A Study on Performance of Solid Oxide Fuel Cell System for Ship Applications

선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템 성능에 관한 연구

박상균†⋅노길태

⋅김만응

(원고접수일：2011년 4월 11일, 원고수정일：2011년 7월 1일, 심사완료일：2011년 7월 6일)

A Study on Performance of Solid Oxide Fuel Cell System for Ship Applications

Sang-Kyun Park†⋅Gill-Tae Roh¹⋅Mann-Eung Kim¹

요 약 : 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지 기술이 고려되어지고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 연료전지의 선박 적용을 가정한 연료전지 시스템을 모델링하여 시스템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관하여 검토하였다. 그 결과 공기와 메탄의 공급 유량이 연료전지 스택 입구 및 출구 가스 온도에 직접적인 영향 을 주었다. 공기와 물의 공급 유량이 증가하면 스택 출력 및 시스템 효율이 증가하고, 메탄의 경우 스택 출력은 증가하나 시스템 효율은 낮아진다.

주제어 : 선박, 고체산화물형 연료전지, 열관리, 온실가스, 시스템 성능해석

Abstract: The fuel cell technology has been considered as a technology to reduce greenhouse gases emission from a ship. In this research, internal reforming 500kW solid oxide fuel cell system fueled by methane for a ship were developed. Characteristics of gas temperature, stack power and system efficiency depending on the air flow rate, CH4 flow rate, H2O flow rate, and system operation pressure are evaluated.

As a result, air and CH4 flow rate directly affect the temperature of inlet and outlet gas in the fuel cell stack. When the air and H2O flow rate increase, the stack power and system efficiency increases. However, the case of CH4 flow rate increase, the efficiency decreases.

Key w ords: Ship, Solid oxide fuel cell, Heat management, Greenhouse gas (GHG), System performance analysis

†교신저자(사단법인 한국선급 녹색산업기술원, E-mail:[email protected], Tel: 042-869-9507) 1 한국선급 녹색산업기술원

1. 서 론

현재 지구 환경변화 문제에 대한 국제적인 관심 도가 폭발적으로 증가되고 있으며, 국제해사기구 (International Maritime Organization : IMO)에서도 선박에서 배출되는 다양한 오염원들 중에서 온실 가스를 저감하기 위한 환경 규제 문제가 해양환경 보호위원회(Marine Environment Protection Committee : MEPC)에서 지속적으로 논의되어 왔 다[1]. 특히 2008년도에“선박 온실가스 배출 감축 국제회의”를 처음으로 개최하여 현재 까지 다양한

논의가 진행 중에 있으며, 다양한 논의 내용 중의 하나인 신조선에 대한 에너지효율설계지표(EEDI, Energy Efficiency Design Index)는 빠르면 2013년 상반기에 발효될 가능성이 있으며, 향후 탄소세 부 과 혹은 배출권 거래제도의 도입에 관한 사항도 논의 중에 있다[2]. 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위해서는 선형 개선, 추진 계통 개선, 기 계 장치 개선, 폐열 회수 시스템, 효율적인 운전 및 유지⋅보수 등 다양한 대안이 있으며 단기 및 중기적인 대책으로서 다양한 연구개발이 진행되어

지고 있다[3]. 또한 2000년도 초반부터 장기적이고 근본적으로 선박으로부터 배출되는 대기오염물질 을 저감하기 위한 대책으로 미래 친환경 기술로 주목 받고 있는 연료전지(Fuel Cell) 기술의 선박 적용을 위한 연구개발이 진행 또는 계획되어지고 있다[3-13]. 선박에 연료전지 시스템을 채용하기 위 해서는 안전성 및 안정성에 관하여 해결하여야 할 다양한 문제점들이 있으며, 이를 해결하기 위하여 고체고분자형 연료전지(PEMFC)[4,7], 용융탄산염 형 연료전지(MCFC)[5,7] 및 고체산화물형 연료전 지(SOFC)[6] 각각의 형식에 대한 해상환경에서의 실증을 통한 연구도 진행되어지고 있다. 특히 앞서 기술한 연료전지 형식 중에서 현재 기술개발 수준 이 가장 낮은 단계에 있는 SOFC의 경우 향후 고 온형 연료전지 시장을 주도할 것으로 기대되어지 고 있으며, SOFC 시스템의 선박 적용을 위한 시스 템 모델링 관점에서의 연구도 진행되어 지고 있다 [8-13].

