KR20070086488A

KR20070086488A - 유기 황 화합물 함유 연료유용 탈황제 및 연료 전지용수소의 제조 방법

Info

Publication number: KR20070086488A
Application number: KR1020077014049A
Authority: KR
Inventors: 가즈히또 사이또; 도시마사 우따까; 치아키 타키자와
Original assignee: 이데미쓰 고산 가부시키가이샤
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-08-27
Also published as: WO2006068135A1; JP2006176721A; TW200637904A; CA2592168A1; EP1839743A4; CN101087646A; EP1839743A1; US20080090115A1

Abstract

본 발명은 수증기 개질, 자기열 개질 또는 부분 산화 개질 처리에 의해 수소를 제조할 수 있으며, 상기 개질 촉매의 피독을 억제할 수 있도록, 유기 황 화합물 함유 액체 연료 중의 황분을 80 ℃ 이하의 온도에서 매우 저농도까지 효율적으로 탈황할 수 있는 탈황제를 제공한다. 본 발명의 탄화수소 화합물의 탈황제는, 다공질 담체에 Ag를 담지하여 이루어지며, Ag의 담지량이 0.5 내지 50 질량％이고, 상기 탈황제에 포함되는 질소의 몰량이 Ag의 몰량의 10 내지 100 ％이다.

탈황제, 탄화수소 화합물, 담체, 은, 질소, 개질 촉매, 연료 전지

Description

유기 황 화합물 함유 연료유용 탈황제 및 연료 전지용 수소의 제조 방법{DESULFURIZING AGENT FOR ORGANOSULFUR COMPOUND-CONTAINING FUEL OIL, AND PROCESS FOR PRODUCING HYDROGEN FOR FUEL CELL}

본 발명은, 액체 연료의 황 제거 방법 및 수소의 제조 방법과 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 상세하게는, 액체 연료 중의 황분을 80 ℃ 이하의 온도에서 매우 저농도까지 효율적으로, 장기간에 걸쳐서 제거할 수 있는 탈황 방법, 및 이 탈황 방법을 이용하여 탈황 처리된 액체 연료를 개질 처리하여 수소를 제조하고, 이 수소를 연료 전지의 원료에 이용하는 시스템에 관한 것이다.

최근, 환경 문제로부터 신에너지 기술이 각광을 받고 있으며, 이 신에너지 기술 중 하나로서 연료 전지가 주목받고 있다. 이 연료 전지는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시킴으로써, 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이며, 에너지의 이용 효율이 높다는 특징을 갖고 있기 때문에, 민간용, 산업용 또는 자동차용 등으로서 실용화 연구가 적극적으로 이루어지고 있다. 이 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 인산형, 용융 탄산염형, 고체 산화물형, 고체 고분자형 등의 형태가 알려져 있다. 한편, 수소원으로서는 메탄올, 메탄을 주체로 하는 액화 천연 가스, 이 천연 가스를 주성분으로 하는 도시 가스, 천연 가스를 원료로 하 는 합성 액체 연료, 나아가서는 석유계의 나프타나 등유 등의 탄화수소유의 사용이 연구되고 있다.

연료 전지를 민간용이나 자동차용 등에 이용하는 경우, 상기 탄화수소유는 상온 상압에서 액상이며, 보관 및 취급이 용이할 뿐만 아니라, 특히 석유계인 것은 주유소나 판매점 등 공급 시스템이 정비되어 있기 때문에, 수소원으로서 유리하다. 그러나, 이러한 탄화수소유는 메탄올이나 천연 가스계인 것에 비해, 황분의 함유량이 많다는 문제가 있다. 이 탄화수소유를 사용하여 수소를 제조하는 경우, 일반적으로 상기 탄화수소유를 개질 촉매의 존재하에 수증기 개질, 자기열(autothermal) 개질 또는 부분 산화 개질 처리하는 방법이 이용된다. 이러한 개질 처리에서, 상기 개질 촉매는 탄화수소유 중의 황분에 의해 피독되기 때문에, 촉매 수명의 면에서 상기 탄화수소유에 탈황 처리를 실시하고, 황분 함유량을 장시간에 걸쳐서 0.2 질량 ppm 이하로 감소시킬 필요가 있다.

또한, 자동차에 직접 수소를 탑재하는 경우, 안전면에서 수소에 부취물(付臭物)을 첨가하는 것이 검토되고 있으며, 원료유에 존재하는 황 화합물을 포함하는 부취물을 최대한 저농도로 하는 것도 마찬가지로 중요하다.

