KR20110092963A - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A solid oxide fuel cell is provided to efficiently separate hydrogen from fuel gas by forming a reformed catalyst layer to a fuel electrode at the part corresponding to a channel. CONSTITUTION: A solid oxide fuel cell comprises: a battery plate which generates electrons by including an air electrode contacting the air, a fuel electrode(14) contacting fuel gas, and electrolyte(16) coupled between the air electrode and the fuel electrode; a connection plate(20) which is coupled to the fuel electrode in order to have a channel(22) spilling the fuel gas to the interval between the fuel electrode and applies the electronics generated from the battery plate; and a reformation catalyst layer(30) which is formed at the part exposed from a channel and reforms the fuel gas in order to separate hydrogen from the fuel gas.

Description

고체 산화물 연료 전지 및 그 제조 방법{SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Solid oxide fuel cell and its manufacturing method {SOLID OXIDE FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고체 산화물 연료 전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 고체 산화물로 이루어진 전해질과 이의 양 면들 각각에 결합된 공기극과 연료극을 통하여 전기를 생성하는 고체 산화물 연료 전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a solid oxide fuel cell and a method of manufacturing the same, which generate electricity through an air electrode and a fuel electrode coupled to an electrolyte made of a solid oxide and both surfaces thereof. It is about.

일반적으로, 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell; 이하, SOFC)는 이트리아 안정화 지르코니아(Yttria Stabilized Zirconia; 이하, YSZ)와 같은 이온전도성의 고체 산화물로 이루어진 전해질의 양 면들에 연료극과 공기극이 결합된 셀을 기본 구성으로 하여 전기를 생성한다. In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel electrode and an air electrode coupled to both sides of an electrolyte made of an ion conductive solid oxide such as Yttria Stabilized Zirconia (YSZ). Electricity is generated based on the configured cell.

이때, 상기 연료극은 상기 YSZ에 니켈(Ni)이 혼합된 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 공기극은 란탄늄(La), 스트론튬(Sr) 및 망간(Mn)의 혼합물인 LSM 또는 란탄늄(La), 스트론튬(Sr), 코발트(Co) 및 망간(Mn)의 혼합물인 LSCF로 이루어질 수 있다. In this case, the fuel electrode may be made of a material in which nickel (Ni) is mixed with the YSZ, and the air electrode may be a mixture of lanthanum (La), strontium (Sr) and manganese (Mn), LSM or lanthanum (La), It may be made of LSCF which is a mixture of strontium (Sr), cobalt (Co) and manganese (Mn).

이에, 수소(H2)와 산소(O2)가 각각 상기 연료극과 상기 공기극을 통과하고, 상기 전해질은 상기 공기극을 통과한 산소(O2)로부터 이온을 상기 연료극에 전달함으로써, 상기 연료극에서는 전자가 생성된다. Accordingly, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) pass through the anode and the cathode, respectively, and the electrolyte transfers ions from the oxygen (O 2 ) passing through the cathode to the anode, whereby the electron Is generated.

여기서, 상기 전기의 생성에 필요한 수소(H2)는 상기 SOFC의 외부에서 메탄(CH4), 프로판(C3H8) 또는 부탄(C4H10)과 같은 탄소(C)와 수소(H2)의 결합 물질을 개질화시키는 공정을 수행하여 순수한 상태로 상기 연료극에 접촉시킬 수 있다.Here, hydrogen (H 2 ) required for the generation of electricity is carbon (C) and hydrogen (H) such as methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ) or butane (C 4 H 10 ) outside the SOFC. The process of reforming the binding material of 2 ) may be performed to contact the fuel electrode in a pure state.

본 발명의 목적은 연료극에서 탄소와 수소의 결합 물질로부터 상기 수소를 분리시키는 개질화 공정을 직접 수행할 수 있는 SOFC를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide an SOFC capable of directly performing a reforming process in which the hydrogen is separated from a binding material of carbon and hydrogen in an anode.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 SOFC를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for producing the SOFC.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따른 SOFC는 전지판, 연결판 및 개질 촉매층을 포함한다.In order to achieve the above object of the present invention, an SOFC according to one aspect includes a panel, a connecting plate and a reforming catalyst layer.

상기 전지판은 산소를 포함하는 공기와 접촉하는 공기극, 수소를 포함하는 연료 가스와 접촉하는 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 결합되는 전해질을 포함하여 전자를 발생한다. The panel generates electrons including an air electrode in contact with air containing oxygen, a fuel electrode in contact with a fuel gas including hydrogen, and an electrolyte coupled between the air electrode and the fuel electrode.

