[논문]Six-sigma 기법을 이용한 연료전지시스템 연료저리장치 최적화

정경용; 김선회

doi:10.14400/jdpm.2012.10.2.225

[국내논문] Six-sigma 기법을 이용한 연료전지시스템 연료저리장치 최적화
Optimization of Fuel Processing Unit of Fuel Cell System using Six-Sigma Technique 원문보기

디지털정책연구 = The Journal of digital policy & management, v.10 no.2, 2012년, pp.225 - 229

정경용 (상지대학교 컴퓨터정보공학부) , 김선회 (상지대학교 신에너지.자원공학과)

초록
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소형발전용 연료전지 시스템에 있어 개질장치는 탄화수소계의 연료를 수소가 풍부한 가스로 개질하여 주는 장치이다. 개질장치는 시스템 전체의 안정성과 성능의 관점에서 중요한 핵심 지표를 가지게 되는데 개질기의 핵심평가지표 중 가장 중요한 것은 배출가스 중의 CO농도이다. 시스템의 효율, 성능 및 안정성을 위하여 CO농도를 5ppm 이하로 관리되어야 한다. 본 연구에서는 개질기의 배출가스 내의 CO농도에 영향을 미치는 핵심인자를 도출한다. 개질기의 운전 및 설계에 있어 six-sigma 기법 중의 실험계획법을 도입하여 CO 농도에 영향을 미치는 핵심인자들을 도출해내고 도출된 인자들의 개선을 통하여 최적화된 운전조건을 제시하였다. 연료전지용 개질기에 있어서 가장 중요한 CO의 농도를 제어하기 위하여 도출된 인자들은 MTS, LTS, Prox와 같은 각 개질기내의 온도제어 및 그에 관한 결과로서의 CO 농도에 대한 최적 운전조건을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A reformer for a small fuel cell system is an apparatus which converts hydrocarbon fuel into hydrogen-rich gas. Among many indices of a reformer, the most crucial index of a reformer is CO concentration in the off-gas out of reformer which must be controled under 5ppm for the efficiency and performance of a system. This paper suggests the criteria of a reformer operation for the stability of a reformer in a fuel cell system by deducing crucial indices and improving processes. The six-sigma technique was applied to verify the optimum control and operation of a reformer of a fuel cell combined heat and power system. The result of temperature control of each parts of a reformer system is the concentration of CO which is the most important factor for the operation of a fuel cell system. The temperature of the parts of a reformer, MTS, LTS and Prox, were controled so that the concentration of CO.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

개질장치는 연료의 변환방식에 따라 STR(Steam Reforming), ATR(Auto Themal Reforming), POX(Partial Oxidation) 등으로 구분된다. 본 논문에서는 수 kW급 연료전지 시스템에 가장 많이 적용하는 방식인 STR 타입의 연료 개질 장치의 설계에 관하여 설명한다.
[11]. 본 연구에서는 CO농도의 조절하기 위하여 개질 장치의 각 부분별 온도를 제어하는.개질장치의 단품실험을 실시하여 가인자와 co 조성과의 관계를 분석하고 스크리닝을 실시하였다.
시스템의 효율과 성능 및 안정성에 있어서 CO의 농도를 5ppm 이하로 관리되어야 한다. 본 연구에서는 Six-sigma를 이용한 연료전지 시스템 연료저리장치 설계를 제안하였다. 1차 실험 결과, 각 반응기의 온도 설정 범위가 정해져 있고 온도를 제어할 수 있는 장치의 설치 및 제어가 필요하다고 판단된다.

제안 방법

있다. 1차 스크리닝 과정으로서 PROX 1과 PROX 2의 온도를 제어하여 인자를 고정하였다. 그 후 PROX 1과 PROX 2의 공기유량을 조절하여 2차 스크리닝 과정을 거쳐 인자를 고정하여 연구를 실행하였다.
본 연구에서는 CO농도의 조절하기 위하여 개질 장치의 각 부분별 온도를 제어하는.개질장치의 단품실험을 실시하여 가인자와 co 조성과의 관계를 분석하고 스크리닝을 실시하였다. 하지만 개질기의 각 부위별 반응장치는 상호간 온도의 변화가 각각의 부위에 영향을 미치므로 각 부위별로 독립적인 실험계획을 DOE(Design of Experiment)를 구성할 수 없으므로 여러 가지의 가인자에 가장 영향이 적은 CO제거부(PROX)의 온도의 변화에 대하여 CO농도와의 영향성 테스트를 실시하여 나머지의 조건을 고정하고 나머지 인자의 영향성을 평가하였다 [13][14].
1차 스크리닝 과정으로서 PROX 1과 PROX 2의 온도를 제어하여 인자를 고정하였다. 그 후 PROX 1과 PROX 2의 공기유량을 조절하여 2차 스크리닝 과정을 거쳐 인자를 고정하여 연구를 실행하였다.
개질장치의 단품실험을 실시하여 가인자와 co 조성과의 관계를 분석하고 스크리닝을 실시하였다. 하지만 개질기의 각 부위별 반응장치는 상호간 온도의 변화가 각각의 부위에 영향을 미치므로 각 부위별로 독립적인 실험계획을 DOE(Design of Experiment)를 구성할 수 없으므로 여러 가지의 가인자에 가장 영향이 적은 CO제거부(PROX)의 온도의 변화에 대하여 CO농도와의 영향성 테스트를 실시하여 나머지의 조건을 고정하고 나머지 인자의 영향성을 평가하였다 [13][14]. [그림 2]는 개질장치 평가를 위한 실험 장치이다.

성능/효과

PROX의 공기유량이 PROX 온도와 상관관계가 있다고 볼 수 있다. One-way ANOVA 분석을 통하여 CO농도와 PROX 공기유량의 상관관계를 분석한 결과 PROX 공기유량은 온도에 영향을 미치는 인자이므로 그 자체로서 핵심적인 인자는 아니라고 판단할 수 있다. [11][12].
변화량을 보여주고 있다. 공기유량의 증가에 따라 CO의 농도가 감소하다 공기유량 0.9 L/min 부근에서 CO 농도의 변곡점이 있음을 확인할 수 있다.
변화량을 보여주고 있다. 공기유량이 증가함에 따라 지속적으로 CO의 농도는 감소하는 점은 같으나 00의 농도는 PROX 1의 공기유량에 크게 의존하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

1차 실험 결과, 각 반응기의 온도 설정 범위가 정해져 있고 온도를 제어할 수 있는 장치의 설치 및 제어가 필요하다고 판단된다. 또한 반응기 온도를 하한 설정치 이상으로 제어하기 위해서 별도의 시스템적 제어방법을 고안하여야 할 것이다. LTS 온도는 MTS에서의 반응량에 따라 변동하므로 MTS 제어를 통해서 LTS 온도 제어가 가능할 것으로 판단된다.

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