[논문]수소스테이션 국산화 기술 개발

김진흥; 김영대; 최근섭; 김일수; 이용일; 윤영식; 곽병성

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화석연료의 점진적인 고갈과 그 사용에 따라 발생하는 환경오염 문제의 해결 및 에너지 안보 차원에서 세계 각국은 수소경제로의 이동을 준비 중이며 현재 기술개발을 통해 상업화의 시기를 앞당기는 노력을 하고 있다. 국내에서는 2003년부터 본격적으로 정부 주도의 기술개발 및 실용화 사업을 추진하고 있으며 민간 부문에서는 국내 대기업들을 위주로 해외 전문업체와의 제휴를 통해 차세대 수종 사업으로 수소 연료전치 기술개발을 추진 중이나, 아직까지 기술력이 세계수준에는 이르지 못하고 있는 실정이다. SK는 산업자원부와 에너지관리공단에서 주관하는 대체에너지 기술개발 사업 중 수소연료전지 분야의 '수소스테이션(Hydrogen Station) 국산화 기술개발' 사업의 주관 기관으로서, 독자 기술로 개발한 수소 발생 장치를 중심으로 하여 2007년 수소스테이션 건설을 목표로 연구를 수행하고 있다. 수소스테이션 국산화 기술 개발은 2004년부터 2009년까지 총 5년간에 걸쳐 진행되며, 주관 연구기관인 SK는 수소 발생 장치의 개발과 이를 중심으로 한 수소스테이션의 건설을 총괄하고 있으며, 3개 국책 연구 기관 및 4개 대학이 위탁연구 기관으로 참여하여, 수소 생산 신공정 개발, 촉매 개발, PSA개발 및 탈항 기술 개발 등에 대한 요소 기술의 국산화를 목표로 연구를 진행하고 있다. 본 고에는 2004년부터 현재까지의 주요 연구 결과 및 수소스테이션 건설 추진 현황을 소개하고자 한다.

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문제 정의

본문에서는 2004년부터 시작하여 현재까지 진행된 연구 결과를 간략히 요약하고자 한다.

제안 방법

LPG를 이용하여 고효율 Reformer를 개발함에 있어 과제 목표와 연계하여, PSA Outlet 기준 수소생산 규모 30 Nm3/hr, S/C 3.0 조건에서 LPG 전환율 85% 이상, PSA에서의 수소 회수율 75% 조건에서 개질기 열효율을 70%로 하여 전체 공정의 설게 목표치를 설정하였다. 이러한 설계 Process simulation tool인 HYSYS를 활용하여 HMB(Heat and Material Balance)를 구축하였다.
반응 온도와 반응 압력은 각각 850℃와 9barG로 설계하였으며, 이때 SR전환율(C1 기준)의 목표치는 85% 이상으로 설정하였다. Steam Reformer는 내부에 열교환기를 설치하여 전체 부피가 소형화된 다중관의 형태로 설계되었다.
예정이다. 상용 촉매평가는 반응기 설계에 필요한 촉매량, 촉매 최적 운전 조건을 얻기 위해 다음의 3단계로 진행되었으며, 각 단계별로는 열역학적 평형 전환율의 계산을 통한 운전 조건의 예측, Micro-reactor촉매 평가를 통한 촉매 스크리닝, Bench-scale규모의 평가를 통한 최적 촉매 운전 조건의 산출의 순서로 진행되었다.
수소 정제 후 발생하는 Tail gas는 버너에서 연소되어 전체 공정의 열효율을 높일 수 있도록 설계되었다.
그림 7은 버너 평가 장비를 보여준다. 연료는 C4성분비가 90%인 LPG를 사용하였으며, 노즐 혼합형 상용 버너와 piemixing형의 metal fiber burner를 대상으로 당사에서 개발 중인 reformer에 최적의 버너 선정 및 운전 조건 확립을 위해 공기/연료비를 조절하여 화염 안정성을 비교 평가하였으며, 안정적인 연소 조건에서 연소실 내의 온도 분포에 대한 자료를 얻어 Reformer의 설계에 반영하였다. 결과적으로, 메탈 화이버 버너의 경우 화염의 길이가 상대적으로 짧고 연소 특성이 우수하였으나, 공연비는 노즐 믹싱 버너보다는 제한적인 것으로 나타났다.
0 조건에서 LPG 전환율 85% 이상, PSA에서의 수소 회수율 75% 조건에서 개질기 열효율을 70%로 하여 전체 공정의 설게 목표치를 설정하였다. 이러한 설계 Process simulation tool인 HYSYS를 활용하여 HMB(Heat and Material Balance)를 구축하였다.
촉매 평가 결과 및 버너 평가 결과를 토대로 steam reformer를 설계하였다. 반응 온도와 반응 압력은 각각 850℃와 9barG로 설계하였으며, 이때 SR전환율(C1 기준)의 목표치는 85% 이상으로 설정하였다.

성능/효과

연료는 C4성분비가 90%인 LPG를 사용하였으며, 노즐 혼합형 상용 버너와 piemixing형의 metal fiber burner를 대상으로 당사에서 개발 중인 reformer에 최적의 버너 선정 및 운전 조건 확립을 위해 공기/연료비를 조절하여 화염 안정성을 비교 평가하였으며, 안정적인 연소 조건에서 연소실 내의 온도 분포에 대한 자료를 얻어 Reformer의 설계에 반영하였다. 결과적으로, 메탈 화이버 버너의 경우 화염의 길이가 상대적으로 짧고 연소 특성이 우수하였으나, 공연비는 노즐 믹싱 버너보다는 제한적인 것으로 나타났다.
한다. 고순도 수소는 수소발생 장치에 PSA를 연결하여 운전함으로써얻을 수가 있으며, 본 연구과제에서는 75% 회수율 및 CO농도가 lppm이하인 99.99%이상의 고순도 수소 생산을 목표로 PSA설계 조건을 정했으며, 현재 PSA제작 업체를 통해 제작진행 중에 있다. 표 2에는 30Nm3/hr의 99.

후속연구

당사에서 수행 중인 수소스테이션 국산화 기술 개발 과제는 이상과 같이 화석연료로부터 고순도 수소 생산할 수 있는 수소 발생 장치(Fuel Processor)의 개발과 이를 중심으로 한 수소스테이션의 건설을 2007년까지 완료할 계획이며, 이후 2009년까지의 실증 기간 동안 수소스테이션 운전 최적화 및 위탁 기관을 통해 개발된 촉매, 공정 기술 및 PSA를 적용해 봄으로써 국산화 기술을 완성할 예정이다. 그림 3에는 본 과제의 milestone을 나타내었다.

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