건물용 연료전지를 위한 컴팩트 연료개질기 개발

정운호(Jung, Un Ho),구기영(Koo, Kee Young),윤왕래(Yoon, Wang Lai) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

연료개질기는 연료전지 시스템의 핵심 구성요소 중의 하나로 도시가스로부터 수소를 생산하는 역할을 담당한다. 연료개질기는 주로 탈황, 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 반응의 4단계로 구성되어 있으며 이 중 상온 탈황부분을 제외한 나머지 부분은 일체화 설계를 통해 제작된다. 탈황의 경우 도시가스에 포함된 부취제인 황화합물를 제거하여 후단에 위치한 촉매층이 황에 의해 피독되는 것을 막는 역할을 하며 주로 상온흡착식 탈황제를 사용한다. 황이 제거된 도시가스는 물과 함께 연료개질기로 도입되어 수증기 개질반응을 통하여 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 소량의 메탄과 미반응 수증기로 구성된 개질가스로 전환된다. 이후의 수성가스 전이반응에서는 일산화탄소가 물과 반응하여 수소 생산량을 늘리며 동시에 일산화탄소의 농도를 낮추게 된다. 또한 고분자 전해질 연료전지에 공급되는 개질가스는 선택적 산화반응을 통하여 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 유지하게 된다. 이러한 기능의 연료개질기 개발의 주요 이슈로는 컴팩트화 및 고효율화이며 이 두가지 요소를 고려하여 연료개질기를 설계하여야 한다. 연료전지 시스템의 전체부피를 줄이기 위한 노력의 일환으로 연료개질기의 컴팩트화가 요구되는데 가정용 연료전지 기술 선진국인 일본 제품의 경우 1Nm³/h급 연료개질기의 부피는 20L정도로 알려져 있다. 또한 연료전지 시스템의 효율은 연료개질기의 개질효율과 연료전지 스택의 발전효율의 곱으로 계산되기 때문에 연료개질기의 연료개질 효율은 전체 시스템의 효율에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 한국에너지기술연구원에서는 수소생산량 기준 1Nm³/h급 연료개질기의 개발을 완료하였으며 크기 및 효율면에서 선진국 제품과 비교하여 동등 또는 우위의 수준을 달성하였다. 연료개질기 내부의 혼합 및 분배 구조를 개선하고 각 촉매층의 최적 배치를 통해 연료개질기의 부피를 최소화 하였으며 연료개질기 내부에서 고온부위와 저온부위 사이의 최적 열교환을 통해 열효율을 극대화 시켰다. 현재 개발된 1Nm³/h급 개질기의 단열 후 부피는 13.5L 그리고 단독운전 시 열효율은 80%(LHV)로 측정되었다. 또한 1Nm³/h급의 연료개질기의 스케일-업 설계를 통하여 수소생산량 3, 5Nm³/h 규모의 연료개질기를 개발하였으며 성능평가가 진행 중이다.

SOFC Hotbox용 이중 나선형 구조의 천연가스 수증기 개질기 운전 특성

신장식,김옥선,황진하,곽인섭 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

SOFC 시스템 Hotbox용 개질기의 운전은 공급 반응물인 천연가스의 높은 전환율 달성 보다 반응 후 SOFC 시스템에 공급되는 열 관리를 주요 목표로 운전하게 된다. 그러나 SOFC 시스템의 효율을 향상시키기 위해서는 개질기의 성능이 중요하게 작용하게 된다. 즉 개질기의 천연가스 전환율을 유지하면서 개질기에서 스택으로 공급되는 합성가스와 개질기에서 배출되는 버너 연소가스의 온도를 SOFC 시스템용 Hotbox가 요구하는 수준으로 유지해야 하며, Hotbox 내에서의 점유 부피가 최소화해야 한다는 설계조건에 부합하도록 개발되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 컴팩트한 구조를 가지며, 최적의 열 공급 양상을 실현할 수 있는 나선형 구조의 개질기를 개발하였다. 이를 열교환기, 연료&공기 예열기, 버너 등과 함께 Hotbox로 구성하여 SOFC 시스템과 동일한 조건에서 실험하였으며, 98.91%의 연료전환율과 평균 800°C 이상의 합성가스 스택 공급 온도와 850°C 근방의 연소가스 개질기 배출 온도를 달성하여 SOFC 시스템이 요구하는 열 발란스를 달성하였다.

