[논문]용융탄산염연료전지 및 주변기기의 동적시뮬레이션

성태홍; 김경천

doi:10.3795/ksme-b.2014.38.2.121

[국내논문] 용융탄산염연료전지 및 주변기기의 동적시뮬레이션
Dynamic Simulation of Molten Carbonate Fuel Cell and Mechanical Balance of Plant 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.2 = no.341, 2014년, pp.121 - 128

초록
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본 연구의 목적은 용융탄산염연료전지와 같은 고온연료전지에 동반하는 기계적 주변기기의 타당성을 검토할 수 있는 동적 시뮬레이션 모델을 개발하는 것이다. 연료전지를 운송수단과 같은 독립적인 동력기관에서 사용하기 위해서는 동반하는 기계적 주변기기를 최적화 및 소형화할 필요가 있다. 본 연구에서는 유입가스의 조성, 압력, 유량 및 스택의 온도에 따른 용융탄산염연료전지 내부의 화학반응의 동적 모델링을 구현하고 정상상태 시뮬레이션을 수행하여 실험결과와 비교 분석하였다. 또 연료전지의 전류밀도 제어에 따른 on/off 시뮬레이션을 수행하여 동적 시뮬레이션 모델의 타당성을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop a simulation bed for the mechanical balance of plants of high temperature fuel cells such as molten carbonate fuel cells. For using fuel cells in transportation, the optimization of the balance of plants should be considered. In this study, the dynamic model of a molten carbonate fuel cell and the model's responses to inlet gas composition, pressure, flow rate, and stack temperature were analyzed. On/off simulation was performed for testing the dynamic model's feasibility. The simulation results are in reasonable agreement with the experimental results from published literatures.

Keyword

AI 본문요약
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제안 방법

이 연구에서는 동적 용융탄산염 연료전지 모델을 기초로 MATLAB/Simulink 패키지를 이용하여 운송기관용 기계적주변기기의 타당성을 검토할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구축하고 제안된 기계적주변기기 모델에 대해 on/off 모드의 응답특성에 대한 동적시뮬레이션을 수행하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결과는 향후 선박 적용을 포함한 다양한 운송기관의 연료전지적용 연구에서 특수한 주변기기의 타당성 평가 연구에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
전처리기는 저온개질과정을 통해 연료에 존재하는 에탄과 프로판을 전환하는 장치이다. 전처리기에서 발생하는 에탄과 프로판의 개질과정은 즉시 완전 반응하여 전처리기를 통과한 기체에는 메탄을 제외한 고분자 탄화수소가 제거되도록 모델링하였다.
양극 산화기의 역할은 음극에서 재순환된 배기가스의 잔류 연료를 산화시키는 것이다. 전처리기와 마찬가지로 잔존 메탄이 산화기를 통과하는 과정에서 즉시 완전 반응하여 산화기 후단에는 탄화수소가 제거되도록 모델링하였다.
블로워는 연료전지의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다. 제어에 따라서 양극과 음극에 일정한 압력을 공급하도록 모델링하였다.
모델링한 연료전지의 타당성을 검토하기 위하여 Table 1 과 같이 정상 작동 조건을 설정하여 시뮬레이션을 수행하고 산타클라라에서 수행한 2MW 연료전지 실험 데이터와 비교 검증하였다.⁽¹³⁾
모델 MBOP의 동적 시뮬레이션 가능성을 평가하기 위하여 전류밀도 on/off 상황을 시뮬레이션 하였다. 시스템의 과도 응답 특성을 분석하기 위하여 Fig.
모델 MBOP의 동적 시뮬레이션 가능성을 평가하기 위하여 전류밀도 on/off 상황을 시뮬레이션 하였다. 시스템의 과도 응답 특성을 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 600초의 간격을 두고 전류밀도를 0.15 A/cm²에서 시작하여 초당 0.01 A/cm²의 전류밀도를 증감시켰다.
본 연구에서는 연료전지 양극과 음극의 입구 공기의 조성비, 압력, 온도, 유량 변화에 따라 연료전지 출구 공기의 조성비, 출력 전압, 스택 온도, 압력 변화를 예측 할 수 있는 동적 모델에 주요 연료전지주변기기인 산화기, 스팀생성기, 블로워를 결합 및 시험할 수 있는 모델을 구현하였다. 구현된 시뮬레이션 모델을 이용하여 작동 변수가 스택에 미치는 영향을 시험하고 기존 연구 문헌의 자료와 비교 분석하였다.
본 연구에서는 연료전지 양극과 음극의 입구 공기의 조성비, 압력, 온도, 유량 변화에 따라 연료전지 출구 공기의 조성비, 출력 전압, 스택 온도, 압력 변화를 예측 할 수 있는 동적 모델에 주요 연료전지주변기기인 산화기, 스팀생성기, 블로워를 결합 및 시험할 수 있는 모델을 구현하였다. 구현된 시뮬레이션 모델을 이용하여 작동 변수가 스택에 미치는 영향을 시험하고 기존 연구 문헌의 자료와 비교 분석하였다. 또 구현된 시뮬레이션 모델의 on/off 시뮬레이션을 수행하였다.
구현된 시뮬레이션 모델을 이용하여 작동 변수가 스택에 미치는 영향을 시험하고 기존 연구 문헌의 자료와 비교 분석하였다. 또 구현된 시뮬레이션 모델의 on/off 시뮬레이션을 수행하였다. 개발된 시뮬레이션 모델을 이용하여 기계적 주변기기의 운송수단 적용 타당성은 물론, 화학 조성비와 온도 압력과 같은 열역학적 환경에 영향을 미치는 다양한 대기 및 해양 환경의 연료전지 적합성 평가에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

