area per unit volume, and to improve the conversion of hydrocarbons by the hydrocarbon partial oxidation catalyst charged on the anode side, thereby solving the carbon deposition problem on the anode side. In addition, the catalyst for hydrocarbon partial oxidation formed in the anode side channel can maintain a reducing atmosphere at low temperatures during the heat cycle, thereby minimizing the cell structure change due to oxidation-reduction of the anode. In addition, since the anode channel is formed independently of the cathode channel, anode fuels such as hydrogen and carbon monoxide generated on the anode side can be prevented from mixing with cathode fuel, that is, oxygen, thereby achieving high open circuit voltage and cell performance. In addition, it is possible to reduce the crossover phenomenon between the anode and the cathode than the conventional MGFC-type SOFC stack. In addition, by manufacturing the electrolyte in a honeycomb form, it is possible to use a conventional extrusion process and the like, thereby lowering the manufacturing cost.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다. Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications or variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims will cover such modifications and variations as fall within the spirit of the invention.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단전지의 전해질 및 전극, 스택 구조를 나타내는 개념도, 1 is a conceptual diagram showing an electrolyte and an electrode, a stack structure of a unit cell according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단전지의 성능을 나타내는 그래프,2 is a graph showing the performance of a unit cell according to an embodiment of the present invention;

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료 전지의 1000시간 운전후의 연료극 쪽의 탄소 침적 확인 결과를 나타내는 사진이다.3 is a photograph showing a carbon deposition check result of an anode side after 1000 hours of operation of a fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

*주요 도면 부호의 간단한 설명** Short description of the major reference marks *

10:연료극 15:탄화수소 부분산화용 촉매10: fuel electrode 15: catalyst for hydrocarbon partial oxidation

20:공기극 25:탄화수소 비활성 촉매 20: air electrode 25: hydrocarbon inert catalyst

30:이온 전도성 고체 전해질 40:집전체(망형태) 30: ion conductive solid electrolyte 40: current collector (network type)

Claims (9)

벌집형 SOFC 단전지에 있어서, In the honeycomb SOFC unit cell, 탄화수소 부분산화용 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는, 연료극 채널; An anode channel having a catalyst for hydrocarbon partial oxidation and into which a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; 상기 연료극 채널과 독립적으로 설치되며, 탄화수소 비활성 촉매를 보유하고, 탄화수소 및 공기의 혼합 가스가 주입되는 공기극 채널; 및 An anode channel installed independently of the anode channel and having a hydrocarbon inert catalyst and into which a mixed gas of hydrocarbon and air is injected; And 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 사이에 형성되는 이온 전도성 고체 전해질층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지.An ion conductive solid electrolyte layer formed between the anode channel and the cathode channel; honeycomb type SOFC unit cell of the MGFC method comprising a. 제 1 항에 있어서, 상기 단전지는, The method of claim 1, wherein the unit cell, 상기 연료극 채널과 상기 공기극 채널이, 이온 전도성 고체 전해질층을 사이에 두고, 상호 인접하면서 교대로 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지.A unit cell of a honeycomb type SOFC according to the MGFC method, wherein the anode channel and the cathode channel are formed adjacent to each other with an ion conductive solid electrolyte layer interposed therebetween. 제 1 항에 있어서, 상기 탄화수소 비활성 촉매는, The method of claim 1, wherein the hydrocarbon inert catalyst, 알루미나, 실리카 또는 지르코니아인 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지.A honeycomb SOFC unit cell by the MGFC method, characterized in that it is alumina, silica or zirconia. 제 1 항에 있어서, 상기 연료극 재료는, The method of claim 1, wherein the anode material, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; 및 Cu;로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 금속 및 이온 전도성 세라믹 물질의 서멧트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지.Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; Ni; And Cu; at least one metal selected from the group consisting of cermets and a cermet of an ion conductive ceramic material. 제 1 항에 있어서, 상기 공기극 재료는, The method of claim 1, wherein the cathode material, Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; x가 0.5 이하인 (La1-XSrX)MnO3; x가 0.5 이하인 (La1-XCarX)MnO3; x가 0.6 이하인 (La1-XSrX)CoO 3; 및 x가 0.4 이하이고 y가 0.8 이하인 (La1-XSrX)(Co1-yFey)O3;로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 금속 또는 산화물인 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지.Pt; Ag; Au; Rh; Ir; Pd; Ru; (La 1-X Sr X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; (La 1-X Car X ) MnO 3 wherein x is 0.5 or less; x is 0.6 or less (La 1-X Sr X ) CoO 3 ; And at least one metal or oxide selected from the group consisting of (La 1-X Sr X ) (Co 1-y Fe y ) O 3, wherein x is 0.4 or less and y is 0.8 or less. Single cell of honeycomb SOFC. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 의한 단전지가 복수개 적층되고, 상기 단전지의 연료극 채널 및 공기극 채널의 구멍 크기와 같은 크기의 구멍 크기를 갖는 망형태의 집전체가 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널의 상단부 또는 하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지를 이용한 스택 구조.A plurality of unit cells according to any one of claims 1 to 5 are stacked, and a net-shaped current collector having a pore size equal to the pore size of the anode channel and the cathode channel of the unit cell includes the anode channel and the cathode. Stack structure using a single cell of a honeycomb SOFC by the MGFC method, characterized in that installed in the upper end or the lower end of the channel. 제 6 항에 있어서, 상기 집전체는, The method of claim 6, wherein the current collector, Pt, Ag, Au, Ni, Cu 또는 이들의 합금 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 단전지를 이용한 스택 구조.A stack structure using a single cell of a honeycomb SOFC by the MGFC method, characterized in that it is composed of Pt, Ag, Au, Ni, Cu, or an alloy thereof. 벌집형 SOFC의 작동 방법에 있어서, In the method of operating honeycomb SOFC, 벌집형 SOFC 스택 구조중 연료극 채널에 탄화수소 부분산화용 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S1); Filling or coating a catalyst powder for hydrocarbon partial oxidation in the anode channel of the honeycomb SOFC stack structure (S1); 상기 벌집형 SOFC 스택구조중 공기극 채널에 탄화수소 비활성 촉매 분말을 충진하거나 또는 코팅하는 단계(S2); 및 Filling or coating a hydrocarbon inert catalyst powder in the cathode channel of the honeycomb SOFC stack structure (S2); And 상기 연료극 채널 및 상기 공기극 채널에 탄화수소 및 공기의 혼합가스를 동시에 주입하는 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 작동 방법.And simultaneously injecting a mixed gas of hydrocarbons and air into the anode channel and the cathode channel (S3). 제 8 항에 있어서, 상기 방법은, The method of claim 8, wherein 상기 탄화수소가 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 경유 또는 휘발유인 것을 특징으로 하는 MGFC 방식에 의한 벌집형 SOFC의 작동 방법.Method of operating a honeycomb SOFC by the MGFC method, characterized in that the hydrocarbon is methane, ethane, propane, butane, diesel or gasoline.
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