표제지

목차

수소 Station을 위한 개질가스의 고순도 수소 분리 및 정제 요소기술 개발 2

제출문 3

신·재생에너지기술개발사업 최종보고서 초록 4

요약문 5

SUMMARY 8

CONTENTS 12

목차 13

제1장 연구개발과제의 개요 21

제1절 연구개발의 배경 및 필요성 21

제2절 연구개발의 범위 23

제2장 국내외 기술개발 현황 24

제1절 수소 제조 공정 24

제2절 PSA 공정 26

제3절 기술 개발 현황 30

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 33

제1절 핵심 세부기술에 대한 연구결과 33

1. LPG SR 촉매 개발 33

2. WGS 촉매 개발 58

3. Pressure Swing Adsorption (PSA) 공정개발 83

제2절 결론 218

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 220

제1절 연구목표 달성도 220

제5장 연구개발결과의 활용계획 221

제1절 추가 연구의 필요성 221

제2절 타 연구에의 응용 223

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 224

제1절 기술개발사례 224

제7장 참고문헌 225

수소제조를 위한 LPG 개질용 촉매 개발 230

제출문 231

신·재생에너지기술개발사업 최종보고서 초록 232

요약문 233

SUMMARY 237

Contents 240

목차 241

제1장 연구개발과제의 개요 248

1절. 연구개발의 목적 248

2절. 기술개발의 필요성 248

1. 기술적 측면 248

2. 경제적 측면 249

제2장 국내외 기술개발 현황 250

1절. 국내 기술개발 현황 250

2절. 국외 기술개발 현황 250

3절. 국내외 특허 및 현존 기술과의 관련성 251

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 254

1절. 이론적 배경 254

2절. 실험 방법 254

1. 촉매 제조 254

2. 실험 장치 및 방법 259

3. 촉매의 특성분석 259

4. 촉매 활성 측정 262

3절. 실험 결과 및 고찰 263

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 367

1절. 연구개발목표 달성도 367

2절. 관련분야에의 기여도 367

제5장 연구개발결과의 활용계획 369

1절. 활용방안 369

2절. 개발기술의 상용화 전략 369

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 370

제7장 참고문헌 371

Compact형 수소 분리 정제 PSA 공정 기술 개발 373

제출문 374

신·재생에너지기술개발사업 최종보고서 초록 375

요약문 376

SUMMARY 380

CONTENTS 384

목차 386

제1장 연구개발과제의 개요 391

1절. 연구개발의 목적 391

2절. 기술개발의 필요성 392

1. 기술적 측면 392

2. 경제적 측면 393

제2장 국내외 기술개발 현황 395

1절. 국내 기술개발 현황 395

2절. 국외 기술개발 현황 395

3절. 국내외 특허 및 현존 기술과의 관련성 396

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 397

1절. CMS에 대한 흡착 평형과 속도 현상에 대한 연구 397

1. 이론적 배경 397

2. 실험방법 397

3. 흡착 등온선 399

4. 흡착속도상수 403

5. 흡착속도상수의 압력의존성 407

6. 흡착속도상수의 강한 압력 의존성을 예측하기 위한 모델 개발 411

2절. 파과 실험 415

1. 이론적 배경 415

2. 파과 실험장치 417

3. 일반 흡착탑의 파과 422

4. Dual bed에서의 파과 실험 425

3절. PSA 공정 실험 444

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 455

1절. 연구개발목표 달성도 455

2절. 관련분야에의 기여도 456

제5장 연구개발결과의 활용계획 459

1절. 활용방안 459

2절. 개발기술의 상용화 전략 459

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 460

제7장 참고문헌 461

LPG의 SR을 위한 연소기 및 개질기의 열 및 유동해석 464

제출문 465

신·재생에너지기술개발사업 최종보고서 초록 466

요약문 467

SUMMARY 469

CONTENTS 471

목차 472

제1장 연구개발과제의 개요 476

제1절 연구개발 배경 476

제2절 연구개발 목적 484

제2장 국내외 기술개발 현황 485

제1절 국외 485

제2절 국내 487

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 488

제1절 핵심 세부기술에 대한 연구결과 488

1. 수증기 개질 반응을 위한 kinetics 코드 개발 488

2. 수증기 개질기의 특성 분석 501

3. 수증기 개질기의 형상 변화 509

4. 동축원통형 반응기 특성 분석 515

5. 가이드가 열전달에 미치는 영향 521

6. 수증기 개질기 및 연소기의 통합 해석 536

제2절 결론 549

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 552

제1절 목표달성도 552

제2절 관련분야에의 기여도 555

제5장 연구개발결과의 활용계획 556

제1절 추가연구의 필요성 556

제2절 타 연구에의 응용 557

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 558

제1절 기술개발사례 558

제2절 특허출원사례 559

제7장 참고문헌 561

제8장 연구실적 562

수소 Station을 위한 개질가스의 고순도 수소 분리 및 정제 요소기술 개발 19

Table 1. Hydrogen amount in feed according to Hydrogen resources 22

Table 2. Representative Commercial Gas-Adsorption Separations 29

Table 3. The characteristics of the prepared and the commercial catalysts 36

Table 4. The characteristics of the prepared and the commercial catalysts 61

Table 5. Characteristics of the commercial catalysts before and after the reaction 65

Table 6. The characteristics of the prepared and the commercial catalysts 74

Table 7. The characteristics of the prepared and the commercial catalysts 79

Table 8. Characteristics of catalysts before and after the thermal cycling reaction 80

Table 9. Physisorption and chemisorption 84

Table 10. Adsorbents properties 93

Table 11. Langmuir adsorption isotherm parameters for CH4, C2H4, H2, CO, CO2 on the Activated carbon 98

Table 12. Langmuir-Freundlich adsorption isotherm parameters for CH4, C2H4, H2, CO, CO2 on the Activated carbon 99

Table 13. Langmuir adsorption isotherm parameters for CH4, C2H4, H2, CO, CO2 on the Zeolite 5A 100

