KR20230172903A - Production apparatus and method for high purity hydrogen using ammonia - Google Patents

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KR20230172903A KR1020220073643A KR20220073643A KR20230172903A KR 20230172903 A KR20230172903 A KR 20230172903A KR 1020220073643 A KR1020220073643 A KR 1020220073643A KR 20220073643 A KR20220073643 A KR 20220073643A KR 20230172903 A KR20230172903 A KR 20230172903A
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정운호
구기영
박용하
임효빈
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해하고, 상기 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 분해반응부와, 제1 공급부에서 연료기체를 공급받고, 상기 연료기체를 연소시켜 발생된 연소열을 이용하여 상기 분해반응부를 미리 설정된 온도로 가열하는 연소부와, 상기 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리 및 정제하는 흡착정제부를 포함하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치를 제공한다.One embodiment of the present invention includes a decomposition reaction unit that decomposes ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharges reaction products containing hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia generated from the ammonia decomposition reaction, and a first supply unit of fuel. Ammonia comprising a combustion unit that receives gas and heats the decomposition reaction unit to a preset temperature using combustion heat generated by burning the fuel gas, and an adsorption purification unit that separates and purifies high purity hydrogen from the reaction product. Provides a high-purity hydrogen production device using

Description

암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치 및 제조방법{Production apparatus and method for high purity hydrogen using ammonia}{Production apparatus and method for high purity hydrogen using ammonia}

본 발명은 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아를 이용하여 고순도 수소를 제조하기 위한 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method, and more particularly, to a manufacturing apparatus and method for producing high purity hydrogen using ammonia.

암모니아 분해 반응은 2개의 암모니아 분자가 1개의 질소 분자 그리고 3개의 수소 분자로 분해되는 반응(NH3 → N2 + 3H2)이며, 흡열반응으로써, 약 46 kJ/mol의 열량을 필요로 한다. 이러한 암모니아 분해 반응을 통한 수소 제조 방식이, 일반 가스관련 산업분야, 또는 반도체 및 LCD 공장에서 필요한 고순도 수소를 제조하기 위해 널리 이용되고 있다.The ammonia decomposition reaction is a reaction in which two ammonia molecules are decomposed into one nitrogen molecule and three hydrogen molecules (NH 3 → N 2 + 3H 2 ). It is an endothermic reaction and requires approximately 46 kJ/mol of heat. This method of producing hydrogen through ammonia decomposition reaction is widely used to produce high-purity hydrogen needed in general gas-related industries or semiconductor and LCD factories.

일반적으로, 암모니아 분해 반응을 통해 수조 제조 시, 초기 기동 단계에서, 암모니아 분해반응부를 예열에 필요한 열을 암모니아 연소 반응을 통해 공급하게 된다. 다만 이러한 방식에 의하면, 초기 기동 단계에서의 암모니아 연소과정에서 다량의 질소산화물(NOx)이 발생하는 문제점이 존재한다.Generally, when manufacturing a water tank through an ammonia decomposition reaction, in the initial startup stage, the heat required to preheat the ammonia decomposition reaction unit is supplied through an ammonia combustion reaction. However, according to this method, there is a problem in that a large amount of nitrogen oxides (NOx) are generated during the ammonia combustion process in the initial startup stage.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 암모니아 분해를 통해 고순도 수소를 제조 시, 초기 기동 단계에서 NOx 발생을 감소시킬 수 있는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a high-purity hydrogen production device and production method using ammonia that can reduce NOx generation in the initial startup stage when producing high-purity hydrogen through ammonia decomposition.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. There will be.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치는, 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해하고, 상기 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 분해반응부와, 제1 공급부에서 연료기체를 공급받고, 상기 연료기체를 연소시켜 발생된 연소열을 이용하여 상기 분해반응부를 미리 설정된 온도로 가열하는 연소부와, 상기 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리 및 정제하는 흡착정제부를 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, a high-purity hydrogen production device using ammonia according to an embodiment of the present invention decomposes ammonia through an ammonia decomposition reaction, and produces hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia from the ammonia decomposition reaction. a decomposition reaction unit that discharges reaction products containing a decomposition reaction unit, a combustion unit that receives fuel gas from a first supply unit and heats the decomposition reaction unit to a preset temperature using combustion heat generated by combustion of the fuel gas, and the reaction unit. It may include an adsorption purification unit that separates and purifies high-purity hydrogen from the product.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소부는 상기 분해반응부를 미리 설정된 온도까지 예열(preheating)하고, 상기 암모니아 공급부는, 상기 분해반응부가 상기 미리 설정된 온도에 도달하면, 상기 분해반응부로 상기 암모니아를 공급할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the combustion unit preheats the decomposition reaction unit to a preset temperature, and the ammonia supply unit supplies the ammonia to the decomposition reaction unit when the decomposition reaction unit reaches the preset temperature. You can.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소부는, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 연료기체와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the combustion unit burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the fuel gas when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state. The decomposition reaction section can be heated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급량을 점차 감소시키고, 제2 공급부는 상기 연소부로 암모니아를 공급할 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit may gradually reduce the supply amount of the fuel gas, and the second supply unit may supply ammonia to the combustion unit.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급을 중단하고, 상기 연소부는 상기 제2 공급부에서 공급된 암모니아와 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit stops supplying the fuel gas, and the combustion unit supplies ammonia and the off gas supplied from the second supply unit. The decomposition reaction section can be heated by mixed firing.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 흡착정제부는, 압력 순환 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식을 이용하여 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the adsorption purification unit can separate and purify high-purity hydrogen using a pressure swing adsorption (PSA) method.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연료기체는 LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 LPG(Liquefied Petroleum Gas)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the fuel gas may be LNG (Liquefied Natural Gas) or LPG (Liquefied Petroleum Gas).

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 방법은, 연소부가, 제1 공급부에서 공급된 연료기체를 연소시켜 분해반응부를 미리 설정된 온도로 예열(preheating)하는 단계와, 상기 분해반응부가, 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해하여 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 단계와, 흡착정제부가, 상기 반응생성물로부터 질소 및 미반응 암모니아를 흡착 제거하여 고순도 수소를 분리 정제하는 단계를 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to an embodiment of the present invention includes the combustion unit combusting the fuel gas supplied from the first supply unit and preheating the decomposition reaction unit to a preset temperature. a step in which the decomposition reaction unit decomposes ammonia through an ammonia decomposition reaction to discharge reaction products containing hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia; and the adsorption purification unit extracts nitrogen and unreacted ammonia from the reaction product. It may include the step of separating and purifying high-purity hydrogen by adsorption and removal.

본 발명의 실시예에 있어서, 암모니아 공급부는, 상기 분해반응부가 미리 설정된 온도까지 예열되면, 상기 분해반응부로 암모니아를 공급할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the ammonia supply unit may supply ammonia to the decomposition reaction unit when the decomposition reaction unit is preheated to a preset temperature.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소부는, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 연료기체와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the combustion unit burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the fuel gas when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state. The decomposition reaction section can be heated.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체 공급량을 점차 감소시키되, 제2 공급부는 상기 연소부로 암모니아를 공급할 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit gradually reduces the fuel gas supply amount, and the second supply unit may supply ammonia to the combustion unit.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제2 공급부에서 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit stops supplying the fuel gas, and the combustion unit supplies ammonia supplied from the second supply unit and the The decomposition reaction section can be heated by mixed firing of gases.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고순도 수소를 분리 정제하는 단계에서, 상기 흡착정제부는 압력 순환 흡착(PSA) 방식을 이용하여 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of separating and purifying high-purity hydrogen, the adsorption purification unit may separate and purify the high-purity hydrogen using a pressure cycling adsorption (PSA) method.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연료기체는 LNG 또는 LPG일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the fuel gas may be LNG or LPG.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 방법은, 연소부가, 제1 암모니아 공급부로부터 암모니아를 공급받아, 수소와 혼소(mixed firing)시켜 분해반응부를 미리 설정된 온도로 예열하는 단계와, 상기 분해반응부가, 암모니아 분해 반응을 통해 제2 암모니아 공급부로부터 공급받은 암모니아를 분해하여 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 단계와, 흡착정제부가, 상기 반응생성물로부터 질소 및 미반응 암모니아를 흡착, 제거하여 고순도 수소를 분리, 정제하는 단계를 포함할 수 있다.In order to achieve the above technical problem, the method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention is that the combustion section receives ammonia from the first ammonia supply section and performs mixed firing with hydrogen to pre-empt the decomposition reaction section. Preheating to a set temperature, the decomposition reaction unit decomposes the ammonia supplied from the second ammonia supply unit through an ammonia decomposition reaction and discharging a reaction product containing hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia, and the adsorption purification unit. , It may include the step of separating and purifying high-purity hydrogen by adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia from the reaction product.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분해반응부를 예열하는 단계에서, 연소부는, 외부에 배치된 수소공급부로부터 상기 수소를 공급받을 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of preheating the decomposition reaction unit, the combustion unit may receive the hydrogen from a hydrogen supply unit disposed externally.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분해반응부를 예열하는 단계에서, In an embodiment of the present invention, in the step of preheating the decomposition reaction unit,

