본 연구에서는 부탄 개질기 운전조건에 따른 SOFC 시스템 효율을 모델링을 통해 분석하였다. SOFC 시스템은 크게 개질기, SOFC, 폐열 회수 장치로 구성하였다. 탄화수소 개질 반응으로 선택한 수증기 개질 반응은 흡열반응인 데에 반해 SOFC 에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이다. 따라서 시스템의 열관리 방법에 따라 효율이 크게 달라진다. 세부적으로 수증기 개질 반응은 운전 온도에 따라 수증기 개질 반응과 예개질 반응으로 분류되는데, 해석 결과 예개질 반응을 적용한 SOFC 시스템의 경우 더 높은 효율을 나타내었다. 시스템의 효율은 SOFC 온도 유지를 위한 열량과 온수로 회수되는 열량에 따라 달라지는데, 예개질 반응을 적용할 경우, 열관리가 더욱 효율적이어서 높은 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 부탄 개질기 운전조건에 따른 SOFC 시스템 효율을 모델링을 통해 분석하였다. SOFC 시스템은 크게 개질기, SOFC, 폐열 회수 장치로 구성하였다. 탄화수소 개질 반응으로 선택한 수증기 개질 반응은 흡열반응인 데에 반해 SOFC 에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이다. 따라서 시스템의 열관리 방법에 따라 효율이 크게 달라진다. 세부적으로 수증기 개질 반응은 운전 온도에 따라 수증기 개질 반응과 예개질 반응으로 분류되는데, 해석 결과 예개질 반응을 적용한 SOFC 시스템의 경우 더 높은 효율을 나타내었다. 시스템의 효율은 SOFC 온도 유지를 위한 열량과 온수로 회수되는 열량에 따라 달라지는데, 예개질 반응을 적용할 경우, 열관리가 더욱 효율적이어서 높은 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.
In this study, the efficiency of a solid-oxide fuel cell (SOFC) system with a steam reformer or prereformer was analyzed under various conditions. The main components of the system are the reformer, SOFC, and water boiling heat recovery system. Endothermic and exothermic reactions occur in the refor...
In this study, the efficiency of a solid-oxide fuel cell (SOFC) system with a steam reformer or prereformer was analyzed under various conditions. The main components of the system are the reformer, SOFC, and water boiling heat recovery system. Endothermic and exothermic reactions occur in the reformer and SOFC, respectively. Hence, the thermal management of the SOFC system greatly influences the SOFC system efficiency. First, the efficiencies of SOFC systems with a steam reformer and a prereformer are compared. The system with the prereformer was more efficient than the one with steam reformer due to less heat loss. Second, the system efficiencies under various prereformer operating conditions were analyzed. The system efficiency was a function of the heat requirement of the system. The efficiency increased with an increase in the operating temperature of the prereformer, and the maximum system efficiency was observed at $450^{\circ}C$ for a S/C of 2.0.
In this study, the efficiency of a solid-oxide fuel cell (SOFC) system with a steam reformer or prereformer was analyzed under various conditions. The main components of the system are the reformer, SOFC, and water boiling heat recovery system. Endothermic and exothermic reactions occur in the reformer and SOFC, respectively. Hence, the thermal management of the SOFC system greatly influences the SOFC system efficiency. First, the efficiencies of SOFC systems with a steam reformer and a prereformer are compared. The system with the prereformer was more efficient than the one with steam reformer due to less heat loss. Second, the system efficiencies under various prereformer operating conditions were analyzed. The system efficiency was a function of the heat requirement of the system. The efficiency increased with an increase in the operating temperature of the prereformer, and the maximum system efficiency was observed at $450^{\circ}C$ for a S/C of 2.0.
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문제 정의
따라서 수증기 개질 반응을 이용한 SOFC 시스템의 경우 열관리 방법에 따라 시스템의 효율이 크게 달라진다. 따라서 본 연구에서는 부탄을 연료로 하는 SOFC 시스템에서 수증기 개질기의 운전조건이 효율에 미치는 영향을 수치해석을 통해 연구하였다.
본 연구에서는 부탄(n-Butane)을 연료로 하는 SOFC 시스템에서 개질기의 운전조건에 따른 시스템 효율 변화를 분석하였다. 따라서 운전조건에 따른 개질기의 성능이 중요한 변수이다.
(4) 따라서 예개질 반응의 경우 SOFC 내에서 CH4 의 수증기 개질 반응을 통해 열을 흡수하기 때문에 폐열을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 예개질 반응과 수증기 개질 반응을 이용한 SOFC 시스템의 효율을 비교하였으며, 두 가지 개질 반응 중 시스템의 효율이 높은 예개질 반응을 택하여 운전조건에 따른 시스템의 효율 변화를 관찰하였다.
