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문제 정의
- 본 연구는 SOFC 스택이 안정적으로 운전이 가능한 제어 범위 내에서 정격 출력으로 운전하도록 시스템을 설계, 제작하였으며 정격 운전시 feed-back 제어를 통해 안정적으로 상태를 유지하도록 하여 시스템의 장기 신뢰성 및 자동제어 알고리즘의 안정성을 확인하였다. 또한 지금까지 on/off가 불가능하거나 어렵다고 알려진 SOFC 스택의 운전 특성을 시스템 수준에서 H/W와 시스템 제어 알고리즘이 반영된 F/W를 통해 on/off 운전이 가능함을 확인하고자 하였다.
- 본 연구는 SOFC 스택이 안정적으로 운전이 가능한 제어 범위 내에서 정격 출력으로 운전하도록 시스템을 설계, 제작하였으며 정격 운전시 feed-back 제어를 통해 안정적으로 상태를 유지하도록 하여 시스템의 장기 신뢰성 및 자동제어 알고리즘의 안정성을 확인하였다. 또한 지금까지 on/off가 불가능하거나 어렵다고 알려진 SOFC 스택의 운전 특성을 시스템 수준에서 H/W와 시스템 제어 알고리즘이 반영된 F/W를 통해 on/off 운전이 가능함을 확인하고자 하였다.
- 시스템 신뢰성을 높이기 위해 시스템 및 BOP의 제어 범위를 넓히고자 하였다. 제어 범위가 좁 았던 일부 H/W를 개선하였고 이를 구현하기 위해 변경된 조건에 대해 각 BOP의 제어 범위를 재설 정하고 이를 바탕으로 일부 BOP를 변경하였다.
제안 방법
- 이 구간에는 FTC 2회와 E-stop 2회가 포함되어 있다. FTC와 E-stop 시에는 제어 조건이 급격히 변화하게 되는데 개질기 촉매와 스택 전극을 보호하여 시스템의 성능을 유지하기 위해 시스템 H/W와 F/W로 구현된 S/W로 대응하였다. 현재, 복구 시간이 짧은 E-stop은 시스템 성능에 미치는 영향이 적으나 복구 시간이 긴 E-stop은 단기 성능에 미치는 영향은 적으나 장기 성능에는 영향을 미치는 것으로 판단하였다.
- 스택을 포함한 고온 BOP로 구성된 hot box와 펌프 및 제 어보드와 같이 상온에서 동작하는 저온 BOP로 구성된 cold box로 시스템을 구성한 후 3D 모델링을 통해 모든 부품의 배치와 연결 상태를 확인 하였다. Hot box와 cold box는 기체 배관, 신호선, 연료 전지 전력선으로 연결되고 인버터와 시스템 제어기는 시스템 내부에 설치하여 시스템 전체를 1개의 모듈로 제작하였다.
- 시스템 on/off는 스택 온도를 기준으로 하는 thermal cycle, 부하 운전 중 여러 가지원인으로 인 버터가 갑자기 꺼지는 load trip, 부하 운전 중 연료, 전원이 동시에 차단되어 자연 냉각이 되는 E-stop으로 구분할 수 있다. Thermal cycle은 시스템이 꺼져 스택온도가 하강할 때 가장 낮은 온도를 기준으로 구분하였으며 200℃를 기준으로 최저 온도가 높을 때 fast thermal cycle (FTC), 낮을 때 deep thermal cycle (DTC)로 정의하였다.
- 개질반응을 위해 공급하는 물은 최초 승온 시에는 물탱크에서 공급하였으며 부하 운전이 시작 되면 스택에서 전기화학반응에 의해 생성되는 물이 물탱크에 보충되었으며 과잉의 물은 일정 수위에 도달하면 외부로 배출하여 시스템이 안정성을 유지하도록 하였다. 위의 방법을 통해 부하 운전 중에는 물 보충 없이 재활용되는 물에 의해 시스템을 운전하였다.
