ASPEN PLUS를 이용한 고체산화물 연료전지 스택의 전산 모사

박재영, 이성철

한양대학교 화학공학과

Computational Simulation of Solid Oxide Fuel Cell Stack using ASPEN PLUS

Jae-young Park, Sung-Chul Yi

Department of Chemical Engineering, Hanyang University

서론

연료전지란 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 기관이다. 일반적으로 Carnot Cycle을 따르는 열기관이 낼 수 있는 효율은 50%를 넘지 못하지만, 순수한 수소와 산소를 이용한 연료전지의 경우 이론 효율은 25℃에서 83%나 된다.

연료전지는 반응이 일어나는 두 전극(electrode)과 이온을 전달해주는 전해질(electrolyte)로 이루어져있는데, 전해질에 따라서 알칼리성 수용액을 전해질로 하는 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 인산을 전해질로 하는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 탄산염을 전해질로 하는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체고분자 막(Membrane)을 전해질로 하는 고체고분자 연료전지(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEM), 그리고 고체산화물을 전해질로 하는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)로 구분되어 진다.

이중 고체산화물 연료전지는 전극에서의 분극현상이 없고, 고전류밀도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 촉매활성(catalytic activity)이 커서 촉매가 불필요한 경우도 있으며 궁극적으로 발전효율을 극대화시킬 수 있다. 또한 메탄이나 탄화수소 기체가 일산화탄소와 수소로 내부에서 개질(reform)되어 공급될 수 있기 때문에 연료 개질기가 필요없어 전체 발전시스템의 설비를 크게 단순화시킬 수 있다.

이러한 점들로 인하여, 고체산화물 연료전지는 주로 쓰이던 용융탄산염 연료전지나 인산형 연료전지와 함께 발전시스템에 이용되고 있다.

본 연구에서는 고체산화물 연료전지의 스택을 모사하여 널리 사용되고 있는 공정모사 소프트웨어인 ASPEN PLUS에 적용시켜봄으로써, 연료전지 스택에 대한 user model을 개발하는 것에 목적을 두고 있다.

이론

고체산화물 연료전지는 기본적으로 산소가 반응하는 산소극(cathode)과 산소음이온이 이동하는 전해질(electrolyte), 그리고 수소가 반응하는 수소극(anode)으로 구성되어 있다. 일반적으로 사용하는 전극 및 전해질의 재료로는 산소극의 [eqn: La_1-x Sr_x MnO_3](LSM, Strontium-doped lanthanum manganite), 전해질의 [eqn: Y_2 O_3 + ZrO_2](YSZ, yttria-stabilized zirconia), 수소극의 [eqn: N i-ZrO_2 `````cermet]

(Nickel-zirconia cermet) 등이 있다.

각 전극에서 일어나는 반응은 다음과 같다.

[eqn: ANODE : H-_2 + O^2- → H_2 O + 2e^-]

[eqn: CATHODE : {1}over{2} O_2 + 2e^- → O^2-]

이 반응은 700∼1000℃의 높은 온도에서 일어나게 된다.

고체산화물 연료전지 스택은 출력 전압을 증가시키기 위해 단위전지를 쌓아 놓은 것으로, 단위전지의 형태에 따라 원통형과 평판형으로 나뉘어 진다. 이 중에서 평판형 고체산화물 연료전지는 원통형에 비해 출력 밀도가 높고 제조 원가가 낮기 때문에 유럽 및 일본에서 활발히 연구가 이루어지고 있다. Fig.1에 평판형 고체산화물 연료전지의 형태를 나타내었다.

ASPEN PLUS는 연료전지에 대한 적절한 unit model을 가지고 있지 않으므로 FORTRAN으로 개발한 user model을 이용하게 된다. 지금까지 ASPEN PLUS을 이용한 연료전지의 스택 및 공정 모사로는 용융탄산염 연료전지의 user model 개발(D.B. Stauffer, 1992)과 인산형 연료전지의 공정모사(서정원, 1993) 등을 들 수 있다. 이러한 연구에서는 공정 자체에 치우쳐서 연료전지 스택에 대한 모사가 간략화되었으므로 본 연구에서는 좀더 정확하고 세밀하게 연료전지 스택의 모사를 해보고자 한다.

모사

ASPEN PLUS를 위한 고체산화물 연료전지의 user model 개발을 위해서, 기존의 스택 모사 논문들을 참조하여 농도, 압력, 온도 분포 등을 고려한 전압 및 전력 계산을 하였다. 선택한 user model로는 수소극과 산소극에서의 두 stream line을 표현 할 수 있도록 stream line의 수에 제한이 없는 USER2 model을 이용하였다.

개발된 user model을 검증하기 위해서, Table 1과 2에 나와 있는 기존의 고체산화물 연료전지 스택의 운전 data들을 이용하였다.

Table 1  Operating Conditions of STACK DATA

OPERATING CONDITIONS cell current density cell voltge pressure power anodic inlet temperature cathodic inlet temperature refrigerant inlet temperature anodic inlet composition cathodic inlet composition refrigerant anodic inlet flow rate cathodic inlet flow rate refrigerant inlet flow rate UH2 (dimensionless)	300 mA/cm2 0.85 V 1 atm ∼ 3.5 kW 1000 K 1000 K --- 97%H2+3%H2O air --- 0.027 mole/s 0.27 mole/s --- 0.8

Table 2  Design Parameter of STACK DATA

DESIGN PARAMETERS cell dimensions square channel dimension number of cells stack height manifold width	15×15 cm2 0.1 cm 60 30 cm 0.8 cm

또한 개발된 스택 model을 Fig.2에 나타낸 것 같은 고체산화물 연료전지의 기본 공정에 적용시켜 보았다. Fig.3은 fig.2의 공정도를 ASPEN PLUS로 표현해본 고체산화물 연료전지 공정 모사의 한 예이다.

참고 문헌

1. Leo J. M. J. Blomen and Michael N. Mugerwa: "Fuel Cell System", Plenum

Press (1993)

2. P. Costamagna, E. Arato, E. Achenbach and U. Reus: Journal of Power Sources,

52, 243 (1994)

3. 서정원, 김성준, 설용건, 이태희: 한국에너지공학회지, 제2권 제1호, 75 (1993)

4. D.B.Stauffer, J.H.Hirschenhofer, J.S.White: 1992 Fuel Cell Seminar, 321 (1992)

5. Ernst Riensche, Ulrich Stimming, Guido Unverzagt: Journal od Power Sources,

73, 251 (1998)

Fig.1 평판형 고체산화물 연료전지

Fig.2 일반적인 고체산화물 연료전지의 공정도

Fig.3 ASPEN PLUS를 이용한 고체산화물 연료전지의 모사 예