KR20230129097A - 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
데이터 센터에 전력 및 냉열을 공급하는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법은 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화를 감지하는 단계; 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 데이터 센터용 고온 고분자전해질 연료전지 기반의 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.
ICT(information and Communication Technologies) 산업의 발전과 함께 데이터 센터의 에너지 소비 또한 계속해서 증가하고 있다. 이에 따라 데이터 센터의 에너지 비용 절감을 넘어 저탄소 패러다임을 수용하기 위한 기술 발전이 요구되고 있다. 고온 고분자전해질 연료전지(HT-PEFC)는 인산이 담지된 고분자 막을 사용하여 기존의 저온 고분자전해질 연료전지(LT-PEFC)에 비해 발전 성능은 조금 낮아지지만 작동 온도가 120 ℃이상으로 높아 발생된 배열은 흡수식 냉동기의 열원으로서 냉열 생성에 효과적으로 활용될 수 있다. 따라서, 부하 전력과 냉각을 모두 필요로 하는 데이터 센터의 에너지 수요를 만족시키는데 적합하다.
그러나, 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화에 따라 연료전지의 운전 모드를 최적화하는 기술은 아직 없는 실정이다.
본 발명은 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화에 따라 연료전지의 운전 모드를 최적화할 수 있는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
데이터 센터에 전력 및 냉열을 공급하는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법은 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화를 감지하는 단계; 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 다양한 연료전지의 운전 모드 및 이중효용 흡수식 냉각기의 설정값에 따라 삼중열병합 시스템의 효율 및 냉방 용량을 정확히 분석할 수 있다. 이를 통해 데이터 센터의 에너지 수요 조건을 만족시킬 수 있는 연료전지의 운전 시나리오 전략을 제공할 수 있다. 또한, 최적 조건의 연료전지의 운전 방법을 제공할 수 있어 전체 시스템의 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 데이터 센터 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템의 구성도이다.
도 3 및 도 4는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법의 동작 흐름도이다.
도 5는 실시예 1의 HT-PEFC 스택 모델의 검증 시, 초기 파라미터 값을 적용한 모델의 시뮬레이션 예측값과 실험값을 I-V 분극곡선으로 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 완성된 모델의 시뮬레이션 예측값과 실험값을 비교한 I-V 분극곡선이다.
도 7은 스택의 운전 온도가 성능에 미치는 영향에 관한 것이다.
도 8은 스택의 운전 온도에 따른 전력(power)을 나타낸 것이다.
도 9는 스택의 운전 온도에 따른 효율을 나타낸 것이다.
도 10은 스택의 전류 밀도에 따른 전력 및 효율을 나타낸 것이다.
도 11은 냉각수 입구 온도에 따른 COP를 나타낸 것이다.
도 12는 냉각수 입구 온도에 따른 냉방 용량을 나타낸 것이다.
도 13은 스택의 운전 온도 및 냉수 출구 온도에 따른 COP를 나타낸 것이다.
도 14는 스택의 운전 온도 및 냉수 출구 온도에 따른 냉방 용량을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템의 구성도이다.
도 3 및 도 4는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법의 동작 흐름도이다.
도 5는 실시예 1의 HT-PEFC 스택 모델의 검증 시, 초기 파라미터 값을 적용한 모델의 시뮬레이션 예측값과 실험값을 I-V 분극곡선으로 비교한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 완성된 모델의 시뮬레이션 예측값과 실험값을 비교한 I-V 분극곡선이다.
도 7은 스택의 운전 온도가 성능에 미치는 영향에 관한 것이다.
도 8은 스택의 운전 온도에 따른 전력(power)을 나타낸 것이다.
도 9는 스택의 운전 온도에 따른 효율을 나타낸 것이다.
도 10은 스택의 전류 밀도에 따른 전력 및 효율을 나타낸 것이다.
도 11은 냉각수 입구 온도에 따른 COP를 나타낸 것이다.
도 12는 냉각수 입구 온도에 따른 냉방 용량을 나타낸 것이다.
도 13은 스택의 운전 온도 및 냉수 출구 온도에 따른 COP를 나타낸 것이다.
도 14는 스택의 운전 온도 및 냉수 출구 온도에 따른 냉방 용량을 나타낸 것이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 연료전지 유동장 설계를 위한 모델링 방법의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 데이터 센터 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 구성도이다. 도 1을 참고하면, 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)은 데이터 센터(10a)에 전력 및 냉열을 공급할 수 있다.
데이터 센터(10a)는 서버 컴퓨터와 네트워크 회선 등을 제공하는 건물이나 시설로써, 연중 연속적으로 ICT(Information and Communication Technologies) 서비스를 안전하고 효율적으로 제공하기 위해 고출력 전기부하와 IT 기기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉열 시스템을 필요로 한다. 따라서, 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)은 데이터 센터(10a)에 전력 및 냉열을 공급할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)은 고온 고분자 전해질 연료전지(High temperature polymer electrolyte membrane fuel cell, HT-PEFC) 및 이중효용 흡수식 냉각기(Absorption refrigerator, AR)를 포함할 수 있다. 즉, 고온 고분자 전해질 연료전지(HT-PEFC)를 통해 데이터 센터(10a)에 신재생 에너지로 생산된 전력을 공급할 수 있다. 또한, 고온 고분자 전해질 연료전지(HT-PEFC)에서 방출된 폐열(배열)을 이용하여 이중효용 흡수식 냉각기(AR)를 통해 데이터 센터(10a)에 냉열을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2를 참고하여 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)을 설명한다. 도 2는 본 발명의 연료전지 삼중열병합 시스템의 구성도이다. 도 2를 참고하면, 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)은 연료전지스택(100), 제1 발생기(1st Generator, 110), 제2 발생기(2nd Generator, 120), 고온열교환기(High temperature Heat exchange, 130), 저온열교환기(Low temperature Heat exchange, 140), 응축기(Condenser, 150), 증발기(Evaporator, 160), 흡수기(Absorber, 170) 및 냉각탑(Cooling Tower, 180)을 포함할 수 있다.
