KR101111224B1 - SOFC unit cell for hydrocarbon and the manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화수소용 SOFC 단위전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소용 SOFC 단위전지 연료극으로서, 니켈-YSZ 또는 산화니켈-YSZ에 Li2TiO3를 촉매로 첨가함으로써 연료전지의 카본피독현상을 최소화하고, 연료전지의 작동시간이 길어짐에도 불구하고 안정성이 유지될 수 있도록 한다.The present invention relates to a SOFC unit cell for hydrocarbons and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell of a fuel cell by adding Li 2 TiO 3 as a catalyst to nickel-YSZ or nickel oxide-YSZ. Minimize poisoning and ensure that stability is maintained despite long operation time of fuel cell.

이를 위하여 본 발명은 산화니켈, YSZ, 카본블랙, Li2TiO3 촉매를 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조하는 단계; 상기 슬러리를 테잎캐스팅 방법에 의해 성형하여 연료극 성형체를 제조하는 단계; 상기 연료극 성형체를 고체전해질 성형체와 적층하는 단계; 상기 적층된 성형체를 동시소성방법에 의하여 1차소성하여 1차소성체를 제조하는 단계; 상기 1차소성체에 공기극 성형체를 적층하거나 스크린프린팅 하는 단계; 및 상기 1차소성체 및 공기극 성형체 결합체를 2차소성하여 단위전지를 제작하는 단계;를 포함하여 구성되는 탄화수소용 SOFC 단위전지의 제조방법 및 이와 같은 방법에 의해 제조되는 탄화수소용 SOFC 단위전지를 제공한다.To this end, the present invention comprises the steps of mixing nickel oxide, YSZ, carbon black, Li 2 TiO 3 catalyst to prepare a slurry for the anode; Molding the slurry by a tape casting method to produce an anode molded body; Stacking the anode compact with a solid electrolyte compact; Preparing a primary fired body by primary firing the laminated molded body by a simultaneous firing method; Stacking or screen-printing an air cathode molded body on the primary plastic body; It provides a method for producing a hydrocarbon SOFC unit cell comprising a primary firing body and a cathode assembly combined secondary firing; and a SOFC unit cell for a hydrocarbon produced by the same method comprising a. .

SOFC, 단위전지, 연료극, 니켈, YSZ, Li2TiO3, 카본피독, 기공율, 전기전도도, 작동시간, 안정성 SOFC, unit cell, anode, nickel, YSZ, Li2TiO3, carbon poisoning, porosity, electrical conductivity, operating time, stability

Description

탄화수소용 SOFC 단위전지 및 그 제조방법{SOFC unit cell for hydrocarbon and the manufacturing method of the same}SOFC unit cell for hydrocarbons and its manufacturing method {SOFC unit cell for hydrocarbon and the manufacturing method of the same}

본 발명은 탄화수소용 SOFC 단위전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소용 SOFC 단위전지 연료극으로서, 니켈-YSZ 또는 산화니켈-YSZ에 Li2TiO3를 촉매로 첨가함으로써 연료전지의 카본피독현상을 최소화하고, 연료전지의 작동시간이 길어짐에도 불구하고 안정성이 유지될 수 있도록 한다.The present invention relates to a SOFC unit cell for hydrocarbons and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell of a fuel cell by adding Li 2 TiO 3 as a catalyst to nickel-YSZ or nickel oxide-YSZ. Minimize poisoning and ensure that stability is maintained despite long operation time of fuel cell.

이를 위하여 본 발명은 산화니켈, YSZ, 카본블랙, Li2TiO3 촉매를 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조하는 단계; 상기 슬러리를 테잎캐스팅 방법에 의해 성형하여 연료극 성형체를 제조하는 단계; 상기 연료극 성형체를 고체전해질 성형체와 적층하는 단계; 상기 적층된 성형체를 동시소성방법에 의하여 1차소성하여 1차소성체를 제조하는 단계; 상기 1차소성체에 공기극 성형체를 적층하거나 스크린프린팅 하는 단계; 및 상기 1차소성체 및 공기극 성형체 결합체를 2차소성하여 단위전지를 제작하는 단계;를 포함하여 구성되는 탄화수소용 SOFC 단위전지의 제조방법 및 이와 같은 방법에 의해 제조되는 탄화수소용 SOFC 단위전지를 제공한다.To this end, the present invention comprises the steps of mixing nickel oxide, YSZ, carbon black, Li 2 TiO 3 catalyst to prepare a slurry for the anode; Molding the slurry by a tape casting method to produce an anode molded body; Stacking the anode compact with a solid electrolyte compact; Preparing a primary fired body by primary firing the laminated molded body by a simultaneous firing method; Stacking or screen-printing an air cathode molded body on the primary plastic body; It provides a method for producing a hydrocarbon SOFC unit cell comprising a primary firing body and a cathode assembly combined secondary firing; and a SOFC unit cell for a hydrocarbon produced by the same method comprising a. .

연료전지 기술은 가정이나 산업용 발전 장치로서의 발전 산업, 기존 내연기관을 대체할 구동 장치로서의 자동차 산업, 기존 배터리 대체전원으로서의 전자기기 산업 등 타 산업으로의 파급효과가 매우 큰 기술이다. 이 중 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 연료전지 방식 중 에너지 효율이 가장 높으며, 크기나 형태, 용량에 대한 자유도가 높아 전력수요에 맞게 다양한 용량의 시스템 구성이 가능해 휴대용 전자기기의 초소형 전원으로부터 대형 복합 발전 시스템까지 매우 넓은 응용범위를 가지고 있다. 특히 모듈화가 쉬운 SOFC는 mW급의 초소형 전원장치로부터 기존 그리드(grid)형 발전시스템을 대체할 수백 MW급 대형 발전시스템에 이르기까지 거의 전 범위의 에너지원을 대상으로 개발할 수 있다.Fuel cell technology is a technology that has a large ripple effect to other industries, such as the power generation industry as a home or industrial power generation device, the automobile industry as a driving device to replace the existing internal combustion engine, and the electronics industry as a conventional battery replacement power source. Among these, solid oxide fuel cell (SOFC) has the highest energy efficiency among the fuel cell methods, and has a large degree of freedom in size, shape, and capacity. It has a very wide application range from very small power supplies to large combined cycle power generation systems. In particular, SOFC is easy to modularize, and can be developed for almost all energy sources, ranging from ultra-small power supplies in the mW class to large-scale power generation systems in the hundreds of MW to replace existing grid-type power generation systems.

