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연료개질기와 연계된 고분자전해질연료전지 시스템의 성능해석

Performance Analysis of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell System integrated with Fuel Processors

정승교 (Seung Kyo Jung, 포항공과대학교)

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Fuel cells, particularly Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) have great potential in the future power generation because they are more efficient to generate electricity by electrochemical reaction with hydrogen than internal combustors, and furthermore environment-friendly producing only...
Fuel cells, particularly Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC) have great potential in the future power generation because they are more efficient to generate electricity by electrochemical reaction with hydrogen than internal combustors, and furthermore environment-friendly producing only water and heat. The fuel cell is comprised of a stack, air and fuel supply unit, and heat and water management unit. Apart from the stack, remaining units are called Balance of Plant and they are positively necessary for the stack to be operated normally. In addition, hydrogen as raw material is required as a fuel for the fuel cell, but it needs large volume for storage due to low energy density per volume. For this reason, fuel processors to mainly produce hydrogen from hydrocarbons or alcohols have been studied and developed for mobile applications. In this thesis, the Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) system integrated with fuel processors including oxygen supply unit and heat management unit was modeled by utilizing Aspen HYSYS and its performance was analyzed for the purpose of improvement of the system efficiency and operation reliability. The entire system was composed of 120kW PEMFC, fuel processors, and BOP system. In the fuel processors, steam reforming and autothermal reforming were applied to convert methane into hydrogen-rich gas. Sensitivity analysis was conducted in terms on S/C ratio, O2/C ratio, reforming temperature, fuel utilization and current. This analysis led to the key operating parameters effect on the system efficiency. It was found that S/C ratio and reforming temperature had a significant effect on the system efficiency at the steam reforming processor and O2/C ratio played an important role in the autothermal reforming processor. By this analysis, S/C ratio of 2.5 and reforming temperature of 700oC led to highest possible efficiency in case of steam reforming, whereas O2/C ratio of 0.5 and S/C ratio of 2.5 did in case of autothermal reforming. Surplus fuel rate called fuel utilization also had an effect on the system efficiency, which increased as it rose. In case of the current, voltage and system efficiency decreased as current increased, but power increased inversely. And comparing the system efficiency between the hydrogen and hydrogen-rich gas as fuel, it decreased as low as 8~11% than the former in case of the steam reforming and 14~19% in case of the autothermal reforming.
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연료전지, 특히 고분자연료전지는 수소와의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하므로 내부 연소를 통한 발전보다 효율적이며 부산물로 물과 열만이 배출되는 친환경적인 장치이므로 미래 동력 발전 분야에 많은 잠재력을 가지고 있다. 연료전지는 스택, 공기 및 연료공급계, 열 및 물 관리계로 구성되며 스택을 제외한 보조설비는 스택을 안정적으로 운전하기 위해 반드시 필요하다. 게다가 수소는 연료전지의 연료로 사용되지만 수소는 부피당 에너지 밀도가 낮기 때문에 저장 부피가 커야 한다. 그래서이동형 장치에 응용을 위해서 부피당 에너지 밀도가 높은 탄...
연료전지, 특히 고분자연료전지는 수소와의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하므로 내부 연소를 통한 발전보다 효율적이며 부산물로 물과 열만이 배출되는 친환경적인 장치이므로 미래 동력 발전 분야에 많은 잠재력을 가지고 있다. 연료전지는 스택, 공기 및 연료공급계, 열 및 물 관리계로 구성되며 스택을 제외한 보조설비는 스택을 안정적으로 운전하기 위해 반드시 필요하다. 게다가 수소는 연료전지의 연료로 사용되지만 수소는 부피당 에너지 밀도가 낮기 때문에 저장 부피가 커야 한다. 그래서이동형 장치에 응용을 위해서 부피당 에너지 밀도가 높은 탄화수소 계열 및 알코올 계열 연료의 개질을 통한 수소 공급에 대한 연구 및 개발이 진행되어 오고 있다. 본 논문에서는 산소 공급 및 열관리 설비를 포함하는 동시에 연료 개질기와 고분자전해질연료전지가 연계된 시스템을 Aspen HYSYS를 이용하여 모델링을 수행하였고 시스템 효율과 운전 신뢰성을 개선을 위한 목적으로 연계시스템의 성능을 해석하였다. 전체 시스템은 120kW 고분자전해질연료전지, 연료개질기와 보조설비로 구성된다. 연료개질기는 메탄을 수소 가스로 전환하는 수증기 개질과 자열 개질법을 적용하였다. S/C, O2/C, 개질 온도, 연료 이용률, 전류에 대한 민감도 분석을 수행하였으며 이를 통해 시스템 효율에 영향을 미치는 주요 조업 변수를 확인하였다. 수증기 개질의 경우 S/C와 개질 온도가 시스템 효율에 영향을 미쳤으며, O2/C는 자열 개질법과 연계된 시스템 효율에 영향을 미쳤다. 그리고 각 개질 프로세스와 연계된 시스템의 최대 효율을 수증기 개질의 경우 S/C 2.5와 개질 온도 700도에서 확인할 수 있었고 자열 개질의 경우 O2/C 0.5, S/C 2.5에서 최대 효율을 확인할 수 있었다. 연료 이용률 또한 시스템 효율에 영향을 미쳤으며 연료 이용률이 증가할수록 효율 역시 증가함을 확인할 수 있었다. 전류의 경우, 전류가 증가함에 따라 전압과 시스템 효율은 감소하지만 전력은 반대로 증가하며 순수 수소를 공급하는 고분자전해질연료전지 시스템과 개질기를 연계한 고분자전해질 연료 전지 시스템의 효율을 전류 변화에 대해 비교하였을 때 수증기 개질 시스템이 순수 수소를 공급하는 시스템 효율보다 8~11%만큼 낮았고 자열 개질 시스템의 경우 14~19%만큼 낮은 결과를 보였다.
