KR102324146B1 - 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄화수소계 연료를 촉매를 이용하여 빠른 시간 내에 최고 수소생성효율의 반응온도로 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 하는 탄화수소게 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 연료와 수증기를 공급받아 플라즈마 개질을 수행하는 플라즈마 개질 반응부; 상기 플라즈마 개질 반응부로부터 상기 연료와 수증기를 유입 받은 후 반응온도에 따라 상기 연료와 상기 수증기의 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제1촉매 반응부; 상기 제1 촉매 반응부로부터 상기 제1 촉매 반응이 수행된 가스를 유입 받은 후 상기 수성가스 전환 반응 또는 수증기 개빌 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제2촉매 반응부; 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스 온도 저감부에서 배출되는 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치를 제공한다.

Description

탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법{Hydrogen generator using hydrocarbon fuels and manufacturing method thereof}
본 발명은 수소 제조 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄화수소계 연료를 촉매를 이용하여 빠른 시간 내에 최고 수소생성효율의 반응온도로 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 기술로는 수상 개질(Aqueous phase Reforming) 반응, 수증기 개질(Steam Reforming) 반응 또는 수성가스 전환(Water Gas Shift) 반응 등이 있다.
상기 수상 개질 반응은 바이오매스로부터 유래한 셀룰로우스(cellulose) 및 헤미셀룰로우스(hemicellulose)로부터 유래한 다양한 종류의 수용액상의 함산소 탄화수소인 폴리올(글리세롤, 솔비톨, 자일리톨 등)로부터 수소를 선택적으로 제조하는 기술이다.
그리고 상기 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응은 촉매의 존재 하에서 탄화수소와 수증기를 고온에서 반응시켜 수소 또는 메탄 등을 합성하는 기술이다.
상술한 종래기술들의 경우 탄화수소 연료를 이용한 수소생성용 촉매는 펠렛 형태로 촉매온도를 수소생성온도(약 400 내지 500℃)까지 상승시키는데, 전기히터로 가열하거나 촉매연소기법으로 가열할 경우 약 20 내지 30분의 시간이 소요되어, 이 기간 수소생성이 불가한 문제가 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1577432호 대한민국 등록특허 제10-1523122호
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 플라즈마 개질 장치와 FeCrAl 합금에 촉매물질 Ce 혹은 Cu, La, Ni 등의 열적 내구성이 강한 금속으로 코팅한 금속 촉매를 포함하는 수소 제조 장치에 있어서, 금속 촉매의 온도를 탄화수소계 연료에 대한 수증기 개질 반응 혹은 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응 각각의 적정 활성 온도까지 인덕션 히터를 이용하여 짧은 시간 내에 최고 수소 생성효율 온도로 빠르게 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 인덕션 히터를 사용하여 금속 촉매의 수소생성온도(약 400 내지 500℃)인 정상 상태 온도까지 상승시키는데 걸리는 시간을 2-3 분 이내로 단축하고 온도제어를 손쉽게 수행할 수 있도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 저온 플라즈마로 탄화수소와 물을 분해할 경우， 고농도의 CO나 각종 탄화수소가 발생하는데 이를 WGS 반응으로 CO를 수소생성에 기여하게 하고， 연차적으로 다음 단계에서 수증기 개질(SR: steam reforming) 반응에 의해 각종탄화수소들이 수소 생성에 기여하도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 수소생성반응 후 고온의 폐열은 수소생성에 필요한 물을 열교환기를 이용하여 가열하여 수증기를 발생함으로써 시스템 전체의 열효율을 향상시키는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 연료와 수증기를 공급받아 플라즈마 개질을 수행하는 플라즈마 개질 반응부; 상기 플라즈마 개질 반응부로부터 상기 연료와 수증기를 유입 받은 후 반응온도에 따라 상기 연료와 상기 수증기의 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제1촉매 반응부; 상기 제1 촉매 반응부로부터 상기 제1 촉매 반응이 수행된 가스를 유입 받은 후 상기 수성가스 전환 반응 또는 수증기 개빌 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제2촉매 반응부; 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스 온도 저감부에서 배출되는 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치를 제공한다.
