[논문]외부 수증기 연계 SOEC 시스템의 공급 스팀 온도 및 열교환기 유용도에 따른 시스템 BOP 및 운전 특성 분석

김영상; 이영덕; 안국영; 이동근; 이상민; 최은정

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.596

외부 수증기 연계 SOEC 시스템의 공급 스팀 온도 및 열교환기 유용도에 따른 시스템 BOP 및 운전 특성 분석
Operation Characteristics According to Steam Temperature and Effectivenss of External Steam-Related SOEC System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.596 - 604

김영상 (한국기계연구원 청정연료발전연구실) , 이영덕 (한국기계연구원 청정연료발전연구실) , 안국영 (한국기계연구원 청정연료발전연구실) , 이동근 (한국기계연구원 청정연료발전연구실) , 이상민 (한국기계연구원 청정연료발전연구실) , 최은정 (한국기계연구원 청정연료발전연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Solid oxide electrolysis cell (SOEC) attracts much attention because of its high energy efficiency among many water-electrolysis technologies. SOEC operates at temperatures above 700℃, so that the water required for water-electrolysis must be supplied in the form of steam. When the steam to be supplied to the SOEC is generated by the SOEC system itself, an enormous amount of latent heat is required to vaporize the water, so additional energy must be supplied to the SOEC system. On the other hand, if the steam can be supplied from the outside, a small amount of energy is required to raise the temperature of the low temperature steam, so that the SOEC system can be operated without additional energy supply from outside, which enables efficient water-electrolysis. In this study, we figure out the size of heat exchanger for various steam temperature and effectiveness of heat exchanger, and propose the energy efficiency of the system.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic of proposed SOEC system
그림 Fig. 2. Validation of SOEC model
표 Table 1. SOEC stack specification
표 Table 2. SOEC system specification
표 Table 3. Result of external steam-related SOEC system (steam temperature: 200℃, HEX effectiveness 0.95)
표 Table 4. Result of external steam-related SOEC system (steam temperature: 400℃, HEX effectiveness 0.95)
표 Table 5. Result of external steam-related SOEC system (steam temperature: 600℃, HEX effectiveness 0.95)
표 Table 6. Result of external steam-related SOEC system (steam temperature: 600℃, HEX effectiveness 0.85)
표 Table 7. Result of external steam-related SOEC system (steam temperature: 600℃, HEX effectiveness 0.9)
표 Table 8. Comparison of efficiency (ε=0.95)
표 Table 9. Comparison of efficiency (T=600℃)
그림 Fig. 3. Heat transfer area of heat exchanger (ε=0.95)
그림 Fig. 4. Heat transfer area of heat exchanger (T=600℃)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제이며(No. 20163010140530, No. 2019281010007A), 또한 산업통상자원부 한국산업기술평가관리원 산하 산업기술혁신사업(10082569, 5 kW 급 상용 고효율연료전지-엔진 하이브리드 시스템 설계 패키지 및 시제품 개발)의 지원으로 수행되었다.
본 연구에서는 외부 수증기를 공급받는 SOEC 시스템에 대하여, 공급 스팀 온도와 BOP의 사양에 따른 시스템의 운전특성을 분석하고자 한다.

가설 설정

모든 시스템에서 HEX1의 출구 온도는 80℃로 가정하였으며 스택에 공급되는 수소와 수증기의 몰비가 1:9가 되도록 설정하였다. 열교환기에 서열손실은 없다고 가정하였다.
여기서 엑서지는 주어진 장치가 주위와 상호작용하여 평형을 이룰 때까지 추출할 수 있는 최대 일이며 시스템에서의 에너지가 얼마나 유용한지 판단할 수 있는 척도이다. 식 (3)은 외부에서 공급받은 수증기를 만드는 데 필요한 에너지를 고려한 효율이며 외부 보일러의 효율은 100%로 가정하였다. 이 효율은 외부 수증기 연계 SOEC 시스템에 필요한 모든 에너지를 고려한다는 점에서 의미가 있다.
모든 시스템에서 HEX1의 출구 온도는 80℃로 가정하였으며 스택에 공급되는 수소와 수증기의 몰비가 1:9가 되도록 설정하였다. 열교환기에 서열손실은 없다고 가정하였다. 외부 수증기의 온도가 200℃, 400℃, 600℃인 경우에 열교환기의 유용도를 0.
95로 두고 해석을 진행하여 외부 수증기 온도의 변화에 따른 시스템 효율 및 열교환기 사이즈의 변화 등을 확인하였다. 열교환기의 일반적인 유용도는 0.85 이하이지만, 시스템의 효율을 고려하고 200℃ 의 낮은 온도에서도 시스템이 성립할 수 있도록 기준값을 0.95로 가정하였다. 또한 열교환기의 유용 도가 0.

