[논문]건물용 고체산화물연료전지 스택 안전성능평가 연구

박태성; 이은경; 이승국

doi:10.5855/energy.2018.27.4.001

건물용 고체산화물연료전지 스택 안전성능평가 연구
Study on safety performance evaluation of stationary SOFC stack 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.27 no.4, 2018년, pp.1 - 12

박태성 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이은경 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 이승국 (한국가스안전공사 가스안전연구원)

초록
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SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) stack 안전성능 평가항목 및 평가절차 도출을 위하여 국내 외 연료전지 관련 규격들을 분석하였으며, 분석을 통해 도출된 시험항목으로 SOFC stack 안전성능 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 SOFC stack은 (주)미코사(社)에서 제작된 음극 지지형 2 cell stack(활성면적: $110.25cm^2/cell$)이고, 평가장치는 자체 제작한 SOFC stack 안전성능 평가 장치를 사용하였다. 기밀성능 시험, 전류전압특성 시험, 정격출력 시험 및 부하변동 시험을 실시하였으며, 그 결과 해당 stack의 최대출력은 65.6 W(1.41 V, 46.5 A, $422mA/cm^2$), 정격출력은 62.3 W(1.57 V, 40 A, $363mA/cm^2$)로 나타났으며 가스누출이 없음을 확인하였다. 또한, 부하변동에 대하여 2초 이내에 안정적으로 출력이 유지되는 것을 확인하였다. 이때 운전 온도 $750^{\circ}C$에서 최대부하(40 A) 및 최소부하(8 A)에서의 출력은 각 62 W와 16 W로 측정되었다. 본 연구를 통하여 고체산화물연료전지의 보급화와 안전한 사용 환경을 제공하는데 기여하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The code and standards related to fuel cells were analyzed to derive the SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) stack safety performance evaluation items and evaluation methode. Safety performance evluation of the SOFC stack was tested by quoting derived test items. The stack used in the test is an anode-supported type 2 Cell stack (Active surface area : 220cm) manufactured by MICO Inc, and SOFC stack safety performance evaluation system used for the test is self-manufactured. We conducted a leakage test, current voltage characteristic test, rated output test, and power response characteristics test. In the safety performance evaluation test, the stack showed no gas leakage, the maximum output and rated output was recorded to 65.6 W(1.41 V, 46.5 A, $422mA/cm^2$), 62.3 W(1.57 V, 40 A, $363mA/cm^2$). In the power response characteristics test verified that the output is kept stable within two seconds. At the maximum load (40 A) and the minimum load (8 A), the output was recorded 62 W and 16W in $750^{\circ}C$. This study will contribute to the universalization and to provide much safe environment of operating the solid oxide fuel cell system.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Comparing installation area of solar, wind and fuel cells
표 Table 2. Types of fuel cells according to operating temperature
표 Table 3. The list of solid oxide fuel cell codes and standards
표 Table 4. SOFC stack test items by stage
표 Table 5. Test operation condition by stage-1
표 Table 6. Test operation condition by stage–2
표 Table 7. Test operation condition by stage–3-1
그림 Fig. 1. SOFC stack safety performance evaluation system
표 Table 8. Test operation condition by stage–3-2
그림 Fig. 2. SOFC stack safety performance evaluation system P&ID flowchart
그림 Fig. 3. SOFC 2 cell stack
그림 Fig. 4. Leak test for SOFC 2 cell stack
표 Table 9. Operation condition of SOFC stack
그림 Fig. 5. I-V test for SOFC 2 cell stack
그림 Fig. 6. Rated output test for SOFC 2 cell stack
그림 Fig. 7. Power response characteristics test for SOFC2 cell stack

