KR20190030044A - Apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of organic and method for producing hydrogen gas using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for generating hydrogen gas through a steam reforming reaction of an organic material, which comprises: an organic raw material supply unit for a steam reforming reaction, including an organic raw material chamber and a first preheater for preheating an organic raw material; a steam supply unit for a steam reforming reaction, including a water chamber and a second preheater for preheating water; a mixing unit for generating a mixture of the organic raw material and steam through the organic raw material supply unit and the steam supply unit; and a reaction unit including a reactor for performing a steam reforming reaction of the mixture. According to the apparatus of the present invention, a process can be operated at a lower pressure than a hydrogen gas generating apparatus by supercritical water gasification by employing a steam reforming reaction, thereby having low operation costs of a process, being safe, and easily controlling a process. Also, a byproduct that may be generated in the steam reforming reaction is remarkably reduced, such that a clogging phenomenon caused by the byproduct can be prevented even when the apparatus is operated for a long time, and also, hydrogen of a high concentration can be generated. The generated hydrogen is a high concentration to be immediately used as a fuel of a fuel cell, and can be useful as a small scale fuel cell since the generation of the byproduct is significantly less.

Description

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 이를 이용한 수소 가스 생성 방법{Apparatus for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of organic and method for producing hydrogen gas using the same}[0001] The present invention relates to an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material and a method for producing hydrogen gas using the same,

본 발명은 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 이를 이용한 수소 가스 생성 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic substance and a method for producing hydrogen gas using the same.

최근 연료전지가 개발되어 자동차, 건물, 가정 등 다양한 시설의 전기 생산용 장치로서 상용화를 앞두고 있다. 연료전지가 세상의 관심을 받는 이유 중 하나는 기존의 전기 생산방법과는 달리 전기 생산과정에서 환경오염물질이 전혀 배출되지 않기 때문이다. 연료전지로부터 전기를 생산하는 원리는 물의 전기분해와 반대 반응으로 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 만들어 내는 것이다. 따라서 연료전지의 연료인 수소의 제조방법은 어느 때보다 중요해졌다.Recently, a fuel cell has been developed and is expected to be commercialized as an electric production device for various facilities such as automobiles, buildings, and homes. One of the reasons why the fuel cell is receiving the attention of the world is that, unlike the existing electric production method, there is no discharge of environmental pollutants during the electric production process. The principle of producing electricity from a fuel cell is the reaction of hydrogen and oxygen in reaction to the electrolysis of water to produce electricity and water. Therefore, the method of producing hydrogen, which is a fuel for a fuel cell, has become more important than ever.

대표적인 종래의 수소 제조방법은 천연가스나 원유 정제과정에서 발생하는 납사를 수증기 개질하여 생산하는 것이다. 이 방법들은 잘 알려진 상용화된 수소 제조법이긴 하지만 반응물질인 천연가스나 납사가 모두 화석연료이며 이의 수증기 개질 반응과정에서 다량의 이산화탄소가 발생하게 마련이다. 화석연료 이용과정에서 발생하는 이산화탄소는 지구온난화 원인인 대표적 온실가스로 알려져 있기 때문에 유럽 각국에서는 화석연료에 고가의 탄소세를 부가하고 있으며 탄소배출량 총량제나 탄소배출권 거래제도 등을 도입하여 본격적으로 화석연료의 사용을 제한하고 있다. 이에 따라 신·재생에너지원으로부터 연료전지용 수소를 생산하는 방법에 각국은 연구개발 노력을 기울이고 있다.A typical conventional hydrogen production method is to produce naphtha generated by natural gas or crude oil refining process by steam reforming. Although these methods are well-known commercial hydrogen production methods, both natural gas and naphtha as reaction materials are fossil fuels, and a large amount of carbon dioxide is generated in the steam reforming reaction process thereof. Since carbon dioxide generated in the process of using fossil fuels is known as a representative greenhouse gas that is the cause of global warming, European countries add expensive carbon tax to fossil fuels and adopt carbon emission total amount system and carbon emission trading system. The use of which is limited. As a result, countries are making research and development efforts on how to produce hydrogen for fuel cells from new and renewable energy sources.

유기물질의 초임계수 기화에 의한 합성기체 생산은 이러한 신·재생에너지원 중 한 종류인 바이오매스 및 이의 유도체들로부터 수소를 생산하는 방법이다. 이 방법은 특히 수분함량이 높은 미생물 발효잔사나 제당폐기물 등을 건조과정 없이 처리하여 기화시킬 수 있는 장점이 있다. 유기물질이 초임계수에 놓이게 되면 순간적으로 기화되어 수소를 포함하는 합성기체가 만들어지는데, 그 반응원리는 천연가스의 수증기 개질과 유사하다. 하지만, 유기물질의 기화에 이용하는 초임계수는 일반적 개질반응의 수증기에 비하여 온도는 낮고 (750℃ 이하), 압력은 높게 (22.1Mpa 이상) 유지되는 데 이러한 반응조건을 선택하는 이유는 초임계수가 갖는 독특한 물성을 이용하기 위해서다.Synthetic gas production by supercritical vaporization of organic materials is a method of producing hydrogen from biomass and its derivatives, one of these renewable energy sources. This method has an advantage that microorganism fermentation residue having a high moisture content or sugar waste can be vaporized without being dried. When the organic material is placed in supercritical water, it instantaneously vaporizes to form a synthesis gas containing hydrogen. The reaction principle is similar to the steam reforming of natural gas. However, the supercritical water used for the vaporization of organic materials has a lower temperature (below 750 ° C) and a higher pressure (above 22.1 MPa) than the steam of general reforming reaction. The reason for choosing this reaction condition is that the supercritical water To take advantage of unique properties.

초임계수는 물의 임계점인 374℃, 221bar 이상의 온도와 압력 조건에서 존재하는 물이다. 기화 반응에 이용되는 초임계수의 밀도는 수증기의 10배 이상으로 높은 반면 점도는 매우 낮게 유지할 수 있어 보다 높은 열전달 및 물질전달을 기대할 수 있고, 유전상수 값은 매우 낮아 모든 기체 및 유기물질이 초임계수에 녹아 단일 상을 형성함으로써 높은 반응효율을 얻을 수 있다.Supercritical water is water present at temperature and pressure conditions of 374 ℃, 221bar, which is the critical point of water. The density of the supercritical water used in the vaporization reaction is higher than that of water vapor by a factor of 10, while the viscosity can be maintained at a very low value, so that higher heat transfer and mass transfer can be expected. The dielectric constant value is very low, And thus a high reaction efficiency can be obtained.

그러나, 상기 초임계수 기화에 의한 합성기체 생산은 일반적으로 고압 반응 특성상, 250bar 이상 압력에서 운전할 수 있는 고압펌프가 필요하고 반응기도 Inconel 625나 Hastelloy C-276 등과 같은 특수 니켈합금 튜브를 주로 이용하여 제작하기 때문에 제작비용과 시스템 가동에 필요한 기저 공정에너지(특히 펌프가동 전기소모량)가 높다는 단점이 있다.However, the synthesis gas production by supercritical vaporization generally requires a high-pressure pump capable of operating at a pressure of at least 250 bar due to high-pressure reaction characteristics, and the reactor is also manufactured using special nickel alloy tubes such as Inconel 625 and Hastelloy C- The manufacturing cost and the base process energy (especially the pump operating electricity consumption) required for the system operation are high.

이와 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-0916210호는 이트리움-니켈/활성탄 촉매 제조방법 및 이트리움-니켈/활성탄 촉매를 이용한 유기물질의 초임계수기화에 의한 수소 제조시스템 및 방법에 대하여 개시하고 있다.In this connection, Korean Patent Registration No. 10-0916210 discloses a method for producing the trium-nickel / activated carbon catalyst and a system and a method for producing hydrogen by supercritical water conversion of an organic material using the trium-nickel / activated carbon catalyst have.

반면, 이와 유사한 반응으로서 압력이 낮게 유지되는 수증기 개질 반응을 사용할 수 있으나, 상기 수증기 개질 반응은 흔히 부산물로서 타르(tar)나 차르(char) 등이 발생하는 문제가 있다. 상기 부산물은 생성가스의 수율을 낮출 뿐만 아니라 반응기 내부에 축적되어 촉매 활성을 저하시키고 반응기 막힘(plugging)을 유발하므로 가능한 발생을 억제해야 한다.On the other hand, a steam reforming reaction in which the pressure is kept low can be used as a similar reaction, but the steam reforming reaction is often a by-product, and tar or char is generated. The byproducts not only lower the yield of the produced gas but also accumulate in the reactor to lower the catalytic activity and cause plugging of the reactor, so that the possible occurrence should be suppressed.

이에, 본 발명자들은 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 방법으로서 상기 장치를 이용하여 수소를 생성할 경우 부산물의 발생을 최소화할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.The inventors of the present invention discovered that hydrogen gas production using an apparatus and method for generating hydrogen gas through steam reforming reaction can minimize the generation of byproducts, and completed the present invention.

본 발명의 목적은 부산물에 의한 막힘(plugging) 현상을 방지할 수 있는 수증기 개질 반응을 채용하는 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 고농도 수소 가스 생성 장치, 이를 이용한 고농도 수소 가스 생성 방법, 및 상기 장치에 연료전지를 추가로 포함하는 연료전지 전기생산 시스템을 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide a high concentration hydrogen gas generating apparatus through steam reforming reaction of an organic material employing a steam reforming reaction capable of preventing a plugging phenomenon byproduct, a high concentration hydrogen gas generating method using the same, And a battery is further included in the fuel cell.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

유기물 원료 챔버 및 상기 유기물 원료를 예열하기 위한 제 1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 유기물 원료 공급부;An organic material raw material supply unit for steam reforming reaction, comprising an organic material source chamber and a first preheater for preheating the organic material source;

물 챔버 및 상기 물을 예열하기 위한 제 2 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 수증기 공급부;A water vapor supply unit for water vapor reforming reaction comprising a water chamber and a second preheater for preheating the water;

상기 유기물 원료 공급부 및 수증기 공급부를 통한 유기물 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하는 혼합부; 및A mixing unit for generating a mixture of organic material and water vapor through the organic material supply unit and the water vapor supply unit; And

상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부And a reactor for performing the steam reforming reaction of the mixture

를 포함하는,/ RTI >

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 제공한다.The present invention provides an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic substance.

