KR20200001341A - 용융탄산염 연료전지의 운전방법 및 연료전지 시스템 - Google Patents

용융탄산염 연료전지의 운전방법 및 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 운전방법에 관한 것으로, 구체적으로 연료전지의 스택에 공급되는 가스의 유량을 조절하여 수명 안정성을 향상시킨 용융탄산염 연료전지 운전방법에 관한 것이다.

Description

용융탄산염 연료전지의 운전방법 및 연료전지 시스템{Method for Operation of Molten Carbonate Fuel Cell and System thereof}
본 발명은 연료전지 운전방법에 관한 것으로, 구체적으로 연료전지의 스택에 공급되는 가스의 유량을 조절하여 수명 안정성을 향상시킨 용융탄산염 연료전지 운전방법에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예측되면서 이들을 대체할 수 있는 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 대체 에너지의 일종인 연료전지는 에너지를 저장하는 2차 전지와 달리 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 발생시키는 발전 시스템으로, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다. 연료전지에 사용되는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 알칼리 연료전지 등으로 분류되며, 종류에 따라 작동온도, 출력규모 및 이용분야에서 차이를 보이고 있다.
그 중 용융탄산염 연료전지는 열 병합 발전용 대형 발전 장치로 사용되었다. 용융탄산염 연료전지는 550℃ 내지 650℃의 높은 작동 온도로, 다양한 연료를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 연료전지의 크기가 커짐에 따라 발열량이 크게 증가하게 되고 이에 따라 따라 용융탄산염 액체 전해질(예)Li2CO3, K2CO3, Na2CO3 등)의 소모 속도가 증가하게 되는데, 전해질 소모 증가는 연료전지 성능 저하에 큰 원인이 되고 있다. 따라서 발열을 제어하지 못하면 연료전지의 장기 운전성이 크게 저하된다.
특히 장기 운전에 있어, 발열은 큰 문제이다. 온도가 상승하는 경우, 전해질의 증발에 의한 소모 속도가 증가한다. 전해질의 증발은 내부 저항의 상승, 분극 저항의 상승 등 성능 감소를 발생시킨다. 또한, 연속적으로 전해질 감소가 발생하는 경우, 매트릭스, 연료극, 공기극의 파손이 발생할 수 있고, 가장 치명적인 상황인 연료극과 공기극 가스의 섞임이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-0749909호
본 발명의 하나의 목적은 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도 분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계(S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계를 포함하는(S3), 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전해질막, 전해질막의 일측면에 배치된 연료극, 전해질막을 사이에 두고 연료극의 반대편에 배치되는 공기극으로 구성된 스택, 미리 설정된 값에 따라 공기 가스의 유량 또는 유동 방향을 조절하는 제어부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 그 신호에 따라 공기 가스의 유량을 조절하는 공기 공급부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 공기 가스의 유동방향을 전환시켜주는 유동방향 전환장치를 포함하는, 공기 가스의 유량과 유동 방향을 조절하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 하나의 양태로, 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계 (S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계 (S3)를 포함하는, 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법을 제공한다.
상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 연료극 또는 공기극의 가스이용율이 30 내지 50% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시키거나, 상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 가스이용율이 (B) 70 내지 90% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명의 다른 양태로, 전해질막, 전해질막의 일측면에 배치된 연료극, 전해질막을 사이에 두고 연료극의 반대편에 배치되는 공기극으로 구성된 스택, 미리 설정된 값에 따라 공기 가스의 유량 또는 유동 방향을 조절하는 제어부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 그 신호에 따라 공기 가스의 유량을 조절하는 공기 공급부, 상기 제어부의 신호를 수신하여 공기 가스의 유동방향을 전환시켜주는 유동방향 전환장치를 포함하는, 공기 가스의 유량과 유동 방향을 조절하는 연료전지 시스템을 제공한다.
