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문제 정의
- 본 논문에서는 2 개의 모듈로 구성된 5kW급 SOFC 시스템의 운전결과를 정리하였다. 15 × 15cm2 크기의 64 장 전극을 적층한 모듈 2 개를 병렬로 연결하여 수소를 이용한 성능시험 및 도시가스를 이용한 시스템의 자열운전시험을 수행함으로써 5kW SOFC 시스템의 운전 특성을 분석하였다.
- 가정용 및 상업용을 목표로 개발한 5 kW급 시스템은 15 × 15cm2 크기의 단전지를 이용한 2개의 모듈로 구성이 되었는데, 5kW 스택 운전에 앞서 15 × 15cm2 크기의 15 장 전극으로 구성된 모듈 2개를 병렬로 연결하여 스택 및 시스템 설계의 타당성 확인을 위한 예비실험을 수행하였다5). 본 논문에서는 2 개의 모듈을 이용하여 제작된 5kW급 SOFC 스택 및 시스템 운전결과를 정리하였다.
제안 방법
- 15 × 15cm2 크기의 64 장 전극을 적층한 모듈 2 개를 병렬로 연결하여 수소를 이용한 성능시험 및 도시가스를 이용한 시스템의 자열운전시험을 수행함으로써 5kW SOFC 시스템의 운전 특성을 분석하였다.
- 3) 도시가스를 연료로 공급하고 시스템 내부에서 발생되는 열만을 이용한 자열운전 조건으로 5kW 시스템을 운전하였다. 각 모듈에 60A 전류 인가 시 전체 스택출력은 약 5.
- SOFC 단전지를 제작하기 위해서 먼저 NiO와 8 mol% YSZ(yttria-stabilized zircornia) 분말을 일축 가압 방법으로 성형하고 1400℃에서 1 시간 동안 열처리를 하여 연료극 지지체를 제조하였다. 가소결된 지지체 위에 연료극 기능층(functional layer)과 YSZ 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다.
- SOFC 단전지를 제작하기 위해서 먼저 NiO와 8 mol% YSZ(yttria-stabilized zircornia) 분말을 일축 가압 방법으로 성형하고 1400℃에서 1 시간 동안 열처리를 하여 연료극 지지체를 제조하였다. 가소결된 지지체 위에 연료극 기능층(functional layer)과 YSZ 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다. 전해질이 코팅된 시편에 공기극 물질인 LSCF ((La0.
- 가정용 및 상업용을 목표로 개발한 5 kW급 시스템은 15 × 15cm2 크기의 단전지를 이용한 2개의 모듈로 구성이 되었는데, 5kW 스택 운전에 앞서 15 × 15cm2 크기의 15 장 전극으로 구성된 모듈 2개를 병렬로 연결하여 스택 및 시스템 설계의 타당성 확인을 위한 예비실험을 수행하였다5).
- 전처리가 끝난 스택의 연료극에는 MFC를 이용하여 수소와 질소를 공급하였고, 공기극에는 블로워를 이용하여 공기를 공급하였다. Table 2는 수소를 이용한 성능평가 시 하나의 모듈에 공급된 반응물 공급량을 나타내고 있으며, 2 개의 모듈에 대해 동일한 유량으로 각각 반응물을 공급하였다.
- 성능평가에 앞서 고온박스 내부의 전기로를 이용하여 온도를 올리면서 정해진 절차에 따라 단계적으로 스택 제조 시 사용된 밀봉재와 바인더 등의 유기물을 제거한다. 그리고 수소 및 공기를 주입하면서 연료극과 공기극이 정상적으로 성능을 낼 수 있도록 전처리 과정을 수행하였다. 전처리를 위한 반응물 공급은 별도의 MFC(mass flow controller) 모듈을 이용하였으며, 전처리 시 스택에 일정한 면압을 가함으로써 스택의 밀봉 및 전기적 접촉성을 향상시키는 과정도 함께 실시되었다.
- 수소 운전과 달리 천연가스를 이용한 성능시험에서는 반응물 예열과 수증기 생성 및 연료개질에 필요한 열을 모두 고온의 배기가스와 스택 발생열을 이용하여 적절히 공급해야만 한다. 다양한 반응 조건과 상황에 따라 각 부위의 온도를 제어하기 위하여 스택 배기라인 주요 부분에 밸브를 설치하여 압력차이로 배기가스의 유량을 조절함으로써 주요 부위의 온도를 제어할 수 있도록 설계하였다. 이때 스택 및 시스템 주요 부위에는 열전대와 압력센서를 이용하여 내부 상황을 계측하였다.