또한, SOFC는 기존 화석연료 시스템에서도 적용 가능한 유일한 연료전지 기술이다. 대부분의 연료전지에 사용되는 수소는 가장 이상적인 미래의 연료이지만 수소의 생산 및 저장 문제는 연료전지의 활용범위를 제한하고 있다. 따라서, 수소 공급 기반시설이 마련되지 않은 국내 상황에서 에너지원으로서 연료전지의 경제성을 고려한다면, LPG, LNG 등 탄화수소계 연료의 효율적 활용은 시장 창출 및 장기적인 연료전지 개발/보급에 있어서 매우 중요한 의미를 갖는다. 특히 내부개질형 SOFC는 고가의 외부개질을 사용하지 않기 때문에 시스템이 단순해지고 연료 수급에 있어서 기존의 기반시설을 이용할 수 있어 미래 에너지원으로서 파급 효과가 클 것으로 예상된다. SOFC is also the only fuel cell technology that can be applied to existing fossil fuel systems. Hydrogen used in most fuel cells is the ideal fuel of the future, but the production and storage of hydrogen limits the range of fuel cell applications. Therefore, considering the economic feasibility of fuel cells as an energy source in the domestic situation where there is no hydrogen supply infrastructure, efficient utilization of hydrocarbon fuels such as LPG and LNG is very important for market creation and long-term fuel cell development / distribution. Have In particular, internal reforming SOFCs do not use expensive external reforming, which can simplify the system and make use of existing infrastructure for fuel supply.

한편, 탄화수소 연료가 직접적으로 연료극에 주입될 때, 니켈(Ni) 바탕의 연 료극은 빠르게 비활성화 되는데, 그 이유는 니켈이 탄소 증착을 촉매화하기 때문이다. 즉 카본 피독 현상이 문제가 될 수 있는데, 탄화수소연료 대응 연료극의 경우 니켈 이외에 카본 피독에 대한 저항성을 갖는 금속 촉매들인 구리, 루테늄, 은, 금, 여러 합금(니켈-구리, 구리-코발트 등) 등이 사용되고 있으나, 이 보다 우수한 촉매 활성을 나타내는 새로운 세라믹 복합체 음극조성 개발이 우선적으로 요구된다. On the other hand, when hydrocarbon fuel is injected directly into the anode, the nickel-based fuel electrode is quickly deactivated because nickel catalyzes carbon deposition. In other words, carbon poisoning may be a problem. In the case of a hydrocarbon fuel-compatible anode, metal catalysts resistant to carbon poisoning other than nickel, such as copper, ruthenium, silver, gold, and various alloys (nickel-copper, copper-cobalt, etc.) Although it is used, the development of a new ceramic composite negative electrode composition exhibiting better catalytic activity is required first.

또한, 연료전지를 상업화하는데 부딪치는 난관 중 하나는 단위전지의 제조비용이 매우 높다는 것인데, 이러한 제조비용이 현재 전체 스택 비용의 30%를 차지하여 이와 관련된 저비용 공정 개발이 필수적인 것으로 여겨지고 있다. 현재 SOFC 선진 업체들은 저비용으로 대량 생산이 가능하고 공정 제어가 용이할 뿐만 아니라 대면적 단위전지를 제조할 수 있는 공정개발에 주력하고 있다. 이러한 관점에서 테이프캐스팅 공정이 현재 가장 많이 사용하고 있는 공정이며 대량 생산이 가능하고 자동화가 가능하기 때문에 비용 절감 효과가 있으며 대면적화에 매우 유리할 것으로 기대된다.In addition, one of the difficulties encountered in commercializing fuel cells is that the manufacturing cost of the unit cell is very high, and this manufacturing cost currently accounts for 30% of the total stack cost, and thus, development of a low-cost process is considered essential. Currently, SOFC advanced companies are focusing on process development that can be mass-produced at low cost, easy to control process, and can manufacture large area unit cells. From this point of view, the tape casting process is the most widely used process, and it is expected to be cost-effective and very advantageous for large area because it can be mass-produced and automated.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 탄화수소용 연료전지의 촉매로서 Li2TiO3 라는 새로운 촉매를 적용하여 Ni-YSZ계 연료극을 구성요소로 하는 연료전지의 실용화가 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, the present invention is applied to a new catalyst of Li 2 TiO 3 as a catalyst for a fuel cell for hydrocarbons, the practical use of a fuel cell comprising a Ni-YSZ-based anode Aims to make it possible.

또한 본 발명은, Ni-YSZ계 연료극에 촉매로서 Li2TiO3를 첨가함으로써 탄소 결합 분해나 탄소 흡착 억제 효과를 통한 카본피독현상을 최소화하여 연료전지의 내구성을 강화하고, 연료전지를 작동함에 있어서 장기 안정성을 확보하도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.In addition, the present invention, by adding Li 2 TiO 3 as a catalyst to the Ni-YSZ-based anode to minimize the carbon poisoning through the carbon bond decomposition or carbon adsorption suppression effect to enhance the durability of the fuel cell, in the operation of the fuel cell Another aim is to ensure long-term stability.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 탄화수소용 SOFC 단위전지에 있어서, 상기 단위전지의 연료극에는 촉매로서 Li2TiO3가 첨가되는 탄화수소용 SOFC 단위전지를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a hydrocarbon SOFC unit cell in which Li 2 TiO 3 is added as a catalyst to the anode of the unit cell.

