KR20140080804A - 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 액상 연료의 개질 과정에서 발생하는 수소-풍부 개질 가스를 탈황 공정용 수소로 사용하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법에 관한 것이다. 본 발명의 개질 방법에 의하면, 연료 전지용 액상 연료의 개질을 탈황 공정에 앞서 수행하여 얻은 수소-풍부 개질 가스 중에 포함된 수소를 탈황 공정용 수소로 사용할 수 있어, 탈황 공정을 위해 별도로 수소를 공급해주기 위한 설비가 필요 없게 되어, 경제적이며 전체 시스템 크기를 감소시킬 수 있다.

Description

연료 전지용 액상 연료의 개질 방법{METHOD OF REFORMING OF LIQUID FUEL FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 연료 전지용 액상 연료의 개질 과정에서 발생하는 수소-풍부 개질 가스를 탈황 공정용 수소로 사용하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 유기연료 내에 함유되어 있는 수소를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 유기 연료의 높은 비에너지(specific energy)(예를 들어 메탄올의 비에너지는 6232 wh/kg임) 때문에 유기 연료를 사용하는 연료 전지는 설치상 또는 휴대상 모두 극도로 매력적이다.
연료 전지에 있어서, 수소를 함유하는 개질 가스가 생성되고, 연료 전지 스택에 의해서, 상기 개질 가스가 사용되어 발전이 행하여진다. 이러한 연료 전지 시스템에서, 해상 가스유(Marine Gas Oil; MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO), 메탄올(Methanol; MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 또는 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG) 등과 같은 액상 연료를 사용하는 경우, 액상 연료에 탄화수소 성분과 함께 함유된 황화합물의 함유량이 높을수록 개질 처리를 위해 사용되는 개질 촉매가 상기 황화합물에 의해 피독되기 쉽다. 따라서, 액상 연료로부터 황화합물 성분을 제거하여 황화합물의 함유량을 감소시킬 필요가 있다.
일반적으로 액상 연료에서 황화합물의 함유량을 감소시키기 위하여 수첨탈황(HDS:hydrodesulfurization) 공정을 이용하고 있는데, 수첨탈황 공정이란 유분에 불순물로 혼입하여 탄소와 결합하고 있는 황을 촉매 반응으로 수소화하여 황화수소로 발생시켜 탈황하는 방법으로서, 일반적으로 고온(보통 350~420℃) 및 고압(보통 15~70bar) 하에서 촉매를 사용하여 수소와 반응시켜, 황화합물을 황화수소의 형태로 만들어 탄화수소에서 분리시키는 방법이다. 상기 수첨탈황 공정은 신뢰할 수 있는 공정이지만, 상기와 같이 수소를 별도로 공급해줘야 하기 때문에 주변장치 증가에 따른 시스템 크기 증가 등의 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료 전지용 액상 연료의 개질을 탈황 공정에 앞서 수행하여 개질 과정에서 발생하는 수소를 함유하는 개질 가스를 탈황 공정용 수소로 사용하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 및 탈황 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 개질반응기에 액상 연료와 증기를 혼합 공급하는 단계; 상기 액상 연료를 개질반응시켜 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계; 상기 개질 가스에 포함된 수소를 이용하여 상기 개질 가스를 탈황하는 단계; 및 탈황한 상기 개질 가스를 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법을 제공한다.
상기 액상 연료는 해상 가스유(Marine Gas Oil; MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO), 메탄올(Methanol; MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 또는 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG) 중에서 선택된 하나일 수 있으며, 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO)가 바람직하다.
상기 개질반응은 증기 개질반응일 수 있다.
상기 개질반응은 니켈(nickel), 백금(platinum), 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium) 및 루테늄(ruthenium) 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 촉매로 사용하여 수행될 수 있다.
상기 개질 가스를 탈황하는 단계는, 수첨탈황(HDS:hydrodesulfurization) 공정으로 수행될 수 있다.
상기 개질반응은 증기 개질반응기, 이산화탄소 개질반응기, 부분산화 개질반응기 및 증기 또는 이산화탄소 개질반응기 중에서 선택된 하나에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 액상 연료의 탄화수소를 메탄으로 전환하는 메탄화 단계; 개질반응기에 메탄화된 상기 액상 연료와 증기를 혼합 공급하는 단계; 상기 액상 연료를 개질반응시켜 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계; 상기 개질 가스에 포함된 수소를 이용하여 상기 개질 가스를 탈황하는 단계; 및 탈황한 상기 개질 가스를 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지용 액상 연료의 개질을 탈황 공정에 앞서 수행함으로써, 개질 과정에서 발생하는 수소-풍부 개질 가스를 탈황 공정용 수소로 사용할 수 있어, 탈황 공정을 위해 별도로 수소를 공급해주기 위한 설비가 필요 없게 되어, 경제적이며 전체 시스템 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법을 도시한 개략도이다.
이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에서는, 연료 전지용 액상 연료의 개질을 탈황 공정에 앞서 수행하여 얻은 개질 가스 중에 포함된 수소를 탈황 공정용 수소로 사용하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법은, 개질반응기에 액상 연료와 증기를 혼합 공급하여 개질반응시킴으로써 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계, 상기 수소-풍부 개질 가스를 탈황 장치에서 수첨 탈황에 의해 탈황하는 단계 및 탈황한 액상 연료를 연료 전지에 공급하는 단계를 포함한다.
상기 액상 연료는 해상 가스유(Marine Gas Oil; MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO), 메탄올(Methanol; MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 또는 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG) 등을 포함하며, 바람직하게는 해상 디젤유일 수 있다.
도 1에는 도시되어 있지 않지만, 액상 연료를 개질반응기에 공급하기 전에 메탄화 공정을 수행할 수 있다. 상대적으로 낮은 분자량을 갖는 메탄올, 다이메틸에테르 등은 액상 연료 상태에서 곧바로 개질이 가능하나, 즉, 메탄화 공정이 필요 없으나, 해상 가스유 또는 해상 디젤유 등과 같이 상대적으로 높은 분자량을 갖는 액상 연료들은 개질하기 전에 메탄화 공정을 통해 먼저 낮은 분자량의 연료로 메탄화 시켜줄 필요가 있다.
상기 개질반응기에 액상 연료와 증기를 혼합 공급하여 개질반응시킴으로써 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계에서, 상기 액상 연료의 탄화수소 성분, 구체적으로는 메탄이 증기와 개질 반응하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
CH4 + H2O -> 3H2 + CO
본 발명의 일 실시예에서는 개질반응기로서 메탄을 증기와 개질반응시켜서 개질 가스를 생성하는 증기 개질반응기를 예시하였지만, 증기 개질반응기 외에 메탄을 증기 및 산소와 자열 개질반응시켜서 개질 가스를 생성하는 자열 개질반응기, 메탄을 이산화탄소와 개질반응시켜서 개질 가스를 생성하는 이산화탄소 개질반응기, 메탄을 산소와 부분산화 개질반응시켜서 개질 가스를 생성하는 부분산화 개질반응기, 메탄을 증기 및 이산화탄소와 개질반응시켜서 개질 가스를 생성하는 증기 및 이산화탄소 개질반응기 등도 적용 가능하다.
여기에서, 증기 개질반응은 적어도 하나 이상의 촉매층에 의해 촉발되고, 촉매로는 니켈(nickel), 백금(platinum), 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium), 및/또는 루테늄(ruthenium) 금속 등이 사용될 수 있으며, 이들은 프로모터(promoter) 또는 안정화제(stabilizer)가 첨가된 알루미나(alumina), 티타니아(titania), 또는 지르코니아(zirconia)와 같은 고면적 지지체에 침적되어 있을 수 있다.
상기 개질반응기에서는 수소, 일산화탄소, 불순물 및 황화합물 등이 포함되어 있는 수소-풍부 개질 가스가 배출된다. 상기 불순물에는 재(ash)와 물(H20)이 포함되어 있을 수 있고, 상기 개질반응기의 후단에는 상기 재와 물을 분리 제거하는 분리기가 설치되어 있을 수 있다.
상기 수소-풍부 개질 가스로부터 황화합물을 제거하기 위해 탈황 장치에서 수첨 탈황에 의해 탈황하는 단계를 수행한다.
상기 개질 가스를 수첨 탈황에 의해 탈황하는 단계는, 당업자에게 알려진 다양한 공지의 수첨 탈황 공정에 의해 수행될 수 있으며, 상기 수첨 탈황 공정에서 사용되는 수소는 상기 수소-풍부 개질 가스에 포함된 수소를 이용할 수 있다. 따라서, 종래의 수첨 탈황 공정들에서 수소의 공급을 위해 별도의 수소 공급 설비가 필요했던 것에 비하여, 본 발명에 따른 방법에서는 수첨 탈황 공정을 위한 별도의 수소 공급 설비가 필요 없게 되어, 경제적이며 전체 시스템 크기를 감소시킬 수 있다.
상기 수첨 탈황 공정에 의해 황화합물이 제거된 수소-풍부 개질 가스는 연료 연료 전지용 연료로서 연료 전지에 공급되며, 연료 전지는 연료 전지용 연료인 개질 가스를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산한다.

