Optimization of Hydrogen Reformer for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell to Enhance Methane Conversion Rate

김도환 인하대학교 대학원 2019 국내석사

Hydrogen has a high value as a core component of petroleum refining that converts crude oil into a product, and it is manufactured by a steam methane reforming (SMR) process using a nickel base catalyst. In order to reduce the number of tests required to improve the accuracy of the study of the vapor methane reformer and to improve the performance of the reformer to reduce the test cost, it is necessary to develop analysis methane-hydrogen reformer model which has high reliability. Based on the necessity of developing a methane reformer analysis model, this study developed a Computational Fluid Dynamics (CFD) model capable of analyzing methane reformers of mass production standards at the time. The geometry of methane reformer applied to the study is 10 kW class, 390 mm in diameter and 1317 mm in height standard, is a methane steam reforming reactor(SR reactor), a Water gas shift reactor(WGS reactor), and a burner that supplies necessary heat to the steam reforming catalyst(SR catalyst). In this study, reaction kinetics equations of SMR reaction processes are implemented using ANSYS Fluent UDF function and the emitted heat from burner transferred to the SR catalyst is applied as heat flux to the SR catalyst, calculated with the assumption of premixed methane combustion. The developed model can predict the hydrogen conversion rate of reformer with deriving chemical composition of the reactant and product of the reformer and the WGS reactor. As a result, this model can predict the hydrogen conversion rate of the designed steam methane reformer. Moreover, developed model can contribute to reduce the experimental trial cost by reducing the number of trials required when setting the design target value of the reformer. 수소는 원유를 제품으로 전환시키는 석유 정제의 핵심 성분으로 높은 경제적 가치가 있으며 니켈 베이스의 촉매를 적용한 증기 메탄 개질(Steam Methane Reforming, SMR) 공정에 의해 생산된다. 증기 메탄 개질기 연구의 정확성 향상과 개질기 성능 향상 연구에 요구되는 시험 횟수를 줄여 시험비용을 절감시키기 위해서는 신뢰성 높은 증기 메탄 개질기의 해석 모델이 개발되어야 한다. 메탄 개질기 해석 모델 개발의 필요성에 따라, 본 연구에서는 실제 양산중인 규격의 메탄 개질기의 해석이 가능한 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 모델을 개발하였다. 적용한 메탄 개질기는 10kW급으로 직경 390mm, 높이 1317mm 규격의 형상의 메탄 개질기로 증기 메탄 개질 반응기(Methane steam reforming reactor), 일산화탄소 전환 반응기(CO-shift reactor) 그리고 개질 반응에 필요한 열을 공급하는 연소기(Burner)의 세 가지 부분으로 구성된다. 본 연구에서는 Ansys Fluent와 Ansys Fluent의 UDF 기능을 사용하여 SMR반응 과정의 화학 반응 속도식을 구현하였으며 연소기에서 증기 메탄 개질 반응기의 촉매로 전달되는 열은 메탄의 예혼합 연소를 가정하여 도출한 계산 값을 Heat flux의 형태로 적용하였다. 개발 모델은 증기 메탄 개질기의 개질 반응기와 일산화탄소 전환 반응기의 생성물의 화학 조성을 도출할 수 있으며, 이를 통해 설계한 개질기의 수소전환율을 예측할 수 있다. 이에 따라 본 모델은 설계한 증기 메탄 개질기의 수소전환율 예측이 가능하기 때문에, 개질기의 설계목표치의 설정과 실제 요구되는 시험 횟수를 감소시켜 시험 비용을 절감시키는데 기여할 수 있다.

