KR20190021832A - Cylindrical solid oxide fuel cell stack using modified propane gas - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 개질된 프로판 가스를 사용하여 원통형 고체산화물 연료전지의 성능 향상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매 부분산화법(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)을 이용하여 프로판가스를 개질해 얻은 합성가스를 사용하여 원통형 고체산화물 연료전지의 급속기동성을 향상시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell using a reformed propane gas, and more particularly, to a method for improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell using a modified synthesis gas obtained by reforming a propane gas using a catalytic partial oxidation (CPOX) To a method for improving the rapid maneuverability of a cylindrical solid oxide fuel cell.
현대 사회에서 전기에너지는 인류의 삶의 영위하는데 있어서 없어서는 안 되는 에너지 중 하나이다. 이러한 전기 에너지를 얻는 방법으로 신 재생에너지 분야가 활발히 연구되고 있다. 그 중 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이며, 반응 후 순수한 물을 배출함으로써 오염물질을 발생시키지 않는다는 장점이 있다(N. Q. Minh., J. American Ceramic Society, 1993, 76(3), 563-588; P. H. Lee, et al., Int'l. J. Automotive Technology, 2007, 8, 761-769).In modern society, electric energy is one of the indispensable energy for human life. The renewable energy field is being actively studied as a method of obtaining such electric energy. Among them, the fuel cell is an energy conversion device that converts the chemical energy of the fuel into the electrical energy directly by the electrochemical reaction, and has the merit of not generating pollutants by discharging pure water after the reaction (NQ Minh., J J. Amer. Ceramic Society, 1993, 76 (3), 563-588; PH Lee, et al., Int'l J. Automotive Technology, 2007, 8, 761-769).
연료전지의 시작은 1839년 영국의 물리학자 William Grove에 의해 처음으로 발견되었다. 이후 미약한 발전을 이어오다 1960년대 이르러 미국의 우주 항공기에 사용되며 알려지게 되었고, 현재는 각광받는 신 재생에너지원 중 하나이다. The start of the fuel cell was first discovered in 1839 by the British physicist William Grove. Since then, it has been used in spacecraft in the United States in the 1960s and became known, and is now one of the most visible and renewable energy sources.
사용되는 전해질의 종류와 작동온도에 따라 연료전지의 종류가 나뉘게 되는데 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등이 있다(S. M. Haile., Acta Materials, 2003, 51, 5987-6000; R. M. Ormerod., Chemical Society Reviews, 2002, 32(1), 17-28). The type of the electrolyte used and the operating temperature of the fuel cell are divided into two types: a phosphoric acid fuel cell (PAFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), an alkaline fuel cell (AFC), Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), etc. (SM Haile., Acta Materials, 2003, 51, 5987-6000 ; RM Ormerod., Chemical Society Reviews, 2002, 32 (1), 17-28).
연료전지는 전기화학반응 특성이 우수한 수소와 같은 연료를 사용하면 높은 효율을 가질 수 있다. 하지만, 연료전지의 작동을 위해 안정적인 수소의 생산, 저장 및 공급은 아직까지 기술적인 문제점을 가지고 있으며, 이러한 수소의 안전하고 안정적인 공급을 위해 수소를 포함한 탄화수소계 연료를 개질하여 직접적으로 수소를 생산하는 연구가 활발히 진행되고 있다(E. Calo, et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 2010, 35, 9828-9835; H. Y. Tang, et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 2009, 34, 7656-7665; M. Toledo, et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 2009, 34, 1818-1827).Fuel cells can have high efficiency when using fuels such as hydrogen with excellent electrochemical reaction characteristics. However, the production, storage and supply of stable hydrogen for the operation of the fuel cell still has a technical problem. In order to supply the hydrogen safely and stably, the hydrocarbon-based fuel including hydrogen is modified to produce hydrogen directly HY Tang, et al., Int'l J. Hydrogen Energy, 2009, pp. 235-240, 2009. [3] 34, 7656-7665; M. Toledo, et al., Int'l J. Hydrogen Energy, 2009, 34, 1818-1827).
고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 비귀금속계 전극을 주로 사용하므로 경제성이 우수하며, 연료전지 중 가장 에너지 효율이 높고, 완전한 고체상의 전해질을 사용함으로써 기계적 안정성을 가진다. 또한, 600 ~ 1000℃의 고온에서 작동하므로 수소뿐만 아니라 개질기를 이용하여 탄화수소계 연료들을 사용할 수 있어 연료 융통성을 가진다. 그리고 모듈화가 용이하며, 배기가스의 높은 폐열을 이용할 수 있다(Y. Jamal, et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 1994, 19(7), 557-572; S. C. Singhal, Solid State Ionics, 2002, 152, 405; J. Wang, et al., J. Power Sources, 2007, 163, 957). Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) has excellent economical efficiency because it mainly uses non-precious metal electrode. It is the most energy efficient of fuel cell and has mechanical stability by using completely solid electrolyte. In addition, since it operates at a high temperature of 600 to 1000 ° C, hydrocarbon fuels can be used by using reformers as well as hydrogen, thereby having fuel flexibility. (Y. Jamal, et al., Int'l J. Hydrogen Energy, 1994, 19 (7), 557-572; SC Singhal, Solid State Ionics , 2002, 152, 405; J. Wang, et al., J. Power Sources, 2007, 163, 957).
고온에서 SOFC는 이온전도도가 높은 세라믹 계열의 전해질을 통하여 산소 이온이 전달됨으로써 전기화학 반응이 일어나게 된다. SOFC의 연료극과 공기극에서의 반응식을 식 (1.1)~(1.3)에 나타내었다. At high temperature, SOFC is electrochemically reacted by transferring oxygen ions through a ceramic type electrolyte having a high ionic conductivity. The reaction formulas of SOFC in the anode and air electrode are shown in Eqs. (1.1) to (1.3).
연료극 반응 : H2 + O2- → H2O + 2e- (1.1)Anode reaction: H 2 + O 2- → H 2 O + 2e- (1.1)
공기극 반응 : 1/2O2 + 2e- → O2- (1.2)Cathode reaction: 1 / 2O 2 + 2e-? O 2- (1.2)
전체 반응 : H2 + 1/2O2 → H2O (1.3)Total reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (1.3)
위 식에서 보여지는 바와 같이 산소 이온은 공기극을 통하여 생성되고 전해질 표면을 통과하여 연료극으로 전달되며, 연료극의 수소와 결합하여 물과 전자를 생성하게 된다. 이처럼 화학적인 반응이 열에너지, 운동에너지 등의 에너지 변환 없이 직접 전기에너지로 변환되므로 에너지 효율이 높다. As shown in the above equation, oxygen ions are generated through the air electrode, pass through the surface of the electrolyte to the fuel electrode, and combine with hydrogen of the fuel electrode to generate water and electrons. The chemical reaction is directly converted into electric energy without energy conversion such as heat energy and kinetic energy, so that the energy efficiency is high.
SOFC는 형태에 따라 크게 원통형(tubular type)과 평판형(planar type)으로 나뉜다. 평판형은 출력밀도가 높고 제조비용이 낮다는 장점이 있으나, 고온에서의 강도가 약하고 별도의 밀봉 공정이 요구되며 장기성능에 있어서 안정성이 부족하다. 그에 비해 원통형은 출력 밀도는 낮으나 형태상의 특징으로 인하여 밀봉이 최소화되고 기계적 강도 및 장기성능이 우수하다는 장점이 있다(S. C. Singhal, MRS Bull, 2000, 25 (3) 16-21).SOFCs are classified into tubular type and planar type according to their types. The flat plate type has advantages of high output density and low manufacturing cost, but it has weak strength at high temperature, requires a separate sealing process, and lacks stability in long term performance. On the other hand, the cylindrical shape has a low output density, but it has the advantage of minimizing the sealing due to the shape characteristics and having excellent mechanical strength and long-term performance (S. C. Singhal, MRS Bull, 2000, 25 (3) 16-21).
