[논문]하부 사이클 추가에 의한 MCFC 시스템의 성능향상

지승원; 박성구; 김동섭

doi:10.3795/ksme-b.2010.34.10.907

하부 사이클 추가에 의한 MCFC 시스템의 성능향상
Enhancement of MCFC System Performance by Adding Bottoming Cycles 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.10 = no.301, 2010년, pp.907 - 916

지승원 (인하대학교 기계공학과) , 박성구 (인하대학교 기계공학과) , 김동섭 (인하대학교 기계공학과)

초록
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고온형 연료전지인 MCFC 발전시스템에 가스터빈, 유기매체 랜킨 사이클, 순산소 연소 사이클 등 다양한 하부 사이클을 추가한 통합시스템들의 성능을 비교 해석하였다. MCFC 시스템의 성능과 운전조건을 바탕으로 하여 각 추가 시스템의 주요 설계 변수 변화에 따른 통합시스템의 성능 변화를 해석하였고 이로부터 각 시스템의 최적 성능을 도출하였다. 각 시스템을 비교하여 MCFC와 최적의 결합을 나타내는 시스템을 분석하였는데, MCFC/OXY 시스템이 MCFC 단독 시스템에 비하여 가장 큰 출력 증가를 나타내었으며, MCFC/GT 시스템의 효율 증가가 가장 큰 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Integration of various bottoming cycles such as the gas turbine (GT) cycle, organic Rankine cycle, and oxy-fuel combustion cycle with an molten carbonate fuel cell (MCFC) power-generation system was analyzed, and the performance of the power-generation system in the three cases were compared. Parametric analysis of the three different integrated systems was carried out under conditions corresponding to the practical use and operation of MCFC, and the optimal design condition for each system was derived. The MCFC/oxy-combustion system exhibited the greatest power upgrade from the MCFC-only system, while the MCFC/GT system showed the greatest efficiency enhancement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MCFC와 여러 가지 추가적인 사이클들을 결합한 시스템의 성능을 비교 분석하여 MCFC와 최적의 결합을 나타내는 시스템을 도출하였다. MCFC의 배열을 이용한 하부 사이클로써 ORC와 순산소 연소 사이클을 적용하였으며 상압형 MCFC/GT 시스템 및 MCFC 단독 시스템과 성능을 비교하였다.
이렇듯 다양한 중/저온 에너지 회수형 발전 시스템들이 가능하므로 여러 가지 형태의 응용된 MCFC 시스템이 구현 가능한데, 이번 연구는 가스터빈과의 결합을 비롯하여 배가스의 에너지를 ORC 및 순산소연소 사이클로 회수하도록 구성한 시스템 등 세 가지 경우에 대해서 성능을 비교 분석하고자 한다.

가설 설정

연료는 공기와 마찬가지로 HRU에서 가열된 후 개질기로 공급된다. 개질반응에 필요한 수증기는 외부에서 공급하는 것으로 가정하였으며, 외부로부터 공급된 물은 HRU에서 수증기로 상변화 되어 개질기로 공급된다. 또한 개질반응에 필요한 열은 연료전지에서 직접 공급하는 내부개질(internal reforming)방식을 사용하였다.
)으로 가정하였다. 다음과 같이 수증기 개질을 통해 연료전지에 필요한 수소를 생성하도록 하였으며 평형반응으로 가정하였다.
다음으로 MCFC/ORC 시스템의 해석 결과를 보인다. 선행 연구에서 300 ℃ 내외의 배열을 이용하는 경우에 터빈입구 상태를 포화 증기로 유지하여도 충분히 성능을 높일 수 있다고 보고되므로⁽¹²⁾ 본 연구에서도 ORC 터빈 입구온도를 작동 유체의 포화증기온도로 가정한 해석을 먼저 수행하였으며, 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 이 시스템에서 연료전지로 공급되는 연료 및 공기의 양은 MCFC가 단독으로 작동하는 시스템과 동일하다.
6에 순산소 연소 사이클의 온도엔트로피 선도를 나타내었다. 순산소 연소반응은 이론공연비로 100% 연소한다고 가정하였고, 이에 따라 연소가스는 이산화탄소와 수증기만으로 구성된다. 응축기에서 이산화탄소 성분이 상대적으로 높은 기체가 추출되어 정제과정을 거쳐 고농도 이산화탄소를 추출하는데 이 과정에 대한 구체적인 계산은 생략하였다.
연료는 천연가스를 고려하였는데 100% 메탄(CH₄)으로 가정하였다. 다음과 같이 수증기 개질을 통해 연료전지에 필요한 수소를 생성하도록 하였으며 평형반응으로 가정하였다.

