As an efficient energy resource utilization, fuel cell based auxiliary power unit (FC-APU) system has received attention to reduce greenhouse gas emission and noise for heavy-duty truck idling. The overall system comprises an on-board fuel processor to convert hydrocarbon fuel into hydrogen-rich stream to supply the fuel cell. For efficient and mobile use, an autothermal reforming (ATR) process has been implemented with Ni-based monolithic catalyst. The ATR produces hydrogen through a combination of exothermic and endothermic reactions, balancing the entire process as thermally neutral process. The reforming performance should be examined in order to ensure the reformate gas to supply the fuel cell at proper composition and temperature. Thus, this study proposes a comprehensive mathematical model of diesel ATR involving heat transport and reaction kinetics. The kinetics of the Ni-based catalyst are defined with the refined set of ATR reactions and specific rate parameters found from model-based parameter estimation. The estimation is based on maximum likelihood method with respect to the micro-reactor experimental data. Along with the kinetics, heat transfer phenomena are reflected in the two-dimensional dynamic model. The simulation results are validated with the 1kW-scale diesel ATR reactor. The developed model is used to evaluate the effects of operating conditions and the optimal reactor design is suggested to enhance the reformer performance.
최근 교통수단 부문 중 온실가스 배출 및 소음 문제를 해결하기 위한 대안으로 고체산화 연료전지를 이용한 보조전원장치가 대안으로 떠오르고 있다. 이 장치는 트럭 및 특장차에 결합되어 보조전력을 공급하여 차량 엔진의 공회전시 온실가스 배출 저감 효과가 기대된다. 제시되는 보조전원장치의 구성요소 중 하나인 니켈 기반의 촉매를 이용한 디젤 자열개질기는 산화와 수증기 개질반응을 조합하여 외부 열원없이 연료전지에 최적화된 순도 높은 수소를 생산하여 연료전지에 공급하는 역할을 한다. 안전하고 높은 효율의 시스템 운전을 위해 정확한 개질 성분의 조성과 온도 예측이 요구되었다. 이에 본 연구는 니켈 기반의 촉매 반응을 바탕으로 촉매반응과 이동현상을 모두 포함한 디젤 자열개질기의 동적 모델을 구축했다. 니켈 기반의 촉매 반응은 최대개연성원리를 바탕으로 모델 기반의 매개변수추산법을 이용하여 반응속도변수를 추정했고, 추가적으로 모노리스형태의 촉매반응기를 2차원으로 구성하여 채널내부, 채널사이, 그리고 외부와의 열전달현상을 모사했다. 만들어진 모델은 1kW급 디젤 자열개질기 실험결과와 비교하고 검증했으며, 최종 개발된 모델을 이용하여 촉매반응기의 디자인을 최적화하였다.
