• Korean Chemical Engineering Research
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• v.52 no.6
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• pp.727-735
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• 2014

For improved sustainability of the biorefinery industry, biorefinery-byproduct glycerol is being investigated as an alternate source for hydrogen production. This research designs and optimizes a hydrogen-production process for small hydrogen stations using steam reforming of purified glycerol as the main reaction, replacing existing processes relying on steam methane reforming. Modeling, simulation and optimization using a commercial process simulator are performed for the proposed hydrogen production process from glycerol. The mixture of glycerol and steam are used for making syngas in the reforming process. Then hydrogen are produced from carbon monoxide and steam through the water-gas shift reaction. Finally, hydrogen is separated from carbon dioxide using PSA. This study shows higher yield than former U.S. DOE and Linde studies. Economic evaluations are performed for optimal planning of constructing domestic hydrogen energy infrastructure based on the proposed glycerol-based hydrogen station.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.226.1-226.1
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• 2010

본연구에서는 GTL(gas to liquids)공정의 합성가스 생산을 위해 수증기-이산화탄소 복합개질반응(Combined Steam and Carbon dioxide Reforming of Methane, CSCRM)을 수행하였다. CSCRM은 수증기와 이산화탄소의 공급비 조절을 통해 $H_2$/CO비를 2로 맞추기 용이한 장점을 지니고 있어 다른 단일 개질 반응과 달리 합성가스 생산 시 $H_2$/CO 비율을 조절하기 위한 부가적인 공정이 필요하지 않아 경제적인 공정이다. 일반적으로 사용되는 Ni개질촉매는 가격대비 우수한 성능을 보이지만 S/C비가 낮은 CSCRM의 경우 촉매표면의 탄소침적에 의한 비활성화가 야기되는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 산소저장능력과 산소전달능력이 우수한 $CeO_2$를 조촉매로 첨가하여 표면에 형성된 코크 제거가 용이하도록 하였다. Ni-Ce/$MgAl_2O_4$촉매는 동시함침법(co-impregnation)으로 제조하였으며, Ni의 함량을 10wt%로 고정한 상태에서 Ce의 함량을 조절하여 Ce/Ni 최적비를 찾고자 하였다. XRD, TPR, BET, $H_2$-Chemisorption과 같은 촉매의 특성분석을 통해 촉매의 비표면적, 환원특성과 Ni입자의 분산도 등을 확인하였다. Ce를 첨가함에 따라 Ce2.5wt%까지는 비표면적이 증가하다가 이후 점차 줄어드는 경향성을 보였다. 또한, $H_2$-Chemisorption 결과 역시 비표면적과 유사한 경향성을 보였는데, Ce5.0wt%까지 Ni 분산도가 증가 하다가 다시 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 반응실험은 $H_2O:CO_2:CH_4:N_2$ = 0.8:0.4:1:1의 공급조건에서 수행하였으며, 질소와 수소 환원분위기로 $700^{\circ}C$에서 1시간 환원 후 $650^{\circ}C$에서 $550^{\circ}C$범위로 온도를 떨어뜨려가면서 반응을 수행하였다. Ce를 첨가함에 따라 $CH_4$ 전환율이 증가를 하다가 Ce2.5wt% 이후 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 높은 촉매 활성은 Ce 첨가로 인해 환원특성이 좋아지고 Ni분산도가 증가하여 담체와 강한 상호작용(SMSI)을 형성함으로 탄소침적 저항성 강화에 기인한 것이다.

• Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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• v.30 no.12
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• pp.1268-1272
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• 2008

Low temperature plasma applied with partial oxidation is a technique to produce synthesis gas from methane. Low temperature plasma reformer has superior miniaturization and start-up characteristics to reformers using steam reforming or CO$_2$ reforming. In this research, a low temperature plasma reformer using GlidArc discharge was proposed. Reforming characteristics for each of the following variables were studied: gas components ratio (O$_2$/CH$_4$), the amount of steam, comparison of reaction on nickle and iron catalysts and the amount of CO$_2$. The optimum conditions for hydrogen production from methane was found. The maximum Hydrogen concentration of 41.1% was obtained under the following in this condition: O$_2$/C ratio of 0.64, total gas flow of 14.2 L/min, catalyst reactor temperature of 672$^{\circ}C$, the amount of steam was 0.8, reformer energy density of 1.1 kJ/L with Ni catalyst in the catalyst reactor. At this point, the methane conversion rate, hydrogen selectivity and reformer thermal efficiency were 66%, 93% and 35.2%, respectively.

