Methane carbon dioxide reforming (MCDR) is a promising way of utilizing greenhouse gas for hydrogen-rich fuel production. Compared with other types of reactors, Compact Reformers (CRs) are efficient for fuel processing. In a CR, a thin solid plate is placed between two porous catalyst layers to enable efficient heat transfer between the two catalyst layers. In this study, the physical and chemical processes of MCDR in a CR are studied numerically with a 2D numerical model. The model considers the multi-component gas transport and heat transfer in the fuel channel and the porous catalyst layer, and the MCDR reaction kinetics in the catalyst layer. The finite volume method (FVM) is used for discretizing the governing equations. The SIMPLEC algorithm is used to couple the pressure and the velocity. Parametrical simulations are conducted to analyze in detail the effects of various operating/structural parameters on the fuel processing behavior.
Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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2007.11a
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pp.157-158
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2007
Effects of post-metallization anneal (PMA) on interface trap characteristics of Si-$SiO_2$ are studied. The conventional PMA method utilizes forming gas anneal, where 10% hydrogen in nitrogen atmosphere is used. A new PMA method utilizes hydrogen rich PECVD- silicon nitride $(SiN_x)$ film as a hydrogen diffusion source and a out-diffusion blocking layer. It can be shown through charge pumping current measurement that the new PMA is indeed effective to decrease Si-$SiO_2$ interface trap density.
In this study, activity changes of $Ni/Ce-ZrO_2$ catalyst for steam reforming reaction in the various steam treatment condition were investigated and BET, XRD and XPS analysis were introduced to characterize the catalyst before and after treatment. Activity test showed that $Ni/Ce-ZrO_2$ catalyst had good activity after reduction in steam reforming reaction but deactivated rapidly after steam treatment at high temperature. Activities of deactivated catalyst by steam was recovered to die previous activity level after reduction using hydrogen rich gas. It was observed that catalytic activity was preserved after repeated steam treatment, too. It showed that change of catalytic activity due to steam treatment is perfectly reversible. From the BET, XRD and XPS analysis, deactivation of $Ni/Ce-ZrO_2$ catalyst was due to the transition from Ni, that is activity site for steam reforming reaction, to $NiAl_2O_4$ in steam treatment at high temperature.
Fuel processing systems which convert fuel into rich gas (such as stream reforming, partial oxidation, autothermal reforming) need high temperature environment ($600{\sim}1,000^{\circ}$). Generally, anode-off gas or mixture of anode-off gas and LNG is used as input gas of fuel reformer. In order to make efficient and low emission burner system for fuel reformer, it is necessary to elucidate the combustion and emission characteristic of fuel reformer burner. The purpose of this study is to develop a porous premixed flat ceramic burner that can be used for 1~5 kW fuel cell reformer. Ceramic burner experiments using natural gas, hydrogen gas, anode off gas, mixture of natural gas & anode off gas were carried out respectively to investigate the flame characteristics by heating capacity and equivalence ratio. Results show that the stable flat flames can be established for natural gas, hydrogen gas, anode off gas and mixture of natural gas & anode off gas as reformer fuel in the porous ceramic burner. For all of fuels, their burning velocities become smaller as the equivalence ratio goes to the lean mixture ratio, and a lift-off occurs at lean limit. Flame length in hydrogen and anode off gas became longer with increasing the heat capacity. In particular, the blue surface flame is found to be very stable at a very lean equivalence ratio at heat capacity and different fuels. The exhausted NOx and CO measurement shows that the blue surface flame represents the lowest NOx and CO emissions since it remains very stable at a lean equivalence ratio.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.26
no.6
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pp.446-450
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2013
Growth mechanism of GS-MBE(Gas source-Molecular Beam Epitaxy) has been investigated. We observed that the growth rate of GaN films is changing from 520 nm/h to 440 nm/h by the variation of V/III ratio under nitrogen-rich growth condition. It was explained that the amount of hydrogen on the growth front varies by the ammonia flow, and gallium hydrides are generated on the surface by a reaction of hydrogen and gallium, resultantly the amount of gallium supplying is changing along with the $NH_3$ flow. Reflection high energy electron diffraction (RHEED) observation was used to confirm the N-rich condition. The crystal quality of GaN was estimated by photoluminescence (PL) and X-ray diffraction (XRD).
This study reports the results of an experimental investigation of emission and temperatures from the syngas-air premixed flame with a various mixture composition in the region of large equivalence ratios. The effects of hydrogen contents and equivalence ratios on the flame velocity, which reported before, and emission of syngas fuel are examined. In this study, representative syngas mixture compositions ($H_2:CO$) such as $H_2:CO=10:90$, 25:75, 50:50 and 75:25 and equivalence ratios from 0.5 to 5.0 have been conducted. The emissions of syngas fuel were measured by the high precision analyzer with enclosure configuration and the adiabatic temperatures are calculated by used Chemkin basis. The NOx emission level is coincided relatively well with the adiabatic temperature distributions in lean mixture conditions, but for rich mixture conditions NOx level was also increased again even though the adiabatic temperature decreases. Such an increasing characteristics in rich mixture conditions is coincided well with the tendency that rather the flue gas temperature increases.
