KR101660365B1 - Usage of SOFC improved stalibaty of stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법에 관한 것으로서, 수증기 개질을 이용하여 탄화수소 가스를 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지의 사용방법에 있어서, 공기극과 전해질 층 및 연료극을 적층하여 양쪽 끝단부를 밀봉재로 밀봉하고, 상기 공기극과 연료극의 일면에 집전체가 각각 부착되어 단위 셀을 구성하며, 상기 집전체에 의해 공기극 및 연료극과 접촉하도록 금속분리판을 사이에 두고 필요한 수만큼 상기 단위 셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택을 전지로 사용하되, 상기 스택의 상기 공기극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 공기를 주입하고, 상기 연료극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 연료와 수소를 번갈아 층별로 주입하는 사용방법이며, 탄화수소 연료의 일반적인 장점인 높은 전력변환 효율은 그대로 유지하면서 수소연료 제조 및 정제과정에서의 높은 가격에 대한 단점과, 탄화수소 가스의 고가의 외부 개질기 및 수증기 공급장치의 필요에 대한 단점을 보완할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a method of using a solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability and a method of using a solid oxide fuel cell using hydrocarbon gas as a fuel using steam reforming, And a collector is attached to one surface of each of the air electrode and the fuel electrode to constitute a unit cell, and a necessary number of the separators are interposed between the air electrode and the fuel electrode by the current collector with the metal separator interposed therebetween Wherein the fuel cell stack is formed by stacking the unit cells, wherein air is injected into one gas injection unit between the air electrode and the metal separation plate of the stack, and one gas injection unit between the fuel electrode and the metal separation plate It is a method of using fuel and hydrogen alternately in a layered manner, Power conversion efficiency is a costly effect to complement the disadvantage of the need for an external reformer and the steam supply of the drawbacks and the hydrocarbon gas on while keeping the high cost of the hydrogen produced in the fuel and purification.

Description

스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법{Usage of SOFC improved stalibaty of stack}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a method of using a solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability,

본 발명은 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법에 관한 것으로서, 상세히는 공기극과 전해질 층 및 연료극으로 이루어진 단위 셀을 금속분리판을 사이에 두고 다수 개로 적층하여 이루어진 연료전지 스택의 가스 주입부에 연료와 수소를 층별로 번갈아 주입하고, 주입부 반대쪽의 배출부로 배출되는 수증기를 다른 층의 배출부로 주입하여 재활용하도록 한 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of using a solid oxide fuel cell in which stack efficiency and stability are improved, and more particularly, to a method of using a solid oxide fuel cell in which a unit cell composed of an air electrode, an electrolyte layer and a fuel electrode is stacked The present invention relates to a method of using a solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability, in which fuel and hydrogen are alternately injected into a gas injection section and water vapor discharged to a discharge section on the opposite side of the injection section is injected into a discharge section of another layer for recycling will be.

분산 발전용, 건물용, 수송용 선박용 등 다양한 분야에서 사용되는 고체산화물 연료전지는 연료로 수소를 주로 사용하고 있으며, 그 외에 탄화수소가스인 LPG와 도시가스 등이 사용되고 있다. 수소는 낮은 전력변환 효율이 있으며, 탄화수소가스를 개질하는 방법이나 물을 전기분해하는 방법으로 얻을 수 있는데, 이들은 많은 비용을 요구한다. Ni 금속을 촉매로 사용하는 수증기 개질(steam reforming)은 다음의 화학식 1에 따라 탄화수소 가스와 수증기를 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 변환하여 연료로 사용한다.Solid oxide fuel cells, which are used in various fields such as for distributed power generation, for buildings, and for transporting ships, use hydrogen as a fuel, and LPG and city gas, which are hydrocarbon gases, are also used. Hydrogen has low power conversion efficiency and can be obtained by reforming hydrocarbon gas or by electrolyzing water, which requires a lot of cost. Steam reforming using Ni metal as a catalyst converts hydrocarbon gases and water vapor into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) according to the following formula 1 to use as fuel.

