초록 ▼

□ 연구개요
최근 신재생 에너지전달자로서의 수소에너지에 대한 관심증가와 더불어 수소생산과 관련한 기술개발의 중요성도 높아지고 있다. 현재 사용되고 있는 대부분의 수소생산은 그 비용적인 측면으로 천연가스의 수증기개질을 통해 얻어진다. 도시가스망을 이용한 현지(on-site)에서의 소용량 천연가스 개질기는 수소의 저장, 운송과 관련된 비용과 위험성을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 고효율, 소형화 및 경제성을 확보한 개질기의 설계 및 운영의 중요성에 따라 개질과정에 대한 정확한 해석기술에 대한 필요성이 증가하고 있다. 본

□ 연구개요
최근 신재생 에너지전달자로서의 수소에너지에 대한 관심증가와 더불어 수소생산과 관련한 기술개발의 중요성도 높아지고 있다. 현재 사용되고 있는 대부분의 수소생산은 그 비용적인 측면으로 천연가스의 수증기개질을 통해 얻어진다. 도시가스망을 이용한 현지(on-site)에서의 소용량 천연가스 개질기는 수소의 저장, 운송과 관련된 비용과 위험성을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서 고효율, 소형화 및 경제성을 확보한 개질기의 설계 및 운영의 중요성에 따라 개질과정에 대한 정확한 해석기술에 대한 필요성이 증가하고 있다. 본 연구과제에서는 수증기/메탄 개질기 내부의 열전달, 물질전달, 유체유동, 화학반응을 상세하게 해석할 수 있는 효율적인 CFD 해석모델의 개발을 위한 다양한 연구를 수행하였다. 열유체 시스템의 설계에 실무 엔지니어들이 주로 활용하고 있는 상용 CFD 코드(ANSYS FLUENT)를 해석 플랫폼으로 설정하여 수증기 개질과정의 정확하고 효율적인 해석모델을 확립하고자 하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
본 과제의 연구목표는 수증기 개질과정의 정확하고 효율적인 상세해석이 가능한 CFD 해석모델의 개발 및 해석절차의 확립이다. 이러한 연구목표를 달성하기 위하여 본 연구에서는 우선 촉매의 활용도를 예측하는 촉매유효도 개념을 도입하고 간단한 방식으로 이를 평가할 수 있는 상관식을 제시하고자 하였다. 즉, 1~3bar의 소용량(저압) 개질조건에 대한 촉매펠릿의 활성두께 평가 및 펠릿 표면적 기반 범용적 촉매유효도 상관식을 제시하였으며, 또한 동일한 과정을 거쳐 20~30 bar의 상업용(고압) 개질조건에 대한 촉매유효도 상관식도 제시하였다. 촉매유효도를 도입하면 촉매층 내부에 대한 상세한 물질확산 및 화학반응 해석을 건너뛰고도 정확한 개질과정을 해석할 수 있어 CFD 해석에 필요한 계산비용을 크게 줄일 수 있다.
따라서 촉매유효도 상관식을 적용하여 50~100 um 두께의 와시코트(washcoat) 촉매층이 생성된 미세채널형 개질기 및 모노리스형 개질기에 대한 CFD 해석모델을 개발하고 그 정확도를 검증하였다. 또한 구형의 촉매펠릿이 랜덤하게 적층된 고정층 개질기에 대한 상세해석이 가능한 particle-resolved CFD 해석모델을 개발하였다. 추가적으로 촉매펠릿의 물리적 열화가 수증기 개질반응에 미치는 영향을 고려하기 위하여 촉매표면적의 감소 및 물질확산량 감소에 따른 촉매유효도의 변화를 검토하였다. 또한 촉매펠릿이 적층된 반응튜브를 균질한 다공성매질로 가정한 1차원 해석모델을 개발하였으며, 이를 통해 균질 CFD 해석모델의 개발에 필요한 고려사항에 관해서도 연구하였다. 년차별로 진행된 연구내용은 다음과 같다.
○ 1차년도(9개월)
- 소용량 (저압) 수증기/메탄 개질기 운전조건에서의 촉매유효도 상관식 제시
- 니켈촉매 와시코트가 적용된 평판형/모노리스형 개질기의 CFD 해석모델 개발
○ 2차년도(12개월)
- 상업용 (고압) 수증기/메탄 개질기 운전조건에서의 촉매유효도 상관식 제시
- 촉매펠릿이 적층된 고정층 반응기의 형상모델 생성, 기초유동 해석
- 고정층 개질기에 대한 particle-resolved CFD 해석모델 개발 기초연구
○ 3차년도(12개월)
- 촉매펠릿의 반응속도 및 확산속도 열화에 따른 유효도 감소 연구
- 고정층 반응기를 균질 다공성 매질로 가정한 해석모델 기초연구
- 고정층 개질기에 대한 particle-resolved CFD 해석모델 개발 심화연구

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 과제의 연구내용은 가정용, 분산발전용 연료전지나 수소충전소의 수소생산에서 필요로 하는 천연가스의 수증기 개질기관련 정확하고 효율적인 해석기술의 개발 및 검증을 목표로 하고 있다. 기존에 많은 수증기 개질기 관련 연구가 있었으나 촉매펠릿을 고려하는 방식에 있어서 체계적인 해석절차의 확립이 부족한 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서 제시하는 촉매펠릿 표면적 기반 수증기/메탄 개질반응의 촉매유효도는 범용성을 가지고 있어 다양한 펠릿 형상 및 촉매의 물리적 특성에 대해 적용이 가능하다. 이러한 촉매유효도를 적용하면 와시코트 촉매층을 기반으로 하는 미세채널형, 평판형 및 모노리스형 개질기에 대한 정확하고 효율적인 CFD 해석이 가능하다. 또한 적층된 촉매펠릿을 기반으로 하는 고정층 개질기에 대한 매우 상세한 particle-resolved CFD 해석 및 보다 실용적인 균질 고정층 개질기의 체계적 해석이 가능하다. 따라서 본 연구과제에서 제시하는 해석모델은 개질기의 고효율화, 소형화가 중요한 현 시점에서 실제 개질시스템의 설계 및 작동조건 최적화를 위한 해석방법으로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 2.1 1차년도 수행내용 ... 6
• 2.2 2차년도 수행내용 ... 10
• 2.3 3차년도 수행내용 ... 14
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 20
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 20
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 20
• 3) 목표 달성 수준 ... 20
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 21
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 22
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 22
• 6. 참고문헌 ... 22
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 24
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 25
• 끝페이지 ... 25