선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- (4,5) 그럼으로 다양한 석탄의 종류에 따른 직접탄소 연료전지의 전기화학 반응 특성에 대한 연구가 요구되나, 현재 이에 대한 연구는 거의 수행되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 석탄의 종류 및 특성과 전기화학 반응간의 상관관계에 대하여 알아보았다.
- 본 연구에서는 다양한 종류의 석탄과 흑연 입자를 사용하여 연료의 물리적․화학적 특성과 전기 화학 반응 특성의 연관성에 대하여 논의하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 15 K 로 일정하게 유지하였다. P/Po = 0.05 ~ 0.95의 범위에서 흡착실험을 수행하였고, 0.95 ~ 0.1의 범위에서 탈착실험을 수행하여 0.05 에서 0.2 사이의 값을 BET흡착등온식을 이용하여 비표면적을 측정하였다.
- XPS 분석을 위하여 15 kV 와 150 W의 전원을 이용한 단색의 Al Kα (hv=1486.6eV) 선을 조사하였다.
- 각 연료들의 전기화학 반응 특성을 분석하기 위하여 각 석탄들을 직접탄소 연료전지 시스템에 적용하여 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
- 직접탄소 연료전지는 700 K 이상의 고온에서 작동하기 때문에, 연료로 사용되는 석탄은 열반응을 하게 된다. 그러므로 본 연구에서는 Q-50(TA instrument, USA) 장비를 사용하여 열중량 분석 실험을 수행하였다. 모든 실험에서는 20 mg의 연료를 사용하였으며, 산화제는 100 ml/min의 속도로 공급하였고 상온에서 303 K 까지 가열한 후 5분 동안 등온 상태를 유지하였다.
- 모든 실험에서는 20 mg의 연료를 사용하였으며, 산화제는 100 ml/min의 속도로 공급하였고 상온에서 303 K 까지 가열한 후 5분 동안 등온 상태를 유지하였다. 그리고 10 K/min 의 승온 속도로 1173 K까지 가열하면서 열 반응 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 석탄 종류가 직접탄소 연료전지의 전기화학 반응에 미치는 영향을 분석하기 위하여 역청탄 2종(Shenhua, Moolarben coal)과 아역청탄 2종(Adaro, Openblue coal), 그리고 아역청탄에 가깝지만 역청탄과 아역청탄 사이에 존재하는 탄 1종(Wira coal)을 포함하여 총 5종의 석탄을 선정하였다. 그리고 순수한 탄소 입자와의 반응성 차이를 확인하기 위하여 흑연 입자(Graphite particle)를 추가적으로 선정하였다. 각 연료들의 공업분석은 ASTM 방법에 따라 TGA 701 (LECO, USA) 장비를 사용하여 수행되었으며, 원소분석은 Elementar Analysen Systeme (KBSI Busan Center, Korea)에 의해 수행되었다.
- 1에 나타내었다. 반응로에는 세 개의 은 전극을 사용하여 전기화학 반응의 특성을 측정하였다. 전류밀도와 전력밀도를 구하기 위한 산화극(Anode)의 유효 면적은 1.
- 본 연구에서는 다양한 석탄의 종류에 따른 직접탄소 연료전지의 전기화학 반응 특성을 분석하기 위하여 기존의 연구를 참고하여(4~9) 평가 시스템을 제작하였으며, 그 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 반응로에는 세 개의 은 전극을 사용하여 전기화학 반응의 특성을 측정하였다.
- 석탄의 열 반응 특성을 TGA 실험을 통하여 분석하였다. 직접탄소 연료전지에서 생성되는 배기가스는 대부분이 이산화탄소이기 때문에 공기분위기와 이산화탄소 분위기에서의 실험을 함께 수행하였으며 그 결과를 Fig.
- 연료 표면에 존재하는 작용기의 분포를 확인하기 위하여 Theta Probe AR-XPS System (Thermo Fisher Scientific, U.K) 장비를 사용하여 ESCALAB250 XPS system을 구축하였으며, 표면 작용기 성분 분석을 수행하였다. XPS 분석을 위하여 15 kV 와 150 W의 전원을 이용한 단색의 Al Kα (hv=1486.
