KR20090067428A

KR20090067428A - 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법

Info

Publication number: KR20090067428A
Application number: KR1020070135100A
Authority: KR
Inventors: 이종규
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

본 발명은 발전용 연료전지의 연료로 공급되고 있는 천연가스 연료에 함유된 황성분을 탈황기에서 제거할 때에 제거효율을 향상시킬 수 있도록 한 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법에 관한 것이다.

본 발명의 기술구성은 천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)에서 황 성분을 제거하는 방법에 있어서, 상기 탈황기(20)의 내부에는 ZnO흡착제를 충진하고 연료전지 스택(50)에서 배출되는 수소가 함유된 고온의 배 가스를 탈황기(20)에 공급하여 하기 반응식에 의해

RSH + H₂ = RH + H₂S, ZnO + 2H₂ = ZnS + H₂O

상기 천연가스 연료(10) 중의 황 성분을 제거하는 것으로 이루어진다.

천연가스 연료, 탈황, 탈황기, 산화아연계 흡착제

Description

용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법{Method for removing sulfur in natural gas as fuel of molten carbonate fuel cell}

메탄을 함유한 천연가스 연료(10)는 도 1에 나타낸 바와 같이 탈황기(20)를 거쳐 황 성분을 제거하고, 그 황 성분이 제거된 상기 천연가스 연료는 증기/탄소비율을 조절하기 위해 가습기(30)를 통과시켜 증기/탄소비율을 조절한 후 예비 개질기(40)를 거쳐 상기 천연가스 연료 중의 메탄가스를 수소가스로 개질하고 그 개질된 수소는 산소와 함께 연료전지 스택(50)으로 들어가 반응하면서 전기를 발생시킴은 물론 부 반응으로 물이 생성되게 된다.

상기의 구성에서 종래 탈황기(20)를 이용한 천연가스 연료에 함유된 황 성분의 제거 방법은 펠렛형태의 활성탄을 탈황기(20) 내부에 충진하고 그 충진된 활성탄이 황 성분을 흡착 제거하도록 되어 있는바, 상기 탈황기(20)의 내부는 압력차가 발생하기 때문에 이를 해소하기 위하여 탈황기(20)의 크기가 커지게 되고 그에 따 라 도 1의 연료전지시스템에 해당하는 기계장치가 거대해짐으로 제작비용이 증가하게 된다.

또 상기 천연가스 연료 중 황 성분이 활성탄 기공에 흡착하게 되어 천연가스를 탈황하게 되지만, 활성탄의 기공은 한정된 비 표면적을 가지고 있어 일정기간이 지나게 되면 활성탄 기공이 포화하게 되어 활성탄의 탈황효율이 떨어지게 된다.

또한 상기 천연가스 탈황을 위한 활성탄을 교체하기 위해서는 고온을 유지하는 연료전지(50)를 상온까지 냉각시켜야 함에 따라 연료전지(50)의 수명을 저해함으로써 연료전지의 운영비증가를 초래하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로서, 발전용 연료전지의 연료로 공급되고 있는 천연가스 연료에 함유된 황성분을 탈황기에서 제거할 때에 탈황기 내부에 산화아연계열의 흡착제를 충입하고 탈황기의 온도를 350-400℃ 유지 관리하여 탈황 제거 효율을 향상시킴으로써, 상기 종래의 문제점을 해소할 수 있도록 한 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법을 제공함에 있다.

본 발명의 해결수단은 천연가스 연료를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)에서 황 성분을 제거하는 방법에 있어서,

상기 탈황기의 내부에는 ZnO흡착제를 충진하고 연료전지 스택에서 배출되는 수소가 함유된 고온의 배 가스를 탈황기(20)에 공급하여 하기 반응식에 의해

RSH + H₂ = RH + H₂S, ZnO + 2H₂ = ZnS + H₂O

상기 천연가스 연료 중의 황 성분을 제거하는 것으로 이루어진다.

그리고 상기 탈황기에 공급되는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스는 수소농도 15-20%인 것이고, 상기 탈황기의 온도는 350-400℃로 유지하는 것으로 이루어진다.

이상과 같은 본 발명은 발전용 연료전지의 연료로 공급되고 있는 천연가스 연료에 함유된 황 성분을 탈황기에서 제거할 때에 탈황기 내부에 산화아연계열의 흡착제를 충입하고 탈황기의 온도를 350-400℃ 유지 관리함으로써 탈황 제거 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또 본 발명은 탈황기의 온도를 350-400℃ 유지 관리할 때에 그 관리되는 탈황기의 온도를 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스 열기를 활용함으로써, 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있고, 그와 아울러 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스의 수소 함량을 15-20%인 것을 사용함으로써, 탈황 제거 효율이 더욱 향상되었다.

본 발명은 도 2에 나타낸 바와 같이 천연가스 연료(10)가 탈황기(20)를 거쳐 황 성분을 제거하고, 그 황 성분이 제거된 상기 천연가스 연료는 증기/탄소비율을 조절하기 위해 가습기(30)를 통과시켜 증기/탄소비율을 조절한 후 예비 개질기(40)를 거쳐 상기 천연가스 연료 중의 메탄가스를 수소가스로 개질하고 그 개질된 수소는 산소와 함께 연료전지 스택(50)으로 들어가 반응하면서 전기를 발생시킴은 물론 부 반응으로 물(수분)과 함께 배 가스가 발생한다.

