연료전지용 메탄올 자열 개질기의 산소-메탄올 비율에 따른 성능 실험 Experimental Study on Autothermal Reformation of Methanol with Various Oxygen to Methanol Ratios for Fuel Cell Applications원문보기
수소가 매력적인 연료로 각광받기 시작하면서 수요가 급증하였으며 이에 대응하여 수소 생산 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 산소-메탄올 비율에 따른 연료전지용 메탄올개질기의 반응 효율을 알아보았다. 각각의 촉매 배열에 따른 산소-메탄올의 비율($O_2/CH_3OH$)의 영향을 알아보기 위해 $O_2/CH_3OH$를 0.1에서 0.4까지 0.05씩 증가시켜 반응기의 온도, 변환율, 효율에 관한 실험을 수행하였다. $O_2/CH_3OH$가 0.15에서 0.2로 증가할 때 촉매층(catalyst bed)의 온도도 증가하며, 흡열 반응이 발열반응으로 변하여 반응기의 온도를 상승시켜 촉매 점화에 따라 온도는 $235^{\circ}C$정도 급상승한 $500^{\circ}C$가 된다. 반응기의 성능은 $O_2/CH_3OH$에 크게 의존하며 이론적 연구에서 $O_2/CH_3OH$는 0.23이었으나 실험 결과는 30 % 높은 0.30일 때 최적의 성능을 나타내었다. 이것은 혼합기체의 농도차이, 반응속도, 촉매, 반응기의 열손실, 반응 시 생성된 생성물 등의 변화 때문인 것으로 여겨진다.
수소가 매력적인 연료로 각광받기 시작하면서 수요가 급증하였으며 이에 대응하여 수소 생산 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 산소-메탄올 비율에 따른 연료전지용 메탄올 개질기의 반응 효율을 알아보았다. 각각의 촉매 배열에 따른 산소-메탄올의 비율($O_2/CH_3OH$)의 영향을 알아보기 위해 $O_2/CH_3OH$를 0.1에서 0.4까지 0.05씩 증가시켜 반응기의 온도, 변환율, 효율에 관한 실험을 수행하였다. $O_2/CH_3OH$가 0.15에서 0.2로 증가할 때 촉매층(catalyst bed)의 온도도 증가하며, 흡열 반응이 발열반응으로 변하여 반응기의 온도를 상승시켜 촉매 점화에 따라 온도는 $235^{\circ}C$정도 급상승한 $500^{\circ}C$가 된다. 반응기의 성능은 $O_2/CH_3OH$에 크게 의존하며 이론적 연구에서 $O_2/CH_3OH$는 0.23이었으나 실험 결과는 30 % 높은 0.30일 때 최적의 성능을 나타내었다. 이것은 혼합기체의 농도차이, 반응속도, 촉매, 반응기의 열손실, 반응 시 생성된 생성물 등의 변화 때문인 것으로 여겨진다.
The use of Hydrogen as a fuel is receiving considerable attention and as a result, research on novel methods of hydrogen production is necessary so that the hydrogen demands in the future can be satisfied. This study presents experimental data on methanol Autothermal Reformation that quantifies the ...
The use of Hydrogen as a fuel is receiving considerable attention and as a result, research on novel methods of hydrogen production is necessary so that the hydrogen demands in the future can be satisfied. This study presents experimental data on methanol Autothermal Reformation that quantifies the relationship between the oxygen-to-methanol ratio ($O_2/CH_3OH$) and reformer efficiency. For each catalyst configuration, the $O_2/CH_3OH$ was varied from 0.1 to 0.4, with an increment of 0.05, to investigate the effects of $O_2/CH_3OH$ on the reactor performance, including temperature profile, conversion, and efficiency. $O_2/CH_3OH$ was increased from 0.15 to 0.20, and the catalyst bed temperature increased by $235^{\circ}C$ to approximately $550^{\circ}C$. The catalyst bed temperature increased with increasing $O_2/CH_3OH$ as the reaction shifted from endothermic to exothermic reaction and as a result, excess heat, which raised the reactor temperature, was generated. The reactor performance was shown to be highly dependent on $O_2/CH_3OH$. The optimum $O_2/CH_3OH$ = 0.30 found in the experimental tests is 30% higher than the theoretical optimum of 0.23. This is attributed to a combination of factors such as the concentrations of the $O_2$ and $CH_3OH$ gas, reaction rate, catalyst effects, heat loss from the reactor, and the difference between the actual amounts of reaction products formed and the theoretical amounts of the reaction products.
