고온열을 이용한 고온수증기전기분해장치(HTSE)에 의한 수소생산 특성에 관한 전산유체해석적 연구 A CFD Analysis Study on the Characteristics of Hydrogen Production by High Temperature Steam Electrolysis(HTSE) Using High Temperature Heat원문보기
고온수증기전기분해(HTSE) 장치의 수소생산 및 열 화학적 특성을 파악하고자 COMSOL $^Multiphysics^{(R)}$를 사용해 2차원 정상상태 수치해석을 실시하였다. 계산을 위한 주요 파라메터로는 작동전압, ASR(Area-specific Resistance) 및 유입가스의 온도와 압력 등이다. 해석결과 1.2454 V에서 Thermal-neutral Voltage가 나타나고, 작동 전압이 증가함에 따라 Cell의 내부 온도가 단조 증가하는 것이 아니라 Thermal-neutral Voltage를 기준으로 낮은 전압에서는 Cell의 온도가 감소하고, 높은 전압에서는 Cell의 온도가 증가하였다. 또한, ASR 값이 증가함에 따라 Cell 내부의 온도는 하강하고, 수소생산율도 낮아지는 경향을 보였다.
고온수증기전기분해(HTSE) 장치의 수소생산 및 열 화학적 특성을 파악하고자 COMSOL $^Multiphysics^{(R)}$를 사용해 2차원 정상상태 수치해석을 실시하였다. 계산을 위한 주요 파라메터로는 작동전압, ASR(Area-specific Resistance) 및 유입가스의 온도와 압력 등이다. 해석결과 1.2454 V에서 Thermal-neutral Voltage가 나타나고, 작동 전압이 증가함에 따라 Cell의 내부 온도가 단조 증가하는 것이 아니라 Thermal-neutral Voltage를 기준으로 낮은 전압에서는 Cell의 온도가 감소하고, 높은 전압에서는 Cell의 온도가 증가하였다. 또한, ASR 값이 증가함에 따라 Cell 내부의 온도는 하강하고, 수소생산율도 낮아지는 경향을 보였다.
The characteristics for hydrogen production and the thermochemical properties of high temperature steam electrolysis(HTSE) device have been numerically analyzed in a two-dimension, steady-state with using the COMSOL $Multiphysics^{(R)}$. The main parameters for the calculation are applied...
The characteristics for hydrogen production and the thermochemical properties of high temperature steam electrolysis(HTSE) device have been numerically analyzed in a two-dimension, steady-state with using the COMSOL $Multiphysics^{(R)}$. The main parameters for the calculation are applied voltage, ASR(Area-specific Resistance), temperature and pressure of the inlet gas flow. The results showed that thermal-neutral voltage was 1.2454 V and rather than the cell temperature increases or decreases with increasing applied voltage by thermal-neutral voltage starting this voltage the temperature in high voltage tended to rise and temperature in the low voltage tended to fall. And with, increasing the values of ASR, temperature inside the cell and the hydrogen production rate were decreased.
The characteristics for hydrogen production and the thermochemical properties of high temperature steam electrolysis(HTSE) device have been numerically analyzed in a two-dimension, steady-state with using the COMSOL $Multiphysics^{(R)}$. The main parameters for the calculation are applied voltage, ASR(Area-specific Resistance), temperature and pressure of the inlet gas flow. The results showed that thermal-neutral voltage was 1.2454 V and rather than the cell temperature increases or decreases with increasing applied voltage by thermal-neutral voltage starting this voltage the temperature in high voltage tended to rise and temperature in the low voltage tended to fall. And with, increasing the values of ASR, temperature inside the cell and the hydrogen production rate were decreased.
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문제 정의
이에 이 연구에서는 Free Mesher(Triangules)을 이용하여 입구/출구 영역과 반응이 있어나는 채널 내부 영역으로 나누어 격자를 생성하였으며, 접촉면에서는 보다 조밀하게 배치하여 해석결과의 정확도를 높이고자 하였으며, 반응이 일어나는 채널에서의 Maximum mesh size는 5.0 E-04 m 이다.
가설 설정
95 % H2O + 5 % H2로 유입된 가스는 각 Channel 부분에서만 반응하며, 생성되는 O2는 전부 Air side로 전달되는 것으로 가정하였다.
화학종 보존식 해석을 위한 경계조건으로 채널 입구에서 농도조건을 설정하였고, 채널 출구에는 대류조건(Convective flow)으로 가정하였다. 또한, 화학 반응은 각 채널에서 일어나는 것으로 가정하였고, 반응에 의해 생성된 O2는 전부 Anode side로 유입되는 것으로 가정하였으며, 입구/출구에서는 반응이 일어나지 않는 것으로 설정 하였다.
