KR20190028595A - high-pressure solid-oxide coelectrolysis cell and production method of syngas using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a high-pressure cylindrical solid-oxide co-electrolysis cell and a module thereof which change syngas from carbon dioxide and steam in pressurized environments and, more specifically, to a high-pressure cylindrical solid-oxide co-electrolysis cell comprising: an electrolytic layer including ScSZ; a GDC buffer layer formed on a surface of the electrolytic layer; and a composite air electrode consisting of La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3 (LSCF)-GDC, and a high-pressure cylindrical solid-oxide co-electrolysis module comprising: a pressure chamber to pressurize the co-electrolysis cell; a pressure controller to control the differential pressure between the co-electrolysis cell and the pressure chamber; and a vaporizer to supply steam to the co-electrolysis cell in addition to the co-electrolysis cell.

Description

고압 원통형 고체산화물 공전해 셀 및 이를 이용한 합성 가스 생산 방법{high-pressure solid-oxide coelectrolysis cell and production method of syngas using the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a high-pressure cylindrical solid oxide reforming cell,

본 발명은 가압 환경에서 이산화탄소와 스팀으로부터 합성가스를 전환하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀(solid-oxide coelectrolysis cell, SOC), 상기 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀을 이용한 가압운전 시스템, 및 상기 가압운전 시스템을 이용한 이산화탄소와 스팀으로부터 합성가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-pressure cylindrical solid oxide oxide solid electrolytic cell (SOC) for converting a synthesis gas from carbon dioxide and steam in a pressurized environment, a pressurized operation system using the high-pressure cylindrical solid oxide annular cell, And a method for producing syngas from carbon dioxide and steam using the system.

탄화수소 연료는 전기 분해 셀에서 전기 화학적 전환에 의해 물, CO2 및 재생 가능한 전기로부터 생산될 수 있다. 최근 신재생 에너지 기술의 진보로 인해 연구자들은 매우 효율적이고 대규모의 에너지 저장 방법을 찾고 있어 바람과 태양 에너지 공급의 고유한 변동을 제어할 수 있다(G. Cinti, et al., Int. J. Energy Res. 40 (2016) 207-215). 따라서 전기 분해 셀을 이용하여 CO2를 고부가가치의 탄화수소 연료로 전환하는 것은 실행 가능한 에너지 저장 방법으로 간주 된다. 전기 분해 셀에서 합성 가스(H2 + CO)로 이산화탄소와 증기의 고온 전환은 제어하기 쉽고, 모듈식이며, 효율적이며 확장성이 뛰어나다는 장점이 있다(Y. Zheng, et al., Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 1427-1463). Hydrocarbon fuels can be produced from water, CO 2 and renewable electricity by electrochemical conversion in the electrolysis cell. Recent advances in renewable energy technologies have allowed researchers to find very efficient and large-scale energy storage methods to control the inherent variability of wind and solar energy supply (G. Cinti, et al., Int. J. Energy Res. 40 (2016) 207-215). Thus, conversion of CO 2 to high value-added hydrocarbon fuels using electrolysis cells is considered a viable energy storage method. The high temperature conversion of carbon dioxide and steam from the electrolysis cell to syngas (H 2 + CO) is easy to control, modular, efficient, and excellent in scalability (Y. Zheng, et al., Chem. Soc. Rev. 46 (2017) 1427-1463).

CO2 및 스팀(Steam)과 공전해를 통해 핵 또는 재생 가능한 전기와 폐열을 사용하여 합성 가스를 생산하는 것은 CO2를 재사용하는 유망한 방법이다. 고온 SOC 전지는 음극(연료 전극), 양극(공기 전극) 및 고밀도 전해질(O2- 이온 전도체)을 포함하며, CO2 및 스팀(Steam)이 연료 전극으로 공급되고 산화물 이온(O2-)은 연료 전극에서 양극으로 고밀도 전해질을 통해 전도된다. 마지막으로, O2는 양극에서 진화되고 합성 가스는 연료 전극에서 생성된다(J.B. Hansen, et al., Faraday Discuss. 182 (2015) 9-48). 생성된 합성 가스는 대규모 에너지 저장에 사용될 수 있는 전기 이외의 효과적인 에너지 운반체이다(L. Lei, et al, J. Mater. Chem. A. 5 (2017) 2904-2910). 또한 피셔 - 트롭쉬(Fischer-Tropsch, FT) 공정을 통해 화학 물질 또는 액체 연료를 생성할 수 있다.Producing syngas using nuclear or renewable electricity and waste heat through CO 2 and steam and hydrotreating is a promising way to reuse CO 2 . High temperature battery SOC anode (fuel electrode), the cathode (air electrode) and the electrolyte comprises a high-density (O 2- ion conductor), CO 2 and steam (Steam) the oxide ion (O 2-), being supplied to the fuel electrode And is conducted through the high-density electrolyte from the fuel electrode to the anode. Finally, O 2 evolves at the anode and syngas is produced at the fuel electrode (JB Hansen, et al., Faraday Discuss. 182 (2015) 9-48). The resulting syngas is an effective energy carrier other than electricity that can be used for large scale energy storage (L. Lei, et al., J. Mater. Chem. A. 5 (2017) 2904-2910). Fischer-Tropsch (FT) processes can also be used to produce chemicals or liquid fuels.

많은 연구에 따르면 SOC의 압력을 높이면 전기 분해 셀의 성능을 향상시킬 수 있음이 밝혀져 왔다. Ni의 연구에 따르면 연료 전극지지 SOC에서 수소 생산을 위한 전기 화학적 모델을 개발하였고 압력이 증가하면 확산 과전압이 감소하고 가압 SOC의 더 높은 성능을 예측한다는 것을 보여 주었다. LSM(La0.8Sr0.2)0 . 98MnO3 기반의 SOC 셀 산소 전극에 대한 고압 실험 연구에서, 전극의 분극 저항은 애노드에서 공기압이 증가함에 따라 감소함을 보였다(E.C. Thomsen, et al., J. Power Sources. 191 (2009) 217-224). 또한, 가압 SOC 테스트 결과 압력이 1 bar에서 10 bar로 증가할 때, 개방 회로 전압(OCV)에서의 총 면적 고유 셀 저항(ASR)이 셀이 750℃에서 운전될 때 약 20% 감소한 것을 보였다(S.H. Jensen, et al, Int. J. Hydrogen Energy. 35 (2010) 9544-9549). 니켈은 메탄 합성 촉매로 알려져 있기 때문에 고압에서 니켈 - 이트리아 안정화 지르코니아 기반 셀은 단일 셀에서 합성 가스로부터 직접 CH4를 생산할 수 있다. Jensen의 연구에서 연료 전지와 전해 모드에서 평면형 11셀 고체 산화물 스택을 1.2 bar에서 25 bar의 고압에서 가압 운전을 통해 50% H2 + 50% H2O의 조성비로 실험을 진행했다(S.H. Jensen, et al., Fuel Cells. 16 (2016) 205-218; S.H. Jensen, et al., J. Electrochem. Soc. 163 (2016) F1596-F1604). 스택은 10 bar에서 ~ 200 h 동안 수 전해기로서 장기간 실험되었다. SOC에서 생성된 합성 가스는 탄화수소로의 FT 전환(W.L. Becker, et al., Energy. 47 (2012) 99-115; J.P. Stempien, et al., Energy. 81 (2015) 682-690) 및 복합 사이클에서의 직접 연소(G. Cinti, et al., Int. J. Energy Res. 40 (2016) 207-215)를 포함하여 하류 공정에 활용될 수 있다. Chen의 최근 논문에서는 SOC-FT 반응기에서 메탄화 공정에 대한 압력의 효과를 모델링하고 개선된 촉매 활성으로 CH4 생산을 위한 보다 낮은 온도에서 가압 SOEC를 운전하는 것이 타당하다고 예측했다(G. Cinti, et al., Appl. Energy. 162 (2016) 308-320). 따라서 합성 가스의 고압 발생은 높은 전체 효율과 직접적인 통합을 제공하고 공정비용을 감소시킨다. Bernadet의 연구에서는 모델링 및 실험 연구에 따르면 입력 가스의 높은 스팀 비율과 높은 스팀 전환율에서 공기 전극의 ASR 값이 낮아 OCV에 대한 가압 효과가 균형을 이루고 전기 분해의 고성능이 기대된다고 설명했다(L. Bernadet, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 40 (2015) 12918-12928). 그들은 또한 고압에서 셀 성능이 서멧 지지체의 미세 구조 특성 변화에 덜 민감하다는 점도 지적했다. 가스 확산은 전기 분해 모드에서 결정적인 역할을 한다. 또한, 고압 하에서 양극 지지체의 최적화 된 미세 구조는 동시 전해 동안 전류 밀도를 증가시킨다(A.R. Hanifi, et al., Sci. Rep. 6 (2016) 27359).Many studies have shown that increasing the pressure of the SOC can improve the performance of the electrolysis cell. Ni studies have developed an electrochemical model for hydrogen production in fuel electrode-supported SOCs and have shown that as pressure increases, diffusion overvoltage decreases and predicts higher performance of pressurized SOC. LSM (La 0.8 Sr 0.2 ) 0 . 98 In a high-pressure experimental study on a SOC cell oxygen electrode based on MnO 3 , the polarization resistance of the electrode decreased with increasing air pressure at the anode (EC Thomsen, et al., J. Power Sources. -224). Also, the total area specific cell resistance (ASR) at the open circuit voltage (OCV) decreased by about 20% when the cell was operated at 750 ° C, when the pressure SOC test increased the pressure from 1 bar to 10 bar SH Jensen, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 35 (2010) 9544-9549). Nickel Nickel is at high pressure because it is known in the methane synthesis catalyst-yttria-stabilized zirconia-based cell may be produced directly from synthesis gas CH 4 in a single cell. In a study by Jensen, a planar 11-cell solid oxide stack in a fuel cell and electrolysis mode was operated at a high pressure of 1.2 bar to 25 bar under a pressure of 50% H 2 + 50% H 2 O (SH Jensen, et al., Fuel Cells 16 (2016) 205-218; SH Jensen, et al., J. Electrochem. Soc. 163 (2016) F1596-F1604). The stack was tested for a long period of time from 10 bar to 200 h. The syngas produced in the SOC is converted to hydrocarbon by FT conversion (WL Becker, et al., Energy 47 (2012) 99-115; JP Stempien, et al., Energy 81 (2015) 682-690) (G. Cinti, et al., Int. J. Energy Res. 40 (2016) 207-215). Chen's recent paper predicted that it would be appropriate to model the effect of pressure on the methanation process in the SOC-FT reactor and to operate the pressurized SOEC at lower temperatures for CH 4 production with improved catalytic activity (G. Cinti, et al., Appl. Energy 162 (2016) 308-320). Thus, high pressure generation of syngas provides high overall efficiency and direct integration and reduces process costs. According to Bernadet's work, modeling and experimental studies have shown that the high ASR values of the air electrode at high steam rates and high steam conversion rates of the input gas are balanced and the high performance of the electrolysis is expected (L. Bernadet , et al., Int. J. Hydrogen Energy. 40 (2015) 12918-12928). They also pointed out that cell performance at high pressure is less sensitive to changes in the microstructure properties of the cermet support. Gas diffusion plays a crucial role in the electrolysis mode. In addition, the optimized microstructure of the anode support under high pressure increases the current density during co-electrolysis (AR Hanifi, et al., Sci. Rep. 6 (2016) 27359).

