KR20190118991A - 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 운전 방법은 자열개질 반응 단계, 수성가스 전환반응을 통한 일산화탄소의 분율 저하와 수소의 분율 상승을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계, 수소 분리막을 통해 고순도의 수소와 잔여가스로 분리한 뒤 상기 고순도의 수소를 활용하여 연료전지를 구동시키는 것을 특징으로 한다.

Description

액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법{A fuel cell system using liquid fuel and hydrogen peroxide and a method for operating fuel cell}
본 발명은 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 가압이 용이한 액상의 탄화수소 연료와 액상의 과산화수소 산화제를 이용하여 가압된 상태에서 자열개질 방식으로 개질하고, 수성가스 전환반응을 통해 일산화탄소의 분율을 낮춤과 동시에 수소의 분율을 높이고, 수소 분리막을 통해 고순도의 수소와 잔여가스로 분리한 뒤 고순도의 수소를 활용하여 연료전지를 구동시키는 시스템 및 운전방법에 대한 것이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로써 높은 효율을 가질 뿐만 아니라 오염물질의 배출이 거의 없다는 장점을 가지고 있다.
연료전지의 연료로 사용되는 수소를 생산하는 대표적인 방법으로는 탄화수소의 개질(Reforming)과 물의 분해가 있으며, 물 분해를 통한 수소생산 방법에는 수소가 연소할 때 발생하는 에너지 이상의 에너지를 공급해야 함으로 효율이 낮다는 단점이 있다. 따라서, 탄화수소 개질을 통한 수소생산방법이 현 기술수준과 경제성을 고려할 때 가장 효율적인 수소생산 방법이라 할 수 있다.
탄화수소의 개질 방법에는 연료와 함께 공급되는 반응물에 따라 부분산화(POX, Partial Oxidation)개질, 수증기 개질(SR, Steam Reforming), 자열개질(ATR, Auto Thermal Reforming)로 분류할 수 있다.
이 중 자열개질은 반응물로 연료와 더불어 물과 산소를 함께 산화제로 공급하므로 약한 발열조건으로 설정하는 경우에는 외부의 열원 없이 열적 자립운전이 가능하며, 자열개질 시에 발생하는 열을 회수하여 열효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한, 자열개질은 비교적 높은 수소 수득률과 상대적으로 빠른 응답속도를 가지므로, 이동형 전원에 적합하다는 장점이 있다.
연료전지의 종류로는 사용되는 전해질의 물질에 따라 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물 연료전지(SOFC)로 구분된다. 고분자 전해질형 연료전지(PRMFC)는 상온 또는 100℃ 이하에서 작동하고, 인산형 연료전지는 150∼200℃에서, 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 600∼700℃의 고온에서, 고체 산화물형 연료전지는 800℃ 부근의 고온에서 작동된다. 이들 각각의 연료전지는 기본적으로 유사한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 촉매, 전해질등이 서로 다르다.
상기 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 다른 연료전지에 비하여 작동 온도가 낮을 뿐만 아니라 빠른 시동 및 응답 특성을 가진다. 따라서, 자동차 및 잠수함 등과 같은 이동용 장비에 사용되는 전원은 물론이고, 주택이나 공공건물과 같은 분산용 전원 및 휴대용 전자기기와 같은 소형 휴대기기용 전원 등으로 이용할 수 있어 그 응용범위가 넓은 장점이 있다.
탄화수소 연료를 개질하여 연료전지에 수소를 공급하는 방법을 이용하는 경우에는 연료전지에 탄화수소로부터 전환된 리치 가스(hydrogen rich gas)가 공급이 된다.
한편, 연료 개질기로부터 공급되는 수소 리치가스는 전환되지 않는 탄화수소, 물, 이산화탄소 및 일산화탄소 등을 포함할 수 있다. 특히, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)는 매우 적은 일산화탄소(<10ppm) 조건이 달성되지 않으면, 백금 전극 촉매가 일산화탄소에 피독되어 전기화학 성능이 급감한다. 따라서, 고분자 전해질형 연료전지에 연료개질 가스를 이용하려면 추가적인 일산화탄소 제거공정이 필수적이다.
