KR20210077262A - Hydrogen generator using hydrocarbon fuels and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hydrogen generator using hydrocarbon-based fuels and a preparation method thereof, in which hydrocarbon-based fuels are heated to a reaction temperature, at which hydrogen is produced with the highest efficiency, within a short time by using a catalyst so as to obtain the highest hydrogen concentration. The present invention provides a hydrogen generator using hydrocarbon-based fuels, which comprises: a plasma reforming reaction unit configured to receive fuel and water vapor, thereby performing plasma reforming; a first catalyst reaction unit for generating hydrogen by selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction between the fuel and the water vapor according to a reaction temperature after receiving the fuel and water vapor from the plasma reforming reaction unit; a second catalyst reaction unit configured to receive the gas, on which the first catalytic reaction has been performed, from the first catalyst reaction unit, and then selectively perform a water gas conversion reaction or the water vapor reforming reaction so as to generate hydrogen; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas discharged from the second catalytic reaction unit; and a hydrogen collecting unit for collecting and storing the final gas discharged from the final gas temperature reduction unit.

Description

탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법{Hydrogen generator using hydrocarbon fuels and manufacturing method thereof}Hydrogen generator using hydrocarbon fuels and manufacturing method thereof

본 발명은 수소 제조 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 탄화수소계 연료를 촉매를 이용하여 빠른 시간 내에 최고 수소생성효율의 반응온도로 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production technology, and more particularly, hydrogen using a hydrocarbon-based fuel capable of obtaining the highest hydrogen concentration by heating the hydrocarbon-based fuel to the reaction temperature of the highest hydrogen production efficiency within a short time using a catalyst. It relates to a manufacturing apparatus and a method therefor.

일반적으로, 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 기술로는 수상 개질(Aqueous phase Reforming) 반응, 수증기 개질(Steam Reforming) 반응 또는 수성가스 전환(Water Gas Shift) 반응 등이 있다.In general, a hydrogen production technology using a hydrocarbon-based fuel includes an aqueous phase reforming reaction, a steam reforming reaction, or a water gas shift reaction.

상기 수상 개질 반응은 바이오매스로부터 유래한 셀룰로우스(cellulose) 및 헤미셀룰로우스(hemicellulose)로부터 유래한 다양한 종류의 수용액상의 함산소 탄화수소인 폴리올(글리세롤, 솔비톨, 자일리톨 등)로부터 수소를 선택적으로 제조하는 기술이다.The water phase reforming reaction selectively produces hydrogen from polyols (glycerol, sorbitol, xylitol, etc.), which are oxygen-containing hydrocarbons in various types of aqueous solutions derived from cellulose and hemicellulose derived from biomass. manufacturing technology.

그리고 상기 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응은 촉매의 존재 하에서 탄화수소와 수증기를 고온에서 반응시켜 수소 또는 메탄 등을 합성하는 기술이다.And the steam reforming reaction or water gas conversion reaction is a technique for synthesizing hydrogen or methane by reacting hydrocarbons and steam at high temperature in the presence of a catalyst.

상술한 종래기술들의 경우 탄화수소 연료를 이용한 수소생성용 촉매는 펠렛 형태로 촉매온도를 수소생성온도(약 400 내지 500℃)까지 상승시키는데, 전기히터로 가열하거나 촉매연소기법으로 가열할 경우 약 20 내지 30분의 시간이 소요되어, 이 기간 수소생성이 불가한 문제가 있었다.In the case of the prior art described above, the catalyst for hydrogen production using hydrocarbon fuel raises the catalyst temperature to the hydrogen production temperature (about 400 to 500° C.) in the form of pellets, and when heated with an electric heater or heated by a catalytic combustion technique, about 20 to It took 30 minutes, and there was a problem that hydrogen production was impossible during this period.

대한민국 등록특허 제10-1577432호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1577432 대한민국 등록특허 제10-1523122호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1523122

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 플라즈마 개질 장치와 FeCrAl 합금에 촉매물질 Ce 혹은 Cu, La, Ni 등의 열적 내구성이 강한 금속으로 코팅한 금속 촉매를 포함하는 수소 제조 장치에 있어서, 금속 촉매의 온도를 탄화수소계 연료에 대한 수증기 개질 반응 혹은 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응 각각의 적정 활성 온도까지 인덕션 히터를 이용하여 짧은 시간 내에 최고 수소 생성효율 온도로 빠르게 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention for solving the problems of the prior art described above is a plasma reforming device and a metal catalyst coated with a metal having strong thermal durability such as a catalytic material Ce or Cu, La, Ni, etc. on FeCrAl alloy. In the hydrogen production apparatus, the temperature of the metal catalyst is adjusted to the appropriate activation temperature for each of the steam reforming reaction or water gas shift (WGS) reaction for hydrocarbon-based fuel, using an induction heater to the maximum hydrogen production efficiency temperature within a short time. To provide an apparatus and method for producing hydrogen using hydrocarbon-based fuel so that the highest hydrogen concentration can be obtained by rapidly heating to a furnace.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 인덕션 히터를 사용하여 금속 촉매의 수소생성온도(약 400 내지 500℃)인 정상 상태 온도까지 상승시키는데 걸리는 시간을 2-3 분 이내로 단축하고 온도제어를 손쉽게 수행할 수 있도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to reduce the time it takes to rise to the steady state temperature, which is the hydrogen production temperature (about 400 to 500 ° C) of the metal catalyst, to within 2-3 minutes using an induction heater, and to control the temperature. It is to provide an apparatus and method for producing hydrogen using hydrocarbon-based fuel that can be easily performed.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 저온 플라즈마로 탄화수소와 물을 분해할 경우, 고농도의 CO나 각종 탄화수소가 발생하는데 이를 WGS 반응으로 CO를 수소생성에 기여하게 하고, 연차적으로 다음 단계에서 수증기 개질(SR: steam reforming) 반응에 의해 각종탄화수소들이 수소 생성에 기여하도록 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical task to be achieved by the present invention is that, when hydrocarbons and water are decomposed with low-temperature plasma, high concentrations of CO or various hydrocarbons are generated, which contributes to the generation of CO by WGS reaction, and sequentially the next step It is to provide an apparatus and method for producing hydrogen using a hydrocarbon-based fuel so that various hydrocarbons contribute to hydrogen production by steam reforming (SR) reaction.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 수소생성반응 후 고온의 폐열은 수소생성에 필요한 물을 열교환기를 이용하여 가열하여 수증기를 발생함으로써 시스템 전체의 열효율을 향상시키는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is that the high-temperature waste heat after the hydrogen production reaction heats water required for hydrogen production using a heat exchanger to generate water vapor, thereby improving the thermal efficiency of the entire system. To provide an apparatus and a method therefor.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는, 연료와 수증기를 공급받아 플라즈마 개질을 수행하는 플라즈마 개질 반응부; 상기 플라즈마 개질 반응부로부터 상기 연료와 수증기를 유입 받은 후 반응온도에 따라 상기 연료와 상기 수증기의 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제1촉매 반응부; 상기 제1 촉매 반응부로부터 상기 제1 촉매 반응이 수행된 가스를 유입 받은 후 상기 수성가스 전환 반응 또는 수증기 개빌 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제2촉매 반응부; 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스 온도 저감부에서 배출되는 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치를 제공한다.In order to achieve the above technical object, an embodiment of the present invention, a plasma reforming reaction unit for performing plasma reforming by receiving fuel and water vapor; a first catalyst reaction unit for generating hydrogen by selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction between the fuel and the water vapor according to a reaction temperature after receiving the fuel and water vapor from the plasma reforming reaction unit; a second catalyst reaction unit that receives the gas on which the first catalytic reaction has been performed from the first catalyst reaction unit, and then selectively performs the water gas conversion reaction or the steam gabil reaction to generate hydrogen; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas discharged from the second catalytic reaction unit; and a hydrogen collecting unit for collecting and storing the end gas discharged from the end gas temperature reducing unit; provides a hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a.

상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매인 것을 특징으로 한다.The catalyst of the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit is Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al 2 O 3 catalyst.

상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는. CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit. CuCePt / γ-Al 2 O 3 Characterized in that it further comprises a catalyst.

상기 플라즈마 개질 반응부는. 플라즈마 챔버; 상기 플라즈마 챔버의 내부 입구 측에 설치되어 나선형 양극의 일단부를 지지하며 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기; 상기 선회기를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극; 상기 플라즈마 챔버의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극과 함께 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극; 및 상기 플라즈마 챔버의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The plasma reforming reaction unit. plasma chamber; a swirler installed at the inner inlet side of the plasma chamber to support one end of the spiral anode and to rotate the supplied fuel and water vapor; a plasma spiral anode configured to apply plasma to a mixture of fuel and water vapor supplied by turning through the swirler; a tubular cathode installed outside the plasma chamber to form plasma in the plasma chamber together with the spiral anode; and a honeycomb-type support installed at the inner outlet side of the plasma chamber to support the other end of the spiral anode.

상기 플라즈마 개질 반응부는, 상기 나선형 양극과 관형 음극으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The plasma reforming reaction unit is characterized in that it further comprises a plasma power supply for supplying plasma power to the spiral anode and the tubular cathode.

상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는, 절연관; 외부면에 촉매가 코팅되어 상기 절연관의 내부에 장착되어 외부의 전자기유도 기전력에 의해 와류가 생성되어 가열되는 금속 촉매 담체; 및 상기 절연관의 외부에 권선되어 외부의 인덕션 히터 전력 공급기로부터 전력을 공급받아 상기 금속 촉매 담체에 와전류 생성을 위한 전자기유도 기전력을 발생시키는 인덕션 코일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit may include an insulating tube; a metal catalyst carrier coated with a catalyst on an outer surface and mounted inside the insulating tube to generate a vortex by external electromagnetic induced electromotive force and heat; and an induction coil wound on the outside of the insulating tube to receive power from an external induction heater power supply and generate electromagnetic induced electromotive force for generating an eddy current in the metal catalyst carrier.

