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SOFC 산화전극 배기가스 순환 시스템을 위한 이젝터 최적 설계

Ejector Optimization for SOFC Anode Off-Gas Recirculation System

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.2 = no.329, 2013년, pp.139 - 148  

조성종 (STX 메탈 기술연구소)

초록
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본 연구에서는 1kW 급 SOFC 시스템의 AOGR(anode off-gas recirculation)을 위한 이젝터를 설계하고 이젝터 적용시의 시스템 효율을 매개변수 연구를 통해 알아보았다. 화공해석 프로그램를 이용하여 이젝터의 작동 조건을 계산하였고, 전역 최적값을 보장하면서도 CFD 계산에 따른 부하를 최소화하기 위하여 유전 알고리듬크리깅 모델을 이용하여 최적화를 진행하였다. 최적화를 통해 음속 이젝터에서 가장 큰 영향을 미치는 설계 변수가 이젝터의 목직경과 1 차 노즐의 위치임을 식별하였다. 유동변수에 대한 매개변수 연구를 통해 설계된 이젝터는 1kW 급 SOFC 의 다양한 작동 조건에서 충분한 유연성을 가지며, SOFC 에 적용시 증기의 56% 와 연료의 8.4% 절감이 가능함을 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, an ejector was designed to recirculate the anodic off-gas of SOFC, and a parametric study of the system performance was conducted at various ejector entrainment ratios. Aspen Plus, a chemical engineering program, was used to calculate the operational conditions of the ejector. To mini...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 유동 변수로는 1, 2 차 유동의 압력비와 유동의 물리적 특성에 대한 부분이 있고 형상 변수에는 노즐목 직경, 혼합부 직경비, 혼합부와 디퓨저 출구 직경비, 혼합부 길이, 흡입부 직경, 노즐의 위치 등이다. 본 논문에서는 유동 변수에 대해서는 고정하고 특정 유동 조건에 최적의 성능을 내는 형상 조건에 대한 최적화를 실시 하였다.
  • 본 연구에서는 CFD(computational fluid dynamics) 를 이용하여 1kW 급 SOFC 시스템의 작동 조건에 최적화된 형상의 이젝터를 설계하였다. 최적화를 진행하기 위한 기본 형상에 대해서 격자 민감도를 검증하였으며 화공해석 프로그램을 통해 이젝터의 작동 조건에 대해서 계산을 진행, 이를 통해 얻어진 유동의 유량 및 유동 특성에 대해서 1 차 노즐의 직경을 계산하였다.
  • 본 연구에서는 SOFC 의 AOGR 용 이젝터의 최적화 과정을 통해 주요 설계 변수를 파악하고 SOFC 시스템에서 재순환율에 따른 시스템 변동의 확인, SOFC 에서 AOGR 의 적용이 타당한지를 검토하였다.
  • 이젝터 적용시의 시스템 투입 에너지 변화량을 확인해 보았다. 비교 대상인 참고사례(ref.

가설 설정

  • 1 차 노즐의 목 면적의 계산은 입구에서의 압력이약 +200kPa 정도가 되도록 설정하였다. 이젝터는 여러 장점을 가지고 있으나 효율적인 장치는 아니다.
  • 3 정도로 보고되고 있다. 따라서 연료만으로 다량의 산화전극 배기가스를 재순환시키기 어렵다고 판단하여 증기와 연료의 혼합 가스를 1 차 유동으로 가정하고 흡입률은 1.0 로 가정, SOFC AOGR 시스템의 작동 조건을 계산하였다. 스택의 연료 이용률은 75%로 설정하였다.
  • 액추에이터의 경우 모두 70% 효율을 가정하였다. 펌프는 추가 동력이 얼마되지 않으나 컴프레서의 경우 14~15W 정도의 추가 동력이 필요한 것으로 나타났으며 개질기에서도 추가적으로 약 80W 의 열량이 필요한 것으로 나타났다
  • 연구에서 사용된 1kW SOFC 시스템은 S/C 비 (steam to carbon ratio) 2.5, 스택에서의 연료 이용률 75%를 가지는 것으로 가정하였다. 이를 기본으로 하여 계산할 경우 산화전극 배기가스의 량은 약 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
SOFC는 어떤 장점을 가지고 있는 연료전지인가? SOFC 는 효율적인 연료 전환 장치의 하나로 높은 작동 온도 범위를 가진다. 이로 인해 고가의 촉매를 필요치 않으며 수소 이외에 일산화탄소 역시 연료로서 사용이 가능하고, 촉매 피독에 대한 위험성이 낮으며, 다른 연료전지 시스템에 비해 개념이 매우 단순한 등 다양한 장점으로 인해 활발한 연구가 진행되고 있는 연료전지 중 하나이다. (1) 하지만 고온에 따른 단점으로 투입 유동에 대한 가열이 어렵고 재료 선정 및 열구조적인 문제와 스택 배기가스(stack off-gas)에 대한 세심한 활용이 이루어지지 않으면 시스템의 전체 효율을 향상시키기 어렵다.
이젝터란 무엇인가? 이젝터는 고압의 유체 유동을 이용하여 저압의 유체를 보다 높은 압력으로 활성화하여 수송하는 장치이다. 비교적 소형의 장치로 대용량의 유체를 압축 수송할 수 있고 구동부가 없어 유지 보수의 편의성이 높은 특징을 가지고 있다.
이젝터는 어떤 분야에서 사용되고 있는가? 비교적 소형의 장치로 대용량의 유체를 압축 수송할 수 있고 구동부가 없어 유지 보수의 편의성이 높은 특징을 가지고 있다. 이젝터는 여러 분야에서 다양하게 적용되고 있는데 특히 수증기 냉각 시스템,(2) 가스 혼합, 공압 수송, 석유 정류 분야, 항공기 추력 증강 장치, (3) 연소, 소음저감 등에서 기기의 단순한 구조와 성능에 대한 높은 신뢰성으로 다양하게 사용되고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. James, L. and Andrew, D., 2003, "Fuel Cell Systems Explained," Wiley, pp. 209-286. 

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  3. Alsayed, A. M., Elbanna, H. M. and Abdelrahmam, M. M., 2010, "Design Optimization of Thrust Augmentation Ejector Utilizing the CFD Tools," Proceedings of ICFD10. 

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  5. Ferrari, M.L., Traverse, A., Magistri, L. and Massardo, A.F., 2005, "Influence of the Anodic Recirculation Transient Behavior on the SOFC Hybrid System Performance," Journal of power sources, Vol.149, pp. 22-32. 

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  8. Pianthong, K., Seehanam, W., Behnia, M., Sriveerakul, T. and Aphornratana, S., 2007, "Investigation and Improvement of Ejector Refrigeration System Using Computational Fluid Dynamics Technique," Energy Conversion and Management, Vol.48, Issue 9, pp. 2556-2564. 

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  12. Kanjanapon, C. and Satha, A., 2004, "Ejectors : Applications in Refrigeration Technology," Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 8, pp. 129-155. 

  13. ESDU, 1985, "Ejector and Jet Pump," Data Item 86030, London:ESDU international Ltd. 

  14. Aphornratana, S. and Eames, I.W., 1997, "A Small Capacity Steam-Ejector Refregerator : Experimental Investigation of a System Using Ejector with Movable Primary Nozzle," Int J Refreg, 20(5), pp. 352-358. 

  15. Jeong, S., Obayashi, S. and Yamamoto, K., 2005, "Aerodynamic Optimization Design with Kriging Model," Transactions of the Japan society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 48, pp. 161-168. 

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