KR20200010898A - Catalyst for steam reforming of low-carbon alcohol and apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of low-carbon alcohol comprising the same - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a catalyst for steam reforming reaction of C1 to C5 low-carbon alcohol, which is in a pellet form, wherein an active material containing at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum, and nickel-lanthanum-cerium is carried on an ordered mesoporous silica (OMS) carrier.

Description

저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매 및 이를 포함하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치{Catalyst for steam reforming of low-carbon alcohol and apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of low-carbon alcohol comprising the same}Catalyst for steam reforming of low-carbon alcohol and apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of low-carbon alcohol containing the same}

본 발명은 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매 및 이를 포함하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a catalyst for steam reforming of low carbon alcohol and an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming of low carbon alcohol including the same.

최근 연료전지가 개발되어 자동차, 건물, 가정 등 다양한 시설의 전기 생산용 장치로서 상용화를 앞두고 있다. 연료전지가 세상의 관심을 받는 이유 중 하나는 기존의 전기 생산방법과는 달리 전기 생산과정에서 환경오염물질이 전혀 배출되지 않기 때문이다. 연료전지로부터 전기를 생산하는 원리는 물의 전기분해와 반대 반응으로 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 만들어 내는 것이다. 따라서 연료전지의 연료인 수소의 제조방법은 어느 때보다 중요해졌다.Recently, fuel cells have been developed and are expected to be commercialized as devices for producing electricity in various facilities such as automobiles, buildings, and homes. One of the reasons that fuel cells attract the world's attention is that, unlike conventional electricity production methods, no environmental pollutants are emitted during electricity production. The principle of producing electricity from fuel cells is to produce electricity and water by reacting hydrogen and oxygen in the opposite reaction to water electrolysis. Therefore, the method of producing hydrogen, which is the fuel of a fuel cell, has become more important than ever.

대표적인 종래의 수소 제조방법은 천연가스나 원유 정제과정에서 발생하는 납사를 수증기 개질하여 생산하는 것이다. 이 방법들은 잘 알려진 상용화된 수소 제조법이긴 하지만 반응물질인 천연가스나 납사가 모두 화석연료이며 이의 수증기 개질 반응과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하게 마련이다. 화석연료 이용과정에서 발생하는 이산화탄소는 지구온난화 원인인 대표적 온실가스로 알려져 있기 때문에 유럽 각국에서는 화석연료에 고가의 탄소세를 부가하고 있으며 탄소배출량 총량제나 탄소배출권 거래제도 등을 도입하여 본격적으로 화석연료의 사용을 제한하고 있다. 이에 따라 신·재생에너지원으로부터 연료전지용 수소를 생산하는 방법에 각국은 연구개발 노력을 기울이고 있다.A typical conventional hydrogen production method is to produce naphtha produced by steam reforming of natural gas or crude oil refining process. These methods are well known commercially available hydrogen production methods, but the reactants, either natural gas or naphtha, are fossil fuels and large amounts of carbon dioxide are generated during the steam reforming reaction. Since carbon dioxide generated from the use of fossil fuels is known as a representative greenhouse gas that is a cause of global warming, countries in Europe add expensive carbon taxes to fossil fuels, and have introduced the total amount of carbon emissions and carbon credit trading system. Restrictions on use. Accordingly, countries are making efforts to develop hydrogen for fuel cells from new and renewable energy sources.

한편, 에탄올, 글리세롤 등의 저탄소 알코올류는 바이오매스와 같은 재생자원으로부터 쉽게 얻을 수는 장점이 있다. 예를 들어, 에탄올은 전분계 바이오매스의 효모발효로부터 고농도 생산이 가능하고, 글리세롤은 팜유 등의 식물성 기름으로부터 바이오디젤을 생산하는 과정에서 부산물로 발생하고 있어 저렴하게 원료확보가 가능하다. 이들 저탄소 알코올류는 어느 지역에서나 생산할 수 있고, 액상으로 저장, 운반이 용이하므로 이로부터 고농도 수소를 생산한다면 연료전지나 소형 가스 발전기 등을 이용한 분산발전이 가능하다. On the other hand, low carbon alcohols such as ethanol and glycerol has an advantage that can be easily obtained from renewable resources such as biomass. For example, ethanol can be produced in high concentration from yeast fermentation of starch-based biomass, and glycerol is generated as a by-product in the process of producing biodiesel from vegetable oils such as palm oil, and thus it is possible to secure raw materials at low cost. These low carbon alcohols can be produced in any region, and can be easily stored and transported in the liquid phase, so that high-density hydrogen can be produced therefrom, and distributed generation using a fuel cell or a small gas generator is possible.

따라서 저탄소 알코올류는 분산발전 원료로서 적합하다. 저탄소 알코올류로부터 고농도의 수소 가스를 얻기 위해서는 수증기 개질 과정이 필요하다. 수증기 개질 반응은 알코올과 물을 촉매 반응시켜 수소와 이산화탄소로 전환하는 반응으로서 상압에서 진행되는 장점이 있으나, 고농도의 수소를 생산하기 위해서는 적절한 촉매가 필요하다. 수증기 개질로부터 생산된 고농도의 수소 가스는 별다른 후처리 없이도 고체산연료전지(SOFC) 등을 이용하여 전기를 생산할 수 있다. Therefore, low carbon alcohols are suitable as a raw material for distributed generation. In order to obtain a high concentration of hydrogen gas from low carbon alcohols, a steam reforming process is required. The steam reforming reaction converts hydrogen and carbon dioxide by catalyzing alcohol and water, but has an advantage of proceeding at atmospheric pressure, but an appropriate catalyst is required to produce high concentration of hydrogen. The high concentration of hydrogen gas produced from steam reforming can produce electricity using a solid acid fuel cell (SOFC) without any post-treatment.

이에, 본 발명자들은 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매 및 이를 포함하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 개발하였으며, 이를 이용하여 수소를 생성할 경우 고농도의 수소 생산이 가능하고, 부산물의 발생을 최소화할 수 있어 별다른 후처리 없이 연료전지에 적용할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have developed a catalyst for steam reforming a low carbon alcohol and a hydrogen gas generating apparatus through a steam reforming reaction of a low carbon alcohol including the same. When hydrogen is generated using this, high concentration of hydrogen can be produced and by-products. The present invention has been found to be able to minimize the occurrence of the present invention and can be applied to a fuel cell without any post-treatment.

특허문헌 1 : 대한민국 등록특허 제10-1052385호Patent Document 1: Republic of Korea Patent No. 10-1052385

본 발명의 목적은 에탄올, 글리세롤 등의 저탄소 알코올류의 수증기 개질로부터 고농도 수소 가스를 생산하는데 효과적인 촉매 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a catalyst effective for producing high concentration hydrogen gas from steam reforming of low carbon alcohols such as ethanol and glycerol, and a method for producing the same.

본 발명의 다른 목적은 부산물에 의한 막힘(plugging) 현상을 방지할 수 있는 수증기 개질 반응을 채용하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 고농도 수소 가스 생성 장치, 이를 이용한 고농도 수소 가스 생성 방법, 및 상기 장치에 연료전지를 추가로 포함하는 연료전지 전기생산 시스템을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is a high-concentration hydrogen gas generating apparatus using a steam reforming reaction of a low carbon alcohol employing a steam reforming reaction that can prevent plugging by a by-product, a method for producing a high concentration hydrogen gas using the same, and the apparatus To provide a fuel cell electricity production system further comprising a fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object, the present invention

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제공한다.An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. Provided is a catalyst for the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohols.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체를 준비하는 단계;Preparing a ordered mesoporous silica (OMS) carrier;

활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 상기 준비된 규칙적인 메조세공 실리카 담체에 분사하여 활성물질을 담지시키는 단계; 및Spraying a solution containing a metal precursor as an active material onto the prepared regular mesoporous silica carrier to support the active material; And

활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a catalyst for steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising the step of forming a regular mesoporous silica carrier carrying the active material into a pellet form.

나아가, 본 발명은Furthermore, the present invention

C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 포함하는 원료 챔버 및 상기 원료를 예열(제1 예열)하기 위한 제1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 원료 공급부; 및A raw material chamber including a raw material chamber including a C 1 to C 5 low carbon alcohol and a first preheater for preheating (first preheating) the raw material; And

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 포함하고, 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 제공한다.An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. comprises a C 1 to C 5 catalyst for steam reforming of a low carbon alcohols, and the reaction unit comprises a reactor for performing steam reforming reaction of the mixture; the steam reforming reaction of the C 1 to a low-carbon alcohols, C 5 containing It provides a hydrogen gas generating device through.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는 연료전지 전기생산 시스템을 제공한다.Provided is a fuel cell electric production system including a hydrogen gas generating apparatus and a fuel cell through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol.

나아가, 본 발명은Furthermore, the present invention

상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 이용하여 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법으로,In the hydrogen gas generating method through the steam reforming reaction of the C1 to C5 low carbon alcohol using the hydrogen gas generating device through the steam reforming reaction of the low carbon alcohol of C 1 to C 5 ,

C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 제1 예열하는 단계;First preheating the raw material comprising C 1 to C 5 low carbon alcohol;

물을 제2 예열하여 수증기를 생성하는 단계;Preheating the water to produce water vapor;

상기에서 생성된 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기를 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계; 및Mixing a raw material and water vapor including the C 1 to C 5 low carbon alcohol generated above to produce a mixture, and continuously introducing the mixture into a reactor; And

상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법을 제공한다.It provides a method for producing hydrogen gas through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising the step of performing a steam reforming reaction of the mixture in the reactor.

본 발명에 따른 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매는 기공이 잘 발달되어 있고 BET 비표면적이 넓을 뿐만 아니라 수증기 개질 반응 환경에서 안정된 구조를 유지하는 규칙적인 메조세공 실리카 담체에 니켈, 니켈-란탄 또는 니켈-란탄-세륨을 담지함으로써 수증기 개질 반응을 촉진하여 고농도 수소 가스를 생성할 수 있다.The catalyst for steam reforming of the low carbon alcohol according to the present invention is nickel, nickel-lanthanum or nickel on a regular mesoporous silica carrier which has well developed pores and a wide BET specific surface area and maintains a stable structure in a steam reforming reaction environment. By supporting lanthanum-cerium, it is possible to promote the steam reforming reaction to generate high concentration hydrogen gas.

또한, 본 발명에 따른 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치는 수증기 개질 반응에서 발생할 수 있는 부산물을 현저히 줄임으로써 장시간 상기 장치를 운영하여도 상기 부산물에 의한 막힘 현상을 방지할 수 있으며, 고농도의 수소를 생성할 수 있다.In addition, the hydrogen gas generating apparatus through the steam reforming reaction of the low carbon alcohol according to the present invention can significantly reduce by-products that can occur in the steam reforming reaction to prevent the clogging by the by-products even if the device is operated for a long time, High concentrations of hydrogen can be produced.

나아가, 상기 생성된 수소는 고농도이기 때문에 연료전지의 연료로서 즉시 사용할 수 있으며, 부산물의 발생이 현저히 적기 때문에 소규모 연료전지용으로 특히 유용하다.Furthermore, the generated hydrogen can be immediately used as fuel of a fuel cell because of its high concentration, and is particularly useful for small-scale fuel cells because the generation of by-products is considerably less.

도 1 및 도 2는 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 나타낸 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 3은 실시예 1 내지 5에서 단계 1 및 단계 2를 수행하는 방법을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 4 및 도 5는 실시예 1 내지 3의 촉매 및 SBA-15 담체를 이용하여 질소 흡착/탈착 실험을 통해 분석한 그래프이고;
도 6은 실시예 1 내지 3의 촉매 및 SBA-15 담체를 이용하여 X-선 회절 분석한 그래프이고;
도 7은 에탄올의 수증기 개질 반응에 미치는 촉매 영향을 나타낸 그래프이고;
도 8은 에탄올의 수증기 개질 반응에서 수소 생성 장치의 운전시간 경과에 따른 촉매별 총가스발생속도를 나타낸 그래프이고;
도 9 내지 11은 글리세롤의 수증기 개질 반응에 미치는 촉매 영향을 나타낸 그래프이고;
도 12는 글리세롤의 수증기 개질 반응에서 총가스발생속도에 미치는 촉매 영향을 운전시간에 따라 나타낸 그래프이다.
1 and 2 are schematic diagrams showing a hydrogen gas generating apparatus through a steam reforming reaction;
3 is a schematic diagram schematically showing a method of performing steps 1 and 2 in Examples 1 to 5;
4 and 5 are graphs analyzed through nitrogen adsorption / desorption experiments using the catalysts of Examples 1 to 3 and SBA-15 carriers;
6 is a graph obtained by X-ray diffraction analysis using the catalyst of Examples 1 to 3 and the SBA-15 carrier;
7 is a graph showing the catalytic effect on the steam reforming reaction of ethanol;
8 is a graph showing the total gas generation rate for each catalyst over the operation time of the hydrogen generating device in the steam reforming reaction of ethanol;
9 to 11 are graphs showing the catalytic effect on the steam reforming reaction of glycerol;
12 is a graph showing the effect of the catalyst on the total gas generation rate in the steam reforming reaction of glycerol according to the operating time.

본 발명은The present invention

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제공한다.An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. Provided is a catalyst for the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohols.

