선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 스택 성능에 관한 연구
박상균†⋅김영진1⋅노길태1⋅김만응1
(원고접수일：2011년 3월 30일, 원고수정일：2011년 5월 2일, 심사완료일：2011년 5월 2일)
A Study on Performance of Solid Oxide Fuel Cell Stack for Ship Applications
Sang-Kyun Park†⋅Young-Jin Kim1⋅Gill-Tae Roh1⋅Mann-Eung Kim1
요 약 : 최근 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지가 주목 받고 있다. 본 연구 에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전 지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였 다. 그 결과 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율이 증가하였고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가하지만 효율은 감소하였다. 또한 Case 3의 경우에 전 류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수 있었다.
주제어 : 선박, 전원공급, 고체산화물형 연료전지, 이산화탄소, 성능해석
Abstract: Recently the fuel cell has been spotlighted as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell stacks fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of power and efficiency depending on the number of cells in the stack, hydrogen conversion ratio, and active area of the cell are evaluated. Also the effects of air and methane supplying conditions on performance are analyzed. As a result, as the number of cells, hydrogen conversion ratio, active area of the cell, or supplied air flow rate increase, the stack power and efficiency increase. When the methane flow rate increases, the power increases. However the efficiency decreases. In addition, the case at the current of 976.4 A, voltage of 529.1 V, with corresponding power of 516.6 kW shows that the efficiency of fuel cell stack is 42.91%.
Key words: Ship, Power supply, Solid oxide fuel cell, Greenhouse gas (GHG), Performance analysis
†교신저자(사단법인 한국선급 녹색산업기술원, E-mail:[email protected], Tel: 042-869-9507) 1 한국선급 녹색산업기술원
1. 서 론
현재 국제해사기구(IMO)에서는 선박에서 배출 하는 온실가스 감축을 강제화하는 국제협약을 논의 중이며, 그 중의 하나인 신조선 에너지효율지수 (EEDI, Energy Efficiency Design Index)가 빠르면 2013년 상반기에 발효될 가능성이 있으며, 향후 탄소세 부과 혹은 배출권 거래제도의 도입도 고려되고 있다[1]. EEDI 요건의 도입에 대응하기
위해서는 선박의 에너지 효율을 향상시키기 위한 대안이 필요하며 단기 및 중기적인 방안으로 효율 의 개선을 위한 다양한 연구개발이 진행되고 있다 [2]. 또한 장기적이고 근본적인 대책으로 선박에 연료전지 시스템 도입을 위한 연구개발이 활발하게 진행되고 있다[3-11].
연료전지 기술의 선박 적용을 위해서는 안정성 이 반드시 확보되어야 하며, 이를 위하여 선박에
채용 가능한 연료전지인 고체고분자형 연료전지 (PEMFC)[3,6], 용융탄산염 연료전지(MCFC)[4,6]
및 고체산화물형 연료전지(SOFC)[5] 각각의 형 식에 대한 해상환경에서의 실증을 통한 연구개발이 진행되어지고 있다. 선박 전원용 연료전지 시스템 의 모델링 관점에서는 디젤을 개질하여 연료로 사 용하는 MCFC 보조전원용 시스템에 관한 연구 [7], SOFC/GT 하이브리드 시스템의 성능평가에 관한 연구[8-9] 등이 진행되고 있다.
본 연구에서는 Matlab/Simulink 상용프로그 램을 활용하여 압축기, 터빈, 펌프, 열교환기 등의 BOP(Balance of Plant)등과 조합된 선박 전원 용 연료전지 시스템 개발을 위해서, 우선 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환 율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특 성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전 지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하 였다.
2. 해석모델 및 모델링 조건
2.1 스택(Stack)모델
본 모델에서 사용된 연료전지 스택에서의 질량 과 에너지 보존 방정식은 다음과 같이 정의된다.