- 수소를 이용한 스택 성능평가를 완료한 후 도시가스를 이용한 시스템 자열운전을 수행하였다. 단계적으로 수소 유량을 줄이면서 도시가스로 전환한 후, 스택 및 시스템 주요부위의 온도를 점검하며 전기로의 전원을 차단하고 고온박스 내부의 연소열을 이용한 자열운전 조건을 확인였다. 이때 각 모듈별로 공급된 반응물 양은 Table 3과 같고, 60 A 인가 시 스택 상부가 약 760～785℃, 하부가 약 690～700℃ 정도를 보였으며, 수증기개질기의 온도는 약 680～700℃, 예개질기 온도는 약 300℃ 정도가 되었다.
- Table 3은 도시가스를 이용한 성능 시험 시 하나의 모듈에 공급된 반응물의 양을 나타내고 있다. 도시가스를 이용한 성능평가는 전기로의 전원을 차단하고 시스템 내부에서 발생되는 열을 이용한 자열운전 조건으로 수행되었다. 운전 시 탄소침적을 억제하기 위해 수증기와 탄소 비율을 약 3.
- 상대적으로 성능이 우수한 stack #1(왼쪽 모듈) 의 전류량을 80A까지 인가하면서 스택 전압을 측정하였으며, Fig. 6은 그 결과를 보여주고 있다. Stack #1은 인가전류 80A에서 약 3.
- 성능시험은 전력변환장치를 이용하여 인가전류를 변화시키면서 스택 및 시스템의 출력을 측정하는 방법으로 수행되었다. 이 때, 2 개의 모듈을 전기적으로 병렬로 연결된 상태에서 2 개의 모듈에서 나오는 직류 전력을 각각 DC/DC converter가 병렬로 전압을 조정해 주고, 후단에 연결된 DC/AC inverter가 AC로 변환한 후 계통에 전력을 공급하도록 설계하였다.
- 이때 스택 및 시스템 주요 부위에는 열전대와 압력센서를 이용하여 내부 상황을 계측하였다. 수소 운전과 동일하게 전력변환장치를 이용하여 부하운전을 수행하였다.
- 수소를 이용한 스택 성능평가를 완료한 후 도시가스를 이용한 시스템 자열운전을 수행하였다. 단계적으로 수소 유량을 줄이면서 도시가스로 전환한 후, 스택 및 시스템 주요부위의 온도를 점검하며 전기로의 전원을 차단하고 고온박스 내부의 연소열을 이용한 자열운전 조건을 확인였다.
- 수소를 이용한 스택의 성능시험을 완료한 후 연료를 도시가스로 전환하고 성능시험을 수행하였다. 천연가스는 기화기에서 만들어진 수증기와 혼합되어 예개질기 및 수증기개질기에서 전환된 후 2 개의 모듈에 각각 공급되었다.
- 스택 및 개질기 입·출구 쪽에는 개질가스 조성분석을 위한 별도의 배관을 설치하여 운전 중 개질기의 상태를 확인하였다.
- 크기의 단전지를 이용한 2 모듈 스택으로 제작되었다. 시스템 상부의 고온박스에는 스택, 촉매연소기, 수증기 개질기, 열교환기 등의 고온에서 운전되는 구성품이 작동온도와 열용량에 따라 배치되어 효율적인 열관리가 이루어지도록 설계하였다.
- 스택을 비롯하여 작동온도가 높은 연료개질기, 촉매연소기, 기화기, 열교환기 등이 고온박스 내부에 위치하고 있으며, 2 모듈 스택이 병렬로 연결되도록 스택 거치대가 설치되었다. 연료개질기, 촉매연소기, 기화기, 열교환기 등은 각 모듈별로 구성이 되었으며, Fig. 3에서 보는 것과 같이 스택 모듈을 중심으로 작동온도 및 열용량을 고려하여 구성품이 설계되었다.
- 예개질기에서 1차적으로 개질이 된 연료는 다시 수증기개질기(steam reformer)에서 반응이 일어난 후 스택 모듈로 공급된다. 연료극 미반응 가스의 일부를 수증기개질에서 연소할 수 있는 장치를 추가하여 개질기 온도를 제어할 수 있도록 하였다.
