A Study on Thermal Management of Stack Supply Gas of Solid Oxide Fuel Cell System for Ship Applications
선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템의 스택 공급 가스의 열관리 문제에 관한 연구

Sang-Kyun Park, Mann-Eung Kim
2011 Journal of the Korean Society of Marine Engineering  
Sang-Kyun Park † ⋅Mann-Eung Kim 1 요 약 : 본 연구에서는 선박 전원용 SOFC 시스템에 대한 HIL(Hardware-In-the-Loop)을 구축하기 위하여 실시간 코드 생성이 가능한 연료전지 시스템 모델을 개발을 하였다. 또한, 메탄을 연료로 사용한 내부개 질형 500kW급 고체산화물형 연료전지 시스템에서 연료전지 스택으로 공급되는 애노드와 캐소드 공급 가스의 온도 차이를 최소화하기 위하여 연료전지 스택 배기가스의 유량 분배, 연료 및 공기 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성과 연료전지 스택 출력 및 시스템 효 율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다. 그 결과 터빈 출구에 위치한 3-Way 밸브의 위치가 0.839에서 애노드와 캐소드 공급 가스 온도가 약 830K에서 동일하게 유지됨을 알 수 있었다. 또한, 애노드와 캐소 드 공급 가스 온도를 높이기 위해서는 연료전지 스택 및 시스템 효율을 충분히 고려하여
more » ... 및 시스템 효율을 충분히 고려하여 메탄 공급 유량 을 최적화하는 프로세스가 필요함을 알 수 있었다. Abstract: In this research, the fuel cell system model capable of generating codes in real time was developed to construct of a HIL (Hardware-In-the-Loop) for a SOFC-powered ship. Moreover, the effects of the distribution of the exhaust gas flow rates in a stack, the flow rates of fuels and temperature of air supplied on the temperature characteristics of fuels supplied to the cathode and the anode, the output power of the stack and system efficiency are examined to minimize the temperature difference between fuels supplied to the stack used in a 500kW SOFC system using methane as a fuel. As a result, the temperatures of fuels supplied to the cathode and the anode maintain at 830K when the opening factor of three-way valve located at outlet of turbine is 0.839. Also the process for optimization of methane flow rate considering the fuel cell stack and system efficiency is required to increase the temperatures of fuels supplied to the stack. Tel: 042-869-9507) 1 한국선급 녹색산업기술원 1. 서 론 IMO(International Maritime Organization, 국제해 사기구)의 "Second GHG Study 2009"에 의하면 해 운분야는 전 세계 온실가스 배출량의 3.3%를 차지 하고 있으며, 국제해운 부분이 2.7%, 국내해운 및 어선이 0.6%를 차지하는 것으로 보고되고 있다[1]. 근년 IMO에서는 선박에서 배출되는 GHG를 저감 하기 위해서 신조선에 대한 에너지효율설계지표 60 박상균․김만응 766 / 한국마린엔지니어링학회지 제35권 제6호, 2011. 9 (EEDI), 현존선에 대한 에너지효율운항지표(EEOI), 선박효율관리계획서(SEMP), 시장기반조치(MBM) 등의 다양한 사항에 관해서 논의 중에 있다[2]. 따 라서 IMO의 EEDI 요건의 도입에 따른 선박의 에 너지효율 향상을 위한 다양한 기술들의 도입이 예 상되어지고 있다[3]. 이러한 기술들 중에 장기적이 고 근본적으로 선박으로부터 배출되는 대기오염물 질을 저감하기 위한 방안 중의 하나로 연료전지 (Fuel Cell) 기술의 선박 적용이 고려되어 지고 있 다[4-13]. 이미 다양한 연료전지 형식 중에서 고체 고분자형 연료전지(PEMFC)[4,7], 용융탄산염형 연 료전지(MCFC)[5,7] 및 고체산화물형 연료전지 (SOFC)[6] 각각의 형식에 대한 해상환경에서의 실 증 연구가 진행되어지고 있다. 앞서 기술한 연료전 지 형식 중에서 현재 가장 기술개발 수준이 낮은 단계에 있는 SOFC의 경우 향후 고온형 연료전지 시장을 주도할 것으로 기대되어지고 있으며, SOFC 시스템의 모델링 관점에서의 연구도 진행되어 지 고 있다[8-14]. 본 연구에서는 선박 전원용 SOFC 시스템에 대 한 설계 및 성능평가 기반을 구축하기 위한 수단 으로 HIL(Hardware-In-the-Loop)의 구축을 목표로 하여, 실제의 연료전지 시스템 플랜트를 대신하여 Matlab/Simulink 상용프로그램을 활용하여 실시간 코드 생성이 가능한 모델을 개발을 하였다. HIL 시스템은 실제 플랜트를 대신하여 수학적인 모델 링을 통하여 만들어진 모델을 실시간으로 실행시 켜서 외부 인터페이스를 붙여서 플랜트 이외의 부 분에 실제 하드웨어가 있는 것처럼 여기도록 하여 플랜트의 동역학 부분을 소프트웨어로 대체하는 기술이다. 본 논문에서는 실시간 코드 생성 전 단 계에서 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW 급 고체산화물형 연료전지 시스템을 개발하여 연 료전지 스택으로 공급되는 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도차를 최소화하기 위하여 연료전지 시 스템의 열관리 측면에서의 다양한 검토를 수행하 였다. 연료전지 스택에서의 배기가스의 유량분배, 연료 및 공기의 공급 유량, 공급 공기 온도의 영향 이 애노드 및 캐소드 공급 가스의 온도 특성과 연 료전지 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영 향에 관하여 검토하였다.
doi:10.5916/jkosme.2011.35.6.765 fatcat:nhw2ajxoibfjhfsiv7t5im2cfe