KR101787565B1 - Mcfc 시스템 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 MCFC 시스템 운전방법에 관한 것으로, MCFC 시스템 운전방법은, MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량(전류/면적)을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계, 부하량 증가 단계 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계, 및 요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계와 부하량 유지 단계를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계를 포함한다.

Description

MCFC 시스템 운전방법{Operation Method For MCFC System}
본 발명은 MCFC 시스템(Molten Carbonate Fuel Cell System) 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀 내부 온도 편차를 균일하게 유지하는 MCFC 운전방법에 관한 것이다.
연료전지는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 다시 말해, 연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell; 이하, "MCFC")는 이와 같이 수소와 공기를 공급받아 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 대표적인 연료전지이다. MCFC는 고온형 연료전지로 발전효율이 47%로 높고, 연료 사용량이나 탄소가스 배출량이 낮은 차세대 신재생에너지로 각광받고 있다.
MCFC를 생성하는 MCFC 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다. 여기서 연료전지 스택은 전기 화학 반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 연료, 공기, 물 등을 전처리하여 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
연료전지 스택에서는 전기 화학 반응에 대하여 살펴보면, 연료극(양극)에서는 수소가 이온화되며 전자를 내놓는 반응이 일어나고, 이 전자는 전해질을 통해 공기극(음극)으로 이동하고, 그곳에서 공기(산소)와 반응하여 물을 생성한다.
연료극(양극): H2 (g) -> 2H+ + 2e-
공기극(음극): 1/2O2 (g) + 2H+ + 2e- -> H2O (l)
두 반응의 합: H2 (g) + 1/2O2 (g) -> H2O (l)
이렇게 물이 생성되는 반응은 발열반응이다. 이러한 연료전지 스택 내의 발열반응으로 인하여 MCFC 내의 온도 상승이 발생한다.
한편, MCFC 초기 운전시, 도 1의 종래의 MCFC 시스템의 일 예에서 도시된 바와 같이, MCFC의 최고 출력에 도달하기 위하여 짧은 시간 내에 부하 생성을 증가시킨다. 이러한 종래의 MCFC 시스템에서는 연료전지 스택부에서 급격한 온도 상승으로 연료전지 스택에서 국부적으로 온도 편차가 발생하게 된다. 이러한 온도 편차는 연료전지 스택의 면적이 대형인 대면적 MCFC에서 더욱 두드러지게 나타난다.
연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차는 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 저하시켜 결과적으로 연료전지 스택의 장기 운전시 고장 발생을 야기하는 원인이 된다. 따라서 이러한 연료전지 스택 내의 온도 편차를 줄이기 위한 개선이 요구된다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 초기 운전 시 단계별로 부하량을 상승시켜 연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차를 감소시켜 연료전지 스택의 내구성을 향상시키는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은, MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량(전류/면적)을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계, 부하량 증가 단계 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계, 및 요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계와 부하량 유지 단계를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 유지 단계에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서 일정량은 1~10mA/㎠ 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 증가 단계에서 일정량은 최고 출력 미만의 값인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 부하량 유지 단계는 1~10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 사용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 연료전지 내의 국부적인 온도 편차를 감소시켜 연료전지 스택의 내구성을 향상시킨다. 나아가 연료전지 스택의 내구성 향상으로 장기 운전시 고장 발생률을 감소하여 MCFC 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 MCFC 시스템 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 MCFC 시스템 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 개략도를 도시한다. 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은, MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계(S10), 부하량 증가 단계(S10) 이후, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계(S20), 및 요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계(S10)와 부하량 유지 단계(S20)를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계(S30)를 포함한다.
MCFC 시스템의 초기 운전시, MCFC 시스템의 부하량 증가 단계(S10)에서 연료전지 스택에서 생성되는 부하량을 일정량 증가시킨다. 부하량은 단위면적당 전류값(mA/㎠)으로 정의될 수 있다. 부하량 증가 단계(S10)에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시켜 부하량을 증가시킬 수 있다. 여기서 일정량을 증가시킨다는 것은 한번에 MCFC 최고 출력까지 부하량을 증가시키지 않는다는 것을 의미한다. 따라서 부하량 증가 단계(S10)에서 증가되는 일정량은 부하량 MCFC 최고 출력보다 작은 수치이다.
본 발명에 따른 일 실시예에서는, 부하량 증가 단계(S10)에서 증가되는 일정량은 1~10mA/㎠ 범위 내의 특정 값인 것이 바람직하다. 예를 들면, 부하량 증가 단계(S10)에서 일정량이 10mA/㎠로 설정되면 부하량 증간 단계(S10)를 반복할 때 마다 부하량은 10mA/㎠씩 증가할 것이다. 한편, 부하량 증간 단계(S10)에서 증가되는 부하량(일정량)은 MCFC 시스템의 최고 출력에 따라 변경될 수 있으므로 1~10mA/㎠ 로 한정되는 것은 아니다.