제안 방법

2) 제안된 시스템을 토대로 외부 수증기 온도에 따른 효율을 계산하였다. 에너지 기반의 효율 계산에 따르면 외부 수증기의 온도가 200℃에서 600℃로 증가함에 따라 시스템 효율도 외부 수증기 발생 에너지를 고려한 경우 66.
4) 제안된 시스템의 열교환기에 대한 사양을 검토하였다. 열교환기의 유용도가 0.
95로 가정하였다. 또한 열교환기의 유용 도가 0.85, 0.9, 0.95인 경우에 외부 수증기의 온도를 600℃로 두고 해석을 진행하여 열교환기 유용도의 변화에 따른 시스템 효율 및 열교환기 사이즈의 변화 등을 확인하였다.
SOEC의 경우 700℃ 이상의 고온에서 작동하며 이에 고온의 수증기를 얻어야 하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 수증기의 대부분을 외부에서 공급받는 SOEC 시스템을 제안하고 외부 수증기 온도 및 열교환기 유용도에 따른 시스템 효율 및 BOP 사양 변화를 분석하였다.
시스템에서 스택의 작동 온도는 700℃이고 스택 출구의 온도는 공기극과 수소극 모두 680℃이다. 수전해는 작동 전류밀도에 따라 흡열/발열 반응이나 본 연구에서는 약한흡열 영역으로 운전점을 잡았으며 이에 반응에 필요한 열은 공기극을 통하여 공급해 주는 것으로 하였다. 이를 위해 공기극 전단에 전기히터를 설치하였으며 이 히터는 공기극 전단의 온도가 720℃가 되도록 작동된다.
식 (5) 는 외부에서 공급받은 수증기의 엑서지를 고려한 효율이다. 외부 보일러에서 수증기를 만드는 데 사용되는 에너지가 아닌 엑서지를 고려하였으며, 이는 외부에서 공급받는 수증기로 회수 가능한 유효에너지만 고려하여 수전해에 공급되는 전기에너지와 같은 조건 (전기의 경우 에너지와 엑서지 값이 같다)에서 효율을 계산하였다는 점에서 의미가 있다.
열교환기에 서열손실은 없다고 가정하였다. 외부 수증기의 온도가 200℃, 400℃, 600℃인 경우에 열교환기의 유용도를 0.95로 두고 해석을 진행하여 외부 수증기 온도의 변화에 따른 시스템 효율 및 열교환기 사이즈의 변화 등을 확인하였다. 열교환기의 일반적인 유용도는 0.

대상 데이터

1에 정리하였다. 스택 모델의 유효성을 검증하기 위해 문헌의 실험 데이터를 참고하였으며 Fig. 2와 같이 실험값과 모델의 예측값이 일치함을 확인하였고 해당 모델을 해석에 활용하였다¹⁰⁾. 시스템에서 스택의 작동 온도는 700℃이고 스택 출구의 온도는 공기극과 수소극 모두 680℃이다.

데이터처리

공정해석 프로그램인 EBSILON을 사용하여 시스템의 해석을 수행하여 시스템 주요 부위의 온도 및 조성비, BOP의 사양 및 시스템 효율을 계산하였다. 시스템에 사용된 열교환기의 유용도가 모두 0.

성능/효과

1) 제안된 시스템에서 외부 수증기의 온도가 200℃ 에서 600℃로 증가함에 따라 외부에서 공급받아야 하는 수증기의 양이 32.3 kg/hr에서 25.5 kg/hr로 감소하며 시스템의 배열을 활용하기 위해 공급하는 물의 양은 3.0 kg/hr에서 9.74 kg/hr로 증가한다. 이는 외부에서 수전해 시스템에 에너지를 많이 공급하여 시스템의 유효열이 많이 남게 되기 때문이며 이를 이용하면 추가적인 물로 생성할 수 있는 수증기의 양이 증가하게 된다.
3) 시스템에 사용된 열교환기의 유용도에 따라 에너지 효율이 변화하는 것을 확인하였다. 에너지 기반의 효율 계산에 따르면 열교환기 유용도가 0.
효율이 변화하는 것을 확인하였다. 에너지 기반의 효율 계산에 따르면 열교환기 유용도가 0.85에서 0.95로 증가함에 따라 시스템 효율도 외부 수증기 발생 에너지를 고려한 경우 65.99%에서 66.83%로, 고려하지 않은 경우 91.35%에서 93.52%로, 엑서지 효율은 82.06%에서 83.68%로 상승한다. 열 교환기의 유용도가 높다는 의미는 열교환이 효과적으로 이루어졌다는 의미이며 손실이 적기 때문에 효율이 전반적으로 상승하게 된다.
9인 경우 시스템 주요 부위에서의 온도 및 유량을 나타내었다. 열교환기의 유용도가 낮다는 의미는 열교환기에서 열이 덜 전달된다는 의미이며 이는 열교환기의 유용도가 낮아짐에 따라 공기극 출구 온도가 183.38℃에서 238.31℃로 높아지고, 열회수에 사용되는 물의 양이 25.53 kg/hr에서 25.15 kg/hr로 낮아지는 것을 통해 확인할 수 있다.
38 m²로 감소하는데 이는 수증기·수소 혼합가스의 온도에 따라 영향을 받는다. 외부 수증기 온도가 600℃일 때 시스템의 열교환기 유용도가 0.85에서 0.95로 증가함에 따라 HEX1의 열교환 면적은 1.41 m²에서 3.03 m²로 증가하고 HEX4의 열교환 면적은 2.29 m²에서 7.38 m²로 증가하며 열교환기 유용도가 증가함에 따라 시스템에서 열전달이 효과적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

참고문헌 (10)

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V. T. Giap, Y. D. Lee, Y. S. Kim, and K. Y. Ahn, "A novel electrical energy storage system based on a reversible solid oxide fuel cell coupled with metal hydrides and waste steam", Applied Energy, Vol. 262, 2020, pp. 114522, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.114522.

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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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