- 운전 초기부터 운전 종료 시까지 승온 및 감온 구간을 제외한 정격 운전 조건에서 연료이용률은 70-80% 범위를 유지하였다. 기체 유량이 MFC가 아닌 비례제어 밸브에 의해 제어되므로 세밀한 유량 제어가 불가능하여 유량은 허용 가능한 유량 범위를 정하고 그 범위를 유지하도록 제어하였다.
- 제어 범위를 넓히 기 위한 구조 변경 이외에 버너 내구성을 높이기 위한 구조 변경도 병행하였다. 내구성을 높이기 위한 표면 처리 및 구조 변경 결과 시스템 기준 약 4,500시간, 이 때 사용한 버너 기준 약 5,000시간 동안 문제없이 운전하였다.
- 대부분 점화는 불꽃 점화 방법을 사용하였으며 부하 운전 시간까지 승온 시간은 19-155시간까지 조절하였다. 승온 시간 단축은 스택의 승온 시간에 의존하였다.
- 두 시스템의 BOP와 P&ID는 동일하며 배열 회수 모듈과 통합 제어기를 룸 콘트롤러가 제어하도록 하였다.
- 제어를 위한 시스템 소비 전력보다 발전량이 적 거나 발전을 하지 않는 승온이나 감온 시에는 계통 전력으로 구동하였다. 발전량이 시스템 소비 전력보다 클 때는 계통으로 역송전하도록 하였다.
- 열원가스는 개질 반응, anode와 cathode로 공급되는 기체의 예열에 이용한다. 버너 하나 만으로 승온, 정격 운전이 가능하도록 시스템을 설계하여 스택 온도 700-750℃에서 시스템을 운전하였다.
- 버너가 시스템 전체에서 유일한 열원이므로 버너의 운전 가능 범위에 따라 시스템의 운전 가능 범위가 정해진다. 버너의 운전 범위를 넓히기 위해 승온, 정격 운전 및 정지 조건에 따라 버너로 유입되는 가스의 조건을 분석하여 연소실 구조 및 염공 규격을 최적화하고 그에 따른 제어 범위를 설정 후 제어 방법을 설계하였다.
- 총 가동률은 정비 등의 이유로 시스템 정지시간에 영향을 받는다. 본 연구에서 정비를 위한 DTC는 2회가 있었으며 그중 1회는 휴일을 포함 하여 7일이었다.
- 본 연구에서는 시스템의 P&ID는 크게 변화하지 않는 범위에서 일부 H/W를 변경하였고 제어 조건 변경을 위해 일부 BOP를 교체하고 변경된 H/W 및 BOP 조건을 포함한 제어 알고리즘을 통해 시스템의 신뢰성을 높였다.
- SOFC는 저온형 연료전지와 달리 연료가 차단 되고 버너가 꺼지더라도 SOFC 스택은 운전 온도를 유지하기 때문에 적절한 제어를 통해 다시 부하운전이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 조건을 FTC로 정의하고 200℃를 기준으로 DTC와 구분 하였다. 추후 즉시 운전이 가능한 조건과 승온이 필요한 조건으로 세분할 계획이다.
- 수회 운전 결과를 통해 버너의 최고 온도를 950℃, 스택 상단 최고 750℃로 제한하고 스택 입-출구 온도 차, 스택 상-하단 온도차를 일정 범위 내로 유지하면서 운전하였다.
- 시스템을 구성하는 BOP를 결정하고 모든 BOP의 운전 조건을 확인하여 제어 가능 범위 내에서 운전이 가능하도록 P&ID를 설계하였다. 스택을 포함한 고온 BOP로 구성된 hot box와 펌프 및 제 어보드와 같이 상온에서 동작하는 저온 BOP로 구성된 cold box로 시스템을 구성한 후 3D 모델링을 통해 모든 부품의 배치와 연결 상태를 확인 하였다. Hot box와 cold box는 기체 배관, 신호선, 연료 전지 전력선으로 연결되고 인버터와 시스템 제어기는 시스템 내부에 설치하여 시스템 전체를 1개의 모듈로 제작하였다.