AI 본문요약
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문제 정의

이와 관련하여 밀봉재의 특성 및 stack의 기밀성능 특성에 대한 안전기준을 정립하고자 한다. 긴급정지시험 및 단락시험에 대해 정지 파라미터의 설정과 시험 방법에 대하여 stack 제조사와 긴밀한 협의를 통하여 진행하고자 한다. SOFC stack 안전성능에 관한 연구는 향후 건물용 SOFC의 안전한 사용 환경을 제공하고 보급 활성화에 기여할 것으로 판단된다
본 연구에서는 SOFC stack 성능 및 안전성능과 관련한 국내․외 규격을 분석을 통해 SOFC stack의 성능과 안전에 관한 평가항목과 평가방법을 도출하였다. 도출된 평가항목과 평가방법들 중 기밀, 전압 전류특성, 정격출력, 부하변동시험에 대한 시험을 수 행하였으며, 시험에는 SOFC stack 안전성능 평가장비를 사용하였다.
본 연구에서는 신재생에너지의 한 축을 담당하고 있는 SOFC의 핵심 부품인 stack의 안전성능 프로토콜 개발을 위하여, 국내·외 SOFC 성능 및 안전기준을 분석하였으며, 도출된 평가항목과 평가방법을 바탕으로 SOFC stack에 대한 기본적인 성능평가를 진행하였다.
향후 Stage-2 의 과부하시험, 열주기 시험은 셀 제조사와의 협의를 통해 시험 조건을 설정하고 안전규격에 적합한지를 판단하기 위하여 실시될 예정이며, Stage-3의 내압 및 차압 시험은 규격에 적합한 조건과 시험방법을 따라 진행을 할 것이다. 이와 관련하여 밀봉재의 특성 및 stack의 기밀성능 특성에 대한 안전기준을 정립하고자 한다. 긴급정지시험 및 단락시험에 대해 정지 파라미터의 설정과 시험 방법에 대하여 stack 제조사와 긴밀한 협의를 통하여 진행하고자 한다.

