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문제 정의
- 본 연구에서는 연료의 물리적 성질의 차이에 따른 직접탄소연료전지 내부의 연료극 반응의 변화로 인한 시스템 성능 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 직접탄소 연료전지시스템을 사용하였다 [8-10]. 시스템은 가스 유량과 교반기의 회전수 및 반응로 온도를 제어할 수 있는 제어부, 전해질과 연료 및 전극이 포함되어 실제 반응이 발생하는 반응부, 그리고 전기화학반응에 의한 전압을 측정하는 측정부로 구성된다.
- 연료의 물리적 비표면적 및 표면의 형상, 기공체적의 크기는 이런 젖음성을 판단할 수 있는 중요한 요소라 할 수 있다. 본 연구에서는 연료의 이러한 특성을 분석하기 위하여, 주사 전자 현미경(SEM, Scanning Electron Microscope), 미세기공 물리 흡착분석(Micropore Physisorption Analyzer), X선 회절기법(XRD, X-Ray Diffraction)들을 사용하여 물리적 특성을 평가하였다.
제안 방법
- 15 K로 일정하게유지시켰다. 0.05 ~ 0.95의 P/Po 범위에서 흡착실험을 수행 하였고, 0.95 ~ 0.1의 범위에서 탈착실험을 수행 하여 0.05에서 0.2 사이의 값을 BET흡착 등온식을 이용하여 비표면적을 측정하고, 그 결과 값을 Table 4에 나타내었다. 원탄의 경우 Shenhua 탄의 표면적이 탄소 입자와 Adaro 탄에 비해 각각 4.
- 모든 연료는 실험실 분위기에서 충분히 건조한 다음 사용되었으며, 입자의 크기는 200 ~ 300 mesh 통과분(2 ~ 3 mm)을 사용하였다. Thermogravimetric Analyzer(TA Q600, TA instrument, USA)를 사용하여 ASTM 표준 방식으로 각 연료의 공업분석을 수행하였으며, 원소분석 결과는 연료를 공급한 발전소로부터 연료와 같이 제공받았으며 그 값들을 Table 2에 나타내었다.
- 연료의 물리적 특성을 분석하기 위하여 SEM 사진 및 미세기공 물리 흡착분석을 통하여 표면적의 형상 면적, 기공의 체적에 관하여 관찰하고, XRD 분석을 통하여 결정 구조를 분석하였다. 각각의 결과를 바탕으로 성능측정 시스템과의 결과를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
- 개회로 전압 및 전압-전류 성능 측정 및 정전류 시스템의 구축은 Physio-Lab 사의 Potentio/Galvanostat (KST-P1, Korea)을 사용하였으며, Galvano system으로 연료전지의 성능을 측정하였다.
- 이를 위하여 본 연구에서는 연료전지의 작동온도에서도 형상변화가 발생하지 않는 순수한 탄소로 이루어진 탄소 입자(Carbon particle)와의 비교분석도 필요하다. 본 연구는 직접탄소연료전지 시스템의 성능에 관련된 연료의 물리적 특성을 열 중량 분석기(TGA : Thermo Gravimetric Analyzer)를 사용하여 공업분석과 원소분석으로 통해 물리적 성분들과 온도에 따른 반응 특성을 파악하고, SEM(Scanning Electron Microscope), 미세기공 물리 흡착분석기와 XRD(X-ray Diffraction)를 이용하여 탄소입자와 아역청탄, 아역청탄 조직학적특성을 파악하여 전해질과의 반응 특성을 분석하였다.
- 1에 나타낸 직접탄소 연료전지시스템을 사용하였다 [8-10]. 시스템은 가스 유량과 교반기의 회전수 및 반응로 온도를 제어할 수 있는 제어부, 전해질과 연료 및 전극이 포함되어 실제 반응이 발생하는 반응부, 그리고 전기화학반응에 의한 전압을 측정하는 측정부로 구성된다. 실험에 사용된 모든 전극(연료극, 공기극 및 기준전극)은 은(Ag)으로 제작하였으며, 공기극 덮개에는 1.
- 연료의 물리적 특성이 직접탄소연료전지(DCFC)의 성능에 미치는 영향과 연료극과의 반응특성을 분석하기 위하여 두 종류의 석탄(역청탄인 Shenhua 탄, 아 역청탄인 Adaro 탄)과 탄소 입자를 사용하여 성능측정 및 분석 실험을 수행하였다. 연료의 물리적 특성을 분석하기 위하여 SEM 사진 및 미세기공 물리 흡착분석을 통하여 표면적의 형상 면적, 기공의 체적에 관하여 관찰하고, XRD 분석을 통하여 결정 구조를 분석하였다. 각각의 결과를 바탕으로 성능측정 시스템과의 결과를 비교분석하여 다음과 같은 결론을 도출 하였다.
