• 한국산업정보학회논문지
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• 제24권5호
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• pp.9-16
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• 2019

오늘날 세계 에너지 시장에서는 친환경 에너지의 중요성이 대두되고 있다. 수소 에너지는 미래의 청정에너지원이며 무공해 에너지원 중 하나이다. 특히 수소를 이용한 연료전지 방식은 재생에너지의 유연성을 높여주고 장기간 에너지 저장 및 변환이 가능해서 화석 자원의 사용에 따른 환경문제와 자원의 고갈로 인한 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 판단된다. 본 연구의 목적은 플라즈마를 이용하여 효율적으로 수소를 생산하는 방안으로, 온도에 따른 개질반응과 수율을 확인하여 DME(Di Methyl Ether)개질의 최적화 방안을 연구하는데 있다. 연구 방법은 2.45 GHz의 전자파플라즈마 토치를 사용하여 청정 연료인 DME를 개질하여 수소를 생산하고, 저온 조건($T3=1100^{\circ}C$), 저온 과산소 조건($T3=1100^{\circ}C$), 고온 조건($T3=1376^{\circ}C$)에서 가스화 분석을 진행하였다. 저온 가스화 분석을 통해 $1100^{\circ}C$ 근처에서는 불안정한 개질 반응으로 인해 메탄이 발생하는 현상을 확인하였고, 저온 과산소 가스화 분석은 저온 가스화 분석과 비교하였을 때 수소는 적으나 이산화탄소는 많은 것을 확인할 수 있었다. 고온에서의 가스화 분석을 통해 $1200^{\circ}C$ 이상에서는 메탄이 발생하지 않았고 약 $1150^{\circ}C$ 부터 메탄이 발생하는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 개질반응시 온도가 높을수록 수소의 비율이 높아지나 CO 비율은 증가하는 것을 볼 수 있었다. 그러나, 가스화기의 구조적인 문제로 인해 열손실과 개질의 문제가 발생함을 확인하였다. 향후 연구의 발전 방향으로는, 가스화기 개선을 통해 불완전한 연소를 줄여 높은 수율의 수소를 얻고 일산화탄소, 메탄과 같은 기체의 발생을 낮출 필요성이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서 제안하는 DME를 수증기 플라즈마 개질하여 수소를 생산하는 최적화 방안이, 향후 친환경, 신재생 에너지를 생산하는데 의미있는 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.155-155
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• 2011

용융탄산염 연료전지(MCFC)는 $650^{\circ}C$에서 작동하는 고온형 연료전지 시스템이다. 이 시스템은 천연가스 등을 개질하여 생산된 수소를 바로 전기로 생산할 수 있는 시스템으로 열효율이 높으며, 현재 대체 발전시스템으로 각광을 받고 있다. MCFC는 개질방식에 따라 내부개질 방식과 외부개질 방식이 있다. 내부개질 방식은 수소를 생산하는 개질기가 스택내부에 장착된 형식으로 천연가스를 스택내부에서 개질하여 바로 전기를 생산하는 방식이다. 이 내부개질반응에 사용되는 촉매로는 알루미나에 고함량 (약 50 wt.%)으로 담지된 니켈(Ni) 계열촉매이 주로 쓰이고 있다. 이 고함량으로 담지된 촉매는 대부분 높은 활성을 보인다. 비교적 낮은 온도 운전조건 (약 $580{\sim}620^{\circ}C$)을 가지는 MCFC 내부개질에 적용하기 위해서는 활성점인 니켈을 최대한 담지체에 고르게 분산 시켜야한다. 이를 위해서 MgO를 이용하여 촉매의 활성점을 높게 분산시키는 연구를 진행 하였다. 촉매를 제조하는 방법으로 요소(urea)를 이용한 균일용액침전법을 이용하였다. 니켈함량은 50 wt.%로 고정을 한 다음, MgO 양과 $Al_2O_3$ 양을 각각 0 ~ 45 wt.%와 5 ~ 50 wt.%로 조절하면서 촉매를 제조하여 그 특성들을 분석하였다. 물성을 비교하기 위해서, X-선 회절분석 (XRD) 및 TPR, 물리화학흡착 실험을 하였다. 촉매의 활성을 살펴보기 위해서, fresh 상태 및 피독 상태에서 메탄수증기 개질활성 실험을 실시하였다. MgO 함량이 없거나 적은 촉매에서는 높은 BET surface area와 작은 NiO, metallic Ni 결정 크기가 나타났다. 반면 MgO 함량이 높은 촉매에서 낮은 BET surface area와 비교적 큰 NiO, metallic Ni 결정 크기가 나타났다. 또한 XRD 분석에서 MgO 함량이 증가할 수 록 MgO 결정 피크가 명확히 나타났으며, $MgAl_2O_4$ 피크는 나타나지 않았다. TPR 분석에서 촉매들의 환원 피크를 측정한 결과, 저함량의 MgO를 포함한 촉매는 $700^{\circ}C$ 부근에 환원 피크가 관찰되었고 MgO가 고함량인 촉매는 환원 피크가 $400^{\circ}C$ 부근에서 관찰되었다. 촉매의 초기 fresh 상태에서의 활성은 고함량 MgO를 포함한 Ni-90M10A 샘플을 제외하고 모든 촉매가 거의 비슷하게 나타났다. 그러나 $K_2CO_3$ 피독 상태에서는 MgO 함량이 증가할 수 록 활성이 좋지 않았음을 알 수 있었다. 따라서 MgO가 소량 포함된 촉매의 경우 fresh 상태에서는 우수한 물성과 활성을 보이지만, 피독상태에서는 MgO가 포함되지 않은 Ni-$Al_2O_3$ 촉매가 우수한 활성을 보였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2005년도 제17회 워크샵 및 추계학술대회
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• pp.638-641
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• 2005

