[논문]흡착식 냉방 시스템을 이용한 수소개질/연료전지 시스템의 효율향상

무자히드 나심; 김철민; 이상용

doi:10.7316/khnes.2019.30.5.411

흡착식 냉방 시스템을 이용한 수소개질/연료전지 시스템의 효율향상
A Study on the Efficiency Enhancement of the HT-PEMFC Having Fuel Processing System by Connecting Adsorption Chilling System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.5, 2019년, pp.411 - 417

무자히드 나심 (동국대학교 기계로봇에너지공학과) , 김철민 (동국대학교 기계로봇에너지공학과) , 이상용 (동국대학교 기계로봇에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An adsorption chiller is connected to the fuel processing/fuel cell system to increase the energy efficiency of the system. Since, the minimum temperature of $70^{\circ}C$ is needed to operate the adsorption chiller, HT-PEMFC is used as a heating source and $80^{\circ}C$ hot water in the water tank at the system is supplied to the chiller. Experimentally measured COP of the adsorption chiller was between 0.4-0.5 and the total calcuated efficiency of the connected system was between 60% and 70% comparing to 47% without adsorption chilling system.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Cycle of the adsorption chilling system
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the adsorption chilling system
그림 Fig. 3. Picture of the adsorption chilling system
그림 Fig. 4. Temperature record for operating 75℃ & 25℃
그림 Fig. 5. Energy profiles for operating temperature 75℃ & 25℃
그림 Fig. 6. Temperature record for operating 80℃ & 27℃
그림 Fig. 7. Energy profiles for operating temperature 80℃ & 27℃
그림 Fig. 10.Temperature record for operating 80℃ & 31℃
그림 Fig. 8. Temperature record for operating 80℃ & 29℃
그림 Fig. 9. Energy profiles for operating temperature 80℃ & 29℃
그림 Fig. 11. Energy profiles for operating temperature 80℃& 31℃
그림 Fig. 12. Heat balance of the adsorption chilling system
그림 Fig. 13. Effect of Q_eva on COP calculation at various hot water temperature and atmospheric temperature conditions
그림 Fig. 14. Connection of adsorption cooling system to multiple fuel cell system
그림 Fig. 15. Connection of adsorption cooling system to multiple fuel cell system
표 Table 1. Q_eva, Q_hot, Q_cold at various temperature conditions

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 실질적 효율의 향상을 위해서는 연료전지 시스템으로부터 발생하는 폐열을 이용할 수 있는 열 회수시스템이 필요하다^3,4). 본 연구에서는 전체 효율을 높이기 위하여 PEMFC의 낮은 폐열을 냉방에 이용할 수 있는 흡착식 냉방기와의 연계를 통해 전체 효율을 증가시키는 방법을 검토하였다. 흡착식 냉각기는 흡착과 탈착(재생) 두 개의 챔버로 구성되어 있으며 탈착(재생) 반응을 위해서 연료처리장치와 연료전지로부터 발생한 열을 이용한 온수를 공급한다^5,6).
본 연구에서는 흡착식 냉방 시스템을 연료처리장치/연료전지 시스템에 연계하였다. 흡착식 냉방 시스템은 여러 조건에서의 실험을 실시하여 효율을 측정 계산하였으며, 연료처리장치/연료전지 시스템의 효율은 본 실험실에서 측정한 기존의 결과를 이용하였다.

가설 설정

일반적인 수증기 개질 공정의 효율을 80%, 연료전지의 효율을 약 50% 그리고 인버터의 효율을 92%로 계산하고 손실되는 에너지를 고려할 때 전체 시스템의 효율은 온수 사용을 고려하지 않을 때 약 40%를 조금 넘는다고 볼 수 있다²⁾. 만일 온수를 모두 열로 사용한다는 가정 하에 전체 시스템의 열효율을 계산 시 약 70%가 조금 넘는다. 하지만 현실적으로 폐열인 온수 사용의 제약성을 고려할 때 실질적인 효율은 40%가 조금 넘는다고 할 수 있다.

