KR101202538B1 - 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기 - Google Patents

세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR101202538B1
KR101202538B1 KR1020080035115A KR20080035115A KR101202538B1 KR 101202538 B1 KR101202538 B1 KR 101202538B1 KR 1020080035115 A KR1020080035115 A KR 1020080035115A KR 20080035115 A KR20080035115 A KR 20080035115A KR 101202538 B1 KR101202538 B1 KR 101202538B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plate
oxidation reactor
selective oxidation
catalyst
channel
Prior art date
Application number
KR1020080035115A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20090109731A (ko
Inventor
이창훈
조준연
최재훈
박광천
정승문
이주형
배선혁
최정욱
송광호
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020080035115A priority Critical patent/KR101202538B1/ko
Publication of KR20090109731A publication Critical patent/KR20090109731A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101202538B1 publication Critical patent/KR101202538B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/36—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using oxygen or mixtures containing oxygen as gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/025—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step
    • C01B2203/0261—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a partial oxidation step containing a catalytic partial oxidation step [CPO]
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1035—Catalyst coated on equipment surfaces, e.g. reactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1064—Platinum group metal catalysts
    • C01B2203/107—Platinum catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명에 따른, 외부에서 공급된 개질 가스와 공기가 반응하여 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응기는 유체 유입 포트 또는 유체 배출 포트가 형성된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트; 및 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함한다. 채널 플레이트는 표면에 촉매층이 형성된 세라믹 보드로 이루어지며, 폭 방향으로 다수의 골 및 산이 교대로 형성되어 있어 제 1 플레이트와 하부면 사이 및 제 2 플레이트와 상부면 사이에 다수의 길이 방향 채널이 형성되어 있다.
선택적 산화 반응기, 채널 플레이트

Description

세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기{Preferential oxidation reactor using ceramic board}
본 발명은 선택적 산화 반응기에 관한 것으로, 구체적으로, 구성 부재인 채널 플레이트의 반응 표면적을 최대화하고 표면에 촉매층을 형성하여 반응 효율을 향상시킬 수 있는 선택적 산화 반응기에 관한 것이다.
최근 환경문제에 대한 관심이 커져가면서 수소를 연료로 하는 청정연료에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 기존 가솔린 기관 및 화석 연료 발전에 대한 대안으로 연료전지 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
연료 전지의 활용성을 높이기 위해서는 원료로 사용되는 수소의 생산 및/또는 공급을 원활히 할 수 있는 제반 여건이 갖추어져야 한다. 수소는 기체 중 가장 가볍고, 공기 중에서 쉽게 폭발할 수 있는 등 그 저장 및 취급이 매우 까다롭다. 따라서 단순히 대용량의 수소저장탱크 등을 이용하여 수소를 공급하는 것이 현재까지의 기술 수준이며, 이러한 수소저장탱크로는 앞서의 문제점을 완전히 해결하기 어렵다는 단점이 있다.
또한 대용량의 수소저장탱크의 개발 및 보다 큰 용량의 수소저장소 등을 준 비하여야 하는 등 초기 설비투자가 막대하게 소요된다는 단점이 있으며, 국가적인 차원의 기반구조(infrastructure)로 논해야 할 정도로 방대한 사업이 될 수 밖에 없다.
따라서 수소를 생산하는 수소생산장치를 소형화하여 중량과 부피를 줄이는 것은 거대 설비투자를 필요로 하지 않고도 수소를 청정연료로 사용할 수 있도록 한다는 점에서 매우 바람직하다고 할 수 있다.
또한 소형화된 수소생산장치로부터 생산되는 수소를 직접 연료전지 등에 공급하기 위해서는 연료전지의 음극의 활성을 저해하는 일산화탄소 (CO)의 함량을 최소한으로 낮추어야 한다.
