Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel Reformer of 5 kW SOFC System

5 kW급 SOFC 시스템의 연료 개질기를 위한 2-유체 노즐과 3-유체 노즐의 검토

권화길 ^* ·이치영 ^* ·이상용 ^†

Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel Reformer of 5 kW SOFC System

Hwa-Kil Kwon, Chi Young Lee and Sang Yong Lee

Key Words: Fuel Reformer( 연료 개질기 ), 2-Fluid Nozzle(2- 유체 노즐 ), 3-Fluid Nozzle(3- 유체 노즐 )

Abstract

In the present study, the 2-fluid nozzle and 3-fluid nozzle to atomize the diesel and water with air for the fuel reformer of SOFC system were experimentally examined. In the 2-fluid nozzle, the diesel and water were alternately atomized due to bislug flow pattern, and it implies that the mixing of both liquids strongly affects the atomization pat- tern. On the other hand, in the 3-fluid nozzle, the diesel and water were atomized simultaneously due to the separated injection channels without mixing problem. Therefore, compared to the 2-fluid nozzle, the 3-fluid nozzle is suitable for the stable operation of the fuel reformer. In case of the 3-fluid nozzle, Type A where the air was supplied through the central channel was the most efficient.

기호설명

ALR ^{액체 질량유량에 대한 공기 질량유량의 비} (Air Liquid Ratio)

D 디젤

SMD Sauter ^{평균 입경} (Sauter Mean Diameter) [ ^μ m]

W 물

WA 공기의 질량유량 [kg/s]

WL ^{액체의 질량유량} [kg/s]

1. 서 론

최근 화석연료의 사용으로 인해 발생되는 지구온난화 와 환경오염 문제를 해결하기 위한 대안으로 수소에너지 가 유력한 미래 에너지원으로 각광받고 있다 . 이러한 사 회적인 요구와 함께 수소를 효율적으로 사용하기 위한 응용분야로 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시 키는 연료전지가 관심의 대상이 되고 있다 . 연료 개질기

(fuel reformer) ^{는 연료전지에 사용되는 수소를 생산해 내}

기 위한 장치로서 그 연료로는 천연가스 , 메탄올 , 가솔 린 , 디젤 등의 탄화수소가 사용되며 , 그 중에서 디젤의 경 우 수소에너지 밀도가 높고 기존에 구축된 기반시설을 이 용할 수 있다는 장점 때문에 연구의 대상이 되고 있다

.

탄화수소 연료로부터 수소를 얻기 위한 개질 방법 중 자열개질 (autothermal reforming) 법은 연료와 함께 공기 ,

수증기를 동시에 이용하는 반응으로서 부분산화를 통해 생성된 열을 이용해 시스템의 자립운전이 가능하고 다 (2008

3

4

~ 2008

3

15

)

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (042)869-3026 FAX : (042)869-8207

*

기에 공급하기 위하여 초음파 인젝터 (ultrasonic injector)

를 사용하였는데 디젤을 미립화시키지 않고 공급하였을 때보다 개질효율이 20% 증가한다고 보고하였다 . 그리

고 Kwon ^등

^{은 초음파 인젝터보다 내구성이 우수한} 2-

유체 노즐을 사용하여 디젤연료의 미립화 실험을 수행 하였고 연료 개질기를 위한 탑재 가능성을 검토하였다 .

자열개질 반응에 있어 수증기는 개질 중 발생하는 탄 소침적을 줄여줄 수 있기 때문에 수증기의 공급 또한 중요하다

. 현재는 수증기 공급을 위해 외부 열교환기 를 통해 물을 수증기 상태로 미리 기화시킨 후 반응기 내로 공급하거나

, 물을 공급할 수 있는 작은 관을 반 응기의 외벽에 설치하여 외벽과의 열교환을 통해 수증 기 상태로 공급하고 있다

. ^{이때 공급과정에서의 맥동}

을 최소화하기 위한 방안으로 별도의 라인 (line) 을 설치

하여 질소를 캐리어 (carrier) 로서 공급하고 있는 상황이

다 . 그러나 질소의 추가적인 공급 없이 물도 디젤연료와 마찬가지로 개질기 내에서 미립화를 통해 기화시킨다면 수증기를 효과적으로 공급할 수 있을 것이다 .

