선박 동력용 중온형 고체산화물연료전지 시스템 성능평가에 대한 연구

Abstract

Developing eco-friendly renewable energy sources, reducing emissions of and emission control of air pollutants are not only a matter of land, but also an important task that should be addressed in offshore navigation ships. The International Maritime Organization (IMO) has regulated the use of fuel oil for exceeded sulphur content by 0.5% and applied Tier-Ⅲ to vessels above 130kW output since January 2016. These regulations are clearly more applicable when considering trends.

Recently, although a variety of technologies are developed and applied such as Main engine Electronic control Gas Injection(MEGI), Dual Fuel Diesel Electric(DFDE), and post-combustion equipment that reduce the emission of air pollutants and enhance the energy efficiency of power engines, these technologies make the system complicated and are not a fundamental solution to greenhouse gases and air pollution. One of the fundamental and sustainable solutions to these problems is fuel cell.

Because fuel cell which uses electricity and thermal energy from the chemical reactions of hydrogen and oxygen is eco-friendly and high efficiency, it has been receiving much attention lately. If fuel cell is applied to large ship, considering the magnitude and characteristics of the power, high temperature fuel cell such as Solid Oxide Fuel Cell(SOFC) is more suited because it is highly efficient and waste heat utilization. However, because SOFC is designed to operate at temperatures above 800~1000°C for high efficiency, resulting in a considerable number of obstacles such as durability reduction and sintering of porous electrode that can cause serious accident. Many studies are actively conducted on the intermediate temperature(600~800℃) SOFC(It-SOFC) to reduce the use of special heat resistant materials and operate the system safely.

The objective of this thesis is to evaluate by simulation the performance of various It-SOFC system for ship. First of all, we built a methane fueled It-SOFC single system equipped with external and recycled reforming fuel processor. And then, thorough simulation and modeling, we examined the effects of cell operating temperature(COT), cell current density(CD), reformer steam carbon ratio(S/C) and hydrogen utilization rate on the performance compared to high temperature SOFC single system. Second, in order to use the waste heat from fuel cell we built a hybrid system that combined a gas turbine or steam turbine. We evaluated the performance of the hybrid system on the basis of various condition and variables. Third, we built a methanol fueled It-SOFC single and hybrid system equipped with external and recycled reforming fuel processor. And we evaluated the performance in the same way before.

Through simulation, we proposed ideal system arrangements for each It- SOFC system considering efficient reforming and stability. And we discovered that methane fueled It-SOFC system have a reformer where is behind the combustor and need more recuperator for obtaining the appropriate reforming temperature. We also found that range of stack operating temperatures and current densities for operating the various It-SOFC system under the high efficiency and performance. Moreover although methane fueled It-SOFC single system had higher efficiency, methanol fueled hybrid system is highly efficient in improving efficiency.|친환경적인 신재생에너지의 개발, 의 배출저감 및 대기오염물질의 배출 규제는 육상만의 문제가 아니며, 해상에서 항행하는 선박에서도 해결되어야 하는 중요한 과제이다. 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서는 황 함유량 0.5%를 초과하는 연료유에 대한 사용을 규제 하도록 하였으며, 2016년 1월 이후 건조되는 130 kW 이상 출력 선박에 대해서는 규제를 위해 Tier-Ⅲ를 적용하였다. 이러한 추세를 고려 할 때 배출규제는 더욱 확대 적용될 것임이 분명하다.

최근 대기오염 배출 감소를 위해 친환경연료 엔진(MEGI), 이중연료 전기추진(DFDE), 연소가스 후처리장치(EGR) 장착 등 많은 기술들이 개발되고 있으나, 이러한 기술들은 시스템을 복잡하게 만들고 온실가스 배출 및 대기오염에 대한 근본적인 해결책이 되지 못하고 있다. 이러한 문제들에 대한 근본적이고 지속 가능한 해결책 중 하나가 연료전지이다.

수소와 산소의 화학반응으로부터 생성되는 전기와 열에너지를 사용하는 연료전지는 친환경적이고 고효율적인 특성 때문에 최근 많은 주목을 받고 있다. 연료전지를 선박의 동력장치로 채택한다면, 중대형 선박의 크기와 특성을 고려할 때 에너지 효율 및 폐열의 활용도가 높은 고체산화물형 연료전지(SOFC)와 같은 고온형 연료전지가 적합하다. 그러나 SOFC는 높은 에너지 효율을 얻기 위해 800~1000℃의 고온에서 작동하도록 설계가 되어 다공성 전극의 소결 현상 및 내구성 감소로 심각한 사고를 초래할 수도 있다. 최근 SOFC의 작동온도를 600~800℃ 또는 그 이하로 낮추려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 온도영역은 연료의 개질을 위한 열원을 공급해 줄 수 있고, 기존의 SOFC보다 사용재료에 대한 선택의 폭을 넓혀주어 비용 절감을 할 수 있으며, 시동 시간을 단축시킬 수 있는 많은 장점을 가진다.

본 논문의 목적은 다양한 선박동력용 중온형 SOFC 시스템의 시뮬레이션 모델링을 통해 성능을 평가하는 것이다. 첫째 메탄 수증기개질 중온형 SOFC 단독시스템을 개발하였고, 시뮬레이션 모델링을 통해 스택 작동온도, 전류밀도, 개질기 수증기/탄소비 및 수소이용률이 성능에 미치는 영향을 고온형 SOFC 단독시스템과 비교하여 평가하였다. 둘째 연료전지의 폐열을 활용하기 위해 가스터빈 또는 스팀터빈을 결합한 하이브리드시스템을 개발하였다. 다양한 상태나 조건을 기반으로 하이브리드시스템의 성능을 평가하였다. 셋째 메탄올을 연료로 하는 단독시스템 및 하이브리드시스템을 개발하여 메탄연료 중온형 SOFC 시스템과 동일한 방법으로 성능을 평가하였다.

본 논문은 시뮬레이션을 통해 효율적인 개질과 시스템의 안정성을 위한 이상적인 중온형 SOFC 시스템들을 제안한다. 그리고 메탄 수증기개질 중온형 SOFC는 적당한 개질온도를 얻기 위해 개질기가 연소기 후단에 개질기가 위치하며, 추가적인 열교환기가 필요하였다. 또한 중온형 SOFC시스템의 높은 효율과 성능을 보장하는 스택 작동온도 및 전류밀도 범위를 확인하였다. 마지막으로 메탄연료 중온형 SOFC 단독시스템이 높은 효율을 가지나, 메탄올연료 하이브리드시스템이 단독시스템에 비해 효율의 개선이 더 높은 것을 알 수 있다.