상기 연결판은 상기 연료극과의 사이에 상기 연료 가스를 흘려주는 채널을 갖도록 상기 연료극에 결합되며, 상기 전지판으로부터 발생된 전자를 외부의 전기 장치로 인가한다. The connecting plate is coupled to the fuel electrode to have a channel through which the fuel gas flows between the fuel electrode and the electrons generated from the panel are applied to an external electric device.

상기 개질 촉매층은 상기 연료극의 상기 채널로 노출된 부위에 형성되며, 상기 연료 가스로부터 수소를 분리시키기 위하여 상기 연료 가스를 개질화시킨다.The reforming catalyst layer is formed at a portion exposed to the channel of the anode and reforms the fuel gas to separate hydrogen from the fuel gas.

여기서, 상기 연료극은 상기 개질 촉매층이 형성된 리세스를 가질 수 있다. 또한, 상기 리세스는 곡선 형태의 단면을 가질 수 있다. 또한, 상기 리세스의 폭은 상기 채널의 폭보다 클 수 있다. 또한, 상기 개질 촉매층은 세리아(CeO2)를 포함할 수 있다. Here, the anode may have a recess in which the reforming catalyst layer is formed. In addition, the recess may have a curved cross section. In addition, the width of the recess may be larger than the width of the channel. In addition, the reforming catalyst layer may include ceria (CeO 2 ).

한편, 상기 SOFC는 상기 연결판의 상기 전지판과 반대되는 면에 결합되는 제2 전지판을 더 포함할 수 있다. 이에, 상기 제2 전지판은 실질적으로 상기 전지판과 동일한 구성으로 이루어질 수 있다. The SOFC may further include a second panel coupled to a surface of the connecting plate opposite to the panel. Thus, the second panel may be substantially the same configuration as the panel.

상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 일 특징에 따라 SOFC를 제조하는 방법은 산소를 포함하는 공기와 접촉하는 공기극, 수소를 포함하는 연료 가스와 접촉하는 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 결합된 전해질을 포함하여 전자를 발생하는 전지판을 형성한다.In order to achieve the above object of the present invention, a method for producing an SOFC according to one aspect of the present invention comprises a cathode in contact with air containing oxygen, a fuel electrode in contact with a fuel gas containing hydrogen and between the cathode and the anode The combined electrolyte is formed to form a panel that generates electrons.

이어, 상기 연료극에서 상기 연료 가스가 흐르는 채널을 따라 리세스를 형성한다. 이어, 상기 연료 가스로부터 수소를 분리시키기 위해 상기 연료 가스를 개질화시키는 개질 촉매 물질을 상기 리세스에 주입하여 개질 촉매층을 형성한다. 이어, 상기 연료극과의 사이에 상기 채널이 형성되도록 연결판을 상기 연료극에 결합시킨다.Subsequently, a recess is formed along a channel through which the fuel gas flows in the anode. A reforming catalyst material that reforms the fuel gas is then injected into the recess to separate hydrogen from the fuel gas to form a reforming catalyst layer. Then, the connecting plate is coupled to the anode so that the channel is formed between the anode and the anode.

이때, 상기 개질 촉매 물질은 액체 상태로 주입되거나, 분말 상태로 주입될 수 있다. In this case, the reforming catalyst material may be injected in a liquid state or in a powder state.

이러한 SOFC 및 그 제조 방법에 따르면, 연료극 중 연료 가스가 흐르면서 연료극과 실질적으로 접하는 영역인 채널과 대응되는 부위에 상기 연료극에 개질 촉매층을 주입 방식을 통해 형성함으로써, 상기 연료 가스를 개질화시켜 상기 연료 가스로부터 수소(H2)를 효율적으로 분리시킬 수 있다. 또한, 상기 연료 가스를 상기 연료극에서 상기 개질 촉매층을 통해 직접 개질화시킴으로써, 그 성능도 향상시킬 수 있다. According to such an SOFC and a method of manufacturing the same, the fuel gas is reformed by forming a reforming catalyst layer in the fuel electrode at a portion corresponding to a channel, which is a region in which the fuel gas flows in contact with the fuel electrode. Hydrogen (H 2 ) can be efficiently separated from the gas. In addition, by directly reforming the fuel gas through the reforming catalyst layer at the anode, its performance can also be improved.

또한, 배경 기술에서와 같이 상기 SOFC의 외부에서 상기 연료 가스를 개질화시킬 경우 필요하던 개질화 장치를 제거함으로써, 설비 비용의 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 필요한 설치 공간도 효율적으로 활용할 수 있다. In addition, as in the background art, by removing the reforming apparatus required when reforming the fuel gas from the outside of the SOFC, not only the installation cost can be reduced, but also the installation space required for this can be efficiently utilized.

