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문제 정의
- 1에 나타내었다. 본 연구에서 혼합장치의 수치해석 결과는 생략하고 주로 실험 장치를 기술하고자 한다.
- 본 연구에서는 1 kW급 가정용 고분자 전해질 연료전지 시스템에 적용이 가능한 저공해 고효율 예혼합 연소시스템에 대한 연구를 진행하기 위하여 perforated 세라믹 타일, orifice 형식의 공기/연료 혼합장치, baffle plate를 적용하여 개질기용 버너를 구성하였다.
제안 방법
- 1 kW급 개질기용 예혼합버너의 배기가스의 분석을 위하여 CO, CO2, NOx, O2의 측정이 가능한 Testo-330 배기가스 분석기와 Testo Easyheat Software를 사용하여 배기가스 data를 1초 간격으로 실시간으로 수집하여 분석하였다.
- perforated 세라믹 타일, baffle plate, orifice 연료/공기 혼합장치를 활용하여 구성된 1 kW급 개질기용 버너에 메탄, NG, AOG를 연료로 적용하여 연소실험을 진행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 개발된 1 kW급 개질기용 예혼합 버너에서 발생되는 연소특성 및 안정성을 분석하기 위하여 NG의 주성분인 메탄을 사용하여 연소실험을 진행하였고 당량비 변화에 따른 연소화염의 변화를 Fig. 4에 비교하였다.
- 1 kW급 개질기용 예혼합 버너의 연료/공기 혼합장치는 안정적인 예혼합가스를 형성하는데 매우 중요한 예혼합 버너의 구성품이다. 공급되는 NG, AOG 및 공기의 안정적인 예혼합가스의 형성을 위하여 3차원 수치해석 프로그램인 Fluent를 사용하여 orifice 형상의 연료/공기 혼합장치를 설계하였다. 수치해석을 통하여 설계 및 제작된 연료/공기 혼합장치를 Fig.
- 공급되는 메탄의 유량을 2 L/min으로 고정하여 공급하였고 질량유량계를 통하여 공급되는 공기의 유량을 변경하여 당량비를 조절하였다. Fig.
- 구성된 개질기용 버너의 실험을 통하여 당량비, 열용량 및 연료변화에 따른 화염패턴, 화염안정성 및 배기가스 배출특성을 분석하였다.
- 배기가스 배출특성 비교에 이어 당량비 변화에 따른 연소화염의 비교를 통하여 1 kW급 개질기용 버너의 연소안정성을 비교하였고 그 결과를 Fig. 7에 비교하였다. Fig.
- 연소 시스템의 실험을 위하여 공기, NG, AOG를 사용하였고 각각의 가스는 압력조절기를 통하여 실험에 적합한 압력으로 감압하여 질량유량계(Mass Flow Meter,MKS)에 공급하였다. 실험에 사용된 질량유량계는 MKS사의 질량유량계 컨트롤러를 사용하여 당량비및 발열량을 변경하면서 실험을 진행하였다.
- 0 kW로 설정하여 실험조건을 설정하였다. 연료전시 시스템의 초기 시동 mode에서는 NG만을 단독으로 사용하는 NG mode와 정상운전모드인 AOG mode로 구분하여 실험조건을 구성하였다.
- 3과 같이 실험 장치를 구성하였다. 연소 시스템의 실험을 위하여 공기, NG, AOG를 사용하였고 각각의 가스는 압력조절기를 통하여 실험에 적합한 압력으로 감압하여 질량유량계(Mass Flow Meter,MKS)에 공급하였다. 실험에 사용된 질량유량계는 MKS사의 질량유량계 컨트롤러를 사용하여 당량비및 발열량을 변경하면서 실험을 진행하였다.
- 이러한 개질기용 버너의 가동조건을 분석하기 위하여 부분부하 및 전부하조건을 나타내는 Turn Down Ratio를 2 : 1로 적용하여 NG 및 AOG를 연료로 사용하여 연소실험을 진행하였고 실험결과를 Fig. 5에 비교하였다. 연료종류 및 발열량 변화에 따른 연소화염을 비교한 Fig.
- 적용되는 열용량, 당량비 및 사용연료의 변화가 1 kW급 개질기용 예혼합 버너의 화염에 미치는 영향을 분석하기 위하여 디지털 카메라(Nikon, D-90)를 사용하여 연소화염의 거동을 동시에 관찰하여 분석하였다.
대상 데이터
- 2 mm의 구멍이 일정한 패턴으로 가공하여 제작하였다. 또한 Fig. 2에 나타나 있는 perforated 세라믹 타일은 직경 30 mm, 두께 12.7 mm이고 1.2 mm의 구멍이 일정한 패턴으로 형성되어 있는 상용제품을 사용하여 구성하였다.
- 본 실험에 사용된 AOG는 수소, 이산화탄소, 메탄,질소로 구성되어 있고 각각의 성분비율은 Table 2와 같고 저위 발열량은 31.4 kcal/mol이다. 본 AOG의 성분비율은 1 kW급 연료전지시스템의 실험에서 발생되는 실제 AOG의 혼합비율을 적용하여 사용하였다[10].
- baffle plate의 경우 baffle plate를 통과하여 공급되는 예혼합가스의 유동안정화 및 적절한 압력강하를 통하여 안정적인 예혼합화염의 형성에 있어 매우 중요한 설계인자이다. 본 실험에 적용된 baffle plate는 직경과 두께가 각각 32 mm, 3 mm인 알루미늄 원판에 2.2 mm의 구멍이 일정한 패턴으로 가공하여 제작하였다. 또한 Fig.
