KR20150111183A - Metal foam catalyst for fuel reforming and fuel reforming apparatus having microchannels - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a catalyst for reforming fuel, comprising: a metal foam; and a catalyst layer consisting of a composite of at least one precious metal formed on the metal foam, and selected from the group consisting of palladium (Pd), rhodium (Rh), and platinum (Pt), and at least one oxide selected from the group consisting of zirconium oxide (ZrO_2), aluminum oxide (Al_2O_3), and cerium oxide (CeO_2). Accordingly, the catalyst for reforming fuel, having specifically improved catalyst activity and stability for an SMR reaction is provided, thereby significantly improving efficiency of a fuel reforming reaction, and preventing decrease in catalyst activity by allowing the metal foam of the catalyst for reforming fuel to effectively support a precious metal-oxide catalyst layer. A fuel reformer having a microchannel structure, including the catalyst for reforming fuel, does not need to increase an S/C ratio of a flow of a hydrocarbon source gas-steam mixture to a level required in a conventional fuel reformer since a plasticity phenomenon of precious metal particles which are applied as an active material of a catalyst, and tendency that a solid carbon material generated in a process of reforming hydrocarbon source gas is deposited on a surface of a catalyst, and catalyst activity is deteriorated are specifically decreased.

Description

금속 폼 형태의 연료개질용 촉매 및 상기 촉매를 구비한 마이크로 채널구조 연료개질기{Metal foam catalyst for fuel reforming and fuel reforming apparatus having microchannels}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel reforming catalyst in the form of a metal foam, and a microchannel structure reforming apparatus having the catalyst,

본 발명은 탄화수소를 개질하여 합성가스 혹은 수소를 공급하는 연료개질기에 사용될 수 있는 촉매 및 상기 촉매를 구비한 마이크로 채널구조 연료개질기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단위체적당 표면적이 큰 금속 폼을 사용하여 연료개질의 효율을 크게 증가시킨 연료개질용 촉매 및 상기 촉매가 구비된 마이크로 채널구조 연료개질기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a catalyst that can be used in a fuel reformer that reforms hydrocarbons to supply synthesis gas or hydrogen and a microchannel structure fuel reformer having the catalyst. More particularly, the present invention relates to a fuel reformer using a metal foam having a large surface area per unit volume The present invention relates to a fuel reforming catalyst that greatly increases the efficiency of fuel reforming and a microchannel structure fuel reformer provided with the catalyst.

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환시키는 에너지 전환 장치로서, 특히 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)는 고체 산화물을 전해질로 사용하고 고온에서 작동한다는 두 가지 특징을 지니고 있다. 연료전지에 흔히 사용되는 연료로서는 탄화수소 원료와 산화제 혹은 수증기를 연료개질기에서 반응시켜 얻게 되는 수소가 있는데, 상업적으로 가장 많이 사용되는 수소 생산 방법은 촉매의 존재 하에서 메탄(CH4)을 수증기와 반응시켜 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)로 전환하는 스팀-메탄 개질 반응(steam-methane reforming: SMR)이다. Fuel cells are energy conversion devices that convert chemical energy of fuel directly into electrical energy by electrochemical reaction. In particular, solid oxide fuel cells (SOFCs) use solid oxides as electrolytes and operate at high temperatures. . As a fuel commonly used for fuel cells, there is hydrogen which is obtained by reacting a hydrocarbon raw material with an oxidizing agent or steam in a fuel reformer. The most commercially used hydrogen production method is to react methane (CH 4 ) with water vapor in the presence of a catalyst Is steam-methane reforming (SMR) which converts hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CH4 + H2 → 3H2 + CO; ΔH θ= 206.1 kJ/mol CH 4 + H 2 ? 3H 2 + CO; ? H ? = 206.1 kJ / mol

반응식 1에서 1073 K의 고온에 이르는 경우에 SMR 반응에서 요구되는 전화율을 얻을 수 있다. 다만 상기와 같은 고온에서 상업적인 공정 기준에 부합하는 전화율을 수득하기 위해서는 높은 활성 및 선택성을 가지는 촉매가 필요하다. 그러나 SMR반응에서 사용되는 촉매는 상기와 같은 고온의 운전 조건에서 촉매 표면에 고체탄소물질(coke)의 침착에 의해 촉매가 비활성화 되는 문제가 있다.The conversion rate required in the SMR reaction can be obtained when the temperature reaches 1073 K in the reaction scheme 1. However, a catalyst having high activity and selectivity is required to obtain a conversion rate that meets commercial process standards at such high temperatures. However, the catalyst used in the SMR reaction has a problem in that the catalyst is inactivated by the deposition of the solid carbon material (coke) on the surface of the catalyst at such high temperature operating conditions.

한편 대한민국 공개특허공보 제10-2004-019273호는 금속 담체, 결정성 실리케이트 및 실리카를 함유하여 상기 금속 담체 상에 형성된 접착층, 상기 접착층 상에 형성된 촉매층을 포함하는 촉매에 관한 것으로서, 금속 담체와 촉매층 사이의 밀착성을 증가시키기 위해 이들 사이에 접착층을 중재함으로써 밀착성을 증가시키는 방법에 대하여 개시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2004-019273 discloses a catalyst comprising a metal support, a crystalline silicate and silica, an adhesive layer formed on the metal support, and a catalyst layer formed on the adhesive layer, Discloses a method for increasing adhesion by interposing an adhesive layer therebetween in order to increase the adhesion between them.

그러나 상기 발명은 금속 담체와 촉매층 사이의 밀착성 증가에 그칠 뿐, 촉매 표면에 침착되는 탄소의 제거 및 비활성 산화 금속의 형성과 산화물과의 바람직하지 않은 반응의 제어에 대해서는 전혀 개시되지 않았다.However, the above-described invention only increases the adhesion between the metal support and the catalyst layer, and does not disclose any control of the removal of carbon deposited on the catalyst surface and the formation of inactive metal oxides and undesired reactions with oxides.

한편 고체 산화물 연료전지에 사용되는 연료개질기는 열교환부와 촉매연소부가 층상으로 반복 교차되도록 구성된 열교환형 촉매연소부를 구비하는 경우가 일반적이며, 촉매연소부의 후방에는 고체 산화물 연료전지의 폐에너지와 연소열을 이용하여 스팀을 발생시키도록 하는 스팀발생부를 구비하게 된다. 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0135378호에 따르면 수소함유연료를 개질시켜 수소부유가스를 생성하는 개질반응부를 포함하고, CO 제거 촉매의 활성저하 없이 CO 가스를 효과적으로 제거하여 고순도의 수소 가스를 스택에 공급할 수 있는 연료전지 시스템에 대하여 개시하고 있으나, 상기 발명에 의하여도 고온에서 연료개질용 촉매의 활성 저하 혹은 금속 폼을 지지체로 사용하여 금속과 산화물의 복합체로 구성된 촉매층의 형성에 의한 촉매 활성의 강화 방법에 대하여는 개시된 바 없으므로, 금속 폼에 형성된 촉매층의 활성을 증가시킨 연료개질기용 촉매와 이를 사용하여 수소 생산량을 증가시키는 마이크로 채널구조 연료개질기가 여전히 필요하다. On the other hand, the fuel reformer used in the solid oxide fuel cell generally has a heat exchange type catalytic combustion section configured to repeatedly cross the heat exchange section and the catalytic combustion section in layers. The waste heat of the solid oxide fuel cell and the heat of combustion And a steam generator for generating steam by using the steam generator. According to Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2006-0135378, a reforming reaction unit for reforming a hydrogen-containing fuel to generate hydrogen floating gas is provided. The reforming reaction unit effectively removes the CO gas without degrading the activity of the CO removal catalyst, The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. However, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is also an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of supplying a catalytic activity to a fuel cell system by forming a catalyst layer composed of a complex of a metal and an oxide using a metal foam as a support, There is still a need for a catalyst for a fuel reformer that increases the activity of a catalyst layer formed on a metal foam and a microchannel structure fuel reformer for increasing hydrogen production using the same.

본 발명은 귀금속과 산화물을 포함하는 촉매층을 단위체적당 표면적이 큰 금속 폼에 담지하여 활성과 안정성이 뛰어난 연료개질기용 촉매를 제조하고, 상기 촉매를 마이크로 채널이 구비된 통합형 반응기에 삽입하여 탄화수소 원료가스를 개질할 수 있는 마이크로 채널구조 연료개질기를 제공하는데 그 목적이 있다.A catalyst for a fuel reformer having excellent activity and stability is prepared by supporting a catalyst layer containing a noble metal and an oxide on a metal foam having a large surface area per unit volume. The catalyst is inserted into an integrated reactor equipped with a microchannel, The present invention provides a fuel reformer having a microchannel structure capable of reforming a fuel cell.

본 발명은 금속 폼; 및 상기 금속 폼 상에 형성되고, 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 귀금속과 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물로 이루어진 촉매층을 포함하는 연료개질용 촉매를 제공한다.The present invention relates to a metal foam; And is formed on the metal foam, palladium (Pd), rhodium (Rh) and platinum (Pt) group of one or more noble metal and the zirconium oxide selected from the consisting of (ZrO 2), aluminum oxide (Al 2 O 3) and cerium oxide a fuel reforming catalyst comprising a catalyst bed consisting of one or more oxides selected from the group consisting of (CeO 2).

또한 상기 촉매층은 귀금속 1.00 내지 3.00 중량% 및 산화물 97 내지 99 중량%를 함유할 수 있다. Further, the catalyst layer may contain 1.00 to 3.00 wt% of noble metal and 97 to 99 wt% of oxide.

또한 상기 귀금속은 팔라듐 : 로듐이 중량비 7 : 1 내지 3 : 1의 중량비로 혼합될 수 있다.The noble metal may be mixed in a weight ratio of palladium: rhodium of 7: 1 to 3: 1 by weight.

또한 상기 귀금속은 백금 : 팔라듐이 중량비 2 : 1 내지 1 : 2의 중량비로 혼합되어 연소 촉매로 사용될 수 있다. The noble metal may be used as a combustion catalyst by mixing platinum: palladium in a weight ratio of 2: 1 to 1: 2 by weight.

또한 상기 금속 폼은 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금으로 이루어질 수 있다. The metal foam may be made of an alloy of iron (Fe), aluminum (Al), nickel (Ni), and chromium (Cr).

상기 금속 폼은 400 내지 450 ㎛의 기공을 가질 수 있다. The metal foam may have a pore size of 400 to 450 탆.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 금속 폼을 전처리하고 건조하여 준비하는 단계; 상기 금속 폼을 바인더로 코팅하는 단계; 상기 코팅된 금속 폼 상에 귀금속 및 산화물을 워시코팅(wash coating)하는 단계; 및 상기 워시코팅된 금속 폼을 소성하여 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 금속 폼을 사용한 연료개질용 촉매 제조 방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metal foam, Coating the metal foam with a binder; Washing coating the noble metal and the oxide on the coated metal foam; And a step of firing the washcoated metal foam to remove the binder. The present invention also provides a method for manufacturing a catalyst for reforming a fuel using a metal foam.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 일측으로 탄화수소 원료가스 및 수증기(H2O)가 유입되는 원료가스 유입구가 형성되고, 타측으로 개질가스가 배출되는 개질가스 배출구가 형성되는 가스개질부 및 상기 가스개질부와 외주 양면이 면접되고, 일측으로 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스가 유입되는 연도가스 유입구가 형성되며, 타측으로 상기 스택 연도 가스가 연소되어 배출되는 폐가스 배출구가 형성된 연소부를 포함하는 마이크로 채널구조 연료개질기에 있어서, 내측에 팔라듐 및 로듐이 함유된 연료개질용 촉매가 스트립(Strip) 형상으로 구비되고, 상기 원료가스가 유입되어 개질용 촉매에 의해서 개질되어 배출되는 가스개질부; 및 또 다른 내측에 백금 및 팔라듐이 함유된 연소용 촉매가 스트립 형상으로 구비되고, 상기 스택 연도 가스가 유입되어 연소용 촉매에 의해서 연소되며, 발생되는 열을 상기 가스개질부에 전달하며, 상기 연소된 스택 연도 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 마이크로 채널구조 연료개질기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a gas reforming apparatus comprising: a gas reforming unit having a raw material gas inlet through which hydrocarbon raw material gas and water vapor (H 2 O) are introduced into one side and a reformed gas discharge port through which the reformed gas is discharged to the other side; The stacked flue gas is combusted to form a flue gas outlet through which the stacked flue gas of the solid oxide fuel cell is introduced into one side and the combustion gas outlet is formed on the other side, A structural fuel reformer, comprising: a gas reforming unit having a strip-shaped catalyst for fuel reforming containing palladium and rhodium on the inside thereof, a reforming unit for reforming the reformed gas by introducing the raw material gas, And a combustion catalyst containing platinum and palladium on the inner side thereof is provided in the shape of a strip, the stacked flue gas is introduced and combusted by the combustion catalyst, the generated heat is transferred to the gas reforming unit, And a combustion section for exhausting the stacked flue gas.

