KR20090032568A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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최진혁
유영성
이태희
박태성
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한국전력공사
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Abstract

A solid oxide fuel cell is provided to increase battery capacity by enlarging the size of a cell, to improve the efficiency of a battery and the mechanical strength of the cell and current collection effect by enhancing the conductivity of the cell. A solid oxide fuel cell comprises a unit cell containing a fuel electrode support(12), electroyte membrane(11) formed at the top of the fuel electrode support and air electrode(10) formed at the top of the electrolyte film. The fuel electrode support comprises the porous metal electrode support containing any one shape selected from a plate, net and felt. The porous metal is one selected from iron(Fe), nickel(Ni), and platinum(Pt) and gold(Au).

Description

고체 산화물 연료 전지{Solid Oxide Fuel Cell}Solid Oxide Fuel Cell

본 발명은 고체 산화물 연료 전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적 강도를 향상시키고 효율을 향상시키고, 단전지 대면적화를 용이하게 하며, 연료극 부분에서의 집전 효과를 극대화할 수 있는 고체 산화물 연료 전지에 관한 것이다.The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly, to a solid oxide fuel cell capable of improving mechanical strength, improving efficiency, facilitating large-area unit cells, and maximizing current collecting effects at the anode portion. It is about.

일반적으로, 고체 산화물 연료 전지 발전 시스템은 천연가스, 석탄 가스 등 다양한 연료의 사용이 가능하며 연소 과정 없이 섭씨 650도 이상의 고온에서 연료가 전기로 바뀌는 화학 반응에 의하여 전기를 생산한다. 따라서, 이러한 고체 산화물 연료 전지는 소음 및 대기 오염을 줄일 수 있기 때문에 차세대 발전 방식으로 주목받고 있다.In general, the solid oxide fuel cell power generation system can use a variety of fuels, such as natural gas, coal gas, and generates electricity by a chemical reaction in which the fuel is converted to electricity at a high temperature of more than 650 degrees Celsius without a combustion process. Therefore, such solid oxide fuel cells are attracting attention as a next generation power generation method because they can reduce noise and air pollution.

그 중에서도 고체 산화물 연료 전지의 구성 요소인 단전지는 연료극, 전해질막, 공기극의 적층 현상에 따라 크게 원통형(tubular type) 단전지와 평판형(planar type) 단전지로 나뉘어 진다. 이 중 평판형 단전지는 기계적 강도를 유지하는 지지체 역할을 어떤 구성 요소가 담당하는지에 따라 다시 전해질 지지체형 단전지와 연료극 지지체형 단전지로 나뉜다. 그리고 최근에 그 중에서도 금속분리 판 사용 등의 문제로 중저온에서 운전이 용이한 연료극 지지체형 단전지가 크게 주목을 받고 있다.Among them, a unit cell, which is a component of a solid oxide fuel cell, is classified into a tubular unit cell and a planar type unit cell according to the stacking phenomenon of the anode, the electrolyte membrane, and the cathode. Among them, the flat plate cell is further divided into an electrolyte support unit cell and a fuel electrode support unit cell according to which component plays a role of a support to maintain mechanical strength. Recently, the anode support type unit cell, which is easy to operate at low and low temperatures due to problems such as the use of a metal separator plate, has attracted much attention.

일반적으로 연료극 지지체형 단전지는 세라믹 재료인 NiO와 세라믹 전해질(Zirconia계 또는 Ceria계) 분말을 혼합한 후 가압 성형하고 고온에서 열처리하여 제조된다. 그런데 이러한 세라믹 재료는 대면적화에 적합하지 않고, 대면적 성형 후 열처리시 변형이 쉽게 발생하는 문제가 있다. 또한, 세라믹 재료는 부서지기 쉬운(brittle) 성질을 갖기 때문에 기계적으로 강도가 떨어져서 외부 충격에 약한 문제가 있다.In general, a cathode support unit cell is manufactured by mixing NiO, which is a ceramic material, and a ceramic electrolyte (Zirconia-based or Ceria-based) powder, followed by pressure molding and heat treatment at a high temperature. However, such a ceramic material is not suitable for large area, and there is a problem that deformation occurs easily during heat treatment after forming a large area. In addition, since the ceramic material has a brittle property, there is a problem of weak mechanical strength due to its mechanical strength.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 단전지 대면적화를 용이하게 하여 전지 용량을 향상시킬 수 있고 전지의 효율을 향상시킬 수 있는 고체 산화물 연료 전지를 제공함에 있다.Disclosure of Invention The present invention is to overcome the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell which can improve the cell capacity and improve the efficiency of a cell by facilitating a large area of a single cell. .