석유계 탄화수소의 탈황 방법은, 지금까지 많은 연구가 이루어지고 있으며, 예를 들면 Co-Mo/알루미나나 Ni-Mo/알루미나 등의 수소화 탈황 촉매와 ZnO 등의 황화수소 흡착제를 사용하여, 상압 내지 5 MPaㆍG의 압력하에 200 내지 400 ℃의 온도에서 수소화 탈황하는 방법이 알려져 있다. 이 방법은 엄격한 조건하에 수소화 탈황을 행하고, 황분을 황화수소로 하여 제거하는 방법이며, 소규모의 분산형 연료 전지용으로서는, 안전ㆍ환경상의 고려, 고압 가스 취체법 등의 관련 법규와의 관계상 바람직하지 않다. 즉, 연료 전지용으로서는, 1 MPaㆍG 미만의 조건으로 장시간 연료를 탈황할 수 있는 탈황제가 요망되고 있다.

한편, 연료유 중의 황분을 온화한 조건으로 흡착 제거하는 탈황제로서, 니켈계의 흡착제가 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 12 참조). 또한 이것을 개량한 니켈-구리계의 흡착제가 제안되어 있지만, 250 내지 450 ℃의 고온 조건이다(예를 들면, 특허 문헌 11 또는 13 참조).

유기 황 화합물의 탈황에서는 은/알루미나, 은/실리카-알루미나 등이 알려져 있다(특허 문헌 14). 또한, 유기 황 화합물 함유 액체 연료유의 100 ℃ 이하에서의 탈황에서는 활성탄에 산화니켈, 산화아연을 담지한 탈황제(특허 문헌 15), 구리-염소/알루미나, 팔라듐-염소/알루미나(특허 문헌 16)가 알려져 있다. 또한 특허 문헌 14 이외에도, 질산은을 사용한 탄화수소 화합물의 탈황제가 알려져 있다(특허 문헌 17).

그러나, 고온에서 액체 연료의 탈황을 행하는 경우, 전기 히터나 연료의 연소 등에 의한 가열이 필요로 되어 에너지 효율이 악화된다. 또한, 상기한 종래 기술은, 모든 등유를 80 ℃ 이하의 온도, 특히 상온에서 탈황하기에는 실용적인 수준에 도달하지 못했다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공고 (평)6-65602호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허 공고 (평)7-115842호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허 공개 (평)1-188405호 공보

특허 문헌 4: 일본 특허 공고 (평)7-115843호 공보

특허 문헌 5: 일본 특허 공개 (평)2-275701호 공보

특허 문헌 6: 일본 특허 공개 (평)2-204301호 공보

특허 문헌 7: 일본 특허 공개 (평)5-70780호 공보

특허 문헌 8: 일본 특허 공개 (평)6-80972호 공보

특허 문헌 9: 일본 특허 공개 (평)6-91173호 공보

특허 문헌 10: 일본 특허 공개 (평)6-228570호 공보

특허 문헌 11: 일본 특허 공개 제 2001-279259호 공보

특허 문헌 12: 일본 특허 공개 제 2001-342465호 공보

특허 문헌 13: 일본 특허 공개 (평)6-315628호 공보

특허 문헌 14: 일본 특허 공개 제 2002-316043호 공보

특허 문헌 15: 일본 특허 공개 제 2003-144930호 공보

특허 문헌 16: 일본 특허 공개 제 2002-294256호 공보

특허 문헌 17: 일본 특허 공개 제 2004-305869호 공보

도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 일례를 나타내는 개략 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1: 기화기

2: 연료 전지 시스템

20: 수소 제조 시스템

21: 연료 탱크

23: 탈황기

31: 개질기

31A: 보일러

32: CO 변성기

33: CO 선택 산화기

34: 연료 전지

34A: 부극

34B: 정극

34C: 고분자 전해질

36: 기수 분리기

37: 배열 회수 장치

37A: 열 교환기

37B: 열 교환기

37C: 냉각기

본 발명의 과제는, 수증기 개질, 자기열 개질 또는 부분 산화 개질 처리에 의해 수소를 제조할 수 있으며, 상기 개질 촉매의 피독을 억제할 수 있도록, 유기 황 화합물 함유 액체 연료 중의 황분을 80 ℃ 이하의 온도에서 매우 저농도까지 효율적으로 탈황할 수 있는 탈황제를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 이렇게 하여 얻어지는 탈황 처리 연료를 개질하여 수소를 제조하고, 이 수소를 이용한 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해 다양한 연구를 거듭한 결과, 기존의 탈황제는 고온에서의 소성 과정을 포함하여 비용적으로 결점이 많고, 80 ℃ 이하에서는 충분한 성능을 갖고 있지 않다는 것에 착안하여, 특정 금속염을 사용함으로써, 유기 황 화합물 함유 액체 연료 중의 황분을 80 ℃ 이하의 온도에서 매우 저농까지 효율적으로 탈황할 수 있는 탈황제를 450 ℃ 미만의 온도에서 제조할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명은

