KR101177648B1 - Solid oxide fuel cells fueled by gasificating of solid carbon - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤, 상기 허니콤의 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극, 상기 연료극의 일면에 형성된 전해질층 및 상기 전해질층의 다른 일면에 형성된 공기극을 포함한다. 허니콤에서 고체 탄소연료를 가스화 촉매와 혼합하여 사용함으로써 가스화 반응을 촉진하여 높은 출력 밀도를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 회분이 제거된 고체 탄소연료를 사용함으로써 가스화 촉매의 비휘발성 무기물과의 상호작용에 의한 활성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 비휘발성 무기물의 침착에 의한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로, 이로 인해 고체산화물 연료전지의 보편화 및 경제성 향상을 달성할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 허니콤을 지지하는 다공성의 카트리지를 사용함으로써, 연료 가스만을 선택적으로 투과시키고 가스화 반응 후에 남는 촉매 무기물의 회수 및 재활용을 용이하게 할 수 있다.A solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a honeycomb including a solid carbon fuel and a gasification catalyst, a fuel electrode supplied with a fuel gas generated by gasifying the solid carbon fuel of the honeycomb, and one surface of the fuel electrode. The formed electrolyte layer and the cathode formed on the other surface of the electrolyte layer. In honeycomb, the use of a mixture of solid carbon fuel and a gasification catalyst can promote the gasification reaction to achieve a high power density. In addition, in the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using the solid carbon fuel from which ash is removed, it is possible to prevent deterioration of activity due to interaction with the nonvolatile inorganic material of the gasification catalyst. In addition, since the performance deterioration of the fuel cell due to the deposition of nonvolatile inorganic materials can be prevented, it is possible to achieve universalization and economical improvement of the solid oxide fuel cell. Furthermore, the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using a porous cartridge for supporting the honeycomb, can selectively permeate only the fuel gas and facilitate the recovery and recycling of the catalyst inorganic material remaining after the gasification reaction. have.

Description

고체 탄소를 가스화하여 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지{SOLID OXIDE FUEL CELLS FUELED BY GASIFICATING OF SOLID CARBON}SOLID OXIDE FUEL CELLS FUELED BY GASIFICATING OF SOLID CARBON}

고체 탄소를 가스화하여 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지가 개시된다. 더욱 상세하게는, 고체산화물 연료전지의 출력밀도 및 경제성을 개선시킨 연료전지가 개시된다.
Disclosed is a solid oxide fuel cell using gaseous solid gas as a fuel. More specifically, a fuel cell that improves the output density and economics of a solid oxide fuel cell is disclosed.

직접 탄소 연료전지는 탄소가 함유된 고체물질을 연료로 사용하는 연료전지로서, 탄소연료와 전해질을 통해 제공된 산소 음이온과의 반응을 통하여 전기를 생산한다. 스타치(starch), 섬유판(fiberboard), 폐타이어, 나무 등의 열분해 생성물(pyrolyzed product) 및 흑연(graphite), 석탄, 활성탄소(activated carbon), 코크(coke), 차(char) 등의 탄소를 풍부하게 함유한 고체물질이 탄소연료로 이용될 수 있다. 이때, 개방 회로 전압(open circuit voltage)은 0.8 ~ 1.3 V가 얻어지고, 탄소의 반응성은 입자 크기와 형상에 영향을 받으며, 일반적으로 탄소연료의 비표면적이 증가할수록 성능은 개선된다. 직접 탄소 연료전지의 이론적인 발전 효율은 연소반응(combustion reaction)을 통한 방법보다 2배 이상 우수하다. 높은 효율을 통하여 탄소 사용량을 줄일 수 있으며, 이에 따라 이산화탄소의 발생을 줄일 수 있다. 또한, 종래의 수소, 메탄, 가솔린, 디젤 연료들에 비해서 탄소연료는 높은 에너지 밀도(energy density)를 갖는다. 이는 탄소의 높은 산화가(oxidation state)에 의해 상대적으로 많은 산소를 소비할 수 있기 때문이다. 고체상의 탄소연료는 가연성/폭발성이 없으므로 안전한 사용이 가능하고, 가스상의 연료에 비해 운반이 용이하며, 일반적으로 가격도 저렴하다.A direct carbon fuel cell is a fuel cell that uses a carbon-containing solid material as a fuel, and generates electricity through a reaction between a carbon fuel and an oxygen anion provided through an electrolyte. Pyrolyzed products such as starch, fiberboard, waste tires, wood, and carbon such as graphite, coal, activated carbon, coke, char Solid materials containing abundantly may be used as the carbon fuel. In this case, the open circuit voltage is 0.8 ~ 1.3 V is obtained, the reactivity of the carbon is affected by the particle size and shape, in general, the performance is improved as the specific surface area of the carbon fuel increases. The theoretical power generation efficiency of a direct carbon fuel cell is more than twice as good as that of the combustion reaction. High efficiency can reduce the amount of carbon used, thereby reducing the generation of carbon dioxide. In addition, carbon fuel has a high energy density compared to conventional hydrogen, methane, gasoline and diesel fuels. This is because a relatively high amount of oxygen can be consumed by the high oxidation state of carbon. Solid carbon fuels are not flammable / explosive and therefore safe to use, are easier to transport than gaseous fuels, and are generally less expensive.