상기 제1 촉매 반응부 또는 상기 제2 촉매 반응부는, 수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응을 수행 후 배출되는 연료와 수증기 및 수소를 포함하는 가스의 냉각을 위한 제1 열교환기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit further comprises a first heat exchanger for cooling the fuel discharged after performing a steam reforming (SR) reaction and a gas containing water vapor and hydrogen characterized in that

상기 최종 가스 온도 저감부는, 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제 2 열교환기의 응축수를 저장하는 제2 물탱크; 상기 제2 열교환기와 상기 제2 물탱크 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기에서 생성된 응축된 물을 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브; 및 상기 제2 물탱크에 저장된 물을 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 제1 열교환기로 공급하는 제2 온/오프 밸브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The final gas temperature reduction unit, a second heat exchanger for exchanging heat of the gas introduced after the steam reforming reaction or the water gas conversion reaction; a second water tank for storing the condensed water of the second heat exchanger; a first on/off valve installed between the second heat exchanger and the second water tank to supply condensed water generated in the second heat exchanger to the second water tank; and a second on/off valve for supplying the water stored in the second water tank to the first heat exchanger of the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit.

상기 수소포집부는, 하나 이상의 저압수송탱크; 하나 이상의 고압수소탱크; 상기 최종 가스 온도 저감부를 통해 배출되는 상기 최종 가스의 역류를 방지하는 체크밸브; 상기 체크밸브의 하류 측에 설치되어 상기 최종 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분트랩; 수분이 제거된 상기 최종 가스를 상기 저압수소탱크 또는 고압수소탱크로 선택적으로 분기하는 제3 밸브; 및 상기 수분트랩과 상기 저압수소탱크 및 상기 고압수소탱크 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩 또는 상기 저압 수소탱크에서 공급되는 최종 가스를 가압하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크로 배출하는 가스부스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The hydrogen collection unit, one or more low-pressure transport tanks; one or more high-pressure hydrogen tanks; a check valve for preventing a reverse flow of the final gas discharged through the final gas temperature reducing unit; a moisture trap installed on the downstream side of the check valve to remove moisture contained in the final gas; a third valve for selectively branching the final gas from which moisture has been removed to the low-pressure hydrogen tank or the high-pressure hydrogen tank; and a gas booster installed in the pipe between the moisture trap and the low-pressure hydrogen tank and the high-pressure hydrogen tank to pressurize the final gas supplied from the moisture trap or the low-pressure hydrogen tank and discharge it to one or more of the high-pressure hydrogen tanks; It is characterized in that it comprises.

상기 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치는, 제1 물탱크에서 공급된 물을 수용하는 증발관; 및 상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관에 장착되어 가열되는 인덕션 히터;를 포함하는 수증기 공급부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The apparatus for producing hydrogen using the hydrocarbon-based fuel includes: an evaporation tube for accommodating water supplied from a first water tank; and an induction heater mounted on the evaporation tube to heat the water in the evaporation tube to convert it into water vapor.

상기 증발관은, 외부의 절열물질 관; 및 상기 절연물질 관의 내부에 장착되어 가열되는 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속망;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The evaporation tube, an external insulating material tube; And it is characterized in that it comprises a; corrosion resistance and electromagnetic induction heating metal mesh mounted inside the insulating material is heated and heated.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계; 상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계; 상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및 상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is a plasma reforming reaction unit; A first catalytic reaction unit and a second catalytic reaction unit for selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas containing the generated hydrogen; and a hydrogen collecting unit for collecting and storing the final gas; in the method for producing hydrogen by a hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel configured to include, in a state in which the plasma reforming reaction of the plasma reforming reaction unit is stopped, the steam supply unit a steam reforming reaction step of supplying steam and hydrocarbon-based fuel supplied in the first catalytic reaction unit and then performing a steam reforming reaction; a water gas conversion reaction step of performing a water gas conversion reaction after the second catalyst reaction unit receives the gas discharged from the steam reforming reaction step; a final gas temperature reduction step in which the final gas temperature reduction unit cools and discharges the final gas discharged from the second catalyst reaction unit; and a hydrogen capture step of collecting the final gas, the temperature of which has been reduced by the hydrogen collecting unit, and storing it in a storage tank. It provides a method for producing hydrogen using a hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계; 상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계; 상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및 상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, another embodiment of the present invention is a plasma reforming reaction unit; A first catalytic reaction unit and a second catalytic reaction unit for selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas containing the generated hydrogen; and a hydrogen collecting unit for collecting and storing the final gas; in the method for producing hydrogen by a hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel configured to include, in a state in which the plasma reforming reaction of the plasma reforming reaction unit is stopped, the steam supply unit a steam reforming reaction step of supplying steam and hydrocarbon-based fuel supplied from the to the first catalytic reaction unit and then performing a steam reforming reaction; a water gas conversion reaction step of performing a water gas conversion reaction after the second catalyst reaction unit receives the gas discharged from the steam reforming reaction step; a final gas temperature reduction step in which the final gas temperature reduction unit cools and discharges the final gas discharged from the second catalyst reaction unit; and a hydrogen capture step of collecting the final gas, the temperature of which has been reduced by the hydrogen collecting unit, and storing it in a storage tank. It provides a method for producing hydrogen using a hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a.

본 발명의 일 실시예는 플라즈마 개질 장치와 FeCrAl 합금에 촉매물질 Cu 혹은 Ce, La, Ni 등의 열적 내구성이 강한 금속으로 코팅한 금속 촉매를 포함하는 수소 제조 장치에 있어서, 금속 촉매의 온도를 탄화수소계 연료에 대한 수증기 개질 반응 혹은 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응 각각의 적정 활성 온도까지 인덕션 히터를 이용하여 짧은 시간 내에 최고 수소 생성효율 온도로 빠르게 가열하여 최고 수소 농도를 얻을 수 있도록 하는 효과를 제공한다.In an embodiment of the present invention, in a hydrogen production apparatus including a plasma reforming apparatus and a metal catalyst coated with a metal having strong thermal durability such as Cu or Ce, La, Ni, etc. as a catalyst material on FeCrAl alloy, the temperature of the metal catalyst is controlled by hydrocarbon The steam reforming reaction or water gas shift (WGS: Water Gas Shift) reaction for system fuel is rapidly heated to the maximum hydrogen production efficiency temperature within a short time by using an induction heater to the appropriate activation temperature to obtain the highest hydrogen concentration. provides an effect.

또한, 본 발명의 일 실시예는 인덕션 히터를 사용하여 금속 촉매의 수소생성온도(약 400 내지 500℃)인 정상 상태 온도까지 상승시키는데 걸리는 시간을 2-3 분 이내로 단축하고 온도제어를 손쉽게 수행할 수 있도록 한다.In addition, an embodiment of the present invention uses an induction heater to shorten the time it takes to rise to the steady state temperature, which is the hydrogen production temperature (about 400 to 500 ° C) of the metal catalyst, to within 2-3 minutes and to easily perform temperature control. make it possible

또한, 본 발명의 일 실시예는 저온 플라즈마로 탄화수소와 물을 분해할 경우, 고농도의 CO나 각종 탄화수소가 발생하는데 이를 WGS 반응으로 CO를 수소생성에 기여하게 하고, 연차적으로 다음 단계에서 수증기 개질(SR: steam reforming) 반응에 의해 각종탄화수소들이 수소 생성에 기여하도록 하여 수소 제조 효율을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.In addition, in one embodiment of the present invention, when hydrocarbons and water are decomposed with low-temperature plasma, high concentrations of CO or various hydrocarbons are generated, which contributes to the generation of CO by WGS reaction, and sequentially steam reforming in the next step (SR: steam reforming) provides the effect of significantly improving hydrogen production efficiency by allowing various hydrocarbons to contribute to hydrogen production.

또한, 본 발명의 일 실시예는 수소생성반응 후 고온의 폐열은 수소생성에 필요한 물을 열교환기를 이용하여 가열하여 수증기를 발생함으로써 시스템 전체의 열효율을 향상시키는 효과를 제공한다.In addition, an embodiment of the present invention provides an effect of improving the thermal efficiency of the entire system by generating steam by heating water required for hydrogen generation using a heat exchanger for high-temperature waste heat after the hydrogen generation reaction.

또한, 본 발명의 일 실시예는, DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-AL203SR 촉매에서 반응 온도 별 H2 생성농도는 425 ℃에서 80.6%로 최고농도를 나타내었다. 이상과 같이 탄화수소계 연료를 효율적으로 수소연료를 생성할 수 있도록 한다.In addition, in an embodiment of the present invention, the DME fuel is Cu (10%) Ce (4%) / γ-AL 2 0 3 H 2 production concentration for each reaction temperature in the SR catalyst is the highest concentration to 80.6% at 425 ℃ indicated. As described above, it is possible to efficiently generate hydrogen fuel from hydrocarbon-based fuel.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 기능 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 플라즈마 개질부(2)의 상세 구성도.
도 3은 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응온도 별 수소생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV(Space Velocity, 공간속도= (촉매를 통과하는 반응물질의 질량 유량율(L/h)/촉매의 체적(L)), 7100 1/h 조건)를 나타내는 그래프.
도 4는 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 H2생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간 생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도의 영향을 나타내는 그래프.
도 5는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적환 온도를 나타내는 그래프.
도 6은 수증기 개질(SR) 반응부(3)와 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 상세 구성도.
도 7은 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도.
도 8은 플라즈마 개질 반응, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도.
1 is a functional block diagram of an apparatus for producing hydrogen using a hydrocarbon-based fuel according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a detailed configuration diagram of the plasma reforming unit 2 of the hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a DME fuel Cu (10%) Ce (4%) / γ-Al 2 O 3 Hydrogen production concentration by reaction temperature in the steam reforming (SR) reaction catalyst, DME (dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 ) The emission concentration, the concentration of CO and CH 4 as intermediate products of the reaction (SV (Space Velocity, space velocity = (mass flow rate of the reactant passing through the catalyst (L/h) / the volume of the catalyst (L))), 7100 1/h condition).
4 is a DME fuel Cu (10%) Ce (4%) / γ-Al 2 O 3 H 2 production concentration for each reaction temperature in the steam reforming (SR) reaction catalyst, DME (dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 ) Graph showing the effect of emission concentration and the concentration of CO and CH 4, which are intermediate products of the reaction.
Figure 5 is a graph showing the optimum temperature of the water gas shift (WGS) reaction.
6 is a detailed configuration diagram of the steam reforming (SR) reaction unit (3) and the water gas conversion (WGS) reaction unit (4).
7 is a hydrogen gas production process diagram by steam reforming (SR) reaction and water gas conversion (WGS) reaction.
Figure 8 is a hydrogen gas production process diagram by plasma reforming reaction, water gas conversion (WGS) reaction and steam reforming (SR) reaction.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in several different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be “connected (connected, contacted, coupled)” with another part, it is not only “directly connected” but also “indirectly connected” with another member interposed therebetween. "Including cases where In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 8및 이하의 본 발명의 일 실시예의 수소 제조 장치의 설명에서 본 발명의 제1 촉매 반응부는 수증기 개질 반응부(3)로, 제2 촉매 반응부는 수성가스 전환 반응부(4)로 하여 설명한다.1 to 8 and below in the description of the hydrogen production apparatus of an embodiment of the present invention, the first catalytic reaction unit of the present invention is a steam reforming reaction unit (3), and the second catalytic reaction unit is a water gas conversion reaction unit (4) to be explained.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치(이하, '수소 제조 장치'라 함)의 기능 블록도이다.1 is a functional block diagram of a hydrogen production apparatus (hereinafter, referred to as a 'hydrogen production apparatus') using a hydrocarbon-based fuel according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 상기 수소 제조 장치는, 공급된 물을 가열하여 수증기를 생성한 후 공급하는 수증기 공급부(1), 플라즈마 개질 반응부(2), 수증기 개질(SR: Steam Reforming) 반응부(3), 수성가스 전환(WGS: Water Gas Shift) 반응부(4), 최종 가스 온도 저감부(4) 및 수소포집부(6)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1 , the hydrogen production apparatus includes a steam supply unit 1 , a plasma reforming reaction unit 2 , and a steam reforming (SR) reaction unit 3 that heat supplied water to generate steam and then supply it. ), water gas shift (WGS: Water Gas Shift) may be configured to include a reaction unit (4), a final gas temperature reduction unit (4) and a hydrogen collection unit (6).