SOC의 원통형 형태의 모양은 평면 셀에 비해 가압 조건에서보다 쉬운 밀봉, 우수한 열적 특성 및 높은 강도의 고유한 이점을 제공한다. 최근에는 미세 원통형 고체 산화물 전해 전지(MT-SOEC)가 H2O 전기 분해, CO2 전기 분해 및 H2O-CO2 동시 전해에 대해 광범위하게 연구되고 있다(Z. Wang, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 35 (2010) 4451-4458; L. Kleiminger, et al., Electrochim. Acta. 179 (2015) 565-577). 미세 원통형 SOC 전지를 사용하여 CO2-H2O와 메탄의 동시 전기 분해는 Lei의 연구에서 보고되었다(L. Lei, et al., J. Mater. Chem. A. 5 (2017) 2904-2910). 대부분의 연구에서 원통형 SOC 셀을 이용한 합성가스를 생산 또는 메탄과 탄화수소로 전환하는 연구가 보고되었다. 고압에서 셀의 면적저항을 감소시킬 수 있는 반응물의 증가 된 확산 속도의 이점은 원통형 셀에서 유리할 수 있다.The cylindrical shape of the SOC provides inherent advantages of easier sealing, better thermal properties and higher strength at pressurized conditions than flat cells. In recent years, microcylindrical solid oxide electrolytic cells (MT-SOEC) have been extensively studied for H 2 O electrolysis, CO 2 electrolysis and H 2 O-CO 2 co-electrolysis (Z. Wang, et al., Int J. Hydrogen Energy 35 (2010) 4451-4458; L. Kleiminger, et al., Electrochim. Acta 179 (2015) 565-577). Simultaneous electrolysis of CO 2 -H 2 O and methane using microcylindrical SOC cells has been reported in Lei's study (L. Lei, et al., J. Mater. Chem. A. 5 (2017) 2904-2910 ). Most studies have reported the conversion of syngas using cylindrical SOC cells to methane and hydrocarbons. The advantage of the increased diffusion rate of the reactants, which can reduce the area resistance of the cells at high pressure, can be advantageous in a cylindrical cell.

이에, 본 발명자들은 H2O-CO2로부터 합성 가스를 가압 하에 생산하기 위한 고압 원통형 SOC(solid-oxide coelectrolysis cell, SOC)를 개발하기 위해 노력한 결과, 다양한 운전 조건에서 최대 10기압 및 850℃까지의 SOC 셀 특성화 기능을 갖는 고압 원통형 SOC 장비를 설계 및 제작하였고, 상기 고압 원통형 SOC 장비의 상세한 성능 특성 분석, 합성 가스 생산에 영향을 미치는 관련 요인 분석, 및 가압 운전이 연료 및 공기 전극의 미세 구조 특성에 미치는 영향 분석을 통해 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors have made efforts to develop a high-pressure cylindrical SOC (solid-oxide coelectrolysis cell, SOC) for producing synthesis gas from H 2 O-CO 2 under pressure. As a result, The analysis of the detailed performance characteristics of the high pressure cylindrical SOC equipment, the analysis of related factors affecting the synthesis of syngas, and the microstructure of the fuel and air electrode The present invention has been completed through the analysis of the influence on the characteristics.

본 발명의 목적은 우수한 합성가스 전환율을 가지는 가압 운전을 위한 고압 원통형 SOC 및 상기 고압 원통형 SOC을 포함하는 고압 원통형 SOC 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a high pressure cylindrical SOC system for pressurized operation with excellent syngas conversion and a high pressure cylindrical SOC system including said high pressure cylindrical SOC.

본 발명의 또다른 목적은 상기 본 발명의 고압 원통형 SOC 시스템을 이용하여 가압 운전하여 CO2 및 스팀으로부터 합성가스를 효율적으로 전환하는 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for efficiently converting synthesis gas from CO 2 and steam by pressurized operation using the high-pressure cylindrical SOC system of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object,

원통형 지지체;A cylindrical support;

상기 원통형 지지체 표면에 형성된 캐소드 층(cathod layer);A cathode layer formed on the surface of the cylindrical support;

상기 캐소드 층 표면에 형성된 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(electrolyte layer);An electrolyte layer comprising Scandia-Stabilized Zirconia (ScSZ) formed on the surface of the cathode layer;

상기 전해질 층 표면에 형성된 GDC 버퍼층(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer); 및A GDC buffer layer (Gadolinium-Doped Ceria buffer layer) formed on the surface of the electrolyte layer; And

상기 GDC 버퍼층의 표면에 형성된 LSCF(La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3)-GDC 복합체로 구성된 애노드 층(anode layer);을 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀을 제공한다.A high pressure cylinder to a solid oxide cell comprising a revolution; LSCF formed on a surface of the buffer layer GDC (.... La 0 6 Sr 0 4 Co 0 2 Fe 0 8 O 3) anode layer (anode layer) consisting of a composite -GDC .

또한, 본 발명은In addition,

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀;A high-pressure cylindrical solid oxide annular austenitic cell according to the present invention;

상기 공전해 셀을 가압하기 위한 가압챔버;A pressure chamber for pressurizing said revolving cell;

상기 공전해 셀과 상기 가압챔버 사이의 차압을 조절하기 위한 압력 제어기;A pressure controller for adjusting a pressure difference between the revolving cell and the pressure chamber;

상기 공전해 셀에 스팀을 제공하기 위한 기화기;A vaporizer for providing steam to the idol cell;

상기 공전해 셀에 수소, 질소 및 이산화탄소의 연료가스와 스팀을 각각 주입하는 연료 주입부;A fuel injector for injecting fuel gas and steam of hydrogen, nitrogen, and carbon dioxide into the revolving cell;

상기 연료가스의 유량을 조절하는 질량 유량 제어기; 및A mass flow controller for regulating the flow rate of the fuel gas; And

상기 공전해 셀로부터 반응 후 가스를 배출하기 위한 가스 배출부;를 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템을 제공한다.And a gas discharge part for discharging the gas after the reaction from the revolvable cell. The present invention also provides a high-pressure cylindrical solid oxide perturbation system.

아울러, 본 발명은In addition,

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템에서,In the high pressure cylindrical solid oxide perturbation system according to the present invention,

가압챔버 내 압력이 8 ~ 10 bar 및 온도가 800 ~ 850℃가 되고,The pressure in the pressure chamber is 8 to 10 bar and the temperature is 800 to 850 占 폚,

상기 가압챔버와 상기 공전해 셀의 차압이 0.3 bar 이하가 되도록 조절하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템의 가압 운전 방법을 제공한다.And a pressure difference between the pressurizing chamber and the revolute cell is controlled to be 0.3 bar or less.

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀은 압력이 1 bar에서 8 bar로 증가시킴으로써 최대 출력 밀도가 44.2% 증가하는 것을 보였고, 개방 회로 전압(OCV) 및 반응 속도(전극 성능)이 현저히 증가하는 것을 보였으며, 임피던스 분광 분석에서 운전 압력을 증가시킴으로써 8 bar의 고압 압력에서 연료 전극에서의 가스의 확산과 관련된 분극 저항이 50 %까지 감소되어 원통형 SOC의 성능이 크게 향상된다는 것을 보임으로써, 우수한 합성가스 전환율을 나타내고, 가압 운전시에도 내구성이 우수하며 뛰어난 성능을 나타낼 수 있다.In the high-pressure cylindrical solid oxide annular reforming cell according to the present invention, the maximum output density was increased by 44.2% by increasing the pressure from 1 bar to 8 bar, and the open circuit voltage (OCV) and the reaction rate (electrode performance) And by increasing the operating pressure in the impedance spectroscopy analysis, the polarization resistance associated with diffusion of the gas at the fuel electrode at a high pressure of 8 bar was reduced by 50%, indicating a significant improvement in the performance of the cylindrical SOC, Gas conversion rate, exhibits excellent durability even under pressure operation, and exhibits excellent performance.

또한, 본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀은 ScSZ를 포함하는 전해질층, 및 상기 전해질층과 공기극층 사이에 GDC 버퍼층을 형성함으로써, 고온 가압 반응에서 시스템 전체의 안정성을 높이고, 가동 효율을 높일 수 있다.In addition, the high-pressure cylindrical solid oxide annular aolyte cell according to the present invention can improve the stability of the entire system in a high-temperature pressurization reaction by forming an electrolyte layer including ScSZ and a GDC buffer layer between the electrolyte layer and the cathode layer, .

도 1의 a 및 b는 가압 운전에 사용되는 원통형 고체산화물 공전해 전지의 개략도이고, 도 1의 c는 가스공급용 센서 및 스테인리스 강 연결장치에 연결된 원통형 고체산화물 공전해 전지의 전체 구성을 보여주는 사진이며, 도 1의 d는 연료 전극 전류 수집을 보여주는 사진이고, 도 1의 e는 원통형 셀의 다양한 층을 보여주는 샐의 단면을 보여주는 SEM 현미경 사진이며, 도 1의 f는 연료 전극 전류 수집을 보여주는 사진이다.
도 2의 a는 가압 원통형 고체산화물 공전해 셀의 시험에 사용된 설정의 개략도이고, 도 2의 b는 가압 시험을 위한 실험 장치의 실제 사진이다.
도 3은 대기압에서 원통형 고체산화물 공전해 셀의 성능을 보여주는 그래프이다. 도 3의 a는 유입 가스의 조건에 따른 편극(i-V) 곡선이고, 도 3의 b는 원통형 고체산화물 공전해 셀의 i-V 특성에 대한 온도의 효과를 보여주는 그래프이며, 도 3의 c는 유입 가스에 스팀 함량의 효과를 보여주는 그래프이고, 도 3의 d는 750 및 800℃에서 다양한 분극 조건에서 생선된 H2 및 CO의 조성을 보여주는 그래프이다.
도 4는 H2에서 800℃에서 측정된 가압 원통형 고체산화물 공전해 셀의 OCV에 대한 가압의 영향을 보여주는 그래프이다. 이때, OCV의 이론값은 Nernst 방정식으로부터 계산되었다.
도 5는 SOFC 모드에서 가압 원통형 고체산화물 공전해 셀의 전기 화학 성능 특성을 보여주는 그래프이다. 도 5의 a는 상이한 압력 조건에서의 분극화(i-V)을 나타내고, 도 5의 b 및 c는 상이한 압력 조건에서의 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 나타낸다.
도 6은 SOC 모드에서 가압 원통형 고체산화물 공전해 셀의 전기 화학 성능 특성을 보여주는 그래프이다. 도 6의 a는 상이한 압력 조건에서의 분극화(i-V)을 나타내고, 도 6의 b 및 c는 상이한 압력 조건에서의 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 나타낸다.
도 7은 가압 원통형 고체산화물 공전해 셀의 분극 저항에 대한 가압의 영향을 보여주는 그래프이다. 도 7의 a는 압력의 함수로서 오믹 분극(Ohmic polarization, Rs)을 나타내고, 도 7의 b는 SOFC 및 SOC 모드 동안 활성 분극에 대한 가압의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8은 800℃에서 관상 SOC에서 출구 합성 가스 조성에 미치는 압력의 영향을 나타내는 그래프이다. 이때, 입구 가스 조성은 10% H2 + 30% CO2 + 60% H2O로 선택되었고, 전지가 모든 압력 조건에 대해 -800 mA/cm2 전류 밀도에서 작동될 때 가스 조성을 결정하였다.
도 9는 가압 조건에서 운전 전, 후 원통형 고체산화물 공전해 셀의 단면 SEM 사진이다. 도 9의 c는 시험 전의 가압 조건에서의 작동 전후의 원통형 고체산화물 공전해 셀의 단면 SEM 사진이고, 도 9의 d는 가압 운전 전의 원통형 고체산화물 공전해 셀의 연료 전극 기능 층의 고해상도 SEM 사진이며, 도 9의 e는 8 bar의 가압 운전 후 원통형 고체산화물 공전해 셀의 연료 전극 기능 층의 고해상도 SEM 사진이다.
1 (a) and 1 (b) are schematic views of a cylindrical solid oxide a rechargeable battery used in a pressurizing operation, and Fig. 1 (c) is a photograph showing the overall configuration of a cylindrical solid oxide rechargeable battery connected to a sensor for gas supply and a stainless steel connection device 1 is a photograph showing fuel electrode current collection, and FIG. 1 e is a SEM micrograph showing a cross section of a sal showing various layers of a cylindrical cell, wherein f in FIG. 1 is a photograph showing fuel electrode current collection to be.
Fig. 2 (a) is a schematic view of the setting used in the test of the pressurized cylindrical solid oxide aeration cell, and Fig. 2 (b) is an actual photograph of the experimental apparatus for the pressure test.
3 is a graph showing the performance of a cylindrical solid oxide aeration cell at atmospheric pressure. 3 (b) is a graph showing the effect of temperature on the iV characteristic of the cylindrical solid oxide aeration cell, and FIG. 3 (c) is a graph showing the effect of temperature on the inflow gas 3 is a graph showing the effect of steam content, and FIG. 3 (d) is a graph showing the composition of H 2 and CO fished at various polarizing conditions at 750 and 800 ° C.
4 is a graph showing the effect of the pressurization on the OCV of the pressurized cylindrical solid oxide aeration cell measured at 800 ° C in H 2 . At this time, the theoretical value of OCV was calculated from the Nernst equation.
5 is a graph showing electrochemical performance characteristics of a pressurized cylindrical solid oxide annular dissolution cell in an SOFC mode. Figure 5a shows polarization (iV) at different pressure conditions, and Figures 5b and 5c show electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at different pressure conditions.
6 is a graph showing electrochemical performance characteristics of a pressurized cylindrical solid oxide annular dissolution cell in the SOC mode. Figure 6a shows polarization (iV) at different pressure conditions, and Figures 6b and c show electrochemical impedance spectroscopy (EIS) at different pressure conditions.
7 is a graph showing the influence of the pressure on the polarization resistance of the pressurized cylindrical solid oxide aeration cell. FIG. 7A shows the Ohmic polarization (Rs) as a function of pressure, and FIG. 7B is a graph showing the influence of the pressure on the active polarization during SOFC and SOC modes.
8 is a graph showing the effect of pressure on the outlet syngas composition at the tubular SOC at 800 < 0 > C. At this time, the inlet gas composition was selected as 10% H 2 + 30% CO 2 + 60% H 2 O and the gas composition was determined when the cell was operated at -800 mA / cm 2 current density for all pressure conditions.
9 is a cross-sectional SEM photograph of a cylindrical solid oxide annular austenitic cell before and after operation under a pressurizing condition. FIG. 9C is a SEM photograph of a section of the cylindrical solid oxide aeration electrolysis cell before and after the operation under the pre-test pressure condition, and FIG. 9D is a high-resolution SEM photograph of the fuel electrode function layer of the cylindrical solid oxide aeration cell before the press operation And FIG. 9E is a high-resolution SEM photograph of the fuel electrode functional layer of the cylindrical solid oxide annular dissolution cell after the pressurization operation of 8 bar.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은The present invention

