메탄올 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 성능

하명주(Myeong Ju Ha),윤성필(Sung Pil Yoon),한종희(Jonghee Han),임태훈(Tae-Hoon Lim),김우식(Woo Sik Kim),남석우(Suk Woo Nam) 한국청정기술학회 2020 청정기술 Vol.26 No.4

재생에너지로부터 수전해를 통하여 생산된 수소와 포집된 CO₂를 활용하여 메탄올을 합성하는 power-to-methanol 기술이 재생에너지를 대용량으로 저장하는 방안으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 메탄올을 수소 및 전력 생산에 활용함에 있어 더욱 효율적인 방법으로 연료전지 내부에서 메탄올 수증기개질 반응이 일어나는 내부개질형 용융탄산염 연료전지에 대해 성능 분석을 실시하였다. 용융탄산염 연료전지의 연료극으로 사용되는 다공성 Ni-10 wt%Cr을 촉매로 메탄올 수증기개질 반응을 수행한 결과 연료전지 운전 조건에서 연료극은 메탄올 수증기개질 반응에 충분한 활성을 나타내었다. 메탄올 수용액을 직접 용융탄산염 연료전지의 연료극으로 공급한 결과 연료전지의 성능은 외부 개질기를 통하여 생산된 개질가스를 공급하는 경우에 비해 다소 성능이 낮게 나타났으며, 메탄올 공급유량이 비교적 낮은 경우 고 전류밀도에서 불안정한 성능을 나타내었다. 연료극으로부터 생성된 가스를 재순환시킴으로써 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있었으며, 메탄올 전환율도 90% 이상 얻을 수 있었다. 물질수지를 통하여 연료극에서 일어나는 반응을 분석한 결과 전류밀도 및 가스 재순환 유량이 증가함에 따라 메탄올 수증기개질 반응속도가 증가함을 확인하였다. 이상의 결과로부터 별도의 촉매층을 설치할 필요 없이 연료극 만으로도 용융탄산염 연료전지 내에서 메탄올 수증기개질 반응이 가능하며, 메탄올 내부개질형 용융탄산염 연료전지를 통하여 전력과 합성가스를 동시에 생산할 수 있음을 확인하였다. Methanol synthesized from renewable hydrogen and captured CO₂ has recently attracted great interest as a sustainable energy carrier for large-scale renewable energy storage. In this study, molten carbonate fuel cell’s performance was investigated with the direct conversion of methanol into syngas inside the anode chamber of the cell. The internal reforming of methanol may significantly improve system efficiency since the heat generated from the electrochemical reaction can be used directly for the endothermic reforming reaction. The porous Ni-10 wt%Cr anode was sufficient for the methanol steam reforming reaction under the fuel cell operating condition. The direct supply of methanol into the anode chamber resulted in somewhat lower cell performance, especially at high current density. Recycling of the product gas into the anode gas inlet significantly improved the cell performance. The analysis based on material balance revealed that, with increasing current density and gas recycling ratio, the methanol steam reforming reaction rate likewise increased. A methanol conversion more significant than 90% was achieved with gas recycling. The results showed the feasibility of electricity and syngas co-production using the molten carbonate fuel cell. Further research is needed to optimize the fuel cell operating conditions for simultaneous production of electricity and syngas, considering both material and energy balances in the fuel cell.

SO-DCFC 적용을 위한 카본블랙-탄산염 혼합 매개체의 고온 반응 특성에 대한 연구

유준호(Jun Ho Yu),강경태(Kyungtae Kang),황준영(Jun Young Hwang) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.8

