건물용 연료전지 시스템은 공기와 수소의 전기화학반응을 통하여 전기와 열을 생산하는 신재생에너지 시스템이다. 국내의 건물용 연료전지 시스템은 매년 수백기가 판매될 정도로 진행이 되고 있으며, 건물용 연료전지 시스템내에 많은 부품이 국내제품이 아닌 외국 제품에 의존하고 있다. 건물용 연료전지시스템의 중요부품인 연료처리장치를 한국가스공사에서 개발하여 현재 장기내구성 평가를 진행하고 있으며, 국내외에서 개발된 연료승압 블로워를 평가하고, 한국가스공사의 연료처리장치와 BOP와 연계하여 평가를 진행하였다. 한국가스공사에서 개발된 연료처리장치는 76%이상의 효율과 3,000시간 운영에도 일정한 성능을 유지하는 것을 확인할 수 있었고, 국내에서 개발된 연료승압 블로워는 후단압력 및 온도에 따른 소비전력의 평가시 국외의 연료승압 블로워와 대등한 특성을 나타내었으며, 연료처리장치와 BOP가 연계된 연료처리장치 모듈평가시에도 우수한 성능을 나타내었다.
건물용 연료전지 시스템은 공기와 수소의 전기화학반응을 통하여 전기와 열을 생산하는 신재생에너지 시스템이다. 국내의 건물용 연료전지 시스템은 매년 수백기가 판매될 정도로 진행이 되고 있으며, 건물용 연료전지 시스템내에 많은 부품이 국내제품이 아닌 외국 제품에 의존하고 있다. 건물용 연료전지시스템의 중요부품인 연료처리장치를 한국가스공사에서 개발하여 현재 장기내구성 평가를 진행하고 있으며, 국내외에서 개발된 연료승압 블로워를 평가하고, 한국가스공사의 연료처리장치와 BOP와 연계하여 평가를 진행하였다. 한국가스공사에서 개발된 연료처리장치는 76%이상의 효율과 3,000시간 운영에도 일정한 성능을 유지하는 것을 확인할 수 있었고, 국내에서 개발된 연료승압 블로워는 후단압력 및 온도에 따른 소비전력의 평가시 국외의 연료승압 블로워와 대등한 특성을 나타내었으며, 연료처리장치와 BOP가 연계된 연료처리장치 모듈평가시에도 우수한 성능을 나타내었다.
The small commercial fuel cell is a new energy system that produces electricity and heat through electrochemical reaction between air and hydrogen. In Korea, hundreds of domestic small commercial fuel cell systems have been installed and operated every years and many parts in fuel cell systems depen...
The small commercial fuel cell is a new energy system that produces electricity and heat through electrochemical reaction between air and hydrogen. In Korea, hundreds of domestic small commercial fuel cell systems have been installed and operated every years and many parts in fuel cell systems depend on overseas products. KOGAS(Korea Gas Corporation) has developed the fuel processor which is an important part of fuel cell system and has evaluated the long-term durability. And KOGAS has evaluated domestic and overseas NG blower and fuel processor connected to NG blower. The fuel processor developed by KOGAS have maintained an efficiency of 76% and constant performance over 3,000 hours. The NG blower developed in Korea showed similar characteristics as overseas NG blower in the evaluation of power consumption according to rear pressure and outside temperature. The fuel processor module, fuel processor connected to BOP showed excellent performance.
The small commercial fuel cell is a new energy system that produces electricity and heat through electrochemical reaction between air and hydrogen. In Korea, hundreds of domestic small commercial fuel cell systems have been installed and operated every years and many parts in fuel cell systems depend on overseas products. KOGAS(Korea Gas Corporation) has developed the fuel processor which is an important part of fuel cell system and has evaluated the long-term durability. And KOGAS has evaluated domestic and overseas NG blower and fuel processor connected to NG blower. The fuel processor developed by KOGAS have maintained an efficiency of 76% and constant performance over 3,000 hours. The NG blower developed in Korea showed similar characteristics as overseas NG blower in the evaluation of power consumption according to rear pressure and outside temperature. The fuel processor module, fuel processor connected to BOP showed excellent performance.
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문제 정의
이에 국내 시스템 제작사와 국내 BOP 제작업체가 협력하여 건물용 연료전지 시스템에 적합한 BOP 를 개발하는 과제를 진행중으로, 그중에서 한국가 스공사에서 개발중인 건물용 연료전지용 연료처리 장치와 연료승압 블로워의 결과를 중심으로 제시하고자 한다.