따라서 본 연구에서는 기존에 시도되지 않았던 디젤 연료와 물을 동시에 미립화시키는 방법을 고려하였으며 ,

미립화기로는 2- 유체 노즐과 3- 유체 노즐을 선정하였다 .

2- 유체 노즐의 경우 주변에서 쉽게 구할 수 있는 상용

노즐을 사용하였고 , 3- ^{유체 노즐의 경우 기존의 상용 제}

품이 없기 때문에 본 실험을 위해 제작하였다 . 자열개질 법은 반응물로 공기도 포함하기 때문에 이 노즐들의 경 우 미립화에 필요한 추가의 에너지 공급이 없어도 반응 을 위한 일부 공기를 이용하여 디젤연료와 물을 미립화 시킬 수 있다 . 본 연구에서는 2- 유체 노즐 및 3- 유체 노 즐을 이용하여 디젤 , 물 , 공기를 동시에 연료 개질기 내 에 효과적으로 공급할 수 있는 방법을 검토하였다 . ^그리

고 3- 유체 노즐의 경우 공기가 공급되는 위치에 따라 3

종류로 분류하여 미립화된 액적의 크기 측정 및 공급된 공기량에 대한 미립화 정도를 비교하였다 .

2- ^{유체 노즐과} 3- ^{유체 노즐에 의한 디젤과 물의미립화}

를 조사하기 위한 실험장치는 Fig. 1 에 나타낸 바와 같 이 노즐 , MFC(mass flow controller), 공기 레귤레이터 ,

펌프 , ^{디젤과 물 저장용기} , ^{전자저울로 구성되어 있다} .

Figure 1 은 2- 유체 노즐에 대한 실험장치 개략도로서

노즐을 기준으로 좌측은 공기가 공급되는 라인이고 우 측은 디젤과 물이 공급되는 라인이다 . ^{공기라인의 경우}

압축된 공기를 공급하면 공기 레귤레이터에 의해 2 bar

로 조절된 후 MFC(Aalborg, GFC37) 에 의해 필요한 유

량을 설정하도록 되어 있다 . ^{디젤과 물의 경우 각각의}

펌프 ( 디젤 : Fluid Metering, Inc, RHB00SKY; 물 : HNP

Mikrosysteme GmbH, mzr-4622) 를 구동시켜 미리 설정

한 유량으로 공급하였고 , Y- 형태의 피팅 (fitting) 을 통과 시켜 디젤과 물이 함께 한 개의 라인으로 합쳐진 후 노 즐에 공급되도록 하였다 . 3- 유체 노즐에 대한 실험장치 의 개략도는 본 논문에 도시하지 않았지만 , Y- 형태의 피 팅없이 디젤과 물이 노즐의 각 유로를 통해 공급된다는 것을 제외하고는 2- 유체 노즐의 실험장치와 같다 . 본 실

험에 사용된 디젤은 상용 디젤 (GS Caltex) 로서 노즐에

공급되는 디젤 유량을 측정하기 위해서 디젤의 변화된 질량과 시간을 측정하였으며 , 물의 유량도 같은 방법으 로 측정하였다 . 디젤과 물의 변화된 질량을 측정하기 위

해 전자저울 (AND, EK-4000i) ^{을 사용하였다} . ^{그리고 노}

즐에 의해 미립화된 액적의 크기를 측정하기 위해 레이

저 회절 이론을 이용한 입경 측정장치 (HELOS VARIO,

Sympatec) 를 사용하였다 .

2.2 실험조건

본 실험에 사용된 2- 유체 노즐은 상용 노즐 (Spraying

Systems, fluid cap : PF2850, air cap : PA64) ^{로서 디젤과}

물은 Fig. 2 에 나타낸 바와 같이 노즐의 중심 부분에 함

께 공급되고 , 공기는 외각 부분에 공급되는 형태이다 .

노즐에 공급되는 반응물의 유량조건은 Table 1 ^{과 같다} .

디젤의 경우에는 5 kW ^{급 고체산화물 연료전지} (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 에 필요한 40 ml/min 으로 선택

하였고 , 물과 공기는 각각 40 ml/min, 3~7 l/min 으로

공급하였다 . ^{노즐의 끝 단에서 디젤과 물이 유출되는}

오리피스 크기는 0.72 mm 이고 , 공기가 유출되는 갭

(gap) 의 크기는 0.2 mm 로 , 공급되는 반응물의 유량이

작기 때문에 상용 노즐 중에서 작은 크기의 모델을 선 택하였다 .

