용융탄산염 연료전지 발전시스템 구성에 따른 시스템 효율에 미치는 영향

강병삼, 임희천

한전 전력연구원 발전연구실

Effct of system configuration on the system efficiency in molten carbonate fuel cell power generation system

Byoung-Sam Kang, Hee-Chun Lim

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

서론

용융탄산염 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 외부개질형 용융탄산염 연료전지 시스템 개발의 2 단계 과제를 수행중이다. 2 단계 과제의 목표인 25 kW 용융탄산염 연료전지 스택은 6,000 cm2인 40장의 전지로 구성하여 2,000 시간 이상 운전하였고, 본 연구과제의 최종 목표인 100 kW급 스택에 대한 상세 설계를 2001년 말까지 실시할 예정이다. 시스템의 대형화에 따라 시스템 설치 단계에 앞서 연료전지 스택뿐만 아니라 발전시스템 전체의 효율성 및 경제성에 대한 면밀한 분석이 필요하다.

본 연구에서는 발전 공정의 효율 분석을 위한 상용 소프트웨어인 CYCLE TEMPO를 이용하여 연료전지 시스템 공정을 모사하고 모사한 모델을 기초로 시스템 전체의 효율을 분석하였다. 100 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 각 단위 기기 및 시스템 구성이 전체 공정의 효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대표적인 세 가지 100 kW MCFC 시스템을 선택하여 시스템에 대한 특성 분석과 각 단위 기기 및 연료 사용이 시스템 전체 효율에 미치는 영향을 분석하였다.

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

100 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 공정 모사

본 연구에서 기준으로 한 100 kW급 용융탄산염 연료전지 발전 시스템은 외부 개질형으로 연료인 천연가스를 사용하며 전극 면적인 6,000cm2의 단위전지 170장으로 구성되며 운전 조건은 5기압에서 650℃를 기준으로 운전된다. 연료 및 공기 이용률은 각각 80%, 30%이다. 대표적인 세 가지 100 kW 시스템의 구성은 Fig. 1과 같이 나타낼 수 있다. 세 가지 시스템은 공기극에 고온 블로어의 사용 유무와 미반응 연료극 가스의 사용 방식을 개질기 연소용, 공기극의 이산화탄소 공급용 등에 따라 구분되며 시스템의 효율 비교를 위하여 같은 전력량을 생산하는 연료를 공급하였을 때 전체적인 시스템의 효율을 비교하였다.

세 가지 대표적인 시스템에 대한 시스템의 효율 분석

대표적인 3 가지 100 kW 시스템인 경우 스택 내에서 100.75 kW DC(at 125mA/cm2, 0.8V)를 생산하는 경우 각각의 시스템의 효율은 다음 Table 1과 같이 나타난다.

Table 1. System efficiencies of three alternative 100 kW MCFC systems.

Power(kW)	Apparatus	Alternatives
		1	2	3
Absorbed Power	NG-anode	195.57	216.35	216.35
	NG-cathode	48.89	36.67	64.53
	C-heater	21.33	8.41	5.08
	A-heater	0.0	0.0	0.0
	Total	265.79	260.77	299.87
Gross Power		100.75	100.75	100.75
Power Consumption	Air-comp.	39.14	40.00	39.93
	Water-comp.	0.01	0.01	0.01
	C-blower	2.15	2.16	2.96
	A-blower	0.95	0.87	0.87
	CT-pump	0.29	0.29	0.29
	NG-pump	2.82	2.81	2.81
	Total	45.36	46.13	46.86
Net Power		55.39	54.62	53.89
Efficiencies	gross	37.904%	38.538%	35.233%
	net	20.839%	20.893%	18.846%

세 가지 시스템의 효율의 차이는 공급되는 연료의 차이와 스택에서 반응하고 남은 연료극의 미반응 가스의 이용방법에 따라 변화되며 설정하였으며 첫 번째 시스템의 경우 미반응된 연료극 가스를 개질기의 연소용으로 사용하기 때문에 공급되는 연료량(NG-anode)은 적으나 공기극의 이산화탄소 공급원으로 사용되지 못하는 관계로 두 번째 시스템에 비하여 효율이 낮게 나타나고 있으며 세 번째 시스템의 경우 공기극의 고온 블로어를 사용하지 않은 관계로 공급 가스 예열부인 촉매 연소기에 연료량(NG-cathode)이 증가하여 전체적인 시스템의 효율이 낮게 나타나고 있다.

결과 및 토론

본 연구에서는 향후 설치 운전될 100 kW 용융탄산염 연료전지 시스템에 대하여 개질기, 공기 압축기, 연료극, 공기극 블로어 및 예열기에 대한 정밀한 시스템 모사를 이용하여 시스템 전체의 효율분석을 통하여 용융탄산염 연료전지 시스템이 대형화되는 경우 어느 정도의 효율이 가능한지에 대하여 계산하여 보았다. 용융탄산염 연료전지 시스템이 대형화됨에 따라서 시스템의 효율은 용융탄산염 연료전지 스택뿐만 아니라 시스템에 포함된 단위 기기 들의 구성 및 배치에 따라 많은 차이를 보이고 있었다. 연료 공급 방법에 있어서도 직접적인 연료 가스의 공급, 외부 개질기를 이용한 개질 가스의 공급, 부분 산화기를 사용하여 개질된 가스를 공급하는 방식 등 연료 공급 방식에 따라 시스템의 효율이 결정되었으며, 고온의 운전 조건 특성에 의하여 배가스의 열 회수를 최대한 이용한 시스템일수록 시스템의 효율은 증가되었다. 이러한 분석은 향후 대형 연료전지 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.

9. 강병삼, □100 kW급 MCFC 발전시스템 공정의 개념 설계,□ 전력연구원 기술보고서 TM00ES02.P2001.048.

Fig. . Process flow diagram of three alternative 100 kW MCFC power generating systems