제안 방법

1) SOFC stack에 대한 기밀시험을 진행하였으며, 기밀시험은 초기에 상온에서 5회 측정 하였다. 측정 결과 Cathode 측은 압력강하가 발생하지 않았으며, Anode 측에서는 1 kPa의 압력 강하가 발생하였으나, 제조사 표시값 20 kPa 대비 0.
시험장치에 stack을 연 결하고 stack 후단의 밸브를 차단한 다음, 기밀시험 용 질소가스로 SOFC 시스템 운전조건 최대 압력조 건 상한 값인 20 kPa까지 가압한 상태에서 질소가스가 흐르는 배관의 가스누출을 먼저 확인하고 퍼 지를 1분간 실시했다. 1분 동안 퍼지 후 stack 후단 의 밸브를 차단하여 목표 압력까지 가압하고 가압이 완료되면 질소가스 공급 배관의 밸브를 차단하 여 30분 동안 stack 전단과 후단의 압력을 모니터링 하여 압력의 변화를 측정하였다.
PEMFC 관련 규격으로 “IEC 62282-7-1: Single cell test method for polymer electrolyte fuel sells” 및 “JIS C 8831: Safe-ty evaluation test for stationary polymer electrolyte fuel cell stack” 등 2가지 규격의 안전성능 평가항목을 비교하였으며, SOFC 관련 규격으로 “IEC 62282- 7-2: Test methods - Single cell and stack performance tests for solid oxide fuel cells” 및 “JIS C 8842: Single cell and stack - Performance test methods for solid oxide fuel cell”등 2가지 규격을 비교 하였다.
SOFC stack 성능 및 안전성능 관련 국내·외 규격을 분석을 통해 13가지 평가항목을 도출 하였다.
SOFC stack 성능 및 안전성능과 관련하여 도출된 시험항목 중 기밀, 정격출력, 전압-전류특성, 부하변 동에 대하여 시험을 진행하였으며, 시험에 필요한 SOFC stack의 기본적인 운전조건을 Table 9에 나타내었다.
SOFC stack 안전성능평가 장치 시작품을 통한 SOFC stack의 안전성능 프로토콜 개발을 위하여 국내외 연료전지 시스템 안전성능 평가항목 관련 규격을 분석하였다. Table 3은 SOFC 연료전지 시스템 및 stack의 안전성능 평가 관련 국내 · 외 기준을 나타낸 것이며, 전반적으로 IEC(International electrotechnical commission) 규격과 일본의 JISC(Jpanese industrial standards committee)의 규격이 관련 표준을 선도하고 있으며, 국내에는 IEC 대응 규격인 KS IEC 인증기준과 한국가스안전공사의 KGS AB934 검사기준이 있다.
SOFC stack의 평가항목 및 평가방법의 도출을 위하여 IEC 및 JIS C 기관의 PEMFC 관련 규격과 SOFC 관련 규격을 분석하였다. PEMFC 관련 규격으로 “IEC 62282-7-1: Single cell test method for polymer electrolyte fuel sells” 및 “JIS C 8831: Safe-ty evaluation test for stationary polymer electrolyte fuel cell stack” 등 2가지 규격의 안전성능 평가항목을 비교하였으며, SOFC 관련 규격으로 “IEC 62282- 7-2: Test methods - Single cell and stack performance tests for solid oxide fuel cells” 및 “JIS C 8842: Single cell and stack - Performance test methods for solid oxide fuel cell”등 2가지 규격을 비교 하였다.
SOFC 스택 안전성능 평가시험에 사용된 시험장치는 본 연구를 통해 설계 및 제작된 SOFC stack 안전성능평가 장치 시작품을 사용 하였으며, 해당 장치는 도출된 평가항목에 대한 시험이 가능하도록 제작되었다. 시험장치는 시스템 전반을 제어하는 제어부와 공급가스 예열기, SOFC stack이 설치되는 퍼니스로 구성되어 있다.
SOFC stack 성능 및 안전성능 관련 국내·외 규격을 분석을 통해 13가지 평가항목을 도출 하였다. 도출된 13가지의 항목들이 SOFC stack 안전성능에 주는 영향에 대해 분석하여 시험항목을 3가지 stage로 분류하였다. stage-1의 시험항목은 SOFC stack의 정격출력시험, 전압전류시험 및 기밀성능시험 등 기본 성능평가항목이며, stage-2는 부하변동시험, 과부하시험 및 열주기시험 등 SOFC 시스템 및 stack의 운전조건에 관한 안전성능 항목으로 분석된 시험항목이다.
본 연구에서는 SOFC stack 성능 및 안전성능과 관련한 국내․외 규격을 분석을 통해 SOFC stack의 성능과 안전에 관한 평가항목과 평가방법을 도출하였다. 도출된 평가항목과 평가방법들 중 기밀, 전압 전류특성, 정격출력, 부하변동시험에 대한 시험을 수 행하였으며, 시험에는 SOFC stack 안전성능 평가장비를 사용하였다.
본 연구에서는 운전시간과 정격운전 조건, 반복 횟수를 “JIS C 8841”, “IEC 62282-3-1”, IEC 62282-3-2”의 규격에 따라 시행하였으며, 최소부하는 정격출력의 20%로 선택하여 시험을 진행하였다.
시험방법은 Table 5에 나타낸 국내․외 규격에 압력변화, 가스검출기, 누출검지약제, 누출 량 측정 등 다양한 방법이 명시되어 있으며, 본 시 험에서는 “CAN/CSA-C22.2 No.62282-2”에 명시된 것과 같이 누출검지약제를 통한 배관의 기밀 확인 과, stack 전단과 후단의 압력을 측정하는 방식을 사 용하여 실험을 진행하였다.
62282-2”에 명시된 것과 같이 누출검지약제를 통한 배관의 기밀 확인 과, stack 전단과 후단의 압력을 측정하는 방식을 사 용하여 실험을 진행하였다. 시험장치에 stack을 연 결하고 stack 후단의 밸브를 차단한 다음, 기밀시험 용 질소가스로 SOFC 시스템 운전조건 최대 압력조 건 상한 값인 20 kPa까지 가압한 상태에서 질소가스가 흐르는 배관의 가스누출을 먼저 확인하고 퍼 지를 1분간 실시했다. 1분 동안 퍼지 후 stack 후단 의 밸브를 차단하여 목표 압력까지 가압하고 가압이 완료되면 질소가스 공급 배관의 밸브를 차단하 여 30분 동안 stack 전단과 후단의 압력을 모니터링 하여 압력의 변화를 측정하였다.
전압-전류 특성시험은 연료전지의 이상 유무와 stack의 성능평가를 위한 기초적인 시험으로, SOFC stack을 정격운전 조건의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)상태로 열평형을 이루도록 1시간 동안 일정한 공급가스 유량과 온도 조건을 유지한 상 태에서 0.05 A/Sec의 전류 소인(掃引) 속도로 상승하여 만곡점에 도달하면 실험이 정지되도록 하였다. 해당 실험은 다른 실험에 의한 성능변화가 발생하기 이전의 성능을 측정하기 위하여 초기 상태의 연료전지를 측정하였다.
정격출력시험은 연료전지가 정상적인 운전조건 에서의 적절한 성능을 나타내는지 확인하는 시험으로, SOFC stack을 정격출력 조건의 OCV 상태로 열 평형을 이루도록 1시간동안 유량과 온도 유지한 후 공급가스를 Wet상태로 전환하고 전류값을 0.05 A/Sec의 전류소인속도로 40A까지 상승시켜 실험을 실시하였다.
05 A/Sec의 전류 소인(掃引) 속도로 상승하여 만곡점에 도달하면 실험이 정지되도록 하였다. 해당 실험은 다른 실험에 의한 성능변화가 발생하기 이전의 성능을 측정하기 위하여 초기 상태의 연료전지를 측정하였다.

