KR101281772B1 - Solid oxide fuel cell and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
캐소드, 양 측에 각각 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드, 및 고체 산화물을 포함하는 전해질을 포함하고, 상기 애노드는 표면이 촉매로 코팅되고, 상기 촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 촉매 밀도가 커지거나 작아지는 밀도 구배를 가지는 것인 고체 산화물 연료 전지, 그리고 이의 제조 방법이 제공된다.A cathode, an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on each side, and an electrolyte comprising a solid oxide, the anode having a surface coated with a catalyst, the anode coated with the catalyst having the fuel gas inlet A solid oxide fuel cell, and a method for producing the same, having a density gradient of increasing or decreasing catalyst density from the side toward the fuel gas outlet side is provided.
Description
본 기재는 고체 산화물 연료 전지 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
The present disclosure relates to a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same.
고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell, SOFC)는 다양한 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 산소 이온을 잘 통과시키는 고체 산화물로 이루어진 전해질 양면에 캐소드(일명 "공기극"으로도 불림) 및 애노드(일명 "연료극"으로도 불림)가 위치하고, 공기 및 연료가 각각 캐소드 및 애노드에 공급됨으로써 작동된다. A solid oxide fuel cell (SOFC) is a device that converts the chemical energy of various fuels into electrical energy, and cathodes (also called "air electrodes") on both sides of electrolytes made of solid oxides that pass oxygen ions well. And an anode (also called "fuel electrode") are located and operated by supplying air and fuel to the cathode and the anode, respectively.
구체적으로, 캐소드에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온은 전해질을 통과하여 애노드로 공급되는 수소와 반응함으로써 전기, 열 및 물을 생성한다.Specifically, the oxygen ions produced by the reduction reaction of oxygen at the cathode react with the hydrogen supplied to the anode through the electrolyte to generate electricity, heat and water.
일반적으로 SOFC는 애노드 측에 존재하는 연료 기체 출구 쪽 온도가 연료 기체 입구 쪽 온도보다 높은 온도 구배를 가진다. 내부 개질 반응용 SOFC는 내부에서 연료의 개질 반응이 일어나는 것으로서, 애노드로 공급되는 메탄 가스 등은 고온에서 작동하는 SOFC의 특성상, 연료 기체 입구 측의 애노드에서 대부분 개질 반응에 참여하게 된다. 이 경우 개질 반응은 열역학적으로 흡열 반응임에 따라, 연료 기체 입구 측의 온도가 낮아지게 되어, SOFC 스택 전체의 온도 구배가 심화되는 문제가 발생한다.In general, SOFCs have a temperature gradient where the temperature on the fuel gas outlet side at the anode side is higher than the temperature on the fuel gas inlet side. SOFC for the internal reforming reaction is a reforming reaction of the fuel in the interior, methane gas and the like supplied to the anode is due to the nature of the SOFC operating at a high temperature, most of the participation in the reforming reaction at the anode on the fuel gas inlet side. In this case, since the reforming reaction is thermodynamically endothermic, the temperature at the fuel gas inlet side is lowered, resulting in a deeper temperature gradient across the SOFC stack.
이러한 온도 구배의 심화를 완화하기 위하여, 연료 기체 입구 측에 개질 반응의 촉매 역할을 하는 애노드를 인가하지 않는 기술이 발표되었으나, 이는 전해질 지지체형 SOFC에서만 적용할 수 있을 뿐 애노드 지지체형 SOFC에서는 적용이 불가하며, 또한 셀의 유휴 면적을 감소시켜 셀당 전력 생산량이 감소된다.
In order to alleviate this temperature gradient, a technique of not applying an anode serving as a catalyst for the reforming reaction at the fuel gas inlet side has been published, but it is applicable only to an electrolyte-supported SOFC, but is not applicable to an anode-supported SOFC. It is not possible and also reduces the idle area of the cell, thereby reducing the power output per cell.
본 발명의 일 측면은 고체 산화물 연료 전지 스택 전체의 온도 구배를 완화하여 전지 성능이 우수한 고체 산화물 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.One aspect of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having excellent cell performance by alleviating the temperature gradient of the entire solid oxide fuel cell stack.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공하기 위한 것이다.Yet another aspect of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack including the solid oxide fuel cell.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
Another aspect of the present invention is to provide a method for producing the solid oxide fuel cell.
