고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell이하 SOFC)는 연료가 갖는 화학에너지를 연소과정 없이, 공기와 H2, CO, CH4와 같은 환원성 가스를 공급받아 $600{\sim}1000^{\circ}C$에서 전기화학적 반응을 통하여 직접 전기를 얻는 방식이다. SOFC는 $700^{\circ}C$ 이상의 고온에서 고체산화물이 연료와 공기가 반응하여 전기와 열을 동시에 생산하기 때문에 carnot cycle의 제한을 받지 않아 발전효율이 40% 이상으로 고효율이고, NOx 및 SOx를 배출하지 않아 무공해이며, moving parts가 없어 소음이 나지 않고, 건설과 증설이 지역이나 기후 조건에 제약 없이 용이하고, 다양한 용량이 가능하며, 고가의 백금 촉매를 사용하지 않으며, 수소, 석탄가스, 천연가스 등의 연료를 사용할 수 있는 장점이 있음, 또한 다향한 형태로 제작할 수 있으며 전해질이 고체에서 전해질 손실 및 보충에 문제가 없고 타 연료전지에 비해 개질기가 필요 없어 발전시스템이 간단하고 경량화가 가능하다. 전사법은 paste를 제작하여 전사용지에 Screen printing하여 건조 후 coating하는 방법으로 기존의 여러 coating 방법보다 제작이 용이하고 소재의 크기, 두께조절이 간편하며, 구성층의 표면조도나 굴곡에 대응이 용이한 방법이다. 본 실험에서는 paste 제조, 전사법을 이용하여 Anode, AFL, Electrolyte, CFL, Cathode전사지를 제작하고 이를 세라믹 평관형 지지체에 변수로 두께 조건별 Coating 한 후 $1400^{\circ}C$ 소결을 진행하여 SEM 분석으로 미세구조 관찰, 출력특성 및 Impedance을 확인하였다.
Hydrogen purification is generally performed through chemical and physical methods. Among various types of purification method PSA(Pressure Swing Adsorption) is widely used with its purification capacity and economic efficiency. In Korea, most of the hydrogen used in automobiles and power generation fuel cells is purified using PSA. Hydrogen produced in petrochemical complexes has difficulties in transportation. The government is planning to install hydrogen extractors that produce hydrogen directly from consumers in connection with the city gas supply chain, and companies are also installing related research and demonstration facilities one after another. Europe and others have recently established safety standards related to PSA and are making efforts for systematic safety management at the construction and operation stage, but domestic safety standards related to PSA are still insufficient. This study aims to identify problems of existing facilities through surveys and risk assessment by companies operating existing PSA, and to prepare domestic technical standards including them in overseas technical standards to promote the safety of new and existing PSA systems.
An air cooling, open cathode type polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) has the advantages of system simplification and cost effectiveness. Open cathode PEMFC could suffer from reduced performance due to the membrane dehydration in low humidity of air. Effects of the cathode air flow rate, anode purge interval and long term storage on PEMFC performance were investigated in this work. Fan voltage is an important factor on air cooling PEMFC performance because the cathode air flow rate and stack temperature were controlled by fan voltage. The dead ended anode (DEA) method was applied to increase hydrogen usage. Periodical purge was used to discharge accumulated water and gas. The influence of long term non-operating condition on PEMFC performance degradation due to the membrane dehydration was also studied and the quick recovery method was developed.
WON, JINYEON;KIM, MINJIN;LEE, WON-YONG;CHOI, YOON-YOUNG;HONG, JONG SUP;OH, HWANYEONG
Journal of Hydrogen and New Energy
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v.30
no.6
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pp.556-566
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2019
Recently, as the supply of residential polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) increases, the durability and lifetime of the PEMFC system are becoming important. The related studies have been mainly focused on the durability and lifetime of materials while the research on the durability and maintenance of the system level is insufficient. In this paper, a model-based fault detection method is developed considering an air supply system that is dominant to the system performance and efficiency. A commercial 1 kW residential fuel cell system is built, and experiments are conducted under various operation loads and states (normal, 6 faults). From the experimental data, nominal models and residuals are generated. With the residual pattern obtained from real-time data, the detection and classification of various faults can be possible. The technical importance of this paper is to minimize extra sensor installation by using the empirical model rather than a complex mathematical model, and to decrease the number of models by using the applicable model at three loads. Finally, the model-based fault detection method for the air supply system of a PEMFC is established and is expected to be applicable to other subsystems.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.29
no.1
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pp.76-85
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2023
Demand for hydrogen as a renewable energy resource is increasing. However, unlike conventional fossil fuels, hydrogen requires a dedicated refueling station for fuel supply. A risk assessment of hydrogen refueling stations must be undertaken to secure the infrastructure. Therefore, in this study, a risk assessment for hydrogen refueling stations was conducted through both qualitative and quantitative risk assessments. For the qualitative evaluation, the hydrogen dispenser module was evaluated as two nodes using the hazard and operability (HAZOP) analysis. The risk due to filter clogging and high-pressure accidents was evaluated to be high according to the criticality estimation matrix. For the quantitative risk assessment, the Hydrogen Korea Risk Assessment Module (Hy-KoRAM) was used to indicate the shape of the fire and the range of damage impact, and to evaluate the individual and social risks. The individual risk level was determined of to be as low as reasonably practicable (ALARP). Additional safety measures proposed include placing the hydrogen refueling station about 100m away from public facilities. The social risk level was derived as 1E-04/year, with a frequency of approximately 10 deaths, falling within the ALARP range. As a result of the qualitative and quantitative risk assessments, additional safety measures for the process and a safety improvement plan are proposed through the establishment of a restricted area near the hydrogen refueling station.