Figure 3 은 3- 유체 노즐의 개략도를 나타낸 것으로

2- ^{유체 노즐과는 달리 디젤과 물이 서로 분리된 유로}

를 통해 공급되고 공기도 마찬가지로 별도의 유로를 통해 공급되는 형태이다 . 노즐은 공기가 공급되는 위 치에 따라 3 종류로 구분하였으며 , 공기가 정가운데 오

리피스를 통해 유출되는 경우를 편의상 Type A, 중간

에 위치한 갭을 통해 유출되는 경우를 Type B, ^가장

바깥쪽에 위치한 갭을 통해 유출되는 경우를 Type C

로 표시하였다 (Fig. 4). 노즐의 크기는 노즐의 가공과 조립 문제를 고려하여 결정하였다 . ^{노즐에 공급되는}

반응물의 유량은 Table 1 에 나타낸 바와 같이 디젤의

경우 2- 유체 노즐에서와 마찬가지로 40 ml/min 으로 하였다 . 그리고 물과 공기의 경우는 미립화가 가능하 고 펌프와 MFC ^{의 작동이 가능한 범위 내에서 선택하}

여 물은 40, 70 ml/min, 공기는 9~39 l/min 으로 공급 하였다 .

Fig. 2 2-fluid nozzle Table 1 Experimental conditions

Diesel

(ml/min) Water

(ml/min) Air

(l/min)

2-fluid nozzle 40 40 3~7

3-fluid nozzle

Type A 40 40, 70 9~14

Type B 40 40, 70 20~35

Type C 40 40, 70 15~39

Fig. 3 Schematic of 3-fluid nozzle

Fig. 4 Details at nozzle tip of 3-fluid nozzle

해 유출되고 이보다 속도가 큰 공기와 외부에서 충돌하 여 액적 들이 생성되었다 . 그러나 미립화 과정에서 바이 슬러그 유동의 형태로 인해 분무각이 불규칙적으로 변

하였고 , Fig. 6 ^{에서처럼 디젤과 물의 액적들이 번갈아}

가며 생성되는 바람직하지 않은 결과가 나타났다 . 그리

고 생성된 액적들의 평균 크기도 Fig. 7 에 나타낸 바와

같이 액체의 종류에 따라 다르다는 것을 알 수 있다 . ^이

러한 형태로 액적들이 연료 개질기에 공급된다면 디젤 과 물이 균일하게 혼합되지 못한 상태로 촉매층에서 반 응을 하기 때문에 불안정한 반응을 일으켜 개질기의 운

전이 원활하지 않을 것이며 , 그 결과 연료전지 전체 시 스템의 운전에도 영향을 미칠 것으로 판단된다 .

따라서 디젤과 물을 동시에 미립화시키기 위해서는

2- 유체 노즐 내부에서 두 액체가 잘 혼합될 수 있는 방

법을 고려하여 노즐을 설계해야 할 것이다 . 또 다른 방 법은 디젤과 물을 미리 혼합시키지 않고 노즐에 각각 공급한 후 노즐의 외부에서 공기와 충돌시켜 미립화하 는 것이다 . 이 경우 두 액체를 잘 혼합하기 위한 방법을 별도로 고려하지 않아도 된다는 점에서 장점이 있다 . 따 라서 후자의 경우로서 3- ^{유체 노즐을 고려하였으며 다}

음 절에서는 이에 대한 결과를 논의하였다 .

3.2 3-유체 노즐

3- 유체 노즐의 경우 디젤 , 물 , 공기는 서로 분리된 유

로를 통해 유출되고 노즐의 외부에서 공기의 충돌로 인 해 디젤과 물은 미립화된다 . Fig. 8 ^은 3- ^{유체 노즐에 의}

해 두 액체가 미립화되는 전형적인 형태를 나타낸 것으

로 풀콘 (full cone) 분무의 형태를 보였다 . 전체적으로

본 실험 조건에서는 공기가 공급되는 위치에 관계없이

분무각은 대략 20~30

^{로 나타냈고} , ^{공기가 정가운데 오}

리피스를 통해 유출되는 Type A 의 경우 (Fig. 8(a)) 에는

미립화된 액적들에 대해 상대적으로 공기가 가이드

(guide) ^{역할을 하지 못하기 때문에 일부 큰 액적들이 주}

유동으로부터 벗어나는 현상이 관찰되었다 . 이 경우 반 응물이 연료 개질기에 공급되면 벗어난 액적들 중 디젤 은 개질기의 벽면에 부딪혀 탄소 침적의 원인이 될 수 있을 것으로 예상된다 . 그리고 2- 유체 노즐의 경우 디젤 과 물의 액적들이 번갈아 가며 생성되는 불안정한 형태 를 나타냈지만 , 3- ^{유체 노즐의 경우에는 두 액체가 동시} Fig. 5 Photo of bislug flow pattern of diesel and water

