[논문]수냉식 방열을 이용한 연료전지용 PROX 반응기의 성능에 관한 실험적 연구

김진산; 조태현; 구본찬; 이도형

doi:10.7316/khnes.2016.27.5.503

수냉식 방열을 이용한 연료전지용 PROX 반응기의 성능에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Preferential Oxidation Reactor Performance Using a Water Cooling Heat Removal for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.5, 2016년, pp.503 - 509

김진산 (한양대학교 기계설계공학과) , 조태현 (한양대학교 기계설계공학과) , 구본찬 (한양대학교 기계공학과) , 이도형 (한양대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Fuel cell is a device for producing electricity by using the hydrogen produced by the fuel processor. At this time, CO is also created by the fuel processor. The resulting CO enters the stack where is produce electricity and leads to the adsorption of anode catalyst, finally the CO poisoning occurs. Stack which occurred CO poisoning has a reduction in performance and shelf life are gradually fall because they do not respond to hydrogen. In this paper, experiments that using a PROX reactor to prevent CO poisoning were carried out for removing the CO concentration to less than 10ppm range available in the fuel cell. Furthermore experiments by the PROX reaction was designed and manufactured with a water-cooling heat exchange reactor to maintain a suitable temperature control due to the strong exothermic reaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Kolb는 적절한 반응온도를 유지하기 위해 Chemical reaction에 의한 발생한 열을 제거함으로서 Optimum conversion을 얻을 수 있었으며 반응기의 성능도 향상 시킬 수 있었다⁹⁾. 따라서 본 연구에서도 반응기의 온도조절에 초점을 맞추고 수냉식 방열을 적용시켜 반응기에서 반응하여 나오는 열을 제거 하면서 성능을 평가하였다. 또한 식 (3)과 (4)에서 PROX반응은 CO와 산소가 반응하여 CO를 제거하는 반응이지만, 산소는 CO와 반응할 뿐만 아니라 전기의 연료인 수소와도 반응하기 때문에 적절한 산소의 양(OCR)을 조절해야 한다¹⁰⁾.
본 연구에서는 연료개질법을 이용하여 생성되는 개질가스에 포함되어 있는 불순물인 일산화탄소가 제거하는 방법 중 하나인 PROX반응기에 대해 실험하였다. 또한 PROX반응기에 수냉식 방열을 적용하여 발열반응으로 인한 반응기 내부 온도상승을 방지함과 동시에 연료전지에서 허용할 수 있는 CO농도 범위인 10 ppm 미만으로 제거하면서 수소를 최소한으로 소모하는 산소의 양(OCR)을 찾는 실험을 수행하였다.

