7 kW급 MCFC 스택 5,000 시간 장기운전 특성시험

임희천, 안교상, 강병삼, 이충곤, *최영태, **홍성안

전력연구원, *삼성중공업,**한국 과학기술연구원

5,000 Hours Operation Test Results of a 7 kW MCFC Stack

Hee-Chun Lim, Kyo-Sang Ahn, Byoung-Sam Kang, Choong-Gon Lee, *Young-Tae Choi, **Seong-Ahn Hong

Korea Electric Power Research Institute(KEPRI), *SHI, **KIST

1. 서론

연료전지 발전은 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식으로 에너지 변환효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있으며 또한 공해가 적다는 등의 장점으로 소규모 분산형 전원으로부터 대형 화력발전소용 전원등 용도가 다양하다. 이러한 연료전지 발전방식 중 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell : MCFC)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 석탄가스화와 연계된 복합발전방식의 개발을 목표로 하여 97년부터 □100 kW급 MCFC 발전시스템 개발□을 추진하여 99년까지 6,000 □의 대면적 단위전지를 갖는 25 kW급 스택을 제작하여 운전특성 시험을 실시 할 예정이다. 이에 앞서 1998년 초 3,000 □ 단위전지 20장을 적층한 7 kW 규모의 stack 장기 운전시험을 진행하여 98년 8월말까지 총 5,000시간 운전 및 약 4,000시간의 부하운전을 기록하고 있다. 본 논문에서는 지금까지 진행된 stack 의 장기연속 운전 특성 시험결과를 요약하였다.

2. 스택 및 시험설비의 구성

2-1 스택의 구성

7 kW 스택에서 이용된 내부 메니폴드형 분리판은 면적이 5,000 □ (600 x 820) 직사각형 형태로 제작되었고 분리판 내 가스흐름 방향은 병행류 형태로 설계되었다. 분리판 내 가스 흐름은 가스 분배구가 연료극에 3 개구, 공기극 쪽으로는 4 개구를 배치하였고 분리판 내 유로를 전체 압력강하가 적게 일어나도록 고려하여 제작하였다. 스택 내에서 가스공급 및 배출의 위치는 스택 하단부 공급 메니폴드에서 모아져 분배구를 따라 분배되고 다시 배출 메니폴드에서 배출하는 outlet manifold 형의 역 U 자형 가스흐름 방향으로 설계하였다.

2-2 적층과정

전극면적 3,000 cm2의 단위전지를 20단을 적층하여 스택으로 구성하였다. 스택은 단위전지를 순차적으로 수직방향으로 적층하여 구성하고 스택 내에서는 분리판에 의하여 단위전지가 전기적으로 접속되며 분리판 상하로 연료가스와 공기를 각각 공급할 수 있도록 되어 있다. 스택의 적층은 분리판에 Ni 집전판 및 anode를 장착한 후, 그 위에 전해질 matrix를 놓고, stainless steel 집전판 및 cathode 가 장착된 분리판을 설치하는 순서로 진행된다. 스택내 열을 공급하기 위하여 상 하판 히타를 설치하였고 전기의 인출을 위하여 집전용 단자를 설치하였다. 분피판은 스텐레스강을 모재로 하여 연료가스쪽에 전기도금법에 의한  Ni coating을, wet seal 부에는 Al coating을 하여 운전 중 부식에 대비하였다. 스택내부 온도측정을 위하여 5개의 분리판 마다 중간 분리판을 별도로 제작하여 열전대를 삽입하였다. 적층이 완료된 스택은 대형 스택 실험 장치에 옮겨져 전처리 과정을 거친 후 성능 실험을 수행하였다.

2-3 스택 운전시험설비

MCFC스택 운전시험 설비에서 가스공급은 수소가스는 개질기 및 봄베로부터 유량조절기에 의하여 가스 공급양을 조절하여 공급하고 anode쪽에 탄소 석출을 방지를 위하여 습분을 동시에 공급하였고 연료극 및 공기극에 각각 2기씩의 가스 예열기를 설치하여 공급되는 가스를 예열하여 공급하였다. 연료전지 스택은 연료전지 스택 고정 설치대에 설치하였고 스택의 절연을 위하여 배관 플랜지부에는 절연 가스켓을 사용하였다. 스택 상부에는 MCFC stack에 일정한 면압(약 1.5 □/□) 을 주기 위하여 2기의 공기실린더를 설치하였다. 스택내에서 반응을 완료하고 배출되는 배가스는 냉각하여 연소시켜 배출하였으며 스택 성능측정은 전자부하 장치를 설치하여 정 전류상태에서 전압을 측정하였고 내부저항은 밀리옴메타와 current interrupt법을 사용하여 측정하였다.

