[논문]수중환경용 가압형 메탄올 연료프로세서의 최적운전 연구

지현진; 최은영; 이정훈

doi:10.7316/khnes.2016.27.5.485

수중환경용 가압형 메탄올 연료프로세서의 최적운전 연구
Optimal Operation Condition of Pressurized Methanol Fuel Processor for Underwater Environment 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.5, 2016년, pp.485 - 493

지현진 (국방과학연구소 제4기술연구본부 4부) , 최은영 (국방과학연구소 제4기술연구본부 4부) , 이정훈 (국방과학연구소 제4기술연구본부 4부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently submarine and unmanned underwater vehicle (UUV) are equipped with a fuel cell system as an air independent propulsion system. Methanol fuel processor can efficiently supply the hydrogen to the fuel cell system to improve the ability to dive. This study investigated the optimal conditions of the methanol fuel processor that may be used in the closed environment. For this purpose, the numerical model based on Gibbs minimization equation was established for steam reformer and three exhaust gas burners. After simulating the characteristics of steam reformer according to the steam-to-carbon ratio (SCR) and the pressure change, the SCR condition was able to narrow down to 1.1 to 1.5. Considering water consumption and the amount of heat recovered from three burners, the optimum condition of the SCR can be determined to be 1.5. Nevertheless, the additional heat supply is required to satisfy the heat balance of the methanol fuel processor in the SCR=1.5. In other to obtain additional amount of heat, the combustion of methanol is better than the increased of SCR in terms of system design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

메탄올 연료프로세서는 금속수소저장합금을 대체하고 잠수함 및 수중 무인체계의 잠항능력 향상시킬수 있는 기술로 고려되고 있다. 본 연구에서는 수중환경용 공기불요추진기관을 위한 메탄올 연료프로세서의 레이아웃을 제시하고, 0차원 해석을 통해 아래와 같은 설계 파라미터 분석 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 잠수함 및 UUV (unmanned under-water vehicle)와 같이 수중 밀폐환경에서 운용되는 무기체계에 있어, 공기불요추진기관용 연료전지 시스템을 위한 연료프로세서의 레이아웃을 제시하고, Matlab Simulink®를 사용하여 0차원 해석을 수행하였다.
5 범위 내에서 운전하는 것이 최적임을 유추할 수 있었다. 추가적으로 SCR이수증기 개질기 뿐만 아니라 전체 메탄올 연료프로세서에서의 최적운전에 미치는 영향을 분석해 보았다. 이를 위하여 SCR을 1.

가설 설정

Fig. 2의 모식도와 같이 개질기 모델은 입구측으로 공급되는메탄올 및 수증기에 대하여 반응 온도에서 화학반응이 평형상태에 도달하였다고 가정하고 생성물의 분율을 계산한다.
고온의 연소가스는 열교환기를 통해 촉매연소기#1 및 촉매연소기#2에서 300 ℃, 촉매연소기#3에서 80°C 까지 열회수 한다고 가정하였다.
H₂ 필터의 정제효율 n_filter은 식 (2)와 같이 표현될 수 있다. 본 연구에서는 정제효율을 0.85 라고 가정하였다.

