KR20100078805A - 탄화수소 개질촉매, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

탄화수소 개질촉매, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

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이두환
박은덕
이강희
김윤하
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Abstract

탄화수소 개질촉매, 그의 제조방법 및 상기 탄화수소 개질촉매를 포함하는 연료전지가 제시된다. 상기 탄화수소 개질촉매는 산화물 담체에 담지된 니켈 활성촉매층, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 포함한다.
탄화수소 개질촉매

Description

탄화수소 개질촉매, 그의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료전지{Hydrocarbon reforming catalyst, preparation method thereof and fuel cell employing the catalyst}
탄화수소 개질촉매, 그의 제조 방법 및 상기 탄화수소개질 촉매를 포함하는 연료전지가 개시된다. 보다 상세하게는 코킹 저항성이 높은 탄화수소 개질촉매, 그의 제조 방법 및 상기 탄화수소개질 촉매를 포함하는 연료전지가 개시된다.
최근, 환경 문제로 인해 새로운 에너지 기술이 각광을 받고 있고, 이 새로운 에너지 기술의 하나로서 연료전지가 주목을 모으고 있다. 이 연료전지는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시킴으로써 화학 에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로서, 에너지 이용 효율이 높다는 특징을 갖고 있고, 민간용, 산업용 또는 자동차용 등으로 실용화 연구가 적극적으로 이루어지고 있다.
연료전지의 수소 공급원으로는 메탄올, 메탄을 주체로 하는 액화 천연 가스, 이 천연 가스를 주성분으로 하는 도시 가스, 천연 가스를 원료로 하는 합성 액체 연료, 및 나프타 또는 등유 등의 석유계 탄화수소 등에 대한 연구가 이루어지고 있다.
석유계 탄화수소를 이용하여 수소를 제조하는 경우, 일반적으로 상기 탄화수소를 촉매의 존재 하에 수증기 개질반응이 수행된다. 여기서 석유계 탄화수소의 수증기 개질 처리의 촉매로는 종래부터 담체에 루테늄 성분이 활성 성분으로 담지된 것이 연구되어 왔다. 또한 산화 세륨이나 산화 지르코늄 촉매의 루테늄 촉매에 대한 조촉매 효과가 발견된 이후, 산화 세륨 또는 산화 지르코늄과 루테늄에 근거한 촉매의 연구가 이루어지고 있다. 또한 활성 성분으로서 루테늄 이외에도 백금, 로듐, 팔라듐, 이리듐, 니켈을 이용한 촉매의 연구도 이루어지고 있다.
본 발명의 일 측면은 새로운 탄화수소 개질촉매를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 탄화수소 개질촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 상기 탄화수소 개질촉매를 채용한 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 측면에 따라 산화물 담체 상에 담지된 니켈 활성촉매층, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리토금속을 포함하는 탄화수소 개질촉매가 개시된다.
상기 산화물 담체는 Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 및 YSZ로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산화물로 형성될 수 있다.
상기 금속 산화물은 망간 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물, 레늄 산화물, 몰리브덴 산화물 및 텅스텐 산화물으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 리튬, 나트륨, 칼륨 및 마그네슘으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택될 수 있다.
상기 금속 산화물은 상기 니켈 활성촉매층 상에 분포할 수 있다.
상기 금속 산화물은 상기 니켈 활성촉매층 내에 분포할 수 있다.
상기 탄화수소 개질촉매 중 니켈의 함량은 상기 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 1.0 내지 40 중량부일 수 있다.
상기 금속 산화물 중 금속 함량은 니켈 1 중량부를 기준으로 0.5 내지 20 중량부일 수 있다.
상기 탄화수소 개질촉매 중 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 함량은 상기 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 20 중량부일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계 및 결과의 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서, 상기 니켈을 담지시키는 단계 전, 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전, 또는 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 제조 방법이 개시된다.
또한, 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계 및 결과의 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서, 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전, 상기 니켈을 담지시키는 단계 전, 또는 상기 니켈을 담지시키는 단계 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 하는 제조 방법이 개시된다.
또한, 산화물 담체에 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서, 상기 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계 전 또는 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법 이 개시된다.
또한 산화물 담체에 금속 산화물 형성용 금속, 니켈, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 동시에 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법이 개시된다.
