Hybrid발전 시스템의 성능예측과 평가

이진욱 조선대학교 1997 국내석사

In general a hybrid system might contain AC diesel generators, DC disel generators, an Ac distribution system, a DC distribution system, loads, renewable power sources, energy storage, power converters, rotary converters, coupled disel system, dump loads, load managment options, or a supervisory control system. Each of theses can be modeled with the Hybrid code whose structure was designed to mirror as closely as possible the structure of actual hybrid power system. The model includes both a time series and a statistical approach to determine long term system performance while taking into consideration the effect of the short term variability of the renewable resources.

A Study on Suitable Grid Configuration of a Remote Rural Area Using Hybrid PV-Diesel-ESS System

윈퓨퓨 서울대학교 대학원 2017 국내박사

It is undeniable fact that even though fossil fuels are likely more to fulfill the requirements of energy, the rare of natural resources and their harmful contents for the environment have directed people to search for new energy sources. Renewable resources of energy like hydropower, biomass, wind, solar and other types of clean energy are widely integrated into electric power systems around the world as they can decrease the environmental pollution effectively. However, only using the renewable energy systems cannot be reliable in itself without using the back-up system like engine generators or energy storage devices like batteries. Therefore, hybrid energy system that combines more than one renewable energy technology with back-up system may be obtained by combining various kinds of resources, using diesel-, biomass-, wind-, PV-, or small hydro-generators. Relying on the characteristics of a particular use (that is, willingness to pay and load profile), meteorological facts (wind speed, solar radiation, temperature, and hydro) and the local provided options, the solution of least cost for a rural off-grid system may contain any combination mentioned above. The decision as to what types of hybrid system that should be utilized must be made on the basic of economic, social, environmental and safety considerations. Therefore, the intent of this dissertation is to show economical for investment in diesel stand-alone or PV-diesel or PV-diesel-ESS hybrid systems in the proposed area for making the investment decision. To reach this objective, the researcher has developed a techno-economic approach described by two models: the reliability model developed beneath the Total Energy Deficit (TED) concept based on the Loss of Power Supply Probability (LPSP) and the economic model based on the calculation of Total Net Present Cost (TNPC) and Cost of Energy (COE) by using Hybrid Optimization Model for Electric Renewable (HOMER) Tool. By combining these two models, it can be decided to the optimal configuration leading to the total system autonomy in the most cost effective manner. The sizing parameters have been used in the screation, i.e. the PV subsystem capacity. Regarding the diesel generator, it is measured to meet the peak electrical demand (due to to the suggested strategy). Applying the developed methodology, all configurations that rate 0% of TED are retained and at the same time, the optimal configuration is predicted on the basis of the less cost by TNPC concept. In addition, the developed model is used to calculate how much fuel is consumed by diesel generator and the amount of CO2 that can emit. In order to highlight the suggested methodology, three different system configurations have been analyzed, which are diesel standalone, PV-diesel without BESS, and PV-diesel with BESS to supply the Kyit Sone Pwe village which is situated at 20.154N latitude and 94.945E longitude in Magway Township in Myanmar. The yearly average solar radiation of that area is 4.841kWh/m2/day and it is very important to prepare a proper load data to meet the current situation of the target village. The load determination of that village is 1300 household numbers with average of five family members per household and so, the totally population numbers is around 6500. By calculating the total load demand, the peak demand of that proposed village is 563kW. For the first case, diesel standalone system, although it can meet the power demand, both the fuel cost and CO2 emission level are too high to be economically feasible. In order to reduce the system operating cost, PV generation was added to the system, creating a PV-diesel hybrid system. However, due to the intermittent output of PV generator, the PV-diesel system was infeasible to maintain the system security for getting the optimal design. In order to address these issues, the system of battery energy shortage (BESS) was added to the PV-diesel hybrid system to store power during the times of excess generation and generate power during the time of power shortages. This system displays the most excellent characteristic by means of net present cost which involves capital cost, replacement cost, fuel cost, operation and maintenance cost that happen during the project lifespan, levelized energy cost, and operating cost. A simulation time step with one hour is provided in this research work, like in the first step, the system reliability model is improved in terms of the concept of LPSP. For this purpose, considering the different combinations of hybrid systems has made several simulations. The algorithm input data set contains hourly solar radiation on the horizontal flat surface, ambient temperature recorded at Magway for 2016, and the energy requirements expressed by the load throughout the year and specifications of the system devices. All of these three systems are simulated by running the developed computer program and the dealings among system configurations, the amount of excess electricity, the amount of CO2 emitted and system costs are studied. The optimal configurations of the hybrid system are measured in terms of total system reliability (TED = 0%) and system costs. According to the simulation results, the optimal values of TNPC, COE, and the amount of CO2 emitted for the proposed PV/diesel/BESS hybrid system are obtained for configuration with $5,212,293 (TNPC), $0.367/kWh (COE) and 947,218 kg/yr, but these values for PV/Diesel systems are significantly increased with $7,984,073 (TNPC), $0.562/kWh (COE) and 1,585,267kg/yr. The fractions of energy production from PV array and generator of the proposed hybrid system are 44% and 56% to meet the demand. This is mainly due to strong solar potential in the Magway region. Therefore, the proposed hybrid system provides the lowest TNPC, COE and carbon emission among these three systems according to the evaluation results. In contrast, the analysis of evaluation results shows that the PV/diesel/battery choice is more economically possible compared to PV/diesel system or diesel generator only.

