[논문]선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템의 스택 공급 가스의 열관리 문제에 관한 연구

박상균; 김만응

doi:10.5916/jkosme.2011.35.6.765

선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템의 스택 공급 가스의 열관리 문제에 관한 연구
A Study on Thermal Management of Stack Supply Gas of Solid Oxide Fuel Cell System for Ship Applications 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.6, 2011년, pp.765 - 772

박상균 (사단법인 한국선급 녹색산업기술원) , 김만응 (한국선급 녹색산업기술원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 선박 전원용 SOFC 시스템에 대한 HIL(Hardware-In-the-Loop)을 구축하기 위하여 실시간 코드 생성이 가능한 연료전지 시스템 모델을 개발을 하였다. 또한, 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지 시스템에서 연료전지 스택으로 공급되는 애노드와 캐소드 공급가스의 온도 차이를 최소화하기 위하여 연료전지 스택 배기가스의 유량 분배, 연료 및 공기 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성과 연료전지 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다. 그 결과 터빈 출구에 위치한 3-Way 밸브의 위치가 0.839에서 애노드와 캐소드 공급 가스 온도가 약 830K에서 동일하게 유지됨을 알 수 있었다. 또한, 애노드와 캐소드 공급 가스 온도를 높이기 위해서는 연료전지 스택 및 시스템 효율을 충분히 고려하여 메탄 공급 유량을 최적화하는 프로세스가 필요함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, the fuel cell system model capable of generating codes in real time was developed to construct of a HIL (Hardware-In-the-Loop) for a SOFC-powered ship. Moreover, the effects of the distribution of the exhaust gas flow rates in a stack, the flow rates of fuels and temperature of air supplied on the temperature characteristics of fuels supplied to the cathode and the anode, the output power of the stack and system efficiency are examined to minimize the temperature difference between fuels supplied to the stack used in a 500kW SOFC system using methane as a fuel. As a result, the temperatures of fuels supplied to the cathode and the anode maintain at 830K when the opening factor of three-way valve located at outlet of turbine is 0.839. Also the process for optimization of methane flow rate considering the fuel cell stack and system efficiency is required to increase the temperatures of fuels supplied to the stack.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

다음에 애노드와 캐소드 입구 가스 온도가 동일하지 않은 조건에서의 메탄 공급 유량의 변화에 따른 영향을 검토하였다. Figure 5는 Figure 2의 계산 조건에서 3-Way 밸브 위치가 0.
HIL시스템은 실제 플랜트를 대신하여 수학적인 모델링을 통하여 만들어진 모델을 실시간으로 실행시켜서 외부 인터페이스를 붙여서 플랜트 이외의 부분에 실제 하드웨어가 있는 것처럼 여기도록 하여 플랜트의 동역학 부분을 소프트웨어로 대체하는 기술이다. 본 논문에서는 실시간 코드 생성 전 단계에서 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지 시스템을 개발하여 연료전지 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도차를 최소화하기 위하여 연료전지 시스템의 열관리 측면에서의 다양한 검토를 수행하였다. 연료전지 스택에서의 배기가스의 유량분배,연료 및 공기의 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성과 연료전지 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다.
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 연료전지 스택에서 배출되는 미반응 가스를 활용한 폐열의 유량 조절을 통하여 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도 차이를 최소로 하는 것을 목표로 하고 있다.
본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 선박 전원용 고체산화물형 연료전지시스템을 모델을 개발하여, 연료전지 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도차를 최소화하기 위한 시스템의 열관리 측면에서 연료전지 스택 배기가스의 유량분배, 연료 및 공기 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성, 연료전지 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 선박 전원용 SOFC 시스템에 대한 설계 및 성능평가 기반을 구축하기 위한 수단으로 HIL(Hardware-In-the-Loop)의 구축을 목표로 하여, 실제의 연료전지 시스템 플랜트를 대신하여 Matlab/Simulink 상용프로그램을 활용하여 실시간 코드 생성이 가능한 모델을 개발을 하였다. HIL시스템은 실제 플랜트를 대신하여 수학적인 모델링을 통하여 만들어진 모델을 실시간으로 실행시켜서 외부 인터페이스를 붙여서 플랜트 이외의 부분에 실제 하드웨어가 있는 것처럼 여기도록 하여 플랜트의 동역학 부분을 소프트웨어로 대체하는 기술이다.
본 절에서는 밸브 위치가 0.839에서 약 830K인 애노드 및 캐소드 공급 가스 온도를 증가시키기 위한 방안으로 메탄과 공기 공급 유량의 변화에 따른 연료전지 시스템의 운전 특성에 관해서 검토하였다.
본 절에서는 캐소드 공급 가스의 온도 영향을 검토하기 위해서 임의의 열원을 설치하지 않고, 압축기 입구 공기 온도를 임으로 증가하였을 경우에 3-Way 밸브 위치에 따른 연료전지 시스템 운전 특성에 대해서 검토하였다.
본 논문에서는 실시간 코드 생성 전 단계에서 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지 시스템을 개발하여 연료전지 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도차를 최소화하기 위하여 연료전지 시스템의 열관리 측면에서의 다양한 검토를 수행하였다. 연료전지 스택에서의 배기가스의 유량분배,연료 및 공기의 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성과 연료전지 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다.
연료전지 시스템에 따라 애노드와 캐소드 공급 가스 온도를 830K보다 높은 온도로 유지가 필요한 경우를 가정하여 본 연구에 이용된 연료전지 시스템에 추가의 가열원을 설치하지 않고 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도를 증가시키기 위한 방안에 관하여 다음절에서 검토하였다.