이하, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 촉매는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매로서, 바이오매스와 같은 재생자원으로부터 얻을 수 있는 에탄올, 글리세롤 등의 저탄소 알코올에서 수증기 개질 반응을 통해 고농도의 수소를 생산할 수 있다.The catalyst provided in one aspect of the present invention is a catalyst for the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol, high concentration through the steam reforming reaction in a low carbon alcohol, such as ethanol, glycerol obtained from renewable resources such as biomass Can produce hydrogen.

구체적으로, 본 발명에 따른 상기 규칙적인 메조세공 실리카는 상기 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매에서 담체 역할을 한다. 메조세공 실리카는 높은 표면적을 가질 뿐만 아니라 조형화된 메조세공들을 가지고 있어 고농도의 수소를 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 수증기 개질 반응 환경에서 안정된 구조를 유지하므로 촉매 담체로서 유용하다.Specifically, the regular mesoporous silica according to the present invention serves as a carrier in the catalyst for steam reforming of the low carbon alcohol. Mesoporous silica not only has a high surface area, but also has molded mesopores to produce high concentrations of hydrogen, and is useful as a catalyst carrier because it maintains a stable structure in a steam reforming reaction environment.

이때, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 SBA(Santa Barbara) 시리즈를 사용할 수 있다. 구체적인 일례로는 SBA-15 담체일 수 있다.At this time, the regular mesoporous silica carrier may use SBA (Santa Barbara) series. One specific example may be an SBA-15 carrier.

또한, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 평균 세공 크기가 1 nm 내지 50 nm인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균 세공 크기가 2 nm 내지 10 nm인 것을 사용할 수 있으며, 3 nm 내지 8 nm인 것을 사용할 수 있다. 실리카의 평균 세공 크기가 1 nm 미만인 경우 반응 시 촉매의 구조적 안정성이 떨어지고, 미세 세공의 영역으로 반응 활성이 빨리 떨어질 뿐만 아니라 불균일계 촉매 공정에서 취급하기 힘들다는 문제점이 있으며, 실리카의 세공 평균 크기가 50 nm 초과인 경우 표면적이 작아지기 때문에 촉매의 활성이 떨어진다는 문제점이 있다.In addition, the regular mesoporous silica carrier is preferably used having an average pore size of 1 nm to 50 nm, more preferably may be used having an average pore size of 2 nm to 10 nm, 3 nm to 8 nm may be used. If the average pore size of the silica is less than 1 nm, the structural stability of the catalyst is lowered during the reaction, the reaction activity is quickly dropped to the area of the fine pores, and it is difficult to handle in heterogeneous catalyst process, and the average pore size of the silica is If more than 50 nm there is a problem that the activity of the catalyst is reduced because the surface area is small.

나아가, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 표면적이 100 m2/g 내지 1,500 m2/g인 것을 사용할 수 있으며, 200 m2/g 내지 1,000 m2/g인 것을 사용할 수 있고, 600 m2/g 내지 900 m2/g인 것을 사용할 수 있다. 상기 실리카의 표면적이 100 m2/g 미만인 경우에는 촉매의 분산도가 떨어져 촉매 활성이 낮아진다는 문제점이 있으며, 1,500 m2/g 초과인 경우 촉매 자체의 구조적인 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.Furthermore, the regular mesoporous silica carrier may be used having a surface area of 100 m 2 / g to 1500 m 2 / g, may be used 200 m 2 / g to 1,000 m 2 / g, 600 m 2 / g to 900 m 2 / g can be used. When the surface area of the silica is less than 100 m 2 / g, there is a problem that the catalyst activity is lowered, the catalyst dispersion is lowered, and when the surface area of the silica exceeds 1,500 m 2 / g, there is a problem that the structural stability of the catalyst itself is lowered.

또한, 본 발명에 따른 상기 활성물질은 니켈(Ni), 니켈-란탄(Ni-La) 및 니켈-란탄-세륨(Ni-La-Ce) 중 1종 이상을 포함한다. 본 발명에 따른 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매는 활성물질로서 단일 금속인 니켈을 사용할 수 있고, 니켈 및 란탄을 사용할 수 있으며, 니켈, 란탄 및 세륨을 사용할 수 있다. 저탄소 알코올 중에서도 메탄올, 에탄올과 같은 1가 알코올과 글리세롤과 같은 다가 알코올의 단위 반응은 다를 수 있다. 이때, 본 발명에서는 니켈(Ni), 니켈-란탄(Ni-La) 및 니켈-란탄-세륨(Ni-La-Ce) 중 1종 이상을 포함하는 활성물질을 각 반응물질에 맞게 적용함으로써 고농도의 수소를 생산할 수 있다.In addition, the active material according to the present invention includes at least one of nickel (Ni), nickel-lanthanum (Ni-La) and nickel-lanthanum-cerium (Ni-La-Ce). The catalyst for the steam reforming reaction of the low carbon alcohol according to the present invention may use a single metal nickel as the active material, nickel and lanthanum may be used, and nickel, lanthanum and cerium may be used. Among the low carbon alcohols, the unit reaction between monohydric alcohols such as methanol and ethanol and polyhydric alcohols such as glycerol may be different. At this time, in the present invention, by applying an active material containing at least one of nickel (Ni), nickel-lanthanum (Ni-La) and nickel-lanthanum-cerium (Ni-La-Ce) to each reactant of high concentration Hydrogen can be produced.

상기 활성물질 중 니켈(Ni)의 함량은 전체 촉매에 대하여 10 중량% 내지 30 중량%인 것이 바람직하고, 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있으며, 10 중량% 내지 15 중량%일 수 있다. 상기 활성물질 중 니켈의 함량이 10 중량% 미만인 경우 고농도 수소 생산이 어려운 문제가 있고, 30 중량%를 초과하는 경우 담지되는 금속 함량에 비해 촉매 활성 증가가 저하되어 경제성이 떨어져 바람직하지 못하다.The content of nickel (Ni) in the active material is preferably 10 wt% to 30 wt% with respect to the total catalyst, may be 10 wt% to 20 wt%, and may be 10 wt% to 15 wt%. When the content of nickel in the active material is less than 10% by weight, it is difficult to produce high concentration hydrogen, and when it exceeds 30% by weight, the increase in catalytic activity is lowered compared to the supported metal content, which is not preferable because of economic efficiency.

상기 활성물질 중 란탄(La)의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것이 바람직하고, 5 중량% 내지 8 중량%일 수 있고, 5 중량% 내지 6 중량%일 수 있다.The content of lanthanum (La) in the active material is preferably 5 wt% to 10 wt% with respect to the total catalyst, 5 wt% to 8 wt%, and 5 wt% to 6 wt%.

상기 활성물질 중 세륨의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것이 바람직하고, 5 중량% 내지 8 중량%일 수 있고, 5 중량% 내지 6 중량%일 수 있다.The content of cerium in the active material is preferably 5 wt% to 10 wt% with respect to the total catalyst, 5 wt% to 8 wt%, and may be 5 wt% to 6 wt%.

나아가, 본 발명에 따른 상기 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매는 펠렛 형태인 것이 바람직하다. 일반적으로 분말 형태의 촉매를 적용하나, 본 발명에서는 펠렛 형태의 촉매를 제안한다. 펠렛 형태로 성형된 촉매를 사용함으로써 연속 반응기에 적용하여 고농도의 수소를 생산할 수 있다.Furthermore, the catalyst for steam reforming of the low carbon alcohol according to the present invention is preferably in the form of pellets. Generally, a catalyst in powder form is applied, but the present invention proposes a catalyst in pellet form. By using a catalyst shaped into pellets, it can be applied to a continuous reactor to produce high concentrations of hydrogen.

또한, 본 발명은In addition, the present invention

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체를 준비하는 단계;Preparing a ordered mesoporous silica (OMS) carrier;

활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 상기 준비된 규칙적인 메조세공 실리카 담체에 분사하여 활성물질을 담지시키는 단계; 및Spraying a solution containing a metal precursor as an active material onto the prepared regular mesoporous silica carrier to support the active material; And

활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a catalyst for steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising the step of forming a regular mesoporous silica carrier carrying the active material into a pellet form.

이하, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for preparing a catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention will be described in detail for each step.

먼저, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법은 규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체를 준비하는 단계를 포함한다.First, a method for preparing a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol includes preparing a regular mesoporous silica (OMS) carrier.

구체적으로, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 플로닉(Pluronic) 폴리머인 P-123 및 테트라에틸오쏘실리케이트(TEOS)를 전구체로 사용하여 제조할 수 있다.Specifically, the regular mesoporous silica carrier may be prepared using P-123, which is a Pluronic polymer, and tetraethyl orthosilicate (TEOS) as precursors.

이때, 상기에서 준비되는 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 SBA(Santa Barbara) 시리즈일 수 있으며, 구체적인 일례로는 SBA-15 담체일 수 있다.In this case, the regular mesoporous silica carrier prepared above may be SBA (Santa Barbara) series, and as a specific example, may be SBA-15 carrier.

또한, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 평균 세공 크기가 1 nm 내지 50 nm인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 평균 세공 크기가 2 nm 내지 10 nm인 것을 사용할 수 있으며, 3 nm 내지 8 nm인 것을 사용할 수 있다. 실리카의 평균 세공 크기가 1 nm 미만인 경우 반응 시 촉매의 구조적 안정성이 떨어지고, 미세 세공의 영역으로 반응 활성이 빨리 떨어질 뿐만 아니라 불균일계 촉매 공정에서 취급하기 힘들다는 문제점이 있으며, 실리카의 세공 평균 크기가 50 nm 초과인 경우 표면적이 작아지기 때문에 촉매의 활성이 떨어진다는 문제점이 있다.In addition, the regular mesoporous silica carrier is preferably used having an average pore size of 1 nm to 50 nm, more preferably may be used having an average pore size of 2 nm to 10 nm, 3 nm to 8 nm may be used. If the average pore size of the silica is less than 1 nm, the structural stability of the catalyst is lowered during the reaction, the reaction activity is quickly dropped to the area of the fine pores, and it is difficult to handle in heterogeneous catalyst process, and the average pore size of the silica is If more than 50 nm there is a problem that the activity of the catalyst is reduced because the surface area is small.

나아가, 상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 표면적이 100 m2/g 내지 1,500 m2/g인 것을 사용할 수 있으며, 200 m2/g 내지 1,000 m2/g인 것을 사용할 수 있고, 600 m2/g 내지 900 m2/g인 것을 사용할 수 있다. 상기 실리카의 표면적이 100 m2/g 미만인 경우에는 촉매의 분산도가 떨어져 촉매 활성이 낮아진다는 문제점이 있으며, 1,500 m2/g 초과인 경우 촉매 자체의 구조적인 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.Furthermore, the regular mesoporous silica carrier may be used having a surface area of 100 m 2 / g to 1500 m 2 / g, may be used 200 m 2 / g to 1,000 m 2 / g, 600 m 2 / g to 900 m 2 / g can be used. When the surface area of the silica is less than 100 m 2 / g, there is a problem that the catalyst activity is lowered, the catalyst dispersion is lowered, and when the surface area of the silica exceeds 1,500 m 2 / g, there is a problem that the structural stability of the catalyst itself is lowered.

다음으로, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법은 활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 상기 준비된 규칙적인 메조세공 실리카 담체에 분사하여 활성물질을 담지시키는 단계를 포함한다.Next, the method for preparing a catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention is to spray a solution containing a metal precursor as the active material to the prepared regular mesoporous silica carrier to support the active material. It comprises the step of.

규칙적인 메조세공 실리카 담체에 활성물질을 담지시키기 위한 방법으로 다양한 방법이 존재하지만, 본 발명에서는 초기 습윤법을 사용하였다. 준비된 담체에 금속 전구체를 포함하는 용액을 분사하여 활성물질을 담지시킨다.Various methods exist for supporting the active material on a regular mesoporous silica carrier, but the initial wetting method was used in the present invention. The prepared carrier is sprayed with a solution containing a metal precursor to support the active material.

이때, 상기 금속 전구체는 니켈, 란탄 및 세륨 중 1종 이상의 금속 양이온을 포함하는 금속염일 수 있다. 상기 금속염은 금속 양이온 및 음이온을 포함하고, 상기 음이온은 나이트레이트(nitrate), 하이드록사이드(hydroxide), 아세테이트(acetate), 프로피오네이트(propionate), 아세틸아세토네이트(acetylacetonate), 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄디오네이트(2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate), 메톡사이드(methoxide), 2차-부톡사이드(sec-butoxide), 3차-부톡사이드(3-butoxide), n-프로폭사이드(n-propoxide), i-프로폭사이드(i-propoxide), 에톡사이드(ethoxide), 포스페이트(phosphate), 알킬포스페이트(alkylphosphate), 퍼클로라이트(perchlorate), 설페이트(sulfate), 알킬설포네이트(alkylsulfonate), 페녹사이드(penoxide), 브로마이드(bromide), 아이오다이드(Iodide) 및 클로라이드(Chloride) 등의 음이온 중 1종 이상일 수 있고, 상기 금속염은 수화물일 수 있다.In this case, the metal precursor may be a metal salt containing at least one metal cation among nickel, lanthanum and cerium. The metal salt comprises a metal cation and an anion, the anion is nitrate, hydroxide, acetate, propionate, acetylacetonate, 2,2, 6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate (2,2,6,6-tetramethyl-3,5-heptanedionate), methoxide, secondary-butoxide, 3 Tea-butoxide, n-propoxide, i-propoxide, i-propoxide, ethoxide, phosphate, alkylphosphate, perfer May be at least one of anions such as chlorite, sulfate, alkylsulfonate, phenoxide, bromide, iodide, and chloride; The metal salt may be a hydrate.

