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목차

제1장 서론 72

제1절 연구의 배경 및 목적 72

제2절 연구개발의 범위 및 목표 75

제2장 문헌조사 76

제1절 연료전지 일반 76

제2절 고체 산화물 연료 전지(SOFCs)의 개요 78

제3절 고체산화물 연료전지(SOFC)의 종류와 특징 81

제4절 SOFC를 이용한 보조전원장치(APU)의 개요와 기술 98

제5절 군사용 보조전원장치(APU)의 개요와 기술 104

제3장 APU용 SOFC 국내외 기술 개발 현황 108

제1절 미국의 APU 기술 개발 현황 110

제2절 일본의 APU 기술 개발 현황 116

제3절 유럽의 APU 기술 개발 현황 120

제4절 국내의 APU 기술 개발 현황 124

제4장 원통형 NiO-YSZ 음극지지체 소재 및 공정 기술개발 128

제1절 NiO-YSZ 원료분말에 따른 음극소재의 미세구조 제어 128

제2절 NiO-YSZ 음극튜브 제조공정기술 개발 145

제5장 1kW급 튜브형 SOFC 스택 개발 159

제1절 250W급 SOFC 스택 개발 159

제2절 500W급 SOFC 스택 개발 166

제3절 1kW급 APU용 SOFC 스택 개발 178

제6장 APU용 디젤연료 개질 시스템 개발 190

제1절 서론 190

제2절 APU용 디젤연료 개질기 개발 192

제3절 APU용 코크방지 디젤연료 개질 부분산화 촉매 개발 196

제4절 APU용 디젤연료 개질기 성능 향상 기술 개발 203

제5절 디젤연료 개질기와 bundle cell과의 연계 운전 223

제7장 APU SOFC 용 BOP 개발 225

제1절 공기공급장치 개발 225

제2절 전력변환장치 개발 251

제3절 제어시스템 개발 285

제4절 Cold Box 설계 및 제작 308

제8장 SOFC APU 시스템 설계 해석 319

제1절 1kW stack 설계/해석 319

제2절 1kW APU 시스템 설계/해석 345

제9장 APU HOT BOX 시스템 Hardware 제작 348

제1절 시스템 구성 348

제2절 System operation scenario 및 제어 352

제3절 System Integration 356

제10장 SOFC APU 시스템 성능 시험 359

제1절 시험 결과 359

제11장 연료전지 성능향상을 위한 전류집전 및 유로설계기술 371

제1절 서론 371

제2절 본론 372

제12장 APU SOFC 용 고온 내열성 합금 소재 개발 378

제1절 과제개요 및 연구개발의 주안점 378

제2절 본문 380

제13장 고체산화물 연료전지용 금속바이폴라판의 금속/전도성 세라믹 계면 특성 분석 및 전극/전류집전 계면 향상에 관한 연구 398

제1절 서론 398

제2절 문헌조사 401

제3절 실험진행방향 및 실험방법 410

제4절 결과 및 고찰 411

제5절 결론 419

제14장 결론 및 향후 계획 421

제1절 종합 결론 421

제2절 향후 계획 425

참고문헌 426

〈표 2-1〉 연료전지의 종류별 특징 비교 77

〈표 2-2〉 튜브형 SOFC의 고장 형태 및 매커니즘 82

〈표 2-3〉 다전지식 SOFC 원통형 구조의 특성 85

〈표 2-4〉 일체형 SOFC 구성 요소 특징 88

〈표 3-1〉 SOFC APU 개발 현황 109

〈표 3-2〉 국내 SOFC 관련 기업 및 연구기관 연구이력 127

〈표 4-1〉 NiO-YSZ 복합체의 원료분말 및 carbon첨가량별 시편의 이름 및 1400℃ 소결체의 상대밀도(*: 환원 후 Ni-YSZ cermet의 상대밀도) 135