상기 제1 암모니아 공급부로부터 공급되는 암모니아는, 촉매분해부를 지나 상기 연소부로 공급되고, 상기 촉매분해부는, 상기 연소부로 공급되는 상기 암모니아의 일부를 촉매분해 반응시켜 상기 수소를 생산할 수 있다.Ammonia supplied from the first ammonia supply unit passes through the catalytic decomposition unit and is supplied to the combustion unit, and the catalytic decomposition unit may produce the hydrogen by catalytically decomposing a portion of the ammonia supplied to the combustion unit.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 촉매분해 반응은, 전기가열 방식을 통해 진행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the catalytic decomposition reaction may be carried out through an electric heating method.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분해반응부를 예열하는 단계에서, 상기 제1 암모니아 공급부로부터 공급되는 암모니아는, 부분산화부를 지나 상기 연소부로 공급되고, 상기 부분산화부는, 상기 연소부로 공급되는 암모니아의 일부를 부분산화 반응시켜 상기 수소를 생산할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the step of preheating the decomposition reaction unit, ammonia supplied from the first ammonia supply unit passes through the partial oxidation unit and is supplied to the combustion unit, and the partial oxidation unit supplies ammonia supplied to the combustion unit. The hydrogen can be produced by partially oxidizing part of the hydrogen.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 부분산화 반응은, 상기 연소부로 공급되는 공기 중 일부를 이용하여 상온에서 진행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the partial oxidation reaction may be carried out at room temperature using a portion of the air supplied to the combustion unit.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 부분산화 반응은 전기가열 방식을 통해 진행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the partial oxidation reaction may be carried out through an electric heating method.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면, 상기 연소부는 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 연료기체와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고, 상기 수소공급부는 수소 공급량을 점차 감소시키되, 상기 제1 암모니아 공급부는 상기 연소부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the combustion unit burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the fuel gas to decompose the ammonia. The reaction unit is heated, and the hydrogen supply unit gradually reduces the amount of hydrogen supplied, while the first ammonia supplier may gradually increase the amount of ammonia supplied to the combustion unit.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 수소공급부는 상기 수소의 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부에서 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the hydrogen supply unit stops supplying the hydrogen, and the combustion unit supplies ammonia supplied from the first ammonia supply unit and the off gas. The decomposition reaction section can be heated by mixed firing.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 연소부는, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스를 상기 암모니아와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고, 상기 제1 암모니아 공급부는 상기 촉매분해부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 감소시키고, 제1 바이패스 라인을 통해 상기 연소부로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the combustion unit burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the ammonia to heat the decomposition reaction unit and produce the first ammonia. The supply unit may gradually reduce the amount of ammonia supplied to the catalytic decomposition unit and gradually increase the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit through the first bypass line.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 암모니아 공급부는, 상기 촉매분해부로의 암모니아 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부로부터 직접 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소시켜 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first ammonia supply unit stops supplying ammonia to the catalytic decomposition unit, and the combustion unit supplies ammonia directly from the first ammonia supply unit. The decomposition reaction unit can be heated by co-combusting the ammonia and the off gas.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 연소부는, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스를 상기 암모니아와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고, 상기 제1 암모니아 공급부는 상기 부분산화부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 감소시키고, 제2 바이패스 라인을 통해 상기 연소부로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the combustion unit burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the ammonia to heat the decomposition reaction unit and produce the first ammonia. The supply unit may gradually reduce the amount of ammonia supplied to the partial oxidation unit and gradually increase the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit through the second bypass line.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 암모니아 공급부는, 상기 촉매분해부로의 암모니아 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부로부터 직접 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소시켜 상기 분해반응부를 가열할 수 있다.In an embodiment of the present invention, after the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first ammonia supply unit stops supplying ammonia to the catalytic decomposition unit, and the combustion unit supplies ammonia directly from the first ammonia supply unit. The decomposition reaction unit can be heated by co-combusting the ammonia and the off gas.

본 발명의 실시예들에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 제조 방법은, 연소부가 암모니아 대신, LNG 또는 LPG를 연소시켜 분해반응부를 예열하고, 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달할 때까지 가열함으로써, 초기 가동 단계에서 질소산화물(NOx) 배출을 감소시킬 수 있다. 또한, 흡착 및 정제 단계에서 생성된 오프가스 내의 수소와 미량의 암모니아를, 연소부로 재공급하여 연료기체 또는 암모니아와 혼소시킴으로써, 초기 가동 단계 이후에도 NOx 배출을 억제할 수 있다.The apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to embodiments of the present invention preheat the decomposition reaction section by burning LNG or LPG instead of ammonia in the combustion section, and heating until the ammonia decomposition reaction reaches a steady state. , nitrogen oxide (NOx) emissions can be reduced in the initial operation stage. In addition, by resupplying the hydrogen and trace amounts of ammonia in the off-gas generated in the adsorption and purification stages to the combustion section and co-combusting with fuel gas or ammonia, NOx emissions can be suppressed even after the initial operation stage.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 제조 방법은, 초기 기동 단계에서, 수소공급부로부터 공급된 수소, 암모니아 촉매분해 또는 암모니아 부분산화반응을 통해 생산된 수소를 연소부로 공급하여, 암모니아와 혼소시킴으로써, 암모니아 연소 과정에서의 NOx 발생을 저감시킬 수 있다.In addition, the high-purity hydrogen production device and production method using ammonia according to embodiments of the present invention, in the initial startup stage, hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and hydrogen produced through ammonia catalytic decomposition or ammonia partial oxidation reaction are supplied to the combustion unit. By supplying and co-firing with ammonia, NOx generation during the ammonia combustion process can be reduced.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and should be understood to include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the description or claims of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소부가 연료기체를 연소시켜 분해반응부를 예열하는 단계를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에 도달할 때까지, 암모니아를 분해하여 고순도 수소를 제조하는 단계를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에 도달한 이후, 암모니아를 분해하여 고순도 수소를 제조하는 단계를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 도 4의 고순도 수소를 제조하는 방법에 포함된 세부 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다.Figure 1 is a block diagram showing the step of preheating the decomposition reaction unit by combustion of fuel gas in the combustion unit according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing the steps of producing high purity hydrogen by decomposing ammonia until a steady state is reached according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a block diagram showing the steps of producing high purity hydrogen by decomposing ammonia after reaching a steady state according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart showing a method for producing high purity hydrogen using ammonia according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing detailed processes included in the method for producing high purity hydrogen of FIG. 4.
Figure 6 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention.

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 attached drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms and, therefore, is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals 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, combined)" with another part, this means not only "directly connected" but also "indirectly connected" with another member in between. "Includes cases where it is. Additionally, when a part is said to “include” a certain component, this does not mean that other components are excluded, but that other components can be added, unless specifically stated to the contrary.

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 only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to indicate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, 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 attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소부가 연료기체를 연소시켜 분해반응부를 예열하는 단계를 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에 도달할 때까지, 암모니아를 분해하여 고순도 수소를 제조하는 단계를 도시한 블록도이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상상태에 도달한 이후, 암모니아를 분해하여 고순도 수소를 제조하는 단계를 도시한 블록도이다.Figure 1 is a block diagram showing the step of preheating the decomposition reaction unit by combustion of fuel gas in the combustion unit according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a block diagram showing the steps of producing high purity hydrogen by decomposing ammonia until a steady state is reached according to an embodiment of the present invention. And, Figure 3 is a block diagram showing the step of producing high purity hydrogen by decomposing ammonia after reaching a steady state according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(이하, 고순도 수소 제조 장치)(10)는 외부로부터 공급받은 암모니아(NH3)를 분해한 후, 분해 반응생성물로부터 질소(N2) 및 미반응 암모니아(NH3)를 제거하여, 고순도 수소(H2)를 제조하기 위한 장치일 수 있다.Referring to Figures 1 to 3, a high-purity hydrogen production device using ammonia (hereinafter, high-purity hydrogen production device) 10 according to an embodiment of the present invention decomposes ammonia (NH 3 ) supplied from the outside, It may be a device for producing high purity hydrogen (H 2 ) by removing nitrogen (N 2 ) and unreacted ammonia (NH 3 ) from decomposition reaction products.

고순도 수소 제조 장치(10)는 연소부(100)와, 제1 공급부(P10)와, 제2 공급부(P20)와, 분해반응부(200)와, 암모니아 공급부(P30)와, 흡착정제부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 고순도 수소 제조 장치(10)는 고순도 수소 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다.The high-purity hydrogen production device 10 includes a combustion unit 100, a first supply unit (P10), a second supply unit (P20), a decomposition reaction unit 200, an ammonia supply unit (P30), and an adsorption purification unit ( 300). Additionally, the high-purity hydrogen production device 10 may further include a high-purity hydrogen storage unit (not shown).

