KR101602157B1 - 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템 - Google Patents

바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 제 1 측면은, 40% 이상의 수소를 포함하고 주요 가스 성분으로서 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄 성분으로 구성된 바이오 합성가스를 개질기를 적용하지 않고 직접 연료가스로 적용하는 고체산화물 연료전지로서, 다공성 공기극(1), 전해질 치밀막(2), 다공성 연료극(3) 외에 추가적으로, 카본 침적 및 피독 방지를 위해 Ni-YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 연료극 복합체에 바륨(Ba)이 첨가 및 고용된 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 부가적으로 형성시킨 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 제 2 측면은, 고압펌프, 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20), 필터(30) 및 가액분리기(40)를 포함하여 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정을 적용한 바이오 합성가스 생산 시스템으로부터 연료가스를 직접 공급받고 바이오 합성가스를 연료가스로 적용하여 고체산화물 연료전지(SOFC)를 추가적으로 포함하는 복합시스템에 있어서, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는, 전기에너지와 열에너지를 발생시키며 발생된 고온의 열에너지 중의 전부 또는 일부를 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20)의 열원으로 제공하는 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템을 제공함에 있다.
이에 의해, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 상용화함으로써, 백금(Pt) 등의 귀금속 촉매를 이용하는 개질기를 사용하지 않기 때문에 전체 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 가격을 낮추는 효과를 제공한다.

Description

바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템{Solid Oxide Fuel Cell based on direct bio-syngas, and combined bio-syngas production and Solid Oxide Fuel Cell system}
본 발명은 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 특정 연료가스를 개질기의 사용 없이 직접 연료가스로 사용하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, "SOFC")에 관한 것으로, 바이오 가스 중에서도 수소 함량이 40% 이상인 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄을 주성분으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 고체산화물 연료전지를 포함하는 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템에 관한 것이다.
세라믹 이온 전도체 치밀막 및 세라믹 다공성 전극(공기극 및 연료극) 물질을 핵심 구성요소로 적용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 연료전지 유형 중 가장 고온 구동이 가능한 연료전지로, 800℃ 전후의 고온에서 수소 및 다양한 탄화수소계 연료를 대기 중의 산소가스와 직접 전기화학반응을 통하여 전기에너지와 열에너지로 변환시키는 미래 발전 기술에 해당한다.
이러한 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고온 구동의 장점으로 여러 연료전지 유형 중에서 가장 높은 전력 변환 효율과 수백 와트(W)급의 소형 전원으로부터 가스터빈과 연계한 메가와트(MW)급 대형 분산발전용으로 활용할 수 있으며 그 응용분야도 일반 가정 및 빌딩용, 수송용 보조전원, 대형 선박용 전원 및 대형 분산 발전용 등으로 다양화시킬 수 있어 환경 친화적인 차세대 전력 공급 장치로서 주목받고 있다.
또 다른 장점으로는 고분자 전해질형 연료전지와는 다르게 연료극에서 자체적으로 연료개질이 발생하여 고순도 수소 이외에도 천연가스 등과 같은 각종 탄화수소계 연료를 개질기 없이 사용할 수 있으며 백금 계열의 귀금속 촉매 전극이 필요 없어 가격적으로 경쟁력이 있는 장점을 제공한다.
그러나 이러한 연료극에서의 내부 개질 반응은 이론적인 것으로서 천연가스 등을 직접 연료로 사용할 경우 현재 사용 중인 니켈(Ni) 연료극 물질 표면에 카본이 침적되는 한계점이 있어 아직까지는 천연가스 등을 개질기를 통해 65% 이상으로 수소가 포함된 합성가스로 전환하여 연료가스로 적용하고 있다.
또한 본격적인 수소경제 시대가 오기까지는 천연가스, 도시가스 및 셰일가스 등의 화석 에너지를 기반으로 한 연료가스가 주로 적용될 예정이지만, 최근에는 바이오 에너지의 활발한 응용 분야로서 바이오 가스를 연료전지용 연료가스로 개발하는 연구 또한 활발히 진행되고 있으며 최근 미국의 애플사에 설치되는 10MW급 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 이러한 바이오 가스가 적용되고 있다.
