연료전지 적용을 위한 수증기 개질기의 수치해석 연구

Abstract

천연가스를 이용한 수증기 개질 반응은 수소를 생산하기 위한 가장 일반적인 기술이다. 본 논문에서는 수치해석 기법을 이용하여 수증기 개질 반응에 관하여 연구하였다. 화학반응 해석을 위해 Pseudo-homogeneous 모델과 촉매와 가스 사이의 열적 평형상태를 가정한 단상매질접근법이 적용되었다. 그리고 타당성 검증을 위하여 실험결과와 해석결과를 비교하였으며 검증된 모델을 이용하여 수치해석 성능향상에 관한 연구가 수행되었다. 첫번째로 수증기 개질기의 경계조건 변화가 개질기 성능에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 개질기의 벽온도가 증가하면 수증기 개질 반응이 활발히 일어나면서 연료전환율이 상승한다. 그리고 SCR이 증가하면 WGS 반응이 활발히 일어나면서 일산화탄소의 농도가 낮아진다. 또한 GHSV가 증가하면 반응에 참여하지 못하는 연료량이 증가하면서 연료전환율이 감소한다. 두번째로 반응기 형상이 개질기 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 동일한 촉매부피를 가지는 원통형 반응기의 길이와 직경을 변화시켰다. 그 결과 반응기의 길이가 길수록 성능은 향상되지만 차압이 커지면서 시스템의 효율은 감소하였다. 그리고 동축원통형 반응기가 열전달에 더 유리하기 때문에 원통형 반응기에 비해 우수한 성능을 가진다. 세번째로 Nusselt number를 이용하여 개질기 내부의 열유속 변화 경향을 분석하였다. 이것은 벽으로부터 개질기로 전달되는 열유속과 개질기 성능 사이의 관계를 연구하기 위해서이다. 수증기 개질기는 강한 흡열반응이 일어나는 반응기이므로 전달되는 열량이 많을수록 Nusselt number의 값이 커지면서 개질기의 성능 역시 향상된다. 그리고 개질기 전단과 후단의 Nusselt number 크기 비교를 통하여 개질기의 성능을 비교할 수 있다.