2 kW급 병행류형 용융탄산염형 연료전지스택 운전특성

임희천, 안교상, 설진호, 김동형, *홍성안

전력연구원 에너지환경고등연구소, *한국과학기술연구원

Test Results of 2 kW class Co-Flow type MCFC Stack Operation

H-C Lim, K-S Ahn, J-H Seol, D-H Kim,*S-A Hong                                    CASEE KEPRI, *KIST

1. 서론

연료전지발전은 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식으로 에너지 변환효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있으며 또한 공해가 적다는 등의 장점으로 소규모 분산형 전원으로 부터 대형 화력발전소용 전원등 다양한 용도로 이용이 가능하다. 이러한 연료전지 발전방식중 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)는 동작온도가 650 ℃의 고온으로 높은 효율과 함께 석탄가스를 연료로 사용하여 복합발전을 할 수 있는 등 중앙집중형 전원으로 전력사업에 적용할 수 있는 새로운 발전방식이다. 한전 전력연구원에서는 이와 같은 점에 착안하여 석탄가스화와 연계된 복합발전방식의 개발을 목표로 하여 93년부터 □2 kW급 MCFC 발전시스템 개발□을 추진하여 96년에는 과제의 최종목표인 2 kW급 스택을 제작하여 전체시스템을 구성 운전특성 시험을 실시하였다. 본고에서는 본 프로젝트에서 수행된 2 kW급 MCFC 시스템을 구성 및 병행류형태의 2kW급 스택을 제작하여 운전시험을 실시한 결과를 요약한 것이다.

2. 시험용스택 및 운전시험설비의 구성

병행류 형태의 MCFC 스택은 Cathode, Anode, 전해질로 구성되는 단위전지를 여러장 쌓아 구성하는데 재료로는 Anode가 Ni-10%Cr을 그리고 Cathode는 Ni를 In-situ 방법으로 산화시킨 NiO를 사용한다. Anode와 Cathode 사이에는 □-LiAlO2로 이루어진 메트릭스가 위치하며 여기에 함침되는 전해질로는 탄산염(Li2CO3/ K2CO3 = 70:30)을 이용한다. 전기의 집전체로는 Anode쪽에 Ni Plate 그리고 Cathode쪽에는 SUS Plate를 이용하며, 전기적 절연 및 가스공급 통로를 위하여 SUS로 된 분리판을 사용한다. 분리판의 형태는 내부메니폴드(Internal manifold)형태로 가스흐름이 양극에서 같은 방향으로 흐르는 병행류(Co-flow) 방식으로 설계 제작하였다. 본 실험에 사용된 스택은 전극의 유효면적이 1,000□인 단위전지를 20매 적층하였다.

2 kW MCFC스택 운전시험설비는 크게 가스공급부, 공급가스예열부, 스택장착 운전부 배가스처리부와 그리고 제어 및 자료수집부로 구성되는데 가스공급부는  유량조절기(MFC:Mass Flow Controller)의 제어 신호를 통하여 Control Valve의 개도를 조정하여 공급가스의 양을 조절하고, Anode쪽에 탄소석출을 방지하기 위하여 가습기를 설치하였다. 스택의 동작온도는 650℃로서, 스택온도는 스택의 상 하판에 Cartridge 형태의 전기히터에서 열을 공급하고 스택에 공급되는 가스는 열충격을 방지하기 위하여 라인상에 Anode 및 Cathode 가스예열기를 설치하였다. 이외에도 스택내 구성요소간의 접촉저항 감소를 위하여 스택상부에 Air Cylinder를 설치하였고 스택에서 반응후 배출되는 가스를 냉각하기 위한 냉각기 그리고 기수분리기 및 잉여수소 연소를 위한 Flair Stack을 설치하였다..

스택의 성능측정은 3,000 W용량의 전자부하(HP 6050)장치를 설치하여 전압을 측정하였고 제어 및 자료수집부를 통하여 스택에 공급되는 유량 및 가습기, 예열기의 온도를 자동으로 제어하여 운전하며 또한 자료의 수집 및 저장도 동시에 이루어지도록 하였다. 그림 1은 2 kW MCFC 스택 구성 및 스택 Die의 개략도를 보여주는 그림이고 그림2는 스택이 설치된 모습을 보여주는 사진이다.

