초록 ▼

고체산화물 연료전지 요소 및 스택 모듈 개발을 위한 당해연도(2차년도) 연구 기간 동안에 얻어진 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 고출력 밀도의 연료극 지지체 셀 제조기술과 스택 설계 및 제작기술을 확보하였으며, 셀 요소기술인 전해질, 전극 코팅기술과 컴팩트한 스택 모듈 제조 기술을 개발하였다. 연구 결과를 각 요소 및 공정기술별로 요약하면 다음과 같다.
$\bullet$ 고효뮬의 대면적 연료극 및 공기극 긍정 확립
$\bullet$ 단전지 성능 개선 연구
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고체산화물 연료전지 요소 및 스택 모듈 개발을 위한 당해연도(2차년도) 연구 기간 동안에 얻어진 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 고출력 밀도의 연료극 지지체 셀 제조기술과 스택 설계 및 제작기술을 확보하였으며, 셀 요소기술인 전해질, 전극 코팅기술과 컴팩트한 스택 모듈 제조 기술을 개발하였다. 연구 결과를 각 요소 및 공정기술별로 요약하면 다음과 같다.
$\bullet$ 고효뮬의 대면적 연료극 및 공기극 긍정 확립
$\bullet$ 단전지 성능 개선 연구
$\bullet$ kW급 평관형 스택 설계기술 개발
$\bullet$ 스택을 구성하는 단위 번들 (unit bundle) 및 1kW급 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택 운전 성공
$\bullet$ 전산모사에 의한 컴팩트 시스템 lay out 확인
$\bullet$ ATR 개질기 및 통합 모듈 (열 교환기 및 촉매연소기) 설계 및 제작
$\bullet$ 통합 BOP 시스템 제작 및 성능 분석
$\bullet$ DC-DC 및 DC-AC converter 개발
$\bullet$ 연료전지 control 시스템의 구현 및 제작
$\bullet$ 대형 평관형 연료극 지지체 제조기술 개발
$\bullet$ 나노분말을 이용한 경사형 전극 코팅 기술 개발
본 연구에서 개발한 기술과 스택 성능 평과 결과는 당해 연도 연구목표인 1kW급 평관형 연료극 지지체 SOFC 스택모듈 제작과 평관형 SOFC 셀 제조기술 및 종합 BOP 시스템 개발의 성능 목표를 초과하여 달성하였다고 평가된다 본 연구결과는 향후 2kW급 고체산화물 연료전지 제작 및 설계에 대한 원천기술로 사용할 것이며, 스택제조와 성능시험을 통하여 스택 운전 및 평가의 기본요소 기술로 활용할 것이다. 또한, 2차년도 연구결과를 토대로 3차년 도에는 2kW급 고체산화물 연료전지 개발 및 관련 핵심기술 개발을 지속적으로 추진하며, 평관형 셀의 성능 특성 분석 및 평가를 통한 성능 저감 원인을 분석하여 핵심 요소기술의 향상을 기하고자 한다.

Abstract ▼

KIER has been developing the anode supported flat tubular SOFC stack for the intermediate temperature ($700{\sim}800^{\circ}C$) operation and BOP system for SOFC power generation system. For this purpose, we have first fabricated anode supported flat tubular cells. After that we designed

KIER has been developing the anode supported flat tubular SOFC stack for the intermediate temperature ($700{\sim}800^{\circ}C$) operation and BOP system for SOFC power generation system. For this purpose, we have first fabricated anode supported flat tubular cells. After that we designed the compact fuel & air manifold by adopting the simulation technique to uniformly supply fuel & air gas and the unique seal & insulation method to make the more compact stack. For making stack, the prepared anode-supported flat tubular cells with effective electrode area of 90 $cm^2$ connected in series with 20 modules. The performance of stack in 3 % humidified $H_2$ and air at 800 $^{\circ}C$ shows maximum power of 921 W. SOFC power plant BOP system consists of several components such as reformer, PCS, After burner, hear exchanger. We obtained compact system lay out by the help of simulation. Also we design and manufacture ATR reformer and integrated module composed of heat exchanger and catalytic burner. Finally we have investigated the integrated BOP system to check out thermal efficiency and leak. through these experiments, we obtained basic & advanced technology of the anode-supported flat tubular cell and BOP system and established the proprietary concept of the anode-supported flat tubular SOFC stack and BOP system.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 요약문...3
• SUMMARY...10
• 목차...15
• 그림목차...22
• 표목차...31
• I. 고체산화물 연료전지 (SOFC) 요소 및 스택 모듈 기술 개발...1
  • 제 1 장 서론....3
    • 제 1 절 연구 배경 및 목적....3
      • 
        제 2 절 연구 개발 필요성과 목표 및 연구내용....6
      제 2 장 고체산화물연료전지(SOFC) 요소기술 개발 현황....8