본 발명의 일 측면은 캐소드: 양 측에 각각 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드: 및 고체 산화물을 포함하는 전해질을 포함하고, 상기 애노드는 표면이 촉매로 코팅되고, 상기 촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 촉매 밀도가 커지거나 작아지는 밀도 구배를 가지는 것인 고체 산화물 연료 전지를 제공한다.One aspect of the present invention includes a cathode: an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on each side thereof, and an electrolyte comprising a solid oxide, the anode being coated with a catalyst and having a surface coated with the catalyst. The anode provides a solid oxide fuel cell having a density gradient that increases or decreases the catalyst density from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 밀도 구배는 불연속적(discrete) 형태 또는 연속적(continuous) 형태를 포함할 수 있다.The density gradient may comprise a discrete form or a continuous form.
상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The catalyst is a catalyst comprising Ni; A subcatalyst comprising Fe 2 O 3 , TiO 2 , Cr 2 O 3, or a combination thereof; Or combinations thereof.
상기 애노드의 표면에 코팅된 상기 정촉매의 밀도 비율은 5 내지 100% 일 수 있고, 상기 애노드의 표면에 코팅된 상기 부촉매의 밀도 비율은 0 내지 95% 일 수 있다. The density ratio of the cocatalyst coated on the surface of the anode may be 5 to 100%, and the density ratio of the subcatalyst coated on the surface of the anode may be 0 to 95%.
상기 정촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 정촉매 밀도가 커지는 밀도 구배를 가질 수 있고, 상기 부촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 부촉매 밀도가 작아지는 밀도 구배를 가질 수 있다.The anode coated with the cocatalyst may have a density gradient in which a cocatalyst density increases from the fuel gas inlet side toward the fuel gas outlet side, and the anode coated with the subcatalyst goes from the fuel gas inlet side toward the fuel gas outlet side. It may have a density gradient that decreases the density.
상기 고체 산화물 연료 전지는 내부 개질형 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있다.The solid oxide fuel cell may comprise an internally reformed solid oxide fuel cell.
상기 고체 산화물 연료 전지는 고온형 고체 산화물 연료 전지 또는 저온형 고체 산화물 연료 전지를 포함할 수 있다.The solid oxide fuel cell may include a high temperature solid oxide fuel cell or a low temperature solid oxide fuel cell.
본 발명의 다른 일 스크린 인쇄용 제판을 이용하여, 양 측에 각각 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드의 표면을 촉매로 밀도 구배를 가지도록 코팅하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법을 제공한다.Using another screen printing plate making of the present invention, a method of manufacturing a solid oxide fuel cell comprising coating a surface of an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on both sides with a density gradient as a catalyst To provide.
상기 스크린 인쇄용 제판은 스크린 원판 전체를 마스크로 마스킹(masking)하는 단계; 상기 마스킹된 스크린 원판에 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 패턴 부위의 마스크를 제거하여 촉매가 코팅되는 패터닝 영역을 형성하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 스크린 인쇄용 제판의 한쪽에서 다른 한쪽으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 변하도록 제작될 수 있다.The screen printing plate making may include masking the entire screen original with a mask; Forming a pattern on the masked screen disc; And removing a mask of the formed pattern portion to form a patterned region in which a catalyst is coated, and may be manufactured such that a ratio of the patterned region changes from one side of the screen printing plate to the other.
상기 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 높아지거나 낮아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행될 수 있다.The coating step may be performed using the screen printing plate making the ratio of the patterning area is higher or lower from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매; 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The catalyst is a catalyst comprising Ni; A subcatalyst comprising Fe 2 O 3 , TiO 2 , Cr 2 O 3, or a combination thereof; Or combinations thereof.
상기 정촉매로 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 높아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행될 수 있고, 상기 부촉매로 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 낮아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행될 수 있다.Coating with the cocatalyst may be performed using the screen printing plate making the ratio of the patterning area increase from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side, and coating with the subcatalyst is the fuel gas inlet side At the fuel gas outlet side may be performed using the screen printing plate making the ratio of the patterning area is lowered.
본 발명의 또 다른 일 측면은 연료 전지 중 어느 하나의 제1 고체 산화물 연료 전지, 상기 제1 고체 산화물 연료 전지와 동일하게 형성된 제2 고체 산화물 연료 전지, 및 상기 제1 고체 산화물 연료 전지와 제2 고체 산화물 연료 전지 사이에 위치하고, 캐소드 측 가스 유로 및 애노드 측 가스 유로를 포함하는 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택을 제공한다.According to another aspect of the present invention, a first solid oxide fuel cell of any one of a fuel cell, a second solid oxide fuel cell formed in the same manner as the first solid oxide fuel cell, and the first solid oxide fuel cell and the second A solid oxide fuel cell stack is provided between a solid oxide fuel cell and comprising a separator comprising a cathode side gas passage and an anode side gas passage.
기타 본 발명의 측면들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
Other aspects of the present invention are included in the following detailed description.
고체 산화물 연료 전지 스택 전체의 온도 구배를 완화하여 전지 성능이 우수한 고체 산화물 연료 전지를 구현할 수 있다.