앞에서 살펴본 고온수증기전기분해장치에 관한 실험 및 계산들은 1기압 하에서 이루어졌으며 특히, 수치계산의 경우 각 Cell의 채널에 고온의 수증기가 일정하게 유입되어 반응이 일어나는 것으로 가정하였다.
화학종 보존식 해석을 위한 경계조건으로 채널 입구에서 농도조건을 설정하였고, 채널 출구에는 대류조건(Convective flow)으로 가정하였다. 또한, 화학 반응은 각 채널에서 일어나는 것으로 가정하였고, 반응에 의해 생성된 O2는 전부 Anode side로 유입되는 것으로 가정하였으며, 입구/출구에서는 반응이 일어나지 않는 것으로 설정 하였다.
제안 방법
1) Cell 내부에서의 수증기(H2O)와 수소(H2) 농도 분포 및 각 채널에서의 반응속도를 비교하였다. 그 결과 Cell의 입구에서 출구로 가스가 이동하면서 수소(H2)의 농도는 증가하고, 수증기(H2O)의 농도는 감소함을 확인하였다.
2) 작동전압(E)의 변화에 따른 Cell 내부의 온도분포에 관한 해석 결과를 선행 연구결과와 비교하였다. 그 결과 작동전압(E)이 증가함에 따라 온도가 일정하게 증가하거나 감소하는 것이 아니라, Cell에 요구되는 흡열 반응열과 Ohmic 열 생성이 평형을 이루는 Thermal-neutral Voltage 1.
3) 모든 해석조건이 동일한 경우 ASR 값이 Cell 내부의 온도분포에 미치는 영향을 파악하였다. 그 결과 ASR 값이 증가함에 따라 Cell 내부의 온도가 하강하여 수소생산 Flux 값도 감소하였다.
4) ASR 값이 수소생산율에 미치는 특성을 파악하였다. 그 결과 유입가스의 온도는 높을수록, ASR 값은 작을수록 수소 생산량이 증가함을 확인하였다.
Fig. 4는 고온수증기전기분해장치(HTSE)의 개략적인 모습으로 이 연구의 수치해석 모델이며, 앞서 살펴본 단셀 SOEC를 기준으로 간결하고 효율적인 수치해석을 위해 Steam/hydrogen(Cathode) side에 대해서만 계산을 수행하였다.
여기서 EOCV는 온도의 함수이므로 온도에 따라 변화한다고도 할 수 있다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 이 연구의 경우 ASR을 3으로 고정하여 계산을 수행하였다. 따라서 ASR의 변화에 따른 영향을 살펴볼 필요가 있다.
내부의 경계조건으로는 연속조건을 사용하였으며, Symmetry와 No slip 조건을 사용 하였으며, 질량보존식과 운동량 보존식은 채널을 비롯한 모든 영역의 해석에 사용되었다.
본 연구에서는 고온수증기전기분해장치(HTES)에 대한 열 · 화학 특성 및 수소 생산능력을 조사하기 위해 전산유체해석을 행하였으며, 계산을 위해 사용된 프로그램은 상용 FEM Code인 COMSOL Multiphysics®이며, 2차원 정상상태 수치해석을 행하였다(Pryor, 2009).
수치해석에는 INL의 실험 시 사용된 Cell을 기준으로 하여 하나의 Cell에 존재하는 32 Channels 전부에 대해 수치계산을 실시하였으며, 실제 VHTR과 연결된 HTSE의 조건과 동일 하도록 850 ℃, 5 MPa, 95 % H2O + 5 % H2가 HTSE 내부로 유입되는 조건을 설정하였고, 작동 전압에 따른 현상의 차이를 알아보기 위해 여러 전압에서 Cell의 열 · 화학특성, Cell의 압력, ASR(Area Specific Resistance)의 변화 및 가스의 유입 온도에 따른 특성을 조사하였다.
에너지 보존식 해석을 위한 경계조건으로 입구조건은 초기 온도조건을, 출구조건은 Convective flux 조건을 사용하였으며, 대류와 전도의 효과를 고려한 열 전달 방정식을 사용하였고, 복사 열전달에 의한 효과는 고려하지 않았다.
연속방정식, 운동량방정식, 화학종 보존방정식 및 에너지 보존방정식을 연계하여 수치해석을 행하여, 오차범위 10-6이내에서 결과를 얻었다.
