용융탄산염형 연료전지에서의 기상 물질전달의 영향 (VIII)

- 미세압의 연료전지 성능에 대한 영향 -

이충곤, 임희천

전력연구원

Effect of Gas Phase Transport in Molten Carbonate

Fuel Cell (VIII)

- Micro-Pressure Effect on Fuel Cell Performance -

Choong-Gon Lee, Hee-Chun Lim

Korea Electric Power Research Institute(KEPRI)

1. 서론

용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 액상의 전해질을 사용한다. 매트릭스의 다공질 구조 내에 분포한 전해질에 의해 anode 및 cathode의 반응가스의 누설이 방지되고, 양 전극의 다공질 구조내에 얇은 막 형태로 분포한 전해질에 의해 기-액-고상 3상 계면이 형성되어 연료전지로서 작동하게 한다. 이러한 액상 전해질의 연료전지는 양 전극에서의 반응물 압력의 차이, 즉 차압에 의해 전해질의 이동이 발생할 수 있고, 만일 전해질의 이동이 발생한다면, 전극에서의 삼상 계면이 영향을 받아 반응 표면적의 변화에 의해 과전압의 변화로 나타날 것이다.

본 연구에서는 차압의 과전압에 대한 영향을 평가한 것으로서, 차압발생은 전보의 불활성 가스 계단형 첨가법(ISA)과1) 본 연구에서 고안한 수두(Water Head)법이 이용되었다.

2. 실험

본 연구에 사용한 MCFC 단위전지는 전극면적이 약 100 cm2으로서 전지 제조 및 운전방법은 전보에서와2) 동일하다.

먼저 전지에 미세압을 가하는 방법으로서 전보에서 사용한 불활성 가스 계단형 첨가법(ISA)을 이용하였다. ISA는 정상상태의 전지에 불활성 가스를 첨가하는 방법으로서 가스의 첨가에 의해 전지내의 압력은 미세하게나마 증가하게 된다. 이 때 전지의 전단에 Digital manometer를 설치하고, 전지 출구부분에 질량유량계(mass flow meter, MFM)를 설치하여, 불활성 가스의 첨가에 의한 전압, 불활성 가스 유량, 출구 가스 총 유량 및 압력의 변화를 관찰하였다.

두 번째 방법으로 수두(Water Head)법을 이용하였다. 수두법은 전지의 출구가스를 물속에 일정깊이 만큼 담금으로써 전지내에 수두만큼의 압력을 가하는 것으로서, 이 때 전지 전단에 Digital manometer를 설치하고, 전지 출구부분에 MFM을 설치하여 수두를 가하는 때의 전압, 반응물 총유량 및 압력의 변화를 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 1은 개회로상태(OCV)에서의 anode에서의 ISA 측정결과이다. 전보에서1) 보고하였듯이 개회로상태에서는 과전압이 거의 없기 때문에 불활성 가스인 질소를 첨가하였을 때, 약간의 시간차이를 두고 반응가스의 분압변화에 의해 전압의 증가가 발생한다. 이러한 전압 및 질소 유량의 변화는 비교적 빠르게 변하는 것을 볼 수 있다. 이에 비해 전지 출구부분의 유량의 변화는 비교적 느리게 상승하는 것을 볼 수 있는 데, 이것은 아마도 도입된 질소가 비교적 큰 부피의 가습기, 전지 내부 및 가스 배관 등을 통과하여 출구 유량에 영향을 미치는 데 걸리는 시간 때문으로 생각된다. 또한 압력의 증가도 유사하게 느리게 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이 것 또한 반응물 유량조절용 MFC에서부터 전지를 거쳐 밖으로 배출되기까지의 공간의 압력이 동시에 변하면서 발생하는 현상으로 이해되고 있다.

