• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.353-356
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• 2009

A pivotal mechanical balance of plant for 75kW class molten carbonate fuel cells comprise of a catalytic burner and an ejector which has been designed and tested in KEPRI(Korea Electric Power Research Institute). The catalytic burner, which oxidizes residual fuel in the anode tail gas, was operated at several conditions. Some problems arose due to local overheating or auto-ignition, which could limit the catalyst life. The catalytic burner was designed by considering both gas mixing and gas velocity. Test results showed that the temperature distribution is very uniform. In addition, an ejector is a fluid machinery to be utilized for mixing fluids, maintaining vacuum, and transporting them. The ejector is placed at mixing point between the anode off gas and the cathode off gas or the fresh air Several ejectors were designed and tested to form a suction on the fuel tail gas and balance the differential pressures between anode and cathode over a range of operating conditions. The tests showed that the design of the nozzle and throat played an important role in balancing the anode tail and cathode inlet gas pressures. The 75kW MCFC system built in our ejector and catalytic burner was successfully operated from Novembe, 2008 to April, 2009. It recorded the voltage of 104V at the current of 754A and reached the maximum generating power of 78.5kW DC. The results for both stand-alone and integration into another balance of plant are discussed.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.05a
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• pp.73.1-73.1
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• 2011

석탄가스화 복합발전(IGCC) 시스템은 고온 고압으로 운전되는 가스화기에서 미분탄을 산소와 함께 가스화하여 주로 CO 및 $H_2$를 생성하고 이때 발생되는 먼지 및 황성분은 각각 집진기 및 탈황장치에서 제거되며, 석탄 회분은 고온에서 용융되어 슬래그의 형태로 배출되는 방식을 사용하고 있다. 본 연구에서는 석탄가스화 복합발전시스템 설계에 필요한 기본자료를 파악하기 위해서, 고온 고압의 운전조건에서 1일 3톤의 석탄을 처리할 수 있는 Bench Scale급 석탄가스화기를 이용하여 가스화에 사용된 원탄 및 가스화기 설비의 각 지점에서 샘플링한 고체 시료를 중심으로 열화학적 특성을 살펴보았다. 가스화 실험은 아역청탄 계열의 ABK 석탄을 대상으로 가스화기 내부의 온도와 압력을 $1400{\sim}1450^{\circ}C$, $7.5{\sim}7.6Kg/cm^2$로 유지시키면서 실시하였다. 실험에 사용된 석탄 시료의 기본적인 물성치를 조사하기 위하여 표준방법에 따라 석탄의 공업분석, 원소분석, 발열량분석 등을 실시하였다. 석탄가스화기에서 배출된 슬래그와 대상 석탄 회분의 특성을 파악하기 위해서 XRF를 이용한 회분의 성분분석, Heating Microscope를 이용한 회분의 용융점 분석, XRD를 이용한 회분과 슬래그내의 화합물의 형태 및 결정구조 파악, SEM을 이용한 슬래그의 형상 등을 분석하였다. 또한 석탄가스화기 시스템을 구성하는 각 설비의 특성을 파악하기 위해서 관련 설비의 특정 지점에서 채취한 시료의 입도분석, 원소분석, 촤 회분 무게비, 슬래그중의 잔존탄소함량, 슬래그와 슬래그로부터 제조된 용출수내의 중금속 함량분석 등을 실시하였다.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.29 no.2
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• pp.139-147
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• 2018

Korea Electric Power Research Institute (KEPCO RI) had developed molten carbonate fuel cell (MCFC) system since 1993. Finally, KEPCO RI developed and operated a 125 kW MCFC system in 2010. To make MCFC system compact, it is indispensable to install an ejector in this system where the anode off gas, the cathode off gas, and fresh air are mixed before flowing to the catalytic burner. KEPCO RI had developed various ejectors for MCFC system since 2006. The 125 kW MCFC system built with the developed ejector was operated successfully in Boryeong Thermal Power Plant in 2010. This 125 kW MCFC ejector was designed on the basis of the experimental results of 5 kW and 75 kW MCFC ejectors. The main goal of ejector design in our MCFC system is to maintain the entrainment ratio and the pressure between fuel cell stack and catalytic burner within the operating range. In this paper, the design results of the ejector are presented based on the 125 kW MCFC system operating conditions. In addition, a designed ejector was manufactured and installed in the MCFC system. As the fuel cell is under load operation, the pressure surrounding the ejector was measured to ensure that the fuel cell system is operating smoothly.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.20 no.1
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• pp.31-37
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• 2009

