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선박 배기가스 활용에 따른 SOFC 시스템 공급가스의 온도특성에 관한 연구
A study on temperature characteristic of the gases supplied to SOFC system by utilizing the ship exhaust gas 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.8, 2013년, pp.822 - 828  

박상균 (Department of Power System Engineering, College of Ocean Science & Technology, Kunsan National University)

초록
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고체산화물형 연료전지는 운전온도가 고온이기 때문에 연료전지 시스템으로 공급되는 가스의 열관리 문제가 중요하다. 본 연구에서는 선박 배기가스의 폐열을 선박 전원용 500kW급 SOFC 시스템으로 공급되는 연료, 가스 및 물을 가열하는 열원으로 활용한 경우에 연료전지 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도특성에 관하여 검토하였다. 본 연구에서 제안한 연료전지 시스템에서는 선박의 배기가스를 활용하지 않고 연료전지에서 배출되는 배기가스만으로 연료전지 시스템으로 공급되는 가스의 가열원으로 활용한 경우의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도가 963K로 가장 높음을 알 수 있었다. 또한 엔진의 출력(배기가스의 유량)은 연료전지 스택으로 공급되는 가스의 온도에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the operating temperature of Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) is high, the heat management of the gases supplied to fuel cell system is important. In this paper, the temperature characteristic of the gases supplied to the anode and the cathode of the fuel cell is studied in case of utilizing the w...

주제어

#선박   #고체산화물형 연료전지   #이코노마이저   #열관리   #배기가스  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 선박 배기가스의 폐열을 선박 전원용 500kW급 SOFC 시스템으로 공급되는 연료, 가스 및 물을 가열하는 열원으로 활용한 경우의 연료전지 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도특성에 관하여 검토하였다. 연료전지 단독 시스템의 배기라인을 선박의 이코노마이저로 연결하여 연료전지 배기가스만으로 연료전지로 공급되는 가스의 가열원으로 활용한 경우와 연료전지의 배기가스에 추가적으로 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 활용한 경우에 대하여 엔진 배기가스 유량 및 온도에 따른 연료전지 공급가스의 온도특성에 관하여 검토하였다.
  • 본 연구에서는 선박 배기가스의 폐열을 선박 전원용 500kW급 SOFC 시스템으로 공급되는 연료, 가스 및 물을 가열하는 열원으로 활용한 경우의 연료전지 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도특성에 관하여 검토하였다. 연료전지 단독 시스템의 배기라인을 선박의 이코노마이저로 연결하여 연료전지 배기가스만으로 연료전지로 공급되는 가스의 가열원으로 활용한 경우와 연료전지의 배기가스에 추가적으로 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 활용한 경우에 대하여 엔진 배기가스 유량 및 온도에 따른 연료전지 공급가스의 온도특성에 관하여 검토하였다.

