KR101894043B1 - 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법 - Google Patents

고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법 Download PDF

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Abstract

고체 산화물 연료전지 스택의 음극재를 온도조절 화학기상증착하기 위한 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법이 소개된다.
고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치는, 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재와 가스 순환을 위해 제공되는 순환 라인과, 순환 가스의 공급을 위한 순환 가스 공급부와, 순환 라인 상에 설치되고 순환 가스 공급부로부터 순환 가스를 공급받아 순환 가스를 가열하는 히터와, 원료 물질의 공급을 위한 원료 물질 공급부와, 순환 라인 상에 제공되고 원료 물질 공급부로부터 원료 물질을 공급받아 후처리 가스를 생성하는 기화기와, 순환 가스 또는 후처리 가스 중 적어도 어느 하나를 순환 라인에서 순환시키기 위한 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.

Description

고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법{POST-TREATMENT APPARATUS OF SOLID OXIDE FUEL CELL STACK AND POST-TREATMENT METHOD THEREOF}
본 발명은 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 통해 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 에너지 변화효율이 열기관에 비하여 월등히 높기 때문에 연료 소비와 오염물질 및 온실가스 배출을 크게 저감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
특히, 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid oxide fuel cell)는 다공성의 양극과 음극 및 두 개의 전극 사이에 치밀한 구조의 전해질로 구성되고, 양극에는 공기가 공급되고, 음극에는 수소 또는 탄화수소계 연료가 공급된다. 이러한 단전지들을 연결재를 이용하여 상호 유기적인 연결을 통해 하나의 고체 산화물 연료전지 스택을 구성하므로, 전력 수요에 따라 수W에서 MW급 까지 광범위하게 시스템을 구현할 수 있으며, 가정용에서부터 대규모 발전용으로 응용범위가 넓다.
고체 산화물 연료전지 스택의 양극으로는 전자전도체인 perovskite 구조의 LSM (La1-xSrxMnO3)과 이온전도체인 fluorite 구조의 YSZ(yttria-stablilzed zirconia)로 구성되고, 음극재에 경우는 Ni-YSZ cermet이 가장 많이 사용되고 있는데, 실제 음극재 제조공정에서는 30%이상의 충분한 기공률을 형성하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 이유로는 초기 사용되는 NiO와 YSZ 분말 크기가 수μm 이하에 미세입자를 사용함에 따라 소결온도 1,400~1,500℃에서 치밀화도가 매우 커져 기공 형성이 어려울 수 있다.
기공률을 높이기 위해 1~20μm 크기에 기공 형성재를 사용하여 기공률을 높이는 방법이 있으나, 기공 형성재 투입량 한계치인 40 vol%까지 대량 투입하여도 소결 후 잔존하는 기공률이 20% 내외로 한계점이 있다.
또한, 기공 형성재를 이용할 경우 기공 형성재끼리의 응집 및 분산성의 문제로 불균일한 미세 구조를 형성하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서 분산재와 용매의 사용량이 증가되며 이를 혼합하는데 필요한 시간이 증가된다. 또한 많은 기공형성재의 사용은 오랜 시간의 탈지공정이 추가적으로 필요하며, 음극재의 건조 및 탈지공정에서의 많은 시간을 소요할 뿐만 아니라 불균일한 수축 결과로 제조된 음극재의 변형 및 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 그 외에 제시된 해결방안으로는 YSZ 분말을 1차 열처리하여 10~30μm 크기로 성장시킨 후 이를 음극재 제조용 원재료로 이용하는 방법이 있으나, 이 방법에 경우에도 30% 이상의 기공률을 확보하기에는 어려움이 있는 것으로 알려져 있다.