An ejector is a machine utilized for mixing fluid, maintaining a vacuum, and transporting fluid. The Ejector enhances system efficiency, are easily operated, have a mechnically simple structure, and do not require a power supply. Because of these advantages, the ejector has been applied to a variety of industrial fields such as refrigerators, power plants and oil plants. In this work, an ejector was used to safely recycle anode tail gas in a 5 kW Molten Carbonate Fuel Cell system at KEPRI(Korea Electric Power Research Institute). In this system, the ejector is placed at mixing point between the anode tail gas and the cathode tail gas or the fresh air. Commercial ejectors are not designed for the actual operating conditions for our fuel cell system. A new ejector was therefore designed for use beyond conventional operating limits. In this study, the entrainment ratio is measured according to the diametrical ratio of nozzle to throat in the designed ejector. This helps to define important criteria of ejectors for MCFC recycling.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.24 no.5
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• pp.367-372
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• 2013

Hydrogen storage as a metal hydride is the most promising alternative because of its relatively large hydrogen storage capacities near room temperature. TiMn2-based C14 Laves phases alloys are one of the promising hydrogen storage materials with easy activation, good hydriding-dehydriding kinetics, high hydrogen storage capacity and relatively low cost. In this work, multi-component, hyper-stoichiometric $Ti_{0.85}Zr_{0.13}(Fe_x-V)_{0.56}Mn_{1.47}Ni_{0.05}$ C14 Laves phase alloys were prepared by a vacuum induction melting for a hydrogen storage tank. Since pure vanadium (V) is quite expensive, the substitution of the V element in these alloys has been tried and some interesting results were achieved by replacing V by commercial ferrovanadium (FeV) raw material. In addition, the melt-spinning process, which was applied to the manufacturing of some of these alloys, could make the plateau slopes much flatter, which resulted in the increase of reversible hydrogen storage capacity. The improvement of sloping properties of melt-spun $Ti_{0.85}Zr_{0.13}(Fe_x-V)_{0.56}Mn_{1.47}Ni_{0.05}$ alloys was mainly attributed to the homogeneity of chemical composition.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2017.05a
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• pp.129-129
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• 2017

열전재료는 열에너지를 전기에너지로 또는 전기에너지를 열에너지로 직접 변환하는데 가장 널리 사용되는 재료이다. $Bi_2Te_3$계 열전 재료는 400K 이하의 비교적 저온 영역에서 높은 성능지수(Dimensionless Figure of merit, ZT($={\alpha}2{\sigma}T/{\kappa}$, ${\alpha}$: 제백계수, ${\sigma}$: 전기전도도, T: 절대온도, ${\kappa}$: 열전도도))를 나타내는 열전재료이며 자동차 시트나 정수기 등에 응용되고 있다. 열전모듈은 제조시 수십 개에서 수백 개 이상의 n형 및 p형 열전소자를 알루미나($Al_2O_3$)와 같은 세라믹 기판(substrate) 상에 접합된 동 전극 위에 전기적으로 서로 직렬로 접합시켜 제조한다. 기존의 열전모듈의 제조방법에는 동 전극 위에 위에 Sn합금 분말과 플럭스(flux)의 혼합물인 솔더페이스트를 스크린 인쇄법을 사용하여 동 전극에 도포한 다음, 그 위에 열전소자를 얹고 약 520K의 열풍을 가하여 솔더를 용융시켜 열전소자와 동 전극을 접합시킨다. 스크린 인쇄법에서는 인쇄 압력이 일정하지 않으면, 솔더페이스트 층의 두께가 균일하지 않게 되어 열전소자 접합부의 불량을 유발시킨다. 그러나 열모듈은 단 하나의 접합 불량이 모듈 전체의 열전변환성능에 심각한 영향을 줄 수 있기 때문에 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해, 솔더페이스트를 도포하지 않고 열전소자를 직접 동 전극과 접합할 수 있는 방법을 고안하였다. 무전해도금을 이용한 니켈층을 형성시킨 $Bi_2Te_3$계 열전소자 표면에 약 $50{\mu}m$의 주석도금층을 전기도금법을 구사하여 형성시켰다. 그 후, wire cutting을 통하여 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$의 크기로 절단한 주석도금된 열전소자를 동 전극에 얹고 1.1KPa의 압력을 가하면서 523K의 핫플레이트 위에서 3분간 방치하여 직접(direct) 열압착 접합을 실시하였다. 접합부의 단면을 SEM을 이용하여 관찰한 결과, 동 전극과 열전소자 사이의 계면에 용융 후 응고된 주석층이 결함없이 균일하게 형성된 양호한 접합부를 관찰할 수 있었다. 따라서, 솔더페이스트를 이용하지 않고, 열전소자 표면에 주석도금을 실시한 후, 동 전극과 직접 열압착 본딩을 실시하는 방법은 균일한 접합계면을 얻을 수 있는 새로운 공정으로 기대된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.88.1-88.1
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• 2011