- 연료의 구조에 의한 표면적 및 기공의 크기를 측정하기 위하여 Brunauer Emmett Teller (BET) 방정식을 이용한 기체흡착장치의 일종인 ASAP 2020(Miciomeritics Co., USA)를 사용하여 입자의 표면적, 기공체적을 구체적인 수치로 확인하였다. 비표면적을 측정하기위해 흡착제로는 질소가스를 사용하였으며, 온도는 77.
- 반응로의 온도는 전기 히터로 조절되며, 반응영역의 온도를 측정하기 위하여 K-type의 열전대를 장착하였다. 장비의 중앙부에는 알루미나 교반기(stirrer)가 장착되었으며, 외부 공기의 침입을 막기 위하여 모든 부품의 연결 부위는 실링처리 하였다.
- 석탄의 열 반응 특성을 TGA 실험을 통하여 분석하였다. 직접탄소 연료전지에서 생성되는 배기가스는 대부분이 이산화탄소이기 때문에 공기분위기와 이산화탄소 분위기에서의 실험을 함께 수행하였으며 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 공기분위기 실험에서 알 수 있듯이 흑연 입자의 경우 다른 석탄들과는 달리 수분 및 휘발분을 거의 포함하지 않고 있으며, 1000 K 이상의 온도에서 탄소 반응만이 존재한다.
- 모든 연료의 비표면적 및 기공체적, 기공크기를 분석하기 위하여 질소 가스를 이용한 가스 흡착 실험을 수행하고 그 결과 값을 Table 2에 나타내었다. 직접탄소 연료전지의 작동 온도가 석탄의 탈휘발 과정이 발생하는 온도 이상의 고온이므로 원탄의 경우와 char 상태에서의 결과값을 함께 측정하였다. Char 제작을 위해서 연료를 상온에서 1173 K까지 질소분위기에서 3 K/min으로 가열하였다.
대상 데이터
- 기존 연구에 의하면, 두 탄산염은 62 mol% 와 38 mol%의 혼합 상태에서 가장 낮은 온도에서 용융되어 같은 운전 운도에서 높은 성능을 보여준다.(10) 그러므로 각 실험에는 215.6g의 탄산 리튬(Li2CO3)과 247.89g의 탄산칼륨(K2CO3)을 혼합하여 총 463.49g의 전해질을 연료 46g과 미리 혼합하여 사용하였다. 실험 장비의 준비가 마무리된 후, 환원극과 기준전극으로 50ml/min의 이산화탄소를 공급한다.
- 본 실험에서는 Cu-Kα radiation (0.154 nm) X-ray를 사용하여 10° 에서 90° 사이의 2θ 값에 대한 결과를 획득하였다.
- 본 연구에서는 석탄 종류가 직접탄소 연료전지의 전기화학 반응에 미치는 영향을 분석하기 위하여 역청탄 2종(Shenhua, Moolarben coal)과 아역청탄 2종(Adaro, Openblue coal), 그리고 아역청탄에 가깝지만 역청탄과 아역청탄 사이에 존재하는 탄 1종(Wira coal)을 포함하여 총 5종의 석탄을 선정하였다. 그리고 순수한 탄소 입자와의 반응성 차이를 확인하기 위하여 흑연 입자(Graphite particle)를 추가적으로 선정하였다.
- , USA)를 사용하여 입자의 표면적, 기공체적을 구체적인 수치로 확인하였다. 비표면적을 측정하기위해 흡착제로는 질소가스를 사용하였으며, 온도는 77.15 K 로 일정하게 유지하였다. P/Po = 0.
- 전해질은 분말 상태의 탄산리튬과 탄산칼륨 혼합물을 사용하였다. 기존 연구에 의하면, 두 탄산염은 62 mol% 와 38 mol%의 혼합 상태에서 가장 낮은 온도에서 용융되어 같은 운전 운도에서 높은 성능을 보여준다.
