examination of 2-fluid nozzle and 3-fluid nozzle for fuel
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16 /JOURNAL OF ILASS-KOREA VOL. 13 NO. 1 (2008)
5 kW급 SOFC 시스템의 연료 개질기를 위한 2-유체
노즐과 3-유체 노즐의 검토
권화길*·이치영*·이상용†
Examination of 2-Fluid Nozzle and 3-Fluid Nozzle for Fuel Reformer of 5 kW SOFC System
Hwa-Kil Kwon, Chi Young Lee and Sang Yong Lee
Key Words: Fuel Reformer(연료 개질기), 2-Fluid Nozzle(2-유체 노즐), 3-Fluid Nozzle(3-유체 노즐)
Abstract
In the present study, the 2-fluid nozzle and 3-fluid nozzle to atomize the diesel and water with air for the fuel
reformer of SOFC system were experimentally examined. In the 2-fluid nozzle, the diesel and water were alternately
atomized due to bislug flow pattern, and it implies that the mixing of both liquids strongly affects the atomization pat-
tern. On the other hand, in the 3-fluid nozzle, the diesel and water were atomized simultaneously due to the separated
injection channels without mixing problem. Therefore, compared to the 2-fluid nozzle, the 3-fluid nozzle is suitable
for the stable operation of the fuel reformer. In case of the 3-fluid nozzle, Type A where the air was supplied through
the central channel was the most efficient.
기호설명
ALR 액체 질량유량에 대한 공기 질량유량의 비(Air
Liquid Ratio)
D 디젤
SMD Sauter 평균 입경(Sauter Mean Diameter) [μm]
W 물
WA 공기의 질량유량 [kg/s]
WL 액체의 질량유량 [kg/s]
1. 서 론
최근 화석연료의 사용으로 인해 발생되는 지구온난화
와 환경오염 문제를 해결하기 위한 대안으로 수소에너지
가 유력한 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 사
회적인 요구와 함께 수소를 효율적으로 사용하기 위한
응용분야로 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시
키는 연료전지가 관심의 대상이 되고 있다. 연료 개질기
(fuel reformer)는 연료전지에 사용되는 수소를 생산해 내
기 위한 장치로서 그 연료로는 천연가스, 메탄올, 가솔
린, 디젤 등의 탄화수소가 사용되며, 그 중에서 디젤의 경
우 수소에너지 밀도가 높고 기존에 구축된 기반시설을 이
용할 수 있다는 장점 때문에 연구의 대상이 되고 있다(1).
탄화수소 연료로부터 수소를 얻기 위한 개질 방법 중
자열개질(autothermal reforming)법은 연료와 함께 공기,
수증기를 동시에 이용하는 반응으로서 부분산화를 통해
생성된 열을 이용해 시스템의 자립운전이 가능하고 다
(2008년 3월 4일 접수 ~ 2008년 3월 15일 심사완료)†책임저자, 회원, 한국과학기술원E-mail : [email protected]
TEL : (042)869-3026 FAX : (042)869-8207
*한국과학기술원
한국액체미립화학회지 제13권 제1호(2008)/ 17
량의 수소를 얻을 수 있는 장점이 있다. 이때 연료로서
디젤을 사용할 경우 앞서 언급한 이점이 있으나, 디젤의
특성상 기화의 어려움, 개질반응 동안 발생하는 탄소침
적(carbon deposition)과 같은 문제점들이 있어 개질기의
장기운전 성능 확보가 어렵다(2). 따라서 이와 같은 문제
들을 해결하기 위하여 디젤연료를 공급할 때 디젤을 완
전히 기화시키고, 기화된 연료를 공기, 수증기와 균일하
게 혼합하여 촉매층으로 공급하는 것이 필요하다(3-5). 디
젤을 효과적으로 기화시키기 위해서 미립화 기술이 이
용되고 있으며, 그 예로 Kang 등(6)은 디젤연료를 반응
기에 공급하기 위하여 초음파 인젝터(ultrasonic injector)
를 사용하였는데 디젤을 미립화시키지 않고 공급하였을
때보다 개질효율이 20% 증가한다고 보고하였다. 그리
고 Kwon 등(7)은 초음파 인젝터보다 내구성이 우수한 2-
유체 노즐을 사용하여 디젤연료의 미립화 실험을 수행
하였고 연료 개질기를 위한 탑재 가능성을 검토하였다.
