용융탄산염 연료전지 스택의 수치모사

조현호, 이갑수*, 임희천**, 김화용

서울대학교 응용화학부, 김포대학 환경토목공학과*, 전력연구원**

NUMERICAL ANALYSIS OF MCFC STACK

Hyunho Cho, Gab Soo Lee*, H. C. Lim** and Hwayong Kim

School of chemical engineering, Seoul National University

Department of environmental civil engineering, Kimpo College*

Korea Electric Power Research Institute**

서 론

용융탄산염 연료전지(MCFC)는 전기 효율이 높고, 내부개질 형태의 시스템 개발이 가능하며, 650 ℃ 정도의 고온에서 작동하므로 양질의 고온 폐열을 회수하여 사용할 수 있는 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 상용 MCFC 개발을 위해서는 해결해야 할 문제점이 아직 많이 남아 있다. 이런 점에서 적은 비용으로 스택 내부의 온도 본포나 유동 특성 등을 알아볼 수 있는 모사는 실험과 함께 병용할 때, 개발 기간 및 비용을 줄일 수 있다는 점에서 그 중요성이 크다고 할 수 있다. 본 연구에서는 6 kW급 MCFC 스택을 상용 전산유체역학 프로그램인 FLUENT를 이용하여 모사하였고, 이를 통해 얻어낸 결과를 실험 데이터와 비교해 보았다.

시스템 구성

본 연구에서 모사한 MCFC 스택은 20개의 단위전지를 수직으로 적층한 6 kW급 스택이다. 스택을 구성하고 있는 단위전지는 전극 면적이 3000[eqn: rmcm^2] 로, 집전판, 음극 및 양극 전극과 전해질을 포함한 매트릭스로 구성되어 있다. 각각의 단위전지는 직렬로 적층되며, 단위전지와 단위전지는 분리판으로 연결되어 스택을 구성한다. 한편 실험에 사용된 스택은 온도 측정을 위해 1, 6, 11, 16, 21번째 분리판의 두께가 10 mm로 나머지 분리판 두께인 5 mm의 2 배로 만들어져서, 열전대를 사용할 수 있게 되어 있다. 스택에 주입되는 음극가스와 양극가스는 스택 하부로 주입되어 스택 하부로 나가는 역 U형으로 흐르며, 반응이 일어나는 전극부분을 같은 방향으로 진행하는 병류형 흐름이다. 스택의 상하판은 heater로 923 K를 유지하도록 가열되고 있다. 그 밖의 스택 운전 조건은 다음 표 1에 나타내었다.

표 1. 모사에 사용한 6 kW급 스택의 운전 조건

Inlet gas composition	Fuel; H2 : CO2 : H2O = 0.72 : 0.18: 0.1 Oxidant; CO2 : O2 : N2 = 0.3: 0.15: 0.55
Inlet gas temperature	773 K, 823 K
Operating pressure	1 atm
Flow type	Cocurrent

모사 방법

MCFC 스택 내부에서 일어나는 복잡한 유동과 반응을 모사하기 위해서, 본 연구에서는 상용 전산유체역학 프로그램인 FLUENT v5.3 을 사용하였다. 기본적으로 FLUENT 내에 내장되어 있는 질량, 운동량, 에너지 보존식 등과 함께, MCFC 스택내 전극 반응 및 수성가스 전이반응을 모사하기 위해서 user defined function(UDF)을 이용하여 작성한 코드를 함께 이용하였다. 모사에 사용된 스택은 총 145,642 개의 mesh를 사용한 3차원 형태의 grid로, mesh 수를 줄이기 위해 대칭 조건을 사용하였다. 계산 영역은 전극반응이 일어나는 부분과 가스가 스택 내부로 주입되어 이동하는 매니폴드 부분을 포함한다. 스택 외부는 열전도율 0.05 W/m·K의 단열재가 둘러싸고 있고, 상온의 공기와 접해 있는 단열재의 외벽은 300 K를 유지하고 있다. 실제 MCFC 스택 내부에서 일어나는 유동 및 반응은 매우 복잡하여 그대로 모사하기는 힘드므로 다음과 같은 몇 가지 가정 하에 모사를 수행하였다.

· 시스템은 정상상태이다.

· 부하전류밀도는 미소전극면에서 일정하다.