상기 연료극은 600 ~ 800℃의 작동 온도범위에서 1400 ~ 1200 S/cm의 전기전도도를 나타낸다.The anode has an electrical conductivity of 1400 ~ 1200 S / cm in the operating temperature range of 600 ~ 800 ℃.

상기 연료극은 약 35 ~ 45 %의 기공율을 갖도록 하는 것이 바람직하다.Preferably, the anode has a porosity of about 35 to 45%.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질을 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조하는 단계; 상기 슬러리를 테잎캐스팅 방법에 의해 성형하여 연료극 성형체를 제조하는 단계; 상기 연료극 성형체를 고체전해질 성형체와 적층하는 단계; 상기 적층된 성형체를 동시소성방법에 의하여 1차소성하여 1차소성체를 제조하는 단계; 상기 1차소성체에 공기극 성형체를 적층하거나 스크린프린팅 하는 단계; 및 상기 1차소성체 및 공기극 성형체 결합체를 2차소성하여 단위전지를 제작하는 단계;를 포함하여 구성되는 탄화수소용 SOFC 단위전지를 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing a starting material containing a nickel oxide, YSZ, Li2TiO3 catalyst in order to achieve the object as described above to prepare a slurry for the anode; Molding the slurry by a tape casting method to produce an anode molded body; Stacking the anode compact with a solid electrolyte compact; Preparing a primary fired body by primary firing the laminated molded body by a simultaneous firing method; Stacking or screen-printing an air cathode molded body on the primary plastic body; It provides a SOFC unit cell for a hydrocarbon comprising a; and the secondary firing of the primary firing body and the cathode molded body combination to produce a unit cell.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질을 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조하는 단계; 상기 슬러리를 테잎캐스팅 방법에 의해 성형하여 연료극 성형체를 제조하는 단계; 상기 연료극 성형체에 고체전해질 성형체 및 공기극 성형체를 적층하는 단계; 및 상기 적층된 성형체를 소성하여 단위전지를 제작하는 단계;를 포함하여 구성되는 탄화수소용 SOFC 단위전지를 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing a starting material containing a nickel oxide, YSZ, Li2TiO3 catalyst in order to achieve the object as described above to prepare a slurry for the anode; Molding the slurry by a tape casting method to produce an anode molded body; Stacking a solid electrolyte compact and a cathode compact on the anode compact; And firing the laminated molded body to produce a unit cell.

상기 Li2TiO3는 Li2CO3와, TiO2 또는 Ti[OCH(CH3)2]4 중에서 선택되는 적어도 하나를 출발물질로 혼합하고, 700 ~ 900℃의 온도범위에서 6 ~ 24 시간 열처리하여 합성되는 것이 바람직하다.The Li 2 TiO 3 is mixed with Li 2 CO 3 and at least one selected from TiO 2 or Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 as a starting material, heat treatment for 6 to 24 hours at a temperature range of 700 ~ 900 ℃ It is preferable to synthesize | combine by.

상기 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질에는 카본블랙을 더 첨가하며, 상기 카본블랙은 상기 산화니켈과 YSZ와 카본블랙 혼합 중량 대비 10중량% 첨가되는 것이 바람직하다.Carbon black is further added to the starting material including the nickel oxide, YSZ, and the Li 2 TiO 3 catalyst, and the carbon black is preferably added in an amount of 10% by weight based on the mixed weight of the nickel oxide, YSZ, and carbon black.

상기 1차소성체를 제조하기 위한 소성온도는 1300 ~ 1400℃의 범위이며, 2차 소성체를 제조하기 위한 소성온도는 1100 ~ 1200℃의 범위인 것이 바람직하다. The firing temperature for producing the primary fired body is in the range of 1300 ~ 1400 ℃, the firing temperature for producing the secondary fired body is preferably in the range of 1100 ~ 1200 ℃.

상기 적층된 소성체의 소성온도는 1200 ~ 1350℃의 범위인 것이 바람직하다.The firing temperature of the laminated fired body is preferably in the range of 1200 ~ 1350 ℃.

이상과 같은 본 발명에 따르면, Ni-YSZ계 연료극을 일 구성요소로 하는 SOFC 연료전지가 탄화수소용으로 실용화되도록 할 수 있는 작용효과가 기대된다.According to the present invention as described above, it is expected that the SOFC fuel cell having a Ni-YSZ-based fuel electrode as one component can be put to practical use for hydrocarbons.

또한, 연료극의 촉매로서 Li2TiO3를 사용함으로써 연료전지의 카본피독현상을 최소화하고, 그에 따라 연료전지의 내구성을 향상함으로써 작동시 장기 안정성을 확보하도록 하는 작용효과가 기대된다.In addition, by using Li 2 TiO 3 as a catalyst of the anode, the carbon poisoning phenomenon of the fuel cell is minimized, and thus, the effect of securing long-term stability during operation is expected by improving the durability of the fuel cell.