Table 14. Langmuir-Freundlich adsorption isotherm parameters for CH4, C2H4, H2, CO, CO2 on the Zeolite 5A 101

Table 15. dual-site Langmuir adsorption isotherm parameters for CH4, H2, CO, CO 2 102

Table 16. Characteristics of adsorption bed 118

Table 17. Experiment conditions of adsorption dynamic 119

Table 18. Optimum operation mode of 3-bed 7-step PSA process 143

Table 19. Experiment conditions of PSA process 144

Table 20. Experimental results of PSA process 146

Table 21. Cycle steps for the 4bed 9step PSA process 160

Table 22. Experiment & simulation operating condition 162

Table 23. Cycle(Cyle) step of 4-bed PSA process 174

Table 24. Characteristics of adsorption bed 178

Table 25. Cycle steps for the 4bed 9step PSA process 182

Table 26. Operating condition at linear velocity 5.22 cm/s 188

Table 27. Operating condition at linear velocity 4.7 cm/s 191

Table 28. Operating condition at linear velocity 3.9 cm/s 194

Table 29. Operating condition at linear velocity 3.14 cm/s 197

Table 30. Composition of SMR off-gas 202

Table 31. A target of design efficiency 203

Table 32. A design of adsorption bed 205

Table 33. Operation condition (case 1) 207

Table 34. Operating condition (case 2) 211

Table 35. Operating condition (case 3) 215

Table 36. 연구개발목표 및 달성도 220

수소제조를 위한 LPG 개질용 촉매 개발 247

Table 1. The operation conditions of Gas-Chromatography. 261

Table 2. Perovskite with different metal ion on B site. 274

Table 3. XRD results of the NiO nanoparticles. 278

Table 4. BET surface areas and Particle sizes of the catalysts. 280

Table 5. Amounts of chemisorbed CO on Ni/LaBO₃ (B＝Al, Fe, Co, Ni) Catalysts. 283

Table 6. BET surface area, total pore volume and pore diameter of various Hydrotalcite catalysts. 330

Compact형 수소 분리 정제 PSA 공정 기술 개발 388

〈표 1〉 Langmuir와 LF 등온식의 파라미터들 402

〈표 2〉 흡착 분자들에 대한 구조적, 물리적, 전자적 성질 비교 (흡착속도 순서대로 명시) 406

〈표 3〉 Supercritical-Structural-Langmuir 모델의 상수값들 "C* [sec-1]" 414

〈표 4〉 Characteristics of Dual bed 420

LPG의 SR을 위한 연소기 및 개질기의 열 및 유동해석 475

Table 1. Parameters of intrinsic rate equations 494

수소 Station을 위한 개질가스의 고순도 수소 분리 및 정제 요소기술 개발 14

Fig. 1. Photograph of the LPG SR System. 34

Fig. 2. XRD Patterns of spc-Ni/MgAl catalysts before and after the calcination at 850℃ 5h ; (a) before calcination (b) spc-Ni/MgAl-A (c) spc-Ni/MgAl-B (d) spc-Ni/MgAl-C. 38

Fig. 3. TPR profiles of prepared catalyst and pure NiO ; (a) Ni/MgO (b) Ni/Al₂O₃ (c) spc-Ni/MaAl-B (d) pure NiO. 39

Fig. 4. Catalytic activity of the prepared catalyst for the LPG SR ; Space velocity＝20,000 h-1, Temperature : 600-850℃,S/C＝2.0.(이미지참조) 41

Fig. 5. The effect of GHSV over spc-Ni/MgAl-B catalyst for the LPG SR ; Space velocity＝90,000 h-1, Temperature＝800℃,S/C＝2.0.(이미지참조) 42

Fig. 6. The SEM images of spc-Ni/MgAl-B catalysts before and after the reaction at 800℃ for 24 h ; Space velocity ＝ 90,000 h-1, Temperature : 800℃,S/C＝2.(이미지참조) 43

Fig. 7. Hydrogen selectivity for LPG SR reaction over prepared catalysts (750℃, S/C ＝ 2.0, HT ＝ 20 wt% Ni/MgAl). 46

Fig. 8. The results of TGA runs for LPG SR reactions over the prepared catalysts. 47

Fig. 9. Product distribution for LPG SR reaction over 0.3wt% Rh-Ni/MgAl catalyst (700℃, S/C ＝ 1.0, GHSV＝20,000h-1)(이미지참조) 48

Fig. 10. Product distribution for LPG SR reaction over 0.3wt% Ru-Ni/MgAl catalyst (700℃, S/C ＝ 1.0, GHSV＝20,000 h-1)(이미지참조) 49

Fig. 11. The results of TGA runs for LPG SR reactions over 0.3wt% Rh-Ni/MgAl catalyst (700℃, S/C ＝ 1.0, GHSV＝20,000h-1반응후).(이미지참조) 51

Fig. 12. The results of TGA runs for LPG SR reactions over 0.3wt% Ru-Ni/MgAl catalyst (700℃, S/C ＝ 1.0, GHSV＝20,000h-1반응후).(이미지참조) 52

Fig. 13. Out gas vol % for LPG SR reaction over 0.3wt% Rh-Ni/MgAl catalyst (800℃, S/C ＝ 3.0, GHSV＝20,000h-1).(이미지참조) 54

Fig. 14. TEM images of 0.3wt% Rh-Ni/MgAl before and after the reactions (800℃, S/C ＝ 3.0, GHSV＝20,000h-1).(이미지참조) 55

Fig. 15. 촉매성형 순서. 57

Fig. 16. Photograph & schematic diagram for WGS System. 59

Fig. 17. Preparation procedure of catalyst. 62

Fig. 18. XRD patrerns of the prepared catalysts. 63

Fig. 19. Catalytic activity of the prepared catalyst for WGS reaction ; Space velocity＝10,000 h-1, Feed molar ratio ＝ H₂(62.5%), H₂O(31.8%), CO(5.7%).(이미지참조) 66

Fig. 20. SEM images of the commercial catalysts before and after the reaction. 67

