연료전지는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 화석연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지의 연료로는 수소가 주로 쓰인다. 그 주된 이유로 수소는 탄화수소, 알코올 및 석탄 등에 비하여 전기화학적 반응성이 높고, 그 ...
연료전지는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 화석연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지의 연료로는 수소가 주로 쓰인다. 그 주된 이유로 수소는 탄화수소, 알코올 및 석탄 등에 비하여 전기화학적 반응성이 높고, 그 반응 메커니즘이 잘 알려져 있으며 반응경로가 비교적 간단하기 때문이다. 수소는 메탄올과 에탄올 같은 합성연료로부터 얻을 수 있다. 메탄올과 에탄올은 가격이 싸고 황 성분이 없기 때문에 자연친화적이다. 또한 운반과 저장이 용이하고 물과 잘 섞인다는 여러 가지 장점이 있기 때문에 수소를 생산하는 데에 적합한 에너지원이다. PEMFC의 경우 연료로부터 수소를 발생시키는 연료프로세서가 반드시 필요하다. 연료프로세서는 수소가 풍부한 개질가스를 생산하는 개질기와 개질가스 중 CO를 PEMFC에서 허용되는 10ppm 이하로 낮추는 CO 제거 장치로 구성된다. 이 경우, 전체 발전 시스템의 출력밀도 향상을 위해서는 연료프로세서가 작게 제작될수록 유리하다. 따라서 본 연구에서는 열 및 물질 전달 면에서 유리한 미세구조(micro-structured)의 반응기를 개발하고자한다.본 연구는 크게 메탄올 개질 반응과 에탄올 개질 반응의 두 가지 반응에 관한 연구를 진행하였다. 메탄올 수증기 개질 반응은 CuO/Al2O3 촉매를 제조하여 마이크로반응기에서의 활성과 촉매의 특성에 대한 분석을 수행하였다. 촉매는 초기함침법을 이용하였으며 상용 γ-Alumina 담체를 사용하여 여러 가지 wt%로 CuO를 담지하였다. 그 중 가장 성능이 높은 촉매는 7 wt%로 담지 된 CuO/Al2O3 촉매였다.에탄올 수증기 개질 반응은 바로 마이크로 반응기 실험을 진행하였는데, 그 때 사용된 촉매는 다공성 Ni plate였다. 반응 결과 450 ∼ 600 oC에서 WGS 반응이 일어났다. 또한 700 oC에서 코킹이 생김을 SEM을 통해서 확인하였다. 그러므로 다공성 Ni plate를 촉매로 사용한 에탄올 수증기 개질 반응의 경우 450 ∼ 600 oC의 반응온도가 가장 이상적임을 성능 결과를 통해 확인할 수 있었다.본 연구의 모든 촉매특성 분석은 BET, TPR, XRD, SEM을 통해 분석하였고, 반응의 활성 실험은 GC(TCD, FID)와 일산화탄소 분석기를 이용하여 분석하였다.
연료전지는 천연가스, 가솔린, 메탄올 등의 화석연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지의 연료로는 수소가 주로 쓰인다. 그 주된 이유로 수소는 탄화수소, 알코올 및 석탄 등에 비하여 전기화학적 반응성이 높고, 그 반응 메커니즘이 잘 알려져 있으며 반응경로가 비교적 간단하기 때문이다. 수소는 메탄올과 에탄올 같은 합성연료로부터 얻을 수 있다. 메탄올과 에탄올은 가격이 싸고 황 성분이 없기 때문에 자연친화적이다. 또한 운반과 저장이 용이하고 물과 잘 섞인다는 여러 가지 장점이 있기 때문에 수소를 생산하는 데에 적합한 에너지원이다. PEMFC의 경우 연료로부터 수소를 발생시키는 연료프로세서가 반드시 필요하다. 연료프로세서는 수소가 풍부한 개질가스를 생산하는 개질기와 개질가스 중 CO를 PEMFC에서 허용되는 10ppm 이하로 낮추는 CO 제거 장치로 구성된다. 이 경우, 전체 발전 시스템의 출력밀도 향상을 위해서는 연료프로세서가 작게 제작될수록 유리하다. 따라서 본 연구에서는 열 및 물질 전달 면에서 유리한 미세구조(micro-structured)의 반응기를 개발하고자한다.본 연구는 크게 메탄올 개질 반응과 에탄올 개질 반응의 두 가지 반응에 관한 연구를 진행하였다. 메탄올 수증기 개질 반응은 CuO/Al2O3 촉매를 제조하여 마이크로반응기에서의 활성과 촉매의 특성에 대한 분석을 수행하였다. 촉매는 초기함침법을 이용하였으며 상용 γ-Alumina 담체를 사용하여 여러 가지 wt%로 CuO를 담지하였다. 그 중 가장 성능이 높은 촉매는 7 wt%로 담지 된 CuO/Al2O3 촉매였다.에탄올 수증기 개질 반응은 바로 마이크로 반응기 실험을 진행하였는데, 그 때 사용된 촉매는 다공성 Ni plate였다. 반응 결과 450 ∼ 600 oC에서 WGS 반응이 일어났다. 또한 700 oC에서 코킹이 생김을 SEM을 통해서 확인하였다. 그러므로 다공성 Ni plate를 촉매로 사용한 에탄올 수증기 개질 반응의 경우 450 ∼ 600 oC의 반응온도가 가장 이상적임을 성능 결과를 통해 확인할 수 있었다.본 연구의 모든 촉매특성 분석은 BET, TPR, XRD, SEM을 통해 분석하였고, 반응의 활성 실험은 GC(TCD, FID)와 일산화탄소 분석기를 이용하여 분석하였다.