제안 방법

2과 같이 Steam Reformer에서 생성되어 나온 개질가스를 PROX 반응기에 사용하기 전에 WGS반응기(HTS, LTS)를 먼저 사용하여 CO를 제거했다. PROX반응에 필요한 공기는 MFC (Mass Flow Controller)를 이용해 조절하였으며 GHSV는 4000 hr^-1로 설정하였다. 실험에 사용된 공기의 양은 식 (5)와 같이 계산을 하였다.
실험온도는 RuA 촉매의 적절한 반응온도인 80°C에서 120°C까지 20°C단위로 실험을 수행하였다. 개질 가스 온도는 반응기의 입구 전단에서 측정을 하였다.
그리고 온도를 파악하기 위해 K-type의 열전대를 반응기의 입구, 촉매층 상단과 촉매층 중간 그리고 출구에 4개를 삽입하여 측정하였다. 기본적인 PROX 실험 이외에 수냉식 방열을 적용하기 위해 항온수조를 이용하여 외부에서 물을 반응기 내부로 공급해 방열을 유도했으며 Fig.
그리고 온도를 파악하기 위해 K-type의 열전대를 반응기의 입구, 촉매층 상단과 촉매층 중간 그리고 출구에 4개를 삽입하여 측정하였다. 기본적인 PROX 실험 이외에 수냉식 방열을 적용하기 위해 항온수조를 이용하여 외부에서 물을 반응기 내부로 공급해 방열을 유도했으며 Fig. 1 같이 반응기 외부의 3/8 인치 파이프를 통해 물을 순환시켜 물의 온도를 유지했다.
본 연구에서는 연료개질법을 이용하여 생성되는 개질가스에 포함되어 있는 불순물인 일산화탄소가 제거하는 방법 중 하나인 PROX반응기에 대해 실험하였다. 또한 PROX반응기에 수냉식 방열을 적용하여 발열반응으로 인한 반응기 내부 온도상승을 방지함과 동시에 연료전지에서 허용할 수 있는 CO농도 범위인 10 ppm 미만으로 제거하면서 수소를 최소한으로 소모하는 산소의 양(OCR)을 찾는 실험을 수행하였다.
또한 식 (3)과 (4)에서 PROX반응은 CO와 산소가 반응하여 CO를 제거하는 반응이지만, 산소는 CO와 반응할 뿐만 아니라 전기의 연료인 수소와도 반응하기 때문에 적절한 산소의 양(OCR)을 조절해야 한다¹⁰⁾. 또한 산소가 과잉으로 공급되면 산소가 수소와 반응하여 더 많은 열이 발생하므로 산소의 양(OCR)을 조절하며 CO는 10 ppm 미만으로 제거하고, 수소는 최소로 반응하는 산소의 양을 찾았으며, 반응기 내부의 온도분포와 반응기를 거쳐 반응하고 나온 남은 가스 몰분율을 가스 분석기(Rosemount社의 NGA2000)를 이용해 CO, CO₂, CH₄, H₂ 4가지 성분을 측정하였다.
반응기는 Fig. 1과 같이 Cylinder 형태로 제작하였으며 촉매층 내부와 외부에서 동시에 방열을 위해 반응기 내부에 물을 넣을 수 있는 공간을 만들었다. 반응기 외부 위, 아래에 구멍을 뚫고 Pipe를 용접하여 내부에 물을 넣을 수 있게 제작하였다.
수냉식 방열을 위한 항온수조는 70°C에서 90°C까지 10°C단위로 실험을 수행하였다.
실험온도는 RuA 촉매의 적절한 반응온도인 80°C에서 120°C까지 20°C단위로 실험을 수행하였다.
수냉식 방열을 위한 항온수조는 70°C에서 90°C까지 10°C단위로 실험을 수행하였다. 실험을 수행하는 동안은 온도를 일정하게 고정시켜 놓고 OCR을 0.6부터 2.0까지 0.2 단위로 증가시켜 실험을 하였으며 추가적으로 산소가 과잉으로 공급되었을 때 반응하는 수소의 양을 파악하기 위해 OCR 2.0 이상에서 0.7단위로 OCR 4.0까지 증가시킨 후 실험을 하였다.
항온수조는 70°C, 80°C, 90°C, 사용하지 않은 것(=no water)을 비교하였다.
반응기 외부 위, 아래에 구멍을 뚫고 Pipe를 용접하여 내부에 물을 넣을 수 있게 제작하였다. 항온수조와 반응기는 Flexible Pipe로 연결했고 항온수조를 이용해 물을 순환시켜 열을 제거할 수 있도록 제작하였다. 촉매는 상용촉매인 RuA촉매(sud-chemie社의 Ru/Al₂O₃)를 사용하였으며, 설계 Tool은 3D 설계 Tool인 Inventor를 이용해 설계 했다.

대상 데이터

Steam Reformer는 흡열반응이기 때문에 외부에서 열원을 제공해야 한다. 외부에 설치된 Burner를 이용해서 Reformer 내부에 열을 제공하였고 Reforming 원료에는 LNG와 물을 이용하였다. Fig.
항온수조와 반응기는 Flexible Pipe로 연결했고 항온수조를 이용해 물을 순환시켜 열을 제거할 수 있도록 제작하였다. 촉매는 상용촉매인 RuA촉매(sud-chemie社의 Ru/Al₂O₃)를 사용하였으며, 설계 Tool은 3D 설계 Tool인 Inventor를 이용해 설계 했다.

