[논문]125 kW급 용융탄산염 연료전지 시스템의 이젝터 설계 및 시험

김범주; 박수만; 송오섭

doi:10.7316/khnes.2018.29.2.139

125 kW급 용융탄산염 연료전지 시스템의 이젝터 설계 및 시험
The Ejector Design and Test for 125 kW Class Molten Carbonate Fuel Cell System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.2, 2018년, pp.139 - 147

김범주 (한국전력공사 전력연구원) , 박수만 (한국전력공사 전력연구원) , 송오섭 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Korea Electric Power Research Institute (KEPCO RI) had developed molten carbonate fuel cell (MCFC) system since 1993. Finally, KEPCO RI developed and operated a 125 kW MCFC system in 2010. To make MCFC system compact, it is indispensable to install an ejector in this system where the anode off gas, the cathode off gas, and fresh air are mixed before flowing to the catalytic burner. KEPCO RI had developed various ejectors for MCFC system since 2006. The 125 kW MCFC system built with the developed ejector was operated successfully in Boryeong Thermal Power Plant in 2010. This 125 kW MCFC ejector was designed on the basis of the experimental results of 5 kW and 75 kW MCFC ejectors. The main goal of ejector design in our MCFC system is to maintain the entrainment ratio and the pressure between fuel cell stack and catalytic burner within the operating range. In this paper, the design results of the ejector are presented based on the 125 kW MCFC system operating conditions. In addition, a designed ejector was manufactured and installed in the MCFC system. As the fuel cell is under load operation, the pressure surrounding the ejector was measured to ensure that the fuel cell system is operating smoothly.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 시스템을 완성하기 위하여 핵심적인 역할을 하는 이젝터의 설계와 시험에 대해서 고찰한 내용을 정리하였다.
본 논문은 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 공정 조건을 설정하고, 연료전지의 연료극 출구가스를 촉매연소기로 순환시키기 위한 이젝터를 설계 하여 시험한 결과를 분석한 것이다. 한전은 5 kW, 75 kW 용융탄산염 연료전지 시스템을 위한 이젝터를 설계하였고, 이를 설계․제작․시험한 결과를 바탕으로 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 이젝터를 설계하여 시험을 하였으며 아래의 결론을 도출하였다.

가설 설정

Fig. 2에서 1차 유동의 노즐 목(위치②)을 계산하기 위하여 위치①에서 위치③까지 질량 및 에너지가 보존 방정식이 성립한다고 가정한다. 압력은 Fig.
노즐 출구가 등면적 구간 앞에서 흡입 챔버에 위치할 때, 그 이젝터는 “등압 혼합 이젝터(constantpressure mixing ejector)”로 정의한다. 본 논문에서 설계된 이젝터는 등압 분위기의 흡입 챔버에서 1차와 2차 유동의 혼합이 일어난다고 가정하였다. 일반 적으로 등압력 혼합 이젝터(constant-pressure mixing ejector)가 등면적 혼합 이젝터(constant-area mixing ejector)보다 성능이 좋은 것으로 알려져 있다^10,12).
1차와 2차 유동이 모두 아음속(subsonic)인 경우, 1차 유동(primary flow)은 초음속(supersonic)이고 2차 유동(secondary flow)은 아음속인 경우, 1차와 2 차 유동이 모두 초음속인 경우로 구분된다. 본 논문의 이젝터는 1차와 2차 유동이 모두 아음속으로 가정하였다.
이젝터에서 마찰손실은 없고, 이젝터의 노즐과 디퓨져의 효율은 1로 가정하였으며, 이젝터 설계를 위한 공정 조건들은 Table 2와 Table 3에 정리되어 있다.
2의 위치①에서 측정된다. 입구 배관의 길이가 노즐 목에 비하여 충분히 크다고 가정하면, P_ioip 의 값은 입구배관에서 측정된 압력값과 동일하다고 가정한다. 위치①에서 정압은 식 (1)으로부터 구할 수 있다.

