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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.
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.
500W급 연료극 지지체 평판형 SOFC 스택의 운전특성
임탁형(Lim, Tak-Hyoung),송락현(Song, Rak-Hyun),신동열(Shin, Dong-Ryul),양정일(Yang, Jung-Il),정헌(Jeong, Hun) 한국신재생에너지학회 2006 신재생에너지 Vol.2 No.2
본 연구는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 200mm*200mm의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 5장을 적층하여 500W급 SOFC 스택을 제작하고, 이러한 스택의 운전특성을 분석한 연구이다. 도입된 500W급 SOFC 스택은 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템어에 사용되는 5kW급 SOFC 스택의 예비실험을 위한 것으로서, 본 연구의 목적은 상압 운전특성을 바탕으로 외국에서 시도된 적이 없는 평판형 SOFC 스택의 가압 운전기술을 확보하는 것이다. 이러한 목적을 위해 본 연구에서는 상압형 500W급 SOFC 발전시스템에 대한 구성과 설계, 전반적인 운전 특성평가 (5셀 스택 운전, 연료 전환 (H₂{rightarrow}pre-reformed;gas), 500 시간 연속운전 등)가 이뤄졌다.
Operating Characteristics of Advanced 500W class Anode-supported Flat Tubular SOFC stack in KIER
임탁형(Tak-Hyoung Lim),김관영(Gwan-Yeong Kim),박재량(Jae-Layng Park),송락현(Rak-Hyun Song),이승복(Seung-Bok Lee),신동열(Dong-Ryul Shin) 한국에너지학회 2007 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2007 No.-
KIER has been developing the anode supported flat tubular SOFC stack for the intermediate temperature (700~800℃) operation. For this purpose, we have first fabricated anode supported flat tubular cells by the optimization between the current collecting method and the induction brazing process. After that we designed the compact fuel & air manifold by adopting the simulation technique to uniformly supply fuel & air gas and the unique seal & insulation method to make the more compact stack. For making stack, the prepared anode-supported flat tubular cells with effective electrode area of 90 ㎠ connected in series with 12 modules, in which one module consists of two cells connected in parallel. The performance of stack in 3 % humidified H2 and air at 800℃ shows maximum power of 507 W. Through these experiments, we obtained basic & advanced technology of the anode-supported flat tubular cell and established the proprietary concept of the anode-supported flat tubular SOFC stack in KIER.
고온 스팀/CO2 공전해 반응을 이용한 합성가스 생산 공정
임탁형 ( Tak Hyoung Lim ) 한국공업화학회 2015 공업화학전망 Vol.18 No.2
아직 기술적으로 성숙되지 않은 고온 스팀/CO2 공전해 공정은 전기 에너지를 화학에너지로 변환하는 무탄소 혹은 저탄소 공정으로서 합성가스로 변환시 수소 및 CO 비율 조절이 가능하며 환경 친화적이고 이용 가능성이 매우 높은 공정이다. 또한, 생산된 합성가스는 Fischer-Tropsch (F-T) 공정을 통해 합성액체연료(synfuel)로 전환이 가능하다. Synfuel은 대체연료로 사용될 수 있으며, 운송 부문의 기존 인프라와 복합적으로 사용될 수 있다. 고온 스팀/CO2 공전해 공정은 FT 공정을 조합시킴으로서 수송 연료에 신재생에너지를 저장한다는 획기적인 신개념 방법으로도 전환될 수 있다. 하지만 이러한 준 탄소 중립 공정은 경제적인 관점의 경쟁력에 따라서 달라질 수 있다. 본고에서는 이러한 공정의 기본적인 설명과 이론, 그리고 국내외 연구 현황 및 전망 등에 대하여 기술하고자 한다.
진공 슬러리 담금 코팅 공정에 의한 고체 산화물 연료전지용 박막 전해질막 제조에 관한 연구
손희정,임탁형,이승복,신동열,송락현,김성현,Son, Hui-Jeong,Lim, Tak-Hyoung,Lee, Seung-Bok,Shin, Dong-Tyul,Song, Rak-Hyun,Kim, Sung-Hyun 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.2
The electrolyte in the solid oxide fuel cell must be dense enough to avoid gas leakage and thin enough to reduce the ohmic resistance. In order to manufacture the thin and dense electrolyte layer, 8 mol% $Y_2O_3$ stabilized-$ZrO_2$ (8YSZ) electrolyte layers were coated on the porous tubular substrate by the novel vacuum slurry dip-coating process. The effects of the slurry concentration, presintering temperature, and vacuum pressure on the thickness and the gas permeability of the coated electrolyte layers have been examined in the vacuum slurry coating process. The vacuum-coated electrolyte layers showed very low gas permeabilities and had thin thicknesses. The single cell with the vacuum-coated electrolyte layer indicated a good performance of $495\;mW/cm^2$, 0.7 V at $700^{\circ}C$. The experimental results show that the vacuum dip-coating process is an effective method to fabricate dense thin film on the porous tubular substrate.
