KR101320387B1 - Ｃｏ 제거 촉매 시스템 및 이를 채용한 연료처리장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 새로운 CO 제거 촉매 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 수상(aqueous phase) 내에 금(Au)촉매와 조촉매를 포함하는 CO 제거 촉매 시스템 및 이를 채용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템은 종래의 CO 제거 시스템에 비하여, 훨씬 간단한 장치로 저온에서 훨씬 고효율로 부반응 없이 CO를 제거하는 효과가 있다. 또한, 촉매 시스템 내에 함유되어 있는 물이 온도 변화에 대한 완충 역할을 할 수 있어 불측의 온도 변화에도 대처할 수 있고, 저온에서의 운전이 가능하기 때문에 금 촉매에 대한 활성 및/또는 선택도 등을 고려하여 넓은 운전 범위에서 운전하는 것이 가능하다.
CO, 금, 조촉매, 헤테로폴리산, 바나듐, 프록스 반응, 수상
Description
도 1은 종래의 연료전지 시스템에 사용되는 연료처리장치에서 연료가 처리되는 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템의 금 촉매 및 수상에서 일어나는 산화 환원 반응을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템의 입구 및 출구 흐름의 성분을 나타낸 개념도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료처리 단계 20 : CO 제거 단계
25 : CO 제거 촉매 시스템 30 : 개질 및 정화된 연료 가스
본 발명은 CO 제거 촉매 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 개질된 연료전지용 연료내의 CO를 저온에서 경제적이면서도 고효율로 제거할 수 있는 CO 제거 촉매 시스템에 관한 것이다.
연료전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
상기와 같은 연료전지 시스템은 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 연료전지 스택(stack), 연료처리장치(FP: fuel processor), 연료탱크, 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며 막-전극 접합체(MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터(separator 또는 bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다.
연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 연료처리장치로 공급하며 연료처리장치는 연료를 개질 및 정화하여 수소를 발생시키고 그 수소를 스택으로 공급한다. 연료전지 스택에서는 상기 수소를 받아 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
연료처리장치의 개질기(reformer)는 리포밍 촉매를 이용하여 탄화수소를 개질하게 되는데, 상기 탄화수소는 황 화합물을 함유하는 반면 상기 리포밍 촉매는 황 화합물에 의해 피독되기 쉽기 때문에 상기 탄화수소를 개질공정에 공급하기 전에 상기 황 화합물을 제거할 필요가 있다. 따라서, 상기 탄화수소는 개질공정에 진입하기 전에 탈황공정을 거치게 된다(도 1 참조).
탄화수소는 개질되면서 수소를 생성하지만, 이와 아울러 이산화탄소 및 소량의 일산화탄소를 생성하게 된다. 그런데, 상기 일산화탄소는 연료전지 스택의 전극에 사용되는 촉매에 촉매독으로 작용하기 때문에 개질된 연료를 바로 스택에 공급 하여서는 안되고, 상기 일산화탄소를 제거하는 공정을 거쳐야만 한다. 이 때, 일산화탄소의 함량은 10 ppm 이내로 감소시키는 것이 바람직하다.
일산화탄소를 제거하는 반응으로는 하기 반응식 1과 같은 고온 쉬프트 반응을 이용해 왔다.
[반응식 1]
CO + H2O → CO2 + H2
상기 고온 쉬프트 반응은 400 내지 500℃의 고온에서 이루어지기 때문에 부가적인 장치를 많이 필요로 할 뿐만 아니라 에너지 활용 측면에서도 불리한 단점이 있다. 더구나, 하기 반응식 2와 같이, 제거되어야 할 일산화탄소가 개질된 수소와 반응하여 다시 탄화수소로 돌아가는 메탄화(methanation) 반응이 일어나기 때문에 매우 불리하다.
[반응식 2]
CO + 2H2 → CH4 + 1/2 O2
상기 고온 쉬프트 반응과 더불어 200 내지 300℃에서 이루어지는 저온 쉬프트 반응도 활용되지만, 이러한 반응들을 거치더라도 CO의 함량을 5000 ppm 이하로 감소시키기는 대단히 어렵다.
상기와 같은 단점을 보완하기 위해 하기 반응식 3과 같은 소위 프록스(PROX: preferential oxidation) 반응이 활용되기도 한다.