현재 지구 온난화로 인하여 환경문제를 해결하고자 파리에서 총 195개국이 참여하여 기후변화협약에 서명하였고 이를 계기로 평균기온 상승폭을 2 도보다 낮은 수준으로 유지하는 것을 목표로 하고 있다. 이와 같은 범지구적인 환경문제의 해결과 국내에 심각하게 대두되고 있는 미세먼지 감축을 위해 , 국내에서는 노후화된 석탄화력발전 및 원자력 발전을 감축해나가고 신재생에너지에 투자를 확대하는 정책을 추진하고 있다.
제안 방법
연료처리장치의 내부압력조건의 경우, 내부압력이 큰 경우, 연료승압 블로워가 내부압력을 극복하고 천연가스를 공급해야 되기 때문에 연료승압 블로워의 조건에 중요한 요인이 된다고 할 수 있다. 5kW 연료전지용 연료처리장치의 내부압력이 70kPa일 경우에도 천연가스가 25L 공급되어야 되므로, 연료 승압블로워의 후단에 비례제어밸브를 장착하여 제어 장치로 제어하도록 하였다.
건물용 5kW 연료전지 시스템의 장기내구성을 위해서는 연료처리장치의 내구성이 가장 중요하고, 이를 위해 개선된 연료처리장치를 장기간 운전하여 내구성을 확인하였다. Fig.
국내외 연료승압 블로워를 비교평가하기 위하여, 연료승압 블로워의 평가기준을 확립하여 기준에 적합한 연료승압 블로워 평가장치를 구축하였다. 연료승압 블로워의 성능 평가장치를 구축하기 위한 조건은 다음과 같다.
국내외 연료승압 블로워의 온도에 따른 영향을 평가하기위해, 건조기 내부에 연료승압 블로워를 위치시키고 내부 온도를 변화시켜, 블로워를 작동시켰다. Fig.
연료승압 블로워에서 토출된 가스의 유량은 MFM (Mass Flow Meter)을 통하여 계측이 되고, 연료승압 블로워의 소비젼력은 전력계를 연결하여 소비전력을 측정하였다. 또한 연료승압 블로워의 온도를 측정하기위하여 연료승압 블로워의 인입구 및 출구의 온도를 측정하였으며, 연료승압 블로워의 표면의 온도를 측정할 수 있도록 하였다. 그리고 연료승압 블로워를 제어하기위하여, 커맨드 전압을 조절할수 있도록 제어장치를 부착하였다.
블로워 성능평가장치에서 연료승압 블로워를 단순 평가할 경우, 국내 연료승압 블로워가 국외 연료 승압블로워와 대등한 수준의 성능을 나타내어, 연료 처리장치와 연계하였을때의 연계성도 평가하였다. 연료처리장치와의 연계성을 평가하기 위해 KOGAS의 연료처리장치를 중심으로 국외의 연료승압 블로워와 국내의 연료승압 블로워를 비교평가를 진행하였다.
연료 승압 블로워를 연료전지 시스템에 적용되었을 때와 유사하게 실험하기 위하여 되는 후단의 압력을 0 ∼ 70kPa를 변화시키고, 0V에서 2.5V까지 또는 1V에서 5V까지 일정 간격으로 인가하여 블로워의 토출유량 및 성능을 평가하였다.
연료승압 블로워에서 토출된 가스의 유량은 MFM (Mass Flow Meter)을 통하여 계측이 되고, 연료승압 블로워의 소비젼력은 전력계를 연결하여 소비전력을 측정하였다. 또한 연료승압 블로워의 온도를 측정하기위하여 연료승압 블로워의 인입구 및 출구의 온도를 측정하였으며, 연료승압 블로워의 표면의 온도를 측정할 수 있도록 하였다.
연료승압 블로워의 평가조건을 제어하여 연료처리장치의 내부압력 조건 및 연료전지 시스템 내부 온도에 따른 평가를 하고자 추가장치를 부착하였다. 연료처리장치의 내부압력조건의 경우, 내부압력이 큰 경우, 연료승압 블로워가 내부압력을 극복하고 천연가스를 공급해야 되기 때문에 연료승압 블로워의 조건에 중요한 요인이 된다고 할 수 있다.
연료전지 시스템내에서 연료승압 블로워의 토출 압력을 이용하여 천연가스를 공급하는데 연료처리 장치의 내부압력 및 스택의 내부압력을 극복하고 천연가스를 공급하여야 하기 때문에, 내부압력에 따라 소비전력을 평가하였다. Fig.
연료전지용 연료처리장치를 위에 언급한 중요 개선사항과 온도분포를 고려하여 설계와 제작을 완료하였고, Fig 10과 같이 개질기-HTS-LTS가 일체형으로 설계된 원통형 방식의 연료처리장치를 제작하고 평가를 진행하였다.
