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RPG 연료전지용 고농도 수소생산 부채꼴형 NTP 개질 시스템 개발
Reports NRF is supported by Research Projects( RPG 연료전지용 고농도 수소생산 부채꼴형 NTP 개질 시스템 개발 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 송형운(조선대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
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  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00042
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 12월 20일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구에서는 RPG 연료전지용 고농도 수소생산을 위한 부채꼴형 NTP 개질시스템을 개발 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    ㅣ. 반응기 설계 수치해석 결과
    1. 부채꼴형 플라즈마 개질기 내의 유동 특성은 대체적으로 고른 흐름을 보인다.
    2. 개질기 내의 온도분포는 가스 흐름방향으로 벽면 열손실에 의해 온도가 저감되지만 방전전극의 방전영역에서는 방전 시 생성열에 의해 온도가 상승한다.
    3. 전기장은 가스 흐름방향으로 진행되면서 부채꼴 형태의 안정적인 전기장을 형성하고 있다.
    4. 부채꼴형 플라즈마 방전 가시화 결과 물리적인 방전 현상은 수치해석 결과와 유사한 결과를 나타낸다.

    Ⅱ. 부채꼴형 플라즈마 개질 실험
    (1) 부채꼴형 플라즈마 개질에 의한 프로판 개질특성
    1. 최적 운전조건에서 생성된 합성가스는 H2 46.3%, CO 20.0%, CH4 8.6%, C2H2 5.5%, C3H6 1.52%, C2H4 1.03%, C3H4 0.41% 이다. 이때 프로판, 이산화탄소, 수증기의 전환율은 각각 91.6%, 20.0%, 95.5% 이고 H2/CO 비는 2.3이다.
    2. 변수별 연구결과를 보면 수증기 유량비가 증가하면 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되는 정반응이 우세하고 이산화탄소 유량비가 커지면 수소의 생성은 감소하고 일산화탄소의 발생은 증가함으로 H2/CO의 비가 낮아진다. 입력 전력을 증가시킬수록 합성가스의 생성은 증가하며, 가스 체류시간이 길어질수록 반응접촉 시간이 커져 수소 생성이 증가한다.
    (2) 촉매연계 부채꼴형 플라즈마 개질특성 및 경제성
    1. 최적 운전조건에서 생성된 대표적 합성가스는 H2 44.4%, CO 18.2%이고 H2/CO 비는 2.4이다. 에너지 전환율은 25.3%이다. 전기에너지 비용은 소비 전력량보다 전기에너지 비용의 경제성이 48.9%로 향상된다.
    2. 변수별 연구결과를 보면 수증기 유량비가 증가하면 에너지 전환율은 증가하지만 전기에너지 비용은 거의 일정하며, 이산화탄소 유량비가 증가하면 에너지 전환율은 증가하고 전기에너지 비용은 감소한다. 입력 전력이 증가할수록 에너지 전환율과 전기에너지 비용은 증가하며, 반응가스 유량이 감소할수록 에너지 전환율과 전기에너지 비용은 증가한다.

    Ⅲ. 합성가스 정제 실험
    (1) 수성가스 전이반응 실험 결과
    1. 수증기 주입량에 따른 CO는 고온 전이반응의 경우 5.2ℓ/min 이상에서 4%이하로 저감되고, 저온 전이반응의 경우 4.2ℓ/min 이상에서 5,000ppm까지 감소한다.
    2. 개질가스 조성에서 H2/CO 비가 증가하면 CO 농도는 비례적으로 감소한다.
    3. 반응온도 증가에 따라 CO 농도는 감소하며, H2 농도는 점차 증가한다.
    4. 개질가스 주입량이 증가할수록 H2 농도는 감소하고 CO 농도는 점차적으로 증가한다.
    (2) 선택적 산화 반응 실험 결과
    1. 반응온도 변화에서 선택적 산화 반응온도 260℃ 이상에서 CO 농도 10ppm이하를 나타낸다.
    2. 산소 주입량 변화에서 O2/C 비가 0.35 이상으로 증가하면 일산화탄소 농도는 10ppm 이하로 저감되지만 수소의 농도가 급격히 감소한다.
    3. 수증기 주입량 변화에서 steam/C 비가 2.7 이상에서 CO 농도는 10ppm 이하로 감소하며 steam/C비가 증가할수록 CO2의 농도는 증가한다.
  • Research result and Utilization method
  • [ 연구결과 ]
    RPG 연료전지용 고농도 수소생산 부채꼴형 NTP(Non-Thermal Plasma) 개질시스템을 개발하기 위하여 다음과 같이 연구를 수행하였다.

    1. 반응기 설계 수치해석
    저온 플라즈마 방전을 적용한 부채꼴형 플라즈마 개질기를 설계하기 위해 수치계산을 적용하여 개질기 내부의 유동 및 전기적인 특성을 파악하여 최적의 개질기를 설계하였다.
    또한 부채꼴형 플라즈마 방전에 물리적인 방전 형태 등을 정성적으로 확인하기 위해 가시화 장치를 제작하여 방전가시화 실험을 진행하였다.

    2. 부채꼴형 플라즈마 개질 실험
    수치계산 및 방전 가시화를 통해 얻어진 자료를 바탕으로 부채꼴형 플라즈마 개질기를 제작하여 프로판으로부터 카본블랙의 생성이 없고 고농도 수소를 포함한 합성가스 생성이 최적인 개질특성과 운전 영향인자를 파악하였다.
    촉매를 연계한 플라즈마 개질을 통해 개질특성과 전기에너지 비용에 따른 개질기의 경제성을 파악하였다.

    3. 합성가스 정제 실험
    RPG 연료전지에 적용하기 위한 고순도 수소를 얻기 위해 수성가스 전이반응과 선택적산화 반응이 적용된 장치를 구성하였다. 또한 수성가스 전이반응 및 선택적 산화반응에 영향인자를 파악하고 최적 운전조건을 도출하였다.

    [활용방안]
    ˚ 개발된 수소생산 부채꼴형 플라즈마 개질기 각종 RPG에 적용; 저온 플라즈마 기술이 적용된 부채꼴형 플라즈마 개질기는 기존의 여러 단점이 보완된 형태로 개발된다. 따라서 기존기술 방식의 문제점 때문에 RPG에 적용이 어려운 것이 해결됨에 따라 다양한 형태의 RPG개발에 활용이 가능하다.
    ˚ 수소 및 합성가스 타 생산분야에 활용; 부채꼴형 플라즈마 개질기를 통하여 얻어진 수소, 일산화탄소 및 기타 탄화수소(에틸렌, 프로필렌 등)를 여러 화학공업의 연료물질로서 사용하여 화학공업의 원료 생성공정으로도 활용할 수 있다. 또한 저온 플라즈마(Non-thermal plasma)는 그 적용분야가 광범위하므로 화학공업 분야 외에 환경 분야 및 재료분야 등에 파급효과가 큼으로 응용 분야가 가속화 될 것이다.
  • Index terms
  • RPG, 부채꼴형 방전, 플라즈마 개질, CFD, 합성가스 정제, 전이반응, 선택적 산화반응
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