Fig. 21. Comparison of the catalytic activity of prepared catalyst for WGS reaction during 15 h. Space velocity ＝ 10,000 h-1, Feed molar ratio ＝ H2 (62.5%), H2O(31.8%), CO(5.7%). 69

Fig. 22. The effect of reaction temperature on exit composition from WGS reaction over a Fe/CeO₂ catalyst. Exit composition from LPG SR reactor (H₂ 71.88%, CO 17.51%, CO₂ 10.04% CH₄ 0.27%). 70

Fig. 23. The effect of reaction temperature on exit composition from WGS reaction over a Cu/CeO₂ catalyst. Exit composition from LPG SR reactor (H₂ 71.88%, CO 17.51%, CO₂ 10.04% CH₄ 0.27%). 71

Fig. 24. The effect of reaction temperature on exit composition from WGS reaction over a Cr/CeO₂ catalyst. Exit composition from LPG SR reactor (H₂ 71.88%, CO 17.51%, CO₂ 10.04% CH₄ 0.27%). 72

Fig. 25. Comparison of the catalytic activity of the various prepared catalyst with the commercial catalysts for WGS reaction. 75

Fig. 26. The results of thermal cycling runs for WGS reactions over commercial WGS catalyst and prepared catalysts. 76

Fig. 27. TEM images of the Cu-Mo/CeO₂ catalysts before and after the re action. 77

Fig. 28. Comparison of the catalytic activity of the various prepared catalyst with the commercial catalysts for WGS reaction. 81

Fig. 29. The results of thermal cycling runs for WGS reactions over commercial WGS catalyst and prepared catalysts. 82

Fig. 30. Equilibrium diagram showing distinction between favorable, unfavorable, and linear system. 87

Fig. 31. Experimental apparatus of adsorption equilibrium. 95

Fig. 32. Adsorption isotherms of Carbon dioxide onto Zeolite 5A at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 103

Fig. 33. Adsorption isotherms of Carbon monoxide onto Zeolite 5A at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313 15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 104

Fig. 34. Adsorption isotherms of Methane onto Zeolite 5A at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 105

Fig. 35. Adsorption isotherms of Hydrogen onto Zeolite 5A at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 106

Fig. 36. Adsorption isotherms of Carbon dioxide onto Activated Carbon at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 107

Fig. 37. Adsorption isotherms of Carbon monoxide onto Activated Carbon at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model. 108

Fig. 38. Adsorption isotherms of Methane onto Activated Carbon at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; 313.15 K; －, Langmuir model; …, L-F model; --, F-H VSM. 109

Fig. 39. Adsorption isotherms of Hydrogen onto Activated Carbon at various temperature. ●, 293.15 K; ▼, 303.15 K; ■, 313.15 K; -, Langmuir model; …, L-F model; --, F-H VSM. 110

Fig. 40. Experimental apparatus of adsorption dynamic characteristics. 117

Fig. 41. CO₂ composition breakthrough curves for H2/CO2 system on the activated carbon. 124

Fig. 42. CO composition breakthrough curves for H2/CO system on the activated carbon. 125

Fig. 43. CH₄ composition breakthrough curves for H₂/CH₄ system on the activated carbon. 126

Fig. 44. CO₂ composition breakthrough curves for H₂/CO₂ system on the zeolite 5A. 127

Fig. 45. CO composition breakthrough curves for H₂/CO system on the zeolite 5A. 128

Fig. 46. CH₄ composition breakthrough curves for H₂/CH₄ system on the zeolite 5A. 129

Fig. 47. Temperature histories at different bed locations in activated carbon for H₂/CO₂ system (Run 1). 130

Fig. 48. Temperature histories at different bed locations in activated carbon for H₂/CO system (Run 1). 131

Fig. 49. Temperature histories at different bed locations in activated carbon for H₂/CH₄ system (Run 1). 132

Fig. 50. Temperature histories at different bed locations in zeolite 5A for H₂/CO₂ system (Run 1). 133

Fig. 51. Temperature histories at different bed locations in zeolite 5A for H₂/CO system (Run 1). 134

Fig. 52. Temperature histories at different bed locations in zeolite 5A for H₂/CH₄system (Run 1). 135

Fig. 53. Experimental and calculated breakthrough curves in various layered beds at 9atm and 13.7 LPM. 136

Fig. 54. Effect of activated carbon layer when the first breakthrough occurred in each component (CH₄/CO/CO₂) at the top of the column. 137

Fig. 55. Temperature histograms for H₂/CO/CO₂ system at 9atm and 13.7 LPM on the layered bed(Carbon 1 : 1 Zeolite). 138

Fig. 56. Experimental apparatus of PSA process. 141

Fig. 57. Cycle sequence of 3-bed 7-step PSA process. 142

Fig. 58. Effect of Feed rate on H2 purity and recovery for H₂/CH₄/CO/CO₂(72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system at 0.12 P/F ratio and 9 atm pressure ;●experiment; - simulation. 149

Fig. 59. Effect of Pressure on H2 purity and recovery for H₂/CH₄/CO/CO₂ (72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system at 0.12 P/F ratio and 9.4 LPM Flow rate ;●experiment ;-simulation. 150

Fig. 60. Effect of Adsorption time on H₂ purity and recovery for H₂/CH₄/CO/CO₂ (72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system at 0.12 P/F ratio, 9.4 LPM Flow rate and 9 atm pressure ;●experiment;-simulation. 151

Fig. 61. Concentration profile of CO₂ at the end of adsorption step for H₂/CH₄/CO/CO₂ (72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system. 152

Fig. 62. Concentration profile of CO at the end of adsorption step for H₂/CH₄/CO/CO₂ (72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system. 153

Fig. 63. Concentration profile of CH₄ at the end of adsorption step for H₂/CH₄/CO/CO₂ (72.2vol% / 4.17vol% / 2.03vol% / 21.6vol%) system. 154

Fig. 64. A picture of Lab-scale 4-bed PSA process. 156

Fig. 65. Schematic diagram of 4bed PSA process experiment apparatus. 157

Fig. 66. Pressure histroy for 4bed 9 step PSA process. (↑ : Current flow, ↓ : Countercurrent flow). 159

