Hydrogen sources are increasingly being considered as alternative energy sources because they have great potential for applications in various industrial fields. In particular, because diesel possesses high hydro-gen energy density compared to other fuels, it can be easily used in transportation with solid oxide fuel cells (SOFCs). To utilize diesel for operating SOFCs, diesel reforming technology is necessary. There are three dominant diesel reforming methods: steam reforming (SR), partial oxidation (POX), and autothermal reforming (ATR). In this work, SR is investigated because it has the highest hydrogen production capacity among the reforming methods. In addition, SR is very effective under pressurized environments because it does not require an additional compressor to supply air (using only water as an oxidant). The reactor for diesel SR was pressurized up to 5 bar using a back-pressure regulator. The $CH_4$ concentration dramatically increased according to Le Chatelier’s principle $(CO+3H_2 rightarrow CH_4 + H_2O)$. This increase in $CH_4$ content in the reformate can be used to control thermal management in the SOFC stack. In this work, system modeling was conducted for thermodynamic calculation. Through thermodynamic analysis, proper experimental condition was suggested. And then, experiments were conducted under various conditions to identify the pressure effect on diesel SR. Especially, harsh condition experiment was performed for obvious pressure effect on catalyst. Lastly, case study is progressed. In case study, modeling results and experiment results were considered so as to validate and find the proper condition. Moreover, temperature and pressure effect on catalyst can be analyzed with long term experiment. As a result, the catalytic activity and stability were improved with the kinetic increase from the pressurized reactor.
에너지 문제가 이슈화되고 있는 요즘, 수소 에너지는 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 가능성으로 대체 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 수소 에너지는 다양한 탄화수소 연료를 개질함으로써 얻을 수 있다. 특히 디젤 연료는 다른 탄화수소 연료에 비해 단위 부피당 수소 에너지를 가장 많이 포함하고 있으므로 수송용 연료전지 적용을 위해 가장 적합한 연료로 볼 수 있다. 또한 연료전지 중 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cells, SOFCs)는 높은 온도에서 작동하는 연료전지로써 고효율 및 연료 유용성 등의 특징을 갖는다. 따라서 본 연구에선 디젤 연료를 이용한 고체산화물 연료전지에 대해 연구하였고, 특히 디젤 연료를 수소 에너지로 전환하는 개질 과정에 초점을 맞췄다. 개질 방법으로는 연료를 산화시키는 산화제에 따라 종류가 나뉜다. 산화제로 수증기를 사용하는 수증기 개잘(SR), 산소를 사용하는 부분 산화 개질(POX), 수증기와 산소 모두 사용하는 자열 개질(ATR) 등의 3가지 방법이 있다. 본 연구에선 개질 방법 중 가장 높은 수소 수득율을 보이는 수증기 개질에 관하여 연구를 진행하였다. 게다가 수증기 개질은 산화제로 산소가 필요 없고, 오직 물만을 공급하면 되므로 가압 조건 운전에서 유리하다. 그 이유는 기체를 공급하기 위해선 소모 동력이 큰 압축기를 사용하여야 되지만 액체를 공급하기 위해선 소모 동력이 매우 작은 펌프만으로도 가능하기 때문이다. 본 연구에선 아스펜 플러스(Aspen Plus) 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 시스템 모델링을 수행하였다. 이 과정에서 이론적인 열역학적 계산을 할 수 있었고, 시뮬레이션 결과를 가지고 적절한 실험 조건을 도출하였다. 이어서 도출된 실험 조건의 범위에서 가압 수증기 특징을 알아보는 실험을 진행하였다. 실험에서 가압 조건은 후단 압력 조절 장치(BPR)로 조절하였고 온도 조건은 퍼니스(furnace)를 이용하였다. 약 5bar까지의 압력 실험을 진행하였고, 압력을 올리는 과정에서 르샤틀리에의 법칙(Le Chatelier’s principle)에 의해 메탄화 반응이 급격하게 일어났다. 이렇게 개질 과정에서 발생한 메탄은 고체산화물연료전지 스택 내에서 열관리를 위해 사용된다. 또한 수증기 개질의 가압 특성을 알아보기 위해 혼합부 영역 반응과 촉매반응의 가압 실험을 수행하였다. 또한 촉매반응에서의 가압 효과를 더 극명하게 확인하기 위해 가혹실험을 진행하였는데, 가혹 조건은 높은 유량에서의 실험과 초음파 분무기를 제거한 실험으로 나뉘어 진행되었다. 이 과정에서 가압으로 인해 촉매 활성화 및 안정성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 케이스 스터디를 통해 시스템 모델링 결과와 실제 장기 실험 결과를 적용해 적합한 실험 조건을 선정하였다. 시스템 모델링 결과로는 알 수 없었던 촉매 성능 등을 장기 성능을 통해 확인할 수 있었다.