수소는 자원이 무한하고 청결한 에너지이다. 수소는 무공해 청정 대체연료로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 풍부한 자원으로부터 얻을 수 있다. 수소에너지는 물을 분해하여 얻거나 화석연료를 수증기개질 또는 부분산화 시킴으로써 얻을 수가 있다. 수소에너지는 1차 에너지를 변환시켜 얻을 수 있는 2차 에너지로서 환경에 대한 부하가 거의 없어 향후 화석연료를 대체할 수 있는 가장 가능성이 높은 에너지이며, 연료전지의 상용화를 앞두고 있어 중요성이 더욱 증대되고 있다. 수소를 생산하는 방법 중 가장 이상적인 방법으로는 물분해함으로써 수소를 제조하는 방법이 있다. 그러나 물분해에 의한 수소생산은 제조비용이 비싸 경제성이 떨어진다는 점과 수소의 대량생산에 필요한 기술확보가 여의치 않아 어렵다. 그러므로 수소를 저 비용으로 대량 생산할 수 있는 수소 제조 기술의 확보가 선행되어야 할 것이다. 현재 상용화되어 있는 수소제조방법은 거의 석유나 천연가스의 수증기 개질에 의한 수소 제조 방법이다. 그러나 이러한 방법은 유해 환경 물질인 CO나 $CO_2$를 배출하는 단점을 지니고 있다. 이러한 단점을 보완키 위한 수소 제조공정의 대안 중 하나는 탄화수소연료의 수소와 탄소로의 직접분해에 의한 수소생산이다. 이 중 원하는 생성물인 수소 외에 부산물이 카본이 동시에 얻을 수 있는 메탄분해에 의한 수소생산방법은 생산된 수소의 약 15%만 연소시킴으로서 필요한 에너지를 공급할 수 있으며, 동시에 지구온난화의 주범인 CO 또는 $CO_2$가 생성되지 않는 장점이 있다. 하지만 메탄을 분해하기 위해서는 매우 높은 에너지가 필요로 하게 된다. 이에 반해 프로판은 메탄보다 낮은 열원에서 분해할 수 있는 장점을 지니고 있다. 본 연구에서는 메탄보다 분해하기 쉬운 프로판을 직접 분해하여 수소를 생산하고자 하였다. 프로판 직접분해반응는 $500\sim750^{\circ}C$의 온도 범위에서 이루어 졌으며, 촉매로서는 국내에서 생산되는 상용촉매인 카본블랙을 이용하였다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제36권4호
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• pp.425-430
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• 2012

본 연구에서는 비상시 전기 공급용 MCFC 프리커버터의 천연가스(메탄)로부터 수소의 생산량을 증가시키는 경우를 수치적으로 해석하였다. 상용 코드를 사용하였으며 촉매는 다공성 매질로 시뮬레이션 하였다. 3가지 주요 화학반응인 수증기 개질반응(SR), 수성 가스 전환(WGS) 및 직접 수증기 개질 반응(DSR)은 사용자 부프로그램을 사용하여 해석하였다. 프리컨버터에서 10%의 연료전환율을 얻기 위해 요구되는 추가 열량을 벽면을 통해 공급하게 되면 프리컨버터의 벽면 부근에서만 매우 불균일한 온도 분포와 화학반응이 일어나는 것으로 분석되었다. 이와 같은 현상은 매우 작은 열전도율을 갖는 다공성 매질의 촉매와 흡열반응으로 설명되어질 수 있다. 해석결과 프리컨버터의 길이가 짧은 경우가 보다 균일한 연료전환율을 보여 주며, 촉매의 유지 보수 면에도 길이가 짧은 경우가 유리함을 보여 주었다.