상기 수증기 공급부(1)는 제1 물탱크(30)에서 공급된 물을 수용하는 증발관(100) 및 가열되는 것에 의해 상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관(100)에 장착되는 인덕션 히터(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 증발관(100)은 절연물질관으로 구성되고, 내부에 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속 망(110)으로 구성된다. 도 1의 경우 상기 유도가열 금속 망(110)의 일 예로서 스테인리스스틸(Stainless Steel: STS, SUS) 망인 것으로 도시하였다. 상기 인덕션 히터(120)는 인덕션 히터 전력공급기(900)를 통해 공급된 전력에 의한 유도 전력에 의해 가열되는 인덕션 코일로 구성될 수 있다.The water vapor supply unit 1 includes an evaporation tube 100 for accommodating the water supplied from the first water tank 30 and the evaporation tube 100 to heat the water in the evaporation tube by being heated and convert it into water vapor. ) may be configured to include an induction heater 120 mounted on. In this case, the evaporation tube 100 is composed of an insulating material tube, and is composed of an induction heating metal mesh 110 that is corrosion-resistant and electromagnetic induction heated therein. In the case of FIG. 1, as an example of the induction heating metal mesh 110, it is shown as a stainless steel (STS, SUS) mesh. The induction heater 120 may be configured as an induction coil heated by induction power by power supplied through the induction heater power supply 900 .

상술한 수성의 수증기 공급부(1)는 냉각핀이 달린 제1 물탱크(30)에서 밸브(40)와 질량유량계(20)를 통해 수소 발생을 위해 공급량이 제어되어 공급되는 물을 증발관(100)을 통해 공급 받은 후, 증발관 내부의 SUS 망 등의 유도 가열 금속 망(110)의 인덕션 히터 전력공급기(900)에 의해 공급 전력을 공급받은 히터(120)의 전자기 유도 작용에 의한 급속한 가열에 의해 수증기를 생성하여 플라즈마 개질 반응부(2)로 공급한다. 상기 인덕션 코일은 종래의 전기 열선 예를 들어 철 니크롬선보다 가열 속도가 빨라 시동 후 빠른 시간에 수증기를 공급할 수 있도록 한다. 상기 증발관(100)은 절연물질, 예를 들어 유리 관이나 세라믹 관으로 구성되며, 상기 유도가열 금속 망(110)은 인덕션 히터(120)의 인덕션 코일에 의한 전자기유도에 의해 가열되며 물 등에 의해 부식되지 않은 내부식성 스테인리스 금속 등의 도체 금속들 중에서 선택되어 구성될 수 있다.The above-described aqueous water vapor supply unit 1 is the first water tank 30 having a cooling fin, and the supply amount is controlled for hydrogen generation through the valve 40 and the mass flow meter 20, and the supplied water is transferred to the evaporation pipe 100 . After being supplied through the ), rapid heating by electromagnetic induction action of the heater 120 supplied with power supplied by the induction heater power supply 900 of the induction heating metal mesh 110 such as the SUS network inside the evaporation tube. to generate water vapor and supply it to the plasma reforming reaction unit 2 . The induction coil has a higher heating rate than a conventional electric heating wire, for example, an iron nichrome wire, so that water vapor can be supplied quickly after starting. The evaporation tube 100 is made of an insulating material, for example, a glass tube or a ceramic tube, and the induction heating metal mesh 110 is heated by electromagnetic induction by the induction coil of the induction heater 120, and is heated by water or the like. The non-corrosive, corrosion-resistant stainless steel may be selected from among conductor metals.

상기 플라즈마 개질 반응부(2)는, 플라즈마 챔버(201)와, 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부 입구 측에 플라즈마 나선형 양극(210)의 일단부를 지지하도록 설치되어 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기(230)와, 상기 선회기(230)를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극(210)과 상기 플라즈마 챔버(201)의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극(210)과 함께 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극(220), 상기 플라즈마 챔버(201)의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극(210)의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대(240) 및 상기 나선형 양극(210)와 관형 음극(220)으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기(200)를 포함하여 구성될 수 있다.The plasma reforming reaction unit 2 is installed to support the plasma chamber 201 and one end of the plasma spiral anode 210 at the inner inlet side of the plasma chamber 201 to rotate the supplied fuel and water vapor. The helical anode 210 is installed outside the plasma chamber 201 and the plasma spiral anode 210 for applying plasma to the fuel and water vapor mixture supplied by turning through the swirler 230 , and the spiral anode 210 is installed outside the plasma chamber 201 . ) together with a tubular cathode 220 for forming plasma inside the plasma chamber 201, and a honeycomb-type support installed at the inner outlet side of the plasma chamber 201 to support the other end of the spiral anode 210 240 and a plasma power supply 200 for supplying plasma power to the spiral anode 210 and the tubular cathode 220 .

도 2는 본 발명의 일 실시예의 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치의 플라즈마 개질부(2)의 상세 구성도이다.2 is a detailed configuration diagram of the plasma reforming unit 2 of the apparatus for producing hydrogen using a hydrocarbon-based fuel according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상술한 구성의 플라즈마 개질 반응부(2)는, 전단 수증기 증발관(100)에서 공급된 증기와 질량유량계(20)를 통해 정량 제어되어 공급되는 연료탱크(10)의 연료를 공급받는다. 공급된 연료와 수증기는 플라즈마 개질 반응부(2) 입구의 선회기(230)를 선회하면서 혼합되어 플라즈마 나선형 양극(210)과 관형 음극(220)에서 플라즈마 전력공급기(200)에 의해 가전되어 발생한 플라즈마 사이로 공급되면서 개질 반응을 진행한다. 나선형 양극(41)은 허니컴 형 지지대(240)에 의해 지지되고 있다. 이 때 반응식1과 같이, 같이 탄화수소 연료와 물이 개질되어 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2) 및 기타 각종의 탄화수소(hydrocarbons, HCs, CxHy(CH4, C2H4, C3H6, C3H8, C4H10….)등)를 생성한다. 이 때 물의 공급량은 연료의 종류에 따라 이론적으로 필요한 양의 약 2배 정도를 공급한다.Referring to FIGS. 1 and 2 , the plasma reforming reaction unit 2 having the above-described configuration includes steam supplied from the previous stage steam evaporation tube 100 and a fuel tank 10 that is quantitatively controlled and supplied through a mass flow meter 20 . ) is supplied with fuel. The supplied fuel and water vapor are mixed while swirling around the swirler 230 at the inlet of the plasma reforming reaction unit 2, and the plasma generated by being energized by the plasma power supply 200 in the plasma spiral anode 210 and the tubular cathode 220. The reforming reaction proceeds as it is supplied between them. The spiral anode 41 is supported by a honeycomb type support 240 . At this time, as shown in Scheme 1, hydrocarbon fuel and water are reformed as shown to hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ) and other various hydrocarbons (hydrocarbons, HCs, CxHy(CH 4 , C 2 H 4 ) , C 3 H 6 , C 3 H 8 , C 4 H 10 ….), etc.). At this time, the amount of water supplied is about twice the theoretically required amount depending on the type of fuel.

CxHy + zH2O-> aH2 + bCO + dCO2 + HCs -----(반응식 1)(z, a, b, d는 계수)CxHy + zH 2 O-> aH 2 + bCO + dCO 2 + HCs ----- (Scheme 1) (z, a, b, d are coefficients)

다시, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응부(3)는, 제1절연관(330)과, 외부면에 연료에 따라 촉매 반응을 유발하는 촉매가 코팅되어 상기 제1절연관(330)의 내부에 장착되는 FeCrAl 금속 담체 등의 제1 금속 촉매 담체(320)와, 상기 제1절연관(330)의 외부에 권선되어 상기 인덕션 히터 전력공급기(900)로부터 공급되는 전력에 의해 가열되는 제1 인덕션 코일(310)을 포함하여 구성된다.Again, referring to FIG. 1 , the steam reforming (SR) reaction unit 3 is coated with a catalyst that induces a catalytic reaction depending on the fuel on the first insulating tube 330 and the outer surface. A first metal catalyst carrier 320 such as a FeCrAl metal carrier mounted inside the first insulating pipe 330, and the induction heater power supply 900 wound around the outside of the first insulating pipe 330 It is configured to include a first induction coil 310 heated by the supplied power.

