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고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)에서 전기화학적 특성의 온도 의존성에 대한 수치 모델링

A Numerical Modeling of the Temperature Dependence on Electrochemical Properties for Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC)

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.2, 2020년, pp.1 - 9  

한경호 (광운대학교 화학공학과) ,  정정열 (SK 하이닉스) ,  윤도영 (광운대학교 화학공학과)

초록
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최근 탄화수소를 에너지원으로 사용하는 엔진을 대체할 동력원으로 연료 전지가 주목을 받게 되면서 수소 생산 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 수소를 생산하는 다양한 방법 중에 고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)은 수소를 생산하기 위한 기초적이고, 친환경적인 방법이다. 고체 산화물 수전해 시스템은 고온, 고압 조건에서 운전이 가능하여 낮은 에너지 수요와 높은 열효율을 지니기 때문에 실험적인 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실험적인 연구 성과에 비해 수치모델 연구는 비교적 부진하다. 이에 대한 원인으로 기존의 수치모델이 온도와 압력의 변화에 따른 성능 예측의 유효성이 상당히 낮기 때문으로 판단하였다. 이에 본 연구에서는 고체 산화물 수전해 시스템의 셀 성능 예측의 유효성을 높일 수 있는 방안을 제시하기 위해서 Patterened Ni-YSZ cermet electrode(40 wt%, Ni-60 wt% YSZ)/8-YSZ (TOSOH, TZ8Y)/LSM (La0.9Sr0.1MnO3)로 구성된 상용 막-극 접합체의 기존의 연구 데이터를 활용하였다. 온도에 따른 전기화학적 특성의 영향을 수치적으로 분석한 결과, 유효성에 가장 큰 편차를 가져오는 변수들은 charge transfer coefficient(CTC), exchange current density, diffusion coefficient, electrical conductivity인 것으로 나타났다. 온도와 압력에 따른 해당 변수들의 영향 및 경향성을 분석하여 과전압 모델을 제시하였다. 다양한 모델의 적용과 타당성을 확보하기 위해서 교차-검증이 도입되었다. 그 결과, 체계화된 유효성 검증 과정에 기초한 고체 산화물 수전해 시스템의 수치 모델은 뛰어난 성능의 예측 결과를 보여주었다.

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In recent days, fuel cell has received attention from the world as an alternative power source to hydrocarbon used in automobile engines. With the industrial advances of fuel cell, There have been a lot of researches actively conducted to find a way of generating hydrogen. Among many hydrogen produc...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 SOEC에 대한 성능 예측의 유효성을 향상시키기 위해서 각 과전압(활성화, 옴, 농도)에 대한 모델을 재정립 하였으며 유효성 향상을 확인하였다. 본 연구에서 사용된 수치모델은 온도에 따른 SOEC의 과전압 및 과전압에 사용된 변수의 영향을 분석한 문헌들을 참고하였으며, 교차 검증 방법을 사용하여 체계화된 유효성 검증 과정을 거쳤다.
  • 교환전류밀도의 온도에 대한 의존성은 잘 알려져 있지만, 기존의 연구 결과를 보면, Ni-YSZ의 교환전류밀도는 니켈 함유율, Ni 입자의 크기와 전극제작 방법 및 소성 온도와 같은 복합적인 요소들에 영향을 받는다 [20-22]. 본 연구에서는 온도가 유효성 검증에 사용된 전극의 교환전류밀도에 미치는 영향을 확실시하기 위해서 이를 분석하는 과정을 거쳤다. Fig.
  • 교차 검증에 의해서 수치모델의 유효성 검증을 실시하였으며, 모델링 연구는 전기화학적 변수들과 과전압의 온도 의존성 도입이 성능 예측에 미치는 영향에 대한 결과를 제공한다. 본 연구에서는 체계화된 유효성 검증이 유효성에 미치는 영향과 체계화된 유효성 검증 과정의 필요성에 대해서 면밀하게 검토하고 논의하고자 한다.
  • 해당 연구에 따르면 PEMEC를 사용하여 온도에 따른 전하 전달 계수를 측정한 결과, 온도가 상승함에 따라 전하 전달 계수가 증가하는 경향을 보였다. 이에 본 연구에서는 전하 전달 계수를 온도에 대한 함수로 SOEC의 수치적 해석에 도입하고 해석결과의 유효성을 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소 에너지란? 수소 에너지란, 수소가 물로 환원될 때의 에너지 차이를 이용하여 전력을 생산하는 것을 말한다. 수소는 가스 형태로 저장과 운송이 가능하다는 장점을 지닌다.
수전해 시스템은 무엇인가? 수소는 가스 형태로 저장과 운송이 가능하다는 장점을 지닌다. 수전해 시스템은 물을 전기화학적으로 환원시켜 수소와 산소로 분해하는 장치로서, 연료전지의 반대 반응을 이용하기 때문에 친환경적이며, 수소 에너지 기술로서 주목을 받고 있다 [1-4].
SOEC의 어떤 장점으로 인해 실험적인 연구가 활발하게 진행되는가? 수소를 생산하는 다양한 방법 중에 고체 산화물 수전해 시스템(SOEC)은 수소를 생산하기 위한 기초적이고, 친환경적인 방법이다. 고체 산화물 수전해 시스템은 고온, 고압 조건에서 운전이 가능하여 낮은 에너지 수요와 높은 열효율을 지니기 때문에 실험적인 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만 실험적인 연구 성과에 비해 수치모델 연구는 비교적 부진하다.
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참고문헌 (23)

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  23. Momma, A., et al., 1997, Polarization behavior of high temperature electrolysis cells (SOEC)., pp.369-373, J Ceram Soc Japan. 

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