연료전지스택(100)은 수소극(101), 공기극(102) 및 냉각유로 일체형 냉매증기발생기(103)를 포함하며, 본 실시 형태에서의 연료전지스택(100)은 연료전지 운전 온도가 100~250℃ 범위인 삼중열병합발전 시스템에 적용되는 것이 바람직하다. 수소극(101)과 공기극(102) 사이에는 도시되지는 않았으나 전해질막이 포함되며, 수소극(101)과 공기극(102)에서의 반응을 통해 전기가 발생되며, 발생된 전기는 인버터를 통해 외부로 전달된다.
연료전지스택(100)에는 일반적으로 수소극(101), 공기극(102) 및 냉각판이 다수 반복 적층되는 형태로 구성되며, 도 2에서는 이를 간략화하여 나타내었다. 일반적인 고온 고분자 전해질 연료전지는 냉각판을 경유하는 독립적인 냉매유로를 포함하여 구성된다. 종래의 히트펌프와 연료전지를 결합하여 삼중열병합 발전을 구성한 기술들도 연료전지의 냉각유체 유로와 히트펌프의 냉각유체 유로를 별도로 구성하였다. 그러나 본 발명에서 일체형 냉매증기발생기(103)는 별도로 구성하던 유로를 일체형으로 함으로서, 유체 유로뿐만 아니라 연료전지에서 사용하던 응축기, 펌프 등의 장치 개수를 줄여 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있으며, 더 효율적인 열 이용이 가능해진다.
즉, 본 발명에서의 연료전지스택(100) 내부의 일체형 냉매증기발생기(103)는 연료전지 스택으로서는 스택 냉각의 기능을 하며, 흡수식 히트펌프로서는 냉각유체 용액인 냉매 수용액 중의 냉매를 증발시키는 증기발생기로서의 기능을 동시에 수행할 수 있다.
본 발명에서의 흡수식 히트펌프는 흡수식 냉각기를 포함하는 개념이며, 따라서 본 발명의 흡수식 히트펌프는 흡수식 냉각기로 해석되어도 무방하다.
히트펌프의 유체로서 연료전지를 냉각시키기 위한 냉각유체는 연료전지스택(100)의 열에 의해 냉각유체에 포함된 냉매의 증발이 일어난다. 연료전지의 부하에 따라 온도가 높을 경우 대부분의 냉매가 증발되며, 온도가 낮을 경우에는 냉각유체의 대부분은 액체 상태로 통과하여, 기액분리기로 유입된다.
제1 발생기(110)는 일체형 냉매증기발생기(103), 및 여기서 공급받은 순환 냉각유체를 기상과 액상으로 분리하는 소형의 기액분리기로 구성될 수 있다. 제1 발생기(110)는 순환 냉각유체 용액에서 냉매 증기를 발생시킨다. 필요에 따라 추가적인 열을 공급하여 기상 순환유체인 냉매의 양을 더 증가시킬 수 있다.
제1 발생기(110)에서 배출된 기상의 냉매는 배관(5)을 통해 제2 발생기(120)의 액상부에 직접 공급될 수 있다. 또는 제1 발생기(110)에서 배출된 기상의 냉매는 액상부에 열만 전달하는 구조의 배관을 포함하는 배관(5, 13)을 통해 응축기(150)로 공급될 수 있다.
배관(5, 9)을 통해 응축기(150)에 공급되는 냉매는 제2 발생기(120)를 통과하면서 열을 빼앗겨 일부는 액상일 수 있다. 또한, 응축기(150)에 공급되는 냉매는 응축기(150)에서 분사 등의 형태로 고온냉각수가 흐르는 열교환기에 접촉될 수 있다.
제1 발생기(110)에서 분리된 액상의 냉각유체는 배관(6)을 통해 제2 발생기(120)로 유입된다. 배관(6, 7, 8)의 일부에는 고온열교환기(130)가 배치될 수 있다. 고온열교환기(130)를 통해 회수된 열은 연료전지스택(100)에 포함된 일체형 냉매증기발생기(103)로 공급되는 냉각유체 온도를 승온시키는 데 이용되거나, 건물 난방용으로 이용될 수 있다.
한편, 제2 발생기(120)에서는 배관(5)을 통해 제1 발생기(110)에서 공급받은 기상의 냉매를 통해 액상의 순환 냉각유체인 수용액의 일부가 증발될 수 있으며, 증발된 냉매는 배관(13)을 통해 응축기(150)로 유입된다.
제2 발생기(120)의 액상의 냉각유체는 배관(10, 11, 12)을 통해 흡수기(170)로 공급된다. 배관(10, 11, 12)의 일부에는 저온열교환기(140)가 배치될 수 있다. 저온열교환기(140)는 고온열교환기(130)와 마찬가지로 연료전지스택(100)에 포함된 일체형 냉매증기발생기(103)로 공급되는 수용액의 온도를 승온시킬 수 있다.