(1)
(2)여기서, 은 질량(mol), 은 스택 출구 유 량(mol/s). 은 스택 입구 유량(mol/s), 는 내부에너지, 는 엔탈피 입력, 는 엔탈 피 출력, 는 열 흐름, 은 기계적 출력이다.
연료전지 스택에서의 전류(A)는 다음과 같이 계 산되어진다.
∙
(3)
여기서, 는 Faraday Constant(C),
은 반응 수소 몰유량(mol/s), 은 셀의 수(-)이다.
연료전지 스택의 효율은 다음과 같다.
∙
(4)
여기서, 는 스택 출력(kW), 은 연료 유 유량(mol/s), 은 연료유 저위발열량 (KJ/mol)이다.
2.2 모델링 조건
일반적으로 연료전지 스택의 출력은 전압과 전 류의 곱으로 표현하며, 전압이 결정되어지면 전류 가 결정된다. 또한, 스택의 전압은 셀 전압과 셀 수 의 곱이기 때문에 셀의 전압이 결정되면 필요한 셀 의 수가 결정되게 된다. 여기서, 셀의 전압은 전류 밀도, 연료 이용율, 기타 다양한 시스템 조건의 영 향을 받기 때문에 처음부터 적절한 값으로 설정하 는 것은 어렵고, 초기 가정을 바탕으로 계산을 하 여 적정한 값을 얻는 것이 일반적인 방법이며, 본 연구에서는 500kW급 연료전지 시스템을 개발하 기 위해서 먼저 연료전지 스택의 관점에서 모델링 을 수행하였다.
Figure 1: I-V characteristic of the cell
본 모델은 I-V 특성 값을 가정 하여 입력하면 스택 내부의 수소 몰수에 따라서 전류밀도(A/m2) 가 계산되어지고, 전압이 계산되어진다. Figure
Table 1: Variable for analysis
변수 단위 Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5
Number of Cells 650 700 750 800 850
Maximum Hydrogen
Conversion Rate 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
Active Membrane
Area of One Cell [m2] 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45
Air 유량[mol/sec] 3 6 12 24 36
Fuel(CH4) 유량[mol/sec] 0.5 1.0 1.5 3 6
H2O Condition 유량[mol/sec] 1.5 2 3 6 9
1은 본 계산에 사용되어진 I-V 특성 곡선을 나타 내고 있다.
본 연구에서는 선박의 전원 계통에서 필요로 하 는 전압을 440V로 가정하였고, 전압손실 등을 고 려하여 연료전지 스택에서 약 500V의 출력을 얻기 위해서 필요한 셀의 수를 셀 전압에 따라 차이가 있지만 약 600∼900장 정도로 가정하였다. 스택내 부의 셀은 직렬로 적층되어지기 때문에 스택과 단 셀을 흐르는 전류는 동일하며 500kW의 출력을 얻 기 위해서는 약 1000A 정도의 전류가 흐르게 된 다. 또한 평균전류밀도를 3000(A/m2)로 가정하여 500kW급 출력을 얻기 위한 연료전지 셀의 반응면 적을 계산하였다.
상기의 가정들을 바탕으로 하여 본 연구에서 비 교 검토되어진 계산 조건을 Table 1에 나타내고 있다. 스택의 운전온도는 1200K, 운전압력은 1atm으로 계산을 수행하였다. 각각의 변수에 대해 서 5가지 Case를 가정하여 계산을 수행하였다.
Case별로 계산을 수행할 때 변수 값만을 변경하 였고 나머지 값은 동일한 조건에서 계산을 수행하 였다.
3. 해석결과
3.1 셀 수의 영향
Figure 2는 셀 수의 변화에 따른 전류, 전압, 출력 및 효율의 계산결과를 나타낸 것이다.
Figure 2 (a)에서 각각의 Case에서 셀의 수
가 증가할수록 전류가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 셀 의 전류는 전기화학 산화 반응율에 비례하기 때문에 각각의 Case에서 셀 수의 증가는 반응에 필요한 가 스의 부족을 유발하여 전류가 낮아짐을 알 수 있다.
