The research and development of green energy system have been conducted around the world be-cause of the depletion of fossil fuel and the environmental pollution according to extensive use of fossil fuel. Fuel cell power system has been actively researched among various green power system such as solar power, hydroelectric power, and hydrogen energy. Especially, fuel cell power system has been used in aerospace field such as unmanned aerial vehicle, space exploration. There are three methods for hydrogen supply to fuel cell power system as follows; pressurized or liquefied hydrogen, metal hydride, and chemical hydride. Reforming process is to produce the hydrogen from alcohol or hydrocarbon fuels, which is a method of chemical hy-dride. This method had been actively researched for mobile fuel cell power system. The weight and volume of hydrogen supply system were restricted in the existing reforming method. The hydrogen supply system has 28 percent of fuel cell power system. It has a strong impact on system efficiency. Hence, the reforming method of methanol blending with hydrogen peroxide was proposed for compact hydrogen supply system in this re-search. This is the novel concept. First, the concept was validated. Second the reforming characteristics based on various operating conditions were determined.
The oxygen, water vapor and heat are needed for the oxidative steam reforming. The system compo-nents such as fuel pumps, vaporizers, additional heat supply and several reactors are required for the existing oxidative steam reforming. It makes hydrogen supply system complicated. In this research, the catalytic de-composition of hydrogen peroxide was used. It releases the oxygen, water vapor and heat, all of which served methanol oxidative steam reforming. A liquid mixture of hydrogen peroxide and methanol was directly in-troduced into a single reactor. The platinum was selected as the catalyst because it was effective in decompo-sition of hydrogen peroxide as well as in methanol reforming. First, the available range of hydrogen peroxide concentration, the weight mixture ratio of hydrogen peroxide and methanol, and the estimated characteristics of reaction were determined by the theoretical reaction mechanism of the oxidative steam reforming of methanol-hydrogen peroxide. Second, the experiments were conducted according to various conditions as follows; the experimental conditions of similar study, the weight mixture ratio of hydrogen peroxide to meth-anol, the concentrations of hydrogen peroxide, the loadings of catalyst, the adiabatic conditions, the reactor design etc.
The results were obtained by the experiments with various operating conditions as follows; first, it was difficult to validate the oxidative steam reforming of methanol-hydrogen peroxide on the theoretical opti-mum mixture ratio due to heat loss. Second, the maximum concentration of hydrogen peroxide for the oxi-dative steam reforming of methanol-hydrogen peroxide was 70 wt% hydrogen peroxide. If over 70 wt% hy-drogen peroxide is used, the detonation phenomenon can occur. Third, more effective reforming reaction could be induced through less mixture ratio and catalyst loading by adjusting the relationship between mix-ture ratios of hydrogen peroxide to methanol and catalyst loadings. Fourth, the reforming characteristics had a big difference according to the adiabatic conditions. It means that the volume, weight, and insulation effi-ciency of an insulating material should be considered for the system efficiency of mobile fuel cell power ap-plications. Fifth, although the reforming characteristics of the previous design of reactor were better than that of the modified design of reactor because the reaction speed in the modified reactor was slower for the ther-mal equilibrium, the thermal equilibrium was implemented and the thermal fatigue was solved in the modi-fied reactor. Sixth, the available reforming characteristics for high temperature PEM fuel cell were validated by a single reactor. The best conditions was 6 wt% $Pt/Al_2O_3$, 2.125 weight mixture ratio of 70 wt% hydrogen peroxide to methanol.
The method of methanol oxidative steam reforming blending with hydrogen peroxide was the novel concept, which had the condition of non-additional heat source. The hydrogen supply system from the oxi-dative steam reforming process of methanol-hydrogen peroxide could be configured through a single reactor for the commercial high temperature PEM fuel cell. The results from this research may serve as a baseline for the reactor design of the oxidative steam reforming of methanol-hydrogen peroxide and help to design a compact fuel cell power system.