뿐만 아니라, 상기 연료 가스를 외부의 개질화 장치에서 일부를 개질화시킨 다음, 상기 개질 촉매층을 통해 나머지 일부를 개질화시킴으로써, 효율적인 에너지 사용을 통해 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, by reforming a part of the fuel gas in an external reforming apparatus and then reforming the remaining part through the reforming catalyst layer, system efficiency can be improved through efficient energy use.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 SOFC의 단위 셀을 제조하는 과정을 나타낸 도면들이다.1 is a schematic view showing a SOFC according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1.
3 is an enlarged view of a portion A of FIG. 2.
4A through 4D are diagrams illustrating a process of manufacturing a unit cell of the SOFC illustrated in FIG. 1.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 SOFC 및 그 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.Hereinafter, an SOFC and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown in an enlarged scale than actual for clarity of the invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

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. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprises", "having", and the like are used to specify that a feature, a number, a step, an operation, an element, a part or a combination thereof is described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절단한 단면도이며, 도 3은 도 2의 A부분을 확대한 도면이다.FIG. 1 is a schematic view showing a SOFC according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged view of a portion A of FIG. 2. to be.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SOFC(100)는 전지판(10), 연결판(20) 및 개질 촉매층(30)을 포함한다.1 to 3, the SOFC 100 according to an embodiment of the present invention includes a panel 10, a connecting plate 20, and a reforming catalyst layer 30.

전지판(10)은 층구조를 갖는 공기극(12), 연료극(14) 및 전해질(16)을 포함한다. 전지판(10)은 전해질(16)을 사이로 그 양 면들에 공기극(12)과 연료극(14)이 결합된 구조를 갖는다.The panel 10 includes a cathode 12, a fuel electrode 14, and an electrolyte 16 having a layered structure. The panel 10 has a structure in which the cathode 12 and the anode 14 are coupled to both surfaces of the electrolyte 16 through the electrolyte 16.

공기극(12)은 전해질(16)과 반대되는 면에서 산소(O2)를 포함하는 공기(AR)와 접촉한다. 공기극(12)은 다공질 구조로 이루어져 상기 산소(O2)는 공기극(12)을 통과하게 된다. 이때, 공기극(12)은 란탄늄(Lanthanum; La), 스트론튬(Strontium; Sr) 및 망간(Manganese; Mn)의 혼합물인 LSM 또는 란탄늄(Lanthanum; La), 스트론튬(Strontium; Sr), 코발트(Cobalt; Co) 및 철(Iron; Fe)의 혼합물인 LSCF로 이루어질 수 있다.The cathode 12 is in contact with the air AR containing oxygen (O 2 ) on the side opposite to the electrolyte 16. The cathode 12 has a porous structure, and the oxygen (O 2) passes through the cathode 12. At this time, the cathode 12 is a mixture of lanthanum (La), strontium (Strontium; Sr) and manganese (Manganese; Mn), LSM or lanthanum (La), strontium (Sr), cobalt ( Cobalt; Co) and iron (Iron; Fe) may be made of LSCF.

연료극(14)은 전해질(16)과 반대되는 면에서 수소(H2)를 포함하는 연료 가스(FG)와 접촉한다. 연료극(14)은 공기극(12)과 마찬가지로, 다공질 구조로 이루어져 상기 수소(H2)는 연료극(14)을 통과하게 된다. 이때, 연료극(14)은 금속 물질인 니켈(Ni)과 이온 전도성의 세라믹 물질인 YSZ의 혼합물로 이루어질 수 있다. The anode 14 is in contact with the fuel gas FG containing hydrogen (H 2 ) on the side opposite to the electrolyte 16. Like the cathode 12, the fuel electrode 14 has a porous structure, and the hydrogen H 2 passes through the fuel electrode 14. In this case, the anode 14 may be formed of a mixture of nickel (Ni), which is a metal material, and YSZ, which is an ion conductive ceramic material.

전해질(16)은 공기극(12)을 통과한 산소(O2)로부터 이온을 투과하여 연료극(14)에 전달한다. 이로써, 연료극(14)에서는 상기의 이온과 수소(H2)가 결합하여 전기를 생성하는 전자가 발생된다. The electrolyte 16 transmits ions from oxygen (O 2 ) passing through the air electrode 12 to the fuel electrode 14. As a result, the fuel electrode 14 generates electrons by combining the ions with hydrogen (H 2 ) to generate electricity.

여기서, 전해질(16)은 산소(O2)와 수소(H2)가 서로 혼합되는 것을 방지하기 위하여 공기극(12) 및 연료극(14)과 달리, 치밀한 구조로 이루어진다. Here, the electrolyte 16 has a compact structure, unlike the cathode 12 and the anode 14, in order to prevent oxygen (O 2 ) and hydrogen (H 2 ) from being mixed with each other.