메탄올로부터 수소를 생산하는 방법의 하나로 메탄올 수증기 개질 방법이 이미 개발되어 있으며, 널리 사용되어 왔다. 메탄올 수증기 개질 반응이 진행되는 개질 시스템은 외부 장치(예를 들어, 수산 가스 전환 반응기)에서 배출된 개질 가스와 외부에서 공급된 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소의 농도를 낮추는 선택적 산화 반응기를 포함한다.
한편, 선택적 산화 반응기를 위한 효과적인 열 교환망 설계, 단열 및 열 손실 최소화는 연료 개질 시스템의 열효율 향상에 큰 영향을 주게 된다.
위와 같은 설계에 있어서, 반응 및 열 교환 형태 등이 고려되어야 하며, 선택적 산화 반응기 내에서 반응이 이루어지는 면적을 최대화하여 반응 효율을 증대시켜야 한다.
또한, 유체의 반응이 진행되는 채널 플레이트는 일반적으로 금속 재료로 제 조되며, 그 표면에는 촉매층이 형성되어 있다. 촉매는 채널 플레이트의 채널을 따라 유동하는 반응 물질들의 반응성을 증가시킨다.
이러한 기능을 수행하는 촉매층은 금속재 채널 플레이트와 열 팽창율의 차이가 크며, 따라서, 고온의 환경 하에서 금속 채널 플레이트 표면으로부터 쉽게 벗겨진다. 이러한 채널 플레이트 표면으로부터 촉매층의 벗겨짐은 반응기 내의 차압 증가 및 촉매의 안정성에 심각한 영향을 초래한다.
또한 이러한 채널 플레이트를 제조하는 금속 재료의 특성은 소형/경량의 반응기를 구현하는데 상당한 제약으로 작용한다.
본 발명의 목적은 구성 부재인 채널 플레이트를 세라믹으로 구성함으로써 촉매의 안정성을 향상시키고 또한 그 중량이 현저하게 감소된 선택적 산화 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 채널 플레이트의 반응 표면적을 최대화하고 표면에 촉매층을 형성하여 반응 효율을 향상시킬 수 있는 선택적 산화 반응기를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른, 외부에서 공급된 개질 가스와 공기가 반응하여 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응기는 유체 유입 포트 또는 유체 배출 포트가 형성된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트; 및 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함한다.
채널 플레이트는 표면에 촉매층이 형성된 세라믹 보드로 제조되며, 폭 방향으로 다수의 골 및 산이 교대로 형성되어 있어 제 1 플레이트와 하부면 사이 및 제 2 플레이트와 상부면 사이에 다수의 길이 방향 채널이 형성되어 있다.
여기서, 세라믹 보드는 세라믹 페이퍼, 알루미나 옥사이드 코팅층 및 알루미늄 포스페이트 코팅층을 포함하는 부재로 제조된다.
한편, 촉매층은 금속 촉매와 촉매 지지체를 포함하고, 상기 금속 촉매는 백금(Pt), 레니윰(Re), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 금(Au)으로부터 선택된 하나 이상이고, 상기 촉매 지지체는 알루미나(alumina), 세리아(ceria), 지르코니아(zirconia), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화세슘(cesium oxide), 산화구리(copper oxide) 및 산화아연(zinc oxide)으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 선택적 산화 반응기에서는 금속 재료와 비교하여 열 팽창량율이 작은 세라믹으로 채널 플레이트가 제조되어 있으며, 따라서 고온의 조건 하에서도 세라믹 채널 플레이트의 표면에 형성된 촉매층이 벗겨지는 현상이 발생하지 않아 촉매의 안정성이 확보될 수 있다.