(1) 다공질 담체에 Ag를 담지하여 이루어지며, Ag의 담지량이 0.5 내지 50 질량％이고, 상기 탈황제에 포함되는 질소의 몰량이 Ag의 몰량의 10 내지 100 ％인 탄화수소 화합물의 탈황제,

(2) 상기 (1)에 있어서, Ag의 함량이 3 내지 30 질량％인 탄화수소 화합물의 탈황제,

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, Ag를 담지할 때 질산은을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 화합물의 탈황제,

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 다공질 담체가 실리카-알루미나, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 마그네시아, 실리카-마그네시아, 산화아연, 백토, 점토, 규조토 및 활성탄으로부터 선택되는 1종 이상인 탄화수소 화합물의 탈황제,

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탈황제를 사용하여 탄화수소 화합물을 탈황하는 탈황 방법,

(6) 상기 (5)에 있어서, 탄화수소 화합물이 천연 가스, 알코올, 에테르, LPG, 나프타, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 아스팔텐유, 오일 샌드유, 석탄 액화유, 석유계 중질유, 셸오일, GTL, 폐플라스틱유 및 생물 연료로부터 선택되는 1종 이상인 탈황 방법,

(7) 상기 (5) 또는 (6)에 있어서, 탈황을 -40 내지 80 ℃의 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법,

(8) 상기 (5) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 탈황 방법으로 탈황한 후, 상기 탈황이 완료된 탄화수소 화합물을 개질 촉매와 접촉시켜 개질하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법,

(9) 상기 (8)에 있어서, 개질 촉매가 수증기 개질 촉매, 자기열 촉매 또는 부분 개질 촉매 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법,

(10) 상기 (8) 또는 (9)에 있어서, 수증기 개질 촉매, 자기열 촉매 또는 부분 개질 촉매가 Ni, Rh 또는 Ru계 촉매인 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법, 및

(11) 상기 (8) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 수소 제조 방법으로 얻어지는 수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템을 제공하는 것이다.

<발명의 효과>

본 발명의 탈황제는 450 ℃ 미만으로 종래의 것보다 훨씬 저온에서 제조할 수 있으며, 본 발명의 황 제거 방법(이하 탈황 방법으로 칭하는 경우가 있음)에 따르면, 유기 황 화합물 함유 액체 연료 중의 황분을 온도 80 ℃ 이하, 나아가서는 상온에서도 효율적으로 제거할 수 있다. 액체 연료로 수소를 제조하기 위한 개질 원료에 이 탈황 방법을 적용함으로써, 상기 개질 촉매를 유효하게 기능시켜 수명을 연장시킬 수 있다. 이와 같이 하여 액체 연료를 개질하여 얻어지는 수소는 연료 전지를 위해 효율적으로 이용할 수 있다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명의 탈황 방법에 사용하는 탈황제는, 담체 상에 질산은을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 탈황제의 담체는 다공질의 무기 산화물인 것이 바람직하며, 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 마그네시아, 실리카-마그네시아, 산화아연, 백토, 점토, 규조토 또는 활성탄이 바람직하다. 이들은 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 알루미나, 실리카-알루미나 등 알루미늄을 주성분으로 하는 것이 보다 바람직하다. 상기 다공질 담체의 표면적은 200 ㎡/g 이상인 것이 바람직하다.

상기한 담체에 질산은을 담지시키는 방법으로서는, 특히 함침법이 바람직하다. 질산은의 담지량은 금속은으로서 0.5 내지 50 질량％가 바람직하고, 3 내지 30 질량％가 보다 바람직하다. 함침법에서는 금속 성분 담지량이 50 질량％ 이하인 경우, 담지한 금속 성분의 입자의 분산성을 유지할 수 있으며, 충분한 탈황 성능이 얻어지기 때문에 바람직하다. 담체를 105 내지 140 ℃의 온도에서 밤새 건조하고, 담체의 온도가 크게 저하되지 않는 동안에, 또는 데시케이터 등 수분 관리된 환경에서 냉각시킨 후, 질산은의 용액을 담체에 함침시킨다. 그 후, 재차 105 내지 140 ℃ 정도의 온도에서 건조함으로써, 원하는 탈황제가 얻어진다. 필요에 따라, 추가로 450 ℃ 미만의 온도에서 소성할 수도 있다. 이렇게 하여 얻어지는 탈황제의 탈황 효과는 상기 탈황제에 포함되는 질소의 은에 대한 몰비에 밀접한 상관이 있다고 판단되며, 이 몰비가 10 내지 100 ％인 것이 바람직하다.

건조 또는 소성한 탈황제는 분쇄하여 적당한 입경으로 한다. 탈황제의 입경은 O.1 내지 3 ㎜인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.2 내지 2.5 ㎜이다.