이러한 전해질(16)은 전기의 생성을 위하여 YSZ, (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3과 같은 세라믹 분말로 이루어진다. 이러한 전해질(16)은 테이프 캐스팅, 스크린 프린팅, 딥-코팅, 페인팅 등 또는 화학증착법, 물리증착법 등을 포함하는 진공증착법을 통해 형성될 수 있다. The electrolyte 16 is made of ceramic powder such as YSZ, (La, Sr) (Ga, Mg) O 3 , Ba (Zr, Y) O 3 to generate electricity. The electrolyte 16 may be formed through vacuum deposition including tape casting, screen printing, dip-coating, painting, or the like, or chemical vapor deposition, physical vapor deposition, or the like.

연결판(20)은 연료극(14)과의 사이에 연료 가스(FG)를 흘려주는 채널(22)을 갖도록 연료극(14)에 결합된다. 이때, 연결판(20)은 전기 전도성을 갖는 금속 재질 또는 전도성을 갖는 세라믹 물질로 이루어져 채널(22)을 제외한 나머지 부분에서 연료극(14)과 전기적으로 연결된다. The connecting plate 20 is coupled to the fuel electrode 14 to have a channel 22 for flowing the fuel gas FG between the fuel electrode 14 and the fuel electrode 14. In this case, the connecting plate 20 is made of a metal material having electrical conductivity or a ceramic material having conductivity, and is electrically connected to the anode 14 at the remaining portions except the channel 22.

연결판(20)은 외부의 전기 장치(1)와 전기적으로 연결된다. 이에, 연결판(20)은 전해질(16)로부터 생성되어 연료극(14)으로 인가되는 전자를 전기 장치(1)로 전달하여 전기 장치(1)를 구동시킬 수 있다. The connecting plate 20 is electrically connected to the external electric device 1. Accordingly, the connecting plate 20 may transfer the electrons generated from the electrolyte 16 and applied to the fuel electrode 14 to the electric device 1 to drive the electric device 1.

개질 촉매층(30)은 연료극(14)의 채널(22)로부터 노출되는 부위에 형성된다. 개질 촉매층(30)은 연료 가스(FG)로부터 수소(H2)를 분리시키기 위하여 연료 가스(FG)를 직접 개질화시킨다. 이는, 통상 연료 가스(FG)로써, 순수 수소(H2)보다는 비용절감과 안정성 측면에서 일반적으로 구하기 쉬운 메탄(CH4), 프로판(C3H8) 또는 부탄(C4H10)과 같은 탄소(C)와 수소(H2)의 결합 물질을 사용하기 때문이다. The reforming catalyst layer 30 is formed at a portion exposed from the channel 22 of the anode 14. The reforming catalyst layer 30 directly reforms the fuel gas FG to separate hydrogen H 2 from the fuel gas FG. This is usually fuel gas (FG), such as methane (CH 4 ), propane (C 3 H 8 ) or butane (C 4 H 10 ), which is generally available in terms of cost reduction and stability rather than pure hydrogen (H 2 ). This is because a bonding material of carbon (C) and hydrogen (H 2 ) is used.

개질 촉매층(30)은 그 화학적인 특성 상 탄소(C)와 수소(H2)를 쉽게 분리시킬 수 있는 니켈(Ni)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 개질 촉매층(30)은 루테늄(Ru), 플라티늄 (Pt), 팔라듐 (Pd) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나를 포함할 수도 있다.The reforming catalyst layer 30 may include nickel (Ni) that can easily separate carbon (C) and hydrogen (H 2 ) due to its chemical properties. Alternatively, the reforming catalyst layer 30 may include any one of ruthenium (Ru), platinum (Pt), palladium (Pd), and rhodium (Rh).

한편, 연료 가스(FG)로부터 분리된 수소(H2)는 연료극(14)을 통해 전해질(16)에 제공되는데 반해, 분리된 탄소(C)는 다공질 구조를 갖는 연료극(14)의 기공을 막아 수소(H2)가 전해질(16)에 제공되지 못하도록 하는 Carbon Cocking 현상을 발생시킬 수 있다. On the other hand, hydrogen (H 2 ) separated from the fuel gas (FG) is provided to the electrolyte 16 through the anode 14, while the separated carbon (C) blocks the pores of the anode 14 having a porous structure Carbon Cocking may occur to prevent hydrogen (H 2 ) from being provided to the electrolyte 16.

이에, 연료극(14)에서는 상기의 Carbon Cocking 현상으로 인해 분리된 수소(H2)가 통과하지 못함은 물론이고, 심지어 깨지거나 터지는 현상이 발생될 수 있다. 또한, 연료극(14)에서는 상기의 Carbon Cocking 현상이 진행되는 도중에도 그 반응 표면적이 감소됨에 따라 전기 화학적 반응이 저하될 수 있다. Therefore, in the fuel electrode 14, the separated hydrogen (H 2 ) may not pass through due to the carbon cocking phenomenon, and even a cracking or popping phenomenon may occur. In addition, in the fuel electrode 14, as the reaction surface area decreases even during the carbon cocking phenomenon, the electrochemical reaction may decrease.

