용융탄산염형 연료전지 발전시스템 개념 설계

강병삼, 임희천

한전 전력연구원 발전연구실

Conceptual Design of MCFC Power Generation Systems

Byoung-Sam Kang, Hee-Chun Lim

Power Generation Research Laboratory, Korea Electric Power Research Institute, KEPCO

서론

용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell) 발전 방식은 기존의 천연가스이외에도 석탄가스등 다양한 연료 사용이 가능하다. 또한, 고온의 스팀을 이용하여 복합발전을 할 수 있고 저공해, 고효율 발전 방식으로 각광 받고 있다. 선진 각국에서는 기술개발을 지속적으로 추진하여 상용화 단계에 들어가고 있는 기술로, 현재 국내에서는 전력연구원을 중심으로 국가 선도 기술 개발과제로 100 kW급 외부 개질형 MCFC 시스템 개발의 2 단계 과제를 수행중이다. 99년도에 전극 면적이 3,000 cm2인 20장의 전지로 구성된 5 kW MCFC 스택을 5,000 시간이상 운전하였다. 2 단계 과제의 최종 목표인 25 kW MCFC 스택은 6,000 cm2인 40장의 전지로 구성되어 현재 운전 중에 있으며 또한 본 연구과제의 최종 목표인 100 kW급 스택에 대한 상세 설계를 2000년 말까지 완성할 예정이다.

본 연구에서는 발전 공정의 효율 분석 및 엑서지 분석용 상용 소프트웨어인 CYCLE-TEMPO를 이용하여 실제 운전중인 25 kW MCFC 시스템의 공정 모사의 단위 기기 및 전체 공정의 효율 분석을 토대로 100 kW급 MCFC 시스템의 개념 설계를 외부개질형과 내부개질형으로 구분하여 실시하였다.

이론

용융탄산염 연료전지는 다공성 연료극과 공기극, 전해질인 용융탄산염을 지지하는 전해질판으로 구성되어 있다. 두 전극중 공기극에서는 CO32-를 생성하는 산소의 환원 반응이 일어나고 연료극에서는 CO32-를 소모하는 수소의 산화 반응이 일어난다. 양극에서 만들어진 CO32-는 전해질을 통하여 확산, 전달되어 연료극 반응에 참여하고 산화에 의해 음극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 전달되어 환원 반응에 참여한다. 연료극과 공기극의 반응은 다음과 같이 일어난다.

연료극 : [eqn: H_2 +CO_3^2- ~-> ~ CO_2 + H_2 O + 2e^- ~]	(1)

공기극 : [eqn: CO_2 + 1over2 O_2 + 2e^- ~-> ~CO_3^2-]	(2)

결국, 전체적인 연료전지의 반응은 다음과 같다.

[eqn: H_2 + 1over2 O_2 ~-> ~ H_2 O ~]	(3)

연료전지 내부의 전기 화학적 반응에 의해 얻어진 전기 기전력 E0은 Faraday 법칙에 의하여 다음과 같이 계산된다.

[eqn: E^0 = -DELTAG^0 over nF]	(4)

여기서, F는 Faraday 상수로써 96,487 C/equiv.를 나타내며, [eqn: DELTA G]는 Gibbs 자유에너지 변화를 나타낸다. 전지의 표준 기전력 E0로부터 용융탄산염 연료전지가 낼 수 있는 평형 기전력 즉 개회로 전압은 온도와 분압, 즉 조성의 함수로서 다음의 Nernst 법칙에 의해 구해진다.

[eqn: E = E^0 + RT over 2F ln({P_H_2 {P_O_2}^0.5 P_CO_2,c}over{P_H_2O P_CO_2,a})]	(5)

모사 실험

25 kW MCFC 시스템의 공정 모사

25 kW급 MCFC 발전 시스템은 외부개질형으로 연료인 천연가스를 사용하며 전극 면적인 6,000cm2의 단위전지 40장으로 구성되며 운전 조건은 3기압에서 650℃를 기준으로 운전된다. 25 kW MCFC 시스템인 경우 Table 1에서와 같이 스택내에서 발생된 전력이 25.46 kW DC(at 150mA/cm2, 0.7V)인 경우 시스템에 필요한 보조적인 전력이 29.16 kW이므로 전체적인 효율은 -8.865%가 된다.

Table 1. System Efficiencies, power input and output of a 25 kW MCFC Power Generation System.

Power	Apparatus	Energy	Totals
Delivered gross power	MCFC stack		25.46
Aux. power consumption	GB-201(A. Blower)	2.24	29.16
	GB-202(C. Blower)	2.94
	CP-101(Cooling Pump)	17.48
	Air Comp.	6.50
Efficiencies	net	-8.865%

다음 Fig. 1은 25 kW MCFC 시스템의 구성을 나타낸 것이다.