또한, 본 발명은In addition,

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는, 연료전지 전기생산 시스템을 제공한다.There is provided a fuel cell electricity production system including a hydrogen gas generation device through a steam reforming reaction of an organic matter and a fuel cell.

나아가, 본 발명은 Further,

유기물 원료를 제 1 예열하는 단계(단계 1);A first preheating of the organic material stock (step 1);

물을 제 2 예열하여 수증기를 생성하는 단계(단계 2);Second preheating the water to produce water vapor (step 2);

상기 단계 1 및 단계 2에서 생성된 유기물 원료 및 물을 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계(단계 3); 및Mixing the organic raw material and water produced in the step 1 and the step 2 to form a mixture, and continuously introducing the mixture into the reactor (step 3); And

상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계(단계 4);를 포함하는 Performing a steam reforming reaction of said mixture in said reactor (step 4);

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법을 제공한다.And a method for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material.

본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치는 수증기 개질 반응을 채용함으로써 초임계수기화에 의한 수소 가스 생성 장치에 비해 저압으로 공정을 운영할 수 있어 공정의 운영 비용이 저렴하고 안전하며 공정 컨트롤이 용이하다. 또한, 수증기 개질 반응에서 발생할 수 있는 부산물을 현저히 줄임으로써 장시간 상기 장치를 운영하여도 상기 부산물에 의한 막힘 현상을 방지할 수 있으며, 고농도의 수소를 생성할 수 있다. 상기 생성된 수소는 고농도이기 때문에 연료전지의 연료로서 즉시 사용할 수 있으며, 부산물의 발생이 현저히 적기 때문에 소규모 연료전지용으로 특히 유용하다.Since the apparatus for generating hydrogen gas through the steam reforming reaction of the organic material according to the present invention employs the steam reforming reaction, it can operate the process at a lower pressure than the hydrogen gas generating apparatus by the supercritical water system, Process control is easy. In addition, by reducing the byproducts that may occur in the steam reforming reaction, clogging due to by-products can be prevented even if the apparatus is operated for a long period of time, and high concentration of hydrogen can be generated. Since the produced hydrogen has a high concentration, it can be used immediately as a fuel for a fuel cell and is particularly useful for small-scale fuel cells because the generation of by-products is remarkably small.

도 1a는 본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 나타낸 개략도이고;
도 1b는 본 발명의 비교예에 따른 유기물의 초임계수 가스화 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법의 단계별 순서도이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예에 의한 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 나타낸 사진이고;
도 4a는 본 발명의 비교예에 따른 메탄올의 초임계수 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 4b는 본 발명의 비교예에 따른 메탄올의 초임계수 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 4c는 본 발명의 비교예에 따른 메탄올의 초임계수 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 5a는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 5b는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 5c는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/메탄올의 몰비율에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 6a는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 6b는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 6c는 본 발명의 실험예 1에 따른 메탄올의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 7a는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/에탄올의 몰비율에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 7b는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/에탄올의 몰비율에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 7c는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 물/에탄올의 몰비율에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 8a는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 8b는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 8c는 본 발명의 실험예 2에 따른 에탄올의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 9a는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 9b는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 9c는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 촉매층 온도 변화에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이고;
도 10a는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 총가스 생성률 및 수소 수율을 나타낸 그래프이고;
도 10b는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)을 나타낸 그래프이고;
도 10c는 본 발명의 실험예 3에 따른 글리세롤의 수증기 가스화 반응에서 WHSV에 따른 가스 조성을 나타낸 그래프이다.
FIG. 1A is a schematic view showing an apparatus for generating hydrogen gas through a steam reforming reaction of an organic material according to the present invention; FIG.
FIG. 1B is a schematic view showing an apparatus for producing hydrogen gas through a supercritical gasification reaction of an organic substance according to a comparative example of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a flowchart showing the steps of a method for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material according to the present invention;
3 is a photograph showing an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material according to an embodiment of the present invention;
4A is a graph showing the total gas production rate and hydrogen yield according to the molar ratio of water / methanol in the supercritical gasification reaction of methanol according to the comparative example of the present invention;
4B is a graph showing the carbon gasification efficiency (CGE) and the hydrogen gasification efficiency (HGE) according to the molar ratio of water / methanol in the supercritical gasification reaction of methanol according to the comparative example of the present invention;
4c is a graph showing the gas composition according to the molar ratio of water / methanol in the supercritical gasification reaction of methanol according to the comparative example of the present invention;
FIG. 5A is a graph showing the total gas production rate and hydrogen yield according to the molar ratio of water / methanol in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention; FIG.
5B is a graph showing the carbon gasification efficiency (CGE) and the hydrogen gasification efficiency (HGE) according to the molar ratio of water / methanol in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention;
5c is a graph showing the gas composition according to the molar ratio of water / methanol in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention;
FIG. 6A is a graph showing the total gas production rate and hydrogen yield according to the catalyst bed temperature in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention; FIG.
FIG. 6B is a graph showing carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE) according to the catalyst bed temperature in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention;
FIG. 6C is a graph showing the gas composition according to the temperature of the catalyst bed in the steam gasification reaction of methanol according to Experimental Example 1 of the present invention; FIG.
7A is a graph showing total gas production rate and hydrogen yield according to the molar ratio of water / ethanol in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention;
7B is a graph showing the carbon gasification efficiency (CGE) and the hydrogen gasification efficiency (HGE) according to the molar ratio of water / ethanol in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention;
FIG. 7C is a graph showing the gas composition according to the molar ratio of water / ethanol in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention; FIG.
8A is a graph showing total gas production rate and hydrogen yield according to WHSV in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention;
8B is a graph showing carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE) according to WHSV in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention;
8c is a graph showing gas composition according to WHSV in the steam gasification reaction of ethanol according to Experimental Example 2 of the present invention;
9A is a graph showing the total gas production rate and hydrogen yield according to the catalyst bed temperature change in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention;
9B is a graph showing carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE) according to the catalyst bed temperature in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention;
9c is a graph showing the gas composition according to the temperature of the catalyst bed in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention;
10A is a graph showing total gas production rate and hydrogen yield according to WHSV in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention;
10B is a graph showing carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE) according to WHSV in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention;
FIG. 10C is a graph showing gas composition according to WHSV in the steam gasification reaction of glycerol according to Experimental Example 3 of the present invention. FIG.

본 발명은The present invention

유기물 원료 챔버 및 상기 유기물 원료를 예열하기 위한 제 1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 유기물 원료 공급부;An organic material raw material supply unit for steam reforming reaction, comprising an organic material source chamber and a first preheater for preheating the organic material source;

물 챔버 및 상기 물을 예열하기 위한 제 2 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 수증기 공급부;A water vapor supply unit for water vapor reforming reaction comprising a water chamber and a second preheater for preheating the water;

상기 유기물 원료 공급부 및 수증기 공급부를 통한 유기물 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하는 혼합부; 및A mixing unit for generating a mixture of organic material and water vapor through the organic material supply unit and the water vapor supply unit; And

상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부And a reactor for performing the steam reforming reaction of the mixture

를 포함하는,/ RTI >

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 제공한다.The present invention provides an apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic substance.

이하, 본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치에 대하여 도 1a를 참조하여 상세히 설명한다. 상기 수소 가스 생성 장치(101)는 크게 원료 공급부(200), 수증기 공급부(300), 혼합부(400), 및 반응부(500)를 포함한다.Hereinafter, an apparatus for generating hydrogen gas through a steam reforming reaction of an organic material according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1A. The hydrogen gas generator 101 includes a raw material supply unit 200, a steam supply unit 300, a mixing unit 400, and a reaction unit 500.

먼저, 상기 수증기 개질 반응용 유기물 원료 공급부(200)는 유기물 원료 챔버(220), 상기 유기물 원료 챔버로부터 나온 유기물 원료에 압을 걸어주는 제 1 펌프(240), 및 상기 유기물 원료를 예열하기 위한 제 1 예열기(260)를 포함한다.First, the steam reforming reaction organic material feeder 200 includes an organic material source chamber 220, a first pump 240 for pressurizing the organic material source from the organic material source chamber, and a second pump 240 for preheating the organic material source 1 pre-heater (260).

이 때, 상기 유기물 원료는 알코올을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 알코올은 바이오매스로부터 유래되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the organic material raw material may include alcohol, and the alcohol may be derived from biomass, but is not limited thereto.

또한, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 글리세롤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, glycerol, and combinations thereof, but is not limited thereto.

다음으로, 상기 수증기 개질 반응용 수증기 공급부(300)는 물 챔버(320), 상기 물 챔버(320)로부터 나온 물에 압을 걸어주는 제 2 펌프(340), 및 상기 물을 예열하여 수증기를 발생시키기 위한 제 2 예열기(360)를 포함한다.The water vapor supply unit 300 for steam reforming includes a water chamber 320, a second pump 340 for applying pressure to the water discharged from the water chamber 320, And a second preheater 360 for delivering the heat.

이 때, 상기 제 2 예열기(360)를 통한 제 2 예열은 상기 제 1 예열기(260)를 통한 제 1 예열보다 고온일 수 있다.At this time, the second preheating through the second preheater 360 may be higher than the first preheating through the first preheater 260.

