수증기-메탄올 개질기의 곡유로 채널형 관 형태 변화에 따른 메탄올 전환율 및 유동 특성에 관한 수치해석적 연구 Study on Methanol Conversion Efficiency of Steam-Methanol Reforming on Pipe Shape and Flow Rate Variation in Curved Channel원문보기
본 연구에서는 전산유체역학 상용코드를 이용하여 수소 개질기의 곡유로 채널형에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 선행연구모델에 대한 수치해석 모델과 다른 관 형태의 곡유로 채널을 모델링하여 수치해석적으로 비교하였다. 4가지 타입의 곡유로 채널형 개질기의 수치해석 결과 메탄올 전환율은 타입1~4까지 각각 45.0%, 45.3%, 45.6%, 45.6%로 ${\pm}0.6%$ 포인트의 차이로 거의 차이가 없음을 나타내었다. 유동특성에 대해서는 사각타입의 관과 45도 곡관의 각도를 가지는 타입2에서 상대적으로 가장 균일한 유동 특성 및 메탄올 농도 분포를 보였으며, 원형타입의 관과 90도 곡관의 각도를 가지는 타입3에서 상대적으로 가장 불균일한 유동특성 및 메탄올 농도분포 특성을 나타내었다. 곡유로 채널형 개질기의 설계 시에는 45도 곡관의 각도를 가지는 타입과 같이 사각타입의 관과 45에 가까운 곡관의 각도를 가지도록 설계해야 한다는 결과에 도달하였다.
본 연구에서는 전산유체역학 상용코드를 이용하여 수소 개질기의 곡유로 채널형에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 선행연구모델에 대한 수치해석 모델과 다른 관 형태의 곡유로 채널을 모델링하여 수치해석적으로 비교하였다. 4가지 타입의 곡유로 채널형 개질기의 수치해석 결과 메탄올 전환율은 타입1~4까지 각각 45.0%, 45.3%, 45.6%, 45.6%로 ${\pm}0.6%$ 포인트의 차이로 거의 차이가 없음을 나타내었다. 유동특성에 대해서는 사각타입의 관과 45도 곡관의 각도를 가지는 타입2에서 상대적으로 가장 균일한 유동 특성 및 메탄올 농도 분포를 보였으며, 원형타입의 관과 90도 곡관의 각도를 가지는 타입3에서 상대적으로 가장 불균일한 유동특성 및 메탄올 농도분포 특성을 나타내었다. 곡유로 채널형 개질기의 설계 시에는 45도 곡관의 각도를 가지는 타입과 같이 사각타입의 관과 45에 가까운 곡관의 각도를 가지도록 설계해야 한다는 결과에 도달하였다.
This is a numerical study on the curved channel type of hydrogen reformer using the commercial code of fluid dynamics. We numerically compared the numerical model in a previous study model and the modelling of a tube type curved channel. In the result of numerical analysis on 4 types of curved chann...
This is a numerical study on the curved channel type of hydrogen reformer using the commercial code of fluid dynamics. We numerically compared the numerical model in a previous study model and the modelling of a tube type curved channel. In the result of numerical analysis on 4 types of curved channel reformers, the methanol conversion efficiency of type 1~4 were 45.0%, 45.3%, 45.6%, 45.6% respectively, and there was hardly any difference by ${\pm}0.6%$. In light of flow characteristics, the rectangle type tube and the type 2 with $45^{\circ}$ turn showed most uniform flow characteristics and concentration distribution of methanol, and the circular type tube and the type 3 with $90^{\circ}$ turn had most un-uniform flow characteristics and concentration distribution of methanol. We concluded that the design for curved channel reformer has to have rectangle type tube with curve of almost $45^{\circ}$ as in the type of curved pipe with $45^{\circ}$ turn.
This is a numerical study on the curved channel type of hydrogen reformer using the commercial code of fluid dynamics. We numerically compared the numerical model in a previous study model and the modelling of a tube type curved channel. In the result of numerical analysis on 4 types of curved channel reformers, the methanol conversion efficiency of type 1~4 were 45.0%, 45.3%, 45.6%, 45.6% respectively, and there was hardly any difference by ${\pm}0.6%$. In light of flow characteristics, the rectangle type tube and the type 2 with $45^{\circ}$ turn showed most uniform flow characteristics and concentration distribution of methanol, and the circular type tube and the type 3 with $90^{\circ}$ turn had most un-uniform flow characteristics and concentration distribution of methanol. We concluded that the design for curved channel reformer has to have rectangle type tube with curve of almost $45^{\circ}$ as in the type of curved pipe with $45^{\circ}$ turn.
