KR102053978B1 - High purity hydrogen production device and high purity hydrogen production method - Google Patents

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Abstract

바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 건식개질반응부; 및 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소를 포집하는 가스전환부; 를 포함하는 수소생산장치가 제공된다.A dry reforming reaction unit for directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas to produce a synthesis gas including hydrogen; And a gas conversion unit for generating carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with steam, and collecting the generated carbon dioxide. Provided is a hydrogen production apparatus comprising a.

Description

고순도 수소 생산 장치 및 고순도 수소 생산 방법{HIGH PURITY HYDROGEN PRODUCTION DEVICE AND HIGH PURITY HYDROGEN PRODUCTION METHOD}HIGH PURITY HYDROGEN PRODUCTION DEVICE AND HIGH PURITY HYDROGEN PRODUCTION METHOD}

본 발명은 새로운 고순도 수소 생산 장치 및 고순도 수소 생산 방법에 관한 것이다. 보다, 구체적으로는 바이오가스를 이용하는 고순도 수소 생산 장치 및 고순도 수소 생산 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a novel high purity hydrogen production apparatus and a high purity hydrogen production method. More specifically, the present invention relates to a high purity hydrogen production apparatus and a high purity hydrogen production method using biogas.

한국은 에너지 자원 빈국으로 많은 양을 수입에 의존하고 있으며 에너지 소비량은 세계 10위 권 내로 세계 유가에 의해서 경제가 많은 영향을 많이 받고 있다. 따라서 에너지 안보확보를 위해 지속 성장이 가능한 신재생에너지의 개발 이용이 시급하다. 또한 한국은 세계 9위의 온실가스 배출국으로 국제적으로 온실가스 배출량 감축에 대한 압력이 강화되고 있다. Korea is an energy-poor country with a large amount of imports, and its energy consumption is among the top 10 in the world. The economy is heavily influenced by world oil prices. Therefore, it is urgent to develop and use renewable energy that can sustain growth for energy security. Korea is also the world's ninth-largest greenhouse gas emitter, with increasing pressure on reducing greenhouse gas emissions globally.

따라서 이러한 지구 온난화와 같은 환경 문제와 에너지 의존성에 관한 문제를 동시에 해결할 수 있는 미래의 청정에너지로서, 수소 에너지가 대두되고 있으며, 이러한 수소를 생산하는 방법은 천연 가스와 같은 화석 연료를 이용하는 방법과 하수 슬러지나 음식 폐기물과 같은 바이오매스(biomass)로부터 수소를 생산하는 방법이 있다. Therefore, hydrogen energy is emerging as a future clean energy that can simultaneously solve environmental problems such as global warming and energy dependence, and the method of producing hydrogen is using fossil fuels such as natural gas and sewage. There is a method of producing hydrogen from biomass such as sludge or food waste.

이중 경제적인 측면에서는 바이오매스를 이용하여 바이오가스(메탄 55-70%, 이산화탄소 30-45% 포함)와 같은 재생에너지를 생산하는 것이 유리하다.In economic terms, it is advantageous to use biomass to produce renewable energy such as biogas (including 55-70% methane and 30-45% carbon dioxide).

이러한, 바이오가스로부터 수소 제조를 이용할 때 사용될 때 다양한 공정이 사용되나, 스팀개질 방식이 가장 널리 사용되고 있다.When various processes are used when using hydrogen from biogas, steam reforming is the most widely used.

하지만, 스팀개질방식은 바이오 가스에 포함된 이산화탄소를 선택적으로 제거하고 사용하는데 이는 에너지가 소비되므로 효율적인 측면에서 크게 떨어지는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 최근 스팀개질 방식은 바이오가스 내의 이산화탄소를 선택적으로 제거한 후 메탄 스팀 개질반응기에서 메탄가스가 수증기와 반응하여 수소와 일산화탄소의 합성가스가 생산되고, 그 후에 수성가스반응기에서 촉매에 의해 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되고 마지막으로 선택전환반응기에서 합성가스 내의 일산화탄소를 제거한 후 압력순환식흡착공정(PSA) 등을 통해 이산화탄소를 분리하여 최종적으로 수소를 생산하는데(도 1). 이러한 방법은 공정이 복잡하고 부대시설이 많아 공간 활용의 제약을 가지며 분리 과정에서 많이 비용이 발생하는 문제점이 있다.However, the steam reforming method selectively removes and uses carbon dioxide contained in the biogas, which has a disadvantage in that it is greatly reduced in efficiency because energy is consumed. In order to compensate for this, the recent steam reforming method selectively removes carbon dioxide in biogas, and then, methane gas reacts with water vapor in a methane steam reforming reactor to produce hydrogen and carbon monoxide, followed by carbon monoxide by a catalyst in a water gas reactor. Is converted to carbon dioxide, and finally removes carbon monoxide in the synthesis gas in the selective conversion reactor, and finally to produce hydrogen by separating the carbon dioxide through a pressure swing adsorption process (PSA) (FIG. 1). This method has a problem in that the process is complicated and there are many additional facilities, which constrains the use of space and costs a lot in the separation process.

뿐만 아니라, 특허문헌 1의 경우 메탄가스와 수증기를 개질하여 수소를 생산할 수 있는데, 해당 장치는 고분자 전해질 연료전지용 소형수소생산장치로는 유용하지만 대용량이나 바이오가스를 이용한 개질에서는 이산화탄소를 선택적으로 제거해야 하고 수소 생산 효율이 이산화탄소 제거 효율에 많이 의존하기 때문에 이산화탄소 제거에 따른 에너지와 비용이 발생하는 단점을 가지고 있다. 또한, 이러한 방법은 공정이 복잡하고 부대시설이 많아 공간 활용의 제약을 가지며 분리 과정에서 많이 비용이 발생하는 문제점이 있다.In addition, in the case of Patent Literature 1, hydrogen may be produced by reforming methane gas and steam. The apparatus is useful as a small hydrogen production apparatus for a polymer electrolyte fuel cell, but in a reforming using a large capacity or biogas, carbon dioxide must be selectively removed. In addition, since hydrogen production efficiency depends heavily on carbon dioxide removal efficiency, energy and cost associated with carbon dioxide removal are generated. In addition, this method has a problem that the process is complicated and there are a lot of facilities, there is a limitation of the space utilization and a lot of cost in the separation process.

이에 따라, 이산화탄소 발생을 최소화하면서도 고순도의 수소를 생산할 수 있는 새로운 수소 생산 장치의 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need for the development of a new hydrogen production apparatus capable of producing high purity hydrogen while minimizing carbon dioxide generation.

한국 특허출원 제10-2011-0033460호Korean Patent Application No. 10-2011-0033460 대한민국 특허 등록 제10-1629689호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1629689

본 발명의 구현예들에서는 고순도 수소 생산장치 및 고순도 수소 생산 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention to provide a high purity hydrogen production apparatus and high purity hydrogen production method.

본 발명의 일 구현예에서, 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 건식개질반응부; 및 상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소를 포집하는 가스전환부; 를 포함하는 수소생산장치가 제공된다.In one embodiment of the present invention, the dry reforming reaction unit for producing a synthesis gas containing hydrogen by directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas; And a gas conversion unit for generating carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with water vapor, and collecting the generated carbon dioxide. Provided is a hydrogen production apparatus comprising a.

예시적인 구현예에서, 상기 가스전환부에서 포집된 이산화탄소는 상기 건식개질반응부로 공급되어 바이오가스 내의 메탄과 반응시 재활용될 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon dioxide collected in the gas conversion unit may be supplied to the dry reforming unit and recycled when reacted with methane in biogas.

예시적인 구현예에서, 상기 가스전환부는 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함하며, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율로 포함될 수 있다.In an exemplary embodiment, the gas conversion unit may include a hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide, and the hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide may be included in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1.

예시적인 구현예에서, 상시 수소생성촉매는 Cu, Ni 및 Fe으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 전이금속을 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen generating catalyst may include one or more transition metals selected from the group consisting of Cu, Ni, and Fe.

예시적인 구현예에서, 상기 이산화탄소 포집용 흡착제는 알칼리금속 복염계 흡착제 또는 하이드로탈사이트계 흡착제를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adsorbent for carbon dioxide capture may include an alkali metal double salt-based adsorbent or a hydrotalcite-based adsorbent.

예시적인 구현예에서, 상기 알칼리금속 복염계 흡착제는 알칼리토금속 탄산염이 공침 또는 함침 공정을 통해 제조된 흡착제이고, 상기 하이드로탈사이트계 흡착제는 하기 [화학식 1] 내지 [화학식 4] 중 어느 하나로 표시되는 염화물과 [화학식 5]로 표시되는 탄산염을 혼합해 수열합성공정 혹은 공침 공정을 통해 제조된 흡착제일 수 있다.In an exemplary embodiment, the alkali metal double salt-based adsorbent is an adsorbent prepared by co-precipitation or impregnation of alkaline earth metal carbonate, and the hydrotalcite-based adsorbent is represented by any one of the following [Formula 1] to [Formula 4] The adsorbent may be prepared by mixing a chloride and a carbonate represented by [Formula 5] by a hydrothermal synthesis process or a coprecipitation process.