〈표 6-1〉 워시코팅된 금속 모노리스 촉매의 EDX 조성 198

〈표 6-2〉 촉매의 조성 변화에 따른 CH₄ 개질 부분산화 반응에서의 활성 비교 200

〈표 6-3〉 Gas chromatography 분석 조건 205

〈표 6-4〉 C/O비에 따른 Pd계 촉매의 부분산화 반응 활성 209

〈표 7-1〉 공기압축기 설계사양 228

〈표 7-2〉 용적형 형식별 비교 229

〈표 7-3〉 벤치마킹 압축기 사양 230

〈표 7-4〉 공기 압축기 및 시험장치 검사 절차 240

〈표 7-5〉 제어 항목 및 측정 조건 241

〈표 7-6〉 KS B 6351 평가 기준 241

〈표 7-7〉 공기압축기 성능 시험 측정 항목 및 장비 244

〈표 7-8〉 DAQ 장비 사양 245

〈표 7-9〉 DAQ 장비 설치 활용 249

〈표 7-10〉 절연형과 비절연형 승압형 컨버터의 비교 251

〈표 7-11〉 MTE사의 DC 인턱터 제품 선택 사양서 260

〈표 7-12〉 캐피시터 선정을 위한 data-sheet 263

〈표 7-13〉 입출력 사양분석 (PCS의 효율 90%로 가정) 272

〈표 7-14〉 2차 시제품 소자분석 273

〈표 7-15〉 1, 2차 시제품의 정격비교 273

〈표 7-16〉 손실에 대한 개선책분석 274

〈표 7-17〉 APU SOFC 시스템의 제어신호 285

〈표 7-18〉 APU SOFC 시스템의 측정신호 286

〈표 7-19〉 주요 전기적 구성요소 287

〈표 7-20〉 제어 신호 인터페이스 정보 287

〈표 7-21〉 제어기 요구 사양 289

〈표 7-22〉 제어기 성능 시험표 307

〈표 7-23〉 구성품 질량 정보 312

〈표 7-24〉 외함 팬 사양 정보 318

〈표 12-1〉 주 합금원소의 성분 종류 및 함유량. 381

〈표 12-2〉 주요 활용 합금원소의 원자반경 비교 382

〈표 12-3〉 예비 합금조성 GROUP별 SCALE 밀착성과 성장속도 비교. 386

〈표 12-4〉 개발합금의 주요 합금원소와 조성범위. 387

〈표 12-5〉 개발합금의 성분조성 비교 분석 결과. 390

〈표 12-6〉 2단계 개발합금의 청정도 및 Crofer22 APU의 청정도 비교 분석 결과. 391

〈표 12-7〉 2단계 개발합금과 Crofer22 APU의 경도, 인장강도 비교 분석 결과. 391

[그림 2-1] 연료전지의 종류와 각각의 작동원리 77

[그림 2-2] SOFC의 작동원리 79

[그림 2-3] 공기극 지지체 형태를 갖는 튜브형 SOFC 구조 81

[그림 2-4] 단전지식 원통형 SOFC에서 각 단전지 연결 구조 83

[그림 2-5] 튜브형 SOFC구조에서의 가스메니폴더의 개념도 84

[그림 2-6] 다전지식 원통형 구조 85

[그림 2-7] 다전지식 구조에서 가스 메니폴더 개념도 87

[그림 2-8] 일체형 SOFC 구조 88

[그림 2-9] 일체형 SOFC에서 전자/이온의 이동 경로 89

[그림 2-10] coflow 구조에서의 가스메니폴더 개념도 90

[그림 2-11] 평판형(Planar) 고체산화물 연료전지 본체 구성 92

[그림 2-12] 평판형 세라믹 연료전지의 두 가지 구조 개념도 93

[그림 2-13] 평판형 구조의 SOFC의 crossflow 구조를 가지는 메니폴더 개념도 94

[그림 2-14] 원형 구조의 평판형 SOFC와 가스메니폴더 구조 94

[그림 2-15] 단전지 평관형 구조 95

[그림 2-16] 평관형 SOFC 100W급 2×2 스택 측면도 95

[그림 2-17] 평관형 구조의 SOFC에서의 전류흐름 96

[그림 2-18] 공기 공급을 위하여 유로가 설계된 금속 bipolar plate 97

[그림 2-19] 연료가스 흐름 및 연료가스 메니폴더 개념도 97

[그림 2-20] 20개의 single cell을 쌓아 800℃에서 operating(좌), 사용된 metallic interconnect plates(우) 101

