용융탄산염 연료전지 스택 대형화에 따른 성능변화 분석

임희천, 고준호, 강병삼, 안교상, *홍성안, **최영태

전력연구원, 발전연구실

*한국과학기술 연구원**삼성중공업

Analysis of Performance Characteristics by Enlargement of MCFC Stack

H-C Lim, J-H Koh, B-S Kang, K-S Ahn, *S-A Hong, **Y-T Choi

KEPRI, Power Generation Lab., *KIST, **SHI

1. 서론

용융탄산염형 연료전지 (molten carbonate fuel cell, MCFC)는 동작온도가 650℃ 고온으로, 석탄가스를 사용할 수 있고 고온의 배가스를 이용하여 복합발전이 가능한 저공해 고효율의 새로운 발전방식으로 미국 및 일본등에서 상업화를 위한 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 국내에서는 전력사업을 목적으로 93년부터 선도 기술개발사업의 하나로 개발을 시작하여 1996년에는 2 kW급 MCFC 시스템을 개발하였고, 이 결과를 바탕으로 2002년까지 100kW급 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 현재 중간단계로 25 kW 급 MCFC 시스템 개발을 추진하고 있는데 이 계획에 따라 98년에 5 kW급 MCFC 스택 및 운전 시험설비를 개발하여 5,860 시간 장기운전 시험에 성공하였다. 또한 현재 25 kW MCFC 시스템 설치공사가 진행되어 99년말부터 운전시험을 실시할 예정이다. 본고에서는 지금까지 개발된 MCFC 스택의 운전결과를 분석, 스택이 대형화에 됨에 따라 스택성능 변화추이를 살펴보고, 이를 통하여 스택 대형화 방향에 대하여 살펴보고자 한다.

2. MCFC 스택 대형화 기술 개발

MCFC의 상요화를 위하여는 대면적 단위전지를 통한 스택 대형화가 이루어져야 한다. 즉 중앙 공급형 전원으로는 수백 □ 의 발전 용량이 요구되며, 이를 위하여 전극면적을 확대하여 출력전류를 증가시키고, 단위전지를 여러 단 적층하여 스택을 구성하여 출력전압을 증가시키게 된다. 이와 같이 단위전지의 대면적화와 적층수 증가에 따라 플랜트로 이용 가능한 full size 스택을 개발하기 위하여위하여 단위전지 면적을 순차적으로 증대시켜 제작된 short 스택을 통하여 성능향상을 추구하고 있다.

가. 스택의 구성

MCFC 스택은 cathode, anode, matrix, 전해질, 분리판 등으로 구성된 단위전지들을 적층하여 구성한다. 단위전지 면적은 625□ 에서부터 시작하여 6,000□ 까지 증가 시켰고, 적층 수도 20단에서부터 40단 까지 증가시켜 스택 출력을 1.5 kW에서 25 kW급까지 증가시킬 예정이다. 스택은 기본적으로 단위전지를 20단을 순차적으로 수직방향으로 적층하여 용량을 증가시키는 방법을 사용하였다.

나. 스택 운전시험 결과

(1) 1.5 kW급 MCFC 스택 운전 및 평가

1994년 전극 유효면적이 625cm2인 단위전지를 20단 적층한 MCFC 스택을 제작하여 실험한 결과 초기성능은 150mA/cm2(94A)에서 16.62V(0.831 V/cell)로 1.56 kW를 출력을 보여주었다. 단위전지 개회로 전압은 이론치 보다 10□가 낮았고, 스택내 단위전지 전압 표준편차도 42∼58 mV로 비교적 크게 나타났다. 본 스택은 300 시간 운전 후 성능이 감소하였고 이는 주로 개회로 전압의 저하로 가스누출과 탄소 석출에 의한 전기단락이 원인이다.

(2) 2 kW급 MCFC 스택운전 및 평가

1996년 전극 유효면적이 1,000 cm2인 단위전지를 20단 적층한 내부 분배형 MCFC 스택을 제작하여 실험한 결과 초기 성능은 150 mA/cm2(150A)에서 16.52V(0.826 V/cell)로 2.48 kW를 나타내었다. 이 스택은 1,000시간의 연속운전시 성능 감소율은 단위전지 평균 9∼36 mV/1,000 h로 나타나고 있으며 스택 내 단위전지 전압 표준편차도 실험초기 35 mV를 보여주었다. 1,000시간 운전후에도  스택 개회로전압의 감소는 크지 않았으며, 이는 분리판의 wet-seal 부분에 알루미늄 확산층을 형성시킴으로써 부식이 억제되었기 때문이라 판단된다.