제안 방법

3) 저압의 유체조건의 이젝터를 설계하기 위해서 이젝터 모델을 등압력 혼합(constant-pressure mixing) 및 1 차 유동과 2차 유동이 모두 아음속인 모델을 적용하였다.
4) 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 정상 운전 조건을 설정하고, 유체의 온도와 분자량을 기준 으로 유량을 DAE로 환산하여, 이젝터의 기준 흡인 비를 0.18로 설계하였다.
저압 유체의 이젝터 설계가 어려운 이유는 1차유동이 저압일 경우 1차 유동이 이젝터에서 진공 분위기를 만들어 내지 못하여 2차 유동을 이젝터로 끌어 와서 혼합되지 못하고, 오히려 2차 유동이 흘러오는 방향으로 1차 유동이 흘러갈 수 있기 때문이다. 그래서 5 kW, 75 kW MCFC 시스템에서는 여러 이젝터를 설계․제작하여 상온의 공기를 이용하여, 성능을 검증하였고, 이 중 최적 설계값을 연료전지 실증 시험에 적용하였다^5-7). 5 kW와 75 kW에서 이미 설계 절차가 검증되었으므로, 125 kW MCFC 시스템에 서는 제작된 이젝터를 바로 연료전지 시스템에 설치젝터 내부에 설치하기 곤란하였고, 계측기를 설치할 경우 발생될 수 있는 이젝터와 연료전지 시스템의 성능 저하를 우려하여, 이젝터의 주요 설계점에 계측기를 설치할 수는 없었다.
따라서, Fig. 5와 같이 이젝터의 입·출구에서 압력을 측정하여 이젝터의 역할이 수행되고 있는지 확인하였다.
전력연구원에서는 용융탄산염 연료전지를 컴팩트하게 설계하기 위해서, 스택의 연료전지 반응 후, 연료극 출구의 가스를 이젝터를 이용하여 촉매연소기로 이동시켜 연소 후에 스택의 공기극 입구로 가스를 공급하는 방식을 적용하였다. 이젝터에 공기를 과량으로 유입시켜 스택에서 연료극 출구로 나오는 가스를 이젝터에서 공기와 혼합시켜 촉매연소기로 이송 하여 수소를 연소시키고, 연소 후 가스를 공기극 입구로 재순환하는 시스템을 구현하였다.
최대 출력은 125 kW, 누적 발전량은 65 MWh을 기록하였다. 이젝터와 촉매연소기를 이용하여 연료극 출구가스를 재순환시켜 시스템을 운전하였다³⁾(Fig. 5).
이젝터의 유동 방정식은 질량 보존, 운동량 보존, 에너지 보존식을 포함한다. 마찰손실이 없다면 다음 가정을 통해 해석을 단순화할 수 있다⁹⁾.
본 논문은 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 공정 조건을 설정하고, 연료전지의 연료극 출구가스를 촉매연소기로 순환시키기 위한 이젝터를 설계 하여 시험한 결과를 분석한 것이다. 한전은 5 kW, 75 kW 용융탄산염 연료전지 시스템을 위한 이젝터를 설계하였고, 이를 설계․제작․시험한 결과를 바탕으로 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템의 이젝터를 설계하여 시험을 하였으며 아래의 결론을 도출하였다.
이젝터의 흡인비(여기서는 연료극 출구 DAE 질량유량과 motive DAE 질량유량의 비)를 구한다. 흡인비를 구하기 위하여 우선 정상 운전조건을 이용하여 dry air equivalent (DAE)를 구한다. Table 3은 Table 2를 기준으로 하여 유량을 DAE 기준으로 환산한 것이다⁸⁾.

대상 데이터

5에 제시되어 있다. 본 논문에서 다루고 있는 이젝터의 1차 유동과 2차 유동이 모두 게이지 압력으로 20,000 Pa 이하가 되는 저압 유체이다. 저압의 유체 에서 이젝터를 설계할 때는 주의를 기울일 필요가 있다.
125 kW MCFC 시스템의 사양은 Table 1과 같다. 스택은 반응면적 9,600cm²크기의 전극(연료극, 공기극), 전해질, 매트릭스와 내부 매니폴드 형태의 분리판 으로 이루어진 단위전지를 기본으로 구성되어 있다.

이론/모형

노즐 위치"에 있는 이젝터 모델은 Table 4와 같이 정리될 수 있다. 본 논문에서 선택한 이젝터 모델은 등압(constant pressure)과아음속-아음속(subsonic-subsonic)이다.