상기 니켈, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 담지는, 각각, 증착침전법(deposition precipitation), 공침법(coprecipitation), 습식 함침법(wet impregnation), 스퍼터링(sputtering), 기상 그래프팅(gas-phase grafting), 액상 그래프팅(liquid-phase grafting) 또는 초기 함침법(incipient-wetness impregnation)에 의하여 수행될 수 있다.
상기 니켈, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 담지는, 각각, 500 내지 750 ℃의 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다.
상술한 제조 방법에 의한 촉매는 600 내지 950 ℃의 온도에서 수소 분위하에서 1 내지 2시간 동안 환원 과정을 거터 개질 반응에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상술한 탄화수소 개질촉매를 채용한 연료전지가 개시된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 코킹 저항성이 우수한 탄화수소 개질촉매가 제공된다.
이하 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매에 관하여 설명한다.
탄화수소 개질촉매는, 연료전지 시스템에서 연료로 사용되는 수소를 생산하기 위하여, 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 탄화수소를 고온에서 수증기와 반응시키는 수증기 개질반응(Steam Reforming Reaction; SR 반응)을 촉진한다.
<반응식 1>
CnHm + nH2O → nCO + (n+m/2)H2
상기 반응식 1에서 발생한 CO 가스는 일반적으로 200 내지 400℃의중저온 범위에서 수증기와 반응하여 이산화탄소와 수소로 전환하는 수성 가스 이동 반응 (Water Gas Shift) 반응식 2를 통하여 개질가스 내 CO가스의 함량을 최소화한다.
<반응식 2>
CO + H2O → CO2 + H2
상기 개질반응은 600 내지 900 ℃ 범위의 고온에서 촉매화학적 방법에 의해 진행되며, 이때 사용되는 개질촉매는 탄화수소에 대한 높은 개질반응성(즉, 촉매활성), 코킹 저항성(즉, 탄소침적 억제) 및 고온에서의 지속적 성능 안정성(즉, 수명)이 요구된다.
본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매는 활성촉매로서 니켈, 제1 조촉매로서 금속 산화물, 및 제2 조촉매로서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 3성분이 산화물 담체 상에 담지된다. 상기 탄화수소 개질촉매는 우수한 촉매활성을 가지면서 금속 산화물 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 도입됨에 따라 높은 코킹 저항성 및 지속적 성능 안정성이 확보될 수 있다.
상기 탄화수소 개질촉매에 있어서, 상기 활성촉매 및 조촉매들을 담지하는 담체로서 산화물 담체가 사용된다. 상기 산화물 담체는 통상적으로 개질촉매에 사용되는 담체가 사용될 수 있으며, 바람직하게는 높은 표면적을 갖는 다공성 구조의 산화물 담체가 사용될 수 있다. 이러한 담체는, 예를 들면, Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 및 YSZ로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산화물로부터 형성될 수 있다.
상기 탄화수소 개질촉매에는 활성 성분으로서 니켈 금속으로 형성된 층이 포함된다. 니켈은 우수한 촉매 활성을 가지면서도, 통상적으로 개질촉매의 활성 성분으로 사용되는 루테늄, 백금, 로듐, 팔라듐, 이리듐 등에 비하여 가격이 저렴하여 제조 비용 측면에서 유리하다. 니켈의 함량은 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 1.0 내지 40 중량부일 수 있다. 니켈은 상기 산화물 담체 상에 연속 또는 불연속 층을 형성한다.
상기 탄화수소 개질촉매는 제1 조촉매로서 망간 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물, 레늄 산화물, 몰리브덴 산화물 및 텅스텐 산화물로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속 산화물을 포함한다. 바람직하게는 상기 금속 산화물은 망간 산화물일 수 있다. 상기 금속 산화물 중 금속의 함량은 니켈 1 중량부를 기준으로 0.5 내지 20 중량부일 수 있다. 상기 금속 산화물은 니켈 활성촉매층의 표면 상에 및/또는 내부에 분포할 수 있으며, 바람직하게는 니켈 활성촉매층 상에 분포할 수 있다.
