DME is the acronym of dimethyl ether, which is spotlighted as a future alternative fuel because it’s inert, non-toxic, and non-polluting fuel. Physical property of DME is similar to LPG, and cetane number is higher and generates lower PM then diesel engine. So DME can be fine alternative automotive fuel in the future. Furthermore, DME receives attention as ideal liquid fuel as hydrogen carrier due to its hydrogen/carbon ratio, high energy density and ease of storage and transportation. Therefore, DME is fine fuel when it used as mobile PEMFC auxiliary unit and we need to development DME fuel processor for PEMFC applications.
In this thesis, most suitable catalyst for DME ATR process was decided by comparing the products of reformate gas and conversion efficiency. Operation conditions (SCR, OCR, temperature, GHSV) were set for high reforming performance for DME ATR was investigated. In addition, operating conditions for CO removal process for PEMFC application were set. Finally, the design of 1kWe class DME fuel processor is presented and developed.
DME ATR catalyst screening and operating condition setting were conducted under micro reactor. Four kinds of CGO based novel metal catalysts were tested and select the most high performance catalyst. CGO-Ru(3.0 w.t%) was most suitable catalyst for DME ATR because of its conversion efficiency at low temperature and high flow rate were higher than others. Operating condition setting was also performed, and set SCR 1.5, OCR 0.45, 700℃, GHSV 15,000/h. At this operating condition, reformate gas was consists H2 38%, CO2 13.5%, CO 9.5% with N2 balanced.
After ATR process, reformate gas should be converted to pure hydrogen without carbon monoxide for PEMFC applications. Therefore, research for CO removal process need for PEMFC application. CO removal process was conducted under micro reactor. Using HTS-LTS, the CO concentration was decreased about 1% with the reaction temperature of 420℃ and 240℃ at GHSV 5000/h and 3000/h. As the final stage of CO removal process, PROx was applied. The amount of additional oxygen need 2 times of stoichiometric value at under 70℃. The total conversion reforming efficiency of 75% was gained at micro reactor test.
Finally, design factors and operating conditions were gained at micro reactor experiments. Volume of each reactor and amounts of inlet fuel, water, and air for 1kWe class fuel processor was calculated by gained the design factor. 1kWe class DME fuel processor was successfully operated. It produced enough hydrogen for 1kWe PEMFC operation and remove CO simultaneously. However, conversion efficiency was 5% lower than in micro reactor test. Due to methanation was occurred at low temperature region.
DME는 디메틸에테르의 약자로 친환경적이고 독성이 없는 특성 때문에 미래의 대체 연료원으로 주목을 받고 있다. DME의 물리적 특성은 LPG와 유사하고, 디젤에 비해 세탄가가 낮고 디젤 엔진 적용시 미세분진의 발생량이 적기 때문에 미래의 대체 수송용 연료원으로 사용이 가능하다. 또한 다른 연료대비 탄소대비 수소의 비율이 높고 에너지 밀도 또한 높을 뿐만 아니라 쉽게 액화가 가능하여 저장과 수송이 용이하기 때문에 연료전지를 위한 수소 운반체로도 주목을 받고 있다. 따라서 이러한 DME를 수송용 보조전원 장치 적용에 유리한 PEMFC에 적용하였을 때 그 파급효과는 매우 클 것으로 기대된다.
본 연구에서는, 이러한 DME 연료를 자열개질하였을 때 가장 좋은 성능을 갖는 촉매와 운전조건을 도출하는 실험을 포함하고 있다. 뿐만 아니라 자열개질 공정에서 발생한 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 수성가스치환공정과 선택적산화반응을 포함하는 일산화탄소 제거 공정에 대한 실험 또한 진행하였다. 진행한 실험결과를 토대로 1kWe급 연료전지를 작동할 수 있는 연료처리기를 설계하고 직접 제작하여 실험결과를 검증하였다.
마이크로 리액터 상에서 DME 자열개질 실험을 수행하였다. 자열개질 성능이 우수하다고 알려진 CGO를 담지체로 선정하였을 때, 가장 성능이 좋은촉매로는 CGO-Ru(3.0 w.t.%)를 선정하였다. 선정된 촉매에서 최적의 성능을 얻을 수 있는 운전조건은 SCR 1.5, OCR 0.45, 운전온도 700도, GHSV는 15000/h인 것으로 나타났다. 이 때 얻은 자열개질 가스는 물을 제외하였을 때 수소 38%, 이산화탄소 13.5%, 일산화탄소 9.5%에 나머지는 질소로 구성됨을 확인하였다.
자열개질 공정 후 남아있는 일산화탄소를 제거하는 공정은 두 단계의 수성가스치환반응과 선택적 산화반응으로 구성된다. 이 또한 마이크로 리액터 상에서 실험을 진행하였다. 고온형-저온형 수성가스치환반응기의 운전온도를 각각 420도, 240도로 고정해주고 촉매량을 조절하여 GHSV를 5000/h, 3000/h로 조절하였을 때 일산화탄소의 농도를 약 1% 근방가지 낮출 수 있었다. 이 때 70도 이하의 온도에서 당량비의 두배에 해당하는 조건으로 공기를 공급하여 선택적 산화반응을 진행한 결과, 일산화탄소 농도는 10ppm이하로 낮추었고 최종 개질효율은 약 75%임을 확인하였다.
마이크로 리액터 실험을 바탕으로 설계조건을 얻었고 이를 이용하여 반응기 촉매단의 크기, 공급하는 연료, 물, 공기의 양을 계산하여 1kWe급 연료처리기를 제작하였다. 제작한 연료처리기를 운전한 결과 마이크로 리액터에 비해 약 5%낮은 전환효율을 보였지만, 정상적으로 DME를 PEMFC 운전을 위한 고농도 수소합성가스로 전환하는 연료처리기를 제작할 수 있었다.