기공률을 향상할 수 있는 가장 간단한 방법으로는 초기 음극재를 제조하는 원재료인 NiO와 YSZ 분말을 수μm 이상의 조대 입자를 이용하여 제조하는 방법이 있다. 반면, 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재에 경우 30%이상의 충분한 기공률을 형성하는 것뿐만 아니라 음극재 내부에 가스 반응이 진행되는 삼상 접점(TPB: Triple phase boundary)이 충분히 형성되는 것 또한 중요한 요인이다. 따라서 원재료인 NiO와 YSZ의 조대 입자를 이용한 음극재 형성은 기공률을 확보할 수 있으나 단위면적당 삼상 접점의 양을 감소시킴으로써 연료전지 성능을 저하시키는 문제점이 있다.
음극재 내부에 형성된 삼상 접점으로의 빠른 연료공급을 위해서는 충분한 기공률을 갖도록 다수의 큰 기공을 형성하는 것이 유리하지만, 공급된 연료의 전기화학반응이 진행되는 삼상 접점의 분포는 감소하여 오히려 연료전지의 성능을 저하시키는 문제점이 있다. 반면 단위체적당 삼상 접점의 분포를 증가시키기 위해 미세 기공만으로 기공을 형성시키면 반대로 연료공급 속도가 감소되어 연료전지 성능 저하에 원인이 된다.
고체 산화물 연료전지 스택의 또 다른 음극재의 문제점으로는 연료가스로 수소를 제외한 일산화탄소 및 탄화수소계 연료를 사용할 경우 음극재 내부에 카본 침적이 발생되며, 이는 음극재 내에 분포된 니켈의 활성점들이 탄소로 덥히게 되면서 성능 저하의 원인이 된다.
이에 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재에 충분한 기공률과 동시에 적절한 삼상 접점이 형성될 수 있고, 탄화수소계 연료를 사용할 때 발생되는 카본 침적을 억제할 수 있는 방안이 요구되고 있다. 특히 연료전지 스택은 자동차의 엔진에 해당되는 매우 고가의 제품으로 이에 대한 품질유지 수단의 확보가 필요하다.
국내 공개특허공보 10-2013-0033824호 (2013.04.04. 공개)
본 발명의 실시예들은 고체 산화물 연료전지 스택의 성능 안정성을 향상시킬 수 있는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치 및 후처리방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치는, 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재와 가스 순환을 위해 제공되는 순환 라인; 순환 가스의 공급을 위한 순환 가스 공급부; 상기 순환 라인 상에 설치되고, 상기 순환 가스 공급부로부터 상기 순환 가스를 공급받아 상기 순환 가스를 가열하는 히터; 원료 물질의 공급을 위한 원료 물질 공급부; 상기 순환 라인 상에 제공되고, 상기 원료 물질 공급부로부터 상기 원료 물질을 공급받아 후처리 가스를 생성하는 기화기; 및 상기 순환 가스 또는 상기 후처리 가스 중 적어도 어느 하나를 상기 순환 라인에서 순환시키기 위한 컨트롤 밸브를 포함할 수 있다.
이때, 상기 컨트롤 밸브는 상기 후처리 가스에 의한 상기 음극재의 코팅 전, 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜, 상기 음극재를 기 설정된 예열온도까지 상승시키고, 상기 후처리 가스에 의한 상기 음극재의 코팅 후, 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜, 상기 음극재를 기 설정된 소결온도로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기 컨트롤 밸브는 상기 히터에서 배출된 순환 가스를 상기 음극재 또는 상기 기화기로 안내하는 제 1 밸브부; 상기 기화기에서 배출되는 상기 후처리 가스를 상기 음극재로 안내하는 제 2 밸브부; 및 상기 음극재에서 배출된 상기 순환 가스 또는 상기 후처리 가스를 상기 히터 또는 외부로 안내하는 제 3 밸브부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 원료 물질은 Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 순환 가스는 공기 또는 불활성 가스 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 히터는 200 ~ 300℃ 범위의 가열온도를 만족하고, 상기 기화기는 100 ~ 150℃ 범위의 기화온도를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법은, 