이를 방지코져, 개질 촉매층(30)은 세륨(Ce)의 산화물인 세리아(CeO2)를 포함하여 분리된 탄소(C)를 산화시켜 이산화탄소(CO2) 형태로 배출시킬 수 있다. 여기서, 세리아(CeO2)는 자체적으로 산소(O2)를 쉽게 분리시키는 특성을 가지므로, 타 물질보다 분리된 탄소(C)를 보다 쉽게 산화시킬 수 있다. To prevent this, the reforming catalyst layer 30 may oxidize the separated carbon (C) including ceria (CeO 2 ), which is an oxide of cerium (Ce), to be discharged in the form of carbon dioxide (CO 2 ). Here, ceria (CeO 2 ) has a property of easily separating oxygen (O 2 ) by itself, it is possible to oxidize the separated carbon (C) more easily than other materials.

또한, 세리아(CeO2)는 개질 촉매층(30) 이외에 연료극(14)과 전해질(16)에 직접 포함될 수도 있다. 예를 들어, 전해질(16)은 GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO2) 등의 형태로 세리아(CeO2)가 포함될 수 있다.In addition, ceria (CeO 2 ) may be directly included in the anode 14 and the electrolyte 16 in addition to the reforming catalyst layer 30. For example, the electrolyte 16 may include ceria (CeO 2 ) in the form of Gd doped CeO 2 , YDC (Y 2 O 3 doped CeO 2 ), or the like.

이와 같이, 연료극(14) 중 연료 가스(FG)가 흐르면서 연료극(14)과 실질적으로 접하는 영역인 채널(22)과 대응하는 부위에 개질 촉매층(30)을 형성함으로써, 연료 가스(FG)를 개질화시켜 연료 가스(FG)로부터 수소(H2)를 효율적으로 분리할 수 있다. 또한, 연료 가스(FG)를 연료극(14)에서 개질 촉매층(30)을 통해 직접 개질화시킴으로써, 그 성능도 향상시킬 수 있다. In this way, the reformed catalyst layer 30 is formed in a portion corresponding to the channel 22, which is a region in which the fuel gas FG flows in the anode 14 and substantially contacts the anode 14, thereby opening up the fuel gas FG. By nitriding, hydrogen (H 2 ) can be efficiently separated from the fuel gas (FG). In addition, by directly reforming the fuel gas FG through the reforming catalyst layer 30 in the anode 14, its performance can also be improved.

또한, 배경 기술에서와 같이 SOFC(100)의 외부에서 연료 가스(FG)를 개질화시킬 경우 필요하던 개질화 장치를 제거함으로써, 설비 비용의 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 필요한 설치 공간도 효율적으로 활용할 수 있다. In addition, as in the background art, by eliminating the reforming device that is required when reforming the fuel gas (FG) outside the SOFC 100, not only can the equipment cost be reduced, but also the installation space required for the efficient It can be utilized.

뿐만 아니라, 연료 가스(FG)를 외부의 개질화 장치에서 일부를 개질화시킨 다음, 개질 촉매층(30)을 통해 나머지 일부를 개질화시킴으로써, 효율적인 에너지 사용을 통해 시스템 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, by reforming a part of the fuel gas FG in an external reforming apparatus and then reforming the remaining part through the reforming catalyst layer 30, the system efficiency may be improved through efficient energy use.

또한, 개질 촉매층(30)은 연결판(20)이 채널(22)의 형성으로 인하여 이미 연료극(14)과 전기적으로 연결되지 않는 부분에 형성되므로, 전해질(16)로부터 생성된 전기에 대한 저항을 증가하는 것도 방지할 수 있다.In addition, since the reforming catalyst layer 30 is formed at a portion in which the connecting plate 20 is not electrically connected to the anode 14 due to the formation of the channel 22, the reforming catalyst layer 30 has a resistance to electricity generated from the electrolyte 16. The increase can also be prevented.

