In the present study, catalytic combustion of hydrogen-air premixture in micro scale combustors with Pt catalyst was investigated. As the combustor size decreases, the heat loss increases in proportion with the inverse of the scale of combustion chamber and combustion efficiency decreases in a conventional type of combustor. Combustion reaction assisted by catalyst can reduce the heat loss by decreasing the reaction temperature at which catalytic conversion takes place. Another advantage of catalytic combustion is that ignition is not required.
A millimeter scale combustor was designed to investigate general characteristics of hydrogen-air premixture. Platinum was coated by incipient wetness method on a Cordierite monolith with cell size of I X lmm. Using this monolith as the core of the reaction chamber, temperatures were recorded at various locations along the flow direction. Burnt gas was passed to a gas chromatography system to measure the conversion rate. The measurements were made at various volume flow rate of the fuel-air premixture. The gas chromatography results showed the reaction was complete at all the test conditions. At all the measuring locations, the record showed monotonous increase of temperature during the measurement duration. And the temperature profile showed that the peak temperature is reached at the point nearest to the gas inlet and decreasing temperature along the flow direction.
Based on the results from the experiment with the millimeter scale combustor, a submillimeter scale combustor of which chamber size is 10 X 10 X 1.5mm was made. Platinum was coated on Isolite B5 porous ceramics support by the same method with the previous case. The support was installed in the combustion chamber which was covered with transmission window. Scanning of temperature distribution inside the combustion chamber was performed with infrared thermal imager. The measurement was made at various volume flow rate of the fuel-air premixture, equivalence ratio and concentration of platinum on supports. Larger flow rate and lower equivalence ratio made activated area in the combustion chamber broaden. The reaction was occurred and sustained regardless of platinum concentration. Stop of reaction, which is similar to flame quenching of conventional combustion, was investigated. Large content of heat generation and broad activated area are essential criteria to prevent stop of reaction that has bad effect on the combustor performance.
이 논문은 백금 촉매를 사용한 마이크로 스케일 촉매 연소기에 관한 것을 다루고 있다. 연소기의 크기가 작아지면 열손실이 증가하여 일반적인 매크로 스케일의 연소기에 비하여 효율이 감소한다. 촉매 연소는 화염 연소에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 반응이 일어나 열손실을 줄일 수 있으며 촉매와 예혼합 가스의 접촉으로 반응이 이루어져 별도의 점화 장치가 필요없는 장점이 있다. 먼저 일반적인 수소-공기 예혼합 가스의 촉매 연소 특성을 알아보기 위하여 밀리미터 스케일 촉매 연소기 실험을 수행하였다. 단순 침적법을 이용하여 셀 크기가 1×1㎜인Cordierite 모노리스에 백금 촉매를 담지하였다. 이를 연소실에 삽입하고 길이 방향을 따라 연소실 내부 온도를 측정하였으며 반응 후 가스는 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석, 전환율을 측정하였다. 예혼합 가스의 공급 유량을 변화시켜가며 실험을 반복하였다. 시간이 지날수록 연소실 내부 온도는 증가하는 모습을 보였다. 그리고 입구 부분의 온도가 가장 높게 나타났고 뒤쪽으로 갈수록 감소하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 서브밀리미터 스케일 연소기 실험을 수행하였다. 연소실의 크기는 10×10×1.5㎜로 내부에 백금이 담지된 Isolite B5 다공성 세라믹을 삽입하였다. 그 위에 적외선 투과창을 덮고 적외선 열화상 장치를 이용하여 내부 온도 분포를 측정하였다. 연소기 제어 파라미터인 공급 유량, 당량비, 백금 비율에 변화를 주며 실험을 반복하였다. 고유량, 저당량비에서 반응 영역이 넓어지는 것을 확인하였다. 또한 백금 비율과 상관없이 반응성이 거의 일정하였다. 또한 연소기 구동 초기의 성능 저해 요소인 반응 멈춤 현상에 관하여 고찰하였다. 넓은 반응 영역과 많은 열에너지 발생이 반응 멈춤을 방지할 수 있는 요소임을 확인하였다.
