[논문]열전달 향상을 위한 새로운 MCFC 연료전지용 프리컨버터의 수치해석

손창현

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.8.753

초록
AI-Helper

본 연구는 MCFC용 벽면가열 방식 프리컨버터의 낮은 열전도율 때문에 발생하는 벽면 고온 발생 문제를 해결하기 위한 두 가지 방안을 수치해석을 통해 연구하였다. 프리컨버터 내부에 열전도율이 높은 다공성판을 설치한 경우 벽면에서 중심부위로 열전달이 향상되어 수소 생성이 벽면부위에 국한되지 않고 촉매내부에 좀 더 균일하게 발생되는 것을 확인하였다. 그리고 촉매 내부에 일정한 두께의 빈 공간을 중심, 1/2 그리고 4/5 위치에 두고 해석하여 결과를 비교하였고, 1/2위치의 빈 공간이 다른 경우에 비해 연료전환이 보다 이상적인 경우에 근접하지만 열전도율이 높은 다공성판의 설치가 보다 효과적임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, two proposals for the wall heating preconverter of an MCFC are numerically studied to resolve hot temperature generation near the wall by the low thermal conductivity of the catalyst. The numerical results show that the inserted porous cupper plates on the catalyst evidently improve h...

In this study, two proposals for the wall heating preconverter of an MCFC are numerically studied to resolve hot temperature generation near the wall by the low thermal conductivity of the catalyst. The numerical results show that the inserted porous cupper plates on the catalyst evidently improve heat transfer and realize more uniform reforming in the preconverter. The calculated results for the preconverter with a circumference empty space of catalyst located at center, 1/2 and 4/5 from center line are compared. The circumference empty space located at 1/2 position shows better results than other cases, but the positive effect on the uniform reforming process is less than in the case of inserted cupper porous plates on the catalyst.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 MCFC용 벽면가열 방식 프리컨버터의 벽면에 고온이 발생하는 문제를 해결하고 촉매 내부 열전달 향상을 위해 수치해석을 수행하였다. 축대칭 해석과 3차원 해석 결과 비교를 통하여 축대칭 해석으로도 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 벽면 가열 프리컨버터에서 촉매의 낮은 열전도율로 생성되는 벽면 고온 발생을 억제하고자 새로이 제안한 MCFC용 프리컨버터 들을 열유동해석을 통해 그 유효성을 확인하고자 한다. 해석은 상용프로그램인 CFD-ACE⁽⁷⁾를 사용하였으며, 촉매내부에서 일어나는 주요 개질 반응은 사용자 부프로그램 (User Subroutine)을 이용 하였다.

제안 방법

Ni 촉매 내부에 이상적으로 균일하게 4.5kW을 공급할 경우 이론적인 수소 연료전환율은 10%가 되며 이를 수치해석을 통해서도 확인하였다. (6) 그러나 개발하고자하는 프리컨버터는 벽면 열량공급 방식을 적용하고 있으며 촉매의 낮은 열전도율로 인해 벽면부근에서 고온이 발생하고 이로 인해 과다한 화학반응이 발생하여 연료전환율이 예측 값보다 높게 나타났다.
3은 프리컨버터 해석을 하기 위한 축대칭 형상과 연료공급 유입구를 간략화한 3차원 형상및 3차원 형상을 보여주고 있다. 벽면은 단열조건을 적용하였고 입구조건은 질량유량 조건으로 부터 입구 유입속도(2.14m/s) 와 675K의 온도 및각 공급물의 농도를 주었다. Fig.
2에서 입구 삼각형 격자 이후 유동 균일화 장치가 설치되어 있으며,⁽⁶⁾ 프리컨버터의 벽면 철판 두께는 4mm이고 Steel_AISI_2020의 열전도율 48W/m·K를 사용하였다. 유동은 촉매인 다공성 매질을 지나기 때문에 유입구 영역의 난류 유동 성분도 프리컨버터의 본체내부에서는 층류 유동화 될 것으로 판단하여 층류유동으로 해석하였고, 3차원 해석과 축대칭 해석 결과를 비교하였다.
촉매영역내부에 Fig. 12와 같은 원주 둘레방향으로 빈 공간을 만들면 유동저항이 작은 빈 공간으로의 유량이 증가 되고 이로 인해 촉매 중심부로 보다 균일한 화학반응을 유도할 수 있을 것을 기대하고 해석을 시도하였다.