일산화탄소 제거공정 상에서 필요한 일산화탄소 제거부는 수성가스 전환(WGS, Water Gas Shift) 반응 및 선택적 산화(PROX, Preferential Oxidation) 반응과 같은 촉매반응을 기반으로 한 반응기가 이용이 된다.
각각의 반응식은 아래와 같게 된다.
WGS: CO + H2O → H2 + CO2 △H0 298=-40.4(kJ/mol)
PROX: CO + 1/2O2 → CO2 △H0 298=-283(kJ/mol)
전환된 가스의 정제를 위해서는 추가적으로 수소 분리막이 이용될 수 있는데, 수소 분리막은 고순도의 수소와 잔여 가스를 분리해 낼 수 있다는 장점이 있다. 그러나 높은 수소투과율을 확보하기 위해서는 아래 수식과 같이 공급되는 수소 분리막 전후에서의 차압이 커야 하며, 수소 분압이 높아야 한다는 한계가 있다.
Figure pat00001
(JH2: 수소 투과율, Q: 투과계수, l: 막의 두께, PH: 고압부 압력, PL: 저압부 압력)
일반적으로 기체 상태의 반응물을 가압하기 위해서는 컴프레서(Compressor)가 필요하며, 상기 컴프레서의 사용을 위해서는 상당한 양의 에너지가 소요되므로 연료전지에서 생산된 상당수의 전력이 가압을 위해 기생 전력으로 소모될 수 있다. 따라서, 기체 상태의 탄화수소 연료나 기체 상태의 산화제인 공기를 이용하여 연료전지를 구동하는 경우에는 불순물 정제를 위해 수소 분리막을 이용하는 것보다는 상압 ATR, WGS와 PROX 연계 공정을 이용하는 것이 효율적일 수 있다.
상기와 같이, 기체 상태의 반응물을 가압하기 위해서 컴프레서를 사용하는 경우에는 상당한 동력을 소모해야만 하는 컴프레서를 사용하는 것과 함께 종래의 수소 분리막 사용에 제한을 가져온다는 문제점이 있게 된다.
기체 상태의 반응물을 사용하는 경우에는 상술한 바와 같은 문제점이 있는 만큼, 가솔린, 디젤, 메탄올 등을 포함한 액체 상태의 탄화수소 연료와 액체 상태의 산화제를 이용할 수 있다면, 컴프레서가 아닌 펌프(Pump)를 통해서만으로도 시스템의 가압이 가능하며, 이런 경우에 컴프레서 대비 1/100 수준의 에너지를 소모 하며, 저소음 운전이 가능하다는 장점이 있다.
따라서, 가압이 용이한 액체 상태의 탄화수소 연료의 장점을 활용하여 가압 ATR, 가압 WGS와 수소 분리막 연계공정을 이용하는 것이 고순도 수소를 얻는 데 있어 효과적일 수 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로서, 산소 희박환경에서 운용되는 잠수함 및 수중무인추진체계 등에 적용 가능한 고에너지밀도의 에너지원을 제공하기 위하여 액체 상태의 탄화수소 연료를 가압 ATR, 가압 WGS 및 수소 분리막 연계공정을 이용하여 고순도 수소를 제공하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 연료전지에 액체연료를 활용하여 불순물이 정제된 고순도 수소를 공급하기 위해 자열개질 반응 단계, 수성가스 전환반응 단계 및 수소 분리막 단계를 차례로 적용하게 된다.