한편 흡수기(170)는 냉각탑(180)으로부터 배관(23)을 통해 저온의 냉각수(cooling water)를 공급받고, 흡수기(170)의 열교환기를 통해 저온의 냉각수를 승온시켜 고온냉각수를 배관(24)을 통해 배출시킬 수 있다. 배출된 고온냉각수는 배관(24, 19)을 통해 응축기(150)로 공급된다. 응축기(150)에 공급된 고온냉각수는 응축기(150) 내의 열교환기를 통해 온도가 더 올라가고, 배관(20)을 통해 다시 냉각탑(180)으로 공급된다.
응축기(150) 내부에는 순환유체 배관과는 별도의 고온냉각수 배관을 포함하며, 고온냉각수 배관에 기상의 순환유체가 접촉하여 응축에 의해 액상으로 전환된다. 또한 응축기(150)에서 난방을 위한 온수를 공급하기 위해서, 고온냉각수는 응축기(150)에서 회수된 열에 의해 승온되며, 이를 이용하여 건물의 난방 및 온수 공급 등의 용도로 이용할 수 있다.
응축기(150)에서 배출된 액체상태의 냉매는 배관(14, 15)을 통해 증발기(160)로 유입된다. 증발기(160)에서는 배관(14, 15)을 통해 공급된 냉매를 분사 등의 방식을 이용하여 내부의 열교환기를 통해 온수 배관표면에 접촉시키며, 온수 배관에 접촉한 냉매는 증발하여 배관(16)을 통해 흡수기(170)로 유입된다. 건물 내부의 더운 공기에 의해 가열된 온수는 배관(22)을 통해 증발기(160)로 공급되고, 증발기(160)에서 냉매에 의해 온도가 낮아진다. 온도가 낮아진 냉수(chilled water)는 배관(21)을 통해 다시 건물로 유입되어 건물의 냉방 등에 활용될 수 있다. 증발기(160)와 흡수기(170)는 별도의 배관 없이 일체형 챔버로 구성될 수 있으며, 증발기(160)에서 배출된 기상의 냉매는 배관(16)이나 일체형 챔버에 의해 직접 흡수기(170)로 유입된다. 건물에서 냉방이 필요 없는 경우에는, 냉매는 증발기(160)에서 별다른 반응 없이 바로 흡수기(170)로 공급된다. 흡수기(170)에서는 수용액 형태의 냉각유체가 냉매의 증기를 흡수하면서 발생하는 열을 내부의 열교환기를 통해 고온냉각수 배관(24)을 이용하여 배출하게 되며, 이를 통해 순환유체 용액의 온도가 낮아져, 연료전지스택(100)이 냉각이 가능한 상태로 전환된다. 또한 흡수기(170)에서 회수한 열은 난방용으로 사용할 수 있다.
흡수기(170)에서 배출된 냉각유체는 펌프를 거쳐 배관(1, 2, 3, 4)을 통해 제1 발생기(110)로 공급되며, 상기와 같은 일련의 과정이 반복되어, 연료전지의 냉각 및 건물의 냉난방이 가능하게 된다.
냉각탑(180)으로부터 냉각수가 흡수기(170)를 지나 응축기(150)를 통하면서 이, 흡수기(170) 및 응축기(150)를 냉각시킬 수 있다. 순환구조 중 일부에 건물 등에 온수를 공급하는 구조를 포함할 수 있다.
펌프는 연료전지스택(100)의 온도에 따라 냉각유체의 유량을 조절할 수 있으며, 이를 위해, 펌프 속도를 제어하기 위한 유량제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한편, 증발기(160)에서 생산되는 냉수의 출구 온도는 배관(21)에서 온도 센서를 이용하여 측정될 수 있다. 이를 통해 냉수의 출구 온도에 따른 냉방 용량 및 COP 거동을 확인할 수 있다. 또는, 냉각탑(180)을 거쳐 차가워진 냉각수가 흡수기(170)로 들어가는 냉각수 입구 온도를 배관(23)에서 온도 센서를 이용하여 측정함으로써, 냉각수 입구 온도의 변화에 따라 냉방 용량 및 COP를 계산할 수 있다.
본 발명에서의 냉매를 포함한 냉각유체 사이클을 구체적으로 구분하면 2 개의 사이클로 구분할 수 있는데, 첫 번째는 냉매를 포함한 용액(냉각유체)의 사이클(발생기->흡수기->발생기)이고, 두 번째는 냉각유체 중 냉매의 사이클(발생기->응축기->증발기->흡수기->발생기)이다.
구체적으로, 냉각유체의 사이클은 도 2에서 6, 7, 8, 10, 11, 12, 1, 2, 3, 및 4의 배관을 거치는 사이클로써 실선으로 표시된다. 냉각유체 중 냉매의 사이클은 도 2에서 5, 9, 13, 14, 15 및 16의 배관을 거치는 사이클로써 긴 점선으로 표시된다. 한편, 냉각수는 23, 24, 19 및 20의 배관을 거치는 사이클로써 2점 쇄선으로 표시된다.
냉매를 포함한 냉각유체 사이클을 순환하는 냉각유체는 일체형 냉매증기발생기(103)를 통과하는 과정에서 증발이 잘 일어날 수 있는 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 용액은 리튬브로마이드 수용액(LiBr-H2O) 또는 암모니아 수용액(NH3-H2O)일 수 있다.