- 본 AOG의 성분비율은 1 kW급 연료전지시스템의 실험에서 발생되는 실제 AOG의 혼합비율을 적용하여 사용하였다[10]. 실험을 진행하기 위하여 사용된 연료는 NG와 AOG이며 용량변화에 따른 실험조건은 Table 3과 같다. 연료전지시스템의 출력은 0.
데이터처리
- 동일조건에서 발생되는 연소화염의 길이를 비교하면 AOG에 비하여 NG의 연소화염의 길이가 길게 발생됨을 확인할 수 있었다. 이러한 현상을 분석하기 위하여 Chemkin을 사용하여 NG 및 AOG의 연소속도를 수치해석 하였고 결과를 Table 4에 비교하였다.
이론/모형
- 4 kcal/mol이다. 본 AOG의 성분비율은 1 kW급 연료전지시스템의 실험에서 발생되는 실제 AOG의 혼합비율을 적용하여 사용하였다[10]. 실험을 진행하기 위하여 사용된 연료는 NG와 AOG이며 용량변화에 따른 실험조건은 Table 3과 같다.
성능/효과
- 5를 살펴보면 모든 조건에서 안정적인 청색화염이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 0.5 kW 모드에서 NG와 AOG를 연료로 사용한 실험 결과를 살펴보면 NG를 적용한 실험에서 연소화염의 밝기가 AOG를 연료로 사용한 경우에 비하여 밝게 형성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 원인은 AOG의 경우 연료의 주성분이 수소로 구성되어 있어 연소화염의 밝기가 NG에 비하여 흐리게 형성되었다고 판단된다.
- 1) 1 kW급 개질기용 예혼합 버너의 실험을 통하여 메탄, NG, AOG의 연료변화 및 당량비 변화에 따른 실험을 진행하여 안정화된 예혼합 연소화염을 형성할 수 있음을 확인하였다.
- 2) 1 kW급 개질기용 연소시스템의 메탄을 연료로 사용한 결과 당량비가 감소됨에 따라 연소화염의 형상이 green flame → red flame → blue flame → lift-off로 변화되는 예혼합 화염의 특징을 확인하였다.
- 3) 배기가스 측정 결과 AOG Mode의 경우 CO 및 NOx의 배출량이 각각 당량비 0.705-0.837 영역과 당량비 0.705-0.892영역에서 50 ppm 이하로 배출되었고 NG Mode의 경우 CO 및 NOx의 배출량이 각각 당량 비 0.705-0.862와 0.705-0.753영역에서 50 ppm 이하로 배출됨을 확인하였다.
- 4) 실험에 적용한 당량비 영역에서 NG 및 AOG연소과정에서 blue flame, blue + red flame이 각각 발생되었다. 하지만 NG의 실험 조건에서 발생되던 lift-off의 경우 AOG에서는 빠른 연소속도로 인하여 발생하지 않았다.
- 6에 비교하였다. Fig. 6에 비교된 당량비 변화에 따른 CO 및 NOx의 배출특성을 살펴보면 AOGmode를 사용하여 배기가스를 측정한 결과 당량비 0.705-0.837 영역에서는 CO의 배출량이 50 ppm 이하로 배출됨을 확인 할 수 있었다. 또한 NOx의 경우 실험에 사용된 당량비 영역인 0.
- red flame이 형성되는 원인은 연소화염이 perforated 세라믹 타일 표면에 붙어 적열광을 내는 전형적인 복사모드가 형성되어 생성된다고 판단된다. red flame 형성 조건에서 조금더 희박한 당량비로 변화되도록 공기유량을 증가 시키면 표면화염이 perforated 세라믹 타일의 표면을 벗어나 염공 바로 윗부분에 형성되는 blue flame이 생성됨을 확인하였다. blue flame조건에서 당량비가 공기의 공급 유량을 조금더 증가시키면 연소화염이 perforated 세라믹 표면에서 떨어져 연소화염이 불안정해지는 lift-off가 발생되는 것을 확인하였다[11].
- 이러한 원인은 AOG의 경우 연료의 주성분이 수소로 구성되어 있어 연소화염의 밝기가 NG에 비하여 흐리게 형성되었다고 판단된다. 동일조건에서 발생되는 연소화염의 길이를 비교하면 AOG에 비하여 NG의 연소화염의 길이가 길게 발생됨을 확인할 수 있었다. 이러한 현상을 분석하기 위하여 Chemkin을 사용하여 NG 및 AOG의 연소속도를 수치해석 하였고 결과를 Table 4에 비교하였다.
- 837 영역에서는 CO의 배출량이 50 ppm 이하로 배출됨을 확인 할 수 있었다. 또한 NOx의 경우 실험에 사용된 당량비 영역인 0.705-0.892영역에서 모두 50 ppm 이하로 배출됨을 확인할 수 있었다.
- 수치해석결과 공급되는 NG 및 AOG의 안정적인 예혼합을 위하여 각 연료를 4개의 입구에서 공급하고 공기의 경우 1개의 입구를 통하여 공급하는 구조가 보다 양호한 연료공기혼합이 가능함을 확인하였고 이를 통해 가공된 공기/연료 혼합장치의 길이 및 최대 직경은 각각 50 mm와 28 mm로 제작되었다.
- 5에 비교하였다. 연료종류 및 발열량 변화에 따른 연소화염을 비교한 Fig. 5를 살펴보면 모든 조건에서 안정적인 청색화염이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 0.
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