WO2024167052A1 - 가스 개질 시스템 및 방법 - Google Patents

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WO2024167052A1
WO2024167052A1 PCT/KR2023/002450 KR2023002450W WO2024167052A1 WO 2024167052 A1 WO2024167052 A1 WO 2024167052A1 KR 2023002450 W KR2023002450 W KR 2023002450W WO 2024167052 A1 WO2024167052 A1 WO 2024167052A1
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hydrogen
reaction
water
reformer
gas
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PCT/KR2023/002450
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장권영
김태훈
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주식회사 시너지
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    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
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    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas reforming system and method, and more particularly, to a gas reforming system and method for supplying steam.
  • PEMFC polymer electrolyte membrane fuel cell
  • Fuel cells are most efficient when they use hydrogen directly, but since hydrogen storage tanks cannot be used in homes or offices, hydrogen must be manufactured using city gas (natural gas) as a raw material.
  • city gas natural gas
  • polymer fuel cells require high hydrogen purity in the fuel gas and the removal of substances that reduce fuel cell performance, such as carbon monoxide and odorants, which are many restrictions that are hindering their widespread use.
  • Fuel reforming technology is a fuel cell commercialization technology that grafts catalyst technology, core material technology, and compact technology onto the existing plant technology used for hydrogen production so that it can be used in household fuel cells, and has a system control function suitable for the characteristics of polymer fuel cells.
  • a household combined heat and power facility integrated with a fuel reformer, fuel cell, and auxiliary devices is an integrated system of various technologies, such as a fuel reformer (fuel processor) that produces hydrogen from fuel, a heat exchanger that recovers waste heat and uses it for heating, a fuel cell unit that produces electricity, and a DC/AC converter, as shown in Fig. 1, which shows a fuel cell system.
  • a fuel reformer fuel processor
  • a heat exchanger that recovers waste heat and uses it for heating
  • a fuel cell unit that produces electricity
  • a DC/AC converter as shown in Fig. 1, which shows a fuel cell system.
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-1571982 (January 19, 2015)
  • Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-2453923 (2022.10.06)
  • a gas reforming system and method according to an embodiment enables supplying steam from a reformer through heat exchange.
  • the gas reforming system according to the embodiment improves the hydrogen purity in the reformer and reduces the concentration of carbon monoxide and carbon dioxide generated during the combustion reaction. Through this, the embodiment improves the hydrogen purity of the gas input to the PSA, thereby facilitating the hydrogen separation and purification process in the PSA.
  • a gas reforming system and method include: a reformer which performs a chemical reaction including a desulfurization reaction for removing sulfur components of natural gas, a hydrogen acquisition reaction for obtaining hydrogen by reacting a carbon compound with water, and a water gas shift (WGS) reaction for generating hydrogen and carbon dioxide through a reaction of carbon monoxide and water vapor, in order to filter hydrogen from natural gas of a fuel cell; a PSA (Pressure Swing Adsorption) for separating and purifying hydrogen supplied from the reformer; a fuel cell which receives purified hydrogen from the PSA and generates electricity through an electrochemical reaction of hydrogen and oxygen; and a heat exchanger which collects reaction heat released during a chemical reaction occurring in the reformer and the fuel cell as waste heat, and supplies heat and generates steam through the collected waste heat.
  • a reformer which performs a chemical reaction including a desulfurization reaction for removing sulfur components of natural gas, a hydrogen acquisition reaction for obtaining hydrogen by reacting a carbon compound with water, and a water gas shift (
  • the reformer comprises a hydrogen reaction converter for improving hydrogen purity by absorbing and pressurizing hydrogen and enhancing the heat recovery; and a carbon monoxide reaction converter for reducing the carbon monoxide concentration through the water gas shift reaction.
  • PSA separates and purifies hydrogen by repeatedly adsorbing and desorbing impurities by changing the pressure applied to hydrogen gas.
  • the gas reforming system and method as described above can improve the impurity removal efficiency in the reformer and produce high-purity hydrogen.
  • the application fields of the fuel cell can be expanded.
  • energy efficiency can be improved.
  • monitoring data of a reformer, fuel cell, PSA, and heat exchanger of a fuel cell power generation system are analyzed to predict abnormal situations and transmit the same to a manager terminal, thereby enabling a rapid response to abnormal situations of the fuel cell power generation system.
  • Figure 1 is a drawing showing a combined heat and power plant with a fuel cell system.
  • Figure 2 is a drawing showing the configuration of a gas reforming system according to an embodiment.
  • Figure 3 is a drawing showing the configuration of a reformer according to an embodiment.
  • Figure 4 is a drawing showing the configuration of a switching unit according to an embodiment.
  • Figure 5 is a drawing for explaining PSA (Pressure Swing Adsorption) according to an embodiment.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • Figure 6 is a drawing showing the configuration of a heat exchanger (200) according to an embodiment.
  • Figure 7 is a drawing showing the configuration of a gas reforming system according to an embodiment.
  • Figure 8 is a drawing showing a gas reforming process according to an embodiment.
  • Figure 2 is a drawing showing the configuration of a gas reforming system according to an embodiment.
  • a combined heat and power generation system may be configured to include a reformer (100), a heat exchanger (200), a PSA (300), and a fuel cell (400), and the reformer (100) may be configured to include a combustion chamber (150).
  • the fuel of the fuel cell may be largely composed of petroleum products such as natural gas, methanol, gasoline, and diesel, as well as all hydrocarbons such as coal and bioethanol, and generally, hydrogen is manufactured using natural gas as a fuel. In order to obtain hydrogen fuel from natural gas, a process of decomposing (reforming) the natural gas is required.
  • the reformer (100) causes a chemical reaction including a desulfurization reaction to remove sulfur components of natural gas in order to filter hydrogen from the natural gas, a hydrogen acquisition reaction to obtain hydrogen by reacting a carbon compound with water, and a water gas shift (WGS) reaction to generate hydrogen and carbon dioxide through a reaction of carbon monoxide and water vapor.
