Fuel cell & Hybrid System
- Research
High-efficiency, mixed combustion-electrochemical energy conversion system development 고효율, 연소-전기화학 에너지 전환 하이브리드 시스템 개발
에너지 변환 시스템이란 특정 에너지 형태를 가정, 산업 등에 사용할 수 있는 형태의 다른 에너지로 변환시키는 시스템으로,
기존 시스템의 개선 혹은 새로운 개념의 시스템 개발을 통한 효율 향상, 친환경성 확보가 주된 연구 방향이자 미래 산업 방향임.
우리 연구실에서는 현재 가장 각광을 받는 연료전지와 전통적인 에너지 변환 시스템 중 하나인 엔진 등 연소 및 전기화학적 반응을 수반하는 에너지 변환 시스템을 연구 중이며,
각각에 대한 연구와 더불어 이를 하이브리드화 한 고효율 에너지 변환 시스템에 대한 연구를 실험 및 시뮬레이션 모델링을 통해 수행하고 있음.
High-efficiency Fuel Cell and Internal Combustion Engine Hybrid System고효율 연료전지-엔진 하이브리드 시스템 연구
고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 선박 및 건물, 가정용 발전 시스템으로 각광을 받고 있고, 최근 100kW급 이하의 건물용 분산발전시스템으로 시장에 진입함에 따라 효율 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있음.
고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 기술적 특성 상 유입되는 연료의 100%를 발전에 사용하지 못하고 25~30%의 연료를 오프가스로 배출하는데, 오프가스를 통해 추가 출력을 생산한다면 시스템 효율 향상에 기여할 수 있음. 이에 본 연구실에서는 연료전지(SOFC)-엔진 하이브리드 시스템을 고안 및 구성하여 오프가스 엔진 연소를 통해 추가 출력을 확보하여 시스템 효율 향상에 기여하는 친환경 에너지 변환 시스템 개발 및 연구를 수행하고 있고, 추가적으로 구성 및 운전 전략을 개선한 초고효율의 하이브리드 시스템을 개발하기 위해 소용량의 연료전지 시스템을 실험실에 구축하여 모델링 및 실험을 통한 추가 연구도 진행하고 있음.
하이브리드 시스템에서 엔진을 이용해 시스템 효율에 기여하는 방법으로는 총 3가지 방법이 있는데, 현재 3가지 기술을 모두 활용한 하이브리드 시스템 연구를 수행 중에 있음.
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연료전지 오프가스 연소를 통한 추가 출력 생산
고체산화물 연료전지(SOFC) 시스템은 선박 및 건물, 가정용 발전 시스템으로 각광을 받고 있고, 최근 100kW급 이하의 건물용 분산발전시스템으로 시장에 진입함에 따라 효율 향상을 위한 연구가 활발히 진행되고 있음.
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엔진 활용 POx(Partial Oxidation) 개질을 통한 연료전지 투입용 Syngas (H2, CO) 생산
대부분의 연료전지 시스템은 인프라가 잘 갖춰진 천연가스를 개질하여 수소를 만들어 연료전지에서 사용함. 대표적인 개질 방법으로는 SMR(Steam Methane Reforming)이 있지만, 촉매가 필요하고 개질을 위한 수증기를 만들어야 하기에 경제적, 열 밸런스 측면에서 불리한 부분이 존재함. 반면 POx는 수소의 수율은 다소 낮지만 엔진을 활용해 촉매 없이 빠른 속도의 개질을 할 수 있다는 장점이 있음. 이에 연구실에서는 엔진을 활용하여 POx를 통해 연료전지에서 사용할 수소를 개질하는 과정을 엔진 실험 및 모델링을 통해 분석하고 있음.
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엔진을 활용한 연료전지(SOFC) 오프가스 재순환
연료전지에서 배출되는 25~30% 오프가스에는 연료 성분이 남아있는데, 이를 재순환하여 다시 연료전지에서 발전하는 기술이 개발되고 있음. 다만, SOFC는 약 750도씨의 고온에서 작동하기 때문에 오프가스의 온도가 높아 재순환을 위해서는 고온형 블로워가 필요함. 그러나 고온형 블로워의 개발은 기술적 난이도가 높아 상용화에 있어 기술적 한계가 존재함. 이에 엔진은 고온에서 견딜 수 있도록 설계되었고 엔진의 흡입력을 이용해 블로워를 대체할 수 있기에, 엔진을 이용한 하이브리드 시스템을 구성하여 실험과 모델링을 통해 오프가스 재순환 연구를 진행하고 있음.
위와 같은 연구 전 과정에서 연료전지 및 엔진 연소 시뮬레이션 모델링(연료전지 및 엔진 운전 특성 확인)과 연료전지 오프가스 모사 시스템을 이용한 엔진 연소 실험 및 연료전지 성능 실험을 수행하고, 시스템 입력 변수(연료 유량, 연료이용률, 당량비 등) 변화에 따른 시스템의 운전 가능 영역과 각 운전 영역별 성능을 확인하고 시스템 최적화 및 운전 전략, 제어 기술을 연구하고 있음.