• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.231-234
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• 2005

수소 기반의 에너지 사회는 중소규모 분산 발전과 연료 전지 자동차에서 시작될 거라는 예측이 지배적이다. 가정용 고분자 연료전지 시스템은 상업화에 가장 가까운 소규모 분산 발전 시스템중의 하나이며, 에너지기술연구위원에서는 가정용 고분자 연료전지에 수소를 공급하기 위한 천연가스 수증기 개질시스템의 개발을 진행해 왔다. 효율 향상과 제작의 용이성, 그리고 소형화에 초점을 맞추어 개발된 prototype-I은 $2.0Nm^3/hr$의 순수 수소 생산 용량을 가지고 있으며, 수증기 개질기와 수성가스 전이 반응기 수중기 생성 장치, 그리고 반응열 공급에 필요한 버너 등을 이중 동심원관에 통합한 형태이다. 수중기 개질과 수성가스 전이 반응을 거쳐 나오는 개질 가스의 조성은 $72.3\%\;H_2,\;4.8\%\;CH_4,\;0.7\%\;CO,\;22.2\%\;CO_2$이며, 이때 S/C 비율은 2.5였다. 고분자 연료 전지 공급 시 요구되는 CO 농도가 10ppm 이하이기 때문에, 본 시스템에는 선택적 산화 반응기를 2단으로 설치하여 CO. 농도를 10ppm 이하로 낮추어주었다. 전체 시스템의 열효율은 LHV 기준으로 $68\%$. Prototype-I의 운전을 통해 설계 개선안을 도출하였으며, 이를 적용해 제작한 prototype-II가 시험 운전 중이다,. 통합된 개질 시스템에서는 각 단위 반응기사이의 열교환을 최적화하여 단위 반응들이 적정 온도 범위에서 일어나도록 유도하는 것이 중요하다. Prototype-II는 수증기 개질 반응기와 WGS 반응기, 수증기 생성 장치 사이의 열교환율을 향상시켜 농도를 $2.5\%$로 감소시키면서 CO의 농도는 $1\%$이하로 유지하였다. 이 결과를 바탕으로 얻어진 메탄 전환율은 $87\%$이고, 열효율은 LHV 기준으로 $75\%$이다. 아울러 개선점을 적용한 선택적 산화 반응기를 제작하였다. 개질 가스와 산소의 혼합을 유도하고, 반응기 온도의 제어를 통해 선택적 산화 반응의 속도와 선택성을 향상시키고자 한다. 시스템의 운전을 통해 메탄 전환율과 열효율의 개선을 진행할 예정이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.230.1-230.1
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• 2010

조촉매(Promotor)인 Na은 수성가스전이(Water Gas Shift, WGS) 반응 시 생성된 포름산염의 C-H결합을 쉽게 분해하는 역할을 한다. 본 연구에서는 $Pt/CeO_2$ 촉매의 성능 향상을 위해 Na의 담지량을 변화시켜 촉매적 활성을 비교하여 보았다. 제조된 담체는 침전법(Precipitation)을 사용하여 제조하였으며 $500^{\circ}C$에서 6시간 소성하였다. Pt 담지량은 1wt%로 고정하였고 Na 담지량은 1 wt%~5 wt%로 변화를 주어 동시(공)-함침법(Co-incipient wetness method)으로 담지 시켰다. 반응 실험은 공간속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV) $45,385h^{-1}$에서 수행하였다. WGS 반응 결과 3 wt%의 Na이 담지된 $Pt/CeO_2$ 촉매의 경우를 제외하고 나머지 Na이 담지된 촉매들은 비교적 높은 CO의 전환율을 나타내었다. 특히 2 wt%의 Na이 담지된 $Pt/CeO_2$ 촉매는 가장 높은 CO의 전환율을 나타내었다. 따라서 Na 담지량의 변화가 포름산염의 C-H결합 분해에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.34 no.4
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• pp.327-333
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• 2023

The water gas shift reaction was carried out using the commercial catalyst pellet and the simulated gases expected to occur from waste plastic gasification. In the water gas shift reaction, the high temperature shift reaction and the low temperature shift reaction were continuously performed with CO:H₂O ratio of 1:2, 1:2.5, and 1:3, and the CO conversion and H₂ increase rate were evaluated. The H₂ increase rate increased in order to CO:H₂O ratio of 1:3 > CO:H₂O ratio of 1:2.5 > CO:H₂O ratio of 1:2. The CO conversion showed a high value of more than 97% at each CO:H₂O ratio. The water gas shift reaction at a CO:H₂O ratio of 1:3 showed the highest H2 increase rate and CO conversion.

