Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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제33권4호
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pp.114-121
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2010
Traditionally Nuclear Research and Development (R&D) result has been big influence on other industries and societies and it requires large scale investments and study period. So it is essential to apply Quality Assurance (QA) for systematic R&D management. This paper investigates QA System for U.S. Nuclear R&D and reviews QA elements. Based on this investigation, we applied QA requirements to Nuclear Hydrogen R&D project, and the scope of application be enlarged as R&D stage in progress. We also present QA system improvement way through consideration for Nuclear Hydrogen Project's QA application. As the need for QA in R&D is expected to increase in the future, it is necessary to prepare guidelines for R&D QA.
This study presents an aerodynamic design and an experimental performance test of a turbo air compressor consisted of mixed-flow impeller and curved diffuser for the PEM fuel cell vehicle application. Many studies compare the efficiency, cost or noise level of high-pressure and low-pressure operation of PEM fuel cell systems. Pressure ratio 2.2:1 is considered as design target The goal of compressor design is to enlarge the flow margin of compressor from surge to choke mass flow rate to cover the operational envelope of FCV. Large-scale rig test is performed to evaluate the compressor performance and to compare the effects of compressor exit pipe volume to stall or surge characteristics. The results show that the mixed-flow compressor designed has large flow margin, and the flow margin of compressor configuration with small exit volume is larger than that with large exit volume.
The accident at Japan's Fukushima Daiichi nuclear power plant in March 2011, caused by an earthquake and a subsequent tsunami, resulted in a failure of the power systems that are needed to cool the reactors at the plant. The accident progression in the absence of heat removal systems caused Units 1-3 to undergo fuel melting. Containment pressurization and hydrogen explosions ultimately resulted in the escape of radioactivity from reactor containments into the atmosphere and ocean. Problems in containment venting operation, leakage from primary containment boundary to the reactor building, improper functioning of standby gas treatment system (SGTS), unmitigated hydrogen accumulation in the reactor building were identified as some of the reasons those added-up in the severity of the accident. The Fukushima accident not only initiated worldwide demand for installation of adequate control and mitigation measures to minimize the potential source term to the environment but also advocated assessment of the existing mitigation systems performance behavior under a wide range of postulated accident scenarios. The uncertainty in estimating the released fraction of the radionuclides due to the Fukushima accident also underlined the need for comprehensive understanding of fission product behavior as a function of the thermal hydraulic conditions and the type of gaseous, aqueous, and solid materials available for interaction, e.g., gas components, decontamination paint, aerosols, and water pools. In the light of the Fukushima accident, additional experimental needs identified for hydrogen and fission product issues need to be investigated in an integrated and optimized way. Additionally, as more and more passive safety systems, such as passive autocatalytic recombiners and filtered containment venting systems are being retrofitted in current reactors and also planned for future reactors, identified hydrogen and fission product issues will need to be coupled with the operation of passive safety systems in phenomena oriented and coupled effects experiments. In the present paper, potential hydrogen and fission product issues raised by the Fukushima accident are discussed. The discussion focuses on hydrogen and fission product behavior inside nuclear power plant containments under severe accident conditions. The relevant experimental investigations conducted in the technical scale containment THAI (thermal hydraulics, hydrogen, aerosols, and iodine) test facility (9.2 m high, 3.2 m in diameter, and $60m^3$ volume) are discussed in the light of the Fukushima accident.
High-temperature steam electrolysis (HTSE) using solid oxide cell is a challenging method for highly efficient large-scale hydrogen production as a reversible process of solid oxide fuel cell (SOFC). The overall efficiency of the HTSE hydrogen and synthesis gas production system was analyzed thermo-electrochemically. A thermo-electrochemical model for the hydrogen and synthesis gas production system with solid oxide electrolysis cell (SOEC) and very high temperature gas-cooled reactor (VHTR) was established. Sensitivity analyses with regard to the system were performed to investigate the quantitative effects of key parameters on the overall efficiency of the production system. The overall efficiency with SOEC and VHTR was expected to reach a maximum of 58% for the hydrogen production system and to 62% for synthesis gas production system by improving electrical efficiency, steam utilization rate, waste heat recovery rate, electrolysis efficiency, and thermal efficiency. Therefore, overall efficiency of the synthesis production system has higher efficiency than that of the hydrogen production system.
Alkaline water electrolysis has been commercialized as the only large-scale method for a long time to produce hydrogen and the technology is superior to other methods such as photochemical, thermochemical water splitting, and thermal decomposition method in view of efficiency and related technical problem. However, such conventional electrolyzer do not have high electric efficiency and productivity to apply to large scale hydrogen production for energy or chemical feedstocks. Solid polymer electrolyte water electrolysis using a perfluorocation exchange membrane as an $H^+$ ion conductor is considered to be a promising method, because of capability for operating at high current densities and low cell voltages. So, this is a good technology for the storage of electricity generated by photovoltaic power plants, wind generators and other energy conversion systems. One of the most important R&D topics in electrolyser is how to minimize cell voltage and maximize current density in order to increase the productivity of the electrolyzer. A commercialized technology is the hot press method which the film type electrocatalyst is hot-pressed to soild polymer membrane in order to eliminate the contact resistance. Various technologies, electrocatalyst formed over Nafion membrane surface by means of nonelectrolytic plating process, porous sintered metal(titanium powder) or titanium mesh coated with electrocatalyst, have been studied for preparation of membrane-electrocatalyst composites. In this study some experiments have been conducted at a solid polymer electrolyte water electrolyzer, which consisted of single cell stack with an electrode area of $25cm^2$ in a unipolar arrangement using titanium mesh coated with electrocatalyst.