By reducing the temperature gradient of the entire solid oxide fuel cell stack, it is possible to implement a solid oxide fuel cell having excellent cell performance.
도 1은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 2는 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 구조를 보여주는 상면도(top view)이다.
도 3은 일 구현예에 따라 애노드 표면에 코팅된 촉매의 밀도 구배의불연속적(discrete) 형태를 보여주는 그림이다.
도 4는 일 구현예에 따라 애노드 표면에 코팅된 촉매의 밀도 구배의 연속적(continuous) 형태를 보여주는 그림이다.
도 5는 일 구현예에 따라 애노드 표면을 부촉매로 코팅하는 단계를 보여주는 개략도이다.
도 6은 일 구현예에 따라 애노드 표면을 정촉매로 코팅하는 단계를 보여주는 개략도이다.
도 7은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택의 구조를 보여주는 개략도이다.1 is a schematic view showing the structure of a solid oxide fuel cell according to one embodiment.
2 is a top view illustrating a structure of a solid oxide fuel cell according to an embodiment.
3 shows a discrete form of density gradient of a catalyst coated on an anode surface according to one embodiment.
4 is a diagram showing a continuous form of a density gradient of a catalyst coated on an anode surface according to one embodiment.
5 is a schematic diagram illustrating coating an anode surface with a cocatalyst according to one embodiment.
6 is a schematic view showing coating of an anode surface with a cocatalyst according to one embodiment.
7 is a schematic view showing the structure of a solid oxide fuel cell stack according to one embodiment.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, it should be understood that the present invention is not limited thereto, and the present invention is only defined by the scope of the following claims.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. Like parts are designated with like reference numerals throughout the specification. Whenever a portion of a layer, film, region, plate, or the like is referred to as being "on" another portion, it includes not only the case where it is "directly on" another portion, but also the case where there is another portion in between. Conversely, when a part is "directly over" another part, it means that there is no other part in the middle.
본 명세서에서 특별한 언급이 없는 한, "측"이란 용어는 애노드, 연료 기체 입구 또는 연료 기체 출구의 근접한 부분에 위치함을 나타낸다. Unless otherwise specified herein, the term "side" refers to being located in proximity to the anode, fuel gas inlet or fuel gas outlet.
이하에서 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to an embodiment will be described with reference to the drawings.
도 1은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 구조를 보여주는 개략도이고, 도 2는 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 구조를 보여주는 상면도(top view)이다.1 is a schematic view showing a structure of a solid oxide fuel cell according to an embodiment, and FIG. 2 is a top view showing a structure of a solid oxide fuel cell according to an embodiment.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지(10)는 애노드(12), 캐소드(16), 그리고 상기 애노드(12) 및 상기 캐소드(16) 사이에 위치하는 고체 산화물을 포함하는 전해질(14)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a solid
도 2를 참고하면, 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지(10)는 애노드(12)와 전해질(14) 사이에서, 상기 애노드(12)의 양 측에 각각 위치하는 연료 기체 입구(13) 및 연료 기체 출구(15)를 포함한다. Referring to FIG. 2, a solid
도 2는 일 예로 전해질 지지형 고체 산화물 연료 전지를 도시한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 연료 기체 입구 및 상기 연료 기체 출구는 단위 전지 내부에 포함될 수도 있으나, 외부에 포함될 수도 있다. 2 illustrates an electrolyte-supported solid oxide fuel cell as an example, but is not limited thereto. That is, the fuel gas inlet and the fuel gas outlet may be included inside the unit cell or may be included outside.
상기 애노드(12)는 표면이 촉매로 코팅되어 있으며, 표면은 부위 마다 밀도가 다른 밀도 구배를 가진다.The
구체적으로, 상기 연료 기체 입구(13)에 인접한 부분의 애노드(12) 표면, 즉, 연료 기체 입구(13) 측의 애노드(12) 표면에서 상기 연료 기체 출구(15)에 인접한 부분의 애노드(12) 표면, 즉, 연료 기체 출구(15) 측의 애노드(12) 표면으로 갈수록 촉매 밀도가 커지거나 작아지는 밀도 구배를 가질 수 있다. Specifically, the
상기 밀도 구배의 형태는 도 3 및 4를 참고하여 설명될 수 있다.The form of the density gradient can be described with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3은 일 구현예에 따라 애노드 표면에 코팅된 촉매의 밀도 구배의불연속적(discrete) 형태를 보여주는 그림이며, 도 4는 일 구현예에 따라 애노드 표면에 코팅된 촉매의 밀도 구배의 연속적(continuous) 형태를 보여주는 그림이다. 3 is a diagram showing a discrete form of density gradient of a catalyst coated on the anode surface according to one embodiment, and FIG. 4 is a continuous view of the density gradient of a catalyst coated on the anode surface according to one embodiment. ) Is a figure showing the shape.