본 발명에 의한 연료전지의 운전방법은 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하여, 스택의 국부적인 과열을 방지한다. 따라서 연료전지의 스택의 전해질이 국부적으로 소모되는 것을 방지하고, 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1는 counter-flow에서 스택의 전류밀도 및 온도분포를 나타낸 것이다
도 2는 co-flow에서 스택의 전류밀도 및 온도분포를 나타낸 것이다.
도 3는 counter-flow 운전모드에서 공기극 가스 유량 변화에 따른 스택의 온도분포를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 counter-flow 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 운전방법에 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면 및 실험예를 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 발명자는 연료전지의 공기극의 공기 가스 유량에 따라 스택의 최대온도 분포 위치가 이동하는 것을 확인하였다. 이와 관련하여 도 3은 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량 변화에 따른 스택의 온도분포 변화를 확인한 결과이다. 연료전지의 가스 이용률이 40%일 때 스택의 최고온도 지점(1060K)은 연료극 입구 쪽에 위치하고 있으나, 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 감소시킨 결과, 스택의 최고온도 분포 지점이 연료극 입구의 반대편에 위치한 공기극 입구 방향으로 이용하는 것을 확인하였다. 본 발명은 이점을 착안하여 연료전지의 최대온도 발생 지점을 이동시켜 스택의 전해질이 국부적으로 소모되는 것을 방지하고, 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있는 운전방법 및 연료전지 시스템을 완성하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다. 본 발명에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템은 도 4에 도시하고 있는 것과 같이 연료 가스와 공기 가스를 이용하여 전력을 발생시키는 스택(100), 스택(100)으로 연료 가스를 공급하는 연료 공급부(200), 공기 가스를 스택(100)으로 공급하는 공기 공급부(300)와 연료극에 공급되는 연료 가스의 양 또는 유량, 및 공기극에 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 조절하는 제어부(10)를 포함한다. 상기 제어부(10)는 타이머(30)가 더 포함되어 있을 수 있다. 또한 스택과 연결된 온도 검출부(20)가 더 포함할 수 있다.
스택(100)은 한 개의 단위셀만으로도 구성될 수 있지만, 다수 개의 단위셀을 일렬로 적층하여 구성될 수 있다.
스택(100)은 전해질막(101)과, 전해질막(101)의 일측면에 배치된 연료극(102), 전해질막(101)을 사이에 두고 연료극의 반대쪽에 배치되는 공기극(103)으로 구성된다.
상기 전해질막은 용융탄산염 액체 전해질을 포함할 수 있다. 구체적으로 Li2CO3, K2CO3, Na2CO3를 포함할 수 있다.
연료극 입구(121)와 연료극 출구(122)은 연료극(102)의 양단에 형성되어 있다. 이와 유사하게 공기극(103)의 양단에 공기극 입구(131)과 공기극 출구(132)가 형성되어 있다. 공기극 입구(131)은 공기 공급부(300)과 연결되어 있다.
상기 공기 공급부(300)는 제어부(10)와 전기적으로 연결되어 있으며, 공기극(102)으로 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 제어할 수 있다.
상기 온도 검출부(20)는 스택(100)에 연결되어 있으며, 스택의 온도 또는 온도분포를 측정한다. 또한 제어부(10)와 연결되어 있어 스택에서 검출한 온도 또는 온도분포 정보를 제어부(10)로 송신한다.
상기 제어부(10)는 온도 검출부(20)에서 감지되는 스택(100)의 온도 또는 온도분포의 측정값이 미리 설정된 값에 도달하는 경우 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 조절할 수 있다. 경우에 따라서는 제어부(10)에 구비된 타이머(30)를 이용하여 주기적으로 공기극(102)에 공급되는 공기 가스의 양 또는 유량을 감소시키거나 또는 증가시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 운전방법에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 연로전지 운전방법은 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계 (S1), 상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도 분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계 (S2) 및 상기 (S1)과 (S2) 단계 (S3)를 반복하는 단계를 포함한다.