[화학식 1][Formula 1]

(1-x)M(OH)2 (1-x) M (OH) 2

[화학식 2][Formula 2]

(1-x)M(NO3)2 (1-x) M (NO3) 2

[화학식 3][Formula 3]

xL(OH)3 xL (OH) 3

[화학식 4][Formula 4]

xL(NO3)3 xL (NO3) 3

[화학식 5][Formula 5]

(x/2)A2CO3 (x / 2) A 2 CO 3

(상기 화학식 1 내지 5에서, x는 0.17~0.4의 값을 가지며, M은 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)로 구성된 그룹에서 선택되며, L은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 철(Fe) 및 망가니즈(Mn)로 구성된 그룹에서 선택되고, A는 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.)(In the formula 1 to 5, x has a value of 0.17 ~ 0.4, M is selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn) and nickel (Ni), L is aluminum (Al), gallium ( Ga), iron (Fe) and manganese (Mn), and A is selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr). Can be chosen)

예시적인 구현예에서, 상기 건식개질반응부는 하기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the dry reforming reaction unit may include a catalyst including a compound represented by the following [Formula 6].

[화학식 6][Formula 6]

Sr1 - yYyTi1 - xRuxO3 Sr 1 - y Y y Ti 1 - x Ru x O 3

(여기서, x는 0보다 크고 1보다 작다. y는 0보다 크고 0.1보다 작다. δ는 0 이상 1이하이다.)(Where x is greater than 0 and less than 1. y is greater than 0 and less than 0.1. Δ is greater than 0 and less than 1).

예시적인 구현예에서, 상기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매는 700~900℃의 온도에서 60 내지 120 시간의 운전 동안 80% 이상의 메탄 전환율을 나타낼 수 있다.In an exemplary embodiment, the catalyst including the compound represented by [Formula 6] may exhibit a methane conversion rate of 80% or more during the operation of 60 to 120 hours at a temperature of 700 ~ 900 ℃.

예시적인 구현예에서, 상기수소생산장치는 상기 건식개질반응부의 폐열을 상기 가스전환부로 전달하는 열전달부를 더 포함하고, 상기 열전달부는 수증기를 생성하는 스팀발생기; 및 상기 건식개질반응부에서 생성된 합성가스를 예열하는 예열부;를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen production apparatus further includes a heat transfer unit for transferring the waste heat of the dry reforming reaction unit to the gas conversion unit, the heat transfer unit for generating a steam; And a preheating unit for preheating the synthesis gas generated in the dry reforming reaction unit.

예시적인 구현예에서, 상기 예열부는 상기 건식개질 반응부의 폐열을 열원으로 작동될 수 있다.In an exemplary embodiment, the preheating unit may be operated by the waste heat of the dry reforming reaction unit as a heat source.

예시적인 구현예에서, 상시 수소생산장치는 상기 가스전환부와 연결된 수소가스 포집부를 더 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen production apparatus may further include a hydrogen gas collecting unit connected to the gas conversion unit.

본 발명의 다른 구현예에서, 건식개질반응부 및 가스전환부를 포함하는 수소생산장치를 통한 수소생산방법으로서, 건식개질반응부에서, 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 합성가스를 생산하는 단계; 및 가스전환부에서, 상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하고, 생성된 이산화탄소를 포집하는 단계; 를 포함하는 수소생산방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, as a method for producing hydrogen through a hydrogen production apparatus including a dry reforming reaction unit and a gas conversion unit, in the dry reforming reaction unit, directly reacting methane and carbon dioxide in biogas to produce syngas. ; And in the gas conversion unit, reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with water vapor to generate carbon dioxide and hydrogen, and collecting the generated carbon dioxide; There is provided a hydrogen production method comprising a.

예시적인 구현예에서, 상기 일산화탄소와 수증기의 반응에 따라 포집된 이산화탄소는 건식개질반응부에서 바이오가스 내의 메탄과 반응시 재활용될 수 있다.In an exemplary embodiment, the carbon dioxide collected according to the reaction of carbon monoxide and water vapor may be recycled upon reaction with methane in the biogas in a dry reforming reaction unit.

예시적인 구현예에서, 상기 가스전환부는 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함하며, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율로 포함될 수 있다.In an exemplary embodiment, the gas conversion unit may include a hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide, and the hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide may be included in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1.

본 발명의 일 구현예에 따른 수소생산장치를 이용하는 경우 이산화탄소를 쉽게 재활용할 수 있다. 이에 따라, 이산화탄소를 제거하는데 필요한 별도의 공정이 요구되지 않아 공정의 효율성이 기존 공정 대비 매우 향상될 수 있다.When using the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention can be easily recycled carbon dioxide. Accordingly, a separate process required to remove carbon dioxide is not required, so the efficiency of the process can be greatly improved compared to the existing process.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따른 수소생산장치에서는 건식 개질반응으로 바이오가스를 반응시키는데, 이 경우 수소 생성능이 보다 향상될 수 있다.In addition, in the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention, the biogas is reacted by a dry reforming reaction, in which case the hydrogen generating ability may be further improved.

아울러, 본 발명의 고순도 수소생산장치에서는 이산화탄소가 대부분 제거되므로 고순도의 수소를 제조할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 수소 생산 장치 및 방법에 따르면 이산화탄소가 거의 배출되지 않아 친환경적으로 수소를 생산할 수 있다.In addition, in the high purity hydrogen production apparatus of the present invention, since most of the carbon dioxide is removed, it is possible to produce high purity hydrogen. In addition, according to the hydrogen production apparatus and method of the present invention, carbon dioxide is hardly emitted and thus, hydrogen can be produced in an environmentally friendly manner.

이에 따라, 상기 수소생상잔치를 저온형 연료전지인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 등에 직접 적용할 수 있으며 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.Accordingly, the hydrogen production residual can be directly applied to a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), which is a low temperature fuel cell, and can be utilized in various industrial fields.

도 1은 종래 기술에 따른 수소 생산 공정의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 생산 공정의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 수소 생산 장치를 나타내는 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 수소 생산 시스템의 건식개질반응부를 나타내는 사진(좌) 및 상기 건식개질반응부의 구성도(우)이다.
도 5는 발명의 일 구현예에 따른 고순도 수소 생산 시스템의 수성가스전환부를 나타내는 구성도이다.
도 6은 본 발명의 건식개질반응부에서 사용된 촉매의 건식 개질 성능을 실험한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에서 사용된 가스전환부(수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제)의 성능을 실험한 그래프이다.
도 8a 및 8b는 각각 본 발명에 따른 가스전환부(수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제)의 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다. 이때 모두, 하이드로탈사이트계 흡착제를 사용하였다(도 8a: 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제의 비율이 4:1인 경우, 도 8b: 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제의 비율이 1:4인 경우).
도 9a는 본 발명에 따른 고순도 수소 생산 반응장치를 모사한 실험 결과를 나타내는 그래프로서, 건식개질반응부와 가스전환부에 각각 촉매만 충전해 실험을 진행한 결과를 나타낸다.
도 9b는 본 발명에 따른 고순도 수소 생산 반응장치를 모사한 실험 결과를 나타내는 그래프로서, 건식개질반응부에는 촉매, 가스전환부에는 촉매 및 흡착제를 함께 충전해 실험을 진행한 결과를 나타낸다.
1 is a flow chart of a hydrogen production process according to the prior art.
2 is a flow chart of a hydrogen production process according to one embodiment of the invention.
Figure 3 is a block diagram showing a high purity hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a photograph showing the dry reforming reaction unit of the high purity hydrogen production system according to an embodiment of the present invention (left) and the configuration diagram of the dry reforming reaction unit (right).
5 is a block diagram showing a water gas conversion unit of a high purity hydrogen production system according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating dry reforming performance of the catalyst used in the dry reforming unit of the present invention.
7 is a graph illustrating the performance of the gas conversion unit (hydrogen generating catalyst and adsorbent for collecting carbon dioxide) used in one embodiment of the present invention.
8a and 8b are graphs showing the results of experiments on the performance of the gas conversion unit (hydrogen generating catalyst and carbon dioxide capture adsorbent) according to the present invention, respectively. In this case, all of the hydrotalcite-based adsorbents were used (FIG. 8A: ratio of the hydrogen generating catalyst and the adsorbent for carbon dioxide capture is 4: 1, FIG. 8B: the ratio of the hydrogen generating catalyst and the adsorbent for carbon dioxide capture is 1: 4. Occation).
Figure 9a is a graph showing the experimental results of the high-purity hydrogen production reactor according to the present invention, showing the results of the experiment by filling only the catalyst in the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit, respectively.
Figure 9b is a graph showing the experimental results of the high-purity hydrogen production reactor according to the present invention, the dry reforming reaction unit with a catalyst, the gas conversion unit with the catalyst and the adsorbent together shows the results of the experiment.

