KR100731147B1

KR100731147B1 - 수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치

Info

Publication number: KR100731147B1
Application number: KR1020060055284A
Authority: KR
Inventors: 이명식
Original assignee: 주식회사 하이젠
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2007-06-22

Abstract

본 발명은 연료전지의 순도 높은 수소발생에 절대적으로 요구되는 수소 개질 시스템에서 여러 가지 변수에 따른 개질 촉매의 신뢰성을 측정하여 최적의 개질 촉매에 관한 정보를 얻을 수 있음으로서 개질 시스템의 신뢰성을 높일 수 있게 한 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성 평가 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성 평가 장치는 공급되는 반응물질을 수소로 개질하는 개질기에 있어서, 상기 개질기에 연결된 퍼지용 질소 배관, 메탄 배관, 고압정량펌프, 가스를 혼합하는 혼합기와 정량펌프로부터 공급되는 물을 수증기로 기화시키는 증발기를 포함하는 1차 개질가스 공급배관과 ; 상기 개질기에 연결되어 질소 배관, 수소 배관, 이산화탄소 배관을 포함하는 1차 개질반응 후의 예상 조성가스의 공급배관과 ; 상기 개질기의 일측에 구비된 연소기와 연결된 공기 배관과 연료 배관을 포함하는 연소기 공급 배관과 ; 상기 개질기에 연결된 개질반응 후의 연소-배출가스 배관 및 개질생성가스 배관과 ; 상기 각각의 배관으로 배기된 가스에서 수분제거를 하기 위한 응축기, 응축과정에서 발생되는 응축수의 자동 배출 장치와 ; 상기 자동배출장치를 거쳐 분석에 필요한 양만을 각각의 분석기로 보내는 가스배관을 포함하여 구성되고, 상기 각 배관에는 수동으로 제어되어 유로를 개폐하는 볼 밸브와 불순물을 걸러주는 라인필터와, 유량을 조절하기 위한 유량조절기와 유체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브와 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브, 배관 전체의 압력을 측정하는 압력센서와 일정압력 이 상이 되면 자동으로 압력을 배출시키는 압력배출 밸브 가 설치되며, 컴퓨터로 구성되어 상기 각 밸브를 제어하고 분석기의 결과값을 표시하는 제어기를 포함하여 구성되어 상기 각 밸브와 가열장치를 상기 제어 장치로 제어하여 개질에 적정한 환경을 조성할 수 있어 이에 따른 개질 수소의 농도, 양 등을 분석할 수 있다.

수소, 개질, 신뢰성 평가, 반응조건

Description

수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치{A reliability test equipments of hydrogen reforming systems}

도 1 은 본 발명에 따른 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치의 구성을 도시한 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

10 : 퍼지용 질소 배관 20 : 메탄(1) 배관

30 : 예비 배관 40 : 질소 장치

50 : 수소 배관 60 : 이산화탄소 배관

70 : 메탄(2) 배관 80 : 공기 배관

90 : 고압 정량 펌프 100 : 개질기(Reformer)

110 : 연소기(Burner) 120 : 순환기(Circulator)

130 : 제1분석기 140 : 제2분석기

150 : 제어기

11, 21, 31, 41, 51, 61, 71, 81 : 볼 밸브

22, 32, 42, 52, 62, 72, 82 : 라인 필터

23, 33, 43, 53, 63, 73, 83 : 질량식 유량 조절기(Mass Flow Controller)

24, 34, 44, 54, 64, 74, 84, 92 : 체크밸브

12, 25, 35, 45, 55,56, 57, 65, 66, 75, 85 : 2방향 솔레노이드 밸브

15, 26, 46, 91, 135, 145 : 3방향 솔레노이드 밸브

13 : 압력배출 밸브(Relief) 14 : 압력 센서

28 : 압력게이지 93 : 혼합기

94 : 증발기 27,101,105 : 니들밸브

102, 104, 106 : 응축기 103, 107 : 자동배수(Auto drain) 장치

120 : 순환기 131, 141 : 흡입(Suction) 펌프

132, 142 : 먼지(Dust) 필터 133, 143 : 로타미터(Rota meter)

134, 144 : 습도센서

본 발명은 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 순도 높은 수소발생에 절대적으로 요구되는 수소 개질 시스템에서 반응기의 내부에 공급되는 반응가스의 유량, 온도, 압력 등의 실험 조건 즉, 여러 가지 변수에 따른 개질 촉매의 신뢰성을 측정하여 최적의 개질 촉매에 관한 정보를 얻을 수 있게 함으로서 보다 신뢰성이 우수한 수소발생용 개질 시스템을 제공할 수 있는 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치에 관한 것이다.