이하에서는 첨부된 도면과 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

본 발명은 탄화수소용 연료전지에 있어서, 카본 피독 현상이 빈번하게 발생되는 Ni-YSZ 연료극에 Li2TiO3를 촉매로 사용함으로써 카본 피독 현상을 최소화시킨 것, 아울러, 연료극과 고체전해질 또는 연료극, 고체전해질 및 공기극을 동시에 소성하는 방법에 의해 공정을 단순화하고 공정비용을 절감하도록 하는 것을 그 특징으로 하고 있다.The present invention minimizes carbon poisoning by using Li 2 TiO 3 as a catalyst in a Ni-YSZ anode where carbon poisoning frequently occurs in a hydrocarbon fuel cell, and also a fuel electrode, a solid electrolyte, a fuel electrode, and a solid It is characterized by simplifying the process and reducing the process cost by the method of simultaneously firing the electrolyte and the cathode.

통상적으로 사용도는 연료극인 Ni(40 vol%)-YSZ 서멧(cermet) 은 카본 침적량이 12 중량% 이상 증가하면서 연료극이 파괴되는 현상이 발생하였는데, 이와 같이 카본이 연료극에 침적되는 것은 Ni를 촉매로서 이용하는 연료극계의 개질반응시 메탄열분해반응과, 보도루반응에 의해서 카본이 Ni 주위에 필라멘트형으로 형성되는 것에 기인하며, 셀을 파괴시키는 문제점이 야기된다.In general, Ni (40 vol%)-YSZ cermet, which is a fuel electrode, has a phenomenon in which a fuel electrode is destroyed while carbon deposition amount is increased by 12 wt% or more. This is due to the formation of carbon in the form of filaments around Ni by the methane pyrolysis reaction and the sidewalk reaction during the reforming reaction of the anode system used as a problem, which causes a problem of cell destruction.

(1) Li2TiO3의 합성(1) Synthesis of Li 2 TiO 3

본 발명에 의한 연료극용 촉매로서 Li2TiO3의 합성공정을 도 1에 나타내었다. 1 shows a synthesis process of Li 2 TiO 3 as a catalyst for an anode according to the present invention.

도시된 바와 같이, Li2TiO3는 그 출발물질로서, Li2CO3와 TiO2 또는 Ti[OCH(CH3)2]4 중에서 선택되는 적어도 하나를 에탄올을 용매로 하여 혼합하고, 이를 건조한 후, 열처리과정을 통하여 합성한다. 이 때, 혼합과정에서는 4시간 동안 위 혼합물들을 볼밀링하였으며, 최적의 합성조건으로서, 열처리 온도는 700 ~ 900℃의 온도범위로 하였으며, 열처리 시간은 6 ~ 24 시간 유지하는 것으로 하였다. As shown, Li 2 TiO 3 is a starting material, at least one selected from Li 2 CO 3 and TiO 2 or Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 is mixed with ethanol as a solvent, and then dried. , Synthesized through heat treatment process. At this time, the mixture was ball milled for 4 hours in the mixing process, as an optimal synthesis condition, the heat treatment temperature was set to a temperature range of 700 ~ 900 ℃, the heat treatment time was to maintain 6 ~ 24 hours.

열처리 온도가 700℃ 미만인 경우에는 위 출발물질 중 반응하지 않고 잔류하는 물질이 검출되기 때문이며, 또한 900℃를 초과하는 경우에는 Li2TiO3의 합성에 불필요하게 높은 온도를 가하는 결과가 되기 때문에 위 온도범위는 위와 같은 범위에서 임계적 의의를 갖는다.This is because if the heat treatment temperature is lower than 700 ° C., a substance that remains unreacted in the starting materials is detected. If the heat treatment temperature is higher than 900 ° C., the result is an unnecessarily high temperature for the synthesis of Li 2 TiO 3 . The range is critical in the above range.

또한 위와 같은 열처리 시간 범위는 미반응 잔류물질이 발생되지 않도록 하기 위하여 각 온도에서 최적화된 열처리 시간을 선택하는 과정에서 설정된 범위로서, 미반응 잔류물질이 형성되지 않도록 하는 것은 위 시간범위에서 임계적 의의를 갖는다.In addition, the above heat treatment time range is set in the process of selecting an optimized heat treatment time at each temperature in order to prevent unreacted residues from occurring, and it is critical to prevent unreacted residues from forming. Has

본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3의 열처리온도에 따른 X선 분석결과를 도 2에 나타내었다. X-ray analysis results according to the heat treatment temperature of Li 2 TiO 3 prepared by one embodiment of the present invention is shown in FIG.

(a)는 합성을 위한 열처리 유지시간을 3시간으로 하고, 열처리 온도를 각각 500℃, 600℃, 700℃로 하여 열처리한 경우로서, 도시된 바와 같이, 열처리 온도가 500℃ 및 600℃인 경우에는 출발물질인 Li2CO3 및 TiO2 중 미반응 잔류물질이 검출되었음을 알 수 있었으나, 700℃인 경우 미반응 잔류물질이 거의 검출되지 아니하였다. (a) is a case where the heat treatment holding time for synthesis is 3 hours and the heat treatment temperature is 500 ° C., 600 ° C., and 700 ° C., respectively, and as shown, when the heat treatment temperatures are 500 ° C. and 600 ° C. It was found that unreacted residues were detected in Li 2 CO 3 and TiO 2 as starting materials, but unreacted residues were hardly detected at 700 ° C.

다만, 극소량의 미반응 물질을 전량 반응시키도록 하기 위하여 열처리 유지시간을 6시간으로 유지하였는데, 이를 (b)에 나타내었다. 도시된 바와 같이, 6시간 동안 열처리한 경우에는 미반응 잔류물질이 전혀 검출되지 아니하였음을 알 수 있다. 이 때, 열처리 온도는 각각 700℃, 800℃, 900℃로 하였다.However, the heat treatment holding time was maintained at 6 hours in order to react the total amount of the unreacted substance in a very small amount, which is shown in (b). As shown, when the heat treatment for 6 hours it can be seen that no unreacted residual material was detected. At this time, the heat treatment temperature was 700 degreeC, 800 degreeC, and 900 degreeC, respectively.