Case 1과 Case 2에서는 셀 수에 관계없이 전류가 1000A 보다 상당히 낮으며 셀 수의 증가가 전류의 감소에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있는데 이는 공급 가스의 부족 때문이다. 또한, Case 4와 Case 5의 경우 전류가 1000A 보다 상당히 높은 반면 셀 수의 증가에 따라 전류가 낮아지는 경향이 더욱 증 가함을 알 수 있다.
Figure 2 (b)에서 알 수 있듯이 연료전지의 전압 전류 특성상 전류가 낮아지면 과전압의 감소 로 인하여 전압이 증가되지만, 셀 수의 증가가 스 택의 전압 상승에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
Figure 2 (c)에서 알 수 있듯이 출력은 전류의 감소분 보다 셀 수의 증가에 따른 전압의 상승분이 더욱 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 본 계산의 조 건에서는 Case 3의 경우의 500kW 정도의 출력 을 얻을 수 있었다.
Figure 2 (d)에서 보이는 것처럼 연료전지 스 택 효율은 Case 3의 경우 셀 수가 850개에서 가 가장 우수하지만, 스택을 구성하는 셀 수의 증가는 비용의 증가와 직결되어지기 때문에 이러한 점도 충분히 고려되어져야 할 것이다. 또한, Case 4와 Case 5의 경우 출력은 높지만 연료공급량이 많아 효율은 오히려 낮아진다.
3.2 수소 변환율의 영향
Figure 3은 스택 내부에서의 수소 변환율의 변 화에 따른 전류, 전압, 출력 및 효율의 계산 결과를 나타낸 것이다. 수소 변환율의 증가는 공급된 메탄 이 스택 내부에서 수소로 변환되어 반응에 이용된 수소량의 증가를 의미한다.
Figure 2: Effect of cell number
연료전지 스택에서의 전류는 스택내부에 반응할 수 있는 수소량에 비례하기 때문에 Figure 3 (a), (b)에서 보이는 것과 같이 각각의 Case에서 수소 변환율이 증가함에 따라 반응에 필요한 수소 량이 증가하여 전류가 높아지고, 과전압의 증가로 인하여 스택 전압이 낮아짐을 알 수 있다.
Figure 3 (c)에 보이는 것과 같이 수소 변환율 이 증가할수록 스택의 출력은 증가하고, Case 별 출력의 경향은 전류의 경향에 비례한다. 이는 수소 량의 증가에 따른 전류 상승의 영향이 과전압 증가 에 따른 전압 감소의 영향보다 출력에 큰 영향을 미치기 때문이다.
Figure 3 (d)에서 알 수 있듯이 동일한 량의 연료유를 사용하여 반응에 필요한 수소 생산량을 증가하면 스택 효율이 증가함을 보이고 Case 3의 경우 연료전지 스택의 효율이 가장 우수함을 알 수 있다.
3.3 반응면적의 영향
Figure 4는 연료전지 단셀 반응면적의 변화에 따른 전류, 전압, 출력 및 효율의 계산 결과를 나타 낸 것이다.
Figure 4 (a)에서 전류는 스택내부에 반응할 수 있는 수소량에 비례하고 셀 수에 반비례하기 때 문에 각각의 Case에서 셀 반응면적의 증가는 전체 전류에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 또한 연 료전지의 전체 전류는 변화 없지만 반응면적이 증 가함에 따라 전류밀도가 낮아지게 되어서 전압이 증가함을 Figure 4 (b)에서 알 수 있다.
Figure 4 (c)에서 알 수 있듯이 셀의 반응면 적이 증가해도 전류의 변동은 없기 때문에 출력 은 전압에 비례하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
Figure 4 (d)에서 효율은 Case 3의 경우가 가장 우수하고 Case 5의 경우, 셀의 반응면적이 0.35m2 이하에서는 스택전압의 영향을 크게 받아 Case 1의 경우보다 오히려 효율이 낮음을 알 수 있다.
