KR20200089512A - Solid oxide fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서는 고체산화물 연료 전지 시스템에 관한 것이다.This specification relates to a solid oxide fuel cell system.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 대체에너지의 하나로서 연료 전지는 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.Recently, as the depletion of existing energy resources such as oil and coal is predicted, interest in energy that can replace them is increasing. As one of these alternative energy, fuel cells are attracting particular attention due to their advantages such as high efficiency, no emission of pollutants such as NOx and SOx, and rich use of fuel.
연료 전지는 연료와 산화제의 화학 반응 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 연료로는 수소와 메탄올, 부탄 등과 같은 탄화수소가, 산화제로는 산소가 대표적으로 사용된다.A fuel cell is a power generation system that converts the chemical reaction energy of fuel and oxidant into electrical energy, and hydrogen, hydrocarbons such as methanol and butane, and oxygen are typically used as fuel.
연료 전지에는 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC), 직접메탄올형 연료 전지(DMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 알칼리형 연료 전지(AFC), 용융탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물형 연료 전지(SOFC) 등이 있다.The fuel cells include polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), direct methanol fuel cells (DMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), alkaline fuel cells (AFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuels. And SOFCs.
도 1은 고체산화물형 연료 전지의 전기 발생 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 고체산화물형 연료 전지는 전해질층(Electrolyte)과 이 전해질층의 양면에 형성되는 연료극(Anode) 및 공기극(Cathode)로 구성된다. 고체산화물형 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 공기극에서 공기가 전기화학적으로 환원되면서 산소 이온이 생성되고 생성된 산소이온은 전해질층을 통해 연료극으로 전달된다. 연료극에서는 수소, 메탄올, 부탄 등과 같은 연료가 주입되고 연료가 산소 이온과 결합하여 전기화학적으로 산화되면서 전자를 내어놓고 물을 생성한다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. FIG. 1 schematically shows the principle of electricity generation of a solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel cell is composed of an electrolyte layer and an anode and a cathode formed on both sides of the electrolyte layer. do. Referring to FIG. 1, which shows the principle of electricity generation of a solid oxide fuel cell, oxygen ions are generated while air is electrochemically reduced at the cathode, and the generated oxygen ions are transferred to the anode through the electrolyte layer. At the anode, fuel such as hydrogen, methanol, butane, etc. is injected, and the fuel is combined with oxygen ions to electrochemically oxidize, releasing electrons and generating water. The reaction causes electron movement to occur in the external circuit.
고체산화물형 연료 전지의 연료극의 주요 기능은 연료의 전기화학적 산화 반응이 일어나는 자리를 제공하는 것이다. 연료극 재료는 연료의 환원 분위기에서 안정하여야 하며 운전 온도에서 연료 가스의 반응을 위해 충분한 전자전도도와 촉매 반응성을 가져야 한다. 연료극의 산화는 성능 저하 외에도 연료 전지 자체의 파손의 위험성을 높일 수 있다.The main function of the anode of a solid oxide fuel cell is to provide a place for the electrochemical oxidation reaction of fuel. The anode material must be stable in the reducing atmosphere of the fuel and have sufficient electron conductivity and catalytic reactivity for the reaction of the fuel gas at the operating temperature. In addition to deterioration in performance, oxidation of the anode can increase the risk of damage to the fuel cell itself.
본 명세서는 고체산화물 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.This specification is intended to provide a solid oxide fuel cell system.
본 명세서는 연료극, 전해질층 및 공기극을 포함하는 단위셀(cell); 연료 투입부; 및 연료 배출부를 포함하는 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 투입부는 수소 흡장재를 포함하는 삽입배관을 포함하는 것인 고체산화물 연료 전지 시스템을 제공하고자 한다.The present specification is a unit cell including a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode; Fuel input; And a fuel cell system including a fuel discharge unit, wherein the fuel input unit includes an insertion pipe including a hydrogen storage material.
본 명세서에 따른 고체산화물 연료 전지 시스템은 부피가 작아 설치 공간의 이점이 있다.The solid oxide fuel cell system according to the present specification has a small volume and has an advantage of installation space.
