KR20190105840A - 효율이 향상된 수소스테이션 장치 - Google Patents

Abstract

본 명세서는 종래 기술에 비해 열 효율이 향상된 수소스테이션을 개시한다. 본 명세서에 따른 수소스테이션은 연도가스의 열을 이용하여 증기생성기에 공급되는 물의 온도를 상승시켜 열 효율을 상승시킬 수 있다. 한편, 과잉증기 생성을 방지하기 위해, 상기 연도가스를 외부로 직접 배출시키는 우회로를 포함할 수 있다.

Description

효율이 향상된 수소스테이션 장치{APPARATUS FOR IMPROVED HYDROGEN STATION}

본 발명은 천연가스 개질 수소충전소의 수소스테이션에 관한 것이며, 보다 상세하게는 열 효율이 향상된 수소스테이션에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 수소스테이션의 개략적인 공정 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 천연가스(NG)는 증기생성기(Steam generator)에서 생성된 증기(Steam)와 혼합기(mixer)에서 합쳐진다. 혼합기에서 합쳐진 천연가스와 증기는 제1 열교환기(First Heat Exchange)에서 데워진 후, 수증기 촉매 개질 공정(steam methane reforming: SMR) 및 수성가스전화반응(Water Gas Shift, WGS)을 통해 수소(Hydrogen)을 생성하고, 해당 공정에서 얻은 열을 제1 열교환기 및 증기생성기에서 방출한다.

한편, 연료로 사용되는 천연가스는 SMR 반응기에서 연소 후, 증기발생기에서 남은 열을 물에 전달한 뒤 연도가스(Flue Gas)로 배출된다. 또한, 물은 증기생성기에서 고압의 포화 수증기로 변화한 후, 천연가스와 혼합되어 SMR 반응의 재료로 사용된다.

위 공정 구성에 따라 수소충전소 운영을 진행할 경우, 효율은 60%~70%로 설계치와 동일하게 도출된다. 하지만, 수소충전소의 경제성 향상을 위해서 해당 공정의 효율을 향상시킬 필요가 있다.

공개특허공보 제10-2011-0079952호

본 명세서는 종래 기술에 비해 열 효율이 향상된 수소스테이션을 제공하고자 한다.

본 명세서는 상기 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 명세서에 따른 수소스테이션은, 물을 미리 설정된 압력의 포화 수증기로 변화시키는 증기생성기; 상기 증기생성기에서 생성된 증기와 천연가스를 합치는 혼합기; 상기 혼합기에서 혼합된 증기와 천연가스를 미리 설정된 온도로 상승시키는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기에서 배출된 천연가스와 증기를 SMR 공정 및 WGS 공정을 통해 수소를 생성하는 SMR 반응기 및 WGS 반응기;를 포함하는 수소스테이션에 있어서, 상기 증기생성기에서 배출된 연도가스로 상기 물의 온도를 상승시키는 제2 열교환기;를 포함한다.

본 명세서의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 열교환기는 상기 증기생성기에서 배출된 연도가스를 직접 외부로 배출하는 우회로를 가질 수 있다.

본 명세서에 따른 수소스테이션은, 상기 증기생성기에 유입되는 물의 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상일 때, 상기 제2열교환기의 우회로를 개방 시키는 제어부;를 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도에 근접한 정도에 따라 상기 제2열교환기의 우회로의 개방 정도를 비례하게 개방 시킬 수 있다.

본 명세서에 따른 수소스테이션은, SMR 공정 및 WGS 공정을 통해 생성된 가스에서 수소를 분리하는 압력전환흡착기(PSA, Pressure Swing Adsorption);를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 명세서의 일 측면에 따르면, 배출되는 연도가스의 온도의 저감하여 열 효율을 향상시킬 수 있다.

본 명세서의 다른 측면에 따르면, 물의 온도를 높여 증기생성의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 수소스테이션의 개략적인 공정 블럭도이다.
도 2는 본 명세서에 따른 수소스테이션의 개략적인 공정 블럭도이다.

본 명세서에 개시된 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 명세서가 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 명세서의 개시가 완전하도록 하고, 본 명세서가 속하는 기술 분야의 통상의 기술자(이하 '당업자')에게 본 명세서의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 명세서의 권리 범위는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 명세서의 권리 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1에서 종래 기술에 따른 수소스테이션을 확인하였다. 종래 공정에서는 배출되는 연도가스(Flue Gas)의 온도 저감 및 증기(steam)양 두 가지 개선점이 존재한다. 상기 두 가지 개선점을 통해 열 효율을 향상시킨 것이 바로 본 발명에 따른 수소스테이션이다.