예를 들어, 상기 제 1 예열은 약 200℃ 내지 약 500℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제 1 예열이 200℃ 미만에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 500℃ 초과에서 수행되는 경우 상기 유기물의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기(520) 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.For example, the first preheating may be performed at about 200 ° C to about 500 ° C, and preferably at about 250 ° C to about 300 ° C. If the first preheating is performed at a temperature lower than 200 ° C, the steam reforming reaction of the organic material does not occur smoothly in the subsequent process, and the hydrogen gas production amount may be lowered. If the first preheating is performed at a temperature higher than 500 ° C, the generation of by-products such as tar and char can be increased. If the generation of the by-product increases, the process of generating hydrogen gas by causing clogging in the reactor 520 of the apparatus may not proceed smoothly.

반면, 상기 제 2 예열은 약 600℃ 내지 약 800℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 650℃ 내지 약 750℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제 2 예열이 600℃ 미만에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 800℃ 초과에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기(520) 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.On the other hand, the second preheating may be performed at about 600 ° C to about 800 ° C, preferably about 650 ° C to about 750 ° C. If the second preheating is performed at a temperature lower than 600 ° C., the steam reforming reaction of the organic material does not occur smoothly in the post-process, and the hydrogen gas production amount may be lowered. And the occurrence of by-products such as tar and char may increase. If the generation of the by-product increases, the process of generating hydrogen gas by causing clogging in the reactor 520 of the apparatus may not proceed smoothly.

다음으로, 상기 혼합부(400)는 유기물 원료 공급부(200) 및 수증기 공급부(300)를 통한 유기물 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하며, 상기 혼합물은 연속적으로 상기 반응부(500)로 공급된다. 상기 혼합부(400)는 관연결구(420)를 포함할 수 있으며, 상기 반응부(500)는 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기(520)를 포함한다.Next, the mixing unit 400 generates a mixture of organic material and water vapor through the organic material supply unit 200 and the water supply unit 300, and the mixture is continuously supplied to the reaction unit 500. The mixing unit 400 may include a pipe connection port 420 and the reaction unit 500 includes a reactor 520 for performing the steam reforming reaction of the mixture.

이 때, 상기 유기물 원료 및 수증기를 각각 상이한 온도로 예열하여 혼합한 후, 반응기(520)에 공급함으로써 상기 유기물 원료의 예열에서 발생할 수 있는 부산물의 발생을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 유기물 원료를 우선 약 200℃ 내지 약 500℃로 예열한 뒤 약 600℃ 이상의 고온의 수증기와 혼합하여 즉시 반응기에 투입함으로써 상기 혼합부(400)와 상기 반응부(500) 사이의 관의 길이를 최소화하여 상기 혼합물이 반응부(500)에 투입되기 전에 부산물의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다. 상기 부산물은 주로 상기 유기물 원료의 탄화에 의해 생성되는 것으로서 고온일수록 생성량이 높다. 따라서, 상기 유기물 원료의 예열 온도를 500℃ 이하로 제한하는 것이다. 이에, 상기 혼합물이 반응부(500)에 투입되기 전의 온도는 약 250℃ 내지 약 500℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the organic material and the water vapor are preheated to different temperatures, respectively, and then mixed and supplied to the reactor 520, thereby minimizing the generation of byproducts that may occur in the preheating of the organic material raw material. That is, the organic material is first preheated to about 200 ° C to about 500 ° C, mixed with water vapor having a temperature of about 600 ° C or higher, and immediately introduced into the reactor so that the mixture between the mixing part 400 and the reaction part 500 The generation of by-products can be remarkably reduced before the mixture is introduced into the reaction part 500 by minimizing the length. The byproducts are mainly produced by carbonization of the organic material raw material, and the higher the temperature, the higher the production amount. Therefore, the preheating temperature of the organic material raw material is limited to 500 캜 or less. The temperature before the mixture is introduced into the reaction part 500 may be about 250 ° C to about 500 ° C, but is not limited thereto.

또한, 상기 혼합물의 반응부(500)에 투입되기 전의 압력은 상압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 압력이 상압 초과일 경우, 반응기(520) 내에서 부산물에 의해 막힘 현상이 일어나 압력이 상승된 것일 수 있다.The pressure of the mixture before being introduced into the reaction part 500 may be normal pressure, but is not limited thereto. If the pressure exceeds the normal pressure, the by-product may clog the reactor 520 and the pressure may be increased.

이 때, 상기 반응기(520)는 수증기 개질 반응용 촉매를 포함할 수 있으며, 상기 촉매는 이트리움-니켈/활성탄, 텅스텐, 탄화텡스텐, 탄화몰리브텐, 백금, 루세늄, 이리늄, 로디움, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the reactor 520 may include a catalyst for steam reforming reaction, and the catalyst may be at least one selected from the group consisting of trium-nickel / activated carbon, tungsten, carbonitungsten, molybdenum carbide, platinum, ruthenium, iridium, But are not limited to, those selected from the group consisting of palladium, palladium, nickel, and combinations thereof.

또한, 상기 반응기(520)가 수증기 개질 반응용 촉매를 포함할 경우, 상기 반응기(520)는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 반응기(520)가 고정층 반응기일 경우 일반적으로 유동층 반응기에 비해 부산물에 의한 반응기 막힘 현상이 자주 일어나는데 본원의 경우 부산물의 발생이 현저히 적으므로 부산물에 의한 상기 막힘 현상을 방지할 수 있다.In addition, when the reactor 520 includes a catalyst for steam reforming reaction, the reactor 520 may be a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor, but is not limited thereto. However, when the reactor 520 is a fixed bed reactor, clogging of the reactor often occurs due to byproducts, compared to a fluidized bed reactor. In this case, the generation of byproducts is remarkably small, thereby preventing the clogging due to byproducts.

이 때, 상기 반응기(520)에서 배출된 혼합물의 온도는 약 500℃ 내지 약 750℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반응기(520)에서의 반응 후의 상기 혼합물의 온도 상승은 수증기 개질 반응이 진행됨으로써 온도가 상승한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the temperature of the mixture discharged from the reactor 520 may be about 500 ° C to about 750 ° C, but is not limited thereto. The temperature rise of the mixture after the reaction in the reactor 520 may be the temperature rise due to the progress of the steam reforming reaction, but is not limited thereto.

상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치는 연료전지용으로서 상기 장치에 의하여 생성된 수소는 연료전지의 연료로서 사용될 수 있다.The apparatus for generating hydrogen gas through the steam reforming reaction of the organic material may be used for a fuel cell, and the hydrogen produced by the apparatus may be used as a fuel for a fuel cell.

상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치(101)는 상기 반응부(500)에 이어서 냉각부(600) 및 분리부(700)를 추가로 포함할 수 있으나 이제 제한되는 것은 아니다.The hydrogen gas generator 101 through the steam reforming reaction of the organic material may further include the cooling unit 600 and the separation unit 700 following the reaction unit 500, but the present invention is not limited thereto.

이 때, 상기 냉각부(600)는 상기 반응부(500)와 연결될 수 있으며, 냉각기(620)를 포함할 수 있다. 상기 냉각기(620)는 상기 반응부(500)의 반응기(520)를 통하여 배출된 고온의 생성물질을 냉각시킬 수 있다.In this case, the cooling unit 600 may be connected to the reaction unit 500 and may include a cooler 620. The cooler 620 may cool the high temperature product discharged through the reactor 520 of the reactor 500.

예를 들어, 상기 냉각기(620)는 상기 생성물질의 온도를 약 20℃ 미만으로 냉각시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the cooler 620 may cool the temperature of the product to less than about 20 ° C, but is not limited thereto.

또한, 상기 분리부(700)는 상기 냉각부(600)와 연결될 수 있으며, 상기 분리부(700)는 분리기(720) 및 유량측정기(740)을 포함할 수 있다. 상기 분리기(720)는 상기 냉각부(600)를 통하여 배출된 생성물질의 상분리를 위한 것으로서 상기 상분리는 액상-기상 분리일 수 있다. 이 때, 상기 상분리가 액상-기상 분리일 경우 기상 물질(가스)은 유량측정기(740)를 통과함으로써 시간당 상기 가스 생성량을 측정할 수 있다.The separator 700 may be connected to the cooling unit 600 and the separator 700 may include a separator 720 and a flow meter 740. The separator 720 is used for phase separation of the generated material discharged through the cooling unit 600, and the phase separation may be a liquid-gas phase separation. At this time, when the phase separation is liquid-gas phase separation, the gaseous material (gas) can pass through the flow meter 740 to measure the gas production amount per hour.

또한, 본 발명은In addition,

상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는, 연료전지 전기 시스템을 제공한다.An apparatus for generating hydrogen gas through a steam reforming reaction of the organic material, and a fuel cell.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 전기 시스템에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the fuel cell electric system according to the present invention will be described in detail.

구체적으로, 연료 전지는 연료의 화학 에너지를 직접적으로 전기에너지로 변환하는 전기화학적 장치이고, 잠재적으로 전기적 차량 동력의 깨끗하고 매우 효율적인 원천을 제공한다. 상기 연료 전지는 고체산화물 연료 전지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy of a fuel directly into electrical energy, potentially providing a clean and highly efficient source of electrical vehicle power. The fuel cell may be a solid oxide fuel cell, but is not limited thereto.

상기 연료전지는 물의 전기 분해와 반대 반응으로서 수소와 산소가 반응하여 전기와 물을 생산한다. 따라서, 상기 연료전지의 연료로서 사용하기 위한 고농도의 수소를 생산하는 것이 중요하다.The fuel cell reacts with hydrogen and oxygen as an opposite reaction to electrolysis of water to produce electricity and water. Therefore, it is important to produce hydrogen at a high concentration for use as the fuel of the fuel cell.

따라서, 본 발명에 있어서, 상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치와 연료전지를 연결하여 상기 장치에서 생성된 수소를 상기 연료전지에 연료로서 즉시 공급할 수 있다. 이때, 상기 냉각부(600)를 통과하지 않고 상기 반응부(500)에서 바로 연료전지로 공급할 수 있으며, 상기 장치에서 생성된 수소는 고농도이기 때문에 더욱 효율적인 연료전지 전기 시스템을 구성할 수 있다.Therefore, in the present invention, the hydrogen gas generation device through the steam reforming reaction of the organic material and the fuel cell may be connected to supply the hydrogen generated in the device as fuel to the fuel cell immediately. At this time, the fuel cell can be supplied directly to the fuel cell from the reaction part 500 without passing through the cooling part 600, and since the hydrogen generated in the device is high in concentration, a more efficient fuel cell electric system can be constituted.

