연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 단위 번들의 제조 및 성능

Abstract

한국에너지기술연구원에서는 중온 (<TEX>$700{\sim}800^{\circ}C$</TEX>) 작동용 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택을 구성하는 단위 번들을 개발했다. 연료극 지지체 평관형 셀은 Ni/YSZ 서밋 연료극 지지체 튜브, 8몰% <TEX>$Y_2O_3$</TEX> stabilized <TEX>$ZrO_2$</TEX> (YSZ) 전해질, <TEX>$LaSrMnO_3$</TEX> (LSM)과 LSM-YSZ composite 및 <TEX>$LaSrCoFeO_3(LSCF)$</TEX>로 구성된 다중층 공기극으로 구성됐다. 제조된 연료극지지체 평관형 셀은 유도 브레이징 법에 의해 페리틱 (ferritic) 금속 캡에 접합됐고, 공기극의 전류집전을 위해 공기극 외부에 Ag 선 및 <TEX>$La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCo)$</TEX> paste를 이용했으며, 연료극의 전류집전은 Ni felt, wire, 그리고 paste를 이용했다. 단위 번들을 만들기 위한 연료극 지지체 평관형 셀의 반응 면적은 셀 당 <TEX>$90\;cm^2$</TEX> 이었으며, 2개의 셀이 병렬로 연결되어 1개의 단위 번들이 됐고, 총 12개의 단위 번들이 직렬로 연결되어 스택을 구성한다. 공기 및 3%의 가습된 수소를 산화제 및 연료로 사용한 단위 번들의 운전 결과 최대 성능은 <TEX>$800^{\circ}C$</TEX>에서 <TEX>$0.39\;W/cm^2$</TEX>의 출력이 나타났다. 본 연구를 통해 연료극 지지체 평관형 SOFC 셀의 기본 기술과 KIER 만의 독특한 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택을 구성하는 단위 번들의 개념을 확립할 수 있었다. KIER has been developing the anode-supported flat tubular solid oxide fuel cell unit bundle for the intermediate temperature(<TEX>$700{\sim}800^{\circ}C$</TEX>) operation. Anode-supported flat tubular cells have Ni/YSZ cermet anode support, 8 moi.% <TEX>$Y_2O_3$</TEX> stabilized <TEX>$ZrO_2(YSZ)$</TEX> thin electrolyte, and cathode multi-layer composed of Sr-doped <TEX>$LaSrMnO_3(LSM)$</TEX>, LSM-YSZ composite, and <TEX>$LaSrCoFeO_3(LSCF)$</TEX>. The prepared anode-supported flat tubular cell was joined with ferritic stainless steel cap by induction brazing process. Current collection for the cathode was achieved by winding Ag wire and <TEX>$La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCo)$</TEX> paste, while current collection for the anode was achieved by using Ni wire and felt. For making stack, the prepared anode-supported flat tubular cells with effective electrode area of <TEX>$90\;cm^2$</TEX> connected in series with 12 unit bundles, in which unit bundle consists of two cells connected in parallel. The performance of unit bundle in 3% humidified <TEX>$H_2$</TEX> and air at <TEX>$800^{\circ}C$</TEX> shows maximum power density of <TEX>$0.39\;W/cm^2$</TEX> (@ 0.7V). Through these experiments, we obtained basic technology of the anode-supported flat tubular cell and established the proprietary concept of the anode-supported flat tubular cell unit bundle.