상기 촉매 반응을 유발하는 촉매의 코팅 방법의 일 예로는 FeCrAl 합금을 열처리하여 담체를 형성하는 단계, 담체의 표면에 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 증류수에 혼합시킨 용액을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 조촉매 물질층을 형성하는 단계, 그리고 조촉매 물질층 상에 γ-Al2O3 및 귀금속 물질을 포함하는 졸(sol)을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 여기서, 조촉매 물질층이 담체의 표면과 촉매층을 접착시킨다. 상기 담체를 형성하는 단계에서, 열처리는 950 ~ 1050 ℃의 온도에서 10~ 17 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 열처리에 의해 담체의 표면에 다수의 돌기가 형성되고, 돌기는 γ-Al2O3 를 포함할 수 있다. 상기 촉매층을 형성하는 단계에서, 졸은 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다.An example of the coating method of the catalyst to cause the catalytic reaction to form a carrier by heating a FeCrAl alloy, the surface of the carrier Ce (NO 3) 3 · 6H 2 O, Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O , La(NO 3 ) 3 .6H 2 O, NiCl 2 .6H 2 O, or NiSO 4 .6H 2 O, coated with a solution of at least one material mixed in distilled water and at a temperature of 110 to 130 ℃ for 3 to 5 hours After drying for a while, heat treatment at a temperature of 400 to 600 ° C. for 1 to 5 hours to form a promoter material layer, and a sol (sol) containing γ-Al 2 O 3 and a noble metal material on the promoter material layer ) coated and dried at a temperature of 110 to 130 ° C. for 3 to 5 hours, and then heat-treated at a temperature of 400 to 600 ° C. for 1 to 5 hours to form a catalyst layer. Here, the promoter material layer adheres the surface of the carrier to the catalyst layer. In the step of forming the carrier, the heat treatment may be performed at a temperature of 950 ~ 1050 ℃ for 10 ~ 17 hours. A plurality of protrusions are formed on the surface of the carrier by such heat treatment, and the protrusions may include γ-Al 2 O 3 . In the step of forming the catalyst layer, sol Ce (NO 3) 3 · 6H 2 O, Cu (NO 3) 2 · 3H 2 O, La (NO 3) 3 · 6H 2 O, NiCl 2 · 6H 2 O, Or NiSO 4 ·6H 2 O may further include one or more of the material.

상기 조촉매 물질층을 형성하는 단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 상기 조촉매 물질층을 형성하는 단계는 2회 이상 반복 수행될 수 있다.In the step of forming the cocatalyst material layer, before the heat treatment, the coating and drying processes may be repeatedly performed two or more times. The step of forming the promoter material layer may be repeated two or more times.

상기 촉매층 형성 단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 상기 촉매층 형성 단계는 2회 이상 반복 수행될 수 있다.In the catalyst layer forming step, before the heat treatment, the coating and drying processes may be repeatedly performed twice or more. The catalyst layer forming step may be repeated two or more times.

상기 구성에서 상기 제1 금속 촉매 담체(320)에 코팅되는 촉매는 DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 연료의 경우, Cu-Ce/γ-Al2O3 촉매일 수도 있다.In the above configuration, the catalyst coated on the first metal catalyst carrier 320 may be a Cu-Ce/γ-Al2O 3 catalyst in the case of dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 (DME) fuel.

상술한 구성의 수증기 개질 반응부(3)는, 인덕션 히터 전력공급기(900)의 조정에 의해 공급된 전력이 제1 인덕션 코일(310)에 의한 전자기유도 현상에 의해 촉매가 코팅된 제1 금속 촉매 담체(320)에 소용돌이 전류를 발생시켜 줄열을 발생시킨다. 이에 의해, 제1 금속 촉매 담체(320)가 급속히 가열되어 수소 생성에 최적 온도인 400 내지 500 ℃ 사이의 설정 온도로 온도를 급속히(2 내지 3 분 이내) 상승시킨다. 전단의 플라즈마 개질부(2)에서 생성한 CO와 HCs들은 수증기 개질 반응부(3)에서 반응하여 수소 생성 농도를 증가시킨다. 이 때 수증기 개질 반응부(3)의 기본 반응식은 하기의 수증기 개질 반응식인 [반응식 2]와 같다.In the steam reforming reaction unit 3 having the above configuration, the power supplied by the control of the induction heater power supply 900 is a catalyst-coated first metal catalyst by electromagnetic induction by the first induction coil 310 . A vortex current is generated in the carrier 320 to generate Joule heat. As a result, the first metal catalyst carrier 320 is rapidly heated to rapidly increase the temperature (within 2 to 3 minutes) to a set temperature between 400 and 500° C., which is an optimum temperature for hydrogen generation. CO and HCs generated in the plasma reforming unit 2 of the previous stage react in the steam reforming reaction unit 3 to increase the hydrogen production concentration. At this time, the basic reaction equation of the steam reforming reaction unit 3 is the same as [Reaction Equation 2], which is the following steam reforming reaction equation.

HCs + wH2O -> eH2 + fCO + gCO2 --------- (반응식 2)(w, e, f, g는 계수)HCs + wH 2 O -> eH 2 + fCO + gCO 2 --------- (Scheme 2) (w, e, f, g are coefficients)

도 3은 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3(γ-Al2O3 에 대하여, 10(Cu) - 4(Ce) = 80 내지 90 %, 바람직하게86%)수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 수소생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV=7100 1/h)를 나타내는 그래프이다.3 is a DME fuel with Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al 2 O 3 (γ-Al 2 O 3 , 10(Cu) - 4(Ce) = 80 to 90%, preferably 86%) In the steam reforming (SR) reaction catalyst, the concentration of hydrogen production by reaction temperature, the concentration of DME (dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 ) emission, and the concentration of CO and CH 4 as intermediate products of the reaction (SV=7100) 1/h) is a graph showing.

도 3은 본 발명의 탄화수소계 연료의 일 실시예인 DME(dimetyl-ether, CH3OCH3)를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3의 수증기 개질 촉매에서 반응 온도 별 H2 생성 농도와, DME 배출농도, 반응의 중간생성물질인 CO 및 CH4으| 생성 농도를 각각 나타내고 있다. 여기서 S(Space Velocity)는 촉매에 통과하는 반응물질의 질량유량속도를 촉매의 벌크 체적으로 나눈 값으로 촉매의 부하는 나타낸다. DME는 완전히 0% 로 없어지고, H2 가 최고 농도이면서, CO와 CH4의 농도가 최저인 경우가 최적의 조건이다. 따라서 DME가 0% 되는 반응온도는 450℃ 이며, 최고의 H2 생성농도는 500 ℃에서 80.371 %를 나타내고 있다. 이 농도는 이론적으로 DME가 개질 반응으로 생성할 수 있는 H2으| 최고 농도는 75% 보다 5.371%나 높다. 그 이유는 공급한 수증기의 농도를 이론 양의 2 배로 공급하였기 때문에 잉여의 수증기와 중간 생성물인 CO의 일부가 반응하여 다음 수증기 개질 반응 촉매 반응식인 [반응식 3]에 의해 수성 가스 전환(WGS(Water Gas Shift) 반응처럼 수소를 생성하였기 때문이다. 즉 사용한 수증기 개질 반응 촉매 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3은 수소생성을 위한 수증기 개질(SR) 반응과 수성 가스 전환(WGS) 반응을 동시에 수행할 수 있다는 것을 알 수 있다.Figure 3 is an embodiment of the hydrocarbon fuel of the present invention DME (dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 ) Cu (10%) Ce (4%) / γ-Al 2 O 3 The reaction temperature in the steam reforming catalyst of O 3 Concentration of H 2 production, concentration of DME emission, CO and CH 4 as intermediate products of the reaction | Each concentration is shown. Here, S (Space Velocity) is a value obtained by dividing the mass flow rate of the reactant passing through the catalyst by the bulk volume of the catalyst, and represents the load of the catalyst. DME is completely eliminated to 0%, H 2 is the highest concentration, CO and CH 4 The optimal condition when the concentration of the lowest. Therefore, the reaction temperature at which DME is 0% is 450 °C, and the highest H 2 production concentration is 80.371% at 500 °C. This concentration is theoretically equivalent to the amount of H 2 that DME can produce in the reforming reaction. The highest concentration is 5.371% higher than 75%. The reason is that because the concentration of supplied steam was supplied at twice the theoretical amount, some of the surplus steam and the intermediate product, CO, reacted, and the water gas conversion (WGS (Water (Water) Gas Shift) reaction, that is, the used steam reforming reaction catalyst Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al 2 O 3 is steam reforming (SR) reaction for hydrogen generation and water gas conversion It can be seen that the (WGS) reaction can be performed simultaneously.

CO + H2O -> H2 + CO2 ------------- (반응식 3)CO + H 2 O -> H 2 + CO 2 ------------- (Scheme 3)

이 일 실시예의 경우 SR 반응의 최적온도는 450 내지 500 ℃라고 할 수 있으며, 사용 연료의 종류에 따라 이 반응온도 전후로 변할 수 있다.In the case of this embodiment, the optimum temperature for the SR reaction may be 450 to 500° C., and may change around this reaction temperature depending on the type of fuel used.

도 4는 DME 연료를 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 수증기 개질(SR) 반응 촉매에서 반응 온도 별 H2생성 농도와, DME(dimetyl-ether, CH3OCH3) 배출농도, 반응의 중간 생성물질인 CO 및 CH4의 생성 농도(SV)의 영향을 나타내는 그래프이다.4 is a DME fuel Cu (10%) Ce (4%) / γ-Al 2 O 3 H 2 production concentration for each reaction temperature in the steam reforming (SR) reaction catalyst, DME (dimetyl-ether, CH 3 OCH 3 ) is a graph showing the effect of the emission concentration and the production concentration (SV) of CO and CH 4 , which are intermediate products of the reaction.

