Performance analysis of SOFC+ST Fuel cell 2016 Term project Performance analysis of SOFC+ST hybrid power system fuled by biogas 안녕하십니까? 한국해양대학교 대학원 기관시스템공학과 이경진입니다. 제가 발표할 내용은 선박용 SOFC/ST 하이브리드 시스템에 대한 성능평가입니다. Sun-Hee Kim

Backgrounds Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가 현재 에너지 고갈의 고유가 시대와 환경오염으로 친환경적인 에너지의 필요성이 당연시되고 있습니다. 또한 대기오염물질 배출의 규제가 강화되면서 육상 뿐 아니라 해상에서도 적용되고 있으며 선박에서도 고려해야 하는 중대 과제 중의 하나가 되었습니다. 가능한 에너지원을 적게 사용하고 오염물질의 배출을 줄이고자 여러 방안이 검토되고 있습니다. 그 중의 하나로 고효율 및 친환경성의 장점을 가진 연료전지시스템을 선박에 적용하는 방안을 연구하게 되었습니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

태양열, 태양광발전, 바이오 매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 신 재생 에너지 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생가능 한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지 신 에너지 재생 신 재생 연료전지는 신 재생 에너지 중 하나 입니다. 연료전지, 수소에너지 석탄액화가스화, 태양열, 태양광발전, 바이오 매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

처리방법별 대표 공정도 ▶ 혐기성분해(바이오가스화) Ref.3 유기성 폐기물 처리 및 자원화

Basic Principles of Fuel Cell H2O O2 Fuel cell Electricity H2 Heat 연료전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치입니다. 즉, 수소와 산소를 반응시켜 물과 전기 그리고 일부의 열을 만들어 내는 것입니다. Chemical Energy Electrical Energy Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Basic Principles of Fuel Cell 수소와 산소의 화학적 반응을 전기에너지로 변환 고효율 발전장치로 전기와 열을 동시에 이용 가능 물의 전기 분해의 역 반응의 원리 2H2+O2 → 2H2O 기본적인 원리는 물의 전기분해의 역 반응입니다. 전기분해는 물에 전기를 이용해 수소와 산소로 분해하는 과정인데 역으로 전기를 발생시키는 반응입니다. Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Type of Fuel Cell 고온형 저온형 종류 전 해 질 작동온도 사용분야 알칼리 연료전지 (AFC) 고분자형 연료전지 (PEMFC) 직접메탄올연료전지(DMFC) 인산형 연료전지 (PAFC) 용융탄산염연료전지 (MCFC) 고체산화물 연료전지 (SOFC) 전 해 질 고분자 인산 용융탄산염 고체산화물 작동온도 80℃ 25-80℃ 200℃ 650℃ 600-1000℃ 사용분야 우주용 휴대용 발전기, 교통수단 휴대용 전원, 군사용 소규모 발전소 (200kW) 중~대규모 발전 (MW) 대규모 발전 (수MW) 연료전지의 종류는 전해질에 따라 대게 6가지로 나눠집니다. 또한 작동 온도에 따라 저온형과 고온형으로 구분되며 제가 성능평가를 한 것은 고온형 연료전지입니다. Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Type of Fuel Cell PEMFC SOFC Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가 전해질의 종류가 달라 이동하는 이온이 다르기에 물의 생성방향도 다릅니다. SOFC의 경우 연료극으로 수소가 공급되고 공기극으로 산소가 공급되어 연료극으로 물이 생성되는 것을 볼 수 있습니다. PEMFC SOFC Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

System of Fuel Cell MBOP (Mechanical Balance of Plant) 연료전지 시스템의 개략도입니다. MBOP 부분으로 연료와 산소를 공급하기 위한 곳 입니다. MBOP (Mechanical Balance of Plant) : 기계적 장치를 통칭하며, 연료와 산소를 공급하기 위한 Gas desulfurizer, Gas heater, Water tank, Fuel humidifier, Air Blower 등으로 구성 Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

System of Fuel Cell Stack : 전극 및 전해질, 그리고 분리판으로 이루어진 Cell 이 적층되어 있고, 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기 생산 Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