상기 연료전지의 운전 방법은 연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 연료극에 공급되는 연료가스는 수소, 이산화탄소 및 물을 포함한다. 상기 연료가스의 조성은 구체적으로 H2: CO2: H2O = 0.9~0.6: 0.1~0.5: 0.05~0.3, 더욱 구체적으로 H2: CO2: H2O = 0.72: 0.18: 0.1일 수 있다.
상기 연료극에 공급되는 연료 가스는 연료 공급부(200)에서 연료극 입구(121)를 지나 연료극(102)으로 공급되며 전기화학반응을 하고 남은 미반응 연료가스는 연료극 출구(122)로 배출된다.
상기 공기극에 공급되는 공기 가스는 공기 및 이산화탄소를 포함한다. 상기 공기 가스의 조성은 구체적으로 공기(Air): CO2 = 0.9~0.6:0.4~0.1, 더욱 구체적으로 공기(Air): CO2 = 0.7:0.3일 수 있다.
공기극 입구(131)는 도 4에 도시된 바와 같이 연료극 입구(121)와 반대 방향에 위치하며, 공기극 출구(132)와 연료극 출구(132) 역시 서로 반대 방향에 위치하고 있다. 공기 공급부(300)에서 공급되는 공기 가스는 공기극 입구(131)를 통해 공기극(103)으로 공급되며, 전기화학반응을 하고 남은 미반응 공기 가스는 공기극 출구(132)로 배출된다. 공기극 입구와 연료극 입구 및 공기극 출구와 연료극 입구가 서로 반대방향에 위치하고 있는바, 연료극과 공기극의 가스유동 방향은 서로 반대되는 방향(counter-flow)으로 흐른다.
상기 가스이용율은 특정 전류밀도에서 연료 가스 또는 공기 가스의 이용율를 의미한다. 본 발명에 실시예에서 공기극 가스의 투입량을 조절하여 스택의 온도분포를 조절하였다. 따라서 상기 가스이용율은 구체적으로 공기극 가스이용율일 수 있다. 상기 가스의 이용율은 아래의 수식1 또는 2를 이용하여 계산할 수 있다. 일반적으로 스택은 1500A/㎡을 기준으로 40% 내지 60%의 가스 이용율로 운전한다. 연료극 가스 이용율 40%는 평균 전류밀도 1500A/㎡ 에서 전체 투입한 연료 가스 중 40%의 가스가 전기화학 반응을 통해 소모 되었다는 것을 의미한다. 따라서 20%의 연료극 가스이용율은 40%의 연료극 가스 이용율 보다 2배의 연료 가스가 더 많이 투입된다.
[수식1]
공기극 가스이율율(%) = (특정 전류밀도에서 공기 가스 사용양 / 총 공기극 공기 가스 투입양)×100
[수식2]
연료극 가스이율율(%) = (특정 전류밀도에서 연료 가스 사용량/ 총 연료극 연료 가스 투입양)×100
상기 온도분포는 연료전지 스택(100)의 각 지점에서 측정한 온도의 분포를 의미하며, 스택(100)과 연결된 온도 검출기(20)로 측정할 수 있다. 구체적으로 상기 온도분포는, 스택의 길이를 1로 하였을 때, 연료극 입구 방향의 스택의 한쪽 지점을 0으로, 연료극 출구 방향의 스택의 다른 한쪽 끝 지점을 1로 하여 0부터 1사이의 지점의 온도를 측정한 것 일 수 있다.
상기 공기극 가스의 유량 조절은 상기 가스이용율 또는 온도분포의 측정값이 기 입력된 값에 도달한 경우, 제어부(10)가 공기공급부(300)에 전기적 신호를 주어 공기극(103)에 공급하는 공기가스의 양을 증가시키거나 또는 감소시키는 것을 의미한다.
상기 기 입력된 가스이용율은 30 내지 50% 또는 70 내지 90%일 수 있다.
상기 기 입력된 온도분포는 구체적으로 900 내지 1100K의 온도지점이 전체 스택의 길이가 1일때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49의 지점에 위치하거나, 또는 0.51 내지 1에 위치하는 온도분포일 수 있다.