연소부(100)는, 암모니아를 분해하기 위해 필요한 온도로 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 연소부(100)는 제1 공급부(P10) 및 제2 공급부(P20)와 연통되도록 배치될 수 있다. 이에 의해, 연소부(100)는 제1 공급부(P10)로부터 연료기체를 공급받거나, 또는 제2 공급부(P20)로부터 암모니아를 공급받을 수 있다. 이때, 연소부(100)는 연료기체 또는 암모니아를, 외부로부터 공급받은 공기를 이용하여 연소시킴으로써 발생된 반응열을 이용하여, 분해반응부(200)를 가열시킬 수 있다. The combustion unit 100 may heat the decomposition reaction unit 200 to a temperature necessary to decompose ammonia. The combustion unit 100 may be arranged to communicate with the first supply unit (P10) and the second supply unit (P20). As a result, the combustion unit 100 can receive fuel gas from the first supply part (P10) or ammonia from the second supply part (P20). At this time, the combustion unit 100 can heat the decomposition reaction unit 200 using the reaction heat generated by combustion of fuel gas or ammonia using air supplied from the outside.

연료기체는 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 LPG(Liquefied Petroleum Gas)일 수 있다. 이처럼, 연소부(100)의 연소반응에, 연소 시 다량의 NOx가 발생하는 암모니아 대신, LNG 또는 LPG를 이용하는 것에 의해, 초기 기동 단계(예컨대, 분해반응부의 예열 시작부터, 정상상태에 도달 시까지 단계)에서 질소산화물(NOx)의 발생을 저감시킬 수 있다.The fuel gas may be, for example, LNG (Liquefied Natural Gas) or LPG (Liquefied Petroleum Gas). In this way, by using LNG or LPG in the combustion reaction of the combustion unit 100 instead of ammonia, which generates a large amount of NOx during combustion, the initial startup stage (e.g., from the start of preheating of the decomposition reaction unit to the steady state is reached) step) can reduce the generation of nitrogen oxides (NOx).

연소부(100)는 분해반응부(200)를 미리 설정된 온도로 가열할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 온도는, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 시작되어 정상 상태(steady state)에 도달하기 위해 필요한 온도를 의미할 수 있으며, 분해반응부(200)의 내부온도를 기준으로 측정될 수 있다. 이때, 미리 설정된 온도는 예를 들어, 400℃ 내지 500℃ 일 수 있으며, 바람직하게는 400℃이상일 수 있다.The combustion unit 100 may heat the decomposition reaction unit 200 to a preset temperature. Here, the preset temperature may mean the temperature necessary for the ammonia decomposition reaction within the decomposition reaction unit 200 to start and reach a steady state, and may refer to the internal temperature of the decomposition reaction unit 200. It can be measured against a standard. At this time, the preset temperature may be, for example, 400°C to 500°C, and preferably 400°C or higher.

분해반응부(200)는 암모니아 공급부(P30)로부터 암모니아를 공급받아, 암모니아를 분해하여 발생된 반응생성물을 배출할 수 있다. 이때, 반응생성물은 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 질소, 수소 및 미반응 암모니아를 포함할 수 있다. 분해반응부(200)로부터 배출된 반응생성물은 흡착정제부(300)로 이동할 수 있다.The decomposition reaction unit 200 may receive ammonia from the ammonia supply unit (P30) and discharge a reaction product generated by decomposing ammonia. At this time, the reaction product may include nitrogen, hydrogen, and unreacted ammonia generated from the ammonia decomposition reaction. The reaction product discharged from the decomposition reaction unit 200 may be moved to the adsorption purification unit 300.

흡착정제부(300)는 상술한 암모니아 분해 반응의 반응생성물로부터, 고순도 수소를 분리 정제할 수 있다.The adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen from the reaction product of the ammonia decomposition reaction described above.

흡착정제부(300)는 흡착제(adsorbent)를 이용하여, 반응생성물로부터 고순도 수소를 정제할 수 있다. 흡착제는, 예를 들어, 활성탄(active carbon) 또는 제올라이트(zeolite)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기체나 액체를 흡착하는 성질이 강한 다양한 물질을 포함할 수 있다.The adsorption purification unit 300 can purify high purity hydrogen from the reaction product using an adsorbent. The adsorbent may be, for example, activated carbon or zeolite, but is not limited thereto, and may include various substances that have a strong property of adsorbing gas or liquid.

일 실시예로서, 흡착정제부(300)는 압력 순환 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식을 이용하여, 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이러한 경우, 흡착정제부(300)는 내부에, 흡착제를 포함하며, 반응생성물은 이러한 흡착정제부(300)의 내부를 통과할 수 있다. 반응생성물 통과 시, 흡착정제부(300)의 내압은 미리 설정된 압력으로 조절될 수 있다. 미리 설정된 압력은 약 8기압일 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. As an example, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen using a pressure swing adsorption (PSA) method. In this case, the adsorption purification unit 300 contains an adsorbent inside, and the reaction product can pass through the interior of the adsorption purification unit 300. When the reaction product passes, the internal pressure of the adsorption purification unit 300 can be adjusted to a preset pressure. The preset pressure may be about 8 atmospheres, but the present invention is not limited thereto.

이처럼, 반응생성물이 미리 설정된 압력으로 상승된 흡착정제부(300)를 통과하는 동안, 흡착제에 의해 질소 및 암모니아가 흡착, 제거될 수 있다. 이에 의해, 반응생성물로부터 고순도 수소가 분리, 정제될 수 있다. 분리, 정제된 고순도 수소는, 고순도 수소 저장부(미도시)에 저장될 수 있다.In this way, while the reaction product passes through the adsorption purification unit 300 where the pressure is raised to a preset level, nitrogen and ammonia can be adsorbed and removed by the adsorbent. As a result, high-purity hydrogen can be separated and purified from the reaction product. The separated and purified high-purity hydrogen may be stored in a high-purity hydrogen storage unit (not shown).

상술한 바와 같이 반응생성물로부터 수소를 분리, 정제한 이후, 흡착정제부(300)의 내부압력이 다시 감소될 수 있다. 이러한 경우, 흡착제에 흡착된 질소와 암모니아가 다시 분리되게 되고, 이에 따라 질소, 암모니아, 그리고 흡착정제부(300) 내에 잔존하는 수소를 포함하는 오프가스(off-gas)가 생성될 수 있다. 오프가스는 흡착정제부(300)로부터 배출되어, 연소기(100)로 공급할 수 있다. After separating and purifying hydrogen from the reaction product as described above, the internal pressure of the adsorption purification unit 300 may be reduced again. In this case, the nitrogen and ammonia adsorbed on the adsorbent are separated again, and thus off-gas containing nitrogen, ammonia, and hydrogen remaining in the adsorption purification unit 300 may be generated. Off gas can be discharged from the adsorption purification unit 300 and supplied to the combustor 100.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소를 제조하는 방법을 도시한 흐름도이다. 도 5는 도 4의 고순도 수소를 제조하는 방법에 포함된 세부 과정을 도시한 흐름도이다.Figure 4 is a flowchart showing a method for producing high purity hydrogen using ammonia according to an embodiment of the present invention. FIG. 5 is a flowchart showing detailed processes included in the method for producing high purity hydrogen of FIG. 4.

도 4 및 도 5를 참조하면, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 방법(S10)은 다음과 같을 수 있다.Referring to FIGS. 4 and 5, the high-purity hydrogen production method (S10) using ammonia may be as follows.

우선, 연소부(100)가 연료기체를 연소시켜 분해반응부를 미리 설정된 온도로 가열할 수 있다(S100). 구체적으로, 연소부(100)는 제1 공급부(P10)로부터 공급받은 연료기체를 연소시키고, 이러한 연소 반응을 통해 발생된 연소열을 이용하여 분해반응부를 예열(preheating)할 수 있다. 이때, 연료기체의 연소 반응으로부터 생성된 연소배기가스는 연소부(100)의 외부로 배출될 수 있다. 이후, 연소부(100)는 연료기체를 연소시켜, 분해반응부(200)를 미리 설정된 온도(예컨대, 400℃ 이상)까지 가열하고, 이에 따라 분해반응부(200)에서의 암모니아 분해 반응이 시작될 수 있다.First, the combustion unit 100 may combust the fuel gas to heat the decomposition reaction unit to a preset temperature (S100). Specifically, the combustion unit 100 may combust the fuel gas supplied from the first supply unit P10 and preheat the decomposition reaction unit using the combustion heat generated through this combustion reaction. At this time, combustion exhaust gas generated from the combustion reaction of fuel gas may be discharged to the outside of the combustion unit 100. Thereafter, the combustion unit 100 burns the fuel gas and heats the decomposition reaction unit 200 to a preset temperature (e.g., 400° C. or higher), and thus the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 begins. You can.

다음, 분해반응부(200)가 암모니아를 분해하고, 이로부터 생성된 반응생성물을 배출할 수 있다(S200). 구체적으로, 암모니아 공급부(P30)는, 연소부(100)의 예열에 의해 분해반응부(200)가 미리 설정된 온도에 도달하면, 분해반응부(200)로 암모니아를 공급할 수 있다.Next, the decomposition reaction unit 200 decomposes ammonia and discharges the reaction product generated therefrom (S200). Specifically, the ammonia supply unit (P30) may supply ammonia to the decomposition reaction unit 200 when the decomposition reaction unit 200 reaches a preset temperature by preheating of the combustion unit 100.