한편, 합성을 위한 열처리 온도를 700℃로 고정하고, 열처리 유지시간을 24시간으로 확장하여 실험한 결과를 (c)에 나타내었으며, 예상과 같이 미반응 잔류물질은 전혀 검출되지 아니하였다. On the other hand, the heat treatment temperature for the synthesis was fixed to 700 ℃, the heat treatment holding time was extended to 24 hours, the experimental results are shown in (c), as expected, unreacted residual material was not detected at all.

따라서, 열처리 온도와 열처리 시간은 전술한 바와 같은 범위에서 본 발명의 특징을 잘 나타내준다고 할 것이다.Therefore, the heat treatment temperature and the heat treatment time will be well represented the characteristics of the present invention in the range as described above.

(2) Li2TiO3를 촉매로 하여 제조한 연료전지의 카본 피독 반응(2) Carbon Poisoning Reaction of Fuel Cell Prepared with Li 2 TiO 3 as Catalyst

다음에, Li2TiO3를 촉매로 하여 연료극을 제조하고, 이러한 연료극을 구성요소로 하는 연료전지의 카본 피독 반응을 실험하여 도 3에 나타내었다.Next, a fuel electrode was manufactured using Li 2 TiO 3 as a catalyst, and carbon poisoning reaction of a fuel cell including the fuel electrode as a component was shown in FIG. 3.

도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 직접 합성한 Li2TiO3 를 Ni-YSZ 연료극에 첨가하지 않을 경우, 카본 피독량이 연료극 중량대비 18.62 중량%가 증가한 반면, Li2TiO3를 연료극 중량대비 1 중량% 첨가할 경우, 연료극 중량대비 13.86 중량%, 연료극 중량대비 4 중량% 첨가할 경우, 연료극 중량대비 3.41 중량%로서 Li2TiO3를 첨가하지 않은 연료극에서 발생되는 카본 피독량의 약 1/6에 해당하여, 탄소(카본) 피독 현상을 최소화할 수 있음을 뒷받침하였다. As shown, when Li 2 TiO 3 directly synthesized by the present invention is not added to the Ni-YSZ anode, the carbon poisoning amount is increased by 18.62% by weight relative to the weight of the anode, while Li 2 TiO 3 is 1 weight by weight of the anode. % Added, 13.86% by weight of the anode weight, 4% by weight of the anode weight, 3.41% by weight of the anode weight of about 1/6 of the carbon poisoning generated in the anode without Li 2 TiO 3 added It was supported that the carbon poisoning phenomenon can be minimized.

Li2TiO3가 카본이 Ni에 침적되지 않도록 하는 기구는 Li2TiO3를 Ni 입자사이에 고르게 위치되어, 카본이 필라멘트형으로 형성되지 않도록 함으로써 카본이 침적되지 않도록 하거나, 또는 고체상의 카본의 형성보다 기체상의 카본형성을 더 활성화시켜 카본이 침적되지 않도록 하는 것에 기인하는 것으로 보인다.The mechanism for preventing Li 2 TiO 3 carbon from depositing on Ni is to evenly place Li 2 TiO 3 between Ni particles to prevent carbon from being deposited into a filamentary form, or to form carbon in a solid state. It appears to be due to the further activation of gaseous carbon formation to prevent carbon from depositing.

한편, 도 4에서는 도 4는 상용 Li2TiO3의 입도분포와 본 발명에 의해 합성된 Li2TiO3의 입도를 각각 비교하여 나타낸 입도분포 그래프인 바, 도시된 바와 같이, 상용 Li2TiO3의 입도는 평균값으로 약 1.9㎛의 크기를 갖는 것으로 측정되었으며, 입도가 다양한 크기에 걸쳐 넓게 분포하고 있으나, 본 발명에 의해 합성된 Li2TiO3의 입도는 평균값으로 약 0.44㎛의 크기를 갖는 것으로 측정되었으며, 입도분포가 비교적 좁아 입도의 크기가 보다 일률적임을 알 수 있다.Meanwhile, in FIG. 4, FIG. 4 is a particle size distribution graph showing comparisons of particle sizes of commercial Li 2 TiO 3 and particle sizes of Li 2 TiO 3 synthesized according to the present invention. As shown, commercial Li 2 TiO 3 The particle size of was measured to have an average value of about 1.9㎛, the particle size is widely distributed over a variety of sizes, the particle size of Li 2 TiO 3 synthesized by the present invention has an average value of about 0.44㎛ It was measured and the particle size distribution is relatively narrow, indicating that the size of the particle size is more uniform.

즉, 본 발명에 의해 합성된 Li2TiO3 의 경우, 상용분말에 비해 비표면적에 따른 촉매활성효과가 더 커서 더 우수한 카본피독 방지효과가 있다고 할 수 있다. That is, in the case of Li 2 TiO 3 synthesized by the present invention, it can be said that the catalytic activity effect according to the specific surface area is greater than that of the commercial powder, thereby having a superior carbon poisoning prevention effect.

(3) 연료극의 기공율과 전기전도도(3) Porosity and electrical conductivity of anode

본 발명에 의해 1300 ~ 1400℃의 소성 온도범위에서 제조된 연료극의 기공율은 35% 이상으로 측정되었는데, 일 예로 1325℃에서 소성한 경우 약 56%의 기공율을 나타내었다.The porosity of the anode prepared in the firing temperature range of 1300 ~ 1400 ℃ by the present invention was measured to be 35% or more, for example, when firing at 1325 ℃ showed a porosity of about 56%.