도 3 및 4를 참고하면, 상기 밀도 구배는 애노드 표면에서 일정한 간격의 경계점을 기준으로 구간별로 밀도의 차이가 발생하는 불연속적 형태를 가질 수도 있으며, 또는 애노드 표면에서 일정한 간격의 경계점 없이 연속적으로 밀도의 차이가 발생하는 연속적 형태를 가질 수도 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, the density gradient may have a discontinuous form in which a difference in density occurs for each section based on a predetermined interval of boundary points on the anode surface, or continuously without density boundary points at the anode surface. It may have a continuous form where the difference of.
이와 같이 애노드 표면을 부위별로 다른 밀도의 촉매로 코팅함으로써 개질 반응이 일어나는 위치를 제어하고, 그에 따라 고체 산화물 연료 전지 스택 전체의 온도 구배를 완화할 수 있다.In this way, by coating the anode surface with a catalyst having a different density for each site, it is possible to control the location where the reforming reaction occurs, thereby alleviating the temperature gradient throughout the solid oxide fuel cell stack.
상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매; 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다.The catalyst is a catalyst comprising Ni; A subcatalyst comprising Fe 2 O 3 , TiO 2 , Cr 2 O 3, or a combination thereof; Or combinations thereof.
다시 말하면, 애노드 표면은 정촉매로 코팅될 수도 있고, 부촉매로 코팅될 수도 있고, 또한 정촉매 및 부촉매가 혼합되어 코팅될 수도 있다. 구체적으로는 애노드 표면에 코팅된 상기 정촉매의 밀도 비율은 5 내지 100% 일 수 있으며, 상기 부촉매의 밀도 비율은 0 내지 95% 일 수 있다. In other words, the anode surface may be coated with a cocatalyst, may be coated with a cocatalyst, or may be coated with a mixture of the cocatalyst and the cocatalyst. Specifically, the density ratio of the positive catalyst coated on the anode surface may be 5 to 100%, and the density ratio of the subcatalyst may be 0 to 95%.
구체적으로, 상기 정촉매로 애노드 표면을 코팅할 경우, 상기 연료 기체 입구 측의 애노드 표면에서 상기 연료 기체 출구 측의 애노드 표면으로 갈수록 정촉매 밀도가 커지는 밀도 구배를 가질 수 있다. 이 경우 연료 기체 입구 측의 애노드 표면은 최소의 정촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최소가 된다. 반대로 연료 기체 출구 측의 애노드 표면은 최대의 정촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최대가 된다. 이에 따라 개질 반응이 고온부인 연료 기체 출구 측에서 주로 일어남으로써 연료 기체 출구 측의 열점의 온도를 낮추게 되어, 온도 구배의 심화가 완화될 수 있다.Specifically, when the anode surface is coated with the cocatalyst, the cocatalyst density may increase from the anode surface of the fuel gas inlet side to the anode surface of the fuel gas outlet side. In this case, since the anode surface on the fuel gas inlet side is coated with the minimum cocatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are minimized. On the contrary, since the anode surface on the fuel gas outlet side is coated with the maximum cocatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are maximized. As a result, the reforming reaction mainly occurs at the fuel gas outlet side, which is a high temperature portion, thereby lowering the temperature of the hot spot on the fuel gas outlet side, thereby alleviating intensification of the temperature gradient.
또한 상기 부촉매로 애노드 표면을 코팅할 경우, 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 부촉매 밀도가 작아지는 밀도 구배를 가질 수 있다. 이 경우 연료 기체 입구 측의 애노드 표면은 최대의 부촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최소가 된다. 반대로 연료 기체 출구 측의 애노드 표면은 최소의 부촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최대가 된다. 이에 따라, 개질 반응이 고온부인 연료 기체 출구 측에서 주로 일어남으로써 연료 기체 출구 측의 열점의 온도를 낮추게 되어, 온도 구배의 심화가 완화될 수 있다. In addition, when the anode surface is coated with the subcatalyst, the subcatalyst density may be reduced from the fuel gas inlet side toward the fuel gas outlet side. In this case, since the anode surface on the fuel gas inlet side is coated with the maximum subcatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are minimized. On the contrary, since the anode surface on the fuel gas outlet side is coated with a minimum subcatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are maximized. Accordingly, the reforming reaction mainly occurs at the fuel gas outlet side, which is a high temperature portion, thereby lowering the temperature of the hot spot on the fuel gas outlet side, so that a deepening of the temperature gradient can be alleviated.