연료와 산화제는 연료전지의 반응 삼상계면에서 전기화학적 산화/환원 반응에 의해 전기에너지와 함께 물과 열을 생성시키게 된다. 본 연구에서는 수소를 제조하는 메탄올로부터 수소를 제조하는 개질기에 대하여 수치해석적 연구를 진행 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 기존의 수증기-메탄올 개질 방식에 기초한 마이크로 개질기의 전환율을 보다 향상시키기 위하여 개질기 유로형태를 곡유로 형태로 변환, 개질기 유로의 형태를 기판 장착에 용이하게 변화하여 Micro-PEMFC에 보다 적절하게 적용시키기 위한 수치해석을 진행하였다. 또한, 관 형태별로 관 직경에 개질기의 길이에 따른 수증기-메탄올 전환율과 메탄올의 몰 비에 대하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 기존의 수증기-메탄올 개질 방식에 기초한 마이크로 개질기의 전환율을 보다 향상시키기 위하여 개질기 유로형태를 곡유로 형태로 변환, 개질기 유로의 형태를 기판 장착에 용이하게 변화하여 Micro-PEMFC에 보다 적절하게 적용시키기 위한 수치해석을 진행하였다. 또한, 관 형태별로 관 직경에 개질기의 길이에 따른 수증기-메탄올 전환율과 메탄올의 몰 비에 대하여 연구를 진행하였다.
대상 데이터
본 연구의 적용대상인 DMFC(직접메탄올 연료전지)의 에너지 저장 밀도는 Fig. 1에서 보는 것과 같이 현재 휴대폰 배터리로 많이 사용되고 있는 Li-ion battery의 에너지 저장 밀도에 비하여 4~8배 까지 차이가 난다.
이론/모형
본 연구에서 마이크로 개질기 내부에서 발생하는 반응속도를 제어하기 위해 연소모델에 유한율 운동모델(Finite-rate kinetic)을 적용하였고, 유한율 운동 모델은 아래 식 (5)에서와 같이 표현된다. 화학 반응에 사용되는 구성성분들과 온도의 함수로 정의된 아레니우스 식(Arrhenius Form)으로 표현되며, 이상기체에 대하여 적용하였다.
연소 모델의 수치해석 검증을 위하여 Suh 등(1) 의 연구에 사용된 BASF사의 촉매 개질기에 대한 실험을 통하여 성능을 알아보았으며 Jang 등(8)의 연구에서는 Suh 등(1)의 연구 결과로 나타난 실험적 연구를 바탕으로 수치해석 모델에 적용하여 수치해석의 검증을 수행하였다. 위의 선행연구들을 바탕으로 본 연구에서는 STAR-CCM+에서 사용되고 있는 수정된 Arrhenius Equation에 기초한 Eddy-Break up 연소 모델을 이용하여 수증기-메탄올 개질기 내에서의 연소 반응에 대하여 수치해석을 진행하였다.
의 연구 결과로 나타난 실험적 연구를 바탕으로 수치해석 모델에 적용하여 수치해석의 검증을 수행하였다. 위의 선행연구들을 바탕으로 본 연구에서는 STAR-CCM+에서 사용되고 있는 수정된 Arrhenius Equation에 기초한 Eddy-Break up 연소 모델을 이용하여 수증기-메탄올 개질기 내에서의 연소 반응에 대하여 수치해석을 진행하였다. 참고모델은 Suh 등(1)의 연구에서 사용된 BASF사의 구리계열의 촉매로 충진 된 원통형 개질기를 사용하였다.
위의 선행연구들을 바탕으로 본 연구에서는 STAR-CCM+에서 사용되고 있는 수정된 Arrhenius Equation에 기초한 Eddy-Break up 연소 모델을 이용하여 수증기-메탄올 개질기 내에서의 연소 반응에 대하여 수치해석을 진행하였다. 참고모델은 Suh 등(1)의 연구에서 사용된 BASF사의 구리계열의 촉매로 충진 된 원통형 개질기를 사용하였다.
성능/효과
4가지 타입의 곡유로 채널형 개질기의 수치해석 결과에 대하여 유동 방향의 메탄올 전환율 관점에서 보면 입구에서 유입된 메탄올 혼합물이 촉매와의 이질 반응 후, 반응기를 떠나는 순간의 메탄올 전환율은 타입1은 45.0%, 타입2는 45.3%, 타입3은 45.6%, 타입4는 45.6%로써 ±0.6% 포인트의 차이를 나타내고 있는 것을 Fig. 7의 결과로부터 확인할 수 있다.
