Abstract
The steady state and dynamic characteristics of large cell area MCFC stacks were analyzed to solve the problems such as temperature difference generated in stacks and pressure difference between anode and cathode. Manipulated variables (current density, duel utilization rate, oxidant utilization rate) and controlled variables (temperature difference, anode and cathode pressure difference) which had an important effect on the MCFC stack performance were determined using operation results of two types of MCFC stacks (5kW (3,000 $\textrm{cm}^2$, 20 ea). 3kW (6,000 $\textrm{cm}^2$, 5ea)). The stability and transfer function representing system dynamics were obtained by steady state gain rate which showed the relative change between MVs and CVs. The transfer function was a 3$\times$3 matrix and a typical first order system without time delay. The optimal operating condition of large cell area MCFC stacks could be determined by analyzing dynamic characteristics. In case of a 5 kW MCFC stack, pressurized operation with recycle flow should be used to control the outlet temperature less than 68$0^{\circ}C$ and to control the MCFC system effectively. MIMO control or decoupler should be used to remove the interaction between MVs and CVs. This result will be used as important data in determining the control structure design and operation mode of large cell area MCFC systems in the future.
대면적 용융탄산염 연료전지 운전 시 스택에서 발생하는 스택내 온도차와 극간 차압의 문제점을 해결하기 위하여 정상상태특성 및 동특성을 분석하였다. 두가지 용융탄산염연료전지 스택(5 kW(3,000$\textrm{cm}^2$, 20장), 3kW(6,000$\textrm{cm}^2$, 5장) 의 운전결과를 통하여 스택성능에 중요한 영향을 미치는 조작변수(전류밀도 , 연료 이용률, 공기 이용률)와 조절변수(스택 온도차, 연료극 차압, 공기극 차압)를 결정하였다. 조작변수들에 대한 조절변수들의 변화량인 스택의 정상상태 이득률을 구하여 시스템의 안정성을 분석하고 동특성을 나타내는 전달함수를 구하였따. 전달함수는 3$\times$3 행렬로 시간 지연항이 없는 전형적인 1차 시스템으로 표현되었다 동특성 분석에 의해 대면적 용융탄산염 연료전지 시스템의 최적 운전 조건을 설정할 수 있었다. 5 kW 스택의 경우 전류밀도가 150mA/$\textrm{cm}^2$ 일 때 스택 출구 온도를 68$0^{\circ}C$ 이하로 유지하기 위해서는 공기극 가스 recycle 에 의한 가압 운전이 필요하였으며, 효과적으로 용융탄산염 연료전지 시스템을 제어하기위해서는 조작변수의 조절변수상호간의 연계성을 제거하기위한 다중 입.출력 제어 및 연계 제거기가 필요함을 확인하였다. 이 결과는 향후 대면적 용융탄산염을 연료전지 시스템의 제어구조 설계와 운전모드설정에 중요한 자료로 사용될 것이다.