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

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• Abstract (Korean) i
• Abstract (English) ii
• Table of contents iii
• Nomenclature 1
• List of tables 3
• List of figures 4
• Chapter 1. 서론 5
• Chapter 2. SMR 개질기 수치 모델 8
• 2.1. SMR 반응 지배방정식 8
• 2.2. WGS 반응 지배방정식 11
• 2.3. 개질기 시뮬레이션, 물성치, 형상 및 작동조건 12
• Chapter 3. 결과 및 고찰 20
• 3.1. SMR 촉매부의 수소생성율, 반응물∙생성물 분포, 온도 분포 분석 20
• 3.2. WGS 촉매부의 수소생성율, 반응물∙생성물 분포, 온도 분포 분석 21
• 3.3 SMR 개질기 전체의 수소생성율, 온도 분포 분석 22
• 3.4 공급 개질가스 내 수증기:물=50:50 조건 하에서 SMR 개질기의 수소생성율, 반응물∙생성물 분포, 온도 분포 분석 23
• 3.5열 교환기부의 길이를 증가시켰을 때의(250mm→350mm) 개질기의 수소생성율, 반응물∙생성물 분포, 온도 분포 분석 24
• 3.6 SMR 촉매부, WGS 촉매부 내부에서 거리에 따른 수소생성율, 반응물∙생성물 분포, 온도 분포 변화 분석(공급 개질가스 내 수증기:물=50:50, 100:0, HX=350mm) 25
• Chapter 4. 결론 42
• Acknowledgements 44
• References 46