Hybrid Control System for Cooperation of Heterogeneous Field Robots

주찬영 전남대학교 2022 국내박사

사람을 대신해 위험하거나 복잡한 일을 해주는 필드 로봇은 농업, 건설, 군사, 해양, 발전소 등 많은 분야에 적용되고 있다. 다양한 단일 로봇들이 개발되고 있지만, 필드 로봇 시스템의 작업 성능 향상을 위해서는 군집 또는 이종 로봇들 간의 협업이 필수적이다. 기존의 제어 방식들은 미분방정식 또는 차분방정식을 이용하여 시스템을 모델링하고 제어기를 설계하기 때문에 시스템이 복잡해질수록 여러 문제점이 발생한다. 예를 들어, 군집로봇 시스템에서 특정 로봇이 고장이 나거나 추가될 때 시스템을 다시 모델링하거나 제어기를 재설계해야 하는 어려움이 있다. 또한, 동적 시스템이 연속시간 시스템으로 표현되기 때문에, 로봇들은 시간에 따라 행동하게 된다. 대부분의 사이버물리 시스템은 시간이 아니라 사건에 따라 동적 특성이 변하기 때문에, 이는 개발 및 적용 측면에서 이종 로봇들의 협업을 효율적으로 자동화시키기에 현실성이 부족하다. 따라서 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 이산사건 시스템으로 이종 필드 로봇을 모델링하고, 목적에 따라 로봇들의 행동 사양들을 설계함으로써 효율적인 하이브리드 제어 시스템을 제안하였다. 이종 필드 로봇을 이산사건 시스템으로 모델링하기 위해 오토마타 기반 정형 기법을 사용하였다. 정형 기법은 시스템의 동적 움직임을 미분방정식 또는 차분방정식처럼 연속시간 동역학으로 표현하는 것이 아니라 상태, 사건, 목표 상태, 초기 상태, 천이 함수 등으로 표현함으로써 이산사건 동역함에 중점을 둔다. 정형 기법은 로봇이 추가되더라도 오토마타 모델을 합성하여 간단하게 전체 시스템을 모델링할 수 있어 확장성이 우수하다. 그리고, 제어 목적에 따라 행동 사양들을 모듈적으로 설계함으로써 로봇들의 계획 및 제어 측면에서 유연성이 우수한 장점이 있다. 마지막으로, 이산사건 시스템은 필드 로봇 시스템에서 발생하는 비동기적 사건을 기반으로 하이브리드 제어기가 행동하기 때문에 실용성이 뛰어나다. 이러한 접근론은 정형 기법과 형식 언어를 통해 시스템을 모델링하고 제어기를 설계하기 때문에, 동적 시스템의 움직임이나 제어기의 행동들을 보다 체계적으로 분석할 수 있다. 설계된 이산사건 시스템을 기존의 연속시간 시스템과 결합하여 하이브리드 제어 시스템을 개발하였으며, 개발된 시스템은 계층적 제어 구조의 특성을 갖는다. 하위 레벨에서 이종 필드 로봇의 상태와 사건들에 대한 정보가 상위 계층으로 전달되며, 상위 계층에서는 하이브리드 제어기가 정보를 바탕으로 선택적으로 제어 명령을 전달한다. 더욱이, 하이브리드 제어 시스템은 행동 사양을 기반으로 제어 가능한 사건들을 최대한 허용함으로써 필드 로봇들의 다양한 행동들을 보장하기 때문에 시스템의 자율성이 우수하다. 개발된 하이브리드 제어 시스템의 실용성과 성능을 향상시키고 계산 복잡도를 줄이기 위해 로봇의 상태 변수를 포함한 하이브리드 오토마타 기반 모델링 기법, 관측 불가능한 사건을 반영한 제어기 설계 방법론, 모듈적 및 계층적 제어기로 구성된 분산화 방법론, 상태 및 사건들의 비용을 고려한 최적화 방법론을 제안하였다. 이종 필드 로봇의 협업을 위한 하이브리드 제어 시스템은 필드 시나리오를 기반으로 시뮬레이션과 필드 실험을 통해 그 우수성이 검증 및 분석되었다. 제안되었던 시스템은 기존의 방법보다 논리적 및 형식적인 시스템 모델링, 분산형 및 관리적 제어기 설계와 체계적인 시스템 해석이 가능하여 필드 로봇 시스템의 실용성을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 연구 결과는 현재까지 효율적인 시스템 모델링 및 제어기 설계 방법론이 부족했던 대규모 동적 시스템에 대해 새로운 접근론을 제시하며, 향후 다양한 군집로봇 시스템의 연구·개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. Field robots, which do dangerous or complex tasks on behalf of humans, are being applied in many fields such as agriculture, construction, military, marine, and power plants. Various single robots are being developed; however, cooperation between multiple or heterogeneous robots is essential to improve the task performance of field robot systems. Since the conventional control method models the dynamic system using a differential equation or differential equation and designs a controller, various problems remain as the system becomes complicated. For example, in multirobot systems, it is challenging to remodel or redesign the control system when a specific robot fails or is added to the cluster. Also, field robots behave based on time since the dynamic system is modeled as a continuous-time system. Since most cyber-physical systems change their dynamic characteristics over events, this issue lacks practicality to efficiently automate the cooperation of heterogeneous robots in terms of development and application. Therefore, this study proposed an efficient hybrid control system by modeling heterogeneous field robots with discrete-event systems and designing behavior specifications of field robots according to their control objectives. Automata-based formal methods were used to model heterogeneous field robots as discrete-event systems. Formal methods focus on discrete-event dynamics by modeling the dynamics of a system as a state, event, marked state, initial state, and transition function, rather than continuous-time dynamics such as differential equations or differential equations. Further, the formal methods have scalability as they can easily model the entire system by synthesizing each automaton model, even if robots are added to the group. Moreover, this approach can be flexible in planning and controlling robots by modularly designing behavior specifications according to control goals. Finally, discrete-event systems are practical because hybrid controllers behave based on asynchronous events occurring in field robot systems. This methodology models systems and design controllers through formal methods and legal languages, allowing more systematic analysis of the dynamic system or control action. The designed discrete-event system was combined with the continuous-time system to develop a hybrid control system, and the developed system has a hierarchical control architecture. At the low-level, information on the states and events of heterogeneous field robots is transferred to the high-level layer, where the hybrid controller selectively allows control commands based on the eligible information. Moreover, the hybrid control system has remarkable autonomy because it ensures various behaviors of field robots by permitting controllable events as much as possible based on designed behavior specifications. Specially, this study proposed hybrid automata-based modeling including state variables, a controller design methodology reflecting unobservable events (i.e., unobservability), a decentralized methodology consisting of modular and hierarchical controllers, and an optimization methodology to improve the practicality and performance and reduce computational complexity. Hybrid control systems for the cooperation of heterogeneous field robots have been verified and analyzed for their superiority through dynamic simulations and field experiments based on field scenarios. The proposed system can further improve the practicality of field robot systems by enabling logical and formal system modeling, decentralized and supervisory controller design, and systematic analysis than conventional methods. The results of this study present a new approach to large-scale dynamic systems that lack efficient system modeling and controller design methodology and are expected to contribute to future research and development of various multirobot systems.

