KR20200083705A - Flat - tubular coelectrolysis cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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임탁형
송락현
이승복
홍종은
김종환
이동영
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한국에너지기술연구원
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Abstract

The present invention relates to a flat tubular coelectrolysis cell to produce syngas from water and carbon dioxide and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the flat tubular coelectrolysis cell comprises: a flat tubular supporter including NiO and yttria stabilized zirconia (YSZ); a cathode layer formed on a surface of the flat tubular supporter and including (Sr_1_-_xLa_x)(Ti_1_-_yM_y)O_3, where M = V, Nb, Co, and Mn; a solid electrolyte layer formed on a surface of the cathode layer; and an anode layer formed on a surface of the solid electrolyte layer. According to the present invention, the flat tubular coelectrolysis cell provides an excellent syngas conversion ratio and can produce syngas at low overvoltage.

Description

평관형 공전해 셀 및 그의 제조방법 {FLAT - TUBULAR COELECTROLYSIS CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}FLAT-TUBULAR COELECTROLYSIS CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 평관형 공전해 셀 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물과 이산화탄소로부터 합성가스를 생산할 수 있는 평관형 공전해 셀 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flat tube type electrolytic cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a flat tube type electrolytic cell capable of producing syngas from water and carbon dioxide, and a method for manufacturing the same.

1997년 교토의정서가 채택됨에 따라 전 세계적으로 탄소배출량을 감소하기 위해 다양한 정책을 내놓고 있으며 이산화탄소의 발생을 저감시키는 기술을 다양한 측면에서 개발하고 있다.With the adoption of the Kyoto Protocol in 1997, various policies have been put in place to reduce carbon emissions worldwide, and technologies to reduce the generation of carbon dioxide are being developed in various aspects.

이산화탄소의 배출을 근본적으로 차단하기 위해 이산화탄소를 배출하지 않는 연료를 개발하려는 측면에서는 수소 연료를 공기중의 산소와 반응시켜 전기를 발생시키는 기술이 개발되었으며, 이러한 수소를 연료로 이용하는 모터를 사용한 자동차도 널리 알려져 있다.In order to fundamentally block the emission of carbon dioxide, a technology that generates electricity by reacting hydrogen fuel with oxygen in the air has been developed in the aspect of developing a fuel that does not emit carbon dioxide. It is widely known.

한편, 이미 발생된 이산화탄소를 이용하여 사용 가능한 연료로 전환시키는 공정 관련한 연구개발도 꾸준히 이루어지고 있는데, CO2 기반 고온 전기분해에 의한 수소제조는 최근 녹색 에너지 기술 개발과 신재생 에너지 연구개발과 더불어 많은 관심을 받고 있다.On the other hand, research and development related to the process of converting carbon dioxide into usable fuel by using already generated carbon dioxide is steadily being conducted. Hydrogen production by CO2-based high temperature electrolysis has recently attracted much attention along with green energy technology development and renewable energy research and development. Is getting

고온전해반응 시스템은 캐소드에 이산화탄소와 스팀을, 애노드에 공기를 주입하고, 고온을 유지하면서 전기를 가해주면 전기 분해 반응에 의해 합성가스(Syngas)를 생산하는 장치로, CO2-H2O의 고온 전해 반응에 의한 합성가스를 제조하는 기술은 반응과 분리 공정을 효과적으로 결합해 공정을 단순화하며 반응 효율을 높이고, 처리량을 대량으로 하여 운전을 효율적으로 하는 특징이 있으나, 이산화탄소의 고온전기분해 기술은 귀금속 전극 중심의 한정된 연구만 진행되어 왔다.The high temperature electrolysis reaction system is a device that produces syngas by electrolysis reaction when carbon dioxide and steam are injected into the cathode, air is injected into the anode, and electricity is maintained while maintaining high temperature. High temperature electrolytic reaction of CO2-H2O The technology for producing syngas by is characterized by effectively combining the reaction and separation processes to simplify the process, increase the reaction efficiency, and efficiently operate by mass-processing, but the high-temperature electrolysis technology of carbon dioxide centers on precious metal electrodes. Only a limited number of studies have been conducted.

또한, CO2-H2O의 고온 전해 반응에 의한 합성가스를 제조하기 위한 공전해 셀은 CO2의 합성가스 전환율이 낮고, 효율이 좋지 않아 상용화하기엔 문제가 있으므로 기존의 고온전해반응 시스템보다 합성가스 전환율이 우수한 공전해 셀이 요구되고 있다.In addition, the electrolysis cell for producing syngas by high-temperature electrolytic reaction of CO2-H2O has a low conversion rate of CO2 synthesis gas and poor efficiency, so there is a problem in commercialization, so the synthesis gas conversion rate is superior to the existing high-temperature electrolysis reaction system. An orbiting cell is required.

이에 따라 관형, 평판형 등 여러 종류의 공전해 셀이 제작 되었지만, 가혹한 작동 환경에 잘 견디지만 성능이 낮은 관형, 성능은 높지만 가혹한 작동 환경에 취약한 평판형 셀의 단점 등을 보완하는 공전해 셀이 요구 되고 있다.As a result, various types of orbital cells, such as tubular and flat plates, have been manufactured, but the orbital cells that withstand the harsh operating environment but have low performance, but have poor performance and the disadvantages of the flat cell are vulnerable to harsh operating environments. Is being demanded.

본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 고려하여, 관형 공전해 셀과 평판형 공전해 셀의 단점을 보완하는 평관형 공전해 셀을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide a flat tubular orbital cell, which compensates for the disadvantages of the tubular ortographic cell and the planar orbital cell in view of the problems of the prior art.

또한 본 발명의 목적은 우수한 합성가스 전환율을 가지는 평관형 공전해 셀의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is also an object of the present invention to provide a method for manufacturing a flat tubular orbital cell with excellent syngas conversion.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 NIO 및 YSZ를 포함하는 평관형 지지체; 상기 평관형 지지체 표면에 형성된 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 포함하는 캐소드 층; 상기 캐소드 층 표면에 형성된 고체전해질 층; 및 상기 고체전해질 층 표면에 형성된 애노드 층;을 포함하는 평관형 공전해 셀을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a flat tubular support comprising NIO and YSZ; (- x La x Sr 1) formed in the flat tubular support surface including a (Ti 1 y M y) O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) a cathode layer; A solid electrolyte layer formed on the surface of the cathode layer; And an anode layer formed on the surface of the solid electrolyte layer.

상기 평관형 지지체는 복수의 중공 유로를 포함하는 판형일 수 있다. The flat tubular support may be a plate shape including a plurality of hollow flow paths.

상기 평관형 지지체에 있어서, 상기 복수의 중공 유로는 실린더 형태이고, 소정의 방향으로 정렬된 것일 수 있다. In the flat tubular support, the plurality of hollow flow paths may have a cylindrical shape and be aligned in a predetermined direction.

상기 평관형 지지체에 있어서, 상기 실린더의 원형 단면의 직경이 0.1 내지 0.2 cm일 수 있다. In the flat tubular support, the diameter of the circular cross section of the cylinder may be 0.1 to 0.2 cm.

상기 고체전해질 층은 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), LSGM(Sr 및 Mg이 도핑된 란타늄 갈레이트), ScSZ(스칸디아 안정화 산화 지르코늄), GDC(가돌리니아 도핑 세리아) 및 SDC(사마리아 도핑 세리아)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.The solid electrolyte layers are YSZ (yttria stabilized zirconia), LSGM (lanthanum gallate doped with Sr and Mg), ScSZ (scandia stabilized zirconium oxide), GDC (gadolinia doped ceria) and SDC (samaria doped ceria). It may include one or more substances selected from the group consisting.

