최근 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지가 주목 받고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였다. 그 결과 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율이 증가하였고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가하지만 효율은 감소하였다. 또한 Case 3의 경우에 전류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수있었다.
최근 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지가 주목 받고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였다. 그 결과 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율이 증가하였고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가하지만 효율은 감소하였다. 또한 Case 3의 경우에 전류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수있었다.
Recently the fuel cell has been spotlighted as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell stacks fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of power and efficiency depending on the number of cells i...
Recently the fuel cell has been spotlighted as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell stacks fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of power and efficiency depending on the number of cells in the stack, hydrogen conversion ratio, and active area of the cell are evaluated. Also the effects of air and methane supplying conditions on performance are analyzed. As a result, as the number of cells, hydrogen conversion ratio, active area of the cell, or supplied air flow rate increase, the stack power and efficiency increase. When the methane flow rate increases, the power increases. However the efficiency decreases. In addition, the case at the current of 976.4 A, voltage of 529.1 V, with corresponding power of 516.6 kW shows that the efficiency of fuel cell stack is 42.91%.
Recently the fuel cell has been spotlighted as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell stacks fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of power and efficiency depending on the number of cells in the stack, hydrogen conversion ratio, and active area of the cell are evaluated. Also the effects of air and methane supplying conditions on performance are analyzed. As a result, as the number of cells, hydrogen conversion ratio, active area of the cell, or supplied air flow rate increase, the stack power and efficiency increase. When the methane flow rate increases, the power increases. However the efficiency decreases. In addition, the case at the current of 976.4 A, voltage of 529.1 V, with corresponding power of 516.6 kW shows that the efficiency of fuel cell stack is 42.91%.
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문제 정의
본 연구에서는 Matlab/Simulink 상용프로그램을 활용하여 압축기, 터빈, 펌프, 열교환기 등의 BOP(Balance of Plant)등과 조합된 선박 전원용 연료전지 시스템 개발을 위해서, 우선 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였다.
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 전원용으로 적용을 가정하여 연료전지 스택에 필요한 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급 조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
스택의 운전온도는 1200K, 운전압력은 1atm으로 계산을 수행하였다. 각각의 변수에 대해서 5가지 Case를 가정하여 계산을 수행하였다. Case별로 계산을 수행할 때 변수 값만을 변경하였고 나머지 값은 동일한 조건에서 계산을 수행하였다.
본 모델은 I-V 특성 값을 가정 하여 입력하면 스택 내부의 수소 몰수에 따라서 전류밀도(A/m2)가 계산되어지고, 전압이 계산되어진다. Figure 1은 본 계산에 사용되어진 I-V 특성 곡선을 나타내고 있다.
본 연구에서는 선박의 전원 계통에서 필요로 하는 전압을 440V로 가정하였고, 전압손실 등을 고려하여 연료전지 스택에서 약 500V의 출력을 얻기 위해서 필요한 셀의 수를 셀 전압에 따라 차이가 있지만 약 600∼900장 정도로 가정하였다.
제안 방법
스택내부의 셀은 직렬로 적층되어지기 때문에 스택과 단 셀을 흐르는 전류는 동일하며 500kW의 출력을 얻기 위해서는 약 1000A 정도의 전류가 흐르게 된다. 또한 평균전류밀도를 3000(A/m2)로 가정하여 500kW급 출력을 얻기 위한 연료전지 셀의 반응면적을 계산하였다.
또한, 스택의 전압은 셀 전압과 셀 수의 곱이기 때문에 셀의 전압이 결정되면 필요한 셀의 수가 결정되게 된다. 여기서, 셀의 전압은 전류밀도, 연료 이용율, 기타 다양한 시스템 조건의 영향을 받기 때문에 처음부터 적절한 값으로 설정하는 것은 어렵고, 초기 가정을 바탕으로 계산을 하여 적정한 값을 얻는 것이 일반적인 방법이며, 본 연구에서는 500kW급 연료전지 시스템을 개발하기 위해서 먼저 연료전지 스택의 관점에서 모델링을 수행하였다.
성능/효과
(1) 셀 수의 증가에 따른 전압 상승분이 전류 감소분 보다 스택 출력에 큰 영향을 준다.
(2) 수소량의 증가에 따른 전류 상승분이 과전압 증가에 따른 전압 감소분 보다 출력에 큰 영향을 준다.
(3) 셀 반응면적이 증가해도 전류의 변동이 없기 때문에 출력은 전압에 비례한다.
(5) 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율은 증가하고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가지만 효율은 감소한다.
(6) 본 모델의 계산 범위에서는 Case 3의 경우에 전류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수 있었다.
Case 5의 경우는 공기와 반응할 수 있는 연료가 아직 충분하다는 것을 의미하고 있다. 또한, 연료전지의 전압 전류 특성상 전류가 높아지면 과전압의 증가로 인하여 전압이 감소하는 것을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박에 채용 가능한 연료전지는 어떤 것이 있는가?
연료전지 기술의 선박 적용을 위해서는 안정성이 반드시 확보되어야 하며, 이를 위하여 선박에 채용 가능한 연료전지인 고체고분자형 연료전지 (PEMFC)[3,6], 용융탄산염 연료전지(MCFC)[4,6]및 고체산화물형 연료전지(SOFC)[5] 각각의 형식에 대한 해상환경에서의 실증을 통한 연구개발이 진행되어지고 있다. 선박 전원용 연료전지 시스템의 모델링 관점에서는 디젤을 개질하여 연료로 사용하는 MCFC 보조전원용 시스템에 관한 연구[7], SOFC/GT 하이브리드 시스템의 성능평가에 관한 연구[8-9] 등이 진행되고 있다.
일반적으로 연료전지 스택의 출력은 어떻게 표현되는가?
일반적으로 연료전지 스택의 출력은 전압과 전류의 곱으로 표현하며, 전압이 결정되어지면 전류가 결정된다. 또한, 스택의 전압은 셀 전압과 셀 수의 곱이기 때문에 셀의 전압이 결정되면 필요한 셀의 수가 결정되게 된다.
메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율을 평가하여 얻은 결과는 무엇인가?
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였다. 그 결과 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율이 증가하였고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가하지만 효율은 감소하였다. 또한 Case 3의 경우에 전류가 976.
참고문헌 (11)
국토해양부, 제60차 해양환경보호위원회 (MEPC 60) 회의 결과 보고, 2010.
(사)한국선급, 에너지절약형 선박기술 및 선박 발생 CO2 포집기술개발을 위한 기획연구, 국토해양부, 2010.
Zemship project : www.zemships.eu
FellowShip project : www.vikinglady.no
METHAPU project : www.methapu.eu
e4ship project : www.e4ships.de
S. Specchia, G. Saracco, V. Specchia, "Modeling of an APU System based on MCFC", International Journal of Hydrogen Energy, vol. 33, pp. 3393-3401, 2008.
김명환, "안전성을 고려한 선박용 SOFC시스템의 성능해석에 관한 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제2호, pp. 233-243, 2009.
김명환, "선박 동력발생용 SOFC/GT 하이브리드 시스템의 성능 및 안전성 해석", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제4호, pp. 484-496, 2009.
T. J. Leo, J. A. Durango and E. Navarro., "Exergy analysis of PEM fuel cells for marine applications", Energy, vol. 32, pp. 1164-1171, 2010.
C. Strazza, A. Del Borghi, P. Costamagna, A. Traverso and M. Santin, "Comparative LCA of methanolfuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships" Applied Energy 87, pp. 1670-1678, 2010.
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