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외부 개질형 평판형 고체 산화물 연료전지 시스템 구성법에 따른 효율특성
A Case Study of Different Configurations for the Performance Analysis of Solid Oxide Fuel Cells with External Reformers 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.3 = no.318, 2012년, pp.343 - 350  

이강훈 (충남대학교 기계공학과) ,  우현탁 (충남대학교 기계공학과) ,  이상민 (한국기계연구원) ,  이영덕 (한국기계연구원) ,  강상규 (한국기계연구원) ,  안국영 (한국기계연구원) ,  유상석 (충남대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 외부 개질기열원을 공급하기 위한 시스템 내에 가용한 열에너지의 활용 및 확보에 대한 해석을 위해서 외부 개질기를 연계한 평판형 SOFC 시스템의 해석 모델을 구축하고자 한다. 이러한 해석을 위한 모델 구축을 위해 Matlab simulink$^{(R)}$ 기반의 ThermoLib module을 사용하였으며, 구축된 해석 모델을 통하여 시스템의 성능 향상을 위한 구성 기법에 대해서 연구를 하였다. 시스템 구성 방법은 기존 시스템의 layout을 바꾸기 위해 공기극 출구가스 재순환 및 외부개질기와 촉매연소기를 통합한 개질반응시스템 적용, 개질기에 공급되는 혼합연료의 예열, 연료극 출구가스의 응축을 통한 연료 농도 향상 등을 고려하였다. 시뮬레이션의 해석 결과에서는 SOFC 시스템에 있어서 일반 연소기를 적용한 기준 시스템에 비하여 촉매 연소기를 사용한 시스템의 전기 효율이 12.13% 향상되었으며, 연료극 출구 가스를 응축시켜 버너로 연소시킨 시스템에서는 열효율이 76.12%로 가장 높았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A planar solid oxide fuel cell (PSOFC) is studied in its application in a high-temperature stationary power plant. Even though PSOFCs with external reformers are designed for application from the distributed power source to the central power plant, such PSOFCs may sacrifice more system efficiency th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 시스템 동특성을 확인할 수 있는 모델은 EuTech®에서 제공하는 Simulink® 라이브러리인 ThermoLib Module을 이용하며, 시스템 모델은 스택과 BOP를 포함하여 구성하고, 제어 밸브를 이용해 동적 거동에 대한 응답 특성을 확인할 수 있도록 모델을 구성하고자 한다. 구성한 모델을 이용하여 150kW급 SOFC 시스템 레이아웃에 따른 효율 영향을 비교하고자 하며, 특히 시스템의 경제성 확보를 위한 구성품 요구사항을 검토하고자 한다.
  • 본 연구에서는 분산발전용으로 적용이 가능한 대용량 평판형 SOFC 스택과 외부 개질기를 포함하는 시스템에 대한 동특성 모델을 개발하고자 한다. 시스템 동특성을 확인할 수 있는 모델은 EuTech®에서 제공하는 Simulink® 라이브러리인 ThermoLib Module을 이용하며, 시스템 모델은 스택과 BOP를 포함하여 구성하고, 제어 밸브를 이용해 동적 거동에 대한 응답 특성을 확인할 수 있도록 모델을 구성하고자 한다.
  • 본 연구에서는 수증기 개질반응시스템에 필요한 열원을 효과적으로 공급하면서 SOFC 시스템의 효율 향상 및 경제성을 확보할 수 있는 방안을 도출하기 위해, 개질기에 필요한 열 공급을 일반 연소기를 이용하는 경우와 촉매연소기를 이용하는 경우에 대해 모델링을 구성하고 특성을 비교하였다.
  • 연료전지 연료극 출구 가스에서 일부 열을 회수 한 후 기수분리기(Steam separator)를 통해 포함된 수분을 제거하여 화염 연소기(Burner)를 통해 연소가 가능한 수준으로 연료혼합물의 가연한계를 확장시킨 후 이를 연소시켜 개질 반응에 필요한 열을 공급하도록 하였다. 이를 통하여 연료극 출구 가스를 연소시키는 촉매 연소기를 사용한 Case 2와 시스템 효율 향상 여부를 비교하고자 하였다.

