KR20150024655A - 촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지 - Google Patents

촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지 Download PDF

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송락현
박석주
이승복
이종원
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Abstract

본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 촉매부분산화 개질 반응기는, 개질 촉매층이 수용되는 촉매 수용부; 및 상기 촉매 수용부 양측에 위치하는 연장부를 포함하되, 상기 연장부는 상기 촉매 수용부의 직경보다 작게 구성되고, 상기 촉매 수용부는 탄소강관(PIPE SGP)으로 형성되며, 상기 연장부는 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 휴대용 고체산화물 연료전지는, 운전이 개시되면 내장된 배터리에 의해 각 구성품이 전원을 공급받아, 초기화 및 점검(IBIT)을 수행하고, 시스템이 정상 상태이면 공기블로워(Air Blower)를 기동하여 개질 반응기에 공기를 공급하기 시작하고, EHC(전기발열촉매)에 전원을 공급하여 개질 반응기를 가열하기 시작한 후, 개질 촉매의 온도가 적정온도에 도달하면 연료를 공급하기 시작하며, 촉매부분산화 개질 반응기가 개질 반응을 시작하면서 열을 발생하고, 개질 반응기의 온도가 일정 온도에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하고, 후단연소기를 작동하고 개질 가스를 후단연소기로 공급하여 연료 연소반응에 의한 발열을 시작하며, 열교환기를 통해 예열된 공기가 적정온도에 도달하면 스택의 공기극에 공급하여 스택을 가열하기 시작하고, 스택의 온도가 적정온도에 도달하면 개질 가스를 스택의 연료극에 공급하고, 발전을 시작할 수 있다.

Description

촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지{POx REFORMING REACTOR AND SOLID OXIDE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구조로 구성되고, 초기 기동을 안정적으로 하면서 SOFC 스택에 연료인 수소를 공급하며, 급속 기동이 가능한 촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지에 관한 것이다.
최근 환경문제에 대한 관심이 증가하면서 수소를 연료로 하는 청정연료에 대한 관심과 수요가 증가하고 있고, 기존 가솔린 기관 및 화석연료발전에 대한 대안으로 연료전지 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
한편, 연료전지의 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 기술수준이며, 이러한 수소저장탱크로는 앞의 문제점을 완전히 해결하기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 대용량의 수소저장탱크의 개발 및 보다 큰 용량의 수소저장소 등을 준비하여야 하는 등 초기 설비투자가 막대하게 소요된다는 단점이 있으며, 국가적인 차원의 기반구조(infrastructure)로 논해야 할 정도로 방대한 사업이 될 수밖에 없다.
따라서, 수소를 생산하는 수소생산장치를 소형화하여 중량과 부피를 줄이는 것은 거대 설비 투자를 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 외부에서 공급된 개질 원료와 연소 원료의 반응이 이루어져 개질 가스가 생성되는 연소/개질 반응기를 포함한다.
연소/개질 반응기를 위한 효과적인 열 교환망 설계, 단열 및 열 손실 최소화는 연료 개질 시스템의 열효율 향상에 큰 영향을 주게 된다.
위와 같은 설계에 있어서, 각 반응 및 열 교환 형태 등이 고려되어야 하며, 각 반응기 내에서 반응이 이루어지는 면적을 최대화하여 반응 효율을 증대시켜야 한다.
또한, 유체의 반응이 진행되는 연소/개질 반응기의 채널 플레이트는 일반적으로 금속 재료로 제조되며, 그 표면에는 촉매층이 형성되어 있다. 촉매는 채널 플레이트의 채널을 따라 유동하는 반응 물질들의 반응성을 증가시킨다.
한편, 촉매를 이용한 부분산화법은 간단한 구조와 조작, 소형경량화된 장치, 신속한 기동성, 빠른 동적 응답성 등 높은 개질 효율 이외의 장점이 있어 소형 휴대용 SOFC 발전시스템용 개질기의 핵심기술로 선호되고 있다.