3. 운전특성시험결과

3-1 스택 운전조건 및 운전실적

스택에 공급되는 가스는 국내에서 일반적으로 사용되는 표준가스를 이용하였다. Anode에 공급되는 연료가스는 천연가스를 개질하여 얻을 수 있는 기체조성인 H2 : CO2 : H2O의 비가 72% : 18% : 10% (가습온도 55℃)가 되도록 하였고 Cathode에 공급되는 산화제가스는 Air2/ CO2의 비가  70% : 30%가 되도록 공기의 양을 조절하였다. 스택온도는 상부 Cell Frame과 하부 Cell Frame의 온도가 650℃가 되도록 온도조절기로 제어하였고 정부하 운전시험시 전류밀도 150 mA/□ 일때 전압의 변화를 측정하였다.

스택은 96년 7월 시험설비에 장착한 후 초기 1,000시간까지는 정부하상태에서 연속운전시험을 실시하였고 이어 1,850시간까지 정부하 상태에서 스택의 기본특성시험 및 운전조건 변화에 따른 성능특성 시험을 실시하였다. 이후 스택은 성능의 저하에 따라 부분부하상태인 1/3부하 상태에서 운전시험을 계속하였고 12월초까지 총 3,250시간의 운전에 총 발전량은 약 2,984 kWH의 운전실적을 기록하였다.

3-2 스택의 초기성능

그림3은 산화제로 공기를, 연료로 수소를 공급하여 운전할 때의 MCFC 스택의 I-V 특성을 보여주고 있다. 이때의 공급가스의 유량은 전류밀도 150 mA/□일 때 연료이용율이 40%가 되는 조건으로 고정하였다. 부하를 걸기전 개회로전압(Open Circuit Voltage)은 21.6 V(1.805 V/cell)로서 이론치인 1.12 V에는 미치지 못하고 있으나 이전의 스택에 비하여 많은 향상을 보여주고 있다. 부하를 건 상태에서 초기성능을 살펴보면 150 mA/□ 정부하 운전시의 전압은 16.52 V (0.826 V/cell)로서 설계된 출력보다 높은 2,478 W의 출력을 보여주었다. 스택내에서의 단위전지 전압분포를 살펴보면 0.694 V에서 0.867 V까지로 이때 전압분포의 표준편차는 약 35 mV를 나타내고 있다. 특히 No. 11 cell은 타전지에 비하여 낮은 전압분포를 나타내고 있는데 이는 공기극쪽의 유로가 타 전지에 비하여 깊이가 낮아 가스확산이 저하되기 때문으로 생각된다. 한편 부하의 변화에 따른 단위전지의 전압 분포는 부하가 증가함에 따라 전압분포의 표준편차가 증가되고 있고 개회로전압 상태에서는 12 mV정도의 낮은 표준편차를 나타내었다.

3-3 스택 내부의 온도변화

스택 내부의 온도변화 측정을 위하여 스택내 상하 가열판 및  5매의 단위전지 마다 두께 12t가 되는 분리판내에 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 부하운전시의 열분포를 살펴보면 분리판 내에서의 열분포는 예상대로 입구부보다는 출구부쪽의 온도가 높게 나타나고 있고 상판 및 하판 쪽 보다는 중심부의 온도가  높게 나타나고 있다. 부하에 따른 온도 변화에 있어서는 부하의 증가에 따라 온도가 상승되고 있으나 2/3 부하 이상 증가시에는 커다란 온도변화의 차이는 보이지 않고 있다.