또한, 채널 플레이트는 그 상부면 및 하부면에 다수의 골과 산이 형성된 주름진 형상을 가짐으로써 촉매층이 형성되는 표면적이 넓어지게 되며, 따라서 넓은 면적의 촉매 담체로 인한 촉매의 전환율 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
이와 함께, 채널 플레이트를 금속 재료가 아닌 세라믹 재료로 제조하기 때문에 반응기 전체의 중량을 현저하게 줄일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 선택적 산화 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
본 발명에서의 개질 가스는 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등 현재 개질 원료 로 사용되는 모든 탄화수소와 물의 개질 반응의 결과물을 포함하며, 특히 수성 가스 전환 반응에 의하여 일산화 탄소가 1차적으로 저감된 개질 가스를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 산화 반응기의 분해 사시도로서, 도 1에서는 각 구성 부재에 도시된 유체 유입 포트 및 유체 배출 포트의 도면 부호를 기재하지 않았으며, 각 유체의 흐름 경로를 구분하여 표시하였다.
선택적 산화 반응기(300)는 제 1 및 제 2 플레이트(310, 320), 제 1 및 제 2 플레이트(310, 320) 사이에 배치된 채널 플레이트(330)를 포함한다. 채널 플레이트(330)의 양 표면에는 다수의 채널이 형성되며, 각 채널의 어느 한 표면 또는 양 표면에는 촉매층이 형성되어 있다. 채널 플레이트(330)의 구체적인 형상에 대해서는 후술하기로 한다.
이와 같이 배치된 제 1 플레이트(310)와 채널 플레이트(330) 사이에 형성된 제 1 공간에는 제 1 플레이트(310)를 통하여 외부에서 유입된 공기가 유동하며, 이 공기는 제 2 플레이트(320)를 통하여 외부로 배출된다.
또한, 외부 장치(즉, 수성 가스 전환 반응기)에서 배출된 개질 가스와 공기가 제 2 플레이트(320)를 통하여 채널 플레이트(330)와 제 2 플레이트(320) 사이의 제 2 공간으로 유입된다.
이 과정에서 개질 가스와 공기가 반응하여 개질 가스에 함유된 잔류 일산화 탄소가 저감되는 선택적 산화 반응이 이루어지며, 이때 채널 플레이트(330) 표면에 형성된 촉매층은 반응 유체의 반응성을 증가시킨다. 이후 최종적으로 생성된 개질 가스가 제 2 플레이트(320)를 통하여 외부 장치(도시되지 않음)로 배출된다.
한편, 도 1에 도시된 선택적 산화 반응기(300)에서는, 제 1 및 제 2 플레이트(310 및 320) 사이에 단일의 채널 플레이트(330)가 위치되어 있으나, 본 발명은 이에 제한되지는 않는다.
즉, 2개 이상의 채널 플레이트를 제 1 및 제 2 플레이트 사이에 배치할 수 있으며, 이러한 구조에서는 채널 플레이트 사이에 유체를 분리하기 위한 중간 플레이트가 위치한다.
이하에서는 선택적 산화 반응기(300)를 구성 부재인 채널 플레이트(330)의 구성을 설명한다.
도 2는 도 1의 선 2-2를 따라 절취한, 선택적 산화 반응기의 구성 부재인 채널 플레이트(330) 및 그 상부 및 하부에 위치하는 제 1 및 제 2 플레이트(310 및 320)를 함께 도시하였다.
전술한 바와 같이 제 1 플레이트(310)와 제 2 플레이트(320) 사이에 채널 플레이트(330)가 위치하며, 제 1 플레이트(310), 제 2 플레이트(320) 및 채널 플레이트(330)는 도시되지 않은 체결 수단에 의하여 일체로 결합된다.
채널 플레이트(330)는 상하 적층 상태로 배치된 제 1 세라믹 섬유 기판(330A) 및 제 2 세라믹 기판(330B)으로 이루어지며, 서로 동일한 구조를 갖고 있다. 이하에서는, 제 1 세라믹 섬유 기판(330A)의 구조를 예를 들어 설명한다.
제 1 세라믹 섬유 기판(330A)은 주름진 형상을 갖고 있다. 즉, 제 1 세라믹 섬유 기판(330A)의 상부면 및 하부면에는 다수의 골(valley; 330-1)과 산(peak; 330-2)이 폭 방향으로 교대로 형성되어 있으며, 이 골(330-1)과 산(330-2)은 제 1 세라믹 섬유 기판(330A)의 전체 길이를 따라 평행하게 형성되어 있다.
