곡유로 메탄올-수증기 개질기 공극률 및 온도 변화에 따른 물질 전달 및 메탄올 전환율에 대한 수치해석적 연구 A Numerical Study on Mass Transfer and Methanol Conversion Efficiency According to Porosity and Temperature Change of Curved Channel Methanol-Steam Reformer원문보기
초소형 연료전지용 메탄올-수증기 개질기의 경우 저온상태($250^{\circ}C$ 이하)에서 수증기와 반응하여 개질반응이 일어나기 때문에 수소를 효율적으로 생산할 수 있다. 본 연구는 이러한 개질기에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저, 개질기 벽면 온도를 100, 140, 180, $220^{\circ}C$로 설정하였고 메탄올 전환율은 각 0, 0.072, 3.83, 46.51%로 나타났다. 다음으로 촉매의 공극률을 0.1, 0.35, 0.6, 0.85로 설정하였고, 메탄올 전환율에는 큰 차이가 없었으나 압력강하 값이 각 4645.97, 59.50, 5.12, 0.45 kPa로 나타났다. 메탄올-수증기 개질기는 $180^{\circ}C$ 이하의 온도에서는 거의 반응하지 않으며 공극률은 개질기를 흐르는 유체가 개질기와 충분히 접촉하여 활성화 에너지를 낮추어 준다면 메탄올 전환율에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다.
초소형 연료전지용 메탄올-수증기 개질기의 경우 저온상태($250^{\circ}C$ 이하)에서 수증기와 반응하여 개질반응이 일어나기 때문에 수소를 효율적으로 생산할 수 있다. 본 연구는 이러한 개질기에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저, 개질기 벽면 온도를 100, 140, 180, $220^{\circ}C$로 설정하였고 메탄올 전환율은 각 0, 0.072, 3.83, 46.51%로 나타났다. 다음으로 촉매의 공극률을 0.1, 0.35, 0.6, 0.85로 설정하였고, 메탄올 전환율에는 큰 차이가 없었으나 압력강하 값이 각 4645.97, 59.50, 5.12, 0.45 kPa로 나타났다. 메탄올-수증기 개질기는 $180^{\circ}C$ 이하의 온도에서는 거의 반응하지 않으며 공극률은 개질기를 흐르는 유체가 개질기와 충분히 접촉하여 활성화 에너지를 낮추어 준다면 메탄올 전환율에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다.
Micro methanol-steam reformer for fuel cell can effectively produce hydrogen as reforming response to steam takes place in low temperature (less than $250^{\circ}C$). This study conducted numerical research on this reformer. First, study set wall temperature of the reformer at 100, 140, 1...
Micro methanol-steam reformer for fuel cell can effectively produce hydrogen as reforming response to steam takes place in low temperature (less than $250^{\circ}C$). This study conducted numerical research on this reformer. First, study set wall temperature of the reformer at 100, 140, 180 and $220^{\circ}C$ while methanol conversion efficiency was set in 0, 0.072, 3.83 and 46.51% respectively. Then, porosity of catalyst was set in 0.1, 0.35, 0.6 and 0.85 and although there was no significant difference in methanol conversion efficiency, values of pressure drop were 4645.97, 59.50, 5.12 and 0.45 kPa respectively. This study verified that methanol-steam reformer rarely responds under the temperature of $180^{\circ}C$ and porosity does not have much effect on methanol conversion efficiency if the fluid flowing through reformer lowers activation energy by sufficiently contacting reformer.
Micro methanol-steam reformer for fuel cell can effectively produce hydrogen as reforming response to steam takes place in low temperature (less than $250^{\circ}C$). This study conducted numerical research on this reformer. First, study set wall temperature of the reformer at 100, 140, 180 and $220^{\circ}C$ while methanol conversion efficiency was set in 0, 0.072, 3.83 and 46.51% respectively. Then, porosity of catalyst was set in 0.1, 0.35, 0.6 and 0.85 and although there was no significant difference in methanol conversion efficiency, values of pressure drop were 4645.97, 59.50, 5.12 and 0.45 kPa respectively. This study verified that methanol-steam reformer rarely responds under the temperature of $180^{\circ}C$ and porosity does not have much effect on methanol conversion efficiency if the fluid flowing through reformer lowers activation energy by sufficiently contacting reformer.
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문제 정의
본 연구에서는 개질기의 수소 발생량을 증가시키고자 메탄올 변환율에 대하여 연구 하고자 하며 화학반응을 전산유체역학에 적용하여 개질기에서 메탄올 전환율과 물질전달을 연구하였다.
본 연구에서는 전산유체역학(CFD : Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 기존의 메탄올-수증기 개질기 방식에 기초한 충전층 마이크로 개질기의 문제점을 극복하고, 개질기를 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 적용에 용이하도록 곡유로 채널형 마이크로 개질기를 사용하였으며 메탄올-수증기 개질기의 전환 성능에 대하여 연구하기 위하여 개질기 벽면 온도를 저온상태로 설정하여 온도 변화, 반응기 내부의 공극률에 변화를 주어 메탄올 전환 효율과 압력강하, 수소 발생량에 미치는 영향에 대하여 수치해석적 연구를 하고자 하였다.
