• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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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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• 2008.05a
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• pp.445-447
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• 2008

본 연구에서는 다중벽 탄소나노튜브용 표면개질제를 리빙라디칼중합법을 통하여 제조하고, 이를 이용하여 표면개질되고 분산제어된 다중벽탄소나노튜브를 제조하고 염료감응형 태양전지의 대전극 재료로 사용하였다. 우선 리빙라디칼중합법 중 nitroxide mediated polymerization (NMP) 기술을 이용하여 poly(maleic anhydride-co-p-acetoxystyrene)-block-poly(p-acetoxystyrene)를 합성하고, 공중합체중의 maleic anhydride기에 이미드화 반응을 통하여 pyrene기를 도입하였다. 공중합체 중의 p-acetoxystyrene 반복단위들은 가수분해 반응을 통하여 p-hydroxystyrene 반복단위로 변환하였으며, 제조된 공중합체의 구조와 열 특성 등을 GPC, GC, $^1H$-NMR, TGA을 통하여 분석하였다. 제조된 공중합체를 이용하여 다중벽 탄소나노튜브의 표면을 polymer wrapping법으로 처리하였고, 표면개질된 탄소나노튜브의 분산성을 다양한 용매에서 비교분석하였다. 표면이 개질되고 페이스트 내에의 분산성이 향상된 다중벽탄소나노튜브를 염료감응태양전지의 대전극 제조에 응용하였으며, 표면처리 및 분산제어 여부에 따른 제작 특성 및 동작특성 등을 평가하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2006.11a
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• pp.485-488
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• 2006

고분자전해질형 연료전지(PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 소형전원에서부터 분산용전원에 이르기 까지 넓은 응용범위를 가지고 있다. 이러한 PEMFC의 응용범위 중 메탄올 개질반응을 통하여 발생된 수소를 이용하는 휴대용 PEMFC 시스템의 경우, 개질 시 발생하는 일산화탄소가 백금촉매를 피독시켜 연료전지의 성능을 저하시키는 주요 원인이다. 따라서 연료전지의 성능저하를 막기 위해서는 개질가스의 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 낮추는 것이 요구된다. 본 연구에서는 이러한 개질가스의 일산화탄소 농도를 낮추기 위한 반응기를 설계 및 제작하였으며, 상용촉매를 사용하여 CO저감 성능실험을 하였다. 또한, PROX 촉매 및 methanation 촉매를 조합하여 사용함으로써 $140^{\circ}C{\sim}190^{\circ}C$ (약 $50^{\circ}C$)의 온도범위에서 일산화탄소의 농도 10ppm이하의 결과를 나타내었다.

• 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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• 2008.05a
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• pp.361-363
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• 2008

탄소 개질반응은 $1200^{\circ}C$(도1) 이상에서 모든 탄화물질과 수분 또는 $CO_2$ 사이에서 흡열/환원반응이 일어나서 합성가스를 생성한다. 개질반응로는 산화반응로와 연결되어, 수소가스와 CO 가스의 혼합인,합성가스가 산화반응로 내에서 산소가스와 연소하여 열과 $H_2O+CO_2$를 생성하여 환원 반응로 내로 유입되어, 환원 반응로를 $1200^{\circ}C$ 이상으로 유지하고, $H_2O$와 $CO_2$는 석탄 속의 모든 탄소를 CO로 개질한다(도2). 동시에 수소가스가 생성되어 합성가스를 생성하게 된다. 석탄 속의 비탄소 물질인 슬래그(Slag)는 개질로 내에 남게 되는데, 개질로를 슬래그 융점(non-fluid point) 이하에서 고체상태로 포집함으로서 Fly-ash로 처리된다. 개질로 내의 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$(석탄 슬래그 융점)로 유지함으로서 개질반응이 지속되어 합성가스가 생성된다. IGCC 시스템에서는 합성가스를 가스터빈 속에서 $O_2E가스와 연소하여 고온의 가스를 생성하여 터빈을 가동해 발전을 하고 배출가스를 $1500{\sim}1700^{\circ}C$에서 배출한다. 재래식 IGCC(도4)에서는 ${\sim}1500^{\circ}C$의 배출가스를 열교환 시스템에 의해 증기를 생성하여 Steam turbine(증기터빈)을 가동하여 추가 전력을 생산했다. 그러나 본 시스템에서는 배출가스(증기와 $CO_2E 가스)를 위의 개질로에 유입하여 개질로 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$로 유지함으로서 더 많은 합성가스를 생성 하게 된다(도3). 이렇게 하여 Oxidation-reduction cycle을 형성하게 된다. 새로운 IGCC 시스템에서 가스 터빈의 배출가스가 석탄 개질로에 연결되고 석탄개질로의 합성가스 출구가 가스터빈의 가스 입구에 연결됨으로서,외부에너지 주입 없이 지속 가능한 가스화 반응과 터빈 사이클(Cycle)을 완성하여 IGCC 시스템의 석탄 열효율을 1단계 상승시켰다. 이렇게 설계된 석탄가스화기는 Lurgi형 석탄가스화 기와 달리 석탄개질반응의 효율을 높일 수 있고, 슬래그 처리가 간단하기 때문에 석탄가스화기가 소형화 될 수 있으며 슬래그(Slag)용융에 따른 석탄가스화기의 외벽손상을 피할 수 있다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.11a
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• pp.75-78
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• 2007

천연가스의 수증기 및 이산화탄소 복합 개질은 탄화수소화합물과 이산화탄소를 원료로 사용하여 수소를 생산하는 공정으로, 온실가스로 지목되고 있는 주요 화합물을 수소와 일산화탄소 혼합 가스로 전환시켜 합성 반응 또는 연료전지에 사용할 수 있도록 해준다. 본 연구에서는 $MgAl_2O_4$를 지지체로 하는 니켈계 촉매를 제조하여 수증기 및 이산화탄소 복합 개질 반응에 사용하였으며, 기존의 수증기 개질촉매 적용 시 문제가 되었던 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화를 피할 수 있었다. 개발된 촉매 레시피를 바탕으로 펠릿 촉매를 제조하여 0.1 bpd규모의 Fischer-Tropsch 합성 반응에 적용 가능한 튜브형 반응기에 적용하여 수증기 및 이산화탄소 복합 개질 반응을 실시하였으며, 반응기의 온도 구배, 가스 조성 변화를 관찰하였다. 반응 조건에 따른 촉매 및 반응기의 성능 최적화를 실시하여 최적 촉매 및 반응기 성능을 모색하고자 하였다.