Aspen plus 전산모사를 통한 연료전지용 컴팩트 연료개질기 열교환망 최적화

정운호(Jung, Un-Ho),구기영(Koo, Kee-Young),윤왕래(Yoon, Wang-Lai) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

Aspen plus는 Aspentech사에서 개발한 공정모사용 프로그램으로서 다양한 화학종의 열역학적 자료를 기반으로 공정설계, 공정최적화, 공정모니터링 등 공정개발에 활용되고 있다. 연료개질기는 수증기 개질반응, 수성가스전이반응, 선택적화학반응으로 구성된 소규모 수소생산공정에 해당된다. 따라서 Aspen 전산모사를 통해 다양한 조건에서의 운전결과를 모사하여 개질기에 미치는 영향을 분석함으로써 운전조건을 최적화 할 수 있다. 연료개질기의 성능에 영향을 미치는 주요인자는 주로 수증기개질 촉매층 출구온도 및 수증기/탄소 비이다. 수증기개질 촉매층의 출구온도를 660{sim}740?C로 변화시키면서 개질가스의 조성, 카본 전환율, 개질효율 등을 비교 분석하였다. 또한 수증기/탄소 비를 3~5의 범위에서 변화시키면서 영향을 살펴보았다. 수증기개질 촉매층의 온도가 높을수록 수소생산량이 증가에 따른 효율 증가가 나타났으며 수증기/탄소 비가 증가할 경우에도 개질효율에 긍정적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 하지만 실제 개질기의 운전에서는 소재의 제약에 따라 운전 온도에 제약이 있으며 수증기/탄소비의 증가 역시 개질기의 부피 증가로 이어지는 단점이 있다는 것을 고려해야 한다. 따라서 반응기 재질, 크기, 운전온도와 개질효율과의 상관관계를 파악하여 개질기의 특성을 최적화 하여야 한다.

곡유로 메탄올-수증기 개질기 공극률 및 온도 변화에 따른 물질 전달 및 메탄올 전환율에 대한 수치해석적 연구

성홍석(Hong Seok Seong),이충호(Chung Ho Lee),서정세(Jeong Se Suh) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.11

초소형 연료전지용 메탄올-수증기 개질기의 경우 저온상태(250℃ 이하)에서 수증기와 반응하여 개질반응이 일어나기 때문에 수소를 효율적으로 생산할 수 있다. 본 연구는 이러한 개질기에 대하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저, 개질기 벽면 온도를 100, 140, 180, 220℃로 설정하였고 메탄올 전환율은 각 0, 0.072, 3.83, 46.51%로 나타났다. 다음으로 촉매의 공극률을 0.1, 0.35, 0.6, 0.85로 설정하였고, 메탄올 전환율에는 큰 차이가 없었으나 압력강하 값이 각 4645.97, 59.50, 5.12, 0.45 ㎪로 나타났다. 메탄올-수증기 개질기는 180℃ 이하의 온도에서는 거의 반응하지 않으며 공극률은 개질기를 흐르는 유체가 개질기와 충분히 접촉하여 활성화 에너지를 낮추어 준다면 메탄올 전환율에 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 확인하였다. Micro methanol-steam reformer for fuel cell can effectively produce hydrogen as reforming response to steam takes place in low temperature (less than 250℃). This study conducted numerical research on this reformer. First, study set wall temperature of the reformer at 100, 140, 180 and 220℃ while methanol conversion efficiency was set in 0, 0.072, 3.83 and 46.51% respectively. Then, porosity of catalyst was set in 0.1, 0.35, 0.6 and 0.85 and although there was no significant difference in methanol conversion efficiency, values of pressure drop were 4645.97, 59.50, 5.12 and 0.45 ㎪ respectively. This study verified that methanol-steam reformer rarely responds under the temperature of 180℃ and porosity does not have much effect on methanol conversion efficiency if the fluid flowing through reformer lowers activation energy by sufficiently contacting reformer.

