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 Reformers원문보기
본 연구에서는 외부 개질기에 열원을 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.
본 연구에서는 외부 개질기에 열원을 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.
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...
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 than internally reformed SOFCs. In this study, modeling of the PSOFC with an external reformer was developed to analyze the feasibility of thermal energy utilization for the external reformer. The PSOFC system model includes the stack, reformer, burner, heat exchanger, blower, pump, PID controller, 3-way valve, reactor, mixer, and steam separator. The model was developed under the Matlab/Simulink environment with Thermolib$^{(R)}$ modules. The model was used to study the system performance according to its configuration. Three configurations of the SOFC system were selected for the comparison of the system performance. The system configuration considered the cathode recirculation, thermal sources for the external reformer, heat-up of operating gases, and condensate anode off-gas for the enhancement of the fuel concentration. The simulation results show that the magnitude of the electric efficiency of the PSOFC system for Case 2 is 12.13% higher than that for Case 1 (reference case), and the thermal efficiency of the PSOFC system for Case 3 is 76.12%, which is the highest of all the cases investigated.
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 than internally reformed SOFCs. In this study, modeling of the PSOFC with an external reformer was developed to analyze the feasibility of thermal energy utilization for the external reformer. The PSOFC system model includes the stack, reformer, burner, heat exchanger, blower, pump, PID controller, 3-way valve, reactor, mixer, and steam separator. The model was developed under the Matlab/Simulink environment with Thermolib$^{(R)}$ modules. The model was used to study the system performance according to its configuration. Three configurations of the SOFC system were selected for the comparison of the system performance. The system configuration considered the cathode recirculation, thermal sources for the external reformer, heat-up of operating gases, and condensate anode off-gas for the enhancement of the fuel concentration. The simulation results show that the magnitude of the electric efficiency of the PSOFC system for Case 2 is 12.13% higher than that for Case 1 (reference case), and the thermal efficiency of the PSOFC system for Case 3 is 76.12%, which is the highest of all the cases investigated.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
Case 2는 촉매연소기와 외부 개질기를 통합하여 개질반응시스템을 구성함으로써 외부 연소기(Burner)에 공급되는 추가 연료량을 줄일 수 있었고, 개질기에 열원을 공급하고 배출되는 촉매연소기의 다량의 배기가스를 시스템 내에서 사용하고자 하였다. 그 결과 시스템의 전기효율이 12.
개질기 모델은 수증기-메탄 개질법(Steam Methane Reforming, SMR)을 가정한 대향류형 평형 반응기 모델을 사용하였다. 개질 반응 시 평형반응 온도는 700℃~800℃의 온도에서 통합 반응기 시스템의 평형이 고려되어 정해지도록 모델링하였다.
6%의 연료는 연소기(Burner)에 공급되어 개질에 필요한 열원을 공급하기 위한 수단으로 사용되었다. 개질기에 열원을 공급하고 나온 연소기의 배기가스를 이용하여 상온의 물을 증발시키고 수증기-연료 혼합물의 온도를 높이기 위해 사용되었다. 또한 연료 전지 출구 가스를 통하여 공기극에 공급되는 공기를 예열하는데 사용하였다.
SOFC 스택에서는 공급된 연료(H2)가 전기화학반응에 의해서 전력이 생산된다. 구성된 시스템 내에서 연료극 출구 가스 및 연소기 배가스를 통하여 열을 회수하였다.
그리고 PID 제어기 모델은 연료전지의 공기극으로 유입되는 공기의 온도가 일정하도록 제어하며 펌프 및 blower 모델은 연료 및 공기 등 시스템에 필요한 유체를 공급하게 된다. 기수분리기 모델은 응축된 연료전지의 연료극 출구 가스에 포함된 수분을 제거하는 모델이며 통상 범용 기수분리기의 수분 제거율을 고려하여, 제거율은 80%로 설정하였다.
또한, 외부개질형인 관계로 전기화학반응에 의해 발생되는 폐열은 공기극의 과잉 공기율을 이용해 제어되도록 하였다. 모델에서는 SOFC 스택은 평판형, 운전압력은 1.
