[논문]하이브리드 PEM 연료전지 시스템의 성능 비교해석

유병준; 김동섭; 이영덕; 안국영

가설 설정

Steam Reforming : CH4+H2O 3H → 2+CO (2) 수증기개질 후에는 식 의 수성가스반응을 고 (3) 려하였고 수성가스반응 후에는 추가로 공기를 , 공급하여 식 의 선택적 산화반응을 고려하였 (4) 다 식 의 반응온도는 식 의 반응온 . (3) 230 , (4) ℃도는 로 설정하였고 두 화학반응식 모두 180 , ℃평형반응으로 가정하였다. Water Gas Shift : CO+H2O H → 2+CO2 (3) Preferential Oxidation : CO+ 21 O2 → CO2 (4) 연료전지는 연료극 공기극 전해질로 나뉘며 , , 연료극에는 수소가 포함된 개질기 출구가스가 공급되고 공기극에는 막가습기로부터 수분과 열을 , 공급받아 상대습도 상태의 공기가 공급된 100%다 연료전지 스택온도는 냉각수의 유랑을 조절 .
SCR = ˙ nCH 4˙ nH 2O (1)본 연구에서는 수증기개질기 입구온도는 300 , 750 . ℃ ℃ 수증기개질 온도는 로 설정하였다 수증기개질 화학반응식은 식 와 같으며 평형반응 (2) 으로 가정하였다 수증기개질은 흡열반응이므로 . 개질에 필요한 열은 버너에서 공급하는 것으로 모델링하였다.
W˙ FC,DC = V ∙ I (9) 연료전지의 작동특성을 고려하기 위하여 전압은 작동 온도 압력 전류밀도 등을 고려한 상관 , , 식(6)을 사용하였다 연. 료전지에서 발생되는 직류를 교류로 변환시키는 변환효율(conv ) 95% 은 로 가정하였고 시스템의 교류출력과 열효율은 블로 , 워와 펌프 등의 보조동력을 고려하여 다음과 같이 계산하였다. W˙ FC,A C = W˙ F C,DC∙ conv - W˙ AUX (10) th, F C =  (m∙˙ LHV)f W˙ F C,A C (11) 본 논문에서는 상용 프로그램(7)을 사용하여 시스템을 모델링하고 해석을 수행하였다.
가스터빈의 출력은 발전기에서 발생되는 교류 출력으로 계산하였으며 본 논문의 가스터빈은 , 매우 소형이므로 터빈과 압축기의 효율은 현재 발전용 가스터빈보다 낮은 효율을 사용하였다. 압축기와 터빈의 등엔트로피 효율은 압축기 70%, Air Off-gas Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4 + Air Heat combustor Cathode Anode Eletrolyte Comp Water S H EVA ECO H R S G PrOx WGS SR Add Air Water Pump Turb Comp CH4 Air Off-gas Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4 + Air Heat combustor Cathode Anode Eletrolyte Comp Water S H EVA ECO H R S G S H EVA ECO H R S G PrOx WGS SR Add Air Water Pump Turb Comp CH4 Fig. 3 Case 2 - Pressurized SR-hybrid System CH4 Off-gas Air Blower Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4+Air Heat Cathode Anode Eletrolyte PrOx WGS SR Add Air S H EVA ECO H R S G Water Comp Turb combustor Water Pump Heat CH4 Off-gas Air Blower Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4+Air Heat Cathode Anode Eletrolyte PrOx WGS SR Add Air S H EVA ECO H R S G S H EVA ECO H R S G Water Comp Turb combustor Water Pump Heat Fig. 2 Case 1 - Atmospheric pressure SR-hybrid System3232기계효율(m ) 99%, ( 은 발전기효율 gen) 98% 은 로 가정하였다 하이브리드 시스템의 출력과 열효율 . 은 다음과 같이 계산하였다.

