1kW...

Kookmin UniversityNew Energy LaboratoryKookmin UniversityNew Energy Laboratory

경동나비엔-2009년 4월 17일

1kW 수증기 개질형 수소발생장치 개발에 관한 연구

신동훈 교수

국민대학교 기계자동차공학부

㈜ 경동나비엔

1. 과제 수행 개요

목표 및 내용

2. 연료전지 및 개질 반응

연료전지의 종류: PEM, SOFC, MCFC

개질반응의 종류: STR, ATR, POX, WGS, PROX

3. 제안된 개질 공정

공정도및 장치 사진

주요 공정변수 설계안

열교환기 해석 및 설계

4. 실험 결과

과제 수행중 장치 변경 내용 및 운전일지

주요 운전 변수 분석결과 (온도, 유량)

운전매뉴얼

5. 수정 설계안



목표 및 내용

• 목표– 1kW 급 가정용 연료전지용 개질 시스템 제작 및 운영기술 확보

• Auto-Thermal Reforming (ATR) 반응이 주 반응인 개질시스템

• 내용–ATR 개질 시스템 상세 설계 개발

• 보조 버너, 혼합기, 열교환기, 배관 등 주요 공정의 상세설계

–제작 및 운영준비

• 경동나비엔의 제작 협조

– 버너, 혼합기, 열교환기, 반응기, 구조물 제작

– 공기용 Regulator, Thermocouple, 가스킷, 메탄가스 제공

• 국민대

– 배관 및 단열 시공

– 유량계, 물펌프 구매

– 촉매활성화 장치, 압축기, Micro-GC, DAQ

– 촉매확보

–실험

• 정상운전 조건의 도출

• 온도, 유량등 다양한 인자들의 변화 실험

• 적정 기동 운전 방안 도출

–수정안 설계

• 실험 결과 분석 후 향상된 기능의 설계안 도출

1. 과제수행개요



수소경제사회와 연료전지2. 연료전지 및 개질반응



Fuel Cells - 연료전지2. 연료전지 및 개질반응



Fuel Cells - 연료전지의 종류

저 온 형

다량의 고가 촉매 (백금)

CO2의경제적 제거기술 필요

CO에 의한촉매 부식

발열에 따른전지성능 저하

세라믹재료고온 성능개선 필요

전해질 증발따른 운전성능 저하

문 제 점

소형전원자 동 차

개발 및실증 단계

25~130℃

Polymer Membrane

메탄올

직접메탄올(DMFC)

잠 수 함우 주 선

소형전원(수십W)자 동 차(수십kW)

열병합(100~200kW)

복합,열병합발전

(250kW~1MW)

복합,열병합발전

(25kW~1MW)

사용분야

사 용 중개발 및

실증 단계상용화 단계개발 단계개발 단계

기술수준

상온~100 ℃ 85~100℃150~200 ℃700~1000℃ 600~700 ℃운전온도

수산화칼륨(액체)

이온전도성고분자막(나피온)

인산 H3PO4

(액체)고체산화물

용융탄산염Li2CO3, K2CO3

(액체)전해질

수소수소수소CO, 수소CO, 수소주 연 료

알카리(AFC)

고분자전해질형(PEMFC)

인산형(PAFC)

고체산화물(SOFC)

용융탄산염(MCFC)

고 온 형

종류

2. 연료전지 및 개질반응



Fuel Cell Application - 연료전지의 활용2. 연료전지 및 개질반응

적합한

연료전지

응용분야

휴대전원용 운송용 발전용

휴대폰 노트북 PC 가정용 열병합자동차마이크로 소자 발전소

Micro fuel cell

DMFC (직접메탄올)

MCFC (용융탄산염)PEMFC (고분자전해질)

SOFC (고체산화물)

PAFC (인산형)

