Study of diesel low temperature steam reforming for solid oxide fuel cell application

Abstract

본 논문에서는 고체산화물 연료전지에 고농도 메탄 합성 가스 공급을 위한 디젤 저온 수증기 개질에 관한 연구를 수행하였다. 디젤로 운전되는 고체산화물 연료전지를 트럭 및 선박용 보조 전력 장치 (Auxiliary power units, APU)로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 수십 kWe 이하의 발전영역에서 고체산화물 연료전지는 기존 디젤 발전기보다 높은 효율을 가져 보조 전력 장치로 고려되고 있다. 고체산화물 연료전지는 수소, 일산화탄소 및 메탄이 연료로 안정적인 사용이 가능하다. 따라서, 디젤을 고체산화물 연료전지에 공급하기 위해서는 개질을 통하여 수소, 일산화탄소 및 메탄으로 전환하여야 한다. 기존의 연구에서는 자열 개질 (Auto-thermal reforming, ATR)이 디젤의 개질에서 우수한 내구성을 보여왔다. 하지만, 자열 개질은 산소의 공급으로 인해 수소, 일산화탄소 및 메탄의 생산량이 낮아 고체산화물 연료전지의 효율을 감소 시킨다. 반면, 저온 수증기 개질은 산소의 공급 없이 낮은 온도에서 운전하여 자열 개질의 단점을 극복할 수 있다. 산소를 공급하지 않음으로써 수소, 일산화탄소 및 메탄의 생산량이 증가한다. 또한, 낮은 작동온도에서 생성되는 메탄은 내부 개질을 통하여 고체산화물 연료전지의 효율을 향상 시킬 수 있다. 본 논문에서는 시스템 해석을 통해 개질 방식에 따른 고체산화물 연료전지의 성능을 정량적으로 평가하였다. 또한, 해석 결과를 바탕으로 디젤 저온 수증기 개질을 위한 작동온도를 설정하였다. 설정한 온도영역에서 디젤의 저온 수증기 개질을 위하여 촉매 개발을 진행하였으며, 개발된 촉매를 펠렛촉매과 구조촉매로 제작하여 1kWe급 개질기의 운전을 수행하였다.

- 개질 방법에 따른 고체산화물 연료전지 시스템의 성능 평가를 수행하였다...