$Cu-ZnO/Al_2O_3$ -metal foam 촉매를 이용한 서브밀리미터 스케일 과산화수소 이용 메탄올 자열 개질기의 반응 특성

Abstract

노트북 컴퓨터, 휴대폰, 휴대용 미디어 플레이어 등의 개발에 있어 제품 크기를 최소화하고 기능을 다양화하는 것이 트렌드로 자리잡고 있다. 그러나 그 동력원은 본체에 비하여 소형화되는 속도가 늦다. 마이크로 스케일 연료 전지는 일반적인 배터리를 대신하여 이러한 소형 동력원으로의 활용 가능성이 매우 높다. 또한 연료 전지는 부산물인 물을 식수로 이용할 수 있기에 미래의 유인 우주선 동력원으로도 매력적이다. 본 연구에서는 연료전지에 필수적인 개질기에 있어 과산화수소 이용 메탄올 개질이라는 새로운 개념을 도입하였다. 연료 개질기 내에서 과산화수소가 분리되어 물은 연료 개질 반응에 사용되고, 산소와 열은 연료 산화 반응에 이용되어 개질 반응에 필요한 열을 공급하게 된다. 과산화수소 이용 메탄올 개질기는 외부 열원을 최소화하고 순산소로 인한 개질 효율 향상으로 장치의 크기를 줄일 수 있어 소형, 우주용 연료전지에 아주 적합하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 Cu-ZnO/$Al_2O_3$-metal foam 촉매를 사용하였으며 그 특성을 확인하였다. 발열 반응과 흡열 반응이 공존하는 자열 개질기의 특성상 열전달을 증대하기 위해 금속 폼 지지체를 이용하였다. 금속 폼은 5.5 ~ 10.5 $\times$ 6.4 $\times$ 2.0(길이 $\times$ 폭 $\times$ 두께) 크기로 절단하여 알루미나 졸과 감마 알루미나 파우더가 혼합된 알루미나 슬러리를 딥 코팅하였다. 활성 물질인 Cu-ZnO는 함침법으로 담지하였다. 촉매 표면 관찰, BET (Brunauer -Emmett-Teller) 비표면적, BJH(Barret-Joyner-Halenda) 세공 크기 분포, SEM(Scanning Electronic Microscope) 촬영, TPR(Temperature-Programmed Reduction) 실험, XRD(X-Ray Diffractometry), EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) 실험을 통하여 촉매 특성을 확인하였다. 촉매 조건과 반응물 공급 조건을 변화하여 그 영향을 실험적으로 확인하였다. 촉매 조건은 지지체의 길이/폭 비율, 코팅된 알루미나량을 변화시켰다. 반응물 공급 조건은 GHSV(Gas Hourly Space Velocity), SCR(steam to carbon ratio), OCR(oxygen to carbon ratio)을 변화시켰다. 같은 조건에서 증기 개질 실험과 과산화수소 이용 개질 실험을 실시하여 그 결과를 비교하였다. 과산화수소 이용 개질의 독특한 특성은 촉매 활성 온도를 기준으로 반응기 내부 분위기가 급격하게 전환되는 현상이다. 촉매 활성 온도 이하에서는 산소의 생성량이 가장 많았으나, 촉매 활성 온도 이상에서는 수소가 가장 많이 생성되었고, 산소는 거의 배출되지 않았다. 또한 과산화수소 이용 개질에서 촉매 활성 온도는 지지체 길이가 길어질수록 감소하는 것을 확인하였다. 이는 반응기 앞단에서 일어나는 과산화수소 분해 및 메탄올 산화 반응으로 인하여 메탄올 개질 반응이 일어나는 영역이 그만큼 줄어들었기 때문으로 생각된다. 최소 증기 개질 활성화 정도는 촉매 활성 온도 이하에서는 8 ~ 10%에 불과하였으나, 촉매 활성 온도 이상에서는 85 ~ 87%에 달하였다. 이는 촉매 활성이 일어나면서 전체적인 반응 특성이 증기 개질의 그것을 따르는 것을 뜻한다. SCR이 증가하였을 경우 일산화탄소 생성량은 감소하고 이산화탄소 생성량이 증가하였다. 이는 반응물의 물 함량이 높아져 고온에서 일산화탄소 생성의 원인이 되는 역 water-gas shift 반응이 억제되기 때문으로 보인다.