본 명세서에 따른 고체산화물 연료 전지 시스템은 가스 봄베를 실내에 설치하지 않아 안전성을 높일 수 있다.The solid oxide fuel cell system according to the present specification can increase safety by not installing a gas cylinder indoors.
본 명세서에 따른 고체산화물 연료 전지 시스템은 특별한 구동이 필요 없기 때문에 비상시에 연료극을 효과적으로 보호할 수 있다.Since the solid oxide fuel cell system according to the present specification does not require special driving, it is possible to effectively protect the anode in an emergency.
도 1은 연료 전지의 전기 발생 원리 및 본 발명 연료전지의 일 실시상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 삽입 배관의 형태를 대략적으로 나타내는 도면이다.1 is a schematic view showing the principle of electricity generation of a fuel cell and an exemplary embodiment of the fuel cell of the present invention.
2 and 3 are views schematically showing the shape of the insertion pipe of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In the present specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless specifically stated otherwise.
본 명세서에서 "그린시트" 란 완전한 최종 제품이 아닌 다음 단계에서 가공을 할 수 있는 상태의 필름 형태의 막을 의미한다. 다시 말하면, 상기 그린시트는 무기물 입자 및 용매를 포함하는 코팅 조성물로 도포하여 시트형으로 건조시킨 것이며, 상기 그린시트는 약간의 용매를 포함하면서 시트형태를 유지할 수 있는 반건조 상태의 시트를 말한다.As used herein, "green sheet" refers to a film-type film that can be processed in the next step, not a complete final product. In other words, the green sheet is coated with a coating composition containing inorganic particles and a solvent and dried in a sheet form, and the green sheet refers to a sheet in a semi-dry state that can maintain a sheet form while containing a little solvent.
본 발명의 일 실시상태에 따르면, 연료극, 전해질층 및 공기극을 포함하는 단위셀(cell); 연료 투입부; 및 연료 배출부를 포함하는 고체산화물 연료 전지 시스템으로서, 상기 연료 투입부는 수소 흡장재를 포함하는 삽입배관을 포함하는 것인 고체산화물 연료 전지 시스템을 제공한다. 상기 수소 흡장재는 연료극의 환원 분위기를 유지할 수 있게 하여 연료극을 보호하며, 연료 투입부의 배관 자체가 이를 포함하고 있음으로서, 설치 공간을 절약하고, 실내에 가스 봄베를 필요로 하지 않아 안전성이 높다. 또한, 수소 흡장재 공급을 위한 별도의 장치가 필요 없으므로, 비상시에 연료극을 효과적으로 보호할 수 있다. 게다가, 연료 전지 시스템이 정상적으로 작동하는 동안 수소 흡장재가 수소를 저장하기 시작하므로 별도의 유지보수 작업을 필요로 하지 않아 경제적이다.According to an exemplary embodiment of the present invention, a unit cell including a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode; Fuel input; And a solid oxide fuel cell system including a fuel outlet, the fuel input provides a solid oxide fuel cell system comprising an insertion pipe including a hydrogen storage material. The hydrogen storage material protects the anode by maintaining the reducing atmosphere of the anode, and the piping itself of the fuel inlet includes this, thereby saving installation space and not requiring a gas cylinder in the room, thereby providing high safety. In addition, since there is no need for a separate device for supplying the hydrogen storage material, it is possible to effectively protect the anode in an emergency. In addition, since the hydrogen absorber starts to store hydrogen during normal operation of the fuel cell system, it is economical because no separate maintenance work is required.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 삽입배관은 내부가 상기 수소 흡장재로 코팅된 것일 수 있다. 내부 코팅 방법을 사용함으로써, 연료의 흐름에 방해 없이 환원 분위기를 유지할 수 있다. 도 2에 삽입배관의 내부를 수소 흡장재로 코팅한 것을 대략적으로 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이 삽입배관(2)의 관로를 수직으로 바라볼 때, 상대적으로 어두운 부분에 해당하는 부분이 수소 흡장재를 포함하는 내부 코팅(10)에 해당할 수 있다. 또한, 상기 내부 코팅 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하, 바람직하게는 10㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족시킬 경우, 환원 분위기 유지에 유리하다. 상기 내부 코팅은 배관 내부 코팅에 이용되는 공지의 방법이 이용될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the insertion pipe may be coated with the hydrogen absorber inside. By using an internal coating method, it is possible to maintain a reducing atmosphere without disturbing the flow of fuel. Fig. 2 schematically shows that the inside of the insertion pipe is coated with a hydrogen absorber. As shown in FIG. 2, when vertically looking at the pipeline of the