상기 애노드(12)는 니켈, 귀금속(예, Pt) 등의 금속상; 및 지르코니아(zirconia), 안정화된 지르코니아(예, 이트리아, 스칸디아(scandia) 등으로 안정화된 지르코니아), 세리아(ceria), 도핑된 세리아(예, 란타늄(lanthanum), 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium) 등으로 도핑된 세리아) 등을 포함하는 세라믹상을 포함하는 서멧(cermet) 등이 사용될 수 있다.The
상기 전해질(14)은 안정화된 지르코니아(예, 이트리아, 스칸디아 등으로 안정화된 지르코니아), 도핑된 세리아, 이온 전도성 세라믹 물질 등이 사용될 수 있다. The
상기 캐소드(16)는 란타늄 스트론튬 망가나이트(lanthanum strontium manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 철 코발타이트(lanthanum strontium iron cobaltite, LSCF), 란타늄 스트론튬 망간 코발타이트(lanthanum strontium manganese cobaltite, LSMC) 등과 같은 전기전도성 페롭스카이트 물질이 사용될 수 있다. The
상기와 같이 애노드 표면이 촉매의 밀도 구배를 가지며 코팅된 고체 산화물 연료 전지는 내부 개질형 고체 산화물 연료 전지에 주로 적용될 수 있다.As described above, the anode surface has a density gradient of the catalyst and the coated solid oxide fuel cell may be mainly applied to an internal reforming solid oxide fuel cell.
또한 상기 고체 산화물 연료 전지는 고온형 고체 산화물 연료 전지 또는 저온형 고체 산화물 연료 전지 모두에 적용될 수 있다. 구체적으로, 고온형 고체 산화물 연료 전지는 개질 반응이 빠르게 일어나므로 애노드 표면을 부촉매로 코팅할 수 있으며, 저온형 고체 산화물 연료 전지는 개질 반응이 느리게 일어나므로 애노드 표면을 정촉매로 코팅할 수 있다.The solid oxide fuel cell may also be applied to both a high temperature solid oxide fuel cell or a low temperature solid oxide fuel cell. Specifically, the high temperature solid oxide fuel cell may coat the anode surface with a subcatalyst because the reforming reaction occurs quickly, and the low temperature solid oxide fuel cell may coat the anode surface with the cocatalyst because the reforming reaction occurs slowly.
상기 고체 산화물 연료 전지는 양 측에 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드의 표면을 촉매로 밀도 구배를 가지도록 코팅하는 단계를 포함하여 제조될 수 있다. The solid oxide fuel cell may be manufactured by coating a surface of an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on both sides with a catalyst having a density gradient.
상기 코팅은 스크린 인쇄법으로 수행될 수 있으며, 상기 스크린 인쇄법은 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 상기 애노드의 표면에 촉매를 코팅하는 방법이다. The coating may be performed by screen printing, and the screen printing is a method of coating a catalyst on the surface of the anode using screen printing.
상기 스크린 인쇄법은 다음과 같이 수행될 수 있다. The screen printing method may be performed as follows.
우선 스크린 인쇄용 제판을 제작한다. 상기 스크린 인쇄용 제판은 스크린 원판 전체를 마스크로 마스킹(masking)하는 단계; 상기 마스킹된 스크린 원판에 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 패턴의 마스크를 제거하여 촉매가 코팅되는 패터닝 영역을 형성하는 단계를 포함하여 제작될 수 있다. 이때 상기 스크린 인쇄용 제판의 한쪽에서 다른 한쪽으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 변하도록 제작될 수 있다.First, screen printing is produced. The screen printing plate making may include masking the entire screen original with a mask; Forming a pattern on the masked screen disc; And removing the mask of the formed pattern to form a patterning region coated with a catalyst. In this case, the ratio of the patterning area may be changed from one side of the screen printing plate to the other.
이후, 애노드의 표면 위에 상기 스크린 인쇄용 제판을 위치시킨 후, 촉매를 포함하는 페이스트(paste)를 상기 스크린 인쇄용 제판에 인가하여 코팅을 수행한다. 이어서 상기 스크린 인쇄용 제판을 제거함으로써 코팅을 완료한다.Thereafter, the screen printing plate is placed on the surface of the anode, and then a paste including a catalyst is applied to the screen printing plate to perform coating. The coating is then completed by removing the screen printing plate making.