이와 같은 구조를 갖는 제 1 세라믹 섬유 기판(330A) 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330B)을 제 1 및 제 2 플레이트(310 및 320) 사이에 위치시킨 상태에서 서로 결합하면, 제 1 플레이트(310)와 채널 플레이트(330) 사이 그리고 제 2 플레이트(320)와 채널 플레이트(330) 사이에는 골(330-1)의 깊이와 동일한 깊이를 갖는 다수의 채널이 각 플레이트의 길이 방향으로 형성된다.
한편, 위와 같은 구조를 갖는 채널 플레이트(330)와 대응하는 제 1 및 제 2 플레이트(310 및 320)의 표면에는 채널 플레이트(330)의 양면에 형성된 산(330-2)의 높이에 대응하는 깊이를 갖는 요부가 형성되어 있으며, 따라서 채널 플레이트(330)는 제 1 및 제 2 플레이트(310 및 320) 사이에 밀봉 상태로 배치될 수 있다.
또한, 채널 내로 유입되어 유동하는 유체의 누설을 방지하기 위하여 제 1 플레이트(310)와 제 2 플레이트(320) 사이에 가스켓(340)을 설치할 수 있다.
한편, 채널 플레이트(330)를 구성하는 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)의 상부면 및 하부면에 소정 두께의 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)이 각각 형성될 수 있으며, 이 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)은 채널 플레이트(330)의 채널, 즉 골(330-1)을 따라 유동하는 반응 물질들의 반응성을 증가시킨다.
위에서 설명한 바와 같이, 촉매의 담체 기능을 수행하는 채널 플레이트(330), 즉 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)은 내열성이 우수한 세라믹 재료로 제조되는 것이 좋다.
예를 들어, 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)은 내열성이 우수한 세라믹 재료서, 예를 들어 알파-알루미늄 옥사이드(α-Al2O3), 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3), 세타-알루미늄 옥사이드(θ-Al2O3), 마그네슘 알루미네이트 스피넬(magnesium aluminate spinel; Mg-Al2O4), 산화 마그네슘(MgO) 및 산화 칼슘(CaO) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 소성하여 제조할 수 있다.
보다 구체적으로 위와 같은 구조를 갖는 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)은 세라믹 페이퍼, 알루미나 옥사이드 코팅층 및 알루미늄 포스페이트 코팅층을 포함하는 부재로 제조되는 것이 바람직하다.
여기서, 알루미나 옥사이드 코팅층은 40 내지 60 나노 크기의 알루미나 옥사이드 분말을 포함하는 0.1 내지 10 중량% 농도의 졸 용액에 의하여 형성될 수 있다.
또한, 알루미늄 포스페이트 코팅층은 알루미늄 하이드록사이드 및 인산을 포함하며, P/Al의 원자비가 3 내지 50인 코팅 용액에 의해서 형성되는 것이 바람직하다. 최종 채널 플레이트의 온도 안정성과 구조적 안정성을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.
여기서, 알루미늄 포스페이트 용액의 P/Al의 원자비가 3 미만이면 알루미나의 용해도가 매우 작고 알루미늄 포스페이트가 형성되지 않을 우려가 있으며, 50을 초과하면, 과량의 인산으로 인하여 알루미나의 농도가 적어 코팅성이 떨어지며 표면이 손상되어 강도가 약화될 수 있다.
한편, 세라믹 페이퍼는 알루미나 및 실리카로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 세라믹 파이버, 유기 파이버 및 유기 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 제조된다.
이와 같은 구조를 갖는 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)은 다음과 같은 특징을 갖는다.