대상 데이터

5kW의 추가 열량이 필요한 것으로 계산되었으며⁽⁴⁾ 외부 벽면을 통해 열량을 공급하는 방식으로 설계되어 있다. 격자는 형상변화가 심한 입구와 출구영역에 Fig. 2와 같은 삼각형 격자를 사용하고 나머지는 사각형의 정렬격자를 사용한 혼합형 격자(hybrid mesh)을 적용하였고, 격자수는 형상에 따라 28,000~36,000정도를 사용하였다. 풍상차분법(Upwind Scheme) 을 적용하였고, 수렴조건은 1x10-5이하로 설정하였다.
입구조건은 질량유량조건을 만족하는 일정속도와 675K의 온도 및 각 공급물의 농도는 CH4 (0.3154), H2O (0.6637), CO2 (0.0037), N2 (0.0037) 인 실험조건을 적용하였다. 해석을 위한 경계조건은 Table 1에 나타내었다.

데이터처리

본 연구에서는 벽면 가열 프리컨버터에서 촉매의 낮은 열전도율로 생성되는 벽면 고온 발생을 억제하고자 새로이 제안한 MCFC용 프리컨버터 들을 열유동해석을 통해 그 유효성을 확인하고자 한다. 해석은 상용프로그램인 CFD-ACE⁽⁷⁾를 사용하였으며, 촉매내부에서 일어나는 주요 개질 반응은 사용자 부프로그램 (User Subroutine)을 이용 하였다.^(5,6)

이론/모형

다공성 매질에 대한 유효열전도 계수는 Gurau 등(8)의 모델인 식 (5)을 적용하였다. 식 (5)에서 ks와 kf는 고체와 유체의 열전도계수이며, 프리컨버터의 화학반응은 Ni촉매표면의 화학반응이 전체 반응속도를 결정한다는 가정하에 Langmuir -Hinshelwood 모델을 이용하여 화학반응률을 계산 하였다.
다공성 매질에 대한 유효열전도 계수는 Gurau 등(8)의 모델인 식 (5)을 적용하였다. 식 (5)에서 ks와 kf는 고체와 유체의 열전도계수이며, 프리컨버터의 화학반응은 Ni촉매표면의 화학반응이 전체 반응속도를 결정한다는 가정하에 Langmuir -Hinshelwood 모델을 이용하여 화학반응률을 계산 하였다. 프리컨버터 내의 화학반응은 Xu & Froment (9)가 제시한 식 (2), (3), (4)의 세 가지 화학반응을 사용하였고 자세한 내용은 참고 문헌⁽⁶⁾ 에 나타나 있다.
2와 같은 삼각형 격자를 사용하고 나머지는 사각형의 정렬격자를 사용한 혼합형 격자(hybrid mesh)을 적용하였고, 격자수는 형상에 따라 28,000~36,000정도를 사용하였다. 풍상차분법(Upwind Scheme) 을 적용하였고, 수렴조건은 1x10-5이하로 설정하였다. Fig.
프리컨버터 내의 화학반응은 Xu & Froment (9)가 제시한 식 (2), (3), (4)의 세 가지 화학반응을 사용하였고 자세한 내용은 참고 문헌(6) 에 나타나 있다.

