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고체산화물 연료전지에서 가스채널/리브 폭의 영향에 관한 연구
전동협(Dong Hyup Jeon),신동열(Dong-Ryul Shin),유광현(Kwang-Hyun Ryu),송락현(Rak-Hyun Song) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.2
전산유체해석(CFD) 기법을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지(SOFC)에 대한 수치해석을 수행하였다. 평판형 구조의 SOFC 에서 가스채널과 리브폭 변화에 따른 성능과 온도균일성에 관한 연구가 이루어졌다. 전산해석 툴로서는 공개소스 전산유체해석 툴박스인 OpenFOAM 을 이용하였다. 수치해석결과, 산소고갈이 일어나지 않는 범위 내에서 가스채널과 리브폭의 증가는 성능과 온도 균일성에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다. 하지만 넓은 리브폭의 사용과 고전류밀도에서의 작동은 산소 고갈로 인한 성능저하의 가능성이 있음을 확인하였다. Using the computational fluid dynamics (CFD) technique, we performed a numerical simulation in anodesupported solid oxide fuel cell (SOFC). The effect of gas channel/rib width on the cell performance and temperature uniformity was investigated in planar type SOFC. The open source CFD toolbox, OpenFOAM, was used as a numerical analysis tool. As a result, the effect of gas channel/rib width on the cell performance and temperature uniformity was not significant if the oxygen depletion is not occurring. On the other hand, the usage of a wide rib and operation at high current density may lead to performance degradation due to oxygen depletion.
이원용,신동열,Lee, Won-Yong,Shin, Dong-Ryul 대한전기학회 1999 전기학회논문지A Vol.48 No.4
This paper describes the use of residual and parameter identification methods for fault detection in an air handling unit. Faults can be detected by comparing expected condition with the measured faulty data using residuals. Faults can also be detected by examining unmeasurable parameter changes in a model of a controlled system using a system identification technique. In this study, AutoRegressive Moving Average with seXtrnal input(ARMAX) and AutoRegressive with eXternal input(ARX) models with both single-input/single-input and multi-input/single-input structures are examined. Model parameters are determined using the Kalman filter recursive identification method. Regression equations are calculated from normal experimental data and are used to compute expected operating variables. These approaches are tested using experimental data from a laboratory's variable-air-volume air-handling-unit.
고체산화물 연료전지의 유동방향에 따른 온도 균일성 영향
전동협(Dong Hyup Jeon),신동열(Dong-Ryul Shin),유광현(Kwang-Hyun Ryu),송락현(Rak-Hyun Song) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.10
공개소스 전산유체 해석 라이브러리인 OpenFOAM을 이용하여 음극 지지체형 고체산화물 연료전지의 온도균일성에 관한 연구를 수행하였다. 3가지 유형의 유동흐름(병행류, 대향류, 직교류)에 대하여 수치해석이 이루어졌다. 다공성 물질내에서의 기체의 흐름은 유효확산계수를 이용하여 계산하였고 분리판의 리브 영향도 고려하였다. 전기화학반응의 계산을 위하여 실험식으로부터 얻은 집중내부저항 모델이 사용되었다. 수치해석 결과 대향류가 가장 균일한 온도분포를 나타내었다. We investigated the temperature uniformity in an anode-supported solid oxide fuel cell, using the open source computational fluid dynamics (CFD) toolbox, OpenFOAM. Numerical simulation was performed in three different flow paths, i.e., co-flow, counter-flow, and cross-flow paths. Gas flow in a porous electrode was calculated using effective diffusivity while considering the effect of interconnect rib. A lumped internal resistance model derived from a semi-empirical correlation was implemented for the calculation of electrochemical reaction. The result showed that the counter-flow path displayed the most uniform temperature distribution.
