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KR100858924B1 - Supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming reaction of liquefied natural gas, method for preparing the supported catalyst and method for producing hydrogen gas using the supported catalyst - Google Patents

Supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming reaction of liquefied natural gas, method for preparing the supported catalyst and method for producing hydrogen gas using the supported catalyst Download PDF

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KR100858924B1
KR100858924B1 KR1020060111847A KR20060111847A KR100858924B1 KR 100858924 B1 KR100858924 B1 KR 100858924B1 KR 1020060111847 A KR1020060111847 A KR 1020060111847A KR 20060111847 A KR20060111847 A KR 20060111847A KR 100858924 B1 KR100858924 B1 KR 100858924B1
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liquefied natural
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natural gas
steam reforming
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서정길
윤민혜
김필
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 알루미나 및 상기 알루미나의 표면에 그래프팅 (grafting)된 지르코니아를 포함하는 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체; 및 상기 복합산화물 담체에 담지된 촉매 금속을 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen gas using the supported catalyst, and more particularly, to alumina and a surface of the alumina alumina-zirconia composite oxide carriers comprising grafted) zirconia; And a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of a liquefied natural gas containing a catalyst metal supported on the composite oxide support, a method for preparing the same, and a method for producing hydrogen gas using the supported catalyst.

본 발명에 따르면, 순수한 메탄의 수증기 개질반응보다는, 비교적 저렴한 메탄과 에탄의 혼합가스로 이루어진 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의해 수소 가스를 제조할 수 있다. 또한, 높은 반응 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 종래의 고활성 귀금속 촉매에 비해서 저렴한 제조비용에 의해서 제조가능하며, 그 구성성분 및 합성경로가 간단하여 재현성이 매우 우수한 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, hydrogen gas can be produced by steam reforming of liquefied natural gas consisting of a relatively inexpensive mixed gas of methane and ethane, rather than steam reforming of pure methane. In addition, it shows high reaction activity and can be manufactured at a lower production cost than the conventional high active noble metal catalyst, and its hydrogen content is reduced by the steam reforming reaction of liquefied natural gas with excellent reproducibility. A supported catalyst for producing gas, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen gas using the supported catalyst can be provided.

알루미나-지르코니아 복합산화물, 그래프팅법 (grafting mathod), 담지 촉 매, 액화천연가스, 수증기 개질반응, 수소 제조 Alumina-zirconia composite oxide, grafting mathod, supported catalyst, liquefied natural gas, steam reforming reaction, hydrogen production

Description

액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법{Supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming reaction of liquefied natural gas, method for preparing the supported catalyst and method for producing hydrogen gas using the supported catalyst}Supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, method for preparing the same, and method for producing hydrogen gas using the supported catalyst {Supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming reaction of liquefied natural gas, method for preparing the supported catalyst and method for producing hydrogen gas using the supported catalyst}

도 1은 제조예 1 및 제조예 2에 따라서 제조된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체인 Al2O3-ZrO2-1 및 Al2O3-ZrO2-2의 X-선 회절 분석결과를 상용으로 시판되는 알루미나의 X-선 회절 분석결과와 비교 도시한 도면이다.1 shows commercially available X-ray diffraction analysis results of Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and Al 2 O 3 -ZrO 2 -2, which are alumina-zirconia composite oxide carriers prepared according to Preparation Examples 1 and 2 . It is a figure compared with the result of X-ray diffraction analysis of commercial alumina.

도 2는 제조예 3 및 4에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3-ZrO2-1 및 20Ni/Al2O3-ZrO2-2)와 비교예 1에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3)의 X-선 회절 분석결과를 비교 도시한 도면이다.2 is a supported catalyst prepared according to Preparation Examples 3 and 4 (20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2) and a supported catalyst prepared according to Comparative Example 1 ( 20 Ni / Al 2 O 3 ) is a view showing a comparison of the X-ray diffraction analysis results.

도 3은 제조예 3 및 4에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3-ZrO2-1 및 20Ni/Al2O3-ZrO2-2) 및 비교예 1에 따라서 제조된 담지촉매 (20Ni/Al2O3)를, 질소 (30 ml/min) 및 수소 (10ml/min)로 이루어진 혼합 가스를 사용하여 800oC에서 3시간 동안 환원한 후 얻은 X-선 회절 분석결과를 도시한 도면이다.3 is a supported catalyst prepared according to Preparation Examples 3 and 4 (20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2) and a supported catalyst prepared according to Comparative Example 1 ( X-ray diffraction analysis obtained after reduction of 20Ni / Al 2 O 3 ) at 800 ° C. for 3 hours using a mixed gas of nitrogen (30 ml / min) and hydrogen (10 ml / min). Drawing.

도 4는 제조예 3, 4 및 비교예 1에 따른 3종의 담지 촉매를 사용하여 메탄과 에탄 혼합가스로 구성된 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의한 수소제조 반응을 수행하기 위한 반응장치의 개략도이다.4 is a schematic diagram of a reactor for performing hydrogen production reaction by steam reforming reaction of liquefied natural gas composed of methane and ethane mixed gas using three supported catalysts according to Preparation Examples 3, 4 and Comparative Example 1; .

도 5는 600℃에서 반응 시간에 따른 실시예 1 및 2에 따른 촉매의 액화천연가스 전환율 변화추이를 도시한 그래프이다.5 is a graph showing a change in liquefied natural gas conversion rate of the catalyst according to Examples 1 and 2 according to the reaction time at 600 ℃.

도 6은 제조예 4에 따라서 제조된 20Ni/Al2O3-ZrO2-2 촉매를 사용하여 실시예 1의 방법에 따라 액화천연가스의 수증기 개질에 의한 수소제조 반응을 수행하여 600℃에서 반응시간에 따른 촉매활성 변화 추이를 도시한 그래프이다.6 is a hydrogen production reaction by steam reforming of liquefied natural gas according to the method of Example 1 using a 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2 catalyst prepared according to Preparation Example 4 and reacted at 600 ° C. It is a graph showing the change in catalytic activity over time.

본 발명은 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 높은 반응 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 종래의 고활성 귀금속 촉매에 비해서 저렴한 제조비용에 의해서 제조가능하며, 그 구성성분 및 합성경로가 간단하여 재현성이 매우 우수한 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen gas using the supported catalyst, and more particularly, not only exhibits high reaction activity, A supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas with excellent reproducibility due to its low constituents and a synthetic route, which has a simple manufacturing cost compared to a highly active noble metal catalyst, a manufacturing method and the supported catalyst It relates to a hydrogen gas production method using.

연료전지 (Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 연료전지 스택 (stack), 연료처리장치 (FP: fuel processor), 연료탱크, 연료펌프 등을 구비한다. 연료전지 스택은 연료전지의 본체를 형성하며 막-전극 접합체 (MEA: membrane electrode assembly)와 세퍼레이터 (separator 또는 bipolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖고, 연료펌프는 연료탱크 내의 연료를 연료처리장치로 공급하며, 연료처리장치는 연료를 개질 및 정화하여 수소를 발생시키고 그 수소를 연료전지 스택으로 공급한다.A fuel cell is a power generation system that converts chemical energy of hydrogen and oxygen directly into electrical energy contained in hydrocarbon-based materials such as methanol, ethanol and natural gas. (stack), fuel processor (FP), fuel tank, fuel pump and the like. The fuel cell stack forms a main body of the fuel cell, and has a structure in which a plurality of unit cells consisting of a membrane electrode assembly (MEA) and a separator (separator or bipolar plate) are stacked in a few to several tens, and the fuel pump has a fuel tank. The internal fuel is supplied to the fuel processing apparatus, and the fuel processing apparatus reforms and purifies the fuel to generate hydrogen, and supplies the hydrogen to the fuel cell stack.

연료전지용 에너지원으로 사용되며 차세대 에너지원으로서 주목받고 있는 수소가스는 연료전지 분야의 연구성과 및 시장 확대로 인해서 지속적으로 그 중요성을 인정받고 있다. 연료전지에 공급되는 수소가스의 생산에 대해서는 메탄올 또는 메탄 등의 석유계 탄화수소를 원료로 하는 연구들이 활발히 진행되고 있으며, 특히 메탄을 주성분으로 하는 액화천연가스 (Liquefied Natural Gas; LNG)는 연료전지용 수소가스를 생산하는데 적합한 원료로 알려져 있는데, 이는 액화천연가스가 세계적으로 많은 매장량을 보이고 있지만 주로 메탄 및 에탄 등의 저급가스로 구성되어 있기 때문에 난방 목적 이외에는 큰 효용가치 또는 부가가치를 보이지 않기 때문이다.Hydrogen gas, which is used as an energy source for fuel cells and attracts attention as a next-generation energy source, is continuously recognized for its importance due to research results and market expansion in the fuel cell field. As for the production of hydrogen gas supplied to fuel cells, studies are being actively conducted based on petroleum hydrocarbons such as methanol or methane. Especially, liquefied natural gas (LNG) based on methane is hydrogen for fuel cell. It is known as a suitable raw material for producing gas, because liquefied natural gas has a lot of reserves in the world, but mainly composed of lower gas such as methane and ethane, so it does not show great utility value or added value except for heating purpose.

일반적으로 액화천연가스와 같은 석유계 탄화수소를 원료로 하여 수소를 제조하기 위해서는 개질반응이 이용되는데, 알려진 개질반응으로는 탄화수소와 함께 반응물로 사용되는 물질의 종류에 따라서 수증기 개질반응 (steam reforming), 자 열 개질반응 (auto-thermal reforming), 부분산화반응 (partial oxidation) 및 이산화탄소 개질반응 (CO2 reforming) 등이 있다. 이러한 개질반응 중에서, 연료전지용 수소생산을 위해서는 수소 수율이 상대적으로 뛰어난 수증기 개질반응 및 자열 개질반응이 주로 이용되고 있다.In general, reforming reactions are used to produce hydrogen from petroleum hydrocarbons such as liquefied natural gas, and known reforming reactions include steam reforming, depending on the type of material used as a reactant with hydrocarbons. Auto-thermal reforming, partial oxidation and CO 2 reforming. Among these reforming reactions, steam reforming reaction and autothermal reforming reaction, which are relatively excellent in hydrogen yield, are mainly used for hydrogen production for fuel cells.

자열 개질반응의 경우, 반응물로 탄화수소, 수증기 및 산소를 함께 사용하며, 이 반응은 탄화수소와 수증기를 반응물로 사용하는 수증기 개질반응에 비해 열역학적으로 약한 흡열반응 특성을 보이기 때문에, 연료전지용 개질기에 열을 공급하는 것은 큰 문제가 되지 않는다. 그러나, 자열 개질반응은 수증기 개질반응에 비해 생성물 내 수소/일산화탄소의 비율이 낮고, 수소 수율이 낮으며, 반응물로 산소를 사용함으로써 반응경로가 상대적으로 복잡하고, 부산물이 많아서 상업적으로 이용하는데 어려움이 많다.In the case of the autothermal reforming reaction, hydrocarbon, steam and oxygen are used together as reactants. Since the reaction shows a thermodynamic weak endothermic characteristic compared to steam reforming reaction using hydrocarbons and steam as reactants, heat is applied to the reformer for fuel cell. Supplying is not a big problem. However, the autothermal reforming reaction has a lower ratio of hydrogen / carbon monoxide in the product, a lower hydrogen yield, and a relatively complicated reaction path due to the use of oxygen as a reactant, and it is difficult to use commercially due to many byproducts. many.

이와는 달리, 액화천연가스를 사용하여 수증기 개질반응을 통해서 수소를 생산하는 반응은 연료전지용 수소생산에 있어서 높은 상업적 가치를 지니는데, 이는 수증기 개질 반응의 경우에는 메탄뿐만 아니라 액화천연가스의 주성분인 메탄과 에탄의 혼합가스를 수증기 개질반응에 의해 수소로 직접 전환할 수 있으며, 도시 천연가스 배관을 통해서, 소형의 가정용 연료전지에 사용될 수소가스의 생산이 가능하다는 장점이 있기 때문이다. 액화천연가스의 수증기 개질반응은 액화천연가스의 주성분인 메탄과 에탄이 수증기와 반응하여 주생성물인 수소 이외에도 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성하는 반응으로서, 반응물인 수증기/탄소의 비율, 반응온도 및 사용되는 촉매에 따라서 생성물의 수율 조절이 가능하기 때문에, 연료전지용 수소가스 제조 혹은 합성가스 제조 등 원하는 목적에 맞게 반응성을 조절할 수 있다.In contrast, the reaction of producing hydrogen through steam reforming using liquefied natural gas has a high commercial value in hydrogen production for fuel cells, which is not only methane but also methane, the main component of liquefied natural gas. This is because the mixed gas of and ethane can be directly converted to hydrogen by steam reforming reaction, and the urban natural gas pipe can produce hydrogen gas for use in a small domestic fuel cell. The steam reforming reaction of liquefied natural gas is a reaction in which methane and ethane, the main constituents of liquefied natural gas, react with steam to produce carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen, the main product, and the reactant water vapor / carbon ratio, reaction temperature, and catalyst used. Since the yield of the product can be adjusted, the reactivity can be adjusted according to desired purposes such as hydrogen gas production for fuel cells or synthesis gas production.