(3) 5 kW급 MCFC 스택운전 및 평가

1998년 전극 유효면적이 3,000 cm2인 단위전지를 20단 적층한 MCFC 스택을 제작하여 실험한 결과, 초기성능은 150 mA/cm2(450A)에서 17.052V(0.852 V/cell)로 7.62 kW를 나타내어 대형 스택 기반을 확립하였다. 스택 내 단위전지 전압 표준편차를 살펴보면 3 □로 이전 스택들에 비하여 전압의 표준편차가 크게 감소함으로써 단위전지 제작공정 개선을 확인하였다.이 스택은 3,000 시간까지 운전기간동안 1,000시간당 단지 0.15%의 전압 저하율을 기록하였다. 이 시간까지 운전결과는 전압저하의 대부분은 내부저항 증가, 그리고 개회로 전압의 저하에 기인하였고 이는 Al 코팅이 안된 온도측정용 분리판의 부식과 분리판 변형에 의한 것으로 판단된다.

(4) 25kW급 대형 MCFC 스택용 3kW short 스택 운전

1999년 전극 유효면적이 6,000 cm2인 단위전지를 5단 적층한 MCFC 스택을 제작하여 실험한 결과 초기 성능은 150 mA/cm2(900A)에서 3.996V(0.799 V/cell)로 3.6 kW를 나타내어 대면적 단위전지를 이용한 스택 기반기술을 확립하였다.

3. 운전결과 분석

Table 1은 100 □ 급 단위전지와 개발기간 동안 운전된 각각의 스택에 대한 성능을 표시한 것이다. 스택 성능은 전압-전류 특성으로 알 수가 있다. MCFC의 스택 성능은 다음과 같은 식으로 간략화 할 수 있다.

[eqn: V ~=~ V_o,eff~ - ~Ri ~=~ V_o -~DELTA V_NL - ~Ri]

부하를 걸게되면 스택내 온도, 압력, 가스 분포에 따라 각 단위전지 내에서의 전압분포가 변화하게 된다. 부하를 걸때 단위 전지내 가스 농도차에 의하여 발생되는 전압손실을 Nernst loss(□VNL)라 하고 이는 온도, 압력, 가스의 조성뿐 아니라 가스 이용율 변화에 의하여도 결정된다. 온도, 압력 및 공급가스농도가 일정한 경우 Vo 및 R의 값은 일정하다고 볼 수 있으며 □VNL값은 유량 또는 가스의 이용율에 따라 변하게 되고 가스이용율을 일정하게 하여 전압 전류와의 관계식을 통하여 구할 수 있다. 저항값 R은 전극에서의 분극 및 내부저항을 포함하는 값으로 스택내 내부저항을 알면 전극의 분극저항을 측정할 수 있다.

표1에서 보는 바와 같이 개회로 전압은 단위전지에서는 거의 이론 값에 근접하고 있으나 단위전지 면적이 증가함에 따라 일정하지 않게 되는데 이는 면적증가에 따라 단위전지 내에서 온도분포 및 가스분배 불균일로 인하여 가스 조성상태가 단위전지 내에서 변화하기 때문으로 생각된다. 그림 1은 스택의 I-V 특성을 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 정격부하에서 전압은 면적증가에도 불구하고 성능은 크게 변화하지 않고 있으며 오히려 3,000□ 급 단위전지를 20매 사용한 5 kW급 스택이 가장 좋은 성능을 보여주고 있다. 이는 단위전지 면적증가에도 불구하고 구성요소 제조공정 및 신뢰성이 향상되었음을 보여주고 있다. 내부저항은 단위전지 면적이 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 보여주고 있다. 내부저항이 높게 나타난 625□ 급 94ST9 스택은 단위전지 면적에 대한 wet-seal 면적이 커서 전해질 손실량의 상대적인 증대 및 분리판의 구조변화가 직접적인 원인으로 생각된다. 전극분극 손실은 전하이동 반응이 느리거나 반응물의 이동속도가 느리기 때문에 나타나게 되는데 단위전지 면적이 증가함에 따라 증가되는 경향을 보여주었다. 이는 반응분극이 주로 반응물 분압과 온도에 의존하게 되기 때문에 단위전지 면적증가에 따라 분배에 따른 가스조성 및 온도구배 변화가 심화되어 온도분포 변화가 전극에 영향을 미치는 것으로 추정된다.