Fig. 67. Breakthrough property with activated carbon layer height at adsorption pressure 8 atm, linear velocity 3 cm/s. 164

Fig. 68. Effect of total cycle time(tc) at adsorption pressure 8 atm, linear velocity 3 cm/s, activated carbon layer height 55 cm. 166

Fig. 69. Concentration profile in the gas phase at the end of the EQII -BD step. 167

Fig. 70. Effect of △P at PP step at adsorption pressure 8atm, linear velocity 3 cm/s, total cycle time 200 sec. 169

Fig. 71. Effect of adsorption pressure at linear velocity 3 cm/s, total cycle time 200sec, △P 2atm. 171

Fig. 72. Concentration profile at the end of AD step. 172

Fig. 73. Purity. 175

Fig. 74. Recovery. 176

Fig. 75. A picture of Bench-scale 4-bed PSA process. 179

Fig. 76. Schematic diagram of Bench-scale 4-bed PSA process experiment apparatus. 180

Fig. 77. Pressure histroy for 4bed 9 step PSA process (↑ : Cocurrent flow, ↓ : Countercurrent flow). 183

Fig. 78. Breakthrough property with activated carbon layer height. 186

Fig. 79. Effect of adsorption on H2 purity and recovery (RT ＝ 32.58 sec) 189

Fig. 80. Effect of adsorption on H2 purity and recovery (RT ＝ 36.2 sec). 192

Fig. 81. Effect of adsorption on H₂ purity and recovery (RT＝43.6 sec). 195

Fig. 82. Effect of adsorption on H2 Purity and recovery (RT ＝ 54.2 sec). 198

Fig. 83. Recovery with the residence time at product purity 99.999%+. 200

Fig. 84. The purity with adsorption time. (Case 1). 208

Fig. 85. The recovery with adsorption time. (Case 1). 209

Fig. 86. The purity with adsorption time. (Case 2). 212

Fig. 87. The recovery with adsorption time. (Case 2). 213

Fig. 88. The purity with adsorption time. (Case 2). 216

Fig. 89. The recovery with adsorption time. (Case 2). 217

수소제조를 위한 LPG 개질용 촉매 개발 242

Fig. 1. Schematic diagram of the experimental apparatus. 260

Fig. 2. C₃H8 Conversion for Ni/ δ- Al₂O₃ catalysts prepared with different method.(이미지참조) 264

Fig. 3. H₂Yield for Ni/ δ-Al₂O₃ catalysts prepared with different method. 265

Fig. 4. TEM images of Ni/ δ-Al₂O₃ catalysts prepared with different method. 266

Fig. 5. SEM images of Ni/δ-Al₂O₃ Catalysts Prepared With different method before reaction. 267

Fig. 6. C₃H8 Conversion at various reaction temperatures over Ni-CeO₂/ δ -Al₂O₃, Ni-La₂O₃/ δ-Al₂O₃, Ni-MgO/ δ-Al₂O₃ and Ni/ δ-Al₂O₃ catalysts.(이미지참조) 269

Fig. 7. H₂Yield at various reaction temperatures over Ni-CeO₂/ δ-Al₂O₃, Ni-La₂O₃/ δ-Al₂O₃, Ni-MgO/ δ-Al₂O₃ and Ni/ δ-Al₂O₃ catalysts. 270

Fig. 8. SEM images of catalysts after reaction (A) Ni/δ-Al₂O₃ (B) Ni-CeO₂/δ-Al₂O₃ (C) Ni-MgO/δ-Al₂O₃ (D) Ni-La₂O₃/δ-Al₂O₃ 271

Fig. 9. H₂ yield of LaBO₃ in ATR of C₃H8 at various reaction temperatures (Catalyst＝0.5g ; H₂O/C/O₂＝3/1/0.37, GHVS＝9600ml/g-cat-h, Red.＝800 ℃/8h)(이미지참조) 272

Fig. 10. TEM image of LaNiO₃. (A) before reduction, (B) After reduction(800 ℃) 275

Fig. 11. C₃H8 Conversion and H₂ Yield over Ni(15 wt. %)/LaAlO₃ Catalysts according to the preparation method.(이미지참조) 276

Fig. 12. X-ray diffraction patterns of Ni(15 wt. %)/LaAlO₃ Prepared by different methods : (a) LaAlO₃ sol-gel method,... 277

Fig. 13. C₃H8 Conversions and H₂ Yields over Ni(15 wt. %)/LaBO₃ (B＝Al, Fe) catalysts.(이미지참조) 279

Fig. 14. H₂ Yield over Ni(15 wt. %)/LaAlO₃and Ni(15 wt.%)-Ce(5 wt. %)/LaAlO₃ catalysts. 284

Fig. 15. TGA profiles of Ni(15 wt. %)/LaAlO₃, Ni(15wt. %)-Ce(5 wt. %)/LaAlO₃ catalysts after reaction. 285

Fig. 16. TPR profiles of Ni(15 wt. %)/LaAlO₃ and Ni(15 wt. %)-Ce(5 wt. %)/LaAlO₃ catalysts before and after reaction. 286

Fig. 17. SEM Images of catalysts : (a) Ni (15 wt. %)/LaAlO₃ before reaction, (b) Ni (15 wt. %)/LaAlO₃ after reaction,... 287

Fig. 18. TEM images of Ni-Ce/LaAlO₃ catalysts: (a) Before reaction and (b) After reaction 289

Fig. 19. C₃H8 conversion of LaFe0.5M0.5O₃ (M＝Fe, Ni, Co, Al) perovskite catalysts.(이미지참조) 290

Fig. 20. H₂ yield of LaFe0.5M0.5O₃ (M＝Fe, Ni, Co, Al) perovskite catalysts.(이미지참조) 291

Fig. 21. TGA profiles of LaFe0.5M0.5O₃ (M＝Fe, Ni, Co, Al) perovskite catalysts.(이미지참조) 293