System Design and Optimal Operation for a Hybrid System of a Solid Oxide Fuel Cell and an Internal Combustion Engine Using Spark-assisted Ignition

김재현 서울대학교 대학원 2019 국내박사

The objective of the proposed hybrid system is to increase system efficiency by using the residual fuel of anode off-gas from a solid oxide fuel cell (SOFC) in an internal combustion engine (ICE). In this study, a novel hybrid system using spark-assisted ignition (SAI) in ICE operation is proposed. Since it is the first attempt to use such a new combustion concept in the hybrid system, feasibility of SAI and its effect on the system operation are investigated in this study. Furthermore, a novel system configuration is designed for the optimal operation of the hybrid system of a SOFC and an ICE using SAI, based on natural gas. This is the first study to find the optimal configuration design of the SOFC-ICE hybrid system through case study which includes all the possible configurations considering heat transfer quality for the most efficient balance of plants (BOPs) operation. In the end, optimal operating conditions affecting power generation related to electrochemical and combustion reaction such as load distribution and air supply rate for SOFC and SAI engine are investigated through response surface method (RSM). The SOFC-SAI engine hybrid system consists of a fuel cell, an engine, external reformers, heat exchangers, catalytic oxidizer and mixers. For system-level analysis, simplified zero-dimensional simulation model was developed except the SAI engine. Especially, fuel cell model was developed considering electro-chemical, internal reforming and water-gas shift reaction, and validated with stack experimental data including load, fuel composition and air flow rate variation. The feasibility and performance of the SAI engine was investigated directly through actual experiments with a single-cylinder engine under all the operable ranges. Finally, analysis on the energy conversion system performance was conducted by integrating the engine experiment results with the simulation model for fuel cell and BOPs. Firstly, in order to analyze only the effect of the combustion nature on the system, the engine experiments on the SAI were conducted by changing only the engine operating parameters, such as the intake temperature, equivalence ratio and spark timing. As a result, the performance of the hybrid system using SAI was analyzed in terms of both energy and exergy perspectives. In the operating conditions of this study, it was confirmed that the anode off-gas combustion can be controlled stably (COV: 5–7%) through the SAI, even though the intake temperature is decreased to ~280°C at the low compression ratio of 8.2. It enables better use of thermal energy in the hybrid system, and it leads to increase in exergy efficiency of engine to ~37%. Consequently, thermal self-sustainability is improved and indicated efficiency of ~61.6% is achieved in the hybrid system. In the operating condition, the SAI engine is responsible for ~14% of the system power and produces considerably low NOX emissions (< ~3 ppm at 15% O2 on a dry basis). Secondly, system configuration has been newly developed for the further improved self-operability and system efficiency. Thus, case study of system configurations was performed for the optimal thermal energy distribution, considering the heat transfer quality between heat source and heat sink, e.g., available thermal energy of anode/cathode off-gas and required heat-supply for BOPs operation. Consequently, for the increased external reforming which is important for the hybrid system operation including a fuel cell based on natural gas, the configuration and the arrangement of external reformers have been re-designed. Furthermore, in order to recover the residual heat loss of system exhaust due to pinch limit at a heat exchanger for steam generation, an additional heat exchanger was adopted for the hybrid system. Finally, optimization of operating conditions was performed for the novel SOFC-SAI hybrid system proposed in this study. Prior to the optimization process, parametric study was conducted to understand the hybrid system behavior. Based on the parametric study results, design of experiment (DOE) and response surface method (RSM) were used for the optimization of operating conditions, i.e., fuel utilization, air utilization in the fuel cell and equivalence ratio of the engine. The response surface of the energy conversion system is a multiple linear regression model obtained by least squares method (LSM), using observation data by DOE. The optimal design point on the response surface was investigated by solving the non-linear inequality constraint problem, considering the system operability, i.e., combustion stability in the engine and thermal self-sustainability of the fuel cell. Consequently, the 5-kW class SOFC-SAI engine hybrid system is expected to be capable of achieving the promising efficiency of ~63.2% in the novel system design which has the efficient structure for the optimal heat distribution of anode/cathode off-gas. Furthermore, optimal and off-design operating characteristics of the hybrid system are discussed in this study. In conclusion, this study proposed a novel hybrid system of a SOFC and an ICE using spark-assisted ignition, which refers to multiple combustion strategies, including spark-assisted homogeneous charge compression ignition (SA-HCCI or SACI) as well as conventional spark ignition (SI). This is the very first study implementing such new combustion concept in the SOFC-ICE hybrid system. Feasibility of such SAI operation was investigated through the actual engine experiment. Based on the investigation, SAI has been adopted in the hybrid system for the ICE operation to cope with ever-varying anode off-gas from the fuel cell stack. The SAI engine could properly combust the almost non-diluted fuel during the system start-up as well as fully-diluted fuel in the design-point operation. Furthermore, the optimal operation for the novel hybrid system designed considering the efficient thermal energy distribution of anode/cathode off-gas was investigated. In the end, it has been confirmed that operability and efficiency of the 5-kW class SOFC-SAI engine hybrid system are improved. This study is expected to have a considerable significance in the areas of energy conversion system due to the growing demands on natural gas and its promising system efficiency, and to contribute to development and commercialization of SOFC-ICE hybrid system. 고체산화물 연료전지(SOFC)-내연기관(ICE) 하이브리드 시스템의 목적은 수소를 포함하는 SOFC 애노드오프가스(애노드배출가스)의 잔여 연료를 내연기관에서 사용함으로써 시스템 효율을 향상시키는 것에 있다. 본 연구는 스파크-어시스트 점화(SAI)를 사용하는 엔진을 적용한 새로운 하이브리드 시스템을 제안하였다. 이는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템을 위해 새롭게 시도하는 연소 전략이므로, 상기 연소 전략의 운전 가능성 및 하이브리드 시스템 운전에 미치는 영향에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 시스템 효율의 향상을 위해 새로운 시스템 구성 설계 및 연료전지와 엔진의 전기화학 반응 및 연소 반응과 관련이 있는 연료이용률, 산소이용률, 당량비와 같은 운전 변수에 대한 최적화 연구를 수행하였다. 본 연구가 제안하는 SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템은 연료전지, 엔진, 외부개질기, 열교환기, 촉매산화장치 및 혼합부로 이루어진다. 전체 시스템 운전 성능의 분석을 위해, 엔진을 제외한 모든 구성 요소는 본 연구에서 개발한 단순화된 무차원 물리 기반 모델링을 바탕으로 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 특히 연료전지의 경우에는, 스택 내부의 전기화학 반응, 내부 개질 반응 및 수성가스 평형 반응 등을 고려하여 개발되었다. 실제 스택 실험 결과와의 정합을 통해 부하, 연료조성, 공기공급 등 운전 조건 변화의 영향을 반영할 수 있도록 하였으며, 연료전지 모델의 정확성을 확보하였다. 엔진의 연소 가능성 및 운전 특성은 실제 단기통 엔진의 실험을 통해 분석하였다. 이를 기반으로, 연료전지와 시스템 구성 요소(BOP)에 대한 시뮬레이션 모델과 실제 엔진 실험 결과를 연계하여 전체적인 SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템의 운전 성능에 대한 분석을 진행하였다. 첫째, 엔진의 연소 현상이 시스템에 미치는 현상을 분석하기 위해, 흡기온도, 당량비, 점화시기와 같은 엔진 운전 변수 변화에 대한 엔진 실험을 진행하였으며, 에너지 및 엑서지 관점에서 하이브리드 시스템의 운전 성능에 대한 분석을 수행하였다. 그 결과, 8.2의 낮은 압축비에서 흡기온도를 ~280℃ 까지 감소시켜도, SAI에 의해 안정적인 애노드오프가스의 연소가 달성되는 것을 확인하였다 (COV: 5–7%). 필요 흡기온도가 낮아짐으로써, 결과적으로 엔진의 엑서지 효율이 ~37%까지 향상되었으며, 하이브리드 시스템 내 열에너지가 다른 구성 요소에 더욱 효율적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 이로 인해, 하이브리드 시스템의 자열운전성이 향상될 수 있으며, ~61.6%의 시스템 효율을 달성 할 수 있음이 시스템 해석을 통해 확인되었다. 이때 엔진은 전체 시스템 출력 중 ~14%의 전력을 생산하며, 질소 산화물 배출은 거의 발생하지 않음을 확인하였다. 둘째, 시스템 효율 및 자열운전성 향상을 위해 시스템 구성을 새롭게 설계하였다. 본 연구의 하이브리드 시스템은 천연가스를 기반으로 하기 때문에, 연료전지 운전 관점에서 외부 개질율을 향상시키는 것이 중요하다. 이를 위해, 시스템 내 열원인 애노드/캐소드 오프가스의 열에너지와 BOP 운전을 위해 필요한 열에너지 공급량을 고려하여, 최적의 열에너지 분배를 위한 시스템 구성 설계안을 선정하였다. 셋째, 본 연구에서 제안 및 설계한 SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템의 최적 운전 조건에 대한 분석을 진행하였다. 최적 운전 조건 분석에 앞서 하이브리드 시스템의 운전 특성에 대한 이해를 위해, 운전 변수 별 영향에 대한 분석을 수행하였다. 이러한 분석 결과를 기반으로, 실험 계획법(DOE) 및 Response surface method (반응표면법, RSM)을 사용하여 연료이용률, 산소이용률, 당량비에 대한 운전 조건 최적화를 진행하였다. 하이브리드 시스템의 반응표면(Response surface)은 최소자승법(Least squares method (LSM))을 사용하여 얻어지는 다중선형회귀모델(Multiple linear regression model)로서, 이를 위해 실험 계획법에 의거하여 수행한 관측 데이터(Observation data)가 사용되었다. 본 연구의 관측데이터는 엔진 실험 데이터와 시뮬레이션 모델(연료전지, BOP)의 연계를 통해 얻은 하이브리드 시스템 성능 해석 결과이다. 결과적으로, 하이브리드 시스템의 최적 운전 조건은 반응표면 및 연료전지의 자열운전성, 엔진의 연소안정성을 고려한 비선형 부등식 제한조건(non-linear inequality constraint)하에서 분석되었다. 그 결과, SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템은 5kW급의 작은 발전 용량임에도 불구하고 최대 ~63.2%의 발전 효율을 달성할 수 있음을 확인하였으며, 최대 효율 운전점(설계점) 및 탈 설계점에서의 하이브리드 시스템 최적 운전 특성에 대한 분석을 수행하였다. 결론적으로, 본 연구는 운전 조건에 따라 스파크 점화(SI) 운전 뿐만 아니라 스파크-어시스트 예혼합압축착화(SA-HCCI or SACI)엔진으로 운전이 가능한, SAI를 사용하는 새로운 SOFC-ICE 하이브리드 시스템을 제안하였다. 이는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템을 위한 새로운 연소 전략이며, SAI 운전의 적합성은 실제 엔진 실험을 통해 검증되었다. 따라서, 본 연구는 SAI를 새로운 하이브리드 시스템의 연소 전략으로 채택하였으며, 연료전지의 연료이용률 등 운전 조건이 변화하여도 SAI를 통해 애노드오프가스의 안정적 연소가 가능함을 확인하였다. 또한, 시스템 내 애노드/캐소드 오프가스의 열에너지 분배를 고려하여 새로운 하이브리드 시스템 구성을 설계하였으며, 최적 운전 조건에 대한 분석을 진행하였다. 이러한 연구 결과를 기반으로, 본 연구가 새롭게 제안하는 SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템에서, 하이브리드 시스템의 성능, 효율 및 운전안정성이 개선되었음을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과는 SOFC-ICE 하이브리드 시스템 개발 및 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

