고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치 및 방법{Apparatus and method for providing reformed gas with solid oxide fuel cell}

본 명세서는 고체산화물 연료전지로 개질 가스를 공급하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고체산화물 연료전지의 스택에 제공되는 개질 가스 특히 메탄 가스의 조성을 조절할 수 있는 장치 및 방법, 이에 사용되는 밸브에 관한 것이다.

고체산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC) 발전 시스템은 높은 효율의 열병합 발전과 온실가스저감 가능성으로 기존의 발전소와 지역난방 시스템을 대체 할 수 있는 차세대 발전 시스템으로 기대되고 있다.

500℃ 이상의 온도에서 작동되는 고온형 연료전지는 수소 이외의 다양한 탄화수소를 연료로서 사용할 수 있으며, 비금속계 전극을 사용할 수 있다는 장점이 있다[비특허문헌 1].

또한, 열역학적으로 발전 효율이 높고, 높은 온도의 폐열은 활용 범위가 넓다. 이에 전 세계적으로 고체산화물 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이미 여러 가정용 고체산화물 연료전지 발전 시스템이 실증되었다[비특허문헌 2, 3].

국내에서도 평판형 연료극 지지체 고체산화물 연료전지 단전지 및 스택과 이를 이용하여 전력과 온수를 동시에 생산할 수 있는 1kW, 5kW급 가정용(RPG, residential power generation) 및 상업용(CPG, commercial power generation) 열병합 발전 시스템이 개발되었다[비특허문헌 4 내지 7].

고체산화물 연료전지를 각종 정치형 발전시스템(stationary power generation system)으로 활용하기 위해서 1kW 이상의 고출력 스택이 필요하다. 또한, 고체산화물 연료전지 스택의 출력을 높이기 위해서 고체산화물 연료전지 단전지의 면적을 키우거나 적층 수를 늘려야 한다. 그런데 이렇게 스택의 크기가 커지게 되면 스택 제작의 어려움이 있다[비특허문헌 8,9]. 뿐만 아니라, 스택의 발열량 증가에 따른 문제가 발생할 수 있다.

정격 출력 운전시 스택에서는 발전량 대비하여 30% 정도의 열이 발생하게 된다. 발전 용량이 1kW 이하의 스택인 경우 스택 내부의 발열은 공기극 및 연료극 출구와 스택 표면으로 빠져나가게 되어 열적 균형이 만족 되지만, 스택의 출력이 1kW 이상으로 커지게 되면 위에 언급한 방식으로만 스택의 발열을 상쇄시킬 수 없다.

스택의 크기 증가에 맞춰 발열량 제거가 적절히 이뤄지지 않을 경우 발생하는 스택의 과열은 스택을 구성하고 있는 금속재료의 산화, 전극의 소결로 인한 내부 저항 증가, 실런트의 불안정화 등 스택에 악영향을 미치기 때문에, 스택으로부터 인출할 수 있는 전류의 크기가 제한된다. 따라서 스택의 설계 운전 한계에 못 미친 조건으로 운전할 수밖에 없으며, 결과적으로 스택의 출력 및 효율이 낮아지게 된다[비특허문헌 6]. 그러므로 스택 발열량 증가를 효과적으로 처리하는 것이 대용량 스택 및 시스템 설계에서 중요하다.

본 발명의 구현예들에서는, 고체산화물 연료전지에 공급되는 개질 가스 특히 메탄 조성을 빠르고 용이하게 변화시킬 수 있으며, 스택의 온도를 안정적으로 제어할 수 있는 고체산화물 연료전지로 개질 가스를 공급하는 장치 및 방법, 이에 사용되는 밸브를 제공하고자 한다.

