Environmental Impact of PEM fuel cell Integrated with a Liquid Desiccant and Evaporative Cooling-assisted 100% Outdoor Air System

Abstract

Chapter 1 describes the research background, literature review and direction of this research.

Chapter 2 describes the characteristics of the liquid desiccant and evaporative cooling system and polymer electrolyte membrane fuel cell.

Chapter 3 describes the energy consumption model of LD-IDECOAS with outdoor air conditions and the design method of PEM fuel cell capacity and optimal operating strategy.

Chapter 4 describes the PEM fuel cell performance prediction model with design variables and product properties.

Chapter 5 describes the simulation of PEM fuel cell integrated with LD-IDECOAS to establish economics and environmental impact in each climates.

Chapter 6 describes the development of simulation program tool. The program is a simulation tool to analysis primary energy saving and environmental effect of the PEM fuel cell applied to LD-IDECOAS.

Chapter 7 describes the conclusions of this research, and the summary is as follows; 1) To derive PEM fuel cell performance prediction model, five input parameters were chosen that affects the operating performance of fuel cell through literature review. The monitoring devices were installed to collect the measurement data and the actual data accumulated at the time of operating the PEM fuel cell under a combination of various variables. PEM fuel cell performance prediction model was derived from the regression analysis and showed a good prediction performance. The validity of the model was evaluated with the reference data. The applicability of model was verified in the variety of outdoor air conditions through energy simulation.

2) When PEM fuel cell applied LD-IDECOAS was used in various climate zones, the hot and humid region shows more primary energy and carbon emissions reductions. In the year-round hot and humid regions like Bangkok, Singapore and Hong Kong, the PEM fuel cell applied LD-IDECOAS was operates all year round.

3) In this research, the supplied power and heating are less than the demand in the fuel cell applied to LD-IDECOAS in some cases because the capacity of PEM fuel cell is controlled according to the heating load of LD unit. In these cases, it is assumed that the insufficient power and heating energy is supplied from the existing power grid and a natural gas-fired boiler. As a result of energy simulation for PEM fuel cell applied LD-IDECOAS, primary energy showed 46% and 18% of energy saving and carbon dioxide reduction in six locations, respectively. |본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)이 적용된 제습증발냉각 전외기 공조시스템(Liquid desiccant and indirect/direct evaporative cooling-assisted 100% outdoor air system, LD-IDECOAS)의 경제성 및 친환경 성능에 대해 분석해 보았다. 실험을 통한 PEM fuel cell의 실측 데이터를 이용하여 PEM fuel cell의 생산량 예측 모델을 제안하고, 그 모델을 활용하여 전체 시스템을 다양한 기후대에 적용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 각 기후대별로 2개의 도시를 선정하였으며, 시뮬레이션을 통해 각 지역에서 LD-IDECOAS와 PEM fuel cell이 결합된 시스템을 사용함으로써 절감할 수 있는 1차 에너지와 탄소 배출량을 예측 분석하였다.

본 연구는 총 7장으로 구성되었으며, 각 장의 내용은 다음과 같이 이루어져 있다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 기존 문헌들에 대한 고찰, 연구의 방법 및 방향에 대하여 서술하였다.

제 2장에서는 액체식 제습증발냉각 기반 전외기 공조시스템과 고분자 전해질 연료전지에 대한 원리와 종류에 대하여 설명하고 구성 및 특징에 대하여 서술하였다.

제 3장에는 LD-IDECOAS와 PEMFC의 design process에 대해 서술하였다. LD-IDECOAS의 시스템 부하를 산정에 필요한 에너지 소비 모델을 설명하고 도출 과정에 대하여 기술하고, PEM fuel cell을 LD-IDECOAS에 적용하기 위해서 PEM fuel cell capacity design 과 연간 운전 패턴을 선정하는 방법에 대해 기술하였다.

제 4장에서는 PEM fuel cell 생산량 예측을 위한 모델 도출이 이루어 졌다. PEM fuel cell의 성능 예측 모델을 도출하기 위해 진행된 실험과정에 대한 설명과 모델들에 대한 자세한 사항을 기술하였다.

제 5장에는 simulation에 대한 설명이 이루어졌는데, 시뮬레이션에 적용한 building conditions과 weather data 선정에 관한 내용을 서술하고 선정한 지역의 기후에 따라 PEM fuel cell이 적용된 LD-IDECOAS의 경제성 및 친환경성 분석이 이루어졌다.