상기 애노드 층은 LSCF-GDC 또는 YSZ-LSM과 LSM 복합체를 포함할 수 있다.The anode layer may include LSCF-GDC or YSZ-LSM and LSM composite.

상기 캐소드 층에 사용되는 연료는 H2O, CO2 및 H2를 포함할 수 있다.The fuel used in the cathode layer may include H 2 O, CO 2 and H 2 .

또한, 본 발명은 NIO, YSZ 및 기공형성제를 혼합한 후, 용매와 혼합하여 슬러리 형태로 제조하여 볼밀링 하는 단계(단계 1); 상기 슬러리를 건조한 후 분말화 하는 단계(단계 2); 상기 분말화 된 혼합물에 첨가제를 첨가하고 혼련하여 페이스트를 제조하고, 상기 페이스트를 평관형 몰드에 투입한 후 압출성형하여 공전해 셀용 지지체를 제조하는 단계(단계 3); 상기 압출된 공전해 셀용 지지체를 롤링 건조하는 단계(단계 4); 및 상기 롤링 건조된 공전해 셀용 지지체를 가소결한 후, 캐소드, 전해질 및 애노드를 코팅하는 단계(단계 5);를 포함하며, 상기 캐소드는 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 포함하는 평관형 공전해 셀 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of mixing the NIO, YSZ and the pore-forming agent, and then mixing with a solvent to prepare a slurry to form a ball mill (step 1); Drying the slurry and then pulverizing it (step 2); Adding an additive to the powdered mixture and kneading to prepare a paste, putting the paste into a flat tube mold, and then extruding to orbit to prepare a support for a cell (step 3); Rolling and drying the support for the extruded orbital cell (step 4); And the rolling by the dry-time after an integral plasticize the cell, the support, the method comprising: coating a cathode, an electrolyte and an anode (5); wherein the said cathode (Sr 1 - x La x) (Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) provides a method for manufacturing a flat-type revolution cell.

상기 기공형성제는 활성탄 또는 카본블랙일 수 있으며, 상기 첨가제는 바인더, 가소제 및 윤활제를 포함할 수 있다.The pore forming agent may be activated carbon or carbon black, and the additive may include a binder, a plasticizer, and a lubricant.

상기 가소결은 300℃ 내지 400℃로 승온하고, 700℃ 내지 800℃로 승온한 후, 1000℃ 내지 1200℃로 승온하는 단계적 승온에 의해 이루어질 수 있다.The plastic sintering may be performed by a stepwise heating up to 300°C to 400°C, and then to 700°C to 800°C, and then to 1000°C to 1200°C.

상기 캐소드 및 상기 애노드는 담금코팅법(dip coating) 또는 스크린 프린팅법에 의해 코팅될 수 있다.The cathode and the anode may be coated by a dip coating method or a screen printing method.

상기 캐소드를 코팅한 후 800℃ 내지 1200℃에서 열처리할 수 있으며, 상기 애노드를 코팅한 후 900℃ 내지 1400℃에서 열처리할 수 있다.After coating the cathode, heat treatment may be performed at 800°C to 1200°C, and after coating the anode, heat treatment may be performed at 900°C to 1400°C.

상기 전해질은 진공슬러리코팅법(vacuum slurry coating)에 의해 코팅될 수 있다.The electrolyte may be coated by a vacuum slurry coating method.

상기 전해질을 코팅한 후 1200℃ 내지 1600℃에서 열처리할 수 있다.After coating the electrolyte, heat treatment may be performed at 1200°C to 1600°C.

상기 캐소드에 사용되는 연료는 H2O, CO2 및 H2를 포함할 수 있다.The fuel used for the cathode may include H 2 O, CO 2 and H 2 .

이외에도, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 평관형 공전해 셀 및 상기 평관형 공전해 셀을 포함하는 평관형 셀 기반 공전해 모듈을 제공한다.In addition, the present invention provides a flat cell-based electrolysis module including a flat tube type electrolytic cell manufactured by the manufacturing method and the flat tube type electrolytic cell.

본 발명의 평관형 공전해 셀은 관형 공전해 셀과 평판형 공전해 셀의 단점을 보완하여 우수한 합성가스 전환율을 가지며, 낮은 과전압에서도 합성가스를 생성할 수 있다.The flat tube type electrolytic cell of the present invention compensates for the shortcomings of the tubular type electrolytic cell and the flat type electrolytic cell, and has an excellent syngas conversion rate and can generate syngas even at low overvoltage.

도 1은 평관형 셀의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 단계 1의 혼합 과정을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 단계 3의 혼합물을 혼련하는 과정과 상기 페이스트를 압출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본 발명의 단계 4의 압출된 공전해 셀용 지지체를 롤링 건조하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5 및 6 은 본 발명의 단계 5의 캐소드를 코팅한 후, 전해질 및 애노드를 코팅하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7 은 완성된 평관형 공전해 셀을 나타낸 도면이다.
도 8 은 평관형 공전해 셀의 일단면을 나타낸 도면이다.
도 9는 평관형 공전해 셀을 포함한 상압 고온 공전해 모듈을 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 상압 고온 공전해 셀을 운전한 IV Curve를 나타낸 그래프이다.
도 12는 상압 고온 공전해 셀을 운전한 Impedance를 나타낸 그래프이다.
도 13은 상압 고온 공전해 셀을 운전한 Gas Chromatography를 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing the structure of a flat tube cell.
2 is a view showing a mixing process of step 1 of the present invention.
3 is a view showing a process of kneading the mixture of step 3 of the present invention and the process of extruding the paste.
4 is a view showing a process of rolling and drying the support for the extruded orbital cell of step 4 of the present invention.
5 and 6 are views showing a process of coating the cathode of step 5 of the present invention, and then coating the electrolyte and the anode.
7 is a view showing a completed flat tubular revolution cell.
8 is a view showing an end face of a flat tubular orbiting cell.
9 is a view showing an atmospheric pressure high temperature electrolytic module including a flat tubular electrolytic cell.
10 and 11 are graphs showing an IV curve in which a high temperature and high temperature electrolysis cell was operated.
12 is a graph showing the impedance of operating a high-temperature, high-voltage revolution cell.
13 is a graph showing Gas Chromatography driving an atmospheric pressure high temperature electrolysis cell.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Terms or words used in the present specification and claims are not limited to interpretation in a conventional or dictionary meaning, and should be interpreted as meanings and concepts consistent with technical aspects of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 평관형 공전해 셀은 NiO 및 YSZ를 포함하는 평관형 지지체; 상기 평관형 지지체 표면에 형성된 캐소드 층; 상기 캐소드 층 표면에 형성된 고체전해질 층; 및 상기 고체전해질 층 표면에 형성된 애노드 층을 포함한다.A flat-tubular orbital cell according to an embodiment of the present invention comprises a flat tubular support comprising NiO and YSZ; A cathode layer formed on the flat tubular support surface; A solid electrolyte layer formed on the surface of the cathode layer; And an anode layer formed on the surface of the solid electrolyte layer.

