초록 ▼

(시뮬레이션)
- 연료전지의 topping cycle과 bottoming cycle로서 내연기관 엔진을 추가한 하이브리드 시스템 정상상태 모델을 구축하고 새로운 아키텍쳐에 대한 분석을 수행함.
- 새로운 하이브리드 시스템에 대한 효율 및 엑서지 분석을 통해 기존 SMR 등의 외부개질기와 촉매연소기를 사용하는 기존 연료전지 시스템보다 효율적으로 훨씬 우수한 시스템이라는 것을 보임.
- 하이브리드 시스템의 비정상상태 모델 구축을 통해 시스템의 동특성 분석을 수행함.

(실험)
- 하이브리드 시스템의 to

(시뮬레이션)
- 연료전지의 topping cycle과 bottoming cycle로서 내연기관 엔진을 추가한 하이브리드 시스템 정상상태 모델을 구축하고 새로운 아키텍쳐에 대한 분석을 수행함.
- 새로운 하이브리드 시스템에 대한 효율 및 엑서지 분석을 통해 기존 SMR 등의 외부개질기와 촉매연소기를 사용하는 기존 연료전지 시스템보다 효율적으로 훨씬 우수한 시스템이라는 것을 보임.
- 하이브리드 시스템의 비정상상태 모델 구축을 통해 시스템의 동특성 분석을 수행함.

(실험)
- 하이브리드 시스템의 topping(상대국) & bottoming(국내) 엔진 시스템 실험 장비를 구축함.
- 구축한 엔진 시스템을 바탕으로 엔진 성능 실험을 수행한 결과, bottoming cycle 엔진에서 25% 가량의 엔진 효율을 얻을 수 있었으며 이는 시스템 측면에서 7~8% 효율 상승을 나타냄. 상대국의 topping cycle 엔진 실험을 통해 큰 분자의 연료 개질 가능성 및 추가적인 효율 상승 가능성을 실증하였음.

(지속적인 노력) 이번 과제를 통해 개발된 bottoming cycle 하이브리드 시스템은 산업부 연료전지-엔진 실증 사업으로 연결되어 진행 중이며, topping cycle 하이브리드 시스템과 관련해서는 상대국에서 스탠포드대학 GCEP에서 새롭게 funding을 받아 지속적인 연구를 수행하고 있음. 이에 따라 연구책임자는 2016년 하반기부터 스탠포드대학에서 1년 동안 visiting professor로서 공동 연구를 지속할 예정임.

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Ⅳ. Research results

In the first year, the literature survey on previous fuel cell hybrid system was conducted. Fuel cell- gas turbine hybrid system, fuel cell-organic rakine cycle system and fuel cell-Stirling engine system was found during the literature survey. Based on this literature sur

Ⅳ. Research results

In the first year, the literature survey on previous fuel cell hybrid system was conducted. Fuel cell- gas turbine hybrid system, fuel cell-organic rakine cycle system and fuel cell-Stirling engine system was found during the literature survey. Based on this literature survey, the road map of the research on fuel cell-engine hybrid system was made.
The modeling on the fuel cell as well as the engine was constructed also, in the first year. Based on this work, modeling on hybrid system which combines fuel cell, topping cycle(ICE) and bottoming cycle(ICE) was constructed. The exergy analysis of this system was performed and the result of this analysis shows that this system has much better efficiency, in not only the first law but also the second law point of view, than the fuel cell standalone system with SMR reformer.
The purchases for set up the experimental equipment was made in the first year also. A single cylinder diesel engine, motor and inverter were purchased and the experimental set up was done by using these components.
In the second year, steady-state simulation study on the integrated system was performed. The result of the study shows this system has much better efficiency, in not only the first law but also the second law point of view, than the fuel cell standalone system with ATR or POx reformer. Dynamic modeling of the HCCI engine and engine intake manifold are constructed.
The experimental equipment for engine experiment was built in the second year. From this experimental equipments, temperatures and pressures of each point and the engine in-cylinder pressure can be measured. Based on these measurements, engine performances are calculated. Exhaust gas are analyzed by GC(Gas Chromatography).
In the third year, the investigation on the steady state modeling was done. Optimization for the best performance, in the exergy and reforming efficiency point of view, was performed. The combustion characteristics of bottoming cycle was analyzed also by the simulation. As the result of analysis, the method to improve combustion was achieved.
The dynamic modeling of each system components (heat exchanger, steam separator, intake manifold, etc.) was constructed also in the third year. The modeling was built with Matlab/Simulink. Cantera Kinetics Toolbox and GRI 3.0 mechanism was used for thermodynamic/kinetics calculation. By using this modeling, various transient phenomena in the intake manifold can be observed and analyzed.
The various engine experiments were performed in the third year. To improve engine efficiency, experimental studies on various parameters were done. As the result, over 25% gross efficiency was shown. Considering the engine, which was used in experiment, is small, the system with bigger capacity can make better efficiency.

(출처 : SUMMARY 10p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제1절 연구 배경 ... 14
• 제2절 연구의 필요성 ... 15
• 제3절 기존 연구와의 차별성 ... 16
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 17
• 제1절 발전용 연료전지 개발 현황 ... 17
• 제2절 국내외 연료전지 시스템 시장 전망 ... 17
• 제3절 하이브리드 시스템에 대한 연구 및 개발 현황 ... 18
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 19
• 제1절 1차년도 연구수행 내용 및 결과 ... 19
• 제2절 2차년도 연구수행 내용 및 결과 ... 27
• 제3절 3차년도 연구수행 내용 및 결과 ... 40
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 59
• 제1절 1차년도 연구개발목표 달성도 및 자체평가 ... 59
• 제2절 2차년도 연구개발목표 달성도 및 자체평가 ... 61
• 제3절 3차년도 연구개발목표 달성도 및 자체평가 ... 63
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 66
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 69
• 제1절 고온용 연료전지 하이브리드 시스템 ... 69
• 제2절 Anode off-gas의 HCCI엔진 연소 특성 분석 – syngas 연소 특성 분석 관련 문헌 조사 ... 72
• 제7장 참고문헌 ... 79
• 끝페이지 ... 81