직접 탄소 연료전지(DCFC)는 석탄을 비롯한 탄소계 연료의 화학에너지를 직접 전기로 변환시킨다. 특히, 약 10 년 전에 고체산화물 전해질을 사용하고 연료극 매개체로 용융탄산염을 사용하는 고성능 직접탄소 연료전지 시스템이 제안되었다. 이 시스템의 경우, 운전 온도가 증가할수록 고체산화물 전해질의 이온전도도가 향상되고 전기화학 반응이 활성화되어 성능이 향상되나, 연료극 매개체의 화학적인 안정성 문제발생이 우려된다. 본 연구에서는 탄소-탄산염 혼합 매개체의 고온 안정성을 이해하기 위한 일련의 실험을 수행하였다. 질소 또는 이산화탄소 분위기에서 카본블랙과 혼합된 Li₂CO₃ 와 K₂CO₃ 의 TGA 분석을 수행하였으며, 가열 과정에서 시료로부터 생성되는 가스 성분을 분석하였다. 이러한 결과를 해석하기 위하여, 탄산염의 열분해와 탄산염 등에 의하여 가속화되는 탄소 가스화 반응을 고려한 화학반응 모델을 제시하였으며, 실험 결과로부터 구한 매개체의 중량 손실과 가스 생성을 정성적으로 설명하였다. A direct carbon fuel cell (DCFC) generates electricity directly by converting the chemical energy in coal. In particular, a DCFC system with a solid oxide electrolyte and molten carbonate anode media has been proposed by SRI. In this system, however, there are conflicting effects of temperature, which enhances the ion conductivity of the solid electrolyte and reactivity at the electrodes while causing a stability problem for the anode media. In this study, the effect of temperature on the stability of a carbon-carbonate mixture was investigated experimentally. TGA analysis was conducted under either nitrogen or carbon dioxide ambient for Li₂CO₃, K₂CO₃, and their mixtures with carbon black. The composition of the exit gas was also monitored during temperature elevation. A simplified reaction model was suggested by considering the decomposition of carbonates and the catalyzed Boudouard reactions. The suggested model could well explain both the measured weight loss of the mixture and the gas formation from it.

직접내부개질형 용융탄산염 연료전지(DIR-MCFC)의 운전 조건에 따른 성능 분석

정규석,이창환 한국수소및신에너지학회 2022 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.33 No.4

In this study, the operation characteristics of the internal reforming type molten carbonate fuel cell (MCFC) were studied using computational fluid dynamics (CFD) analysis according to the steam to carbon ratio (S/C ratio), operating temperature, and gas utilization. From the simulation results, the distribution of gas composition due to the electrochemical reaction and the reforming reaction was predicted. The internal reforming type showed a lower temperature difference than the external reforming type MCFC. As the operating temperature decreased, less hydrogen was produced and the performance of the fuel cell also decreased. As the gas utilization rate decreased, more gas was injected into the same reaction area, and thus the performance of the fuel cell increased.

Fabrication and effect of different temperatures on the supported thin Anode for molten carbonate fuel cell

박동녘(Park, Dongnyeok),서동호(Seo, Dongho),Giulio, Nicola Di,윤성필(Yoon, Sungpil),설용건(Shul, Yonggun),한종희(Han, Jonghee) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11

Recently, Molten carbonate fuel cells(MCFCs) have been developing to get a good durability and economic feasibility for commercialization. To achieve these objectives, the cost of nickel based electrodes should be reduced. Regular anode thickness used in MCFCs is normally 0.7mm. Thus, in our study, the purpose was to reduce anode thickness up to 0.3 mm keeping MCFC performance on standard levels. In-situ sintering has been used, with 2 different fabrication methods (method A and B) and 2 different supports (support 1 and 2). Voltage losses at different temperature (600,620,640,650?C) and after 1000 hours showed the higher performance that can be obtained using method B and support 2. After single cell test, an open-circuit voltage(OCV) of 1.075 V and a closed-circuit voltage(CCV) of 0.829V were obtained, at current density of 150mV/cm². Also the voltage loss ratio at different cell temperature was lower in the case of method B and support 2. According to these results, the cost of anode fabrication can be reduced in the future, contributing for the economical feasibility of MCFCs.