The use of Hydrogen as a fuel is receiving considerable attention and as a result, research on novel methods of hydrogen production is necessary so that the hydrogen demands in the future can be satisfied. This study presents experimental data on methanol Autothermal Reformation that quantifies the relationship between the oxygen-to-methanol ratio ($O_2/CH_3OH$) and reformer efficiency. For each catalyst configuration, the $O_2/CH_3OH$ was varied from 0.1 to 0.4, with an increment of 0.05, to investigate the effects of $O_2/CH_3OH$ on the reactor performance, including temperature profile, conversion, and efficiency. $O_2/CH_3OH$ was increased from 0.15 to 0.20, and the catalyst bed temperature increased by $235^{\circ}C$ to approximately $550^{\circ}C$. The catalyst bed temperature increased with increasing $O_2/CH_3OH$ as the reaction shifted from endothermic to exothermic reaction and as a result, excess heat, which raised the reactor temperature, was generated. The reactor performance was shown to be highly dependent on $O_2/CH_3OH$. The optimum $O_2/CH_3OH$ = 0.30 found in the experimental tests is 30% higher than the theoretical optimum of 0.23. This is attributed to a combination of factors such as the concentrations of the $O_2$ and $CH_3OH$ gas, reaction rate, catalyst effects, heat loss from the reactor, and the difference between the actual amounts of reaction products formed and the theoretical amounts of the reaction products.
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문제 정의
최적의 작동 조건은 이론적인 계산값과 실험결과에 차이가 있다. 본 논문에서는 산소-메탄올의 비율과 변환 효율과의 관계를 메탄올 자열 개질의 실험데이터를 통해 정량적으로 알아보았다.
제안 방법
3과 같이 3가지 알고리즘을 통해 heater를 구동할 수 있도록 구성하였다. 개회로 장치는 데이터수집보드를이용하여 촉매담체의 중심부 온도, 축방향 온도, 신호변환, 회로전압, 가스분석기의 데이터들을 입력받아 개질기의 모니터링과 성능 분석을 동시에 진행할 수 있도록 구성하였다.(9) 앞선 연구 결과에서 산소-메탄올의 비율이 반응 기의 거동에 큰 영향을 미치므로, 이원배치법(2k factorial experiment)은 고려하지 않았다.
앞서 보고된 참고문헌 [9]과 같이 이론적인생산 분포는 다음과 같다. 반응 생성물의 몰분율 (mole fracrion)은 이상기체 혼합을 바탕으로 한정온, 정압 상태의 화학평형식으로 계산 되었으며 산소-메탄올의 비율, S/C, 온도 등의 평형 데이터는 STANJAN으로 계산하였다.
메탄올 자열 개질기는 연료전지용 수소 생산을 위해 연구 되어왔다. 이번 연구는 현존하는 증기 개질 장치를 토대로 제작하였다.
자열 개질의 하드웨어는 LabVIEW를 이용하여 폐회로 프로그램을 통해 제어되도록 하였고, 개 회로 장치로부터 데이터 수집 및 기록이 가능 하도록 구축하였다. 폐회로 제어 시스템은 fuel/water pump, cartridge, band heater, air flow controller로 구성되어 있으며 Fig.