[그림 2-21] 60개(15X4)의 single cell들을 쌓아 만든 SOFC APU "Boxer" 102

[그림 2-22] APU를 장착한 트럭들. 102

[그림 2-23] 최근 발표된 차량용 APU의 사진(Delphi사) 103

[그림 2-24] Delphi사에서 개발에 성공한 초고속 SOFC APU 103

[그림 3-1] SOFCo사가 개발 중인 25 kW급 자동차용 전원 108

[그림 3-2] 델파이사의 3~5kW급 APU 시스템 115

[그림 3-3] SOFCo-EFS사의 5kW급 APU 시스템 115

[그림 3-4] 이번에 NEDO가 전시한 마이크로 SOFC(좌)와 직경 1.6mm의 원통형 셀을 사용한 모듈(우) 119

[그림 3-5] 허니컴 구조를 가진 SOFC (http://techon.nikkeibp.co.jp) 119

[그림 4-1] NiO-YSZ 복합체의 기공율에 따른 전기전도도 관투현상 130

[그림 4-2] 금속-고분자 복합체에서 금속입자의 크기와 관투언덕의 상관관계 130

[그림 4-3] Ni-YSZ 음극소재의 미세구조를 변화시키기 위해 사용된 YSZ 분말의 입도 분포 132

[그림 4-4] Ni-YSZ 음극소재의 미세구조를 변화시키기 위해 사용된 NiO 분말의 평균 입자크기 132

[그림 4-5] NiO 상용분말의 SEM 사진 133

[그림 4-6] Ni-YSZ 음극소재의 제조 및 분석 공정 흐름도. 135

[그림 4-7] Ni-YSZ 음극소재의 전기전도도 측정을 위한 장치의 회로 구성도 136

[그림 4-8] 직류 4단자법으로 측정된 Ni-YSZ 음극소재의 전류-전압 곡선 136

[그림 4-9] NiO-YSZ 복합체의 소결밀도에 따른 Ni-YSZ cermet의 상대밀도 138

[그림 4-10] 입자의 크기가 다른 NiO 상용분말과 미세한 YSZ 분말을 이용하여 제조된 NiO-YSZ 복합체의 미세구조 및 각 입자들의 분포에 대한 EDS 분석결과 139

