• Proceedings of the KIPE Conference
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• 2008.06a
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• pp.100-102
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• 2008

앞으로의 에너지 고유가 시대를 대비하여 수소의 생산에 대한 연구를 활발히 진행되어지고 있다. 여러 가지 수소를 생산하는 방법 중 본 연구에 사용되는 방법은 개질반응법으로써 스팀(수증기)개질 방식을 사용하는 1KW용 개질시스템에 관한 연구이다. 본 장치는 천연가스를 이용하여 1m3/hr을 생산하는 수증기 개질시스템이다. 크게 세가지로 나누어 지는데, 첫째 시스템 제어부, 둘째 가스 및 물 공급부, 셋째 개질기이다. 본 연구에서는 이 개질 시스템의 운전 특성과 모니터링에 대해서 알아보고자 한다.

• THE INDUSTRY AND TECHNOLOGY OF GAS
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• v.6 no.1 s.7
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• pp.68-79
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• 2003

가정용 연료전지의 개발은 소형 개질기에 대한 개발을 요구하고 있을 뿐만 아니라 수소자동차 보급에 대한 전망은 현지 설치가 가능한 소형 수소 제조장치의 개발을 필요로 하고 있다. 개질기의 공통적인 연구개발 방향은 시스템의 고효율화와 빠른 기동성과 내구성, 안정성 그리고 경제성을 확보하는 것이라고 할 수 있다. 최근의 개질기 연구동향을 살펴보면 개질효율 향상을 위하여 개질촉매가 새롭게 연구되고 있으며, 특히 가정용 연료전지 시스템의 적용에 적합하도록 통합형 개질기 시스템 구성을 통한 개질기의 소형화와 고효율화에 연구의 초점이 맞추어져 있다. 이 외에도 탈황제와 일산화탄소 제거를 위한 촉매 개발에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 1시간 이상 소요되는 기동시간을 단축시키기 위한 시스템 연구가 이루어지고 있다. 본 고에서는 개질기 관련기술에 대한 전반적인 고찰과 그리고 최근의 개발동향을 분석해 보고 본 연구원에서 개발된 소형 수소제조장치의 특징에 대하여 소개하고자 한다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.34 no.4
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• pp.341-347
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• 2010

In this study, the efficiency of a solid-oxide fuel cell (SOFC) system with a steam reformer or prereformer was analyzed under various conditions. The main components of the system are the reformer, SOFC, and water boiling heat recovery system. Endothermic and exothermic reactions occur in the reformer and SOFC, respectively. Hence, the thermal management of the SOFC system greatly influences the SOFC system efficiency. First, the efficiencies of SOFC systems with a steam reformer and a prereformer are compared. The system with the prereformer was more efficient than the one with steam reformer due to less heat loss. Second, the system efficiencies under various prereformer operating conditions were analyzed. The system efficiency was a function of the heat requirement of the system. The efficiency increased with an increase in the operating temperature of the prereformer, and the maximum system efficiency was observed at $450^{\circ}C$ for a S/C of 2.0.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.231-234
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• 2005

수소 기반의 에너지 사회는 중소규모 분산 발전과 연료 전지 자동차에서 시작될 거라는 예측이 지배적이다. 가정용 고분자 연료전지 시스템은 상업화에 가장 가까운 소규모 분산 발전 시스템중의 하나이며, 에너지기술연구위원에서는 가정용 고분자 연료전지에 수소를 공급하기 위한 천연가스 수증기 개질시스템의 개발을 진행해 왔다. 효율 향상과 제작의 용이성, 그리고 소형화에 초점을 맞추어 개발된 prototype-I은 $2.0Nm^3/hr$의 순수 수소 생산 용량을 가지고 있으며, 수증기 개질기와 수성가스 전이 반응기 수중기 생성 장치, 그리고 반응열 공급에 필요한 버너 등을 이중 동심원관에 통합한 형태이다. 수중기 개질과 수성가스 전이 반응을 거쳐 나오는 개질 가스의 조성은 $72.3\%\;H_2,\;4.8\%\;CH_4,\;0.7\%\;CO,\;22.2\%\;CO_2$이며, 이때 S/C 비율은 2.5였다. 고분자 연료 전지 공급 시 요구되는 CO 농도가 10ppm 이하이기 때문에, 본 시스템에는 선택적 산화 반응기를 2단으로 설치하여 CO. 농도를 10ppm 이하로 낮추어주었다. 전체 시스템의 열효율은 LHV 기준으로 $68\%$. Prototype-I의 운전을 통해 설계 개선안을 도출하였으며, 이를 적용해 제작한 prototype-II가 시험 운전 중이다,. 통합된 개질 시스템에서는 각 단위 반응기사이의 열교환을 최적화하여 단위 반응들이 적정 온도 범위에서 일어나도록 유도하는 것이 중요하다. Prototype-II는 수증기 개질 반응기와 WGS 반응기, 수증기 생성 장치 사이의 열교환율을 향상시켜 농도를 $2.5\%$로 감소시키면서 CO의 농도는 $1\%$이하로 유지하였다. 이 결과를 바탕으로 얻어진 메탄 전환율은 $87\%$이고, 열효율은 LHV 기준으로 $75\%$이다. 아울러 개선점을 적용한 선택적 산화 반응기를 제작하였다. 개질 가스와 산소의 혼합을 유도하고, 반응기 온도의 제어를 통해 선택적 산화 반응의 속도와 선택성을 향상시키고자 한다. 시스템의 운전을 통해 메탄 전환율과 열효율의 개선을 진행할 예정이다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2008.04c
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• pp.236-238
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• 2008

