박상균
(Division of Marine Information Technology, Korea Maritime and Ocean University)
,
이주희
(Space Science Research Team, Korea Aerospace Research Institute)
,
박정대
(Maritime Safety Reserarch Center, Korea Ship Safety Technology Authority)
,
최재혁
(Division of Marine System Engineering, Korean Maritime and Ocean University)
본 연구는 SOFC/GT(Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine)시스템의 SOFC 스택으로 공급되는 공기, 메탄 및 물의 유량변화에 따른 SOFC/GT시스템의 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 특성에 관하여 조사하였다. 이 때 SOFC 스택의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스 온도는 외부 열원의 추가 없이 시스템에서 배출되는 배기가스를 활용하여 일정하게 유지하였다. 그 결과 본 연구의 범위 내에서 외부 열원의 추가 없이 SOFC/GT시스템의 배기가스를 활용하여 SOFC 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 가스 공급온도를 1000(K)로 일정하게 유지하는 것이 가능하였다. 시스템 효율은 공급 공기 유량은 많을수록, 공급 메탄 유량은 적을수록 높아짐을 알 수 있었고, 터빈으로 공급되는 배기 가스의 유량이 시스템 효율에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, SOFC/GT시스템의 운전 조건에 따라서 SOFC 스택 효율은 51~57%, 시스템 효율은 57~73%의 값을 얻을 수 있었다.
본 연구는 SOFC/GT(Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine)시스템의 SOFC 스택으로 공급되는 공기, 메탄 및 물의 유량변화에 따른 SOFC/GT시스템의 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 특성에 관하여 조사하였다. 이 때 SOFC 스택의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스 온도는 외부 열원의 추가 없이 시스템에서 배출되는 배기가스를 활용하여 일정하게 유지하였다. 그 결과 본 연구의 범위 내에서 외부 열원의 추가 없이 SOFC/GT시스템의 배기가스를 활용하여 SOFC 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 가스 공급온도를 1000(K)로 일정하게 유지하는 것이 가능하였다. 시스템 효율은 공급 공기 유량은 많을수록, 공급 메탄 유량은 적을수록 높아짐을 알 수 있었고, 터빈으로 공급되는 배기 가스의 유량이 시스템 효율에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다. 또한, SOFC/GT시스템의 운전 조건에 따라서 SOFC 스택 효율은 51~57%, 시스템 효율은 57~73%의 값을 얻을 수 있었다.
In this research, the characteristics of SOFC/GT (Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine) system temperature, stack power and system efficiency for flow rates of air, CH4 and water supplied to SOFC stack have been investigated. The temperature of the gas supplied to cathode and anode of SOFC stack in the...
In this research, the characteristics of SOFC/GT (Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine) system temperature, stack power and system efficiency for flow rates of air, CH4 and water supplied to SOFC stack have been investigated. The temperature of the gas supplied to cathode and anode of SOFC stack in the SOFC/GT system are maintained by utilizing exhaust gas without the addition of external heat source. As a result, within the scope of this study, temperatures of gas supplied to cathode and anode of SOFC stack were maintained at 1000 (K) by utilizing the exhaust gas of the SOFC/GT system without the addition of external heat source. The system efficiency is increased with increase of air flow rate supplied to the stack and with decrease of $CH_4$ flow rate supplied to the stack. In addition, it can be found that the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine had a significant effect on the system efficiency. And the efficiencies of SOFC stack and SOFC/GT system depending upon various operating conditions of the SOFC/GT system is 51~57% and 57~73%, respectively.
In this research, the characteristics of SOFC/GT (Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine) system temperature, stack power and system efficiency for flow rates of air, CH4 and water supplied to SOFC stack have been investigated. The temperature of the gas supplied to cathode and anode of SOFC stack in the SOFC/GT system are maintained by utilizing exhaust gas without the addition of external heat source. As a result, within the scope of this study, temperatures of gas supplied to cathode and anode of SOFC stack were maintained at 1000 (K) by utilizing the exhaust gas of the SOFC/GT system without the addition of external heat source. The system efficiency is increased with increase of air flow rate supplied to the stack and with decrease of $CH_4$ flow rate supplied to the stack. In addition, it can be found that the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine had a significant effect on the system efficiency. And the efficiencies of SOFC stack and SOFC/GT system depending upon various operating conditions of the SOFC/GT system is 51~57% and 57~73%, respectively.
