[논문]SOFC를 위한 고온용 적층단열재 개발

최종균; 황승식; 최규홍

doi:10.7316/khnes.2018.29.4.386

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Fuel cells are known as eco - friendly energy facilities that can use heat energy and electric energy at the same time. Fuel cells are classified according to the temperature and material used, and solid oxide fuel cell (SOFC) is relatively high temperature ($700-800^{\circ}C$). SOFC requ...

Fuel cells are known as eco - friendly energy facilities that can use heat energy and electric energy at the same time. Fuel cells are classified according to the temperature and material used, and solid oxide fuel cell (SOFC) is relatively high temperature ($700-800^{\circ}C$). SOFC requires a hot box consisting of a high temperature stack, a reformer, a burner, and the heat exchangers in order to use energy efficiently. The hot box needs to maintain heat insulation performance at high temperature to reduce heat loss. However, Fibrous insulation, which is widely used, needs to be improved because it has a disadvantage that the thermal conductivity is rapidly increased due to the increase of temperature. Therefore, this study was carried out to develop a thermal insulation, which is applied to multiple layers insulation (MLI) technic, that can be used under SOFC operating conditions and prevent a drastic drop in thermal conductivity at high temperature. The developed insulation is consist of a thermally conductive material, a spacer, and a reflective plate. The thermal conductivity of the insulation was measured by in the thermal conductivity measuring device at high temperature range. As a result, it was confirmed that the developed layers insulation have an good thermal conductivity (0.116 W/mK) than fibrous insulation (0.24 W/mK) as a radiation shielding effect at a high temperature of 1,173 K.

주제어

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문제 정의

본 연구는 SOFC용 단열재를 개발하기 위하여 수행된 연구이다. 연구 결과로 다층박막단열재이 응용된 고온용 적층단열재를 개발하였다.
본 연구는 시스템 제조사에서 필요로 하는 단열재(SOFC 작동조건에서 사용가능하고 가격이 낮고 정비성이 우수한 단열재) 개발을 위하여 수행되었다. 본 연구는 고온에서 열전도도의 급격한 하락을 방지하기 위하여 인공위성의 다층박막 기술(multiple layers insulation, MLI)¹⁾을 응용한 적층형 단열재를 개발하고자 하였다. SOFC용 적층형 단열재는 선행연구자들이 정의한 단열재 구성요소를 활용하고 신규소재 개발 없이 적정한 소재를 선정하여 개발되었다.
본 연구는 시스템 제조사에서 필요로 하는 단열재(SOFC 작동조건에서 사용가능하고 가격이 낮고 정비성이 우수한 단열재) 개발을 위하여 수행되었다. 본 연구는 고온에서 열전도도의 급격한 하락을 방지하기 위하여 인공위성의 다층박막 기술(multiple layers insulation, MLI)¹⁾을 응용한 적층형 단열재를 개발하고자 하였다.
실험은 금속 시편을 통한 장치 자체가 갖는 열저항을 측정하고 해당 값을 바탕으로 적층단열재의 단열성능을 알아보기 위한 실험을 진행하였다. 금속 시편에 대한 실험은 히터 설정온도를 기준으로 50℃에서 수행되었다.

가설 설정

사용자(본 연구 협력기관, 시스템 제조사) 측은 현재 유통되는 고온용 단열재와 관련하여 다음과 같은 두 가지 문제점을 제기하고 있다.1) 단열재1: 가격은 낮으나 고온조건에서 단열성능이 저하되어 단열재 두께의 증가로 부피가 증가하는 문제와 정비를 위한 해체 및 조립에 따른 단열재 손상과 재조립 어렵다.2) 단열재2: 단열성능은 우수하나 가격이 높고 정비를 위해서는 별도의 작업 및 장비가 개발돼야만 가능하여 일회성 혹은 연구 테스트용으로 제한된다.
4와 같이 전도 감소재와 복사차폐재와 간극 유지재(spacer)의 조합으로 구성되고 바깥은 단열재의 결속을 위하여 고온용 섬유 재질이 사용되었다. 전도 감소재는 기본적인 단열성능을 만들어주는 역할을 한다. 복사차폐재는 매질 없이 전달되는 복사 에너지의 방열을 막아주는 역할을 한다.

