초록 ▼

1. 기술개발목표
○ 기술개발 목표
선택적 산화 반응용 고활성 신촉매 설계 개발 및 반응기 개발
- 온도창(100-200℃)이 넓은 선택적 산화 촉매 설계 기술
- $CO_{2}$와 $H_{2}O$에 저항성이 우수한 선택적 산화촉매 설계 기술
- 촉매 활성 극대화 및 열효율 향상을 위한 고효율 열전달 기술
- 열 및 시스템 통합형(Compact) 선택적 산화 반응기 설계 기술
2. 기술개발의 목적 및 중요성
연료 처리 기술의 고효율화를 위한 과제로는

1. 기술개발목표
○ 기술개발 목표
선택적 산화 반응용 고활성 신촉매 설계 개발 및 반응기 개발
- 온도창(100-200℃)이 넓은 선택적 산화 촉매 설계 기술
- $CO_{2}$와 $H_{2}O$에 저항성이 우수한 선택적 산화촉매 설계 기술
- 촉매 활성 극대화 및 열효율 향상을 위한 고효율 열전달 기술
- 열 및 시스템 통합형(Compact) 선택적 산화 반응기 설계 기술
2. 기술개발의 목적 및 중요성
연료 처리 기술의 고효율화를 위한 과제로는 소형화, 경량화, 시동의 신속성 및 빠른 동적 응답 특성 그리고 저가의 생산비용을 들 수 있다. 하지만 선진국을 중심으로 연료처리 시스템 설계 관련 핵심요소 및 컴팩트화를 위한 엔지니어링 기술 개발이 대외비로 진행되고 있기 때문에, 향후 예측되는 가정용 연료전지 상용화에 능동적으로 대처하기 위한 연료처리 시스템 국산화 고유기술 확보가 시급하다. 따라서 소형 연료처리 시스템을 위한 신촉매 개발 및 제조기술과 선택적 산화반응기 설계기술을 개발하는데 그 목적이 있다.
3. 기술개발의 내용 및 범위
- 고활성 고선택도를 갖는 선택적 산화반응 촉매 개발(CO <10ppm, 선택도>60%)
: 온도창(100-200oC)이 넓은 선택적 산화촉매 개발
: $CO_{2}$와 $H_{2}O$ 저항성이 우수한 선택적 산화 촉매 개발
- 선택적 산화 반응에 적합한 촉매 지지체 개발
: 균질침전법/솔-젤 공정을 이용한 균질 조성/세공 크기를 갖는 담체 제조기술
: 주요성분의 조절을 통한 고활성 담체 제조기술(SBET≥100 $m^{2}$/g)
: 담체의 특성제어에 의한 기능성 향상기술
: 자체 반응열 제거 성능이 우수한 저온용 촉매 지지체 개발
- 가정용 연료전지 개질 시스템에서 요구하는 운전조건을 만족하는 반응기 설계 및 개발
: 가정용 연료전지 시스템의 가동 시간(40분)내의 반응 정상상태 도달 및 부하운전 특성에 신속한 응답 속도를 가지는 반응기 설계 및 개발
: CO 선택적 산화 반응의 특성인 급격한 발열 반응의 반응열을 반응물을 이용 효과적으로 제거할 수 있는 저에너지 시스템 설계 및 개발
4. 기술개발 결과
가. 선택적 산화 반응 촉매 설계
- CuCeRu0.2 촉매의 경우 160℃ 이상의 온도부터 CO가 $CO_{2}$로 99.9%이상의 산화반응이 진행되었고 220℃ 이후부터는 역수성전이 반응인 「$CO_{2}$ + $H_{2}$ → CO + $H_{2}O$」반응에 의하여 CO가 기준치 이상으로 발생하였으나, 250℃까지 메탄화반응으로 인한 CH4의 발생이 전혀 없었으며, 300℃에서 50ppm의 $CH_{4}$이 발생 발생하여 기존의 상용 촉매보다 저온에서 넓은 반응 활성 온도 범위(150~225℃)를 가지는 촉매를 개발
나. 고활성 담체 제조 기술 개발
- 중간기공을 갖는 감마-알루미나를 제조함에 있어, 숙성과정에서 가압반응기를 이용하여 숙성온도 및 압력을 증가시키므로 짧은 숙성과정을 거치고도 중간기공을 가지는 감마-알루미나를 제조하는 방법을 제공
즉 상압과 비교하여 고온/가압반응기를 이용하여 150℃온도에서 6시간의 숙성조건과 같이 매우 짧은 숙성시간으로도 평균기공이 20∼30 nm를 가지는 감마-알루미나를 제조할 수 있음
다. 선택적 산화 반응기 설계 및 개발
- 일체형 CO 선택적 산화 반응기는 1.0 kW급 천연가스 연료처리 장치와의 연계 운전에서 효과적인 열적평형 상태로 운전되었으며, 운전 중 평균 5ppm의 일산화탄소 농도를 매우 안정적으로 유지하여 1.0 kW급 가정용 연료전지 수소제조용 천연가스 수증기 개질 시스템내의 일산화탄소(CO) 정제 공정용 고효율 컴팩트 일산화탄소(CO)의 선택적 산화반응기를 개발 5. 기술개발 결과
가. 특허 출원 성과
- 중간 기공을 함유한 γ-알루미나제조를 위한 가압 반응기 이용 γ-보헤마이트 솔 숙성 방법(출원 10-2009-0046430)
나. 국내외 학술발표 실적 : 총 9건(국내:8건, 국외:1건)
다. 사업화 실적
가정용 연료전지 개질 시스템에 필요한 연료처리장치를 시스템의 운전조건에 맞게 제작 납품 한국가스공사 연구개발원 연료처리장치제작
가정용 연료전지 개질 시스템에 필요한 연료처리장치의 반응기 버너와 성능 시험 장치를 시스템의 운전조건에 맞게 제작 납품 한국가스공사 연구개발원 메틸화이버 버너 및 성능시험장치
가정용 연료전지 개질 시스템에 필요한 연료처리장치를 시스템의 운전조건에 맞게 제작 납품 한국화학연구원 1kW급 연료 개질기
6. 기대효과
선택적 산화반응기 촉매 및 반응기 개발 시, 1 kW급 가정용 연료처리 시스템의 상용화 모델을 확보함으로써 국내 가정용 연료전지 보급에 기여할 수 있으며, 천연가스 개질에 의한 가정용 연료전지 연계 연료처리 시스템의 부품 국산화에 기여할 수 있다. 또한, 개발된 촉매 및 연료처리 시스템 기술은 수소스테이션, 자동차형 연료전지 등의 연료처리 시스템에 활용가능하다.