용도

출력

종류

휴대, 운반

소규모 분산전원

자동차용 대용량 발전

PEMFC

SOFC

PAFC

MCFC

1kW 10kW 100kW 100MW1MW 10MW

가정용,Co Gen



FC Stack - 연료전지 스택구조

• 단위전지 구성–출력 전류를 높히기 위하여 면적을증가

–전극(Anode, Cathode), 전해질, 매트릭스, 분리판 으로 구성

–전지전압 0.7-0.8V, 0.6-1kW/매

• 스택 구성–출력 전압을 높이기 위하여 단위전지를 직렬로 적층

– 100KW~500 kW




PEM

•전해질로 고분자 전해질 사용•동작온도 약 70 - 100 ºC •고출력(1 - 2 W/cm2) , 높은 발전효율•양극간 차압 제어 및 전지 가압이 용이•전지 구성 재료 면에서 제약이 적다•소형 경량화가 용이•CO2 포함된 연료 및 공기 이용이 가능•기타 연료전지에 비하여 5- 10 배 이상 출력 밀도가 높다. •자동차. 우주선 , 군용 및 소형 전원 이용

(+) H2 → 2H+ + 2e-

(-) O2 + 4H+ + 4e- →2H2O




MEA2. 연료전지 및 개질반응



PEM Power System2. 연료전지 및 개질반응



FC and Reformer2. 연료전지 및 개질반응



MCFC

•용융염(Li/K,Na)을 전해질로 사용•동작온도 650 ºC•고가의 전극 촉매 불요•연료의 다양성(NG외 석탄가스 사용)•고온 배열이용 복합발전•분산형 중앙 집중형(수MW-수백MW)

(+) H2 + CO32- → 2H2O + CO2 + 2e-

CO + CO32- → 2CO2 + 2e-

(-) O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-




SOFC

•전해질로 안정화 지르코니아(YSZ)•동작온도 약 700 - 1,000 ºC

•백금촉매 불 필요, 내부개질•고출력(0.3W/cm2) , 높은 발전효율•연료 다양성 (NG외 석탄가스 사용)•고온 배열이용 복합발전•분산형 중앙 집중형(수MW-수백MW)

C a th o de (L S M )

E le c tro ly te (Y S Z )

A n o de (N i- Y S Z )

O x id e

Io n s

D C

O u tpu t

F ue l

A ir

O2

O2-

•세라믹 주재료로 열 응력에 취약 기동 정지 장시간 소요




Fuels - 기타 연료전지에 사용 가능한 연료들2. 연료전지 및 개질반응



Reformer - 개질기2. 연료전지 및 개질반응



Reformer - 개질기

• Y.T. Seo et al., Development of compact fuel processor for 2 kW class residential PEMFCs, Journal of Power Sources 163 (2006) 119–124

반응 촉매 회사

STR Ni-based -

HTSFe- and Cu-based

-

LTSFe- and Cu-based

-

Sulfur Mn-based -

1st PROX Pt-based -

2nd PROX Ru-basedAldrich chem.





• The development of a small PEMFC combined heat and power systemJournal of Power Sources, Volume 176, Issue 2, 1 February 2008, Pages 499-514Hsin-Sen Chu, Fanghei Tsau, Yi-Yie Yan, Kan-Lin Hsueh, Fa-Lin Chen

Fig. 19. The small PEMFC CHP prototype system. (a) The system without the water tank and (b) front inside view of the generator unit.

Fig. 11. Composite bi-polar plate.