공전해 셀은 캐소드에 이산화탄소와 스팀을, 애노드에 공기를 주입하고, 고온을 유지하면서 전기를 가해주면 전기 분해 반응에 의해 합성가스(Syngas)를 생산하는 장치로, 이산화탄소로부터 재사용 가능한 연료를 획득할 수 있는 신재생 에너지 생산 장치이다. 종래의 공전해 셀로 관형 및 평판형 셀이 있지만, 관형은 가혹한 작동 환경에 잘 견디지만 성능이 낮고, 평판형은 성능은 높지만 가혹한 작동 환경에 취약하다. 평관형 셀은 고성능, 대용량화 하기 위해 성능이 우수하고, 기계적 강도가 강해 스택 구성에 용이할 수 있다.An orbiting cell is a device that produces syngas by electrolysis reaction by injecting carbon dioxide and steam to the cathode, injecting air into the anode, and applying electricity while maintaining high temperature, to obtain reusable fuel from carbon dioxide. It is a new and renewable energy production device. Conventional orbital cells include tubular and flat cells, but the tubular is resistant to harsh operating environments but has low performance, and the flat type is high in performance but vulnerable to harsh operating environments. The flat-type cell has excellent performance for high performance and high capacity, and has strong mechanical strength, so it can be easily configured in a stack.

상기 평관형 지지체는 복수의 중공 유로를 포함하는 판형일 수 있다. The flat tubular support may be a plate shape including a plurality of hollow flow paths.

상기 평관형 지지체에 있어서, 상기 복수의 중공 유로는 실린더 형태이고, 소정의 방향으로 정렬된 것일 수 있다. In the flat tubular support, the plurality of hollow flow paths may have a cylindrical shape and be aligned in a predetermined direction.

상기 평관형 지지체에 있어서, 상기 실린더의 원형 단면의 직경이 0.1 내지 0.2 cm일 수 있다. 상기 단면의 직경이 0.1 cm 미만일 경우, 충분히 유로가 형성되지 않아 공전해 셀의 성능이 저하되고, 상기 단면의 직경이 0.2 cm 이상일 경우, 지지체의 형상을 유지하기 어려워진다. In the flat tubular support, the diameter of the circular cross section of the cylinder may be 0.1 to 0.2 cm. When the diameter of the cross-section is less than 0.1 cm, sufficient flow paths are not formed to degrade the performance of the cell, and when the diameter of the cross-section is 0.2 cm or more, it is difficult to maintain the shape of the support.

상기 평관형 지지체는 NiO, YSZ는 니켈(NiO)/이트리아 안정된 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia;YSZ)의 서멧(cermet)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The flat tubular support may be NiO, YSZ may be a cermet of nickel (NiO)/Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), but is not limited thereto.

상기 캐소드 층은 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 layer 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), the LST-based ceramic cathode (Sr 1 - x La x )(Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) may be used, but is not limited thereto.

특히 상기 캐소드 층은 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 사용하는 것이 바람직하다. LST계열 세라믹 캐소드인 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)는 레독스 저항성이 우수하여 연료에 고농도의 H2O가 함유되어 있을 경우에도 레독스 사이클링을 발생시키지 않아 전기전도도와 기계적 강도를 일정하게 유지할 수 있다.In particular, it is preferable to use (Sr 1 - x La x )(Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) as the cathode layer. The LST-based ceramic cathode (Sr 1 - x La x ) (Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) has excellent redox resistance and contains a high concentration of H 2 O in the fuel Even if the redox cycling does not occur, the electrical conductivity and mechanical strength can be kept constant.

상기 애노드 층은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, LSCF-GDC, YSZ/LSM과 LSM composite이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.The anode layer may use what is commonly known in the art to which the present invention pertains, and for example, LSCF-GDC, YSZ/LSM and LSM composite may be used, but is not limited thereto.

상기 고체전해질 층은 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), LSGM(Sr 및 Mg이 도핑된 란타늄 갈레이트), ScSZ(스칸디아 안정화 산화 지르코늄), GDC(가돌리니아 도핑 세리아), SDC(사마리아 도핑 세리아) 등을 포함할 수 있다. The solid electrolyte layer includes YSZ (yttria stabilized zirconia), LSGM (lanthanum gallate doped with Sr and Mg), ScSZ (scandia stabilized zirconium oxide), GDC (gadolinia doped ceria), SDC (samaria doped ceria), etc. It may include.

이하, 도 2 내지 도 6를 참조하여 본 발명의 평관형 공전해 셀의 제조방법을 설명하도록 한다.Hereinafter, a method of manufacturing a flat tube type electrolytic cell of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 6.

도 2은 본 발명의 단계 1의 혼합 과정을 나타낸 도면이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 단계 3의 혼합물을 혼련하는 과정과 상기 페이스트를 압출하는 과정을 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 단계 4의 압출된 공전해 셀용 지지체를 롤링 건조하는 과정을 나타낸 도면이다. 도 5 및 6 은 본 발명의 단계 5의 캐소드를 코팅한 후, 전해질 및 애노드를 코팅하는 과정을 나타낸 도면이다.Figure 2 is a view showing a mixing process of step 1 of the present invention, Figures 2 and 3 are views showing a process of kneading the mixture of step 3 of the present invention and extruding the paste, Figure 4 is the present invention It is a view showing a process of rolling and drying the support for the extruded orbital cell of step 4 of the step. 5 and 6 are views showing a process of coating the cathode of step 5 of the present invention, and then coating the electrolyte and the anode.

먼저, 본 발명의 First, the present invention 평관형Flat 공전해 셀에 사용되는 Orbital cell used 평관형Flat 지지체를 제조하기 위해 원료들을 혼합하는 단계로, NIO, YSZ 및 기공형성제를 혼합한 후, 볼밀링 한다(단계 1). As a step of mixing the raw materials to prepare a support, NIO, YSZ and a pore-forming agent are mixed, followed by ball milling (step 1).

NIO, YSZ는 니켈(NIO)/이트리아 안정된 지르코니아 (Yttria Stabilized Zirconia;YSZ)의 서멧(cermet)일 수 있으며, 상기 기공형성제는 상기 평관형 지지체를 다공성으로 형성하기 위한 것으로, 기공형성제로는 카본블랙, 활성탄 등이 사용될 수 있다.NIO, YSZ may be a cermet of nickel (NIO)/Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), and the pore-forming agent is for forming the flat tubular support porously, and as a pore-forming agent Carbon black, activated carbon, and the like can be used.

상기 NIO, YSZ와 활성탄 또는 카본 블랙의 혼합물을 볼 밀링하여 균일화 할 수 있으며, 균일성을 높이기 위해 용매로서 에탄올을 첨가하여 슬러리형태로 제조하여 볼 밀링 공정을 수행할 수 있다. The mixture of NIO, YSZ and activated carbon or carbon black can be homogenized by ball milling, and in order to increase uniformity, ethanol is added as a solvent to prepare a slurry to perform a ball milling process.

이 때, 기공형성제는 원료분말인 NIO, YSZ에 대하여 3 내지 10 중량부로 포함되는 것이 바람직하다.At this time, the pore-forming agent is preferably included in 3 to 10 parts by weight relative to the raw material powder NIO, YSZ.

다음으로, 단계 1에서 제조된 혼합물을 건조기(hot plate)에서 건조하고 스크리닝한다(단계 2).Next, the mixture prepared in step 1 is dried and screened in a hot plate (step 2).

건조는 80℃ 내지 100℃에서 12시간 내지 48시간동안 이루어 질 수 있다.Drying may be performed at 80°C to 100°C for 12 hours to 48 hours.