소형 휴대용 SOFC 발전시스템에 채택이 가능한 개질기의 필수 조건으로 소형화(compactness)와 빠른 기동 시간이 요구된다. 이러한 조건을 만족하는 개질기로 스팀 개질 반응(steam reforming)은 제외되고, POx(partial oxidation)와 ATR(Autothermal)을 들 수 있다. 상기 ATR은 흡열반응인 스팀개질반응과 발열반응인 POx 반응이 동일 촉매상에서 동시에 진행되어 서로 반응열이 상쇄되어 반응열 주입이나 배출이 필요하지 않은 반응이다. ATR에서 전체 반응열의 총합을 제로로 하기 위해서는 스팀 개질 반응과 POx 반응 정도를 조절해야 하는데, 스팀 개질 반응의 정도를 조절할 경우에는 외부에서 반응열을 공급해야 하므로 반응기가 복잡해지고 커지게 되어 휴대용 SOFC 발전시스템 조건인 소형화에 부합하기 어렵다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 개질 반응기를 소형으로 구성함으로써 촉매의 안정성을 향상시키고, 또한, 그 중량이 현저하게 감소된 촉매부분산화 개질 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 개질 반응기의 온도 제어가 용이하며 신속하게 정상상태로 반응이 진행되는 결과를 얻을 수 있는 촉매부분산화 개질 반응기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 초기 기동을 안정적으로 하면서 SOFC 스택에 연료인 수소를 공급하는 것이 가능하고, 휴대용이기 때문에 급속 기동이 가능한 휴대용 고체산화물 연료전지를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다양한 과제들은 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 촉매부분산화 개질 반응기는, 개질 촉매층이 수용되는 촉매 수용부; 및 상기 촉매 수용부 양측에 위치하는 연장부를 포함하되, 상기 연장부는 상기 촉매 수용부의 직경보다 작게 구성되고, 상기 촉매 수용부는 탄소강관(PIPE SGP)으로 형성되며, 상기 연장부는 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성될 수 있다.
상기 촉매 수용부는 원통의 파이프 형상으로 구성될 수 있다.
상기 개질 촉매층은 내열성의 세라믹 담체와 활성 재료를 포함하는 혼합물로부터 형성되고, 상기 내열성의 세라믹 담체는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)로 구성될 수 있다.
상기 촉매층은 Pt CeO2 + ZrO2의 조성을 가지는 촉매로 형성될 수 있다.
상기 내열성의 세라믹 담체는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3) 지지체에 금속염을 담지법(incipient wetness impregnation)으로 담지한 후 열처리하여 제조될 수 있다.
상기 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm로 제조될 수 있다.
상기 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)는 3mm의 구형으로 제조될 수 있다.
상기 Pt CeO2 + ZrO2는 2 wt.%의 조성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 다른 실시예에 따른 휴대용 고체산화물 연료전지는, 상기 촉매 부분산화 개질 반응기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 또 다른 실시예에 따른 휴대용 고체산화물 연료전지는, 운전이 개시되면 내장된 배터리에 의해 각 구성품이 전원을 공급받아, 초기화 및 점검(IBIT)을 수행하고, 시스템이 정상 상태이면 공기블로워(Air Blower)를 기동하여 촉매 부분 산화반응 개질 반응기에 공기를 공급하기 시작하고, EHC(전기발열촉매)에 전원을 공급하여 개질 반응기를 가열하기 시작한 후, 개질 촉매의 온도가 적정온도에 도달하면 연료를 공급하기 시작하며, 촉매부분산화 개질 반응기가 개질 반응을 시작하면서 열을 발생하고, 개질 반응기의 온도가 일정 온도에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하고, 후단연소기를 작동하고 개질 가스를 후단연소기로 공급하여 연료 연소반응에 의한 발열을 시작하며, 열교환기를 통해 예열된 공기가 적정온도에 도달하면 스택의 공기극에 공급하여 스택을 가열하기 시작하고, 스택의 온도가 적정온도에 도달하면 개질 가스를 스택의 연료극에 공급하고, 발전을 시작할 수 있다.
상기 블로어의 초기 동작 전원, EHC용 전원, 제어기 전원을 위해 시스템 내부에 배터리를 내장할 수 있다.
