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.

고체산화물연료전지의 핵심기술과 개발 현황

김호성(Kim, Ho-Sung),강주희(Kang, Ju Hee),김효신(Kim, Hyo Shin),김영미(Kim, Young Mi),이종호(Lee, Jong Ho),오익현(Oh, Ik Hyun) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

고체산화물연료전지는 고효율 및 무공해의 전기화학 에너지 변환장치로서, 최근 국내외에서 활발한 연구개발이 수행되고 있다. 특히, 고체산화물 연료전지 시스템의 조기 상용화를 위해 시스템의 작동온도를 약 800?C 이하로 낮추고 저가로 생산 할 수 있는 제조공정 개발에 대한 연구를 적극적으로 수행하고 있다. 본 연구에서는 고체산화물연료전지의 단위셀를 구성하는 연료극지지체 및 박막 전해질에 대해서 저가 양산의 테이프케스팅법 및 동시소성 공정, 그리고 연료극 지지체 전해질(anode-supported electrolyte)에 대한 공기극 페이스트 프린팅 제조공정에 대해 소개한다. 또한 고체산 화물연료전지의 제조공정 및 시간을 단축하기 위해 방전플라즈마 소결공법(SPS)에 의한 연료극 지지체 제조 공정, 단위셀의 성능 최적화를 위한 나노 스케일의 고성능 전해질 소재 분말합성 공정(crystallite size: 5~10nm, surface area : 100m²/g 이상) 그리고 테이프케스팅에 의한 박막 전해질 제조 공정(thin film : 10{mu}m 이하) 등 주요 단위셀 소재 및 부품의 제조공정 특성 그리고 단위셀의 전기화학적 특성(max. power density : 1.0 W/cm²)에 대해 소개하며, 최종적으로 평판형 대면적 고체산화물연료전지(max. 20cm{times}15cm)의 단위셀 상용화 제조 기술 및 성능평가 기술에 대해서도 소개 할 예정이다.

KS C 8569 기반의 연료전지시스템 성능평가 및 그 운영에 관한 고찰

차정은(Jung-Eun Cha),이남진(Nam Jin Lee),최영우(Young-Woo Choi),윤영기(Young Ki Yoon),김원배(Won Bae Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

연료전지는 수소와 산소로부터 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치로, 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 연료변환기, 주변기기(MBOP: Mechanical Balance of Plant, EBOP: Electrical Balance of Plant) 및 제어기술을 포함한다. 연료전지 보급이 확대되면서, 안전과 성능 검증을 위한 표준이 요구되었으며, 이에 따라 표준서 KS C 8569는 2015 년 고분자연료전지(PEMFC) 시스템에 대하여 KS 제정을 시작으로 2019 년에는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)시스템을, 2020 년에는 고체고분자연료전지(SOFC)시스템을 포함함으로써 현재의 표준서가 완성되었다. KS C 8569는 발전효율, 열효율, 기동/정지 특성, 부하변동 등을 포함하는 성능평가와 온도상승, 절연, 계통 보호, 내전기환경시험 등의 안정성 평가, 그리고 배출가스, 소음측정 등 환경성 평가로 구분되며, 총 49 개 상세항목으로 구성되어 있다. 초반 4 개 기업의 정지형, 즉 건물용 PEMFC 연료전지시스템의 KS 인증을 시작으로 현재 SOFC까지 포함하여 13 여개 기업으로 확장되었다. 또한, 초반에 1 kW 급 이하의 시스템이 대부분이었으나 2017 년 이후부터는 5 kW이상, 최근에는 10 kW 시스템이 주력을 이루고 있다. 하지만, 지금의 표준서는 기존의 정지형에서 이동형을 결합한 것으로 평가내용이 혼재되고, 이동형의 기본성능 (직류), 내열, 충격, 진동, 냉온 등의 안전성 검사 기준이 미흡하다. 또한, 정지형의 경우 10kW 급 이하로 규정되어 있어서 100 kW 이하의 과도기적인 시장 제품에 적합하지 못하다. 따라서, KS C 8569를 재정비하고, 국제표준과의 부합화를 통하여 국내 연료전지 산업 육성과 더불어 수출전략 고도화 가능성을 모색해야한다. The fuel cell is one of the power generating systems converting the chemical energy of hydrogen and oxygen into electricity through a pair of redox reactions, which mainly consists of a fuel reformer, cell stack, and an inverter. With the expansion of the supply of fuel cell systems, test standards and certifications have been required to verify the safety and performance of fuel cells. Starting with KS certification for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems in 2015, KS C 8569 has been completed by including direct methanol fuel cell (DMFC) systems in 2019 and solid oxide fuel cell (SOFC) systems in 2020. This certification is divided into the performance assessment including power generation efficiency, thermal efficiency, start-up/shut-down characteristics, stability evaluation for the increase in temperature, electric resistance test, and the environmental assessment such as emissions and noise measurements. Initially, four fuel cell system manufacturers obtained KS certification for the stationary system, and now it has been expanded to a total of 13 companies including SOFC and DMFC system manufacturing companies. Besides, most of the systems were 1 kW or lower in the beginning, however since 2017, the capacity has increased to 5 kW or higher, and 10 kW systems have recently become the main focus. However, this standard has been revised to add the mobile fuel cell system standard to the existing stationary fuel cell standard, which lacks basic performance (direct current), heat resistance, shock, vibration, cold and hot tests that conform to the mobile fuel cell system standard. In addition, stationary fuel cell systems are not suitable for transition market products under 100 kW because they are defined as less than 10 kW. Accordingly, KS C 8569 should be reviewed to suit international standards and transitional market products to promote the domestic fuel cell industry and seek the possibility of upgrading its export strategy.