SOFC의 작동시 주사용 연료는 수소이다. 하지만, 아직까지 수소를 액체 또는 기체상태로 직접 저장하려면 초저온이나 초고압으로 취급해야 하기 때문에 안전하고 안정적으로 공급 및 저장할 수 없다. 또한, 수소를 공급하는 방법으로는 물-분해를 통한 수소 생산과 탄화수소계 연료를 개질하여 생산하는 방법이 있다. 이 중 개질 생산 방법은 물-분해에 비해 에너지 효율이 높고 경제성이 높다(N. M. Sammes, J. Power Sources, 2005, 145, 428).The main fuel for operation of SOFC is hydrogen. However, to store hydrogen directly in liquid or gaseous state, it can not be safely and reliably supplied and stored because it must be treated at ultra low temperature or ultra high pressure. As a method of supplying hydrogen, there is a method of producing hydrogen by water-decomposition and modifying a hydrocarbon-based fuel. Among these, the reforming production method is more energy efficient and more economical than water-decomposition (N. M. Sammes, J. Power Sources, 2005, 145, 428).
탄화수소계 연료 중 프로판은 다음과 같은 장점을 가지고 있다. 연료로서 수소 중량밀도(HGD, hydrogen gravimetric density)가 높고 연료로부터 수소추출이 용이하며, 저렴한 비용 및 적용분야가 광범위하다. 이와 같은 장점들은 수소를 생산하기 위한 탄화수소계의 개질에서 적용되기 좋은 연료로 판단된다(S. H. Yoon, et al., Korean J. Chem. Eng, 2005 43, 668-674). Propane in hydrocarbon fuels has the following advantages. It has a high hydrogen density (HGD, hydrogen gravimetric density) as fuel, easy extraction of hydrogen from fuel, low cost and wide range of applications. These advantages are considered to be good fuels for hydrocarbon reforming to produce hydrogen (S. H. Yoon, et al., Korean J. Chem. Eng, 2005 43, 668-674).
개질 기술은 연료전지 스택에 수소를 공급하는 주요 시스템으로써 고효율화를 위해 소형화, 경량화, 신속성 등이 요구된다. 탄화수소를 개질하는 방법은 수증기 개질(Steam Reforming, SR), 자열 개질(Autothermal Reforming, ATR), 촉매 부분산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)가 있다(Ahmed, S., et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 2001, 26, 291-301). 수증기 개질 방법은 수소의 상대적 생산량이 많으나 개질 반응 시 외부로부터 열을 공급받아야 되는 흡열 반응을 하므로 스택에 필요한 열에너지가 증가하게 되어 시스템의 효율이 감소하게 된다. 자열 개질 방법은 수증기 개질과 부분산화 반응을 조합한 형태이며, 산화 반응 시 발생하는 열을 이용하여 수증기 개질 반응이 일어나는 것으로 자립 운전이 가능하나 흡열과 발열 반응을 동시에 제어해야 하므로 고도의 기술이 필요하다. 촉매 부분산화 방법은 연료와 수소를 반응시켜 수소를 생산하며, 다른 개질 반응에 비해 수소 생산량이 낮으나, 발열 반응이고 간단한 구조와 조작, 빠른 시스템 응답 등의 장점을 가지고 있다(J. J. Krummenacher, et al., J. Catal, 2003, 215, 332-343; G. J. Panuccio, et al., Appl. Catal. A, 2007, 332, 171-182; I. Kang, et al., J. Power Sources, 2006, 159, 1283-1290).The reforming technology is a main system for supplying hydrogen to the fuel cell stack, and it is required to be downsized, lightweight, and quick in order to achieve high efficiency. Methods for reforming hydrocarbons include steam reforming (SR), autothermal reforming (ATR), catalytic partial oxidation (CPOX) (Ahmed, S., et al., Int'l. J. Hydrogen Energy, 2001, 26, 291-301). In the steam reforming method, since the relative production amount of hydrogen is high, but the reforming reaction requires endothermic reaction to be supplied from the outside, the thermal energy required for the stack is increased and the efficiency of the system is decreased. The autothermal reforming method is a combination of steam reforming and partial oxidation reaction. Steam reforming reaction takes place by using the heat generated in the oxidation reaction. It is possible to operate autonomously, but it requires high technology to control endothermic and exothermic reaction simultaneously Do. The catalytic partial oxidation process produces hydrogen by reacting fuel and hydrogen. The hydrogen production is lower than other reforming reactions, but it has an advantage of exothermic reaction, simple structure and operation, and fast system response (JJ Krummenacher, et al. , J. Catal, 2003, 215, 332-343; GJ Panuccio, et al., Appl. Catal. A, 2007, 332, 171-182; I. Kang, et al., J. Power Sources, 2006, 159 , 1283-1290).
이에, 본 발명자들은 수소 대신 휴대성 및 저장이 용이한 가스 연료 공급에 대해 연구한 결과, 수소를 포함한 탄화수소계인 프로판가스(Propane Gas)를 이용하여 직접 수소를 개질하여 생산하였고, 그 합성가스를 이용하여 직접 제작한 원통형 고체산화물 연료전지의 6 X 5의 직병렬 스택에서 성능을 측정한 결과, 연료전지 시스템의 급속기동성을 향상시키는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention have conducted studies on the supply of gaseous fuel which is easy to carry and store in place of hydrogen, and as a result, they have directly produced hydrogen by using hydrocarbon propane gas containing hydrogen and produced synthesis gas The results of measurement of performance in a 6 x 5 serial parallel stack of a cylindrical solid oxide fuel cell which was directly fabricated confirm that it improves the rapid maneuverability of the fuel cell system, thereby completing the present invention.
본 발명의 목적은 SOFC의 연료인 수소의 생산, 보관 및 이동의 문제점을 개선하기 위한 대안으로서, 수소를 포함한 탄화수소계인 프로판가스(Propane Gas)를 촉매 부분산화법(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)을 이용하여 개질하여 얻은 합성가스를 이용하여 원통형 고체산화물 연료전지의 성능을 향상시키는 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an alternative method for improving the production, storage and transportation of hydrogen, which is a fuel of SOFC, by using a hydrocarbon-based propane gas containing hydrogen, using catalytic partial oxidation (CPOX) And a method for improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell using a synthesis gas obtained by modifying the synthesis gas.
본 발명의 또다른 목적은 상기 방법을 이용하기 위해 CPOX 개질기를 포함하는 성능이 향상된 원통형 고체산화물 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.It is a further object of the present invention to provide a performance enhanced cylindrical solid oxide fuel cell system comprising a CPOX reformer for utilizing the method.
상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,
본 발명은 The present invention
원통형 고체산화물 연료전지 스택;A cylindrical solid oxide fuel cell stack;
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 상부의 공기극(cathod)에 연결되고, 공급되는 공기를 예열하여 공기극에 주입하는 열교환기;A heat exchanger connected to a cathode of the upper portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and preheating the supplied air and injecting the supplied air into the cathode;
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 하부의 연료극(anode)에 연결되고, 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)용 촉매를 포함하며, 공급되는 프로판가스를 개질하여 연료극에 주입하는 개질기;A reformer connected to an anode at a lower portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and including a catalyst for catalytic partial oxidation (CPOX), reforming the supplied propane gas and injecting it into the fuel electrode;
상기 열교환기에 연결되어 상기 열교환기에 공기를 공급하는 공기 공급기;An air supply connected to the heat exchanger to supply air to the heat exchanger;
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 공기를 공급하는 공기 공급기; 및An air supplier connected to the reformer and supplying air to the reformer; And
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 프로판 가스를 공급하는 프로판가스 공급기;를 포함하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템을 제공한다.And a propane gas supplier connected to the reformer and supplying propane gas to the reformer. The present invention also provides a cylindrical solid oxide fuel cell stack system using the reformed propane gas.
또한, 본 발명은 촉매부분산화(CPOX)를 이용하여 프로판가스를 개질하여 얻은 합성가스를 연료로 공급하는, 성능이 향상된 원통형 고체산화물 연료전지를 제공한다.Further, the present invention provides a cylindrical solid oxide fuel cell with improved performance, which feeds a synthesis gas obtained by modifying propane gas using a catalyst partial oxidation (CPOX) as fuel.