원통형 지지체;A cylindrical support;

상기 원통형 지지체 표면에 형성된 캐소드 층(cathod layer);A cathode layer formed on the surface of the cylindrical support;

상기 캐소드 층 표면에 형성된 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(electrolyte layer);An electrolyte layer comprising Scandia-Stabilized Zirconia (ScSZ) formed on the surface of the cathode layer;

상기 전해질 층 표면에 형성된 GDC 버퍼층(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer); 및A GDC buffer layer (Gadolinium-Doped Ceria buffer layer) formed on the surface of the electrolyte layer; And

상기 GDC 버퍼층의 표면에 형성된 LSCF(La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3)-GDC 복합체로 구성된 애노드 층(anode layer);을 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀을 제공한다.A high pressure cylinder to a solid oxide cell comprising a revolution; LSCF formed on a surface of the buffer layer GDC (.... La 0 6 Sr 0 4 Co 0 2 Fe 0 8 O 3) anode layer (anode layer) consisting of a composite -GDC .

상기 공전해 셀은 캐소드에 이산화탄소와 스팀을, 애노드에 공기를 주입하고, 고온을 유지하면서 전기를 가해주면 전기 분해 반응에 의해 합성가스(Syngas)를 생산하는 장치로서, 스팀 및 이산화탄소로부터 재사용 가능한 연료를 획득할 수 있는 신재생 에너지 생산 장치이다.The above-mentioned idle cell is a device for producing syngas by injecting carbon dioxide and steam into the cathode, air into the anode, and applying electricity while maintaining a high temperature. The device is a device for producing syngas from steam and carbon dioxide, And the like.

상기 공전해 셀은 도 1에 나타낸 바와 같이, 가압 운전에도 우수한 내구성을 유지하는 원통형 공전해 셀인 것이 바람직하다.As shown in Fig. 1, the above-mentioned revolving cell is preferably a cylindrical annularly-aided cell which maintains excellent durability even in a pressurized operation.

상기 공전해 셀의 지지체는 원통형인 것으로서 가압 운전에도 우수한 내구성을 유지할 수 있는 최적의 구조이다.The support of the revolute cell is cylindrical, and is an optimal structure capable of maintaining excellent durability even in a pressurized operation.

상기 원통형 지지체는 NIO, YSZ는 니켈(NIO)/이트리아 안정된 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia;YSZ)의 서멧(cermet)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The cylindrical support may be NIO and YSZ may be a cermet of nickel (NIO) / yttria stabilized zirconia (YSZ), but is not limited thereto.

상기 캐소드는 금속-세라믹 복합체인 Ni-YSZ, 페로브스카이트 계열 세라믹 캐소드인 LSCM ((La0 .75, Sr0 . 25)0.95Mn0 . 5Cr0 . 5O3), LST 계열 세라믹 캐소드인 (Sr1 -xLax)(Ti1-yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)가 사용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니다.The cathode is a metal-ceramic composite of Ni-YSZ, a perovskite-based ceramic cathode in LSCM ((La 0 .75, Sr 0 25) 0.95 Mn 0 5 Cr 0 5 O 3...), LST -based ceramic cathode a (Sr 1 -x La x) may be used a (Ti 1-y M y) O 3 (M = V, Nb, Co, Mn), but is not limited to such.

상기 전해질은 종래 YSZ가 고온에서 안정적으로 작동을 하지만 이온 전도도(ion conductivity)가 낮은 문제점을 가지고 있으며, 이러한 YSZ의 문제점을 개선하기 위하여 이온 전도도가 높은 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 사용한다.The electrolyte has a problem in that the conventional YSZ operates stably at a high temperature, but ion conductivity is low. To improve the YSZ problem, a Scandia-Stabilized Zirconia (ScSZ) having a high ionic conductivity is used.

상기 전해질층과 애노드층 사이에 GDC 버퍼층을 형성함으로써, 고온에서의 반응을 억제시켜 전체적인 안정성을 높일 수 있다.By forming a GDC buffer layer between the electrolyte layer and the anode layer, the reaction at a high temperature can be suppressed and the overall stability can be enhanced.

상기 캐소드 층의 두께는 8 내지 13 μm, 전해질 층의 두께는 4 ~ 8 μm, GDC 버퍼층의 두께는 1 ~ 4 μm 및 애노드 층의 두께는 13 ~ 18 μm인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The thickness of the cathode layer is 8 to 13 μm, the thickness of the electrolyte layer is 4 to 8 μm, the thickness of the GDC buffer layer is 1 to 4 μm, and the thickness of the anode layer is 13 to 18 μm, but not limited thereto .

상술한 각 두께 범위의 하한은 원통형 SOC가 컴팩트화 구현이 가능하며, 최소한의 두께로 가동 가능한 두께 값이지만, 이 하한보다 더 작은 값이라면 가동 효율이 저하되는 문제가 있을 것이다. 또한, 상술한 각 두께 범위의 상한은 원통형 SOC가 최대 출력의 발휘가 가능하며, 최대한의 두께로 가동 가능한 두께 값이지만, 이 상한보다 더 큰 값이라면 반응 효율이 떨어지며, 불필요한 원자재의 낭비가 발생하게 될 것이다. 상술한 각 두께는 10 bar까지의 압력 환경 하에서 제작된 셀이 충분히 그 형상과 기능을 유지 가능한 두께이다.The lower limit of the above-mentioned respective thickness ranges is a compact SOC and a movable thickness with a minimum thickness. However, if the lower limit is smaller than this lower limit, there is a problem that the operation efficiency is lowered. The upper limit of the above-mentioned thickness range is a thickness value that allows the cylindrical SOC to exhibit the maximum output and can be moved to the maximum thickness. However, if the upper limit is larger than the upper limit, the reaction efficiency is lowered and waste of unnecessary raw materials occurs Will be. The above thicknesses are such that the cells fabricated under a pressure environment of up to 10 bar can sufficiently retain their shape and function.

상기 셀의 직경은 0.5 ~ 2.0 cm, 길이는 3.0 ~ 7.0 cm 및 유효 전극 면적은 3.0 ~ 4.0 cm2인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.Preferably, the cell has a diameter of 0.5 to 2.0 cm, a length of 3.0 to 7.0 cm, and an effective electrode area of 3.0 to 4.0 cm 2 , but is not limited thereto.

또한, 본 발명은In addition,

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀;A high-pressure cylindrical solid oxide annular austenitic cell according to the present invention;

상기 공전해 셀을 가압하기 위한 가압챔버;A pressure chamber for pressurizing said revolving cell;

상기 공전해 셀과 상기 가압챔버 사이의 차압을 조절하기 위한 압력 제어기;A pressure controller for adjusting a pressure difference between the revolving cell and the pressure chamber;

상기 공전해 셀에 스팀을 제공하기 위한 기화기;A vaporizer for providing steam to the idol cell;

상기 공전해 셀에 수소, 질소 및 이산화탄소의 연료가스와 스팀을 각각 주입하는 연료 주입부;A fuel injector for injecting fuel gas and steam of hydrogen, nitrogen, and carbon dioxide into the revolving cell;

상기 연료가스의 유량을 조절하는 질량 유량 제어기; 및A mass flow controller for regulating the flow rate of the fuel gas; And

상기 공전해 셀로부터 반응 후 가스를 배출하기 위한 가스 배출부;를 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템을 제공한다.And a gas discharge part for discharging the gas after the reaction from the revolvable cell. The present invention also provides a high-pressure cylindrical solid oxide perturbation system.

상기 가압챔버는 연료가스와 스팀을 튜브형 공전해 셀에 공급하기 위한 연료가스 공급 피드스루, 공전해 셀에서 반응 후 생성된 물질과 미반응 물질을 상기 튜브형 공전해 셀로부터 배출하기 위한 연료가스 배출 피드스루를 포함할 수 있다. 또한, 공기를 공전해 셀로 공급하기 위한 공기 공급 피드스루, 미반응 공기를 배출하기 위한 공기 배출 피드스루를 포함할 수 있다. 또한, 공전해 셀 내부 집전을 위한 한 쌍의 피드스루, 공전해 셀 외부 집전을 위한 한 쌍의 피드스루를 포함한다. 또한, 히팅장치에 에너지를 공급하는 히팅 라인 피드스루 한 쌍을 포함할 수 있다.The pressurizing chamber includes a fuel gas supply feed-through for supplying the fuel gas and steam to the tubular electrodialysis cell, a fuel gas discharge feed for discharging the substance generated after the reaction and the unreacted substance from the tubular rechargeable cell, Through. ≪ / RTI > It may also include an air feedthrough for feeding air into the cell and an air exhaust feedthrough for discharging unreacted air. It also includes a pair of feedthroughs for collecting the inside of the idler cell, and a pair of feedthroughs for collecting the outside of the idler cell. It may also include a pair of heating line feedthroughs that supply energy to the heating device.

상기 가압챔버는 상기 공전해 셀을 가열하기 위한 히팅 장치를 포함할 수 있다.The pressurizing chamber may include a heating device for heating the aeration cell.

상기 가압챔버는 내부가 완전 밀폐되도록 모든 연결부에서 메탈 피팅을 사용하여 조립하는 것이 바람직하며, 조립시 각 연결부에서 가스가 새는지 확인하는 단계를 거치는 것이 바람직하다. 최종적으로 가압챔버의 커버를 덮은 후 고압 밀봉, 절연 처리하여 가압챔버를 형성할 수 있다.It is preferable that the pressurizing chamber is assembled using metal fittings at all the connection portions so that the inside of the pressure chamber is completely sealed, and it is preferable to check whether gas is leaked from the connection portions at the time of assembly. Finally, after covering the cover of the pressurizing chamber, the pressure chamber can be formed by high-pressure sealing and insulating processing.