    • 제 1 절 SOFC 구성요소인 공기극 연구 개발 현황....8
      • 1. 공기극 부품소재의 정의 및 특성....8
        • 
          2. 공기극의 국내외 산업현황 분석....13
        • 
          3. 공기극의 국내외 기술 개발 현황....15
        • 
          4. 공기극의 산업화 발전 전략....26
        제 2 절 SOFC 구성요소인 전해질 연구 개발 현황....28
      • 1. 전해질 부품 소재의 정의 및 특성....28
        • 
          2. 전해질의 국내.외 산업현황 분석....31
        • 
          3. 전해질의 국내.외 기술개발현황....33
        • 
          4. 전해질의 산업화 발전 전략....38
        제 3 절 SOFC 구성요소인 금속 분리판 연구 개발 현황....40
      • 1. 금속 분리판의 부품 소재의 정의 및 특성....40
        • 
          2. 금속 분리판의 국내외 산업현황 분석....44
        • 
          3. 금속 분리판의 국내외 기술개발현황....46
        • 
          4. 금속 분리판의 산업화 발전 전략....49
      제 3 장 1kW급 평관형(flat tube) 고체산화물연료전지 개발....52
    • 제 1 절 1kW급 평관형 고체산화물 연료전지 스택 설계 및 제작....52
      • 1. 평관형 연료극 지지체식 고체산화물 연료전지 단전지 제조 및 특성 평가....55
        • 
          2. 연료극 지지체의 건조, 가소결 및 기능성막 코팅....59
        • 
          3. 전해질 코팅 및 코팅 특성 분석....64
        • 
          4. 공기극 코팅 및 단전지의 환원....68
        • 
          5. 단전지의 성능 테스트....71
        제 2 절 공기극인 LSM 을 LSCF로 변경하기 위한 CGO 코팅 연구....75
      • 1. 서론....75
        • 
          2. 제 2절 고체산화물 연료전지 LSCF 공기극 단전지의 제조....76
        • 가. 연료극 지지체의 제조....76
          • 
            나. 전해질 코팅 실험 및 단위 전지의 제조....76
          • 
            다. 미세 구조의 관찰....78
          • 
            라. 단위 전지의 성능 평가....78
          3. 전해질 및 단위 전지 성능 평가....80
        • 가. 전해질의 미세 구조 평가....80
          • 
            나. 단위 전지의 성능 평가....81
        제 3 절 SOFC 전사모사 연구 개발....87
      • 1. SOFC 전산모사 연구 개발 소개....87
        • 
          2. 고체 산화물 연료전지 재료....88
        • 
          3. 고체산화물 연료전지 형상....89
        • 
          4. 고체산화물 연료전지의 연료 자유도 (fuel flexibility)....91
        • 
          5. 고체산화물 연료전지 모델....92
        • 가. 전기 화학 반응 모델....92
          • 
            나. 공기 및 연료 통로(channel)에서의 이동 (transport)....94
          • 
            다. 다공성 전극에서의 유체 흐름....95
          • 
            라. 고체 전해질에서의 이동....97
          • 
            마. 분리판 (interconnect)에서의 전달(transport)....98
          6. 대표적인 수치해석 기술 (numerical technique)....99
        • 
          7. 모델링에 대한 문헌....100
        • 
          8. 결론....101
        제 4 절 1kW급 평관형 고체산화물 연료전지 스택 설계 및 제작....102
      • 1. 압출된 평관형 SOFC 셀의 functional layer 및 공기극 dip coating 용량 증가를 위한 공정 확립....102
        • 
          2. 대형 단전지 제조 기술 개발....102
        • 
          3. 평관형 SOFC 스택 전류 집전 공정 개선....103
        • 
          4. 셀/금속 캡 접합 브레이징 공정 개선....104
        • 
          5. 공기 및 연료가스 매니폴드 Compact 화....105
        • 
          6. Unit bundle 연료 및 공기 공급 챔버 설계와 성능 평가....106
        • 
          7. 1kW급 평관형 SOFC 스택의 성능 평가....107
      제 4 장 가압 튜브형 고체산화물연료전지(SOFC) 핵심기술 개발....109
    • 제 1 절 가압 조건에서의 고체 산화물 연료 전지의 연료극 분극 특성....109
      • 1. 서론....109
        • 
          2. 실험 방법 (Experimental)....110
        • 
          3. 결과 및 고찰 (Results and discussion)....112
        • 
          4. 결론....122
        제 2 절 고압의 산소 조건에서 안정화 지르코니아의 산소 전극 반응 특성....123
      • 1. 서론....123
        • 
          2. 실험....123
        • 
          3. 결과 및 토의....123
        • 가. Pt 전극....123
          • 
            나. Ag 전극....127
          • 
            다. LSM 전극....129
        제 3 절 튜브형 SOFC 셀 가압 핵심원천기술 개발....131
      • 1. 가압 연료극 지지체 원통형 단전지 property 특성 분석 및 임계값 선정....131
        • 
          2. 가압 연료극 지지체 원통형 단전지 운전 시스템의 설계....133