또한 상기 탄화수소 개질촉매는 제2 조촉매로서, 리튬, 나트륨, 칼륨과 같은 알칼리 금속; 또는 마그네슘, 칼슘과 같은 알칼리 토금속을 포함한다. 바람직하게는 상기 제2 조촉매는 칼륨, 나트륨 또는 마그네슘이며, 더욱 바람직하게는 칼륨일 수 있다. 상기 제2 조촉매의 함량은 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 20 중량부일 수 있다.
연료전지 시스템에 있어서, 높은 탄소수의 탄화수소 또는 불포화 탄화수소 등을 사용하는 경우 개질반응 도중 탄소침적이 일어나기 쉬우며, 이는 촉매의 성능 저하를 유발한다. 탄소침적이 과도하게 일어나는 경우 형성된 탄소가 반응기 내에 쌓이게 되고 이로 인해 압력 상승이 초래되기 때문에 개질반응은 계속 진행되기 어렵게 된다. 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매는 제1 조촉매로서 금속 산화물, 및 제2 조촉매로서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 도입됨으로써 이러한 탄소침적을 방지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일부 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 구성을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 탄화수소 개질촉매(10)은 산화물 담체(11), 니켈 활성촉매층(12), 제1 조촉매인 금속 산화물(13), 및 제2 조촉매인 알칼리 금속 또는 알칼리토금속(14)으로 이루어진다. 니켈 활성촉매층(12)는 산화물 담체(11) 상에 담지되며, 니켈 활성촉매층(12) 상에는 금속 산화물(13)이 분포되어 있다. 또한 산화물 담체(11)상에는 알칼리 금속 또는 알칼리토금속(14)가 분포되어 있다.
이론에 구속되는 것은 아니지만, 탄화수소 개질촉매(10)에는 개질반응시 탄소가 침적되는 자리인 코킹 사이트(15, 15')가 형성될 수 있는데, 금속 산화물(13)은 니켈 활성촉매층(12) 상의 코킹 사이트(15')를 블록킹하며, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속(14)은 산화물 담체(11) 상의 코킹 사이트(15)를 블럭킹함으로써 촉매의 활성이 억제되는 것을 방지하는 것으로 파악된다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매는 산화물 담체 상에 니켈 활성촉매와 제1 조촉매인 금속산화물이 구조적으로 혼성되어 담지되어 있는 구조를 이룬다. 금속 산화물은 니켈 활성 촉매층 내에 및/또는 표면상에 존재할 수 있다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, 이러한 금속산화물과 니켈 활성촉매의 혼성은 니켈 활성 촉매층내 코킹 사이트의 형성을 억제하며, 제2 조촉매인 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 산화물 담체상의 코킹 사이트를 블록킹함으로써 촉매의 활성이 억제되는 것을 방지하는 것으로 파악된다.
이하, 도 2 내지 5를 참조로, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 제조 방법에 대하여 기술한다.
도 2 내지 5에 있어서 M은 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 나타낸다. 상기 탄화수소 개질촉매는 산화물 담체에 각각의 촉매 성분, 즉 니켈, 금속 산화물 및 알칼리 금속 또는 알칼리 금속을 단계적으로 또는 동시에 담지시켜 제조될 수 있다. 바람직하게는 금속 산화물의 담지는 도 2와 같이 니켈의 담지 이후에 또는 도 4 및 5와 같이 니켈의 담지와 동시에 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 도 2와 같이 니켈의 담지 이후 이루어질 수 있다. 한편, 알칼리 금속의 담지 순서는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 도 2의 1-1과 같이 금속 산화물 담지 이전에 이루어질 수 있다.
도 2에 따르면, 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 제조 방법은 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계 및 결과의 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계를 포함한다. 또한 상기 니켈을 담지시키는 단계 전(1-1), 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전(1-2), 또는 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 후(1-3) 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(M)을 담지시키는 단계를 더 포함한다.
산화물 담체에 각각의 촉매 성분을 담지시키는 방법은 종래에 알려진 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들면, 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 바람직하다. 다만, 액체가 매개되지 않는 담지 방법을 사용하는 경우에는 후술할 건조 단계는 생략될 수도 있다.