자열개질 반응에 있어 수증기는 개질 중 발생하는 탄
소침적을 줄여줄 수 있기 때문에 수증기의 공급 또한
중요하다(6). 현재는 수증기 공급을 위해 외부 열교환기
를 통해 물을 수증기 상태로 미리 기화시킨 후 반응기
내로 공급하거나(2, 8), 물을 공급할 수 있는 작은 관을 반
응기의 외벽에 설치하여 외벽과의 열교환을 통해 수증
기 상태로 공급하고 있다(9). 이때 공급과정에서의 맥동
을 최소화하기 위한 방안으로 별도의 라인(line)을 설치
하여 질소를 캐리어(carrier)로서 공급하고 있는 상황이
다. 그러나 질소의 추가적인 공급 없이 물도 디젤연료와
마찬가지로 개질기 내에서 미립화를 통해 기화시킨다면
수증기를 효과적으로 공급할 수 있을 것이다.
따라서 본 연구에서는 기존에 시도되지 않았던 디젤
연료와 물을 동시에 미립화시키는 방법을 고려하였으며,
미립화기로는 2-유체 노즐과 3-유체 노즐을 선정하였다.
2-유체 노즐의 경우 주변에서 쉽게 구할 수 있는 상용
노즐을 사용하였고, 3-유체 노즐의 경우 기존의 상용 제
품이 없기 때문에 본 실험을 위해 제작하였다. 자열개질
법은 반응물로 공기도 포함하기 때문에 이 노즐들의 경
우 미립화에 필요한 추가의 에너지 공급이 없어도 반응
을 위한 일부 공기를 이용하여 디젤연료와 물을 미립화
시킬 수 있다. 본 연구에서는 2-유체 노즐 및 3-유체 노
즐을 이용하여 디젤, 물, 공기를 동시에 연료 개질기 내
에 효과적으로 공급할 수 있는 방법을 검토하였다. 그리
고 3-유체 노즐의 경우 공기가 공급되는 위치에 따라 3
종류로 분류하여 미립화된 액적의 크기 측정 및 공급된
공기량에 대한 미립화 정도를 비교하였다.
2. 실험장치 및 조건
2.1 실험장치
2-유체 노즐과 3-유체 노즐에 의한 디젤과 물의미립화
를 조사하기 위한 실험장치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같
이 노즐, MFC(mass flow controller), 공기 레귤레이터,
펌프, 디젤과 물 저장용기, 전자저울로 구성되어 있다.
Figure 1은 2-유체 노즐에 대한 실험장치 개략도로서
노즐을 기준으로 좌측은 공기가 공급되는 라인이고 우
측은 디젤과 물이 공급되는 라인이다. 공기라인의 경우
압축된 공기를 공급하면 공기 레귤레이터에 의해 2 bar
로 조절된 후 MFC(Aalborg, GFC37)에 의해 필요한 유
량을 설정하도록 되어 있다. 디젤과 물의 경우 각각의
펌프(디젤 : Fluid Metering, Inc, RHB00SKY; 물 : HNP
Mikrosysteme GmbH, mzr-4622)를 구동시켜 미리 설정
한 유량으로 공급하였고, Y-형태의 피팅(fitting)을 통과
시켜 디젤과 물이 함께 한 개의 라인으로 합쳐진 후 노
즐에 공급되도록 하였다. 3-유체 노즐에 대한 실험장치
의 개략도는 본 논문에 도시하지 않았지만, Y-형태의 피
팅없이 디젤과 물이 노즐의 각 유로를 통해 공급된다는
것을 제외하고는 2-유체 노즐의 실험장치와 같다. 본 실
험에 사용된 디젤은 상용 디젤(GS Caltex)로서 노즐에
공급되는 디젤 유량을 측정하기 위해서 디젤의 변화된
질량과 시간을 측정하였으며, 물의 유량도 같은 방법으
로 측정하였다. 디젤과 물의 변화된 질량을 측정하기 위
해 전자저울(AND, EK-4000i)을 사용하였다. 그리고 노
즐에 의해 미립화된 액적의 크기를 측정하기 위해 레이
저 회절 이론을 이용한 입경 측정장치(HELOS VARIO,
Sympatec)를 사용하였다.
2.2 실험조건
본 실험에 사용된 2-유체 노즐은 상용 노즐(Spraying
Systems, fluid cap : PF2850, air cap : PA64)로서 디젤과
물은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 노즐의 중심 부분에 함
께 공급되고, 공기는 외각 부분에 공급되는 형태이다.
노즐에 공급되는 반응물의 유량조건은 Table 1과 같다.
Fig. 1 Experimental setup for 2-fluid nozzle
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디젤의 경우에는 5 kW급 고체산화물 연료전지(SOFC,
Solid Oxide Fuel Cell)에 필요한 40 ml/min으로 선택
하였고, 물과 공기는 각각 40 ml/min, 3~7 l/min으로
공급하였다. 노즐의 끝 단에서 디젤과 물이 유출되는
오리피스 크기는 0.72 mm이고, 공기가 유출되는 갭
(gap)의 크기는 0.2 mm로, 공급되는 반응물의 유량이
작기 때문에 상용 노즐 중에서 작은 크기의 모델을 선
택하였다.
