KR101320388B1 - 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는연료처리장치 - Google Patents

탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는연료처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료처리장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 산화물 담체에 담지된 활성촉매 성분 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 포함하는 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 연료처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 반응성이 뛰어나면서도, 열전도성이 뛰어나 탄화수소 개질 반응에 필요한 열을 원활하게 전달할 수 있어서, 높은 수소 생성율을 얻을 수 있다는 효과가 있다.
탄화수소 개질 촉매

Description

탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료처리장치 {Hydrocarbon reforming catalyst, method for manufacturing the same and a fuel treatment device comprising the same}
도 1은 종래의 연료전지 시스템에 사용되는 연료처리장치에서 연료가 처리되는 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 종래의 탄화수소 개질 촉매 입자의 구조를 개략적으로 도시한 모형도이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매 입자의 구조를 개략적으로 도시한 모형도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질 촉매의 개략적인 제조 공정도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따른 탄화수소 개질 촉매의 개략적인 제조 공정도이다.
도 6은 실시예 1에 따른 탄화수소 개질 촉매 및 비교예 1 및 2에 따른 탄화수소 개질 촉매에 대한 600℃에서의 공간속도별 메탄가스 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 2 및 3에 따른 탄화수소 개질 촉매 및 비교예 3에 따른 탄화 수소 개질 촉매에 대한 600℃에서의 공간속도별 메탄가스 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 2 및 실시예 4에 따른 탄화수소 개질 촉매 및 비교예 1에 따른 탄화수소 개질 촉매에 대한 700℃에서의 공간속도별 메탄가스 전환율을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료처리 단계 20 : CO 제거 단계
30 : 완성된 연료 가스
본 발명은 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료처리장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 산화물 담체에 담지된 활성촉매 성분 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 포함하는 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료처리장치에 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).
연료처리장치에서는 도 1에 나타낸 바와 같이 크게 탈황공정, 개질공정, 및 CO 제거 공정이 이루어지고, 다시 상기 CO 제거 공정은 고온 쉬프트 반응, 저온 쉬프트 반응, 및 프록스 반응으로 이루어진다.
개질 공정의 개질기 (reformer)는 리포밍 촉매를 이용하여 탄화수소로 이루어진 연료가스를 개질하게 되는데, 상기 개질 공정은 탄화수소에 스팀 (H2O)을 불어넣어 주로 하기 반응식 1과 같은 반응을 통해 수소를 생산하는 공정이다.
[반응식 1]
CH4 + H2O → CO + 3H2
C4H10 + 4H2O → 4CO + 9H2
탄화수소의 개질공정에서 일어나는 상기 반응식 1의 반응은 많은 열을 필요로 하는 흡열공정이다. 따라서, 상기 개질반응은 열의 공급을 필요로 하는 반응으로서, 고온에서 촉매를 사용하여 진행되며, 높은 수소 생성율을 얻기 위해서는 ⅰ) 높은 반응성 및 ⅱ) 반응에 필요한 열을 원활히 전달할 수 있는 높은 열전도성을 갖는 촉매가 요구된다.
종래에 통상적으로 사용되는 탄화수소 개질촉매는 상기 ⅰ)의 조건, 즉 높은 반응성을 갖도록 하는 데에 그 초점이 맞추어져 있으며, 일반적으로 알루미나, 실리카 등의 산화물로 이루어진 촉매 담지체를 사용하여 이러한 요구를 충족하고 있다.
그러나, 더욱 높은 수준의 탄화수소 전환율을 달성하기 위해서는, 높은 반응성 및 높은 열전도성을 모두 충족시키는 탄화수소 개질 촉매의 개발이 시급한 실정이다.
따라서, 본 발명에서는 상기 종래 기술의 문제점을 해결하여, 반응성이 뛰어나면서도, 열전도성이 뛰어나 탄화수소 개질 반응에 필요한 열을 원활하게 전달할 수 있어서, 높은 수소 생성율을 얻을 수 있는 탄화수소 개질 촉매, 그 제조방법 및 이를 포함하는 연료처리장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 일 태양에서,
산화물 담체에 담지된 활성촉매 성분 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 포함하는 탄화수소 개질 촉매를 제공한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 다른 태양에서,
(a) 산화물 담체 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 혼합물에 활성 촉매 성분을 담지시키는 단계;
(c) 상기 (b) 단계의 결과물을 건조시키는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계의 결과물을 열처리하는 단계
를 포함하는 탄화수소 개질 촉매의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 태양에서,
(a) 산화물 담체에 활성 촉매 성분을 담지시키는 단계;
(b) 상기 (a) 단계의 결과물을 건조시키는 단계;
(c) 상기 (b) 단계의 결과물과 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 혼합하는 단계;
(d) 상기 (c) 단계의 혼합물을 열처리하는 단계
를 포함하는 탄화수소 개질 촉매의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 태양에서,
상기 탄화수소 개질 촉매를 포함하는 연료처리장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 산화물 담체에 담지된 활성촉매 성분 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 포함한다.