대상 데이터

연료공급기와 스팀발생기를 제어하여 스팀 연료비를 제어할 수 있다. 각 요소를 직접 제어할 수 있도록 연료공급기와 스팀발생기를 모델링하고 시뮬레이션에는 Brunei산 천연가스(메탄 0.91, 에탄 0.05, 프로판 0.02)를 적용하였다.

이론/모형

연료전지의 출력변화는 Nernst 방정식을 통해서 스택의 작동온도와 공급기체의 몰분율에 따른 전압변화를 포함하는 연료전지 내부의 손실을 계산하여 구한다. ^(7,10,11)

성능/효과

음극과 양극의 몰분율 평형 도달 값과 실험 결과 비교 값이 각각 Table 2와 Table 3에 나타나 있다. 시뮬레이션이 안정화된 이후 연료전지의 음극과 양극 출구의 화학 요소 조성의 실험값과 시뮬레이션 값의 차이는 최대 16% 이내인 것을 확인할 수 있다.
8의 물의 몰분율 변화를 보면 CO₂가스의 순환과정에 따라서 음극에서 발생한 가스가 양극으로 유입됨에 따라서 변화한다. 결과적으로 Fig. 6에서 관찰할 수 있는 스택 전압의 변화는 음극 화학 요소의 몰분율 변화에 영향을 받아 발생한 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이 연구에서는 동적 용융탄산염 연료전지 모델을 기초로 MATLAB/Simulink 패키지를 이용하여 운송기관용 기계적주변기기의 타당성을 검토할 수 있는 시뮬레이션 모델을 구축하고 제안된 기계적주변기기 모델에 대해 on/off 모드의 응답특성에 대한 동적시뮬레이션을 수행하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결과는 향후 선박 적용을 포함한 다양한 운송기관의 연료전지적용 연구에서 특수한 주변기기의 타당성 평가 연구에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
또 구현된 시뮬레이션 모델의 on/off 시뮬레이션을 수행하였다. 개발된 시뮬레이션 모델을 이용하여 기계적 주변기기의 운송수단 적용 타당성은 물론, 화학 조성비와 온도 압력과 같은 열역학적 환경에 영향을 미치는 다양한 대기 및 해양 환경의 연료전지 적합성 평가에 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	용융탄산염 연료전지는 무엇으로 구성되어 있는가?	용융탄산염 연료전지는 Fig. 1과 같이 음극, 양극, 내부개질기, 전해질의 4가지 부분으로 구성되어 있다. (8,9)
	용융탄산염연료전지의 상용화에서 내구성 문제를 회피하는 방법은 무엇인가?	한 가지는 연료전지의 낮은 on/off 내구성이고 다른 한가지는 연료전지에 동반하는 주변기기 시설의 규모 문제이다. 용융탄산염연료전지의 상용화는 분산형 전력발전과 같이 on/off 수요가 적은 분야에 적용하면 내구성 문제를 회피할 수 있다. 마찬가지로 연료전지의 운송기관 적용에서도 상시 수요의 기저전력을 목표로 연료전지를 적용하면 친환경성과 고효율의 동력 시스템으로 사용할 수 있다.
	용융탄산염 연료전지의 운송기관 적용에 두 가지 문제점은 무엇인가?	이러한 용융탄산염 연료전지의 운송기관 적용에는 두 가지 중대한 문제가 존재한다. 한 가지는 연료전지의 낮은 on/off 내구성이고 다른 한가지는 연료전지에 동반하는 주변기기 시설의 규모 문제이다. 용융탄산염연료전지의 상용화는 분산형 전력발전과 같이 on/off 수요가 적은 분야에 적용하면 내구성 문제를 회피할 수 있다.

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Fuel Cell Engineeing Corporation, 1997, "Santa Clara 2-MW Fuel Cell Demonstration Power Plant Test Report," prepared for EPRI, TR-108252, USA.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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