이하, 본 발명의 구현예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 구현예들이 첨부된 도면을 참고로 설명되었으나 이는 예시를 위하여 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 적용이 제한되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, which are described for purposes of illustration, whereby the technical idea of the present invention and its configuration and application are not limited.

수소생산장치Hydrogen Production Equipment

본 발명에 따른 수소생산장치는 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 건식개질반응부; 및 상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소를 포집하는 가스전환부; 를 포함한다. 본 발명의 수소생산장치의 건식개질반응부에서는 수소 생성에 최적화된 촉매를 사용하여 수소생산 성능이 기존 장치 대비 현저히 향상될 수 있다. 아울러, 상기 수소생산장치의 가스 전환부에서는 이산화탄소를 바로 포집하므로, 가스전환부에서의 수소를 생성하는 반응 성능이 저하되지 않고 유지될 수 있다. 이에 따라, 수소생산 성능이 매우 향상될 수 있다. 이하 이를 자세히 살펴본다.Hydrogen production apparatus according to the present invention comprises a dry reforming reaction unit for producing a synthesis gas containing hydrogen by direct reaction of methane and carbon dioxide in the biogas; And a gas conversion unit for generating carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with water vapor, and collecting the generated carbon dioxide. It includes. In the dry reforming unit of the hydrogen production apparatus of the present invention, the hydrogen production performance may be significantly improved compared to the existing apparatus by using a catalyst optimized for hydrogen generation. In addition, since the gas conversion unit of the hydrogen production apparatus directly captures carbon dioxide, the reaction performance of generating hydrogen in the gas conversion unit may be maintained without deterioration. Accordingly, hydrogen production performance can be greatly improved. This is described in detail below.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 고순도 수소생산 장치를 나타내는 구성도이다. 3 is a block diagram showing a high purity hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 살펴보면, 수소생산장치는 건식개질반응부(100), 가스 전환부(200) 및 열전달부(250)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the hydrogen production apparatus includes a dry reforming reaction part 100, a gas conversion part 200, and a heat transfer part 250.

건식개질반응부(100)는 바이오 가스가 공급되는 공급부(도시되지 않음)와 연결되어 있다.The dry reforming reaction unit 100 is connected to a supply unit (not shown) to which biogas is supplied.

건식개질반응부(100)에서는 하기 [화학식 1]로 표시되는 반응이 진행된다.In the dry reforming reaction unit 100, a reaction represented by the following [Formula 1] is performed.

[화학식 1][Formula 1]

CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 (△H298K = +247 kJ mol-1) CH 4 + CO 2 ↔ 2CO + 2H 2 (△ H 298K = +247 kJ mol -1)

일반적으로 개질반응을 이용한 수소생산장치는 수증기개질반응을 이용하는데 이는 건식개질반응이 보다 우수한 효율을 가짐에도 불구하고, 건식개질반응의 경우 적합한 촉매를 찾지 못해 탄소가 침적되어 촉매의 활성이 저하되고, 이에 따라, 수소생산장치의 내구성이 저하되기 때문이다. 하지만, 본 발명에서는 건식개질반응에 최적화된 메탄 변환율이 굉장히 높은 하기 [화학식 2]로 표시되는 촉매를 사용하고, 이에 따라 건식개질반응을 이용하더라도 촉매의 성능이 저하되지 않고 수소가스(H2)를 생산할 수 있다.In general, a hydrogen production apparatus using a reforming reaction uses a steam reforming reaction. Although the dry reforming reaction has a better efficiency, the dry reforming reaction does not find a suitable catalyst, and carbon is deposited to deteriorate the activity of the catalyst. This is because the durability of the hydrogen production apparatus is thereby deteriorated. However, in the present invention, a catalyst represented by the following [Formula 2], which has a very high methane conversion rate optimized for dry reforming reaction, is used. Accordingly, even if the dry reforming reaction is used, the performance of the catalyst is not deteriorated and the hydrogen gas (H 2 ) is reduced. Can produce

예시적인 구현예에서, 건식개질반응부(100)는 페로브스카이트 촉매를 포함할 수 있으며, 구체적으로, 황 및 탄소에 대한 저항성이 우수하며 도핑을 통해서 건식 개질에 대한 활성을 쉽게 제어할 수 있는 페로브스카이트 촉매를 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the dry reforming reaction unit 100 may include a perovskite catalyst. Specifically, the dry reforming reaction unit 100 may have excellent resistance to sulfur and carbon, and may easily control activity on dry reforming through doping. Perovskite catalyst can be used.

상기 페로브스카이트 촉매로서는, SrTiO3로 표시되는 페로브스카이트(perovskite) 물질 중 스트론튬(Sr) 일부가 이트륨(Y)으로 도핑 치환되고 티타늄(Ti) 일부가 루테늄(Ru)로 도핑 치환된 것이 사용될 수 있다. 즉, 상기 촉매로써, ABO3의 구조를 갖는 페로브스카이트 물질에서 A 자리(Sr)의 일부 및 B 자리(Ti)의 일부가 각각 서로 다른 물질(A 자리에 Y 및 B 자리에 Ru)로 도핑 치환됨으로써, 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물이 사용될 수 있다.As the perovskite catalyst, a portion of strontium (Sr) is doped with yttrium (Y) and a portion of titanium (Ti) is doped with ruthenium (Ru) in the perovskite material represented by SrTiO 3 . May be used. That is, as the catalyst, in the perovskite material having the structure of ABO 3 , a part of A site (Sr) and a part of B site (Ti) are respectively different from each other (R at Y and B at A site). By doping substitution, a compound having a perovskite structure can be used.

예를 들어, 상기 페로브스카이트 촉매는 하기 [화학식 2]로 표시되는 화합물을 포함하는 바이오가스 개질용 촉매일 수 있다.For example, the perovskite catalyst may be a catalyst for biogas reforming including a compound represented by the following [Formula 2].

[화학식 2][Formula 2]

Sr1 - yYyTi1 - xRuxO3 Sr 1 - y Y y Ti 1 - x Ru x O 3

(여기서, x는 0보다 크고 1보다 작다. y는 0보다 크고 0.1보다 작다. δ는 0 이상 1이하이다.)(Where x is greater than 0 and less than 1. y is greater than 0 and less than 0.1. Δ is greater than 0 and less than 1).

예시적인 구현예들에 있어서, 촉매의 단일 상 유지, 탄소 침적 및/또는 촉매 피독 방지, 촉매의 활성 유지와 향상된 전기전도도를 모두 고려할 때, 티타늄 자리(페로브스카이트 구조의 B 자리)에 치환되는 루테늄(Ru)의 양, 즉 상기 [화학식 2]에서 x는 0보다 크고 1 이하(0<x≤1)인 것이 바람직할 수 있다. 특히, x는 0.05인 경우가 바람직할 수 있다. 또한, 스트론튬 자리(페로브스카이트 구조의 A자리)에 치환되는 이트륨(Y)의 양, 즉 상기 [화학식 2]에서 y는 0보다 크고 0.08 이하(0<y≤0.08), 특히 y는 0.08인 것이 바람직할 수 있다. In exemplary embodiments, substitution of the titanium site (B site of the perovskite structure), considering both the maintenance of a single phase of the catalyst, prevention of carbon deposition and / or catalyst poisoning, maintenance of the catalyst activity and improved electrical conductivity In the amount of ruthenium (Ru), that is, x may be greater than 0 and less than or equal to 1 (0 <x ≦ 1). In particular, it may be preferred if x is 0.05. In addition, the amount of yttrium (Y) substituted at the strontium site (A site in the perovskite structure), that is, y is greater than 0 and less than or equal to 0.08 (0 <y≤0.08), in particular, y is 0.08 It may be desirable.

한편, 예시적인 구현예예서, 상기 페로브스카이트(perovskite) 물질을 부분적으로 이트륨(Y) 및 루테늄(Ru)으로 도핑 치환하는 것은, 이트륨(Y), 스트론튬(Sr), 티타늄(Ti) 및 루테늄(Ru)을 포함하는 화합물을 용해시키기 위한 용매로서 증류수 또는 탈이온수(deionized water, DI water)를 사용하여, 알려진 건식 촉매 제조법 중 페치니 법(Pechini method)을 통해 수행될 수 있다. Meanwhile, in an exemplary embodiment, partially doping and replacing the perovskite material with yttrium (Y) and ruthenium (Ru) may include yttrium (Y), strontium (Sr), titanium (Ti), and the like. Using distilled water or deionized water (DI water) as a solvent for dissolving the compound containing ruthenium (Ru), it can be carried out through the Pechini method (Pechini method) of the known dry catalyst preparation method.

일 구현예에서, 상기 [화학식 2]로 표시되는 화합물을 모노리스 지지체에 딥코팅하여 제조한 촉매(즉, 모노리스 지지체에 담지된 [화학식 2]로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매)를 사용할 수도 있다.In one embodiment, a catalyst prepared by dip coating the compound represented by [Formula 2] on a monolith support (that is, a catalyst including a compound represented by [Formula 2] supported on a monolith support) may be used.