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.

합성가스를 연료로 사용하는 고체산화물연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템의 탈설계점 성능 특성

최정일(Jungil Choi),손정락(Jeong Lak Sohn),송성진(Seung Jin Song),김동섭(Tong Seop Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.3

가스화기를 장착한 고체산화물연료전지와 가스터빈의 하이브리드 시스템의 사전 연구로서 합성가스에서 수소와 일산화탄소의 구성이 하이브리드 시스템의 성능특성에 미치는 영향을 조사하였다. 이때 다른 구성요소와 다른 발열량을 가진 연료의 특성이 가스터빈의 탈설계점 운전을 유발하여 결과적으로 전체 하이브리드 시스템의 다른 성능 특성을 야기할 것으로 예상된다. 합성가스의 구성요소가 고체산화물연료전지의 성능에 영향을 준다는 것과 일산화탄소를 사용하는 하이브리드 시스템의 성능이 수소를 사용하는 것보다 나쁘다는 것이 발견되었다. 부분부하 성능에서는 수소를 사용하는 경우 부분부하 운전시에 성능 저하가 일산화탄소의 경우보다 더 현저하였다. As a preliminary study on a SOFC-GT hybrid system integrated a with coal-gasification system, the influence of the concentrations of H₂ and CO in syngas on the performance characteristics of the hybrid system is investigated. It is expected that the differences in the heating values of fuels with different compositions trigger the offdesign operation of the gas turbine and result in different performance characteristics of the overall hybrid system. Syngas compositions are found to affect the SOFC performance. Performance of hybrid system with carbon monoxide is poorer than the case with hydrogen. In the case of part-load performance with syngas, performance degradation at part-load operating conditions with hydrogen is more dominant than the case with carbon monoxide.

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.