상기 개질 반응기의 온도가 일정 온도에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하는 것은 상기 개질 반응기의 온도가 200℃에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 사상의 또 다른 실시예에 따른 촉매부분산화 개질 반응기는, 연료가 통과하고, 개질 촉매층이 수용되는 촉매 수용부; 및 상기 촉매 수용부 양측에 위치하는 연장부를 포함하되, 상기 연장부는 상기 촉매 수용부의 직경보다 작게 구성되고, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성되며, 연료가 유입되는 제1 연장부 및 개질 가스가 통과하는 제2 연장부를 포함하고, 상기 연료는 프로판일 수 있다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 의한 촉매부분산화 개질 반응기는, 개질 반응기를 소형으로 구성함으로써 촉매의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 휴대용 고체산화물 연료전지는, 전체 시스템의 부피가 작으며, 촉매부분산화 개질 반응기의 열 제어가 용이하고, 수소 발생량이 높다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 휴대용 고체산화물 연료전지는, 초기 기동을 안정적으로 하면서 SOFC 스택에 연료인 수소를 공급하는 것이 가능하고, 휴대용으로 급속 기동, 빠른 동적 응답성이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 휴대용 고체산화물 연료전지는, 개질 반응기의 온도 제어가 용이하며 신속하게 정상상태로 반응이 진행되는 결과를 얻을 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 다양한 실시예들은, 구체적으로 언급되지 않은 다양한 효과를 제공할 수 있다는 것이 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매부분산화 개질 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명에서 반응 시간에 따른 촉매부분산화 개질 반응기의 위치별 온도 프로파일을 살펴보기 위한 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매부분산화 개질 반응기에서 반응기 위치별 반응시간에 따른 온도 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에서 사용된 촉매를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명에서 제조된 촉매의 XRD 피크 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 휴대용 SOFC 시스템의 자동운전 순서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 휴대용 SOFC 시스템의 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부 등의 용어는 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 사용되는 것이다. 예를 들어, 편의상 도면상의 위쪽을 상부, 도면상의 아래쪽을 하부로 명명하는 경우, 실제에 있어서는 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 상부는 하부로 명명될 수 있고, 하부는 상부로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 촉매부분산화 개질 반응기 및 이를 포함하는 휴대용 고체산화물 연료전지에 대한 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에서 제안하는 개질 반응기는 메탄, 에탄, 프로판 및 부탄 등 현재 개질 연료로 사용되는 모든 탄화수소에 적용 가능하나, 설명의 편의를 위하여, 이하에서는 촉매부분산화 개질 반응기의 원료를 프로판(C3H8)으로 한정하여 설명한다.
또한, 탄화수소화물을 원료로 하여 수소를 생산하기 위한 개질 방법으로는 열분해, 부분산화, 수증기 개질, 자열개질, 이산화탄소 개질 등이 있으며, 이중 연료전지에 적용되고 있는 기술은 부분 산화 및 수증기 개질, 자열개질 반응방법이 사용되고 있는데, 본 발명에서 제안하는 개질 반응기는 간단한 구조와 소형화(compactness)가 가능하여 소형 SOFC용 개질기로 사용되는 촉매부분산화 개질 반응기로 한정하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 촉매부분산화 개질 반응기의 단면도이고, 도 2는 본 발명에서 반응 시간에 따른 촉매부분산화 개질 반응기의 위치별 온도 프로파일을 살펴보기 위한 시스템 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 촉매부분산화 개질 반응기에서 반응기 위치별 반응시간에 따른 온도 프로파일을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에서 사용된 촉매를 보여주는 사진이며, 도 5는 본 발명에서 제조된 촉매의 XRD 피크 분석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 촉매부분산화 개질 반응기(10)는 촉매층이 수용되는 촉매 수용부(20) 및 상기 촉매 수용부(20) 양측에 위치하는 연장부(30a, 30b)를 포함한다.
상기 촉매 수용부(20)는 원통의 파이프 형상으로 구성되고, 내측에 개질 촉매층이 수용될 수 있다. 상기 촉매 수용부(20)는 열적 안정성과 구조적 안정성을 가지는 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 상기 촉매 수용부(20)는 탄소강관(PIPE SGP)으로 형성될 수 있다.