연료극(14)은 개질 촉매층(30)의 형성을 용이하게 하기 위하여 개질 촉매층(30)이 형성되는 부위, 즉 채널(22)과 대응하는 부위에 개질 촉매층(30)을 형성된 리세스(15)를 가질 수 있다. 여기서, 리세스(15)는 단지 개질 촉매층(30)의 형성을 용이하게 할 뿐, 실질적으로 연료극(14)의 개질 촉매층(30)이 형성되는 부위가 평탄한 구조를 가져도 그 효과 측면에서는 차이가 없음을 이해할 수 있다.In order to facilitate the formation of the reforming catalyst layer 30, the fuel electrode 14 may include a recess 15 in which a reforming catalyst layer 30 is formed at a portion where the reforming catalyst layer 30 is formed, that is, a portion corresponding to the channel 22. Can have Here, the recess 15 merely facilitates the formation of the reforming catalyst layer 30, and even though the portion where the reforming catalyst layer 30 of the anode 14 is formed has a flat structure, there is a difference in terms of its effect. Can be understood.

리세스(15)는 개질 촉매층(30)이 전체적으로 균일하게 형성되도록 하기 위하여 곡선 형태의 단면을 가질 수 있다. 이때, 리세스(15)의 곡률을 작게 할수록 거의 평면에 가까워지므로, 개질 촉매층(30)은 더 균일하게 형성될 수 있다.The recess 15 may have a curved cross section so that the reforming catalyst layer 30 may be formed uniformly as a whole. At this time, the smaller the curvature of the recess 15 is closer to the plane, the reforming catalyst layer 30 can be formed more uniformly.

리세스(15)의 폭(w1)은 채널(22)의 폭(w2)보다 실질적으로 크게 형성할 수 있다. 이는, 개질 촉매층(30)이 채널(22)을 따라 흐르는 연료 가스(FG)가 연료극(14)과 접촉하는 면을 보다 안정적으로 커버하도록 하여 연료 가스(FG)가 그대로 연료극(14)으로 통과되는 것을 방지하기 위해서이다. The width w1 of the recess 15 may be substantially larger than the width w2 of the channel 22. This allows the reformed catalyst layer 30 to more stably cover the surface where the fuel gas FG flowing along the channel 22 contacts the anode 14 so that the fuel gas FG passes through the anode 14 as it is. To prevent that.

이때, 연료 가스(FG)가 그대로 통과될 가능성도 배제시키기 위하여 연료극(14)은 개질 촉매층(30)과 동일한 물질로 이루어진 중간층(미도시)을 더 포함할 수 있다. In this case, the fuel electrode 14 may further include an intermediate layer (not shown) made of the same material as the reforming catalyst layer 30 in order to exclude the possibility that the fuel gas FG may pass through as it is.

이때, 중간층(미도시)은 연료극(14)의 연료 가스(FG)가 통과하는 공간을 모두 커버하기 위하여 리세스(15)와 전해질(16)의 사이에서 연료극(14)과 실질적으로 동일한 면적을 갖도록 형성될 수 있다. In this case, the intermediate layer (not shown) has an area substantially the same as that of the anode 14 between the recess 15 and the electrolyte 16 to cover all the spaces through which the fuel gas FG of the anode 14 passes. It can be formed to have.

한편, SOFC(100)는 생성된 전기의 출력 전압을 상승시키기 위하여 연결판(20)의 전지판(10)과 반대되는 면에 전지판(10)과 동일한 구성, 즉 제2 공기극(42), 제2 연료극(44) 및 제2 전해질(46)을 가지면서 결합된 제2 전지판(40)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the SOFC 100 has the same configuration as that of the panel 10, that is, the second air electrode 42 and the second, on the surface opposite to the panel 10 of the connecting plate 20 in order to increase the output voltage of the generated electricity. The display panel may further include a second panel 40 having a fuel electrode 44 and a second electrolyte 46.

여기서, 연결판(20)이 제2 전지판(40)의 제2 공기극(42)과 결합하게 되므로, 연결판(20)은 제2 공기극(42)과의 사이에 공기(AR)를 흘려주기 위한 제2 채널(24)을 갖도록 결합될 수 있다. 이때, 제2 채널(24)은 연결판(20)의 강도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 실질적으로 채널(22)과 수직한 구조를 가질 수 있다. Here, since the connecting plate 20 is coupled to the second air electrode 42 of the second panel 40, the connecting plate 20 is configured to flow air AR between the second air electrode 42 and the second air electrode 42. It can be combined to have a second channel 24. In this case, the second channel 24 may have a structure substantially perpendicular to the channel 22 to prevent the strength of the connecting plate 20 from being lowered.

또한, SOFC(100)는 제2 전지판(40)의 연결판(20)과 반대되는 면에 연결판(20)과 동일한 구성을 가지면서 결합된 제2 연결판(50)을 더 포함할 수 있다. In addition, the SOFC 100 may further include a second connecting plate 50 coupled to the surface opposite to the connecting plate 20 of the second panel 40 with the same configuration as the connecting plate 20. .

