시스템 구성 및 운전 조건이 용융탄산염 연료전지 시스템 효율에 미치는 영향

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

강병삼, 서혜경, 이충곤, 임희천

한전 전력연구원

Effects of system configuration and operating condition on the efficiency of molten carbonate fuel cell system

Byoung Sam Kang, Hai-Kung Seo, Choong-Gon Lee, Hee-Chun Lim

Korea Electric Power Research Institute, KEPCO

1. 서론

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell) 발전 방식은 기존의 천연가스이외에도 석탄가스등 다양한 연료 사용이 가능하다. 또한, 고온의 스팀을 이용하여 복합발전을 할 수 있고 저공해, 고효율 발전 방식으로 각광 받고 있다. 선진 각국에서는 기술개발을 지속적으로 추진하여 상용화 단계에 들어가고 있으며 특히, 미국에서는 상압형 내부 개질방식을 개발하며, 일본에서는 가압형 외부개질 방식을 개발하고 있다. 현재 국내에서는 전력연구원을 중심으로 국가 선도 기술 개발과제로 100 kW급 외부개질형 용융탄산염 연료전지 시스템 개발의 2단계 과제를 수행중이다. 본 연구과제의 최종 목표인 100 kW급 MCFC 시스템은 분산형 전원과 대규모 발전 시스템의 소형 모듈의 기능으로서의 역할[1,2]이 가능할 것으로 여겨진다.

본 연구에서는 전력연구원에서 개발중인 100 kW급 시스템에 대하여 시스템 전체의 효율을 분석하고 주어진 시스템에 대한 효율 증대 방향 검토와 함께 미국 및 일본에서 개발중인 연료전지 발전 시스템에 대한 효율 분석 및 시스템 특성을 비교 분석하여 향후 실제 시스템의 설계 및 운전 기술에 기본적인 효율 및 경제성 검토의 자료를 마련하고자 한다. 이러한 분석은 향후 시스템의 대형화에 직접적인 영향을 미치게 되며 시스템 설치 단계에 앞서 연료전지 스택뿐만 아니라 발전시스템 전체의 효율성 및 경제성에 중요한 영향을 미치게 될 것이다. 이러한 공정 시스템 모사 및 효율 분석은 발전 시스템의 효율 분석을 위한 상용 소프트웨어인 CYCLE TEMPO를 이용하였고, 전체 공정의 효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 주어진 시스템 구성, 크기, 단위 기기 효율, 연료 및 공기 이용률 변화에 따른 전체 시스템 효율에 미치는 세부적인 영향 분석[3]을 토대로 하였다.

2. 본론

천연 가스를 연료로 하며 개질기를 이용하여 연료를 공급하는 경우 용융탄산염 연료전지 공정에서의 전체적인 반응은 다음과 같이 구할 수 있다[3,4]

[eqn: CH_4 + 2O_2 ~<-> ~2H_2 O + CO_2~ + Electricity~]	(1)

이 반응은 메탄이 산화되어 전기를 만들어 부가 생성물은 2몰의 스팀과 1몰의 이산화탄소를 생성하는 반응이다. 즉 반응물은 천연가스와 공기이며 생산물은 교류전류, 부가생성물은 이산화탄소, 질소와 물이 생성되는 반응이다. 외부 개질기를 포함한 연료전지 전체 공정은 다음 Fig. 1과 같이 간단히 나타낼 수 있다. 일반적인 연료전지 공정의 순순 효율은 다음 (2)식과 같이 나타내어지며, 연료전지 공정의 효율이 높기 위해서는 공급되는 연료의 양을 최소로, 생산되는 전력을 최대로 그리고 부가적인 발전에 사용되는 전력을 최소한으로 줄이면 된다.

[eqn: eta_"Net" = {("DC Power Produced")-("Parasitic Power")}over{"HHV of Total Fuel to Fuel Processor"}]	(2)

100 kW MCFC 시스템인 경우 주어진 공정에서는 공급되는 천연가스의 공급량이 최소한 297kW이며 생산되는 전력이 100 kW이므로 시스템 내에서 사용되는 전력을 최소한으로 줄이는 경우 부가적인 발전이 없는 경우 구할 수 있는 이론적인 최대 시스템의 효율은 33.7%(100/297)이다.

