• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2009년도 추계학술대회 논문집
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• pp.207-207
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• 2009

Aspen plus는 Aspentech사에서 개발한 공정모사용 프로그램으로서 다양한 화학종의 열역학적 자료를 기반으로 공정설계, 공정최적화, 공정모니터링 등 공정개발에 활용되고 있다. 연료개질기는 수증기 개질반응, 수성가스전이반응, 선택적화학반응으로 구성된 소규모 수소생산공정에 해당된다. 따라서 Aspen 전산모사를 통해 다양한 조건에서의 운전결과를 모사하여 개질기에 미치는 영향을 분석함으로써 운전조건을 최적화 할 수 있다. 연료개질기의 성능에 영향을 미치는 주요인자는 주로 수증기개질 촉매층 출구온도 및 수증기/탄소 비이다. 수증기개질 촉매층의 출구온도를 $660{\sim}740^{\circ}C$로 변화시키면서 개질가스의 조성, 카본 전환율, 개질효율 등을 비교 분석하였다. 또한 수증기/탄소 비를 3~5의 범위에서 변화시키면서 영향을 살펴보았다. 수증기개질 촉매층의 온도가 높을수록 수소생산량이 증가에 따른 효율 증가가 나타났으며 수증기/탄소 비가 증가할 경우에도 개질효율에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 하지만 실제 개질기의 운전에서는 소재의 제약에 따라 운전 온도에 제약이 있으며 수증기/탄소비의 증가 역시 개질기의 부피 증가로 이어지는 단점이 있다는 것을 고려해야 한다. 따라서 반응기 재질, 크기, 운전온도와 개질효율과의 상관관계를 파악하여 개질기의 특성을 최적화 하여야 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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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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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.86.1-86.1
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• 2010

예비개질기(Pre-reformer)는 중대형 내부개질형 용융탄산염 연료전지(MCFC) 시스템에서 다양한 연료를 사용하기 위한 필수적인 화학반응기이다. 예비개질기는 스택 전단에 설치함으로서 스택 내부의 열균형을 유지하고, 다양한 원료를 연료로 이용할 수 있도록 하며, 황화물로부터 후단의 개질촉매 및 전극촉매를 보호하여 주개질 반응의 부담을 감소시켜 MCFC 시스템의 내구성 향상의 중요한 역할을 한다. 본 연구는 예비개질 반응기 설계에 CFD 모델링을 적용하기에 앞서 파일롯 반응기 내 농도/ 온도 구배를 측정하고자 하는 목적으로 수행되었다. 반응가스로는 천연가스 내 고차탄화수소(C2 이상) 중 상대적으로 높은 농도를 가진 에탄을 이용하였고, MCFC용 예비개질기의 운전특성을 고려하여 비교적 낮은 온도와 높은 수증기/탄소 비에서 단열반응기로 실험을 진행하였다. 향후 본 실험결과를 이용하여 CFD 모델링에 대한 검증을 수행할 예정이며, 하수처리장부생가스(ADG)/ 매립지 가스(LFG)용 MCFC 시스템을 위한 예비개질기 설계에도 적용을 하고자 한다.

• 가스산업과 기술
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• 제6권1호
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• pp.68-79
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• 2003

가정용 연료전지의 개발은 소형 개질기에 대한 개발을 요구하고 있을 뿐만 아니라 수소자동차 보급에 대한 전망은 현지 설치가 가능한 소형 수소 제조장치의 개발을 필요로 하고 있다. 개질기의 공통적인 연구개발 방향은 시스템의 고효율화와 빠른 기동성과 내구성, 안정성 그리고 경제성을 확보하는 것이라고 할 수 있다. 최근의 개질기 연구동향을 살펴보면 개질효율 향상을 위하여 개질촉매가 새롭게 연구되고 있으며, 특히 가정용 연료전지 시스템의 적용에 적합하도록 통합형 개질기 시스템 구성을 통한 개질기의 소형화와 고효율화에 연구의 초점이 맞추어져 있다. 이 외에도 탈황제와 일산화탄소 제거를 위한 촉매 개발에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 1시간 이상 소요되는 기동시간을 단축시키기 위한 시스템 연구가 이루어지고 있다. 본 고에서는 개질기 관련기술에 대한 전반적인 고찰과 그리고 최근의 개발동향을 분석해 보고 본 연구원에서 개발된 소형 수소제조장치의 특징에 대하여 소개하고자 한다.