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수소 흡장재의 코팅 면적은 삽입 배관 내부 면적의 70% 이상 100% 이하, 바람직하게는 80% 이상 100% 이하인 것이 바람직하다. 상기 범위를 만족시킬 경우 더욱 효율적으로 환원 분위기를 유지할 수 있다. 본 명세서에서 삽입 배관의 내부 면적은 배관 내부의 표면적을 의미한다.In one embodiment of the present invention, the coating area of the hydrogen storage material is preferably 70% or more and 100% or less, and preferably 80% or more and 100% or less, of the interior area of the insertion pipe. If the above range is satisfied, a reducing atmosphere can be maintained more efficiently. In this specification, the internal area of the inserted pipe means a surface area inside the pipe.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 삽입배관은 내부에 수소 흡장재를 포함하는 다공성막이 삽입된 것일 수 있다. 상기 다공성막은 삽입배관의 내부 표면에 배치될 수 있다. 도 3에 삽입 배관의 내부에 수소 흡장재를 포함하는 다공성막이 삽입된 것을 대략적으로 나타내었다. 도 3에 나타낸 바와 같이 삽입배관(2)의 관로를 수직으로 바라볼 때, 상대적으로 어두운 부분에 해당하는 부분이 수소 흡장재를 포함하는 다공성막(11)에 해당할 수 있다. 추후, 삽입된 다공성막의 교체가 가능하므로, 삽입 배관의 유지 보수의 효율성을 높일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present invention, the insertion pipe may be a porous membrane including a hydrogen absorber inserted therein. The porous membrane may be disposed on the inner surface of the insertion pipe. FIG. 3 schematically shows that a porous membrane including a hydrogen absorber is inserted in the interior of the insertion pipe. As shown in FIG. 3, when vertically looking at the pipeline of the
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수소 흡장재를 포함하는 다공성막의 면적은 삽입배관의 직경 기준 면적의 20% 이상 40% 이하, 바람직하게는 20% 이상 30% 이하인 것이 바람직하다. 상기 다공성막의 면적은 도 3에 나타낸 바와 같이 삽입배관(2)의 관로를 수직으로 바라볼 때 보이는 수소 흡장재를 포함하는 다공성막(11)의 면적을 의미한다. 상기 범위를 만족시킬 경우 더욱 효율적으로 환원 분위기를 유지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the area of the porous membrane containing the hydrogen storage material is preferably 20% or more and 40% or less, preferably 20% or more and 30% or less of the diameter reference area of the insertion pipe. The area of the porous membrane refers to the area of the
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수소 흡장재를 포함하는 다공성막의 두께는 1㎜ 이상 15㎜ 이하, 바람직하게는 2㎜ 이상 10㎜ 이하인 것이 바람직하다. 상기 다공성막의 두께는 도 3의 경우처럼 삽입 배관의 직경을 수직으로 바라볼 때 보이는 다공성막을 기준으로 관로 방향으로의 다공성막의 최대 두께를 의미한다. 상기 범위를 만족시킬 경우 더욱 효율적으로 환원 분위기를 유지할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the porous membrane containing the hydrogen storage material is 1 mm or more and 15 mm or less, preferably 2 mm or more and 10 mm or less. The thickness of the porous membrane refers to the maximum thickness of the porous membrane in the direction of the pipeline based on the porous membrane seen when the diameter of the insertion pipe is vertically viewed as in the case of FIG. 3. If the above range is satisfied, a reducing atmosphere can be maintained more efficiently.
본 발명의 일 실시 상태에 있어서, 상기 고체산화물 연료 전지 시스템은 공기 투입부 및 공기 배출부를 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell system may further include an air inlet and an air outlet.
본 발명의 일 실시 상태에 있어서, 연료극, 전해질층 및 공기극을 포함하는 단위셀을 제공할 수 있다. In an exemplary embodiment of the present invention, a unit cell including a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode can be provided.
