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문제 정의
- 있다. 본 논문에서는 현재 한전 전력연구원에서 가정용으로 개발 중인 lkW급 SOFC 시스템의 운전 성능을 정리하였다. 특히 효율적인 열관리를 통해 외부의 열원 없이 SOFC 시스템 내부에서 생성되는 열만을 이용하여 자열운전이 가능하도록 시스템을 설계하고, 수소 및 도시가스를 이용한 SOFC 시스템의 자열운전 결과에 대해 분석하고자 한다.
- 본 논문에서는 현재 한전 전력연구원에서 가정용으로 개발 중인 lkW급 SOFC 시스템의 운전 성능을 정리하였다. 특히 효율적인 열관리를 통해 외부의 열원 없이 SOFC 시스템 내부에서 생성되는 열만을 이용하여 자열운전이 가능하도록 시스템을 설계하고, 수소 및 도시가스를 이용한 SOFC 시스템의 자열운전 결과에 대해 분석하고자 한다.
제안 방법
- 1) IkW급 SOFC 시스템의 자열운전을 위해 시스템 내부에서 스택, 촉매연소기, 개질기, 각종 열교환기 등을 고온박스 내부에 배치하였다. 각 부분의 작동온도 및 열량흐름을 고려하여 배치가 되었으며, 통합된 열교환기 수직 방향으로 고온의 배기가스가 흐르면서 십자흐름 형태로 스팀생성 및 공급가스 예열이 이루어지도록 열 교환망을 설계하였다.
- 2) 전기로를 750℃로 유지하고 수소를 이용하여 스택 성능시험을 수행하였다. 50A에서 1.
- 3) 수소 및 도시가스를 이용하여 시스템 자열운전을 수행하였다. 수소를 이용하여 35A에서 L35kWe의 안정된 출력을 얻을 수 있었으며, 이때 연료 이용률은 84.
- IkW 스택을 장착하고 정해진 순서에 따라 스택 전처리를 한 후, 전기로를 이용하여 고온박스 내부온도를 조절하면서 스택 성능시험을 하였다. 연료극에는 MFC(mass flow controllerX 이용하여 수소와 질소를, 공기극에는 블로워를 이용하여 공기를 각각 공급하였으며(가스유량은 20℃, 1기압 기준), 직류 전자부하기 (american reliance, PLA 1.
- NiO와 8mol% YSZ(yttria-stabilized zircomia) 분말을 일축가압 방법으로 성형하고 140CTC에서 1 시간 동안 열처리를 하여 연료극 지지체를 제조하였다. 가소결된 지지체 위에 FL(functional layer)과 YSZ의 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다.
- 가소결된 지지체 위에 FL(functional layer)과 YSZ의 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다. 공기극 물질인 LSCF((Lao.
- 한다. 각 부분의 온도를 고려하여 Fig. 2와 같이 고온 박스 내부의 열교환망을 설계하였다.
- 등을 고온박스 내부에 배치하였다. 각 부분의 작동온도 및 열량흐름을 고려하여 배치가 되었으며, 통합된 열교환기 수직 방향으로 고온의 배기가스가 흐르면서 십자흐름 형태로 스팀생성 및 공급가스 예열이 이루어지도록 열 교환망을 설계하였다.
- 가소결된 지지체 위에 FL(functional layer)과 YSZ의 전해질을 슬러리 코팅방법으로 올린 후 소결하였다. 공기극 물질인 LSCF((Lao.6Sro.4)(CoozFeoGCh)를 전해질이 코팅된 시편에 스크린 프린팅 한 후 열처리를 하여 최종적으로 셀을 제조하였다. l kW급 스택은 10 X 10cm2 크기의 셀 48 장과 ferritic 계의 STS430 재질의 금속분리판 및 유리계의 고온 밀봉제를 이용하여 제작되었다.
- 3%, 스택발전효율은 54%를 얻었다. 배기가스의 폐열을 이용한 온수제조를 통해 LlkW%의 열량을 회수하였다.
