연료전지(PAFC) 입력 변화에 따른 구성 UNIT의 상태량 변화 계산 및 분석

안 현 식, 김 영 수, 김 효

전 진 석*, 조 영 아*, 최 동 수*

서울시립대 화학공학과

* 한국가스공사 연구개발원

The Calculation and Analysis of the Property Change of the Structure Unit

with the Change of Input of Fuel Cell(PAFC)

Hyun Shik An, Young Soo Kim, Hyo Kim

Jin Seok Jeon*, Young A Cho*, Dongsoo Choi*

Dept. of Chemical Engineering, University of Seoul

*R & D Center, Korea Gas Corporation

서론

연료전지는 일정하게 유지되는 전극-전해질 계의 등온과정 속에서 연료와 산화제의 화학에너지가 전기에너지로 끊임없이 변환되는 장치로 정의할 수 있다.  연료전지 발전시스템은 3가지의 구성요소를 가지고 있다. 즉, 천연연료(1차연료)를 공급받아 전지에 공급할 수 있는 수소가 풍부한 연료로 개질시키는 연료개질공정, 기체연료가 가지고 있는 화학에너지를 직류전력으로 전환시켜 주는 전력발생장치, 그리고 발생된 직류전압을 교류전압으로 변환시켜 주는 전력변환장치로 구성되어 있다.

연료전지는 연소장치가 아니기 때문에 NOx나 CO와 같은 불완전 연소된 배기물이 없어 심각한 공해문제를 야기하지 않는다. 또한 단일 연료전지는 일반적으로 거의 0.5 - 1 volt의 전압을 발생시키기 때문에 원하는 전압을 얻기 위해서 여러 개를 연속해서 연결해 사용할 수 있다. 그리고 열기관의 최대 실질이론효율은 40% ∼50%이지만 연료전지는 온도의 변화없이 에너지를 카르노이론에 제약을 받지 않고 화학에너지를 최대한 전기에너지로 전환시켜주기 때문에 효율이 매우 높다. 따라서 본 연구의 목적은 그 동안 우리 나라에서는 처음으로 천연가스를 이용하여 운전되어온 200□급 PC25 인산형 연료전지 발전시스템을 분석하기 위하여 연료전지 시스템의 각 구성장치간의 에너지 및 물질변환 관계로부터 전산 프로그램을 작성하여 연료전지 입력변화에 따른 구성 UNIT의 상태량 계산과 그 결과를 분석하는데 있다.

시스템 표현

<Fig.1>은 전체 시스템을 보여주는 PFD(Process Flow Diagram)이다. 이 PFD에 보여지는 숫자들 중 첫 번째 숫자는 라인에서의 흐름유체의 종류를 의미하며, 0번은 Natural gas 라인, 1번은 Air 라인, 3번은 H2 라인, 4번은 Cooling 라인, 5번은 Steam 라인, 8번은 폐열처리 라인, 그리고 9번은 Gas 라인이다. 나머지 숫자는 특정흐름라인 안에서 각 노드 및 장치를 거치면서 매겨지는 일련번호이다. 검은색의 원들은 각 라인의 노드를 나타내준다. 유체의 몰유속을 표현하기 위해 정의한 배열 FL(k,l,i)는 k라인의 l번 흐름에 있는 i성분의 몰수를 나타내며 성분 i는 각각 1번부터 CH4, H2, CO2, CO, H20(g), H2O(l), O2, N2로 정의하였다.

