SOFC용 결정화계 밀봉재 특성평가 및 단전지 실증평가

이인성(Lee, InSung),김영우(Kim, YeongWoo),박영민(Park, YoungMin),배홍열(Bae, HongYoul),안진수(Ahn, JinSoo),김인태(Kim, InTae) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

SOFC는 사용되는 셀의 디자인에 따라 튜브형, 평판형으로 구분되어진다. 평판형의 경우에는 전해질 지지형(ESC), Anode 지지형(ASC) 및 금속 지지형(MSC)로 크게 나눌 수 있다. SOFC 스택은 이와 같은 셀과 밀봉재, 집전체, 분리판의 구성요소를 여러 장으로 적층하여 이루어진다. SOFC 발전시스템은 SOFC 스택과 EBOP, MBOP로 구성되는데, SOFC 발전시스템의 상용화를 위해 선행되어야 할 것은 스택의 안정적 출력 및 신뢰성 확보이다. 즉, 셀, 밀봉재, 분리판 및 집전체로 대변되는 구성요소들이 스택에 장착되었을 때 그 기능을 최대한 발휘하면서도 점진적 또는 급격한 품질저하가 발생되지 말아야 한다. 특히, 밀봉재의 경우 SOFC에 사용되는 연료와 공기의 혼합(Cross-over)을 방지하는 중요한 기능을 담당하고 있으며 여러 장 적층된 분리판의 전기적 단락을 방지해야 한다. 또한 SOFC의 특성상 700?C 이상의 고온에서 다른 구성요소와 화학적 반응이 없어야하고 열싸이클(Thermal cycle)을 견딜 수 있도록 충분한 기계적 강도가 보장되어야 하는 등 요구되는 품질기준이 엄격하다. SOFC의 밀봉재는 접합형(Brazing), 압착형(Compressive), 용융-고정형(Glass-ceramic)이 대표적으로 적용되고 있다. 이 중에서 Brazing 물질과 방법은 현재 활발히 연구가 수행 중에 있지만 범용적으로 사용되고 있지는 않은 상태이고 Compressive 밀봉재와 Glass-ceramic 밀봉재가 대면적 SOFC 스택에 사용되어 적용 가능성을 평가받고 있다. 본 연구에서는 SOFC 구성요소의 국산화를 추진하는 지경부과제의 결과물 중 (주)써모텍에서 개발한 Glass-ceramic 밀봉재(RC1) 단품에 대한 특성평가와 실제 단전지 평가를 통해 SOFC 스택 적용 가능성을 평가하였다. 밀봉재 단품에 대한 특성평가는 용융특성, 상분석, 열팽창계수 등의 물리적, 화학적 평가 외에 가스 누설 정도를 평가하는 기밀도 평가와 SOFC의 작동 온도인 700?C와 상온 분위기를 주기적으로 인가하는 Thermal cycle 특성을 평가하였다. 셀을 한 장 사용하는 단전지(Unit cell) 평가는 RIST에서 자체 제작한 100{times}100mm² 평판형 ASC 셀을 사용하여 수행하였으며, 밀봉재는 Dispensing 공정을 통해 구성되었다.

Exergetic and exergoeconomic evaluation of an SOFC-Engine hybrid power generation system

Lee, Young Duk,Ahn, Kook Young,Morosuk, Tatiana,Tsatsaronis, George Elsevier 2018 ENERGY Vol.145 No.-

<P><B>Abstract</B></P> <P>An SOFC-Engine hybrid power generation system is evaluated using exergetic and exergoeconomic analysis methods to determine measures for improving its efficiency and cost effectiveness. The system is a combination of a solid oxide fuel cell (SOFC) and an internal combustion engine; the engine burns the anode offgas and produces additional power, thus improving the electrical efficiency of the overall system.</P> <P>The exergetic analysis, on the SOFC-Engine hybrid system, identifies the location, magnitude, and sources of thermodynamic inefficiencies (exergy destructions and exergy losses) in the system; the largest exergy destruction takes place within the internal combustion engine, followed by the heat exchangers, and the SOFC stack. Through the exergoeconomic analysis, the cost structure of the SOFC-Engine hybrid system is revealed, and the exergoeconomic factor of each component is quantified. The highest exergoeconomic factor of 93% is observed in the SOFC stack, implying that reducing the equipment cost of SOFC is of high importance to reduce the final product of the overall system. On the other hand, the fuel/water preheater shows the lowest exergoeconomic factor of 7%, meaning that improving its thermodynamic efficiency is more important for that component. Concerning the internal combustion engine, a well-balanced exergoeconomic factor of 52% is calculated.</P> <P><B>Highlights</B></P> <P> <UL> <LI> An SOFC-Engine hybrid system is analyzed using exergetic and exergoeconomic analyses. </LI> <LI> The SOFC-Engine hybrid shows the highest efficiency among all analyzed systems. </LI> <LI> The largest exergy destruction takes place on the internal combustion engine. </LI> <LI> Through the exergoeconomic analysis, measures for the cost reduction are suggested. </LI> </UL> </P>