본 연구에서는 Matlab/Simulink 상용프로그램을 활용하여 압축기, 터빈, 펌프, 열교환기 등의 BOP(Balance of Plant)등과 조합된 선박 전원용 연 료전지 시스템 모델을 개발하여, 메탄을 연료로 사 용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 열관리 측면에서의 개괄적인 검토를 위하여 연료전지 시스템의 구성에 따른 공 기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등에 미치는 영향에 관 하여 검토하였다.

2. 해석모델 및 모델링 조건

2.1 해석 모델

본 모델에서 연료전지 시스템에서의 질량과 에 너지 보존 방정식은 다음과 같이 정의된다.























여기서, 은 질량(mol), _{}은 스택 입구 유량

(mol/s), _{} 은 스택 출구 유량(mol/s), _{는 내부} 에너지, _{} _{는 엔탈피 입력,} ^_{는 엔탈피 출} 력, _{는 열 흐름,} _은 기계적 출력이다.

연료전지 스택에서의 전류(A)는 다음과 같이 계 산되어진다.

_{ }



∙_{}

(3) 여기서, 는 Faraday Constant(C), _{  }은 반응 수소 몰유량(mol/s), 은 셀의 수(-)이다.

스택의 출력에 관한 설명은 선행 연구에 기술되어 져 있기에 본 논문에서는 생략한다[13].

연료전지 내부에서의 개질 반응에 따른 수소 생 성은 다음의 화학 평형식에 의해서 이루어지며 열 생성이 동시에 계산되어진다.

__→ _ (4)

_→__ (5) 펌프, 블로어, 압축기 및 터빈은 주어진 효율에 대하여 등엔트로피로 가정하여 계산을 수행하였다.

열교환기는 NTU법을 기반으로 두 유체사이에서의 최대 열전달을 대향류로 설정하여 계산을 수행하 였다.

연료전지 스택 내부에서 반응되지 않고 배출되 는 메탄과 수소는 다음의 평형식에 의해서 연소기 에서 연소되어지게 된다.

_ _→ _^_ (6)

__→ _ (7) 전체 연료전지 시스템의 효율은 다음과 같다.

 _∙ _

 (8)

여기서, _{}는 스택 출력(kW), _는 공기 블로 워 소비 동력(kW), _{}는 압축기 소비 동력 (kW), _는 펌프 소비 동력(kW),_{는 터빈} 생산 전력(kW), _은 연료유 유량(mol/s),

_은 연료유 저위발열량(KJ/mol)이다.

2.2 시스템 구성

본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스템의 연료전지 스택 후단부에 설치된 버너에서 연소된 가스의 폐열을 활용하여 애노드(연료측) 및 캐소드 (공기측) 공급 가스를 가열하기 위한 열원으로 활용 하기 위하여 Figure 1에서 보이는 개략도와 같이 3 가지 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 기본적으 로 공기 블로어에서 공급된 공기는 열교환기를 통 과하여 연료전지 캐소드로 공급되고, 연료인 메탄 과 메탄을 개질하기 위해서 필요한 물은 열교환기 를 통과하여 믹스에서 혼합되어져 연료전지 애노드 측으로 공급되어진다. 애노드와 캐소드로 공급된 가스는 연료전지 스택 내부에서 화학반응을 통하여 소비되어지고, 반응이 이루어지지 않은 메탄과 개 질반응으로 발생된 수소 중에서 미반응 가스는 스 택 출구에서 합쳐져서 버너로 공급된다.

Case 1은 버너에서 연소된 가스가 먼저 애노드 가스인 메탄을 가열하기 위한 열원으로 사용된 경 우, Case 2는 연소기에서 연소된 가스를 이용하여 터빈을 구동하여 전력을 회수한 이후에 애노드 가 스를 가열하는 경우, Case 3은 연소기에서 연소된 가스를 우선 캐소드에 공급되는 공기를 가열하는 열원으로 활용한 경우이다.