에너지 및 물질수지 계산

계산의 기준으로 연료가스의 몰유속 FCH4(1 mol/hr)와 온도 Tref(298.15K)를 사용하였다. 에너지 및 물질수지 계산은 FPS(Fuel Processing System)의 HTX1(Integrated Heat Exchanger), HTX2, 개질기(Reformer) & 가스버너(Gas-Burner), HTSC(High Temperature Shift Converter), LTSC(Low Temperature Shift Converter)와 PPS(Power Section System)의 셀스택, HTX3, 냉매축적기와 노드2(n2), 노드5(n5)의 10개 부분을 이용하여 라인 006, 103, 301, 303, 403, 502(503, 504), 905, 906 온도(T006, T103, T301, T303, T403, T502(=T503=T504), T905, T906)와 라인402, 404 유량(FL(4,2,6)(=FL(4,3,6)), FL(4,4,6)(=FL(4,5,6)))의 10개의 미지변수에 대한 수지식으로부터 수치해석방법을 이용하여 계산하였다.

개질기에서의 반응식은 다음과 같다.

반응1)    [eqn: CH_4 (g)~+~ 2 H_2 O (g)~ -> ~ 4 H_2 (g)~+~ CO_2 (g)],

반응2)    [eqn: CH_4 (g)~+~ H_2 O (g)~->~ 3 H_2 (g)~+~ CO (g)].

Shift converter에서의 반응식은 다음과 같다.

반응3)	[eqn: CO(g) ~~+~~ H_2 O (g)~~-> ~~CO_2 (g)~+~ H_2 (g)].

셀스택에서의 반응식은 다음과 같다.

반응4)	[eqn: H_2 (g)~~- > ~~2H^+ ~~+~~2 e^-],

반응5)	[eqn: 2H^+ ~~+~~1/2 O_2 (g)~~+~~2e^- ~~-> ~~H_2 O (g)],

반응6)    [eqn: H_2 (g) + 1/2 O_2 (g)~~-> ~~H_2 O (g)].

수치해석 결과

연료전지시스템의 에너지 및 물질수지식을 이용하면 기존의 운전값들과 적절한 설정값들로부터 수치해석적인 방법을 통하여 전체라인에 걸친 몰유속과 온도분포를 구할 수 있게 된다. 설정값은 시스템의 운전조건과 에너지 및 물질수지식에 의한 관계를 이용하여 적당한 값을 시행오차법을 통하여 구하였다. 적정한 값을 갖게 하는 설정값은 개질기에서 반응1)의 메탄의 전화율, FCH41은 0.62, FCH42는 0.21, 셀스택에서 수소의 이용율, FH2는 0.70, 반응3)에 의한 일산화탄소의 전환율은 HTSC에서 F1CO는 0.55, LTSC에서 F2CO는  0.5로 설정하였다. 또한 운전값 , 예측값 및 계산값은 <Table 1>에 나타내었다.

설정값 변화에 따른 구성 UNIT의 입출구 상태량 및 출력 변화

위의 설정값들을 변화시키면 각 UNIT의 입출구의 값과 출력값은 변하게 된다. 또한 이러한 설정값은 입출구 값에 서로 상호작용을 하는 것들도 있고 서로 독립적인 것도 있으며 어느 한쪽이 우세한 경우도 있다. 따라서 각각이 어떻게 영향을 미치는 지를 알아보기 위하여 다른 설정값들은 고정시키고 하나의 설정값만을 변화시킬 때 각 입출구에서의 값들의 계산을 진행시켰다. 변화시키는 설정값들은 각각 FCH41, FCH42, FH2, F1CO, F2CO이고 입출구에서의 변화량은 T006, T103, T301, T303, T403, T503, T905, T906,  FL(4,2,6), FL(4,4,6)그리고 전력량으로 하였다. 전력량은 셀스택에서 효율, [eqn: eta]는 0.65로 설정하여 다음 식으로부터 구하였다.