Clawson et al., Auxiliary reactor for a hydrocarbon reforming system,U.S Patent

Komiya et al., Single pipe cylinder type reformer, U.S Patent




Reforming Reactions2. 연료전지 및 개질반응



Reformer Researches2. 연료전지 및 개질반응



Reformer Researches

• Sheldon H.D. Lee et al., Hydrogen from natural gas part I-autothermal reforming in an integrated fuel processor, International Journal of Hydrogen Energy 30 (2005) 829 – 842

반응 촉매종류 회사

ATR - Engelhard사의 촉매

HTS FCS-PMS5 HTS Sud-Chemie

LTS FCS-PMS5 LTS Sud-Chemie

Sulfur ZnO: G-72G Sud-Chemie




Reformer Researches

• Hydrogen production for fuel cells by autothermal reforming of methane over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support, Journal of Power Sources, Volume 159, Issue 2, 22 September 2006, Pages 1248-1257, D.L. Hoang, S.H. Chan, O.L. Ding


Mole of hydrogen produced per mole of methane fed into the reactor vs. A/F ratio at different W/F ratios (VCH4 = 120 l h−1).

Mole of carbon monoxide produced per mole of methane fed into the reactor vs. A/F ratio at different W/F ratios (VCH4 = 120 l h−1).

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MathURL&_method=retrieve&_udi=B6TH1-4J2KTHM-4&_mathId=&_user=581690&_cdi=5269&_rdoc=11&_ArticleListID=760155258&_acct=C000029639&_version=1&_userid=581690&md5=dcf2976c9cd0882ddce92075c9bbf313

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=MathURL&_method=retrieve&_udi=B6TH1-4J2KTHM-4&_mathId=&_user=581690&_cdi=5269&_rdoc=11&_ArticleListID=760155258&_acct=C000029639&_version=1&_userid=581690&md5=dcf2976c9cd0882ddce92075c9bbf313



Reformer Researches

• An investigation into water and thermal balance for a liquid fueled fuel processorCatalysis Today, Volume 129, Issues 3-4, 15 December 2007, Pages 397-406Marco J. Castaldi, Federico Barrai




ATR 개질시스템 공정도 및 장치 사진3. 제안된 개질공정

ATR HTSHX1 LTSHX2PROX1/2

HX3

PEM System

Pure Water

NGAir

Air

HX4

2 3 4 5 6

8

1011

12

13

14

BN

Desulfurizer

WaterSeparator

WaterTank

TI PI TI1 TI TI TI TI 7TI

TI

TI

TI

TI

15

TI

TI

9

MFC-1 MFC-2

SV-1

MFC-3

MFC-4

16 17

TI

PI

Fan/Pump/Compressor

Mass Flow Controller

Switching Valve

Temperature Indicator

Pressure Indicator

SP Sampling Position

SP SP SP

SP

F-1 F-2

F-4

F-3



실험 장치3. 제안된 개질공정



주요공정변수 설계기준

• 연료(메탄)유량 : 6 lpm –저위발열량 기준 3.6 kW

– PEM 연료전지 발전량 1.26~1.62 kW (시스템 효율 35~45% 가정)

• 목표 수소 발생량–목표 수소/메탄유량 = 2.69

–목표 수소유량 = 16.14 lpm

–저위발열량 기준 2.914 kW

G a s

P o s it io n U n it 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5

T e m p . ( C ) 4 0 0 7 0 0 4 0 0 4 4 4 2 0 0 2 3 8 1 5 0 3 1 4 5 0 2 0

C H 4 (g ) (N m 3 /h r) 3 .3 6 E - 0 1

H 2 O (g ) (N m 3 /h r) 1 .0 1 E + 0 0 9 .0 7 E - 0 1 9 .0 7 E - 0 1 8 .1 5 E - 0 1 8 .1 5 E - 0 1 7 .3 5 E - 0 1 7 .3 5 E - 0 1 7 .7 6 E - 0 1 7 .7 6 E - 0 1

O 2 (g ) (N m 3 /h r) 1 .9 0 E - 0 1 2 .9 6 E - 0 2

N 2 (g ) (N m 3 /h r) 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 7 .1 5 E - 0 1 8 .2 7 E - 0 1 8 .2 7 E - 0 1 1 .1 1 E - 0 1

H 2 (N m 3 /h r) 7 .7 4 E - 0 1 7 .7 4 E - 0 1 8 .6 6 E - 0 1 8 .6 6 E - 0 1 9 .4 6 E - 0 1 9 .4 6 E - 0 1 9 .0 5 E - 0 1 9 .0 5 E - 0 1

