3,000 □ 대면적 단위전지를 이용한 용융탄산염형 연료전지

스택 운전특성

김동형, 임희천, 안교상, 설진호, 최영태*, 홍성안**

전력연구원 에너지환경고등연구소, 삼성중공업*, 한국과학기술연구원**

Test Operation Results of MCFC Short Stack with 3,000 □ Electrode Area

D-H Kim, H-C Lim, K-S Ahn, J-H Seol, Y-T Choi*, and S-A Hong**

KEPTI-CASEE, SHI*, KIST**

1. 서 론

연료전지발전은 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전방식으로 에너지 변환효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있으며 또한 공해가 적다는 등의 장점으로 소규모 분산형 전원으로부터 대형 화력발전소용 전원등 용도가 다양하다. 이러한 연료전지 발전방식 중 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC)는 동작온도가 650℃의 고온으로 높은 효율과 함께 석탄가스를 연료로 사용하여 복합발전이 가능하여 중앙집중형 전원으로 전력사업에 적용할 수 있다. 한전 전력연구원은 이와 같은 점에 착안하여, 석탄가스화와 연계된 복합발전방식의 개발을 목표로 1997년부터 □100 kW급 MCFC 발전시스템 개발□을 추진하고 있으며 3,000 □의 대면적 단위전지를 갖는 5 kW급 스택을 제작, 운전특성 시험을 실시할 예정이다. 이에 앞서 대면적 단위전지의 성능특성 파악을 위하여 3,000 □ 단위전지 3장을 적층한 1 kW급 short stack 운전시험을 실시하였다. 본고에서는 short stack의 구성 및 운전특성 시험결과를 요약하였다.

2. 스택 및 시험설비의 구성

2-1. 단위전지의 제작

MCFC 스택은 cathode, anode, 전해질로 구성되는 단위전지를 적층하여 구성한다. 재료로는 anode가 Ni-Cr을 그리고 cathode는 NiO를 in-situ 방법으로 산화시킨 NiO를 사용한다. Anode와 cathode 사이에는 □-LiAlO2로 이루어진 matrix가 위치하며 여기에 함침되는 전해질로는 탄산염을 이용하였다. Anode는 Ni과 Cr 분말을 혼합하여 slurry화 한후 tape casting 방법으로 green sheet로 제작하여 수소 분위기의 연속로에서 1,000℃로 소결, 제작하였다. Cathode 역시 Ni 분말을 slurry상으로 만들어 tape casting 방법으로 제작하며, 이 경우 700℃ 온도에서 sintering 하였다. 전해질을 함침하는 matrix의 경우에는 두가지 종류의 □-LiAlO2를 사용하여 같은 방법으로 green sheet로 제작, 건조하여 사용하였다. 전기 집전체로는 Ni plate와 SUS plate를 이용하며, 전기적 절연과 가스공급 통로를 위하여 SUS로 된 분리판을 이용하였다. 분리판은 내부메니폴드(internal manifold) 형태의 병행류(co-flow) 방식으로 설계, 제작하였으며, 고온의 운전상태에서 용융염에 의한 부식방지를 위하여 wet-seal부는 Al 코팅처리하고, anode쪽 가스통로 부위에는 Ni 코팅을 하였다.

2-2. 스택의 구성

본 실험에 사용된 short stack은 전극 유효면적이 3,000 □인 단위전지 3 매로 구성되어 있다. 스택 구성시 단위전지의 적층은 상부에 cathode end plate, Ni 집전판, cathode를 위치시키고, 이어 matrix, anode, SUS 집전판, 분리판을 장착한 후 같은 순서의 단위전지 그리고 anode end plate를 장착하는 순서로 short stack을 구성하여 운전시험을 실시하였다.

2-3 스택 운전시험설비

2 kW급 MCFC 스택 운전시험 설비에서 가스공급은 유량조절기(mass flow controller, MFC)를 사용하여 공급양을 조절하고, anode쪽에 탄소 석출방지를 위하여 습분을 공급하였다. 스택의 동작온도는 650℃로서 스택의 상.하판에 cartridge 형태의 전기히타를 통하여 조절하며, 공급가스는 열충격 방지를 위하여 가스예열기를 이용하여 예열공급하였다. 스택내 단위전지간 접촉저항 감소를 위하여 스택상부에 2대의 air cylinder를 설치하였고, 미반응 배출가스는 냉각 후 연소시켜 배출하였다.

스택의 성능측정은 전자부하 장치 (IMACE MRV 345A)를 설치하여 정전류 상태에서 전압을 측정하였다. 스택에 공급되는 유량 및 가습기, 예열기의 온도는 자동으로 운전제어하며, 자료의 수집 및 저장도 동시에 이루어지도록 하였다.

3. 운전특성시험 결과

3-1. 스택 운전조건 및 운전실적

스택에 공급되는 anode 가스는 천연가스를 개질하여 얻을 수 있는 가스조성인 H2/CO2/H2O의 비가 72%/18%/10% (가습온도 55℃)가 되도록 하였으며, cathode에 공급되는 가스는 air/CO2의 비가 70%/30%가 되도록 조절하였다. 스택온도는 상.하부 cell frame의 온도가 650℃가 되도록 온도 조절기로 제어하였으며, 정부하인 전류밀도 150 mA/□일때 전압의 변화를 측정하였다. 스택은 1997년 6월 시험설비에 장착한 후 160 시간의 전처리 기간을 통하여 cathode의 산화와 결합제 등의 유기물을 제거한 후 부하운전을 시작하였다.