[그림 4-11] 환원된 Ni-YSZ cermet의 SEM 미세구조 140

[그림 4-12] 미세한 YSZ 분말과 각기 다른 상용 NiO분말을 이용하여 제조된 Ni-YSZ cermet의 온도에 따른 전기전도도 141

[그림 4-13] NiO 및 YSZ 원료분말에 따라 제조된 Ni-YSZ cermet의 전기전도도와 상대 소결밀도 142

[그림 4-14] NiO 및 YSZ 원료분말에 따라 제조된 Ni-YSZ cermet의 기공율에 따른 파괴강도 144

[그림 4-15] Siemens Power Generation사에서 제조한 튜브형 셀의 구조 145

[그림 4-16]/[그림 4-16 압출공정에서] 압출공정에서 발생하는 결함의 미세구조 146

[그림 4-17] NiO-YSZ 음극지지체 제조를 위한 압출공정 흐름도 148

[그림 4-18] 압출공정을 이용한 NiO-YSZ 원통형 음극지지체 성형 148

[그림 4-19] 원통형 음극지지체의 전기적 물성 평가 장치 회로도 149

[그림 4-20] 압출공정에 의해 제조된 NiO-YSZ 음극 튜브의 압환강도 측정 150

[그림 4-21] 압출성형 결함을 가진 NiO-YSZ 음극지지체의 미세구조 152

[그림 4-22] 결합제의 종류와 함량을 달리하여 개선된 NiO-YSZ 음극지지체(1200℃ 가소결)의 표면 및 단면 152

[그림 4-23] 결합제의 종류와 함량을 달리하여 개선된 NiO-YSZ 음극지지체(1200℃ 가소결)의 표면 및 단면 미세구조 153

[그림 4-24] NiO-YSZ 음극지지체(1450℃ 소결)의 환원 전후의 미세구조 153

[그림 4-25] 미세구조가 개선된 Ni-YSZ 음극 튜브의 전기전도도 155

[그림 4-26] 미세구조가 개선된 Ni-YSZ 음극 튜브의 기계적 강도 155

[그림 4-27] 수직형 소결방식을 이용한 음극 지지체 튜브 대량 소결 157

[그림 4-28] Dummy stack을 위해 제작된 음극지지체 튜브(산화 및 환원상태) 158

[그림 4-29] Simulator 운전을 위해 제작된 dummy stack 158

[그림 5-1] Micro-tube SOFC single cell 제조공정도 159

[그림 5-2] 유도가열로를 이용한 단전지 브레이징 공정 및 브레이징 캡 사진 160

[그림 5-3] 가소결된 튜브셀 및 완성된 단전지 161

[그림 5-4] 단전지 I-V 성능 곡선 161

[그림 5-5] 설계 스택의 전체 외형 (셀의 수: 72 (4 셀 모듈 2개, 9 layer)). 162

[그림 5-6] 설계 스택의 측면도(a)와 평면도(b) 163

[그림 5-7] 마이크로 튜브형 브레이징 단위전지의 치수(a)와 브레이징 캡 조립 개념도(b) 164

[그림 5-8] 셀 모듈을 4개 적층한 셀 모듈 외형도 164

[그림 5-9] 셀 모듈을 적층하여 조립한 250W급 스택의 외형 165

[그림 5-10] 마이크로 튜브 셀의 연료극 전류집전 방식 165

[그림 5-11] APU용 SOFC 단전지 설계도 166

[그림 5-12] APU용 SOFC 단전지의 anode 전류 집전방법 167

[그림 5-13] APU용 SOFC 단전지에 대한 I-V 곡선 168

[그림 5-14] 매니폴드내 수소 흐름에 대한 시뮬레이션 결과 168

[그림 5-15] APU 용 SOFC 연료공급 매니폴드 설계 168

[그림 5-16] 유도가열 브레이징법을 이용한 6-cell bundle 제작 169

[그림 5-17] 6-cell bundle내 cell의 OCV 및 I-V 곡선 169

[그림 5-18] 6-cell bundle의 I-V 곡선 170

[그림 5-19] 스택내의 공기흐름에 대한 시뮬레이션 결과 171

[그림 5-20] 공기 매니폴드 설계도 172

[그림 5-21] 500W 급 APU용 SOFC 스택에 사용된 단전지 173

[그림 5-22] 500W 급 APU용 SOFC 스택 174

[그림 5-23] 500W급 APU용 SOFC 스택 평가 시스템 및 측정로에 장착된 스텍 사진 175

[그림 5-24] 개발된 스택(스텍) 성능 곡선 175

[그림 5-25] (a) SOFC 스택의 성능 곡선, (b) SOFC 스택내 단위 번들의 성능 곡선 176

[그림 5-26] 500W급 SOFC스택의 장기성능 시험 결과 177

[그림 5-27] SOFC 스택의 전류 집전 방법 비교 178

[그림 5-28] 전류 집전 방법에 따른 성능 변화 179

[그림 5-29] Base plate겸 연료공급 chamber에 대한 제작 설계도 180

[그림 5-30] 연료공급 chamber에 SOFC 번들이 장착되는(장작되는) 모식도 180

[그림 5-31] 연료공급 chamber에 SOFC 번들이 장착되는(장작되는) 모식도 181

[그림 5-32] 세라믹 O-ring과 Mica를 이용한 스택 조립 방법 모식도 182

[그림 5-33] 공기공급 chamber 설계도 183

[그림 5-34] SOFC 스택 조립 사진 184

[그림 5-35] 제작된 SOFC 스택사진(스텍사진) 185

[그림 5-36] SOFC 스택내 번들의 개회로 전압 185

[그림 5-37] 개발된 SOFC 스택의 I-V 곡선 186

[그림 5-38] 개발된 SOFC 스택의 장기성능 시험 결과 186

[그림 5-39] 개조된 air chamber에 장착된 스택사진 (front view) 187

[그림 5-40] 개조된 air chamber에 장착된 스택사진 (top view) 188

[그림 5-41] 완성된 스택 외형 사진 188

[그림 5-42] SOFC 단위 번들을 이용한 장기 성능곡선 189

[그림 6-1] 전기가열체 192

[그림 6-2] 탄화수소 수에 따른 연료의 끓는점과 auto-ignition 온도 비교 193

[그림 6-3] n-hexadecane의 부분산화반응 기동 특성 194

[그림 6-4] 예열 공기 이용 n-hexadecane의 부분산화반응 기동 특성 195

[그림 6-5] 2유체 노즐(좌), 1유체 노즐(우) 이용 분산 실험 후 촉매 상태 195

[그림 6-6] 2유체 노즐을 이용한 n-hexadecane 분사 실험 196

[그림 6-7] 원형 금속 모노리스 (a), EHC (c), PdO/BaO/SrO/CeO₂/Al₂O₃촉매가 워시코팅된 금속 모노리스 (b)와 EHC(d) 197

[그림 6-8] 촉매 워시코팅된 금속 모노리스의 표면 형상 SEM 이미지 198

[그림 6-9] 금속 모노리스 촉매의 XRD patterns 199

[그림 6-10] 디젤 개질 촉매 성능 평가용 반응 시스템 201

[그림 6-11] 최적 조성 Pd/Al₂O₃/CeO₂/BaO/SrO 촉매가 워시코팅된 금속모노리스 촉매의 성능 평가 실험 결과 202

[그림 6-12] 연결관 가열 처리 후 최적 조성 Pd/Al₂O₃/CeO₂/BaO/SrO 촉매가 워시코팅된 금속모노리스 촉매의 성능 평가 실험 결과 202

[그림 6-13] APU용 500W급 디젤연료 개질기 prototype I 설계도 204

[그림 6-14] APU용 500W급 디젤연료 개질 시스템 개략도 204

[그림 6-15] APU용 500W급 디젤연료 개질 시스템 205

[그림 6-16] n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과(GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 300℃, EHC non-catalyst coated) 207

[그림 6-17] n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과(GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 300℃, EHC catalyst coated, C/O=1.0) 207

[그림 6-18] n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과(GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 300℃, EHC catalyst coated, C/O=1,0 steam/C=1.0) 208