• 한국가스학회지
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• 제17권6호
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• pp.8-14
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• 2013

본 연구에서는 LPG자동차용으로 적용키 위한 플라즈마 개질에서 개질기 형상변화가 개질 특성에 미치는 영향에 대해 실험을 하였다. 수소 수율을 향상시키기 위해, 2차 개질기는 1차 개질기에 비해서 개질기 후단부의 부피를 증가시켜 플라즈마를 통과하는 개질가스의 반응시간을 증가시켰다. 각 개질기의 비교를 위하여 $O_2/C$ 비를 부분산화 조건에서부터 완전산화 조건까지, 총 유량은 20, 30, 40, 50 lpm으로 증가시키며 실험을 하였다. 각 개질기의 특성을 비교해본 결과, $O_2/C$ 비가 부분산화 조건에서 완전산화 조건으로 갈수록 LPG 전환율은 증가하였고, 수소 선택도는 감소하였으며, 수소 수율은 증가하다 감소하는 최적조건이 존재하였다. 개질기는 4.5배 부피가 큰 2차 개질기가 1차 개질기에 비해 동일 유량에서 수소 수율이 4~14% 증가한 결과를 얻을 수 있었다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제23권5호
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• pp.23-29
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• 2019

본 연구는 굵은골재의 완전 리사이클 기술개발을 위해서 시멘트계 재료를 이용한 개질 페이스트를 이용하여 원골재의 표면을 코팅하는 표면개질 기술을 적용하고 있다. 이 때에 원골재와 개질 페이스트의 계면은 개질 페이스트의 점착력과 점도에 의존되어 개질골재의 피막두께가 결정된다고 생각할 수 있다. 본 연구에서는 굳지 않은 상태에서의 개질 페이스트의 유동특성을 파악하고 표면 개질골재의 피막 두께에 대해 검토한 결과, 개질 페이스트를 빙엄유체로서 가정하여, 잉여 페이스트 이론과 유동학 정수 (항복치)를 고려하는 것으로 개질 페이스트의 정량적인 피막 두께의 설계가 가능하여, 표면개질 골재를 이용한 콘크리트의 정량적인 배합설계가 가능할 것으로 판단된다.

• 한국에너지공학회:학술대회논문집
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• 한국에너지공학회 1998년도 춘계 학술발표회 논문집
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• pp.243-251
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• 1998

내부개질형 용융탄산염 연료전지는 일반적인 연료전지가 갖는 고효율, 저공해, 모듈화 가능성 등의 장점 이외에도, 스택의 반응열을 열교환 없이 직접 개질반응에 이용하는 내부개질 특성 때문에 발전 설비의 단순화에 따른 추가 열효율의 상승이라는 장점을 갖는다. 또한 외부개질 용융탄산염 연료전지가 중앙집중식 대형 발전에 적합한 것과는 달리 내부개질형은 수십 MW 이하의 분산배치형 혹은 현장설치형에 더욱 적합하다는 특징이 있다. (중략)

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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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.

• KSBB Journal
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• 제23권1호
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• pp.70-76
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• 2008

본 연구에서는 생물막법 중 고정 생물막을 이용한 무산소/호기 시스템으로 구성된 반응기에서 표면을 이온빔으로 조사하여 소수성인 표면 물성을 친수성으로 개질한 표면개질(surface-modified) 담체와 표면을 개질하지 않은 비개질 담체(non-modified)를 각각 이용하여 하수의 유기물, T-N 그리고 T-P의 제거 특성을 알아보았다. 여기에 사용된 담체는 폴리에틸렌 재질로서 원통형 플라스틱 담체이다. 수리학적 체류시간(HRT)에 따른 제거율의 차이를 알아본 결과, $COD_{cr}$의 경우 HRT를 16hr 이상 주었을 경우 개질 담체를 사용한 반응기 (개질 담체 반응기)와 비개질 담체를 사용한 반응기(비개질 담체 반응기) 모두 95% 이상의 제거율을 보인 반면에 12hr일 경우 개질 담체 반응기는 95%, 비개질 담체 반응기는 92%의 제거율을 보였다. 동일한 조건에서 T-N 제거율은 개질 담체 반응기는 HRT에 따라 최고 70.2%에서 최저 54.8%의 제거율을, 비개질 담체 반응기는 최고 76.5%에서 최저 57.5%의 제거율을 보였다. 마지막으로, T-P 제거율을 알아본 결과, 개질 담체 반응기는 최고 69.8%에서 최저 59.4%의 제거율을 보인 반면에 비개질 담체 반응기는 최고 63.4%에서 최저 51.3%의 제거율을 보였다. 본 연구결과로 볼 때 하수처리 적용시 $COD_{cr}$와 T-P의 제거인 경우에 표면개질 담체를, T-N의 경우 비개질 담체를 사용한 것이 제거효율에서 유리한 것으로 판단된다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제34권4호
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• pp.341-347
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• 2010

본 연구에서는 부탄 개질기 운전조건에 따른 SOFC 시스템 효율을 모델링을 통해 분석하였다. SOFC 시스템은 크게 개질기, SOFC, 폐열 회수 장치로 구성하였다. 탄화수소 개질 반응으로 선택한 수증기 개질 반응은 흡열반응인 데에 반해 SOFC 에서 일어나는 전기화학반응은 발열반응이다. 따라서 시스템의 열관리 방법에 따라 효율이 크게 달라진다. 세부적으로 수증기 개질 반응은 운전 온도에 따라 수증기 개질 반응과 예개질 반응으로 분류되는데, 해석 결과 예개질 반응을 적용한 SOFC 시스템의 경우 더 높은 효율을 나타내었다. 시스템의 효율은 SOFC 온도 유지를 위한 열량과 온수로 회수되는 열량에 따라 달라지는데, 예개질 반응을 적용할 경우, 열관리가 더욱 효율적이어서 높은 효율을 나타내는 것으로 분석되었다.