본 발명에서 상기 탈황제를 사용하여 탈황하는 황 화합물 함유 액체 연료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 알코올, 에테르, 나프타, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 아스팔텐유, 오일 샌드유, 석탄 액화유, 셸오일유, GTL, 폐플라스틱유 및 생물 연료 등으로부터 선택되는 1종, 또는 이들 혼합물을 들 수 있다. 이들 중에서, 본 발명에 따른 탈황제를 적용하는 데 바람직한 연료로서는 등유가 바람직하며, 특히 황분 함유량이 80 질량 ppm 이하인 JIS1호 등유가 바람직하다. 이 JIS1호 등유는, 원유를 상압 증류하여 얻은 조등유를 탈황함으로써 얻어지는 것이며, 상기 조등유는 통상적으로 황분이 많고, 그대로는 JIS1호 등유가 되지 않기 때문에 황분을 감소시킬 필요가 있다. 이 황분을 감소시키는 방법으로서는, 일반적으로 공업적으로 실시되고 있는 수소화 정제법으로 탈황 처리하는 것이 바람직하다. 이 경우, 탈황 촉매로서 통상적으로 니켈, 코발트, 몰리브덴, 텅스텐 등의 전이 금속을 적당한 비율로 혼합한 것을 금속, 산화물, 황화물 등의 형태로 알루미나를 주성분으로 하는 담체에 담지시킨 것이 사용된다. 반응 조건은, 예를 들면 반응 온도 250 내지 400 ℃, 압력 2 내지 10 MPaㆍG, 수소/오일 몰비 2 내지 10, 액 시공간 속도(LHSV) 1 내지 5 hr^-1 등의 조건이 이용된다.

본 발명에 따른 탈황제를 사용하여, 유기 황 화합물 함유 액체 연료를 탈황하는 방법으로서는, 탈황제에 유기 황 화합물 함유 액체 연료를 유통시키는 방법, 탈황제를 내부에 고정한 탱크 등의 용기에 유기 황 화합물 함유 액체 연료를 정치 또는 교반하는 방법이 바람직하다. 본 발명에서 탈황 온도는 80 ℃ 이하이다. 이 탈황 온도가 80 ℃ 이하이면 에너지 비용이 낮기 때문에, 경제적으로 유리하다. 탈황 온도의 하한에 대해서는 특별히 제한되지 않으며, 탈황해야 하는 액체 연료의 유동성 및 탈황제의 탈황 활성 등을 고려하여 적절하게 선정된다. 탈황해야 하는 액체 연료가 등유인 경우, 유동성의 면에서 탈황 온도의 하한은 -40 ℃ 정도이고, 바람직한 탈황 온도는 0 내지 50 ℃, 특히 실온 근변이다.

또한, 온도 이외의 탈황 조건에 대해서는 특별히 제한되지 않으며, 탈황해야 하는 액체 연료의 성상에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 구체적으로는, 연료로서 탄화수소, 예를 들면 JIS1호 등유를 액상으로 본 발명에 따른 탈황제를 충전한 탈황탑 중을 상향 또는 하향의 흐름으로 통과시켜 탈황하는 경우, 온도는 실온 정도, 압력 상압 내지 1 MPaㆍG 정도, LHSV 2 hr^-1 이하 정도의 조건으로 통상적으로 탈황 처리한다. 이때, 필요에 따라 소량의 수소를 공존시킬 수도 있다. 탈황 조건을 상기 범위에서 적당히 선택함으로써, 예를 들면 유기 황 화합물 함유 등유로부터 황분 1 ppm 이하의 탄화수소를 얻을 수 있다.

이어서 본 발명의 수소의 제조 방법은, 상기한 바와 같이 하여 탈황 처리한 연료를 수증기 개질, 부분 산화 개질 또는 자기열 개질을 행하여, 보다 구체적으로는 수증기 개질 촉매, 부분 산화 개질 촉매 또는 자기열 개질 촉매와 접촉시킴으로써 수소를 제조하는 것이다.

여기서 사용되는 개질 촉매로서는 특별히 제한되지 않으며, 종래부터 탄화수소의 개질 촉매로서 알려져 있는 공지된 것 중으로부터 임의의 것을 적절하게 선택하여 사용할 수 있다. 이러한 개질 촉매로서는, 예를 들면 적당한 담체에 니켈이나 지르코늄, 또는 루테늄, 로듐, 백금 등의 귀금속을 담지한 것을 들 수 있다. 상기 담지 금속은 1종일 수도 있고, 2종 이상을 조합할 수도 있다. 이들 촉매 중에서, 니켈을 담지시킨 것(이하, 니켈계 촉매라고 함), 로듐을 담지시킨 것(이하, 로듐계 촉매라고 함)과 루테늄을 담지시킨 것(이하, 루테늄계 촉매라고 함)이 바람직하며, 이들은 수증기 개질 처리, 부분 산화 개질 처리 또는 자기열 개질 처리 중 탄소 석출을 억제하는 효과가 크다.