연료전지 스택에서 배출되는 미연소 가스인 메 탄과 수소는 연소기에서 전부 연소가 된다. Table 1은 각 Case별 연료전지 스택 출구 가스의 흐름을 보여주고 있다. 실제의 연료전지 시스템에서는 기 동시(Start-Up) 및 운전 정지(Shut-Down)프로세스를 구축하기 위해서 더욱 복잡한 시스템의 구성이 필 요하지만 본 연구에서는 시스템이 안정된 상태에 서의 결과를 비교 검토하기 위해서 시스템 모델을 단순화 하여 계산을 수행하였다.

Figure 1의 3가지 경우에 대해서 공기, 메탄, 물 의 공급 유량 및 시스템 운전 압력에 관하여 비교 검토되어진 계산 조건을 Table 2에 나타내고 있다.

Table 2의 변수는 선행 연구의 결과에서 최적의 스 택 성능을 얻을 수 있었던 값을 참고로 하여 변수 C를 기준으로 계산을 위한 값을 설정하였다[13].

(a) Case 1

(b) Case 2

(c) Case 3

Figure 1: Layout of SOFC system

Table 1: Flow of stack outlet gas

스택 출구 가스의 흐름 Case 1 버너→열교환기4→열교환기1

→열교환기2→열교환기3→배기(OUT) Case 2 버너→터빈→열교환기4→열교환기1

→열교환기2→열교환기3→배기(OUT) Case 3 버너→열교환기1→열교환기2

→열교환기3→배기(OUT)

Table 2: Parameter for analysis

변수 단위 A B C D

Air flow rate mol/s 13.9 17.3 20.7 24.3 CH4 flow rate mol/s 1.12 1.30 1.5 1.7 H2O flow rate mol/s 2.8 3.3 3.9 4.4 Operation pressure kPa 120 320 520 -

본 계산에서는 연료전지 스택의 운전 온도를 임 의로 설정하지 않은 상태에서 공급되는 공기, 메탄 및 물의 온도를 298.15(K), 터빈의 출구 압력은 100(kPa)로 가정하여 계산을 하였다.

3. 해석결과

3.1 공기 공급 유량의 영향

Figure 2는 메탄 공급 유량=1.5(mol/s), 물 공급 유량=3.9(mol/s), 시스템 운전 압력=120(kPa)인 경 우 공급 공기 유량의 변화에 따른 애노드(An) 및 캐소드(Ca) 가스의 스택 공급 온도, 스택 출구 가 스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 계산 결과를 나타낸 것이다.

Figure 2 (a)에서 공급 공기의 유량이 증가할수록 스택으로 공급되는 가스의 온도가 낮아짐을 알 수 있다. 이는 공기 유량의 증가로 인하여 스택의 냉 각효과가 증대되기 때문에 Figure 2 (b)에서 알 수 있듯이 스택 출구 온도가 낮아지기 때문이며, 스택 출구 가스의 온도가 전체 시스템의 온도에 영향을 주어 스택 공급 가스의 온도가 낮아지게 된다. 또 한, Case 1, 2의 경우는 버너에서 나오는 가스를 열교환기 4를 통하여 애노드 가스를 먼저 가열하 기 때문에 Case 3의 경우 보다 애노드 공급 가스 의 온도가 높고, 캐소드 공급 가스의 온도는 상기 와 반대로 Case 3의 경우가 가장 높음을 알 수 있 다. 실제 스택의 운전시에는 애노드와 캐소드의 공 급 가스 온도차를 최소화 하거나 동일하게 공급하 여야 스택 내부의 열응력으로 인한 문제를 방지할 수 있다. 따라서 스택의 운전을 1200K로 하고자 한다면, 공급 가스 온도가 1200K보다 높은 경우에 는 냉각, 낮은 경우에는 가열을 위한 수단이 적절

히 고려되어야 할 것이다. Figure 2: Effect of air flow rate

Figure 2 (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택 출력은 공기 유량이 증가할수록 증가함을 알 수 있다.

Figure 2 (d)에서 보이는 것처럼 연료전지 시스 템 효율은 공기 유량이 증가할수록 증가한다. 이는 공기 유량을 증가하기 위해서 사용되는 블로어의 소비전력의 증가분보다 공기 유량 증가에 따른 스 택 출력 증가분이 시스템 효율에 큰 영향을 미치 기 때문이다. 또한 Case 2의 경우에는 터빈의 출력 이 포함되어져 시스템 효율이 가장 높음을 알 수 있다.