[반응식 3]
CO + 1/2 O2 → CO2
그러나, 프록스 반응은 저온에서는 반응 속도가 너무 느리고, 고온에서는 역 수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction)이 일어나는 단점이 있다.
또한, 이러한 반응들은 속도가 느려 전체 연료전지 시스템에 병목으로 작용하게 되고, 다량의 물을 필요로 함으로써 부가적인 장치를 많이 요구해 자동차 등의 동력원으로 연료전지를 사용하는 데 걸림돌이 되어 왔다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하고자 금(Au) 촉매와 폴리옥소메탈레이트를 이용하여 연료 중의 CO를 제거하려는 시도가 있었다 (Kim, W.B., et al., "Powering fuel cells with CO via aqueous polyoxometalates and gold catalysts," Science 305, 2004, pp.1280-1283).
상기 시스템에 있어서 나노튜브 형태로 제조된 금 촉매 상에서 액상의 물과 CO가 접촉반응되어 CO는 CO2 형태로 전환되면서 폴리옥소메탈레이트는 환원된다. 상기와 같이 환원된 폴리옥소메탈레이트는 연료전지의 애노드에 공급되어 다시 산화된다. 이 산화된 폴리옥소메탈레이트는 리사이클되며, 산화과정에서 발생한 전자는 외부 부하에 공급된다.
그러나, 상기 시스템은 CO의 산화과정에서 발생한 전자가 직접 외부 부하에 공급됨으로써 직접 전력이 생산된다는 장점이 있으나, 리사이클 시스템으로 인해 구성이 복잡해지고, 지지체를 사용하지 않고 나노튜브 형태의 금 촉매를 사용하고 있어 촉매 비용이 많이 들며, 또한, 연료처리장치에 물을 따로 흘려 주어야 하므로 물의 공급에 대한 불편이 있는 단점이 있다.
따라서, 시스템 구성이 간단하고, 촉매 비용을 줄이면서도, 별도의 물 공급이 불필요한 간이하고도 저렴하며 효율이 높은 연료처리장치가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 연료 가스 중의 CO를 저온에서 경제적이고도 효율적으로 제거할 수 있는 CO 제거 촉매 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 상기 CO 제거 촉매 시스템을 채용한 연료처리장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는, 상기 CO 제거 촉매 시스템을 채용한 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 수상(aqueous phase) 내에 금(Au)촉매와 조촉매(M)를 포함하는 CO 제거 촉매 시스템을 제공한다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템에서 상기 조촉매 M은 산화환원력이 있는 구리(Cu)계 화합물, 산화환원력이 있는 철(Fe)계 화합물, 산화환원력이 있는 바나듐(V)계 화합물, 헤테로폴리산, 또는 이들의 임의의 혼합물이 바람직하다.
상기와 같은 CO 제거 촉매 시스템을 사용하면 연료 가스 내의 CO를 90℃ 이하의 저온에서 효율적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 발열반응인 CO의 산화반응이 가져올 수 있는 불측의 온도변화에도 영향을 덜 받는 CO 제거 시스템을 구성할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 상기 CO 제거 촉매 시스템을 포함하는 연료처리장치를 제공한다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 이루기 위하여, 상기 CO 제거 촉매 시스템을 포함하는 연료전지 시스템을 제공한다.
상기 CO 제거 촉매 시스템을 이용하면 종래의 CO 제거 시스템에 비하여 장치가 크게 간단해지기 때문에 고장이 적고 가격이 저렴한 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일산화탄소(CO) 제거 촉매 시스템은, 미시적으로는 금 촉매 표면 및 그 위에 형성된 수상(aqueous phase) 내에서 CO를 산화시켜 제거하는 데 필요한 모든 산화/환원반응이 일어나고, 거시적으로는 개질된 연료 이외의 별도의 물공급이 불필요하고 리사이클 등의 필요가 없어 구성이 간단한 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일산화탄소(CO) 제거 촉매 시스템은 수상(aqueous phase) 내에 금 촉매와 조촉매를 포함한다. 이 때 금 촉매의 경우는 사용된 지지체의 중량 대비 0.5 내지 5 중량%의 양이 사용되며, 산화-환원 반응을 거치는 조촉매의 경우는 0.05 내지 2M 농도가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 금 촉매의 양이 상기 범위를 벗어나 0.5 중량%에 미달하면 활성이 떨어져 원하는 반응이 잘 일어나지 않고, 5 중량%를 초과하는 경우에는 경제적으로 불리하다. 상기 조촉매의 양이 상기 범위를 벗어나 0.05 M 농도에 미달하는 경우는 활성이 떨어져 원하는 반응이 잘 일 어나지 않게 되고, 2 M 농도를 초과하는 경우에는 경제적으로 불리하다.