제안 방법

시스템의 해석 결과를 Fig 11~13에 나타내었다. Fig.11와 12에는 추가적인 연료와 산소의 공급이 없는 경우, 즉 물을 연료전지 시스템의 출구가스와의 열교환으로만 가열하여 생산된 증기를 작동유체로 사용하는 랜킨 사이클의 성능과 순산소 연소기에 추가적인 연료와 산소를 공급하여 터빈입구온도를 560 ℃로 설정한 순산소 사이클의 성능을 비교하여 나타내었다. 주 설계 변수는 터빈의 압력비이다.
본 논문에서는 MCFC와 여러 가지 추가적인 사이클들을 결합한 시스템의 성능을 비교 분석하여 MCFC와 최적의 결합을 나타내는 시스템을 도출하였다. MCFC의 배열을 이용한 하부 사이클로써 ORC와 순산소 연소 사이클을 적용하였으며 상압형 MCFC/GT 시스템 및 MCFC 단독 시스템과 성능을 비교하였다.
하지만이 경우 증기터빈의 입구 온도가 255 ℃~400 ℃로일반적인 증기터빈의 입구온도의 비해 낮다. 따라서 순산소 연소를 통해 증기터빈의 입구온도를 560 ℃로 고정한 경우에 대한 해석도 수행하였다. 순산소 연소를 적용하여 터빈입구온도를 560 ℃로설정한 경우에도 추가 연료를 넣지 않았을 때와 출력과 효율의 경향은 비슷하다.
먼저, MCFC와 가스터빈을 결합한 시스템의 해석 결과를 Fig. 7에 나타내었으며, 주된 가스터빈 설계변수인 압력비 변화에 따른 해석을 하였다. 압력비가 증가함에 따라 가스터빈의 출력이 증가하는 경향을 나타냈다.
78V를 사용하였다. 셀 전압을 사용한 연료전지의 직류출력은 다음과 같이 계산되며, 교류출력은 변환효율, 블로워 및 펌프 등의 보조 기기의 출력을 고려하여 계산하였다.
순산소 연소반응은 이론공연비로 100% 연소한다고 가정하였고, 이에 따라 연소가스는 이산화탄소와 수증기만으로 구성된다. 응축기에서 이산화탄소 성분이 상대적으로 높은 기체가 추출되어 정제과정을 거쳐 고농도 이산화탄소를 추출하는데 이 과정에 대한 구체적인 계산은 생략하였다. 이 부분이 포함될 경우 소모되는 동력으로 인하여 시스템 순 성능이 다소 감소할 것이다.
(MCFC의 배기가스 이후만 나타내었음) 액체상태의 작동유체는 펌프를 통해 가압되고 열회수기를 거쳐 포화증기 혹은 과열상태가 된 후 터빈에서 팽창하여 동력을 생산한다. 터빈 출구의 작동유체는 응축기에서 액체 상태로 상변화 된 후 다시 펌프에 공급되는 순환시스템으로 모델링 하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 배기가스 온도 조건이 이 연구⁽²⁴⁾의 조건과 유사하므로 동일한 매체인 R123을 작동유체로 사용하였다. R245fa가 새로운 물질로서 더 환경 친화적(오존층 파괴 지수가 낮음)인 물질로서 제안되기도 하지만,⁽²¹⁾ 물성치가 R245fa와 유사하고 본 연구에서 사용한 상용프로그램에서 물성치가 제공되는 R123을 채택하였다. Table 1에 물과 R123의 물성치를 비교하였다.
^(20~24) 특히, 소형 재생 사이클 가스터빈의 중온 배가스의 에너지를 회수한 하부 사이클에 ORC 적용을 고려한 예⁽²⁴⁾가 있었다. 본 연구에서는 배기가스 온도 조건이 이 연구⁽²⁴⁾의 조건과 유사하므로 동일한 매체인 R123을 작동유체로 사용하였다. R245fa가 새로운 물질로서 더 환경 친화적(오존층 파괴 지수가 낮음)인 물질로서 제안되기도 하지만,⁽²¹⁾ 물성치가 R245fa와 유사하고 본 연구에서 사용한 상용프로그램에서 물성치가 제공되는 R123을 채택하였다.
1에 나타내었는데 공기를 공급해주는 블로워와 연료전지 그리고 열회수기(HRU)로 구성된다. 사용된 레이아웃은 현재 상용화되어 있는 MCFC 시스템⁽⁹⁾의 형태를 벤치마크하여 구성한 것이다.