상기 활성물질을 담지시키는 단계는 반복 수행하여 활성물질로 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨 중 1종의 활성물질을 담지시킬 수 있다. 구체적인 일례로, 먼저 니켈 양이온을 포함하는 니켈 전구체를 이용하여 실리카 담체에 니켈을 담지시켜 니켈 금속이 활성물질로 담지된 촉매를 제조할 수 있고, 이후 란탄 양이온을 포함하는 란탄 전구체를 이용하여 니켈이 담지된 실리카 담체에 란탄을 담지시켜 니켈-란탄 금속이 활성물질로 담지된 촉매를 제조할 수 있으며, 이후 세륨 양이온을 포함하는 세륨 전구체를 이용하여 세륨이 니켈-란탄이 담지된 실리카 담체에 세륨을 담지시켜 니켈-란탄-세륨 금속이 활성물질로 담지된 촉매를 제조할 수 있다.The supporting of the active material may be repeatedly performed to support one active material of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium as the active material. As a specific example, first, nickel may be supported on a silica carrier using a nickel precursor containing a nickel cation to prepare a catalyst on which a nickel metal is supported as an active material, and then nickel may be formed using a lanthanum precursor containing a lanthanum cation. Lanthanum may be supported on the supported silica carrier to prepare a catalyst on which nickel-lanthanum metal is supported as an active material. Then, cerium is deposited on a nickel-lanthanum-supported silica carrier using a cerium precursor containing a cerium cation. It can be supported to prepare a catalyst on which nickel-lanthanum-cerium metal is supported as an active material.

또한, 상기 활성물질을 담지시키는 단계는 상기 활성물질을 담지시키는 단계는 규칙적인 메조세공 실리카 담체들에 활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 분사하고, 담체들을 혼합하며 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다. The supporting of the active material may further include spraying a solution containing a metal precursor as an active material on regular mesoporous silica carriers, mixing and drying the carriers. Can be.

분사된 용액이 담체 기공 내부에 잘 스며들도록 담체를 혼합할 수 있다. 상기 건조는 상압에서 80℃ 내지 120℃의 온도 범위 또는 90℃ 내지 110℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.The carrier may be mixed such that the injected solution penetrates well into the carrier pores. The drying may be carried out at a temperature range of 80 ℃ to 120 ℃ or a temperature range of 90 ℃ to 110 ℃ at atmospheric pressure.

나아가, 상기 활성물질을 담지시키는 단계를 수행하고난 후 500℃ 내지 700℃의 온도에서 소성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 소성은 550℃ 내지 700℃의 온도에서 수행할 수 있고, 600℃ 내지 650℃의 온도에서 수행할 수 있다.Further, after performing the step of supporting the active material may include the step of firing at a temperature of 500 ℃ to 700 ℃. The firing may be carried out at a temperature of 550 ℃ to 700 ℃, it may be carried out at a temperature of 600 ℃ to 650 ℃.

또한, 상기 활성물질 중 니켈(Ni)의 함량은 전체 촉매에 대하여 10 중량% 내지 30 중량%인 것이 바람직하고, 10 중량% 내지 20 중량%일 수 있으며, 10 중량% 내지 15 중량%일 수 있다. 상기 활성물질 중 니켈의 함량이 10 중량% 미만인 경우 고농도 수소 생산이 어려운 문제가 있고, 30 중량%를 초과하는 경우 담지되는 금속 함량에 비해 촉매 활성 증가가 저하되어 경제성이 떨어져 바람직하지 못하다.In addition, the content of nickel (Ni) in the active material is preferably 10 wt% to 30 wt% with respect to the total catalyst, may be 10 wt% to 20 wt%, may be 10 wt% to 15 wt%. . When the content of nickel in the active material is less than 10% by weight, it is difficult to produce high concentration hydrogen, and when it exceeds 30% by weight, the increase in catalytic activity is lowered compared to the supported metal content, which is not preferable because of economic efficiency.

상기 활성물질 중 란탄(La)의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것이 바람직하고, 5 중량% 내지 8 중량%일 수 있고, 5 중량% 내지 6 중량%일 수 있다.The content of lanthanum (La) in the active material is preferably 5 wt% to 10 wt% with respect to the total catalyst, 5 wt% to 8 wt%, and 5 wt% to 6 wt%.

상기 활성물질 중 세륨의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것이 바람직하고, 5 중량% 내지 8 중량%일 수 있고, 5 중량% 내지 6 중량%일 수 있다.The content of cerium in the active material is preferably 5 wt% to 10 wt% with respect to the total catalyst, 5 wt% to 8 wt%, and may be 5 wt% to 6 wt%.

다음으로, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법은 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계를 포함한다.Next, a method for preparing a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohols includes molding a regular mesoporous silica carrier carrying an active substance into pellets.

전술한 단계를 통해 분말 형태의 촉매가 형성된다. 이때, 본 발명에 따른 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법에서는 분말 형태의 촉매를 펠렛 형태로 성형하는 단계를 포함하며, 최종적으로 펠렛 형태로 성형된 촉매를 연속 반응기에 적용하여 고농도의 수소를 생산할 수 있다.Through the above steps, a catalyst in powder form is formed. At this time, the method for producing a catalyst for the steam reforming reaction of a low carbon alcohol according to the present invention includes the step of molding the catalyst in powder form into pellets, and finally applying the catalyst shaped into pellets to a continuous reactor in a high concentration of hydrogen Can produce

구체적으로, 상기 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계는, 상기 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체, 바인더 및 물을 혼합한 후 압축 성형하여 수행될 수 있다. Specifically, the step of forming the regular mesoporous silica carrier carrying the active material into pellets may be performed by mixing the regular mesoporous silica carrier carrying the active material, the binder, and water, followed by compression molding. have.

상기 바인더는 메틸 셀룰로오스 및 암모늄 지르코늄 카보네이트의 혼합물을 사용할 수 있다. The binder may use a mixture of methyl cellulose and ammonium zirconium carbonate.

상기 혼합은 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체 1 g 대비 바인더로서 메틸 셀룰로오스 10 중량% 내지 15 중량% 및 암모늄 지르코늄 카보네이트 18 중량% 내지 22 중량%를 혼합할 수 있으며, 물은 247 중량% 내지 337 중량% 혼합할 수 있다. 구체적인 일례로, 상기 물은 니켈 금속이 활성물질로 담지된 경우 337 중량% 사용하는 것이 바람직하고, 니켈-란탄-세륨 금속이 활성물질로 담지된 경우 247 중량% 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 담체 10 g을 사용하였을 경우 메틸 셀룰로오스 1.38 g(13.8 중량%), 암모늄 지르코늄 카보네이트 2.08 g(20.8 중량%) 및 물 33.7 g(337 중량%)를 사용할 수 있다.The mixing may be a mixture of 10% to 15% by weight of methyl cellulose and 18% to 22% by weight of ammonium zirconium carbonate as a binder relative to 1 g of the regular mesoporous silica carrier on which the active material is loaded, and water is 247% by weight. To 337 weight percent. As a specific example, the water is preferably used 337% by weight when the nickel metal is supported by the active material, and 247% by weight when the nickel-lanthanum-cerium metal is supported by the active material. For example, when 10 g of the carrier is used, 1.38 g (13.8 wt%) of methyl cellulose, 2.08 g (20.8 wt%) of ammonium zirconium carbonate and 33.7 g (337 wt%) of water can be used.

나아가, 상기 압축 성형을 수행하고난 후, 500℃ 내지 700℃의 온도에서 소성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 소성은 공기 분위기에서 수행될 수 있다.Further, after performing the compression molding, it may further comprise the step of firing at a temperature of 500 ℃ to 700 ℃. The firing may be performed in an air atmosphere.

또한, 본 발명은 In addition, the present invention

C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 포함하는 원료 챔버 및 상기 원료를 예열(제1 예열)하기 위한 제1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 원료 공급부; 및A raw material chamber including a raw material chamber including a C 1 to C 5 low carbon alcohol and a first preheater for preheating (first preheating) the raw material; And

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 포함하고, 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 제공한다.An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. comprises a C 1 to C 5 catalyst for steam reforming of a low carbon alcohols, and the reaction unit comprises a reactor for performing steam reforming reaction of the mixture; the steam reforming reaction of the C 1 to a low-carbon alcohols, C 5 containing It provides a hydrogen gas generating device through.

이하, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.

상기 수소 가스 생성 장치(101)는 크게 원료 공급부(200) 및 반응부(500)를 포함한다.The hydrogen gas generating device 101 largely includes a raw material supply unit 200 and a reaction unit 500.

먼저, 상기 수증기 개질 반응용 원료 공급부(200)는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 포함하는 원료 챔버(220), 상기 원료 챔버로부터 나온 원료에 압을 걸어주는 제1 펌프(240), 및 상기 원료를 예열하기 위한 제1 예열기(260)를 포함한다.First, the raw material supply unit 200 for the steam reforming reaction includes a raw material chamber 220 including a raw material containing C 1 to C 5 low carbon alcohol, and a first pump 240 for applying pressure to the raw material from the raw material chamber. ), And a first preheater 260 for preheating the raw material.

이 때, 상기 원료는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 것으로, 에탄올, 글리세롤 등일 수 있으며, 상기 알코올은 바이오매스로부터 유래되는 것일 수 있다.In this case, the raw material may include C 1 to C 5 low carbon alcohol, may be ethanol, glycerol, etc., the alcohol may be derived from biomass.

또한, 상기 수소 가스 생성 장치(101)는, 물 챔버(320) 및 상기 물을 예열(제2 예열)하기 위한 제2 예열기(360)를 포함하는 수증기 개질 반응용 수증기 공급부(300); 및 상기 원료 공급부(200) 및 수증기 공급부(300)를 통한 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하는 혼합부(400);를 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen gas generating device 101, a steam supply unit 300 for steam reforming reaction including a water chamber 320 and a second preheater 360 for preheating (second preheating) the water; And a mixing unit 400 for generating a mixture of raw material and water vapor including C 1 to C 5 low carbon alcohol through the raw material supply unit 200 and the steam supply unit 300.

상기 수증기 개질 반응용 수증기 공급부(300)는 물 챔버(320), 상기 물 챔버(320)로부터 나온 물에 압을 걸어주는 제2 펌프(340), 및 상기 물을 예열하여 수증기를 발생시키기 위한 제2 예열기(360)를 포함한다.The steam reforming reaction steam supply unit 300 may include a water chamber 320, a second pump 340 which applies pressure to water from the water chamber 320, and a preheating water to generate steam. Two preheaters 360.

이 때, 상기 제2 예열기(360)를 통한 제2 예열은 상기 제1 예열기(260)를 통한 제1 예열보다 고온일 수 있다.In this case, the second preheating through the second preheater 360 may be higher than the first preheating through the first preheater 260.

예를 들어, 상기 제1 예열은 약 200℃ 내지 약 500℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제1 예열이 200℃ 미만에서 수행되는 경우 후공정에서 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 500℃ 초과에서 수행되는 경우 상기 저탄소 알코올의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기(520) 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.For example, the first preheating may be performed at about 200 ° C to about 500 ° C, and preferably at about 250 ° C to about 300 ° C. If the first preheating is performed at less than 200 ° C., the steam reforming reaction of the low carbon alcohol does not occur smoothly in a subsequent process, so that the amount of hydrogen gas may be lowered. When the temperature is higher than 500 ° C., the carbonization of the low carbon alcohol is performed. This can increase the occurrence of by-products such as tar or char. When the generation of the by-products increases, a process for generating hydrogen gas may not proceed smoothly by causing a blockage of the reactor 520 of the apparatus.

반면, 상기 제2 예열은 약 600℃ 내지 약 800℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 650℃ 내지 약 750℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제2 예열이 600℃ 미만에서 수행되는 경우 후공정에서 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 800℃ 초과에서 수행되는 경우 후공정에서 저탄소 알코올의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기(520) 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.In contrast, the second preheating may be performed at about 600 ° C. to about 800 ° C., and preferably at about 650 ° C. to about 750 ° C. If the second preheating is performed at less than 600 ° C., the steam reforming reaction of the low carbon alcohol does not occur smoothly in a later step, so that the hydrogen gas production rate may be lowered. Carbonization can result in increased by-products such as tar or char. When the generation of the by-products increases, a process for generating hydrogen gas may not proceed smoothly by causing a blockage of the reactor 520 of the apparatus.

상기 혼합부(400)는 수증기 개질 반응용 원료 공급부(200) 및 수증기 공급부(300)를 통한 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하며, 상기 혼합물은 연속적으로 상기 반응부(500)로 공급된다. 상기 혼합부(400)는 관연결구(420)를 포함할 수 있으며, 상기 반응부(500)는 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기(520)를 포함한다.The mixing unit 400 generates a mixture of raw material and water vapor containing low carbon alcohol through the steam reforming reaction raw material supply unit 200 and the steam supply unit 300, the mixture is continuously to the reaction unit 500 Supplied. The mixing unit 400 may include a pipe connector 420, and the reaction unit 500 includes a reactor 520 for performing steam reforming of the mixture.

