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탄소가 다량 포함된 석탄을 직접탄소연료전지(direct carbon fuel cell, DCFC) 연료로 사용 시 무기물인 회분은 반응 후 남아 접촉계면을 물리적으로 덮어 연료전지 성능을 저하시킨다. 본 연구에서는 회분이 제거된 무회분탄(ash-free coal, AFC)을 제조하고 이를 증기 가스화 촉매와 함께 도입한 후 DCFC 연료로써의 특성을 알아보았다. 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 기반의 DCFC에 무회분탄과 가스화 촉매인 탄산칼륨을 연료로 도입한 경우와 무회분탄만을 도입한 경우를 비교하였다. 열분해 반응 조건에서는 두 경우의 전력밀도 차이가 크지 않으나, 증기 가스화 조건에서는 촉매가 도입된 무회분탄이 상대적으로 높은 전력밀도 상승을 나타냈다. 이것은 증기 가스화 반응이 촉매에 의해 활성화되어 더 많은 양의 수소가 생산되었기 때문이다. 촉매 유무에 따른 수소 생성양의 차이를 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)로 정량 분석한 결과, 탄산칼륨첨가는 수소 생산 속도를 증가시킴을 확인하였다. 시간 경과에 따른 전력밀도의 감소는 촉매가 첨가된 연료에서 더 빠르게 나타났는데, 이는 촉매의 칼륨성분이 전해질과 반응하여 이성질 화합물을 형성하기 때문으로 생각된다. 얇은 두께의 전해질(30 μm) 도입에 의해 전력밀도가 향상되었다.
Carbon-rich coal can be utilized as a fuel for direct carbon fuel cell (DCFC). However, left-behind ash after the electrochemical oxidation may hinder the electrochemical reactions. In this study, we produced ash-free coal (AFC) by thermal extraction and then tested it as a fuel for DCFC. DCFC was built based on solid oxide electrolyte and the electrochemical performance of AFC mixed with K₂CO₃ was compared with AFC only. Significantly enhanced power density was found by catalytic steam gasification of AFC. However, an increase of the power density by catalytic pyrolysis was negligible. This result indicated that a catalyst activated the steam gasification reactions, producing much more H2 and thus increasing the power density, compared to AFC only. Results of a quantitative analysis showed much improved kinetics in AFC with K₂CO₃ in agreement with DCFC results. A secondary phase of potassium on yttria-stabilized zirconia (YSZ) surface was observed after the cell operation. This probably caused poor long-term behavior of AFC with K₂CO₃. A thin YSZ (30 μm thick) was found to be higher in the power density than 0.9 mm of YSZ.
Carbon-rich coal can be utilized as a fuel for direct carbon fuel cell (DCFC). However, left-behind ash after the electrochemical oxidation may hinder the electrochemical reactions. In this study, we produced ash-free coal (AFC) by thermal extraction and then tested it as a fuel for DCFC. DCFC was built based on solid oxide electrolyte and the electrochemical performance of AFC mixed with K₂CO₃ was compared with AFC only. Significantly enhanced power density was found by catalytic steam gasification of AFC. However, an increase of the power density by catalytic pyrolysis was negligible. This result indicated that a catalyst activated the steam gasification reactions, producing much more H2 and thus increasing the power density, compared to AFC only. Results of a quantitative analysis showed much improved kinetics in AFC with K₂CO₃ in agreement with DCFC results. A secondary phase of potassium on yttria-stabilized zirconia (YSZ) surface was observed after the cell operation. This probably caused poor long-term behavior of AFC with K₂CO₃. A thin YSZ (30 μm thick) was found to be higher in the power density than 0.9 mm of YSZ.
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참고문헌 (19건) : 자료제공( 네이버학술정보 )
| 번호 | 참고문헌 | 국회도서관 소장유무 |
|---|---|---|
| 1 | International Energy Agency, “Key World Energy STATISTIC,” (2011). | 미소장 |
| 2 | Friedman, T. L., Hot, Flat, and Crowded: Why We Need a Green Revolution and How It Can Renew America, Farrar Straus & Giroux, New York, 2008, pp. 1-20. | 미소장 |
| 3 | Zhou, Z. F., Kumar, R., Thakur, S. T., Rudnick, L. R., Schober, H., and Lvov, S. N., “Direct Oxidation of Waste Vegetable Oil in Solid-Oxide Fuel Cells,” J. Power Sources, 171, 856-860 (2007). | 미소장 |
| 4 | High performance solid oxide fuel cell operating on dry gasified coal  |
미소장 |
| 5 | Performance improvement of direct carbon fuel cell by introducing catalytic gasification process |
미소장 |
| 6 | Catalytic aspects of the steam reforming of hydrocarbons in internal reforming fuel cells |
미소장 |
| 7 | Higman, C., and van der Burgt, M., Gasification, 2nd ed., Elsevier, Burlington, 2008, pp. 1-90. | 미소장 |
| 8 | Zhao, X.-Y., Yao, Q., Li, S.-Q., and Cai, N.-S., “Studies on the Carbon Reactions in the Anode of Deposited Carbon Fuel Cells,” J. Power Sources, 185, 104-111 (2008). | 미소장 |
| 9 | Modification of coal as a fuel for the direct carbon fuel cell. |
미소장 |
| 10 | Lee, S., Kim, J., Cho. S., Kim. S., Lim, J., Choi, H., Lim, K., Yoo, J., Lim, Y., Park, S., and Beum, H., “Development of Technology for the Ashless Coal Production and Its Application,” Korea Inst. Energy Res., Report No. KIER-B02416, December, 2010. | 미소장 |
| 11 | Catalytic gasification of coals — Features and possibilities |
미소장 |
| 12 | Water-insoluble compounds formed by reaction between potassium and mineral matter in catalytic coal gasification |
미소장 |
| 13 | Action of nickel catalyst during steam gasification of bituminous and brown coals |
미소장 |
| 14 | High-Yield Hydrogen Production by Steam Gasification of HyperCoal (Ash-Free Coal Extract) with Potassium Carbonate: Comparison with Raw Coal |
미소장 |
| 15 | Effect of catalyst addition on gasification reactivity of HyperCoal and coal with steam at 775–700°C |
미소장 |
| 16 | Jo, W., Lee, S., and Lee, T., “Preparation and Characterization of Ash-free Coal from Low Rank Coal Using Solvent Extraction Method,” Master Dissertation, Yonsei University, Seoul, 2010. | 미소장 |
| 17 | Bartholomew, C. H., and Farrauto, R. J., Fundamentals of Industrial Catalytic Processes, 2nd ed., John Wiley & Sons, New York, 2006, pp. 261-283. | 미소장 |
| 18 | Reaction Mechanism of Solid Carbon Fuel in Rechargeable Direct Carbon SOFCs with Methane for Charging |
미소장 |
| 19 | A promising direct carbon fuel cell based on the cathode-supported tubular solid oxide fuel cell technology |
미소장 |
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