Optimization of Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) and Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine Hybrid System for Distributed Power Generation

Abstract

환경오염과 에너지 고갈 문제가 대두되며 신재생에너지에 대한 수요가 증가하는 추세이다. 이 때 연료전지 시스템은 그 대안으로 적절한 에너지 공급원이다. 이전에 분산발전형 시스템으로 용융탄산염 연료전지와 내연기관인 HCCI 엔진을 결합한 새로운 개념의 하이브리드 시스템이 개발되었었다. 이 시스템은 촉매연소기 대신 HCCI 엔진을 넣어주어 시스템의 효율을 약 62%로 향상시킬 수 있었다. 하지만 엔진에서 나오는 출력에 비해 엔진의 사이즈가 커 비용적인 측면에서 비효율적임을 알 수 있었다. 따라서 이번 연구에서는 우선적으로 이 시스템의 엔진 사이즈를 줄임으로써 시스템을 최적화시킬 것이다. 엔진 사이즈를 줄이는 방법으로는 터보차저를 사용하는 방법과 엔진의 압축비를 높이는 방법 등이 있다. 이러한 방법들을 이용해 엔진 사이즈를 줄인 최적화된 시스템을 제안할 수 있었으며, 이 엔진의 사이즈는 약 60% 이상이 줄었다. 다음으로 이러한 최적화한 시스템의 구동 범위를 넓히기 위한 연구를 진행하였다. 시스템이 70-100% 수준의 파워에서 구동할 수 있는지 분석하였으며, 분석 결과 시스템이 탈설계점에서도 구동 가능하다는 것을 입증할 수 있었다.

The demand for renewable power sources rises due to environmental issues and resource depletion. Fuel cell system is concerned as one of the alternatives. A new MCFC-HCCI engine hybrid system model, which is combined of a fuel cell and an internal combustion engine, had been developed previously by the author. The engine was added to the hybrid system instead of a catalytic burner in standalone system. The hybrid system efficiency increased to about 62%. However, the engine size is too large in comparison with general engine, which yields same power output. Therefore, the engine is ineffective for cost. Firstly, in this study, the system was optimized by downsizing the engine for reduction the cost. There were several strategies for downsizing the engine, e.g. using a turbocharger, increasing a compression ratio of the engine. For using these methods, we could suggest the optimized hybrid system. The engine of the optimized system was downsized over 60%. Secondly, an approach to broaden the operating range was studied by running under various strategies which enables flexible power output, e.g. 70-100% power ratio. As a result, we analyzed the performance of the system and confirmed that this is feasible for off-design operation.