메탄 내부개질 반응을 통한 고체산화물 연료전지의 탄소침적 억제에 관한 연구

Abstract

한정된 자원의 효율적 사용은 과거에서 지금까지의 중요한 기술적 문제 중 하나였으며, 이러한 문제를 해결하고자 연료전지의 개념이 대두되었다. 여타의 연료전지에 비해 SOFC가 갖는 장점은 출력범위가 넓으며 탄화수소연료를 외부개질반응을 거치지 않고도 직접 사용이 가능하다는 것이다. 특히 연료를 개질 반응 없이 직접 사용할 수 있다는 것은 전체 시스템 효율의 향상과 직결되는 문제이므로 매우 매력적인 장점이 아닐 수 없다. 따라서 연료로써 천연가스의 대부분을 차지하고 있으며 비교적 개질 반응이 쉬운 메탄에 대하여 운전을 실시하였다. 그러나 다른 탄화수소 연료들에 비해 탄소의 개수가 적은 메탄일지라도 실험결과 SOFC전극 표면에 탄소가 침적됨을 확인 할 수 있었다. 따라서 이러한 문제점을 극복하고자 내부 개질 반응의 활성화를 통하여 운전을 실시하였다. 내부 개질 반응이 가능한 이유는 SOFC가 다른 연료전지들과는 달리 고온에서 운전되며, 전극소재로써 니켈(Ni)을 사용하는데 이것이 steam reforming의 좋은 촉매로써 작용하기 때문이다. 또한 셀 내부에서 전류가 인가되면 cathode의 산소가 anode로 공급되는데 이에 따라 발생하는 electrochemical oxidation 역시 탄소침적억제에 효과가 있다고 알려져 있다. 그러나 실험결과 internal steam reforming반응에서는 탄소침적에 의한 성능감소가 나타나지 않았지만, electrochemical oxidation반응에서는 내부 산소공급의 불균형으로 인하여 성능감소가 발생하였다. 따라서 메탄을 직접 공급하여 운전할 경우에는 internal steam reforming반응에 의해서 운전해야 함을 알 수 있었다.