순환 가스 및 원료 물질을 공급하는 단계; 공급된 상기 순환 가스를 가열하는 단계; 상기 원료 물질을 기화시켜 후처리 가스를 생성하는 단계; 가열된 상기 순환 가스를 음극재에 순환시켜 상기 음극재를 예열시키는 단계; 예열된 상기 음극재에 상기 후처리 가스를 공급하여 상기 음극재를 코팅하는 단계; 및 가열된 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜 코팅된 상기 음극재를 소결 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 후처리 가스를 생성하는 단계는, 가열된 상기 순환 가스를 상기 후처리 가스에 혼합하여, 상기 후처리 가스의 온도, 유량 및 코팅 농도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 원료 물질은 Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재 성능개선을 위한 후처리를 간단하고 효과적으로 진행할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 탄화수소계 연료를 사용할 때 발생되는 카본 침적을 억제할 수 있는 Ru, Co 나노입자를 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재에 균일하게 분산 코팅함으로써, 음극재의 내구성 및 성능 안정성을 향상할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 기공이 충분하게 형성된 고체 산화물 연료전지 스택 음극재의 부족한 삼상 접점을 향상하기 위하여 Ni 나노입자를 음극재 내부에 균일하게 분산 코팅함으로써, 충분한 기공을 형성함과 동시에 적절한 삼상 접점 분포를 형성하여 음극재의 전기화학 성능을 개선할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법이 적용된 알루미나 볼의 코팅 온도를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법이 적용된 알루미나 볼의 표면을 확대하여 도시한 확대 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치를 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치(10)는, 순환 라인(100), 순환 가스 공급부(220), 원료 물질 공급부(210), 히터(300), 기화기(400) 및 컨트롤 밸브(500)를 포함할 수 있다.
여기서, 고체 산화물 연료전지 스택(20)은 다수개의 단위전지가 직렬연결되도록 적층된 구조인 스택(stack) 형태로 제공될 수 있다. 이러한 고체 산화물 연료전지 스택(20)은 탄화수소계 연료를 사용할 때 발생되는 카본 침적을 억제시키면서, 음극재의 부족한 삼상 접점을 향상시킬 필요가 있다.
본 실시예에서, 고체 산화물 연료전지 스택(20)은 다공성의 양극재(22) 및 음극재(21)와, 이들 양극재(22) 및 음극재(21) 사이에 마련되는 전해질로 구성될 수 있다. 그리고 양극재(22)에는 공기가 공급될 수 있고, 음극재(21)에는 수소 또는 탄화수소계 연료가 공급될 수 있다. 이들 양극재(22) 및 음극재(21)는 연결재(23)를 통해 상호 유기적으로 연결되어, 하나의 연료전지 스택을 구성할 수 있다.
그리고 양극재(22)는 전자전도체인 perovskite 구조의 LSM (La1-xSrxMnO3)과 이온전도체인 fluorite 구조의 YSZ(yttria-stablilzed zirconia)로 구성될 수 있고, 작동 온도를 낮추기 위해 전극 표면에 걸쳐 산소 이온과 전자가 반응할 수 있는 혼합 전도체 양극 소재가 요구됨에 따라 LSCF (La1-xSrxCo1-yFeyO3), LSC (La1-xSrxCoO3), BSCF (Ba1-xSrxCo1-yFeyO3) 등이 소재가 적용될 수 있다. 음극재(21)는 NiO와 YSZ 분말을 혼합하여 환원분위기에서 소결한 후 제조되는 Ni-YSZ cermet이 사용될 수 있다. 이때, 다공성 음극재(21)의 기공률을 높이기 위해서 기공 형성재인 녹말 또는 카본 등의 분말을 혼합하여 다공성의 음극재(21)를 제조될 수 있다.
순환 라인(100)은 가스의 흐름을 안내하는 파이프(튜브)로, 음극재(21)와의 가스 순환을 위해 고체 산화물 연료전지 스택(20)에 연결될 수 있다. 이때, 순환 라인(100)에는 가스의 흐름을 지속적으로 유지시키기 위한 펌프(600)가 마련될 수 있다.