성능/효과

1) 125 kW 용융탄산염 연료전지 시스템은 3,000시간 이상 운전되었다. 최대 출력은 125 kW, 누적 발전량은 65 MWh을 기록하였다.
반면, 2차 유동 압력은 1차 유동의 압력에 비하여 거의 일정한 수준으로 유지된다. 1차 유동 압력과 2차 유동 압력 차이가 커질수록 이젝터 흡입 챔버의 진공 분위기는 강화되고, 이젝터로 2차 유동이 지속적으로 유입됨을 확인할 수 있었다.
2) 상압에서 운전되는 용융탄산염 연료전지를 위한 이젝터는 1차 유동이 저압 유체이므로, 흡입 챔버 에서 진공 분위기를 형성하여 유체를 혼합하기 위해 이젝터 설계에 주의를 기울일 필요가 있다.
그래서 5 kW, 75 kW MCFC 시스템에서는 여러 이젝터를 설계․제작하여 상온의 공기를 이용하여, 성능을 검증하였고, 이 중 최적 설계값을 연료전지 실증 시험에 적용하였다^5-7). 5 kW와 75 kW에서 이미 설계 절차가 검증되었으므로, 125 kW MCFC 시스템에 서는 제작된 이젝터를 바로 연료전지 시스템에 설치젝터 내부에 설치하기 곤란하였고, 계측기를 설치할 경우 발생될 수 있는 이젝터와 연료전지 시스템의 성능 저하를 우려하여, 이젝터의 주요 설계점에 계측기를 설치할 수는 없었다. 따라서, Fig.
5) 연료전지 스택의 출력이 올라가면서, 소요 공기와 가스의 유량도 많아지므로, 1차 유동과 이젝터 출구의 압력도 비례하여 증가된다. 반면, 2차 유동 압력은 1차 유동의 압력에 비하여 거의 일정한 수준으로 유지된다.
반면, 2차 유동 압력(P_s)은 1차 유동 압력과 이젝터 출구 압력에 비하여 거의 일정한 수준으로 유지된다. 결국, P_p가 커질수록 P_p과 P_s의 차이는 증가되고, 이젝터 흡입 챔버의 진공 분위기는 강화되어, 이젝터로 2차 유동이 지속적으로 유입됨을 관측할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 장점은 무엇인가?	여기서, 연료전지는 수소, 일산화 탄소 및 탄화수소 등을 연료로 하여 전기화학적으로 발전을 하는 시스템이다. 연료전지의 효율은 카르노 사이클에 의해 제한을 받지 않고, 전통적인 화력발전 플랜트 보다 높은 효율을 얻을 수 있다. 이러한 고효 율로 인한 장점 때문에 연료전지는 미래의 핵심적인 발전 수단이 될 것으로 예측된다 1) .
	분산전원으로 사용 가능한 기술의 종류는 무엇이 있는가?	전력에 대한 수요가 꾸준히 증가되면서 분산전원에 대한 관심도 높아지고 있다. 분산전원에 적용 가능한 기술로는 가스터빈, 가스엔진, 태양광, 풍력, 연료전지 등이 있다. 여기서, 연료전지는 수소, 일산화 탄소 및 탄화수소 등을 연료로 하여 전기화학적으로 발전을 하는 시스템이다.
	이젝터 설계에 영향을 주는 유동을 세 가지로 구분할 수 있는데, 세 가지는 무엇인가?	이젝터 설계에 영향을 주는 유동은 세 가지로 구분될 수 있다. 1차와 2차 유동이 모두 아음속(subsonic)인경우, 1차 유동(primary flow)은 초음속(supersonic)이고 2차 유동(secondary flow)은 아음속인 경우, 1차와 2 차 유동이 모두 초음속인 경우로 구분된다. 본 논문의 이젝터는 1차와 2차 유동이 모두 아음속으로 가정하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
H. El-Dessouky, H. Ettouney, I. Alatiqi, G. and Al-Nuwaibit, "Evaluation of steam jet ejectors", Chemical Engineering and Processing, Vol. 41, 2002, pp. 551-561.

상세보기
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상세보기
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E. Greitzer, C. S. Tan, and M. B. Graf, "Internal Flow, concept and application", Cambridge University Press, 2004, pp. 549-564.

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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