제안 방법

이것은 시스템 레벨 관점에서 메탄올 연료프로세서와 연료전지 모듈의 설계 연관성을 최대한 분리시킴으로서 시스템 안전성과 정비성을 동시에 확보하기 위함이다. H₂ 필터에 의해 걸려진 잔여 개질가스는 완전히 H₂O와 CO₂ 형태로 전환시켜 배출할 수 있도록 다단 촉매연소기 개념을 도입하였다. 또한 모든 촉매연소기는 재료의 열적 내구성을 고려하여 연소가스가 700°C 수준이 되도록 O₂ 공급량을 제어하였다.
은 화학종의 단위 몰당 엔탈피를 의미한다. 각 구성요소에서 계산된 엔탈피는 산술식을 통해 열균형을 계산하였다.
를 연소시켜 열회수할 수 있도록 설계된다. 그러나 본 연구에서는 필터링 후 잔여 개질가스를 촉매연소기를 통해 연소시켜 열회수하도록 설계하였다. 이것은 시스템 레벨 관점에서 메탄올 연료프로세서와 연료전지 모듈의 설계 연관성을 최대한 분리시킴으로서 시스템 안전성과 정비성을 동시에 확보하기 위함이다.
그 중 메탄올은 다른 탄화수소 연료 대비 개질 가능 온도가 250～300°C 정도로 낮고, 탄소 대비 수소 비율이 1:4로 높으며, 취급이 용이하여 수중무기체계용 연료로 적합하다. 따라서 본 연구에서는 메탄올을 연료로 선택하여 연료프로세서를 구성하였다.
마지막으로 잔여 개질가스의 연소를 통해 촉매연소기#1～#3로부터 회수된 총열량과 반응물(메탄올 및 H2O) 기화 및 개질기 운전(275°C, 20 bar)을 위해 필요한 총열량을 비교하여 메탄올 연료프로세서 전체 열균형을 확인해 보았다.
본 연구에서는메탄올 개질용 상용촉매의 운전가능 온도 범위 및열공급 방법 등을 고려하여 개질온도를 275°C로 고정하여 연구를 수행하였다.
이를 통해 수증기 개질기의 운전 압력 및 SCR에 따른 생성물의 분율, 반응물 소모량 등을 예측하였다. 수증기 개질기의 결과를 바탕으로 메탄올 연료프로세서 전체 시스템에서 SCR 변화에 따른 산소 소모량, 전체 시스템 열균형 등과 같이 수중무기체계의 중요 설계 파라미터에 대해 분석하였다.
추가적으로 SCR이수증기 개질기 뿐만 아니라 전체 메탄올 연료프로세서에서의 최적운전에 미치는 영향을 분석해 보았다. 이를 위하여 SCR을 1.1에서 1.5까지 0.1씩 변화하면서 H₂ 생산량, O₂ 소비량, 열균형 등에 대해 시뮬레이션하였다. 이때 연료프로세서가 운용되는 수중환경을 고려하여 최대 개질압력을 20 bar로 설정하였다.
를 사용하여 0차원 해석을 수행하였다. 이를 통해 수증기 개질기의 운전 압력 및 SCR에 따른 생성물의 분율, 반응물 소모량 등을 예측하였다. 수증기 개질기의 결과를 바탕으로 메탄올 연료프로세서 전체 시스템에서 SCR 변화에 따른 산소 소모량, 전체 시스템 열균형 등과 같이 수중무기체계의 중요 설계 파라미터에 대해 분석하였다.
고온의 연소가스는 열교환기를 통해 촉매연소기#1 및 촉매연소기#2에서 300 ℃, 촉매연소기#3에서 80°C 까지 열회수 한다고 가정하였다. 촉매연소기#1～#3에서 회수한 열은 증발기 및 개질기에서 공급된 열과의 계산을 통해 전체 시스템 기준으로 열균형을 확인하였다.

데이터처리

프로그래밍을 통해 획득한 기체별 열역학적 특성은 NIST-JANAF (National Institute of Standards and Technology, Joint-Army-Navy-Air Force)에서 제공하는 데이터와 비교하여 신뢰성을 확인하였다.

이론/모형

연소기 모델 역시 수증기 개질기 모델과 동일하게 Gibbs 에너지 최소화 방법을 사용하여 생성물의 분율 및 열량을 계산하였다⁷⁾. 추가적으로 연소기 모델에서는 촉매 연소를 위하여 연소기 입구에서 순수O₂를 공급하였다.

성능/효과

1) 수증기 개질기는 H₂를 최대분압으로 획득하기 위해 SCR=0.7～0.8 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 물의 소비량이 증가하고 H₂의 분율이 감소하더라도 CO 분율 감소를 위하여 SCR=1.1～1.5조건에서 가능한 고압상태에서 운전하는 것이 H₂필터 성능 측면에서 유리하다.
2) SCR이 증가할 경우, 추가 공급되는 물이 기화되는데 필요한 열량 대비 촉매연소기#1～#3으로부터 회수되는 열량은 증가한다. 그럼에도 불구하고 SCR=1.
3) SCR=1.1～1.4까지는 배기가스에 H₂ 및 CO가 잔류해 있으므로 배기가스용 촉매연소기의 추가 설치하여 H₂O 및 CO₂로 전환이 반드시 필요하나, SCR=1.5부터는 촉매연소기#1～#3만으로도 충분히 전환시킬 수 있다. 다만 전체 시스템의 열균형을 위하여 메탄올 촉매연소기의 추가설치를 통한 열량공급이 필요하다.
개질기 모델의 파라미터 연구를 통해 메탄올 연료프로세서용 수증기 개질기는 최대 가압상태에서 개질온도 275°C, SCR=1.1～1.5 범위 내에서 운전하는 것이 최적임을 유추할 수 있었다.
결과의 정확도를 향상시키기 위하여 모든 구성품에 대한 물리·화학적현상을 고차원의 수학적 모델로 표현할 수 있으나, 시뮬레이션 수행 시 과도한 연산 시간이 소모될 수있으며 대수의 루프(algebraic loops)에 따른 치명적인 오류가 발생할 확률이 높다.
결론적으로 메탄올 수증기 개질기는 H₂를 최대분압으로 획득하기 위해 SCR=0.7～0.8 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 해당조건에서 CO의 몰분율이 7.5～10.1% 수준으로 H₂ 필터 성능 감소의 원인이 될 수 있다. 따라서 물의 소비량이 증가하고 H₂의분율이 감소하더라도 CO 분율의 감소를 위하여 SCR=1.
회수된열은 반응물을 기화시키거나 수증기 개질기의 열원으로 사용된다. 또한 각 촉매연소기에서 획득한 열량 및 O₂ 소비량의 비교를 통해 촉매연소기#1은 촉매연소기#3 대비 30% 이상의 용량 증대가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
915몰) 증가하여 SCR 변화에 관계없이 거의 유사한 값을 가졌다. 이에 반해 CO는 0.146 몰(SCR=1.1)에서 0.076 몰(SCR=1.5)로 52.05% 감소하였고, H₂O는 0.267 몰(SCR=1.1)에서 0.585 몰(SCR=1.5)로 119.10% 증가하여 상대적으로 높은 변화율을 보여주었다. 또한 SCR이 증가함에 따라 메탄올 공급 몰수 대비 생성되는 가스의 전체몰수도 4.