본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 이와 같이 탄화수소 개질 촉매에 요구되는 고반응성을 충족시키기 위해서 활성 촉매 성분을 분산시키기 위한 산화물 담체를 포함할 뿐만 아니라, 반응에 필요한 열을 원활히 전달할 수 있는 높은 열전도성을 충족시키기 위해서 높은 열전도성을 갖는 물질을 포함한다.
따라서, 상기 산화물 담체 및 높은 열전도성을 갖는 물질을 적당한 비율로 혼합하여 사용 용도에 맞는 모양과 크기로 탄화수소 개질 촉매를 제조할 수 있게 되며, 반응성과 열전도성을 용이하게 조절할 수 있게 된다.
도 2 및 도 3에는 종래의 탄화수소 개질 촉매 입자 및 본 발명의 탄화수소 개질 촉매 입자의 구조에 대한 개략적인 모형도를 도시하였다.
도 2를 참조하면, 종래의 탄화수소 개질 촉매는 일정한 크기 및 형태를 갖는 산화물 성형체의 표면에 반응성을 갖는 분말 형태의 촉매 금속을 코팅한 구조, 이른바 코어 앤드 쉘 (core and shell) 타입의 구조를 가지며, 이 경우, 반응에 필요한 열전달이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.
반면에, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 산화물 담체 분말과 높은 열전도성을 갖는 물질을 혼합 및 성형하여 제조됨으로써 반응성이 우수할 뿐만 아니라, 열전달이 더욱 용이한 형태를 갖게 된다.
바람직하게는, 상기 산화물 담체는 높은 표면적을 갖는 다공성 구조의 산화 물 담체로서, 그 표면적은 10 m2/g 내지 800 m2/g이다. 상기 산화물 담체의 표면적이 10 m2/g 미만인 경우에는 담지되는 활성 촉매 성분의 분산 정도가 너무 낮아서 충분한 촉매 반응성을 얻을 수 없다는 문제점이 있고, 800 m2/g을 초과하는 경우에는 기계적 물성이 나빠지는 문제점이 있어서 바람직하지 않기 때문이다.
또한, 상기 높은 열전도성을 갖는 물질의 열전도성은 상온에서 15 Wm-1K-1 내지 600 Wm-1K-1인 것이 바람직하다. 상기 물질의 열전도성이 15 Wm-1K-1 미만인 경우에는 산화물 담체보다 열전도성이 낮아서 반응 효울의 향상에 기여하는 효과가 미미하다는 문제점이 있고, 600 Wm-1K- 1를 초과하는 경우에는 열전도성이 그 이상으로 높아지더라도 그에 따른 효과가 수반되지 않는다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
상기 조건을 만족시키는 산화물 담체의 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2 및 CeO2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 들 수 있다.
또한, 상기 조건을 만족시키는 고열전도성 물질의 구체적인 예로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, Al, Mg, Co, Fe, Ni 및 Mo 등의 고열전도성 금속 물질 및 흑연, 카본블랙 등의 고열전도성 탄소계 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 들 수 있다.
한편, 상기 산화물 담체의 함량은 산화물 담체 및 고열전도성 물질의 중량합을 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%이고, 상기 고열전도성 물질의 함량은 산화물 담체 및 고열전도성 물질의 중량합을 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%인 것이 바람직한데, 상기 범위를 벗어나 고열전도성 물질의 함량이 너무 많으면, 상대적으로 활성 촉매 성분이 담지된 산화물 담체의 함량이 적어짐으로 인해서 전체 반응 효율이 떨어지고, 상기 범위를 벗어나 산화물 담체의 함량이 너무 많으면, 상대적으로 고열전도성 물질의 함량이 적어서 촉매의 열전도도가 떨어지므로 전체적인 반응 효율이 떨어지게 된다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
상기 활성 촉매 성분, 즉 촉매 금속으로는 연료 가스의 개질반응에 대해 활성이 있는 촉매 금속으로서 전이금속인 것이 바람직하며, 이에 제한되는 것은 아니지만, 루테늄 (Ru), 백금 (Pt), 로듐 (Rh), 코발트 (Co), 니켈 (Ni) 및 팔라듐 (Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 예로 들 수 있다.