C O (N m 3 /h r) 1 .9 0 E - 0 1 1 .9 0 E - 0 1 9 .7 9 E - 0 2 9 .7 9 E - 0 2 1 .8 5 E - 0 2 1 .8 5 E - 0 2 0 .0 0 E + 0 0 0 .0 0 E + 0 0

C O 2 (N m 3 /h r) 1 .4 6 E - 0 1 1 .4 6 E - 0 1 2 .3 8 E - 0 1 2 .3 8 E - 0 1 3 .1 8 E - 0 1 3 .1 8 E - 0 1 3 .3 6 E - 0 1 3 .3 6 E - 0 1

H e a t E x c h a n g e (W ) 3 2 8 2 6 8 9 7 3 0 3

W a te r

F lo w R a te (k g /h r) 0 .8 1 1

P o s it io n 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4

T e m p . 2 0 1 3 3 .5 1 3 3 .5 2 2 8 4 0 0

Q u a lity 0 0 .3 7 0 .5 6 1 1


HX3

PEM System

Water

CH4

Air

Air

HX4

1 2 3 4 5 6 7

8

9

1011

12

13

14

15


HX3

PEM System

Water

CH4

Air

Air

HX4

1 2 3 4 5 6 7

8

9

1011

12

13

14

15

3. 제안된 개질공정



각 공정별 설계기준

• ATR– 촉매

• Ni계열에 Pd 첨가, PtAl/PtZr/Pt10ZrAl, monolith ciated Ru/gamma-Al2O3, Ni:SG-9301(Engelhard), Ni-0309S(from Engelhard), Pt/CeO2

• 주변에서 구하기 쉬운 Ni 계열로 결정

–온도

• 600~1000 oC 영역의 자료들이 있음

• 700 oC가 반응효율 및 재질의 안전성 측면에서 최적

– Steam to Carbon Ratio

• 기존 ATR에서 1정도의 낮은 값을 갖는 연구들이 있으나 종합적으로 검토해보면 Steam 농도가 높을 수록 수소생산량이 증가하고, CO는 줄어드는 경향임.

• 2.5~3

–Oxygen to Carbon Ratio

• 자열 반응을 위해 0.5~1정도의 범위의 자료

• Steam이 산소를 공급하므로 Steam 투입을 증가할 수록 공기투입량은 줄어도 됨

• 0.57

– Space Velocity

• 120~54000 hr-1의 다양한 실험이 있었음

• 5000~6000 정도가 무난할 것으로 판단됨

플랜지

촉매층

촉매 지지 다공판

압력 및 온도센서

• HTS/LTS–촉매

• FCS-PMS5 HTS/LTS(Sud-Chemie), Fe, Cu bassed catalyst

–온도

• 150~550 oC 영역의 자료들이 있음

• HTS: 400 oC, LTS: 200 oC로 결정

– Space Velocity

• 자료부족

• 5000~6000 정도가 무난할 것으로 판단됨

• PROX–촉매

• 촉매성능이 매우 중요하므로 고가의 촉매이용

• Pt-based, Ru-based catalyst, RuCl3(from Aldrich chem.), ?(from Engelhard), Pt/zeolite, Pt/Al2O3 and Ru/Al2O3

–온도

• 100~300 oC 영역에서 운전

• 발열반응으로 내부에서 온도가 150 oC 정도 상승

• 150 oC로 결정

–공간속도

• 4000~12000 1/hr

• 4000 1/hr로 결정

–기타

• 타 연구결과로 미루어보면 2단의 PROX가 낮은 CO 농도를확보하는데 유리할 것으로 판단됨.




열교환기/탈황기 설계

• 열교환기–HX1, HX4

• Type: 핀/관형 열교환기

• 재질: SUS310S (황 성분에 의한 부식을 고려)

• 초기 실험에는 SUS 304등을 이용해볼 필요도 있음.