이 때, 상기 원료 및 수증기를 각각 상이한 온도로 예열하여 혼합한 후, 반응기(520)에 공급함으로써 상기 원료의 예열에서 발생할 수 있는 부산물의 발생을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 원료를 우선 약 200℃ 내지 약 500℃로 예열한 뒤 약 600℃ 이상의 고온의 수증기와 혼합하여 즉시 반응기에 투입함으로써 상기 혼합부(400)와 상기 반응부(500) 사이의 관의 길이를 최소화하여 상기 혼합물이 반응부(500)에 투입되기 전에 부산물의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다. 상기 부산물은 주로 상기 저탄소 알코올 원료의 탄화에 의해 생성되는 것으로서 고온일수록 생성량이 높다. 따라서, 상기 유기물 원료의 예열 온도를 500℃ 이하로 제한하는 것이다. 이에, 상기 혼합물이 반응부(500)에 투입되기 전의 온도는 약 250℃ 내지 약 500℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, after preheating and mixing the raw material and the water vapor at different temperatures, and supplying them to the reactor 520, it is possible to minimize the generation of by-products that may occur in the preheating of the raw material. That is, the raw material is first preheated to about 200 ° C to about 500 ° C and then mixed with high temperature water vapor of about 600 ° C or more and immediately put into the reactor by the length of the tube between the mixing unit 400 and the reaction unit 500 By minimizing the amount of by-products before the mixture is introduced into the reaction unit 500 can be significantly reduced. The byproduct is mainly produced by carbonization of the low carbon alcohol raw material, and the higher the temperature, the higher the amount produced. Therefore, the preheating temperature of the organic material raw material is limited to 500 ° C. or less. Thus, the temperature before the mixture is introduced into the reaction unit 500 may be about 250 ℃ to about 500 ℃, but is not limited thereto.

또한, 상기 혼합물의 반응부(500)에 투입되기 전의 압력은 상압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 압력이 상압 초과일 경우, 반응기(520) 내에서 부산물에 의해 막힘 현상이 일어나 압력이 상승된 것일 수 있다.In addition, the pressure before being introduced into the reaction part 500 of the mixture may be atmospheric pressure, but is not limited thereto. When the pressure is higher than the normal pressure, a clogging phenomenon may occur due to byproducts in the reactor 520, and the pressure may be increased.

이때, 상기 반응기(520)는 규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 포함한다. 상기 촉매는 전술한 바와 같으므로 이하에서는 상세한 설명을 생략한다.In this case, the reactor 520 is supported on the ordered mesoporous silica (OMS) carrier active material containing at least one selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium And a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohol, characterized in that the pellet form. Since the catalyst is as described above, a detailed description thereof will be omitted below.

또한, 상기 반응기(520)는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 반응기(520)가 고정층 반응기일 경우 일반적으로 유동층 반응기에 비해 부산물에 의한 반응기 막힘 현상이 자주 일어나는데 본원의 경우 부산물의 발생이 현저히 적으므로 부산물에 의한 상기 막힘 현상을 방지할 수 있다.In addition, the reactor 520 may be a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor, but is not limited thereto. However, when the reactor 520 is a fixed bed reactor, generally, clogging of the reactor by by-products occurs more frequently than the fluidized bed reactor. In this case, the by-products are significantly less generated, and thus the blocking by the by-products can be prevented.

이 때, 상기 반응기(520)에서 배출된 혼합물의 온도는 약 500℃ 내지 약 750℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반응기(520)에서의 반응 후의 상기 혼합물의 온도 상승은 수증기 개질 반응이 진행됨으로써 온도가 상승한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the temperature of the mixture discharged from the reactor 520 may be about 500 ℃ to about 750 ℃, but is not limited thereto. The temperature rise of the mixture after the reaction in the reactor 520 may be, but is not limited thereto, as the temperature is increased by the steam reforming reaction.

상기 수소 가스 생성 장치는 연료전지용으로서 상기 장치에 의하여 생성된 수소는 연료전지의 연료로서 사용될 수 있다.The hydrogen gas generating device is for a fuel cell, and the hydrogen generated by the device can be used as a fuel of a fuel cell.

상기 수소 가스 생성 장치(101)는 상기 반응부(500)에 이어서 냉각부(600) 및 분리부(700)를 추가로 포함할 수 있으나 이제 제한되는 것은 아니다.The hydrogen gas generating device 101 may further include a cooling unit 600 and a separation unit 700 after the reaction unit 500, but is not limited thereto.

이 때, 상기 냉각부(600)는 상기 반응부(500)와 연결될 수 있으며, 냉각기(620)를 포함할 수 있다. 상기 냉각기(620)는 상기 반응부(500)의 반응기(520)를 통하여 배출된 고온의 생성물질을 냉각시킬 수 있다.In this case, the cooling unit 600 may be connected to the reaction unit 500 and may include a cooler 620. The cooler 620 may cool the hot product discharged through the reactor 520 of the reaction part 500.

예를 들어, 상기 냉각기(620)는 상기 생성물질의 온도를 약 20℃ 미만으로 냉각시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the cooler 620 may cool the temperature of the product to less than about 20 ℃, but is not limited thereto.

또한, 상기 분리부(700)는 상기 냉각부(600)와 연결될 수 있으며, 상기 분리부(700)는 분리기(720) 및 유량측정기(740)을 포함할 수 있다. 상기 분리기(720)는 상기 냉각부(600)를 통하여 배출된 생성물질의 상분리를 위한 것으로서 상기 상분리는 액상-기상 분리일 수 있다. 이 때, 상기 상분리가 액상-기상 분리일 경우 기상 물질(가스)은 유량측정기(740)를 통과함으로써 시간당 상기 가스 생성량을 측정할 수 있다.In addition, the separator 700 may be connected to the cooling unit 600, and the separator 700 may include a separator 720 and a flow meter 740. The separator 720 is for phase separation of the product material discharged through the cooling unit 600, the phase separation may be a liquid-phase separation. In this case, when the phase separation is liquid-gas separation, the gaseous substance (gas) may pass through the flow meter 740 to measure the amount of gas generated per hour.

나아가, 본 발명은Furthermore, the present invention

상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는 연료전지 전기생산 시스템을 제공한다.Provided is a fuel cell electric production system including a hydrogen gas generating apparatus and a fuel cell through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 전기 시스템에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the fuel cell electric system according to the present invention will be described in detail.

구체적으로, 연료 전지는 연료의 화학 에너지를 직접적으로 전기에너지로 변환하는 전기화학적 장치이고, 잠재적으로 전기적 차량 동력의 깨끗하고 매우 효율적인 원천을 제공한다. 상기 연료 전지는 고체산화물 연료 전지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, fuel cells are electrochemical devices that directly convert the chemical energy of a fuel into electrical energy, potentially providing a clean and very efficient source of electrical vehicle power. The fuel cell may be a solid oxide fuel cell, but is not limited thereto.

상기 연료전지는 물의 전기 분해와 반대 반응으로서 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 생산한다. 따라서, 상기 연료전지의 연료로서 사용하기 위한 고농도의 수소를 생산하는 것이 중요하다.The fuel cell produces electricity and water by reacting hydrogen and oxygen as a counter reaction to water electrolysis. Therefore, it is important to produce a high concentration of hydrogen for use as fuel in the fuel cell.

따라서, 본 발명에 있어서, 상기 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치와 연료전지를 연결하여 상기 장치에서 생성된 수소를 상기 연료전지에 연료로서 즉시 공급할 수 있다. 이때, 상기 냉각부(600)를 통과하지 않고 상기 반응부(500)에서 바로 연료전지로 공급할 수 있으며, 상기 장치에서 생성된 수소는 고농도이기 때문에 더욱 효율적인 연료전지 전기 시스템을 구성할 수 있다.Therefore, in the present invention, by connecting the hydrogen gas generating device and the fuel cell through the steam reforming reaction, the hydrogen generated in the device can be immediately supplied as fuel to the fuel cell. In this case, the reaction unit 500 may be directly supplied to the fuel cell without passing through the cooling unit 600, and since the hydrogen generated in the apparatus is high in concentration, a more efficient fuel cell electric system may be configured.

더욱 나아가, 본 발명은Furthermore, the present invention

상기의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 이용하여 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법으로,As the C 1 to the hydrogen gas generation method using the hydrogen gas generator through the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols, C 5 through the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols, C 1 to C 5,

C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 제1 예열하는 단계;First preheating the raw material comprising C 1 to C 5 low carbon alcohol;

물을 제2 예열하여 수증기를 생성하는 단계;Preheating the water to produce water vapor;

상기에서 생성된 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기를 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계; 및Mixing a raw material and water vapor including the C 1 to C 5 low carbon alcohol generated above to produce a mixture, and continuously introducing the mixture into a reactor; And

상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법을 제공한다.It provides a method for producing hydrogen gas through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising the step of performing a steam reforming reaction of the mixture in the reactor.

먼저, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 제1 예열하는 단계를 포함한다.First, the C 1 to the hydrogen gas generated through a steam reforming method of the low carbon alcohols, C 5 according to the invention comprises a first pre-heating the raw material including a low-carbon alcohols, C 1 to C 5.

상기 단계에서는 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 제1 예열함으로써 수증기 개질 반응을 용이하게 진행할 수 있도록 한다.In this step, the steam reforming reaction may be easily proceeded by preheating the raw material including the low carbon alcohol.

구체적으로, 상기 원료는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 것으로, 에탄올, 글리세롤 등일 수 있으며, 상기 알코올은 바이오매스로부터 유래되는 것일 수 있다.Specifically, the raw material may include low carbon alcohol of C 1 to C 5 , may be ethanol, glycerol, and the like, and the alcohol may be derived from biomass.

다음으로, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 물을 제2 예열하여 수증기를 생성하는 단계를 포함한다.Next, the hydrogen gas production method through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention includes the step of preheating the water to produce steam.

상기 단계에서는 물을 제2 예열함으로써 수증기를 생성하며 상기 예열을 통하여 수증기 개질 반응을 용이하게 진행할 수 있도록 한다.In this step, water is steamed by preheating the second water, and the steam reforming reaction can be easily performed through the preheating.

이 때, 상기 제2 예열은 제2 예열기를 통해 수행될 수 있고, 상기 제2 예열은 제1 예열기를 통한 제1 예열보다 고온일 수 있다.In this case, the second preheating may be performed through a second preheater, and the second preheating may be hotter than the first preheating through the first preheater.

예를 들어, 상기 제1 예열은 약 200℃ 내지 약 500℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제1 예열이 200℃ 미만에서 수행되는 경우 후공정에서 저탄소 알코올을 포함하는 원료의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 500℃ 초과에서 수행되는 경우 상기 원료의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.For example, the first preheating may be performed at about 200 ° C to about 500 ° C, and preferably at about 250 ° C to about 300 ° C. If the first preheating is performed at less than 200 ° C., the steam reforming reaction of the raw material containing the low carbon alcohol may not occur smoothly in a subsequent process, so that the amount of hydrogen gas may be reduced. Carbonization of can lead to increased generation of by-products such as tar or char. When the generation of by-products increases, a process for generating hydrogen gas may not proceed smoothly by causing a blockage of the reactor.

반면, 상기 제2 예열은 약 600℃ 내지 약 800℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 650℃ 내지 약 750℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제2 예열이 600℃ 미만에서 수행되는 경우 후공정에서 저탄소 알코올을 포함하는 원료의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 800℃ 초과에서 수행되는 경우 후공정에서 원료의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.In contrast, the second preheating may be performed at about 600 ° C. to about 800 ° C., and preferably at about 650 ° C. to about 750 ° C. If the second preheating is performed at less than 600 ° C., the steam reforming reaction of the raw material containing the low carbon alcohol may not occur smoothly in a later step, so that the hydrogen gas production amount may be lowered. The carbonization of the raw material can cause an increase in by-products such as tar or char. When the generation of by-products increases, a process for generating hydrogen gas may not proceed smoothly by causing a blockage of the reactor.

다음으로, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 상기 단계에서 생성된 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 물을 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계를 포함한다.Next, the hydrogen gas generation method through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention by mixing the raw material and water containing the C 1 to C 5 low carbon alcohol produced in the above step to prepare a mixture Producing and continuously introducing the mixture into the reactor.

구체적으로, 상기 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기를 각각 상이한 온도로 예열하여 혼합한 후, 반응기에 공급함으로써 상기 원료의 예열에서 발생할 수 있는 부산물의 발생을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 원료를 우선 약 200℃ 내지 약 500℃로 예열한 뒤 약 600℃ 이상의 고온의 수증기와 혼합하여 즉시 반응기에 투입함으로써 상기 혼합부와 상기 반응부 사이의 관의 길이를 최소화하여 상기 혼합물이 반응부에 투입되기 전에 부산물의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다. 상기 부산물은 주로 상기 원료의 탄화에 의해 생성되는 것으로서 고온일수록 생성량이 높다. 따라서, 상기 원료의 예열 온도를 500℃ 이하로 제한하는 것이다. 이에, 상기 혼합물이 반응기에 투입되기 전의 온도는 약 250℃ 내지 약 500℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, by preheating and mixing the raw material and the water vapor containing the low-carbon alcohol, respectively, at a different temperature, it is possible to minimize the generation of by-products that may occur in the preheating of the raw material by supplying to the reactor. That is, the raw material is first preheated to about 200 ° C to about 500 ° C and then mixed with high temperature water vapor of about 600 ° C or more and immediately introduced into the reactor to minimize the length of the tube between the mixing part and the reaction part to the mixture. The generation of by-products can be significantly reduced before entering the reaction section. The by-product is mainly produced by carbonization of the raw material, and the higher the temperature, the higher the amount produced. Therefore, the preheating temperature of the said raw material is restrict | limited to 500 degrees C or less. Thus, the temperature before the mixture is introduced into the reactor may be about 250 ℃ to about 500 ℃, but is not limited thereto.