예시적인 구현예예서, 상기 바이오가스 개질용 촉매는 700~900℃의 온도에서 100 내지 150 시간의 운전 동안 80% 이상의 메탄 전환율을 보일 수 있다.In an exemplary embodiment, the biogas reforming catalyst may exhibit a methane conversion of at least 80% during 100 to 150 hours of operation at a temperature of 700 ~ 900 ℃.

한편, 상기 페로브스카이트 촉매는 팰릿(pallet)형태 혹은 파우더 형태로 제조될 수 있으며, 이 경우 바이오 가스와의 반응 면적이 더 넓어져 수소 생산 효율이 보다 증대될 수 있다.On the other hand, the perovskite catalyst may be prepared in the form of a pallet (pallet) or powder, in this case, the reaction area with the biogas can be wider to increase the hydrogen production efficiency more.

한편, 상기 화학식 1에 표시된 바와 같이 건식개질반응은 흡열반응이고, 이에 따라, 건식개질반응부(100)는 적절한 온도(약700~900℃의 온도)가 유지되어야 한다. On the other hand, as shown in Formula 1, the dry reforming reaction is an endothermic reaction, accordingly, the dry reforming reaction unit 100 should be maintained at an appropriate temperature (temperature of about 700 ~ 900 ℃).

예시적인 구현예에서, 수소생산 장치는 상기 공급부와 상기 건식개질반응부(100)사이에 예열기(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 공급부와 건식개질반응부(100)사이에 탄소 침적을 막아 대용량으로 건식개질반응을 수행할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen production apparatus may further include a preheater (not shown) between the supply unit and the dry reforming reaction unit 100, and in this case, between the supply unit and the dry reforming reaction unit 100. By preventing carbon deposits, dry reforming reactions can be carried out in large quantities.

한편 도 4에 건식개질 반응부(100)의 일 예가 도시되어있다. 도4에서 인코넬튜브(Inconel tube)는 대형 개질 반응기로 제작되었는데 바이오 가스 유량 증가에 따른 반응기 부분의 탄소 침적 예방을 위한 재료로 사용된다. 절연 울(Insulation wool)은 촉매가 가스 흐름에 의한 촉매 파우더 날림 현상 예방과 함께 촉매가 담지된 곳의 온도 유지를 위해 사용된다. 다공성 인코넬 디스크(Porous Inconel disk)는 반응기 내의 촉매가 일정한 온도 구역에 있게 고정하는 역할과 반응 후 가스가 잘 통과할 수 있는 역할을 하게 디자인되어있다.Meanwhile, an example of the dry reforming reaction unit 100 is illustrated in FIG. 4. Inconel tube (Inconel tube) in Figure 4 is made of a large reforming reactor is used as a material for preventing carbon deposition of the reactor portion with increasing biogas flow rate. Insulation wool is used to maintain the temperature at which the catalyst is supported, with the catalyst preventing the catalyst powder from flying by the gas flow. Porous Inconel disks are designed to hold the catalyst in the reactor at a constant temperature range and to allow the gas to pass well after the reaction.

아울러, 상기 수소생산장치는 가스전환부(200)와 건식개질반응부(100)를 연결시키며, 가스전환부(200)로부터 공급받은 이산화탄소(CO2)를 건식개질반응부(100)에 전달하는 이산화탄소 전달부(도시되지 않음)을 더 포함한다. 즉, 이산화탄소전달부를 통해 이산화탄소를 재활용할 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus connects the gas conversion unit 200 and the dry reforming reaction unit 100, and delivers carbon dioxide (CO 2 ) supplied from the gas conversion unit 200 to the dry reforming reaction unit 100. It further includes a portion (not shown). That is, carbon dioxide can be recycled through the carbon dioxide delivery unit.

일반적으로, 건식개질반응에 필요한 이산화탄소의 양은 CO2와CH4의 비에 의해 결정되며, 상기 화학식 1에 표시된 바와 같이 양론적으로는 1이 필요하다. 하지만 일반적으로 바이오가스 내에 포함된 이산화탄소와 메탄의 비율은 2/3의 비율로 부족하고, 이에 따라 기존에는 이산화탄소를 별도로 공급하여야 했었다. In general, the amount of carbon dioxide required for the dry reforming reaction is determined by the ratio of CO 2 and CH 4 , and quantitatively 1 is required as shown in Formula 1 above. However, in general, the ratio of carbon dioxide and methane contained in biogas is insufficient at a ratio of 2/3, and accordingly, carbon dioxide had to be separately supplied.

하지만, 본 발명의 경우, 가스전환부(200)에서 이산화탄소가 생성 및 흡착되고, 상기 이산화탄소를 포집하여 상기 이산화탄소전달부를 통해 건식개질반응부(100)에 이산화탄소가 지속적으로 공급될 수 있다. 이에 따라, 이산화탄소를 별도로 공급하지 않고도 건식개질반응이 진행될 수 있다.However, in the case of the present invention, carbon dioxide is generated and adsorbed in the gas conversion unit 200, and the carbon dioxide may be continuously supplied to the dry reforming reaction unit 100 by collecting the carbon dioxide. Accordingly, the dry reforming reaction may proceed without separately supplying carbon dioxide.

한편, 건식개질반응부를 통해 생성된 수소 및 이산화탄소를 포함하는 합성가스는 열과 함께 가스전환부(200)으로 전달된다.On the other hand, the synthesis gas containing hydrogen and carbon dioxide generated through the dry reforming reaction unit is transferred to the gas conversion unit 200 with heat.

가스전환부(200)에서는 일산화탄소를 포함하는 합성가스의 전환반응과 이산화탄소의 흡착반응이 일어난다. 가스 전환부(200)는 합성가스의 전환반응을 촉진시키는 수소생성촉매를 포함하고, 이산화탄소의 흡착반응을 진행시키는 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함한다.In the gas conversion unit 200, a conversion reaction of a synthesis gas containing carbon monoxide and an adsorption reaction of carbon dioxide occur. The gas converting unit 200 includes a hydrogen generating catalyst for promoting the conversion reaction of the synthesis gas and includes an adsorbent for collecting carbon dioxide for adsorbing the carbon dioxide.

합성가스 전환반응은 하기 [화학식 3]으로 표시될 수 있다.Syngas conversion reaction may be represented by the following [Formula 3].

[화학식 3][Formula 3]

CO + H2O ↔ CO2 + H2 (△H298K = -41 kJ mol-1)CO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 (△ H 298K = -41 kJ mol -1 )

상기 합성가스 전환반응은 수성가스전환반응이라고도 불리며, 이때 일산화탄소와 스팀이 동일 몰수로 반응해 수소와 이산화탄소를 생산할 수 있다.The syngas conversion reaction is also called a water gas shift reaction, in which carbon monoxide and steam may react with the same molar number to produce hydrogen and carbon dioxide.

예시적인 구현예예서, 상기 합성가스 전환반응을 수행하기 위해, 수소생성촉매를 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, a hydrogen generating catalyst may be used to carry out the syngas conversion reaction.

예컨대, 상기 수소생성촉매는 Cu, Ni 및 Fe으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 전이금속을 포함하도록 제조될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 수소생성촉매는 조촉매 및 지지체로서 ZnO 및/또는 Al2O3를 추가로 함유할 수 있다.For example, the hydrogen generating catalyst may be prepared to include one or more transition metals selected from the group consisting of Cu, Ni, and Fe. In addition, the hydrogen generating catalyst may further contain ZnO and / or Al 2 O 3 as cocatalyst and support.

일 구현예에서, 상기 수소생성촉매는 CuO/ZnO/Al2O3 및 Cu/ZnO/Al2O3 로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는 촉매일 수 있다. In one embodiment, the hydrogen production catalyst is CuO / ZnO / Al 2 O 3 And Cu / ZnO / Al 2 O 3 It may be a catalyst comprising at least one selected from the group consisting of.

한편, 가스전환부(200)에는 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함되는데, 이에 따라, 합성가스 전환반응을 통해 생성된 이산화탄소가 동일한 반응기 내에서 흡착될 수 있다.Meanwhile, the gas converting unit 200 includes an adsorbent for collecting carbon dioxide. Accordingly, carbon dioxide generated through a synthesis gas converting reaction may be adsorbed in the same reactor.

예시적인 구현예예서, 이산화탄소 포집용 흡착제는 알칼리금속 복염계 흡착제 또는 하이드로탈사이트계 흡착제를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the adsorbent for collecting carbon dioxide may include an alkali metal double salt based adsorbent or a hydrotalcite based adsorbent.

일 구현예에서, 상기 알칼리금속 복염계 흡착제는 알칼리토금속 탄산염 (K2CO3, Na2CO3) 등이 공침 또는 함침 방법을 통해 제작된 것이면 제한되지 않으나, 예를 들어, K2Mg(CO3)24H2O 및 KHMg(CO3)2H2O 로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.In one embodiment, the alkali metal double salt-based adsorbent is not limited as long as the alkaline earth metal carbonate (K 2 CO 3 , Na 2 CO 3 ) is manufactured through a coprecipitation or impregnation method, for example, K 2 Mg (CO 3 ) may include one or more selected from the group consisting of 2 4H 2 O and KHMg (CO 3 ) 2 H 2 O.