· 전해질을 포함한 매트릭스는 하나의 물질로 취급한다.

· 가스의 흐름은 층류 흐름이다.

· 복사 효과는 무시한다.

결 과

그림 1과 그림 2에 가스이용률 0.4, 전류밀도 100 mA/cm2 인 경우와 가스이용률 0.6, 전류밀도 150 mA/cm2 인 경우를 각각 모사하여 이를 통해 구한 온도 분포를 실험 결과와 비교하였다. 가스 주입온도는 각각 가스이용률 0.4, 전류밀도 100 mA/cm2 인 경우 823 K이고, 가스이용률 0.6, 전류밀도 150 mA/cm2 인 경우는 773 K이다. 온도를 측정한 부분은 1, 6, 11, 16, 21번째 분리판 부분이며, 온도는 가스 흐름 방향으로 입구, 중앙, 출구 부분을 측정한 것이다. 모사결과는 분리판의 온도만 나타내었다. 이 결과를 통해 가스흐름방향으로 반응에 의해 온도가 증가하는 것을 볼 수 있으며, 모사로 얻어낸 온도분포와 실험 결과가 경향 뿐만 아니라 절대적 수치에서도 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 그림 3에는 수성가스 전이반응을 포함하지 않은 모델과 포함한 모델을 각각 모사하여 온도 분포를 그래프로 나타내었다. 수성가스 전이반응의 유무를 제외하고, 다른 모든 가정 및 조건은 동일하다. 그림에서 입구 및 중앙 부분에서는 수성가스 전이반응을 포함한 모델이 그렇지 않은 모델보다 온도가 약간 낮고, 출구부분에서는 반대로 수성가스 전이반응을 포함한 모델이 그렇지 않은 모델보다 약간 높은 온도를 보이고 있다. 이 결과를 통해 수성가스 전이반응은 입구 및 중앙부분에서는 CO를 생성하는 흡열반응이, 출구부분에서는 CO를 소모하는 발열반응이 일어난다는 것을 알 수 있다. 그러나 이에 의한 온도변화는 0.5 K ∼ 1 K 정도로 계산되어, 6 kW급 스택에서는 수성가스 전이반응에 의한 온도변화는 그리 크지 않은 것으로 나타났다.

결 론

상용 전산유체역학 프로그램인 FLUENT v5.3을 이용하여 6 kW급 MCFC 스택을 모사하였다. 전극반응 및 주요한 부반응인 수성가스 전이반응을 user defined function으로 정의하여 계산에 사용하였고, 실제 시스템과 거의 동일한 3차원 mesh를 작성하여 계산하였다. 계산 결과로 알아본 온도분포는 실험 데이터와 잘 일치하였다. 수성가스 전이반응을 포함한 모델과 그렇지 않은 모델의 온도 분포를 비교한 결과, 수성가스 전이반응에 의해 입구 및 중앙부분에서는 CO를 생성하는 흡열반응이, 출구부분에서는 CO를 소모하는 발열반응이 일어남을 알 수 있었다. 수성가스 전이반응에 의한 온도차이는 0.5 K ∼ 1 K 정도로 계산되어, 6 kW급 스택에서의 수성가스 전이반응에 의한 온도변화는 그리 크지 않은 것으로 나타났다.

참고 문헌

1. 임희천 외 11인, □100kW급 용융탄산염 연료전지(MCFC) 시스템개발 2차년도 중간보고서□, 전력연구원, 1999.

2. C. Y. Yuh and J. R. Selman, □The Polarization of Molten Carbonate Fuel Cell Electrodes□, J.of Electrochem. Soc., vol.138, no.12, p 3642, 1991.

3. Gerald Wilemski, □Simple Electrode Models for Molten Carbonate Fuel Cells□, J.Electrochem. Soc., vol 130, no. 1, P 117, 1983.

4. Leo J. M. J Blomen and Michael N. Mugerwa, □Fuel cell systems□, Plenum press, New York and London, 1993.

그림 . Uf=0.4, I=100 mA/cm2 에서의

온도분포

그림 2. Uf=0.6, I=150 mA/cm2 에서의

온도분포

그림 3. 수성가스 전이반응에 의한 온도분포 변화. ( Uf=0.6, I=150 mA/cm2 )