또한, 상기 혼합물의 반응부(500)에 투입되기 전의 압력은 상압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 압력이 상압 초과일 경우, 반응기(520) 내에서 부산물에 의해 막힘 현상이 일어나 압력이 상승된 것일 수 있다.In addition, the pressure before being introduced into the reaction part 500 of the mixture may be atmospheric pressure, but is not limited thereto. When the pressure is higher than the normal pressure, a clogging phenomenon may occur due to byproducts in the reactor 520, and the pressure may be increased.

다음으로, 본 발명에 따른 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계이다.Next, the hydrogen gas generation method through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol according to the present invention is a step of performing a steam reforming reaction of the mixture in the reactor.

구체적으로, 상기 반응기는 규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 포함한다. 상기 촉매는 반응기 투입 후 수소 생성 직전에 600℃ 내지 700℃의 온도에서 6시간 이상, 바람직하게는 8시간 이상, 8시간 내지 24시간 동안 수소 분위기에서 환원 처리할 수 있다.Specifically, the reactor is loaded with an active material comprising at least one selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cement on a regular mesoporous silica (OMS) carrier, and pellets And a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohol, characterized in that form. The catalyst may be reduced in a hydrogen atmosphere for at least 6 hours, preferably at least 8 hours, 8 hours to 24 hours at a temperature of 600 ° C to 700 ° C immediately after hydrogen generation after the reactor.

또한, 상기 반응기는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 반응기가 고정층 반응기일 경우 일반적으로 유동층 반응기에 비해 부산물에 의한 반응기 막힘 현상이 자주 일어나는데 본원의 경우 부산물의 발생이 현저히 적으므로 부산물에 의한 상기 막힘 현상을 방지할 수 있다.In addition, the reactor may be a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor, but is not limited thereto. However, when the reactor is a fixed bed reactor, generally, clogging of the reactor by the by-products occurs more frequently than the fluidized bed reactor. In this case, by-product generation is significantly less, and thus the clogging by the by-products can be prevented.

이 때, 상기 반응기에서 배출된 혼합물의 온도는 약 500℃ 내지 약 750℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반응기에서의 반응 후의 상기 혼합물의 온도 상승은 수증기 개질 반응이 진행됨으로써 온도가 상승한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the temperature of the mixture discharged from the reactor may be about 500 ℃ to about 750 ℃, but is not limited thereto. The temperature rise of the mixture after the reaction in the reactor may be, but is not limited thereto, as the temperature is increased by the steam reforming reaction.

상기 단계들을 통해 생성된 수소 가스는 연료전지의 연료로서 사용될 수 있다.The hydrogen gas generated through the above steps may be used as fuel of the fuel cell.

또한, 상기 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 상기 수증기 개질 반응을 수행하는 단계에 이어서, 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 통하여 생성된 생성물질을 냉각시키는 단계 및 상기 단계에 이어서, 상기 생성물질을 분리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen gas generation method through the steam reforming reaction of the low carbon alcohol, the step of performing the steam reforming reaction, the step of cooling the resulting material through the steam reforming reaction of the mixture and the step, It may further comprise the step of separating the product.

구체적으로, 상기 수증기 개질 반응을 수행하는 단계에 의하여 고온, 고압의 생성물질이 생성될 수 있다. 상기 생성물질을 냉각기에 투입하여 상기 생성물질의 온도를 약 20℃ 미만으로 냉각시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, by performing the steam reforming reaction, a high temperature, high pressure product may be produced. The product may be introduced into a cooler to cool the temperature of the product to less than about 20 ° C., but is not limited thereto.

이어서, 상기 냉각 단계에 의하여 냉각된 상기 생성물질은 2개 이상의 상(phase)이 포함되어 있을 수 있으며, 분리기에 투입되어 상기 생성물질의 상분리가 일어날 수 있다. 이때, 상기 상분리는 액상-기상 분리일 수 있으며, 이 경우 상기 액상 물질은 분리기 하단으로 배출되고 기상 물질(가스)은 분리기 상단으로 배출될 수 있다. 이때, 상기 기상 물질은 수소를 포함할 수 있다.Subsequently, the product cooled by the cooling step may include two or more phases, and may be introduced into a separator to cause phase separation of the product. In this case, the phase separation may be a liquid-phase separation, in which case the liquid material may be discharged to the bottom of the separator and the gas phase material (gas) may be discharged to the top of the separator. In this case, the gaseous substance may include hydrogen.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, it will be described in more detail through Examples and Experimental Examples of the present invention.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are only illustrative of the present invention, and the content of the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<< 실시예Example 1>  1> SBASBA -15 -15 담체에On the carrier 니켈이  Nickel 담지된Supported 촉매의 제조 Preparation of the catalyst

단계 1: 전구체인 P123을 40℃의 온도에서 증류수와 혼합하고 소량의 묽은 염산을 첨가하여 녹인 다음, TEOS를 첨가하여 24시간 동안 혼합하고 이어서 100℃의 온도에서 48시간 동안 건조하여 수분을 증발시킨다. 건조하여 얻은 고형분을 500℃의 온도에서 6시간 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카 담체로서 SBA-15 담체를 제조하였다. Step 1: The precursor P123 is mixed with distilled water at a temperature of 40 ° C., dissolved by adding a small amount of dilute hydrochloric acid, mixed for 24 hours with the addition of TEOS, and then dried for 48 hours at a temperature of 100 ° C. to evaporate moisture. . The solid obtained by drying was calcined at a temperature of 500 ° C. for 6 hours to prepare SBA-15 carrier as a regular mesoporous silica carrier.

단계 2: Ni 전구체로 Ni(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 Ni 전구체 용액을 제조한 다음 분말 형태로 제조된 SBA-15 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 Ni 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 100℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, 최종적으로 650℃의 온도 및 공기 분위기에서 6시간 동안 소성하여 SBA-15 담체에 니켈을 담지하였다. 이때, 상기 니켈은 10 wt% 담지되었으며, 상기 단계 1 및 단계 2의 제조 과정을 도 3에 나타내었다.Step 2: Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O as a Ni precursor was dissolved in distilled water to prepare a Ni precursor solution, and then evenly sprayed onto the SBA-15 carrier prepared in powder form, and the carriers were mixed well for 20 to 30 minutes Allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the Ni precursor solution was consumed completely. Thereafter, the mixture was completely dried at a temperature of 100 ° C. and atmospheric pressure, and finally calcined for 6 hours at a temperature of 650 ° C. and an air atmosphere to support nickel on the SBA-15 carrier. At this time, the nickel was supported 10 wt%, the manufacturing process of the step 1 and step 2 is shown in FIG.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 SBA-15 담체에 니켈이 담지된 촉매는 분말형태로 연속 반응기에 충전하여 사용하기 어려우므로 펠렛으로 성형하였다. 우선 분말 형태의 촉매와 바인더, 그리고 증류수를 혼합하여 반죽상태로 만든다. 반죽시 촉매, 바인더, 물의 혼합비는 촉매 1g 대비 메틸 셀룰로오스 (methyl cellulose) 바인더 13.8 wt%와 ammonium zironium(IV) carbonnate 용액 바인더 20.8 wt%, 물 337 wt%를 사용하였다. 반죽을 압착 성형장치나 extrudator에 넣고 압착하여 일정한 크기의 펠렛으로 성형한 다음 이를 105℃에서 건조한 다음, 650℃, 공기 분위기에서 다시 소성하여 최종적으로 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제조하였다.Step 3: The catalyst in which the nickel was supported on the SBA-15 carrier prepared in step 2 was molded into pellets because it was difficult to use it in a continuous reactor in powder form. First, a powdered catalyst, a binder, and distilled water are mixed to form a dough. The mixing ratio of catalyst, binder, and water was 13.8 wt% of methyl cellulose binder, 20.8 wt% of ammonium zironium (IV) carbonnate solution binder, and 337 wt% of water. The dough was placed in a compression molding apparatus or extrudator, compressed and molded into pellets of a predetermined size, dried at 105 ° C., and then calcined again at 650 ° C. in an air atmosphere to finally prepare a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohol.

상기 촉매는 수증기 개질 실험 직전에 반응기에 충전한 상태에서 650℃의 온도에서 8시간 이상 수소 분위기에서 환원 처리하여 최대한 활성을 유지하였다.The catalyst was maintained at the maximum activity by reducing treatment in a hydrogen atmosphere at a temperature of 650 ° C. for at least 8 hours while being charged to the reactor immediately before the steam reforming experiment.

<< 실시예Example 2>  2> SBASBA -15 -15 담체에On the carrier 니켈-란탄이  Nickel-lanthanum 담지된Supported 촉매의 제조 Preparation of the catalyst

단계 1: 전구체인 P123을 40℃의 온도에서 증류수와 혼합하고 소량의 묽은 염산을 첨가하여 녹인 다음, TEOS를 첨가하여 24시간 동안 혼합하고 이어서 100℃의 온도에서 48시간 동안 건조하여 수분을 증발시킨다. 건조하여 얻은 고형분을 500℃의 온도에서 6시간 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카 담체로서 SBA-15 담체를 제조하였다. Step 1: The precursor P123 is mixed with distilled water at a temperature of 40 ° C., dissolved by adding a small amount of dilute hydrochloric acid, mixed for 24 hours with the addition of TEOS, and then dried for 48 hours at a temperature of 100 ° C. to evaporate moisture. . The solid obtained by drying was calcined at a temperature of 500 ° C. for 6 hours to prepare SBA-15 carrier as a regular mesoporous silica carrier.

단계 2: Ni 전구체로 Ni(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 Ni 전구체 용액을 제조한 다음 분말 형태로 제조된 SBA-15 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 Ni 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 100℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, La 전구체로 La(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 La 전구체 용액을 제조한 다음 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 La 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 105℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, 최종적으로 650℃의 온도 및 공기 분위기에서 6시간 동안 소성하여 SBA-15 담체에 니켈-란탄을 담지하였다. 이때, 상기 니켈은 10 wt% 담지되었고, 란탄은 5 wt% 담지되었다.Step 2: Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O as a Ni precursor was dissolved in distilled water to prepare a Ni precursor solution, and then evenly sprayed onto the SBA-15 carrier prepared in powder form, and the carriers were mixed well for 20 to 30 minutes Allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the Ni precursor solution was consumed completely. Subsequently, completely dried at a temperature of 100 ° C. and atmospheric pressure, La (NO 3 ) 2 .6H 2 O was dissolved in distilled water with La precursor to prepare a La precursor solution, and then evenly sprayed on the carrier. Mix well and allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the La precursor solution was consumed completely. Thereafter, the mixture was completely dried at a temperature of 105 ° C. and atmospheric pressure, and finally calcined for 6 hours at a temperature of 650 ° C. and an air atmosphere to support nickel-lanthanum on the SBA-15 carrier. At this time, the nickel was supported by 10 wt%, lanthanum was supported by 5 wt%.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 SBA-15 담체에 니켈-란탄이 담지된 촉매는 분말형태로 연속 반응기에 충전하여 사용하기 어려우므로 펠렛으로 성형하였다. 우선 분말 형태의 촉매와 바인더, 그리고 증류수를 혼합하여 반죽상태로 만든다. 반죽시 촉매, 바인더, 물의 혼합비는 촉매 1g 대비 메틸 셀룰로오스 (methyl cellulose) 바인더 13.8 wt%와 ammonium zironium(IV) carbonnate 용액 바인더 20.8 wt%, 물 315 wt%를 사용하였다. 반죽을 압착 성형장치나 extrudator에 넣고 압착하여 일정한 크기의 펠렛으로 성형한 다음 이를 105℃에서 건조한 다음, 650℃, 공기 분위기에서 다시 소성하여 최종적으로 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제조하였다.Step 3: The catalyst in which nickel-lanthanum was supported on the SBA-15 carrier prepared in step 2 was molded into pellets because it was difficult to use a continuous reactor in powder form. First, a powdered catalyst, a binder, and distilled water are mixed to form a dough. The mixing ratio of catalyst, binder, and water was 13.8 wt% of methyl cellulose binder, 20.8 wt% of ammonium zironium (IV) carbonnate solution binder, and 315 wt% of water. The dough was placed in a compression molding apparatus or extrudator, compressed and molded into pellets of a predetermined size, dried at 105 ° C., and then calcined again at 650 ° C. in an air atmosphere to finally prepare a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohol.