특히, 본 발명은 수소 분리막을 적용하기 위해서 가압 조건을 형성해야 하는데, 가압이 용이하고 추가적 산소요구가 없는 액상의 과산화수소를 대체 산화제로 이용하게 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 연료전지 운전 방법은 자열개질 반응 단계, 수성가스 전환반응을 통한 일산화탄소의 분율 저하와 수소의 분율 상승을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계, 수소 분리막을 통해 고순도의 수소와 잔여가스로 분리한 뒤 상기 고순도의 수소를 활용하여 연료전지를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 관점에 따른 연료전지 시스템은 액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 공급하는 펌프(110); 상기 펌프(110)를 통해 액체 연료를 공급받는 ATR 반응기(120); 상기 펌프(110)를 통해 과산화수소를 공급받는 과산화수소 분해단(130); 상기 ATR 반응기(120)에서 개질가스를 공급받는 WGS 반응기(140); 상기 WGS 반응기(140)를 통과한 기체를 공급받는 수소 분리막(150); 및 상기 수소 분리막(150)을 통해 잔여가스가 분리된 상태의 고순도의 수소를 공급받는 연료전지(200);를 포함한다.
상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소이다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 ATR 반응기(120)와 WGS 반응기(140) 사이에 배치되는 탈황기(160);를 추가적으로 포함한다.
상기 ATR 반응기(120)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 상기 WGS 반응기(140)는 복수의 단으로 분리 구성된다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 WGS 반응기(140)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 기액 분리기(180)를 추가적으로 포함한다.
상기 연료전지 시스템은, 상기 ATR 반응기(120)와 WGS 반응기(140) 사이에 배치되는 열교환기(190);를 추가적으로 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또다른 관점에 따른 연료전지 운전 방법은, 액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 펌프(110)를 통해 각각 압력을 가해주는 단계; ATR 반응기(120)를 이용하여 액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 공급하여 자열개질 방식을 통하여 개질가스를 생성하는 단계; 상기 ATR 반응기(120)를 거친 개질가스를 WGS 반응기(140)를 통과하게 하여 일산화탄소의 분압 저하 및 수소의 분압 상승을 기하는 단계; 상기 WGS 반응기(140)를 통과한 기체를 수소 분리막(150)을 통과하게 하여 고순도의 수소 및 잔여가스로 분리하는 단계; 및 상기 수소 분리막(150)을 통해 잔여가스가 분리된 상태의 고순도의 수소를 연료전지(200)로 공급하는 단계;를 포함한다.
상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소이다.
상기 과산화수소를 상기 ATR 반응기(120)에 공급하는 단계에서, 과산화수소 분해촉매가 포함된 분해단(130)을 거쳐 스팀과 산소로 분해시켜 상기 ATR 반응기(120)로 공급한다.
상기 수소 분리막(150)은 팔라듐(Pd)을 기반으로 한 합금(Alloy) 물질로 구성된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법은 에너지 저장밀도 및 수소저장 밀도가 높은 액체연료와 과산화수소를 활용하여 수소를 생산하여 연료전지를 구동시킬 수 있게 함으로써, 산소희박 환경에서 운용되는 잠수함 및 수중무인추진체계 등에 적용 가능한 고에너지밀도의 에너지원을 제공하는 효과가 있다.
본 발명은 이를 통해 잠수함 및 수중무인체계 등의 작전, 구동시간을 크게 증가시킬 수 있다.
종래에는 액체연료를 통해 일산화탄소 분율이 10ppm 미만인 고순도의 수소를 생산하기 위해서는 WGS 반응기 외에 추가적인 PROX 반응기의 설치가 필수적이었는바, PROX 반응을 위해서는 추가적인 산소공급이 필수적이라는 한계가 있었고, 또한 디젤과 같은 탄소수가 긴 고에너지 밀도의 액체연료의 경우에는 스팀과 산소가 모두 공급이 되어야 하는 ATR 개질반응이 적합한 것으로 공지되어 있는바, 추가적인 산소공급이 필수적인 상황이라는 제한점이 있다.
종래에 일산화탄소 제거공정으로 PROX 대신 수소분리막이 이용될 수 있으나, 기체 반응물의 가압을 위해서는 컴프레서 도입이 필요한데 컴프레서 구동을 위해서는 추가적 기생전력이 많이 소요되고 시스템의 부피와 소음이 커진다는 단점이 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 대체 산화제인 과산화 수소의 도입을 통해 이러한 문제를 모두 해결할 수 있다.