상기 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 촉매가 코팅되는 패터닝 영역의 비율이 점점 높아지거나 점점 낮아지도록 제작된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행될 수 있다.The coating may be performed by using a screen printing plate making such that the ratio of the patterning area to which the catalyst is coated is gradually increased or decreased from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
이하에서 구체적으로 상기 애노드 표면을 촉매로 코팅하는 방법을 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, a method of coating the anode surface with a catalyst will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 일 구현예에 따라 애노드 표면을 부촉매로 코팅하는 단계를 보여주는 개략도이다. 도 5는 부촉매로 코팅하는 방법의 일 예로, 패터닝 영역의 비율을 네 종류로 달리하여 제작된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 네 구간의 밀도 구배를 가지는 코팅을 나타낸 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다. 5 is a schematic diagram illustrating coating an anode surface with a cocatalyst according to one embodiment. FIG. 5 is an example of a method of coating with a cocatalyst, and illustrates a coating having a density gradient of four sections using a screen printing plate made by changing the ratio of the patterning area into four types, but is not limited thereto.
도 5를 참고하면, 우선 양 측에 연료 기체 입구(13) 및 연료 기체 출구(15)가 위치하는 애노드(12)를 준비한 후, 상기 애노드(12) 위에 스크린 인쇄용 제판(40)을 위치시키고, 부촉매를 포함하는 페이스트를 인가하여 코팅시킨다. 상기 코팅은 상기 연료 기체 입구(13) 측의 애노드(12) 표면에서 상기 연료 기체 출구(15) 측의 애노드(12) 표면으로 수행될 수 있고, 이때 촉매가 코팅되는 패터닝 영역(41)의 비율이 상기 연료 기체 입구(13) 측의 애노드(12) 표면에서 상기 연료 기체 출구(15) 측의 애노드(12) 표면으로 갈수록 점점 낮아지도록 제작된 스크린 인쇄용 제판(40)을 이용하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 5, first, an
이때 상기 패터닝 영역(41)은 촉매가 코팅되는 영역으로서 개구부를 나타낼 수 있고, 비패터닝 영역(42)은 촉매가 코팅되지 않는 영역으로서 폐쇄부를 나타낼 수 있다.In this case, the
이와 같이 상기 촉매가 코팅되는 패터닝 영역의 비율이 점점 낮아지도록 제작된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 부촉매로 애노드 표면을 코팅할 경우, 상기 연료 기체 입구 측 애노드 표면에서 상기 연료 기체 출구 측 애노드 표면으로 갈수록 부촉매 밀도가 작아지는 밀도 구배를 가질 수 있다. 이 경우 연료 기체 입구 측의 애노드 표면은 최대의 부촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최소가 된다. 반대로 연료 기체 출구 측의 애노드 표면은 최소의 부촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최대가 된다. 이에 따라 개질 반응이 고온부인 연료 기체 출구 측에서 주로 일어남으로써 온도 구배의 심화가 완화될 수 있다. As described above, when the anode surface is coated with the subcatalyst by using a screen printing plate which is manufactured such that the proportion of the patterning region coated with the catalyst is gradually lowered, the subcatalyst is gradually moved from the fuel gas inlet side anode surface to the fuel gas outlet side anode surface. It may have a density gradient that decreases the density. In this case, since the anode surface on the fuel gas inlet side is coated with the maximum subcatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are minimized. On the contrary, since the anode surface on the fuel gas outlet side is coated with a minimum subcatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are maximized. As a result, the reforming reaction mainly occurs at the fuel gas outlet side, which is a high temperature portion, so that the temperature gradient can be alleviated.
도 6은 일 구현예에 따라 애노드 표면을 정촉매로 코팅하는 단계를 보여주는 개략도이다. 도 6은 정촉매로 코팅하는 방법의 일 예로, 패터닝 영역의 비율을 네 종류로 달리하여 제작된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 네 구간의 밀도 구배를 가지는 코팅을 나타낸 것일 뿐, 이에 한정되지 않는다. 6 is a schematic view showing coating of an anode surface with a cocatalyst according to one embodiment. FIG. 6 illustrates an example of a coating having a density gradient of four sections using a screen printing plate made by changing the ratio of the patterning area into four types as an example of a method of coating with a catalyst, but is not limited thereto.