앞으로의 에너지 고유가 시대를 대비하여 수소의 생산에 대한 연구를 활발히 진행되어지고 있다. 여러 가지 수소를 생산하는 방법 중 본 연구에 사용되는 방법은 개질반응법으로써 스팀(수증기)개질 방식을 사용하는 1KW용 개질시스템에 관한 연구이다. 본 장치는 천연가스를 이용하여 1m3/hr을 생산하는 수증기 개질시스템이다. 크게 세가지로 나누어 지는데, 첫째 시스템 제어부, 둘째 가스 및 물 공급부, 셋째 개질기이다. 본 연구에서는 이 개질 시스템의 운전 특성과 모니터링에 대해서 알아보고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.113.1-113.1
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• 2010

본 연구에서는 중 소형 SOFC에 적용할 수 있는 연료 변환 시스템으로 자체 기동 및 독립운전이 가능한 천연가스 자열개질(ATR) 반응기를 $10Nm^3/hr$급으로 개발하고자한다. 설계된 천연가스 자열개질기는 자열개질 촉매를 코팅한 금속 모노리스형 촉매체를 반응기 내에 장착함으로써 반응열을 신속하게 제거 또는 공급할 수 있는 시스템으로 구성되었다. 이는 금속 모노리스의 뛰어난 열전도 능력에 의해 반응기 내의 촉매층 전체 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 저에너지형 자열개질 반응기이다. 또한 빠른 기동 특성을 실현하기 위하여 전기 발열식 촉매체(EHC ; Electically Heated Catalyst)를 장착한 start-up 시스템을 적용하여 천연가스 자열개질 반응기의 신속한 기동과 장치 간편화를 실현하였으며, 합성 syngas의 배열 회수를 위한 최적 열교환 시스템을 설계/적용함으로써 에너지 효율 향상을 도모하였다. 이와 같은 촉매 및 구조 시스템을 가지는 천연가스 자열개질 반응용 소형 연료변환 시스템을 원통형의 이중관 구조로 구성하고, 독립운전 모드로 개발함으로써 소형 SOFC의 연료 변환장치의 적용에 용이하게 하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.86.1-86.1
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• 2010

예비개질기(Pre-reformer)는 중대형 내부개질형 용융탄산염 연료전지(MCFC) 시스템에서 다양한 연료를 사용하기 위한 필수적인 화학반응기이다. 예비개질기는 스택 전단에 설치함으로서 스택 내부의 열균형을 유지하고, 다양한 원료를 연료로 이용할 수 있도록 하며, 황화물로부터 후단의 개질촉매 및 전극촉매를 보호하여 주개질 반응의 부담을 감소시켜 MCFC 시스템의 내구성 향상의 중요한 역할을 한다. 본 연구는 예비개질 반응기 설계에 CFD 모델링을 적용하기에 앞서 파일롯 반응기 내 농도/ 온도 구배를 측정하고자 하는 목적으로 수행되었다. 반응가스로는 천연가스 내 고차탄화수소(C2 이상) 중 상대적으로 높은 농도를 가진 에탄을 이용하였고, MCFC용 예비개질기의 운전특성을 고려하여 비교적 낮은 온도와 높은 수증기/탄소 비에서 단열반응기로 실험을 진행하였다. 향후 본 실험결과를 이용하여 CFD 모델링에 대한 검증을 수행할 예정이며, 하수처리장부생가스(ADG)/ 매립지 가스(LFG)용 MCFC 시스템을 위한 예비개질기 설계에도 적용을 하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.05a
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• pp.361-363
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• 2008