이때, 순환 라인(100)의 단부는 고체 산화물 연료전지 스택(20)의 연결재(23)를 통해 음극재(21)에 침투됨으로써, 음극재(21) 내 가스 순환을 위한 유로를 제공할 수 있다. 예를 들어, 순환 라인(100)은 연료가스(수소, 메탄…) 및 공기(산소)의 공급이 이루어지는 고체 산화물 연료전지 스택(20)의 공급통로(미도시) 에 연결될 수 있다.
이러한 순환 라인(100)은 음극재(21)의 양단측과 루프 형태로 연결되는 메인 라인(110)과, 히터(300)에서 배출된 순환 가스가 기화기(400)에 공급되도록 메인 라인(110)에서 분기되는 기화기(400)에 연결되는 바이패스 라인(120)과, 기화기(400)에서 배출된 후처리 가스를 순환 라인(100)에 공급하기 위한 공급 라인(130)과, 음극재(21)에서 배출된 가스를 외부로 배출하기 위한 배출 라인(140)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 히터(300)에서 가열된 순환 가스는 메인 라인(110)을 통해 음극재(21)와 순환될 수 있고, 기화기(400)에서 배출된 후처리 가스는 공급 라인(130) 및 메인 라인(110)을 거쳐 음극재(21)에 공급될 수 있으며, 음극재(21)에서 배출된 순환 가스/후처리 가스는 메인 라인(110) 및 배출 라인(140)을 통해 외부로 배출될 수 있다.
순환 가스 공급부(220)는 순환 가스(예를 들면, 공기 또는 불활성 가스)를 히터(300)에 제공할 수 있다. 원료 물질 공급부(210)는 음극재(21)의 온도조절 화학기상증착을 위한 원료 물질(예를 들어, Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2)을 기화기(400)에 제공할 수 있다.
본 실시예에서 원료공급기는 순환 가스 또는 원료 물질을 히터(300) 또는 기화기(400)에 제공하기 위한 챔버 형태로 제공되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 순환 가스 또는 원료 물질을 히터(300) 또는 기화기(400)에 다양한 형태로 제공될 수 있음은 물론이다. 아울러, 본 실시예에서 순환 가스는 공기 또는 불활성 가스를 포함하고, 원료 물질은 Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2을 포함하지만, 이외에도, 음극재(21)에 온도조절 화학기상증착이 적용 가능한 다양한 종류의 순환 가스/원료 물질이 사용될 수 있을 것이다.
본 실시예에서는 Ru, Co 나노입자를 형성하기 위한 원료 물질로써 Ru(CP)2(Ruthenocene)와 Co(CP)2(Cobaltocene)가 사용될 수 있지만, 본 발명에서 제안된 원료물질에 국한되지 않고 적절한 온도영역에서 Ru, Co 금속증기를 형성할 수 있는 원료 물질을 포함할 수 있다. 아울러, Ni 나노입자를 형성하기 위한 원료 물질로써, Ni(CP)2 (Nickelocene)이 사용될 수 있지만, 이외에도, 기공률이 충분히 형성된 음극재(21)의 내부에 부족한 삼상 접점(TPB: Triple Phase Boundary)을 보완할 수 있는 원료 물질이 사용될 수 있음은 물론이다.
히터(300)는 순환 가스를 기 설정된 가열온도 범위를 만족하도록 가열시킬 수 있고, 가열된 순환 가스를 순환 라인(100) 상에 배출하여 순환시킬 수 있다. 본 실시예에서 기 설정된 가열온도는 200 ~ 300℃ 범위를 만족할 수 있다. 히터(300)의 가열온도가 200℃이하이면, 순환 가스를 통한 음극재(21)의 예열이 어려울 수 있고, 히터(300)의 가열온도가 300℃초과이면, 순환 가스가 음극재(21)를 필요 이상의 고온 상태로 가열할 수 있다.