상기 가스개질부에 유입되는 원료가스 흐름과 상기 연소부에 유입되는 스택 연도 가스 흐름 간에 양호한 열교환이 일어나도록, 원료가스와 스택 연도 가스는 서로 마주 보는 방향으로 흐르게 하며 가스개질부와 연소부를 서로 간에 교차하여 배열할 수 있다.The raw material gas and the stacked flue gas flow in opposite directions so that good heat exchange occurs between the flow of the raw material gas flowing into the gas reforming section and the flow of the stacked flue gas flowing into the combustion section and the gas reforming section and the combustion section are connected to each other They can be arranged in an intersecting manner.

상기 가스개질부 및 연소부는 1.5 mm 내지 2.0 mm의 간극을 가지는 좁은 직사각형 단면의 마이크로 채널을 구비하되, 가스개질부 내측에 구비되는 개질용 촉매와 연소부 내측에 구비되는 연소용 촉매는 각각 서로 마주보는 반대편에서 삽입되어, 이들 촉매의 일단이 길이 방향으로 서로 간에 일부분 겹치도록 배치될 수 있다.Wherein the gas reforming section and the combustion section have microchannels of a narrow rectangular cross-section having a gap of 1.5 mm to 2.0 mm, wherein the reforming catalyst provided inside the gas reforming section and the combustion catalyst provided inside the combustion section are respectively opposed to each other Are inserted at opposite sides of the catalyst, and one end of these catalysts can be arranged so that they partially overlap each other in the longitudinal direction.

본 발명에 따른 연료개질용 촉매에 의하면, SMR 반응에 대한 활성과 안정성이 향상된 연료개질용 촉매를 제공하여 개질 반응의 효율을 크게 증가시킬 수 있으며, 연료개질용 촉매의 금속 폼은 귀금속 촉매층을 지지하여 촉매의 활성 감소를 방지할 수 있다. According to the catalyst for reforming fuel according to the present invention, the efficiency of the reforming reaction can be greatly increased by providing a catalyst for reforming fuel with improved activity and stability against SMR reaction, and the metal foam of the fuel reforming catalyst can support the noble metal catalyst layer Thereby preventing the reduction of the activity of the catalyst.

상기 연료개질용 촉매를 구비한 마이크로 채널구조 연료개질기는 활성물질로 사용되는 귀금속입자들이 소성(sintering)되거나, 탄화수소 원료가스가 개질되는 과정에서 생성되는 고체탄소물질(coke)이 촉매에 침착되어 촉매활성이 저하되는 경향이 크게 감소하므로 종래의 연료개질기에서 요구되는 높은 S/C 비(steam to carbon ratio)를 유지시킬 필요가 없는 장점이 있다.In the microchannel structure fuel reformer having the catalyst for reforming fuel, the noble metal particles used as the active material are sintered, or the solid carbon material (coke) generated in the course of modifying the hydrocarbon gas is deposited on the catalyst, There is an advantage that it is not necessary to maintain the high S / C ratio (steam to carbon ratio) required in conventional fuel reformers.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료개질용 촉매의 효율을 측정하기 위한 관형반응장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 채널구조 연료개질기의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 온도에 따른 메탄 전화율을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 원료가스 S/C 비에 따른 메탄 전화율을 나타낸 그래프이다.
도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 원료가스 S/C 비에 따른 수소/일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 원료가스 S/C 비에 따른 일산화탄소/(일산화탄소+이산화탄소)의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 반응시간에 따른 메탄 전화율의 추세로 나타낸 촉매안정성 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 반응시간에 따른 수소/일산화탄소의 선택도 추세로 나타낸 촉매안정성 그래프이다.
도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응의 반응시간에 따른 일산화탄소/(일산화탄소+이산화탄소)의 선택도 추세로 나타낸 촉매안정성 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 온도에 따른 메탄의 전화율을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 온도에 따른 수소/일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 온도에 따른 일산화탄소/(일산화탄소+이산화탄소)의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 1023 K, GHSV 2000/h에서 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 반응시간에 따른 메탄의 전화율을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 1023 K, GHSV 2000/h에서 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 반응시간에 따른 수소/일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 1023 K, GHSV 2000/h에서 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 개질촉매의 반응시간에 따른 일산화탄소/(일산화탄소+이산화탄소)의 선택도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 원료가스 S/C 비 2.5, GHSV 2000/h에서 SMR 반응의 온도에 따른 개질가스의 조성을 나타낸 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매가 구비된 마이크로 채널구조 연료개질기의 온도에 따른 SMR 반응 효율을 메탄의 전화율로 나타낸 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 백금-팔라듐 함유 연소용 촉매가 구비된 마이크로 채널구조 연료개질기의 온도에 따른 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스의 연소 효율을 메탄의 전화율로 나타낸 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료개질용 촉매들이 구비된 마이크로 채널구조 연료개질기에서 촉매층 온도 추세를 나타낸 그래프이다.
도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료개질용 촉매들이 구비된 마이크로 채널구조 연료개질기에서 GHSV 증가에 따른 촉매층 온도 추세의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 연료개질용 촉매의 전자주사현미경(SEM) 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 연료개질용 촉매의 전자투과현미경(TEM) 이미지이다.
FIG. 1A is a schematic view showing a configuration of a tubular reaction device for measuring the efficiency of a fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention. FIG.
1B is a schematic view showing a configuration of a microchannel structure fuel reformer according to an embodiment of the present invention.
2A is a graph showing the conversion of methane to methane according to the temperature of an SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of a catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B is a graph showing the conversion of methane to the raw material gas S / C ratio of the SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of the catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2C is a graph showing the selectivity of hydrogen / carbon monoxide according to the raw material gas S / C ratio of the SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
2d is a graph showing the selectivity of carbon monoxide / (carbon monoxide + carbon dioxide) according to the S / C ratio of the raw material gas in the SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of the palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention .
FIG. 3A is a graph of the catalyst stability as a trend of methane conversion rate with respect to the reaction time of the SMR reaction at GHSV 8500 / h of the catalyst for modifying palladium-rhodium containing fuel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a graph of catalyst stability, which shows the selectivity trend of hydrogen / carbon monoxide according to the reaction time of the SMR reaction at GHSV 8500 / h of the catalyst for the modification of palladium-rhodium containing fuel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3C is a graph of catalyst stability as a selectivity trend of carbon monoxide / (carbon monoxide + carbon dioxide) with respect to the reaction time of the SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of the palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a graph showing a conversion rate of methane according to the temperature of a palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and a conventional reforming catalyst according to an embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 4B is a graph showing the selectivity of hydrogen / carbon monoxide according to the temperature of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and the commercial reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4c is a graph showing the selectivity of carbon monoxide / (carbon monoxide + carbon dioxide) according to the temperature of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and the commercial reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
5A is a graph showing the conversion rate of methane according to reaction time of a catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel and a commercial reforming catalyst at 1023 K, GHSV 2000 / h according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5B is a graph showing the selectivity of hydrogen / carbon monoxide depending on the reaction time of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and the commercial reforming catalyst at 1023 K, GHSV 2000 / h according to an embodiment of the present invention.
5c is a graph showing the selectivity of carbon monoxide / (carbon monoxide + carbon dioxide) according to the reaction time of the catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel and the commercial reforming catalyst at 1023 K, GHSV 2000 / h according to an embodiment of the present invention .
FIG. 6 is a graph showing the composition of a reformed gas according to the temperature of the SMR reaction at a feed gas S / C ratio of 2.5 and a GHSV 2000 / h of a palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.
7A is a graph showing the conversion efficiency of SMR according to the temperature of a microchannel structure fuel reformer equipped with a catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel according to another embodiment of the present invention, in terms of conversion rate of methane.
FIG. 7B is a graph showing the combustion efficiency of the stacked flue gas of the solid oxide fuel cell according to the temperature of the microchannel-structured fuel reformer provided with the platinum-palladium-containing combustion catalyst according to another embodiment of the present invention, by the conversion rate of methane.
FIG. 8A is a graph illustrating a trend of a catalyst bed temperature in a microchannel-structured fuel reformer equipped with the fuel reforming catalysts according to another embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 8B is a graph showing changes in the catalyst bed temperature trend with increasing GHSV in a microchannel structure fuel reformer equipped with the fuel reforming catalysts according to another embodiment of the present invention. FIG.
9 is an electron micrograph (SEM) image of a catalyst for reforming fuel according to an embodiment of the present invention.
10 is an electron transmission microscope (TEM) image of a fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention.

본 발명자는 스팀-메탄 연료개질용 촉매의 활성과 안정성의 증가 방안에 대해 노력하던 중 단위체적당 표면적이 큰 금속 폼에 귀금속과 산화물의 복합체를 워시코팅(washcoat)하는 경우 촉매의 형상을 용이하게 변형 가능하면서, 낮은 운전 온도에서 촉매의 활성 및 안정성이 유지되며, 원료가스의 S/C(steam to carbon ratio) 비가 낮게 요구되는 것을 확인하여 본 발명인 연료개질용 촉매를 완성하였다. The present inventors have been trying to increase the activity and stability of the catalyst for steam-methane fuel reforming. In the washcoat of a noble metal-oxide complex on a metal foam having a large surface area per unit volume, And it is confirmed that the activity and stability of the catalyst are maintained at a low operating temperature while the ratio of S / C (steam to carbon ratio) of the raw material gas is required to be low. Thus, the catalyst for fuel reforming of the present invention is completed.

또한 제조된 연료개질용 촉매를 마이크로 채널구조의 연료개질기에 장착하여 SMR(steam-methane reforming; SMR)반응의 연료개질 효율이 매우 양호하고 촉매의 활성과 안정성이 우수한 마이크로 채널구조 연료개질기를 완성하였다.In addition, the manufactured fuel reforming catalyst was mounted on a micro-channel fuel reformer to complete a microchannel structure fuel reformer having excellent fuel reforming efficiency of SMR (steam-methane reforming; SMR) reaction and excellent catalytic activity and stability .

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

먼저 본 발명의 연료개질용 촉매는 금속 폼 및 상기 금속 폼 상에 형성되고, 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 귀금속과 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물로 이루어진 촉매층을 포함한다. The catalyst for reforming fuel of the present invention comprises a metal foam and at least one noble metal selected from the group consisting of palladium (Pd), rhodium (Rh) and platinum (Pt), zirconium oxide (ZrO 2 ) And a catalyst layer made of at least one oxide selected from the group consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and cerium oxide (CeO 2 ).

SMR 반응에 있어서 촉매의 안정성을 저하시키는 주요한 원인은 고체탄소물질이 촉매 표면에 흡착되어 촉매를 비활성화 시키는 것이다. 촉매는 SMR 반응과정에서 소성되고, 비활성 금속화합물의 형성 또는 산화물 지지체와의 불가피한 반응에 의해 활성을 잃게 된다. A major cause for lowering the stability of the catalyst in the SMR reaction is that the solid carbon material adsorbs on the surface of the catalyst to deactivate the catalyst. The catalyst is fired in the SMR reaction process and is inactivated by the formation of an inert metal compound or an unavoidable reaction with an oxide support.

금속 폼은 촉매지지체와 같이 열전달 매체로서 유용하게 사용되며, 배기가스를 감소시킬 수 있는 비촉매 필터로도 사용된다. 촉매지지체로서 요구되는 금속 폼의 구조적 특성뿐 만 아니라 특유의 유체역학적, 기계적 성질은 불균일상 촉매작용에서 특성화될 수 있는 금속 폼의 차별화된 성질이라고 할 수 있다. 금속 폼의 가스 투과성은 반응기체가 촉매의 활성점에 더욱 용이하게 흡착될 수 있도록 작용한다. 또한 금속 폼은 열용량이 작고 열전달 능력이 우수하며 원하는 모양으로 성형하여 사용할 수 있다. 금속 폼의 상호 연결된 통공(cavity)은 기체상 흐름의 유용한 통로가 될 수 있으며, 상기 촉매층이 금속 폼에 워시코팅되는 경우 좋은 금속 분산, 우수한 표면적과 세공 부피, 가벼운 무게 및 작은 밀도를 가지는 촉매를 제조할 수 있다.Metal foams are usefully used as heat transfer media, such as catalyst supports, and are also used as non-catalytic filters to reduce emissions. The specific hydrodynamic and mechanical properties as well as the structural properties of the metal foams required as a catalyst support are the differentiated properties of metal foams that can be characterized in heterogeneous phase catalysis. The gas permeability of metal foams serves to allow the reaction gas to more readily adsorb to the active sites of the catalyst. In addition, the metal foam has a small heat capacity, excellent heat transfer ability, and can be molded into a desired shape. The interconnected cavities of the metal foams can be a useful pathway for gas phase flow and provide a catalyst having good metal dispersion, good surface area and pore volume, light weight and small density when the catalyst layer is wash coated on the metal foams Can be manufactured.

상기 촉매층은 귀금속과 산화물로 이루어진다. The catalyst layer is made of a noble metal and an oxide.