탄소는 상온/상압의 조건에서 비활성적이므로 400℃ 이상의 높은 온도에서만 연료로 사용될 수 있다. 그러므로, 고온의 연료전지로의 적용을 중심으로 이루어져 왔다. 크게 3가지 형태의 직접 탄소 연료전지가 연구되었다. 첫 번째는 용융 수산화(molten hydroxide) 전해질에 고체 탄소를 음극(anode)으로 사용하는 방식이며(문헌[Zecevic 등, Carbon, 42, 1983-1993, 2004]), 두 번째는 용융 탄산염(molten carbonate) 또는 주석염(molten tin)에 탄소를 혼합하여 음극으로 사용하는 방식으로 고체상 탄소연료의 물질 전달(mass transport)을 개선할 수 있다(Tao 등의 미국 특허 제6,692,861호, Lipilin 등의 미국 공개 특허 제2007/0269688호). 하지만, 용융염은 큰 부식성을 가지므로 시간의 경과에 따른 셀 성능 저하를 피할 수 없다. 마지막 방식은 종래의 고체산화물 연료전지(SOFC)를 바탕으로, 음극에 수소/탄화수소 등의 기체상의 연료 대신 고체 탄소를 사용한다(Chuang, 미국 공개 특허 제2007/0212584호). 고체 연료의 사용에 기인한 삼상경계(triple phase boundary)의 부족으로 탄소의 전기화학적 반응 참여는 미미하며, 주로 탄소 성분의 열분해에 의해 생성된 탄화수소, 수소, 일산화탄소 기체가 전기생산 반응에 참여한다. 고체연료과 전극/전해질간에는 접촉면적이 작으므로 부식에 의한 성능 감소는 무시할 수 있으나, 현재까지 실용적인 효율을 확보하지 못하였으며, 또한 비휘발물(non-volatile)인 재(ash) 및 원소 탄소(element carbon) 성분의 침착에 의해 셀 성능의 저하가 나타난다.Carbon is inert at room temperature / atmospheric conditions and can therefore be used as fuel only at temperatures above 400 ° C. Therefore, application has been made mainly to high temperature fuel cells. Three types of direct carbon fuel cells have been studied. The first is the use of solid carbon as the anode in molten hydroxide electrolytes (Zecevic et al., Carbon, 42, 1983-1993, 2004), and the second is molten carbonate. Alternatively, the mass transport of the solid carbon fuel may be improved by mixing carbon with molten tin as a cathode (US Patent No. 6,692,861 to Tao et al. And U.S. Pat. 2007/0269688). However, since molten salts have a large corrosiveness, deterioration of cell performance over time is inevitable. The last method is based on a conventional solid oxide fuel cell (SOFC), using solid carbon instead of gaseous fuel such as hydrogen / hydrocarbon at the cathode (Chuang, US Patent Publication 2007/0212584). Due to the lack of a triple phase boundary due to the use of solid fuels, participation in the electrochemical reaction of carbon is insignificant, mainly hydrocarbon, hydrogen, and carbon monoxide gases produced by pyrolysis of carbon components participate in the electricity production reaction. Due to the small contact area between the solid fuel and the electrode / electrolyte, the reduction in performance due to corrosion can be neglected, but practical efficiency has not been achieved until now, and also non-volatile ash and elemental carbon Degradation of cell performance is caused by the deposition of carbon) components.

석탄의 스팀 가스화(steam gasification)는 일반적으로 1000℃ 이상의 고온 및 ~ 30 bar 고압에서 수행될 때 실용성 있는 합성가스(syngas, 수소와 일산화탄소의 혼합물)의 생성 속도가 확보된다. 고온 고압의 가스화 조건은 경제성의 저하 및 공정의 위험성이 수반되므로 온화한 조건에서의 가스화를 위해 많은 연구가 진행되었다. 높은 반응성을 갖는 저등급 석탄은 1000℃ 이하의 낮은 온도에서 가스화할 수 있으나, 높은 수분함량 등의 문제에 의해 아직까지는 실용화 단계에 이르지 못했다. 저온(800 ~ 1000℃) 및 저압(< 5 bar)에서의 석탄 스팀 가스화는 촉매의 도입을 통하여 실현이 가능하다. 촉매로는 알칼리족, 알칼리토족, 및 일부 전이 금속 물질이 사용되며, 이들은 가스화 속도를 빠르게 함과 동시에 연료로서 유용한 수소의 생산 비율을 높인다. 하지만 사용된 촉매는 무기 회분과의 상호작용에 의해 촉매의 재활용이 어려운 문제점이 있다.
Steam gasification of coal is generally achieved at a rate of production of syngas (syngas, a mixture of hydrogen and carbon monoxide), which is practical when carried out at high temperatures above 1000 ° C. and at high pressures of ˜30 bar. Since gasification conditions at high temperatures and pressures are accompanied by deterioration of economic efficiency and process risks, many studies have been conducted for gasification under mild conditions. Low grade coal having high reactivity can be gasified at a low temperature of 1000 ° C. or lower, but has not yet been put to practical use due to problems such as high water content. Coal steam gasification at low temperatures (800-1000 ° C.) and low pressures (<5 bar) can be realized through the introduction of catalysts. Alkali, alkaline earth, and some transition metal materials are used as catalysts, which speed up the gasification rate and increase the production rate of hydrogen useful as fuel. However, the catalyst used has a problem that it is difficult to recycle the catalyst by interaction with the inorganic ash.

고체 탄소를 가스화하여 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지가 제공된다.
Provided is a solid oxide fuel cell which uses solid carbon as a fuel.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤, 상기 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극, 상기 연료극의 일면에 형성된 전해질층 및 상기 전해질층의 다른 일면에 형성된 공기극을 포함한다.A solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a honeycomb including a solid carbon fuel and a gasification catalyst, a fuel electrode supplied with a fuel gas generated by gasifying the solid carbon fuel, and an electrolyte layer formed on one surface of the fuel electrode. And an air electrode formed on the other surface of the electrolyte layer.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 고체 탄소연료는 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체 석탄 또는 고체탄소를 포함할 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention, the solid carbon fuel may include solid coal or solid carbon having an ash content of 1% by weight or less.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체탄소는 흑연(graphite), 활성탄소(activated carbon) 또는 카본 블랙(carbon black)일 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the solid carbon having an ash content of 1% by weight or less may be graphite, activated carbon, or carbon black.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체 석탄은 1 ~ 30%의 회분을 포함하는 석탄을 유기 용매에서 200 ~ 450℃ 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력에서 추출한 후 건조하여 제조될 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an aspect of the present invention, the solid coal having an ash content of 1% by weight or less may include coal containing 1 to 30% of ash in an organic solvent at a temperature of 200 to 450 ° C. and 1 to 30 bar. After extraction at a pressure of may be prepared by drying.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 유기 용매는 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 이황화탄소(CS2), 경질 사이클 오일(light cycle oil), 또는 테트라린(tetralin)일 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the organic solvent is 1-methylnaphthalene, 1-methyl-2-pyrrolidone, N-methyl-2-pyrrolidone, carbon disulfide (CS 2). ), Light cycle oil, or tetralin.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 전해질층은 30 ~ 300 ㎛ 두께이며, 공기극은 10 ~ 70 ㎛ 두께이고, 연료극은 30 ~ 300 ㎛의 두께일 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the electrolyte layer may have a thickness of 30 to 300 µm, the cathode may have a thickness of 10 to 70 µm, and the anode may have a thickness of 30 to 300 µm.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 허니콤의 구멍 크기는 50 ~ 400 cpsi(cells per square inch)일 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the pore size of the honeycomb may be 50 to 400 cpsi (cells per square inch).

