Fuel Cell based CHP System Simulator Development

Abstract

최근 지구 온난화에 이어 미세먼지가 사회적 이슈로 대두되면서, 청정 열에너지에 대한 필요성이 나날이 커져가고 있다. 또한 대도시화가 진행되면서 특정지역에 인구가 편중됨으로 인해 전력 전송을 위한 송전선로 부족현상이 예견되어 분산 에너지원의 필요성이 현실화되었으며, 이에 따라 도심지 인근에 설치 가능한 면적 효율성이 높고, 진동과 소음이 없으며, 청정한 에너지원인 연료전지에 대한 관심이 고조되고 있다. 하지만 아직까지 연료전지를 다양하게 적용하기 위한 상업화된 시뮬레이션 툴이 존재하지 않는다. 이런 상황에서 연료전지는 현재 도심지 외곽과 일부 건물 지하 및 외부에 엔지니어 개인의 추측과 유사 경험 기반으로 설치되고 있으나 이는 추후 인명사고, 금전적 사고로 이어질 소지가 있어 이런 리스크를 사전에 예방 혹은 줄일 수 있는 시뮬레이터의 개발이 필요하다. 기존 연료전지 simulator의 연구동향은 연료전지 내부의 전기화학적 모델링 보다는 상업화된 연료전지 출력 값을 활용하여 다른 설비와의 연계 가능성을 평가하려는 연구로 다량의 연료전지를 적층하여 실존하는 에너지원을 대체하기 위한 용도는 아닌 것으로 판단하였다. 상기 이유로 기존 연구에서는 1D 모델링을 통해 연료전지 내부 현상보다는 입력 연료와 출력 값사이의 연계성에만 초점을 맞추려는 경향이 있었다. 이에 반해 본 연구는 연료전지 내부의 채널을 n개의 볼륨으로 구획하여 각 구획한 볼륨에서 실제 연료전지의 반응을 실제와 유사하게 모델링한 후 다음 볼륨의 계산이 이루어지는 2D 모델링을 수행함으로써 보다 정확한 내부 반응을 모사하였으며 다양한 연구분야 적용이 가능하도록 설계되었다. 본 연구에서는 PAFC와 SOFC 데이터를 적용한 simulator를 개발하여 검증하여 보았다 상기 2가지 타입의 연료전지를 선택한 이유는 PAFC의 경우 현재 국내 보급율이 가장 높으며, SOFC는 차세대 연료전지로 각광받고 있기 때문이다. 또한 개발된 simulator를 통해 대규모 수용가의 실제 데이터를 적용하여 설계를 진행하여 보았다. 연료전지 모델링은 크게 stack과 reformer 두 부분으로 나눠 모델링 하였으며 stack의 경우 연료전지의 이상방정식에서 활성화 과전압, 저항 손실, 농도 손실을 Matlab Simulink를 활용하여 계산한 뒤 실제 실험 데이터와 문헌 데이터를 통해 검증하였다. 개질기의 경우 PAFC와 SOFC의 동작온도 차이에 따라 동일한 구조를 가져갈 수 없기에 SOFC의 경우 After Burner를 통한 Pre-heating 등 SOFC에 특화된 일부 기능을 별도로 추가하였다. 그리고 연료전지의 핵심인 stack 모델링의 경우 앞서 언급하였듯이 기존 유사 연구에서는 계산시간의 증가와 모델링의 어려움 등의 이유로 inlet에서 outlet까지 연료가 동일하게 분포한다는 가정하에 모델링이 이루어져 정확성이 낮고 실제 연료전지 내부 현상과 괴리가 있었다. 금번 모델링에서는 채널 내부에서 반응가스 고갈에 따른 반응속도 저하를 적용하기 위하여 inlet에서 outlet까지는 n개의 볼륨으로 나누고 각 볼륨에서 성능을 계산한 후 다음 볼륨의 값을 계산하였다. 이를 통해 정확성이 높였으며 전류를 입력변수로 갖는 기존 연구와 다르게 농도에 따른 반응 속도 변화를 적용하기 위하여 전압을 입력변수로 선정하였다. Simulator는 GUI 기반으로 사용자가 적용을 원하는 연료전지 타입을 선정하고, 연료전지 댓수, 시간당 연료 투입량, 연료 투입 압력, 전류, 물 투입량, 목표 전력값을 입력하면 stack과 reformer modeling에서 생성 열량, 전력, 효율, 전압, 일별/월별/연별 열량 및 전력 생산량, 목표 전력생산을 위한 연료 요구량, 연료 투입 압력, 전류값, 중온수와 스팀 생성을 위한 열량 및 미사용 열량이 도출되며, 이를 기반으로 i-V 커브가 출력되어 목표 사이트에 연료전지 적용 가능성 및 경제성을 확인할 수 있도록 개발되었다. 본 Simulator는 한가지 타입의 연료전지를 적용할 수 있으나 본 연구에 이은 후속 연구를 통해 특정 사이트에 상이한 타입의 연료전지를 적용하는 것과 연료전지를 통해 배출되는 열을 건물의 공조설비에 활용하여 하절기/동절기 전력피크를 저감을 통한 환경 및 국가경제에 기여할 수 있도록 연구를 계속 진행할 예정이다.; Recently, the need for clean heat energy has been increasing day by day as the fine dust has become a social issue after global warming. In addition, as the urbanization has progressed, the population is concentrated in a certain area, and a transmission line shortage for electric power transmission has been predicted. Thus, the need for a distributed energy source has come to be realized. Therefore, there is a growing interest in clean fuel cell whose efficiency is high and no vibration and noise. However, there are no commercially available simulation tools for various applications of fuel cells. In this situation, the fuel cell, a substitute material as combined heat and power (CHP), is installed on the outskirts of the city center and some buildings underground and outside of the building on the basis of engineer's similar experience or speculations. However, this risk can be prevented or reduced in advance due to human accidents and financial accidents. Then we need to development of a simulator. The research trend of the existing fuel cell simulator is to evaluate the possibility