The fuel reforming technology for fuel cell applications has been a challengeable issue because of strict requirements such as high efficiency, compact structure and low cost. As an effort to fulfill the requirements, various noble metal-based catalysts have been developed for the fuel processing including autothermal reformer and water-gas shift (WGS) reactor. In this study, the noble metal catalysis in autothermal reformer and water gas shift reactor was investigated by experimental methods and numerical modeling. After selecting catalysts of noble metals on mixed oxides, the activity of the catalysts and the properties of the catalysis for each reaction were tested preliminarily. Furthermore, reaction rates were measured with a scouting reactor excluding all the effects of transports limitations. Kinetic parameters of relevant model equations were estimated by a nonlinear regression method. Using the reaction rate equations with the estimated parameters, the reactors were modeled with focus on the effects of transport phenomena inside catalyst particles and between particles and fluid. The utilization of material of the catalysts was quantitatively predicted by the simulation.
For Autothermal reforming (ATR), assuming two-step reaction pathway, steam reforming (SR) reaction rate was measured over platinum supported on a cerium-gadolinium oxide. A reaction equation from a literature successfully fitted the data. The reaction equation with the adjusted parameters was used for SR section modeling. According to the simulation results, the intraparticle transport resistance (mass) and interphase transport resistances (mass and heat) are significant in SR section of ATR.
Platinum supported on cerium-zirconium oxide was selected as a WGS catalyst. The catalysts were prepared with three different metal loadings, and the activities of the catalysts were tested. Activation energies estimated from the results of experiments agreed well with the literature values. Simulation results of WGS reactor predicted severe intraparticle diffusion limitations.
Eggshell morphology was considered for ATR and WGS because significant intraparticle diffusion resistances were predicted for both reaction conditions. The performance of eggshell catalyst beds was examined with various particle diameters and active shell thicknesses. Proper active shell thickness was found to be around 0.2 mm for both ATR and WGS. The results show that a substantial portion of catalyst material can be lowered without any significant loss of activity.
연료전지를 위한 연료개질 기술은 고효율, 간결한 구조, 저비용 등의 엄격한 요구조건을 만족해야 하므로 연구가 많이 필요한 분야이다. 그러한 요구조건들을 만족시키기 위해서 연료개질 시스템의 구성요소인 자열개질기나 수성가스 전환반응기에 사용될 다양한 귀금속 계열 촉매들이 개발되어 왔다. 실험적 방법과 수치적 모델링을 사용하여 자열개질반응과 수성가스 전환반응에 대해서 귀금속 촉매반응을 연구하였다. 혼성 금속 산화물(mixed-metal oxide)에 담지된 귀금속 촉매를 선정하여 먼저 각 반응에 대한 활성과 촉매 반응의 특성을 시험하였다. 더 나아가 모든 물질 및 열 전달 저항의 영향을 배제하여 반응속도를 측정하였다. 각 해당 모델식의 파라미터들을 비선형 회귀 방법으로 구하였다. 구해진 파라미터를 사용하여 촉매입자 내부와 촉매입자와 반응물 유동간의 전달현상에 초점을 맞추어 반응기를 모델링하였다. 촉매물질의 활용도를 컴퓨터 모의실험을 통하여 정량적으로 계산하였다.
자열개질의 경우 두 단계로 이루어지는 반응 경로를 가정하여 세륨-가돌리늄 산화물에 담지 된 백금 촉매에서의 수증기개질 반응속도를 측정하였다. 문헌상의 반응속도식으로 반응속도 데이터를 성공적으로 적합(fitting)할 수 있었다. 얻어진 반응속도식으로 자열개질의 수증기개질 영역을 모델링하였다. 모의실험결과 촉매입자 내부 및 외부에 심각한 물질전달저항이 존재함을 확인하였다.
세륨-지르코늄 산화물에 담지된 백금 촉매를 수성가스 전환반응연구에 사용하였다. 백금담지량이 다른 3종의 촉매를 제조하여 활성을 비교하였다. 실험결과를 적합하여 얻은 활성화 에너지는 문헌에 보고된 값들과 비교적 잘 일치하였다. 수성가스 전환반응기의 모의실험결과 촉매입자 내부의 전달저항이 심각함을 확인하였다.
자열개질과 수성가스전환반응 모두 심각한 내부 물질전달저항이 확인되었으므로, 촉매입자의 바깥 부분에만 활성물질을 분포시키는 촉매형태를 고려하였다. 활성물질 층의 두께와 촉매 입자 크기에 따른 촉매 층의 성능을 모의실험을 통해 검토하였다. 계산 결과 자열개질반응기와, 수성가스반응기를 위한 적절한 활성물질 층의 두께는 0.2mm 정도였다. 계산결과로부터 촉매의 활성을 유지하면서 상당한 양의 촉매가 절약가능함을 제시하였다.
