반응기는 STS 310S로 만들어진 원통형, 내경 208.3mm, 높이 315mm, 두께 4mm이며 내부는 촉매로 채워져 외부는 캐비티로 쌓여져 있다. 반응기는 2.54rad/s의 속도로 회전하여 균일한 열유속을 공급하고 50mm 이상의 세라믹 보드로 캐비티를 쌓아 반응기를 감싸고 있다.
<h2>2.2 반응기 및 캐비티</h2> <p>반응기는 내경 \( 208.3 \mathrm { ~mm } \), 높이가 \( 315 \mathrm { ~mm } \) 이고 두께 \(4 \mathrm { mm } \) 인 원통형으로 재료는 STS 310S로 내부는 촉매로 채워지고 외부는 캐비티로 쌓여져 있다. 반응기의 집광 위치가 고정되어 지속적인 노출에 따른 급격한 열손상이 발생하는 문제를 해결하고 반응기의 원주방향으로 균일한 열유속을 공급하기 위하여 반응기를 회전하였다. 실제 반응기 시스템에서 구동모터와 감속기 회전수를 고려한 실제 회전속도는 \( 2.54 \mathrm { rad } / \mathrm { s } \) 이며 해석결과 회전 속도에 따른 열손실과 반응률 영향은 없는 것으로 파악하였다. 간접가열 형식의 반응기로 인하여 고온 환경에서 반응기의 열손실을 줄이기 위해 \( 50 \mathrm { ~mm } \) 이상의 세라믹 보드로 캐비티 내부를 채웠다. 이때 반응기 일부가 외기와 직접적으로 닿아 있는 Semi-cavity와 집광된 태양광이 입사되는 개구부를 제외한 모든 면이 닫혀있는 형태의 Full-cavity를 각각 Fig. 4 에 나타내었다. Semi-cavity에서 대류 및 복사 열손실을 줄이기 위하여 Fig. 4와 같이 개구부의 면적을 줄이고 외부에 노출된 공간을 단열재로 채운 Full-cavity 형식으로 보완하여 모델링하였다. 복사손실은 주로 개구부를 통하여 발생하므로 개구부의 크기를 최적화 하였는데, 이는 먼저 수행된 Semi-cavity에서의 광학 계산에 기반하여 태양로의 초점에서의 집광 열량의 \( 99 \% \) 가 직경 \( 150 \mathrm { ~mm } \) 이내에 포함됨으로 Full-cavity의 개구부를 \( 200 \times 200 \mathrm { ~mm } \)로 Semi-cavity 개구부 면적 대비 \( 38 \% \) 줄였다. 광학 및 반응해석을 위해 각 모델에 대해 Fig. 4와 같이 3D 모델링을 수행하였으며 2개의 3D 모델 중앙 절단한 형상을 비교하였다.</p> <h2>2.3 촉매</h2> <p>메탄을 열분해하면 식 (1)과 같이 카본블랙과 수소를 얻을 수 있다. 이를 위해서는 일반적으로 \( 1,200 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상의 고온이 필요하지만 촉매를 이용하면 메탄 분해를 위한 활성화 에너지를 낮출 수 있고 이로 인해 반응 온도가 감소한다. Fig. 5는 촉매로 BP-2000을 사용할 경우 활성화 에너지의 차이를 보여주고 있다. \( { } ^ { [14,17] } \) 본 연구에서는 다른 촉매들보다 비활성화 전까지 높은 메탄 - 카본블랙, 수소 전환율 보이고 상업제품으로 판매되고 있어 CB 촉매인 BP-2000를 채택하여 이의특성을 반영하여 해석하였다. BP-2000의 특성을 Table 1에 나타내었다. \( { } ^ { [15] } \)</p>