[그림 6-19] n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과(GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, C/O=1.0) 208

[그림 6-20] APU용 500W-1kW급 디젤연료 개질기 prototype II 설계도 210

[그림 6-21] Prototype II 개질기에서의 n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과 (GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, C/O=1.0) 211

[그림 6-22] Secondary 공기 주입에 따른 n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과 (GHSV=110,OOOh-1(이미지참조), air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, C/O=0.5) 211

[그림 6-23] 하이브리드 촉매를 이용한 디젤연료 개질기 prototype II 성능평가 실험 결과 (air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, steam/C=1.0) 213

[그림 6-24] APU용 1kW급 디젤연료 개질기 prototype III 설계도 214

[그림 6-25] APU용 1kW급 디젤연료 개질 시스템 215

[그림 6-26] Prototype III 개질기에서의 500W급 n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과 (GHSV=110,000h-1(이미지참조), air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, C/O=1.0, steam/C=1.0) 215

[그림 6-27] Prototype III 개질기에서의 1kW급 n-hexadecane의 부분산화 반응 실험 결과 (air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, steam/C=1.0) 216

[그림 6-28] Prototype III 개질기에서의 운전 조건 최적화 실험(air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated) 217

[그림 6-29] Prototype III 개질기에서의 장시간 운전 실험(air preheated at 400℃, EHC non-catalyst coated, C/O=0.9) 218

[그림 6-30] 개질기 출구 응축기로부터 회수된 액상의 형상 219

[그림 6-31] Prototype III 개질기에서의 EHC 촉매 코팅에 따른 운전 실험 (air preheated at 400℃, EHC catalyst coated, C/O=0.9, steam/C=1.0) 220

[그림 6-32] Prototype III 개질기에서의 실제 디젤유를 이용한 운전 실험 (air preheated at 400℃, EHC catalyst non-coated) 221

[그림 6-33] 실제 디젤유 이용 실험 중 개질기 출구 응축기로부터 회수된 액상의 형상 222

[그림 6-34] Prototype III 개질기에서의 실제 디젤유를 이용한 장기 운전 실험 (air preheated at 400℃, EHC catalyst non-coated, C/O=0.9, steam/C=1.25) 222

