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문제 정의
- 본 연구에서는 연료극 지지체형 평판형 셀의 양방향 수전해 특성을 파악하기 위하여 단위전지(1 cell) 를 제작하여 전류-전압(I-V) 및 양방향 수전해 cycle의 성능 특성을 분석하였다.
제안 방법
- Fig. 3과 같이 양방향 수전해 사이클 성능은 840시간부터 2,114시간까지 1,274시간 동안 총 50사이클을 실시하였다. 한 사이클은 SOEC 모드유지 12시간, 모드변환 1시간 및 SOFC 모드유지 12시간으로 구성하여 총 25시간 동안 진행하였다.
- 5 A까지 증가시키면서 전류-전압 특성을 평가하였다. SOEC 모드에서는 연료극에 H2 0.63 SLPM, N2 0.6 SLPM을 75℃로 설정한 bubble형 가습기를 통과시켜 공급하고, 공기극에는 Air 2.5 SLPM을 공급한 후 전류를 0-40.5 A까지 증가시키면서 전류-전압 특성을 평가하였다. 전류를 증가시키면서 측정된 SOFC 및 SOEC 모드에서의 단위전지 전압 및 출력은 Fig.
- SOFC 단위전지는 셀, 밀봉재, 집전체 및 분리판 등의 구성요소로 이루어지며, 본 연구에서는 연료극지지체형 평판형 셀을 테이프캐스팅 공정으로 제작하였다. 밀봉재는 유리계의 고온 밀봉재를 디스펜싱 공정을 적용하여 제작하였다.
- SOFC 및 SOEC 모드에서 각각의 단위전지 전류-전압(I-V) 특성을 평가하기 위해 SOFC 모드에서는 연료극에 인가전류 40.5 A (500 mA/cm2) 기준으로 연료이용률 55% 조건으로 H2 0.56 SLPM을 H2O의 공급 없이 dry 조건으로 공급하고, 공기극에는 인가 전류 40.5 A기준으로 공기이용률 29% 조건으로 Air 2.5 SLPM을 공급한 후 전류를 0-40.5 A까지 증가시키면서 전류-전압 특성을 평가하였다. SOEC 모드에서는 연료극에 H2 0.
- 단위전지의 양방향 수전해 전류-전압(I-V) 특성을 평가하기 위해 Table 2와 같이 연료극에는 인가 전류 32.4 A (400 mA/cm2) 기준으로 SOFC 모드에서 연료이용률 60%에 해당하는 H2 0.4 SLPM과 N2 0.6 SLPM을 가습기의 다양한 온도 조건에서 공급하고, 공기극에는 Air 2.5 SLPM을 공급한 후 전류-전압 특성을 –330-330 mA/cm2 (±26.7 A) 범위에서 평가하였다. 양방향 수전해 모드에서의 전압 및 출력은 Fig.
- 본 연구에서는 81 cm2급 연료극지지체 평판형 셀을 적용한 단위전지의 SOFC mode, SOEC mode 및 양방향 수전해 mode에서의 전류-전압(I-V) 특성과 양방향 수전해 사이클 특성 평가를 전기로 온도 700℃ 분위기에서 실시하였다.
- 양방향 수전해 전류-전압 특성 평가 후 연료극에는 H2 0.4 SLPM과 N2 0.6 SLPM을 76.6℃로 설정한 bubble형 가습기를 통과시켜 공급하고, 공기극에는 Air 2.5 SLPM을 공급한 후 양방향 수전해 사이클 성능을 평가하였고, 성능 평가시 단위전지 셀 전압 변화를 Fig. 3에 나타내었다.
- 연료극 전극의 환원 완료 후 전기로 온도를 750℃에서 700℃로 낮춘 후 연료극에는 mass fow controller(MFC) 및 bubble형 가습기를 사용하여 H2, N2 및 수증기를 공급하고, 공기극에는 MFC를 사용하여 Air를 공급하면서 SOFC 및 SOEC 각각의 단위전지 전류-전압 특성과 양방향 수전해 조건에서 단위전지의 전류-전압 특성 및 양방향 수전해 사이클 평가 실험을 순차적으로 실시하였다.