도 6을 참고하면, 우선 양 측에 연료 기체 입구(13) 및 연료 기체 출구(15)가 위치하는 애노드(12)를 준비한 후, 상기 애노드(12) 위에 스크린 인쇄용 제판(40)을 위치시키고, 정촉매를 포함하는 페이스트를 인가하여 코팅시킨다. 상기 코팅은 상기 연료 기체 입구(13) 측의 애노드(12) 표면에서 상기 연료 기체 출구(15) 측의 애노드(12) 표면으로 수행될 수 있고, 이때 촉매가 코팅되는 패터닝 영역(41)의 비율이 상기 연료 기체 입구(13) 측의 애노드(12) 표면에서 상기 연료 기체 출구(15) 측의 애노드(12) 표면으로 갈수록 점점 높아지도록 제작된 스크린 인쇄용 제판(40)을 이용하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 6, first, an
이와 같이 상기 촉매가 코팅되는 패터닝 영역의 비율이 점점 높아지도록 제작된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 정촉매로 애노드 표면을 코팅할 경우, 상기 연료 기체 입구 측 애노드 표면에서 상기 연료 기체 출구 측 애노드 표면으로 갈수록 정촉매 밀도가 커지는 밀도 구배를 가질 수 있다. 이 경우 연료 기체 입구 측의 애노드 표면은 최소의 정촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최소가 된다. 반대로 연료 기체 출구 측의 애노드 표면은 최대의 정촉매 밀도로 코팅되므로, 개질 반응의 활성도 및 흡열량은 최대가 된다. 이에 따라 개질 반응이 고온부인 연료 기체 출구 측에서 주로 일어남으로써 온도 구배의 심화가 완화될 수 있다. As described above, when the anode surface is coated with the positive catalyst by using a screen printing plate made so that the ratio of the patterning area coated with the catalyst is gradually increased, the catalyst is gradually moved from the fuel gas inlet side anode surface to the fuel gas outlet side anode surface. It may have a density gradient that increases in density. In this case, since the anode surface on the fuel gas inlet side is coated with the minimum cocatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are minimized. On the contrary, since the anode surface on the fuel gas outlet side is coated with the maximum cocatalyst density, the activity and endothermic amount of the reforming reaction are maximized. As a result, the reforming reaction mainly occurs at the fuel gas outlet side, which is a high temperature portion, so that the temperature gradient can be alleviated.
이와 같이, 패터닝 영역의 비율이 조절된 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 간단히 애노드 표면에 밀도 구배를 갖도록 촉매를 코팅할 수 있고, 애노드 표면에 원하는 부위 별로 촉매의 밀도를 조절할 수 있어 개질 반응이 일어나는 위치를 제어할 수 있으며, 이에 따라 고체 산화물 연료 전지 스택 전체의 온도 구배를 완화시킬 수 있다. As such, by using a screen printing plate with a controlled proportion of the patterning area, the catalyst can be simply coated to have a density gradient on the surface of the anode, and the density of the catalyst can be controlled on the surface of the anode for each desired portion, thereby determining the position at which the reforming reaction occurs. Control, thereby mitigating the temperature gradient across the solid oxide fuel cell stack.
이하에서 상기 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 구조를 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, a structure of a solid oxide fuel cell stack including the solid oxide fuel cell will be described with reference to the drawings.
도 7은 일 구현예에 따른 고체 산화물 연료 전지 스택의 구조를 보여주는 개략도이다.7 is a schematic view showing the structure of a solid oxide fuel cell stack according to one embodiment.
도 7을 참고하면, 애노드(12), 전해질(14) 및 캐소드(16)를 포함하는 고체 산화물 연료 전지를 단위 전지로 볼 수 있으며, 상기 단위 전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태의 스택 구조를 볼 수 있다.Referring to FIG. 7, a solid oxide fuel cell including an
1개의 단위 전지가 생산하는 전기 에너지의 양은 매우 제한적이므로 연료 전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위 전지를 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다. Since the amount of electric energy produced by one unit cell is very limited, it is inevitable to form a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked to utilize a fuel cell for power generation.
고체 산화물 연료 전지 스택(20)은 각각의 단위 전지를 연결할 때 애노드와 캐소드를 전기적으로 연결하면서 기체의 혼합을 막기 위한 분리판(22)을 포함한다.The solid oxide
상기 분리판(22)은 Fe-Cr을 기본으로 하는 페라이트계 스테인리스 강판을 사용할 수 있으며, 캐소드로 가는 캐소드 측 기체 유로(28)와 애노드로 가는 애노드 측 기체 유로(30)를 포함한다.
The
10: 고체 산화물 연료 전지
12: 애노드
14: 전해질
16: 캐소드
13: 연료 기체 입구
15: 연료 기체 출구
20: 고체 산화물 연료 전지 스택
22: 분리판
24: 애노드 측 엔드 플레이트
26: 캐소드 측 엔드 플레이트
28: 캐소드 측 기체 유로
30: 애노드 측 기체 유로
40: 스크린 인쇄용 제판
41: 패터닝 영역
42: 비패터닝 영역10: solid oxide fuel cell
12: anode
14: electrolyte
16: cathode
13: fuel gas inlet
15: fuel gas outlet
20: solid oxide fuel cell stack
22: separator
24: anode side end plate
26: cathode side end plate
28: cathode gas passage
30: gas path on the anode side
40: Screen Printing
41: patterning area
42: non-patterned area
Claims (15)
양 측에 각각 연료 기체 입구 및 연료 기체 출구가 위치하는 애노드: 및
고체 산화물을 포함하는 전해질을 포함하고,
상기 애노드는 표면이 촉매로 코팅되고,
상기 촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 촉매 밀도가 커지거나 작아지는 밀도 구배를 갖되,
상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매; 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지.Cathode:
An anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on each side thereof: and
An electrolyte comprising a solid oxide,
The anode is coated on the surface with a catalyst,
The anode coated with the catalyst has a density gradient that increases or decreases the catalyst density from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side,
The catalyst is a catalyst comprising Ni; A subcatalyst comprising Fe 2 O 3 , TiO 2 , Cr 2 O 3, or a combination thereof; Or a combination thereof.