후술하는 실험예에서 가스 이용율이 40%로 설정하여 운전하였을 때, 연료전지 스택의 최대온도 지점(1060K 내외)은 연료극 입구 쪽에 분포하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.20 내지 0.39 지점에 분포하는 것을 확인하였다. 이때 공기 가스의 공급량을 감소시켜, 가스이용율을 60%로 증가시키자, 최대온도 지점이 연료극 입구와 공기극 입구의 중간지점으로 이동하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.4 내지 0.59 지점으로 최대온도 지점이 이동함을 확인하였다. 또한, 공기 가스의 공급량을 더욱 감소시켜 가스이용율을 80%로 증가시키자, 연료극 출구 또는 공기극 입구 쪽에 스택의 최대온도 지점이 이동하는 것을 확인하였으며, 구체적으로 연료극 입구를 기준으로 0.6 내지 0.8 지점으로 최대온도 지점이 이동하는 것을 확인하였다.
즉, 공기극에 공급되는 공기가스의 양을 감소시킬수록 최대온도 지점이 반대 방향에 위치한 연료극 출구 방향으로 이동하는 것을 확인하였으며, 공기극에 공급되는 공기가스의 유량을 증가시키면 가스이용율이 감소하며, 스택의 최대온도 분포지점이 연료극 출구 방향에서 연료극 입구에 이동함을 확인하였는바, 제어부(10)가 공기공급부(300)를 조절하여 공기극(102)의 공급되는 공기가스의 양을 증가 또는 감소시켜 스택의 최대온도 분포지점을 이동시킬 수 있다.
상기 최대온도 분포지점의 연료극 입구 방향에서 연료극 출구 방향으로 이동은 900 내지 1100K의 온도지점이 연료극 입구 기준 0 지점에서 1 지점 방향으로 이동하는 것을 의미한다.
따라서 상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 연료극 또는 공기극의 가스이용율이 30 내지 50% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시키거나, 상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 가스이용율이 (B) 70 내지 90% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시키는 연료전지의 운전 방법일 수 있다.
상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행된다.
구체적으로, 온도검출부(20)가 측정한 온도분포 또는 측정된 가스이용율이 상기에 서술된 미리 설정된 값에 도달하는 경우 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
또한, 상기 (S1)과 (S2) 단계의 반복은 제어부(10)에 구비된 타이머(30)에 기 입력된(S2) 시간마다 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행될 수 있다.
구체적으로 전체 스택의 길이 1일 때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49 지점에서 검출된 온도가 기 입력된 온도에 도달하는 경우, 공기 공급부(300)에서 공기극(103)으로 공급하는 공기 가스의 양을 감소시켜(전체 공기 가스 양 기준으로 가스이용률 증가) 최대온도 발생지점을 연료극 입구 기준으로 0.51 내지 1 지점, 즉 연료극 출구 쪽으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. 또한 공기극 입구 또는 연료극 출구 쪽의 스택 온도가 기 입력된 온도에 도달하는 경우, 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 증가시켜(전체 공기가스 양 기준으로, 가스이용율 감소), 최대온도 발생지점을 연료극 입구 쪽으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다.
상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하여 수행하면 스택내의 최대온도(900 내지 1100K) 발생지점을 연료극 입구 기준 0 내지 0.49에서 연료극 입구 기준 0.51 내지 1 지점으로 이동시키고, 반대로 연료극 입구 기준 0.51 내지 1에서 연료극 입구 기준 0 내지 0.49으로 이동시킬 수 있다. 즉 스택의 국부적인 온도상승을 감소시켜서, 국부적인 전해질 소모를 감소시킬 수 있고, 따라서 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템의 개략도이다. 본 발명에 따른 운전방법이 적용되는 연료전지 시스템은 도 5에 도시하고 있는 것과 같이 스택(100), 스택(100)으로 연료를 공급하는 연료 공급부(200), 공기를 스택(100)으로 공급하는 공기 공급부(300)와 공기의 유량을 제어하는 제어부(10)를 포함한다. 또한 제어부(10)에 구비된 타이머(30), 스택의 온도를 검출하는 온도 검출부(20)가 구비되어 있을 수 있다.