(A) hybrid electrochemical system for spontaneous green-hydrogen production with desalination using alternative oxidation reaction

Kim, Nahyeon Sungkyunkwan University 2024 국내석사

Hydrogen has attracted considerable attention as an alternative energy source to achieve a carbon-neutral society. In particular, green hydrogen, which is commonly produced through water electrolysis, is promising because it is a highly energy-efficient and eco-friendly energy. However, conventional water electrolysis has critical drawbacks owing to its high production cost and large energy requirements. Therefore, various approaches are being adopted to increase the energy efficiency. In this study, the novel hybrid systems for green-hydrogen production were designed by replacing the oxygen evolution reaction (OER) with electrochemical alternative oxidation reactions of methanol, hydrazine, and catechol (CAT). In particular, the CAT is an environmental pollutant commonly present in various industrial wastewater from dying, pesticide, polymer synthesis, pharmaceutical, and petrochemical industries and needs to be further treated because of the toxicity to humans and nature. Electrochemical treatment is efficient attempt to treat CAT, and the reaction mechanism and potential of CAT changes depend on the pH value of electrolytes. Therefore, to facilitate the degradation of CAT and increase the energy efficiency, the pH value of anolyte (including CAT) and catholyte were adjusted to alkali and acid, respectively. Two different types of ion-exchange membranes (IEMs; anion-/cation-exchange membrane) were paired to divide the hybrid cell into three compartments, and a buffer solution (NaCl solution) was injected between the IEMs. As a result, the hybrid system output 3.75 mA/cm2 of electricity, spontaneously produced hydrogen (4.2 mL/h), and achieved 0.46 mg/cm2∙min of high desalination rate. 수소는 탄소 중립 사회를 달성하기 위한 대체 에너지원으로 상당한 관심을 받아왔다. 특히, 일반적으로 수전해를 통해 생산되는 그린 수소는 높은 에너지 효율과 친환경적 공정으로 유망한 차세대 에너지원으로 평가된다. 그러나 기존의 수전해 시스템은 많은 공정 비용과 에너지를 요구한다는 치명적인 한계가 있다. 따라서 에너지 효율을 높이기 위한 다양한 촉매, 이온 교환막, 시스템적 접근이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 산소 발생 반응을 유기물의 전기화학적 산화반응으로 대체하여 그린 수소 생산을 위한 새로운 하이브리드 시스템을 설계하였다. 다양한 유기물 중 카테콜은 다양한 산업 폐수에 존재하는 환경 오염 물질로, 인간과 자연에 대한 강한 독성 때문에 추가적인 처리가 필요하다. 카테콜의 전기화학적 처리 기술은 다른 물리, 화학, 생물학적 기술보다 효율적인 방법으로 주목된다. 카테콜의 반응 메커니즘과 표준 환원 전위는 전해질의 수소 이온 농도 지수에 의존하므로, 카테콜의 분해를 촉진하고 시스템의 에너지 효율을 향상시키기 위해 전해질의 수소 이온 농도를 조절하여 자발적인 그린 수소 생산 시스템을 구성하였다. 서로 다른 두 종류의 이온 교환막(양이온 및 음이온 교환막)을 함께 사용하여 셀을 세 개의 영역으로 나누었고, 두 이온 교환막 사이에 완충 용액(염수)를 유입하였다. 그 결과, 하이브리드 시스템은 3.75 mW/cm2의 전력을 생산하며 자발적으로 4.2 mL/h의 수소를 생산하였고, 동시에 0.46 mg/cm2∙min의 높은 담수화율을 달성하였다. 결론적으로 본 연구에서는 동시 담수화가 가능하며 환경 오염 물질을 분해하는 친환경 그린 수소 생산 시스템을 개발하였고, 높은 성능과 에너지 효율을 위해 실험 조건을 최적화하여 다목적 하이브리드 수전해 시스템의 발전을 제시하였다.

