용융탄산염 단위 연료전지에서 U-turn형 가스 유로의 영향

정귀영, 이장욱, 김미현, 남석우*, 홍성안*

홍익대학교 화학공학과, 한국과학기술연구원 화공연구부*

Effects of the U-turn Type Gas Flow on the Cell Performance

of the Molten Carbonate Unit Fuel Cell

Gui-Yung Chung, Jang-Uk Lee, Mi-Hyun Kim,

Suk-Woo Nam* and Seong-Ahn Hong*

Dept. of Chemical Engineering, Hong-Ik University

Division of Chemical Engineering, Korea Institute of Science and Technology*

서론

연료전지는 수소와 산소를 결합시켜 전기를 얻는 직접 발전 방식으로 대기 오염이 적은 무공해 발전 장치이다.

본 연구에서는 연료 가스의 전환율을 높여 전지의 효율을 향상시키기 위한 방법의 하나로 가스의 흐름을 U-turn형으로 했을 때의 단위전지의 온도 분포 및 전지의 성능에 대해 연구하였다. 십자류 형태의 U-turn형 단위전지는 anode가스 유로 가운데에 분리판을 두어 이미 통과한 가스를 다시 유입시켜 anode가스의 전환율을 향상시키게 되어 있다. 수치모사에 의해 온도 분포와 전류밀도 분포를 U-turn형 전지에 대해 구하였고 전지의 성능이 예측되었다. 질소의 양, 유량과 작동압력 등의 운전 변수가 단위전지 성능에 미치는 영향이 또한 고찰되었다. 그리고, anode가스의 U-turn이 없는 단위전지의 경우와 비교하였다.

이론

1. 가정

U-turn형 단위전지의 전지 내의 반응이나 수치 모사에 쓰이는 식들은 본 연구팀이 U-turn이 없는 단위전지에 적용했던 식들이 그대로 사용되었다.[1]

Anode가스가 U-turn하고 다시 들어갈 때는 조성과 온도의 평균값으로 들어간다고 가정하였다. Anode유로와 연결된 U-turn유로는 외부와 단열되어 있고, anode유로내 설치된 분리판의 두께를 통한 열전달도 무시되었다. 연료전지는 정상상태하에서 가동하며, 가스 유통로에서 channel의 두께 방향으로는 조성이 일정하다고 가정하였다. 연료전지 측면은 단열을 가정하였다.

2. 물질 수지

Anode에서의 수소와 cathode에서의 이산화탄소의 연료전지 입구로부터 그 지점까지의 전환율 □와 □가 포함된 물질 수지식이 Faraday법칙에 의해 구해진다. [2] 이 물질 수지식은 무차원 전류밀도 J(=i/imax), 무차원 길이 □(=x/L)과 □(=y/W)를 이용하여 무차원화되었다.

국부 전류밀도 i는 전지의 기전력 V와 다음과 같은 관계가 있다.

[eqn: V= left(V_cN - V_aN~ right) -iR_ohm +□_c - □_a]	(1)

여기서 anode, cathode전위 VaN과 VcN은 Nernst식에 의해 얻어진다[3]. cathode와 anode에서의 과전압(□c와 □a)은 전류와 분극 저항(Zc와 Za)의 곱으로 얻어지고, 분극 저항값은 가스의 조성과 반응온도의 함수로서 얻어진다.[4] 또한, ohmic 전지 저항값 Rohm은 온도의 함수로서 계산된다[5]. 그리하여 VcN, VaN, Rohm, □c와 □a를 식(1)에 대입하면 다음과 같은 무차원 전류밀도 J, 온도 T, 전압 V, 전환율 □와 □를 포함하는 식이 얻어진다.

[eqn: {V + V_a ^o - V_c ^o} over RT/2F - ln left({X_cC ^o (X_O^o )^{1 over 2} X_H^o} over {X_W^o X_aC^o} right) ~]

[eqn: = ln left( {(1-□) left(1-{1 over 2}□ X_cC^o over X_O^o right) sup{1 over 2} (1-□) (1+□X_H^o )} over {left(1- {3 over 2} □ X_cC^o right)^{3 over 2} (1+□ X_H^o over X_W^o ) left(1+□ X_H^o over X_aC^o right)} right) - JZi_max over RT/2F]	(2)

앞에서 언급되었듯이 anode유로의 한쪽 출구에서 배출되는 가스는 U-turn시에 섞여서 그 조성이 일정하게 되어 U-turn한 후의 anode유로의 입구값이 된다고 가정하였다. 그리하여 U-turn직전의 anode가스 출구 위치에서 각 성분의 조성의 평균값이 구해졌다.

3. 에너지 수지

전지 각 부분에서의 에너지 수지식은 본 연구팀이 발표한 논문[1,6,7]에 상세히 설명되어 있다. Anode가스 유로에서 U-turn되는 가스의 평균 온도는 anode출구 각 위치에서 온도를 이용하여 계산되었다.