  • Steam reforming (SR) is an endothermic reaction in which fuel and water react to produce hydrogen and carbon monoxide. The carbon monoxide produced through the steam reforming reaction then reacts with water to produce hydrogen and carbon dioxide, which is the water-gas shift (WGS) reaction.
  • Another mechanism in which fuel and water react to produce hydrogen is the direct steam reforming (DSR) reaction.
  • the combustion chamber (150) receives fuel such as liquefied natural gas or natural gas and combusts it to maintain a reforming temperature of about 900°C or higher.
  • the combustion chamber (150) maintains the temperature required for the desulfurization reaction, hydrogen acquisition reaction, water gas shift reaction, and hydrogen purification reaction occurring in the reformer (100) with the heat generated during the combustion process.
  • the reformer (100) generates hydrogen through the first endothermic reaction, the first exothermic reaction, and the second exothermic reaction.
  • the first endothermic reaction is a reaction in which methane is reacted with water to generate hydrogen
  • the first exothermic reaction is a reaction in which methane is reacted with oxygen to generate hydrogen
  • the second exothermic reaction is a reaction in which methane is reacted with water and oxygen to generate hydrogen.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • the fuel cell (400) receives purified hydrogen from the PSA (300) and generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the heat exchanger (200) collects the reaction heat released during the chemical reaction occurring in the reformer (100) and the fuel cell (400) as waste heat, and supplies the collected waste heat as heat to generate steam.
  • Figure 3 is a drawing showing the configuration of a reformer according to an embodiment.
  • the reformer (100) may be configured to include a desulfurizer (10), a generating unit (30), and a converting unit (50).
  • the desulfurizer (10) removes sulfur components from natural gas.
  • the sulfur components removed in the desulfurizer may include THT (tetrahydrothiophene) and TBM (t-methylmercaptan).
  • the desulfurizer (10) converts thiol into hydrogen sulfide (H 2 S) using a Co-Mo catalyst at 290 to 370 degrees Celsius, and then removes hydrogen sulfide (H 2 S) using a zinc oxide (ZnO) adsorbent at 340 to 390 degrees Celsius.
  • the generation unit (30) obtains hydrogen through a carbon compound from which sulfides have been removed and supplied from the desulfurizer (10).
  • the generation unit (30) generates hydrogen through a first hydrogen acquisition reaction and a second hydrogen acquisition reaction.
  • the first hydrogen acquisition reaction is a reaction in which a carbon compound from which sulfide has been removed is reacted with water to produce hydrogen
  • the second hydrogen acquisition reaction is a reaction in which carbon monoxide is reacted with water to produce hydrogen.
  • the conversion unit (50) purifies hydrogen delivered from the generation unit (30) and produces water through the purified hydrogen.
  • Figure 4 is a drawing showing a switching unit configuration according to an embodiment.
  • the switching unit (50) may be configured to include a hydrogen reaction converter (51) and a carbon monoxide converter (53).
  • the hydrogen reaction converter (51) absorbs and pressurizes hydrogen to discharge it, and enhances heat recovery to improve hydrogen purity.
  • Heat recovery refers to reusing the heat energy that is exhausted at a heat exchange rate of a certain level or higher when replacing the outside air when exhausting the combusted heat energy.
  • the hydrogen reaction converter (51) extracts rotational mechanical energy by expanding high-temperature, high-pressure gas heated in a combustor, and enhances heat recovery with the extracted energy to improve hydrogen purity.
  • the hydrogen reaction converter (51) controls the suction pressure of hydrogen to an accumulated pressure value.
  • the accumulated pressure is the pressure accumulated by the safety valve when the internal fluid is discharged, and is the maximum pressure that can be allowed in the facility.
  • the hydrogen purity can be improved by controlling the suction pressure of hydrogen to a level where the set pressure exceeds the standard range.
  • the set pressure is the injection pressure or injection start pressure determined in the design of the hydrogen reaction converter (51).
  • the carbon monoxide reaction converter (53) reduces the carbon monoxide (CO) concentration through the water gas shift reaction.
  • the carbon monoxide reaction converter (53) according to the embodiment performs the water gas shift reaction as a high-temperature shift reaction, a low-temperature shift reaction, and a medium-temperature shift reaction depending on the temperature.
  • the high-temperature shift reaction occurs at 350 to 550 degrees Celsius using an Fe2O3 catalyst to which Cr2O3 is added as a cocatalyst.
  • a cooling section is provided in the middle of the reactor to increase the conversion rate of the catalyst, and the catalyst reaction temperature is predicted to create a multi-stage catalyst layer and cool between the stages, thereby improving the efficiency of carbon monoxide removal.
  • Figure 5 is a drawing for explaining PSA (Pressure Swing Adsorption) according to an embodiment.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • the PSA according to the embodiment increases the purity of the gas and removes impurities by adsorbing them through the primary adsorbent, the secondary adsorbent, and the tertiary adsorbent.
  • the adsorbent according to the embodiment may include, but is not limited to, zeolite, activated carbon, and molecular sieve.
  • Solid adsorbents such as activated carbon and molecular sieve have excellent hydrogen adsorption capacity because they exhibit high selectivity between hydrogen and other impurities (CO, CH 4 , CO 2 ).
  • the PSA separates and purifies hydrogen by repeating the adsorption and desorption of impurities by changing the pressure applied to the hydrogen gas.
  • the pressure change process including adsorption at high pressure and desorption at low pressure is performed, and the hydrogen is purified by pressurizing from the lowest pressure to the highest pressure before a new cycle starts in the pressure change process.
  • Fig. 6 is a drawing showing the configuration of a heat exchanger (200) according to an embodiment.
  • the heat exchanger (200) according to the embodiment may be configured to include a waste heat collection unit (210) and a supply unit (230).
  • the waste heat collection unit (210) collects waste heat, which is reaction heat generated through the desulfurization reaction, the first hydrogen acquisition reaction, and the second hydrogen acquisition reaction of the reformer (100). In addition, the waste heat collection unit (210) collects PEMFC waste heat generated from the fuel cell. PEMFC waste heat is reaction heat generated by the temperature difference before and after cooling by the cooler during the cooling water cooling process of the fuel cell. PEMFC waste heat is generated in the process of circulating the cooling water to maintain the fuel cell reaction temperature (65 to 75°C) and in the process of cooling the increased cooling water.
