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HWAHAK KONGHAK,
Vol.41, No.3, 389-396, 2003
5 kW급 고분자연료전지용 천연가스 개질기 시스템 운전 특성 연구
Operating Characteristics of Integrated NG Reformer System for 5 kW Class PEM Fuel Cell
가정용 고분자 연료전지 스택운전에 필요한 수소공급기술로서 천연가스 수증기 개질법에 기초한 5 kW급 열 및 시스템 통합형 연료개질기 시작품을 설계 및 제작하였다. 수증기 개질에 필요한 흡열 반응열은 복사 전열 방식의 metal fiber bumer를 이용하여 공급하였다. 시스템 성능은 각 반응기의 일정한 공간속도 및 상압조건 하에서 개질기 반응온도 600-800 ℃에서 운전결과를 토대로 평가하였다. 최종시작품인 β+ 형에 있어서, 개질가스 총유량은 6.5 Nm(3)/h(H2 농도: 74%, 건식 기준)이었으며 이때의 수증기 개질 반응기에 있어서 반응온도 및 GHSV는 각기 800 ℃, 1,950 h(-1) 이었다. 그리고 개질기 출구(혹은 스택 입구) 제한조건인 CO 농도를 맞추기 위하여 2단 직렬 선택적 산화 반응기(1단 : Pt, 2단 : Ru)를 구성하였으며, 1단과 2단 반응기 사이에 공냉식 핀(fin) 형 열교환기를 설치하여 1단 반응기에서 배출되는 개질가스의 온도를 저온(120 ℃)으로 제어 유지시킨 후 2단 PrOx 반응기로 공급함으로써 최종 개질가스 중의 일산화탄소의 농도를 10 ppm 이하로 낮출 수 있었다. 연료 개질 효율(개질된 수소의 고발열량/리포머 및 버너에 공급된 천연가스의 고위발열량×100%)은 약 52% 정도로서 약간 낮은 편이며 이는 리포머 열공급을 위한 버너 연소열이 시스템 외부로 과도하게 배출되는 것에 기인하였다.
Prototype 5 kW-class fuel processor based on steam reforming of natural gas with heat and system integration has been designed and fabricated for use in proton exchange membrane(PEM) fuel cell with residential applications. Endothermic heat for steam reforming has been supplied by radiation type metal fiber burner. The performance of the integrated system has been experimentally evaluated for the reformer temperature of 600-800 ℃ at constant GHSV of each reactor and atmospheric system pressure. The final product(β+ type) can produce the total gas flow of 6.5 Nm(3)/h(H2 conc.: 74%, dry basis) under reformer temperature and space velocities of 800 ℃, 1,950 h(-1), respectively and also remove CO concentration under 10 ppm by two series fin type packed beds employing Pt[λ(2O2/CO)=2.1] and Ru[λ(2O2/CO)=3.5] catalysts with interstage cooling. The overall fuel processing efficiency of about 52% calculated by the ratio of total H2 output after PrOx to total methane flow into the reformer and the burner based upon higher heating values is somewhat lower. This was mainly attributed from the fact that heat loss from the exhaust gas after supplying heat necessary for raising the reformer temperature by combustion of natural gas was excessively high.
[References]
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