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선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능 평가
Performance Analysis of Methane Fueled Marine Solid Oxide Fuel Cell and Steam Turbine Hybrid Power System 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.5, 2011년, pp.590 - 599  

이경진 (한국해양대학교 대학원) ,  오진숙 (한국해양대학교 대학원) ,  김선희 (한국해양대학교 대학원) ,  오세진 (한국해양대학교 운항훈련원) ,  임태우 (한국해양대학교 기관공학부) ,  김종수 (한국해양대학교 기관시스템공학부) ,  박상균 ((사)한국선급 녹색산업기술원) ,  김만응 ((사)한국선급 녹색산업기술원) ,  김명환 (한국해양대학교 기관공학부)

초록
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연료전지시스템의 고효율화를 목적으로 수소가 가진 화학적 에너지를 최대한 전력화하기 위하여 연료전지에서 발생하는 폐열을 적극 활용할 필요가 있다. 이런 목적에 폐열을 이용하는 증기터빈과 연료 전지를 결합시킨 SOFC/ST 하이브리드시스템이 적합하다. 본 논문은 SOFC/ST 하이브리드시스템에 대한 셀의 작동온도와 전류밀도, 연소기 출구 온도, 보일러 출구 가스온도가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토한 것으로 증기터빈의 일정 조건에서는 연료전지 스택에서 다량의 폐열이 발생하는 경우가, 연료전지의 일정 조건에서는 연소기에 추가적 연료 공급을 억제하는 경우에서 하이브리드시스템의 효율이 증가됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The electrification of the waste heat of fuel cell is necessary to enhance the efficiency of fuel cell system. For this purpose, the SOFC/ST(Solid oxide fuel cell/Steam turbine) hybrid system is suitable. The purpose of this work is to predict the performance of methane fueled SOFC/ST hybrid power s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 SOFC/ST 하이브리드시스템에 대한 셀의 작동온도(COT)와 전류밀도(CD), 연소기 출구 온도, 보일러 출구 가스온도가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토한 결과이다.
  • 본 논문은 상압운전이 가능한 SOFC/ST 하이브리드시스템에 대한 스택의 작동온도와 전류밀도, 연소기 출구 온도, 보일러 출구 가스온도가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토한 것으로 계산 조건과 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • 이것은 높은 유기전압으로 연료전지시스템의 효율이 증기터빈시스템의 효율을 상회하기 때문이다. 또한 Figure 2-(b)로부터 하이브리드시스템에 공급되는 연료량은 작동온도가 높아짐에 따라 감소함을 알 수 있는데 이것은 상술한 바와 같이 작동온도의 증가에 따라 전기적 효율이 좋아지기 때문이다. 그리고 작동온도가 낮은 영역에서 증기 터빈이 연료전지보다 전기적 출력이 큼(Figure 2-(c) 참조)에도 불구하고 소요되는 연료량이 작은 것은 연료전지에서 발생되는 다량의 폐열을 증기터빈에서 활용하므로 출력대비 연료량이 감소하기 때문이다.
  • 주어진 S/C(Steam/Carbon, 수증기/탄소비), 온도와 압력 하에서 수소운반체의 수증기 개질에 의한 혼합가스 조성은 주반응들이 평형에 도달할 때까지 진행되는 것으로 가정하여 평형정수(K)와 깁스 자유에너지(G)의 관계인 다음의 화학 평형식으로부터 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연료전지와 가스터빈을 결합한 시스템은 어떠한 안전성 문제를 야기할 수 있는가? 따라서 폐열 에너지를 유용하게 이용하는 시스템의 구성으로 수소가 가진 화학적 에너지를 최대한 전력화하는 방안의 검토가 요구된다. 이를 위해 연료전지와 가스터빈을 결합한 시스템(SOFC/GT 하이브리드시스템)은 구성이 단순하고 시스템의 높은 에너지 효율을 제공하므로 효과적인 시스템[2-4]으로 검토되고 있으나 가압운 전의 특성으로 연료전지 셀의 압력 불균형 및 가스 누설 등의 안전성 문제를 야기할 수 있다. 특히, 안전을 모든 요소의 우선으로 취급되는 선박의 경우 라면 SOFC/GT 하이브리드시스템의 채택은 더욱 신중히 검토되어야 한다.
연료전지는 무엇을 열로 방출하는가? 연료전지는 수소의 화학적 에너지를 유용한 전기적에너지로 변환하며 잉여 에너지를 열로 방출한다. 이 폐열 에너지는 선박의 보조 보일러와 같은 스팀발생기의 열원으로서 활용이 가능하나 과도하게 생산되는 프로세스 스팀의 처리는 총체적 효율의 감소를 야기하게 된다.
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참고문헌 (9)

  1. 김명환, "선박 동력발생용 연료전지시스템 기술개발의 전망에 대한 고찰", 한국마린엔지니어링학회지, 제31권, 제8호, pp. 924-931, 2007. 

  2. 김명환, "선박동력용 SOFC/GT 하이브리드시스템의 성능 및 안전성 해석(터빈 냉각 및 공기극입구온도 일정 조건을 중심으로)", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제8호, pp. 1107-1115,2009. 

  3. Kuchonthara. P., Bhattacharya. S., and Tsutsumi. A., "Combinations of solid oxide fuel cell and several enhanced gas turbine cycles", Journal of Power Sources, vol. 124, no. 1, pp. 65-75, 2003. 

  4. Winkler. W. and Lorenz. H., "The design of stationary and mobile solid oxide fuel cell-gas turbine systems", Journal of Power Sources, vol.105, no. 2, pp. 222-227, 2002. 

  5. Arsalis. A., "Thermoeconomic modeling and parametric study of hybrid SOFC-gas turbine-steam turbine power plants ranging from 1.5 to 10 MWe", Journal of Power Sources, vol. 181, no. 2, pp. 313-326, 2008. 

  6. Zhang. X., Chan. S. H., Li. G., Ho. H. K., Li. J.,and Feng. Z., "A review of integration strategies for solid oxide fuel cells", Journal of Power Sources, vol. 195, no. 3, pp. 685-702, 2010. 

  7. Fry. M. R., Watson. H., and Hatchman. J. C.,"Design of a prototype fuel cell/composite cycle power station", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A, vol. 211, no. 2,pp. 171-180, 1997. 

  8. F. Mueller, F. Jabbari, R. Gaynor and J Brouwer, "Novel solid oxide fuel cell system controller for rapid load following", Journal of Power Sources, vol. 172, pp. 308-323, 2007. 

  9. E. Achenbach, "Three-dimensional and timedependent simulation of a planar solid oxide fuel cell stack", Journal of Power Sources, vol. 49, pp.333-348, 1994. 

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