성능/효과

(5) 탈산화촉매 제거로 인해 발생되는 와류유동은 유동균일화 장치를 설치하여 억제할 수 있었고, 촉매의 낮은 열전도도로 인해 가열벽면 부근에서 고온이 발생하여 화학반응이 벽면에만 집중되어 촉매의 소모가 불균일해질 수 있는 현상을 확인할 수 있었다. ⁽⁶⁾
5kW을 공급할 경우 이론적인 수소 연료전환율은 10%가 되며 이를 수치해석을 통해서도 확인하였다. (6) 그러나 개발하고자하는 프리컨버터는 벽면 열량공급 방식을 적용하고 있으며 촉매의 낮은 열전도율로 인해 벽면부근에서 고온이 발생하고 이로 인해 과다한 화학반응이 발생하여 연료전환율이 예측 값보다 높게 나타났다. (6) 촉매의 일부영역에서만 화학반응이 생겨 불균일하게 수소가 생성되는 것은 촉매 소모에 따른 유지 및 보수에 심각한 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문에 촉매 내부 전체에서 화학반응이 일어나게 프리컨버터를 설계하는 것이 중요하다.
프리컨버터 내부에 열전도율이 높은 다공성판을 설치한 경우 벽면으로부터 중심으로의 열전달이 향상되어 수소 생성이 벽면 부위에 국한되지 않고 내부에 고르게 발생되는 것을 확인하였다. 그리고 촉매 내부에 원주 방향의 빈 공간을 촉매의 중심, 1/2지점, 4/5지점에 두고 해석하여 결과를 비교하였고, 1/2지점이 다른 경우에 비해 연료전환율이 이상적인 경우에 근접하지만 열전도율이 높은 다공성판의 설치가 보다 효과적임을 확인할 수 있었다.
6%내에 일치하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 축대칭 해석만으로도 충분한 결과를 얻을 수 있다고 판단하였다.
본 연구는 MCFC용 벽면가열 방식 프리컨버터의 벽면에 고온이 발생하는 문제를 해결하고 촉매 내부 열전달 향상을 위해 수치해석을 수행하였다. 축대칭 해석과 3차원 해석 결과 비교를 통하여 축대칭 해석으로도 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 프리컨버터 내부에 열전도율이 높은 다공성판을 설치한 경우 벽면으로부터 중심으로의 열전달이 향상되어 수소 생성이 벽면 부위에 국한되지 않고 내부에 고르게 발생되는 것을 확인하였다.
축대칭 해석과 3차원 해석 결과 비교를 통하여 축대칭 해석으로도 정확한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 프리컨버터 내부에 열전도율이 높은 다공성판을 설치한 경우 벽면으로부터 중심으로의 열전달이 향상되어 수소 생성이 벽면 부위에 국한되지 않고 내부에 고르게 발생되는 것을 확인하였다. 그리고 촉매 내부에 원주 방향의 빈 공간을 촉매의 중심, 1/2지점, 4/5지점에 두고 해석하여 결과를 비교하였고, 1/2지점이 다른 경우에 비해 연료전환율이 이상적인 경우에 근접하지만 열전도율이 높은 다공성판의 설치가 보다 효과적임을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지의 특징과 장점은 무엇인가?	연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환기구이며, 효율이 높고 배출가스가 순수한 물이기 때문에 오염물질을 발생시키지 않는다는 장점이 있는 신재생에너지 장치이다. (1) 하지만 연료인 수소는 지구상에서 가장 풍부한 원소이지만 자연 상태에서 직접구하기 힘들므로 이미 인프라를 갖춘 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 탄화수소 연료개질법이 가장 실용적이다.
	MCFC용 프리컨버터는 어떻게 설계되었는가?	개발하고자 하는 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) 용 프리컨버터는 연료전지에서 발생된 폐열로 수소를 추가 생산하는 일종의 수증기 개질기이며 부하의 급격한 변동에 따라 프리컨버터의 연료전환율을 높이기 위해 벽면가열 방식으로 추가적인 열량을 공급가능하게 설계되어져 있다. (5,6)
	연료전지의 단점은?	연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환기구이며, 효율이 높고 배출가스가 순수한 물이기 때문에 오염물질을 발생시키지 않는다는 장점이 있는 신재생에너지 장치이다. (1) 하지만 연료인 수소는 지구상에서 가장 풍부한 원소이지만 자연 상태에서 직접구하기 힘들므로 이미 인프라를 갖춘 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 탄화수소 연료개질법이 가장 실용적이다. (2~4)

참고문헌 (9)

O'ayre, R., Cha, S-W., Colella, W. and Prinz, F.B., 2006, "Fuel Cell Fundamentals," John Wiley & Sons, pp. 292-306.
Larminie, J. and Dicks, A., 2003, "Fuel Cell System Explained, Second Edition," John Wiley & Sons, pp. 229-279.
Park, J. G., Lee, S. K., Lim, S. W. and Bae, J. M., 2008, "Numerical Study on Correlation Between Operating Parameters and Reforming Efficiency for a Methane Autothermal Reformer," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 32, No.8, pp.636-644.

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Park, J. G., Lee, S. K., Lim, S. W. and Bae, J. M., 2009, "Numerical Study on Operating Parameters and Shapes of a Steam Reformer for Hydrogen Production from Methane," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 33, No.1, pp.60-67.

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Byun, D. H. and Sohn, C. H., 2011, "Numerical Study of Stream Reformer and Preconverter for MCFC," KSCFE, Vol.16, No.1, pp. 42-47.

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Byun, D. H. and Sohn C. H., 2012, "Numerical Analysis of Heat Transfer and Fuel Conversion for MCFC Proconverter," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 36, No. 4, pp. 425-430.

원문보기 상세보기
2009, "CFD-ACE+ V2009.2 User Manual," ESI CFD Inc.
Gurau, V., Liu, H. and Kakac, S., 1998, "Two-Dimensional Model for Proton Exchange Membrane Fuel Cells." AiChE Journal; Vol. 44, No. 11, pp. 2410-2422.

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Xu, J. and Froment, G.F., 1989, "MethaneSteam Reforming, Methanation and Water-Gas Shift I. Intrinsic Kinetics," J. of AiChE, Vol.35, No.1, pp. 88-96.

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