- 환원극(Cathode)은 산화극과 같은 재질을 사용하였으며, 유효 면적은 1.0 cm2이 되도록 제작하였다. 환원극은 12 mm의 외부 알루미나 관과 4 mm 내부 알루미나 관의 이중 구조로 이루어져 공기와 이산화탄소가 공급 및 배출된다.
이론/모형
- 반응로의 온도가 923 K에 이르고, 개회로전압(Open Circuit Voltage, OCV)가 0 V로 안정되면, 헬륨의 공급 유량을 70 ml/min로 줄이고 환원극과 기준전극에 공급되던 순수 이산화탄소를 산소:이산화탄소를 1:2의 비율로 공급한다. OCV가 일정하게 유지되면 Linear sweep voltammetry 방법으로 1 mV/s의 속도로 전류 및 포테셜 값을 획득한다.
- 그리고 순수한 탄소 입자와의 반응성 차이를 확인하기 위하여 흑연 입자(Graphite particle)를 추가적으로 선정하였다. 각 연료들의 공업분석은 ASTM 방법에 따라 TGA 701 (LECO, USA) 장비를 사용하여 수행되었으며, 원소분석은 Elementar Analysen Systeme (KBSI Busan Center, Korea)에 의해 수행되었다. 각 연료의 분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
- 연료의 물리적 구조를 분석하기 위하여 X'pert PRO MRD (Philips, Netherlands)를 사용한 X-Ray 회절 분석기법 (X-Ray Diffraction; XRD)을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 연료의 구조는 직접탄소 연료전지의 반응에 영향을 미치며, 흑연입자 혹은 Moolarben 탄의 경우 높은 결정화도가 고 전류밀도에서 급격한 포텐셜 감소를 초래하였다.
- (2) 석탄의 최대 전류밀도는 고전류 밀도 영역에서 반응 가능한 탄소의 양에 많은 영향을 받았다. 이는 유사한 전기화학 곡선을 보이는 Shenhua, Adaro, Openblue 탄에서 확인 가능하였으며, 최대 전력 밀도 또한 이러한 특성에 의하여 동일한 경향을 보였다.
- (3) 직접탄소 연료전지는 스터링을 통하여 전해질의 물질전달을 개선할 경우, 500 rpm까지 성능이 향상되었으며, 최대 전력밀도는 25 mW/cm2에서 71 mW/cm2까지 3 배 정도 증가하였다.
- (4) 작동 온도가 상승할 경우 전기화학 반응은 전 영역에서 성능이 개선되며, 최대 전력밀도는 9 mW/cm2에서 74 mW/cm2까지 8배 이상 상승하였다.
- XRD 분석에 의하면, Wira 탄 결정립 크기는 큰 편이며 결정화도는 중간 정도이다. XPS 기법을 통하여 표면 작용기의 함량을 분석한 결과에 의하면, Wira 탄의 O/C 비율은 Shenhua 탄 다음으로 높은 것으로 나타났으며 소량의 Fe 작용기를 함유하고 있다. 연료전지 실험결과, Wira 탄이 가장 좋은 성능을 보여주는 이유는 높은 O/C 비율과 표면에 존재하는 금속 계열의 작용기들이 촉매 역할을 하기 때문이라고 할 수 있다.
- 이러한 연료의 물리적 특성으로 인하여 연료와 전해질간의 반응 면적을 줄여 고 전류밀도 영역에서의 반응성이 저하된다. XRD 결과에서 Moolarben 탄의 결정립 크기는 다른 두 아역청탄의 중간 정도의 크기를 보여주지만, 결정화도는 모든 석탄 중에서 가장 높게 나타났다. 이는 연료의 구조가 매우 단단하여 반응의 활성화에 많은 에너지를 요하게 된다는 것을 의미한다.