이중관형 연속 반응기에서 수증기-메탄 개질반응의 실험 및 CFD 시뮬레이션

신동우 서울과학기술대학교 2013 국내석사

This thesis studies the heat distribution and internal flow from the efficiency of actual reformer and specification variation, using the computer simulation and experiment about the steam methane reforming reaction which uses the high temperature reformer. Reaction model from steam refoemer uses the steam response model developed by Xu & Froment.As result we supposed the chemical react Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), and Direct Steam Reforming(DSR) from the inner high temperature reformer dominates the response has dissimilar response.We installed combustor materializing CH4+Air to provide heat since steam reforming reaction requires a heat resource of the outside using strong endothermic reaction. Substantially, we used insulation filler in this examination to minimize loosing heat from the outside, and supposed the surface of reformer is completely insulated from outside, also supposed it has no loss of heat from the outside in this simulation. We processed in same boundary condition to prove result of analysis, and it consequently showed similar gas ingredient of reformer between the simulation and the exam.We processed using a design change in this simulation, since the result of the examination and the simulation respond unlikely. According to result of steam methane reforming reaction exam using high temperature reformer, we figured out when Steam Carbon Ratio(SCR) increase, number of hydrogen yield increases but methane decreases. However, the more number of examining became decreasing small margin of hydrogen yield because inside of reformer that consist of nickel has carbon pigmentation as progressing the exam. To resolve this problem, dropping temperature down slowly will be able to delay carbon pigmentation than dropping rapidly, immediately after using inactivity gas to cleaning inner part and examining. When comparing and examining between design with one inlet and two inlet, result came out one inlet design is more outstanding at thermal distribution and internal flow, hydrogen yield in one inlet design than two inlet design. The reformer which contains two inlet response less inner velocity of flow and liquidity of linier, since it reacts less, and the two reformer's surface presents higher temperature, since its endothermic reaction present lesser than the reformer which has one inlet. It showed that the reformer has one inlet reacts mostly top section of the reformer, and it does not reacts from the lower section. It proved to anticipate the respond completed quick. And, we expected it would be more effective hydrogen yield when we increase rate of discharge methane and vapor till the react goes the lower section. This research shows operating condition of hydrogen methane reforming reaction of high temperature reformer. the reformer has one inlet performs the most effective when its temperature of the wall is 1100℃, Steam Carbon Ratio(SCR) 3. 본 논문에서는 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응에 대해 실험 및 전산해석 기법을 이용하여 실제 개질기의 효율 및 개질기의 형상의 변화에 따른 열 분포 및 내부 유동에 대해서 연구하였다. 수증기 개질에 대한 반응모델은 Xu & Froment에 의해 개발된 수증기 반응 모델을 사용하였고, 그 결과로 고온개질기 내에서 일어나는 화학반응은 Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), Direct Steam Reforming(DSR) 반응이 다른 반응을 지배한다고 가정하였다. 수증기 개질반응은 강한 흡열반응으로 외부의 열원이 필요하므로 외부에 CH4+Air 를 원료로 하는 연소기를 설치해 열을 공급하였다. 실제 실험에서는 보온 충진제를 사용하여 외부로부터의 열 손실을 최소화 하였으며, 시뮬레이션 상으로는 개질기 벽면은 외부와 완전히 단열되었다고 가정을 하고, 외부와의 열 손실 또한 없다고 가정하였다. 해석결과를 검증하기 위해서 실제 실험 결과와 동일한 경계조건 하에 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과, 시뮬레이션과 실험간 개질기 가스 성분 조성이 유사하게 나타남을 확인하였다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 경향성이 유사하므로 같은 해석을 사용하여 반응기 디자인에 변화를 준 시뮬레이션을 진행하였다 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 하지만 실험의 횟수가 늘어날수록 수소 수득율이 소폭 감소 하였는데 이는 실험이 진행될수록 니켈을 주 원료로 한 개질기 내부 인코넬에 탄소 침착이 일어났기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 불활성 가스를 이용한 내부 세척 및 실험 직후 급격하게 온도를 내리지 않고 천천히 내림으로서 탄소 침착을 지연시킬 수 있다. 입구가 한 개인 디자인과 두 개인 디자인을 비교, 분석하였을 때 입구가 두 개인 개질기보다 입구가 한 개인 개질기에서 열 분포 및 내부유동, 수소 수득율이 우수하다는 결과를 얻게 되었다. 입구가 두 개인 개질기에서는 반응이 적게 일어나 내부 유속이 적고 직선적인 유동을 보이며, 흡열 반응이 주 반응인 화학 반응이 적게 일어나 입구가 한 개인 개질기보다 표면 온도는 높게 나타났다. 입구가 한 개인 개질기에서는 개질기 상단부에서 주로 개질반응이 일어나며 하단부로 갈수록 반응이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 유량이 적어 반응이 일찍 완료 되었다고 예측할 수 있다. 메탄 및 수증기의 유량을 증가시키면 반응기 하단부에서 까지 반응이 일어나 효율적인 수소 수득율을 보일 것으로 예상된다. 본 연구 결과로 고온개질기의 수증기 메탄 개질 반응의 운전조건은 한 개의 입구를 갖는 원통형의 개질기에 벽 온도는 1100℃, Steam Carbon Ratio(SCR) 3 일때 가장 우수한 효율를 보였다.