아울러, 본 발명은 촉매부분산화(CPOX)를 이용하여 프로판가스를 개질하여 얻은 합성가스를 원통형 고체산화물 연료전지에 연료로 공급하는 것을 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지의 성능 향상 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell, comprising supplying a synthesis gas obtained by modifying propane gas to a cylindrical solid oxide fuel cell using a catalyst partial oxidation (CPOX).
본 발명은 기존의 원통형 연료전지에 수소 대신 개질된 프로판 가스를 연료로 사용함으로써, 수소 대신 프로판 가스의 보관성 및 휴대성이 용이한 장점이 있고, 원통형 연료전지 시스템의 급속기동성을 향상시키는 장점이 있다.The present invention is advantageous in that propane gas instead of hydrogen is used as a fuel in a conventional cylindrical fuel cell, and propane gas storage and portability are easier than hydrogen, and the advantage of improving the quick maneuverability of a cylindrical fuel cell system have.
본 발명에서는 원통형 고체산화물 연료전지의 단위전지 및 다양한 조건별 스택에서 성능을 측정한 결과, 800℃에서 150W 이상의 출력을 나타내는 등 우수한 성능을 나타내고, 연료로 수소를 공급하는 경우와 비교하여 보다 우수한 성능을 나타내는 것을 확인하였다.As a result of measuring the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell according to the present invention in a stacked unit cell and a variety of conditions, it exhibits excellent performance such as an output of 150 W or more at 800 ° C. As compared with the case of supplying hydrogen as fuel, .
도 1은 개질기 내에서의 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)에 의한 합성가스 생성을 보여주는 그림이다.
도 2는 CPOX 개질기 촉매의 제작 과정을 보여주는 그림이다.
도 3은 CPOX 개질기의 사진 및 그림이다.
도 4는 원통형 단위전지의 제작 공정을 보여주는 그림이다.
도 5는 원통형 단위전지의 단면도를 보여주는 그림이다.
도 6은 원통형 단위전지의 집전체를 보여주는 그림이다.
도 7은 원통형 단위전지의 내부 연료 흐름을 보여주는 그림이다.
도 8은 원통형 단위전지와 금속 캡 사이 유리 밀봉제(Glass sealant)를 이용한 밀봉을 보여주는 그림이다.
도 9는 운모(mica)를 이용한 번들 간 밀봉 및 절연한 원통형 SOFC 스택을 보여주는 그림이다.
도 10은 원통형 SOFC 스택 시스템의 구조를 보여주는 그림이다.
도 11은 원통형 SOFC 스택 시스템의 운전 시스템을 보여주는 그림이다.
도 12는 원통형 단위전지의 성능 측정 준비를 보여주는 그림이다.
도 13은 원통형 SOFC 스택의 조립 후 성능 측정 준비를 보여주는 그림이다.
도 14는 원통형 단위전지의 10회 열싸이클의 성능을 보여주는 그래프이다.
도 15는 원통형 단위전지의 10회 열싸이클시 전력 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16은 원통형 단위전지의 10회 열싸이클시 개방회로전압(OCV) 변화를 보여주는 그래프이다.
도 17은 CPOX 촉매의 XRD(X-Ray Diffraction) 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 18은 원통형 SOFC 6×5 직병렬 스택에서 개질 프로판 가스를 이용한 성능 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 원통형 SOFC 14셀 직렬 스택에서 수소와 프로판의 성능 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 20은 원통형 SOFC 15×5 직병렬 스택에서 조건별 성능 측정 결과를 보여주는 그래프이다.FIG. 1 is a graph showing synthesis gas production by catalytic partial oxidation (CPOX) in a reformer.
FIG. 2 is a view showing a production process of a CPOX reformer catalyst. FIG.
3 is a photograph and a photograph of the CPOX reformer.
4 is a view showing a manufacturing process of a cylindrical unit cell.
5 is a cross-sectional view of a cylindrical unit cell.
6 is a view showing a current collector of a cylindrical unit cell.
7 is a view showing the internal fuel flow of the cylindrical unit cell.
8 is a view showing sealing using a glass sealant between a cylindrical unit cell and a metal cap.
9 is a view showing a bundle-to-bundle seal using a mica and an insulated cylindrical SOFC stack.
10 is a view showing the structure of a cylindrical SOFC stack system.
11 is a view showing the operation system of the cylindrical SOFC stack system.
12 is a diagram showing preparation for measuring performance of a cylindrical unit cell.
FIG. 13 is a diagram showing preparation for measurement of performance after assembly of a cylindrical SOFC stack.
FIG. 14 is a graph showing the performance of a 10-cycle cycle of a cylindrical unit cell. FIG.
15 is a graph showing a change in electric power of the cylindrical unit cell at ten thermal cycles.
16 is a graph showing changes in OCV during ten cycles of thermal cycling of a cylindrical unit cell.
17 is a graph showing the XRD (X-Ray Diffraction) analysis result of the CPOX catalyst.
18 is a graph showing a result of performance measurement using modified propane gas in a
19 is a graph showing the measurement results of hydrogen and propane in a
20 is a graph showing the results of measurement of condition-by-condition in a
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 The present invention
원통형 고체산화물 연료전지 스택;A cylindrical solid oxide fuel cell stack;
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 상부의 공기극(cathod)에 연결되고, 공급되는 공기를 예열하여 공기극에 주입하는 열교환기;A heat exchanger connected to a cathode of the upper portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and preheating the supplied air and injecting the supplied air into the cathode;
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 하부의 연료극(anode)에 연결되고, 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)용 촉매를 포함하며, 공급되는 프로판가스를 개질하여 연료극에 주입하는 개질기;A reformer connected to an anode at a lower portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and including a catalyst for catalytic partial oxidation (CPOX), reforming the supplied propane gas and injecting it into the fuel electrode;
상기 열교환기에 연결되어 상기 열교환기에 공기를 공급하는 공기 공급기;An air supply connected to the heat exchanger to supply air to the heat exchanger;
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 공기를 공급하는 공기 공급기; 및An air supplier connected to the reformer and supplying air to the reformer; And
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 프로판 가스를 공급하는 프로판가스 공급기;를 포함하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템을 제공한다.And a propane gas supplier connected to the reformer and supplying propane gas to the reformer. The present invention also provides a cylindrical solid oxide fuel cell stack system using the reformed propane gas.
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템은 구체적으로 도 10 및 도 11에 기재되어 있다.The cylindrical solid oxide fuel cell stack system is specifically described in FIGS. 10 and 11. FIG.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 The cylindrical solid oxide fuel cell
연료극 지지체;An anode support;
상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층;An electrolyte layer located on an outer circumferential surface of the anode support;
상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층; 및A cathode layer disposed on the electrolyte layer; And
상기 연료극 지지체 내부에 위치하는 내부집전체;를 포함하는 것이 바람직하며, 일반적인 원통형 고체산화물 연료전지는 모두 적용이 가능하다.And an internal current collector located inside the fuel electrode support, and the general cylindrical solid oxide fuel cell is applicable.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 연료 극 지지체를 제작 후 가소결을 거쳐 연료극 기능성층(NiO/YSZ), 전해질(YSZ), 공기극(LSM/YSZ, LSM, LSCF)의 순으로 코팅 후 소결하여 제작한 것이 바람직하고, 두께 1.0 내지 2.0 mm, 직경 10 내지 20 mm의 원통형 고체산화물 연료전지인 것이 바람직하다. The cylindrical solid oxide fuel cell was manufactured by coating a fuel electrode support, plasticizing the anode active material layer (NiO / YSZ), electrolyte (YSZ), air electrode (LSM / YSZ, LSM, LSCF) And is preferably a cylindrical solid oxide fuel cell having a thickness of 1.0 to 2.0 mm and a diameter of 10 to 20 mm.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 상부와 하부에 각각 금속 캡이 밀봉재에 의해 결합되어 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the cylindrical solid oxide fuel cell has a metal cap coupled to the upper and lower portions thereof by a sealing material.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 집전 방향을 양방향으로 함으로써 각 단위전지의 성능 효율 향상시킬 수 있다.The cylindrical solid oxide fuel cell can improve the performance efficiency of each unit cell by making the current collecting direction bidirectional.