가설 설정
(1) 반응기로 유입되는 혼합물은 모두 비압축성 이상기체이다. (2) 반응 물질들의 열적 상태는 모두 국부적으로 평행상태이다. (3) 모든 성분에 대한 루이스 수는 1로 가정하였다.
(2) 반응 물질들의 열적 상태는 모두 국부적으로 평행상태이다. (3) 모든 성분에 대한 루이스 수는 1로 가정하였다. (4) 반응 물질들은 촉매와 이질적(Heterogeneous reaction)으로 반응한다.
Fig. 4의 (b)와 같이 수치해석을 수행하기 위하여 다면체격자(Polyhedral mesh)로 격자 생성을 하였으며 약 100만개를 생성하였고, 촉매로 충진 된 반응기 전체를 공극물질로 가정하였다.
개질 반응기를 전산유체역학에 적용하기 위하여 개질 반응기 전체를 공극률매질(Porous media)로 가정하고 수치해석을 수행하였고, 내부에서 발생하는 압력강하 및 구성 성분들의 점성(Viscosity)의 변화를 수치해석에 적용하기 위하여, 식 (3)과 같은 Ergun's 방정식을 사용하였다.
제안 방법
공극물질의 표면온도가 100, 140, 180, 220℃일 때의 출구에서의 수소 몰분율은 0, 0.0003, 0.0258, 0.3378 mole, 메탄올 전환율은 각각 0, 0.072, 3.83, 46.51%로 나타나는 것을 확인하였으며, 수치해석 결과를 바탕으로 메탄올-수증기 개질기 출구에 대하여 가스조성비와 메탄올 전환율에 대하여 Table 2에 정리하였다.
본 연구에서는 BASF 사의 구리 계열 상용 촉매 중 하나인 BASF F3-01(CuO/ZnO/Al2O3)로 충진된 곡유로 채널형 메탄올-수증기 개질기에 대하여 전산유체역학 상용코드에서 제공하는 연소 모델을 활용하여 수치해석을 수행하였으며, 연구 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
85로 설정하였다. 일반적으로 충전된 촉매량이 증가하게 되면, 공극률은 감소하고 촉매 표면적은 증가하게 되는데, 본 연구에서는 촉매 표면적은 고려치 않고, 공극률만을 변경하여 수치해석을 수행하였다. 기타 경계조건은 Table 1과 같이 설정하였다.
촉매 반응기 유로 벽면의 내부표면온도가 메탄올 전환율과 수소 생성률에 미치는 영향을 파악하기 위하여 개질기 유로 벽면의 내부표면온도를 100, 140, 180, 220℃로 설정하여 온도에 따른 개질기 내부 압력, 수소 몰분율, 메탄올 전환율에 대하여 나타내었다.
대상 데이터
구리계열 촉매(CuO/ZnO/Al2O3)로 충진 된 마이크로 개질기를 사용하였으며 Fig. 3과 같이 개질기 내부에서의 반응은 메탄올과 수증기가 반응하여 이산화탄소와 수소를 생성하는 개질반응(Reforming, 흡열반응), 메탄올이 분해되어 일산화탄소와 수소를 생성하는 분해반응(Decomposition, 흡열반응), 일산화탄소와 수증기, 이산화탄소와 수소의 가스들이 서로 전환하는 물-가스 전환반응(Water-Gas shift reaction, 발열반응)을 통하여 개질기 내 반응이 일어난다.
이론/모형
본 연구에서는 STAR-CCM+에서 제공하는 EBU(Eddy-Break Up) 연소모델을 사용하였는데, 이는 Modified Arrhenius Form에 기초한 연소 모델이다. EBU 연소모델을 이용하여 메탄올-수증기 개질기 내부 화학반응들에 대하여 수치해석 하였다.
본 연구에서는 STAR-CCM+에서 제공하는 EBU(Eddy-Break Up) 연소모델을 사용하였는데, 이는 Modified Arrhenius Form에 기초한 연소 모델이다. EBU 연소모델을 이용하여 메탄올-수증기 개질기 내부 화학반응들에 대하여 수치해석 하였다.
본 연구에서는 화학반응을 해석하기 위해 Eddy break-up(EBU) 모델을 사용하였는데, 이 EBU 모델은 반응속도의 계산을 위해 난류 혼합속도만을 고려한다. 층류유동에서는 반응속도를 구하기 위해 arrhenius form의 kinetic 모델을 포함하는데, 이 모델에서 각각의 화학종은 서로 다른 수송방정식을 따르며 화학종 a에 대한 지배방정식은 다음과 같다.
성능/효과
(1) 메탄올-수증기 개질기는 180℃ 이하의 온도에서는 거의 반응을 하지 않으며 180℃ 부근에서 반응이 이뤄진다는 것을 확인하였으나 반응량이 미비하였다.