[그림 6-35] Prototype 개질기 III과 SOFC bundle cell과의 연계 운전을 위한 시스템 223

[그림 6-36] SOFC bundle cell과의 연계 운전 시 개질기 성능 224

[그림 6-37] Prototype 개질기 III와의 연계 운전 시 bundle cell 성능 224

[그림 7-1] 공기 압축기 개발 Flow chart 225

[그림 7-2] 압축과정 T-s 선도 226

[그림 7-3] 압축기 분류 228

[그림 7-4] RCRV 개념도 231

[그림 7-5] 베인에 작용하는 힘 233

[그림 7-6] 공기압축기 조립도 236

[그림 7-7] 공기 압축기 3D 모델링 형상 236

[그림 7-8] 공기 압축기 정면 237

[그림 7-9] 공기 압축기 측면 237

[그림 7-10] 공기 압축기 조립과정 238

[그림 7-11] 압축기 Test Bench 245

[그림 7-12] 유량 대 토출압 성능 특성 곡선 247

[그림 7-13] 유량 대 소모전력 성능 특성 곡선 247

[그림 7-14] 분기시험 구성 개략도 248

[그림 7-15] 분기시험 구성 실제사진 248

[그림 7-16] 시간에 따른 유량 결과 250

[그림 7-17] 시간에 따른 압력 결과 250

[그림 7-18] 인덕터의 기생저항에 의한 컨버터의 성능곡선 254

[그림 7-19] 전력변환기의 파워회로도 255

[그림 7-20] DC/DC 승압(step-up) 컨버터 261

[그림 7-21] 출력전압 리플 261

[그림 7-22] TL494의 내부구성 블럭다이어그램 264

[그림 7-23] 승압형컨버터의 상태공간평균화 모델 265

[그림 7-24/7-23] 전력변환기의 제어입력에 대한 주파수 응답 266

[그림 7-25/7-24] 제작된 제어기의 회로도 266

[그림 7-26/7-25] 70% 부하조건에서의 입출력 특성 267

[그림 7-27/7-26] MOSFET 게이트 입력파형 및 Drain-Source간 전압파형 267

[그림 7-28/7-27] 정상상태동작시 MOSFET 전류파형 268

[그림 7-29/7-28] 정상상태 동작시 인덕터 전류파형 269

[그림 7-30/7-29] 70% 부하조건에서 발생된 손실에 대한 분석 270

[그림 7-31/7-30] 다상 병렬 부스트 컨버터의 전력회로도 271

[그림 7-32/7-31] 1차, 2차 시제품 시뮬레이션 결과 274

[그림 7-33/7-32] (주)창성 HPQ5050 외형 및 특성 275

[그림 7-34/7-33] 제작된 인덕터의 DC Bias 특성곡선 276

[그림 7-35/7-34] 제작된 인덕터의 실물외형사진 276

[그림 7-36/7-35] 2차 시제품의 회로도 277

[그림 7-37/7-36] 인덕터 및 스위칭소자 PCB 회로도 278

[그림 7-38/7-37] 인덕터 및 스위칭소자 PCB 거버파일 278

[그림 7-39/7-38] 출력 커패시터 뱅크 PCB 회로도 279

[그림 7-40/7-39] 출력 커패시터 뱅크 PCB 거버파일 279

[그림 7-41/7-40] 제작완료된 PCB 실물외형사진 280

[그림 7-42/7-41] Digital 제어기의 입출력 281

[그림 7-43/7-42] Digital 제어기의 거버파일 281

[그림 7-44/7-43] Digital 제어기의 실물외형사진 281

[그림 7-45/7-44] 제작완료된 2차 시제품의 외형실물사진 282

[그림 7-46/7-45] 650W운전시 각 부 동작파형 283

[그림 7-47/7-46] 정격운전시 각 부 동작파형 284

[그림 7-48/7-47] 부하별 전력 변환 효율 284

[그림 7-49/7-48] APU SOFC 시스템 구성도 285

[그림 7-50/7-49] Cold Box 구성도 286

[그림 7-51/7-50] APU-SOFC 시스템 구성도 288

[그림 7-52/7-51] TMS320F2812 DSP 290

[그림 7-53/7-52] CPLD 292

[그림 7-54/7-53] 128K Memory 292

[그림 7-55/7-53] Analog Input - 전류 4~20mA 294

[그림 7-56/7-54] Analog Input - 전류 4~50mA 294

[그림 7-57/7-55] Analog Input - 전압 0~5V 294

[그림 7-58/7-56] Analog Output - 전압 0~5V 295

[그림 7-59/7-57] Analog Output - 전압 0~10V 295

[그림 7-60/7-58] Digital Input 296

[그림 7-61/7-59] Digital Output 296

