메탄올 기반 저인화점 연료추진 선박에 대한 SOFC-PEMFC 통합시스템의 설계 및 열역학적 분석에 관한 연구

Abstract

해양오염방지를 위해 국제해사기구(IMO)는 MARPOL Annex VI 발효를 통해 NOx, SOx등의 배출 규제를 강화하고 있으며, 또한 IMO2050 전략을 통해 탄소배출을 제한하고 있다. 본 연구는 선박에서 이러한 규제에 대응할 수 있는 대체연료로 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 대한 연구를 진행하였다. 여러 종류의 연료전지가 존재하지만, 본 연구에서는 대상 선박의 운항 주기 분석과 운항 상태에 따른 전력 소모량을 추정한 후 선박의 운항 특성에 따른 SOFC와 PEMFC를 동시에 운용 가능한 SOFC-PEMFC 통합 추진시스템에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 제안된 SOFC-PEMFC 통합시스템은 Sulfur Free와 저탄소 배출로 기존의 엔진을 대체함으로써 지속가능한 전력 공급 체계를 구축하기 위한 것이다. 특히, SOFC 운용시, SOFC에서 고온의 열이 발생하는 것에 주목하고 선박의 효율을 높이기 위해 SOFC에서 배출되는 고온의 배기가스를 이용하기 위하여 가스 터빈을 연동하였으며, 또한 폐열을 회수하기 위하여 SRC와 ORC를 전체 시스템에 추가하여 선박에 적용한 연료전지의 효율을 최대한 높이기 위한 통합시스템을 설계하였다. SOFC는 가스터빈과 동시 운용시 높은 효율을 보이는 반면 고온의 연료 및 공기 공급이 필요하다. PEMFC는 비교적 효율이 낮지만 낮은 온도로도 운전이 가능하며 빠른 응답성의 특성을 가지고 있다. SOFC 초기 기동시 전력 공급에 대한 해법을 PEMFC와의 연동을 통해 찾을 수 있었다. 또한 선박의 특성상 안정적인 고부하 구간과 부하 변동이 잦은 저부하 구간이 존재하며 SOFC-PEMFC의 통합시스템으로 문제 해결이 가능함을 확인 할 수 있었다. 본 연구에서 제안된 SOFC-PEMFC 통합시스템의 성능 해석은 에너지 및 엑서지 분석을 통해 이루어졌다. 제안된 SOFC-PEMFC 통합시스템은 5,650.86kW의 최대 출력을 얻을 수 있었으며, 에너지 효율과 엑서지 효율은 77.75%, 44.71%로 각각 계산되었다. 이로써, 선박연료로써 메탄올과 추진체계로써 SOFC-PEMFC 통합 시스템에 대한 적용 가능성을 확인하였다.