유동장 해석을 위한 경계조건으로 입구조건은 속도 조건으로, 출구조건은 압력 조건을 사용하였다.
이 연구에서는 고온수증기전기분해(High Temperature Steam Electrolysis, HTSE)장치에 관한 열·화학적 특성 및 수소 생산능력을 파악하기 위해 COMSOL Multiphysics® 프로그램을 사용하여 2차원 정상상태 전산유체해석을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
수치해석 모델의 입구와 출구의 폭은 각각 10 ㎜, 각 채널의 폭은 1 ㎜, 길이는 80 ㎜이며, 총 32개의 Channels이 있다.
데이터처리
계산을 위해 사용된 프로그램은 상용 FEM Code인 COMSOL Multiphysics®로 2차원 정상상태 수치해석을 행하였으며, Direct Solver 및 Iterative Solver를 사용하여 물성치를 구하였다.
성능/효과
5) ASR이 3 Ω · ㎠이고, 1.400 V 및 Thermal-neutral Voltage 인 1.2454 V의 전압을 가하였을 때, 8 ㎝ × 8 ㎝ 단위 전해셀에서의 평균 수소생산량이 시간당 약 4.279 NL와 2.890 NL로 나타났으며 300 ㏖/s의 수소를 생산하기 위해 갖추어야할 전해셀의 총 개수는 각각 5,652,312장과 8,365,868장에 이르며, 소모되는 전기에너지는 81,043 kJ/s 및 72,094 kJ/s로서 초고온가스로의 PCU(Power Conversion Unit) 효율을 0.48, AC/DC 전환 효율을 0.95로 상정했을 때 177,726 kJ/s와 158,101 kJ/s의 열에너지에 상당한다.
ASR이 1 Ω · ㎠일 때 0.463 ㏖/㎡ · s, ASR이 2 Ω · ㎠일 때 0.458 ㏖/㎡ · s, ASR이 3 Ω · ㎠일 때 0.455 ㏖/㎡ · s로 ASR 증가할수록 값이 조금씩 감소하는 것을 알 수 있다.
결과를 보면 모든 경우에서 반응항이 작용하는 채널에서 온도의 변화가 일어나며 특히, 채널의 중앙부분에서 최소 및 최대 온도를 나타내면서 온도의 변화가 크게 나타난다. 또한, Cell의 최소온도를 나타내는 전압 E가 0.
3) 모든 해석조건이 동일한 경우 ASR 값이 Cell 내부의 온도분포에 미치는 영향을 파악하였다. 그 결과 ASR 값이 증가함에 따라 Cell 내부의 온도가 하강하여 수소생산 Flux 값도 감소하였다.
) 농도 분포 및 각 채널에서의 반응속도를 비교하였다. 그 결과 Cell의 입구에서 출구로 가스가 이동하면서 수소(H2)의 농도는 증가하고, 수증기(H2O)의 농도는 감소함을 확인하였다. 또한, Cell 중앙에 위치한 채널에서 수증기(H2O)의 감소와 수소(H2)의 증가(반응) 속도가 빠르게 나타난 반면, Cell의 양쪽 Side로 갈수록 채널에서의 반응속도가 현저히 느려짐을 확인하였다.
4) ASR 값이 수소생산율에 미치는 특성을 파악하였다. 그 결과 유입가스의 온도는 높을수록, ASR 값은 작을수록 수소 생산량이 증가함을 확인하였다.
2) 작동전압(E)의 변화에 따른 Cell 내부의 온도분포에 관한 해석 결과를 선행 연구결과와 비교하였다. 그 결과 작동전압(E)이 증가함에 따라 온도가 일정하게 증가하거나 감소하는 것이 아니라, Cell에 요구되는 흡열 반응열과 Ohmic 열 생성이 평형을 이루는 Thermal-neutral Voltage 1.2454 V의 전압이 존재하여, 이 전압을 기점으로 높은 전압에서는 온도가 상승하고 낮은 전압에서는 온도가 하강하는 경향을 보였다.
그러나 ASR에 따른 최대 온도를 살펴보면, ASR이 1 Ω · ㎠ 인 경우 1144.36 K, ASR이 2 Ω · ㎠ 인 경우 1133.66 K, ASR이 3 Ω · ㎠ 인 경우 1130.08 K 로 ASR이 증가할수록 온도는 감소하는 것을 알 수있다.