상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는. CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 개질 반응부는. 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 내부 입구 측에 설치되어 나선형 양극의 일단부를 지지하며 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기; 상기 선회기를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극; 상기 플라즈마 챔버의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극과 함께 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극; 및 상기 플라즈마 챔버의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 개질 반응부는, 상기 나선형 양극과 관형 음극으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는, 절연관; 외부면에 촉매가 코팅되어 상기 절연관의 내부에 장착되어 외부의 전자기유도 기전력에 의해 와류가 생성되어 가열되는 금속 촉매 담체; 및 상기 절연관의 외부에 권선되어 외부의 인덕션 히터 전력 공급기로부터 전력을 공급받아 상기 금속 촉매 담체에 와전류 생성을 위한 전자기유도 기전력을 발생시키는 인덕션 코일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 촉매 반응부 또는 상기 제2 촉매 반응부는, 수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응을 수행 후 배출되는 연료와 수증기 및 수소를 포함하는 가스의 냉각을 위한 제1 열교환기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 최종 가스 온도 저감부는, 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제 2 열교환기의 응축수를 저장하는 제2 물탱크; 상기 제2 열교환기와 상기 제2 물탱크 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기에서 생성된 응축된 물을 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브; 및 상기 제2 물탱크에 저장된 물을 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 제1 열교환기로 공급하는 제2 온/오프 밸브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소포집부는, 하나 이상의 저압수송탱크; 하나 이상의 고압수소탱크; 상기 최종 가스 온도 저감부를 통해 배출되는 상기 최종 가스의 역류를 방지하는 체크밸브; 상기 체크밸브의 하류 측에 설치되어 상기 최종 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분트랩; 수분이 제거된 상기 최종 가스를 상기 저압수소탱크 또는 고압수소탱크로 선택적으로 분기하는 제3 밸브; 및 상기 수분트랩과 상기 저압수소탱크 및 상기 고압수소탱크 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩 또는 상기 저압 수소탱크에서 공급되는 최종 가스를 가압하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크로 배출하는 가스부스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치는, 제1 물탱크에서 공급된 물을 수용하는 증발관; 및 상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관에 장착되어 가열되는 인덕션 히터;를 포함하는 수증기 공급부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 증발관은, 외부의 절열물질 관; 및 상기 절연물질 관의 내부에 장착되어 가열되는 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속망;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계; 상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계; 상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및 상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계; 상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계; 상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및 상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 플라즈마 개질 장치와 FeCrAl 합금에 촉매물질 Cu 혹은 Ce, La, Ni 등의 열적 내구성이 강한 금속으로 코팅한 금속 촉매를 포함하는 수소 제조 장치에 있어서, 금속 촉매의 온도를 탄화수소계 연료에 대한 수증기 개질 반응 혹은 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응 각각의 적정 활성 온도까지 인덕션 히터를 이용하여 짧은 시간 내에 최고 수소 생성효율 온도로 빠르게 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 인덕션 히터를 사용하여 금속 촉매의 수소생성온도(약 400 내지 500℃)인 정상 상태 온도까지 상승시키는데 걸리는 시간을 2-3 분 이내로 단축하고 온도제어를 손쉽게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 저온 플라즈마로 탄화수소와 물을 분해할 경우， 고농도의 CO나 각종 탄화수소가 발생하는데 이를 WGS 반응으로 CO를 수소생성에 기여하게 하고， 연차적으로 다음 단계에서 수증기 개질(SR: steam reforming) 반응에 의해 각종탄화수소들이 수소 생성에 기여하도록 하여 수소 제조 효율을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 수소생성반응 후 고온의 폐열은 수소생성에 필요한 물을 열교환기를 이용하여 가열하여 수증기를 발생함으로써 시스템 전체의 열효율을 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-AL203SR 촉매에서 반응 온도 별 H2 생성농도는 425 ℃에서 80.6%로 최고농도를 나타내었다. 이상과 같이 탄화수소계 연료를 효율적으로 수소연료를 생성할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 기능 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 플라즈마 개질부(2)의 상세 구성도.
도 3은 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응온도 별 수소생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV(Space Velocity, 공간속도= (촉매를 통과하는 반응물질의 질량 유량율(L/h)/촉매의 체적(L)), 7100 1/h 조건)를 나타내는 그래프.
도 4는 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 H2생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간 생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도의 영향을 나타내는 그래프.
도 5는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적환 온도를 나타내는 그래프.
도 6은 수증기 개질(SR) 반응부(3)와 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 상세 구성도.
도 7은 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도.
도 8은 플라즈마 개질 반응, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 8및 이하의 본 발명의 일 실시예의 수소 제조 장치의 설명에서 본 발명의 제1 촉매 반응부는 수증기 개질 반응부(3)로, 제2 촉매 반응부는 수성가스 전환 반응부(4)로 하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치(이하, '수소 제조 장치'라 함)의 기능 블록도이다.