본 발명의 일 실시 상태에 있어서, 상기 연료극은 금속 및 산소 이온 전도성을 갖는 제1 무기물을 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the anode may include a metal and a first inorganic material having oxygen ion conductivity.
본 발명의 일 실시 상태에 있어서, 상기 연료극이 포함하는 금속으로는, 니켈, 구리, 백금, 은 및 팔라듐 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구체적으로, 상기 연료극은 니켈 또는 구리를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal contained in the anode may include at least one of nickel, copper, platinum, silver, and palladium, but is not limited thereto. Specifically, the anode may include nickel or copper.
본 발명의 또 다른 일 실시 상태에 있어서, 상기 연료극이 포함하는 산소 이온 전도성을 갖는 제1 무기물로는 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15),사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite: BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In another embodiment of the present invention, as the first inorganic material having oxygen ion conductivity included in the anode, yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2) ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4), gadolinium dope ceria(GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4), Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite (Lanthanum calcium nickel ferrite) ferrite: LCNF), Lanthanum strontium copper oxide (LSC) Gadolinium strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium ferrite (LSF), Samarium strontium cobalt oxide (Samarium cobalt strontium) oxide: SSC) and barium strontium cobalt ferrite (BSCF) and lanthanum strontium gallium magnesium oxide (LSGM), but are not limited thereto.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극의 두께는 10㎛ 이상 1000㎛ 이하 또는 100㎛ 이상 800㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the anode may be 10 μm or more and 1000 μm or less, or 100 μm or more and 800 μm or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극의 기공율은 10% 이상 50% 이하 또는 10% 이상 30% 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porosity of the anode may be 10% or more and 50% or less, or 10% or more and 30% or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극의 기공의 직경은 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하, 0.5 ㎛ 이상 5 ㎛ 이하, 또는 0.5 ㎛ 이상 2 ㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pore diameter of the anode may be 0.1 μm or more and 10 μm or less, 0.5 μm or more and 5 μm or less, or 0.5 μm or more and 2 μm or less.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료극의 제조방법은 특별히 한정하지 않고, 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 연료극 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 소결하거나, 연료극 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅 및 건조하여 연료극용 그린시트를 제조하고, 1 이상의 연료극용 그린시트 단독 또는 이웃한 층의 그린시트와 함께 소성되어 연료극을 제조할 수 있다. In one embodiment of the present specification, the method for manufacturing the anode is not particularly limited, and may be manufactured by a conventional method known in the art. For example, the anode slurry is coated and dried and sintered, or the anode slurry is coated and dried on a separate release sheet to prepare a green sheet for the anode, and one or more of the green sheets for the anode or a neighboring layer. It can be fired together to produce an anode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층은 산소이온 전도성을 갖는 제2 무기물을 포함할 수 있으며, 상기 제2 무기물의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 상기 제2 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ:(Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ:(Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC:(Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프 세리아(ceria)(GDC:(Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트 (Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the electrolyte layer may include a second inorganic material having oxygen ion conductivity, and the type of the second inorganic material is not particularly limited, but the second inorganic material is stabilized in yttria Zirconium oxide (zirconia)(YSZ:(Y 2 O 3 )x(ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), Scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ:(Sc 2 O 3 )x(ZrO 2 )1- x, x = 0.05 to 0.15), samarium dope ceria (SDC:(Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4), gadolinium dope ceria (GDC:( Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4), Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum Strontium Nickel Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite (LCNF), Lanthanum strontium copper oxide (LSC) gadolinium strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium Ferrite (Lanthanum strontium ferrite (LSF)), Samarium strontium cobalt oxide (SSC) and Barium Strontium cobalt ferrite (BSCF) and Lanthanum strontium gallium magnesium oxide (Lanthanum strontium gallium magnesium oxide) It may include at least one of.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층의 제2 무기물은 연료극의 제1 무기물과 동일할 수 있다.In one embodiment of the present specification, the second inorganic material of the electrolyte layer may be the same as the first inorganic material of the anode.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 전해질층의 두께는 3㎛ 이상 30㎛이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층의 두께는 3㎛ 이상 10㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present specification, the thickness of the electrolyte layer may be 3 μm or more and 30 μm or less. Specifically, the thickness of the electrolyte layer may be 3 μm or more and 10 μm or less.