, 2007)들과 동일한 경향을 보이고 있는 것을 알 수 있다. 그러나 작동전압 1.2454 V를 기준으로 평균 온도의 감소와 증가하는 비율이 다른 연구에 비해 낮은 경향을 보이는데, 이것은 본 연구의 계산 조건으로 사용된 ASR의 값이 3으로 다소 큰 값을 사용한 것과, 5 MPa이라는 높은 압력 그리고 주위의 경계조건의 영향이 있었을 것으로 생각된다. 특히, 주위의 경계조건이 1123 K온도일정으로 설정하였는데, 이 조건으로 인해 반응이 일어나는 채널의 부분에 영향을 미쳐 낮은 작동 전압의 경우에는 채널의 온도를 다소 높이고, 높은 작동 전압의 경우에는 채널의 온도를 낮추는 조건이 되기 때문이라 사료된다.
그 결과 Cell의 입구에서 출구로 가스가 이동하면서 수소(H2)의 농도는 증가하고, 수증기(H2O)의 농도는 감소함을 확인하였다. 또한, Cell 중앙에 위치한 채널에서 수증기(H2O)의 감소와 수소(H2)의 증가(반응) 속도가 빠르게 나타난 반면, Cell의 양쪽 Side로 갈수록 채널에서의 반응속도가 현저히 느려짐을 확인하였다.
400 V에서의 수증기(H2O)와 수소(H2)의 농도 분포를 나타낸다. 수증기는 515.49 ㏖/㎥에서 515.291 ㏖/㎥으로 감소하고, 수소는 27.131 ㏖/㎥에서 27.33 ㏖/㎥으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 흥미로운 점은 그 분포를 살펴보면 가운데 채널에서 빠른 수증기의 감소와 수소의 증가를 보이고 양 사이드로 갈수록 늦은 속도로 수증기가 감소하고 수소가 증가하고 있다는 것을 알 수 있다.
33 ㏖/㎥으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 여기서 흥미로운 점은 그 분포를 살펴보면 가운데 채널에서 빠른 수증기의 감소와 수소의 증가를 보이고 양 사이드로 갈수록 늦은 속도로 수증기가 감소하고 수소가 증가하고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 가스의 분포가 전체의 채널에서 일정하게 증가하고 감소하지 않는다는 것을 의미한다.
288 V에서는 HTSE의 평균온도는 약 1123 K이나 반응이 일어나는 채널 중앙 부분에서 약간 증가하는 경향을 나타내고 있다. 즉, 이 연구의 대상인 HTSE의 경우 1.2454 V을 기준으로 낮은 전압에서는 온도가 낮아지면서 1.08 V에서 최소값을 가지고 다시 커지는 현상을 나타내고 있으며, 1.2454 V이상의 전압에서는 계속해서 상승하고 있는 것을 볼 수 있다.
후속연구
많은 수의 Cell을 가진 Stack인 경우 그 차이는 더욱 클 것이다. 또한, 이에 따른 온도 및 농도분포도 변화하여 Cell내부의 성능에도 차이가 있을 것으로 생각되며, 이를 고려하여 전기분해장치를 설계할 필요가 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상온에서 물을 전기분해하여 수소를 생산할 경우의 단점은?
일반적으로 상온에서 물을 전기분해하여 수소를 생산할 경우 분해 전압이 떨어지고 동시에 전극에서의 과전압이 저하하며 이로 인해 수소의 생산 효율은 24 %～32 %로 매우 낮은 편이다. 이에 반해 고온열을 생산할 수 있는 초고온가스원자로 (Very High Temperature Reactor, VHTR)에 고온수증기전기분해장치(HTSE)를 연계하여 수소을 생산할 경우 45 %～55 %의 매우 높은 수소 생산효율을 가질 수 있을 뿐만 아니라 열화학 분해법에 의한 부식현상이 발생하지 않는다.
고온열을 이용한 수소생산 방법 중 세계적으로 궁극적인 목표로 삼는 방법은 무엇인가?
미국과 일본을 비롯한 세계 여러 나라에서 궁극적인 개발 목표로 삼고 있는 것은 물을 원료로, 고온열을 이용한 열화학 분해법이다. 이 외에도 전기분해법, 고온수증기전기분해법, 원자로의 열을 이용한 천연 가스 수증기 개질법 등 여러 가지 방법이 제안, 연구·개발되고 있다.
열화학 분해법에 의한 수소생산효율은 얼마인가?
열화학 분해법에 의한 수소생산효율은 45 %～52 %를 달성할수 있으나 대부분의 열화학 프로세스들이 900 ℃～1000 ℃의 높은 온도를 필요로 하고, 이로 인해 각종 설비에 심각한 부식 현상을 초래할 수 있다(O'Brien et al., 2004a).
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