도 1과 같이, 상기 수소 제조 장치는, 공급된 물을 가열하여 수증기를 생성한 후 공급하는 수증기 공급부(1), 플라즈마 개질 반응부(2), 수증기 개질(SR: Steam Reforming) 반응부(3), 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응부(4), 최종 가스 온도 저감부(4) 및 수소포집부(6)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수증기 공급부(1)는 제1 물탱크(30)에서 공급된 물을 수용하는 증발관(100) 및 가열되는 것에 의해 상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관(100)에 장착되는 인덕션 히터(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 증발관(100)은 절연물질관으로 구성되고, 내부에 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속 망(110)으로 구성된다. 도 1의 경우 상기 유도가열 금속 망(110)의 일 예로서 스테인리스스틸(Stainless Steel: STS, SUS) 망인 것으로 도시하였다. 상기 인덕션 히터(120)는 인덕션 히터 전력공급기(900)를 통해 공급된 전력에 의한 유도 전력에 의해 가열되는 인덕션 코일로 구성될 수 있다.
상술한 수성의 수증기 공급부(1)는 냉각핀이 달린 제1 물탱크(30)에서 밸브(40)와 질량유량계(20)를 통해 수소 발생을 위해 공급량이 제어되어 공급되는 물을 증발관(100)을 통해 공급 받은 후, 증발관 내부의 SUS 망 등의 유도 가열 금속 망(110)의 인덕션 히터 전력공급기(900)에 의해 공급 전력을 공급받은 히터(120)의 전자기 유도 작용에 의한 급속한 가열에 의해 수증기를 생성하여 플라즈마 개질 반응부(2)로 공급한다. 상기 인덕션 코일은 종래의 전기 열선 예를 들어 철 니크롬선보다 가열 속도가 빨라 시동 후 빠른 시간에 수증기를 공급할 수 있도록 한다. 상기 증발관(100)은 절연물질， 예를 들어 유리 관이나 세라믹 관으로 구성되며, 상기 유도가열 금속 망(110)은 인덕션 히터(120)의 인덕션 코일에 의한 전자기유도에 의해 가열되며 물 등에 의해 부식되지 않은 내부식성 스테인리스 금속 등의 도체 금속들 중에서 선택되어 구성될 수 있다.
상기 플라즈마 개질 반응부(2)는, 플라즈마 챔버(201)와, 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부 입구 측에 플라즈마 나선형 양극(210)의 일단부를 지지하도록 설치되어 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기(230)와, 상기 선회기(230)를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극(210)과 상기 플라즈마 챔버(201)의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극(210)과 함께 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극(220), 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극(210)의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대(240) 및 상기 나선형 양극(210)와 관형 음극(220)으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 플라즈마 개질부(2)의 상세 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상술한 구성의 플라즈마 개질 반응부(2)는, 전단 수증기 증발관(100)에서 공급된 증기와 질량유량계(20)를 통해 정량 제어되어 공급되는 연료탱크(10)의 연료를 공급받는다. 공급된 연료와 수증기는 플라즈마 개질 반응부(2) 입구의 선회기(230)를 선회하면서 혼합되어 플라즈마 나선형 양극(210)과 관형 음극(220)에서 플라즈마 전력공급기(200)에 의해 가전되어 발생한 플라즈마 사이로 공급되면서 개질 반응을 진행한다. 나선형 양극(41)은 허니컴 형 지지대(240)에 의해 지지되고 있다. 이 때 반응식1과 같이, 같이 탄화수소 연료와 물이 개질되어 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 기타 각종의 탄화수소(hydrocarbons， HCs, CxHy(CH4, C2H4, C3H6, C3H8, C4H10….)등)를 생성한다. 이 때 물의 공급량은 연료의 종류에 따라 이론적으로 필요한 양의 약 2배 정도를 공급한다.
CxHy + zH2O-> aH2 + bCO + dCO2 + HCs -----(반응식 1)(z, a, b, d는 계수)
다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응부(3)는, 제1절연관(330)과, 외부면에 연료에 따라 촉매 반응을 유발하는 촉매가 코팅되어 상기 제1절연관(330)의 내부에 장착되는 FeCrAl 금속 담체 등의 제1 금속 촉매 담체(320)와, 상기 제1절연관(330)의 외부에 권선되어 상기 인덕션 히터 전력공급기(900)로부터 공급되는 전력에 의해 가열되는 제1 인덕션 코일(310)을 포함하여 구성된다.