첫째로, 대체산화제인 과산화수소를 통해 ATR에 필요한 산화제인 스팀과 산소 모두 공급할 수 있다.
둘째로, 과산화수소와 액체 탄화수소 연료 모두 액상인 점을 활용하여 수소분리막을 적용하여 고순도의 수소를 생산할 수 있다.
즉, 공급물에 기체가 없으므로 컴프레서 대신 펌프를 적용하는 과정을 통해 저에너지 소모 및 저소음으로 공급물질을 가압할 수 있으며, 고순도 수소의 생산을 위해 PROX 반응기 대신 수소분리막의 적용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 기본 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템에서 흡착 탈황부가 포함된 경우의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 시스템에서 2단의 WGS 공정을 통해 일산화탄소의 분압을 낮춰 수소 분리막의 성능 증대를 가능하게 한 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 시스템에서 기액 분리기 공정을 통해 스팀의 분압을 낮춰 수소 분리막의 성능 증대를 위한 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 시스템에서 67 wt.% 미만의 과산화수소를 이용 시에 기화 공정의 실시예를 포함한 시스템의 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용하는 ATR 촉매 성능 시험도,
도 7은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용하는 WGS 촉매의 성능 시험도, 및
도 8은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용하는 수소 분리막의 수소 투과율 성능 시험도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 종래에 기체 상태의 반응물을 사용하는 경우의 문제점을 해소하기 위하여 대체 산화제인 과산화 수소의 도입을 통해 ATR에 필요한 산화제인 스팀과 산소 모두 공급하게 하고, 또한 과산화수소와 액체 탄화수소 연료 모두 액상인 점을 활용하여 수소분리막을 적용하여 고순도의 수소를 생산할 수 있다.
본 발명은 가솔린, 디젤, 메탄올 등을 포함한 액체 상태의 탄화수소 연료를 채용하는데, 상기 액체 상태의 탄화수소 연료는 기체 상태의 탄화수소 연료 대비 저장된 에너지밀도 및 수소저장 밀도가 높은 특징이 있게 되고, 이를 통해 액체상태의 탄화수소 연료를 통해 수소를 생산하여 연료전지 구동 시에는 기존의 수소저장원 대비 높은 구동시간을 가질 수 있다는 장점이 있다.
한편, 디젤 연료와 같이 연료 내 함유된 탄소 수가 많아지고, 결합력이 강한 탄화수소 성분들이 많아질수록 개질 산화제로 물 뿐만 아니라 반응성이 강한 산소까지 공급이 되어야 개질 반응이 잘 일어나는 특징이 있는바, 상술된 산화제로서 물과 산소가 동시에 공급되어야 하는 자열개질(ATR) 방법을 적용하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 적용되는 과산화수소는 상온 및 1bar의 온도 및 압력 조건에서 액체 상태로 존재하며, 산소와 물 모두 공급이 가능한 산화제이다.
또한, 본 발명에 적용되는 과산화수소는 인체에 무해한 무독성이며, 대기와의 화학적 반응성이 없고, 낮은 증발압력(90wt.농도인 경우 30℃에서 0.2kPa, 액체산소의 경우 -118℃에서 5,080kPa)과 높은 비열(100wt.% 농도에서 2.52J/g·℃)을 갖고 있다.
또한, 과산화수소는 산소 저장 및 공급 측면에서 본다면 1bar, 25℃에서 산소저장 밀도는 약 21 mol O2/liter인 반면, 액체 산소의 경우에 동일한 21 mol O2/liter를 얻기 위해서는 485 bar, 5℃ 조건이 되야 한다는 현실적 문제점이 있다. 또한, 과산화수소는 상온에서 액체상태를 유지하며 적절한 용기에서 장기간 보관이 가능하므로 액체산소처럼 저장탱크, 배관 등에 단열을 할 필요가 없어 부피당 저장효율이 높다는 장점을 갖고 있다.