탄소 개질반응은 $1200^{\circ}C$(도1) 이상에서 모든 탄화물질과 수분 또는 $CO_2$ 사이에서 흡열/환원반응이 일어나서 합성가스를 생성한다. 개질반응로는 산화반응로와 연결되어, 수소가스와 CO 가스의 혼합인,합성가스가 산화반응로 내에서 산소가스와 연소하여 열과 $H_2O+CO_2$를 생성하여 환원 반응로 내로 유입되어, 환원 반응로를 $1200^{\circ}C$ 이상으로 유지하고, $H_2O$와 $CO_2$는 석탄 속의 모든 탄소를 CO로 개질한다(도2). 동시에 수소가스가 생성되어 합성가스를 생성하게 된다. 석탄 속의 비탄소 물질인 슬래그(Slag)는 개질로 내에 남게 되는데, 개질로를 슬래그 융점(non-fluid point) 이하에서 고체상태로 포집함으로서 Fly-ash로 처리된다. 개질로 내의 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$(석탄 슬래그 융점)로 유지함으로서 개질반응이 지속되어 합성가스가 생성된다. IGCC 시스템에서는 합성가스를 가스터빈 속에서 $O_2E가스와 연소하여 고온의 가스를 생성하여 터빈을 가동해 발전을 하고 배출가스를 $1500{\sim}1700^{\circ}C$에서 배출한다. 재래식 IGCC(도4)에서는 ${\sim}1500^{\circ}C$의 배출가스를 열교환 시스템에 의해 증기를 생성하여 Steam turbine(증기터빈)을 가동하여 추가 전력을 생산했다. 그러나 본 시스템에서는 배출가스(증기와 $CO_2E 가스)를 위의 개질로에 유입하여 개질로 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$로 유지함으로서 더 많은 합성가스를 생성 하게 된다(도3). 이렇게 하여 Oxidation-reduction cycle을 형성하게 된다. 새로운 IGCC 시스템에서 가스 터빈의 배출가스가 석탄 개질로에 연결되고 석탄개질로의 합성가스 출구가 가스터빈의 가스 입구에 연결됨으로서,외부에너지 주입 없이 지속 가능한 가스화 반응과 터빈 사이클(Cycle)을 완성하여 IGCC 시스템의 석탄 열효율을 1단계 상승시켰다. 이렇게 설계된 석탄가스화기는 Lurgi형 석탄가스화 기와 달리 석탄개질반응의 효율을 높일 수 있고, 슬래그 처리가 간단하기 때문에 석탄가스화기가 소형화 될 수 있으며 슬래그(Slag)용융에 따른 석탄가스화기의 외벽손상을 피할 수 있다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.224.2-224.2
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• 2010

연료개질기는 연료전지 시스템의 핵심 구성요소 중의 하나로 도시가스로부터 수소를 생산하는 역할을 담당한다. 연료개질기는 주로 탈황, 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 반응의 4단계로 구성되어 있으며 이 중 상온 탈황부분을 제외한 나머지 부분은 일체화 설계를 통해 제작된다. 탈황의 경우 도시가스에 포함된 부취제인 황화합물를 제거하여 후단에 위치한 촉매층이 황에 의해 피독되는 것을 막는 역할을 하며 주로 상온흡착식 탈황제를 사용한다. 황이 제거된 도시가스는 물과 함께 연료개질기로 도입되어 수증기 개질반응을 통하여 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 소량의 메탄과 미반응 수증기로 구성된 개질가스로 전환된다. 이후의 수성가스 전이반응에서는 일산화탄소가 물과 반응하여 수소 생산량을 늘리며 동시에 일산화탄소의 농도를 낮추게 된다. 또한 고분자 전해질 연료전지에 공급되는 개질가스는 선택적 산화반응을 통하여 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 유지하게 된다. 이러한 기능의 연료개질기 개발의 주요 이슈로는 컴팩트화 및 고효율화이며 이 두가지 요소를 고려하여 연료개질기를 설계하여야 한다. 연료전지 시스템의 전체부피를 줄이기 위한 노력의 일환으로 연료개질기의 컴팩트화가 요구되는데 가정용 연료전지 기술 선진국인 일본 제품의 경우 $1Nm^3/h$급 연료개질기의 부피는 20L정도로 알려져 있다. 또한 연료전지 시스템의 효율은 연료개질기의 개질효율과 연료전지 스택의 발전효율의 곱으로 계산되기 때문에 연료개질기의 연료개질 효율은 전체 시스템의 효율에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 한국에너지기술연구원에서는 수소생산량 기준 $1Nm^3/h$급 연료개질기의 개발을 완료하였으며 크기 및 효율면에서 선진국 제품과 비교하여 동등 또는 우위의 수준을 달성하였다. 연료개질기 내부의 혼합 및 분배 구조를 개선하고 각 촉매층의 최적 배치를 통해 연료개질기의 부피를 최소화 하였으며 연료개질기 내부에서 고온부위와 저온부위 사이의 최적 열교환을 통해 열효율을 극대화 시켰다. 현재 개발된 $1Nm^3/h$급 개질기의 단열 후 부피는 13.5L 그리고 단독운전 시 열효율은 80%(LHV)로 측정되었다. 또한 $1Nm^3/h$급의 연료개질기의 스케일-업 설계를 통하여 수소생산량 3, $5Nm^3/h$ 규모의 연료개질기를 개발하였으며 성능평가가 진행 중이다.

• Journal of Digital Convergence
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• v.10 no.2
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• pp.225-229
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• 2012

A reformer for a small fuel cell system is an apparatus which converts hydrocarbon fuel into hydrogen-rich gas. Among many indices of a reformer, the most crucial index of a reformer is CO concentration in the off-gas out of reformer which must be controled under 5ppm for the efficiency and performance of a system. This paper suggests the criteria of a reformer operation for the stability of a reformer in a fuel cell system by deducing crucial indices and improving processes. The six-sigma technique was applied to verify the optimum control and operation of a reformer of a fuel cell combined heat and power system. The result of temperature control of each parts of a reformer system is the concentration of CO which is the most important factor for the operation of a fuel cell system. The temperature of the parts of a reformer, MTS, LTS and Prox, were controled so that the concentration of CO.