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.

나노 다공성 기판 위 저온 작동 박막 고체산화물 연료전지의 제작 및 연료극 특성

이명석(Myung Seok Lee),차석원(Suk Won Cha) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.5

두꺼운 박막 연료극을 갖는 저온 작동 고체산화물 연료전지가 제작되었다. 나노 다공성 기판을 기반으로 하는 박막 고체산화물 연료전지의 특성상 연료극의 두께와 나노구조가 전체 연료전지 성능에 큰 영향을 미친다. 다공성이 잘 유지된 상태에서 연료극 두께가 증가할수록 연료전지 성능이 증가하는 경향을 보인다. 따라서 두꺼운 박막 연료극을 얻기 위해 최대 200nm 의 기공 크기를 갖는 Anodic aluminum oxide 기판이 사용되었다. 연료전지의 집전성능과 연료극 반응성을 최적화시키는 박막 연료극과 전해질의 나노구조를 찾아냈다. 또한 각각의 특징이 전체 연료전지 성능에 어떻게 영향을 주는지 결정하기 위해 전기화학적 성능이 측정되었다. 또한 안정적인 연료전지 구조를 갖기 위한 최소한의 기판 다공성과 박막 연료극 두께도 발견하였다. Low-temperature solid oxide fuel cells having a thick thin-film anode were fabricated. Due to the characteristics of thin-film solid oxide fuel cells based on a nanoporous substrate, the thickness of the anode and its nanostructure have a significant influence on the overall performance of the fuel cell. The performance tends to increase as the anode thickness increases with well-maintained porosity of it. So, to obtain a thicker thin-film anode, anodic aluminum oxide (AAO) substrates having a large pore size of up to 200nm were used. We found the thin-film anode and electrolyte nanostructures that can optimize the current collecting performance and anode reactivity. The electrochemical performance was measured to determine the effect of each feature on the overall performance of the fuel cell. Also, it was found that there is a minimum substrate porosity and thin-film anode thickness to achieve a stable fuel cell structure.

직접 탄화수소 연료 적용을 위한 박막 고체산화물 연료전지 개발

조구영,이윤호 한국정밀공학회 2022 한국정밀공학회지 Vol.39 No.10

Energy devices in modern society require high efficiency, carbon neutrality, and the capability of distributed power generation. A fuel cell is an energy conversion device, that satisfies all of these requirements. However, most fuel cells use hydrogen as a fuel, and more than half of hydrogen is currently produced through hydrocarbon reforming, resulting in significant energy loss. Additionally, the storage and supply of hydrogen require costly systems, and a large amount of energy is consumed during compression or liquidation processes. This paper develops a solid oxide fuel cell, that uses hydrocarbon directly as fuel to resolve this problem. A small amount of Ru is mixed with the Ni-based electrode, for the effective internal reforming of hydrocarbons. For rapid deposition of YSZ electrolytes, we developed a reactive sputtering process, using a DC power source. The developed thin-film solid oxide fuel cell, showed a performance of 76 mW/cm2 at 500oC using methane as fuel.

암모니아를 연료로 하는 철도용 고체산화물연료전지-내연기관 하이브리드 시스템

박민경,최원재,최재헌 대한기계학회 2024 대한기계학회논문집B Vol.48 No.11

본 연구는 암모니아를 연료로 하는 철도용 고체산화물연료전지-내연기관 하이브리드 시스템을 제안하고 최적의 작동 조건과 크기를 제시하였다. 제안한 시스템 분석을 위해 MATLAB과 Cantera 열역학 도구를 사용하여 시뮬레이션 모델을 구축하였고 모든 시스템 모델은 무차원 모델로 구성하였다. 시뮬레이션 분석 결과, 다양한 연료 이용률 조건에서 시스템 효율이 50% 이상이 나오는 것을 확인하여, 디젤 엔진의 효율 32%에 비해 크게 증가되고, 질소산화물 배출량 또한 철도 규제치(7.4 g/kWh) 이하의 값임을 확인하였다. 또, 엔진을 이용한 다양한 방법의 부하 추종운전의 성능을 비교하고 고체산화물연료전지와 내연기관의 크기 비율이 1.05일 때를 최적의 크기로 결정하였다. 마지막으로 하이브리드 시스템 시뮬레이션의 철도 모델을 구축해 철도 운전 부하 자료에 적용하였다. SOFC 출력은 동일하게 고정하고, 운전 부하에 따라 엔진 운전 방법을 변경해 부하추종운전을 하였다. In this study, we propose using liquefied natural gas directly to steam methane reforming processes and compare the proposed system with the natural gas steam methane reforming process. To analyze the effectiveness of the proposed system, a simulation model was constructed using MATLAB and the Cantera thermodynamic tool, and the balance of plants comprised a dimensionless model. It was confirmed that the proposed system can reduce the work done by the system, and thus, the efficiency of the system is improved. When the system operating pressure increases, the work done by the hydrogen compressor decreases, and the system efficiency decreases with reducing amounts of produced hydrogen. In addition, it was confirmed that the amount of greenhouse gas emissions in the liquefied natural gas system is smaller than that of natural gas system.

