온실가스 배출저감 및 대기오염물질 배출규제 강화는 해상에서 활동하는 선박에 있어서도 해결되어야 하는 중요한 과제 중의 하나이다. 최근 선박은 천연가스 엔진(MEGI), 이중연료 전기추진방식(DFDE), 연소가스 후처리장치 장착 등 동력기관의 에너지효율을 제고하고 대기오염물질의 배출을 줄이는 다양한 기술이 개발, 적용되고 있으나 시스템이 복잡해지는 반면 온실가스 및 대기오염물질에 대한 근본적인 해결책이 되지 못하고 있다. 이 문제들에 대한 근본적이며 지속가능한 해결책 중의 하나로 수소연료전지가 있다[1][2]. 연료전지는 수소와 산소의 화학반응에서 생기는 전기 및 열에너지를 이용하는 장치로 친환경적이면서도 효율이 높아 최근 많은 관심을 받고 있다. 중대형 선박에 연료전지를 채용한다면 동력의 크기와 특성 등을 고려하여 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같이 효율이 높고, 폐열에 대한 효용성이 큰 고온형 연료전지가 더 적합하다고 판단된다. 그러나 SOFC는 높은 효율을 위해 800~1000℃ 이상의 고온에서 작동하도록 설계되어, 다공성 전극의 소결현상, 전극의 내구성 저하로 인하여 스택 수명의 단축 등 심각한 사고를 초래할 수 있으므로 안전성을 우선시 하는 선박의 동력장치로는 채용에 많은 난관이 예상된다[3]. 따라서 최근 특수한 내열재료의 사용을 지양하고 시스템을 보다 안전하게 동작시키기 위하여 작동온도 600~800℃의 중온형 SOFC에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 2011년 N. Zuo et al. [4]는 550~700℃에서 작동하는 K₂CO₃ 전해질 기반 중온형 SOFC의 단일 셀 특성을 연구하였고 2013년 C. Yang et al. [5]는 550~650℃에서 작동하는 BaCo 공기극 기반 중온형 SOFC의 단일 셀을 개발하여 그 특성을 검토한 바 있다. 또한 2015년 M. J. López-Robledoa et al. [6]는 650~800℃에서 작동하는 다공성 산화세륨 전해질 기반 중온형 SOFC 단일 셀을 그리고 2017년 Y. Tan et al. [7]은 650~800℃에서 작동하는 공기극 기반 중온형 SOFC 단일 셀을 개발하여 그 특성을 보고하고 있다. 위의 연구 결과들은 중온형 SOFC가 고온형 SOFC와 경쟁하거나 또는 그 이상의 성능도 가능함을 보여 주고 있다.

본 논문은 메탄을 수소운반체로 하는 수증기개질방식과 중온형 SOFC를 기반으로 효과적이고 안정적인 시스템을 구성하고 그 시스템의 기본적 성능특성을 시뮬레이션 모델링을 통하여 검토한 것이다.

연료전지시스템의 주요 구성요소는 스택, 개질기, 예열기, 연소기, 연료 및 공기 공급장치 등이며 이들의 조합으로 다양한 시스템이 가능하나, 본 연구에서는 Figure 1과 같은 시스템을 중온형 SOFC시스템으로 가장 효과적이고 안정적이라 판단하여 제시한다. 시스템의 비교를 위하여 800~1000℃에서 스택이 작동되는 고온형 SOFC시스템을 Figure 2에 나타낸다. Figure 1과 Figure 2의 비교에서 개질기의 위치와 예열기2의 신설이 상이한 점으로 나타난다. 중온형 SOFC시스템에서 개질기가 연소기의 하류에 배치된 것은 공기극 후단의 온도가 메탄의 높은 개질률을 위해 충분하지 못하기 때문이다. 참고로 Figure 3에 메탄과 수증기를 1:3으로 혼합하여 개질기에 공급한 경우에 대한 메탄 개질률 및 개질기 출구가스조성을 반응온도별로 나타내었다. 그림으로부터 98% 이상의 메탄 개질률을 얻기 위해서는 반응온도가 1000 K 이상 유지되어야 함을 알 수 있다. 즉, 중온형 SOFC 스택 공기극의 출구온도가 600~800℃이므로 이 열원만으로는 개질기의 반응온도를 1000 K 이상 유지시키기 어렵다. 또한, 예열기2가 개질기와 스택 연료극 사이에 신설된 것은 개질기를 통과한 고농도 수소혼합가스의 온도가 스택의 작동온도보다 높아 스택이 가열되는 것을 막고 그 열원을 개질기로 들어가는 메탄의 예열에 사용하기 위함이다.