상기 공전해 셀의 연료가스는 수소, 질소, 이산화탄소 및 스팀을 포함하며, 각 유체별로 공급되는 유량을 조절할 수 있는 질량유량 제어기를 포함한다.The fuel gas in the revolving cell includes hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, and steam, and includes a mass flow controller capable of regulating a flow rate supplied for each fluid.

상기 연료로 사용되는 이산화탄소 외에 수소와 질소는 안정화 기체로서 투입되며, 안정화 기체를 주입함으로써 공전해 셀의 내구성을 유지하면서 공전해 반응을 이끌어 낼 수 있다.In addition to the carbon dioxide used as the fuel, hydrogen and nitrogen are introduced as a stabilizing gas, and a stabilizing gas is injected, thereby achieving a revolving reaction while maintaining the durability of the idling cell.

상기 연료가스를 튜브형 공전해 셀의 캐소드로 공급하기 위한 공급관 중 수소 공급관, 질소 공급관, 이산화탄소 공급관은 각 공급관의 후단에서 만나 수소, 질소, 이산화탄소가 혼합된 혼합 기체를 형성한다.A hydrogen supply pipe, a nitrogen supply pipe, and a carbon dioxide supply pipe among the supply pipes for supplying the fuel gas to the cathode of the tubular static-dissipative cell meet at the rear end of each supply pipe to form a mixed gas of hydrogen, nitrogen and carbon dioxide.

상기 기화기에는 스팀을 공급하기 위한 펌프가 연결될 수 있다.A pump for supplying steam may be connected to the vaporizer.

상기 혼합 기체에 기화기로부터 기화되어 배출된 스팀이 혼합되어 연료가스를 형성하고, 이 연료가스가 공전해 셀의 연료극으로 공급될 수 있다.The steam vaporized and discharged from the vaporizer in the gas mixture is mixed to form a fuel gas, and the fuel gas can be supplied to the fuel electrode of the cell.

상기 수소, 질소, 이산화탄소 및 스팀이 혼합된 혼합 기체가 연료극에 공급되는 압력과 공기를 가압챔버로 공급하는 압력을 1보다 높게 주어, 공전해 셀 내부와 공전해 셀 외부, 즉 가압 챔버 내부를 동시에 가압하도록 형성된다.The mixed gas containing hydrogen, nitrogen, carbon dioxide and steam is supplied to the fuel electrode and the pressure for supplying air to the pressure chamber is higher than 1, Respectively.

상기와 같이 공전해 셀 내, 외부를 동시에 가압하도록 형성하여 공전해 반응으로 생성되는 합성 가스의 생산량을 증가시킬 수 있다. As described above, it is possible to increase the production amount of the synthesis gas produced by the reaction of the revolving reaction by simultaneously forming the inside and outside of the revolving cell.

합성 가스의 생산량을 증가시키면서도 공전해 셀 자체의 내구성을 유지하려면 공전해 셀 자체가 느끼는 압력이 0이 되도록 셀 내부와 외부에 가해지는 압력을 조절해야 하므로 공전해 셀과 가압챔버 사이의 차압을 조절하기 위한 압력 제어기(차압 조절기)를 포함한다.In order to maintain the durability of the cell itself while increasing the production amount of syngas, the pressure applied to the inside and outside of the cell must be adjusted so that the pressure felt by the cell itself becomes zero, so that the pressure difference between the cell and the pressure chamber And a pressure controller (differential pressure regulator)

상기 가압챔버 내부의 압력을 모니터링하는 차압 압력 송신기를 포함할 수 있다.And a differential pressure transmitter for monitoring the pressure inside the pressure chamber.

상기 압력 제어기(차압 조절기)는 상기 차압 조절 시스템은 공기 주입부에 설치되는 제 1 밸브; 공기 배출부에 설치되는 압력계; 상기 공기 주입부와 상기 공기 배출부 사이에 설치되는 압력 조절기; 상기 공전해 셀 연료 주입부에 설치되는 제 2 밸브; 상기 공전해 셀 배출부와 상기 공기 배출부 사이의 차압을 측정하는 차압계; 상기 제 2 밸브와 연결되는 차압 조절기를 포함할 수 있다.In the pressure controller (differential pressure regulator), the differential pressure regulating system includes a first valve installed in the air injecting unit; A pressure gauge installed in the air outlet; A pressure regulator installed between the air injection unit and the air discharge unit; A second valve installed in the idler fuel injection unit; A differential pressure gauge for measuring a differential pressure between the idler cell discharge portion and the air discharge portion; And a differential pressure regulator connected to the second valve.

상기 압력 제어(차압 조절)은 가압챔버를 거쳐 나온 공기 배출부에 설치된 압력계의 압력을 측정한 후, 측정된 압력에 따라 공기 주입부와 공기 배출부 사이에 설치되는 압력 조절기를 4 내지 10 bar로 설정하고, 공기 주입부에 설치된 제 1밸브를 사용하여 가압챔버의 압력을 설정된 압력으로 조절한 후, 공전해 셀 배출부와 공기 배출부 사이의 차압을 측정하는 차압계의 차압이 0.3 bar 이하가 되도록 차압계와 공전해 셀 연료 주입부에 설치되는 제 2 밸브를 연결하는 차압조절기를 조절하여 공전해 셀 내부에 공급되는 연료가스와 가압챔버에 공급되는 공기의 압력이 동일해지도록 조절할 수 있다.The pressure control (differential pressure control) is performed by measuring the pressure of a pressure gauge installed in the air discharge unit through the pressure chamber, and then adjusting the pressure regulator provided between the air injection unit and the air discharge unit to 4 to 10 bar The pressure in the pressure chamber is adjusted to a predetermined pressure by using a first valve provided in the air injection unit and then the differential pressure of the differential pressure gauge for measuring the differential pressure between the air discharge cell discharge portion and the air discharge portion is adjusted to 0.3 bar or less The differential pressure regulator connecting the differential pressure gauge and the second valve installed in the idle fuel cell injecting unit may be adjusted so that the pressure of the fuel gas supplied to the inside of the idler cell and the pressure of the air supplied to the pressure chamber become equal.

상기 공전해 셀과 가압챔버의 부피를 비교해 보면 공전해 셀에 비해 가압 챔버의 부피가 월등히 크기 때문에, 이러한 부피차이 때문에 차압 조절이 어렵고, 차압 조절시 문제가 발생할 수 있어 상기 부피 차이를 극복하기 위한 버퍼 챔버를 더 구비할 수 있다.Comparing the volume of the revolving cell with the volume of the pressure chamber, the volume of the pressure chamber is much larger than that of the idler cell. Therefore, it is difficult to control the pressure difference due to such a volume difference and a problem may arise in controlling the pressure difference. The buffer chamber may further be provided.

상기 가압챔버는 완전 밀폐되도록 형성되므로, 가압에 따른 위험을 방지하기 위한 안전장치가 추가로 설치될 수 있다.Since the pressure chamber is formed to be completely closed, a safety device for preventing the danger due to the pressure can be additionally provided.

상기 안전장치로는 예를 들어, 가압챔버 내부에 급격한 압력 상승에 의해 파열을 막기 위한 파열 디스크를 포함할 수 있고, 또한 가압 챔버 내 수소, 일산화탄소 또는 이산화탄소의 농도가 일정량을 초과하여 검출되면 모든 가스 공급 라인에 락을 거는 장치가 사용될 수 있다.The safety device may include, for example, a rupture disk to prevent rupture by a sudden pressure rise inside the pressure chamber, and when the concentration of hydrogen, carbon monoxide or carbon dioxide in the pressure chamber is detected to exceed a certain amount, A device for locking the supply line may be used.

상기 공전해 셀로 공급되는 연료가스, 가압챔버로 공급되는 공기의 유량을 측정하는 유량계, 공전해 셀로 공급되는 스팀의 압력, 공전해 셀의 압력, 가압챔버의 압력을 측정하는 압력계를 더 포함할 수 있고, 각 포인트에서의 압력, 유량, 전압 등을 체크하는 모니터링 시스템을 더 포함할 수 있다.A pressure gauge for measuring a pressure of steam supplied to the idler cell, a pressure of the revolving cell, and a pressure of the pressurizing chamber, and a pressure gauge for measuring the pressure of the pressurizing chamber. And may further include a monitoring system for checking pressure, flow rate, voltage, etc. at each point.

또한, 본 발명은In addition,

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템에서,In the high pressure cylindrical solid oxide perturbation system according to the present invention,

가압챔버 내 압력이 8 ~ 10 bar 및 온도가 800 ~ 850℃가 되고,The pressure in the pressure chamber is 8 to 10 bar and the temperature is 800 to 850 占 폚,

상기 가압챔버와 상기 공전해 셀의 차압이 0.3 bar 이하가 되도록 조절하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템의 가압 운전 방법을 제공한다.And a pressure difference between the pressurizing chamber and the revolute cell is controlled to be 0.3 bar or less.

본 발명에서는 이산화탄소와 증기로부터 합성 가스를 생산하기 위한 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템의 성능을 시험하였다. 구체적으로, I-V Curve 및 EIS 분석을 이용한 연료 전지 모드 및 전기 분해 모드에서의 원통형 SOC의 전기 화학적 성능에 대한 압력의 영향은 시스템의 압력을 증가시킴으로써 연료 전지의 최대 출력 밀도와 관련하여 더 높은 성능을 얻을 수 있음을 보여주며 전기 분해 모드의 경우 특정 전압과 전류 밀도에서 높은 성능을 얻을 수 있음을 보여주는 것이다.The present invention tests the performance of a high pressure cylindrical solid oxide aeration system for producing syngas from carbon dioxide and steam. Specifically, the effect of pressure on the electrochemical performance of the cylindrical SOC in the fuel cell mode and the electrolysis mode using the IV Curve and EIS analysis increases the pressure of the system, resulting in higher performance with respect to the maximum power density of the fuel cell And shows that the electrolysis mode can achieve high performance at a specific voltage and current density.

본 발명에 따른 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템에서, OCV는 1 bar에서 1.14V에서 8 bar에서 1.23V로 증가하였고, 최대 출력 밀도는 압력이 8 bar까지 증가할 때 586 mW/cm2에서 845 mW/cm2로 증가하였으며, 전기 전해 모드에서 -800 mA/cm2에서 가압 관상 셀에 대해 얻어진 전압은 각각 1 및 8 bar에서 1.46 및 1.28V였고, 임피던스 분광 분석 결과, 보다 높은 압력에서 전극의 분극 저항이 현저히 감소되어 압력 셀의 성능 증가에 기여한다는 것을 보여주었으며, 또한 고압에서 배출 가스 조성에서 메탄의 양은 상압에서의 운전에 비해 높았으며 이는 Fischer-Tropsch process로 가압된 전기분해를 이용하여 CO2로부터 지속 가능한 연료를 생산할 수 있는 적합성을 보장할 수 있음을 보여주었다.In a high pressure cylindrical solid oxide airconditioning system according to the present invention, the OCV increased from 8 bar to 1.23 V at 1.14 V at 1 bar and the maximum power density increased from 586 mW / cm 2 to 845 mW / cm 2 , and the voltages obtained for the pressure tubular cells at -800 mA / cm 2 in the electrolysis mode were 1.46 and 1.28 V at 1 and 8 bar, respectively. As a result of the impedance spectroscopic analysis, The amount of methane in the composition of the exhaust gas at high pressure was higher than that at atmospheric pressure, and it was confirmed that CO 2 To ensure the suitability to produce sustainable fuels.

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.