가설 설정

본 연구에서의 연료전지 시스템 운전의 기본적인 조건은 메탄 공급 유량 1.496(mol/s), 공기 공급 유량 20.797(mol/s), 물 공급 유량 3.886(mol/s), 메탄과 공기 및 물의 공급 온도는 298.15(K), 압력은 320(kPa), 터빈의 출구 압력은 100(kPa)로 가정하였다. 계산 결과는 연료전지 시스템이 안정화된 상태에서의 결과를 나타내고 있다.

성능/효과

(1) 3-Way 밸브 위치 0.839에서 애노드와 캐소드 공급 가스 온도가 약 830K에서 동일하게 유지되는 것을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 이용되어진 연료전지 시스템의 구성에서는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도를 약 830K로 동일하게 공급이 가능하다는 것을 의미한다.
(2) 메탄 공급 유량을 증가시켜서 애노드와 캐소드 공급 가스 온도를 증가시키는 것은 가능하지만, 연료전지 시스템의 운전시 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도차가 발생하였을 경우에는 메탄 공급 유량을 조절하여도 온도 차이를 줄일 수 없음으로 우선 3-Way 밸브를 적절히 조절하여 애노드와 캐소드 공급 가스 온도 차이를 최소화한 후 연료전지 스택 및 시스템 효율을 고려한 메탄 공급 유량의 최적화하는 프로세스가 필요함을 알 수 있었다.
(3) 밸브 위치가 0.839에서는 캐소드 공급 공기의 온도를 200K 높였을 경우 애노드와 캐소드 가스 공급 온도가 기존의 830K에서 980K로 동일하게 상승하였고, 캐소드 공급 가스의 온도를 올리기 위한 가열원은 압축기 출구쪽에 위치하는 것이 시스템의 효율 측면에서 유리하다는 것을 알 수 있었다.
839로 고정하고, 메탄 공급 유량만을 변경하였을 경우의 계산 결과를 나타낸 것이다. Figure 3 (a)에서 메탄 공급 유량이 증가할수록 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도가 증가하고 연료전지 스택 출구 가스의 온도도 같이 증가함을 알 수 있다. 메탄 공급 유량의 증가는 동일한 수소변환율을 가진 연료전지 스택 내부에서 수소 발생량이 증가하여 더 많은 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 것을 의미한다.
Figure 2 (b), (c)에서 보이는 것처럼 밸브의 위치가 변화하여도 연료전지 스택 출력은 560kW, 전압은 520V, 전류는 1079A, 연료전지 스택 효율은 46% 및 전체 시스템 효율 54%로 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도 차이가 발생하여도 연료전지 스택 내부에서의 화학반응은 스택의 출구 가스 온도에서 계산되어지게 되며, 밸브 위치에 따른 스택 출구 가스의 온도 차이는 약 46K 정도로 큰 변화가 보이지 않기 때문이다.
Figure 4 (b), (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택의 출력은 메탄 공급량이 일정하기 때문에 공급 공기의 유량이 증가해도 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 또한 공기 유량 증가에 따른 압축기의 소비 전력이 증가하여 연료전지 시스템 효율은 오히려 감소함을 알 수 있다.
또한 과전압의 상승분만큼 연료전지 스택 내부에서의 열 발생량이 증가하여, 연료전지 스택 출구 가스 온도가 증가하고 스택 출구 가스 온도가 연료전지 시스템의 온도에 영향을 미치게 된다. 본연구계산 범위의 메탄 공급 유량에서는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도차이가 최대 26K로 안정됨을 알 수 있다. 하지만 메탄 공급 유량을 증가시켜서 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도를 증가시키는 것은 가능하지만 Figure 3 (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택 및 시스템 효율은 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다.
839에서 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도가 약 830K에서 동일하게 되는 것을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 이용되어진 연료전지 시스템의 구성에서는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도를 약 830K로 동일하게 공급이 가능하다는 것을 의미하는 것이다.
839에서 애노드와 캐소드 공급 가스 온도가 약 830K에서 동일하게 유지되는 것을 알 수 있었다. 이는 본 연구에서 이용되어진 연료전지 시스템의 구성에서는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도를 약 830K로 동일하게 공급이 가능하다는 것을 의미한다.