CFD를 이용한 SOFC용 10kW급 열교환식 개질기 내부 열유동 해석

이효송 대구대학교 2015 국내석사

(Abstract) Analysis and study of the reformer is global warming, due to the depletion of resources and environmental issues such as smog have been more concerned about the actual efficiency in a situation where the attention model to the hydrogen production unit, and small, the light weight and economy studies are underway to secure. For this reason, the shape of the reformer is becoming smaller and more complex. The need of CFD (Computational Fluid Dynamics) can be used widely in predicting the shape of the reformer and functions. But so far, but this paper on the interpretation and reaction models for many reformers ever released as a result of using a real reformer interpreted hagieneun is difficult to predict the exact outcome la. This is the actual operating conditions in the process of applying the scheme through a variety of analysis parameters are compared with the actual reformer reaction according to the shape and operating condition of the reformer considered error occurring due to a difficult problem in the application of a number of other variables would be there. Inside of which the temperature distribution is not considered by the state of exactly one of the heat transfer coefficient of the catalyst inside the reformer filled with a catalyst for the temperature condition of the heat exchanger, the chemical reaction for the chemical reaction and the other model of the actual reformer CFD analysis of shows the differences between the analytical model. In this paper, we proceed to compare the analytical model considering the heat transfer coefficient for the Nickel Catalysts filled the inside of the cylindrical model more chewy and reputation model. This study analyzes the cylindrical and planar steam reformer through computational fluid dynamics simulations. Installing the device in a number of holes distributed uniformly to the fluid flowing into the inlet to the analysis was performed. When the number of holes through the middle of the standard deviation 6x4 block flow can be confirmed that the most uniform. Fluid-structure is increased with an increased flow rate through the inlet of the thermal stress analysis and to determine that the FSI less than one have a significant impact to the wall thickness of the thermal stress. Reforming well plate reformer model used three kinds of chemical reactions (SR: steam, DSR reform: Mercury gas: Direct steam is WGS reforms) are considered as Arrhenius model and Xu. The purpose of this study was to precisely predict the hydrogen generation rate according to different inlet and the wall temperature condition. As the hydrogen generation was confirmed by the fact that the hydrogen concentration is increased at the outlet, water vapor, methane and the steam exhausted and the mass fraction decreases. A reforming reaction actively occurs along the high temperature region in the vicinity of the heat exchange surface. Parallel flow conditions was found to show a big stress distribution compared to Counter flow. Flatbed reformer outside temperature distribution through the internal reforming reaction analysis 900℃~700℃ in the condition was confirmed that it has the best modification efficiency. For a plate-like shape that is complementary emulsion heat transfer effect is significantly visible, but the flow of the fluid by not smooth for the shape to improve the flow of fluid seems to need. (초록) 지구온난화, 스모그 등의 환경문제와 자원고갈 문제로 인하여 연료전지와 수소 개질기는 현재 많은 관심을 받고 있다. 특히 수소 개질기는 고효율화 및 안정성 확보 뿐만 아니라 소형화, 경량화 등을 위해서 많은 연구가 진행되고 있다. CFD(Computational Fluid Dynamics)는 개질기 형상설계 및 성능예측을 위해 최근 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 현장의 개질반응을 정확하게 해석하기에는 해결해야 할 많은 문제들이 남아 있는 현실이다. 본 논문에서는 기존에 널리 사용되어 왔던 원통형 개질기와 단위 체적당 전열면적특성이 우수한 판형 개질기를 대상으로 연구를 진행하였다. 판형 개질기 설계에서는 원통형 개질기와는 달리 각각의 평판 열교환기 채널로 유동을 균등하게 분배하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 개질기의 입구에 장착된 천공된 두 평판을 이용하여 개질기 채널별로 균일한 유량을 공급할 수 있는 형상을 CFD를 이용하여 최적화하였다. 구조해석과 유동해석을 동시에 진행하는 FSI(Fluid Structure Interaction) 해석을 수행하여, 원통형 개질기의 열응력을 예측하였다. 해석결과 고온 공기측과 저온 공기측의 온도차가 큰 평행류에서 대향류에 비해 큰 열응력이 발생함을 확인하였다. 현재 가장 널리 사용되는 Xu 개질반응 모델을 이용하여 판형 개질기내부의 화학반응을 해석하였다. 해석결과 벽면 온도를 800℃ 이상으로 유지할 경우 평행류와 대향류 운전조건과 상관없이 약 86% 이상의 메탄이 소모되고 약 74% 이상의 출구 수소 몰분율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 반면, 개질가스가 입구부터 수소로 변환되는 특성에 의하여 평행류가 400℃∼900℃ 해석 구간에서 전반적으로 대향류에 비해 우수한 메탄전환율 과 출구 수소몰분율 특성을 보임을 확인하였다.