제안 방법

W˙ FC,A C = W˙ F C,DC∙ conv - W˙ AUX (10) th, F C =  (m∙˙ LHV)f W˙ F C,A C (11) 본 논문에서는 상용 프로그램(7)을 사용하여 시스템을 모델링하고 해석을 수행하였다. 2.3 하이브리드 시스템 구성 및 모델링 PEMFC 시스템에 가스터빈을 결합하여 PEMFC/GT , 하이브리드 시스템을 구성하였으며 연료전지가 상압에서 작동하는 상압형 하이브리드 시스템과 연료전지가 가압되어서 작동하는 가압형 하이브리드 시스템 모두 구성하였다 상압 . 형 하이브리드 시스템 은 개의 구성을 고 (Fig.
, 브리드 시스템은 터빈출력으로 압축기를 구동하고 연료전지 가압에 의한 출력증가가 성능향상 , 의 주요 원인이다. 4. 결 론 PEMFC와 가스터빈을 결합한 여러 가지 상압형 가압형 하이브리드 시스템을 구성하여 설계 , 성능 해석을 수행하였다. 연료전지와 가스터빈의 운전온도의 차이가 큰 하이브리드 시스 PEMFC 템에서는 터빈출구가스와 개질기의 폐열회수를 통하여 성능향상 효과를 얻을 수 있었고 가압형 , 하이브리드 시스템의 성능향상 조건을 분석하였다 또한 본 논문의 가스터빈은 소형이기 때문에 .
은 수증기개질 을 사용하는 급의 소형 SR( ) 10kW 시스템이며 이에 맞는 현실적인 가스터빈 설계 , 하이브리드 연료전지 시스템의 성능 비교해석 PEM 유병준* 김동섭 이영덕* 안국영** Comparative Performance Analysis of Hybrid PEM Fuel Cell Hybrid Systems Byung June You, Tong Seop Kim, Young Duk Lee and Kook Young Ahn Key Words: PEMFC( ), Atmospheric Pressure Hybrid System( 고분자전해질 연료전지 상압형 하이 브리드 시스템 가압형 하이브리드 시스템 ), Pressurized Hybrid System( ), Steam Reforming( ) 수증기개질 Abstract Design performances of various configurations of the PEMFC/GT hybrid systems have been evaluated. Based on PEMFC adopting steam reforming, various system configurations (one ambient pressure configuration and three different pressurized configurations) were designed and their performances were compared. Their Performances are also compared with the reference PEMFC system.
료전지에서 발생되는 직류를 교류로 변환시키는 변환효율(conv ) 95% 은 로 가정하였고 시스템의 교류출력과 열효율은 블로 , 워와 펌프 등의 보조동력을 고려하여 다음과 같이 계산하였다. W˙ FC,A C = W˙ F C,DC∙ conv - W˙ AUX (10) th, F C =  (m∙˙ LHV)f W˙ F C,A C (11) 본 논문에서는 상용 프로그램(7)을 사용하여 시스템을 모델링하고 해석을 수행하였다. 2.
(4) Case 4연료극 공기극 출구가스가 합쳐진 후 , HRSG(Heat Recovery Steam Generator) , 출구가스 수증기개질 가스와 열교환하여 연소기로 공급된후 터빈을 구동한다. 가스터빈의 출력은 발전기에서 발생되는 교류 출력으로 계산하였으며 본 논문의 가스터빈은 , 매우 소형이므로 터빈과 압축기의 효율은 현재 발전용 가스터빈보다 낮은 효율을 사용하였다. 압축기와 터빈의 등엔트로피 효율은 압축기 70%, Air Off-gas Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4 + Air Heat combustor Cathode Anode Eletrolyte Comp Water S H EVA ECO H R S G PrOx WGS SR Add Air Water Pump Turb Comp CH4 Air Off-gas Water Pump Humi difier City Water Water Tank Exhaust Add CH4 + Air Heat combustor Cathode Anode Eletrolyte Comp Water S H EVA ECO H R S G S H EVA ECO H R S G PrOx WGS SR Add Air Water Pump Turb Comp CH4 Fig.
℃ ℃ 수증기개질 온도는 로 설정하였다 수증기개질 화학반응식은 식 와 같으며 평형반응 (2) 으로 가정하였다 수증기개질은 흡열반응이므로 . 개질에 필요한 열은 버너에서 공급하는 것으로 모델링하였다. Steam Reforming : CH4+H2O 3H → 2+CO (2) 수증기개질 후에는 식 의 수성가스반응을 고 (3) 려하였고 수성가스반응 후에는 추가로 공기를 , 공급하여 식 의 선택적 산화반응을 고려하였 (4) 다 식 의 반응온도는 식 의 반응온 .
3% , PEMFC 비해 효율이 절대값으로 약 향상되었다 2% . 다음은 기준설계성능이 계산된 시스템에서 개질기로 공급되는 연료량을 고정하고 추가로 공급 되는 연료량을 바꾸어 압력비의 변화에 따 TIT, 른 시스템별 효율변화를 나타내었다. Fig.
1은 설계기준이 되는 PEMFC . 시스템을 나타내었다 연료전지가 상압에서 작동되는 상압형 연료전지 시스템으로써 개질기에 연료와 물이 공급되고 수증기개질 반응을 통하여 수소가 생성된 후 연료극에 공급된다 공. 기는 막가습기를 통과한 후 상대습도 상태 100%로 공기극에 공급되고 연료전지에서는 연료극의 수소와 공기극의 산소가 전기화학 반응을 통해 전기를 발생시킨다 공기극에서 배출된 가스는 .
결 론 PEMFC와 가스터빈을 결합한 여러 가지 상압형 가압형 하이브리드 시스템을 구성하여 설계 , 성능 해석을 수행하였다. 연료전지와 가스터빈의 운전온도의 차이가 큰 하이브리드 시스 PEMFC 템에서는 터빈출구가스와 개질기의 폐열회수를 통하여 성능향상 효과를 얻을 수 있었고 가압형 , 하이브리드 시스템의 성능향상 조건을 분석하였다 또한 본 논문의 가스터빈은 소형이기 때문에 . , 제시된 기준 설계조건보다 현실적으로는 가 TIT 낮아질 것으로 판단된다 따라서 설계조 .
형으로 범위를 넓혀서 다양한 시스템 구성방법에 대해서 비교 해석하고 만으로 구성된 시 , PEMFC 스템에 비해 하이브리드로 구성으로 인하여 성능이 향상되는 설계범위를 제시하고자 한다 대상 . 은 수증기개질 을 사용하는 급의 소형 SR( ) 10kW 시스템이며 이에 맞는 현실적인 가스터빈 설계 , 하이브리드 연료전지 시스템의 성능 비교해석 PEM 유병준* 김동섭 이영덕* 안국영** Comparative Performance Analysis of Hybrid PEM Fuel Cell Hybrid Systems Byung June You, Tong Seop Kim, Young Duk Lee and Kook Young Ahn Key Words: PEMFC( ), Atmospheric Pressure Hybrid System( 고분자전해질 연료전지 상압형 하이 브리드 시스템 가압형 하이브리드 시스템 ), Pressurized Hybrid System( ), Steam Reforming( ) 수증기개질 Abstract Design performances of various configurations of the PEMFC/GT hybrid systems have been evaluated. Based on PEMFC adopting steam reforming, various system configurations (one ambient pressure configuration and three different pressurized configurations) were designed and their performances were compared.
3, 4, 5) 은 개의 구성을 고려하였다 압력비는 상압형 3 . 하이브리드 시스템에서는 압축기 압력비를 기준으로 하였고 가압형 하이브리드 시스템에서는 , 연료전지 입구압력을 기준으로 하였다. (1) Case 1상압형 하이브리드 시스템은 연료극 출구가스에 추가로 공기를 공급하여 압축한 후 연소기로 공급한다 연소기에는 추가로 연료를 공급 연소 .

