DCFC는 가스 터빈이나 엔진과 달리 탄소를 사용하여 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 연료전지이며, 주요 특징으로 기존의 발전설비 보다 높은 효율과 낮은 배기 배출물을 발생한다. 본 연구에서는 간단한 열역학 평형 해석을 통해 CO와 $CO_2$가 이론 기전력에 미치는 영향을 확인하였으며, 2차원 CFD 해석 방법을 이용하여 온도에 따른 반응 생성물 변화를 살펴보았다. 그 결과, CO 생성 반응(Boudouard 반응)을 동시에 고려한 이론 기전력 값은 $CO_2$ 생성 반응만 고려한 값(약 1.02 V)보다 크며, 특히 온도가 증가할수록 그 값이 증가함을 보여주었다. 2차원 수치해석 결과를 통하여서 Boudouard 반응이 고온으로 갈수록 중요하며, 비활성 기체로 인하여 Boudouard 반응이 지연됨을 확인하였다.
DCFC는 가스 터빈이나 엔진과 달리 탄소를 사용하여 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 연료전지이며, 주요 특징으로 기존의 발전설비 보다 높은 효율과 낮은 배기 배출물을 발생한다. 본 연구에서는 간단한 열역학 평형 해석을 통해 CO와 $CO_2$가 이론 기전력에 미치는 영향을 확인하였으며, 2차원 CFD 해석 방법을 이용하여 온도에 따른 반응 생성물 변화를 살펴보았다. 그 결과, CO 생성 반응(Boudouard 반응)을 동시에 고려한 이론 기전력 값은 $CO_2$ 생성 반응만 고려한 값(약 1.02 V)보다 크며, 특히 온도가 증가할수록 그 값이 증가함을 보여주었다. 2차원 수치해석 결과를 통하여서 Boudouard 반응이 고온으로 갈수록 중요하며, 비활성 기체로 인하여 Boudouard 반응이 지연됨을 확인하였다.
Direct Carbon Fuel Cell(DCFC), unlike gas turbines or engines, is a kind of fuel cell which directly generates electricity by electrochemical reaction from a carbon fuel. The advantages of DCFC are higher efficiency and lower emission in comparison with existing power generation facilities. In this ...
Direct Carbon Fuel Cell(DCFC), unlike gas turbines or engines, is a kind of fuel cell which directly generates electricity by electrochemical reaction from a carbon fuel. The advantages of DCFC are higher efficiency and lower emission in comparison with existing power generation facilities. In this study, the effects of CO and $CO_2$ on theoretical potential are examined using the thermodynamic equilibrium method, and the dependence of product on operating temperature is examined via two dimensional CFD method. As a result, when the reaction of CO production (Boudouard reaction) considered, theoretical potential is higher than that in only $CO_2$ reactions, and its value increases as temperature increases. Two dimensional results of computational fluid dynamics(CFD) confirm that the Boudouard reaction becomes more important to be considered as temperature increases and inert gas affects the equilibrium composition of the Boudouard reaction.
Direct Carbon Fuel Cell(DCFC), unlike gas turbines or engines, is a kind of fuel cell which directly generates electricity by electrochemical reaction from a carbon fuel. The advantages of DCFC are higher efficiency and lower emission in comparison with existing power generation facilities. In this study, the effects of CO and $CO_2$ on theoretical potential are examined using the thermodynamic equilibrium method, and the dependence of product on operating temperature is examined via two dimensional CFD method. As a result, when the reaction of CO production (Boudouard reaction) considered, theoretical potential is higher than that in only $CO_2$ reactions, and its value increases as temperature increases. Two dimensional results of computational fluid dynamics(CFD) confirm that the Boudouard reaction becomes more important to be considered as temperature increases and inert gas affects the equilibrium composition of the Boudouard reaction.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 고체 산화물 전해질의 DCFC에서 CO의 생성 반응(Boudouard 반응)을 포함하였을 경우 온도에 따른 이론 기전력 계산과 화학 반응을 통해 나타내었다. 이론 기전력 계산을 통하여 전기화학 반응의 생성물로 CO를 고려하였을 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 나타내었다.
연료(탄소)와 공기의 열화학 반응을 위해 Boudouard 반응을 도입하였다. 이를 통해 DCFC 연료극 주위의 유동 및 온도 분포, 출구를 통해 배출되는 생성물을 작동 온도에 따른 변화를 알아보고자 한다.