Fig. 22. SEM and TEM images of LaFe0.5Ni0.5O₃ Perovskite catalysts: a : before reaction (SEM), b : after reaction (SEM), c : before reaction (TEM), d : after reaction (TEM)(이미지참조) 294

Fig. 23. C₃H8 conversion and H₂ yield of Ni(15 wt%)/LaFeo0.5M0.5O₃ (M＝Ni, Al, Co) perovskite catalysts.(이미지참조) 295

Fig. 24. X-ray diffraction patterns of Ni (15 wt%)/LaFe0.5M0.5O₃ (M＝Ni, Al, Co) perovskite catalysts before reaction.(이미지참조) 297

Fig. 25. X-ray diffraction patterns of Ni (15 wt%)/LaFe0.5M0.5O₃ (M＝Ni, Al, Co) perovskite catalysts after reaction.(이미지참조) 298

Fig. 26. TGA profiles of Ni (15 wt%)/LaFeo0.5M0.5₂O₃ (M＝Ni, Al, Co) perovskite Catalysts.(이미지참조) 299

Fig. 27. SEM and TEM images of Ni (15 wt%)/LaFe0.5Ni0.5₂O₃ catalysts: a : before reaction (SEM), b : after reaction (SEM), c : before reaction (TEM), d : after reaction (TEM) 300

Fig. 28. C₃H8 conversion of Ni (10 wt%)-Mo (X wt%)/LaFe0.5Ni0.5O₃(X＝0, 1, 5, 10) perovskite catalysts:(이미지참조) 303

Fig. 29. H₂ yield of Ni (10 wt%)-Mo (X wt%) /LaFe0.5Ni0.5O₃ (X＝0, 1, 5, 10) perovskite catalysts.(이미지참조) 304

Fig. 30. CO, CO₂ Selectivity of Ni(10 wt%)-Mo (X wt%)/LaFe0.5Ni0.5O₃ (X＝0, 1, 5, 10) Perovskite catalysts(이미지참조) 305

Fig. 31. Weight loss of Ni(10 wt%)-Mo (0, 10 wt%)/LaFe0.5Ni0.5O₃ Perovskite catalysts.(이미지참조) 306

Fig. 32. SEM images of Ni(10 wt%)-Mo(10 wt%)/LaFe0.5Ni0.5O₃ Perovskite catalysts : a, c : before reaction (10, 30K), b, d : after reaction (10, 30K)(이미지참조) 307

Fig. 33. C₃H8 Conversion at various reaction temperatures over 15w%MMgAl hydrotalcite catalysts (M＝Ni, Co, Cu, Mn).(이미지참조). 308

Fig. 34. H₂ Yield at various reaction temperatures over 15w%MMgAl hydrotalcite catalysts (M＝Ni, Co, Cu, Mn). 309

Fig. 35. C₃H8 Conversion at various reaction temperatures over 15w%Ni/Al₂O₃and 15w%M/MgAl hydrotalcite catalysts (M＝Ni, Co, Cu).(이미지참조) 310

Fig. 36. H₂ Yield at various reaction temperatures over 15w%/Al₂O₃ and 15w%M/MgAl hydrotalcite catalysts (M＝Ni, Co, Cu). 311

Fig. 37. XRD patterns of hydrotalcite-like catalysts: (a) Mg-Al after drying, (b) Mg-Al after calcinations, (c) Ni/MgAl after calcinations, and (d) NiMgAl after calcination. (O) HT; (△) NiO or MgNiO 313

Fig. 38. FESEM images of hydrotalcite-like catalysts. 314

Fig. 39. C₃H8 Conversion over Ni/5w%M/MgAl hydrotalcite catalysts. (M＝Ce, Ca, Sr, Ba)(이미지참조) 316

Fig. 40. H₂ Yield over Ni/5w%M/MgAl hydrotalcite catalysts. (M＝Ce, Ca, Sr, Ba) 317

Fig. 41. XRD patterns of hydrotalcite-like catalysts: (a) Mg-Al after drying, (b) Mg-Al after calcinations, (c) Ni/MgAl after calcinations, (d) Ni/Ce/MgAl after calcinations,... 318

Fig. 42. FESEM images of hydrotalcite-like catalysts. 319

Fig. 43. TEM images of fresh catalysts: (a) Ni/MgAl, (b) Ni/Ba/MgAl, and (c) Ni/Ce/MgAl 322

Fig. 44. TEM images after reaction:(a) Ni/MgAl, (b) Ni/Ba/MgAl, and (c) Ni/Ce/MgAl 323

Fig. 45. TPR profile of different catalysts 324

Fig. 46. C₃H8 Conversion over 0.5w%M/Ni/MgAl hydrotalcite catalysts(M＝Pt, Pd, Ru)(이미지참조) 325

Fig. 47. H₂ Yield over 0.5w% M/Ni/MgAl hydrotalcite catalysts(M＝Pt, Pd, Ru) 326

Fig. 48. FESEM images of hydrotalcite-like catalysts. 327

Fig. 49. TEM images of fresh catalysts. 328

Fig. 50. TEM images after reaction. 329

Fig. 51. C₃H8 Conversion on the Pd/Ni/MgAl catalysts at various reaction temperatures(이미지참조) 332

Fig. 52. H₂Yield on the Pd/Ni/MgAl catalysts at various reaction temperatures. 333

Fig. 53. TEM images of Pd/Ni/MgAl.A: 0.1M Nitric acid, B: Ethanol, C: Water + Ethanol, D: Water 335

Fig. 54. C₃H8 Conversion on the Ru/Ni/MgAl catalysts at various reaction temperatures.(이미지참조) 336

Fig. 55. H₂ Yield on the Ru/Ni/MgAl catalysts at various reaction temperatures. 337

Fig. 56. TEM images of Ru/Ni/MgAl A : Fresh Ru/Ni/MgAl (solvent-water), B : Fresh Ru/Ni/MgAl (solvent-acetone)... 338

Fig. 57. TGA profiles of Ru/Ni/MgAl catalysts prepared using different solvents after the reaction. 339

Fig. 58. C₃H8 Conversion on the Ni-Fe/MgAl catalysts at various reaction temperatures. 341