  • waste heat collection unit (210) collects waste heat from the combustion chamber of the reformer (100).
  • the combustion chamber waste heat is waste heat generated by heat supplied to the combustion chamber to maintain the natural gas reforming temperature.
  • the waste heat collection unit (210) collects waste heat from the combustion chamber supplied to the combustion chamber to maintain the natural gas reforming temperature of about 900°C or higher.
  • the waste heat collection unit (210) collects the second endothermic reaction waste heat.
  • the second endothermic reaction is a reaction that occurs from the temperature difference of the gas supplied to the PSA (300) after the water gas shift reaction.
  • the waste heat collection unit (210) collects the second endothermic reaction waste heat by utilizing the temperature difference of the gas supplied to the PSA (300) after the endothermic reaction in the water gas shift reaction, and supplies heat through the second endothermic reaction waste heat.
  • the supply unit (230) supplies steam generated by heating water with the collected waste heat.
  • hot water of 40 to 60°C can be supplied by heating water through PEMFC waste heat.
  • the supply unit (330) can use PEMFC waste heat to increase the water temperature when supplying steam.
  • the supply unit (230) supplies heat through the waste heat of the combustion chamber and the waste heat of the second endothermic reaction generated during the water-gas conversion reaction.
  • the supply unit (330) heats water and generates steam through the waste heat of the combustion chamber and the waste heat of the second endothermic reaction.
  • the generated steam can be heated to 128 to 178 °C.
  • Figure 7 is a drawing showing the configuration of a power generation system using a fuel cell according to an embodiment.
  • a power generation system using a fuel cell may be configured to include a gas reforming system (1000), a server (2000), and an administrator terminal (3000).
  • a gas reforming system (1000) may be configured to include a reformer, a PSA, a heat exchanger, and a fuel cell, and purifies hydrogen obtained from the PSA.
  • the gas reforming system (1000) collects waste heat generated from the reformer and the fuel cell to generate hot water and steam.
  • the server (2000) monitors the reformer, PSA, fuel cell, and heat exchanger of the gas reforming system (1000) and predicts an abnormal situation based on the monitoring results. In addition, the server (2000) calculates the amount of energy that can be supplied, including heat and steam, of the gas reforming system (1000). In the embodiment, the server (2000) transmits the abnormal situation prediction result and the amount of energy that can be supplied to the manager terminal (3000).
  • the server (2000) can monitor the gas reforming system (1000) to perform a fault prediction diagnosis.
  • a prediction model is implemented to estimate a failure rate and predict the time of a fault through an artificial neural network model that analyzes data and diagnoses the device status or fault using machine learning and deep learning.
  • the diagnosis model may include a diagnosis model based on a support vector machine (SVM) that is supervised learning and a diagnosis model based on a one-class SVM that is unsupervised learning.
  • SVM support vector machine
  • the server (2000) can perform health prediction of the gas reforming system (1000).
  • the server (2000) can perform health prediction of the gas reforming system (1000) using a health prediction model.
  • the health prediction model includes, but is not limited to, TTE (Time To Event), MCMC (Markov Chain Monte Carlo)-based prediction model that analyzes data nonparametrically, and LSTM (Long Short-Term Memory) that analyzes data parametrically.
  • the health prediction model can be used to estimate a failure rate of each component of a fuel power generation system and measure the remaining useful life (RUL) before a failure occurs to predict the time of failure.
  • the server (2000) can select and apply an appropriate model among a diagnosis model and a health prediction model according to monitored data, and can diagnose a state or estimate a failure rate to determine the time of predictive maintenance.
  • a fault prediction model is implemented by training a deep learning neural network with a training data set for fault diagnosis.
  • the deep learning neural network includes at least one of a DNN (Deep Neural Network), a CNN (Convolutional Neural Network), an RNN (Recurrent Neural Network), a BRDNN (Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), and a Bayesian network, but is not limited thereto.
  • the server (2000) analyzes monitoring data of the reformer, fuel cell, heat exchanger, and PSA of the gas reforming system (1000) to detect abnormal signs.
  • it is determined as an abnormal state when the sensor measurement value is greater than the threshold or the change pattern is different from normal.
  • the server (2000) can identify abnormal signs through a parameter analysis method that determines a process abnormality if there is a large difference between a parameter calculated with data in a normal state and a parameter calculated with actual data.
  • the server can identify abnormal signs through a residual analysis method that determines a process abnormality if there is a large difference between a value predicted by a pattern recognition model created with data in a normal state and a value measured by an actual sensor.
  • the server (2000) can select a method for determining abnormal signs according to the type of device that must detect abnormal signs and the type of data that must be analyzed.
  • the server (2000) can identify abnormal signs through a pattern recognition technique that issues an alarm when an operating variable in a DCS (Distributed Control System) goes beyond the boundaries of a first threshold (high value) and a second threshold (low value).
  • DCS Distributed Control System
  • the server (2000) when an abnormality is detected, transmits it to the administrator terminal (3000) so that a quick response can be made to the abnormality.
  • the server (2000) transmits information on the failure rate of each component of the fuel power generation system estimated through the health prediction model and the remaining useful life (RUL) before a failure occurs to the administrator terminal (3000).
  • At least one administrator terminal (3000) may be implemented as a computer that can connect to a remote server or terminal via a network.
  • the computer may include, for example, a notebook, desktop, laptop, etc. equipped with a navigation system and a web browser.
  • at least one administrator terminal (3000) may be implemented as a terminal that can connect to a remote server or terminal via a network.
  • At least one administrator terminal (3000) may include, for example, all kinds of handheld-based wireless communication devices such as navigation, PCS (Personal Communication System), GSM (Global System for Mobile communications), PDC (Personal Digital Cellular), PHS (Personal Handyphone System), PDA (Personal Digital Assistant), IMT (International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA (Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA (W-Code Division Multiple Access), Wibro (Wireless Broadband Internet) terminals, smartphones, smartpads, tablet PCs, etc., as wireless communication devices that ensure portability and mobility.
