선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지 기술이 고려되어지고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지의 선박 적용을 가정한 연료전지 시스템을 모델링하여 시스템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다. 그 결과 공기와 메탄의 공급 유량이 연료전지 스택 입구 및 출구 가스 온도에 직접적인 영향을 주었다. 공기와 물의 공급 유량이 증가하면 스택 출력 및 시스템 효율이 증가하고, 메탄의 경우 스택 출력은 증가하나 시스템 효율은 낮아진다.
선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지 기술이 고려되어지고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지의 선박 적용을 가정한 연료전지 시스템을 모델링하여 시스템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다. 그 결과 공기와 메탄의 공급 유량이 연료전지 스택 입구 및 출구 가스 온도에 직접적인 영향을 주었다. 공기와 물의 공급 유량이 증가하면 스택 출력 및 시스템 효율이 증가하고, 메탄의 경우 스택 출력은 증가하나 시스템 효율은 낮아진다.
The fuel cell technology has been considered as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell system fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of gas temperature, stack power and system efficiency dep...
The fuel cell technology has been considered as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell system fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of gas temperature, stack power and system efficiency depending on the air flow rate, $CH_4$ flow rate, $H_2O$ flow rate, and system operation pressure are evaluated. As a result, air and $CH_4$ flow rate directly affect the temperature of inlet and outlet gas in the fuel cell stack. When the air and $H_2O$ flow rate increase, the stack power and system efficiency increases. However, the case of $CH_4$ flow rate increase, the efficiency decreases.
The fuel cell technology has been considered as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell system fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of gas temperature, stack power and system efficiency depending on the air flow rate, $CH_4$ flow rate, $H_2O$ flow rate, and system operation pressure are evaluated. As a result, air and $CH_4$ flow rate directly affect the temperature of inlet and outlet gas in the fuel cell stack. When the air and $H_2O$ flow rate increase, the stack power and system efficiency increases. However, the case of $CH_4$ flow rate increase, the efficiency decreases.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 Matlab/Simulink 상용프로그램을 활용하여 압축기, 터빈, 펌프, 열교환기 등의 BOP(Balance of Plant)등과 조합된 선박 전원용 연료전지 시스템 모델을 개발하여, 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 열관리 측면에서의 개괄적인 검토를 위하여 연료전지 시스템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다.
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
Table 1은 각 Case별 연료전지 스택 출구 가스의 흐름을 보여주고 있다. 실제의 연료전지 시스템에서는 기동시(Start-Up) 및 운전 정지(Shut-Down)프로세스를 구축하기 위해서 더욱 복잡한 시스템의 구성이 필요하지만 본 연구에서는 시스템이 안정된 상태에서의 결과를 비교 검토하기 위해서 시스템 모델을 단순화 하여 계산을 수행하였다.
가설 설정
본 계산에서는 연료전지 스택의 운전 온도를 임의로 설정하지 않은 상태에서 공급되는 공기, 메탄및 물의 온도를 298.15(K), 터빈의 출구 압력은 100(kPa)로 가정하여 계산을 하였다.
펌프, 블로어, 압축기 및 터빈은 주어진 효율에 대하여 등엔트로피로 가정하여 계산을 수행하였다. 열교환기는 NTU법을 기반으로 두 유체사이에서의 최대 열전달을 대향류로 설정하여 계산을 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 연료전지 스택 후단부에 설치된 버너에서 연소된 가스의 폐열을 활용하여 애노드(연료측) 및 캐소드(공기측) 공급 가스를 가열하기 위한 열원으로 활용 하기 위하여 Figure 1에서 보이는 개략도와 같이 3 가지 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 기본적으로 공기 블로어에서 공급된 공기는 열교환기를 통과하여 연료전지 캐소드로 공급되고, 연료인 메탄과 메탄을 개질하기 위해서 필요한 물은 열교환기를 통과하여 믹스에서 혼합되어져 연료전지 애노드 측으로 공급되어진다.
펌프, 블로어, 압축기 및 터빈은 주어진 효율에 대하여 등엔트로피로 가정하여 계산을 수행하였다. 열교환기는 NTU법을 기반으로 두 유체사이에서의 최대 열전달을 대향류로 설정하여 계산을 수행하였다.