도 5에 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3를 촉매로 첨가한 연료극의 전기전도도를 위 촉매가 첨가되지 않은 연료극과 비교하여 나타내었다. 도시된 바와 같이, 기존의 촉매를 첨가하지 아니한 연료극에서 나타나는 작동온도에 따른 전기전도도와 본 발명에 의한 촉매를 포함하는 연료극에서 나타나는 작동온도에 따른 전기전도도는 거의 비슷하게 나타남을 알 수 있다.In FIG. 5, the electrical conductivity of the anode in which Li 2 TiO 3 prepared by the embodiment of the present invention is added as a catalyst is shown in comparison with the anode without the above catalyst. As shown, it can be seen that the electrical conductivity according to the operating temperature appearing in the anode having no catalyst added and the electrical conductivity according to the operating temperature appearing in the anode including the catalyst according to the present invention is almost the same.

따라서, 본 발명에 의한 촉매를 포함하는 연료극은 상용화된 연료전지에 적용 가능함을 알 수 있었다.Therefore, it was found that the anode including the catalyst according to the present invention can be applied to a commercial fuel cell.

(4) 연료전지의 성능평가(4) Performance evaluation of fuel cell

도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3를 촉매로 첨가한 연료극의 최대출력밀도와 장기운전에 따른 전압 및 출력밀도의 변화를 측정한 결과를 나타내었다. FIG. 6 shows the results of measuring the maximum output density of the anode including Li 2 TiO 3 prepared by one embodiment of the present invention as a catalyst, and the change in voltage and output density according to long-term operation.

상부도면에 도시된 바와 같이, Li2TiO3 을 첨가하여 제조한 단위전지는 800℃의 작동온도에서 0.4 W/cm2 정도의 최대출력밀도를 나타내었으며, 전압은 전류밀도에 따라 거의 선형에 가까운 거동을 보였고, 하부도면에 도시된 바와 같이 800℃의 작동온도에서 50시간 이상 작동하였음에도 불구하고 전압 및 출력밀도의 변화가 거의 없어 본 발명에 의해 제조된 연료전지가 장기적으로 안정되게 작동됨을 알 수 있었다. 이는, 전술한 바와 같은 본 발명의 연료극에서 발생되는 카본 피독 현상이 최소화 되었기 때문인 것으로, 카본 피독 현상이 최소화됨에 따라 연료전지의 내구성이 향상된 것에 기인하는 것이다. As shown in the top view, Li 2 TiO 3 The unit cell prepared by the addition of the maximum power density of 0.4 W / cm 2 at the operating temperature of 800 ℃, the voltage showed a nearly linear behavior according to the current density, as shown in the lower drawing 800 In spite of operating for more than 50 hours at the operating temperature of ℃, there was almost no change in voltage and power density, it can be seen that the fuel cell manufactured by the present invention operates stably in the long term. This is because the carbon poisoning phenomenon generated in the anode of the present invention as described above is minimized, and is due to the durability of the fuel cell as the carbon poisoning phenomenon is minimized.

(5) 연료전지의 제조과정(5) Manufacturing process of fuel cell

도 7에서는 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 제조과정을 흐름도로 나타내었다. 7 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 위 제조과정은 먼저, 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질을 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조한다. 이 때 용매로서 에탄올을 사용하였으며, 에탄올 이외에도 용매는 다양한 변형이 가능하다.As shown, the above manufacturing process, first, a starting material containing a nickel oxide, YSZ, Li 2 TiO 3 catalyst is mixed to prepare a slurry for the anode. In this case, ethanol was used as the solvent, and in addition to ethanol, the solvent may be variously modified.

여기서, Li2TiO3를 촉매로 사용할 수 있는 것은, 위 Li2TiO3가 1535℃의 녹는점을 가지며, 이와 같은 온도는 단위전지 제작시 YSZ와 같은 전해질 물질의 소성온도 (1300 ~ 1400℃)보다 높기 때문에 일반적인 세라믹공정, 즉 연료극을 제조할 때 여기에 직접 첨가하여 동시소성 방법에 의하여 연료극과 전해질을 함께 소성할 수 있도록 할 수 있기 때문이다.Here, Li 2 TiO 3 can be used as a catalyst, Li 2 TiO 3 has a melting point of 1535 ℃, this temperature is the firing temperature of the electrolyte material such as YSZ (1300 ~ 1400 ℃) in the unit cell fabrication This is because it is higher, so that it is possible to sinter the anode and the electrolyte together by the co-firing method by adding it directly to the general ceramic process, that is, when manufacturing the anode.

이와 같이 제조되는 슬러리는 테잎캐스팅에 적합한 점도를 갖도록 조절하며, 바람직하게는 산화니켈과 YSZ를 동일한 부피%로 혼합하고, 여기에 Li2TiO3를 소량 첨가한다. 여기서, Li2TiO3의 첨가량은 연료극 중량대비 1 ~ 4 중량% 첨가되는 것이 바람직하다. Li2TiO3의 첨가량이 증가할수록 Ni의 반응표면의 감소로 카본침적량이 감소할것이나, 그만큼 개질반응이 감소되어 단위전지성능의 감소를 가져올수 있게 되므로, 위와 같은 중량범위는 카본침적량과 단위전지성능을 감안하여 결정된 최적의 함량범위로서 위 범위에서 그 임계적 의의를 갖는다.The slurry thus prepared is adjusted to have a viscosity suitable for tape casting, preferably mixing nickel oxide and YSZ in equal volume percent and adding a small amount of Li 2 TiO 3 to it. Here, the amount of Li 2 TiO 3 is preferably added 1 to 4% by weight based on the weight of the anode. As the amount of Li 2 TiO 3 is increased, the carbon deposition amount will decrease due to the decrease of the reaction surface of Ni, but the reforming reaction can be reduced, resulting in a decrease in unit cell performance. The optimum content range determined in consideration of performance has its critical significance in the above range.