Fig. 59. H₂ Yield on the Ni-Fe/MgAl catalysts at various reaction temperatures. 342

Fig. 60. The comparison of the product composition of the ATR reaction of propane, Reaction Temp.＝700 ℃ 343

Fig. 61. X-ray diffraction patterns of Ni-Fe/MgAl. ■: Mg(Ni)-Al hydrotalcite, ▲. α-Fe(110), ▲: α-Fe(220) 344

Fig. 62. TEM images of Ni-Fe/MgAl after the reaction A: Ni75-Fe25/MgAl, B: Ni5O-Fe50/MgAl(이미지참조) 346

Fig. 63. TGA profiles of Ni-Fe/MgAl after reaction. 347

Fig. 64. C₃H8 Conversion at various reaction temperatures at different preparation method of Ni/CexZr1-xO₂ and NixCeyZrzO₂ catalysts.(이미지참조) 348

Fig. 65. H₂ Yield at various reaction temperatures at different preparation method of Ni/CexZr1-xO₂ and NixCeyZrzO₂ catalysts.(이미지참조) 349

Fig. 66. XRD patterns of Ni/CexZr1-xO₂ and NixCeyZrzO₂ catalysts: (a) NiO0.33Ce0.54Zr0.18O₂ (b) Ni/Ce0.75Zr0.25O₂(이미지참조) 351

Fig. 67. SEM images of Ni/CexZr1-xO₂ and NixCeyZrzO₂catalysts: (a) NixCeyZrzO₂ (b) Ni/CexZr1-xO₂.(이미지참조) 352

Fig. 68. C₃H8 Conversion and H₂ Yield at 550 ℃ of Ni/CexZr1-xO₂ (where x is the respective of 0, 0.25, 0.5, 0.75 and 1.0 wt. catalysts.(이미지참조) 353

Fig. 69. TPR profile of different catalysts. 355

Fig. 70. C₃H8 Conversion at various reaction temperatures at different solvents used in the preparation of Ni/CexZr1-xO₂ catalysts.(이미지참조) 356

Fig. 71. H₂ Yield at various reaction temperatures at different solvents used in the preparation of Ni/CexZr1-xO₂ catalysts.(이미지참조) 357

Fig. 72. XRD patterns of CZ catalysts: (a) Ni/CexZr1-xO₂ water, (b) Ni/CexZr1-xO₂ urea-water...(이미지참조) 358

Fig. 73. SEM images of the catalyst prepared using the urea water and urea water-alcohol methods: (a) Ni/CexZr1-xO₂-UW fresh, (b) Ni/CexZr1-xO2-UW used,...(이미지참조) 360

Fig. 74. TEM images of the catalyst prepared using the urea water and urea water-alcohol methods: (a) Ni/CexZr1-xO₂ -UW fresh, (b) Ni/CexZr1-xO₂ -UW used,...(이미지참조) 361

Fig. 75. TGA profiles of the Ni/CexZr1-xO₂ - UWA catalysts before and after the reaction. 363

Fig. 76. CH₃H8 Conversion over various CexZr1-xO₂ catalysts. 364

Fig. 77. H₂ Yield over various Metal/CexZr1-xO₂ catalysts. 365

Fig. 78. TGA profiles of the CZ catalysts after the reaction. 366

Compact형 수소 분리 정제 PSA 공정 기술 개발 389

〈그림 1〉 흡착 실험 장치 모식도 398

〈그림 2〉 CMS에 대한 흡착 등온선의 온도 및 농도 의존성: (a)이산화탄소, (b)일산화탄소, (c)질소, (d)수소, (e)메탄 401

〈그림 3〉 CMS에 대한 흡착속도 실험에서 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수소, 메탄의 시간에 따른 로딩셀의 무차원 압력변화 404

〈그림 4〉 303k에서 CMS에 대한 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 메탄 흡착의 경우 속도상수와 압력간의 관계 405

〈그림 5〉 303k에서 일산화탄소에 대한 흡착속도상수의 압력 의존성: (a) Darken 모델들에 의한 예측 (b) Structural 모델들에 의한 예측 410

〈그림 6〉 303k에서 일산화탄소에 대한 흡착속도상수의 압력 의존성과 supercritical-structural 모델들에 의한 예측 412

〈그림 7〉 세 온도 조건에서 (a)질소, (b)일산화탄소, (c)메탄에 대한 흡착속도상수의 압력 의존성과 supercritical-structural-Langmuir 모델에 의한 예측 413

〈그림 8〉 PSA 실험 장치 설계도 419

〈그림 9〉 Schematic diagram and spatial coordinate of (a) the conventional adsorption bed and (b) the compact dual bed 421

〈그림 10〉 단일탈에서의 파과곡선 423

〈그림 11〉 단일탑에서의 파과시 온도구배곡선 424

〈그림 12〉 Breakthrough curves of inner bed under 9 atm and 7 LPM 427

〈그림 13〉 Breakthrough curves of outer bed under 9 atm and 7 LPM 428

〈그림 14〉 Temperature history from feed inlet at 9 atm and 7 LPM in inner bed 429

〈그림 15〉 Temperature history from feed inlet at 9 atm and 7 LPM in outer bed 430

〈그림 16〉 Effect of adsorption pressure on breakthrough curves at 7LPM in inner bed 432

〈그림 17〉 Effect of adsorption pressure on breakthrough curves at 7LPM in outer bed 433