3. 운전특성시험 결과

3-1 스택 운전조건 및 운전실적

스택에 공급되는 anode가스는 천연가스를 개질하여 얻을 수 있는 가스조성인 H2/CO2/H2O의 비가 72%/18%/10% (가습온도 55℃)가 되도록 하였고 cathode에 공급되는 가스는 air/CO2의 비가 70 %/30%가 되도록 조절하였다. 스택온도는 상, 하부 cell frame의 온도가 650℃가 되도록 온도 조절기로 제어하였고 정 부하로 전류밀도 150 mA/□ 일 때 전압의 변화를 측정하였다. 스택은 98년 1월 시험설비에 장착한 후 약 400 시간의 전처리 과정을 거친 후 2월10일 부하운전 시험을 실시하였다. 스택부하운전을 시작한 이래 1998년 8월 15일까지 총 운전시간은 4,936시간이고 이중 부하운전시간은 4,016시간 그리고 7월 말까지 발전전력량은 약 18,471 kWh를 보여주었고 이 동안 평균출력은 5.5 kW를 나타내었다.

3-2 장기운전시 전지전압 경시변화 및 운전특성

그림 1 은 4,000 시간까지의 평균 단위전지 전압 경시변화를 보여주고 있다. 초기에는 하부 온도 변화에 따라 하부 cell의 전압저하로 인하여 스택의 전압이 하락하였으나 600시간 근처에서 가장 좋은 성능을 보여주었다. 이때 공급가스 유량은 전류밀도 150 mA/□일때 연료 이용률이 40%가 되는 조건에서 부하를 걸기전 개회로 전압은 21.93 V(1.096 V/cell)로서 이론치인 1.071 V보다 높게 나타나고 있고 부하를 건 상태에서 초기성능을 살펴보면 150 mA/□ 정부하 운전시의 전압은 17.05 V(0.853 V/cell)로서 7.672 kW 출력을 보여주었다. 이후 2,000시간까지는 스택의 성능이 안정적으로 운전되었고 2,200 시간 운전시 예열기 고장으로 운전 정지후 다소 스택의 성능이 저하되었다. 1,000시간 부하운전시 150 mA/□ 정부하 운전시의 전압은 16.84 V(0.842 V/cell)로 초기 운전시보다는 성능이 향상되고 있으나 6,00시간 부하운전시 보다는 하락하였고 2,080 시간 부하 운전 후 150 mA/□ 정부하 운전시 전압은 16.64 V(0.832 V/cell)로서 역시 초기 출력보다 성능이 좋으나 600시간대 보다는 27.3 mV/1,000시간으로 약 3.1%가 하락하였다. 그러나 종래 시험하였던 1,000□급 2 kW 스택 88.8 mV 보다는 약 3배 이상 향상된 신뢰성을 확인하였다. 또한 스택이 가장 안정된 1,000시간에서 2,000시간 사이의 전압 저하율은 300A기준으로 약 2.48 mV/1000시간으로 아주 양호한 상태를 보여주었다. 한편 장기 연속운전에 따른 스택 내 단위전지의 표준편차를 살펴보면 300 A를 기준으로 하여 초기에는 5.2 mV에서 500시간대에 2.3 mV로 가장 낮았다가 차츰 증가하여 2,010시간에서 약 5 mV를 보여주었고 이후 3,000시간에서는 8.46 mV까지 증가하였다. 이는 성능이 향상됨에 따라 표준편차 역시 감소하고 있으며 2,000시간 이후 일부cell의 성능 저하로 인하여 표준편차 역시 크게 증가하고 있음을 알 수 있었다. 이와 더불어 스택 내의 내부저항도 스택의 성능 감소와 더불어 증가하는 경향을 보여주고 있는데 부하운전 시간으로 1,000 시간인 경우 측정한 내부저항은 전압으로 환산하여 약 1.048 V에서 1,500시간에는 1.679 V 그리고 2,000 시간에는 2.143 V를 보여주었다.

3-3 스택 내부 온도변화

스택내부의 온도변화는 부하 운전시 분리판 내에서 열분포는 입구부 보다는 출구부쪽의 온도가 높으며 입구부와 출구부 최대 온도차는 100℃ 정도이고 상판 및 하판과 중심부의 온도차는 입구부가 20℃ 출구부에서는 약 40℃ 정도 차이가 나고 있다. 부하 운전시간의 경과에 따른 온도 변화를 살펴보면 운전시간의 증가에 따라 온도가 상승되고 있는 경향을 보여 주었고 중심부 최고온도와 최저온도사이의 격차도 커지는 경향을 보여주었다. 또한 상부cell의 온도가 하부 cell의 온도보다도 상승하는 경향을 보여주고 있는데 이는 운전중 발생열이 상부로 이동하기 때문으로 생각되며 이는 스택 내에서의 단위전지 성능저하 cell의 위치와 일치하는 경향을 보여주었다.

