용융 탄산염 연료전지 시스템의 간략 모사 및 PI 제어

김홍찬 , 양대륙

고려대학교 화학공학과

Simple Simulation and PI Control of

Molten Carbonate Fuel Cell System

Hong-Chan Kim , Dae-Ryook Yang

Department of Chemical Engineering, Korea University

1.서론

용융 탄산염 연료전지(MCFC)는 그 효율성과 환경 보호적인 측면에서 좋은 장점은 갖으며 곧 상용화가 될 것으로 예측되는 발전방식이다. 이 연료전지를 이용한 발전 시스템은 차기 대체 에너지원으로서 개발되고 있으나 아직 제어 기법의 연구는 아직 잘 이루어지지 않았다. 이에 본 연구에서는 먼저 1MW MCFC 발전 시스템의 모델을 구성하여 동적 모사를 수행하고 이를 바탕으로 MCFC 발전 시스템의 특성 및 요구조건에 부합하는 제어 시스템을 구성하였다. 먼저 발전 시스템의 모델을 구성하기 위하여 상용 모사기인 HYSYS를 이용하여 Gain map을 구성하고, 이 map을 이용하여 시스템의 각 unit에 맞는 동특성을 고려하여 Matlab Simulink로 시스템의 간략 모델을 완성하였다. 이러한 방법은 미분 방정식을 이용한 기존의 엄밀 모사에 비해 정확도는 약간 모자라나, 짧은 시간에 시스템 전체의 특성을 쉽게 파악할 수 있으며, 제어 시스템의 구성을 위한 충분한 정보를 줄 수 있다는 장점이 주목할 만 하다. 그리고 이 모델을 바탕으로 MCFC 시스템의 동적 모사를 실시하였으며, 이를 바탕으로 시스템의 발전 시스템의 제어 구조를 제시하였다.

2.본론

2.1 MCFC 발전 시스템의 구성 및 모델 구성

그림  MCFC Power Plant의 Flow Diagram

MCFC는 수소와 물이 반응하여 물이 만들어지는 화학반응을 이용하여 직접 전기를 만들어내는 시스템이다. 이러한 MCFC 연료전지 시스템의 1MW급 발전 시스템의 Flow Diagram을 그림 1에 보였다. 먼저 메탄가스가 주성분인 연료는 개질기에서 개질 반응(1)을 일으켜 수소를 만들어내고, 이 가스가 Ande로 들어가 수소가 물로 바뀌는 전기화학 반응(2)이 일어난다. Anode에서 나온 가스는 연료 예열기에서 연료를 가열한 후 냉각수에 의하여 냉각된 후 물이 제거된다. 물이 제거된 이 가스는 다시 압축되어 공기와 함께 개질기에 공급되어 개질기에 필요한 열을 공급하는 연료로서 개질 반응 연소기에 사용되어지며, 여기서 생성된 이산화탄소 가스는 Cathode에 공급되어 다음의 전기 화학적 반응(3)을 일으킨다.

[eqn: rm{CH_4 ~ +~H_2 O} ~ & ->~ ~ 3`H_2 ~+~CO# rm{CO ~+~H_2 O} ~ & ->~ ~ H_2 ~+~CO_2]

()

[eqn: rm&{H_2 +CO_3^{2-}~}->rm& CO_2 + H_2 O + 2e^-]

()

[eqn: rm{1 over 2 O_2~ +~ CO_2 ~+~ 2``e^- ~ ->~ CO_3^{2-}}]

()

여기서 나온 가스의 일부는 Cathode로 들어가는 가스의 온도를 일정하게 해주기 위해서 다시 순환되며 나머지 가스는 터빈을 통과하여 공기의 온도를 높여주고, 남은 열을 이용하여 Cathode에서 나온 폐 가스에서 분리된 물을 다시 증기로 만들어주는데 이용되어진 후 버려진다. 그리고 이 증기는 개질기에서 메탄 가스의 개질 반응에 사용되어진다.

이제 위의 시스템의 모델을 구하기 위하여 먼저 상용모사기인 HYSYS로 각 단위 기기들의 정상 상태 근처에서의 Gain Map을 구한다. 이는 실제 공정으로부터 얻어진 정상 상태 값을 바탕으로 한다. 그리고 엄밀 모사와 실제 공정에서 보여진 각 단위 기기들의 정보를 바탕으로 시간 상수 값을 결정하여 MCFC 발전 시스템의 모델을 완성한다.

