수냉식 인산형 연료전지 스택의 온도 분포 모사

최성우, 김화용

서울대학교 응용화학부 열물성연구실

Simulation Study of Temperature Distribution in the Water-cooling Phosphoric Acid Fuel Cell Stack

Sungwoo Choi, Hwayong Kim

Dept. of Chemical Engineering, Seoul National University

서론

현대사회에서 에너지 사용의 꾸준한 증가는 화석에너지의 고갈을 부추기고 있으며 이에 대한 대안으로 새로운 에너지원의 개발과 효율적인 에너지 관리가 제시되고 있다. 연료전지는 기존의 화력발전과는 달리 화학에너지를 직접 전기에너지로 전환하는 기술이므로 그 효율이 높아서 한정되어 있는 화석에너지를 효과적으로 이용이 가능하다. 또한 기존의 발전 설비에 비해 건설 기간이 짧고 위치에 구애받지 않으며 입지 면적도 작으므로 필요한 장소에 분산 설치가 가능하다[1,2].

인산형 연료전지는 연료전지중 가장 먼저 상업제품이 나온 것이나 국내에서는 아직 기본기술개발을 하고 있는 단계이다. 연료전지는 전해질의 특성 및 전극의 내구성 때문에 전지 내의 온도가 180∼200℃의 범위 내에서 작동해야 한다[3]. 연료전지의 성능을 최대화 하기 위해서는 부품의 내구성을 손상시키지 않는 한 높은 온도에서 작동하며, 전지 내의 온도분포가 되도록 균일해야 한다. 최근에는 스택의 크기가 커짐에 따라 스택 내의 온도 분포를 균일하게 하기 위해 스택에서 발생하는 열을 제거하는 것이 중요하게 되었다. 연료전지 스택의 성능을 정확하게 예측하기 위해서는 물질 전달 및 에너지 전달 현상과 전기 화학 이론 등의 상호 연관된 미분방정식을 모두 해석해야만 한다. 이론적 전개에 의한 해를 구하는 것이 사실상 불가능하므로 수치해에 의존할 수 밖에 없다.

본 연구에서는 상용 전산유체역학 코드인 FLUENT v.5.1을 사용하여 인산형 연료전지 스택의 온도분포를 모사 하였다.

이론

인산형 연료전지에서의 주된 화학반응은 다음과 같다.

[eqn: Rm H_2 ~→ ~2H^+ ~+~2e^- ~]	(anode)

[eqn: Rm 1 over 2 O_2 ~ + ~ 2H^+ ~+ 2e^- ~→ ~H_2 O]	(cathode)

[eqn: Rm H_2 ~ + ~ 1 over 2 O_2 ~→~ H_2 O]	(overall)

연료전지가 작동할 때 평형에 놓여 있는 전기 화학 반응에 대하여 다음 식이 성립한다.

[eqn: Delta G~+~nFE_rev ~ =~0]

그러나 실제 운전시에는 여러 가지 원인에 의하여 전압손실이 생기므로 얻게되는 전압은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

[eqn: E = E_rev - V_loss]

모사

국내 A사에서 제작, 실험을 한 10 kW급 PAFC스택을 모사 대상으로 삼았다. 모사 시스템은 전극 크기가 65cm×65cm, 유효면적 3600cm2 이다. 스택은 18개의 단위전지와 4개의 냉각단으로 구성어있다. 최하단에 냉각단이 있으며 그 위의 단위전지 6개마다 냉각단을 올려놓은 형식으로 되어있다.

냉각방식은 boiling-water 냉각방식이며, 냉각관은 serpentine type이다. 반응 가스의 통로는 Z-type flow이다. 스택의 냉각수 및 연료는 external manifold로 공급하므로 모사 시스템에 포함시키지 않았다.

실제 연료전지 스택에서는 여러 가지 변수의 예측하기 힘든 교란이 발생한다. 본 연구에서 사용된 가정들은 다음과 같다.

□ 스택은 정상상태이다.

□ 스택의 주위는 단열이 되어있다.

□ 냉각수의 증발량은 냉각단 유로 모든 지점에서 동일하다.

□ Manifold를 통해 공급되는 gas는 균일한 분포를 이룬다.

□ 반응량은 전극판 유로 모든 지점에서 동일하다.

□ 부반응들은 고려하지 않았다.

질량, 에너지, 운동량, 화학종 보존방적식은 FLUENT에 내장되어있는 함수를 사용하였다.

스택내에서의 전압강하는 데이터를 전류와 온도의 함수로 피팅하여 사용하였다.

[eqn: Delta V = 8.75×10^-5 I - 1.2×10^-3 T + 0.937]

따라서 단위전지에서의 국부전압은 다음과 같다.