나아가, 본 발명은Further,

유기물 원료를 제 1 예열하는 단계(단계 1);A first preheating of the organic material stock (step 1);

물을 제 2 예열하여 수증기를 생성하는 단계(단계 2);Second preheating the water to produce water vapor (step 2);

상기 단계 1 및 단계 2에서 생성된 유기물 원료 및 물을 혼합하여 연속하여 반응기로 투입하는 단계(단계 3); 및Mixing the organic raw material and water produced in the step 1 and the step 2 and continuously injecting them into the reactor (step 3); And

상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계(단계 4);를 포함하는 Performing a steam reforming reaction of said mixture in said reactor (step 4);

유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법을 제공한다.And a method for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material.

이하, 본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법에 대하여 도 2를 참조하여 각 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of generating hydrogen gas through the steam reforming reaction of an organic material according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.

먼저, 본 발명에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법에 있어서, 단계 1은 유기물 원료를 제 1 예열하는 단계(S100)이다.First, in the method for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of an organic material according to the present invention, step 1 is a first preheating step (S100) of an organic material raw material.

상기 단계 1에서는 유기물 원료를 제 1 예열함으로써 수증기 개질 반응을 용이하게 진행할 수 있도록 한다.In the step 1, the steam reforming reaction can be easily performed by first preheating the organic raw material.

구체적으로, 상기 단계 1의 유기물 원료는 알코올을 포함하는 것일 수 있으며, 상기 알코올은 바이오매스로부터 유래되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the organic material raw material of step 1 may include alcohol, and the alcohol may be derived from biomass, but is not limited thereto.

또한, 상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 글리세롤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the alcohol may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, glycerol, and combinations thereof, but is not limited thereto.

다음으로, 단계 2는 물을 제 2 예열하여 수증기를 생성하는 단계(S200)이다.Next, step 2 is a step (S200) of generating water vapor by second preheating the water.

상기 단계 2에서는 물을 제 2 예열함으로써 수증기를 생성하며 상기 예열을 통하여 수증기 개질 반응을 용이하게 진행할 수 있도록 한다.In the step 2, water is generated by the second preheating of the water, and the steam reforming reaction can be easily performed through the preheating.

이 때, 상기 제 2 예열기를 통한 제 2 예열은 상기 제 1 예열기를 통한 제 1 예열보다 고온일 수 있다.At this time, the second preheating through the second preheater may be higher than the first preheating through the first preheater.

예를 들어, 상기 제 1 예열은 약 200℃ 내지 약 500℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 250℃ 내지 약 300℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제 1 예열이 200℃ 미만에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 500℃ 초과에서 수행되는 경우 상기 유기물의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.For example, the first preheating may be performed at about 200 ° C to about 500 ° C, and preferably at about 250 ° C to about 300 ° C. If the first preheating is performed at a temperature lower than 200 ° C, the steam reforming reaction of the organic material does not occur smoothly in the subsequent process, and the hydrogen gas production amount may be lowered. If the first preheating is performed at a temperature higher than 500 ° C, the generation of by-products such as tar and char can be increased. If the generation of the by-products increases, the process of generating hydrogen gas by causing clogging of the reactor of the apparatus may not proceed smoothly.

반면, 상기 제 2 예열은 약 600℃ 내지 약 800℃에서 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 650℃ 내지 약 750℃에서 수행되는 것일 수 있다. 만약, 상기 제 2 예열이 600℃ 미만에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 수증기 개질 반응이 원활하게 일어나지 않아 수소 가스 생성량이 저하될 수 있으며, 800℃ 초과에서 수행되는 경우 후 공정에서 유기물의 탄화가 일어나 타르(tar)나 차르(char)와 같은 부산물의 발생이 증가할 수 있다. 상기 부산물의 발생이 증가할 경우 상기 장치의 반응기 막힘 현상을 유발하여 수소 가스를 생성하기 위한 공정이 원활히 진행되지 않을 수 있다.On the other hand, the second preheating may be performed at about 600 ° C to about 800 ° C, preferably about 650 ° C to about 750 ° C. If the second preheating is performed at a temperature lower than 600 ° C., the steam reforming reaction of the organic material does not occur smoothly in the post-process, and the hydrogen gas production amount may be lowered. And the occurrence of by-products such as tar and char may increase. If the generation of the by-products increases, the process of generating hydrogen gas by causing clogging of the reactor of the apparatus may not proceed smoothly.

다음으로, 단계 3은 상기 단계 1 및 단계 2에서 생성된 유기물 원료 및 물을 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계(S300)이다.Next, Step 3 is a step (S300) of mixing the organic material and water produced in Step 1 and Step 2 to produce a mixture and continuously injecting the mixture into the reactor (S300).

구체적으로, 상기 유기물 원료 및 수증기를 각각 상이한 온도로 예열하여 혼합한 후, 반응기에 공급함으로써 상기 유기물 원료의 예열에서 발생할 수 있는 부산물의 발생을 최소화할 수 있다. 즉, 상기 유기물 원료를 우선 약 200℃ 내지 약 500℃로 예열한 뒤 약 600℃ 이상의 고온의 수증기와 혼합하여 즉시 반응기에 투입함으로써 상기 혼합부와 상기 반응부 사이의 관의 길이를 최소화하여 상기 혼합물이 반응부에 투입되기 전에 부산물의 발생을 현저히 감소시킬 수 있다. 상기 부산물은 주로 상기 유기물 원료의 탄화에 의해 생성되는 것으로서 고온일수록 생성량이 높다. 따라서, 상기 유기물 원료의 예열 온도를 500℃ 이하로 제한하는 것이다. 이에, 상기 혼합물이 반응기에 투입되기 전의 온도는 약 250℃ 내지 약 500℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, by preheating the organic material and the water vapor to different temperatures and mixing them and supplying them to the reactor, it is possible to minimize the generation of byproducts that may occur in the preheating of the organic material raw material. That is, the organic material is first preheated to about 200 ° C to about 500 ° C, mixed with water vapor having a high temperature of about 600 ° C or higher, and immediately introduced into the reactor to minimize the length of the tube between the mixing part and the reaction part, The occurrence of by-products can be remarkably reduced before being put into the reaction section. The byproducts are mainly produced by carbonization of the organic material raw material, and the higher the temperature, the higher the production amount. Therefore, the preheating temperature of the organic material raw material is limited to 500 캜 or less. The temperature before the mixture is introduced into the reactor may be about 250 ° C to about 500 ° C, but is not limited thereto.

또한, 상기 혼합물의 반응부(500)에 투입되기 전의 압력은 상압일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 압력이 상압 초과일 경우, 반응기(520) 내에서 부산물에 의해 막힘 현상이 일어나 압력이 상승된 것일 수 있다.The pressure of the mixture before being introduced into the reaction part 500 may be normal pressure, but is not limited thereto. If the pressure exceeds the normal pressure, the by-product may clog the reactor 520 and the pressure may be increased.

다음으로, 단계 4는 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계(S400)이다.Next, step 4 is a step (S400) of performing the steam reforming reaction of the mixture in the reactor.

구체적으로, 상기 반응기는 수증기 개질 반응용 촉매를 포함할 수 있으며, 상기 촉매는 이트리움-니켈/활성탄, 텅스텐, 탄화텡스텐, 탄화몰리브텐, 백금, 루세늄, 이리늄, 로디움, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, the reactor may comprise a catalyst for steam reforming reaction, wherein the catalyst is selected from the group consisting of titanium-nickel / activated carbon, tungsten, carbonitungsten, molybdenum carbide, platinum, ruthenium, iridium, , Nickel, and combinations thereof, but is not limited thereto.

또한, 상기 반응기가 수증기 개질 반응용 촉매를 포함할 경우, 상기 반응기는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 다만, 상기 반응기가 고정층 반응기일 경우 일반적으로 유동층 반응기에 비해 부산물에 의한 반응기 막힘 현상이 자주 일어나는데 본원의 경우 부산물의 발생이 현저히 적으므로 부산물에 의한 상기 막힘 현상을 방지할 수 있다.In addition, when the reactor includes a catalyst for steam reforming reaction, the reactor may be a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor, but is not limited thereto. However, when the reactor is a fixed-bed reactor, clogging of the reactor often occurs due to by-products, compared to a fluidized bed reactor. In this case, the generation of by-products is remarkably small, thereby preventing the clogging due to by-products.

이 때, 상기 반응기에서 배출된 혼합물의 온도는 약 500℃ 내지 약 750℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반응기에서의 반응 후의 상기 혼합물의 온도 상승은 수증기 개질 반응이 진행됨으로써 온도가 상승한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the temperature of the mixture discharged from the reactor may be about 500 ° C to about 750 ° C, but is not limited thereto. The temperature rise of the mixture after the reaction in the reactor may be a temperature rise due to the progress of the steam reforming reaction, but is not limited thereto.

상기 단계 1 내지 4(S100 내지 S400)를 통해 생성된 수소 가스는 연료전지의 연료로서 사용될 수 있다.The hydrogen gas generated through the above steps 1 to 4 (S100 to S400) can be used as the fuel of the fuel cell.

또한, 상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법은 상기 단계 4에 이어서, 상기 혼합물의 수증기 개질 반응(단계 4)을 통하여 생성된 생성물질을 냉각시키는 단계(단계 5) 및 상기 단계 5에 이어서, 상기 생성물질을 분리하는 단계(단계 6)를 추가로 포함할 수 있다.The method for producing hydrogen gas through the steam reforming reaction of the organic material may further comprise a step (step 5) of cooling the product produced through the steam reforming reaction (step 4) of the mixture following the step 4 (step 5) Subsequently, the step of separating the product (step 6) may further be included.

