[논문]MCFC Off-gas 촉매연소기 설계에 관한 연구

이상민; 이영덕; 안국영; 홍동진; 김만영

MCFC Off-gas 촉매연소기 설계에 관한 연구
A Study on the Design of MCFC Off-Gas Catalytic Combustor 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.18 no.4, 2007년, pp.406 - 412

이상민 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부) , 이영덕 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부) , 안국영 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부) , 홍동진 (전북대학교 항공우주공학과) , 김만영 (전북대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study on the design of a catalytic combustor for 1.6 kW MCFC system has been performed. The roles of the catalytic combustor are to completely burn anode off-gas and to supply sufficient $CO_2$ to cathode channels. In order to avoid hot spot or fuel slippage, flow uniformity at the catalyst inlet was achieved by installing two crossing perforated plates between the catalyst and the mixing chamber with minimal pressure drop. A Pd/Ce/Ni-$Al_2O_3$ catalyst was used for complete combustion of the off-gas at GHSV=36,000.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 MCFC 연소시스템의 연소기 조건을 충족시키는 촉매연소기의 설계를 위한 유동균일화 및 촉매반응 시험을 수행하였다.

제안 방법

O는 스팀상태로 공급해야 하므로 전기스팀보일러를 이용하였다. H₂O의 유량은 보일러 내부의 수위를 유지하면서 보일러용 전기히터(5 kW)에 공급되는 전력을 제어하여 조절하였다. 촉매연소기 입구온도 조절용 전기히터(20 kW)에는 안전을 고려하여 연료를 제외한 공기와 CO₂를 공급하여 온도를 조절하였다.
그림에서 보다시피 CH₄만을 공급하는 경우 전혀 반응이 일어나지 않으며, CO를 공급하는 경우 CO 성분만 반응하여 출구 온도가 증가하는 현상을 관찰할 수 있다. H₂는 전체 유량의 10, 20, 40, 70, 100% 순서로 공급하였다. 40%까지는 H₂만이 반응하지만, 70%부터 CH₄의 반응이 시작되어 H₂를 모두 공급한 설계조 건에서는 99.
각각의 연료성분에 대한 반응특성을 알아보기 위하여 연료를 CH₄ , CO, H₂ 순서로 공급함으로써 온도 및 CH₄ 농도의 변화를 계측하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 그림에서 보다시피 CH₄만을 공급하는 경우 전혀 반응이 일어나지 않으며, CO를 공급하는 경우 CO 성분만 반응하여 출구 온도가 증가하는 현상을 관찰할 수 있다.
본 연구에서는 4가지 방향의 공급조건을 대상으로 유동균일화 특성을 실험하였으며, 그 조건을 Table 2에 나타내었다. 공기유량은 50 lpm, 500 l pm 두 가지 경우에 대해서 실험하였으며, 이때 GHSV 는 36,000으로 유지하였다. 유량이 500 lpm의 경우 에는 case 1에 대한 실험만 수행하였다.
본 연구에서는 4가지 방향의 공급조건을 대상으로 유동균일화 특성을 실험하였으며, 그 조건을 Table 2에 나타내었다. 공기유량은 50 lpm, 500 l pm 두 가지 경우에 대해서 실험하였으며, 이때 GHSV 는 36,000으로 유지하였다.
지지체(support)로는 Al₂O₃를 사용하였으며 촉매 층에서 발생할 수 있는 차압을 최소화하기 위하여 구형(ball)이나 펠렛형(pellet)이 아닌 하니컴형(honeycomb monolith) 촉매(cordierite)를 사용하였다. 본 연구에서는 모든 조건에서의 GHSV를 36,000hr^-1으로 고정하였다.
유동균일화 실험에서는 혼합기체를 공급하는 경우 자발화나 폭발의 위험이 있기 때문에 같은 유량의 공기로 대체하고, 촉매를 입히지 않은 하니컴을 설치하여 유동균일화 정도를 측정하였다. 하니컴에서는 출구에서의 유속분포가 촉매입구의 유속분포와 동일하기 때문에 하니컴 출구에서의 유속분포를 열선풍속계(hot wire, KIMO AMI 301) 를 수직, 수평방항으로 이송시키며 계측하였다.
하니컴에서는 출구에서의 유속분포가 촉매입구의 유속분포와 동일하기 때문에 하니컴 출구에서의 유속분포를 열선풍속계(hot wire, KIMO AMI 301) 를 수직, 수평방항으로 이송시키며 계측하였다. 이때 압력프로브를 이용하여 혼합부와 촉매연소기 사이의 차압을 측정하였다.
3에 나타내었다. 촉매 전단에 2 mm 두께의 2장의 다공판(기공률=10%)을 2 mm 간격을 두고 교차되게 설치하여 첫 다공판을 빠져나온 유동이두 번째 다공판에 충돌하게 하였다. 다공판을 한장만 설치하거나 두 다공판의 간격이 넓을 경우에는 원래의 유동특성을 유지하게 되어 유동균일화의 효과가 크지 않다⁷⁾.
H₂O의 유량은 보일러 내부의 수위를 유지하면서 보일러용 전기히터(5 kW)에 공급되는 전력을 제어하여 조절하였다. 촉매연소기 입구온도 조절용 전기히터(20 kW)에는 안전을 고려하여 연료를 제외한 공기와 CO₂를 공급하여 온도를 조절하였다. 촉매연소기 전단에 혼합을 촉진시키기 위하여 static mixer를 설치하였고, 이를 통하여 촉매반응기에 완전히 혼합된 연료/공기 혼합기체가 공급되게 하였다.
촉매연소기 입출구의 온도는 K type 열전대를 이용하여 계측하였고, 가스분석기(HORIBA PA-3000)를 이용하여 연소기 출구에서의 CH₄, CO, CO₂(이상 NDIR방식), O₂(MPA방식)의 농도를 실시간으로 계측하였다.
촉매연소에 미치는 온도의 영향을 알아보기 위하여 촉매연소기 입구온도를 변화하면서 온도 및 농도를 계측하는 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 그림에서 T_h는 히터 출구의 온도, T_i는 촉매 전단의 온도, T_o는 촉매 출구의 온도를 나타내며, T_h를 220℃에서 320℃까지 20℃ 간격으로 증가시켰다.
유동균일화 실험에서는 혼합기체를 공급하는 경우 자발화나 폭발의 위험이 있기 때문에 같은 유량의 공기로 대체하고, 촉매를 입히지 않은 하니컴을 설치하여 유동균일화 정도를 측정하였다. 하니컴에서는 출구에서의 유속분포가 촉매입구의 유속분포와 동일하기 때문에 하니컴 출구에서의 유속분포를 열선풍속계(hot wire, KIMO AMI 301) 를 수직, 수평방항으로 이송시키며 계측하였다. 이때 압력프로브를 이용하여 혼합부와 촉매연소기 사이의 차압을 측정하였다.