대상 데이터

기밀시험은 질소가스(99.9999%)를 이용하여 진 행하였다. 시험방법은 Table 5에 나타낸 국내․외 규격에 압력변화, 가스검출기, 누출검지약제, 누출 량 측정 등 다양한 방법이 명시되어 있으며, 본 시 험에서는 “CAN/CSA-C22.
시험에 사용된 SOFC stack은 국내 SOFC stack 및 시스템 제조사인 ㈜미코社에서 제작한 12 cm X 12 cm 크기의 반응면적 약 110 cm² , 정격출력 30 W/ cell, 전력밀도 270 mW/cm² , 연료이용율 65%의 음극 지지체형 cell 2개를 적층한 평판형 SOFC stack이다. Fig.
SOFC 스택 안전성능 평가시험에 사용된 시험장치는 본 연구를 통해 설계 및 제작된 SOFC stack 안전성능평가 장치 시작품을 사용 하였으며, 해당 장치는 도출된 평가항목에 대한 시험이 가능하도록 제작되었다. 시험장치는 시스템 전반을 제어하는 제어부와 공급가스 예열기, SOFC stack이 설치되는 퍼니스로 구성되어 있다. 제어부에서는 퍼니스의 온도, stack의 전기부하, 공급가스의 유량과 온도, 습도, 공급배관의 가스압력을 조절할 수 있도록 구성되어 있으며, 긴급상황 발생시 운전자에게 발생 이슈를 즉각적으로 알리는 알람 시스템과 문자 발송 시스템을 갖추고 있다.

이론/모형

이외에도 “IEC 62282-3-100: Fuel cell technologies – part 3-100: Stationary fuel cell systems – Safety”, “JISC 8841-2: Small solid oxide fuel cell power system – Part 2: General safety codes and safety testing methods” 및 IEA (국제에너지기구, (International energy agency))의 “EF Nr. 192852 Recommended practices for SOFC products and systems evaluation (고체산화물연료전지 제품 및 시스템 평가를 위한 권장 지침)”을 참고하여 분석하였다.

성능/효과

관련 규격들의 평가항목을 비교한 결과, “IEC 62282-7-1”, “IEC 62282-7-2”, “JIS C 8842” 에서는 전류-전압특성 시험, 부하변동 시험, 연료 이용률, 정격출력 시험, 운전압력 및 온도와 연계한 시험항목들이 공통적으로 명시되어 있고, “JIS C 8831”에 서는 냉각부족/냉각억제, 결빙/융해 주기와 같은 시험항목을 확인하였다.
기밀시험결과 뚜렷한 압력강하는 발생하지 않았으며, “CAN/CSA-C22.2 No.62282-2” 규격에 명시된 제조사 표시값의 10%에 해당하는 2kPa을 초과하지 않아 압력강하 조건을 만족하는 것 을 확인하였다.
5 A, 전류밀도 422 mA/cm2 로 측정되었다. 또한 정격 조건인 40 A에서 1.57 V, 출력 62.3 W, 전류밀도 363에 안정된 값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 부분부하 및 정격부하 상태에서 출력값이 안정적인 것을 확인하였다
3 W, 전류밀도 363에 안정된 값을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 부분부하 및 정격부하 상태에서 출력값이 안정적인 것을 확인하였다
이는 “KGS AB934”의 검사 기준에 표시된 전기출력의 평균값이 제조사 표시값의 ±10% 이내 범위를 만족하는 것으로 제조사 지정 값인 64 W에는 미치지 못하였으나 지시값 대비 약 2%의 차이로 검사기준에 적합한 출력을 나타냈다.
연료전지는 지열, 태양광, 풍력 등과 같은 신재생에너지원들에 비해 많은 장점이 있다. 첫 번째로, 사용 연료인 수소는 탄화수소 개질, 수전해 방식 등의 다양한 방법으로 생산이 가능하며, 수전해 방식의 경우 에너지원의 지역적 편중이 없다. 둘째, 생산된 수소를 공간과 시간의 제약없이 연속적으로 공급받을 수 있어 다른 신재생에너지원들에 비하여 매우 뛰어난 에너지 연속성을 가진다³⁾.
4는 상온에서 실험 초기의 SOFC stack에 대한 기밀시험을 수행한 결과로 압력의 변화를 나타낸 그래프이다. 총 5회 반복된 실험에서 Anode 측 의 압력 변화를 30분 동안 확인한 결과 5회 모두 압력의 강하가 일어나지 않았으며, 5회 평균 압력변동은 0.1 kPa로 나타났다. Cathode 측도 압력 강하는 발생하지 않았다.
측정 결과 Cathode 측은 압력강하가 발생하지 않았으며, Anode 측에서는 1 kPa의 압력 강하가 발생하였으나, 제조사 표시값 20 kPa 대비 0.5%의 압력 강하이 며, 제조사의 표시값 대비 10%이내 범위에 속하는 것으로 “CAN/CSA-C22.2 No.62282-2”규격에 만족하는 기밀성능을 나타내었다.