<실시예 1> 원통형 SOC 셀의 제조Example 1 Production of cylindrical SOC cell

기존의 세라믹 처리 경로를 따라 최신 Ni-YSZ 서멧 - 지지체 기반 원통형 SOC 전지를 제작하였다. 서멧 - 지지체 및 얇은 전극 및 전해질 층의 상세한 제조공정은 다른 연구(S.-H. Lee, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 41 (2016) 7530-7537)에서 보고된 내용을 이용하였다. 고압 운전에 사용된 원통형 셀의 개략도와 실제 그림이 도 1의 a 및 b에 나와 있다. 도 1의 c는 모든 커넥터와 센서가 있는 원통형 셀을 조립한 모습이다. 고압에서 가스를 공급하기 위해 스테인리스 강 파이프가 사용되었고 도 1의 d 및 e와 같이 연료 전극 측에서 나온 전류 수집을 통합하였다. 도 1의 e는 소결 후 SOC의 서로 다른 층의 두께를 갖는 재료를 보여준다. ScSZ(Scandia-stabilized zirconia) 전해질과 GDC(Ce0 . 8Gd0 . 2O1 .9-δ) 이중 층의 두께는 각각 6.15와 3.67 μm이고 복합 공기 전극은 La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3 (LSCF) - 평균 두께가 ~ 16 μm 인 (GDC). 셀의 직경은 1.0 cm, 길이는 5.0 cm, 유효 전극 면적은 3.14 cm2 (전극 길이: 1 cm)이다. 이후 제작된 SOC 셀을 유리 밀봉제(Sealing paste, Mico, South Korea)로 밀봉하였다. 원통형 SOC 셀과 셀의 금속 캡 사이의 절연을 위해 세라믹 파이프가 삽입되었다.The new Ni-YSZ cermet-support based cylindrical SOC cell was fabricated along the existing ceramic processing path. A detailed manufacturing process of the cermet-support and the thin electrode and electrolyte layer was used as reported in another study (S.-H. Lee, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 41 (2016) 7530-7537) . Schematic and actual drawings of the cylindrical cell used for high pressure operation are shown in Figures 1 (a) and 1 (b). Fig. 1 (c) shows a cylindrical cell assembled with all connectors and sensors. Stainless steel pipes were used to supply gas at high pressure and incorporate current collection from the fuel electrode side as shown in Figures 1 (d) and 1 (e). Figure 1 e shows a material having different thicknesses of SOC after sintering. ScSZ (Scandia-stabilized zirconia) electrolyte and GDC (Ce 0. 8 Gd 0 . 2 O 1 .9-δ) thickness was 6.15 and 3.67 μm and the composite air electrode, each of the double layer La 0. 6 Sr 0 . 4 Co 0 . 2 Fe 0 . 8 O 3 (LSCF) with an average thickness of ~ 16 μm (GDC). The diameter of the cell is 1.0 cm, the length is 5.0 cm, and the effective electrode area is 3.14 cm 2 (electrode length: 1 cm). Then, the fabricated SOC cell was sealed with a sealing sealant (Mico, South Korea). A ceramic pipe was inserted for insulation between the cylindrical SOC cell and the metal cap of the cell.

<< 실시예Example 2> 가압 SOC 셀 시험 장비의 제조 2> Manufacture of pressurized SOC cell test equipment

도 2의 a는 연구실에서 개발된 고압 SOC 전지 시험 시설의 개략도이다. 압력 용기 또는 가압 챔버는 원통형 SOC 셀에 최대 850℃의 가열 성능을 제공할 수 있고 셀에 대한 간편한 밀봉 시스템을 제공할 수 있도록 설계되었다. 차압 압력 송신기 (DPT)로 가압 챔버 내부의 압력을 모니터하고 제어할 수 있도록 구성했다. 또한, 급격한 상승 압력으로 인한 사고의 위험을 막기 위해 가압 챔버 내부에 파열 디스크를 설치했다. 압력 챔버는 공기 및 연료 공급, 전류 수집 및 온도, 압력 데이터 모니터링을 위한 설비를 갖추고 있다. 연료 전극 측의 입구는 기화기가 있는 펌프에 연속적으로 증기를 공급하기 위해 연결되었고 H2, CO2, N2 용 MFC(mass flow controller)는 가스 유량을 제어하기 위해 설치되었다. 또한, DPT를 통한 압력 값을 모니터링하여 압력차를 제어하기 위해 전자 압력 제어기(EPC)를 도 2의 b와 같이 설치했다. 또한, 원통형 셀의 가압 운전을 위한 실험 장비에는 온라인 가스 크로마토그래피 장비가 구비되어 SOC 셀에서 배출되는 가스 조성을 확인했다. 이런 실험 장비는 가스 유량, 압력 및 기타 운전 조건을 실험 요구 사항에 따라 조정할 수 있는 원격 전산 프로그램으로 제어 할 수 있도록 설계되었다.2 (a) is a schematic view of a high-pressure SOC battery testing facility developed in the laboratory. Pressure vessels or pressurized chambers are designed to provide a cylindrical SOC cell with a heating capacity of up to 850 ° C and to provide a convenient sealing system for the cell. The differential pressure transmitter (DPT) is configured to monitor and control the pressure inside the pressure chamber. In addition, a rupture disk was installed inside the pressure chamber to prevent the risk of accidents due to the sudden upward pressure. The pressure chambers have facilities for air and fuel supply, current collection and temperature, and pressure data monitoring. The inlet on the fuel electrode side was connected to continuously supply the vapor to the vaporizer pump, and a mass flow controller (HFC) for H 2 , CO 2 , and N 2 was installed to control the gas flow rate. In addition, an electronic pressure controller (EPC) was installed as shown in FIG. 2B to monitor the pressure value through the DPT to control the pressure difference. In addition, on-line gas chromatography equipment was installed in the experimental equipment for pressurized operation of the cylindrical cell, and the gas composition discharged from the SOC cell was confirmed. These experimental instruments are designed to be controlled by a remote computer program that can adjust the gas flow rate, pressure and other operating conditions according to the experimental requirements.

<< 실시예Example 3> 가압 SOC 셀의 전기 화학적 성능 평가 3> Evaluation of electrochemical performance of pressurized SOC cell

가압 SOC 셀의 시험은 전기 분해 모드 및 연료 전지 모드로 수행하였다. 고압에서 셀을 테스트하기 전에 더미 셀을 설치하고 고압 조건에서 테스트를 위한 고압 조건에서 테스트 시설을 점검했다. 연료 전극에는 연동 펌프(모델 EMS-200S, EMS Tech, 오류 <± 2 %)를 사용하여 디지털 유량계 및 증류수를 사용하여 CO2의 유량을 제어하여 다양한 CO / H2O 조성을 공급했다. 물은 가열 테이프를 사용하여 증기로 증발되고 가열 코일에서 유입되는 H2 / CO2 가스와 혼합되고 마지막으로 도 2 의 a와 같이 원통형 SOC의 연료 전극 측으로 공급된다. 각 운전 조건에서 SOC 셀의 전류 - 전압 전기 화학 성능은 Agilent DAQ 시스템(34970 A, USA)과 부하 장치 (DP30-03TP, Toyotech, South Korea)를 사용하여 측정되었다. 모든 데이터(온도, 전압, 유량 등)는 Agilent DAQ 시스템을 통해 컴퓨터에 의해 지속적으로 모니터링, 수집, 저장 및 제어되었다. 임피던스 분광법(EIS)은 1 MHz ~ 10 mHz의 주파수 범위에서 AC 진폭 10mV 및 주파수 10 데시벨 당 10 데이터 포인트에서 임피던스 측정 장비(SP 240, Bio-Logic Science Instruments SAS, 프랑스)로 측정되었다. 최종적으로, 합성 가스 생산 분석 및 정량화를 위해 우리는 하나의 모세관 컬럼이 장착 된 온라인 가스크로마토그래피(PerkinElmer Clarus 580 GC)를 사용했다. GC Columns Velocity-Wax 30 M x 0.32 mm x 0.25 μm 폴리에틸렌 글리콜. CO, CO2, H2 및 CH4의 검출 컬럼은 표준 가스 성분으로 보정되었고, 각 측정에 대해 여러 판독 값이 사용되었다. 측정 된 값은 가스 조성의 평균값이었다. 가압 운전 전후의 SOC 셀의 미세 구조는 SEM(SEM, Hitachi X-4800)을 사용하여 측정하였다.The test of the pressurized SOC cell was performed in an electrolysis mode and a fuel cell mode. Before testing the cell at high pressure, a dummy cell was installed and the test facility was inspected under high pressure conditions for testing at high pressure. The fuel electrode was supplied with various CO / H 2 O compositions using a peristaltic pump (model EMS-200S, EMS Tech, error <± 2%) using a digital flow meter and distilled water to control the flow rate of CO 2 . The water is evaporated into steam using a heating tape and mixed with H 2 / CO 2 gas flowing in the heating coil and finally supplied to the fuel electrode side of the cylindrical SOC as shown in FIG. 2 a. The current-voltage electrochemical performance of the SOC cell under each operating condition was measured using an Agilent DAQ system (34970 A, USA) and a load device (DP30-03TP, Toyotech, South Korea). All data (temperature, voltage, flow, etc.) was continuously monitored, collected, stored and controlled by the computer via the Agilent DAQ system. Impedance spectroscopy (EIS) was measured with an impedance measuring instrument (SP 240, Bio-Logic Science Instruments SAS, France) at an AC amplitude of 10 mV and 10 data points per 10 dB of frequency in the frequency range of 1 MHz to 10 mHz. Finally, for syngas production analysis and quantification, we used on-line gas chromatography (PerkinElmer Clarus 580 GC) equipped with one capillary column. GC Columns Velocity-Wax 30 M x 0.32 mm x 0.25 μm Polyethylene Glycol. The detection columns for CO, CO2, H2 and CH4 were calibrated to standard gas components and different readings were used for each measurement. The measured value was the average value of the gas composition. The microstructure of the SOC cell before and after the pressurization operation was measured using SEM (SEM, Hitachi X-4800).

<< 실험예Experimental Example 1>  1> 상압에서의Atmospheric pressure 원통형 SOC 셀의 성능 분석 Performance Analysis of Cylindrical SOC Cell

상압 조건에서 원통형 SOC의 성능을 조사하여 가압 운전에 대한 참고자료를 얻었다. 원통형 SOC 셀 수전해 및 CO2/H2O 전기 분해의 I-V Curve를 850℃에서 도 3 의 a에 나타내었다. 10% H2가 안전 가스로서 연료 전극 측에 공급되었다. SOC 셀은 H2O/CO2 ratio 2의 공전해 모드로 작동되었다. The performance of cylindrical SOC was investigated under atmospheric pressure conditions and reference data for pressurized operation were obtained. Cylindrical SOC cell electrolysis and IV curve of CO 2 / H 2 O electrolysis are shown in FIG. 3 a at 850 ° C. 10% H 2 was supplied to the fuel electrode side as a safety gas. The SOC cell was operated in an idle mode with H 2 O / CO 2 ratio 2.

그 결과, 전압 증가에 따라 전류 밀도가 증가함을 보여주었다. 원통형 SOC 성능은 수전해보다 스팀 및 CO2를 공전해 한 경우가 더 높은 성능을 보였다. 또한, 증기량을 40에서 60%로 증가시키면 -800 mA/cm2 전류 밀도에서 셀 전압이 1.61V에서 1.42V로 감소함을 알 수 있었다. As a result, it was shown that the current density increases with increasing voltage. Cylindrical SOC performance showed higher performance when steam and CO 2 were revolving than water. It was also found that increasing the amount of vapor from 40 to 60% reduced the cell voltage from 1.61V to 1.42V at a current density of -800 mA / cm 2 .

도 3의 b는 연료 전극 가스가 60% H2O, 30% CO2 및 10% H2로 공급되었을 때의 SOC 성능에 대한 온도의 영향을 보여준다. 예상한대로 800℃에서 성능증가가 관찰되었다. SOC 셀은 800℃에서 -800 mA/cm2에서 1.75V를 나타내지만 750℃에서 작동될 때 1.8V에서 최대 전류 밀도는 760 mA/cm2였다. 고온에서 명확한 개선은 ScSZ 기반 전해질의 향상된 전도성과 역수성 가스화 반응(RWGS)에 의한 CO2에서 CO로의 높은 전환 효율 때문이다.Figure 3b shows the effect of temperature on SOC performance when the fuel electrode gas was supplied with 60% H 2 O, 30% CO 2 and 10% H 2 . As expected, a performance increase was observed at 800 ° C. SOC cell was at 800 ℃ maximum current density at 1.8V when operating in the bay 750 ℃ represent a 1.75V at -800 mA / cm 2 was 760 mA / cm 2. A clear improvement at high temperature is due to the improved conductivity of ScSZ-based electrolytes and the high conversion efficiency from CO 2 to CO by reverse water gasification reaction (RWGS).