  • handheld-based wireless communication devices such as navigation, PCS (Personal Communication System), GSM (Global System for Mobile communications), PDC (Personal Digital Cellular), PHS (Personal Handyphone System), PDA (Personal Digital Assistant), IMT (International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA (Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA (W-Code Division Multiple Access), Wibro (Wireless Broadband Internet) terminals, smartphones, smart
  • Figure 8 is a drawing showing a gas reforming process according to an embodiment.
  • a chemical reaction including a desulfurization reaction to remove sulfur components of natural gas to filter hydrogen from natural gas in a reformer, a hydrogen acquisition reaction to obtain hydrogen by reacting carbon compounds with water, and a water gas shift (WGS) reaction to generate hydrogen and carbon dioxide through a reaction between carbon monoxide and water vapor.
  • a desulfurization reaction to remove sulfur components of natural gas to filter hydrogen from natural gas in a reformer
  • a hydrogen acquisition reaction to obtain hydrogen by reacting carbon compounds with water
  • WSS water gas shift
  • step S200 hydrogen supplied from the reformer is separated and purified in the PSA.
  • the fuel cell receives purified hydrogen from the PSA and generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • reaction heat released during the chemical reaction in the reformer and fuel cell is collected as waste heat in the heat exchanger, and heat is supplied and steam is generated through the collected waste heat.
  • step S100 includes: a step of removing a sulfur component of natural gas; a step of generating hydrogen through a first hydrogen obtaining reaction of reacting a carbon compound from which sulfur has been removed with water to obtain hydrogen; and a step of reacting carbon monoxide with water to obtain hydrogen through a second hydrogen obtaining reaction; and a step of purifying the generated hydrogen and generating water.
  • a pressure change process including adsorption at high pressure and desorption at low pressure is performed in the hydrogen production step, and hydrogen can be purified by pressurizing from the lowest pressure to the highest pressure before a new cycle starts in the pressure change process.
  • the waste heat collected in step S400 may include reaction heat generated from a first hydrogen acquisition reaction in which hydrogen is obtained by reacting a carbon compound from which sulfide has been removed with water, reaction heat generated from a second hydrogen acquisition reaction in which hydrogen is obtained by reacting carbon monoxide and water, reaction heat generated during a process of removing sulfur components from natural gas in a reformer, combustion chamber waste heat generated by heat supplied to a combustion chamber to maintain the natural gas reforming temperature, second endothermic reaction waste heat generated from the temperature difference of gas supplied to PSA (Pressure Swing Adsorption) after water gas shift reaction, and PEMFC waste heat, which is reaction heat generated by the temperature difference before and after cooling during the cooling process of the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • PEMFC waste heat which is reaction heat generated by the temperature difference before and after cooling during the cooling process of the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell).
  • the gas reforming system and method as described above can improve the impurity removal efficiency in the reformer and produce high-purity hydrogen.
  • the application fields of the fuel cell can be expanded.
  • energy efficiency can be improved.
  • monitoring data of a reformer, PSA fuel cell, and heat exchanger of a fuel cell power generation system are analyzed to predict abnormal situations and transmit the same to a manager terminal, thereby enabling a rapid response to abnormal situations of the fuel cell power generation system.

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Abstract

실시예에 따른 가스 개질 시스템 및 방법은 열 교환을 통해 개질기에서 스팀(Steam)을 공급할 수 있도록 한다. 실시예에 따른 가스 개질 시스템은 개질기에서 수소 순도를 향상시키고, 연소 반응 시 생성된 일산화 탄소와 이산화 탄소 농도를 낮춘다. 이를 통해, 실시예에서는 PSA로 입력되는 기체의 수소 순도를 향상시켜 PSA에서의 수소 분리 및 정제과정을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.

Description

가스 개질 시스템 및 방법
본 개시는 가스 개질 시스템 및 방법에 관한 것으로 구체적으로, 스팀 공급을 위한 가스 개질 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
수소를 에너지원으로 이용하는 기술이 여러 분야에서 개발되고 있고, 미래 청정에너지 자원으로 미국, 일본 및 유럽에서 국가역량을 집중하여 개발하고 있다. 수소를 이용하여 발전하는 연료전지기술 중 고분자연료전지(PEMFC)는 기술의 완성도가 높아 가정용 열병합시스템으로 상용화에 근접하였으며, 일본 및 미국을 중심으로 2005년부터 가정용 연료전지를 보급사업을 추진하고 있다.
연료전지는 수소를 직접 사용하는 경우가 가장 효율이 높으나 가정이나 사무실에 수소저장탱크를 사용할 수 없으므로 도시가스(천연가스)를 원료로 수소를 제조하여 사용하여야 한다. 특히 고분자연료전지는 연료가스의 수소 순도가 높아야 하며 일산화 탄소 및 부취제 등 연료전지 성능을 감소시키는 물질을 제거하여야 하는 등 제약조건이 많아 보급에 걸림돌이 되고 있다.
연료개질 중 특히 천연가스 개질은 가정에 보급되는 도시가스를 이용하여 빠르고 값싸게 수소연료로 전환시켜주는 기술로 고효율화, 소형화, 경량화, 시동의 신속성 및 안정성 등 가정에서 연료전지를 사용할 수 있도록 한다. 연료개질기술은 기존의 수소생산에 사용되던 플랜트기술을 가정용 연료전지에서 사용할 수 있도록 촉매기술, 핵심소재기술 및 컴팩트화 기술을 접목하고 고분자연료전지의 특성에 적합한 시스템 컨트롤 기능을 가지도록 하는 연료전지 실용화기술이다. 연료개질기와 연료전지 및 부대장치와 통합한 가정용 열병합설비는 연료전지 시스템을 나타낸 도 1에서와 같이 연료로 부터 수소를 만들어 주는 연료개질기(Fuel Processor), 폐열을 회수하여 난방에 사용하는 열교환기, 전기를 만드는 연료전지부 및 직류/교류 전환장치 등 여러 가지 기술의 통합 시스템이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 1. 한국 특허등록 제10-1571982호 (2015.11.19)
(특허문헌 2) 2. 한국 특허등록 제10-2453923호 (2022.10.06)
실시예에 따른 가스 개질 시스템 및 방법은 열 교환을 통해 개질기에서 스팀(Steam)을 공급할 수 있도록 한다.