- 01으로 시스템 운전을 하여 출력과 효율을 확인할 수 있었으나 hot box의 크기와 정비의 용이성을 위해 기능별로 상자형 모듈을 구성한 cold box에서 BOP 위치에 따른 손실이 발생하였다. 시스템 v.02는 기능별 상자형 모듈을 3차원 모듈 구조로 BOP를 배치하여 열손실을 감소시켜 발전효율과 열효율을 높여 인증기관 테스트와 장 시간 운전을 하였다. 두 시스템의 BOP와 P&ID는 동일하며 배열 회수 모듈과 통합 제어기를 룸 콘트롤러가 제어하도록 하였다.
- 시스템 설계 단계에서부터 양산을 고려하여 양 산 중인 부품을 우선 고려하였고 양산 부품의 적용 이 어려우면 기존 양산 금형 적용을 우선적으로 검토하였다. 시스템 규격이 확정되지 않은 상태이어서 새로운 부품에 대한 금형 개발은 진행하지 않았으나 기존의 양산 금형을 기준으로 설계하였다.
- 시스템 설계 단계에서부터 양산을 고려하여 양 산 중인 부품을 우선 고려하였고 양산 부품의 적용 이 어려우면 기존 양산 금형 적용을 우선적으로 검토하였다. 시스템 규격이 확정되지 않은 상태이어서 새로운 부품에 대한 금형 개발은 진행하지 않았으나 기존의 양산 금형을 기준으로 설계하였다.
- 시스템 신뢰성을 높이기 위해 제어 관련 추가 사항을 반영한 제어보드의 H/W를 수정을 하였고 시스템 BOP 및 제어보드의 H/W 수정 내용, 제어 알고리즘 개선 사항을 F/W로 구현하여 시스템의 신뢰성을 높이고자 하였다.
- 시스템 정비시간을 제외한 시스템 운전시간에 대한 발전시간을 발전 가동률, 정비시간을 포함한 전체 기간에 대한 발전 시간을 총 가동률로 구분 하였다. 발전 가동률은 승온 및 냉각시간이 가장 큰 영향을 미치며 운전 중 에러 발생에 의한 FTC, load trip, E-stop 등에 의한 시간도 포함되므로에 러 발생이 적을수록 발전 가동률은 높아진다.
- 시스템을 구성하는 BOP를 결정하고 모든 BOP의 운전 조건을 확인하여 제어 가능 범위 내에서 운전이 가능하도록 P&ID를 설계하였다.
- 시스템을 제어하기 위한 제어 보드는 설계 단계 에서부터 인증 규격에 적합하도록 설계-제작되었으며 제어 보드의 크기 등은 기존 양산 중인 다른 제품의 제어 보드 규격과 동일하게 설계하여 제어 보드 케이스 등의 중복 투자를 미연에 방지하도록 하였다.
- 시스템의 모든 사양은 설계 단계부터 양산 부품을 우선 적용하였고 제어 알고리즘 또한 연료전지 검사 기준인 KGS AB934를 최대한 반영하였다.
- 시험은 인증규정인 KGS AB934에서 제시하는 방법과 동일하게 정격 유지상태에서 1시간씩 3회(총 3시간) 측정하였고 시스템의 소음과 연소 배가스 분석, 시스템 내부 부품의 온도 변화 측정을 병행하였다. 발전 및 수전 전력과 배가스 중 CO를 전체 운전시간에 대해 Fig.
- 실제 설치 현장과 달리 본 연구에서는 on/off에 따라 밀봉재를 포함한 스택의 성능 유지 여부와 시스템 제어를 우선으로 하였으며 200℃ 이하에서는 구성 물질의 열팽창 계수 차이로 인한 영향이미미하다고 판단하여 200℃를 기준으로 DTC와 FTC를 구분하였다. 추후 필드 테스트에서는 DTC와 FTC의 기준을 다른 온도로 설정할 예정이다.
- 시스템 총 운전 시간은 4,515시간, 승온, 감온 및 무부하 운전을 제외하고 정격 운전을 포함한 부하 운전은 3,852시간이었다. 운전 시간에는 전술한 것과 같이 제어에 의한 thermal cycle, load trip, E-stop을 포함하여 총 26회의 on/off가 있었으며 마지막 시스템 정지 시까지 정격출력을 확인 하였다.