• Journal of Energy Engineering
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• v.8 no.1
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• pp.34-47
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• 1999

본 연구에서는 촉매상에서 메탄의 산화시 발생되는 반응열을 이용하고 반응생성물과 미반응 메탄과의 개질반응에 의해 합성가스의 수율을 증대시키기 위하여 연소촉매와 개질촉매를 연속적으로 배치한 hybrid 촉매상에서 개질촉매에 따른 메탄의 부분산화반응의 반응 특성과 합성가스 수율에 미치는 영향을 관찰하였다. 메탄의 산화를 위해서 Pt-Rh/cordierite 촉매를 사용하였으며, 개질촉매로는 상업용 개질촉매인 R67, ICI46-1, 수성가스 전환반응촉매인 LX821 촉매와 6 wt% Ni/cordierite 촉매를 사용하였다. 실험결과 연소촉매와 개질촉매를 연속적으로 사용한 경우 메탄의 산화 과정에서 생성된 CO2 및 H2O가 미반응 메탄과의 개질반응 촉진으로 인하여 합성가스이 수율이 증가됨을 확인할 수 있었다. 이때 생성되는 합성가스의 H2/CO 몰비는 온도에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 80$0^{\circ}C$에서 촉매에 따라 2.2~2.8의 값을 가짐을 알 수 있었다. 개질촉매로 R67 및 Ni/cordierite 촉매를 사용하였을 경우 가장 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있었으며, 연소촉매와 개질촉매의 질량비는 1:1~1:2에서 가장 높은 수율의 합성가스를 얻을 수 있었다. 메탄과 산소의 몰비가 2:2에서 메탄의 전환율과 수소 수율이 가장 높게 나타났으며 메탄의 몰비 증가에 따라 감소되는 경향을 보였다.

• Applied Chemistry for Engineering
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• v.25 no.2
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• pp.204-208
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• 2014

This study investigated the effect of hydrogen permeance and selectivity, catalyst amount, $H_2O/CO$ ratio in a feed stream, and Ar sweep gas on the performance of a water gas shift reaction in a membrane reactor. It was observed that a minimum hydrogen selectivity of 100 was needed in a membrane reactor to obtain a hydrogen yield higher than the one at equilibrium and the hydrogen yield enhancement gradually decreased as the hydrogen permeance increased. The CO conversion in a membrane reactor initially increased with the catalyst amount and reached a plateau later for a membrane reactor with a low hydrogen permeance while the high CO conversion independent of a catalyst amount was observed for a membrane reactor with a high hydrogen permeance. For the $H_2O/CO$ ratio in a feed stream higher than 1.5, a hydrogen permeance had little effect on the CO conversion in a membrane reactor and it was found that a minimum Ar molar flow rate of $6.7{\times}10^{-6}mol\;s^{-1}$ was needed to achieve the CO conversion higher than the one at equilibrium in a membrane reactor.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.43 no.3
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• pp.331-343
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• 2005

Development of hydrogen station system is an important technology to commercialize fuel cells and fuel cell powered vehicles. Generally, hydrogen station consists of hydrogen production process including desulfurizer, reformer, water gas shift (WGS) reactor and pressure swing adsorption (PSA) apparatus, and post-treatment process including compressor, storage and distributer. In this review, we investigate the R&D trends and prospects of hydrogen station in domestic and foreign countries for opening the hydrogen economy society. Indeed, the reforming of fossil fuels for hydrogen production will be essential technology until the ultimate process that may be water hydrolysis using renewable energy source such as solar energy, wind force etc, will be commercialized in the future. Hence, we also review the research trends on unit technologies such as the desulfurization, reforming reaction of fossil fuels, water gas shift reaction and hydrogen separation for hydrogen station applications.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2006.06a
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• pp.17-20
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• 2006