본 발명의 구현예들에서는, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치로서, 상기 장치는 예비 개질기 및 상기 예비 개질기에 연결된 주 개질기를 포함하며, 상기 예비 개질기로부터 상기 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기하여 상기 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치를 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 밸브는 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공되는 가스의 양을 조절하는 조절부를 구비한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 밸브는 예비 개질기로부터 공급되는 가스의 일부가 유입되는 제 1 통로; 상기 제 1 통로로부터 유입된 가스를 가이드 하여 고체산화물 연료전지의 음극으로 유출하는 제 2 통로;를 포함하는 것으로서, 상기 제 1 통로의 가스 유출 홀과 상기 제 2 통로의 가스 유입 홀의 일부 또는 전부가 연결되어 가스가 제 1 통로로부터 제 2 통로로 흐르는 것이고, 상기 홀과 홀이 연결되는 면적이 조절되어 가스의 유량이 조절되는 밸브이다.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 밸브는 제 2 통로의 가스 유입 홀이 제 1 통로의 가스 유출 홀의 일부 또는 전부에 연결되도록 제 2 통로를 회전시키는 회전 장치를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 방법으로서, 예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기시켜 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공하는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지 스택에 개질 가스를 공급하는 방법을 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 방법은 예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기하여 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공하는 단계; 및 예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 나머지는 주 개질기로 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 예비 개질기로부터 분기되는 가스의 양을 조절함으로써 고체산화물 연료전지의 음극에 제공되는 메탄 가스의 조성을 조절한다.

본 발명의 구현예들에서는 또한, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치에 사용되는 밸브로서, 상기 밸브는 예비 개질기로부터 주개질기로 제공되는 가스 중 일부가 유입되는 제 1 통로; 상기 제 1 통로로부터 유입된 가스를 가이드 하여 고체산화물 연료전지의 음극으로 유출하는 제 2 통로;를 포함하는 것으로서, 상기 제 1 통로의 가스 유출 홀과 상기 제 2 통로의 가스 유입 홀의 일부 또는 전부가 연결되어 가스가 제 1 통로로부터 제 2 통로로 흐르는 것이고, 상기 홀과 홀이 연결되는 면적이 조절되어 가스의 유량이 조절되는 것을 특징으로 하는 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치에 사용되는 밸브를 제공한다.

본 발명의 예시적인 구현예에서, 상기 밸브는 제 2 통로의 가스 유입 홀이 제 1 통로의 가스 유출 홀의 일부 또는 전부에 연결되도록 제 2 통로를 회전시키는 회전 장치를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 구현예들에 따르면, 고체산화물 연료전지에 공급되는 개질 가스 특히 메탄 조성을 빠르고 용이하게 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스택의 온도를 안정적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 고체산화물 연료전지 스택에 개질 가스를 공급하는 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타난 밸브의 구성을 확대하여 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 실시예에서 예비 개질기 출구 가스 중 고체산화물 연료전지 음극으로 바로 공급되는 양의 비율이 각각 0%(X축의 V/V=0%), 65%(X축의 V/V=65%), 85%(X축의 V/V=85%), 100%(X축의 V/V=100%)일 때 고체산화물 연료전지 음극 입구 가스의 조성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 스택의 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 스택의 성능 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 시간에 따라 스택의 온도 변화를 측정한 그래프이다.
도 7은 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 시간에 따라 개질기의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 설명한다.

본 명세서에서 개질 가스란 주개질기 및/또는 예비 개질기를 통과한 가스를 지칭하는 것이다.

고체산화물 연료전지 발전 시스템의 경우 예컨대 천연 가스(Natural gas, NG)를 연료로서 주로 사용하며, 이러한 천연 가스는 개질 장치를 통해서 수소가 풍부한 개질 가스로 전환된다.

개질 장치(또는 연료 처리 장치)는 예비 개질기(pre-reformer)와 주 개질기(main reformer)를 포함한다. 참고로, 예비 개질기 및 주개질기 모두 수증기를 산화제로 사용하는 수증기 개질기(steam reformer)들이다.

고체산화물 연료전지 시스템은 예컨대 2.5kW 급 스택 두 개의 병렬 연결로 구성되어 있는데, 스택의 출구나 스택 표면만을 통한 방열의 한계를 극복하기 위해 메탄 내부 개질(methane steam reforming) 방법을 사용할 수 있다. 즉, 메탄과 수증기를 스택에 직접 공급하여 스택 내부에서 흡열 반응인 메탄 수증기 개질이 일어나게 하여, 미처 방열되지 못하고 못하고 스택 내부에 축적된 열이 제거될 수 있도록 할 수 있다.

