[논문]용융탄산염 연료전지용 공기극과 연료극의 저항 모델링

이창환; 정정열

doi:10.7316/khnes.2018.29.3.267

용융탄산염 연료전지용 공기극과 연료극의 저항 모델링
Modelling of the Resistance Model for Anode and Cathode for Molten Carbonate Fuel Cells 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.3, 2018년, pp.267 - 273

이창환 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 정정열 (광운대학교 화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

From the experiments of various temperature and gas compositions, total resistance which is composed of ohmic resistance, anode resistance, cathode resistance and Nernst loss was calculated wit simple assumption. In this work, the anode and the cathode resistance was modelled with new equation which can account for the correlation between the operating temperature and the gas composition. The proposed model can predict the resistance with maximum error of 2.57% and employed in the simulation of molten carbonate fuel cells.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 네른스트 손실에 의한 전압 손실을 평균 전류밀도로부터 계산하였다. 특정 평균 전류밀도에서 이용률이 결정되는 경우, 출구에서의 가스량은 간단한 계산을 통하여 구할 수 있다.
본 연구에서는 새로 개발된 연료극(Ni-5%Al+ 5wt%Cr)에 대하여 저항을 표현할 수 있는 새로운 모델을 계산하였다. 실험 결과에서부터 Ohmic 저항, 네른스트 손실을 제외하고, 연료극 저항과 공기극 저항을 구하였다.

가설 설정

실험 결과에서부터 Ohmic 저항, 네른스트 손실을 제외하고, 연료극 저항과 공기극 저항을 구하였다. 그리고 저항 모델이 각 극의 투입 가스에 비례한다는 가정 하에서 저항 모델을 계산하였다. 그리고 이를 실험 결과와 비교하여 개발된 해석 모델의 유효성을 검증하였다.
본 연구에서는 단순 가정을 통하여 네른스트 손실 (Nernst loss)에 의한 저항을 계산하였다. 전기 화학 반응이 발생하지 않는 경우, 일정한 가스 농도를 유지한다.
온도에 따라 달라지므로, 온도에 대한 함수로 표현하는 것이 분극 저항을 더욱 정확히 표현할 수 있다. 연료극의 경우, 실험의 단순화를 위하여 H₂O의 분압과 분압에 대한 지수는 일정하다고 가정하였다. 따라서, 연료극과 공기극 분극을 식 (7)와 같이 표현할 수 있다.