–HX2, HX3

• Type: 연관형 보일러 또는 핀/관형 열교환기(물이 증발하는 관계로 보일러 형태로 제작)

• 재질: 상동

• 탈황기–흡수재

• ZnO: G-72G(from Sud-Chemie) : 350 oC 이하에서 사용

• Mn-based : 상온에서 사용

–위치

• 탈황 위치는 가능한 연료주입 전에 하는 것이 바람직. -> Mn-based 흡수재 이용

• ZnO이용시 HTS 전단에서 사용


Gas

Water/Steam

Gas

Water/Steam

핀/관형 열교환기

연관형 보일러



초기 열교환기 전산해석

• 목적–경동에서 열교환기 수정 제작 (핀형에서 연관형으로 수정)

– 1차 실험 후 열교환량이 과도한 것으로 판단되었음

–정확한 설계를 위하여 전산유체역학 해석 수행

• 내용–제작된 열교환기의 열전달율 측정

• 버너 연소가스와 공기를 이용한 열전달율 측정

–전산유체역학 코드를 이용한 열유동 해석수행

–수정 열교환기 성능 해석 수행


Air 0.006516 kg/s288 K / 15 C

Gas 0.00722 kg/s559 K / 286 C

Air 0.006516 kg/s434 K / 161 C

Gas 0.00722 kg/s422 K / 149 C

GAS 측ㅿT=-137 KQ= 994W

공기측ㅿT=146KQ= 960W

실험값GAS 측Q= 1314W

m/s



수정 1단 열교환기 (5cm) 전산해석과 설계

Q=364 W

Steam + CH4 + Air0.00063323 kg/s354 K

Gas 0.00056746 kg/s973 K

717 K

Gas 632 K


Q= 266 W

Steam + CH4 0.00030018 kg/s391 K

Gas 0.00056746 kg/s973 K

802 K

Gas 714 K



수정 ½단 열교환기 (10cm) 전산해석과 설계3. 제안된 개질공정

Steam + CH40.00030018 kg/s391 K

Q= 304 W

Gas 0.00056746 kg/s973 K

837 K

Gas 690 K

Steam + CH40.00030018 kg/s391 K

Gas 0.00056746 kg/s973 K

879 K

Gas 648 K

1단 열교환기

2단 열교환기Q= 358 W



2차 설계안 (2008년 10월 24일 제안)

① 점화플러그, 관측창 단열 및 실링 처리

② 연료, 공기 투입구 SUS 재질로 교체

③ 버너 내부 및 버너 하단 세라크울(0.1w/m-K)로 단열처리(2cm), ATR 상부 혼합기와 ATR반응기, 하부의 열교환기의 재질은 SUS310 이상의 재질이요구됨.

④ ATR 내부 벽면에 세라크울로 단열처리(1cm)

⑤ 관의 입출구와 플랜지 구멍과의 간섭 방지

⑥ 펌프 모델의 교체 및 유량계의 용량 교체

⑦ Product gas의 출구 SUS재질로 교체

⑧ 반응기를 제외한 물관, GC포트, T/C등 inch단위사용(mm단위의 경우 연결부품 조달이 제한됨)

ATR

BN

HTS

LTS

PROX

Separator

단열재

혼합기

반응기

열교환기

점화 플러그

fuel

Air

Air

Water

Drain

Product Gas

1

2

3

4

5

6

7

TC

TC

TC

TC

TC

TC

TC

TC

TC

P

써머커플

P

TC

압력계

GC측정용 포트

16.8cm

5cm

16.8cm

5cm

16.8cm

5cm

16.8cm

5cmP

8

물관




실험일자별 장치 구성변동 사항

구성 Burner Mixer ATR HX HTS HX LTS HX Mixer PROX HX

2.27 O O O O O X O X O O O

3.07 O O O O O O O X O O O



3.27 O O O O O O O O O O O



구성 변경사항 문제점

2.27 HTS, LTS 후단 열교환기 제거 후단부의 온도가 너무 과열됨

3.07 HTS 후단 열교환기 추가(5cm)물의 상변화 구간으로 HTS 후단 반응기 온도가충분하지 않음

3.11 PROX 후단 열교환기 크기변경(10-->20cm)

3.27ATR 열교환기 크기변경(5-->10cm), 수위계 설치, 물유로변경관 추가,LTS 후단 열교환기 추가(5cm)