여기서, 연료극 집전은 Ni-felt에 Ni-wire를 점 용접하여 집전체 제작한 후 집전체를 상부 금속 캡에 점 용접하여 수행하고, 상부 금속 캡을 번들 간의 전기적 연결 역할 수행할 수 있도록 하며, 공기극 집전은 Ag-mesh를 단위전지에 감싸고 Ag-wire를 감아 고정시킨 후 LSCo를 도포하여 수행할 수 있다. Here, the current collecting is performed by spot welding a Ni-wire to a Ni-felt to form a collector, spot-welding the current collector to the upper metal cap, and allowing the upper metal cap to serve as an electrical connection between the bundles, Aggregation can be performed by wrapping the Ag-mesh in a unit cell, wrapping Ag-wire and fixing it, and applying LSCo.
여기서, 원통형 고체산화물 연료전지 내부 연료 흐름은 내부에 삽입된 연료봉을 통해 연료 공급 및 번들과 전기적으로 연결되고, 단위전지 상부에서 공급되어 반응 후 하부 금속 캡을 통해 배출될 수 있다.Here, the cylindrical solid oxide fuel cell internal fuel flow may be electrically connected to the fuel supply and the bundle through the fuel rod inserted therein, may be supplied from the upper portion of the unit cell, and may be discharged through the lower metal cap after the reaction.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 밀봉재로 밀봉함으로써, 기밀 접착성, 전기 절연성, 단위전지의 보호 및 스택의 구조적 일체성을 향상시킬 수 있다.By sealing the cylindrical solid oxide fuel cell with a sealing material, it is possible to improve airtight adhesiveness, electrical insulation, protection of the unit cell, and structural integrity of the stack.
여기서, 상온에서 단위전지와 금속 캡 사이의 공간에 밀봉재를 채워주고 질소분위기에서 열처리하여 밀봉할 수 있고, 밀봉으로 연료 누출에 의한 OCV 감소를 방지하고, 연료 누출 시 화염 발생으로 인한 단위전지 손상 위험을 방지할 수 있다.Here, the sealing material can be filled in the space between the unit cell and the metal cap at room temperature, and can be sealed by heat treatment in a nitrogen atmosphere. Also, the OCV can be prevented from being reduced due to fuel leakage by sealing, .
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택은 6 ×5 직병렬 스택, 15 ×5 직병렬 스택 또는 14 직렬 스택으로 설계할 수 있으며, 특히 6 ×5 직병렬 스택인 것이 바람직하다.The cylindrical solid oxide fuel cell stack may be designed as a 6 × 5 serial parallel stack, a 15 × 5 serial parallel stack, or a 14 serial stack, and is preferably a 6 × 5 serial parallel stack.
여기서, 직렬연결 시 단위전지 간의 성능 편차가 일어나면 역전압 작동으로 인해 급격한 열화 현상이 발생하는 등 직렬연결의 스택 안정성 부족으로 인해 직렬과 병렬의 복합 설계하는 것이 바람직하다.In this case, when a performance deviation occurs between the unit cells at the time of series connection, it is preferable to design a series and a parallel combination due to a lack of stack stability of the series connection, such as a sudden deterioration due to reverse voltage operation.
여기서, 스택은 단위전지 하부가 번들에 의해 상부는 금속 캡에 의해 전기적 연결이 되고, 상부 연결은 Ag-wire 다발을 Ag-paste 도포 후 고정하고, 하부 연결은 각 단위전지의 공기극에 집전된 Ag-wire를 다음 번들에 결합하여 제작될 수 있다.The upper part of the unit cell is electrically connected to the lower part by a bundle, the upper part is coated with Ag-paste after Ag-paste application, and the lower part is connected to Ag -wire to the next bundle.
여기서, 스택은 고온용 절연물로서 Mica를 사용하여 번들 간 밀봉 및 절연시킬 수 있고, 스택 양 방향에서 볼트를 조이는 응력으로 Mica의 밀봉 특성 확보할 수 있다.Here, the stack can be sealed and insulated between bundles using Mica as a high-temperature insulator, and the sealing characteristic of Mica can be secured by stressing the bolts in both directions of the stack.
상기 열교환기는 공기 공급 라인과 배출 라인에 연결되어, 스택 내 온도 구배 불균형 및 열 응력을 최소화할 수 있다.The heat exchanger may be connected to an air supply line and an exhaust line to minimize temperature gradient imbalance and thermal stress in the stack.
상기 열교환기는 연료극에 연결된 배기구(vent)와 연결되어 배출되는 배가스의 폐열을 이용하는 것이 바람직하다.It is preferable that the heat exchanger uses waste heat of the exhaust gas connected to the vent connected to the fuel electrode.
상기 CPOX용 촉매는 Pt·CeO2-ZrO2 조성을 갖는 것이 바람직하고, γ-Al2O3 지지체에 2 ~ 5 wt% Pt 및 20 ~ 30 wt% CeO2-ZrO2가 담지된 것이 바람직하다.The catalyst for CPOX preferably has a composition of Pt · CeO 2 -ZrO 2 , and it is preferable that 2 to 5 wt% of Pt and 20 to 30 wt% of CeO 2 -ZrO 2 are supported on γ-Al 2 O 3 support.
상기 개질기는 연료 공급 라인에 설치되고, 내부에 빈 공간이 없도록 CPOX용 촉매가 채워져 있고, 촉매의 이탈 방지를 위해 전면 및 후면에 다공성 판이 삽입되어 있는 단순한 구조인 것이 바람직하다.It is preferable that the reformer is a simple structure having a CPOX catalyst filled in the fuel supply line so that there is no empty space therein and a porous plate inserted on the front and rear surfaces to prevent the catalyst from being separated.
상기 프로판가스 공급기는 개질기 유량제어기(Mass Flow Control, MFC)에 연결되어 적절한 유량을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.The propane gas feeder may be connected to a mass flow controller (MFC) to control the flow rate of the propane gas.
상기 스택은 공기 챔버(Air-chamber)를 체결하여 원활한 공기 공급 및 충격으로부터의 보호하는 것이 바람직하다.Preferably, the stack is tightened with an air chamber to provide smooth air supply and protection against impact.
상기 스택의 승온시 질소와 수소를 8:2 비율로 안전 가스(safety gas)를 3L/min 공급하여 단위전지의 손상을 방지하는 것이 바람직하다.It is preferable to supply safety gas at a rate of 3 L / min in an 8: 2 ratio between nitrogen and hydrogen at the time of heating the stack to prevent damage to the unit cell.
또한, 본 발명은 촉매부분산화(CPOX)를 이용하여 프로판가스를 개질하여 얻은 합성가스를 연료로 공급하는, 성능이 향상된 원통형 고체산화물 연료전지를 제공한다.Further, the present invention provides a cylindrical solid oxide fuel cell with improved performance, which feeds a synthesis gas obtained by modifying propane gas using a catalyst partial oxidation (CPOX) as fuel.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 촉매부분산화를 이용하여 프로판 가스와 공기가 Pt·CeO2-ZrO2 촉매를 통해 탄소, 수소 및 질소를 포함한 합성가스를 생성하여 연료극에 공급할 수 있다.The cylindrical solid oxide fuel cell can generate a syngas containing carbon, hydrogen, and nitrogen through the Pt · CeO 2 -ZrO 2 catalyst using propane gas and air using the catalytic partial oxidation, and supply it to the fuel electrode.
아울러, 본 발명은 촉매부분산화(CPOX)를 이용하여 프로판가스를 개질하여 얻은 합성가스를 원통형 고체산화물 연료전지에 연료로 공급하는 것을 포함하는 원통형 고체산화물 연료전지의 성능 향상 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell, comprising supplying a synthesis gas obtained by modifying propane gas to a cylindrical solid oxide fuel cell using a catalyst partial oxidation (CPOX).