데이터처리

하부 사이클 해석에 사용된 계산 조건은 Table 3에 정리하였다. 모델링 및 해석은 상용프로그램인 Aspen HYSYS를 사용하였다.⁽²⁶⁾

이론/모형

MCFC와 가스터빈을 결합한 상압형 하이브리드 시스템의 구성은 선행연구⁽¹²⁾를 참고하였으며, 구성도를 Fig. 2에 나타내었다. 이 선행연구에서 간접적으로 터빈입구를 가열하는 방식보다(MCFC 제작사가 제안한 것) 직접 연소로서 터빈입구 가스를 가열하는 방식이 성능이 다소 더 우수함을 보였으므로 이에 준하는 사이클을 채택하였다.
개질반응에 필요한 수증기는 외부에서 공급하는 것으로 가정하였으며, 외부로부터 공급된 물은 HRU에서 수증기로 상변화 되어 개질기로 공급된다. 또한 개질반응에 필요한 열은 연료전지에서 직접 공급하는 내부개질(internal reforming)방식을 사용하였다. 수소가 포함된 개질 가스는 연료전지의 연료극으로 공급되어 반응하고, 연료극 출구 가스와 열회수기에서 가열된 공기는 후연소기로 공급된다.
순산소 연소 시스템은 연소기 출구가스가 주로 물과 이산화탄소로 구성되기 때문에 응축과정을 통해 수분을 제거함으로써 고농도의 이산화탄소의 포집이 용이하다. 본 연구에서는 배열회수형 순산소 연소 사이클 방식⁽¹⁷⁾을 적용하였다. MCFC/OXY 시스템에서 MCFC 이후의 순산소 연소 사이클만 부각하여 Fig.