3.2 메탄 공급 유량의 영향

Figure 3은 공기 공급 유량=20.7(mol/s), 물 공급 유량=3.9(mol/s), 시스템 운전 압력=120(kPa)인 경 우 메탄 공급 유량의 변화에 따른 애노드(An) 및 캐소드(Ca) 가스의 스택 공급 온도, 스택 출구 가 스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 계산 결과를 나타낸 것이다.

Figure 3 (a)에서 메탄 공급의 유량이 증가할수록 스택으로 공급되는 가스의 온도가 높아짐을 알 수 있다. 메탄 공급 유량의 증가는 더 많은 화학에너 지가 전기에너지로의 변환되는 것을 의미한다. 따 라서 연료전지 스택에는 더 많은 전류가 흐르게 되어 전류밀도가 상승하고, 과전압이 상승하여 열 발생이 증가하여 Figure 3 (b)에서 알 수 있듯이 스 택의 출구 가스 온도가 높아지기 때문이다.

Figure 3 (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택 출력은 메탄 유량이 증가할수록 급격하게 높아지 는 것을 알 수 있다. 이는 연료전지 스택내부에서 의 메탄 개질반응에 따른 수소 변환율이 동일한 상태에서 메탄 공급량이 증가하게 되면 반응에 필 요한 수소량이 증가하게 되고 반응에 필요한 공기 량이 충분하다면 전류가 증가하게 되기 때문이다.

또한, I-V특성에 따른 전류 증가분의 영향이 전압 강하의 영향보다 크기 때문에 스택의 출력이 증가 함을 알 수 있다.

Figure 3 (d)에서 보이는 것처럼 연료전지 시스 템 효율은 메탄 유량이 증가할수록 낮아진다. 이는

메탄 유량의 증가에 따른 열량의 증가분이 스택 Figure 3: Effect of CH4 flow rate

출력의 증가분 보다 시스템 효율에 큰 영향을 미 치기 때문이다. 500kW 이상의 출력을 얻기 위해서 는 출력과 효율을 고려한 적절한 값의 설정이 필 요하다.

3.3 물 공급 유량의 영향

Figure 4는 공기 공급 유량=20.7(mol/s), 메탄 공 급 유량=1.5(mol/s), 시스템 운전 압력=120(kPa)인 경우 물 공급 유량의 변화에 따른 애노드(An) 및 캐소드(Ca) 가스의 스택 공급 온도, 스택 출구 가 스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 계산 결과를 나타낸 것이다. 메탄의 공급량이 일정한 조건에서 물 공급량의 증가는 S/C(Steam/Carbon ratio, 수증 기 몰수/연료 중 탄소 몰수)의 증가를 의미한다.

Figure 4 (a), (b)에서 알 수 있듯이 물 공급유량 의 변화는 Figure 2, 3의 조건들과 비교해서 스택 으로 공급되는 가스의 온도 및 스택 출구 가스의 온도에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

Figure 4 (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택 출력은 물 유량이 증가할수록 증가함을 알 수 있 다. 이는 개질율은 S/C와 운전온도가 높을수록 운 전압력이 낮을수록 높게 되는 특성이 기인하기 때 문이다.

Figure 4 (d)에서 보이는 것처럼 연료전지 시스템 효율은 물 유량이 증가할수록 증가한다. 이는 물 유 량을 증가하기 위해서 사용되는 펌프의 소비전력의 증가분보다 물 유량 증가에 따른 스택 출력 증가분 이 시스템 효율에 큰 영향을 미치기 때문이다. 또 한, Case 2의 경우에는 터빈의 출력이 포함되어져 시스템 효율이 가장 높음을 알 수 있다.

3.4 시스템 운전 압력의 영향

Figure 5는 공기 공급 유량=20.7(mol/s), 메탄 공 급 유량=1.5(mol/s), 물 공급 유량=3.9(mol/s)인 경 우 시스템 운전 압력의 변화에 따른 애노드(An) 및 캐소드(Ca) 가스의 스택 공급 온도, 스택 출구 가 스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율의 계산결과를 나타낸 것이다.

