초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
연구목적: 본 석탄 직접이용 연료전지 기초연구실은 차세대 석탄직접이용 연료전지 (Direct Coal Fuel Cell, DCFC) 시스템의 원천 및 핵심기술 개발을 연구목표로 한다. 또한 국내외 잔존채굴량이 가장 풍부한 석탄을 활용한 발전기술과 연료전지를 결합한 직접석탄이용 연료전지의 핵심원천기술을 개발하여 기후변화대응 및 에너지자립화의 기반을 구축하여 세계적인 연구거점 연구실로 자리매김하는 것을 연구실의 목표로 삼는다.
연구내용: 기존에 제안된 DCFC 기술의 문제점은 불연속적인 혼합연료의

□ 연구의 목적 및 내용
연구목적: 본 석탄 직접이용 연료전지 기초연구실은 차세대 석탄직접이용 연료전지 (Direct Coal Fuel Cell, DCFC) 시스템의 원천 및 핵심기술 개발을 연구목표로 한다. 또한 국내외 잔존채굴량이 가장 풍부한 석탄을 활용한 발전기술과 연료전지를 결합한 직접석탄이용 연료전지의 핵심원천기술을 개발하여 기후변화대응 및 에너지자립화의 기반을 구축하여 세계적인 연구거점 연구실로 자리매김하는 것을 연구실의 목표로 삼는다.
연구내용: 기존에 제안된 DCFC 기술의 문제점은 불연속적인 혼합연료의 공급, 제한적인 삼상계면의 제한적인 형성으로 활성도저하, 열관리부재로 용융탄산염의 고온증발/부식 등으로 요약할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 MCFC 액상전해질에 미분탄을 섞고 제조된 다공성전극으로 흘려 1) 삼상계면의 극대화를 도모하고, 이때 미분탄/용융탄산염의 고온유동특성에 기반한 2) 연료공급기술의 개발 및 3) 열관리 기술을 통한 부품성능의 최적을 유지하여 내구성을 향상하는 방안을 제안함

□ 연구결과
(1)세계최초로 다공성 니켈전극을 사용하여 기존의 DCFC상용화를 가로 막는 불연속적인 고체연료공급과 제한적인 삼상계면에 의한 비현실적인 발전성능 모두를 해결함; 연료파우더-액상전해질 슬러리로 다공성 금속 전극에 연속공급하는 것과 다공성 전극 내부에서 탄화수소의 열분해를 통해 Ash-free 연료를 생성시켜 공급하는 방식으로 큰 관심을 받음
(2)탄소성분을 함유한 RDF와 RPF 같은 재활용 폐기물을 DCFC의 고체연료로 사용 가능함을 최초로 확인하여 자원재순환의 관점에서 큰 진보를 이룸
(3)DCFC용 다공성 니켈전극 내부를 흐르는 탄소입자-전해질 슬러리의 고온 유동특성을 최초로 가시화 및 평가함. 저온에서 표준유체를 사용한 기존 선행연구의 한계를 뛰어넘어 실제 조건에서 물성 측정함
(4)Metal foam을 연료전지의 anode로 사용할 경우 DCFC(direct coal fuel cell) 시스템의 운전조건 범위를 DEM-CFD 해석을 통하여 세계 최초로 제시함

□ 연구결과의 활용계획
기존의 DCFC 분야에서 낮은 전력밀도를 극복하여, 수소용 연료전지 성능에 버금가는 성능을 확보하였고, 연료 연속공급이 가능한 기술을 개발하였다. 연료공급기술, 연료-전극 활성면 증대기술, 고온 물성 측정기술, 애노드 설계 기술, 석탄 이용 및 변환 기술 등 확보한 기술은 향후 발전 수요처 (5개 발전사), 포스코, 발전설비 업체 (두산중공업, Posco, 현대중공업 등)의 국내 메이저급 석탄을 이용하는 발전설비제작 및 활용 중공업 업체에게 핵심원천기술을 이전하는 유기적이고 효과적인 공동연구 개발을 수행할 계획임. 또한 DCFC 분야의 장기내구성 제고와 BOP 관련 기술 개발 등에 대해 타 연구개발 사업 등을 통해 지속적으로 연구를 진행하여 석탄의 사용 효율 극대화를 이루어 기후변화에 선제적으로 대응할 것으로 기대함.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose & contents
Purpose: A basic lab of direct coal fuel cell (DCFC) is a joint research laboratory consisting of five faculty members in Energy System Division of Pusan National University. Our mission is to develop fundamental core technologies for the DCFC power-generation system. By comb

□ Purpose & contents
Purpose: A basic lab of direct coal fuel cell (DCFC) is a joint research laboratory consisting of five faculty members in Energy System Division of Pusan National University. Our mission is to develop fundamental core technologies for the DCFC power-generation system. By combining three core technologies for pulverized coal combustion, thermal engineering, and fuel cell, the mission is anticipated to be realized so that our joint lab will gain a key position in national research for the next generation energy generation.
Contents: The main drawbacks of conventional DCFC technologies are classified into discontinuous fuel supply, reduced activity due to limited triple phase boundary formation, and high-temperature evaporation/corrosion of molten carbonates in a lack of thermal management. Three distinct technologies are now proposed in response to each of the technical challenges.

□ Result
(1)We could resolve two technical challenges that hinder the commercialization of DCFC: unacceptably low power production due to limited formation of triple phase boundary and discontinuous fuel supply, by means of porous Ni anodes, for the first time in the world; this has drawn a lot of attention for the new practical methods of continuous fuel supply either by flowing fuel powder-MC slurry through the porous anode or by generating fuel particles inside the porous anode through hydrocarbon decomposition.
(2)We could confirm for the first time that carbon-containing industrial wastes such as RDF and RPF could be good solid fuels for the DCFC, and thus made a big progress in the aspect of resource recirculation.
(3)Flow characteristics of molten carbonate as well as carbon-MC slurry were visualized and investigated for the first time, which exceeds far above the conventional state-of-the art of the technology that normally uses standard solvent at low temperatures.
(4)True fuel-anode contact positions inside the porous anode were monitored by using DEM-CFD simulations, which provides key data for design of anode.

□ Expected Contribution
To provide key ideas to resolve the current problems, turning the attention of industries seeking the next generation power sources back to coals and thereby expediting the commercialization of DCFC. Starting from the fundamentals, we exceed the world best national labs now. Every fuel cell experts show their great attention to our team. There remain two fields of researches: to achieve long-term durability of the system and to develop relevant BOP apparatus. Continuous supports for these fields will realize the most efficient use of coals and thus provides practical solutions for grobal warming.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 13
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 88
• 5. 연구 성과목표 ... 104
• 6. 대표적 연구실적 ... 105
• 7. 연구결과의 활용계획 ... 106
• 8. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 109
• 9. 참고문헌 ... 112
• 10. 연구성과 ... 113
• 11. 연구기자재 현황 및 활용 ... 147
• 12. 기타사항 ... 147
• 별첨1 대 표 연 구 성 과 ... 148
• 별첨2 기초연구실 참여 인력 현황 ... 170
• 끝페이지 ... 170