또한, 외부개질형인 관계로 전기화학반응에 의해 발생되는 폐열은 공기극의 과잉 공기율을 이용해 제어되도록 하였다. 모델에서는 SOFC 스택은 평판형, 운전압력은 1.5bar으로 설정하였고, I-V 커브는 Braun(3)이 제안한 전압곡선을 따르며 Fig. 1과 같다.
스택 모델은 라이브러리에서 제공하는 모델을 이용해, SOFC의 특징이 반영될 수 있도록 출구단의 열수지 균형을 맞추었으며, 연료극에서 최종 반응물인 증기가 배출이 될 수 있도록 구성하였다.
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.
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.
5의 Case 3에서는 이러한 폐열의 활용도를 높이기 위해 기존의 촉매연소기대신 범용성 연소기를 사용하는 방법에 의해 어떤 이득이 있는지를 보기 위한 시스템 레이아웃을 구성하였다. 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.
연소기에 공급되는 공기는 연료전지 공기극으로부터 나오는 공기를 재순환시켜 공급하였고 촉매연소기의 반응온도는 촉매의 내구성을 고려하여 850℃~900℃에서 운전되도록 하였다. 일반연소기의 경우, 모델링 방법은 촉매연소기와 동일하나, 연소 최고 온도가 1300℃~1500℃로 유지될 수 있도록 연소기로 공급되는 공기의 유량을 조절하였다.
외부 개질형 평판형 SOFC 시스템의 구성에 있어 열원 공급을 위한 연소기의 선택방법에 따라 각각의 효율을 비교하고 평가함으로써 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
이론/모형
개질 반응기 모델에서는 연소기로부터 개질기로, 그리고 개질기 내부 충전층으로 전달되는 열전달량을 계산하기 위해서 열전달 계수가 중요하며, 이를 계산하기 위한 충전층 반응기(packed bed)에서의 유효 열전달계수는 Dixon과 Cresswell이 제안한 상관 관계식을 통해 이론적으로 계산되어졌다.(10) 또한 반응 온도에 따라 기체 혼합물이 있는 연소측 및 개질측의 유효 열전달 계수는 Ghang(2)에 의해 연구되었고 Fig.
개질기 모델은 수증기-메탄 개질법(Steam Methane Reforming, SMR)을 가정한 대향류형 평형 반응기 모델을 사용하였다. 개질 반응 시 평형반응 온도는 700℃~800℃의 온도에서 통합 반응기 시스템의 평형이 고려되어 정해지도록 모델링하였다.
성능/효과
(1) 외부 개질방식을 채택하는 고체산화물 연료 전지 시스템에 있어서 개질기에 열원 공급을 위한 별도의 연소기(Burner)를 사용할 경우 추가공급연료량으로 인해 25.46%의 전기 효율을 나타내며 배열 활용 측면에서도 가장 낮은 효율을 보였다. 이러한 점을 보안하기 위한 Case 2 및 Case 3에서는 시스템으로의 추가공급연료량을 줄임으로써 전기 효율을 Case 1대비 12.
(2) 기준 시스템(Case 1)의 효율 향상을 위해 촉매 연소기와 외부 개질기를 통합한 개질반응시스템을 적용함으로써, 시스템으로 공급되는 연료량을 최소화시킬 수 있었으며 열효율은 61.62%를 나타내었다.
(3) Case 3과 같이 연료극 출구가스 중 수증기를 응축시켜 연료 농도를 향상시킨 경우에는 응축열을 추가로 활용할 뿐만 아니라, 시스템으로부터 배출되는 배가스의 온도가 높기 때문에 열효율이 Case 2보다 14.5% 향상된다는 것을 확인하였다.
Case 2는 촉매연소기와 외부 개질기를 통합하여 개질반응시스템을 구성함으로써 외부 연소기(Burner)에 공급되는 추가 연료량을 줄일 수 있었고, 개질기에 열원을 공급하고 배출되는 촉매연소기의 다량의 배기가스를 시스템 내에서 사용하고자 하였다. 그 결과 시스템의 전기효율이 12.13% 향상되었다.