또한, 본 발명의 다른 목적은 단전지의 기계적 강도를 증가시킬 수 있는 고체 산화물 연료 전지를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of increasing the mechanical strength of a unit cell.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 단전지의 전기전도도를 높임으로써 집전 효과를 향상시킬 수 있는 고체 산화물 연료 전지를 제공함에 있다.In addition, another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell that can improve the current collector effect by increasing the electrical conductivity of the unit cell.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 고체 산화물 연료 전지는 연료극 지지체, 연료극 지지체의 상부에 형성되는 전해질막 및 전해질막의 상부에 형성되는 공기극을 구비하는 단전지를 포함하고, 연료극 지지체는 다공성 금속으로 이루어진 다공성 금속 연료극 지지체를 포함하여 형성될 수 있다.In order to achieve the above object, the solid oxide fuel cell according to the present invention includes a unit cell including an anode support, an electrolyte membrane formed on the anode support, and an air electrode formed on the electrolyte membrane, and the anode support is formed of a porous metal. It may be formed including a porous metal anode support.

여기서, 다공성 금속 연료극 지지체는 판, 망, 펠트(felt) 중 선택된 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.Here, the porous metal anode support may be formed in the shape of any one selected from a plate, a network, felt.

그리고 다공성 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.The porous metal may be any one selected from iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), and gold (Au).

또한, 연료극 지지체는 다공성 금속 연료극 지지체의 상부 또는 하부 중에서 적어도 일면에 형성된 세라믹 연료극 지지체를 더 포함하여 형성될 수 있다.In addition, the anode support may further include a ceramic anode support formed on at least one surface of the upper or lower portion of the porous metal anode support.

상기와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지는 연료극 지지체를 다공성 금속 극 또는 종래 세라믹 물질에 다공성 금속을 삽입하여 형성함으로써 단전지 대면적화를 용이하게 하여 전지 용량을 증대시킬 수 있고, 전지의 효율을 향상시킬 수 있고, 단전지의 기계적 강도를 증가시킬 수 있으며, 단전지의 전기전도도를 높임으로써 집전 효과를 향상시킬 수 있다.As described above, in the solid oxide fuel cell according to the embodiment of the present invention, the anode support is formed by inserting the porous metal into the porous metal pole or the conventional ceramic material, thereby facilitating the large area of the unit cell, thereby increasing the battery capacity. The efficiency of the battery can be improved, the mechanical strength of the unit cell can be increased, and the current collecting effect can be improved by increasing the electrical conductivity of the unit cell.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily practice the present invention.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지를 설명하도록 한다. Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지를 도시한 것이다.1 illustrates a unit cell of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지는 공기극(10), 상기 공기극(10)의 상부에 형성되는 전해질막(11), 상기 전해질막(11)의 상부에 형성되는 다공성 금속 연료극 지지체(12)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, a unit cell of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention includes a cathode 10, an electrolyte membrane 11 formed on the cathode 10, and an electrolyte membrane 11. It may include a porous metal anode support 12 formed on the top.

상기 공기극(10)은 산소를 공급받으며, 상기 공기극(10)의 내부에서 전기 화학적 환원 반응이 발생하여 산소 이온이 형성된다.The cathode 10 receives oxygen, and an electrochemical reduction reaction occurs in the cathode 10 to form oxygen ions.

상기 전해질막(11)은 전자는 통과시키지 않으나, 이온을 통과시키는 특성을 갖는다. 따라서, 상기 공기극(10)으로부터 발생한 산소 이온을 공급받아 상기 다공성 금속 연료극 지지체(12)로 이동하는 통로를 제공한다.The electrolyte membrane 11 does not pass electrons, but has characteristics of passing ions. Thus, a passage for receiving oxygen ions generated from the cathode 10 and moving to the porous metal anode support 12 is provided.

상기 다공성 금속 연료극 지지체(12)는 단전지를 지탱할 수 있도록 기계적 강도가 높은 금속으로 형성되며, 판, 망, 펠트(felt) 또는 이들의 등가물 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.The porous metal anode support 12 may be formed of a metal having high mechanical strength to support a unit cell, and may be formed in any one shape selected from a plate, a net, a felt, or an equivalent thereof.

또한, 상기 다공성 금속 연료극 지지체(12)는 연료를 공급받기 위해서 그 내부에 기체가 이동할 수 있도록 기공을 포함하고 있어야 한다. 따라서, 상기 다공성 금속 연료극 지지체(12)는 다공성 금속으로 형성된다. 이러한 다공성 금속으로는 철(Fe), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag) 또는 이들의 등가물이 이용될 수 있다.In addition, the porous metal anode support 12 should include pores to allow gas to move therein in order to receive fuel. Thus, the porous metal anode support 12 is formed of a porous metal. As the porous metal, iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), or equivalents thereof may be used.