성능/효과

(1) MCFC/GT 시스템에서는 압력비가 증가함에 따라 출력과 효율이 증가하는 가스터빈의 성능 특성과 유사한 결과를 나타내었다.
(2) 하부 사이클로 ORC를 사용한 경우에는 ORC작동압력이 높을수록 통합 시스템의 출력 및 효율은 증가하였으나 그 증가폭은 점차 줄어들었다.
단, 이 시스템에서는 연소에 필요한 순수한 산소를 공기로부터 분리하기 위해 동력 소모가 필요한데 대체로 동력 소모는 약 200kWh/ton-O₂로 보고되고 있다.⁽²⁷⁾ 최고의 출력을 나타내는 MCFC/OXY 시스템에 사용된 산소의 양은 약 63.5kg/h이다. 따라서 순수산소의 분리를 위해 필요한 동력은 0.
(3) 하부 사이클이 순산소 연소 사이클인 경우 작동압력이 800kPa일 때 통합 시스템의 효율이 가장 높았으며, 압력비에 따라서는 작동압력인 800kPa, 즉 하부 사이클의 압력비가 133인 경우까지는 통합 시스템의 출력과 효율이 증가하였지만 그 이상으로 증가할 때는 감소하였다.
(4) MCFC 단독 시스템과 비교하여 가장 큰 출력의 증가를 나타낸 시스템은 MCFC/OXY 시스템이다. 순수 산소를 분리하기 위해 필요한 동력을 고려하더라도 순 출력 증가는 가장 클 것으로 기대된다.
이상 설명한 3가지 각 통합 시스템의 최적 성능을 MCFC 단독 시스템 성능과 비교하여 Table 4에 나타내었다. MCFC/OXY 시스템이 연료전지 단독 시스템과 비교하여 가장 큰 출력의 상승을 나타내었다. 단, 이 시스템에서는 연소에 필요한 순수한 산소를 공기로부터 분리하기 위해 동력 소모가 필요한데 대체로 동력 소모는 약 200kWh/ton-O₂로 보고되고 있다.
하지만 하부 사이클에 연료가 공급되기 때문에 다른 시스템들에 비해 효율의 증가는 크지 않다. MCFC의 배열을 이용한 두 시스템에 비해 MCFC/GT 시스템이 좀 더 큰 효율의 증가를 나타내었다. MCFC/ORC 시스템과 동일하게 추가적인 연료가 공급되지는 않지만 배열회수 등의 공정에서 에너지 손실이 존재하는 MCFC/ORC시스템에 비해 연소 혹은 연료전지 반응열을 직접 사용하면서 상대적으로 더 효과적인 에너지 사용이 가능하기 때문으로 이해된다.
하지만 ORC 작동유체의 유량이 감소하더라도 ORC 시스템의 터빈입구온도(TIT)와 작동압력이 증가로 인해 ORC 시스템의 출력은 증가하는 경향을 나타내고 따라서 전체 시스템의 출력과 효율도 증가하는 경향을 나타낸다. ORC 시스템의 압력비(터빈 입출구 압력의 비)가 약 1.5~29까지 변화할 때 MCFC/ORC 시스템의 출력은 최고 15.0%, 효율은 최고 14.6%까지 증가하였다. Fig.
3 ℃일 때보다 출력과 효율이 높은 구간이 있었으며, TIT가 약 200℃인 경우에 최고점을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 터빈입구압력 조건에서 터빈입구온도를 변화시킨 경우에 비해 동일한 터빈입구온도 조건에서 작동압력을 변화시킨 경우의 시스템 성능의 변화가 크게 나타났다.
9에서 설명했던 것처럼 작동유체의 유량이 감소하게 된다. 터빈입구압력이 1000, 2000kPa인 경우 터빈 입구 온도의 증가 영향에 비해 작동유체 감소의 영향이 크기 때문에 터빈입구온도가 포화증기온도 일때 성능이 가장 좋은 것으로 나타났다. 하지만 3000kPa경우에는 포화증기온도인 170.
3 ℃이다. 터빈입구압력이 1000kPa와 2000kPa인 경우에는 작동유체의 온도가 포화증기 온도일 때 MCFC/ORC시스템의 출력 및 효율이 가장 높은 것으로 나타났다. 일반적으로 랜킨사이클에서 증기터빈의 입구 온도 압력이 증가할 경우 효율이 증가하는 경향을 나타내지만 이번 연구에 고려된 MCFC/ORC 시스템에서 MCFC의 배열이 일정하기 때문에 ORC 사이클에서 터빈 입구온도가 증가하게 되면 앞서 Fig.
13에는 순산소 연소 사이클의 터빈입구 압력이 일정할 때 터빈입구 온도 변화에 따른 출력 및 효율의 변화를 나타내었다. 터빈입구온도가 증가 할수록 출력은 증가하지만 그만큼 연료가 더 공급되어야 하므로 효율은 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 연소가스의 주 성분이 H₂O이기 때문에(이산화탄소보다 H₂O가 월등히 더 많음) 실제로 증기터빈과 유사하므로 터빈 입구온도는 기존 증기터빈의 예를 보아서 600 ℃ 이하가 적절하다고 판단된다.
터빈입구압력이 1000, 2000kPa인 경우 터빈 입구 온도의 증가 영향에 비해 작동유체 감소의 영향이 크기 때문에 터빈입구온도가 포화증기온도 일때 성능이 가장 좋은 것으로 나타났다. 하지만 3000kPa경우에는 포화증기온도인 170.3 ℃일 때보다 출력과 효율이 높은 구간이 있었으며, TIT가 약 200℃인 경우에 최고점을 가지는 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 터빈입구압력 조건에서 터빈입구온도를 변화시킨 경우에 비해 동일한 터빈입구온도 조건에서 작동압력을 변화시킨 경우의 시스템 성능의 변화가 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MCFC 발전시스템에서 배출되는 배가스의 온도는 얼마나 되는가?	한편 MCFC 발전시스템에서 배출되는 배가스의 온도는 대략 350℃ 내외로서 중/저온인데, 이 열을 회수하여 랜킨 사이클로서 추가적인 출력을 생산하는 것이 가능하다. 물을 사용한 랜킨 사이클 즉 증기터빈 사이클을 구성할 수도 있지만, 중/저온 열원에서는 물보다는 유기물 (organic fluid)을 사용하는 유기매체 랜킨 사이클(Organic Rakine Cycle)을 이용하는 것이 유리한 점이 많다고 알려져 있다.
	ORC는 어디에 사용되는 방법인가?	물을 사용한 랜킨 사이클 즉 증기터빈 사이클을 구성할 수도 있지만, 중/저온 열원에서는 물보다는 유기물 (organic fluid)을 사용하는 유기매체 랜킨 사이클(Organic Rakine Cycle)을 이용하는 것이 유리한 점이 많다고 알려져 있다. ORC는 비교적 높지 않은 온도의 배가스나 태양열, 지열 등 중/저온의 열원을 이용하는 경우에 많이 사용되는 방식이다. 한편 물을 사용하는 경우에는 열회수 증기발생기 후단에 추가적인 연료와 산소를 공급하여 작동유체의 온도를 증가시켜서 출력을 증강하는 방법이 가능한데, 일종의 순산소 연소(Oxy-fuel combustion)개념을 도입한 것이다.

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