〈그림 18〉 Desorption curves of inner bed under 1 atm and 7 LPM 435

〈그림 19〉 Temperature history from purge inlet at 1 atm and 7 LPM in inner bed 436

〈그림 20〉 Temperature history from purge inlet at 1 atm and 7 LPM in outer bed 437

〈그림 21〉 outer bed에서의 탈착시 inner bed에서의 파과곡선 440

〈그림 22〉 inner bed에서의 탈착시 outer bed에서의 파과곡선 441

〈그림 23〉 outer bed에서의 탈착시 inner bed에서의 온도구배곡선 442

〈그림 24〉 inner bed에서의 탈착시 outer bed에서의 온도구배곡선 443

〈그림 25〉 PSA 공정 Sequence 445

〈그림 26〉 Temperature profile during PSA process at AD step time 180s 446

〈그림 27〉 Concentration during PSA process at AD step time 160/200s 447

〈그림 28〉 Temperature profile during PSA process at AD step time 160/200s 448

〈그림 29〉 단일탑과 dual탑에서의 AD step time이 순도에 미치는 영향 451

〈그림 30〉 단일탑과 dual탑에서의 AD step time이 회수율에 미치는 영향 452

〈그림 31〉 단일탑과 dual탑에서의 P/F ratio가 순도에 미치는 영향 453

〈그림 32〉 단일탑과 dual탑에서의 P/F ratio가 회수율에 미치는 영향 454

LPG의 SR을 위한 연소기 및 개질기의 열 및 유동해석 473

Fig.1. Hydrogen production method 478

Fig.2. Schematic diagram of a hydrogen station 479

Fig.3. Efficiency comparison between various automobiles (Toyota in Japan) 481

Fig.4. Estimated market of a fuel cell (Athena Institute Projections) 482

Fig.5. Ideal composite system 490

Fig.6. Schematic of porous fluid regions 491

Fig.7. Comparison of analytical solutions and numerical solutions at porosity of 0.3 (a), porosity of 0.7 (b) 492

Fig.8. Schematic diagram for SR experiment 496

Fig.9. Temperature measurement of the reformer 497

Fig.10. Temperature at the center line 499

Fig.11. Species at the outlet of the steam reformer 500

Fig.12. Temperature and fuel conversion (a), species concentration at the reformer outlet (b) under various wall temperatures 502

Fig.13. Temperature and fuel conversion under various inlet temperatures 504

Fig.14. Species concentration at the reformer outlet under various SCRs 506

Fig.15. Temperature and fuel conversion under various GHSVs 508

Fig.16. Schematic diagram of cylindrical catalytic reactor for the steam reforming reaction 510

Fig.17. Temperature and fuel conversion (a), pressure drop (b) at various reactor shapes 511

Fig.18. The computational domain of the steam reformer, a cross section (a), a top section (b) 513

Fig.19. Temperature and fuel conversion of a cylindrical steam reformer and a coaxial cylindrical steam reformer 514

Fig.20. Temperature and fuel conversion (a), heat flux from product gas (b)under various wall temperatures 516

Fig.21. Temperature and fuel conversion (a), heat flux from product gas (b)under various inlet temperatures 518

Fig.22. Temperature and fuel conversion (a), heat flux from product gas (b)under various GHSVS 520

Fig.23. Schematic diagram, Type A (a), Type B (b) 523

Fig.24. Temperature (a), Radiative heat transfer rate (b) under the unflow state. 524

Fig.25. Before modification (a), After modification (b) under Type A 525

Fig.26. Temperature (a), Radiative heat transfer rate (b), Convective heat transfer rate (c), Total heat transfer rate (d) under Type A 526

Fig.27. Schematic diagram of Type B under the flow state 527

Fig.28. Temperature (a), Radiative heat transfer rate (b), Convective heat transfer rate (c), Heat transfer rate (d) under Type A and Type B 528

Fig.29. Temperature of Type A (a) and Type B (b) under various inlet temperatures 530

Fig.30. Radiative heat transfer rate of Type A (a) and Type B (b) under various inlet temperatures 531

Fig.31. Temperature of Type A (a) and Type B (b) under various inlet velocities 532

Fig.32. Radiative heat transfer rate of Type A (a) and Type B (b) under various inlet velocities 533

Fig.33. Temperature of Type A (a) and Type B (b) under various outlet areas 534

Fig.34. Radiative heat transfer rate of Type A (a) and Type B (b) under various outlet areas 535

Fig.35. Schematic diagram of various steam reforming systems, Type A (a),Type B (b) 539

Fig.36. The fuel conversion and mean temperature of Type A, GHSV of 2200/h (a), GHSV of 10000/h (b) 540

Fig.37. The fuel conversion and mean temperature of Type A, fuel ratio of 5.00 (a), fuel ratio of 1.25 (b) 541

Fig.38. The fuel conversion and mean temperature of Type B, GHSV of 2200/h (a), GHSV of 10000/h (b) 542

Fig.39. The fuel conversion and mean temperature of Type B, fuel ratio of 5.00 (a), fuel ratio of 1.25 (b) 543

Fig.40. Comparison of Type A and Type B, GHSV of 10000/h and fuel ratio of 5.00 (a), GHSV of 10000/h and fuel ratio of 1.25 (b) 544

Fig.41. Schematic system design with a coaxial cylindrical steam reformer and a flame guide (Type C) 546

Fig.42. Fuel conversion and mean temperature of Type C under various GHSVs (a), under various fuel ratios (b) 547

Fig.43. Reforming efficiency of Type A and Type B (a), Type C (b) 548

I. 제목 :

수소 Station을 위한 개질가스의 고순도 수소 분리 및 정제 요소기술 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

- 현재 수소는 정밀화학, 전자 산업, 반도체 공정, 석유 화학 공정, 암모니아 및 비료의 생산 공정 등에 주로 사용되고 있으며, 최근에는 연료전지 자동차용 수소스테이션 및 연료전지용 연료개질기의 용도로 연구 개발이 활발히 진행되고 있음.

- 연료전지의 상용 보급을 위해서는 저가의 연료전지 개발이 필요하나 연료전지에 수를 공급하는 인프라의 구축도 중요한 기술임. 수소 스테이션(hydrogen station)은 연료전지 및 수소 기관 자동차에 수소를 공급하는 수소 충전 설비임.

- 수소 스테이션에서는 수소의 생산, 운송비, 저장 방식, 설비의 용이성 및 안정성 등에 대한 실증 실험 및 경제성 분석이 진행되고 있으며 이를 통하여 앞으로 다가올 연료전지 자동차(fuel cell-powered vehicle)의 상용화 및 수소 경제의 도래를 위한 인프라 구축의 차원에서 수소 스테이션의 국산화 기술 개발은 큰 의미가 있음.

