100 kW급 용융탄산염 연료전지 스택 설계 요인 분석

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

임희천, 이충곤, 강병삼, 서혜경, 안교상

한전 전력 연구원

Parameter Analysis of a 100 kW class Molten Carbonate Fuel Cell Stack Design

Hee Chun Lim, Choong Gon Lee, Byoung Sam Kang, Hai Kung Seo and Kyo Sang Ahn

Korea Electric Power Research Institute, KEPCO

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. 서론

분산형 전원 및 석탄 가스화와 연계하여 복합 발전이 가능한 용융탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)는 다양한 연료를 사용할 수 있고, 공해요인이 적으며, 높은 에너지 변환효율을 가지고 있어 여러 종류의 연료전지 발전 방식 중에서도 전력사업 분야에 적용 가능성이 새로운 발전방식이다.  현재 선진국에서는 MW급 실증플랜트 운전시험을 완료하고 보다 높은 효율을 갖는 분산형 상용 발전시스템 개발이 진행되고 있다. 국내에서도 1993년부터 선도기술개발 사업의 하나로 시작된 MCFC 발전 시스템 개발은 1996년에 1,000 □급 단위전지 20장을 적층한 2 kW급 MCFC 시스템을 개발 운전시험에 성공하였고, 이를 바탕으로 2단계로 100 kW급 발전시스템 개발 연구가 진행되고 있다. 1997년부터 시작된 2단계 1차 사업에서는, 우선 25 kW급 시스템 개발을 추진하여, 1999년에는 6,000□ 급 단위전지를 이용한 25 kW 스택 및 시스템을 개발하여 성공적으로 운전함으로써 외부 개질형 MCFC 스택의 상용 기초기반 기술을 확립하였다. 여기서는 올해부터 본격적으로 추진되고 있는 2단계 2차 100 kW급 MCFC 발전 시스템 개발에 있어서, 지금 까지 연구 결과를 바탕으로 한 100 kW MCFC 스택 기본설계를 위한 여러 설계 요인 들에 관한 분석과 설계 개념을 소개하고자 한다.

2. 본론

2-1. MCFC 기본 원리

MCFC 연료전지는 다공성 연료극(anode)과 공기극(cathode) 층 사이에 전해질인 용융 탄산염을 지지하는 전해질 판으로 구성되어 있다.  두 전극 중 공기 극에서는 CO32-를 생성하는 산소의 환원 반응이 일어나고 연료극에서는 CO32-를 소모하는 수소의 산화 반응이 일어난다.  양극에서 만들어진 CO32-는 전해질을 통하여 확산, 전달되어 연료 극 반응에 참여하고 산화에 의해 음극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 공기 극으로 전달되어 환원 반응에 참여한다.

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

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

따라서 전지 전체에서의 총괄 반응은 다음과 같다.

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

2-2. MCFC 스택 운전 조건에 따른 스택 설계 요인 설정

여러 장의 단위전지를 적층하여 구성된 MCFC 스택은 최적의 성능을 낼 수 있도록 가스의 공급 방식, 온도 분포, 연료와 공기의 흐름, 가스의 누출, 전해질의 이동 등을 고려한 매니폴드와 단위전지의 적층 후 발생되는 스택 내 및 외부 기기와의 절연, 스택의 냉각 방식 및 단열, 보온 등에 관한 고려가 필요하다. 현재 개발 중인 MCFC 스택은 가스의 균일한 공급이 용이하며 전해질의 이동문제를 해결할 수 있고 대형화가 용이한 내부 매니폴드 형식의 적층 기술을 채택하고, 연료 가스가 외부에서 공급되는 외부 개질형 스택으로 개발되고 있다.

100 kW급 MCFC 스택 설계에서는 사용되는 단위전지 전지 면적은 약 6000 cm2로서, 전극 제작에 사용되는 Tape casting 장치와 공정 조건을 고려하여 길이가 50∼53 cm로 정하고 이 때의 폭은 110∼115 cm 로 설정하였다.  100 kW의 전력을 얻기 위한 총 적층 수는 이전 시험한 스택의 성능 즉 전류-전압 데이터를 근거로 계산되는데, 125 mA/cm2의 부하에서 약 0.8 V를 얻는다고 보면 100 kW를 위해 필요한 전지 수는 약 170-180 장 정도가 된다. 현재 스택은 180장을 2개의 sub-stack으로 나누어 스택을 제작하여 시스템을 구성하는 것이 안정적일 것으로 판단된다.