상기 전해질층의 제조방법은 특별히 한정하지 않고 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 소결된 연료극 또는 연료극용 그린시트 상에 전해질층 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 경화하거나, 전해질층 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 전해질층 그린시트를 제조하고, 제조된 전해질층 그린시트를 소결된 연료극 또는 연료극용 그린시트 상에 라미네이트한 후 이를 경화하여 제조할 수 있다.The manufacturing method of the electrolyte layer is not particularly limited and can be produced by a conventional method known in the art. For example, the electrolyte layer slurry is coated on a sintered anode or a green sheet for an anode to dry and cure it, or the electrolyte layer slurry is coated and dried on a separate release paper to prepare an electrolyte layer green sheet, and the prepared electrolyte The layered green sheet may be prepared by laminating on a sintered anode or a green sheet for an anode and curing it.
본 명세서의 일 실시상태에 있어서, 상기 제1 무기물 또는 상기 제2 무기물은 650℃에서 0.01S/cm 이상의 산소 이온 전도도를 가질 수 있다. 상기 무기물의 산소이온 전도도는 높으면 높을수록 좋으므로, 상기 무기물의 산소이온 전도도의 상한치를 특별히 한정하지 않는다.In one embodiment of the present specification, the first inorganic material or the second inorganic material may have an oxygen ion conductivity of 0.01S/cm or more at 650°C. The higher the oxygen ion conductivity of the inorganic material, the better. The upper limit of the oxygen ion conductivity of the inorganic material is not particularly limited.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극은 고체산화물 연료 전지용 공기극에 적용될 수 있도록, 산소이온 전도성을 갖는 제3 무기물을 포함할 수 있으며, 상기 제3 무기물의 종류는 특별히 한정하지 않으나, 상기 제3 무기물은 이트리아(yttria) 안정화 산화 지르코늄(zirconia)(YSZ: (Y2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 스칸디아 안정화 산화 지르코늄(ScSZ: (Sc2O3)x(ZrO2)1-x, x = 0.05 ~ 0.15), 사마륨 도프 세리아(ceria)(SDC: (Sm2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 가돌리늄 도프세리아(ceria)(GDC: (Gd2O3)x(CeO2)1-x, x = 0.02 ~ 0.4), 란탄 스트론튬 망간 산화물(Lanthanum strontium manganese oxide: LSM), 란탄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite: LSCF), 란탄 스트론튬 니켈 페라이트(Lanthanum strontium nickel ferrite: LSNF), 란탄 칼슘 니켈 페라이트(Lanthanum calcium nickel ferrite: LCNF), 란탄 스트론튬 구리 산화물(Lanthanum strontium copper oxide: LSC) 가돌리늄 스트론튬 코발트 산화물(Gadolinium strontium cobalt oxide: GSC), 란탄 스트론튬 페라이트 (Lanthanum strontium ferrite: LSF), 사마리움 스트론튬 코발트 산화물 (Samarium strontium cobalt oxide: SSC) 및 바리움 스트론튬 코발트 페라이트(Barium Strontium cobalt ferrite : BSCF) 및 란탄 스트론튬 갈륨 마그네슘 산화물(Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the cathode may include a third inorganic material having oxygen ion conductivity so that it can be applied to an anode for a solid oxide fuel cell, and the type of the third inorganic material is not particularly limited. 3 Minerals are yttria stabilized zirconium oxide (YSZ: (Y 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 to 0.15), Scandia stabilized zirconium oxide (ScSZ: (Sc 2 O 3 ) x (ZrO 2 ) 1-x , x = 0.05 ~ 0.15), samarium dope ceria (SDC: (Sm 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 ~ 0.4), gadolinium Cercia (GDC: (Gd 2 O 3 ) x (CeO 2 ) 1-x , x = 0.02 to 0.4), Lanthanum strontium manganese oxide (LSM), Lanthanum strontium cobalt ferrite (Lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF), Lanthanum strontium nickel ferrite (LSNF), Lanthanum calcium nickel ferrite (LCNF), Lanthanum strontium copper oxide (LSC) gadolinium strontium cobalt oxide (Gadolinium) strontium cobalt oxide (GSC), Lanthanum strontium ferrite (LSF), Samarium strontium cobalt oxide (SSC) and Barium Strontium cobalt ferrite (BSCF) and Lanthanum magnesium strontium gallium strontium (Lanthanum strontium gallium magnesium oxide: LSGM).