- 2에 나타내었다. 운전시간 동안 스택 및 BOP 교체는 없었으며 시스템 안정성을 높이고 제어 조건 변화를 위해 배관 일부를 수정하였다. 계 통과 연계된 부하 그래프와 온도 그래프가 일치 하지 않은 것은 장시간 운전의 마지막 구간에서 온도 기록이 꺼졌기 때문이다.
- 개질반응을 위해 공급하는 물은 최초 승온 시에는 물탱크에서 공급하였으며 부하 운전이 시작 되면 스택에서 전기화학반응에 의해 생성되는 물이 물탱크에 보충되었으며 과잉의 물은 일정 수위에 도달하면 외부로 배출하여 시스템이 안정성을 유지하도록 하였다. 위의 방법을 통해 부하 운전 중에는 물 보충 없이 재활용되는 물에 의해 시스템을 운전하였다.
- 3에 나타내었고 성능 측정 구간은 상자로 표시한 구간이다6). 정 격운전은 약 10시간 유지하였으며 정격 운전 조건 도달 후 KSG AB934에서 제시한 안정화 시간 이 경과한 상태에서 1시간씩 3회, 총 3시간 측정하였다.
- 정격 부하 운전을 포함하여 전체 운전 시간 중 가스와 계통이 동시에 차단되어 시스템이 자연 냉각 상태로 넘어가는 상황을 E-stop으로 분류하였다. 본 연구의 시스템은 연료전지 제품 검사 규격인 KGS AB934를 기준으로 설계하였으며 동 규 격에 따라 연료인 도시가스 공급이 중단되거나 계통이 차단(정전)되면 시스템의 가스와 전원이 동시에 차단되도록 제작되어 있다.
- 정격 운전 구간에서는 계통으로 보내는 잉여전력을 최대화하기 위해 수전전력을 최소화하도록 제어 알고리즘을 구성하여 시스템의 경제성이 확보되도록 하였다. Fig.
- 시스템 on은 룸컨트롤러에서 수동 조작에 의해 제어보드에 설치된 F/W를 가동시켜 시스템이 자동으로 점화 – 승온 – 정상 상태 – 감온 – 정지가 진행된다. 정상 상태에 도달하면 feed-back 제어를 통해 10시간 유지 후 제어 조건 하에서 감온이 진행되고 설정된 조건에 도달하면 시스템이 꺼지도 록 하여 1회의 thermal cycle을 구성하였다.
- 시스템 신뢰성을 높이기 위해 시스템 및 BOP의 제어 범위를 넓히고자 하였다. 제어 범위가 좁 았던 일부 H/W를 개선하였고 이를 구현하기 위해 변경된 조건에 대해 각 BOP의 제어 범위를 재설 정하고 이를 바탕으로 일부 BOP를 변경하였다.
- 버너는 항상 고온을 유지하므로 고온 산화가 가장 심하게 진행되는 부품이다. 제어 범위를 넓히 기 위한 구조 변경 이외에 버너 내구성을 높이기 위한 구조 변경도 병행하였다. 내구성을 높이기 위한 표면 처리 및 구조 변경 결과 시스템 기준 약 4,500시간, 이 때 사용한 버너 기준 약 5,000시간 동안 문제없이 운전하였다.
- 장시간 시스템과 동일한 시스템에 대해 공인 기관 중한 곳인 한국가스안전공사에서 공인 검 사 규격인 KGS AB934에 의해 시스템 성능을 측정하였다. 측정 항목은 발전효율, 열효율, 소음, 배가스 조성이었다.
대상 데이터
- 시스템은 제어보드와 별도로 설치된 룸컨트롤러를 사용하여 on/off를 하였다. 룸컨트롤러는 당사에서 사용하는 양산제품을 사용하였다.