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문제 정의
본 연구는 앞으로 선박 전원으로 적용이 기대되는 SOFC/GT시스템에 대하여 SOFC 스택의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스 온도를 외부 열원의 추가 없이 SOFC/GT 시스템에서 배출되는 배기가스를 활용하여 1000(K)로 일정하게 유지하기 위하여 버너 출구부와 터빈 출구부에 각각 3-Way 밸브를 설치하여 공급가스의 가열원으로 사용되는 배기가스의 유량을 조절하는 시스템을 제안하였다. 특히 이 SOFC/GT 시스템에서 SOFC 스택으로 공급되는 공기, 메탄 및 물의 유량에 따른 연료전지 시스템 온도 특성, 스택 출력 특성 및 시스템 효율 특성에 관하여 조사하였다.
본 연구에서 SOFC 스택의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스 온도를 외부 열원의 추가 없이 연료전지 시스템의 배기가스를 활용하여 1000(K)로 일정하게 유지하기 위하여 버너 출구부와 터빈 출구부에 가각 3-Way 밸브를 설치하여 공급가스의 가열원으로 사용되는 배기가스의 유량을 조절하는 시스템을 제안하여 SOFC 스택으로 공급되는 공기, 메탄 및 물의 유량에 따른 다양한 특성에 관하여 검토하여 본 연구의 계산 범위 내에서 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구는 앞으로 선박 전원으로 적용이 기대되는 SOFC/GT시스템에 대하여 SOFC 스택의 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스 온도를 외부 열원의 추가 없이 SOFC/GT 시스템에서 배출되는 배기가스를 활용하여 1000(K)로 일정하게 유지하기 위하여 버너 출구부와 터빈 출구부에 각각 3-Way 밸브를 설치하여 공급가스의 가열원으로 사용되는 배기가스의 유량을 조절하는 시스템을 제안하였다. 특히 이 SOFC/GT 시스템에서 SOFC 스택으로 공급되는 공기, 메탄 및 물의 유량에 따른 연료전지 시스템 온도 특성, 스택 출력 특성 및 시스템 효율 특성에 관하여 조사하였다.
가설 설정
여기서, F는 Faraday Constant(C), H2은 반응수소 몰유량 (mol/s), n은 셀의 수(-)이다. 또한, SOFC 스택은 750셀, 수소 변환율 0.85, 단셀의 반응면적은 0.35(m2)으로 가정하였다. 연료전지 스택 내부에서 반응되지 않고 배출되는 메탄과 수소는 다음의 평형식에 의해서 연소기에서 완전히 연소된다.
본 연구에서의 연료전지 시스템 운전의 기본 조건은 공기 공급 유량은 0.6(kg/s), 메탄 공급 유량은 0.024(kg/s), 물 공급 유량은 0.07(kg/s), 공기와 메탄 및 물의 공급 온도는 298.15(K), 출구 압력은 0.304(MPa)이고 터빈의 출구 압력은 0.101(MPa)로 가정하여 계산을 수행하였다. 공기, 메탄 및 물의 공급 유량의 변화에 따른 각각의 계산을 수행할 때 나머지 2가지 조건은 기본 조건의 값으로 설정하였다.
압축기는 연료전지로 공급되는 공기와 메탄을 공급하며 등엔트로피 압축, 질량유량에 따른 등엔트로피 효율은 80%로 일정하다고 가정하였다. 압축기를 구동하는데 필요한 일(W)은 다음과 같이 정의된다[13]
소비되지 않은 메탄과 수소 가스는 스택 출구에서 합쳐져서 연소기로 공급되어진다. 연소기에서 메탄과 수소는 완전 연소가 이루어지는 것으로 가정하였다.
터빈에서는 연소기에서 배출되는 고온 고압의 가스가 터빈을 통과하여 동력 출력을 발생하며, 등엔트로피 팽창, 질량 유량에 따른 등엔트로피 효율은 80%로 일정하다고 가정하였다. 터빈에서의 동력 출력(W)은 다음과 같이 정의된다[13].
펌프는 메탄의 개질반응에 필요한 물을 공급하는 역할을 하며 등엔트로피 압축, 질량유량에 따른 펌프 효율은 80%로 일정하다고 가정하였다. 펌프를 구동하는데 필요한 일(W)은 다음과 같이 정의되며, 펌프 출구의 엔탈피는 펌프 입구의 엔탈피와 펌프를 구동하는데 필요한 일의 합으로 계산된다[13].