실시예에 따른 가스 개질 시스템은 개질기에서 수소 순도를 향상시키고, 연소 반응 시 생성된 일산화 탄소와 이산화 탄소 농도를 낮춘다. 이를 통해, 실시예에서는 PSA로 입력되는 기체의 수소 순도를 향상시켜 PSA에서의 수소 분리 및 정제과정을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
실시예에 따른 가스 개질 시스템 및 방법은 연료전지의 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 개질기; 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 PSA(Pressure Swing Adsorption); PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지; 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 열교환기; 를 포함한다.
바람직하게, 개질기는 수소를 흡인 승압하여 방출하고 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시키는 수소 반응 컨버터; 및 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)를 통해 일산화탄소 농도를 낮추는 일산화탄소 반응 컨버터; 를 포함한다.
바람직하게, PSA; 는 수소가스에 가해지는 압력을 변화시켜 불순물의 흡착과 탈착을 반복함으로써, 수소를 분리 및 정제한다.
이상에서와 같은 가스 개질 시스템 및 방법은 개질기에서 불순물 제거 효율을 향상시키고 높은 순도의 수소를 생성할 수 있다.
또한, 높은 순도의 수소를 생성하여 PSA에서 수소 분리 및 정제과정을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서는 개질기에서 발생하는 화학 반응 중 생성되는 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고 공급함으로써, 연료전지의 이용 분야를 확대시킬 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템으로부터 스팀, 온수, 열을 효율적으로 획득하여 에너지 효용을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에서는 연료전지 발전시스템의 개질기, 연료전지, PSA 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상상황을 예측하고, 이를 관리자 단말로 전송함으로써, 연료전지 발전시스템의 이상상황에 신속하게 대응할 수 있도록 한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 열병합설비는 연료전지 시스템을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 가스 개질 시스템 구성을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 개질기의 구성을 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 전환부 구성을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 설명하기 위한 도면
도 6은 실시예에 따른 열교환기(200)의 구성을 나타낸 도면
도 7은 실시예에 따른 가스 개질 시스템 구성을 나타낸 도면
도 8은 실시예에 따른 가스 개질 과정을 나타낸 도면
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 실시예에 따른 가스 개질 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 열병합 발전 시스템은 개질기(100), 열교환기(200), PSA(300), 연료전지(400)를 포함하여 구성될 수 있고, 개질기(100)는 연소실(150)을 포함하여 구성될 수 있다. 연료전지의 연료는 크게 천연가스, 메탄올, 휘발유, 경유 등 석유류뿐만 아니라 석탄, 바이오 에탄올 등 모든 탄화수소를 사용할 수 있고, 일반적으로 천연가스를 연료로 하여 수소를 제조한다. 천연가스로부터 수소연료를 얻기 위해서는 천연가스를 분해(개질, Reforming)하는 공정이 필요하다. 실시예에서 개질기(100)는 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 발생시킨다. 수증기 개질(Steam Reforming, SR) 반응은 연료와 물이 반응하여 수소와 일산화탄소를 만들어내는 흡열반응이다. 수증기 개질 반응을 통해 만들어진 일산화탄소는 다시 물과 반응하여 수소와 이산화탄소를 만들어내며, 이것이 수성 가스 전환 (Water-Gas Shift, WGS) 반응이다. 연료와 물이 반응하여 수소를 만들어내는 또 다른 메커니즘으로서 직접 수증기 개질 (Direct Steam Reforming, DSR) 반응이 있다.
연소실(150)은 약 900°C이상의 개질 온도를 유지하기 위해, 액화천연가스, 천연가스 등의 연료를 공급받고 이를 연소시킨다. 실시예에서는 연소실(150)은 연소 과정에서 발생된 열로 개질기(100)에서 발생하는 탈황반응, 수소획득반응, 수성 가스 전환 반응 및 수소 정제 반응에 필요한 온도가 유지될 수 있도록 한다.
또한, 개질기(100)는 제1흡열반응, 제1발열반응 및 제2발열반응을 통해 수소를 생성한다. 제1흡열반응은 메탄을 물과 반응시켜 수소를 생성하는 반응이고, 제1 발열반응은 메탄을 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다. 제2발열반응은 메탄을 물, 산소와 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다.
PSA(Pressure Swing Adsorption)(300)는 개질기(100)로부터 공급된 수소를 분리 및 정제한다. PSA(300)는 압력 스윙 흡착 방식으로 분자 특성 및 흡착제 물질에 대한 친화성에 따라 압력 하에서 가스 혼합물로부터 일부 가스를 분리한다.
연료전지(400)는 PSA(300)으로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다.
열교환기(200)는 개질기(100)와 연료전지(400)에서 발생하는 화학 반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 열로 공급하여 스팀을 생성한다.
도 3은 실시예에 따른 개질기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 개질기(100)는 탈황기(10), 생성부(30) 및 전환부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
탈황기(10)는 천연가스의 황 성분을 제거한다. 탈황기에서 제거되는 황성분은 THT(테트라하이드로티오펜, tetrahydrothiophene)와 TBM(t-메틸메르캅탄, t-Methylmercaptan)을 포함할 수 있다. 탈황기(10)는 섭씨 290내지370도에서 도에서 Co-Mo 촉매를 사용하여 타이올(thiol)을 황화수소(H2S)로 변환시킨 후 섭씨 340도 내지 390도에서 산화 아연(ZnO)흡착제를 사용하여 황화수소(H2S)를 제거한다. 생성부(30)는 탈황기(10)로부터 공급된 황화물이 제거된 탄소화합물을 통해 수소를 획득한다. 실시예에서 생성부(30)는 제1 수소획득 반응 및 제 2수소획득 반응을 통해 수소를 생성한다. 제1 수소 획득반응은 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 생성하는 반응이고, 제2수소 획득반응은 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 생성하는 반응이다. 전환부(50)는 생성부(30)로부터 전달된 수소를 정제하여 정제된 수소를 통해 물을 생성한다.