Figure 3: Effect of hydrogen conversion rate Figure 4: Effect of active area
3.4 공기 공급 유량의 영향
Figure 5는 연료전지 공급 공기 유량의 변화에 따른 전류, 전압, 출력 및 효율의 계산 결과를 나타 낸 것이다.
Figure 5 (a), (b)에서 알 수 있듯이 공급 공 기 유량이 증가할수록 전류가 증가하고 전압이 감 소하는 경향을 보이며, Case 5를 제외하고는 공급 공기의 유량이 증가해도 일정한 값에서 전류 및 전 압이 더 이상 증가하거나 감소하지 않음을 알 수 있다. 이는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 유 량은 충분하지만 반응에 필요한 연료가 부족함을 의미한다. Case 5의 경우는 공기와 반응할 수 있 는 연료가 아직 충분하다는 것을 의미하고 있다.
또한, 연료전지의 전압 전류 특성상 전류가 높아지 면 과전압의 증가로 인하여 전압이 감소하는 것을 알 수 있다.
Figure 5 (c)에서 공급 공기 유량이 증가할 수록 출력이 증가하는 경향을 보이며, Case 5를 제외하고는 공급공기의 유량이 증가해도 어떠한 값에서 출력이 더 이상 증가하지 않음을 알 수 있으며, 전류의 특성과 동일한 경향을 보여주고 있다.
Figure 5 (d)에서 공급 공기 유량이 증가할수 록 효율이 증가하는 경향을 보이며, Case 5를 제 외하고는 공급공기의 유량이 증가해도 어떠한 값에 서 효율이 더 이상 증가하지 않음을 알 수 있다.
효율은 연료유량과 출력의 함수이기 때문에 Case 5의 경우 공급 공기의 유량에 관계없이 효율이 가 장 낮기 때문에 전반적으로 연료유가 과잉으로 공 급되고 있음을 알 수 있다.
3.5 메탄 공급 유량의 영향
Figure 6은 메탄 공급 유량의 변화에 따른 전류, 전압, 출력 및 효율의 계산 결과를 나타낸 것이다.
Figure 6 (a), (b)에서 알 수 있듯이 메탄 공 급 유량이 증가할수록 반응 수소량이 증가하여 전 류가 상승하고 과전압이 증가하여 전압은 오히려
감소하는 경향을 보이고 있다. Figure 5: Effect of air flow rate
Case 5를 제외하고는 메탄 공급 유량이 증가해 도 일정한 값에서 전류 및 전압이 더 이상 증가하 거나 감소하지 않음을 알 수 있다. 이는 연료전지 스택으로 공급되는 메탄의 유량 충분하지만 반응 할 공기가 부족함을 의미한다. Case 5의 경우는 메탄과 반응할 수 있는 공기가 아직 충분하다는 것 을 의미하고 있다. 또한, 연료전지의 전압 전류 특 성상 전류가 높아지면 과전압의 증가로 인하여 전 압이 감소하는 것을 알 수 있다.
Figure 6 (c)에서 스택 출력은 공급 연료 유량 이 증가할수록 전류 증가의 영향이 전압 강하의 영 향보다 크기 때문에 증가함을 알 수 있다. Case 5 를 제외하고는 메탄 공급 유량이 증가해도 어떠한 값에서 출력이 더 이상 증가하지 않음을 알 수 있 으며 이는 공기의 부족 때문에 연료유 공급의 영향 을 받지 않기 때문이다.
Figure 6 (d)에서 메탄 공급 유량이 증가할수 록 효율이 감소하는 경향을 보이며, 효율은 메탄 공급량에 반비례하고 출력에 비례한다. 효율만의 관점에서 보면 Case 5에서 메탄 유량이 0.5 mol/s의 경우, 연료전지 스택 효율이 70%에 이른 다. 하지만, 얻고자 하는 전류, 전압 및 출력을 종 합적으로 고려 할 필요가 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질 형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 전원용 으로 적용을 가정하여 연료전지 스택에 필요한 셀 의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급 조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 셀 수의 증가에 따른 전압 상승분이 전류 감 소분 보다 스택 출력에 큰 영향을 준다.