Figure 1: 
Layout of intermediate temperature SOFC system with methane steam reforming

Figure 2: 
Layout of high temperature SOFC system with methane steam reforming

Figure 3: 
Equilibrium composition and conversion rate for methane steam reforming

Figure 1의 메탄 수증기개질 중온형 SOFC시스템에서 메탄은 예열기2로 유입되기 전에 수증기가 풍부한 스택 연료극 출구의 재순환가스와 소정의 S/C(Steam/Carbon ratio) 비율로 혼합된다. 메탄과 수증기 등의 가스는 예열기2를 거쳐 개질기에서 고농도의 수소와 함께 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 및 메탄이 혼합된 가스로 변환되며, 이 혼합가스는 스택 연료극의 전기화학반응을 거쳐 수소와 일산화탄소의 농도는 감소하고 수증기의 농도가 증가된 상태로 연료극에서 토출된다. 공기는 스택의 공기극 전기화학 반응용 및 냉각용으로 사용되며 송풍기와 예열기1을 거쳐 스택의 공기극으로 보내어진다. 여기에서 예열기1은 스택과 공기의 과도한 온도차로 인한 열응력의 발생을 억제하기 위한 것으로 예열기2와 마찬가지로 예열기 출구온도는 스택 작동온도보다 최대 200 K 낮은 온도(COT-200)로 조절된다[8][9]. 스택 연료극의 출구 혼합가스에 포함된 미반응 수소 및 일산화탄소 그리고 소량의 메탄은 공기극 출구공기와 함께 연소실에서 연소된다. 연소기 출구의 고온가스는 개질기, 예열기1 그리고 증기발생용 에코노마이저의 열원으로 사용되고 배출된다.

시스템의 성능해석은 다음과 같은 가정 하에서 수행되었다.

• ① 정상상태
• ② 방열손실 무시
• ③ 반응은 이론평형 상태
• ④ 유체 흐름방향으로 온도 및 조성은 1차원
• ⑤ 스택 출구가스 온도는 작동온도와 동일

그리고 본 시스템 성능평가에 사용한 계산 조건들은 Table 1과 같다.

본 논문은 메탄을 공급연료로 하는 수증기개질방식과 중온형 SOFC를 기반으로 효과적이고 안정적인 시스템을 구성하고 그 시스템의 기본적 성능특성을 시뮬레이션 모델링을 통하여 검토한 것으로 본 시스템 그리고 계산 조건과 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

• (1) 중온형 SOFC시스템의 효과적 작동을 위하여 수증기 개질기는 연소기 출구에 위치해야 하며, 스택 연료의 적절한 공급 온도 조절을 위한 냉각 또는 예열용의 열교환기가 개질기와 스택 연료극 사이에 설치되어야 한다.
• (2) 작동온도가 감소함에 따라 셀의 유기전압과 시스템의 전기적 효율이 낮아지며, 시스템의 전기적 효율을 50% 이상 유지하기 위한 소정의 작동온도 범위가 존재한다.
• (3) 전류밀도가 증가함에 따라 셀의 유기전압과 시스템의 전기적 효율이 한계전류밀도 근방까지 거의 선형적으로 감소하다가 한계전류밀도 근방에서 급격히 줄여들며, 시스템의 전기적 효율을 50% 이상 유지하기 위한 전류밀도의 최대치가 존재한다.
• (4) 연료극의 수소 반응률을 늘릴수록 셀 유기전압은 감소하고 시스템의 전기적 효율은 증가하나 그 변화량은 그다지 크지 않다.