후속연구

(4) 본 시스템에서 외기로 버려지는 열원을 활용하여 압축기 출구의 캐소드 공급 공기의 가열원으로 활용하는 방안에 관한 검토가 필요하리라 판단된다.
상기의 결과와 Figure 3의 조건에서의 결과를 종합하면, 연료전지 시스템의 운전시 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도차가 발생하였을 경우에는 메탄 공급 유량을 조절하여도 온도 차이를 줄일 수 없음을 알 수 있다. 따라서 우선적으로 3-Way 밸브를 적절히 조절하여 애노드와 캐소드 공급 가스 온도 차이를 최소화한 후 연료전지 스택 및 시스템 효율을 고려한 메탄 공급 유량의 최적화를 위한 프로세스가 필요하리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박에서 배출되는 GHG를 저감하기 위해 논의중인 지표는 무엇이 있는가?	6%를 차지하는 것으로 보고되고 있다[1]. 근년 IMO에서는 선박에서 배출되는 GHG를 저감하기 위해서 신조선에 대한 에너지효율설계지표(EEDI), 현존선에 대한 에너지효율운항지표(EEOI), 선박효율관리계획서(SEMP), 시장기반조치(MBM) 등의 다양한 사항에 관해서 논의 중에 있다[2]. 따라서 IMO의 EEDI 요건의 도입에 따른 선박의 에너지효율 향상을 위한 다양한 기술들의 도입이 예상되어지고 있다[3].
	해운분야의 온실가스 배출은 얼마나 차지하는가?	IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)의 “Second GHG Study 2009"에 의하면 해운분야는 전 세계 온실가스 배출량의 3.3%를 차지하고 있으며, 국제해운 부분이 2.7%, 국내해운 및 어선이 0.6%를 차지하는 것으로 보고되고 있다[1]. 근년 IMO에서는 선박에서 배출되는 GHG를 저감하기 위해서 신조선에 대한 에너지효율설계지표(EEDI), 현존선에 대한 에너지효율운항지표(EEOI), 선박효율관리계획서(SEMP), 시장기반조치(MBM) 등의 다양한 사항에 관해서 논의 중에 있다[2]. 따라서 IMO의 EEDI 요건의 도입에 따른 선박의 에너지효율 향상을 위한 다양한 기술들의 도입이 예상되어지고 있다[3].

참고문헌 (14)

IMO, Second IMO GHG Study 2009, 2009.
국토해양부, "제60차 해양환경보호위원회(MEPC 60) 회의 결과 보고, 2010.
(사)한국선급, 에너지절약형 선박기술 및 선박발생 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.
박상균, 노길태, 김만응, "선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템 성능에 관한 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제35권, 제5호, pp. 582-589, 2011.
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.

상세보기
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.

상세보기
Wei Jiang, Ruixian Fang, Jamil A. Khan and Roger A. Dougal, "Parameter setting and analysis of a dynamic tubular SOFC model" Journal of Power Sources, vol. 162, pp. 316-326, 2006.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증