상기 개질 촉매층은 통상적으로 개질 반응에 사용되는 공지의 촉매를 제한 없이 사용할 수 있으나, 금속, 세라믹 또는 이들의 혼합으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 내열성의 세라믹 담체와 활성 재료를 포함하는 혼합물로부터 형성될 수 있다. 상기 내열성의 세라믹 담체는 알파-알루미늄 옥사이드(σ-Al2O3), 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3), 세타-알루미늄 옥사이드(θ-Al2O3), 마그네슘 알루미네이트 스피넬(magnesium aluminate spinel), 산화 마그네슘(MgO) 및 산화 칼슘(CaO) 등으로부터 선택된 하나 이상의 혼합을 사용할 수 있다. 또한, 상기 활성 재료는 니켈 계열(예를 들어, 니켈 계열 Al2O3 등), 코발트 계열 및 8족 금속 계열 등으로부터 선택된 하나 이상의 혼합을 사용할 수 있다. 이때, 상기 8족 금속 계열은 Ru, Pd, Pt, Rh 등의 8족 금속 계열 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 사용된 촉매는 2 wt.% Pt CeO2 + ZrO2의 조성을 가지는 촉매를 선정하여 사용한다. 내열성의 세라믹 담체는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3) 지지체에 각각 적당한 금속염을 담지법(incipient wetness impregnation)으로 담지한 후 열처리하여 촉매를 제조할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에서 상기 담체로 사용되는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm로 구성될 수 있고, 바람직하게는 상기 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)의 직경은 3mm의 구형으로 제조될 수 있다. 상기 담체를 이용하여 제조된 촉매의 형상은 도 4에 도시된 바와 같다. 상기 촉매 수용부(20)는 제1 영역(20a), 제2 영역(20b) 및 제3 영역(20c)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(20a), 제2 영역(20b) 및 제3 영역(20c)은 연료가 상기 촉매 수용부(20) 내부로 유입된 후 상기 촉매 수용부(20) 외부로 유출되는 흐름 상의 순서를 공간적으로 구획한 영역일 수 있는데, 상기 제1 영역(20a)은 상기 촉매 수용부(20)의 전단이고, 상기 제3 영역(20c)은 상기 촉매 수용부(20)의 후단이며, 상기 제2 영역(20b)은 상기 촉매 수용부(20)의 가운데 부분을 구성하는 영역일 수 있다. 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에서 상기 촉매를 가열하는 부분은 제1 영역(20a)으로, 상기 촉매 수용부(20)의 전단 부분을 포함하는 영역일 수 있다.
상기 연장부(30a, 30b)는 상기 촉매 수용부(20) 양측에 위치하고, 제1 연장부(30a) 및 제2 연장부(30b)를 포함한다. 상기 제1 연장부(30a) 및 제2 연장부(30b)는 각각 상기 촉매 수용부(20)의 일측 및 타측과 일체로 연결되고, 상기 제1 연장부(30a) 및 제2 연장부(30b)의 직경은 상기 촉매 수용부(20)의 직경보다 작게 구성된다. 상기 제1 연장부(30a) 및 제2 연장부(30b)는 튜브 형상으로 구성되고, 열적 안정성과 구조적 안정성을 가지는 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어, 상기 연장부(30a, 30b)는 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성될 수 있다.
< 실시예 >
프로판 개질 반응기
본 실시예에서 촉매부분산화 개질 반응기(10)에 사용하는 원료로 프로판(C3H8)을 이용하였고, 상기 프로판의 기본 반응식은 하기와 같다.
C3H8 + (3/2)O2 -> 3CO + 4H2
전체적인 프로판 및 공기의 물질 수지식에 바탕을 둔 기본 양론을 계산하면 아래와 같은 반응 물질과 생성 물질 간의 이론적 흐름량을 계산할 수 있다.
C3H8 : 1.3 NL/min
Air : 9.0 NL/min
(O2 : 1.9 NL/min)
-> H2 : 5.0 NL/min = 0.3 Nm3/h
CO : 3.8 NL/min
공간 속도는 촉매 성능에 따라 10,000~100,000h-1 이상까지의 값을 가질 수 있다. 따라서, 공간 속도가 높아지면 프로판 전환율이 감소하고 수소 선택도가 낮아질 수 있는 특성이 있기 때문에 본 발명의 촉매부분산화 개질 반응기의 경우 시제품 안정성을 고려하여 공간 속도를 10,000h-1의 비교적 안정적인 값으로 설정하여 촉매 사용 부피를 약 60ml로 할당하였다.
사용 촉매의 제조
촉매부분산화 개질 반응기(10)에 사용된 촉매는 2 wt.% Pt CeO2 + ZrO2 조성을 갖는 촉매를 선정하여 사용하였다. 또한, 일반적 기체 반응 촉매 지지체로서 범용적으로 사용되는 Sasol사의 γ-Al2O3 지지체에 각각 적당한 금속염 적정 양을 incipient wetness impregnation 법으로 담지한 후 열처리하여 촉매를 제조하였다. γ-Al2O3의 직경은 약 3mm의 구형이며 촉매 제조 후 형상은 도 4에 나타낸 바와 같다.