• Proceedings of the Korea Contents Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.253-254
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• 2017

미연탄소의 함유량이 많은 플라이애시를 사용한 시멘트의 경우 공기량이 저하되며, 슬럼프의 확보를 위해 AE제와 같은 혼화제의 사용을 요구한다. 이러한 미연탄소를 제거하기 위해 저온 플라즈마를 이용한 표면 개질에 관한 연구가 진행되었으나, $O_2$를 사용하는 플라즈마의 경우 $O_3$를 생성하는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 플라즈마를 대신에 아크방전을 이용하여 플라이애시 내의 미연탄소를 제거해 표면을 개질하는 기술에 관한 기초적 연구를 진행하였다. 그 결과, 아크방전을 통해 플라이애시의 표면을 개질할 시 플라이애시의 물리적 특성이 개선되며, 이를 이용한 시멘트경화체의 강도도 향상되는 것을 알 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.10a
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• pp.387-390
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• 2008

Ni/MgAl 촉매상에서 LPG의 수증기 개질반응을 반응온도 $700{\sim}800^{\circ}C$, 공간속도 $20,000h^{-1}$, 수증기/탄소 비율 $1.0{\sim}3.0$인 조건으로 대기압하에서 수행하였다. 본 연구에서 사용된 촉매들은 공침법으로 제조하였으며, 하이드로탈사이트 구조에서 Ni-MgO 구조로 변환되는 과정에서 활성금속인 니켈이 고분산되는 장점을 지니고 있다. 제조된 촉매는 함침법으로 제조된 촉매보다 활성이 잘 유지되었으며 탄소침적에 대한 내구성 또한 향상되었으나 완벽하게 해결되지는 못하였다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 귀금속이 modified된 Ni/MgAl 촉매를 제조하고 반응 특성을 비교하였다. Rh-Ni/MgAl 촉매는 LPG 수증기 개질 반응에서 1024시간동안 활성이 유지됨을 확인하였을 뿐만 아니라 탄소침적 또한 발생하지 않음을 확인하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.71.1-71.1
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• 2013

메탄가스와 이산화탄소는 지구온난화 가스이기 때문에 배출규제가 점차 강화될 것으로 전망되고 있다. 또한 이들 가스는 매립지 또는 바이오 공정을 통해 발생되는 가스이기 때문에 단순히 배출을 억제하는 데 그치지 않고 보다 적극적으로 활용해야할 필요성이 있다. 현재 메탄과 이산화탄소를 동시에 활용하는 기술로는 촉매공정을 통해 메탄과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 전환하는 방법이 대표적이나, 본 공정은 $800{\sim}900^{\circ}C$의 고온조건을 필요로 하고 고압조건에서 다량으로 생성되는 탄소에 의한 촉매 활성도의 저하문제로 인해 해당 기술의 실제 보급에 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 플라즈마를 활용한 메탄가스 개질(reforming) 기술은 고온 플라즈마인 경우 60~70년 전부터 상용화 사례가 있으며, 저온 플라즈마의 경우는 약 10여 년 전부터 개질반응의 공정온도를 낮추려는 연구를 중심으로 기초연구가 수행되어왔다. 이들 플라즈마를 활용한 메탄개질 기술은 메탄의 직접분해, 부분산화, 수증기 개질 및 건식개질 등으로 분류되는 데, 최근 지구온난화가스인 이산화탄소의 처리에 대한 관심이 높아지면서 이산화탄소를 활용하는 건식개질 기술에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 현재 플라즈마 건식개질기술에서 주된 이슈는 높은 전력비용이고, 이를 낮추기 위해 촉매를 활용하거나 플라즈마 발생을 최적화하려는 연구가 진행되고 있다. 본 발표에서는 플라즈마를 활용한 건식개질 기술의 장단점, 실용화 가능성 및 향후의 과제를 다루고 있으며, 이를 위해 기계연구원에서의 연구결과 및 국내외 연구실의 결과를 살펴보았다.

• Polymer(Korea)
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• v.38 no.3
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• pp.378-385
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• 2014

Multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) were modified with a water soluble polymer, poly(vinyl alcohol), PVA, using a simple ultrasonic wave in water. Under the irradiation of ultrasound, PVA chains were severed as macroradicals and instantly grafted onto the surface of MWCNTs due to the radical scavenging effect of MWCNTs. To control the grafting PVA onto MWCNTs, the ultrasonication power and irradiation time were changed from 300 to 500 W and from 10 to 50 min, respectively. The grafted PVA onto MWCNTs was confirmed by FTIR, TGA, SEM, and TEM. Dispersion stability of the modified MWCNTs was monitored by Turbiscan. The amount of grafted PVA on MWCNTs increased with the increase in the sonication power and irradiation time. The grafted PVA on MWCNTs induced the improved dispersion stability of the modified MWCNTs in water. These findings exhibit that ultrasound can be readily used for the grafting polymer chains on MWCNTs.