(2) 수소량의 증가에 따른 전류 상승분이 과전 압 증가에 따른 전압 감소분 보다 출력에 큰 영향 을 준다.
(3) 셀 반응면적이 증가해도 전류의 변동이 없 기 때문에 출력은 전압에 비례한다.
Figure 6: Effect of CH4 flow rate
(4) 공기 및 메탄의 유량은 출력에 비례하지만 스택 효율을 고려하여 결정할 필요가 있다.
(5) 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공 급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율은 증가하고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가 지만 효율은 감소한다.
(6) 본 모델의 계산 범위에서는 Case 3의 경우 에 전류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수 있었다.
후 기
본 연구는 국토해양부 (한국해양과학기술진흥 원) 해양과학기술연구개발사업의 지원으로 수행되 었으며 이에 감사드립니다.
참고문헌
[1] 국토해양부, 제60차 해양환경보호위원회 (MEPC 60) 회의 결과 보고, 2010.
[2] (사)한국선급, 에너지절약형 선박기술 및 선박 발생 CO2 포집기술개발을 위한 기획연구, 국 토해양부, 2010.
[3] Zemship project : www.zemships.eu [4] FellowShip project : www.vikinglady.no [5] METHAPU project : www.methapu.eu [6] e4ship project : www.e4ships.de
[7] S. Specchia, G. Saracco, V. Specchia,
“Modeling of an APU System based on MCFC”, International Journal of Hydrogen Energy, vol. 33, pp.
3393-3401, 2008.
[8] 김명환, “안전성을 고려한 선박용 SOFC시스 템의 성능해석에 관한 연구”, 한국마린엔지니 어링학회지, 제33권, 제2호, pp. 233-243, 2009.
[9] 김명환, “선박 동력발생용 SOFC/GT 하이브 리드 시스템의 성능 및 안전성 해석”, 한국마 린엔지니어링학회지, 제33권, 제4호, pp.
484-496, 2009.
[10] T. J. Leo, J. A. Durango and E.
Navarro., “Exergy analysis of PEM fuel cells for marine applications”, Energy, vol. 32, pp. 1164-1171, 2010.
[11] C. Strazza, A. Del Borghi, P.
Costamagna, A. Traverso and M.
Santin, “Comparative LCA of methanol- fuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships” Applied Energy 87, pp. 1670-1678, 2010.
저 자 소 개
박상균(朴相均)
1996년 한국해양대학교 기관공학과(공 학사), 2001년 한국해양대학교 대학원 기관학과(공학석사), 2005년 일본 북해 도대학교 대학원 기계공학과(공학박사), 1996년 - 1999년 (주)한진해운 근무, 현 재 (사)한국선급 녹색산업기술원 근무
김영진(金英辰)
2003년 부산대학교 기계공학과(공학사), 2005년 KAIST 대학원 기계공학과(공학 석사), 2011년 KAIST 대학원 기계공학 과(공학박사), 2005년 - 2010년 (주)두산 중공업 근무, 현재 (사)한국선급 녹색산 업기술원 근무
노길태(盧佶兌)
2002년 동국대학교 화학공학과(공학사), 2004년 동국대학교 화학공학과(공학석 사), 2005-2007년 삼성SDI 근무, 2007- 2009년 (주)두산중공업 근무, 2009-2010 (주)현대자동차 근무, 현재 (사)한국선급 녹색산업기술원 근무
김만응(金晩應)
1980년 한국해양대학교 기관공학과(공 학사), 2005년 한국해양대학교 대학원 기계공학과(공학박사), 현재 (사)한국선 급 녹색산업기술원 원장
