이산화탄소 포집을 적용한 고체산화물 연료전지 발전시스템의 성능 분석 = Performance analysis of solid oxide fuel cell power systems with carbon dioxide capture
저자
발행사항
인천 : 인하대학교 일반대학원, 2021
학위논문사항
학위논문(석사)-- 인하대학교 일반대학원 : 기계공학과 열 및 유체공학 2021. 8
발행연도
2021
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
인천
형태사항
74 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김동섭
UCI식별코드
I804:23009-200000500669
소장기관
신 기후체제 협정으로 인해 전 세계는 이산화탄소 배출 저감을 중요한 이슈로 주목하고 있다. 특히, 발전분야에서는 이산화탄소 감축을 위해 발전플랜트의 효율 향상과 이산화탄소 포집기술 적용에 대한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 이산화탄소 포집기술 (Carbon capture and storage, CCS)을 적용한 고체산화물 연료전지 (Solid oxide fuel cell, SOFC) 발전시스템의 성능분석을 진행하였다. CCS로는 모노에탄올아민 (Monoethanolamine, MEA)공정과 압력순환흡착 (Pressure swing adsorption, PSA)공정을 사용하였다. 또한 고분자전해질 연료전지 (Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)를 CCS로 이용한 하이브리드 시스템을 제안하였다. SOFC 단독시스템에 MEA 공정을 추가한 발전시스템 (시스템 1), SOFC와 PEMFC를 결합한 하이브리드 시스템 (시스템 2), SOFC-PEMFC 하이브리드 시스템에 압력순환흡착 (Pressure swing adsorption, PSA)공정과 PEMFC 연료극 배기가스 재순환 공정을 추가한 발전시스템 (시스템 3)의 성능을 비교하였다. 전류밀도와 연료 이용률을 변화하며 시스템의 성능변화와 포집된 이산화탄소의 포집률 및 순도변화를 확인했다. 결과적으로 시스템 3의 성능이 SOFC 단독 시스템 (basic 시스템)과 비교하여 가장 낮은 성능감소를 보였다. CCS 기술은 시스템의 성능을 감소시키므로 성능감소를 최소화하기 위해 각 시스템에 유기랭킨사이클 (Organic Rankine cycle, ORC)를 추가하였다. ORC를 추가할 경우 이산화탄소를 포집하고도 basic 시스템보다 높은 효율을 얻을 수 있음을 확인하였다.
더보기Due to the new climate agreement, the world is paying a special attention to the reduction of carbon dioxide emissions. In particular, in the field of power generation, various studies are being conducted to reduce carbon dioxide emissions through improving the power plant efficiency and capturing carbon dioxide generated from power plants. In this study, a performance analysis of a solid oxide fuel cell (SOFC) generation system with carbon capture and storage (CCS) was carried out. The monoethanolamine (MEA) process and pressure swing adsorption (PSA) process were selected as the measures of CCSs, and combined systems using polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) as an enabler of CCS was proposed. Three systems were proposed and their performance was comparatively analyzed. They are a simple SOFC system with MEA process (System 1), a combined system combining SOFC and PEMFC (System 2), and an SOFC-PEMFC combined system with PSA and PEMFC anode exhaust gas recirculation process (System 3) were comparatively investigated. The influence of the current density and fuel utilization of the SOFC on system performance was examined: net power and efficiency, and capture rate and purity of the captured carbon dioxide. System 3 showed the lowest efficiency decrease compared to the SOFC stand-alone system. An organic Rankine cycle (ORC) was also added to each system to minimize the performance degradation caused by CCS. It was confirmed that when ORC was added, the net efficiency could be improved in comparison to the SOFC stand-alone system even after capturing carbon dioxide.
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