- 연료의 물리적 특성이 직접탄소연료전지(DCFC)의 성능에 미치는 영향과 연료극과의 반응특성을 분석하기 위하여 두 종류의 석탄(역청탄인 Shenhua 탄, 아 역청탄인 Adaro 탄)과 탄소 입자를 사용하여 성능측정 및 분석 실험을 수행하였다. 연료의 물리적 특성을 분석하기 위하여 SEM 사진 및 미세기공 물리 흡착분석을 통하여 표면적의 형상 면적, 기공의 체적에 관하여 관찰하고, XRD 분석을 통하여 결정 구조를 분석하였다.
- 연료전지의 성능에 직접적으로 영향을 미치는 연료의 물리적 구조를 분석하기 위하여 위 결과 이외에 연료들의 입자의 물리적 연결 상태, 즉 구조에 관한 분석을 수행하기 위하여 X'pert PRO MRD(Philips, Netherlands)를 사용한 X선 회절 분석기법(X-Ray Diffraction; XRD)을 이용하여 연료의 결정 크기를 분석 하였다.
- 이런 연료의 구조적 차이로 인한 표면적의 차이와, 촤가 생성되면서 변화되는 물리적 구조 차이를 분석하기 위하여 Brunauer Emmett Teller(BET) 방정식을 이용한 기체흡착장치의 일종인 ASAP 2020(Miciomeritics Co, USA)를 사용하여 입자의 표면적, 기공체적을 구체적인 수치로 확인하였다. 비표면적(BET)을 측정하기위해 흡착제로는 질소가스를 사용하였으며 약 0.
- %로 고정하였다. 전해질과 연료는 예혼합 상태로 반응로에 공급되었으며, 분위기 온도를 3 K/min의 속도로 상승시켜 873 K까지 도달하도록 하였다.
- 초기 가스 주입 조건은 공기극(cathode)에 이산화탄소를 50 ml/min로 공급하면서 873 K까지 승온 시킨 후, 공기와 이산화타소의 비를 부피 기준으로 7:3으로 조절하여 각각 70 ml/min, 30 ml/min로 일정하게 혼합하여 공급하였다. 공급되어지는 이산화탄소는 아래의 반응식을 통하여 산소이온과 용융탄산염이온의 전도성을 높여 전지의 성능을 향상시킨다 [11].
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 발전소에서 사용되고 있는 석탄들 중에서 대표적인 역청탄 1종(Shenhua coal)과 아역청탄 1종(Adaro coal)을 연료로서 사용하고, 석탄의 전기화학 반응과 비교하기 위해 약 99 wt. %의 탄소 성분으로 구성된 탄소입자(carbon particle)를 연료로서 사용하였다. 모든 연료는 실험실 분위기에서 충분히 건조한 다음 사용되었으며, 입자의 크기는 200 ~ 300 mesh 통과분(2 ~ 3 mm)을 사용하였다.
- 각 실험에서는 탄산리튬(Li2CO3)과 탄산칼륨(K2CO3) 의 혼합물을 전해질로 사용하였으며, Vutetakis등의 연구에서 제시한 녹는점이 최저가 되는 62:38(mole ratio) 비로 혼합하여 사용하였다. 연료전지에 사용된 전해질의 녹는점이 낮아질수록 물질 전달 능력이 활발해 지고 성능측면에서 장점을 보이기 때문이다 [8].
- %의 탄소 성분으로 구성된 탄소입자(carbon particle)를 연료로서 사용하였다. 모든 연료는 실험실 분위기에서 충분히 건조한 다음 사용되었으며, 입자의 크기는 200 ~ 300 mesh 통과분(2 ~ 3 mm)을 사용하였다. Thermogravimetric Analyzer(TA Q600, TA instrument, USA)를 사용하여 ASTM 표준 방식으로 각 연료의 공업분석을 수행하였으며, 원소분석 결과는 연료를 공급한 발전소로부터 연료와 같이 제공받았으며 그 값들을 Table 2에 나타내었다.
- 5 mm의 구멍을 뚫어 전해질의 유동을 원활하게 하는 반면, 연료의 입출입은 차단하였다. 반응로 내부의 가스 유동을 원활하게 하기 위하여 비활성 가스인 헬륨을 캐리어 가스로서 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 직접탄소연료전지 시스템은 용융탄산염을 기초로 탄소계열의 고체연료를 적용하였다. 이러한 시스템은 기존의 연료전지와 비교하여 효율이 높으며, 환경 친화적이다.
- 이런 연료의 구조적 차이로 인한 표면적의 차이와, 촤가 생성되면서 변화되는 물리적 구조 차이를 분석하기 위하여 Brunauer Emmett Teller(BET) 방정식을 이용한 기체흡착장치의 일종인 ASAP 2020(Miciomeritics Co, USA)를 사용하여 입자의 표면적, 기공체적을 구체적인 수치로 확인하였다. 비표면적(BET)을 측정하기위해 흡착제로는 질소가스를 사용하였으며 약 0.5 g ~ 1 g의 시료를 323 K에서 탈기체화(degasing)하였으며 온도는 액체질소를 이용하여 77.15 K로 일정하게유지시켰다. 0.