세계는 나날이 급증하는 화석연료 사용량으로 인한 화석연료 고갈과 환경오염 문제를 해결하기 위하여 친환경 에너지원을 활용한 동력원 연구개발에 많은 투자하고 있다. 다양한 친환경 동력원 가운데 연료전지는 대표적인 친환경 동력원으로 항공우주분야에서도 활용되고 있다. 이와 같은 연료전지는 수소를 연료로 사용하며, 수소를 공급하는 방식에는 크게 압축 혹은 액화 수소 탱크, 금속수소화물, 화학수소화물이 있다. 개질 공정은 화학수소화물 방식의 하나로써 알코올 혹은 탄화수소 계열의 연료로부터 수소를 추출하는 방식으로 모바일 연료전지 시스템을 위해 활발히 연구가 진행 중에 있다. 그러나, 기존 개질 방식은 무게와 부피에서 한계점을 가진다. 이 같은 수소공급장치는 연료전지시스템에서 28%라는 큰 비중을 차지하기 때문에 시스템 효율에 큰 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 수소공급장치의 간소화를 위하여 과산화수소를 이용한 메탄올 산화수증기 개질 방식을 제안하고, 이를 검증하였다. 또한, 다양한 운용조건에서의 실험을 통하여 개질 특성을 확인하였다.
산화수증기 개질을 위해서는 산소, 수증기, 그리고 열이 필요하다. 이를 위해 기존 방식에서는 연료펌프, 연료 기화기, 외부 열원, 다양한 반응기 등이 요구되었다. 이는 수소공급장치를 복잡하게 하는 원인이었다. 본 연구에서는 과산화수소 촉매 분해를 이용하여 메탄올 산화수증기 개질에 요구되는 산소, 수증기, 열을 공급하였다. 그리고, 메탄올-과산화수소 혼합 연료를 사용하여 단일 반응기 내로 직접 연료를 직접 공급하여 수소공급장치를 간소화시켰다. 반응에 사용된 촉매는 백금 촉매로써 해당 촉매는 과산화수소 분해 및 메탄올 개질에 모두 사용 가능하다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 첫째로, 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 이론적 접근을 통하여 본 연구에 적용 가능한 과산화수소 농도와 혼합비를 확인하였으며, 이를 통해 해당 혼합비에서의 반응성을 예상하였다. 둘째로, 혼합비, 과산화수소 농도, 촉매 담지량, 단열조건, 반응기 설계와 같은 다양한 운용조건에서의 실험을 수행하여 개질 특성을 확인하였다. 그 결과는 아래와 같다.
첫째, 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 이론 혼합비에서는 시스템 상의 열 손실로 인하여 실제 개질 반응기 어렵다는 사실을 확인하였다. 둘째, 본 연구 개념에 적용 가능한 과산화수소 최고 농도는 70 wt%임을 실험을 통하여 확인하였다. 만약 해당 농도 이상의 과산화수소가 사용된다면 데토네이션 현상이 발생할 수 있다. 셋째, 혼합비와 촉매 담지량 조정을 통하여 효율적인 개질 반응을 유도할 수 있다. 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질의 경우 단일 반응기 내에서 다양한 반응이 진행되는 동시에 과산화수소 분해를 통해 발생되는 산소와 수증기는 개별 제어가 어렵기 때문에 해당 조건이 중요하다. 넷째, 단열조건에 따른 개질 특성의 차이를 확인하였다. 모바일 연료전지 시스템 설계 시, 단열물질의 부피와 무게는 시스템 효율을 결정하는 요소이기 때문에 적정 개질 반응을 위한 단열조건과 시스템 효율을 함께 고려해야 한다. 다섯째, 반응기 설계 변경을 통하여 반응기 내 열평형을 구현하여 반응기 전단의 고온 현상을 해결하였다. 이는 반응기 전단의 열 피로 현상과 연관된다. 그러나, 설계 변경 전에 비해 열평형 반응으로 인하여 반응 속도가 현저히 저하되어 적정 개질 반응 구현을 위해서는 오랜 시간이 요구되었다. 여섯째, 단일 반응기 내에서 6 wt% Pt/Al2O3, 2.125의 70 wt% 과산화수소 대 메탄올 혼합비 조건에서 가장 우수한 개질 특성을 확인하였다. 해당 성능은 실제 고온 PEM 연료전지에 적용 가능한 수준을 나타냈다.
본 연구에서는 메탄올-과산화수소 산화수증기 개질 방식을 제안하고, 이를 외부 열원을 완전히 배제한 상태에서 단일 반응기를 통하여 구현하였다. 이를 통해 해당 반응의 특성과 상용 연료전지에 적용 가능한 수준의 성능을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 관련 연구의 기초 자료 및 설계 기준을 제시해 줄 것 이며, 연료전지시스템을 간소화하는데 도움을 줄 것이라 판단된다.