본 발명의 실시예에 따라 제조된 촉매에 적당한 결정상인 CeO2와 ZrO2의 존재 유무를 알아보기 위해 XRD 피크(peak) 분석을 수행하였다. 상기 분석 결과는 도 5에 도시된 바와 CeO2 및 ZrO2의 리퍼런스 피크 위치에서 정확하게 피크를 확인할 수 있었고, 이것으로 촉매의 활성을 나타낼 수 있는 CeO2 및 ZrO2 상이 형성됨을 알 수 있었다. 또한, 촉매 합성 전후의 지지체인 γ-Al2O3 BET 값이 134에서 118 m2/g 으로 감소했는데, 이것 역시 촉매가 적절히 합성되었음을 나타낸다.
촉매부분산화 개질 반응기 시스템 구성
도 4에 도시된 바와 같이, 2 wt.% Pt CeO2 + ZrO2의 조성을 가지는 촉매(감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3) 담체 사용)를 사용하여 반응 테스트를 수행하였다.
개질기로는 도 1에 도시된 바와 같은 개질 반응기(10)를 이용하였고, 도 2에 도시된 바와 같이 촉매부분산화 개질 반응기 시스템을 설계하였다.
상기 촉매부분산화 개질 반응기의 전단을 약 300℃로 예열하여 주면 프로판이 바로 연소되어 프로판 부분 연소 반응이 시작될 수 있는 온도인 약 700℃ 정도의 온도까지는 비교적 빠른 시간(5분 이내) 내에 도달할 수 있다.
도 2는 본 발명에서 제작된 촉매 부분산화 개질 반응기의 성능을 측정할 수 있는 반응기 성능 측정 시스템을 나타낸다. 상기 반응기 성능 측정 시스템은 촉매 부분산화 개질 반응기 내 주입되는 프로판과 공기의 유량을 조절할 수 있으며, 상기 촉매 부분산화 개질 반응기 내 위치별 온도를 모니터링 하고 예열기 온도를 조절할 수 있도록 구성하였다.
촉매 부분산화 개질 반응기 운전 특성
도 3은 반응 시간에 따른 촉매 부분산화 개질 반응기의 위치별 온도 프로파일 결과를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 촉매층 전 예열기 후단(제1 연장부)과 촉매 층 통과 후 반응기 후단(제2 연장부)의 온도 프로파일은 처음 반응이 개시된 후 신속하게 정상상태로 반응이 진행되는 결과를 얻을 수 있었다. 프로판 전환율과 반응 생성물의 농도를 측정해 본 결과, 상기 프로판 전환율은 98.4%, 반응 생성물 농도로서 H2 31.1%, CO 16.5%, CO2 4.6%, N2 46% 를 얻을 수 있었고, 안정적인 값이 얻어짐을 확인하였다.
이하, 본 발명에 따른 작용을 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명에 따른 휴대용 SOFC 시스템의 자동운전 순서를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 휴대용 SOFC 시스템의 개념도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 운전이 개시되면 내장된 배터리에 의해 각 구성품이 전원을 공급받아, 초기화 및 점검(IBIT)을 수행한다. 시스템이 정상 상태이면 첫 번째 단계로 공기블로워(Air Blower)를 기동하여 개질 반응기에 공기를 공급하기 시작한다.
두 번째 단계로 EHC(전기발열촉매)에 전원을 공급하여 개질 반응기를 가열하기 시작한 후, 개질 촉매의 온도가 적정온도(200℃)에 도달하면 연료를 공급하기 시작한다.
세 번째 단계로 촉매부분산화 개질 반응기가 개질 반응을 시작하면서 열을 발생한다. 개질 반응기의 온도가 정상상태인 약 800℃에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하게 된다.
네 번째 단계로 후단연소기를 작동하고 개질 가스를 후단연소기로 공급하여 연료 연소반응에 의한 발열을 시작한다.
다섯 번째 단계로 열교환기를 통해 예열된 공기가 적정온도(400℃)에 도달하면 스택의 공기극에 공급하여 스택을 가열하기 시작하고, 예열공기 온도는 계속 상승하여 약 800℃에 도달하게 된다.
여섯 번째 단계로 스택의 온도가 적정온도(600℃)에 도달하면 개질 가스를 스택의 연료극에 공급하고, 발전시스템은 정상상태 도달하여 발전을 시작한다.
