[논문]수증기의 잠열을 이용한 메탄올 수증기 개질기의 특성 연구

천욱래; 안강섭; 신현길

doi:10.7316/khnes.2018.29.1.19

수증기의 잠열을 이용한 메탄올 수증기 개질기의 특성 연구
Study on the Characteristics of Methanol Steam Reformer Using Latent Heat of Steam 원문보기

천욱래 (범한산업) , 안강섭 (범한산업) , 신현길 (범한산업)

Fuel cells are used to generate electricity with a reformer. In particular, methanol has various advantages among the fuels for reformer. Methanol steam reformer devices can efficiently supply hydrogen to PEM fuel cell. This study investigated the optimal operation conditions of a methanol steam reforming process. For this purpose, aspen HYSYS was used for the optimization of reforming process. The optimal operating condition could be designed by setting independent variables such as temperature, pressure and steam to carbon ratio (SCR). The optimal temperature and steam to carbon ratio were $250-270^{\circ}C$ and 1.3-1.5, respectively. It is advantageous to operate at a pressure of 15-20 barg, considering the performance of the hydrogen purifier. In addition, a heat exchange network was designed to supply heat constantly to reformer through the latent heat of steam.

문제 정의

본 연구에서는 연료전지 시스템을 위한 메탄올 수증기 개질기의 공정을 제시하고, 시뮬레이터(Aspen HYSYS)를 사용하여 운전 온도, 압력, SCR에 따른 생성물의 분율, 반응물의 소모량을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 메탄올 수증기 개질기의 공정을 설명하고, Aspen HYSYS 시뮬레이터를 통해 아래와 같이 반응 온도, 압력, SCR 조건 변화에 따른 분석결과를 얻을 수 있었다.

성능/효과

1) 메탄올 수증기 개질기는 H₂의 최대 생산량을 위해 온도는 250-270℃ 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 수소정제기의 성능 측면에서 최대한 높은 온도로 운전하는 것이 유리하다.
2) 압력 조건은 상압에 가까운 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 15-20 barg에서 운전하는 것이 수소정제기의 H₂ 투과율 성능 측면에서 유리하다.
3) 적절한 SCR은 0.7-1.0 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 물의 소비량이 증가하고 H₂의 분율이 감소하더라도 CO 분율 감소를 위하여 SCR=1.3-1.5 조건에서 운전하는 것이 고압조건에서 유리하다.

후속연구

추후에는 증발기, 수소정제기, 메탄올 수증기 개질기로 안정적인 열전달을 위해서 열매체로 스팀을 사용하여 열을 공급하는 장치를 개발하는 연구가 필요할 것으로 예상한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

메탄올 수증기 개질기는 금속수소저장합금에 비해 무엇이 용이한가?

이러한 단점을 보완하기 위해 메탄올 수증기 개질기를 사용한 시스템을 적용할 수 있다. 메탄올 수증기 개질기로 수소를 생산하여 연료전지에 공급하는 잠수함은 높은 에너지밀도의 액체연료(메탄올)를 사용할 수 있으므로 잠항 능력이 향상되고, 금속수소저장합금 방식과 비교하여 연료의 재보급이 용이하다4).

연료전지는 어떤 특징이 있는가?

연료전지는 연료인 수소와 산소를 산화·환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로 발전 효율이 높고, 소음 및 진동이 없으며 전기 생산 후 발생하는 물질이 물뿐이므로 매우 친환경적이다. 이러한 이유로 국내 및 미국과 유럽 등의 선진국에서는 내연기관을 대체하는 연료전지를 차세대 동력 장치로 고려하고 있다.

Aspen HYSYS 시뮬레이터를 통해 얻은 이 연구의 분석결과는?

1) 메탄올 수증기 개질기는 H2의 최대 생산량을 위해 온도는 250-270℃ 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 수소정제기의 성능 측면에서 최대한 높은 온도로 운전하는 것이 유리하다. 2) 압력 조건은 상압에 가까운 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 15-20 barg에서 운전하는 것이 수소정제기의 H2 투과율 성능 측면에서 유리하다. 3) 적절한 SCR은 0.7-1.0 조건에서 운전하는 것이 바람직하나, 물의 소비량이 증가하고 H2의 분율이 감소하더라도 CO 분율 감소를 위하여 SCR=1.3-1.5 조건에서 운전하는 것이 고압조건에서 유리하다.

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