도 3의 c는 연료극 주입 가스의 스팀 함량을 증가시키는 효과를 도시한 것이다. 20% H2O에서 셀은 매우 낮은 성능을 보였으며 전압은 빠르게 증가하였다. 이것은 농도 분극과 관련된 증가 된 손실 경향을 보여준다. 주입 가스에서 스팀 유량을 20%에서 60%로 증가시킴으로써, 셀 전압은 각각 -500 및 -900 mA/cm2에서 1.8V가 달성되었다. -500 mA/cm2의 전류 밀도를 얻으려면 셀 전압 20, 40 및 60% H2O에서 각각 1.6, 1.49 및 1.38V의 셀 전압이 필요하였다. 주입 가스의 스팀 유량이 증가함에 따라 전기 분해를 위한 반응물의 충분한 공급을 제공하였다. FIG. 3C shows the effect of increasing the steam content of the fuel electrode injection gas. At 20% H 2 O the cell showed very low performance and the voltage rapidly increased. This shows an increased loss tendency associated with concentration polarization. By increasing the steam flow rate from the inlet gas to 20% to 60%, the cell voltages were achieved at 1.8 V at -500 and -900 mA / cm 2 , respectively. To obtain a current density of -500 mA / cm 2 , cell voltages of 1.6, 1.49 and 1.38 V were required at 20, 40 and 60% H 2 O cell voltages, respectively. Providing a sufficient supply of reactants for electrolysis as the steam flow rate of the feed gas increases.

도 3의 d는 전기 분해 동안 생성된 합성 가스의 조성을 보여주는 것이다. 원통형 SOC의 배출 가스는 상이한 작동 조건에서 시험하는 동안 온라인 GC로 분석되었다. 원통형 SOC가 더 높은 전류 밀도에서 작동될 때 CO 및 H2의 양은 더 높은 몰 분율로 존재한다. 45% H2와 14% CO의 최대 몰분율은 800℃에서 관찰되었다. OCV 보다 높은 전압이 인가되면, H2O 및 CO2는 전기 화학적으로 CO 및 H2로 분리되었다. 대기 상태에서 원통형 SOC에서 전기 화학적으로 생성되는 합성 가스는 H2O/CO2를 양질의 합성 가스로 전환할 수 있다는 것을 보여주었다.Figure 3 (d) shows the composition of the synthesis gas produced during the electrolysis. The exhaust of the cylindrical SOC was analyzed by on-line GC during testing under different operating conditions. When the cylindrical SOC is operated at a higher current density, the amounts of CO and H 2 are present at higher mole fractions. The maximum mole fraction of 45% H 2 and 14% CO was observed at 800 ° C. When a voltage higher than OCV was applied, H 2 O and CO 2 were electrochemically separated into CO and H 2 . Syngas produced electrochemically in the cylindrical SOC in the atmospheric state has shown that it is possible to convert H 2 O / CO 2 to high quality syngas.

<< 실험예Experimental Example 2> 가압 원통형  2> Pressurized cylindrical type SOC셀의Of the SOC cell 성능 분석 Performance analysis

<2-1> 원통형 <2-1> Cylindrical SOC셀의Of the SOC cell OCV에OCV 대한 가압의 영향 Influence of Pressurization

800℃에서의 원통형 SOC셀의 OCV(open circuit voltage)에 대한 가압의 영향을 도 4에 나타내었다. 이론적인 OCV는 Nernst 방정식으로부터 계산되었다. The influence of the pressure on the OCV (open circuit voltage) of the cylindrical SOC cell at 800 ° C is shown in FIG. The theoretical OCV was calculated from the Nernst equation.

그 결과, OCV는 1 bar에서 8 bar까지 압력이 증가함에 따라 증가했다. 그러나 실험에서 OCV 값은 이론으로부터 계산된 OCV보다 조금 낮았다. 이론적 및 실험적 값의 최대 차이는 8 bar 압력에서 약 3%이다. 이것은 더 높은 압력에서 셀의 가스 누출이 증가했을 수 있기 때문이다. SOC의 전해질은 1400℃의 높은 온도에서 소결되고 완전히 밀집되어 있다. 그러나 제조 공정 중에, 전해질 미세 구조에서 작은 핀홀이 발생할 가능성이 있다. 고압(8 bar) 가스가 원통형 SOC셀 연료 전극을 통과할 때 가스의 일부 누설이 이러한 핀 홀에서 발생하여 실험적 OCV가 이론 값보다 낮아질 수 있다(L. Bernadet, et al., Int. J. Hydrogen Energy. 40 (2015) 12918-12928'; S.Y. Gomez, et al., Renew. Sustain. Energy Rev. 61 (2016) 155-174). 저압(1 bar)에서의 OCV 차가 전기 누설로 인한 것일 수 있으며 전기 누출로 인한 고압(예 : 8 bar) 및 밀봉재의 핀 홀 및 균열을 통한 가스 확산 누출임을 알 수 있다(J.F.B. Rasmussen, et al., Fuel Cells. 8 (2008) 385-393). 그러나 원통형 SOC 셀에서 원통형 셀은 쉽게 밀봉되기 때문에 셀을 통한 누설은 최소화된다. 그러므로 우리는 이론적 및 실험적 OCV의 차이가 Hashimoto의 연구에 의해 보고된 값보다 현저히 적음을 알 수 있다. As a result, the OCV increased with increasing pressure from 1 bar to 8 bar. However, in the experiment, the OCV value was slightly lower than the OCV calculated from the theory. The maximum difference between theoretical and experimental values is about 3% at 8 bar pressure. This is because the gas leakage of the cell may have increased at higher pressures. The electrolyte of the SOC is sintered at a high temperature of 1400 ° C and is completely dense. However, during the manufacturing process, small pinholes may occur in the electrolyte microstructure. As the high-pressure (8 bar) gas passes through the cylindrical SOC cell fuel electrode, some leakage of gas occurs in these pinholes and the experimental OCV can be lower than the theoretical value (L. Bernadet, et al., J. Hydrogen Energy 40 (2015) 12918-12928 '; SY Gomez, et al., Renew Sustain Energy Rev. 61 (2016) 155-174). It can be seen that the OCV difference at low pressure (1 bar) may be due to electrical leakage and is due to high pressure (eg 8 bar) due to electrical leakage and gas diffusion leakage through pin holes and cracks in the sealant (JFB Rasmussen, et al. , Fuel Cells 8 (2008) 385-393). However, in a cylindrical SOC cell, the cylindrical cell is easily sealed, so leakage through the cell is minimized. Therefore, we can see that the difference between the theoretical and experimental OCV is significantly less than the value reported by Hashimoto's study.

따라서 원통형 SOC 셀은 보다 우수한 밀봉 특성 및 더 높은 실험적인 OCV 값을 제공한다. 1 ~ 8 bar의 압력을 증가시킴으로써 관상 SOC의 OCV가 7.3 %까지 증가한다는 점도 중요하다. 가압은 다공성 전극에서 기상 확산을 향상시킬 수 있기 때문에 이 효과는 반응 지점에서의 연료 공급을 증가시켜 OCV 값을 높일 수 있다. 원통형 SOC 셀의 높은 OCV는 전기 화학 반응 및 연료 전지 반응에 대한 전기 화학적 성능을 향상시키는 데 기여할 수 있다.Cylindrical SOC cells therefore provide better sealing properties and higher experimental OCV values. It is also important to increase the OCV of tubular SOC to 7.3% by increasing the pressure of 1 to 8 bar. Since pressurization can improve vapor diffusion at the porous electrode, this effect can increase the fuel supply at the reaction point and increase the OCV value. The high OCV of a cylindrical SOC cell can contribute to improving electrochemical performance for electrochemical reactions and fuel cell reactions.

<2-2> 연료 전지 <2-2> Fuel cell 모드에서In mode 가압 원통형  Pressurized cylindrical type SOC셀의Of the SOC cell 특성 characteristic

가압 원통형 SOC 셀의 전기 화학적 성능은 연료 전지 및 전기분해 모드 모두에서 연구되었다. 도 5의 a는 연료 전지 모드에서 다양한 압력 조건에서 SOC의 전기 화학적 성능을 보여주는 것이다. 원통형 SOC 셀은 가습된 H2를 연료로 사용하고 주위 공기는 800℃에서 산화제로 사용하였다. 연료 유량은 200cc / min이고 공기는 300cc / min으로 유지되었다. The electrochemical performance of a pressurized cylindrical SOC cell was studied in both fuel cell and electrolysis mode. Figure 5a shows the electrochemical performance of SOC under various pressure conditions in fuel cell mode. Cylindrical SOC cells used humidified H 2 as fuel and ambient air as oxidant at 800 ° C. The fuel flow rate was 200 cc / min and the air was maintained at 300 cc / min.

그 결과, 셀의 OCV는 H2 가스의 압력이 1 bar에서 8 bar로 증가함에 따라 1.14V에서 1.23V로 증가했다. 1 bar에서 셀의 최대 출력 밀도는 586 mW / cm2였다. 압력을 8 bar까지 증가시킴으로써 SOFC 셀의 최대 출력 밀도에서 44.2% 증가가 관찰되었다. 최대 전력 출력으로부터 관찰되는 가압에 기인한 성능의 증가는 OCV의 증가 및 셀의 분극 저항의 감소에 의해 야기된다. As a result, the OCV of the cell increased from 1.14V to 1.23V as the pressure of the H 2 gas increased from 1 bar to 8 bar. The maximum power density of the cell at 1 bar was 586 mW / cm 2 . A 44.2% increase in the maximum power density of the SOFC cell was observed by increasing the pressure to 8 bar. The increase in performance due to the pressure observed from the maximum power output is caused by an increase in OCV and a decrease in the polarization resistance of the cell.

가압의 영향은 도 5의 b와 같이 전기 화학적 임피던스 분광법(EIS)에서 더 자세히 설명될 수 있다. 셀의 직렬 저항(Rs)은 가압이 가해질 때 동일하게 유지되었지만 분극 저항(Rp)은 현저하게 감소했다. The influence of the pressurization can be explained in more detail in the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as shown in Fig. 5 (b). The series resistance Rs of the cell remained the same when the pressure was applied, but the polarization resistance Rp remarkably decreased.