촉매활성 부족으로 반응저하, 후단 초기 예열시간 오래 걸림

4.04 촉매 교체,공기예열관 추가

4.11 최종실험 및 운전 방법 점검

4. 실험결과



주요 데이터 범위의 설정

• A 영역: 수소생산 효율과 고려하여 일관된 경향 X 주요 운전 데이터에서 제외

• B 영역: 수소 생산 효율 저하 주요 운전 데이터에서 제외

• C 영역: 주요 운전 데이터 범위 PROX 온도가 100~300℃인 범위만 고려

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0

PROX온도

개질

효율

(수소

)

AC

90%

91%

92%

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0

PROX온도

메탄

전환

율

A C

4. 실험결과



주요 데이터 범위의 설정

• PROX 후단 300℃ 이상에서 효율저하 원인

–LTS의 온도가 함께 상승 --> WGS반응 효율 저하.

–역반응으로 반응 효율 저하.

• PROX 후단 100℃ 이하에서의 일관성이 없는 원인

–WGS 반응 및 PROX 의 반응에 필요한 에너지 부족.

–촉매층의 수분의 영향으로 반응이 원활하지 못함.

0.0%

1.0%

2.0%

3.0%

4.0%

5.0%

6.0%

7.0%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0

PROX온도

CO

비율

A

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 500.0 550.0

PROX온도

LTS2 온

도

4. 실험결과



ATR

• A 영역: 수소개질효율 및 메탄의 전환율 기준–-> 650~700℃의 영역에서 우수한 성능

• B 영역: 온도값은 A영역과 유사–투입 공기량 부족: A(19.5lpm), B(17.5lpm)

• 적정 운전 범위 ATR 후단 온도가 650~700℃

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

620.0 640.0 660.0 680.0 700.0 720.0 740.0

ATR2온도(℃)

메탄

전환

율

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

620.0 640.0 660.0 680.0 700.0 720.0 740.0

ATR2온도(℃)

개질

효율

(수소

) A

B

4. 실험결과



HTS


• B 영역: 온도값은 A영역과 유사–투입 공기량 과잉: A(19.5lpm), B(22~23lpm)

• 적정 운전 범위 HTS 후단 온도가 400~450℃

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

350.0 370.0 390.0 410.0 430.0 450.0 470.0 490.0

HTS2 온도(℃)

개질

효율

(수소

)

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

350.0 370.0 390.0 410.0 430.0 450.0 470.0 490.0

HTS2온도(℃)

메탄

전환

율

A

B

4. 실험결과



LTS

• A 영역: 수소개질효율 및 메탄의 전환율 기준

–-> 200~250℃의 영역에서 우수한 성능

• 적정 운전 범위 LTS 후단 온도가 200~250℃

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0 280.0 300.0

LTS2 온도(℃)

개질

효율

(수소

)

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0 280.0 300.0

LTS2온도(℃)

메탄

전환

율

A

4. 실험결과



PROX


• B 영역: 온도값은 A영역과 유사–투입 공기량 과잉: A(19.5lpm), B(22~23lpm) –물유량 과잉: A(3.5ccm), B:(14ccm)–전단 온도가 비교적 낮음

• 적정 운전 범위 PROX 후단 온도가 150~200℃

93%

94%

95%

96%

97%

98%

99%

100%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0

PROX2온도(℃)

메탄

전환

율

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0

PROX2온도(℃)