상기 전해질막(11)을 통해 이동한 산소 이온과 다공성 금속 연료극 지지체(12)에서 공급되는 연료가 만나 전기 화학적 산화 반응이 일어나게 된다. 그리고 이 전기 화학적 산화 반응 과정에서 단전지에 전기가 생산된다.Oxygen ions moved through the electrolyte membrane 11 and fuel supplied from the porous metal anode support 12 meet to cause an electrochemical oxidation reaction. In the electrochemical oxidation process, electricity is produced in a unit cell.

상기와 같이 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지는 단전지의 연료극 지지체를 종래의 세라믹 대신 다공성 금속을 이용하여 형성함으로써 단전지 대면적화를 용이하게 하여 전지 용량을 증대시킬 수 있고, 전지의 효율을 향상시킬 수 있으며, 기계적 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지는 단전지의 전기전도도를 높임으로써 집전 효과를 향상시킬 수 있다.As described above, in the solid oxide fuel cell according to the exemplary embodiment of the present invention, the anode support of the unit cell is formed by using a porous metal instead of the conventional ceramic, thereby facilitating the large area of the unit cell and increasing the battery capacity. The battery efficiency can be improved, and the mechanical strength can be increased. In addition, the solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention can improve the current collecting effect by increasing the electrical conductivity of the unit cell.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 구성에 대해서 설명하도록 한다.Hereinafter, a configuration of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention will be described.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지를 도시한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지 구조를 전자 주사 현미경으로 찍은 사진을 도시한 것이다.2 is a cross-sectional view illustrating a unit cell of a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention. 3 illustrates a photograph taken with an electron scanning microscope of a unit cell structure of a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 2에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지는 공기극(20), 전해질막(21), 다공성 금속 연료극 지지체(22), 세라믹 연료극 지지체(23)을 포함하여 형성될 수 있다.As shown in FIG. 2, a unit cell of a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention includes an air electrode 20, an electrolyte membrane 21, a porous metal anode support 22, and a ceramic anode support 23. Can be formed.

상기 공기극(20), 전해질막(21) 및 다공성 금속 연료극 지지체(22)는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 공기극(10), 전해질막(11), 다공성 금속 연료극 지지체(12)와 동일하다. 따라서, 이하의 설명은 생략하도록 한다.The cathode 20, the electrolyte membrane 21, and the porous metal anode support 22 are each an anode 10, an electrolyte membrane 11, and a porous metal anode support of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention. Same as 12). Therefore, the following description will be omitted.

도 2를 참조하면, 상기 세라믹 연료극 지지체(23)는 상기 다공성 금속 연료극 지지체(22)의 상부 및 하부에 형성되어 있다. 그리고 도 3을 참조하면 상기 다공성 금속의 일례로서 니켈(Ni)이 상기 세라믹 연료극 지지체(23) 사이에 형성되어 있다. 또한, 별도로 도시하지는 않았지만, 상기 세라믹 연료극 지지체(23)는 상기 다공성 금속 연료극 지지체(22)의 상부 또는 하부 중에서 일면에만 형성될 수도 있다.Referring to FIG. 2, the ceramic anode support 23 is formed above and below the porous metal anode support 22. 3, nickel (Ni) is formed between the ceramic anode support 23 as an example of the porous metal. In addition, although not separately illustrated, the ceramic anode support 23 may be formed only on one surface of the upper or lower portion of the porous metal anode support 22.

본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지 내부에서는 앞선 실시예에서와 동일한 원리에 의해 전기가 발생한다. 즉, 상기 공기극(20)에서공급된 산소의 전기 화학적 반응을 통해 산소 이온을 만들어 내고, 산소 이온은 상기 전해질막(21)을 통과하여 상기 다공성 금속 연료극 지지체(22) 및 세라믹 연료극 지지체(23)에 전달된다. 그리고, 상기 산소 이온과 상기 다공성 금속 연료극 지지체(22) 및 세라믹 연료극 지지체(23)에 공급된 연료가 반응하면, 전기 화학적 반응에 의해 전기가 발생된다.In the unit cell of the solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention, electricity is generated by the same principle as in the previous embodiment. That is, oxygen ions are produced through an electrochemical reaction of oxygen supplied from the cathode 20, and oxygen ions pass through the electrolyte membrane 21 to allow the porous metal anode support 22 and the ceramic anode support 23. Is passed on. When the oxygen ions and the fuel supplied to the porous metal anode support 22 and the ceramic anode support 23 react, electricity is generated by an electrochemical reaction.