도 4는 실시예에 따른 전환부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 전환부(50)는 수소 반응 컨버터(51) 및 일산화탄소 컨버터(53)를 포함하여 구성될 수 있다. 수소 반응 컨버터(51)는 수소를 흡인 승압하여 방출하고 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시킨다. 배열회수는 연소한 열에너지를 배기할때, 외기를 바꿔 넣는 시점에서 배기하는 열에너지를 일정 수준 이상의 열교환율로 그대로 전달하여 재이용하는 것이다. 실시예에서 수소 반응 컨버터(51)는 연소기에서 가열된 고온, 고압의 가스를 팽창시켜서 회 전 기계 에너지를 추출하고 추출된 에너지로 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시킬 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서 수소 반응 컨버터(51)는 수소의 흡인 승압을 축적압력(accumulated pressure) 수치까지 조절한다. 축적압력(accumulated pressure)은 내부유체가 배출될 때 안전밸브에 의해 축적되는 압력으로서 설비 안에서 허용될 수 있는 최대압력이다. 또한, 실시예에서는 설정압력이 기준범위를 초과하는 수준으로 수소의 흡인 승압을 조절하여 수소 순도를 향상시킬 수 있다. 설정압력(set pressure)은 수소 반응 컨버터(51) 설계상 정한 분출압력 또는 분출개시압력이다.
일산화탄소 반응 컨버터(53)는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)를 통해 일산화탄소(CO) 농도를 낮춘다. 실시예에 따른 일산화탄소 반응 컨버터(53)는 수성 가스 전환 반응을 온도에 따라 고온 전환반응, 저온 전환반응, 중온 전환반응으로 수행한다. 고온 전환반응은 Cr2O3를 조촉매로 첨가한 Fe2O3 촉매를 사용하여 섭씨350도 내지 550도에서 발생한다. 고온전환 반응은 발열반응이므로 실시예에서는 반응기 중간에 냉각 부분을 구비하여 촉매의 전환율을 높이며 촉매 반응온도를 예측하여서 다단 촉매층을 만들어 단 사이를 냉각시켜, 일산화탄소 제거의 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 5는 실시예에 따른 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 PSA는 1차 흡착제, 2차 흡착제 및 3차 흡착제를 통해 기체의 순도를 높이고 불순물을 흡착하여 제거한다.
실시예에 따른 흡착제는 제올라이트, 활성탄 및 분자체(Molecular sieve)를 포함할 수 있고, 이에 한정하지 않는다. 활성탄 및 분자체(Molecular sieve)와 같은 고체 흡착제는 수소와 다른 불순물(CO, CH4, CO2)사이에 큰 선택도를 나타내기 때문에 수소 흡착력이 뛰어나다.
또한, 실시예에서 PSA는 수소가스에 가해지는 압력을 변화시켜 불순물의 흡착과 탈착을 반복함으로써, 수소를 분리 및 정제한다. 또한, 고압에서의 흡착과 저압에서의 탈착을 포함하는 압력변화 과정을 수행하고, 압력변화 과정에서 새로운 주기가 시작되기 전에 가장 낮은 압력에서 가장 높은 압력으로 가압하여 수소를 정제한다.
도 6은 실시예에 따른 열교환기(200)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 실시예에 따른 열교환기(200)는 폐열 수집부(210) 및 공급부(230)를 포함하여 구성될 수 있다.
폐열 수집부(210)는 개질기(100)의 탈황 반응, 제1 수소획득반응 및 제2 수소획득반응을 통해 생성된 반응열인 폐열을 수집한다. 또한, 폐열 수집부(210)는 연료전지에서 발생하는 PEMFC 폐열(PEMFC Waste Heat)을 수집한다. PEMFC 폐열은 연료전지의 냉각수 냉각 과정 시 냉각기(cooler)에 의한 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열이다. PEMFC 폐열은 연료전지 반응온도(65~75°C)를 유지하기 위해 냉각수를 순환하는 과정 및 상승된 냉각수를 냉각하는 과정에서 발생한다.
또한, 폐열 수집부(210)는 개질기(100)의 연소실 폐열을 수집한다. 연소실 폐열은 천연가스 개질 온도 유지를 위해 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 폐열이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)는 약 900°C이상인 천연가스 개질 온도를 유지하기 위한 연소실로 공급되는 연소실의 폐열을 수집한다.
또한, 폐열 수집부(210)는 제2흡열 반응 폐열을 수집한다. 제2흡열 반응은 수성 가스 전환 반응 후 PSA(300)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 반응이다. 구체적으로, 폐열 수집부(210)는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift)시 흡열반응 후 PSA(300)로 공급하는 가스의 온도 차를 활용하여 제2흡열 반응 폐열을 수집하고, 제2흡열 반응 폐열을 통해 열을 공급할 수 있도록 한다.
공급부(230)는 수집한 폐열로 물을 가열하여 생성된 스팀을 공급한다. 실시예에서는 PEMFC 폐열을 통해, 물을 가열하여 40 내지 60°C의 온수를 공급할 수 있다. 또한, 공급부(330)는 스팀 공급 시, 용수 온도 상승용으로 PEMFC 폐열을 사용할 수 있다.
또한, 공급부(230)는 연소실의 폐열과 수성 가스 전환 반응 시 발생한 제2흡열반응 폐열을 통해, 열을 공급한다. 공급부(330)는 연소실의 폐열과 제2흡열반응 폐열을 통해, 물을 가열하여 스팀을 생성한다. 또한, 생성된 스팀을 128 내지 178 °C 도로 가열할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 연료전지를 이용한 발전 시스템 구성을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 연료전지를 이용한 발전 시스템은 가스 개질 시스템(1000), 서버(2000) 및 관리자 단말(3000)을 포함하여 구성될 수 있다.