이와 달리, 상기 알칼리금속 복염계 흡착제는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 및 배륨(Ba)부터 선택된 제1 금속을 포함하는 제1 금속염; 및 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)로부터 선택된 제2 금속을 포함하는 제2금속염을 포함하는 복염(double salt)을 포함하는 이산화탄소 흡착제일 수도 있다.Alternatively, the alkali metal double salt-based adsorbent may include a first metal salt including a first metal selected from magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba); And a double salt comprising a second metal salt comprising a second metal selected from lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) and cesium (Cs). It may be.

일 구현예에서, 상기 알칼리금속 복염계 흡착제는 나트륨 및 마그네슘 기반의 Na 및 Mg의 복염 기반의 소재일 수 있다.In one embodiment, the alkali metal double salt-based adsorbent may be a double salt-based material of Na and Mg based on sodium and magnesium.

일 구현예에서, 상기 하이드로탈사이트계 흡착제는 하기 화학식 4 내지 7 중 어느 하나로 표시되는 염화물과 화학식 8로 표시되는 탄산염을 혼합해 수열합성 또는 공침법을 통해 합성된 것일 수 있다.In one embodiment, the hydrotalcite-based adsorbent may be synthesized by hydrothermal synthesis or coprecipitation by mixing the chloride represented by any one of the following formula 4 to 7 and the carbonate represented by the formula (8).

[화학식 4][Formula 4]

(1-x)M(OH)2 (1-x) M (OH) 2

[화학식 5][Formula 5]

(1-x)M(NO3)2 (1-x) M (NO 3 ) 2

[화학식 6][Formula 6]

xL(OH)3 xL (OH) 3

[화학식 7][Formula 7]

xL(NO3)3 xL (NO 3 ) 3

[화학식 8][Formula 8]

(x/2)A2CO3 (x / 2) A 2 CO 3

(상기 화학식 4 내지 8에서, x는 0.17~0.4의 값을 가지며, M은 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)로 구성된 그룹에서 선택되며, L은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 철(Fe) 및 망가니즈(Mn)로 구성된 그룹에서 선택되고, A는 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.)(In the formulas 4 to 8, x has a value of 0.17 ~ 0.4, M is selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn) and nickel (Ni), L is aluminum (Al), gallium ( Ga), iron (Fe) and manganese (Mn), and A is selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr). Can be chosen)

한편, 상기 이산화탄소 포집용 흡착제는 탄산염계 흡착제를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 흡착성능이 보다 증대될 수 있다.On the other hand, the adsorbent for carbon dioxide capture may further include a carbonate-based adsorbent, in which case the adsorption performance may be increased.

일 구현예에서, 상기 이산화탄소 포집용 흡착제는 탄산칼륨(K2CO3)를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the adsorbent for collecting carbon dioxide may further include potassium carbonate (K 2 CO 3 ).

예컨대, 상기 이산화탄소 포집용 흡착제는 K2CO3가 함침된 Mg/Al계 하이드로탈사이트계 흡착제일 수 있다.For example, the adsorbent for collecting carbon dioxide may be an Mg / Al-based hydrotalcite-based adsorbent impregnated with K 2 CO 3 .

일반적으로 상기 화학식 3으로 표시되는 수성가스전환반응은 발열반응으로 반응 온도가 낮을수록 일산화탄소 전환율이 높아지지만 반응 속도가 보다 느려진다는 문제를 가지고 있다. 하지만, 본 발명에서는 이산화탄소가 동일반응기에서 생성된 후 바로 흡착되므로, 상기 수성가스 전환반응의 정반응이 보다 촉진되어 촉매 반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있다. In general, the water gas conversion reaction represented by Chemical Formula 3 has an issue that the carbon monoxide conversion is higher as the reaction temperature is lower due to an exothermic reaction, but the reaction rate is slower. However, in the present invention, since carbon dioxide is adsorbed immediately after being produced in the same reactor, the forward reaction of the water gas shift reaction is further promoted, thereby overcoming the thermodynamic limitation of the catalytic reaction.

예시적인 구현예에서, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율로 포함될 수 있으며, 구체적으로는 1:4 내지 4:1 의 중량비율로 포함될 수 있다. 반응기 내에서 혼합 또는 개별적으로 혼합되어 있을 수 있다. 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제의 중량비율이 9:1을 초과하는 경우 수소 생산을 위한 촉매 반응이 원활히 일어나지 못할 수 있다.In an exemplary embodiment, the hydrogen generation catalyst and the adsorbent for collecting carbon dioxide may be included in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1, and specifically, may be included in a weight ratio of 1: 4 to 4: 1. It may be mixed or individually mixed in the reactor. When the weight ratio of the hydrogen generation catalyst and the adsorbent for carbon dioxide capture exceeds 9: 1, the catalytic reaction for hydrogen production may not occur smoothly.

예시적인 구현예에서, 가스전환부(200)은 촉매 및 흡착제의 종류에 따라 적절히 조절될 수 있다. 예컨대, 가스전환부(200)의 온도는 200 내지 500℃의 온도로 유지될 수 있으며 구체적으로는 250 내지 340℃의 온도로 유지될 수 있다. In an exemplary embodiment, the gas conversion unit 200 may be appropriately adjusted according to the type of catalyst and adsorbent. For example, the temperature of the gas conversion unit 200 may be maintained at a temperature of 200 to 500 ℃ and specifically may be maintained at a temperature of 250 to 340 ℃.

한편, 가스전환부(200)에는 건식개질반응부(100)의 폐열을 가스전환부(200)로 전달하는 열전달부(250)가 더 연결되어 있고, 열전달부(250)는 수증기를 생성하는 스팀발생기(도시되지 않음) 및 건식개질반응부에서 생성된 합성가스를 예열하는 예열부(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 상기 예열부는 상기 건식개질 반응부의 폐열을 열원으로 작동될 수 있다.On the other hand, the gas conversion unit 200 is further connected to the heat transfer unit 250 for transferring the waste heat of the dry reforming reaction unit 100 to the gas conversion unit 200, the heat transfer unit 250 is a steam generator for generating steam ( (Not shown) and a preheating unit (not shown) for preheating the syngas generated in the dry reforming reaction unit. The preheating unit may be operated by the heat of the waste heat of the dry reforming reaction unit.

아울러, 상기 가스전환부(200)에는 도시되지 않았으나 생성된 수소 가스를 포집하는 수소가스 포집부가 더 연결될 수 있다. 이에 따라, 별도의 분리공정 없이 고순도의 수소를 포집할 수 있다.In addition, although not shown, the gas switching unit 200 may further be connected to a hydrogen gas collecting unit for collecting the generated hydrogen gas. Accordingly, high purity hydrogen can be collected without a separate separation process.

본 발명의 수소생산자치의 건식개질반응부는 건식개질반응에 최적화된 촉매를 포함한다. 이에 따라, 대용량의 바이오가스를 이용한 개질 반응이 높은 효율로 진행될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 수소생산장치의 가스 전환부에서는 이산화탄소를 바로 포집하므로, 가스전환부에서의 수소를 생성하는 반응의 성능이 저하되지 않고 유지될 수 있다. 이에 따라, 수소생산 성능이 매우 향상될 수 있다. The dry reforming reaction unit of the hydrogen producer autonomous of the present invention includes a catalyst optimized for the dry reforming reaction. Accordingly, the reforming reaction using a large amount of biogas may proceed with high efficiency. In addition, since the gas conversion unit of the hydrogen production apparatus of the present invention directly captures carbon dioxide, the performance of the reaction for generating hydrogen in the gas conversion unit can be maintained without deterioration. Accordingly, hydrogen production performance can be greatly improved.

수소생산방법Hydrogen Production Method

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 수소 생산 장치와 동일한 원리로 수소를 생산하는 수소생산방법이 제공된다. 상기 수소생산방법은 상기 수소생산장치와 동일 내지 유사한 구성을 포함하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.In another embodiment of the present invention, a hydrogen production method for producing hydrogen on the same principle as the hydrogen production apparatus is provided. Since the hydrogen production method includes the same or similar configuration as the hydrogen production apparatus, a detailed description thereof will be omitted.

상기 수소생산 방법은 건식개질반응부에서 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 합성가스를 생산하는 제1 단계; 가스전환부에서 상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하고, 생성된 이산화탄소를 포집하는 제 2단계; 를 포함한다. The hydrogen production method includes a first step of producing a synthesis gas by directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas in a dry reforming reaction unit; A second step of generating carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide in the syngas generated through the dry reforming reaction unit with a water vapor in a gas conversion unit, and collecting the generated carbon dioxide; It includes.

제1단계에서, 상기 바이오 가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 합성가스를 생산할 때, 페로브스카이트 촉매를 이용할 수 있다.In the first step, a perovskite catalyst may be used when syngas is produced by directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas.