구체적으로, 상기 단계 4에 의하여 고온, 고압의 생성물질이 생성될 수 있다. 상기 생성물질을 단계 5로서 냉각기에 투입하여 상기 생성물질의 온도를 약 20℃ 미만으로 냉각시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Specifically, high-temperature, high-pressure generating materials can be produced in step 4. The product can be added to the chiller as step 5 to cool the product to a temperature below about 20 ° C, but is not limited thereto.

이어서, 상기 단계 5에 의하여 냉각된 상기 생성물질은 2 개 이상의 상(phase)이 포함되어 있을 수 있으며, 분리기에 투입되어 상기 생성물질의 상분리가 일어날 수 있다(단계 6). 이 때, 상기 상분리는 액상-기상 분리일 수 있으며, 이 경우 상기 액상 물질은 분리기 하단으로 배출되고 기상 물질(가스)은 분리기 상단으로 배출될 수 있다. 이 때, 상기 기상 물질은 수소를 포함할 수 있다.Then, the product material cooled by the step 5 may contain two or more phases and may be introduced into a separator to cause phase separation of the product (step 6). At this time, the phase separation may be a liquid-gas phase separation, in which the liquid material is discharged to the bottom of the separator and the vapor material (gas) is discharged to the top of the separator. At this time, the vapor phase material may include hydrogen.

이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, examples and experimental examples of the present invention will be described in more detail.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following Examples and Experimental Examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following Examples and Experimental Examples.

<실시예> <Examples>

1. 실험재료1. Experimental material

에탄올, 메탄올, 글리세롤 (이상 순도>99%)과 증류수를 반응물질로 사용하였다. 알코올류의 습식 가스화 촉매로는 Ni-Y/AC를 이용하였다. 촉매는 활성차콜(AC)에 니켈(AC의 25 wt%)과 이트리움(AC의 10 wt%)를 incipient wetness 방법을 이용하여 담지한 다음, 105℃에서 10 시간 건조, 500℃의 질소 분위기에서 3 시간 소성, 400℃의 수소분위기에서 8 시간 환원 과정을 통하여 제조하였다. Ethanol, methanol, glycerol (ideal purity> 99%) and distilled water were used as reactants. Ni-Y / AC was used as a wet gasification catalyst for alcohols. The catalysts were prepared by loading nickel (25 wt% of AC) and ditrimium (10 wt% of AC) in an activated charcoal (AC) using incipient wetness method and then drying at 105 ° C for 10 hours, 3 hours calcination, and hydrogenation at 400 ° C for 8 hours.

2. 실험장치 및 방법2. Experimental apparatus and method

액상 바이오매스로부터 고체산화물 연료전지에 적합한 고농도 수소 가스를 연속적으로 생산할 수 있는 마이크로 규모의 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치를 제조하였다. 상기 장치를 나타낸 도 1a을 참조하면, 상기 장치는 유기물 원료 공급부(200), 수증기 공급부(300), 혼합부(400), 및 반응부(500), 및 분리부(700)를 포함한다. 상기 장치는 냉각부(600)를 추가로 포함할 수 있다(비교예 도 1b 참조). 유기물 원료 공급부 및 수증기 공급부에 사용된 펌프는 최대 400 bar에서 상기 유기물 원료 및/또는 물을 600 g/h로 연속 투입할 수 있는 고압펌프(Waters 515)를 사용하였다(240, 340). 상기 유기물 원료 및/또는 물의 유속이 600 g/h일 때 상기 유기물 원료의 예열은 450℃까지, 물은 720℃까지 예열할 수 있도록 제 1 예열기(260) 및 제 2 예열기(360)를 각각 설치하였다. 상기 제 1 예열기의 부피는 18.2 mL이고, 제 2 예열기의 부피는 51.4 mL이었다. 비교실험을 위하여 초임계수 가스화도 수행하였는데, 이 경우에는 수증기 발생장치를 제거하고 원료 예열기만 이용하여 동일한 온도로 예열하였다.From the liquid biomass, a hydrogen gas generator was produced by steam reforming reaction of micro scale organic material which can continuously produce high concentration hydrogen gas suitable for solid oxide fuel cell. Referring to FIG. 1A, the apparatus includes an organic material supply unit 200, a water supply unit 300, a mixing unit 400, a reaction unit 500, and a separation unit 700. The apparatus may further include a cooling unit 600 (see comparative example 1b). The pumps used in the organic material supply unit and the water supply unit were a high pressure pump (Waters 515) (240, 340) capable of continuously supplying the organic material and / or water at 600 g / h at a maximum of 400 bar. When the flow rate of the organic material and / or water is 600 g / h, the first preheater 260 and the second preheater 360 are installed to preheat the organic material up to 450 ° C. and water to 720 ° C. Respectively. The volume of the first preheater was 18.2 mL and the volume of the second preheater was 51.4 mL. For comparative experiments, supercritical water gasification was also performed. In this case, the steam generator was removed and preheated to the same temperature using only the raw material preheater.

상기 반응부는 Inconel 625 SML 튜브로 제작한 반응기(520)를 포함하며 상기 반응기는 입자상(20 mesh 내지 35 mesh)의 촉매를 충전하여 최대 300 bar의 압력 및 700℃에서 운전할 수 있도록 제조하였다. 상기와 같이 제조된 반응기의 부피는 21.3 mL이었다. 상기 반응기 내의 반응 후에 생성된 생성물은 냉각기(condenser, 620)에서 20℃ 이하로 냉각되고, 후압제어기(back-pressure regulator, 640)에서 상압으로 감압된 후, 분리기(720)로 투입되도록 설계하였다. 본 실시예인 수증기 가스화 실험에서는 상기 후압제어기(640)를 생략하고 냉각된 생성물이 바로 분리기(720)에 유입되도록 하였다. 반면, 비교예인 메탄올의 초임계수 가스화에서는 도 1b(110)에 나타낸 바와 같이 후압제어기(640)를 포함하여 작동되도록 하였다. 상기 분리기(720)에서 기상-액상 분리가 일어날 수 있도록 하였으며 상기 분리기에서 분리된 가스는 유량측정기(740)를 통과시켜 시간당 생성량을 측정할 수 있도록 하였다. 상기 수소 가스 생성 장치의 사진을 도 3에 나타내었다.The reactor was equipped with a reactor 520 made of Inconel 625 SML tubing and the reactor was packed with particulate (20 mesh to 35 mesh) catalyst and was operated at a maximum pressure of 300 bar and 700 ° C. The volume of the reactor thus prepared was 21.3 mL. The product produced after the reaction in the reactor is cooled to below 20 ° C in a condenser 620 and is depressurized to a normal pressure in a back-pressure regulator 640 and then introduced into a separator 720. In the steam gasification experiment of the present embodiment, the backpressure controller 640 is omitted and the cooled product is immediately introduced into the separator 720. On the other hand, in the supercritical gasification of methanol of the comparative example, as shown in FIG. 1B (110), it is operated including the back pressure controller 640. Liquid separating in the separator 720, and the gas separated from the separator is passed through the flow meter 740 to measure the amount of gas produced per hour. A photograph of the hydrogen gas generator is shown in Fig.

3. 분석방법3. Analysis method

생성가스는 개질반응장치의 기-액 분리기와 생성가스유량측정기(wet test meter) 사이에서 샘플을 채취하여 가스크로마토그라프(GC, Agilent, 디에스과학 iGC7200)를 이용하여 분석하였다. 생성가스의 수소, 일산화탄소, 메탄, 이산화탄소는 열전도검출기(TCD)를, C2+ 이상 탄화수소와 기타 가스는 불꽃이온화검출기(FID)를 이용하여 정량 분석하였다. 분석 컬럼은 Caroxen-1000 packed column를 이용하였다. 운반가스는 헬륨에 수소 8 vol%를 혼합한 가스를 이용하였다. 정량 분석은 표준가스를 이용하여 각 가스 성분 별로 작성한 검량선에 의하여 결정하였다. The product gas was sampled between the gas-liquid separator of the reforming reactor and the wet test meter and analyzed using gas chromatograph (GC, Agilent, DS Science IGC7200). Hydrogen, carbon monoxide, methane and carbon dioxide of the product gases were quantitatively analyzed by using a thermal conductivity detector (TCD), C 2+ hydrocarbons and other gases using a flame ionization detector (FID). The analytical column was a Caroxen-1000 packed column. The carrier gas was a mixture of helium and hydrogen of 8 vol%. The quantitative analysis was made by using a calibration curve for each gas component using standard gas.

반응물질과 물의 예열온도, 반응기 입구와 출구 온도 및 압력은 data logger를 통하여 5초 간격으로 수집, 저장하면서 반응시간에 따른 변화를 모니터링하여 운전조건 설정에 이용하였다. Preheating temperature of reactant and water, inlet and outlet temperature and pressure of reactor were collected and stored at intervals of 5 seconds through a data logger.