귀금속은 종래의 니켈 또는 루테늄을 대체할 수 있으며, 낮은 온도 및 낮은 S/C 비에서도 훌륭한 수소 선택도 및 메탄 개질 능력을 나타낸다.Precious metals can replace conventional nickel or ruthenium and exhibit excellent hydrogen selectivity and methane reforming capability at low temperatures and low S / C ratios.

로듐(Rh)은 SMR 반응에 있어서 가장 활성이 높은 귀금속 물질로서 선택하였고, 두 번째 귀금속으로서 팔라듐(Pd)을 첨가하여 촉매 표면을 수정하고, 수소 선택도에 영향을 미치는 금속 입자들의 분산도를 증가시키고, 촉매 표면의 탄소 침착을 감소시켰다. The rhodium (Rh) was selected as the most active noble metal in the SMR reaction, and the surface of the catalyst was modified by adding palladium (Pd) as the second noble metal to increase the dispersion of the metal particles And the carbon deposition on the catalyst surface was reduced.

상기 촉매층은 귀금속 1.00 내지 3.00 중량% 및 산화물 97 내지 99 중량%를 함유할 수 있다. 상기 귀금속의 중량% 범위가 상기 조건을 벗어나는 경우 촉매제조 비용이 증가하며, 산화물의 중량% 범위가 상기 조건을 벗어나는 경우 귀금속과 산화물로 이루어진 최적의 촉매층이 형성되지 않는다. The catalyst layer may contain 1.00 to 3.00 wt% of noble metal and 97 to 99 wt% of oxide. When the weight percentage range of the noble metal is out of the above range, the catalyst production cost increases, and when the weight percentage range of the oxide is out of the above range, the optimum catalyst layer made of noble metal and oxide is not formed.

상기 귀금속은 팔라듐과 로듐이 중량비로 7 : 1로 혼합될 수 있으며, 팔라듐과 로듐이 중량비로 3 : 1로까지 혼합되는 것도 가능하다. The noble metal may be mixed with palladium and rhodium at a weight ratio of 7: 1, and palladium and rhodium may be mixed at a weight ratio of 3: 1.

촉매층에 팔라듐과 로듐을 혼합하는 경우 SMR 반응에 사용되며, 상기 귀금속에 대해 산화물은 산화알루미늄 : 산화지르코늄이 65 : 35의 중량비로 혼합될 수 있다. When palladium and rhodium are mixed in the catalyst layer, they are used in the SMR reaction. The oxide of the noble metal may be mixed with aluminum oxide: zirconium oxide in a weight ratio of 65:35.

SMR 반응에 사용되는 연료개질용 촉매의 경우, 상기 촉매층에 있어서 귀금속이 1.31 중량%로 함유되고 산화물이 98.69 중량%로 함유된 복합체를 제조하는 것이 바람직하다. In the case of the fuel reforming catalyst used in the SMR reaction, it is preferable to produce a composite in which the catalyst layer contains 1.31 wt% of noble metal and 98.69 wt% of oxide.

또한 촉매층에 백금과 팔라듐이 2 : 1의 중량비로 혼합되어 연소용 촉매로 사용될 수 있다. 이 경우 상기 귀금속에 대해 산화물은 산화알루미늄 : 산화지르코늄이 95 : 5의 중량비로 혼합되고, 상기 촉매층에 있어서 귀금속이 1.31 중량%로 함유되는 것이 바람직하다. Also, platinum and palladium may be mixed in a catalyst layer at a weight ratio of 2: 1 and used as a combustion catalyst. In this case, it is preferable that the oxide is mixed with aluminum oxide: zirconium oxide in a weight ratio of 95: 5 to the noble metal, and the noble metal is contained in the catalyst layer in an amount of 1.31% by weight.

촉매는 금속 폼 1 liter 당 총 76g의 귀금속-산화물 복합체를 워시코팅하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 금속 폼은 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 합금으로서, 그 밀도는 1.2 내지 1.6 g/㎤ 범위일 수 있다.The catalyst is preferably prepared by wash coating a total of 76 grams of noble metal-oxide complex per liter of metal foam. The metal foam is an alloy of iron (Fe), aluminum (Al), nickel (Ni), and chromium (Cr), and may have a density of 1.2 to 1.6 g / cm < 3 >.

상기 금속 폼은 상기 귀금속-산화물 복합체를 워시코팅하기 이전에 바인더 용액으로 코팅될 수 있다. The metal foam may be coated with the binder solution before wash coating the noble metal-oxide composite.

상기 금속 폼은 400 내지 450 ㎛의 기공을 가질 수 있다. The metal foam may have a pore size of 400 to 450 탆.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 금속 폼을 전처리하고 건조하여 준비하는 단계; 상기 금속 폼을 바인더로 코팅하는 단계; 상기 코팅된 금속 폼 상에 귀금속- 산화물 복합체를 워시코팅하는 단계; 및 상기 워시코팅된 금속 폼을 하소(calcine)하여 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 금속 폼을 사용한 연료개질기용 촉매 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a metal foam, Coating the metal foam with a binder; Wash coating the noble metal-oxide composite on the coated metal foam; And calcining the washcoated metal foam to remove the binder. The present invention also provides a method for manufacturing a catalyst for a fuel reformer using the metal foam.

상기 금속 폼은 증류수 및 아세톤으로 전처리할 수 있으며, 워시코팅 이전에 1 내지 2 시간 동안 398 내지 423 K의 온도에서 건조처리 할 수 있다. The metal foam may be pretreated with distilled water and acetone and may be dried at a temperature of 398 to 423 K for 1 to 2 hours before wash coating.

상기 워시코팅된 금속 폼을 하소하는 단계는 1200 K 보다 낮은 온도에서 3 내지 5시간 동안 하소할 수 있으며, 상기 조건을 벗어나는 경우 금속 폼으로부터 바인더만 제거되는 것이 아니라 워시코팅이 손상될 우려가 있다. The step of calcining the washcoated metal foam may be performed at a temperature lower than 1200 K for 3 to 5 hours. If the condition is exceeded, the binder may not be removed from the metal foam but the washcoat may be damaged.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 일측으로 탄화수소 원료가스 및 수증기(H2O)가 유입되는 원료가스 유입구가 형성되고, 타측으로 개질가스가 배출되는 개질가스 배출구가 형성되는 가스개질부 및 상기 가스개질부와 외주 양면이 면접되고, 일측으로 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스가 유입되는 연도가스 유입구가 형성되며, 타측으로 상기 스택 연도 가스가 연소되어 배출되는 폐가스 배출구가 형성되는 연소부를 포함하는 마이크로 채널구조 연료개질기에 있어서, 내측에 팔라듐과 로듐이 함유된 연료개질용 촉매가 스트립(Strip) 형상으로 구비되고, 상기 원료가스를 유입시켜 연료개질용 촉매에 의해 개질시켜 배출하는 가스개질부; 및 내측에 백금과 팔라듐이 함유된 연소용 촉매가 스트립 형상으로 구비되고, 상기 스택 연도 가스를 연소용 촉매에 의해 연소시키되, 발생되는 열을 상기 가스개질부에 전달하며, 상기 연소된 스택 연도 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 마이크로 채널구조 연료개질기를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a gas reforming apparatus comprising: a gas reforming unit having a raw material gas inlet through which hydrocarbon raw material gas and water vapor (H 2 O) are introduced into one side and a reformed gas discharge port through which the reformed gas is discharged to the other side; And a combustion section in which a combustion gas inlet is formed at one side of the solid oxide fuel cell and a waste gas outlet at which the stacked flue gas is combusted is formed at the other side, A channel structure fuel reformer, comprising: a gas reforming unit having a strip-shaped catalyst for fuel reforming containing palladium and rhodium on the inner side, reforming the reformed gas with a fuel reforming catalyst by introducing the raw gas; And a combustion catalyst containing platinum and palladium on the inner side is provided in a strip shape, and the stacked flue gas is combusted by a combustion catalyst, the generated heat is transferred to the gas reforming unit, and the combusted stack flue gas And a combustion section for exhausting the fuel.

SMR 반응에 사용되는 반응기의 종류는 반응 효율에 영향을 줄 수 있으며, 소규모 고체 산화물 연료 전지에 사용되는 연료를 생산하기 위한 SMR 반응에 있어서, 마이크로 반응기 또는 마이크로 채널구조 반응기는 관형반응기(tubular reactor)보다 훨씬 소형으로 구성될 수 있다.The type of reactor used in the SMR reaction can affect the reaction efficiency, and in the SMR reaction for producing the fuel used in the small-scale solid oxide fuel cell, the microreactor or microchannel structure reactor is a tubular reactor, Can be configured to be much smaller.

반응기의 선택은 물질전달 및 열전달, 압력강하, 공간의 제약, 열교환기와 통합된 동심원 관형 반응기의 사용처럼 여러 가지 조건에 의해 결정되며, 본 발명에서 마이크로 채널구조 반응기는 전기로의 에너지 공급을 감소시킬 수 있다. 마이크로 채널구조를 연료개질기에 적용시켜 고체 산화물 연료 전지(solid oxide fuel cell; SOFC)에 사용할 경우 연료개질기를 소형화 할 수 있으며, 연료개질에 필요한 열교환기능을 통합할 수 있다. 마이크로 채널구조 반응기에서는 효율적인 개질가스 생산을 위하여 흡열 및 발열 반응 구역이 통합되며 개질반응과 연소반응이 일어나는 각각의 마이크로 채널 속으로 촉매가 얇은 스트립 형태로 구비될 수 있다. The choice of reactor is determined by various conditions, such as mass transfer and heat transfer, pressure drop, space constraints, the use of a concentric tubular reactor integrated with a heat exchanger, and in the present invention the microchannel structure reactor can reduce the energy supply of the furnace have. When the microchannel structure is applied to a solid oxide fuel cell (SOFC) by applying to a fuel reformer, the fuel reformer can be miniaturized and the heat exchange function necessary for fuel reforming can be integrated. In the microchannel structure reactor, the endothermic and exothermic reaction zones are integrated to produce efficient reformed gas, and the catalyst may be provided in the form of a thin film into each microchannel in which the reforming reaction and the combustion reaction occur.

상기 마이크로 채널구조 연료개질기는 얇은 채널 벽에 의해 구획되는 반응구역과 연료개질기용 촉매가 스트립 형태로 삽입되기 위한 구역을 포함할 수 있다. The microchannel structure fuel reformer may include a reaction zone defined by a thin channel wall and a zone for inserting a catalyst for a fuel reformer in a strip form.

상기 마이크로 채널구조 연료개질기는 얇은 채널 벽과 얇은 촉매 스트립이 종래의 반응기와 촉매의 형상과 비교하여 높은 열전달 능력을 가지므로 연료개질기를 보다 소형화시킬 수 있다.The microchannel structure fuel reformer has a thin channel wall and a thin catalyst strip, which have a high heat transfer ability in comparison with the shapes of conventional reactors and catalysts, thereby making the fuel reformer more compact.

상기 가스개질부에 유입되는 원료가스의 흐름과 상기 연소부에 유입되는 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스의 흐름이 서로 간에 양호한 열교환이 일어나도록, 가스개질부와 연소부가 서로 교차 배열될 수 있다.The gas reforming section and the combustion section may be arranged so that good heat exchange occurs between the flow of the raw material gas flowing into the gas reforming section and the flow of the stacked flue gas of the solid oxide fuel cell flowing into the combustion section.

상기 가스개질부 및 연소부는 1.5 내지 2.0 mm의 간극을 가지는 좁은 직사각형 단면의 마이크로 채널들로 구성되는데, 각각의 내측에 구비되는 1.1 내지 1.5 mm 두께를 가지는 연료개질용 촉매 스트립과 연소용 촉매 스트립은 서로 마주보는 반대편으로부터 구비되며, 이들 촉매의 일단이 길이 방향으로 서로 간에 일부분 겹치도록 배치될 수 있다. The gas reforming section and the combustion section are composed of microchannels having a narrow rectangular cross section having a gap of 1.5 to 2.0 mm. The fuel reforming catalyst strip and the combustion catalyst strip, each having a thickness of 1.1 to 1.5 mm, From opposite sides facing each other, and one end of these catalysts can be arranged so that they partially overlap each other in the longitudinal direction.

마이크로 채널의 폭과 촉매 스트립의 두께가 상기 조건을 각각 벗어나는 경우, 연료개질기의 반응 효율과 열 효율이 저하되는 단점이 발생할 수 있다.If the width of the microchannel and the thickness of the catalyst strip are different from each other, the reaction efficiency and thermal efficiency of the fuel reformer may be deteriorated.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.

<< 실시예Example 1>  1> 연료개질용For fuel reforming 촉매 제조  Catalyst preparation

팔라듐-로듐이 함유된 연료개질용 촉매와 백금-팔라듐이 함유된 연소용 촉매의 제조를 위해 길이 300 ㎜, 너비 200㎜, 두께 1.1 ㎜ 크기의 금속 폼을 준비하였다. A metal foam having a length of 300 mm, a width of 200 mm and a thickness of 1.1 mm was prepared for the preparation of a fuel reforming catalyst containing palladium-rhodium and a combustion catalyst containing platinum-palladium.