대상 데이터

H₂, CO, CH₄, CO₂, air의 유량은 MFC(Brooks 5851S, 5853S)를 사용하여 조절하였고, H₂O는 스팀상태로 공급해야 하므로 전기스팀보일러를 이용하였다. H₂O의 유량은 보일러 내부의 수위를 유지하면서 보일러용 전기히터(5 kW)에 공급되는 전력을 제어하여 조절하였다.
하지만, 본 연구에서는 촉매 활성을 방해하는 H₂O 의 농도가 높기 때문에 Pd 뿐만 아니라 Ce, Ni이 담지된 촉매를 사용하였다⁵⁾. 지지체(support)로는 Al₂O₃를 사용하였으며 촉매 층에서 발생할 수 있는 차압을 최소화하기 위하여 구형(ball)이나 펠렛형(pellet)이 아닌 하니컴형(honeycomb monolith) 촉매(cordierite)를 사용하였다. 본 연구에서는 모든 조건에서의 GHSV를 36,000hr^-1으로 고정하였다.
연소에는 Pd 촉매가 사용된다. 하지만, 본 연구에서는 촉매 활성을 방해하는 H₂O 의 농도가 높기 때문에 Pd 뿐만 아니라 Ce, Ni이 담지된 촉매를 사용하였다⁵⁾. 지지체(support)로는 Al₂O₃를 사용하였으며 촉매 층에서 발생할 수 있는 차압을 최소화하기 위하여 구형(ball)이나 펠렛형(pellet)이 아닌 하니컴형(honeycomb monolith) 촉매(cordierite)를 사용하였다.