[그림 7-62/7-60] RS-232 통신 297

[그림 7-63/7-61] RS-485 통신 297

[그림 7-64/7-62] Seven Segment 298

[그림 7-65/7-83] TMS320F2812 DSP를 이용한 시스템 제어기 298

[그림 7-66/7-84] Main Processor의 Layout 구성도 299

[그림 7-67/7-85] 주변 장치부의 Layout 구성도 299

[그림 7-68/7-86] 열전대 변환부의 Layout 구성도 300

[그림 7-69/7-87] 성능 시험 구성도 300

[그림 7-70/7-88] Console 시작 화면 301

[그림 7-71/7-89] 연료전지 시스템 시뮬레이터 302

[그림 7-72/7-90] 제어기 성능 시험 구성 302

[그림 7-73/7-91] Analog Input(internal) 시험 결과 303

[그림 7-74/7-92] Analog Input(external) 시험 결과 304

[그림 7-75/7-93] Analog Output 시험 결과 304

[그림 7-76/7-94] Digital Input 시험 결과 305

[그림 7-77/7-95] Digital Output 시험 결과 306

[그림 7-78/7-96] 7 Segment 시험 결과 306

[그림 7-79/7-97] Cold Box 흐름도 308

[그림 7-80/7-98] Cold Box 구성 3D 모델링 309

[그림 7-81/7-99] Cold Box 외함 통풍구 310

[그림 7-82/7-100] 시스템 외형 사진 310

[그림 7-83/7-101] 시스템 내부 구성 사진 311

[그림 7-84/7-102] 베이스 플레이트 구조 해석 영역 312

[그림 7-85/7-103] 베이스 플레이트의 집중하중 조건 312

[그림 7-86/7-104] 베이스 플레이트의 변형량 313

[그림 7-87/7-105] 베이스 플레이트의 Von mises Stress 313

[그림 7-88/7-106] 열유동 해석 영역 314

[그림 7-89/7-107] 팬 및 통풍구 위치에 따른 시스템 내부 유동 분포 315

[그림 7-90/7-108] 팬 위치 및 통풍구 사양 316

[그림 7-91/7-109] 시스템 z방향의 특정위치(xy평면)에서의 온도분포 317

[그림 7-92/7-110] PCS의 방열판 및 보드의 표면온도 분포 317

[그림 8-1] 고체산화물 연료전지(SOFC) 작동 원리 320

[그림 8-2] Relationship between pressure deviation and gas permeable flow rate 329

[그림 8-3] Micro tubular SOFC unit cell made by KIER 332

[그림 8-4] Components of SOFC unit cell 332

[그림 8-5] Structured grid for SOFC Unit Cell 333

[그림 8-6] Distribution of H₂ for Unit Cell 333

[그림 8-7] Distribution of H₂O for Unit Cell 334

[그림 8-8] Distribution of O₂ for Unit Cell 334

[그림 8-9] Comparison of I-V curve with experimental results. 335

[그림 8-10] Schematic of 6-cell bundle 336

[그림 8-11] Grid system for 6-cell bundle 336

[그림 8-12] Various views of grid system for 6-cell bundle 337

[그림 8-13] Vector plot at inlet of 6-unit cells 337

[그림 8-14] Current density contours on the MEA 338

[그림 8-15] Distribution of mass fraction for H₂ 339

[그림 8-16] Distribution of mass fraction for H₂O 339

[그림 8-17] Distribution of mass fraction for O₂ 339

[그림 8-18] Comparison of I-V curve with experimental result 340

[그림 8-19] Schematic of 1kW SOFC stack with 20 bundles. 340

[그림 8-20] (a) Grid system of 10 bundles (b) Grid system at inlet to bundle (c) Grid system for manifold 341