상기 촉매는 수증기 개질 실험 직전에 반응기에 충전한 상태에서 650℃의 온도에서 8시간 이상 수소 분위기에서 환원 처리하여 최대한 활성을 유지하였다.The catalyst was maintained at the maximum activity by reducing treatment in a hydrogen atmosphere at a temperature of 650 ° C. for at least 8 hours while being charged to the reactor immediately before the steam reforming experiment.

<< 실시예Example 3>  3> SBASBA -15 -15 담체에On the carrier 니켈-란탄-세륨이  Nickel-lanthanum-cerium 담지된Supported 촉매의 제조 Preparation of the catalyst

단계 1: 전구체인 P123을 40℃의 온도에서 증류수와 혼합하고 소량의 묽은 염산을 첨가하여 녹인 다음, TEOS를 첨가하여 24시간 동안 혼합하고 이어서 100℃의 온도에서 48시간 동안 건조하여 수분을 증발시킨다. 건조하여 얻은 고형분을 500℃의 온도에서 6시간 소성하여 규칙적인 메조세공 실리카 담체로서 SBA-15 담체를 제조하였다. Step 1: The precursor P123 is mixed with distilled water at a temperature of 40 ° C., dissolved by adding a small amount of dilute hydrochloric acid, mixed for 24 hours with the addition of TEOS, and then dried for 48 hours at a temperature of 100 ° C. to evaporate moisture. . The solid obtained by drying was calcined at a temperature of 500 ° C. for 6 hours to prepare SBA-15 carrier as a regular mesoporous silica carrier.

단계 2: Ni 전구체로 Ni(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 Ni 전구체 용액을 제조한 다음 분말 형태로 제조된 SBA-15 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 Ni 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 100℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, La 전구체로 La(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 La 전구체 용액을 제조한 다음 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 La 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 105℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, Ce 전구체로 Ce(NO3)2ㆍ6H2O를 증류수에 녹여 Ce 전구체 용액을 제조한 다음 담체에 골고루 분사하고 20~30분 동안 담체들을 잘 혼합하여 분사한 용액이 지지체 기공 내부에 잘 스며들도록 한다. 이 과정을 Ce 전구체 용액을 완전히 소모할 때까지 계속 수행하였다. 이후, 105℃의 온도 및 상압 조건에서 완전히 건조하고, 최종적으로 650℃의 온도 및 공기 분위기에서 6시간 동안 소성하여 SBA-15 담체에 니켈-란탄-세륨을 담지하였다. 이때, 상기 니켈은 10 wt% 담지되었고, 란탄은 5 wt% 담지되었으며, 세륨은 5 wt% 담지되었다.Step 2: Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O as a Ni precursor was dissolved in distilled water to prepare a Ni precursor solution, and then evenly sprayed onto the SBA-15 carrier prepared in powder form, and the carriers were mixed well for 20 to 30 minutes Allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the Ni precursor solution was consumed completely. Subsequently, completely dried at a temperature of 100 ° C. and atmospheric pressure, La (NO 3 ) 2 .6H 2 O was dissolved in distilled water with La precursor to prepare a La precursor solution, and then evenly sprayed on the carrier. Mix well and allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the La precursor solution was consumed completely. Then, completely dried at a temperature of 105 ℃ and atmospheric pressure, Ce (NO 3 ) 2 ㆍ 6H 2 O with Ce precursor dissolved in distilled water to prepare a Ce precursor solution and then evenly sprayed on the carrier and the carriers for 20-30 minutes Mix well and allow the sprayed solution to penetrate inside the support pores. This process was continued until the Ce precursor solution was consumed completely. Thereafter, the mixture was completely dried at a temperature of 105 ° C. and atmospheric pressure, and finally calcined for 6 hours at a temperature of 650 ° C. and an air atmosphere to support nickel-lanthanum-cerium on the SBA-15 carrier. At this time, the nickel was supported 10 wt%, lanthanum was supported 5 wt%, cerium was supported 5 wt%.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 SBA-15 담체에 니켈-란탄-세륨이 담지된 촉매는 분말형태로 연속 반응기에 충전하여 사용하기 어려우므로 펠렛으로 성형하였다. 우선 분말 형태의 촉매와 바인더, 그리고 증류수를 혼합하여 반죽상태로 만든다. 반죽시 촉매, 바인더, 물의 혼합비는 촉매 1g 대비 메틸 셀룰로오스 (methyl cellulose) 바인더 13.8 wt%와 ammonium zironium(IV) carbonnate 용액 바인더 20.8 wt%, 물 247 wt%를 사용하였다. 반죽을 압착 성형장치나 extrudator에 넣고 압착하여 일정한 크기의 펠렛으로 성형한 다음 이를 105℃에서 건조한 다음, 650℃, 공기 분위기에서 다시 소성하여 최종적으로 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제조하였다.Step 3: The catalyst in which the nickel-lanthanum-cerium was supported on the SBA-15 carrier prepared in step 2 was hardly filled into a continuous reactor in powder form, and thus formed into pellets. First, a powdered catalyst, a binder, and distilled water are mixed to form a dough. The mixing ratio of catalyst, binder, and water was 13.8 wt% of methyl cellulose binder, 20.8 wt% of ammonium zironium (IV) carbonnate solution binder, and 247 wt% of water. The dough was placed in a compression molding apparatus or extrudator, compressed and molded into pellets of a predetermined size, dried at 105 ° C., and then calcined again at 650 ° C. in an air atmosphere to finally prepare a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohol.

상기 촉매는 수증기 개질 실험 직전에 반응기에 충전한 상태에서 650℃의 온도에서 8시간 이상 수소 분위기에서 환원 처리하여 최대한 활성을 유지하였다.The catalyst was maintained at the maximum activity by reducing treatment in a hydrogen atmosphere at a temperature of 650 ° C. for at least 8 hours while being charged to the reactor immediately before the steam reforming experiment.

<< 실시예Example 4> KIT-6  4> KIT-6 담체에On the carrier 니켈-란탄이  Nickel-lanthanum 담지된Supported 촉매의 제조 Preparation of the catalyst

상기 실시예 2에서 SBA-15 담체가 아닌 KIT-6 담체를 제조 및 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for steam reforming of low carbon alcohol was prepared in the same manner as in Example 2, except that the KIT-6 carrier other than the SBA-15 carrier was prepared and used.

<< 실시예Example 5> KIT-6  5> KIT-6 담체에On the carrier 니켈-란탄-세륨이  Nickel-lanthanum-cerium 담지된Supported 촉매의 제조 Preparation of the catalyst

상기 실시예 3에서 SBA-15 담체가 아닌 KIT-6 담체를 제조 및 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 3과 동일하게 수행하여 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 제조하였다.A catalyst for steam reforming of low carbon alcohol was prepared in the same manner as in Example 3, except that the KIT-6 carrier other than the SBA-15 carrier was prepared and used in Example 3.

<< 실험예Experimental Example 1> 촉매 특성 분석 1> Catalytic Characterization

본 발명에 따른 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 특성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 3 및 SBA-15 담체를 이용하여 질소 흡착/탈착 실험을 통해 표면적 특징을 분석하였으며, 그 결과를 도 4, 도 5 및 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 1 내지 3 및 SBA-15 담체를 이용하여 X-선 회절 분석(XRD)을 수행하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.In order to confirm the characteristics of the catalyst for the steam reforming reaction of the low carbon alcohol according to the present invention, the surface area characteristics were analyzed by nitrogen adsorption / desorption experiments using the Examples 1 to 3 and the SBA-15 carrier, and the results are shown in FIG. 4, FIG. 5 and Table 1 below. In addition, X-ray diffraction analysis (XRD) was performed using Examples 1 to 3 and SBA-15 carrier, and the results are shown in FIG. 6.

BET 비표면적
(m2/g)
BET specific surface area
(m 2 / g)
기공부피
(cm3/g)
Pore volume
(cm 3 / g)
평균 기공 지름
(nm)
Average pore diameter
(nm)
SBA-15SBA-15 825.46825.46 1.0621.062 5.155.15 실시예 1
(10Ni/SBA-15)
Example 1
(10Ni / SBA-15)
530.65530.65 0.7050.705 5.315.31
실시예 2
(10Ni-5La/SBA-15)
Example 2
(10Ni-5La / SBA-15)
562.60562.60 0.7580.758 5.395.39
실시예 3
(10Ni-5La-5Ce/SBA-15)
Example 3
(10Ni-5La-5Ce / SBA-15)
451.91451.91 0.5170.517 4.574.57

도 4, 도 5 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 촉매는 메조세공이 잘 발달된 흡착/탈착 거동을 보였다. SBA-15 담체는 약 825 m2/g의 높은 BET 비표면적을 가졌을 뿐만 아니라 평균 기공지름이 5.15 nm로 메조포아 영역을 보였다. SBA-15 담체에 10 wt% Ni을 담지한 촉매(실시예 1, 10Ni/SBA-15)의 경우 BET 비표면적은 530 m2/g로 SBA-15 담체보다 낮았으나 평균 기공지름은 5.31 nm로 메조포아 영역을 유지하였다. SBA-15 담체에 10 wt% Ni 및 5 wt% La을 담지한 촉매(실시예 2, 10Ni-5La/SBA-15)의 경우 실시예 1과 유사한 표면적 특징을 보였고, SBA-15 담체에 10 wt% Ni, 5 wt% La 및 5 wt% Ce을 담지한 촉매(실시예 3, 10Ni-5La-5Ce/SBA-15)의 경우에는 앞서의 실시예 1 및 2의 촉매보다 낮은 BET 표면적을 나타내었다. 이는 촉매들이 SBA-15 기공 내에 흡착하면서 마이크로 기공을 일부 패쇄하였기 때문이다.As shown in Figures 4, 5 and Table 1, the catalysts of Examples 1 to 3 exhibited well developed mesopore adsorption / desorption behavior. The SBA-15 carrier had a high BET specific surface area of about 825 m 2 / g as well as a mesoporous region with an average pore diameter of 5.15 nm. The catalyst having 10 wt% Ni on SBA-15 support (Example 1, 10Ni / SBA-15) had a BET specific surface area of 530 m 2 / g, which was lower than that of SBA-15 but had an average pore diameter of 5.31 nm. Mesopoa areas were maintained. Catalysts carrying 10 wt% Ni and 5 wt% La on SBA-15 carrier (Example 2, 10Ni-5La / SBA-15) showed similar surface area characteristics as Example 1, and 10 wt on SBA-15 carrier Catalysts carrying% Ni, 5 wt% La and 5 wt% Ce (Example 3, 10Ni-5La-5Ce / SBA-15) showed lower BET surface areas than the catalysts of Examples 1 and 2 above. . This is because the catalysts partially trapped the micropores while adsorbing into the SBA-15 pores.

또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 소성 후 완성된 촉매(도 6의 좌측 그래프) 및 환원 소성 후 촉매(도 6의 우측 그래프)에서 모두 SBA-15의 경실리카(SiO2) 결정과 활성물질들이 잘 담지된 것을 확인할 수 있었다.In addition, as shown in FIG. 6, the hard silica (SiO 2 ) crystals and active substances of SBA-15 were added to both the completed catalyst after firing (left graph of FIG. 6) and the catalyst after reduction firing (right graph of FIG. 6). I could see that it was well supported.

<< 실험예Experimental Example 2> 수증기 개질 반응 실험 분석 2> Steam reforming reaction experiment analysis

1. 실험재료1. Experimental Materials

수증기 개질 반응 실험을 위한 저탄소 알코올로 에탄올과 글리세롤(이상 순도>99%)을 사용하였다. 이들 알코올을 증류수에 화학양론비로 혼합하여 반응물질을 제조하였다. 촉매로는 상기 실시예 1 내지 5에서 제조된 촉매를 사용하였다.Ethanol and glycerol (purity> 99%) were used as low carbon alcohols for the steam reforming reaction. These alcohols were mixed with distilled water in stoichiometric ratios to prepare reactants. The catalyst prepared in Examples 1 to 5 was used as the catalyst.

2. 실험장치 및 방법2. Experiment apparatus and method

수증기 개질 반응 실험은 도 1에 나타낸 수소 생산 장치(101)를 이용하여 수행하였다. 상기 장치(101)는 제1 예열기(260)를 포함하는 원료 공급부(200), 상기 실시예 1-5의 촉매를 포함하는 반응기(520)를 포함하는 반응부(500), 냉각부(600) 및 분리부(700)를 포함한다.Steam reforming reaction experiments were performed using the hydrogen production apparatus 101 shown in FIG. 1. The apparatus 101 includes a raw material supply unit 200 including a first preheater 260, a reaction unit 500 and a cooling unit 600 including a reactor 520 including the catalyst of Examples 1-5. And a separator 700.