실험은 Table 1과 같이 촉매층의 배열과 산소-메탄올의 비율에 변화를 주어 수행하였다. 촉매층은 길이 0.635 cm (0.25 in)의 웨이퍼 촉매를 6개 적층 시켜 사용 하는 것과 3.81 cm (1.5 in)의 모노리스 촉매 형태로 사용하는 두 가지 방법을 이용하였고, 각각의 촉매 배열에 따른 산소-메탄올의 비율이 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 산소-메탄올의 비율을 0.1에서 0.4까지 0.05씩 증가시켜 반응기의 온도, 변환율, 효율에 관한 실험을 수행하였다.
본 연구를 위한 통계 분석은 표본의 숫자가 소수이므로 student-t 확률 분포를 이용하여 모집단의 평균값을 예측하였으며 95%의 신뢰도를 갖는다. 측정 데이터의 오차를 보정하기 위해 각 조건에 대해 3회에 걸쳐 반복 실험을 수행하였으며, 실험자에 의한 조작 변인 방지 및 촉매의 열화를 최소화 하기위하여 촉매 담체 배열과 산소메탄올의 비율은 무작위로 선정하여 비율을 조절 하였다.
폐회로 제어 자열 개질 heating 시스템은 k-type 열전대를 이용하여 초당 한번 데이터를 측정하였으며 순간온도, 온도 변화율, 지속시간에 대해 Fig. 3과 같이 3가지 알고리즘을 통해 heater를 구동할 수 있도록 구성하였다. 개회로 장치는 데이터수집보드를이용하여 촉매담체의 중심부 온도, 축방향 온도, 신호변환, 회로전압, 가스분석기의 데이터들을 입력받아 개질기의 모니터링과 성능 분석을 동시에 진행할 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 촉매는 Sud-chemie 에서 공급하는 코디어라이트(cordierite)계 귀금속 세라믹 촉매 담체를 사용하였다.(12) 촉매 담체는 cm2당 81개의 홀을 가진 것이며 직경 3.81 cm (1.5 in), 길이 3.81cm (1.5 in)로 절단된 모노리스 촉매와 길이 방향으로 6등분 (길이 0.635 cm (0.25 in))한 웨이퍼 촉매를 사용하였다. 반응기 내부압력은 촉매에서의 압력강하 없이 14 kPa (2 psi)이다.
촉매층는 다양한 종류의 촉매를 사용 할 수 있도록 제작하였다. 본 연구에 사용된 촉매는 Sud-chemie 에서 공급하는 코디어라이트(cordierite)계 귀금속 세라믹 촉매 담체를 사용하였다.(12) 촉매 담체는 cm2당 81개의 홀을 가진 것이며 직경 3.
데이터처리
본 연구를 위한 통계 분석은 표본의 숫자가 소수이므로 student-t 확률 분포를 이용하여 모집단의 평균값을 예측하였으며 95%의 신뢰도를 갖는다. 측정 데이터의 오차를 보정하기 위해 각 조건에 대해 3회에 걸쳐 반복 실험을 수행하였으며, 실험자에 의한 조작 변인 방지 및 촉매의 열화를 최소화 하기위하여 촉매 담체 배열과 산소메탄올의 비율은 무작위로 선정하여 비율을 조절 하였다.
성능/효과
(1) 반응기의 성능은 산소-메탄올의 비율에 크게 의존하는 것으로 나타났으며 촉매 점화 이후의 반응기의 효율은 99.5%로 일정하다.
(2) 이론상 산소-메탄올의 비율은 0.23이었으나 실험 결과는 30 % 높은 0.30일 때 수소 생산량이최대였으며, 효율은 74%로 최적의 성능을 나타내 었다.
(2) 증기 개질(SR)은 흡열반응이며, 외부 가열에 의한 열전달이 원활하지 않아 반응속도가 느리며, 시동 및 종료시간이 많이 필요로 하기 때문에 자동차나 소규모 급유 시설에 적용하기에는 적합하지 않다. 부분산화 개질은 연소를 위해 유입된 산소의 유량을 증가시켜 온도를 빠르게 높일 수 있으나 가장 큰 단점은 생성된 가스와 많은 양의 일산화탄소로 인해 수소 농도가 낮아져 피독현상이 발생한다.