모든 시스템으로 150kW의 출력을 생산하기 위한 연료가 공급되며 이 중 외부로부터 추가의 연료량이 공급되는 Case 1은 시스템으로 공급되는 연료가 가장 많았으며 이에 따라서 블로워의 소비전력이 가장 높았다. 또한, 가용적인 열에너지 확보에서는 촉매연소기의 사용으로 다량의 연소 배가스가 배출되는 Case 2가 기존 시스템에 비해 높았으며 연료극 출구 가스를 응축시킴으로써 추가의 열을 확보한 Case 3가 가용한 열출력이 가장 높았다.
모든 시스템으로 150kW의 출력을 생산하기 위한 연료가 공급되며 이 중 외부로부터 추가의 연료량이 공급되는 Case 1은 시스템으로 공급되는 연료가 가장 많았으며 이에 따라서 블로워의 소비전력이 가장 높았다. 또한, 가용적인 열에너지 확보에서는 촉매연소기의 사용으로 다량의 연소 배가스가 배출되는 Case 2가 기존 시스템에 비해 높았으며 연료극 출구 가스를 응축시킴으로써 추가의 열을 확보한 Case 3가 가용한 열출력이 가장 높았다.
12%로 가장 높았다. 본 연구에서는 시스템 구성의 목표 전력이 150kW이기 때문에, 열활용에 초점을 맞추어 레이아웃을 구성하였고, Case 3의 경우 열효율을 향상 시킬 수 있음을 확인하였으며, 본 시스템을 MW급까지 대형화시키는 것이 가능하다는 전제하에서는, 배기가스의 폐열을 이용해 증기터빈이나 가스터빈을 이용한 추가적인 발전도 기대할 수 있다. 이를 통해 추가적인 전력 상승도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
8은 Case 3 시스템의 운전 부하를 100%, 75%, 50%, 25%로 줄여감에 따른 전기효율과 열 효율의 변화를 보여주는 결과이다. 시스템의 부하를 낮추어 운전할수록 전기효율이 증가하였으며, 25%의 경우 전기 효율이 다소 감소함을 보였다. 이에 비하여 열효율은 부하를 낮추어 운전할수록 감소하였고 25%일 때 65.
시스템의 부하를 낮추어 운전할수록 전기효율이 증가하였으며, 25%의 경우 전기 효율이 다소 감소함을 보였다. 이에 비하여 열효율은 부하를 낮추어 운전할수록 감소하였고 25%일 때 65.7%로 급격히 감소되는 것을 알 수 있었다.
후속연구
시스템의 동적 거동은 부하 운전 시 특히 중요한 요소이며 동적 거동의 분석을 통해 시스템 운전 전략을 결정할 수 있을 뿐 아니라 단위 구성품인 스택 및 보기계통(Balance of Plant, BOP)의 응답 특성을 이해함으로써 단위 구성품의 설계자료로 활용 할 수 있다. 대부분의 시스템 관련 해석 연구는 주로 설계점 해석 위주의 정적 거동 해석으로 진행되고 있는 반면, 시스템의 운전과 관련된 발전용 연료전지의 동적 거동과 관련된 연구는 몇몇 선도기관에 의한 연구 내용만이 보고되고 있다.
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.
참고문헌 (12)
Larminie, J. and Dicks, A., 2003, Fuel Cell Systems Explained 2nd Edition, John Wiley &Son, Inc.
Gang, T. G., Yu, S. S., Kim, Y. M. and Ahn, G. Y., 2010, "Experimental Study of Steam Reforming Assisted by Catalytic Combustion in Concentric Annular Reactor," Trans of the KSME(B), Vol. 34, No. 4, pp. 375-381.
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.
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.
Petruzzi, L., Cocchi, S. and Fineschi, F., 2003, "A Global Thermo-Electrochemical Model for SOFC Systems Design and Engineering," Journal of Power Sources, Vol. 118, pp. 96-107.
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.
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.
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.
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.
Hayes, R. E. and Kolaczkowski, S T., 1997, "Introduction to Catalytic Conbustion," pp. 401-422.
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.
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.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.