Fuel cell system is a future energy for solving both finitude of fossil fuel and the environmental prob-lem and resurfacing as fundamental facilities which embody the hydrogen economic society because of high fuel efficiency, clean energy and fuel diversification. Especially R&D for molten carbonate fuel cell such as distributed power generation and the integration with a turbine, water treatment system and thermal power plant has been made because of the availability of large scale up over MW size.
Since molten carbonate fuel cell is required long term stability under various conditions for its com-mercialization, it is very important to decide the optimized operating conditions through the thorough consid-eration on the cell behavior to ensure the design life. However, the most experimental studies on cell polariza-tion behavior have conducted by single cells, half cells, button cells or symmetric cells, and the quantitative analysis on the polarization behavior of each electrode has been somewhat limited. In this research, experi-mental studies have been conducted by 3-electrode method with a reference electrode to quantify the polarization behavior on each electrode under various nominal operating conditions. Moreover, the electrochemical impedance spectroscopy was used to resolve the polarization on each electrode into its sources such as internal resistance, charge transfer resistance and mass transfer resistance. The understanding on resolved polarization behavior is supposed to be useful for designing each electrode as well as for deciding operating conditions.
Temperature, gas utilization and current density are adopted and varied as nominal operating parameters, and the polarization behavior was measured under steady state conditions. With higher operating temperature, while the cathode overpotential reduced as all the resistance sources decreased, but the anode overpotential increased due to the increased mass transfer resistance. The mass transfer resistance was increased with higher gas utilizations with higher sensitivity on hydrogen, carbon dioxide and oxygen in order, and especially on cathode, the increase rate was dependent on the stoichiometric ratio of oxygen to carbon dioxide. The internal and charge transfer resistance were insensitive to the current density, however, relatively high resistance was observed at low current density region due to the Nernst loss and inductance effect. This mechanism was theoretically explained by a relationship between the overpotential and the inductance related to the adsorbed intermediate species. Finally, the effect of feed gas composition on the cell performance and the structural change of cathode were investigated with a consideration on the over-lithiation on cathode.
Resolved resistance in each electrode according to its sources is a barometer for designing each elec-trode as well as for balancing two electrodes to improve the performance by controlling porosity, pore size distribution or application of additives. Also the polarization behavior measured under various nomical oper-ating conditions is useful to optimize the pretreatment conditions as well as the transitional or steady state operational procedures.
연료전지는 화석연료의 유한성과 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 미래의 에너지로서, 높은 발전 효율과 청정 에너지, 연료 다변화 등의 장점을 통해 미래 수소경제사회 구현의 핵심 설비로 대두되고 있다. 특히 용융탄산염 연료전지는 MW급 이상의 대형화를 통해 도심지 내 분산발전 및 터빈, 담수설비, 화력발전소 등과의 연계 등과 같은 다양한 연구개발이 이루어져 연료전지 시스템 중 상용화에 가장 근접한 시스템으로 각광받고 있다.
용융탄산염 연료전지가 상용화 되어감에 따라 무엇보다도 다양한 운전조건에서 장기간의 안정적 성능 구현이 요구되고 있으며, 또한 실제 운전조건에서 셀의 특성을 감안한 최적화된 운전조건을 선정하는 것도 매우 중요하다. 이를 위해서는 다양한 운전조건에서 각 전극의 분극 현상에 대한 심층적인 이해가 필요하나, 지금까지의 연구결과들은 대부분 단일 셀(single cell), 반쪽전지(half cell), 버튼셀(button cell), 또는 대칭셀(symmetric cell)에서의 성능분석이 주가 되어 각 전극에서의 분극 현상을 정량적으로 이해하기 어려운 면이 있었다. 본 연구에서는 각 전극에서의 분극 현상을 정량적으로 규명하기 위해 셀에 기준 전극을 삽입한 3전극 기법을 이용하여 연료전지의 실제 운전조건하에서 가변적으로 변하는 개별전극의 분극 거동을 분리하여 측정하였으며, 이와 함께 각 개별 전극에서의 분극 현상을 내부저항, 반응저항, 물질전달저항 등 세부적 저항요소들로 분리함으로써, 향후 셀의 개발방향을 정립하고 운전조건을 최적화하기 위한 기초자료로 삼고자 하였다.
본 논문에서는 온도, 가스이용률(유량) 및 전류밀도 등의 변화에 따른 정상 상태 분극 거동(steady state polarization)을 측정하였다. 온도 변수의 경우, 공기 극(cathode)에서의 각 저항요소들의 감소로 인해 과 전압이 감소하였으나, 연료 극(anode)에서는 물질전달저항의 증가로 인한 과 전압의 증가 현상이 발생됨이 밝혀졌다. 가스이용률에 따라, 내부저항 및 반응저항의 거동보다는 수소, 이산화탄소, 산소의 민감도 순서에 따라 물질전달저항의 변화가 극심하게 발생하였으며, 특히 공기 극 측에서는 산소와 이산화탄소의 반응양론비에 대한 의존성이 관찰되었다. 전류밀도 변수의 경우, 내부저항 및 반응저항의 변화는 없었으나, 네른스트 손실 및 반응중간체의 흡착에 의한 인덕티브 현상에 따라 저 전류밀도 영역에서 상대적으로 큰 저항이 관찰되어, 저항 및 인덕티브 거동 등과 과 전압과의 관계성을 고찰하였다. 또한 가스 공급조건은 공기 극의 구조적, 전기화학적 특성 변화를 수반하며, 이는 셀의 성능 향상으로 이어질 수 있음을 over-lithiation 현상과 관련하여 연구하였다.
본 연구에서 운전조건에 따라 해석된 각 전극에서의 저항거동에 대한 결과들은 기공구조, 기공분포, 첨가제 연구 등과 같이 성능향상을 위한 전극 개발 연구 시, 전극의 설계 척도 및 기준으로, 또한 다양한 운전 조건에서 측정된 분극 거동 결과들은 정상상태 운전 혹은 운전조건 변경 시 최적화된 운전조건 수립을 위한 연구 등에 유용하게 이용될 수 있을 것이다.