미리 설정된 온도로 가열되면, 분해반응부(200)는 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아 분해를 시작하고, 이로부터 생성된 반응생성물을 배출할 수 있다. 이때, 반응생성물은 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 암모니아 분해가스일 수 있다.When heated to a preset temperature, the decomposition reaction unit 200 may start decomposing ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharge the reaction product generated therefrom. At this time, the reaction product may be ammonia decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia generated from the ammonia decomposition reaction.

다음, 흡착정제부(300)가 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다(S300). 구체적으로, 흡착정제부(300)는 분해반응부(200)로부터 반응생성물을 전달받고, 반응생성물에 포함된 질소 및 미반응 암모니아를 제거할 수 있다. 이때, 흡착정제부(300)는 내부에 포함된 흡착제를 이용하여, 압력 순환 흡착(PSA) 방식을 통해, 질소와 암모니아만을 선택적으로 흡착하여 제거할 수 있다. 이후, 분리, 정제된 고순도 수소는 배출되어 고순도 수소 저장부에 수용될 수 있다.Next, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen from the reaction product (S300). Specifically, the adsorption purification unit 300 can receive the reaction product from the decomposition reaction unit 200 and remove nitrogen and unreacted ammonia contained in the reaction product. At this time, the adsorption purification unit 300 can selectively adsorb and remove only nitrogen and ammonia through pressure cycling adsorption (PSA) using the adsorbent contained therein. Thereafter, the separated and purified high-purity hydrogen can be discharged and stored in the high-purity hydrogen storage unit.

흡착 및 정제 과정에서 생성된 오프가스(즉, 질소, 수소 및 미반응 암모니아가 혼합된 혼합가스)는, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 연소부(100)로 공급될 수 있다. 이에 따라, 연소부(100)는 연료기체와, 오프가스에 포함된 수소 및 미량의 미반응 암모니아를 혼소시켜 분해반응부(200)를 가열할 수 있다.The off gas (i.e., a mixed gas containing nitrogen, hydrogen, and unreacted ammonia) generated during the adsorption and purification process is transferred to the combustion unit (100) when the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state. ) can be supplied. Accordingly, the combustion unit 100 can heat the decomposition reaction unit 200 by co-combusting the fuel gas, hydrogen and a trace amount of unreacted ammonia contained in the off gas.

상술한 바와 같이, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 제1 공급부(P10)는 연소부(100)로의 연료기체 공급량을 점차 감소시킬 수 있다. 이때, 제2 공급부(P20)는 암모니아를 연소부(100)로 공급하기 시작할 수 있다. 이후, 연소부(100)로 공급되는 연료기체의 공급량이 점차 감소되어 연료기체의 공급이 중단되고, 이에 따라 암모니아와 오프가스만이 연소부(100)로 공급될 수 있다. 이에, 연소부(100)는 암모니아와 오프가스 내의 수소 및 미량의 미반응 암모니아를 혼소시켜, 분해반응부(200)를 가열하게 되고, 이러한 가열 과정에 의해, 분해반응부(200)에서의 암모니아 분해반응 및 흡착정제부(300)에서의 흡착 정제 과정이 계속적으로 이루어질 수 있다.As described above, after the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state, the first supply unit P10 may gradually reduce the amount of fuel gas supplied to the combustion unit 100. At this time, the second supply unit (P20) may start supplying ammonia to the combustion unit (100). Afterwards, the supply amount of fuel gas supplied to the combustion unit 100 gradually decreases and the supply of fuel gas is stopped, and accordingly, only ammonia and off gas can be supplied to the combustion unit 100. Accordingly, the combustion unit 100 co-combusts ammonia with hydrogen and a trace amount of unreacted ammonia in the off gas to heat the decomposition reaction unit 200. Through this heating process, ammonia in the decomposition reaction unit 200 The decomposition reaction and adsorption purification process in the adsorption purification unit 300 may be carried out continuously.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(10) 및 제조 방법(S10)은, 연소부(100)에서 암모니아 대신, LNG 또는 LPG와 같은 연료기체를 연소시켜 정상상태 도달 시 까지분해반응부(200)를 예열함으로써, 암모니아 연소 반응을 이용하여 예열하는 경우에 비해, 분해반응부(200)의 초기 가동 단계에서 질소산화물(NOx) 배출을 감소시킬 수 있다. 또한, 흡착 및 정제 단계에서 생성된 오프가스 내의 수소를, 연소부(100)로 재공급하여 연료기체 또는 암모니아와 혼소시킴으로써, 초기 가동 단계 이후에도 NOx 배출을 억제할 수 있다.As described above, the high-purity hydrogen production device 10 and production method (S10) using ammonia according to embodiments of the present invention burn fuel gas such as LNG or LPG in the combustion unit 100 instead of ammonia. By preheating the decomposition reaction unit 200 until a steady state is reached, nitrogen oxide (NOx) emissions can be reduced in the initial operation stage of the decomposition reaction unit 200, compared to the case of preheating using an ammonia combustion reaction. In addition, by resupplying the hydrogen in the off-gas generated in the adsorption and purification stage to the combustion unit 100 and co-combusting it with fuel gas or ammonia, NOx emissions can be suppressed even after the initial operation stage.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치 및 방법을 도시한 블록도이다.Figure 6 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention. Figure 7 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention. And, Figure 8 is a block diagram showing an apparatus and method for producing high-purity hydrogen using ammonia according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(이하, 고순도 수소 제조 장치)(20)는 연소부(100)와, 제1 암모니아 공급부(P20)와, 분해반응부(200)와, 제2 암모니아 공급부(P30)와, 흡착정제부(300)와, 수소공급부(400)를 포함할 수 있다. 또한, 고순도 수소 제조 장치(20)는 고순도 수소 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, a high-purity hydrogen production device 20 using ammonia (hereinafter referred to as a high-purity hydrogen production device) according to another embodiment of the present invention includes a combustion unit 100, a first ammonia supply unit P20, and decomposition unit 100. It may include a reaction unit 200, a second ammonia supply unit (P30), an adsorption purification unit 300, and a hydrogen supply unit 400. Additionally, the high-purity hydrogen production device 20 may further include a high-purity hydrogen storage unit (not shown).

제1 암모니아 공급부(P20)는 연소부(100)로 연소 반응에 필요한 암모니아를 공급할 수 있다. 수소공급부(400)는 상술한 암모니아와 함께 연소되기 위한 수소를, 연소부(100)로 공급할 수 있다. 수소공급부(400)는 연소부(100)와 연통되도록, 연소부(100) 외부에 배치될 수 있다.The first ammonia supply unit (P20) may supply ammonia necessary for a combustion reaction to the combustion unit (100). The hydrogen supply unit 400 can supply hydrogen for combustion with the ammonia described above to the combustion unit 100. The hydrogen supply unit 400 may be disposed outside the combustion unit 100 so as to communicate with the combustion unit 100 .

또한, 제2 암모니아 공급부(P30)는 암모니아 분해 반응에 이용되는 암모니아를, 분해반응부(200)로 공급할 수 있다. 이때, 연소부(100)와, 분해반응부(200)와, 흡착정제부(300)의 구체적인 특징은, 전술한 실시예와 동일 또는 유사하므로, 중복되는 기재는 생략하기로 한다. 이러한 경우, 암모니아를 이용하여 고순도 수소를 제조하는 방법은 아래와 같을 수 있다.Additionally, the second ammonia supply unit (P30) may supply ammonia used in the ammonia decomposition reaction to the decomposition reaction unit (200). At this time, since the specific features of the combustion unit 100, the decomposition reaction unit 200, and the adsorption purification unit 300 are the same or similar to the above-described embodiment, overlapping description will be omitted. In this case, the method for producing high purity hydrogen using ammonia may be as follows.

우선, 연소부(100)가 암모니아를 수소와 혼소(mixed firing)시켜 분해반응부(200)를 예열할 수 있다. 구체적으로, 연소부(100)는 제1 암모니아 공급부(P20)로부터 암모니아를 공급받고, 수소공급부(400)로부터 소수를 공급받을 수 있다. 이때, 연소부(100)는 외부로부터 공급된 공기를 이용하여, 상술한 암모니아와 수소를 혼소시켜 반응열을 발생시킴으로써, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이때, 연소부(100)는 미리 설정된 온도(예컨대, 400℃ 이상)로 분해반응부(200)를 가열할 수 있다.First, the combustion unit 100 can preheat the decomposition reaction unit 200 by performing a mixed firing of ammonia with hydrogen. Specifically, the combustion unit 100 may receive ammonia from the first ammonia supply unit (P20) and hydrogen from the hydrogen supply unit 400. At this time, the combustion unit 100 can heat the decomposition reaction unit 200 by co-combusting the above-described ammonia and hydrogen using air supplied from the outside to generate reaction heat. At this time, the combustion unit 100 may heat the decomposition reaction unit 200 to a preset temperature (eg, 400° C. or higher).