상기 촉매 반응을 유발하는 촉매의 코팅 방법의 일 예로는 FeCrAl 합금을 열처리하여 담체를 형성하는 단계, 담체의 표면에 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 증류수에 혼합시킨 용액을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 조촉매 물질층을 형성하는 단계, 그리고 조촉매 물질층 상에 γ-Al2O3 및 귀금속 물질을 포함하는 졸(sol)을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 여기서, 조촉매 물질층이 담체의 표면과 촉매층을 접착시킨다. 상기 담체를 형성하는 단계에서, 열처리는 950 ~ 1050 ℃의 온도에서 10~ 17 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 열처리에 의해 담체의 표면에 다수의 돌기가 형성되고, 돌기는 γ-Al2O3 를 포함할 수 있다. 상기 촉매층을 형성하는 단계에서, 졸은 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.
상기 조촉매 물질층을 형성하는 단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 상기 조촉매 물질층을 형성하는 단계는 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
상기 촉매층 형성 단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 상기 촉매층 형성 단계는 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
상기 구성에서 상기 제1 금속 촉매 담체(320)에 코팅되는 촉매는 DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 연료의 경우， Cu-Ce/γ-Al2O3 촉매일 수도 있다.
상술한 구성의 수증기 개질 반응부(3)는, 인덕션 히터 전력공급기(900)의 조정에 의해 공급된 전력이 제1 인덕션 코일(310)에 의한 전자기유도 현상에 의해 촉매가 코팅된 제1 금속 촉매 담체(320)에 소용돌이 전류를 발생시켜 줄열을 발생시킨다. 이에 의해, 제1 금속 촉매 담체(320)가 급속히 가열되어 수소 생성에 최적 온도인 400 내지 500 ℃ 사이의 설정 온도로 온도를 급속히(2 내지 3 분 이내) 상승시킨다. 전단의 플라즈마 개질부(2)에서 생성한 CO와 HCs들은 수증기 개질 반응부(3)에서 반응하여 수소 생성 농도를 증가시킨다. 이 때 수증기 개질 반응부(3)의 기본 반응식은 하기의 수증기 개질 반응식인 [반응식 2]와 같다.
HCs + wH2O -> eH2 + fCO + gCO2 --------- (반응식 2)(w, e, f, g는 계수)
도 3은 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3(γ-Al2O3 에 대하여, 10(Cu) - 4(Ce) = 80 내지 90 %, 바람직하게86%)수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 수소생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV=7100 1/h)를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 탄화수소계 연료의 일 실시예인 DME(dimetyl-ether, CH3OCH3)를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3의 수증기 개질 촉매에서 반응 온도 별 H2 생성 농도와, DME 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4으| 생성 농도를 각각 나타내고 있다. 여기서 S(Space Velocity)는 촉매에 통과하는 반응물질의 질량유량속도를 촉매의 벌크 체적으로 나눈 값으로 촉매의 부하는 나타낸다. DME는 완전히 0% 로 없어지고, H2 가 최고 농도이면서, CO와 CH4의 농도가 최저인 경우가 최적의 조건이다. 따라서 DME가 0% 되는 반응온도는 450℃ 이며， 최고의 H2 생성농도는 500 ℃에서 80.371 %를 나타내고 있다. 이 농도는 이론적으로 DME가 개질 반응으로 생성할 수 있는 H2으| 최고 농도는 75% 보다 5.371%나 높다. 그 이유는 공급한 수증기의 농도를 이론 양의 2 배로 공급하였기 때문에 잉여의 수증기와 중간 생성물인 CO의 일부가 반응하여 다음 수증기 개질 반응 촉매 반응식인 [반응식 3]에 의해 수성 가스 전환(WGS(Water Gas Shift) 반응처럼 수소를 생성하였기 때문이다. 즉 사용한 수증기 개질 반응 촉매 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3은 수소생성을 위한 수증기 개질(SR) 반응과 수성 가스 전환(WGS) 반응을 동시에 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다.
CO + H2O -> H2 + CO2 ------------- (반응식 3)
이 일 실시예의 경우 SR 반응의 최적온도는 450 내지 500 ℃라고 할 수 있으며, 사용 연료의 종류에 따라 이 반응온도 전후로 변할 수 있다.
도 4는 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 H2생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간 생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV)의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 3의 SV-7100 1/h에 비교하여 반응 물질의 량은 동일한 상태에서 촉매의 양이 약 29% 증가한 경우이다. 이 경우 반응성이 향상되어 DME 연료 400℃ 에서 0%로 완전히 제거되고, CO의 생성농도는 400℃에서 최저이며, 수소 생성률은 425℃에서 80.6%로 최고 농도를 나타낸다. 이 실시예의 경우 최적 수증기 개질(SR) 반응 온도는 425℃라고 할 수 있다.