가설 설정
BOP 는 시스템에 작동유체를 주입하기 위한 펌프나 컴프레서를 의미한다. SOFC 는 운전 온도를 800℃ 로 가정하였으며, MATLAB 을 이용한 코드로 모사하였다. SOFC 의 전기화학적 특성은 선행 연구를 참고하였으며,(8,9) 물성치는 타 문헌을 참고하였다.
2 를 참고하면 된다. SOFC 시스템은 약 1kW 급으로 가정하여 분당 0.0941 mol 의 연료를 주입하였다. 시스템의 각 구성요소들은 단열조건을 만족한다고 가정하였다.
∙ SOFC 내부에서 H2만 전기화학적으로 반응한다.
∙ 입구 또는 출구 연료극과 공기극의 온도는 같다.
∙ 접촉저항 및 복사에 의한 열전달은 무시한다.
SOFC 에 주입된 CH4 은 식 (1)과 같이 흡열반응을 통해 H2 로 변환되기 때문에 SOFC 온도가 감소한다. 본 연구에서 수행한 시뮬레이션의 구속조건으로 SOFC 의 운전 온도를 800℃ 로 일정하게 가정하였기 때문에 CH4 의 농도가 높은 경우 SOFC 의 온도를 유지하기 위해 열(Qrequired)을 공급해주어야 한다. 온도가 상승하면 CH4 가 줄고 Qrequired 가 감소하여 식 (5)에 따라 ηp 는 증가한다(Fig.
0941 mol 의 연료를 주입하였다. 시스템의 각 구성요소들은 단열조건을 만족한다고 가정하였다.
제안 방법
(7) SOFC 시스템은 SOFC 와 SOFC, 개질기, BOP(Balance of Plant)의 세 부분으로 구성하였다. BOP 는 시스템에 작동유체를 주입하기 위한 펌프나 컴프레서를 의미한다.
Aspen HYSYS 에서 지원하는 반응기 모델은 각 온도에서의 화학평형을 기본으로 하는 이상적인 반응기이기 때문에 개질기는 실험 결과를 적용해 모사하였다. 실험에서의 반응물과 생성물의 조성을 모델에 적용하였으며, 개질기에 공급할 열량은 입구와 출구에서 화학종의 조성과 온도 변화를 이용해 계산하였다.
액체상태의 물은 HPLC 펌프를 통해 유량을 제어하였으며, 기화기(Vaporizer)를 통해 수증기로 변환한 후 반응기로 공급하였다. 기체 상태의 부탄과 질소는 MFC(mass flow controller)를 이용해 제어하였다. 질소는 액체상태의 물을 운반하기 위한 운반기체(carrier gas) 및 비활성기체(inert gas)의 용도로 사용되었으며, HPLC 펌프 후단으로 공급되어 물과 함께 기화기를 거쳐 반응기로 공급된다.
이는 예개질 반응 가스 내 포함된 CH4가 SOFC 내에서 흡열반응을 통해 폐열을 흡수하기 때문이다. 다양한 예개질 반응 조건에서 시스템의 효율 변화를 분석하였다. 전력 효율과 시스템 효율은 예개질기 반응물에 공급해주어야 하는 열량, SOFC 운전 온도를 유지하기 위해 공급 또는 방출하는 열량, 온수로 회수되는 열량 값에 크게 영향을 받았다.
0으로 고정한 상태에서 온도를 350℃ 에서 450℃ 까지 변화시켰다. 두 번째는, 일정한 온도에서 S/C 에 따른 생성물 조성의 변화를 관찰하기 위해 온도를 450℃ 로 고정한 상태에서 S/C 를 1.5 에서 3.0 까지 변화시키며 실험을 수행하였다.
2 와 같다. 부탄과 수증기는 BOP 를 통해 공급되며 반응물 공급을 위해 필요한 전력(PBOP)을 계산하였다. 개질 반응에 필요한 열을 공급하기 위하여 반응물은 후단 연소기에서 발생한 열을 이용해 일정한 온도로 가열한 후 개질기에 공급하였다.
부탄을 연료로 하는 SOFC 시스템에서 개질기의 운전조건에 따른 시스템 효율을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 부탄의 수증기 개질 및 예개질 실험을 수행하였으며, 이를 시스템 모델링에 반영하였다.
부탄을 연료로 하는 SOFC 시스템에서 개질기의 운전조건에 따른 시스템 효율을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 부탄의 수증기 개질 및 예개질 실험을 수행하였으며, 이를 시스템 모델링에 반영하였다. 개질기와 예개질기를 적용한 시스템을 비교한 결과, 예개질기를 적용한 시스템의 효율이 크게 높았다.
이를 통해 생성물에 포함된 수분을 응집하고, 흡습기(moisture trap)를 통해 수분이 제거된 생성물은 분석장치로 공급된다. 분석장치는 Agilent 사의 6890N GC(Gas Chromatography)를 사용하였으며, 이를 통해 각 성분의 조성을 분석하였다.
