수소 생산을 위한 고압 수전해 시스템 모델링 및 최적화
Modeling and Optimization of High-pressure Water Electrolysis System for Hydrogen Production
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 이광순
- 발행년도 2013
- 학위수여년월 2013. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000052654
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약 도움말
화석 연료 사용으로 인한 환경 오염과 자원 고갈로 인하여 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 다양한 대체 에너지원 가운데 수소는 연료전지에 사용 가능한 에너지원이자 저장 및 이동이 가능한 에너지 이동체로서 주목 받고 있다. 수소는 다양한 공정의 부산물로 얻어 지기도 하며 물의 전기 분해로도 생산이 가능하다. 물의 전기분해로 인한 수소 생산법은 소형화가 가능하여 수소 스테이션이나 연료전지와 연계 운전에 이용 가능 할 것으로 예상된다. 본 연구에서는 수소 생산을 위한 수전해 방법 중 PEM(Proton Exchange Membrane)을 이용한 수전해 방법을 연구하였다. PEM 수전해 방법 중 고압 수전해 방법을 선택하였다. 고압 수전해 방법은 수소 생산 후 저장 및 운반 과정 전에 고압 처리 과정에서 물리적 압축기를 대체할 수 있다는 이점이 있다. 수전해 반응은 고압이 되면 열역학적 이론 반응 에너지가 높아져 분해조의 효율은 낮아 지지만 상용 물리적 압축기의 효율이 약 40%로 매우 낮아 전체 시스템 효율이 높아지는 이득이 있다. 본 연구에서는 고압 수전해 시스템의 물리 화학적 특징을 반영하여 1차원 동적 모델링을 수행하였다. 전기화학 반응에 따른 전류-전압 관계식과 수소, 산소의 생산 및 물의 소비와 물리적 현상인 물과 수소의 막을 통한 이동, 음극(cathode) 측의 압력 등을 고려하여 물질 수지식 및 에너지 수지식, 속도식을 수립하였다. 1차원 동적 모델링은 편미분 방정식으로 구성되어 있어 이를 해석 하는데 3차 스플라인 내삽 함수를 이용하여 1차원 식을 다항 식으로 수정 한 후 미분 방정식을 풀었다. 해석을 통하여 정상상태의 수전해 셀 내부의 온도, 농도 및 전류 밀도 등의 분포를 알 수 있었으며, 일반 수전해 방법에서 나타나지 않은 고압 수전해 방법만의 특징인 수소가 양극(anode) 쪽으로 넘어가는 현상으로 인한 폭발 산소와 수소의 혼합으로 폭발 위험성 등을 확인 할 수 있었다. 압력, 입구 유량, 전류 밀도 조건을 변화 시켜 가며 시스템의 동적 응답을 확인 하였고, 특히 압력과 전류 밀도가 효율에 미치는 영향을 알아보았다. 또한 완성된 모델에 대해 실제 제작한 전해조의 실험 데이터를 바탕으로 추정 가능한 주요 모델 상수를 추정하였다. 상수 추정을 위한 가장 기본적인 방법인 최소 자승법을 이용하여 추정하였으며 문헌 조사를 통해 물리적으로 타당한 값임을 확인하였다. 마지막으로 고압 운전 조건 (음극 압력, Pcat ≥ 50 bar)에서 최대 효율을 갖는 운전 조건을 찾는 최적화를 수행하였다. 변경 가능한 운전 변수는 전류 밀도, 압력, 입구 유량이며 폭발 안전 범위 내의 양극의 수소 함량과 막 분해 온도 이하의 운전 온도를 제한 조건으로 주었다. 본 연구는 개발된 고압 수전해 시스템에 대하여 연구하였으며 연구에 사용된 고압 수전해 시스템은 향후 개선될 여지가 있다. 그러나 본 연구를 활용 한다면 개선된 시스템에서도 큰 무리 없이 중요한 상수와 최적 운전 조건을 유추 할 수 있을 것으로 예상 된다. 특히 본 연구는 개발 마지막 단계인 상용화 단계에서 장비의 안전 문제 및 제어, 경제성 평가 등에 활용 될 수 있을 것으로 예상된다.
more초록/요약 도움말
Environment pollution and exhaustion of energy is occurred because of using fossil fuel, so it is interested in alternative energy sources. The hydrogen is the most attended energy source and carrier, since hydrogen can be connected operating with fuel cell. Hydrogen is manufactured by a by-product of variety process in industrials or water electrolysis. The water electrolysis is able to miniaturize, so it can use at hydrogen station and it has an expectation of operating with fuel cell. In this study, high-pressure water electrolysis system is studied using PEM (Proton Exchange Membrane) for hydrogen production. High-pressure water electrolysis system has an advantage that it can remove physical compressors at the following process for hydrogen storage and carrying. The total system efficiency of the high-pressure water electrolysis system is higher than the normal water electrolysis system with physical compressors since efficiency of commercial physical compressor is very low, roughly 40%, even if the theoretical thermodynamic reaction energy of water electrolysis is increased at the high-pressure. Construct one-dimensional dynamic model applied physical and chemical phenomena for the high-pressure water electrolysis system. Set mass balance equation, energy balance equation, velocity profile and equation of relationship between the cell voltage and the cell current considering electrochemical reaction, water transport through the membrane, hydrogen permeation, and pressure at the cathode side. Solve one-dimensional unsteady balance equation using cubic spline collocation method (CSCM) because the equations are constituted partial differential equation (PDE). As analyze the model, the cell has a distribution of temperature, concentration, current density, and etc. Show that the different characteristics between normal and high-pressure water electrolysis which is ability of explosion since hydrogen crosses through the membrane to anode side and is mixed with oxygen. See dynamic response of the system by changing the cathode pressure, inlet water flow rate, and current density. Especially, cathode pressure and current density has an effect of current efficiency and system efficiency. Estimate important parameters of the model using experiment data for reliability of the model. Use least square method for parameter estimation. Results of the estimation is reasonable when compare textbook or the other researches. Finally, optimize operating condition at high-pressure range (above 50bar) for the highest efficiency. Manipulated variables are current density, cathode pressure, and inlet water flow rate and constraints are temperature which is no-decomposition range of the membrane (under 80℃) and hydrogen volume % in anode channel for no-explosion range. This study is developed high-pressure water electrolysis system and the system is able to advance. However, advanced system will be simulated using this research. Especially, expect that use the results for issue of safety, control of the system and economy analysis at the last commercialization step.
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