팔라듐-로듐이 함유된 개질용 촉매의 활성 및 안정성과 비교하기 위해 상용 니켈-산화알루미늄(Ni-Al2O3) 촉매(BASF)는 직경 3 ㎜, 길이 3.3 ㎜의 펠릿(pellet) 형태로 준비하고, 루테늄-산화알루미늄(Ru-Al2O3) 촉매(Sud-Chemie)는 직경 3 ㎜의 구형 입자로 준비하였다. 팔라듐-로듐이 함유된 연료개질용 촉매와 니켈-산화알루미늄과 루테늄-산화알루미늄 촉매는 각각 반응기에서 SMR 반응 시작 전에 2 시간 동안 873 K에서 수소 흐름에 의해 환원시켰다. (Ni-Al 2 O 3 ) catalyst (BASF) was prepared in the form of a pellet having a diameter of 3 mm and a length of 3.3 mm in order to compare with the activity and stability of the reforming catalyst containing palladium- , And a ruthenium-aluminum oxide (Ru-Al 2 O 3 ) catalyst (Sud-Chemie) was prepared as spherical particles having a diameter of 3 mm. The fuel reforming catalyst containing palladium-rhodium and the nickel-aluminum oxide and ruthenium-aluminum oxide catalysts were reduced by hydrogen flow at 873 K for 2 hours before the start of the SMR reaction in the reactor, respectively.

팔라듐-로듐이 함유된 연료개질용 촉매와 백금-팔라듐이 함유된 연소용 촉매는 금속 폼에 귀금속과 산화물로 구성된 복합체를 워시코팅하여 제조하였다. 개질용 촉매는 팔라듐과 로듐을 중량비로 7 : 1로 혼합하여 귀금속 혼합물 전구체를 준비하였고, 연소용 촉매는 백금과 팔라듐을 중량비로 2 : 1로 혼합하여 귀금속 혼합물 전구체를 준비하였다. A fuel reforming catalyst containing palladium - rhodium and a catalyst for combustion containing platinum - palladium were prepared by wash - coating a composite of noble metal and oxide on a metal foam. The reforming catalyst was prepared by mixing palladium and rhodium at a weight ratio of 7: 1 to prepare a noble metal mixture precursor. The combustion catalyst was prepared by mixing platinum and palladium in a weight ratio of 2: 1 to prepare a noble metal mixture precursor.

지지체로 사용된 금속 폼은 철, 알루미늄, 니켈 및 크롬으로 이루어진 합금으로서, 밀도는 1.4 g/㎤이였다. 상기 금속 폼 상에 귀금속 혼합물과 산화물로 구성된 복합체를 워시코팅하고, 1173 K에서 4시간 동안 하소하여 연료개질기용 촉매를 각각 제조하였다.
The metal foam used as the support was an alloy of iron, aluminum, nickel and chromium, and had a density of 1.4 g / cm 3. A composite composed of a noble metal mixture and an oxide was coated on the metal foam by wash coating and calcined at 1173 K for 4 hours to prepare a catalyst for a fuel reformer.

<실시예 2> 마이크로 채널구조 연료개질기 구성&Lt; Example 2 > Configuration of microchannel structure fuel reformer

마이크로 채널구조를 가지는 반응기에 실시예 1에서 제조된 연료개질기용 촉매를 각각 장착하여 마이크로 채널구조 연료개질기를 구성하였다. The microchannel structure fuel reformer was constructed by mounting the catalyst for fuel reformer manufactured in Example 1 in a reactor having a microchannel structure.

팔라듐과 로듐을 함유한 연료개질용 촉매는 SOFC 연료 생산을 위한 SMR 반응에 사용하였으며, 백금과 팔라듐을 함유한 연료개질용 촉매는 연소용 촉매로 SOFC 스택 연도 가스의 촉매 연소에 사용하였다. A fuel reforming catalyst containing palladium and rhodium was used for the SMR reaction for the production of SOFC fuel, and the catalyst for the fuel reforming containing platinum and palladium was used for catalytic combustion of the SOFC stack flue gas as the combustion catalyst.

도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 채널구조 연료개질기의 구성을 나타낸 개략도이다. 1B is a schematic view showing a configuration of a microchannel structure fuel reformer according to an embodiment of the present invention.

마이크로 채널구조 연료개질기는 길이 292 ㎜, 폭 42 ㎜, 높이 38㎜의 크기를 가진 직육면체 덕트 형태의 시작품으로서 미국의 CATACEL사 제품을 사용하였다. 폭 1.6mm의 마이크로 채널 9개가 메탄과 수증기 간의 SMR 반응을 위하여 가스개질부에 배치되었고, 이에 대응하여 폭 1.6mm의 마이크로 채널 9개가 SOFC 스택 연도 가스(stack flue gas)를 모사한 기체의 연소반응을 위하여 연소부에 배치되었다. The microchannel structure fuel reformer was a prototype of a rectangular parallelepiped duct having a length of 292 mm, a width of 42 mm and a height of 38 mm, and the product of CATACEL of USA was used. Nine microchannels with a width of 1.6 mm were placed in the gas reforming section for SMR reaction between methane and water vapor, and correspondingly, nine microchannels with a width of 1.6 mm were used for the combustion reaction of the gas simulating the stack flue gas of the SOFC stack In the combustion zone.

마이크로 채널구조 연료개질기의 구성을 위하여 온도 조절이 프로그램되는 전기로 및 예열기를 장착하였으며, 가스개질부와 연소부의 온도를 측정하기 위해 다수의 서모커플(thermocouple)을 장착하였다. Microchannel structure The structure of the fuel reformer was equipped with an electric furnace and a preheater programmed with temperature control, and a plurality of thermocouples were installed to measure the temperature of the gas reforming part and the combustion part.

연료개질기 내부의 촉매 온도는 상온에서 반응온도까지 원료가스의 흐름 속에서 5 K/min 속도로 증가시켰다. 메탄과 수증기의 혼합기체 흐름은 가스 실린더와 혼합기 및 증기 발생기로 구성된 매니폴드(manifold)에서 공급되었다. 메탄 유량은 질량 흐름 조절기(mass flow controller)에 의해 조절되었으며, 수증기 유량은 마이크로 펌프에 의해 조절되었다. The catalyst temperature in the fuel reformer was increased from room temperature to the reaction temperature at the rate of 5 K / min in the flow of the raw gas. The mixed gas flow of methane and water vapor was supplied from a manifold consisting of a gas cylinder, a mixer and a steam generator. The methane flow rate was controlled by a mass flow controller, and the water vapor flow rate was controlled by a micropump.

메탄과 수증기는 혼합되어 마이크로 채널구조 연료개질기에 도입되기 전에 혼합기와 증기 발생기에서 가열되었다. 요구되는 GHSV를 유지하기 위해 팔라듐-로듐을 함유한 연료개질용 촉매를 1.1㎜ 두께의 9개 스트립으로 준비하여 가스개질부에 삽입하고, 대응되는 백금-팔라듐을 함유한 연소용 촉매를 1.1㎜ 두께의 9개 스트립으로 준비하여 연소부에 삽입하였다.  Methane and water vapor were mixed and heated in the mixer and steam generator before being introduced into the microchannel structure fuel reformer. To maintain the required GHSV, a fuel reforming catalyst containing palladium-rhodium was prepared in nine strips having a thickness of 1.1 mm, inserted into the gas reforming section, and the corresponding catalyst for platinum-palladium containing combustion was placed in a 1.1 mm thick , And inserted into the combustion section.

상기 가스개질부에서의 흐름과 연소부에서의 흐름은 서로 향류 방향으로 흐르게 하여 두 흐름 간에 양호한 열교환이 일어나도록 하였으며, 가스개질부와 연소부 속에서 개질용 촉매와 연소용 촉매는 흐름 방향으로 124 ㎜ 만큼 서로 겹쳐지도록 배치되었다.
In the gas reforming section and the combustion section, the reforming catalyst and the combustion catalyst flow in the direction of flow 124. In the gas reforming section and the combustion section, Mm. &Lt; / RTI &gt;

<실험예 1> 연료개질기용 촉매의 물성과 SMR 반응의 개질가스 분석EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Properties of Catalyst for Fuel Reformer and Analysis of Modified Gas in SMR Reaction

SMR 반응에 있어서 촉매의 활성 및 안정성을 측정하기 위하여 관형반응기에 팔라듐-로듐이 함유된 연료개질용 촉매 시료를 충진하여 SMR 반응을 실험하고 그 성능을 상용 촉매의 성능과 비교하였다. 마이크로 채널구조 연료개질기의 배출가스는 TCD 검출기가 구비된 가스 크로마토그래프(GC, DONAM system 6200)로 분석하였다.In order to measure the activity and stability of the catalyst in the SMR reaction, SMR reaction was carried out by filling a tubular reactor with a catalyst for fuel reforming containing palladium - rhodium and its performance was compared with that of a commercial catalyst. Microchannel structure The exhaust gas of the fuel reformer was analyzed with a gas chromatograph (GC, DONAM system 6200) equipped with a TCD detector.

표 1은 본 발명의 실시예에 따른 촉매들의 화학 조성을 나타낸 것이다. Table 1 shows the chemical composition of the catalysts according to an embodiment of the present invention.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

금속 폼 촉매의 조성은 귀금속과 산화물로 이루어진 복합체가 워시코팅되어 촉매층을 형성한 이후의 촉매층 질량을 기준으로 측정되었으며, 괄호 안에 나타낸 조성은 금속 폼이 포함된 연료개질용 촉매 전체 질량에 기준한 조성을 의미한다. The composition of the metal foam catalyst was measured based on the mass of the catalyst layer after the catalyst layer was formed by wash coating with a composite of noble metal and oxide, and the composition shown in parentheses was the composition based on the total mass of the catalyst for reforming the fuel, it means.

반응 전후의 촉매 비표면적은 질소(N2)를 흡착시켜 가스흡착법(BET)을 이용하여 측정하였다(Quantachrome, ASIC.7; Micromeritics, Gemini 2375). 촉매층의 귀금속 입자들의 분산은 연료개질기용 촉매로부터 긁어낸 분말 시료를 사용하여 313 K에서 헬륨 기체 흐름 속에 주입되는 일산화탄소 펄스(pulse)를 이용한 화학흡착에 의하여 측정하였다(BEL, belcat-m). 촉매의 세공 크기분포 및 세공 부피는 질소의 탈착에 의하여 측정하였다(Quantachrome, ASIC.7). The catalyst specific surface area before and after the reaction was measured by adsorption of nitrogen (N 2 ) using a gas adsorption method (Quantachrome, ASIC.7; Micromeritics, Gemini 2375). The dispersion of noble metal particles in the catalyst layer was measured by chemical adsorption using a carbon monoxide pulse injected into the helium gas stream at 313 K using a powder sample scraped from the catalyst for fuel reformer (BEL, belcat-m). The pore size distribution and pore volume of the catalyst were determined by desorption of nitrogen (Quantachrome, ASIC.7).

연료개질용 촉매의 표면 형상은 전자주사현미경(FE-SEM, Hitachi Ltd., S-4100, S-4200)을 사용하여 관찰하였다. 금속 폼에 담지된 팔라듐-로듐 촉매층은 투과전자현미경(TEM, Hitachi Ltd.,H-7600)을 사용하여 관찰하였다. The surface morphology of the fuel reforming catalyst was observed using an electron microscope (FE-SEM, Hitachi Ltd., S-4100, S-4200). The palladium-rhodium catalyst layer supported on the metal foam was observed using a transmission electron microscope (TEM, Hitachi Ltd., H-7600).

메탄의 전화율과 생성물 수율 및 선택도는 식 1 내지 식 4에 의하여 유입된 몰랄 흐름과 배출된 몰랄 흐름을 사용하여 계산되었다. Methane conversion and product yields and selectivities were calculated using the molal and molar flows introduced by equations 1 through 4, respectively.

