25 kW 용융탄산염 연료전지 시스템 구성 및 운전 특성

임희천, 이충곤, 고준호, 강병삼, *홍성안,**최영태

전력연구원, 발전연구실

*한국과학기술 연구원**한국중공업

25 kW MCFC System Configuration and Operation Characteristics

H-C Lim, C-G Lee, J-H Koh, B-S Kang, *S-A Hong, **Y-T Choi

KEPRI, Power Generation Lab., *KIST, **KHI

1. 서론

용융탄산염형 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 동작온도가 650℃ 고온으로, 석탄가스를 사용할 수 있고 고온의 배가스를 이용하여 복합발전이 가능한 저공해 고효율의 새로운 발전방식으로 미국 및 일본 등에서 상업화를 위한 개발 연구가 활발히 진행되고 있다[1.3]. 국내에서는 전력사업을 목적으로 93년부터 선도 기술개발사업의 하나로 개발을 시작하여 1996년에는 1,000 □급 단위전지 20장을 적층한 2 kW급 MCFC 시스템을 개발하였고 이어 100 kW급 개발을 위한 연구가 진행되고 있는데, 이를 위해 97년부터 중간과정으로 25 kW 급 MCFC 시스템 개발을 추진하고 있다[1]. 이와 같은 계획에 따라 98년에는 3,000□ 단위전지를 20장 적층한 6 kW급 MCFC 스택 및 운전 시험설비를 개발하여 5,860 시간 장기운전 시험을 성공적으로 수행하였다. 이를 바탕으로 중간목표인 6,000□ 급 단위전지를 이용한 25 kW 스택이 제작되고 있고 이를 운전하기 위한 발전설비 설치공사가 진행되어 99년 말부터 운전시험을 실을 개발하였고 이를 운전할 수 있는 운전시험 설비를 제작하여 1999년 말부터 운전시험을 진행하고 있다. 본고에서는 개발된 25 kW MCFC 발전 시스템에 대한 기본 구성 및 스택의 운전 결과를 개략적으로 서술하고자 한다.

2. 본론

25 kW MCFC 발전 시스템 구성

가. 25 kW MCFC 스택의 구성

25 □ 스택에서는 면적이 10,000□ (1200 x 814) 직사각형 형태로 제작된 분리판을 사용하였고, 분리판 내에서의 가스흐름은 병행류 형태의 내부 메니폴드형으로 설계하였다. 전극면적 6,000 □의 단위전지를 40단 적층하여 25 □급 스택으로 구성하였다. 스택 적층은 Ni 코팅 처리된 corrugated 분리판에 anode를 장착한 후, 그 위에 전해질 matrix를 놓고, corrugated 분리판에 cathode가 장착된 분리판 이 위치하도록 하여 중간판을 중심으로 상·하 20장씩 적층하였다. 스택 구성시 2 종류 반응가스를 각각의 구성요소에 공급될 수 있도록 가스공급 및 분배 메니폴드를 중간 분배구와 연결하였다. End plate는 스택 최 상·하단에 위치하여 전체 전력 인출, 균일한 압력과 열이 분포되도록 하는 역할을 하며 고온에서도 편평도를 유지하여 스택 내 집중 응력이 생기지 않고 접촉저항도 최소가 되도록 하였다. 집전용 단자는 8군데에 분산시켜 설치하여 전기를 인출하였고 스택 내부 온도측정은 상·하 중앙 및 end plate에 열전대를 삽입하여 측정하였고, 또한 가스흐름 방향 및 각 직각 방향 온도를 측정할 수 있도록 바둑판 배열로 총 35개 열전대를 삽입하여 측정하였다.

