초록 ▼

연구의 목적 및 내용
PROX는 개질기로부터 공급되는 CO를 소량 (1-2%) 포함하는 혼합 H₂ 가스에서 CO를 우선적으로 산화시켜 PEMFC에 적합한 농도 (10ppm 이하)로 낮추는 공정이다. CuO-CeO₂ 촉매와 높은 열전도도를 갖는 관형반응기로 이를 실현할 수 있는 것이 보고되고 있는데, CO의 산화반응이 H2의 산화반응 보다 우선적으로 일어나지만 H₂의 산화반응도 일어난다. 따라서 H₂의 소모를 최소화하기 위하여 O₂

연구의 목적 및 내용
PROX는 개질기로부터 공급되는 CO를 소량 (1-2%) 포함하는 혼합 H₂ 가스에서 CO를 우선적으로 산화시켜 PEMFC에 적합한 농도 (10ppm 이하)로 낮추는 공정이다. CuO-CeO₂ 촉매와 높은 열전도도를 갖는 관형반응기로 이를 실현할 수 있는 것이 보고되고 있는데, CO의 산화반응이 H2의 산화반응 보다 우선적으로 일어나지만 H₂의 산화반응도 일어난다. 따라서 H₂의 소모를 최소화하기 위하여 O₂를 제한 농도로 공급하는데, 이 경우 반응기 온도를 증가시키는데 따라 CO의 전환율이 증가하다가 감소하는 현상이 나타난다. 최대 전환율 근처에서 반응기 두 온도가 같은 CO 전환율을 주는 입력다중성 (input multiplicity)이 발생한다. 입력다중성을 보이는 공정의 제어는 매우 어려운 것으로 보고되고 있다. 본 연구는 PROX 공정의 최적화 제어를 중심으로 입력다중성을 갖는 공정의 제어시스템을 확립하고자 한다
연구결과
[1] PROX 공정 동특성 실험 시스템: PROX공정 동특성 실험 시스템을 구축하였다. NDIR 센서로 CO 및 CO₂ 농도, 차량용 O₂ 센서로 산소농도를 실시간으로 측정할 수 있다. 여기에 Reformer 반응기가 첨가되면 완벽한 PEM연료전지용 수소 생산 시스템이 될 것이며, 이는 다양한 동특성을 보여 앞으로 많은 제어 논문의 기초가 될 것이다.
[2] PROX공정 동특성 모델: PROX공정은 기상반응의 Packed Bed 반응기로 동특성 모델은 반응기 길이 방향의 편미분식과 촉매 내부로의 편미분식의 결합으로 나타나 다루기가 매우 어렵다. 이 편미분식을 상미분식으로 근사하는 방법들을 제안하였다. 이는 실시간 제어에 사용될 수 있다.
[3] PROX공정 및 Input Multiplicity 공정의 제어: PROX공정에서 반응기온도 설정치와 CO conversion사이에는 input multiplicity를 보인다. 최대 CO conversion를 목적으로 하는 제어로 Extremum seeking control이 사용될 수 있어 본 공정의 운전 목적에 적합하여 적용하였다. 제어 목적이 단지 안정 운전일 때의 간단한 Parallel compensator를 이용하여 input multiplicity를 보이는 공정을 제어하는 방법도 연구하였다.
[4] Chaotic 진동으로부터 공정 모델 변수 확인 방법: Input multiplicity를 보이는 공정을 포함하여 비선형성이 심한 공정에 제어기를 설치하면 진동이 생길 수 있다. 이 진동을 제어 입장에서는 피해야 하는 현상이지만, 공정의 동특성 확인 입장에서는 공정의 정보를 다량 포함하는 신호일 수 있다. 이 Chaotic 진동을 적극적으로 공정 모델 변수 확인에 이용하는 방법을 연구하였다.
[5] Embedded CPU를 사용한 초소형 제어 하드웨어 및 소프트웨어 구성: Embedded CPU를 사용하는 PROX 공정 전용의 소형 제어 하드웨어 및 소프트웨어 제작하였다.
[6] 액위제어 시스템: 입력다중성 공정 교육을 위한 액위제어 시스템을 제작하였다. 레고 형태로 조립에 따라 입력다중성 공정뿐만 아니라 공정제어 교과서에 나오는 거의 모든 동특성을 갖도록 하였다.
연구결과의 활용계획
반응공정, 분리공정, 생물공정 등 다양한 중요공정들에서 입력다중성을 보이고 있으며, 특히 효율이 최대가 되는 운전조건에서 자주 나타난다. 새로 개발되는 신공정의 안전한 산업화와 경쟁력를 위해서 본 연구가 적용될 수 있다. 액위제어 시스템은 입력다중성 공정의 제어에서 나타나는 여러 현상들을 보여줄 수 있고 이것과 관련된 인력양성에 큰 도움을 줄 것이다.