용융탄산염 연료전지용 탈황 흡착제 적용을 위한 거창 화강석 석분 슬러지의 유리화 과정 및 유리화 특성 분석

조성원(Seongwon Cho),김건기(Kunki Kim),김정현(Junghyun Kim) 한국신재생에너지학회 2016 신재생에너지 Vol.12 No.2

The vitrification processes and characteristics of Geochang granite stone sludge were investigated for the application of desulfurization sorbent of Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC). From the X-ray fluorescence analysis (XRF) results using Geochang granite stone sludge, it was confirmed that the network formers (SiO₂ and Al₂O3) in granite stone sludge were present between 83.2 and 87.2 wt% and the rest was comprised of network modifiers (K₂O, Na₂O, CaO, Fe₂O3 and MgO). When Borax (Na₂B₄O<SUB>7</SUB>-10H₂O) was added in the granite stone sludge system for promoting the decomposition and reducing the melting viscosity of refractory SiO₂ and Al2O3 comprising of stone sludge, it was observed that the melting point of the granite stone sludge system was reduced by more than 400°C and the optimized melting temperature for granite stone and borax systems was around 1400°C when comparing X-ray diffraction analysis (XRD) results. Phase transitions and thermal reactions of granite stone sludge systems were also investigated from thermal analysis using Thermogravimetric Analysis (TGA)/ Differential Scanning Calorimeter (DSC).

연료전지 연계 초임계 이산화탄소 발전 사이클 최적 설계 도출

류주열,박성호,윤문규,임동렬,염충섭,박회식 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.1

High efficiency fuel cells are among next generation energy system to provide stable electric power in accordance with national energy policy, and it is required to enhance power efficiency to reduce electricity costs. This study introduces various supercritical carbon dioxide power cycle by using Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) exhaust gas, and compares their power efficiency. Furthermore, sensitivity analysis was carried out in both turbine inlet pressure and main equipment efficiency for recompression, the reheat-recompression cycle, and Brayton-Rankine hybrid cycle. Under the specified conditions in this study, it was confirmed that the optimum design parameter exist for maximizing the net power in respective integrated systems. 연료전지는 에너지 효율을 바탕으로 국가의 안정적인 전력 공급에 일조하는 차세대 에너지원으로 타 신재생 에너지 수준의 경제성 확보를 위해서는 발전효율 향상이 수반되어야 한다. 이와 관련하여 본 논문은 고온형 연료전지인 용융탄산염 연료전지의 배기가스 열원을 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클과 연계하여 발전 효율 향상을 가져오는 다양한 하부 사이클을 비교하였다. 또한 MCFC와 연계된 재압축 사이클, 재열-재압축 사이클 및 브레이튼-랭킨 연계 사이클 각각의 성능을 예측하고, 발전 효율에 가장 큰 영향을 미치는 터빈 및 압축기의 효율 변화에 따른 민감도 분석을 수행함과 동시에 최대 순출력을 생산하는 최적 설계점 도출을 수행하였다.

perovskite 물질이 코팅된 MCFC용 공기극의 전기화학적 성능 고찰

송신애(Song, Shin Ae),강민구(Kang, Min Gu),윤성필(Yoon, Sung Pil),한종희(Han, Jong Hee),오인환(Oh, In Hwan) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

