Design analysis of the solid oxide fuel cell and gas turbine combined power system is performed considering different methods for preheating cell inlet air. The purpose of air preheating is to keep the temperature difference between cell inlet and outlet within a practical design range. Three different methods are considered such as a burner in front of the cell, a preheater in front of the cell and recirculation of the cathode exit gas. Analyses are carried out for two maximum cell temperature differences. The greater temperature difference ensures higher efficiency. The cathode exit gas recirculation exhibits better performance than other methods.
Composites of LSCF($La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta}$) and CGO (gadolinium doped ceria)-based ceramics are logical candidate cathode materials with CGO electrolytes. LSCF with perovskite structure was synthesized and investigated by Solid State Reaction (SSR) method used as cathode materials for SOFC (solid oxide fuel cell). The optimized temperature was $1100^{\circ}C$ to synthesize $La_{0.6}Sr_{0.4}Co_{0.2}Fe_{0.8}O_{3-\delta}$ with rhombohedral structure. The polarization resistance of the LSCF/CGO (50:50 wt.%) was smaller than that of other composite cathodes. The analysis of the EIS data of LSCF/CGO suggests that the diffusion and adsorption-desorption of oxygen can be the key process in the cathodic reaction.
The characteristic features of solid oxide fuel cells are reviewed from the viewpoint of the thermodynamic variables to be developed inside cells/stacks particularly in terms of gradients of chemical potential, electrical potential and temperature and corresponding flows of air, fuel, electricity and heat. Examples of abrupt destruction of SOFC systems were collected from failures in controlling their steady flows, while continuous degradation was caused by materials behaviors under gradients of chemical potentials during a long operation. The local equilibrium approximation has been adopted in NEDO project on the durability/reliability of SOFC stacks/systems; this makes it possible to examine the thermodynamic stability/reactivity as well as mass transfer under the thermodynamic variable gradients. Major results of the NEDO project are described with a focus on degradation/deterioration of electrolyte and electrode materials.
In solid oxide fuel cell system, yttria-stabilized zirconia is generally adopted as the electrolyte, which has high strength and superior oxygen ion conductivity, and the air electrode and the fuel electrode are attached to this. Recently, new structure of 'layered planar SOFC module' was suggested to solve the reliability problem due to the high temperature stability of a sealing agent and a binding material. In this study to materialize the air electrode in a layered planar SOFC module, the LSM ink was coated to form homogeneous electrode in the channel after the ink preparation. As the porosity control agent, PMMA or active carbon powder was adopted with use of a commercial dispersant in ethanol. The optimal amounts of both the porosity control agents and the dispersant were determined. Four (4) vol% of the dispersant for the LSM-PMMA case and 15 vol% for LSM-carbon powder showed the lowest viscosities respectively to indicate the best dispersed states of the slurries. With PMMA and carbon powder, sintered LSM ink shows the relatively homogeneous distributions of pores and with increases of the agents, the porosities increased in both cases. From this, it can be thought that the amount of the PMMA or carbon powder could be used to control the porosity of the LSM ink.
Stacks of solid oxide fuel cell under 1kW max power were designed on planar type employing anode supported cell and metallic interconnects. The stacks composed of 3-cells, 8-cells, and 16-cells were fabricated by using single cell purchased from Indec, sealant and interconnect prepared at RIST. In performance test of the final 16-cells stacks, OCV was recorded to be 16.7 V. Peak power and power density were 1 kW, 0.77 $W/cm^{2}$ at $820^{\circ}C$, respectively. In addition, the long term degradation rate of the power exhibited 2.25 % in 500 h at $750^{\circ}C$.
Hybrid power generation systems combining a solid oxide fuel cell and a gas turbine is promising due to their high efficiency. In the pressurized hybrid system, the operating condition of the gas turbine may play a critical role in designing the hybrid system. In particular, prevention of surge of the compressor can be a critical issue. The existence of fuel cell between the compressor and the turbine may cause an additional pressure loss and thus compressor operating points tend to approach the surge if the original turbine inlet temperature is pursued. In this study, bypassing some of the turbine inlet gas directly to the turbine exit side is simulated. Its effects on suppressing the surge problem and change in performance characteristics are discussed.