1kW급 메탄올 개질기 촉매 특성에 관한 실험적 연구

조경인,윤진원,유상석 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集B Vol.43 No.12

Methanol reformers transform methanol having high energy density per unit mass, via fuel reformation, to obtain the desired fuel. Compared with the conventional steam reforming method, methanol reformers exhibit advantages of a relatively low operating temperature and low fuel price. However, the disadvantage is that gasification is required through additional equipment as liquid fuel is used, compared with the steam reforming method. In addition, the efficiency of the entire methanol reformer can reach a certain level by optimization of the system to utilize the heat required for gasification from the inside. In this study, the most basic and important part of a 1-kW methanol reformer was investigated. The methanol reforming flowrate was determined by calculating the required amount of hydrogen, and a characteristic experiment was performed by changing the S/C ratio, the reformer operating temperature, and the inlet temperature. When the S/C ratio was 2, the hydrogen yield was the highest at 76 .04, and the carbon monoxide yield was the lowest at 0.54, for the reformer operating temperature of 300 °C. The reformer inlet temperature did not show a significant difference depending on the change and is expected to have flexible selectivity. 메탄올 개질기는 단위 질량당 에너지 밀도가 높은 메탄올을 연료 개질을 통해 원하는 연료로 개질한다. 기존의 수증기 개질 방식과 비교 시, 작동 온도가 상대적으로 낮고 연료 가격이 저렴한 것이 장점이다. 하지만 수증기 개질 방식에 비해 액체 연료를 사용하기 때문에 추가 설비를 통해 가스화를 시켜야 하는 단점이 존재한다. 또한, 내부에서 가스화에 필요한 열 활용을 할 수 있도록 시스템을 최적화시켜야 전체 메탄올 개질기의 효율이 일정 수준 도달이 가능하다. 이를 위해 본 연구에서는 1kW급 메탄올 개질기의 정확한 시스템 구축을 위하여 가장 기초적이고 중요한 부분인 촉매 특성에 관한 실험을 진행하였다. 요구 수소량을 계산하여 메탄올 개질 유량을 결정하고 S/C ratio, 개질기 운전 온도와 입구 온도를 변화시켜가며 특성 실험을 진행하였다. S/C ratio는 2일 때, 개질기 운전 온도는 300℃일 때 수소 수율이 76.04%로 가장 높고 일산화탄소 수율이 0.54%로 가장 낮았다. 개질기 입구 온도는 변화에 따라 큰 차이를 나타내지 않았으며 유동적으로 선택 가능할 것으로 예상된다.

곡유로 채널을 가지는 수증기-메탄올 개질기에서 유량 변화에 따른 메탄올 전환율 및 물질 전달에 관한 연구

장현(Hyun Jang),박인성(In Sung Park),서정세(Jeong Se Suh) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.3

본 연구에서는 전산유체역학 상용 코드를 이용하여 곡유로 채널형 수소 개질기에 대한 수치 해석적 연구를 수행하였다. 상용코드에서 제공하는 연소모델의 사전 검증을 위하여 원통 채널형 개질기 형를 가지는 선행연구모델(23)에 대한 수치해석을 선행하여 수행하였고, 95% 이상 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 선행연구모델의 수치해석을 통해 연소모델에 대한 해석 타당성검증이 완료된 후, 반응기 형태 변화가 메탄올 전환율과 수소생성에 미치는 영향을 파악하여 기존보다 유로의 길이가 증가한 곡유로 채널형 개질기를 설계하고, 유량조건(10/15/20 μl/min)을 변수로 수치해석을 수행하였다. 그 결과 원통채널형 개질기와 곡유로 채널형 개질기에서 발생하는 유동 특성 및 물질전달 특성을 파악할 수 있었고, 그리고 유량에 따른 메탄올 전환율 및 수소 생성에 관한 유용한 정보를 얻을 수 있었다. In this study, numerical analysis of curved channel steam-methanol reformer was conducted using the computational fluid dynamics (CFD) commercial code STAR-CCM. A pre-numerical analysis of reference model with a cylindrical channel reactor was performed to validate the combustion model of the CFD commercial code. The result of advance validation was in agreement with reference model over 95%. After completing the validation, a curved channel reactor was designed to determine the effects of shape and length of flow path on methanol conversion efficiency and generation of hydrogen. Numerical analysis of the curved-channel reformer was conducted under various flow rate (10/15/20 μl/min). As a result, the characteristics of flow and mass transfer were confirmed in the cylindrical channel and curved channel reactor, and useful information about methanol conversion efficiency and hydrogen generation was obtained for various flow rate.