상기 도 2는 본 발명을 설명하기 위한 하나의 실시 예 즉 참고도일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 천연가스 연료(10)에 함유된 황 성분을 제거하기 위하여 탈황기(20)의 내부에는 산화아연(ZnO)계열의 흡착제를 충진하고 상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 고온의 배 가스를 탈황기(20)에 공급하면 하기 수첨탈황반응(Hydro-desulfurization)에 의하여 상기 천연가스 연료(10) 중의 황 성분을 제거된다.

RSH + H₂ = RH + H₂S, ZnO + 2H₂ = ZnS + H₂O

상기 천연가스 연료(10) 중의 황 성분을 제거된다.

이때 상기 천연가스 연료(10) 중의 황 성분 제거효율을 높이기 위해서는 상기 탈황기(20)에 공급되는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스의 수소농도가 15-20%인 것이고, 상기 탈황기의 온도는 350-400℃로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 15-20%의 것을 사용하는 이유는 천연가스 연료 중 함유된 황 성분이 수소와 반응하는데 있어서 반응속도를 결정하는 속도상수와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문이다.

즉, 상기에서 언급한 수소함량보다 클 경우에는 천연가스 연료 중 황성분과 수소와의 반응에 따른 속도상수가 높아짐에 따라 반응속도가 빨라져서 급격한 온도 상승으로 인하여 반응생성물이 황화수소생성보다는 고체형태의 황이 생성되어 탈황기에 누적되어 탈황효율을 저해하게 된다.

한편 상기에서 언급한 수소함량이 적을 경우에는 탈황효율 저하로 인하여 천연가스 연료 중 황성분이 제거되지 못하게 된다. 따라서 상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량은 15-20%의 것이 바람직하다.

또 상기 탈황기(20)의 온도를 350-400℃로 유지하는 이유는 천연가스 연료 중 황성분과 수소와의 화학반응과 밀접한 관계를 가지고 있기 때문이다.

탈황기(20)의 온도가 상기에서 언급한 온도보다 높을 경우에는 천연가스 연료 중 황성분과 수소의 반응속도 상승으로 인하여 황화수소 생성보다 고체상의 황생성으로 탈황기(20)에 누적되어 탈황효율을 저해하게 된다. 한편 온도가 낮을 경우에는 수소와의 반응속도가 떨어지게 된다. 따라서 탈황기(20)의 온도는 350-400℃를 유지함이 바람직하다.

이하 본 발명을 실시 예 및 비교 예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 15%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 350℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 98%이었다. 단 상기 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출 되는 배 가스의 온도는 400℃이상이다.

[실시예 2]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 17%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 350℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 99%이었다. 단 상기 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스의 온도는 400℃이상이다.

[실시예 3]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 20%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 400℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 100%이었다. 단 상기 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스의 온도는 400℃이상이다.

[비교예 1]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 15%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 300℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 90%이었다.

[비교예 2]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배 출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 17%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 350℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 85%이었다.

[비교예 3]

산화아연계열의 흡착제로 충진된 탈황기(20)에 연료전지 스택(50)의 가스 배출구에서 배출되는 배 가스 중 수소 함량 15%를 유지하는 배 가스를 공급하고, 그 배 가스가 함유한 현열을 이용하여 탈황기(20)를 450℃로 유지할 때 천연가스 연료의 탈황효율은 82%이었다.

상술한 바와 같은 본 발명의 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법은 천연가스 연료에 함유된 황 성분을 탈황기에서 제거할 때에 탈황기 내부에 산화아연계열의 흡착제를 충입하고 탈황기의 온도를 350-400℃ 유지 관리함으로써 탈황 제거 효율이 좋아지는 장점이 있음은 물론, 탈황기의 온도를 350-400℃로 유지 관리하고, 상기 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스의 수소 함량이 15-20%인 것으 사용함으로써, 탈황 제거 효율이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 종래 천연가스 연료에 함유된 황 성분을 제거하는 과정을 설명하기 위한 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 천연가스 연료에 함유된 황 성분을 제거하는 과정을 설명하기 위한 공정도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 천연가스 연료 20 : 탈황기

50 : 연료전지 스택

Claims

천연가스 연료(10)를 공급받아 황 성분을 제거하는 탈황기(20)에서 황 성분을 제거하는 방법에 있어서,

상기 탈황기(20)의 내부에는 ZnO흡착제를 충진하고 연료전지 스택(50)에서 배출되는 수소가 함유된 고온의 배 가스를 탈황기(20)에 공급하여 하기 반응식에 의해

RSH + H₂ = RH + H₂S, ZnO + 2H₂ = ZnS + H₂O

상기 천연가스 연료(10) 중의 황 성분을 제거하는 것을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법.
제1항에 있어서, 상기 탈황기(20)에 공급되는 연료전지 스택(50)에서 배출되는 배 가스는 수소농도 16-20%인 것임을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법.
제1항에 있어서, 상기 탈황기의 온도는 350-400℃로 유지함을 특징으로 하는 용융탄산염 연료전지용 연료인 천연가스 탈황방법.