한편, 제2단계에서, 상기 일산화탄소와 수증기의 반응에 따라 포집된 이산화탄소는 제1단계에서 바이오가스 내의 메탄과 반응시 재활용될 수 있다.On the other hand, in the second step, the carbon dioxide collected according to the reaction of the carbon monoxide and water vapor may be recycled when the reaction with the methane in the biogas in the first step.

예시적인 구현예에서, 상기 제2단계가 수행되는 상기 가스전환부는 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함하며, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율, 구체적으로는 1:4 내지 4:1의 중량비율로 포함될 수 있다.In an exemplary embodiment, the gas conversion unit in which the second step is performed includes a hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide, and the hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide are in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1, Specifically, it may be included in a weight ratio of 1: 4 to 4: 1.

한편, 상기 제1단계의 합성가스 생산시 생성된 폐열은 제2단계에서의 이산화탄소 및 수증기를 반응시키고, 이산화탄소를 포집할 때 재활용할 수 있다.On the other hand, the waste heat generated during the synthesis gas production of the first step may react with the carbon dioxide and water vapor in the second step, and recycle when collecting the carbon dioxide.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예들에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These examples are only for illustrating the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as limited by these embodiments.

실시예Example

[실험예 1:건식개질용 촉매의 제조 및 XRD 분석 확인]Experimental Example 1: Preparation of the catalyst for dry reforming and XRD analysis confirmation]

촉매 1의 제조Preparation of Catalyst 1

질산이트륨[Y(NO3)3H2O (알드리치)] 3.064g 및 질산스트론튬[Sr(NO3)3H2O (알드리치)] 19.469g을 탈이온수(DI water)에 동시에 용해하였다. 티타늄 이소프로폭사이드[Ti(OCH(CH3)2)4 (알드리치)] 28.13g과 구연산 76.8g을 에틸렌글리콜 200g에 충분히 녹인 후, 이어서 루테늄 클로라이드[(Cl3Ru.xH2O)(준세이)] 0.622g을 탈이온수(DI water)에 넣어 안정화를 위하여 용해하였다. 각 용액들을 함께 24시간 동안 80℃에서 혼합하여 Sr0 . 92Y0 . 08Ti0 . 97Ru0 . 03O3 을 포함하는 겔(gel)용액을 제조하였다(Ru이 3% 도핑됨). 이후, 110℃에서 건조한 후, 650℃에서 5시간 동안 공기 조건 하에 열처리하였다. 이에 따라, Sr0 . 92Y0 . 08Ti0 . 97Ru0 . 03O3 를 포함하는 촉매가 제조되었다. 3.064 g of yttrium nitrate [Y (NO 3 ) 3 H 2 O (Aldrich)] and 19.469 g of strontium nitrate [Sr (NO 3 ) 3 H 2 O (Aldrich)] were dissolved in DI water at the same time. 28.13 g of titanium isopropoxide [Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 (Aldrich)] and 76.8 g of citric acid were sufficiently dissolved in 200 g of ethylene glycol, followed by ruthenium chloride [(Cl 3 Ru.xH 2 O) (Junsei) 0.622 g was dissolved in DI water for stabilization. Each solution was mixed together at 80 ° C. for 24 hours to give Sr 0 . 92 Y 0 . 08 Ti 0 . 97 Ru 0 . A gel solution containing 03 O 3 was prepared (Ru doped 3%). After drying at 110 ° C., heat treatment was performed at 650 ° C. for 5 hours under air conditions. Accordingly, Sr 0 . 92 Y 0 . 08 Ti 0 . 97 Ru 0 . A catalyst comprising 03 O 3 was prepared.

촉매 2의 제조Preparation of Catalyst 2

촉매 1의 제조시, 공기 및 650℃ 조건 대신 수소 및 900℃ 조건하에서 5시간 동안 열처리하였다는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 촉매를 제조하였다.In preparing catalyst 1, a catalyst was prepared by following the same process except that the mixture was heat-treated under hydrogen and 900 ° C for 5 hours instead of air and 650 ° C.

촉매 3의 제조Preparation of Catalyst 3

촉매 1의 제조시, 루테늄 클로라이드[(Cl3Ru.xH2O)(준세이)] 를 용해하지 않았다는 점을 제외하고는 동일한 공정을 수행하여 촉매를 제조하였다.In preparing catalyst 1, the catalyst was prepared by following the same process except that ruthenium chloride [(Cl 3 Ru.xH 2 O) (Junsei)] was not dissolved.

XRD분석XRD Analysis

이후 상기 촉매 1 내지 3의 조성을 평가하기 위하여, 상기 촉매에 대해 X선 회절 분석(X-ray Diffraction, XRD)을 수행하였다. 그 결과는 도 6에 도시된 바와 같다. Then, to evaluate the composition of the catalysts 1 to 3, the X-ray diffraction analysis (X-ray Diffraction, XRD) was performed on the catalyst. The result is as shown in FIG.

도 6을 참조하면, 상기 촉매 1 및 2는 기본 구조로서 SrTiO3의 페로브스카이트 구조를 가지며, 스트론튬(Sr) 일부가 이트륨(Y)으로 티타늄(Ti) 일부가 니켈(Ru)로 각각 도핑 치환된 단일 상의 균일 촉매인 것을 알 수 있다. 아울러, 이들은 용매로서 에탄올이 아닌 증류수 또는 탈이온수를 이용하여 페치니 법(Pechini method)을 통해 용이하게 제조될 수 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 6, the catalysts 1 and 2 have a perovskite structure of SrTiO 3 as a basic structure, and part of strontium (Sr) is doped with yttrium (Y) and part of titanium (Ti) with nickel (Ru), respectively. It can be seen that it is a homogeneous catalyst substituted with a single phase. In addition, it can be seen that they can be easily prepared through the Pechini method (Pechini method) using distilled water or deionized water other than ethanol as a solvent.

[실험예 2:흡착제 성능 확인]Experimental Example 2: Confirming Adsorbent Performance

도 7은 하기 표1에 기재된 서로 다른 가스 조성으로부터 가스전환부(흡착제(K2CO3가 함침된 Mg/Al계 하이드로탈사이트계 흡착제)+촉매(Cu/ZnO/Al2O3의 조성을 가지는 상용촉매)를 이용한 수성가스전환반응)을 MATLAB 프로그램을 통해 수치적으로 모사한 결과이다. 표1을 살펴보면, 상용가스화기를 통해 나온 합성가스에는 포함된 불순물이 수성가스전환반응의 정반응을 방해하기 때문에 CO 전환율 및 H2 생산율이 이상적인 피드 조건에 비해 낮게 확인되었지만, 그로스 H2생산률은 대부분 이상적인 조건에 비해 높게 측정되었다. 7 is a gas conversion unit (adsorbent (Mg / Al-based hydrotalcite-based adsorbent impregnated with K 2 CO 3 ) + catalyst (Cu / ZnO / Al 2 O 3 ) from the different gas composition shown in Table 1 It is the result of numerical simulation of the water gas shift reaction using the catalyst). Considering table 1, as to impede the forward reaction of the impurity is water gas shift reaction included in the synthesis gas from through a commercial gasification CO conversion and the H 2 production rate has been confirmed as low compared to the ideal feed conditions, Gross H 2 production rate of most It was measured higher than the ideal condition.

상용화기 회사 Commercializer Company yCOyCO yH2 yH 2 yCO2 yCO 2 yinertyinert yH2OyH 2 O 가스 1Gas 1 idealideal 0.250.25 0.750.75 가스 2Gas 2 KBR-Powder River Basin
(Oxygen-enriched Air)
KBR-Powder River Basin
Oxygen-enriched Air
0.080.08 0.1320.132 0.1340.134 0.4140.414 0.240.24
가스 3Gas 3 KBR-Powder River Basin(Air)KBR-Powder River Basin (Air) 0.0670.067 0.060.06 0.0760.076 0.5960.596 0.2010.201 가스 4Gas 4 British Gas Lurgi- Illinois No.6British Gas Lurgi- Illinois No.6 0.2070.207 0.1130.113 0.0160.016 0.0430.043 0.6210.621 가스 5Gas 5 British Gas Lurgi- Powder River Basin British Gas Lurgi- Powder River Basin 0.2090.209 0.1150.115 0.0170.017 0.0320.032 0.6270.627 가스 6Gas 6 GE(Texaco)- Illinois No.6(Before quench)GE (Texaco)-Illinois No. 6 (Before quench) 0.1820.182 0.1770.177 0.080.08 0.0150.015 0.5460.546 가스 7Gas 7 GE(Texaco)- Illinois No.6(After quench)GE (Texaco)-Illinois No. 6 (After quench) 0.1820.182 0.1780.178 0.080.08 0.0140.014 0.5460.546 가스 8Gas 8 conocophillips E-Gas- Pittsburgh No.8conocophillips E-Gas- Pittsburgh No.8 0.1960.196 0.1550.155 0.0460.046 0.0150.015 0.5880.588 가스 9Gas 9 conocophillips E-Gas- Powder River Basinconocophillips E-Gas- Powder River Basin 0.1740.174 0.1860.186 0.1050.105 0.0130.013 0.5220.522 가스 10Gas 10 Shell - Illinois No.6Shell-Illinois No.6 0.2130.213 0.1080.108 0.0080.008 0.0320.032 0.6390.639

또한, 도 7을 살펴보면, 이산화탄소 및 스팀 이외의 혼합물이 포함되어 있을 경우, 열역학적 평형 법칙에 의해 촉매 반응에 의한 전환율이 보다 감소되는 것으로 관찰되었지만, 가스전환부의 흡착제와의 반응에 의해 수소 생산성은 보다 향상됨을 파악할 수 있었다. 이에 따라, 본 발명과 같은 가스전환부를 제조하는 경우 수소 생성 효율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.In addition, referring to FIG. 7, when a mixture other than carbon dioxide and steam is included, the conversion rate due to the catalytic reaction is observed to be reduced by the thermodynamic equilibrium law. I could see the improvement. Accordingly, it was confirmed that the hydrogen generation efficiency is very excellent when manufacturing the gas conversion unit as in the present invention.