통상의 연료전지용 바이오 가스는 정제과정을 통해 97% 이상의 순도를 갖는 바이오 메탄 가스로서 이러한 바이오 메탄 가스 또한 고체산화물 연료전지(SOFC)용 연료가스로 적용하기 위해서는 개질기를 통해 고함량 수소가 포함된 합성가스로 전환시켜 사용해야 한다. 따라서 바이오 가스를 직접 고체산화물 연료전지(SOFC)용 연료가스로서 적용하기 위해서는 내부 개질 반응에서도 카본 피독이 없는 연료극 신소재의 적용하는 방법과 아울러 고 함량 수소가 포함된 바이오 합성가스를 직접 연료가스로 적용하는 방법을 고려해야 한다.
[관련기술문헌]
1. 고체산화물 연료전지용 소재, 상기 소재를 포함하는 고체산화물 연료전지용 양극 및 고체산화물 연료전지(Material for solid oxide fuel cell, and cathode for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell including the material) (특허출원번호 제10-2012-0046432호)
2. 고체산화물 연료전지용 고체전해질 제조 방법 및 이를 이용한 고체산화물 연료전지 제조 방법(Fabrication methods of solid electrolyte of solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell using the same) (특허출원번호 제10-10-2009-0073651호)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바이오 가스를 직접 고체산화물 연료전지(SOFC) 연료가스로 적용하기 위해서 수소 함량이 40% 이상인 바이오 합성가스를 적용하고 카본 피독 특성을 개선하기 위해서 첨가 물질이 포함된 연료극 소재를 이용하여 기존 수소 연료가스를 적용한 출력 특성 대비 90% 이상의 높은 출력 특성을 갖도록 하기 위한 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템을 제공하기 위한 것이다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는, 40% 이상의 수소를 포함하고 주요 가스 성분으로서 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄 성분으로 구성된 바이오 합성가스를 개질기를 적용하지 않고 직접 연료가스로 적용하는 고체산화물 연료전지로서, 다공성 공기극(1), 전해질 치밀막(2), 다공성 연료극(3) 외에 추가적으로, 카본 침적 및 피독 방지를 위해 Ni-YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 연료극 복합체에 바륨(Ba), 구리(Cu), 주석(Sn), 산화세륨(CeO2), 지르코늄(Zr), 가돌리윰(Gd), 사마륨(Sm) 및 이트륨(Y)이 첨가 및 고용된 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 부가하여 형성한다.
이때, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는 목질계 바이오 오일, 음식물 쓰레기, 바이오 디젤 생산 공정에서 발생하는 유기성 폐기물, 축산 분뇨, 주류 생산 공정에서 발생하는 유기성 폐기물과 같은 바이오 매스를 아임계수 조건 또는 초임계수 조건의 가스화 공정을 이용하여 생산되는 바이오 합성가스를 직접 연료가스로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지에 적용되는 카본 침적 및 피독 방지를 위한 바이오 가스용 다공성 연료극(4)은, "총중량대비, A = Ni-YSZ = 30-70wt%, YSZ = Yttria stabilized Zirconia (Y2O3 = 3-10mol%),B = CeO2, M doped Ceria (M=Zr, Y, Gd, Sm, La, Pr, M=10-40mol%)= 30-50wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음, C = Ba, Cu, Sn = 1-20wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음"의 조성으로 배합되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지가 단전지로 제작시 전해질을 100 내지 300um의 두께로 전해질 지지체로 적용하고 양면에 5 내지 50um의 두께로 전극으로 형성한 평판형 전해질 지지체형 단전지를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는 다공성 연료극(3) 및 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 포함하는 연료극을 500 내지 2,000um의 두께로 연료극 지지체로 적용하고 전해질 치밀막(2)과 다공성 공기극(1)이 각각 1 내지 30um 및 1 내지 50um의 두께로 형성된 평판형 및 튜브형 연료극 지지체형 단전지로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
또한, 본 발명에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는 단순 튜브형 구조 세라믹 재료를 지지체로 하고 지지체 표면에 여러 개의 마디 셀들을 연결시킨 다전지식(segment-type) 단전지로 형성하는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 고압펌프, 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20), 필터(30) 및 가액분리기(40)를 포함하여 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정을 적용한 바이오 합성가스 생산 시스템으로부터 연료가스를 직접 공급받고 바이오 합성가스를 연료가스로 적용하여 고체산화물 연료전지(SOFC)를 추가적으로 포함하는 복합시스템에 있어서, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는, 전기에너지와 열에너지를 발생시키며 발생된 고온의 열에너지 중의 전부 또는 일부를 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20)의 열원으로 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 상용화함으로써, 백금(Pt) 등의 귀금속 촉매를 이용하는 개질기를 사용하지 않기 때문에 전체 고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템의 가격을 낮추는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 국내에서 자급자족할 수 있는 바이오매스를 사용하기 때문에 천연가스 등 수입에 의존하는 화석연료 가스에 대한 수입대체 효과를 이룰 수 있으며 폐목재, 폐음식물 쓰레기 등의 폐기물 처리비용을 절약하면서 고체산화물 연료전지(SOFC) 연료가스로 전환시켜 고효율 에너지 자원으로 활용하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 바이오 에너지의 상대적으로 화석연료 대비 지구 온난화 방지 효과가 뛰어나다는 장점을 활용함으로써, 지구 환경 보호에도 크게 이바지하는 효과를 제공한다.
뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지, 그리고 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 아임계 또는 초임계수 가스화 공정으로부터 바이오매스로부터 연료가스를 생산하고 고체산화물 연료전지(SOFC)를 구동할 경우, 그리고 복합 시스템으로 구성할 경우에는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 폐열을 아임계 또는 초임계수 가스화 공정의 열원으로 사용하고 가스화 공정에서 나오는 고온의 유출수를 난방 및 온수로 재활용할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지에 대해서 단전지로 구성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지 중 단전지를 이용하여, 순수한 수소 연료가스와 바이오 합성가스를 연료로서 구동시킨 후 출력 특성을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지에 대해서 단전지로 구성된 상태를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 1은 바이오 가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)용 단전지의 단면도로서 일반적으로 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는 다공성 공기극(1), 전해질 치밀막(2) 및 다공성 연료극(3) 외에 바이오 가스의 적용에 따른 카본 피독을 방지하기 위한 바이오 가스용 다공성 연료극(4)이 추가적으로 적용되어 형성된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템을 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 2는 바이오매스(biomass)를 이용한 아임계 또는 초임계 가스화 공정과 고체산화물 연료전지(SOFC)를 복합 시스템으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템은, 고압펌프, 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20), 필터(30) 및 가액분리기(40)를 포함하는 바이오 합성가스 생산 시스템을 포함한다. 그리고 추가적으로, 도 1에서의 바이오 합성가스를 연료가스로 적용하여 고체산화물 연료전지(SOFC)(10)를 추가적으로 포함한다.
바이오 합성가스를 연료가스로 적용하여 고체산화물 연료전지(SOFC)(10)는 계수 또는 초임계수 가스화 공정을 적용한 바이오 합성가스 생산 시스템으로부터 연료가스를 직접 공급받고, 전기에너지와 열에너지를 발생시키며 발생된 고온의 열에너지 중의 전부 또는 일부를 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20)의 열원으로 제공한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지 중 단전지를 이용하여, 순수한 수소 연료가스와 바이오 합성가스를 연료로서 구동시킨 후 출력 특성을 비교한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 특징에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지 중 단전지의 제조를 위해 우선 바이오 합성가스용 다공성 연료극(4)의 제조 공정에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, NiO : 8YSZ(8mol% Y2O3 stabilized ZrO2) = 60 : 40 wt%가 되도록 배합하고 NiO+8YSZ 복합 분말 : BaNO3 = 91 : 9 wt%가 되도록 배합하는 제 1 공정을 수행한다.
제 1 공정 이후, 배합된 NiO+8YSZ+BaNO3 복합 분말 : 카본분말 = 90 : 10 wt%가 되도록 배합하고, 최총 배합된 NiO+8YSZ+BaNO3+카본 복합 분말(NYBC 분말)을 에탄올 용매와 지르코니아 볼을 이용하여 24시간 동안 습식 밀링을 한 후 건조기에서 건조하는 제 2 공정을 수행한다.
다음으로, 건조한 카본 복합 분말(NYBC 분말)은 성형을 위해 압출 바인더와 물을 첨가하여 재혼합하고 세라믹 압출 성형 공정을 통해 평관형 지지체로 성형 후 건조하고, 1170℃에서 2시간 동안 가소결하는 제 3 공정을 수행한다.
다음으로, 도 1에서 바이오 가스용 다공성 연료극(4)의 코팅 및 열처리 공정에 대해서 구체적으로 살펴보도록 한다.
NiO : 8YSZ = 57 : 43 wt%가 되도록 배합한 NiO+8YSZ 복합 분말에 에탄올+톨루엔 혼합 용매와 비수계 바인더, 비수계 분산제를 혼합하고 습식 볼밀 공정을 통해 딥(dip) 코팅용 슬러리를 제조한다.
제조한 코팅용 슬러리에 제 3 공정에서 가소결된 평관형 지지체를 딥 코팅하고 다시 1170℃에서 2시간 동안 열처리한다.