Figure 3은 3-유체 노즐의 개략도를 나타낸 것으로
2-유체 노즐과는 달리 디젤과 물이 서로 분리된 유로
를 통해 공급되고 공기도 마찬가지로 별도의 유로를
통해 공급되는 형태이다. 노즐은 공기가 공급되는 위
치에 따라 3종류로 구분하였으며, 공기가 정가운데 오
리피스를 통해 유출되는 경우를 편의상 Type A, 중간
에 위치한 갭을 통해 유출되는 경우를 Type B, 가장
바깥쪽에 위치한 갭을 통해 유출되는 경우를 Type C
로 표시하였다(Fig. 4). 노즐의 크기는 노즐의 가공과
조립 문제를 고려하여 결정하였다. 노즐에 공급되는
반응물의 유량은 Table 1에 나타낸 바와 같이 디젤의
경우 2-유체 노즐에서와 마찬가지로 40 ml/min 으로
하였다. 그리고 물과 공기의 경우는 미립화가 가능하
고 펌프와 MFC의 작동이 가능한 범위 내에서 선택하
여 물은 40, 70 ml/min, 공기는 9~39 l/min으로 공급
하였다.
Fig. 2 2-fluid nozzle
Table 1 Experimental conditions
Diesel
(ml/min)
Water
(ml/min)
Air
(l/min)
2-fluid nozzle 40 40 3~7
3-fluid
nozzle
Type A 40 40, 70 9~14
Type B 40 40, 70 20~35
Type C 40 40, 70 15~39
Fig. 3 Schematic of 3-fluid nozzle
Fig. 4 Details at nozzle tip of 3-fluid nozzle
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3. 결과 및 고찰
3.1 2-유체 노즐
2-유체 노즐을 이용한 미립화 실험에서 디젤과 물은
미리 설정한 유량으로 각각의 라인에 공급되었고, Y-형
태의 피팅에 의해 한 개의 라인으로 합쳐진 후 노즐에
공급되었다. Fig. 5에 나타낸 바와 같이Y-형태의 피팅을
통과한 두 액체는 물성치 차이로 인해 서로 혼합되지
못하고 분리되어 바이슬러그 유동(bislug flow)(10)과 같
은 형태를 보였다. 이 두 액체는 노즐의 오리피스를 통
해 유출되고 이보다 속도가 큰 공기와 외부에서 충돌하
여 액적 들이 생성되었다. 그러나 미립화 과정에서 바이
슬러그 유동의 형태로 인해 분무각이 불규칙적으로 변
하였고, Fig. 6에서처럼 디젤과 물의 액적들이 번갈아
가며 생성되는 바람직하지 않은 결과가 나타났다. 그리
고 생성된 액적들의 평균 크기도 Fig. 7에 나타낸 바와
같이 액체의 종류에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 이
러한 형태로 액적들이 연료 개질기에 공급된다면 디젤
과 물이 균일하게 혼합되지 못한 상태로 촉매층에서 반
응을 하기 때문에 불안정한 반응을 일으켜 개질기의 운
전이 원활하지 않을 것이며, 그 결과 연료전지 전체 시
스템의 운전에도 영향을 미칠 것으로 판단된다.
따라서 디젤과 물을 동시에 미립화시키기 위해서는
2-유체 노즐 내부에서 두 액체가 잘 혼합될 수 있는 방
법을 고려하여 노즐을 설계해야 할 것이다. 또 다른 방
법은 디젤과 물을 미리 혼합시키지 않고 노즐에 각각
공급한 후 노즐의 외부에서 공기와 충돌시켜 미립화하
는 것이다. 이 경우 두 액체를 잘 혼합하기 위한 방법을
별도로 고려하지 않아도 된다는 점에서 장점이 있다. 따
라서 후자의 경우로서 3-유체 노즐을 고려하였으며 다
음 절에서는 이에 대한 결과를 논의하였다.