먼저, 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)이 금속 재료와 비교하여 열 팽창량율이 현저하게 작은 세라믹으로 제조되어 있으며, 따라서, 고온(약 700℃ 이상)의 조건 하에서도 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)의 표면에 형성된 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)이 벗겨지는 현상이 발생하지 않아 촉매의 안정성이 확보될 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)이 그 상부면 및 하부면에 다수의 골과 산이 형성된 주름진 형상을 가짐으로써 촉매층이 형성되는 표면적이 넓어지게 되며, 따라서 넓은 면적의 촉매 담체로 인한 촉매의 전환율 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
특히, 채널 플레이트, 즉 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)을 금속 재료가 아닌 세라믹 재료로 제조하기 때문에 반응기 전체의 중량을 현저하게 줄일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 선택적 산화 반응기(300)를 구성하는 채널 플레이트(330)는 단일의 세라믹 섬유 기판으로 구성할 수도 있다.
이하에서는, 선택적 산화 반응기(300)를 구성하는 채널 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)의 표면에 형성된 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)에 대해서 구체적으로 설명한다.
상기 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)은 백금(Pt), 레니윰(Re), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 루테늄(Ru) 및 금(Au) 등으로부터 선택된 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 좋다. 바람직하게는 상기 금속 촉매와 촉매 지지체를 포함하는 것이 좋다. 상기 촉매 지지체는 알루미나(alumina), 세리아(ceria), 지르코니아(zirconia), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화세슘(cesium oxide), 산화구리(copper oxide) 및 산화아연(zinc oxide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
보다 구체적인 구현예에 따라서, 촉매층은 먼저 용제에 촉매 지지체가 분산된 용액에 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)을 함침 및 건조시켜 촉매 지지체를 먼저 담지하고, 이후 용제에 상기 금속 촉매가 분산된 용액에 상기 촉매 지지체가 담지된 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B)을 함침 및 열처리하여 금속 촉매를 담지하는 방법으로 형성될 수 있다.
이때, 열처리는 300 ~ 500℃에서 수행될 수 있다. 또한, 금속 촉매는 백금(Pt), 레니윰(Re), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 금(Au) 등으로부터 선택된 2 이상의 혼합이 바람직한데, 이때 상기 촉매층은 알루미나, 세리아 등이 담지된 채널 플레이트(330)에 촉매층 전체 중량 기준으로 2 ~ 4중량%의 로듐(Rh), 3 ~ 5중량%의 백금(Pt) 및 2 ~ 4중량%의 루테늄(Ru)을 포함하는 것이 좋다.
이하, 선택적 산화 반응기(300)의 제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판(330A, 330B) 표면에 촉매층(331A, 331B 및 332A, 332B)을 형성하기 위한 본 발명의 실시예를 설명한다.
실시예
선택적 산화 반응(preferential oxidation reaction)용 촉매층이 형성된 채널 플레이트를 형성하기 위하여 위에서 설명한 바와 같은 주름진 형상 및 80.2mm*23.2mm*4mm 규격을 갖는 2개의 세라믹 섬유 기판(ceramic fiber substrate)를 제조하였다. 이 세라믹 섬유 기판은 2층 구조를 갖는다.
제 1 세라믹 섬유 기판에는 알루미나를, 제 2 세라믹 섬유 기판에는 세리아를 각각 담지하였다. 알루미나가 담지된 제 1 세라믹 섬유 기판과 세리아가 담지된 제 2 세라믹 섬유 기판에 백금(Pt)을 담지한 후 400℃의 온도에서 1차 열처리를 실시하였다.
이후, 제 1 세라믹 섬유 기판과 제 2 세라믹 섬유 기판에 루테늄(Ru)을 담지한 뒤 400℃의 온도에서 2차 열처리를 실시하였다.
제 1 및 제 2 세라믹 섬유 기판을 반응기 내에 위치시키고 쿼츠울(quartz wool)로 고정시킨 후, 석영 가스켓을 이용하여 밀봉하였다
비교예
154mm*60mm*0.3mm 규격의 SUS 플레이트에 촉매 2.4g을 코팅하여 촉매층을 형성하였다. 촉매층은 상기 실시예 1과 동일하게 형성하였다.