3 과 같이 연료승압 블로워와 공기블로워가 연료처리 장치의 버너에 연계되어 연료처리장치에 열을 공급하여야 하고, 연료승압 블로워와 물펌프가 연료처리장치 개질부분에 연계되어 천연가스와 물의 반응으로 수소를 생산하여야 한다. 연료처리장치 모듈의 부하 및 S/C 비(steam/carbon ratio)에 따라서 평가를 진행하였다. Fig.
블로워 성능평가장치에서 연료승압 블로워를 단순 평가할 경우, 국내 연료승압 블로워가 국외 연료 승압블로워와 대등한 수준의 성능을 나타내어, 연료 처리장치와 연계하였을때의 연계성도 평가하였다. 연료처리장치와의 연계성을 평가하기 위해 KOGAS의 연료처리장치를 중심으로 국외의 연료승압 블로워와 국내의 연료승압 블로워를 비교평가를 진행하였다.
Fig 1. 은 일본의 보조기기 개발에 대한 전체적인 조직을 나타내 었으며, 시스템 제작사와 각 분야의 BOP 제작업체와 협력하여 연료승압 블로워, 공기 블로워, 밸브류 등을 각각 개발하였다. [6]
이와 같은 방법을 이용하여 연료승압 블로워의 성능평가장치를 구축하였고, Fig. 4.는 연료승압 블로워의 성능평가장치 사진으로, 연료승압블로워 소비전력 평가부분, 분위기 온도제어용 건조기, 후단 압력 제어 부분, 소프트웨어 등으로 구성되어 있다.
한국가스공사의 연료처리장치를 중심으로 국내의 연료승압 블로워와 국외의 연료승압 블로워의 연계 평가를 진행하였다. 부하가 4kW에서 5kW로 변동시, 연료처리장치에 공급되는 천연가스와 물의 양 및 버너에 공급되는 천연가스와 공기양이 증가하여 이에 따라 소비전력이 상승하였다.
대상 데이터
주체는 일본 경제산업성과 신에너지재단이 주도하였고. 개발대상은 펌프/블로워류, 유량계/압력 계, 전자밸브, 센서류이었고, 정부예산은 25억엔이다. 본 과제를 성공적으로 수행하여, 일본의 건물용 연료전지 시스템은 보조기기등 핵심부품의 국산화 율이 95%이상이며, 이에 따라 연료전지 시스템의 가격저감이 가능하게 되어 현재 일본의 15만대 이상 연료전지 시스템이 보급되었다.
첫 번째 사진은 연료처리장치 모듈 평가장치와 연료처리장치 그리고 가스분석기의 사진이고, 하단 왼쪽의 사진은 연료처리장치 모듈에 적용되어 있는 연료승압 블로워 2기, 물펌프 1기, 공기블로워 1기의 소비전력을 분석하는 모듈이고, 하단의 오른쪽 사진은 본 평가장치에 적용된 연료승압 블로워의 사진이다. Fig.
한국가스공사에서 개발된 5kW 연료처리장치를 연료전지 시스템과 유사한 환경에서 평가하기 위하여 연료처리장치 모듈 평가장치를 구축하였고 Fig. 13은 연료처리장치 모듈 평가장치의 사진이다.
한국가스공사에서 국내외의 연료승압 블로워를 성능평가장치에 장착하여 평가를 진행하였다. 연료 승압 블로워를 연료전지 시스템에 적용되었을 때와 유사하게 실험하기 위하여 되는 후단의 압력을 0 ∼ 70kPa를 변화시키고, 0V에서 2.
성능/효과
건물용 연료전지 시스템의 연료처리장치와 연료승압 블로워의 성능 및 내구성은 연료전지 시스템에서 중요한 부분을 차지하고 있고, 본 연구결과가 국내의 연료처리장치 및 연료승압 블로워의 국산화 및 연료전지 시스템 활성화를 촉진시킬 것으로 판단된다.
국내에서 개발한 연료승압 블로워를 다양한 조건에서 평가를 진행하여, 후단압력의 상승에 따라 소비전력이 증가하고, 70℃까지 작동온도에 관계없이 일정한 성능을 나타낸 것을 확인하였다. 그리고 국외의 상용 연료승압 블로워의 성능과 유사한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
또한 S/C 비의 변동시, 연료처리장치에 물공급량의 증가로 인한 기화열 및 반응열의 증가로 버너에 연계된 연료승압 블로워와 공기블로워의 소비전력이 증가하였다. 그리고 KOGAS 연료처리장치와 국내외 연료 승압 블로워의 연계평가결과 거의 대등한 성능을 확인할 수 있었다.