- 본 논문에서는 IkW급 SOFC 시스템의 자열운전을 위해 열교환망을 중심으로 시스템을 설계하고, 10x10cm1 2 3 단전지 48 장을 적층한 스택을 장착하여 수소 및 도시가스를 이용한 자열운전을 수행하면서 스택 및 시스템의 운전 특성을 분석하였다.
- 본 시스템에서는 고온 연료전지의 이러한 장점을 이용해 예비개 질기 (pre-reformer) 또는 수증기개질기(steam reformer)를 장착하여 도시가스에 포함된 C2 이상의 탄화수소를 메탄 및 수소로 전환하여 SOFC 스택에 공급하였다. 본 연구에서는 상용촉매(Sud- chemie C11 - PR)를 반응기에 충진하여 예비개질기를 구성하였다.
- 본 시스템에서는 고온 연료전지의 이러한 장점을 이용해 예비개 질기 (pre-reformer) 또는 수증기개질기(steam reformer)를 장착하여 도시가스에 포함된 C2 이상의 탄화수소를 메탄 및 수소로 전환하여 SOFC 스택에 공급하였다. 본 연구에서는 상용촉매(Sud- chemie C11 - PR)를 반응기에 충진하여 예비개질기를 구성하였다.
- 수소를 이용한 자열운전 시험 후, 도시가스를 예비 개질기에서 개질하여 스택에 공급하면서 IkW 시스템의 자열운전 시험을 수행하였다. 도시가스 배관에서 공급되는 도시가스 압력은 약 200mm Aq.
- 스택 성능시험에서와 같이 M頂C를 이용하여 연료극에 수소와 질소를 공급하면서 스택과 시스템이 안정된 운전상태를 유지할 수 있는 자열운전 조건을 정하였으며, 이러한 자열운전 조건에서 스택 및 시스템의 출력특성과 온도분포 등을 분석하였다.
- 시스템 상부에는 원통형의 고온박스(hot box) 가 있고 내부에 SOFC 시스템 구성품 중에서 작동온도가 높은 스택 연료개질기, 촉매연소기, 열교환기 등이 위치하고 있다. 스택의 온도를 650℃ - 750℃ 의 고온으로 유지하고 열손실을 최소화하여 시스템 효율을 확보하기 위하여 스택 주변에 단열벽을 제작하였으며, 스택 전처리 및 고온박스 내부 온도조절을 위해 전기로가 설치되었다.
- 시험을 수행하였다. 스택출력 및 고온 박스 내부의 온도를 고려하여 연료극에 수소 14.9^/min, 질소 14.1//min를 공급하고, 공기극에는 86.4^/min의 공기를 공급하여 자열운전 조건을 정하였다. 이때 스택출력은 35A에서 1.
- 열교환기는 십자 흐름(cross-flow) 형태로 수직방향으로 고온의 연소 가스가 아래로 흐르면서 공급되는 가스와 열교환이 이루어진다. 시스템에 필요한 열을 공급하기 위해 열교환을 마친 배기가스는 대기로 방출되기 전에 마지막으로 온수 제조에 이용됨으로써 열병합발전이 가능하도록 설계하였다.
- 연료극에는 MFC(mass flow controllerX 이용하여 수소와 질소를, 공기극에는 블로워를 이용하여 공기를 각각 공급하였으며(가스유량은 20℃, 1기압 기준), 직류 전자부하기 (american reliance, PLA 1.5kT20-200)로 전류를 인가하면서 스택출력 시험을 수행하였다. 이 때, 열교환기 및 시스템 내부에는 열전대와 압력계가 장착되어 온도와 압력을 측정하였다.
- 5kT20-200)로 전류를 인가하면서 스택출력 시험을 수행하였다. 이 때, 열교환기 및 시스템 내부에는 열전대와 압력계가 장착되어 온도와 압력을 측정하였다.