[eqn: E=E^。 - Delta V]

증발에 의한 잠열 항은 수증기표의 데이터를 400∼460K 범위에서 피팅하여 사용하였다.

[eqn: Delta H = -(3526 - 3.34T) ×Delta m]

여기서, [eqn: Delta m]은 질량 변화량이다.

양극 기체로는 수소(100%)가 주입되고, 음극 기체로는 공기(수소／질소)가 주입된다. 모사의 편의를 위하여 단위전지에서 유로의 수를 양극, 음극 각 10개로 단순화 하였으나 입구 총면적은 실제시스템과 동일하게 하였다.

결과 및 고찰

실험 결과와 전산 모사 결과를 Table 1에 나타내었다. 두 데이터가 1% 오차범위내에서 일치하는 것을 보여준다.

전산 모사 결과 출력이 약 6.5 kW, 9 kW, 11 kW일 때의 스택 내부의 온도분포를 알 수 있었다. 각 경우의 온도 분포는 모두 비슷한 양상을 나타내었다. 출력이 11kW일때 전산 모사 결과는 Fig. 1에 도시하였다. 스택의 온도를 측정할 부분은 가장 온도가 높은 곳으로서 그림 상으로 좌측에서 55cm, 상하로는 가운데 부분이 적당하다.

이러한 온도분포를 나타내는 원인을 알기 위하여 냉각을 하지 않았을 경우를 모사하여 보았다. 오른쪽 중간에서 약간 아래쪽이 가장 온도가 높고 왼쪽 위로 갈수록 온도가 떨어지는 분포를 나타낸다. 이의 원인은 양극채널에서의 유량이 음극채널보다 많으므로 생성된 열이 양극 가스를 통해 전달되기 때문으로 생각된다.

기존의 냉각 채널이 주입되어 고온부에서 저온부로 이동하도록 설계되어 고온부에서 충분한 냉각이 이루어지지 않는다는 판단을 하게 되었다. 따라서 냉각수가 고온부와 저온부를 번갈아 지나가도록 냉각 채널을 설계하였다(실제 실험장치를 모사한 시스템을 A, 새로운 냉각채널을 사용한 모사 시스템을 B라 한다).

스택 A와 B의 냉각단에서 가장 먼 쪽의 단위 전지의 전해질 부분 중 100곳을 고르게 선택하여 얻은 온도분포를 비교하여 Table 2에 나타내었다. 같은 운전 조건에서 스택 B가 평균 온도는 높지만 온도의 편차가 약 50% 줄어드는 결과를 나타내었다.

스택 A와 B의 냉각 채널의 온도분포를 보면 스택 B의 냉각 채널의 온도분포가 고름을 확인할 수 있다.

스택 B의 각 출력별 온도 분포는 출력이 증가할수록 최고온부가 스택의 중앙으로 이동함을 보였다(Fig. 2).

결론

스택내의 3차원 유동에 대한 해석을 통하여 스택 내부의 온도분포를 해석하였으며 이를 통하여 시스템의 제어를 위해 필요한 온도 측정 위치를 제안할 수 있었다.

새로운 냉각 유로를 설계하여 기존의 장치에 비하여 향상된 온도 분포를 얻었다. 평균온도는 약간 높지만 온도의 편차가 약 50% 줄어드는 결과를 나타내었다.  이는 스택의 내구성을 손상시키지 않으면서도 더 높은 출력을 기대하게 함을 의미한다.

참고문헌

[1] C. Berger, "Handbook of Fuel Cell Technology", Prantice-Hall (1968)

[2] K. Kinoshita, F. R. McLarnon and E. J. Cairns, "Fuel Cell A Handbook", Lawrence Berkeley Laboratory(1988)

[3] K. A. Alkasab and C. Y. Lu, "Transient Effects of Changing The Electrical Load on The Performance of Phosphoric-Acid Fuel-Cell Power Plant", International Journal of Energy System, Vol.5, No.9 (1985)

Table 1 Comparison between Experimental data and simulation data

	Temperature (K)		Voltage (V)
	Exp.	Sim.	Exp.	Sim.
6.5 kW	445.9	445.5	0.707	0.711
9 kW	453.9	448.9	0.697	0.669
11 kW	462.7	464.7	0.669	0.676

Table 2 Standard deviation of temperature at bottom matrix

	Stack A		Stack B
	Ave.	STDEV	Ave.	STDEV
6.5 kW	452.7	1.6	454.7	6.00
9 kW	457.4	13.1	468.6	6.76
11 kW	457.5	13.1	458.1	6.09

Fig 4.3 Temperature profile of

stack A (11 kW)

Fig. 2 Temperature profile of stack B (11 kW)