중저온 열원에 의한 메탄 수증기 개질의 형상 인자에 따른 특성

신가희(Gahui Shin),윤진원(Jinwon Yun),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.12

폐열을 열원으로 사용하는 저온형 개질기는 하이브리드 연료전지 시스템의 효율향상을 위해 사용되고 있다. 저온형 개질기의 경우 저온의 열적상태에서 높은 열전달 효율을 내는 것이 중요하며, 이를 위한 형상 최적화의 과정이 필요하다. 본 연구에서는 제한된 열공급 상황에서 개질기의 형상인자 변화에 따른 온도 및 반응특성을 전산해석을 통하여 알아보고자 하였다. 해석결과 저온형 개질기의 반응이 활발히 일어나는 영역은 온도가 높은 후단에 제한되는 현상을 보여 고온형 개질기와의 차이를 나타내었다. 또한 개질기의 기체공간속도(Gas hourly space velocity, GHSV)를 감소시키거나 열전달 면적을 증대시킴으로써 효율을 향상 시킬 수 있음을 확인하였고 종횡비에 따른 해석을 실시한 결과 저온형 개질기의 경우 길이방향보다는 반경방향의 열전달을 증대시키는 방법이 효과적임을 확인하였다. In a hybrid fuel cell system, low-temperature reforming technology, which uses waste heat as a heat source, is applied to improve system efficiency. A low temperature reformer is required to optimize geometry in low thermal conditions so that the reformer can achieve the proper methane conversion rate. This study analyzed internal temperature distributions and the reaction patterns of a reformer by considering the change of the shape factor on the limited heat supply condition. Unlike the case of a high temperature reformer, analysis showed that the reaction of a low temperature reformer takes place primarily in the high temperature region of the reactor exit. In addition, it was confirmed that the efficiency can be improved by reducing the GHSV (gas hourly space velocity) or increasing the heat transfer area in the radial direction. Through reacting characteristic analysis, according to change of the aspect ratio, it was confirmed that a low temperature reformer can improve the efficiency by increasing the heat transfer in the radial direction, rather than in the longitudinal direction.

LNG 추진선박에 수소 연료전지 시스템 적용을 위한 개질기의 특성 분석

이윤호 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.1

본 논문에서는 LNG 추진선박에서 발생하는 BOG(boil-off gas)를 이용하여 수소를 생산하고 수소 연료전지 시스템을 보조엔진으로 적용한 개질공정의 특성에 대한 연구를 수행했다. 연구를 위해 BOG 수증기 개질공정을 UniSim R410 프로그램을 이용해 공정설계하고, 개질기의 출구온도와 압력, SCR(steam carbon ratio)에 따른 생성물의 분율과 반응물의 소모량을 산출하였다. 연구 결과 개질온도가 890℃일 때 메탄의 반응률이 100 %였으며, 최대 수소 생산량을 보였다. 또한 개질압력이 낮을수록 반응 활성도가 높았다. 하지만 그 이상의 온도가 되면 역반응의 우세로 인해 수소의 생산량은 감소하게 되고, 물과 이산화탄소의 양은 증가했다. 또한 SCR이 증가할수록 수소 생산량도 증가했으나 요구되는 에너지 소비량도 비례하여 증가했다. SCR이 1.8일 때 수소분율이 가장 높았으나 코킹방지를 위해 SCR이 3에서 운전하는 것이 최적 운전범위임을 확인했다. 그리고 개질압력이 낮을수록 발생되는 이산화탄소의 양은 증가했으며, 냉각 및 액화를 위해서는 이산화탄소 발생량을 기준으로 42.5 %의 LNG 냉열이 요구됨을 알 수 있었다. In this study, we investigated the characteristics of the process of hydrogen production using boil-off gas (BOG) generated from an LNG-fueled ship and the application of hydrogen fuel cell systems as auxiliary engines. In this study, the BOG steam reformer process was designed using the UniSim R410 program, and the reformer outlet temperature, pressure, and the fraction and consumption of the product according to the steam/carbon ratio (SCR) were calculated. According to the study, the conversion rate of methane was 100 % when the temperature of the reformer was 890 °C, and maximum hydrogen production was observed. In addition, the lower the pressure, the higher is the reaction activity. However, higher temperatures have led to a decrease in hydrogen production owing to the preponderance of adverse reactions and increased amounts of water and carbon dioxide. As SCR increased, hydrogen production increased, but the required energy consumption also increased proportionally. Although the hydrogen fraction was the highest when the SCR was 1.8, it was confirmed that the optimal operation range was for SCR to operate at 3 to prevent cocking. In addition, the lower the pressure, the higher is the amount of carbon dioxide generated. Furthermore, 42.5 % of the LNG cold energy based on carbon dioxide generation was required for cooling and liquefaction.