3-4 스택내 단위전지 성능변화

스택의 운전초기에는 하부 온도가 균일하지 않았던 스택 하부 cell의 성능저하가 크게 나타나다가 이후 온도분포가 균일화되면서 성능이 회복되는 경향을 보여주었다. 이후에는 Al coating이 안된 온도 측정 분리판이 있는 No. 5, 10, 15 cell의 성능 저하가 크게 나타났고 이중에서도 상부에 위치한 No. 5 cell의 성능저하가 두드러지고 있다. 2,000시간때 열교환기 사고 이후 스택내 온도상승이 크게 나타나고 있으며 그 결과에 따라 상부에 위치한 cell의 성능저하가 하부 cell 보다도 크게 나타나 스택 전체 성능저하에 크게 영향을 미치고 있다. 이와 함께 스택내 공기극 및 연료극 차압이 크게 증가하였고 이는 사고 이후 가스흐름의 불균일이 크게 일어났음을 알 수 있었다. 스택은 3,000시간 이후에도 450 A 정부하 운전시험에서도 안정적인 성능을 보여주었으나 4,000시간 이후부터는 No.5 및 10 cell의 성능저하를 급격히 일어났고 이에 따라 이후에는 전체적으로 성능이 급격히 하락하고 있다.

4.결론

전극 유효면적이 3,000 □인 단위전지를 20단 적층한 병행류형 MCFC stack을 제작하여 장기 운전 특성시험을 실시하였다. 98년 1월 장착한 스택은 98년 2월 20일 부하운전을 시작하여 98년 8월 15일 현재 4,936시간의 운전을 기록하고 있으며 평균출력 5.5 kW로 높은 신뢰성을 보여주었다. 장기운전 특성시험에 있어서는 2,080시간 부하운전 후 정부하 운전시 전압은 16.64 V(0.832 V/cell)로서  초기 출력보다 성능이 좋으나 600시간대 보다는 27.3 mV/1,000시간으로 약 3.1%가 하락하였다. 그러나 종래 시험하였던 1,000□급 2 kW 스택 88.8 mV 보다는 약 3배 이상 향상된 신뢰성을 확인하였다. 또한 스택이 가장 안정된 1,000시간에서 2,000시간 사이의 전압 저하율은 300A기준으로 약 2.48 mV/1000 시간으로 아주 양호한 상태를 보여주었다. 장기 연속운전에 따른 스택내 단위전지의 표준편차를 살펴보면 300 A를 기준으로 하여 초기에는 5.2 mV에서 500시간대에 2.3 mV로 가장 낮았다가 차츰 증가하여 2,010시간에서 약 5 mV를 보여주었고 이후 3,000시간에서는 8.46 mV까지 증가하였다. 운전시간 경과에 따른 온도변화를 살펴보면 운전시간의 증가에 따라 온도가 상승되고 있는 경향을 보여 주었고 중심부 최고온도와 최저온도사이의 격차도 커지는 경향을 보여주었다. 스택 운전초기에는 하부 cell의 성능저하가 크게 나타나다가 회복되는 경향을 보여주었고, 이후에는 No. 5, 10, 15 cell의 성능 저하가 크게 나타났으며 이중에서도 상부 cell의 성능저하가 두드러지고 있다. 3,000 □ 단위전지를 20장 적층한 스택은 5,000시간동안 장기 연속 운전을 통하여 충분한 성능 및 신뢰성을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 앞으로 계획 되어있는 25 kW급 full height stack의 개발에 대한  준비에 착수할 예정이다.

5.참고문헌

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

2. 임희천, 설진호, 안교상, 김동형, 홍성안, □2 kW 용융탄산염형 연료전지스택 운전특성,□ 화학공학의 이론과 응용 Vol. 3, No. 1(1997)

3. 임희천외, □100 kW급 외부개질형 MCFC시스템개발 (1단계:25kW급),□전력연구원 보고서, TM97TJ38.M1998.119(1998)

4. 임희천, 안교상, 이충곤, 최영태, 홍성안, □7 kW 융탄산염형 연료전지 스택 운전특성,□ 화학공학의 이론과 응용 Vol. 4, No. 1(1998)

Fig. . Endurance test results of a 7 kW MCFC stack by elapsed time