SOFC시스템 고효율화의 한 방법으로 SOFC/GT 하이브리드시스템은 유효하다. 그러나 시스템의 출력 규모가 수십 MW급의 선박용이라면 하부시스템으로 사용되는 GT시스템의 냉각방식 도입은 장치를 복잡하게 만들고 제어 또한 쉽지 않게 된다. 따라서 선박용으로는 SOFC/GT(유냉각) 하이브리드시스템보다 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템이 더 적합해 보인다. 본 연구는 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템을 구축하고 그 시스템에 대한 스택의 작동온도와 전류밀도, 가스터빈의 압력비, TIT가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토한 것으로 공기압축기 소요 동력의 증가에도 불구하고 전기적 효율은 상승되며 TIT에는 운전을 위한 제한된 온도범위가 존재한다는 것을 알 수 있었다.
SOFC시스템 고효율화의 한 방법으로 SOFC/GT 하이브리드시스템은 유효하다. 그러나 시스템의 출력 규모가 수십 MW급의 선박용이라면 하부시스템으로 사용되는 GT시스템의 냉각방식 도입은 장치를 복잡하게 만들고 제어 또한 쉽지 않게 된다. 따라서 선박용으로는 SOFC/GT(유냉각) 하이브리드시스템보다 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템이 더 적합해 보인다. 본 연구는 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템을 구축하고 그 시스템에 대한 스택의 작동온도와 전류밀도, 가스터빈의 압력비, TIT가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토한 것으로 공기압축기 소요 동력의 증가에도 불구하고 전기적 효율은 상승되며 TIT에는 운전을 위한 제한된 온도범위가 존재한다는 것을 알 수 있었다.
As an approach to high-efficiency of SOFC system, SOFC/GT Hybrid system is effective. However, if the output size of the system belongs to the marine class of dozens MWs, the introduction of the cooling system of GT system, which is used as sub-system, makes its related devices complicated and also ...
As an approach to high-efficiency of SOFC system, SOFC/GT Hybrid system is effective. However, if the output size of the system belongs to the marine class of dozens MWs, the introduction of the cooling system of GT system, which is used as sub-system, makes its related devices complicated and also makes its control difficult. Accordingly, for the marine use, SOFC/GT (non-cooling)Hybrid system looks more suitable than SOFC/GT(cooling)Hybrid system. This study established the SOFC/GT (non-cooling)Hybrid system, and examined the operating temperature & current density of the stack for the system, pressure ratio of the gas turbine, the influence of TIT(Turbine Inlet Temperature) on system performance, etc. through the simulation process. Through this research process, this study was able to confirm that electrical efficiency rises in spite of the increase in the required power for the air compressor, and there exists a limited range of temperatures for operation in TIT.
As an approach to high-efficiency of SOFC system, SOFC/GT Hybrid system is effective. However, if the output size of the system belongs to the marine class of dozens MWs, the introduction of the cooling system of GT system, which is used as sub-system, makes its related devices complicated and also makes its control difficult. Accordingly, for the marine use, SOFC/GT (non-cooling)Hybrid system looks more suitable than SOFC/GT(cooling)Hybrid system. This study established the SOFC/GT (non-cooling)Hybrid system, and examined the operating temperature & current density of the stack for the system, pressure ratio of the gas turbine, the influence of TIT(Turbine Inlet Temperature) on system performance, etc. through the simulation process. Through this research process, this study was able to confirm that electrical efficiency rises in spite of the increase in the required power for the air compressor, and there exists a limited range of temperatures for operation in TIT.
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문제 정의
본 논문에서는 가스터빈에 별도의 냉각이 필요없도록 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템을 구성하고 이 시스템에 대한 스택의 작동온도(COT), 전류밀도(CD), 가스터빈의 압력비(PRT), 가스터빈 입구온도(TIT)가 시스템의 성능 특성에 미치는 영향을 시뮬레이션 모델링을 통하여 검토하고 그 결과를 SOFC/GT(유냉각) 하이브리드시스템[5]의 경우와 비교하고자 한다.
가설 설정
주어진 S/C(Steam/Carbon, 수증기/탄소비), 온도와 압력 하에서 메탄의 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
본 논문은 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템에 대한 스택의 작동온도와 전류밀도, 가스터빈의 압력비와 입구온도가 시스템의 성능에 미치는 영향 등을 시뮬레이션을 통하여 검토, 비교한 것으로 계산 조건과 범위 내에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
이론/모형
활성화 과전압의 계산에 사용되는 일반적인 식으로는 타펠(Tafel), 버틀러-볼머(Butler-Volmer) 그리고 아헨바흐(Achenbach)의 식[6] 등이 있으나 본 연구에서는 전기저항(Ω)의 개념으로 정리된 아래의 아헨바흐 식을 사용하였다.
