A diesel-driven Auxiliary Power Unit (APU) system based on Metal-Supported Solid Oxide Fuel Cell (MS-SOFC) with high thermal shock resistance was developed. Since the solid oxide fuel cell has high operating temperature, the entire auxiliary power unit system has long start-up time. To overcome the start-up problem, metal supported SOFC was introduced to make faster start-up of the system and more stable diesel reformer operation. In order to secure the fast-starting characteristics of the solid oxide fuel cell-based auxiliary power source, the structure of the diesel reformer was improved, and the heat-up strategy of the fuel cell system was improved. A fuel processor, including a diesel autothermal reformer, a post-reformer, and a desulfurizer, was developed as a block type reactor to simplify the manufacturing process. Structured catalysts for the reformer using monolithic supports were developed to secure high mechanical strength, and the developed structured catalyst showed stable reforming performance despite the instability of fuel supply due to external factors. System components such as heat exchangers and catalytic combustors were designed and tested in consideration of the operating conditions of the fuel cell based auxiliary power unit system. In addition, the starting strategy and system structure of the auxiliary power supply for fuel cells were improved by using an air heater. The fast start-up characteristics of the metal-supported solid oxide fuel cell enabled reducing the start-up time of the auxiliary power unit to less than 90 minutes with improving the stability of the diesel reformer.
본 연구에서는 고체산화물연료전지의 높은 작동온도로 인한 연료전지 시스템의 긴 시동 시간을 단축하기 위해, 높은 열 충격 저항성을 갖는 금속지지체형 고체산화물연료전지를 도입하여 시스템의 빠른 시동과 함께 디젤 개질기의 안정성을 향상하였다. 고체산화물연료전지 기반 보조전원의 빠른 시동 특성을 확보하기 위하여, 디젤 개질기의 구조를 개선하고 연료전지 시스템의 승온 전략을 개선하였다. 디젤 자열개질기, 후개질기, 탈황기를 포함하는 연료처리기는 블록 타입 반응기로 개발하여 제작 공정을 단순화하였다. 높은 기계적 강도를 확보하기 위해 세라믹 모노리스 지지체를 사용한 개질기용 구조촉매를 개발하였고, 개발된 구조 촉매는 외부 요인에 의한 연료 공급의 불안정성에도 불구하고 2,000 시간 이상의 안정적인 개질 성능을 보였다. 연료전지 보조전원 시스템의 운전 조건을 고려하여 열교환기, 촉매 연소기 등의 시스템 구성 요소를 설계하고, 에어 히터를 활용한 연료전지 보조전원의 시동 전략 및 시스템 구조를 개선하였다. 금속지지체형 고체산화물연료전지를 적용하여 설계한 1 킬로와트 급 보조전원 프로토타입의 시동 특성 및 운전 과정을 검증한 결과, 디젤 개질기의 안정성을 향상하고 시스템의 시동 시간을 90분 이내로 단축할 수 있었다.