수증기 개질 반응의 후단에는 가열된 고온의 반응 가스가 흘러 나온다. 이 고온의 폐열은 제1 열교환기(340)를 통과하는 물 순환에 의해 회수되며, 이때 가열된 물은 증발기로 공급하여 물의 증발에 필요한 에너지를 최소화시켜 전체 수소 제조 장치의 열효율을 향상시킨다. 공급하는 물은 반응 후 남은 수증기를 마지막 단의 제2 열교환기(570)에 의해 응축되어 제2 물탱크(500)로 회수되어 재사용되며, 이때 물은 제2 온/오프 밸브(564)를 통과한 후 제2 물순환 펌프(750)에 의해 제1 열교환기(340)로 보내져 폐열이 회수되고, 이후 질량유량계(20)에 의해 소정의 유량으로 조정된 후 수증기 공급부(1)의 증발관(100)으로 공급된다. 이때 반응에 사용한 후 남거나 부족한 물은 제1 물탱크(30)의 배관에 장착된 3-방향(3-way) 제1 밸브(40)를 통해 공급하거나 과잉되는 물을 제1 물탱크(30)로 보내는 제어를 수행한다. 그리고 전체 수소 제조 장치에서 물이 부족한 경우에는 외부에서 제2 밸브(50)를 통해 제1 물탱크(30)로 보충을 위한 물이 공급된다.
다시 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 수성가스 전환 반응부(4)는 제2절연관(432)과, 외부면에 연료에 따라 촉매 반응을 유발하는 촉매가 코팅되어 상기 제2절연관(432)의 내부에 장착되는 FeCrAl 금속 담체 등의 제2 금속 촉매 담체(422)와, 상기 제2절연관(432)의 외부에 권선되어 상기 인덕션 히터 전력공급기(900)로부터 공급되는 전력에 의해 가열되는 제2 인덕션 코일(412)을 포함하여 구성되는 것으로서 전체적으로 수증기 개질 반응부(3)와 동일한 구성을 가진다. 그리고 상기 수성가스 전환 반응부의 수성가스 전환 반응을 위한 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 또는 CuCePt/γ-Al2O3 촉매일 수 있다.
상술한 구성의 수성가스 전환 반응부(4)는 인덕션 히터 전력공급기(900)의 조정에 의해 공급된 전력에 의한 제2 인덕션 코일(412)의 전자기 유도 현상으로 상기 제2 금속 촉매 담체(422)의 표면에 생성되는 와류 전류에 의해 수성 가스 전환 반응에 의한 수소 생성에 최적 온도인 200 내지 350℃ 사이의 온도로 가열되어 유지된다. 이에 의해, 전단부 플라즈마 개질부(1)에서 고농도로 생성되어 유입된 CO는 [반응식 4]와 같은 수성가스 전환 반응에 의해 수소를 생성한다.
fCO + fH2O
Figure 112019130343996-pat00001
fH2 + fCO2 ---------(반응식 4)(f는 계수)
도 5는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적환 온도를 나타내는 그래프이다.
수증기 개질 반응 촉매 반응식인 [반응식 3] 및 수성가스 전환 반응식인 [반응식 4]의 최적 반응 온도를 찾기 위하여, 수증기 개질(SR) 반응에 수증기 개질(SR) 반응 촉매로 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매를 사용하고, 수성가스 전환 반응(WGS) 촉매로 CuCePt/γ-Al2O3 촉매(촉매 용량: 수증기 개질 반응 촉매의 20 내지 30%, 바람직하게25%)를 사용하며, 수증기 개질(SR) 반응 온도를 450℃로 한 경우이다. 수소 생성 농도가 최고를 나타내는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적 반응 온도는 250℃ 임을 알 수 있다. 즉 수성가스 전환(WGS) 반응의 촉매로 산화 반응성이 큰 백금(Pt)을 사용하여 전체 수소 생성 농도는 도 3의 수증기 개질 반응(SR)을 위한 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매만을 사용한 경우보다 낮아지며, 이에 따라, 수성가스 전환 반응(WGS) 촉매로 CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 사용하고 반응온도를 250℃ 전후로 할 경우 최종 수소 생성 농도는 더욱 높아지는 것을 확인하였다.
도 6은 수증기 개질(SR) 반응부(3)와 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 상세 구성도이다.
