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표면연소버너를 이용한 SOFC의 직접가열방식의 개발

전문가 제언: ○ 고체산화물 연료전지(SOFC)는 연료전지 중에서 고온으로 운전되는 연료전지이다(600~1,000℃). 이것은 전해질 재료가 고체산화물로 고온이어야 전기화학반응이 일어나기 때문이다. 이러한 고온은 온도를 낮추기 위한 꾸준한 연구가 진행되지만, 연료의 개질 반응에 귀금속 촉매가 필요치 않든지 내부 개질이 가능하면서, 또한 고온의 열을 이용, 열병합 발전을 할 수 있어 전체적인 효율이 높은 편이다.

○ 지금까지는 발전 실내에 넣을 수 있는 SOFC 셀은 히터 혹은 버너의 간접가열에 의해 발전 시작 온도의 약 650°C까지 가열한 후, 셀의 가열을 정지하고 발전에 의한 줄 발열로 정상적인 발전 온도의 약 900°C까지 승온한다. 그러나 SOFC모듈의 간접가열은 버너로부터의 열을 열교환해서 모듈에 보내기 때문에 열교환기와 고온배관이 필요하여 구조가 복잡하다. 또 열교환기 및 고온배관으로 부터 방열에 의한 열손실이 따르는 문제점이 있다.

○ 이에 대하여 직접 가열 방식은 애노드나 캐소드 버너에서 일방적으로 가열하면 셀의 내외 측에서 온도의 편차로 열응력이 생기는 문제점이 있다. 연소 가스는 셀이 버너의 연소가스에 직접 노출된다. 애노드재료는 산소농도가 소정 값 이상이면 산화반응이 진행한다. 또한 캐소드재료는 산소농도가 낮으면 분해 반응이 일어나고, 모두 셀이 열화하게 된다. 또한 버너에 공급하는 예혼합기에 포함되는 연료의 비율이 과잉이면, 불완전 연소 상태로 매연이 발생하고 단락이나 전기절연 불량을 일으킨다.

○ 이 글은 SOFC에 관한 많은 연구개발을 하고 있는 일본의 Hitachi에서 발표한 내용이다. SOFC에서 직접가열방식은 몇 가지 가능한 방법 중의 하나이나 기술의 개발은 실용화가 아직 더딘 분야이다. 그럼에도 불구하고 상기의 문제점들을 모두 해결하면서 우수한 결과를 보여주는 것이 고무적이다. 우리나라도 SOFC는 KIST를 위시하여 대학과 기업에서 연구 중이다. 가열방식에 대한 일고의 기회이길 바란다.

저자: A. Noie et. al.
자료유형: 학술정보