Figure 112014072330464-pat00001
Figure 112014072330464-pat00001

이러한 탄화수소의 수증기 개질 방법은 외부 개질과 내부 개질의 두 가지 방법이 있으며 별도의 수증기 공급 장치가 필요하다. 그 중 외부 개질법은 연료전지 스택 외부에 수증기 개질장치를 이용하여 탄화수소가스와 수증기를 일산화탄소와 수소로 변환하여 연료전지에 공급하는 방법으로 이러한 외부 개질법은 외부에 별도의 개질장치의 설치가 필요하다. 이는 설치비용에 대한 문제뿐만 아니라 시스템적으로도 효율성이 매우 떨어지게 된다. 또한 외부 개질장치는 고온에서 작동하게 되므로 높은 유지비용이 필요하다. 반면 내부 개질법은 연료전지의 연료극에 사용되는 Ni을 촉매로 하기 때문에 외부 개질과 달리 개질장치가 따로 필요하지 않게 되어 시스템효율 측면에서 매우 유리하다.There are two methods of steam reforming of hydrocarbons, namely, external reforming and internal reforming, and a separate steam supply is required. Among them, the external reforming method is a method of converting a hydrocarbon gas and water vapor into carbon monoxide and hydrogen by using a steam reforming device outside the fuel cell stack and supplying the carbon monoxide and hydrogen to the fuel cell. In this external reforming method, it is necessary to install an external reforming device on the outside. This is not only a problem with the installation cost, but also a very low system efficiency. Also, since the external reforming apparatus operates at a high temperature, a high maintenance cost is required. On the other hand, since the internal reforming method uses Ni, which is used in the fuel electrode of the fuel cell, as a catalyst, unlike the external reforming, there is no need for a reforming device, which is very advantageous in terms of system efficiency.

상기 화학식 1과 같은 화학반응식에 따라 반응하는 수증기의 개질 반응은 흡열반응으로 반응이 일어나게 되면 주위의 열을 흡수하게 된다. 특히 연료전지에서 가스주입부와 배출부의 온도 차는 도 2의 그래프에 나타낸 바와 같이 적게는 10℃에서부터 많게는 100℃ 이상 존재한다. 이는 연료전지의 전극 표면에서 균일하게 반응이 일어나는 것이 아니라 연료의 농도가 상대적으로 높은 가스주입부에서 대부분의 반응이 일어나게 되며 상대적으로 낮은 배출부에서는 위의 반응이 거의 일어나지 않기 때문이다. 이러한 표면의 온도 차이는 열팽창 계수 차이로 인해 연료전지의 비틀림이나 균열과 같은 물리적인 파괴로 이어지게 되며 이렇게 변형된 연료전지는 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제가 있다.The steam reforming reaction, which is performed according to the chemical reaction formula (1), absorbs the surrounding heat when the reaction occurs due to the endothermic reaction. Particularly, the temperature difference between the gas injecting portion and the discharging portion in the fuel cell is as low as 10 deg. C or higher and higher than 100 deg. C as shown in the graph of Fig. This is because the reaction does not occur uniformly on the electrode surface of the fuel cell, but the reaction takes place in the gas injection unit where the fuel concentration is relatively high and the reaction does not occur at the relatively low discharge part. Such surface temperature differences lead to physical fracture such as twisting and cracking of the fuel cell due to the difference in thermal expansion coefficient, and the deformed fuel cell is no longer usable.

한국 등록특허공보 제10-1237735호Korean Patent Registration No. 10-1237735 일본 공개특허공보 특개2012-160465Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2012-160465