냉매는 수용액에서 증발점이 낮아 증발이 잘 일어나는 액체가 사용될 수 있다. 리튬브로마이드 수용액(LiBr-H2O)의 경우 냉매는 물이 되며 암모니아 수용액(NH3-H2O)의 경우는 암모니아가 냉매가 될 수 있다. 이외에 LiCl-H2O, LiI-H2O, CaCl2-H2O, KNO-H2O NH3-LiNO3 등 다양한 수용액이 냉각유체로 사용될 수 있으며 이들을 적어도 둘 이상 혼합하여 사용할 수도 있다.
이하, 상술한 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)의 운전 제어 방법을 설명한다. 도 3은 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)의 운전 제어 방법의 동작 흐름도이다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 연료전지 삼중열병합 시스템(20)의 운전 제어 방법은 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화를 감지하는 단계; 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화를 감지하는 단계(S100)에서는 데이터 센터에 요구되는 전력 부하의 변화 또는 냉열 부하의 변화를 감지할 수 있다. 즉, 데이터 센터에 요구되는 전력 부하의 증가 또는 감소를 감지하거나, 데이터 센터에 요구되는 냉열 부하의 증가 또는 감소를 감지할 수 있다. 한편, 전력 부하의 변화는 데이터 센터의 전력량 측정부에서 측정할 수 있다. 냉열 부하의 변화는 데이터 센터의 냉열 측정부에서 측정할 수 있다. 이러한 전력량 측정부 및 냉열 측정부는 데이터 센터 내에 구비될 수도 있고, 별도로 구성될 수 있다.
다음으로, 모델링된 연료전지 삼중열병합시스템의 모델로부터 냉방 용량(Cooling capacity), 전기 효율(Electrical efficiency), 냉열 효율(Cooling efficiency) 및 COP(Coefficient Of Performance) 중 적어도 어느 하나를 계산하는 단계(S200)를 진행할 수 있다.
구체적으로, 연료전지 삼중열병합시스템의 모델은 1) 고온 고분자 전해질 연료전지(HT-PEFC) 모델링 2) 이중효용 흡수식 냉각기(AR) 모델링을 통해 도출될 수 있다.
HT-PEFC 모델링은 스택 모델링 및 시스템 모델링으로 구분될 수 있다. 먼저, 스택 모델링을 위한 스택 내부의 구성요소는 PBI(Polybenzimidazole) 막, 수소극 촉매층, 산소극 촉매층, 수소극 가스 확산층, 산소극 가스 확산층이며, 이 모델에서는 가스 채널의 영향은 포함하지 않는다. 셀의 전기화학적 반응과 물질 밸런스와 관련된 시뮬레이션을 진행하기 위해서 상용프로그램인 PSE사의 gPROMS사의 버전 1.5.3 ProcessBuilder를 사용하였고 시뮬레이션의 단순화를 위하여 다음의 몇 가지 가정(Assumptions)을 적용하였다.
-
모든 반응은 정상상태이며 이상가스 상태로 이루어진다
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반응물질은 전해질을 투과하지 않는다.
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각 구성 물질에서의 접촉 저항은 무시한다.
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확산층(GDLs and catalyst layers)은 등온(Isotropic) 및 균질(homogenous)하다.
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이 외에도 HT-PEFC의 PBI계 막 특성 및 운전특성이 반영되어 반응 생성물인 물은 항상 기체 상태로 존재하며, 전기삼투견인 현상은 무시할 수 있다.
HT-PEFC 모델은 하기의 지배 방정식으로부터 도출될 수 있다.
연료전지 전압(Real cell voltage)은 전류의 함수로 가역전압과 손실인 활성화 과전압, 저항 과전압, 확산 과전압을 고려하여 계산할 수 있다.
(1)
연료전지의 운전 온도조건에서의 엔트로피 손실과 개회로에서의 반응가스의 농도를 고려한 Nernst 가역전압은 다음과 같이 표시될 수 있다. 은 표준조건에서 Gibbs 자유 에너지를 이용하여 구할 수 있다.
(2)
활성화 과전압(Activation over-potential)을 계산하기 위하여 다음의 Butler-Volmer's equation을 사용했다.
(3)
(4)
여기서 는 반응 교환전류밀도이며, 는 참조 교환전류밀도, 는 캐소드에서의 환원 전하 교환 상수(Reduction charge transfer coefficient), 는 캐소드에서의 산화 전하 교환 상수(Oxidation charge transfer coefficient), 는 촉매층의 활성 에너지 는 참조 온도, 는 전극 거칠기(electrode roughenss)라고도 하며, 전극의 기하학적 면적(당 촉매 표면적(을 의미한다.
전극에서의 저항 손실은 상대적으로 거의 무시할 수 있으므로 저항 과전압(ohmic over-potential)은 전해질의 손실만으로 표시할 수 있다. 전해질의 이온 전도 손실은 두께 이온전도도에 영향을 나타낼 수 있다.
(5)
인산이 담지된 PBI 전해질막의 이온전도도는 인산 담지량, 습도량, 그리고 온도의 함수이며 다음의 Arrhenius 식으로 표시할 수 있다.
(6)
식 (6)에서 사용되는 는 활성화 에너지이며, 는 인산 담지량의 영향, 는 온도 및 상대 습도량의 영향을 반영하기 위해 사용되는 상수이다. 이 중에서 는 기존의 K.Jiao에 의해 제안되어 세개의 운전 온도 영역에 따라 각각 다른 지배식이 적용되는 값인데, 프로그램에 적용에 복잡성을 줄이기 위하여 다음 식 (9)과 같이 수정하였다.
