[논문]75kW 용융탄산염 연로전지[MCFC] 스택 운전 결과

강승원; 김범주; 김도형; 이정현; 김의환; 임희천

문제 정의

본고에서는 보령화력 발전소 연료전지 시험 동에서 2008년 11월에 설치되어 운전 시험을 진행한 75 kW급 MCFC short stack 운전 결과를 정리 한 내용이다.
특히 soft rail 형태의 내부 매니폴드형 분리 판을 개발하고 이에 대한 신뢰성 평가, 및 내부 유동 상태를 확인하였다. 이번 운전은 이러한 분리판을 사용해 적층 스택의 온도 및 농도 분포를 확인하고, 안정된 스택 운전 조건을 도출하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

제안 방법

75kW급 MCFC stack 전 처리 운전은 모의실험의 결과를 토대로 그 일정을 결정하였다. 전처리공정은 전극 등 구성요소 제작 시 사용된 불순물을 제거하고 공기극의 전극을 산화시키는 과정이다.
하지만 실제 용량이 커지면 제거되어야 하는 유기물 양도 많아지며 스택의 적층 수가 많아져 유량을 늘리는 것만으로는 불충분 할 경우가 많다. 75kW급 용융탄산염 연료전지의 전처리 운전에서는 유기물 제거 구간 및 전해질 용융 구간 등으로 구분하여 구간별 가스 조성 및 유량, 온도 유지 등 세심한 주의를 가지고 수행되었다. 75kW급 MCFC stack 전 처리 운전 시에는 스택 온도 300°C 유지 후 가스의 전환, 480°C 근처에서 전해질 용융 시점 등에 주의를 기울여 수행되었다.
각 구성요소별 기술 수준을 점검하고 개발 방향을 점검하기 위하여 125kW 스택을 제작하여 운전하기 전에 중간규모의 75kW급 MCFC short stack 을 제작 운전평가를 시행하였다.
셀 초기 스택 성능을 확인하기 위해 연료 극에는 수소, 이산화탄소 및 수증기의 부피비를 72:18:10 으로 공급하고, 공기극에는 이산화탄소와 공기의 부피 비를 30:70으로 공급하면서, 인버터 부하를 높여가면서 전압 및 출력을 측정하였다. 초기성능 시험은 75kW까지 부하 운전을 계획하였고, 부하를올려가면서 셀 평균 전압이 0.
스택은 초기에는 무부하 상태에서 스택의 특성을 확인한 후 483시간부터 초기 성능을 확인하기 위한 부하운전을 실시하였다. 초기 부하는 PCS를 통하여 DC 출력 기준으로 75kW까지 점차 증가 시켜 정부하 운전을 수행한 후 전류밀도를 낮추어 20~30kW의 출력을 유지하면서 장기성능을 시험하였다.
한편, 스택의 구성요소인 전극, 전해질, 매트릭스의 사양은 Table 1에 정리하여 놓았다. 전해질이 함침된 전극을 적용시켜 스택 처짐과 출력 성능의 개선을 꾀하였다.
부하운전을 실시하였다. 초기 부하는 PCS를 통하여 DC 출력 기준으로 75kW까지 점차 증가 시켜 정부하 운전을 수행한 후 전류밀도를 낮추어 20~30kW의 출력을 유지하면서 장기성능을 시험하였다. 스택의 운전시간 및 발전전력량을 Table 2 에 정리하였다.
전압 및 출력을 측정하였다. 초기성능 시험은 75kW까지 부하 운전을 계획하였고, 부하를올려가면서 셀 평균 전압이 0.7V 미만이 될 경우에는 추가로 부하를 가하지 않도록 운전을 진행하였다. 무부하 상태에서 스택의 전체 전압은 137V, 평균 전압이 L07V를 나타내었다.
구성되었다. 특히 soft rail 형태의 내부 매니폴드형 분리 판을 개발하고 이에 대한 신뢰성 평가, 및 내부 유동 상태를 확인하였다. 이번 운전은 이러한 분리판을 사용해 적층 스택의 온도 및 농도 분포를 확인하고, 안정된 스택 운전 조건을 도출하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

대상 데이터

75kW급 MCFC short stack은 10, 000cm² 유효 전극 면적을 갖는 단위 전지 128장으로 구성되었다. 특히 soft rail 형태의 내부 매니폴드형 분리 판을 개발하고 이에 대한 신뢰성 평가, 및 내부 유동 상태를 확인하였다.
Co-flow Type 형태로 되어 있다. 전극 구성요소로 Anode 전극은 Ni-Al alloy, Cathode 는 lithiated- NiO 그리고 매트릭스는 a-LiAI()2로 제작되고 전해질은 Li/K Carbonate가 68/32 비율로 섞 인 전해질을 사용하였다.

성능/효과

1, 487시간을 기준으로 스택 내부에서 가장 온도가 높은 영역은 반응 가스 흐름방향으로 3/4지점이 온도가 가장 높았고, 스택 내부에서 가장 낮은 온도는 583°C, 가장 높은 온도는 676°C로 93°C의 온도 차이를 나타내었다.
경향을 보여주었다. 또한 스택에서 부하 증가에 따라 출구 쪽 온도 차가 크게 증가하고 있음을 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과와 맞추어 볼 때 입구에서 출구 쪽 반응 가스 흐름 방향으로 3/4지점까지 온도분포는 가장 높게 나타나고 있음을 예측할 수 있었다.
5kW의 출력을 내고 있을 때, 전압분포를 나타낸 그림이다. 무부하 상태에서 평균 전압은 1.068V이었으며, 부하가 증가함에 따라 전압이 감소하여, 130mA/cm²의 전류밀도에서는 단위 전지의 평균 전압은 0.716V였다.
스택 전처리가 시작된 2009년 11월 27일부터 스택 해체 시점인 2009년 3월 30일까지의 운전 시간은 총 2, 892시간이고, 이중 부하운전 시간은 1, 890시간이었다. 발생된 총 전력량은 45.8MWh, 평균 출력(총 전력량/부하 운전 시간)은 24.23 kW 이었으며, 최대 출력은 78.5kW이었다. 스택 운전 기간 동안의 출력상황과 누적 출력량은 Fig.
스택에 가한 부하율이 저 부하에서 고 부하로 높아짐에 따라 스택 내부에서의 온도는 점점 증가하였으며, 전체적으로 온도측정용 분리판의 inlet 부에서 outlet부로의 유체 흐름 방향으로 온도가 증가하는 경향을 보여주었다. 또한 스택에서 부하 증가에 따라 출구 쪽 온도 차가 크게 증가하고 있음을 알 수 있었다.
스택에 가한 부하율이 저부하에서 고부하로 높아지면서라 스택 내부의 온도도 점차 증가하였으며, 전체적으로 온도측정용 분리판의 입구에서 출구로 즉, 유체 흐름 방향으로 온도가 증가하는 경향을 보여주었다. Fig.
또한 스택에서 부하 증가에 따라 출구 쪽 온도 차가 크게 증가하고 있음을 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과와 맞추어 볼 때 입구에서 출구 쪽 반응 가스 흐름 방향으로 3/4지점까지 온도분포는 가장 높게 나타나고 있음을 예측할 수 있었다.

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