목차 moremore
ABSTRACT ..................................................................................................I
LIST OF FIGURES..................................................................................... IV
LIST OF TABLES ...................................................................................... VI
...
ABSTRACT ..................................................................................................I
LIST OF FIGURES..................................................................................... IV
LIST OF TABLES ...................................................................................... VI
1 Introduction ...........................................................................................1
1.1 General....................................................................................1
1.2 Historical background [6]..........................................................5
1.3 Literatures review.....................................................................7
1.4 Objectives and Scope of the study......................................... 10
2 Description of Fuel Cell System........................................................... 12
2.1 Fuel Cell Technologies........................................................... 12
2.1.1 Fundamentals of the Fuel Cell ............................................... 12
2.1.2 Thermodynamics ................................................................... 17
2.1.3 Fuel Cell Performance ........................................................... 21
2.1.4 Balance of Plant System........................................................ 24
2.1.5 Types and applications .......................................................... 25
2.2 Fuel Processors..................................................................... 28
2.2.1 Steam Reforming................................................................... 29
2.2.2 Partial Oxidation Reforming ................................................... 30
2.2.3 Auto-thermal Reforming......................................................... 31
3 Modeling for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell System............ 32
3.1 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell ............................... 32
3.1.1 Operating principles ............................................................... 33
3.1.2 Requirement of fuel purity ...................................................... 35
3.2 Fuel processor ....................................................................... 37
3.3 Modeling Configuration .......................................................... 38
3.3.1 Cell model.............................................................................. 39
3.3.2 Stack model........................................................................... 42
3.3.3 Reforming and Purification model .......................................... 46
3.3.3.1 Steam reforming ....................................................... 46
3.3.3.2 Autothermal reforming............................................... 47
3.3.3.3 CO removal and clean-up ......................................... 48
3.3.4 Auxiliary units model .............................................................. 50
4 Simulation and Results........................................................................ 51
4.1 Steady-state Simulation ......................................................... 51
4.2 Sensitivity Analysis ................................................................ 57
4.2.1 Effect of S/C ratio and reforming temperature........................ 57
4.2.2 Effect of fuel utilization ........................................................... 60
4.2.3 Effect of S/C ratio and O2/C ratio............................................ 62
4.2.4 Effect of current ..................................................................... 65
5 Conclusions.........................................................................................68
요 약 문.....................................................................................................70
REFERENCES...........................................................................................71
Acknowledgements..................................................................................75