연료극 계면층 설계를 통한 중저온 구동 연료 유연 고체산화물 연료전지 연구

방세희,이종서,이원영 대한기계학회 2023 대한기계학회논문집B Vol.47 No.12

본 연구에서는 혼합전도특성 전해질을 사용하는 고체산화물 연료전지의 연료극과 전해질 사이 계면 조성에 따른 구조적, 화학적 특성과 전기화학적 성능 사이의 상관관계를 파악한다. 계면층의 전해질 물질 함량이 증가할수록 개회로전압과 최대전력밀도가 선형적으로 증가함을 보였다. 가장 높은 성능을 보인 샘플에서는 H2 환경에서 ~ 7% 높은 개회로전압 0.873 V과 ~ 72% 높은 최대전력밀도 1.38 W/cm2, CH4-CO2 환경에서 ~ 8% 높은 개회로전압 0.800 V과 ~ 210% 높은 최대전력밀도 0.92 W/cm2를 600°C에서 보인다. 본 연구 결과는 다양한 연료조건에서 높은 성능 및 개회로전압을 달성할 수 있는 연료극 구조를 제시한다. This study investigates the correlation between structural/chemical properties and electrochemical performance according to the composition of the interface between the anode and the electrolyte in solid oxide fuel cells (SOFCs) based on mixed ion conducting material. The linear increase in the open-circuit voltage (OCV) and maximum power density (MPD) are observed as the content of the electrolyte material at the interface layer increases. The modified sample with highest performance exhibits ~ 7% higher OCV of 0.873 V and ~ 72% higher MPD of 1.38 W/cm2 at 600°C with hydrogen and ~ 8% higher OCV of 0.800 V and ~ 210% higher MPD of 0.92 W/cm2 at 600°C with methane and carbon dioxide. This result substantiates the anode structure for high performance and OCV SOFC operating with fuel flexibility.

KS C 8569 기반의 연료전지시스템 성능평가 및 측정불확도에 관한 연구

차정은(Jung-Eun Cha),이남진(Nam Jin Lee),서동준(Dong-Jun Seo),최영우(Young-Woo Choi),윤영기(Young Ki Yoon),김선화(Sun-Hwa Kim) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.3

가스터빈의 성능과 연료전지의 출력비중이 고체산화물 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템 성능에 미치는 영향

안지호(Ji-Ho Ahn),강수영(Soo Young Kang),김동섭(Tong Seop Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.4

출력 규모가 다른 세가지 상용 가스터빈들을 바탕으로 고체산화물 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템을 구성하고 성능을 비교하였다. 각 가스터빈을 사용할 때 연료전지와 가스터빈의 출력 비중 및 효율을 비교, 분석하였고 연료전지 설계온도를 변화시키면서 출력 비중의 변화와 시스템 효율 변화를 분석하였다. 수십 ㎾ 급 소형 가스터빈을 사용한 하이브리드 시스템에서는 연료전지 온도가 변하여도 효율은 거의 변화가 없었지만 ㎿ 급 및 수백 ㎿ 급 등 중,대형 가스터빈을 사용하는 경우에는 연료전지 작동온도가 높아질수록 시스템 효율이 높아짐을 확인하였다. 또한 연료전지로 공급되는 공기량을 조절하여 연료전지 출력 비중을 변화시키는 것에 대해서도 해석하였다. Solid oxide fuel cell/gas turbine hybrid systems that use three gas turbines having different power outputs were devised and their performance was compared. The power shares of the gas turbine and fuel cell and the net system efficiency were compared among the three systems, and their variations with the design fuel cell temperature were investigated. The system efficiency was predicted to be insensitive to the fuel cell temperature in the sub-㎿ system, but it increased with increasing fuel cell temperature in both the multi-㎿ and hundred-㎿ systems. The influence of air bypass around the fuel cell on the system performance was also investigated.