QDs-hybrid System을 통한 유기광전변환소자의 효율 및 안정성 향상 연구

김지현 건국대학교 대학원 2023 국내석사

ABSTRACT QDs-hybrid System을 통한 유기광전변환소자의 효율 및 안정성 향상 연구 유기물로부터 구현되는 유연성, 투명성, 용액 공정용이성 등의 OPVs 특성은 종래 태양전지의 친환경성에 대한 한계를 해소할 수 있으며, 저조도 발전, 투명/유연 반도체 등 다양한 미래 어플리케이션으로의 발전이 유망한 태양전지이다. 한 편, OPVs는 기존 Si-PVs에 비해 낮은 효율과 안정성을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 유기물층에서 주로 활용하지 못하는 UV파장대의 잉여 광자를 효과적으로 활용하는 방법이 개발되어야 한다. 따라, 본 논문에서는 무기 화합물과 유기 ligand로 구성된 QD-hybrid system 도입 전략을 그 해결책으로 제시하였다. Study 1에서 진행한 InP QD-OPVs는 QDs-donor와 acceptor를 LBL로 도입한 소자전략으로, 추가적인 광자 생성을 통해 소자 특성을 강화하여 Opaque-OPVs에서는 16.4%의 효율을, STP-OPVs에서는 12.2%의 효율과 함께 AVT 22.52%의 소자 성능을 달성하였다. Study 2에서 진행한 ZQ-OPVs는 LAL을 광활성층의 sub layer로 도입한 소자전략으로, non-toxic한 ZQs를 통해 광증폭효과 및 박막제어효과를 구현하여17.60% PCE와 함께 93.6%(1100h 후)의 훌륭한 안정성을 달성하였으며, LAL system의 저조도 환경 및 대면적에 대한 우수한 적용성을 입증하였다. 본 논문에서는 이와 같이 다양한 QDs를 도입함으로써 타겟팅 하고자 하는 소자성능을 제어할 수 있으며, QDs로부터 발현되는 특성을 유기광전변환소자에서 효과적으로 적용하였다. 결과적으로, QD-hybrid system의 유/무기 상호작용을 기반으로, 고효율 및 고안정성의 OPVs 전략을 제안하였으며, QD-OPVs가 미래 광전변환소자 기술에 대한 우수한 잠재력을 가지고 있음을 시사한다. 주제어: QD-OPVs, QDs-donor, LAL, 광증폭효과, 유/무기 상호작용, QDs-hybrid system ABSTRACT A Study on the Enhancement of Performance and Stability of Organic Photovoltaics by QDs-hybrid System Kim Ji Hyeon Department of Chemical Engineering Graduate School of Education, Konkuk university The organic photovoltaics (OPVs) with flexibility, thinness, and good solution process due to organic materials can resolve the limitations of eco-friendliness of traditional PVs. The OPVs with these properties are promising to develop into various future applications such as indoor PVs and transparent/flexible PVs. On the other hand, OPVs have lower efficiency and stability compared to existing Si-PVs. To solve this problem, a method of effectively utilizing surplus photons in a UV light, which are not mainly used in an organic material layer, should be developed. Therefore, in this paper, a strategy for introducing the QDs-hybrid system composed of inorganic compounds and organic ligands was presented as a solution. The InP QD-OPVs in Study 1 is a device strategy that introduced QDs-donor and acceptor as LBL, and by strengthening the device characteristics through additional photon generation. It achieved 16.4% PCE in Opaque-OPVs and 12.2% PCE(22.52% AVT) in STP-OPVs. The ZQ-OPVs in Study 2 is a device strategy that introduced LAL as a sub-layer of the photoactive layer and achieved excellent stability of 93.6% (after 1100h) with 17.60% PCE through non-toxic ZQs. In this paper, it is possible to control the performance of the device to be targeted by introducing the various QDs. Furthermore, the characteristics expressed from QDs are effectively applied in the OPVs device. As a result, the QDs-hybrid system is valuable as OPVs strategy of high efficiency and high stability, suggesting that QD-OPVs have excellent potential for future OPVs technologies. Key words: QD-OPVs, additional photon generation, QDs-donor, LAL, QDs-hybrid system