국내에서 개발한 연료승압 블로워를 다양한 조건에서 평가를 진행하여, 후단압력의 상승에 따라 소비전력이 증가하고, 70℃까지 작동온도에 관계없이 일정한 성능을 나타낸 것을 확인하였다. 그리고 국외의 상용 연료승압 블로워의 성능과 유사한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
부하가 4kW에서 5kW로 변동시, 연료처리장치에 공급되는 천연가스와 물의 양 및 버너에 공급되는 천연가스와 공기양이 증가하여 이에 따라 소비전력이 상승하였다. 또한 S/C 비의 변동시, 연료처리장치에 물공급량의 증가로 인한 기화열 및 반응열의 증가로 버너에 연계된 연료승압 블로워와 공기블로워의 소비전력이 증가하였다. 그리고 KOGAS 연료처리장치와 국내외 연료 승압 블로워의 연계평가결과 거의 대등한 성능을 확인할 수 있었다.
한국가스공사에서 5kW 건물용 연료전지 시스템에 적용되는 원통형 연료처리장치를 개발하였고, 효율은 76%이상, 내부압력은 10kPa 정도로 우수한 성능을 나타내었다. 또한 건물용 연료전지 시스템에서 연료처리장치의 내구성이 중요한 부분을 차지하 는데 한국가스공사의 연료처리장치는 3,000시간 이상동안 일정한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
3으로 변화시, 연료처리장치 모듈의 총 소비전력이 9W 정도 변화하는 데 반하여, 부하에 따른 소비전력의 경우 4kW에서 5kW 부하증가시 총 소비 전력이 두배인 20W 정도 상승하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 부하변동 및 S/C 비의 변화 조건에서 국외상용 연료승압 블로워와 국내에서 개발된 연료승압 블로워가 거의 유사한 성능을 나타내고 있음을 확인 할 수 있다.
개발대상은 펌프/블로워류, 유량계/압력 계, 전자밸브, 센서류이었고, 정부예산은 25억엔이다. 본 과제를 성공적으로 수행하여, 일본의 건물용 연료전지 시스템은 보조기기등 핵심부품의 국산화 율이 95%이상이며, 이에 따라 연료전지 시스템의 가격저감이 가능하게 되어 현재 일본의 15만대 이상 연료전지 시스템이 보급되었다. Fig 1.
연료승압 블로워에 인가전압을 상승시킴에 따라 유량이 증가하였고, 후단의 압력이 증가함에 따라서 유량이 감소함을 보이고 있다. 또한 후단의 압력이 증가함에 따라서 소비전력이 급격히 상승함을알 수 있다.
한국가스공사에서 5kW 건물용 연료전지 시스템에 적용되는 원통형 연료처리장치를 개발하였고, 효율은 76%이상, 내부압력은 10kPa 정도로 우수한 성능을 나타내었다. 또한 건물용 연료전지 시스템에서 연료처리장치의 내구성이 중요한 부분을 차지하 는데 한국가스공사의 연료처리장치는 3,000시간 이상동안 일정한 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건물용 연료전지 시스템이란?
건물용 연료전지 시스템은 공기와 수소의 전기화학반응을 통하여 전기와 열을 생산하는 신재생에너지 시스템이다. 국내의 건물용 연료전지 시스템은 매년 수백기가 판매될 정도로 진행이 되고 있으며, 건물용 연료전지 시스템내에 많은 부품이 국내제품이 아닌 외국 제품에 의존하고 있다.
연료전지란?
연료전지는 신재생에너지중에서 태양광, 풍력등에 비하여 설치 면적이 작고, 가동율이 높으며, 설치 면적당 가장 높은 에너지를 낼 수 있는 열병합 시스템이다. [1-3].
연료승압 블로워의 성능 평가장치를 구축하기 위한 조건은 무엇인가?
① 연료승압 블로워의 유량측정
② 연료승압 블로워의 소비전력 측정
③ 연료승압 블로워의 온도측정
④ 연료승압 블로워 제어
⑤ 압력변화
⑥ 온도변화
⑦ 데이터 display 및 저장
참고문헌 (9)
Cottrell, C. A., Grasman, S. E., Thomas, M., Martin, K. B., Sheffield, J. W., "Stategies for stationary and portable fuel cell markets", Inter. J. of Hydrogen Energy, 36, 7969-7975, (2011)
Wang, Y., Chen, K. S., Mishler, J., Cho, S. C., Adroher, X. C., "A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research", Applied Energy, 88, 981-1007, (2011)
Mahlia, T. M. I., Chan, P. L., "Life cycle cost analysis of fuel cell based cogeneration system for residential application in Malaysia", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 416-426, (2011)
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