기화기(400)는 원료 물질을 기화시켜 후처리 가스를 생성하기 위해, 100 ~ 150℃ 범위의 기화온도를 만족할 수 있다. 본 실시예에서 기화기(400)의 기화온도가 100℃이하이면, 원료 물질에 대한 기화가 제대로 이루어지 않게 되어 후처리 가스의 생성이 어려울 수 있고, 히터(300)의 가열온도가 150℃초과이면, 후처리 가스의 적정 코팅 온도를 벗어날 수 있다.
이와 같이, 기화기(400)에서 생성된 Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 의 금속 증기는 히터(300)에서 제공된 고온의 순환 가스와의 혼합을 통해 후처리 가스로 생성된 후, 음극재(21)로 균일하게 주입될 수 있다. 금속 증기가 포함된 후처리 가스는 순환 라인(100)을 지속적으로 순환하면서 일정시간 동안 음극재(21) 내부를 순환할 수 있다.
이때, 후처리 가스의 코팅되는 양은, 기화기(400)로 투입되는 원료 물질의 공급량과, 기화기(400)의 기화 온도와, 히터(300)에 의해 가열되는 순환가스의 온도 및 유량과, 후처리가스를 음극재(21)의 내부로 투입시키는 시간으로 조절될 수 있다. 또한, 히터(300)에서 형성된 고온의 순환 가스를 기화기(400) 내부로 유입시키는 유량 조절을 통해서도 음극재(21)의 내부에 투입되는 후처리 가스 내 Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 의 금속 증기량이 조절될 수 있다
컨트롤 밸브(500)는 순환 가스 또는 후처리 가스의 흐름을 제어함으로써, 순환 가스 또는 후처리 가스를 순환 라인(100)에서 선택적으로 순환시킬 수 있다. 예컨대, 컨트롤 밸브(500)는 후처리 가스에 의한 음극재(21)의 코팅 전, 순환 가스를 음극재(21)에 순환시킴으로써, 음극재(21)를 기 설정된 예열온도까지 상승시킬 수 있다. 아울러, 컨트롤 밸브(500)는 후처리 가스에 의한 음극재(21)의 코팅 후, 순환 가스를 음극재(21)에 순환시킴으로써, 음극재(21)를 기 설정된 소결온도로 유지시킬 수 있다.
이를 위해, 컨트롤 밸브(500)는 히터(300)에서 배출된 순환 가스를 음극재(21) 또는 기화기(400)로 안내하는 제 1 밸브부(510)와, 기화기(400)에서 배출되는 후처리 가스를 음극재(21)로 안내하는 제 2 밸브부(520)와, 음극재(21)에서 배출된 순환 가스 또는 후처리 가스를 히터(300) 또는 외부로 안내하는 제 3 밸브부(530)와, 원료공급기의 순환가스를 히터(300)로 안내하는 제 4 밸브부(540)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 후처리 가스를 음극재(21)에 주입하기 전, 고온의 순환 가스(불활성 가스 포함)를 음극재(21)에 지속적으로 순환시켜, 음극재(21)의 내부 온도를 코팅(온도조절 화학기상증착)하기에 적합한 적정온도(200~300℃)로 상승시키면, 후처리 가스 내 금속 나노입자(Ru, Co, Ni 나노입자)가 음극재(21) 내부로 균일하게 확산 및 분산되면서 음극재(21)를 효과적으로 코팅될 수 있다. 아울러, 후처리 가스를 통한 코팅 완료된 후, 고온의 순환 가스(불활성 가스포함)를 일정 시간동안 음극재(21) 내부를 순환시키면, 음극재(21) 내부에 분산 코팅된 금속 나노입자가 효과적으로 소결 처리될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법을 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법은, 순환 가스 및 원료 물질을 공급하는 단계(S100)와, 순환 가스를 가열하는 단계(S200)와, 후처리 가스를 생성하는 단계(S1300)와, 음극재를 예열시키는 단계(S400)와, 음극재를 코팅하는 단계(S500)와, 음극재를 소결 처리하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
상기 순환 가스 및 원료 물질을 공급하는 단계(S100)는, 공기 또는 불활성 가스로 구성된 순환 가스를 히터에 공급하거나, Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2와 같은 원료 물질을 기화기에 공급한다.
