[논문]인공태양을 이용한 모노리스 적용 반응기에서 2단계 열화학적 물분해 연구

강경수; 김창희; 박주식

인공태양을 이용한 모노리스 적용 반응기에서 2단계 열화학적 물분해 연구
2-Step Thermochemical Water Splitting on a Active Material Washcoated Monolith Using a Solar Simulator as Heat Source 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.18 no.2, 2007년, pp.109 - 115

강경수 (한국에너지기술연구원 열화학수소연구단) , 김창희 (한국에너지기술연구원 열화학수소연구단) , 박주식 (한국에너지기술연구원 열화학수소연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Solar energy conversion to hydrogen was carried out via a two-step thermochemical water splitting using metal oxide redox pair. To simulate the solar radiation, a 7 kW short arc Xe-lamp was used. Partially reduced iron oxide and cerium oxide have the water splitting ability, respectively. So, $Fe_3O_4$ supported on $CeO_2$ was selected as the active material. $Fe_3O_4/CeO_2$(20 wt/80 wt%) was prepared by impregnation method, then the active material was washcoated on the ceramic honeycomb monolith made of mullite and cordierite. Oxygen was released at the reduction step($1673{\sim}1823\;K$) and hydrogen was produced from water at lower temperature($873{\sim}1273\;K$). The result demonstrate the possibility of the 2-step thermochemical water splitting hydrogen production by the active material washcoated monolith. And hydrogen and oxygen was produced separately without any separation process in a monolith installed reactor. But the SEM and EDX analysis results revealed that the support used in this experiment is not suitable due to the thermal instability and coating material migration.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 Xenon lamp를 이용한 인공태양과 집광 장치 그리고 부분환원상태에서 물을 분해할 수 있는 FqQ와 CeOz를 코팅 한 하니 컴 모노리스를 설치한 반응기로 구성된 태양 열화학 반응시스템의 개념을 실증하고자 하였다.

가설 설정

Fig. 2는 초기 조성 CeO₂=0.843 kmol, Fe3O₄= 0.157 kmol, N₂=l kmol, 1 기압에서 Ce*e의 혼합산화물 생성이 되지 않는다는 가정으로 깁스 에너지 최소화법으로 조성변화를 계산한 결과이다. 결과의 초기 조성은 본 실험에서 사용한 Fe3O₄(20 wt%)/CeO₂(80 wt%) 에 해당하는 몰 조성으로써 결과에서 알 수 있듯이 약 1500 K이상에서 산화물의 환원으로 산소가 발생함을 알 수 있다.

제안 방법

또한 환원 시 발생한 산소의 양에 비례하여 수소 발생량도 증가하는 것을 알 수 있다. 1673 K에서 환원 반응을 진행한 후 873 K에서 물분해 반응을 진행하여 수소의 발생을 확인하였다. 873 K의 물분해 반응은 약 10분 후에 수소발생량이 감소하였다.
반응기의 온도는 반응기로 유입되는 광량을 변화시킴으로써 조절 할 수 있었다. MFC를 사용하여 20 cc/min의 유량으로 99.9999%의 Ar가스를 353 K의 수분으로 포화시켜 반응기에 공급하였으며 반응 후 가스는 peristaltic 펌프를 사용하여 15 cc/min으로 GC에 공급하여 3분 간격으로 분석하였다. 장치의 개념도를 Fig.
washcoating용 active material의 제조는 다음과 같다. 먼저 CeCb(99.9%, AldHch)에 20 wt%의 FesQi가 loading 되도록 Fe-nitrate를 물에 녹인 후 진공증발건조기에서 제조한 후 773 K 공기 분위기에서 3시간 동안 소성하여 파우더를 제조하였다. 상기 물질 10 g을 100 g의 Zirconia ball(직경: 2mm, Asia abrasive)과 함께 Zirconia Jar(내용적: 110 cc)에 물 50 cc와 함께 넣은 후 planetary ball milKFritsch Pulverisette 5, Germany) 에서 450 RPM으로 2시간 동안 밀링한 후 washcoating하여 1473 K에서 2시간 소성하여 1.
4와 같이 알루미나관 상단에 설치하였으며 이때 열전대를 집광면까지 올려 집광부의 온도를 확인할 수 있게 하였다. 반응 전후의 코팅 하니컴 모노리스에 대하여 SEM 분석 및 EDX 분석을 통하여 코팅상태의 변화를 관찰하였다.
이를 확인하기 위해 EDX분석을 실시하였다 (Fig. 9). 그 결과 하니컴 모노리스의 내부에 Fe 성분과 Ce성분이 분포하고 있는 것으로 보아 활성 성분이 지지체 내부로 흡수된 것을 다시 확인할 수 있었다.
stainless steel 재질의 집광부와 반응기의 산화를 방지하기 위해 냉각수를 외부에 구리관을 사용하여 흘려주었다. 집광부의 온도를 측정하기 위해 R-type의 thermocouple을 알루미나 재질의 반응 관과 함께 집광부에 위치하도록 설치하였다. 반응기의 온도는 반응기로 유입되는 광량을 변화시킴으로써 조절 할 수 있었다.