한편, 연료전지용 수소가스 생산을 위한 상업적 공정에서는, 통상적으로 반응물인 수증기/탄소의 비율이 3~5 이상이고, 반응온도가 800℃ 이상인 반응 조건하에서, α-알루미나에 담지된 니켈 촉매를 사용하여 수증기 개질 반응에 의해 수소를 제조한다. 그러나, 이러한 상업적 수증기 개질반응은 높은 반응온도를 요구하며 다량의 물이 수증기로 기화되어야 하기 때문에 열 공급 측면에서 경제성 문제가 발생하며, 알루미나에 담지된 니켈 촉매의 비활성화가 심각하다는 문제점이 있다 [J. Sehested, Catal. Today, 111권, 103쪽 (2006년)]. 따라서, 수증기 개질 반응에서는 반응물인 수증기/탄소의 비율 및 반응온도를 낮추고, 그에 따른 수소 수율 저하 및 촉매 비활성화 문제를 개선하여 생성물 내 수소/일산화탄소의 비율이 높은, 즉 수소의 선택도가 높은 촉매를 개발하는 것이 가장 중요한 과제이다.Meanwhile, in a commercial process for producing hydrogen gas for fuel cells, a nickel catalyst supported on α-alumina is generally used under reaction conditions in which the ratio of water vapor / carbon, which is a reactant, is 3 to 5 or more and the reaction temperature is 800 ° C. or more. Hydrogen is produced by steam reforming reaction. However, such a commercial steam reforming reaction requires a high reaction temperature and because a large amount of water must be vaporized with water vapor, there is an economic problem in terms of heat supply, and there is a problem that the deactivation of the nickel catalyst supported on the alumina is serious [J . Sehested, Catal. Today, vol. 111, 103 (2006)]. Therefore, in the steam reforming reaction, the ratio of the water vapor / carbon as a reactant and the reaction temperature are lowered, thereby reducing the hydrogen yield and the catalyst deactivation problem. Thus, a catalyst having a high ratio of hydrogen / carbon monoxide in the product, that is, a high selectivity of hydrogen is selected. Developing is the most important task.

현재까지 메탄의 수증기 개질반응에 사용된 촉매로는 담지된 주촉매 금속에 따라, 니켈 이외에도 루테늄 또는 로듐과 같은 귀금속 계열의 촉매, 칼슘, 마그네슘, 란탄, 세륨 및 이테르븀 등과 같은 알칼리토금속 또는 란탄족 원소를 조촉매로 이용한 촉매 등이 개시된 바 있고, 또한, 담체로는, 알루미나 이외에도 지르코니아, 실리카, 실리카-지르코니아, 세리아-지르코니아 및 알루미나-세리아-지르코니아 등이 개시된 바 있다. 특히, 세리아 또는 지르코니아 담체의 경우, 수증기 개질반응에서 수증기가 촉매표면에 흡착되는 작용이 증진되어 촉매표면에 흡착된 탄화수소의 수월한 가스화 반응을 유도하며, 그 결과 탄화수소의 전환율과 수소 수율 을 향상시키는 긍정적인 역할을 수행함과 동시에, 알루미나에 담지된 니켈 촉매의 문제점인 탄소 침적 및 소결 등과 같은 촉매 비활성화 요인도 상당히 감소시키는 것으로 알려지고 있다. 그러나, 지르코니아 자체를 담체로 직접 이용하는 것은 알루미나 담체에 비해 가격 경쟁력이 현저히 떨어지고, 열적 안정성이나 기계적 안정성이 떨어진다는 문제점을 야기한다.To date, catalysts used for steam reforming of methane include, depending on the supported main catalyst metals, catalysts of precious metals such as ruthenium or rhodium, alkaline earth metals or lanthanide elements such as calcium, magnesium, lanthanum, cerium and ytterbium, in addition to nickel. And catalysts using as a cocatalyst have been disclosed, and zirconia, silica, silica-zirconia, ceria-zirconia, alumina-ceria-zirconia, and the like have been disclosed as carriers. Particularly, in the case of ceria or zirconia carriers, the adsorption of water vapor to the catalyst surface in the steam reforming reaction is enhanced to induce easy gasification of the hydrocarbon adsorbed on the catalyst surface, resulting in a positive conversion of the hydrocarbon and the hydrogen yield. At the same time, it is known to significantly reduce the catalyst deactivation factors such as carbon deposition and sintering, which are problems of the nickel catalyst supported on alumina. However, the direct use of zirconia itself as a carrier causes a problem that the price competitiveness is significantly lower than that of the alumina carrier, and that thermal stability and mechanical stability are poor.

전술한 바와 같이, 메탄의 수증기 개질반응에 사용되는 촉매의 경우, 주촉매, 조촉매 및 담체에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔으나, 메탄과 에탄을 주성분으로 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 대해서는 아직 심도 있는 연구가 진행된 바 없으며, 또한 이러한 반응에 사용될 수 있는 최적의 촉매계 역시 명확하게 제시된 바가 없다.As described above, in the case of a catalyst used for steam reforming of methane, various studies have been conducted on main catalysts, cocatalysts, and carriers, but steam reforming reactions of liquefied natural gas containing methane and ethane as main components have been conducted. No in-depth research has yet been conducted and the optimal catalyst system that can be used for this reaction has not been clearly presented.

본 발명은 순수한 메탄의 수증기 개질반응보다는, 비교적 저렴한 메탄과 에탄의 혼합가스로 이루어진 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의해 수소 가스를 제조하고자 한다.The present invention intends to produce hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas consisting of a relatively inexpensive mixed gas of methane and ethane, rather than steam reforming of pure methane.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, 상업적으로 널리 이용되고 있는 α-알루미나에 담지된 니켈 촉매 촉매의 문제점을 개선하였으면서도 지르코니아 담체가 갖는 장점들을 보유하고, 반응 활성, 촉매 안정성, 경제성 및 대량생산성 등에 있어서 우수한 특성을 갖는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매를 제공하는 것이다.Accordingly, the first technical problem to be achieved by the present invention is to improve the problems of the nickel catalyst catalyst supported on the α-alumina which is widely used commercially while retaining the advantages of the zirconia carrier, reaction activity, catalyst stability, economical And a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas having excellent characteristics in mass productivity and the like.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는, 상기 액화천연가스 의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법을 제공하는 것이다.In addition, a second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for preparing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of the liquefied natural gas.

마지막으로, 본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는, 상기 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법을 제공하는 것이다.Finally, a third technical problem to be achieved by the present invention is to provide a hydrogen gas production method using a supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of the liquefied natural gas.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,The present invention to achieve the first technical problem,

알루미나 및 상기 알루미나의 표면에 그래프팅 (grafting)된 지르코니아를 포함하는 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체; 및An alumina-zirconia composite oxide carrier comprising alumina and zirconia grafted on the surface of the alumina; And

상기 복합산화물 담체에 담지된 촉매 금속을 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매를 제공한다.Provided is a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of a liquefied natural gas containing a catalyst metal supported on the composite oxide support.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체는 상기 알루미나 100 중량부에 대해서 상기 지르코니아 1 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the alumina-zirconia composite oxide carrier may include 1 to 50 parts by weight of the zirconia with respect to 100 parts by weight of the alumina.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매 금속은 Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg 또는 그 혼합물일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the catalyst metal is Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg or mixtures thereof.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매 금속은 상기 복합산화물 담체 100 중량부에 대해서 1 내지 50 중량부의 함량으로 담지될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the catalyst metal may be supported in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite oxide carrier.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복합산화물 담체의 비표 면적은 50 m2/g 내지 300 m2/g일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the specific surface area of the composite oxide carrier may be 50 m 2 / g to 300 m 2 / g.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매 금속의 평균 입경은 2 내지 50 nm일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the average particle diameter of the catalyst metal may be 2 to 50 nm.

또한, 본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,In addition, the present invention to achieve the second technical problem,

a) 유기 용매 중에 알루미나 분말을 분산시킨 다음, 염기성 촉매를 첨가하여 상기 알루미나 분말의 표면을 활성화시키는 단계;a) dispersing the alumina powder in an organic solvent and then adding a basic catalyst to activate the surface of the alumina powder;

b) 상기 알루미나 분말에 지르코늄 전구체를 첨가하여 반응시키는 단계;b) adding and reacting a zirconium precursor to the alumina powder;

c) 상기 b) 단계의 반응 결과물을 유기 용매로 세척하여 슬러리를 제조하는 단계;c) preparing a slurry by washing the reaction product of step b) with an organic solvent;

d) 상기 슬러리에 증류수를 첨가하여 수화 및 축합반응을 수행하는 단계;d) performing hydration and condensation by adding distilled water to the slurry;

e) 상기 d) 단계의 반응 결과물을 여과하고, 상기 여과물을 건조 및 열처리하여 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 제조하는 단계;e) filtering the reaction product of step d), drying and heat treating the filtrate to prepare an alumina-zirconia composite oxide carrier;

f) 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체 및 촉매 금속 전구체를 분산매에 넣고 균일하게 혼합하는 단계; 및f) mixing the alumina-zirconia composite oxide carrier and the catalyst metal precursor in a dispersion medium and uniformly mixing them; And

g) 상기 혼합물을 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법을 제공한다.g) It provides a method for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas comprising the step of drying and heat treatment the mixture.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 a) 및 c) 단계의 유기 용매는 톨루엔, 2-부탄올, 벤젠, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 크실렌, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세톤, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, n-헥산, 이소프로필알콜, 트리클로로에틸렌, 1,1,1-트리클로로에탄 및 펜탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the organic solvent of the a) and c) step is toluene, 2-butanol, benzene, ethylbenzene, trimethylbenzene, xylene, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetone, ethyl acetate And butyl acetate, n-hexane, isopropyl alcohol, trichloroethylene, 1,1,1-trichloroethane, and at least one organic solvent selected from the group consisting of pentane.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 염기성 촉매는 에틸아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 트리메틸아민, N-메틸피롤리딘, 피리딘, 4-(N,N-디메틸아미노)피리딘, 4-(N,N-디에틸아미노)피리딘, N,N-디메틸포름아미드 및 1-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 염기성 촉매일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the basic catalyst is ethylamine, diethylamine, triethylamine, trimethylamine, N-methylpyrrolidine, pyridine, 4- (N, N-dimethylamino) pyridine, 4 At least one basic catalyst selected from the group consisting of-(N, N-diethylamino) pyridine, N, N-dimethylformamide and 1-methyl-2-pyrrolidone.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 a) 단계의 알루미나 분말 및 염기성 촉매의 첨가량은 상기 유기 용매 100 중량부에 대해서, 각각 1 내지 5 중량부 및 0.1 내지 3 중량부일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the amount of the alumina powder and the basic catalyst added in step a) may be 1 to 5 parts by weight and 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent, respectively.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 a) 단계는 10℃ 내지 80℃의 온도에서 0.5시간 내지 3시간 동안 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, step a) may be performed for 0.5 hours to 3 hours at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 b) 단계는 상기 알루미나 분말 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부의 지르코늄 전구체를 첨가함으로써 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, step b) may be performed by adding 1 to 50 parts by weight of zirconium precursor based on 100 parts by weight of the alumina powder.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 b) 단계는 상기 지르코늄 전구체를 0.01 g/min 내지 0.1 g/min의 속도로 첨가 및 교반하면서, 10℃ 내지 80℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the step b) is for 3 to 10 hours at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃ while adding and stirring the zirconium precursor at a rate of 0.01 g / min to 0.1 g / min Can be performed.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 지르코늄 전구체는 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide), 지르코늄 프로폭사이드 (zirconium propoxide), 지르코늄 터셔리-부톡사이드 (zirconium tert-butoxide), 지르코늄 이 소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 지르코늄 알콕사이드 (zirconium alkoxide)일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the zirconium precursor is zirconium butoxide (zirconium butoxide), zirconium propoxide, zirconium tert-butoxide (zirconium tert-butoxide), zirconium isopropoxide Zirconium alkoxide selected from the group consisting of zirconium isopropoxide and mixtures thereof.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 c) 단계는 1회 내지 5회 반복 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, step c) may be performed once to five times.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 d) 단계의 수화 및 축합반응은 상기 증류수 100 중량부에 대해서 상기 슬러리 1 내지 20 중량부를 첨가하고, 10℃ 내지 80℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 반응시킴으로써 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the hydration and condensation reaction of step d) is added 1 to 20 parts by weight of the slurry relative to 100 parts by weight of the distilled water, 3 to 10 hours at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃ Can be carried out by reaction.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 e) 및 g) 단계의 건조는 70℃ 내지 200℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행되며, 열처리는 400℃ 내지 800℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the drying of the steps e) and g) is carried out for 1 to 10 hours at a temperature of 70 ℃ to 200 ℃, heat treatment 3 to 10 at a temperature of 400 ℃ to 800 ℃ May be performed for a time.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 f) 단계는 상기 알루미나-지르코니아 복합 산화물 담체 100 중량부에 대해서 상기 촉매 금속 전구체 1 내지 50 중량부를 첨가함으로써 수행될 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, step f) may be performed by adding 1 to 50 parts by weight of the catalyst metal precursor with respect to 100 parts by weight of the alumina-zirconia composite oxide carrier.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 f) 단계의 분산매는 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 부틸 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 알코올계 용매; 또는 그 혼합물일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the dispersion medium of step f) is water; One or more alcoholic solvents selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butyl alcohol; Or mixtures thereof.