마지막으로 제 6장에서는 PEM fuel cell이 적용된 LD-IDECOAS가 다양한 지역에 적용되었을 때 시스템의 친환경성 시뮬레이션을 할 수 있는 simulation program tool을 개발하는 과정을 서술하고 결과를 분석하였다.

제 7장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며, 주요 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.

1) PEM fuel cell 생산량 예측 모델 도출을 위해서 문헌조사를 통해 연료전지의 운전성능에 영향을 미치는 5가지의 input parameter를 선정하였고, 모니터링 장비를 설치하여 다양한 변수 조합 하에서 연료전지를 운전하였을 때의 실측 데이터를 수집하였다. PEM fuel cell prediction model은 데이터를 이용한 회귀분석을 통해 도출되었으며, 각 모델들의 신뢰도도 높게 나타났으나 기존문헌과의 검증을 통해서도 모델의 유효성을 확인하였다. 또한, 시뮬레이션을 통해 다양한 기후 조건에도 적용가능 한 것을 검증하였다.

2) PEM fuel cell이 적용된 LD-IDECOAS을 다양한 기후대에 적용한 시뮬레이션을 통해 전체 시스템의 1차 에너지 절감 및 탄소 배출량 저감율을 분석해 보았을 때, 고온 다습한 지역에 속할수록 1차 에너지와 탄소 배출량이 월등히 줄어드는 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 시뮬레이션이 진행된 6개의 도시 중에서 Bangkok, Singapore and Hong Kong과 같이 연중 덥고 습한 지역에서는 1년 내내 LD-IDECOAS와 PEM fuel cell이 operation되는 특성을 보인다.

3) 본 연구에서 LD-IDECOAS의 전력부하에 맞춰 PEM fuel cell의 용량을 산정하고 LD unit의 열부하에 맞춰 annual optimal operating pattern을 제시하였기 때문에 연간으로보면 전력이나 열부하가 부족하지 않으나, 월 및 시간별로 부족한 시간대가 발생하게 된다. 이때, 부족한 전기는 기존의 전력망을 통해서 공급받 게되고, 부족한 열은 LNG 보조 보일러를 이용하는 것으로 가정하였다. 기본적으로는 연료전지로부터 에너지를 공급받고, 부족한 에너지원을 보조적인 열원을 통해 공급받는 것으로 PEM fuel cell이 적용된 LD-IDECOAS의 에너지소비량을 산정한 결과, 기존에너지원 대비 1차 에너지는 6개 지역에서 평균 46%의 에너지 절감율을 나타냈고, 탄소배출량은 평균 18%의 저감이 가능한 것으로 분석되었다.; 1) To derive PEM fuel cell performance prediction model, five input parameters were chosen that affects the operating performance of fuel cell through literature review. The monitoring devices were installed to collect the measurement data and the actual data accumulated at the time of operating the PEM fuel cell under a combination of various variables. PEM fuel cell performance prediction model was derived from the regression analysis and showed a good prediction performance. The validity of the model was evaluated with the reference data. The applicability of model was verified in the variety of outdoor air conditions through energy simulation.

2) When PEM fuel cell applied LD-IDECOAS was used in various climate zones, the hot and humid region shows more primary energy and carbon emissions reductions. In the year-round hot and humid regions like Bangkok, Singapore and Hong Kong, the PEM fuel cell applied LD-IDECOAS was operates all year round.

3) In this research, the supplied power and heating are less than the demand in the fuel cell applied to LD-IDECOAS in some cases because the capacity of PEM fuel cell is controlled according to the heating load of LD unit. In these cases, it is assumed that the insufficient power and heating energy is supplied from the existing power grid and a natural gas-fired boiler. As a result of energy simulation for PEM fuel cell applied LD-IDECOAS, primary energy showed 46% and 18% of energy saving and carbon dioxide reduction in six locations, respectively.; In this research, the economic and environmental performances of PEMFC (Polymer electrolyte membrane fuel cell) applied to LD-IDECOAS (Liquid desiccant and indirect/direct evaporative cooling-assisted 100% outdoor air system) were analyzed in a variety of climates. Using the actual measurement data of the PEM fuel cell, PEM fuel cell performance prediction model was proposed. The simulation of LD-IDECOAS integrated with PEM fuel cell was conducted in various climate zones. Prediction analysis of the primary energy and carbon emissions was accomplished when LD-IDECOAS operated with PEM fuel cell in each region.

This research consists of 7 chapters and each chapter is as the follows