대상 데이터

One of the pressurized system may have much higher efficiency than the PEMFC system, while other systems hardly provide efficiency upgrade. * 학생 회원 인하대학교 대학원 , 인하대학교 기계공학부 E-mail : kts@inha.ac.kr TEL : (032)876-7307 FAX : (032)868-1716** 한국 기계 연구원 3230조건에서의 시스템 성능을 예측하였다. 2.
(2-4) PEMFC의 경우에도 가스터빈과 하이브리드 시스템을 구성하기 위한 기초연구가 진행된 바 있으나(5), ( 상압형 연료전지가 상압에서 작동 시스템에서는 매우 제한적인 설계조 ) 건에서만 효율 상승효과가 있는 것으로 보고되었다 따라서 본 연구에서는 상압형뿐 아니라 가압 . 형으로 범위를 넓혀서 다양한 시스템 구성방법에 대해서 비교 해석하고 만으로 구성된 시 , PEMFC 스템에 비해 하이브리드로 구성으로 인하여 성능이 향상되는 설계범위를 제시하고자 한다 대상 . 은 수증기개질 을 사용하는 급의 소형 SR( ) 10kW 시스템이며 이에 맞는 현실적인 가스터빈 설계 , 하이브리드 연료전지 시스템의 성능 비교해석 PEM 유병준* 김동섭 이영덕* 안국영** Comparative Performance Analysis of Hybrid PEM Fuel Cell Hybrid Systems Byung June You, Tong Seop Kim, Young Duk Lee and Kook Young Ahn Key Words: PEMFC( ), Atmospheric Pressure Hybrid System( 고분자전해질 연료전지 상압형 하이 브리드 시스템 가압형 하이브리드 시스템 ), Pressurized Hybrid System( ), Steam Reforming( ) 수증기개질 Abstract Design performances of various configurations of the PEMFC/GT hybrid systems have been evaluated.

