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.
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.
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...
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 system and to analyze the influence of operating temperature of stack, current density of stack, combustor outlet gas temperature, and boiler outlet gas temperature. According to the analysis, it is proved that making the best use of the waste heat of stack and minimizing the fuel consumption of combustor are essential for the high-efficiency of SOFC/ST hybrid system.
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 system and to analyze the influence of operating temperature of stack, current density of stack, combustor outlet gas temperature, and boiler outlet gas temperature. According to the analysis, it is proved that making the best use of the waste heat of stack and minimizing the fuel consumption of combustor are essential for the high-efficiency of SOFC/ST hybrid system.
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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.
제안 방법
또한 연소기 출구 가스온도 조정을 위한 추가적인 연료 공급선도 설치되어 있다. 증기터빈시스템은 전형적인 랭킨사이클을 기본으로 하여 재열없는 1단 재생사이클로 구성하였다. 보일러 출구의 가스는 제1 공기예열기를 거쳐 시스템 외부로 방출된다.
이론/모형
활성화 과전압의 계산에 사용되는 일반적인 식으로서는 타펠(Tafel), 버틀러-볼머(Butler-Volmer) 그리고 아헨바흐(Achenbach)의 식[9] 등이 있으나 본 연구에서는 전기저항(Ω)의 개념으로 정리된 아래의 아헨바흐 식을 사용하였다.
성능/효과
(1) 스택 작동온도에 대하여 하이브리드시스템의 전기적 효율은 연료전지시스템의 효율 보다 완만히 변화하며, 낮은 작동온도 영역에서 하이브리드시스템의 효율은 연료전지시스템의 효율보다 높게 나타난다.
(2) 셀 전류밀도에 대하여 하이브리드시스템의 전기적 효율은 연료전지시스템의 효율 보다 완만히 변화하며, 높은 전류밀도 영역에서 하이브리드시스템의 효율은 연료전지시스템의 효율보다 높게 나타난다.
(3) 연소기 또는 보일러 출구 가스온도의 변화로부터 스택의 폐열이 아닌 연소기의 추가적 연료공급에 의한 증기터빈 출력의 증가는 하이브리드시스템의 효율을 감소시킨다.
Figure 2-(a)는 스택 작동온도의 증가에 따라 셀의 유기전압과 스택의 산소이용률이 상승함을 보여준다. 유기전압의 증가는 작동온도 상승에 따른 가역 개회로전압의 감소에도 불구하고 활성화 과전압이 줄어드는 효과가 크게 나타나기 때문이다.
Figure 4-(a)로부터 연소기 출구 가스온도의 증가에 따라 셀의 유기전압과 스택의 산소 이용률에는 변화가 없지만 연소기의 산소이용률은 증가함을 알 수 있다. 연소기의 산소이용률이 증가하는 것은 연소기에 공급되는 메탄 연료량이 증가(Figure 4-(b) 참조)하기 때문이다.
Figure 5-(b)는 하이브리드시스템의 전기적 효율이 부하 분담률이 큰(Figure 5-(c) 참조) 연료전지시 스템에 근접하여 변화하며, 보일러 출구 가스온도가 높은 영역에서 연료전지시스템의 전기적 효율보다 다소 높게 나타남을 보여준다. 이것은 보일러 출구 가스온도의 상승이 제2 공기예열기 출구 가스 온도의 증가, 연소기 공급 연료량의 감소를 야기하여 증기터빈시스템의 출력 감소와 함께 부하 분담률을 줄이지만 연료전지시스템 폐열의 의존도는 늘어나 증기터빈시스템의 효율이 상승하기 때문이다.
반면 증기터빈시스템의 효율이 거의 일정의 값으로 유지되는 것은 연소기용 연료량이 증기터빈의 전기적 출력(Figure 2-(c) 참조)에 비례하여 변동하기 때문이다. 따라서 하이브리드시스템의 전기적 효율은 이들 하부 시스템(연료전지, 증기터빈) 효율의 평균적인 값을 보인다. 즉, 스택의 작동온도의 증가에 따라 완만하게 상승하는 경향을 보인다.
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.
참고문헌 (9)
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김명환, "선박동력용 SOFC/GT 하이브리드시스템의 성능 및 안전성 해석(터빈 냉각 및 공기극입구온도 일정 조건을 중심으로)", 한국마린엔지니어링학회지, 제33권, 제8호, pp. 1107-1115,2009.
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