Fuel processing systems which convert HC fuel into $H_2$ rich gas (such as stream reforming, partial oxidation, auto-thermal reforming) need high temperature environment($600-1000^{\circ}C$). Generally, anode-off gas or mixture of anode-off gas and LNG is used as input gas of fuel reformer. In order to make efficient and low emission burner system for fuel reformer, it is necessary to elucidate the combustion and emission characteristic of fuel reformer burner. The purpose of this study is to develop a porous premixed flat ceramic burner that can be used for 1-5kW fuel cell reformer. Ceramic burner experiments using natural gas, hydrogen gas, anode off gas were carried out respectively to investigate the flame characteristics by heating capacity and equivalence ratio. Results show that the stable flat flames can be established for natural gas, hydrogen gas, anode off gas and mixture of natural & anode off gas as reformer fuel. For all of fuels, their burning velocities become smaller as the equivalence ratio goes to the lean mixture ratio, and a lift-off occurs at lean limit. Flame length in hydrogen and anode off gas became longer with increasing the heat capacity.
Proceedings of the Materials Research Society of Korea Conference
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2012.05a
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pp.58.2-58.2
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2012
Heavy hydrocarbon reforming is a core technology for "Dirty energy smart". Heavy hydrocarbons are components of fossil fuels, biomass, coke oven gas and etc. Heavy hydrocarbon reforming converts the fuels into $H_2$-rich syngas. And then $H_2$-rich syngas is used for the production of electricity, synthetic fuels and petrochemicals. Energy can be used efficiently and obtained from various sources by using $H_2$-rich syngas from heavy hydrocarbon reforming. Especially, the key point of "Dirty energy smart" is using "dirty fuel" which is wasted in an inefficient way. New energy conversion laboratory of KAIST has been researched diesel reforming for solid oxide fuel cell (SOFC) as a part of "Dirty energy smart". Diesel is heavy hydrocarbon fuels which has higher carbon number than natural gas, kerosene and gasoline. Diesel reforming has difficulties due to the evaporation of fuels and coke formation. Nevertheless, diesel reforming technology is directly applied to "Dirty fuel" because diesel has the similar chemical properties with "Dirty fuel". On the other hand, SOFC has advantages on high efficiency and wasted heat recovery. Nippon oil Co. of Japan recently commercializes 700We class SOFC system using city gas. Considering the market situation, the development of diesel reformer has a great ripple effect. SOFC system can be applied to auxiliary power unit and distributed power generation. In addition, "Dirty energy smart" can be realized by applying diesel reforming technology to "Dirty fuel". As well as material developments, multidirectional approaches are required to reform heavy hydrocarbon fuels and use $H_2$-rich gas in SOFC. Gd doped ceria (CGO, $Ce_{1-x}Gd_xO_{2-y}$) has been researched for not only electrolyte materials but also catalysts supports. In addition, catalysts infiltrated electrode over porous $La_{0.8}Sr_{0.2}Ga_{0.8}Mg_{0.2}O_3-{\delta}$ and catalyst deposition at three phase boundary are being investigated to improve the performance of SOFC. On the other hand, nozzle for diesel atomization and post-reforming for light-hydrocarbons removal are examples of solving material problems in multidirectional approaches. Likewise, multidirectional approaches are necessary to realize "Dirty energy smart" like reforming "Dirty fuel" for SOFC.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.29
no.5
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pp.528-532
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2007
The generation of high-purity hydrogen from hydrocarbon fuels is essential for efficient operation of fuel cell. In general, most feasible strategies to generate hydrogen from hydrocarbon fuels consist of a reforming step to generate a mixture of $H_2$, CO, $CO_2$ and $H_2O$(steam) followed by water gas shift(WGS) and CO clean-up steps. The WGS reaction that shifts CO to $CO_2$ and simultaneously produces another mole of $H_2$ was carried out in a two-stage catalytic conversion process involving a high temperature shift(HTS) and a low temperature shift(LTS). In the WGS operation, gas emerges from the reformer is taken through a high temperature shift catalyst to reduce the CO concentration to about $3\sim4%$ followed to about 0.5% via a low temperature shift catalyst. The WGS reactor was designed and tested in this study to produce hydrogen-rich gas with CO to less than 0.5%.
Steel mill gases, including coke oven gas (COG), blast furnace gas (BFG), and Linz-Donawitz gas (LDG), are mainly used as fuels within steel plants, resulting in substantial CO2 emissions. This combustion process accounts for 10% of South Korea's total CO2 emissions. These off-gases, rich in CO, CH4, and hydrogen, have the potential to be converted into valuable chemicals through catalytic processes, thereby reducing CO2 emissions and increasing their economic value. This study investigates the conversion of steel mill gases into methanol, an important platform chemical and cleaner transportation fuel. By using COG and LDG as sources of CO and H2, respectively, a novel process was developed. In this process, H2-rich COG from a simple single-step membrane separation and raw LDG are converted into methanol with high selectivity using a Cu-Zn-Al catalyst. The study identified the optimal gas compositions for methanol production through experimental results, demonstrating efficient methanol synthesis from various compositions of LDG, COG, pure hydrogen, and H2-rich COG. This innovative approach not only aims to reduce specific CO2 emissions from steel plants but also enhances the economic value of the byproduct gases. Thus, the study provides a sustainable and economically advantageous solution for the steel industry.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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