3-2. 초기운전 성능

그림 1은 산화제로 공기를, 연료로 수소를 공급하여 운전할 때의 MCFC 스택의 I-V 특성을 보여주고 있다. 이때 공급가스 유량은 전류밀도 150 mA/□일때 연료이용율이 40 %가 되는 조건으로 설정하였다. 초기 개회로전압(open circuit voltage)은 3.148 V(1.049 V/cell)로서 이론치인 1.071 V/cell에는 미치지 못하고 있어 약간의 gas cross over를 예상할 수 있다. 정부하 초기성능을 살펴보면 150 mA/□ 운전시 전압은 2.400 V (0.800 V/cell)로서 1,080 W의 출력을 보여주었다. 스택내에서의 단위전지 전압분포는 0.826 V, 0.783 V, 0.791 V를 나타내어 전압분포의 표준편차는 약 23.4 mV를 보여주었다. 이러한 값은 이전 1,000 □급 단위전지 적층시험시의 표준편차 34 mV보다 낮은 값을 보였다. 이번 스택의 경우 No. 2 cell은 타전지에 비하여 낮은 전압분포를 나타내고 있는데 이는 공기극쪽으로 가스확산이 저하되기 때문으로 생각된다. 한편 무부하 상태에서 측정한 내부저항은 0.391 m□으로 단위전지당 평균 0.1304 m□을 보여주었다.

3-3. 스택 내부의 온도변화

스택 내부의 온도변화는 스택의 상.하 가열판 및 가스 메니폴드 내에 총 24매의 열전대를 설치하여 측정하였다. 부하운전시의 열분포를 살펴보면 분리판 내에서의 열분포는 예상대로 입구부보다는 출구부쪽의 온도가 높게 나타나고 있으며, 상.하판 쪽 보다는 중심부의 온도가 높게 나타나고 있다. 부하에 따른 온도 변화는 부하의 증가에 따라 온도가 상승되고 있는 경향을 보여주고 있다.

3-4. 스택의 가스 이용율 시험특성

연료전지의 운전시 anode 및 cathode에서 전극반응에 따라 반응가스의 농도는 가스 흐름 방향으로 낮아지게 된다. 따라서 가스의 이용율이 높아지면 전극 표면에서의 농도는 더욱 불균일하게되어 스택성능은 낮아지게 된다. 그림 2는 연료이용율을 증가시 스택의 성능변화를 보여주고 있다. 150 mA/□의 정부하 상태에서 연료이용율을 20 %에서 80 %까지 증가시킬때 스택전압은 2.564 V에서 2.405 V로 감소하여 단위전지 전압으로 볼때 43 mV가 감소하였다. 이것은 연료이용율 %당 0.9 mV가 감소한 것으로 이전 스택 실험치인 1.5 mV/%보다 낮은 값을 보여주고 있다. 이러한 결과는 3장으로 구성된 short stack에 따른 것으로 예상되며 대량 적층시에는 다른 결과를 보여줄 것으로 예상된다.

한편 공기이용율을 20 %에서 80 %까지 증가시키는 경우에는 2.375 V에서 1.646 V로 평균 81 mV가 감소하여 수소 이용율보다도 큰 전압강하율을 보여주었으며, 또한 이전 스택의 공기이용율의 증가시 보다도 높은 경향을 보여주었다. 이는 공기 이용율 증가시 No. 2 cell cathode쪽 공기공급이 불완전하기 때문으로 예측되고 있어, 분리판의 full height stack 설계시 고려되어야 할 것으로 여겨진다.

3-5. 장기 연속 운전시험

스택성능은 운전초기 300 시간까지는 서서히 향상되는 경향을 보여 주었고, 약 860 시간까지도 초기성능과 같은 안정적인 성능을 보여주고 있다. 스택 장착 후의 초기성능이 2.4 V에서 860 시간 경과 후의 스택 전압은 2.438 V를 보여주고 있다.

4.결 론

전극 유효면적 3,000 □인 단위전지를 3단 적층한 병행류형 MCFC short stack을 제작하여 운전 특성시험을 실시하였다. 1997년 6월 장착한 스택은 1997년 8월 현재 총 860 시간까지도 전압강하 없이 양호한 성능을 나타내고 있다. 운전 특성시험에 있어서는 150 mA/□ 정부하에서 초기성능은 스택전압이 2.4 V로 평균 단위전지 전압 0.8 V를 보여주었고 이때 출력은 1,080 W를 기록하였다. 스택내 단위전지 전압분포에 있어서 초기 표준편차는 24 mV를 보여주었다.

가스이용율 시험에서 연료이용율을 20 %에서 80 %까지 증가시킬때 단위전지 평균전압은 43 mV가 감소하였고, 같은 조건의 공기이용율 변화시는 이보다 큰 81 mV가 감소하였다.

이와 같은 결과에서 3,000 □의 대면적 단위전지를 이용한 스택이 충분한 성능을 보여주므로서 앞으로 계획하고 있는 5 kW급 스택에 사용될 단위전지 구성요소의 신뢰성을 확인할 수 있었으나, 향후 분리판 설계시 공기극 가스흐름을 고려할 필요가 있는 것으로 사료된다.

참고문헌

1. 남석우, 이갑수, 임태훈, 오인환, 홍성안, 임희천, 강인준, □소형 용융탄산염형

연료전지 스택의 운전특성Ⅱ,□ 화학공학, Vol. 34, No. 5, pp. 651-657, 1996.

2. 임희천, 설진호, 안교상, 김동형, 홍성안, "2 kW급 용융탄산염형 연료전지

스택 운전특성,□ 화학공학의 이론과 응용, Vol. 3, No. 1, 1997.

Fig. 1. Initial performance of short stack with 3,000 □.	Fig. 2. Effect of fuel utilization on the stack performance.