한편 전지 반응에서는 전기 에너지 외에도 많은 양의 열이 발생(Qcell)하는데 발생된 열에 의해 스택 온도가 상승하게 된다. 연료 및 공기가 같은 방향으로 흐르는 co-flow 형태의 100 kW 스택은 출구 부분 온도가 최고로 상승하며 안정적 운전을 위해서는 출구 온도를 700□이하로 조절하여야한다. 출구온도 조절은 공기극에 공기를 주입하여 스택 출구를 냉각하게 되며, 공급량은 산소 이용률에 의해 결정 된다.  그림 1은 스택에 대한 overall heat balance로부터 예상되는 출구 온도를 얻은 결과이다.  외부 공급 공기(feed air)의 이용률 및 CO2의 이용률을 0.3으로 고정하였고, 스택 입구 가스 온도는 580□로 보았다.  대기압에서는 anode 가스 이용률을 0.4 정도로 낮추었을 때 50 □/□ 정도의 부하 운전이 가능할 것으로 예상된다.  그림1을 참고로 125 □/□ 부하에서는 약 0.4의 recycle ratio, 150 □/□에서는 약 0.5의 recycle ratio로 출구 온도를 680□ 이하로 유지할 수 있다.  한편 정상 운전에서는 연료 이용 경제성을 위해 연료 이용률을 0.8로 하여 운전하게 되는데 이때 스택 출구 온도를 680□ 이하로 조절하려면 부하 조건 125 mA/cm2인데, 공기 이용율 0.2 이하로 맞추어 주어야한다. 이 때 발생되는 과도 차압을 방지하기 위하여 시스템 운전 압력을 증가시키고 공기극 가스를 재 순환시켜 냉각에 필요한 유량을 확보하는 가압 운전 방식을 채택하게 된다. 가압 시 125 mA/cm2의 부하 조건에서 예상되는 출구 온도를 맞추기 위하여 공기 이용률을 0.3으로 제한 할 때에 필요한 공기극 리싸이클 비율은 약 0.5이다.

그림 .  Stack outlet temperature from overall heat balance

(left = atmospheric operation / right = pressurized operation)

이들 모두를 정리한 스택 설계 및 운전 조건을 정리하면 표 1과 같게 된다.

분리판은 여러 개의 단위전지를 전기적으로 직렬로 연결하고 또한 각각  단위전리를 분리하며, 반응가스가 전달되는 통로가 설치된다.  스택 입 출구에는 반응가스를 분배하는 manifold가 존재한다.  내부 manifold 형MCFC 스택에서는 분리판 면적이 전극 면적보다 커지게 되며 이의 설계는 아주 중요하다.  연료전지 반응에서는 산소 대신 공기를 사용함에 따라 공기극 유량이 연료극 유량보다 아주 크게 되며, 공기극에서는 수소 반응량의 1.5배(몰 기준)에 해당하는 가스가 소모되고, 연료극에서는 수소 반응량에 해당하는 가스량 증가가 진행된다.

Table 1. Specification of the 100 kW stack and its operating condition

변수	설정치 또는 예상치
Manifold 형태	내부 manifold
가스 흐름	Co-flow
전지 면적	6000 cm2 (길이 53 cm)
스택 적층 수	90/stack □ 2 stacks
연료극 가스	H2:CO2=4:1 + Steam 30%
공기극 가스	O2:CO2=1:2 (공기 사용)
수소 이용률	0.4 (상압시), 0.8 (가압시)
산소 이용률	0.3
공기극 가스 리싸이클 비	0.5 (가압시)
부하 전류 밀도	50∼75 mA/cm2 (상압), 125 mA/cm2 (가압)
입구 가스 온도	580□
출구 가스 온도	680□ (목표치)
운전 압력	1∼5 기압
예상 출력	46∼66 kW (상압 운전시), 102 kW (가압 운전시)

Anode와 Cathode의 전극 크기가 같을 경우 protrusion이 같은 위치에 있어서 전극에 집중 응력이 발생할 우려가 있으므로 한 쪽의 면적을 크게 한다.  100 □ 스택 분리판의 길이는 약 130 □, 폭은 80∼85 □로 예상된다.  분리판 길이가 증가한 것은 전극 길이가 증가함에 따른 결과이며 현재의 분리판 표면 처리 장치(Ni 도금 및 Al 코팅)들의 유효 면적을 고려한 것이다.  분리판 폭은 manifold 크기와 wet seal 부 크기에 의해 결정된다.  전극 및 분리판 면적비와 관련된 주요 설계 변수는  전극 반응 면적 / 분리판 전체 면적, 매니폴드 총 면적 / 분리판 전체 면적, Aspect ratio (길이 / 폭), Wet seal 폭 등으로 생각된다.  분리판 면적에 대한 전극 면적비는 클수록 좋은데, 이는 불필요한 부분을 최소화함에 따른 경제적인 측면 뿐만 아니라 특히 MCFC에서 부식에 취약한 wet seal 부위를 줄여서 장기 성능 유지에 도움이 되기 때문이다.  매니폴드 면적은 클수록 매니폴드에서의 압력 강하가 줄어서 유량 분배에 유리하지만, wet seal 부에서 matrix의 안정성은 줄어든다.  전극의 aspect ratio는  Aspect ratio가 커질수록 전극의 가스 통로 길이가 짧아져서 전극에서의 □P가 줄어들지만 wet seal 부 면적은 커지게 된다.  매니폴드 사이 간격(wet seal 폭)은 가능한 한 작을수록 wet seal 면적을 줄여서 유리하지만 matrix의 안정성과 gas sealing이 유지되는 적절한 크기가 되어야 한다.