Transparent conducting oxides (TCOs) supported on glass are widely used as substrates in PEC studies for photovoltaic hydrogen generation applications However, high sheet resistane ($10{\sim}15{\Omega}/cm^2$) and fragileness of glass-supported TCO substrates are the obstacles to produce the large area PEC cells. Such internal sheet resistance is detrimental to efficient collection of photogenerated majority charge carriers at the photoactive material and electrolyte interface. Moreover, these TCO substrates are very expensive and consume about 40~60% cost of the devices. Hence, a low sheet resistance of the substrate is a key point in improving the performance of PEC devices. Metallic substrates coated with a photoactive material would be a good choice for efficient charge collection. Such metal substrates based photanodes are best candidate for large-scale phtoelectrochemical water splitting for hydrogen generation. In this study, we report the enhanced PEC performance of $WO_3$ film on metal(chemical etched, bare) substrate. It is proposed that interface between $WO_3$ and the metal substrate is responsible for efficient charge transfer and demonstrated significant improvement in the photoelectrochmical performance. X-ray diffration and FESEM suduies reveled that $WO_3$ films are monoclinic, porous, polycrystalline with average grain size of ~50nm. Photocurrent of $WO_3$ prepared on metal substrates was measured in 0.5M $H_2SO_4$ electroyte under simulated $100mW/cm^2$ illumination.
The reaction of gas-phase atomic hydrogen with hydrogen atoms chemisorbed on Fe(110) surface is studied by use of classical trajectory procedures. Flow of energy between the reaction zone and bulk solid phase has been treated in the generalized Langevin equation approach. A London-Eyring-Polanyi-Sato energy surface is used for the reaction zone interaction. Most reactive events are found to occur in strong single-impact collisions on a subpicosecond scale via the Eley-Rideal mechanism. The extent of reaction is large and a major fraction of the available energy goes into the vibrational excitation of H2, exhibiting a vibrational population inversion. Dissipation of reaction energy to the heat bath can be adequately described using a seven-atom chain with the chain end bound to the rest of solid. The extent of reaction is not sensitive to the variation of surface temperature in the range of Ts=0-300 K in the fixed gas temperature, but it shows a minimum near 1000 K over the Tg=300-2500 K.
In order to utilize hydrogen energy in a large-scale in the future, development of effective hydrogen storage method is essentially required as well as that of efficient hydrogen production method. The hydrogen storage method using metal hydrides has been holding the spotlight as a safer and higher-density hydrogen storage method than conventional hydrogen storage methods such as liquid hydrogen or compressed hydrogen storage method. However when metals react with hydrogen to store hydrogen as metal hydrides, they undergo exothermic reactions, while metal hydrides evolve hydrogen by endothermic reaction. Therefore, hydrogen storage tank should have such structure that it can absorb or release reaction heat rapidly and efficiently. In this study, a review on the improvement of the heat release and absorption structure in the hydrogen storage tank was conducted, and as a result, a new type of hydrogen storage tank with the structure of vertical-type wall was designed and manufactured. Experimental results showed that this new type of tank could be used as an efficient hydrogen storage tank because its structure is simpler and manufacture is easier than cup-type hydrogen storage tank with the structure of packed horizontal cup.
Lots of networks are constructed in a large scale industrial complex. Each network meet their demands through production or transportation of materials which are needed to companies in a network. Network directly produces materials for satisfying demands in a company or purchase form outside due to demand uncertainty, financial factor, and so on. Especially utility network and hydrogen network are typical and major networks in a large scale industrial complex. Many studies have been done mainly with focusing on minimizing the total cost or optimizing the network structure. But, few research tries to make an integrated network model by connecting utility network and hydrogen network In this study, deterministic mixed integer linear programming model is developed for integrating utility network and hydrogen network. Steam Methane Reforming process is necessary for combining two networks. After producing hydrogen from Steam-Methane Reforming process whose raw material is steam vents from utility network, produced hydrogen go into hydrogen network and fulfill own needs. Proposed model can suggest optimized case in integrated network model, optimized blueprint, and calculate optimal total cost. The capability of the proposed model is tested by applying it to Yeosu industrial complex in Korea. Yeosu industrial complex has the one of the biggest petrochemical complex and various papers are based in data of Yeosu industrial complex. From a case study, the integrated network model suggests more optimal conclusions compared with previous results obtained by individually researching utility network and hydrogen network.
A sub-millimeter scale catalytic combustor with a simple plate-shaped combustion chamber was fabricated. A porous ceramics support coated with platinum catalyst was placed in the chamber. The combustor has a gallium arsenide window on the top that is transparent to infrared ray. The temperature distribution in the combustion chamber was measured using infrared thermal imager while hydrogen-air premixture is steadily supplied to the combustor. The area where the catalytic reaction took place broaden for higher flow rate and lower equivalence ratio made activated area in the combustion chamber broaden. The amount of coated platinum catalyst did not affect the reaction. Stop of reaction, which is similar to flame quenching of conventional combustion, was investigated. Large content of heat generation and broad activated area are essential criteria to prevent stop of reaction that has a bad effect on the combustor performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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