Zero Emission 분산형 에너지를 위한 1.5kW급 메탄 개질기 特性 硏究

곽민호 京畿大學校 大學院 2005 국내석사

최근 전력에너지의 소비량은 기하급수적으로 증가하고 있다. 전기 에너지 절약 및 여름철 피크부하는 전력 예비율과 상관하여 대단히 중요한 문제로 대두되고 있다. 따라서 피크전력을 피크시간대에서 다른 시간대고 옮길 수 있는 피크 쉬프트 제어방식의 적용이 필요하다. 즉 심야의 값싼 전력을 저장했다가 주간에 소비전력 증가 시에 사용하는 방식인 분산형 발전의 개발이 시급한 실정이다. 분산형 발전 중에서 수요가 많이 발생할 것으로 예측되는 기술은 연료전지 기술이다. 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 있으며, 수소를 만드는 방법 중에서 천연가스 개질(LNG reforming)이 널이 이용되고 있다. 본 연구에서는 천연가스 개질기(reformer)를 제작하여 운전한 결과와 simulation 결과를 비교하였다. 또한 개질기의 상용화를 위해서 고려하여야 할 중요한 인자들을 정리하였다. simulation은 실제 공정 분석에 많이 사용되고 있는 ASPEN PLUS을 이용하였다. 개질기의 주요 반응은 수소를 만들어내는 STR(Steam Reforming)과 CO를 제거하는 WGS(Water Gas Shift), PrOx(Preferential Oxidation) 반응이다. 본 연구에서는 촉매의 최적 활성을 나타내는 조건으로 시스템을 설계하였다. 이는 다음과 같다. 먼저 STR의 S/C(steam)/carbon ratio)는 3.0으로 고정하였고 압력은 1~2기압, 온도는 750℃의 조건이다. WGS와 PrOx는 각각2단의 반응기를 두어 CO제거에 효율성을 높였고, 전체시스템의 SV는 5000hr^(-1)로 하였다. 그리고 반응기의 보다 콤팩트화를 위해 metal fiber burner(lean burn)를 사용 하였다. 이러한 조건으로 개질기를 제작 운전하였고, 촉매의 활성 결과와의 운전결과와의 차이를 비교하였다. 실험 결과 등온반응기의 설계가 전체 시스템의 결과에 매우 중요한 부분 이라는 것을 확인하였다. 실제로 촉매의 최적활성을 보이는 온도와 시스템에 장착되어 최적활성을 보이는 온도가 차이를 보이고 있다는 것이 이를 증명한다. 최종 배출가스의 전체적 추이는 수소가 60%(wet base). CO가 1% 를 나타내었고, SR의 온도는 750℃, WGS는 250℃~300℃, PrOx는 180℃~200℃에서 최적의 운전이 이루어졌다. 본 연구에서 제작되어진 개질기의 크기의 대부분은 시스템의 콘트롤 부분과 Water Tank, 냉각부분이 전체 개질기 시스템 2/3을 차지하고 있다. 장치의 상용화를 위해서는 보다 컴팩트한 제품의 설계가 필요할 것으로 판단된다. Recently, the electric power consumption have been increasing exponentially. In case of a peak load related backup power in summer season, it has become conspicuous a long pending issue. Therefore, we really need the peak shift control method to move peak electric power consumption from a peak period to another period in daytime. We need an electric power production system of dispersion type. That is to say, we have to develop a distributed generation system which product electric power and save it at night and use it at daytime. Among the distributed generation system, a fuel cell technology is predicted that the potential demand is very high. The fuel cell is using hydrogen, and the LNG reforming technology is used very widely among this technology. In this study, we compared the practical operating results and the computer simulation results for reformer's efficiency by using LNG reformer. Also, we investigated the important factors considered to commercialize the reformer. We applied a computer simulation program ASPEN PLUS used in a field of process analysis practically. We could know that the main reactions were the STR(Steam Reforming) making hydrogen, PrOx(Preferential Oxidation) reaction removing CO. In the results of this study, we designed the system as follows to induce for an optimum activity of catalysts. Initial S/C(steam/carbon ratio) of STR was fixed by 3.0. Its pressure was 1-2atm, and the temperature was maintained at 750℃. WGS & PrOx designed dual reactor for rise