도 6에서 제1 인덕션 코일(310) 및 제2 인덕션 코일(412)들의 제어는 한 개의 제어장치로 수행하거나 개별적인 제어 장치를 구비하여 수행하도록 구성될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여 상기 최종 가스 온도 저감부(5)를 설명한다.
상기 최종 가스 온도 저감부(5)는 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 제1 물탱크(30)의 물을 통해 열교환하는 제2 열교환기(570)과, 상기 제 2 열교환기(570)의 응축수를 저장하는 제2 물탱크(500)와, 상기 제2 열교환기(570)와 상기 제2 물탱크(500) 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기(570)에서 생성된 응축수를 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브(562) 및 상기 제2 물탱크(500)에 저장된 물을 제2 물 순환펌프(750)를 통해 상기 수증기 개질 반응부(3)의 제1 열교환기(340)로 공급하도록 개폐되는 제2 온/오프 밸브(564)를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 수소 제조 장치에서 배출되는 최종 가스 온도는 실온까지 저감시켜야 한다. 반응 가스는 보통 200 내지 500℃로 배출되는데, 제1 열교환기(340)에 의해 어느 정도 냉각되고, 이 후 수성가스 전환 반응부(4)에 의해 다시 가열되거나 수성가스 전환 반응 온도 정도로 유지된다. 따라서 최종 가스의 온도를 낮추기 위해서는 제2 열교환기(570)에 의해 온도를 실내 온도까지 낮추어야 한다. 이때 제2 열교환기(570)는 외부에 냉각 팬을 장착하여 열의 방출을 돕고, 내부 열교환 매체인 물의 순환에 의해 열교환을 수행한다. 물의 순환은 냉각 팬이 달린 제1 물탱크(30)의 물을 제1 물순환 펌프(710)를 통해 순환시키는 것에 의해 수행된다. 제2 열교환기(570)에서 회수된 폐열은 냉각핀이 달리 제2 물탱크(30)에서 외부로 일부 방출된다. 최종 제2 열교환기(570)에서는 열교환 후 수증기의 온도가 응축온도 이하로 내려가 수증기가 응축되어 물이 생성되며, 이 물은 제2 열교환기(570)에 일정 수위로 차게 되면 제1 온/오프 밸브(562)의 제어에 의해 제2 물탱크(500)에 모인다.
상기 수소포집부(6)는, 하나 이상의 저압수송탱크(630)와, 하나 이상의 고압수소탱크(650)와, 75% 이상의 농도로 생성된 후 최종 가스 온도 저감부(5)를 통해 배출되는 수소 가스의 역류를 방지하는 체크밸브(600)와, 체크밸브(600)의 하류 측에 설치되어 수소 가스 내부의 수분을 제거하는 수분트랩(610)과, 수분이 제거된 수소를 상기 저압수소탱크(630) 또는 고압수소탱크(650)로 선택적으로 분기하는 3 방향 밸브 등의 제3 밸브(620)와, 상기 수분트랩(610)과 상기 저압수소탱크(630) 및 상기 고압수소탱크(650) 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩(610) 또는 상기 저압 수소탱크(630)에서 공급되는 가스를 가압(약, 50MPa 이상)하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크(650)로 배출하는 가스부스터(640)를 포함하여 구성된다.
상술한 구성의 상기 수소포집부(6)는 최종 가스 온도 저감부(5)를 통해 배출되는 수소 가스를 체크밸브(600)를 통해 역류되지 않도록 공급 받는다. 이 후, 수분트랩(610)을 거치면서 수소가스에 포함된 수분이 거의 0% 수준으로 제거된다. 다음으로, 제3 밸브(620)에 의해 먼저 하나 이상의 저압수소탱크(630)로 공급되어 저장된다. 하나 이상의 저압수소탱크(630)를 구비하는 경우 하나의 저압수소탱크(630)가 소정의 압력으로 채워지면 밸브의 유로 전환에 의해 다른 저압수소탱크(630)로 수소가 공급되어 채워진다. 채워진 저압수소탱크(640)의 수소는 3방향 밸브 등의 제3 밸브(620)를 통해 가스부스터(640)로 공급된 후 약 50MPa 이상의 압력으로 가압되어 하나 이상의 고압수소탱크(650)에 저장된다. 이때, 상기 저압수소탱크(630)와 고압수소탱크(650)는 필요 용량에 따라 탱크의 수가 증가될 수 있다.