상기 개질 촉매를 담지시키는 담체에는 산화망간, 산화세륨, 산화지르코늄 등이 포함되어 있는 것이 바람직하며, 이들 중에서 1종 이상을 포함하는 담체가 특히 바람직하다.

니켈계 촉매의 경우, 니켈의 담지량은 담체 기준으로 3 내지 60 질량％의 범위가 바람직하다. 이 담지량이 상기 범위 내이면, 수증기 개질 촉매, 부분 산화 개질 촉매 또는 자기열 개질 촉매의 활성이 충분히 발휘됨과 동시에, 경제적으로도 유리해진다. 촉매 활성 및 경제성 등을 고려하면, 니켈의 보다 바람직한 담지량은 5 내지 50 질량％이고, 10 내지 30 질량％의 범위가 특히 바람직하다.

또한, 로듐계, 루테늄계 촉매의 경우, 로듐, 루테늄의 담지량은 담체 기준으로 0.05 내지 20 질량％의 범위가 바람직하다. 로듐 또는 루테늄의 담지량이 상기 범위 내이면, 수증기 개질 촉매, 부분 산화 개질 촉매 또는 자기열 개질 촉매의 활성이 충분히 발휘됨과 동시에, 경제적으로도 유리해진다. 촉매 활성 및 경제성 등을 고려하면, 로듐 또는 루테늄의 보다 바람직한 담지량은 0.05 내지 15 질량％이고, 0.1 내지 2 질량％의 범위가 특히 바람직하다.

수증기 개질 처리에서의 반응 조건으로서, 수증기와 연료유에서 유래하는 탄소의 비인 스팀/카본(몰비)은, 통상적으로 1.5 내지 10의 범위에서 선정된다. 스팀/카본(몰비)이 1.5 이상이면 수소의 생성량이 충분하고, 10 이하이면 과잉의 수증기를 필요로 하지 않기 때문에, 열 손실이 작고, 수소 제조를 효율적으로 행할 수 있다. 상기 관점에서, 스팀/카본(몰비)은 1.5 내지 5의 범위인 것이 바람직하며, 2 내지 4의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 수증기 개질 촉매층의 입구 온도를 630 ℃ 이하로 유지하여 수증기 개질을 행하는 것이 바람직하다. 입구 온도가 630 ℃ 이하이면, 연료유의 열 분해가 발생하지 않기 때문에, 탄소 라디칼을 경유한 촉매 또는 반응관 벽으로의 탄소 석출이 발생하기 어렵다. 이상의 관점에서, 수증기 개질 촉매층의 입구 온도는 600 ℃ 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 촉매층 출구 온도는 특별히 제한은 없지만, 650 내지 800 ℃의 범위가 바람직하다. 650 ℃ 이상이면 수소의 생성량이 충분하고, 800 ℃ 이하이면 반응 장치를 내열 재료로 구성할 필요가 없기 때문에, 경제적으로 바람직하다.

부분 산화 개질 처리에서의 반응 조건으로서는, 통상적으로 압력은 상압 내지 5 MPaㆍG, 온도는 400 내지 1100 ℃, 산소(O₂)/카본(몰비)은 0.2 내지 0.8, 액 시공간 속도(LHSV)는 0.1 내지 100 hr^-1의 조건이 이용된다.

또한, 자기열 개질 처리에서의 반응 조건으로서는, 통상적으로 압력은 상압 내지 5 MPaㆍG, 온도는 400 내지 1100 ℃, 스팀/카본(몰비)은 0.1 내지 10, 산소(O₂)/카본(몰비)은 0.1 내지 1, 액 시공간 속도(LHSV)는 0.1 내지 2 hr^-1, 가스 시공간 속도(GHSV)는 1000 내지 100000 hr-1의 조건이 이용된다.

또한, 상기 수증기 개질, 부분 산화 개질 또는 자기열 개질에 의해 얻어지는 CO가 수소 생성에 악영향을 미치기 때문에, CO를 반응에 의해 CO₂로 변환하여 제거하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 본 발명의 방법에 따르면, 연료 전지용 수소를 효율적으로 제조할 수 있다.

액체 연료를 사용하는 연료 전지 시스템은, 통상적으로 연료 공급 장치, 탈황 장치, 개질 장치, 연료 전지로 구성되며, 상기 본 발명의 방법에 의해 제조된 수소는 연료 전지에 공급된다.

본 발명은 또한, 상기 제조 방법으로 얻어진 수소를 사용하는 연료 전지 시스템을 제공한다. 이하에 본 발명의 연료 전지 시스템에 대하여 첨부한 도 1에 따라 설명한다.