제안 방법

적층단열재는 고온에서의 열전도 특성을 알아보기 위해 200℃, 600℃, 900℃에서 실험을 진행하였다. 이때 적층단열재의 경우는 접촉저항으로 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위하여 단열재의 높이를 5 cm에서 2 cm까지 압축하여 진행하였다.

대상 데이터

실험 시편은 3종류의 금속시편과 고온용 적층 단열재 시편 1종류를 사용하였다. 금속시편은 고온용 적층 단열재의 성능 측정에 앞서 실험 장치 자체를 검증하기 위하여 사용하였다.
1은 제작된 실험 장치를 나타낸다. 실험 장치는 열원부(히터), 흡열부(열유량계), 샘플(시편) 및 계측 장치로 구성되었다. 또한, 실험 장치는 내부 열원의 전도 및 대류로의 열손실을 막기 위해 진공 상태가 가능하도록 설계되었다.
연구에 사용된 단열재 시편은 우주항공에서 도입된 다층박막 단열기술이 응용된 고온용 적층 단열재 시편이다⁵⁾. 고온용 적층 단열재는 Fig.
1과 같이 별도로 제작된 실험 장치를 사용하였다. 제작된 실험 장치의 객관성과 재현성 확보를 위하여 검증 실험은 물성이 알려진 금속 시편을 사용하였다. 금속 시편은 각각 99.

데이터처리

SOFC용 적층형 단열재는 선행연구자들이 정의한 단열재 구성요소를 활용하고 신규소재 개발 없이 적정한 소재를 선정하여 개발되었다. 개발된 단열재는 열전도 측정 장치를 사용하여 온도 범위별 실험으로 성능을 검증하였다.

성능/효과

본 연구는 고온에서 열전도도의 급격한 하락을 방지하기 위하여 인공위성의 다층박막 기술(multiple layers insulation, MLI)¹⁾을 응용한 적층형 단열재를 개발하고자 하였다. SOFC용 적층형 단열재는 선행연구자들이 정의한 단열재 구성요소를 활용하고 신규소재 개발 없이 적정한 소재를 선정하여 개발되었다. 개발된 단열재는 열전도 측정 장치를 사용하여 온도 범위별 실험으로 성능을 검증하였다.
고온조건에서 단열성능이 유지되는 점은 단열재 두께를 감소시킬 수 있는 가능성을 보여줘 시스템의 외부 크기를 결정하는 단열재의 두께를 줄여 소형화에도 도움을 줄 수 있다는 것을 보여준다. 개발된 단열재는 별도의 소재개발 없이 적정소재 선정으로 개발된 적층단열재로 가격 상승을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 구조적으로 정비(분해 및 재조립) 부분이 해결된다면 SOFC 상용 단열재로 활용될 수 있다고 판단된다.
동일 소재의 전도 감소재만 사용된 일반 단열재는 고온에서 열전도도가 급격하게 저하하는 특성을 갖는데 반하여 개발된 단열재는 실험을 통하여 고온에서 열전도도 상승이 완화되어 상대적으로 단열성능을 유지하는 것으로 나타났다. 고온조건에서 단열성능이 유지되는 점은 단열재 두께를 감소시킬 수 있는 가능성을 보여줘 시스템의 외부 크기를 결정하는 단열재의 두께를 줄여 소형화에도 도움을 줄 수 있다는 것을 보여준다. 개발된 단열재는 별도의 소재개발 없이 적정소재 선정으로 개발된 적층단열재로 가격 상승을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
동일 소재의 전도 감소재만 사용된 일반 단열재는 고온에서 열전도도가 급격하게 저하하는 특성을 갖는데 반하여 개발된 단열재는 실험을 통하여 고온에서 열전도도 상승이 완화되어 상대적으로 단열성능을 유지하는 것으로 나타났다. 고온조건에서 단열성능이 유지되는 점은 단열재 두께를 감소시킬 수 있는 가능성을 보여줘 시스템의 외부 크기를 결정하는 단열재의 두께를 줄여 소형화에도 도움을 줄 수 있다는 것을 보여준다.
적용된 물성과 열유량계와 시편 상하부의 데이터를 바탕으로 식 (1)에서 언급한 것과 같이 두 개의 열량을 구할 수 있다. 이 값을 확인해 보면 열유량계에서 측정된 열량과 시편 상하부에서 측정된 온도를 기준으로 도출된 열량을 비교해 보면 알루미늄 시편에서 가장 큰 차이를 보여 1.82%의 오차를 보였고 철과 구리는 각각 0.01%와 0.5%를 갖는 것으로 나타났다. 이는 동일한 시편을 통하여 동일조건 실험에서 실험 장치가 최대 1.