대상 데이터

1 kW급 Xenon short-arc lamp 및 reflector# 이용한 solar simulator를 제작하였다. 집광 반응기는 원뿔 형태의 집광기와 빛을 투과하면서 외기의 유입을 차단하기 위한 석영창, 그리고 하니 컴 모노리스를 장착할 수 있는 알루미나관으로 구성되었다.
GeO₂의 경우 FeQ에 비해 Table 1과 같이 녹는점이 높으며⑸ 본 연구의 실험 범위인 1, 823 K 이하에서 부분 환원이 가능하며 물분해 속도가 빨라 지지체겸 활성물질로 사용하게 되었다.
모노리스 담체는 코디어라이트(50%)와 뮬 라이트(50%)로 만들어진 100 CPSKCell Per Square Inch)의 하니 컴 (<D 17.5 X H 19.5 mm)을 사용하였다. washcoating용 active material의 제조는 다음과 같다.
모노리스 하니컴의 중심부가 녹은 것을 확인할 수 気으며 주위 부분에서 코팅 색이 변화한 것을 관찰할 수 있었다. 본 실험에 사용된 하니컴 모노리스의 재질은 mullite상 50%, cordierite상 50%로 이루어져 있으며(주성분 Al, Si, Mg 산화물) 공극율이 35% 가량 되며 그 사용가능 최고온도가 1723 K이다. 본 실험에서 환원온도가 약 1823 K로 높았으며 활성물질의 성분인 Fe와 Ce의 산화물이지 지체 중의 Mg, Al, Si와 함께 고용체를 형성한 것으로 보인다.