연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에 너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 장치로서 기존의 연소 기관이나 충·방전형 전지와는 달리 고효율의 청정에너지 변환장치이다.

이러한 연료전지에 사용되는 수소는 수소 발생용 개질 시스템에 의해 얻고 있다.

이러한 수소 발생용 개질장치는 상기한 바와 같이 수소를 발생시키기 위한 수단으로서 원료로 사용되는 메탄은 물의 양이나 촉매의 반응 온도 및 압력에 따라 얻어지는 수소의 질이 달라진다.

이에 따라 개질장치의 특성 즉, 고농도의 수소를 얻을 수 있는 최적의 조건에서 개질 시스템을 구동시킴으로서 최상의 수소를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 개질장치의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 이러한 고농도 수소를 얻기에 최적의 환경을 획득하는 것이 상당히 중요한 과제임에도 불구하고 개질장치의 신뢰성을 평가할 수 있는 장치가 개발되지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서 개질기 즉, 반응기의 내부의 충진된 촉매와 공급되는 반응가스의 공급량, 온도, 압력 등에 따라 얻어지는 수소의 농도나 양 등을 분석하여 이러한 변수에 따른 최적의 반응 조건을 설정할 수 있게 함으로서 보다 양질의 수소를 얻을 수 있도록 수소 개질 장치의 신뢰성을 평가하는 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명은 공급되는 반응물질을 수소로 개질하는 개질기에 있어서, 상기 개질기에 연결된 퍼지용 질소 배관, 메탄 배관, 고압정량펌프, 가스를 혼합하는 혼합기와 정량펌프에서 공급되는 물을 수증기로 기화시키는 증발기를 포함하는 1차 개질가스 공급배관과 ; 상기 1차 개질반응 후의 생성가스를 인위적으로 예상 조성하여 개질기 내의 2차 촉매부로 통과시키기 위하여 구비된 질소 배관, 수소 배관, 이산화탄소 배관을 포함하는 2차 촉매 투과 가스의 공급배관과 ; 상기 개질기의 일측에 구비된 연소기와 연결된 공기 배관과 연료 배관을 포함하는 연소기 공급 배관과 ; 상기 개질기에 연결된 개질반응 후의 연소가스의 배출 배관 및 개질생성가스 배관과 ; 상기 두 개의 배관에 각각 설치된 응축기, 자동 배출 장치와 ; 상기 자동배출장치를 거쳐 각각의 가스가 보내지는 분석기를 포함하여 구성되고, 상기 각 배관에는 수동으로 제어되어 유로를 개폐하는 볼 밸브와 불순물을 걸러주는 라인필터와, 유량을 조절하기 위한 질량식 유량조절기와 유체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브와 유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브, 배관 전체의 압력을 측정하는 압력센서와 일정압력 이상이 되면 자동으로 압력을 배출시키는 압력배출 밸브 가 설치되며, 입력된 프로그램에 의해 자동운전이 가능한 컴퓨터로 구성되어 분석기의 결과값을 표시하고 상기 각 밸브와 가열장치를 상기 제어 장치로 제어하여 개질에 적정한 환경을 조성할 수 있어 이에 따른 개질 수소의 농도, 양 등을 분석할 수 있음을 특징으로 하는 수소발생용 개질장치의 신뢰성 평가 장치에 의해 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치는 개질기에 공급되는 반응 가스 배관 및 증발기를 포함한 증기공급 배관을 포함하는 1차 수소 개질을 위한 공급가스 배관과 혼합된 1차 수소 개질 후의 생성가스를 가상으로 조성하여 2차 촉매를 통과시키기 위해 공급되는 2차 공급 배관과 개질기에 구비된 연소기에 원료를 공급하기 위한 연소기 공급 배관을 포함하고 있다.

상기 개질기는 통상적으로 메탄과 증기를 촉매와 반응하여 수소를 얻는 개질기로서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 1차 수소 개질을 위한 공급가스 배관에는 개질기에 메탄을 공급하는 메탄 배관(20)과 물을 정량 공급하여 증발기를 통해 개질에 필요한 증기를 공급하는 배관과 비상시 또는 필요시 배관내의 퍼지를 목적으로 하는 퍼지용 질소 배관(10)으로 구성되고, 상기 증기 공급배관은 공급되는 물의 양을 정확하게 정량적으로 고압정량펌프(90)와 상기 고압정량펌프(90)로부터 공급된 물을 수증기로 기화시키는 증발기(94)가 연결되어 구성된다.