Fig. 6 Atomization of diesel and water by 2-fluid nozzle

Fig. 7 Mean drop size with air flow rate for diesel and

water

에 미립화되는 안정적인 형태를 보였다 . 따라서 2- 유체 노즐보다 3- 유체 노즐을 사용하여 연료 개질기에 반응 물을 공급한다면 개질기를 상대적으로 안정하게 운전할 수 있을 것으로 판단된다 .

Figure 9 는 3- 유체 노즐의 공기 공급 위치에 대해

ALR(Air Liquid Ratio) ^{에 따른 미립화된 액적의 평균 크}

기를 나타낸 것이다 . 여기서 , ALR 은 액체 질량유량에

대한 공기 질량유량의 비로 미립화기 성능을 평가하기

위한 중요한 인자이다 . Fig. 9 에 나타낸 바와 같이 3 종류

의 노즐 모두 ALR 이 증가함에 따라 액적의 크기가 감소 하는 경향을 보이고 있으며 이러한 결과는 2- 유체 노즐에 대한 기존의 연구 결과에서도 확인할 수 있다

. 그리

고 본 실험 범위에서 액적의 평균 크기는 25~100 μ m 로

나타났다 . 공기를 노즐에 공급하는 위치의 관점에서 살

펴보면 동일한 크기의 액적을 얻기 위해서는 Type A,

B, C 순으로 즉 , 공기를 노즐의 바깥 쪽에서 공급할수록

더 많은 공기가 필요하다는 것을 알 수 있다 . 일례로 물

의 유량이 40 ml/min ^{인 경우 크기가} 40 ^μ m ^{인 액적을}

얻으려면 Type A 와 비교하여 Type B 는 약 2 배 , Type C

는 약 2.6 배의 공기량이 필요하다 . 따라서 디젤과 물을 미립화시키기 위해 사용해야 할 공기량 측면에서는 공 기가 노즐의 정가운데 오리피스를 통해 유출되는 Type A 가 가장 효율적이라고 할 수 있다 . 이는 공기가 정가

운데에서 유출되는 Type A ^{의 경우} , ^{바깥쪽에서 유출되}

는 경우보다 공기의 운동에너지가 주위에 있는 디젤과 물을 미립화시키는데 더욱 효과적으로 전달되고 , 본 실 험영역에서 동일 ALR 에 대해 Type A 가 공기의 유출

Fig. 8 Atomization of diesel and water by 3-fluid nozzle (Diesel: 40 ml/min, Water: 40 ml/min)

Fig. 9 Variation of mean drop size with ALR for 3-fluid

nozzle

형태를 보였다. 이 경우 두 액체의 혼합 방법이 고려되 어야 할 것이다. 반면, 3-유체 노즐의 경우에는 별도의 혼합 방법 없이 디젤과 물이 동시에 미립화되는 형태를 보였다. 따라서 2-유체 노즐보다 3-유체 노즐을 사용하 여 연료 개질기에 반응물을 공급한다면 개질기를 상대 적으로 안정하게 운전할 수 있을 것으로 판단된다. 3-유 체 노즐의 경우 디젤과 물을 미립화시키기 위해 사용해 야 할 공기량 측면에서는 공기가 노즐의 정가운데 오리 피스를 통해 유출되는 Type A의 경우가 가장 효율적이 었다.

본 연구에서는 SOFC 시스템의 연료 개질기를 위한 3-유체 노즐의 탑재 가능성을 검토하였으며, 향후에는 3-유체 노즐의 미립화 성능에 관한 정량적 연구가 수행 될 예정이다.

후 기

본 연구는 지식경제부의 “5kW

열병합 SOFC 발전시 스템 개발” 및 2단계 두뇌한국(BK)21 사업의 일부 지원 을 받아 수행되었으며 이에 감사 드립니다.

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