도 1은 본 발명의 연료 전지 시스템의 일례를 나타내는 개략 흐름도이다. 도 1에 따르면, 연료 탱크 (21) 내의 연료는, 연료 펌프 (22)를 거쳐 탈황기 (23)로 유입된다. 탈황기 내에는 본 발명에 따른 황 화합물 제거용 흡착제가 충전되어 있다. 탈황기 (23)에서 탈황된 연료는 물 탱크로부터 물 펌프 (24)를 거친 물과 혼합된 후, 기화기 (1)에 도입되어 기화되고, 이어서 공기 블로워 (35)로부터 송출된 공기와 혼합되어 개질기 (31)에 보내진다.

개질기 (31)의 내부에는 상술한 개질 촉매가 충전되어 있으며, 개질기 (31)에 보내진 연료 혼합물(수증기, 산소 및 탈황 처리 액체 연료를 포함하는 혼합 기체)로부터, 상술한 개질 반응 중 어느 하나에 의해 수소 또는 합성 가스가 제조된다.

이와 같이 하여 제조된 수소 또는 합성 가스는 CO 변성기 (32), CO 선택 산화기 (33)을 통해 그 CO 농도가 연료 전지의 특성에 영향을 미치지 않는 정도까지 감소된다. 이들 반응기에 사용하는 촉매의 예로서는, CO 변성기 (32)에서는 철-크롬계 촉매, 구리-아연계 촉매 또는 귀금속계 촉매를, CO 선택 산화기 (33)에서는 루테늄계 촉매, 백금계 촉매 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다.

연료 전지 (34)는 부극 (34A)와 정극 (34B)의 사이에 고분자 전해질 (34C)를 구비한 고체 고분자형 연료 전지이다. 부극측에는 상기한 방법으로 얻어진 수소 풍부 가스가, 정극측에는 공기 블로워 (35)로부터 보내진 공기가, 각각 필요에 따라 적당한 가습 처리를 행한 후(가습 장치는 도시하지 않음) 도입된다.

이때, 부극측에서는 수소 가스가 양성자가 되어 전자를 방출하는 반응이 진행되고, 정극측에서는 산소 가스가 전자와 양성자를 얻어 물이 되는 반응이 진행되어, 양극 (34A), (34B) 사이에 직류 전류가 발생한다. 부극에는 백금흑, 활성탄 담지의 Pt 촉매 또는 Pt-Ru 합금 촉매 등이, 정극에는 백금흑, 활성탄 담지의 Pt 촉매 등이 사용된다.

부극 (34A)측에 개질기 (31)의 버너 (31A)를 접속하여 남은 수소를 연료로 할 수 있다. 또한, 정극 (34B)측에 접속된 기수 분리기 (36)에서, 정극 (34B)측에 공급된 공기 중의 산소와 수소의 결합에 의해 생성된 물과 배기 가스를 분리하고, 물은 수증기의 생성에 이용할 수 있다.

또한, 연료 전지 (34)에서는 발전에 따라 열이 발생하기 때문에, 배열 회수 장치 (37)을 부설하고, 이 열을 회수하여 유효하게 이용할 수 있다. 배열 회수 장치 (37)은, 반응시에 발생한 열을 빼앗는 열 교환기 (37A)와, 이 열 교환기 (37A)에서 빼앗은 열을 물과 열 교환하기 위한 열 교환기 (37B)와, 냉각기 (37C)와, 이들 열 교환기 (37A), (37B) 및 냉각기 (37C)로 냉매를 순환시키는 펌프 (37D)를 구비하고, 열 교환기 (37B)에서 얻어진 온수는 다른 설비 등에서 유효하게 이용할 수 있다.

(1) 탈황제의 제조

(탈황제 1)

100 ㎖의 비커를 사용하여 질산은(AgNO₃; 와꼬 쥰야꾸, >99.8 ％) 39.4 g을 칭량하고, 이온 교환수 약 50 ㎖에 용해하였다. 그 후, 메스 실린더를 사용하여 총량이 92 ㎖가 되도록 이온 교환수를 첨가하였다. 미리 120 ℃에서 12 시간 동안 건조한 실리카ㆍ알루미나 성형 담체(쇼꾸바이 가세이, IS-28N, 표면적 310 ㎡/g) 100 g을 별도의 2 ℓ의 비커에 칭량하고, 담체의 온도가 크게 저하되지 않는 동안에, 즉시 앞서 제조한 질산은 수용액의 전량을 한번에 첨가하였다. 질산은 수용액이 담체에 균일하게 분산되도록 교반을 10분간 행하였다. 담체에 균일하게 질산은 수용액이 침투된 것을 확인한 후, 6 시간 동안 방치하였다. 그리고, 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 120 ℃에서 1 시간 동안 소성하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=14 질량％)(탈황제 1)를 얻었다.