개질된 연료에 기상의 형태로 존재하는 CO는 수상으로 확산되어 수상 내에 존재하는 CO가 된다. 상기 수상 내에 존재하는 CO는 고체상태로 존재하는 금 촉매의 표면에서 금 촉매가 촉진하는 하기 반응식 4와 같은 반응을 통해 CO2의 형태로 제거된다(도 2 참조).
[반응식 4]
CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-
상기 반응식 4에서 생성된 수상 내의 CO2는 다시 기상으로 확산되어 연료와 함께 연료전지 스택으로 들어간다. 또한, 상기 반응식 4에서 생성된 양성자는 연료 가스와 함께 공급되어 수상으로 확산된 산소 및 이온화되어 수상 내에 존재하는 조촉매 M과 하기 반응식 5와 같은 반응에 의해 액상의 물이 된다.
[반응식 5]
2M(n-1)+ + 2H+ + 1/2 O2 → 2Mn+ + H2O
이 때 사용된 조촉매 M의 산화수 n은 1 내지 7 사이의 범위에 있다. 이 때 조촉매의 산화를 돕기 위한 다른 촉매를 추가적으로 사용할 수도 있다.
상기 반응식 5에서 생성된 물은 다시 상기 반응식 4에 참가하게 된다. 그리고, 생성된 물은 일부 증발하기도 하지만 증발한 만큼 기상의 물이 다시 응축하여 동적 평형을 이루게 되므로 전체적으로 수상을 이루는 물의 양은 거의 일정하게 된 다. 따라서, 외부에서 물을 별도로 공급할 필요는 없고, 설사 증발하는 물의 양이 더 많더라도 그만큼만 더 보충해 주면 된다.
또한, 상기 반응식 5에서 산화된 조촉매 2Mn+는 상기 반응식 4의 전자에 의해 하기 반응식 6과 같이 환원된다.
[반응식 6]
2Mn+ + 2e- → 2M(n-1)+
상기 반응식 4 내지 반응식 6을 정리하면 도 2와 같다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템은 CO 제거 반응(반응식 4)과 산화 반응(반응식 5) 및 환원 반응(반응식 6)이 동시에 개재되는 시스템이다.
즉, 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템은 상기한 바와 같이 수상 내에 함유된 금 촉매 및 조촉매의 촉매작용으로 수상으로 확산된 CO와 액상의 물이 반응하여 CO는 CO2의 형태로 전환되고 여기서 생성된 양성자가 외부에서 공급된 산소와 반응하여 다시 물이 되는 과정을 통해 100℃ 이하의 저온에서 CO를 제거한다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템(25)을 그림으로 나타내면 도 3과 같다. 개질된 연료 가스는 수소, CO, 물 및 이산화탄소를 포함하고 있으며, 추가의 산소와 함께 CO 제거 촉매 시스템(25)으로 공급된다. CO는 이산화탄소로 산화되어 제거되므로 출구흐름에는 수소, 이산화탄소, 물 및 산소가 존재하게 된다.
상기 금 촉매는 지지체에 담지되어 있을 수도 있고, 지지체에 담지되어 있지 않을 수도 있다.
상기 금 촉매가 지지체에 담지되어 있는 경우에, 상기 지지체는 탄소계 담체를 사용할 수도 있고, 알루미나, 실리카, 제올라이트, TiO2, ZrO2, CeO2
등의 무기물 미립자 담체일 수도 있다. 상기 탄소계 담체는 탄소 분말, 흑연, 플러렌(C60), 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노혼, 카본 나노링 등을 포함할 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 지지체 상에 담지된 금 촉매가 잠길 수 있을 정도의 수상의 층이 형성될 수 있는 것이 바람직하므로 친수성의 지지체를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 담체에 금 촉매를 담지하는 방법은 증착침전법(deposition precipitation), 공침법(coprecipitation), 함침법(impregnation), 스퍼터링(sputtering), 기상 그래프팅(gas-phase grafting), 액상 그래프팅(liquid-phase grafting), 초기 함침법(incipient-wetness impregnation) 등 당 업계에 알려진 다양한 방법을 사용하는 것이 가능하며 특히 증착침전법(deposition precipitation)이 바람직하다.