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 허니콤은 점결제(caking agent)를 더 포함할 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an aspect of the present invention, the honeycomb may further include a caking agent.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 가스화 촉매는, 알칼리 금속 화합물(alkali metal compound), 알칼리 토금속 화합물(alkali earth metal compound), 또는 전이 금속 화합물(transition metal compound)일 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, the gasification catalyst may be an alkali metal compound, an alkali earth metal compound, or a transition metal compound.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 고체산화물 연료전지는 허니콤을 지지하는 다공성의 카트리지를 더 포함할 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention, the solid oxide fuel cell may further include a porous cartridge for supporting the honeycomb.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 카트리지는 상기 연료 가스를 선택적으로 투과시킬 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention, the cartridge may selectively permeate the fuel gas.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 카트리지는 10 ~ 50 ㎛의 세공(pore)으로 이루어질 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to one side of the present invention, the cartridge may be made of pores of 10 to 50 ㎛.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 카트리지는 코디어라이트(cordierite), 탄화규소(SiC), 세라믹 섬유질 물질, 또는 금속 섬유질 물질로 제조될 수 있다.
In the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention, the cartridge may be made of cordierite, silicon carbide (SiC), ceramic fibrous material, or metal fibrous material.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤, 상기 허니콤의 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극, 상기 연료극의 일면에 형성된 전해질층 및 상기 전해질층의 다른 일면에 형성된 공기극을 포함한다. 허니콤에서 고체 탄소연료를 가스화 촉매와 혼합하여 사용함으로써 가스화 반응을 촉진하여 높은 출력 밀도를 달성할 수 있다.A solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a honeycomb including a solid carbon fuel and a gasification catalyst, a fuel electrode supplied with a fuel gas generated by gasifying the solid carbon fuel of the honeycomb, and one surface of the fuel electrode. The formed electrolyte layer and the cathode formed on the other surface of the electrolyte layer. In honeycomb, the use of a mixture of solid carbon fuel and a gasification catalyst can promote the gasification reaction to achieve a high power density.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 회분이 제거된 고체 탄소연료를 사용함으로써 가스화 촉매의 비휘발성 무기물과의 상호 작용에 의한 활성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 비휘발성 무기물의 침착에 의한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로, 이로 인해 고체산화물 연료전지의 보편화 및 경제성 향상을 달성할 수 있다.In addition, in the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using the solid carbon fuel from which ash is removed, it is possible to prevent deterioration of activity due to interaction with the nonvolatile inorganic material of the gasification catalyst. In addition, since the performance deterioration of the fuel cell due to the deposition of nonvolatile inorganic materials can be prevented, it is possible to achieve universalization and economical improvement of the solid oxide fuel cell.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 허니콤을 지지하는 다공성의 카트리지를 사용함으로써, 연료 가스만을 선택적으로 투과시키고 가스화 반응 후에 남는 촉매 무기물의 회수 및 재활용을 용이하게 할 수 있다.
Furthermore, the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using a porous cartridge for supporting the honeycomb, can selectively permeate only the fuel gas and facilitate the recovery and recycling of the catalyst inorganic material remaining after the gasification reaction. have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 및 카트리지를 포함하는 고체산화물 연료전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a view schematically showing a solid oxide fuel cell including a honeycomb and a cartridge according to an embodiment of the present invention.

실시예의 설명에 있어서, 각 층, 공기극 또는 연료극 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
In the description of the embodiments, when described as being formed "on" or "under" of each layer, air electrode or fuel electrode, "on" and "under" are described. “Includes” both “directly” or “indirectly” other components. In addition, the upper or lower reference of each component is described with reference to the drawings.

이하에서는 하기의 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 허니콤 및 카트리지를 포함하는 고체산화물 연료전지를 개략적으로 나타내는 도면이다.1 is a view schematically showing a solid oxide fuel cell including a honeycomb and a cartridge according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤(2), 허니콤(2)의 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극(3), 연료극(3)의 일면에 형성된 전해질층(5) 및 전해질층(5)의 다른 일면에 형성된 공기극(4)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a honeycomb 2 including a solid carbon fuel and a gasification catalyst and a fuel generated by gasifying a solid carbon fuel of the honeycomb 2. A fuel electrode 3 to which gas is supplied, an electrolyte layer 5 formed on one surface of the fuel electrode 3, and an air electrode 4 formed on the other surface of the electrolyte layer 5 are included.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)는 고체 탄소연료를 내부 개질(internal reforming)을 통하여 가스화하여 직접 탄소 연료전지에 연료로서 공급한다. 즉, 가스화 촉매를 회분(ash)이 제거된 고체 탄소연료와 혼합하여 허니콤(honeycomb, 2)으로 만들고, 허니콤(2) 상에 배치된 수증기 스팀(6)과 탄소연료의 탄소-수증기 반응을 통해 생산된 가스를 연료극(3)에 공급한다.The solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention gasifies the solid carbon fuel through internal reforming and directly supplies it as fuel to the carbon fuel cell. That is, the gasification catalyst is mixed with the ash-free solid carbon fuel to make honeycomb 2, and the carbon-vapor reaction of the steam steam 6 and the carbon fuel disposed on the honeycomb 2 is performed. The produced gas is supplied to the anode 3.