도 2는 본 명세서에 따른 수소스테이션의 개략적인 공정 블럭도이다.

도 2를 참조하면, 종래 기술인 도 1에 비해 제2 열교환기(Second Heat Exchange)가 추가된 것을 확인할 수 있다. 상기 제2 열교환기는 상기 증기생성기에서 배출된 연도가스로 상기 물의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 종래 연도가스는 통산 200℃~300℃로 배출된다. 이때 배출되는 연도가스의 열을 회수하여 100℃~200℃ 수준으로 온도를 낮출 경우, 회수된 열 만큼 효율 향상을 기대할 수 있다. 따라서 상기 제2 열교환기를 통해 물의 온도를 상온에서 상승시켜 공정 전반적인 열 효율이 상승된다.

한편, 종래 기술은 촉매 성능 저하를 방지하기 위해, 화학적 반응비인 '메탄 : 물 = 1 : 2'보다 더 많은 '메탄 : 물 = 1 : 3'의 수증기를 반응에 투입한다. 그러나 증가된 수증기만큼 반응에 참여하지 않고, 온도의 상승/하강을 반복하면서 전체 열 효율을 저하시키는 요인 중 하나이다. 상용성 검증을 통해 '메탄 : 물 = 1 : 2.5'까지 촉매의 성능은 검증되었으나, 종래 기술은 주입되는 물의 양을 상황에 따라 능동적으로 제어할 수 없다. 즉, 상기 제2 열교환기를 통해 공급되는 물의 온도가 올라가면, 증기의 과잉 생산 가능성이 있다. 증기 공급량은 반응에 사용되는 연료량을 줄임으로써 연도 가스의 온도를 낮출 수는 있지만, 본 방법은 변화가 일어나기 까지 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

따라서 본 명세서에 따른 상기 제2 열교환기는, 상기 증기생성기에서 배출된 연도가스를 직접 외부로 배출하는 우회로를 가질 수 있다. 유입되는 물의 온도가 높아서 증기가 과잉 생산될 때, 연도가스를 상기 우회로를 통해 외부로 배출시킬 수 있다. 이를 통해 증기의 과잉 생성을 방지할 수 있다.

이를 위해 본 명세서에 따른 수소스테이션은 상기 증기생성기에 유입되는 물의 온도를 측정하는 온도센서 및 상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상일 때, 상기 제2열교환기의 우회로를 개방 시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

나아가, 상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도에 근접한 정도에 따라 상기 제2열교환기의 우회로의 개방 정도를 비례하게 개방 시킬 수 있다. 상기 우회로 및 제어부를 통해 증기 생산량을 조절하여 전체 공정의 안정화 및 효율향상을 도모할 수 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 명세서의 실시예를 설명하였지만, 본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (5)

1. 물을 미리 설정된 압력의 포화 수증기로 변화시키는 증기생성기;
   상기 증기생성기에서 생성된 증기와 천연가스를 합치는 혼합기;
   상기 혼합기에서 혼합된 증기와 천연가스를 미리 설정된 온도로 상승시키는 제1 열교환기; 및
   상기 제1 열교환기에서 배출된 천연가스와 증기를 SMR 공정 및 WGS 공정을 통해 수소를 생성하는 SMR 반응기 및 WGS 반응기;를 포함하는 수소스테이션에 있어서,
   상기 증기생성기에서 배출된 연도가스로 상기 물의 온도를 상승시키는 제2 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소스테이션.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 열교환기는, 상기 증기생성기에서 배출된 연도가스를 직접 외부로 배출하는 우회로를 가진 것을 특징으로 하는 수소스테이션.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 증기생성기에 유입되는 물의 온도를 측정하는 온도센서; 및
   상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도 이상일 때, 상기 제2열교환기의 우회로를 개방 시키는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소스테이션.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 온도센서에서 측정된 물의 온도가 미리 설정된 기준 온도에 근접한 정도에 따라 상기 제2열교환기의 우회로의 개방 정도를 비례하게 개방 시키는 것을 특징으로 하는 수소스테이션.
5. 청구항 1에 있어서,
   SMR 공정 및 WGS 공정을 통해 생성된 가스에서 수소를 분리하는 압력전환흡착기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소스테이션.

Images