촉매반응을 고려한 단실형 SOFC의 전산모사적 해석

Abstract

고체 산화물 연료전지는 높은 발전효율과 연료 선택성으로 인해 포터블기기에서 자동차용 엔진까지 넓은 범위에 쓰여질 수 있을 것이라고 각광 받고 있는 미래 에너지 이다. 다른 종류의 연료전지와 달리 SOFC는 800℃이상에 고온에서 작동하므로 니켈과 같은 촉매활성을 가지는 전극을 사용하여 외부 개질기 없이 Syngas(연료와 산화제의 혼합기체)를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있으나 고온작동으로 인해 고온에서 열 파괴와 같은 구조적인 문제를 일으킬 수도 있다는 점이 문제점으로 남아있다. 본 연구에서 사용한 시스템은 단실형 고체 산화물 연료전지로 선택적인 촉매 활성을 가지는 산화극과 환원극을 사용하여 각각의 전극에서 독립적인 전극 반응이 일어나게 되고 밀봉재를 필요로 하지 않아 기존 시스템에 비해 단순한 구조를 가지므로 미니/마이크로 기기에의 응용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 먼저, 수치적인 해석방법인 유한요소법을 이용하여 2차원 상의 유체의 momentum balance, mass balance, energy balance를 계산하여 탄화수소 연료인 메탄을 사용한 단실형 고체 산화물 연료전지의 전극 반응 -개질 반응, 전환 반응, 전기화학반응 등- 에 의한 반응 기체 분포와 온도 분포를 해석하였고 계산된 결과를 바탕으로 산소이온전도와 전기화학 활성화 에너지와 관련한 다중물리계산을 수행하여 전지의 분극 곡선을 유도하였다. 본 연구를 통해 탄화수소 연료 사용 시 전극 내의 개질 반응과 관련하여 개질 기체의 생성과 전기화학반응에의 의한 소비, 전환반응에 의한 반응 가스의 생성 등의 현상을 해석할 수 있었으며 전극 반응과 관련한 온도 분포를 통해 전지 작동 시 전지 내부와 가스 채널 부분의 온도 변화와 작동 특성을 예측 함으로써 실제 연료전지 작동시의 내부 현상에 관한 이해를 더할 수 있었다.; Solid oxide fuel cell (SOFC) is energy system that directly converts chemical energy to electrical energy and it has been expected to be utilized in the wide area, such as portable power generation and automobile engine with high energy efficiency and direct use of hydrocarbon fuels. SOFC is operated at high temperature over 800℃ and manufactured with catalytic active electrodes such as nickel. Thus SOFC needs no external reformer with hydrocarbon fuel, in comparison with other kinds of fuel cells. However, due to high operating temperature and structural requirement including gas sealing, the thermal characteristics are critical for the SOFC system. In this study, the energy and mass balance of a single-chamber solid oxide fuel cell (SC-SOFC) which requires no gas separation were investigated. Electrodes with selective catalytic activity were adapted. The anode promotes the reforming reactions and the electrochemical reaction of the fuel and on the other hand, the cathode promotes oxygen reduction. Dry methane and oxygen mixture diluted by N2 was prepared as a fuel. Temperature and gas concentration for the reforming reactions, the water-gas shift reaction, and electrochemical reactions were calculated by numerical model. Fluid dynamics, heat conduction and convection, and mass diffusion and convection were considered with Finite Element Method (FEM). Using the calculated the concentration distribution and the temperature distribution, ohmic loss, activation loss and concentration loss were obtained. Through the numerical approach of SOFC with hydrocarbon fuel, the reactant and product gas distribution, the temperature distribution and cell performance with catalytic active electrodes were successfully expected.