후속연구

1) 단열재1: 가격은 낮으나 고온조건에서 단열성능이 저하되어 단열재 두께의 증가로 부피가 증가하는 문제와 정비를 위한 해체 및 조립에 따른 단열재 손상과 재조립 어렵다.2) 단열재2: 단열성능은 우수하나 가격이 높고 정비를 위해서는 별도의 작업 및 장비가 개발돼야만 가능하여 일회성 혹은 연구 테스트용으로 제한된다.
개발된 단열재는 별도의 소재개발 없이 적정소재 선정으로 개발된 적층단열재로 가격 상승을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 구조적으로 정비(분해 및 재조립) 부분이 해결된다면 SOFC 상용 단열재로 활용될 수 있다고 판단된다. 이를 위해 후속 연구는 기존의 고성능 단열재와의 성능 비교를 통하여 성능향상의 지표를 가격과 성능측면에서 측정하는 연구와 실제 상용 SOFC 설비에 적용하기 위하여 단열재 자체의 결속 및 설치방안에 대한 연구를 수행하고자 한다.
또한 구조적으로 정비(분해 및 재조립) 부분이 해결된다면 SOFC 상용 단열재로 활용될 수 있다고 판단된다. 이를 위해 후속 연구는 기존의 고성능 단열재와의 성능 비교를 통하여 성능향상의 지표를 가격과 성능측면에서 측정하는 연구와 실제 상용 SOFC 설비에 적용하기 위하여 단열재 자체의 결속 및 설치방안에 대한 연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지란?	연료전지는 열에너지와 전기에너지를 동시에 사용할 수 있고 이 과정에서 근본적으로 물만 배출하는 친환경적인 에너지 설비로 알려져 있다. 연료전지는 사용온도와 재질에 따라 분류되고 있는데, solid oxide fuel cell (SOFC)는 상대적으로 고온(700-800℃)에서 사용되어 폐열 회수가 용이한 것으로 알려져 있다1).
	핫박스의 구성 요소는 무엇인가?	또한 SOFC는 고온의 스택이 포함된 핫박스(hot box)가 있으며, 필요한 열을 공급하기 위한 버너가 필수적으로 구성된다. 핫박스는 스택, 개질기, 버너, 열교환기 등으로 구성되고 에너지 효율을 극대화하기 위해서는 단열조건 최적화 설계가 필요하다.
	위 연구에서 지적한 현재 유통되는 고온용 단열재의 문제점 2가지는 무엇인가?	사용자(본 연구 협력기관, 시스템 제조사) 측은 현재 유통되는 고온용 단열재와 관련하여 다음과 같은 두 가지 문제점을 제기하고 있다. 1) 단열재1: 가격은 낮으나 고온조건에서 단열성능이 저하되어 단열재 두께의 증가로 부피가 증가하는 문제와 정비를 위한 해체 및 조립에 따른 단열재 손상과 재조립 어렵다. 2) 단열재2: 단열성능은 우수하나 가격이 높고 정비를 위해서는 별도의 작업 및 장비가 개발돼야만 가능하여 일회성 혹은 연구 테스트용으로 제한된다

참고문헌 (6)

T. S. Park, T. Ho. Nam, D. G. Lee, S. K. Lee, and J. S. Moon, "A Study of Deduction of evaluation Items for Design of SOFC stack safety performance evaluation system", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 21, No. 6, 2017, pp. 81-87 .
ASTM C177, ASTM International, https://doi.org/10.1520/C0177.
KS L ISO 8302.
A.J. Slifka, B.J. Filla, and J.M. Phelps, "Thermal Conductivity of Magnesium Oxide From Absolute, Steady-State Measurements," Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, Vol. 103, No. 4, 1998, pp. 357-363.

상세보기
B. S. Hyun, H. K. Kim, and J. M. Choi, "Comparison on Thermal Analysis Methods for Multi-Layer Insulation", KSME Symposium, 2003, pp. 290-295.
A. Kan, L. Kang, and C. Wang, "A Simple and Effective Model for Prediction of Effective Thermal Conductivity of Vacuum Insulation Panels," Fut Cit & Env, Vol. 1, 2015, p. 4.

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