- 본 연구에 사용한 인버터는 700 W 시스템에 최 적화되지 않은 상태로 스택의 DC 출력과 계통과 연결된 인버터의 AC 출력의 비로 표시하는 인버터 효율은 88-90% 범위였다. 상용화된 연료전지용 인버터 효율이 91-93%임을 감안하여 700 W에 최적화된 인버터를 적용하면 시스템 발전 효율은 수 % 높아질 수 있다.
이론/모형
- 정격 부하 운전을 포함하여 전체 운전 시간 중 가스와 계통이 동시에 차단되어 시스템이 자연 냉각 상태로 넘어가는 상황을 E-stop으로 분류하였다. 본 연구의 시스템은 연료전지 제품 검사 규격인 KGS AB934를 기준으로 설계하였으며 동 규 격에 따라 연료인 도시가스 공급이 중단되거나 계통이 차단(정전)되면 시스템의 가스와 전원이 동시에 차단되도록 제작되어 있다.
- 장시간 시스템과 동일한 시스템에 대해 공인 기관 중한 곳인 한국가스안전공사에서 공인 검 사 규격인 KGS AB934에 의해 시스템 성능을 측정하였다. 측정 항목은 발전효율, 열효율, 소음, 배가스 조성이었다.
성능/효과
- 3회의 thermal cycle 동안 시스템은 안정적으로 작동하였으며 스택 수명에 영향을 미치는 문제점은 발견되지 않았다.
- 4,500시간 동안 200℃ 이하로 내려가는 DTC은 6회, 200℃ 이상에서 다시 온도를 상승시킨 FTC 4회이며 제어에 의하지 않은 load trip 16회, E-stop 6회로 중복되는 횟수를 정리하면 총 26회의 on/off가 있었고 최종 정지 시까지 스택 출력이 정상임을 확인하였다.
- 장시간 운전 기간 동안 E-stop은 총 6회가 있었으며 계통이 차단되므로 load trip과 동시에 발생하며 원인 해소 후 시스템 복구 시간에 따라 thermal cycle로 이어지기도 한다. 6회의 E-stop 중 FTC로 2회, DTC로 2회 연결되었으나 시스템을 완 전히 정지하지는 않고 다시 승온시켜 운전을 지속 하였으며 재운전시 정격 성능이 유지됨을 확인하였다.
- 본 연구의 시스템은 운전 시작 후 10-50시간 후에 부하 운전이 가능하며 다양한 에러에 대해 스택 상태를 유지하면서 재가동이 가능하도록 안전하게 자동으로 정지할 수 있다. 시스템 기준으로 승온 시간이나 감온 시간은 1시간까지 단축할 수 있으나 스택을 구성하는 세라믹 물질의 특성에 의존하여 시간 단축은 크게 제한된다.
- 본 연구에 사용한 인버터는 700 W 시스템에 최 적화되지 않은 상태로 스택의 DC 출력과 계통과 연결된 인버터의 AC 출력의 비로 표시하는 인버터 효율은 88-90% 범위였다. 상용화된 연료전지용 인버터 효율이 91-93%임을 감안하여 700 W에 최적화된 인버터를 적용하면 시스템 발전 효율은 수 % 높아질 수 있다.
- 3까지 개선하여 시스템 안정성을 높일 수 있 었다. 시스템을 완전히 정지시킨 총 5번의 thermal cycle 중 4번째 thermal cycle (5th DTC)이 가장 장시간 운전을 하였으며 그 시간은 시스템 2,914시간, 부하운전 2,850시간이었다.
- DTC는 장시간 정지 및 유지 보수에 해당하는 운전 조건이다. 시스템을 완전히 정지한 DTC는 3회였으며 이 때 제어 안정성을 높이기 위해 일부 배관을 수정하였고 스택을 포함한 hot BOP는 초기 상태를 유지하였다. 그 외에 5회의 DTC는 외부 요인에 의해 시스템이 정지상태로 들어가 스택 온도가 200℃ 이하까지 내려간 경우에 해당한다.
