부산대학교 도서관

Li-K 용융탄산염 전해질 수전해전지 및 연료전지의 온도와 가스조성에 따른 과전압 비교 연구 논문 제출자 : 배 상 훈 지 도 교 수 : 이 충 곤 본 연구에서는 용융탄산염 전지(Molten Carbonate Cell, MCC)의 작동조건에 따른 성능평가를 연료전지와 수전해로 비교하여 나타내었다. 크기에 따라 코인형(7 cm2)과 벤치형(100 cm2) 크기의 2가지 종류의 전지를 제작하여 전류밀도, 온도, 가스 조성에 따라 전지의 수명 및 전압거동을 측정하여 전지의 성능을 평가하였다. 코인형 전지를 전기화학적 분석을 통해 분극전압, 개회로전압 및 내부 저항 에 대한 데이터를 작동 시간의 함수로 그래프화 하여 나타냈다. 결과는 온도를 높이 면 MCC의 성능은 향상되지만 전체 셀 수명이 줄어들었으며 이러한 이유는 전해질 고갈이 주 원인이라 가정하였다. 이를 뒷받침하기 위해 정상상태분극법과 계단형 전 류상승법으로 전압변동을 측정하였으며, 전지 운전시간에 따라 남은 잔류전해질량을 추정하여 위 가정에 대한 내용을 뒷받침하였다. 벤치형 전지를 이용해 과전위에 미치는 작동조건에 대한 영향을 조사하였 다. 전류밀도, 온도, 가스조성을 변수로 두어 측정하였으며 정상상태분극법(Steady state polarization, SSP), 불활성가스첨가법(Inert gas step addition, ISA)와 반응 가스 첨가법(Reactant gas addition, RA)를 사용하여 전압의 거동을 측정하였다. ISA 측정 방법을 사용하여 유속 변화에 의한 전압 변화를 평가했다. 더 높 은 온도에서는 기상 물질전달 저항에 기인한 과전압이 증가하는데, 이는 기공 확산 저항으로 설명될 수 있다. 높은 온도에서 증가된 반응속도는 전극 기공 내에서 농도 를 감소시켜 물질전달저항을 증가시키게 되므로 과전압증가의 원인으로 작용된다. 또한 수소 전극에서 더 높은 수소 가스 조성은 연료전지 모드에서 과전압을 감소시 켰으며, 수전해 모드에서는 CO2 양이 과전압을 결정하는 것을 알 수 있었다. 그 외에도 RA 방법을 사용하여 반응 물질 유량 변화에 의한 전압 변동을 조사했다. 공급된 가스유량이 충분한 조건에서 측정하여 과전압이 낮아 수소극에서 는 온도변화에 따른 과전압이 미미했다. 연료전지와 수전해 모드 모두 수소를 첨가 하면 과전압이 감소하였으며 이산화탄소를 첨가했을 때 또한 과전압이 감소했다. 이 는 모든 반응물이 동일한 반응차수기 때문에 가스 첨가로 인해 과전압이 감소하는 것을 일관되게 보여주었다. 산소극에 대해, 연료전지 모드는 특히 온도가 낮아지면 가스 조성 변화에 따른 과전압 변화가 현저하였다. 반면에 수전해 모드 에서는 유량 변화에 의한 영향 이 작았는데 이는 산소를 생성하는 수전해 반응에서는 동시에 CO2도 생성하므로 상 대적으로 높은 산소와 CO2 유량의 영향으로 생각된다.
ABSTRACTTemperature and Gas Composition effect on the Overpotential in Li-K electrolyteMolten Carbonate Electrolysis and Fuel CellsSang-Hun BaeDept. of Chemical & Biological EngineeringGraduate SchoolHanbat National UniversityAdvisor : Professor Choong-Gon LeeThis study compared the overpotential as a function of temperature and gas composition in molten carbonate electrolysis cells (EC) and fuel cells (FC) operated using a Li-K carbonate electrolyte. The experiment was performed in two parts using 15 cm2 coin-type and 100 cm2 planar bench-type molten carbonate cells (MCCs). Several electrochemical measurement methods, including steady-state polarization (SSP), inert gas step addition (ISA), and reactant gas addition (RA), were employed to investigate the performance of these cells. For the coin-type configuration, data for polarization voltage (PV), open circuit voltage (OCV), and internal resistance (IR) were graphically represented as a function of operating time. The results indicated that increasing the temperature improved the MCC's performance but reduced the overall cell lifetime, suggesting electrolyte depletion as a potential cause. This hypothesis was supported by estimating the remaining electrolyte quantity. The ISA measurement method was used to assess voltage changes induced by flow rate changes. With higher temperatures, overpotential increases, which can be attributed to pore diffusion resistance (PDR). Elevated temperatures resulted in higher concentrations within the pores, hindering mass transfer resistance. Additionally, a higher H2 gas composition at the hydrogen electrode (HE) resulted in a reduced overpotential in FC mode, while in EC mode, CO2 amount determined the overpotential. The study also investigated voltage fluctuations caused by changes in reactant composition using the RA method. In the HE, where the supplied gas composition was sufficient, temperature-induced changes were insignificant. Results for gas composition changes in ISA's HE mirrored those in FC, where adding hydrogen reduced overpotential, and in EC, where adding carbon dioxide decreased overpotential. The results consistently showed a reduction in overvoltage for all gas additions, indicating that all reactants played an equal role in the reaction due to their similar reaction orders. Regarding the oxygen electrode (OE), FC exhibited a more sensitive response to gas composition changes, especially as temperature decreased. In contrast, EC exhibited less variation, as O2 gas composition was dominant in OE. This was attributed to continuous oxygen production in EC due to the decomposition of the electrolyte, making it less sensitive to changes in flow rate.