[논문]500W급 연료극 지지체 평판형 SOFC 스택의 운전특성

임탁형; 송락현; 신동열; 양정일; 정헌

500W급 연료극 지지체 평판형 SOFC 스택의 운전특성
Operation Characteristics of 500W Class Anode Support Planar SOFC Stack 원문보기

본 연구는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 200mm*200mm의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 5장을 적층하여 500W급 SOFC 스택을 제작하고, 이러한 스택의 운전특성을 분석한 연구이다. 도입된 500W급 SOFC 스택은 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템어에 사용되는 5kW급 SOFC 스택의 예비실험을 위한 것으로서, 본 연구의 목적은 상압 운전특성을 바탕으로 외국에서 시도된 적이 없는 평판형 SOFC 스택의 가압 운전기술을 확보하는 것이다. 이러한 목적을 위해 본 연구에서는 상압형 500W급 SOFC 발전시스템에 대한 구성과 설계, 전반적인 운전 특성평가 (5셀 스택 운전, 연료 전환 $(H_2{\rightarrow}pre-reformed\;gas)$, 500 시간 연속운전 등)가 이뤄졌다.

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문제 정의

따라서, 본 연구의 목적은 상압형으로 개발된 독일 율리히 연구소의 SOFC 스택을 도입해 운전시스템을 설계 및 제작하고, 연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템용으로 제작된 발 전 시스템에서 SOFC 스택을 상압 및 가압 운전하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 5kW급 SOFC 스택의 도입 전에 예비 실험으로서 500W급 SOFC 발전시스템에 대한 구성과 설계, 그리고 도입된 독일 율리히 연구소의 500W급 SOFC 스택에 대한 전반적인 운전 특성평가(5셀 스택 운전, 연료 전환 (H2 — pre-reformed gas), 500시간 연속운전 등)가 본 연구를 통해 이뤄졌다.
따라서, 본 연구의 목적은 상압형으로 개발된 독일 율리히 연구소의 SOFC 스택을 도입해 운전시스템을 설계 및 제작하고, 연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템용으로 제작된 발 전 시스템에서 SOFC 스택을 상압 및 가압 운전하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해 5kW급 SOFC 스택의 도입 전에 예비 실험으로서 500W급 SOFC 발전시스템에 대한 구성과 설계, 그리고 도입된 독일 율리히 연구소의 500W급 SOFC 스택에 대한 전반적인 운전 특성평가(5셀 스택 운전, 연료 전환 (H2 — pre-reformed gas), 500시간 연속운전 등)가 본 연구를 통해 이뤄졌다.

제안 방법

독일에서 도입된 율리히 500W급 SOFC 스택은 다양한 부품들로 이루어져 있는데, 이러한 부품을 조립해 스택을 구성하며, 스택 운전을 위한 장비들을 확인한다. 조립 후 공기극에 공기, 연료극에 질소를 주입한 후 스택을 가열한다.
본 연구에서는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 2*20000mmm m의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 5장을 적층하여 500W급 SOFC 스택을 조립하고, 연속 운전을 수행하여 운전 특성을 분석했다. 독일에서 도입된 SOFC 스택은 상압 운전 조건의 경우 매우 안정된 성능 특성을 나타냈으며, 개질기 연계 운전 시에도 안정적인 성능을 나타냈다.

대상 데이터

스택은 로 내부에서 adapter plate와 top plate 사이에 위치하게 되는데, adapter plate에서 기체 공급 pipe가 연결된다. Adapter plate는 DIN 1.4742 합금으로 만들어졌으며, 스택과 바닥 판은 유리-세라믹 밀봉재를 이용해 실링이 이뤄졌고, 스택 바닥 판과 adapter plate는 mica로 실링이 이뤄졌다. Adapter plate는 기체공급 설비와 스택을 연결해주며, 2개의 연료 주입구와 1개의 공기 배출구, 2개의 공기 주입구와 1개의 연료 배출구로 구성돼 있다.

성능/효과

본 연구에서는 독일 율리히 연구소에서 도입된 면적 2*20000mmm m의 연료극 지지체 평판형 SOFC 셀 및 금속 분리판 5장을 적층하여 500W급 SOFC 스택을 조립하고, 연속 운전을 수행하여 운전 특성을 분석했다. 독일에서 도입된 SOFC 스택은 상압 운전 조건의 경우 매우 안정된 성능 특성을 나타냈으며, 개질기 연계 운전 시에도 안정적인 성능을 나타냈다. 또한, 독일 율리히 연구소의 SOFC stack에 대한 상압 운 전 절차를 습득했으며, 상압형 SOFC 발전시스템에 바탕을 둔 가압 형 시스템에 대한 전반적인 운전기술을 획득할 수 있었다.
독일에서 도입된 SOFC 스택은 상압 운전 조건의 경우 매우 안정된 성능 특성을 나타냈으며, 개질기 연계 운전 시에도 안정적인 성능을 나타냈다. 또한, 독일 율리히 연구소의 SOFC stack에 대한 상압 운 전 절차를 습득했으며, 상압형 SOFC 발전시스템에 바탕을 둔 가압 형 시스템에 대한 전반적인 운전기술을 획득할 수 있었다.
또한, 스택 내부의 온도는 800℃, 활성 면적은 361cm2이다. 수소 대신 개질기와 연결해 개질 가스를 연료로 사용했을 경우 전체 SOFC 스택은 약 350W 정도의 출력을 나타내는 것으로서 수소를 연료로 사용했을 경우보다 약 50% 정도의 출력이 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 독일 율리히 연구소의 결과와 유사한 경우이며, OCV 의 경우 수소 운전 때보다 개질 가스 공급 시에 연료에 수분양이 증가했기 때문에 더 낮은 값을 나타내고 있다.

후속연구

실제 상압 운전에서 발생되는 않는 여러 가지 문제점들이 가압 운전에 나타날 수 있으며, 가압 스택 운전을 통해 상압형과 가압 형 스택의 차이점과 스택 설계상의 개선점이 도출될 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 여러 가지 구성 소재의 문제점, 특히 가압 조건에서 발생되는 가스 누출 현상의 방지책 마련 등이 있어야 할 것이다. 특히 중요한 것은 가압 스택의 운전 시스템 최적화 및 가스 압력제어의 효과적인 방안, 가압 임계 조 건의 선정 등이 이루어져야 할 것이다.

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