4. 실험예 및 결과분석4. Experimental Example and Analysis of Results

(1) 용어 정의(1) Definition of terms

본 실험예에 있어서, 사용되는 용어는 하기와 같이 정의한다:In this example, the terms used are defined as follows:

1) WHSV(h-1): 바이오매스 투입속도(g/h)/충전 촉매(Ni) 양(g)1) WHSV (h -1 ): Biomass Feeding Rate (g / h) / Charged Catalyst (Ni) Amount (g)

2) 총가스 생성률(L/h/L): 총가스 생성속도(L/h)/촉매층 반응기 부피(L)2) Total gas production rate (L / h / L): total gas production rate (L / h) / catalyst bed reactor volume (L)

3) 가스 수율(mol/mol): 가스 생산속도(mol/h)/유기물질 투입속도(mol/h)3) Gas yield (mol / mol): gas production rate (mol / h) / organic material input rate (mol / h)

4) 탄소(수소) 가스화 효율(%): [생성가스 중의 탄소(수소) 생성속도(g/h)/4) Carbon (hydrogen) gasification efficiency (%): [Carbon (hydrogen) production rate (g / h) /

유기물질 중의 탄소(수소) 투입속도(g/h)] x 100Carbon (hydrogen) input rate (g / h) in organic material] x 100

5) 가스 조성(vol%): 생성가스 중 존재하는 각 성분의 농도(vol%)5) Gas composition (vol%): concentration of each component present in the product gas (vol%)

(2) 비교예 - 메탄올의 초임계수 가스화(2) Comparative Example - Supercritical gasification of methanol

도 4a 내지 4c는 Ni-Y/AC 촉매 상에서 메탄올의 초임계수 가스화에 미치는 물/메탄올(물/메탄올) 몰비율의 영향을 나타낸 그래프이다(촉매: Ni-Y/AC, 촉매층 온도: 600℃, WHSV: 100 h-1, 압력: 250 bar). 본 실험은 비교예로서 하기 후술할 본원의 실험예인 메탄올의 수증기 가스화 결과와 비교하기 위하여 수행하였다. 메탄올의 수증기 가스화 반응(CH3OH + H2O → CO2 + 3H2)의 이론적 물/메탄올 몰비율은 1이다. 총가스 생성률은 이론적 몰비율에서 가장 높은 17,613 L/h/L를 나타냈으나, 수소 수율은 물/메탄올이 증가할수록 즉, 수분함량이 높을수록 증가하는 경향을 나타내었다. 탄소 가스화 효율(CGE) 및 수소 가스화 효율(HGE)은 낮게 나타났고 물/메탄올 몰비율이 증가함에 따라 다소 감소하였다. 액상 유출수의 화학적산소요구량(COD)을 분석한 결과 500 ppm 이하로 낮게 나타났고, 운전도중 압력의 변화가 없었던 것으로 미루어 보아 코킹(coking)과 같은 고형물 생산 부반응은 진행되지 않았음을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, 투입한 메탄올은 모두 가스화되었을 것으로 추정되었다. 다만, 가스 수율이 낮은 것은 250 bar의 고압을 1 bar로 낮추는 역할을 하는 후압조정기(BPR)의 오작동 결과로 판단되었다. 따라서, 실제 총가스 생성률도 도 4a의 값들보다 더 높았을 것을 추정되었다. 가스 조성을 분석한 결과, 물/메탄올 몰비율이 증가하면서 수소농도는 급격히 증가하고 메탄농도는 감소하는 경향을 나타내었다. 이를 통하여 250 bar의 초임계수 조건에서 물의 농도가 낮으면 메탄화 반응(CO + 3H2 → CH4 + H2O, CO2 +4H2 → CH4 + 2H2O)과 같이 메탄과 물이 생성되는 반응들이 활성화되고, 반대로 물의 농도가 증가하면 수성가스반응(CO + H2O → H2 + CO2)과 메탄 개질 반응(메탄화 역반응)이 활성화되는 것으로 분석되었다.4A to 4C are graphs showing the influence of water / methanol (water / methanol) molar ratio on supercritical gasification of methanol on a Ni-Y / AC catalyst (catalyst: Ni-Y / AC, catalyst layer temperature: WHSV: 100 h -1 , pressure: 250 bar). This experiment was performed to compare the results of steam gasification of methanol, which is an experimental example of the present invention described below, as a comparative example. The theoretical water / methanol molar ratio of the steam gasification reaction of methanol (CH 3 OH + H 2 O? CO 2 + 3H 2 ) is 1. The total gas production rate was 17,613 L / h / L, which is the highest in the theoretical molar ratio, but the hydrogen yield tended to increase with increasing water / methanol, that is, with higher water content. The carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE) were low and decreased slightly as the water / methanol molar ratio increased. From the analysis of chemical oxygen demand (COD) of the liquid effluent, it was found to be less than 500 ppm and there was no change in pressure during the operation. As a result, it was confirmed that the side reaction of solid production such as coking did not proceed. Through this, it was estimated that all of the input methanol was gasified. However, the low gas yield was judged to be the result of a malfunction of the BPR, which acts to lower the high pressure of 250 bar to 1 bar. Therefore, it was estimated that the actual total gas production rate was also higher than the values in FIG. 4A. Analysis of the gas composition showed that the hydrogen concentration increased sharply and methane concentration decreased with increasing water / methanol molar ratio. Through this, if the concentration of water is low at supercritical water condition of 250 bar, methane and water are produced as methanation reaction (CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O, CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O) (CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ) and methane reforming reaction (methanation reaction) are activated when the concentration of water increases.

(3) 실험예 1 - 메탄올의 수증기 가스화(3) Experimental Example 1 - Steam gasification of methanol

도 5a 내지 5c는 메탄올의 수증기 가스화에 미치는 물/메탄올의 몰비율 영향을 나타내고 있다(촉매: Ni-Y/AC, 촉매층 온도: 650℃, WHSV: 160 h-1, 압력: 1 bar). 수증기 가스화는 초기 상압에서 수행하였으므로 후압제어기(BPR)는 이용하지 않았다. 따라서, 생성가스속도를 정확하게 측정할 수 있었다. 상기 비교예로서 초임계수 가스화에 비하여 물/메탄올 몰비율에 대한 경향성은 유사하였으나, 수증기 가스화에서 가스생성속도와 수소 수율이 더욱 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 탄소 가스화 효율(CGE)은 모든 물/메탄올 몰비율에서 100%를 나타내었다. 즉, 메탄올 탄소 모두가 가스로 전환되었다. 수소 가스화 효율(HGE)은 물/메탄올 몰비율 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었고, 최고 130%를 나타내었다. 이는, 가스 중의 수소 중 최소 30%는 물로부터 생성되었음을 의미한다. 수증기 가스화에서 생성가스 조성은 초임계수 가스화와 매우 다르게 나타났다. 수소 함량은 물/메탄올 몰비율 증가에 비례하여 증가하였으나 민감도는 초임계수 가스화에 비하여 낮았다. 수소 함량 및 이산화탄소 함량 증가와 이에 역비례한 일산화탄소 함량 감소는 물의 양이 증가함에 따라 수성가스반응(CO + H2O → H2 + CO2)이 활성화되었음을 의미한다. 수소 함량은 물/메탄올 몰비율 6.7에서 71.4 vol%로 최고치를 나타내었다. 반면, 메탄 함량은 상기 물/메탄올 범위에서 4 vol% 이하를 나타내었다. 메탄올의 수증기 가스화에서는 메탄 생성반응들이 활성화되지 못하였다.5A to 5C show the influence of the water / methanol molar ratio on the steam gasification of methanol (catalyst: Ni-Y / AC, catalyst layer temperature: 650 ° C, WHSV: 160 h -1 , pressure: 1 bar). Steam gasification was performed at the initial atmospheric pressure, so no backpressure controller (BPR) was used. Therefore, the production gas velocity can be accurately measured. As a comparative example, the tendency of water / methanol molar ratio was similar to that of supercritical gasification, but it was confirmed that gas generation rate and hydrogen yield were higher in steam gasification. The carbon gasification efficiency (CGE) represented 100% in all water / methanol molar ratios. That is, all of the carbon monoxide was converted to gas. The hydrogen gasification efficiency (HGE) showed a tendency to increase with increasing water / methanol molar ratio and showed up to 130%. This means that at least 30% of the hydrogen in the gas was produced from water. The gas composition in the steam gasification is very different from the supercritical gasification. The hydrogen content increased in proportion to the increase of water / methanol molar ratio, but the sensitivity was lower than that of supercritical gasification. The increase in hydrogen content and carbon dioxide content and the decrease in carbon monoxide content inversely mean that the water gas reaction (CO + H 2 O → H 2 + CO 2 ) was activated as the amount of water increased. The hydrogen content was the highest at 71.4 vol% at the water / methanol molar ratio of 6.7. On the other hand, the methane content in the water / methanol range was 4 vol% or less. Methane - producing reactions were not activated in the steam gasification of methanol.

따라서, 메탄올의 초임계수 가스화와 수증기 가스화 실험결과를 비교할 때, 고농도의 메탄올 가스화를 필요로 하는 소규모 SOFC용 연료를 생산하는 경우에는 상압의 수증기 가스화가 더 바람직함을 확인할 수 있었다.Therefore, when the supercritical gasification of methanol and the steam gasification experiment are compared, it is confirmed that the steam gasification at atmospheric pressure is preferable in the case of producing the fuel for the small scale SOFC requiring high concentration of methanol gasification.

또한, 메탄올의 수증기 가스화에 미치는 촉매층 온도 영향을 도 6a 내지 6c에 나타내었다(촉매: Ni-Y/AC, 물/메탄올: 1 mol/mol, WHSV: 142 h-1, 압력: 1 bar). 대체적으로, 반응온도를 550℃ 이상 유지하면 가스 생성량이나 조성에 큰 변화가 없을 것으로 판단되었다. 가스 조성을 보면, 반응온도가 높아져도 수소농도는 일정하게 유지되었으나 일산화탄소는 감소하고 메탄과 이산화탄소는 약간 증가하는 경향을 나타내었다. 고온에서 메탄 생성반응이 다소 활성화된다고 판단되었다.6A to 6C (catalyst: Ni-Y / AC, water / methanol: 1 mol / mol, WHSV: 142 h -1 , pressure: 1 bar) on the steam gasification of methanol. In general, it was judged that there was no significant change in the gas production amount or composition when the reaction temperature was maintained at 550 ° C. or higher. Gas composition showed that the hydrogen concentration remained constant even when the reaction temperature increased, but carbon monoxide decreased and methane and carbon dioxide increased slightly. It was judged that methane production reaction was activated somewhat at high temperature.