니켈을, 예를 들어, 습식 함침법에 의하여 담지하는 경우, 산화물 담체에 니켈 전구체 용액을 첨가하고 균일하게 혼합한다. 산화물 담체는, 상술한 바와 같이, Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 및 YSZ로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 니켈 전구체 용액으로서 니켈염이 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 부틸 알코올 등과 같은 알코올계 용매; 또는 이들의 혼합 용매에 용해된 용액을 사용할 수 있다. 혼합 조건은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 40 ℃ 내지 80 ℃의 온도에서 1 시간 내지 12 시간 동안 교반하는 방법일 수 있다. 이때 니켈염은, 예를 들면, 니켈의 염화물 또는 불화물과 같은 할라이드(halides), 질산염(nitrates), 황산염(sulfates), 초산염(acetates) 및 이들의 혼합물일 수 있다.
다음으로, 상기 혼합 용액을 건조시키는 과정을 수행하며, 예를 들면, 상기 건조 단계는 100℃ 내지 160℃의 온도에서 3 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
그런 다음, 결과의 건조물을 열처리하는 과정을 수행하는데, 예를 들어 500℃ 내지 750℃의 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리하면 산화물 담체에 니켈이 담지된 열처리물을 얻을 수 있다. 열처리 분위기는 공기 분위기도 무방하며, 특별히 제한되지는 않는다.
금속 산화물의 담지 방법은 니켈의 함침과 동일한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어 습식 함침법을 이용하는 경우, 금속 산화물 전구체 용액으로서 금속염이 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올, 부틸 알코올 등과 같은 알코올계 용매; 또는 이들의 혼합 용매에 용해된 것을 산화물 담체에 첨가하고 균일하게 혼합할 수 있다. 이때 금속염은, 예를 들면, 망간, 마그네슘, 주석, 세륨, 몰리브덴 및 텅스텐으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 금속의 염화물 또는 불화물과 같은 할라이드(halides), 질산염(nitrates), 황산염(sulfates), 초산염(acetates) 및 이들의 혼합물일 수 있다.
그런 다음, 니켈의 담지 방법과 동일한 조건에서 건조 및 열처리 단계를 수행하면, 금속 산화물/니켈/산화물 담체의 물질이 얻어질 수 있다.
알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 습식 함침법에 의하여 담지시키는 경우, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 할라이드(halides), 질산염(nitrates), 황산염(sulfates), 초산염(acetates), 암모늄염 및 이들의 혼합물을 물, 알코올 또는 이들의 혼합 용매에 용해된 것을 산화물 담체에 첨가하고 균일하게 혼합할 수 있다. 그런 다음, 결과의 혼합 용액을 금속 산화물의 건조 및 열처리 방법과 동일한 조건에서 건조 및 열처리 단계를 수행하면, 알칼리 금속 또는 토금속이 담지된 산화물 담체를 얻을 수 있다.
도 2에 도시된 방법에 의하여 최종적으로, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 금속 산화물/니켈/산화물 담지체(M)i)의 탄화수소 개질촉매 얻어질 수 있다. 여기서 산화물 담지체(M)은 산화물 담지체 상에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 분포되어 있음을 의미한다.
도 3에 따르면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 제조 방법은 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계 및 결과의 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계를 포함하며, 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전(2-1), 상기 니켈을 담지시키는 단계 전(2-2), 또는 상기 니켈을 담지시키는 단계 후(2-3) 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(M)을 담지시키는 단계를 더 포함한다.
도 3에 도시된 방법은, 금속 산화물 담체에 금속 산화물이 니켈보다 먼저 담지된다는 것을 제외하고, 도 2에 도시된 방법과 동일하게 수행되어, 최종적으로 니켈/금속 산화물/산화물 담체(M)의 탄화수소 개질촉매가 얻어질 수 있다
도 4에 따르면, 본 발명의 다른 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 제조 방법은 산화물 담체에 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계를 포함하며, 상기 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계 전(3-1) 또는 후(3-2) 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함한다. 니켈 및 금속 산화물 형성용 금속을 동시에 담지시키는 과정은, 예를 들어, 습식 함침법을 사용하는 경우 상술한 바와 같은 니켈 전구체 용액 및 금속 산화물 전구체 용액의 혼합물에 산화물 담체를 첨가하고 균일하게 혼합하고 건조함으로써 이루어진다.
