연료전지용 CO 제거 장치의 성능 특성에 관한 실험적 연구

Abstract

연료전지란 개질기에서 천연가스에 포함된 메탄과 수증기가 고온에서 만나 반응하여 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하는 장치를 말한다. 이때 개질기에서는 수소 외에도 일산화탄소(CO)가 같이 생성이 된다. 생성된 일산화탄소는 전기를 생산하는 스택(stack)에 들어가게 되면 스택의 양극 촉매에서 흡착하게 되어 일산화탄소 피독이 발생한다. 일산화탄소 피독이 발생한 스택은 촉매에 흡착된 일산화탄소가 수소의 반응을 억제해 성능이 떨어질 뿐만 아니라 시간이 지날수록 점차 수명도 감소하게 된다. 따라서 본 논문의 목적은 일산화탄소 피독을 방지하기 위하여 수성 가스 전환 반응기와 선택적 산화 반응기를 설치하여 연료전지에서 사용가능한 일산화탄소 농도를 10 ppm 미만으로 제거하는 것이다. 개질된 가스에는 수증기 개질기에서 사용된 수증기가 포함되어 있는데, 가스에 포함된 수증기와 일산화탄소가 수성 가스 전환 반응기에서 반응을 하면 이산화탄소와 수소로 전환되는데, 수성 가스 전환 반응기는 일산화탄소를 제거함과 동시에 개질기에 이어 2차로 수소를 생산하는 중요한 장치로서 연료전지에서 필수적으로 사용되는 반응기이다. 하지만 수성 가스 전환 반응기로는 열평형으로 인해 한계가 있어 일산화탄소 농도인 10 ppm 미만으로 제거하기 힘들기 때문에 선택적 산화 반응기를 이용해 남은 일산화탄소를 제거한다. 선택적 산화 반응은 반응이 일어남과 동시에 강한 열이 발생하는 발열 반응기로 반응기 내부 온도가 급격하게 상승하기 때문에 적절한 온도유지가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 수랭식 방열을 적용시켜 선택적 산화 반응기 온도조절에 초점을 맞춰 실험하였다. 추가적으로 선택적 산화 반응에서 산소는 일산화탄소 뿐 만 아니라 수소와도 반응이 일어나기 때문에 적절한 산소의 양을 공급하는 것이 중요하다. 때문에 일산화탄소가 10 ppm 미만으로 제거되면서, 고농도의 수소를 보존하는 적절한 산소의 양을 파악하고자 실험을 진행하였다. 실험을 통해 얻은 결과를 이용하여 수성 가스 전환 반응기와 선택적 산화 반응기의 최적의 성능을 나타낼 수 있는 반응온도 및 운전조건을 찾았으며, 반응기들을 연료전지 시스템에 설치해 연료전지 설비에도 활용 가능하다.