상기 증발기(94)는 상기 개질기(100)에서 메탄을 개질하여 수소를 생성하는 과정 중 메탄과의 반응을 위해 요구되는 수증기의 공급을 목적으로 상기 고압정량펌프(90)로부터 공급된 물을 기화시켜 수증기를 생성한다.

상기 각각의 배관들(10, 20)은 도시하지는 않았으나 저장 탱크에 각각 연결되어 있고, 각 배관에는 유체의 흐름을 제어하기 위한 제어 수단으로 볼밸브(11, 21)와 유량조절기(23)와 체크밸브(24)와 2방향 솔레노이드밸브(12, 25) 및 3방향 솔레노이드 밸브(15, 26, 91)가 구비되어 있고, 유체로부터 불순물을 제거하기 위한 수단으로 라인필터(22)가 구비되어 있다.

상기 볼 밸브(11, 21)는 수동으로 조작되는 밸브로서 본 발명의 평가 장치를 구동 시 수동으로 개방되며, 상기 질량식 유량조절기(23)는 평가 장치가 구동되는 동안 후술하는 제어기(150)에 의해 제어되어 배관의 내부에 흐르는 각 유체의 양을 제어하는 역할을 한다.

상기 체크 밸브(24)는 소정의 원인 즉, 개질기(100)의 작동 중지 등의 여타의 원인에 의해 배관의 유체 흐름이 정지되었을 때 배관내의 유체가 각각의 저장탱크로 역류하는 것을 차단하기 위한 밸브이다.

상기 2방향 솔레노이드밸브(12, 25)와 3방향 솔레노이드 밸브(26)는 상기 질량식 유량조절기(23)에 의해 유량이 제어된 유체의 흐름을 단속하는 수단으로 상기한 유량조절기와 같이 제어기(150)에 의해 제어되어 개폐된다.

상기와 같이 구성된 1차 수소 개질을 위한 반응 가스 배관들 중 상기 메탄 배관(20)은 도 1에 도시한 바와 같이 3방향 솔레노이드 밸브(26)에 의해 개질기(100)와 직접 연결되거나, 3방향 솔레노이드 밸브(56)에 의해 1차 개질 후 가상 조성가스 배관으로 부터 혼합가스와 함께 분석기(140)로 연결된다.

상기 고압 정량 펌프(90)로부터 공급된 물은 3방향 솔레노이드 밸브(91)에서 직접 개질기(100)와 연결되고, 일부는 증발기(94)로 보내져 혼합기(93)에서 혼합된 혼합가스들과 함께 증발되어 개질기(100)로 보내지도록 연결된다.

상기 퍼지 질소 배관(10)은 개질기가 작동을 멈춘 상태에서 개질기를 비롯한 배관의 내부에 잔류하는 메탄을 제거하고 촉매의 산화 방지를 위해 질소를 공급하기 위한 배관으로 사용된다.

상기 퍼지 질소 배관(10)을 연결 배관과 연결하는 수단으로는 "＋"형의 관 연결부재인 크로스가 사용되며, 상기 크로스의 다른 두 유로에는 각각 압력배출밸브(13)와 압력센서(14)가 설치되어 있으며, 상기 압력배출 밸브(13)는 일정 압력 이상 발생 시 기계적으로 자동 개방되어 고압에 의한 배관들의 손상을 방지하고 그 때의 압력을 확인하기 위하여 압력센서(14)가 사용되었다.

상기와 같이 구성된 2차 촉매부의 반응가스 배관은 가상의 1차 개질 반응 후의 생성 가스를 인위적으로 예상 조성하여 2차 촉매부로 통과시키기 위한 배관으로서 실질적으로 1차 촉매 반응 후의 가스를 이용하지만 경우에 따라 2차 촉매의 성능을 별도로 시험 할 수 있도록 구성되었다.

상기 2차 반응가스 배관들(40, 50, 60)은 도 1에 도시한 바와 같이 각각 개질 시스템의 구동 시 수동으로 개폐되는 볼밸브(41, 51, 61)와 불순물을 걸러주는 라인필터(42, 52, 62)와 유량을 전기적으로 제어하는 질량식 유량 조절기(43, 53, 63)와 각 배관의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(44, 54, 64)와 상기 질량식 유량 조절기에서 제어된 유량의 유로를 제어하는 솔레노이드 밸브(45, 46, 55, 56, 57, 65, 66)로 구성된다.