스택(100)은 한 개의 단위셀만으로도 구성될 수 있지만, 다수 개의 단위셀을 일렬로 적층하여 구성될 수 있다.
스택(100)은 전해질막(101)과, 전해질막(101)의 일측면에 배치된 연료극(102), 전해질막(101)을 사이에 두고 연료극의 반대쪽에 배치되는 공기극(103)으로 구성된다. 연료극 입구(121)와 연료극 출구(122)은 연료극(102)의 양단에 형성되어 있다.
공기극(103)의 양단에는, 제1 공기 유로(141)와 제 2공기 유로(142)가 연결되어 있다. 상기 제1공기 유로(141)과 제 2공기 유로(142)는 한쪽 끝은 연결되어 있으며 연결지점에 공기 유동방향 조절 장치(145)가 설치되어 있다. 상기 유동방향 조절장치(145)는 공기공급부(300)와 공기 배출부(143)와 연결되어 있으며, 공기 공급부(300)와 연결된 제1 공기유로(141)를 차단하고, 제2 공기 유로(142)를 연결하여 공기극(103)의 공기의 유동방향을 제1 공기 유로방향에서 제2 공기 유로 방향으로 전환한다. 동시에 제2 공기 유로(142)와 공기배출부(143)의 연결을 차단하고, 제1 공기 유로(141)과 공기배출구(143)를 연결하여 공기극에서 배출되는 공기의 방향을 제2 공기 유로 방향(co-flow)에서 제1 공기 유로 방향(counter-flow)으로 전환한다.
또한, 제어부(10)는 온도센서(20)에서 감지되는 스택(100)의 온도분도가 측정값이 미리 설정된 값에 도달하는 경우, 공기공급부를 제어하여 공기극에 주입되는 공기 가스의 양을 증가 또는 감소시킬 수 있으며, 또한 공기유동 방향 조절 장치(145)를 제어하여 공기극의 공기가스 공급 및 배출 방향을 전환하여 제1 공기 유로 방향인 counter-flow에서 제2 공기유로 방향인 co-flow로 전환할 수 있다. 또한 반대로 공기극의 공기 공급방향을 제2 공기유로 방향에서 제1 공기유로 방향으로 전환하여 co-flow에서 counter-flow로 전환할 수 있다.
또한, 경우에 따라서는 제어부(10)는 구비된 타이머(30)를 이용하여 주기적으로 공기극(102)에 공급되는 되는 공기가스의 유량 또는 유동 방향을 조절할 수 있다
본 발명의 다른 실시예는 전술한 연료전지의 운전방법은 상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지의 운전방법은 제어부(10)의 신호를 수신하여 유동방향 조절장치(145)가 공기공급부(300)에서 공급되는 공기 가스의 공급방향을 제1 공기 유로(141)에서 제 2공기 유로(142)로 전환하고, 동시에 공기극의 공기 가스의 배출방향을 제2 공기 유로에서 제1 공기 유로로 전환하여 운전할 수 있다. 즉, 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전할 수 있다.
본 발명의 후술하는 실험예에서 공기극의 공기가스 공급 방향을 counter-flow에서 co-flow로 전환하여 최대온도(1060K) 발생지점을 연료극 입구에서 연료극 출구로 이동시킬 수 있음을 확인하였다.