상기 활성 촉매 성분의 함량은 상기 탄화수소 개질 촉매의 총중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 것이 바람직하다. 활성 촉매 성분의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 탄화수소 개질 반응에 있어서 충분한 반응 효율을 얻을 수 없다는 문제점이 있고, 20 중량%를 초과하는 경우에도 오히려 담지 촉매량 대비 충분한 반응 효율을 얻을 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.
이하, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매의 제조방법에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에서는 상기 탄화수소 개질 촉매를 제조하기 위해서 크게 2가지 태양의 제조방법을 제공하며, 도 4 및 도 5에는 이러한 두 가지 태양의 제조 방법에 대한 개략적인 공정도가 도시되어 있다.
도 4에 따르면, 본 발명의 일 태양에 따른 탄화수소 개질 촉매의 제조방법은, (a) 산화물 담체 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 혼합하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 혼합물에 활성 촉매 성분을 담지시키는 단계; (c) 상기 (b) 단계의 결과물을 건조시키는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계의 결과물을 열처리하는 단계를 포함한다.
먼저, (a) 산화물 담체 및 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 혼합하는 단계를 수행한다.
상기 혼합 단계는 고열전도성 물질 및 산화물 담체를 기계적 교반기 등을 사용하여 혼합함으로써 이루어지며, 고열전도성 물질의 열전도성 및 산화물 담체의 표면적 및 구체적인 예들은 상술한 바와 같다.
또한, 상기 혼합되는 고열전도성 물질의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5mm이고, 산화물 담체의 평균 입경은 0.1㎛ 내지 5mm인 것이 바람직하다.
상기 고열전도성 물질 및 산화물 담체의 평균 입경이 0.1㎛ 이하인 경우 성형된 촉매 내부로 탄화수소 연료 및 반응 생성물의 유출입이 용이하지 못하다는 문제점이 있어서 바람직하지 않으며, 평균 입경이 5mm 이상인 경우는 고열전도성 물질과 산화물 담체간의 접촉 면적이 줄어들어 최종 촉매의 열전도성 향상의 효과가 적어지는 문제점이 있으므로 바람직하지 않다.
한편, 상기 고열전도성 물질과 산화물 담체의 혼합 중량비는 상술한 바와 같이, 1:9 내지 9:1의 범위일 수 있다.
이어서, 상기 혼합물에 활성 촉매 성분을 담지시키는 단계를 수행하는데, 이는 종래에 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 즉, 증착침전법 (deposition precipitation), 공침법 (coprecipitation), 습식 함침법 (wet 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 초기 함침법 또는 습식 함침법을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 다만, 액체가 매개되지 않는 담지 방법을 사용하는 경우에는 후술할 건조 단계는 생략될 수도 있다.
예를 들어, 습식 함침법에 의하는 경우, 고열전도성 물질 및 산화물 담체의 혼합물에 활성 촉매 성분의 전구체 용액을 첨가하고 균일하게 혼합하는데, 예를 들어 활성 촉매 성분이 백금인 경우에는, 이러한 백금 전구체로서 Pt(NH3)4(NO3)2 등이 물 또는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 부틸 알코올 등과 같은 알코올계 용매에 용해된 전구체 용액을 사용할 수 있다. 혼합 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 40 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 1 시간 내지 12 시간 동안 교반하는 방법일 수 있다.
다음으로, 상기 혼합 용액을 건조시키는 단계를 수행하며, 바람직하게는 상기 건조 단계는 100℃ 내지 160℃의 온도에서 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
최종적으로, 상기 건조물을 500℃ 내지 750℃의 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리함으로써 펠렛화된 (pelletized) 탄화수소 개질 촉매를 제조할 수 있게 되는 데, 상기 열처리 온도가 500 ℃보다 낮으면 촉매의 결정 구조가 잘 형성되지 않고, 750 ℃보다 높으면 담지된 금속의 크기가 커지게 되어 반응활성을 감소시키게 된다는 문제점이 있으며, 상기 소성 시간이 2 시간 보다 짧으면 촉매의 결정 구조가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 5 시간 보다 길면 불필요한 시간을 더 소비하게 되어 경제적으로 불리하다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 열처리 분위기는 공기 분위기도 무방하며, 특별히 제한되지는 않는다.
