연료전지용 수증기개질기의 연소특성에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 천연가스를 이용하는 연소기가 결합된 연료전지용 원통형 수증기개질기의 유입조건과 연소기 특성에 따라 나타나는 온도분포와 개질 효율과의 상관관계를 분석하였다. 연구를 위해 설계된 기기는 5 kW용 연료전지를 위한 개질기로써 HTS(High temperature shift) 및 LTS(Lower temperature shift) 반응기를 포함하지 않은 수증기개질 단위반응기이다. 연구의 목적은 실험을 통해 사용된 설계된 개질기의 효율을 검증하고, 동일한 조건의 수치해석을 통하여 결과의 비교 및 반응기 내부의 열·화학조건을 분석하는 것이다. 내부 온도분포는 (1) 개질반응부에 유입되는 반응물의 비율인 SCR(steam to carbon ratio)과 (2) 연소부에 유입되는 연소반응물의 양에 따라 변화하며, 반응물 및 온도분포의 제어를 통해 개질효율이 향상될 수 있음을 보여준다. 수증기 개질기에서는 일반적으로 개질반응물의 SCR의 값이 약 3.0에서 가장 높은 열효율을 획득할 수 있으며, 본 실험에서도 동일한 결과를 확인하였다. 또한 연소반응물로 유입되는 천연가스의 양을 증가시키면 연소반응을 통한 발열량이 증가하여 개질기의 온도는 향상되므로, 발생되는 개질생성물의 생성량은 많아진다. 하지만 개질기에 사용하게 될 연료가 연소기로 발열을 위해 소모되므로 개질효율에는 부정적 효과로 작용될 수 있다. 이처럼 두 구조로 유입되는 각기 다른 변수의 농도와 유량을 조절하여 획득할 수 있는 반응열량을 분석하였으며, 열전달에 따른 개질 열효율의 한계를 확인하였다. 또한 연소기의 입구 직경을 변화하여 내부 온도분포 및 개질효율에 미치는 영향성을 확인하였다. 이와 같은 결과(실험 및 수치해석)를 통하여 열량 조절을 통한 개질기 성능을 향상시킬 수 있는 운전조건의 획득하였으며, 동시에 최적의 성능을 나타내는 개질기의 설계에 활용 가능하다.