또한, 여기에 소량의 카본블랙을 더 첨가하는데, 본 실시예에서는 상기 카본블랙을 산화니켈과 YSZ 및 카본블랙의 전체 함량 대비 10 중량%로 하여 첨가하였다.In addition, a small amount of carbon black is further added thereto. In this embodiment, the carbon black is added in an amount of 10 wt% based on the total content of nickel oxide, YSZ, and carbon black.

이와 같이 혼합된 출발물질은 24시간 동안 볼밀링의 방법에 의해 슬러리로 제조되며, 이와 같이 제조된 슬러리에는 테잎캐스팅에 의해 적합하게 제조되도록 바인더가 첨가되어 다시 볼밀링 등의 방법에 의해 혼합된다.The mixed starting materials are prepared into a slurry by a ball milling method for 24 hours, and a binder is added to the slurry thus prepared to be suitably prepared by tape casting, and then mixed by a ball milling method or the like.

이후 위 슬러리를 이용하여 테잎캐스팅 방법에 의해 연료극 성형체를 제작하 고, 제작된 성형체는 건조과정을 거쳐서 별도로 제조된 고체전해질 성형체와 적층한다. Then, the anode molded body is manufactured by the tape casting method using the above slurry, and the manufactured molded body is laminated with a separately prepared solid electrolyte molded body through a drying process.

여기서 상기 고체전해질 또한 테잎캐스팅 방법에 의해 제조될 수 있으며, 위와 같이 적층된 연료극 성형체와 고체전해질 성형체는 CIP(Cold Isostatic Pressing) 또는 WIP(Warm Isostatic Pressing) 방법에 의해 가압 성형될 수 있다.Here, the solid electrolyte may also be manufactured by a tape casting method. The stacked anode fuel cell and the solid electrolyte molded body may be press-molded by CIP (Cold Isostatic Pressing) or WIP (Warm Isostatic Pressing).

이와 같이 가압 성형된 성형체를 하소하여 탈바인더 시킨 후, 동시소성방법에 의하여 1차소성하여 1차소성체를 제조하는데, 이 때 소성온도는 1300 ~ 1400℃의 범위로 하는 것이 좋으며, 본 실시예에서는 1325℃에서 소성하였다.After calcining the molded article press-molded in this way, the binder is first fired by a simultaneous firing method to prepare a primary fired body, and the firing temperature is preferably in the range of 1300 to 1400 ° C. It baked at 1325 degreeC.

이와 같이 제조된 1차소성체에 적층하거나 스크린프린팅 하는 방법에 의해서 공기극 성형체를 결합하고, 이를 다시 소성하여 2차소성체를 제조함으로써 단위전지를 제작할 수 있다. 이 때, 2차 소성온도는 1100 ~ 1200℃의 온도범위로 적용하는 것이 좋으며, 본 실시예에서는 1150℃를 소성온도로 하였다.The unit cell may be manufactured by combining the cathode molded body by laminating or screen printing on the primary fired body manufactured as described above, and firing it again to manufacture the secondary fired body. At this time, the secondary firing temperature is preferably applied in the temperature range of 1100 ~ 1200 ℃, in this embodiment 1150 ℃ as the firing temperature.

위 1차소성체의 소성온도범위는 최적의 미세구조를 구현하고 치밀한 전해질체를 얻을 수 있는 온도범위로서 그 임계적 의의가 있고, 또한, 위 2차소성체의 소성온도범위는 공기극의 미세구조를 구현하기 위한 온도범위로서, 위 온도범위의 상한을 넘는 경우, 과소결로 인해 미세구조가 변화되며, 하한 미만인 경우에는 공기극의 소성체가 적정한 강도나 기공크기를 가질 수 없게 되므로, 위 범위에서 임계적 의의가 있다. The firing temperature range of the primary firing body has a critical significance as a temperature range for realizing an optimal microstructure and obtaining a dense electrolyte, and the firing temperature range of the secondary firing material realizes a microstructure of the cathode. As the temperature range for the above, when the upper limit of the above temperature range is exceeded, the microstructure changes due to oversintering, and if it is below the lower limit, the plastic body of the cathode cannot have the appropriate strength or pore size. have.

위와 같은 제조예의 간단한 변형예로서 다음과 같은 공정도 제안될 수 있다. 즉, 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질을 혼합하여 연료극용 슬러리로 제조하는 단계; 상기 슬러리를 테잎캐스팅 방법에 의해 성형하여 연료극 성형체를 제조하는 단계; 상기 연료극 성형체에 고체전해질 성형체 및 공기극 성형체를 적층하는 단계; 및 상기 적층된 성형체를 소성하여 단위전지를 제작하는 단계;로 구성되도록 할 수도 있는데, 이와 같이 소성하는 경우에는 연료극과 고체전해질과 공기극을 동시소성하는 것이 가능해서 공정경제에 이바지할 수 있다. As a simple modification of the above production example, the following process may also be proposed. That is, mixing the starting material containing a nickel oxide, YSZ, Li 2 TiO 3 catalyst to prepare a slurry for the anode; Molding the slurry by a tape casting method to produce an anode molded body; Stacking a solid electrolyte compact and a cathode compact on the anode compact; And firing the laminated molded body to produce a unit cell. In the case of firing in this way, it is possible to simultaneously fire the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode, thereby contributing to the process economy.

이 때, 소성온도범위는 연료극과 고체전해질과 공기극의 각 소성온도를 감안하여 위 1차소성체의 온도범위와 2차소성체의 온도범위의 중간범위, 예를 들어 1200 ~ 1350℃의 범위에서 구현할 수 있으며, 비록 최적의 온도범위는 아니나, 본 출원인이 실험한 바로는 연료전지로서 작동이 가능한 것을 알 수 있었다. At this time, the firing temperature range may be implemented in the intermediate range of the temperature range of the primary and secondary plastics, for example, 1200 ~ 1350 ℃ considering the firing temperatures of the anode, the solid electrolyte and the cathode. And, although it is not the optimum temperature range, it was found that the present inventors can operate as a fuel cell.