(2) 메탄올-수증기 개질기는 온도가 높을수록 반응기 내부 압력이 높아지는데, 이는 온도가 높을수록 반응기 내부 메탄올, 수증기에서 분해되어 생성된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소가스의 양이 많이 생성되기 때문에 압력이 높아지는 것을 알 수 있었다.
(3) 메탄올-수증기 개질기에서 공극률은 메탄올 전환율에는 거의 영향을 미치지 않으나 개질기 내부 압력강하는 공극률이 25% 증가함에 따라 압력은 1/10 비율로 감소되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 촉매반응기 압력강하 식에 의하여 공극률이 낮아지면서 압력강하를 초래한다는 것을 알 수 있었다. 여기서, 공극률 변화에 따른 촉매 표면적의 변화는 따로 고려치 않았다.
(4) 수증기-메탄올 곡유로 개질기 공극률은 0.35 미만으로 충진된다면 내부 압력강하의 영향을 이상적으로 받을 수 있을 것으로 사료되며 개질기를 흐르는 유체가 개질기에 충분히 접촉하여 활성화 에너지를 낮추어 준다면 공극률을 0.85로 적용해도 될 것으로 사료된다.
(5) 온도와 공극률 변화에 따른 수치해석 결과를 비교해 보았을 때 유체가 개질기를 흘러가며 메탄올 몰분율과 수소 몰분율이 반비례로 나타나는 것을 보아 수치해석을 통해 화학반응에 대하여 연구가 가능하다는 것을 확인하였다.
4.1의 결과를 바탕으로 메탄올-수증기 개질기 내 공극물질의 표면온도를 220℃, 개질기 공극률을 0.1, 0.35, 0.6, 0.85로 설정하였다. 일반적으로 충전된 촉매량이 증가하게 되면, 공극률은 감소하고 촉매 표면적은 증가하게 되는데, 본 연구에서는 촉매 표면적은 고려치 않고, 공극률만을 변경하여 수치해석을 수행하였다.
후속연구
1에서 확인할 수 있듯이 MFC(Methanol Fuel Cell)는 일반적인 재충전용 전지기술에 비하여 높은 전력밀도를 가지고 있는데, 현재 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 재충전 전지인 리튬이온전지와 메탄올 연료전지의 에너지 밀도를 비교하였을 때, 현재까지 개발된 수준에서 최대 3배(300~400 Whr/kg)의 높은 에너지 밀도를 지니고 있으며, 이론적으로 최대 3,000 Whr/kg까지 연구개발이 가능하다고 한다. 메탄올 연료전지와 같은 에너지 밀도가 높은 전지를 휴대용 기기에 적용할 경우, 주기적으로 충전하는 문제를 해결한다면 이용자의 편리함 뿐 만 아니라 휴대용 기기의 활용도를 현저하게 상승시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 이러한 연구는 선진국을 중심으로 다음과 같은 연구가 활발하게 진행되고 있다.
국내 업체로는 수소 발생 장치 및 연료전지 개질기 전문업체인 온시스(Onsys) 및 RTI Engineering 등이 있는 실정이다. 산업용 고순도 수소 발생장치를 개발하여 열처리와 전자 기기 업체에 공급하고 있으나 가정용 연료전지의 용량에 맞는 개질기 개발과 수소 스테이션에 사용하는 수소 발생장치 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초소형 연료전지용 메탄올-수증기 개질기의 경우 저온상태에서 수증기와 반응하여 어떤 반응이 일어 날 수 있는가?
초소형 연료전지용 메탄올-수증기 개질기의 경우 저온상태($250^{\circ}C$ 이하)에서 수증기와 반응하여 개질반응이 일어나기 때문에 수소를 효율적으로 생산할 수 있다. 본 연구는 이러한 개질기에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다.
수소제조물질로 사용되는 물질은?
이러한 수소제조물질은 물, 석유, 석탄, 천연가스 및 가연성 폐기물로 다양하게 출발할 수 있으며, 주로 메탄과 메탄올이 사용되어지고 있다. 메탄은 천연가스의 주 성분으로 풍부한 매장량을 가지고 있어 경제적이며 수소생산량에 비하여 탄소화합물이 적게 배출되지만 황과 같은 유해 물질을 포함하고 500℃의 고온에서 개질 반응이 나타남으로써 고온에 따른 피로파괴로 인하여 내구성이 떨어지며 기기의 수명을 감소시키게 된다.
참고문헌 (7)
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Zhou, W. J., Song, S. Q., Lia, W. Z., Zhou, Z. H., Sun, G. Q., Xin, Q., Douvartzidesc, S. and Tsiakarasc, P., 2005, "Direct Ethanol Fuel Cells Based on PtSn Anodes : the Effect of Sn Content on the Fuel Cell Performance," Journal of Power Sources, Vol. 140, pp. 50-58.
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