다음, 분해반응부(200)가, 연소부(100)에 의해 예열되는 도중, 제2 암모니아 공급부(P30)가 분해반응부(200)로 암모니아를 공급할 수 있다. 이러한 경우, 분해반응부(200)는 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해를 시작하고, 암모니아 분해 반응에 따른 반응생성물을 배출할 수 있다.Next, while the decomposition reaction unit 200 is being preheated by the combustion unit 100, the second ammonia supply unit P30 may supply ammonia to the decomposition reaction unit 200. In this case, the decomposition reaction unit 200 may start decomposing ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharge reaction products resulting from the ammonia decomposition reaction.

다음, 흡착정제부(300)가 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이때, 흡착정제부(300)는 분해반응부(200)로부터 전달받은 반응생성물에 포함된 질소 및 미반응 암모니아를 흡착, 제거함으로써, 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이러한 고순도 수소는 고순도 수소 저장부(미도시)에 저장될 수 있다. 이때, 흡착 및 정제 과정에서 생성된 오프가스는, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 연소부(100)로 공급될 수 있다Next, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen from the reaction product. At this time, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen by adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia contained in the reaction product delivered from the decomposition reaction unit 200. This high-purity hydrogen can be stored in a high-purity hydrogen storage unit (not shown). At this time, the off gas generated during the adsorption and purification process can be supplied to the combustion unit 100 when the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state.

분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 수소공급부(400)는 연소부(100)로 공급하는 수소의 공급량을 점차 감소시키고, 제1 암모니아 공급부(P20)는 연소부(100)로 공급하는 암모니아의 공급량을 점차 증가시킬 수 있다. 이후 일정 시간이 경과하면, 수소공급부(400)의 수소 공급이 중단되어, 연소부(100)에는 암모니아와, 오프가스만이 공급될 수 있다. After the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state, the hydrogen supply unit 400 gradually reduces the amount of hydrogen supplied to the combustion unit 100, and the first ammonia supply unit (P20) The amount of ammonia supplied to the combustion unit 100 can be gradually increased. After a certain period of time has passed, the supply of hydrogen from the hydrogen supply unit 400 is stopped, and only ammonia and off gas can be supplied to the combustion unit 100.

이에 따라, 연소부(100)는 제1 암모니아 공급부(P20)에서 공급된 '암모니아'와, 흡착정제부(300)에서 공급된 오프가스 내의 '수소 및 미량의 미반응 암모니아'를 혼소시켜, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이러한 가열 과정에 의해, 분해반응부(200)에서의 암모니아 분해반응 및 흡착정제부(300)에서의 흡착 정제 과정이 계속적으로 이루어질 수 있다.Accordingly, the combustion unit 100 co-combusts the 'ammonia' supplied from the first ammonia supply unit (P20) and the 'hydrogen and a trace amount of unreacted ammonia' in the off-gas supplied from the adsorption purification unit 300, thereby decomposing them. The reaction unit 200 may be heated. Through this heating process, the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 and the adsorption purification process in the adsorption purification unit 300 can be continuously performed.

한편, 또 다른 실시예로서, 도면에는 도시하지 않았으나, 고순도 수소 제조 장치(20)는 제1 암모니아 공급부(P20)를 구비하지 않고, 수소공급부(400)만을 구비할 수 있다. 이러한 경우, 연소부(100)는 초기 기동 단계에서, 수소공급부(400)로부터 공급된 수소만을 연소시켜, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이처럼, 분해반응부(200)의 예열 단계에서 암모니아를 제외한 수소만을 연소시킴으로써, 초기 기동 단계에서의 NOx 발생을 억제할 수 있다. 그 외의, 고순도 수소 제조를 위한 구체적인 과정은 전술한 바와 동일 또는 유사할 수 있다.Meanwhile, as another embodiment, although not shown in the drawings, the high-purity hydrogen production apparatus 20 may be provided only with the hydrogen supply unit 400 without the first ammonia supply unit P20. In this case, the combustion unit 100 can heat the decomposition reaction unit 200 by burning only the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 400 in the initial startup stage. In this way, by burning only hydrogen excluding ammonia in the preheating stage of the decomposition reaction unit 200, NOx generation in the initial startup stage can be suppressed. Other than that, specific processes for producing high purity hydrogen may be the same or similar to those described above.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(이하, 고순도 수소 제조 장치)(20)는 연소부(100)와, 제1 암모니아 공급부(P20)와, 분해반응부(200)와, 제2 암모니아 공급부(P30)와, 흡착정제부(300)와, 축매분해부(500)를 포함할 수 있다. 또한, 고순도 수소 제조 장치(20)는 고순도 수소 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, a high-purity hydrogen production device (hereinafter, high-purity hydrogen production device) 20 using ammonia according to another embodiment of the present invention includes a combustion unit 100, a first ammonia supply unit (P20), It may include a decomposition reaction unit 200, a second ammonia supply unit (P30), an adsorption purification unit 300, and an axis decomposition unit 500. Additionally, the high-purity hydrogen production device 20 may further include a high-purity hydrogen storage unit (not shown).

촉매분해부(500)는 제1 암모니아 공급부(P20)로부터, 연소부(100)로 공급되는 암모니아의 일부를 촉매분해하여 수소를 생산할 수 있다. 이때, 촉매분해부(500)는 제1 암모니아 공급부(P20)와 연소부(100) 사이에 배치될 수 있다.The catalytic decomposition unit 500 may produce hydrogen by catalytically decomposing a portion of the ammonia supplied to the combustion unit 100 from the first ammonia supply unit P20. At this time, the catalytic decomposition unit 500 may be disposed between the first ammonia supply unit (P20) and the combustion unit 100.

보다 구체적으로, 촉매분해부(500)는 암모니아 분해촉매를 이용하여, 연소부(100)로 공급되는 암모니아의 일부를 촉매 분해 반응시킬 수 있다. 이에 의해, 촉매분해부(500)는 제1 암모니아 공급부(P20)에서 공급된 암모니아 중 '미반응 암모니아'와, 촉매 분해 반응을 통해 생성된 '질소' 및 '수소'를 포함하는 혼합물을 생성할 수 있다. 이때, 암모니아 분해촉매는 예를 들어, 루테늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매, 또는 니켈(Ni)과 같은 전이 금속 촉매일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, the catalytic decomposition unit 500 may catalytically decompose part of the ammonia supplied to the combustion unit 100 using an ammonia decomposition catalyst. As a result, the catalytic decomposition unit 500 generates a mixture containing 'unreacted ammonia' among the ammonia supplied from the first ammonia supply unit (P20), and 'nitrogen' and 'hydrogen' generated through the catalytic decomposition reaction. You can. At this time, the ammonia decomposition catalyst may be, for example, a noble metal catalyst such as ruthenium (Ru) or a transition metal catalyst such as nickel (Ni), but is not limited thereto.

촉매분해부(500)는 전기가열부(미도시)를 구비할 수 있다. 전기가열부는 촉매분해부(500)의 본체(미도시) 외부 또는 내부에 설치될 수 있으며, 열을 발생시키기 위한 열원(미도시)과, 열원에서 발생된 열을 촉매분해부(500)의 본체로 전달하기 위한 열전달부(예컨대, 열선)을 구비할 수 있다. 이러한, 전기가열부의 열원 및 열전달부에 의해, 촉매분해부(500)가 가열됨으로써, 촉매분해부(500)의 내부온도는 암모니아 분해촉매 반응을 위해 필요한 온도까지 상승할 수 있다. 촉매분해부(500)는 암모니아 촉매분해 반응으로부터 생성된 암모니아, 질소 및 수소 혼합물을 연소부(100)로 공급할 수 있다.The catalytic decomposition unit 500 may be provided with an electric heating unit (not shown). The electric heating unit may be installed outside or inside the main body (not shown) of the catalytic decomposition unit 500, and includes a heat source (not shown) to generate heat, and heat generated from the heat source to the main body of the catalytic decomposition unit 500. It may be provided with a heat transfer unit (e.g., a heat wire) for transferring heat to the heat transfer unit. As the catalytic decomposition unit 500 is heated by the heat source and heat transfer unit of the electric heating unit, the internal temperature of the catalytic decomposition unit 500 can rise to the temperature required for the ammonia decomposition catalytic reaction. The catalytic decomposition unit 500 may supply a mixture of ammonia, nitrogen, and hydrogen generated from the ammonia catalytic decomposition reaction to the combustion unit 100.

한편, 연소부(100)와, 분해반응부(200)와, 흡착정제부(300), 제1 암모니아 공급부(P20)와, 제2 암모니아 공급부(P30)의 구체적인 특징은, 전술한 실시예와 동일 또는 유사하므로, 중복되는 기재는 생략하기로 한다. 이러한 경우, 고순도 수소를 제조하는 방법은 아래와 같을 수 있다. Meanwhile, the specific characteristics of the combustion unit 100, the decomposition reaction unit 200, the adsorption purification unit 300, the first ammonia supply unit (P20), and the second ammonia supply unit (P30) are different from the above-described embodiments. Since they are the same or similar, overlapping descriptions will be omitted. In this case, the method for producing high purity hydrogen may be as follows.