원료 물질 투입은 왕복 펌프(Waters 515)를 이용하여 수행하였다. 제1 예열기는 550℃로, 반응기 입구 450℃, 반응기 출구 650℃로 운전하였다. 반응기는 SS316 SML 튜브로 제작하였고 촉매 충전 부피는 21.3 mL이었다. 반응기를 나온 생성물은 냉각부(냉각기(condenser))에서 20℃ 이하로 냉각된 후, 분리부(기-액 분리기(G-L separator))에서 들어가 기상과 액상 생성물로 분리되었다. 분리된 가스 생성물은 가스 유량 측정기(gas flow meter)를 통과시켜 시간당 생성량을 측정하였다. 기-액 분리기와 가스유량측정기 사이 가스 라인에서 가스 샘플을 채취하여 그 조성을 분석하였다. 분리된 액상 유출수도 회수하여 발생유속, 가스화정도 등을 분석하였다. Raw material input was performed using a reciprocating pump (Waters 515). The first preheater was operated at 550 ° C., at 450 ° C. at the reactor inlet and at 650 ° C. at the reactor outlet. The reactor was made of SS316 SML tubes and the catalyst fill volume was 21.3 mL. The product leaving the reactor was cooled to 20 ° C. or lower in a cooling section (condenser), and then separated into a gas phase and a liquid product in a separation section (G-L separator). The separated gas product was passed through a gas flow meter to measure the amount of production per hour. A gas sample was taken from the gas line between the gas-liquid separator and the gas flow meter to analyze its composition. The separated liquid effluent was also recovered and analyzed for the flow rate and the degree of gasification.

3. 분석방법3. Analysis method

생성가스는 수소 생성 장치의 기-액 분리기와 생성가스유량측정기(wet test meter) 사이에서 샘플을 채취하여 가스크로마토그라프(GC, Agilent, 디에스과학 iGC7200)를 이용하여 분석하였다. 생성가스의 수소, 일산화탄소, 메탄, 이산화탄소는 열전도검출기(TCD)를, C2+ 이상 탄화수소와 기타 가스는 불꽃이온화검출기(FID)를 이용하여 정량 분석하였다. 분석 컬럼은 Caroxen-1000 packed column를 이용하였다. 운반가스는 헬륨에 수소 8 vol%를 혼합한 가스를 이용하였다. 정량 분석은 표준가스를 이용하여 각 가스 성분 별로 작성한 검량선에 의하여 결정하였다. The product gas was sampled between the gas-liquid separator and the wet test meter of the hydrogen generating device and analyzed using gas chromatograph (GC, Agilent, DS Scientific iGC7200). Hydrogen, carbon monoxide, methane, and carbon dioxide of the produced gas were quantitatively analyzed using a thermal conductivity detector (TCD), and C 2+ and higher hydrocarbons and other gases using a flame ionization detector (FID). An analytical column was used Caroxen-1000 packed column. The carrier gas was a gas in which 8 vol% of hydrogen was mixed with helium. Quantitative analysis was determined by a calibration curve prepared for each gas component using a standard gas.

반응 물질과 물의 예열온도, 반응기 입구와 출구 온도 및 압력은 data logger를 통하여 5초 간격으로 수집, 저장하면서 반응시간에 따른 변화를 모니터링하여 운전조건 설정에 이용하였다. The preheating temperature of the reactant and water, the reactor inlet and outlet temperature and pressure were collected and stored at 5 second intervals through the data logger and used to set the operating conditions by monitoring the change over the reaction time.

4. 결과분석4. Result Analysis

(1) 에탄올의 수증기 개질 반응(1) Steam Reforming of Ethanol

저탄소 알코올 중 에탄올의 수증기 개질 반응에 미치는 촉매 영향을 도 7에 도시하였다. 반응 물질은 에탄올을 증류수에 하기 반응식 1의 화학양론식비로 혼합하여 제조하였고 이때 에탄올 농도는 46 wt%이다. The catalytic effect on the steam reforming reaction of ethanol in low carbon alcohol is shown in FIG. 7. The reaction material was prepared by mixing ethanol with distilled water in the stoichiometric ratio of Scheme 1 below, wherein the ethanol concentration was 46 wt%.

<반응식 1><Scheme 1>

C2H5OH + 3H2O -> 2CO2 + 6H2 C 2 H 5 OH + 3H 2 O-> 2CO 2 + 6H 2

반응물질 투입속도는 WHSV 20.3h-1, 46.7h-1 두 종류이었다. 여기서 WHSV (weight hourly spave velocity)는 에탄올의 질량유속 (g/h)를 반응기에 충전한 금속 촉매 양으로 정의하였다. The reactant input rates were WHSV 20.3h -1 and 46.7h -1 . Here, the weight hourly spave velocity (WHSV) is defined as the amount of metal catalyst charged to the reactor (g / h) mass flow rate of ethanol.

도 7에 나타낸 바와 같이, 실시예 1(IW-NS), 실시예 2(IW-NLS) 및 실시예 3(IW-NLCS)에서 SBA-15 담체를 포함하는 촉매를 사용한 경우, 실시예 4(IW-NLK) 및 실시예 5(IW-NLCK)와 같이 KIT-6 담체를 포함하는 촉매를 사용한 경우에 비하여 생성된 합성가스 중 수소의 농도가 높게 나타났다. 최고 수소수율은 실시예 2의 촉매를 사용한 경우로서 64.5 mol%이다. 이는 이론적 최고치인 75 mol%의 86%에 해당한다. WHSV가 증가하면 합성가스의 수소 농도는 다소 감소하는 경향을 보였다. 기타 가스로 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄이 생성되었고, C2 이상의 탄화수소는 거의 생성되지 않았다. KIT-6에 담지한 촉매에서는 메탄 생성율이 비교적 높게 나타났다. 따라서 SBA-15 담체가 에탄올의 수증기 개질에 적합한 촉매 담체인 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 7, in Example 1 (IW-NS), Example 2 (IW-NLS), and Example 3 (IW-NLCS), a catalyst including an SBA-15 carrier was used. IW-NLK) and Example 5 (IW-NLCK) showed a higher concentration of hydrogen in the synthesis gas than in the case of using a catalyst containing a KIT-6 carrier. The highest hydrogen yield is 64.5 mol%, using the catalyst of Example 2. This corresponds to 86% of the theoretical maximum of 75 mol%. As the WHSV increased, the hydrogen concentration of syngas tended to decrease somewhat. Other gases carbon monoxide, carbon dioxide, methane was produced, C 2 or more hydrocarbons is not substantially generated. The catalyst supported on KIT-6 showed a relatively high methane production rate. Therefore, it can be confirmed that the SBA-15 carrier is a suitable catalyst carrier for steam reforming of ethanol.

저탄소 알코올 중 에탄올의 수증기 개질 반응에서 수소 생성 장치의 운전시간 경과에 따른 촉매별 총가스발생속도를 도 8에 나타내었다. 8 shows the total gas generation rate for each catalyst according to the operation time of the hydrogen generating device in the steam reforming reaction of ethanol in low carbon alcohol.

도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 2의 촉매를 사용한 경우 총가스발생속도가 가장 높았으며, 실시예 1의 촉매를 사용한 경우 총가스발생속도가 가장 낮았다. 실시예 3의 촉매를 사용한 경우, 생성가스 중 수소 농도는 실시예 1의 촉매를 사용한 경우보다 낮았지만(도 7 참조), 총가스발생속도는 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Ce가 에탄올 수증기 개질 반응에 있어서 주요 부반응인 coking 반응을 억제하여 에탄올이 모두 가스화된 결과이다. 한편, 실시예 4 및 실시예 5의 촉매를 사용한 경우 실시예 1 내지 3의 촉매를 사용한 경우에 비하여 총가스발생속도가 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었다.As shown in FIG. 8, the total gas generation rate was highest when the catalyst of Example 2 was used, and the total gas generation rate was lowest when the catalyst of Example 1 was used. When the catalyst of Example 3 was used, the hydrogen concentration in the generated gas was lower than when the catalyst of Example 1 was used (see FIG. 7), but the total gas generation rate was higher. This is the result of all gasification of ethanol by Ce inhibiting the coking reaction which is the main side reaction in ethanol steam reforming reaction. On the other hand, in the case of using the catalyst of Examples 4 and 5, it was confirmed that the total gas generation rate is significantly lower than when using the catalyst of Examples 1 to 3.

(2) 글리세롤의 수증기 개질 반응(2) Steam Reforming of Glycerol

저탄소 알코올 중 글리세롤의 수증기 개질 반응에 미치는 촉매 영향을 도 9 내지 도 11에 도시하였다. 반응 물질은 글리세롤을 증류수에 하기 반응식 2의 화학양론식비로 혼합하여 제조하였고 이때 에탄올 농도는 63 wt%이다. The catalytic effect on the steam reforming reaction of glycerol in low carbon alcohol is shown in FIGS. 9-11. The reaction material was prepared by mixing glycerol in distilled water in a stoichiometric ratio of the following scheme 2 wherein the ethanol concentration is 63 wt%.

<반응식 2><Scheme 2>

C3H5(OH)3 + 3H2O -> 3CO2 + 7H2 C 3 H 5 (OH) 3 + 3H 2 O-> 3CO 2 + 7H 2

반응물질 투입속도는 WHSV 7.9h-1 내지 37.8h-1에서 수행하였다. 여기서 WHSV (weight hourly spave velocity)는 에탄올의 질량유속 (g/h)를 반응기에 충전한 금속 촉매 양으로 정의하였다. Reactant dosing rate was performed at WHSV 7.9h −1 to 37.8h −1 . Here, the weight hourly spave velocity (WHSV) is defined as the amount of metal catalyst charged to the reactor (g / h) mass flow rate of ethanol.

도 9에 나타낸 바와 같이, WHSV가 낮을수록 생성가스 중의 수소 농도는 높았으나 9.45 내지 37.8h-1 범위에서 수소 농도에 미치는 WHSV 영향은 크지 않았다. 기타 가스로 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 등이 생성되었다. 메탄의 함량이 매우 낮은 것으로 보아 실시예 1의 촉매 상에서 생성된 수소의 메탄화 반응은 매우 제한적으로 일어났다고 말할 수 있다. 실시예 1의 촉매를 이용하여 생성된 조성을 갖는 합성가스(도 9의 조성)는 별다른 처리과정 없이 고체산화물연료전지(SOFC)나 가스터빈 등의 연료로 이용할 수 있다. 수증기 개질에 의하여 발생하는 액상 유출수는 무색, 투명하였고 대부분 물로 판명되었다.As shown in FIG. 9, the lower the WHSV, the higher the hydrogen concentration in the generated gas, but the effect of the WHSV on the hydrogen concentration in the range of 9.45 to 37.8h −1 was not significant. Other gases produced carbon monoxide, carbon dioxide, and methane. Due to the very low content of methane, it can be said that the methanation reaction of hydrogen produced on the catalyst of Example 1 occurred very limitedly. Synthetic gas having a composition produced using the catalyst of Example 1 (composition of FIG. 9) can be used as a fuel such as a solid oxide fuel cell (SOFC) or a gas turbine without any special treatment. The liquid effluent from steam reforming was colorless and transparent, mostly water.

또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, WHSV는 8.4 내지 33.6h-1 범위에서 생성가스 조성에 큰 영향이 없음을 확인할 수 있다. 에탄올의 경우와는 달리 글리세롤의 경우에는 촉매에 활성물질로 란탄(La)을 추가한 경우(실시예 2)에 생성가스 중 수소의 농도가 다소 낮게 나타났다. 이러한 결과로 보아, 글리세롤의 수증기 개질이 에탄올에 비하여 다소 복잡한 반응경로로 진행되고 그 과정에서 coking과 같은 부반응이 활성화되었을 가능성이 있다. 반응기 액상 유출수의 경우 WHSV 33.6h-1에서 약간 노랑색을 보였는데 이는 coking 반응의 중간물질로 보여진다. 글리세롤은 에탄올에 비하여 다소 복잡한 수증기 개질 반응경로를 갖고 있다고 말할 수 있다.In addition, as shown in Figure 10, WHSV can be confirmed that there is no significant effect on the composition gas composition in the range of 8.4 to 33.6h -1 . Unlike ethanol, in the case of glycerol, when lanthanum (La) was added as an active material to the catalyst (Example 2), the concentration of hydrogen in the generated gas was slightly lower. As a result, it is possible that the steam reforming of glycerol proceeds in a rather complicated reaction pathway compared to ethanol, and side reactions such as coking are activated in the process. The liquid phase effluent of the reactor was slightly yellow in WHSV 33.6h -1 , which appears to be an intermediate of the coking reaction. Glycerol can be said to have a rather complicated steam reforming reaction path than ethanol.

나아가, 도 11에 나타낸 바와 같이, 실시예 3의 촉매를 사용한 경우에는 에탄올의 경우와는 다르게 생성가스 중 수소의 농도가 실시예 1의 촉매를 사용한 경우에 비하여 거의 감소하지 않았다. 특히 높은 WHSV(약 31.5h-1)에서는 실시예 1의 촉매를 사용한 경우보다 수소 생산량이 많은 것을 확인할 수 있었다. 이를 통하여 분자량이 많은 다가 알코올의 수증기 개질에서는 다양한 부반응이 더 잘 일어날 수 있는데, 조촉매인 Ce이 coking과 같은 부반응을 억제함으로서 Ni 촉매에 의한 수증기 개질반응이 더 활발히 진행된다고 말할 수 있다. 이 반응에서 얻은 액상 유출수는 무색 투명하였는데 이는 실시예 3의 촉매가 실시예 2의 촉매에 비하여 글리세롤의 수증기 개질 반응에 더 효과적인 촉매임을 다시 한번 확인해 주고 있다. Furthermore, as shown in FIG. 11, in the case of using the catalyst of Example 3, unlike in the case of ethanol, the concentration of hydrogen in the generated gas was hardly reduced as compared with the case of using the catalyst of Example 1. Especially high WHSV (about 31.5h -1 ) was confirmed that the amount of hydrogen produced more than when using the catalyst of Example 1. Through this, various side reactions may be more likely to occur in the steam reforming of the polyhydric alcohol having a high molecular weight, and it may be said that the steam reforming reaction by the Ni catalyst is more actively progressed by inhibiting side reactions such as coking as Ce. The liquid effluent obtained in this reaction was colorless and transparent, confirming again that the catalyst of Example 3 was a more effective catalyst for the steam reforming reaction of glycerol than the catalyst of Example 2.

