초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 DME 수증기 개질반응을 튜브형 촉매막에서 수행하였다. 막 반응기에 있어 단위 부피당 투과면적이 평막보다 큰 다공성 튜브형 지지체를 선택하고 그 지지체에 다공성 실리카와 타이타니아를 함침하여 개질하였다. 튜브형 분리막반응기를 통하여 기존의 평판형 분리막을 이용하여 얻을 수 있었던 전환율, 수소수율 등 반응효율을 재현하고 평판형 막 반응기의 반응효율을 향상 시켰다. 튜브형막을 선택함으로써 막 반응기의 단위 부피당 상대적 막 투과면적이 증가할 수있고 막반응기 제작도 용이하게 하여 수소제

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 DME 수증기 개질반응을 튜브형 촉매막에서 수행하였다. 막 반응기에 있어 단위 부피당 투과면적이 평막보다 큰 다공성 튜브형 지지체를 선택하고 그 지지체에 다공성 실리카와 타이타니아를 함침하여 개질하였다. 튜브형 분리막반응기를 통하여 기존의 평판형 분리막을 이용하여 얻을 수 있었던 전환율, 수소수율 등 반응효율을 재현하고 평판형 막 반응기의 반응효율을 향상 시켰다. 튜브형막을 선택함으로써 막 반응기의 단위 부피당 상대적 막 투과면적이 증가할 수있고 막반응기 제작도 용이하게 하여 수소제조기술의 효율성을 높이고 상용화를 용이하게 할 것으로 본다. 본 연구에서는, 다공성 튜브형 촉매막 반응기를 개발하면서 이루어야할 성과를 크게 세 가지로 선정하였다. 첫 번째, DME 개질에서 가장 중요한 목적이라고 할 수 있는 DME의 전환율 향상이다. 촉매를 통한 DME의 개질에서는 높은 DME 전환율을 얻기가 힘들다. 이미 평판형 막을 통하여 높은 DME 전환율을 얻을 수 있었고, 이를 통해 튜브형 분리막에 적용시켜 충분히 만족할 만한 DME 전환율을 얻어야 할 것이다. 지지체에 메조포러스 신소재 촉매를 함침함으로써 기존 의 전환율 보다 더 높은 결과를 기대해 본다. 두 번째, 높은 수소회수율을 얻는 것이다. 본 연구에서는 튜브형 촉매막을 통해서 생성된 수소혼합물에서 일산화탄소를 제거하게 되는데, 이 경우에 유출되는 생성물을 고분자전해질 연료전지의 연료원으로 이용하므로, 전체 생성된 수소로부터 투과측으로 회수하는 수소의 회수율이 중요한 요소가 된다. 세 번째, 촉매형 튜브 멤브레인 반응기를 수소 제조용 DME 개질기에 적용시켜 고분자 전해질 연료전지의 전극피독을 막기 위해서 생성물 중에 포함되어 있는 일산화탄소를 제거하는 것이다. 일산화탄소를 제거하는 방법으로는 다양한 물리, 화학적 공정이 있는데, 예를 들자면 pressure swing adsorption (PSA), 무기막, 유기막, 용매흡수법, 수성가스 전환반응, 메탄화 반응, 선택적 산화반응(PROX) 등이 있다. 이 방법들 중에 수성가스 전환반응은 그리 높지 않은 발열반응이고 일산화탄소를 제거하면서 동시에 수소를 추가적으로 생성할 수 있다는 이유 때문에 가장 효과적인 방법으로 선정하였으며, 무기막과 수성가스 전환반응을 병행하여 막 반응기의 투과측에서 일산화탄소가 20ppm 미만으로 포함되어 있는 수소 혼합물을 생산한다.
이미 전 단계의 실험에서 투과도가 높은 메조기공 평막형 분리막을 이용하여 DME 수증기 개질반응에 관한 연구를 수행하였다. 비록 높은 수소회수율, DME 전환율, CO의 효과적인 제거의 좋은 결과를 얻었지만 평판막의 낮은 투과면적의 특성 상, 막 반응기의 상업적 이용은 어려워진다. 반면, 튜브형 촉매막을 막반응기 공정에 이용한다면 높은 용량을 얻을 수 있고 촉매와 분리막의 접촉면적을 최대화 시킬 수 있을 것으로 예상되었다. 이는 곧 상업화, 상용화를 용이하게 하는 기반이 될 것이다. 하지만 앞선 실험에서 볼 수 있듯이 메조기공의 낮은 일산화탄소 제거 효율은 이번 연구에 큰 숙제가 될 것으로 예상되었다. 이를 극복하기 위해 효과적인 메조포러스 신소재를 개발하고 적절하게 막에 함침하는 것이 수성가스 전환반응을 통해 일산화탄소 제거 효율을 크게 향상시킬 수 있다고 기대하였다.