스크리닝은 체질을 통해 서로 다른 입자 크기를 가진 혼합물에서 균일한 입자 크기를 가지는 파우더를 선별하기 위한 공정으로, 80 내지 120메쉬의 체를 이용하는 것이 바람직하다.Screening is a process for sorting powders having a uniform particle size from a mixture having different particle sizes through sieving, and it is preferable to use a sieve of 80 to 120 mesh.

다음으로, 상기 단계 2에서 제조된 혼합 분말에 첨가제를 첨가하고 Next, an additive is added to the mixed powder prepared in step 2 above. 혼련하여Kneaded 페이스트를Paste 제조하고 평관형 몰드에 투입한 후 압출성형하여 평관형 공전해 셀용 지지체를 제조한다(단계 3). Manufactured, put into a flat tube mold, and then extruded to prepare a support for a flat tube type electrolytic cell (step 3).

상기 평관형 몰드는 복수의 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 실린더 형태이고, 소정의 방향으로 정렬된 것일 수 있다. The flat tube mold includes a plurality of protrusions, and the protrusions are in the form of cylinders, and may be aligned in a predetermined direction.

첨가제로는 바인더, 가소제 및 윤활제가 포함될 수 있다. 각 물질은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 예를 들면, 바인더로는 메틸 셀룰로오스(Methyl cellulose), 하이드록시프로필 메틸 셀룰로오스(Hydroxypropyl methyl cellulose) 등을 사용할 수 있고, 상기 가소제로는 프로필렌 카보네이트(propylenecarbonate), 폴리에틸렌글리콜(polyethyleneglycol), 디부틸 프탈레이트(dibutyl phthalate) 등을 사용할 수 있으며, 상기 윤활유로는 스테아르산(Stearic Acid)을 사용할 수 있다.Additives may include binders, plasticizers and lubricants. Each material may use what is commonly known in the art to which the present invention pertains. For example, methyl cellulose, hydroxypropyl methyl cellulose, etc. may be used as the binder, and the plasticizer may be used. As the furnace, propylene carbonate, polyethylene glycol, dibutyl phthalate, etc. may be used, and stearic acid may be used as the lubricant.

상기 바인더는 원료분말인 NIO, YSZ 혼합분말 100 중량부 기준으로 15 내지 20 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 바인더가 15 중량부 미만으로 첨가되는 경우 공전해 셀 지지체의 성형성이 떨어지고 기공 형성률이 저하될 수 있으며, 상기 바인더가 20 중량부를 초과하여 첨가될 경우 기공이 과도하게 형성되어 강도가 저하되고 소결 과정에서 크랙이 발생할 수 있다.The binder is preferably added in an amount of 15 to 20 parts by weight based on 100 parts by weight of the NIO, YSZ mixed powder, which is a raw material powder, and when the binder is added in less than 15 parts by weight, the moldability of the cell support is reduced and the pore formation rate is reduced. When the binder is added in excess of 20 parts by weight, the pores are excessively formed, and the strength is lowered and cracks may occur in the sintering process.

상기 가소제는 원료분말인 NIO, YSZ 혼합분말 100 중량부 기준으로 4 내지 8 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 가소제가 4 중량부 미만으로 첨가되는 경우 압출체의 변형 및 크랙이 발생할 수 있으며 상기 가소제가 8 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 압출체의 연성이 과도하게 증가하여 소결 후에 휘는 현상이 발생할 수 있다.The plasticizer is preferably added in 4 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of the NIO, YSZ mixed powder as the raw material powder. When the plasticizer is added in less than 4 parts by weight, deformation and cracking of the extruded body may occur, and the plasticizer When is added in excess of 8 parts by weight, the ductility of the extruded body is excessively increased, so that a warp phenomenon may occur after sintering.

상기 윤활제는 원료분말인 NIO, YSZ 혼합분말 100 중량부 기준으로 2 내지 6 중량부로 첨가되는 것이 바람직하며, 상기 윤활제가 2 중량부 미만으로 첨가되는 경우 압출체의 표면 벗겨짐 문제가 발생할 수 있으며, 상기 윤활제가 6 중량부를 초과하여 첨가되는 경우 압출체와 몰드간 접착력에 의해 표면에 줄무늬가 형성될 수 있다.The lubricant is preferably added in 2 to 6 parts by weight based on 100 parts by weight of the NIO, YSZ mixed powder as the raw material powder, and when the lubricant is added in less than 2 parts by weight, a surface peeling problem of the extruded body may occur. When the lubricant is added in excess of 6 parts by weight, stripes may be formed on the surface by adhesive force between the extruded body and the mold.

단계 3에서 제조된 Prepared in step 3 평관형Flat 지지체는 표면에 손상을 최소화하기 위하여 롤링 건조된 후, After the support is rolled and dried to minimize damage to the surface, 가소결하는Plastic 과정을 거친다(단계 4). Go through the process (step 4).

롤링 건조하는 과정은 도 4에 나타나 있고, 상기 가소결 하는 과정은 단계적 승온을 통해 이루어지는 것이 바람직하다.The process of rolling and drying is shown in FIG. 4, and the process of plasticizing is preferably performed through a stepwise temperature increase.

구체적으로, 상기 가소결 과정은 단계 3에서 제조된 평관형 지지체를 8시간 내지 12시간동안 승온한 후, 300℃ 내지 400℃에서 3시간 내지 7시간 동안 온도를 유지하고, 다시 3시간 내지 7시간동안 승온시켜 700℃ 내지 800℃에서 2시간 내지 4시간 동안 온도를 유지한다. 마지막으로 3시간 내지 7시간 동안 승온시켜 1000℃ 내지 1200℃에서 2시간 내지 4시간 동안 온도를 유지하는 과정을 포함할 수 있다.Specifically, the plastic sintering process, the temperature of the flat tubular support prepared in step 3 is raised for 8 hours to 12 hours, and then maintained at 300°C to 400°C for 3 hours to 7 hours, and again for 3 hours to 7 hours. The temperature is maintained for 2 hours to 4 hours at 700°C to 800°C. Finally, the temperature may be increased for 3 to 7 hours to maintain the temperature for 2 to 4 hours at 1000°C to 1200°C.

만약, 단계적 승온을 거치지 않고 바로 1000℃ 내지 1200℃로 승온시켜 가소결하게 된다면, 기공형성제가 급격하게 기공을 형성하기 때문에 기공에 의해 지지체에 크랙이 발생하게 되고, 크랙으로 인해 지지체의 내구성이 떨어지게 된다.If, instead of going through a stepwise temperature rise, it is immediately heated to 1000°C to 1200°C to perform plastic sintering, the pore forming agent rapidly forms pores, and thus cracks are generated in the support by pores, and the durability of the support is reduced due to cracks. do.

마지막으로, 단계 4에서 Finally, in step 4 가소결된Sintered 평관형Flat 공전해 셀용 지지체에 Orbital cell support 캐소드Cathode , 전해질, , Electrolyte, 애노드를Anode 코팅한다(단계 5). Coating (step 5).

공전해 셀에 사용될 수 있는 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 있다.Orbital to the cathode which can be used in the cell is a metal-ceramic composite of Ni-YSZ, a perovskite-based ceramic cathode LSCM ((La 0 .75, Sr 0 25) 0.95 Mn 0 5 Cr 0 5 O 3... ), LST series ceramic cathode (Sr 1 - x La x ) (Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) may be used.