또한 상기 탄화수소 개질촉매는, 도 5와 같이, 금속, 니켈, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 동시에 담지시켜 제조될 수 있다. 이 경우, 예를 들어, 습식 함침법에 의하는 경우, 니켈 전구체, 금속 산화물 전구체 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 전구체를 모두 포함하는 혼합 용액이 사용될 수 있다.
도 4 및 도 5의 제조 방법에 의하여, 최종적으로, 금속 산화물-니켈/산화물 담체(M) 구조의 탄화수소 개질촉매가 얻어질 수 있다.
이와 같이 제조된 개질촉매는, 개질반응에 사용되기 전, 600 내지 950 ℃의 온도에서 수소분위기 하에서 1시간 내지 2시간 동안 처리될 수 있다
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 탄화수소 개질촉매를 포함하는 연료처리장치가 제공된다.
본 발명에 따른 연료처리장치는 상기 탄화수소 개질반응용 촉매를 포함하는 개질장치를 제조하고, 상기 개질장치를 포함하는 연료처리장치를 제조하여 얻을 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.
<촉매의 제조>
실시예 1
최종 촉매 내의 K 함량이 6 중량%가 되도록, Al2O3 담체(제조사: Aldrich, 입경: 100㎛, 표면적: 150 m2g-1) 100g에 칼륨 전구체로서 KNO3 (제조사: Aldrich) 18.66 g을 함침시켰다. 결과의 혼합물을 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨 다음, 700℃에서 2시간 동안 공기 분위기 하에서 소성하였다.
그런 다음, 최종 촉매 내의 Ni 함량이 5 중량%가 되도록, 니켈 전구체로서 Ni(NO3)2·6H2O (제조사: Aldrich) 30.4g을 함침시켰다. 결과의 혼합물을 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨 다음, 700℃에서 2 시간 동안 공기 분위기 하에서 소성하였다,
이어서, Mn/Ni의 중량비가 1:1이 되도록 결과의 소성물에 망간 전구체로서 Mn(NO3)2·6H2O 46.77 g을 함침시켰다. 결과의 혼합물을 120℃의 온도에서 4시간 동안 건조시킨 다음, 700℃에서 2시간 동안 공기 분위기 하에서 소성하여, 최종적으로 MnOx/Ni/ Al2O3 (K)의 탄화수소 개질촉매를 얻었다.
실시예 2
실시예 1에서 사용된 니켈 전구체, 망간 전구체 및 칼륨 전구체 혼합용액을 사용하여, MnOx, Ni 및 K을 동시에 담지시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여, Ni-MnOx/ Al2O3 (K)의 탄화수소 개질촉매를 얻었다.
비교예 1: 탄화수소 개질촉매의 제조
Mn 및 K를 함침시키지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법을 사용하여, Ni/Al2O3의 탄화수소 개질촉매를 얻었다.
<촉매의 성능 평가>
평가예 1
실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조한 촉매를 사용하여, 하기의 운전 조건에 서 시간에 따른 프로판에 대한 전환율을 측정하였으며, 그 결과를, 도 6에 나타내었다.
반응 온도: 873K
공간 속도(GHSV) = 32,000 h-1
가스조성: 프로판 95% 및 부탄 5%
수증기/탄소 비율(steam/C) = 3
평가예 2
프로판 대신 부탄에 대한 전환율을 측정한 것을 제외하고 평가예 1과 동일한 방법으로, 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 제조한 촉매의 성능을 평가하였다. 평가 결과를 도 7에 나타내었다.
평가예 3
실시예 1 내지 2 및 비교예 1에서 제조한 촉매를 사용하여, 하기의 운전 조건에서 시간에 따른 프로판에 대한 전환율을 측정하였다. 그 결과를 도 8에 나타내었다. 한편 비교예 1의 촉매는 반응시작 직후는 80% 미만의 프로판 전환율을 나타내나, 탄소 침적에 의한 반응기내의 압력상승으로 인하여 1 시간 내지 2시간 후에는 개질반응 운전이 불가능하였다.