3 에 나타내었다. 생성 가스의 조성은 열역학적 화학평형 조성에 가까웠으며, 그 결과를 수증기 개질기 모사에 이용하였다.
7 에 나타내었다. 시스템 효율은 SOFC 에서 생산되는 전력뿐만 아니라 온수를 통해 회수되는 열량을 고려하였다. 온도에 따라 회수되는 열량의 차이가 크지 않아 시스템 효율(ηtota)은 전기효율(ηp)과 같이 온도에 따라 증가하는 경향을 보인다.
시스템 효율은 온수로 회수한 열(Qrecoverd)을 고려한 경우(ηtotal)와 고려하지 않은 경우(ηp), 두 가지로 평가하였으며, 각각의 정의는 아래와 같다.
Aspen HYSYS 에서 지원하는 반응기 모델은 각 온도에서의 화학평형을 기본으로 하는 이상적인 반응기이기 때문에 개질기는 실험 결과를 적용해 모사하였다. 실험에서의 반응물과 생성물의 조성을 모델에 적용하였으며, 개질기에 공급할 열량은 입구와 출구에서 화학종의 조성과 온도 변화를 이용해 계산하였다.
개질가스는 SOFC 에서 반응하여 전력(PSOFC)과 폐열(양수일 경우 QLOSS - SOFC 의 반응열; 음수일 경우 Qrequired - SOFC 의 운전 온도 유지를 위해 필요한 열)을 생산하고, 남은 연료는 후단 연소기를 통해 H2O 와 CO2로 전환된다. 열교환기를 지난 배출가스의 폐열을 흡수하기 위해 70℃ 의 온수를 생산하였다. 시스템 효율은 온수로 회수한 열(Qrecoverd)을 고려한 경우(ηtotal)와 고려하지 않은 경우(ηp), 두 가지로 평가하였으며, 각각의 정의는 아래와 같다.
% Rh/CGO 를 수증기 개질 촉매로 사용하였다. 예개질 반응과의 효율 비교를 위하여 일반적인 수증기 개질 반응 조건인 750℃ 에서 S/C=3.0 으로 운전하였다.
예개질 실험은 온도와 S/C 를 변화시켜가며 수행하였다. 첫 번째는, 일정한 S/C 에서 온도변화에 따른 생성물 조성의 변화를 관찰하기 위해 S/C 를 2.
따라서 운전조건에 따른 개질기의 성능이 중요한 변수이다. 이를 현실적으로 모사하기 위하여 다양한 조건에서 개질 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 수치해석에 적용하였다.
예개질 실험은 온도와 S/C 를 변화시켜가며 수행하였다. 첫 번째는, 일정한 S/C 에서 온도변화에 따른 생성물 조성의 변화를 관찰하기 위해 S/C 를 2.0으로 고정한 상태에서 온도를 350℃ 에서 450℃ 까지 변화시켰다. 두 번째는, 일정한 온도에서 S/C 에 따른 생성물 조성의 변화를 관찰하기 위해 온도를 450℃ 로 고정한 상태에서 S/C 를 1.
대상 데이터
부탄 수증기 개질 실험을 수행하기 위하여 촉매를 선정하였다. 수증기 개질 촉매로 니켈 촉매가 일반적이나 탄소침적 등의 문제로 인해 귀금속 촉매로 대안으로 제시되고 있다.
부탄 예개질 실험을 수행하기 위하여 촉매를 선정하였다. 앞 절에서 설명하였듯이 Rh 과 같은 귀금속 촉매는 수증기 개질 시 탄소침적에 대한 내성이 있지만, 예개질 반응 조건에서는 반응성이 좋지 않기 때문에(6) 니켈 촉매를 사용하였다.
실험에서 사용된 촉매는 Süd-Chemie 사에서 개발한 C11-PR 촉매로 성분 조성은 아래 Table1 과 같다.
이론/모형
SOFC 는 운전 온도를 800℃ 로 가정하였으며, MATLAB 을 이용한 코드로 모사하였다. SOFC 의 전기화학적 특성은 선행 연구를 참고하였으며,(8,9) 물성치는 타 문헌을 참고하였다.(10,11) SOFC 모사하기 위해 아래와 같은 가정을 사용하였다.
시스템 모델링은 공정모사 소프트웨어인 Aspen HYSYS 를 이용하였다.(7) SOFC 시스템은 SOFC 와 SOFC, 개질기, BOP(Balance of Plant)의 세 부분으로 구성하였다.
성능/효과
부탄의 수증기 개질 및 예개질 실험을 수행하였으며, 이를 시스템 모델링에 반영하였다. 개질기와 예개질기를 적용한 시스템을 비교한 결과, 예개질기를 적용한 시스템의 효율이 크게 높았다. 이는 예개질 반응 가스 내 포함된 CH4가 SOFC 내에서 흡열반응을 통해 폐열을 흡수하기 때문이다.