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 공기극과 전해질 층 및 연료극의 단위 셀과 금속분리판을 적층하여 이루어지는 스택의 가스주입부에는 연료와 수소를 번갈아 층별로 주입하고, 배출부로 배출되는 수증기를 다시 배출부로 주입함으로써, 연료전지의 화학반응시 발생하는 부산물인 수증기를 재활용할 수 있음과 동시에 연료와 수증기의 공급방향을 서로 반대로 설정하여 연료전지의 온도편차를 완화할 수 있도록 한 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve all of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system and a fuel cell system in which fuel and hydrogen are alternately stacked in a gas injection unit of a stack, The water vapor which is a byproduct generated during the chemical reaction of the fuel cell can be recycled and the temperature of the fuel cell can be adjusted by setting the direction of the fuel and the water vapor to be opposite to each other, The present invention provides a method of using a solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability so as to mitigate the above problems.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법은, 수증기 개질을 이용하여 탄화수소 가스를 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지의 사용방법에 있어서, 공기극과 전해질 층 및 연료극을 적층하여 양쪽 끝단부를 밀봉재로 밀봉하고, 상기 공기극과 연료극의 일면에 집전체가 각각 부착되어 단위 셀을 구성하며, 상기 집전체에 의해 공기극 및 연료극과 접촉하도록 금속분리판을 사이에 두고 필요한 수만큼 상기 단위 셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택을 전지로 사용하되, 상기 스택의 상기 공기극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 공기를 주입하고, 상기 연료극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 연료와 수소를 번갈아 층별로 주입하는 것을 특징으로 하고 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of using a solid oxide fuel cell in which hydrocarbons are used as fuel using steam reforming, the method comprising: A fuel cell system comprising: an air electrode, an electrolyte layer and a fuel electrode stacked on each other, sealing both ends of the fuel electrode with a sealing material, a current collector attached to one surface of the air electrode and the fuel electrode, Wherein the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of unit cells in a predetermined number of spaces between the fuel cell stack and the metal separator, wherein air is injected into one gas injection unit between the air electrode and the metal separator in the stack, The fuel and the hydrogen are alternately injected into the one gas injecting section between the two gas injecting sections.

또 연료가 주입되는 상기 가스주입부 반대쪽의 연료극과 금속분리판 사이의 배출부로는 배기가스가 배출되고, 수소가 주입되는 상기 가스주입부 반대쪽의 배출부로 배출되는 수증기는 상기 배기가스가 배출되는 배출부로 주입되어 재활용하도록 하며, 상기 배기가스는 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)이고, 상기 연료는 탄화수소 가스이다.In addition, the exhaust gas is discharged to the discharge portion between the fuel electrode and the metal separator opposite to the gas injection portion where the fuel is injected, and the steam discharged to the discharge portion on the opposite side of the gas injection portion into which the hydrogen is injected, And the exhaust gas is carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ), and the fuel is hydrocarbon gas.

또 상기 전해질 층은 이트리아(Y2O3)가 첨가된 안정화된 지르코니아(ZrO2)인 YSZ로 이루어지고, 상기 공기극은 LSM(La0 .6Sr0 .4MnO3 -d)와 상기 YSZ로 이루어지며, 상기 연료극은 Ni 금속과 상기 YSZ로 이루어지고, 상기 전해질 층과 연료극은 테이프 캐스팅법을 이용하여 각각 제작하고, 상기 공기극은 스크린 프린팅법을 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.In the electrolyte layer are yttria (Y 2 O 3) wherein the air electrode is the LSM made of YSZ, the stabilized zirconia (ZrO 2) is added (La 0 .6 Sr 0 .4 MnO 3 -d) and the YSZ Wherein the anode is made of Ni metal and the YSZ, and the electrolyte layer and the anode are formed using a tape casting method, and the cathode is formed using a screen printing method.

본 발명의 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법에 의하면, 탄화수소 연료의 일반적인 장점인 높은 전력변환 효율은 그대로 유지하면서 수소연료 제조 및 정제과정에서의 높은 가격에 대한 단점과, 탄화수소 가스의 고가의 외부 개질기 및 수증기 공급장치의 필요에 대한 단점을 보완할 수 있는 효과가 있다.According to the method of using the solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability of the present invention, there are disadvantages of high price in the hydrogen fuel manufacturing and refining process while maintaining the high power conversion efficiency which is a general advantage of the hydrocarbon fuel, It is possible to compensate for the disadvantages of the need for an expensive external reformer and a steam supply device for the gas.