성능/효과

20222426283032342468800o C900o C1000o C1100o C1200o Cη(%) PR Fig. 6 Effect of TIT and PR on the case 1 hybrid system20222426283032342468 TIT=900o C1000o C1100o C1200o Cη(%) PR Fig. 7 Effect of TIT and PR on the case 2 hybrid system3234공급되는 연료와 물을 설계된 온도로 예열시키면서 를 낮게 설계하면 가스터빈 출력이 감소하 TIT 지만 증가된 연료전지 출력을 일정하게 유지하 , 면서 추가 연료량을 줄일 수 있기 때문에 효율이 상승한다 이상의 결과를 분석하면 가압형 하이 .
은 다음과 같이 계산하였다. W˙ H B,A C = W˙ F C,A C + W˙ GT,A C - W˙ AUX (12) W˙ GT = ˙ (W T - W˙ C/m )∙ gen (13) th,H B =  (m∙˙ LHV)f W˙ H B,A C (14) 3. 해석 결과 3.1 PEMFC과 하이브리드 시스템 연료전지는 작동온도 연료이용률은 70 , 0.7, ℃ SCR 3 , 은 으로 고정시키고 해석을 수행하였고 가스터빈은 터빈입구온도 가 압력비 (TIT) 1000 , ℃ (PR) 3 PEMFC, 을 기준 설계조건으로 하여 하이 브리드 시스템 출력이 가 되도록 계산하였 10kW 다 에는 기준 설계조건에서의 시스템별 . Table 1설계성능을 나타내었다.
Their Performances are also compared with the reference PEMFC system. Influences of turbine inlet temperature, pressure ratio on the hybrid systems performance were investigated and design ranges exhibits better efficiency than the PEMFC system were presented. One of the pressurized system may have much higher efficiency than the PEMFC system, while other systems hardly provide efficiency upgrade.
Case 3 case 1, 2출구가스 유량이 크기 때문에 가 보 TIT case 1, 2다 낮더라도 설계된 개질기 입구온도까지 연료 , 와 물을 예열시킬 수 있다 따라서 가 . TIT 600 , ℃압력비는 까지 설계가 가능하며 이때 약 4 , 39.1%의 최고효율을 가지는 것으로 예측되었다. Fig.
Case 4 , 는 연료극 공기극 출구가스가 합쳐진후 출구가스 수증기개질 가스와 열교환을 HRSG , 통해 연소기 입구온도를 약 까지 상승시킬 486℃ 수 있다 따라서 설계된 를 유지하기 위해서 . TIT 추가로 공급되는 연료량이 보다 감소하기 Case 3때문에 효율은 로 상승하였으며 에 34.3% , PEMFC 비해 효율이 절대값으로 약 향상되었다 2% . 다음은 기준설계성능이 계산된 시스템에서 개질기로 공급되는 연료량을 고정하고 추가로 공급 되는 연료량을 바꾸어 압력비의 변화에 따 TIT, 른 시스템별 효율변화를 나타내었다.
, 제시된 기준 설계조건보다 현실적으로는 가 TIT 낮아질 것으로 판단된다 따라서 설계조 . TIT, PR 건의 변화에 의하여 의 성능이 보다 Case 3 case 4더 향상되는 설계조건을 예측할 수 있었다. 후 기본 연구는 한국 기계연구원 기본사업의 지원으로 이루어진 결과임.
하이브리드 시스템은 가 기준 설계조건보다 TIT 낮아질수록 효율이 상승하는 결과를 나타내었다. 본 연구에서의 하이브리드 시스템은 터빈출구가스를 이용하여 개질기로 공급되는 연료와 물을 300 TIT ℃까지 예열하고 배출되기 때문에 가 높아질수록 추가연료량이 증가하고 폐열이 증가한다. 따라서 설계된 개질기입구 온도조건을 만족하면서 가능한 낮은 가 추가연료량을 줄일 수 있 TIT 기 때문에 효율이 증가하였다 또한 출구 , HRSG 가스의 폐열회수를 통하여 추가연료량을 감소시키는 것도 성능향상의 원인이었다 가압형 하이 .
Case 3 Case 4효율이 낮지만 가 기준설계보다 낮은 경우에 , TIT 는 보다 효율이 더 높아지는 영역이 있는 Case 4것으로 예측되었다. 하이브리드 시스템은 가 기준 설계조건보다 TIT 낮아질수록 효율이 상승하는 결과를 나타내었다. 본 연구에서의 하이브리드 시스템은 터빈출구가스를 이용하여 개질기로 공급되는 연료와 물을 300 TIT ℃까지 예열하고 배출되기 때문에 가 높아질수록 추가연료량이 증가하고 폐열이 증가한다.

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