<수소 제조 장치의 작동 실시예>
1. 수증기 개질(SR) 반응 및 수성가스 전환(WGS) 반응의 수행에 의한 수소 제조
도 7은 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도이다.
도 7과 같이, 도 1의 수소 제조 장치에서 플라즈마 개질부(2)는 플라즈마 개질 작동을 수행하지 않고 수증기와 탄화수소계 연료 전달의 기능만을 수행하도록 설정한다.
이러한 작동 방식의 경우 플라즈마에서 탄화수소계 연료가 부분적으로 개질되지 않기 때문에 수증기공급부(1)에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료의 개질 반응은 수증기 개질 반응부(3)에서 전용 개질 촉매에 의해 개질 온도 400 내지 500℃에서 1차로 수행된다. 이때, 이러한 1차 수증기 개질 반응에 의해 발생한 CO는 제거해야 할 성분이다. 특히 수소를 연료전지에 사용하는 경우, CO 가스가 Pt 촉매의 피독 현상을 일으켜 급격한 성능 저하를 초래하므로, 수소 중 CO의 농도는 10ppm 이하를 유지해야 한다. 수증기 개질 반응부(3)에서 배출된 CO는 수성가스 전환 반응부(4)에서 전용 수성가스 전환 반응 촉매에 의해 반응온도 200 내지 350℃ 범위로 조정되면서 수성가스 개질 반응 촉매에 의한 촉매 반응(반응식 4)에 의해, 수증기와 CO의 반응에 의해 수소를 생성시키고, CO를 저감시킨다. 만약 이 후 반응에서도CO의 농도가 10ppm 이상이면, 비 귀금속 계열 촉매를 이용하여 산화반응을 시켜줄 수 있다. 이 산화반응에는 상기 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응 과정에서 부산물로 생성된 저농도 산소가 이용된다.
2. 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 및 수증기 개질 반응의 이용
도 8은 플라즈마 개질 반응, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도이다.
도 8과 같이, 도 1의 수소 제조 장치를 이용하여 수증기와 탄화수소계 연료 혼합물에 대한 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의해 수소가스를 제조할 수 있다.
이때, 수증기 개질 반응부(3)와 수성가스 전환 반응부(4)는 동일한 촉매를 사용하므로, 제1 인덕션 코일(310)의 인가 전력을 제어하여 수증기 개질 반응부(3) 유도 가열 온도를 수성가스 전환(WGS) 반응 온도인 200 내지 350℃ 사이의 온도로 유지하는 경우 수증기 개질 반응부(3)는 수성가스 전환(WGS) 반응부로 구동하고, 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 제2 인덕션 코일(412)의 인가 전력을 제어하여 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 유도 가열 온도를 수증기 개질 반응 온도인 400 내지 500 ℃ 사이의 온도로 유지하는 경우 수성가스 전환(WGS) 반응 전환부(4)는 수증기 개질 반응부로 구동하게 되므로, 수증기 개질 반응부(3)와 수성가스 전환 반응부(4)의 위치를 교체함이 없이 수행될 수 있다. 이 경우, 촉매가 상이한 경우, 촉매를 교체될 수 있다.
상술한 구성의 수소 제조 장치의 순차적인 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 수행에 의한 수소 제조의 경우, 수증기 공급부(1)에서 공급된 수증기와 연료탱크(10)에서 공급된 탄화수소 연료의 개질 반응은, 먼저 플라즈마 개질부(2)에서 연료와 수증기의 플라즈마 분해에 의해 수소와 CO, CO2, 다종의 탄화수소연료(HCs)를 생성한다. 특히, 이때 발생한 CO는 고농도이기 때문에, 수증기 개질(SR) 반응부(3)에서 플라즈마 개질 반응 다음 단계인 수증기 개질(SR) 반응 단계보다 먼저 수성가스 전환(WGS) 반응 단계를 수행하여 전용 수성가스 전환(WGS) 촉매에 의해 반응온도 200 내지 350℃ 범위로 조정하면서 수성가스 전환 반응의 [반응식 3]과 같이, CO와 수증기의 반응에 의해 수소를 생성시키고, CO를 저감시킨다. 다음 단계로, 수증기 개질(SR) 반응부(3)에 의한 수성가스 전환(WGS) 반응 단계에서 개질 반응되지 않은 HCs는 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)에서 수증기 개질(SR) 반응 전용 개질 촉매에 의해 개질 온도 400 내지 500℃ 범위로 개질 반응시켜 수소를 생성시키는 것에 의해 수소의 최종 생성농도를 극대화 한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일 형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 연료탱크
20: 질량유량계
30: 제1 물탱크
40: 제1 밸브
50: 제2 밸브
1: 수증기 공급부
100: 증발관
110: 유도 가열 금속 망
120: 인덕션 히터
2: 플라즈마 개질 반응부
200: 플라즈마 전력공급기
201: 플라즈마 챔버
210: 나선형 양극
220: 관형 음극
222: 관형 음극 단자
230: 선회기
240: 허니컴형 지지대
3: 수증기 개질 반응부(SR: Steam Reforming)
310: 제1 인덕션 코일
320: 제1 금속 촉매 담체(FeCrAl 담체)
330: 제1 절연관
340: 제1 열교환기
4: 수성가스 전환 반응부(WGS: Water Gas Shift)
412: 제2 인덕션 코일
422: 제2 금속 촉매 담체
432: 제2 절연관
5: 최종 가스 온도 저감부
500: 제2 물탱크
562: 제1 온/오프 밸브
564: 제2 온/오프 밸브
570: 제2 열교환기
6: 수소포집부
600: 체크밸브
610: 수분트랩
620: 제3 밸브
630: 저압수소탱크
640: 가스부스터
650: 고압수소탱크
710: 제2 제1 물 순환펌프
750: 제2 물 순환펌프
900: 인덕션 히터 전력공급기

Claims (13)

  1. 연료와 수증기를 공급받아 플라즈마 개질을 수행하는 플라즈마 개질 반응부;