실시예에 따른 세라믹 섬유 기판과 비교예에 따른 SUS 플레이트에 대하여 하기의 조건 하에서 조건 하에서 실험하였다.
선택적 산화 반응기의 유입 포트에서의 가스 조성은 78% H2, 21% CO2, 1% CO이고, O2/CO=1.5~1.7의 비율이 되도록 공기를 주입하였고 공간속도는 5,000~20,000h-1이었다. 또한, 배출 포트에서의 혼합 가스의 농도를 가스 분석기(ABB)를 사용하여 측정하였다.
이와 같은 실시예에 따라 제조된 세라믹 섬유 기판과 촉매층이 형성된 SUS 플레이트를 위의 조건에서 비교한 결과를 하기 표에 나타내었다.
실시예와 비교예의 촉매 성능 비교
촉매부피(cc) 촉매량(g) 처리량(cc/분) 처리량/촉매부피
(cc/분)
비교예 29 1.27 529 18
실시예 7.4 1.55 304 41.1
실시예에 따른 세라믹 섬유 기판을 비교예에 따른 SUS 플레이트와 비교할 때, 촉매부피당 처리량이 2배 이상이다.
SUS 플레이트와 그 표면에 코팅한 촉매의 무게는 21g인 것에 비해 세라믹 섬유 기판을 이용한 촉매의 무게는 1.55g밖에 되지 않아 선택적 산화 반응기의 무게를 획기적으로 줄일 수 있다.
한편, 실시예에서는 2층 구조의 세라믹 섬유 기판을 사용하였지만, 다수의 세라믹 섬유 기판을 적층하고 그 사이에 가스켓을 배치함으로써 그 처리 용량을 증가시킬 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 선택적 산화 반응기의 분해 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 선택적 산화 반응기의 구성 부재인 채널 플레이트의 단면도로서, 도 1의 선 2-2를 따라 절취한 단면도.

Claims (10)

  1. 외부에서 공급된 개질 가스와 공기의 반응이 이루어져 개질 가스에 함유된 잔류 일산화탄소가 저감되는 선택적 산화 반응기에 있어서,
    유체 유입 포트 및 유체 배출 포트가 각각 형성된 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트; 및 제 1 플레이트 및 제 2 플레이트 사이에 배치되어 제 1 플레이트와의 사이 및 제 2 플레이트와의 사이에 유로를 각각 형성하는 채널 플레이트를 포함하되,
    채널 플레이트는 표면에 촉매층이 형성된 세라믹 보드로 제조되고,
    세라믹 보드는 세라믹 페이퍼; 상기 세라믹 페이퍼 상에 형성된 알루미나 옥사이드의 제1코팅층; 및 상기 제1코팅층 상에 형성된 알루미늄 포스페이트의 제2코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    세라믹 페이퍼는 알루미나 및 실리카로 이루어지는 군에서 선택된 1 종 이상을 포함하는 세라믹 파이버; 유기 파이버; 및 유기 바인더를 포함하는 슬러리 조성물로 제조되는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1코팅층은 40 내지 60 나노 크기의 알루미나 옥사이드 분말을 포함하는 0.1 내지 10 중량% 농도의 졸 용액에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    알루미늄 포스페이트 코팅층은 알루미늄 하이드록사이드 및 인산을 포함하며, P/Al의 원자비가 3 내지 50인 코팅 용액에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    세라믹 보드는 폭 방향으로 다수의 골 및 산이 교대로 형성되어 있어 제 1 플레이트와 하부면 사이 및 제 2 플레이트와 상부면 사이에 다수의 길이 방향 채널이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    제 1 플레이트 및 제 2 플레이트는 채널 플레이트와 대응하는 표면에 형성된 채널 플레이트 수용을 위한 요부를 갖는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 1 플레이트와 제 2 플레이트 사이에 위치하여 채널을 따라 유동하는 유체의 외부 누출을 방지하는 가스켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    촉매층은 백금(Pt), 레니윰(Re), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 및 금(Au)으로부터 선택된 하나 이상의 금속 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서, 촉매층은 알루미나(alumina), 세리아(ceria), 지르코니아(zirconia), 칼슘 알루미네이트(calcium aluminate), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화세슘(cesium oxide), 산화구리(copper oxide) 및 산화아연(zinc oxide) 등으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물의 촉매 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 산화 반응기.