상기 밀도 구배는 불연속적(discrete) 형태 또는 연속적(continuous) 형태를 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
Wherein said density gradient comprises a discrete form or a continuous form.
상기 애노드의 표면에 코팅된 상기 정촉매의 밀도 비율은 5 내지 100% 이고, 상기 애노드의 표면에 코팅된 상기 부촉매의 밀도 비율은 0 내지 95% 인 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
The density ratio of the cocatalyst coated on the surface of the anode is 5 to 100%, the density ratio of the subcatalyst coated on the surface of the anode is 0 to 95%.
상기 정촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 정촉매 밀도가 커지는 밀도 구배를 가지는 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
And the anode coated with the cocatalyst has a density gradient in which the cocatalyst density increases from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 부촉매로 코팅된 애노드는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 부촉매 밀도가 작아지는 밀도 구배를 가지는 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
And the anode coated with the subcatalyst has a density gradient such that the subcatalyst density decreases from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 고체 산화물 연료 전지는 내부 개질형 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
Wherein said solid oxide fuel cell comprises an internally reformed solid oxide fuel cell.
상기 고체 산화물 연료 전지는 고온형 고체 산화물 연료 전지 또는 저온형 고체 산화물 연료 전지를 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지.
The method of claim 1,
Wherein said solid oxide fuel cell comprises a high temperature solid oxide fuel cell or a low temperature solid oxide fuel cell.
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, the method comprising: coating a surface of an anode having a fuel gas inlet and a fuel gas outlet on each side using a screen printing plate to have a density gradient with a catalyst.
상기 스크린 인쇄용 제판은 스크린 원판 전체를 마스크로 마스킹(masking)하는 단계; 상기 마스킹된 스크린 원판에 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 형성된 패턴 부위의 마스크를 제거하여 촉매가 코팅되는 패터닝 영역을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 스크린 인쇄용 제판의 한쪽에서 다른 한쪽으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 변하도록 제작되는 것인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The screen printing plate making may include masking the entire screen original with a mask; Forming a pattern on the masked screen disc; And removing a mask of the formed pattern portion to form a patterning region to which a catalyst is coated.
And a ratio of the patterning area is changed from one side of the screen printing plate to the other.
상기 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 높아지거나 낮아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행되는 것인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 10,
Wherein the coating step is performed by using the screen printing plate making the ratio of the patterning area higher or lower from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 촉매는 Ni을 포함하는 정촉매; Fe2O3, TiO2, Cr2O3 또는 이들의 조합을 포함하는 부촉매; 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 10,
The catalyst is a catalyst comprising Ni; A subcatalyst comprising Fe 2 O 3 , TiO 2 , Cr 2 O 3, or a combination thereof; Or a combination thereof.
상기 정촉매로 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 높아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행되는 것인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.The method of claim 12,
The coating with the cocatalyst is performed using the screen printing plate making the ratio of the patterning area increases from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 부촉매로 코팅하는 단계는 상기 연료 기체 입구 측에서 상기 연료 기체 출구 측으로 갈수록 상기 패터닝 영역의 비율이 낮아지는 상기 스크린 인쇄용 제판을 이용하여 수행되는 것인 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.
The method of claim 12,
The coating with the subcatalyst is performed using the screen printing plate making the ratio of the patterning area is lowered from the fuel gas inlet side to the fuel gas outlet side.
상기 제1 고체 산화물 연료 전지와 동일하게 형성된 제2 고체 산화물 연료 전지; 및
상기 제1 고체 산화물 연료 전지와 제2 고체 산화물 연료 전지 사이에 위치하고, 캐소드 측 가스 유로 및 애노드 측 가스 유로를 포함하는 분리판을 포함하는 고체 산화물 연료 전지 스택.A first solid oxide fuel cell of any one of claims 1, 2 or 4;
A second solid oxide fuel cell formed in the same manner as the first solid oxide fuel cell; And
And a separator plate disposed between the first solid oxide fuel cell and the second solid oxide fuel cell, the separator including a cathode side gas passage and an anode side gas passage.
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