Claims (8)

  1. 개질반응기에 액상 연료와 증기를 혼합 공급하는 단계;
    상기 액상 연료를 개질반응시켜 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계;
    상기 개질 가스에 포함된 수소를 이용하여 상기 개질 가스를 탈황하는 단계; 및
    탈황한 상기 개질 가스를 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상 연료는 해상 가스유(Marine Gas Oil; MGO), 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO), 메탄올(Methanol; MeOH), 다이메틸에테르(Di-Methyl Ether, DME) 및 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas; LPG)로 이루어진 군에서 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액상 연료는 해상 디젤유(Marine Diesel Oil; MDO)인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응은 증기 개질반응인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응은 니켈(nickel), 백금(platinum), 로듐(rhodium), 팔라듐(palladium) 및 루테늄(ruthenium) 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 촉매로 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질 가스를 탈황하는 단계는, 수첨탈황(HDS:hydrodesulfurization) 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질반응은 증기 개질반응기, 이산화탄소 개질반응기, 부분산화 개질반응기 및 증기 및 이산화탄소 개질반응기로 이루어진 군에서 선택된 하나에서 수행되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
  8. 액상 연료의 탄화수소를 메탄으로 전환하는 메탄화 단계;
    개질반응기에 메탄화된 상기 액상 연료와 증기를 혼합 공급하는 단계;
    상기 액상 연료를 개질반응시켜 수소-풍부 개질 가스를 형성하는 단계;
    상기 개질 가스에 포함된 수소를 이용하여 상기 개질 가스를 탈황하는 단계; 및
    탈황한 상기 개질 가스를 연료 전지에 공급하는 단계를 포함하는 연료 전지용 액상 연료의 개질 방법.
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