![Fig. 2. Block diagram of various types of hydrogen separation membranes [22].](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/kiche/HHGHHL/2019/v57n5/HHGHHL_2019_v57n5_596_f0002.png "Fig. 2. Block diagram of various types of hydrogen separation membranes [22].")
![Fig. 3. Schematic diagram of the proton conduction mechanism [25].](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/kiche/HHGHHL/2019/v57n5/HHGHHL_2019_v57n5_596_f0003.png "Fig. 3. Schematic diagram of the proton conduction mechanism [25].")
![Table 1. Properties of various hydrogen selective membrane [23]](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/kiche/HHGHHL/2019/v57n5/HHGHHL_2019_v57n5_596_t0001.png "Table 1. Properties of various hydrogen selective membrane [23]")
![Fig. 4. Schematic diagram of the operation of hydrogen production by proton conducting membrane; (a) with DC power, (b) mixed conducting materials (proton conductor + electron conductor), and (c) the change on hydrogen permeation driving force. μ<sub>1</sub> and μ<sub>2</sub> represent the chemical potential on the feed side and sweep side, respectively, Δμ is the chemical potential gradient for hydrogen permeation across the membrane [25,33].](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/kiche/HHGHHL/2019/v57n5/HHGHHL_2019_v57n5_596_f0004.png "Fig. 4. Schematic diagram of the operation of hydrogen production by proton conducting membrane; (a) with DC power, (b) mixed conducting materials (proton conductor + electron conductor), and (c) the change on hydrogen permeation driving force. μ<sub>1</sub> and μ<sub>2</sub> represent the chemical potential on the feed side and sweep side, respectively, Δμ is the chemical potential gradient for hydrogen permeation across the membrane [25,33].")
![Fig. 5. Schematic diagrams of membrane reactors (a) CH<sub>4</sub> cracking reaction [23], (b) steam reforming reaction [87], and (c) water gas shift reaction [103].](http://ocean.kisti.re.kr/downfile/bibText/kiche/HHGHHL/2019/v57n5/HHGHHL_2019_v57n5_596_f0005.png "Fig. 5. Schematic diagrams of membrane reactors (a) CH<sub>4</sub> cracking reaction [23], (b) steam reforming reaction [87], and (c) water gas shift reaction [103].")
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프로톤 전도성 세라믹 멤브레인 촉매 반응기를 이용한 수소 분리 및 제조 기술
Hydrogen Separation and Production using Proton-Conducting Ceramic Membrane Catalytic Reactors
원문보기
Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.5, 2019년, pp.596 - 605
서민혜 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) , 박은덕 (아주대학교 에너지시스템학부)
초록
프로톤 전도성 세라믹인 페로브스카이트 구조의 산화물은 고온 환경에서 고체 전해질 및 촉매로써 동시에 활용이 가능하여, 반응과 분리기능을 동시에 갖춘 멤브레인 반응기로 적용하기에 우수한 소재이다. 특히 수소 제조 촉매와 분리, 이를 결합한 멤브레인 반응기 개발에 관한 연구는 전해질 내 도핑 금속의 종류 및 온도, 반응물의 조성 등에 따라 다양한 연구 결과가 제시되고 있다. 이에 본 총설에서는 프로톤 전도성 세라믹반응기에서 메탄을 활용하여 수소 제조촉매와 멤브레인 반응기로 응용해 온 연구 동향을 살펴보고, 차세대 수소의 제조와 분리 기술로서의 응용분야 및 전망에 관해 고찰하고자 한다.
Abstract
AI-Helper
Proton-conducting perovskite ceramic materials are highly promising for solid electrolytes as well as catalysts at high temperatures. Therefore, they possess an outstanding potential for the membrane reactor in which both reaction and separation occur at a same time. Especially, in the case of hydro...
주제어
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AI 본문요약
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문제 정의
- 본 논문에서는 고온 이온전도도를 지닌 프로톤 전도성 세라믹을활용한 수소 분리용 멤브레인의 특성을 살펴보고, 이와 수소 제조촉매를 결합시킨 멤브레인 반응기 연구 사례를 통해 차세대 수소의제조와 분리, 에너지화 기술로서의 응용분야 및 향후 전망에 관해고찰해보고자 한다.
- 반응과 분리기술은 수소 제조 시 에너지 효율성과생산성, 시스템의규모및소요 비용 등을 결정지을수 있는 중요한 기술임에는 틀림이 없다. 본 총설에서는 메탄을 활용한 수소의 제조 기술 중, 고온 및 화학적 안정성을 지닌 페로브스카이트 구조의 세라믹을 활용한 촉매 개발 연구동향을 살펴보고,향후 멤브레인 반응기를 통한 수소의 분리까지 연계가 가능한 시스템 적용 사례를 소개하였다. 특히 세라믹 기반의 촉매 멤브레인 반응기는 화학반응 및 분리를 위한 광범위한 응용 분야로, 큰 가능성을 보여준다.
질의응답
| 핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
|---|---|---|
| 이온전도성 수소 멤브레인을 제조하는 방법은 무엇인가? | 이온전도성 수소 멤브레인의 제조방법은 spin coating, tape casting& rolling, dry pressing 방법이 주로 사용되고 있다[25]. 기공형성제는탄소, 전분 뿐 아니라 NiO가 일부 사용된 바 있으며, 멤브레인의 두께, 온도 및 소재를 변수로 H2 flux의 변화폭이 크다. | |
| 고온 작동이 가능한 탄소 멤브레인의 특징은 무엇인가? | 그 중 수소의 분리능이 높아 상용멤브레인으로 적용되고 있는 치밀 금속 멤브레인, 즉 Pd 멤브레인의 경우 작동 온도는 300~600˚C 내외이며, 그 이상의 온도에서는열적 안정성이 낮은 단점이 있고, 금속 지지체를 사용하는 경우 수소 취성, 즉 금속의 수소흡수로 인해 소성 변형이 없이도 파괴될 수있는 등의 문제가 발생될 수 있다[24]. 고온 작동이 가능한 탄소 멤브레인은 대부분의 혼합기체(H2/N2, O2/N2, CO2/N2)에 대한 높은선택도를 가지고 있는 것으로 알려져 있으나 높은 표면적에 비해수소 투과도가 낮고, 성형의 어려움과 기계적 강도가 약하다는 문제가 있다[24]. | |
| 복합상의 멤브레인에서 수소 이온의 이동 경로는 어떻게 진행되는가? | 이 때 수소이온과 전자의 이동이 함께 진행되는데, 복합상의 멤브레인에서 수소 이온의 이동 경로를 살펴보면, 크게 3 단계로 나눌수 있다. 먼저 연료주입부(feed side)에서의 표면 반응, 멤브레인에서의 확산, 그리고 sweep side에서의 표면반응이며, 속도 제한단계인 멤브레인 확산에서의 저항은 전해질의 두께를 감소시킴으로써줄일수있다. Fig. 4(c)은수소투과에 따른 구동력(driving force)의 변화이며, μ는 화학전위(chemical potential)을 나타낸다. μ1과 μ2의차이는 화학전위 구배로, 전극층의 특성에 따라 μ2, μ2′로 변화될 수있다[33]. |
저자의 다른 논문 :
- [본원] 대전광역시 유성구 대학로 245 한국과학기술정보연구원
- [분원] 서울시 동대문구 회기로 66 한국과학기술정보연구원
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