(4) 실험예 2 - 에탄올의 수증기 가스화(4) Experimental Example 2 - Steam gasification of ethanol

에탄올의 수증기 가스화에 미치는 물/에탄올(W/E) 몰비율 영향을 조사하여 도 7a 내지 7c에 나타내었다(촉매: Ni-Y/AC, 촉매층 온도: 650℃, 압력: 1 bar). 에탄올의 습식 가스화(C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 6H2)의 이론적 W/E 몰비율은 3이다. 총가스 생성률은 W/E 몰비율 2.4에서 최고치인 35,507 L/h/L를 나타내었고, 이후 W/E 몰비율이 높아짐에 따라 급격히 감소하였다. 상기 경향성은 메탄올과 유사하였다. 그러나, 수소 수율은 상기 몰비율 범위에서 약 1.6 mol/mol로 일정하게 유지되었다. 메탄올과는 상이하게 에탄올은 탄소 가스화 효율(CGE)과 수소 가스화 효율(HGE) 모두 W/E 몰비율이 높아짐에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 이는, 에탄올이 메탄올에 비하여 가스화 반응이 복잡한 과정을 거쳐 진행되며 이 과정에 포함된 단위 반응들 중 일부가 W/E 몰비율에 민감하게 영향을 받았기 때문으로 판단되었다.7A to 7C (catalyst: Ni-Y / AC, catalyst layer temperature: 650 DEG C, pressure: 1 bar) were examined by investigating the influence of water / ethanol (W / E) molar ratio on the steam gasification of ethanol. The theoretical W / E molar ratio of the wet gasification of ethanol (C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 2CO 2 + 6H 2 ) is 3. The total gas production rate was 35,507 L / h / L, which is the highest value at W / E molar ratio 2.4, and then decreased rapidly with increasing W / E molar ratio. The tendency was similar to methanol. However, the hydrogen yield remained constant at about 1.6 mol / mol in the above molar ratio range. Unlike methanol, ethanol showed a tendency to decrease with increasing W / E mole ratio in both carbon gasification efficiency (CGE) and hydrogen gasification efficiency (HGE). It is considered that ethanol is sensitive to the W / E molar ratio in some of the unit reactions involved in the gasification reaction compared to methanol.

가스 조성을 보면 메탄올의 경우와 유사하게 W/E 몰비율이 높아짐에 따라 수소 함량은 증가하고 메탄 함량은 감소하였다. 수소 함량은 W/E 몰비율 2.4에서 45 vol%로 최저치를, 몰비율 9.6에서 57.7 vol%로 최고치를 나타내었다. 메탄올 가스화에 비하여 에탄올 가스화에서는 메탄 함량이 매우 높게 나타났고, 일산화탄소 함량은 낮게 나타났다. 이를 통하여 에탄올의 수증기 가스화 조건에서 메탄화 반응(CO + 3H2 → CH4 + H2O)이 활성화됨을 알 수 있었다. 따라서, 고농도 수소를 생산하기 위해서는 메탄 생성반응을 억제하는 기술 개발이 필요함을 확인할 수 있었다.As the gas composition increased, the hydrogen content increased and the methane content decreased as the W / E molar ratio increased, similar to that of methanol. The hydrogen content was the lowest at W / E molar ratio of 2.4 to 45 vol%, and the molar ratio was the highest at 9.6 to 57.7 vol%. Ethanol gasification showed higher methane content and lower carbon monoxide content than methanol gasification. It was found that the methanation reaction (CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O) was activated in the steam gasification condition of ethanol. Therefore, it has been confirmed that the technology for suppressing the methane generation reaction is required to produce high-concentration hydrogen.

또한, 도 8a 내지 8c는 에탄올의 수증기 가스화에 미치는 WHSV(weight hourly space velocity) 영향을 나타내고 있다(촉매: Ni-Y/AC, 촉매층 온도: 650℃, W/E: 3 mol/mol, 압력: 1 bar). 114 h-1 내지 252 h-1 범위에서 WHSV는 에탄올의 가스화에 의한 가스생성속도와 가스조성에 크게 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 수소 가스화 효율(HGE)에서 나타나듯이 W/E 몰비율이 이론비인 3에서 에탄올 중의 수소원자의 가스화 전환이 가장 효과적으로 나타나며 이때 생성가스 중 수소농도는 47 vol% 정도였다. 메탄 함량은 조사한 WHSV 범위에서 높게 유지되었는데 이는 상기 기술한 수소화 일산화탄소 반응에 의한 메탄 생성 반응기구가 활성화 되었기 때문으로 판단되었다.8A to 8C show the effect of weight hourly space velocity (WHSV) on the steam gasification of ethanol (catalyst: Ni-Y / AC, catalyst layer temperature: 650 ° C, W / E: 3 mol / 1 bar). In the range of 114 h -1 to 252 h -1 , it can be seen that WHSV does not significantly affect gas production rate and gas composition by ethanol gasification. As shown in the hydrogen gasification efficiency (HGE), the gasification conversion of hydrogen atoms in ethanol was most effective at a theoretical ratio of 3, and the hydrogen concentration in the produced gas was about 47 vol%. The methane content remained high in the studied WHSV range due to the activation mechanism of methane production by the hydrogenation carbon monoxide reaction described above.

(5) 실험예 3 - 글리세롤의 수증기 가스화(5) Experimental Example 3 - Steam gasification of glycerol

글리세롤의 수증기 가스화에 미치는 촉매층 온도 영향을 조사하여 도 9a 내지 9c에 나타내었다(촉매: Ni-Y/AC, W/G: 3 mol/mol, WHSV: 105 h-1, 압력: 1 bar). 글리세롤의 습식 가스화 반응(C3H8O3 + 3H2O → 3CO2 + 7H2)의 물/글리세롤(W/G) 이론적 몰비율은 3(무게비: 0.59)이다. 이론비에서 글리세롤의 수증기 가스화에 의한 가스 생성률과 수소 수율 모두 촉매층 온도에 매우 민감하게 반응하였다. 이는 메탄올과 매우 다른 결과로서 글리세롤의 가스화는 온도에 민감한 복잡한 반응경로를 갖고 있음을 의미한다. 탄소 가스화 효율(CGE)에서 나타나듯이 고농도 글리세롤의 완전 수증기 가스화는 600℃ 이상의 반응온도에서 완성되었다. 완전 가스화가 일어난 경우에도 수소 가스화 효율(HGE)은 100%를 크게 넘지 못하였는데 상기 결과는 생성가스 중 수소농도에 영향을 미쳤다. 생성가스 조성을 보면 일산화탄소를 제외한 주요 가스 성분들의 농도가 촉매층 온도에 크게 영향을 받지 않았음을 확인할 수 있었다. 수소 농도는 약 42 vol% 로서 낮았고 메탄 함량은 에탄올 보다 낮은 약 13 vol% 정도를 나타내었다. 일반적으로, 550℃ 이상의 고온에서 메탄화 반응이 활성화되었는데 이는 메탄올의 경우와 동일한 경향이었다. (Catalyst: Ni-Y / AC, W / G: 3 mol / mol, WHSV: 105 h- 1 , pressure: 1 bar) were investigated to investigate the influence of the catalyst bed temperature on the steam gasification of glycerol. The water / glycerol (W / G) theoretical molar ratio of the wet gasification reaction of glycerol (C 3 H 8 O 3 + 3H 2 O? 3CO 2 + 7H 2 ) is 3 (weight ratio: 0.59). In the theoretical ratio, both the gas production rate and the hydrogen yield by the steam gasification of glycerol were very sensitive to the catalyst bed temperature. This means that the gasification of glycerol has a complex reaction pathway that is sensitive to temperature, which is very different from methanol. As shown by the carbon gasification efficiency (CGE), the complete gasification of the high concentration glycerol was completed at a reaction temperature of 600 ° C or higher. Even when complete gasification occurred, the hydrogen gasification efficiency (HGE) did not exceed 100%, which affected the hydrogen concentration in the product gas. The concentration of major gas components except carbon monoxide was not significantly affected by the temperature of the catalyst bed. The hydrogen concentration was about 42 vol% and the methane content was about 13 vol% lower than that of ethanol. Generally, the methanation reaction was activated at a high temperature of 550 ° C or higher, which was the same as in the case of methanol.

또한, 도 10a 내지 10c는 글리세롤의 수증기 가스화에 미치는 WHSV 영향을 조사한 결과이다(촉매: Ni-Y/AC, 촉매층 온도: 600℃, W/G: 3 mol/mol, 압력: 1 bar). 가스 생성률이 WHSV가 높아짐에 따라 직선적으로 증가하였으나 수소 수율은 오히려 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 생성가스 대부분은 수소가 아닌 다른 성분인 것으로 나타났다. 글리세롤에 포함된 탄소의 가스 전환율은 높았으나 수소의 가스 전환율은 예상보다 낮게 나타났다. 이로부터 메탄올이나 에탄올에 비하여 글리세롤의 수증기 가스화에 의한 수소 생산 반응경로가 훨씬 복잡하다는 것을 알 수 있었다. 생성가스 중의 수소농도는 WHSV 28 h-1에서 가장 높은 47.3 vol%를 110 h-1에서 가장 낮은 38 vol%를 나타내었다. 45 vol% 이상의 수소농도를 얻기 위해서는 WHSV를 80 h-1 이하로 유지해야할 것이라고 사료되었다.10A to 10C show the results of investigating the effect of WHSV on the gasification of steam of glycerol (catalyst: Ni-Y / AC, catalyst layer temperature: 600 ° C, W / G: 3 mol / mol, pressure: 1 bar). The gas production rate increased linearly with increasing WHSV, but the hydrogen yield tended to decrease somewhat. In other words, most of the generated gas is a component other than hydrogen. Gas conversion of glycerol was higher than that of glycerol, but gas conversion of hydrogen was lower than expected. From this, it can be seen that the reaction route of hydrogen production by the steam gasification of glycerol is much more complicated than methanol or ethanol. The hydrogen concentration in the product gas was 47.3 vol%, which is the highest at WHSV 28 h -1 , and 38 vol%, which is the lowest at 110 h -1 . In order to obtain a hydrogen concentration of 45 vol% or more, WHSV should be kept below 80 h -1 .