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 촉매부분산화를 이용하여 프로판 가스와 공기가 Pt·CeO2-ZrO2 촉매를 통해 탄소, 수소 및 질소를 포함한 합성가스를 생성하여 연료극에 공급할 수 있다.The cylindrical solid oxide fuel cell can generate a syngas containing carbon, hydrogen, and nitrogen through the Pt · CeO 2 -ZrO 2 catalyst using propane gas and air using the catalytic partial oxidation, and supply it to the fuel electrode.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Experimental Examples.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited to the following Examples and Experimental Examples.
<< 실시예Example 1> 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidation, 1> Catalytic Partial Oxidation, CPOXCPOX ) 촉매 제작) Catalyst preparation
SOFC의 주 연료인 수소를 원활히 공급하기 위해서 프로판가스와 산소를 CPOX 개질기로 주입하여 반응을 통하여 수소를 생산하였다. In order to supply hydrogen which is the main fuel of SOFC, propane gas and oxygen were injected into CPOX reformer to produce hydrogen through the reaction.
개질 촉매는 반응 속도와 효율의 증가를 위해 귀금속계 촉매인 Pt를 이용하여 2wt.% PtCeO2-ZrO2 조성을 가지는 촉매를 제작하였다. 일반적으로 기체 반응 촉매 지지체로 사용되는 직경 2.5 mm의 γ-Al2O3(SASOL, Germay) 지지체에 각각의 금속염을 incipient wetness impregnation 법으로 담지하고 소성하여 제작하였다. In order to increase the reaction rate and efficiency, a catalyst having a composition of 2 wt.% PtCeO 2 --ZrO 2 was prepared using Pt as a noble metal catalyst. In general, each metal salt was supported on a γ-Al 2 O 3 (SASOL, Germay) support having a diameter of 2.5 mm and used as a gas reaction catalyst support by incipient wetness impregnation and firing.
촉매의 제조는 도 2와 같은 순서로 진행하였다. 구체적으로, γ-Al2O3 지지체를 담지가 용이하도록 100℃에 가열시킨 후 증류수에 Ce(NO3)3·Zr-nitrate solution(ZrO2=20wt.%)을 녹인 용액을 담지하고 120℃에서 6시간 유지 후 800℃에서 4시간 동안 소성시켰다. 소성된 Ce-Zr/γ-Al2O3 지지체를 증류수에 H2PtCl6·H2O를 녹인 용액에 담지하고 120℃에서 6시간 유지 후 400℃에서 2시간 동안 소성시켜 개질 촉매를 제조하였다(도 2).The preparation of the catalyst was carried out in the same sequence as in Fig. Specifically, a solution in which Ce (NO 3 ) 3 · Zr-nitrate solution (ZrO 2 = 20 wt.%) Was dissolved in distilled water was loaded on a γ-Al 2 O 3 support at 100 ° C. For 6 hours, followed by firing at 800 DEG C for 4 hours. The calcined Ce-Zr / γ-Al 2 O 3 support was supported on a solution of H 2 PtCl 6 .H 2 O dissolved in distilled water, maintained at 120 ° C. for 6 hours, and then calcined at 400 ° C. for 2 hours to prepare a reforming catalyst (Fig. 2).
<< 실시예Example 2> 2> CPOXCPOX 개질기Reformer 제작 making
제작된 촉매를 반응시켜 수소를 얻기 위하여 개질기를 설계하여 제작하였다. 촉매 성능 및 최적 온도 도달 측면에 주안점을 두고 개질기를 설계하였다. 도 3과 같이 비교적 간단한 구조로 개질기를 구성하였고, 반응기 내부에 빈 공간이 없도록 촉매를 채워주었다. 촉매는 개질기로 연료를 주입할 시에 분산 및 촉매의 개질기 이탈 방지를 위하여 다공성 판을 전면과 후면에 삽입하여 제작하였다(도 3).A reformer was designed and fabricated to obtain hydrogen by reacting the prepared catalyst. The reformer was designed with the focus on the catalyst performance and the optimum temperature reaching aspect. As shown in FIG. 3, a reformer was constructed with a relatively simple structure, and the catalyst was filled so that there was no empty space in the reactor. The catalyst was fabricated by inserting a porous plate on the front and back surfaces of the reformer in order to disperse the catalyst and prevent the catalyst from escaping from the reformer when the fuel was injected (FIG. 3).
<< 실시예Example 3> 원통형 단위전지의 제작 3> Fabrication of cylindrical unit cell
스택에 사용된 단위전지는 기계적 강도가 우수하고 밀봉이 용이한 원통형 단위전지를 사용하였다. 단위전지는 연료극 지지체를 기반으로 제작되었으며, Ni/YSZ cermet의 연료극 분말을 제조하기 위해 NiO와 8mol% Y2O3-stabilized-ZrO2(8YSZ)분말을 이용하여 40 vol.% Ni이 되도록 정량적으로 혼합하였으며, 다공성 연료극 시편을 제조하기 위해 기공형성제로 카본 블락(carbon black)을 5wt.% 첨가하였다. 혼합된 분말은 지르코니아 볼과 에탄올을 첨가하여 2주 동안 볼 밀링(ball-milling)을 하였다. 그 후 건조기에서 건조 후 시빙기(sieving machine)로 입자를 균일하게 분쇄하였다. 제작된 분말은 증류수, 결합제, 가소제, 윤활제를 첨가하여 혼련(kneading)과정을 거치고, 상온에서 24시간 숙성 후 압출 성형을 통하여 직경 10 mm, 두께 1 mm의 원통형 연료극 지지체를 제작하였다.The unit cell used in the stack was a cylindrical unit cell having excellent mechanical strength and easy to seal. The unit cell was fabricated on the basis of an anode support, and NiO and 8 mol% Y 2 O 3 -stabilized-ZrO 2 (8YSZ) powders were used to produce 40 vol.% Ni of Ni / YSZ cermet anode And 5 wt% of carbon black was added as a pore forming agent to prepare a porous anode sample. The mixed powders were ball-milled for 2 weeks by adding zirconia balls and ethanol. After drying in a dryer, the particles were homogeneously pulverized by a sieving machine. The prepared powders were kneaded by adding distilled water, binder, plasticizer and lubricant. After aging at room temperature for 24 hours, a cylindrical fuel electrode support having a diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm was prepared by extrusion molding.
압출된 성형체는 단위전지의 직진도 향상 및 미세한 균열을 방지하기 위해 롤링건조기에서 2일간 건조를 하였다. 건조 후 가소결(pre-sintering) 과정을 통하여 기공형성제와 첨가물을 제거하였다. 가소결 과정 중 급격한 온도 상승은 첨가물들의 분해가 이루어지며 국부적 온도 상승의 원인이 되고 이것은 지지체의 파손으로 이어지므로, 각 첨가물들의 분해 온도에 맞추어 승온 속도를 조절하여 1100℃에서 3시간 동안 가소결하였다. 가소결체는 연료극 기능성층(NiO/YSZ), 전해질(YSZ), 공기극(LSM/YSZ, LSM, LSCF)의 순서로 열처리하여 단위전지를 제작하였다(도 4 및 도 5).The extruded molded body was dried in a rolling dryer for 2 days to improve the straightness of the unit cell and to prevent fine cracking. After drying, pore formers and additives were removed through pre-sintering process. During the sintering process, the rapid increase in temperature leads to the local temperature rise, which leads to the destruction of the support. Therefore, the temperature rise rate is adjusted according to the decomposition temperature of each additive and the sintering is carried out at 1100 ° C. for 3 hours . The firing was performed in the order of an anode functional layer (NiO / YSZ), an electrolyte (YSZ), and an air electrode (LSM / YSZ, LSM, LSCF) to fabricate a unit cell (FIGS. 4 and 5).
