초록 ▼

차세대 분산전원 공급 시스템으로 각광을 받고 있는 가정용 고분자 연료전지 시스템(1-3 kW급)의 수소 공급기술로서 천연가스를 원료로 하는 고효율/컴팩트 연료개질 시스템의 개발이 필수적이다. 이를 위해 본 연구를 통해 연료개질 시스템의 국산화 엔지니어링 설계기술과 고활성 신촉매 개발을 병행하고자 하였다.
연료개질 시스템은 천연가스를 원료로 수소를 다량 함유한 개질 가스를 생성하기 위해 네 가지의 단위 공정인 상온탈황/수증기개질/수성가스전이/선택적산화 등을 거친다. 이 각각의 단위공정을 고온에서 저온으로의 원활한 열흐름 및 고효

차세대 분산전원 공급 시스템으로 각광을 받고 있는 가정용 고분자 연료전지 시스템(1-3 kW급)의 수소 공급기술로서 천연가스를 원료로 하는 고효율/컴팩트 연료개질 시스템의 개발이 필수적이다. 이를 위해 본 연구를 통해 연료개질 시스템의 국산화 엔지니어링 설계기술과 고활성 신촉매 개발을 병행하고자 하였다.
연료개질 시스템은 천연가스를 원료로 수소를 다량 함유한 개질 가스를 생성하기 위해 네 가지의 단위 공정인 상온탈황/수증기개질/수성가스전이/선택적산화 등을 거친다. 이 각각의 단위공정을 고온에서 저온으로의 원활한 열흐름 및 고효율 열전달을 유도할 수 있도록 열 및 시스템 통합 설계를 통해 컴팩트 리포머 prototype을 개발하였다. 전년도에 개발된 prototype-I의 운전을 통해 많은 개선 사항을 토출하였으며, 이 점들을 적용한 prototype-II의 연료 개질기의 선택적 산화반응기 출구 가스 조성은 $H_2\;73%$, CO < 10ppm, CO 0.9% 그리고 메탄 2.3% 정도이었으며, 2단의 선택적 산화반응기를 통해 CO의 농도를 0.5%에서 10ppm 이하로 저감하였다. 생산된 수소 총유량은 약 $1.0\;Nm^3/hr$, 열효율은 78%(HHV)를 나타내었다. $2.5\;Nm^3/hr$의 수소 생산이 가능한 prototype-III도 유사한 성능을 보여주었다.
연료개질 시스템의 설계, 개발 및 운전과 더불어 고효율 수증기 개질촉매 및 선택적 산화 반응 촉매에 대한 연구가 병행되었다. 기존의 Ni 계열 수증기 개질 촉매에 Ru성분을 첨가하여 촉매의 활성을 향상시키고 탄소 침적에 대한 저항성을 강화하였다. 또한 현재 널리 사용되고 있는 Ru 계열 선택적 산화 촉매에 대해 담체의 구조가 미치는 영향을 분석하여 ${\gamma}-Al_2O_3$에 담지된 촉매보다 ${\alpha}-Al_2O_3$에 담지된 Ru 계열 촉매의 활성이 매우 우수함을 확인하였다. 이를 촉매 설계 기술의 확보를 통해 수증기 개질 효율을 높이고, 선택적 산화 반응기를 기존의 2단에서 1단으로 대체하는 것이 가능할 것으로 기대된다. 이는 전체 시스템의 소형화와 제작 단가 절감에 기연한다.

Abstract ▼

Compact reformer(or fuel processor) is a essential device for supplying hydrogen feed for small fuel cell stack, for hydrogen fueling station and for small and medium sized hydrogen industries(fine-chemicals, pharmaceuticals, metallurgy, electronics and semiconductors). The main requirements for suc

Compact reformer(or fuel processor) is a essential device for supplying hydrogen feed for small fuel cell stack, for hydrogen fueling station and for small and medium sized hydrogen industries(fine-chemicals, pharmaceuticals, metallurgy, electronics and semiconductors). The main requirements for successful commercialization is high thermal efficiency, compactness and low cost in order to realize the commercialization of this system.
Natural gas has been focused because of the highest H/C ratio giving the lowest $CO_2$ emission and the existing infrastructure supplying natural gas to each household by pipeline makes it attractive for reforming to produce hydrogen for fuel cell based distributed power generation system especially in lack of hydrogen infrastructure.
The main objective of this work is to design and test our genuine fuel processor consisting of a desulfurizer(ambient adsorption), a catalytic steam reformer(STR), high and low temperature water gas shift reactor(HTS/LTS), a preferential oxidation(PrOx) and auxillary components(including water pump, compressor, blower, heat exchangers and controls) and thus to draw out the basic engineering factors for the proper layout, design of small scale fuel processor maximizing thermal efficiency(heat integration) as well as minimizing system size(integration of each reaction step).

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과재의 개요...15
• 제 1 절 연구개발의 필요성...15
• 제 2 절 연구개발의 범위...16
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...17
• 제 1 절 국외의 경우...17
• 제 2 절 국내의 경우...41
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...42
• 제 1 절 연료개질 단위공정 분석...42
• 제 2 절 개질공정 통합엔지니어링 설계...56
• 제 3 절 운전실험...62
• 제 4 절 수증기 개질 및 선택적 산화 촉매 설계...82
• 참고문헌...101