[정보통신신문=박남수기자]

지스트(광주과학기술원) 기계공학부 강상규 교수 연구팀은 높은 시스템 전기효율을 갖는 캐스케이드 고체산화물 연료전지 시스템을 개발하고 주요 운전조건인 전류밀도, 외부개질율, 증기·탄소 비율이 스택 및 시스템의 전기효율에 미치는 영향을 규명했다고 밝혔다.

캐스케이드 고체산화물 연료전지 시스템 (Cascade solid oxide fuel cell system)은 고체산화물 연료전지 스택 두 개를 직렬로 연결함으로써 첫 번째 스택에서 미반응한 연료를 두 번째 스택의 연료로 사용해 시스템 연료이용률을 극대화 할 수 있는 형태의 연료전지 시스템이다.

고체산화물 연료전지 시스템은 다른 연료전지에 비해 높은 시스템 전기효율과 폐열 활용 등 장점이 있어 발전용 연료전지 시스템으로 주목받고 있다.

시스템의 전기효율을 높이기 위해서는 스택의 연료이용률을 증가시켜야 하지만 핵심소재의 내구성 문제로 인해 그 한계가 있다.

시스템 연료이용률을 높이기 위해 양극 재순환 고체산화물 연료전지 시스템이 개발됐지만, 이를 구현하기 위해 사용되는 송풍기 또는 이젝터**는 시스템의 비용 증가를 초래해 연료전지 시스템의 상용화가 지체되고 있다.

양극 재순환 고체산화물 연료전지 시스템(Anode off-gas recirculation solid oxide fuel cell system)은 스택에서 미반응한 연료 중 일부를 재순환시켜 다시 연료로 사용함으로써, 시스템 연료이용률 및 시스템 전기효율이 향상된 연료전지 시스템이다.

이젝터(Ejector)는 펌프의 일종으로서 고압의 유체가 지닌 압력 에너지를 이용하여 흡입 유체를 빨아들여 이송하는 기계장치다.

본 연구팀은 캐스케이드 구성의 연료전지 시스템의 우수성을 정량적으로 비교‧분석하기 위해 수치해석 기반의 싱글스테이지 시스템, 연료극 배가스 재순환 시스템, 그리고 캐스케이드 시스템의 열역학 모델을 개발하고, 주요 운전조건인 전류밀도, 외부개질율, 그리고 증기/탄소 비율 변화에 따른 각 시스템 전기효율을 파악했다.

그 결과, 전류밀도 100 mA/㎠, 외부개질율 50%, 증기/탄소 비율 2.5의 운전조건에서 캐스케이드 고체산화물 연료전지 시스템의 전기효율이 66.97%로 다른 시스템 구성에 비해 높게 나타났다.

이 결과는 캐스케이드 시스템 구성으로 달성할 수 있는 시스템 연료이용률 극대화에 따른 영향으로 분석되었다. 동일한 조건에서 연료극 배가스 재순환 시스템은 65.84%로 두 번째로 높은 전기효율로 나타났다.

강상규 교수는 “이번 연구 성과는 고체산화물 연료전지 시스템의 효율 극대화를 달성할 수 있으며, 국내 수소경제 활성화 정책에 따른 국내 연료전지 보급에 기여할 수 있다는 점에서 가장 큰 의의가 있다”면서, “향후 캐스케이드 고체산화물 연료전지 시스템의 발전효율을 극대화할 수 있는 추가 연구를 수행함으로써 2050 탄소 중립 목표 달성을 위해 앞장설 것”이라고 말했다.

지스트 강상규 교수의 지도로 신동환 석사 및 김태빈 석사과정 학생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받은 ‘동적변화 대응형 삼중열병합 시스템 설계 및 제어 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다.

연구 성과는 에너지 및 열 관리 분야의 세계적 권위를 가진 국제 학술지인 ‘어플라이드 써멀 엔지니어링(Applied Thermal Engineering)’에 2021년 6월 12일 온라인에 게재됐다.

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