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
농도 분극으로 인한 전압 손실의 관계식은 다음과 같이 얻을 수 있다.
(12)
스택 전압 및 전력은 셀 개수와 셀 전압의 곱으로 계산이 되며, 스택의 총 전력은 스택의 전압과 셀 전류의 곱으로 계산된다.
(13)
(14)
단위 셀 효율은 이론전위 대비 출력되는 전압값으로 계산이 되며 스택 효율은 연료전지 전기화학반응에 사용되는 연료의 소모를 나타내는 연료이용률(을 사용하여 계산이 가능하다.
(15)
(16)
HT-PEFC 스택 발생열은 다음 식으로 계산 가능하다.
(17)
상기 지배 방정식으로부터 도출된 모델의 검증(Validation)을 위해 실험값을 기반으로 그 값을 추정하는 'Parameter estimation method'을 이용할 수 있다.
다음으로, HT-PEFC 모델 중 시스템 모델은 운전 온도 및 인가 전류 밀도 등의 운전 조건에 따른 스택 발전량, 전기 효율 및 발생 열량을 예측하여 AR에 전달되는 열원의 정보를 구체적으로 제공해줄 수 있다. 시스템 모델은 수소 연료 공급계, 공기 공급계, 열 회수계 세 가지의 모듈로 구성된다.
수소 연료 공급계에서 수소 순환장치에 의해 연료전지 스택에서 배출된 가스는 수소 공급측에 순환되어 수소 연비를 향상시킬 수 있다. 수소 배출유로에 설치된 퍼지벨브(purge valve)는 연료극에 축적될 수 있는 물과 질소농도에 따라 일정 주기마다 개폐되어 배출가스가 외부로 배출되며 수소 감압을 방지하는 역할을 한다. 순환펌프(H2 recirculation pump)는 펌프 모듈에 의해 모델링된다. 펌프의 회전수는 연료전지 스택에 공급되는 수소량이 일정하도록 H2_Mix 의 mass flow rate를 Target 값으로 공급되는 수소 유량(H2_source 의 Mass flowrate)을 조절한다. 펌프 모델의 입력값에는 출구 압력과 효율이 포함되며 소비전력이 계산된다.
공기 공급계는 열교환기를 사용하여 스택 입구로 들어가는 공기와, 스택 출구로 빠져나오는 공기의 열을 교환시키는 구조이다. 열교환기의 열전달계산 시 널리 사용되는 LMTD(log mean temperature difference)방법을 사용하여 식 (18), (19)의 Heat balance equation에 따라 열교환기 성능(면적, 열전도율)을 설계하였다.
(18)
(19)
열 회수계는 HT-PEFC의 heating 및 cooling 역할의 트리에틸렌 글리콜(TEG) 냉매를 순환시키기 위한 모듈 구성이다. 스택 출구의 온도를 target 값으로 설정하고, TEG_Source의 유량을 주어진 initial guess 에서부터 조절하여 target을 달성하도록 구성하였다. 펌프 모델의 입력에는 출구 압력과 효율이 포함된다. TEG 유량에 따라 소모동력이 계산된다.
다음으로, 2) 이중효용 흡수식 냉각기(AR) 모델은 이중효용 흡수식 시스템의 효율과 성능을 계산하는 새로운 모델을 이용할 수 있다.
먼저, 연료전지의 배열량()은 제1 발생기의 입열량()과 제2 발생기의 입열량()의 합으로 정의한다.
는 제1 발생기에서 묽은 용액을 가열하여 얻은 냉매의 수증기가 곧, 제2 발생기에서의 열원이 되어 다시 흡수용액을 가열하는데 사용되는 성능 개선의 효과를 반영하며, 제1 발생기 대비 제2 발생기 입열량비()를 계산하여 적용할 수 있다.
(20)
(21)
=
(22)
이중효용 흡수식 냉동기의 경우에는 구동 열원(이 제1 발생기로 공급되어서 발생한 냉매증기(가 다시 제2 발생기에 공급되어 가열, 냉매증기를 발생시킴으로써 효율을 증가시킨다. 따라서, 최종 COP는 투입 열량 대비 생산되는 냉방 용량(Cooling capacity, 으로 다음과 같이 계산할 수 있다.
(23)
(24)
전체 시스템의 전기효율(Electrical efficiency, )은 Input energy of fuel cell() 대비 Fuel cell system output()으로 계산된다. 냉열 효율(Cooling efficiency, )은 Input energy of fuel cell() 대비 냉방 용량(으로 계산된다.
여기서 는 연료전지 시스템에서 소비하는 부속설비의 동력이며 개발된 HT-PEFC 시스템 모델에서 계산되는 소비동력( recirculation pump, Stack air blower, Oil pump)와 흡수식 냉각 시스템에 사용되는 냉각탑(Cooling tower)의 펌프의 소비동력으로 구성된다. 흡수과정에서 흡수열이 발생하여 용액의 온도가 상승하므로 증기의 흡수력이 감소하게 된다. 그러므로 지속적인 흡수과정을 위하여 흡수기(170)는 냉각수나 공기에 의해 지속적인 냉각이 필요하다. 도 2에서 냉각탑(180)으로부터 냉각수가 흡수기(170)를 지나 응축기(150)를 통하면서 이, 두 부분을 냉각시키고 있음을 보여준다.
즉, 앞서 설명한 모델링 방법에 사용되는 용어의 정의는 하기 표 1과 같다.
