This work is focused on thermodynamic and electrochemical modeling of kW class SOFC system to evaluate its performance and efficiency. The system consists of diesel reformer, SOFC, balance of plants (BOPs) and after-burner. BOPs are composed of pumps and compressors which control flow rates of reactants and products. After-burner combusts unused fuel and supplies the heat energy for cathode air. Recirculation of anode off-gas affects the performance of whole systems (SOFC, reformer, BOP). There are two possible options for recirculation direction: to reformer or to anode of SOFC. Recirculation direction and ratio are major variables. The objective of this research is to define appropriate recirculation ratio and direction. Model for SOFC established in this work is an integrated electrochemical and thermal steady-state model. It is capable of simulating the operating behavior of a fuel cell, i.e. fuel and air utilization, power produced, efficiency, current for different operating conditions. The model was based on the zero-dimensional approach considered as point device, and that is integrated with the process flowsheet model. Anode off-gas recirculation profits the excess fuel and heat energy recycling. System performance and efficiency were varied with recirculation ratio and recirculation direction to reformer or anode of SOFC. Maximum system efficiency archived at recirculation ratio of 0.4 to anode. The change of steam to carbon ratio ($H_2O$/C) and oxygen to carbon ratio ($O_2$/C) was varied to observe system behavior. The relationships between parameters are verified. Oxygen to carbon ratio change was more effective to improve system efficiency. This study can provide design parameters of SOFC system such as recirculation ratio, direction, and inlet conditions to increase the efficiency.
고체산화물연료전지(SOFC)는 석유에너지를 이용한 에너지 생산을 대체할 에너지변환기구이다. 고체산화물연료전지의 연료로 쓰이는 수소와 일산화탄소는 기존의 탄화수소로부터 개질 하여 사용을 할 수 있다. 탄화수소 연료 디젤은 에너지밀도가 높고, 사용자가 쉽게 얻을 수 있어 연료전지 시스템의 연료로 가능성이 높다.
연료전지 시스템의 효율을 증가시키기 위해 음극 배출가스의 재순환에 영향을 보기 위해 고체산화물 연료전지 부분을 0차원으로 모델링 하였으며 6장으로 이루어진 스택과 비교, 검증을 하였다. 연료전지 시스템의 보조 구성요소인 개질기 외 펌프, 압축기는 시스템 공정모사 소프트웨어를 이용하여 전체적인 시스템 모사를 진행하였다.
음극 배출가스의 방향과 양을 결정하기 위해 SOFC 스택과 개질기로 순환모사를 하였으며 스택으로 순환할 경우, 순환 양은 배출가스의 0.4~0.5배일때 시스템 효율을 증가 폭이 높았다.
또한 음극가스 순환 시 시스템 운전전략을 알아보기 위해 H2O/C와 O2/C을 변화하며 시스템의 효율을 관찰하였다. 시스템 조건을 바꿀 시에 온도와 연료의 양, 그리고 순환양이 시스템 효율에 가장 큰 영향을 주었으며 이러한 변화들은 온도와 가스의 조성의 변화에서 비롯되었다. 본 연구에서 얻어진 결과는 가정용 SOFC 시스템의 효율 증가 방안을 위한 기초자료로 유용하게 사용될 것으로 보인다.
