[논문]5kW 용융탄산염 연료전지(MCFC) 이젝터 설계 및 시험

김범주; 김도형; 이정현; 이성윤; 김진열; 강승원; 임희천

5kW 용융탄산염 연료전지(MCFC) 이젝터 설계 및 시험
The Ejector Design and Test for 5kW MCFC System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.1, 2009년, pp.31 - 37

김범주 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 김도형 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 이정현 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 이성윤 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 김진열 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 강승원 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹) , 임희천 (한전 전력연구원 신재생에너지 그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

An ejector is a machine utilized for mixing fluid, maintaining a vacuum, and transporting fluid. The Ejector enhances system efficiency, are easily operated, have a mechnically simple structure, and do not require a power supply. Because of these advantages, the ejector has been applied to a variety of industrial fields such as refrigerators, power plants and oil plants. In this work, an ejector was used to safely recycle anode tail gas in a 5 kW Molten Carbonate Fuel Cell system at KEPRI(Korea Electric Power Research Institute). In this system, the ejector is placed at mixing point between the anode tail gas and the cathode tail gas or the fresh air. Commercial ejectors are not designed for the actual operating conditions for our fuel cell system. A new ejector was therefore designed for use beyond conventional operating limits. In this study, the entrainment ratio is measured according to the diametrical ratio of nozzle to throat in the designed ejector. This helps to define important criteria of ejectors for MCFC recycling.

주제어

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문제 정의

온도 및 가스 조성에 따른 DAE(dry air equivalent)를 찾아서 entrainment ratio 보정 값에 대한 실험을 추가하고, 75kW 및 250kW MCFC급 ejector 설계에 응용하고자 한다. 대용량 이젝터의 설계시에는 기하학, 운동학적, 역학적 상사를 모두 만족시켜서 scale up을 할 수 없으므로 안전율을 충분히 둘 필요성이 있다.

가설 설정

① 구동 유체의 노즐에서 팽창과정 및 Throat, Diffuser에서 유체의 압축, 팽창과정은 등엔트로피이다.
③ 유동은 단열이다.
④ 이젝터 흐름은 1차원이고 정상 상태라고 가정한다.

제안 방법

3에서와 같은 실험장치를 꾸몄다. Blower의 출력은 10%~90%로 조절하여 공기의 유량을 주입하였으며 이젝터에 따라 입구, 출구에서 압력(P), 유량(Q), 온도(T)를 측정하였다. 실제 실험장치는 Fig.
Table 1은 5kW 실제 운전 조건을 기준으로 하여 DAE⁶⁾(dry air equivalent)으로 환산한다. DAE는 온도와 가스의 분자량에 따라 상온에서의 등가 공기로 환산한 양으로, 실험에서는 상온에서 공기로 적용할 수 있는 장점이 있어서 이것을 적용하였다. 이 양을 기준으로 이젝터 설계조건 및 흡인비 등을 산정하였다.
55의 값을 가지는 모델이 5kW MCFC에 적합함을 알 수 있었다. Dt가 15mm 일 때, Dn이 6mm가 최적의 형상임을 계산하였고, 그에 따른 이젝터들을 만들어서 실험을 통해, 흡인비에 영향을 미치는 변수들을 찾아내는 실험을 진행하였다. λ와 ω 모두 흡인비를 결정짓는 중요한 변수임을 확인하였고, 구동유량과 흡입유량이 모두 아음속이므로 최대한 ω를 낮게 가져가고 λ는 4 근처에서 이젝터를 만드는 것이 5kW급 MCFC 연료전지에서는 바람직한 모델이라는 것을 알아내었다.
Table 2에서 볼 수 있듯이 노즐을 구경에 따라 4, 5, 6, 7, 8 [mm]로 만들었으며, throat를 길이와 구경에 따라 3종류를 만들었다. 노즐과 throat의 조합에 의해 실험을 진행하였다. 노즐과 throat의 지름비에 따른 entrainment ratio와 throat의 구경과 길이비에 따른 entrainment ratio를 중점으로 각 구간에서 측정한 값을 바탕으로 데이터를 분석하였다⁴⁾.
노즐과 throat의 조합에 의해 실험을 진행하였다. 노즐과 throat의 지름비에 따른 entrainment ratio와 throat의 구경과 길이비에 따른 entrainment ratio를 중점으로 각 구간에서 측정한 값을 바탕으로 데이터를 분석하였다⁴⁾.
전력연구원 신재생에너지그룹에서는 지식경제부의 “250kW급 열병합 용융탄산염 연료전지 발전시스템 proto type 개발”과제의 주관기관으로 2009년까지 250kW급 MCFC system을 만드는데 심혈을 기울이고 있다. 이 시스템을 단순화, 경량화 하기 위해 5kW 시스템용 이젝터를 설계, 시험하였고, 이를 바탕으로 대형화 시스템에도 적용할 방침이다.