이것뿐만 아니라 수증기와 탄화수소 가스의 공급방향을 반대로 설정함으로써 가스주입부 앞단에서의 격렬한 흡열반응을 완화할 수 있는 효과가 있다.In addition to this, there is an effect that the intensive endothermic reaction at the front end of the gas injection unit can be alleviated by setting the supply direction of the steam and the hydrocarbon gas to be opposite.

또한 수소를 연료로 사용하는 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC)에서는 부산물로 수증기를 생성하게 되는데, 이를 재활용하여 탄화수소 가스를 사용하는 연료전지에 주입함으로써 별도의 수증기 공급 장치가 필요 없게 되어, 상기 연료전지의 시스템을 더욱 간단히 만들 수 있어 비용 및 효율 측면에서 유리한 효과가 있다.In addition, in a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a fuel cell using hydrogen as a fuel, water vapor is produced as a by-product, which is recycled and injected into a fuel cell using a hydrocarbon gas, The system of the fuel cell can be made simpler, which is advantageous in terms of cost and efficiency.

도 1은 본 발명의 고체산화물 연료전지의 사용방법에 따른 단위 셀의 종단면도 및 상기 단위 셀을 적층하여 구성한 스택의 종단면도
도 2는 일반적인 연료전지에서 가스주입부와 배출부의 온도 편차를 보여주는 그래프1 is a longitudinal sectional view of a unit cell according to a method of using the solid oxide fuel cell of the present invention and a longitudinal sectional view of a stack formed by stacking the unit cells
2 is a graph showing a temperature deviation between a gas injection part and a discharge part in a general fuel cell

이하, 본 발명에 따른 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of a method for using a solid oxide fuel cell having improved stack efficiency and stability according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to inform.

도 1은 본 발명의 고체산화물 연료전지의 사용방법에 따른 단위 셀의 종단면도 및 상기 단위 셀을 적층하여 구성한 스택의 종단면도를 도시한 것이다.1 is a vertical sectional view of a unit cell according to a method of using the solid oxide fuel cell of the present invention and a longitudinal sectional view of a stack formed by stacking the unit cells.

본 발명은 우선적으로 탄화수소 가스에 수증기 개질을 이용하여 고체산화물 연료전지의 연료로 적용할 때 가스주입부와 배출부의 온도 편차와, 탄화수소의 수증기 개질에 필요한 별도의 수증기 공급장치를 구비해야 하는 등의 상기한 바와 같이 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.The present invention is required to have a temperature deviation between the gas injection part and the discharge part and a separate water vapor supply device necessary for steam reforming of the hydrocarbon when applying steam reforming to the hydrocarbon gas as the fuel of the solid oxide fuel cell And solves the problems that occur as described above.

이에 따라 본 발명의 고체산화물 연료전지의 사용방법에 따른 상기 연료전지의 구성을 보면, 도 1에 도시한 바와 같이, 전해질 층(1)을 사이에 두고 한쪽 면에는 공기극(2)이 적층되고 다른 쪽 면에는 연료극(3)이 적층되고, 상기 전해질 층(1)과 접하는 면의 반대 면인 상기 공기극(2)과 연료극(3)의 일면에는 집전체(4)가 각각 적층되어, 이렇게 적층된 전해질 층(1), 공기극(2), 연료극(3) 및 양쪽의 집전체(4)가 하나의 단위 셀(unit cell)(5)을 이루게 되며, 이러한 단위 셀(5)들을 금속분리판(6)을 사이에 두고 필요한 수만큼 적층함으로써 연료전지 스택(7)을 구성하게 된다. 즉 도 1의 위에서부터 보면 금속분리판(6), 단위셀(5), 금속분리판(6a), 단위셀(5a), 금속분리판(6b), 단위셀(5b)…의 식으로 필요한 수만큼 금속분리판과 단위셀들을 반복하여 적층함으로써 연료전지 스택(7)을 구성하게 된다.Accordingly, as shown in FIG. 1, the structure of the fuel cell according to the method of using the solid oxide fuel cell of the present invention is such that the air electrode 2 is stacked on one side with the electrolyte layer 1 therebetween, A current collector 4 is laminated on one surface of the air electrode 2 and the fuel electrode 3 which are opposite surfaces of the surface in contact with the electrolyte layer 1, The unit cell 5 is formed by stacking the layer 1, the air electrode 2, the fuel electrode 3 and the current collectors 4 on both sides of the unit cell 5, And the necessary number of the fuel cell stacks 7 are stacked. 1, a metal separator 6, a unit cell 5, a metal separator 6a, a unit cell 5a, a metal separator 6b, and a unit cell 5b. The metal separator plate and the unit cells are repeatedly stacked as many times as required to form the fuel cell stack 7.