EIS Nyquist 플롯의 모양은 일반적인 양극 지지형 SOFC 셀이다. EIS 플롯의 저주파 및 고주파 호는 운전 압력의 증가에 영향을 받는다. 특성 주파수는 각각 저주파 및 고주파 아크에 대해 약 0.1-1 및 100-150 Hz인 것으로 확인되었다(도 5의 c). 저주파 아크는 일반적으로 SOFC 셀의 애노드 및 애노드 지지부에서의 확산 공정에 기인하며, 고주파는 연료 전극 및 애노드의 활성화 분극 결과로 간주된다(Y.D. Hsieh, et al., J. Power Sources. 299 (2015) 1-10; J. Nielsen, et al., Solid State Ionics. 189 (2011) 74-81). EIS 플롯의 고주파 및 저주파 교차점으로부터 가압 조건 하에서 원통형 SOFC 셀의 오믹 저항 Rs 및 분극 저항(Rp)이 결정되었다. 가압 셀의 SOFC 모드 운전에서, Rs 값은 거의 일정하게 유지되는 반면 Rp 값은 1.294에서 0.597 Ω.cm2로 감소했다. SOFC 셀 전극에서의 가스 변환 저항은 TPB(X. Sun, et al., Fuel Cells. 15 (2015) 697-702)에서 반응 분자의 유량에 의존한다. 가압 때문에, 플럭스가 증가하여 분극 저항이 현저히 감소하고 원통형 SOFC 셀의 성능이 향상될 수 있다. 원통형 SOFC 셀에서 관찰된 EIS 경향은 양극지지형 평판형 SOFC 셀의 것과 유사하게 나타났다(Y.D. Hsieh, et al., J. Power Sources. 299 (2015) 1-10; R. Barfod, et al., J. Electrochem. Soc. 154 (2007) B371-B378).The shape of the EIS Nyquist plot is a typical anode supported SOFC cell. The low frequency and high frequency arcs of the EIS plot are affected by the increase in operating pressure. The characteristic frequencies were found to be about 0.1-1 and 100-150 Hz for the low and high frequency arcs, respectively (Fig. 5c). Low frequency arcing is generally attributed to the diffusion process in the anode and anode supports of the SOFC cell and high frequencies are regarded as the result of activation polarization of the fuel electrode and anode (YD Hsieh, et al., J. Power Sources. 299 (2015) 1-10; J. Nielsen, et al., Solid State Ionics. 189 (2011) 74-81). From the high frequency and low frequency intersections of the EIS plot, the ohmic resistance Rs and the polarization resistance Rp of the cylindrical SOFC cell were determined under the pressurized condition. In the SOFC mode operation of the pressurized cell, the value of Rs remained almost constant while the value of Rp decreased from 1.294 to 0.597 Ω.cm 2 . The gas conversion resistance at the SOFC cell electrode depends on the flow rate of the reactive molecules in TPB (X. Sun, et al., Fuel Cells 15 (2015) 697-702). Due to the pressurization, the flux is increased, the polarization resistance is significantly reduced, and the performance of the cylindrical SOFC cell can be improved. The EIS trend observed in a cylindrical SOFC cell was similar to that of an anode supported flat plate SOFC cell (YD Hsieh, et al., J. Power Sources. 299 (2015) 1-10; R. Barfod, J. Electrochem. Soc. 154 (2007) B371-B378).

<2-3> 전기분해 <2-3> Electrolysis 모드에서In mode 가압 원통형  Pressurized cylindrical type SOC셀의Of the SOC cell 특성 characteristic

전기분해 모드에서 원통형 SOC 셀의 전기 화학적 성능을 조사하여 다양한 가압 파라미터의 영향을 결정했다. 도 6의 a는 전기 분해 과정에서 가압 원통형 SOC셀의 I-V Curve를 나타낸 것이다. 연료 전극에서의 입구 가스 조성은 800℃에서 H2O - 60%, CO2 - 30% 및 H2 - 10%이었으며 공기는 양극(공기전극)으로 공급되었다. SOC는 1 ~ 8 bar에서 운전되었다. The electrochemical performance of the cylindrical SOC cell in the electrolysis mode was examined to determine the effect of various pressure parameters. 6 (a) shows the IV Curve of the pressurized cylindrical SOC cell during the electrolysis process. The inlet gas composition at the fuel electrode was H 2 O - 60%, CO 2 - 30% and H 2 - 10% at 800 ° C and air was supplied to the anode (air electrode). The SOC was operated at 1 to 8 bar.

그 결과, 도 6의 a에서 높은 OCV와 낮은 ASR 값으로 인한 압력의 증가에 따라 I-V의 기울기가 감소하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 8 bar 압력에서의 1.38V의 인가전압에서 970 mA / cm2의 전류 밀도가 달성되었고 대기압 하에서 인가전압 1.58V일 때 동일한 전류밀도가 달성되었다. 전기 분해 모드에서 SOC의 전기 화학적 성능에 대해 압력을 증가시킬 때 연료전지에서 보다 이점이 적다. 이는 압력을 증가시켜 OCV가 증가하고, 전기 분해를 위한 특정 전류 밀도에서 필요한 최대 전압이 고압에서 감소되기 때문이다. 따라서 높은 OCV 값으로 인해 압력을 증가시키는 이점이 줄어드나, 가압 조건 하에서의 SOC의 성능은 주변 압력 조건보다 상당히 높다.As a result, it can be seen that the slope of IV decreases as the pressure increases due to high OCV and low ASR value in FIG. 6A. A current density of 970 mA / cm 2 was achieved at an applied voltage of 1.38 V at 8 bar pressure and the same current density was achieved at an applied voltage of 1.58 V under atmospheric pressure. Increasing the pressure for the electrochemical performance of SOC in the electrolysis mode is less advantageous in fuel cells. This is because the OCV is increased by increasing the pressure and the maximum voltage required at a specific current density for electrolysis is reduced at high pressure. Thus, the benefits of increasing the pressure due to high OCV values are reduced, but the performance of the SOC under pressurized conditions is significantly higher than the ambient pressure conditions.

도 6의 b 및 c는 전기 분해 모드에서 SOC에 대한 EIS 데이터를 보여주는 것이다. 임피던스 스펙트럼은 압력을 증가시킴으로써 저주파 아크가 상당히 감소하지만 오믹 저항은 가압에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 나타낸다. 6B and 6C show the EIS data for the SOC in the electrolysis mode. The impedance spectrum shows that increasing the pressure significantly reduces the low frequency arc but the ohmic resistance is not affected by the pressure.

그 결과, 저주파와 고주파 호의 정상 주파수는 각각 약 0.5-1 Hz와 100-150 Hz였다. 가스 변환 아크(저주파 아크)의 정상 주파수는 압력의 증가에 따라 감소한다. EIS 결과는 옴 저항이 0.14Ωcm2로 일정하고 분극 저항이 1bar에서 0.09Ωcm2, 8bar에서 0.04Ωcm2로 현저히 감소함을 보여준다. 도 6의 c는 높은 압력으로 인해 고주파 아크가 변했다는 것을 보여준다. 고주파 아크의 정상 주파수는 압력 증가에 의해 영향을 받았지만 저주파 아크와 비교해 보았을 때 저주파 아크에서보다 압력증가에 의한 영향은 더 적었다. 이것은 고주파 아크가 활성화 분극에 관련되어 설명되는 것과 달리 낮은 주파수 아크는 확산 관련 분극과 관련되어 설명되기 때문이다. 고압 조건은 TPB에서 가스의 확산에 크게 영향을 미치므로 EIS 스펙트럼에서 그 효과가 뚜렷하다. 1 bar와 8 bar의 아크를 비교해보면 아크의 크기가 현저히 줄어드는 것을 나타낸다. 고압에서, 전극에서의 물질 전달 한계가 감소되어, 결과적으로 전기 화학적 성능이 향상된 것이다.As a result, the normal frequencies of low frequency and high frequency arcs were about 0.5-1 Hz and 100-150 Hz, respectively. The normal frequency of the gas conversion arc (low frequency arc) decreases with increasing pressure. EIS results showed that the ohmic resistance is significantly reduced to 2 from 0.04Ωcm 0.09Ωcm 2, 8bar at a constant 0.14Ωcm 2 and the polarization resistance 1bar. FIG. 6C shows that the high-frequency arc has changed due to the high pressure. The normal frequency of the high frequency arc was affected by the pressure increase, but the effect of the pressure increase was less than that of the low frequency arc when compared with the low frequency arc. This is because low-frequency arcs are described in connection with diffusion-related polarization, whereas high-frequency arcs are described in connection with active polarization. The effect of the high pressure condition on the EIS spectrum is remarkable because it greatly affects the gas diffusion in the TPB. A comparison of 1 arc and 8 bar arcs shows that the arc size is significantly reduced. At high pressure, the mass transfer limit at the electrode is reduced, resulting in improved electrochemical performance.

도 7의 a 및 b는 각각 가압 원통형 SOC 셀의 오믹 및 전극 분극의 비교를 나타낸 것이다. Figures 7a and 7b show a comparison of ohmic and electrode polarization of a pressurized cylindrical SOC cell, respectively.

그 결과, 전지의 오믹 저항은 연료 전지 및 전기분해모드 모두에서 압력을 증가시킴으로써 크게 증가하지 않았다. 그러나 도 7의 b에서 보이는 바와 같이 전극의 분극은 압력을 증가시킴으로써 상당히 감소하였다. As a result, the ohmic resistance of the cell did not increase significantly by increasing the pressure in both the fuel cell and the electrolysis mode. However, as shown in Fig. 7 (b), the polarization of the electrode was considerably reduced by increasing the pressure.

도 7의 c는 압력 증가에 의한 전극 분극 저항의 감소를 나타낸 것이다.FIG. 7C shows a decrease in electrode polarization resistance due to an increase in pressure.

그 결과, 압력을 최대 8 bar까지 증가시켜 전극 분극을 약 60% 감소시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 두 가지 모드 모두에서 전극에서의 분극 저항값은 동일한 방식으로 감소되며, 연료전지 셀에서 압력에 대한 셀의 운전 모드에서 전기 화학적 성능이 크게 변화시키지 않는 것으로 나타낸다. 이것은 압력의 증가가 반응 현장에서 연료의 확산 및 이용 가능성과 관련된 변수에 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다.As a result, it can be seen that the electrode polarization can be reduced by about 60% by increasing the pressure to a maximum of 8 bar. The polarization resistance values at the electrodes in both modes are reduced in the same manner, indicating that the electrochemical performance in the operating mode of the cell against pressure in the fuel cell does not significantly change. This means that the increase in pressure has a large effect on the variables related to the diffusion and availability of fuel at the reaction site.

<< 실험예Experimental Example 3> 압축 SOC 전지의 배출 가스 조성 분석 3> Analysis of exhaust gas composition of compressed SOC cell

도 8은 관상 SOC에서 800℃에서 합성가스의 배출구 구성에 대한 압력의 영향을 보여주는 것이다. 입구 가스 조성은 10% H2 + 30% CO2 + 60% H2O로 선택되었다. 가스 조성은 셀이 모든 압력 조건에 대해 -800 mA / cm2 전류 밀도에서 운전될 때 결정되었다. 전류 밀도가 점진적으로 증가하면, H2 몰분율은 CO 몰분율 보다 현저히 증가한다. 현재의 모든 밀도 값에서 H2O의 전기 분해에 필요한 전압은 CO2 전기 분해의 전압보다 낮기 때문에, H2O 전기 분해는 CO2 전기 분해보다 쉽다(더 빠른 반응 동역학으로 인해). 원통형 SOC셀에서 가압된 전기 분해 작업 중에 다음 반응들이 발생한다.Figure 8 shows the effect of pressure on syngas outlet configuration at 800 占 폚 in tubular SOC. Inlet gas composition has been selected as 10% H 2 + 30% CO 2 + 60% H 2 O. The gas composition was determined when the cell was operated at a current density of -800 mA / cm 2 for all pressure conditions. As the current density progressively increases, the H 2 mole fraction increases significantly more than the CO mole fraction. Because the voltage required for electrolysis of H 2 O in the current value of all densities is lower than the voltage of the electrolytic CO 2, H 2 O electrolysis is easier than CO 2 electrolysis (due to the faster reaction kinetics). The following reactions occur during a pressurized electrolysis operation in a cylindrical SOC cell.

2H2O = 2H2 + O2 (증기 전기 분해) (1)2H 2 O = 2H 2 + O 2 (steam electrolysis) (1)

2CO2 = 2CO + O2 (CO2 전기 분해) (2) 2 CO 2 = 2 CO + O 2 (CO 2 electrolysis) (2)

CO2 + H2 = CO + H2O (역수성 가스화 반응, RWGS) (3)CO 2 + H 2 = CO + H 2 O (reverse water gasification reaction, RWGS) (3)

CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O (메탄화 반응) (4)CO 2 + 4H 2 = CH 4 + 2H 2 O (methanation reaction) (4)

CO + 3H2 = CH4 + H2O (메탄화 반응) (5) CO + 3H 2 = CH 4 + H 2 O ( methane forming reaction) 5

도 7에 따르면, 출구 합성 가스에서 H2의 농도가 CO의 농도보다 상당히 높다는 것이 나타난다. H2의 농도가 높을수록 이산화탄소 전기 화학적 전환에 비해 증기 전기 분해(식 1)의 빠른 반응 때문이다. 고압에서 반응 (1), (2) 및 (3)의 농도가 감소되어 메탄화 반응의 결과로 생성되는 메탄의 형성을 초래할 수 있는 것이 관찰되었다.According to FIG. 7, it appears that the concentration of H 2 in the outlet syngas is significantly higher than the concentration of CO. The higher the concentration of H 2 , the faster the reaction of steam electrolysis (Equation 1) than the electrochemical conversion of carbon dioxide. It has been observed that the concentrations of reactions (1), (2) and (3) are reduced at high pressure, leading to the formation of methane resulting from the methanation reaction.