고체산화물 연료전지는, 하기와 같은 공기극(4)에서의 반응 및 연료극(3)에서의 반응을 통해 작동된다. 즉, 공기(7)가 공기극(4)에서 전기화학적으로 환원되면서 산소이온이 생성되고, 생성된 산소이온은 전해질층(5)의 세공을 통하여 확산되고, 수소, 탄화수소, 일산화탄소 등이 연료극(3)에서 산소이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고, 물 또는 이산화탄소를 생성함으로써 전기를 발생시킨다.The solid oxide fuel cell is operated through the reaction at the cathode 4 and the reaction at the anode 3 as follows. That is, as the air 7 is electrochemically reduced in the cathode 4, oxygen ions are generated, and the generated oxygen ions diffuse through the pores of the electrolyte layer 5, and hydrogen, hydrocarbons, carbon monoxide, and the like are discharged from the anode 3. Electrochemically oxidizes by combining with oxygen ions in) gives off electrons and generates electricity by generating water or carbon dioxide.

공기극에서의 반응 O2 + 4e- ⇔ 2O2 - Reaction at the cathode O 2 + 4e - ⇔ 2O 2 -

연료극에서의 반응 2O2 - + 2H2 ⇔ 2H2O + 4e- Reaction in the fuel electrode 2O 2 - + 2H 2 ⇔ 2H 2 O + 4e -

전해질층(5)은 산소이온의 전도성은 크나 전자전도성은 거의 없어야 한다. 또한, 전해질층(5)은 공기극(4) 및 연료극(3)과 잘 접합하여야 하고, 가스가 통과하지 않도록 치밀할 수 있다. 나아가, 전해질층(5)은 800 ~ 1000℃의 온도 범위에서의 산화, 환원 조건에서 화학적 안정성이 우수해야 한다. 전해질층(5)은 산소 음이온(oxide ion)을 선택적으로 투과하는 이트리아 안정화된 지르코니아(Yttria stabilized Zirconia, YSZ)로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The electrolyte layer 5 should have a high conductivity of oxygen ions but little electron conductivity. In addition, the electrolyte layer 5 should be bonded to the air electrode 4 and the fuel electrode 3 well, and can be compact so that gas does not pass. Furthermore, the electrolyte layer 5 should be excellent in chemical stability under oxidation and reduction conditions in the temperature range of 800 ~ 1000 ℃. The electrolyte layer 5 may be made of Yttria stabilized zirconia (YSZ) that selectively permeates oxygen ions, but is not limited thereto.

공기극(4)은 산소가 확산되도록 다공성이고, 전자 및 산소이온 전도성이 우수해야 한다. 또한, 공기극(4)은 산소의 환원반응에 대한 분극저항이 작고, 고온의 산소기류하에 상안정성이 우수해야 한다. 나아가, 공기극(5)은 전해질과의 계면에서 화학적으로 안정해야 하며, 열팽창률이 다른 재료와 유사할 수 있다. 공기극(5)은 스트론튬(Sr)이 20% 도핑(doping)된 란탄늄 망간나이트(La0.8Sr0.2MnO3-x)가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The cathode 4 should be porous to allow oxygen to diffuse, and have excellent electron and oxygen ion conductivity. In addition, the cathode 4 should have a low polarization resistance against oxygen reduction reaction and excellent phase stability under high temperature oxygen airflow. Furthermore, the cathode 5 should be chemically stable at the interface with the electrolyte, and may have a similar coefficient of thermal expansion as other materials. The cathode 5 may be lanthanum manganese (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3-x ) doped with 20% strontium (Sr), but is not limited thereto.

연료극(3)은 수소가 확산되도록 다공성이고, 전자 및 이온전도성이 우수해야 한다. 또한, 연료극(3)은 수소의 산화반응에 분극저항이 작고, 고온의 수소기류하에 상안정성이 우수해야 한다. 나아가, 연료극(3)은 전해질과의 계면에서 화학적으로 안정해야 하며, 열팽창률이 다른 재료와 유사할 수 있다. 연료극(3)은 니켈산화물과 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)의 혼합물이 소결되어 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The anode 3 must be porous to allow hydrogen to diffuse, and have excellent electron and ion conductivity. In addition, the anode 3 should have a low polarization resistance in the oxidation reaction of hydrogen and excellent phase stability under a high temperature hydrogen stream. Further, the anode 3 should be chemically stable at the interface with the electrolyte, and may have a similar thermal expansion coefficient to other materials. The anode 3 may be used by sintering a mixture of nickel oxide and yttria stabilized zirconia (YSZ), but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지에서는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매가 혼합된 허니콤(2)을 성형함으로써 허니콤(2)의 고체 탄소연료와 수증기(6)가 반응하여 생성된 연료 가스가 연료극(3)에 공급될 수 있다. 허니콤(2)에 포함되는 고체 탄소연료는 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 석탄 또는 고체탄소를 포함할 수 있다. 즉, 고체 탄소연료에는 촉매의 비활성화의 원인이 되는 회분이 거의 포함되지 않음으로써 회분의 침착을 방지할 수 있다.In the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by forming a honeycomb 2 mixed with a solid carbon fuel and a gasification catalyst, the solid carbon fuel of the honeycomb 2 and water vapor 6 are generated to react. Fuel gas may be supplied to the anode 3. The solid carbon fuel included in the honeycomb 2 may include coal or solid carbon having an ash content of 1% by weight or less. That is, the solid carbon fuel hardly contains ash which causes catalyst deactivation, thereby preventing the deposition of ash.

허니콤(2)에 포함되는 고체 탄소연료는 회분 함량이 1 중량% 이하인 석탄 10 ~ 100 중량% 및 회분 함량이 1 중량% 이하인 고체탄소 0 ~ 90%를 섞어 500 ㎛ 이하로 분쇄한 후 0 ~ 20 중량%의 하기의 점결제(caking agent)를 첨가하여 혼합한 후 기계로 성형하여 제조될 수 있다.The solid carbon fuel included in the honeycomb (2) is pulverized to 500 μm or less by mixing 10 to 100% by weight of coal having an ash content of 1% by weight or less and 0 to 90% of solid carbon having an ash content of 1% by weight or less, and then 0 to 20 wt% of the following caking agent may be added, mixed and then molded into a machine.