이러한 연료전지 스택(7)으로 구성되는 본 발명에 사용된 고체산화물 연료전지는 널리 알려진 고체산화물 연료전지의 전해질인 YSZ[8mol% 이트리아(Y2O3)가 첨가된 안정화된 지르코니아(ZrO2)]를 사용하여 제작한다. 먼저 연료극(3)은 니켈(Ni) 금속과 상기 YSZ의 서멧형태로 테이프 캐스팅(tape casting)법을 이용하여 제작한다, 상기 전해질 층(1)은 YSZ를 이용하여 연료극(3)과 마찬가지로 테이프캐스팅법을 이용하여 제작한다. 이와 같이 상기 테이프 캐스팅법으로 만들어진 연료극(3)과 전해질 층(1)을 가지고 상기 연료극(3) 위에 전해질 층을 적층하여 소결을 한다. 이후 LSM(La0 .6Sr0 .4MnO3 -d)와 상기 YSZ로 이루어진 공기극(2)을 스크린 프린팅(screen printing)법을 이용하여 제작한다.The solid oxide fuel cell used in the present invention composed of this fuel cell stack 7 is a well-known solid oxide fuel cell, which is an electrolyte of stabilized zirconia (ZrO 2 ) added with YSZ [8 mol% yttria (Y 2 O 3 ) )]. First, the fuel electrode 3 is fabricated by using a tape casting method in the form of a cermet of nickel (Ni) metal and YSZ. The electrolyte layer 1 is made of YSZ, Method. Thus, the electrolyte layer is stacked on the fuel electrode 3 with the fuel electrode 3 and the electrolyte layer 1 formed by the tape casting method and sintered. Since the air electrode (2) having in the as YSZ LSM (La 0 .6 Sr 0 .4 MnO 3 -d) is produced using a screen printing (screen printing) method.

이와 같이 전해질 층(1)을 사이에 두고 제작된 연료극(3)과 공기극(2)의 일면에 각각 적층된 집전체(4)를 이용하여 상기 연료극(3)과 공기극(2)의 일면과 금속분리판(6)이 서로 접촉되도록 한다. 이때 연료극(3)에 공급되는 연료와 공기극(2)에 공급되는 공기와의 반응이 일어나지 않도록 하기 위해 밀봉재(10)를 이용하여 상기 연료극(3)과 공기극(2)의 양쪽 끝단을 밀봉함으로써 서로 분리시킨다.  The fuel electrode 3 and the air electrode 2 are stacked on one side of the air electrode 2 and the fuel electrode 3 and the other side of the air electrode 2, So that the separator plates 6 are brought into contact with each other. In order to prevent the reaction between the fuel supplied to the fuel electrode 3 and the air supplied to the air electrode 2 at this time, both ends of the fuel electrode 3 and the air electrode 2 are sealed by using the sealing material 10, .