상기 증착침전법의 일구현예를 설명하면 다음과 같다. 일정량의 금(Au) 전구체를 물에 용해시키고, 별도로 지지체를 물에 분산시킨다. 그런 후, 상기 수용액에 용해시킨 금 전구체를 지지체가 분산되어 있는 액에 소량 투입한다. 이후, pH를 조절하기 위해 준비한 별도의 NaOH를 적가하여 원하는 pH로 맞추고, 다시 상기 수용액에 용해시킨 금 전구체를 지지체가 분산되어 있는 수용액에 소량 투입한다. 이와 같이 금 전구체를 수용액에 투입하고 pH를 일정하게 맞추는 과정을 계속 반복하여 촉매를 제조한 후, 상기 촉매를 여과 및 건조하고, 최종적으로 공기/H2 분위기에서 산화-환원 시킴으로써 촉매를 제조할 수 있다.
상기와 같은 방법으로 지지체에 담지되는 금 촉매의 입자 크기는 2 내지 10 nm인 것이 바람직하다. 금 촉매의 입자 크기는 작을수록 좋지만 상기보다 작은 크기의 금 촉매는 제조하기 어렵고, 상기 범위를 벗어나 너무 크면 비표면적이 작아져 효율이 떨어진다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템에 사용되는 상기 조촉매는 산화환원력이 있는 구리(Cu)계 화합물, 산화환원력이 있는 철(Fe)계 화합물, 산화환원력이 있는 바나듐(V)계 화합물, 헤테로폴리산, 또는 이들의 임의의 혼합물인 것이 바람직하다.
상기와 같이 조촉매에게 산화환원력이 요구되는 이유는 앞서 설명한 바와 같이 조촉매의 산화와 환원이 활발하게 일어날 것이 동시에 요구되기 때문이다.
상기 구리계 화합물은 CuCl2, 상기 철계 화합물은 FeCl3, 상기 바나듐계 화합물은 V2O5가 바람직하다. 또, 상기 헤테로폴리산은 H3PMo12
O40, H4PVMo11O40, H5PV2Mo10O40, H6PV3Mo9
O40, H4SiMo12O40, H5SiVMo11
O40, H6SiV2Mo10O40, H7SiV
3Mo9O40, H3PW12O40, H4PVW11O40, H5
PV2W10O40, 및 H6PV3W9O
40로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상이 바람직하다. 특히, 상기 헤테로폴리산 중에서 바나듐을 함유하고 있는 헤테로폴리산의 활성이 우수하다.
상기와 같은 조촉매를 물에 일정농도로 용해시켜서 얻은 조촉매의 수용액을 상기에서와 같이 제조된 금 담지촉매의 표면에 골고루 적셔서 사용한다. 특히, 물이 산화/환원과정에서 필수적이기 때문에 물이 소실되지 않고 일정량 유지될 수 있어야 한다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템을 구현하기 위하여, 상기와 같이 지지체에 담지된 금 촉매를 펠렛화하여 반응기에 넣고, 여기에 이온화된 조촉매를 포함하는 수용액을 공급하여 금 촉매의 표면에 조촉매가 포함된 수상을 형성시킬 수 있다.
상기 금 촉매는 회분식 반응기, 혼합흐름 반응기, 플러그 흐름 반응기 등 당 업계에 알려진 다양한 반응기에 사용될 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니며, 당 업계에 알려진 다양한 방법으로 사용할 수 있다. 다만, 제조, 설치 및 운전이 쉽고 장치가 간단한 고정상 컬럼(fixed-bed column) 형태의 플러그 흐름 반응기로 사용하는 것이 바람직하다.