도 4는 도 3의 SV-7100 1/h에 비교하여 반응 물질의 량은 동일한 상태에서 촉매의 양이 약 29% 증가한 경우이다. 이 경우 반응성이 향상되어 DME 연료 400℃ 에서 0%로 완전히 제거되고, CO의 생성농도는 400℃에서 최저이며, 수소 생성률은 425℃에서 80.6%로 최고 농도를 나타낸다. 이 실시예의 경우 최적 수증기 개질(SR) 반응 온도는 425℃라고 할 수 있다.4 is a case in which the amount of the catalyst is increased by about 29% while the amount of the reactant is the same as compared to SV-7100 1/h of FIG. 3 . In this case, the reactivity is improved and the DME fuel is completely removed to 0% at 400°C, the CO production concentration is the lowest at 400°C, and the hydrogen production rate is the highest at 425°C at 80.6%. In this embodiment, the optimum steam reforming (SR) reaction temperature can be said to be 425 ℃.

수증기 개질 반응의 후단에는 가열된 고온의 반응 가스가 흘러 나온다. 이 고온의 폐열은 제1 열교환기(340)를 통과하는 물 순환에 의해 회수되며, 이때 가열된 물은 증발기로 공급하여 물의 증발에 필요한 에너지를 최소화시켜 전체 수소 제조 장치의 열효율을 향상시킨다. 공급하는 물은 반응 후 남은 수증기를 마지막 단의 제2 열교환기(570)에 의해 응축되어 제2 물탱크(500)로 회수되어 재사용되며, 이때 물은 제2 온/오프 밸브(564)를 통과한 후 제2 물순환 펌프(750)에 의해 제1 열교환기(340)로 보내져 폐열이 회수되고, 이후 질량유량계(20)에 의해 소정의 유량으로 조정된 후 수증기 공급부(1)의 증발관(100)으로 공급된다. 이때 반응에 사용한 후 남거나 부족한 물은 제1 물탱크(30)의 배관에 장착된 3-방향(3-way) 제1 밸브(40)를 통해 공급하거나 과잉되는 물을 제1 물탱크(30)로 보내는 제어를 수행한다. 그리고 전체 수소 제조 장치에서 물이 부족한 경우에는 외부에서 제2 밸브(50)를 통해 제1 물탱크(30)로 보충을 위한 물이 공급된다.At the rear end of the steam reforming reaction, a heated high-temperature reaction gas flows out. This high-temperature waste heat is recovered by water circulation passing through the first heat exchanger 340, and the heated water is supplied to the evaporator to minimize energy required for water evaporation, thereby improving the thermal efficiency of the entire hydrogen production apparatus. The supplied water is condensed by the second heat exchanger 570 of the last stage to condense the water vapor remaining after the reaction, and is recovered and reused in the second water tank 500. At this time, the water passes through the second on/off valve 564. Then, it is sent to the first heat exchanger 340 by the second water circulation pump 750 to recover waste heat, and after adjusting to a predetermined flow rate by the mass flow meter 20, the evaporation tube ( 100) is supplied. At this time, the remaining or insufficient water after being used for the reaction is supplied through the 3-way first valve 40 mounted on the pipe of the first water tank 30 or the excess water is supplied to the first water tank 30 . control is sent to In addition, when water is insufficient in the entire hydrogen production apparatus, water for replenishment is supplied to the first water tank 30 through the second valve 50 from the outside.

다시 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 수성가스 전환 반응부(4)는 제2절연관(432)과, 외부면에 연료에 따라 촉매 반응을 유발하는 촉매가 코팅되어 상기 제2절연관(432)의 내부에 장착되는 FeCrAl 금속 담체 등의 제2 금속 촉매 담체(422)와, 상기 제2절연관(432)의 외부에 권선되어 상기 인덕션 히터 전력공급기(900)로부터 공급되는 전력에 의해 가열되는 제2 인덕션 코일(412)을 포함하여 구성되는 것으로서 전체적으로 수증기 개질 반응부(3)와 동일한 구성을 가진다. 그리고 상기 수성가스 전환 반응부의 수성가스 전환 반응을 위한 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 또는 CuCePt/γ-Al2O3 촉매일 수 있다.Referring back to FIG. 1 , the water gas conversion reaction unit 4 is coated with a second insulating pipe 432 and a catalyst that induces a catalytic reaction depending on the fuel on the outer surface of the second insulating pipe 432 . ), a second metal catalyst carrier 422 such as a FeCrAl metal carrier mounted inside, and the second insulating tube 432 wound around the outside of the induction heater power supply 900, which is heated by the power supplied from As configured including the second induction coil 412 , it has the same configuration as the steam reforming reaction unit 3 as a whole. And the catalyst for the water gas conversion reaction of the water gas conversion reaction unit may be Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al 2 O 3 or CuCePt/γ-Al 2 O 3 catalyst.

상술한 구성의 수성가스 전환 반응부(4)는 인덕션 히터 전력공급기(900)의 조정에 의해 공급된 전력에 의한 제2 인덕션 코일(412)의 전자기 유도 현상으로 상기 제2 금속 촉매 담체(422)의 표면에 생성되는 와류 전류에 의해 수성 가스 전환 반응에 의한 수소 생성에 최적 온도인 200 내지 350℃ 사이의 온도로 가열되어 유지된다. 이에 의해, 전단부 플라즈마 개질부(1)에서 고농도로 생성되어 유입된 CO는 [반응식 4]와 같은 수성가스 전환 반응에 의해 수소를 생성한다.The water gas conversion reaction unit 4 of the above configuration is an electromagnetic induction phenomenon of the second induction coil 412 by the power supplied by the adjustment of the induction heater power supply 900, the second metal catalyst carrier 422 It is heated and maintained at a temperature between 200 and 350° C., which is the optimum temperature for hydrogen generation by the water gas shift reaction by the eddy current generated on the surface of the . Thereby, the CO generated at a high concentration in the front end plasma reforming unit 1 and introduced produces hydrogen by a water gas conversion reaction such as [Reaction Equation 4].

fCO + fH2O

Figure pat00001
fH2 + fCO2 ---------(반응식 4)(f는 계수)fCO + fH 2 O
Figure pat00001
fH 2 + fCO 2 --------- (Scheme 4) (f is the coefficient)

도 5는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적환 온도를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the optimum ring temperature of the water gas shift (WGS) reaction.

수증기 개질 반응 촉매 반응식인 [반응식 3] 및 수성가스 전환 반응식인 [반응식 4]의 최적 반응 온도를 찾기 위하여, 수증기 개질(SR) 반응에 수증기 개질(SR) 반응 촉매로 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매를 사용하고, 수성가스 전환 반응(WGS) 촉매로 CuCePt/γ-Al2O3 촉매(촉매 용량: 수증기 개질 반응 촉매의 20 내지 30%, 바람직하게25%)를 사용하며, 수증기 개질(SR) 반응 온도를 450℃로 한 경우이다. 수소 생성 농도가 최고를 나타내는 수성가스 전환(WGS) 반응의 최적 반응 온도는 250℃ 임을 알 수 있다. 즉 수성가스 전환(WGS) 반응의 촉매로 산화 반응성이 큰 백금(Pt)을 사용하여 전체 수소 생성 농도는 도 3의 수증기 개질 반응(SR)을 위한 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매만을 사용한 경우보다 낮아지며, 이에 따라, 수성가스 전환 반응(WGS) 촉매로 CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 사용하고 반응온도를 250℃ 전후로 할 경우 최종 수소 생성 농도는 더욱 높아지는 것을 확인하였다.In order to find the optimum reaction temperature for the steam reforming reaction catalyst reaction formula [Reaction Equation 3] and the water gas conversion reaction equation [Reaction Equation 4], Cu(10%)Ce(10%)Ce( 4%)/γ-Al 2 O 3 catalyst is used, and CuCePt/γ-Al 2 O 3 catalyst as water gas shift reaction (WGS) catalyst (catalyst capacity: 20 to 30% of the steam reforming reaction catalyst, preferably 25 %), and the steam reforming (SR) reaction temperature is 450°C. It can be seen that the optimum reaction temperature for the water gas shift (WGS) reaction with the highest hydrogen production concentration is 250 °C. That is, using platinum (Pt) with high oxidation reactivity as a catalyst for water gas shift (WGS) reaction, the total hydrogen production concentration is Cu(10%)Ce(4%)/γ for the steam reforming reaction (SR) of FIG. -Al 2 O 3 is lower than when only the catalyst is used, and accordingly, when the CuCePt/γ-Al 2 O 3 catalyst is used as a water gas shift reaction (WGS) catalyst and the reaction temperature is around 250℃, the final hydrogen production concentration is more was confirmed to increase.

도 6은 수증기 개질(SR) 반응부(3)와 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 상세 구성도이다.6 is a detailed configuration diagram of the steam reforming (SR) reaction unit (3) and the water gas conversion (WGS) reaction unit (4).

도 6에서 제1 인덕션 코일(310) 및 제2 인덕션 코일(412)들의 제어는 한 개의 제어장치로 수행하거나 개별적인 제어 장치를 구비하여 수행하도록 구성될 수 있다.In FIG. 6 , the control of the first induction coil 310 and the second induction coil 412 may be performed by a single control device or may be configured to be performed by using an individual control device.

다시 도 1을 참조하여 상기 최종 가스 온도 저감부(5)를 설명한다.The final gas temperature reducing unit 5 will be described with reference to FIG. 1 again.

상기 최종 가스 온도 저감부(5)는 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 제1 물탱크(30)의 물을 통해 열교환하는 제2 열교환기(570)과, 상기 제 2 열교환기(570)의 응축수를 저장하는 제2 물탱크(500)와, 상기 제2 열교환기(570)와 상기 제2 물탱크(500) 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기(570)에서 생성된 응축수를 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브(562) 및 상기 제2 물탱크(500)에 저장된 물을 제2 물 순환펌프(750)를 통해 상기 수증기 개질 반응부(3)의 제1 열교환기(340)로 공급하도록 개폐되는 제2 온/오프 밸브(564)를 포함하여 구성될 수 있다.The final gas temperature reduction unit 5 includes a second heat exchanger 570 that exchanges heat from the gas introduced after the steam reforming reaction or the water gas conversion reaction through the water of the first water tank 30, and the second The second water tank 500 for storing the condensed water of the heat exchanger 570 is installed between the second heat exchanger 570 and the second water tank 500 and is generated in the second heat exchanger 570 . The steam reforming reaction unit 3 through the first on/off valve 562 for supplying the condensed water to the second water tank and the water stored in the second water tank 500 through the second water circulation pump 750 . ) may be configured to include a second on/off valve 564 that opens and closes to supply to the first heat exchanger 340 .