- 전기로를 이용하여 IkW 스택 성능시험을 한 후 안정된 운전 상태에서 전기로 출력을 끄고 외부의 열공급 없이 시스템 내부의 열만을 이용한 자열운전을 시작하였다.
- 전기로를 이용한 스택 성능시험을 완료한 후, 안정된 운전상태에서 전기로를 끄고 수소를 이용한 자열운전 시험을 수행하였다. 스택출력 및 고온 박스 내부의 온도를 고려하여 연료극에 수소 14.
대상 데이터
- 4)(CoozFeoGCh)를 전해질이 코팅된 시편에 스크린 프린팅 한 후 열처리를 하여 최종적으로 셀을 제조하였다. l kW급 스택은 10 X 10cm2 크기의 셀 48 장과 ferritic 계의 STS430 재질의 금속분리판 및 유리계의 고온 밀봉제를 이용하여 제작되었다.
성능/효과
- 4) 도시가스로 운전할 경우 35A에서 1.25kWe의 스택 출력을 얻을 수 있었다. 탄화수소를 연료로 이용할 경우 스팀제조와 개질반응에 추가 열량이 소모되어 수소운전보다 스택출력이 낮았다.
- 앞서 수소운전 결과와 비교할 때 스택출력이 낮은 것을 확인할 수 있는데, 이는 예비개질기와 스택 내부의 개질반응 및 개질에 필요한 물의 예열과 기화열로 인해 고온 박스 내부의 발열량 감소로 스택의 온도가 낮아졌기 때문인 것으로 추측된다. 도시가스를 이용한 자열 운전 시 스택 상판과 하판의 온도는 685~690℃로 수소 운전에 비해 약 25 -35℃ 낮은 결과를 보였다. 또한 예비개질기에 공급된 수증기의 맥동으로 인해 탄화수소 연료의 완전한 예비개질이 이루어지지 않아 탄소침적이 발생한 것도 스택 성능감소의 원인으로 분석된다.
- 탄화수소를 연료로 이용할 경우 스팀제조와 개질반응에 추가 열량이 소모되어 수소운전보다 스택출력이 낮았다. 또한 스택내부의 개질반응으로 스택 온도 하강과 같은 열분포 문제가 나타났으며, 개질기에 공급되는 물과 연료의 혼합비율을 일정하게 유지시켜 줌으로써 탄소침적을 방지하는 것이 중요한 것으로 판단된다.
- 수소를 이용하여 35A에서 L35kWe의 안정된 출력을 얻을 수 있었으며, 이때 연료 이용률은 84.3%, 스택발전효율은 54%를 얻었다. 배기가스의 폐열을 이용한 온수제조를 통해 LlkW%의 열량을 회수하였다.
- 열병합 발전을 통한 시스템 전체효율은 스택발전효율과 열효율의 합으로 계산할 수 있으며, 수소를 이용한 본 시스템에서는 약 98%(higher heating value 기준으로는 약 83%)를 얻을 수 있었다. 하지만 실제 시스템 효율은 각종 BOP에서 소모된 전력과 전력변환기에서 발생되는 손실을 고려해야만 한다.
- 31 ~ 135kWe를 나타내었고, 스택 상판의 온도는 720-740℃, 스택 하판은 710~725℃를 유지하였다. 자열운전 조건에서 스택의 연료이용률 Uf는 84.3%였으며, 스택발전효율은 최고 54% 정도를 얻을 수 있었다.
- 25kWe의 스택 출력을 얻을 수 있었다. 탄화수소를 연료로 이용할 경우 스팀제조와 개질반응에 추가 열량이 소모되어 수소운전보다 스택출력이 낮았다. 또한 스택내부의 개질반응으로 스택 온도 하강과 같은 열분포 문제가 나타났으며, 개질기에 공급되는 물과 연료의 혼합비율을 일정하게 유지시켜 줌으로써 탄소침적을 방지하는 것이 중요한 것으로 판단된다.
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