<< 실시예Example 4> 원통형 단위전지의 집전 4> Collecting of cylindrical unit cell
스택에 사용되는 단위전지는 상부와 하부에 각각 금속 캡을 결합하여 제작되었다. 하부 금속 캡은 연료가 주입되는 연료봉이 삽입될 수 있게 뚫려 있고, 상부 금속 캡은 막힌 형태로 주입된 연료가 단위전지 상부에서 배출되어 반응 후 다시 하부에 있는 연료 배출구로 나가는 형태로 되어있다. 집전체에 대한 부하연결은 단일 단자가 아닌 2개의 단자를 이용하여 집전을 해야 약 30 ~ 40% 가량의 전력 손실 저감 효과를 얻을 수 있다. 따라서 상부 금속 캡은 연료극 집전체의 역할을 수행한다. The unit cells used in the stack were fabricated by joining metal caps on the top and bottom, respectively. The lower metal cap is pierced so that the fuel rod into which the fuel is injected can be inserted, and the fuel injected in a clogged form in the upper metal cap is discharged from the upper part of the unit cell, and then flows out to the fuel outlet at the lower part after the reaction. The load connection to the current collector can be reduced by about 30 to 40% by using two terminals instead of a single terminal. Accordingly, the upper metal cap functions as a fuel electrode current collector.
연료극 내부로 직경 0.5 mm의 Ni-wire 8가닥이 점 용접(spot welding)된 Ni-felt를 전도성 페이스트(Ni-paste)를 도포 후 삽입함으로써 연료극 집전을 하였다. 도 6에 보여지는 바와 같이 상부 금속 캡에 Ni-wire를 점 용접하여 각 단위전지의 상부 금속 캡의 연결로 인한 집전체 간의 연결을 이루었으며, 하부는 연료 주입관과 집전체의 접촉으로 인하여 번들과 전기적 연결이 이루어졌다. An Ni-felt spot-welded with Ni-wire having a diameter of 0.5 mm was applied to the inside of the fuel electrode and then the Ni-paste was applied to the anode to apply an electric current to the anode. As shown in FIG. 6, Ni-wires were spot-welded to the upper metal cap to connect the current collectors due to the connection of the upper metal caps of each unit cell. And an electrical connection was made.
공기극 집전은 Ag-mesh를 단위전지의 공기극에 최대한 밀착되게 감싸준 후 직경 1.0mm의 Ag-wire를 단위전지와 평행하게 대고 직경 0.5mm의 Ag-wire로 나선방향으로 감아 고정시킨다. 그리고 고정된 집전체와 공기극 간의 접촉저항을 줄여주기 위하여 LSCo를 도포하여 집전을 완료하였다(도 6 및 도 7).The Ag-mesh is wrapped around the air electrode of the unit cell as closely as possible. Ag-wire having a diameter of 1.0 mm is wound parallel to the unit cell and wound in a spiral direction with Ag-wire having a diameter of 0.5 mm. In order to reduce the contact resistance between the fixed current collector and the air electrode, LSCo was applied and the current collection was completed (FIGS. 6 and 7).
<< 실시예Example 5> 원통형 단위전지의 밀봉 5> Sealing of a cylindrical unit cell
단위전지의 밀봉은 스택의 신뢰성에 있어 가장 중요한 요소 중 하나이다. 스택에서 밀봉재는 연료와 공기가 혼합되는 것을 방지하는 기밀 접착성과 전기 절연성, 그리고 단위전지의 보호 및 스택 구조물의 구조적 일체성을 가지도록 한다. 스택 내부에서 단위전지의 연료의 누출이 있을 시 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage, OCV)의 감소 및 화염이 발생하여 국부적 온도 상승으로 인한 단위전지 직접 손상 또는 집전체 용해 등이 있을 수 있다. Sealing the unit cell is one of the most important factors in the reliability of the stack. In the stack, the sealing material ensures airtight adhesion and electrical insulation to prevent mixing of fuel and air, and protection of the unit cell and structural integrity of the stack structure. In case of leakage of the fuel of the unit cell in the stack, there may be a decrease in the open circuit voltage (OCV) and direct damage of the unit cell due to the local temperature rise due to the flame, or the collector melt.
스택에 사용된 단위전지는 상부와 하부에 금속 캡을 결합하는데 이 때 금속 캡과 단위전지 사이에 간격이 생긴다. 이 간격을 밀봉재(glass sealing paste)를 이용하여 도 8과 같이 채워주었다. 밀봉재는 100℃ 이상에서 유동성을 가지므로 상온에서 간격을 밀봉재로 채워주고 건조기에서 건조 후 750℃에서 열처리를 진행하여 밀봉을 완료하였다(도 8).The unit cell used in the stack combines the metal caps at the top and the bottom with a gap between the metal cap and the unit cell. This gap was filled with a glass sealing paste as shown in Fig. Since the sealing material had fluidity at 100 ° C or higher, the space was filled with a sealing material at room temperature, dried in a dryer, and heat-treated at 750 ° C to complete sealing (FIG. 8).
<< 실시예Example 6> 6> SOFCSOFC 스택의 설계 및 제작 Design and manufacture of stack
집전된 단위전지들은 연료공급 및 전기적 연결을 위하여 직경 1/8in의 금속 관을 삽입하여 주었다. 금속관과 집전체 간의 접촉 저항을 최소화하기 위해서 전도성 페이스트를 도포하였다. 번들은 2구간으로 나뉜 공간이 있으며 하부와 상부로 나뉜다. 하부는 금속관이 연결되어 연료가 공급되며 상부는 연료극에서 전기화학 반응을 마친 배 가스가 배출되는 공간이다. The collected unit cells were inserted with a metal tube having a diameter of 1 / 8in for fuel supply and electrical connection. Conductive paste was applied to minimize the contact resistance between the metal tube and the current collector. The bundle is divided into two sections, the lower and upper sections. The lower part is connected with the metal pipe to supply the fuel, and the upper part is the space where the exhaust gas after the electrochemical reaction is discharged from the fuel electrode.
단위전지의 연결이 완료된 번들들을 직렬로 연결하였다. 도 9에서 보이는 바와 같이 연결 시 각 번들 간의 전기적 단락 및 밀봉을 위하여 번들의 단면 모양을 본뜬 Mica를 제작하여 넣어주었다. Mica는 고온에서도 절연 성질을 유지하는 절연재료이며 절연 및 밀봉 특성을 발휘하기 위해서는 응력이 발생하여야 한다. 그러므로 번들 간의 조립시 볼트를 사용하여 양 방향에서 힘을 가해주었다(도 9). Bundles that have been connected to each other are connected in series. As shown in FIG. 9, Mica, which simulates the cross-sectional shape of the bundle, was prepared for electrical shorting and sealing between bundles at the time of connection. Mica is an insulating material that maintains its insulation properties even at high temperatures. Stresses must be generated to exhibit insulation and sealing properties. Therefore, when assembling between bundles, bolts were used to apply force in both directions (Fig. 9).
번들 조립이 완료된 스택은 주변 시스템을 설치하여 제작을 완료하였다. 우선 원활한 공기 공급 및 외부충격으로부터의 단위전지 보호를 위한 공기 챔버(air chamber)를 설치하였다. 설치가 완료된 스택은 주변 시스템과의 연결을 시작하였다. 도 10에서 나타내는 바와 같이 개질기 및 열교환기를 설치하였다. 개질기 전단은 연료로 사용될 프로판가스와 공기를 연결하였고 후단은 스택의 연료 공급부에 연결되었다. 개질이 된 프로판 가스는 수소를 포함한 합성가스가 되어 스택 하부로 공급되며 전기화학반응을 거친 후 공기극으로 주입된 공기와 합쳐져 열교환기로 흘러가게 하였다. 이때 열교환기는 배가스의 폐열을 이용하여 앞으로 공급될 공기들을 예열해줌으로써 단위전지의 온도 구배 불균형 및 열응력(thermal stress)를 최소화 하였다(도 10 및 도 11).The bundle assembly was completed by installing a peripheral system. First, an air chamber is installed for supplying the air smoothly and protecting the unit cell from external impact. The stack that has been installed has started to connect with the peripheral system. A reformer and a heat exchanger were installed as shown in Fig. The reformer shear connects the air to the propane gas to be used as fuel and the downstream end to the fuel supply of the stack. The reformed propane gas was supplied to the bottom of the stack as a synthesis gas containing hydrogen, and after electrochemical reaction, it was combined with the air injected into the air electrode and flowed to the heat exchanger. At this time, the heat exchanger uses the waste heat of the exhaust gas to preheat the air to be supplied in the future, thereby minimizing temperature gradient unbalance and thermal stress of the unit cell (FIGS. 10 and 11).