교류 임피던스법에 의한 인산형 연료전지의 산소전극 특성 연구
송락현,김창수,신동열,Song Rak-Hyun,Kim Chang-Soo,Shin Dong-Ryul 한국전기화학회 2000 한국전기화학회지 Vol.3 No.4
교류 임피던스법을 사용하여 온도, 부하전위 및 전극내 테프론 함량에 따른 인산형 연료전지의 산소전극 반응의 특성을 연구하였다. $105wt.\%$ 인산에서 산소 전극의 임피던스 거동은 전극 계면 저항, 전극 계면 캐패스턴스 및 전해질 저항으로 이루어진 간단히 회로로 특징지어지고, 이것으로부터 구한 인산의 전기전도도는 $130\~190^{\circ}C$의 온도범위에서 0.31-0.47 S/cm 로 나타났다. 부하전위와 온도가 증가함에 따라 산소극의 계면저항은 감소하였으나 산소극의 계면 캐패스턴스는 증가하였으며, 이것은 산소극의 반응속도와 전극의 계면 임피던스가 직접적인 관계를 가진다는 것을 의미한다. 테프론 함량에 따른 인산형 연료전지 단전지의 성능을 조사하여 임피던스 측정결과와 비교하였으며, $40wt.\%$에서 최대 성능을 나타내었고, 이것은 산소극의 계면 임피던스 값이 최적 상태를 나타내었기 때문인 것으로 판단되며, 이러한 결과들이 전극의 3상계면 상태와 연관지어 토의되었다. Electrochemical properties of the oxygen electrode in phosphoric acid fuel cell have been studied using AC impedance method as a function of applied potential, operating temperature and teflon content in the electrode. The oxygen electrode reaction in the $105wt.\%$ phosphoric acid is characterized by a parallel resistive component, $R_p$ and a capacitive component, $C_p$ with serial electrolyte resistance, $R_s$. The conductivity of the phosphoric acid is found to be 0.31-0.47 S/cm in the range of $130\;to\;190^{\circ}C$ from the measured impedance. The increase of applied potential and temperature produced the decreased RP and the increased $C_p$, which means the increase of the oxygen electrode reaction rate. The single cells with the cathode of various teflon contents were tested, and the cathode with $40wt.\%$ teflon showed good performance, which is considered to be related to an optimized impedance behavior.
연료극 지지체식 평관형 고체산화물 연료전지 단위 번들의 제조 및 성능
임탁형,김관영,박재량,이승복,신동열,송락현,Lim, Tak-Hyoung,Kim, Gwan-Yeong,Park, Jae-Layng,Lee, Seung-Bok,Shin, Dong-Ryul,Song, Rak-Hyun 한국전기화학회 2007 한국전기화학회지 Vol.10 No.4
한국에너지기술연구원에서는 중온 ($700{\sim}800^{\circ}C$) 작동용 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택을 구성하는 단위 번들을 개발했다. 연료극 지지체 평관형 셀은 Ni/YSZ 서밋 연료극 지지체 튜브, 8몰% $Y_2O_3$ stabilized $ZrO_2$ (YSZ) 전해질, $LaSrMnO_3$ (LSM)과 LSM-YSZ composite 및 $LaSrCoFeO_3(LSCF)$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 $La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCo)$ paste를 이용했으며, 연료극의 전류집전은 Ni felt, wire, 그리고 paste를 이용했다. 단위 번들을 만들기 위한 연료극 지지체 평관형 셀의 반응 면적은 셀 당 $90\;cm^2$ 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 $800^{\circ}C$에서 $0.39\;W/cm^2$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($700{\sim}800^{\circ}C$) operation. Anode-supported flat tubular cells have Ni/YSZ cermet anode support, 8 moi.% $Y_2O_3$ stabilized $ZrO_2(YSZ)$ thin electrolyte, and cathode multi-layer composed of Sr-doped $LaSrMnO_3(LSM)$, LSM-YSZ composite, and $LaSrCoFeO_3(LSCF)$. 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 $La_{0.6}Sr_{0.4}CoO_3(LSCo)$ 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 $90\;cm^2$ 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 $H_2$ and air at $800^{\circ}C$ shows maximum power density of $0.39\;W/cm^2$ (@ 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.