Solid oxide fuel cell(SOFC) makes electric power using hydrogen or reformed from methane and emits high temperature products that contain flammable species like hydrogen, carbon monoxide and methane which varies with operation condition. SOFC/gas turbine integrated system which uses thermal and chemical energy of the discharges is more efficient than SOFC itself. Burning character of the SOFC products will affect the efficiency and stability of the system. Experiments were conducted to know the characteristics of the flame for two typical composition of SOFC products, i.e. start-up and steady state composition. When coflowing air temperature was higher than $600^{\circ}C$, auto-ignitin occurred for both fuels. Though start-up fuel has higher contents of hydrogen, it makes longer flame than steady state composition. It was inferred that the amount of oxidizer necessary to burn makes this phenomenon. Steady state composition fuel was unstable since it contains lots of water. Nozzle that had 6 holes, distance between each hole was 16.7 times of hole diameter, improved the stability of the flame.
온실 가스의 주원인인 이산화탄소 발생의 저감은 범세계적으로 중요한 문제가 되었다. 이산화탄소를 단순히 분리하고 외부와 격리시키는 것보다는 이를 이용하여 고부가가치의 화학제품으로 전환 가능하다는 점에서 이산화탄소의 자원화에 대해 많은 관심을 받고 있다. 본 논문에서는 이산화탄소의 촉매 전환을 통한 합성가스 생산의 방법으로서 이산화탄소 개질, 삼중 개질 그리고 내부 개질 고체 산화형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell) 시스템과 연계하여 전기와 합성가스를 동시에 생산하는 기술로 정하고 이에 대한 최근 연구 동향을 정리하였다. 또한 합성가스로부터 Fischer-Tropsch 합성을 통한 장쇄 탄화수소 생성과 Dimethyl Ether(DME) 생성을 중심으로 한 유용한 화학제품을 생산에 관한 연구 동향을 포함하였다.
전산모사를 이용하여 특성을 정확하게 모사하기 위해서는 전지 내부에서 발생하는 다양한 물리적, 화학적 현상을 고려하여야 한다. 이를 위해, 본 연구에서는 다양한 전지 내부 현상에 대한 변수를 고려할 수 있는 전산유체 상용코드인 CFD-ACE+를 이용하여 평판형 고체산화물 연료전지의 작동 특성을 분석하였다. 단위 스택에서 발생하는 물질전달과 열전달 및 전기화학 반응에 의한 전하이동을 복합적으로 고려하여, 작동조건 하에서 각 공정적, 구조적 변수 변화에 따른 전지특성을 예측하였다. 이러한 전산모사 방법을 통하여 확산과 유동에 의한 전지 내 반응물과 생성물의 mass fraction 분포와 단위 스택의 내부 온도분포 그리고 전지 특성을 나타내는 polarization curve에 의한 고체산화물 연료 전지의 분극 특성을 정성, 정량적으로 제시하였다. 본 연구를 통해 평판형 단위 스택 내에서의 다양한 변수 변화에 따른 전지의 작동 특성에 대한 효율적 예측이 가능하였고, 고체산화물 연료전지 작동 시 발생하는 현상에 대한 전산모사 접근법을 체계적으로 제시할 수 있었다.
Nguyen Quoc Huy;Duong Phan Anh;Ryu Bo Rim;Lee Jin Uk;Kang Ho Keun
한국항해항만학회:학술대회논문집
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한국항해항만학회 2022년도 추계학술대회
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pp.160-161
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2022
Hydrogen is bridge fuel with high energy content and environmentally friendly to satisfy the stringent IMO regulation relating to greenhouse gas (GHG) emissions. There is growing interest in hydrogen in numerous nations and regions illustrated by an extensive range of research and development in technology. Regarding maritime applications, researchers have recognized the utilization of hydrogen as a fuel for fuel cells, a device that converts the chemical energy of the fuel to electrical energy. Solid oxide fuel cell (SOFC), with high working temperature, is easy to combine with the waste heat recovery cycles/devices to increase output power and thermodynamic performances as well. Furthermore, the cold energy from liquid hydrogen supplied to SOFC can also be used to generate more power. In this study, we proposed a SOFC integrated system with the idea of combining the waste heat recovery from the SOFC exhaust stream and cold energy utilization from LH2. The designation is aimed to target small-scale vessel which uses electric propulsion for short distances voyage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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