표성수,임탁형,이승복,박석주,송락현,신동렬,Pyo, Seong-Soo,Lim, Tak-Hyoung,Lee, Seung-Bok,Park, Seok-Joo,Song, Rak-Hyun,Shin, Dong-Ryul 한국전기화학회 2009 한국전기화학회지 Vol.12 No.2
본 논문에서는 고체산화물 연료전지의 스택 제조 및 시스템 연구개발의 최근 연구동향을 살펴보았다. 고체산화물 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 친환경, 고효율의 전기화학장치이다. 고체산화물 연료전지 발전시스템은 응용분야에 따라 중대형 분산발전, 가정용 열병합 발전, 보조전원 및 휴대용 발전 시스템으로 구분할 수 있으며, 10 kW급 이상의 SOFC 발전시스템의 경우 원통형 셀로 구성된 발전시스템이 연구개발의 주를 이루고 있다. 더불어, SOFC 발전시스템 연구개발의 경우 매년 증가하는 세계 전력소비량에 대응하기 위해 발전시장에 진입 가능한 고성능, 장수명의 SOFC 소재 및 발전시스템에 R&D 노력이 집중되고 있다. This article reviews recent R&D trends in SOFC development with an emphasis on industries that can produce the SOFC stack and power generation system. SOFC is an electrochemical device that can convert the chemical energy of fuel into the electrical energy with environment friendly system and high efficiency. SOFC power generation system could be classified as the portable power generation system, auxiliary power unit(APU), residential power generation(RPG) and large size distributed power generation. In the case of more than 10kW system, the major R&D trends are focused on the tubular type SOFC system with high efficient and long term stability to meet the commercialization of SOFC power generation system.
졸-겔법을 이용한 고체산화물연료전지의 전해질 박막 제조 및 가스 투과도
손희정,이혜종,임탁형,송락현,백동현,신동열,현상훈,Son, Hui-Jeong,Lee, Hye-Jong,Lim, Tak-Hyoung,Song, Rak-Hyun,Peck, Dong-Hyun,Shin, Dong-Ryul,Hyun, Sang-Hoon,Kilner, John 한국세라믹학회 2005 한국세라믹학회지 Vol.42 No.12
In this study, thin electrolyte layer was prepared by 8YSZ ($8mol\%$ Yttria-Stabilized Zirconia) slurry dip and sol coating onto the porous anode support in order to reduce ohmic resistance. 8YSZ polymeric sol was prepared from inorganic salt of nitrate and XRF results of xerogel powder exhibited similar results $(99.2\pm1wt\%)$ compared with standard sample (TZ-8YS, Tosoh Co.). The dense and thin YSZ film with $1{\mu}m$ thickness was synthesized by coating of 0.7M YSZ sol followed by heat-treatment at $600^{\circ}C$ for 1 h. Thin film electrolyte sintered at $1400^{\circ}C$ showed no gas leakage at the differential pressure condition of 3 atm.
GNP법을 이용한 고체산화물 연료전지의 공기극용 La<sub>0.75</sub>Sr<sub>0.25</sub>FeO<sub>3</sub>의 제조 및 특성
박주현,손희정,임탁형,이승복,윤기석,윤순길,신동열,송락현,Park, Ju-Hyun,Son, Hui-Jeong,Lim, Tak-Hyoung,Lee, Seung-Bok,Yun, Ki-Seok,Yoon, Soon-Gil,Shin, Dong-Ryul,Song, Rak-Hyun 한국전기화학회 2007 한국전기화학회지 Vol.10 No.1
Glycine Nitrate Process(GNP)를 이용하여 $La_{0.75}Sr_{0.25}FeO_3$를 합성하였다. 이때, GNP의 글리신의 함량은 화학양론식으로 계산하여 3.17mol을 첨가하였다. ICP-AES분석으로 각각의 조성 함량을 조사하고, XRD, SEM분석으로 합성된 분말의 결정성과 입자크기를 분석하였다. 이렇게 분석한 분말은 일축가압 성형으로 펠렛을 제조하였으며, 이 시편은 $1200^{\circ}C$에서 소결하였다. 소결된 시편은 아르키메데스 법을 이용하여 소결밀도를 측정히였다. 전기화학적 성능을 평가하기 위해 AC impedance spectroscopy로 측정하였으며, GNP 법으로 합성된 LSF가 기존의 LSM 보다 낮은 Ohmic resistance및 Polarization resistance를 보임을 확인하였다. 또한 합성된 LSF를 양극으로 사용하여 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지의 단위전지를 제작하였으며, 그 성능은 $750^{\circ}C$에서 $342mW/cm^2(0.7V,\;488mA/cm^2)$을 나타내었다. 마지막으로 임피던스 분석에 의하여 단위전지의 전기화학적 분극저항을 평가하였다. We synthesized and investigated $La_{0.75}Sr_{0.25}FeO_3$ by Glycine Nitrate Process(GNP) method used as cathode materials for SOFC(solid oxide fuel cell). Optimized amount of glycine is 3.17 mol. ICP elemental composition analysis indicated that the stoichiometry of the synthesized powders have nearly nominal values. SEM images and XRD patterns reveal that the synthesized powder has uniform size distribution and high degree of crystallinity. The sample powders were isostatically pressed to form a pellet. The green body was sintered at $1200^{\circ}C$ and the relative density of the sintered specimens were measured by Archimedes mettled. We measured electrochemical performance of LSF by AC impedance spectroscopy. Resistance of LSF shows lower value than that of LSM throughout all temperature region. The anode-supported solid oxide fuel cell showed a performance of $342mW/cm^2(0.7V,\;488mA/cm^2)$ at $750^{\circ}C$. The electrochemical characteristics of the single cell were examined by at impedance method.