CO removal efficiency. Moreover, we used the metal fiber burner(lean burn) to make reactor more compactly. Syngas composition was hydrogen 70%, CO 0.15% and CH4 0.21% (at dry base). It was SR 750℃, WGS 250℃~300℃ and PrOx 180℃~200℃ that temperature on steady state The size of the greater part of reformer made recently consisted of a control part, water tank, and their composition ratio were about 2/3 of the total reformer system. To commercialize this system, it is very important to decrease a total size of reformer.

촉매 부분 산화를 이용한 디젤 연료 개질기의 수치적 모델링

변용석 연세대학교 대학원 2011 국내석사

Cu/ZnO 일차원 나노구조 촉매가 조립된 마이크로 반응기 제작 및 메탄올 개질기 특성 연구

최대현 전북대학교 대학원 2009 국내석사

Recent increase in need of micro power sources for portable and autonomous micro systems drives research on micro fuel cell and micro fuel reformer as a key component of micro power generation system. To date, various concept of reforming system has been developed for hydrogen production for micro fuel cell and diverse micro scale hydrogen energy utilization. Especially, the Si-based micro fuel systems are becoming more significant because of its compatibility with conventional micro-electro-mechanical-systems (MEMS) technology and capability for the extension to chip size reforming system and fuel cells. They can be fabricated using conventional semiconductor technologies such as material deposition processes, wet/dry etching and wafer bonding processes. However, these technologies have often suffered from the lack of appropriate materials or manufacturing routs although the limitations are getting better by the advent of new technologies and materials. To address these issues, the goal of this work is to develop novel miniaturized methanol steam reformer which consists of nanostructure Cu/ZnO catalyst, wafer-level BCB (bisbenzocyclobutene) bonding and silicon based micro rector using the conventional semiconductor technology. First, the effective design of the micro reforming system was performed by full 3D simulation which considered various conditions such as pressure drop, surface reaction and mass transfer. Simulation results showed good agreements with the reported experiment data. In the next step, novel methanol steam reformer system was designed using simulation tools. To fabricate methanol reformer system, novel Cu/ZnO nanostructure based catalyst was developed in this work. The catalyst was synthesized using sequential process which is composed of simple thermal evaporation of Zn metal powder and thermal annealing of Cu. In addition, novel bonding technology using BCB was adapted for wafer level bonding. The bonding technology was evaluated in terms of chemical, thermal and mechanical stability under the methanol steam reforming environment. Finally, the performance of the fabricated micro reformer was evaluated as functions of methanol feed rate, and reactor temperature.