SOFC는 사용되는 셀의 디자인에 따라 튜브형, 평판형으로 구분되어진다. 평판형의 경우에는 전해질 지지형(ESC), Anode 지지형(ASC) 및 금속 지지형(MSC)로 크게 나눌 수 있다. SOFC 스택은 이와 같은 셀과 밀봉재, 집전체, 분리판의 구성요소를 여러 장으로 적층하여 이루어진다. SOFC 발전시스템은 SOFC 스택과 EBOP, MBOP로 구성되는데, SOFC 발전시스템의 상용화를 위해 선행되어야 할 것은 스택의 안정적 출력 및 신뢰성 확보이다. 즉, 셀, 밀봉재, 분리판 및 집전체로 대변되는 구성요소들이 스택에 장착되었을 때 그 기능을 최대한 발휘하면서도 점진적 또는 급격한 품질저하가 발생되지 말아야 한다. 특히, 밀봉재의 경우 SOFC에 사용되는 연료와 공기의 혼합(Cross-over)을 방지하는 중요한 기능을 담당하고 있으며 여러 장 적층된 분리판의 전기적 단락을 방지해야 한다. 또한 SOFC의 특성상 $700^{\circ}C$ 이상의 고온에서 다른 구성요소와 화학적 반응이 없어야하고 열싸이클(Thermal cycle)을 견딜 수 있도록 충분한 기계적 강도가 보장되어야 하는 등 요구되는 품질기준이 엄격하다. SOFC의 밀봉재는 접합형(Brazing), 압착형(Compressive), 용융-고정형(Glass-ceramic)이 대표적으로 적용되고 있다. 이 중에서 Brazing 물질과 방법은 현재 활발히 연구가 수행 중에 있지만 범용적으로 사용되고 있지는 않은 상태이고 Compressive 밀봉재와 Glass-ceramic 밀봉재가 대면적 SOFC 스택에 사용되어 적용 가능성을 평가받고 있다. 본 연구에서는 SOFC 구성요소의 국산화를 추진하는 지경부과제의 결과물 중 (주)써모텍에서 개발한 Glass-ceramic 밀봉재(RC1) 단품에 대한 특성평가와 실제 단전지 평가를 통해 SOFC 스택 적용 가능성을 평가하였다. 밀봉재 단품에 대한 특성평가는 용융특성, 상분석, 열팽창계수 등의 물리적, 화학적 평가 외에 가스 누설 정도를 평가하는 기밀도 평가와 SOFC의 작동 온도인 $700^{\circ}C$와 상온 분위기를 주기적으로 인가하는 Thermal cycle 특성을 평가하였다. 셀을 한 장 사용하는 단전지(Unit cell) 평가는 RIST에서 자체 제작한 $100{\times}100mm^2$ 평판형 ASC 셀을 사용하여 수행하였으며, 밀봉재는 Dispensing 공정을 통해 구성되었다.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.19 no.5
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• pp.367-376
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• 2008

To obtain the data of the pressure loss and differential pressure at the inside of the stack that was composed of 126 cells with 7,500 cm2 electrode area, 75kW molten carbonate fuel cell system has been operated. Computational fluid dynamics was applied to estimate reactions and thermal fluid behavior inside of the stack that was adopted with internal manifold type separator. The pressure loss coefficient K showed 72.29 to 84.01 in anode and 6.34 to 8.75 in cathode at low part of cells at the inside of 75 kW MCFC stack respectively. Meanwhile, the pressure loss coefficient of the higher part of cells at the interior of the stack showed 15.36 and 56.44 in anode and cathode respectively. These results mean that there is no big total pressure difference between anode and cathode at the inner part of 75 kW MCFC stack. This result will be reflected in 250kW MCFC system design.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.14 no.3
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• pp.229-235
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• 2003

A 50W class MCFC stack was operated in order to test a new design of the circular shaped separator. in the new design, the anode gas was supplied into the stack and was exhausted out of the stack after the anode reaction. The exhausted gas was reacted with the cathode gas supplied with excess oxygen in the vessel in which the stack was placed. Then the reacted gas flowed into the cathode side of the stack and was exhausted through the outlet located in the center of the stack. The average voltage of the single cells in the stack was 0.835V under the current density of $150mA/cm^2$, initially, and the degradation rate of the stack voltage was 1.7%/1,000h. High stack voltage with good stability of the present stack was due to the small temperature gradient in the stack. The small temperature gradient as well as the easiness of temperature control was the result of the new configuration of the separator which utilized the heat of the combustion reaction between anode outlet gas and the cathode inlet gas for heating the stack.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.22 no.5
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• pp.599-608
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• 2011

The Ni-Al anodes of the molten carbonate fuel cell (MCFC) with three different structures were successfully fabricated in order to reduce the thickness of the anode down to 0.3 mm; one was the non-supported anode made by a conventional tape casting method, and others were the supported anodes made by lamination or direct casting on the nickel screen. It was seen from the physical analyses and cell operation that the supported thin anodes made by direct casting showed good mechanical strength and cell performance because of a good contact between the anode materials and the support. The single cell using the above anode showed the cell voltage of 0.858 V at the current density of 150$mA/cm^2$ with the nitrogen cross-over of only 0.6% at the operation time of 1,000 h, which was similar to the performance of the conventional thick (0.7 mm) anode. The ability to utilize a thin configuration of anode should cut down the amount of nickel alloy and consequently reduce its manufacturing cost.