따라서 상기 연료전지의 운전방법은 구체적으로 전체 스택의 길이 1일 때, 연료극 입구를 기준으로 0 내지 0.49 지점에서 검출된 온도가 900 내지 1100K에 도달하는 경우, 제어부(10)가 공기 유동?항 조절장치(145)을 조절하여 공기극(103)의 공기 가스 유동방향을 제 1공기 유로 방향인 counter-flow에서 제2 공기 유로 방향인 co-flow로 전환하여, 최대온도(900 내지 1100K)의 발생지점을 연료극 입구 기준으로 0.51 내지 1 지점, 즉 연료극 출구 방향으로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다. 또한 공기극 입구 또는 연료극 출구 쪽의 스택 온도가 900 내지 1100K에 도달하는 경우, 공기극 가스의 유동방향을 co-flow에서 counter-flow로 전환하여, 최대온도 발생지점을 연료극 출구로 이동시키는 연료전지의 운전방법일 수 있다.
또한 제어부(10)에 구비된 타이머(30)가 연료의 유동방향 전환시점을 계산하여 일정한 시간마다 유동방향을 전환하는 연료전지의 운전방법일 수 있다.
상기와 같이 공기극의 공급되는 공기의 유동방향을 반복적으로 전환함으로써 스택의 최대온도 발생지점을 연료극 입구 기준 0 내지 0.49에서 연료극 입구기준 0.51 내지 1지점으로 교차하여 이동시킬 수 있다.
따라서 스택내의 국부적인 과열을 방지할 수 있어, 국부적인 전해질 소모를 방지하여 연료전지의 장기 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
실험예 1. 가스 유동 방향에 따른 연료전지(스택)의 전류밀도 분포 및 온도분포
연료전지의 공기극 가스와 연료극 가스의 유동 방향에 따른 전류밀도 분포 및 온도분포를 확인하였다.
가스 유동 방향에 따른 전류밀도 및 온도 분포를 확인하고자 해석 모델을 이용하였다. 해석 모델의 스택은 770㎚ × 330㎚ 크기를 사용하였다. 해석은 COMSOL multiphysicis v5.3을 사용하였다. 작동온도는 853K이고, 연료극의 연료가스 조성은 H2: CO2: H2O = 0.72: 0.18: 0.1을 사용하였으며, 공기극의 공기 가스 조성은 Air: CO2 = 0.7:0.3을 이용하였다. 이때 연료극 또는 공기극의 가스 이용율은 40%였다.
도 1은 counter-flow, 도 2는 co-flow에서 해석 조건에 따른 전류밀도 및 온도분포 해석 결과이다. Counter-flow에서 전류밀도가 연료극 입구 쪽에서 높고, 온도분포 역시 연료극 입구쪽에서 높음을 확인하였다.
Co-flow에서는 연료극과 공기극 입구에서 높은 전류 밀도를 가지며, 온도분포는 공기극과 연료극의 출구방향에서 가장 높음을 확인하였다.
실험예 2. 가스 투입량 조절을 따른 스택의 온도 분포
다음으로 가스 투입량을 조절에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 확인하였다.
2.1 Co-flow에서 가스 투입량 조절
Co-flow의 경우 연료극 가스와 공기극 가스의 진행방향이 동일하여 연료극 가스/공기극 가스 출구쪽에서 최대 온도가 발생함을 확인하였다. 다음으로 연료극 가스 투입량 조절에 따른 스택의 온도분포 변화를 확인하고자, 공기극 가스 이용율은 40%로 고정하고, 연료극 가스의 투입량을 조절하여 운전하였다.
Co-flow 의 경우, 연료극의 가스 이용율이 20% 인 경우 최저 온도는 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 가스 출구 쪽에서 발생하였다. 이 때 최고 온도는 932K였다. 전류밀도는 가스 투입구 쪽에서 최고 전류밀도를 보였다. 가스 이용율이 40%인 경우 마찬가지로 최저 온도는 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 가스 출구 쪽에서 발생하였다. 이 때 최고 온도는 953K 였다. 전류밀도는 중심부에서 가장 높은 값을 보였다. 가스 이용율이 80%인 경우 온도 분포는 동일하고, 최고 온도는 987K 였다. 전류밀도는 가스 출구 쪽에서 가장 높은 값을 보였다. 많은 가스가 투입되어도 전류 밀도 분포만 변화하고 온도 분포에는 큰 차이를 보이지 않았다.