마지막으로, 본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,Finally, the present invention to achieve the third technical problem,

상기 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 표면 온도를 500℃ 내지 900℃로 유지하면서 질소 및 수소 혼합가스를 흘려줌으로 써 전처리하는 단계; 및Pretreatment by flowing nitrogen and hydrogen mixed gas while maintaining the surface temperature of the supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of the liquefied natural gas at 500 ° C to 900 ° C; And

상기 전처리된 담지 촉매의 표면 상에, 500℃ 내지 900℃의 반응 온도를 유지하면서, 메탄가스 및 에탄가스를 포함하는 액화천연가스와 수증기를 2,000 ml/h·g-촉매 내지 30,000 ml/h·g-촉매의 공간속도로 흘려주는 단계를 포함하는 수소가스 제조방법을 제공한다.2,000 ml / h · g-catalyst to 30,000 ml / h · of liquefied natural gas and water vapor containing methane gas and ethane gas while maintaining a reaction temperature of 500 ° C. to 900 ° C. on the surface of the pre-treated supported catalyst. It provides a method for producing hydrogen gas comprising the step of flowing at the space velocity of the g-catalyst.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 질소 및 수소 혼합가스의 수소/질소 혼합 부피비는 0.01 내지 0.3일 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen / nitrogen mixing volume ratio of the nitrogen and hydrogen mixed gas may be 0.01 to 0.3.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 상기 전처리 시간은 2 내지 8시간일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the pretreatment time may be 2 to 8 hours.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액화천연가스 및 수증기의 혼합 부피비는 1 내지 10일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the mixed volume ratio of the liquefied natural gas and water vapor may be 1 to 10.

본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따르면, 상기 액화천연가스의 메탄가스/에탄가스 혼합 부피비는 99.9 내지 9일 수 있다.According to another preferred embodiment of the present invention, the liquefied natural gas methane gas / ethane gas mixing volume ratio may be 99.9 to 9.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 순수한 메탄의 수증기 개질반응보다는 비교적 저렴한 메탄과 에탄의 혼합가스로 이루어진 액화천연가스를 별도의 분리공정 없이 원료로 사용하여 수증기 개질 반응에 의해서 높은 탄화수소 전환율과 수소 수율을 달성하면서 수소 가스를 제조하고자 하였으며, 기존 담체에 비해서 경제성, 열적 안정성 또는 기계적 안정성이 우수한 담체를 사용하여 종래의 문제점을 극복하고자 하였다.In the present invention, using a liquefied natural gas consisting of a relatively inexpensive mixture of methane and ethane as a raw material rather than the steam reforming reaction of pure methane as a raw material without a separate separation process by using a steam reforming reaction to achieve high hydrocarbon conversion and hydrogen yield while hydrogen gas In order to prepare, and to overcome the conventional problems by using a carrier having excellent economic, thermal stability or mechanical stability compared to the existing carrier.

액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조방법에서는, 반응물인 탄화수소 및 수증기가 금속 촉매 혹은 담체에 흡착하여 결과물인 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성하게 되는데, 이러한 반응은 담지 촉매와 촉매 금속의 상호작용에 의한 활성 촉매 금속 입자의 크기 및 담체 상에 존재하는 금속상의 분포 상태에 영향을 받게 되며, 결과적으로 촉매의 반응성은 담체의 종류에 큰 영향을 받게 된다. 본 발명에 따라서 제조된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체에 담지된 촉매 금속은 상용 담체인 알루미나 등에 일반적인 함침법 등에 의해서 담지된 촉매 금속과는 상이한 금속-담체 상호작용을 유발하기 때문에, 메탄가스 및 에탄가스를 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에서 탄화수소의 반응성 및 수소수율을 현저하게 향상시킬 수 있게 된다.In the method for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, hydrocarbons and steam as reactants are adsorbed onto a metal catalyst or carrier to generate hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide as a result. It is influenced by the size of the active catalyst metal particles and the distribution state of the metal phase present on the carrier by the action, and as a result, the reactivity of the catalyst is greatly influenced by the type of the carrier. The catalyst metal supported on the alumina-zirconia composite oxide carrier prepared according to the present invention causes a metal-carrier interaction different from that of the catalyst metal supported by a common impregnation method such as alumina, which is a commercial carrier. In the steam reforming of the liquefied natural gas comprising a, it is possible to significantly improve the reactivity and hydrogen yield of the hydrocarbon.

이를 더욱 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매는 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체에 촉매 금속이 담지된 형태를 가지며, 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체는 상용 알루미나의 표면에 지르코니아를 그래프팅법 (grafting method)에 의해서 접부침시키는 변형 과정을 통해서 제조된 것으로서, 통상적인 순수 지르코니아 담체에 비해서 결정 구조 내의 정방정계상 (tetargonal phase)의 비율이 높다는 특징을 갖는다. 즉, 통상적인 순수 지르코니아 담체는 고온 열처리 과정을 겪게 되면 정방정계상에 비해서 단사정계상 (monoclinic phase)이 열적으로 더욱 안정하기 때문에, 결정 구조 내에서 단사정계상이 지배적으로 나타나는데 비해서, 본 발명에 따른 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체는 고온 열처리에도 불구하고 정방정계상이 결정 구조의 대부분을 차지하게 된다. 이는, 알루미나 성분과 지르코니아 성 분과의 표면 상호작용에 의한 지르코니아 정방정계상의 안정화 현상에 기인한 것으로 판단된다.In more detail, the supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas according to the present invention has a form in which a catalyst metal is supported on an alumina-zirconia composite oxide carrier, and the alumina-zirconia composite oxide carrier It is manufactured through the modification process of grafting zirconia on the surface of commercial alumina by the grafting method, and has a higher ratio of tetragonal phase in the crystal structure compared to a normal pure zirconia carrier. Have That is, conventional pure zirconia carriers have a monoclinic phase thermally more stable than a tetragonal phase when subjected to high temperature heat treatment, so that a monoclinic phase dominates in the crystal structure. According to the alumina-zirconia composite oxide support, the tetragonal phase occupies most of the crystal structure despite the high temperature heat treatment. This may be due to the stabilization phenomenon of the zirconia tetragonal system due to the surface interaction between the alumina component and the zirconia component.

따라서, 본 발명에 따르면, 지르코니아 담체의 높은 탄화수소 전환율, 높은 수소 수율 및 촉매 비활성화 억제와 같은 장점들은 그대로 보유하면서도, 경제성, 열적 안정성 및 기계적 안정성 등과 같은 단점들은 보완이 가능한 새로운 복합산화물 담체를 제공할 수 있게 된다.Thus, according to the present invention, while maintaining the advantages such as high hydrocarbon conversion, high hydrogen yield and catalyst deactivation suppression of the zirconia carrier, it is possible to provide a new composite oxide carrier which can compensate for the disadvantages such as economical efficiency, thermal stability and mechanical stability. It becomes possible.

상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체에 있어서, 담체 중의 알루미나 및 지르코니아의 함량은 알루미나 100 중량부에 대해서 상기 지르코니아 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하고, 10 내지 35 중량부인 것이 더욱 바람직하며, 10 내지 25 중량부인 것이 더더욱 바람직한데, 지르코니아의 함량이 1 중량부 미만인 경우에는 지르코니아의 장점을 충분히 보유할 수 없다는 문제점, 즉 탄화수소 전환율 저하, 수소 수율 저하 및 촉매 비활성화와 같은 문제점이 있을 수 있어서 바람직하지 않고, 50 중량부를 초과하는 경우에는 알루미나에 의한 지르코니아의 단점 보완 효과를 충분히 누릴 수 없다는 문제점, 즉 경제적이 못하고, 열적 및 기계적으로 불안정해질 수 있다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.In the alumina-zirconia composite oxide support, the content of alumina and zirconia in the support is preferably 1 to 50 parts by weight of the zirconia, more preferably 10 to 35 parts by weight, and 10 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of alumina. Even more preferable, but if the content of zirconia is less than 1 part by weight, it is not preferable because there is a problem that can not sufficiently retain the advantages of zirconia, that is, there may be problems such as reduced hydrocarbon conversion, reduced hydrogen yield and catalyst deactivation, 50 weight In the case where the amount is exceeded, the disadvantage of zirconia by alumina may not be sufficiently compensated for, that is, it is not economical and thermally and mechanically unstable.

본 발명에 따른 담지 촉매는, 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체에 탄화수소의 수소화 반응을 촉매하는 촉매 금속을 담지시킴으로써 제조될 수 있으며, 이러한 촉매 금속으로는 당업계에서 수소화 반응에 통상적으로 사용되는 촉매 금속들로서, 그 비제한적인 예로는 Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg 또는 그 혼합물 등과 같은 다양한 촉매 금속들이 사용가능하다.The supported catalyst according to the present invention may be prepared by supporting a catalyst metal for catalyzing the hydrogenation reaction of a hydrocarbon on the alumina-zirconia composite oxide support, and as such a catalyst metal, a catalyst metal commonly used in the hydrogenation reaction in the art. As non-limiting examples, Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg or mixtures thereof Various catalytic metals such as and the like can be used.

상기 촉매 금속의 담지체에 대한 담지량은, 상기 복합산화물 담체 100 중량부에 대해서 1 내지 50 중량부의 함량인 것이 바람직하고, 10 내지 35 중량부인 것이 더욱 바람직한데, 촉매 금속의 담지량이 1 중량부 미만인 경우에는 충분한 촉매 활성을 나타낼 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않고, 50 중량부를 초과하는 경우에는 담지된 촉매량에 비해서 거둘 수 있는 촉매 활성 증가 효과가 미미하여 경제적으로 불리하다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.The amount of the catalyst metal supported on the support is preferably 1 to 50 parts by weight, more preferably 10 to 35 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite oxide carrier, and the amount of the catalyst metal to be supported is less than 1 part by weight. In this case, it is not preferable because there is a problem in that it cannot exhibit sufficient catalytic activity, and in the case of exceeding 50 parts by weight, it is not preferable because there is a disadvantage in terms of economically disadvantageous effect of increasing the catalytic activity that can be reaped compared to the amount of the supported catalyst.

한편, 본 발명에 따른 담지 촉매에 있어서, 상기 복합산화물 담체의 비표면적은 50 m2/g 내지 300 m2/g로서, 담지되는 촉매 금속의 원활한 분산을 유도하여 충분한 촉매 활성을 담보할 수 있을 뿐만 아니라, 담지 촉매가 허용가능한 기계적 물성을 갖는 것을 보장하고, 고온에서도 열적으로 안정한 특성을 갖는다.On the other hand, in the supported catalyst according to the present invention, the specific surface area of the composite oxide carrier is 50 m 2 / g to 300 m 2 / g, which can induce a smooth dispersion of the supported catalyst metal to ensure sufficient catalytic activity In addition, it ensures that the supported catalyst has acceptable mechanical properties and has thermally stable properties even at high temperatures.

상기 촉매 금속의 평균 입경은 2 내지 50 nm인 것이 바람직한데, 평균 입경이 2 nm 미만인 경우에는 촉매 금속 입자의 크기가 너무 작아서 충분한 촉매 활성을 나타낼 수가 없고, 50 nm를 초과하는 경우에는 촉매 금속 입자의 응집으로 인해서 촉매 활성이 나빠지는 문제점이 있어서 바람직하지 않기 때문이다.The average particle diameter of the catalyst metal is preferably 2 to 50 nm. If the average particle diameter is less than 2 nm, the size of the catalyst metal particles is too small to show sufficient catalytic activity. This is because there is a problem in that the catalytic activity is deteriorated due to the aggregation of.

본 발명은 또한 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서,The present invention also to achieve the above other technical problem,

a) 유기 용매 중에 알루미나 분말을 분산시킨 다음, 염기성 촉매를 첨가하여 상기 알루미나 분말의 표면을 활성화시키는 단계; b) 상기 알루미나 분말에 지르코늄 전구체를 첨가하여 반응시키는 단계; c) 상기 b) 단계의 반응 결과물을 유기 용 매로 세척하여 슬러리를 제조하는 단계; d) 증류수에 상기 슬러리를 첨가하여 수화 및 축합반응을 수행하는 단계; e) 상기 d) 단계의 반응 결과물을 여과하고, 상기 여과물을 건조 및 열처리하여 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 제조하는 단계; f) 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체 및 촉매 금속 전구체를 분산매에 넣고 균일하게 혼합하는 단계; 및 g) 상기 혼합물을 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법을 제공한다.a) dispersing the alumina powder in an organic solvent and then adding a basic catalyst to activate the surface of the alumina powder; b) adding and reacting a zirconium precursor to the alumina powder; c) preparing a slurry by washing the reaction product of step b) with an organic solvent; d) adding the slurry to distilled water to perform a hydration and condensation reaction; e) filtering the reaction product of step d), drying and heat treating the filtrate to prepare an alumina-zirconia composite oxide carrier; f) mixing the alumina-zirconia composite oxide carrier and the catalyst metal precursor in a dispersion medium and uniformly mixing them; And g) provides a method for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas comprising the step of drying and heat treatment the mixture.