성능/효과

1) FeKMCeQ (20wt%/80wt%)는 본 실험 조건에서 각각의 Fe와 Ce 산화물들이 모두 열적 환원이 가능하며 물 분해 능력이 있는 것을 알 수 있었다.
2) 태양열 집광을 이용한 모노리스형태의 단일 반응기에서 물 분해를 통해 산소와 수소의 분리생산 가능성을 확인하였다.
3) 본 연구에 사용된 모노리스는 내열온도가 낮고 물질 구성상 Al, Si, Mg 성분이 산화물로 존재하여 활성성분이 모노리스 재질 내부로 고온에서 흡수 되는 문제점을 확인할 수 있었다. 따라서 열전달과 내열성, 안정성이 뛰어난 모노리스 재질에 대한 연구 수행이 필요하다.
5는 인공태양을 이용하여 활성물질 (FesOMeCb)이 코팅된 하니컴 모노리스에서 열적 환원 및 물분해 반응에 의하여 발생하는 산소 및 수소를 각각 측정한 결과이다. 결과에서 볼 수 있듯이 약 1673 K에서 환원 시 발생 산소에 비해 1823 K에서 발생 산소의 양이 더 많음을 알 수 있다. 1673 K에서 환원 시 20분 가량의 환원 시간 동안 산소가 발생하는데 반해 1823 K에서는 10분가량의 짧은 시간에 환원이 완료되었다.
157 kmol, N₂=l kmol, 1 기압에서 Ce*e의 혼합산화물 생성이 되지 않는다는 가정으로 깁스 에너지 최소화법으로 조성변화를 계산한 결과이다. 결과의 초기 조성은 본 실험에서 사용한 Fe3O₄(20 wt%)/CeO₂(80 wt%) 에 해당하는 몰 조성으로써 결과에서 알 수 있듯이 약 1500 K이상에서 산화물의 환원으로 산소가 발생함을 알 수 있다. 또한 FesQ와 CeO₂가 각각 개별적으로 FeowO, FeO와 CeOi.
즉 철산화물에 비해 세륨 산화물이 비교적 높은 온도에서도 물분해 능력이 있는 것으로 계산되었다. 계산결과로부터 평형과 반응속도를 고려하면 두 산화물이 공존할 경우 800- 1300 K에서 물분해 반응을 시키는 것이 타당할 것으로 사료된다.
9). 그 결과 하니컴 모노리스의 내부에 Fe 성분과 Ce성분이 분포하고 있는 것으로 보아 활성 성분이 지지체 내부로 흡수된 것을 다시 확인할 수 있었다. 따라서 하니컴 지지체 선택시 활성 물질과 지지체 간의 화학적 안정성이 우수한 재질을 선택하여야 하며, 하니컴 지지체의 열적안정성 및 열전달 특성 또한 뛰어나야 함을 알 수 있었다.
그 결과 하니컴 모노리스의 내부에 Fe 성분과 Ce성분이 분포하고 있는 것으로 보아 활성 성분이 지지체 내부로 흡수된 것을 다시 확인할 수 있었다. 따라서 하니컴 지지체 선택시 활성 물질과 지지체 간의 화학적 안정성이 우수한 재질을 선택하여야 하며, 하니컴 지지체의 열적안정성 및 열전달 특성 또한 뛰어나야 함을 알 수 있었다. 그리고 반응기 내부의 전체적인 온도 구배를 줄이기 위한 집광 반응기 설계 역시 필요함을 알 수 있었다.
대부분의 페라이트계 2단계 열화학적 물분해 연구가 1073^1273 K 부근에서 진행하는 이유이기도 하다13, 招). 또한 결과로 알 수 있듯이 단일반응기에서 온도조절을 통하여 물로부터 산소와 수소의 분리생산이 가능함을 확인할 수 있었다.
코팅두께는 20-50 ㎛로 나타났다. 또한 표면 사진에서 볼 수 있듯이 고온에서 열처리되어 입자간 소결이 있지만 기공이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
7은 반응 후 하니컴 모노리스 사진이다. 모노리스 하니컴의 중심부가 녹은 것을 확인할 수 気으며 주위 부분에서 코팅 색이 변화한 것을 관찰할 수 있었다. 본 실험에 사용된 하니컴 모노리스의 재질은 mullite상 50%, cordierite상 50%로 이루어져 있으며(주성분 Al, Si, Mg 산화물) 공극율이 35% 가량 되며 그 사용가능 최고온도가 1723 K이다.
반응온도를 1273 K로 높여 물분해 반응을 진행시킨 결과 수소가 지속적으로 발생함을 확인하였다. 이는 반응 평형상 반응온도가 낮을수록 전환율은 증가하지만 반응속도가 떨어지며 또한 철산 화물의 경우 산화막을 형성하여 반응속도가 느려지기 때문으로 사료된다.
본 실험에 사용된 하니컴 모노리스의 재질은 mullite상 50%, cordierite상 50%로 이루어져 있으며(주성분 Al, Si, Mg 산화물) 공극율이 35% 가량 되며 그 사용가능 최고온도가 1723 K이다. 본 실험에서 환원온도가 약 1823 K로 높았으며 활성물질의 성분인 Fe와 Ce의 산화물이지 지체 중의 Mg, Al, Si와 함께 고용체를 형성한 것으로 보인다.
1과 같이 나타났다. 즉 철산화물에 비해 세륨 산화물이 비교적 높은 온도에서도 물분해 능력이 있는 것으로 계산되었다. 계산결과로부터 평형과 반응속도를 고려하면 두 산화물이 공존할 경우 800- 1300 K에서 물분해 반응을 시키는 것이 타당할 것으로 사료된다.

