[논문]SOFC Hot BOP 단열재 적용 방법에 따른 열평형 기대 효과에 대한 수치해석 연구

최규홍; 황승식; 김동균; 최종균

doi:10.7316/khnes.2017.28.5.512

SOFC Hot BOP 단열재 적용 방법에 따른 열평형 기대 효과에 대한 수치해석 연구
A Numerical Study on the Expectation Effect of Thermal Balance according to SOFC Hot BOP Insulation Application Method 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.5, 2017년, pp.512 - 520

최규홍 ((주)하이낸드) , 황승식 ((주)하이낸드) , 김동균 ((주)하이낸드) , 최종균 (국민대학교 신에너지 연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a numerical study of various methods of applying SOFC hot BOP insulation. The application methods are four cases from case 1 to case 4, and the performance difference between the result of applying powdered insulation and the result of zoning using composite multi-layer insulation was examined. Numerical results show that the thermal stability of composite multi-layer insulation is better than that of powder insulation when the thermal conductivity is 0.04 W/mK. In the future, we will increase the thermal conductivity of the composite multi-layer thermal insulation material and find the greatest value of thermal conductivity with a similar result to that of the powder insulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

파우더형 단열재를 적용한 국내의 사례들을 볼 경우 단열 성능을 만족시키는 것을 확인하였지만, 정비가 필요할 경우 파우더를 모두 제거해야 하는 문제가 있어 가정에 보급하는 시스템으로 보기에는 무리가 있었다. 따라서 본 논문에서는 SOFC hot BOP에 여러 방식으로 단열재를 적용하였을 경우 이루어지는 열평형에 대한 수치해석적 연구를 수행하여 파우더형 단열재가 가지는 특성에 대한 분석을 하고 그 대안으로서 단열재를 이용한 Zoning 기법을 도입하여 원하는 성능을 얻을 수 있는지 예측하고자 하였다.
본 논문에서는 단열재 적용 형상에 따른 열적평형 상태를 확인하기 위하여 복잡한 SOFC의 hotbox를 단순화하여 주요 기능품인 버너 및 개질기, 스택, 열교환기 3 EA를 주 구성품으로 선택하였다. Fig.
본 논문은 에너지기술개발사업 중 산업기술혁신사업의 사업비를 지원받은 ‘건물용 평판형 SOFC 시스템의 신뢰성 향상을 위한 hot BOP 및 제어 기술 개발(과제번호 20163030031820)’의 연구 결과로 도출된 논문이다

가설 설정

수치해석에 사용한 단열재의 물성은 파우더 형 단열재의 물성을 참고로 하여 Table 1과 같이 가정하였다.
해석에 앞서 일정한 조건을 부여하기 위해 SOFC hot BOP 구성품들은 일정한 온도를 가지는 발열체로 가정하였으며, 각 구성품들의 설정값은 Table 3과 같다.

제안 방법

Case별 비교를 통해 나타난 case 2와 case 4의 수치해석 결과를 좀 더 면밀히 분석하여 Zoning에 의한 파우더형 단열재의 대체 가능 여부를 예측하였다.
SOFC hot box 내부의 BOP들의 성능을 유지하기 위한 단열재의 적용 방법 중 파우더형 단열재(case 2)를 대체하기 위한 단열 기법에 대한 결과를 도출하기 위하여 case 1부터 case 4까지 모두 4가지 경우에 대해서 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다(Table 8).
각 case마다 온도 분포를 관찰하기 위하여 x축(yz 평면), y축(xz 평면), z축(xy 평면)을 기준으로 각각의 참조 평면을 만들어 내부의 온도 분포를 확인하였다.
조 평면의 위치는 버너 및 개질기 부분의 크기 및 위치를 고려하여 x축과 z축은 300 mm, y축은 250 mm로 정하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 SOFC는 600-1,000˚C 정도의 고온에서 운전되기 때문에 발전효율이 높고 또한, 발전에 필요한 연료의 다양성과 경제성이 높다는 장점이 있다. 반면, 제조 단가가 비싸고 고온 작동으로 인한 급속 기동의 어려움과 부식에 취약한 문제점을 지니고 있으며, 열팽창계수 차이로 인한 고온에서의 밀봉 기술이 어렵다는 단점이 있어서 현재 연료전지 분야에서 가장 연구와 개발이 활발히 진행되고 있는 분야이다¹⁾.
해석 모델은 돌출부(버너 및 개질기 장착 부분)를 포함한 전체 크기가 700×700×600 mm(가로×세로×높이)이고 버너 및 개질기의 돌출 크기는 x축으로 200 mm, -z축으로 300 mm이다.

이론/모형

SOFC hot box는 외부 케이스가 있는 닫힌계이고 내부에 별도의 유체 순환 동력원이 없으므로 viscous 모델로는 laminar 모델을 사용하였으며, radiation 모델로는 P1 모델을 사용하였다.