본 발명의 수소 제조 장치에서 배출되는 최종 가스 온도는 실온까지 저감시켜야 한다. 반응 가스는 보통 200 내지 500℃로 배출되는데, 제1 열교환기(340)에 의해 어느 정도 냉각되고, 이 후 수성가스 전환 반응부(4)에 의해 다시 가열되거나 수성가스 전환 반응 온도 정도로 유지된다. 따라서 최종 가스의 온도를 낮추기 위해서는 제2 열교환기(570)에 의해 온도를 실내 온도까지 낮추어야 한다. 이때 제2 열교환기(570)는 외부에 냉각 팬을 장착하여 열의 방출을 돕고, 내부 열교환 매체인 물의 순환에 의해 열교환을 수행한다. 물의 순환은 냉각 팬이 달린 제1 물탱크(30)의 물을 제1 물순환 펌프(710)를 통해 순환시키는 것에 의해 수행된다. 제2 열교환기(570)에서 회수된 폐열은 냉각핀이 달리 제2 물탱크(30)에서 외부로 일부 방출된다. 최종 제2 열교환기(570)에서는 열교환 후 수증기의 온도가 응축온도 이하로 내려가 수증기가 응축되어 물이 생성되며, 이 물은 제2 열교환기(570)에 일정 수위로 차게 되면 제1 온/오프 밸브(562)의 제어에 의해 제2 물탱크(500)에 모인다.The temperature of the final gas discharged from the hydrogen production apparatus of the present invention should be reduced to room temperature. The reaction gas is usually discharged to 200 to 500 ℃, is cooled to some extent by the first heat exchanger 340, then heated again by the water gas conversion reaction unit 4, or is maintained at about the water gas conversion reaction temperature. Therefore, in order to lower the temperature of the final gas, it is necessary to lower the temperature to the room temperature by the second heat exchanger 570 . At this time, the second heat exchanger 570 is equipped with an external cooling fan to help dissipate heat, and performs heat exchange by circulating water, which is an internal heat exchange medium. The circulation of water is performed by circulating the water of the first water tank 30 equipped with a cooling fan through the first water circulation pump 710 . The waste heat recovered from the second heat exchanger 570 is partially discharged from the second water tank 30 to the outside, unlike the cooling fins. In the final second heat exchanger 570 , after heat exchange, the temperature of water vapor drops below the condensation temperature and the water vapor is condensed to generate water. When this water is filled to a predetermined water level in the second heat exchanger 570 , the first on/off It is collected in the second water tank 500 under the control of the valve 562 .

상기 수소포집부(6)는, 하나 이상의 저압수송탱크(630)와, 하나 이상의 고압수소탱크(650)와, 75% 이상의 농도로 생성된 후 최종 가스 온도 저감부(5)를 통해 배출되는 수소 가스의 역류를 방지하는 체크밸브(600)와, 체크밸브(600)의 하류 측에 설치되어 수소 가스 내부의 수분을 제거하는 수분트랩(610)과, 수분이 제거된 수소를 상기 저압수소탱크(630) 또는 고압수소탱크(650)로 선택적으로 분기하는 3 방향 밸브 등의 제3 밸브(620)와, 상기 수분트랩(610)과 상기 저압수소탱크(630) 및 상기 고압수소탱크(650) 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩(610) 또는 상기 저압 수소탱크(630)에서 공급되는 가스를 가압(약, 50MPa 이상)하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크(650)로 배출하는 가스부스터(640)를 포함하여 구성된다.The hydrogen collection unit 6 includes one or more low-pressure transport tanks 630 , one or more high-pressure hydrogen tanks 650 , and hydrogen produced at a concentration of 75% or more and then discharged through the final gas temperature reduction unit 5 . A check valve 600 for preventing backflow of gas, a moisture trap 610 installed on the downstream side of the check valve 600 to remove moisture inside the hydrogen gas, and a low-pressure hydrogen tank ( 630) or a third valve 620, such as a three-way valve selectively branching to the high-pressure hydrogen tank 650, and the moisture trap 610, the low-pressure hydrogen tank 630, and the high-pressure hydrogen tank 650. A gas booster 640 that is installed in the pipe of the water trap 610 or pressurizes the gas supplied from the low-pressure hydrogen tank 630 (about 50 MPa or more) and discharges it to one or more of the high-pressure hydrogen tanks 650 . is comprised of

상술한 구성의 상기 수소포집부(6)는 최종 가스 온도 저감부(5)를 통해 배출되는 수소 가스를 체크밸브(600)를 통해 역류되지 않도록 공급 받는다. 이 후, 수분트랩(610)을 거치면서 수소가스에 포함된 수분이 거의 0% 수준으로 제거된다. 다음으로, 제3 밸브(620)에 의해 먼저 하나 이상의 저압수소탱크(630)로 공급되어 저장된다. 하나 이상의 저압수소탱크(630)를 구비하는 경우 하나의 저압수소탱크(630)가 소정의 압력으로 채워지면 밸브의 유로 전환에 의해 다른 저압수소탱크(630)로 수소가 공급되어 채워진다. 채워진 저압수소탱크(640)의 수소는 3방향 밸브 등의 제3 밸브(620)를 통해 가스부스터(640)로 공급된 후 약 50MPa 이상의 압력으로 가압되어 하나 이상의 고압수소탱크(650)에 저장된다. 이때, 상기 저압수소탱크(630)와 고압수소탱크(650)는 필요 용량에 따라 탱크의 수가 증가될 수 있다.The hydrogen collecting unit 6 having the above configuration receives the hydrogen gas discharged through the final gas temperature reducing unit 5 so as not to flow backward through the check valve 600 . After that, while passing through the moisture trap 610, the moisture contained in the hydrogen gas is removed to a level of almost 0%. Next, the third valve 620 is first supplied to one or more low-pressure hydrogen tanks 630 and stored. When one or more low-pressure hydrogen tanks 630 are provided, when one low-pressure hydrogen tank 630 is filled with a predetermined pressure, hydrogen is supplied and filled to the other low-pressure hydrogen tank 630 by switching the flow path of the valve. Hydrogen in the filled low-pressure hydrogen tank 640 is supplied to the gas booster 640 through the third valve 620, such as a three-way valve, and then pressurized to a pressure of about 50 MPa or more and stored in one or more high-pressure hydrogen tanks 650. . At this time, the number of the low-pressure hydrogen tank 630 and the high-pressure hydrogen tank 650 may be increased according to the required capacity.

<수소 제조 장치의 작동 실시예><Operating Example of Hydrogen Production Apparatus>

1. 수증기 개질(SR) 반응 및 수성가스 전환(WGS) 반응의 수행에 의한 수소 제조1. Hydrogen production by performing steam reforming (SR) reaction and water gas shift (WGS) reaction

도 7은 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도이다.7 is a process diagram of hydrogen gas production by steam reforming (SR) reaction and water gas conversion (WGS) reaction.

도 7과 같이, 도 1의 수소 제조 장치에서 플라즈마 개질부(2)는 플라즈마 개질 작동을 수행하지 않고 수증기와 탄화수소계 연료 전달의 기능만을 수행하도록 설정한다.As shown in FIG. 7 , in the hydrogen production apparatus of FIG. 1 , the plasma reformer 2 is set to perform only the function of transferring water vapor and hydrocarbon-based fuel without performing the plasma reforming operation.

이러한 작동 방식의 경우 플라즈마에서 탄화수소계 연료가 부분적으로 개질되지 않기 때문에 수증기공급부(1)에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료의 개질 반응은 수증기 개질 반응부(3)에서 전용 개질 촉매에 의해 개질 온도 400 내지 500℃에서 1차로 수행된다. 이때, 이러한 1차 수증기 개질 반응에 의해 발생한 CO는 제거해야 할 성분이다. 특히 수소를 연료전지에 사용하는 경우, CO 가스가 Pt 촉매의 피독 현상을 일으켜 급격한 성능 저하를 초래하므로, 수소 중 CO의 농도는 10ppm 이하를 유지해야 한다. 수증기 개질 반응부(3)에서 배출된 CO는 수성가스 전환 반응부(4)에서 전용 수성가스 전환 반응 촉매에 의해 반응온도 200 내지 350℃ 범위로 조정되면서 수성가스 개질 반응 촉매에 의한 촉매 반응(반응식 4)에 의해, 수증기와 CO의 반응에 의해 수소를 생성시키고, CO를 저감시킨다. 만약 이 후 반응에서도CO의 농도가 10ppm 이상이면, 비 귀금속 계열 촉매를 이용하여 산화반응을 시켜줄 수 있다. 이 산화반응에는 상기 수증기 개질(SR) 반응과 수성가스 전환(WGS) 반응 과정에서 부산물로 생성된 저농도 산소가 이용된다.In this operating method, since the hydrocarbon-based fuel is not partially reformed in the plasma, the reforming reaction between the steam supplied from the steam supply unit 1 and the hydrocarbon-based fuel is performed at a reforming temperature of 400 by a dedicated reforming catalyst in the steam reforming reaction unit 3 . to 500°C. At this time, CO generated by this primary steam reforming reaction is a component to be removed. In particular, when hydrogen is used in a fuel cell, since CO gas causes poisoning of the Pt catalyst, resulting in rapid performance degradation, the concentration of CO in hydrogen must be maintained at 10 ppm or less. The CO discharged from the steam reforming reaction unit 3 is adjusted to a reaction temperature of 200 to 350 ° C. by a dedicated water gas conversion reaction catalyst in the water gas conversion reaction unit 4, and a catalytic reaction by a water gas reforming reaction catalyst (reaction formula) By 4), hydrogen is produced by the reaction of water vapor and CO, and CO is reduced. If the concentration of CO is more than 10 ppm in the subsequent reaction, the oxidation reaction can be performed using a non-noble metal-based catalyst. In this oxidation reaction, low-concentration oxygen generated as a by-product in the steam reforming (SR) reaction and water gas conversion (WGS) reaction is used.