KR1020080035115A 2008-04-16 2008-04-16 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기 KR101202538B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080035115A KR101202538B1 (ko) 2008-04-16 2008-04-16 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080035115A KR101202538B1 (ko) 2008-04-16 2008-04-16 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090109731A KR20090109731A (ko) 2009-10-21
KR101202538B1 true KR101202538B1 (ko) 2012-11-19

Family

ID=41537641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080035115A KR101202538B1 (ko) 2008-04-16 2008-04-16 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101202538B1 (ko)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004066008A (ja) 2002-08-01 2004-03-04 Casio Comput Co Ltd 化学反応装置
KR100764404B1 (ko) 2005-12-29 2007-10-05 삼성전기주식회사 마이크로 연료전지용 세라믹 다층 기판 개질 기 및 그제조방법
KR100784483B1 (ko) 2005-12-13 2007-12-11 주식회사 엘지화학 세라믹 필터 및 이의 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004066008A (ja) 2002-08-01 2004-03-04 Casio Comput Co Ltd 化学反応装置
KR100784483B1 (ko) 2005-12-13 2007-12-11 주식회사 엘지화학 세라믹 필터 및 이의 제조방법
KR100764404B1 (ko) 2005-12-29 2007-10-05 삼성전기주식회사 마이크로 연료전지용 세라믹 다층 기판 개질 기 및 그제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090109731A (ko) 2009-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1853515B1 (en) Method using proton conducting solid oxide fuel cell systems having temperature swing reforming
AU2002365663B2 (en) Process and apparatus for steam-methane reforming
TW590798B (en) Catalytic reactor and process
CN1934225B (zh) 天然气转化为长链烃类的工艺
US8043530B2 (en) Fuel reformer catalyst
US7220699B2 (en) Catalyst incorporation in a microreactor
Galletti et al. CO selective methanation in H2-rich gas for fuel cell application: Microchannel reactor performance with Ru-based catalysts
US20040063577A1 (en) Catalyst for autothermal reforming of hydrocarbons with increased water gas shift activity
US7704486B2 (en) Precious metal water-gas shift catalyst with oxide support modified with rare earth elements
RU2016117903A (ru) Реактор с комплектом керамических транспортирующих кислород мембран и способ риформинга
WO2015069842A2 (en) Integrated gaseous fuel cpox reformer and fuel cell systems, and methods of producing electricity
US20040251001A1 (en) Catalytic reactor
WO2003078308A2 (en) Process and apparatus for producing hydrogen from hydrocarbon fuels
US20210162374A1 (en) Structured catalysts for pre-reforming hydrocarbons
KR101202538B1 (ko) 세라믹 보드를 이용한 선택적 산화 반응기
KR101202485B1 (ko) 세라믹 보드를 이용한 수성 가스 전환 반응기
KR101251160B1 (ko) 세라믹 보드를 이용한 연소 개질 반응기
Zhou et al. A review on miniaturization of solid oxide fuel cell power sources-II: from system to material
KR20090109725A (ko) 세라믹 보드를 이용한 개질 반응 시스템
KR101459191B1 (ko) 모노리스 연료전지 자열개질반응 촉매
Kolb Catalytic reactors for fuel processing
Zhou Platinum group metals catalyzed steam methane reforming via micro-channel reactor
Xu et al. Hydrogen production of a heavy hydrocarbon fuel autothermal reformer on NiO-Rh based monolithic catalysts

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150923

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160928

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170919

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181016

Year of fee payment: 7