개질

효율

(수소

)

A

B

4. 실험결과



반응기 온도 대비 CO의 농도 변화

•각 반응기 온도 대비 CO의 농도 변화의 경우 경향이 없음

– 현재 시스템은 CO제거에 부족

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

3.5%

4.0%

4.5%

350.0 370.0 390.0 410.0 430.0 450.0 470.0 490.0

HTS2온도

CO

비율

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

3.5%

4.0%

4.5%

620.0 640.0 660.0 680.0 700.0 720.0 740.0

ATR2온도

CO

비율

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

3.5%

4.0%

4.5%

100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0 280.0 300.0

LTS2온도

CO

비율

0.0%

0.5%

1.0%

1.5%

2.0%

2.5%

3.0%

3.5%

4.0%

4.5%

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0

PROX2온도(℃)

CO

비율

4. 실험결과



운전 메뉴얼

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

가동준비HX-Prox1/2 물투입완료

연소 시작

ATR 1:700℃도달/ 연소 중

단

ATR 1:500℃ 도달 / 개질

시작

ATR 2:600℃ 도달 / PROX

투입

반응지속 반응지속 반응지속 반응지속

Air 0 0 32 0 19.5 19.5 19.5 19.5 19.5 19.5CH4 0 0 4 0 6 6 6 6 6 6H2O 50 0 0 10 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5Prox_Air 0 0 0 0 0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5물유로 ATR ATR ATR ATR ATR LTS LTS LTS LTS LTS물유로 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 -1ATR 1 25 25 25 700 500 450 615 615 615 615ATR 2 25 25 25 500 380 600 670 670 670 670HX-ATR 25 25 25 40 60 250 515 515 515 515HTS 1 25 25 25 170 120 150 515 515 515 515HTS 2 25 25 25 60 70 150 435 435 435 435HX-HTS 25 25 25 35 35 80 270 270 270 270LTS 1 25 25 25 60 60 80 280 280 280 280LTS 2 25 25 25 55 55 80 240 240 240 240PROX 1 25 25 25 35 35 70 115 115 115 115

PROX 2 25 25 25 30 30 70 165 165 165 165

제어량

온도변화

내용

운전모드

4. 실험결과



운전모드별 유량

Air

0

5

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

lpm

CH4

0

12

3

45

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

lpm

H2O

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

ccm

Prox_Air

0

0.5

1

1.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

lpm

물유로

-1

0

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

유로

(+:A

TR,

-:L

TS)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

운전모드

온도

(℃)

ATR 1

ATR 2

HX-ATR

HTS 1

HTS 2

HX-HTS

LTS 1

LTS 2

PROX 1

PROX 2

4. 실험결과



수정 설계안

① 점화플러그, 관측창 단열 및 실링 처리

② 버너 내부 및 버너 하단 세라크울(0.1w/m-K)로 단열처리(2cm)

③ ATR, HTS, LTS, PROX 내부 벽면에 세라크울로 단열처리(1cm)

④ 배관의 입출구와 플랜지 구멍과의 간섭 방지

⑤ 펌프의 교체

⑥ 제작시 inch단위 사용(mm단위의 경우 연결부품 조달이제한됨)

⑦ PROX의 분리 – HTS/LTS 과열방지 - 공기로 PROX 온도조절

⑧ 빠른 기동을 위한 외부 물 가열기( 추가 – HTS 및 LTS 온도상승

ATR

BN

HTS

LTS PROX

Demister

단열재

혼합기

반응기

열교환기

점화 플러그

Fu

el

Air

Air

AIR

Dra

in

Water

1

2

3

4

5

6

7

TC

TC

TC TC

TC

P

써머커플

P

TC

압력계

GC측정용 포트

8cm

10cm

5cm

5cm

5cm

10cm

5cm

5cm8

물관

5. 수정설계안

TC

Demister

Product Gas

8

Product Gas

HT

TC

1kW...

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