• 공업화학
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• 제10권5호
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• pp.652-659
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• 1999

메탄을 연료로 한 직접 내부개질형 용융탄산염 연료전지의 anode전극위치에 따른 개질 촉매의 피독 현상을 규명하였다. 수증기-탄소 비를 2.5로 고정시킨 후 운전전압 0.75 V, 전류밀도 $140mA/cm^2$을 유지하면서 24시간 운전중인 연료전지를 정지시키고 anode전극 내, 가스흐름 방향으로 입구, 중간 및 출구 부분에 충전된 촉매를 채취하여 탄소와 전해질 성분인 리튬과 칼륨의 피독 정도를 분석하였고 운전시간 100시간 후, 같은 방법으로 촉매를 분석하였다. 그 결과, 운전시간 24시간 경과 후 촉매의 리튬과 칼륨의 피독량은 입구부에서 0.27 wt%, 중간부에서 0.23 wt% 출구부에서 1.59 wt%로 출구부에 충전된 촉매 피독량이 제일 높았지만 100시간 경과 후 촉매의 피독량은 입구부에서 가장 높았다. 이러한 결과는 직접 내부개질형 연료전지의 성능 모사를 통한 전극 내 위치별 반응속도와 이에 따른 촉매의 역할로 설명이 가능하였다. 전지의 성능 모사 결과 전극 내 메탄-수증기 개질 반응은 입구 부분 30%까지 초기 메탄 유입량의 90%가 반응하여 이 부분에 충전된 촉매가 가장 많이 사용되고 전극반응도 가장 활발하게 일어나 입구부 촉매의 탄소와 전해질 피독량이 높았고 운전 시간에 따른 피독 정도가 가장 빨랐다. 전극 내 출구부는 가장 높은 온도분포를 보이고 있어 상대적으로 전해질 증발이 많아져 운전 초기부터 촉매의 전해질 피독이 빠르게 일어나지만 개질 반응과 전극 반응은 상대적으로 적게 진행되어 촉매의 피독 속도는 크지 않았다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2015년도 제49회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.97-97
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• 2015

전 세계적으로 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제를 해결하기 위해 신재생에너지에 대한 관심이 급증하고 있다. 이러한 신재생에너지에는 수소 에너지, 자연 에너지(태양열, 지열 등), 바이오 매스 에너지 등이 포함된다. 이 중 수소 에너지는 지구상에 풍부하게 존재하고 있는 물과 탄화수소로부터 얻어지며, 연소 시에도 다시 물을 형성하여 오염 물질을 배출하지 않는 차세대 무공해 에너지원으로써 주목을 받고 있다. 수소 제조를 위한 공정에는 수증기 개질 공정(steam reforming), 부분 산화(partial oxidation) 및 자열개질(autothermal reforming) 등이 있으며 실제로 생산되는 대부분의 수소는 탄소/수소비(1:4)가 높은 메탄($CH_4$) 가스를 이용한 메탄 수증기 개질 공정(steam methane reforming)을 통하여 제조된다. 이 때 수소 제조의 고효율화 및 저비용화를 위해서는 반응물에 대한 높은 선택도, 고활성도 및 높은 안정성을 갖는 촉매가 반드시 필요하며, 대표적으로 Ni, Pt, Ru 등이 보고되고 있다. 이러한 촉매들은 대부분 세라믹 pellet 형태로 제작되어 왔으나 열전도도가 낮고 물리적 충격에 취약하다는 단점이 존재한다. 따라서 우리는 이러한 단점을 극복하고, 촉매의 활성을 높이기 위하여 다공성 금속 합금 폼을 촉매 지지체로 도입하였다. 또한, 다공성 금속 합금 폼 표면에 촉매의 분산 및 안정성을 향상시키기 위해 지지체와 촉매 사이에 원자층 증착법을 이용하여 inter-layer를 도입하였다. 이들의 구조, 형태, 및 표면의 화학적 상태는 주사전자현미경, EDS (energy dispersive spectroscopy)가 탑재된 주사전자현미경, X-선 회절, 및 X-선 광전자 분광법을 이용하여 규명하였다. 더하여 정전압-전류 측정법 및 유도 결합 플라즈마 분광 분석기을 이용하여 전기 화학 반응을 유도하고, 반응 후 전해질의 성분분석을 통해 촉매와 지지체 간의 안정성을 평가하였다. 따라서 본 결과들은 한국진공학회 하계정기학술대회를 통해 좀 더 자세히 논의될 것이다.