of linking with other facilities by utilizing the commercialized fuel cell output value rather than the electrochemical modeling inside the fuel cell. Its purpose may not replace the existing energy source by stacking a large amount of fuel cells. For this reason, in previous studies, 1D modeling tended to focus only on the linkage between the input fuel and the output value rather than the fuel cell internal phenomena. On the contrary, this study divides the channel inside the fuel cell into n volumes, modeling the actual fuel cell response in each compartment volume, and then performing the 2D modeling which calculates the next volume for applying to various research fields. In this study, a simulator adopting PAFC and SOFC data was developed and verified. Two types of fuel cells were chosen because PAFC has the highest domestic penetration rate and SOFC is the next generation fuel cell. Also, through the developed simulator, the actual data of large-scale customers were applied and the design was proceeded. First, the fuel cell modeling is divided into two parts: stack and reformer. In the case of the stack, activation overvoltage, resistance loss, and concentration loss are calculated using the Matlab Simulink in the fuel cell's governing equation. Respectively. In the case of the reformer, since it cannot have the same structure depending on the operating temperature difference between the PAFC and the SOFC, some functions specific to SOFC such as preheating through the after burner are additionally added. For the stack modeling, which is the core of the fuel cell combined system development, previous studies were usually simplified performed under the assumption that the fuel is distributed evenly from the inlet to the outlet due to the increase of the calculation time and the difficulty of the modeling. In this study, to apply the reaction rate decrease due to depletion of the reaction gas inside the channel, we divide the volume from inlet to outlet into n volumes, calculate the performance at each volume, and then calculate the volume of the next volume. As a result, the voltage was selected as the input variable in order to apply the change of the reaction rate according to the concentration, unlike the previous study which has the current as the input variable. The simulation user can select the type of fuel cell he wishes to apply based on the GUI, and inputs the fuel cell number, the fuel input amount per hour, the fuel input pressure, the current, the water input amount and the target power value, The I-V curves are derived based on efficiency, voltage, daily / monthly / yearly calorie and power output, fuel demand for target power generation, fuel input pressure, current value, calorific value and steam generation, And it was developed to confirm the feasibility and economic feasibility of the fuel cell on the target site. This simulator can be applied to only one type of fuel cell, but the following study after this study will show that application of different types of fuel cells to specific sites and heat generated from the fuel cells to the air conditioning equipment of the building. I think it will contribute to the environment and the national economy through reduction of power peak.