연료극 코팅 슬러리 제조 공정과 동일한 공정으로 8YSZ 전해질 코팅 액을 제조하고 다시 딥 코팅 공정을 이용하여 전해질을 코팅 후 1400℃에서 소결한다.
이에 따라, 전해질(2), 연료극(3), 그리고 바이오 합성가스용 연료극(4) 지지체로 구성된 평관형 소결체를 직경 20mm의 원판형 디스크로 가공한다.
최종 공기극은 LSM(La0 .7Sr0 .3MnO3) : 8YSZ = 60 : 40 wt%로 배합된 스크린 프린팅용 페이스트(paste)를 이용하여 스크린 프린팅 하며, 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여 다공성 공기극(1)을 형성한다.
단전지의 출력 검증을 위해 작도온도를 750℃로 설정하고 공기극에는 21% 산소가 배합된 산소+질소 혼합가스를 유입시키고 연료극에는 수소 연료가스와 합성가스(수소 50% + 이산화탄소 30% + 일산화탄소 15% + 메탄 5%)를 적용한다.
먼저 수소 가스를 적용하여 단전지의 출력 특성을 파악하고 동일한 작동 온도를 유지하면서 합성가스를 적용하여 단전지의 출력 특성을 비교하였다. 도 3에서 확인할 수 있는 것처럼 0.7V의 작동 전압을 기준으로 순수한 수소 가스를 적용할 경우에는 0.43W/cm2의 출력밀도를 확보할 수 있었으며 합성가스를 적용하였을 경우에는 동일한 조건에서 0.39W/cm2의 출력밀도를 확보할 수 있었다. 즉, 바이오 합성가스를 적용할 경우 순수한 수소 가스를 적용했을 경우 대비 약 90% 이상에 해당하는 높은 출력 특성을 보여주었다.
상술한 실시 예는 바이오 합성가스를 연료 가스로 적용한 연료극 지지체형 튜브형 단전지 및 연료극 지지체형 평판형 단전지에 대한 실시 예이다.
만일 바이오 합성가스를 연료가스로 적용하는 평판형 전해질 지지체형 단전지에 적용할 경우에는 다음과 같다.
10ScSZ(10mol% Sc2O3 stabilized ZrO2) 또는 LSGM(La0 .8Sr0 .2Ga0 .8Mg0 .2O3) 전해질과 같은 고 이온 전도성 전해질 소재가 전해질 지지체형 단전지에 적용될 수 있다.
10ScSZ 전해질 분말을 직경 27mm 프레스 금형에 채우고 일축가압성형을 통해 원판형 전해질 지지체용 디스크 성형체로 성형한다. 성형체는 1450에서 5시간 소결하여 직경 21mm의 원판형 소결체로 제조한다. 원판형 소결체를 두께 500um가 되도록 표면을 연마하고 전극을 형성한다.
우선 NiO : 8YSZ = 57 : 43 wt%로 배합된 스크린 프린팅용 페이스트를 먼저 코팅하고 건조한다. 그리고 그 위에 다시 NYBC 페이스트를 재 인쇄한 후 1300℃에서 소결하여 다공성 연료극 및 다공성 바이오 가스용 연료극을 형성한다.
그리고 연료극의 반대편에 LSM+8YSZ 페이스트를 스크린 프린팅하고 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 바이오 합성가스용 전해질 지지체형 단전지를 제작한다.
전해질 지지체형 단전지는 전해질의 저항이 크기 때문에 800℃ 이상에서 구동하는 것이 바람직하며 실제 전해질 지지체를 제조하는 방법으로서는 프레스 압착 성형보다는 테입캐스팅 및 적층 공정이 바람직하며 전극 코팅은 스크린 프린팅을 동일하게 적용한다.
바이오 합성가스를 이용하는 다전지식 단전지 제조에 대한 실시 예는 다음과 같다. 다전지식 단전지는 비전도성 구조 세라믹을 지지체로 적용하며 그 지지체는 원통형 튜브 구조이거나 평관형 구조이어도 무방하다.
고강도 및 고인성 구조 재료인 3YSZ(3mol% Y2O3 stabilized ZrO2)를 압출바인더, 흑연 분말과 물을 혼합하여 압출 성형용 복합 소재로 제조한다.
압출 성형용 복합 소재를 세라믹 압출기를 이용하여 평관형 튜브 지지체로 성형하고 건조한다. 건조된 지지체는 1200에서 가소결하고 표면에 먼저 NYBC 페이스트를 인쇄한 후 건조한다. 그리고 NiO : 8YSZ = 57 : 43 wt%로 배합된 스크린 프린팅용 페이스트를 다시 코팅하고 건조한 후 1200℃에서 열처리하여 다공성 연료극 및 바이오 가스용 연료극을 형성한다.