이러한 방법으로 연료전지의 스택(7)을 직렬로 적층하게 되며 연료로 사용되는 탄화수소 가스와 수소를 상기 연료전지 스택(7)의 각각의 단위 셀(5,5a,5b…)에 번갈아가며 주입하여 공급한다. 즉 처음 층의 단위 셀(5)의 공기극(2)과 금속분리판(6) 사이의 가스주입부(8a)로는 공기를 주입하고 연료극(3)과 금속분리판(6a) 사이의 가스주입부(8b)로는 연료인 탄화수소 가스를 주입하되, 다음 층의 단위 셀(5a)에서는 상기 금속분리판(6a)과 공기극(2) 사이의 가스주입부(8c)로 공기를 주입하고 연료극(3a)과 금속분리판(6b) 사이의 가스주입부(8d)로는 수소를 주입하게 된다. 따라서 공기극과 금속분리판 사이의 가스주입부의 공기의 주입을 제외한 연료와 수소의 주입을 단위 셀(5,5a,5b…)의 각 층의 연료극과 금속분리판 사이의 가스주입부마다 번갈아가며 하게 된다.In this way, stacks 7 of fuel cells are stacked in series, and hydrocarbon gas and hydrogen used as fuel are alternately injected into each unit cell 5, 5a, 5b, ... of the fuel cell stack 7 Supply. Air is injected into the gas injection portion 8a between the air electrode 2 and the metal separation plate 6 of the first layer unit cell 5 and the gas injection portion 8b between the fuel electrode 3 and the metal separation plate 6a, The air is injected into the gas injection portion 8c between the metal separator 6a and the air electrode 2 in the unit cell 5a of the next layer and the air is injected into the fuel electrode 3a, Hydrogen is injected into the gas injection portion 8d between the metal separator 6a and the metal separator 6b. Therefore, the injection of fuel and hydrogen except the injection of air from the gas injecting portion between the air electrode and the metal separating plate is alternately carried out for each gas injecting portion between the fuel electrode of each layer of the unit cells 5, 5a, 5b ... and the metal separating plate do.

그리고 수소를 사용한 연료전지 셀(7a)의 가스주입부(8d)에서 발생하는 수증기는 재활용되어 탄화수소 가스를 사용하는 연료전지에 공급된다. 이때 수증기의 주입구 위치는 탄화수소가스 주입구의 반대편에 위치한다. 즉 연료극(3a)과 금속분리판(6b) 사이의 가스주입부(8d) 사이에서 주입되는 수소에 의해 발생하는 수증기는 반대편의 상기 연료극(3a)과 금속분리판(6b) 사이의 배출부(9a)로 배출됨과 동시에, 탄화수소 가스가 주입되는 연료극(3)과 금속분리판(6a) 사이의 가스주입부(8b) 반대편의 배출부(9b)를 통해 연료전지의 안쪽으로 주입되어 재활용된다. 상기 배출부(9b)로는 내부 개질반응에 의해 발생하는 배기가스인 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)가 배출된다.The water vapor generated in the gas injection unit 8d of the fuel cell 7a using hydrogen is recycled and supplied to the fuel cell using the hydrocarbon gas. At this time, the position of the inlet of the steam is located on the opposite side of the hydrocarbon gas inlet. That is, water vapor generated by the hydrogen injected between the fuel electrode 3a and the gas injection portion 8d between the metal separation plate 6b is discharged to the discharge portion between the fuel electrode 3a and the metal separation plate 6b 9a and injected into the fuel cell through the discharge portion 9b opposite the gas injection portion 8b between the fuel electrode 3 into which the hydrocarbon gas is injected and the metal separator 6a to be recycled. Carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ), which are generated by the internal reforming reaction, are discharged to the discharge portion 9b.

따라서 연료전지 스택의 가스주입부에서 내부 개질에 의한 흡열반응의 집중도를 완화할 수 있고, 탄화수소 가스를 연료로 사용하기 위해 주입되는 연료전지의 연료극에서 생성되는 부산물들(이산화탄소, 일산화탄소, 수증기)은 재활용되지 않고 배기된다.Therefore, concentration of the endothermic reaction due to the internal reforming can be mitigated in the gas injection portion of the fuel cell stack, and by-products (carbon dioxide, carbon monoxide, vapor) generated in the fuel electrode of the fuel cell injected for using the hydrocarbon gas as fuel It is exhausted without being recycled.

이상과 같이 본 발명에 따른 스택 효율과 안정성이 개선된 고체산화물 연료전지의 사용방법에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.As described above, the method for using the solid oxide fuel cell improved in stack efficiency and stability according to the present invention has been described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed herein And various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.

