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[2017-06-29] 이재영 교수팀, 석탄전지 전력 생산용 탄소연료 규격 제시
작성일  :  2017.06.29 조회  :  517

□  GIST(광주과학기술원총장 문승현지구환경공학부 이재영 교수(교신저자, RISE 화학전지연구센터)장한샘 박사과정생(1저자)이 다음 세대 자발적 전기에너지 생산 시스템으로 주목받고 있는석탄탄소연료전지(이하 석탄전지) 성능저하 원인을 규명하는 데 성공했다.

∘    이번 성과는 다양한 석탄폐커피 분말활성탄 등의 탄소계 물질 중 운전효율을 극대화 할 수 있는 연료를 선택사용할 수 있도록 규격을 제시함으로서 안정적 에너지원 확보의 새로운 패러다임을 전개할 수 있는 계기를 마련했다고 할 수 있다.

□  석탄전지는 카르노순환*에 지배 받지 않는 열역학적으로 우수한 전력생산 장치로써높은 효율구조적 단순성연료 유연성 등의 다양한 이점이 있어 차세대 고온형 연료전지로 주목받고 있다하지만 종종 관찰되는 비정상적인 성능저하 때문에 연료전지 운전에 어려움을 겪고 있다.

카르노순환 내연기관 등의 열기관에서 나타나는 열역학적 에너지 순환과정이다이러한 기관에서는 효율의 상한이 정해져있어서높은 효율을 얻는 것에 제약이 존재한다.

∘ 일반적으로 작동온도가 상승함에 따라 연료전지 전력생산 성능이 향상되어야 한다하지만 온도 상승에도 불구하고 종종 성능저하가 관찰되었었고이에 따라 성능저하 극복이 석탄전지 운전에 있어서 해결해야할 과제로 남아 있었다.

□  연구팀은 그동안 석탄전지 실용화의 가장 큰 걸림돌이었던 성능저하 원인을 밝히는 데 성공하였다아울러탄소연료 물성*과 석탄전지 성능의 상관관계를 규명하였으며더 나아가 성능 최적화 방안을 제시하였다.

물성 물질이 가지고 있는 성질본 연구에서는 탄소연료의 다양한 물리화학적 특성 중에서 비표면적과 결정도를 특히 주목하였다.

∘  탄소연료의 반응기 내부 가스화*의 정도에 따라 탄소연료전지 성능이 결정됨을 확인하였다내부 가스화가 과도할 경우 전극 표면의 탄소 증착으로 인해 성능이 감소하였다내부 가스화가 부족할 경우 전극 자체가 열화(劣化)되어 성능이 감소하였다.

가스화 고체 또는 액체 상태의 물질을 기체로 만드는 공정.

∘  내부 가스화의 정도는 탄소연료가 높은 비표면적 혹은 낮은 결정도를 가질 때 증가함을 관찰하였다.따라서 연구팀은 최적의 성능을 얻어낼 수 있는 탄소연료의 조건을 확인하였다.

∘  연구팀은 석탄전지 성능저하의 두 가지 원인에 대한 각각의 극복 방안을 제시하였다탄소 증착으로 인해 성능이 감소하였을 경우 전기부하(electric load) 조절로써 이온의 이동을 촉진하여 성능을 최적화할 수 있다전극 열화로 성능이 감소하였을 경우 전극으로 공급되는 산소의 양을 제어하여 성능을 최적화할 수 있다. (연구결과개요 참조)

□  이재영 교수는 이번 성과는 석탄전지 운전에 적합한 연료 규격을 제시함으로써 본 기술을 활용한 전력생산 실용화에 기여할 것으로 생각한다며 이를 토대로 본 기술의 성능저하 해결방안을 제시함으로써 운전 효율을 극대화하여 안정적 전력생산에 일조할 것으로 기대한다고 말했다.

□  이재영 교수 연구팀 연구는 광주과학기술원 차세대 에너지 분야 원천 기술 개발의 지원으로 수행되었고,화학공학 분야의 세계적인 학술지인 Chemical Engineering Journal 2017년 6월 27일자 온라인판에 게재되었다<>

논문명과 저자 정보는 다음과 같다.

논문명 Origin of peculiar electrochemical phenomena in direct carbon fuel cells(https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.06.127).

저자 정보 이재영 교수(교신저자광주과학기술원), 장한샘 박사과정생(1저자광주과학기술원)

 

                             external_image 

                                                           <석탄전지의 성능저하 원인을 보여주는 모식도>

  

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