먼저, 본 발명에 따른 담지 촉매의 제조방법에서는, 유기 용매 중에 알루미나 분말을 분산시키고 염기성 촉매에 의해서 알루미나 분말 표면을 활성화시키는 단계를 수행한다.First, in the preparation method of the supported catalyst according to the present invention, the alumina powder is dispersed in an organic solvent and the surface of the alumina powder is activated by a basic catalyst.

상기 유기 용매로는 알루미나의 원활한 분산이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 그 비제한적인 예로는, 톨루엔, 2-부탄올, 벤젠, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 크실렌, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세톤, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, n-헥산, 이소프로필알콜, 트리클로로에틸렌, 1,1,1-트리클로로에탄 및 펜탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매를 들 수 있다.The organic solvent is not particularly limited as long as it can smoothly disperse alumina, and non-limiting examples thereof include toluene, 2-butanol, benzene, ethylbenzene, trimethylbenzene, xylene, methylethyl ketone, methyl isobutyl ketone, and acetone. And one or more organic solvents selected from the group consisting of ethyl acetate, butyl acetate, n-hexane, isopropyl alcohol, trichloroethylene, 1,1,1-trichloroethane and pentane.

상기 염기성 촉매는 알루미나의 표면을 활성화하여 이후 단계에서 첨가되는 지르코니아와의 그래프팅을 원활하게 하는 역할을 수행하며, 이에 대한 비제한적인 예로는 에틸아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 트리메틸아민, N-메틸피롤리딘, 피리딘, 4-(N,N-디메틸아미노)피리딘, 4-(N,N-디에틸아미노)피리딘, N,N-디메틸포름아미드 및 1-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 염기성 촉매를 들 수 있다.The basic catalyst serves to activate the surface of the alumina to facilitate grafting with zirconia added in a later step. Non-limiting examples include ethylamine, diethylamine, triethylamine, trimethylamine, N-methylpyrrolidine, pyridine, 4- (N, N-dimethylamino) pyridine, 4- (N, N-diethylamino) pyridine, N, N-dimethylformamide and 1-methyl-2-pyrroli And at least one basic catalyst selected from the group consisting of pigs.

상기 a) 단계의 알루미나 분말 및 염기성 촉매의 첨가량은 상기 유기 용매 100 중량부에 대해서, 각각 1 내지 5 중량부 및 0.1 내지 3 중량부인 것이 바람직한데, 알루미나 분말의 함량이 상기 범위 미만이거나 상기 범위를 초과하는 경우에는 알루미나 분말 표면의 활성화가 원활히 수행되지 않는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 염기성 촉매의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 알루미나 분말 표면의 활성화가 원활히 수행되지 않아서 알루미나와 지르코니아 간의 그래프팅이 원활히 이루어질 수 없는 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 지르코니아를 그래프팅하는 데 불리한 조건을 형성할 수 있는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.The addition amount of the alumina powder and the basic catalyst of the step a) is preferably 1 to 5 parts by weight and 0.1 to 3 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the organic solvent, respectively, and the content of the alumina powder is less than or within the above range. If it exceeds, there may be a problem that the activation of the surface of the alumina powder is not performed smoothly. In addition, when the content of the basic catalyst is less than the above range, there is a problem that the grafting between alumina and zirconia cannot be performed smoothly because the activation of the surface of the alumina powder is not performed smoothly. It is not desirable because there is a problem that can form adverse conditions.

한편, 상기 a) 단계의 분산 과정은 자력 교반기 등과 같은 통상의 교반기를 사용하여 10℃ 내지 80℃의 온도에서 0.5시간 내지 3시간 동안 수행될 수 있다.On the other hand, the dispersion process of step a) may be performed for 0.5 hours to 3 hours at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃ using a conventional stirrer, such as a magnetic stirrer.

이어서, 상기 a) 단계의 활성 알루미나 분산물에 지르코늄 전구체를 첨가하여 알루미나와 지르코니아 간의 그래프팅 반응을 수행하게 되는데, 이때 지르코늄 전구체의 첨가량은 상술한 바와 같은 이유로, 상기 알루미나 분말 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하고, 10 내지 35 중량부인 것이 더욱 바람직하며, 10 내지 25 중량부인 것이 더더욱 바람직하다.Subsequently, a zirconium precursor is added to the active alumina dispersion of step a) to perform a grafting reaction between alumina and zirconia, wherein the amount of the zirconium precursor is added based on 100 parts by weight of the alumina powder. It is preferably from 50 parts by weight, more preferably from 10 to 35 parts by weight, even more preferably from 10 to 25 parts by weight.

상기 b) 단계에서 유의해야 할 점은, 지르코늄 전구체는 수화 속도가 빠르기 때문에 유기 용매에 주입할 때 전량을 한번에 투입하는 것이 아니라, 소량씩 서서히 반복적으로 투입해야 하는데, 지르코늄 전구체는 수화 속도가 매우 빠르기 때문에, 공기 중의 노출을 최소화하면서 천천히 주입해야 알루미나 표면에 지르코늄 전 구체를 비교적 균일하게 그래프팅시킬 수가 있기 때문이다. 따라서, 상기 b) 단계는 상기 지르코늄 전구체를 0.01 g/min 내지 0.1 g/min의 속도로 첨가 및 교반하는 것이 바람직하며, 충분한 반응을 보장하기 위해서 반응온도 및 시간은 10℃ 내지 80℃의 온도 및 3 내지 10시간인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 6 내지 10시간이다.It should be noted that in step b), the zirconium precursor has a high hydration rate, and thus it is necessary to slowly and repeatedly add a small amount of the zirconium precursor to the hydration rate. This is because the zirconium precursor can be relatively uniformly grafted on the surface of the alumina by injecting it slowly while minimizing the exposure in the air. Therefore, in step b), the zirconium precursor is preferably added and stirred at a rate of 0.01 g / min to 0.1 g / min, and in order to ensure a sufficient reaction, the reaction temperature and time are 10 ° C. to 80 ° C. and It is preferable that it is 3 to 10 hours, More preferably, it is 6 to 10 hours.

상기 지르코늄 전구체로는, 이에 제한되는 것은 아니지만, 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide), 지르코늄 프로폭사이드 (zirconium propoxide), 지르코늄 터셔리-부톡사이드 (zirconium tert-butoxide), 지르코늄 이소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 지르코늄 알콕사이드 (zirconium alkoxide)가 사용될 수 있다.The zirconium precursor includes, but is not limited to, zirconium butoxide, zirconium propoxide, zirconium tert-butoxide, zirconium isopropoxide Zirconium alkoxides selected from the group consisting of

다음으로, 상기 b) 단계 이후 반응이 완료된 용액 중에 잔류하는 미결합 지르코늄 전구체를 제거하기 위한 세척 과정이 수행되어야 하며, 충분한 세척 및 전체 반응시간 단축 간의 균형을 고려할 때 상기 세척 과정은 1회 내지 5회 반복 수행될 수 있다. 상기 세척 과정에 사용되는 유기 용매는 상기 a) 단계에서 사용된 유기 용매와 동일하거나 다른 것일 수 있다.Next, after step b), a washing process for removing unbound zirconium precursor remaining in the reaction solution is to be performed, and the washing process is performed once to 5 times considering the balance between sufficient washing and shortening of the overall reaction time. Can be performed repeatedly. The organic solvent used in the washing process may be the same as or different from the organic solvent used in step a).

상기 세척 과정은 이후 d) 단계에서 수행되는 수화 및 축합 반응을 수행하기 위한 슬러리를 제조하는 단계로서, 세척이 완료되면 슬러리에 증류수를 첨가하여 수화 및 축합 반응을 수행함으로써, 알루미나 표면에 지르코늄을 지르코니아의 형태로 그래프팅시키게 된다. 이때, 수화 및 축합 반응에 적합한 슬러리 및 증류수의 함량비는 상기 증류수 100 중량부에 대해서 상기 슬러리 1 내지 10 중량부이고, 반응온도 및 시간은 10℃ 내지 80℃ 및 3 내지 10시간, 바람직하게는 6 내지 10시간일 수 있다.The washing process is a step of preparing a slurry for carrying out the hydration and condensation reaction carried out in step d), and when the washing is completed by adding distilled water to the slurry to perform the hydration and condensation reaction, zirconia on the surface of alumina It will be grafted in the form of. At this time, the content ratio of the slurry and distilled water suitable for the hydration and condensation reaction is 1 to 10 parts by weight of the slurry with respect to 100 parts by weight of the distilled water, the reaction temperature and time is 10 ℃ to 80 ℃ and 3 to 10 hours, preferably It can be 6 to 10 hours.

이어서, 복합산화물 담체를 제조하기 위한 마지막 단계로서, 상기 수화 및 축합 반응의 반응 결과물을 감압여과기 등을 사용하여 여과하여 고체 성분을 수득한 다음, 상기 여과물을 건조 및 열처리하는 단계를 수행하게 된다. 이때, 상기 건조는 70℃ 내지 200℃, 바람직하게는 100℃ 내지 150℃의 온도에서 1 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 수행되며, 열처리는 400℃ 내지 800℃, 바람직하게는 600℃ 내지 800℃, 더욱 바람직하게는 700℃ 내지 800℃의 온도에서 3 내지 10시간, 더욱 바람직하게는 5 내지 8시간 동안 수행될 수 있는데, 건조는 진공 조건에서 수행될 수도 있고 오븐에서 수행될 수도 있다.Subsequently, as a final step for preparing the composite oxide carrier, the reaction product of the hydration and condensation reaction is filtered using a vacuum filter to obtain a solid component, and then the filtrate is dried and heat treated. . At this time, the drying is carried out for 1 to 10 hours, preferably 3 to 5 hours at a temperature of 70 ℃ to 200 ℃, preferably 100 ℃ to 150 ℃, heat treatment 400 ℃ to 800 ℃, preferably 600 It may be carried out for 3 to 10 hours, more preferably 5 to 8 hours at a temperature of ℃ to 800 ℃, more preferably 700 ℃ to 800 ℃, drying may be carried out in a vacuum condition or in an oven have.

상술한 a) 내지 e) 단계에 의해서 제조된 알루미나-지르코니아 복합 산화물 담체에 촉매 금속을 담지시킴으로써 본 발명에 따른 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매를 제조할 수 있게 되는데, 촉매 금속의 담지 과정은 담체 및 촉매 금속 전구체를 분산매에 넣고 균일하게 혼합한 다음, 결과물을 건조 및 열처리함으로써 수행될 수 있다.By supporting the catalyst metal on the alumina-zirconia composite oxide carrier prepared by the above steps a) to e), it is possible to prepare a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas according to the present invention. The supporting process of the metal may be carried out by placing the carrier and the catalyst metal precursor in a dispersion medium, mixing them uniformly, and drying and heat treating the resultant.

이때, 상술한 바와 같은 촉매 금속 함량을 얻기 위해서, 상기 알루미나-지르코니아 복합 산화물 담체 100 중량부에 대해서 상기 촉매 금속 전구체 1 내지 50 중량부를 첨가하는 것이 바람직하고, 10 내지 35 중량부를 첨가하는 것이 더욱 바람직하다. 분산매로는 물, 알코올계 용매 또는 그 혼합물을 사용할 수 있고, 상기 알코올계 용매로는 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 부틸 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.At this time, in order to obtain the catalyst metal content as described above, it is preferable to add 1 to 50 parts by weight of the catalyst metal precursor, and more preferably 10 to 35 parts by weight based on 100 parts by weight of the alumina-zirconia composite oxide carrier. Do. As a dispersion medium, water, an alcoholic solvent or a mixture thereof may be used, and as the alcoholic solvent, one or more selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and butyl alcohol may be used.