1200℃ 이하의 경우에는 소결이 진행되지 않으며, 1350℃ 이상인 경우에는 연료전지로서 작동이 불가능할 정도로 공기극의 미세구조가 파괴되기 때문에 위 범위에서 온도를 유지하는 것이 바람직하다.If the temperature is less than 1200 ° C., the sintering does not proceed. If the temperature is 1350 ° C. or more, it is preferable to maintain the temperature in the above range because the microstructure of the cathode is destroyed to such an extent that it cannot be operated as a fuel cell.

물론, 이와 같은 경우에는 상대적으로 낮은 공기극의 소성온도를 감안하여 연료극과 고체전해질의 소성온도를 낮출 수 있도록 소결조제를 첨가할 수도 있다.Of course, in this case, a sintering aid may be added to lower the firing temperatures of the anode and the solid electrolyte in view of the relatively low firing temperature of the cathode.

도 1은 본 발명에 의한 연료극용 촉매로서 Li2TiO3를 합성하는 공정에 관하여 나타낸 흐름도,1 is a flow chart showing a process for synthesizing Li 2 TiO 3 as a catalyst for an anode according to the present invention;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3의 열처리온도에 따른 X선 분석결과를 나타내는 그래프,Figure 2 is a graph showing the X-ray analysis results according to the heat treatment temperature of Li 2 TiO 3 prepared by one embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명에 의한 Li2TiO3를 촉매로 하여 연료극을 제조하고, 이러한 연료극을 구성요소로 하는 연료전지의 카본 피독 반응을 실험하여 나타낸 그래프,FIG. 3 is a graph illustrating an anode prepared using Li 2 TiO 3 according to the present invention and experimenting with carbon poisoning reaction of a fuel cell including the anode as a component; FIG.

도 4는 상용 Li2TiO3의 입도분포와 본 발명에 의해 합성된 Li2TiO3의 입도를 비교하여 나타낸 입도분포 그래프,4 is a particle size distribution graph comparing the particle size distribution of commercial Li 2 TiO 3 and the particle size of Li 2 TiO 3 synthesized according to the present invention;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3를 촉매로 첨가한 연료극의 전기전도도를 위 촉매가 첨가되지 않은 연료극과 비교하여 나타낸 그래프,FIG. 5 is a graph showing the electrical conductivity of an anode in which Li 2 TiO 3 prepared by an embodiment of the present invention is added as a catalyst, compared with an anode in which the above catalyst is not added.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 Li2TiO3를 촉매로 첨가한 연료극의 최대출력밀도와 장기운전에 따른 전압 및 출력밀도의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프,Figure 6 is a graph showing the results of measuring the maximum output density of the anode and the change in voltage and output density according to long-term operation of the anode prepared by adding Li 2 TiO 3 catalyst according to an embodiment of the present invention,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 연료전지의 제조과정을 나타내는 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a manufacturing process of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

Claims (10)

탄화수소용 SOFC 단위전지에 있어서,In SOFC unit cell for hydrocarbon, 상기 단위전지는 니켈을 포함하는 물질을 연료극으로 하며, 상기 연료극에는 촉매로서 Li2TiO3가 첨가되어 니켈에 의한 탄소피독을 억제하는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The unit cell is a material containing nickel as a fuel electrode, SOFC unit cell for hydrocarbons, characterized in that Li 2 TiO 3 is added to the fuel electrode to suppress carbon poisoning by nickel. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료극은 600 ~ 800℃의 작동 온도범위에서 1400 ~ 1200 S/cm의 전기전도도를 나타내는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The anode is a hydrocarbon SOFC unit cell, characterized in that the electrical conductivity of 1400 ~ 1200 S / cm in the operating temperature range of 600 ~ 800 ℃. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료극은 35 ~ 45 %의 기공율을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The anode has a SOFC unit cell for a hydrocarbon, characterized in that having a porosity of 35 ~ 45%. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Li2TiO3는 연료극 중량대비 1 ~ 4 중량% 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The Li 2 TiO 3 is a SOFC unit cell for a hydrocarbon, characterized in that 1 to 4% by weight based on the weight of the anode. 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Li2TiO3는 Li2CO3와, TiO2 또는 Ti[OCH(CH3)2]4 중에서 선택되는 적어도 하나를 출발물질로 혼합하고, 700 ~ 900℃의 온도범위에서 6 ~ 24 시간 열처리하여 합성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The Li 2 TiO 3 is mixed with Li 2 CO 3 and at least one selected from TiO 2 or Ti [OCH (CH 3 ) 2 ] 4 as a starting material, heat treatment for 6 to 24 hours at a temperature range of 700 ~ 900 ℃ SOFC unit cell for a hydrocarbon, characterized in that synthesized by. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료극은 산화니켈, YSZ, Li2TiO3 촉매를 포함하는 출발물질로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.The anode is a SOFC unit cell for a hydrocarbon, characterized in that prepared from the starting material containing a nickel oxide, YSZ, Li 2 TiO 3 catalyst. 제 8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 출발물질에는 카본블랙이 더 첨가하며, 상기 카본블랙은 상기 산화니켈과 YSZ와 카본블랙 혼합 중량 대비 10중량% 첨가되는 것을 특징으로 하는 탄화수소용 SOFC 단위전지.Carbon black is further added to the starting material, and the carbon black is a SOFC unit cell for a hydrocarbon, characterized in that 10% by weight is added to the mixed weight of the nickel oxide, YSZ and carbon black. 삭제delete
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