즉, 연료극 가스 이용율이 낮을수록, 투입되는 연료 가스가 증가하여 냉각 효과가 증대되고, 연료극 출구에서의 온도가 987K (연료극 가스이용율 80%)에서 932K (연료극 가스이용율 20%)로 내려갔다. 이는 공기극 가스이용율을 변화시켰을 때, 역시 유사한 결과를 보였다. 따라서 co-flow에서 연료 가스 또는/및 공기 가스의 투입량의 조절은 온도분포의 변화에 큰 영향을 주지 못했다
2.2 Counter-flow에서 가스 조절(연료극 가스 조절)
Counter-flow의 경우 두 가스의 흐름 방향이 다르고, 최고온도가 연료극 입구 쪽에서 발생한다. counter-flow에서 연료가스 투입량을 증가시키면 연료극 입구쪽에서 반응이 더 활발하게 발생하며, 연료극 입구 쪽에서 온도가 더 증가하였다. 따라서 연료극 가스 유량을 조절하는 것은 스택의 온도분포 조절에 큰 효과가 없음을 확인하였다. 연료극 가스만 이용율을 변화하는 경우는 다음과 같다. 연료극 가스 이용율 20% 에서는 최고 온도가 연료극 가스 투입구에서 발생하며, 이 때 최고 온도는 1073K 이다. 연료극 가스 이용율 40%에서는 마찬가지로, 최고 온도가 연료극 가스 투입구 쪽에서 발생하고, 최고 온도는 1063K 이다. 연료극 가스 이용율 60%에서는 최고 온도가 1019K 이고, 최고 온도 발생지점은 역시 연료극 가스 투입구 근처이다. 이 경우, 투입되는 연료극 가스가 증가함에 따라 온도가 미세하게 감소하지만 최고 온도가 발생하는 지점, 온도 분포의 특징은 변하지 않는다. 따라서 연료극 가스 이용율 변화는 온도 분포 변화에 큰 영향을 주지 못했다.
2.3 Counter-flow에서 가스 조절(공기극 가스 조절)
다음으로 counter-flow에서 공기극 가스 유량 변화에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 분석하였다. 도 2는 counter-flow의 연료전지 모델에서 공기극 가스 유량 변화(가스 이용률 변화)에 따른 스택의 온도분포를 분석한 결과이다.
스택의 길이 1을 기준으로 연료극 입구 지점을 0으로 연료극 출구 지점을 1로 설정하였다.
가스 이용율을 40%로 설정하여 운전할 때, 최대온도(1060K)지점이 0.2 내지 0.39 사이에 위치하였다. 이때, 가스 이용율을 60%로 전환하면, 최대온도 지점이 0.40 내지 0.59에 위치하고, 가스 이용율을 80%로 전환하면 최대온도 지점이 0.6 내지 0.8 지점에 위치하는 것을 확인하였다. 즉 가스의 이용율이 40%에서 80%(공기극 가스의 유량을 1/2로 감소시켜 가스이용율을 80% 증가시킴)로 증가할수록, 스택의 최대온도 발생지점이 연료극 가스의 입구 방향에서 반대편에 위치한 연료극 출구방향으로 이동하는 것을 확인하였다.
공기극 가스는 열 용량이 커 냉각효과가 크며, 따라서 공기극 가스의 투입량을 감소시키는 경우, 공기극 가스에 의한 냉각효과가 감소하여, 최대 온도 발생지점이 공기극 가스 입구 쪽으로 이동하는 것으로 확인되었다. 따라서 counter-flow에서 공기극에 가스 유량을 조절함으로써 스택의 온도분포를 제어할 수 있다. 또한 공기극 가스의 유량을 주기적으로 변경시켜 최대온도 발생지점을 변경해 줌으로서, 스택 내부의 일정부분에서 발열이 집중되는 것을 방지하여 국부적인 전해질 감소를 저하시키고 전해질 고갈을 균일하게 하여 연료전지의 수명 안정성을 향상시킬 수 있다. 이는 전류밀도를 조절함으로써도 가능하다.