한편, 상기 촉매 금속 전구체로는 상술한 Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg 또는 그 혼합물을 촉매 금속으로서 담지시키기 위해서 다양한 전구체들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 촉매 금속이 니켈인 경우에는, 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트 (nickel nitrate hexahydrate), 니켈 클로라이드 헥사하이드레이트 (nickel chloride hexahydrate), 니켈 아세테이트 테트라하이드레이트 (nickel acetate tetrahydrate), 니켈 브로마이드 하이드레이트 (nickel bromide hydrate) 등과 같은 다양한 니켈 수화물들이 사용될 수 있다. 또한, 촉매 금속이 백금, 루테늄 또는 금 등의 다양한 금속인 경우에는 H2PtCl4, H2PtCl6, K2PtCl4, K2PtCl6, (NH4)2[RuCl6], (NH4)2[RuCl5H20], H2[AuCl4], (NH4)2[AuCl4], H[Au(NO3)4]H2O 등과 같은 다양한 전구체들이 사용될 수 있으며, 당업자라면 담지시키고자 하는 금속의 종류에 따라 알맞는 전구체들을 선택할 수 있을 것이다.Meanwhile, the catalyst metal precursor may be Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg, or Various precursors can be used to support the mixture as catalyst metal. For example, if the catalyst metal is nickel, nickel nitrate hexahydrate, nickel chloride hexahydrate, nickel acetate tetrahydrate, nickel bromide hydrate Various nickel hydrates such as) may be used. In addition, when the catalytic metal is various metals such as platinum, ruthenium or gold, H 2 PtCl 4 , H 2 PtCl 6 , K 2 PtCl 4 , K 2 PtCl 6 , (NH 4 ) 2 [RuCl 6 ], (NH 4 ) Various precursors such as 2 [RuCl 5 H 2 0], H 2 [AuCl 4 ], (NH 4 ) 2 [AuCl 4 ], H [Au (NO 3 ) 4 ] H 2 O, and the like, may be used. Suitable precursors may be selected according to the type of metal to be supported.

담체 및 촉매 금속 전구체의 분산 결과물에 대한 건조 및 열처리는 상기 e) 단계의 여과물에 대한 건조 및 열처리와 동일한 온도 및 시간 조건에서 수행될 수 있는데, 건조는 70℃ 내지 200℃, 바람직하게는 100℃ 내지 150℃의 온도에서 1 내지 10시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 동안 수행되며, 열처리는 400℃ 내지 800℃, 바람직하게는 600℃ 내지 800℃, 더욱 바람직하게는 700℃ 내지 800℃의 온도에서 3 내지 10시간, 더욱 바람직하게는 5 내지 8시간 동안 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 400 ℃보다 낮으면 촉매의 결정 구조가 잘 형성되지 않고, 800 ℃보다 높으면 촉매 활성이 낮은 금속상이 형성된다는 문제점이 있으며, 상기 소성 시간이 3시간 미만이면 촉매의 결정 구조가 충분히 형성되지 않을 수 있고, 10시간을 초과하면 불필요한 시간을 더 소비하게 되어 경제적으로 불리하다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 소성 분위기는 공기 분위기도 무방하며, 특별히 제한되지는 않는다.Drying and heat treatment of the dispersion product of the carrier and the catalyst metal precursor may be carried out at the same temperature and time conditions as the drying and heat treatment of the filtrate of step e), the drying is 70 ℃ to 200 ℃, preferably 100 1 to 10 hours, preferably 3 to 5 hours at a temperature of ℃ to 150 ℃, heat treatment is 400 ℃ to 800 ℃, preferably 600 ℃ to 800 ℃, more preferably of 700 ℃ to 800 ℃ The temperature may be performed for 3 to 10 hours, more preferably for 5 to 8 hours. If the heat treatment temperature is lower than 400 ℃, the crystal structure of the catalyst is not well formed, if higher than 800 ℃ there is a problem that a metal phase with low catalytic activity is formed, if the baking time is less than 3 hours, the crystal structure of the catalyst is sufficiently formed If not more than 10 hours is unnecessary because there is a problem that the unnecessary time is consumed more economically disadvantageous. The firing atmosphere may also be an air atmosphere, and is not particularly limited.

마지막으로, 본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위해서,Finally, the present invention to achieve the third technical problem,

상기 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 표면 온도를 500℃ 내지 900℃로 유지하면서 질소 및 수소 혼합가스를 흘려줌으로써 전처리하는 단계; 및 상기 전처리된 담지 촉매의 표면 상에, 500℃ 내지 900℃의 반응 온도를 유지하면서, 메탄가스 및 에탄가스를 포함하는 액화천연가스와 수증기를 2,000 ml/h·g-촉매 내지 30,000 ml/h·g-촉매의 공간속도로 흘려주는 단계를 포함하는 수소가스 제조방법을 제공한다.Pretreatment by flowing a mixture of nitrogen and hydrogen while maintaining the surface temperature of the supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of the liquefied natural gas at 500 ° C to 900 ° C; And 2,000 ml / h · g-catalyst to 30,000 ml / h of liquefied natural gas and water vapor including methane gas and ethane gas while maintaining a reaction temperature of 500 ° C. to 900 ° C. on the surface of the pretreated supported catalyst. It provides a method for producing hydrogen gas comprising the step of flowing at the space velocity of the g-catalyst.

본 발명에 따른 수소가스 제조방법은 별도의 메탄/에탄 분리과정이 없이도, 혼합가스 자체를 원료로 사용하여 수증기 개질반응에 의해서 수소가스를 제조할 수 있는데, 상술한 바와 같이 제조된 담지 촉매를 먼저 전처리하여 환원시킨 다음, 소정의 반응온도에서 적합한 공간속도로 반응물인 액화천연가스 및 수증기를 촉매층 표면으로 흘려줌으로써 수행될 수 있다.In the hydrogen gas production method according to the present invention, hydrogen gas can be produced by steam reforming reaction using the mixed gas itself as a raw material without a separate methane / ethane separation process. After pretreatment and reduction, the reaction may be carried out by flowing the reactant liquefied natural gas and water vapor to the surface of the catalyst layer at a suitable space velocity at a predetermined reaction temperature.

상기 전처리 또는 환원 단계의 반응온도 및 이후 수증기 개질반응의 반응온도는 500℃ 내지 900℃인 것이 바람직하고, 600℃ 내지 800℃인 것이 더욱 바람직 하며, 700℃ 내지 800℃인 것이 더더욱 바람직한데, 반응온도가 500℃ 미만인 경우에는 액화천연가스의 전환율과 수소 수율이 낮다는 문제점이 있고, 900℃를 초과하는 경우에는 안전하고 안정적인 열공급이 이루어질 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.The reaction temperature of the pretreatment or reduction step and subsequent reaction temperature of the steam reforming reaction is preferably 500 ° C to 900 ° C, more preferably 600 ° C to 800 ° C, and even more preferably 700 ° C to 800 ° C, If the temperature is less than 500 ℃ has a problem that the conversion rate and the hydrogen yield of the liquefied natural gas is low, when the temperature exceeds 900 ℃ is not preferable because there is a problem that a safe and stable heat supply can not be made.

원활한 수증기 개질반응을 위한 또 하나의 중요한 척도로서 반응물인 액화천연가스와 수증기의 유입속도를 들 수 있으며, 이는 2,000 ml/h·g-촉매 내지 30,000 ml/h·g-촉매의 공간속도인 것이 바람직하고, 2,000 ml/h·g-촉매 내지 10,000 ml/h·g-촉매의 공간속도인 것이 더욱 바람직하며, 2,000 ml/h·g-촉매 내지 3,000 ml/h·g-촉매의 공간속도인 것이 더더욱 바람직하다. 유입속도가 2,000 ml/h·g-촉매 미만인 경우에는 본 발명에 따른 담지 촉매가 높은 탄화수소 전환율을 갖는다는 점을 고려할 때에 비효율적이고, 유입속도가 30,000 ml/h·g-촉매를 초과하는 경우에는 충분한 수증기 개질반응이 수행되지 않아서 미반응 액화천연가스가 생성될 수 있다는 점에서 바람직하지 않다. 이때, 충분한 탄화수소 전환율을 달성하기 위해서 바람직한 액화천연가스 및 수증기의 혼합 부피비는 1 내지 10이고, 더욱 바람직하게는 1 내지 5이며, 더더욱 바람직하게는 2 내지 3이다. 또한, 상기 액화천연가스의 메탄가스/에탄가스 혼합 부피비는 99.9 내지 9인 것이 바람직하고, 15 내지 9인 것이 더욱 바람직하다.Another important measure for a smooth steam reforming reaction is the inflow rates of liquefied natural gas and water vapor, which are the space velocities of 2,000 ml / h · g-catalyst to 30,000 ml / h · g-catalyst. More preferably, from 2,000 ml / h-g-catalyst to 10,000 ml / h-g-catalyst, and more preferably from 2,000 ml / h-g-catalyst to 3,000 ml / h-g-catalyst Even more preferred. If the inflow rate is less than 2,000 ml / h-g-catalyst, it is inefficient considering that the supported catalyst according to the present invention has a high hydrocarbon conversion rate, and if the inflow rate exceeds 30,000 ml / h-g-catalyst, It is undesirable in that sufficient steam reforming may not be carried out to produce unreacted liquefied natural gas. At this time, in order to achieve a sufficient hydrocarbon conversion rate, the preferred mixing volume ratio of liquefied natural gas and water vapor is 1 to 10, more preferably 1 to 5, even more preferably 2 to 3. In addition, the methane gas / ethane gas mixing volume ratio of the liquefied natural gas is preferably 99.9 to 9, more preferably 15 to 9.

또한, 촉매 금속의 환원을 위한 전처리 단계에서 흘려주는 질소 및 수소 혼합가스의 수소/질소 혼합 부피비는 0.01 내지 0.3인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.3인 것이 더욱 바람직하며, 0.2 내지 0.3인 것이 더더욱 바람직한데, 상기 범위 가 0.01 미만으로서 질소가스가 과량으로 존재하는 경우에는 촉매 금속이 충분히 환원되지 않을 수 있다는 문제점이 있고, 상기 범위가 0.3을 초과하여 수소가스가 과량으로 존재하는 경우에는 환원과정에서의 촉매 소결에 문제점이 있어서 바람직하지 않다. 한편, 전처리 시간은 충분한 촉매 환원 및 반응시간 단축의 적절한 균형을 위해서 2 내지 8시간인 것이 바람직하고, 2 내지 5시간인 것이 더욱 바람직하며, 3 내지 5시간인 것이 더더욱 바람직하다.In addition, the volume ratio of the hydrogen / nitrogen mixture of the nitrogen and the hydrogen mixed gas flowing in the pretreatment step for the reduction of the catalytic metal is preferably 0.01 to 0.3, more preferably 0.1 to 0.3, and even more preferably 0.2 to 0.3. However, when the nitrogen gas is present in excess of the range of less than 0.01, the catalyst metal may not be sufficiently reduced. In the case where the hydrogen gas is present in excess of the range of 0.3, the catalyst may be reduced. There is a problem in sintering, which is not preferable. On the other hand, the pretreatment time is preferably from 2 to 8 hours, more preferably from 2 to 5 hours, even more preferably from 3 to 5 hours in order to achieve a proper balance of sufficient catalytic reduction and reaction time shortening.

실제 수증기 개질반응에서 수증기 및 액화천연가스의 유입속도는 질량유속조절기를 사용하여 정밀조절이 가능하며, 수증기는 액상의 물을 실린지 펌프를 사용하여 주입하면서 동시에 기화시켜서 공급될 수 있다. 이때, 액상의 물이 예열되는 부분의 온도는 150℃ 내지 300℃, 바람직하게는 150℃ 내지 200℃로 유지될 수 있으며, 실린지 펌프에 의해서 주입되는 물이 즉시 수증기로 기화되어 액화천연가스와 충분히 혼합된 후 촉매층을 통과하도록 할 수 있다.In the actual steam reforming reaction, the inflow rate of steam and liquefied natural gas can be precisely controlled using a mass flow controller, and the steam can be supplied by vaporizing the liquid water at the same time using a syringe pump. At this time, the temperature of the portion where the liquid water is preheated can be maintained at 150 ℃ to 300 ℃, preferably 150 ℃ to 200 ℃, the water injected by the syringe pump is vaporized immediately with water vapor and liquefied natural gas and After sufficient mixing, it may be allowed to pass through the catalyst bed.

본 발명에 따른 담지 촉매는 탈황장치, 고온쉬프트 반응장치, 저온쉬프트 반응장치 및 프록스 (PROX) 반응장치 등과 함께 연료 개질장치로서 액화천연가스로부터 수소를 생산하여 연료전지에 공급하는 연료처리장치의 일부를 구성할 수 있을 것이다. 이때, 탈황장치는 후속되는 장치 내에 포함된 촉매를 피독시키는 황 화합물을 제거하는 역할을 담당하고, 고온쉬프트 반응장치 및 저온쉬프트 반응 장치는 연료전지 촉매층을 피독시키는 일산화탄소를 제거하는 역할을 담당하며, 프록스 반응 장치는 일산화탄소의 농도를 더욱 저감시켜 10 ppm 미만으로 감소시키는 역할을 담당하게 된다.The supported catalyst according to the present invention is a part of a fuel processing apparatus that produces hydrogen from liquefied natural gas as a fuel reformer together with a desulfurization apparatus, a high temperature shift reaction apparatus, a low temperature shift reaction apparatus, and a PROX reaction apparatus and supplies the fuel cell to a fuel cell. You will be able to configure At this time, the desulfurization apparatus serves to remove sulfur compounds that poison the catalyst contained in the subsequent apparatus, and the high temperature shift reaction apparatus and the low temperature shift reaction apparatus serve to remove carbon monoxide poisoning the fuel cell catalyst layer. The proxy reactor is responsible for further reducing the concentration of carbon monoxide to less than 10 ppm.