제안 방법
본 연구에서의 스택 전류 및 전압의 계산은 SOFC 스택 내부의 수소 몰(mol)수가 결정되면 전류(A)가 계산되고 여기에 따라서 전류밀도(A/m2 )가 정해지고 전압(V)가 결정되어진다. 또한, 본 연구에서는 다양한 스택의 운전온도에 따른 I-V값을 입력항으로 설정하지 않았다. 따라서 SOFC 스택의 전압은 스택 내부의 수소 몰수에 영향을 받기 때문이다.
본 연구에서 구성된 연료전지 시스템은 SOFC 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 가스 공급온도를 1000(K)로 일정하게 유지하기 위하여 버너 출구부와 터빈 출구부에 각각 3-Way 밸브를 설치하여 가스의 유량을 조절하고 있다.
본 연구에서 제안된 메탄을 연료로 사용하는 내부개질형 고체산화물형 연료전지 시스템은 SOFC 스택에서 배출되는 미반응 가스를 연소기에서 연소하여 발생한 연소열을 활용하여 애노드 및 캐소드로 공급되는 가스의 온도를 1000(K) 일정하게 유지하기 위한 가열원으로 활용하기 위하여 버너 출구부와 터빈 출구부에 각각 3-Way 밸브를 설치하여 가스의 유량을 조절할 수 있도록 제안하였다.
본 연구에서는 Matlab/Simulink 및 Thermolib을 활용하여 연료전지, 압축기, 열교환기, 펌프, 버너 및 터빈 등의 개별 모델을 개발하여 연료전지 시스템을 구축하였다. 연료전지 시스템의 개별 기기들의 질량과 에너지 보존은 다음과 같이 정의된다[13].
이론/모형
열교환기는 유용도-NTU법을 기반으로 동심관에 대한 대향유동으로 설정하여 계산을 수행하였다[13][14].
성능/효과
(1) 본 연구 범위에서 연료전지 시스템의 운전 조건에 따라서 SOFC 스택 효율은 51∼57%, 시스템 효율은 57∼73%의 값을 얻을 수 있었다.
(2) 본 연구에서 제안한 연료전지 시스템에서는 공급 공기 유량은 많을수록, 공급 메탄 유량은 적을수록 시스템 효율이 높아짐을 알 수 있고, 터빈으로 공급되는 가스 유량이 시스템 효율에 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
(3) 메탄 공급 유량이 증가하면 SOFC 스택 전압은 감소하고 전류는 증가하여 출력은 증가하지만 스택 효율은 감소하며, 공급 공기와 물의 영향은 스택 출력 및 효율에 큰 영향을 미치지 않는다.
(4) 본 연구 범위에서 외부 열원의 추가 없이 연료전지 시스템의 배기가스를 활용하여 SOFC 스택으로 공급 되는 애노드 및 캐소드 가스 공급온도를 1000(K)로 일정하게 유지하는 것이 가능하였고, 외기로 버려지는 배기가스의 최저 온도가 약 601(K)의 고온의 열이므로 이를 활용하여 연료전지 전체 시스템 효율을 높일 수 있는 개량된 시스템의 연구가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
참고문헌 (14)
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Korean Register of Shipping, "KR Technical Report 2012", 2012.
E. Fontell, "Wartsila Fuel Cell Development Program," The 8th annual Green Ship Technology Conference, 2011.
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e4ship project, www.e4ships.de, Accessed August 05, 2015.
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.
S. K. Park "A study on temperature characteristic of the gases supplied to SOFC system by utilizing the ship exhaust gas," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 822-828, 2013 (in Korean).
F. Zabihian and A. Fung, "A review on modeling of hybrid solid oxide fuel cell systems," International Journal of Engineering, vol 3, no. 2, pp. 85-119, 2009.
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.
L. K C. Tse, S. Wilkins, N. McGlashan, B. Urban, and R. M. Botas, "Solid oxide fuel cell/gas turbine trigeneration system for marine applications," Journal of Power Sources, vol. 196, no. 6, pp. 3149-3162, 2011.
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, no. 1, pp. 316-326, 2006.
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).
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