제안 방법

05 간격으로 실험하였다. 공기극은 O₂ 농도 0.2에서 0.7까지 0.1 간격으로, CO₂ 농도는 0.2에서 0.5까지 0.1 간격으로 실험하였다. 이 때, 공기극의 가스 이용률(gas uitilziation)은 0.
그리고 저항 모델이 각 극의 투입 가스에 비례한다는 가정 하에서 저항 모델을 계산하였다. 그리고 이를 실험 결과와 비교하여 개발된 해석 모델의 유효성을 검증하였다.
가스 분율과 이용률로부터 분압을 계산하고, 이를 네른스트 전압, 식 (2)에 위에서 계산한 가스 농도를 대입하면, 전류 밀도에 따른 네른스트 전압에 대한 분포를 구할 수 있다. 그리고 이를 평균을 구하여 손실로 계산하였다.
1) Ohmic 저항은 Ahrrenius type식을 사용하여 피팅하였다. 네른스트 손실의 경우, 간단한 이론 모델을 만들어 손실을 계산하였다.
따라서 온도는 580 °C, 600 °C, 620 °C, 650 °C, 670 °C에 대하여 실험하였다.
따라서 온도는 580 °C, 600 °C, 620 °C, 650 °C, 670 °C에 대하여 실험하였다. 마찬가지로, 가스 조성에 대하여 연료극과 공기극의 분극 저항을 구해야 하기 때문에, 연료 극은 수소 분율 0.2에서 0.8까지 0.1 간격, CO₂는 0.05에서 0.2로 0.05 간격으로 실험하였다. 공기극은 O₂ 농도 0.
O의 분압으로 표현된다. 본 연구에서는 분압에 대한 영향(지수)를 온도에 대한 함수로 표현하였다. 분압의 지수는 반응 차수와 관련이 있다.
본 연구에서는 용융탄산염 연료전지의 온도 및 가스 투입 조건(온도, 가스 이용률, 가스 조성) 등의 실험 결과로부터 Ohmic 저항, 연료극 분극 저항, 공기극 분극 저항을 계산하고, 이를 모델링하였다.
본 연구에서는 새로 개발된 연료극(Ni-5%Al+ 5wt%Cr)에 대하여 저항을 표현할 수 있는 새로운 모델을 계산하였다. 실험 결과에서부터 Ohmic 저항, 네른스트 손실을 제외하고, 연료극 저항과 공기극 저항을 구하였다. 그리고 저항 모델이 각 극의 투입 가스에 비례한다는 가정 하에서 저항 모델을 계산하였다.
실험을 통하여 운전 온도와 가스 조성에 대하여 공기극과 연료극의 성능을 분석하고 한다. 따라서 온도는 580 °C, 600 °C, 620 °C, 650 °C, 670 °C에 대하여 실험하였다.
앞서 구한 분극 저항 모델을 사용하여 1개 채널 형상에 대한 해석을 진행하였다. 그리고 이 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다.
연료극과 공기극의 저항 모델을 위하여, 실험은 각각의 운전 온도(580 °C, 600 °C, 620 °C, 650 °C, 670 °C)에 대하여, 16가지의 가스 조합에 대하여 실시하였다.
Ohmic 저항은 electro impedance spectroscopy (EIS)로 측정할 수 있다. 온도별로 Ohmic 저항을 측정하였다. 그리고 Ohmic 저항의 경우 온도와 반응속도의 표현식인 Ahrrenius type equation을 사용하여 표현할 수 있다.
실험을 통하여 분극 저항을 분리할 수 있다. 이를 위해 단위전지를 이용한 실험을 진행하였다. 실험은 KIST 연료전지 연구센터에서 진행하였다.
이에 따라, 공기극 O2 농도의 지수 (γ)는 온도에 따른 γ의 평균값을 사용하였고, 공기극 CO2 농도의 지수 (δ)는 온도에 따른 선형 비례를 사용하였다.

대상 데이터

실험은 KIST 연료전지 연구센터에서 진행하였다. 반응 면적 100 cm²의 단위 전지를 사용하였고⁶⁾, 전해질은 (52+48) mol% (Li+Na)₂CO₃를 사용하였다. 연료 극은 Creep 저항성 향상을 위하여 Cr이 첨가된 Ni-5%Al+5wt%Cr을 사용하였고, 공기극은 일반적인 Lithiated NiO를 사용하였다.
이를 위해 단위전지를 이용한 실험을 진행하였다. 실험은 KIST 연료전지 연구센터에서 진행하였다. 반응 면적 100 cm²의 단위 전지를 사용하였고⁶⁾, 전해질은 (52+48) mol% (Li+Na)₂CO₃를 사용하였다.
반응 면적 100 cm²의 단위 전지를 사용하였고⁶⁾, 전해질은 (52+48) mol% (Li+Na)₂CO₃를 사용하였다. 연료 극은 Creep 저항성 향상을 위하여 Cr이 첨가된 Ni-5%Al+5wt%Cr을 사용하였고, 공기극은 일반적인 Lithiated NiO를 사용하였다. 실험 조건은 Table 1과 같다.
실험에서는 연료극 H₂ 분압만을 변화하고, 나머지 가스 조성은 모두 동일하게 유지해 준다. 연료극의 밸런스 가스로 N₂를 사용하였다.

데이터처리

앞서 구한 분극 저항 모델을 사용하여 1개 채널 형상에 대한 해석을 진행하였다. 그리고 이 해석 결과를 실험 결과와 비교하였다. 운전 조건은 Fig.
전체 저항은 식 (5)의 Ohmic 저항, 식 (9)의 네른스트 손실, 식 (10)의 연료극 저항, 식 (12)의 공기극 저항으로 표현할 수 있다. 이 결과를 사용하여 전체 분극 저항의 실험 결과와 본 연구를 통하여 얻은 결과를 비교하였다.

이론/모형

1) Ohmic 저항은 Ahrrenius type식을 사용하여 피팅하였다. 네른스트 손실의 경우, 간단한 이론 모델을 만들어 손실을 계산하였다.
식 (9)에서 온도에 대하여 K a, α, β를 표현하면 식 (10)와 같다. 온도에 대한 영향은 Ahrrenius type equation을 사용하였다.
특히 Ohmic 저항은 온도가 달라짐에 따라 큰 차이를 보이므로, 온도에 대한 함수를 사용하여 표현한다. 이 때, Arrhenius type equation⁵⁾을 사용하여 모델링 한다.