우선, 촉매분해부(500)가, 제1 암모니아 공급부(P20)로부터 연소부(100)로 공급되는 암모니아의 일부를 촉매 분해하여, 수소를 생성할 수 있다. 이때, 촉매분해부(500)는 공급된 암모니아 중 '미반응 암모니아'와, 촉매 분해를 통해 생성된 '질소 및 수소'를 포함하는 혼합물을 생성할 수 있다. 촉매분해부에서 생성된 혼합물은 연소부(100)로 공급할 수 있다.First, the catalytic decomposition unit 500 may catalytically decompose a portion of the ammonia supplied from the first ammonia supply unit P20 to the combustion unit 100 to generate hydrogen. At this time, the catalytic decomposition unit 500 may generate a mixture containing 'unreacted ammonia' among the supplied ammonia and 'nitrogen and hydrogen' generated through catalytic decomposition. The mixture generated in the catalytic decomposition unit can be supplied to the combustion unit 100.

다음, 연소부(100)가, 공급받은 혼합물에 포함된 암모니아와 수소를 혼소시켜 분해반응부(200)를 예열할 수 있다. 이때, 연소부(100)는 외부로부터 공급된 공기를 이용하여, 상술한 암모니아와 수소를 혼소시켜 반응열을 발생시킴으로써, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이때, 연소부(100)는 미리 설정된 온도로 분해반응부(200)를 가열할 수 있다.Next, the combustion unit 100 may preheat the decomposition reaction unit 200 by co-combusting the ammonia and hydrogen contained in the supplied mixture. At this time, the combustion unit 100 can heat the decomposition reaction unit 200 by co-combusting the above-described ammonia and hydrogen using air supplied from the outside to generate reaction heat. At this time, the combustion unit 100 may heat the decomposition reaction unit 200 to a preset temperature.

다음, 연소부(100)에 의해 예열됨에 따라 분해반응부(200)가 미리 설정된 온도(예컨대, 400℃ 이상)에 도달하면, 제2 암모니아 공급부(P30)는 분해반응부(200)로 암모니아를 공급할 수 있다. 이러한 경우, 분해반응부(200)는 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해를 시작하여, 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 반응생성물을 배출할 수 있다.Next, when the decomposition reaction unit 200 reaches a preset temperature (e.g., 400°C or higher) as it is preheated by the combustion unit 100, the second ammonia supply unit (P30) supplies ammonia to the decomposition reaction unit 200. can be supplied. In this case, the decomposition reaction unit 200 may start decomposing ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharge a reaction product generated from the ammonia decomposition reaction.

다음, 흡착정제부(300)가 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이때, 흡착정제부(300)는 분해반응부(200)로부터 전달받은 반응생성물에 포함된 질소 및 미반응 암모니아를 흡착, 제거함으로써, 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이러한 고순도 수소는, 고순도 수소 저장부(미도시)에 저장될 수 있다. 이때, 흡착 및 정제 과정에서 생성된 오프가스는, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 연소부(100)로 공급될 수 있다Next, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen from the reaction product. At this time, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen by adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia contained in the reaction product delivered from the decomposition reaction unit 200. This high-purity hydrogen can be stored in a high-purity hydrogen storage unit (not shown). At this time, the off gas generated during the adsorption and purification process can be supplied to the combustion unit 100 when the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state.

분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 제1 암모니아 공급부(P20)는 촉매분해부(500)로의 암모니아 공급량을 점차 감소시키면서, 제1 바이패스 라인(B1)을 통해 연소부(100)로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시킬 수 있다. 이후 일정 시간이 경과하면, 촉매분해부(500)로의 암모니아 공급이 중단되어, 암모니아는, 제1 암모니아 공급부(P20)에서 제1 바이패스 라인(B1)을 통해서만 연소부(100)로 공급될 수 있다.After the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state, the first ammonia supply unit (P20) gradually reduces the amount of ammonia supplied to the catalytic decomposition unit 500, and the first bypass line (B1) It is possible to gradually increase the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit 100. After a certain period of time has passed, the supply of ammonia to the catalytic decomposition unit 500 is stopped, and ammonia can be supplied to the combustion unit 100 only through the first bypass line (B1) from the first ammonia supply unit (P20). there is.

이에 따라, 연소부(100)는, 제1 암모니아 공급부(P20)로부터 직접 공급된 '암모니아'와, 오프가스에 포함된 '수소 및 미량의 미반응 암모니아'를 혼소시켜, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이러한 가열 과정에 의해, 분해반응부(200)에서의 암모니아 분해반응 및 흡착정제부(300)에서의 흡착 정제 과정이 계속적으로 이루어질 수 있다.Accordingly, the combustion unit 100 co-combusts the 'ammonia' directly supplied from the first ammonia supply unit (P20) and the 'hydrogen and a trace amount of unreacted ammonia' contained in the off-gas, thereby forming the decomposition reaction unit 200. can be heated. Through this heating process, the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 and the adsorption purification process in the adsorption purification unit 300 can be continuously performed.

도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(이하, 고순도 수소 제조 장치)(20)는 연소부(100)와, 제1 암모니아 공급부(P20)와, 분해반응부(200)와, 제2 암모니아 공급부(P30)와, 흡착정제부(300)와, 부분산화부(600)를 포함할 수 있다. 또한, 고순도 수소 제조 장치(20)는 고순도 수소 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 8, a high-purity hydrogen production device (hereinafter, high-purity hydrogen production device) 20 using ammonia according to another embodiment of the present invention includes a combustion unit 100, a first ammonia supply unit (P20), It may include a decomposition reaction unit 200, a second ammonia supply unit (P30), an adsorption purification unit 300, and a partial oxidation unit 600. Additionally, the high-purity hydrogen production device 20 may further include a high-purity hydrogen storage unit (not shown).

부분산화부(600)는 제1 암모니아 공급부(P20)로부터 암모니아를 공급받고, 공기와 혼합하여 암모니아를 부분산화(部分酸化)시켜, 수소를 생산할 수 있다. 이때, 부분산화부(600)는 제1 암모니아 공급부(P20)와 연소부(100) 사이에 배치될 수 있다.The partial oxidation unit 600 receives ammonia from the first ammonia supply unit P20, mixes it with air, and partially oxidizes the ammonia to produce hydrogen. At this time, the partial oxidation unit 600 may be disposed between the first ammonia supply unit (P20) and the combustion unit 100.

보다 구체적으로, 부분산화부(600)는 부분산화촉매 및 공기를 이용하여, 암모니아를 부분 산화 반응시킬 수 있다. 이에 의해, 부분산화부(600)는 제1 암모니아 공급부(P20)에서 공급된 '미반응 암모니아'와, 부분산화 반응을 통해 생성된 '질소', '수소' 및 '수증기'의 혼합물을 생성할 수 있다. 부분산화촉매는 예를 들어, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 니켈(Ni)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.More specifically, the partial oxidation unit 600 can cause a partial oxidation reaction of ammonia using a partial oxidation catalyst and air. As a result, the partial oxidation unit 600 generates a mixture of 'unreacted ammonia' supplied from the first ammonia supply unit (P20) and 'nitrogen', 'hydrogen', and 'water vapor' generated through the partial oxidation reaction. You can. The partial oxidation catalyst may be, for example, platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), or nickel (Ni), but is not limited thereto.

부분산화부(600)는 외부로부터 부분산화 반응에 이용되는 공기를 공급받을 수 있다. 일 실시예로, 연소부(100)로 공급되는 공기의 일부가, 바이패스 배관을 통해 부분산화부(600)로 공급될 수 있다. 부분산화부(600)는 전술한 방식으로 공급받은 공기를 이용하여, 암모니아를 부분 산화 반응시켜 수소를 생산하며, 이때 부분산화 반응은 발열반응으로, 별도의 가열 장치 없이 상온에서 진행될 수 있다. 다른 실시예로, 부분산화반응은, 별도로 구비된 전기가열부(미도시)에 의해 가열되는 방식으로 진행될 수도 있다. 이후, 부분산화부(600)는, 암모니아 부분산화 반응으로부터 생성된 암모니아, 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 '혼합물'을 연소부(100)로 공급할 수 있다.The partial oxidation unit 600 may receive air used for the partial oxidation reaction from the outside. In one embodiment, a portion of the air supplied to the combustion unit 100 may be supplied to the partial oxidation unit 600 through a bypass pipe. The partial oxidation unit 600 produces hydrogen by partially oxidizing ammonia using air supplied in the above-described manner. At this time, the partial oxidation reaction is an exothermic reaction and can be carried out at room temperature without a separate heating device. In another embodiment, the partial oxidation reaction may be carried out by heating by a separately provided electric heating unit (not shown). Thereafter, the partial oxidation unit 600 may supply a 'mixture' containing ammonia, nitrogen, hydrogen, and water vapor generated from the ammonia partial oxidation reaction to the combustion unit 100.

한편, 연소부(100)와, 분해반응부(200)와, 흡착정제부(300), 제1 암모니아 공급부(P20)와, 제2 암모니아 공급부(P30)의 구체적인 특징은, 전술한 실시예와 동일 또는 유사하므로, 중복되는 기재는 생략하기로 한다. 이러한 경우, 고순도 수소를 제조하는 방법은 아래와 같을 수 있다.Meanwhile, the specific characteristics of the combustion unit 100, the decomposition reaction unit 200, the adsorption purification unit 300, the first ammonia supply unit (P20), and the second ammonia supply unit (P30) are different from the above-described embodiments. Since they are the same or similar, overlapping descriptions will be omitted. In this case, the method for producing high purity hydrogen may be as follows.