[식 1][Formula 1]

전화율(conversion, %) =

Figure pat00002
× 100Conversion rate (%) =
Figure pat00002
× 100

[식 2] [Formula 2]

수소/일산화탄소 선택도(H2/CO selectivity) =

Figure pat00003
×100
Hydrogen / carbon monoxide selectivity (H 2 / CO selectivity) =
Figure pat00003
× 100

[식 3][Formula 3]

일산화탄소 선택도(CO Selectivity) =

Figure pat00004
× 100CO Selectivity =
Figure pat00004
× 100

[식 4][Formula 4]

유입되는 메탄의 단위 몰당 수소 수율(H2 yield per unit mole CH4 input) =

Figure pat00005
× 100
The hydrogen yield per unit mole of incoming methane (H 2 yield per unit mole CH 4 input) =
Figure pat00005
× 100

1. 관형 반응기 실험 자료에 의한 개질용 촉매의 성능 분석1. Performance analysis of reforming catalyst by experimental data of tubular reactor

팔라듐-로듐을 함유한 연료개질용 촉매의 SMR 반응에 대한 성능을 확인하기 위해 관형 반응기에 연료개질용 촉매를 충진하여 수증기와 원료가스 간의 다양한 S/C 비에 따른 생성물의 선택도와 촉매의 활성 및 안정성을 측정하였다. In order to confirm the performance of SMR reaction of a fuel reforming catalyst containing palladium-rhodium, a tubular reactor was filled with a fuel reforming catalyst to select the products according to various S / C ratios between steam and raw gas, The stability was measured.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 연료개질용 촉매의 성능을 측정하기 위해 사용된 관형 반응기 장치의 구성을 나타낸 개략도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1A is a schematic view showing the configuration of a tubular reactor apparatus used for measuring the performance of a fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention; FIG.

도면을 참조하면, 관형 반응기(SUS 304, 직경 20 ㎜, 길이 330 ㎜)는 프로그램으로 조절되는 전기로와 촉매 충전 부위의 온도를 측정하기 위해 K-타입 서모커플(thermocouple)을 구비하였다. Referring to the drawings, a tubular reactor (SUS 304, diameter 20 mm, length 330 mm) was equipped with a K-type thermocouple to measure the temperature of the electrically charged electric furnace and the catalyst charging area.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응에 있어서 온도에 따른 메탄의 전화율을 나타낸 그래프이고, 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 S/C 비에 따른 메탄의 전화율을 나타낸 그래프이며, 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 S/C 비에 따른 수소/일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이고, 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 S/C 비에 따른 일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이다.FIG. 2A is a graph showing a conversion rate of methane according to temperature in an SMR reaction at a GHSV of 8500 / h of a palladium-rhodium-containing reforming catalyst according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 2C is a graph showing the conversion rate of methane according to the S / C ratio in the GHSV 8500 / h of the palladium-rhodium-containing reforming catalyst according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 (d) is a graph showing the selectivity of hydrogen / carbon monoxide according to the S / C ratio according to the S / C ratio in the case of the palladium-rhodium containing reforming catalyst according to the embodiment of the present invention. As shown in Fig.

도면을 확인하면, GHSV는 8500/h로 고정하고, S/C 비는 2.5에서 3.5로 변화시켜서 메탄의 전화율을 측정하였다. SMR 반응은 600 K 근처에서 시작되어, 메탄의 전화가 거의 완료되었을 때 온도는 1050 K에 이르렀다. Referring to the drawings, the GHSV was fixed at 8500 / h, and the S / C ratio was changed from 2.5 to 3.5, and the conversion rate of methane was measured. The SMR reaction started near 600 K, when the methane call was almost complete, the temperature reached 1050 K.

도 2a와 2b를 확인하면, 메탄의 전화율은 950 K 이하의 온도에서는 S/C 비에 영향을 받았으나, 950 K를 초과하는 경우 S/C 비에 대해서 무관한 경향을 보였다. 2A and 2B, the conversion rate of methane was influenced by the S / C ratio at a temperature of 950 K or less, but it was independent of the S / C ratio when it exceeded 950 K.

도 2c에서 수소/일산화탄소 선택도는 온도에 따라 감소하였으나, S/C 비에 따라서 증가하였다. 반면, 도 2d에서 일산화탄소 선택도는 온도에 따라 감소하였으며, S/C 비에 따라서도 감소하였다. In FIG. 2C, the hydrogen / carbon monoxide selectivity decreased with temperature, but increased with the S / C ratio. On the other hand, in FIG. 2d, the selectivity of carbon monoxide decreased with the temperature and decreased with the S / C ratio.

개질용 촉매의 메탄 전화율과 일산화탄소 선택도는 종래의 5 중량%의 로듐-페로브스카이트(Rh-perovskite) 촉매와 비교했을 때 크게 증가되었음을 확인하였으며, 본 발명에서 사용된 개질용 촉매는 팔라듐과 로듐을 촉매층에 오직 1.31 중량%만 함유하고 있었다. The methane conversion rate and the carbon monoxide selectivity of the reforming catalyst were significantly increased as compared with the conventional Rh-perovskite catalyst of 5 wt%, and the reforming catalyst used in the present invention was palladium Rhodium was contained only in the catalyst layer at only 1.31 wt%.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응 시간에 따른 촉매 안정성을 메탄 전화율로 나타낸 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응 시간에 따른 촉매 안정성을 수소/일산화탄소 선택도로 나타낸 그래프이며, 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 GHSV 8500/h에서 SMR 반응 시간에 따른 촉매 안정성을 일산화탄소 선택도로 나타낸 그래프이다.FIG. 3A is a graph showing the catalyst stability according to the SMR reaction time at a GHSV of 8500 / h of a palladium-rhodium-containing reforming catalyst according to an embodiment of the present invention, in terms of methane conversion rate, and FIG. FIG. 3C is a graph showing catalyst stability according to SMR reaction time at GHSV 8500 / h of the palladium-rhodium-containing reforming catalyst according to the embodiment of the present invention. FIG. 8500 / h showing the catalyst stability according to the SMR reaction time in terms of carbon monoxide selection.

도면을 확인하면, 1073 K에서 48시간 동안 GHSV 8500/h에서 SMR 반응을 수행하였을 때 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매는 SMR 반응에 있어서 높은 안정성을 나타내었으며, 이 반응 조건에서 S/C 비를 2.5에서 3.5까지 변화시켜도 촉매 안정성에 별 다른 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. When the SMR reaction was carried out at 1073 K for 48 hours at a GHSV of 8500 / h, the palladium-rhodium-containing reforming catalyst showed a high stability in the SMR reaction, and the S / C ratio was 2.5 To 3.5 showed no significant effect on the catalyst stability.

제조된 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 준비한 니켈-산화알루미늄(Ni-Al2O3) 촉매(BASF) 및 루테늄-산화알루미늄(Ru-Al2O3) 촉매(Sud-Chemie)를 서로 비교하기 위하여 촉매의 활성, 생성물 선택도 및 촉매 안정성을 측정하였다. 촉매가 충전된 관형 반응기의 운전 조건은 GHSV 8500/h이고, S/C 비는 2.5 이였다.(Ni-Al 2 O 3 ) catalyst (BASF) and ruthenium-aluminum oxide (Ru-Al 2 O 3 ) catalyst (Sud-Chemie) prepared as described above were compared with each other Catalyst activity, product selectivity and catalyst stability were measured. The operation conditions of the tubular reactor filled with the catalyst were GHSV 8500 / h and S / C ratio was 2.5.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 상용 촉매의 반응 온도에 따른 메탄 전화율을 나타낸 그래프이고, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 상용 촉매의 반응 온도에 따른 수소/일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이며, 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 상용 촉매의 반응 온도에 따른 일산화탄소의 선택도를 나타낸 그래프이다. FIG. 4A is a graph showing the conversion of methane to methanol according to the reaction temperature between the catalyst for reforming palladium-rhodium and the catalyst according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 4C is a graph showing the selectivity of hydrogen / carbon monoxide according to the reaction temperature between the catalyst and the commercial catalyst, FIG. 4C is a graph showing the selectivity of carbon monoxide according to the reaction temperature of the palladium- Fig.

도 4a를 확인하면, 반응 온도를 923 K에서 1023 K까지 증가시키며 모든 촉매에 대해 메탄 전화율을 측정하였다. 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매는 1023 K에서 거의 수렴된 수준(plateau)의 전화율에 이르렀으나, 니켈-산화알루미늄(Ni-Al2O3) 촉매 및 루테늄-산화알루미늄(Ru-Al2O3) 촉매는 더 높은 온도인 1073 K에서 상기 수준과 동일한 수준의 전화율에 이르렀다. Referring to FIG. 4A, the methane conversion rate was measured for all the catalysts, increasing the reaction temperature from 923K to 1023K. The palladium-rhodium-containing reforming catalyst reached a conversion rate of almost plateau at 1023 K, but the catalysts of nickel-aluminum oxide (Ni-Al 2 O 3 ) and ruthenium-aluminum oxide (Ru-Al 2 O 3 ) The catalyst reached the same level of conversion as above at the higher temperature of 1073K.

반응 온도가 증가할수록 SMR 반응에 있어서, CH4 + H2O → 3H2 + CO 반응, CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 및 CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO 반응의 평형이 오른쪽으로(생성물 쪽으로)이동하였고, 결과적으로 수소, 일산화탄소의 생산량 및 메탄의 전화율이 증가되었다. As the reaction temperature increases, in the SMR reaction, CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO reaction, CH 4 + 2H 2 O → equilibrium of 4H 2 + CO 2 and CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO shifts to the right (toward product), resulting in increased production of hydrogen, carbon monoxide and methane conversion.

팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매보다 923 K에서부터 1073 K의 온도 범위에서 메탄의 전화율이 높았으며, 특히 1073 K에서의 메탄 전화율이 니켈-산화알루미늄 촉매의 경우 93.7 %, 루테늄-산화알루미늄 촉매는 94.9 %임에 반하여 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매는 97.2 %로 높게 나타났다.The catalysts for the reforming of palladium-rhodium-containing fuel showed higher conversion rates of methane from 923 K to 1073 K than nickel-aluminum oxide catalysts and ruthenium-aluminum oxide catalysts, 93.7%, and ruthenium-aluminum oxide catalyst was 94.9%, while that of palladium-rhodium-containing reforming catalyst was as high as 97.2%.

팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 높은 활성은 워시코팅된 촉매층의 작은 입자 크기로 인하여 세공 내 확산(pore diffusion)의 제한이 없기 때문이다. The high activity of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst is due to the small particle size of the washcoated catalyst layer and there is no restriction of pore diffusion.

도 4b에서는, 923 K에서부터 1023 K의 온도 범위에서 시험된 모든 촉매의 수소/일산화탄소 선택도가 온도 상승에 따라서 감소되는 것을 확인하였다. 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 온도가 1023 K를 초과하는 경우 상기 선택도가 거의 무시할만할 정도로 감소한 반면에, 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매는 온도가 1023 K를 초과하여도 상기 선택도가 계속하여 감소하는 경향을 보였다. In Figure 4b, the hydrogen / carbon monoxide selectivity of all catalysts tested in the temperature range of 923 K to 1023 K was found to decrease with increasing temperature. The nickel-aluminum oxide catalyst and the ruthenium-aluminum oxide catalyst have a tendency to decrease the selectivity even when the temperature exceeds 1023 K, while the catalyst for the palladium-rhodium-containing fuel reforming has a negligible decrease in the selectivity when the temperature exceeds 1023 K The selectivity tends to decrease continuously.

1023 K에서 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 수소/일산화탄소 선택도가 5.70 이였으며, 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매는 상기 선택도가 각각 5.50 및 6.03이였다.The hydrogen / carbon monoxide selectivity of the palladium-rhodium-containing reforming catalyst at 1023 K was 5.70, and the selectivities of the nickel-aluminum oxide catalyst and the ruthenium-aluminum oxide catalyst were 5.50 and 6.03, respectively.

도 4c에 의하면, 일산화탄소의 선택도는 상기 수소/일산화탄소 선택도와 동일한 온도 범위에서 온도에 따라 증가하였으며, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 경우 일산화탄소 선택도가 1023 K에서 안정상태(plateau)에 도달하였다. 923 K와 973 K에서, 수성 가스 변환 반응에 의한 일산화탄소 전화율은 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매를 사용하는 경우 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매에 비하여 작았으며, 일산화탄소는 CH4 + H2O → 3H2 + CO 및 CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO의 반응에서부터 생성되는 한편으로, 수증기에 의해 비교적 낮은 온도에서 이산화탄소로 변환(water gas shift)되었다. 또한 고온에서는 상기 수성 가스 변환 반응의 역반응에 의해서 이산화탄소로부터 일산화탄소로 변환되었다. According to FIG. 4C, the selectivity of carbon monoxide was increased with temperature in the same temperature range as the hydrogen / carbon monoxide selectivity, and in the case of the catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel, the selectivity of carbon monoxide reached plateau at 1023 K Respectively. At 923 K and 973 K, the carbon monoxide conversion rate by the water gas conversion reaction was smaller than that of the nickel-aluminum oxide catalyst and the ruthenium-aluminum oxide catalyst when the palladium-rhodium-containing reforming catalyst was used. Carbon monoxide was CH 4 + H 2 O Which is produced from the reaction of 3H 2 + CO and CH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO, while being converted to carbon dioxide at a relatively low temperature by water vapor. Also, at high temperature, it was converted from carbon dioxide to carbon monoxide by the reverse reaction of the water gas conversion reaction.

1073 K에서 일산화탄소의 선택도는 니켈-산화알루미늄 촉매가 0.66, 루테늄-산화알루미늄 촉매가 0.64이고, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 경우 0.62이었다. The selectivity of carbon monoxide at 1073 K was 0.66 for the nickel-aluminum oxide catalyst, 0.64 for the ruthenium-aluminum oxide catalyst, and 0.62 for the palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst.