대상 데이터

이젝터는 고압의 유체를 노즐에서 고속으로 분출시켜 구동유체가 가지고 있는 압력에너지를 속도에너지로 변화시켜 주변의 저압 유체와 운동량을 교환하여 저압의 유체를 흡입, 수송하는 장치이다. 이젝터는 노즐, 목, 혼합부, 디퓨져 등으로 구성되어 있다. 이젝터는 회전부분 및 전원 연결 부분이 없으므로 고장이 적다.

성능/효과

λ와 ω 모두 흡인비를 결정짓는 중요한 변수임을 확인하였고, 구동유량과 흡입유량이 모두 아음속이므로 최대한 ω를 낮게 가져가고 λ는 4 근처에서 이젝터를 만드는 것이 5kW급 MCFC 연료전지에서는 바람직한 모델이라는 것을 알아내었다.
이것은 Dt가 적을수록 흡입 압력이 충분히 형성될 수 있는 공간을 마련해 줄 수 있고, 여기서 Dn이 적을 수록 유체의 구동속도가 빨라져서 증가된 속도에너지만큼 압력이 낮아져서 흡입이 더 잘 되는 분위기가 형성되기 때문이다. 2.2.6에 언급했듯이 5kW 연료전지 시스템에서 최적의 흡인 비에 따른 노즐의 구경이 6 mm이었다. Fig.
하지만, 유량에 따른 최적의 기하학적인 형상을 찾아낸다면 성능이 좋은 이젝터를 설계할 수도 있다. Cathode의 가스 조성과 촉매연소기에서 소요되는 수소양을 계산하여, entrainment ratio가 0.55의 값을 가지는 모델이 5kW MCFC에 적합함을 알 수 있었다. Dt가 15mm 일 때, Dn이 6mm가 최적의 형상임을 계산하였고, 그에 따른 이젝터들을 만들어서 실험을 통해, 흡인비에 영향을 미치는 변수들을 찾아내는 실험을 진행하였다.
동일한 λ값을 가지더라도 노즐과 목의 구경에 따라 흡인되는 유량의 한계와 그에 따른 압력 변화의 차이가 발생하므로 suction의 차이가 발생하고 노즐과 목의 구경이 커질수록 suction이 발생할 수 있는 밀폐된 공간의 분위기가 형성되기가 어려워서 suction이 어려워지는 현상을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이젝터란 무엇인가?	이젝터는 고압의 유체를 노즐에서 고속으로 분출시켜 구동유체가 가지고 있는 압력에너지를 속도에너지로 변화시켜 주변의 저압 유체와 운동량을 교환하여 저압의 유체를 흡입, 수송하는 장치이다. 이젝터는 노즐, 목, 혼합부, 디퓨져 등으로 구성되어 있다.
	이젝터의 고장이 적은 이유는 무엇인가?	이젝터는 노즐, 목, 혼합부, 디퓨져 등으로 구성되어 있다. 이젝터는 회전부분 및 전원 연결 부분이 없으므로 고장이 적다.
	용융탄산염 연료전지에서의 문제와 해결방안은 무엇인가?	용융탄산염 연료전지는 580~650℃의 온도에서 작동하고 전해질로 용융탄산염을 이용하며, 차세대 분산형 전원으로 상용화에 근접한 연료전지이다. 고온의 수소를 재순환하기 위해서 송풍기와 같은 회전기기를 이용하게 되면 본질 안전 방폭 구조로 만들어야 하여 비용 증가, 제작의 어려움, 위험 요인이 수반되지만, 이젝터를 이용하면 별도의 회전기기 도움이 없으므로 안전하고, 누설의 위험도 줄게 된다1-5).

참고문헌 (6)

H. El-Dessouky, H.Ettouney, I. Alatiqi, G. Al-Nuwaibit, 'Evaluation of steam jet ejectors', Chemical Engineering and Processing 41 (2002) 551-561

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Y. Zhu, W. Cai, C. Wen, Y. Li, 'Fuel ejector design and simulation model for anodic recirculation SOFC system', Journal of Power Sources 173(2007) 437-449

상세보기
Keenan, J.H., Neumann, E.P. and Lustwerk. F., 'An Investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment', Journal of Applied Mechanics. Vol. 17, No. 3, 1950, pp. 299-309
M.T.Kandakure, V.G. Gaikar, A.W. Patwardhan, 2005, 'Hydrodynamic aspects of ejectors', Journal of Chemical Engineering Science 60 (2005) 6391-6402

상세보기
R.Yapici, H.K. Ersoy, 2005, 'Performance charateristics of the ejector refrigeration system based on the constant area ejector flow model', Journal of Energy Convertsion & Management 46 (2005) 3117-3135

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Heat Exchanger Institute, Standards for steam jet vacuum systems, 1988, 4th edition

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