사각타입의 관과 45도 곡관의 각도를 가지는 타입2에서 상대적으로 가장 균일한 유동특성 및 메탄올 농도 분포를 보였으며, 원형타입의 관과 90도 곡관의 각도를 가지는 타입 3에서 상대적으로 가장 불균일한 유동특성 및 메탄올 농도 분포 특성을 나타내었다. 따라서 곡유로 채널형 개질기 (Curved Channel Reformer)의 설계 시에는 타입 2와 같이 사각타입의 관과 45도에 가까운 곡관의 각도를 가지도록 설계하여야 할 것이다. 본 연구에서는 곡유로 채널형 수증기-메탄올 개질기의 유로와 관 형태에 따라 메탄올 전환율과 유동 특성 및 물질전달 특성을 수치적으로 파악할 수 있었다.
사각타입의 관과 45도 곡관의 각도를 가지는 타입2에서 상대적으로 가장 균일한 유동특성 및 메탄올 농도 분포를 보였으며, 원형타입의 관과 90도 곡관의 각도를 가지는 타입 3에서 상대적으로 가장 불균일한 유동특성 및 메탄올 농도 분포 특성을 나타내었다. 따라서 곡유로 채널형 개질기 (Curved Channel Reformer)의 설계 시에는 타입 2와 같이 사각타입의 관과 45도에 가까운 곡관의 각도를 가지도록 설계하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지구에 존재하는 다양한 종류의 에너지는 무엇이 있는가
현재 지구에는 다양한 종류의 에너지가 존재하며 이러한 에너지는 화석연료로 불리는 고갈성의 석탄, 석유 천연가스 등의 화학에너지 및 원자력 에너지가 있고, 무한정의 태양에너지를 비롯하여 태양에너지에 의하여 발생되는 풍력, 소수력 에너지 및 지열에너지가 있다.
내연기관의 문제점은 무엇인가
내연기관은 운송수단의 에너지원으로 널리 사용되어져 왔으며 이제 인간의 삶에서 없어서는 안 될 중요한 수단이 되었다. 하지만 내연기관에서 배출되는 배기가스는 온실효과와 더불어 스모그, 산성비 등 대기오염문제를 발생하는 주요 원인으로 대두되면서 인류의 생존까지 위협하는 문제에 이르게 되었다. 이에 각국에서는 기후변화 협약과 같은 국가간의 정책적 노력으로 온실가스를 줄일 수 있는 방법들을 모색하였고 신 ･ 재생에너지가 대두되게 되었다.
DMFC의 에너지 저장 밀도 원리의 장점은 무엇인가
2에서와 같이 수용액에서 전자를 교환하는 산화 ･환원 반응으로 진행되며, 그 과정에서 수소와 산소가 물로 바뀔 때의 에너지가 전기 에너지로 전환된다. 이러한 원리상 열기관이 가지고 있는 열역학적 제한(carnot 효율)을 받지 않고 기존의 발전 방식인 석유의 발전효율(34 ~ 40%), 석탄의 발전효율(30 ~ 36%), 원자력의 발전효율(30 ~ 35%)보다 발전효율이 10~25%이상이다. 또한, 발전과 동시에 열 회수까지 고려할 경우에는 열효율이 70%에 이르며 소음이 없고 저공해 발전 설비이기 때문에 환경문제를 일으키지 않으므로 적용범위가 넓다. 때문에 석유의 대체에너지로 연료전지가 각광받고 있다. 또한 연료전지는 지역 조건이나 기후 조건 등의 제약 없이 대규모 활용이 예상된다.
참고문헌 (8)
Suh, J.S., Lee, M.T., Greif, R. and Grigoropoulos, C. P., 2007, "A Study of Steam Methanol Reforming in a Microreactor," J. Power Sources, Vol. 173, pp. 458-466.
Suh, J.S., Lee, M.T., Greif, R. and Grigoropoulos, C.P., 2008, "Transport Phenomena in a Steam Methanol Reforming Microreactor with Internal Heating," Int. J. Hydrogen Energy, in press.
Mills, A.F., 2001, Mass Transfer, Prentice Hall, Upper Saddle River, N.J.
Park, H.G., Malen, J.A., Piggott, W.T., Morse, J.D., Greif, R., Grigoropoulos, C.P., Havstad, M.A. and Upadhye, R., 2006, "Methanol Steam Reformer on a Silicon Wafer," J. Microelec-tromech. Syst. 15, pp. 976-985.
Liao, C. and Erickson, PA., 2008, "Characteristic Time as a Descriptive Parameter in Steam Reformation Hydrogen Production Processes," International Journal of Hydrogen Energy, pp. 1652-1660.
Ghenciu, A.F., 2002, "Review of Fuel Processing Catalysts for Hydrogen Production in PEM Fuel Cell Systems," Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 6, pp. 389-399
Jang, H., Park, I.S. and Suh, J.S., 2015, "Study on Methanol Conversion Efficiency and Mass Transfer of Steam-Methanol Reforming on Flow Rate Variation in Curved Channel," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 3, pp. 261-269
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