부하 조건 하에서 교류 임피던스 측정을 이용한 SOFC 성능 분석 방법
가정용 고체 산화물 연료 전지 (SOFC)는 발매가 시작되어 상용화 단계에 들어 섰다. 분산 전원용 으로 수백 kW ~ MW 급 고효율 하이브리드 SOFC 발전 시스템 개발을 위해 미쓰비시 중공업이 2010년도부터 가스 터빈 복합 사이클 (GTCC)에 SOFC를 조합한 트리플 복합 사이클 본격적인 개발에 착수하고 있다.
이와 같이 SOFC의 실용화가 진행되고 있지만, 다른 경쟁 기기(가스 엔진, 디젤 엔진)에 비해 SOFC의 내구성과 신뢰성이 떨어진다. 또한, 내구성 및 신뢰성을 평가하는데 있어서 발전 상태에서 평가 방법의 검토가 충분한 상황이 아니다. 그래서 SOFC 발전 시스템이 향후 보급되기 전에 평가 방법의 개발 등의 기초적인 연구 및 요소 기술 개발을 병행하여 실시하는 것이 필요하다.
2005 년도부터 2017 년도까지 NEDO 수탁 연구에서 개발 업체와 협력하여 실기를 구성하는 셀 스택의 장기 운전을 평가하고 경험적인 반응 모델을 개발하고 "성능 표시식에 의한 분석 방법 "에 따라 성능이 평가되어 왔다. 이 기술은 정격 운전 조건에서의 전극 반응에 기인하는 전압 손실 성분의 분리 평가 및 경시적 변화를 정량화할 수 있기 때문에 SOFC 개발에 일조하고 있다. 그러나 성능 표시 식에 의한 해석 방법은 가스 조성을 변경하여 전압을 측정하는 것이 필요하기 때문에 실기 수준 SOFC의 성능 분석에 적합하지 않다. 또한 연료극 과전압과 공기극 과전압 저항에 근사할 필요가 있다. 지금까지 SOFC 프로덕션에서 성능 평가를 향해 무부하 조건 (개방 회로 상태시)에서의 교류 임피던스 측정법을 이용한 SOFC 성능 결정 요인을 해명했다. 부하 조건 (발전 상태시)에서의 교류 임피던스 측정에 대해서는 자세한 내용은 후술되지만 얻은 결과의 해석이 어렵기 때문에 지금까지 많이 연구되지 않았다. 운전 중 SOFC 발전 상태에서의 성능이 평가되었다면, 단시간에 성능 평가가 가능하며 이를 위해서는 부하 조건 (발전 상태시)의 평가법의 확립이 필요하다.
(1) 저항의 귀속 및 해석
무부하 조건 및 전류 밀도 0.2 A / cm2 부하 조건 교류 임피던스 측정에서 저항 성분은 전류 밀도에 의존하지만, ① 내부 저항 (RIR) ② 공기극 반응 저항 (Rhigh) ③ 연료 극 가스 확산 저항 (Rmiddle) ④ 가스 전환 저항 (Rlow) 주 24개로 분리 • 귀속할 수 있었다.
1) 공기극 반응 저항 (Rhigh) • 연료극 가스 확산 저항 (Rmiddle)을 무부하 • 부하 조건에서 각각의 측정하였다. 공기극 반응 저항과 연료극 가스확산 저항에 따라 과전압 전류 밀도 의존성을 구하면, 양 조건에서 거의 동일하다. 또한 무부하 조건 및 부하 조건에서뿐만 아니라 성능을 분석할 수 있는 것으로 나타났다.
2) 가스 전환 저항 (Rlow)에 대해
시험 셀에서는 연료 이용률 (Uf) 44 % 이하, 산소 이용률 (UO2) 22 % 이하의 조건에서 Rlow는 무부하 및 부하 조건에서 거의 같은 값이었다. 이 범위에서는 Rlow는 동일 이용률에서 전류 밀도에 관계없이 일정한 것으로 간주될 수 있다.
(2) 기존의 방법 (성능 표시 식에 의한 분석 방법)에 의한 성능 분석 결과와의 비교에 의한 타당성 확인
Uf = 44 %, UO2 = 11 %의 조건에서 부하 조건에서의 교류 임피던스 측정 방법에 의해 얻어진 각 과전압의 합계는 개방 회로 전압과 출력 전압의 차이와 동등 성능 표시식에 의한 해석 방법과 비교하여 거의 동일한 정도였다.
무부하 조건 및 부하 조건 하에서 교류 임피던스 측정을 실시하여 얻은 나이키스트 플롯에서 4개의 저항 성분이 개별 성과 결정 요인임을 발견하였다. 이러한 4 개의 저항 성분은 무부하 조건 및 부하 조건에서 서로 다른 전류 - 전압 특성의 거동을 보여주었다. 교류 임피던스 측정에서 얻은 저항 성분은 각 반응 과정의 전류 - 전압 특성의 접선의 기울기임을 고려하여 무부하 조건 및 부하 조건에서의 결과가 거의 일치했다. 무부하 조건뿐만 아니라 부하 조건에서도 성능 분석을 수행하는데 충분한 정밀도를 얻을 수 것으로 나타났다. 이 기술은 단시간에 운용 중인 SOFC의 성능 분석을 가능하게 하는 하나의 방법이라고 할 수 있다.