저탄소 알코올 중 글리세롤의 수증기 개질 반응에서 총가스발생속도에 미치는 촉매 영향을 운전시간에 따라 도 12의 그래프로 나타내었다.The catalytic effect on the total gas evolution rate in the steam reforming reaction of glycerol in low carbon alcohol is shown in the graph of FIG.

도 12에 나타낸 바와 같이, WHSV가 7.9h-1, 15.8h-1에서는 3 종류의 촉매(실시예 1 내지 3)에서 거의 유사한 총가스발생속도를 얻었다. 하지만 WHSV가 31.5h-1에서는 실시예 1의 촉매와 실시예 3의 촉매가 거의 동일한 총가스발생속도를 보였지만, 실시예 2의 촉매는 비교적 낮은 총가스발생속도를 보였다. 이러한 결과는 에탄올의 수증기 개질의 결과와 다르며, 이는 반응물질의 종류에 따라서 수증기 개질 과정에서 일어나는 단위 반응들이 다르기 때문으로 사료된다.As shown in FIG. 12, at WHSV of 7.9h −1 and 15.8h −1 , almost similar total gas evolution rates were obtained with three catalysts (Examples 1 to 3). However, in the WHSV of 31.5h −1 , the catalyst of Example 1 and the catalyst of Example 3 showed almost the same total gas generation rate, but the catalyst of Example 2 showed a relatively low total gas generation rate. These results are different from the results of steam reforming of ethanol, which may be due to the different unit reactions occurring during steam reforming depending on the type of reactants.

이를 통해, 본 발명에 따른 촉매의 특성을 확인할 수 있었으며, 구체적으로 규칙적인 메조세공 실리카 담체로 SBA-15 담체를 사용하고 Ni, Ni-La 또는 Ni-La-Ce의 활성물질을 초기습윤법으로 담지함으로써 수증기 개질 반응에 우수한 활성을 나타냄을 확인할 수 있었다. Through this, it was possible to confirm the characteristics of the catalyst according to the present invention. Specifically, using a SBA-15 carrier as a regular mesoporous silica carrier and the active material of Ni, Ni-La or Ni-La-Ce by the initial wet method By supporting, it was confirmed that excellent activity in the steam reforming reaction.

또한, 에탄올의 수증기 개질 반응에서는 Ni-La 또는 Ni-La-Ce을 활성물질로 적용하는 것이 더욱 바람직하며, 글리세롤의 수증기 개질 반응에서는 Ni 또는 Ni-La-Ce을 활성물질로 적용하는 것이 더욱 바람직함을 확인할 수 있었다.Further, in the steam reforming reaction of ethanol, it is more preferable to apply Ni-La or Ni-La-Ce as the active substance, and in the steam reforming reaction of glycerol, it is more preferable to apply Ni or Ni-La-Ce as the active substance. Could confirm.

101: 수소 가스 생성 장치
110: 초임계수 가스화 장치
200: 원료 공급부
220: 유기물 원료 챔버
240: 제1 펌프
260: 제1 예열기
300: 수증기 공급부
320: 물 챔버
340: 제2 펌프
360: 제2 예열기
400: 혼합부
420: 관연결구
500: 반응부
520: 반응기
600: 냉각부
620: 냉각기
640: 후압제어기
700: 분리부
720: 분리기
740: 유량측정기
101: hydrogen gas generator
110: supercritical water gasifier
200: raw material supply
220: organic material raw material chamber
240: first pump
260: first preheater
300: steam supply
320: water chamber
340: second pump
360: second preheater
400: mixing part
420: connector
500: reaction part
520: reactor
600: cooling unit
620: cooler
640: after pressure controller
700: separation
720: separator
740: flow meter

Claims (20)

규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매.
An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. A catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohols.
제1항에 있어서,
상기 규칙적인 메조세공 실리카 담체는 SBA(Santa Barbara)인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The regular mesoporous silica carrier is SBA (Santa Barbara), the catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol.
제1항에 있어서,
상기 활성물질 중 니켈의 함량은 전체 촉매에 대하여 10 중량% 내지 30 중량%인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The content of nickel in the active material is a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol, characterized in that 10 wt% to 30 wt% with respect to the total catalyst.
제1항에 있어서,
상기 활성물질 중 란탄의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The content of lanthanum in the active material is a catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohol, characterized in that 5 to 10% by weight based on the total catalyst.
제1항에 있어서,
상기 활성물질 중 세륨의 함량은 전체 촉매에 대하여 5 중량% 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매.
The method of claim 1,
The content of cerium in the active material is a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol, characterized in that 5 wt% to 10 wt% with respect to the total catalyst.
규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체를 준비하는 단계;
활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 상기 준비된 규칙적인 메조세공 실리카 담체에 분사하여 활성물질을 담지시키는 단계; 및
활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 제1항의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
Preparing a ordered mesoporous silica (OMS) carrier;
Spraying a solution containing a metal precursor as an active material onto the prepared regular mesoporous silica carrier to support the active material; And
A method of preparing a catalyst for steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohols according to claim 1, comprising the step of forming a regular mesoporous silica carrier carrying an active substance into pellets.
제6항에 있어서,
상기 활성물질을 담지시키는 단계는 규칙적인 메조세공 실리카 담체들에 활성물질인 금속 전구체를 포함하는 용액을 분사하고, 담체들을 혼합하며 건조시키는 단계를 더 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
The method of claim 6,
The supporting of the active material may include spraying a solution containing a metal precursor as an active material onto regular mesoporous silica carriers, mixing and drying the carriers, and then steaming C 1 to C 5 low carbon alcohol. Method for producing a catalyst for reforming reaction.
제6항에 있어서,
상기 활성물질을 담지시키는 단계는 반복 수행하여 활성물질로 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 활성물질을 담지시키는 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
The method of claim 6,
The step of supporting the active material is repeatedly carried out by the nickel, nickel in the active material-lanthanum and nickel-lanthanum-low-carbon of that of supporting the one active substance selected from the group consisting of cerium, characterized in C 1 to C 5 Method for producing a catalyst for steam reforming reaction of alcohol.
제6항에 있어서,
상기 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법은 상기 활성물질을 담지시키는 단계를 수행하고난 후 500℃ 내지 700℃의 온도에서 소성하는 단계를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
The method of claim 6,
The C 1 to C production method of the 5 catalyst for the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols are C 1 to C 5, comprising the step of calcining at a temperature of 500 ℃ to 700 ℃ after performing the step of supporting the active material A method for producing a catalyst for steam reforming reaction of low carbon alcohols.
제6항에 있어서,
상기 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체를 펠렛 형태로 성형하는 단계는,
상기 활성물질이 담지된 규칙적인 메조세공 실리카 담체, 바인더 및 물을 혼합한 후 압축 성형하여 수행되는 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
The method of claim 6,
Forming the regular mesoporous silica carrier carrying the active material into a pellet form,
Method for producing a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol, characterized in that the compression is carried out after mixing the regular mesoporous silica carrier, the binder and water on which the active material is supported.
제10항에 있어서,
상기 압축 성형을 수행하고난 후, 500℃ 내지 700℃의 온도에서 소성하는 단계를 더 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매의 제조방법.
The method of claim 10,
After performing the compression molding, the method of producing a catalyst for steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol further comprising the step of firing at a temperature of 500 ℃ to 700 ℃.
C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 포함하는 원료 챔버 및 상기 원료를 예열(제1 예열)하기 위한 제1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 원료 공급부; 및
규칙적인 메조세공 실리카(ordered mesoporous silica, OMS) 담체에 니켈, 니켈-란탄 및 니켈-란탄-세륨으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 활성물질이 담지되고, 펠렛 형태인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응용 촉매를 포함하고, 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
A raw material chamber including a raw material chamber including a C 1 to C 5 low carbon alcohol and a first preheater for preheating (first preheating) the raw material; And
An ordered mesoporous silica (OMS) carrier is supported with an active material comprising at least one member selected from the group consisting of nickel, nickel-lanthanum and nickel-lanthanum-cerium, and is in a pellet form. comprises a C 1 to C 5 catalyst for steam reforming of a low carbon alcohols, and the reaction unit comprises a reactor for performing steam reforming reaction of the mixture; the steam reforming reaction of the C 1 to a low-carbon alcohols, C 5 containing Hydrogen gas generating device through.
제12항에 있어서,
상기 수소 가스 생성 장치는,
물 챔버 및 상기 물을 예열(제2 예열)하기 위한 제2 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 수증기 공급부; 및
상기 원료 공급부 및 수증기 공급부를 통한 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하는 혼합부;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 12,
The hydrogen gas generating device,
A steam supply unit for steam reforming reaction including a water chamber and a second preheater for preheating (second preheating) the water; And
Hydrogen gas generation through the steam reforming reaction of the C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising a; mixing section for producing a mixture of the raw material and steam containing a low carbon alcohol of C 1 to C 5 through the raw material supply and steam supply Device.
제13항에 있어서,
상기 제1 예열은 200℃ 내지 500℃의 온도에서 수행되고, 상기 제2 예열은 600℃ 내지 800℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 13,
The first preheating is carried out at a temperature of 200 ℃ to 500 ℃, the second preheating is carried out at a temperature of 600 ℃ to 800 ℃ hydrogen through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol Gas generating device.
제12항에 있어서,
상기 반응기는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 12,
The reactor is a hydrogen gas generating device through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol, characterized in that the fixed bed reactor or fluidized bed reactor.
제12항에 있어서,
상기 수소 가스 생성 장치는,
상기 반응기와 연결된 냉각부를 더 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 12,
The hydrogen gas generating device,
Hydrogen gas generating device through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol further comprising a cooling unit connected to the reactor.
제16항에 있어서,
상기 수소 가스 생성 장치는,
상기 냉각부와 연결된 분리부를 더 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 16,
The hydrogen gas generating device,
Hydrogen gas generating device through the steam reforming reaction of C 1 to C 5 low carbon alcohol further comprising a separator connected to the cooling unit.
제12항에 있어서,
상기 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치는 연료전지의 연료 생성용인 것을 특징으로 하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method of claim 12,
The C 1 to the hydrogen gas generator is a hydrogen gas generator through the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols, C 1 to C 5, characterized in that the fuel of the fuel cell generation accepted through the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols, C 5.
제13항의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는 연료전지 전기생산 시스템.
A fuel cell electric production system including a hydrogen gas generating device and a fuel cell through steam reforming of C 1 to C 5 low carbon alcohols of claim 13.
제13항의 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 이용하여 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법으로,
C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료를 제1 예열하는 단계;
물을 제2 예열하여 수증기를 생성하는 단계;
상기에서 생성된 C1 내지 C5의 저탄소 알코올을 포함하는 원료 및 수증기를 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계; 및
상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계;를 포함하는 C1 내지 C5의 저탄소 알코올의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
To claim 13 C 1 to the hydrogen gas generated through a steam reforming method of the low carbon alcohols, C 1 to C 5 using the hydrogen gas generator through the steam reforming reaction of the low-carbon alcohols, C 5,
First preheating the raw material comprising C 1 to C 5 low carbon alcohol;
Preheating the water to produce water vapor;
Mixing a raw material and water vapor including the C 1 to C 5 low carbon alcohol generated above to produce a mixture, and continuously introducing the mixture into a reactor; And
Steam reforming method of the C 1 to C 5 low carbon alcohol comprising the step of performing a steam reforming reaction of the mixture in the reactor.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115634707A (en) * 2022-11-10 2023-01-24 南开大学 Rare earth diatomic thermal catalytic material and synthetic method and application thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050053770A (en) * 2002-10-17 2005-06-08 도요 라지에타 가부시키가이샤 Autooxidation internal heating type steam reforming system
KR101052385B1 (en) 2002-10-18 2011-07-28 몬산토 테크놀로지 엘엘씨 Use of Metal Supported Copper Catalysts for Alcohol Reforming
KR101625537B1 (en) * 2014-12-03 2016-05-30 한국과학기술연구원 Perovskite type catalyst of high surface area, preparing method thereof, and a method for producing synthesis gas by using the same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050053770A (en) * 2002-10-17 2005-06-08 도요 라지에타 가부시키가이샤 Autooxidation internal heating type steam reforming system
KR101052385B1 (en) 2002-10-18 2011-07-28 몬산토 테크놀로지 엘엘씨 Use of Metal Supported Copper Catalysts for Alcohol Reforming
KR101625537B1 (en) * 2014-12-03 2016-05-30 한국과학기술연구원 Perovskite type catalyst of high surface area, preparing method thereof, and a method for producing synthesis gas by using the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Applied Catalysis B: Environmental 181 (2016) 321-331* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115634707A (en) * 2022-11-10 2023-01-24 南开大学 Rare earth diatomic thermal catalytic material and synthetic method and application thereof

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