운전 개시로부터 전원이 출력되기까지 매우 짧은 시간(약 5분)이 소요되므로 초기 블로어 동작 전원, EHC용 전원, 제어기 전원이 필요하다. 이를 위해 시스템 내부에 소용량의 배터리를 내장한다. 배터리의 종류는 성능 및 무게를 고려하여 리튬 폴리머 계열을 사용하고, 배터리 용량은 온도에 따른 이용률, 시스템 효율, 내부전원용량 등을 감안하여 선정할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10; 개질 반응기 20; 촉매 수용부
30a, 30b; 연장부 20a; 제1 영역
20b; 제2 영역 20c; 제3 영역

Claims (14)

  1. 개질 촉매층이 수용되는 촉매 수용부; 및
    상기 촉매 수용부 양측에 위치하는 연장부를 포함하되,
    상기 연장부는 상기 촉매 수용부의 직경보다 작게 구성되고,
    상기 촉매 수용부는 탄소강관(PIPE SGP)으로 형성되며,
    상기 연장부는 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매 수용부는 연료가 유입되는 순서를 기준으로 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역으로 공간상 구획되고, 상기 제1 영역은 상기 촉매 수용부의 전단 부분을 구성하고, 내측에 수용되는 연료가 가열되는 영역인 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 촉매층은 내열성의 세라믹 담체와 활성 재료를 포함하는 혼합물로부터 형성되고,
    상기 내열성의 세라믹 담체는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 촉매층은 Pt CeO2 + ZrO2의 조성을 가지는 촉매로 형성되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 내열성의 세라믹 담체는 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3) 지지체에 금속염을 담지법(incipient wetness impregnation)으로 담지한 후 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)의 직경은 2.5mm 내지 3.5mm로 제조되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 감마-알루미늄 옥사이드(γ-Al2O3)는 3mm의 구형으로 제조되는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 Pt CeO2 + ZrO2는 2 wt.%의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 촉매부분산화 개질 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 고체산화물 연료전지.
  10. 운전이 개시되면 내장된 배터리에 의해 각 구성품이 전원을 공급받아, 초기화 및 점검(IBIT)을 수행하고, 시스템이 정상 상태이면 공기블로워(Air Blower)를 기동하여 개질 반응기에 공기를 공급하기 시작하고,
    EHC(전기발열촉매)에 전원을 공급하여 개질 반응기를 가열하기 시작한 후, 개질 촉매의 온도가 적정온도에 도달하면 연료를 공급하기 시작하며,
    촉매부분산화 개질 반응기가 개질 반응을 시작하면서 열을 발생하고, 개질 반응기의 온도가 일정 온도에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하고,
    후단연소기를 작동하고 개질 가스를 후단연소기로 공급하여 연료 연소반응에 의한 발열을 시작하며,
    열교환기를 통해 예열된 공기가 적정온도에 도달하면 스택의 공기극에 공급하여 스택을 가열하기 시작하고,
    스택의 온도가 적정온도에 도달하면 개질 가스를 스택의 연료극에 공급하고, 발전을 시작하는 것을 특징으로 하는 휴대용 고체산화물 연료전지.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 블로어의 초기 동작 전원, EHC용 전원, 제어기 전원을 위해 시스템 내부에 배터리를 내장하는 것을 특징으로 하는 휴대용 고체산화물 연료전지.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 개질 반응기의 온도가 일정 온도에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하는 것은 상기 개질 반응기의 온도가 200℃에 도달하면 EHC에 공급되는 전원을 차단하는 것을 특징으로 하는 휴대용 고체산화물 연료전지.
  13. 연료가 통과하고, 개질 촉매층이 수용되는 촉매 수용부; 및
    상기 촉매 수용부 양측에 위치하는 연장부를 포함하되,
    상기 촉매수용부는 연료가 유입되는 순서를 기준으로 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역으로 공간상 구획되고, 상기 제1 영역은 상기 촉매 수용부의 전단 부분으로, 내측에 수용되는 연료가 가열되는 영역이고,
    상기 연장부는 상기 촉매 수용부의 직경보다 작게 구성되고, 스테인리스 스틸(Stainless Steel)로 형성되며, 연료가 유입되는 제1 연장부 및 개질 가스가 통과하는 제2 연장부를 포함하고,
    상기 연료는 프로판인 것을 특징으로 하는 촉매부분산화 개질 반응기.
  14. 제 13항의 촉매부분산화 개질 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 고체산화물 연료전지.
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