• 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.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.11a
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• pp.55-58
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• 2007

To check the feasibility of SMART (Steam Methane Advanced Reforming Technology)system, an experimental investigation was conducted. A fluidized bed reactor of diameter 0.052 m was operated cyclically up to the $10^{th}$ cycle, alternating between reforming and regeneration conditions. FCR-4 catalyst was used as the reforming catalyst and calcined limestone (domestic, from Danyang) was used as the $CO_2$ absorbent. Hydrogen concentration of 98.2% on a dry basis was reached at $650^{\circ}C$ for the first cycle. This value is much higher than $H_2$ concentration of 73.6% in the reformer of conventional SMR (steam methane reforming) system. However, the hydrogen concentration decreased because the $CO_2$ capture capacity decreased as the number of cycles increased.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.9 no.7
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• pp.1070-1078
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• 1998

Thermodynamic analysis on carbon dioxide reforming of methane was performed using a computer program which can handle condensed species in the products, and the reforming experiments were conducted over $Al_2O_3$, $La_2O_3$, ZSM-5, MCM-41, KIT-1 supported nickel catalysts, and a commercial ICI 46-1. It was estabished that a system which consists of $CH_4$, $CO_2$, CO, $H_2$, $H_2O$, and C is appropriate for theoretical equilibrium calculations and addition of water vapor or oxygen was found to diminish the contribution of carbon dioxide in reforming. Silicate molecular sieve-supported catalysts such as Ni/ZSM-5, Ni/MCM-41, Ni/KIT-1 were effective for high $CH_4$ and $CO_2$ conversions as well as for high CO yield. Coke formation was suppressed when CaO was added as a promoter. Ni/Ca/KIT-1 which contains 10% Ni with 3% Ca showed conversion approaching equilibrium levels above $650^{\circ}C$ and maintained constant activity over 20 h. Despite increased space velocity, relatively high conversion and CO yield were observed.

• Clean Technology
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• v.29 no.3
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• pp.163-171
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• 2023

Hydrogen has been gaining a lot of attention as a possible clean energy source that can aid in reaching carbon neutrality. Currently, hydrogen production has relied on the steam reforming of fossil fuels. However, due to the carbon dioxide emissions caused by this process, hydrogen production based on the steam reforming of bio-oil derived from biomass has been proposed as an alternative approach. In order to use this alternative approach efficiently, one of the key issues that must be overcome is that the complexity of bio-oil, which has a large molecular weight and diverse functional groups of hydrocarbons, promotes the catalytic deactivation of nickel-based catalysts. In this review, research efforts to improve nickel-based catalysts for the steam reforming of bio-oil have been discussed in terms of the active phase, support, and promoters. The active phases are involved in activating C-C and C-H bonds of high-molecular-weight hydrocarbons, and noble and transition metals can be utilized. In terms of the support and promoters, the catalytic deactivation of Ni-based catalysts can be inhibited by utilizing reactive lattice oxygen for support or by suppressing the acidity. The development of active and stable Ni-based reforming catalysts plays a critical role in clean hydrogen production based on bio-oils.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.19 no.2
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• pp.157-160
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• 2008