Fig. . Simplified MCFC process

3. 모사 실험

3.1 시스템 구성 및 크기에 따른 효율 변화

연료전지 발전 시스템에서의 시스템 구성 및 크기에 따른 시스템 효율 변화는 Fig. 2에 나타내었다. 시스템의 구성에 따른 시스템의 효율 변화는 네 가지로 나누어 계산하였으며 첫 번째는 열교환기를 이용하여 스택의 입·출구 가스의 열교환망을 구성한 경우이며 두 번째는 연료극 미반응 가스를 사용한 경우, 세 번째는 고온 블로어(HTB)를 사용하는 경우와 네 번째는 turbo charger를 이용하여 부가발전을 할 경우로 시스템의 구성에 따라 효율이 크게 변화됨을 알 수 있다.  시스템의 크기에 대한 비교를 위해 네 번째 시스템인 turbo charger를 사용하는 시스템의 경우 크기 변화(100kW→1MW)에 따른 전체 시스템의 효율은 45.45/41.1%에서 48.92/45.36%로 크게 증가되지 않아 시스템의 크기의 증가는 전체 시스템 효율 향상(3.9%)에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 즉 연료전지 발전 시스템의 효율은 시스템의 크기가 아닌 시스템 구성에 크게 변화됨을 알 수 있다.

Fig. 2. Effects of system configuration and system size on the system efficiency

3.2 가압형 외부개질형 연료전지 시스템

일본(CRIEPI)에서 개발 중인 가압형 외부개질형 연료전지 시스템은 천연가스를 스팀을 이용한 외부 개질로 연료를 공급하며 스택에서 나온 배열 가스는 열교환을 통해서 개질기 및 배열회수 시스템을 통해서 전체적인 시스템 효율 향상에 기여하게 되어있다. 가압의 운전 조건은 300kW급 시스템인 경우 4bar에서 운전되며 시스템의 효율을 향상시키기 위해서 T/C(turbo-charger)를 이용하여 공기극에 산화제 가스를 공급하며 스택에서 반응 후 배출된 공기극 가스를 이용하여 공급되는 산화제 가스를 압력을 올리는 데 사용한다. 750kW급 시스템인 경우 12bar로 운전되며 스택에서 반응되고 남은 연료극 및 공기극 가스는 가스 터빈을 이용하여 부가 발전을 하는데 사용된다. 외부 개질기를 이용하여 가압으로 운전하는 경우의 효율은 각각 43%(300kW), 47%(750kW)이다. 가압형 외부개질형 연료전지 시스템에 대한 효율은 다음 표 1에 정리하였다.

표 . 가압형 외부개질형 연료전지 시스템(CRIEPI)

출력	300 kW	750 kW
압력	0.4 MPa	1.2 MPa
연료	천연가스	천연가스
효율	43%(HHV)	47%(LHV)
비고	T/C 이용	Gas Turbine

3.3 상압형 내부개질형 연료전지 시스템

미국(FCE)에서 개발 중인 상압형 내부개질형 연료전지 시스템은 천연가스를 직접 스택에 공급하여 스택에 장착된 내부 개질 촉매 층을 통과한 천연 가스와 스팀이 연료극 가스로 사용된다. 내부 개질 방식을 사용하는 관계로 스택 내에서의 연료와 공기의 흐름은 교차류 형태를 취하게 되며 스택 내부에 발열체인 연료전지 스택과 흡열 반응이 일어나는 개질기가 포함되어 열교환이 원활하게 이루어지는 장점이 있지만 분리판의 구성이 외부개질형에 비하여 복잡한 단점이 있다. 스택에서 반응 후 나온 배열 가스는 스택 및 배열회수 시스템에 공급되어 열교환을 통해서 전체적인 시스템 효율 향상에 기여하게 되어있다. 시스템의 효율은 300kW급 시스템인 경우 47%이며 1000kW급 시스템인 경우 49%로 외부개질형에 비해 높은 효율을 보이고 있다. 이러한 높은 효율은 내부 개질형에 따른 효율적인 열교환과 함께 상압에서 운전되므로 산화제의 낮은 공급 압력으로 인한 블로어에 필요한 전력 손실이 공기 압축기에 비해 상대적으로 적다는 장점이 크다고 볼 수 있다. 상압형 내부개질형 연료전지 시스템에 대한 효율은 다음 표 2에 정리하였다.