1 : 전해질 층 2 : 공기극
3,3a : 연료극 4 : 집전체
5,5a,5b : 단위 셀 6,6a,6b : 금속분리판
7 : 연료전지 스택 8a,8b,8c,8d : 가스주입부
9a,9b : 배출부 10 : 밀봉재1: electrolyte layer 2: air electrode
3,3a: fuel electrode 4: collector
5, 5a, 5b: unit cell 6, 6a, 6b:
7: Fuel cell stacks 8a, 8b, 8c and 8d:
9a, 9b: discharging portion 10: sealing material

Claims (6)

수증기 개질을 이용하여 탄화수소 가스를 연료로 사용하는 고체산화물 연료전지의 사용방법에 있어서,
공기극과 전해질 층 및 연료극을 적층하여 양쪽 끝단부를 밀봉재로 밀봉하고, 상기 공기극과 연료극의 일면에 집전체가 각각 부착되어 단위 셀을 구성하며, 상기 집전체에 의해 공기극 및 연료극과 접촉하도록 금속분리판을 사이에 두고 필요한 수만큼 상기 단위 셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택을 전지로 사용하면서,
상기 스택의 상기 공기극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 공기를 주입하고, 상기 연료극과 금속분리판 사이의 한쪽 가스주입부로는 연료와 수소를 번갈아 층별로 주입하되, 연료가 주입되는 상기 가스주입부 반대쪽의 연료극과 금속분리판 사이의 배출부로는 배기가스가 배출되고, 수소가 주입되는 상기 가스주입부 반대쪽의 배출부로 배출되는 수증기는 상기 배기가스가 배출되는 배출부로 주입되어 재활용하도록 하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 사용방법.A method of using a solid oxide fuel cell in which hydrocarbon gas is used as a fuel using steam reforming,
A fuel cell system comprising: an air electrode, an electrolyte layer and a fuel electrode stacked on each other, sealing both ends of the fuel electrode with a sealing material, a current collector attached to one surface of the air electrode and the fuel electrode, The unit cell is stacked as many times as necessary, and the fuel cell stack is used as a battery,
Air is injected into one gas injection unit between the air electrode and the metal separator of the stack, and fuel and hydrogen are alternately injected into one gas injection unit between the fuel electrode and the metal separator, The exhaust gas is discharged to the discharge portion between the fuel electrode and the metal separator opposite to the injection portion and the water vapor discharged to the discharge portion on the opposite side of the gas injection portion where hydrogen is injected is injected into the discharge portion from which the exhaust gas is discharged to be recycled Wherein the solid oxide fuel cell comprises a solid oxide fuel cell. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 배기가스는 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 사용방법.The method according to claim 1,
Wherein the exhaust gas is carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO 2 ). 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 연료는 탄화수소 가스인 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 사용방법.The method according to claim 1 or 3,
Wherein the fuel is a hydrocarbon gas. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI > 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 전해질 층은 이트리아(Y2O3)가 첨가된 안정화된 지르코니아(ZrO2)인 YSZ로 이루어지고, 상기 공기극은 LSM(La0.6Sr0.4MnO3-d)와 상기 YSZ로 이루어지며, 상기 연료극은 Ni 금속과 상기 YSZ로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 사용방법.The method according to claim 1 or 3,
Wherein the electrolyte layer is made of YSZ which is stabilized zirconia (ZrO 2 ) added with yttria (Y 2 O 3 ), the air electrode is made of LSM (La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 -d ) and YSZ, Wherein the fuel electrode is made of Ni metal and YSZ. 제5항에 있어서,
상기 전해질 층과 연료극은 테이프 캐스팅법을 이용하여 각각 제작하고, 상기 공기극은 스크린 프린팅법을 이용하여 제작한 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지의 사용방법.6. The method of claim 5,
Wherein the electrolyte layer and the fuel electrode are each fabricated using a tape casting method, and the air electrode is manufactured using a screen printing method.
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