가설 설정
생성만을 고려하고 있다. 이 때, 이론 기전력은 900 K에 약 1.02 V이며, 활동도를 1로 가정하고 계산되어 진다. 그러나 탄소의 산화 반응을 통한 생성물은 고온일수록 CO2 뿐만 아니라 식 (2)에 의한 CO의 생성이 고려되어야 하며, 반응식도 식 (1)과 다르다.
제안 방법
따라서 기존의 연구와 달리 CO의 생성을 고려할 필요가 있다. Boudouard 반응을 적용하여 CO 생성이 고려된 현상을 모사하기 위해 2차원 전산 수치해석을 다음과 같이 진행하였다.
2의 왼쪽은 실제 실험장비 [8]를 관찰하여 개략도를 나타내었으며, 오른쪽은 개략도를 바탕으로 실제 전산해석에 사용된 형상을 나타내었다. Inlet tube를 통하여 수송가스인 아르곤이 공급되며, Reaction area에서 화학반응이 일어나도록 모사하였다. 반응 후 생성물은 Outlet tube를 통하여 배출되도록 하였다.
그리고 빠른 해석을 위하여 2차원의 형상으로 해석을 진행 하였으며, 모델링된 반응부는 실제 면적과 동일한 평면 형태이다. Inlet, Outlet, Symmerty를 제외하고 형상 조건은 Wall로 설정하였다. 형상 모델링 후 전산 해석을 위해 모델링 및 격자 생성 프로그램을 이용하여 격자 생성을 하였으며, 격자의 개수는 약 15만개이다.
반응 후 생성물은 Outlet tube를 통하여 배출되도록 하였다. 그리고 빠른 해석을 위하여 2차원의 형상으로 해석을 진행 하였으며, 모델링된 반응부는 실제 면적과 동일한 평면 형태이다. Inlet, Outlet, Symmerty를 제외하고 형상 조건은 Wall로 설정하였다.
실험 장치는 전기로가 감싼 형태를 취하고 있기에, Wall 온도에 의한 열전달이 일어나도록 설정하였다. 또한 반응에서 산화제 역할을 하는 공기는 반응부 표면에서 21%의 산소 몰분율을 가지고 일정하게 유입되도록 설정하였다. Inlet을 통해 유입되는 기체는 수송 가스의 역할을 하는 아르곤으로 설정하였으며, 이 때 온도 상승을 고려하여 아르곤의 온도를 650 K, 속도를 0.
Table 1은 해석을 위한 경계 조건을 나타낸 표이다. 실험 장치는 전기로가 감싼 형태를 취하고 있기에, Wall 온도에 의한 열전달이 일어나도록 설정하였다. 또한 반응에서 산화제 역할을 하는 공기는 반응부 표면에서 21%의 산소 몰분율을 가지고 일정하게 유입되도록 설정하였다.
7에 나타내었다. 실험값은 김종필 등에 의해 구축된 장비 [8]의 출구에서 가스분석기(Testo 350-S)를 이용하여 CO, CO2를 측정하였다. 실험을 위해 수송가스로 99.
이때 측정된 값은 평균값을 취하여 나타내었다. 실험조건을 전산 해석의 경계 조건에 맞도록 변환하여 적용하였으며, 온도 변화는 실험과 유사하도록 900 K~1200 K로 설정하여 전산해석을 수행하였다. Fig.
기존 이론 해석 연구로는 용융염 탄산염 전해질을 사용하는 DCFC의 모델링 및 그에 따른 해석이 이루어졌다 [9]. 이는 MATLAB를 이용하여 탄소의 크기 및 작동온도에 따른 성능을 예측하였다. 그러나 이는 CO에 대한 반응을 고려하지 않았다.
따라서 본 연구에서는 고체 산화물 전해질의 DCFC에서 CO의 생성 반응(Boudouard 반응)을 포함하였을 경우 온도에 따른 이론 기전력 계산과 화학 반응을 통해 나타내었다. 이론 기전력 계산을 통하여 전기화학 반응의 생성물로 CO를 고려하였을 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 나타내었다. 또한 실험을 통하여 측정된 배기가스를 전산 해석적 방법을 도입하여 그 결과와 비교하였다.
탄소를 연료로 사용하는 고체 산화물 연료전지의 고온영역에서의 CO 생성반응의 영향을 알아보기 위해 열역학 평형을 통한 이론 기전력 계산과 전산 해석을 동시에 수행하였으며, 결론은 다음과 같다.