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 공기극의 두께는 20㎛ 이상 50㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the thickness of the air electrode may be 10 μm or more and 100 μm or less. Specifically, the thickness of the air electrode may be 20 μm or more and 50 μm or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 기공율은 10% 이상 50% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 공기극의 기공율은 20% 이상 40% 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the porosity of the cathode may be 10% or more and 50% or less. Specifically, the porosity of the cathode may be 20% or more and 40% or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 기공의 직경은 0.1㎛ 이상 10㎛ 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 공기극의 기공의 직경은 0.5㎛ 이상 5㎛ 이하일 수 있다. 더 구체적으로, 상기 공기극의 직경은 0.5㎛ 이상 2㎛ 이하일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the pore diameter of the air electrode may be 0.1 μm or more and 10 μm or less. Specifically, the pore diameter of the air electrode may be 0.5 μm or more and 5 μm or less. More specifically, the diameter of the air electrode may be 0.5 μm or more and 2 μm or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공기극의 제조방법은 특별히 한정하지 않고 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 소결된 전해질층 상에 공기극 슬러리를 코팅하여 이를 건조 및 경화하거나, 공기극 슬러리를 별도의 이형지 상에 코팅하고 건조하여 공기극용 그린시트를 제조하고, 제조된 공기극용 그린시트를 소결된 전해질층 상에 라미네이트한 후 이를 경화하여 공기극을 제조할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method for manufacturing the cathode is not particularly limited and may be manufactured by a conventional method known in the art. For example, the cathode slurry is coated on the sintered electrolyte layer to dry and harden it, or the cathode slurry is coated and dried on a separate release paper to prepare a green sheet for an anode, and the prepared cathode sheet is sintered. After laminating on the electrolyte layer, it can be cured to produce an air electrode.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료 투입부 및 연료 배출부는 각각 독립적으로 잠금 밸브를 포함하는 배관으로 이루어질 수 있다. 상기 잠금 밸브는 통상적으로 가스 공급에 이용되는 것을 이용할 수 있으며, 이를 이용하여, 비상시에 연료 투입부 및 연료 배출부를 차단하고, 수소 흡장재를 통해 연료극의 수소 농도를 일정 수준으로 유지하게 하여, 연료 전지 시스템의 내구성을 높일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the fuel inlet and the fuel outlet may each consist of piping that includes a locking valve independently. The lock valve may be used for gas supply, and by using this, the fuel inlet and the fuel outlet are cut off in an emergency, and the hydrogen concentration of the anode is maintained at a certain level through a hydrogen storage material, thereby allowing the fuel to be used. The durability of the battery system can be increased.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료 투입부 및 연료 배출부의 배관의 직경은 각각 독립적으로 5㎜ 이상 100㎜ 이하, 바람직하게는 5㎜ 이상 50㎜ 이하일 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the diameters of the pipes of the fuel inlet and the fuel outlet are each independently 5 mm or more and 100 mm or less, preferably 5 mm or more and 50 mm or less.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 연료 투입부 및 연료 배출부의 배관의 재질은 스테인리스 강(stainless steel)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 고온에서 사용 가능한 금속이면 사용 가능하다. In one embodiment of the present invention, the material of the piping of the fuel inlet and the fuel outlet may be stainless steel. However, the present invention is not limited thereto, and any metal that can be used at high temperatures can be used.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수소 흡장재는 NaAlH4, LiAlH4, LiH, LaNi5H6 및 TiFeH2 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다. 상기 수소 흡장재는 수소의 충전 및 배출이 가능하므로 연료극의 수소 농도를 일정 수준으로 유지하게 하여, 연료 전지 시스템의 내구성을 높일 수 있다. 