상술하였듯이, 본 발명은 과산화수소를 적용함으로써 개질반응의 산화제인 물과 산소를 분해 반응을 통해 모두 공급 가능하게 하며, 추가적으로도 분해열을 발생하게 하는바, 이를 활용하여 열효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
참고적으로, 과산화수소의 분해 반응은 아래와 같다.
H2O2 decomposition: H2O2(l)→H2O(l)+(1/2)O2(g) △H0 298=-98.1(kJ/mol)
따라서, 본 발명에 따라 액체 상태의 탄화수소 연료와 과산화수소를 이용하는 경우에는 가압이 수월해질 수 있으며 연료전지에 적용 가능한 고순도의 수소를 효과적으로 생산하여 공급할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 설명한다.
연료전지 시스템(100)은 액상의 탄화수소 연료와 액상의 과산화수소 산화제를 공급하는 펌프(110), 펌프(110)를 통해 액체 연료를 공급받는 ATR 반응기(120), 펌프(110)를 통해 과산화수소를 공급받는 과산화수소 분해단(130), ATR 반응기(120)에서 개질가스를 공급받는 WGS 반응기(수성가스전환, Water Gas Shift, 140), WGS 반응기(140)를 통과한 기체를 공급받는 수소 분리막(150) 및 수소 분리막(150)을 통해 일산화탄소 등의 잔여가스가 분리된 상태의 고순도의 수소를 공급받는 연료전지(200)를 포함한다.
본 연료전지 시스템(100)은 먼저 ATR 반응기(120)를 이용하여 일차적으로 액상의 탄화수소 연료와 액상의 과산화수소 산화제를 공급하여 자열개질(ATR, Auto Thermal Reforming) 방식을 이용하여 수소가 다량 포함된 개질가스를 생성한다.
ATR 반응기(120)에는 개질 촉매가 탑재되어 있으며, 개질 반응은 촉매 반응을 기반으로 하며 작동운전 범위는 연료에 따라 다양하다. 예를 들어 메탄올의 경우 250∼500℃, 에탄올의 경우 700℃, 가솔린 및 디젤 연료의 경우는 7∼800℃일 수 있다.
과산화수소를 공급할 때에는 과산화수소 분해촉매가 포함된 분해단(130)을 거쳐 스팀과 산소로 분해시켜 ATR 반응기(120)로 공급을 하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, ATR 방식으로 생성된 개질가스는 WGS 반응기(140)를 통과하게 되며, WGS 반응기(140)를 통해 연료전지(200)에서 불순물로 작용하는 일산화탄소의 분압을 낮추고, 연료전지(200)의 연료로 이용되는 수소의 분압을 높일 수 있다.
WGS 반응기(140) 내에서는 개질 가스 내 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)이 WGS 촉매 반응을 통해 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)로 전환된다. WGS 촉매는 작동 온도범위에 따라 고온 수성기체전환(HTS, High Temperature Water Gas Shift), 중온 수성기체전환(MTS, Medium Temperature Water Gas Shift) 촉매로 구분이 되며, 온도 구간별 활성이 좋은 촉매들이 존재한다. HTS 촉매는 350∼500℃에서 운전되며, MTS 촉매는 250∼350℃에서 운전이 될 수 있다.
WGS 반응기(140)를 통과한 기체는 수소 분리막(150)을 통과하게 된다.
수소분리막(150)을 통해 고순도의 수소(99.99%이상의 H2 순도) 및 잔여가스(CO, CO2, H2O)로 분리된다. 수소 분리막(150)은 300∼400℃ 부근에서 활성이 좋으며, 작동 압력은 높을수록 유리하나, 5bar 이상이 되어야 적절한 수소투과율이 확보될 수 있다.
수소 분리막(150)은 팔라듐(Pd)을 기반으로 한 합금(Alloy) 물질로 구성이 되며, 기계적 강도와 수소 투과율을 고려하여 팔라듐과 함께 구리(Cu)나 금(Au) 등이 적절한 비율로 합금물질로 제작될 수 있다.