그런데, 스택의 온도를 일정하게 유지시켜주기 위해서는 스택 발열량에 맞춰 메탄 수증기 개질 정도를 조절해야 하며, 이를 위해 음극 입구의 메탄 농도를 변화시켜야 한다. 그 외 메탄의 농도를 쉽게 변화시키는 방법으로 주 개질기의 작동 온도를 낮추는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 주 개질기의 온도가 낮아질 경우 메탄 전환률이 낮아지게 되어 음극 입구의 메탄 농도가 증가하게 된다. 또한, 주개질기의 온도를 낮추기 위하여 개질기에 공급되는 열량을 줄여줘야 하는데, 현재 개발된 시스템 설계상 개질기에 공급되는 열량을 임의로 변동시켜주는 것은 용이하지 않다. 그 이유는 개질기가 공기극 출구가스 전체와 열교환함으로써 반응에 필요한 열을 공급받게 되는데, 열교환량을 줄이기 위해서 800℃ 이상의 공기극 출구가스 즉 열매체(Hot stream)의 일부를 우회시켜줘야 하기 때문이다.

또한, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 개질기에 공급되는 열량이 줄어든다고 하더라도, 개질기 자체의 열질량(Thermal mass)에 의해 개질기의 온도 변화 속도에 한계가 있기 때문에 스택의 급격한 부하 변동에 따른 스택의 발열량 변화를 따라가는데 문제가 있을 수 있다.

이에 본 발명자들은 고체산화물 연료전지에 공급되는 개질 가스 특히 메탄 조성을 좀더 빠르고 용이하게 변화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 스택의 온도를 안정적으로 제어할 수 있도록 하고자 한다.

본 발명의 구현예들에 따른 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치는, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 제공하기 위한 개질 장치로서, 상기 개질 장치는 예비 개질기 및 상기 예비 개질기에 연결된 주 개질기를 포함하며, 여기서 상기 예비 개질기로부터 상기 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기하여 상기 고체산화물 연료전지 스택으로 제공하는 밸브를 포함한다.

도 1은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고체산화물 연료전지(300)에는 예비 개질기(230)와 주 개질기(250)를 거쳐서 개질 가스가 공급된다. 상기 예비 개질기로 예컨대 탈황된 개질 연료(F)와 증류수(W)를 수증기 발생기(210)에서 기화시켜 만들어진 수증기가 공급된다.

예비 개질기(230)는 예컨대 400℃ 정도에서 작동하며, 천연 가스에 포함된 C2+ 이상의 탄소수를 갖는 탄화수소를 제거하여, C1 이하의 탄화수소 즉 CH ₄ 으로 전환시켜주는 역할을 한다.

주 개질기(250)는 예컨대 700℃ 이상에서 작동하며, 예비 개질기의 생성 가스에 포함된 CH ₄ 을 H ₂ , CO, CO ₂ 로 변환시킨다.

참고로, 고체산화물 연료전지(300)의 음극으로부터 나온 가스(AN-OUT)는 촉매 연소기(400)를 지나게 되며, 이 과정에서 일부는 필요에 의해서 외측으로 배출(B)된다. 이는 고체산화물 연료전지 시스템에서 필요한 정도 이상의 열이 생성되는 것을 방지하기 위해서이다. 공기(A)는 공기 히터(500)에 공급된 후 고체산화물 연료전지(300)의 캐소드로 공급(CA-IN)되고, 고체산화물 연료전지(300)의 캐소드에서 배출되는 가스(CA-OUT)는 주 개질기(250)로 공급된 후 여기서 촉매 연소기(400)로 공급된다. 촉매 연소기(400)로부터 배출되는 가스는 다량의 열을 포함하고 있으며 공기 히터(500)와 수증기 발생기(210)에서 각각 공기와 물과 열교환함으로써 열을 제공하고, 마지막으로 냉각기(600)에서 냉각수와 열교환후 외부로 배출된다. 이상에서 설명한 바와 같은 고체산화물 연료전지 발전 시스템은 고온 박스(700) 내에 위치하게 된다. 상기 고온 박스(700)의 주위에는 저온 시스템 주변 장치(cold BOPs; 도시하지 않음)가 일반적으로 형성되어 고체산화물 연료전지 발전 시스템을 구성하게 된다.

