소형 연료전지 시스템을 위한 메탄화 공정을 이용한 일산화탄소 제거 방법에 대한 연구

Abstract

전 세계적으로 환경문제가 심각해짐에 따라 새로운 친환경에너지에 대한 요구가 커지고 있다. 그 중 가정용 연료전지는 수소로부터 전기를 생산할 수 있고 연료전지의 폐열을 활용할 수 있어 효율이 매우 높다는 장점을 가지고 있다. 가정용 연료전지에 수소파이프라인을 이용하여 수소를 공급하는 것이 효과적이나 막대한 초기비용과 관련법규가 미흡하여 도입에 어려움을 겪고 있다. 이에 전국적으로 인프라가 잘 갖춰진 도시가스 망을 이용하여 공급된 도시가스를 수소 사용처에서 온사이트 형태로 개질하는 시스템이 각광을 받고 있다. 도시가스의 주성분은 메탄으로 연료전지에 사용되기 위해서는 메탄을 수소로 변환시키는 개질 공정이 필요하다. 도시가스를 수소 변환하는 개질 공정 시 일산화탄소가 생성되며 생성된 일산화탄소가 연료전지 스택에 공급될 경우 그 성능이 심각하게 저하되므로 일산화탄소를 제거하는 공정이 필수적으로 요구된다. 일산화탄소 메탄화 공정은 일산화탄소와 수소를 결합시켜 일산화탄소를 제거하는 공정이다. 다른 일산화탄소 제거 공정과 달리 추가적인 에너지 소모 및 반응물 공급 없이 반응기에 촉매만 추가하면 된다는 장점이 있다. 따라서 시스템이 단순하며 컴팩트한 시스템 설계가 가능해 가정용 연료전지에 적합하다고 할 수 있다. 하지만, 일산화탄소가 아닌 이산화탄소 메탄화 반응이 일어날 경우 다량의 수소를 소모하여 시스템의 효율을 감소시키므로 일산화탄소를 선택적으로 제거할 수 있는 촉매 및 반응조건에 대한 연구가 필수적으로 요구된다. 본 연구에서는 일산화탄소 메탄화 공정을 이용하여 일산화탄소를 100ppm 미만으로 감소시키고 일산화탄소를 선택적으로 메탄화 시킬 수 있는 촉매 및 반응조건에 대한 연구를 진행하였다. Ni 또는 Ru/Ce$_{0.9}$Gd$_{0.1}$O$_{2-x}$ 촉매를 제작하여 메탄화 반응 특성을 확인하였다. 운전조건을 고도화하여 일산화탄소 농도를 30~40ppm 수준으로 감소시켰으며 일산화탄소에 대한 선택성을 90.8%까지 상승시켰다. 실험 결과를 바탕으로 메탄화 시스템이 도시가스 개질 시스템에 적용 시 선택적 산화 반응기 대비 컴팩트한 시스템을 제작할 수 있음을 확인하였다.