(탈황제 2)

상기 (탈황제 1)과 동일한 제조 방법에 의해 탈황제를 제조한 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 200 ℃에서 1 시간 동안 소성을 행하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=17 질량％)(탈황제 2)를 얻었다.

(탈황제 3)

상기 (탈황제 1)과 동일한 제조 방법에 의해 탈황제를 제조한 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 300 ℃에서 1 시간 동안 소성을 행하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=18 질량％)(탈황제 3)를 얻었다.

(탈황제 4)

상기 (탈황제 1)과 동일한 제조 방법에 의해 탈황제를 제조한 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 400 ℃에서 1 시간 동안 소성을 행하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=19 질량％)(탈황제 4)를 얻었다.

(탈황제 5)

상기 (탈황제 1)과 동일한 제조 방법에 의해 탈황제를 제조한 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 450 ℃에서 1 시간 동안 소성을 행하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=19 질량％)(탈황제 5)를 얻었다.

(탈황제 6)

상기 (탈황제 1)과 동일한 제조 방법에 의해 탈황제를 제조한 성형 탈황제를 120 ℃로 가열한 송풍 건조기에 도입하여 12 시간 동안 건조한 후, 추가로 500 ℃에서 1 시간 동안 소성을 행하고, 막자 사발을 사용하여 평균 입경 0.9 ㎜로 분쇄하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=17 질량％)(탈황제 6)를 얻었다.

(탈황제 7)

소성 시간을 3 시간으로 한 것 이외에는 탈황제 4와 동일한 조작을 행하여, 실리카ㆍ알루미나 담지 은 탈황제(Ag=19 질량％)(탈황제 7)를 얻었다.

(탈황제 8)

질산은을 19.7 g, 이온 교환수를 약 20 ㎖, 총량을 27 ㎖로 한 것, 및 알루미나 성형 담체(미즈사와 가가꾸 제조, 표면적 210 ㎡/g) 50 g을 각각 사용한 것 이외에는 탈황제 1과 동일하게 하여, 알루미나 담지 은 탈황제(Ag=16 질량％)(탈황제 8)를 얻었다.

(2) 탈황제 중의 질소와 은의 정량

탈황제 1 내지 7의 각각에 대하여 질소량을 탄소ㆍ수소ㆍ질소 원소 분석 장치(야나꼬 제조 CHN 코더 MT-06형)에 의해 측정하였다. 분석 조건은 화로 온도: 950 ℃, He 유량: 200 ㎖/분, O₂ 유량: 15 ㎖/분, 시료 채취량: 5 ㎎, 검출 성분: N₂, 검출기: TCD(열 전도도형, He)였다. 실리카ㆍ알루미나 담체에 탈황제 1과 마찬가지로 질산은을 질소로서 각각 0, 0.60, 1.04 및 1.87 질량％ 담지시킨 시료를 제조하고, 상기 장치를 사용하여 각각 원소 분석을 행하고, 최소 제곱법에 의해 검량선을 작성하여 질소량을 정량하였다. 또한, 분석 시료의 채취량은 질소량이 검량선의 영역 내에 포함되도록 조정하였다.

은량은 JIS K0116의 통칙을 만족하는 멀티 타입 플라즈마 발광 분석 장치(이하 ICP라고 함. 에스아이아이ㆍ나노테크놀로지스(주) 제조 SPS5100형)를 사용하여 측정하였다. 시판된 원자 흡광도용 Ag 표준 1000 ppm 용액을 사용하여 검량선을 결정하였다. 시료를 미분쇄하여 약 0.1 g을 백금 접시(용량: 100 ㎖)에 놓고, 불화수소산(HF, 시판 특급 시약)과 황산 수용액(시판 특급 시약과 순수의 등용적 혼합물)으로 가열 용해하고, 황산백연까지 가열을 계속하여 HF를 휘산시킨 후, 100 ㎖ 전량 플라스크에 정용(定容)하였다. 이 용액에 포함되는 Ag량을, 또는 Ag 량이 높은 경우에는 적절하게 희석하여 ICP로 정량하였다.

얻어진 질소량과 은량으로부터, 각각의 탈황제 중의 은에 대한 질소의 몰비를 산출하였다.

(3) 탈황제의 평가 방법

(가속 평가)

탈황제 2.5 ㎖를 칭량하여, 내경 9 ㎜의 스테인레스제 반응관에 충전하였다. 상압하에 건조 질소를 500 ㎖/분으로 유통하고, 2 시간 동안 건조하였다. 그 후, 탈황제의 온도를 25 ℃로 유지하고, 하기의 성상을 갖는 등유를 액 공간 속도(LHSV) 40 h^-1로 반응관에 유통시켜, 등유 유통 4 시간 후의 출구 황 농도를 측정하였다. 이 액 공간 속도의 값은 통상적인 탈황 조건보다 훨씬 높으며, 탈황제로서는 가혹한 조건이지만, 이것은 주로 탈황제의 제조 방법이 탈황 성능에 대하여 제공하는 영향을 신속하게 조사하기 위해서이다.