[실험예 3: 가스전환부 성능 확인]Experimental Example 3: Checking Gas Switching Part Performance

가스전환부의 제조 Manufacture of gas switch

도 8a 및 8b는 흡착부과 수성가스전환반응을 실험적으로 모사한 실시예를 나타낸다. 먼저, Cu/ZnO/Al2O3의 조성을 가지는 상용 수소생성촉매(ShiftMax 210, Sud-Chemie; 현재 Clarient)와 상용 하이드로탈사이트 흡착제 (MG70, Sasol GmbH, Germany)에 35wt%의 탄산칼륨 (K2CO3)가 함침된 흡착제를 이용하였다. 실험을 위해 촉매와 흡착제가 균일하게 혼합되어 있는 균일 혼합물을 제작하였는데, 이때 수소생성촉매와 흡착제의 혼합비율이 4:1인 경우 및 수소생성촉매와 흡착제의 혼합비율이 1:4인 경우를 제작하였다. 이후, 상기 혼합물들을 각각 원기둥 모양의 팔렛(pellet)으로 성형해 가스전환부에 충전시켜 주었다. 반응 조건(300℃, 19 vol% CO, 57 vol% H2O)에서, 촉매와 흡착제의 비율이 각각 4:1(도 8a) 및 1:4(도 8b)일 때, 수성가스전환반응이 상용 촉매에 의해 정상적으로 진행됨과 동시에 반응 부산물로 생성되는 이산화탄소가 하이드로탈사이트계 흡착제에 의해 제거되면서 고순도의 수소가 생산됨을 확인하였다. 아울러, 고순도 수소 생산 시간은 칼럼 내부에 보다 많은 양의 흡착제가 충전되었을 때 보다 길어짐을 확인하였다. 8a and 8b show examples that simulate the adsorption unit and the water gas shift reaction experimentally. First, 35 wt% of potassium carbonate (K) in a commercial hydrogen production catalyst (ShiftMax 210, Sud-Chemie; present Clarient) and a commercial hydrotalcite adsorbent (MG70, Sasol GmbH, Germany) having a composition of Cu / ZnO / Al 2 O 3 Adsorbent impregnated with 2 CO 3 ) was used. For the experiment, a homogeneous mixture in which the catalyst and the adsorbent are uniformly prepared was prepared, wherein the mixing ratio of the hydrogen generating catalyst and the adsorbent was 4: 1 and the mixing ratio of the hydrogen generating catalyst and the adsorbent was 1: 4. It was. Thereafter, the mixtures were molded into cylindrical pellets and filled in the gas conversion unit. At reaction conditions (300 ° C., 19 vol% CO, 57 vol% H 2 O), the water gas shift reaction is performed when the ratio of catalyst and adsorbent is 4: 1 (FIG. 8A) and 1: 4 (FIG. 8B), respectively. It was confirmed that carbon dioxide produced as a reaction by-product was removed by the hydrotalcite-based adsorbent while producing a high-purity hydrogen. In addition, it was confirmed that the high purity hydrogen production time is longer than when a larger amount of adsorbent is charged inside the column.

[실험예 4: 건식개질반응부 및 가스전환부 연계 성능 평가][Experimental Example 4: Evaluation of the linkage between the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit]

건식개질반응부 및 가스전환부 연계Dry reforming reaction unit and gas conversion unit connection

도 9a 및 9b는 바이오가스 내에 포함된 메탄과 이산화탄소를 활용해 건식개질반응부와 가스전환부를 연계하여 실험적으로 모사한 실시예를 나타낸다. 실시를 위해 건식개질반응부는 Sr0 . 92Y0 . 08Ti0 . 95Ru0 . 05O3 - δ촉매를 사용하였으며 가스전환부에는 Cu/ZnO/Al2O3의 조성을 가지는 상용 수소생성촉매(ShiftMax 210, Sud-Chemie; 현재 Clarient)와 상용 하이드로탈사이트 흡착제 (MG70, Sasol GmbH, Germany)에 35wt%의 탄산칼륨 (K2CO3)가 함침된 흡착제를 각각 충진하였다. 이때 가스전환부에 충진된 촉매와 흡착제의 비율은 질량비로 1:4로 설정해 주었다. 반응을 위해 건식개질반응부에 메탄/이산화탄소 혼합가스를 1:3 (부피비)로 주입해주었고, 건식개질반응부와 가스전환부 사이의 스팀발생기로부터 스팀을 추가로 주입해주었다. 이때 스팀의 유량은 건식개질반응부에 주입된 메탄과 이산화탄소로부터 생성될 수 있는 일산화탄소의 양 대비 3배의 부피비로 설정해주었다. 건식개질반응부와 가스전환부의 내부 온도는 각각 800℃ 및 300℃로 설정해주었고, 가스전환부에서 생성되는 가스유량은 응축기를 거쳐 포함된 수분을 모두 제거해준 이후 가스분석기를 이용해 그 조성을 확인하였다. 도 9a는 동일 반응조건에서 가스전환부는 흡착제가 포함되어 있지 않은 상태에서 두 반응기를 연계하였을 때, 시간에 따른 가스 조성 변화를 도시한 것이다. 결과를 통해 볼 때, 건식개질반응부에서 생성된 일산화탄소가 가스전환부에서 이산화탄소와 수소로 추가적으로 전환됨을 파악할 수 있었다. 반면에 가스전환부에 흡착제가 포함된 경우의 실험 결과 (도 9b), 건식개질반응부의 배가스에서 포함된 이산화탄소와 가스전환부에서 반응 부산물로 추가로 생성되는 이산화탄소가 모두 포함된 하이드로탈사이트 계열 흡착제에 의해 제거됨과 동시에 동일 시간 동안 고순도의 수소가 생산됨을 확인할 수 있었다. 흡착부과 반응시간 동안 생성된 수소의 농도는 약 99.95%로 건식개질반응부에서 미반응된 메탄을 제외한 다른 부생가스는 검출되지 않는 것으로 확인되었다. 이에 따라, 건식개질반응부 및 가스전환부가 연계된 수소생산장치는 고순도의 수소를 생성하는 효율이 매우 우수함을 확인할 수 있었다.Figures 9a and 9b shows an embodiment simulated experimentally in conjunction with the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit using the methane and carbon dioxide contained in the biogas. For the implementation of the dry reforming reaction, Sr 0 . 92 Y 0 . 08 Ti 0 . 95 Ru 0 . 05 O 3 - δ catalyst was used in the gas conversion unit commercial hydrogen generating catalyst (ShiftMax 210, Sud-Chemie; now Clarient) and a commercial hydrotalcite adsorbent having a composition of Cu / ZnO / Al 2 O 3 (MG70, Sasol GmbH, Germany) was charged with an adsorbent impregnated with 35 wt% potassium carbonate (K 2 CO 3 ). At this time, the ratio of the catalyst and the adsorbent in the gas conversion unit was set to 1: 4 by mass ratio. For the reaction, methane / carbon dioxide mixed gas was injected into the dry reforming reaction unit at 1: 3 (volume ratio), and additional steam was injected from the steam generator between the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit. At this time, the flow rate of the steam was set to a volume ratio of three times the amount of carbon monoxide generated from the methane and carbon dioxide injected into the dry reforming reaction unit. The internal temperature of the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit was set to 800 ° C. and 300 ° C., respectively, and the gas flow rate generated in the gas conversion unit was confirmed by using a gas analyzer after removing all moisture contained through the condenser. Figure 9a shows the gas composition changes over time when the gas conversion unit is linked to the two reactors in the state without the adsorbent in the same reaction conditions. From the results, it can be seen that the carbon monoxide generated in the dry reforming reaction unit is additionally converted to carbon dioxide and hydrogen in the gas conversion unit. On the other hand, the experimental results when the adsorbent is included in the gas conversion unit (Fig. 9b), by the hydrotalcite-based adsorbent containing both carbon dioxide contained in the exhaust gas of the dry reforming reaction unit and carbon dioxide additionally generated as a reaction by-product in the gas conversion unit At the same time, it was confirmed that high purity hydrogen was produced during the same time. The concentration of hydrogen produced during the reaction time with the adsorption part was about 99.95%, and it was confirmed that no by-product gas except for unreacted methane was detected in the dry reforming reaction part. Accordingly, it was confirmed that the hydrogen production apparatus in which the dry reforming reaction unit and the gas conversion unit are connected has a very high efficiency of generating high purity hydrogen.

앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The protection scope of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can change and change the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as it will be apparent to those skilled in the art.

100: 건식개질반응부
200: 가스전환부
250: 열전달부
100: dry reforming reaction unit
200: gas conversion unit
250: heat transfer unit

Claims (14)

바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 수소를 포함하는 합성가스를 생산하는 건식개질반응부; 및
상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소를 포집하는 가스전환부; 를 포함하며,
상기 일산화탄소와 수증기의 반응에 따라 포집된 이산화탄소는 상기 건식개질반응부에서 바이오가스 내의 메탄과 반응시 재활용되고,
상기 가스전환부는 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함하며, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율로 포함되고,
상기 건식개질반응부는 하기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매를 포함하고, 상기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매는 700~900℃의 온도에서 60 내지 120 시간의 운전 동안 80% 이상의 메탄 전환율을 나타내는 수소생산장치.
[화학식 6]
Sr1-yYyTi1-xRuxO3-δ
(여기서, x는 0보다 크고 1보다 작다. y는 0보다 크고 0.1보다 작다. δ는 0 이상 1이하이다.)
A dry reforming reaction unit for directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas to produce a synthesis gas including hydrogen; And
A gas conversion unit for generating carbon dioxide and hydrogen by reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with steam, and collecting the generated carbon dioxide; Including;
The carbon dioxide collected according to the reaction of the carbon monoxide and water vapor is recycled when reacting with the methane in the biogas in the dry reforming reaction unit,
The gas conversion unit includes a hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide, and the hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide are included in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1,
The dry reforming reaction part includes a catalyst including a compound represented by the following [Formula 6], and the catalyst including the compound represented by the [Formula 6] is operated at a temperature of 700 to 900 ° C. for 60 to 120 hours. Hydrogen production device with methane conversion of over 80%.
[Formula 6]
Sr 1-y Y y Ti 1-x Ru x O 3-δ
(Where x is greater than 0 and less than 1. y is greater than 0 and less than 0.1. Δ is greater than 0 and less than 1).
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상시 수소생성촉매는 Cu, Ni 및 Fe으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 전이금속을 포함하는 수소생산장치.
The method of claim 1,
Always hydrogen generating catalyst is a hydrogen production apparatus comprising at least one transition metal selected from the group consisting of Cu, Ni and Fe.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집용 흡착제는 알칼리금속 복염계 흡착제 또는 하이드로탈사이트계 흡착제를 포함하는, 수소생산장치.
The method of claim 1,
The adsorbent for collecting carbon dioxide includes an alkali metal double salt-based adsorbent or a hydrotalcite-based adsorbent.
제5항에 있어서,
상기 알칼리금속 복염계 흡착제는 알칼리토 금속 탄산염이 공침 또는 함침 공정을 통해 제조된 흡착제이고,
상기 하이드로탈사이트계 흡착제는 하기 [화학식 1] 내지 [화학식 4] 중 어느 하나로 표시되는 염화물과 [화학식 5]로 표시되는 탄산염을 혼합해 수열합성공정 혹은 공침 공정을 통해 제조된 흡착제인, 수소생산장치.
[화학식 1]
(1-x)M(OH)2
[화학식 2]
(1-x)M(NO3)2
[화학식 3]
xL(OH)3
[화학식 4]
xL(NO3)3
[화학식 5]
(x/2)A2CO3
(상기 화학식 1 내지 5에서, x는 0.17~0.4의 값을 가지며, M은 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 및 니켈(Ni)로 구성된 그룹에서 선택되며, L은 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 철(Fe) 및 망가니즈(Mn)로 구성된 그룹에서 선택되고, A는 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs) 및 프랑슘(Fr)으로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다.)
The method of claim 5,
The alkali metal double salt-based adsorbent is an adsorbent prepared by coprecipitation or impregnation of alkaline earth metal carbonate,
The hydrotalcite-based adsorbent is hydrogen production, which is an adsorbent prepared through hydrothermal synthesis or coprecipitation by mixing a chloride represented by any one of the following [Formula 1] to [Formula 4] and a carbonate represented by [Formula 5]. Device.
[Formula 1]
(1-x) M (OH) 2
[Formula 2]
(1-x) M (NO 3 ) 2
[Formula 3]
xL (OH) 3
[Formula 4]
xL (NO 3 ) 3
[Formula 5]
(x / 2) A 2 CO 3
(In the formula 1 to 5, x has a value of 0.17 ~ 0.4, M is selected from the group consisting of magnesium (Mg), zinc (Zn) and nickel (Ni), L is aluminum (Al), gallium ( Ga), iron (Fe) and manganese (Mn), and A is selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), and francium (Fr). Can be chosen)
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수소생산장치는 상기 건식개질반응부의 폐열을 상기 가스전환부로 전달하는 열전달부를 더 포함하고,
상기 열전달부는 수증기를 생성하는 스팀발생기; 및 상기 건식개질반응부에서 생성된 합성가스를 예열하는 예열부;를 포함하는 수소생산장치.
The method of claim 1,
The hydrogen production apparatus further includes a heat transfer unit for transferring the waste heat of the dry reforming reaction unit to the gas conversion unit,
The heat transfer unit comprises a steam generator for generating steam; And a preheating unit for preheating the synthesis gas generated in the dry reforming reaction unit.
제9항에 있어서,
상시 예열부는 상기 건식개질 반응부의 폐열을 열원으로 작동되는 수소생산장치.
The method of claim 9,
Always preheating unit is a hydrogen production apparatus that operates the waste heat of the dry reforming reaction unit as a heat source.
제1항에 있어서,
상기 가스전환부와 연결된 수소가스 포집부를 더 포함하는 수소생산장치.
The method of claim 1,
Hydrogen production apparatus further comprises a hydrogen gas collecting unit connected to the gas conversion unit.
건식개질반응부 및 가스전환부를 포함하는 수소생산장치를 통한 수소생산방법으로서,
건식개질반응부에서, 바이오가스 내의 메탄과 이산화탄소를 직접 반응시켜 합성가스를 생산하는 단계; 및
가스전환부에서, 상기 건식개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하고, 생성된 이산화탄소를 포집하는 단계; 를 포함하며,
상기 일산화탄소와 수증기의 반응에 따라 포집된 이산화탄소는 상기 건식개질반응부에서 바이오가스 내의 메탄과 반응시 재활용되고,
상기 가스전환부는 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제를 포함하며, 상기 수소생성촉매 및 이산화탄소 포집용 흡착제는 1:9 내지 9:1의 중량비율로 포함되고,
상기 건식개질반응부는 하기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매를 포함하고, 상기 [화학식 6]으로 표시되는 화합물을 포함하는 촉매는 700~900℃의 온도에서 60 내지 120 시간의 운전 동안 80% 이상의 메탄 전환율을 나타내는 수소생산방법.
[화학식 6]
Sr1-yYyTi1-xRuxO3-δ
(여기서, x는 0보다 크고 1보다 작다. y는 0보다 크고 0.1보다 작다. δ는 0 이상 1이하이다.)
As a hydrogen production method through a hydrogen production apparatus including a dry reforming reaction unit and a gas conversion unit,
In the dry reforming reaction unit, by directly reacting methane and carbon dioxide in the biogas to produce a synthesis gas; And
In the gas conversion unit, by reacting carbon monoxide in the synthesis gas generated through the dry reforming reaction unit with water vapor to produce carbon dioxide and hydrogen, and collecting the generated carbon dioxide; Including;
The carbon dioxide collected according to the reaction of the carbon monoxide and water vapor is recycled when reacting with the methane in the biogas in the dry reforming reaction unit,
The gas conversion unit includes a hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide, and the hydrogen generating catalyst and an adsorbent for collecting carbon dioxide are included in a weight ratio of 1: 9 to 9: 1,
The dry reforming reaction part includes a catalyst including a compound represented by the following [Formula 6], and the catalyst including the compound represented by the [Formula 6] is operated at a temperature of 700 to 900 ° C. for 60 to 120 hours. Hydrogen production method with methane conversion of 80% or more.
[Formula 6]
Sr 1-y Y y Ti 1-x Ru x O 3-δ
(Where x is greater than 0 and less than 1. y is greater than 0 and less than 0.1. Δ is greater than 0 and less than 1).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR20150104479A (en) * 2014-03-05 2015-09-15 고려대학교 산학협력단 Carbon Dioxide Sorbent and Method for Preparing the Same
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Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101457098B1 (en) * 2013-11-05 2014-11-04 한국과학기술연구원 Catalyst, Electrode using the same, Dry reforming method using the catalyst

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