- 흑연 입자는 석탄에 비해 작은 크기의 결정 입자를 가지고 있으며, 대부분 결정 구조로 이루어져 있다. 결정립의 크기는 Adaro가 매우 작은 편이었으며, Shenhua 탄과 Moolarben, Wira 탄 순으로 커졌으며, Openblue 탄이 가장 큰 결정립을 구성하고 있는 것을 확인하였다.
- 기존 연구에 의하면 연료 표면 작용기의 O/C 비율은 성능에 영향을 미치며(5,7,8), 실험에 사용된 석탄은 Shenhua > Wira > Adaro > Moolarben > Openblue 탄 순으로 나타난다. 그리고 직접탄소 연료전지 내부의 전기화학 반응에 부촉매 역할을 하는 Si와 Al 작용기(5) 또한 Shenhua 탄이 가장 많았으며 Openblue 탄에 가장 적게 함유되어 있는 것을 확인 할 수 있었다.
- 표면 작용기의 분포는 기존 원소분석의 결과와는 다르게 나타났다. 모든 석탄은 공통적으로 C, O, N, Si, Al를 포함하고 있었으며, Wira에서 소량의 Fe 작용기가 검출되었다. Fe 작용기는 전기화학 반응시 촉매로 작용하는 성분이므로 Wira 탄의 반응을 촉진시킬 것으로 예상된다.
- 이러한 반응성은 전기화학 반응성 역시 향상시킬 것으로 기대된다. 모든 탄들이 1000 K 이상의 고온에서도 일정량 이상의 탄소를 포함하고 있으며, 직접탄소 연료전지에의 적용 가능성을 확인 할 수 있었다.
- 5에는 온도 변화에 따른 Shenhua 탄의 전기화학 반응 변화를 나타내었다. 분위기 온도가 상승함에 따라 모든 전류밀도 영역에서 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 저 전류밀도 영역에서는 모든 연료들이 쉽게 활성화되어 반응에 참여하게 되며, 온도가 상승함에 따라 이온의 전도도 또한 상승하여 시스템 저항이 감소하는 것을 확인 할 수 있다.
- 석탄 중에서는 Openblue 탄이 가장 많은 C 1s 함유량을 보였으며, Shenhua 탄은 가장 적은 함유량을 보였다. 이는 기존 원소분석 결과와는 반대의 결과이다.
- 4에 나타내었다. 스터링 효과에 의하여 전해질의 물질전달이 향상됨에 따라 전기화학 반응은 조금씩 향상되며, 500 rpm 까지 향상되는것을 확인할 수 있다. 600 rpm 에서는 오히려 성능이 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 빠른 스터링은 전해질의 splashing 효과를 유발해 성능이 저하되는 역효과를 유발하기 때문이다.
- 전력밀도는 기존 i-V 곡선에서 포텐셜 값과 그 지점에 상응하는 전력밀도 값의 산술적 곱으로 표현하였다. 실험결과 Wira 탄이 가장 높은 최대전력밀도를 나타내었다. Adaro 와 Shenhua 탄이 Wira 탄보다는 낮지만, 서로 비슷한 값을 보여주었으며 흑연 입자와 Openblue 탄의 값도 서로 유사하다.
- Wira 탄의 경우, 모든 연료 중에서 가장 좋은 성능을 보여준다. 연료의 분석 결과를 살펴보면, Wira 탄은 5 종류의 석탄 중에서 중간 정도의 탄소 함량을 보여주고 있으며, 표면적 및 기공 체적은 원탄의 경우와 char 상태 모두 가장 작은 값을 보여주었다. XRD 분석에 의하면, Wira 탄 결정립 크기는 큰 편이며 결정화도는 중간 정도이다.
- 분위기 온도가 상승함에 따라 모든 전류밀도 영역에서 성능이 향상되었음을 확인할 수 있다. 저 전류밀도 영역에서는 모든 연료들이 쉽게 활성화되어 반응에 참여하게 되며, 온도가 상승함에 따라 이온의 전도도 또한 상승하여 시스템 저항이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 최대전력밀도 또한 높아지게 되는데, 1023 K에서의 값은 923 K에 비해 7 ~ 8 배 정도 상승하게 된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.