성능/효과

1) 2장의 다공판을 이용하는 유동균일화 장치를 사용함으로써 압력손실을 최소화하면서 유동의 공급방향과 무관하게 유동균일화를 향상시킬 수 있었다.
2) anode 출구가스 연소를 위하여 Pd/Ce/Ni -Al₂O₃계열의 촉매를 사용하였으며, 연료이용률이 60%인 설계조건에서 99.9% 이상의 CH₄ 전환률을 나타냄을 확인하였다.
H₂는 전체 유량의 10, 20, 40, 70, 100% 순서로 공급하였다. 40%까지는 H₂만이 반응하지만, 70%부터 CH₄의 반응이 시작되어 H₂를 모두 공급한 설계조 건에서는 99.9% 이상의 CH₄가 연소함을 확인할 수 있다. 이러한 현상의 원인은 수소가 반응함에 따라 반응기 내부의 온도가 상승하여 CH₄의 연소를 가능하게 하였기 때문이다.
그림에서 보다시피 유동의 분포가 유동균일화 장치로 인하여 크게 향상됨을 확인할 수 있으며, 다공판을 1장 사용하거나 메탈파이버를 사용하는 경우에 비하여 균일화 효과가 뛰어남을 보이고 있다. 각각의 경우에 대한 유동균일화 정도를 정량화하기 위하여 표준편차 값을 비교하였으며(Table 3), 2장의 다공판을 사용하는 경우 표준편차가 가장 작은 값을 나타내었다.
유동균일화 장치가 없는 경우 반경방향으로 대칭이 맞지 않을 뿐더러 바깥쪽 부분이 가운데 부분에 비하여 속도가 크게 높은 매우 불균일한 분포를 가지게 된다. 동일한 조건에서 유동균일화 장치를 사용하게 되면 반경방향 대칭성을 보이며 유동이 매우 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이때 유동균일화 장치에서 걸리는 압력은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 발전시스템이 각광받고 있는 이유는 무엇인가?	화석연료를 바탕으로 하는 기존의 발전시스템은 연료 매장량의 한계, 환경문제의 심각성 및 신규발전소 건설에 대한 부지확보의 어려움 등으로 인하여 한계상황에 직면하고 있다. 이에 따라 최근 수소에너지 발전시스템이 부각되고 있으며, 그 중에서도 연료전지 발전시스템은 고효율 및 저공해 목표를 동시에 달성함과 동시에 자원고갈, 공해문제, 부지확보 문제 등을 극복할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 특히 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC)는 발전분야에서 가장 빠르게 상용화가 진행되고 있는 연료전지로서 현재 미국의 FCE, 독일의 MTU, 일본의 IHI 와 국내의 전력연구원을 중심으로 활발한 연구가 수행되고 있다1).
	MCFC 발전시스템은 무엇으로 구성되는가?	1 과 같다. MCFC 발전시스템은 MCFC 스택 (stack)과 개질기, 연소기, 송풍기 등의 주변장치 (Balance of Plant, 이하 BOP)로 구성되며, MCFC 스택에서 발생하는 반응은 아래와 같다2).
	MCFC 발전시스템에서 연소기의 장점은 무엇인가?	연소기는 anode 출구와 cathode 입구 사이에 위치하며, anode에서 배출되는 미반응 연료 성분 (H 2/CH 4/CO 혼합기체)을 공기 블로워로 공급되는 공기를 이용하여 연소시킴으로써 cathode에 CO 2를 공급하는 역할을 하게 된다. 또한 연소 시 발생 하는 열을 이용함으로써 시스템 효율을 증가시킬수 있다. 한편, anode 출구가스에는 개질과정 및연료전지 반응과정에서 발생하는 다량의 CO 2와 H 2O로 인하여 연료성분의 농도가 매우 낮아지므로 일반적인 연소방식으로는 완전연소가 어렵다.

참고문헌 (7)

박성연, 이충곤, 임희천, 안교상, 서혜경, '응융탄산염형 연료전지의 스택구조와 온도특성', 한국수소 및 신에너지학회 논문집, Vol. 15, No. 1, 2004, pp. 54-61

원문보기 상세보기
이영덕, 이상민, 안국영, 임희천, '50 kW급 MCFC 연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템', 유체기계저널, Vol. 9, No. 10, 2006, pp. 72-75

원문보기 상세보기
H. Ghezel-Ayagh, J. Walzak, D. Patel, J. Daly, H. Maru, R. Sanderson, W. Livingood, 'State of Direct Fuel Cell/Turbine Systems Development', Journal of Power Sources, Vol. 152, 2005, pp. 219-225

상세보기
R. E. Hayes, S. T. Kolaczkowski, 'Introduction to Catalytic Combustion', Gordon and Breach Science Publishers, 1997
J. -M. Lee, Y. K. Hwang, A. S. Mamman, S. M. Lee, D. -Y. Hong, K. -Y. Ahn, J. -S. Chang, 'Catalytic Combustion of Effluents from Methane-based MCFC Device over Cordierite Supported Pd/La- $Al_2O_3$ Catalyst', Solid State Phenomena, submitted
강성규, '촉매연소의 신기술 동향', 제 27회 KOSCO Symposium 논문집, 2003, pp. 299-308
D. Hong, M. Y. Kim, C. Kim, K. Y. Ahn, and S. M. Lee, 'A Numerical Study on the Flow Characteristics in the Mixing Region of the Catalytic Combustor', Journal of Mechnical Science and Technology, accepted

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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