회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체탄소는 흑연(graphite), 활성탄소(activated carbon) 또는 카본 블랙(carbon black)일 수 있으며, 탄소 함량이 90% 이상인 탄소 물질 등을 포함할 수 있다. 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체 석탄은 1 ~ 30%의 회분을 포함하는 석탄을 유기 용매에서 200 ~ 450℃ 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력에서 추출한 후 건조하여 제조될 수 있다. 여기서, 회분은 산화규소(SiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(FeOx), 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO), 산화티타늄(TiO2), 산화나트륨(Na2O) 등의 무기물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 사용된 유기 용매는 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 이황화탄소(CS2), 경질 사이클 오일(light cycle oil), 또는 테트라린(tetralin)일 수 있다.The solid carbon having an ash content of 1 wt% or less may be graphite, activated carbon, or carbon black, and may include a carbon material having a carbon content of 90% or more. Solid ash having an ash content of 1% by weight or less may be prepared by extracting coal containing 1 to 30% of ash in an organic solvent at a temperature of 200 to 450 ° C. and a pressure of 1 to 30 bar, followed by drying. Here, the ash content is silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), iron oxide (FeOx), calcium oxide (CaO), magnesium oxide (MgO), titanium oxide (TiO 2 ), sodium oxide (Na 2 O It may include inorganic materials such as), but is not limited thereto. In addition, the organic solvent used is 1-methylnaphthalene, N-methyl-2-pyrrolidone, carbon disulfide (CS 2 ), light cycle oil ), Or tetralin.

이와 같이 회분이 제거된 고체 탄소연료를 사용함으로써 비휘발성 무기물의 침착에 의한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있으며, 이로 인해 고체산화물 연료전지의 보편화 및 경제성 향상을 달성할 수 있다.By using the solid carbon fuel from which ash is removed in this way, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell due to deposition of nonvolatile inorganic materials, thereby achieving the generalization and economical efficiency of the solid oxide fuel cell.

또한, 고체 탄소연료의 가스화를 촉진하는 가스화 촉매를 허니콤(2)에 함께 포함시킬 수 있다. 가스화 촉매는, 염화나트륨(NaCl), 탄산칼륨(K2CO3) 등의 알칼리 금속 화합물(alkali metal compound), 산화칼슘(CaO) 등의 알칼리 토금속 화합물(alkali earth metal compound), 철(Fe)과 니켈(Ni) 등의 전이 금속 화합물(transition metal compound), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 허니콤(2)에 포함된 가스화 촉매로 인해, 탄소-수증기 반응을 촉진하여 높은 출력 밀도를 달성할 수 있다.In addition, a gasification catalyst for promoting the gasification of solid carbon fuel can be included in the honeycomb 2 together. Gasification catalysts include alkali metal compounds such as sodium chloride (NaCl) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ), alkaline earth metal compounds such as calcium oxide (CaO), iron (Fe) and Transition metal compounds such as nickel (Ni), or mixtures thereof. Due to the gasification catalyst contained in the honeycomb 2, it is possible to promote the carbon-vapor reaction to achieve a high power density.

촉매를 고체 탄소연료에 담지하는 방법은 분산을 최적화하여 촉매에 의한 반응성을 증대하도록 침투법(impregnation), 막자사발(mortar & pestle)을 이용한 고체상 혼합, 및 촉매 화합물 수용성 용액에 고체연료를 분산한 후 pH 조절을 통해 촉매를 담지하는 방법 등이 사용될 수 있다.The method of supporting the catalyst in solid carbon fuel is performed by impregnation, solid phase mixing using mortar & pestle, and dispersion of the solid fuel in the aqueous solution of the catalyst compound to optimize the dispersion and increase the reactivity by the catalyst. After the pH adjustment, a method of supporting the catalyst may be used.

가스화기(gasifier)는 종류에 따라 연료 물질의 성질이 제한될 수 있다. 에를 들어, 고정층(fixed bed) 가스화기에서 연료는 수증기의 투과를 위해 점결되지 않아야(non-caking) 하므로 높은 기계적 강도를 가진 연료가 적합하다. 분류층(entrained bed) 가스화기는 입자 크기가 작을수록 높은 효율을 보이므로 연료는 다른 반응기보다 훨씬 작은 입자로 분쇄되어야 한다. Gasifiers may have limited properties of fuel materials, depending on their type. For example, in fixed bed gasifiers, fuels with high mechanical strength are suitable because the fuel must be non-caking for permeation of water vapor. Entrained bed gasifiers exhibit higher efficiency with smaller particle sizes, so the fuel has to be pulverized into much smaller particles than other reactors.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 상기와 같은 허니콤(2)을 통해 연료의 물리적 성질에 의한 제한을 최소화할 수 있다. 더 구체적으로 설명하면, 허니콤(2)에 포함된 고체 탄소연료와 가스화 촉매의 혼합물은 고체산화물 연료전지의 작동 온도인 700 ~ 1000℃에서 수증기(6)와 반응하여 연료가스를 생산한다. 이때, 수증기(6)와 고체 탄소연료의 반응은 상기 가스화 촉매를 통하여 활성화되므로, 반응물과 촉매간의 접촉은 생산 효율을 결정하는 중요한 요소일 수 있다. 따라서, 고체 탄소연료와 가스화 촉매의 혼합물을 포함하는 허니콤(2)을 50 ~ 400 cpsi(cells per square inch) 구멍 크기로 제작함으로써 표면적을 증가시켜서 기체상인 수증기와의 접촉을 확대하여 탄소-수증기 반응을 촉진할 수 있다.Solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention can minimize the restriction due to the physical properties of the fuel through the honeycomb (2) as described above. More specifically, the mixture of the solid carbon fuel and the gasification catalyst included in the honeycomb 2 reacts with the water vapor 6 at 700 to 1000 ° C., which is the operating temperature of the solid oxide fuel cell, to produce fuel gas. At this time, since the reaction between the water vapor 6 and the solid carbon fuel is activated through the gasification catalyst, the contact between the reactant and the catalyst may be an important factor in determining the production efficiency. Therefore, honeycomb (2) containing a mixture of solid carbon fuel and gasification catalyst is manufactured in a pore size of 50 to 400 cpsi (cells per square inch) to increase the surface area to expand the contact with gaseous water vapor, thereby increasing the carbon-vapor. May promote the reaction.