실시예에서 가스 개질 시스템(1000)은 개질기, PSA, 열교환기 및 연료전지를 포함하여 구성될 수 있고, PSA에서 획득한 수소를 정제한다. 가스 개질 시스템(1000)은 개질기와 연료전지에서 생성되는 폐열을 수집하여 온수와 스팀을 생성한다.
실시예에서 서버(2000)는 가스 개질 시스템(1000)의 개질기, PSA, 연료전지 및 열교환기를 모니터링 하여, 모니터링 결과에 따라 이상상황을 예측한다. 또한, 서버(2000)는 가스 개질 시스템(1000)의 열, 스팀을 포함하는 공급가능한 에너지량을 산출한다. 실시예에서 서버(2000)는 이상상황 예측 결과 및 공급가능한 에너지량을 관리자 단말(3000)로 전송한다.
실시예에서 서버(2000)는 가스 개질 시스템(1000)을 모니터링하여 고장 예측 진단을 수행할 수 있다. 고장 예측 진단을 위해 머신 러닝(Machine Learning), 딥 러닝(Deep Learning)으로, 데이터를 분석하고 기기 상태나 고장을 진단하는 인공신경망 모델을 통해 고장률을 추정하여 고장의 시기를 예측하는 예지 모델을 구현한다. 진단모델에는 지도 학습인 SVM(Support Vector Machine) 기반 진단 모델과 자율 학습인 원 클래스(One-Class) SVM 기반 진단 모델을 포함할 수 있다.
실시예에서 서버(2000)는 가스 개질 시스템(1000)의 건전성 예측을 수행할 수 있다. 서버(2000)는 건전성 예지 모델을 이용하여 가스 개질 시스템(1000)의 건전성 예측을 수행할 수 있다. 건전성 예지 모델은 TTE(Time To Event), 데이터를 비모수적 방법으로 분석하는 MCMC(Markov Chain Monte Carlo) 기반 예지 모델과 모수적 방법으로 데이터를 분석하는 LSTM(Long Short-Term Memory)을 포함하고, 이에 한정되지 않는다. 실시예에서는 건전성 예지 모델을 통해, 연료 발전 시스템 각 구성의 고장률을 추정하고 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life)을 측정하여 고장의 시기를 예측할 수 있다. 또한, 실시예에서 서버(2000)는 모니터링 된 데이터에 따라 진단 모델과 건전성 예지 모델 중 적합한 모델을 선택하여 적용할 수 있도록 하고, 상태를 진단하거나 고장률을 추정하여 예측 정비의 시기를 결정할 수 있도록 한다. 또한, 실시예에서는 딥러닝 뉴럴 네트워크를 고장 진단을 위한 트레이닝 데이터 셋으로 학습시켜 고장 예측 모델을 구현한다. 딥러닝 뉴럴 네트워크는 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network) RNN(Recurrent Neural Network) 및 BRDNN(Bidirectional Recurrent Deep Neural Network), 베이시안네트워크(Bayesian network) 중 적어도 하나를 포함하고, 이에 한정되지 않는다.
또한, 서버(2000)는 가스 개질 시스템(1000)의 개질기, 연료전지, 열교환기 및 PSA의 모니터링 데이터를 분석하여 이상 징후를 감지한다. 실시예에서는 센서 기반의 기법을 이용하여 조기에 이상 징후를 감지하기 위해, 센서 측정값이 경계치보다 크거나, 변화 패턴이 정상과 다를 때 이상 상태로 판단한다.
또한, 실시예에서 서버(2000)는 정상적인 상태의 데이터로 계산한 파라미터와 실제 데이터로 계산한 파라미터가 차이가 크면 공정 이상으로 판단하는 파라미터 분석(Parameter Analysis) 방법을 통해, 이상 징후를 파악할 수 있다. 또한, 정상적인 상태의 데이터로 만든 패턴 인식 모델로 예측한 값과 실제 센서로 측정한 값의 차이가 크면 공정이상 판단하는 잔차 분석(Residual Analysis)방법을 통해 이상징후를 파악할 수 있다. 실시예에서 서버(2000)는 이상징후를 감지해야 하는 기기의 종류와 분석해야 하는 데이터 종류에 따라 이상 징후 판단을 위한 방법을 선택할 수 있다. 또한 서버(2000)는 DCS(Distributed Control System)에서 운전 변수가 제1임계치(high value) 및 제2임계치(low value) 경계를 벗어날 때 경보를 발행하는 패턴 인식 기법을 통해 이상 징후를 파악할 수 있다.
실시예에서 서버(2000)는 이상징후가 파악된 경우, 이를 관리자 단말(3000)로 전송하여 이상징후에 신속하게 대응할 수 있도록 한다. 또한, 서버(2000)는 건전성 예지 모델을 통해 추정된 연료 발전 시스템 각 구성의 고장률과 고장이 발생하기 전의 유효 시간(RUL, Remaining Useful Life) 정보를 관리자 단말(3000)로 전송한다.
여기서, 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 네트워크를 통하여 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 컴퓨터로 구현될 수 있다. 여기서, 컴퓨터는 예를 들어, 네비게이션, 웹 브라우저(WEB Browser)가 탑재된 노트북, 데스크톱(Desktop), 랩톱(Laptop) 등을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 네트워크를 통해 원격지의 서버나 단말에 접속할 수 있는 단말로 구현될 수 있다. 적어도 하나의 관리자 단말(3000)은, 예를 들어, 휴대성과 이동성이 보장되는 무선 통신 장치로서, 네비게이션, PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communications), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(W-Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(smartphone), 스마트 패드(smartpad), 태블릿 PC(Tablet PC) 등과 같은 모든 종류의 핸드헬드(Handheld) 기반의 무선 통신 장치를 포함할 수 있다.
이하에서는 가스 개질 방법에 대해서 차례로 설명한다. 실시예에 따른 연료전지 시스템의 가스 개질 방법의 작용(기능)은 연료전지 시스템의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 7과 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 8은 실시예에 따른 가스 개질 과정을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, S100 단계에서는 개질기에서 천연가스의 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행한다.
