Fuel-cell electric vehicles have recently gained attention. Despite the rising demand, hydrogen stations have needed more access. This study proposes a system that uses heavy naphtha to produce 50 Nm3/h of hydrogen on-site for remote areas without convenient access to hydrogen. The system includes a pressurized steam reformer (SR) to produce H2-rich gas and a catalytic membrane reactor (MR) to promote H2-producing reactions and permeate hydrogen. This system can produce hydrogen effectively with improved access by utilizing the liquid-fuel infrastructure. First, the study experimentally determined the operating conditions of the MR. Next, a process model based on the experimental results calculated the initial system efficiency. In addition, this study developed a comprehensive computational-fluid-dynamics model of the MR to improve its performance for higher system efficiency. By using the model, parametric studies were performed to maximize the MR performance. Three scale-up strategies were compared, for a more compact system, to find the most accurate option. At a constant Damköhler-Peclet number, the scale-up process observed various physical phenomena. The study found a scale with high performance, acceptable efficiency, and stability. Finally, a stack and its module were modeled to achieve the 50-Nm3/h target and enhanced system efficiency.
최근 연료전지 자동차가 주목받는 가운데 수소 충전소의 접근성은 제한되어 있다. 본 연구는 헤비 나프타를 50Nm3/h 고순도 수소로 변환하여 접근성이 떨어지는 지역에 수소를 공급하는 on-site 수소 생산 시스템을 제안한다. 시스템은 개질 가스를 생산하는 가압 수증기 개질기(SR)와 수소 생산 반응을 촉진시키고 수소를 투과하는 촉매 멤브레인 반응기(MR)로 구성되어 있다. 본 시스템의 경우 액체 연료 인프라를 활용하여 수소 접근성 문제를 해결하고 효율적으로 수소를 생산할 수 있다. 먼저 실험연구를 통해 운전조건을 선정하고 전체 시스템 효율을 계산하였다. MR이 개선되어야 시스템 효율이 향상될 수 있다고 판단되어 MR 전산유체역학 모델을 개발하고 검증하였다. 이후 여러 변수에 따른 해석을 통해 MR의 수소 투과량을 최대화하였다. 컴팩트한 시스템을 만들기 위해 MR 스케일업의 3가지 전략을 비교하고, 상사성이 제일 좋은 전략을 선정하였다. 스케일업 중 동일한 Damköhler-Peclet 수를 유지하면서 다양한 현상을 보았고, 고성능, 고효율, 안정성을 확보하는 스케일을 확보하였다. 마지막으로 스택과 모듈 모델을 개발하여 50Nm3/h 수소 생산 목표를 달성하고 시스템 효율을 향상시켰다.