특히, LST계열 세라믹 캐소드인 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 사용하는 것이 바람직한데, 이는 LST계열 세라믹 캐소드가 수소, CO 환원성 기체 흐름이 충족되지 않은 조건에서 사용되어도 산화하지 않아 상기 조건에서도 캐소드의 성질을 손상시키지 않기 때문이다.In particular, it is preferable to use (Sr 1 - x La x ) (Ti 1 - y M y )O 3 (M = V, Nb, Co, Mn), which is an LST-based ceramic cathode, where LST-based ceramic cathode is hydrogen. This is because, even when the CO reducing gas flow is used in an unsatisfied condition, it does not oxidize and thus does not impair the properties of the cathode.

즉, LST계열 세라믹 캐소드는 레독스 저항성이 우수하여 연료에 고농도의 H2O가 함유되어 있을 경우에도 레독스 사이클링을 발생시키지 않아 전기전도도와 기계적 강도가 일정하게 유지될 수 있다.That is, since the LST-based ceramic cathode has excellent redox resistance, even when a high concentration of H2O is contained in the fuel, redox cycling does not occur, so that electrical conductivity and mechanical strength can be kept constant.

한편, 캐소드가 전하가 홀을 통해 이동하는 P타입 전도 메커니즘을 가진다면 강한 환원 포텐셜을 유도하게 되고, 이 포텐셜은 전극을 분극시키는 저항을 야기한다. 즉, P타입 전도 메커니즘을 가진 캐소드는 캐소드의 화학적, 구조적 변화를 야기하기 때문에 손상되기 쉬워 수명이 짧은 문제가 있다. On the other hand, if the cathode has a P-type conduction mechanism in which charge moves through the hole, it induces a strong reduction potential, which causes resistance to polarize the electrode. That is, a cathode having a P-type conduction mechanism causes a chemical and structural change of the cathode, and thus has a short lifespan because it is easily damaged.

그러나 LST계열 세라믹 캐소드는 음전하 자유전자 캐리어가 전류를 유도하는 N타입 전도 메커니즘을 가져, P타입과 같은 전극 분극의 문제 없이 환원 조건일 경우 비교적 안정적 거동을 보이므로, 공전해 셀의 캐소드로 사용할 시 우수한 수명 및 전극 특성을 나타낼 수 있다.However, the LST-based ceramic cathode has an N-type conduction mechanism that induces a negatively charged free electron carrier to induce current, so it exhibits relatively stable behavior under reducing conditions without the problem of electrode polarization, such as P type. It can exhibit excellent life and electrode characteristics.

또한, 캐소드의 화학적, 전기화학적 반응의 효율을 향상시키기 위해 캐소드 표면의 활성을 향상시키는 공정을 더 포함할 수 있다. In addition, to improve the efficiency of the chemical and electrochemical reactions of the cathode, a process of improving the activity of the cathode surface may be further included.

지지체에 캐소드를 코팅하는 과정은 도 6에 도시되어 있듯이 담금코팅법(dip coating)에 의해 수행될 수 있으며, 코팅 후 80℃/h 내지 120℃/h의 승온 속도로 승온한 후 800℃ 내지 1200℃에서 2 내지 3시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있고, 열처리 후 200℃/h 내지 300℃/h의 속도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 그러나 코팅하는 방법이 이에 한정되는 것은 아니며 스크린 프린팅법 등 적용가능한 코팅방법은 어느 것이든 이용할 수 있다. The process of coating the cathode on the support may be performed by a dip coating method as shown in FIG. 6, and after coating, the temperature is raised at a heating rate of 80° C./h to 120° C./h, and then 800° C. to 1200 It may include the step of heat treatment for 2 to 3 hours at ℃, and may further include the step of cooling at a rate of 200 ℃ / h to 300 ℃ / h after heat treatment. However, the coating method is not limited to this, and any applicable coating method such as a screen printing method can be used.

전해질은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 이트리아 안정화 지르코니아 분말(YSZ 분말), Sr 및 Mg이 도핑된 란타늄 갈레이트 분말(LSGM 분말), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄 분말(ScSZ 분말), 가돌리니아 도핑 세리아 분말(GDC 분말), 사마리아 도핑 세리아 분말(SDC 분말) 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 진공슬러리코팅법(vacuum slurry coating)에 의해 코팅될 수 있다.As the electrolyte, those known in the art to which the present invention pertains can be used. For example, yttria stabilized zirconia powder (YSZ powder), Sr and Mg doped lanthanum gallate powder (LSGM powder), scandia stabilized zirconium oxide powder (ScSZ powder), gadolinia doped ceria powder (GDC powder), Samaria doped ceria powder (SDC powder) may be used, but is not limited thereto, and may be coated by a vacuum slurry coating method.

캐소드가 코팅된 지지체상에 진공슬러리코팅법에 의해 전해질을 코팅한 후 80℃/h 내지 120℃/h의 승온 속도로 승온하고 1200℃ 내지 1600℃에서 3시간 내지 7시간 동안 열처리하는 단계를 포함할 수 있으며, 열처리 후 200℃/h 내지 300℃/h의 속도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.After coating the electrolyte by a vacuum slurry coating method on a cathode-coated support, heating at a heating rate of 80°C/h to 120°C/h and heat-treating at 1200°C to 1600°C for 3 to 7 hours. After the heat treatment, it may further include a step of cooling at a rate of 200°C/h to 300°C/h.

전해질을 코팅하고 열처리한 후 담금코팅법에 의해 캐소드, 전해질이 코팅된 지지체에 애노드를 코팅할 수 있다. 애노드는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, LSCF-GDC가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 스크린 프린팅법에 의해서도 코팅될 수 있다.After coating and heat-treating the electrolyte, an anode may be coated on the cathode and the electrolyte-coated support by the immersion coating method. The anode may use what is commonly known in the art to which the present invention pertains, for example, LSCF-GDC may be used, but is not limited thereto. It can also be coated by screen printing.

애노드를 담금코팅 처리한 후, 80℃/h 내지 120℃/h의 속도로 승온하여 1000℃ 내지 1300℃에서 2시간 내지 4시간동안 열처리하는 단계를 포함하며, 열처리 후 200℃/h 내지 300℃/h의 속도로 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다.After the anode is immersed and coated, it is heated at a rate of 80°C/h to 120°C/h and heat-treated at 1000°C to 1300°C for 2 to 4 hours, and after heat treatment is 200°C/h to 300°C Cooling at a rate of /h may further include.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 평관형 공전해 셀은 이산화탄소와 스팀을 동시에 전기 분해하여 높은 효율로 합성가스 연료로 전환할 수 있으며, 내구성이 우수할 뿐만 아니라 고온, 가압운전에 용이하다.The flat tube type electrolysis cell manufactured by the above method can simultaneously convert carbon dioxide and steam to convert to syngas fuel with high efficiency, and is excellent in durability as well as easy in high temperature and pressurized operation.

<실시예 1> 평관형 공전해 셀 제작<Example 1> Production of flat tubular revolution cell

1) 지지체 제조1) Preparation of support

8YSZ(8 mol% yttria-stabilized zirconia)분말과 NiO(J. T. Baker Co., USA)분말을 부피비 NiO:8YSZ=40:60로 믹싱하여 혼합 분말을 만들고, 카본블랙을 혼합하고 볼 밀링하여 균일화 한 후, 건조하고 체질하여 균일한 혼합분말을 얻었다. 8YSZ (8 mol% yttria-stabilized zirconia) powder and NiO (JT Baker Co., USA) powder were mixed in a volume ratio of NiO:8YSZ=40:60 to make a mixed powder, mixed with carbon black, ball milled and homogenized. , Dried and sieved to obtain a uniform mixed powder.

