Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

Design of monolith-typed reactor for vehicular hydrogen production

Other Title (Parallel Title in Other Language of ETD)

การออThesis (Ph.D.)--Chulalongkorn University, 2016กแบบเครื่องปฏิกรณ์ประเภทโมโนลิทเพื่อผลิตไฮโดรเจนภายในรถยนต์

Year (A.D.)

2016

Document Type

Thesis

First Advisor

Suttichai Assabumrungrat

Second Advisor

Sompong Putivisutisak

Third Advisor

Tomohiko Tagawa

Faculty/College

Faculty of Engineering (คณะวิศวกรรมศาสตร์)

Degree Name

Doctor of Philosophy

Degree Level

Doctoral Degree

Degree Discipline

Chemical Engineering

DOI

10.58837/CHULA.THE.2016.1357

Abstract

This thesis studied the development of a small scale multifunctional reactor for hydrogen production for on-board fuel cell. The study was divided into three parts as follows: i) the comparison between the flow arrangements of the thermally coupled micro reformer (TMR) ii) the effect of the flow arrangement on the micro membrane reformer (MMR) performance and iii) design of thermally coupled monolithic membrane reformer (TMMR) for vehicle. In the case of TMR and MMR, both reformers were examined by three dimensional computational fluid dynamic simulation using COMSOL Multiphysics®. Parallel arrangement and checked arrangement were considered as the flow arrangement of the reformers. The checked arrangement in TMR reduced temperature difference between cold and hot spots due to higher heat transfer. As a result, the checked arrangement is appropriate for large channel width reformer. Since the checked arrangement has larger contact area, total membrane area was utilized in MMR. Higher hydrogen permeation and lower hydrogen accumulation were observed. The parameters’ influence in TMR and MMR was reported. According to the higher performance of the checked arrangement, the arrangement was employed in the TMMR design based on a commercial monolith configuration. The TMMR was designed using Gibbs reactor and Plug flow reactor models via Aspen Plus. The efficient condition was at 4 atm and methane of 0.30 mol/s for steam reforming and 0.03 mol/s for combustion. It was found that the energy efficiency of TMMR depended on exchange area of monolith. At optimal configuration (1.5 m2 of exchange area), 200 cpsi monolith and 150 mm of diameter and length produced hydrogen equivalent to 129 kW with 43.96% efficiency. Therefore, TMMR which has 2.65 liters of volume is a potential reformer for on-board hydrogen production.

Other Abstract (Other language abstract of ETD)

งานวิจัยนี้ศึกษาการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์หลายหน้าที่ขนาดเล็กเพื่อผลิตไฮโดรเจนสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงภายในรถยนต์ โดยการศึกษาแบ่งออกเป็นสามส่วนดังนี้ 1) การเปรียบเทียบการจัดเรียงกระบวนการของเครื่องปฏิกรณ์ควบคู่ความร้อนระดับไมโคร 2) ผลกระทบของการจัดเรียงกระบวนการต่อสมรรถภาพของเครื่องปฏิกรณ์ไมโครแบบเยื่อแผ่น และ 3) การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อแผ่นประเภทโมโนลิทควบคู่ความร้อนสำหรับรถยนต์ สำหรับเครื่องปฏิกรณ์ควบคู่ความร้อนระดับไมโครและเครื่องปฏิกรณ์ไมโครแบบเยื่อแผ่น เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองศึกษาโดยการจำลองพลศาสตร์ของไหลในรูปแบบสามมิติด้วยโปรแกรมคอมโซลมัลติฟิสิกส์ การจัดเรียงแบบขนานและการจัดเรียงแบบสลับช่องถูกพิจารณาเป็นการจัดเรียงกระบวนการของเครื่องปฏิกรณ์ การจัดเรียงแบบสลับช่องของเครื่องปฏิกรณ์ควบคู่ความร้อนระดับไมโครช่วยลดความต่างของอุณหภูมิระหว่างจุดร้อนและจุดเย็นได้เนื่องจากมีการถ่ายโอนความร้อนสูง ดังนั้นการจัดเรียงนี้จึงเหมาะสมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ที่มีช่องขนาดใหญ่ และเนื่องจากการจัดเรียงแบบสลับมีพื้นที่สัมผัสระหว่างกระบวนการมากส่งผลให้เยื่อเลือกผ่านทั้งหมดถูกใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์ไมโครแบบเยื่อแผ่น โดยสามารถแยกไฮโดรเจนได้เพิ่มขึ้นและช่วยลดการสะสมของไฮโดรเจนภายในผนังของเครื่องปฏิกรณ์ แนวโน้มของตัวแปรต่างๆของเครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองถูกรายงานในงานศึกษานี้ เนื่องด้วยประสิทธิภาพที่ดีของการจัดเรียงแบบสลับช่อง การจัดเรียงนี้จึงใช้สำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบเยื่อแผ่นประเภทโมโนลิทควบคู่ความร้อนจากโครงสร้างโมโนลิทเชิงพาณิชย์ การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นี้ใช้การจำลองด้วยโปรแกรมแอสเพนพลัส สภาวะที่มีประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์คือทำปฏิกิริยาปฏิรูปที่ความดัน 4 เท่าของบรรยากาศและอัตราการไหลของมีเทนเท่ากับ 0.30 โมลต่อวินาที สำหรับปฏิกิริยาปฏิรูป และ 0.03 โมลต่อวินาที สำหรับการเผาไหม้ จากการจำลองพบว่าประสิทธิภาพของเครื่องปฏิกรณ์ขึ้นอยู่กับพื้นที่แลกเปลี่ยนของโมโนลิท โดยโครงสร้างที่เหมาะสม (พื้นที่แลกเปลี่ยนเท่ากับ 1.5 ตารางเมตร) คือโมโนลิทที่มีความหนาแน่นของช่องเท่ากับ 200 ช่องต่อตารางนิ้วและมีเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวเท่ากับ 150 มิลลิเมตร ซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนได้มีกำลังงานสูงเทียบเท่า 129 กิโลวัตต์และมีประสิทธิภาพเท่ากับร้อยละ 43.96 ดังนั้นเครื่องปฏิกรณ์ชนิดนี้ซึ่งมีปริมาตร 2.65 ลิตร เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่มีศักยภาพเหมาะสมสำหรับการผลิตไฮโดรเจนเพื่อเป็นแหล่งพลังงานภายในรถยนต์

Link to Full Text

Share

COinS