상기와 같이 하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지는 단전지의 연료극 지지체를 종래의 세라믹 대신 세라믹에 삽입된 금속 전구체로 형성함으로써 대면적화에 적합, 기계적 강도의 향상, 전지 효율의 향상, 집전 효과의 향상을 도모할 수 있다.As described above, the solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention is suitable for a large area by forming the anode support of the unit cell as a metal precursor inserted into the ceramic instead of the conventional ceramic, improving the mechanical strength, and improving the battery efficiency. The improvement and the current collector effect can be improved.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 효율 향상 효과에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, an efficiency improvement effect of a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention will be described.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 성능을 종래의 고체 산화물 연료 전지와 비교하기 위한 그래프이다.4 is a graph for comparing the performance of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention with a conventional solid oxide fuel cell.

도 4를 참조하면, 전류 밀도(current density)의 증감에 따른 셀전압(cell voltage) 및 전력 밀도(power density)가 각각 도시되어 있다. 여기서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지는 다공성 금속 연료극 지지체로 펠트(felt)형의 니켈(Ni)을 사용하였다.Referring to FIG. 4, cell voltages and power densities according to increase and decrease of current density are shown. Here, in the unit cell of the solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention, a felt-type nickel (Ni) was used as the porous metal anode support.

우선, 전류 밀도가 증가함에 따라 내부 저항에서의 전압 강하에 의해 셀전압이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 전류 밀도가 증가함에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지(felt)의 전압은 종래(standard)의 전압보다 높게 유지되는 것을 확인할 수 있다.First, it can be seen that as the current density increases, the cell voltage decreases due to the voltage drop in the internal resistance. And as the current density increases, it can be seen that the voltage of the solid oxide fuel cell (felt) according to another embodiment of the present invention is maintained higher than the standard voltage.

또한, 전류 밀도가 증가함에 따라 고체 산화물 연료 전지의 전력 밀도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 종래의 고체 산화물 전지의 최대 전력은 약 0.55[W/㎠]임에 비하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 최대 전력은 0.6[W/㎠] 임을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that as the current density increases, the power density of the solid oxide fuel cell is improved. The maximum power of the conventional solid oxide battery is about 0.55 [W / cm 2], whereas the maximum power of the solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention is 0.6 [W / cm 2].

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지는 그 공급 전력의 효율에 있어서도 종래의 고체 산화물 연료 전지에 비해 향상시키는 효과가 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that the solid oxide fuel cell according to the embodiment of the present invention has an effect of improving the supply power efficiency compared with the conventional solid oxide fuel cell.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지 구조를 도시한 것이다. 1 illustrates a unit cell structure of a solid oxide fuel cell according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지 구조를 도시한 것이다.2 illustrates a unit cell structure of a solid oxide fuel cell according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 단전지의 구조를 전자 주사 현미경으로 찍은 사진을 도시한 것이다.3 is a photograph taken with an electron scanning microscope of the structure of a unit cell of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에에 따른 고체 산화물 연료 전지의 성능을 종래의 고체 산화물 연료 전지의 성능과 비교한 그래프이다.4 is a graph comparing the performance of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention with that of a conventional solid oxide fuel cell.

< 도면 부호의 설명 ><Description of reference numerals>

10, 20; 공기극 11, 21; 전해질막10, 20; Air electrodes 11, 21; Electrolyte membrane

12, 22; 다공성 금속 연료극 지지체 23; 세라믹 연료극 지지체12, 22; Porous metal anode support 23; Ceramic anode support

Claims (4)

연료극 지지체;An anode support; 상기 연료극 지지체의 상부에 형성되는 전해질막; 및An electrolyte membrane formed on the anode support; And 상기 전해질막의 상부에 형성되는 공기극을 구비하는 단전지를 포함하고,It includes a unit cell having an air electrode formed on the electrolyte membrane, 상기 연료극 지지체는 다공성 금속으로 이루어진 다공성 금속 연료극 지지체를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The anode support is a solid oxide fuel cell, characterized in that it comprises a porous metal anode support made of a porous metal. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다공성 금속 연료극 지지체는 판, 망, 펠트(felt) 중 선택된 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The porous metal anode support has a solid oxide fuel cell, characterized in that it has a shape of any one selected from the plate, mesh, felt. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다공성 금속은 철(Fe), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The porous metal is a solid oxide fuel cell, characterized in that any one selected from iron (Fe), nickel (Ni), platinum (Pt), gold (Au). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연료극 지지체는 상기 다공성 금속 연료극 지지체의 상부 또는 하부 중에서 적어도 일면에 형성된 세라믹 연료극 지지체를 더 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The anode support further comprises a ceramic anode support formed on at least one surface of the upper or lower portion of the porous metal anode support.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110013802A (en) * 2009-08-03 2011-02-10 주식회사 포스코 Unit cell for solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof

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