수소분리막(150)의 특성상 수소 투과율을 높이기 위해서는 수소 분리막 입구에서의 수소의 분압과 수소 분리막 전후에서의 차압을 높여야 유리하다는 특징이 있다. 수소 투과율을 높여야 연료전지에 이용될 수 있는 수소의 양이 많아지므로, 수소 투과율은 투입 연료대비 생산되는 전기의 양으로 계산되는 에너지 효율에 직결된다.
따라서, 상술한 WGS 반응을 통해 일산화탄소의 분율을 최대한 감소시키고, 수소의 분율을 최대한 높이는 것이 시스템의 에너지 효율상 유리할 수 있다. 또한, 수소 분리막(150)까지 가압을 해줘야 하는데, 본 발명에서는 액상의 반응물인 액체탄화수소 연료 및 과산화수소를 펌프(110)를 통해 각각 압력을 가해줄 수 있다.
일반적으로, 기체 반응물의 경우 컴프레서를 통해 압력을 가하게 되는데, 컴프레서의 경우에는 그 부피와 소음이 크고, 에너지가 많이 소모된다는 특징이 있는데 반해, 본 발명에서는 컴프레서의 필요 없이 펌프를 통해 저에너지 및 저소음으로 가압할 수 있다는 특징이 있다.
최종적으로, 수소 분리막(150)을 투과한 고순도의 수소는 연료전지(200)의 연료로서 이용되어 전기화학 반응을 통해 전기를 생산할 수 있다. 본 발명을 통해 생산된 수소 내에는 일산화탄소를 비롯한 불순물이 존재하지 않으므로, 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)를 비롯한 다양한 종류의 연료전지에 적용 가능하다.
연료전지 시스템(100)에서는 각각의 온도제어를 위해 ATR 반응기(120), WGS 반응기(140) 및 수소 분리막(150)의 후단 상에 각각 열교환기를 설치할 수 있으며, 설치된 열교환기를 통해 추가적인 열공급 장치 없이 온도제어가 가능하다. 예를 들어 디젤 연료를 이용하는 경우에 ATR 반응기(120)는 800℃, WGS 반응기는 350℃, 수소분리막은 300℃, 연료전지(PEMFC)는 80℃ 정도로 유지되어야 하는데, 상기에서 제시된 방법으로는 각 반응기 상에 적용되는 온도가 점점 낮아지는 내림 차순으로 설정되었으므로, 각 반응기에서의 열을 회수하여 ATR 반응기(120)의 입구온도를 높이는데 이용될 수 있다. 이를 통해 열관리를 용이할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 도 6에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용하는 ATR 촉매의 성능 시험도를 보이고 있는데, 디젤 연료를 이용하는 경우에 800℃ 조건에서 압력에 따른 생성 물질(CO, CO2, H2)의 변화도를 보인다.
도 7에서는 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 사용하는 WGS 촉매의 성능 시험도를 보이고 있는데, 디젤 ATR 개질가스를 이용하는 경우에 온도 및 압력에 따른 생성 물질(CO, CO2, H2)의 변화도를 보인다.
도 2를 참조하여 다른 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 설명한다.
본 연료전지 시스템 상에서는 ATR 반응기(120)와 WGS 반응기(140) 사이에 탈황기(160)를 추가적으로 포함한다. 즉, 본 실시예는 황이 포함된 탄화수소 액체연료를 사용하는 경우에 연료전지 시스템의 구성도를 나타낸다.
액체연료에 포함될 수 있는 황 성분은 WGS 촉매, 수소 분리막 또는 연료 전지에서의 성능감소를 일으킬 수 있으므로, 시스템 내에서의 제거가 필수적이다.
개질가스 내의 황화수소(H2S)를 효과적으로 제거할 수 있는 방식으로는 흡착탈황(adsorption) 방식이 이용될 수 있으며, 흡착제로는 산화아연(ZnO, Zinc Oxide)이 주로 사용된다. 상기 탈황 공정은 일반적으로 350~400℃ 범위에서 이용되며 황의 농도를 0.5ppm 이하로 낮출 수 있다.
도 3을 참조하여 다른 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 설명한다.
