The solid oxide fuel cell (SOFC) is expected to be a candidate for distributed power sources in the next generation due to its high efficiency and high-temperature waste heat utilization. In this study, the 5-cell SOFC stack was operated with pure hydrogen or reformed gas at anode side and air at cathode side. When a stack was operated with diesel and methane ATR reformer, the influence of the $H_2O/C$, $O_2/C$ and GHSV on performance of stacks was investigated. The result shows that the cell voltage was decreased with the increase of $H_2O/C$ and $O_2/C$ due to partial pressure of fuel and steam, and cell voltage was more sensitive to $O_2/C$ than $H_2O/C$. Next, the dynamic model of SOFC system included with ATR reformer was established and compared with experimental data. Based on dynamic model, control strategy to optimize SOFC-Reformer system was suggested and simulated. Finally, a commercial software package, STAR-CD, was utilized to simulate distribution of temperature, CO, and $CO_2$ in single cell as inlet condition. These results could be used as guideline for development of 1kW RPG system.
저공해, 고효율의 새로운 발전 방식으로 자원고갈 및 환경 문제 해결에 가장 적합한 발전 방식 중에 하나인 연료전지는 연료로부터 전기화학반응을 통하여 직접적으로 전기를 얻는 장치로써, 새로운 에너지 변환 시스템으로 주목 받고 있다. 연료전지에 가장 알맞은 연료는 수소이나 현재 수소를 공급하는 사회 기반 시설이 부족하기 때문에 기존의 연료공급 시설을 이용하여 천연가스 등의 화석 연료를 개질 후 수소를 생산하는 방법에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. 이와 더불어 연료개질기와 연계한 고체산화물연료전지(SOFC)의 운전은 대형 발전 동력원, 가정용 분산전원, 자동차 보조 전원 등의 다양한 분야에 응용 가능하므로, 연료전지 시스템에 대한 기초 연구도 활발히 진행되고 있다.
본 연구에서는 연료전지 시스템을 위한 ATR공정과 연계한 SOFC의 운전 특성을 알아보았다. 이를 위해 먼저 25W급 SOFC 스택을 순수한 수소와 디젤 혹은 메탄 ATR 개질기를 이용하여 운전하였다. 개질기의 두가지 조건인 $O_2/C$ 와 $H_2O/C$ 의 변화에 따라 개질 후의 생성물의 조성이 변화하였으며, 이와 함께 SOFC의 스택 전압도 변화하였다. 특히 메탄 개질기와의 연동실험을 통해 SOFC 스택 전압이 $H_2O/C$ 에 비해 $O_2/C$ 에 대해 더욱 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었다.
연료전지/개질기 연동 시스템에 대한 깊이 있는 고찰을 위해 각 요소에 대한 이해를 바탕으로 연료전지 시스템에 대한 모델링을 하였고, 시뮬레이션 결과를 앞서 실험한 데이터와 비교해 보았다. 또한 개질기와 연계된 연료전지 시스템에서의 최적 운전 조건을 위해 3가지 운전 전략을 제시, 비교 분석하였다. 이를 통해 개질기의 $O_2/C$ 제어를 통한 시스템 운전이 전압유지 및 효율 측면에서 다른 운전 전략에 비해 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 그러나 높은 전류 영역에서는 시스템의 전압유지를 위해 개질기에 낮은 $O_2/C$ 가 입력되어 다량의 수소와 일산화탄소를 생산할 수 있었지만, 이는 reverse shift reaction이 일어날 수 있는 분위기를 만들어 연료극 입구쪽의 온도를 낮추기도 하였다. 본 연구에서 얻어진 결과는 1kW급 중온형 SOFC 시스템 개발의 기초자료로 유용하게 사용될 것으로 보인다.