그림 2는 15 A 조건에서의 ISA 측정결과이다. OCV에서와는 다르게 질소의 첨가와 동시에 전압의 변화가 관찰된다. 전보에서 언급하였듯이 분극상태에서는 과전압이 존재하게되고, 이 때 질소의 첨가는 질소 도입구에서 전지 본체까지의 공간을 흐르고 있던 반응물의 유량증가를 유발시켜, 반응물의 유량변화에 의해 과전압의 감소가 발생하고, 따라서 전압상승을 일으키는 것으로 생각되고 있으며, 또한 질소 정지시에 전압의 감소는 과전압의 증가에 의해 일어나는 것으로 생각되고 있다. 그리고 분극시는 MCFC anode의 특성상 반응한 수소의 2배의 수증기 및 이산화탄소가 배출되게 되므로, 총유량의 증가가 일어나 유량변화 곡선에 약간의 차이가 발생하는 것으로 생각된다. 이상과 같이 질소의 첨가는 압력의 증가를 유발시키나, 전압의 변화는 주로 반응물의 유량변화에 의한 과전압의 변화로부터 발생하는 것으로 생각할 수 있다.

그림 3은 5 cm의 수두를 가한 경우의 OCV 상태에서의 전압, 총유량 및 압력의 변화를 나타내고 있다. 5 cm의 수두에 대해 압력의 변화는 타당한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 총유량의 변화는 수두의 인가에 의해 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 출구에 수두를 가한 경우 유량의 급속한 감소가 관찰되는 데, 이것은 가스가 압축성 유체이기 때문에 수두의 인가에 의해 배관, 전지내의 anode 공간 및 가습기의 공간 등이 가해진 수두만큼 압축되면서 순간적인 유량의 감소를 일으키는 것으로 생각된다. 이에 비해 수두를 제거하는 경우에는 압축되어 있던 가스의 팽창이 발생하여 순간적인 유량의 증가가 발생하는 것으로 생각된다. 그러나 OCV 상태에서는 이러한 반응물의 유량변화가 전압의 변화를 유발시키지는 않는 것을 알 수 있다. 이것은 단순히 유량변화는 조성의 변화를 일으키지 않기 때문에, 개회로상태에서의 전압에 영향을 미치지 않기 때문으로 생각된다.

그림 4는 15 A의 분극시에 수두의 인가에 의해 발생하는 전압의 변화를 명확히 나타내고 있다. 전압의 변화는 압력과는 거의 무관하게 변하는 것을 알 수 있으며, 압력보다는 반응물의 유량의 변화에 의해 전압이 변화되는 것을 알 수 있다. 개회로 상태와 분극시의 전압과의 차이는 과전압이 차지하게 된다. 수두를 인가한 경우 전압이 감소하게 되는데, 이것은 과전압이 증가하는 것을 의미하는 것이고, 이것의 원인으로서는 유량의 감소에 의한 것을 유추할 수 있다. 또한 수두를 제거한 경우, 전압의 증가가 관찰되는 데, 이 것 또한 유량의 증가에 의해 발생하는 것을 생각할 수 있다. 즉 MCFC의 anode 반응은 주로 기상의 물질전달 율속과정으로서, 이러한 기상의 전달저항은 주로 반응물의 유량(유속)에 의존하기 때문에, 유량의 증가에 의해 물질전달 속도가 증가되어 과전압이 감소하게 되고, 반대로 유량의 감소는 물질전달 저항을 증가시켜 과전압의 증가를 발생해, 분극시의 전압의 변화를 발생시키게 된다.

이상의 결과로부터 MCFC의 anode는 반응물의 미세압의 영향은 거의 없는 것으로 생각되며, 압력의 영향보다는 반응물의 기상의 물질전달 속도가 과전압에 주로 영향을 미치는 것으로 생각된다.

Cathode의 경우에는 anode와는 다르게 가습기 공간이 없는 점으로부터 가스가 차지하는 공간이 적고, anode에 비해 수배의 유량을 가짐에 의해 수두에 의한 유량의 변화는 크지 않고, 또한 분극시의 전압의 변화도 크지 않는 것이 관찰되었다. 이것은 아마도 cathode의 반응특성을 반영하는 것으로 cathode는 주로 액상에서의 물질전달이 율속단계로서, 상대적으로 적은 기상의 물질전달 저항을 가지기 때문에 수두에 의한 전압의 영향이 적은 것으로 생각된다.

<참고문헌>

1. 이충곤, □00 추계 학술발표회 논문집 E-41, 한국화학공학회, 포항공대

2. 이충곤, □98 추계 학술발표회 논문집 F-54, 한국화학공학회, 조선대학교