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.

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.

연료극 계면층 설계를 통한 중저온 구동 연료 유연 고체산화물 연료전지 연구

방세희,이종서,이원영 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B 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

전기장분무증착을 이용한 계면 접촉 면적 확장을 통한 고체산화물연료전지 성능 개선

유현식,김서주,요나스,이종서,석지원,이원영 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.12

고체산화물연료전지에서 공기극과 전해질 사이 계면은 전기화학성능을 결정짓는 매우 중요한 요소이다. 특히, 계면에서의 공기극과 전해질의 접촉면적을 늘리는 것이 중요한데 본 연구에서는 전기장분무증착 공정을 이용하여 기존 스크린프린팅 공정대비 공기극 입자크기를 더 작고 균일하게 증착하여 계면에서의 접촉면적을 확장시켰다. 기계적 인장 실험을 통해 개선된 계면에서의 구조적, 물리적 특성을 직접적으로 분석하였으며 전기화학성능평가를 통해 구조적 특성과의 상관관계를 입증하였다. 전기장분무증착 공정을 이용해 증착한 공기극은 Ni-Gd0.1Ce0.9O1.95기반의 단전지에서 스크린프린팅 공정대비 600°C에서 약 1.7배 향상한 1.9 W/cm2의 높은 최대전력밀도를 보였다. In solid oxide fuel cells, the interface between the cathode and the electrolyte is an important factor determining the electrochemical performance, particularly increasing the contact area at the interface. In this study, the contact area at the interface was expanded by depositing smaller and more uniform cathode particles using the electrostatic spray deposition (ESD) process compared with the conventional screen printing (SP) process. The structural and physical properties of the improved interface were directly analyzed through the mechanical tensile strength test, and the correlation with the electrochemical properties was demonstrated through the electrochemical analysis. The cathode deposited using the ESD process showed a high peak power density of 1.9 W/cm2 at 600 °C that was approximately 1.7 times higher than that of the SP process in a Ni-Gd0.1Ce0.9O1.95-based single cell.

1 kW 고체산화물 연료전지 스택의 내부개질 특성 연구

최영재,안진수,이인성,배홍열,문지웅,이종규 한국수소및신에너지학회 2017 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.28 No.4

This paper presents the performance characteristics of a 1 kW solid oxide fuel cell (SOFC) stack under various internal reforming and fuel utilization conditions. The Research Institute of Industrial Science & Technology (RIST) developed the 9-cell stack using a 20×20 cm2 anode supported planar cell with an active area of 324 cm2. In this work, current-voltage characteristic test, fuel utilization test, continuous operation, and internal reforming test were carried out sequentially for 765 hours at a furnace temperature of 700℃. The influence of fuel utilization and internal reforming on the stack performance was analyzed. When the 1 kW stack was tested at a current of 145.8 A with a corresponding fuel utilization of 50-70% (internal reforming of 50%) and air utilization of 27%, the stack power was approximately 1.062-1.079 kW. Under continuous operation conditions, performance degradation rate was 2.16%/kh for 664 hours. The internal reforming characteristics of the stack were measured at a current of 145.8. A with a corresponding fuel utilization of 60-75%(internal reforming of 50-80%) and air utilization of 27%. As fuel utilization and internal reforming ratio increased, the stack power was decreased. The stack power change due to the internal reforming ratio difference was decreased with increasing fuel utilization.

진공 슬러리 담금 코팅 공정에 의한 고체 산화물 연료전지용 박막 전해질막 제조에 관한 연구

손희정,신동열,송락현,김성현,이승복,임탁형 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.3

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% Y2O3 stabilized-ZrO2 (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/㎠, 0.7 V at 700 ℃. The experimental results show that the vacuum dip-coating process is an effective method to fabricate dense thin film on the porous tubular substrate.

평판형 고체 산화물 연료전지/연료 개질기 연동 시스템의 모델링 및 운전 제어 전략

지현진(Hyunjin Jee),김정현(Jung Hyun Kim),배중면(Joongmyeon Bae),유영성(Yungsung Yoo) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

This Paper focuses on modeling and simulation to analyze the characteristic of planar-type Solid Oxide Fuel Cells coupled with fuel processor system. The system includes SOFC, fuel processor, control unit and water treatment etc. The SOFC was modeled with applying fuel cell irreversibility and dynamic response data obtained by KEPRI's stack. The fuel processor model was established from Gibbs potential minimization principle and compared with experimental data. It has to be noticed that this work is not focused on the evaluation of the system efficiency and numerical result but on the explanation of S/C or O/C effect and control strategy for optimization of SOFC coupled with fuel processor system.

건물용 고체산화물연료전지 스택 안전성능평가 연구

박태성,이은경,이승국 한국에너지학회 2018 에너지공학 Vol.27 No.4

SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) stack 안전성능 평가항목 및 평가절차 도출을 위하여 국내․외 연료전지 관련규격들을 분석하였으며, 분석을 통해 도출된 시험항목으로 SOFC stack 안전성능 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 SOFC stack은 (주)미코社에서 제작된 음극 지지형 2 cell stack(활성면적: 110.25 cm2/cell)이고, 평가장치는자체 제작한 SOFC stack 안전성능 평가 장치를 사용하였다. 기밀성능 시험, 전류전압특성 시험, 정격출력 시험및 부하변동 시험을 실시하였으며, 그 결과 해당 stack의 최대출력은 65.6 W(1.41 V, 46.5 A, 422 mA/cm2),정격출력은 62.3 W(1.57 V, 40 A, 363 mA/cm2)로 나타났으며 가스누출이 없음을 확인하였다. 또한, 부하변동에대하여 2초 이내에 안정적으로 출력이 유지되는 것을 확인하였다. 이때 운전 온도 750℃에서 최대부하(40 A)및 최소부하(8 A)에서의 출력은 각 62 W와 16 W로 측정되었다. 본 연구를 통하여 고체산화물연료전지의 보급화와 안전한 사용 환경을 제공하는데 기여하고자 한다.