이어서 8YSZ 전해질 페이스트와 LSF(La0.8Sr0.2FeO3) 페이스트를 연속으로 코팅 건조를 반복한 후 1400℃에서 3시간 동안 소결한다. 최종 LSM+8YSZ 공기극 페이스트를 스크린 프린팅하고 1150℃에서 2시간 동안 열처리하여 최종적으로 바이오 합성가스용 다전지식 단전지를 제작한다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 다공성 공기극
2: 전해질 치밀막
3: 다공성 연료극
4: 바이오 가스용 다공성 연료극

Claims (7)

  1. 40~60% 의 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄 성분으로 구성된 바이오 합성가스를 직접 연료가스로 적용하는 고체산화물 연료전지로서,
    다공성 공기극(1), 전해질 치밀막(2), 다공성 연료극(3) 외에 추가적으로, 카본 침적 및 피독 방지를 위해 Ni-YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 연료극 복합체에 바륨(Ba)이 첨가 및 고용된 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 부가적으로 형성시킨 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하고,
    상기 바이오 가스용 다공성 연료극(4)은,
    "총중량 대비,
    A = Ni-YSZ = 55-65wt%, YSZ = Yttria stabilized Zirconia (Y2O3 = 3-10mol%),
    B = CeO2, M doped Ceria (M=Zr, Y, Gd, Sm, La, Pr, M=10-40mol%)= 30-40wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음,
    C = Ba, Cu, Sn = 5-15wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음"
    의 조성으로 배합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는 목질계 바이오 오일, 음식물 쓰레기, 바이오 디젤 생산 공정에서 발생하는 유기성 폐기물, 축산 분뇨, 주류 생산 공정에서 발생하는 유기성 폐기물과 같은 바이오 매스를 아임계수 조건 또는 초임계수 조건의 가스화 공정을 이용하여 생산되는 바이오 합성가스를 직접 연료가스로 사용하는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    단전지로 제작시 전해질을 100 내지 300um의 두께로 전해질 지지체로 적용하고 양면에 5 내지 50um의 두께로 전극으로 형성한 평판형 전해질 지지체형 단전지를 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    다공성 연료극(3) 및 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 포함하는 연료극을 500 내지 2,000um의 두께로 연료극 지지체로 적용하고 전해질 치밀막(2)과 다공성 공기극(1)이 각각 1 내지 30um 및 1 내지 50um의 두께로 형성된 평판형 및 튜브형 연료극 지지체형 단전지로 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
  6. 청구항 4에 있어서,
    단순 튜브형 구조 세라믹 재료를 지지체로 하고 지지체 표면에 여러 개의 마디 셀들을 연결시킨 다전지식(segment-type) 단전지로 형성하는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지.
  7. 고압펌프, 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20), 필터(30) 및 가액분리기(40)를 포함하여 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정을 적용한 바이오 합성가스 생산 시스템으로부터 연료가스를 직접 공급받고 바이오 합성가스를 연료가스로 적용하여 고체산화물 연료전지(SOFC)를 추가적으로 포함하는 복합시스템에 있어서,
    바이오 합성가스를 직접 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지는, 전기에너지와 열에너지를 발생시키며 발생된 고온의 열에너지 중의 전부 또는 일부를 아임계수 또는 초임계수 가스화 공정 시스템(20)의 열원으로 제공하고,
    상기 연료전지는
    다공성 공기극(1), 전해질 치밀막(2), 다공성 연료극(3) 외에 추가적으로, 카본 침적 및 피독 방지를 위해 Ni-YSZ(Yttria stabilized Zirconia) 연료극 복합체에 바륨(Ba)이 첨가 및 고용된 바이오 가스용 다공성 연료극(4)을 포함하고,
    상기 바이오 가스용 다공성 연료극(4)은,
    "총중량 대비,
    A = Ni-YSZ = 55-65wt%, YSZ = Yttria stabilized Zirconia (Y2O3 = 3-10mol%), B = CeO2, M doped Ceria (M=Zr, Y, Gd, Sm, La, Pr, M=10-40mol%)= 30-40wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음, C = Ba, Cu, Sn = 5-15wt%, 적어도 하나의 물질이 적용될 수 있음"
    의 조성으로 배합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 합성가스 생산 및 고체산화물 연료전지 복합 시스템.
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