• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.28 no.5
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• pp.453-458
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• 2017

A study on the modeling of the methane Chemical Looping Reforming system was carried out. It is aimed to predict the temperature and concentration behavior of the product through modeling of oxygen carrier fixed bed reactors composed of multiple stacks. In order to design the reaction system, first of all, the flow rate of the hydrogen to be produced was calculated. The flow rate ratio of the oxidation/reduction reactor was calculated considering the heat of reaction between adjacent reactors. Finally, in this paper, kinetic model including empirical coefficients was suggested.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.61 no.3
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• pp.479-486
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• 2023

In this study, we investigated the effect of the Ce_xZr_1-xO₂ (CZ) addition onto Ni/Al₂O₃ catalysts on the catalytic performance in methane steam reforming. In the reaction results, the CZ-added Ni/Al₂O₃ catalyst showed higher CH₄ conversion and H₂ yield under the same reaction conditions than Ni/Al₂O₃. From the characterization data, the two catalysts had similar support porosity and Ni dispersion, confirming that the two properties could not determine the catalytic performance. However, the oxygen vacancy over the CZ-added Ni/Al₂O₃ catalyst induced an efficient steam activation at low reaction temperatures, resulting in an increase in the catalytic activity and H₂ yield.

• Journal of the Korean Institute of Gas
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• v.20 no.6
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• pp.95-101
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• 2016

For a natural gas steam reforming, comparative studies of the performance in a conventional packed-bed reactor and a membrane reactor, a new conceptual reactor consisting of a reactor with series of hydrogen separation membranes, have been performed. Based on experimental kinetics reported by Xu and Froment, a process simulation model was developed with Aspen $HYSYS^{(R)}$, a commercial process simulator, and effects of various operating conditions like temperature, $H_2$ permeance, and Ar sweep gas flow rate on the performance in a membrane reactor were investigated in terms of reactant conversion and $H_2$ yield enhancement showing improved $H_2$ yield and methane conversion in a membrane reactor. In addition, a preliminary cost estimation focusing on natural gas consumption to supply heat required for the system was carried out and feasibility of possible cost savings in a membrane reactor was assessed with a cost saving of 10.94% in a membrane reactor.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.223.2-223.2
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• 2010

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 담지된 니켈(Ni) 계열촉매이 주로 쓰이고 있다. 또한 내부개질촉매의 형태는 작은 원주형의 촉매형태로 성형되어 사용된다. 이 성형된 촉매의 크기가 바로 내부개질 스택의 크기를 결정하는 중요한 요소이다. 그래서 촉매의 크기는 되도록이면 작게 성형하는 것이 중요하다. 그러나 촉매의 크기가 너무 작으면 촉매를 성형하는데 큰 어려움이 생기게 된다. 본 연구에서는 니켈 촉매를 공침법이 아닌 균일용액침전법을 이용하여 제조하였으며, 이 촉매를 이용하여 지름이 약 2 mm 이하로 촉매를 압출성형하는 방법을 연구하였다. 먼저 요소(urea)를 이용한 균일용액침전법으로 촉매를 제조하였다. 최적의 촉매 합성조건을 살펴보기 위해서, 반응 온도를 80, 85, 90, 95, $100^{\circ}C$로 변화 시키면서 제조된 촉매의 특성을 살펴보았다. 그리고 촉매의 적절한 니켈 양을 알아보기 위해서 니켈의 양을 30, 40, 50, 60, 70 wt%로 변화 시켰으며, 조촉매로 사용되는 MgO 양을 5, 10, 15, 20 wt%로 변화 시켜서 제조된 촉매의 특성을 살펴보았다. 물성을 비교하기 위해서, X-선 회절분석(XRD) 및 TPR, 물리화학흡착을 하였다. 그 결과 침전반응온도가 $80^{\circ}C$에서 촉매가 가장 좋은 물성을 보였으며, 우수한 개질성능을 보였다. 그리고 촉매 활성물질인 니켈의 함량은 50 wt% 정도가 가장 적절한 함량이었으며, MgO의 함량이 15 wt%일 때 가장 우수한 물성과 개질 성능을 보여주었다. 이 촉매들은 공침법으로 제조된 상용촉매와 비교하였을 때, 보다 우수한 물성과 개질성능 보였다. 그래서 이 촉매를 균일침전법을 이용하여 대량으로 제조한 다음 압출성형 방법을 이용하여 촉매를 원주형으로 제조하였다. 먼저 제조된 촉매는 별도의 분쇄작업(볼밀 혹은 제트밀)을 거치지 않아도 입자사이즈가 약 $4{\mu}m$ 수준이 나오도록 촉매 제조조건을 조절 하였다. 그리고 소량의 Methyl cellulose(MC) 바이더와 물만 사용하여 촉매를 혼합한 다음 스크류 압출기를 이용하여 촉매를 성형하였다. 이 촉매는 지름이 약 2 mm 이하로 제조할 수 있었으며, 기계적 강도는 타정기로 성형한 상용촉매보다 우수하였다. 그리고 촉매 성능 또한 상용촉매와 비교하였을 때, 우수한 성능 보였다. MCFC용 내부개질 촉매로 균일용액침전법을 사용한 촉매가 적합하다고 판단되며, 압출성형에도 적합하다고 판단되었다.