나. 25 kW MCFC 시스템 설계 및 제작

25 kW급 외부 개질형 MCFC 스택의 성능 및 장기운전에 대비하기 위하여 시스템을 설계하고 그 시스템 내에 구성요소들을 제작하였다. 플랜트 일반적인 개념도를 그림 1에 보여주고 있다. 연료가스는 천연가스를 이용하여 개질기에서 개질하여 연료 예열기에서 승온한 후 연료전지의 연료극으로 공급된다. 산화제로 있는 공기는 압축기로부터 공급되며 연료극 배가스가 산화되어 만들어진 탄산가스와 혼합된 후 가스 예열기에서 승온되어 공기극으로 공급된다. 본 설비는 산화제 가스 리싸이클을 통하여 스택을 냉각하며 이를 위하여 송풍기 및 냉각기가 사용된다. 스택은 절연 및 외부 단절을 위하여 압력 용기 내에 수납되었고 연료전지 연료극 배가스는 가스 냉각기를 통과하여 촉매 연소기를 통과하도록 하여 열 및 이산화탄소를 공급하고 공기극 가스는 재순환 되어 스택을 냉각하며 잔여가스는 flair 스택에서 연소된 후 배출된다. 본 시스템에는 전기/계측 제어 및 감시장치를 설치하여 신속하고 정확한 데이터 처리를 도모하며 아울러 운전에 필요한 가스의 분석을 위하여 가스분석 장치도 설치하였다. 전기설비는 스택 가온용 히터를 위한 전기공급 및 전지본체에서 나오는 전기를 정전류 제어할 수 있는 부하장치를 통하여 전류가 외부로 추출될 수 있도록 구성한다. 본 설비는 1998년 10월 9일 건설에 착수하여 99년 9월 완성하였고 이때부터 본격적인 시운전 및 PAC : Process and Control) 시험에 착수한 후 99년 11월 25 kW 스택을 적층하여 설치하고 본격적인 운전에 착수하였다.

3. 결과 및 분석

25 kW급 MCFC 스택 운전평가는 단위전지 대형화와 다수 단위전지 적층기술을 확립하고 이를 운전할 수 있는 운용기술을 확보함으로써 상용 기반기술을 화립하는데 목적이 있다. 특히 25 kW MCFC 스택은 전체 시스템 효율 제고와 스택 대형화에 따른 냉각을 위하여 가압 및 공기극 리싸이클 시스템을 사용하고 있다는 특징을 가지고 있다. 99년 11월 장착된 스택은 99년 12월 29일 최초 부하운전 시험을 스택의 성능은 상압에서 28.7 kW 그리고3기압 가압 조건에서 25.67 kW의 출력을 보여주었다.

가. 전처리과정

전처리 운전은 대면적화에 따른 영향을 보완하기 위해 약 500 시간 정도를 거쳐 진행하였다. 전처리 운전은 승온 및 가스조건 변경과정을 가지고 있는데 균일한 온도분포를 얻기 위해 도입 가스온도를 스택 히터 온도와 동일하게 하는 방법으로 온도 균일성을 확보하였다. 승온 시작후 약 300 ℃정도까지 유기 가소제가 배출되고, anode 및 cathode에 공기를 공급하였고 약 500 ℃까지 온도상승 이후 가압 용기를 설치하였다. 스택 전처리 과정 중에 Ni anode는 약 400 ℃정도에서 산화되기 시작하므로, 300 ℃ 이후 과정에는 anode에 미량의 수소를 공급하여 anode의 산화를 방지하였다.

나. MCFC 스택 운전조건

스택은 초기 상압 상태에서 정 출력 운전특성을 확인한 후 가압 운전 특성 시험을 실시하였다. 상압 및 가압 운전 특성 시험에서는 정격부하 및 부분 부하운전을 실시하였고 가압 상태에서 시스템 운용상태를 점검하였다. 그러나 1,000 시간 경과시 발생된 연료가스 예열기 가스 Leak에 의한 고장으로 정상적인 운전 상태가 이루어지지 않았고 이후 부분적으로 부하운전 시험을 실시하였다. 25 kW급 MCFC 시스템 운전조건은 연료 이용율 및 공기 이용율이 60 % 상태에서 상압 및 가압 상태에서 특성 시험을 실시하였다.

