[논문]75kW급 연료전지 시스템의 이젝터 설계 및 시험

김범주; 김도형; 임희천

doi:10.7316/khnes.2011.22.5.678

75kW급 연료전지 시스템의 이젝터 설계 및 시험
The Design and Test of Ejectors for a 75-kW Fuel Cell System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.5, 2011년, pp.678 - 685

김범주 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 김도형 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소) , 임희천 (한국전력공사 전력연구원 녹색성장연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

An Ejector enhances system efficiency, are easily operated, have a mechanically 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 75-kW Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) system at KEPCO 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 the first place, a few sample ejectors were manufacured and the entrainment ratio was measured at a dummy stack. Through this experiment, the optimum ejector was chosen. The 75-kW MCFC system equipped with this optimum ejector was operated successfully.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 75kW 용융 탄산염 연료전지를 위해 설계·제작된 이젝터에 대해서 논하고자 한다.
13까지는 더미 스택에서 고정된 nozzle throat diameter 에 대해 primary mass flow rate에 따른 흡인비를 보여준다. 이 결과는 anode inlet 유량에 대해 노즐 지름과 흡인비를 최적화하는데 기준을 제시한다. 흡인비는 흡입된 유량과 이젝터와 스택 사이의 차압에 영향을 받는 값이고, nozzle throat diameter와 anode inlet 유량은 흡인비를 효과적으로 제어하기 위해서 다양하게 조절될 수 있는 변수이다.
이젝터는 전통적으로 화학 공정, 냉동 산업, 발전소에서 적용 및 연구되어 왔으나^4,5) 수소 리사이클용으로는 많은 연구가 진행되지 않았으며, 전통적인 산업에서 적용되는 것과는 많은 차이가 있다^6,7). 전력연구원에서 개발한 이젝터 설계의 주요 목적은 연료전지의 작동 범위 내에서 최적의 흡인비(entrainment ratio)및 이젝터와 연료전지 스택사이에서 차압을 유지하는 것이다. 본 논문에서는 75kW 용융 탄산염 연료전지를 위해 설계·제작된 이젝터에 대해서 논하고자 한다.

가설 설정

본 연료전지 시스템에서 이젝터 설계시에는 primary flow와 secondary flow가 모두 아음속인 경우의 조건을 적용하였다. 그리고, 이젝터 내부에서 등압조건아래에서 흡입이 일어난다고 가정하였다⁴⁾. 특히, 저압의 유체여서 흡입을 유도하기 위한 설계에 주의를 기울일 필요가 있다.
실제 시스템에 적용하기 전에 실제 운전환경과 비슷한 온도와 압력에서 몇 개의 샘플을 만들어서 실험을 계획하였는데, 실험 변수를 줄이기 위해서 secondary flow는 모두 공기라고 가정하였고, 용융 탄산염 연료전지와 관계된 화학 방정식에 기반해서 가스 조성, 유량, 온도, 압력이 계산되었다. 75kW 설계 운전 조건이 Table 2에 정리되었다.