목차 Contents

• 선도형기술혁신전략과제지원사업 최종보고서 ...1
• 제출문 ...2
• 초록 ...3
• 목차 ...6
• 그림목차 ...9
• 표목차 ...16
• 제1장 개발과제의 개요 ...17
• 제1절 연구개발의 배경 ...17
• 1. 연구배경 ...17
• 2. 가정용 고분자 연료전지의 구성요소 ...20
• 3. 개발의 중요성 및 필요성 ...21
• 제2절 연구개발의 필요성 ...23
• 제3절 연구개발의 범위 ...24
• 제2장 국내.외 기술개발 현황 ...25
• 제1절 문헌 고찰 ...25
• 1. 개질 공정의 열역학적 반응 화학 ...25
• 2. CO를 제거하는 방법 ...30
• 3. 선택도와 산소농도 매개변수 ...33
• 4. 촉매 연구 동향 ...34
• 5. 선택적 산화 촉매의 이상적 모델 ...42
• 제2절 국외 연구 동향 ...44
• 1. 국가별 연구 동향 ...44
• 2. 기업 현황 ...46
• 제3절 국내 연구 동향 ...51
• 1. 기술 수준 ...52
• 제3장 특성 분석 ...54
• 제1절 첨단연구장비 및 슈퍼컴퓨터의 필요성 ...54
• 1. 사업수행에서의 필요성 ...54
• 제2절 첨단연구장비의 활용 ...55
• 1. 활용 ...55
• 2. 주요 성능 사양 및 용도 ...55
• 3. 첨단연구장비 ...56
• 제4장 연구 개발 수행 내용 및 결과 ...58
• 제1절 선택적 산화반응용 고활성 촉매 설계 ...58
• 1. 연구배경 ...58
• 2. 선택적 산화 공정 ...59
• 3. 실험 ...60
• 4. 결과 및 고찰 ...64
• 5. 결론 ...102
• 제2절 고활성 촉매 담체 제조 ...104
• 1. 연구필요성 ...104
• 2. 연구개발 목표 및 기술의 특성 ...107
• 3. 핵심개발내용 ...107
• 4. 국내/외 연료전지 시장현황 ...109
• 5. 국내/외 연료전지 기술동향 ...113
• 6. 촉매담체 제조기술 동향 ...118
• 7. 감마-보헤마이트 솔 및 감마-알루미나 제조 ...120
• 8. 가압반응기 이용 감마-보헤마이트 솔 숙성 ...136
• 9. 결론 ...141
• 제3절 선택적 산화 반응시스템 엔지니어링 설계 ...143
• 1. 연구배경 ...143
• 2. 실험 ...144
• 3. 결과 및 고찰 ...145
• 4. 결론 ...172
• 제5장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도 ...173
• 참고문헌 ...176