다. 스택 상압 운전특성

상압 상태에서 전류밀도 150 □/□ 에서 스택의 전류-전압 관계를 그림 2에 도시하였다. 승온을 시작하여 790 시간 경과 한 후 측정한 개회로 전압은 42.17 V 이었으며, 150 □/□ 에서 전압은 31.28 V로 28.15 kW의 출력을 보여주었다. 스택에서 단위전지 평균 개회로 전압은 평균 1.057 V/cell을 보여주었다. 이와 같이 개회로 전압이 낮은 이유는 전지 면적 증대에 따라 내부 온도 분포가 균일하지 않기 때문인 것으로 생각된다. 스택 내 단위 전지전압 분포는 개회로 전압은 이론값 보다는 10 - 15 □ 정도 낮은 값을 보여주었으며 초기 출력시의 단위전지 전압 표준편차는 최대 3□ 이내로 아주 적게 나타나고 있다. 스택 내 단위전지 전압의 표준편차는 부하 증가에 따라  높게 나타나고 있으며 150 □/□ 정격부하 상태에서 표준편차는 20.35 □로 나타나 이전 3,000 □ 6 □스택 상압 운전보다 큰 값을 보여주고 있다.

라.스택 가압 운전특성

MCFC는 전기화학반응을 이용한 발전시스템으로 가압 하의 운전은 전극에서의 전기화학반응의 속도론적 특성을 향상시키는 효과를 얻을 뿐 아니라 평형상태에서의 열역학적 특성인 기전력을 향상시키는 효과도 동반하게 된다. 가압 3 기압 상태에서 전류밀도 150 □/□ 에서 연료 및 공기극 가스 이용율이 0.6가 되도록 반응가스의 공급 유속을 일정하게 유지하였을 경우 스택의 전류-전압 관계를 그림 3에 도시하였다. 가온을 시작하여 1100 시간 경과 한 후 측정한 개회로 전압은 41.09 V 로 단위전지 평균 1.027 V를 보여주었다. 부분부하 특성에서 50 □/□ 에서는 35.88 V, 100 □/□ 에서는 32.55 V를 보여주었고 정격 부하인 150 □/□ 에서 전압은 28.53 V로 25.68 kW의 출력을 보여줌으로써 단위전지 평균전압 0.713 V를 나타내었다. 이와 같이 개회로 전압 및 부하전압이 상압시 보다 낮게 나타난 이유는 800시간 운전 후 연료 예열기 수리시 발생한 압력 변동에 따라 스택내 No.4, 26, 30, 38, 40 단위전지가 영향을 받아 스택 전체 전압이 저하된 때문이다. 이들 cell을 제외한 단위전지 평균 개회로 전압은 1.032 V 그리고150 □/□에서 0.774 V를 보여주었다.

3. 결론

단위전지 대형화와 적층기술을 확립하고 이를 운전할 수 있는 운용기술을 확보하기 위하여 전극 유효면적이 6,000 □인 단위전지를 40단 적층한 25 kW MCFC 스택을 장착하여 발전 시스템을 운전 평가하였다. 스택은 전체 시스템 효율 제고와 스택 대형화에 따른 냉각을 위하여 가압 및 공기극 리싸이클 시스템을 사용하였고 99년 12월 29일 최초 부하운전 시 스택 성능은 상압에서 28.7 kW 그리고 3기압 가압 조건에서 25.67 kW의 출력을 보여주었다. 이와 같은 결과로 스택제작 및 운전에 관한 기본 기술을 확립하였으나 목표로 하는 대형 스택 신뢰성 확보를 위하여는 구성요소의 고성능화, 장수명화외에도 주변기기의 고신뢰성을 확보하는데 더욱 노력할 필요가 있는 것으로 생각된다.

참고문헌

(1)임희천 외, 1999, 100 kW급 외부개질형  용융탄산염 연료전지 시스템 개발 (1단계 25 kW급), 전력연구원 보고서 TM.97TJ38.M1999.20.

(2)Blomen, L. J. M. J. and Mugerwa, M. N. (ed.), 1993, Fuel Cell Systems, Plenum Press.

(3)임희천, 임태훈 ,홍성안외 : □2 kW급 용융탄산염형 연료전지 발전시스템 개발□ 한전 전력연구원 최종보고서, TR.93T.J03.97.01,(1997)

그림 . 25 kW급  MCFC 발전 시스템의 개념 설계도

그림 . 25 kW MCFC 스택 상압 운전시 전류 전압 및 출력 특성

그림 . 25 kW MCFC 스택 가압 운전시 전류 전압 및 출력 특성