    상기 플라즈마 개질 반응부로부터 상기 연료와 수증기를 유입 받은 후 반응온도에 따라 상기 연료와 상기 수증기의 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제1촉매 반응부;
    상기 제1 촉매 반응부로부터 상기 제1 촉매 반응이 수행된 가스를 유입 받은 후 상기 수성가스 전환 반응 또는 수증기 개빌 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제2촉매 반응부;
    상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및
    상기 최종가스 온도 저감부에서 배출되는 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는, 절연관; 외부면에 촉매가 코팅되어 상기 절연관의 내부에 장착되어 외부의 전자기유도 기전력에 의해 와류가 생성되어 가열되는 금속 촉매 담체; 및 상기 절연관의 외부에 권선되어 외부의 인덕션 히터 전력 공급기로부터 전력을 공급받아 상기 금속 촉매 담체에 와전류 생성을 위한 전자기유도 기전력을 발생시키는 인덕션 코일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매인 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는,
    CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부는
    플라즈마 챔버;
    상기 플라즈마 챔버의 내부 입구 측에 설치되어 나선형 양극의 일단부를 지지하며 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기;
    상기 선회기를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극;
    상기 플라즈마 챔버의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극과 함께 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극; 및
    상기 플라즈마 챔버의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질 반응부는, 상기 나선형 양극과 관형 음극으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 반응부 또는 상기 제2 촉매 반응부는,
    수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응을 수행 후 배출되는 연료와 수증기 및 수소를 포함하는 가스의 냉각을 위한 제1 열교환기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 최종 가스 온도 저감부는,
    수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 열교환하는 제2 열교환기;
    상기 제 2 열교환기의 응축수를 저장하는 제2 물탱크;
    상기 제2 열교환기와 상기 제2 물탱크 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기에서 생성된 응축된 물을 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브; 및
    상기 제2 물탱크에 저장된 물을 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 제1 열교환기로 공급하는 제2 온/오프 밸브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 수소포집부는,
    하나 이상의 저압수소탱크;
    하나 이상의 고압수소탱크;
    상기 최종 가스 온도 저감부를 통해 배출되는 상기 최종 가스의 역류를 방지하는 체크밸브;
    상기 체크밸브의 하류 측에 설치되어 상기 최종 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분트랩;
    수분이 제거된 상기 최종 가스를 상기 저압수소탱크 또는 고압수소탱크로 선택적으로 분기하는 제3 밸브; 및
    상기 수분트랩과 상기 저압수소탱크 및 상기 고압수소탱크 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩 또는 상기 저압 수소탱크에서 공급되는 최종 가스를 가압하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크로 배출하는 가스부스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    제1 물탱크에서 공급된 물을 수용하는 증발관; 및
    상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관에 장착되어 가열되는 인덕션 히터;를 포함하는 수증기 공급부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 증발관은,
    외부의 절열물질 관; 및
    상기 절연물질 관의 내부에 장착되어 가열되는 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속망;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
  12. 제1항의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서,
    상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계;
    상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계;
    상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및
    상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법.
  13. 삭제
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