또한, 본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지에서, 허니콤(2)은 점결제(caking agent)를 더 포함하여 고체 탄소연료와 가스화 촉매 혼합물의 허니콤 성형을 용이하게 해준다. 점결제는 당밀, 전분, 또는 피치(pitch)일 수 있으며 이에 제한되지 않는다.In addition, in the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention, the honeycomb 2 further includes a caking agent to facilitate honeycomb molding of the mixture of the solid carbon fuel and the gasification catalyst. The caking agent may be, but is not limited to, molasses, starch, or pitch.

나아가, 고체 탄소연료와 가스화 촉매를 포함하는 허니콤(2)은 연료극(3)과 근접하여 배치되어, 연료전지에 사용되는 열원(heat source)을 공유함으로써 추가적인 승온장치가 필요하지 않기 때문에 가열을 위한 추가적인 에너지 소비를 줄일 수 있다.Furthermore, the honeycomb 2 comprising a solid carbon fuel and a gasification catalyst is arranged in close proximity to the anode 3 and shares the heat source used in the fuel cell so that heating is not necessary because no additional heating device is required. Can further reduce energy consumption.

본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는 기계적 강도(mechanical strength)의 확보를 위해 연료극(2) 지지형 또는 전해질(5) 지지형 구조로 제작될 수 있다. 전해질층(5)은 30 ~ 300 ㎛ 두께이고, 공기극(4)은 10 ~ 70 ㎛ 두께이고, 연료극(3)은 30 ~ 300 ㎛의 두께로 제작되어 기계적 강도를 확보할 수 있다.
The solid oxide fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention may be manufactured with a fuel electrode (2) supported type or an electrolyte (5) supported type structure in order to secure mechanical strength. The electrolyte layer 5 has a thickness of 30 to 300 μm, the air electrode 4 has a thickness of 10 to 70 μm, and the fuel electrode 3 has a thickness of 30 to 300 μm, thereby securing mechanical strength.

본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지는 허니콤(2)을 지지하는 다공성의 카트리지(1)를 더 포함할 수 있다. 즉, 허니콤(2)은 촉매 무기물의 회수 및 재활용을 위해 카트리지(1)에 수용될 수 있다. 또한, 카트리지(1)를 지지하는 카트리지 지지체(8)를 더 포함할 수 있다.Solid oxide fuel cell according to one side of the present invention may further include a porous cartridge (1) for supporting the honeycomb (2). That is, the honeycomb 2 may be accommodated in the cartridge 1 for the recovery and recycling of the catalyst inorganic material. It may further include a cartridge support 8 for supporting the cartridge 1.

카트리지(1)는 고체 탄소연료과 수증기(6)의 반응으로 생성된 연료 가스만을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 카트리지(1)는 10 ~ 50 ㎛의 세공(pore)으로 이루어질 수 있다. 카트리지(1)는 코디어라이트(cordierite), 탄화규소(SiC), 세라믹 섬유질 물질, 또는 금속 섬유질 물질로 제조될 수 있다.The cartridge 1 can selectively permeate only the fuel gas produced by the reaction of the solid carbon fuel with the water vapor 6. The cartridge 1 may be made of pores of 10 to 50 μm. The cartridge 1 may be made of cordierite, silicon carbide (SiC), ceramic fibrous material, or metal fibrous material.

고체 탄소연료 및 수증기의 반응에 의해 모든 탄소연료는 소모되나, 촉매 무기물(염화나트륨, 탄산칼륨, 산화칼슘, 철과 니켈 화합물 등)들은 남게 된다. 이러한 무기물들이 연료극 표면에 지속적으로 쌓이게 되면 생성된 연료 가스가 연료극으로 이동하는 것을 방해하여 연료전지의 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측에 따른 고체산화물 연료전지는 상기와 같은 카트리지를 포함함으로써, 연료 가스는 투과시키고 촉매 무기물은 여과시켜서 탄소연료가 소진된 후 카트리지 교환을 통하여 간단하게 촉매 무기물을 회수할 수 있다. 나아가, 회수된 카트리지에서 수거된 촉매 등을 재활용함으로써 경제성을 확보할 수 있다.
All carbon fuel is consumed by the reaction of solid carbon fuel and steam, but catalytic inorganics (sodium chloride, potassium carbonate, calcium oxide, iron and nickel compounds, etc.) remain. If these inorganic materials are continuously accumulated on the surface of the anode, the generated fuel gas may be prevented from moving to the anode, thereby reducing the efficiency of the fuel cell. Therefore, the solid oxide fuel cell according to one aspect of the present invention includes the cartridge as described above, so that the fuel gas is permeated and the catalyst inorganic material is filtered so that the catalyst inorganic material can be easily recovered through cartridge replacement after the carbon fuel is exhausted. have. Furthermore, economic efficiency can be ensured by recycling the catalyst and the like collected from the recovered cartridge.