System of Fuel Cell EBOP (Electrical Balance of Plant) : Stack에서 생산되는 직류를 교류로 변화시켜주는 인버터 및 컨버터 등과 컨트롤 판넬 등으로 구성 Ref.2 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Layout of SOFC+ST Hybrid Power System Fuled Biogas Fuel feeder1 Fuel feeder2 성능평가에 사용한 시스템의 개략도입니다. 여기서 보시면 전력을 생산해내는 연료전지와 스팀터빈이 있음을 볼 수 있습니다. 이것은 고온형 연료전지의 폐열을 이용하여 상압상태에서 최대한 전력화 하기 위함입니다. 스택으로 연료 공급을 위한 FF1과 연소기 출구온도 조절을 위한 FF2가 있습니다. 시스템으로 공급된 메탄은 수증기의 농도가 높은 연료극 재순환 가스와 혼합 예열되어 개질기로 보내어집니다. 수소는 개질기에서 메탄과 수증기가 반응하여 생성되며 개질된 가스에는 수소 이외에도 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 및 개질되지 않은 소량의 메탄도 포함되어 있습니다. 고농도의 수소가스가 포함된 개질가스는 셀의 연료극으로 공급됩니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Layout of SOFC+ST Hybrid Power System Fuled Biogas Fuel feeder1 Fuel feeder2 공기는 연료전지의 전기화학반응용 산소의 공급과 셀의 냉각용으로 사용되며 송풍기와 예열기를 거쳐 공기극으로 보내어집니다. 공기 예열기의 설치는 연료전지 셀의 공기와의 과도한 온도차로 인한 열 응력의 발생을 억제시키기 위함입니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Layout of SOFC+ST Hybrid Power System Fuled Biogas Fuel feeder1 Fuel feeder2 스택으로 공급된 잉여 공기는 비가역과정에 의하여 발생된 열을 흡수하여 방출되며 이 폐열과 연료극 출구의 미반응 가스들이 연소됩니다. 연소기 출구의 고온 가스는 증기터빈의 보일러의 열원이 됩니다. 여기서 증기터빈은 LNG선박의 50bar 500도로 설정하였습니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Anode and Cathode Reactions for the SOFC Anode reactions Cell voltage ( V = E – Vact – Vohm - Vcon ) ▶ Electromotive force (EMF) at 1000℃ 이것은 스택에서의 공기극과 연료극의 반응식입니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

▶ Activation overpotential ▶ Concentration overpotential System Modeling Cell voltage ( V = E – Vact – Vohm - Vcon ) ▶ Nernst potential ▶ Activation overpotential ▶ Ohmic overpotential 셀의 유기전압은 개회로 전압에서 여러 손실들을 뺀 것으로 개회로 전압의 경우 온도와 압력 따른 네른스트 식으로 구하였고 전기화학반응에의한 손실인 활성화손실은 아헨바흐식으로 부터 구하였습니다. 그리고 전자,이온의 이동에 의한 손실인 저항손실은 전기저항식과 저항률에 관한식으로 산출하였고 전해질과 전극사이의 반응물질이 소모됨에따라 손실되는 농도손실은 한계전류밀도 모델로부터 계산하였습니다. ▶ Concentration overpotential Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

System Modeling Reactions and Calculation of reaction rates ▶ Reactions : reforming reaction CH4 + H2O 3H2 + CO shifting reaction CO + H2O H2 + CO2 ▶ Reaction rates : 개질기에서 메탄은 주로 개질반응과 전이반응으로 이루어지며 출구조성의 경우 평형정수와 화학평형식으로 계산하였습니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