<< 실험예Experimental Example 1> 원통형 단위전지의 성능 평가 1> Performance evaluation of cylindrical unit cell
스택을 제작하기에 앞서 스택 전체 시스템의 결과를 예상하기 위해 단위전지를 제작하여 성능을 측정하였다. 단위전지의 제작 및 공기극 집전 방식은 스택에 사용되는 단위전지와 동일하게 진행되었다. 다만, 연료극 집전의 경우 양쪽에 금속 오픈 캡을 사용하여 금속 캡에 점 용접으로 인한 집전이 이루어지지 않았다. 이것은 단위전지 성능 측정 시 배출구의 방향이 연료 주입구의 방향과 같아 실험 진행에 위험이 따르기 때문이다. 집전이 완료된 단위전지는 도 12와 같이 퍼니스에 거치하고 연료 공급관과 배출관을 연결하였다. 단위전지의 아래에는 공기 챔버(Air-chamber)를 설치하여 공기를 공급하였다(도 12). Prior to fabricating the stack, a unit cell was fabricated to measure the performance of the entire stack system. The fabrication of the unit cell and the method of collecting the air electrode were performed in the same manner as the unit cell used in the stack. However, in the case of the anode pole collector, metal open caps were used on both sides, and the metal cap was not collected due to spot welding. This is because the direction of the discharge port is the same as the direction of the fuel injection port when the performance of the unit cell is measured. The unit cell having completed the current collection was placed in the furnace as shown in Fig. 12, and the fuel supply pipe and the discharge pipe were connected. An air chamber was provided under the unit cell to supply air (FIG. 12).
스택의 특성상 단위전지를 연결한 후 이상이 발생한 단위전지의 교체가 불가능하다. 그러므로 스택의 장기적 성능 안정성을 위하여 단위전지의 열적 내구성 실험을 진행하였다. 열 사이클 실험은 10회 진행하였고 상온에서 800℃까지 2℃/min의 속도로 승온한 후 다시 상온으로 냉각시켜 성능을 측정하였다. 주입된 연료와 공기는 MFC(mass flow controller)를 통하여 수소는 300 cc/min, 공기는 2 L/min로 정량적 공급을 하였다. Due to the nature of the stack, it is not possible to replace the unit cell in which the abnormality occurs after connecting the unit cell. Therefore, the thermal durability test of the unit cell was carried out for the long - term stability stability of the stack. The heat cycle test was performed 10 times and the temperature was increased from room temperature to 800 ° C at a rate of 2 ° C / min and then cooled to room temperature to measure the performance. The injected fuel and air were supplied quantitatively by mass flow controller (MFC) at 300 cc / min for hydrogen and 2 L / min for air.
그 결과, 도 14 ~ 도 16은 800℃에서의 단위전지 열 사이클 결과이다. 1회차 실험 시 개회로 전압은 1.00V이고 이후 동일하게 0.98V를 기록했다. 성능을 측정한 결과 2, 3회차의 실험에서 가장 높은 14W가 나왔고 약간의 성능 감소가 있었으나 10W 이상의 성능이 나왔다. 열 사이클 실험 과정에서 단위전지의 파괴는 없었으며 안정적인 전압 거동을 보였다(도 14 내지 도 16).As a result, Fig. 14 to Fig. 16 show the result of unit cell heat cycle at 800 deg. In the first experiment, the open circuit voltage was 1.00V and then the same voltage was 0.98V. As a result of the performance measurement, the highest 14W was obtained in the second and third experiments, and the performance was slightly reduced but the performance was more than 10W. There was no breakdown of the unit cell during the thermal cycle experiment and stable voltage behavior was observed (Figs. 14 to 16).
<< 실험예Experimental Example 2> 스택 시스템의 성능 평가 2> Performance evaluation of stack system
<2-1> 6 ×5 <2-1> 6 × 5 직병렬Serial parallel 스택에서 프로판 개질 가스에 따른 성능 측정 Performance measurement of propane reformed gas in the stack
6 ×5 직병렬 스택은 도 13과 같이 퍼니스에 거치하여 성능측정을 진행하였다. 퍼니스의 온도 상승 역시 단위전지의 손실을 줄이기 위하여 2℃/min의 속도로 천천히 승온하였다. 성능 측정 온도까지 승온하는 동안 단위전지의 재산화를 방지하기 위해 질소와 수소를 8:2 비율로 safety gas를 공급해주었다. 목표 온도에 다다른 스택은 MFC를 사용하여 연료 공급부에 프로판가스 726 cc/min와 공기 5.2 L/min, 공기 공급부에는 공기를 30 L/min으로 정량 공급하여 주었다. 공급된 프로판 가스는 황피독으로 인한 단위전지 손상을 방지하기 위해 황을 제거한 프로판가스를 사용하였다. 성능 측정은 온도별로 700℃, 750℃, 800℃의 운전온도에서 진행하였다. 개회로 전압은 5.0 ~ 5.5 V이었으며, 각 온도별로 전류를 가해주며 성능을 측정하였다. The 6 × 5 serial parallel stack was mounted on a furnace as shown in FIG. The temperature rise of the furnace was also slowly raised at a rate of 2 [deg.] C / min to reduce the loss of the unit cell. During the heating up to the performance measurement temperature, safety gas was supplied at an 8: 2 ratio of nitrogen and hydrogen to prevent reoxidation of the unit cell. The stacks differing from the target temperature were supplied with 726 cc / min of propane gas, 5.2 L / min of propane gas and 30 L / min of air to the air supply section, using the MFC. The supplied propane gas was propane gas with sulfur removed to prevent damage to the unit cell due to sulfur poisoning. The performance measurements were conducted at 700, 750 and 800 ℃. The open circuit voltage was 5.0 ~ 5.5 V, and current was applied to each temperature and the performance was measured.
그 결과, 도 18에서 나타내는 바와 같이 700℃에서 90W, 750℃에서 125W, 800℃에서 150W의 최고 출력을 나타내었다(도 18).As a result, as shown in Fig. 18, the maximum output was obtained at 90 W at 700 캜, 125 W at 750 캜, and 150 W at 800 캜 (Fig. 18).
<2-2> <2-2> 14 셀14 cells 직렬 스택에서 프로판 개질 가스에 따른 성능 측정 Performance Measurements for Propane Reforming Gas in a Series Stack
14 셀 직렬 스택에서 수소와 프로판 개질 가스를 이용한 각각의 스택 성능을 측정하여 비교하였다.The stack performance of hydrogen and propane reformed gas was measured and compared in a 14 - cell serial stack.
성능 측정은 수소의 경우, 온도 800℃, 활성 부위 211 cm2, 연료 공급부에 수소 1 L/min, 공기 공급부에는 공기를 3 L/min으로 정량 공급하여 주었으며, 프로판 개질 가스의 경우, 연료 공급부에 프로판가스 130 cc/min와 공기 900 cc/min를 공급하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 조건으로 수행하였다.In the case of hydrogen, the hydrogen was supplied at a temperature of 800 ° C, an active area of 211 cm 2 , a hydrogen feed of 1 L / min, and an air feed of 3 L / min. In the case of propane reformed gas, Except that
그 결과, 도 19에서 나타내는 바와 같이, 프로판 개질 가스를 이용 시 수소에 비해 약 50%의 성능 향상을 보였다(도 19).As a result, as shown in Fig. 19, the use of propane reforming gas showed a performance improvement of about 50% as compared with that of hydrogen (Fig. 19).
