Hydrogen production using current fueling facilities is essential for near- term applications of fuel cells. A Preliminary process for developing natural gas autothermal reforming (ATR) reactor for solid oxide fuel cell (SOFC) was presented in this paper. Catalyst scanning was performed for three catalysts and Pt based catalyst selected for further study. Using Pt catalyst we found feeding condition for the thermal neutrality by varying $O_2/CH_4$ with selected temperatures and feeding conditions. Temperature profiles of a reactor were observed and reformed gas composition was analyzed to evaluate efficiency, conversion and heat of reaction. $O_2/CH_4$ showed strong effects on reactor temperature, efficiency and conversion. Thermal neutral conditions were determined for two cases of ATR system on the basis of yields of products of experimental results. These conditions could be used as a guideline for reformer design and operation parameter for self-sustaining ATR.
연료전지는 새로운 친환경적이고 효율적인 에너지 전환시스템으로 주목 받고 있다. 연료전지에 가장 알맞은 연료는 수소이나 현재 수소를 공급하는 사회 기반시설이 부재한 가운데 기존의 연료공급 시설을 이용하는 방법이 강구되어야 할 것이다. 따라서 현재에 널리 이용 가능한 천연가스등의 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 방법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
연료전지는 크게 5종류로 나누어지며 각각의 연료전지는 고유의 작동온도를 가지고 있다. 이중 고온작동의 연료전지는 효율이 높고 폐열을 유용하게 사용할 수 있으며, 다양한 연료를 사용할 수 있어 분산형 전원 등에 빠른 시일 내에 활용될 것으로 보인다. 특히 수 kW급의 가정용 전원으로 고체산화물연료전지 시스템이 주목받고 있어, 이를 위한 소형의 천연가스 연료개질기를 개발할 필요가 있다.
연료개질에는 크게 수증기 개질, 부분 산화 개질, 자열개질의 세가지 방법이 있으며 각각의 방법은 장단점을 지닌다. 그 중 자열개질반응기는 수증기 개질에 비해 소형화에 유리하고 부분산화 개질에 비해 효율이 높고 탄소침적의 위험이 적어 현재 많이 연구되고 있는 방법이다.
가정용 전원을 위한 자열개질기 개발을 위한 준비단계의 예비연구를 수행하였다.
먼저 자열개질기를 위한 촉매를 선정하여 천연가스의 자열개질에 대한 특성을 분석하였다. 두 종류의 선정 촉매와 한 종류의 상용촉매를 분석하였다. 세 촉매 모두 만족할 만한 성능을 보였고, 그 중 내황성이 우수하다고 밝혀진 Pt촉매를 선택하려 보다 자세한 연구를 수행하였다.
선정된 Pt촉매를 사용하여 자열개질기 설계를 위한 반응 조건을 결정하는 실험을 실시하였다. 두 가지 $H_2O/CH_4$ 에 대해서 $O_2/CH_4$ 를 변화시켜가며 반응기 내부온도,
반응생성물의 변화를 관찰하고 그 때의 효율과 전환율을 살펴 보았다. 실험결과 생성물은 열역학 계산 결과와 상당히 비슷한 값을 보였다. O2/CH4가 증가할수록 내부온도, 전환율은 증가하였고 효율은 감소하였다. 자열개질기는 외부의 열공급 없이 작동하는 것이 중요하므로, 실험에서 얻어진 반응 생성물을 바탕으로 반응열이 0인 반응조건을 찾아내었다. $H_2O/CH_4=1.12$, 1.02에 대해 $O_2/CH_4$ 는 0.7정도였으며 고체산화물 연료전지의 양극에서의 배출가스를 사용하여 물을 증발하여 공급했을 때는 0.55~0.6이었다. 즉 물을 증발하여 공급하면 낮은 $O_2/CH_4$ 에서의 작동이 가능하여 효율이 약간 높은 곳에서의 작동이 가능할 것으로 보인다. 본 연구에서 얻어진 결과는 추후 가정용 전원에 사용되는 자열개질기 설계에 유용하게 사용될 것으로 보인다.
