Heavy-duty trucks, which are mainly used for freight transport, require a significant amount of non-propulsion power due to their long-time/long-distance operation. The supply of the non-propulsion power is highly dependent on inefficient and non-eco-friendly idling technology. As interest in environmental issues rapidly increases, diesel-powered solid oxide fuel cell system is attracting much attention as an alternative technology to replace the idling of heavy-duty trucks.
The system has an Auto-Thermal Reforming (ATR) reactor and a Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) as main components. Of them, in the case of the ATR reactor which converts diesel as the main fuel of heavy-duty trucks into a reformed gas suitable for fuel cell applications, the kinetic model for the reaction is required in order to optimize the reactor dimensions or conduct a control study. However, commercial diesel has very diverse components and can have numerous reaction pathways, making it very difficult to construct the kinetic model. Therefore, in this study, in order to establish an appropriate kinetic model for the diesel ATR reaction, an experiment was performed in a microreactor and the composition data of the reactor outlet according to the change of major operating variables were collected. Then, based on the collected data, optimal kinetic models for each model were derived through parameter estimation for the kinetic models corresponding to various combinations of reaction equations that can be considered in diesel ATR reaction. Furthermore, by comparing the performance of each model, the combination of reaction equations that can best simulate the diesel ATR reaction was discussed.
In addition to the ATR reactor and the SOFC, the system includes a post combustion combustor, a condenser and a heat exchanger as essential components. In addition, the system forms a closed loop by circulating electrochemically generated water for sustainable operation without external water supply. Accordingly, the components are closely connected to each other. Therefore, in order to construct system efficiently, it is necessary to view the system in its entirety including all the components. Thus, in this study, a rigorous overall system model was built by considering all major components. The system may consider anode recycling or cathode recycling for more efficient operation. In this study, based on the constructed overall system model, the effects of anode recycling and cathode recycling on the performance of SOFC was investigated by solving an optimization problem that has the efficiency of the overall system as the objective function.
화물 운송용으로 주로 이용되는 대형트럭은 장시간/장거리 운전되는 특성으로 인하여 상당한 양의 비추진 전력이 요구된다. 이러한 비추진 전력의 공급은 비효율적이고 비친환경적인 공회전 기술에 크게 의존하고 있다. 환경 문제에 대한 관심이 급증함에 따라 비친환경적인 특성을 갖는 대형 트럭의 공회전을 대체할 대체 기술로 디젤 동력 고체 산화물 연료전지 시스템이 많은 주목을 받고 있다.
해당 시스템은 주요 구성성분으로 자열 개질 반응기와 고체산화물 연료전지를 갖는다. 그 중 대형 트럭의 주연료인 디젤을 연료전지 적용에 적합한 개질 가스로 전환해주는 자열 개질 반응기의 경우, 반응기 치수의 최적화나 제어 연구를 수행하기 위해서는 해당 반응에 대한 반응 속도 모델이 필수적으로 요구된다. 그러나 상용디젤은 그 구성성분이 매우 다양할 뿐만 아니라 무수히 많은 반응 경로를 가질 수 있어 반응속도 모델 구축에 어려움이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 디젤 개질 반응에 대한 적절한 반응속도 모델을 구축하기 위해 마이크로 반응기에서 실험을 수행하여 주요운전변수 변화에 따른 반응기 후단 조성 데이터를 수집하였다. 또한 수집된 데이터를 기반으로 디젤 자열 개질 반응에서 고려될 수 있는 다양한 반응식 조합들에 대응하는 반응속도 모델들에 대한 매개변수 추정을 통해 각각의 모델들에 대한 최적 반응속도 모델들을 도출하였다. 더 나아가 해당 모델들의 성능을 비교하여 디젤 자열 개질 반응을 가장 잘 모사할 수 있는 반응식 조합에 대해 논의하였다.
해당 시스템은 자열 개질 반응기와 고체산화물 연료전지 성분이외에도 후단 연소기, 냉각기 및 열 교환기 등을 필수 구성성분으로 포함한다. 또한 해당 시스템은 외부로부터의 물 공급 없이 지속 가능한 운전을 위해, 전기화학적으로 생성된 물을 순환시켜 닫힌 루프를 형성한다. 이에 따라 각각의 구성성분들이 서로 밀접하게 연결되어 상호작용하게 된다. 따라서 해당 시스템의 효율적인 구축을 위해서는 각각의 구성성분을 개별적으로 살피기 보다 각 구성성분들 간의 상호작용을 고려하여 전체 시스템을 바라보는 관점이 필요하다. 이에 본 연구에서는 모든 주요 구성성분들을 고려하여 보다 엄밀한 전체시스템 모델을 구축하였다. 더하여 해당 시스템은 보다 효율적인 운전을 위하여 추가적으로 어노드 리싸이클링이나 캐소드 리싸이클링이 고려될 수 있다. 이에 본 연구에서는 구축된 전체 시스템 모델을 기반으로 전체 시스템 효율을 목적함수로 갖는 최적화 문제를 수립한 후, 해당 문제를 해결함으로써 고체산화물 연료전지의 성능에 따른 어노드 리싸이클링과 캐소드 리싸이클링의 효용성을 논의하였다.