- 실험에 사용된 X-ray는 Cu-Kα radiation(1.54 Å)를적용하였으며 2θ는 10°에서 90° 범위에서 측정하였고그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
- 시스템은 가스 유량과 교반기의 회전수 및 반응로 온도를 제어할 수 있는 제어부, 전해질과 연료 및 전극이 포함되어 실제 반응이 발생하는 반응부, 그리고 전기화학반응에 의한 전압을 측정하는 측정부로 구성된다. 실험에 사용된 모든 전극(연료극, 공기극 및 기준전극)은 은(Ag)으로 제작하였으며, 공기극 덮개에는 1.5 mm의 구멍을 뚫어 전해질의 유동을 원활하게 하는 반면, 연료의 입출입은 차단하였다. 반응로 내부의 가스 유동을 원활하게 하기 위하여 비활성 가스인 헬륨을 캐리어 가스로서 사용하였다.
데이터처리
- 각 연료는 2θ = 26° 에서 피크 값을 가지며 이 결과 값으로부터 모든 연료의 구조는 흑연(graphite) 임을 알 수 있다. 결과 값 분석을 통해 반치폭 FWHM(Full Width at Half Maximum)을 측정하고 Scherrer 식을 사용하여 탄소 결정립의 크기를 분석하였으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다. 결정립의 크기는 탄소입자와 Adaro 탄이 비슷하게 나왔으며, 상대적으로 Shenhua 탄은 작은 값을 보이므로 앞의 두 연료에 비해 넓은 표면적을 가지게 된다.
성능/효과
- 1) 연료전지의 성능곡선에서 아역청탄인 Adaro 탄의 성능이 가장 높게 나타난 반면 탄소입자의 성능이 가장 낮게 나타났다.
- 2) Shenhua 탄은 전압과 전류 구간에 따라 크게세 구간의 영역이 있는 것을 확인 할 수 있는 반면, Adaro 탄이나 탄소 입자는 선형적으로 변하게 된다. 이는 탄소 결정립의 크기가 작을수록 시스템의 저항이나, 농도저항에 민감하게 반응하기 때문이다.
- 3) 연료의 표면적과 기공체적은 연료 전지의 성능에 큰 영향을 미치게 되며, 원탄의 물성보다는 촤상태의 물성 파악이 중요하다.
- 5(a)에 나타내었다. Adaro탄의 개방회로전압 (OCV)은 0.73 V로 가장 높게 나타났으며, Shenhua 탄과 탄소입자는 각각 0.6 V, 0.47 V로 Adaro 탄 대비 82%와 64%의 OCV를 나타내었다. 탄소입자와 각 탄 들의 고정탄소(Fixed carbon)비를 살펴보면, Shenhua 탄과 Adaro 탄이 각각 55%, 42%이며 탄소함량은 80%와 75%이다.
- 다만, Shenhua 탄 주변에 무기물이 Adaro 탄에 비해 다량 부착되어 있는 모습이 관찰되었다. 두 석탄 연료의 표면을 좀 더 확대하여 8000 배율로 관찰하여 보면, Shenhua 탄보다는 Adaro 탄의 표면이 더욱 거친 것을 알 수 있으며, 이는 연료 전지 내부에서 전해질과의 반응을 더욱 활발하게 할 것으로 예상된다.
- 석탄은 작동온도구간에서 휘발분 함량에 기인하여 탈 휘발화과정 이후 다공성의 촤로 변화되어 물리적 형상 및 표면적이 변화하게 되지만, 순수 탄소로 구성된 탄소 입자는 DCFC의 작동온도구간에서 물성과 화학적 구조의 변화가 없어 순수한 온도에 따른 시스템의 성능 측정이 가능하다. 시스템의 개방회로전압은 온도가 873 K에서 973 K까지 변화할 때 0.47 V 에서 0.65 V로 38% 정도 높은 값을 나타내었다. Fig.
- 직접탄소연료전지의 장점을 아래에 기술하였다. 첫째, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지와 같은 기존의 연료전지와 비교 하여 열역학적 효율이 높다. 직접탄소 연료전지는 총괄반응식(1)을 바탕으로 깁스 자유에너지변화(ΔG=-395.
후속연구
- 따라서 석탄 촤의 물성 분석은 원탄의 물성보다 연료전지의 성능에 더욱 영향을 미치게 되므로, 석탄의 형상변화가 연료전지 성능에 어떠한 영향을 미치는지 분석할 필요가 있다. 이를 위하여 본 연구에서는 연료전지의 작동온도에서도 형상변화가 발생하지 않는 순수한 탄소로 이루어진 탄소 입자(Carbon particle)와의 비교분석도 필요하다. 본 연구는 직접탄소연료전지 시스템의 성능에 관련된 연료의 물리적 특성을 열 중량 분석기(TGA : Thermo Gravimetric Analyzer)를 사용하여 공업분석과 원소분석으로 통해 물리적 성분들과 온도에 따른 반응 특성을 파악하고, SEM(Scanning Electron Microscope), 미세기공 물리 흡착분석기와 XRD(X-ray Diffraction)를 이용하여 탄소입자와 아역청탄, 아역청탄 조직학적특성을 파악하여 전해질과의 반응 특성을 분석하였다.
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