모바일 연료전지 시스템용 메탄올-과산화수소 산화수증기개질의 특성

Abstract

세계는 나날이 급증하는 화석연료 사용량으로 인한 화석연료 고갈과 환경오염 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지원을 활용한 동력원 연구개발에 많은 투자하고 있다. 다양한 친환경 동력원 가운데 연료전지는 대표적인 친환경 동력원으로 항공우주분야에서도 활용되고 있다. 이와 같은 연료전지는 수소를 연료로 사용하며, 수소를 공급하는 방식에는 크게 압축 혹은 액화 수소 탱크, 금속수소화물, 화학수소화물이 있다. 개질 공정은 화학수소화물 방식의 하나로써 알코올 혹은 탄화수소 계열의 연료로부터 수소를 추출하는 방식으로 모바일 연료전지 시스템을 위해 활발히 연구가 진행 중에 있다. 그러나, 기존 개질 방식은 무게와 부피에서 한계점을 가진다. 이 같은 수소공급장치는 연료전지시스템에서 28%라는 큰 비중을 차지하기 때문에 시스템 효율에 큰 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 수소공급장치의 간소화를 위하여 과산화수소를 이용한 메탄올 산화수증기 개질 방식을 제안하고, 이를 검증하였다. 또한, 다양한 운용조건에서의 실험을 통하여 개질 특성을 확인하였다. 산화수증기 개질을 위해서는 산소, 수증기, 그리고 열이 필요하다. 이를 위해 기존 방식에서는 연료펌프, 연료 기화기, 외부 열원, 다양한 반응기 등이 요구되었다. 이는 수소공급장치를 복잡하게 하는 원인이었다. 본 연구에서는 과산화수소 촉매 분해를 이용하여 메탄올 산화수증기 개질에 요구되는 산소, 수증기, 열을 공급하였다. 그리고, 메탄올-과산화수소 혼합 연료를 사용하여 단일 반응기 내로 직접 연료를 직접 공급하여 수소공급장치를 간소화시켰다. 반응에 사용된 촉매는 백금 촉매로써 해당 촉매는 과산화수소 분해 및 메탄올 개질에 모두 사용 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 첫째로, 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 이론적 접근을 통하여 본 연구에 적용 가능한 과산화수소 농도와 혼합비를 확인하였으며, 이를 통해 해당 혼합비에서의 반응성을 예상하였다. 둘째로, 혼합비, 과산화수소 농도, 촉매 담지량, 단열조건, 반응기 설계와 같은 다양한 운용조건에서의 실험을 수행하여 개질 특성을 확인하였다. 그 결과는 아래와 같다. 첫째, 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 이론 혼합비에서는 시스템 상의 열 손실로 인하여 실제 개질 반응기 어렵다는 사실을 확인하였다. 둘째, 본 연구 개념에 적용 가능한 과산화수소 최고 농도는 70 wt%임을 실험을 통하여 확인하였다. 만약 해당 농도 이상의 과산화수소가 사용된다면 데토네이션 현상이 발생할 수 있다. 셋째, 혼합비와 촉매 담지량 조정을 통하여 효율적인 개질 반응을 유도할 수 있다. 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 경우 단일 반응기 내에서 다양한 반응이 진행되는 동시에 과산화수소 분해를 통해 발생되는 산소와 수증기는 개별 제어가 어렵기 때문에 해당 조건이 중요하다. 넷째, 단열조건에 따른 개질 특성의 차이를 확인하였다. 모바일 연료전지 시스템 설계 시, 단열물질의 부피와 무게는 시스템 효율을 결정하는 요소이기 때문에 적정 개질 반응을 위한 단열조건과 시스템 효율을 함께 고려해야 한다. 다섯째, 반응기 설계 변경을 통하여 반응기 내 열평형을 구현하여 반응기 전단의 고온 현상을 해결하였다. 이는 반응기 전단의 열 피로 현상과 연관된다. 그러나, 설계 변경 전에 비해 열평형 반응으로 인하여 반응 속도가 현저히 저하되어 적정 개질 반응 구현을 위해서는 오랜 시간이 요구되었다. 여섯째, 단일 반응기 내에서 6 wt% Pt/Al2O3, 2.125의 70 wt% 과산화수소 대 메탄올 혼합비 조건에서 가장 우수한 개질 특성을 확인하였다. 해당 성능은 실제 고온 PEM 연료전지에 적용 가능한 수준을 나타냈다. 본 연구에서는 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질 방식을 제안하고, 이를 외부 열원을 완전히 배제한 상태에서 단일 반응기를 통하여 구현하였다. 이를 통해 해당 반응의 특성과 상용 연료전지에 적용 가능한 수준의 성능을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 관련 연구의 기초 자료 및 설계 기준을 제시해 줄 것 이며, 연료전지시스템을 간소화하는데 도움을 줄 것이라 판단된다.