우선, 부분산화부(600)가, 제1 암모니아 공급부(P20)로부터 암모니아를 공급받고, 암모니아를 부분산화시켜 수소를 생산할 수 있다. 이때, 부분산화부(600)는 공급된 암모니아 중 미반응 암모니아와, 부분산화 반응을 통해 생성된 질소, 수소 및 수증기를 포함하는 혼합물을 생성할 수 있다. 부분산화부(600)는, 생성된 혼합물은 연소부(100)로 공급할 수 있다.First, the partial oxidation unit 600 may receive ammonia from the first ammonia supply unit P20 and produce hydrogen by partially oxidizing the ammonia. At this time, the partial oxidation unit 600 may generate a mixture containing unreacted ammonia among the supplied ammonia and nitrogen, hydrogen, and water vapor generated through the partial oxidation reaction. The partial oxidation unit 600 can supply the generated mixture to the combustion unit 100.

다음, 분해반응부(200)가, 연소부(100)에 의해 예열됨에 따라 미리 설정된 온도에 도달하면, 제2 암모니아 공급부(P30)가 분해반응부(200)로 암모니아를 공급할 수 있다. 이러한 경우, 분해반응부(200)는 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해를 시작하여, 암모니아 분해 반응에 따른 반응생성물을 배출할 수 있다.Next, when the decomposition reaction unit 200 reaches a preset temperature as it is preheated by the combustion unit 100, the second ammonia supply unit P30 may supply ammonia to the decomposition reaction unit 200. In this case, the decomposition reaction unit 200 may start decomposing ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharge reaction products resulting from the ammonia decomposition reaction.

다음, 흡착정제부(300)가 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이때, 흡착정제부(300)는 분해반응부(200)로부터 전달받은 반응생성물에 포함된 질소 및 미반응 암모니아를 흡착, 제거함으로써, 고순도 수소를 분리, 정제할 수 있다. 이러한 고순도 수소는 고순도 수소 저장부(미도시)에 저장될 수 있다. 이때, 흡착 및 정제 과정에서 생성된 오프가스는, 분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 연소부(100)로 공급될 수 있다.Next, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen from the reaction product. At this time, the adsorption purification unit 300 can separate and purify high-purity hydrogen by adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia contained in the reaction product delivered from the decomposition reaction unit 200. This high-purity hydrogen can be stored in a high-purity hydrogen storage unit (not shown). At this time, the off gas generated during the adsorption and purification process can be supplied to the combustion unit 100 when the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state.

분해반응부(200) 내에서의 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 제1 암모니아 공급부(P20)는 부분산화부(600)로의 암모니아 공급량을 점차 감소시키면서, 제2 바이패스 라인(B2)을 통해 연소부(100)로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시킬 수 있다. 이후 일정 시간이 경과하면, 부분산화부(600)로의 암모니아 공급이 중단되어, 암모니아는, 제1 암모니아 공급부(P20)에서 제2 바이패스 라인(B2)을 통해서만 연소부(100)로 공급될 수 있다.After the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 reaches a steady state, the first ammonia supply unit (P20) gradually reduces the amount of ammonia supplied to the partial oxidation unit 600, and the second bypass line (B2) It is possible to gradually increase the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit 100. After a certain period of time has passed, the supply of ammonia to the partial oxidation unit 600 is stopped, and ammonia can be supplied to the combustion unit 100 only through the second bypass line (B2) from the first ammonia supply unit (P20). there is.

이에 따라, 연소부(100)는 제1 암모니아 공급부(20)로부터 직접 공급된 '암모니아'와, 오프가스에 포함된 '수소 및 미량의 미반응 암모니아'를 혼소시켜, 분해반응부(200)를 가열할 수 있다. 이러한 가열 과정에 의해, 분해반응부(200)에서의 암모니아 분해반응 및 흡착정제부(300)에서의 흡착 정제 과정이 계속적으로 이루어질 수 있다.Accordingly, the combustion unit 100 co-combusts the 'ammonia' directly supplied from the first ammonia supply unit 20 and the 'hydrogen and a trace amount of unreacted ammonia' contained in the off gas, thereby forming the decomposition reaction unit 200. It can be heated. Through this heating process, the ammonia decomposition reaction in the decomposition reaction unit 200 and the adsorption purification process in the adsorption purification unit 300 can be continuously performed.

이처럼, 전술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조 장치(20) 및 제조 방법은, 초기 기동 단계에서, 수소공급부(400)로부터 공급된 수소, 암모니아 촉매분해 또는 암모니아 부분산화반응을 통해 생산된 수소를 연소부(100)로 공급하여, 암모니아와 혼소시킴으로써, 암모니아 연소 과정에서의 NOx 발생을 저감시킬 수 있다.As such, the high-purity hydrogen production device 20 and production method using ammonia according to the embodiments of the present invention as described above, in the initial startup stage, hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 400, ammonia catalytic decomposition, or ammonia portion. By supplying the hydrogen produced through the oxidation reaction to the combustion unit 100 and co-combusting it with ammonia, NOx generation during the ammonia combustion process can be reduced.

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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The description of the present invention described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present invention can be easily modified into other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. will be. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as unitary may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 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 claims described below, and all changes or modified forms 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, 20: 고순도 수소 제조 장치
100: 연소부
200: 분해반응부
300: 흡착정제부
400: 수소공급부
500: 촉매분해부
600: 부분산화부
P10: 제1 공급부
P20: 제2 공급부, 제1 암모니아 공급부
P30: 암모니아 공급부, 제2 암모니아 공급부
B1: 제1 바이패스 라인
B2: 제2 바이패스 라인10, 20: High-purity hydrogen production device
100: Combustion unit
200: Decomposition reaction unit
300: Adsorption purification unit
400: Hydrogen supply unit
500: Catalytic decomposition unit
600: Partially oxidized part
P10: First supply section
P20: second supply, first ammonia supply
P30: Ammonia supply section, second ammonia supply section
B1: first bypass line
B2: second bypass line

Claims (27)