이와 같은 SOFC(100)는 전지판(10), 연결판(20) 및 개질 촉매층(30)을 단위 셀로 구성하여 스택 방식에 따라 연속적으로 적층함으로써, 이로부터 생성되는 전기의 출력 전압을 승압시킬 수 있다. The SOFC 100 may increase the output voltage of electricity generated therefrom by continuously stacking the panel 10, the connecting plate 20, and the reforming catalyst layer 30 in a unit cell in a stacking manner. .

이하, 도 4a 내지 도 4d를 추가적으로 참조하여 SOFC(100)의 단위 셀을 제조하는 공정에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, a process of manufacturing a unit cell of the SOFC 100 will be described in more detail with reference to FIGS. 4A to 4D.

도 4a 내지 도 4d는 도 1에 도시된 SOFC의 단위 셀을 제조하는 과정을 나타낸 도면들이다. 4A through 4D are diagrams illustrating a process of manufacturing a unit cell of the SOFC illustrated in FIG. 1.

도 4a를 추가적으로 참조하면, SOFC(100)의 단위 셀을 제조하기 위한 방법은 우선, 공기극(12), 연료극(14) 및 전해질(16)로 이루어진 전지판(10)을 형성한다.Referring further to FIG. 4A, a method for manufacturing a unit cell of the SOFC 100 firstly forms a panel 10 composed of an air electrode 12, a fuel electrode 14, and an electrolyte 16.

이때, 전지판(10)은 전해질(16)을 사이로 그 양 면들에 공기극(12)과 연료극(14)이 결합된 구조를 가지면 되므로, 그 적층되는 순서는 경우에 따라 얼마든지 변경될 수 있다. In this case, the panel 10 may have a structure in which the cathode 12 and the anode 14 are coupled to both surfaces thereof between the electrolyte 16, and the stacking order thereof may be changed in some cases.

도 4b를 추가적으로 참조하면, 이어 전지판(10)의 연료극(14) 상에 리세스(15)를 연결판(20)의 채널(22)과 대응되도록 형성한다. Referring to FIG. 4B, a recess 15 is formed on the anode 14 of the panel 10 to correspond to the channel 22 of the connecting plate 20.

이때, 리세스(15)는 상기의 도 1 내지 도 3을 참조한 설명에서와 같이 단면이 곡선 형태를 가지면서 채널(22)의 폭(w2)보다 넓은 폭(w1)을 갖도록 형성한다. In this case, the recess 15 is formed to have a wider width w1 than the width w2 of the channel 22 while having a curved cross section, as described with reference to FIGS. 1 to 3.

도 4c를 추가적으로 참조하면, 이어 개질 촉매층(30)을 형성하기 위하여 개질 촉매 물질(RC)을 리세스(15)를 따라 주입 기구(2)를 이용하여 주입한다.Referring further to FIG. 4C, the reformed catalyst material RC is then injected along the recess 15 using the injection device 2 to form the reformed catalyst layer 30.

이때, 개질 촉매 물질(RC)은 액체 상태로 주입할 수 있다. 이럴 경우, 액체의 분산력에 의해서 개질 촉매 물질(RC)은 리세스(15)에 전체적으로 균일하게 형성시킬 수 있을 뿐만 아니라, 오히려 리세스(15)의 양측에서 내부로 일부가 더 확산되어 좀 더 안정적인 개질화를 기대할 수 있다. In this case, the reforming catalyst material RC may be injected in a liquid state. In this case, due to the dispersing force of the liquid, the reforming catalyst material RC may not only be uniformly formed in the recess 15 as a whole, but may be partially diffused into both sides of the recess 15 so as to be more stable. Reformation can be expected.

이와 달리, 개질 촉매 물질(RC)은 다양한 사이즈를 갖는 분말 형태로 주입할 수 있다. 즉, 개질 촉매 물질(RC)을 합성한 상태 그대로 주입하여 개질 촉매 물질(RC)을 별도로 가공하는 공정을 배제시킬 수 있다. Alternatively, the reforming catalyst material (RC) may be injected in the form of a powder having various sizes. That is, the process of separately processing the reformed catalyst material RC may be excluded by injecting the reformed catalyst material RC as it is synthesized.

도 4d를 추가적으로 참조하면, 이어 연료극(14)의 리세스(15)가 형성된 면에 채널(22)이 리세스(15)와 대응되도록 연결판(20)을 결합시킨다.Referring to FIG. 4D, the connecting plate 20 is coupled to the surface of the fuel electrode 14 in which the recess 15 is formed such that the channel 22 corresponds to the recess 15.

이때, 연결판(20)의 채널(22)을 제외한 나머지 부분은 연료극(14)과 전기적으로 연결된다. 이로써, 전해질(16)로부터 발생되어 연료극(14)으로 인가된 전자는 연결판(20)을 통해 전기 장치(1)로 전달되어 전기 장치(1)를 구동시킬 수 있다. At this time, the remaining portion except for the channel 22 of the connecting plate 20 is electrically connected to the anode 14. As a result, electrons generated from the electrolyte 16 and applied to the anode 14 may be transferred to the electric device 1 through the connecting plate 20 to drive the electric device 1.