금속지지체형 고체산화물연료전지와 연료극지지체형 고체산화물연료전지의 물질전달 특성분석

박준근(Joonguen Park),김선영(Sunyoung Kim),배중면(Joongmyeon Bae) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.3

고체산화물연료전지의 상용화를 위해서 금속지지체형 고체산화물연료전지가 개발되었다. 이 연료전지는 기계적강도를 향상시킨 새로운 개념의 연료전지지만 접합층으로 인해 물질전달률이 감소한다. 본 논문에서는 전산해석을 이용하여 연료극지지체형 고체산화물연료전지와 금속지지체형 고체산화물연료전지의 물질전달율을 비교하고자 한다. 지배방정식, 전기화학반응, 세라믹 물성치 모델이 동시에 해석된다. 그리고 다공성 매질 내부의 물질전달 해석을 위해서 분자확산과 누센확산이 함께 고려된다. 전산해석의 검증을 위해서 실험결과와 해석결괴를 비교한다. 금속지지체형 고체산화물 연료전지의 평균 전류밀도가 연료극지지체형 고체산화물연료전지에 비해 약 23% 감소한다. 그러나 접합층으로 인해 금속지지체형 고체산화물연료전지가 더 균일한 전류밀도 분포를 가진다. Metal-supported solid oxide fuel cells (SOFCs) have been developed to commercialize SOFCs. This new type of SOFC has high mechanical strength, but its mass transfer rate may be low due to the presence of a contact layer. In this study, the mass transfer characteristics of an anode-supported SOFC and a metal-supported SOFC are studied by performing numerical simulation. Governing equations, electrochemical reactions, and ceramic physical-property models are determined simultaneously; molecular diffusion and Knudsen diffusion are considered in mass transport analysis of porous media. The experimental results are compared with simulation data to validate the results of numerical simulation. The average current density of the metal-supported SOFC is 23% lower than that of the anode-supported SOFC. However, because of the presence of the contact layer, the metal-supported SOFC has a more uniform distribution than the anode-supported SOFC.

미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향

한창환(Han, Chang-hwan),김근배(Kim, Keun-Bae) 한국항공우주연구원 2016 항공우주산업기술동향 Vol.14 No.1

연료전지는 연료를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시켜 주는 에너지변환장치이다. 내연기관과 같은 연소과정이 없어 공해물질(NOx, SOx 등)을 배출하지 않고, 소음과 진동이 적어 친환경적이다. SOFC는 이러한 연료전지 중의 하나이며, 연료 선택이 자유롭고, 전해질의 선택폭이 넓으며, 효율이 높은 장점을 지니고 있다. 그러나 고온(700℃~1,000℃)에서 작동되기 때문에 시동시간, 재료의 기계 화학적 적합성 등 해결해야 할 문제들을 가지고 있다. 본 연구에서는 현존 연료전지 중에서 효율이 가장 높은 고체산화물 연료전지(SOFC)의 작동온도 저감 및 성능향상에 관한 연구동향을 제시하였다. A fuel cell is an energy conversion device that converts a chemical energy into an electrical energy through an electrochemical reaction of a fuel with an oxidizing agent. Also the fuel cells are called the technology of future energy and are environmentally‐friendly due to the no combustion process of an internal combustion engine emitting environmental pollution materials such as NOx and SOx, and lower noise and vibration. SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) is a class of fuel cells and the SOFC has advantages such as fuel flexibility, wide electrolyte choice, high efficiency as compared to other fuel cells. But it has key technical issues due to its high operating temperature (about 700~1,000℃ range) which results in long start‐up time and mechanical/chemical compatibility of materials etc. In this study, the research trends of lowering the operating temperature and performance improvement for the highest efficiency SOFC are presented.