더 나아가, 상기 연료처리장치는 연료전지 스택과 함께 전반적인 연료전지 시스템을 구성하게 될 것이며, 상기 연료전지 스택은 단위 연료전지를 여러개 적층하거나 배열하여 이루어질 수 있고, 상기 단위 연료전지는 캐소드, 애노드 및 그 사이에 위치하는 전해질막을 포함하며 분리판을 더 포함할 수 있다.Furthermore, the fuel processing apparatus will form an overall fuel cell system together with a fuel cell stack, and the fuel cell stack may be formed by stacking or arranging a plurality of unit fuel cells, wherein the unit fuel cell includes a cathode, an anode and It may include an electrolyte membrane positioned therebetween and further include a separator.

이하, 구체적인 제조예, 실시예, 평가예 및 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하지만, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail through specific preparation examples, examples, evaluation examples, and comparative examples, but these examples are only intended to more clearly understand the present invention, and thus, limit the scope of the present invention. It is not intended to be.

제조예 1Preparation Example 1

본 발명에 따른 알루미나-Alumina in accordance with the present invention 지르코니아Zirconia 복합산화물  Complex oxide 담체의Carrier 제조 Produce

알루미나는 상업적으로 시판되는 Degussa의 γ-알루미나를 사용하였으며, 지르코늄 전구체로 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide)를 사용하였다. 자력교반기를 이용하여 트리에틸아민 (TEA) 0.6 ml와 톨루엔 100 ml를 혼합 교반하면서, 상기 γ-알루미나 3g을 트리에틸라민-톨루엔 혼합 용액 상에 첨가한 후 고분산시킴과 동시에 알루미나 표면의 히드록실기를 염기성 촉매인 트리에틸아민 (TEA)에 의해서 활성화시켰다.Alumina was a commercially available γ-alumina of Degussa, and zirconium butoxide was used as a zirconium precursor. While stirring and stirring 0.6 ml of triethylamine (TEA) and 100 ml of toluene using a magnetic stirrer, 3 g of the γ-alumina was added onto the triethylamine-toluene mixed solution, followed by high dispersion, and at the same time the hydroxide on the surface of the alumina. The actual group was activated by triethylamine (TEA), which is a basic catalyst.

이후, 상기 혼합 용액에 알루미나 중량 대비 25 중량%의 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide) 2.4g을 0.5시간에 걸쳐서 서서히 주입하고, 자력교반기를 이용하여 충분히 교반하면서 6시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 용액 중에서 알루미나 표면에 그래프팅되지 않은 지르코늄 전구체는 톨루엔에 녹이는 과정을 반복하고 원심분리기를 사용하여 여러 번의 세척과정을 통해서 제거하였다.Thereafter, 2.4 g of zirconium butoxide (25% by weight of zirconium butoxide) was slowly injected into the mixed solution over 0.5 hours, and reacted for 6 hours with sufficient stirring using a magnetic stirrer. The zirconium precursor that was not grafted on the surface of the alumina in the reaction solution was repeatedly dissolved in toluene and removed by several washing processes using a centrifuge.

이어서, 세척 후 얻어진 슬러리를 증류수 100 ml에 녹여 6시간 정도 수화 및 축합 반응을 실시하고, 감압분리기를 통해 걸러 얻어진 고체를 120℃ 오븐에서 3시간 건조하고, 건조된 고체를 공기분위기 하의 전기로에서 700℃로 5시간 동안 열처리함으로써 알루미나에 지르코니아가 그래프팅된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 제조하였다. 이렇게 제조된 담체를 Al2O3-ZrO2-1로 명명하였다.Subsequently, the slurry obtained after washing was dissolved in 100 ml of distilled water, followed by hydration and condensation for about 6 hours, and the solid obtained by filtration through a vacuum separator was dried for 3 hours in an oven at 120 ° C., and the dried solid was dried in an electric furnace under an air atmosphere. Alumina-zirconia composite oxide carrier grafted with zirconia on alumina was prepared by heat treatment at 5 ° C. for 5 hours. The carrier thus prepared was named Al 2 O 3 -ZrO 2 -1.

제조예 2Preparation Example 2

본 발명에 따른 알루미나-Alumina in accordance with the present invention 지르코니아Zirconia 복합산화물  Complex oxide 담체의Carrier 제조 Produce

알루미나에 그래프팅된 지르코니아의 중량비를 높이기 위해서, 제조예 1의 제조방법에 따라 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 제조하되, 증류수를 이용한 수화 및 축합반응을 수행하기 이전에, 세척된 슬러리를 2-부탄올 (2-Butanol)로 한번 더 세척한 뒤, 2-부탄올 100 ml에 녹인 후 자력교반기로 충분히 교반하였다. 이어서, 소량의 증류수(1ml)를 주입하여 6시간 정도 반응시키게 되면 알루미나에 그래프팅된 지르코늄 전구체의 부톡실기 (-OBu group)가 하이드록실기(-OH group)로 전환된다In order to increase the weight ratio of zirconia grafted to alumina, alumina-zirconia composite oxide carrier was prepared according to the preparation method of Preparation Example 1, but before the hydration and condensation reaction using distilled water, the washed slurry was subjected to 2-butanol. After washing once more with (2-Butanol), it was dissolved in 100 ml of 2-butanol and sufficiently stirred with a magnetic stirrer. Subsequently, when a small amount of distilled water (1 ml) is injected and reacted for about 6 hours, the butoxyl group (-OBu group) of the zirconium precursor grafted on alumina is converted into a hydroxyl group (-OH group).

상기 과정에 의해서 제조된 용액을 감압분리기를 이용하여 여과해서 얻어진 고체를 120℃ 오븐에서 3시간 동안 건조시키고 전기로에서 700℃에서 5시간 동안 소성하였다. 소성하여 얻어진 고체 시료를 다시 제조예 1의 방법에 따라 제조하여, 알루미나 표면에 결합을 이루지 못한 히드록실기나 이미 결합을 이루고 있는 지르코니아 자리 위에 추가적으로 지르코니아가 결합을 이루게 함으로써, 제조예 1 의 경우보다 지르코니아 함량이 증가된 알루미나-지르코니아 담체를 제조하였다. 이렇게 제조된 담체를 Al2O3-ZrO2-2로 명명하였다.The solution prepared by the above process was filtered using a vacuum separator, and the obtained solid was dried in an oven at 120 ° C. for 3 hours and calcined at 700 ° C. for 5 hours in an electric furnace. The solid sample obtained by sintering was prepared again according to the method of Preparation Example 1, and the zirconia was additionally bonded on the hydroxyl group which did not bond to the surface of alumina or the zirconia site which had already been bonded, and thus, compared with the case of Preparation Example 1 Alumina-zirconia carriers with increased zirconia content were prepared. The carrier thus prepared was named Al 2 O 3 -ZrO 2 -2.

제조예 3 및 4Preparation Examples 3 and 4

본 발명에 따른 담지 촉매의 제조Preparation of Supported Catalysts According to the Present Invention

제조예 1 (Al2O3-ZrO2-1) 및 제조예 2 (Al2O3-ZrO2-2)에 따라서 제조된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 이용하여, 담체 질량을 기준으로 20 질량%의 니켈을 함침법에 의해 담지하였다.20 mass based on the mass of the carrier, using the alumina-zirconia composite oxide carrier prepared according to Preparation Example 1 (Al 2 O 3 -ZrO 2 -1) and Preparation Example 2 (Al 2 O 3 -ZrO 2 -2) % Nickel was supported by the impregnation method.

이를 위해서, 니켈 전구체인 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트 (nickel nitrate hexahydrate) 0.996g을 증류수 1 ml에 충분히 녹이고, 이 용액에 제조예 1 (Al2O3-ZrO2-1) 및 제조예 2 (Al2O3-ZrO2-2)에 의해서 제조된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체 1g을 넣은 뒤, 니켈 전구체 수용액이 담체의 표면에 고르게 분산되도록 잘 혼합한 다음, 상온에서 2시간 동안 건조하였다. 이렇게 담지된 촉매를 120℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하고, 건조된 고체를 전기로에서 700℃에서 5시간 동안 열처리하여, 본 발명에 따른 담지 촉매를 제조하였다. 이렇게 제조된 담지 촉매를 각각 20Ni/Al2O3-ZrO2-1 (제조예 3) 및 20Ni/Al2O3-ZrO2-2 (제조예 4)로 명명하였다.To this end, 0.996 g of nickel nitrate hexahydrate, a nickel precursor, was sufficiently dissolved in 1 ml of distilled water, and prepared in Example 1 (Al 2 O 3 -ZrO 2 -1) and Preparation Example 2 (Al 2). 1 g of the alumina-zirconia composite oxide carrier prepared by O 3 -ZrO 2 -2) was added thereto, mixed well so that the aqueous nickel precursor solution was evenly dispersed on the surface of the carrier, and then dried at room temperature for 2 hours. The supported catalyst was dried in an oven at 24 ° C. for 24 hours, and the dried solid was heat-treated at 700 ° C. for 5 hours in an electric furnace to prepare a supported catalyst according to the present invention. The supported catalyst thus prepared was named 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 (Preparation Example 3) and 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2 (Preparation Example 4), respectively.

비교예 1Comparative Example 1

종래기술에 따른 담지 촉매의 제조 (γ-알루미나에 Preparation of Supported Catalysts According to the Prior Art (γ-alumina 담지된Supported 니켈 촉매) Nickel catalyst)

합침법에 의해서, 담체인 γ-알루미나 질량을 기준으로 20 질량%의 니켈이 담지된 담지 촉매를 제조하였다.By the impregnation method, a supported catalyst carrying 20% by mass of nickel was prepared based on the mass of the carrier? -Alumina.

이를 위해서, 니켈 나이트레이트 헥사하이드레이트 (nickel nitrate hexahydrate) 0.996g을 증류수 1 ml에 충분히 녹이고, 이 용액에 상용으로 시판되는 Degussa의 γ-알루미나 1g을 넣은 뒤, 니켈 전구체 수용액이 담체의 표면에 고르게 분산되도록 잘 혼합한 다음, 상온에서 2시간 동안 건조하였다. 이렇게 담지된 촉매를 120℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하고, 건조된 고체를 전기로에서 700℃에서 5시간 동안 열처리를 하여, 종래기술에 따른 담지 촉매를 제조하였다. 이렇게 제조된 담지촉매를 20Ni/Al2O3로 명명하였다.To this end, 0.996 g of nickel nitrate hexahydrate is sufficiently dissolved in 1 ml of distilled water, 1 g of commercially available γ-alumina of Degussa is added to this solution, and then an aqueous nickel precursor solution is evenly dispersed on the surface of the carrier. Mix well so that it was dried at room temperature for 2 hours. The supported catalyst was dried in an oven at 24 ° C. for 24 hours, and the dried solid was heat-treated at 700 ° C. for 5 hours in an electric furnace to prepare a supported catalyst according to the prior art. The supported catalyst thus prepared was named 20Ni / Al 2 O 3 .

평가예 1Evaluation example 1

담체carrier 및 담지 촉매의 특성 분석 And Characterization of Supported Catalysts

도 1은 제조예 1 및 제조예 2에 따라서 제조된 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체인 Al2O3-ZrO2-1 및 Al2O3-ZrO2-2의 X-선 회절 분석결과를 상용으로 시판되는 알루미나의 X-선 회절 분석결과와 비교 도시한 도면이다.1 shows commercially available X-ray diffraction analysis results of Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and Al 2 O 3 -ZrO 2 -2, which are alumina-zirconia composite oxide carriers prepared according to Preparation Examples 1 and 2 . It is a figure compared with the result of X-ray diffraction analysis of commercial alumina.

상용 γ-알루미나에 비해서 본 발명에 따른 Al2O3-ZrO2-1 및 Al2O3-ZrO2-2의 경우, 30도, 34도, 50도 및 60도에서 지르코니아의 정방정계상 (tetragonal phase) 피크가 잘 발달되어 나타남을 확인할 수 있다.In the case of Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and Al 2 O 3 -ZrO 2 -2 according to the present invention compared to the commercial γ-alumina, tetragonal phases of zirconia at 30 degrees, 34 degrees, 50 degrees and 60 degrees ( The tetragonal phase peak is well developed.