이렇게 제조된 SOFC(100)의 단위 셀은 상기와 동일한 방식으로 여러 개를 제조한 다음, 이들을 스택 형태로 적층하여 높은 출력을 갖는 전기를 생성할 수 있다. The unit cells of the SOFC 100 manufactured as described above may be manufactured in the same manner as described above, and then stacked in a stacked form to generate electricity having high output.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

AR : 공기 FG : 연료 가스
1 : 전기 장치 10 : 전지판
12 : 공기극 14 : 연료극
15 : 리세스 16 : 전해질
20 : 연결판 22 : 채널
30 : 개질 촉매층 100 : SOFCAR: Air FG: Fuel Gas
1: electric device 10: panel
12: air electrode 14: fuel electrode
15 recess 16 electrolyte
20: connection plate 22: channel
30: reforming catalyst layer 100: SOFC

Claims (8)

산소를 포함하는 공기와 접촉하는 공기극, 수소를 포함하는 연료 가스와 접촉하는 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 결합되는 전해질을 포함하여 전자를 발생하는 전지판;
상기 연료극과의 사이에 상기 연료 가스를 흘려주는 채널을 갖도록 상기 연료극에 결합되며, 상기 전지판으로부터 발생된 전자를 외부의 전기 장치로 인가하는 연결판; 및
상기 연료극의 상기 채널로부터 노출되는 부위에 형성되며, 상기 연료 가스로부터 수소를 분리시키기 위하여 상기 연료 가스를 개질화시키는 개질 촉매층을 포함하는 고체 산화물 연료 전지.A battery panel generating electrons including an air electrode in contact with air containing oxygen, a fuel electrode in contact with a fuel gas containing hydrogen, and an electrolyte coupled between the air electrode and the fuel electrode;
A coupling plate coupled to the fuel electrode to have a channel through which the fuel gas flows between the fuel electrode and applying electrons generated from the panel to an external electric device; And
And a reforming catalyst layer formed at a portion exposed from the channel of the anode and reforming the fuel gas to separate hydrogen from the fuel gas. 제1항에 있어서, 상기 연료극은 상기 개질 촉매층이 형성된 리세스를 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The solid oxide fuel cell of claim 1, wherein the anode has a recess in which the reforming catalyst layer is formed. 제2항에 있어서, 상기 리세스는 곡선 형태의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The solid oxide fuel cell of claim 2, wherein the recess has a curved cross section. 제2항에 있어서, 상기 리세스의 폭은 상기 채널의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.3. The solid oxide fuel cell of claim 2, wherein the width of the recess is greater than the width of the channel. 제1항에 있어서, 상기 개질 촉매층은 세리아(CeO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지.The solid oxide fuel cell of claim 1, wherein the reforming catalyst layer comprises ceria (CeO 2 ). 산소를 포함하는 공기와 접촉하는 공기극, 수소를 포함하는 연료 가스와 접촉하는 연료극 및 상기 공기극과 상기 연료극 사이에 결합된 전해질을 포함하여 전자를 발생하는 전지판을 형성하는 단계;
상기 연료극에서 상기 연료 가스가 흐르는 채널을 따라 리세스를 형성하는 단계;
상기 연료 가스로부터 수소를 분리시키기 위해 상기 연료 가스를 개질화시키는 개질 촉매 물질을 상기 리세스에 주입하여 개질 촉매층을 형성하는 단계; 및
상기 연료극과의 사이에 상기 채널이 형성되도록 연결판을 상기 연료극에 결합시키는 단계를 포함하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.Forming a panel which generates electrons including an air electrode in contact with air containing oxygen, a fuel electrode in contact with a fuel gas including hydrogen, and an electrolyte bonded between the air electrode and the fuel electrode;
Forming a recess along a channel through which the fuel gas flows in the anode;
Injecting a reforming catalyst material reforming the fuel gas into the recess to separate hydrogen from the fuel gas to form a reforming catalyst layer; And
Coupling a connecting plate to the fuel electrode such that the channel is formed between the fuel electrode and the fuel electrode. 제6항에 있어서, 상기 개질 촉매 물질은 액체 상태로 주입되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.The method of claim 6, wherein the reforming catalyst material is injected in a liquid state. 제6항에 있어서, 상기 개질 촉매 물질은 분말 형태로 주입되는 것을 특징으로 하는 고체 산화물 연료 전지의 제조 방법.7. The method of claim 6, wherein the reforming catalyst material is injected in powder form.
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