결국, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤, 상기 허니콤의 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극, 상기 연료극의 일면에 형성된 전해질층 및 상기 전해질층의 다른 일면에 형성된 공기극을 포함한다. 허니콤에서 고체 탄소연료를 가스화 촉매와 혼합하여 사용함으로써 가스화 반응을 촉진하여 높은 출력 밀도를 달성할 수 있다.As a result, a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a honeycomb including a solid carbon fuel and a gasification catalyst, a fuel electrode supplied with a fuel gas generated by gasifying the solid carbon fuel of the honeycomb, and the fuel electrode. An electrolyte layer formed on one surface and the air electrode formed on the other surface of the electrolyte layer. In honeycomb, the use of a mixture of solid carbon fuel and a gasification catalyst can promote the gasification reaction to achieve a high power density.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 회분이 제거된 고체 탄소연료를 사용함으로써 가스화 촉매의 비휘발성 무기물과의 상호 작용에 의한 활성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 비휘발성 무기물의 침착에 의한 연료전지의 성능 저하를 방지할 수 있으므로, 고체산화물 연료전지의 보편화 및 경제성 향상을 달성할 수 있다.In addition, in the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using the solid carbon fuel from which ash is removed, it is possible to prevent deterioration of activity due to interaction with the nonvolatile inorganic material of the gasification catalyst. In addition, since the performance deterioration of the fuel cell due to the deposition of nonvolatile inorganic materials can be prevented, it is possible to achieve the generalization and economical improvement of the solid oxide fuel cell.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체산화물 연료전지는, 허니콤을 지지하는 다공성의 카트리지를 사용함으로써, 연료 가스만을 선택적으로 투과시키고 가스화 반응 후에 남는 촉매 무기물의 회수 및 재활용을 용이하게 할 수 있다.
Furthermore, the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention, by using a porous cartridge for supporting the honeycomb, can selectively permeate only the fuel gas and facilitate the recovery and recycling of the catalyst inorganic material remaining after the gasification reaction. have.

고체산화물 연료전지의 Solid oxide fuel cell 연료극Fuel electrode , , 전해질층Electrolyte layer , , 공기극Air pole 제작 making

평판형 연료전지는 니켈과 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ)가 4:6으로 섞인 혼합물을 소결하여 약 200 ㎛ 두께의 가스 투과성 다공성 연료극(3)을 만들어 지지체로 사용하였다. 연료극의 일 면에는 이트리아 안정화된 지르코니아(YSZ) 전해질 용액(5)을 반복하여 딥 코팅(dip coating) 하여 약 30 ㎛ 두께의 전해질을 코팅하였고, 이러한 전해질 위로 스트론튬(Sr)이 20% 도핑된 란탄늄 망간나이트(La0 .8Sr0 .2MnO3 -x) 슬러리(slurry)를 스크린 프린팅(screen printing)한 후 소결하여 약 50 ㎛ 두께의 공기극(5)을 만들었다.
In the flat fuel cell, a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia (YSZ) 4: 4 was sintered to make a gas permeable porous fuel electrode 3 having a thickness of about 200 μm, and used as a support. One surface of the anode was repeatedly dip coated with an yttria stabilized zirconia (YSZ) electrolyte solution (5) to coat an electrolyte of about 30 μm thickness, and 20% of strontium (Sr) was doped over the electrolyte. lanthanum manganese night (La Sr 0 .8 .2 0 -x MnO 3) by sintering after a slurry (slurry), screen printing (screen printing) made the cathode (5) of about 50 ㎛ thickness.

고체 탄소원료로서 석탄의 제조Production of Coal as Solid Carbon Raw Material

회분 함량이 약 12%인 아역청탄을 유기 용매인 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene)을 이용한 열추출(thermal extraction) 방법으로 회분(ash)을 제거하였다. 원탄을 75 ㎛ 이하로 분쇄한 후 0.5 L 부피의 오토클레이브(autoclave)에 넣고 원탄 질량의 5배인 1-메틸나프탈렌 용매에 넣고 교반한다. 질소를 이용하여 잔존하는 산소를 제거한 후 교반하면서 370℃의 온도 및 30 bar의 압력 조건에서 1시간 동안 유지하였다. 이렇게 열처리된 혼합물을 스테인레스스틸 필터(stainless steel filter)를 이용하여 가용분과 불용분을 분리하였다. 이 중 회분이 없는 가용분을 약 100℃의 진공 오븐(vacuum oven)에서 질소를 흘려주며, 건조하여 고체 탄소원료로서 석탄을 제조하였다. 제조된 석탄은 통상 200 ppm 이하의 회분을 포함하였다.
Ash (bituminous ash) having an ash content of about 12% was removed by thermal extraction using 1-methylnaphthalene, an organic solvent. The raw coal is pulverized to 75 μm or less and placed in a 0.5 L autoclave and placed in a 1-methylnaphthalene solvent which is 5 times the mass of the raw coal and stirred. The residual oxygen was removed using nitrogen and then maintained at a temperature of 370 ° C. and a pressure of 30 bar for 1 hour while stirring. The heat-treated mixture was separated from the soluble and insoluble components using a stainless steel filter. Of these, ash-free solubles were flowed with nitrogen in a vacuum oven at about 100 ° C. and dried to prepare coal as a solid carbon raw material. The coal produced typically contained up to 200 ppm of ash.

가스화 촉매의 분산Dispersion of Gasification Catalyst

전체 질량대비 5 중량%의 탄산칼륨(K2CO3) 촉매를 고체 탄소연료와 혼합한 후 막자사발(mortar & pestle)을 이용한 고체상 혼합 방법을 사용하여 고체연료에 담지하였다.
5 wt% potassium carbonate (K 2 CO 3 ) catalyst was mixed with the solid carbon fuel and then supported on the solid fuel using a solid phase mixing method using mortar & pestle.

촉매와 고체 탄소연료 혼합물의 Of catalyst and solid carbon fuel mixture 허니콤Honeycomb (( honeycombhoneycomb ) 성형Molding

상기에서 제조된 석탄 80 g과 회분을 함유하지 않은 고체탄소 20 g을 혼합하여 전단에 200 메쉬(mesh)의 스크린이 장착된 스크류 분쇄기(screw crusher)에 넣어 75 ㎛ 이하로 분쇄 및 혼합하였다. 이후 전체질량 대비 2 중량%의 전분과 미량의 물을 첨가하여 혼합한 후 기계로 100 cpsi 허니콤을 성형하였다.
80 g of the coal prepared above and 20 g of ash-free solid carbon were mixed and put into a screw crusher equipped with a 200 mesh screen at the front end, and pulverized and mixed to 75 μm or less. Since 2% by weight of starch and a small amount of water to the total mass was added and mixed, the machine was molded 100 cpsi honeycomb.

