SOFC 연료전지 설계

소개글

SOFC(고체산화물연료전지) 시스템은 전력발생 효율이 높고, 다양한 연료를 이용할 수 있으며, 소음이 적어 주택가를 비롯한 대형건물 등에 분산발전 시스템용으로 적용하고자 개발 중이다.
SOFC 시스템은 탄화수소를 연료로 이용할 경우 내부 개질기를 이용하여 수소와 CO로 전환시켜 SOFC 스택에서 전력을 발생한다. 도시가스를 이용한 분산발전 SOFC 시스템을 고려할 때, 도시가스외에 사용가능한 반응물로는 물, 공기, 이산화탄소 등이 있는데, 개질 반응특성을 고려하여 발전시스템의 효율 제고와 함께 이때 발생하는 이산화탄소의 양을 최소화 할 수 있도록 설계안을 제시하시오

목차

1. 개질기의 설계[연료 : CH4+H2O, +CO2]
2. Stack 층수와 Stack 면적 계산
3. H2와 CO의 부피유량 계산

본문내용

① CH4+H2O 일때(입구 온도 25℃)
• 아래와 같은 식으로 반응이 일어나며, 1차, 2차 반응으로 이루어지고, 단위 메탄 1몰이 완전 반응을 거친다고 가정하면 아래와 같이 4몰의 수소가 발생하게 된다. 2몰의 이산화 탄소가 발생하게 된다.
• 연료의 종류(이산화탄소, 물)를 다르게 하여 개질기의 효율을 구하고, 또한 cell의 면적과 cell의 개수, 또한 H2, CO의 필요한 유량을 계산한 결과 천연가스에 이산화탄소를 넣은 것이 더 경제적이라고 결론을 내릴 수 있다. 또한 CO2 저감에 대해서는 SOFC는 CO도 연료로 사용을 할 수 있기 때문에 물이 여러 물질들과 연료를 만들 수 있고, 이로인해서 CO2를 저감 할 수 있다. 그래서 CO와 H2O를 가정하여 비교를 하였다.
cell의 면적을 가정을 하였지만 cell의 면적에 따라서 cell의 개수도 바뀔 것이고 개수도 바뀌면 그에 따른 H2,CO의 값이 달라져서 다시 계산을 해야한다. 이 설계는 오로지 개질반응의 효율 개산과 설계 문제에서 주어진 효율, 등으로 계산을 하였다. 다른 인자들에 대해서(탄소침적, 전기적 저항, 온도, 압력 등)는 모두 무시를 하였다. 그래서 개질기의 효율이 높을 수 있었다고 생각이 된다.

• Aspen을 이용하여 Stack에서 반응하는 열을 내부개질기의 열로 쓰고, Stack에서 방출되는 CO2를 다시 모아서 천연가스와 다시 반응하여 연료를 쓰는 순환, Stack에서 나오는 여러 고온가스로 열교환 장치를 계획을 하고 설계에 임했지만 너무 의욕을 내세웠다. 만약 혼자가 아니고 다른 사람과 조를 이루어서 이보다 더 상세하게 설계를 했다면 더욱 자세한 효율을 구하고, 경제적인 SOFC 설계를 할수 있을것 같은 느낌이 들었다. 지금 리튬2차전지를 연구하는 학생으로서 이번 설계는 연료전지에 대한 흥미를 가지게 되었고, 리튬2차전지만이 아닌 연료전지의 분리막 등을 연구해 보고 싶다.

참고 자료

(1) Misson, R. W., Mims, C. A. and Saville, B. A.,1999, “"Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics,”" Department of Chemical Engineering and Applied Chemistry, University of Toronto, USA

(2)인하대학교, 양원준 2004, ‘가스터빈-가압형 SOFC 하이브리드 시스템 성능 특성 해석’

(3)강윤혁, ‘2007메탄 내부개질 반응을 통한 고체산화물 연료전지의 탄소침적 억제에 관한 연구

(4)한국과학기술정보연구원, 2005, ‘고효율 수소제조 개질법