제조된 NIO/YSZ 분말에 유기바인더, 증류수, 가소제, 윤활제 등의 첨가제를 첨가하고 혼련하여 페이스트화 한 후, 상기 페이스트를 평관형 몰드에 투입한 후 압출성형하고, 건조하여 평관형태의 지지체를 제조하였다. 상기 평관형 몰드의 돌출부의 원형 단면의 직경은 0.16 cm이고, 상기 평관형 몰드는 돌출부를 14개 포함한다.After adding an additive such as an organic binder, distilled water, a plasticizer, a lubricant to the produced NIO/YSZ powder, kneading and pasting, the paste is put into a flat tube mold, then extruded and dried to produce a flat tube support. Did. The diameter of the circular cross-section of the protrusion of the flat tube mold is 0.16 cm, and the flat tube mold includes 14 protrusions.

상기 지지체를 10시간 동안 승온하여 350℃에서 5시간 유지하였고, 다시 5시간 동안 승온하여 750℃에서 3시간 동안 유지한 후, 마지막으로 5시간 동안 승온하여 1100℃에서 3시간 유지하여 가소결하였다.The support was heated for 10 hours and maintained at 350°C for 5 hours, again heated for 5 hours and maintained at 750°C for 3 hours, and finally heated for 5 hours and held at 1100°C for 3 hours to sinter.

2) 캐소드 코팅2) Cathode coating

가소결된 지지체를 NI-YSZ로 스크린 프린팅하여 캐소드를 형성하고, 100℃/h로 승온하여 1000℃에서 3시간동안 유지한 후 250℃/h의 속도로 냉각하여 열처리하였다.The pre-sintered support was screen-printed with NI-YSZ to form a cathode, heated to 100° C./h, maintained at 1000° C. for 3 hours, and then cooled at a rate of 250° C./h to heat treatment.

3) 전해질 코팅3) Electrolytic coating

이를 Vacuum slurry coating법을 이용하여 전해질로 코팅하고, 100℃/h로 승온하여 1400℃에서 5시간동안 유지한 후 250℃/h의 속도로 냉각하여 열처리하였다.This was coated with an electrolyte using a vacuum slurry coating method, heated to 100° C./h, maintained at 1400° C. for 5 hours, and then cooled at a rate of 250° C./h to heat treatment.

4) 애노드 코팅4) Anode coating

상기 열처리 후 YSZ/LSM과 LSM composite으로 스크린 프린팅하여 애노드를 형성하고, 100℃/h로 승온하여 1150℃에서 3시간동안 유지한 후 250℃/h의 속도로 냉각하여 열처리하였다.After the heat treatment, an anode was formed by screen printing with YSZ/LSM and LSM composite, heated to 100° C./h, maintained at 1150° C. for 3 hours, and then cooled at a rate of 250° C./h to heat treatment.

상기와 같은 방법으로 제조된 평관형 공전해 셀을 도 7에 나타내었으며, 상기 평관형 공전해 셀의 반응 면적은 10 cm2로 제작되었다.The flat tubular orbital cell prepared in the above manner is illustrated in FIG. 7, and the reaction area of the flat tubular orbital cell was 10 cm 2 .

한편, 도 8은 상기 평관형 공전해 셀의 단면을 SEM으로 촬영한 사진으로, 도 8을 참고하면 상기와 같은 방법에 의해 제조된 캐소드층과 전해질층은 각각 12 um, 9 um, 애노드층은 25 um의 두께를 가지는 것을 확인할 수 있다.On the other hand, Figure 8 is a picture taken by SEM of the cross section of the flat-type orbital cell, referring to Figure 8, the cathode layer and the electrolyte layer prepared by the above method are 12 um, 9 um, respectively, the anode layer It can be seen that it has a thickness of 25 um.

<실험> 평관형 공전해 셀 실험 전 집전<Experiment> Current collection before the experiment of flat tubular cell

Inlet과 Outlet쪽에 Cell cap을 고정하여 sealing을 하여 완전히 밀봉 시킨다. Sealing 시 120℃ 까지 50분간 승온하여 1시간 유지 후, 750℃ 까지 6시간 승온후 3시간 유지후에 100℃/h 로 냉각시킨다. 그 후 Sealing 된 셀을 Ag, Pt wire를 사용하여 cathode, anode 두 면에 Ag paste 사용하여 양 끝단에 고정시킨다. The cell cap is fixed on the inlet and outlet sides to seal it completely. Upon sealing, the temperature is raised to 120°C for 50 minutes, maintained for 1 hour, then heated to 750°C for 6 hours, and then maintained for 3 hours, and then cooled to 100°C/h. After that, the sealed cell is fixed to both ends using Ag paste on both sides of the cathode and anode using Ag and Pt wire.

<실험예 1> 평관형 공전해 셀의 상압 공전해 실험<Experimental Example 1> Atmospheric pressure electrolysis experiment of a flat tube type electrolysis cell

Ag, Pt wire를 집전체로 사용하여 상기 실시예 1에서 제조된 평관형 공전해 셀을 집전시키고, 도 9와 같이 Water 펌프, DC 파워 서플라이, G.C로 구성된 상압형 공전해 평가 시스템을 이용하여 상압에서 공전해 실험을 수행하였다. 실험을 세팅 할 때, 기존 평판형에서 사용되었던 유로라인 필요없이 연료가 셀 내분의 관을 통해 흘러가게 된다. 공전해 시 수소, CO2, H2O를 넣어줄 때 가스의 온도가 올라감에 따라 부피가 팽창해 셀에 힘이 가해지지 않도록 전단에 Vaporizer를 배치해 가스 혼합 및 안정성을 높여준다. 이 후 400℃ 까지 3시간동안 승온 후 1시간 유지, 650℃까지 100℃/h로 승온 후 캐소드 및 애노드의 유량을 각각 H2 200ml/min, Air 300ml/min로 하여 15-18h동안 환원 시켜준다. 충분히 환원 시킨 후 800℃ 까지 100℃/h로 승온한다. 그 후에 캐소드 및 애노드의 유량을 공전해 유량으로 변경하여 각각 200ml/min 으로 넣어준다. 수전해와 비교를 위해 유량 비율을 H2O = 60 % 고정 후 CO2를 0 ~ 30 %까지 10% 씩 증가시키며 측정하였다. 이 때 측정한 성능 데이터가 도 10에 나타나 있다.Ag, Pt wire was used as a current collector to collect the flat tube type electrolytic cell prepared in Example 1, and a normal pressure using an atmospheric pressure type electrolytic evaluation system composed of a water pump, DC power supply, and GC as shown in FIG. 9. An orbital experiment was carried out at. When setting up the experiment, fuel flows through the tube in the cell interior without the need for a flow line that was used in the existing flat plate. When adding hydrogen, CO 2 , and H 2 O during idle, the volume of the gas increases as the temperature of the gas rises, and a vaporizer is placed in front of the cell to increase the gas mixing and stability. Thereafter, the temperature was raised to 400°C for 3 hours, and then maintained for 1 hour. After heating to 650°C at 100°C/h, the flow rates of the cathode and the anode were reduced to 200 ml/min for H 2 and 300 ml/min for air, respectively, and reduced for 15-18 h. . After sufficiently reducing, it is heated up to 100°C/h to 800°C. Thereafter, the flow rates of the cathode and the anode were changed to the flow rate by orbiting, and the flow rates were respectively 200 ml/min. For comparison with the water electrolysis, the flow rate ratio was measured by increasing H 2 O = 60% and increasing CO 2 from 0 to 30% in 10% increments. The performance data measured at this time is shown in FIG. 10.