제안 방법

실험을 통하여 흡착식 냉각기에서 외부의 열 교환기로 보내지고 회수되는 각 지점에서의 냉매의 온도와 유속, 온수탱크에서 외부의 열교환기로 공급되는 온수의 온도와 회수되는 온수의 온도 그리고 유속을 측정 기록하였다. 또한 흡착식 냉동기로 공급되는 총 온수의 열량과 외부 냉각탑으로 방출되는 열량을 측정하고자 흡착식 냉각기로 공급되는 온수의 온도, 회수되는 온수의 온도와 유속 그리고 냉동기로 순환되는 냉수의 온도와 유속을 약 1초 간격으로 data acquisition system을 이용하여 측정 기록하였다. 실험의 결과는 기존의 연료개질장치 및 연료전지 시스템의 결과와 결합하여 전체 시스템의 효율을 계산하였다.
본 연구에서 개질시스템과 연료전지 시스템의 연계실험은 생략하였으며 흡착식 냉방시스템에 대한 실험을 실시하고 개질시스템과 연료전지 시스템에 대한 정보가 필요 시 본 연구기관에서 실시되었던 기존의 연구 결과를 사용하였다.
흡착식 냉방기의 가동을 위해 최소로 필요한 열량은 약 6 kW이며 두 개의 온수 탱크로부터 약 5-10 kW의 열량이 흡착식 냉방 시스템으로 공급되었으며, 이에 따른 흡착식 냉방기의 효율을 실험을 통해서 구하였다. 실험을 통하여 흡착식 냉각기에서 외부의 열 교환기로 보내지고 회수되는 각 지점에서의 냉매의 온도와 유속, 온수탱크에서 외부의 열교환기로 공급되는 온수의 온도와 회수되는 온수의 온도 그리고 유속을 측정 기록하였다. 또한 흡착식 냉동기로 공급되는 총 온수의 열량과 외부 냉각탑으로 방출되는 열량을 측정하고자 흡착식 냉각기로 공급되는 온수의 온도, 회수되는 온수의 온도와 유속 그리고 냉동기로 순환되는 냉수의 온도와 유속을 약 1초 간격으로 data acquisition system을 이용하여 측정 기록하였다.
이는 흡착제의 온도를 탈착공정에 필요한 온도까지 가열하는 데 필요한 시간이다. 이후 흡착식 냉방기는 안정되며, 본 실험에서의 결과는 흡착식 냉방기가 안정화 된 후 각 열량의 입/출입 계산 시 각 주기의 평균값을 구하여 사용하였다. Figs.
본 연구에서는 흡착식 냉방 시스템을 연료처리장치/연료전지 시스템에 연계하였다. 흡착식 냉방 시스템은 여러 조건에서의 실험을 실시하여 효율을 측정 계산하였으며, 연료처리장치/연료전지 시스템의 효율은 본 실험실에서 측정한 기존의 결과를 이용하였다. 흡착식 냉방장치와 연료처리장치/연료전지 시스템의 연계 시 전체 효율은 식 (8)으로 계산되었으며, Fig.
그림에서 보는 바와 같이 실험장치는 흡착식 냉방기, 냉동기, 온수탱크, 열 교환기로 구성되어있다. 흡착식 냉방기는 (주)구성이엔드씨의 ECOGRID LTC 5를, 연료전지스템으로부터 생성되는 폐열의 모사를 위하여 두 개의 온수 탱크를 이용하여 약 75-80℃의 온수를 만들어 사용하였고, 외부로 연결되는 냉각탑을 모사하기 위해서 (주)삼정이엔씨 APC-21 냉각기를 사용하여 냉수의 순환 온도를 27-30℃에서 조정하였다. 흡착식 냉방기의 열 부하에 대한 효율을 측정하고자 열교환기와 미세벨브를 설치하였다.
이때 열교환기에서 온수가 냉수에 빼앗긴 열의 계산을 통하여 간접적으로 흡착식 냉방기에서의 증발열을 계산해 냉각성능(coefficiency of performance, COP)을 계산할 수 있다. 흡착식 냉방기의 가동을 위해 최소로 필요한 열량은 약 6 kW이며 두 개의 온수 탱크로부터 약 5-10 kW의 열량이 흡착식 냉방 시스템으로 공급되었으며, 이에 따른 흡착식 냉방기의 효율을 실험을 통해서 구하였다. 실험을 통하여 흡착식 냉각기에서 외부의 열 교환기로 보내지고 회수되는 각 지점에서의 냉매의 온도와 유속, 온수탱크에서 외부의 열교환기로 공급되는 온수의 온도와 회수되는 온수의 온도 그리고 유속을 측정 기록하였다.
흡착식 냉방기는 (주)구성이엔드씨의 ECOGRID LTC 5를, 연료전지스템으로부터 생성되는 폐열의 모사를 위하여 두 개의 온수 탱크를 이용하여 약 75-80℃의 온수를 만들어 사용하였고, 외부로 연결되는 냉각탑을 모사하기 위해서 (주)삼정이엔씨 APC-21 냉각기를 사용하여 냉수의 순환 온도를 27-30℃에서 조정하였다. 흡착식 냉방기의 열 부하에 대한 효율을 측정하고자 열교환기와 미세벨브를 설치하였다. 흡착식 냉방기로부터 열교환기로 공급되는 냉수는 온수와 열교환을 한 후 흡착식 냉방기로 회수된다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 흡착식 냉동기의 주기는 약600초이며 70-80°C의 온도에서 탈착과정을 수행하기 위해 대기압보다 약 720 mmHg 낮은 압력을 유지한다.
본 연구에서 흡착식 냉방기는 75°C 이상의 열원이 필요함을 고려하여 60-80°C에서 운전되는 저온 polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) 대신에 약 150°C 내외에서 운전되는 high temperature PEMFC (HT-PEMFC)를 사용하였다.
Q_des, Q_precool 그리고 Q_cond를 위하여 방출하여야 할 열량은 외부와 연결되어진 냉각탑을 통해서 방출된다. 실험에서는 열교환기를 사용하여 실내로부터 제거되는(냉방에 사용되는) 열량을 모사하였으며, 외부의 냉각탑 대신 실험용 소형 냉각기를 사용하였다. 따라서 각각의 열량은 다음 식 (2)를 통하여 구할 수 있다.