만일 기상의 CO가 수상으로 확산되는 속도가 느려서 전체 반응의 병목으로 작용한다면 연료처리장치의 효율이 떨어지게 된다. 따라서, 수상 내로 CO가 빠른 시간 내에 충분히 확산될 수 있도록 시스템을 구성할 필요가 있다. CO의 수상 내로의 확산 속도를 높이기 위해, 교반을 시켜서 강제대류를 시켜주는 방법, 충분한 시간동안 접촉할 수 있도록 공간속도를 줄이는 방법, 접촉면적을 증대하기 위해 반응기를 좁고 길게 하는 방법 등이 가능하지만, 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템이 작동하기에 적절한 온도는 금촉매 및 조촉 매 상에서 일어나는 반응의 활성화 에너지; CO, CO2의 농도 및 수상에서의 확산계수; 반응식 4 내지 반응식 6의 반응 엔탈피 변화 등에 따라 달라지며, 상기와 같은 점을 고려하였을 때, 15 내지 90℃의 온도가 바람직하고, 20℃ 내지 70℃의 온도가 더욱 바람직하다. 온도가 상기 범위를 벗어나 너무 낮으면 반응의 활성이 지나치게 떨어지게 되어 불리하고, 상기 범위를 벗어나 너무 높으면 물이 증발하여 소실됨으로써 산화환원 반응이 일어나지 않게 된다.
또, 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템이 작동하기에 바람직한 압력은 0.1기압 내지 3기압이지만, 여기에 한정되는 것은 아니다. 그러나, 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템이 작동하기 위하여 압력은 상압이 더욱 바람직하다.
또, 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템에 공급되는 연료 가스의 공간속도는 4,000 내지 220,000 hr-1인 것이 바람직하다. 연료 가스의 공간속도가 상기 범위를 벗어나 이보다 느리면 많은 촉매 양을 필요로 하므로 경제적으로 불리하고, 공간속도가 상기 범위를 벗어나 이보다 빠르면 CO가 충분히 제거되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 연료처리장치를 설명한다.
본 발명의 연료처리장치는 탈황장치, 개질장치, 및 CO 제거장치를 포함한다. 연료 가스의 피드스톡에 포함된 황 화합물이 리포밍 촉매에 촉매독으로 작용하기 때문에 탈황장치는 개질장치의 전단에 위치하는 것이 바람직하다. 또, CO 제거장치는 개질된 연료 가스 내에 포함되어 있는, 개질 반응의 부산물인 CO의 제거를 목적으로 하는 것이므로 개질 장치의 후단에 위치하는 것이 바람직하다. 따라서, 연료 처리장치는 탈황장치-개질장치-CO 제거장치의 순서로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 CO 제거장치는 상기한 본 발명의 CO 제거 촉매 시스템을 포함한다. 상기 CO 제거 촉매 시스템은 상기한 조촉매를 포함하는 수상이 형성되어 있는 금 촉매를 충진한 고정상 컬럼의 형태가 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 설명한다.
본 발명의 연료전지 시스템은 상기한 바와 같이 연료전지 스택, 연료 탱크, 연료 펌프 및 본 발명의 연료처리장치를 포함한다.
상기 연료 탱크 및 연료 펌프는 연료 전지 시스템이 동작하는 온도 범위에서 연료 가스의 압력을 견딜 수 있는 내구성 및 안전성을 가진 것으로 당 업계에서 통상 사용하는 것일 수 있다.
상기 연료전지 스택은 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질막형 또는 알칼리형 연료전지 등 당 업계에 알려진 것일 수 있다.
본 발명의 연료처리장치는 상기 연료 탱크로부터 연료 가스를 상기 연료 펌프에 의해 공급받아 연료를 처리하는 것일 수 있다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 가지고 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 실시예 및 비교예에서 하기와 같은 방법으로 물성을 평가하였다.
<실시예>
알루미나에 담지된 금촉매를 펠렛화하여 고정상 관형 반응기에 충진하였다. 금 촉매의 함량은 0.01 g/g-cat 였다. 탈이온수에 조촉매로 CuCl2를 0.05 M 농도로 용해시킨 후 고정상으로 충진된 금 촉매에 균일하게 분산시켰다. 여기에 몰 수 기준으로 CO 5 %, 산소 10 %, H2O 10 %, H2 60%, CO2 15%의 조성을 갖는 기체를 25℃를 유지하면서 흘린 후, 출구에서의 기체흐름의 조성을 분석하였다. 그 결과 하기 표 1과 같은 결과를 얻었다.