고장 수목 분석법을 이용한 건물/가정용 개질기 고장 원인 분석 방법

송인혁 부산대학교 대학원 2023 국내석사

개질기는 도시 가스와 같은 메탄과 수증기를 일정 온도에서 반응시켜 수소를 메탄에서 분리하여 추출하는 장치이다. 건물/가정용 개질기는 이러한 방식을 이용하여 추출된 수소를 수소 연료 전지 시스템에 공급하여 전기 및 온수를 생산하고, 이를 건물/가정에 사용하거나 전원 공급 비상용 장치로 이용된다. 하지만 현재 건물/가정용 개질기에서 고장에 대한 진단 방법에 관한 연구나 결과가 없어 제작자 혹은 사용자의 경험에 의한 원 인 특정과 간단한 해결 방법을 제시하는 것으로 사용되고 있다. 이에 따라 건물/가정용 개질기 고장 진단 방법에 대한 연구가 요구되고 있다. 본 연구에서는 건물/가정용 개질기 고장 진단 방법에 관한 제안으로, FTA(Fault Tree Analysis) 방법을 사용하여 “장비 가동 중단(System Shut Down)”을 가장 큰 예상 사고를 선정하여, 이에 대한 원인을 분석하고 분할하여 더 이상 분할할 수 없는 원인 인 기본 사상까지를 순차적, 도식적으로 논리 게이트를 이용하여 연결하는 고장 원인들에 대한 FT(Fault Tree)를 제작하여 제안하였다. 또한, 실제 발생한 고장의 예를 통해 본 연구를 통해 제작된 FTA와 대비하여 고장 원인을 특정하였고, 실제 발견한 원인과 비교하는 검증을 수행하여 그 결과가 동일함을 확인하였다. 본 연구 결과에 따르면 특정 사고 발생 시 제안된 FTA를 통해 기본 사상을 분석하여 고장 원인을 쉽고 빠르게 특정할 수 있다. 그리고, 제안된 FTA를 제어 프로그램 혹은 관제 프로그램에 적용하게 되면, 고장 원인 특정과 해결 방안을 동시에 제공할 수 있 게 된다. 또한 기본 사상의 데이터 분석을 통해 발생될 수 있는 고장에 대하여 예측할 수 있고, 고장 예방 활동을 통하여 고장이 발생하지 않는 건물/가정용 개질기를 운용할 수 있게 될 것이다.

곡유로 채널형 수증기-메탄올 개질기의 물질전달 및 전환율에 관한 연구

장현 경상대학교 대학원 2015 국내석사

There is great interest in producing hydrogen for small fuel cell applications to provide high volumetric and gravimetric energy density for miniaturized portable electronic systems. Of special interest is the need to develop efficient micro-reformers to convert hydro-carbon fuel into hydrogen which can be delivered to a proton exchange membrane fuel cell to produce electricity. However, most researches performed domestically have been focused on a cylindrical or rectangular channel reformer with a catalyst packed bed. This type of reformer has a low efficiency and the systematic analysis of reforming convert processes in the reactor has not been performed yet. The curved channel steam-methanol reformer was designed to resolve those problems and to apply such to Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). Flow characteristics and mass transfer characteristics of steam-methanol mixture have been investigated and numerically analyzed to improve the conversion efficiency of methanol in the reactor. As a result, methanol conversion efficiency was dominantly affected by the residence time of the methanol mixture in the reactor. It is also figured out that a rectangular type tube and bent tube angle of 45 degrees can be guaranteed with uniformity of methanol concentration than a round type tube and bent tube angle of 90 degrees. Such is expected to be useful basic design data to help in designing and improving a steam-methanol reformer.