반응 온도: 973K
공간 속도(GHSV) = 60,9000 h-1
가스조성: 프로판 95% 및 부탄 5%
수증기/탄소 비율(steam/C) = 3
평가예 4
프로판 대신 부탄에 대한 전환율을 측정한 것을 제외하고 평가예 3과 동일한 방법으로, 실시예 1 내지 2 및 비교예 1에서 제조한 촉매의 성능을 평가하였다. 평가 결과를 도 9에 나타내었다. 한편 비교예 1의 촉매는 반응시작 직후는 80% 미만의 프로판 전환율을 나타내나, 탄소 침적에 의한 반응기내의 압력상승으로 인하여 1 시간 내지 2시간 후에는 개질반응 운전이 불가능하였다.
평가예 5
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 촉매를 이용하여 하기의 운전 조건에서 10시간 운전한 후 반응기로부터 촉매를 채취하고, 열중량분석(TGA) 방법을 이용하여 탄소침적율을 분석하였다. 탄소침적율은 하기 식에 의하여 계산된다.
탄소침적율=(열손실 중량)/(시료의 중량) × 100
결과를 하기 표 1에 나타내었다.
TGA (탄소침적율, %)
실시예 1 4
비교예 1 64
도 6 내지 9를 참조하면, 실시예 1 및 2에서 얻어진 탄화수소 개질촉매는 장기간 운전시에도 반응성이 우수함을 알 수 있다. 또한 표 1을 참조하면 실시예 1 내지 2에서 얻어진 탄화수소 개질촉매는 비교예 1에서 얻어진 탄화수소 개질촉매에 비하여 탄소의 침적이 적은 것을 알 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 탄화수소 개질촉매의 개략적인 제조 공정도이다.
도 6 내지 9는 실시예 1, 2 및 비교예 1에서 얻어진 탄화수소 개질촉매의 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
10: 탄화수소 개질촉매 11: 산화물 담체
12: 니켈 활성촉매층 13: 금속 산화물
14: 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 15, 15': 코킹 사이트

Claims (19)

  1. 산화물 담체 상에 담지된 니켈 활성촉매층, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리토금속을 포함하는 탄화수소 개질촉매.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 담체는 Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 및 YSZ로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 망간 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물, 레늄 산화물, 몰리브덴 산화물 및 텅스텐 산화물으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 또는 알칼리토금속은 리튬, 나트륨, 칼륨 및 마그네슘, 칼슘으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 니켈 활성촉매층 상에 분포하는 것을 특징으로 탄화수소 개질촉매.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 상기 니켈 활성촉매층 내에 분포하는 것을 특징으로 탄화수소 개질촉매.
  7. 제1항에 있어서,
    니켈의 함량이 상기 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 1.0 내지 40 중량부인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 금속 산화물 중의 금속 함량이 니켈 1 중량부를 기준으로 0.5 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  9. 제1항에 있어서,
    알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 함량이 탄화수소 개질촉매 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  10. 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계 및
    결과의 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서,
    상기 니켈을 담지시키는 단계 전, 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전, 또는 상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    니켈, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 담지는, 각각, 증착침전법(deposition precipitation), 공침법(coprecipitation), 습식 함침법(wet impregnation), 스퍼터링(sputtering), 기상 그래프팅(gas-phase grafting), 액상 그래프팅(liquid-phase grafting) 또는 초기 함침법(incipient-wetness impregnation)에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 니켈, 금속 산화물, 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 담지는, 각각, 500 내지 750℃의 온도에서 2 내지 5시간 동안 열처리하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 금속 산화물은 망간 산화물, 주석 산화물, 세륨 산화물, 레늄 산화물, 몰리브덴 산화물 및 텅스텐 산화물으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 산화물 담체는 Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2 및 YSZ로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 리튬, 나트륨, 칼륨, 마그네슘 및 칼슘으로 이루어진 군에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 개질촉매.
  16. 산화물 담체에 금속 산화물을 담지시키는 단계 및
    결과의 산화물 담체에 니켈을 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서,
    상기 금속 산화물을 담지시키는 단계 전, 상기 니켈을 담지시키는 단계 전, 또는 상기 니켈을 담지시키는 단계 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  17. 산화물 담체에 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법으로서,
    상기 금속 산화물 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계 전 또는 후 중 어느 하나의 시기에 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 담지시키는 단계를 더 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  18. 산화물 담체에 금속 산화물 형성용 금속 및 니켈을 동시에 담지시키는 단계를 포함하는 탄화수소 개질촉매의 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 탄화수소 개질촉매를 포함하는 연료전지.
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