가압 및 상압형 고체산화물 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템의 성능 비교 해석

박성구 인하대학교 대학원 2007 국내석사

Recently, the hybrid system combining fuel cell and gas turbine has drawn much attention owing to its high efficiency and environment friendly ultra low emission. In this paper, design performance of hybrid system combining solid oxide fuel cell and gas turbine have been investigated. A pressurized hybrid system and an ambient pressure hybrid system were analyzed and their design performance were compared. Parametric design analyses for hybrid system have been performed considering limiting design factor, such as fuel cell operating temperature, temperature rise the fuel cell and turbine inlet temperature. And for performance improvement of hybrid system, hybrid system combining solid oxide fuel cell and steam injection gas turbine were designed and performance analyses of these systems was cerried out. If pressure ratio increase, turbine inlet temperature decrease from the hybrid system where the limiting design factor is fuel cell operating temperature and temperature rise in the fuel cell. And pressurized system exhibited a better efficiency from all conditions. The efficiency of hybrid system which additional fuel supply and air bypass is lower than hybrid system without additional fuel supply and air bypass. If additional fuel supply is increased,turbine inlet temperature and gas turbine power are decresed. Because, the power increasing rate of hybrid system is smaller than the fuel flow incrasing rate. But, it uses steam injection gas turbine with it will be able to improve the efficiency of ambient pressure hybrid system. 최근, 연료전지와 가스터빈을 결합한 하이브리드 시스템은 친환경적이며고효율의 특성으로 인해 크게 주목 받고 있다. 본 연구에서는 고체산화물 연료전지와 가스터빈을 결합한 하이브리드 시스템의 성능을 해석하고, 작동압력이 다른 두가지 하이브리드 시스템(가압형, 상압형)을 고려하여 두 시스템의 해석 결과를 비교 분석하였다. 또한 시스템의 설계 제한 요소인 터빈입구온도, 셀 작동온도 및 셀 입출구 온도차의 변화에 따른 시스템 성능을 비교 분석하였다. 시스템의 성능 개선을위해 시스템의 출력을 증가시킬 수 있는 스팀분사형 가스터빈을 사용하여 하이브리드 시스템을 설계하고 성능을 해석하였다. 셀 작동온도 및 셀 입출구 온도차가 설계 제한 요소인 하이브리드 시스템에서는, 가스터빈 압력비가 증가할수록 터빈 입구 온도는 감소하게 된다.그리고 가압형 시스템이 모든 조건에서 셀 전압 및 터빈 입구 온도가 높아더 나은 효율을 가지는 것으로 나타났다. 추가적인 연료의 공급과 공기를 바이패스 하여 TIT까지 설계조건으로 설정한 하이브리드 시스템은 추가적인 연료와 공기의 공급이 없는 시스템에 비해 효율이 낮다. 추가적으로 공급하는 연료량이 증가하면 TIT와 가스터빈 출력은 증가하지만 가스터빈 출력 증가로 인한 총 시스템 출력의 증가율보다 추가적으로 공급해주는 연료량의 증가로 인한 연료량의 증가율이 시스템 효율은 감소하게 된다. 하이브리드 시스템의 출구가스를 이용하여 스팀을 분사한 시스템은 시스템 출력은 항상 증가하게 되지만, 효율은 여러 설계 제한 조건에 따라 변화하게 되고 가압형 시스템에 비해 상대적으로 낮았던 상압형 시스템의 효율을 개선할 수 있다.

Improvement of System Design and Performance of a SOFC-Engine Hybrid System with Integrated System Experiment and Simulation Model Considering Heat Transfer