가설 설정

  • 개질반응시스템에서는 연소기를 통해 개질 반응에 필요한 열을 공급하였으며 외부개질기에서 생성된 H2가 SOFC 스택으로 공급된다. 공기극에 유입되는 공기의 양은 식 (8)에 의해 정의되며 연료전지의 공기극에서의 온도 상승은 160℃로 가정하였다. 스택에 유입되는 공기의 온도 제어는 공기극 입구와 출구 가스의 열교환량을 피드백 제어를 통해 조절하였다.
  • 시스템 내에 개질기와 연소기를 제외한 BOP 모델은 열교환기, 혼합기, 3-Way Valve, PID 제어기, 펌프, blower, 기수분리기(steam separator) 등을 이용하여 구성하였다. 열교환기 모델은 대향류형 열교환기로, 열교환이 이루어지는 동안 주변과의 열교환은 없다고 가정하였다. 혼합기 모델 역시 두 유체가 혼합되는 동안 압력강화는 무시하였으며, 열역학 1법칙에 의해 혼합기체의 온도와 압력조건이 결정되도록 되어 있다.
  • 촉매연소기 모델은 연료전지의 연료극 출구 가스 성분 중 메탄과 수소, 일산화탄소가 이산화탄소 및 수증기로 모두 전환되는 이상적인 모델로 가정하였고 메탄과 수소, 일산화탄소를 연소시키는 각각의 반응기를 직렬로 연결하여 일련의 연소가 진행되는 것으로 모사하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체산화물 연료전지는? 고체산화물 연료전지는(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600℃∼1000℃의 고온에서 운전되는 연료전지로써 고효율 발전이 가능하다. 또한, 기존의 발전시스템에 비하여 SOX와 NOX, CO2의 배출량을 현저히 감소시킬 수 있어 친환경적인 저공해 발전이 가능하며, 연료전지의 사용연료를 다양화할 수 있는 장점을 가진다.
평판형 SOFC 시스템 구성시 고려한 점은? 이러한 해석을 위한 모델 구축을 위해 Matlab simulink$^{(R)}$ 기반의 ThermoLib module을 사용하였으며, 구축된 해석 모델을 통하여 시스템의 성능 향상을 위한 구성 기법에 대해서 연구를 하였다. 시스템 구성 방법은 기존 시스템의 layout을 바꾸기 위해 공기극 출구가스 재순환 및 외부개질기와 촉매연소기를 통합한 개질반응시스템 적용, 개질기에 공급되는 혼합연료의 예열, 연료극 출구가스의 응축을 통한 연료 농도 향상 등을 고려하였다. 시뮬레이션의 해석 결과에서는 SOFC 시스템에 있어서 일반 연소기를 적용한 기준 시스템에 비하여 촉매 연소기를 사용한 시스템의 전기 효율이 12.
SOFC의 문헌상의 자료가 희박한 이유? SOFC는 전 세계적으로 아직 초기 개발단계이고 실증 수준의 연구가 진행되고 있기 때문에, 문헌상의 자료가 희박 할 뿐 아니라, 개발된 시스템의 경우에도 대부분 자세한 자료가 보고되고 있지 않다. SOFC 시스템의 상용화를 위해서는 기초 구성요소부터 모듈, 그리고 시스템에 이르기까지 다양한 분야에서 활발한 연구가 필요하며 특히 시스템 수준의 연구가 실제 시스템의 최종 효율을 결정하고 열병합발전 등 시스템 다양화를 통해 에너지 효율을 극대화 할 수 있기 때문에 이러한 부분에 대한 연구가 매우 중요하다.
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참고문헌 (12)

  1. Larminie, J. and Dicks, A., 2003, Fuel Cell Systems Explained 2nd Edition, John Wiley &Son, Inc. 

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  3. Costamagna, P., Selimovic, A., Borghi, M. D. and Agnew, G., 2004, "Electrochemical Model of the Integrated Planar Solid Oxide Fuel Cell (IP-SOFC)," Chemical Engineering Journal, Vol. 102, pp. 61-69. 

  4. Braun, R. J., Klein, S. A. and Reindl, D. T., 2006, "Evaluation of System Configuration for Solid Oxide Fuel Cell-Based Micro-Combined Heat and Power Generators in Residential Applications," Journal of Power Sources, Vol. 158, pp. 1290-1305. 

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  6. Komatsu, Y., Kimijima, S. and Szmyd, J. S., 2010, "Performance Analysis for the Part-Load Operation of a Solid Oxide Fuel Cell-Micro Gas Turbine Hybrid System," Energy, Vol. 35, pp. 982-988. 

  7. Cocco, D. and Tola, V., 2006, "SOFC-MGT Hybrid Power Plants Fuelled by Methane and Methanol," ASME, Vol. 1, Paper No. ESDA2006- 95482, PP. 137-147. 

  8. Liese, E. A. and Gemmen, R. S., 2005, "Perfomnace Comparison of Internal Reforming Against External Reforming in a Solid Oxide Fuel Cell, Gas Turbine Hybrid System," ASME, Vol. 127, Issue. 1, pp. 86-90. 

  9. Yang, W. J., Kim, T. S., Kim, J. H., Sohn, J. L. and Ro, S. T., 2005, "Comparative Performnace Assessment of Pressurized Solide Oxide Fuel Cell/Gas Turbine Systems Considering Various Design Options," ASME, Vol 5, Paper No. GT2005-68533, pp. 241-251. 

  10. Hayes, R. E. and Kolaczkowski, S T., 1997, "Introduction to Catalytic Conbustion," pp. 401-422. 

  11. Bae, B. H., Sohn, J. L. and Ro, S. T., 2002, "Thermodynamic Performance Analysis of the Solid Oxide Fuel Cell System Including Reformer," KSME, Symposium. 

  12. Mario, L. F., Eric, L., David, T., Larry, L., Alberto, T. and Aristide, F. M, 2007, "Transient Modeling of the NETL Hybrid Fuel Cell/Gas Turbine Facility and Experimental Validation," J. Eng. Gas Turbines Power, Vol 129, Issue 4, pp. 1012-1019. 

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