대면적 SOFC 단전지 개발 현황

조승환(Jo, Seung Hwan),박상현(Park, Sang-Hyun),이상철(Lee, Sang-Cheol),정기석(Chung, Ki Suk),황정태(Hwang, Jung-Tae) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

SOFC 발전 시스템은 친환경 고효율 에너지 발전 미래 에너지기술로서 개발의 초점이 되고 있다. SOFC는 연료전지 발전 기술 중 최고효율과 최장 수명을 가지며 유일하게 기존 발전기술과 가격 경쟁이 가능한 것으로 알려지고 있다. 현재 분산 발전용으로 개발이 진행되고 있으며 향후 중앙발전, 휴대용, 가정용 및 수송용 등으로 그 시장이 확대될 것으로 예상된다. 분산 발전 SOFC 개발을 위해서는 시스템 Scale-up이 기술 확보가 관건이며 특히 스택 제조 비용의 2/3 이상을 차지하는 대면적 단전지 제조 공정 기술 개발이 필요하다. 단전지 대면적화는 원가 절감 및 성능 개선을 기대할 수 있게 하므로 분산 발전 SOFC 상용화를 위한 핵심 기술이라 할 수 있다. 그러나 기존의 국내 SOFC 연구는 시스템이나 소형 단전지 위주로 진행되어 왔으며 대면적 단전지 제조를 위한 핵심 공정 기술에 대한 연구는 취약한 상황이다. 또한 랩스케일의 소규모 연구를 뛰어넘는 양산 기술 개발에 대한 연구는 전무한 실정이다. 또한 재료 및 공정 적합성을 요구하는 대면적 SOFC 단전지의 양산 기술 개발을 위해서는 원료 분말 및 기초소재의 국산화를 통한 제조 공정 윈도우를 확대하여 제조 수율을 향상하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 그동안 포스코파워(주)에서 대면적 SOFC 단전지 양산 기술 개발을 위해 추진 중인 400cm²급 대면적 SOFC 단전지의 제조 및 성능에 대한 연구 결과를 발표하고자 한다. 또한 대형 단전지 제조 공정의 재현성, 상용화 수준의 성능, 내구성 및 경제성 확보를 위한 공정 개선을 위한 포스코파워(주)의 연구 현황 및 양산 기술 확보를 위한 제조 윈도우 확보 전략에 대해 발표하고자 한다.

SOFC와 HCCI 엔진을 연계한 고효율 하이브리드 발전시스템의 효율 및 경제성 평가

이영덕(Young Duk Lee),박성호(Sung Ho Park),강상규(Sanggyu Kang),안국영(Kook Young Ahn) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Performance analysis and economic assessment on SOFC-based hybrid power generation systems have been carried out and comparisons have been made with conventional SOFC system. Suggested SOFC hybrid system is a combination of a SOFC and a HCCI type internal combustion engine; through such a combination, significant efficiency improvement and cost reduction have been achieved. To model the every single component and to simulate the overall system, Aspen Plus software was used. To improve the accuracy of simulation results, rigorous model of the core components were developed and embedded into the Aspen Plus using Fortran subroutines. For the economic assessment, LCOE (levelized cost of electricity) were calculated using TRR (total revenue requirement) method under appropriate economic assumptions. As a performance calculation result, the SOFC - HCCI engine hybrid system showed the highest efficiency, 59.5%; which is 7.8% and 0.9% higher efficiency than those of the SOFC simple system and the SOFC-GT hybrid system, respectively. As an economic calculation result, SOFC - HCCI engine hybrid system exhibited the lowest LCOE $0.23/kWh; 12.4% and 7.6% of cost reduction were obtained compared with the other two cases.

Modeling for the Performance Analysis of a Tubular SOFC/MGT Hybrid Power System

T. W. Song(송태원),J. L. Sohn(손정락),J. H. Kim(김재환),T. S. Kim(김동섭),S. T. Ro(노승탁),K. Suzuki 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.4

Performance of a solid oxide fuel cell (SOFC) can be enhanced by converting thermal energy of its high temperature exhaust gas to mechanical power using a micro gas turbine (MGT). A MGT plays also an important role to pressurize and warm up inlet gas streams of the SOFC. In this study, the influence of performance characteristics of the tubular SOFC on the hybrid power system is discussed. For this purpose, detailed heat and mass transfer with reforming and electrochemical reactions in the SOFC are mathematically modeled, and their results are reflected to the performance analysis. The analysis target is 220kWe SOFC/MGT hybrid system based on the tubular SOFC developed by Siemens-Westinghouse. Special attention is paid to the ohmic losses in the tubular SOFC counting not only current flow in radial direction, but also current flow in circumferential direction through the anode and cathode.