Abstract ▼

Ⅲ. Research scope
In this study, DME steam reforming reaction was performed in tubular membrane catalyst. Porous tubular type of supports are tested with nano porous materials which are synthesized and impregnated in the supports as catalytic membranes. Through catalytic tubular membranes, the re

Ⅲ. Research scope
In this study, DME steam reforming reaction was performed in tubular membrane catalyst. Porous tubular type of supports are tested with nano porous materials which are synthesized and impregnated in the supports as catalytic membranes. Through catalytic tubular membranes, the reaction efficiency such as conversion, hydrogen yield can be improved as the conventional plate membranes by selective permeation of the product obtained from the reaction, and further the capacity limits of the plate membrane reactor were overcome.
By selecting the tubular membrane, permeation area per unit volume has grown significantly. It is considered that this tubular membrane facilitates the commercialization of membrane reactors, in road of hydrogen production technology.
In this study, it was chosen as the three main outcomes which should be achieved while developing a porous tubular catalytic membrane .
First, Improving the conversion of DME is the most important objective in the DME reforming . Reforming of DME through catalytic is difficult to obtain the highest DME conversion. We could already be obtained high DME conversion ratio through plate membrane and by applying the tube membrane we will improve the conversion of DME. Impregnating the mesoporous materials and catalysts on the support expects higher result than conventional conversion. The second one is high hydrogen recovery. In our study, CO in the hydrogen mixture producted through tubular catalytic membrane is eliminated. In this case, hydrogen recovery from the permeate side of the membrane reactor become very important factor, because CO-free hydrogen mixture in the permeate side should be fed to the PEMFC anode. The last one is CO removal for prevention of the CO poisoning on the Pt anode catalysts in the PEMFC. Therefore the physical or chemical CO removal process should be required for the membrane reactor system, such as pressure swing adsorption (PSA), inorganic membranes, organic membranes, solvent absorption, water-gas shift reaction, methanation and preferential oxidation (PROX). Out of these methods, water-gas shift reaction was chosen as an effective method due to mild exothermic reaction and additional hydrogen production. Combining knudsen membranes and water-gas shift reaction in the permeate side of the membrane reactor, hydrogen mixture with CO concentration below 20 ppm can be produced through the membrane reactor system.
In the experiments of the previous steps have already experimented about DME steam reforming reaction by using high permeability Mesoporous flat membrane.
Although we obtained the high hydrogen recovery, DME conversion and CO of the good results in the effective elimination, due to the nature of the low-permeable area of flat membrane, it is difficult for the commercial use of membrane reactors. In contrast, using catalytic membrane in the tubular membrane reactor precess can be achieved the high capacity and the catalyst and the membrane contact area is expected to be able to maximize. It will be based to facilitate the commercialization. However, as shown in previous experiments, a low CO removal efficiency of mesoporous are expected to be a great assignment in this study. To overcome this problem, it is expected that developing effective mesoporous materials and appropriately impregnating the membranes could greatly improve remove efficiency of CO from water gas shift reaction.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 17
• 목차 ... 18
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 22
• 제 1 절 국외 ... 22
• 제 2 절 국내 ... 26
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 28
• 제 1 절 고투과성 다공성 무기막 개발 및 디메틸 에테르 수증기 개질 막 반응기로의 적용 ... 28
• 1. 서 론 ... 28
• 2. 실 험 ... 31
• 3. 결과 및 고찰 ... 38
• 4. 결 론 ... 70
• 제 2 절. 고투과성 다공성 튜브형 무기촉매막 개발 및 디메틸 에테르 수증기 개질 막 반응기로의 적용 ... 71
• 1. 서 론 ... 71
• 2. 실 험 ... 73
• 3. 결과 및 고찰 ... 82
• 4. 결 론 ... 107
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 108
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 113
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 115
• 제 7 장 참고문헌 ... 117
• 표지 ... 119
• 제출문 ... 120
• 보고서 요약서 ... 121
• 요약문 ... 122
• SUMMARY ... 126
• CONTENTS ... 130
• 목차 ... 133
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 136
• 제1절 연구개발의 개요 ... 136
• 제2절 연구개발의 목표 및 범위 ... 138
• 1. 연구개발의 최종목표 ... 138
• 2. 연구개발목표의 성격 ... 138
• 3. 연차별 연구개발 목표 빛 내용 ... 139
• 4. 연구평가의 착안점 및 척도 ... 140
• 5. 중요 연구변경 사항 ... 142
• 제3절 연구개발의 추진전략ㆍ방법 ... 143
• 1. 추진전략 및 방법 ... 143
• 2. 연구개발 추진체계 ... 144
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 146
• 제1절 국외의 연구개발 현황 ... 146
• 제2절 국내의 연구개발 현황 ... 147
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 149
• 제1절. DME 수증기 개질 촉매 설계를 위한 반응특성 연구 ... 149
• 1. 상업용 메탄올 개질촉매의 DME 반응특성 ... 149
• 2. 다양한 고체산 촉매에 대한 DME 반응특성 연구 ... 153
• 3. 반응조건 최적화 ... 159
• 4. 결론 ... 164
• 제2절. 공침법으로 제조된 촉매의 DME 수증기개질 반응특성 ... 166
• 1. 2성분계 구리계 촉매(CuO/MxOy)와 γ-Al2O3의 혼성촉매의 반응특성 ... 166
• 2. 혼성촉매(CuO/Ga2O3와 γ-Al2O3)에서 몰비변화에 따른 영향 ... 167
• 3. 3성분계 구리계 촉매(CuO/ZnO/Ga2O3 및 CuO/ZnO/MnO)와 γ-A l2O3의 혼성촉매에 대한 DME 수증기 개질반응특성 ... 180
• 3. 결론 ... 185
• 제3절. 새로운 DME 수증기 개질 혼성촉매 합성 ... 186
• 1. 초입계 수열합성법 ... 186
• 2. One-pot 합성법 ... 204
• 제4절 촉매 비활성화 규명 및 안정성 개선 ... 228
• 1. 제조된 혼성촉매에 대한 안정성 테스트 및 비활성화 규명 ... 228
• 2. 안정성 개선을 위한 재생조건 ... 235
• 3. 결론 ... 239
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 240
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 242
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 243
• 제7장 참고문헌 ... 248