Aspen DynamicsTM와 ACM을 이용한 용융탄산염 연료전지 시스템의 모사 및 제어

Abstract

최근 대체에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 수소에너지를 기반으로 하는 차세대 발전 장치인 연료전지 관련 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 고온 연료전지의 대표적인 형태인 용융 탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)는 전력사업용으로의 높은 가능성을 인정받아 화석연료를 대체할 발전방식으로 평가 받고 있다. 본 연구에서는 Aspen Custom Modeler(<TEX>$ACM^{TM}$</TEX>)에서 평형반응식을 이용하여 스택 모델을 구성한 후, Aspen <TEX>$Plus^{TM}$</TEX>에서 BOP(Balance of Plant) 시스템과 스택을 연결하여 전체 MCFC 발전 시스템의 정상상태를 모사하였다. 모델의 유효성을 입증하기 위해서 전류밀도, 연료이용률, S/C ratio, 재순환 흐름 비와 같은 주요 조업변수에 따른 셀 전압, 전력, 효율 등 시스템의 성능을 분석하였다. 그리고 Aspen <TEX>$Dynamics^{TM}$</TEX>에서 PID제어 방식을 적용하여 제어루프를 구성하였고 부하변화, 설정점 변화, 재순환 흐름비 변화에 따른 각각의 사례연구를 통하여 전체 시스템의 성능변화를 예측하였다. 그 결과 연료이용률과 전류밀도의 변화에 따른 전체 시스템의 최대 발전 효율 및 출력전압을 위한 운전조건을 제안하였다. Recentincreasing awareness of the environmental damage caused by the <TEX>$CO_2$</TEX> emission of fossil fuelsstimulated the interest in alternative and renewable sources of energy. Fuel cell is a representative example of hydrogen energy utilization. In this study, Molten Carbonate Fuel Cell system is simulated by using <TEX>$Aspen^{TM}$</TEX>. Stack model is consisted of equilibrium reaction equations using <TEX>$ACM^{TM}$</TEX>(Aspen Custom Modeler). Balance of process of fuel cell system is developed in Aspen <TEX>$Plus^{TM}$</TEX> and simulated at steady-state. Analysis of performance of the system is carried out by using sensitivity analysis tool with main operating parameters such as current density, S/C ratio, and fuel utilization and recycle ratio.In Aspen <TEX>$Dynamics^{TM}$</TEX>, dynamics of MCFC system is simulated with PID control loops. From the simulation, we proposed operation range which generated maximum power and efficiency in MCFC power plant.