제안 방법

Table 3은 Table 2를 기준으로 하여 DAE¹⁰⁾ (Dry Air Equivalent)으로 환산한 것이다. DAE는 온도와 가스의 분자량에 따라 상온에서의 등가 공기로 환산한 양으로, 실험에서는 상온에서 공기로 적용할 수 있는 장점이 있어서 이것을 적용하였다. DAE 변환된 유량이 Table 3에 제시되었다.
우선 cathode 입구가스, 촉매연소기 입구가스, freshi air 유량, 애노드 폐가스의 조성과 유량 등의 운전조건을 결정한다. 그리고, 시스템의 유량 조건에 맞게 이젝터의 nozzle throat area 및 secondary flow area, throat area 등을 결정한다.
이젝터 설계시에는 “constant-pressure mixing” model 및 primary flow와 secondary flow가 아음속인 모델을 적용하였다. 더미스택을 설치하고 이젝터를 case 1∼4로 바꾸면서 anode inlet의 유량의 변화에 따라 anode outlet pressure와 entrainment ratio를 측정하였다. 여기서 최적으로 판정된 case 4모델을 실제 스택에 적용하여 정상 구동 조건을 맞추어 75kW 출력을 내는데 성공하였다.
본 논문에서는 75kW MCFC 시스템에 대한 공정조건이 설정되고 여기에 준해서 저압 조건에서 이젝터를 설계 제작하였으며, 이것을 더미 스택과 실제 스택에서 시험하여 검증을 하였다. 비교적 저압에서 흡입을 해야하는 가혹조건이었으므로 4개의 노즐을 제작하여, 더미스택에서 실험을 해보고, 최적의 이젝터를 실제 75kW 스택에 적용하여 운전을 하였다.
본 연료전지 시스템에서 이젝터 설계시에는 primary flow와 secondary flow가 모두 아음속인 경우의 조건을 적용하였다. 그리고, 이젝터 내부에서 등압조건아래에서 흡입이 일어난다고 가정하였다⁴⁾.
공기가 안전 및 편의상 실험 유체로 이용되었다. 블로워에 의해 공급된 primary flow는 Fig. 1에서 주어진 anode flow를 공기압축기로 주입하여 0Nm3/hr에서 300Nm3/hr로 변경시켜 실험을 진행하였다. 이 때, anode outlet gas는 이젝터로 흘러 들어가고, vent는 잠그어 놓고 실험을 하였다.
본 논문에서는 75kW MCFC 시스템에 대한 공정조건이 설정되고 여기에 준해서 저압 조건에서 이젝터를 설계 제작하였으며, 이것을 더미 스택과 실제 스택에서 시험하여 검증을 하였다. 비교적 저압에서 흡입을 해야하는 가혹조건이었으므로 4개의 노즐을 제작하여, 더미스택에서 실험을 해보고, 최적의 이젝터를 실제 75kW 스택에 적용하여 운전을 하였다. 이젝터 설계시에는 “constant-pressure mixing” model 및 primary flow와 secondary flow가 아음속인 모델을 적용하였다.
실제 스택이 고가이므로, 우선 dummy stack을 설치하고 이젝터를 Case 1∼4 바꿔가면서 이젝터 실험설비에 장착하고 실험을 한 후, 이 중에서 실제 설비의 공정 조건을 최적으로 만족시키는 이젝터를 선정하여 실제 스택에 적용하여 성능을 확인하였다.
용융탄산염 연료전지 시스템을 컴팩트하게 제작하기 위해서 전력연구원에서는 5kW 시스템부터 이젝터 및 촉매연소기를 설계하여 적용시켰으며 75kW급과 125kW급 용융탄산염 연료전지에도 설치하였다³⁾. 연료전지를 단순하게 만들기 위해서는 이젝터에 공기를 과량으로 통과시켜 애노드의 폐가스와 혼합시켜 촉매연소기에서 수소 및 탄화수소를 연소시키고, 캐소드 입구로 재순환하는 사이클을 채택하였다. 이젝터는 고압의 유체를 노즐에서 고속으로 분출시켜 유체의 압력에너지를 속도에너지로 변화시켜 주변의 저압 유체와 운동량을 교환하여 저압의 유체를 흡입하는 장치이다.
우선 cathode 입구가스, 촉매연소기 입구가스, freshi air 유량, 애노드 폐가스의 조성과 유량 등의 운전조건을 결정한다. 그리고, 시스템의 유량 조건에 맞게 이젝터의 nozzle throat area 및 secondary flow area, throat area 등을 결정한다.

대상 데이터

3과 같고, 그림과 같은 지점에서 압력(P), 온도(T), 유량(Q)이 측정되었다. 공기가 안전 및 편의상 실험 유체로 이용되었다. 블로워에 의해 공급된 primary flow는 Fig.
이젝터는 고압의 유체를 노즐에서 고속으로 분출시켜 유체의 압력에너지를 속도에너지로 변화시켜 주변의 저압 유체와 운동량을 교환하여 저압의 유체를 흡입하는 장치이다. 이젝터는 노즐, 목, 혼합부, 디퓨져 등으로 구성되어 있다. 이젝터는 회전부분 및 전원 연결 부분이 없으므로 고장이 적다.

이론/모형

비교적 저압에서 흡입을 해야하는 가혹조건이었으므로 4개의 노즐을 제작하여, 더미스택에서 실험을 해보고, 최적의 이젝터를 실제 75kW 스택에 적용하여 운전을 하였다. 이젝터 설계시에는 “constant-pressure mixing” model 및 primary flow와 secondary flow가 아음속인 모델을 적용하였다. 더미스택을 설치하고 이젝터를 case 1∼4로 바꾸면서 anode inlet의 유량의 변화에 따라 anode outlet pressure와 entrainment ratio를 측정하였다.