또한, 상기 수소 흡장재가 배관의 형태로 존재하기 때문에, 수소를 공급 및 충전을 위하여 별도의 공정을 도입할 필요가 없어서 경제적이다. In one embodiment of the present invention, the hydrogen storage material may include at least one of NaAlH 4 , LiAlH 4, LiH, LaNi 5 H 6 and TiFeH 2 . Since the hydrogen storage material is capable of charging and discharging hydrogen, it is possible to increase the durability of the fuel cell system by maintaining the hydrogen concentration of the anode at a certain level. In addition, since the hydrogen storage material is present in the form of a pipe, it is economical because there is no need to introduce a separate process for supplying and charging hydrogen.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 수소 흡장재를 포함하는 삽입 배관의 직경은 5㎜ 이상 100㎜ 이하, 바람직하게는 5㎜ 이상 50㎜ 이하일 수 있다. 상기 삽입배관의 직경은 내부 코팅을 고려하지 않은 경우를 의미한다. 즉, 도 2 및 3의 삽입배관(2)을 기준으로 한 직경을 의미한다. In an exemplary embodiment of the present invention, the diameter of the insertion pipe including the hydrogen storage material may be 5 mm or more and 100 mm or less, preferably 5 mm or more and 50 mm or less. The diameter of the insertion pipe means that the inner coating is not considered. That is, it means a diameter based on the
상기 삽입 배관은 수소 흡장재를 포함하는 것을 제외하고, 연료 투입부 및 연료 배출부의 배관과 동일한 재질을 사용할 수 있다.The insertion pipe may use the same material as the pipe of the fuel input portion and the fuel discharge portion, except that it includes a hydrogen storage material.
도 1은 고체산화물 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 것으로, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위셀은 전해질막(6)과 이 전해질막(6)의 양면에 형성되는 연료극(5) 및 공기극(7)로 구성된다. 연료 전지의 전기 발생 원리를 나타낸 도 1을 참조하면, 연료극(5)에서는 수소 또는 메탄올, 부탄과 같은 탄화수소 등의 연료가 연료 투입부(1)로 투입되고, 상기 연료의 산화 반응이 일어나 수소 이온(H+) 및 전자(e-)가 발생하고, 수소 이온은 전해질막(6)을 통해 공기극(7)으로 이동한다. 동시에, 공기 투입부(8)를 통해 산소와 같은 산화제가 투입되고, 공기극(7)에서는 전해질막(6)을 통해 전달된 수소 이온과, 상기 산화제 및 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이러한 반응에 의해 외부회로에 전자의 이동이 발생하게 된다. 산화 반응 이후의 연료는 연료 배출부(3)를 통해서 배출되고, 생성된 물은 공기 배출부(9)를 통해 배출된다. 이 때, 수소 흡장재를 포함하는 삽입 배관(2)을 통해, 연료극 내의 수소 농도가 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 전력 공급이 중단되는 것과 같은 비상시에는 잠금 밸브(4)에 의하여 연료 투입부(1) 및 연료 배출부(3)를 차단하고, 연료극을 고립시킬 수 있다. 이 때, 상기 삽입 배관의 수소 흡장재가 수소를 배출할 수 있으므로, 고립된 연료극 내의 수소 농도가 일정하게 유지될 수 있도록 할 수 있다. 상기 연료로는 기체 또는 액체 상태의 수소 또는 탄화수소 연료가 사용될 수 있다. 탄화수소 연료의 예로는 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올 또는 천연가스를 들 수 있다. 또한, 상기 삽입 배관(2)은 상술한 바와 같이, 다공성막의 형태 또는 내부 코팅으로 수소 흡장재를 포함할 수 있다. 1 schematically shows a solid oxide fuel cell system, and the most basic unit cells for generating electricity are the
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 고체산화물 연료 전지의 형태는 제한되지 않으며, 예를 들어, 코인형, 평판형, 원통형, 뿔형, 버튼형, 시트형 또는 적층형일 수 있다. In an exemplary embodiment of the present invention, the shape of the solid oxide fuel cell is not limited, and may be, for example, coin, flat, cylindrical, horn, button, sheet or stacked.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상술한 고체산화물 연료 전지 단위셀을 포함하는 전지 모듈(module)을 제공할 수 있다. 상기 전지 모듈은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 의하여 제조될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, a battery module including the above-described solid oxide fuel cell unit cell may be provided. The battery module may be manufactured by a conventional method known in the art.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지 모듈을 포함하는 고체산화물 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 단위 셀 대신 전지 모듈을 포함하는 것을 제외하고 상술한 고체산화물 연료 전지 시스템의 설명이 적용 가능하다.In one embodiment of the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell system including the battery module. The description of the solid oxide fuel cell system described above is applicable, except that it includes a battery module instead of a unit cell.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상술한 고체산화물 연료 전지 모듈을 포함하는 전지 스택(stack)을 제공할 수 있다. 상기 전지 스택은 당해 기술 분야에 알려져 있는 통상적인 방법에 의하여 제조될 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, a battery stack including the above-described solid oxide fuel cell module may be provided. The battery stack can be produced by conventional methods known in the art.