Inlet, Outlet, Symmerty를 제외하고 형상 조건은 Wall로 설정하였다. 형상 모델링 후 전산 해석을 위해 모델링 및 격자 생성 프로그램을 이용하여 격자 생성을 하였으며, 격자의 개수는 약 15만개이다.
대상 데이터
실험값은 김종필 등에 의해 구축된 장비 [8]의 출구에서 가스분석기(Testo 350-S)를 이용하여 CO, CO2를 측정하였다. 실험을 위해 수송가스로 99.999%의 아르곤을 사용하였으며, 이는 수송가스가 반응에 영향을 미치지 않도록 하기 위함이다. 이 때 400SCCM의 유량으로 공급하였다.
데이터처리
이론 기전력 계산을 통하여 전기화학 반응의 생성물로 CO를 고려하였을 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 나타내었다. 또한 실험을 통하여 측정된 배기가스를 전산 해석적 방법을 도입하여 그 결과와 비교하였다. 연료(탄소)와 공기의 열화학 반응을 위해 Boudouard 반응을 도입하였다.
이론/모형
이 경우 지배방정식이 비선형적이고 여러 인자에 의해 결합되어 있는 경우, 수치적 결과에 수렴하기위해 반복되는 과정에서 순차적으로 계산을 해나가는 방식이다. Viscous 모델은 층류를 해석하기 위한 모델로써, Larminar 모델을 사용하였다. 복사에 의한 열전달은 고려하지 않았으며, 고체 입자에 대한 해석을 위해 Discrete Phase Model을 사용하였다.
반응 해석을 위해서 사용된 상용 코드는 유한 체적법을 기초로 하는 Fluent를 사용하였다. 지배방정식은 질량과 모멘텀, 에너지등과 같은 수송방정식에 대해 풀게 된다.
Viscous 모델은 층류를 해석하기 위한 모델로써, Larminar 모델을 사용하였다. 복사에 의한 열전달은 고려하지 않았으며, 고체 입자에 대한 해석을 위해 Discrete Phase Model을 사용하였다.
또한 실험을 통하여 측정된 배기가스를 전산 해석적 방법을 도입하여 그 결과와 비교하였다. 연료(탄소)와 공기의 열화학 반응을 위해 Boudouard 반응을 도입하였다. 이를 통해 DCFC 연료극 주위의 유동 및 온도 분포, 출구를 통해 배출되는 생성물을 작동 온도에 따른 변화를 알아보고자 한다.
이 때 Boudouard 반응을 위해 사용된 Kinetic parameter는 Mayers 등이 수행한 CO2에 의한 탄소의 산화 반응 실험을 통해 얻어진 결과 값 [15,16]을 적용하였다. Table 2에 나타내었으며, 이를 전산 해석에 적용하기 위해서는 단위 변환이 필요하다.
일반적으로 연료전지의 이론 기전력을 구하기 위해서 열역학적인 방법으로 Nernst 식을 이용하여 계산하며, 이를 식 (5)에 나타내었다.
해석을 위하여 Pressure based solver를 사용하였다. 이는 u, v, w의 속도에 의한 모멘텀 방정식을 계산하고 그 값을 입력한 상태에서 연속 방정식을 풀어 에너지 방정식의 값이 수렴할 때까지 반복한다.
성능/효과
(1) 이론 기전력을 통하여 온도에 따라 CO와 CO2가 DCFC에 미치는 영향이 다르다는 것을 확인하였다. 1000 K을 기준으로 저온 영역에서는 CO2 생성반응의 영향이, 고온 영역에서는 CO 생성반응의 영향이 지배적으로 나타난다.
(2) 수치해석을 통한 CO와 CO2 변화는 고온 영역에서는 CO는 증가하고 그에 따른 CO2는 감소하였다. 이는 Boudouard 반응에 의하여 CO 생성을 고려한 결과이다.
CFD 해석은 Boudouard 반응을 통한 CO의 생성을 고려한 것으로, 고온에서 CO 생성이 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 또한 실험과의 비교를 통해 Boudouard 반응이 전기화학 반응에도 영향을 미치고 있음을 확인하였다.
한국에서는 Graphite를 연료로 원통 형태의 DCFC 기초 특성 실험이 이미 완료 되었다 [8]. 실험 조건은 작동온도를 650℃에서 950℃로 증가시키면서 연료전지의 성능을 평가하였으며, 그 결과로 950℃에서 1.115 V를 얻었다. 이를 바탕으로 실험 결과와의 검증을 위해 이론 해석의 DCFC 연구가 필요하다.
