용융 탄산염 연료전지 시스템의 모사 및 제어

이동재, 양대륙

고려대학교 화학공학과

Simulation and Control of Molten Carbonate Fuel Cell System

Dong Jae Lee, Dae Ryook Yang

Dept. of Chemical Eng. Korea Univ.

서론

산업이 점차 고도화되고 생활 수준의 향상으로 인해 현대사회는 심각한 에너지 난에 직면해 있다. 현재까지 주로 사용되고 있는 화력발전의 경우 입지선정의 문제와 환경 파괴적인 배출 가스등으로 근본적인 한계를 드러내고 있으며 원자력 발전의 경우도 방사능 누출 등의 문제를 가지고 있다. 이러한 문제로 대체 에너지원에 대한 관심이 증가하고 있으며 현실적 대안으로서 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 노후 화력 발전소의 대체 및 지역 발전용으로 예상되는 용융 탄산염 연료전지는 선진국에서도 이제 막 상용화를 위해 준비중인 단계이므로 우리나라에서도 많은 연구가 필요하다. 용융 탄산염 연료전지는 높은 발전 효율과 대기 오염 가스의 배출이 없는 환경 친화성 및 모듈화 등 연료전지의 일반적인 특성과 함께 고온에서 운전되는 고유의 특성으로 인해 폐열 회수를 통한 높은 열효율과 전기 화학 반응의 용이성을 보인다.

본 연구에서는 이러한 용융 탄산염 연료전지 시스템 전체에 대해 간략화된 시뮬레이션 모델을 수립하고 이를 통하여 제어 시스템을 구축하는데 목적을 두었다. 이를 위해서는 시스템의 중요기기에 대한 정상 상태 및 동적 모사가 선행되어야 한다. Matlab-Simulink를 사용하여 수치 해석적으로 연료 전지 시스템에 대한 모사를 수행하고 이를 토대로 각종 실제 운전 조건에 따른 운전 성능의 안정화를 위한 제어 시스템을 구성하였다.

본론

1. Principles of MCFC

연료전지 발전시스템의 구성은 기본적으로 전기를 생산하는 연료전지 본체, 공급 가스를 개질하여 수소가 많은 연료 가스로 변환하는 개질기, 발전된 직류 전기를 교류로 변환시키는 직교류변환기, 제어장치 그리고 폐열 이용 시스템 등으로 구성되어 있다. 연료 전지 본체는 적층된 다수의 단위 전지들로 구성되어 있으며 반응 가스인 연료와 공기가 각 cell로 균일하게 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 cell은 전해질이 함유되어 있는 전해질판(matrix)을 사이에 두고있는 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극판으로 구성되어 있으며, 다시 각 cell들은 분리판에 의해 분리되어 있다. 개질기에서 생산된 수소가 연료극(anode)으로 들어가 전자를 생산하고 이 전자가 공기극(cathode)에서 들어온 산소와 결합하여 물을 생산하는 물의 전기분해 역반응이 일어나게 된다. 연구 대상으로 삼은 용융탄산염 연료 전지 시스템에 대해 단순화된 공정 흐름도를 <그림 1>과 같이 나타낼 수 있다. 메탄 가스가 주성분인 연료가 개질기로 공급되어 여기서 개질 반응 (1)을 통해 수소를 생산 한다.

(1)

<그림 1> MCFC diagram

개질기에서 생성된 수소는 온도를 높이기 위해 열교환기를 거쳐 예열된 후 다시 히터를 겨쳐 스택의 연료극(anode)으로 들어가 수소가 물로 바뀌는 전기 화학 반응 (2)가 일어나게 된다. 연료극(anode)에서 나온 가스는 냉각수에 의해 다시 식혀지고 물이 제거된 후 일부는 재순환되고 나머지는 flare stack에서 연소된다.

(2)

(3)

공기극(cathode) 측에서는 연소기를 통해 나온 이산화탄소가 반응 (3)을 거친 후 미반응물인 산소와 이산화탄소가 재순환되어 유입 되는 공기와 흐름이 합쳐져 연소기를 거친 후 열교환기에서 연료극(anode) 가스와 열교환을 통해 연료의 온도를 상승시킨 후 히터를 거쳐 공기극(cathode)으로 들어간다. 반응 (2)에서 생성된 탄산염 이온은 스택의 전해질 부분을 통과하여 연료극(anode) 반응에 사용된다. 전체 반응을 반응열과 전력 생산량을 포함하여 정리해 보면 식 (4)와 같이 쓸 수 있다.

(4)

2. Mathematical Model

수학적 모델을 구성하기 위하여 연료 전지 시스템의 핵심장치인 스택에 대해서 물질 수지식을 세워보면 식 (5)와 같이 쓸 수 있다. 여기서 i, j는 각각 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 반응종을 나타내고 Ri, Rj는 반응 속도를 나타낸다. 스택 내에서의 반응은 매우 빠른 속도로 일어나는 정반응으로 이는 Faraday 법칙에 의해 전류밀도를 고려한 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.

(5)

(6)

여기서 ai, cj는 반응물의 화학양론 계수이며 ncell은 적층된 cell의 개수이고 Acell은 스택의 유효 면적이다. 이와 함께 압력과 유량과의 관계식을 이용하여 연료극(anode)과 공기극(cathode)에 대한 물질 수지식을 세워보면 식 (7), (8)과 같다.

(7)

(8)

스택에 대해 에너지 수지식을 세워보면 식 (9)와 같다.

(9)

ms와 Cps는 각각 스택 장치에 대한 질량과 열용량을 나타내며 hi는 화학종 i성분의 몰당 평균 엔탈피를 나타낸다. 시스템이 재순환을 포함하고 있으므로 이를 고려하여 전체 시스템의 흐름을 나타내 보면 식 (10)과 같다. 이 식은 연료극, 공기극 양쪽에 모두 적용될 수 있으며 여기서 □는 시간 지연을 나타낸다.

(10)

3. Simulation

앞에서 세운 수학적 모델을 바탕으로 상용 소프트웨어인 Matlab-Simulink 프로그램을 이용하여 시뮬레이션하였다.

결론

1. 연료극(anode)의 환류비를 0.2에서 0으로, 다시 0.2로 변화시키는 계단 입력의 모사를 통해 모델의 유효성을 검토하였다.

<그림 2> 환류비 변화에 따른 시스템 변수들의 변화

<그림 2>에서 볼 수 있듯이 환류비의 변화에 따른 각 조성의 출구 조성 변화, 수소 사용량 변화가 실제의 경향성에 부합하는 결과를 보여주었다.

<그림 3> 전류밀도 변화에 따른 스택의 온도 제어

2. 공기극(cathode)으로 유입되는 가스의 유량으로 스택의 온도를 조절함에 있어서 PID 제어기법을 사용하였다. 하루를 기준으로 전력 요구량의 변화에 따른 스택의 온도 변화와 이를 설정치(900K)이하로 유지하기위한 제어의 결과를 나타내었다. 전류밀도에 따른 온도 변화의 경향성이 잘 들어났으며 온도 유지를 위해 공기극 유량이 증가하여 온도 증가를 억제하는 결과를 보여주고 있다.

참고문헌

1. Blomen, Mugerwa, Fuel Cell System

2. M.D.Lukas, K.Y.Lee, H.G.Ayagh, Development of stack simulation for DRMCFC

3. 김홍찬, MCFC system의 모사 및 제어, 석사학위논문, 고려대학교, 화학공학과