System Modeling Electrical efficiency Steam turbine Electrical load ratio Electrical efficiency Cell energy balance 성능평가에 사용된 정의 식으로 부하분담률에 경우는 순 출력대비 연료전지 및 스팀터빈의 출력을 말하며 시스템의 전기적 효율의 경우엔 공급된 총 메탄의 저위 발열량 대비 순 출력을 말하며 SOFC의 효율의 경우 개질기로 공급되는 메탄기준으로, ST의 경우 연소기로 공급되는 메탄을 기준으로 정의하였습니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Parameter of SOFC+ORC Hybrid Power System 작동온도 전류밀도 연소기 출구온도 보일러 1073 ~ 1273K 0 ~ 9000 A/m2 Parameter 823 ~ 1173K 본 연구의 파라미터로는 작동온도, 전류밀도 그리고 연소기 및 보일러 출구가스 온도가 있습니다. 473 ~ 723 K Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Setting parameters for the analysis Electrical output (kW) 3000 Anode thickness (μm) 200 Cathode thickness (μm) 2000 Electrolyte thickness (μm) 20 Limiting current density (A/m2) 9000 Inverter efficiency (%) 95 Reformer temperature effectiveness (%) 10 Steam turbine inlet pressure (kPa) Steam turbine inlet temperature (K) 423.15 Steam turbine outlet pressure (kPa) Steam turbine efficiency (%) 80 Pump efficiency (%) 85 Air blower adiabatic efficiency (%) 75 Air blower mechanical efficiency (%) 90 Air blower motor efficiency (%) Fuel feeder1 adiabatic efficiency (%) 70 Fuel feeder1 mechanical efficiency (%) Fuel feeder1 motor efficiency (%) Fuel feeder2 adiabatic efficiency (%) 70 Fuel feeder2 mechanical efficiency (%) 90 Fuel feeder2 motor efficiency (%) 95 Recuperator1 pressure drop(air side) (%) 2 Recuperator2 pressure drop(air side) (%) Stack pressure drop(air side) (%) 6 Reformer pressure drop(air side) (%) 4 Recuperator2 pressure drop(gas side) (%) Combustor pressure drop(gas side) (%) Superheater pressure drop(gas side) (%) Steam generator pressure(gas side) (%) Feed water heater pressure(gas side) (%) Mixer pressure drop(fuel side) (%) Reformer pressure drop(fuel side) (%) Stack pressure drop(fuel side) (%) Combustor pressure drop(fuel side) (%) 8 Ambient temperature (K) 298.15 Ambient pressure (kPa) 101 성능평가에 사용한 조건들입니다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Comparison of Performances SOFC 단독 시스템 SOFC/ST 하이브리드 시스템 Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Comparison of Performances SOFC 단독 시스템 VS SOFC/ORC 하이브리드 시스템 X (K) – 3000 (A/m2 ) 1223.15 (K) - X (A/m2 ) Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Conclusions (1) 스택 작동온도에 대하여 하이브리드시스템의 전기적 효율은 연료전지시스템의 효율 보다 완만히 변화하며, 낮은 작동온도 영역에서 하이브리드시스템의 효율은 연료전지시스템의 효율보다 높게 나타난다. (2) 셀 전류밀도에 대하여 하이브리드시스템의 전기적 효율은 연료전지시스템의 효율 보다 완만히 변화하며, 높은 전류밀도 영역에서 하이브리드시스템의 효율은 연료전지시스템의 효율보다 높게 나타난다. (3) 연소기 또는 보일러 출구 가스온도의 변화로부터 스택의 폐열이 아닌 연소기의 추가적 연료공급에 의한 스팀터빈 출력의 증가는 하이브리드시스템의 효율을 감소시킨다. Ref.1 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가

Reference (1) 선박동력용 SOFC/ST 하이브리드시스템의 성능평가에 관한 시뮬레이션(마린엔지니어링학회, 2011, 이경진) (2) 선박동력용 SOFC/GT/ST 하이브리드시스템의 성능평가에 관한 시뮬레이션(마린엔지니어링학회, 2012, 이경진) (3) 유기성 폐기물 처리 및 자원화 : 바이오가스를 활용한 연료전지발전시스템 개발(한국폐기물자원순환학회, 2011, 이종규) (4) 바이오가스 성상에 따른 고체산화물 연료전지의 전기적 특성(한국폐기물자원순환학회, 2011, 정진도) (5) 바이오가스 활용 열병합 복합 연료전지 도입방안 연구 (한국지역난방공사, 2011, 이창준)

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