성능/효과
(1) 연료전지 시스템에 공급되는 공기 유량이 증가하면 연료전지 스택 입구가스 및 출구가스의 온도가 낮아지고, 스택 출력 및 시스템 효율이 증가 한다.
(2) 시스템에 공급되는 메탄 유량이 증가하면 연료전지 스택 입구가스 및 출구가스의 온도가 높아지고, 스택 출력은 큰 폭으로 증가하지만 시스템 효율은 감소한다.
(3) 메탄 개질을 위하여 시스템에 공급되는 물의 유량이 증가하면 연료전지 스택 입구 및 출구가스의 온도에 큰 영향을 미치지 않는다.
(4) 연료전지 시스템의 운전 압력이 증가하면 시스템에 터빈이 있는 경우는 연료전지 스택 입구가스 및 출구가스의 온도는 낮아지며, 스택 출력에는큰 변화가 없지만 시스템 효율은 증가한다.
Figure 5 (a), (b)에서 알 수 있듯이 터빈이 시스템에 없는 Case1과 Case 3의 경우 시스템 운전 압력이 증가할수록 연료전지 스택 입구 및 출구의 가스 온도가 증가하고, 터빈이 설치된 Case 2의 경우에는 터빈에서 고온, 고압의 가스를 이용하여 전력을 얻기 때문에 스택 입구 및 출구 가스의 온도는 감소함을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
애노드와 캐소드로 공급된 가스는 어떤 과정을 거치는가?
기본적으로 공기 블로어에서 공급된 공기는 열교환기를 통과하여 연료전지 캐소드로 공급되고, 연료인 메탄과 메탄을 개질하기 위해서 필요한 물은 열교환기를 통과하여 믹스에서 혼합되어져 연료전지 애노드 측으로 공급되어진다. 애노드와 캐소드로 공급된 가스는 연료전지 스택 내부에서 화학반응을 통하여 소비되어지고, 반응이 이루어지지 않은 메탄과 개질반응으로 발생된 수소 중에서 미반응 가스는 스택 출구에서 합쳐져서 버너로 공급된다.
선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위해서는 어떤대안 및 대책이 있는가?
특히 2008년도에“선박 온실가스 배출 감축 국제회의”를 처음으로 개최하여 현재 까지 다양한 논의가 진행 중에 있으며, 다양한 논의 내용 중의 하나인 신조선에 대한 에너지효율설계지표(EEDI, Energy Efficiency Design Index)는 빠르면 2013년상반기에 발효될 가능성이 있으며, 향후 탄소세 부과 혹은 배출권 거래제도의 도입에 관한 사항도 논의 중에 있다[2]. 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위해서는 선형 개선, 추진 계통 개선, 기계 장치 개선, 폐열 회수 시스템, 효율적인 운전및 유지⋅보수 등 다양한 대안이 있으며 단기 및 중기적인 대책으로서 다양한 연구개발이 진행되어지고 있다[3]. 또한 2000년도 초반부터 장기적이고 근본적으로 선박으로부터 배출되는 대기오염물질을 저감하기 위한 대책으로 미래 친환경 기술로 주목 받고 있는 연료전지(Fuel Cell) 기술의 선박 적용을 위한 연구개발이 진행 또는 계획되어지고 있다[3-13].
참고문헌 (13)
IMO, Second IMO GHG Study 2009, 2009.
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
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.
Farshid zabihian and Alan Fung, "A review on modeling of hybrid solid oxide fuel cell systems", International Journal of Engineering(IJE),vol. 3, no. 2, pp. 85-119, 2009.
C. Strazza, A. Del Borghi, P. Costamagna, A. Traverso and M. Santin., "Comparative LCA of methanol-fuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships", Applied Energy, vol. 87, pp. 1670-1678, 2010.
Lawrence Kar Chung Tse, Steven Wilkins,Niall McGlashan, Bernhard Urban and Ricardo Martinez-Botas, "Solid oxide fuel cell/gas turbine trigeneration system for marine applications", Journal of Power Sources, vol.196, pp. 3149-3162, 2011.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.