초록 ▼

고체산화물 연료전지 스택 모듈 제작기술 개발을 위한 당해연도(1차년도) 연구 기간 동안에 얻어진 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 고출력 밀도의 연료극 지지체 셀 제조기술과 스택 설계 및 제작기술을 확보하였으며, 셀 요소기술인 전해질 전극 코팅기술과 컴팩트한 스택 모듈 제조 기술을 개발하였다. 연구 결과를 각 요소 및 공정기술별로 요약하면 다음과 같다.
$\bullet$ 고성능 단전지 셀 제작 공정 확립
$\bullet$ 압출된 평관형 셀의 소결 용량 증가를 위한 공정 확립<

고체산화물 연료전지 스택 모듈 제작기술 개발을 위한 당해연도(1차년도) 연구 기간 동안에 얻어진 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 고출력 밀도의 연료극 지지체 셀 제조기술과 스택 설계 및 제작기술을 확보하였으며, 셀 요소기술인 전해질 전극 코팅기술과 컴팩트한 스택 모듈 제조 기술을 개발하였다. 연구 결과를 각 요소 및 공정기술별로 요약하면 다음과 같다.
$\bullet$ 고성능 단전지 셀 제작 공정 확립
$\bullet$ 압출된 평관형 셀의 소결 용량 증가를 위한 공정 확립
$\bullet$ 고효율의 연료극 및 공기극 집전 공정 확립
$\bullet$ 셀 및 평관형 금속 캡의 브레이징 공정 확립 및 환원공정 도입
$\bullet$ 스택의 연료 챔버 간결화 성공
$\bullet$ 스택을 구성하는 단위 번들(unit bundle) 및 500W급 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택 운전 성공
본 연구에서 개발한 기술과 스택 성능 평과 결과는 당해 연도 연구목표인 평관형 연료극 지지체 SOFC 스택 구조 개선과 단전지 핵심 소재 및 제조기술 개발의 성능 목표를 초과하여 달성하였다고 평가된다. 본 연구결과는 향후 2kW급 고체산화물 연료전지 제작 및 설계에 대한 원천기술로 사용할 것이며, 스택제조와 성능시험을 통하여 스택 운전 및 평가의 기본요소 기술로 활용할 것이다. 또한, 1차년도 연구결과를 토대로 2차년 도에는 1kW급 고체산화물 연료전지 개발 및 관련 핵심기술 개발을 지속적으로 추진하며, 평관형 셀의 성능 특성 분석 및 평가를 통한 성능 저감 원인을 분석하여 핵심 요소기술의 향상을 기하고자 한다. 이를 위해 2차년 도에는 고 신뢰성 1kW급 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택 모듈 개발 및 특성평가를 확립하며, 이를 위한 보조기술로서 고강도의 고출력 밀도 연료극 지지체 flat-tube 셀 제조 공정 개선 및 출력밀도 향상 기술을 개발하고자 한다. 또한, SOFC 셀-금속 캡 사이의 브레이징 공정 및 전극 간/스택 적층시 단위번들 사이의 전류 집전공정 최적화와 더불어, 코팅공정 안정화 및 계면 접촉저항 개선을 통한 연료극 지지체 평관형 스택의 장기 안정화 기술을 확보하고자 한다.

Abstract ▼

KIER has been developing the anode supported flat tubular SOFC stack for the intermediate temperature($700{\sim}800oC$) operation. For this purpose, we have first fabricated anode supported flat tubular cells by the optimization between the current collecting method and the induction braz

KIER has been developing the anode supported flat tubular SOFC stack for the intermediate temperature($700{\sim}800oC$) operation. For this purpose, we have first fabricated anode supported flat tubular cells by the optimization between the current collecting method and the induction brazing process. After that we designed the compact fuel & air manifold by adopting the simulation technique to uniformly supply fuel & air gas and the unique seal & insulation method to make the more compact stack. For making stack, the prepared anode-supported flat tubular cells with effective electrode area of 90 cm2 connected in series with 12 modules, in which one module consists of two cells connected in parallel. The performance of stack in 3 % humidified H2 and air at 800 oC shows maximum power of 507 W. Through these experiments, we obtained basic & advanced technology of the anode-supported flat tubular cell and established the proprietary concept of the anode-supported flat tubular SOFC stack in KIER.
Also, we have found that the increase of Ni concentration of nitrate resulted in homogeneous distribution of coarse NiO particles. The use of ethanol for the solvent of Ni nitrate shortened the drying time of composite slurry and the resultant powder had well-distributed nano NiO particle. Infiltration method before drying reduce the content of residual NiO, but rather homogeneous microstructure could be obtained. Long(45cm) and straight flat tube was successfully made with NiO-YSZ composite by improving the extrusion and sintering techniques. The result of computer simulation showed that the extruded body sot higher pressure around the center part.