[표 1]
다시 도 3을 참고하면, 다음으로 연료전지의 전류 밀도 또는 운전 온도를 결정하는 단계(S300)를 진행할 수 있다. 이를 통해, 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절(S400)하여 데이터 센터의 수요 조건을 만족시킬 수 있다.
상술한 모델로부터 스택 운전 모드 및 AR 설정값(냉각수 입구 온도 또는 냉수 출구 온도)에 따른 각각의 냉방 용량, 전기 효율, 냉열 효율 및 COP를 계산할 수 있다.
예를 들면, 스택 운전 온도 증가에 따른 냉방 용량, 전기 효율, 냉열 효율 및 COP의 거동을 확인할 수 있다.
즉, 스택 운전 온도가 증가함에 따라 제1 발생기로 전달되는 열량은 줄어들지만 제1 발생기의 온도가 높아지면서 작동 유체에서 증발되는 스팀의 양이 많아지며 냉방 용량이 커지게 된다.
또한, 스택 운전 온도가 증가함에 따라 스택에서 발생하는 전기량이 많아지므로 연료전지 스택 효율과 시스템 효율은 향상되고, 냉방 용량이 증가하므로 COP와 냉열 효율이 상승한다.
본 발명에서는 모델링된 모델을 통해 데이터 센터에서 요구하는 전력 부하 또는 냉열 부하에 따라 최적화된 스택 운전 온도를 도출할 수 있다.
한편, 상술한 모델로부터 스택 전류 밀도의 증가에 따른 냉방 용량, 전기 효율 및 냉열 효율의 거동을 확인할 수 있다.
즉, 스택 전류 밀도가 증가함에 따라 연료전지 스택의 비가역적 과전위가 증가하기 때문에 연료전지 시스템의 전기 효율이 감소하지만, 전력량 대비 스택에서 더 많은 열이 발생하므로 냉방 용량 증가에 따라 냉열 효율은 증가한다.
따라서, 본 발명에서는 모델링된 모델을 통해 데이터 센터에서 요구하는 전력 부하 또는 냉열 부하에 따라 스택 전류 밀도를 조절할 수 있다.
한편, 상술한 모델로부터 연료전지 삼중열병합 시스템에서 생산하는 냉수의 출구 온도에 따른 냉방 용량 및 COP의 거동을 확인할 수 있다. 구체적으로, 냉수의 출구 온도는 도 2를 참고하면, 증발기(160)로부터 생산되는 냉수의 출구 온도로써 배관(21)에서 온도 센서를 이용하여 측정할 수 있다.
증발기(160) 온도가 높을수록 제1 발생기(110)에서 더 많은 냉매 증기가 생성되므로 냉수의 출구 온도를 상승시키면 COP 및 냉방 용량은 증가한다.
일반적인 냉동기 제어는 냉수 출구 온도를 일정하게 제어하는 경우가 대부분이며 제어방법에서 시스템의 냉방 부하가 감소함에 따라 냉수 출구 온도는 따라서 내려간다.
따라서, 데이터 센터의 온도, 습도 컨디션에 따라 냉수 출구 온도에 따른 냉방 용량을 계산 가능하며, 데이터 센터에서 요구하는 전력 부하 또는 냉열 부하에 따라 연료전지 스택 운전 온도를 선택할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)의 운전 제어 방법을 설명한다. 도 4는 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)의 운전 제어 방법의 동작 흐름도이다.
도 4를 참고하면, 연료전지 삼중열병합 시스템(20a)의 운전 제어 방법은, 냉각수 입구 온도의 변화를 감지하는 단계(S110), 연료전지 삼중열병합시스템의 모델로부터 냉방 용량, 전기 효율, 냉열 효율 및 COP 중 적어도 어느 하나를 계산하는 단계(S210), 연료전지의 전류 밀도 또는 운전 온도를 결정하는 단계(S310) 및 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절(S410)를 포함할 수 있다. S210, S310 및 S410은 앞서 설명한 도 3의 S200, S300 및 S400과 동일하게 진행될 수 있다.
냉각수 입구 온도의 변화를 감지하는 단계(S110)에서는 냉각탑(180)의 냉각수 입수 온도의 변화를 감지할 수 있다. 구체적으로, 도 2에서 냉각탑(180)을 거쳐 차가워진 냉각수가 흡수기(170)로 들어가는 입구인 배관(23)에서 온도 센서를 이용하여 측정될 수 있다.
계절 및 지역의 기후에 따라 냉각수 입구 온도가 변화할 수 있는데 냉각수 입구 온도가 상승하면 흡수기와 응축기의 온도가 상승되어 냉방 효율을 저하시키기 때문에 냉방 용량 및 COP가 감소한다.
따라서, 모델링된 모델을 통해 냉각수 입구 온도에 따른 냉방 용량 및 COP를 계산할 수 있고, 연료전지의 운전 온도를 결정할 수 있다.
예를 들면, 하절기 외기 온도에 따라 냉각수 입구 온도가 높아지면 삼중열병합 시스템의 냉열 생산량이 줄어드므로, 연료전지 스택 온도를 높여서 부족한 냉열 생산량을 보충할 수 있다.