Micro-structured reactors were developed for hydrogen production from methanol and ethanol. As a catalyst for methanol steam reforming, CuO/Al2O3 catalyst was prepared. Compared with commercial catalysts, 7 wt% CuO/Al2O3 catalyst showed higher activities for methanol steam reforming. The catalyst, h...
Micro-structured reactors were developed for hydrogen production from methanol and ethanol. As a catalyst for methanol steam reforming, CuO/Al2O3 catalyst was prepared. Compared with commercial catalysts, 7 wt% CuO/Al2O3 catalyst showed higher activities for methanol steam reforming. The catalyst, however, underwent sintering during the continuous operation and the catalyst stability needs further improvement. The CuO/Al2O3 catalyst was applied in the microchannels to form a micro-structured methanol steam reformer. At 250 ∼ 350 ℃, syngas was obtained with CO concentration less than 0.1%.With a porous Ni plate as a catalyst for the ethanol steam reforming, the reasonable performance was obtained in the micro-structured reactor at 450 ～ 600 oC. As a result of ethanol steam reforming in a micro-structured reactor, syngas up to 200 sccm was produced. There were no differences in product gas composition under the feed flow of 0.125 ～ 0.5 ml/min. The optimum flow rate was 0.25 ml/min at which syngas enough for operating 10W fuel cell was produced. The microstructured reactors for methanol and ethanol steam reforming demonstrated a potential for hydrogen supply to PEMFC and provided advantages such as high efficiency and simplicity in portable fuel processor.
Micro-structured reactors were developed for hydrogen production from methanol and ethanol. As a catalyst for methanol steam reforming, CuO/Al2O3 catalyst was prepared. Compared with commercial catalysts, 7 wt% CuO/Al2O3 catalyst showed higher activities for methanol steam reforming. The catalyst, however, underwent sintering during the continuous operation and the catalyst stability needs further improvement. The CuO/Al2O3 catalyst was applied in the microchannels to form a micro-structured methanol steam reformer. At 250 ∼ 350 ℃, syngas was obtained with CO concentration less than 0.1%.With a porous Ni plate as a catalyst for the ethanol steam reforming, the reasonable performance was obtained in the micro-structured reactor at 450 ～ 600 oC. As a result of ethanol steam reforming in a micro-structured reactor, syngas up to 200 sccm was produced. There were no differences in product gas composition under the feed flow of 0.125 ～ 0.5 ml/min. The optimum flow rate was 0.25 ml/min at which syngas enough for operating 10W fuel cell was produced. The microstructured reactors for methanol and ethanol steam reforming demonstrated a potential for hydrogen supply to PEMFC and provided advantages such as high efficiency and simplicity in portable fuel processor.
주제어
#수증기 개질 반응 마이크로반응기 메탄올 에탄올 porous Ni 촉매 steam reforming methanol ethanol microstructured reactor fuel processing Cu catalyst Ni catalyst CuO/Al2O3
학위논문 정보
저자
김영지
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
화학공학과
지도교수
남석우,설용건
발행연도
2009
총페이지
vii, 79장
키워드
수증기 개질 반응 마이크로반응기 메탄올 에탄올 porous Ni 촉매 steam reforming methanol ethanol microstructured reactor fuel processing Cu catalyst Ni catalyst CuO/Al2O3
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