50KW급 인산형 연료전지 발전 시스템의 설계 및 전산 모사 = Design and simulation for 50KW Phosphoric Acid Fuel Cell Systems

국문 초록 (Abstract)

인산형 연료전지 시스템은 원료로부터 수소를 만드는 개질 공정과 전기를 생산하는 스택 그리고 스택에서 열을 제거하는 냉각시스템으로 나눌 수 있다. 본 연구에서는 메탄을 이용한 개질 공정에 대해서 고려하였으며 100단의 50kw급 인산형 연료전지 시스템을 범용 전산모사기인 HYSYS를 이용하여 부하 변동에 따른 전산 모사를 수행하였다.
개질 반응기는 스택에서 나오는 미반응 수소를 개질기 버너에서 태워서 개질 반응에 필요한 열을 얻는 구조로 설계하였다. 만일 스택에서 부하 변화가 심하게 일어나면 스택에서는 미반응 수소가 적게 나오게 된다. 이로 인해 개질 반응에 필요한 열원이 감소하여 개질 반응기의 온도가 떨어지고 개질 반응이 적게 일어나 수소가 적게 생산된다. 이런 현상은 다시 스택에 영향을 미쳐 원하는 순간적으로 원하는 수소의 양을 얻을 수 없어서 시스템 운전이 어려워지는 상황이 발생한다.
이러한 이유로 부하 요구에 따른 스택에서의 수소 요구량과 그때 해당하는 개질기 버너의 수소 요구량을 정확히 파악하여 그 수소 총량을 얻기 위해 필요한 메탄의 양을 전산 모사를 통해 구해 보았다. 이에 근거하여 부하 변화에 대응하기 위한 제어 방법을 제안하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Due to its clean and highly efficient energy conversion capability, the fuel cell system has drawn a keen and continuous interest from academia as well as industry. So far, the research has been confined mostly to the electrode material development and stack design. On top of this, researches on optimal design of the integrated system that consists of the reformer and stack have been often reported. On the other hand, research on control system design has been scarcely presented even though a fuel cell system may be subject to frequent load change during operation.
Considering the above general background, the purpose of this thesis study has been placed in the development of a control structure for a PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) system. For this, a steady state flow-sheet model of a 50 Kw methane-based PAFC system has been constructed first using a commercial package, HYSYS. The prime difficulty encountered in the fuel cell control system design against load change is that it is not clear which process variable should be regulated in the primary control loop. In this study, after extensive simulation study, the hydrogen utilization ratio has been chosen as a regulation variable for the primary control loop. Since the hydrogen utilization ratio cannot be measured directly, an inference model has been presented, too. On the basis of the primary loop, a control structure for the whole PAFC system has been suggested.
In order to evaluate the proposed control system structure, dynamic modeling of the PAFC system has been attempted next. For this, a computationally stable and efficient numerical model of the reforming reactor was developed. The pseudo-steady state was assumed for the component dynamics and the distributed heat balance dynamic model was approximated by a series of CFSTRs (Continuous Flow Stirred Tank Reactor). The concept of the above numerical modeling is believed to be applicable to the shift reactors, too.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• Abstract = ⅲ
• 국문초록 = ⅳ
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구의 목적 = 2
• 2. 연료전지 공정의 개요 = 3
• 2.1 Cell Model = 3
• 2.1.1 Cell에서의 반응 = 3
• 2.1.2 이상 기전력과 효율 = 4
• 2.1.3 Cell 반응의 비가역성과 운전 전압 = 4
• 2.2 Stack Model = 7
• 2.2.1 Stack = 7
• 2.2.2 물질 수지식 = 11
• 2.2.3 열 수지식 = 11
• 2.2.4 부하 변동에 따른 수소 공급량과 스택의 발열량 = 11
• 2.3 Reformer = 13
• 2.3.1 반응 화학 = 13
• 2.3.2 사용 촉매 = 14
• 2.3.3 반응 속도식 = 15
• 2.4 Water-Gas Shift Reactor = 16
• 2.4.1 반응 화학 = 16
• 2.4.2 사용 촉매 = 17
• 2.5 냉각 장치 = 19
• 3. Steady-State Simulation = 21
• 3.1 Process Flow Diagram = 21
• 3.2 HYSYS를 이용한 Simulation = 23
• 3.2.1 전체시스템 구성 = 23
• 3.2.2 개질기 분석 = 25
• 3.2.3 부하 변화별 Simulation 결과 = 25
• 4. Control Concept = 29
• 4.1 무엇을 제어할 것인가? = 29
• 4.1.1 Cell 전압 = 29
• 4.1.2 수소 이용률 제어 = 31
• 4.2 일정한 수소 이용률에서의 정상 상태 = 32
• 4.3 전체 시스템 제어 = 34
• 5. Reformer Modeling = 36
• 5.1 Modeling = 36
• 5.2 Algorithm = 38
• 5.3 Simulation Results = 40
• 6. 결론 = 42