목차 Contents

• I. 고체산화물 연료전지(SOFC) 요소 및 스택 모듈 기술 개발...27
• 제 1 장 서론...29
• 제 1 절 연구배경 및 목적...29
• 제 2 절 연구개발 목표 및 연구내용...32
• 제 3 절 고체산화물연료전지(SOFC) 중요 개발기관의 기술 현황 분석...34
• 제 2 장 고체산화물연료전지 기술 현황...41
• 제 1 절 고체산화물 연료전지 종류와 특징...41
• 1. 서론...41
• 2. 고체산화물 연료전지의 종류 및 특징...42
• 가. 단전지식 원통형 구조...42
• 나. 다전지식 원통형 구조...49
• 다. 일체형 구조...51
• 라. 평판형 구조...52
• 마. 평관형 구조...61
• 제 2 절 고체산화물 연료전지 구성요소 및 스택...63
• 1. 고체산화물 연료전지 재료와 요구 특성...63
• 가. 구성요소별 재료...63
• 나. 전극의 요구 특성...66
• 2. 집전 디자인...71
• 3. 가스 매니폴드 구조...74
• 4. 스택의 요구 특성 및 디자인...79
• 가. 스택 요구 특성...79
• 나. SOFC 스택의 디자인...82
• 제 3 절 고체산화물 연료전지 시스템...86
• 1. 고체산화물 연료전지의 발전시스템...86
• 가. 정지형 발전시스템...87
• 나. 가정용 발전시스템...88
• 다. 이동용 발전시스템...89
• 2. 고체산화물 연료전지의 전력 시스템...91
• 가. 상압의 단순 사이클 CHP 시스템...91
• 나. 상압 SOFC/GT 복합 순환발전 시스템...92
• 다. 가압 SOFC/FT 복합사이클...92
• 3. 고체산화물 연료전지의 실증시스템...94
• 가. EDB/ELSAM 100kW CHP 시스템...94
• 나. SCE 220kW PSOFC/초소형 터빈 발전기(MTG) 동력 시스템...95
• 다. 최근의 실증시스템...97
• 제 4 절 고체산화물 연료전지의 일반적 제조 공정...99
• 1. 지지체...100
• 2. 코팅 공정...102
• 제 5 절 세라믹 연료전지의 시장 및 투자동향...106
• 1. 세라믹 연료전지의 시장...106
• 2. 미국의 연구개발 및 투자동향...109
• 3. 일본의 연구개발 및 투자동향...120
• 4. 유럽연합의 연구개발 및 투자동향...128
• 가. 유럽연합의 연료전지 연구개발 정책...129
• 나. 유럽의 SOFC 국가 프로그램...131
• 다. 유럽의 SOFC 산업 프로그램...133
• 5. 국내...139
• 제 3 장 2kW 급 평관형(flat tube) 고체산화물 연료전지 개발...144
• 제 1 절 서론...144
• 제 2 절 평관형 연료극 지지체식 SOFC 단전지 제조 및 특성 평가...146
• 1. 고체산화물 연료전지 연료극 지지체 제조...146
• 2. 연료극 지지체의 건조, 가소결 및 기능성막 코팅...148
• 3. 전해질 코팅 및 코팅특성 분석...152
• 4. 공기극 코팅 및 코팅특성 분석...155
• 5. 평관형 단전지의 환원공정...158
• 6. 연료극/공기극의 집전...160
• 7. 세라믹 연료전지와 금속 캡 사이의 밀봉을 위한 브레이징 공정...162
• 8. 단전지 성능 테스트...164
• 제 3 절 500W급 평관형 연료극 지지체식 SOFC 스택 설계 및 제작...168
• 1. 연료극 지지체 평관형 SOFC 의 CFD 전산모사 결과...168
• 가. 서론...168
• 나. 모델의 묘사...169
• 다. 결과 및 토론...176
• 2. 평관형 SOFC 스택의 연료 및 공기 챔버 설계 제작...180
• 제 4 절 500W급 평관형 연료극 지지체식 SOFC 스택평가...183
• 2. 500W급 평관형 SOFC 스택 제조 및 성능평가...188
• 제 4 장 결론...194
• 참고문헌...196
• II. NT를 이용한 전극소재개발...201
• 제 1 장 서론...203
• 제 2 장 실험방법...204
• 제 1 절 NiO-YSZ 나노 복합분말 합성...204
• 제 2 절 평관형 음극지지체 제조...205
• 제 3 장 연구 결과 및 고찰...208
• 제 1 절 NiO-YBZ 나노 복합분말의 특성...208
• 1. 질산염 수용액으로부터 제조된 NiO-YSZ 복합분말의 특성...208
• 2. 에탄올 용액으로부터 제조된 NiO-YSZ 복합분말의 특성...211
• 3. NiO-YSZ 복합분말로부터 제조된 음극 소결체의 미세구조...214
• 제 2 절 평관형 음극지지체 제조 및 특성...221
• 1. 대면적 평관형 음극지지체의 제조 및 특성...221
• 2. 압출공정의 전사에 의한 분석...223
• 제 4 장 결론...226
• 부록...227