- 수소 제조 공정에는 일반적으로 수증기 개질(steam reforming)반응. 부분산화(Partial oxidation)반응 및 자열(autothermal reforming)반응 등이 사용되며, 개질된 합성가스는 수성가스전환 (water gas shift) 반응과 선택적 부분산화 (preferential Partial oxidation) 반응공정에 의해 CO 농도를 저감시키는 촉매공정이 필수적으로 연구되며, 과량의 수소가스는 흡착분리(pressure swing adsorption) 및 막분리(membrane) 등을 이용하여 고순도의 수소를 회수할 수 있음.

- PSA 공정에 대한 국내 기술은 현재 연구에 의한 실증 단계에 있으며 이를 수소스테이션에 적용하고 상용화하기 위해서는 관련기술을 보다 체계적으로 정비하고 확립 할 필요가 있음

- 수소 스테이션은 제한된 공간내에 수소 제조, 탈황, 분리 및 정제, 저장 및 주입 시스템을 포함해야 하므로 고성능 촉매개발, 시스템의 고효율화 및 컴팩트(compact)화를 위한 공정 최적화가 요구됨.

III. 연구개발의 내용 및 범위

LPG SR

- LPG SR 반응기 설계 / 제작

- 상용 CH₄ SR 촉매군을 대체할 수 있는 신규 촉매군 선정 / 제조

- 촉매 성능 최적화 (내구성 확립)

- 촉매 제조 scale up

WGS

- WGS 반응기 설계 / 제작

- 상용 WGS 촉매군을 대체할 수 있는 신규 촉매군 선정 / 제조

- 촉매 성능 최적화 (내구성 확립)

- 촉매 제조 scale up

수소분리 및 정제

- PSA법에 의한 수소의 분리정제 기초특성 확보

- 흡착제 선정 및 흡착제에 대한 흡착평형/속도 측정

- Bench 규모의 PSA 수소분리 및 동특성 확립 (1 N㎥/hr)

- Bench 규모의 PSA 흡착분리 장치의 운전조건 최적화

- 최적 PSA 공정 개발 및 scale-up 설계 factor 도출

- 30 N㎥/hr 규모의 수소 스테이션용 Pilot Plant 예비 기본설계

IV. 연구개발결과

LPG SR 촉매 개발

- hydrotalcite 구조를 형성하기 위해 공침된 Ni계 촉매는 함침된 촉매보다 BET 표면적과 active metal 표면적이 증가됨을 확인.

LPG SR 촉매 활성 test

- Ni/MgAl 촉매와 ICI 촉매의 활성을 비교한 결과 두 촉매의 활성은 거의 유사하며 반응조건상에서 140시간 이후부터는 Ni/MgAl 촉매의 활성이 보다 안정적으로 유지됨을 확인.

- 두 촉매 모두 탄소침적 억제력에는 한계를 보임

- 탄소침적 억제력을 향상시키기 위해 제조된 Rh-Ni/MgAl 촉매는 1024시간 동안 활성이 유지되며, 탄소침적 억제력도 비약적으로 향상됨.

WGS 촉매 제조

- 함침법을 이용하여 CeO₂, ZrO₂ 지지체에 Cu계 촉매를 담지하고, Cex-Zr1-xO₂ Urea 법을 이용해 제조한 뒤 Cu 금속 담지

- 함침된 Cu 촉매에 Mo를 promoter로 다양한 조성으로 담지

WGS 촉매 활성 test

- ZrO₂ 담체를 이용하여 제조된 촉매활성보다 CeO₂에 담지된 촉매가 보다 활성이 좋았으며, 제조된 촉매는 중온영역에서부터 상용 LTS 촉매보다 활성이 우수함.

- Ce-ZrO₂ 담체를 이용한 촉매가 활성이 가장 우수하였으며, Mo이 promoter로 소량 첨가된 경우 제조된 촉매의 thermal cycling에 대한 내구성이 증가됨을 확인.

PSA 공정 개발

Lab-scale 및 Bench-scale PSA 공정

- 다양한 운전 변수에서 실험 및 전산 모사 결과, 4탑 10단계 PSA공정이 가장 효율적으로 나타남.

Bench-scale PSA 공정

- Lab-scale PSA 공정 실험을 기반으로 최적 운전조건 확립.

- Scale-up factor 도출 : 체류시간(residence time) 30초 이상에서 순도 99.999% 이상의 수소를 75% 이상 회수할 수 있음을 확인함.

- Calgon사의 활성탄과 W.R. Grace사의 제올라이트 5A를 이용하여 흡착평형 실험을 실시하였으며 불순물에 대한 선택적 흡착 특성을 확인.

30 N㎥/hr 급 H₂ PSA공정 예비 설계

- Bench-scale PSA공정 결과를 기반으로 전산모사를 한 결과 비슷한 결과를 나타냄을 확인하였으며 체류시간이 흡착탑 설계 시 중요한 design factor로 작용함을 확인함.

- 흡착탑이 부피가 증가가 공정효율을 상승시키지 못하며 유입유량 및 성상에 따라 최적 흡착탑의 부피가 존재함.

- 30N㎥/hr의 수소를 생산하기 위해서는 4탑 10단계 PSA 공정 운전 시 체류시간 43.76초, 흡착탑 내경 23.7cm, 흡착탑 높이 170cm가 최적으로 나타났으며, 이때 순도 99.999%이상의 수소를 75%이상 회수할 수 있음.

V. 연구개발결과의 활용계획

- LPG SR 이응 수소스테이션 국산화 공정개발에 활용 (Reforming, WGS)

- 수증기 개질 및 WGS 반응용 촉매의 성형화를 위한 기초 데이터로 활용

- 촉매 제조 단가 격하를 위한 고성능 촉매군 선정을 위한 기본 데이터로 활용

- 고순도 수소 분리를 위한 PSA 공정의 scale up을 위한 설계자료로 활용

- PSA공정 모사 데이터는 수소스테이션의 활용 최적 운전조건 확립에 활용