참고문헌 (17)

T. Nakamura, 'Hydrogen production from water utilizing solar heat at high temperaures' Solar Energy, Vol. 19, 1977, pp. 467-478

상세보기
F. Sibieude, M. Ducarroir, A. Tofighi, J. Ambriz, 'High temperature experiments with a solar furnace: the decomposition of $Fe_{3}O_{4}$ , $Mn_{3}O_{4}$ , CdO', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 7, No.1, 1982, pp. 79-88

상세보기
M. Lundberg, 'Model calculations on some feasible two-step water splitting processes', Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 18, No. 5, 1993, pp. 369-376

상세보기
K. Ehrensberger, A. Frei, P. Kuhn, H. Oswald, P. Hug. 'Comparative Experimental investigations of the water splitting reaction with iron oxide $Fe_{1-y}O $ and iron manganese oxides $(Fe_{1-y}Mn_{x})_{1-y}O$ ', Solid State lonics, Vol. 78, 1995, pp. 151-160

상세보기
T. Tamaura, A. Steinfeld, P. Kuhn, K. Ehrensberger, 'Production of solar hydorgen by a novel, 2-step, water -splitting thermochemical cycle', Energy, Vol. 20, No.4, 1995, pp. 325-330

상세보기
K. Otsuka, M. Hatano, A. Morikawa, 'Hydrogen from water by reduced cerium oxide', J. of Catalysis, Vol. 79, 1983, pp.493-496

상세보기
S. Abanades, G. Flamant, 'Thermochemical hydrogen production from a two-step solar driven water-splitting cycle based on cerium oxides', Solar Energy, Vol. 80, No. 12, 2006, pp. 1611-1623

상세보기
A. Hunt, J. Ayer, P. Hull, F. Miller, F. Noring, D. Worth, 'Solar radiant heating of gas-particle mixtures', Berkeley, CA, Lawrence Berkeley Laboratory LBL-22743, University of California, 1986
A. Meier, J. Ganz, A. Steinfeld, 'Modeling of a novel high-temperature solar chemical reactor', Chem. Eng. Sci., Vol. 51, No. 11, 1996, pp. 3181-3186

상세보기
A. Steinfeld, M. Brack, A. Meier, A. Weidenkaff, D. Wuillenmin, 'A solar chemical reactor for co-production of zinc and synthesis gas', Energy, Vol. 23, No. 10, 1998, pp. 803-814

상세보기
M. Roeb, C. Sattler, R. Kluser, N. Monnerie, L. de Oliveira, A. G. Konstandopoulos, C. Agrafiotis, V. T. Zaspalis, L. Nalbandian, A. Steele, 'Solar Hydrogen Production by a Two-Step Cycle Based on Mixed Iron Oxides', J. Solar Energy Eng., Vol. 128, No.2, 2006, pp. 125-133

상세보기
H. Kaneko, A. Fuse, T. Miura, H. Ishihara, Y. Tamaura, 'Two-step water splitting with concentrated solar heat using rotary-type solar furnace', solarPACES2006, proceedings
T. Kodama, Y. Kondoh, R. Yamamoto, H. Andou, N. Satou, 'Thermochemical hydrogen production by a redox system of $ZrO_{2}$ -supported Co-Ferrite', Solar Energy, Vol. 78, 2005, pp. 623-631

상세보기
T. Kodama, Y. Nakamuro, T. Mizuno, 'A Two-step thermochemical water splitting by iron-oxide on stabilized Zirconia', J. Solar Energy Eng., Vol. 128, 2006, pp. 3-7

상세보기
Barin I: Thermochemical Data of pure substances, Part I ,II, VCH Verlags Gesellschaft, Weinheim, 1993
A. Tofighi, Contribution a l'etude de la decomposition des oxydes de fer au foyer d'un four solair. Ph. D. dissertation. INP Toulouse, 1982
A. Weidenkaff, P. Nuesch, A. Wokaun, A.Reller, 'Mechanistic studies of the water-splitting reaction for producing solar hydrogen', Solid State lonics, Vol. 101-103, 1997, pp. 915-922

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증