본 발명에서는 탄화수소 개질 촉매의 또 다른 제조방법을 제공하며, 도 5에 따르면, 본 발명의 다른 태양에 따른 탄화수소 개질 촉매의 제조방법은, (a) 산화물 담체에 활성 촉매 성분을 담지시키는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 결과물을 건조시키는 단계; (c) 상기 (b) 단계의 결과물과 상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질을 혼합하는 단계; (d) 상기 (c) 단계의 혼합물을 열처리하는 단계를 포함한다.
본 태양은 도 4에 도시된 태양과 비교할 때에, 산화물 담체에 활성 촉매 성분을 먼저 담지시키고, 이를 고열전도성 물질과 혼합한다는 점에서만 차이점을 보인다. 따라서, 산화물 담체에 습식 함침 등의 방법에 의해서 활성 촉매 성분을 먼저 담지하고, 이를 건조시킨 후에 고열전도성 물질과 혼합하며, 이후 공정들은 상술한 도 4에 도시된 태양과 동일한 요령으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 탄화수소 개질 촉매를 포함하는 연료처리장치를 제공한다.
본 발명에 따른 연료처리장치는 상기 탄화수소 개질반응용 담지 촉매를 포함하는 개질장치를 제조하고, 상기 개질장치를 포함하는 연료처리장치를 제조하여 얻 을 수 있다. 상기 연료가스 개질반응용 담지촉매는 예를 들면, 고정상으로 관형 반응기, 혼합 흐름 반응기에 충진되어 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하기로 하되, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
(a) 고열전도성 물질로서 Al 분말 (제조사: Goodfellow, 입경: 10㎛) 및 산화물 담체로서 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1)를 7:3 의 중량비로 혼합하여 10g의 혼합물을 얻었다.
(b) 증류수 5 ml 에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.408g을 녹여서 Ru 수용액을 제조하였다.
(c) 상기 혼합물 (a) 에 상기 Ru 수용액 (b)를 초기 함침법 (incipient-wetness impregnation)을 사용하여 함침시켜서 최종 촉매 내 Ru 함량이 2 중량%가 되도록 하였다.
(d) 이어서, 상기 결과물 (c)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨 다음, 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
제조하였다.
실시예 2
(a) 증류수 3.5 ml 에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.286g을 녹여서 만든 Ru 수용액을 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1 ) 7g에 초기 함침법을 사용하여 함침하였다.
(b) 상기 결과물 (a)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시켰다.
(c) 고열전도성 Al 분말 (제조사: Goodfellow, 입경: 10㎛)과 상기 결과물 (b)를 3:7의 중량비로 혼합하여 10g의 혼합물을 얻었으며, 최종 촉매 내의 Ru 함량이 1.4 중량%가 되도록 하였다.
(e) 상기 결과물 (c)를 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
실시예 3
(a) 증류수 2.5 ml 에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.204g을 녹여서 만든 Ru 수용액을 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1 ) 5g에 초기 함침법을 사용하여 함침하였다.
(b) 상기 결과물 (a)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시켰다.
(c) 고열전도성 Al 분말 (제조사: Goodfellow, 입경: 10㎛)과 상기 결과물 (b)를 5:5의 중량비로 혼합하여 10g의 혼합물을 얻었으며, 최종 촉매 내의 Ru 함량이 1 중량%가 되도록 하였다.
(e) 상기 결과물 (c)를 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
실시예 4
(a) 증류수 3.5 ml에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.286g을 녹여서 만든 Ru 수용액을 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1 ) 7g에 초기 함침법을 사용하여 함침시켰다.
(b) 상기 결과물 (a)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시켰다.
(c) 고열전도성 그래파이트 분말 (제조사: TIMCAL, 제품명: TIMREX HSAG300 Graphite, 입경: 1㎛ - 32㎛)과 상기 결과물 (b)를 3:7의 중량비로 혼합하여 10g의 혼합물을 얻었으며, 최종 촉매 내의 Ru 함량이 1.4 중량%가 되도록 하였다.
(e) 상기 결과물 (c)를 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
비교예 1
코어 앤드 셀 타입의 구조를 갖는 상용 탄화수소 개질 촉매인 RUA 촉매 (상품명: RUA, 제조사: Sud-Chemie, Japan, 직경 3 mm 구형)를 비교예 1로서 사용하였다. 상기 RUA 촉매 내의 활성촉매 성분인 Ru 함량은 2 중량%였다.
비교예 2
(a) 증류수 5 ml 에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.408g을 녹여서 만든 Ru 수용액을 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1 ) 10g에 초기 함침법을 사용하여 함침시켜서 최종 촉매 내의 Ru 함량이 2 중량%가 되도록 하였다.