5 와 Table 3 에 나타내었다. 계산 결과 수증기 개질 반응과 예개질 반응을 적용했을 때 SOFC 에서 생산할 수 있는 전력량은 비슷하나, 폐열(QLOSS)의 열량이 수증기 개질기를 사용했을 경우에 예개질기를 사용한 경우보다 10배 이상이었다. 따라서, 예개질기를 이용한 SOFC 시스템의 효율(ηtotal)이 약 9% 정도 더 높았다.
예개질기의 운전온도와 반응물의 S/C 가 낮을수록 개질기에 공급해 주어야 하는 열량이 작아져 온수로 회수되는 열량이 커졌으나, 생성 가스 내 CH4 의 농도가 증가해 SOFC 운전 온도를 유지하기 위한 열량 공급이 필요하였다. 따라서, 예개질기 반응물에 공급해주어야 하는 열량, SOFC 운전 온도 유지를 위해 공급 또는 방출하는 열량, 온수로 회수되는 열량이 균형을 이룰 때 시스템 효율이 최대가 되었다.
따라서, 예개질기를 이용한 SOFC 시스템의 효율(ηtotal)이 약 9% 정도 더 높았다.
반면, 운전 조건에 따른 CO, CO2 생산량은 비교적 일정하였다. 또한, 모든 운전 조건에서 열역학적 조성에 비해 CH4의 농도가 높고 H2, CO2의 농도는 낮았다.
예개질기의 운전 온도와 반응물의 S/C 를 변화시켜가며 분석한 결과, 최대의 전력 효율과 시스템 효율을 갖는 운전 조건이 달랐다. 시스템 전력 효율은 예개질기의 운전 조건이 450℃, S/C=2.5 일 때 최대의 효율을 나타내었으나, 시스템 효율은 450℃, S/C=2.0 일 때 최대였다.
전력 효율과 시스템 효율은 예개질기 반응물에 공급해주어야 하는 열량, SOFC 운전 온도를 유지하기 위해 공급 또는 방출하는 열량, 온수로 회수되는 열량 값에 크게 영향을 받았다. 예개질기의 운전 온도와 반응물의 S/C 를 변화시켜가며 분석한 결과, 최대의 전력 효율과 시스템 효율을 갖는 운전 조건이 달랐다. 시스템 전력 효율은 예개질기의 운전 조건이 450℃, S/C=2.
다양한 예개질 반응 조건에서 시스템의 효율 변화를 분석하였다. 전력 효율과 시스템 효율은 예개질기 반응물에 공급해주어야 하는 열량, SOFC 운전 온도를 유지하기 위해 공급 또는 방출하는 열량, 온수로 회수되는 열량 값에 크게 영향을 받았다. 예개질기의 운전 온도와 반응물의 S/C 를 변화시켜가며 분석한 결과, 최대의 전력 효율과 시스템 효율을 갖는 운전 조건이 달랐다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄화수소를 개질하는 방법에는 무엇이 있는가?
탄화수소를 개질하는 방법은 일반적으로 부분산화반응(POX), 수증기 개질 반응(SR), 자열개질 반응(ATR) 등 크게 세 가지이다. SOFC 시스템 운전을 위해서는 다양한 탄화수소 개질 반응 중 상대적으로 안정한 수증기 개질 반응이 가장 일반적이나, 다른 개질 반응과 달리 흡열반응이라 외부에서 에너지를 공급해야 한다는 단점이 있다.
SOFC는 무엇인가?
SOFC(고체산화물 연료전지)는 고효율 에너지 변환장치로 연료와 공기를 이용해 물과 전기를 생산하는 발전 장치이다. 고온에서 작동하는 SOFC 는 전기와 열을 동시에 생산하기 때문에 가정용 소형 열병합발전을 목적으로 하는 kW 급 시스템에 적합하다.
부탄 수증기 개질 반응은 어떻게 나뉘는가?
부탄 수증기 개질 반응은 운전 온도에 따라 세부적으로 두 가지로 분류할 수 있다. 일반적인 수증기 개질 반응은 700~900℃ 에서 일어나는 반응을 의미하지만, 400~550℃ 에서도 개질 반응이 일어나는데 이를 특별히 예개질 반응이라 한다.(3) 탄화수소가 수증기와 반응할 경우 아래와 같은 반응들이 일어나는데 수증기 개질 반응의 경우 대부분의 생성물이 H2 와 CO 인 것에 비해 예개질 반응의 경우 반응 온도가 낮아 열역학적으로 CH4 생산량이 증가한다.
참고문헌 (12)
Park, J., Lee, S., Lim, S., Bae, J., 2009, “Numerical
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