도 2는 제조예 3 및 4에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3-ZrO2-1 및 20Ni/Al2O3-ZrO2-2)와 비교예 1에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3)의 X-선 회 절 분석결과를 비교 도시한 도면이다.2 is a supported catalyst prepared according to Preparation Examples 3 and 4 (20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2) and a supported catalyst prepared according to Comparative Example 1 ( 20Ni / Al 2 O 3 ) is a view showing a comparison of the X-ray diffraction analysis results.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 담지 촉매는 비교예 1에 따라서 제조된 담지 촉매와는 다른 니켈산화종을 지니고 있음을 알 수 있다. 알루미나-지르코니아 담체와 비교적 약하게 결합하고 있는 표면 니켈산화종, 비교적 강하게 결합하고 있는 표면 니켈산화종 및 알루미나의 격자 내에 니켈이 들어가 안정한 구조를 가지는 니켈-알루미네이트의 피크 위치가 서로 유사하여 간단하게 구분하기는 힘들지만, 본 발명에 따른 담지 촉매의 경우, 비교예 1에 따른 담지 촉매에 비해서, 낮은 활성의 원인이 되는 알루미나와 약하게 결합하고 있는 표면 니켈산화종 및 니켈-알루미네이트가 없어지고 비교적 강하게 결합하고 있는 표면 니켈산화종이 형성되는 것을 알 수 있다.As shown in Figure 2, it can be seen that the supported catalyst according to the present invention has a nickel oxide species different from the supported catalyst prepared according to Comparative Example 1. The peak positions of the surface nickel oxide species that are relatively weakly bonded to the alumina-zirconia carrier, the surface nickel oxide species that are relatively strongly bonded, and the nickel-aluminate having a stable structure by entering nickel in the lattice of the alumina are similar to each other and are easily distinguished. Although it is difficult to do so, the supported catalyst according to the present invention, compared to the supported catalyst according to Comparative Example 1, the surface nickel oxide species and nickel-aluminate that are weakly bonded to the alumina that causes low activity is eliminated and relatively strong binding It can be seen that the surface nickel oxide species are formed.

도 3은 제조예 3 및 4에 따라서 제조된 담지 촉매 (20Ni/Al2O3-ZrO2-1 및 20Ni/Al2O3-ZrO2-2) 및 비교예 1에 따라서 제조된 담지촉매 (20Ni/Al2O3)를, 질소 (30 ml/min) 및 수소 (10ml/min)로 이루어진 혼합 가스를 사용하여 800oC에서 3시간 동안 환원한 후 얻은 X-선 회절 분석결과를 도시한 도면이다.3 is a supported catalyst prepared according to Preparation Examples 3 and 4 (20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -1 and 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2) and a supported catalyst prepared according to Comparative Example 1 ( X-ray diffraction analysis obtained after reduction of 20Ni / Al 2 O 3 ) at 800 ° C. for 3 hours using a mixed gas of nitrogen (30 ml / min) and hydrogen (10 ml / min). Drawing.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 담지 촉매는 비교예 1에 따라서 제조된 담지 촉매와는 달리 활성상인 니켈 피크가 잘 발달되어 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 담지 촉매에서는, 입자 크기가 작은 니켈이 형성되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3, it can be seen that the supported catalyst according to the present invention has a well developed nickel peak in an active phase, unlike the supported catalyst prepared according to Comparative Example 1. In the supported catalyst according to the present invention, it can be confirmed that nickel having a small particle size is formed.

실시예 1, 2 및 비교예 2Examples 1 and 2 and Comparative Example 2

본 발명에 따른 액화천연가스의 수증기 개질 반응Steam reforming reaction of liquefied natural gas according to the present invention

제조예 3, 4 및 비교예 1에 따른 3종의 담지 촉매를 사용하여 메탄과 에탄 혼합가스로 구성된 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의한 수소제조 반응을 수행하였다. 반응물에 사용된 메탄과 에탄 혼합가스로 이루어진 액화천연가스의 조성은 표 1과 같으며, 반응장치의 개략도는 도 4와 같다.Hydrogen production reaction by steam reforming reaction of liquefied natural gas consisting of methane and ethane mixed gas was carried out using three supported catalysts according to Preparation Examples 3, 4 and Comparative Example 1. The composition of the liquefied natural gas consisting of a mixture of methane and ethane used in the reactants is shown in Table 1, the schematic of the reactor is shown in FIG.

조성Furtherance 분자식Molecular formula 부피 함량 (%)Volume content (%) 메탄methane CH4 CH 4 9292 에탄ethane C2H6 C 2 H 6 88 합계Sum 100100

수증기 개질 반응을 위해서, 일자형 석영 반응기를 전기로 안에 설치하여 온도조절기를 통해 일정하게 반응온도를 유지하였으며, 반응물이 반응기 안의 촉매층을 연속적으로 통과하면서 반응이 진행되도록 하였다. 반응에 사용되는 메탄과 에탄의 혼합가스 및 전처리(촉매환원) 시에 사용되는 질소와 수소의 양은 질량유속조절기를 사용하여 제어하였으며, 수증기의 양은 물이 담긴 실린지 펌프의 주입 속도를 조절함으로써 제어하였다.For the steam reforming reaction, a straight quartz reactor was installed in an electric furnace to maintain a constant reaction temperature through a temperature controller, and the reaction proceeded continuously while passing the catalyst layer in the reactor. The amount of nitrogen and hydrogen used in the mixed gas and pretreatment (catalyst reduction) of methane and ethane used in the reaction was controlled using a mass flow controller, and the amount of water vapor was controlled by adjusting the injection rate of the syringe pump containing water. It was.

반응 전에, 800℃에서 질소 (30 ml/min)와 수소 (10 ml/min)를 동시에 흘리면서 촉매를 3시간 동안 환원시켰다. 반응물의 공간속도 (spatial velocity)는 3,000 ml/h·g-촉매로 설정하였으며, 반응물인 수증기/탄소의 몰비는 2로 유지하였다. 수증기는 반응기 입구에서 물의 형태로 주입되는데, 물은 150℃에서 수증기로 직접 기화되어 다른 반응물인 메탄과 에탄의 혼합물과 완벽하게 혼합되어 반응기에 유입되도록 반응 장치를 설계하였다. 수증기 개질반응은 600℃에서 수행되었다.Before the reaction, the catalyst was reduced for 3 hours while flowing nitrogen (30 ml / min) and hydrogen (10 ml / min) simultaneously at 800 ° C. The spatial velocity of the reactants was set to 3,000 ml / h · g-catalyst and the molar ratio of water vapor / carbon as the reactants was maintained at 2. Water vapor is injected in the form of water at the inlet of the reactor, and the reaction device is designed so that the water is vaporized directly with water vapor at 150 ° C. and completely mixed with another reactant mixture of methane and ethane. Steam reforming was performed at 600 ° C.

생성물의 종류와 양은 가스크로마토그래피 (GC)를 통해서 분석하였으며, 분석컬럼으로는 분자체 5A (Molecularsieve 5A)와 포라팍 N (Porapak N)을 사용하였다. 생성물에는 목표로 하는 수소 이외에도, 일산화탄소, 이산화탄소 및 반응하지 않은 메탄, 에탄 및 수증기가 포함되어 있다. 액화천연가스의 전환율, 수소 수율, 건가스 중 수소 조성은 하기 수학식 1, 2 및 3에 의해 각각 계산하였다.The type and amount of the product were analyzed by gas chromatography (GC), and molecular sieves 5M (Molecularsieve 5A) and Porapak N were used. In addition to the target hydrogen, the product contains carbon monoxide, carbon dioxide and unreacted methane, ethane and water vapor. Conversion rate of liquefied natural gas, hydrogen yield, hydrogen composition in dry gas was calculated by the following equations (1), (2) and (3), respectively.

Figure 112006082944614-pat00001
Figure 112006082944614-pat00001

Figure 112006082944614-pat00002
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Figure 112006082944614-pat00003
Figure 112006082944614-pat00003

평가예 2Evaluation example 2

촉매 반응성Catalytic reactivity

실시예 1, 2 및 비교예 2에 따른 액화천연가스의 수증기 개질에 의한 수소제조 반응을 수행한 결과는 하기 표 2와 같다.The results of the hydrogen production reaction by steam reforming of the liquefied natural gas according to Examples 1, 2 and Comparative Example 2 are shown in Table 2 below.

분류Classification 지르코니아 함량 (중량%)Zirconia content (% by weight) 액화천연가스의 전환율 (%)Conversion rate of liquefied natural gas (%) 수소 수율 (%)Hydrogen yield (%) 건가스 중 수소의 조성 (%)Composition of hydrogen in dry gas (%) 실시예 1Example 1 10.910.9 80.180.1 238.2238.2 67.167.1 실시예 2Example 2 17.517.5 86.386.3 264.3264.3 69.069.0 비교예 2Comparative Example 2 00 72.072.0 218.1218.1 66.266.2

표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 담지 촉매의 경우 알루미나-지르코니아 담체 제조 방법에 따라서 담지 촉매 상에서의 지르코니아 함량이 변화하였으며, 담지 촉매 중 지르코니아의 함량이 10.9 중량% (실시예 1)에서 17.5 중량% (실시예 2)로 증가함에 따라, 액화천연가스 전환율이 80.1%에서 86.3%로 크게 증가하였으며, 수소 수율 역시 238.2%에서 264.3%로 크게 증가하였다. 또한, 건 가스 중 수소의 조성 역시 67.1%에서 69.0%로 증가하는 것으로 나타났다.As can be seen from the results of Table 2, in the case of the supported catalyst according to the present invention, the zirconia content on the supported catalyst was changed according to the alumina-zirconia carrier production method, and the content of zirconia in the supported catalyst was 10.9 wt% (Example As it increased from 1) to 17.5% by weight (Example 2), the liquefied natural gas conversion rate increased greatly from 80.1% to 86.3%, and the hydrogen yield also increased greatly from 238.2% to 264.3%. In addition, the composition of hydrogen in the dry gas also increased from 67.1% to 69.0%.

이상에서 나타낸 바와 같이, 실시예 2에 따른 촉매가 실시예 1에 따른 촉매보다 액화천연가스의 수증기 개질 반응에서 우수한 촉매활성을 보였는데, 이는 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체에서 지르코니아의 함량이 증가했기 때문인 것으로 판단된다. 본 발명에 따른 촉매는 종래기술에 따른 촉매인 20Ni/Al2O3 촉매보다 우수한 액화천연가스 전환율, 수소 수율 및 건 가스 중 수소조성을 보이는 것으로 나타나며, 따라서 본 발명에 따른 담지 촉매가 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의한 수소제조에 더욱 우수한 촉매활성을 나타냄을 알 수 있다.As indicated above, the catalyst according to Example 2 showed better catalytic activity in the steam reforming reaction of liquefied natural gas than the catalyst according to Example 1, because the content of zirconia in the alumina-zirconia composite oxide carrier was increased. It seems to be. The catalyst according to the present invention shows better liquefied natural gas conversion, hydrogen yield and hydrogen composition in dry gas than the 20Ni / Al 2 O 3 catalyst according to the prior art, and therefore, the supported catalyst according to the present invention It can be seen that the catalytic activity is more excellent in the hydrogen production by the steam reforming reaction.

600℃에서 반응 시간에 따른 실시예 1 및 2에 따른 촉매의 액화천연가스 전환율 변화추이를 살펴보면 도 5와 같다. 도 5로부터도 알 수 있는 바와 같이, 액화천연가스의 전환율은 실시예 2 > 실시예 1 > 비교예 1의 순서로 감소함을 알 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 담지 촉매는 종래기술에 따른 담지 촉매보다 우수한 촉매활성을 보였다. 건 가스 중 수소 조성이 높다는 것은 일산화탄소와 이산화탄소 등 연료전지의 원료로 공급된 수소의 순도를 떨어뜨리는 생성물의 생성이 상대적으로 줄어들었음을 의미하는 것으로, 본 발명에 따른 담지 촉매는 액화천연가스의 개질반응에 매우 효율적인 촉매로 작용함을 알 수 있다.Looking at the change in the liquefied natural gas conversion rate of the catalyst according to Examples 1 and 2 according to the reaction time at 600 ℃ as shown in FIG. As can be seen from Figure 5, it can be seen that the conversion rate of the liquefied natural gas is reduced in the order of Example 2> Example 1> Comparative Example 1. In other words, the supported catalyst according to the present invention showed better catalytic activity than the supported catalyst according to the prior art. The high hydrogen composition in the dry gas means that the production of products that reduce the purity of hydrogen supplied to fuel cells such as carbon monoxide and carbon dioxide is relatively reduced, and the supported catalyst according to the present invention is reforming of liquefied natural gas. It can be seen that it acts as a very efficient catalyst for the reaction.

촉매 안정성Catalyst stability

제조예 4에 따라서 제조된 20Ni/Al2O3-ZrO2-2 촉매를 사용하여 실시예 1의 방법에 따라 액화천연가스의 수증기 개질에 의한 수소제조 반응을 수행하여 600℃에서 반응시간에 따른 촉매활성 변화 추이를 살펴본 결과는 도 6과 같다.Prepared according to Preparation Example 4 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO using the catalyst according to the method of 2-2 of Example 1 to perform the hydrogen-producing reaction by the steam reforming of the liquefied natural gas in accordance with the reaction time at 600 ℃ The results of examining the change in catalytic activity are shown in FIG. 6.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 가장 우수한 촉매 활성을 보인 20Ni/Al2O3-ZrO2-2 촉매의 경우, 반응시간이 1,100분 정도 경과하여도 촉매 비활성화가 거의 일어나지 않고 안정적인 촉매활성을 보였다. 이로부터, 본 발명에 따른 담지 촉매는 종래기술에 따른 담지 촉매와는 달리 촉매 비활성화가 거의 일어나지 않으면서 우수한 촉매활성을 지속적으로 보인다는 사실을 알 수 있다.As shown in FIG. 6, in the case of the 20Ni / Al 2 O 3 -ZrO 2 -2 catalyst showing the best catalytic activity in the present invention, the catalyst deactivation hardly occurs even after the reaction time is about 1,100 minutes and the stable catalyst activity Showed. From this, it can be seen that the supported catalyst according to the present invention continuously shows excellent catalytic activity with little catalyst deactivation unlike the supported catalyst according to the prior art.