• 한국가스학회지
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• 제18권4호
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• pp.56-62
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• 2014

본 연구에서는 촉매가 들어있는 고정층 반응로의 단일 개질관에 대하여 전산 유체 해석(Fluent ver. 13.0)을 수행하여 열/유동 특성을 파악하고, 주입 가스에 따른 추출 가스의 종류를 다공성에 따라 예측하였다. 촉매 형상을 모델링하기 위하여, 개질관 내부에 있는 촉매를 모두 다공성 물질이라고 가정하고, 수정된 Eugun 식을 해석에 적용하였다. 유체의 공극률을 기준으로 0.545, 0.409, 그리고 0.403로 설정하고, 결과를 비 다공성인 경우와 비교하였다. 수치해석 결과, 개질관 벽면의 온도는 흡열반응과 주변 열전달로 인하여 개질관의 온도보다 높게 나타나며, 수소 생성량도 다소 증가했다. 촉매의 공극률이 증가 하게 될 경우, 압력 강하로 인하여 관 중심부 온도 및 수소 생성량이 현저하게 감소하는 경향을 보였다.

• 자원리싸이클링
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• 제25권1호
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• pp.48-59
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• 2016

화석연료를 사용하는 선박이나 자동차는 $CO_2$가스를 과대하게 발생하므로 지구 온난화에 영향을 주기 때문에 화석연료 대신 수소를 사용하는 수소연료전지자동차(FCV)가 크게 각광을 받고 있다. 우리나라는 현대자동차가 FCV자동차를 미국, 일본, 독일 등의 선진국들의 자동차회사와 경쟁적으로 개발하고 있다. 수소는 제철소의 코크스 공장, 서유화학공장의 부산물로 얻으며, 석탄, 메탄가스 등을 고온에서 증기와 반응시켜서 메탄 수증기개질법과 압력스윙흡착법 또는 막분리형멤브레인개질 법을 이용한 수소분리형개질방법으로 고순도 수소를 제조하거나 물을 전기분해하여 제조한다. 수소는 전자공업, 금속 및 화학공업, 로켓 연료 및 공장, 병원, 가정용 등의 연료전지시스템이나 FCV의 연료로 사용하고 있다. 수소의 저장은 수소용기에 수소를 압축하는 방법과 액화수소로 저장하는 방법이 일반적이고, 최근 수소화물이나 유기화학하이드라이드법으로 저장하여 수소스테이션에 운반해서 사용한다. 우리나라는 현재 13개소의 수소스테이션이 가동 중에 있으며, 향후 43개소를 설치할 계획이다.

• 한국가스학회지
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• 제19권5호
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• pp.69-74
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• 2015

본 연구의 목적은 촉매가 삽입된 단일 개질관 내 가스의 주입 속도와 버너의 고온공기 주입온도에 따른 3차원 전산 유체 해석(Fluent ver. 16.1)을 수행하여, 열유동 및 화학반응 특성을 파악하는 것이다. 개질관 내부 촉매는 니크롬 재질의 다공성 영역으로 가정하였다. 메탄-수증기 개질반응은 1000 K 이상의 고온 환경에서 작동하므로 전도, 대류 및 복사를 고려한 복합열전달을 해석했다. 수소 개질량을 비교하기 위한 두 개의 레이놀즈 수는 49,000과 88,000이고, 레이놀즈 수가 88,000인 경우, 고온공기의 온도를 각각 1100 K, 1200 K 및 1300 K로 설정하였다. 수치해석 결과, 레이놀즈 수가 낮을 경우 개질관 내부의 온도가 상승하였으며, 수소 개질량도 증가하였다. 레이놀즈 수가 높을수록 상대적으로 온도가 낮은 가스의 대류 열전달량이 증가하여 개질관 내의 온도는 낮아져 수소 개질량은 감소한다. 그리고 고온 공기의 온도가 높을수록 개질관 내부의 온도가 증가하므로, 수소 개질량도 증가한다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제47권2호
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• pp.243-247
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• 2009

본 연구는 수소제조를 위한 에틸렌글리콜 수증기 개질반응에 대한 열역학적 특성 분석을 목적으로 한다. 이를 위하여 온도(300~1,600 K), 반응물 조성비(Steam/Carbon ratio=0.5~4.5), 압력(1~30 기압) 등의 다양한 반응조건을 변화시키면서 열역학적 평형조성 및 효율 등을 조사하였다. 주어진 조건하에서 흡열반응인 개질반응과 발열반응인 수성가스 전환반응 및 메탄화반응간 경쟁특성을 확인하였으며, 반응온도 400 K를 지나면서 수소발생이 관찰되어 500 K를 지나면서 급격한 발생량의 증가를 확인하였다. 반응물 가운데 수증기의 비율을 양론비(S/C=1.0) 이상으로 증가시킬 경우 수성가스 전환반응이 촉진되어 일산화탄소 저감 및 수소발생 증가 거동을 나타내었다. 결과적으로 열역학적 효율감소를 최소화 하면서 수소발생량을 극대화할 수 있는 조건은 반응온도 900 K 이상 및 수증기 대 탄소간 비율이 3.0 이내의 범위에 해당하는 것으로 판단된다.