3.2 3-유체 노즐
3-유체 노즐의 경우 디젤, 물, 공기는 서로 분리된 유
로를 통해 유출되고 노즐의 외부에서 공기의 충돌로 인
해 디젤과 물은 미립화된다. Fig. 8은 3-유체 노즐에 의
해 두 액체가 미립화되는 전형적인 형태를 나타낸 것으
로 풀콘(full cone) 분무의 형태를 보였다. 전체적으로
본 실험 조건에서는 공기가 공급되는 위치에 관계없이
분무각은 대략 20~30o로 나타냈고, 공기가 정가운데 오
리피스를 통해 유출되는 Type A의 경우(Fig. 8(a))에는
미립화된 액적들에 대해 상대적으로 공기가 가이드
(guide) 역할을 하지 못하기 때문에 일부 큰 액적들이 주
유동으로부터 벗어나는 현상이 관찰되었다. 이 경우 반
응물이 연료 개질기에 공급되면 벗어난 액적들 중 디젤
은 개질기의 벽면에 부딪혀 탄소 침적의 원인이 될 수
있을 것으로 예상된다. 그리고 2-유체 노즐의 경우 디젤
과 물의 액적들이 번갈아 가며 생성되는 불안정한 형태
를 나타냈지만, 3-유체 노즐의 경우에는 두 액체가 동시
Fig. 5 Photo of bislug flow pattern of diesel and water
Fig. 6 Atomization of diesel and water by 2-fluid nozzle
Fig. 7 Mean drop size with air flow rate for diesel and
water
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에 미립화되는 안정적인 형태를 보였다. 따라서 2-유체
노즐보다 3-유체 노즐을 사용하여 연료 개질기에 반응
물을 공급한다면 개질기를 상대적으로 안정하게 운전할
수 있을 것으로 판단된다.
Figure 9는 3-유체 노즐의 공기 공급 위치에 대해
ALR(Air Liquid Ratio)에 따른 미립화된 액적의 평균 크
기를 나타낸 것이다. 여기서, ALR은 액체 질량유량에
대한 공기 질량유량의 비로 미립화기 성능을 평가하기
위한 중요한 인자이다. Fig. 9에 나타낸 바와 같이 3종류
의 노즐 모두 ALR이 증가함에 따라 액적의 크기가 감소
하는 경향을 보이고 있으며 이러한 결과는 2-유체 노즐에
대한 기존의 연구 결과에서도 확인할 수 있다(11, 12). 그리
고 본 실험 범위에서 액적의 평균 크기는 25~100 μm로
나타났다. 공기를 노즐에 공급하는 위치의 관점에서 살
펴보면 동일한 크기의 액적을 얻기 위해서는 Type A,
B, C 순으로 즉, 공기를 노즐의 바깥 쪽에서 공급할수록
더 많은 공기가 필요하다는 것을 알 수 있다. 일례로 물
의 유량이 40 ml/min인 경우 크기가 40 μm인 액적을
얻으려면 Type A와 비교하여 Type B는 약 2배, Type C
는 약 2.6배의 공기량이 필요하다. 따라서 디젤과 물을
미립화시키기 위해 사용해야 할 공기량 측면에서는 공
기가 노즐의 정가운데 오리피스를 통해 유출되는 Type
A가 가장 효율적이라고 할 수 있다. 이는 공기가 정가
운데에서 유출되는 Type A의 경우, 바깥쪽에서 유출되
는 경우보다 공기의 운동에너지가 주위에 있는 디젤과
물을 미립화시키는데 더욱 효과적으로 전달되고, 본 실
험영역에서 동일 ALR에 대해 Type A가 공기의 유출
Fig. 8 Atomization of diesel and water by 3-fluid nozzle
(Diesel: 40 ml/min, Water: 40 ml/min)
Fig. 9 Variation of mean drop size with ALR for 3-fluid
nozzle
한국액체미립화학회지 제13권 제1호(2008)/ 21
속도가 가장 빠르기 때문이다.
4. 결 론
본 연구에서는 5 kW급 고체산화물 연료전지 시스템
의 연료 개질기를 위한 2-유체 노즐과 3-유체 노즐을 검
토하였다.
2-유체 노즐의 경우 디젤과 물의 바이슬러그 유동 형
태로 인해 두 액체의 액적들이 번갈아 가며 생성되는
형태를 보였다. 이 경우 두 액체의 혼합 방법이 고려되
어야 할 것이다. 반면, 3-유체 노즐의 경우에는 별도의
혼합 방법 없이 디젤과 물이 동시에 미립화되는 형태를
보였다. 따라서 2-유체 노즐보다 3-유체 노즐을 사용하
여 연료 개질기에 반응물을 공급한다면 개질기를 상대
적으로 안정하게 운전할 수 있을 것으로 판단된다. 3-유
체 노즐의 경우 디젤과 물을 미립화시키기 위해 사용해
야 할 공기량 측면에서는 공기가 노즐의 정가운데 오리
피스를 통해 유출되는 Type A의 경우가 가장 효율적이
었다.
본 연구에서는 SOFC 시스템의 연료 개질기를 위한
3-유체 노즐의 탑재 가능성을 검토하였으며, 향후에는
3-유체 노즐의 미립화 성능에 관한 정량적 연구가 수행
될 예정이다.
후 기
본 연구는 지식경제부의 “5kWe 열병합 SOFC 발전시
스템 개발” 및 2단계 두뇌한국(BK)21 사업의 일부 지원
을 받아 수행되었으며 이에 감사 드립니다.
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