본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 전지 스택을 포함하는 고체산화물 연료 전지 시스템을 제공할 수 있다. 단위 셀 또는 전지 모듈 대신 전지 스택을 포함하는 것을 제외하고 상술한 고체산화물 연료 전지 시스템의 설명이 적용 가능하다.In one embodiment of the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell system including the cell stack. The description of the solid oxide fuel cell system described above is applicable except that it includes a cell stack instead of a unit cell or cell module.
1 : 연료 투입부
2 : 수소 흡장재를 포함하는 삽입 배관
3 : 연료 배출부
4 : 잠금 밸브
5 : 연료극
6 : 전해질 층
7 : 공기극
8 : 공기 투입부
9 : 공기 배출부
10 : 수소 흡장재를 포함하는 내부 코팅
11 : 수소 흡장재를 포함하는 다공성 막1: Fuel input
2: Insertion piping containing hydrogen storage material
3: Fuel outlet
4: Lock valve
5: anode
6: electrolyte layer
7: air cathode
8: Air inlet
9: Air outlet
10: inner coating containing a hydrogen storage material
11: Porous membrane containing hydrogen storage material
Claims (10)
상기 연료 투입부는 수소 흡장재를 포함하는 삽입배관을 포함하는 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.A unit cell including a fuel electrode, an electrolyte layer, and an air electrode; Fuel input; And a fuel cell system comprising a fuel outlet,
The fuel input portion is a solid oxide fuel cell system comprising an insertion pipe containing a hydrogen storage material.
상기 삽입배관은 내부가 상기 수소 흡장재로 코팅된 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The insertion pipe is a solid oxide fuel cell system that the inside is coated with the hydrogen storage material.
상기 수소 흡장재의 내부 코팅 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 2,
The internal coating thickness of the hydrogen storage material is 10㎛ 100㎛ or less solid oxide fuel cell system.
상기 삽입배관은 내부에 상기 수소 흡장재를 포함하는 다공성막이 삽입된 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The insertion pipe is a solid oxide fuel cell system in which a porous membrane containing the hydrogen storage material is inserted therein.
상기 연료극의 두께는 10㎛ 이상 1000㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The thickness of the anode is 10 µm or more and 1000 µm or less.
상기 전해질층의 두께는 3㎛ 이상 30㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The electrolyte layer has a thickness of 3 µm or more and 30 µm or less.
상기 공기극의 두께는 10㎛ 이상 100㎛ 이하인 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The thickness of the cathode is 10 µm or more and 100 µm or less.
상기 수소 흡장재는 NaAlH4, LiAlH4, LiH, LaNi5H6 및 TiFeH2 중 적어도 하나를 포함하는 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The hydrogen storage material is a solid oxide fuel cell system comprising at least one of NaAlH 4 , LiAlH 4, LiH, LaNi 5 H 6 and TiFeH 2 .
상기 수소 흡장재를 포함하는 삽입 배관의 직경은 5㎜ 이상 100㎜ 이하인 것인 고체산화물 연료 전지 시스템.According to claim 1,
The diameter of the insertion pipe containing the hydrogen storage material is a solid oxide fuel cell system that is 5 mm or more and 100 mm or less.
상기 연료 투입부 및 연료 배출부는 각각 독립적으로 잠금 밸브를 포함하는 배관으로 이루어진 것인 고체산화물 연료 전지 시스템. According to claim 1,
The fuel inlet and the fuel outlet are solid oxide fuel cell systems, each of which consists of a pipe including a locking valve.
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- 2019-01-17 KR KR1020190006344A patent/KR102642174B1/en active IP Right Grant
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