S200 단계에서는 PSA에서 상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제한다.
S300 단계에서는 연료전지에서 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성한다.
S400 단계에서는 열교환기에서 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성한다.
실시예에서 S100 단계는 천연가스의 황 성분을 제거하는 단계; 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소 획득반응을 통해 수소를 생성하는 단계; 및 생성된 수소를 정제하고 물을 생성하는 단계; 를 포함한다.
실시예에서는 수소 생성 단계에서 고압에서의 흡착과 저압에서의 탈착을 포함하는 압력변화 과정을 수행하고, 상기 압력변화 과정에서 새로운 주기가 시작되기 전에 가장 낮은 압력에서 가장 높은 압력으로 가압하여 수소를 정제할 수 있다.
S400 단계에서 수집되는 폐열은 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응에서 발생한 반응열 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소획득반응에서 발생하는 반응열, 개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열, 천연가스 개질 온도 유지를 위해 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 연소실 폐열, 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift) 후 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 제2흡열반응 폐열, PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열인 PEMFC 폐열을 포함할 수 있다.
이상에서와 같은 가스 개질 시스템 및 방법은 개질기에서 불순물 제거 효율을 향상시키고 높은 순도의 수소를 생성할 수 있다.
또한, 높은 순도의 수소를 생성하여 PSA에서 수소 분리 및 정제과정을 용이하게 수행할 수 있도록 한다.
또한, 실시예에서는 개질기에서 발생하는 화학 반응 중 생성되는 폐열을 이용하여 스팀(Steam), 온수, 열을 생성하고 공급함으로써, 연료전지의 이용 분야를 확대시킬 수 있다. 또한, 열병합 발전 시스템으로부터 스팀, 온수, 열을 효율적으로 획득하여 에너지 효용을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예에서는 연료전지 발전시스템의 개질기, PSA 연료전지 및 열교환기의 모니터링 데이터를 분석하여 이상상황을 예측하고, 이를 관리자 단말로 전송함으로써, 연료전지 발전시스템의 이상상황에 신속하게 대응할 수 있도록 한다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.

Claims (10)

  1. 천연가스에서 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 개질기;
    상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 PSA(Pressure Swing Adsorption);
    상기 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지;
    상기 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 열교환기; 를 포함하고
    상기 개질기; 는
    천연가스의 황 성분을 제거하는 탈황기,
    황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소 획득반응을 통해 수소를 생성하는 생성부; 및
    생성된 수소를 정제하고 물을 생성하는 전환부; 를 포함하는 가스 개질 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전환부; 는
    수소를 흡인 승압하여 방출하고 배열회수를 강화하여 수소 순도를 향상시키는 수소 반응 컨버터; 및
    수성 가스 전환(Water Gas Shift) 반응을 통해 일산화탄소 농도를 낮추는 일산화탄소 반응 컨버터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 PSA; 는
    수소가스에 가해지는 압력을 변화시켜 불순물의 흡착과 탈착을 반복함으로써, 수소를 분리 및 정제하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 PSA; 는
    고압에서의 흡착과 저압에서의 탈착을 포함하는 압력변화 과정을 수행하고, 상기 압력변화 과정에서 새로운 주기가 시작되기 전에 가장 낮은 압력에서 가장 높은 압력으로 가압하여 수소를 정제하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 폐열은
    개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열, 황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응에서 발생한 반응열, 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소획득반응에서 발생하는 반응열, 개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열, 천연가스 개질 온도 유지를 위해 개질기의 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 연소실 폐열, 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift) 후 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 제2흡열반응 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 폐열은
    연료전지의 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열인 PEMFC 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가스 개질 시스템; 은
    개질기, 열교환기 및 PSA를 모니터링 하여, 모니터링 결과에 따라 이상징후를 예측하고, 공급가능한 온수와 스팀량을 산출하는 서버; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 시스템.
  8. (A) 개질기에서 천연가스의 수소를 필터링하기 위해, 천연가스의 황성분을 제거하는 탈황반응, 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 수소획득반응, 일산화탄소와 수증기 반응을 통해, 수소와 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 전환 반응(WGS, Water Gas Shift)을 포함하는 화학반응을 수행하는 단계;
    (B) PSA에서 상기 개질기로부터 공급된 수소를 분리 및 정제하는 단계;
    (C)연료전지에서 상기 PSA로부터 정제된 수소를 공급받아 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하는 단계;
    (D) 열교환기에서 상기 개질기와 연료전지에서 발생하는 화학반응 중 방출되는 반응열을 폐열로 수집하고, 수집된 폐열을 통해 열을 공급하고 스팀을 생성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 (A)의 단계; 는
    (A-1)천연가스의 황 성분을 제거하는 단계;
    (A-2)황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소 획득반응을 통해 수소를 생성하는 단계; 및
    (A-3)생성된 수소를 정제하고 물을 생성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 (A-3)의 단계; 는
    고압에서의 흡착과 저압에서의 탈착을 포함하는 압력변화 과정을 수행하고, 상기 압력변화 과정에서 새로운 주기가 시작되기 전에 가장 낮은 압력에서 가장 높은 압력으로 가압하여 수소를 정제하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 폐열; 은
    황화물이 제거된 탄소화합물을 물과 반응시켜 수소를 획득하는 제1수소 획득반응에서 발생한 반응열 및 일산화탄소와 물을 반응시켜 수소를 획득하는 제2수소획득반응에서 발생하는 반응열, 개질기에서 천연가스의 황 성분을 제거하는 과정 중 발행하는 반응열, 천연가스 개질 온도 유지를 위해 개질기의 연소실로 공급하는 열에 의해 발생하는 연소실 폐열, 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift) 후 PSA(Pressure Swing Adsorption)로 공급하는 가스의 온도 차에서 발생하는 제2흡열반응 폐열, 연료전지의 냉각수 냉각 과정 시 냉각 전후 온도차에 의해 발생하는 반응열인 PEMFC 폐열을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 개질 방법.
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