실험 결과, 이산화탄소를 추가할수록 전체 반응의 과전압이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 수소와 이산화탄소를 연료에 첨가하여 반응시킴으로써 수소와 이산화탄소가 역수성 가스 변화 반응 (reverse water gas shift:RWGS)에 참여했기 때문인 것으로 판단된다.As a result of the experiment, it was confirmed that the overvoltage of the entire reaction decreased as carbon dioxide was added. This is thought to be because hydrogen and carbon dioxide were added to the fuel to react and hydrogen and carbon dioxide participated in a reverse water gas shift (RWGS).

<실험예 2> 평관형 공전해 셀의 IV Curve 실험<Experimental Example 2> IV Curve Experiment of Flat Tubular Electrolysis Cell

총 유량을 200ml/min로 고정 후 H2O : CO2 = 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 의 비율로 주입하여 각 전류 밀도에 따른 Voltage 변화를 측정해 보았다. 이 때 측정한 성능 데이터가 도 11에 나타나 있다. 실험결과, 주입 분율이 증가함에 따라 전기화학적 성능이 증가하였으나, 주입 분율 2,3의 경우 전기 화학적 성능 차이가 약 6.5 %로 크지 않음을 알 수 있다. 저전류 밀도에서는 스팀의 전기 분해로 인해 선형적으로 증가하다가 고 전류 밀도에서 스팀이 소비되고 상대적으로 활성화 포텐셜이 높은 CO2 조성이 주가 되면서 과전압의 증가 폭이 커지게 된다.After fixing the total flow rate at 200 ml/min, H 2 O: CO 2 = 1: 1, 2: 1, 3: 1 was injected to measure the voltage change according to each current density. The performance data measured at this time is shown in FIG. 11. As a result of the experiment, it was found that the electrochemical performance increased as the injection fraction increased, but in the case of the injection fraction 2,3, the difference in electrochemical performance was not large, about 6.5%. At low current densities, it increases linearly due to the electrolysis of steam, and at high current densities, steam is consumed, and the CO 2 composition having a relatively high activation potential becomes dominant.

<실험예 3> 평관형 공전해 셀의 Impedance 실험<Experimental Example 3> Impedance experiment of flat tube type electrolytic cell

총 유량을 200ml/min로 고정 후 H2O : CO2 = 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 의 분율로 주입하여 전류를 가하지 않은 OCV 상태에서 각각의 Impedance를 측정하였다. 이 때 측정한 성능 데이터가 도 12에 나타나 있다. 실험결과, 각각의 주입 분율에 따라 오믹저항은 집전에 관한 저항이기 때문에 큰 차이가 없었지만, 분극저항은 H2O/CO2 ratio가 1일 때 가장 높고 2,3 순으로 감소하는 것을 볼 수 있다. 주입 분율 1의 경우 상대적으로 확산속도가 낮고 분해에 필요한 포텐셜이 높은 CO2의 분압이 가장 높기 때문에 분극저항이 가장 높았다. 상대적으로 CO2의 분압이 낮은 주입 분율 2,3에서는 분극 저항이 현저히 감소하는 것을 볼 수 있었다. After fixing the total flow rate at 200 ml/min, each impedance was measured in the OCV state where no current was applied by injecting H 2 O: CO 2 = 1: 1, 2: 1, 3: 1 in a fraction. The measured performance data at this time is shown in FIG. 12. As a result of the experiment, there was no significant difference because the ohmic resistance was the current resistance according to each injection fraction, but the polarization resistance was highest when the H 2 O/CO 2 ratio was 1 and decreased in the order of 2,3. . In the case of the injection fraction 1, the polarization resistance was the highest because the partial pressure of CO2 having a relatively low diffusion rate and high potential for decomposition was the highest. It can be seen that the polarization resistance is significantly reduced at the injection fractions 2 and 3 having a relatively low partial pressure of CO 2 .

<실험예 4> 평관형 공전해 셀의 Gas Chromatography 실험<Experimental Example 4> Gas Chromatography experiment of flat tube type electrolytic cell

총 유량을 200ml/min로 고정 후 H2O : CO2 = 1 : 1, 2 : 1, 3 : 1 의 분율로 주입하여 전류 밀도가 0 인 OCV부터 시작해 일정 전류 밀도 마다 각각의 off-gas를 Gas Chromatography를 통해 분석을 하였다. (off-gas의 H2와 CO의 ratio 가 2에 가까울 때 합성 연료를 생산에 가장 이상적인 수치이다.) 이 때 측정한 성능 데이터가 도 13에 나타나 있다. 실험결과, 전류 밀도가 증가함에 따라 수소 대비 CO의 생산량의 기울기가 작은 것을 볼 수 있다. 또한 모든 전류 밀도에서 CO2 분압이 높은 주입분율 1이 CO의 생산량이 가장 많았다. 이는 연료극 내부에서 스팀으로부터 분해 된 H2가 CO2와 RWGS반응이 활성화 되며 CO 생산에 기여했기 때문에 H2의 생산량이 작아졌음을 알 수 있다. 주입분율 3에서는 상대적으로 스팀의 비율이 매우 높기 때문에 CO의 생산은 억제되고 H2의 생산량이 증가함을 볼 수 있다. 특히 -2800 mA/cm2 의 고 전류 밀도에서 주입분율 2에서 생산된 H2/CO의 ratio가 2.15로 가장 이상적인 수치에 가깝게 측정이 되었으며 고 전류 밀도에서 H2의 증가량이 감소하고 CO의 생산이 증가하였다. 주입 분율 1과 3은 off-gas의 ratio가 1.60, 3.64로써 합성연료 생산 과정에서 별도의 수소 재처리 공정이 추가로 필요하다. 이에 주입분율 2가 가장 적합한 주입 분율 인 것을 확인 할 수 있었다. After fixing the total flow rate at 200ml/min, inject H2O:CO2 = 1:1, 2:1, 3:1 into fractions starting from OCV with a current density of 0, and perform gas chromatography on each off-gas at a constant current density. Analysis. (When the ratio of H 2 and CO of off-gas is close to 2, it is the ideal value for producing synthetic fuel.) The measured performance data is shown in FIG. 13. As a result of the experiment, it can be seen that as the current density increases, the slope of CO production compared to hydrogen is small. Also, at all current densities, injection fraction 1 with high CO2 partial pressure had the highest CO production. It can be seen that H 2 decomposed from steam inside the anode activates the CO 2 and RWGS reactions and contributes to CO production, thus reducing the production of H 2 . In the injection fraction 3, since the proportion of steam is relatively high, CO production is suppressed and H2 production increases. In particular -2800 mA / cm 2 of the high became close to the ideal value measured at a current density in a 2.15 ratio of H 2 / CO 2 produced in the injection fraction and the increase of the H 2 reduction in the current density and the production of CO Increased. The injection fractions 1 and 3 have off-gas ratios of 1.60 and 3.64, and a separate hydrogen reprocessing process is additionally required during the synthesis fuel production process. Accordingly, it was confirmed that the injection fraction 2 was the most suitable injection fraction.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이고 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In the above, the technical idea for the present invention has been described together with the accompanying drawings, but this is a preferred embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that anyone who has ordinary knowledge in this technical field can make various modifications and imitation without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (19)