현재 융융탄산염 연료전지의 공기극으로 다공성의 lithiated NiO를 사용하고 있는데 이 재료의 경우 크게 두 가지의 문제점을 안고 있다. 첫 번째는 Ni이 전해질 내로 용해하는 것이고, 두 번째는 낮은 활성으로 인한 높은 공기극의 분극이다. Ni이 전해질로 용해되는 문제는 Co나 Fe를 코팅하여 공기극 표면에 Li_x(Ni_yCo_{1-y})1-xO₂나 Li_x(Ni_yFe_{1-y})_{1-x}O₂를 형성시켜 NiO의 전해질 내로 용해되는 것을 억제하는 방법이나 ZnO, MgO, La₂O₃ 등의 산화물을 NiO 표면에 코팅하여 전해질과 접촉을 막는 방식으로 해결하는 등 많은 연구가 이루어져 왔다. 하지만 연료극의 비해 상당히 높은 공기극의 분극으로 인해 큰 전압손실이 일어나 용융탄산염 연료전지 성능이 낮아지는 문제의 경우 이를 해결하고자 하는 연구는 상대적으로 많이 진행되지 못한 상태이다. 특히 현재 용융탄산염 연료전지의 장기수명화를 위해 기존의 작동온도인 650?C 보다 다소 낮은 온도인 600{sim}620?C에서 작동하려는 움직임이 있다. 작동 온도가 내려가면 전해질이 휘발되는 속도가 낮아져 전해질 부족에 따른 운전시간이 줄어드는 문제를 해결할 수 있어 장기 수명화를 위해서는 작동온도를 낮추는 것이 매우 유리하다. 하지만 작동 온도가 내려가면서 양 전극에서 일어나는 전기화학 반응 속도가 느려지기 때문에 각 전극에서의 활성화 분극으로 인한 전압손실은 더욱 커질 수밖에 없다. 특히 연료극의 수소산화반응 속도는 공기극의 산소환원반응에 비해 매우 빠르기 때문에 작동 온도가 내려감에 따라 연료극의 분극이 커지는 것에 비해 공기극의 분극이 급격히 커지게 된다. 따라서 운전온도가 낮아지는 상황에서는 낮은 작동온도에서도 성능감소가 적게 일어나 0.8V 이상 운전(150mA/cm², 단위전지 기준)이 가능한 공기극의 개발이 매우 필요한 실정이다. 이를 해결하고자 본 연구에서는 고체 산화물 연료전지의 공기극의 재료로 많이 연구되고 있는 혼합전도성 물질의 페로브스카이트 구조의 물질을 기존 NiO 전극에 코팅하여 새로운 공기극을 개발하였다. 페로브스카이트 구조의 물질로 대표적인 LSCF 물질을 사용하였으며 LSCF를 코팅한 공기극을 이용한 단위전지에서 150mA/cm²의 전류를 흘려주었을 때 0.84V의 성능을 1000hr 유지하였다. 이는 기존의 NiO 전극을 사용했을 때보다 15~20mV 높은 값이다. 낮은 작동온도에서도 좋은 성능을 보였는데, 기존의 NiO 전극의 경우 630?C에서 0.79V의 성능을 보인 반면 LSCF가 코팅된 공기극의 경우 620?C에서 0.811V의 매우 좋은 성능을 보였다. 이는 LSCF의 산소이온전도성 및 전기전도성이 공기극에서의 분극을 낮추어 성능을 증가시키는 것으로 보인다.

125kW 외부개질 용융탄산염 연료전지(ER MCFC) 스택 운전

이정현,김범주,김도형,강승원,김의환,임희천 한국수소및신에너지학회 2010 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.21 No.5

The 125kW external reforming (ER) type molten carbonate fuel cell (MCFC) system for developing a commercial prototype has been operated at Boryeong thermal power plant site since the end of 2009. The system consists of 125kW stack with 10,000 cm2 effective area, mechanical balance of plant (MBOP) with anode recycle system, and electrical balance of plant (EBOP). The 125kW MCFC stack installed in December,2009 has been operated from January, 2010 after 20 days pre-treatment. The stack open circuit voltage (OCV)was 214V at initial load operation, which approaches the thermodynamically theoretical voltage. The stack voltage remained stable range from 160V to 180V at the maximum generating power of 120 kW DC. The stack has been operated for 3,270 hours and operated at rated power for 1,200 hours.

CFD를 통한 용융탄산염 연료전지의 유동 및 크기에 따른 운전 특성 분석

김동우,김하영,최정환,이창환 한국수소및신에너지학회 2019 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.30 No.2

In this study, effects of flow types and size of molten carbonate fuel cells (MCFCs) were investigated using CFD simulation. In the simulation, the current collector of MCFCs were assumed to be an porous media. With the area of 0.09 m2, the effect of flow types such as Co-flow, Counter-flow, Cross-flow were studied. After that the effect of the size and flow direction was studied. Among three-flow types, MCFCs with co-flow type shows more uniform distribution and current density distribution.

용융탄산염 연료전지 연료극 기체 유로 높이에 따른 가스 확산 및 단전지 성능 변화 연구

이정현,김도형,김범주,강승원,임희천 한국수소및신에너지학회 2009 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.20 No.6

The effect of anode gas channel height on gas diffusion and cell performance in a 100 cm² class molten carbonate single cell is investigated. Single cell separators with three different channel height are used. The effect of the gas channel height on the distribution of the reactive gas concentration is evaluated by the two-dimensional concentration diffusion equation. The overpotential caused by concentration drop with different channel height is estimated by the voltage decay related to diffusion of reactants, well known as concentration polarization, using limiting current density. The estimation could have the possibility to identify the reactant mass transfer polarization in the complicate factors of the overall electrodes.