중온형 메탄 수증기 개질기의 유동 구조 및 온도 분포 개선을 위한 전산 해석

송혜민(Hyemin Song),정진희(Jinhee Jeong),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.1

열 회수 메탄 수증기 개질기는 일반적인 고온 작동이 아닌, 중온 열원을 사용하므로 열전달 최적 설계가 필요하다. 본 연구에서, 통상 원통 다관형 구조에서 유동 구조와 온도 분포가 열전달률을 결정하기 때문에, 다공판, 베플과 함께 나선형 와류 발생기를 설치하였을 때 개질기 내부 유동 및 온도 분포가 개선되는 정도를 전산 해석을 통해 확인하였다. 그 결과, 나선형 와류 발생기를 설치하여 개질기 입구 유입 유동의 균일도를 향상시킬 수 있었다. 또한 엇갈림 다공판을 설치하여, 유동 균일도를 개선하고, 베플을 설치하여 개질 가스의 체공 시간을 키움으로써, 열전달을 통해 800K 이상의 고온 영역이 증가했다. 이를 통해, 개질 가스 전환율을 개선할 수 있음을 확인하였다. When a heat recovery methane steam reformer is used, the parameters of heat transfer must be designed optimally due to its operating temperature. In this study, the flow and temperature distribution in the cylindrical tubular structure determine the heat transfer rate. The improvement of the flow and temperature distribution in the reformer when the structure of the reformer is improved is confirmed through computational analysis. Consquently, the flow uniformity of the inlet of the reformer is improved by installing a spiral vortex generator. Furthermore, the flow uniformity is improved by installing a staggered perforated plate. The baffle is installed to increase the residence time of the reformed gas, thereby increasing the high-temperature region of 800 K or more through heat transfer. Base on the results, it was confirmed that the reforming gas conversion rate could be improved.

계장화 압입 시험법을 이용한 개질기의 잔여수명 평가 방법

김우영,김정희,김상휘,표산종,김정엽,김이곤 한국비파괴검사학회 2019 한국비파괴검사학회지 Vol.39 No.4

HP 40Nb 합금강과 같은 원심 주조 오스트나이트계 스테인리스 강은 암모니아, 메탄올, 수소 공장용 석유화학 산업의 개질기 튜브에서 많이 사용되고 있다. 개질기 튜브는 내경 60–120 mm, 두께 10–14 mm로 일반적으로 10–40 bar의 압력과 980 의 조건에서 100,000 h의 수명을 갖도록 설계되어 있다. 이와 같은 수명시간으로 인해 지난 수십 년 동안 잔존 크리프 수명의 직접적인 평가는 고온 및 고압 환경에서 사용되는 장비의 잔존 수명에 대한 평가와 더불어 인기를 얻었다. 그러나 현장에서 설비의 항복 및 인장 강도 등 기계적 특성을 직접 평가하는 것은 불가능한 실정이다. 이런 문제를 해결할 수 있는 방법으로 계장화 압입 시험법(IIT)이 대두되고 있으며, IIT는 현장에서 설비를 파괴 또는 변형 시키지 않고 기계적 특성과 잔류응력을 평가할 수 있으므로 필요한 시점에 발생된 결함 및 현장 특성의 적합성을 보여줄 수 있다. 또한 기계적 안정성 분석에 대한 기초 자료를 제공하는 것이 가능하여 규격과의 직접 비교를 통해 현장의 만족도를 판단할 수 있다. 따라서 우리는 계장화 압입 시험법을 이용한 개질기 튜브의 수명평가를 위한 데이터베이스 기반의 기초를 확립하였다. Centrifugally cast austenitic stainless steel such as the HP 40Nb alloy steel is widely used in reformer tubes in the petrochemical industry for ammonia, methanol, and hydrogen plants. Reformer tubes have an internal diameter of 60–120 mm, and a thickness of 10–14 mm. They are generally designed to have a life of 100,000 h under the process conditions of 10–40 bar pressure and 980 °C. Considering their lifetime, a direct evaluation of the remaining creep life over the past several decades as well as the evaluation of the residual life of equipment used in high-temperature and high-pressure environments has gained popularity. However, directly evaluating the mechanical properties of the facility in the field, such as the yield and tensile strength, is impossible. The instrumented indentation technique(IIT) can solve this problem. IIT can evaluate the mechanical properties and residual stress in the field without destroying the equipment, so thus indicating the possibility of its suitability in detecting the occurrence of defect and field properties in time of need. In addition, it can possibly provide basic data for the analysis of mechanical stability. Thus, determining its potential for on-site satisfactory performance becomes possible through direct comparison with the specification. Therefore, So we developed a database for safety evaluation of reformer tubes using IIT and established a basis for its life assessment.