김용태 서울대학교 대학원 2022 국내박사

고체산화물 연료전지(SOFC)-엔진 하이브리드 시스템은 SOFC의 애노드오프가스를 이용하여 엔진에서 연소함으로써 추가 출력을 얻고 시스템 효율을 향상시키는 것이 목적이다. 지금까지 SOFC-엔진 하이브리드 시스템은 SOFC-가스터빈 하이브리드 시스템의 연구 방향과 비슷하게 시스템의 구성도 제안, 다양한 운전점에서의 성능과 운전 영역 확인, 실증 운전의 순서로 연구가 수행되어 왔다. 이 과정에서 구성도 변경을 진행하고 엔진의 연소 방식을 변경하며 시스템의 운전 영역을 확장하고 성능을 개선하기 위한 방안들을 제시하며 선행 연구들이 수행되었다. SOFC-엔진 하이브리드 시스템은 연구 초기 SOFC-HCCI 엔진 하이브리드 시스템으로 연구가 시작되었고, 시뮬레이션 분석, 실험적 분석, 하이브리드 시스템 통합 운전을 통한 실증의 순서로 연구가 진행되었다. 그러나 결과적으로 HCCI 엔진은 변화하는 운전점에 대응하여 엔진 연소를 제어하기 어려웠고, 동시에 실증 운전을 통해 시스템 자열 운전이 어렵다는 것이 확인되었다. 따라서 엔진의 연소 제어 용이성을 확보하고, 시스템의 열 활용도를 높이기 위해 엔진의 연소 방식을 HCCI에서 스파크-어시스트 점화 (SAI) 방식으로 변경하였고, 엔진 단독 실험과 연료전지 시스템 시뮬레이션 모델을 통해 시스템의 설계점에서의 운전 가능성과 성능에 대한 선행 연구가 수행되었다. 이에 본 연구는 SOFC-SAI (Spark-assisted auto-ignition) 엔진 하이브리드 시스템을 이용하여 시동 운전에서부터 설계점까지의 성능과 운전 특성을 분석하고 시동 운전 전략을 수립하기 위한 실증 실험을 수행하였다. 또한 시스템의 한계점 (자열 운전의 불가능)을 분석하고, 새로운 시스템 구성도를 고안하여 자열 운전이 가능한 실증 운전을 수행하였고 이를 이용하여 시뮬레이션 모델 개발과 연구를 수행하였다. 최종적으로 시뮬레이션 연구를 통해 시스템의 열 손실 분석을 수행하고 시스템의 열 손실 및 성능을 개선할 수 있는 개선 방안을 제시하고 분석하는 것을 목표로 하였다. 연구의 첫 번째 단계로 SOFC-SAI 엔진 하이브리드 시스템의 통합 운전을 통한 실험적 연구가 수행되었다. 이는 스파크 어시스트 점화 방식을 이용한 최초의 SOFC-엔진 하이브리드 시스템 실증 운전으로, 실험은 실제 상용화 단계에서의 운전을 고려하여 시동 운전에서부터 운전 설계점까지 전과정에 대해 수행되었다. 엔진이 하이브리드 시스템의 중간에 위치하기 때문에 시스템의 상용화를 위해서는 시동 운전에서의 엔진의 성능과 운전 특성 그리고 제어 가능성을 모두 확인할 필요가 있었다. 결과적으로, 시스템은 약 35시간의 운전 시간 동안 SOFC, 엔진 모두 안정적인 작동을 하였다. 시동 운전 전 과정에 있어서 SOFC의 다양한 운전점에 대해 엔진으로 유입되는 부피 유량, 온도를 고려하여 엔진 흡기 압력을 상압 (1bar)로 유지할 수 있도록 엔진의 회전 속도 (RPM)를 실시간으로 대응할 수 있었다. 또한 다양한 운전점에 대해 엔진의 최대 출력 (Maximum brake torque)을 낼 수 있는 점화 타이밍 (Spark timing)으로 적절하게 제어할 수 있었다. 그리고 시동 운전 과정에서 SOFC의 부하 운전에 의해 희석되지 않은 개질 가스를 엔진에서 연소할 필요가 있는데, 이 과정에서의 연소도 안정적으로 (COV 5% 이하) 발생하는 것을 확인하였다. 이 과정에서 엔진의 배기 열과 애노드오프가스의 열 에너지를 이용한 2단계의 개질 과정을 통해 외부 개질율 12%를 달성할 수 있음을 확인하였다. 설계점에서의 운전에서는 SOFC는 5.2kW, 엔진은 530W (Indicated net power)로 기존 연구에서의 엔진 단독 실험 결과와 일치하는 결과를 보였고, SOFC의 부하를 증가시킴과 동시에 엔진으로 유입되는 연료의 불활성 가스 성분 (H2O, CO2)의 비율이 증가하여 엔진 연소 안정성을 의미하는 COV 값이 12%까지 증가하는 것을 확인하였다. 결과적으로 엔진을 통해 시스템의 열효율이 5%p 향상될 수 있음을 확인하였다. 이러한 성능을 확보할 수 있었지만 실험 결과 시스템에서 많은 열 손실이 발생하여, 이를 보상하고 안정적으로 운전하고자 스택 상하부에 전기로와 캐소드 공기 라인에 전기 히터를 추가하여 운전을 하였다. 결과적으로 설계점에서도 시스템 운전은 전기 히터와 전기로에 의존하여 3.4kW가 넘는 열량을 제공받았고, 애노드오프가스에서도 약 600W의 열 손실이 발생하였다. 결론적으로 해당 구성도의 실험 셋업으로는 시스템 자열 운전이 불가능함을 확인하였다. 연구의 두 번째 단계로 앞선 구성도의 한계점을 해결하고자 자열 운전이 가능하도록 변경된 시스템 구성도를 제안하였다. 기존 SOFC 단독 시스템의 구성도를 유지하고, 애노드 후단에 분기 밸브를 추가로 설치하여 엔진과 버너로 애노드오프가스가 분기되어 공급되도록 하였다. 새롭게 고안한 구성도를 이용해 하이브리드 시스템을 구축하고 실증 운전을 수행하여 자열 운전이 가능한 시스템을 개발하였다. 그러나 시스템 운전 안정성을 위해 추가한 스택 (기존 시스템 대비 2개의 스택 추가)만큼 추가 전력을 생산하지 못하였고, 엔진으로의 분기율 또한 23%에서 제한되어 운전이 수행되었다. 이에 따라 엔진으로의 최대 분기율을 예측하고 시스템의 개선 방안을 분석하기 위해 실증 운전의 다양한 운전점을 기반으로 하이브리드 시스템을 모사할 수 있는 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 특히 이전의 연구들은 모든 배관과 장비들을 단열로 가정하고 시뮬레이션 모델을 개발하였는데, 본 연구에서는 SOFC와 배관에서의 열 손실을 계산할 수 있도록 열전달 모델을 포함한 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 또한 이렇게 개발한 시뮬레이션 모델을 실증 운전의 4개의 운전점에 정합하여 모델의 신뢰도와 확장성을 확보하였다. 시뮬레이션 모델에 적용된 열전달 모델을 통해 시스템 핫박스와 외부와의 대류 열전달, 복사 열전달을 고려할 수 있었다. 핫박스 내부에서는 "Cavity 가스" 라는 개념을 도입하여 cavity 가스와 시스템 내부의 배관 및 SOFC가 대류 열전달을 수행하도록 하였다. 또한 모든 배관에서 시스템에 투입되는 연료 및 공기의 유량, 열역학적 물성치를 고려하여 Re, Pr, Nu 수가 계산이 되도록 하였다. 이를 통해 변화하는 운전 조건에 대해 배관 내부 유동의 대류 열전달 계수가 변화할 수 있도록 모델링을 하여 실제 열전달 물리 현상을 최대한 모사할 수 있도록 하였다. 마지막으로, 개발한 시뮬레이션 모델을 통해 열 손실 분석을 수행하였고, 열 손실을 줄이고 시스템 성능을 개선하기 위한 방안을 제시하여 시스템 성능 향상에 대해 분석을 하였다. 몇 가지 가정과 제한 조건을 통해 현재 시스템에서의 최대 엔진 분기율을 계산하여 34%의 분기율이 계산되는 것을 확인하였다. 그리고 최대 엔진 분기율에서 시스템 효율이 2.32%p 증가할 수 있음을 확인하였다. 열 손실을 줄이고 시스템 성능을 향상하기 위한 방안으로 현재 시스템에서의 power level을 올리는 방법과 시스템 scale-up 방법을 제안하였고, 결과적으로 투입 연료 발열량 대비 열 손실은 감소하였고 각각 50%, 60%의 엔진 분기율을 확보할 수 있음을 확인하였다. 그리고 엔진으로의 분기를 통해 시스템 효율이 각각 3.22%p, 3.46%p 상승할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 개발한 모델을 통해 시스템 확장성을 연구할 수 있었고, SOFC-엔진 하이브리드 시스템의 실질적 개선 및 개발 방향을 제시하여 상용화 및 효율 개선에 기여할 것으로 기대된다. The objective of the solid oxide fuel cell (SOFC)-engine hybrid system is to obtain additional power and improve system efficiency by combustion in the engine using the anode-off gas of SOFC. The research on the SOFC-Engine hybrid system has been conducted with proposing the system configuration, confirming the performance and operating range at various operating points, and demonstrating actual proof of operation, similar to the research methodology of the SOFC-Gas turbine hybrid system. In this process, prior studies were conducted by changing the configuration and the combustion method of the engine, expanding the operating range of the system, and suggesting ways to improve performance. The study of the SOFC-Engine hybrid system was started with the SOFC-HCCI (Homogeneous charge compression ignition) engine hybrid system at the beginning of the study, and the study was conducted in the order of simulation analysis, experimental analysis, and demonstration through hybrid system integration operation. However, as a result, it was difficult to control engine combustion in response to the changing operating point of the HCCI engine, and at the same time, it was confirmed through the demonstration operation that the system thermal self-sustainable operation was difficult. Therefore, the engine combustion method was changed from HCCI to spark-assisted auto-ignition (SAI) method to secure the ease of combustion control of the engine and to increase the thermal utilization of the system. Previous studies were conducted on the operability and performance of points. In this study, using SOFC-SAI engine hybrid system, the performance and operation characteristics from the start-up to the design point operation were analyzed and a demonstration experiment was conducted to establish the start-up operation strategy. In addition, the limitation of the system (Impossibility of thermal self-sustainable operation) was analyzed and then a new system configuration diagram was suggested. Demonstration experiment capable of thermal self-sustainable operation was performed, and simulation model development and analysis were conducted with the new system configuration. Finally, through the simulation study, we aimed to analyze the heat loss of the system and to suggest and analyze the method to improve the heat loss and performance of the system. As the first stage of the study, an experimental study through the integrated operation of the SOFC-SAI engine hybrid system was performed. This is the first SOFC-Engine hybrid system demonstration operation using the spark-assisted auto-ignition method, and the experiment was carried out for the entire process from the start-up operation to the design point operation considering the actual commercialization operation. Since the engine is in the middle of the hybrid system, it was necessary to confirm the performance, operation characteristics, and controllability of the engine in the start-up operation. As a result, the system performed stable operation of both SOFC and engine for about 35 hours of operation time. In the whole process of start-up operation, the engine RPM was able to respond in real time considering the volume flow rate and temperature flowing into the engine for various operating points of the SOFC so that the engine intake pressure could be maintained at atmospheric pressure (1 bar). In addition, it was possible to appropriately control the spark timing to generate the maximum brake torque of the engine for various operating points. Also, it is necessary to burn the undiluted reformed gas in the engine. Stable combustion (COV < 5%) in the engine and the external reforming rate of 12% could be achieved through the two-step reforming process using the exhaust heat of the engine and the thermal energy of the anode-off gas was confirmed in this process. In operation at the design point, SOFC power was 5.2 kW, and the engine power was 530 W (Indicated net power), which was consistent with the results of the engine standalone test in the previous study. It was confirmed that the COV value indicating engine combustion stability increased by 12% as the dilution gas (H2O, CO2) increased. As a result, it was confirmed that the thermal efficiency of the system could be improved by 5%p through the engine. Although this performance could be secured, as a result of the experiment, a lot of heat loss occurred in the system, and in order to compensate for this and operate stably, electric heaters were added to the upper and lower parts of the stack and electric heaters to the cathode air line. As a result, even at the design point, the system operation depended on the electric heater and the electric furnace to provide more than 3.4kW of heat, and about 600W of heat loss occurred even in the anode off-gas. In conclusion, the system thermal self-sustainable operation was impossible with the experimental setup of the configuration diagram. As the second stage of the study, a modified system configuration diagram was proposed to enable thermal self-sustainable operation to solve the limitation of the previous configuration diagram. The configuration diagram of the existing SOFC standalone system was maintained, and a branch valve was additionally applied at the rear end of the anode so that the anode off-gas was branched and supplied to the engine and burner. Using the newly devised configuration diagram, a hybrid system was built, and a demonstration operation was performed to develop a system capable of thermal self-sustainable operation. However, it was unable to produce as much additional power as the stack added for system operation stability (Two stacks added compared to the existing system), and the operation was performed with the limited branching ratio under 23%. Accordingly, to predict the maximum branching ratio to the engine and to analyze the system improvement method, a simulation model that can simulate the hybrid system based on various operating points of the demonstration operation was developed. Previous studies developed a simulation model assuming that all pipe and equipment were adiabatic. In this study, a simulation model including a heat transfer model was developed to calculate heat loss in SOFC and pipe. In addition, the reliability and scalability of the model were secured by validating the developed simulation model to the four operating points of the demonstration operation. The convective heat transfer and radiative heat transfer between the system hot box and the outside can be considered through the heat transfer model applied to the simulation model. Inside the hot box, the concept of "cavity gas" was introduced so that the cavity gas and the pipe and SOFC inside the hot box perform convective heat transfer. In addition, the number of Re, Pr, and Nu was calculated in consideration of the flow rates of fuel and air input to the system and thermodynamic properties in all pipes. Through this, convective heat transfer coefficient of the flow inside the pipe can change in response to changing operating conditions, so that the actual heat transfer physics can be simulated. Finally, heat loss analysis was performed through the developed simulation model, and the system performance improvement was analyzed by suggesting a method to reduce heat loss and improve system performance. It was confirmed that the maximum engine branching ratio of 34% was calculated through several assumptions and constraints. And the system efficiency can be increased by 2.32%p at the maximum engine branching rate. To reduce heat loss and improve system performance, a method of increasing the power level in the current system and a system scale-up method were proposed. It was confirmed that the maximum engine branching ratio was 50% at maximum power level of present system and 60% at maximum scale-up system. The system efficiency can be increased by 3.22%p and 3.46%p, respectively. Therefore, it was possible to study system scalability through the model developed in this study, and it is expected to contribute to commercialization and efficiency improvement by suggesting the improvement direction of the SOFC-Engine hybrid system.