Jun Ha;Yongrae Kim;Cheolwoong Park;Young Choi;Jeongwoo Lee
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.27
no.3
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pp.52-58
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2023
With the increasing awareness of the importance of carbon neutrality in response to global climate change, the utilization of hydrogen as a carbon-free fuel source is also growing. Hydrogen is commonly used in fuel cells (FC), but it can also be utilized in internal combustion engines (ICE) that are based on combustion. Particularly, ICEs that already have established infrastructure for production and supply can greatly contribute to the expansion of hydrogen energy utilization when it becomes difficult to rely solely on fuel cells or expand their infrastructure. However, a disadvantage of utilizing hydrogen through combustion is the potential generation of nitrogen oxides (NOx), which are harmful emissions formed when nitrogen in the air reacts with oxygen at high temperatures. In particular, for the EURO-7 exhaust regulation, which includes cold start operation, efforts to reduce exhaust emissions during the warm-up process are required. Therefore, in this study, the characteristics of nitrogen oxides and fuel consumption were investigated during the warm-up process of cooling water from room temperature to 88℃ using a 2-liter direct injection spark ignition (SI) engine fueled with hydrogen. One advantage of hydrogen, compared to conventional fuels like gasoline, natural gas, and liquefied petroleum gas (LPG), is its wide flammable range, which allows for sparser control of the excessive air ratio. In this study, the excessive air ratio was varied as 1.6/1.8/2.0 during the warm-up process, and the results were analyzed. The experimental results show that as the excessive air ratio becomes sparser during warm-up, the emission of nitrogen oxides per unit time decreases, and the thermal efficiency relatively increases. However, as the time required to reach the final temperature becomes longer, the cumulative emissions and fuel consumption may worsen.
Polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system receives great attention as a promising power device for automotive applications. For the wide commercialization, the efficiency and performance of automotive PEMFC system should be further improved in terms of total system (stack and balance of plant [BOP]). Air supply module, which is a major part of the BOP, greatly affects the efficiency of automotive PEMFC system. In this paper, a systematic study on the low-pressure automotive PEMFC system was made in an attempt to enhance the net system efficiency. This study mainly presents an investigation of the effect of blower configuration (1-blower and 2-blower) on the net system efficiency of automotive PEMFC system. For this purpose, the effect of operating pressure and cathode stoichiometry on the system efficiency was investigated with stack temperature under the fixed net system power condition. Results indicate that 1-blower system is better in system efficiency over 2-blower system under an air stoichiometry of 2. However, 2-blower system is better in system efficiency under an air stoichiometry of 3. The simulation results show that the optimum operating strategy needs to be established for various blower system configurations considering blower performance maps.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.20
no.9
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pp.175-181
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2019
In the case of a conventional single stage decompression regulator used for large depressurization in the hydrogen fuel cell system of a fuel cell electric vehicle (FCEV), problems can arise, such as pulsation, slow response, hydrogen brittleness, leakage, high weight, and high cost due to high decompression. Most of these problems can be overcome easily using two decompression mechanisms (two-stage structures). In addition, a wide outlet-pressure control range can be secured if an electronic solenoid is applied to the second decompression. Accordingly, it is necessary to improve the precision of the outlet pressure of a two-stage pressure-reducing regulator and develop techniques, such as leakage prevention, durability, light weight, and price reduction. Therefore, to improve the outlet pressure accuracy and prevent leakage, the structural part before and after decompression to improve the air tightness were divided and the analysis was carried out assuming that the valve part was closed (open ratio: 0%) after each initial internal pressure application.
Kim, Yong-Wan;Kim, Eung-Seon;Lee, Ki-yooung;Kim, Min-hwan
Transactions of the KSME C: Technology and Education
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v.3
no.4
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pp.299-305
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2015
Nuclear hydrogen production technology is being developed for the future energy supply system. The sulfur-iodine thermo-chemical hydrogen production process directly splits water by using of the heat generated from very high temperature gas-cooled reactor, a typical Generation IV nuclear system. Nuclear hydrogen key technologies are composed of VHTR simulation technology at elevated temperature, computational tools, TRISO fuel, and sulfur iodine hydrogen production technology. Key technology for nuclear hydrogen production system were developed and demonstrated in a laboratory scale test facility. Technical challenges for the commercial hydrogen production system were discussed.
Park, Dong-Kyoo;Cho, Won-Chul;Seo, Myung-Won;Go, Kang-Seok;Kim, Sang-Done;Kang, Kyoung-Soo;Park, Chu-Sik
Clean Technology
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v.17
no.1
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pp.69-77
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2011
The intrinsic $CO_2$ separation and hydrogen production system is a novel concept using oxidation and reduction reactions of oxygen carrier for both $CO_2$ capture and high purity hydrogen production. The process consists of a fuel reactor (FR), a steam reactor (SR) and an air reactor (AR). The natural gas ($CH_4$) is oxidized to $CO_2$ and steam by the oxygen carrier in FR, whereas the steam is reduced to hydrogen by oxidation of the reduced oxygen carrier in SR. The oxygen carrier is fully oxidized by air in AR. In the present study, the chemical looping moving bed reactor having 200 L/h hydrogen production capacity is designed and the hydrodynamic properties were determined. Compared with other reactors, two moving bed reactors (FR, SR) were used to obtain high conversion and selectivity of the oxygen carrier. The desirable solid circulation rates are calculated to be in the range of $20{\sim}100kg/m^2s$ from the conceptual design. The solid circulation rate can be controlled by aeration in a loop-seal. To maintain the gas velocity in the moving beds (FR, SR) at the minimum fluidization velocity is found to be suitable for the stable operation. The solid holdup in moving beds decrease with increasing gas velocity and solid circulation rate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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