(1)        [eqn: I ~=~ { DELTA n ` |z| ` F} ~/~ t]

(2)        [eqn: E ~= {DELTA G} OVER {n F} ~=~ { eta ~ DELTA H} OVER {n F}]

(3)       [eqn: P ~=~ E``I]

결과 및 토론

설정값의 증가에 따른 각 입출구에서의 계산값 및 출력값의 변화는 <Fig. 2>, <Fig. 3>에 나타내었다. 반응1), 2) 각각의 메탄의 전화율, FCH41와 FCH42를 각각 증가시킬 때 개질기에서 필요한 열량이 증가하므로 개질기 입구온도(T006)는 증가한다. 따라서 노드3의 온도(T502) 및 HTX3의 출구가스온도(T906)도 증가한다.  HTSC에서 CO의 전화율, F1CO를 증가시키면 반응3)은 발열반응이므로 HTSC의 입구온도(T301)은 감소하며 LTSC의 입구온도(T303)는 CO2로 전환될 CO의 양이 감소하므로 증가하고, 셀스택 음극의 배가스(라인901)의 CO 양이 감소하므로 버너에서 개질기로 공급하는 열량이 감소하므로 T006, T504, T906은 증가한다. LTSC에서 CO의 전화율, F2CO를 증가시킬 경우 T303은 감소하고 T006, T504, T906은 증가한다. 셀스택에서 수소 이용율, FH2를 증가시킬 경우 라인901의 수소양이 감소하므로 개질기로의 공급 열량이 감소하므로  T006, T504, T906은 증가한다. 설정값의 변화에 따라 유량의 변화는 <Fig. 3. (f)>와 같이 나타나며 이는 노드3의 온도(T502)의 온도가 증가함으로 HTX1의 라인403온도(T403)와 유량(FL(4,3,6))은 감소한다. 전력량의 변화는 수소 소모량에 따라 변하므로 F1CO, F2CO보다 FCH41, FCH42의 변화에 크게 민감하다. 이러한 결과들은 그 동안의 운전경험에 비추어 보아 그 타당성이 인정되며, 이로부터 PC25 인산형 연료전지 발전시스템을 개괄적으로 이해할 수 있으며 연료전지 효율제고와 성능예측을 쉽게 할 수 있게 되었다.

참고문헌

1. Handbook of Fuel Cell Performance, Prepared for the United States            Department of Energy, Under Contract No. EC-77-C-03-1545, May 1980.

2. Maru, H. C. and Baker, B. S. , "Status of ERC's Phosphoric Acid Fuel Cell       Technology." Paper presented at the Fuel Cell Workshop, Sarasota, Fla. ,         November 14-17, 1977.

3. Johnson, W. H. , "Phosphoric Acid Technology Improvement Program." Paper     presented at National Fuel Cell Semimar, San Francisco, July 11-13, 1978.

Table 1. Setting variables and result data

Line No.	Operating Data				Guessing Variables				Calculated Data
0	T001	273K	T003	273K	T004	310K			T006	558.13K
	T002	273K	T005	567K
1	T101	293K	T102	293K					T103	441.23K
3	T302	685K	T304	498K					T301	639.69K	T303	536.66K
4	T401	433K	T404	433K	T406	400K	T408	316K	T403	428.91K
	T402	430K	T405	453K	T407	316K	T409	316K
5					T501	452.6K			T502	553.99K	T504	553.99K
									T503	553.99K
8	T802	370K			T801	293K
9	T902	870K			T901	439K	T904	439K	T905	614.28K
					T903	750K			T906	357.23K
FL					FL(8,1,6)	2100 (□/hr)			FL(4,2,6)	3132(□/hr)	FL(4,4,6)	5631(□/hr)
									FL(4,3,6)	5631(□/hr)	FL(4,5,6)	5631(□/hr)

Fig. 1. Process flow diagram for PC25

Fig. 2. Variation of power with conversion; ■, F1CO; ●, F2CO; ◆, FCH41; *, FCH42; ▲, FH2.

Fig. 3. Variation of calculated values (a),(f)for FCH41, (b)for FCH42, (c)for F1CO, (d)for F1CO, (e)for FH2; ■, T006; ●, T103; ▲, T301; ▼, T303; ◆, T403; +, T502; ×, T905; *, T906; □, FL(4,2,6); ○, FL(4,4,6).