<2-3> 15 ×5 <2-3> 15 × 5 직병렬Serial parallel 스택에서 프로판 개질 가스에 따른 성능 측정 Performance measurement of propane reformed gas in the stack
15 ×5 직병렬 스택에서 수소와 프로판 개질 가스를 이용한 각각의 스택 성능을 측정하여 비교하였다.The stack performance of hydrogen and propane reformed gas was measured and compared in a 15 × 5 series parallel stack.
성능 측정은 수소의 경우, 온도 750℃ 및 800℃ 각각, 연료 공급부에 수소 9 L/min, 공기 공급부에는 공기를 15 L/min으로 정량 공급하여 주었으며, 프로판 개질 가스의 경우, 연료 공급부에 프로판가스 1 L/min 및 1.2 L/min과 공기 10 L/min 및 17 L/min를 각각 공급하는 것을 제외하고 나머지는 동일한 조건으로 수행하였다.In the case of hydrogen, the hydrogen was supplied at a rate of 9 L / min to the fuel supply unit and at a rate of 15 L / min to the air supply unit at 750 ° C. and 800 ° C. respectively. In the case of the propane reforming gas, The remainder was performed under the same conditions except that 1 L / min and 1.2 L / min and air were supplied at 10 L / min and 17 L / min, respectively.
그 결과, 도 20에서 나타내는 바와 같이, 프로판 개질 가스를 이용 시 수소에 비해 약 50%의 성능 향상을 보였다(도 20). As a result, as shown in FIG. 20, when the propane reforming gas was used, the performance was improved by about 50% compared with that of hydrogen (FIG. 20).
Claims (13)
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 상부의 공기극(cathod)에 연결되고, 공급되는 공기를 예열하여 공기극에 주입하는 열교환기;
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택의 하부의 연료극(anode)에 연결되고, 촉매부분산화(Catalytic Partial Oxidation, CPOX)용 촉매를 포함하며, 공급되는 프로판가스를 개질하여 연료극에 주입하는 개질기;
상기 열교환기에 연결되어 상기 열교환기에 공기를 공급하는 공기 공급기;
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 공기를 공급하는 공기 공급기; 및
상기 개질기에 연결되어 상기 개질기에 프로판 가스를 공급하는 프로판가스 공급기;를 포함하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
A cylindrical solid oxide fuel cell stack;
A heat exchanger connected to a cathode of the upper portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and preheating the supplied air and injecting the supplied air into the cathode;
A reformer connected to an anode at a lower portion of the cylindrical solid oxide fuel cell stack and including a catalyst for catalytic partial oxidation (CPOX), reforming the supplied propane gas and injecting it into the fuel electrode;
An air supply connected to the heat exchanger to supply air to the heat exchanger;
An air supplier connected to the reformer and supplying air to the reformer; And
And a propane gas supplier connected to the reformer to supply propane gas to the reformer.
상기 원통형 고체산화물 연료전지는
연료극 지지체;
상기 연료극 지지체 외주면에 위치하는 전해질층;
상기 전해질층 상에 위치하는 공기극층; 및
상기 연료극 지지체 내부에 위치하는 내부집전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
The cylindrical solid oxide fuel cell
An anode support;
An electrolyte layer located on an outer circumferential surface of the anode support;
A cathode layer disposed on the electrolyte layer; And
And an internal current collector located within the anode support. ≪ Desc / Clms Page number 19 >
상기 원통형 고체산화물 연료전지는 상부와 하부에 각각 금속 캡이 밀봉재에 의해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
3. The method of claim 2,
Wherein the cylindrical solid oxide fuel cell has a metal cap coupled to the upper and lower sides by a sealing material, respectively.
상기 원통형 고체산화물 연료전지 스택은 6 ×5 직병렬 스택, 15 ×5 직병렬 스택 또는 14 직렬 스택인 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the cylindrical solid oxide fuel cell stack is a 6x5 serial stack, a 15x5 serial stack or a 14 serial stack.
상기 열교환기는 연료극에 연결된 배기구(vent)와 연결되어 배출되는 배가스의 폐열을 이용하는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanger uses waste heat of the exhaust gas connected to the vent connected to the fuel electrode to use the reformed propane gas.
상기 CPOX용 촉매는 Pt·CeO2-ZrO2 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the catalyst for CPOX has a composition of Pt · CeO 2 -ZrO 2 .
상기 CPOX용 촉매는 γ-Al2O3 지지체에 2 ~ 5 wt% Pt 및 20 ~ 30 wt% CeO2-ZrO2가 담지된 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 6,
Wherein the catalyst for CPOX comprises 2 to 5 wt% of Pt and 20 to 30 wt% of CeO 2 -ZrO 2 supported on a γ-Al 2 O 3 support, and a cylindrical solid oxide fuel cell stack system using modified propane gas .
상기 개질기는 내부에 빈 공간이 없도록 CPOX용 촉매가 채워져 있고, 촉매의 이탈 방지를 위해 전면 및 후면에 다공성 판이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the reformer is packed with a catalyst for CPOX so that there is no empty space therein, and a porous plate is inserted on the front and rear surfaces to prevent the catalyst from being separated from the cylindrical solid oxide fuel cell stack system.
상기 프로판가스 공급기는 개질기 유량제어기(Mass Flow Control, MFC)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 개질된 프로판 가스를 이용하는 원통형 고체산화물 연료전지 스택 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the propane gas feeder is connected to a Mass Flow Control (MFC). ≪ Desc / Clms Page number 20 >
A cylindrical solid oxide fuel cell having improved performance in which a synthesis gas obtained by reforming propane gas using a catalyst partial oxidation (CPOX) is supplied as fuel.
상기 촉매부분산화는 프로판 가스와 공기가 Pt·CeO2-ZrO2 촉매를 통해 탄소, 수소 및 질소를 포함한 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지.
11. The method of claim 10,
Wherein the catalytic partial oxidation produces propane gas and a syngas comprising carbon, hydrogen and nitrogen through the Pt < RTI ID = 0.0 > CeO2-ZrO2 catalyst. ≪ / RTI >
A method for enhancing the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell comprising feeding a synthesis gas obtained by modifying propane gas to a cylindrical solid oxide fuel cell using a catalytic partial oxidation (CPOX).
상기 촉매부분산화는 프로판 가스와 공기가 Pt·CeO2-ZrO2 촉매를 통해 탄소, 수소 및 질소를 포함한 합성가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 원통형 고체산화물 연료전지의 성능 향상 방법.
13. The method of claim 12,
The catalytic partial oxidation method of improving the performance of a cylindrical solid oxide fuel cell, characterized in that for generating a synthesis gas containing propane gas and air to carbon, hydrogen and nitrogen through the catalyst Pt · CeO 2 -ZrO 2.
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010138037A (en) * | 2008-12-11 | 2010-06-24 | Tokyo Gas Co Ltd | Multi-cylindrical steam reformer for fuel cell |
| KR101186537B1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-08 | 한국에너지기술연구원 | Micro cylindrical solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell power generation system comprising the same |
| KR20150024655A (en) * | 2013-08-27 | 2015-03-09 | 한국에너지기술연구원 | POx REFORMING REACTOR AND SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME |
| JP2015207510A (en) * | 2014-04-23 | 2015-11-19 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell module |
-
2017
- 2017-08-24 KR KR1020170107134A patent/KR102191620B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010138037A (en) * | 2008-12-11 | 2010-06-24 | Tokyo Gas Co Ltd | Multi-cylindrical steam reformer for fuel cell |
| KR101186537B1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-08 | 한국에너지기술연구원 | Micro cylindrical solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell power generation system comprising the same |
| KR20150024655A (en) * | 2013-08-27 | 2015-03-09 | 한국에너지기술연구원 | POx REFORMING REACTOR AND SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME |
| JP2015207510A (en) * | 2014-04-23 | 2015-11-19 | 本田技研工業株式会社 | fuel cell module |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220090623A (en) | 2020-12-22 | 2022-06-30 | 전북대학교산학협력단 | Solid Oxid Fuel Cell and usage systme using thereof |
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