      제 5 장 결론....135
    • 
      참고문헌....137
    II. 소형 SOFC 분산 발전장치의 Hot Box BOP 시스템 개발...139
  • 제 1 장 서론....141
    • 제 1 절 개요....141
      • 1. 개요....141
        • 
          2. 연구목표 및 범위....145
        • 가. 최종목표....146
          • 
            나. 연구내용/범위....146
      제 2 장 소형 SOFC 발전 시스템 설계/제작....147
    • 제 1 절 시스템 설계 해석....147
      • 1. 시스템 개요....147
        • 
          2. 당해 연도 시스템 구성....148
        • 
          3. 시스템 simulation....149
        • 가. 1kW 급 SOFC를 이용한 RPG system simulation....149
          • 
            나. 개질기에 대한 시뮬레이션....152
          • 
            다. Stack에 대한 시뮬레이션....153
          • 
            라. HX & CB combined module에 대한 시뮬레이션....153
        제 2 절 Component 설계/제작....156
      • 1. 개질기 설계/제작....156
        • 가. 설계 방법....156
          • 
            나. ATR 개질기 및 실험 장치 제작....161
          2. Heat exchanger와 Catalytic burner 통합형 모듈....164
      제 3 장 실험 및 분석....170
    • 제 1 절 ATR 개질기 실험....170
      • 1. EHM을 이용한 초기 구동....170
        • 
          2. 정상 상태에서 개질기 구동....172
        제 2 절 개질기 및 열교환기, 후연소버너 종합 실험....178
      제 4 장 Flat-Tube stack 유로 설계....181
    • 
      제 5 장 결론....190
    • 
      참고문헌....191
    III. 소형 SOFC 분산발전장치의 고효율 전력변환 및 제어시스템 개발...193
  • 제 1 장 서론....195
    • 제 1 절 연구추진 배경....195
      제 2 장 전력변환장치 및 전력제어기법....198
    • 제 1 절 SOFC용 전력변환장치 설계....198
      • 
        제 2 절 연료전지 시스템의 전력제어기법....200
      • 1. 전력제어기법....201
        • 
          2. 연료전지용 DC-DC 컨버터를 위한 디지털 제어기법....204
      제 3 장 SOFC 용 제어장치....208
    • 제 1 절 제어장치 설계....208
      • 1. 설계사양....208
        • 
          2. 제어장치 하드웨어 보드....210
        • 
          3. 전원단 설계....210
        • 
          4. 아날로그 입력단 설계....214
        • 
          5. PWM 출력....218
        • 
          6. 디지털 출력....220
        • 
          7. 디지털 입력....220
        • 
          8. 아날로그 출력....221
        • 
          9. 통신모듈....223
        • 
          10. 커넥터....224
      제 4 장 결론....225
    • 
      참고 문헌....227
    IV. NT를 이용한 전극 소재 개발...229
  • 제 1 장 서론....231
    • 
      제 2 장 실험 방법....234
    • 제 1 절 EB-PVD를 이용한 ScSZ 전해질 증착....234
      • 1. EB-PVD용 NiO-YSZ 음극기판 제조....234
        • 
          2. EB-PVD법을 이용한 전해질 막 제조....236
        • 
          3. EB-PVD를 이용하여 증착된 ScSZ 전해질 막의 특성 평가....240
        • 가. Bending factor....240
          • 
            나. ScSZ 전해질 막의 전기전도도 측정....241
          • 
            다. ScSZ 전해질 막의 기체투과도 측정....242
          • 
            라. SOFC 단위 셀의 제조 및 평가....243
        제 2 절 Spin-coating 공정 개발....246
      • 1. Spin-coating을 이용한 전해질 막 제조....246
        • 
          2. Spin-coating을 이용한 단위셀 제조 및 특성 평가....246
      제 3 장 연구 결과 및 고찰....248
    • 제 1 절 EB-PVD에 의한 ScSZ 전해질막 제조 및 특성....248
      • 1. $Al_2O_3$ 기판 위에 증착된 ScSZ 막의 미세구조....248
        • 
          2. NiO-YSZ 음극기판 위에 증착된 ScSZ 전해질 막의 미세구조....251
        • 
          3. 후 열처리한 ScSZ 전해질 막의 Bending 현상....255
        • 
          4. 후 열처리한 ScSZ 전해질 막의 미세구조 및 결정상 분석....257
        • 
          5. ScSZ 전해질 막의 전기적 특성....260
        • 
          6. ScSZ 전해질 막의 기체투과도....263
        • 
          7. SOFC 단위 셀의 출력 특성....265
        제 2 절 Spin-coating에 의한 SOFC 단위셀 제조 및 특성....267
      • 1. 가소결 온도별 음극지지체 수축률....267
        • 
          2. 음극지지체의 가소결 온도에 따른 전해질막의 미세구조....268
        • 
          3. Spin-coating에 의해 제조된 YSZ 셀의 전류-전압 특성....271
      제 4 장 결론....275
    • 
      참고문헌....276