대상 데이터
- SOFC 단위전지는 크기가 10×10 cm, 반응면적이 81 cm2인 연료극 지지체형 평판형 셀과 구성요소를 조합하여 제작하였다. SOFC 단위전지의 연료극 및 공기극 가스는 평행흐름(co-flow) 방식으로 설계하여 제작하였다.
- 밀봉재는 유리계의 고온 밀봉재를 디스펜싱 공정을 적용하여 제작하였다. 집전체는 금속 폼과 금속합금 폼을 사용하였고, 분리판은 STS444 소재와 포스코에서 SOFC용으로 개발한 STS400계열의 소재를 사용하여 절단, 가공 및 용접하여 제작하였다.
데이터처리
- 양방향 수전해 사이클 별 SOEC 및 SOFC 모드 유지시 셀 전압값을 Table 4에 정리하였다. 셀 전압값은 bubble형 가습기의 특성상 전압이 일정하게 유지되지 않고 셀 전압의 변동이 있어 모드변환 직전 1시간 동안 1분 간격으로 측정한 데이터의 평균값을 구해 정리하였다.
이론/모형
- 인 연료극 지지체형 평판형 셀과 구성요소를 조합하여 제작하였다. SOFC 단위전지의 연료극 및 공기극 가스는 평행흐름(co-flow) 방식으로 설계하여 제작하였다. 설계시 가스조건은 전기로 온도 700℃ 및 SOFC 모드 기준 전류 40.
성능/효과
- 1) 단위전지의 양방향 수전해 전류-전압(I-V) 특성 평가 결과, SOEC 모드는 –40.5 A에서 셀 전압 1.437 V의 성능을 보였고 SOFC 모드의 경우 40.5 A 및 연료이용률 55%에서 셀 전압 0.790 V, 출력 32.0 W 및 출력밀도 0.395 W/cm2의 성능을 보였다.
- 2) 양방향 수전해 전류-전압(I-V) 특성 평가 결과은 ±26.7 A에서 H2O 이용률 변화에 따른 셀 전압변화율은 SOEC 모드가 SOFC 모드에 비해 크게 나타났다.
- 3) 양방향 수전해 사이클 50회 실시 결과, 단위전지의 셀 전압 변화율은 SOEC 모드는 2.59 mV/cycle, SOFC 모드는 –1.72 mV/cycle로 SOEC 모드가 SOFC 모드보다 셀 전압 변화율이 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 4와 같다. SOEC 모드에서 50사이클 동안의 성능변화는 2.59 mV/cycle이었고, SOFC 모드의 경우 50사이클 동안의 성능변화는 –1.72 mV/cycle로 SOEC 모드가 SOFC 모드보다 양방향 수전해 사이클시 셀 전압 변화율이 큰 것으로 확인되었다. 총 50회의 양방향 수전해 사이클 평가시 47번째 사이클 이후부터 SOEC 및 SOFC 모드 모두에서 셀 전압변화가 이전 사이클에서의 셀 전압변화보다 크게 관찰되었다.
- 72 mV/cycle로 SOEC 모드가 SOFC 모드보다 양방향 수전해 사이클시 셀 전압 변화율이 큰 것으로 확인되었다. 총 50회의 양방향 수전해 사이클 평가시 47번째 사이클 이후부터 SOEC 및 SOFC 모드 모두에서 셀 전압변화가 이전 사이클에서의 셀 전압변화보다 크게 관찰되었다. 이는 선행연구에서도 SOEC 모드에서의 성능 열화율이 SOEC 모드에서 보이는 열화율의 두 배 정도 됨을 보고된 적이 있다6).
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