이론/모형

. 따라서 본 연구에서는 연료전지에서 CO제거 방법으로 가장 많이 사용하는 Preferential Oxidation (PROX) 방법을 선택하였다.

성능/효과

1) 산소가 과잉으로 공급 될 때 CO농도가 0 ppm으로 제거가 되었지만 그 후에 수소가 급격하게 반응을 하므로 산소를 과잉으로 공급하여 완전히 제거하는 것 보다는 목표치인 10 ppm미만으로 제거하고 비교적 수소를 더 보존할 수 있는 OCR 2.0에서의 성능이 가장 효율적이다.
2) 항온수조를 사용하지 않아도 OCR을 증가하면 CO는 0 ppm으로 제거가 되지만, 수소는 항온수조를 사용하여 온도제어를 한 Case가 비교적 양이 많다. 왜냐하면 항온수조를 사용하지 않으면 발열 반응으로 인해 반응기 내부의 온도가 상승하기 때문에 수소의 반응이 활발해져 수소의 양이 감소한다.
3) 개질가스 120°C, CO가 10 ppm 미만으로 제거되는 OCR 2에서의 CO 전환율을 비교해서 보면 항온수조 80°C에서 높은 전환율을 나타냈다.
3) 개질가스 120°C, CO가 10 ppm 미만으로 제거되는 OCR 2에서의 CO 전환율을 비교해서 보면 항온수조 80°C에서 높은 전환율을 나타냈다. 결과적으로, 촉매의 반응온도를 적절하게 유지시켜주는 항온수조를 사용하여 방열을 이용하는 것이 방열을 사용하지 않은 것 보다 높은 CO 전환율을 나타낸다.
산소의 양 (OCR)이 0.6에서의 전환율을 비교하였을 때 수조온도 80°C일 때 가장 높은 전환율을 나타냈으며 OCR 2.0에서는 3개의 Case모두 98%이상의 전환율을 나타내었다.
수조온도 80°C에서 OCR 0.6일 때 74%였던 수소의 농도가 OCR 4.0에서 약 68.7%까지 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO 제거 방법은 어떻게 나뉘는가?	CO 제거 방법으로는 PSA (Pressure swing adsorption), Methanation, PROX (Preferential oxidation) 크게 3가지로 나눠진다6).
	연료전지의 상용화의 기반을 마련하는데 있어 문제점을 해결하기 위한 방법은 무엇인가?	에너지원으로 이용하기 위해서는 연료전지의 상용화가 필수인데, 상용화를 위해서는 수소를 공급할 수 있는 수소 생산기반이 구축되어야 한다2) . 하지만 수소 생산기반이 미흡한 현 상태에서 해결 할수 있는 방법은 탄화수소 계열의 연료를 이용한 연료개질법이다3) . 하지만 Reformer를 이용한 연료개질을 사용하여 생성된 개질가스에는 수소 말고도 CO가 포함되어 있는데 이때 나오는 CO가 Stack에 들어가게 되면 촉매의 Active site에 흡착하게 되어 CO Poisoning이 발생한다4) .
	PROX반응이란?	따라서 본 연구에서도 반응기의 온도조절에 초점을 맞추고 수냉식 방열을 적용시켜 반응기에서 반응하여 나오는 열을 제거 하면서 성능을 평가 하였다. 또한 식 (3)과 (4)에서 PROX반응은 CO와 산소가 반응하여 CO를 제거하는 반응이지만, 산소는 CO와 반응할 뿐만 아니라 전기의 연료인 수소와도 반응하기 때문에 적절한 산소의 양(OCR)을 조절해야 한다10). 또한 산소가 과잉으로 공급되면 산소가 수소와 반응하여 더 많은 열이 발생하므로 산소의 양(OCR)을 조절하며 CO는 10 ppm 미만으로 제거하고, 수소는 최소로 반응하는 산소의 양을 찾았으며, 반응기 내부의 온도분포와 반응기를 거쳐 반응하고 나온 남은 가스 몰분율을 가스 분석기(Rosemount社의 NGA 2000)를 이용해 CO, CO2, CH4, H2 4가지 성분을 측정하였다.

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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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