(3) 이론값과 실험결과의 차이는 촉매의 불균질, 산소-메탄올의 혼합 과정 시 발생하는 농도 차이, 기체 확산 속도에 따른 반응 속도의 차이, 반응기의 열손실, 반응 시 생성된 생성물의 변화 때문인 것으로 여겨진다.
(4) 산소-메탄올의 비율이 0.3을 초과하면 반응 기의 효율이 떨어지며 이것은 생산된 수소가 연료로 소모되는 것으로 판단된다.
모든 실험은 연료 입력값을 1.39 kW로 일정하게 유지하였고, 예혼합 연료 유량은 8.5 ml/mol 로 수행하였다. 산소-메탄올의 비율은 0.
5 ml/mol 로 수행하였다. 산소-메탄올의 비율은 0.30이고 1.0 kW로 작동 할 때 수소 생산량은 최대이며 효율은 74%였다. Fig.
실험에서 산소-메탄올의 비율이 0.2일 때 임계점에 도달하였으며, 촉매 점화가 일어난다. 촉매 점화 이전 촉매층의 온도는 입구 온도 250 ℃ 보다 50 ℃정도 높은 약 300 ℃이다.
후속연구
수소연료를 사용하기 위해서는 화석연료나 신재생 에너지를 통해 수소를 생산해야 한다. 수소가 매력적인 연료로 각광받기 시작하면서 수요가 급증하였으며 이에 대응하여 수소생산 기술에 대한 연구가 필요하다.(1)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자열 개질 시스템은 어떻게 구성되어지는가?
자열 개질 시스템은 liquid pumping subsystem, vaporizer, superheater, gas analyzer, condensing unit 과 control switch로 구성되어지며 컴퓨터에 의해 원격 제어 된다. Fig.
탄화수소계 연료를 수소로 개질하기 위한 방법 중 증기 개질, 부분산화 개질, 자연 재질의 특징은 무엇인가?
최근 탄화수소계 연료를 수소로 개질하기 위한 방법으로 주로 증기 개질(SR), 부분산화 개질 (POX), 자열 개질(ATR)의 세 가지 방법으로 이루어진다. (2) 증기 개질(SR)은 흡열반응이며, 외부 가열에 의한 열전달이 원활하지 않아 반응속도가 느리며, 시동 및 종료시간이 많이 필요로 하기 때문에 자동차나 소규모 급유 시설에 적용하기에는 적합하지 않다. 부분산화 개질은 연소를 위해 유입된 산소의 유량을 증가시켜 온도를 빠르게 높일 수 있으나 가장 큰 단점은 생성된 가스와 많은 양의 일산화탄소로 인해 수소 농도가 낮아져 피독현상이 발생한다. 자열 개질은 증기 개질과 부분 산화 개질 방법을 합하여 이러한 문제점을 해결 할 수 있다. 자열 개질은 이론적으로 증기 개질의 흡열반응과 부분 산화 개질의 발열반응이 동시에 일어남으로서 열의 흡수나 손실 없이 평형상태에 도달하게 한다. 자열 개질은 부분 산화 개질보다 수소 농도가 높고, 고효율이며 증기 개질보다 동적반응이 우수하며 다양한 연료를 사용 할 수 있다. (3,5)
순수한 수소는 어떤 방법을 통해 얻어야 하는가?
수소는 지구상에서 가장 풍부한 소량을 제외하면 연료로서 순수하게 존재하지 않는다. 따라서 탄화수소 연료의 개질, 물의 열분해 및 전기분해, 바이오매스의 열처리 등의 방법으로 얻어야 한다. 수소는 신재생에너지, 석탄, 액화 탄화수소 등의 다양한 원료로부터 얻을 수 있다는 장점이 있다.
참고문헌 (12)
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Lindstrom, B. and Pettersson, L. J., 2003, “Development of a Methanol Fuelled Reformer for Fuel Cell Applications,” Journal of Power Sources 118, pp. 71-78.
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