상기 순환 가스를 가열하는 단계(S200)는, 히터에 공급된 순환 가스를 기 설정된 가열온도 범위를 만족하도록 가열한다. 예를 들어, 순환 가스는 200 ~ 300℃ 범위를 만족하도록 가열될 수 있다.
상기 후처리 가스를 생성하는 단계(S300)는, 가열된 순환 가스를 공급받아 원료 물질을 기화시킴으로써, 후처리 가스를 생성한다. 이때, 후처리 가스는 100 ~ 150℃ 범위의 기화온도에서 생성될 수 있으며, 후처리 가스의 코팅되는 양은, 기화기로 투입되는 원료 물질의 공급량과, 기화기의 기화 온도와, 히터에 의해 가열되는 순환가스의 온도 및 유량과, 후처리가스를 음극재의 내부로 투입시키는 시간으로 조절될 수 있다.
음극재를 예열시키는 단계(S400)는, 고온의 순환 가스(불활성 가스 포함)를 음극재에 지속적으로 순환시켜, 음극재의 내부 온도를 코팅(온도조절 화학기상증착)하기에 적합한 적정온도(200~300℃)로 상승시킨다.
상기 음극재를 코팅하는 단계(S500)는, 예열된 음극재에 후처리 가스를 공급하여 음극재를 코팅한다. 이때, 음극재에는 후처리 가스와의 화학반응을 거쳐 코팅층이 형성될 수 있다.
상기 음극재를 소결 처리하는 단계(S600)는, 고온의 순환 가스(불활성 가스포함)를 일정 시간동안 음극재 내부를 순환시킨다. 이때, 음극재 내부에서는 분산 코팅된 금속 나노입자가 효과적으로 소결 처리될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 후처리방법을 이용하여, 직경 1mm의 알루미나 볼 표면에 Ni 나노입자를 균일하게 분산 코팅함으로써, 온도조절 화학기상증착법을 통한 Ni 나노입자의 균일한 분산 코팅 효과를 확인한 결과를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법이 적용된 알루미나 볼의 코팅 온도를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 일 실시예에 따라 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법이 적용된 알루미나 볼의 표면을 확대하여 도시한 확대 사진이다.
도 3에 도시된 바와 같이, Ni(CP)2을 후처리 가스로 하여 알루미나 볼을 온도조절 화학기상증착하는 경우, 순환가스의 가스 순환을 통해, 음극재의 온도를 상온에서 100℃ 온도까지 상승(승온 온도 10℃/min)시킨 후, 후처리 가스, 예컨대, Ni(CP)2 가스를 100℃ 온도에서 2시간 동안 유지하면서, Ni(CP)2 가스가 음극재의 내부로 고루 확산되도록 한다. 그리고 순환가스의 가스 순환을 통해, 음극재의 온도를 100℃ 에서 260℃온도까지 상승(승온 온도 1℃/min)시킨 후, Ni(CP)2 가스를 260℃ 온도에서 13시간 동안 유지하면서, 음극재의 내부까지 고르게 확산되어 코팅시키도록 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, Ni(CP)2을 후처리 가스로 하여 알루미나 볼을 온도조절 화학기상증착한 결과를 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)을 확인하면 다음과 같다.