Figure 5 (a), (b)에서 알 수 있듯이 터빈이 시스

템에 없는 Case1과 Case 3의 경우 시스템 운전 압 Figure 4: Effect of H2O flow rate

력이 증가할수록 연료전지 스택 입구 및 출구의 가스 온도가 증가하고, 터빈이 설치된 Case 2의 경 우에는 터빈에서 고온, 고압의 가스를 이용하여 전 력을 얻기 때문에 스택 입구 및 출구 가스의 온도 는 감소함을 알 수 있다.

Figure 5 (c)에서 보이는 것처럼 연료전지 스택 출력은 압력 변화에 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

Figure 5 (d)에서 보이는 것처럼 연료전지 시스 템의 효율은 터빈이 없는 경우(Case 1, 3) 시스템 운전 압력이 증가할수록 감소하고, 터빈이 있는 경 우(Case 2) 운전 압력이 증가할수록 증가함을 알 수 있다. 이는 터빈이 없는 경우 시스템 압력을 높 이기 위한 블로어, 압축기와 펌프의 소비 동력이 증가하기 때문이며, 터빈이 설치된 경우에는 압력 을 높이기 위해서 필요한 소비동력보다 압력 증가 에 따라 터빈에서 더 큰 출력을 얻을 수 있으므로 시스템 효율이 증가하게 된다.

4. 결 론

본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질 형 500kW급 고체산화물형 선박용 연료전지 시스 템의 구성에 따른 공기, 메탄, 물의 공급 유량 및 시스템 운전 압력이 연료전지 스택의 입구 및 출 구에서의 가스 온도, 스택 출력 및 시스템 효율 등 에 미치는 영향에 관하여 검토하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 연료전지 시스템에 공급되는 공기 유량이 증 가하면 연료전지 스택 입구가스 및 출구가스의 온 도가 낮아지고, 스택 출력 및 시스템 효율이 증가 한다.

(2) 시스템에 공급되는 메탄 유량이 증가하면 연 료전지 스택 입구가스 및 출구가스의 온도가 높아 지고, 스택 출력은 큰 폭으로 증가하지만 시스템 효율은 감소한다.

(3) 메탄 개질을 위하여 시스템에 공급되는 물의 유량이 증가하면 연료전지 스택 입구 및 출구가스 의 온도에 큰 영향을 미치지 않는다.

(4) 연료전지 시스템의 운전 압력이 증가하면 시

스템에 터빈이 있는 경우는 연료전지 스택 입구가 Figure 5: Effect of system operation pressure

스 및 출구가스의 온도는 낮아지며, 스택 출력에는 큰 변화가 없지만 시스템 효율은 증가한다.

후 기

본 연구는 국토해양부 (한국해양과학기술진흥원) 해양과학기술연구개발사업의 지원으로 수행되었으 며 이에 감사드립니다.

참고문헌

[1] IMO, Second IMO GHG Study 2009, 2009.

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Traverso and M. Santin., “Comparative LCA of methanol-fuelled SOFCs as auxiliary power systems on-board ships”, Applied Energy, vol.

87, pp. 1670-1678, 2010.

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196, pp. 3149-3162, 2011.

[13] 박상균, 김영진, 노길태, 김만응 “선박 전원용 고체산화물형 연료전지(SOFC) 스택 성능에 관한 연구”, 한국마린엔지니어링학회지, 제35 권, 제4호, pp. 406-413, 2011.

저 자 소 개

박상균(朴相均)

1996년 한국해양대학교 기관공학과(공학 사), 2001년 한국해양대학교 대학원 기관 학과(공학석사), 2005년 일본 북해도대학 교 대학원 기계공학과(공학박사), 현재 (사)한국선급 녹색산업기술원 근무

노길태(盧佶兌)

2002년 동국대학교 화학공학과(공학사), 2004년 동국대학교 화학공학과(공학석 사), 현재 (사)한국선급 녹색산업기술원 근무

김만응(金晩應)

1980년 한국해양대학교 기관공학과(공학 사), 2005년 한국해양대학교 대학원 기계 공학과(공학박사), 현재 (사)한국선급 녹 색산업기술원 원장