부하량 증가 단계(S10) 이후, 부하량 유지 단계(S20)에서는 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지한다. 부하량 유지 단계(S20)에서는 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지함으로써 부하량을 일정하게 유지할 수 있다. 이렇게 부하량 유지 단계(S20)를 통하여 연료전지 스택 내의 온도 편차가 감소될 수 있다. 따라서 연료전지 스택 내의 온도가 급격하게 변화여 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에서는, 부하량 유지 단계(S20)에서 1~10분 범위 내의 특정 시간 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지한다. 예를 들면, 10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지할 수 있다. 한편, 부하량 유지 단계(S20)에서 유지 시간은 MCFC 시스템의 최고 출력에 도달하는데 까지 요구되는 시간에 따라 변경될 수 있으므로 1~10분으로 한정되는 것은 아니다.
증가유지 반복 단계(S30)에서는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 부하량 증가 단계(S10)와 부하량 유지 단계(S20)를 순차적으로 반복한다. 따라서 시간에 따른 부하량의 그래프는 계단식으로 도시될 수 있다. 부하량 증가와 부하량 유지가 반복됨에 따라 연료전지 스택 내의 국부적인 온도 편차가 감소될 수 있다.
부하량 증가 단계(S10)의 일정량(부하량 증가치)과 부하량 유지 단계(S20)의 유지 시간은 MCFC의 최고 출력과 최고 출력에 도달하는데 요구되는 시간에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 예를 들어, MCFC의 최고 출력이 50mA/㎠이고, 1시간 이내에는 최고 출력에 도달해야 한다고 가정하면, 부하량 증가 단계(S10)에서 일정량을 10mA/㎠으로, 부하량 유지 단계(S20)의 유지 시간을 10분으로 설정하여 5번의 부하량 증가 단계(S10) 및 4번의 부하량 유지 단계(S20)를 거쳐 MCFC의 최고 출력에 도달할 수 있다.
연료전지 스택 내의 국보적인 온도 편차는 연료전지 스택의 면적이 대형이 대면적 MCFC 시스템에서 두드러지게 나타날 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 적합하다. 여기서 대면적은 연료전지 스택의 면적이 대형인 것을 의미한다. 연료전지 스택의 면적은 단일 스택이 대형일 수 있고, 또는 복수의 스택이 병렬로 배열되어 대형을 이룰 수도 있다.
본 발명의 일 예에 따른 MCFC 시스템의 초기 운전시 시간에 따른 부하량의 그래프를 도시하는 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 MCFC 시스템 운전방법의 일 예를 설명한다.
초기 운전의 10분 동안은 부하량 증가 없이 일정하게 유지한다. 이 후, 부하량 증가 단계(S10)에서 부하량을 10mA/㎠까지 상승시킨다. 이 후, 부하량 유지 단계(S20)에서 10mA/㎠의 부하량으로 20분까지 일정하게 유지한다. 다시, 부하량 증가 단계(S10)에서 부하량을 20mA/㎠까지 상승시키고, 부하량 유지 단계(S20)에서 20mA/㎠의 부하량으로 30분까지 일정하게 유지한다. 이러한 부하량 증가 단계(S10) 및 부하량 유지 단계(S20)의 순차적인 반복하는 증가유지 반복 단계(S30)를 거쳐 최종적으로 MCFC 최고 출력인 50mA/㎠에 도달하게 된다. 이러한 과정을 거치게 되면 도 3에 도시된 바와 같이 시간 대 부하량의 그래프가 계단식으로 도시되게 된다(도 1의 그래프와 차이가 명확함).
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. MCFC 시스템의 연료전지 스택에서 생성되는 부하량(전류/면적)을 일정량 증가시키는 부하량 증가 단계;
    상기 부하량 증가 단계 이후 연료전지 스택에 국부적인 온도 편차가 발생하는 것을 방지하기 위해, 증가된 부하량을 일정 시간 동안 유지하는 부하량 유지 단계; 및
    요구되는 MCFC의 최고 출력에 도달할 때까지 상기 부하량 증가 단계와 상기 부하량 유지 단계를 순차적으로 반복하는 증가유지 반복 단계를 포함하는 MCFC 시스템 운전방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하량 증가 단계에서는 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하량 유지 단계에서는 상기 연료전지 스택으로 공급되는 연료량 및 공기량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하량 증가 단계에서 상기 일정량은 1~10mA/㎠ 범위인 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하량 증가 단계에서 상기 일정량은 상기 최고 출력 미만의 값인 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 부하량 유지 단계는 1~10분 동안 증가된 부하량을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MCFC 시스템 운전방법은 대면적 MCFC에 사용되는 것을 특징으로 하는 MCFC 시스템 운전방법.
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