본 연료전지 시스템 상에서는 ATR 반응기(120)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 WGS 반응기(140)를 2개의 단으로 분리하여 구성한다. 즉, WGS 단을 HTS(172) 및 MTS(174) 두단으로 구성하여 일산화탄소의 분압을 기존의 한개의 단으로 구성한 것 대비하여 저하시킴과 동시에 수소의 분압을 높여 수소 분리막(150)에서의 수소 투과율을 증대시킬 수 있다.
도 4를 참조하여 다른 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 설명한다.
본 연료전지 시스템 상에서는 WGS 반응기(140)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 기액 분리기(180)를 추가적으로 구성한다.
WGS 반응기(140)를 통과한 가스에도 스팀이 포함되어 있는데, 기액 분리기(180)의 도입을 통해 스팀을 제거하여 수소의 분압을 높인 후 혼합 가스를 수소 분리막(150)에 공급한다. 이를 통해 수소 분리막(150)에서의 수소 투과율을 증대시킬 수 있다.
한편, 수소 투과율을 극대화하기 위해서 기액 분리기(180)를 도입함과 동시에 HTS(172) 및 MTS(174)을 포함한 2단의 WGS 반응 과정을 함께 포함할 수 있다. 이를 통한 성능 증대의 효과는 도 8의 실험 결과에 제시되어 있다.
즉, 도 8에서는 압력 및 수소 분압에 따른 수소 분리막의 수소투과율 성능 시험도를 보이는 것으로서 디젤 ATR 개질가스를 사용한 제1 시험예, 디젤 ATR과 WGS 가스를 사용한 제2 시험예 및 디젤 ATR, WGS 및 스팀분리가스를 사용한 제3 시험예를 비교한다.
도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 디젤 ATR, WGS 및 스팀분리가스를 사용한 제3 시험예를 보면 제1,2 시험예와는 다르게 다양한 압력 범위 상에서 꾸준하게 높은 수소투과율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 5를 참조하여 또다른 실시예에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템의 전체적인 구성을 설명한다.
본 연료전지 시스템 상에서는 ATR 반응기(120)와 WGS 반응기(140) 사이에 열교환기(190)를 추가적으로 포함한다. 본 연료전지 시스템은 과산화수소의 농도가 67wt.% 이하인 경우의 공정을 예시적으로 나타낸다.
과산화수소의 농도가 67wt.% 이하인 경우 분해반응을 거치더라도 그 분해열이 수용액 내의 물을 모두 기화시키는데 쓰이기 때문에 과산화수소 내의 물이 모두 스팀으로 기화되지 않는다. 이에 따라, 액체 상태의 산화제가 ATR 반응기(120)로 유입될 수 있으며, 액체 상태의 산화제는 ATR 반응기(120)에서의 혼합도를 낮춰 개질 반응의 성능을 크게 저하시킬 수 있다. 또한, 과산화수소 분해촉매가 물에 의해 젖어 과산화수소 분해촉매 성능자체도 감소할 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라, 과산화수소를 1차적으로 열교환기(190)로 공급한 상태에서, ATR 반응기(120)를 거친 고온의 ATR 개질가스(가솔린 디젤연료의 경우엔 7∼800℃)와의 열교환을 통해 기화시킴으로써 과산화수소 분해단(130)으로 공급할 수 있다.
기화된 과산화수소는 과산화수소 촉매분해단(130)에서 분해되어 ATR 반응기(120)로 공급된다. 이때에 발생하는 과산화수소의 분해열은 전체 공정 내에서 열량이 필요한 곳에 추가적으로 활용될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 액체연료와 과산화수소를 이용한 연료전지 시스템 및 연료전지 운전 방법은 에너지 저장밀도 및 수소저장 밀도가 높은 액체연료와 과산화수소를 활용하여 수소를 생산하여 연료전지를 구동시킬 수 있게 함으로써, 산소희박 환경에서 운용되는 잠수함 및 수중무인추진체계 등에 적용 가능한 고에너지밀도의 에너지원을 제공하는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래에 기체 상태의 반응물을 사용하는 경우의 문제점을 해소하기 위하여 대체 산화제인 과산화 수소의 도입을 통해 ATR에 필요한 산화제인 스팀과 산소 모두 공급하게 하고, 또한 과산화수소와 액체 탄화수소 연료 모두 액상인 점을 활용하여 수소분리막을 적용하여 고순도의 수소를 생산할 수 있다.