- 도시가스를 이용한 성능평가는 전기로의 전원을 차단하고 시스템 내부에서 발생되는 열을 이용한 자열운전 조건으로 수행되었다. 운전 시 탄소침적을 억제하기 위해 수증기와 탄소 비율을 약 3.0 이상으로 유지하도록 물을 공급하였다6). 탄소침적이 발생할 경우 개질기 및 스택에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 저울을 이용하여 수시로 공급되는 물의 양을 확인하였다.
- 성능시험은 전력변환장치를 이용하여 인가전류를 변화시키면서 스택 및 시스템의 출력을 측정하는 방법으로 수행되었다. 이 때, 2 개의 모듈을 전기적으로 병렬로 연결된 상태에서 2 개의 모듈에서 나오는 직류 전력을 각각 DC/DC converter가 병렬로 전압을 조정해 주고, 후단에 연결된 DC/AC inverter가 AC로 변환한 후 계통에 전력을 공급하도록 설계하였다.
- 다양한 반응 조건과 상황에 따라 각 부위의 온도를 제어하기 위하여 스택 배기라인 주요 부분에 밸브를 설치하여 압력차이로 배기가스의 유량을 조절함으로써 주요 부위의 온도를 제어할 수 있도록 설계하였다. 이때 스택 및 시스템 주요 부위에는 열전대와 압력센서를 이용하여 내부 상황을 계측하였다. 수소 운전과 동일하게 전력변환장치를 이용하여 부하운전을 수행하였다.
- 전기로를 이용하여 고온박스 내부 온도를 750℃로 유지하고 MFC 및 블로워를 이용하여 각 모듈별로 Table 2와 같이 수소 및 반응물을 공급하면서 2 모듈 스택에 대한 성능시험을 수행하였다. Fig.
- 전처리가 끝난 스택의 연료극에는 MFC를 이용하여 수소와 질소를 공급하였고, 공기극에는 블로워를 이용하여 공기를 공급하였다. Table 2는 수소를 이용한 성능평가 시 하나의 모듈에 공급된 반응물 공급량을 나타내고 있으며, 2 개의 모듈에 대해 동일한 유량으로 각각 반응물을 공급하였다.
- 그리고 수소 및 공기를 주입하면서 연료극과 공기극이 정상적으로 성능을 낼 수 있도록 전처리 과정을 수행하였다. 전처리를 위한 반응물 공급은 별도의 MFC(mass flow controller) 모듈을 이용하였으며, 전처리 시 스택에 일정한 면압을 가함으로써 스택의 밀봉 및 전기적 접촉성을 향상시키는 과정도 함께 실시되었다.
- 가소결된 지지체 위에 연료극 기능층(functional layer)과 YSZ 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다. 전해질이 코팅된 시편에 공기극 물질인 LSCF ((La0.6Sr0.4) (Co0.2Fe0.8)O3)를 스크린 프린팅 한 후 열처리를 하여 최종적으로 셀을 제조하였다.
- 0 이상으로 유지하도록 물을 공급하였다6). 탄소침적이 발생할 경우 개질기 및 스택에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 저울을 이용하여 수시로 공급되는 물의 양을 확인하였다.
대상 데이터
- 5kW급 스택은 15 × 15cm2 크기(유효면적 약 13.5 × 13.5cm2)의 64 장 전극으로 구성된 모듈 2 개로 구성되었다.
성능/효과
- 2) 15 × 15cm2 크기의 64 장 전극으로 제작된 모듈 2개를 병렬로 연결한 후 수소를 이용하여 750℃에서 운전한 결과 각 모듈에 60A 전류 인가 시약 6.0kW의 스택출력과 41.7%의 전력변환효율을 보였다.
- 3) 도시가스를 연료로 공급하고 시스템 내부에서 발생되는 열만을 이용한 자열운전 조건으로 5kW 시스템을 운전하였다. 각 모듈에 60A 전류 인가 시 전체 스택출력은 약 5.74kW이며, 전력변환기를 통해 220V의 AC로 변환된 시스템 출력은 약 5.12kW를 보였다. 시스템 AC 출력에서 운전을 위해 시스템 내부에서 소비된 전력을 제외한 시스템 발전효율은 약 30.
- 7%의 전력변환효율을 보였다. 각 모듈에 80A 전류 인가 시 전체 스택 출력은 약 7.1kW이며 약 49.3%의 스택발전 효율을 얻었다.
- 12kW를 보였다. 시스템 AC 출력에서 운전을 위해 시스템 내부에서 소비된 전력을 제외한 시스템 발전효율은 약 30.2%를 얻었다.
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