성능/효과

14는 스택이 75kW 출력을 낼 때 이젝터의 위치, 즉, 혼합부, 디퓨져 입구, 디퓨져 출구에서 압력을 측정한 평균값을 나타낸 것이다. mixing chamber에서 압력은 anode outlet 압력과 같은 곳에서 측정된 압력이며 Fig. 9와 비교하여 보았을 때 primary flow rate이 259.2g/s, secondary flow rate이 157.9 Nm3/hr의 영역에서 예측된 값과 유사하게 관측되었으며, 디퓨져 후단에서도 700mmAq의 압력으로 원활한 공정 조건을 만족시켰다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지는 무엇을 통해 전력을 발생시키는가?	연료전지는 수소, 일산화탄소, 메탄올, 에탄올, 글루코스 또는 다른 탄화수소와 같은 화학 물질의 전기적인 산화를 통해 전력을 발생시킨다. 연료전지의 효율은 카르노 사이클에 제한을 받지 않고 전통적인 발전시스템 보다 더 높은 효율을 얻을 수 있다.
	용융탄산염 연료전지는 어떤 특징이 있는가?	이러한 높은 효율 때문에 연료전지는 가까운 미래의 전력공급에 중요한 역할을 할 것으로 예상이 된다1). 용융탄산염 연료전지는 연료전지 중에서 분산형 전원으로 적합하며, 운전온도는 650℃ 내외이므로 폐열을 이용한 복합발전에도 유리하다2). 한국전력공사 전력연구원에서는 단위전지 스케일에서 시작하여 125kW급 용융탄산염 연료전지 시스템까지 개발하여 왔다.
	이젝터의 유동 방정식을 마찰손실이 없다는 가정을 통해 해석을 단순화화하려면 어떤 가정들이 필요할까?	⦁작동유체는 벽 내부에서 단열이며, 비열상수는 일정한 이상(ideal) 유동이다. ⦁이젝터 내에서 primary flow는 반경방향으로 일정하게 분포되어 있다. ⦁secondary flow의 압력과 온도는 반경방향으로 일정하게 분포되어 있다. ⦁흡입 챔버에서 secondary flow의 압력은 일정하게 분포되어 있고, 입구 압력과 동일하다. ⦁primary flow와 secondary flow는 정상(steady)이다.

참고문헌 (10)

Sundmacher, K., Kniele, A., Pesch, H. J., Berndt, J. F., and Huppmann, G., 2007, Molten Carbonate Fuel Cells, Wiley-VCH, Weinheim
Blomen, L. J. M. J. and Mugerwa, M. N., eds., 1993, Fuel Cell Systems, Plenum, New York.
김범주, 김도형, 강승원, 이정현, 김의환, 임희천, "5kW 용융탄산염 연료전지(MCFC) 이젝터 설계 및 시험", 한국수소 및 신에너지학회논문집 제20권, 제1호. pp.31-37

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Keenan, J. H., Neumann, E. P., and Lustwerk, F., 1950, "An Investigation of Ejector Design by Analysis and Experiment," ASME J. Appl. Mech., 17(3), pp. 299-309.
El-Dessouky, H., Ettouney, H., Alatiqi, I., and Al-Nuwaibit, G., 2002, "Evaluation of Steam Jet Ejectors,"Chem. Eng. Process., 41, pp. 551-561.

상세보기
Zhu, Y., Cai, W., Wen, C., and Li, Y., 2007, "Fuel Ejector Design and Simulation Model for Anodic Recirculation SOFC System,"J. Power Sources, 173, pp. 437-449.

상세보기
Kim, M., Sohn, Y.-J., Cho, C.-W., Lee, W.-Y., and Kim, C.-S., 2008, "Customized Design for the Ejector to Recirculate a Humidified Hydrogen Fuel in a Submarine PEMFC,"J. Power Sources, 176, pp. 529-533.

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

상세보기
Sun, D.-W., and Eames, I. W., 1995, "Recent Developments in the Design Theories and Applications of Ejectors- Review,"J. Inst. Energy, 68, pp. 65-79.
Heat Exchange Institute, Inc., 2007, Standards for Steam Jet Vacuum Systems, 6th ed., Heat Exchange Institute, Inc., Cleveland, OH.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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