실험예 3. 가스 방향 조절을 따른 스택의 온도 분포
다음으로 counter-flow에서 co-flow로 가스 유동 방향 전환에 따른 연료전지 스택의 온도분포 변화를 분석하였다. 전체 스택의 길이 1을 기준으로 연료극 입구방향의 끝을 0로 보았으며, 연료극 출구방향을 1으로 설정하였다.
실험예1에서 연료극 가스의 유동방향을 전환하는 경우, counter-flow에서 연료극 입구쪽에 최대 온도가 분포하며, co-flow에서는 연료극 출구쪽에 최대온도가 분포하는 것을 확인하였는바, 연료극 가스의 유동방향의 전환은 최대온도 지점을 이동시키는데 큰 효과가 없음을 확인하였다. 따라서 공기극의 가스의 유동방향을 조절하였다.
가스 이용율을 40%으로 연료전지를 운전하였을 때 counter-flow 에서 최대온도(1060K)지점이 0 내지 0.49 사이에 위치하였으며, 공기극 가스의 유동방향을 연료극 가스의 유동방향과 동일한 co-flow로 전환하였을 때 최대온도 지점이 0.51 내지 1 지점으로 이동하는 것을 확인하였다. 따라서 counter-flow에서 co-flow으로 또는 co-flow에서 counter-flow으로 공기극 가스의 유동방향을 전환하여 스택의 최대온도 발생지점을 이동시킬 수 있다.
10 제어부
20 온도 검출부
30 타이머
100 스택
101 전해질막
102 연료극
103 공기극
121 연료극 입구
122 연료극 출구
131 공기극 입구
132 공기극 출구
141 제1 공기유로
142 제2 공기유로
143 공기 배출구
145 유동방향전환 장치
200 연료공급부
300 공기공급부

Claims (5)

  1. 연료극에 공급되는 연료 가스와 공기극에 공급되는 공기 가스의 유동방향이 서로 반대되도록 연료극 및 공기극에 가스를 공급하여 카운터 플로우(counter-flow)로 운전하는 단계(S1);
    상기 연료극과 공기극의 가스이용률 또는 온도 분포를 측정하여 공기극 가스의 유량을 조절하는 단계(S2); 및
    상기 (S1)과 (S2) 단계를 반복하는 단계(S3);를 포함하는,
    연료전지의 공기극에 공급되는 공기 가스의 유량을 조절하는 연료전지의 운전방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (S1) 단계에서 공기극의 공기 가스 공급방향을 연료극의 연료 가스 공급방향과 동일 방향으로 전환하여 코 플로우(co-flow)로 운전하는 단계
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (S2) 단계에서, 상기 연료극 입구 또는 공기극 출구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 연료극 또는 공기극의 가스이용율이 30 내지 50% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 4/10 내지 6/10배로 감소시키거나,
    상기 연료극 출구 또는 공기극 입구의 온도가 900 내지 1100K 온도에 도달하면서, 가스이용율이 (B) 70 내지 90% 인 경우, (S1) 단계에서 공기극으로 공급되는 공기 가스의 양을 1.5 내지 2.5배로 증가시키는 것인, 연료전지의 운전방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 코 플로우(co-flow)에서 카운터 플로우(counter-flow)로 전환하여 운전하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 운전방법.
  5. 전해질막, 전해질막의 일측면에 배치된 연료극, 전해질막을 사이에 두고 연료극의 반대편에 배치되는 공기극으로 구성된 스택;
    미리 설정된 값에 따라 공기 가스의 유량 또는 유동 방향을 조절하는 제어부;
    상기 제어부의 신호를 수신하여 그 신호에 따라 공기 가스의 유량을 조절하는 공기 공급부;
    상기 제어부의 신호를 수신하여 공기 가스의 유동방향을 전환시켜주는 유동방향 전환장치;를 포함하는,
    공기 가스의 유량과 유동 방향을 조절하는 연료전지 시스템.
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