계산과정

물질 수지및 에너지 수지의 모든 식들을 무차원 식으로 바꾼 후 유한차분법으로 계산되었다. 계산시 미지 변수는 연료전지내 각 부분의 온도(Ts, Tga, Tgc, Te), 운전 전압(V), 전류밀도(J), anode에서의 수소의 전환율(□), cathode에서의 CO2의 전환율(□) 등 8개이며, 계산에 사용되어지는 식은 7개로, 자유도가 1이 되어 보통의 계산시에 전류밀도, 운전 전압, 온도 중 한 개의 변수가 고정된다.

먼저 어느 한 시간대의 무차원 전류밀도 J가 각 가스 성분의 전환율과 전극-전해질판의 온도로부터 구해졌고, 그 전류밀도로부터 다음 순간의 연료 전지내 어느 지점에서의 수소와 이산화탄소의 전환율과 가스의 조성(XH, XaC, XW, XcC, XO)이 구해졌다. 원료 가스의 조성, 즉 H2 77.5%, CO2 19.4%과 H2O 3.1%, 에서 실제 입구에서의 cathode가스 조성은 수성가스 전이반응의 온도에 따른 평형상수값을 이용하여 계산되었다.

결과 및 고찰

본 연구에서는 U-turn형 십자류 단위전지에 대한 수치모사를 수행하여 전압이 일정할 때 온도 분포, 전류밀도 분포및 전지 성능을 예측하고, 전지의 성능에 영향을 미치는 질소의 양, 유량, 운전압력의 영향에 관해 연구하였다.

U-turn형 연료전지를 구성하는 각 부분의 온도 분포를 구하였다. Anode가스 유로내 온도 분포는 Fig. 1에서와 같이 입구 부분에서 온도가 급격히 증가하다가 가스 흐름의 방향을 따라서 약간씩 감소하였다. U-turn후에도 가스 흐름 방향을 따라 수소의 농도가 감소함에 따라 온도가 감소하였다.

Cathode가스의 온도와 전극-전해질판의 온도에도 비슷한 U-turn의 영향이 나타났다.

Fig. 2에서 알 수 있듯이 평균 전류밀도가 증가함에 따라 anode가스와 cathode가스의 전환율은 증가하는데, U-turn이 없는 경우에 비해 전환율이 2.2배 정도로 향상되었다. 그러나, Fig. 3에 나타나듯이 U-turn형 단위전지에서 평균전류밀도가 150 mA/cm2 이상이 되면 전환율이 1이되어 평균 전압은 급격히 감소함을 보이고, 출력은 증가하다가 그 무렵부터 감소하였다.

Fig. 4에서와 같이 U-turn전과 후의 가스 유로로 나누어 전류밀도 분포를 도시하면 전류밀도 분포는 anode가스의 흐름 방향을 따라 감소하고 또한 cathode가스 흐름을 따라 감소하였다. 전류밀도 분포가 anode가스와 cathode가스의 흐름의 영향을 크게 받는 것으로 나타났다.

Cathode가스내 질소의 농도, 유량, 압력의 영향은 U-turn이 있는 경우와 없는 경우가 유사하였다. Cathode가스는 흐름 방향을 따라 낮은 질소 농도에서는 온도가 점차 증가하지만 높은 질소 농도에서는 점차 감소하였다. Anode가스는 흐름 방향을 따라서 온도가 점차 감소하였다. 또한, 일정 전압하에서 질소 조성이 증가함에 따라 평균전류밀도와 출력은 감소하였다. Cathode유량이 크게 증가하면 출력의 변화가 거의 없어지고, anode의 유량이 증가하면 출력의 증가폭이 감소하였다. 압력이 증가할수록 전류밀도가 증가하나 부반응의 영향으로 그 증가 정도가 감소하였다.

참고문헌

1. 김태진, 안영주, 주재백, 정귀영, 남석우, 오인환, 임태훈, 홍성안 : 에너지        공학, 4(3), 354(1995).

2. Sampath V. and Sammels A. F. : J. Electrochem. Soc., 127, 79(1980).

3. Appleby A. J. and Foulkes F. R. : "Fuel Cell Hand Book", 539(1989).

4. Selman J. R. : Molten Salt Committee of the Electrochemical Society of       Japan(1988).

5. Wolf T. L. and Wilemski G. : J. Electrochem. Soc., 130, 48(1983).

6. 안영주, 정귀영, 주재백, 남석우, 오인환, 임태훈, 홍성안 : 화학공학, 32(6),        830(1994).

7. 안영주, 정귀영, 주재백, 남석우, 오인환, 임태훈, 홍성안 : 화학공학, 33(4),        479(1995).