모델링 및 전산모사를 통한 연료전지공정의 제어전략에 관한 연구

송지호, 김윤식, 이익형*, 윤인섭

서울대학교 화학공학과, 서울보건전문대학 산업안전과*

Modeling, Simulation and Control Strategy for the Fuel Cell Process

Ji Ho Song, Yoonsik Kim, Ikhyung Lee*, En Sup Yoon

Department of Chemical Engineering, Seoul National University, Seoul Health Junior College*

1.서론

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 높은 전환율과 부하변동에 대한 빠른 응답성 및 저공해의 장점 때문에 미래의 발전방식으로 각광받고 있다. 단기간에 건설이 가능하고 입지면적도 작으며 필요한 곳에 적정 용량의 분산설치가 가능해 송배전 설비의 비용도 적다. 연료전지는 전해질에 따라 고체산화물, 용융탄산염, 인산형 및 알칼리형으로 구분된다. 연료전지개발은 1986년부터 한국동력자원연구소에서 인산형 연료전지를 연구한 이래 꾸준히 연구되어 왔고 인산형 연료전지(PAFC)가 실용화 단계에 있다. 본 연구에서는 먼저 메탄 전지공정에 대한 모델을 세우고 검증한 후 부하변동이 있을 때 공정을 안정시키면서 빠른 부하추종을 갖는 제어와 연속 및 안전 운전을 위한 제어를 연구하고자 한다.

2.이론

2.1.연료전지공정의 구성

연료전지 공정은 연료처리공정과 전지스택공정으로 구성된다. Fig.1.에 원리를 나타내었다. 연료처리공정은 연료가스를 수소로 만드는 개질기와 부산물인 CO를 CO2로 변환시키는 변환기가 있다. 메탄과 스팀을 1:3∼4의 비로 혼합해 800℃, 5기압의 니켈촉매 개질기로 개질시킨 후 생성된 CO를 약 350℃ 및 250℃의 변성기로 보내 CO2와 H2로 변환시킨다. 개질 수소에 함유된 수분은 기·액분리기에 의해서 10%이하로 줄게 된다. 스택의 양극으로 공급되는 수소함량은 70%이며 백금촉매상으로 공급된다. 스택은 양극, 음극, 전해질 및 냉각관으로 구성된다. 인산형 전지는 두 극 사이에 전해질 층이 있고 양극으로 수소를 보내면 촉매층에서 이온으로 분해된다. 이온은 전해질층을 이동해 음극으로, 전자는 외부회로를 통해 음극으로 가면서 전류가 발생한다. 그 결과로 음극에 보내지는 공기(산소)와 수소이온, 전자가 촉매층에서 수증기로 된다. 전해질은 SiC에 인산을 함침시킨 박막형태이며 온도가 200℃이상이면 인산이 휘발해 기능을 상실하며 양극

간 압력차가 0.1atm 이상이면 박막이 파괴되어 수소와 공기가 직접 접촉해 폭발한다. 따라서 스택을 조업온도 이내로, 압력차를 0.05atm 이하로 유지하는 것이 필요하다.

Fig.1. Schematic view of basic fuel cell structure

2.2.연료전지공정의 운전

연료전지 공정의 제어는 제어밸브로 스택에 공급되는 수소, 공기를 조절한다. 원료가스는 물질수지식에 따라 조절되며 스팀은 수소에 따라 비례제어로서 조절된다. 개질기에 필요한 열량은 버너연료와 스택 출구가스를 연소시켜 공급하고, 온도는 버너연료 공급밸브를 조절해 유지한다. 스택의 열은 냉각수 유량을 조절함으로써 온도를 일정하게 유지한다. 전류, 전압 제어는 물질수지식으로 제어되며, 온도, 압력이 높을수록 효율은 올라간다. 극간 압력차를 0.03atm 이내로 하기 위해 기·액분리기의 압력을 개질기에 들어가는 원료의 유량으로 조절한다. 일정온도를 유지하기 위해 반응열, 전지저항으로 인한 열은 제거한다. 스택의 내부는 180∼190℃를 유지하도록 한다.