2. 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 및 수증기 개질 반응의 이용2. Plasma reforming, water gas conversion (WGS) and the use of steam reforming reactions

도 8은 플라즈마 개질 반응, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의한 수소가스 제조 공정도이다.8 is a hydrogen gas production process diagram by plasma reforming reaction, water gas conversion (WGS) reaction and steam reforming (SR) reaction.

도 8과 같이, 도 1의 수소 제조 장치를 이용하여 수증기와 탄화수소계 연료 혼합물에 대한 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 의해 수소가스를 제조할 수 있다.As shown in FIG. 8 , hydrogen gas may be produced by plasma reforming, water gas conversion (WGS) reaction, and steam reforming (SR) reaction for a mixture of water vapor and hydrocarbon-based fuel using the hydrogen production apparatus of FIG. 1 .

이때, 수증기 개질 반응부(3)와 수성가스 전환 반응부(4)는 동일한 촉매를 사용하므로, 제1 인덕션 코일(310)의 인가 전력을 제어하여 수증기 개질 반응부(3) 유도 가열 온도를 수성가스 전환(WGS) 반응 온도인 200 내지 350℃ 사이의 온도로 유지하는 경우 수증기 개질 반응부(3)는 수성가스 전환(WGS) 반응부로 구동하고, 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 제2 인덕션 코일(412)의 인가 전력을 제어하여 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)의 유도 가열 온도를 수증기 개질 반응 온도인 400 내지 500 ℃ 사이의 온도로 유지하는 경우 수성가스 전환(WGS) 반응 전환부(4)는 수증기 개질 반응부로 구동하게 되므로, 수증기 개질 반응부(3)와 수성가스 전환 반응부(4)의 위치를 교체함이 없이 수행될 수 있다. 이 경우, 촉매가 상이한 경우, 촉매를 교체될 수 있다.At this time, since the steam reforming reaction unit 3 and the water gas conversion reaction unit 4 use the same catalyst, the applied power of the first induction coil 310 is controlled to increase the induction heating temperature of the steam reforming reaction unit 3 in water. When the gas shift (WGS) reaction temperature is maintained at a temperature between 200 and 350 ° C., the steam reforming reaction unit 3 is driven as a water gas conversion (WGS) reaction unit, and the water gas conversion (WGS) reaction unit 4 of the Water gas conversion (WGS) when the induction heating temperature of the water gas conversion (WGS) reaction unit 4 is maintained at a temperature between 400 and 500 ℃, which is the steam reforming reaction temperature, by controlling the applied power of the second induction coil 412 ) Since the reaction conversion unit 4 is driven as a steam reforming reaction unit, it can be performed without replacing the positions of the steam reforming reaction unit 3 and the water gas conversion reaction unit 4 . In this case, if the catalyst is different, the catalyst may be replaced.

상술한 구성의 수소 제조 장치의 순차적인 플라즈마 개질, 수성가스 전환(WGS) 반응 및 수증기 개질(SR) 반응에 수행에 의한 수소 제조의 경우, 수증기 공급부(1)에서 공급된 수증기와 연료탱크(10)에서 공급된 탄화수소 연료의 개질 반응은, 먼저 플라즈마 개질부(2)에서 연료와 수증기의 플라즈마 분해에 의해 수소와 CO, CO2, 다종의 탄화수소연료(HCs)를 생성한다. 특히, 이때 발생한 CO는 고농도이기 때문에, 수증기 개질(SR) 반응부(3)에서 플라즈마 개질 반응 다음 단계인 수증기 개질(SR) 반응 단계보다 먼저 수성가스 전환(WGS) 반응 단계를 수행하여 전용 수성가스 전환(WGS) 촉매에 의해 반응온도 200 내지 350℃ 범위로 조정하면서 수성가스 전환 반응의 [반응식 3]과 같이, CO와 수증기의 반응에 의해 수소를 생성시키고, CO를 저감시킨다. 다음 단계로, 수증기 개질(SR) 반응부(3)에 의한 수성가스 전환(WGS) 반응 단계에서 개질 반응되지 않은 HCs는 수성가스 전환(WGS) 반응부(4)에서 수증기 개질(SR) 반응 전용 개질 촉매에 의해 개질 온도 400 내지 500℃ 범위로 개질 반응시켜 수소를 생성시키는 것에 의해 수소의 최종 생성농도를 극대화 한다.In the case of hydrogen production by performing sequential plasma reforming, water gas conversion (WGS) reaction, and steam reforming (SR) reaction of the hydrogen production apparatus having the above configuration, water vapor supplied from the water vapor supply unit 1 and the fuel tank 10 ), the reforming reaction of the hydrocarbon fuel supplied from the first generates hydrogen, CO, CO 2 , and various hydrocarbon fuels (HCs) by plasma decomposition of fuel and water vapor in the plasma reforming unit 2 . In particular, since the CO generated at this time has a high concentration, the water gas conversion (WGS) reaction step is performed before the steam reforming (SR) reaction step, which is the next step of the plasma reforming reaction in the steam reforming (SR) reaction unit 3, and the dedicated water gas While adjusting the reaction temperature in the range of 200 to 350 ℃ by the conversion (WGS) catalyst, as in [Reaction Equation 3] of the water gas conversion reaction, hydrogen is generated by the reaction of CO and water vapor, and CO is reduced. As a next step, HCs that have not been reformed in the water gas conversion (WGS) reaction step by the steam reforming (SR) reaction unit 3 are dedicated to the steam reforming (SR) reaction in the water gas conversion (WGS) reaction unit 4 The final concentration of hydrogen is maximized by generating hydrogen by performing a reforming reaction at a reforming temperature of 400 to 500° C. by a reforming catalyst.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일 형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 연료탱크
20: 질량유량계
30: 제1 물탱크
40: 제1 밸브
50: 제2 밸브
1: 수증기 공급부
100: 증발관
110: 유도 가열 금속 망
120: 인덕션 히터
2: 플라즈마 개질 반응부
200: 플라즈마 전력공급기
201: 플라즈마 챔버
210: 나선형 양극
220: 관형 음극
222: 관형 음극 단자
230: 선회기
240: 허니컴형 지지대
3: 수증기 개질 반응부(SR: Steam Reforming)
310: 제1 인덕션 코일
320: 제1 금속 촉매 담체(FeCrAl 담체)
330: 제1 절연관
340: 제1 열교환기
4: 수성가스 전환 반응부(WGS: Water Gas Shift)
412: 제2 인덕션 코일
422: 제2 금속 촉매 담체
432: 제2 절연관
5: 최종 가스 온도 저감부
500: 제2 물탱크
562: 제1 온/오프 밸브
564: 제2 온/오프 밸브
570: 제2 열교환기
6: 수소포집부
600: 체크밸브
610: 수분트랩
620: 제3 밸브
630: 저압수소탱크
640: 가스부스터
650: 고압수소탱크
710: 제2 제1 물 순환펌프
750: 제2 물 순환펌프
900: 인덕션 히터 전력공급기
10: fuel tank
20: mass flow meter
30: first water tank
40: first valve
50: second valve
1: water vapor supply
100: evaporation tube
110: induction heating metal mesh
120: induction heater
2: Plasma reforming reaction unit
200: plasma power supply
201: plasma chamber
210: spiral anode
220: tubular cathode
222: tubular negative terminal
230: turning machine
240: honeycomb type support
3: Steam reforming reaction unit (SR: Steam Reforming)
310: first induction coil
320: first metal catalyst support (FeCrAl support)
330: first insulating tube
340: first heat exchanger
4: Water gas shift reaction part (WGS: Water Gas Shift)
412: second induction coil
422: second metal catalyst carrier
432: second insulating tube
5: Final gas temperature reduction part
500: second water tank
562: first on/off valve
564: second on/off valve
570: second heat exchanger
6: Hydrogen collection unit
600: check valve
610: moisture trap
620: third valve
630: low pressure hydrogen tank
640: gas booster
650: high-pressure hydrogen tank
710: second first water circulation pump
750: second water circulation pump
900: induction heater power supply

Claims (13)