화학보조 전기화학 증착 방법을 적용한 고체산화물 연료전지 금속 분리판 스피넬 보호 코팅

최재린(Je-Lin Choi),홍종은(Jong-Eun Hong),김혜성(Hye-Sung Kim),이승복(Seung-Bok Lee) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)의 금속 분리판은 단위 전지를 전기적으로 연결하고 인접한 전지에 공급되는 연료와 산소(공기)를 분리하는 역할을 한다. 일반적으로 표면 안정성을 개선하고 공기극의 Cr 피독을 완화하기 위해 Ferrite 계 소재의 분리판 표면을 전도성 산화물로 코팅한다. 특히 분리판 보호에 효과적인 Mn-Co 스피넬 산화물의 고체산화물 연료전지(SOFC) 분리판 적용 코팅에 대한 다양한 연구가 진행되어왔다. 본 연구에서는 Mn-Co 스피넬 산화층을 금속 모재에 균일하게 코팅하기 위하여 화학보조 전기화학 증착법(Chemically assisted electrodeposition, CAED)이라고 하는 새로운 방법을 도입하였고, 이를 통해 고내구성의 Mn-Co 스피넬 산화층을 보다 쉽고 간편하게 형성할 수 있었다. 위 증착법에 의해 형성한 Mn-Co 코팅층의 두께는 약 2 ㎛로, 900℃의 비교적 낮은 열처리 온도에서도 스피넬 상을 형성하였다. 4-point-probe 방법으로 측정한 코팅 층을 포함한 금속 시편의 초기 ASR 은 5.1 mΩcm², 1,000시간 장기 운전 후 증가량은 8.5 mΩcm²/kh이었다. Denuder technique에 의해 시험된 풍부한 가습 조건에서 Cr 휘발 속도는 1.3 × 10-10 kgm-2s-1 (100시간 운전, @800℃)으로 코팅하지 않은 금속시편과 비교했을 때 약 10배 이상 작았고, 이는 고온 및 장기 산화분위기에서 Chromia 스케일로부터의 Cr 휘발을 효과적으로 억제할 수 있음을 보여주었다.

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.

금속지지체형 고체산화물 연료전지의 열 및 물질전달 특성에 대한 전산해석

박준근(Park, Joon-Guen),김선영(Kim, Sun-Young),배중면(Bae, Joong-Myeon) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

The metal-supported SOFC has beed developed as a new concept of SOFC which has higher mechanical strength. However, the mass transfer rate in this type of SOFC may be decreased due to the contact layer and the support layer and that can cause the low performance. Therefore, numerical analysis of the heat and mass transfer characteristics in a metal-supported solid oxide fuel cell(SOFC) is studied in this paper. Governing equations and electrochemical equations are calculated simultaneously. And the numerical results are compared with the experimental results for the code validation. The current density, temperature, and pressure drop are suggested as numerical results.

부탄 개질기 운전조건에 따른 SOFC 시스템 효율에 대한 연구

김선영(Sunyoung Kim),백승환(Seungwhan Baek),배규종(Gyujong Bae),배중면(Joongmyeon Bae) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.4

본 연구에서는 부탄 개질기 운전조건에 따른 SOFC 시스템 효율을 모델링을 통해 분석하였다. SOFC 시스템은 크게 개질기, SOFC, 폐열 회수 장치로 구성하였다. 탄화수소 개질 반응으로 선택한 수증기 개질 반응은 흡열반응인 데에 반해 SOFC 에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이다. 따라서 시스템의 열관리 방법에 따라 효율이 크게 달라진다. 세부적으로 수증기 개질 반응은 운전 온도에 따라 수증기 개질 반응과 예개질 반응으로 분류되는데, 해석 결과 예개질 반응을 적용한 SOFC 시스템의 경우 더 높은 효율을 나타내었다. 시스템의 효율은 SOFC 온도 유지를 위한 열량과 온수로 회수되는 열량에 따라 달라지는데, 예개질 반응을 적용할 경우, 열관리가 더욱 효율적이어서 높은 효율을 나타내는 것으로 분석되었다. In this study, the efficiency of a solid-oxide fuel cell (SOFC) system with a steam reformer or prereformer was analyzed under various conditions. The main components of the system are the reformer, SOFC, and water boiling heat recovery system. Endothermic and exothermic reactions occur in the reformer and SOFC, respectively. Hence, the thermal management of the SOFC system greatly influences the SOFC system efficiency. First, the efficiencies of SOFC systems with a steam reformer and a prereformer are compared. The system with the prereformer was more efficient than the one with steam reformer due to less heat loss. Second, the system efficiencies under various prereformer operating conditions were analyzed. The system efficiency was a function of the heat requirement of the system. The efficiency increased with an increase in the operating temperature of the prereformer, and the maximum system efficiency was observed at 450°C for a S/C of 2.0.