3.메탄 전지공정의 모델링 및 모사

메탄 전지의 공정 모델식을 살펴보자. 버너 수지식 6개, 개질기 수지식 10개, CO 변성기의 모델식 3개, 스택의 계산식 10개, 부하식 1개로 모두 25개의 변수와 25개의 식이며 Newton-Raphson 방법으로 비선형 방정식을 풀었다. Table 1.은 각 부하에서의 조성을 문헌치와 비교한 것이다. 모사결과 개질기 출구의 수소조성이 더 높으며 정격부하에서는 비슷하다. 그러나 부하가 줄수록 수소와 CO 조성이 더 크다. 이는 정격부하이하에서는 적은 양을 개질하여 전환율이 상승함을 보여준다. 변성기에서 나온 CO의 농도는 모두 문헌치보다 높으며 이는 문헌의 개질기의 단열이나 여기에서 사용한 모델에서는 정온으로 모델링되었으므로 온도가 더 높기 때문이다. 메탄 유량은 부하에 대해 직선비례관계보다 더 증가하는 데 이는 부하증가에 따른 전류밀도 증가로 전압강하가 일어나고, 이로 인해 요구되는 전력을 충족시키는 개질가스의 양이 더 증가하기 때문이다. 버너에서 요구하는 연료도 배기가스의 현열과 개질량에 따라 증가한다. 여기서 사용되고 있는 모델식의 모사 결과는 문헌치와 거의 일치되는 값을 가지며 전체적인 유량은 열 및 물질 수지식을 잘 만족시키고 있으므로 여기서 세운 모델식을 제어에 사용하는 것은 타당하다.

Table 1. Simulation Results of Fuel Cell Nonlinear Equations

Reformer		Reference Value	Simulation Result
	Temp(℃)	IN:729 OUT:827	800
	H2 (%)	60.8	61.43
	CO	16.8	16.71
	H2O	18.4	18.92
	CO2	2.8	2.83
	CH4	1.0	0.13
	N2	0.2	0
High Shift Converter	Temp	IN: 247 OUT:369	300
	H2	66.4	71.32
	CO	7.0	6.81
	H2O	13.9	12.73
	CO2	11.4	9.02
	CH4	1.0	0.13
	N2	0.2	0
Low Shift Converter	Temp	IN: 165 OUT:239	200
	H2	72.6	76.40
	CO	1.0	1.72
	H2O	7.9	3.94
	CO2	17.4	17.81
	CH4	1.0	0.13
	N2	0.1	0
Cathode off-gas	Temp	177	180
	H2	34.6	44.74
	CO	2.3	4.04
	H2O	18.9	9.22
	CO2	41.5	41.7
	CH4	2.3	0.29
	N2	0.4	0

4.결론

제어목표를 만족시킬 수 있는 제어기의 설계를 위하여 연료전지공정 전체에 대한 동적모델식을 수립하였다. 수립한 제어모델식의 검증을 위해 문헌치에 주어진 메탄 전지공정에 대한 결과를 비교 검토함으로써 모델식의 타당성을 검증하였다. 따라서 여기서 세운 모델식은 제어에 활용하기 위해 사용될 수 있다.

감사의 글

본 연구는 포항공과대학교 지능자동화연구센터를 통한 한국과학재단 우수연구센터의 지원금의 일부와 에너지자원기술개발지원센터의 지원금에 의한 것입니다.

참고문헌

1. 최수현 외, □인산형 연료전지 발전설비 성능개선 연구□, 한국전력공사 기술연구원, KRC-89G-J06, 1992

2. 정두환 외, □5kW급 인산형 연료전지 발전용 연료 개질기의 설계 및 운전□, Energy R&D, VOl. 13, No. 1, 1991

3. A.J.Appleby, F.R.Foulkes, "Fuel Cell Handbook", Van Nostrand Reinhold, 1989

4. Mitsubishi,  "Fuel Cell Power Generation System", New Energy Development Organization, Apr. 1984