암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해하고, 상기 암모니아 분해 반응으로부터 생성된 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 분해반응부;
제1 공급부에서 연료기체를 공급받고, 상기 연료기체를 연소시켜 발생된 연소열을 이용하여 상기 분해반응부를 미리 설정된 온도로 가열하는 연소부; 및
상기 반응생성물로부터 고순도 수소를 분리 및 정제하는 흡착정제부;를 포함하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.a decomposition reaction unit that decomposes ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharges reaction products including hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia generated from the ammonia decomposition reaction;
a combustion unit that receives fuel gas from a first supply unit and heats the decomposition reaction unit to a preset temperature using combustion heat generated by combustion of the fuel gas; and
An apparatus for producing high-purity hydrogen using ammonia, comprising an adsorption purification unit that separates and purifies high-purity hydrogen from the reaction product. 제1 항에 있어서,
상기 연소부는 상기 분해반응부를 미리 설정된 온도까지 예열(preheating)하고,
상기 제1 공급부는, 상기 분해반응부가 상기 미리 설정된 온도에 도달하면, 상기 분해반응부로 상기 암모니아를 공급하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to claim 1,
The combustion unit preheats the decomposition reaction unit to a preset temperature,
The first supply unit supplies the ammonia to the decomposition reaction unit when the decomposition reaction unit reaches the preset temperature. 제1 항에 있어서,
상기 연소부는, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 연료기체와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to claim 1,
The combustion unit, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the fuel gas to heat the decomposition reaction unit to produce ammonia. High-purity hydrogen production device used. 제3 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급량을 점차 감소시키고, 제2 공급부는 상기 연소부로 암모니아를 공급하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to clause 3,
When the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit gradually reduces the supply amount of the fuel gas, and the second supply unit supplies ammonia to the combustion unit. 제4 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급을 중단하고, 상기 연소부는 상기 제2 공급부에서 공급된 암모니아와 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to clause 4,
After the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit stops supplying the fuel gas, and the combustion unit performs a mixed firing of the ammonia supplied from the second supply unit and the off gas to decompose the ammonia. A high-purity hydrogen production device using ammonia that heats the reaction section. 제1 항에 있어서,
상기 흡착정제부는, 압력 순환 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식을 이용하여 고순도 수소를 분리, 정제하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to claim 1,
The adsorption purification unit is a high-purity hydrogen production device using ammonia that separates and purifies high-purity hydrogen using a pressure swing adsorption (PSA) method. 제1 항에 있어서,
상기 연료기체는 LNG(Liquefied Natural Gas) 또는 LPG(Liquefied Petroleum Gas)인, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조장치.According to claim 1,
The fuel gas is LNG (Liquefied Natural Gas) or LPG (Liquefied Petroleum Gas). A high-purity hydrogen production device using ammonia. 연소부가, 제1 공급부에서 공급된 연료기체를 연소시켜 분해반응부를 미리 설정된 온도로 예열(preheating)하는 단계;
상기 분해반응부가, 암모니아 분해 반응을 통해 암모니아를 분해하여, 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 단계; 및
흡착정제부가, 상기 반응생성물로부터 질소 및 미반응 암모니아를 흡착 제거하여 고순도 수소를 분리 정제하는 단계;를 포함하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.Preheating the decomposition reaction unit to a preset temperature by combusting the fuel gas supplied from the first supply unit, by the combustion unit;
The decomposition reaction unit decomposes ammonia through an ammonia decomposition reaction and discharges reaction products including hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia; and
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, comprising: an adsorption purification unit adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia from the reaction product to separate and purify high-purity hydrogen. 제8 항에 있어서,
암모니아 공급부는, 상기 분해반응부가 미리 설정된 온도까지 예열되면, 상기 분해반응부로 암모니아를 공급하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 8,
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, wherein the ammonia supply unit supplies ammonia to the decomposition reaction unit when the decomposition reaction unit is preheated to a preset temperature. 제8 항에 있어서,
상기 연소부는, 상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 연료기체와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 8,
The combustion unit, when the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, burns the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the fuel gas to heat the decomposition reaction unit to produce ammonia. High-purity hydrogen production method using. 제10 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체 공급량을 점차 감소시키되, 제2 공급부는 상기 연소부로 암모니아를 공급하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 10,
When the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit gradually reduces the fuel gas supply amount, and the second supply unit supplies ammonia to the combustion unit. 제11 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 제1 공급부는 상기 연료기체의 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제2 공급부에서 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 11,
After the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the first supply unit stops supplying the fuel gas, and the combustion unit performs mixed firing of the ammonia supplied from the second supply unit and the off gas. A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, in which the decomposition reaction unit is heated. 제8 항에 있어서,
상기 고순도 수소를 분리 정제하는 단계에서, 상기 흡착정제부는 압력 순환 흡착(PSA) 방식을 이용하여 고순도 수소를 분리, 정제하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 8,
In the step of separating and purifying the high-purity hydrogen, the adsorption purification unit separates and purifies the high-purity hydrogen using a pressure cycling adsorption (PSA) method. 제8 항에 있어서,
상기 연료기체는 LNG 또는 LPG인, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 8,
A method of producing high-purity hydrogen using ammonia, where the fuel gas is LNG or LPG. 연소부가, 제1 암모니아 공급부로부터 암모니아를 공급받아, 수소와 혼소(mixed firing)시켜 분해반응부를 미리 설정된 온도로 예열하는 단계;
상기 분해반응부가, 암모니아 분해 반응을 통해, 제2 암모니아 공급부로부터 공급받은 암모니아를 분해하여, 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응생성물을 배출하는 단계; 및
흡착정제부가, 상기 반응생성물로부터 질소 및 미반응 암모니아를 흡착, 제거하여 고순도 수소를 분리, 정제하는 단계;를 포함하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.A combustion unit receiving ammonia from the first ammonia supply unit and performing mixed firing with hydrogen to preheat the decomposition reaction unit to a preset temperature;
The decomposition reaction unit decomposes the ammonia supplied from the second ammonia supply unit through an ammonia decomposition reaction, and discharges a reaction product including hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia; and
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, comprising: an adsorption purification unit adsorbing and removing nitrogen and unreacted ammonia from the reaction product to separate and purify high-purity hydrogen. 제15 항에 있어서,
상기 분해반응부를 예열하는 단계에서, 연소부는, 외부에 배치된 수소공급부로부터 상기 수소를 공급받는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 15,
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, wherein in the step of preheating the decomposition reaction unit, the combustion unit receives the hydrogen from a hydrogen supply unit disposed externally. 제15 항에 있어서,
상기 분해반응부를 예열하는 단계에서,
상기 제1 암모니아 공급부로부터 공급되는 암모니아는, 촉매분해부를 지나 상기 연소부로 공급되고,
상기 촉매분해부는, 상기 연소부로 공급되는 상기 암모니아의 일부를 촉매분해 반응시켜 상기 수소를 생산하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 15,
In the step of preheating the decomposition reaction unit,
Ammonia supplied from the first ammonia supply unit passes through the catalytic decomposition unit and is supplied to the combustion unit,
The catalytic decomposition unit produces the hydrogen by catalytically decomposing a portion of the ammonia supplied to the combustion unit. 제17 항에 있어서,
상기 촉매분해 반응은, 전기가열 방식을 통해 진행되는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 17,
The catalytic decomposition reaction is a method of producing high-purity hydrogen using ammonia, which is carried out through an electric heating method. 제15 항에 있어서,
상기 분해반응부를 예열하는 단계에서,
상기 제1 암모니아 공급부로부터 공급되는 암모니아는, 부분산화부를 지나 상기 연소부로 공급되고,
상기 부분산화부는, 상기 연소부로 공급되는 암모니아의 일부를 부분산화 반응시켜 상기 수소를 생산하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 15,
In the step of preheating the decomposition reaction unit,
Ammonia supplied from the first ammonia supply unit passes through the partial oxidation unit and is supplied to the combustion unit,
The partial oxidation unit produces the hydrogen by partially oxidizing a portion of the ammonia supplied to the combustion unit. 제19 항에 있어서,
상기 부분산화 반응은, 상기 연소부로 공급되는 공기 중 일부를 이용하여 상온에서 진행되는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 19,
The partial oxidation reaction is a method of producing high-purity hydrogen using ammonia, which is carried out at room temperature using a portion of the air supplied to the combustion unit. 제19 항에 있어서,
상기 부분산화 반응은 전기가열 방식을 통해 진행되는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 19,
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, in which the partial oxidation reaction is carried out through an electric heating method. 제16 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태(steady state)에 도달하면,
상기 연소부는 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스(off-gas)를 상기 암모니아와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고,
상기 수소공급부는 수소 공급량을 점차 감소시키되, 상기 제1 암모니아 공급부는 상기 연소부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시키는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 16,
When the ammonia decomposition reaction reaches a steady state,
The combustion unit burns off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the ammonia to heat the decomposition reaction unit,
A method for producing high-purity hydrogen using ammonia, wherein the hydrogen supply unit gradually reduces the amount of hydrogen supplied, and the first ammonia supply unit gradually increases the amount of ammonia supplied to the combustion unit. 제22 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후, 상기 수소공급부는 상기 수소의 공급을 중단하고, 상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부에서 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소(mixed firing)하여 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 22,
After the ammonia decomposition reaction reaches a steady state, the hydrogen supply unit stops supplying the hydrogen, and the combustion unit performs mixed firing of the ammonia supplied from the first ammonia supply unit and the off gas to A method of producing high-purity hydrogen using ammonia by heating the decomposition reaction section. 제17 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면,
상기 연소부는, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스를 상기 암모니아와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고,
상기 제1 암모니아 공급부는 상기 촉매분해부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 감소시키고, 제1 바이패스 라인을 통해 상기 연소부로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시키는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to claim 17,
When the ammonia decomposition reaction reaches a steady state,
The combustion unit heats the decomposition reaction unit by burning the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the ammonia,
The first ammonia supply unit gradually reduces the amount of ammonia supplied to the catalytic decomposition unit and gradually increases the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit through the first bypass line. 제24 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후,
상기 제1 암모니아 공급부는, 상기 촉매분해부로의 암모니아 공급을 중단하고,
상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부로부터 직접 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소시켜 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 24,
After the ammonia decomposition reaction reaches a steady state,
The first ammonia supply unit stops supplying ammonia to the catalytic decomposition unit,
The combustion unit heats the decomposition reaction unit by co-combusting ammonia directly supplied from the first ammonia supply unit and the off gas. 제19 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달하면,
상기 연소부는, 상기 흡착정제부에서 배출된 오프가스를 상기 암모니아와 함께 연소시켜 상기 분해반응부를 가열하고,
상기 제1 암모니아 공급부는 상기 부분산화부로 공급되는 암모니아 공급량을 점차 감소시키고, 제2 바이패스 라인을 통해 상기 연소부로 직접 공급되는 암모니아 공급량을 점차 증가시키는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.According to clause 19,
When the ammonia decomposition reaction reaches a steady state,
The combustion unit heats the decomposition reaction unit by burning the off-gas discharged from the adsorption purification unit together with the ammonia,
The first ammonia supply unit gradually reduces the amount of ammonia supplied to the partial oxidation unit and gradually increases the amount of ammonia supplied directly to the combustion unit through the second bypass line. 제23 항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응이 정상상태에 도달한 이후,
상기 제1 암모니아 공급부는, 상기 부분산화부로의 암모니아 공급을 중단하고,
상기 연소부는, 상기 제1 암모니아 공급부로부터 직접 공급된 암모니아와, 상기 오프가스를 혼소시켜 상기 분해반응부를 가열하는, 암모니아를 이용한 고순도 수소 제조방법.
According to clause 23,
After the ammonia decomposition reaction reaches a steady state,
The first ammonia supply unit stops supplying ammonia to the partial oxidation unit,
The combustion unit heats the decomposition reaction unit by co-combusting ammonia directly supplied from the first ammonia supply unit and the off gas.
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