성능/효과

㈜경동나비엔은 SOFC 시스템을 개발하여 운전한 결과 시스템 성능은 정격에서 출력 700 W 이상, 발전효율 45%, 열효율 41%, 총 효율 86%, 시스템 소음 39 dB이었으며 시스템 신뢰성은 시스템 운전 4,500시간, 부하운전 3,800시간, on/off 26회(thermal cycle, load trip, E-stop 포함), 정비 시간을 포함한 시스템 가동률 88.4%의 값을 보였다³⁾.
따라서 각 BOP가 운전되는 적절한 온도를 유지하는 측면에서는 복합 다층 단열재를 이용한 Zoning이 효과가 있음을 알 수 있다.
또한, 온도 평균은 case 2보다는 조금 높아 756.55 K의 값을 가졌지만 온도 편차는 226.92 K으로 가장 큰 값을 가져 각 BOP들의 온도 특성에 맞춰 온도를 유지하는 면에서는 가장 유리한 것으로 판단되었다.
본 연구를 통해 일정 수준 이상의 열전도율을 가지는 단열재로 SOFC hot box를 Zoning할 경우기존 파우더형 단열재를 채우는 것과 유사한 결과가 도출됨을 확인할 수 있었다.
전체적인 결과를 놓고 볼 때 case 2에 비해 온도 평균의 차이가 있고, 온도 편차가 있는 것을 확인할 수 있으므로 복합 다층 단열재를 이용한 Zoning (구역화)이 가능할 것으로 예측된다.
파우더형 단열재를 고려한 case 2의 경우 온도 평균은 746.96 K으로 가장 낮고 온도 편차는 214.37 K으로 큰 편이므로 안정적인 온도 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
해석 결과로 볼 때 일본 등에서 SOFC 단열재로 파우더 형태가 적절하다는 점을 알 수 있었다. 각 BOP 간의 온도 유지는 BOP 간의 간격을 조절함으로서 달성할 수 있을 것으로 보인다.

후속연구

향후 연구 계획은 복합다층 단열재의 열전도율이 본 논문에서 제시한 0.04 W/mK보다 커질 경우 온도 등고선이 어떤 형태를 보이며, 단열 성능이 어느 정도까지 떨어지는지 확인하고 실제 실험데이터와 비교하여 SOFC hot box의 단열 기법으로 Zoning이 가능한지 확인할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체산화물연료전지의 어떻게 구성되는가?	연료전지란 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치를 말한다. 연료전지는 배터리와달리 연료를 외부 공급 장치를 통해 공급받아 지속적으로 전기를 생산하는 장치로서1) 고체산화물연료전지(SOFC)는 연료극, 고체전해질, 공기극, 연결소자(Interconnect) 등 4가지의 기본재료로 구성되어, 고효율이면서 한층 깨끗한 연료전지 발전시스템으로서 주목되고 있다.
	고체산화물연료전지의 장단점은?	본 연구의 대상인 SOFC는 600-1,000˚C 정도의 고온에서 운전되기 때문에 발전효율이 높고 또한, 발전에 필요한 연료의 다양성과 경제성이 높다는 장점이 있다. 반면, 제조 단가가 비싸고 고온 작동으로 인한 급속 기동의 어려움과 부식에 취약한 문제점을 지니고 있으며, 열팽창계수 차이로 인한 고온에서의 밀봉 기술이 어렵다는 단점이 있어서 현재 연료전지 분야에서 가장 연구와 개발이 활발히 진행되고 있는 분야이다1).
	연료전지란?	연료전지란 전기화학반응에 의해 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치를 말한다. 연료전지는 배터리와달리 연료를 외부 공급 장치를 통해 공급받아 지속적으로 전기를 생산하는 장치로서1) 고체산화물연료전지(SOFC)는 연료극, 고체전해질, 공기극, 연결소자(Interconnect) 등 4가지의 기본재료로 구성되어, 고효율이면서 한층 깨끗한 연료전지 발전시스템으로서 주목되고 있다.

참고문헌 (7)

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J. W. Nam and S. K. Dong, "Numerical Experimental Investigation of a Planar SOFC Stack containing with Heat Exchanger", KSME, Vol. 11, 2012, pp. 2476-2480.
W. N. Kim, Y. H. Kim, and S. Y. Kim, "Performance Enhancement of a PEMFC by Modification of Air Inlet Flow Header Configuration", SAREK, Vol. 4, 2007, pp. 339-345.
I. S. Han, J. H. Jung, J. K. Lim, C. Lim, and K. S. Jung, "Optimal Design of Bipolar-Plates for a PEM Fuel Cell", The Korean Society New and Renewable Energy, Vol. 6, 2006, pp. 99-102.
H. J. Ahn and S. W. Cha, "Performance and Thermal-Flow Characteristics in a Planar Type Solid Oxide Fuel Cell with Single Channel and Multi-Channel", KSME B, Vol. 31, No. 12, 2007, pp. 1033-1041.

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