U-회전형 용융탄산염 단위연료전지의 성능과 온도분포의 예측

이  장욱(학),  정  귀영(정), 주 재백(정)

남 석우*(정), 오 인환*(정), 임 태훈*(정), 홍 성안*(정)

홍익대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 화공연구부*

Estimation of the cell performance and the temperature

distribution of the U-turn type MCFC

Jang-Uk  Lee,  Gui-Yung Chung,  Jae-Back Ju

*Suk-Woo Nam, In-Hwan Oh, Tae-Hoon Lim and Seong-Ahn Hong

Department of Chemical Engineering, Hong-Ik University

*Division of Chemical Engineering, Korea Institute of Science and

Technology.

1.서 론

용융탄산염 연료전지는 전기효율이 높고 연료로서 천연가스나 메탄올 외에 석탄을 가스화해 사용할 수 있는 장점이 있으며 값싸게 대형화 할 수 있는 것으로 주목받고 있다.[1] 그런데 큰 규모의 시스템이나 적층시에 전지내 각 위치의 전기화학반응에 의한 반응열이 불균일하여 전지내에 국부전류밀도와 국부온도에 차이가 커진다.[2] 그러므로 국부온도차를 없애기위한 노력의 일환으로 anode가스와 cathode가스의 흐름을 변화시키는 등의 연구가 수행 되었다.[3]

본 연구에서는 cathode가스와 anode가스가 십자류를 이루는 단위전지의 구조에서 anode가스흐름이 U-회전하여 다시 연료전지로 들어가는 모델에 대해 연구하였다. 그리하여 등온하에서 U-회전형 용융탄산염형 연료전지의 성능을 예측할 수 있는 수치모사를 수행하였다. 또한 일정전압하에서 전지내의 발열, 전도, 대류, 복사, 주위와의 열손실 등을 고려하여 전류밀도분포와 온도분포를 구한 후, 가스의 유량변화와 단위전지의 구조가 온도분포와 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 그리고 U-회전 anode가스유로와의 효율적인 상호작용을 통한 cathode가스내에 포함된 질소의 냉각효과를 관찰하였다.

2.이 론

상분리판, anode, 전극-전해질판, cathode 그리고 하분리판으로 구성된 연료전지에서의 전기화학반응은 일련의 연속적인 과정에 의해 일어난다.  전극의 기공내에서 가스가 확산해 가서 전해질에 가스가 용해되고, 액상 전해질내에서 이온이 전도되어 전극표면에서 전기화학반응이 일어난다. 생성가스는 확산되어 나오고 전극에서는 전자의 전도가 일어난다. 용융탄산염 연료전지내의 반응은 아래와 같다.

(cathode)   [eqn: CO_2 ~~+~~ 1 over 2 O_2 ~~+~~ 2e^- ~~~□□□□□>~~~ CO_3~^2-]	(1)

(anode) [eqn: H_2 ~~+~~CO_3^2- ~~~ □□□□> ~~~CO_2 ~~+~~H_2 O ~~+~~2e^-]	(2)

전극반응에 관여하는 전하 담체가 되는 것은 탄산이온([eqn: CO_3^2-])이다. Anode로 들어가는 연료가스로는 수소 외에 일산화탄소와 메탄이 연료로서 사용될 수 있다. 이때는 수성가스 전이반응에의한 평형상수를 이용하여 입구조성이 계산되었다.

U-회전형 연료전지의 구조가 Fig.1에 제시되었다. Anode가스가 들어가서 다른한쪽으로 연결된 U-회전유로를 거쳐 다시 연료전지로 들어간다.

본 모델의 에너지 및 물질수지식을 위하여 다음과 같은 사항들이 가정되었다. 연료전지는 정상상태하에서 가동하고 있고 가스유통로에서 channel의 두께방향으로는 조성이 일정하다고 가정한다. 가스내의 열전달은 가스흐름방향을 따른 대류만 고려하였다. 가스유통로, 전극-전해질판, 분리판의 두께방향의 온도기울기는 무시하였다. 연료전지 측면을 통한 열전달은 무시하였다. 가스유로는 channel이 무시된 단면이 직사각형인 가스유통로로 가정하였다. 정상상태하에서 각 전극에서의 물질수지식과 에너지수지식은 참고문헌[3]에 자세히 설명되어 있다.

Fig. 1. Schematic diagram of the U-turn type MCFC.

2.결과 및 고찰

U-회전형 연료전지의 전압이 일정할 때 온도분포 및 연료전지의 성능에 미치는 성능변수의 영향에 관해 연구하였다. 그리고 U-회전시키지 않은 단위전지와 성능을 비교하였다. Table 1에 각 전지의 수치모사에 의한 성능이 비교되었다. 기존의 단위전지에 비해 U-회전형 전지는 전극-전해질내 평균온도값에는 큰 변화가 없으나 출력과 전류밀도에서 감소하였다.

일정 전압하에서 계산된 U-회전형 연료전지의 전극-전해질판 내에서의 온도분포가 Fig. 2에 도시되었다. Anode입구부분과 cathode입구부분으로부터 점차적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 단위전지의 온도분포를 나타낸 것으로 Fig. 2(a)의 경우 cathode가스의 흐름방향으로 볼 때 입구부분에서는 921.5K에서 출구부분에서는 923.8K까지 2.3K의 차이가 있으나 Fig. 2(b)의 경우는 921.1K에서 924.7K까지 3.6K의 차이가 있음에서 볼 때 U-회전형 전지가 보다 균일한 온도분포를 가지는 것을 알 수 있다. Anode가스 U-회전이 있는 경우와 없는 경우의 전지전압에 대한 출력의 관계를 나타낸 것이 Fig. 3이다. U-회전이 있는 경우 출력이 낮음을 알 수 있다.

Table 1. Comparision of the cell performances of the MCFC

with and without the U-turn type anode gas flow

(Operating voltage = 0.92 V)

Anode gas flow	Without U-turn	With U-turn
Power [W]	10.6	8.2
Avg. current density [mA/cm2]	115.9	89.2
Avg. temperature of electrode-electrolyte [K]	923.2	923.3

(a)                              (b)

Fig. 2. Comparision of the temperature distribution of electrode-

electrolyte plate in the unit fuel cell (a)with and (b)without

the U-turn type anode gas flow at the reference conditions.

Fig. 3. Changes of the power with the cell voltage with

and without the U-turn channel of anode gas.

3.결 론

본 연구를 통해 용융탄산염 단위연료전지에서 anode가스를 U-회전시키는 경우와 시키지않는 경우의 단위전지의 성능 및 온도분포를 비교하였다. 기존의 단위전지에 비해 전지의 출력 및 평균전류밀도가 감소하였으나 보다 균일한 온도분포를 보여주었다.

4.참고문헌

1. Appleby A. J. and Foulkes F. R. : "Fuel Cell Hand Book", (1989).

2. 홍 성안, 남 석우 : J. of Korean Ind. & Eng. Chemistry, 3, 4(1992).

3. 안 영주, 정 귀영, 주재백, 남 석우, 오 인환, 임 태훈, 홍 성안 : □화학공학□,

33(4), 497(1995).

4. Matsumoto S. and Sasaki A. : Enerugi Shigen Gakkai Dai, 44(4), 263(1994).