한국기계연구원의 암모니아 직접 주입형 고체산화물 연료전지 스택 개발 현황

배용균,쿠엔,이동근,박진영,김영상,이선엽 대한기계학회 2024 대한기계학회논문집B Vol.48 No.12

In this study, an experimental study on a solid oxide fuel cell stack was investigated, using ammonia as a fuel. The performance was compared under pure hydrogen, hydrogen and nitrogen mixture gas, and pure ammonia conditions, and the effects were explained by the temperature effect owing to gas composition and endothermic characterization of ammonia reformation. In addition, an experiment was conducted on the fuel utilization under pure hydrogen and ammonia conditions, in which the performance and efficiency were analyzed while increasing the utilization from 50% to 70%. A stack efficiency of 47.9% was achieved under a hydrogen fuel utilization of 70%. Under the ammonia condition, a stack efficiency of 51% was achievable under the same utilization of 70%. Through this study, the performance of a solid oxide fuel cell stack using ammonia as a fuel was secured, and it was confirmed that a higher efficiency can be achieved, compared with reformed gas or hydrogen when ammonia is directly supplied. 본 연구에서는 암모니아를 연료로 하는 고체산화물 연료전지 스택에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 수소, 수소와 질소 혼합 가스, 암모니아 조건에서 성능을 비교하였으며, 이를 조성과 흡열에 의한 온도 영향으로 설명하였다. 또한, 수소와 암모니아 조건에서 연료 이용률에 대한 실험을 수행하였으며, 이용률 50%에서 70%까지 증가시키며 성능과 효율을 분석하였다. 수소 이용률 70% 조건에서 약 47.9%의 효율이 달성 가능함을 확인하였으며, 암모니아 조건에서는 동일한 이용률인 70% 조건에서도 효율 51%가 달성 가능함을 확인하였다. 본 연구를 통하여 암모니아를 연료로 하는 고체산화물 연료전지의 성능을 확보하였으며, 암모니아를 직접 이용 시 개질 가스 혹은 수소 대비 높은 효율을 달성할 수 있음을 확인하였다.

무회분탄 연료의 촉매 가스화에 의한 직접탄소연료전지의 성능 향상

진선미(Sunmi Jin),유지호(Jiho Yoo),이영우(Young Woo Rhee),최호경(Hokyung Choi),임정환(Jeonghwan Lim),이시훈(Sihyun Lee) 한국청정기술학회 2012 청정기술 Vol.18 No.4

고체 산화물 연료전지를 위한 물성치 및 전기화학반응의 수치해석 모델링

박준근(Joonguen Park),김선영(Sunyoung Kim),배중면(Joongmyeon Bae) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.2

고체산화물연료전지는 세라믹 물질로 이루어지며, 세라믹 물질의 물성치는 작동조건에 따라 달라진다. 따라서, 높은 신뢰성을 가지는 시뮬레이션 모델을 개발하기 위해서는 세라믹 물질의 물성치를 정확하게 예측할 수 있어야한다. 본 논문에서는 고체산화물연료전지의 성능에 영향을 미치는 여러가지 물성치를 선택하고 그 물성치를 위한 시뮬레이션 모델이 개발되었다. 개회로전압을 위한 깁스에너지, 활성화손실을 위한 교환전류밀도, 저항손실을 위한 전기전도도가 계산되었다. 또한, 다공성 전극 내부의 물질전달 해석을 위해서 분자확산과 누센확산을 함께 고려하는 유효확산계수가 계산되었다. 이러한 계산과정 후에 물성치 모델과 전기화학반응 모델이 동시에 시뮬레이션 되었다. 해석코드의 검증을 위해서 전산해석 결과는 실험결과 및 Chan 등에 의해서 수행된 이전 연구결과와 비교되었다. Solid oxide fuel cells (SOFCs) are commonly composed of ceramic compartments, and it is known that the physical properties of the ceramic materials can be changed according to the operating temperature. Thus, the physical properties of the ceramic materials have to be properly predicted to develop a highly reliable simulation model. In this study, several physical properties that can affect the performance of SOFCs were selected, and simulation models for those physical properties were developed using our own code. The Gibbs free energy for the open circuit voltage, exchange current densities for the activation polarization, and electrical conductivity for the electrolyte were calculated. In addition, the diffusion coefficient?including the binary and Knudsen diffusion mechanisms?was calculated for mass transport analysis at the porous electrode. The physical property and electrochemical reaction models were then simulated simultaneously. The numerical results were compared with the experimental results and previous works studied by Chan et al. for code validation.