그림  Simulink Model of MCFC Power Plant

2.3 MCFC 발전 시스템의 제어 변수 설정 및 Paring

이제 제어 시스템을 구성하기 위해 어떤 변수들이 제어되어야 하고, 어떤 변수들을 이용하여 제어할 수 있는지 생각해보자.  먼저 MCFC 시스템의 unit중 stack에서의 압력 유지는 상당히 중요한 문제이다.  이 압력 제어는 cathode나 anode로 들어가는 가스의 흐름에 밸브를 설치함으로써 가능하다.  본 연구에서는 이러한 각 unit의 제어보다는 시스템이 외부의 부하나 외란에 의해서 영향을 받을 경우 어떻게 제어 시스템을 통하여 시스템의 운전을 해결할 수 있는가에 중심을 두었다. 먼저 제어되어야 할 변수 CV(CV:Controlled Variable)로는 S/C 비, 개질기의 반응 온도, anode 와 cathode의 온도, 개질기에서의 수소의 생산량이 있다. 그리고 제어에 이용되는 변수 MV (MV: Manipulated Variable)는 개질기에 사용되어지는 연료인 메탄의 몰 유속, 개질기와 Cathode로 공급되어지는 공기의 유속, 개질기에 추가로 공급하는 열과 개질기에서 필요한 steam을 공급하기 위해 추가로 제공되는 steam의 양을 들 수 있다.  이러한 MV, CV 에 대해 외란의 영향들을 살펴볼 수 있다.  본 시스템의 경우 이를 외란 변수(DV: Disturbance Variable)이라고 생각할 수 있으며 외부에서 요구되어지는 전력 요구량, 그리고 연료의 순도(혹은 조성)등이 있다.

이러한 CV와 MV, DV를 이용하여 앞에서 개발된 연료전지 시스템의 동적 모델에 PI 제어를 적용시켰다.  이 제어시스템의 제어 루프를 구성하기 위해서 CV와 MV 의 paring을 Bistol의 Relative Gain Array(RGA) Method를 이용하여 결정하였다. 그 결과  다음과 같은 RGA 행렬이 얻어졌다.

[eqn: LAMBDA = DMATRIX { {-0.4677 }& {0.0393 }& {0.3330 }& bold{1.0955}# {0.1749 }& {-0.0680 }& bold{0.5503 }&{0.3429}# {-0.0003}&bold{1.0583}&{-0.0569}&{-0.0011}# bold{1.2931 }& {-0.0295 }& {0.1736}&{-0.4372} }]

(4)

이 결과 S/C 비는  개질기에 공급되는 추가 steam의 양으로, 개질기 출구 온도는 공급되는 추가 열원의 양으로, anode 가스 온도는 stack에 공급되는 공기의 유속으로, 그리고 수소의 생산량은 메탄의 유속으로 조절하도록 결정되었다.

3.결과 및 토의

그림 3과 4에 MCFC 시스템에 대한 제어 결과를 보였다. 이 그림은 MCFC 시스템의 전력 생산량이 증가되었을 경우(H2 utilization이 증가된 경우)의 시스템 제어 결과를 보여주는 그림이다. 그림 3에 의하면 개질기에서 반응 조건의 주요 변수가 되는 S/C 비가 제어가 되지 않았을 경우 정상상태에 도달하는 것보다 빠른 시간 안에 S/C 비를 일정하게 유지시켜 주는 것을 볼 수 있다.  또한 stack의 Anode 가스의 온도가 stack의 반응성을 떨어뜨리지 않도록 일정한 온도로 잘 유지시켜 주는 것을 볼 수 있다. 이런 경우에 대해서 MV 중의 하나인 Cathode로 공급되는 공기와 개질기로 공급되는 메탄의 유속 PI 제어를 위해서 변화하는 모습을 그림4에 보였다.

그림  S/C 비 및 Anode 가스 온도

그림  Cathode 공기 및 메탄 유량

4.참고문헌

1) T. L. Wolf, G. Wilemski, Molten Carbonate Fuel Cell Performance Model, J. Electrochem. Soc., Vol. 130, 48-55, 1983

2) I. M. Alatiqi, A. M. Meziou, Dynamic Simulation and Adaptive Control of and Industrial Steam Gas Reformer, Computers Chem. Engng., Vol 15, No. 3, 14-155, 1991

3) T.Ohki, T.Inoue, F. Hashimoto, T.Yoshida, "Dynamic Characteristics of Molten Carbonate Fuel Cell Plower Plant", IHI Engineering Review, Vol. 27, 1-6, 1994

4) T.Yoshida, K.Ito, K. Mochizuki, J. Hashiguchi, T. Inoue, F. Hashimoto, T. Ishikawa, "Test Results of Operation and Control System for Molten Carbonate Fuel Cell Power Plant, The Thermal and Nuclear Power, Vol. 44(441), 626-625, 1993

5) D. E. Seborg, T. F. Edgar, D. A. Mellichamp, Process Dynamics and Control, John Wiley & Sons, 1989