(b) 상기 결과물 (a)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨 후, 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
비교예 3
(a) 증류수 2.5 ml에 RuCl3H2O (제조사: Aldrich) 0.204g을 녹여서 만든 Ru 수용액을 Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1 ) 5g에 초기 함침법을 사용하여 함침시켰다.
(b) 상기 결과물 (a)를 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시켰다.
(c) Al2O3 담체 (제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1)와 상기 결과물 (b)를 5:5의 중량비로 혼합하여 10g의 혼합물을 얻었으며, 최종 촉매 내의 Ru 함량이 1 중량%가 되도록 하였다.
(d) 상기 결과물 (c)를 520℃에서 4시간 동안 공기 분위기 하에서 열처리함으로써 펠렛화된 탄화수소 개질 촉매를 제조하였다.
성능 시험
상기 실시예 1로부터 제조된 탄화수소 개질 촉매와 종래 상용 탄화수소 개질 촉매로서 비교예 1에 제시된 RUA 및 고열전도성 물질을 포함하고 있지 않은 비교예 2에 제시된 촉매에 대한 600℃에서의 공간속도별 변환에 따른 메탄가스 전환율을 측정하였으며, 그 결과를 도 6에 도시하였다. 상기 결과로부터, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 600℃ 하의 다양한 공간속도에서 종래 상용 탄화수소 개질 촉매 및 고열전도성 물질을 포함하고 있지 않은 촉매에 비해서 우수한 메탄 가스 전환율을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
상기 실시예 2와 실시예 3으로부터 제조된 탄화수소 개질 촉매와 고열전도성 물질을 포함하고 있지 않은 비교예 3에 제시된 촉매에 대한 600℃ 하에서 공간속도별 변환에 따른 메탄가스 전환율을 측정하였으며, 그 결과를 도 7 에 도시하였다. 상기 결과로부터, 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 산화물 담체와 고열전도성 물질의 다양한 중량비 조건하에서 고열전도성 물질을 포함하고 있지 않은 촉매에 비해서 우수한 메탄가스 전환율을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
상기 실시예 2와 실시예 4로부터 제조된 탄화수소 개질 촉매와 종래 상용 탄화수소 개질촉매로서 비교예 1에 제시된 RUA에 대한 700℃ 하에서 공간속도별 변환에 따른 메탄가스 전환율을 측정하였으며, 그 결과를 도 8에 도시하였다. 상기 결과로부터 본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 다양한 고열전도성 물질들이 사용될 수 있으며, 종래 상용 탄화수소 개질촉매에 비하여 높은 메탄가스 전환율을 나타냄을 알 수 있다.
본 발명에 따른 탄화수소 개질 촉매는 반응성이 뛰어나면서도, 열전도성이 뛰어나 탄화수소 개질 반응에 필요한 열을 원활하게 전달할 수 있어서, 높은 수소 생성율을 얻을 수 있다는 효과가 있다.

Claims (22)

  1. 산화물 담체에 담지된 활성촉매 성분; 및
    상기 산화물 담체보다 열전도도가 높은 고열전도성 물질 입자로서, Al, Mg, Co, Fe, Ni, Mo, 흑연, 및 카본블랙으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하고, 평균 입경이 0.1㎛ 내지 5mm인 고열전도성 물질 입자;를 포함하고,
    상기 산화물 담체와 상기 고열전도성 물질 입자가 혼합된 상태인 탄화수소 개질 촉매.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화물 담체의 표면적은 10 m2/g 내지 800 m2/g인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고열전도성 물질의 열전도성은 상온에서 15 Wm-1K-1 내지 600 Wm-1K-1인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산화물 담체는, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2 및 CeO2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 산화물 담체의 함량은 상기 산화물 담체 및 상기 고열전도성 물질의 중량합을 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고열전도성 물질의 함량은 상기 산화물 담체 및 상기 고열전도성 물질의 중량합을 기준으로 10 중량% 내지 90 중량%인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  8. 제1항에 있어서, 상기 활성 촉매 성분은, 루테늄 (Ru), 백금 (Pt), 로듐 (Rh), 코발트 (Co), 니켈 (Ni) 및 팔라듐 (Pd)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  9. 제1항에 있어서, 상기 활성 촉매 성분의 함량은 상기 탄화수소 개질 촉매의 총중량을 기준으로 0.1 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질 촉매.
  10. 삭제
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  22. 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따른 탄화수소 개질 촉매를 포함하는 연료처리장치.
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