따라서 1073 K에서 유입된 메탄의 단위 몰당 수소 생산량은 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 경우 3.16이고, 니켈-산화알루미늄 촉매는 2.72이며, 루테늄-산화알루미늄 촉매는 3.06이었으므로, SMR 반응에서 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매를 사용하는 경우 상용 촉매들에 비해서 수소 생산량이 크게 증가된 것을 확인하였다. Therefore, the amount of hydrogen produced per mole of methane introduced at 1073 K was 3.16 for the palladium-rhodium-containing reforming catalyst, 2.72 for the nickel-aluminum oxide catalyst and 3.06 for the ruthenium-aluminum oxide catalyst, When the fuel reforming catalyst was used, it was confirmed that the hydrogen production was greatly increased as compared with the commercial catalysts.

도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 1023 K, S/C 비 2.5, GHSV 2000/h에서 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 상용 촉매들의 반응 시간에 따른 SMR 반응의 메탄 전화율을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 반응 조건에서 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 상용 촉매들의 반응 시간에 따른 수소/일산화탄소 선택도를 나타낸 그래프이며, 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 반응 조건에서 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 상용 촉매들의 반응 시간에 따른 일산화탄소 선택도를 나타낸 그래프이다. FIG. 5A is a graph showing the methane conversion rate of SMR reaction according to the reaction time of palladium-rhodium-containing reforming catalyst and commercial catalysts at 1023 K, S / C ratio of 2.5 and GHSV 2000 / h according to an embodiment of the present invention, FIG. 5B is a graph showing hydrogen / carbon monoxide selectivity according to the reaction time of a palladium-rhodium-containing reforming catalyst and a commercial catalyst under the reaction conditions according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 2 is a graph showing carbon monoxide selectivity according to the reaction time of a palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and a commercial catalyst under the above reaction conditions.

시험된 촉매들의 안정성을 1023 K, S/C 비 2.5, GHSV 2000/h의 기준 반응 조건에서 200시간 동안 비교한 결과, 도 5a를 참조하면 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 SMR 반응의 메탄 전화율에 있어서 96.7%를 나타내어, 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매의 메탄 전화율 86.9% 및 89.4%보다 매우 높았다.The stability of the tested catalysts was compared for 200 hours under reference conditions of 1023 K, S / C ratio of 2.5 and GHSV 2000 / h. Referring to FIG. 5a, the palladium- rhodium- , Which is higher than the methane conversion of 86.9% and 89.4% of the nickel-aluminum oxide catalyst and the ruthenium-aluminum oxide catalyst, respectively.

도 5b는 반응 시간에 따른 수소/일산화탄소 선택도의 변화 추세를 나타낸 그래프로서 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 니켈-산화알루미늄 촉매는 반응 초기에 높은 값을 나타내었으며, 24 시간 경과 후 낮아져서 정상 상태에 이르렀으며, 루테늄-산화알루미늄 촉매는 시험 초기부터 일정한 정상 상태를 유지하였다. FIG. 5B is a graph showing a change in hydrogen / carbon monoxide selectivity with respect to the reaction time. As shown in FIG. 5B, the palladium-rhodium containing reforming catalyst and the nickel-aluminum oxide catalyst showed high values at the initial stage of the reaction, And the ruthenium-aluminum oxide catalyst maintained a steady state from the beginning of the test.

안정화된 수소/일산화탄소 선택도는 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매가 6.3이고, 니켈-산화알루미늄 촉매가 5.8이며, 루테늄-산화알루미늄 촉매는 7.3이었다. The stabilized hydrogen / carbon monoxide selectivity was 6.3 for the palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst, 5.8 for the nickel-aluminum oxide catalyst, and 7.3 for the ruthenium-aluminum oxide catalyst.

도 5c에 의하면, 니켈-산화알루미늄 촉매는 일산화탄소 선택도에 있어서 시험 초기의 일과성(transiency)을 나타내었다. 시험 초기의 낮은 선택도은 24 시간이 경과된 이후 높아져서 안정된 상태가 되었다. 반면에 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매와 루테늄-산화알루미늄 촉매는 시험이 지속된 시간 동안 정상상태의 일산화탄소 선택도를 보여주었다.According to FIG. 5c, the nickel-aluminum oxide catalyst exhibited transientness at the initial stage of the test for carbon monoxide selectivity. The low selectivity at the beginning of the test was elevated and stabilized after 24 hours. On the other hand, the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst and the ruthenium-aluminum oxide catalyst showed steady-state carbon monoxide selectivity over the duration of the test.

안정화된 일산화탄소 선택도는 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 경우 0.59이고, 루테늄-산화알루미늄 촉매 및 니켈-산화알루미늄 촉매의 경우 각각 0.52 및 0.62이었다. The selectivity for carbon monoxide stabilization was 0.59 for the palladium-rhodium containing fuel reforming catalyst and 0.52 and 0.62 for the ruthenium-aluminum oxide catalyst and the nickel-aluminum oxide catalyst, respectively.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 SMR 반응에 의한 개질가스의 조성을 반응 온도에 따라서 나타낸 그래프이다. FIG. 6 is a graph showing the composition of a reformed gas according to an SMR reaction of a palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst according to an embodiment of the present invention, according to a reaction temperature.

GHSV 2000/h, S/C 비 2.5의 반응 조건에서 건식 기준(dry basis)으로 개질가스의 조성을 923 K에서부터 1023 K 범위에서 확인하면, 온도가 증가함에 따라서 메탄의 조성은 감소하는 반면, 수소 및 일산화탄소의 조성은 증가하였다. 같은 온도 범위에서 CO2의 조성은 눈에 띠게 변화되지는 않았다.The composition of the reformed gas is shown from 923 K to 1023 K on a dry basis under the conditions of GHSV 2000 / h and S / C ratio of 2.5. The composition of methane decreases with increasing temperature, The composition of carbon monoxide increased. At the same temperature range, the composition of CO 2 was not noticeably changed.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

CH4 ↔ C + 2H2 CH 4 ↔ C + 2H 2

SMR 반응으로부터 고체탄소물질의 생성은 반응식 2가 흡열 반응이고 메탄의 탈수소화로 인한 고체탄소물질의 생성을 나타내므로, 상기 반응은 메탄의 총괄 전화율이 높은 고온의 반응 조건에서 더 유리한 경향을 나타내는 것으로 알려진다. The formation of the solid carbon material from the SMR reaction is more favorable under high temperature reaction conditions where the overall conversion of methane is high since Scheme 2 is an endothermic reaction and the formation of solid carbon material due to the dehydrogenation of methane It is known.

[반응식 3][Reaction Scheme 3]

2CO ↔ C + 2CO2 2CO ↔ C + 2CO 2

CO + H2 ↔ C + H2O CO + H 2 ↔ C + H 2 O

CH4 + 2CO ↔ 3C + 2H2O CH 4 + 2CO ↔ 3C + 2H 2 O

CO2 + 2H2 ↔ C + 2H2O CO 2 + 2H 2 ↔ C + 2H 2 O

반응식 3은 일산화탄소 또는 수소를 소비하는 발열 반응에 의한 고체탄소물질의 생성을 나타낸 것이며, 상기 반응은 메탄의 총괄 전화율이 낮은 저온의 반응 조건에서더 유리한 경향을 나타내는 것으로 알려진다. Scheme 3 shows the production of a solid carbon material by an exothermic reaction that consumes carbon monoxide or hydrogen and the reaction is known to exhibit a more favorable tendency at low temperature reaction conditions where the overall conversion of methane is low.

온도가 증가함에 따라 반응식 2의 평형 상수는 증가하고 반응식 3의 평형 상수는 감소하므로, 고체탄소물질의 총괄 생성 정도(extent)는 온도에 대한 함수인 깁스 자유 에너지(Gibbs free energy) 변화에 따라 상기 반응식 2와 반응식 3에 해당되는 반응들의 개별적인 기여 부분의 합으로 결정된다. 낮은 온도에서는 다양한 반응 경로에 의해 고체탄소물질이 생성되는 반면, 높은 온도에서는 반응식 2에 의한 고체탄소물질 생성이 두드러지고 반응식 3에 의한 고체탄소물질 생성은 미약해진다.As the temperature increases, the equilibrium constant of Equation (2) increases and the equilibrium constant of Equation (3) decreases, so that the overall extent of solid carbon material is determined by the Gibbs free energy change as a function of temperature Lt; / RTI &gt; is determined by the sum of the individual contributions of the reactions corresponding to Scheme 2 and Scheme 3. At low temperatures, solid carbon materials are produced by various reaction paths, whereas at high temperatures, the formation of solid carbon materials by Scheme 2 is prominent and the production of solid carbon materials by Scheme 3 becomes weak.

GHSV 2000/h, S/C 비 2.5의 반응 조건에서 탄소 물질 수지 자료를 4가지의 반응 온도에서 산출하여 총괄 고체탄소물질 생성을 추산한 결과, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 사용에 의해 SMR 반응으로부터 생성되는 고체탄소물질의 비율은 923 K, 973 K, 1023 K 및 1073 K에서 각각 메탄 유입량의 6.22%, 16.07%, 12.88% 및 7.34% 이었다. GHSV 2000 / h, and S / C ratio of 2.5, the total solid carbon material production was estimated at four reaction temperatures. As a result, it was found that the use of palladium-rhodium- The proportions of solid carbon material resulting from the reaction were 6.22%, 16.07%, 12.88% and 7.34% of the methane influx at 923 K, 973 K, 1023 K and 1073 K, respectively.

메탄 전화율이 상대적으로 낮은 923 K에서는 상기 반응식 2 및 반응식 3에 의한 고체탄소물질 생성이 미약하였고, 반응 온도의 증가에 따라 메탄 전화율이 증가되고 반응식 2의 반응이 반응식 3의 반응보다 더 유리하게 되어 973 K 내지 1023 K 부근에서 고체탄소물질 생성이 최대치를 나타내었다. 고체탄소물질 생성이 상기 최대치를 경과한 1023 K 보다 높은 온도에서는 상기 반응식 2가 유리하더라도 그러한 반응 경로에 배당될 수 있는 메탄이 상대적으로 작아서 고체탄소물질 생성은 오히려 감소되었다. At 923 K, which is a relatively low methane conversion rate, the formation of solid carbon material according to the reaction formula 2 and the reaction formula 3 was weak. As the reaction temperature increased, the methane conversion rate increased and the reaction of the reaction formula 2 became more advantageous than the reaction of the reaction formula 3 The production of solid carbon material showed a maximum at around 973K to 1023K. At a temperature above 1023 K at which the formation of solid carbon material has exceeded the maximum value, even if Reaction Scheme 2 is advantageous, the amount of methane that can be allocated to such a reaction path is relatively small, and the production of solid carbon material is rather reduced.

아래의 표 2는 SMR 반응 전후 연료개질용 촉매의 비표면적을 나타낸 것이다. 괄호 안의 값들은 귀금속-산화물 복합체로 이루어진 촉매층의 비표면적에 해당된다. Table 2 below shows the specific surface area of the fuel reforming catalyst before and after the SMR reaction. The values in parentheses correspond to the specific surface area of the catalyst layer made of noble metal-oxide complex.

[표2][Table 2]

Figure pat00006
Figure pat00006

팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매, 니켈-산화알루미늄 촉매 및 루테늄-산화알루미늄 촉매의 시료는 각각 1023 K, S/C 비 2.5, GHSV 2000/h에서 200 시간 동안 SMR 반응을 시험한 후 촉매의 특성 분석에 사용되었다. 반응 전 상태와 비교하여 반응 후 촉매의 비표면적은 니켈-산화알루미늄 촉매의 경우 71 % 만큼 감소되었고 루테늄-산화알루미늄 촉매는 30% 만큼 감소된 반면, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 다만 12 %만 감소되었다. Samples of palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst, nickel-aluminum oxide catalyst and ruthenium-aluminum oxide catalyst were tested for SMR reaction for 200 hours at 1023 K, S / C ratio of 2.5 and GHSV 2000 / It was used for analysis. The specific surface area of the catalyst after the reaction was reduced by 71% for the nickel-aluminum oxide catalyst and by 30% for the ruthenium-aluminum oxide catalyst compared to the pre-reaction condition, while the catalyst for the palladium- .