본 발명에 따르면, 순수한 메탄의 수증기 개질반응보다는, 비교적 저렴한 메탄과 에탄의 혼합가스로 이루어진 액화천연가스의 수증기 개질 반응에 의해 수소 가스를 제조할 수 있다. 또한, 높은 반응 활성을 나타낼 뿐만 아니라, 종래의 고활성 귀금속 촉매에 비해서 저렴한 제조비용에 의해서 제조가능하며, 그 구성성분 및 합성경로가 간단하여 재현성이 매우 우수한 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매, 그 제조방법 및 상기 담지 촉매를 이용한 수소가스 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, hydrogen gas can be produced by steam reforming of liquefied natural gas consisting of a relatively inexpensive mixed gas of methane and ethane, rather than steam reforming of pure methane. In addition, it shows high reaction activity and can be manufactured at a lower production cost than the conventional high active noble metal catalyst, and its hydrogen content is reduced by the steam reforming reaction of liquefied natural gas with excellent reproducibility. A supported catalyst for producing gas, a method for producing the same, and a method for producing hydrogen gas using the supported catalyst can be provided.

Claims (24)

알루미나 및 상기 알루미나의 표면에 그래프팅 (grafting)된 지르코니아를 포함하며, 비표면적이 50 m2/g 내지 300 m2/g인 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체; 및An alumina-zirconia composite oxide carrier comprising alumina and zirconia grafted on the surface of the alumina and having a specific surface area of 50 m 2 / g to 300 m 2 / g; And 상기 복합산화물 담체에 담지된 촉매 금속을 포함하는 액화천연가스의 수증Water vapor of liquefied natural gas containing catalyst metal supported on the composite oxide carrier 기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매.A supported catalyst for producing hydrogen gas by a group reforming reaction. 제1항에 있어서, 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체는 상기 알루미나 100 중량부에 대해서 상기 지르코니아 1 내지 50 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매.The supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas according to claim 1, wherein the alumina-zirconia composite oxide carrier comprises 1 to 50 parts by weight of zirconia with respect to 100 parts by weight of the alumina. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속은 Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매.The method of claim 1, wherein the catalyst metal is Pt, Au, Pd, Rh, La, Ce, Yb, Ni, Cu, Ag, Ru, Ir, Os, Au, Co, V, Fe, Sn, Ca, Mg or A supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, which is a mixture thereof. 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속은 상기 복합산화물 담체 100 중량부에 대해서 1 내지 50 중량부의 함량으로 담지되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매.The supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas according to claim 1, wherein the catalyst metal is supported in an amount of 1 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of the composite oxide carrier. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 촉매 금속의 평균 입경은 2 내지 50 nm인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매.The supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas according to claim 1, wherein the average particle diameter of the catalyst metal is 2 to 50 nm. a) 유기 용매 중에 알루미나 분말을 분산시킨 다음, 염기성 촉매를 첨가하여 상기 알루미나 분말의 표면을 활성화시키는 단계;a) dispersing the alumina powder in an organic solvent and then adding a basic catalyst to activate the surface of the alumina powder; b) 상기 알루미나 분말에 지르코늄 전구체를 첨가하여 반응시키는 단계;b) adding and reacting a zirconium precursor to the alumina powder; c) 상기 b) 단계의 반응 결과물을 유기 용매로 세척하여 슬러리를 제조하는 단계;c) preparing a slurry by washing the reaction product of step b) with an organic solvent; d) 상기 슬러리에 증류수를 첨가하여 수화 및 축합반응을 수행하는 단계;d) performing hydration and condensation by adding distilled water to the slurry; e) 상기 d) 단계의 반응 결과물을 여과하고, 상기 여과물을 건조 및 열처리하여 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체를 제조하는 단계;e) filtering the reaction product of step d), drying and heat treating the filtrate to prepare an alumina-zirconia composite oxide carrier; f) 상기 알루미나-지르코니아 복합산화물 담체 및 촉매 금속 전구체를 분산매에 넣고 균일하게 혼합하는 단계; 및f) mixing the alumina-zirconia composite oxide carrier and the catalyst metal precursor in a dispersion medium and uniformly mixing them; And g) 상기 혼합물을 건조 및 열처리하는 단계를 포함하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.g) a method of preparing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas comprising drying and heat-treating the mixture. 제7항에 있어서, 상기 a) 및 c) 단계의 유기 용매는 톨루엔, 2-부탄올, 벤젠, 에틸벤젠, 트리메틸벤젠, 크실렌, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 아세톤, 에틸아세테이트, 부틸아세테이트, n-헥산, 이소프로필알콜, 트리클로로에틸렌, 1,1,1-트리클로로에탄 및 펜탄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 유기 용매인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the organic solvent of step a) and c) is toluene, 2-butanol, benzene, ethylbenzene, trimethylbenzene, xylene, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, acetone, ethyl acetate, butyl acetate, Support for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, characterized in that at least one organic solvent selected from the group consisting of n-hexane, isopropyl alcohol, trichloroethylene, 1,1,1-trichloroethane and pentane Method for preparing a catalyst. 제7항에 있어서, 상기 염기성 촉매는 에틸아민, 디에틸아민, 트리에틸아민, 트리메틸아민, N-메틸피롤리딘, 피리딘, 4-(N,N-디메틸아미노)피리딘, 4-(N,N-디에틸아미노)피리딘, N,N-디메틸포름아미드 및 1-메틸-2-피롤리돈으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 염기성 촉매인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the basic catalyst is ethylamine, diethylamine, triethylamine, trimethylamine, N-methylpyrrolidine, pyridine, 4- (N, N-dimethylamino) pyridine, 4- (N, N-diethylamino) pyridine, N, N-dimethylformamide and 1-methyl-2-pyrrolidone Hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, characterized in that at least one basic catalyst selected from the group consisting of Process for preparing supported catalyst for production. 제7항에 있어서, 상기 a) 단계의 알루미나 분말 및 염기성 촉매의 첨가량은 상기 유기 용매 100 중량부에 대해서, 각각 1 내지 5 중량부 및 0.1 내지 3 중량부인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.8. The steam reforming of liquefied natural gas according to claim 7, wherein the amount of the alumina powder and the basic catalyst added in step a) is 1 to 5 parts by weight and 0.1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the organic solvent. A method for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by reaction. 제7항에 있어서, 상기 a) 단계는 10℃ 내지 80℃의 온도에서 0.5시간 내지 3 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the step a) is performed at a temperature of 10 ° C. to 80 ° C. for 0.5 hour to 3 hours. 제7항에 있어서, 상기 b) 단계는 상기 알루미나 분말 100 중량부를 기준으로 1 내지 50 중량부의 지르코늄 전구체를 첨가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.According to claim 7, wherein the step b) is carried out by the addition of 1 to 50 parts by weight of zirconium precursor based on 100 parts by weight of the alumina powder of the supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas Manufacturing method. 제7항에 있어서, 상기 지르코늄 전구체는 지르코늄 부톡사이드 (zirconium butoxide), 지르코늄 프로폭사이드 (zirconium propoxide), 지르코늄 터셔리-부톡사이드 (zirconium tert-butoxide), 지르코늄 이소프로폭사이드 (zirconium isopropoxide) 및 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 지르코늄 알콕사이드 (zirconium alkoxide)인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the zirconium precursor is zirconium butoxide, zirconium propoxide, zirconium tert-butoxide, zirconium isopropoxide and zirconium isopropoxide A method for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas, characterized in that it is zirconium alkoxide selected from the group consisting of the mixture. 제7항에 있어서, 상기 b) 단계는 상기 지르코늄 전구체를 0.01 g/min 내지 0.1 g/min의 속도로 첨가 및 교반하면서, 10℃ 내지 80℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the step b) is performed for 3 to 10 hours at a temperature of 10 ℃ to 80 ℃ while adding and stirring the zirconium precursor at a rate of 0.01 g / min to 0.1 g / min A method for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas. 제7항에 있어서, 상기 c) 단계는 1회 내지 5회 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the step c) is carried out one to five times, characterized in that the production method of the supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas. 제7항에 있어서, 상기 d) 단계의 수화 및 축합반응은 상기 증류수 100 중량부에 대해서 상기 슬러리 1 내지 10 중량부를 첨가하고, 10℃ 내지 80℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 반응시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method according to claim 7, wherein the hydration and condensation reaction of step d) is performed by adding 1 to 10 parts by weight of the slurry to 100 parts by weight of the distilled water and reacting at a temperature of 10 ° C to 80 ° C for 3 to 10 hours. A process for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas. 제7항에 있어서, 상기 e) 및 g) 단계의 건조는 70℃ 내지 200℃의 온도에서 1 내지 10시간 동안 수행되며, 열처리는 400℃ 내지 800℃의 온도에서 3 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The method of claim 7, wherein the drying of the steps e) and g) is performed for 1 to 10 hours at a temperature of 70 ℃ to 200 ℃, heat treatment is performed for 3 to 10 hours at a temperature of 400 ℃ to 800 ℃ A process for producing a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas. 제7항에 있어서, 상기 f) 단계는 상기 알루미나-지르코니아 복합 산화물 담체 100 중량부에 대해서 상기 촉매 금속 전구체 1 내지 50 중량부를 첨가함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.The hydrogen by steam reforming of liquefied natural gas according to claim 7, wherein the step f) is performed by adding 1 to 50 parts by weight of the catalyst metal precursor with respect to 100 parts by weight of the alumina-zirconia composite oxide carrier. Method for preparing a supported catalyst for producing gas. 제7항에 있어서, 상기 f) 단계의 분산매는 물; 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 및 부틸 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 알코올계 용매; 또는 그 혼합물인 것을 특징으로 하는 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 제조방법.According to claim 7, wherein the dispersion medium of step f) is water; One or more alcoholic solvents selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropyl alcohol and butyl alcohol; Or a mixture thereof; and a supported catalyst for producing hydrogen gas by steam reforming of liquefied natural gas. 제1항 내지 제4항 또는 제 6항 중의 어느 한 항에 따른 액화천연가스의 수증기 개질반응에 의한 수소가스 제조용 담지 촉매의 표면 온도를 500℃ 내지 900℃로 유지하면서 질소 및 수소 혼합가스를 흘려줌으로써 전처리하는 단계; 및A mixture of nitrogen and hydrogen is flowed while maintaining the surface temperature of the supported catalyst for producing hydrogen gas by the steam reforming reaction of liquefied natural gas according to any one of claims 1 to 4 or 6. Preprocessing by zooming; And 상기 전처리된 담지 촉매의 표면 상에, 500℃ 내지 900℃의 반응 온도를 유지하면서, 메탄가스 및 에탄가스를 포함하는 액화천연가스와 수증기를 2,000 ml/h·g-촉매 내지 30,000 ml/h·g-촉매의 공간속도로 흘려주는 단계를 포함하는 수소가스 제조방법.2,000 ml / h · g-catalyst to 30,000 ml / h · of liquefied natural gas and water vapor containing methane gas and ethane gas while maintaining a reaction temperature of 500 ° C. to 900 ° C. on the surface of the pre-treated supported catalyst. Hydrogen gas production method comprising the step of flowing at the space velocity of the g-catalyst. 제20항에 있어서, 상기 질소 및 수소 혼합가스의 수소/질소 혼합 부피비는 0.01 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 수소가스 제조방법.21. The method of claim 20, wherein the hydrogen / nitrogen mixed volume ratio of the nitrogen and hydrogen mixed gas is 0.01 to 0.3. 제20항에 있어서, 상기 전처리 시간은 2 내지 8시간인 것을 특징으로 하는 수소가스 제조방법.The method of claim 20, wherein the pretreatment time is 2 to 8 hours. 제20항에 있어서, 상기 액화천연가스 및 수증기의 혼합 부피비는 1 내지 10인 것을 특징으로 하는 수소가스 제조방법.21. The method of claim 20, wherein the mixed volume ratio of the liquefied natural gas and water vapor is 1 to 10. 제20항에 있어서, 상기 액화천연가스의 메탄가스/에탄가스 혼합 부피비는 99.9 내지 9인 것을 특징으로 하는 수소가스 제조방법.The method of claim 20, wherein the liquefied natural gas of methane gas / ethane gas mixing volume ratio is 99.9 to 9, characterized in that the hydrogen gas production method.
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