본 발명의 구현예들에 따른 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 장치는, 상기 예비 개질기로부터 상기 주 개질기로 공급되는 가스 즉, CH ₄ 을 포함하는 가스의 일부를 분기하여 상기 고체산화물 연료전지 스택으로 제공하도록 하는 밸브(100)를 포함한다.

이와 같이 예비 개질기(230)로부터 생성되는 가스의 일부를 주 개질기(250)를 거치지 않고 바로 고체산화물 연료전지(300)의 음극으로 공급하면, 해당 가스는 주 개질기(250)를 거쳐 고체산화물 연료전지(300)의 음극으로 공급되는 가스와 합쳐져서, 고체산화물 연료전지(300)의 음극에 제공되는 연료 가스 (AN-IN)의 메탄 농도를 조절할 수 있다.

상술하면, 고체산화물 연료전지 스택은 높은 성능을 확보하면서 실런트(sealant)와 집전체(current collector)의 안정성을 확보하기 위해 온도를 700~750℃로 유지해야 한다. 그런데 고체산화물 연료전지 스택의 출력이 커지면 발열량이 많아져서, 스택이 국부적으로 과열되어 750℃ 이상으로 올라갈 위험성이 있다. 메탄이 수증기와 함께 스택에 공급된다면, 내부 수증기 개질을 통해서 스택의 온도를 낮추는데 기여할 수 있다. 더 나아가 스택 상황에 맞게 공급되는 메탄의 농도를 조절하게 되면, 스택의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다. 본 발명의 구현예들에서는 예비 개질기의 메탄 가스의 일부를 분기하여 바로 고체산화물 연료전지의 음극 측에 제공함으로써 스택의 온도를 안정적으로 유지할 수 있다.

도 2는 도 1에 나타난 밸브의 구성을 확대하여 나타내는 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 제공하기 위한 개질 장치에 사용되는 본 발명의 구현예들에 따른 밸브는, 예비 개질기로부터 주개질기로 제공되는 가스 중 일부가 유입되는 제 1 통로(10), 상기 제 1 통로(10)로부터 유입된 가스를 가이드 하여 고체산화물 연료전지의 음극으로 유출하는 제 2 통로(20)를 포함하는 것으로서, 상기 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀과 상기 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀의 일부 또는 전부가 연결되어 가스가 제 1 통로(10)로부터 제 2 통로(20)로 흐르는 것이고, 상기 연결되는 면적이 조절되어 가스의 유량이 조절되는 밸브이다. 여기서, 상기 밸브는 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀이 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀의 일부 또는 전부에 연결되도록 제 2 통로(20)를 회전시키는 회전 장치(30)를 더 구비할 수 있다.

상술하면, 상기 제 2 통로(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 원뿔 형상의 공간과 이에 연결되는 배출구를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 통로(20)에는 가스 유입 홀이 형성되어 있다. 상기 제 1 통로(10)의 말단에는 가스 유출 홀이 형성되어 있으며, 상기 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀과 상기 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀이 일부 또는 전부에서 연결되면(즉, 홀과 홀이 일부 또는 전부에서 맞물림) 제 1 통로(10)로부터 가스가 제 2 통로(20)로 흐를 수 있다. 이때 상기 2 통로(20)에는 막대기 형상의 회전 바와 같은 회전 장치(30)가 장착될 수 있으며, 이러한 회전 장치(30)의 회전에 의하여 홀과 홀의 연결 부위의 면적이 조절될 수 있다. 즉, 상기 회전 장치(30)를 회전함으로써 상기 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀과 상기 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀이 일부 또는 전부 연결되어 가스가 흐를 수 있으며, 이 구멍을 더 회전하여 제 1 통로(10)와 제 2 통로(20)의 연결 부위의 면적을 줄이면 통로 내 가스의 흐름을 차단할 수 있다. 이와 같이, 상기 제 2 통로(20)는 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 막대기 형상의 회전 장치(30)에 연결되어 회전됨으로써 제 1 통로(10)와 제 2 통로(20)의 연결 부위의 면적이 조절될 수 있고, 이와 같이 연결 부위 면적이 조절됨에 따라 제 1 통로(10)에서 제 2 통로(20)로 유입되는 가스의 양도 조절되는 것이다. 그러므로, 상기 회전 장치(30)는 고체산화물 연료전지 스택으로 제공되는 가스의 양을 조절하는 조절부 역할을 하게 된다.