데이터처리

또한 흡착식 냉동기로 공급되는 총 온수의 열량과 외부 냉각탑으로 방출되는 열량을 측정하고자 흡착식 냉각기로 공급되는 온수의 온도, 회수되는 온수의 온도와 유속 그리고 냉동기로 순환되는 냉수의 온도와 유속을 약 1초 간격으로 data acquisition system을 이용하여 측정 기록하였다. 실험의 결과는 기존의 연료개질장치 및 연료전지 시스템의 결과와 결합하여 전체 시스템의 효율을 계산하였다.

성능/효과

하지만 흡착식 냉방시스템과 연계 시 흡착식 냉방 시스템의 효율에 따라 약 60-70%의 전체 효율을 가진다. 각 시스템의 효율이 전체 시스템에 미치는 영향을 고려 시 연료전지 시스템의 효율보다는 흡착식 냉방장치의 효율이 전체 효율에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

참고문헌 (6)

J. Larminie and A. Dicks, "Fuel Cell Systems Explained", 2nd, Wiley & Sons, UK, 2003.
D. Shekhawat, J. J. Spivey and D. A. Berry, "Fuel Cells: Technologies for Fuel Processing", Elsevier, USA, 2011.
J. I. San Martin, I. Zamora, V. Aperribay, J. J. San Martin, "Trigeneration Systems with Fuel Cells", RE&PQJ, Vol. 1, No. 6, 2008, doi: https://doi.org/10.24084/repqj06.245.
W. Y. Lee, M. J. Kim, Y. J. Sohn, S. G. Kim, "Analysis of a High Temperature Polymer Electrolyte Fuel Cell based Trigeneration System", New & Renewable Energy, Vol. 13, No. 2, 2017, pp. 60-68.

상세보기
A. S. U. Marlinda, T. Miyazaki, Y. Ueda and A. Akisawa, "Performance Analysis of a Double-effect Adsorption Refrigeration Cycle with a Silica Gel/Water Working Pair", Energies, Vol. 3, No. 11, 2010, pp. 1704-1720.

상세보기
P. Goyal, P. Baredar, A. Mittai, A. R. Siddiqui, "Adsorption refrigeration technology - A overview of theory and its sloar energy applications", Renewable and Sustainable Energy Review, Vol. 53, 2019, pp. 1380-1440.

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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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