Ni(CP)2 가스, 다시 말해, Ni 나노입자가 코팅된 알루미나 볼 표면을 확인한 결과, 알루미나 볼 표면에 Ni 나노입자가 균일하게 분산코팅된 것을 확인하였다. 이때, 도 5의 초록색 점은 알루미나 볼 표면에 고르게 분산된 Ni성분을 나타낸다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 후처리방법에 따라, Ni 나노입자(Ni(CP)2)를 포함한 Ru 나노입자(Ru(CP)2), Co 나노입자(Co(CP)2)를 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재에 적용하면, 이들 Ni 나노입자, Ru 나노입자, 또는 Co 나노입자가 다공성의 음극재 내부에 균일하게 분산 코팅할 수 있음을 예상할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예는 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재 성능개선을 위한 후처리를 간단하고 효과적으로 진행할 수 있고, 탄화수소계 연료를 사용할 때 발생되는 카본 침적을 억제할 수 있는 Ru, Co 나노입자를 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재에 균일하게 분산 코팅함으로써, 음극재의 내구성 및 성능 안정성을 향상할 수 있으며, 기공이 충분하게 형성된 고체 산화물 연료전지 스택 음극재의 부족한 삼상 접점을 향상하기 위하여 Ni 나노입자를 음극재 내부에 균일하게 분산 코팅함으로써, 충분한 기공을 형성함과 동시에 적절한 삼상 접점 분포를 형성하여 음극재의 전기화학 성능을 개선할 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 :순환 라인 300 :히터
400 :기화기 500 :컨트롤 밸브
510 :제 1 밸브부 520 :제 2 밸브부
530 :제 3 밸브부 600 :펌프

Claims (9)

  1. 고체 산화물 연료전지 스택의 음극재와 가스 순환을 위해 제공되는 순환 라인;
    순환 가스의 공급을 위한 순환 가스 공급부;
    상기 순환 라인 상에 설치되고, 상기 순환 가스 공급부로부터 상기 순환 가스를 공급받아 상기 순환 가스를 가열하는 히터;
    원료 물질의 공급을 위한 원료 물질 공급부;
    상기 순환 라인 상에 제공되고, 상기 원료 물질 공급부로부터 상기 원료 물질을 공급받아 후처리 가스를 생성하는 기화기; 및
    상기 순환 가스 또는 상기 후처리 가스 중 적어도 어느 하나를 상기 순환 라인에서 순환시키기 위한 컨트롤 밸브를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브는
    상기 후처리 가스에 의한 상기 음극재의 코팅 전, 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜, 상기 음극재를 기 설정된 예열온도까지 상승시키고,
    상기 후처리 가스에 의한 상기 음극재의 코팅 후, 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜, 상기 음극재를 기 설정된 소결온도로 유지시키는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브는
    상기 히터에서 배출된 순환 가스를 상기 음극재 또는 상기 기화기로 안내하는 제 1 밸브부;
    상기 기화기에서 배출되는 상기 후처리 가스를 상기 음극재로 안내하는 제 2 밸브부; 및
    상기 음극재에서 배출된 상기 순환 가스 또는 상기 후처리 가스를 상기 히터 또는 외부로 안내하는 제 3 밸브부를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 물질은
    Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 순환 가스는
    공기 또는 불활성 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터는
    200 ~ 300℃ 범위의 가열온도를 만족하고,
    상기 기화기는
    100 ~ 150℃ 범위의 기화온도를 만족하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리장치.
  7. 순환 가스 및 원료 물질을 공급하는 단계;
    공급된 상기 순환 가스를 가열하는 단계;
    상기 원료 물질을 기화시켜 후처리 가스를 생성하는 단계;
    가열된 상기 순환 가스를 음극재에 순환시켜 상기 음극재를 예열시키는 단계;
    예열된 상기 음극재에 상기 후처리 가스를 공급하여 상기 음극재를 코팅하는 단계; 및
    가열된 상기 순환 가스를 상기 음극재에 순환시켜 코팅된 상기 음극재를 소결 처리하는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 후처리 가스를 생성하는 단계는,
    가열된 상기 순환 가스를 상기 후처리 가스에 혼합하여, 상기 후처리 가스의 온도, 유량 및 코팅 농도를 조절하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 원료 물질은
    Ni(CP)2,Ru(CP)2 또는 Co(CP)2 중 적어도 어느 하나를 포함하는 고체 산화물 연료전지 스택의 후처리방법.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS60216458A (ja) * 1984-04-11 1985-10-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高温燃料電池の負極の再生法
KR20130033824A (ko) 2011-09-27 2013-04-04 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 스택
JP2013206684A (ja) * 2012-03-28 2013-10-07 Toshiba Corp 固体酸化物燃料電池の電極活性化方法

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