3-3 스택의 장기 연속 운전시험

그림4는 2 kW스택의 장기 연속운전시험 결과를 보여주고 있다.  MCFC 스택의 장기 연속운전은 상압하에서 연료이용율 40 %, 150A의 부하운전 상태에서  실시하였다. 스택은 운전초기에서 부터 300시간까지는 성능이 서서히 향상되는 경향을 보여주었고 이어 약 500시간 까지는 안정적인 성능을 나타내고 있다. 그러나 500시간 이후부터는 성능이 조금씩 감소되는 경향을 나타내고 있는데 성능저하의 주요한 원인은 No.11 단위전지의 성능저하가 주요한 원인으로 되고 있다. 목표로 하고 있는 1000시간까지의 성능 저하율은 약 9 mV로, 약 1.1 %의 전압저하율을 나타내고 있어 우수한 성능을 보여주었으나 1,100시간 이후 이산화탄소의 공급중단 사고로 인하여 스택의 성능이 급격히 저하되었다. 1,850시간 경과시까지의 성능저하율은 약 88 mV/1000 Hr 로서 약 11%의 성능저하를 보여주었다. 이후 3,250 시간까지는 정부하상태로서의 운전이 불가능하여 50 A 부하상태로 연속운전시험을 실시하였다. 한편 1,000시간 운전 경과시까지의 단위전지 전압분포를 살펴보면 이때의 전압표준편차가 약 45 mV로 시간의 경과에 따라 표준편차는 증가하고 있지만 대부분의 성능 저하가 No.11 cell 에서 나타나고 있어 이를 제외한 경우의 표준편차는 25 mV 로서 안정된 모습을 보여 주었다.

성능저하의 원인을 살펴보면 1,850 시간이 경과될 때까지의 개회로전압 저하는 단위전지당 평균 20mV 정도이나 150 A 정부하상태에서의 전압저하가 평균 132 mV로 나타나고 있어 전압손실의 대부분이 개회로 전압저하 보다는 전지내 내부저항의 증가에 의한 것으로 여겨지고 있다. 전지내 내부저항 증가는 IR손실 및 전극의 반응저항 이 주요한 원인인데 스택운전 초기에는 스택내 내부저항보다는 하단부 cell 에서의 반응가스의 편류에 의한 전류밀도의 분포변화와 이에 따른 성능저하에 따른 것으로 보이며 이후 스택의 급속한 성능저하는 스택내 가스유로부의 부식과 이에 따른 전해질손실 그리고 연료극 입구부에서 카본석출에 따른 저항분의 증가가 주요한 원인으로 추정되고 있다.

4.결론

전극유효면적이 1,000□인 단위전지를 20단 적층한 병행류형 2 kW급  MCFC 스택(ST-17)을 제작하고 또한 운전시험설비를 구성하여 운전특성시험 및 장기 연속운전시험을 실시하였다. 93년 7월 장착한 스택은 96년 12월까지 총 3,250시간 운전에 약 2948 kWH의 전기를 생산하였다. 운전특성시험에 있어서 연료로는 H2/CO2/H2O의 비율을 72%/18%/10%로 조성한 가스를 이용하였고 산화제가스로는 Air/CO2의 비율이 70%/30%가 되는 가스를 이용하였다. 150mA/□ 정부하 상태에서의 성능은 스택전압이 16.52 V로 단위전지전압이 0.826V를 보여주었고  이때 출력은 2,478 W를 기록하였다. 장기 연속운전시험에 있어서 1,000시간까지의 전압저하율은 9 mV 로 우수한 성능을 보여주었으나 이후 급격한 성능저하를 나타내어 1,850시간까지의 성능저하율은 약 11%를 보여주었다. 스택내 단위전지 전압분포에 있어서는 초기 표준편차는 35 mV로 그리고 1,000시간 경과후 45 mV 로 증가하였다. 3,250시간까지의 장기운전 시험시 나타난 성능저하는   반응가스의 편류 및 카본석출 등의 내부저항 분의 증가가 주요한 원인으로 추정된다.

*참고문헌

1.임희천,설진호,류철성,이창우,홍성안: 교차류형 100W급 용융탄산염형 연료전지 스택 장기운전 평가□ 한국수소에너지학회 Vol.6 No.2(1995)

2.남석우,임태훈,오인환,이갑수,윤성필,홍성안,임희천,이창우,선양국:□용융탄산염형   연료전지스택의 운전특성Ⅰ□ 화학공학,Vol.33 No.5 (1995)

3.임희천,설진호,안교상,황정태,홍성안: 2kW용융탄산염형 연료전지스택 운전특성   화학공학의 이론과 응용 Vol.2 No.2 (1996)