Electrochemical hydrogen sulfide decomposition produces hydrogen by recovering hydrogen sulfide using electrical energy. Adopting proton-conducting solid oxide electrolysis cell for electrochemical hydrogen sulfide decomposition carry out hydrogen production and separation in a single step. Electrochemical hydrogen sulfide decomposition technology is still in the stage of developing electrodes. Computational fluid dynamics (CFD) models of electrochemical cells are mandatory to improve the cell performances and efficiency because the CFD model increases an understanding of mass and heat transport and electrochemical mechanisms. Especially for electrochemical hydrogen sulfide decomposition, there is a thermal decomposition through the cell. Therefore, it is important to figure out interactions between electrochemical and thermal decompositions. However, studies on CFD models for electrochemical hydrogen sulfide decomposition are lacking. In this study, a CFD model for electrochemical hydrogen sulfide decomposition is developed on a button cell scale based on experiments using an open-source CFD software, OpenFOAM®. The model implements porous electrodes and electrochemical properties with the Nernst equation and Faraday's law of electrolysis. Thermal properties found in experiments at 600 °C are also implemented by kinetic estimation through the experiment results. The model is validated by comparison of the current density-voltage curve and conversion of hydrogen sulfide with the experiment results. Case studies are carried out to investigate cell variables such as current density, conversion of hydrogen sulfide, electrochemical versus thermal reaction ratio by inlet mole fractions, flow rates, and flow configurations.
양성자전도 고체 산화물 전해전지를 이용한 전기화학적 황화수소 분해는 전기에너지를 이용하여 황화수소를 분리하면서 수소의 생산과 분리를 한 번에 수행하는 장치이다. 전지의 성능과 효율성을 높이기 위해선 물질과 열의 전달 및 전기화학 메커니즘과 상호작용의 이해를 높여주는 전산유체역학 모델에 대한 연구가 필수적이지만 현재 전기화학적 황화수소 분해 전지에 대한 전산유체역한 연구는 부족한 상황이다. 특히 전지 안에서 열적 분해가 일어나는 전기화학적 황화수소 분해의 경우에는 전산유체역학 모델을 통해 전기화학적 분해와 열적 분해의 상호작용을 파악하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 단추형 전지 규모 실험 기반의 전기화학적 황화수소 분해 전산유체역학 모델을 개발한다. 전기화학적 황화수소 분해 모델은 다공성 전극의 전기화학적, 열적 특성을 표현하고 실험의 전류-전압 곡선과 황화수소의 전환량 비교를 통해 검증된다. 사례 연구는 채널 입구에서의 황화수소 조성, 유속, 채널의 배열에 따른 전지의 성능과 전기화학적 분해와 열적 분해의 상호작용을 조사한다.