제 1 통로(10)와 제 2 통로(20)가 연결되는 경우 즉, 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀이 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀과 일부 또는 전부에서 맞물리는 경우에는, 예비 개질기로부터의 가스가 제 1 통로(10)를 통하여 제 2 통로(20)로 유입된 후 고체산화물 연료전지의 음극측으로 배출된다(도 1 참조).

한편, 제 1 통로(10)와 제 2 통로(20)가 연결되지 않는 경우 즉, 제 2 통로(20)의 가스 유입 홀이 제 1 통로(10)의 가스 유출 홀과 전혀 맞물리지 않는 경에는, 예비 개질기로부터 가스가 유입되지 않는다. 즉, 예비 개질기로부터의 가스 분기는 없고, 예비 개질기로부터의 생성 가스는 모두 주 개질기로 이동하게 되는 것이다(도 1 참조).

본 발명의 구현예들에서는 또한, 고체산화물 연료전지에 개질 가스를 공급하는 방법으로서, 예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기시켜 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공하는 고체산화물 연료전지 스택에 개질 가스를 제공하는 방법을 제공한다.

예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 일부를 분기하여 고체산화물 연료전지의 음극으로 제공하고, 예비 개질기로부터 주 개질기로 공급되는 가스 중 나머지는 주 개질기로 공급한다. 이 과정에서 분기되는 가스의 양을 조절함으로써, 고체산화물 연료전지의 음극에 제공되는 개질 가스 조성(메탄 가스의 조성)을 조절할 수 있게 된다.

이하, 비제한적이고 예시적인 실시예를 통하여 본 발명의 예시적인 구현예 중 하나를 더욱 상세히 설명한다.

고체산화물 연료전지 발전 시스템 설계 및 제작

5kW 급 고체산화물 연료전지 발전 시스템의 전체 크기를 130×86×185 cm ³ 으로 구성하고, 전체 시스템이 2.5kW 급 단위 시스템(sub system) 두 개로 구성되도록 하였다. 참고로, 5kW 급 고체산화물 연료전지 발전 시스템은 고온 박스(hot box)와 저온 시스템 주변 장치(cold BOPs)로 구성된다. 도 1의 고온 박스에는 도시되어 있지 않지만, 통상 고온 박스에는 스택 전처리 및 고온박스 내부 온도조절을 위한 전기로가 내장되어 있다. 상기 고온 박스 아래 저온 시스템 주변 장치(cold BOPs) 부분에는 천연 가스 및 공기 블로워, 물펌프, 수소 질소 MFC 등 반응물 공급 장치를 설치하고, 시스템 제어 및 데이터 수집을 위한 보드를 장착하였다.

고체산화물 연료전지 스택은 15 cm×15 cm 셀(LSCF/ScSZ/FL/Ni-YSZ) 15 장으로 구성하였다. 스택은 전기적으로 병렬로 연결되어서 시스템 전체에 인가되는 전류 양은 조절 가능하지만, 각각 스택에 인가되는 전류 양은 각 스택의 내부 저항에 따라서 결정된다. 이때 각 스택의 전압은 동일하다. 이와 같은 연결 방식은 하나의 직류전자부하기를 사용해서 스택을 평가할 수 있다는 장점이 있는 반면, 스택 간에 내부 저항 차이가 발생할 시에 각 스택에 인가되는 전류량이 바뀔 수 있다는 단점이 있다. 실제로 천연 가스 개질 가스 운전시 내부 저항 차이로 각 스택에 다른 크기의 전류가 인가되었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 개질 장치를 예비 개질기(pre-reformer)와 주 개질기(main reformer)로 구성하였다. 개질 촉매로서 상용 예비 개질 촉매(C11-PR, Sud-chemie)와 상용 수증기 개질 촉매(FCR-4, Sud-chemie)를 사용하였다. 천연 가스는 먼저 흡착제(TOSPIX-94, Tokyo Gas)로 충진된 탈황 장치에 공급되어 연료에 포함된 유기 황화합물이 제거된 후 물과 함께 단열 예비 개질기에 공급하였다. 이때 천연 가스에 포함된 C2 이상의 탄화수소는 메탄 및 수소로 전환되며, 예비 개질 가스는 주 개질기에 공급되어 수소가 풍부한 가스로 전환되어 고체산화물 연료전지 스택에 공급되도록 하였다. 이때 예비 개질기와 주 개질기의 작동온도 범위는 각각 350℃ 내지 400℃, 650℃ 내지 700℃ 이었다.

