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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 李忠坤
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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본 연구는 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 시스템을 기반으로 기존의 수소연료 대신 고체연료와 액체연료를 이용하여 연료에 따른 산화거동을 해석하였다.
고체연료는 마이크로웨이브를 사용하여 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄으로부터 초청정석탄(Ash Free Coal, AFC)을 제조하였고, 실험에 사용한 초청정석탄(AFC)는 N-Methyl-2-Pyrrolidone(NMP) 용매추출로 제작되었으며, 이때의 실험조건은 202 ℃의 대기압에서 이루어졌다. 제조된 초청정석탄을 공업분석, 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), X선 회절 분석기(XRD), 열 중량 분석기(TGA)를 이용하여 분석하였다.
액체연료는 바이오디젤 생산 시 부산물로 나오는 글리세롤(Glycerol)과 물을 1:0, 1:1, 1:3, 1:5, 1:7, 1:9의 몰 비율로 혼합하여 사용하였다. 이 혼합연료를 300-700 ℃ 영역에서 가스화하여 포집한 후 가스크로마토그래피(Gas chromatography)를 사용하여 조성을 파악하였다.
코인타입의 용융탄산염형 연료전지(MCFC)에 초청정석탄과 글리세롤 그리고 CO를 연료로 하여 산화거동을 확인하였고, 이 세 가지 연료의 성능을 비교평가하기 위해 수소연료(125 mL/min H2, 25 mL/min CO2, 14 mol% H2O)의 성능을 기준으로 하였다. 성능평가로는 Steady-State Polarization, Step-Chronopotentiometry, Impedance와 같은 전기화학법을 이용하였다.
제조된 초청정석탄의 추출수율은 역청탄 30.6 wt%, 아역청탄 21.9 wt%, 갈탄 16.4 wt%, 무연탄 7.6 wt%의 순으로 나타났다. 초청정석탄들을 분석하여 비교한 결과, 초청정석탄은 원탄의 종류와 상관없이 화학적, 물리적 성질들이 유사하게 나타났다. 또한 전기화학적 산화거동 평가에서도 모든 초청정석탄의 산화거동은 유사하였다.
액체연료의 가스크로마토그래피 분석결과 650 ℃에서의 운전조건에서 혼합비율이 1:3일 때 가장 많은 수소가 생성되었다. 이 혼합조건과 기본 수소연료와의 성능을 Steady-State Polarization법으로 비교한 결과 글리세롤을 이용한 연료전지의 전류-전압의 기울기가 더 큰 것을 확인하였다. 이것으로 글리세롤 연료가 기본 수소연료보다 물질전달 저항이 더 크다는 것을 알 수 있었다.
CO연료의 산화거동을 확인한 결과 CO연료의 전류-전압의 기울기가 수소연료보다 크게 나타났다. 그리고 CO연료에 CO2와 H2O를 첨가한 후 개회로전압(OCV)은 낮아졌지만 전류-전압의 기울기가 완만해져 수소연료와의 산화거동은 크게 차이 나지 않았다. 이 결과로 CO2와 H2O를 첨가하였을 때 저항이 줄어드는 것을 알 수 있다.
고체연료는 마이크로웨이브를 사용하여 역청탄, 아역청탄, 갈탄, 무연탄으로부터 초청정석탄(Ash Free Coal, AFC)을 제조하였고, 실험에 사용한 초청정석탄(AFC)는 N-Methyl-2-Pyrrolidone(NMP) 용매추출로 제작되었으며, 이때의 실험조건은 202 ℃의 대기압에서 이루어졌다. 제조된 초청정석탄을 공업분석, 퓨리에 변환 적외선 분광기(FT-IR), X선 회절 분석기(XRD), 열 중량 분석기(TGA)를 이용하여 분석하였다.
액체연료는 바이오디젤 생산 시 부산물로 나오는 글리세롤(Glycerol)과 물을 1:0, 1:1, 1:3, 1:5, 1:7, 1:9의 몰 비율로 혼합하여 사용하였다. 이 혼합연료를 300-700 ℃ 영역에서 가스화하여 포집한 후 가스크로마토그래피(Gas chromatography)를 사용하여 조성을 파악하였다.
코인타입의 용융탄산염형 연료전지(MCFC)에 초청정석탄과 글리세롤 그리고 CO를 연료로 하여 산화거동을 확인하였고, 이 세 가지 연료의 성능을 비교평가하기 위해 수소연료(125 mL/min H2, 25 mL/min CO2, 14 mol% H2O)의 성능을 기준으로 하였다. 성능평가로는 Steady-State Polarization, Step-Chronopotentiometry, Impedance와 같은 전기화학법을 이용하였다.
제조된 초청정석탄의 추출수율은 역청탄 30.6 wt%, 아역청탄 21.9 wt%, 갈탄 16.4 wt%, 무연탄 7.6 wt%의 순으로 나타났다. 초청정석탄들을 분석하여 비교한 결과, 초청정석탄은 원탄의 종류와 상관없이 화학적, 물리적 성질들이 유사하게 나타났다. 또한 전기화학적 산화거동 평가에서도 모든 초청정석탄의 산화거동은 유사하였다.
액체연료의 가스크로마토그래피 분석결과 650 ℃에서의 운전조건에서 혼합비율이 1:3일 때 가장 많은 수소가 생성되었다. 이 혼합조건과 기본 수소연료와의 성능을 Steady-State Polarization법으로 비교한 결과 글리세롤을 이용한 연료전지의 전류-전압의 기울기가 더 큰 것을 확인하였다. 이것으로 글리세롤 연료가 기본 수소연료보다 물질전달 저항이 더 크다는 것을 알 수 있었다.
CO연료의 산화거동을 확인한 결과 CO연료의 전류-전압의 기울기가 수소연료보다 크게 나타났다. 그리고 CO연료에 CO2와 H2O를 첨가한 후 개회로전압(OCV)은 낮아졌지만 전류-전압의 기울기가 완만해져 수소연료와의 산화거동은 크게 차이 나지 않았다. 이 결과로 CO2와 H2O를 첨가하였을 때 저항이 줄어드는 것을 알 수 있다.
목차
1. 서 론 12. 연 구 배 경 62.1. 석탄의 구조와 분류체계 62.2. 초청정석탄의 제조기술과 추출법 82.3. 글리세롤 112.4. 용융탄산염형 연료전지 123. 실 험 163.1. 초청정석탄의 제조 163.2. 초청정석탄의 분석방법 183.3. 글리세롤 연료 가스화 193.4. 코인형 용융탄산염형 연료전지 204. 결 과 254.1. 초청정석탄 254.2. 초청정석탄 연료의 용융탄산염형 연료전지에서의 산화거동 334.3. CO연료의 용융탄산염형 연료전지에서의 산화거동 364.4. 글리세롤 연료의 가스화 394.5. 글리세롤 연료의 용융탄산염형 연료전지에서의 산화거동 415. 결 론 446. 참 고 문 원 467. ABSTRACT 49
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