한국에너지기술연구원에서는 가정용 고분자연료전지 열병합 발전시스템을 위한 통합형 천연가스 연료처리 시스템을 개발해 왔다. 가정용 시스템으로서 필수적인 소형화와 고효율을 현실화하기 위해, 연료처리 시스템의 각 단위 공정 즉 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 공정 등을 이중 동 심관형 반응기에 통합하여 상호 열교환이 용이하도록 반응기를 설계하였다. 현재 시험 운전 중인 Prototype-I 연료 처리 시스템은 1kW급 고분자 연료전지 열병합 발전 시스템에 개질 가스를 공급하기 위해 설계되었으며, 기초 성능은 정격 부하 운전시 열효율 78% (HHV 기준), 메탄 전환율 91%이다. 개질 가스 내 일산화탄소 농도는 고분자 연료전지 전극의 피독을 피하기 위해 10ppm 이하로 유지되어야 하며, Prototype-I 연료 처리 시스템은 백금과 루테늄 촉매를 적용한 선택적 산화 반응기를 통해 개질 가스 내 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 제거하였다. 일반 가정에서는 고분자 연료전지 시스템의 부하 변동이 예상되기 때문에 연료 처리 시스템의 부하 변동 운전 특성도 살펴보았다 정격 부하에서 80%, 60%, 40%로 부하를 변동하며 운전하였고, 각 부하에서 안정한 메탄 전환율과 10ppm이하의 일산화탄소 농도를 보였다. 80%까지는 열효율이 77%로 큰 변화를 보이지 않았으며, 60%에서는 76%, 40%에서는 72%로 열효율이 감소하는 현상을 보였다 연료 처리 시스템의 일일 시동-정지 운전시 내구성을 테스트 중이다. 현재까지 50여회의 일일-시동 정지를 시도하였다 시동 후 약 세 시간가량의 정력 부하 운전을 실시한 후 부하 변동을 실시하였고, 총 운전 시간 8시간 정도 운전한 후 시스템을 정지하였다 메탄 전환율과 일산화 탄소 농도, 열효율을 모니터링 하고 있으며, 현재까지 초기 성능을 그대로 유지하고 있다. 앞으로 일일시동-정지 운전 시험을 지속하면서 초기 시동 특성 및 부하 변동에 따른 응답 특성 개선, 그리고 연료전지와의 연계 운전을 실시할 예정이다

• Clean Technology
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• v.28 no.1
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• pp.1-8
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• 2022

To confirm the applicability of the water gas shift reaction for the production of high purity hydrogen for petroleum cokes, an unutilized low grade resource, Cu/ZnO/MgO/Al₂O₃ (CZMA), catalyst was prepared using the co-precipitation method. The prepared catalyst was analyzed using BET and H₂-TPR. Catalyst reactivity tests were compared and analyzed in two cases: a single LTS reaction from syngas containing a high concentration of CO, and an LTS reaction immediately after the syngas passed through a HTS reaction without condensation of steam. Reaction characteristics in accordance with steam/CO ratio, flow rate, and temperature were confirmed under both conditions. When the converted low concentration of CO and steam were immediately injected into the LTS, the CO conversion was rather low in most conditions despite the presence of large amounts of steam. In addition, because the influence of the steam/CO ratio, temperature, and flow rate was significant, additional analysis was required to determine the optimal operating conditions. Meanwhile, carbon deposition or activity degradation of the catalyst did not appear under high CO concentration, and high CO conversion was exhibited in most cases. In conclusion, it was confirmed that when the Cu/ZnO/MgO/Al₂O₃ catalyst and the appropriate operating conditions were applied to the syngas composition containing a high concentration of CO, the high concentration of CO could be converted in sufficient amounts into CO₂ by applying a single LTS reaction.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.71.2-71.2
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• 2011