성능/효과
(1) 연료전지시스템의 소형화 및 효율을 최대화하기 위한 한 방안으로 구성한 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템의 가능성을 확인하였다.
(3) SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템의 전기적 효율에 대한 TIT의 영향은 미미하지만 하이브리드시스템을 위한 TIT의 운전 범위는 860~1173 K로 제한된다.
(4) SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템은 SOFC/ GT(유냉각) 하이브리드시스템보다 소요 공기량, SOFC시스템의 부하분담률, 하이브리드시스템의 전기적 효율이 증가하며 GT시스템의 부하분담률, 총 연료공급량은 감소한다.
이것은 가스터빈 입구 온도 일정에서 가스터빈 압력비의 증가가 공기 압축기의 소요 동력을 급격하게 늘리기 때문이다. 따라서 하이브리드시스템의 효율도 GT시스템의 영향으로 가스터빈 압력비의 증가와 함께 완만히 감소하는 경향을 보인다. 아울러 그림에서 SOFC/GT(무냉각) 하이브리드시스템의 효율이 SOFC/GT(유냉각) 하이브리드시스템의 것보다 약간 높게 나타난다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지란 무엇인가?
현재 엔진 메이커, 조선소, 연구기관 등이 중심이 되어 동력장치의 효율을 제고하고 대기오염물질의 배출을 줄이는 다각적인 노력을 진행하고 있으며 그 대응책 중의 하나로 연료전지시스템이 신중히 검토되고 있다[1]. 연료전지는 연료의 화학적 에너지를 유용한 전기적 에너지로 직접 변환하는 청정한 동력장치이다. 이런 연료전지시스템의 효율은 연료 전지 스택의 효과적 운용뿐만 아니라 배출되는 폐연료와 폐열의 재활용에 따라 크게 달라진다.
연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템이란 무엇인가?
선박용으로서의 연료전지시스템의 출력 규모와 전체시스템의 체적밀도를 고려한다면 폐열의 재활용 방법으로서 가스터빈은 증기터빈보다 더 적합하다. 이렇게 상부 시스템으로 연료전지를 그리고 하부 시스템으로 가스터빈을 사용하는 장치를 연료전지/가스터빈(Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine, SOFC/GT) 하이브리드시스템[2-4]이라 한다. SOFC/GT 하이브리드시스템에서 하부 시스템인 가스터빈의 입구온도(TIT)는 상부 시스템인 연료전지시스템의 고온 폐열과 연료극의 출구가스에 포함된 폐연료가 연소기를 거쳐 열원화되는 과정을 통하여 과도하게 상승하게 된다.
TIT가 낮은 시스템이 선박용으로 적합한 이유는 무엇인가?
이런 경우 가스터빈은 노즐, 블레이드 등 구성품에 대한 냉각이 요구된다. 그러나 총 출력이 최대 수십 MW급인 선박용 SOFC/GT 하이브리드시스템의 출력 규모와 GT의 부하분담률을 고려한다면 가스터빈 냉각방식의 도입은 시스템을 복잡하게 만들고 플랜트의 안정성에도 영향을 미친다. 따라서 시스템의 단순한 구성과 안전성 차원에서 별도의 냉각 장치가 필요 없는 가스터빈시스템 즉, TIT가 낮은 시스템이 선박용으로 적합하다.
참고문헌 (6)
M. H. Kim, "Analysis on the technology R&D of the fuel cell systems for power generation in Ships", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 31, no. 8, pp. 924-931, 2007 (in Korean).
P. Kuchonthara, S. Bhattacharya, and A. Tsutsumi, "Combinations of solid oxide fuel cell and several enhanced gas turbine cycles", Journal of Power Sources, vol. 124, no. 1, pp. 65-75, 2003.
W. Winkler and H. Lorenz, "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.
A. Arsalis, "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.
M. H. Kim, "Performance analysis of marine solid oxide fuel cell and gas turbine hybrid power system (under conditions of turbine cooling and constant temperature in cathode inlet)", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 33, no. 8, pp. 1107-1115, 2009 (in Korean).
E. Achenbach, "Three-dimensional and time-dependent simulation of a planar solid oxide fuel cell stack", Journal of Power Sources, vol. 49, pp. 333-348, 1994.
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