<< 실험예Experimental Example 4> 원통형  4> Cylindrical SOC셀의Of the SOC cell 미세  minuteness 구조에 대한 가압 전기Pressurization electricity for structure 분해의 영향 Influence of decomposition

가압 운전 전후의 SOC의 미세 구조를 SEM으로 관찰하여 도 9에 나타내었다. 도 9의 a는 운전 전의 원통형 셀의 단면 SEM 현미경 사진이다. 도 9의 b 및 c는 각각 1 bar와 8 bar에서의 가압 운전 후의 미세 구조를 보여준다. The microstructure of the SOC before and after the pressurization operation was observed by SEM and is shown in Fig. 9 (a) is a cross-sectional SEM micrograph of the cylindrical cell before operation. 9b and 9c show the microstructure after the pressurization operation at 1 bar and 8 bar, respectively.

그 결과, 도 9의 b는 셀의 양극 쪽이 측정 후 박리된 것을 보여준다. 8 bar에서 운전되는 경우에 전해질은 작은 균열뿐만 아니라 연료 전극 및 애노드 양쪽의 박리를 갖는 것으로 관찰되었다. As a result, FIG. 9B shows that the positive electrode side of the cell is peeled off after measurement. When operated at 8 bar, the electrolyte was observed to have not only small cracks but also peeling of both the fuel electrode and the anode.

전해질의 균열은 다음과 같은 이유에 의해 발생할 수 있다. 원통형 SOC 셀 제조 공정은 진공 슬러리 코팅에 의한 전해질 층의 증착으로 이루어진다. 간혹, 제조 중에, 도 9의 a에서 알 수 있듯이, 불순물은 전해질에서 미크론 크기의 핀 홀을 형성하게 된다. 그래서 작은 핀 홀은 고압을 겪었을 것이고 고압에서 최대 8 bar의 균열 진전을 일으켰을 것으로 예상된다. Cracks in the electrolyte can occur for the following reasons. The cylindrical SOC cell manufacturing process consists of deposition of an electrolyte layer by vacuum slurry coating. Occasionally, during fabrication, as seen in Figure 9a, the impurities will form pinholes of micron size in the electrolyte. So the small pinhole would have undergone high pressure and would have caused crack propagation up to 8 bar at high pressure.

고압에서 일부 연구자들은 전기 화학 반응 동안 Boudouard 반응(2CO (g) = C (s) + CO (g))으로 인해 탄소 형성이 일어날 수 있다고 지적했다. 이에, 도 9의 d 및 e에서와 같이, 높은 압력에서 운전하기 전과 후의 전지의 연료 전극 기능 층의 고해상도 SEM 미세 구조를 분석했다. At high pressure, some researchers point out that carbon formation can occur due to the Boudouard reaction (2CO (g) = C (s) + CO (g)) during the electrochemical reaction. Thus, as in FIGS. 9D and 9E, the high-resolution SEM microstructure of the fuel electrode functional layer of the cell before and after operation at high pressure was analyzed.

그 결과, 탄소 부착의 흔적은 애프터 테스트 샘플로부터 검출되지 않았다. 그들의 모델링 연구에서 Sun의 연구(X. Sun, et al., Fuel Cells. 15 (2015) 697-702)에 따라 25 bar 이상의 압력에서 Ni 표면의 탄소 형성 가능성을 계산한 결과 8 bar까지의 고압 운전에서 탄소 침전이 발견되지 않았다.As a result, no trace of carbon adhesion was detected from the after-test sample. In their modeling studies, the possibility of carbon formation on the Ni surface at pressures of 25 bar and above was calculated according to Sun's study (X. Sun et al., Fuel Cells. 15 (2015) 697-702) No carbon deposits were found.

장기간 운전하는 동안 SOC 셀 성능 저하는 고온 전해 연구 부문에서 가장 큰 문제 중 하나이며 고압 운전은 셀과 시스템의 스트레스를 증가시켜 성능 손실을 초래한다. 그러나 관상 셀이 고압에서 운전할 때 어떤 종류의 분해가 일어나는지를 조사하기 위해서는 체계적이고 상세한 연구가 필요하다. Ebbesen의 연구(Faraday Discussions 2015, 182,393-422)는 연료 전지 및 전기 분해 모드에서 Ni-YSZ 기반 고체 산화물 전지의 운전이 다르며 전기 분해 모드에서 성능의 더 높은 저하가 관찰됨을 설명했다. 전기 분해 작업 동안 연료 및 공기 전극에서의 확산 한계는 도 6의 원통형 SOC셀 전지의 EIS 분석에 나타난 바와 같이 원통형 셀의 고압 운전에 의해 쉽게 해결할 수 있다. 또한, Hauch에 연구에 따르면 전기 화학적 분석 동안 연료 전극의 열화 기여는 활성 전극 사이트를 감소시키는 것과 관련이 있어 보인다. SOC cell degradation during long-term operation is one of the biggest problems in high temperature electrolysis research and high-voltage operation increases cell and system stresses and results in performance loss. However, systematic and detailed studies are needed to investigate what kind of decomposition takes place when tubular cells are operated at high pressure. Ebbesen's work (Faraday Discussions 2015, 182, 393-422) explained that the operation of Ni-YSZ-based solid oxide batteries in fuel cell and electrolysis mode is different and that a further degradation in performance is observed in electrolysis mode. The diffusion limit at the fuel and air electrodes during the electrolysis operation can be easily solved by high voltage operation of the cylindrical cell as shown in the EIS analysis of the cylindrical SOC cell of FIG. In addition, studies in Hauch show that degradation contribution of the fuel electrode during electrochemical analysis seems to be related to reducing active electrode sites.

그러나 SOC 전지의 사후 분석은 고압으로 인해 미세 구조에 심각한 열화가 없음을 보여주었다. 따라서 고압에서의 운전은 연료 전극과 공기 전극 모두의 확산 한계와 관련된 분해 영향을 완화하는데 도움이 될 수 있다. 고압에서의 SOC의 운전은 부가가치 합성 가스를 얻는 것을 보장할 수 있다. 또한, 원통형 SOC 셀은 최소한의 누설로 쉽게 스택으로 확장될 수 있으며 FT- 반응기도 쉽게 통합될 수 있다.However, post-analysis of the SOC cell showed no significant degradation in microstructure due to high pressure. Thus, operation at high pressures can help mitigate the degradation effects associated with the diffusion limitations of both fuel and air electrodes. Operation of the SOC at high pressure can ensure that a value-added syngas is obtained. In addition, the cylindrical SOC cell can easily be extended to the stack with minimal leakage and the FT-reactor can be easily integrated.

Claims (9)

원통형 지지체;
상기 원통형 지지체 표면에 형성된 캐소드 층(cathod layer);
상기 캐소드 층 표면에 형성된 ScSZ(Scandia-Stabilized Zirconia)를 포함하는 전해질층(electrolyte layer);
상기 전해질 층 표면에 형성된 GDC 버퍼층(Gadolinium-Doped Ceria buffer layer); 및
상기 GDC 버퍼층의 표면에 형성된 LSCF(La0 . 6Sr0 . 4Co0 . 2Fe0 . 8O3)-GDC 복합체로 구성된 애노드 층(anode layer);을 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀(solid-oxide coelectrolysis cell, SOC).
A cylindrical support;
A cathode layer formed on the surface of the cylindrical support;
An electrolyte layer comprising Scandia-Stabilized Zirconia (ScSZ) formed on the surface of the cathode layer;
A GDC buffer layer (Gadolinium-Doped Ceria buffer layer) formed on the surface of the electrolyte layer; And
A high pressure cylinder to a solid oxide cell comprising a revolution; LSCF formed on a surface of the buffer layer GDC (.... La 0 6 Sr 0 4 Co 0 2 Fe 0 8 O 3) anode layer (anode layer) consisting of a composite -GDC (solid-oxide coelectrolysis cell, SOC).
제 1항에 있어서,
상기 전해질층, GDC 버퍼층 및 애노드 층의 두께는 각각 4 ~ 8 μm, 1 ~ 4 μm 및 13 ~ 18 μm인 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the electrolyte layer, the GDC buffer layer, and the anode layer have thicknesses of 4 to 8 μm, 1 to 4 μm, and 13 to 18 μm, respectively.
제 1항에 있어서,
상기 셀의 직경은 0.5 ~ 2.0 cm, 길이는 3.0 ~ 7.0 cm 및 유효 전극 면적은 3.0 ~ 4.0 cm2인 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the cell has a diameter of 0.5 to 2.0 cm, a length of 3.0 to 7.0 cm and an effective electrode area of 3.0 to 4.0 cm 2 .
제 1항의 고압 원통형 고체산화물 공전해 셀;
상기 공전해 셀을 가압하기 위한 가압챔버;
상기 공전해 셀과 상기 가압챔버 사이의 차압을 조절하기 위한 압력 제어기;
상기 공전해 셀에 스팀을 제공하기 위한 기화기;
상기 공전해 셀에 수소, 질소 및 이산화탄소의 연료가스와 스팀을 각각 주입하는 연료 주입부;
상기 연료가스의 유량을 조절하는 질량 유량 제어기; 및
상기 공전해 셀로부터 반응 후 가스를 배출하기 위한 가스 배출부;를 포함하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템.
A high-pressure cylindrical solid oxide annulus cell according to claim 1;
A pressure chamber for pressurizing said revolving cell;
A pressure controller for adjusting a pressure difference between the revolving cell and the pressure chamber;
A vaporizer for providing steam to the idol cell;
A fuel injector for injecting fuel gas and steam of hydrogen, nitrogen, and carbon dioxide into the revolving cell;
A mass flow controller for regulating the flow rate of the fuel gas; And
And a gas discharging portion for discharging the gas after the reaction from the revolving cell.
제 4항에 있어서,
상기 가압챔버는 상기 공전해 셀을 가열하기 위한 히팅 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템.
5. The method of claim 4,
Wherein the pressurizing chamber includes a heating device for heating the orbital cell. &Lt; RTI ID = 0.0 &gt; 11. &lt; / RTI &gt;
제 4항에 있어서,
상기 가압챔버 내부의 압력을 모니터링하는 차압 압력 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템.
5. The method of claim 4,
And a pressure differential pressure transmitter for monitoring the pressure inside the pressure chamber.
제 4항에 있어서,
상기 가압챔버 내부에 급격한 압력 상승에 의해 파열을 막기 위한 파열 디스크를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템.
5. The method of claim 4,
And a rupture disk for preventing rupture due to an abrupt pressure rise inside the pressure chamber.
제 4항에 있어서,
상기 기화기에는 스팀을 공급하기 위한 펌프가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템.
5. The method of claim 4,
And a pump for supplying steam is connected to the vaporizer.
제 4항의 가압형 원통형 고체산화물 공전해 시스템에서,
가압챔버 내 압력이 8 ~ 10 bar 및 온도가 800 ~ 850℃가 되고,
상기 가압챔버와 상기 공전해 셀의 차압이 0.3 bar 이하가 되도록 조절하는 고압 원통형 고체산화물 공전해 시스템의 가압 운전 방법.
In the pressurized cylindrical solid oxide perturbation system of claim 4,
The pressure in the pressure chamber is 8 to 10 bar and the temperature is 800 to 850 占 폚,
Wherein the pressure difference between the pressure chamber and the idol cell is controlled to be 0.3 bar or less.
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