후속연구

긴급정지시험 및 단락시험에 대해 정지 파라미터의 설정과 시험 방법에 대하여 stack 제조사와 긴밀한 협의를 통하여 진행하고자 한다. SOFC stack 안전성능에 관한 연구는 향후 건물용 SOFC의 안전한 사용 환경을 제공하고 보급 활성화에 기여할 것으로 판단된다
62282-2”규격에 만족하는 기밀성능을 나타내었다. 기밀시험과 관련하여 고온의 운전상태에서 가스의 공급량과 배출가스의 유량차를 이용하는 방법, 상온에서 누출가스의 유량을 측정하는 방법 등 다양한 시험이 가능하도록 평가장치의 개선이 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서 수행된 SOFC stack에 대한 시험은 SOFC stack 안전성능평가 장치 개선과 향후 진행될 시험에 대한 기초 자료로 사용될 것이다. 향후 Stage-2 의 과부하시험, 열주기 시험은 셀 제조사와의 협의를 통해 시험 조건을 설정하고 안전규격에 적합한지를 판단하기 위하여 실시될 예정이며, Stage-3의 내압 및 차압 시험은 규격에 적합한 조건과 시험방법을 따라 진행을 할 것이다.
본 연구에서 수행된 SOFC stack에 대한 시험은 SOFC stack 안전성능평가 장치 개선과 향후 진행될 시험에 대한 기초 자료로 사용될 것이다. 향후 Stage-2 의 과부하시험, 열주기 시험은 셀 제조사와의 협의를 통해 시험 조건을 설정하고 안전규격에 적합한지를 판단하기 위하여 실시될 예정이며, Stage-3의 내압 및 차압 시험은 규격에 적합한 조건과 시험방법을 따라 진행을 할 것이다. 이와 관련하여 밀봉재의 특성 및 stack의 기밀성능 특성에 대한 안전기준을 정립하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지가 다른 신재생에너지원과 비교하여 가지는 이점은 무엇인가?	연료전지는 지열, 태양광, 풍력 등과 같은 신재생에너지원들에 비해 많은 장점이 있다. 첫 번째로, 사용 연료인 수소는 탄 화수소 개질, 수전해 방식 등의 다양한 방법으로 생산이 가능하며, 수전해 방식의 경우 에너지원의 지역적 편중이 없다. 둘째, 생산된 수소를 공간과 시간의 제약없이 연속적으로 공급받을 수 있어 다른 신재생에너지원들에 비하여 매우 뛰어난 에너지 연속성을 가진다3). 셋째, Table 1에 나타난 것처럼, 다른 신재생에너지원에 비하여 매우 작은 설치 면적이 요구되기 때문에 대도시 중심의 국내 환경에 비교적 공간의 제약없이 보급과 설치하는 것이 가능하다4). 이러한 장점과 범용성 덕분에 연료전지 시장은 2010년 이후 매년 약 30%대의 성장률을 나타내고 있다5)
	전압-전류 특성시험의 목적은 무엇인가?	전압-전류 특성시험은 연료전지의 이상 유무와 stack의 성능평가를 위한 기초적인 시험으로, SOFC stack을 정격운전 조건의 개방회로전압(OCV, Open circuit voltage)상태로 열평형을 이루도록 1시간 동안 일정한 공급가스 유량과 온도 조건을 유지한 상 태에서 0.05 A/Sec의 전류 소인(掃引) 속도로 상승하여 만곡점에 도달하면 실험이 정지되도록 하였다.
	SOFC 시스템에 사용되는 stack에 요구되는 성능은 무엇인가?	그러나 SOFC는 운전 온도가 매우 높기 때문에 고온에 적합한 성능을 갖는 재료의 개발이 요구된다. 먼저 SOFC 시스템의 핵심 부품인 stack은 여러 부품들 중 가장 고온에 노출되고, 세라믹 재료로 제작되어 있어 열응력과 온도변화에 민감하기 때문에 열 통합과 단열이 잘 되어야 하며, 주로 밀봉 역할을 하는 글라스 페이스 트 또한 고온에서 붕괴되지 않고 점탄성을 유지하여야한다9). 이러한 이유로 stack을 설계할 때 재료 의 선정이 까다롭고 내구성, 안전성능에 문제점을 가지고 있어 장치 설계 시 보다 높은 기술력이 요구된다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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