동절기에는 데이터 센터 실내 온도는 상대적으로 낮아지므로 냉열 수요가 줄게 되고, 냉각수 입구 온도도 낮아진다. 따라서, 시스템의 냉열 생산량의 수요에 맞춰 연료전지 스택 온도를 낮출 수 있다. 이때 연료전지 스택은 낮은 온도일수록 스택 성능 저하가 둔화되어 스택 수명을 늘릴 수 있는 장점이 생긴다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예 에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: HT-PEFC 스택 모델의 검증
HT-PEFC 스택 모델링으로부터 모델링된 모델의 운전 및 구조적인 조건을 반영하는 초기 파라미터 값은 하기 표 2에서와 같이 5kW급 HT-PEFC 스택 개발과정에서 사용되었던 실제 물리적 변수 값으로 적용했으며, 이외에 실제 값이 없는 변수들은 다른 레퍼런스를 참고하여 초기 파라미터 값으로 설정했다. HT-PEFC 모델의 정확도는 한국에너지연구원(KIER) 연료전지 연구실에서 수행한 실험 데이터와 비교하여 검증하였다.
[표 2]
도 5는 초기 파라미터 값을 적용한 모델 시뮬레이션의 예측값과 실험값을 I-V 분극곡선으로 비교한 것으로 시뮬레이션 예측결과가 실험데이터를 잘 반영하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 개발된 고온 MEA의 특성을 정확히 반영하는 모델 완성을 위해서는 모델에 사용할 변수값을 정확히 유도하거나 측정하기 불가능하기 때문에 본 실시예에서는 실험값을 기반으로 그 값을 추정하는 'Parameter estimation method'을 이용했다. 하기 표 3은 kinetic 반응에 영향을 미치는 변수 중에서 'Parameter estimation method'으로 추정하여 새로 찾은 값들을 나타내며, 이렇게 구한 값을 대입하여 모델을 완성한 후 다시 시뮬레이션을 진행하였다.
| Electrochemical parameters | Before | After |
| Oxidation charge Transfer coefficient, OOR) | 0.5 | 0.99 |
| Reduction charge Transfer coefficient, (OOR) | 0.5 | 0.40 |
| Electrode roughness |
- | 316 |
도 6은 완성된 모델의 시뮬레이션 예측값과 실험값을 비교한 I-V 분극곡선이다. 전체적으로 시뮬레이션 예측값과 실험값의 I-V 분극곡선이 일치하는 것을 알 수 있으며, RMSE(Root Mean Square Error)로 모델성능평가한 결과, 예측 정확도가 약 99.5% 이상으로 매우 높은 정확성을 갖는 모델임을 확인할 수 있었다.
도 7은 스택의 운전 온도가 성능에 미치는 영향을 나타낸다. 온도가 올라갈수록 성능은 향상되는 것을 확인할 수 있었고 개발된 모델이 운전 온도에 따른 영향을 잘 반영하고 있는지 실험값과 비교하여 비교하였다. 표 4에서 모델의 RMSE 성능평가 결과 각각 150℃, 160℃, 170℃에서 모두 99%이상으로, 모델에 연료전지 운전 온도 특성이 잘 반영되었다는 것을 검증할 수 있었다.
[표 4]
실시예 2: 스택 운전 온도에 따른 출력 변화 비교
스택 운전 온도가 증가함에 따라 전극의 반응성이 높아지므로 스택에서 발생하는 전기량이 많아지고 부수적으로 생상되는 열량은 줄어든다. 열량이 줄어들기 때문에 발생기에 전달되는 열량도 줄어든다.
스택 운전 온도가 증가함에 따라 비록 전달되는 열량은 줄어들었지만 발생기의 온도가 높아지면서 작동 유체에서 증발되는 스팀의 양이 많아지며 AR의 냉방 용량이 커지게 된다.
도 8을 참고하면, 이 모델에서는 스택의 운전 온도 증가에 따라 Equivalent power가 상승되는 것으로 설명할 수 있다.
한편, 도 9를 참고하면, 스택 운전 온도가 증가함에 따라 스택에서 발생하는 전기량이 많아지므로 연료전지 스택 효율과 시스템 효율은 향상되고, AR의 냉방 용량이 증가하므로 COP와 냉열 효율(Cooling efficiency)이 상승한다.
본 실시예에서 사용된 대표적인 스택의 운전 온도 160 ℃에서 냉방 및 전기 효율을 합친 전체 종합 효율이 90%정도이다.
실시예 3: 스택 부하에 따른 성능 비교
스택 부하가 증가함에 따라 연료전지 스택의 비가역적 과전위가 증가하기 때문에 연료전지 시스템의 전기 효율이 감소하지만, 전력량 대비 스택에서 더 많은 열이 발생하므로 냉방 용량 증가에 따라 AR의 냉열 효율은 증가한다.
데이터 센터의 전기 및 냉열 부하가 변하는 경우, 연료전지 전류 밀도를 조절함으로써 전기와 cooling heat 발생량을 부하에 맞춰 제공할 수 있다.
도 10을 참고하면, 전류 밀도 증가에 따라 입열량 대비 Stack power 보다 Stack heat의 비율이 증가함에 따라 냉열 효율() 및 입열량은 증가하지만 heat source temperature는 동일하므로 발생 열량 대비 냉방 용량 비율인 COP ()는 일정하다.
실시예 4: 냉각수 입구 온도에 따른 성능 비교
계절 및 지역의 기후에 따라 냉각수 입구 온도가 변화할 수 있고, 도 11을 참고하면 냉각수 입구 온도가 상승하면 흡수기와 응축기의 온도가 상승되어 냉방 효율을 저하시키기 때문에 냉방 용량 및 COP가 감소한다.