[표 1]
| 입구흐름 (몰%) |
출구흐름 (몰%) |
|
| CO | 5.0 | 0.00 |
| O2 | 10.0 | 7.50 |
| H2O | 10.0 | 7.50 |
| H2 | 60.0 | 65.20 |
| CO2 | 15.0 | 19.80 |
출구 흐름에서 CO는 측정한계인 0.001%보다 적어서 검출되지 않았다. 따라서, CO의 농도는 10ppm 이하로 충분하게 제거되는 것으로 확인되었다.
<비교예>
종래의 연료처리장치에서 CO 제거 장치만을 취하여 상기 실시예에서와 동일한 조성의 기체를 입구에 흘려주었다. 이 때, 고온 쉬프트 단계의 온도는 350℃, 저온 쉬프트 단계의 온도는 200℃, 및 프록스 단계의 온도는 120℃였다. 상기 CO 제거 장치의 출구 흐름의 조성을 분석한 결과를 하기 표 2에 정리하였다.
[표 2]
| 입구흐름 (몰%) |
출구흐름 (몰%) |
|
| CO | 5.0 | 0.01 |
| O2 | 10.0 | 7.50 |
| H2O | 10.0 | 7.10 |
| H2 | 60.0 | 65.19 |
| CO2 | 15.0 | 20.20 |
출구흐름의 CO농도는 약 0.01%로 약 100 ppm임을 알 수 있었다.
상기 실시예 및 비교예의 결과를 대조해보면 실시예의 경우 CO의 제거 효율이 10배 이상 좋은 것으로 나타났으며, 작동 온도도 상온 수준으로 200 내지 450℃에서 작동되는 종래의 CO 제거 장치에 비해 마일드하여 에너지의 활용면에서 효율적임을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
본 발명의 CO 제거 촉매 시스템은 종래의 고온 쉬프트 반응, 저온 쉬프트 반응 및 프록스 반응이 단계적으로 일어날 뿐만 아니라, 계속적으로 물을 공급하는 장치를 필요로 하였던 것에 비하여, 훨씬 간단한 장치로 저온에서 훨씬 고효율로 부반응 없이 CO를 제거하는 효과가 있다.
또한, 촉매 시스템 내에 함유되어 있는 물이 온도 변화에 대한 완충 역할을 할 수 있어 불측의 온도 변화에도 대처할 수 있고, 저온에서의 운전이 가능하기 때 문에 금 촉매에 대한 활성 및/또는 선택도 등을 고려하여 넓은 운전 범위에서 운전하는 것이 가능하다.
Claims (17)
- 수상(aqueous phase) 내에 금(Au)촉매와 조촉매(M)를 포함하며,상기 수상이 액상의 물의 포함하며, 상기 액상의 물에 CO가 용해되며,상기 조촉매 M이 산화환원력이 있는 구리(Cu)계 화합물인 CuCl2인 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 CO 제거 촉매가 연료 가스 중의 CO를 제거하며, 상기 연료 가스의 공간속도가 4000 내지 220,000hr-1인 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 CO 제거 촉매 시스템의 작동 온도가 15 내지 90℃인 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금 촉매의 입자 크기가 2 내지 10 nm인 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금촉매는 지지체 상에 담지되어 있는 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 지지체가 탄소계 담체, 알루미나, 실리카, 제올라 이트, TiO2, ZrO2, CeO2 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.
- 제 1 항에 있어서, CO가 하기 반응식 4에 의하여 제거되는 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템:[반응식 4]CO + H2O → CO2 + 2H+ + 2e-
- 제 1 항에 있어서, 상기 조촉매가 하기 반응식 5에 의하여 산화되어 물을 생성하는 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템:[반응식 5]2M(n-1)+ + 1/2 O2 + 2H+ → 2Mn+ + H2O상기 식에서, n은 1 내지 7이다.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조촉매 M이 하기 반응식 6에 의하여 환원되는 것을 특징으로 하는 CO 제거 촉매 시스템.[반응식 6]2Mn+ + 2e- → 2M(n-1)+상기 식에서, n은 1 내지 7이다.
- 제 1 항 및 제 7 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 따른 CO 제거 촉매 시스템을 포함하는 연료처리장치.
- 제 15 항에 있어서, 상기 CO 제거 촉매 시스템이 고정상으로 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 연료처리장치.
- 제 1 항 및 제 7 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 따른 CO 제거 촉매 시스템을 포함하는 연료전지 시스템.
Priority Applications (4)
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