(등유의 성상)

본 검토에서는, 시판된 등유(황 농도 6 질량 ppm)를 사용하였다. 그 증류 성상은 표 1에 나타낸 바와 같다.

(4) 탈황 평가 결과

탈황제 1 내지 8을 사용한 탈황 시험에서의 등유 유통 4 시간 후의 출구 황 농도의 측정 결과는, 탈황제의 소성 온도 및 은에 대한 질소의 몰비(N/Ag)와 함께 표 2에 나타낸 바와 같다.

담체가 실리카ㆍ알루미나이고, 소성 시간이 1 시간인 동일한 조건에서의 결과(탈황제 1 내지 6)를 비교하면, 탈황제의 소성 온도가 400 ℃ 이하이면 N/Ag는 0.1 이상이고, 출구 황 농도는 1 질량 ppm 이하이지만, 소성 온도가 450 ℃ 이상이 되면, N/Ag가 극단적으로 감소됨과 동시에, 출구 황 농도가 증대되어 탈황 효과의 극단적인 감소가 관찰되었다. 또한, 이들 탈황 시험은 모두 25 ℃의 탈황 온도에서 행해진 것이며, 이러한 탈황제로는 실온에서 등유의 탈황을 효율적으로 행할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 또한, 탈황제의 소성은 특별히 필요하지 않으며, 탈황제를 건조시키는 것만으로도 충분한 탈황 효과가 얻어진다는 것을 알 수 있었다. 또한, 소성 온도 400 ℃, 소성 시간 1 시간으로는 충분한 탈황 효과가 얻어지지만, 소성 시간을 1 시간으로부터 3 시간으로 연장하면(탈황제 7의 결과를 탈황제 4의 결과와 비교), N/Ag가 감소됨과 동시에 탈황 효과도 저하된다는 것이 관찰되었다. 또한, 담체를 실리카ㆍ알루미나로부터 알루미나로 변경하여도(탈황제 8), 실리카ㆍ알루미나의 경우와 마찬가지로 저온 건조로 충분한 탈황 효과 및 몰비 N/Ag가 관찰되었다. 따라서, 은계 탈황제의 탈황 효과는, 탈황제 중의 몰비 N/Ag와 밀접한 관계가 있다는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 탄화수소 액체 연료의 황 제거 방법은, 특정 탈황제를 사용함으로써, 80 ℃ 이하의 온도에서 황 화합물 함유 액체 연료를 효율적으로 탈황 처리할 수 있으며, 에너지 비용을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 방법으로 얻어진 탈황 처리 연료를 개질 처리함으로써, 연료 전지용 수소를 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims

다공질 담체에 Ag를 담지하여 이루어지며, Ag의 담지량이 0.5 내지 50 질량％이고, 탈황제에 포함되는 질소의 몰량이 Ag의 몰량의 10 내지 100 ％인, 탄화수소 화합물의 탈황제.
제1항에 있어서, Ag의 함량이 3 내지 30 질량％인, 탄화수소 화합물의 탈황제.
제1항 또는 제2항에 있어서, Ag를 담지할 때 질산은을 사용하는 것을 특징으로 하는, 탄화수소 화합물의 탈황제.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다공질 담체가 실리카-알루미나, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 티타니아, 지르코니아, 마그네시아, 실리카-마그네시아, 산화아연, 백토, 점토, 규조토 및 활성탄으로부터 선택되는 1종 이상인, 탄화수소 화합물의 탈황제.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 탈황제를 사용하여 탄화수소 화합물을 탈황하는 탈황 방법.
제5항에 있어서, 탄화수소 화합물이 천연 가스, 알코올, 에테르, LPG, 나프타, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 아스팔텐유, 오일 샌드유, 석탄 액화유, 석유계 중질유, 셸오일, GTL, 폐플라스틱유 및 생물 연료로부터 선택되는 1종 이상인 탈황 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 탈황을 -40 내지 80 ℃의 범위에서 행하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 탈황 방법으로 탈황한 후, 당해 탈황이 완료된 탄화수소 화합물을 개질 촉매와 접촉시켜 개질하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
제8항에 있어서, 개질 촉매가 수증기 개질 촉매, 자기열(autothermal) 촉매 또는 부분 개질 촉매 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서, 수증기 개질 촉매, 자기열 촉매 또는 부분 개질 촉매가 Ni, Rh 또는 Ru계 촉매인 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 수소 제조 방법으로 얻어지는 수소를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.