상기 비표면적 측정 자료는 금속 폼에 담지된 팔라듐-로듐 함유 촉매층이 열수 반응 환경에서 귀금속-산화물 복합체 성분인 이산화지르코늄(ZrO2)의 영향으로 인하여 상용 SMR 촉매보다 매우 안정적임을 나타내었다. 더우기 상기 반응 조건에서 SMR 반응을 200 시간 동안 지속하여도 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 활성이 조금도 저하되지 않았다.The specific surface area measurement data show that the palladium-rhodium-containing catalyst layer supported on the metal foam is more stable than the commercial SMR catalyst due to the influence of zirconium dioxide (ZrO 2 ), which is a noble metal-oxide composite component in a hydrothermal reaction environment. Furthermore, even if the SMR reaction was continued for 200 hours under the reaction conditions, the activity of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst did not decrease at all.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 SMR 반응 시험에 사용된 연료개질용 촉매의 SEM 이미지이다. 도 9의 (a)와 (b)에 의하면, 니켈-산화알루미늄 촉매는 표면이 소성되어 부분적으로 응집된 입자가 생성된 것이 명확하게 나타났다. (c)와 (d)에 의하면, 루테늄-산화알루미늄 촉매의 표면에서도 상기의 소성이 확인되었다. 상기 표면 형태의 변화는 이들 촉매의 비표면적 감소와도 일치한다. 9 is an SEM image of the catalyst for reforming the fuel used in the SMR reaction test according to an embodiment of the present invention. 9 (a) and 9 (b), the nickel-aluminum oxide catalyst clearly showed that the surface was calcined to form partially agglomerated particles. (c) and (d), the firing was confirmed also on the surface of the ruthenium-aluminum oxide catalyst. The change in surface morphology is consistent with the specific surface area reduction of these catalysts.

(e)와 (f)에 의하면, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 개방된 통공(cavity)의 크기가 반응 전 400 내지 450 ㎛이었는데, 반응 후에도 그 크기의 실질적인 변화가 감지되지 않았다. (g), (h) 그리고 (i)에 의하면, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 표면 구조는 촉매 안정성 시험을 위한 반응의 실시 이후에도 별 다른 변화가 감지되지 않았다. 다만 (h)에서 확인되는 바와 같이 반응 후 상기 개질용 촉매의 5 % 정도에 해당하는 표면에서 거미줄과 같은 고체탄소물질의 침적이 발견되었다. (e) and (f), the size of the open cavity of the catalyst for the modification of the palladium-rhodium-containing fuel was 400 to 450 탆 before the reaction, and no substantial change in its size was detected after the reaction. (g), (h) and (i), the surface structure of the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst did not notice any change even after the reaction for the catalyst stability test was carried out. However, as shown in (h), deposition of a solid carbon material such as a spider web was found on the surface corresponding to about 5% of the reforming catalyst after the reaction.

(g)는 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매의 반응 전 표면을 나타내고, (h)는 반응 후 촉매 표면의 약 25% 정도가 고체탄소물질로 덮여 있음을 보여준다. (i)는 반응 후 촉매 표면의 약 75% 정도에는 고체탄소물질이 침적되지 않았음을 나타낸다.(g) shows the surface before the reaction of the palladium-rhodium-containing reforming catalyst, and (h) shows that about 25% of the catalyst surface after the reaction is covered with the solid carbon material. (i) indicates that solid carbon material is not deposited on the surface of the catalyst after about 75% of the catalyst surface.

상기 연료개질용 촉매 표면에 침적된 고체탄소물질은 마이크로 채널구조 반응기의 가스개질부와 연소부를 각각 흐르는 반응 기체 흐름을 서로 교환함으로써 쉽게 제거할 수 있어서, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매를 SOFC 시스템에 적용하기 매우 편리하다.The solid carbon material immersed in the surface of the fuel reforming catalyst can be easily removed by exchanging the reactant gas streams flowing through the gas reforming section and the combustion section of the microchannel structure reactor, so that the catalyst for reforming palladium- It is very convenient to apply to.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매의 TEM 이미지이다. 귀금속과 산화물이 복합체로 형성되어 워시코팅된 금속 폼에 있어서, 귀금속 입자들의 결정성과 산화물의 형태를 확인하기 위해 투과전자현미경을 사용하여 표면 상태를 관찰하였다.10 is a TEM image of a catalyst for reforming palladium-rhodium containing fuel according to an embodiment of the present invention. In order to confirm the crystallinity of noble metal particles and the shape of oxides on the metal foam with noble metal and oxide composite formed by wash coating, the surface state was observed using transmission electron microscope.

도 10에 의하면, 촉매 안정성 시험을 위한 반응 이후에도 표면 형태에 있어서 감지할만한 변화가 발생하지 않았다. 귀금속 입자들의 분산도를 관찰한 결과, 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매는 반응 전 평균 2.6㎚ 크기의 입자로 38.5 % 분산되어 있었으며, 200 시간의 안정성 평가 시험 이후에는 분산도가 30 %로 감소되었다. 10, no appreciable change in surface morphology occurred after the reaction for the catalyst stability test. As a result of observation of the degree of dispersion of the noble metal particles, the catalyst for reforming containing palladium-rhodium was dispersed in 38.5% of particles having an average size of 2.6 nm before the reaction, and the dispersion degree was reduced to 30% after 200 hours of the stability evaluation test.

아래의 표 3은 촉매 안정성 평가에 사용된 연료개질용 촉매의 반응 전후 세공 크기와 부피 변화를 나타낸 것이다. 괄호 안의 값들은 금속 폼에 지지된 촉매층의 단위 질량당 세공 부피를 나타낸다. Table 3 below shows the pore size and volume change before and after the reaction of the fuel reforming catalyst used in the evaluation of the catalyst stability. The values in parentheses represent the pore volume per unit mass of the catalyst layer supported on the metal foam.

[표 3][Table 3]

Figure pat00007
Figure pat00007

촉매 안정성 평가를 위한 반응에서 평균 세공 크기는 증가되었고 평균 세공 부피는 감소되었는데, 이것은 비표면적 및 표면 형태를 측정한 결과와도 일치한다.In the reaction for the evaluation of the catalyst stability, the average pore size was increased and the average pore volume was reduced, which is consistent with the results of the measurement of the specific surface area and surface morphology.

산화알루미늄 본체에 의하여 지지되는 니켈 및 루테늄 촉매와 비교해 보면, 금속 폼에 지지된 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 SMR 반응에 의한 세공 크기와 부피 변화가 상대적으로 작았으며, 상기 촉매층에서 산화지르코늄이 촉매 안정성에 기여하고 있음을 설명한다.
Compared with the nickel and ruthenium catalyst supported by the aluminum oxide body, the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst supported on the metal foam had a relatively small pore size and volume change due to the SMR reaction, and the zirconium oxide And contributes to the catalyst stability.

2. 마이크로 채널구조 반응기 실험자료에 의한 2. Microchannel structure reactor Based on experimental data 연료개질용For fuel reforming 촉매의 성능 분석 Performance analysis of catalyst

표 4는 SMR 반응과 연소반응에 각각 사용된 모사가스의 조성 및 유량을 나타낸 것이다. 괄호 안의 값들은 각각의 모사가스 흐름을 구성하는 성분들의 분율을 %로 나타낸 것이다. Table 4 shows the composition and flow rates of the simulated gases used for the SMR reaction and the combustion reaction, respectively. The values in parentheses are percentages of the components that make up each simulated gas stream.

[표 4][Table 4]

Figure pat00008
Figure pat00008

유입되는 흐름의 조성과 유량에 따라 SMR 반응의 모사가스는 Gas-1a에서 Gas-2c까지 구분하였으며, 연소반응의 모사가스는 Gas-3a, 3b, 3c로 구분하였다.The simulated gases of the SMR reaction were classified into Gas-1a to Gas-2c according to the composition and flow rate of the incoming flow, and the simulated gases of the combustion reaction were classified into Gas-3a, 3b and 3c.

아래의 표 5는 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매를 마이크로 채널구조 연료개질기(이하 'HEP') 및 관형 반응기에 각각 장착하여 SMR 반응에 의해 생성되는 개질가스흐름의 유량과 조성을 상호 비교한 것이다. 원료가스로서 Gas-2c를 유입시켜 GHSV 1200/h, 983 K의 조건에서 SMR 반응을 각각 시험하였다.Table 5 below compares the flow rate and composition of the reformed gas stream generated by the SMR reaction by mounting the palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst in a microchannel structure fuel reformer (HEP) and a tubular reactor, respectively. Gas-2c was introduced as a raw material gas, and the SMR reaction was tested under the conditions of GHSV 1200 / h and 983 K, respectively.

[표 5][Table 5]

Figure pat00009
Figure pat00009

HEP 반응기의 경우 SMR 반응이 가스개질부에서 일어나는 동안, 질소 가스를 연소부로 유입시켰으며, 상기 반응 온도에서 메탄 전화율이 HEP 반응기에서 81.5 %, 관형 반응기에서 82 %로 서로 비슷하였으나 생산되는 개질가스의 조성은 조금 차이가 있었다. 관형 반응기의 결과와 비교하면, HEP 반응기에서 생산된 개질가스는 수소와 일산화탄소의 분율이 조금 낮았고 이산화탄소의 분율이 조금 높았다. 반응기에 유입된 메탄의 단위 몰당 생산되는 개질가스의 수소 몰랄 량은 HEP 반응기에서 2.83이었으며, 상기 수소 수율은 관형 반응기의 2.66보다 더 높았다. In the case of the HEP reactor, the nitrogen gas was introduced into the combustion section while the SMR reaction occurred in the gas reforming section. Methane conversion rate was 81.5% in the HEP reactor and 82% in the tubular reactor at the reaction temperature. The composition was slightly different. Compared with the results of the tubular reactors, the reformed gas produced in the HEP reactor had a slightly lower fraction of hydrogen and carbon monoxide, and a slightly higher fraction of carbon dioxide. The hydrogen molar amount of the reforming gas produced per unit mole of methane introduced into the reactor was 2.83 in the HEP reactor and the hydrogen yield was higher than 2.66 in the tubular reactor.

HEP 반응기에서 탄화수소 원료가스의 개질반응과 스택 연도 가스의 연소반응을 통합하여 실험하기 위하여, 다수의 1.1㎜ 두께 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매 스트립을 SMR 반응이 일어나는 가스개질부에 삽입하고, 같은 두께를 가진 다수의 백금-팔라듐 함유 연료개질용 촉매를 연소용 촉매 스트립으로 하여 연소반응이 일어나는 연소부에 삽입하였다. In order to integrate the reforming reaction of the hydrocarbon feed gas and the combustion reaction of the stacked flue gas in the HEP reactor, a plurality of 1.1 mm thick palladium-rhodium-containing fuel reforming catalyst strips were inserted into the gas reforming section where the SMR reaction takes place, Platinum-palladium-containing fuel reforming catalysts having a predetermined thickness were inserted into the combustion zone where the combustion reaction takes place as the combustion catalyst strips.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HEP 반응기 온도에 따른 SMR 반응의 메탄 전화율을 나타낸 그래프인데, 가스개질부에는 SMR 반응의 원료가스를 각각 유입시키고 연소부에는 질소가스를 유입시켰다. SMR 반응 온도에 따른 개질용 촉매의 활성은 관형 반응기에서의 실험 자료와 매우 유사한 거동을 보였다.FIG. 7A is a graph showing the methane conversion rate of the SMR reaction according to the HEP reactor temperature according to another embodiment of the present invention. The raw gas of the SMR reaction is introduced into the gas reforming unit and the nitrogen gas is introduced into the combustion unit. The activity of the reforming catalyst according to the SMR reaction temperature was very similar to the experimental data in the tubular reactor.

도 7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스의 연소 효율을 HEP 반응기 온도에 따른 메탄 산화율로 나타낸 그래프인데, 연소부에는 상기 스택 연도 가스를 각각 유입시키고 가스개질부에는 질소가스를 유입시켰다. 상기 스택 연도 가스의 수소 및 일산화탄소 성분은 각각 상온과 373 K 이하에서 완전하게 연소되었으므로, 연소부에 삽입된 상기 연소용 촉매의 활성은 연소 온도에 따른 메탄 성분의 전화율에 의해 나타내었다. 도 7b에 나타낸 바와 같이 메탄 성분의 연소 반응은 500 K에서 시작되어 850 K 내지 873 K에서 완료되었다.7B is a graph showing the combustion efficiency of the stacked flue gas of the solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention as a methane oxidation rate according to the HEP reactor temperature. The stacked flue gas flows into the combustion unit, Nitrogen gas was introduced. Since the hydrogen and carbon monoxide components of the stacked flue gas were completely burned at room temperature and below 373 K, the activity of the combustion catalyst inserted into the combustion zone was represented by the conversion rate of the methane component according to the combustion temperature. As shown in FIG. 7B, the combustion reaction of the methane component started at 500 K and was completed at 850 K to 873 K.

