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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 한신호
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 한국산업기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
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건물용 PEMFC 연료전지용 연료처리장치에 대한 수증기 개질촉매의 크기 및 형상에 따른 반응 특성에 대한 연구를 수행하였다. 크기 및 형상이 각기 다른 상용촉매(5mm 구형, 3mm 구형, 1×3 펠렛)를 원통형 반응기에 충진하여, 온도?SCR?반응물인 천연가스 유량에 따라 개질가스의 조성 및 반응기 온도분포를 분석하였다.
동일한 온도와 SCR?유량에서 생성된 수소의 유량은 촉매의 비표면적이 클수록 증가하였다. 이는 촉매의 비표면적이 클수록, 동일한 부피의 촉매층에 담지되어 있는 Ni이 많기 때문으로 분석되었다. Ni의 담지량이 많을수록 반응물이 흡착할 수 있는 활성점이 많아지기 때문에, 수증기-메탄 리포밍 반응을 촉진하여 수소 생성량을 증가시키는 것으로 사료된다. 반응기의 온도가 600~750℃로 상승함에 따라 수소의 생성량은 비표면적이 큰 촉매일수록 낮은 온도에서 일정하게 되었으며, 비표면적이 가장 작은 5mm 구형 촉매의 경우 700℃ 이하에서 수소조성의 변화량이 1.2%이내로 다른 촉매보다 0.7%가량 높았다. 이는 촉매의 비표면적이 작을 경우 열전달면적이 감소하여, 흡열반응에 필요한 열을 충분히 제공하지 못하기 때문으로 사료된다.
열이 충분히 공급될 수 있는 700℃이상의 온도에서 촉매의 비표면적과 SCR이 미치는 영향을 관찰하였다. SCR이 2.5~4로 상승할수록 수소의 생성량이 일정하게 증가하였으나, 증가폭은 0.5% 이내로 온도에 의한 변화보단 작았다. 비표면적이 클수록 SCR이 2.5~3에서의 수소 유량의 증가폭이 컸다. 비표면적이 클수록 수증기의 공간시간이 증가하게 되는데, SCR이 2.5에서는 증가한 공간시간에 필요한 수증기가 원활하게 공급되지 않았기 때문으로 생각된다.
촉매의 비표면적에 따른 메탄전환율이 최대인 최적의 운전조건을 찾기 위해, 반응기 효율 분석을 하였다. 비표면적이 큰 촉매가 보다 낮은 온도에서 높은 효율을 나타내었다. 촉매의 비표면적이 0.68m2 이상일 경우 온도가 650℃에서 효율이 최대였으나, 비표면적이 작은 경우 온도가 750℃에서 효율이 최대였다. SCR의 경우 물이 수증기로 상태 변화에 필요한 에너지가 반응기 효율에 영향을 미치며, 촉매의 비표면적과 관계없이 SCR이 3 일 때 가장 효율이 높았다.
개질가스에서 측정된 수소유량을 사용하여, 1kW급 건물용 연료전지에 적합한 촉매층의 부피를 비교하였다. 분석결과 비표면적과 Ni의 담지량이 많을수록 촉매층의 부피가 감소하였으며 이는 비표면적 증가함에 따라 생산된 수소의 유량이 증가했기 때문으로 생각된다.
따라서 비표면적이 크고 Ni의 담지량이 많은 촉매를 실제 수증기-메탄 리포밍 반응기에 적용할 경우 촉매층 부피감소로 보다 컴팩트한 반응기 설계 및 제작이 가능하고, 낮은 온도에서 효율적인 반응기 운전이 가능하게 될 것으로 사료된다.
동일한 온도와 SCR?유량에서 생성된 수소의 유량은 촉매의 비표면적이 클수록 증가하였다. 이는 촉매의 비표면적이 클수록, 동일한 부피의 촉매층에 담지되어 있는 Ni이 많기 때문으로 분석되었다. Ni의 담지량이 많을수록 반응물이 흡착할 수 있는 활성점이 많아지기 때문에, 수증기-메탄 리포밍 반응을 촉진하여 수소 생성량을 증가시키는 것으로 사료된다. 반응기의 온도가 600~750℃로 상승함에 따라 수소의 생성량은 비표면적이 큰 촉매일수록 낮은 온도에서 일정하게 되었으며, 비표면적이 가장 작은 5mm 구형 촉매의 경우 700℃ 이하에서 수소조성의 변화량이 1.2%이내로 다른 촉매보다 0.7%가량 높았다. 이는 촉매의 비표면적이 작을 경우 열전달면적이 감소하여, 흡열반응에 필요한 열을 충분히 제공하지 못하기 때문으로 사료된다.
열이 충분히 공급될 수 있는 700℃이상의 온도에서 촉매의 비표면적과 SCR이 미치는 영향을 관찰하였다. SCR이 2.5~4로 상승할수록 수소의 생성량이 일정하게 증가하였으나, 증가폭은 0.5% 이내로 온도에 의한 변화보단 작았다. 비표면적이 클수록 SCR이 2.5~3에서의 수소 유량의 증가폭이 컸다. 비표면적이 클수록 수증기의 공간시간이 증가하게 되는데, SCR이 2.5에서는 증가한 공간시간에 필요한 수증기가 원활하게 공급되지 않았기 때문으로 생각된다.
촉매의 비표면적에 따른 메탄전환율이 최대인 최적의 운전조건을 찾기 위해, 반응기 효율 분석을 하였다. 비표면적이 큰 촉매가 보다 낮은 온도에서 높은 효율을 나타내었다. 촉매의 비표면적이 0.68m2 이상일 경우 온도가 650℃에서 효율이 최대였으나, 비표면적이 작은 경우 온도가 750℃에서 효율이 최대였다. SCR의 경우 물이 수증기로 상태 변화에 필요한 에너지가 반응기 효율에 영향을 미치며, 촉매의 비표면적과 관계없이 SCR이 3 일 때 가장 효율이 높았다.
개질가스에서 측정된 수소유량을 사용하여, 1kW급 건물용 연료전지에 적합한 촉매층의 부피를 비교하였다. 분석결과 비표면적과 Ni의 담지량이 많을수록 촉매층의 부피가 감소하였으며 이는 비표면적 증가함에 따라 생산된 수소의 유량이 증가했기 때문으로 생각된다.
따라서 비표면적이 크고 Ni의 담지량이 많은 촉매를 실제 수증기-메탄 리포밍 반응기에 적용할 경우 촉매층 부피감소로 보다 컴팩트한 반응기 설계 및 제작이 가능하고, 낮은 온도에서 효율적인 반응기 운전이 가능하게 될 것으로 사료된다.
목차
목 차표 목 차 Ⅲ그림목차 Ⅴ기호설명 Ⅶ국문요약 1제 1장 서론 31-1절 분산발전과 건물용 연료전지 31-2절 고분자 연료전지 시스템 4제 2장 배경이론 62-1절 연료처리장치의 개요 62-2절 촉매반응기 72-3절 수증기-메탄 리포밍 반응의 화학 반응 모델 10제 3장 연구방법 133-1절 열역학적 시뮬레이션 133-2절 실험적 방법 163-2-1항 연료처리장치 평가시스템 구성 163-2-2항 실험 방법 및 조건 19-Ⅰ-제 4장 결과 및 고찰 224-1절 촉매의 비표면적 224-2절 반응기의 온도 254-3절 SCR 274-4절 최적 운전조건 294-5절 용량 비교 33제 5장 결 론 35참고문헌 37Abstract 40
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