도 12를 참고하면, 데이터 센터의 연중 부하가 일정하며 7 kW 이상의 냉방 부하를 발생시킨다고 가정하면, 냉각수 입구 온도가 26 내지 29 ℃일 때, 연료전지는 150 ℃로 운전할 수 있다. 또한, 냉각수 입구 온도가 29 내지 32 ℃일 때, 연료전지는 160 ℃로 운전할 수 있다. 또한, 냉각수 입구 온도가 32 내지 34 ℃일 때, 연료전지는 170 ℃로 운전할 수 있다.
한편, 도 12를 참고하면, 냉방 용량을 6 kW 이상 확보하기 위해서는 연료전지의 운전 온도를 150 ℃ 내지 170 ℃ 범위에서 조절 해야 함을 알 수 있다.
실시예 5: 냉수 출구 온도에 따른 COP 및 냉방 용량 영향 분석
도 13을 참고하면, 냉수의 출구 온도를 상승시키면 COP 및 냉방 용량은 증가한다. 일반적인 냉동기 제어는 냉수 출구 온도를 일정하게 제어하는 경우가 대부분이며 제어방법에서 시스템의 냉방 부하가 감소함에 따라 냉수 출구 온도는 따라서 내려간다.
따라서, 데이터 센터의 온도, 습도 컨디션에 따라 냉수 출구 온도에 따른 냉방 용량을 계산 가능하며 연료전지 스택의 운전 모드를 선택할 수 있다.
도 14를 참고하면, 동일 냉방 용량일 경우, 냉수 출구 온도가 7 ℃ 일 때 스택 온도를 180 ℃로 운전해야 하지만냉수 출구 온도가 13 ℃일 때는 160 ℃로 운전할 수 있다. 한편, 냉방 용량을 6 kW 이상 확보하기 위해 냉수 출구 온도를 7 ℃ 이하로 운전하려면, 스택 운전 온도를 160 ℃ 이상으로 조절할 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (12)
- 데이터 센터에 전력 및 냉열을 공급하는 연료전지 삼중열병합 시스템에 있어서,
상기 데이터 센터의 전력 부하 또는 냉열 부하의 변화를 감지하는 단계; 및
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절하는 단계를 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델로부터 냉방 용량(Cooling capacity), 전기 효율(Electrical efficiency), 냉열 효율(Cooling efficiency) 및 COP(Coefficient Of Performance) 중 적어도 어느 하나를 계산하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델로부터 연료전지의 전류 밀도 또는 운전 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제1항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템은,
연료전지스택 및 이중효용 흡수식 냉각기를 포함하고,
상기 이중효용 흡수식 냉각기는,
냉각유체를 기상과 액상으로 분리하기 위한 제1 발생기;
상기 제1 발생기로부터 유입된 냉각유체를 기상과 액상으로 분리하기 위한 제2 발생기;
상기 제1 발생기와 제2 발생기로부터 각각 공급된 냉매를 액상으로 전환시키기 위한 응축기;
상기 응축기로부터 유입된 냉매의 증발에 의해 온수를 냉각시켜 냉수(chilled water)를 생산하는 증발기;
상기 증발기로부터 유입된 냉매의 증기를 다시 흡수시키기 위한 흡수기; 및
상기 흡수기 및 응축기를 냉각시키기 위한 냉각수(cooling water)를 제공하는 냉각탑을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제4항에 있어서,
상기 증발기로부터 생산되는 냉수 출구 온도에 따라 냉방 용량 및 COP를 계산하고, 상기 연료전지의 전류 밀도 또는 운전 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제2항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델은 연료전지 스택 모델, 연료전지 시스템 모델 및 이중효용 흡수식 냉각기 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 데이터 센터에 전력 및 냉열을 공급하는 연료전지 삼중열병합 시스템에 있어서,
이중효용 흡수식 냉각기의 냉각수 입구 온도의 변화를 감지하는 단계; 및
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 전력량 및 냉방 용량을 조절하는 단계를 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제7항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델로부터 냉방 용량(Cooling capacity), 전기 효율(Electrical efficiency), 냉열 효율(Cooling efficiency) 및 COP(Coefficient Of Performance) 중 적어도 어느 하나를 계산하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제7항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델로부터 연료전지의 전류 밀도 또는 운전 온도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제7항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템은,
연료전지스택 및 이중효용 흡수식 냉각기를 포함하고,
상기 이중효용 흡수식 냉각기는,
냉각유체를 기상과 액상으로 분리하기 위한 제1 발생기;
상기 제1 발생기로부터 유입된 냉각유체를 기상과 액상으로 분리하기 위한 제2 발생기;
상기 제1 발생기와 제2 발생기로부터 각각 공급된 냉매를 액상으로 전환시키기 위한 응축기;
상기 응축기로부터 유입된 냉매의 증발에 의해 온수를 냉각시켜 냉수(chilled water)를 생산하는 증발기;
상기 증발기로부터 유입된 냉매의 증기를 다시 흡수시키기 위한 흡수기; 및
상기 흡수기 및 응축기를 냉각시키기 위한 냉각수(cooling water)를 제공하는 냉각탑을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제10항에 있어서,
상기 냉각수 입구 온도는,
상기 냉각탑에서 흡수기로 제공되는 냉각수 입구 온도인 것을 특징으로 하는 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법. - 제8항에 있어서,
상기 연료전지 삼중열병합 시스템의 모델은 연료전지 스택 모델, 연료전지 시스템 모델 및 이중효용 흡수식 냉각기 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지 삼중열병합 시스템의 운전 제어 방법.
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