(6) 결론(6) Conclusion

고정층 연속 반응장치에서 메탄올, 에탄올, 글리세롤 등 알코올류의 수증기 가스화를 통한 수소 합성가스 생산에 미치는 온도, 압력, 물/유기물 몰비율, WHSV 등의 운전인자 영향을 조사하였다. 촉매는 자체 개발한 Ni-Y/AC를 이용하였다. 촉매층 온도 600℃, W/M 몰비율 1, WHSV 100 h-1, 250 bar 조건에서 메탄올의 초임계수 가스화는 가스 생성률 약 17,000L/h/L, 수소농도 52 vol%를 나타내었고, 촉매층 온도 650℃, W/M 몰비율 1, WHSV 160 h-1 조건에서 메탄올의 수증기 가스화는 가스 생성률 약 46,000L/h/L, 수소농도 64 vol%를 나타내었다. 메탄올의 수증기 가스화는 촉매층 온도 450℃ 이상에서는 온도에 의한 영향이 거의 없었다. 에탄올의 수증기 가스화는 650℃, W/E 이론 몰비율 3, WHSV 100 h-1에서 가스 생성률 약 35,000 L/h/L, 수소함량 47 vol%를 나타내었다. 메탄올에 비하여 가스화 결과에 미치는 온도와 W/E 몰비율에 대한 영향이 높게 나타났다. 글리세롤의 수증기 가스화는 600℃, W/G 이론 몰비율 3, WHSV 80 h-1 조건에서 가스 생성률 약 14,000L/h/L, 수소함량 47 vol%를 나타내었다. 글리세롤의 수증기 가스화는 촉매층 온도와 WHSV 등의 주요 운전조건에 크게 영향을 받았다. 수증기 가스화에 의한 가스 생성률과 수소함량은 메탄올>에탄올>글리세롤 순으로 높게 나타났다.Effects of temperature, pressure, water / organic mole ratio and WHSV on the production of hydrogen syngas by steam gasification of alcohols such as methanol, ethanol and glycerol were investigated in a fixed bed continuous reactor. The catalyst used was Ni-Y / AC, which was developed by itself. The supercritical gasification of methanol at a catalyst bed temperature of 600 ° C., a W / M molar ratio of 1, and a WHSV of 100 h -1 and 250 bar showed a gas formation rate of about 17,000 L / h / L and a hydrogen concentration of 52 vol% The steam gasification of methanol at a W / M molar ratio of 1 and a WHSV of 160 h -1 showed a gas production rate of about 46,000 L / h / L and a hydrogen concentration of 64 vol%. Steam gasification of methanol was not affected by the temperature above 450 ℃. The steam gasification of ethanol showed a gas production rate of about 35,000 L / h / L and a hydrogen content of 47 vol% at 650 ℃, a W / E theoretical molar ratio of 3, and a WHSV of 100 h - 1 . The effect of temperature and W / E mole ratio on the gasification results was higher than methanol. The gasification of glycerol showed a gas formation rate of about 14,000 L / h / L and a hydrogen content of 47 vol% at 600 ℃, W / G theoretical molar ratio of 3 and WHSV of 80 h - 1 . The steam gasification of glycerol was greatly affected by the main operating conditions such as catalyst bed temperature and WHSV. Gas production rate and hydrogen content by steam gasification were higher in order of methanol>ethanol> glycerol.

실험을 통하여 Ni-Y/AC 촉매가 충전된 고정층 연속반응기에서 메탄올, 에탄올, 글리세롤의 수증기 가스화를 수행하여 고농도 수소를 포함하는 합성가스를 효과적으로 생산할 수 있었다. 생산된 합성가스는 고체산연료전지(SOFC)에 연료로 사용이 가능한 조성을 나타내었다.Through experiments, it was possible to effectively produce syngas containing high concentration hydrogen by performing steam gasification of methanol, ethanol and glycerol in a fixed-bed continuous reactor filled with Ni-Y / AC catalyst. Syngas produced showed a composition that could be used as a fuel for a solid acid fuel cell (SOFC).

101: 수소 가스 생성 장치
110: 초임계수 가스화 장치
200: 원료 공급부
220: 유기물 원료 챔버
240: 제 1 펌프
260: 제 1 예열기
300: 수증기 공급부
320: 물 챔버
340: 제 2 펌프
360: 제 2 예열기
400: 혼합부
420: 관연결구
500: 반응부
520: 반응기
600: 냉각부
620: 냉각기
640: 후압제어기
700: 분리부
720: 분리기
740: 유량측정기
101: hydrogen gas generator
110: Supercritical water gasifier
200:
220: organic material chamber
240: first pump
260: First preheater
300: water vapor supply part
320: water chamber
340: Second pump
360: Second preheater
400: mixing part
420: pipe connector
500: Reaction part
520: Reactor
600: cooling section
620: cooler
640: Postpressure controller
700:
720: separator
740: Flow Meter

Claims (16)

유기물 원료 챔버 및 상기 유기물 원료를 예열(제 1 예열)하기 위한 제 1 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 유기물 원료 공급부;
물 챔버 및 상기 물을 예열(제 2 예열)하기 위한 제 2 예열기를 포함하는 수증기 개질 반응용 수증기 공급부;
상기 유기물 원료 공급부 및 수증기 공급부를 통한 유기물 원료 및 수증기의 혼합물을 생성하는 혼합부; 및
상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 포함하는 반응부
를 포함하는,
유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
An organic material raw material supply unit for steam reforming reaction comprising an organic material chamber and a first preheater for preheating (first preheating) the organic material raw material;
A water chamber for water steam reforming reaction comprising a water chamber and a second preheater for preheating the water (second preheating);
A mixing unit for generating a mixture of organic material and water vapor through the organic material supply unit and the water vapor supply unit; And
And a reactor for performing the steam reforming reaction of the mixture
/ RTI &gt;
An apparatus for generating hydrogen gas through steam reforming reaction of organic substances.
제1항에 있어서,
상기 유기물 원료는 바이오매스로부터 유래된 알코올을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the organic material raw material comprises an alcohol derived from biomass.
제2항에 있어서,
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 글리세롤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the alcohol comprises one selected from the group consisting of methanol, ethanol, glycerol, and combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 제 1 예열은 200℃ 내지 500℃에서 수행되고, 상기 제 2 예열은 600℃ 내지 800℃에서 수행되는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first preheating is performed at 200 ° C to 500 ° C, and the second preheating is performed at 600 ° C to 800 ° C.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 수증기 개질 반응용 촉매를 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the reactor comprises a catalyst for steam reforming reaction.
제5항에 있어서,
상기 반응기는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기인 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the reactor is a fixed bed reactor or a fluidized bed reactor.
제5항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응용 촉매는 이트리움-니켈/활성탄, 텅스텐, 탄화텡스텐, 탄화몰리브텐, 백금, 루세늄, 이리늄, 로디움, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
6. The method of claim 5,
The catalyst for steam reforming reaction may be selected from the group consisting of the trium-nickel / activated carbon, tungsten, carbonitungsten, molybdenum carbide, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, nickel, Wherein the reforming reaction is carried out in the presence of oxygen.
제1항에 있어서,
상기 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치는 연료전지의 연료 생성용인 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the apparatus for generating hydrogen gas through the steam reforming reaction of the organic material is for generating fuel of the fuel cell.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 장치 및 연료전지를 포함하는, 연료전지 전기생산 시스템.
9. A fuel cell electricity production system, comprising a hydrogen gas generation apparatus and a fuel cell through steam reforming reaction of an organic material according to any one of claims 1 to 8.
유기물 원료를 제 1 예열하는 단계(단계 1);
물을 제 2 예열하여 수증기를 생성하는 단계(단계 2);
상기 단계 1 및 단계 2에서 생성된 유기물 원료 및 물을 혼합하여 혼합물을 생성하고 상기 혼합물을 연속하여 반응기로 투입하는 단계(단계 3); 및
상기 반응기 내에서 상기 혼합물의 수증기 개질 반응을 수행하는 단계(단계 4);를 포함하는
유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
A first preheating of the organic material stock (step 1);
Second preheating the water to produce water vapor (step 2);
Mixing the organic raw material and water produced in the step 1 and the step 2 to form a mixture, and continuously introducing the mixture into the reactor (step 3); And
Performing a steam reforming reaction of said mixture in said reactor (step 4);
A method for producing hydrogen gas through steam reforming reaction of organic material
제10항에 있어서,
상기 유기물 원료는 바이오매스로부터 유래된 알코올을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the organic material source comprises an alcohol derived from biomass.
제11항에 있어서,
상기 알코올은 메탄올, 에탄올, 글리세롤, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the alcohol comprises one selected from the group consisting of methanol, ethanol, glycerol, and combinations thereof.
제10항에 있어서,
상기 제 1 예열은 200℃ 내지 500℃에서 수행되고, 상기 제 2 예열은 600℃ 내지 800℃에서 수행되는 것인, 연료전지용 수소 가스 생성 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the first preheating is performed at 200 ° C to 500 ° C, and the second preheating is performed at 600 ° C to 800 ° C.
제10항에 있어서,
상기 반응기는 수증기 개질 반응용 촉매를 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein the reactor comprises a catalyst for steam reforming reaction.
제14항에 있어서,
상기 반응기는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기인 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
15. The method of claim 14,
Wherein the reactor is a fixed bed reactor or a fluid bed reactor.
제14항에 있어서,
상기 수증기 개질 반응용 촉매는 이트리움-니켈/활성탄, 텅스텐, 탄화텡스텐, 탄화몰리브텐, 백금, 루세늄, 이리늄, 로디움, 팔라듐, 니켈, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것인, 유기물의 수증기 개질 반응을 통한 수소 가스 생성 방법.
15. The method of claim 14,
The catalyst for steam reforming reaction may be selected from the group consisting of the trium-nickel / activated carbon, tungsten, carbonitungsten, molybdenum carbide, platinum, ruthenium, iridium, rhodium, palladium, nickel, Wherein the hydrogen gas is a hydrogen gas.
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