Development of Efficient Computational Fluid Dynamics Model for Solid Oxide Fuel Cell Systems based on Effectiveness Factor Sub-models for Chemical and Electrochemical Reactions

Abstract

고체 산화물 연료전지(SOFC)는 전기화학 반응을 통해 화학에너지를 전기 에너지 및 열로 변환할 수 있는 유망한 미래형 에너지 변환 시스템 중의 하나이다. SOFC는 높은 효율로 작동할 수 있으며, 수소연료를 사용할 때에는 수증기 만을 배출하므로 매우 친환경적인 시스템이라고 할 수 있다. 또한 수소는 미래의 에너지 발생원으로써 중요한 역할을 하는 연료로 각광받고 있다. 유럽, 일본 등에서는 수소연료를 이용한 에너지 기술을 발달시키려는 노력을 많이 하고 있다. 또한, 정제된 수소는 값이 비싸다는 단점을 극복하고자 손쉽게 얻어질 수 있는 메탄 연료를 이용하여 수소연료를 얻을 수 있는 소용량 개질 시스템에 대한 연구 또한 활발히 이루어지고 있다.

본 논문에서는 스팀-메탄 소용량 개질기 내부에서의 화학반응과 열/유동에 대한 계산을 상용 소프트웨어인 FLUENT 를 이용하여 계산하였다. 수정된 촉매 유효도 상관식을 도입함으로서 적은 격자수로도 정확한 결과를 얻을 수 있는 통합 전산유체역학 모델을 개발하였다. 수정된 촉매 유효도 상관식은 촉매 표면에서의 물성치를 사용하므로 촉매 내부에 격자를 배치하여 일일이 계산을 진행할 필요가 없다. 수정된 촉매 유효도 상관식은 monolith형의 개질기 형상정보와 작동조건정보를 포함한다. 기존의 촉매 내부에 격자를 배치하여 진행하였던 모델과 비교하여 신뢰도를 입증한 후, parametric study를 진행하였다.

또한, 본 논문에서는 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템에 대한 통합적인 전산유체역학 해석모델을 개발하였다. 고체 산화물 연료전지로 연료와 공기가 주입되면, 전극 내부에서 전기화학 반응이 일어나며, 동시에 열전달/기체유동/물질전달 과정이 수행된다. 본 연구에서 전극 내부의 마이크로 스케일 전기화학 계산과 열 및 유체흐름을 정확하게 고려할 수 있는 매크로 스케일을 통합하는 CFD model을 제안하였다. 효과적인 계산을 위해 Shin 과 Nam (2015)의 연구에서 개발된 전극 내의 복잡한 계산 없이 SOFC활성층 (active layer)에서 전류발생을 정확하게 예측할 수 있는 전기화학 유효도 모델을 도입하였다. 전기화학 유효도 모델은 상용 소프트웨어인 FLUENT 와 통합되어 사용자 정의함수, 사용자 정의 메모리, 사용자 정의 스칼라 기능을 이용하여 전류생산량 (current generation)을 계산한다. 동시에, FLUENT의 기본 내장 코드를 활용하여 열/유동/물질전달을 계산하였다. 외부의 유동을 단순화하여 계산한 기존의 모델과 비교하여 신뢰도가 입증되었고, 연구를 확장하여 진행하였다.

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), one of the promising future energy conversion system, allows the conversion of chemical energy into electrical energy and heat through the electrochemical reaction. SOFC operates with high efficiency and can be regarded as an environmentally friendly system as it discharges only water when using hydrogen fuel. Also, hydrogen is also seen as the fuel that plays a propitious future energy source. In Europe and Japan, there are many efforts to develop energy technology using the hydrogen fuel. In order to overcome the disadvantage of the high expense of purified hydrogen, there are researches actively carried out on the small-scale reformer system that enables acquisition of hydrogen fuel using methane fuel which can be easily obtained.

This dissertation utilizes FLUENT, commercial software, to calculate the chemical reaction and heat/gas transfer inside the small-scale reformer. Base on the catalyst effectiveness correlation for the analysis of nickel catalyst in the reformer developed by Nam (2015), a CFD model is developed to obtain the accurate results even with a small number of grids. Since the modified catalyst effectiveness correlation uses the properties on the surface of the catalyst, it is not necessary to dispose many grids inside the catalyst layer. The modified catalyst effectiveness correlation includes geometric information of monolith type reformer and operating condition information. A parametric study is conducted after confirming the reliability by comparing with the models that has not applied the catalyst effectiveness model.

Also, this dissertation develops an integrated CFD model for the SOFC system. When fuel and air are injected into the SOFC, an electrochemical reaction occurs inside the electrode, and a heat transfer/ gas flow/ mass transfer process are performed at the same time. This study proposes CFD model which integrates an electrochemical calculation inside of electrodes in micro scale and accurate consideration of heat and fluid flow in macro scale. For the efficient calculation, this study introduces electrochemical effectiveness model, developed by Shin and Nam (2015), which may accurately predict current generation in the active layer of SOFC without complicated calculations in electrodes. The electrochemical effectiveness model is integrated with the commercial software, FLUENT, and calculate current generation using the User-Defined Function (UDF), User-Defined Scalar (UDS), and User-Defined Memory (UDM). At the same time, heat/mass transfer and gas flow are calculated by utilizing the embedded code of FLUENT. The study extensively proceeded as the reliability is proven by comparing with the existing models which used simplified the external flow into the calculation.