Fabrication and Characterization of Composite Sealants for Low Temperature (600~650oC) SOFCs

임현엽,김형철,최선희,김혜령,손지원,이해원,이종호 한국세라믹학회 2008 한국세라믹학회지 Vol.45 No.12

A proper sealant for low temperature SOFCs should show zero or low leak rates to avoid direct mixing of the fuel and oxidant gases or leakage of fuel gas during the operation of SOFCs. Furthermore, it should be chemically and/or mechanically stable in both oxidizing and reducing environments and chemically compatible with other fuel cell components. In the present work, we developed a novel compressed seal gasket of glass-based composite reinforced with ceramic particulate particles, which can efficiently control the viscous flow of glass matrix as well as the crystallization of glass phase. This novel sealing gasket showed excellent gas tightness under very low compressive load which would be suitable for the operation of SOFCs in the temperature range 600~650oC. A proper sealant for low temperature SOFCs should show zero or low leak rates to avoid direct mixing of the fuel and oxidant gases or leakage of fuel gas during the operation of SOFCs. Furthermore, it should be chemically and/or mechanically stable in both oxidizing and reducing environments and chemically compatible with other fuel cell components. In the present work, we developed a novel compressed seal gasket of glass-based composite reinforced with ceramic particulate particles, which can efficiently control the viscous flow of glass matrix as well as the crystallization of glass phase. This novel sealing gasket showed excellent gas tightness under very low compressive load which would be suitable for the operation of SOFCs in the temperature range 600~650oC.

SOFC 모듈평가장치 기술개발

최영재(Choi, YoungJae),이인성(Lee, InSung),전중환(Jun, JoongHwan) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 스택과 기계적 주변 장치인 MBOP(Mechanical Balance of Plant), 그리고 전기적 주변장치인 EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성되어있다. SOFC는 일반적으로 700?C 이상의 고온에서 작동되기 때문에 효율적인 열 이용 및 열 관리가 중요하다. SOFC 시스템의 MBOP에는 상온의 연료가스들을 고온으로 가열하여 스택에 유입 시기키 위한 열교환기 및 촉매연소기 등의 장치들이 필요하며, 효율적인 열관리를 위해서는 고온에서 작동하는 장치들을 한곳에 통합하여 구성하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 SOFC 시스템의 MBOP(Mechanical Balance of Pant) 중 고온부에 해당하는 촉매연소기, 열교환기 및 스택이 통합된 스택 모듈을 제작에 앞서 개념 검증을 위해 열교환기 및 촉매연소기로 이루어진 프로토타입(prototype)의 SOFC 모듈평가 장치를 제작하였다. 열교환기는 Plate형으로 총 6개로 구성되어 있으며, 연료극과 공기극 가스라인에 각각 3개씩 배치하여 스택에 유입되는 연료 및 공기가 촉매연소기에서 나오는 고온의 배가스와 열교환되어 가열되도록 구성하였다. 촉매연소기는 honeycomb 타입의 촉매를 사용하였고, 촉매연소기로 유입되는 연료극 배가스와 공기의 균일혼합과 hot spot을 방지하기 위한 장치를 삽입하여 제작하였다. 제작된 SOFC 모듈평가장치는 시운전을 통해 각 장치의 성능 확인 후 반응면적이 20{times}20cm² 인 단전지를 적층하여 연계 운전을 수행하였다.

가스터빈/연료전지 하이브리드 시스템용 5kW급 SOFC 발전시스템의 개발

임탁형(Lim, Tak-Hyoung),송락현(Song, Rak-Hyun),백동현(Peck, Dong-Hyun),신동열(Shin, Dong-Ryul),양정일(Yang, Jung-Il),정헌(Jeong, Hun) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.06

본 연구에서는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 200mm*200mm의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 40장을 적층하여 5kW급 SOFC 스택을 제작하고 연속운전을 수행하여 운전특성을 분석했다. 본 연구를 통해 도입된 5kW급 SOFC 스택은 외국에서 시도된 적이 없는 평판형 SOFC스택의 가압운전을 시도해 보는 것으로서, 스택의 임계압력 특성을 확인하고, 이를 바탕으로 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템에서의 SOFC 스택 가압 운전기술을 확보하는 것이다 이러한 목적을 위해 본 연구에서는 상압형 5kW급 SOFC 스택 운전시스템에 대한 구성과 설계, 전반적인 운전 특성평가 (40셀 스택 운전 열 사이클 시험 연료 전환 (H₂{rightarrow}pre-reformed;gas), 1200시간 연속운전 등)가 이뤄졌다.