이는 Boudouard 반응에 의하여 CO 생성을 고려한 결과이다. 실험과의 비교를 통해 전기화학 반응에 Boudouard 반응이 영향을 주고 있음을 확인하였다. 따라서 이론 기전력 및 실험 결과와 비교를 통해 고온형 DCFC에 대한 연구시 CO 반응이 고려되어야 할 것으로 사료된다.
이론 기전력 결과를 통해 고온 영역에 CO 생성반응이 큰 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 따라서 기존의 연구와 달리 CO의 생성을 고려할 필요가 있다.
온도가 상승할수록 CO2 몰분율의 값은 감소하고 있으며, 특히 반응부 주위의 CO2가 감소하였다. 이와 같은 결과는 Boudouard 반응의 효과로 인해 온도가 상승할수록 CO의 발생은 증가하고, CO2의 발생은 감소하고 있음을 나타낸다.
DCFC는 다음과 같은 특징들이 있다. 첫 번째로 MCFC나 SOFC에 비해 높은 이론 효율을 가지며, 그 효율은 100%까지 도달한다. 두 번째로 석탄 화력 발전 시설에 비해 낮은 배기물을 배출한다.
후속연구
실험과의 비교를 통해 전기화학 반응에 Boudouard 반응이 영향을 주고 있음을 확인하였다. 따라서 이론 기전력 및 실험 결과와 비교를 통해 고온형 DCFC에 대한 연구시 CO 반응이 고려되어야 할 것으로 사료된다.
이는 서론에서 언급한 1000 K 보다 높은 온도로, 비활성 기체의 존재가 Boudouard 반응의 평형 조성 분율을 변화시켜 CO 발생을 감소시켰다. 이로 인해 역전현상의 기준 온도를 상승시킨 것으로 판단되며, 향후 비활성 기체의 공급 비율에 따른 CO, CO2 발생량 변화 및 온도에 대한 연구가 필요하다.
115 V를 얻었다. 이를 바탕으로 실험 결과와의 검증을 위해 이론 해석의 DCFC 연구가 필요하다.
그로 인해 CO와 CO2 역전현상이 일어나는 온도를 상승시켰다. 이를 토대로 향후에는 비활성 기체의 공급비율이 CO의 발생량과 온도 변화에 미치는 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지란?
연료전지는 공기와 연료가 전기화학적 반응을 통하여 다른 부가적인 장비 없이 직접 전기를 생산할수 있는 에너지 변환 장치로 에너지 이용 효율이 높고, 소음 및 공해물질 배출량이 적다는 점에서 차세대 전력 생산 방법으로 각광받고 있다 [1-3]. 연료전지는 동작온도에 따라 저온형과 고온형으로 나뉘며, 사용되는 전해질의 종류에 따라 알칼리 연료전지(AFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 그리고 직접탄소 연료전지(DCFC)로 또한 나누어질 수 있다 [4].
직접탄소 연료전지의 장점은 무엇인가?
DCFC는 다음과 같은 특징들이 있다. 첫번째로 MCFC나 SOFC에 비해 높은 이론 효율을 가지며, 그 효율은 100%까지 도달한다. 두 번째로 석탄 화력 발전 시설에 비해 낮은 배기물을 배출한다. 석탄, 석유, 바이오매스 등 탄소를 포함하고 있는 다양한 자원을 연료로 사용할 수 있으며, 개발되는 수소연료전지와 달리 개질기가 필요 없기에 장치의 구현이 다른 연료전지에 비해 간단하다 [5]. 또한 Cooper 등 [6,7]은 DCFC가 화력 발전 시설에 비해 약 50%의 탄소 배출물 감소 효과가 나타날 것으로 예상하였다.
연료전지는 어떻게 나누어 지는가?
연료전지는 공기와 연료가 전기화학적 반응을 통하여 다른 부가적인 장비 없이 직접 전기를 생산할수 있는 에너지 변환 장치로 에너지 이용 효율이 높고, 소음 및 공해물질 배출량이 적다는 점에서 차세대 전력 생산 방법으로 각광받고 있다 [1-3]. 연료전지는 동작온도에 따라 저온형과 고온형으로 나뉘며, 사용되는 전해질의 종류에 따라 알칼리 연료전지(AFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 그리고 직접탄소 연료전지(DCFC)로 또한 나누어질 수 있다 [4].
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