팔라듐 촉매가 일반적으로 1073 K 이상의 온도에서 쉽게 소성되고 활성을 잃는 경향이 있는 한편, 팔라듐-로듐 함유 연료개질용 촉매는 1000 K 이하에서도 SMR 반응에 대하여 상당히 양호한 활성을 나타내었으므로, HEP 반응기의 통합 운전 온도를 983 K로 정하였다. 상기 온도에서 연소부에서는 백금-팔라듐 함유 연소용 촉매에 의해 SOFC 스택 연도 가스가 완전히 연소되었고, 가스개질부에서는 S/C 비 2.5, GHSV 1200/h 조건에서 Gas-2c를 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매로 반응시켰을 때 SMR 반응에 의한 메탄 전화율이 81.5 %이었다. Palladium catalysts tend to be easily fired and lose activity at temperatures above 1073 K, while palladium-rhodium-containing fuel reforming catalysts exhibit fairly good activity against SMR reactions below 1000 K, The operating temperature was set at 983 K. At this temperature, the SOFC stack flue gas was completely combusted by the platinum-palladium-containing combustion catalyst in the combustion zone, and Gas-2c was reformed in the gas reforming zone at the S / C ratio of 2.5 and GHSV 1200 / When the catalyst was reacted, the conversion rate of methane by SMR reaction was 81.5%.

상기 반응 조건에서 SMR 반응이 SOFC 스택 연도 가스의 연소반응과 연동되어 HEP 반응기에서 200시간 진행되는 동안, 연료개질용 촉매와 연소용 촉매의 성능이 감소되거나 쇠퇴되는 경향을 전혀 보이지 않았다. The performance of the fuel reforming catalyst and the combustion catalyst did not show any tendency to decrease or decline while the SMR reaction coincided with the combustion reaction of the SOFC stack flue gas under the above reaction conditions and proceeded for 200 hours in the HEP reactor.

도 8a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HEP 반응기에서 가스개질부와 연소부의 온도 이력(profile)을 나타낸 그래프이고, 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 HEP 반응기에서 가스개질부와 연소부의 GHSV를 상기 도 8a의 경우에 비하여 각각 2배로 증가시켰을 때의 온도 이력을 나타낸 그래프이다. FIG. 8A is a graph showing a temperature profile of a gas reforming section and a combustion section in a HEP reactor according to another embodiment of the present invention, and FIG. 8B is a graph showing the temperature profile of a gas reforming section and a combustion section in a HEP reactor according to another embodiment of the present invention. 8 is a graph showing the temperature history when the GHSV is doubled as compared with the case of FIG. 8A.

도 8a에 의하면, GHSV 1280/h에서 연소부로 유입되는 Gas-3b가 완전 연소되어 발생되는 반응열은 GHSV 600/h에서 가스개질부로 유입되는 Gas-2b의 SMR 반응에 전달되었다. 도 8b에 의하면, HEP 반응기에서의 GHSV를 각각 2배로 증가시켜 반응을 수행한 경우에도 도 8a와 동일한 온도 이력을 보였다. 상기 두 가지 시험 조건에서 가스개질부의 최대 온도는 공통적으로 983 K이었고, 생산된 개질가스의 조성도 서로 간에 동일하였다. Referring to FIG. 8A, the reaction heat generated by the complete combustion of Gas-3b flowing into the combustion section at GHSV 1280 / h was transferred to the SMR reaction of Gas-2b flowing into the gas reforming section at GHSV 600 / h. According to FIG. 8B, even when the GHSV in the HEP reactor was doubled to perform the reaction, the same temperature history as in FIG. 8A was obtained. Under these two test conditions, the maximum temperature of the gas reformer was 983 K in common, and the composition of the reformed gas produced was the same.

HEP 반응기에서 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매와 백금-팔라듐 함유 연소용 촉매의 일단이 각각 삽입된 공간에서 길이 방향으로 일부 겹치도록 배치되었는데, 연소부의 온도는 교차부위의 모든 영역에서 가스개질부의 온도보다 높았으며, 연소부의 최고 온도는 1005 K이었다. In the HEP reactor, the reforming catalyst containing palladium-rhodium and the catalyst for platinum-palladium-containing combustion were partially overlapped with each other in the lengthwise direction in which the one end thereof was inserted. The temperature of the combustion part was higher than the temperature of the gas reforming part , And the maximum temperature of the combustion zone was 1005K.

아래의 표 6은 HEP 반응기에서 연소부와 가스개질부에서의 반응열과 서로 간의 열전달을 포함한 에너지 수지를 분석한 것이다.Table 6 below analyzes the energy balance including the heat of reaction in the combustion part and the gas reforming part in the HEP reactor and the heat transfer to each other.

[표 6] [Table 6]

Figure pat00010
Figure pat00010

HEP 반응기의 연소부에서 SOFC 스택 연도 가스의 완전 연소에 의해 발생되는 열이 가스개질부로 전달되는데, 이 때 전달되는 에너지는 가스개질부에서 일어나는 SMR 반응에 필요한 반응열보다 더 많은 값에 해당한다. The heat generated by the complete combustion of the SOFC stack flue gas in the combustion section of the HEP reactor is transferred to the gas reforming section where the energy delivered is more than the heat required for the SMR reaction in the gas reforming section.

실제 SOFC 시스템에서 SMR 반응과 SOFC 스택 연도 가스의 연소반응을 HEP 반응기에서 통합하여 운전할 경우 에너지 절약 정도는 상기 표 6에 나타낸 경우보다 더 클 것으로 예상되는데, 그 이유는 연료개질기에 유입되는 스택 연도 가스의 온도가 상기 표 6에 나타낸 경우보다 더 높으며 주변 공간으로 손실되는 에너지가 최소화될 수 있기 때문이다. In the actual SOFC system, when the SMR reaction and the combustion reaction of the SOFC stack flue gas are integrated in the HEP reactor, the energy saving degree is expected to be larger than that shown in Table 6, because the stacked flue gas Is higher than that shown in Table 6 and the energy lost to the surrounding space can be minimized.

따라서 마이크로 채널구조 연료개질기의 가스개질부에서 일어나는 흡열 SMR 반응이 필요로 하는 에너지의 총량은 연소부에서 일어나는 발열 연소반응의 반응열로부터 반응기 내부의 열전달에 의해서 제공될 수 있음을 확인하였고, 이러한 방식의 연료개질기 운전으로 SOFC 공정의 열효율을 향상시킬 수 있음을 입증하였다.Therefore, it has been confirmed that the total amount of energy required by the endothermic SMR reaction occurring in the gas reforming section of the microchannel structure fuel reformer can be provided by heat transfer from the reaction heat of the exothermic combustion reaction occurring in the combustion section, It is proved that the thermal efficiency of the SOFC process can be improved by operating the fuel reformer.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매는 열수 반응인 SMR 반응에서 우수한 활성 및 안정성을 나타내었다. 또한 원료가스의 S/C 비가 2.5일 때 983 K보다 높은 온도에서 메탄 전화율과 수소 생산성이 우수하였다. 마이크로 채널구조 연료개질기에서의 실시예는 상기 촉매의 우수한 성능과 반응기 내부의 열전달 능력으로 인하여 SOFC 연료 개질 공정에 적용될 수 있다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, the palladium-rhodium-containing reforming catalyst showed excellent activity and stability in the SMR reaction as a hydrothermal reaction. Also, when the S / C ratio of the feed gas was 2.5, the methane conversion rate and hydrogen productivity were better than 983 K. The embodiment of the microchannel structure fuel reformer can be applied to the SOFC fuel reforming process owing to the excellent performance of the catalyst and the heat transfer ability inside the reactor.

본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등하게 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the invention has been described with reference to a limited number of embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (9)

금속 폼; 및
상기 금속 폼 상에 형성되고, 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 귀금속과 산화지르코늄(ZrO2), 산화알루미늄(Al2O3) 및 산화세륨(CeO2)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 산화물의 복합체로 이루어진 촉매층을 포함하는 연료개질용 촉매.
Metal foam; And
The metal foam is formed on the palladium (Pd), rhodium (Rh) and platinum group at least one noble metal and zirconium oxide, selected from the consisting of (Pt) (ZrO 2), aluminum oxide (Al 2 O 3) and cerium oxide ( CeO2). &Lt; / RTI &gt;
청구항 1에 있어서, 상기 촉매층은 귀금속 1.00 내지 3.00 중량% 및 산화물 97 내지 99 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료개질용 촉매.The fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the catalyst layer contains 1.00 to 3.00 wt% of noble metal and 97 to 99 wt% of oxide. 청구항 1에 있어서, 상기 귀금속은 팔라듐 : 로듐이 7 : 1 내지 3 : 1의 중량비로 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료개질용 촉매.The fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the noble metal is mixed with palladium: rhodium at a weight ratio of 7: 1 to 3: 1. 청구항 1에 있어서, 상기 귀금속은 백금 : 팔라듐이 2 : 1 내지 1 : 2의 중량비로 혼합되어 연소용 촉매로 사용되는 것을 특징으로 하는 연료개질용 촉매.The fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the noble metal is mixed with platinum: palladium in a weight ratio of 2: 1 to 1: 2 and used as a combustion catalyst. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 폼은 철(Fe), 알루미늄(Al), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료개질용 촉매. The fuel reforming catalyst according to claim 1, wherein the metal foam is made of an alloy of iron (Fe), aluminum (Al), nickel (Ni) and chromium (Cr). 상기 금속 폼을 전처리하고 건조하여 준비하는 단계;
상기 금속 폼을 바인더로 코팅하는 단계;
상기 코팅된 금속 폼 상에 귀금속-산화물 복합체를 워시코팅하는 단계; 및
상기 워시코팅된 금속 폼을 하소하여 바인더를 제거하는 단계를 포함하는 금속 폼을 지지체로 사용하는 연료개질용 촉매 제조방법.
Preparing the metal foam by pre-treating, drying and preparing the metal foam;
Coating the metal foam with a binder;
Wash coating the noble metal-oxide composite on the coated metal foam; And
And calcining the wash-coated metal foam to remove the binder.
일측으로 탄화수소 원료가스 및 수증기(H2O)가 유입되는 원료가스 유입구가 형성되고, 타측으로 개질가스가 배출되는 개질가스 배출구가 형성되는 가스개질부 및 상기 가스개질부와 외주 양면이 면접되고, 일측으로 고체 산화물 연료 전지의 스택 연도 가스가 유입되는 연도가스 유입구가 형성되며, 타측으로 상기 스택 연도 가스가 연소된 후 배출되는 폐가스 배출구가 형성된 연소부를 포함하는 기다란 덕트(duct) 형태의 마이크로 채널구조 연료개질기에 있어서,
내측에 팔라듐-로듐 함유 개질용 촉매가 얇은 스트립(Strip) 형상으로 구비되고, 상기 탄화수소 원료가스 및 수증기를 유입시켜 연료개질용 촉매를 사용하여 개질시켜 배출하는 가스개질부; 및
내측에 백금-팔라듐 함유 연소용 촉매가 얇은 스트립 형상으로 구비되고, 상기 스택 연도 가스를 유입시켜 연소용 촉매를 사용하여 연소시키되, 발생되는 열을 상기 가스개질부에 전달하며, 상기 연소된 스택 연도 가스를 배출하는 연소부를 포함하는 마이크로 채널구조 연료개질기.
A gas reforming part formed with a raw material gas inlet through which hydrocarbon raw material gas and water vapor (H 2 O) are introduced into one side and a reformed gas discharge port through which the reformed gas is discharged to the other side; A micro-channel structure in the form of an elongated duct including a flue gas inlet through which the stacked flue gas of the solid oxide fuel cell is formed and a flue gas outlet through which the stacked flue gas is discharged after being burned to the other side In a fuel reformer,
A gas reforming unit having a palladium-rhodium-containing reforming catalyst in the form of a thin strip and introducing the hydrocarbon feed gas and the steam to reform and discharge the hydrocarbon reforming gas using a catalyst for reforming the fuel; And
Wherein a catalyst for platinum-palladium combustion is provided in the form of a thin strip, and the stacked flue gas is introduced and combusted using a combustion catalyst, and the generated heat is transferred to the gas reforming unit, And a combustion section for exhausting gas.
청구항 7에 있어서, 상기 가스개질부에 유입되는 원료가스와 수증기의 혼합 흐름과 상기 연소부에 유입되는 스택 연도 가스의 흐름 간에 서로 양호한 열교환이 일어나도록, 가스개질부와 연소부가 서로 교차 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널구조 연료개질기. The gas reforming apparatus according to claim 7, wherein the gas reforming unit and the combustion unit are arranged so as to be alternately arranged so that good heat exchange occurs between the mixed flow of the raw material gas and the steam entering the gas reforming unit and the flow of the stacked flue gas flowing into the combustion unit Characterized by a microchannel structure fuel reformer. 청구항 7에 있어서, 상기 가스개질부 및 연소부는 각각 1.5 mm 내지 2.0 mm의 간극을 가지는 좁은 직사각형 단면의 마이크로 채널을 구비하되, 상기 채널들의 내측에 구비되는 연료개질기용 촉매 스트립들은 각각 서로 마주보는 반대편으로부터 구비되어, 연료개질기용 촉매의 일단이 길이 방향으로 연소용 촉매와 일부분 겹치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널구조 연료개질기. The fuel reformer according to claim 7, wherein the gas reforming section and the combustion section each have a microchannel with a narrow rectangular cross section having a gap of 1.5 mm to 2.0 mm, Wherein one end of the catalyst for the fuel reformer is disposed so as to partially overlap with the combustion catalyst in the longitudinal direction.
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