DEVELOPMENT OF REAL-TIME HYBRID TEST SYSTEM

정래영 University of Colorado 2005 해외박사

Design of molten carbonate fuel cell (MCFC) and homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine hybrid system for distributed power generation

김선엽 Seoul National University 2017 국내박사

Recently, various energy issues, e.g. depletion of natural resources and growing environmental concerns, have been encountered year by year. For the reason, the demand for renewable power source increases, and fuel cell technology draws interest as a good applicant in the field due to high efficiency and low pollutant. In the previous work, a new MCFC hybrid system integrated with HCCI engine was developed. In the hybrid system, the HCCI engine replaces the catalytic combustor in the original fuel cell system and yields additional power by using the left-over fuel in the anode off-gas. In this thesis, the engine design is performed for the 250 kW-class MCFC system. For the thermodynamic analysis, thermodynamic modeling is performed and the parametric study is conducted with design options variation. With the determined engine specification, the hybrid system is analyzed at the design point and part-load operation. The hybrid system efficiency can achieve 57.1 %, which is 9.8 % higher than the standalone system efficiency at the design point operation. And the systematic control strategies are developed at the part-load conditions, and thus the hybrid system can operate at the various fueling levels. An economic assessment is also conducted for comparison between the standalone system and the hybrid system. The analysis is performed by calculating the levelized cost of electricity (LCOE) with total revenue requirement (TRR) method. The LCOE of the hybrid system is ~5.4 % lower than that of the standalone system, thus the economic feasibility of the hybrid system was verified. Based on the simulation results, the engine experiment is conducted to demonstrate the possibility of the HCCI engine operation in the system. As a result, the engine net indicated efficiency is measured to be ~17 %. Considering the small displacement volume of the tested engine with its relatively un-favorable heat transfer characteristic, the engine performances in the hybrid system are shown to be quite promising. It is anticipated that the results of this thesis would be considered the study leading up to the commercialization of the new MCFC-HCCI engine hybrid system for distributed power generation in near-future.