도 1에 도시된 바와 같이, 예비 개질기 후단에 도 2에 도시된 바와 같은 밸브를 설치하였다. 해당 밸브를 통하여 예비 개질기 출구 가스 중에서 스택 음극에 직접 공급되는 양과 본 개질기에 공급되는 양을 조절하여, 음극 입구 가스의 메탄 농도를 변화시켰다.

참고로, 열교환 시스템에 대하여 설명하면, 열교환 시스템의 핵심은 시스템의 구성 성분(스택, 개질 장치)들이 적합한 운전 온도 조건에서 작동하게 하면서, 시스템 효율을 높이는 것이다. 그러므로 운전시 스택에서 발생되는 반응열과 미반응 가스 연소열을 사용해서 반응물(수증기, 공기)을 예열해야 하고, 연료 개질기에 필요한 열량을 공급해야 한다.

고온의 공기극 출구 가스는 개질기에서 열교환을 하여 연료 개질에 필요한 열량을 일부 공급한 후 음극 출구 가스에 포함된 미반응 연료와 고온박스 내부에 있는 촉매 연소기에서 반응하여 연소가 일어난다. 촉매 연소기에서 나온 고온의 가스는 공기 예열기와 수증기 발생기에서 예열에 필요한 열량을 공급한다. 이 과정에서 앞서 설명한 바와 같이 예비 개질기의 가스 일부를 분기하여 바로 고체산화물 연료전지 음극으로 제공하도록 하면 스택 온도 조절의 자유도(degree of freedom)를 높일 수 있게 된다.

음극 입구 가스의 메탄 농도 변화 시 스택 성능 및 온도 변화 측정

상술한 바와 같이 밸브를 조절하여 음극 입구 가스의 메탄 농도 변화 시 스택 성능 및 온도 변화에 대해서 측정하였다. 밸브는 크게 3 단계(즉, 예비 개질기 출구 가스 중 고체산화물 연료전지 음극으로 바로 공급되는 양의 비율이 각각 0%, 65%, 85%)로 열림을 조절하였다.

상술한 바와 같이, 밸브의 열림이 증가함에 따라서 예비 개질 가스 중에서 바로 음극 입구로 공급되는 가스의 양이 늘어나는 반면 주 개질기로 공급되는 가스의 양이 줄어들기 때문에 음극 입구 가스의 메탄 및 수소 농도를 조절할 수 있다.

밸브 작동에 따라 예비 개질 가스가 주 개질기와 고체산화물 연료전지 음극으로 나눠지는 비율은 예비 개질 가스, 주 개질 가스, 음극 입구 가스 조성을 분석함으로써 계산할 수 있다. 밸브 조절 시 스택 출력 성능과 온도 분포 및 음극 입구와 출구의 가스 조성을 분석하였다.

도 3은 본 실시예에서 예비 개질기 출구 가스 중 고체산화물 연료전지 음극으로 바로 공급되는 양의 비율이 각각 0%(X축의 V/V=0%), 65%(X축의 V/V=65%), 85%(X축의 V/V=85%), 100%(X축의 V/V=100%)일 때 고체산화물 연료전지 음극 입구 가스의 조성을 나타내는 그래프이다. 도 3에서 Y축은 농도(단위: mol%, H ₂ O 없음)를 표시한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 예비 개질기 출구 가스에는 과량의 메탄(56.8 mol%, 건조 베이스)이 포함되어있는데 밸브가 잠겨있을 경우(V/V=0%), 예비 개질기 출구 가스가 전부 주 개질기로 공급되어 메탄이 수소로 전부 전환되기 때문에 음극 입구 가스에는 메탄이 존재하지 않는다. 그러나, 밸브를 점점 열면 예비 개질기 출구에서 음극 입구로 직접 공급되는 양이 늘어나고 주 개질기로 공급되는 양이 줄어들기 때문에 음극 입구에서 수소의 농도는 줄어들고 메탄의 농도는 늘어나게 된다. 밸브의 열림이 증가할 때 스택의 온도와 성능 변화를 측정하여 보았다.