- 운전 초기부터 운전 종료 시까지 승온 및 감온 구간을 제외한 정격 운전 조건에서 연료이용률은 70-80% 범위를 유지하였다. 기체 유량이 MFC가 아닌 비례제어 밸브에 의해 제어되므로 세밀한 유량 제어가 불가능하여 유량은 허용 가능한 유량 범위를 정하고 그 범위를 유지하도록 제어하였다.
- 승온 후 부하운전시 계통으로 역송전되는 전력은 580-762 Wac이었다. 이 때 스택 상단 온도는 720℃일 때 580 Wac, 인버터 효율 91%, 758℃ 일 때 762.5 Wac, 인버터 효율 93.2%의 결과를 얻었다.
- 일반 운전에 사용하는 R-2 가스6) 이외에 불완 전 연소를 유발하는 1-1 가스6)에 대해서도 동일한 방법으로 배가스 측정을 하였으며 이때 결과 또한 규정치를 충분히 만족하였다.
- 장시간 운전 중 DTC 시에 시스템을 일부 정비 하였으며 시스템을 제어하는 F/W를 rev.1부터 rev.3까지 개선하여 시스템 안정성을 높일 수 있 었다. 시스템을 완전히 정지시킨 총 5번의 thermal cycle 중 4번째 thermal cycle (5th DTC)이 가장 장시간 운전을 하였으며 그 시간은 시스템 2,914시간, 부하운전 2,850시간이었다.
- 장시간 운전에 대해 시스템 총 가동율은 80.7%, 발전 가동률은 85.3%였으며 시스템의 신뢰성이 향상되어 정비시간 없이 제어에 의한 정지만 있다고 하면 발전 가동률은 90%를 상회할 것으로 예상한다.
- 측정 결과 발전효율 44.63%, 열효율 40.99%, 종합효율 85.62%의 결과를 얻었다. 장시간 운전과 동일한 인버터와 제어보드를 사용하였기 때문에 인버터 효율과 제어보드의 소비전력은 최적화되 지 않은 상태이어서 최적화할 경우 추가 효율 상승이 가능한 상태이다.
- FTC와 E-stop 시에는 제어 조건이 급격히 변화하게 되는데 개질기 촉매와 스택 전극을 보호하여 시스템의 성능을 유지하기 위해 시스템 H/W와 F/W로 구현된 S/W로 대응하였다. 현재, 복구 시간이 짧은 E-stop은 시스템 성능에 미치는 영향이 적으나 복구 시간이 긴 E-stop은 단기 성능에 미치는 영향은 적으나 장기 성능에는 영향을 미치는 것으로 판단하였다.
후속연구
- 위의 결과를 바탕으로 소비자의 전력 소비 패턴과 시스템 신뢰성에 영향을 받는 총 가동률에 따라 시스템의 출력 및 시스템 제어 알고리즘을 최적화하여 시스템의 경제성을 높일 필요가 있다.
- 검사 규격의 CO 농도는 정상상태일 때 1,000 ppm 이하이다. 일시적으로 CO 농도가 상승하는 것은 점화와 소 화시 연소되지 않은 과량의 연료가 공급되어 발생하는 것으로 검사 규격과 관련 없이 제어 알고 리즘을 통해 개선할 예정이다.
- 본 연구에서는 이러한 조건을 FTC로 정의하고 200℃를 기준으로 DTC와 구분 하였다. 추후 즉시 운전이 가능한 조건과 승온이 필요한 조건으로 세분할 계획이다.
- 실제 설치 현장과 달리 본 연구에서는 on/off에 따라 밀봉재를 포함한 스택의 성능 유지 여부와 시스템 제어를 우선으로 하였으며 200℃ 이하에서는 구성 물질의 열팽창 계수 차이로 인한 영향이미미하다고 판단하여 200℃를 기준으로 DTC와 FTC를 구분하였다. 추후 필드 테스트에서는 DTC와 FTC의 기준을 다른 온도로 설정할 예정이다.
- 현재 hot box에 사용하는 고온용 열교환기는 수량이 적어 고가에 제작하고 있으나 규격 및 수량 확정시 금형을 이용한 생산으로 가격을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 고온용 열교환기가 hot box BOP 중 스택을 제외하고 가장 고가이다.
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