상기 2차 개질 반응 가스들은 상술한 각각의 질량식 유량 조절기에 의해 제어되어 조성된 혼합가스가 합류된 배관들은 2방향 솔레노이드 밸브(56, 57, 66)로 연결되며 혼합된 유체의 흐름을 제어하도록 구성 되어있다.

상기 2방향 솔레노이드 밸브(56)은 개방 시 혼합가스가 분석기(140)로 보내져서 조성 상태를 분석하고 상기 2방향 솔레노이드 밸브(66)는 개방 시 초기 공급가스를 연소기에서 연소시켜 배출가스 중의 변화로 분석하며 상기 솔레노이드 밸브(57)는 개방 시 2차 촉매를 거쳐 최종의 생성가스로 얻을 수 있는 배관구성으로 되어있다.

상기 2차 반응 가스 배관들(40, 50, 60)은 상술한 각 밸브들의 제어 후 두 개의 배관으로 나누어져 분석을 목적으로 할 때에는 2방향 솔레노이드 밸브(56)을 개방하여 분석기(140)로 흐르게 하고, 2차 전환 촉매층 공급 시에는 2방향 솔레노이드 밸브(57)가 개방되어 개질기(100)의 2차 촉매층으로 들어가도록 연결되었다.

상기 연소기 공급 배관은 메탄 배관(70)과 공기 배관(80)으로 구성되며 이 배관들은 개질기 하단 부분의 연소기(110)에 연료 공급을 목적으로 구성되었다.

상기 개질기(100)는 상술한 각 배관들에 의해 연결된 가스들에 의해 공급된 가스들이 개질 반응 후 각각 개질기(100)의 상·하단에 연결된 개질가스 배관과 배기가스 배관을 통해 배출된다.

상기 개질가스 배관은 1차적으로 메탄이 증기와 반응하여 발생된 질소, 수소, 이산화탄소의 조성을 2차 촉매반응을 하여 개질기에 생성된 가스 중 대부분은 니들밸브(101)에 의해 배출(Vent)되고 분석에 필요한 양의 가스만을 응축기로 보내 수분이 제거된 상태에서 분석기(140)로 보내진다.

상기 수분 제거는 그 명칭에서 알 수 있는 바와 같이 개질된 수소 중에 함유 된 수분을 제거하기 위한 수단으로서 응축기에서 수분을 응축시키고 수분이 제거된 수소를 배출하고 상기 응축기(102)에서 수거된 수분은 그 하부에 설치된 자동배수장치(103)에 의해 소정량이 저장되면 자동으로 배출된다.

상기 응축기(102)를 통과하여 수분이 제거된 개질 가스는 또 다른 응축기(104)에 의해 다시 한 번 수분이 제거되어 습도 센서(144) 및 먼지 필터(142), 흡입펌프(141)을 거쳐 최적의 상태에서 로타미터(143)에 의해 유량이 조절되어 분석에 필요한 양만이 분석기(140)로 보내진다.

상기 개질가스의 경우 개질된 수소의 순도 및 성분 측정에는 수분 제거가 절대적이며 이러한 이유로 2개의 응축기(102, 104)를 거치면서 완벽한 수분제거를 하도록 구성되어 개질가스의 측정치 정확도를 개선하였다.

상기 배기배관으로 배기된 가스들은 연소기의 연소배기 가스 및 개질 반응 후의 수소 이외의 반응가스들로 대부분은 니들밸브(105)에 의해 배출(Vent)되고 일부만이 응축기(106)로 보내진다. 상기 응축기(106)는 상술한 응축기(102, 104)와 같은 방법으로 수분을 수거하여 그 하부에 설치된 자동배수장치(107)에 의해 소정량이 저장되면 자동으로 배출시킨다.

상기 개질가스 및 배기가스는 상술한 것과 같이 수분 제거 후 습도 센서(134, 144) 및 먼지 필터(132, 142), 흡입펌프(131, 141)를 거쳐 로타미터(133, 143)에서 분석에 필요한 양만을 분석기(130, 140)로 보낸다.

상기 분석부의 경우 습도센서와 먼지필터, 흡입 펌프를 거쳐 로타미터를 통해 분석기로 보내지는 구성을 통하여 최종 수분제거와 필터 및 흡입펌프 및 연결배 관에서의 관로 손실을 최소화하여 분석의 신뢰성을 개선하도록 구성되었다.