연료와 수증기를 공급받아 플라즈마 개질을 수행하는 플라즈마 개질 반응부;
상기 플라즈마 개질 반응부로부터 상기 연료와 수증기를 유입 받은 후 반응온도에 따라 상기 연료와 상기 수증기의 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제1촉매 반응부;
상기 제1 촉매 반응부로부터 상기 제1 촉매 반응이 수행된 가스를 유입 받은 후 상기 수성가스 전환 반응 또는 수증기 개빌 반응을 선택적으로 수행하여 수소를 생성하는 제2촉매 반응부;
상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및
상기 최종가스 온도 저감부에서 배출되는 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
a plasma reforming reaction unit receiving fuel and water vapor to perform plasma reforming;
a first catalyst reaction unit for generating hydrogen by selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction between the fuel and the water vapor according to a reaction temperature after receiving the fuel and water vapor from the plasma reforming reaction unit;
a second catalyst reaction unit that receives the gas on which the first catalytic reaction has been performed from the first catalyst reaction unit, and then selectively performs the water gas conversion reaction or the steam gabil reaction to generate hydrogen;
a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas discharged from the second catalytic reaction unit; and
Hydrogen production apparatus using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a; hydrogen collecting unit for collecting and storing the final gas discharged from the final gas temperature reducing unit.
제1항에 있어서,
상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 촉매는 Cu(10%)Ce(4%)/γ-Al2O3 촉매인 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1,
The catalyst of the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit is Cu (10%) Ce (4%) / γ-Al 2 O 3 Hydrogen production apparatus using a hydrocarbon fuel, characterized in that the catalyst.
제2항에 있어서, 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는,
CuCePt/γ-Al2O3 촉매를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 2, wherein the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit,
CuCePt/γ-Al 2 O 3 Hydrogen production apparatus using hydrocarbon fuel, characterized in that it further comprises a catalyst.
제1항에 있어서, 상기 플라즈마 개질 반응부는
플라즈마 챔버;
상기 플라즈마 챔버의 내부 입구 측에 설치되어 나선형 양극의 일단부를 지지하며 공급된 연료와 수증기를 선회시키는 선회기;
상기 선회기를 통해 선회되어 공급되는 연료와 수증기 혼합물에 플라즈마를 인가하는 플라즈마 나선형 양극;
상기 플라즈마 챔버의 외부에 설치되어 상기 나선형 양극과 함께 상기 플라즈마 챔버의 내부에 플라즈마를 형성하는 관형 음극; 및
상기 플라즈마 챔버의 내부 출구 측에 설치되어 상기 나선형 양극의 타 단부를 지지하는 허니컴 형 지지대;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1, wherein the plasma reforming reaction unit
plasma chamber;
a swirler installed at the inner inlet side of the plasma chamber to support one end of the spiral anode and to rotate the supplied fuel and water vapor;
a plasma spiral anode configured to apply plasma to a mixture of fuel and water vapor supplied by turning through the swirler;
a tubular cathode installed outside the plasma chamber to form plasma in the plasma chamber together with the spiral anode; and
Hydrogen production apparatus using hydrocarbon fuel, characterized in that it comprises; a honeycomb-type support installed on the inner outlet side of the plasma chamber to support the other end of the spiral anode.
제4항에 있어서,
상기 플라즈마 개질 반응부는, 상기 나선형 양극과 관형 음극으로 플라즈마 전력을 공급하는 플라즈마 전력공급기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
5. The method of claim 4,
The plasma reforming reaction unit, Hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel, characterized in that it further comprises a plasma power supply for supplying plasma power to the spiral anode and the tubular cathode.
제1항에 있어서, 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부는,
절연관;
외부면에 촉매가 코팅되어 상기 절연관의 내부에 장착되어 외부의 전자기유도 기전력에 의해 와류가 생성되어 가열되는 금속 촉매 담체; 및
상기 절연관의 외부에 권선되어 외부의 인덕션 히터 전력 공급기로부터 전력을 공급받아 상기 금속 촉매 담체에 와전류 생성을 위한 전자기유도 기전력을 발생시키는 인덕션 코일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1, wherein the first catalytic reaction part or the second catalytic reaction part,
insulated tube;
a metal catalyst carrier coated with a catalyst on an outer surface and mounted inside the insulating tube to generate a vortex by external electromagnetic induced electromotive force and heat; and
An induction coil wound on the outside of the insulating tube to receive power from an external induction heater power supply and generate electromagnetic induced electromotive force for generating an eddy current in the metal catalyst carrier; hydrocarbon-based fuel comprising a Hydrogen production device using.
제6항에 있어서, 상기 제1 촉매 반응부 또는 상기 제2 촉매 반응부는,
수증기 개질(Steam reforming, SR) 반응을 수행 후 배출되는 연료와 수증기 및 수소를 포함하는 가스의 냉각을 위한 제1 열교환기를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
The method of claim 6, wherein the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit,
Hydrogen production apparatus using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it further comprises a first heat exchanger for cooling the fuel discharged after performing a steam reforming (SR) reaction and a gas containing water vapor and hydrogen.
제1항에 있어서, 상기 최종 가스 온도 저감부는,
수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응 후 유입되는 가스의 열을 열교환하는 제2 열교환기;
상기 제 2 열교환기의 응축수를 저장하는 제2 물탱크;
상기 제2 열교환기와 상기 제2 물탱크 사이에 설치되어 상기 제2 열교환기에서 생성된 응축된 물을 상기 제2 물탱크로 공급하는 제1 온/오프 밸브; 및
상기 제2 물탱크에 저장된 물을 상기 제1 촉매 반응부 또는 제2 촉매 반응부의 제1 열교환기로 공급하는 제2 온/오프 밸브;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1, wherein the final gas temperature reduction unit,
a second heat exchanger for exchanging the heat of the gas introduced after the steam reforming reaction or the water gas conversion reaction;
a second water tank for storing the condensed water of the second heat exchanger;
a first on/off valve installed between the second heat exchanger and the second water tank to supply condensed water generated in the second heat exchanger to the second water tank; and
Hydrogen production using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises; a second on/off valve for supplying the water stored in the second water tank to the first heat exchanger of the first catalytic reaction unit or the second catalytic reaction unit Device.
제1항에 있어서, 상기 수소포집부는,
하나 이상의 저압수송탱크;
하나 이상의 고압수소탱크;
상기 최종 가스 온도 저감부를 통해 배출되는 상기 최종 가스의 역류를 방지하는 체크밸브;
상기 체크밸브의 하류 측에 설치되어 상기 최종 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분트랩;
수분이 제거된 상기 최종 가스를 상기 저압수소탱크 또는 고압수소탱크로 선택적으로 분기하는 제3 밸브; 및
상기 수분트랩과 상기 저압수소탱크 및 상기 고압수소탱크 사이의 관에 설치되어, 상기 수분트랩 또는 상기 저압 수소탱크에서 공급되는 최종 가스를 가압하여 하나 이상의 상기 고압수소탱크로 배출하는 가스부스터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1, wherein the hydrogen collection unit,
one or more low-pressure transport tanks;
one or more high-pressure hydrogen tanks;
a check valve for preventing a reverse flow of the final gas discharged through the final gas temperature reducing unit;
a moisture trap installed on the downstream side of the check valve to remove moisture contained in the final gas;
a third valve for selectively branching the final gas from which moisture has been removed to the low-pressure hydrogen tank or the high-pressure hydrogen tank; and
A gas booster installed in the pipe between the moisture trap and the low-pressure hydrogen tank and the high-pressure hydrogen tank to pressurize the final gas supplied from the moisture trap or the low-pressure hydrogen tank and discharge it to one or more of the high-pressure hydrogen tanks; includes; Hydrogen production apparatus using hydrocarbon-based fuel, characterized in that configured to.
제1항에 있어서,
제1 물탱크에서 공급된 물을 수용하는 증발관; 및
상기 증발관 내부의 물을 가열하여 수증기로 변환시키도록 상기 증발관에 장착되어 가열되는 인덕션 히터;를 포함하는 수증기 공급부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
According to claim 1,
an evaporation pipe accommodating the water supplied from the first water tank; and
Hydrogen production apparatus using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it further comprises a water vapor supply unit comprising; an induction heater mounted on the evaporation tube to heat the water in the evaporation tube to convert it into water vapor.
제13항에 있어서, 상기 증발관은,
외부의 절열물질 관; 및
상기 절연물질 관의 내부에 장착되어 가열되는 내 부식성 및 전자기 유도 가열되는 유도가열 금속망;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치.
The method of claim 13, wherein the evaporation tube,
outer insulation tube; and
Hydrogen production apparatus using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a; corrosion-resistant and electromagnetic induction heating metal mesh mounted on the inside of the insulating material tube is heated.
플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서,
상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계;
상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계;
상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및
상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법.
plasma reforming reaction unit; A first catalytic reaction unit and a second catalytic reaction unit for selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas containing the generated hydrogen; In the hydrogen production method by a hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel comprising a; and a hydrogen collection unit for collecting and storing the final gas,
a steam reforming reaction step of supplying steam and hydrocarbon-based fuel supplied from the steam supplying unit to the first catalytic reaction unit with the plasma reforming reaction stopped in the plasma reforming reaction unit, and then performing a steam reforming reaction;
a water gas conversion reaction step of performing a water gas conversion reaction after the second catalyst reaction unit receives the gas discharged from the steam reforming reaction step;
a final gas temperature reduction step in which the final gas temperature reduction unit cools and discharges the final gas discharged from the second catalyst reaction unit; and
Hydrogen production method using hydrocarbon-based fuel, characterized in that it comprises a; hydrogen capture step of collecting the final gas of the reduced temperature of the hydrogen collecting unit and storing it in a storage tank.
플라즈마 개질 반응부; 수증기 개질 반응 또는 수성가스 전환 반응을 선택적으로 수행하는 제1촉매 반응부와 제2 촉매 반응부; 생성된 수소를 포함하는 최종가스를 냉각하여 배기하는 최종가스 온도 저감부; 및 상기 최종가스를 포집하여 저장하는 수소포집부;를 포함하여 구성되는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 장치에 의한 수소 제조 방법에 있어서,
상기 플라즈마 개질 반응부의 플라즈마 개질 반응을 중지시킨 상태로, 수증기공급부에서 공급된 수증기와 탄화수소계 연료를 상기 제1 촉매 반응부로 공급한 후 수증기 개질 반응을 수행하는 수증기 개질 반응 단계;
상기 제2 촉매 반응부가 수증기 개질 반응 단계에서 배출된 가스를 공급 받은 후 수성가스 전환 반응을 수행하는 수성가스 전환 반응 단계;
상기 최종가스 온도 저감부가 상기 제2 촉매 반응부에서 배출되는 최종 가스를 냉각하여 배출하는 최종 가스 온도 저감단계; 및
상기 수소포집부가 온도 저감된 상기 최종 가스를 포집하여 저장탱크에 저장하는 수소포집 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 방법
plasma reforming reaction unit; A first catalytic reaction unit and a second catalytic reaction unit for selectively performing a steam reforming reaction or a water gas conversion reaction; a final gas temperature reduction unit for cooling and exhausting the final gas containing the generated hydrogen; In the hydrogen production method by a hydrogen production apparatus using a hydrocarbon-based fuel comprising a; and a hydrogen collection unit for collecting and storing the final gas,
a steam reforming reaction step of supplying steam and hydrocarbon-based fuel supplied from the steam supplying unit to the first catalytic reaction unit with the plasma reforming reaction stopped in the plasma reforming reaction unit, and then performing a steam reforming reaction;
a water gas conversion reaction step of performing a water gas conversion reaction after the second catalyst reaction unit receives the gas discharged from the steam reforming reaction step;
a final gas temperature reduction step in which the final gas temperature reduction unit cools and discharges the final gas discharged from the second catalyst reaction unit; and
Hydrogen production method using hydrocarbon fuel, characterized in that it comprises a; hydrogen collection step of collecting the final gas, the temperature of which has been reduced by the hydrogen collection unit, and storing it in a storage tank
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