후속연구

이것은 상대적으로 낮은 SCR 조건에서는 잔여가스의 열용량도 작아지므로 촉매연소기에서 700°C까지 상승하기 위한 필요 열량과 이에 해당하는 O₂ 소모량도 동시에 감소하기 때문이다. 결론적으로 SCR=1.1 조건에서는 열회수량을 증가시키고 잔여가스를 모두 H₂O와 CO₂로 전환시키기 위해서라도 추가적인 촉매연소기 설치가 필요하였다.
5 조건에서와 같이 촉매연소기#3의 배기가스는 이미 잔여 H₂ 및 CO양이 이미 희박한 상태이므로 촉매연소기를 추가 설치하더라도 SCR 증가만으로는 열량 획득을 기대하기 어렵다. 결론적으로 메탄올 연료프로세서의 전체 열균형을 만족시키기 위해서는 추가적인 메탄올 연료를 직접 연소시켜 부족한 열량만큼을 획득될 수 있도록 설계해야 한다. 특히 메탄올 연료프로세서의 초기 시동까지 고려한다면, 메탄올 촉매연소기의 설치는 반드시 필요하다고 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지란?	연료전지는 연료인 H2와 산화제인 O2를 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜주는 에너지 변환장치로써, 에너지 변환 효율이 높고 소음 및 진동이 없으며 친환경적이라는 장점이 있다. 이러한 이유로 미국과 유럽 등의 선진국에서는 연료전지가기존의 내연기관을 대체할 뿐만 아니라 대기오염 문제를 해결할 수 있는 차세대 동력장치로 고려되고 있다1).
	연료프로세서에서 메탄올이 적합한 이유는?	연료프로세서는 메탄올, 부탄, 가솔린, 디젤 등과같은 탄화수소계열의 연료가 사용될 수 있다. 그 중메탄올은 다른 탄화수소 연료 대비 개질 가능 온도가 250～300°C 정도로 낮고, 탄소 대비 수소 비율이 1:4로 높으며, 취급이 용이하여 수중무기체계용 연료로 적합하다. 따라서 본 연구에서는 메탄올을 연료로 선택하여 연료프로세서를 구성하였다.
	미국과 유렵 등의 선진국에서 연료전지가 기존의 내연기관을 대체할 뿐만 아니라 대기오염 문제를 해결할 수 있는 차세대 동력장치로 고려되는 이유는?	연료전지는 연료인 H2와 산화제인 O2를 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜주는 에너지 변환장치로써, 에너지 변환 효율이 높고 소음 및 진동이 없으며 친환경적이라는 장점이 있다. 이러한 이유로 미국과 유럽 등의 선진국에서는 연료전지가기존의 내연기관을 대체할 뿐만 아니라 대기오염 문제를 해결할 수 있는 차세대 동력장치로 고려되고 있다1).

참고문헌 (10)

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상세보기
Krummrich S, and Llabres J., "Methanol reformer-The next milestone for fuel cell powered submarines", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 15, 2015, p. 5482-5486.

상세보기
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상세보기
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Rajeev Gautam and Warren D. Seider, "Computation of phase and chemical equilibrium: Part I. Local and constrained minima in Gibbs free energy", AIChE Journal, Vol. 25, Issue 6, 1979, p.991-999.

상세보기
Gordon S, and McBride BJ., "Computer program for calculation of complex chemical equilibrium compositions and application; I. Analysis", NASA, 1994.
McBride BJ, Zehe MJ, and Gordon S., "NASA Glenn Coefficients for Calculating Thermodynamic Properties of Individual Species", NASA, 2002.
NIST-JANAF Thermochemical Tables, NIST, 2013.

저자의 다른 논문 :

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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