Abstract ▼

Purpose& contents
PROX is a process that reduces the CO concentration below 10 ppm in a H₂ rich mixture gas with a small amount of CO (1-2%) from the reformer by preferential oxidation of CO to meet the CO concentration requirement of PEMFC. It has been reported to be realized via CuO-

Purpose& contents
PROX is a process that reduces the CO concentration below 10 ppm in a H₂ rich mixture gas with a small amount of CO (1-2%) from the reformer by preferential oxidation of CO to meet the CO concentration requirement of PEMFC. It has been reported to be realized via CuO-CeO₂ catalysts and a tubular reactor have high thermal conductivity. Although the oxidation of CO occurs preferentially over H₂, the oxidation of H₂ also occurs. Therefore, to minimize the consumption of H₂, a limited amount of O₂ is fed. In this case, the conversion of CO increases first and then decreases as the reactor temperature increases. Input multiplicities where two reactor temperatures show the same conversion of CO are presented near the maximum conversion. The processes with input multiplicities have been reported to be very difficult to control. The aims of this research are to establish control systems for processes with input multiplicities by concentrating on optimizing control of PROX.
Result
[1] Experimental System for PROX Dynamics: Experimental system for PROX dynamics has been established. CO and CO₂ concentrations via the NDIR sensor and O2 concentration via the automobile O₂ sensor are measured in the real time. This shows various dynamic features and can be used for process control papers.
[2] Dynamic Model for PROX Process: PROX process is the gas-phase process in the packed bed reactor and its dynamics requires coupled partial differential equations. They are very hard to solve. Methods to approximate some differential equations by ordinary differential equations have been suggested and enable models be used effectively for real time model-based control.
[3] Control of PROX Process and Input Multiplicity Process: PROX process shows the input multiplicity characteristics between the CO conversion and reactor temperature set-point. Extremum seeking control is applied for the optimal CO conversion that is the operational purpose of this PROX process. Parallel compensator for the input multiplicity process is also suggested for the general control purpose.
[4] Process Model Parameter Identification from Chaotic Oscillations: Oscillations can occur in control systems for severely nonlinear processes including input multiplicity processes. These oscillations are what should be avoided in the control point of view. However, they have plentiful process information and are positively used for process model parameter identification here.
[5] Very Small Control Hardware with Embedded CPU and its Software: Using embedded CPU, very small control hardware and software have been constructed especially for the portable PROX process.
[6] Liquid Level Control System: Liquid level control system has been constructed for the educational purpose of input multiplicity process control. Like LEGO, it can be used to experiment almost all process dynamics in process control textbooks.
Expected Contribution
Various processes such as reaction, separation and biological processes show input multiplicities, especially, at the operation conditions of maximum efficiencies. For safeties of newly-developed processes and their competitiveness, this research can be applied. The liquid level control system can show various aspects in the control of input multiplicity processes and will help to educate experts who can handle these control problems.