가설 설정

  • 현재 선박에 탑재되어 운전되고 있는 엔진의 사양 및 운전범위가 다양하기 때문에 본 연구에서는 선박 엔진의 출력에 따른 배기가스 유량의 평균치를 사용하여 출력 1kW당 엔진 배기가스의 유량을 10(kg/h)로 가정하였다. 또한 선박 엔진의 배기가스 온도는 엔진의 운전 상태에 따라 변동이 가능하기 때문에 이코노마이저로 공급되는 엔진 배기가스의 온도를 543K, 583K, 623K로 가정하여 계산을 수행하였다. 계산 결과는 전체 시스템이 안정화되어 온도변화가 없는 상태에서의 값을 나타내고 있다.
  • 본 연구에서의 연료전지 시스템 운전의 기본적인 조건은 SOFC 시스템에서 500kW의 출력을 얻기 위하여 메탄 공급유량은 0.024(kg/s), 공기 공급유량은 0.6(kg/s), 물 공급유량은 0.07(kg/s), 메탄과 공기 및 물의 공급 온도는 298.15(K), 압력은 320(kPa)이고 터빈의 출구 압력은 101(kPa)로 가정하여 계산을 수행하였다[10].
  • 연료전지 스택으로 공급되는 가스온도는 연료전지 출구측에 위치한 3-Way 밸브에서 애노드 및 캐소드 온도가 동일하게 유지되도록 제어되기 때문에 연료전지로 공급되는 애노드 및 캐소드의 가스 온도를 의미한다. 선박 엔진의 배기가스 온도는 각각의 엔진 출력(1MW, 3MW, 5MW, 10MW, 30MW, 50MW)에 대하여 엔진의 운전 상태에 따라 변동이 가능하기 때문에 543K, 583K, 623K로 가정하여 계산을 수행하였다.
  • 애노드와 캐소드 측으로 공급되어진 가스는 연료전지 스택 내부의 화학반응에 의해서 소비되고, 화학반응이 이루어지지 않은 메탄과 개질반응으로 발생된 수소 중의 미 반응 가스는 스택 출구에서 합쳐져서 연소기로 공급된다. 연료전지 스택에서 배출되는 미연소가스인 메탄과 수소는 연소기에서 전부 연소가 이루어진다. 연소기에서 연소된 가스를 이용하여 터빈을 구동하여 전력을 얻고 고온의 가스는 3-Way 밸브로 이동한다.
  • Table 1은 선박의 주기관(Main Engine) 및 발전기 (Generator Engine)의 엔진 출력에 따른 배기가스 유량의 샘플을 보여주고 있다. 현재 선박에 탑재되어 운전되고 있는 엔진의 사양 및 운전범위가 다양하기 때문에 본 연구에서는 선박 엔진의 출력에 따른 배기가스 유량의 평균치를 사용하여 출력 1kW당 엔진 배기가스의 유량을 10(kg/h)로 가정하였다. 또한 선박 엔진의 배기가스 온도는 엔진의 운전 상태에 따라 변동이 가능하기 때문에 이코노마이저로 공급되는 엔진 배기가스의 온도를 543K, 583K, 623K로 가정하여 계산을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
엔진의 출력이 낮은 경우가 출력이 높을 경우보다 이코노마이저의입‧출구 가스 온도차가 높고, 엔진출력이 50MW의 경우 이코노마이저 입‧출구 가스의 온도차가 2K 정도로 거의 변화가 없는 이유는? 엔진의 출력이 낮은 경우가 출력이 높을 경우보다 이코노마이저의입‧출구 가스 온도차가 높고, 엔진출력이 50MW의 경우 이코노마이저 입‧출구 가스의 온도차가 2K 정도로 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 연료전지의 배기가스와 엔진의 배기가스 폐열로부터 연료전지 스택으로 공급되는 가스로 일정량의 열이 손실되어도 배기가스의 유량이 증가하는 영향을 받아 이코노마이저 입‧출구 가스의 온도차는 작아지기 때문이다.
선박용으로 적용이 가능한 연료전지로는 어떤 것들이 있는가? 선박용으로 적용이 가능한 연료전지로는 고체고분자형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지 (MCFC) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC)가 있다.PEMFC는 상온에서의 기동이 가능하고 부피가 작기 때문에 레저보트, 어선, 유람선 등의 중∙소형 선박의 적용이 가능하다.
PEMFC는 레저보트, 어선, 유람선 등의 중∙소형 선박의 적용이 가능한 이유는? 선박용으로 적용이 가능한 연료전지로는 고체고분자형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지 (MCFC) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC)가 있다.PEMFC는 상온에서의 기동이 가능하고 부피가 작기 때문에 레저보트, 어선, 유람선 등의 중∙소형 선박의 적용이 가능하다. 반면 MCFC와 SOFC는 운전온도가 고온이고 부피가 크기 때문에 중대형 선박의 전원으로 적용이 가능하다.
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참고문헌 (12)

  1. International Maritime Organization(IMO), Report of the marine environment protection committee on its 65th session, 2013. 

  2. International Maritime Organization(IMO), Sub-committee on bulk liquids and gases 16th session, Development of international code safety for ships using gases or other low flashpoint fuels, Report of the correspondence group, 2011. 

  3. E. Fontell, "Wartsila fuel cell development program", The 8th annual Green Ship Technology Conference, 2011. 

  4. Fellowship project: www.vikinglady.no Accessed May 12, 2013. 

  5. e4ship project: www.e4ships.de Accessed May 12, 2013. 

  6. F. Zabihian, and A. Fung, "A review on modeling of hybrid solid oxide fuel cell systems", International Journal of Engineering(IJE), vol 3, no. 2, pp. 85-119, 2009. 

  7. C. Strazza, A. Del Borghi, P. Costamagna, A.Traverso, and M. Santin., "Comparative LCA of methanol-fuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships" Applied Energy, vol. 87, pp. 1670-1678, 2010. 

    상세보기 crossref

  8. L.-K Chung Tse, S. Wilkins, N. McGlashan, B. Urban, and R. Martinez-Botas, "Solid oxide fuel cell/gas turbine trigeneration system for marine applications" Journal of Power Sources, vol. 196, pp. 3149-3162, 2011. 

    상세보기 crossref

  9. W. Jiang, R. Fang, J.-A. Khan, and R.-A. Dougal, "Parameter setting and analysis of a dynamic tubular SOFC model" Journal of Power Sources, vol. 162, pp. 316-326, 2006. 

    상세보기 crossref

  10. S.-K. Park and M.-E. Kim, "A study on thermal management of stack supply gas of solid oxide fuel cell system for ship applications," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 6, pp. 765-772, 2011 (in Korean). [Online]. Available: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2011.35.6.765 

    원문보기 상세보기 crossref

  11. EUtech Scientific Engineering, Simulation Toolbox for the Design and Development of Thermodynamic System in MATLAB/Simulink, 2009. 

  12. Yinus A. Cengel, "Heat Transfer : A practical Approach", Korean Language Edition Copyright(C) 1999 by McGraw-Hill Book Co.-Sigapore, 1999. 

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