카트리지 지지체의 제조Preparation of Cartridge Supports

무기원료인 보에마이트(boehmite), 카올린(kaolin), 탈크(talc), 및 스테아타이트(steatite)를 적당량 혼합하여 코디어라이트(cordierite, (Mg,Fe)2Al4Si5O18) 조성을 구성하고, 볼 밀(ball mill)로 입자크기를 40 ㎛ 이하로 준비하였다. 여기에 적당량의 물, 미네랄 오일(mineral oil), 올레인산(oleic acid)를 성형제로 첨가하여 몰드 성형하고 이후 소결하여 카트리지 지지체를 제조하였다.
Inorganic raw materials boehmite, kaolin, talc, and steatite are mixed in an appropriate amount to form cordierite (Mg, Fe) 2 Al 4 Si 5 O 18 ) The particle size was set to 40 μm or less by using a ball mill. An appropriate amount of water, mineral oil, and oleic acid were added to the mold as a molding agent, followed by sintering to prepare a cartridge support.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

1 : 카트리지 2 : 허니콤
3 : 연료극 4 : 공기극
5 : 전해질층 6 : 수증기 스팀
7 : 공기 8 : 카트리지 지지체
1: cartridge 2: honeycomb
3: fuel electrode 4: air electrode
5: electrolyte layer 6: steam steam
7: air 8: cartridge support

Claims (13)

고체 탄소연료를 가스화하여 연료로서 사용하는 고체산화물 연료전지에 있어서,
고체 탄소연료 및 가스화 촉매를 포함하는 허니콤(honeycomb);
상기 고체 탄소연료가 가스화되어 발생된 연료 가스가 공급되는 연료극;
상기 연료극의 일면에 형성된 전해질층; 및
상기 전해질층의 다른 일면에 형성된 공기극을 포함하는 고체산화물 연료전지.
In a solid oxide fuel cell using a solid carbon fuel gasified as a fuel,
Honeycombs including solid carbon fuels and gasification catalysts;
A fuel electrode to which a fuel gas generated by gasifying the solid carbon fuel is supplied;
An electrolyte layer formed on one surface of the fuel electrode; And
Solid oxide fuel cell comprising an air electrode formed on the other side of the electrolyte layer.
제1항에 있어서,
상기 고체 탄소연료는 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체 석탄 또는 고체탄소를 포함하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The solid carbon fuel is a solid oxide fuel cell comprising a solid coal or solid carbon having an ash content of 1% by weight or less.
제2항에 있어서,
상기 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체탄소는 흑연(graphite), 활성탄소(activated carbon) 또는 카본 블랙(carbon black)인 고체산화물 연료전지.
The method of claim 2,
The solid carbon having an ash content of 1% by weight or less is graphite, activated carbon, or carbon black.
제2항에 있어서,
상기 회분(ash) 함량이 1 중량% 이하인 고체 석탄은 1 ~ 30%의 회분을 포함하는 석탄을 유기 용매에서 200 ~ 450℃ 온도 및 1 ~ 30 bar의 압력에서 추출한 후 건조하여 제조되는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 2,
The solid coal having ash content of 1% by weight or less is a solid oxide fuel prepared by extracting coal containing 1 to 30% of ash in an organic solvent at a temperature of 200 to 450 ° C. and a pressure of 1 to 30 bar and then drying it. battery.
제4항에 있어서,
상기 유기 용매는 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene), N-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 이황화탄소(CS2), 경질 사이클 오일(light cycle oil), 또는 테트라린(tetralin)인 고체산화물 연료전지.
The method of claim 4, wherein
The organic solvent is 1-methylnaphthalene, N-methyl-2-pyrrolidone, carbon disulfide (CS 2 ), light cycle oil, or Tetralin solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 전해질층은 30 ~ 300 ㎛ 두께이고, 상기 공기극은 10 ~ 70 ㎛ 두께이ㅁ며 상기 연료극은 30 ~ 300 ㎛의 두께인 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The electrolyte layer is 30 ~ 300 ㎛ thick, the cathode is 10 ~ 70 ㎛ thick and the anode is 30 ~ 300 ㎛ thick solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 허니콤의 구멍 크기는 50 ~ 400 cpsi(cells per square inch)인 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The honeycomb pore size is 50 ~ 400 cpsi (cells per square inch) solid oxide fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 허니콤은 점결제(caking agent)를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The honeycomb solid oxide fuel cell further comprises a caking agent (caking agent).
제1항에 있어서,
상기 가스화 촉매는, 알칼리 금속 화합물(alkali metal compound), 알칼리 토금속 화합물(alkali earth metal compound), 또는 전이 금속 화합물(transition metal compound)인 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
The gasification catalyst is an alkali metal compound, an alkaline earth metal compound, or a transition metal compound.
제1항에 있어서,
상기 허니콤을 지지하는 다공성의 카트리지를 더 포함하는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 1,
Solid oxide fuel cell further comprises a porous cartridge for supporting the honeycomb.
제10항에 있어서,
상기 카트리지는 상기 연료 가스를 선택적으로 투과시키는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 10,
And the cartridge selectively permeates the fuel gas.
제10항에 있어서,
상기 카트리지는 10 ~ 50 ㎛의 세공(pore)으로 이루어진 고체산화물 연료전지.
The method of claim 10,
The cartridge is a solid oxide fuel cell consisting of pores of 10 ~ 50 ㎛.
제10항에 있어서,
상기 카트리지는 코디어라이트(cordierite), 탄화규소(SiC), 세라믹 섬유질 물질, 또는 금속 섬유질 물질로 제조되는 고체산화물 연료전지.
The method of claim 10,
The cartridge is a solid oxide fuel cell made of cordierite, silicon carbide (SiC), ceramic fibrous material, or metal fibrous material.
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