Fig. . Process Flow Diagram of a 25 kW MCFC System

100 kW MCFC 시스템의 공정 모사

100kW급 MCFC 시스템은 전극 면적이 6,000cm2인 단위전지를 170장 적층하여 3kg/cm2의 가압 조건에서 650℃에서 운전된다. 전류밀도 150mA/cm2의 부하에서 0.7V의 출력이 나올 경우 101.83kW의 출력을 기대할 수 있다. 전체적인 시스템 구성은 외부개질형 타입으로 시스템에서 나오는 출력에 대한 효율을 다음과 같이 정리할 수 있다.

Table 2. System Efficiencies, power input and output of a 100 kW MCFC Power Generation System.

Power	Apparatus	Energy	Totals
Delivered gross power	MCFC stack		101.83
Aux. power consumption	GB-201(A. Blower)	7.60	59.47
	GB-202(C. Blower)	10.60
	CP-101(Cooling Pump)	17.47
	Air Comp.	23.80
Efficiencies	net	25.376%

내부 개질형인 경우 연료전지 스택에서의 발열량이 개질기에서 소모되기 때문에 촉매연소기에 사용된 연료량의 감소와 연료극 및 공긱극 예열기의 전기량의 감소로 전체적인 효율이 늘어나지만 30%의 효율을 넘지는 못하고 있다.

Fig. . Conceptual Design of an Externally Reforming 100 kW MCFC Power Generation System

100kW 이상의 MCFC 시스템인 경우 전체적인 열 효율을 위해서 연료극 배가스의 촉매 연소를 통한 공기극 및 연료극의 예열이 반드시 필요하다. 촉매연소기와 개질기의 기능이 통합되는 것과 분리되는 것, 또한 연료전지 스택의 연료가 내부 개질형 및 외부개질형에 따라 전체적인 시스템의 효율에 크게 영향을 미치게 됨을 알 수 있다.

결과 및 토론

본 연구에서는 현재 운전중인 25 kW MCFC 시스템에 대하여 개질기, 공기 압축기, 연료극, 공기극 블로어 및 예열기에 대한 정밀한 시스템 모사를 이용하여 시스템 전체의 효율분석을 통하여 MCFC 시스템이 대형화되는 경우 어느 정도의 효율이 가능한지에 대하여 계산하여 보았다. MCFC 시스템이 대형화됨에 따라서 시스템의 효율은 MCFC 스택에서 뿐만아니라 시스템 전체적인 단위기기들의 구성 및 배치에 따라 많은 차이를 보이고 있었다. 25 kW MCFC 시스템인 경우 전체적인 효율은 들어간 연료 및 공급된 전력에 대해 -8.865%였으나 100 kW MCFC 시스템인 경우 25.376%로 증가됨을 알 수 있다. 또한 외부 개질형을 사용하는 경우보다 내부 개질형을 사용하는 경우에는 효율이 3-4%로 증가됨을 알 수 있었다. 또한 650℃의 고온의 반응 조건에 맞는 승온과 냉각을 위한 열교환 장치를 개질기나 촉매연소기를 이용하여 복합적으로 사용하는 경우엔 시스템의 효율에 많은 영향을 가져옴을 알 수 있었다. 시스템의 대형화에 따른 전체적인 개념 설계의 계산은 앞으로 상용화가 될 수 있는 연료전지 시스템에 대한 최적의 크기 및 모듈 개념의 크기에 대한 고찰에 꼭 필요한 단계가 되고 있으며 이러한 분석은 향후 대형 MCFC 시스템의 설계 및 시스템 효율 설정에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

참고문헌

1. 임희천 등, □5 kW급 외부개질형 MCFC 스택 구성 및 운전특성 시험결과,□ 전력연구원 기술보고서 TM.97TJ38.P1999.34.

2 고준호, □MCFC 특성 해석 및 성능 예측을 위한 모델과 전산 모사 코드 개발 결과,□ 전력연구원 기술보고서 TM.97TJ38.P1999.150.

3 A, DE GROOT and N. WOUDSTRA, "Exergy analysis of a fuel-cell system", Journal of the Institute of Energy, 68, pp.32-39 (1995).

4. Simon P. Harvey and Horst J. Richter, "Improved Gas Turbine Power Plant Efficiency by use of Recycled Exhaust Gases and Fuel Cell Technology", AES-Vol. 30/HTD-Vol.266(1993)

5 강병삼 등 □ASPEN PLUS를 이용한 7 kW 용융탄산염형 연료전지 시스템의 공정모사 및 연료이용률 분석,□ 에너지공학, 8(1), 85(1999).

6 강병삼, □25 kW MCFC 시스템 공정 모사를 통한 운전 모드 검토 및 분석,□ 전력연구원 기술보고서 TM.97TJ38.P1999.239.

7. 강병삼, □대면적 용융탄산염형 연료전지 시스템 동특성 분석,□ 전력연구원 기술보고서 TM.97TJ38.P1999.402.

8. 강병삼, □25 kW MCFC 운전 지침서,□ 전력연구원 기술보고서 TM.97TJ38.P19 99.488.