수증기 개질기의 형상 및 운전조건 변화에 따른 열 유동 및 개질 효율 특성

변강수 高麗大學校 大學院 2011 국내석사

Hydrogen is considered as a fuel of the future for its renewability and environmental compatibility. The main objective of this paper is to investigate characteristic of steam reformer at various geometries and operating conditions. The steam reforming reaction of natural gas is known to be the most popular technology among the reforming reaction such as ATR and POX. In this paper, the steam reforming is studied by a numerical method and three dimensional simulations were used for effective analytical study. User ? Defined Function (UDF) was used to simultaneously calculate reforming and combustion reaction. And the numerical model is validated with experimental results at the same operating conditions. In order to understand the relationship between operating conditions such as steam to carbon ratio(SCR), gas hourly space velocity(GHSV), mass flow rate of combustor inlet, various numerical investigations are carries out for various geometries. Numerical results show that cylindrical geometry is more effective than rectangular geometry for heat transfer to reactors and reforming efficiency. As mass flow rate of combustor inlet increase, reaction occurs more faster and temperature increase with each geometry. In the case of GHSV increase, reaction and conversion rate decrease. Reforming efficiency, Cylindrical geometry is more effective than Rectangular geometry. When SCR(Steam to Carbon ratio) increases, CO decrease since WGS reaction becomes more active and dry base concentration of H2 is increases.

촉매 유효도 상관식을 이용한 모노리스형 수증기 메탄 개질기의 CFD 해석 모델

오윤석 서울대학교 대학원 2020 국내석사

최근 많은 문헌에서 수증기 메탄 개질(Steam methane reforming)을 이용하여 수소를 생산하는 연료전지 응용 분야와 같은 소용량(small scale) 개질기 시스템에 대한 많은 수치적 연구들이 수행되고 있다. 개질기 성능의 정확한 예측을 위해 상당히 많은 수의 격자계를 필요로 한다. 또한 화학 반응을 포함하는 개질 공정을 고려한 CFD 해석은 정확한 계산을 위해 더 많은 수의 격자가 불가피하며, 이에 따라서 계산 비용(computational cost)을 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 유효도 촉매 상관식을 이용하여 계산 영역의 격자 수를 줄이고 계산 비용을 줄이는 효율적인 CFD 모델을 제안하였다. 해석 모델은 니켈(Ni) 와시코트 층이 코팅된 사각 채널 형상의 모노리스형 수증기 메탄 개질기에 대해서 해석을 수행하였고, 개질기의 성능을 실험값과 비교하여 검증하였다. 개질기 내에서 발생하는 열전달, 유체 유동 및 화학반응이 고려된 복잡한 계산은 상용 툴인 ANSYS FLUENT를 사용하여 적절한 운전 조건에서 수행되었다. 1 bar 압력, 873-1073K의 온도 및 SC 3의 범위에서 각 변수의 영향을 조사하기 위해 운전 조건을 변화시키며 수행되었다. 개발된 3차원 해석 모델의 타당성을 입증하기 위해 기존의 실험치를 사용하여 모델의 예측치와 비교 검증하였다. 또한 상세 모델과 촉매 유효도 모델의 계산 시간을 비교하여 모델의 효율성 또한 확인하였다. In recent years, many studies have focused on the development of small-scale methane reformer systems suitable for fuel cell applications. An accurate prediction of the reforming process is essential for designing the reformer systems and determining their optimal operation policies. In this regard, computational fluid dynamics (CFD) provides a proper tool to obtain the detailed information needed for such design and optimization tasks. However, CFD simulations with realistic reformer geometries require significant computational costs because large numbers of grid points are inevitable to accurately consider the reforming process in thin reaction zones. In this study, we propose an efficient CFD model that can greatly reduce the computational costs by using the effectiveness factor correlations. The coupled heat transfer, mass transfer, fluid flow, and chemical reactions inside the reformer are calculated using ANSYS FLUENT. The accuracy and efficiency of the proposed CFD model is demonstrated by simulating a monolithic steam methane reactor composed of square channels coated with Ni washcoat layers and then comparing the results with available numerical and experimental data.