도 4는 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 스택의 온도 변화를 측정한 그래프이고, 도 5는 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 스택의 성능 변화를 측정한 그래프이다(도 5에서 동그라미는 전류를 표시하고, 네모는 전압을 표시한다). 도 4 및 5의 x축은 예비 개질기 출구 가스 중 고체산화물 연료전지 음극으로 바로 공급되는 양의 비율이 각각 0%(X축의 V/V=0%), 65%(X축의 V/V=65%), 85%(X축의 V/V=85%)인 것을 나타낸다. 도 4의 y축은 온도(단위: ℃)를 나타내고, 도 5의 왼쪽 y축은 전압(V), 오른쪽 y축은 전류(A)를 나타낸다.

도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 밸브의 열림이 증가할수록 스택의 온도와 성능은 감소하였다. 모든 경우 음극 출구 가스 분석 시 메탄이 검출되지 않았고, 스택 내부에서 메탄 수증기 개질이 분명이 일어났음을 확인할 수 있었다.

스택의 온도 감소에는 음극 내부 수증기 개질과 음극 공급 가스의 온도가 감소가 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한 음극 입구 가스의 수소 농도와 스택의 온도가 낮아졌기 때문에 내부 저항 증가로 스택 성능 감소하였다고 판단된다.

음극 입구가스의 온도가 감소한 이유는 온도가 186℃ 정도인 예비 개질 가스가 직접 음극으로 전달될 경우 주 개질기를 통해 올 때에 비해서 공급 라인의 길이가 상대적으로 짧기 때문에, 촉매연소기부터 발생하는 열을 충분히 받지 못하기 때문이다. 고온 밸브를 사용함으로써 메탄 수증기 개질이 개질기에서부터 스택으로 옮겨왔기 때문에, 스택의 온도 감소와 더불어 개질기의 온도 증가가 확인되었다.

도 6은 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 시간에 따라 스택의 온도 변화를 측정한 그래프이고, 도 7은 본 실시예에서 밸브의 열림이 증가할 때 시간에 따라 개질기의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 6 및 7에서 x축은 시간(단위: h)이고, y축은 온도이다.

도 7에서 알 수 있듯이, V/V=0% 일 경우 주 개질기의 온도는 입구 (reformer-in)에서 내부(reformer-mid)로 갈수록 줄어들다가 출구(reformer-out)에서는 다시 높아짐을 확인할 수 있다. 이는 주 개질기 내부에서 가스의 온도는 흡열 반응에 의해 감소하였다가 반응이 종료된 시점부터 외부로부터 공급되는 열에 의해서 온도가 증가하는 경향을 보인다. 하지만 V/V=65% 이상, 즉 예비 개질기 후단 가스의 대부분이 스택으로 공급되고, 주개질기로 공급되는 가스의 양이 줄어듦에 따라서 주 개질기 내부에서는 수증기 개질 반응이 거의 일어나지 않기 때문에 개질기 온도는 전반적으로 높아졌고, 내부 온도 편차는 줄어들었다.

실제 5kW 고체산화물 연료전지 시스템에서도 밸브 작동에 의해서 스택으로 공급되는 입구 가스의 온도가 감소할 것이고 이로 인한 약간의 성능 감소는 피할 수 없을 것이라고 생각되지만, 도 6에서 알 수 있듯이, 밸브의 목적인 스택 온도를 안정적으로 제어하는 역할은 충분히 할 것으로 생각된다.

이상과 같이, 본 발명의 구현예들에 따른 밸브를 구비하는 장치를 사용하면 메탄 조성을 변화시키는데 문제가 없었으며 스택의 온도를 낮추는 역할을 잘 수행하였다. 또한, 개질 장치, 열관리 시스템, 기타 주변 장치 역시 안정적으로 작동하는 것을 확인하였다.

10: 제 1 통로 20: 제 2 통로
30: 회전 장치 100: 밸브
210: 수증기 발생기 230: 예비 개질기
250: 주 개질기 300: 고체산화물 연료전지
400: 촉매 연소기 500: 공기 히터
600: 냉각기 700: 고온 박스
F: 개질 연료 B: 배출
A: 공기 W: 증류수