• Journal of Korea Society of Industrial Information Systems
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• v.24 no.5
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• pp.9-16
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• 2019

In today's global energy market, the importance of green energy is emerging. Hydrogen energy is the future clean energy source and one of the pollution-free energy sources. In particular, the fuel cell method using hydrogen enhances the flexibility of renewable energy and enables energy storage and conversion for a long time. Therefore, it is considered to be a solution that can solve environmental problems caused by the use of fossil resources and energy problems caused by exhaustion of resources simultaneously. The purpose of this study is to efficiently produce hydrogen using plasma, and to study the optimization of DME reforming by checking the reforming reaction and yield according to temperature. The research method uses a 2.45 GHz electromagnetic plasma torch to produce hydrogen by reforming DME(Di Methyl Ether), a clean fuel. Gasification analysis was performed under low temperature conditions ($T3=1100^{\circ}C$), low temperature peroxygen conditions ($T3=1100^{\circ}C$), and high temperature conditions ($T3=1376^{\circ}C$). The low temperature gasification analysis showed that methane is generated due to unstable reforming reaction near $1100^{\circ}C$. The low temperature peroxygen gasification analysis showed less hydrogen but more carbon dioxide than the low temperature gasification analysis. Gasification analysis at high temperature indicated that methane was generated from about $1150^{\circ}C$, but it was not generated above $1200^{\circ}C$. In conclusion, the higher the temperature during the reforming reaction, the higher the proportion of hydrogen, but the higher the proportion of CO. However, it was confirmed that the problem of heat loss and reforming occurred due to the structural problem of the gasifier. In future developments, there is a need to reduce incomplete combustion by improving gasifiers to obtain high yields of hydrogen and to reduce the generation of gases such as carbon monoxide and methane. The optimization plan to produce hydrogen by steam plasma reforming of DME proposed in this study is expected to make a meaningful contribution to producing eco-friendly and renewable energy in the future.

• 한국가스학회:학술대회논문집
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• 1999.09a
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• pp.145-150
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• 1999

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.77.2-77.2
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• 2010

일산화탄소를 수소로 변환하는 수성가스전환반응(WGSR)은 수소 생산, 연료개질 시스템뿐만 아니라 암모니아 제조, 제철소 제련과정등 일선 산업현장에서 널리 활용되고 있다. 상용공정에서의 WGS반응은 두 단계의 반응기(HTS/LTS)에서 각각 Fe/Cr, Cu/Zn기반 촉매를 사용하여 이루어진다. 하지만 이러한 촉매들은 공기중 자연발화성이 있고 사용전 환원과정이 필요하다. 또한 최근에 많은 연구가 진행되고 있는 귀금속 담지 촉매는 기존 촉매의 단점을 극복하고 활성이 높은 장점이 있다. 이에 본 연구에서 제시한 페로브스카이트 촉매는 상용 촉매, 귀금속 담지촉매 시스템과의 비교를 위하여 제작된 촉매를 사용한 반응시스템과 기존 상용촉매를 사용한 반응시스템을 비교하여 개발 촉매의 성능 수준을 검토하였다. 이러한 결과 페로브스카이트 구조 촉매는 상용촉매의 공정상의 단점과 귀금속 담지촉매의 가격적인 측면에서의 단점을 동시에 극복한 촉매로서 성능 및 메탄화반응 억제 측면에서 우수성을 보유하고 있다는 것을 증명하였다. 이러한 페로브스카이트 구조 촉매의 반응특성을 규명하기 위해 문헌조사해본 결과 기존 수성가스전환반응에서 쓰이는 촉매들의 반응매카니즘은 대표적으로 formate와 redox 반응 두가지가 있었다. 페로스브스카이트 구조 촉매는 그 구조와 귀금속 함량, 활성 등 성능측면에서 귀금속 촉매와 상당히 유사한 측면이 있기 때문에 귀금속 담지 촉매의 반응속도식을 기본으로 하여 실험결과와 일치시켜 페로브스카이트구조 촉매에 맞는 반응속도식을 제시하고 이를 통한 반응파라미터 값을 도출하였다.

• Journal of Hydrogen and New Energy
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• v.15 no.4
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• pp.301-308
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• 2004

The methane reforming with $CO_2$ and steam for manufacture of synthesis gas over $Ni/ZrO_2$ catalyst was investigated. Mixed reforming carried out $CO_2$ dry reforming with $O_2$ and steam for development of DME process in pilot plant. To improve a catalyst deactivation by coke formation, the mixed reforming added carbon dioxide and steam as a oxidizer of the methane reforming was suggested. The result of experiments over commercial catalyst in $CO_2$ dry reforming has shown that the catalyst activity decrease rapidly after 20 hours. In case of $NiO-MgO/Al_2O_3$ catalyst, the deactivation of 20 percent after 30 hours was occurred. The activity of Ni/C catalyst still was not decreased dramatically after 100 hours. The effect of $H_2$ reforming with steam over $Ni/CO_2$ catalyst obtained the optimal conversion of methane and carbon dioxide, and could be produced synthesis gas at ratio of $H_2/CO$ under 1.5.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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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.

• Journal of the Korean Solar Energy Society
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• v.29 no.1
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• pp.44-49
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• 2009

Steam reforming of methane in the high temperature solar chemical reactor bas advantage in its heating method. Using concentrated solar energy as a heating source of the reforming reaction can reduce the $CO_2$ emission by 20% compared to hydrocarbon fuel. In this paper, the simulation result of methane-steam reforming on a high temperature solar chemical reactor(SCR) using Fluent 6.3.26 is presented. The high temperature SCR is designed for the Inha Dish-1, a Dish type solar concentrator installed in Songdo city. Basic SCR performance factors are referred to the former researches of the same laboratory. Inside the SCR porous metal is used for a receiver/reactor. The porous metal is carved like a dome shape on the incident side to increase the heat transfer. Also, ring-disc set of baffle is inserted in the porous metal region to increase the path length. Numerical and physical models are also used from the former researches. Methane and steam is mixed with the same mole fraction and injected into the SCR. The simulation is performed for a various inlet mass flow rate of the methane-steam mixture gas. The result shows that the average reactor temperature and the conversion rate change appreciably by the inlet mass flow rate of 0.0005 kg/s.