성능/효과

2) 연료극과 공기극 저항에서 반응 모델은 각 가스 분압의 지수는 온도에 따라 다른 값을 갖는다. 이를 온도에 대한 함수로 표현하였다.
3) 저항 모델은 620 °C 이상에서 최대 오차 2.57%를 보였고, 이를 단위 전지 해석 모델에 적용하여 실험 결과 I-V 곡선과 비교하였다.
57%가 발생한다. 본 모델에서 제안한 해석 모델이 용융탄산염 연료전지의 성능을 예측할 수 있음을 확인하였다.
실험 결과와 해석 결과는 동일한 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 이를 통해 도출한 연료극, 공기극 분극이 용융탄산염 연료전지를 모사할 수 있음을 확인하였다.
측정 결과와 해석 결과를 비교해 보면, 620 °C 이상에서 최대 오차 2.57%가 발생한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용융탄산염 연료전지에서 총 저항은 어떻게 산출하는가?	이 때, 전류 밀도 (current density)는 연료전지의 총 저항에 반비례한다. 용융탄산염 연료전지에서 총 저항은 Ohmic 저항, 연료극 분극 저항, 공기극 분극 저항의 합이다2). Ohmic 저항, 연료극, 공기극 분극 저항은 연료전지의 작동 환경(온도, 가스 이용률, 가스 조성)에 따라 다르다.
	용융탄산염 연료전지의 장점은 무엇인가?	최근 환경오염 문제, 화석 연료 발전소의 위험성 등에 따른 대체 에너지 개발의 중요성이 대두되면서 연료전지에 대한 연구, 개발이 활발하게 진행되고 있다. 용융탄산염 연료전지는 650℃의 고온에서 운전하기 때문에 촉매 없이 전기화학반응이 잘 일어나며, 폐열의 재사용이 가능하다는 장점이 있다1).
	용융탄산염 연료전지의 정확한 성능 예측을 위해 정확한 Ohmic 저항, 연료극 분극 저항, 공기극 분극 저항의 계산이 필요한 이유는?	용융탄산염 연료전지에서 총 저항은 Ohmic 저항, 연료극 분극 저항, 공기극 분극 저항의 합이다2). Ohmic 저항, 연료극, 공기극 분극 저항은 연료전지의 작동 환경(온도, 가스 이용률, 가스 조성)에 따라 다르다. 따라서 용융탄산염 연료전지의 정확한 성능 예측을 위해서는 정확한 Ohmic 저항, 연료극 분극 저항, 공기극 분극 저항의 계산이 필요하다3).

참고문헌 (6)

R. O'Hyare, S. W. Cha, W. Collela, and F. B. Prinz, "Fuel cells - Fundamentals", New York, John Wiley & Sons, 2006.
C. Y. Yuh and J. R. Selman, "The polarization of molten car-bonate fuel cell electrodes. 1. Analysis of steady-state polarization data", J. Electrochem. Soc., Vol. 138, 1991, pp. 3642-3648.

상세보기
C. W. Lee, S. J. Lee, and C. Y. Lim, "Design of Cell Frame Structure of Unit Cell for Molten Carbonate Fuel Cell Using CFD Analysis", J. of Korean Hydrogen & New Energy Soc., Vol. 29, 2018, pp. 56-63.
G. Wilemski, "Simple porous electrode models for molten carbonate fuel cells", J. Electrochem. Soc., Vol. 130, 1983, pp. 117-121.

상세보기
H. Morita, M. Komoda, Y. Mugikura, Y. Izaki, T. Watanabe, and Y. Masuda, "Performance analysis of molten carbonate fuel cell using a Li/Na electrolyte", Journal of Power Sources, Vol. 112, 2002, pp. 509-518.

상세보기
C. W. Lee, M. Lee, S. C. Chang, S. P. Yoon, H. C. Ham, and J. Han, "Effect of the flow directions on a 100 cm2 MCFC sin- gle cell with internal flow channels", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 41, 2016, pp. 18747-18760.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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