[논문]양자교환막을 이용하여 생산된 수소의 불순물 분석

이택홍; 김태완; 박태성; 최운선; 김홍열; 이홍기

doi:10.7316/khnes.2013.24.4.288

양자교환막을 이용하여 생산된 수소의 불순물 분석
Hydrogen Impurities Analysis From Proton Exchange Membrane Hydrogen Production 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.4, 2013년, pp.288 - 294

이택홍 (호서대학교 화학공학과) , 김태완 (호서대학교 화학공학과) , 박태성 (호서대학교 화학공학과) , 최운선 ((주)에이티유) , 김홍열 ((주)웨스피) , 이홍기 (우석대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

This gas analysis data come from the hydrogen which is produced by proton exchange membrane. Main impurities of hydrogen are methane, oxygen, nitrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide. The concentration of impurities is ranged between 0.0191 to $315{\mu}mol/mol$ for each impurity. Methane contamination is believed from the electrode reaction between carbon doped electrode and produced hydrogen. Nitrogen contamination should take place the sampling process error, not from PEM hydrogen Production system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 에서는 양성자 교환막 수전해 시스템을 이용하여 생산된 수소의 순도 분석과 수소에 혼합되어있는 미량의 불순물 성분에 대하여 분석하였다. 이는 미래의 에너지 공급수단으로의 연료전지와 이에 수반되는 연료인 수소의 불순물은 엄격한 관리와 통제가 필요하며 개질기 등 각종 장치에 불순물이 미치는 영향을 규명하기 위하여 수소에 포함된 불순물 분석이 선행 되어져야 하기 때문이다.

제안 방법

Gas Sampling bottle은 자체 제작한 것을 사용 하였고 용량은 3L 이며 오염의 우려가 없도록 전해연마 등의 내면처리를 하여 오염의 가능성을 최소화 하였으며 고압에서도 안전 하도록 설계가 되었다.
5bar 정도로 충전을 시행 하였다. Wet H₂를 충전하기 위하여 수전해 장치의 밸브를 돌려 수분 흡착을 거치지 않고 가스 샘플러에 바로 충전 되도록 하였으며 이 후 방법은 위의 Dry H₂의 충진 방법과 동일하게 진행하였다.
목표 충전 압력인 5bar로 충전을 하기로 하였으나 여유분을 두어 5.5bar 정도로 충전을 시행 하였다. Wet H₂를 충전하기 위하여 수전해 장치의 밸브를 돌려 수분 흡착을 거치지 않고 가스 샘플러에 바로 충전 되도록 하였으며 이 후 방법은 위의 Dry H₂의 충진 방법과 동일하게 진행하였다.
본 실험을 진행하기 위하여 양성자 교환막 수전해 장치를 운전하여 수소를 생산하고 초고순도용 내면 처리된 가스 샘플러를 이용하여 생산된 수소 가스를 포집한 후 GC/FID와 GC/PDD를 사용하여 수소가스를 분석하였다.
시료를 채취할 Gas Sampling bottle의 퍼지를 위하여 수소 발생장치로부터 생산된 수소를 사용 하여 압력 주어 충전한 다음 배출 하는 방식으로 퍼지하였고 이과정을 약 2hr 동안 반복하여 퍼지를 진행하였다.수분흡착탑을 통과한 Dry H₂와 통과하지 않은 Wet H₂를 분리하여 샘플링을 실시 하였다.
주로 유기 화합물의 분석에 사용되며 불활성 가스에 대한 감도가 낮거나 측정하지 못한다. 이이 때문에 PDD검출기를 추가로 사용 하였다. PDD검출기는 헬륨 가스를 방전하여 샘플 가스를 이차 이온화 시키고 생산된 이온이 발생시키는 전류를 측정한다.
채취한 시료의 성분 분석을 하기위하여 GC/FID와 GC/PDD를 사용 하였다. 이는 유기화합물에는 감도가 좋지만 불활성 가스에 대하여 감도가 없거나 떨어지는 FID검출기의 단점을 보완하기 위하여 PDD 검출기를 추가로 사용하여 수소에 포함된 불활성 불순물의 분석을 위함이다.

대상 데이터

GC/PDD는 DONAM INSTRUMENTS社의 DS-6200을 사용 하였고 Column은 13ft O.D 1/8”, 분리 칼럼은 Stainless Steel 재질의 MS-5Å를 사용하였다.
본 실험에 사용된 수소 발생장치는 양성자 교환막 수전해 장치로 웨스피(전북 소재) 社의 수소발생장치를 사용 하였으며 수소 발생장치의 최대 사용전류는 10A~10.5A이며 최대 사용전압은 18V~19V 이다. 장치의 수소 생산능력은 분당 850cc정도를 생산한다.