한편 분리판 설계에 직접 관계되는 것은 유체 속도와 Reynolds number인데 이를 계산하기 위해서는 가스 통로 단면적이 주어져야 한다.  전극판 위를 흐르는 가스의 통로 높이를 1.2 mm, 폭은 120 cm로 가정하고, 각 manifold는 직경 41 mm, 중심부 거리가 35 mm인 타원형이라고 보았을 때의 가스 유동 속도를 계산하였다. 계산 결과에 의하면 manifold에서의 가스 유동 속도가 전지 통로 내부에서보다 매우 크고 laminar flow와 turbulent flow의 전이 영역에 있음을 알 수 있다.  실제 부하 운전 시 입 출구 가스 유량 변화보다 양극/음극 가스 유량 차이가 매우 심하므로 이를 고려하여 manifold 크기를 결정하여야 한다.

2-3. 스택 구조 선정

100 □ 스택의 총 적층 수는 각 전지의 성능에 좌우되며, 대면적 전지 성능은 작은 단전지 실험 결과와 약간 차이가 있으며 편차가 존재한다.  전지 180장을 하나의 스택으로 구성하는 것은 설치 과정에서 위험 요소가 있으므로, 50 □급 90장 스택을 2단으로 하나의 가압 용기 안에 설치하는 것이 바람직하다.   그림 4는 50 kW 스택 2단으로 구성하는 가압 용기내의 스택 설치 예상도이다.

그림 .  50 kW sub-stack 형태 및 가압 용기 내 설치 예상도

스택 내에서의 가스 흐름은 역 U-shape인으로 선정하여 매니폴드에서의 압력 강하가 작을 때에 유량 분배에 유리하고, 구조적으로는 간단하고 안정되게 설계하였다. 스택은 적층 후 clamping하여 일정한 압력을 가한 후에 단열재로 보온하고 별도의 설비에서 전처리 한다.  스택에 가하는 적정 면압은을 위한 pressing 방식은 both-end pressing으로 header를 스택 중앙에 고정시키게 되면 자중에 의한 면압 증가 요인은 줄어들게 된다.

내부 매니폴드 구조의 스택에서는 매니폴드 크기와 유량에 따라 □P가 변하며, 이에 의해 각 전지로의 유량 분배가 영향을 받는다.  일반적으로 적층 수가 50장 이내일 경우는 매니폴드 부분에서의 압력 변화가 크지 않으나 적층 수가 100장에 가까우면 매니폴드 크기에 따라 압력 변화가 커질 수 있다.  은 실제 매니폴드 구조에서의 압력 강하 요인을 고려하지 않으므로 정확한 계산이 어렵다.   매니폴드 형상은 직선부에서 matrix 균열이 잘 발생한다는 점 때문에 원형이 안정이지만 이 경우 분리판에서 매니폴드 개수가 늘어나므로 용접 시간이 걸리며 wet seal 면적이 증가하게 된다.  따라서 길게 늘어진 원형(oblong) 형태가 많이 적용된다.

3. 결론

1999년에는 6,000□ 급 단위전지를 이용한 25 kW 스택 설계 및 운전경험을 바탕으로 외부 개질형 100 kW급 MCFC 스택에 대한 기본 설계를 시작하고 이를 위한 각종 변수를 분석하였다. 100 kW급 MCFC 발전 시스템 개발에 있어서 선행 25 □ 스택 분리판의 구조 및 설계 치수를 기본형으로 하여 스택 분리판의 기본 스펙을 설정하였고, 또한 스택 구조 등과 관련하여 다양한 변수요인을 검토하고 검증하였다. 100 □용 sub-stack은 적층 수가 두 배 이상 증가하는 것이 25 □ 스택에 비해 가장 큰 차이 인데, 이에 따른 압력 변화 및 유량 분배를 해석한 결과 어느 정도의 유량 분배 편차는 존재할 것으로 예상되지만 전체 스택 성능 유지에 큰 장애가 되지는 않을 것으로 판단한다.  스택 적층 수 증가에 따른 하중 및 응력 분포에 대한 안정성은 충분할 것으로 보이며, 가장 중요한 것은 분리판 제작 시 정밀도 유지를 위한 공정 개선 및 품질 관리인 것으로 보인다.

4. 참고문헌

[1]고준호, 임희천, "100kW급 MCFC 스택 분리판 설계 기본안", 한전 전력 연구원, TM 01EC01.       P20001.270 (2001)