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탄소연료를 이용하는 고체 산화물 연료전지의 연료극 반응 수치해석
Numerical Modeling of Anodic Reaction of Carbon-Rich Fuel at Solid Oxide Fuel Cell 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.19 no.3 = no.63, 2010년, pp.188 - 194  

임호 (부산대학교 기계공학부 대학원) ,  김종필 (부산대학교 기계공학부 대학원) ,  송주헌 (부산대학교 기계공학부) ,  장영준 (부산대학교 기계공학부) ,  전충환 (부산대학교 기계공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 ...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (16)

  1. Lee, K. S., Cho, H. H., 2005, "Numerical Analysis of Molten Carbonate Fuel Cell Stack using Computational Fluid Dynamics," Journal of the Korean Electrochemical Society, Vol. 8, No. 4, pp. 155-161. 

  2. Hwang, J. Y., Yoon, J. E., Kang, K. T., Kim, J. H., Lee, B. J., 2009, "Effects of Anode and Current Collector Materials on the Power Density of Solid Oxide Electrolyte Direct Carbon Fuel Cell," Proceeding of the KSNRE 2009 Spring Conference, pp. 392-394. 

  3. Lee, T. H., Choi, J. H., Park, T. S., Yoo, Y. S., Nam, S. W., 2009, "Design and Self- Sustainable Operation of 1kW SOFC System," Tras. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 20, No. 5, pp. 384-389. 

  4. Larmine, J., Dicks, A., 2003, Fuel Cell System Explained, 2nd, Chichester, Wiley, pp. 1-24. 

  5. Cao, D., Sun, Y., Wang, G., 2007, "Direct Carbon Fuel Cell: Fundamentals and Recent Developments," Journal of Power Sources, Vol. 167, No 2, pp. 250-257. 

  6. Cooper, J. F., Berner, K., Presented in Fuel Cell Seminar, Direct Carbon Fuel Cell Workshop, Palm Springs, CA, USA, 14th November, 2005, Proceedings online: http://www.fuelcellseminar.com/pdf/Direct Carbon Fuel Cell Workshop/Cooper John.pdf. 

  7. Cooper, J. F., Presented in Direct Carbon Fuel Cell Workshop, NETL, Pittsburg, PA, USA, 30th July, 2003, Proceedings online: http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/03/dcfcw/Cooper%202.pdf. 

  8. Kim, J. P., Lim, H., Jeon, C. H., Chang, Y. J., Koh, K. N., Choi, S. M., Song, J. H., 2010, "Performance Evaluation of Tubular Fuel Cells Fuelled by Pulverized Graphite," Journal of Power Sources, Vol. 195, No. 22, pp. 7568-7573. 

  9. Liu, Q., Tian, Y., Xia, C., Thompson, L. T., Liang, B., Li, Y., 2008, "Modeling and Simulation of a Single Direct Carbon Fuel Cell," Journal of Power Sources, Vol. 185, No. 2, pp. 1022-1029. 

  10. Barbir, F., 2005, PEM Fuel Cells - Theory and Practice, Elesevier, pp. 17-31. 

  11. Tang, Y., Liu, J., Sui, J., 2009, "A Novel Direct Carbon Solid Oxide Fuel Cell," ECS Transaction, Vol. 25, No. 2, pp. 1109-1114. 

  12. Vamvuka, D., WoodBurn, E. T., 1998, "A Model of the Combustion of a Single Small Coal Particle using Kinetic Parameters Based on Thermogravimetric Analysis," Internationl Journal of Energy Research, Vol. 22, pp. 657-670. 

  13. Lee, A. C., Mitchell, R. E., Gur, T. M., 2009, "Thermodynamic Analysis of Gasification-Dirven Direct Carbon Fuel Cells," Journal of Power Sources, Vol. 194, pp. 774-785. 

  14. Fluent User Guide 6.3 

  15. Silaen, A., Wang, T., 2010, "Effect of Turbulence and Devolatilization Models on Coal Gasification Simulation in an Entrained-flow Gasifier," International Journal of Heat Mass Transfer, Vol. 53, pp. 2074-2091. 

  16. Smoot, L. D., Smith, P. J., 1985, COAL Combustion and Gasfication, Plenum Press, New York, pp. 168-174. 

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