그림 2는 개발된 스택들의 장기 연속운전 결과를 보여주고 있다. 단위전지 면적증가에도 불구하고 스택의 장기 운전 신뢰성이 크게 향상되었음을 알 수 있다. 초기 개발된 94ST9스택의 경우 450여 시간밖에 운전되지 못하였는데 이는 스택내 OCV 급격한 저하를 보여주었는데, 운전 후 검사로 확인한 결과 연료극 탄소석출에 의한 단락 및 가스누출에 기인하고 있다. 96ST17 스택은 1,850여 시간 부하 운전시간을 기록하였다. 이는 94ST9 스택에 비하여 많은 성능개선이 있었는데 주로 분리판에 Al 코팅처리에 의하여 분리판 부식을 억제하였고, 분리판 대형화에 따라 분리판 구조개선에 기인한 것으로 생각된다. 반면 CO2 공급중단 및 과량의 수증기 공급등 운전사고에 의하여 탄소석출 및 전해질 손실 등이 발생되어 단락 등에 의하여 스택 성능이 크게 감소하였다. 98KMS1 스택은 스택 분리판의 제작 정도를 높히고 구조 단순화를 통하여, 총 5,860시간 운전에 4,800여 시간의 부하운전을 기록하여 스택 운전 신뢰성을 크게 향상 시켜 대형 스택 개발 가능성을 확인하였다. 그러나 분리판 대형화에 따라 분리판 내 온도분포 변화가 이전 스택들 입출구 온도차인 40∼80℃ 보다 훨씬 큰 최고 107℃ 까지 크게 증가되었다. 따라서 스택 내 적정온도를 유지시키기 위하여 단위전지 대면적화 및 적층수 증가에 있어서는 반드시 스택냉각의 필요성을 확인시켜 주었다. 99KMS1 스택은 이와같은 결과를 바탕으로 스택 분리판의 구조를 단순화시키고 개선된 코팅 및 용접기술을 적용시켜 목표로 한 6,000□급 단위전지를 이용한 short stack 운전시험에 성공하였다.

3. 결론

전력사업 적용가능성이 큰 MCFC 스택의 실용화를 위하여, 단위전지 면적을 625 □에서 6,000 □ 까지 대 면적화하여 스택출력을 1.5 kW에서 7.6 kW 까지 향상시켰으며, 운전시간도 450시간에서 4,800 시간까지 증가시킴으로써 상용 스택을 위한 대형화 기반을 확립하였다. 스택은 초기성능에서 면적증가에도 불구하고 변화가 없었으며, 내부저항은 새로운 기술을 적용함으로써 다소 감소하는 경향을 보여준 반면에 분극저항은 증가하였고, 개회로전압은 이론값과 일치하지 않는 경향을 보여주었다. 스택 신뢰성은 스택의 대형화에 따라 스택 분리판 구조개선, 설비보완 그리고 내부식성 코팅기술의 적용 의하여 크게 향상시킬 수 있었고 이와 같은 결과로 스택제작 및 운전에 관한 기본 기술을 확립하였다. 그러나 목표로 하는 대형스택 제작을 위하여는 아직도 구성요소의 고성능화, 장수명화에 더욱 노력할 필요가 있으며 스택 내 운전온도 제어가 필요하다.

참고문헌

(1)임희천 외, 1999, 100 kW급 외부개질형  용융탄산염 연료전지 시스템 개발 (1단계 25 kW급), 전력연구원 보고서 TM.97TJ38.M1999.20.

(3)임희천,임태훈,홍성안외 : □2 kW급 용융탄산염형 연료전지 발전시스템 개발□    한전 전력연구원 최종보고서, TR.93T.J03.97.01,(1997)

(4)남석우,황정태,이갑수,임태훈,오인환,홍성안,임희천: □1.5kW용융탄산염형 연료    전지스택의 장기운전 평가, 에너지공학,Vol. 8, No. 1 (1999)

Table 1 Performance characteristics of variety MCFC stack operations

	Unit Cell	94ST9	96ST17	98KMS1	99KMS1
Electrode Area	100□	625□	1,000□	3,000□	6,000□
Voltage at 150□/□	846□	831□	826□	852□	799□
OCV	1073□	1058□	1081□	1096□	1052□
Power Output	254W	1,560W	2478W	7620W	3,595W
Internal Resistance	68□	79□	-	52□
Reactant Loss	64□	77□	-	96□