NIO 및 YSZ를 포함하는 평관형 지지체;
상기 평관형 지지체 표면에 형성된 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 포함하는 캐소드 층;
상기 캐소드 층 표면에 형성된 고체전해질 층; 및
상기 고체전해질 층 표면에 형성된 애노드 층;을 포함하는 평관형 공전해 셀.
A flat tubular support comprising NIO and YSZ;
(- x La x Sr 1) formed in the flat tubular support surface including a (Ti 1 y M y) O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) a cathode layer;
A solid electrolyte layer formed on the surface of the cathode layer; And
An anode layer formed on the surface of the solid electrolyte layer; comprising a flat tubular electrolytic cell.
제 1항에 있어서,
상기 평관형 지지체는 복수의 중공 유로를 포함하는 판형인 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 1,
The flat tubular support is a flat tubular orbiting cell, characterized in that it is a plate-like shape including a plurality of hollow flow paths.
제 2항에 있어서, 상기 평관형 지지체에 있어서,
상기 복수의 중공 유로는 실린더 형태이고, 소정의 방향으로 정렬된 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 2, In the flat tube support,
The plurality of hollow flow paths are in the form of cylinders, and a flat tubular orbiting cell, characterized in that arranged in a predetermined direction.
제 3항에 있어서, 상기 평관형 지지체에 있어서,
상기 복수의 중공 유로의 실린더의 원형 단면의 직경이 0.1 내지 0.2 cm인 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 3, In the flat tube support,
A flat tubular orbiting cell, characterized in that the diameter of the circular cross section of the cylinder of the plurality of hollow flow paths is 0.1 to 0.2 cm.
제 1항에 있어서,
상기 고체전해질 층은 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아), LSGM(Sr 및 Mg이 도핑된 란타늄 갈레이트), ScSZ(스칸디아 안정화 산화 지르코늄), GDC(가돌리니아 도핑 세리아) 및 SDC(사마리아 도핑 세리아)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 1,
The solid electrolyte layers are YSZ (yttria stabilized zirconia), LSGM (lanthanum gallate doped with Sr and Mg), ScSZ (scandia stabilized zirconium oxide), GDC (gadolinia doped ceria) and SDC (samaria doped ceria). A flat tubular orbital cell, comprising at least one material selected from the group consisting of.
제 1항에 있어서,
상기 애노드 층은 LSCF-GDC 또는 YSZ-LSM과 LSM 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 1,
The anode layer is a LSCF-GDC or YSZ-LSM and a flat tubular orbital cell, characterized in that it comprises an LSM complex.
제 1항에 있어서,
상기 캐소드 층에 사용되는 연료는 H2O, CO2 및 H2를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀.
According to claim 1,
The fuel used for the cathode layer is H 2 O, CO 2 and H 2 flat tubular electrolysis cell, characterized in that it comprises.
NIO, YSZ 및 기공형성제를 혼합한 후, 용매와 혼합하여 슬러리 형태로 제조하여 볼밀링 하는 단계(단계 1);
상기 슬러리를 건조한 후 분말화 하는 단계(단계 2);
상기 분말화 된 혼합물에 첨가제를 첨가하고 혼련하여 페이스트를 제조하고, 상기 페이스트를 평관형 몰드에 투입한 후 압출성형하여 공전해 셀용 지지체를 제조하는 단계(단계 3);
상기 압출된 공전해 셀용 지지체를 롤링 건조하는 단계(단계 4); 및
상기 롤링 건조된 공전해 셀용 지지체를 가소결한 후, 캐소드, 전해질 및 애노드를 코팅하는 단계(단계 5);를 포함하며,
상기 캐소드는 (Sr1 - xLax)(Ti1 - yMy)O3 (M = V, Nb, Co, Mn)를 포함하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
After mixing NIO, YSZ and pore former, mixing with a solvent to prepare a slurry to perform ball milling (Step 1);
Drying the slurry and then pulverizing it (step 2);
Adding an additive to the powdered mixture and kneading to prepare a paste, putting the paste into a flat tube mold, and then extruding to orbit to prepare a support for a cell (step 3);
Rolling and drying the support for the extruded orbital cell (step 4); And
Including the step of plasticizing the support for the rolled dry electrolytic cell, coating the cathode, electrolyte and anode (step 5); includes,
The cathode (Sr 1 - x La x ) (Ti 1 - y M y ) O 3 (M = V, Nb, Co, Mn) comprises a flat tubular electrolytic cell manufacturing method.
제 8항에 있어서,
상기 기공형성제는 활성탄 및 카본블랙으로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The pore forming agent is a flat tube type electrolytic cell manufacturing method, characterized in that at least one selected from the group consisting of activated carbon and carbon black.
제 8항에 있어서,
상기 첨가제는 바인더, 가소제 및 윤활제를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The additive is a flat tube type electrolytic cell manufacturing method comprising a binder, a plasticizer and a lubricant.
제 8항에 있어서,
상기 가소결은 300℃ 내지 400℃로 승온하고, 700℃ 내지 800℃로 승온한 후, 1000℃ 내지 1200℃로 승온하는 단계적 승온에 의해 이루어지는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The plastic sintering method of manufacturing a flat-type orbital cell made by a stepwise heating up to 300°C to 400°C, heating to 700°C to 800°C, and then heating to 1000°C to 1200°C.
제 8항에 있어서,
상기 캐소드 및 상기 애노드는 담금코팅법(dip coating) 또는 스크린 프린팅법에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The cathode and the anode is a flat tube type electrolytic cell manufacturing method characterized in that the coating by a dip coating (dip coating) or screen printing method.
제 12항에 있어서,
상기 캐소드를 코팅한 후 800℃ 내지 1200℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 12,
A method of manufacturing a flat tube type electrolytic cell, wherein the cathode is coated and then heat-treated at 800°C to 1200°C.
제 12항에 있어서,
상기 애노드를 코팅한 후 900℃ 내지 1400℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 12,
A method of manufacturing a flat tube type electrolytic cell, characterized in that, after coating the anode, heat treatment is performed at 900°C to 1400°C.
제 8항에 있어서,
상기 전해질은 진공슬러리코팅법(vacuum slurry coating)에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The electrolyte is a flat slurry type electrolytic cell manufacturing method characterized in that it is coated by a vacuum slurry coating method (vacuum slurry coating).
제 15항에 있어서,
상기 전해질을 코팅한 후 1200℃ 내지 1600℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 15,
A method of manufacturing a flat tube type electrolytic cell, characterized in that heat treatment is performed at 1200°C to 1600°C after coating the electrolyte.
제 8항에 있어서,
상기 캐소드에 사용되는 연료는 H2O, CO2 및 H2를 포함하는 것을 특징으로 하는 평관형 공전해 셀 제조방법.
The method of claim 8,
The fuel used in the cathode is H 2 O, CO 2 and H 2 method for manufacturing a flat-type revolution cell, characterized in that it comprises.
청구항 제 8항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 의해 제조된 평관형 공전해 셀.A flat tubular orbital cell produced by any one of claims 8 to 17. 청구항 제 18항의 평관형 공전해 셀을 포함하는 평관형 셀 기반 공전해 모듈.A flat cell based electrolysis module comprising the flat cell of claim 18.
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KR20220052659A (en) * 2020-10-21 2022-04-28 한국에너지기술연구원 Flat tubular co-electrolysis cells comprising porous air electrode
CN114914507A (en) * 2022-05-26 2022-08-16 西安交通大学 Conductive flat tube support type solid oxide fuel cell/electrolytic cell, preparation method thereof and cell stack structure

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