The generation of high-purity hydrogen from hydrocarbon fuels is essential for efficient operation of fuel cell. In general, most feasible strategies to generate hydrogen from hydrocarbon fuels consist of a reforming step to generate a mixture of $H_2$, CO, $CO_2$ and $H_2O$ (steam) followed by water gas shift (WGS) and CO clean-up steps. The WGS reaction that shifts CO to $CO_2$ and simultaneously produces another mole of $H_2$ was carried out in a two-stage catalytic conversion process involving a high temperature shift (HTS) and a low temperature shift (LTS). In a typical operation, gas emerges from the reformer is taken through a high temperature shift catalyst to reduce the CO concentration to about 3~5%. The HTS reactor was designed and tested in this study to produce hydrogen-rich gas with CO to a range of 2~4%. The iron based catalysts (G-3C) was used for the HTS to convert the most of CO in the effluent from the partial oxidation (POX) to $H_2$ and $CO_2$ at a relatively high rate. Parametric screening studies were carried out for variations of the following variables: reaction temperature, steam flow rate, components ratio ($H_2/CO$), and reforming gas flow rate.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.231-231
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• 2010

아직까지 국내에서 사용하는 대부분의 에너지는 화석연료에 의존하고 있다. 지하자원에서 나오는 석탄, 석유와 같은 화석연료는 다른 에너지원에 비해 운송이 간편하고 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있지만, 환경오염의 문제성과 오일가상승, 자원의양 및 저장장소가 한정되어 있다는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 수소와 같은 대체에너지를 이용하여 환경오염을 예방하고 무한히 사용할 수 있는 에너지원을 개발하기 위한 대체 방안들이 연구되고 있다. 폐기물 가스화시 발생되는 합성가스(CO, $CO_2$, $CH_4$, $H_2$) 내 일차로 생성된 일산화탄소는 수증기와 반응함으로써 이산화탄소로 전환이 가능하다. 잔류 메탄은 이산화탄소를 이용하여 개질함으로써 합성가스내 수소농도를 높일 수 있다. 전환된 잔류가스(CO, $CO_2$, $H_2$)내 일산화탄소는 산소를 이용하여 이산화탄소로 산화시킬 수 있으며, 산화된 이산화탄소는 흡착제를 이용하여 제거가 가능하다. 본 연구에서는 실제 가스화시 발생되는 합성가스를 이용하기 위하여, RPF가스화시 발생되는 합성가스를 직접 포집하여 실험을 진행하였다. 합성가스내 소량의 메탄은 니켈촉매를 이용하여 수소로 전화시켰으며, 잔류하는 일산화탄소는 백금촉매, 이산화탄소는 탄산나트륨 흡착제를 이용하여 연속적으로 제거함으로써 순수한 수소를 제공하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.06a
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• pp.53-56
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• 2007

미량의 Ru을 증진제로 첨가하여 니켈 촉매의 반응 활성을 증진시킴으로써, 저온 환원성과 장시간 반응에 대한 안정성을 확보하고자 하였다. Ni의 담지량은 12 wt%로 고정하였으며 이에 Ru을 각각 0.1, 0.3, 0.5 wt%로 변화시켜 2차 담지하였다. 메탄의 수증기/이산화탄소 복합 개질 반응에 있어 니켈 촉매에 Ru을 2차 담지 한 촉매는 800 $^{\circ}C$, GHSV(gas hourly space velocity) 265,000 $h^{-1}$ 하에서 100 %에 가까운 $CH_{4}$ 전환율을 보였으며, GHSV 1,060,000 $h^{-1}$ 일 때에도 10시간 동안 90 %의 $CH_{4}$ 전환율을 기록하였다. 또한 이 중 0.3 wt%의 Ru를 담지한 경우가 1,060,000 $h^{-1}$의 조건하에서도 95 %이상으로 가장 높은 $CH_{4}$ 전환율로 유지되었다. $H_{2}-TPR$ 분석 결과, Ni(12)/$MgAl_{2}O_{4}$ 와 비교해 볼 때 Ru(0.5)/Ni(12)/$MgAl_{2}O_{4}$와 Ru(0.3)/Ni(12)/$MgAl_{2}O_{4}$ 촉매의 경우 150 $^{\circ}C$에서 저온 환원이 가능한 $RuO_{2}$의 존재를 확인할 수 있었다.