[그림 8-21] Contours of velocity magnitude for O₂ 342

[그림 8-22] Contours of velocity magnitude for H₂ 343

[그림 8-23] Contours of mass fraction for H₂ 343

[그림 8-24] I-V curve for 20-bundles 1kW SOFC stack 344

[그림 8-25] Simulation system 구성도 345

[그림 8-26] Stack 성능 곡선 345

[그림 8-27] simulation 결과 346

[그림 8-28] 정상상태 작동 조건에서 시스템 해석 결과 347

[그림 9-1] APU SOFC 시스템 348

[그림 9-2] APU 시스템의 개략도 349

[그림 9-3] component 제작 350

[그림 9-4] 운전 시나리오 353

[그림 9-5] 운전 제어 프로그램 화면 356

[그림 9-6] APU 시스템 조립 과정 357

[그림 9-7] 예비 실험용 Hot box와 cold box시스템 358

[그림 10-1] Reformer 기동에 따른 온도 변화 359

[그림 10-2] startup burner의 온도 변화 360

[그림 10-3] 열교환기 주입 및 배출가스의 온도변화 361

[그림 10-4] 열교환기 361

[그림 10-5] dummy stack의 온도 변화 362

[그림 10-6] 개질기의 온도 패턴 363

[그림 10-7] Startup burner의 온도 패턴 364

[그림 10-8] 열교환기 예열공기의 온도 패턴 364

[그림 10-9] 스택의 시간에 따른 예열 패턴 365

[그림 10-10] OCV 365

[그림 10-11] 개질기의 온도 패턴 366

[그림 10-12] startup burner와 stack의 온도 패턴 367

[그림 10-13] 스택 출력 368

[그림 10-14] stack의 온도 패턴 369

[그림 10-15] I-V curve 369

[그림 11-1] 연료전지의 작동유체 분배의 원리와 명칭 372

[그림 11-2] Z-Type 분배채널 구성하였을 때의 유속 분포 모델링 결과 373

[그림 11-3] Z-Type 분배채널 구성하였을 때의 압력분포 모델링 결과 373

[그림 11-4] Z-Type, U-Type 분배채널 구성의 유속분포 실험 결과 374

[그림 11-5] 최적화 된 Z-Type 분배채널의 압력분포 모델링 결과 374

[그림 11-6] 최적화 된 Z-Type 분배채널의 유속분포 모델링 결과 375

[그림 11-7] 챔버형 매니폴드의 유속분포 모델링 결과 375

[그림 11-8] 확장 챔버형 매니폴드의 유속분포 모델링 결과 375

[그림 11-9] 최적화 설계된 챔버형 매니폴드의 유속분포 모델링 결과 376

[그림 11-10] 금속분말 성형 소결 소재 좌-용침전, 우-용침후 377

[그림 11-11] 기체투과도 측정 개략도 377

[그림 12-1] 금속연결재의 모식도 및 세라믹연결재 및 금속연결재의 장단점. 379

[그림 12-2] 합금설계 기본 Concept 모식도 380

[그림 12-3] 용강내 Oxygen, Sulfur의 산화물과 황화물 형성과 RE element의 화합물 생성. 382

[그림 12-4] 용강내 Rare earth element의 산화물과 황화물 생성상 모식도 383

[그림 12-5] 개발 금속연결재의 최적 용강제조 방법 및 합금원소 투입 순서의 모식도. 384

[그림 12-6] 개발합금 조성내 Rare Earth 첨가기술에 따른 Rare Earth 함유량 변화 386

[그림 12-7] 개발합금내 존재된 RE elements 복합생성상의 형상과 조성 388

[그림 12-8] 개발합금의 Melting, Ingot Casting, Forging, Rolling. 389

[그림 12-9] 개발합금의 응고조직, RE elements 및 미량 합금원소 첨가 유무에 따른. 390

[그림 12-10] 2단계 개발합금의 열간가공성 평가 결과 392

[그림 12-11] 2단계 개발합금과 국외 소재의 860℃ Thermal expansion 평가 결과. 393

[그림 12-12] 2단계 개발합금과 국외 소재의 860℃ Oxidation resistance 평가 결과. 393

[그림 12-13] 개발합금의 Scale growth rate 및 Scale adhesion 비교 평가 394

[그림 12-14] 1 톤급 개발합금의 용강제조와 Ingot Casting. 396

[그림 12-15] 1 톤급 개발합금의 열간단조 및 열처리 과정 396

[그림 12-16] 1 톤급 개발합금 제조시 자주 발생된 잉고트에서의 표면결함 및 중심부 결함. 397

[그림 12-17] 1 톤급 개발합금의 대형 잉고트 단조후 결함 형상 및 UT 검사 결과 397

[그림 13-1] Schematic drawing for the measurement of area specific resistance across the sample with scale. 403

[그림 13-2] Temperature-dependence of area specific resistance (ASR) of Cr-5Fe-1Y₂O₃ alloy (Ducrolloy) oxidized at 1000 ℃ for 75 h in air, showing unacceptably large ASR for practical application as interconnect. 403

[그림 13-3] Variation of ASR with temperature for a Fe-26Cr-1Mo alloy oxidized at 800 8C for 48 h in air where Pt electrode was used for measurement. 405

[그림 13-4] Variation of ASR with time measured at 850 ℃ in air with three different electrodes on the surfaces of unoxidized Fe-26Cr-1Mo alloy. 405

[그림 13-5] Dependence of ASR on temperature for a Fe-26Cr-1Mo alloy pre-oxidized at 900 ℃ for 24 h measured with four different electrodes. 406

[그림 13-6] Temperature-dependence of area specific resistance for undoped and doped Fe-26Cr-1Mo alloy oxidized at 800 8C for 24 h in air where Pt electrode was used for measurement. 406

[그림 13-7] Changes of contact resistance as a function of time at 920 ℃ for various Cr-based ODS alloys coated with LSM. 408

[그림 13-8] Variation of ASR of two LSM-coated Fe-based superalloys with time at 800 ℃. 408

[그림 13-9] Temperature-dependence of contact resistance of both uncoated and LSM-coated MA-956 alloy after 1000 h exposure to air at 900 ℃. 409

[그림 13-10] Effect of different coatings on ASR of the Fe-28Cr-3Mo alloy after oxidation at 950 ℃ for 10 h as a function of temperature. 409

[그림 13-11] X-ray diffraction patterns of the LSM-coated interconnects(SUS430) sintered at (a) 1000˚ and (b) 1300 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere. 412

[그림 13-12] X-ray diffraction patterns of the LSCF-coated interconnects sintered at 1000 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere 412

[그림 13-13] Backscattering image of the cross sections of the LSM-coated interconnects(SUS430) sintered at 1100 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere. 413

[그림 13-14] SEM micrographs of the cross sections of the LSM-coated interconnects sintered at (a) 1000˚, (b) 1100˚, (c) 1200˚ and (d) 1300 ℃ for 2 h under N₂(N2) atmosphere. 413

[그림 13-15] X-ray mapping of the cross sections of the LSM-coated interconnects sintered at 1000 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere. 415

[그림 13-16] EDS spectra of the LSM-coated interconnects sintered at (a) 1100˚ and (b) 1200 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere. 415

[그림 13-17] SEM image of the surface of the Crofer22 APU after oxidation at 900 ℃ for 24 h in air. 416

[그림 13-18] Dependence of ASR on temperature obtained from the LSM-coated interconnect, sintered at various temperatures in the range of 1000˚ to 1300 ℃. 416

[그림 13-19] Dependence of ASR on temperature obtained from the ceramic(LSM, LSCF)-coated interconnects(SUS430, Crofer22 APU) sintered at 1000 ℃ for 2 h under N₂ atmosphere. 418

[그림 13-20] Nyquist plots of the ac-impedance spectrum measured at 350 ℃ from the LSM-coated interconnects sintered at (a) 1000˚, (b) 1100˚ and (c) 1200 ℃. 418

[그림 13-21] Plots of the CPE parameters α and β against the measuring temperature, obtained from the LSM-coated interconnects sintered at 1000 ℃. 419