이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 이용하여 수소를 생산하는 연료전지 운전 방법에서,
    자열개질 반응 단계, 수성가스 전환반응을 통한 일산화탄소의 분율 저하와 수소의 분율 상승을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계, 수소 분리막을 통해 수소와 잔여가스로 분리한 뒤 상기 수소를 활용하여 연료전지를 구동시키는 것을 특징으로 하는,
    연료전지 운전 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소인,
    연료전지 운전 방법.
  3. 액상의 탄화수소 연료를 공급하는 제1 펌프(112)와 액상의 산화제를 공급하는 제2 펌프(114);
    상기 제2 펌프(114)를 통해 상기 액상의 산화제를 공급받는 과산화수소 분해단(130);
    상기 제1 펌프(112)를 통해 공급받는 액상의 탄화수소 연료와 상기 과산화수소 분해단(130)을 통해 공급받는 액상의 과산화수소 산화제를 자열개질(ATR, Auto Thermal Reforming) 방식을 이용하여 수소가 포함된 개질가스를 생성하는 제1 반응기(120);
    상기 제1 반응기(120)에서 공급받는 개질가스에 대한 수성가스 전환반응을 통하여 일산화탄소의 분압 저하와 수소의 분압 상승을 수행하는 제2 반응기(140);
    상기 제2 반응기(140)를 통과한 기체를 공급받는 수소 분리막(150); 및
    상기 수소 분리막(150)을 통해 잔여가스가 분리된 상태의 수소를 공급받는 연료전지(200);를 포함하는,
    연료전지 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소인,
    연료전지 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 제1 반응기(120)와 제2 반응기(140) 사이에 배치되는 탈황기(160);를 추가적으로 포함하는,
    연료전지 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 반응기(120)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 상기 제2 반응기(140)는 복수의 단으로 분리 구성되는,
    연료전지 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 제2 반응기(140)와 수소 분리막(150) 사이에 배치되는 기액 분리기(180)를 추가적으로 포함하는,
    연료전지 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은,
    상기 제1 반응기(120)와 제2 반응기(140) 사이에 배치되는 열교환기(190);를 추가적으로 포함하는,
    연료전지 시스템.
  9. 제 3 항에 따른 연료전지 시스템을 이용한 연료전지 운전 방법에 있어서,
    액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 펌프(110)를 통해 각각 압력을 가해주는 단계;
    제1 반응기(120)를 이용하여 액상의 탄화수소 연료와 액상의 산화제를 공급하여 자열개질 방식을 통하여 개질가스를 생성하는 단계;
    상기 제1 반응기(120)를 거친 개질가스를 제2 반응기(140)를 통과하게 하여 일산화탄소의 분압 저하 및 수소의 분압 상승을 기하는 단계;
    상기 제2 반응기(140)를 통과한 기체를 수소 분리막(150)을 통과하게 하여 수소 및 잔여가스로 분리하는 단계; 및
    상기 수소 분리막(150)을 통해 잔여가스가 분리된 상태의 수소를 연료전지(200)로 공급하는 단계;를 포함하는,
    연료전지 운전 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액상의 산화제는 대체산화제로서 액상의 과산화수소이고,
    상기 과산화수소를 상기 제1 반응기(120)에 공급하는 단계에서,
    과산화수소 분해촉매가 포함된 분해단(130)을 거쳐 스팀과 산소로 분해시켜 상기 제1 반응기(120)로 공급하는,
    연료전지 운전 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 수소 분리막(150)은 팔라듐(Pd)을 기반으로 한 합금(Alloy) 물질로 구성되는,
    연료전지 운전 방법.
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