상기 응축기들(102, 104, 106)은 순환기(120)에 의해 냉각된 물이 공급되어지며, 상기 분석기(130, 140)는 개질가스 및 배기가스의 농도, 양 등을 분석하며 이 분석된 데이터에 따라 상기의 각 구동 수단들 즉, 밸브들이나 가열기 등을 제어하여 개질기에서 최적의 개질 효과를 얻을 수 있는 조건을 얻어 낼 수 있으며 분석 후 결과를 제어기(150)에 의해 모니터링 되도록 구성된다.

상기 각각의 밸브나 센서 가열기 등의 제어는 마이크로프로세서 내지는 컴퓨터로 구성된 제어기(150)에 의해 이루어지며, 이러한 제어는 프로그램 등에 의해 이루어질 수 있는 것으로 이에 대한 구체적인 예에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 수소발생용 개질 시스템의 신뢰성평가 장치는 최적의 개질 조건 즉, 반응기의 내부에 공급되는 반응물질 및 촉매 또는 여타의 조건을 최적화 할 수 있는 조건을 찾아 개질 시스템을 제어할 수 있게 함으로서 보다 효과적인 개질을 이룰 수 있으며, 이에 따라 양질의 수소를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

공급되는 반응물질을 수소로 개질하는 개질기에 있어서,

상기 개질기에 연결된 퍼지용 질소 배관, 메탄 배관, 고압정량펌프, 가스를 혼합하는 혼합기와 정량펌프에 의해 공급된 물을 수증기로 기화시키는 증발기를 포함하는 1차 개질가스 공급배관과 ;

상기 개질기에 연결된 질소 배관, 수소 배관, 이산화탄소 배관을 포함하는 2차 촉매 반응용 가상 조성가스의 공급배관과 ;

상기 개질기의 일측에 구비된 연소기와 연결된 공기 배관과 연료 배관을 포함하는 연소기 공급 배관과 ;

상기 개질기에 연결된 개질반응 후의 배출가스 배관 및 개질가스 배관과 ;

상기 두 개의 배관에 각각 설치된 응축기, 자동 배출 장치와 ;

상기 자동배출장치를 거쳐 각각의 가스가 보내지는 분석기와 ;

상기 각 배관에는 수동으로 제어되어 유로를 개폐하는 볼 밸브와;

불순물을 걸러주는 라인필터와 ;

유량을 조절하기 위한 유량조절기와 ;

유체의 역류를 방지하기 위한 체크밸브와 ;

유로를 자동으로 개폐하는 솔레노이드 밸브와;

배관 전체의 압력을 측정하는 압력센서와 ;

일정압력 이상이 되면 자동으로 압력을 배출시키는 압력배출 밸브와 ;

컴퓨터로 구성되어 상기 각 밸브를 제어하고 분석기의 결과값을 표시하는 제어기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치.
제 1항에 있어서, 상기 메탄 배관에는 퍼지 질소 배관이 더 연결되며, 상기 퍼지 질소 배관에 연결된 연결관의 중단에 상기 메탄 배관이 연결되고, 상기 퍼지 질소 배관과 연결 배관을 연결하는 크로스의 나머지 두 배관에는 각각 압력배출밸브와 압력센서가 더 설치됨을 특징으로 하는 수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 합류 배관에 연결되어 그 내부에 흐르는 반응 가스들을 혼합하는 혼합기가 더 설치되고, 상기 수분 공급 배관에는 공급되는 물의 양을 일정하게 유지시키기 위한 고압정량펌프가 더 설치되고, 상기 혼합기와 고압정량펌프로부터 공급된 가스 및 물을 증발시키며 혼합하는 증발기가 설치됨을 특징으로 하는 수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수분 제거는 수소 중에 포함된 수분을 응축시키는 응축기로 구성되며, 응축된 응축수를 배출하기 위한 자동배수밸브가 더 설치됨으로서 장시간 연속운전이 가능하도록 구성됨을 특징으로 하는 수소발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 연소기의 연료를 메탄 배관 및 공기 배관으로 하고 연소에 소요되는 가스들을 개질에 사용하여 분석하는 것을 특징으로 하는 수소 발생용 개질시스템의 신뢰성 평가 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 분석부에서 습도센서와 먼지필터, 흡입 펌프를 거쳐 로타미터를 통해 분석기로 보내지는 구성을 통하여 최종 수분제거와 필터 및 흡입펌프 및 연결배관에서의 관로 손실을 최소화하여 분석의 신뢰성을 개선하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 발생용 개질 시스템의 신뢰성 평가 장치.