표 . 상압형 내부개질형 연료전지 시스템(FCE)

출력	250 kW	1000 kW
압력	상압	상압
연료	천연가스	천연가스
효율	47%(LHV)	49%(LHV)
비고	DFC@ 300	DFC@ 1500

3.4 운전 압력에 따른 100kW 시스템 효율 변화

전력연구원에서 설계중인 100kW급 외부개질형 연료전지 시스템은 3bar, 650℃를 운전 조건으로 하였다. 연료 및 공기 이용률은 각각 60%, 30%이며 연료극 미반응 가스는 촉매 연소기의 연소용 연료로 공급되어 미반응 가스를 최대한 활용하도록 구성되었으며, 연료극과 공기극에는 가스/가스 열교환기(HEN)가 설치되어 고온의 출구 가스와 저온의 입구 가스의 열교환을 이용함으로 전기 히터 등 부가적인 장비의 사용이 줄어들어 시스템 전체의 효율이 높아지도록 구성되었다. 특별히, 공기극인 경우 고온 블로어(HTB)가 설치되어 스택의 냉각제로 사용되는 공기극의 산화제 가스량을 증대시켜 공급함으로 스택 온도 조절이 용이하도록 구성하였다. 배출된 공기극 가스는 HRSG를 통하여 개질기에 공급되는 스팀을 생산하는데 사용된다. 전체적인 공정 흐름도는 다음 Fig. 3과 같다.

표 . 효율 비교(100kW)

압력		3 bar	상압
효율 (%)	gross	22.56	22.48
	net	15.3	20.13
	heat	44.9	44.9
	total	60.2	65.04

Fig. 3. 100kW MCFC process flow diagram

이 시스템에 대하여 발전 시스템 효율 분석용 소프트웨어인 CYCLE TEMPO를 이용하여 가압과 상압 조건에서의 시스템 전체의 효율은 표 3과 같이 나타낼 수 있다. 표 3에서 알 수 있듯이 상압 운전인 경우 가압 운전에 필요한 공기 압축기를 블로어로 대신함으로 순수 효율을 4.83% 증가시킬 수 있음을 보이고 있다.

4. 결과 및 토론

본 연구에서는 연료전지 발전 시스템의 효율에 미치는 영향을 파악하여 연료전지 시스템의 효율을 높이기 위해서는 시스템의 효과적이 구성이 필수적이며 특별히, 가압형 외부개질형 시스템은 부가적인 turbo charger 또는 gas turbine을 이용하고 상압 내부개질형을 사용하는 경우엔 공기 압축기 대신 블로어를 사용함으로 부가적인 전력 손실을 줄이고 내부 개질 방식으로 인한 스택과 개질기의 효과적인 열교환에 의해 45%이상의 시스템 효율을 보이고 있다. 현재 국내에서 개발중인 100 kW 용융탄산염 연료전지 시스템에 대하여 정밀한 시스템 모사를 실시한 결과 효과적인 배열회수와 상압 운전으로 효율을 65%까지 증가시킬 수 있음을 살펴보았다. 이러한 분석은 향후 대형 연료전지 시스템의 설계 및 시스템 효율 설정에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

참고문헌

1. Hiroo Yasue, et al, □Development of a 1000 kW-clas MCFC pilot plant in Japan,□ Journal of Power Sources, 71(1998) 89-94.

2. Paul H. Eichenberger, □The 2 MW Santa Clara Project,□ Journal of Power Sources, 71(1998) 95-99.

3. 강병삼, □100 kW급 MCFC 발전시스템 공정의 개념 설계,□ 전력연구원 기술보고서 TM00ES02.P2001.048.