이론/모형

표준가스로는 표준과학연구원의 표준가스로 중량법으로 제작된 CRM No.112-01-020을 사용 하였으며 표준가스 성분은 Table 1에 GC/FID로 분석시 운전조건은 Table 2에 나타내었다.

성능/효과

Dry H2가스 분석결과에서는 0.08μmol/mol 정도의 CO가 포함된 것으로 나타났으며 CH4와 CO2는 각각 0.02μmol/mol, 0.27μmol/mol 정도 포함된 것을 알 수 있었다.
GC/FID 분석결과 Wet H2가스 에서는 CO는 분석 피크에 나타나지 않았으며 CH4 와 CO2는 각각 0.02μ mol/mol, 3μmol/mol 정도 포함된 것으로 나타났다.
GC/PDD 분석결과 Wet H₂가스 에서는 O₂+Ar는 189ppm, N₂는 64ppm 정도 검출 된 것을 확인 할 수 있었고 Dry H₂ 가스에서는 O₂+Ar는 218ppm, N₂는 315ppm 정도 검출 된 것을 확인 하였다. 분석 결과로 다량의 산소가 포함된 것을 알 수 있었는데 이는 Sample Gas를 충전하기 위하여 먼저 Gas Sample bottle을 퍼지하는 과정에서 오염에 의하여 발생된 것으로 보인다.
는 315ppm 정도 검출 된 것을 확인 하였다. 분석 결과로 다량의 산소가 포함된 것을 알 수 있었는데 이는 Sample Gas를 충전하기 위하여 먼저 Gas Sample bottle을 퍼지하는 과정에서 오염에 의하여 발생된 것으로 보인다. 이는 N₂가스의 발생원인과 동일한 원인으로 볼 수 있다.
셋째로 양성자교환막 전해법은 알칼리 수 전기분해와 다르게 전해액 대신에 순수한 물을 사용하기 때문에 전해액에 의한 부식에 대하여 안정하며 알칼리 물 전기분해에 비하여 동일 면적당 전류 밀도가 높아 작은 크기로 제작이 가능하고 에너지 효율 또한 매우 높게 나타나 있다. 또한 생산되는 수소의 순도가 매우 높고 작동압력을 수백 bar까지 설계가 가능하다.
27μmol/mol 정도 포함된 것을 알 수 있었다. 위 결과로 비추어 볼 때 검출된 CH₄, CO₂, CO등은 전극으로 사용된 Carbon Paper와 H+, O-가 반응 하면서 발생된 것으로 보여 진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고온 물 전기 분해법이란?	첫째 고온수증기를 이용한 물 전기분해 법은 고온에서 물을 전기분해하기 위하여 필요한 전기 에너지가 적은 현상을 응용한 방법이다.
	수소 생산방법으로 메탄 수증기 개질법이 가장 많이 사용되는 이유는?	현재 여러 수소생산 방법 중 메탄 수증기 개질법(SMR, Steam Methane Reforming)이 가장 많이 사용되며 이는 초기투자비가 저렴하고 신뢰도와 기술의 성숙도가 높기 때문이다2). 하지만 메탄 수증기 개질법의 경우 생산되는 수소의 수율과 순도가 떨어지기 때문에 추가적인 수성반응공정과 정제공정을 거쳐야 하고 이 때문에 전체 공정이 복잡하고 여러 단계를 거쳐야 함으로 수소의 생산단가가 올라가는 단점과 수소의 생산을 화석연료에 의존한다는 단점이 있다.
	SMR의 단점은?	현재 여러 수소생산 방법 중 메탄 수증기 개질법(SMR, Steam Methane Reforming)이 가장 많이 사용되며 이는 초기투자비가 저렴하고 신뢰도와 기술의 성숙도가 높기 때문이다2). 하지만 메탄 수증기 개질법의 경우 생산되는 수소의 수율과 순도가 떨어지기 때문에 추가적인 수성반응공정과 정제공정을 거쳐야 하고 이 때문에 전체 공정이 복잡하고 여러 단계를 거쳐야 함으로 수소의 생산단가가 올라가는 단점과 수소의 생산을 화석연료에 의존한다는 단점이 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
O. S. Joo: "Hydrogen Production Technology" Korean Chem. Eng. Res. Vol. 49, No. 6, December, 2011, pp. 688-696.

원문보기 상세보기
WESPE Co., Ltd.
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