300MW 급 태안 IGCC 가스화 플랜트 및 기존 발전소에 CCS 를 설치할 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 CCS 모델링을 수행하였다. CCS Case Studies 는 플랜트 운전부하에 따른 $CO_2$ 제거율, $H_2S$ 제거율, 소모동력 범위 등 플랜트 성능을 예측할 수 있다. Case Studies 결과를 활용하여 설계된 CCS 설비 용량이 운전범위에 적합한지를 판단할 수 있고 과잉 설계되었을 경우 플랜트 건설비를 절감할 수 있다. IGCC 가스화 플랜트에서 생산되는 합성가스의 $CO_2$ 분압, 목표 $CO_2$ 제거율, 경제성을 기준으로 적합한 CCS 공정을 판단한 결과 Selexol 공정이 선정되었다. Selexol 공정은 고압, 고농도의 산성가스 제거에 적합하며 다른 물리적 용매인 Rectisol 공정에 비해 건설비용이 경제적이고 화학 흡수제인 아민과 비교하여 운전 온도 범위가 넓다. CO, $H_2O$ 를 $CO_2$, $H_2$ 로 전환하는 Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정은 Co/Mo 촉매 반응기로 구성되었고 Selexol 공정은 $H_2S$ Absorber, $H_2S$ Stripper, $CO_2$ Absorber, $CO_2$ Flash Drum 로 구성되었다. WGSR+Selexol 모델링은 Wet Scrubber 후단의 합성가스 (40.5 bar, $136{\sim}139^{\circ}C$) 를 대상으로 하였다. WGSR+Selexol 공정 운전 조건 변화 [Process Design Case(PDC), Equipment Design Case(EDC), Turndown Design Case(TDC)] 에 따른 플랜트 모델링 결과를 비교분석 하였다. 주요 분석 내용은 WGSR 설비에서의 CO 의 $CO_2$ 전환 효율, Selexol 설비에서 $CO_2$ 제거 효율, $H_2S$ 제거 효율이다. 모델링 결과 WGSR 설비에서의 CO 의 $CO_2$ 로의 전환율 99.1% 이상, Selexol 설비에서 $CO_2$ 제거율은 91.6% 이상, $H_2S$ 제거율 100%이었다. CCS 설비 설치에 따른 플랜트 성능 영향을 분석하기 위해서 CCS 설비의 Chiller, Compressor, Pump 소비동력을 계산하였다. 모델링 결과 Chiller 는 2.6~8.5 MWth, Compressor 는 3.0~9.6 MWe, Pump 는 1.4~3.0 MWe 범위 이었다. 플랜트 로드가 50%인 TDC 소모동력은 플랜트 로드가 100%인 PDC 소모동력의 절반 수준이었다. 합성가스를 WGS+Selexol 공정을 통해 수소가스로 전환시키면 가스터빈 연료가스의 Lower Heating Value (LHV) 값이 평균 11.5% 감소하였다.

• Clean Technology
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• v.20 no.3
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• pp.218-225
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• 2014

Catalytic gasification of raw coals at mild condition is not realized yet mainly due to deactivation of catalysts via their irreversible interaction with mineral matters in coal. In this work, the gasification behavior of ash-free coal (AFC) was compared with that of the parent raw coal. In order to modify the gasification conditions, the raw coal gasified with fixed variables (water supply, space velocity, temperature, catalysts) in a fixed bed reactor. When catalysts are added by physical mixing method with coal, $K_2CO_3$ was the most effective additives for steam gasification of coal. However, the activity of ash-free coal (AFC) was much less reactive than raw coal due to high temperature extraction in a 1-methylnaphthalene under 30bar at $370^{\circ}C$ for 1 h, almost removed oxygen functional groups, and increased carbonization. The addition of $K_2CO_3$ in AFC achieved higher conversion rate at low temperature ($700^{\circ}C$). At that time, the molar ratio of gases ($H_2/CO$ and $CO_2/CO$) was increased because of water-gas shift reaction (WGSR) by addition of catalysts. This shows that catalytic steam gasification of AFCs is achievable for economic improvement of gasification process at mild temperature.