수소의 소규모 분산 생산 기술은 본격 적 인 수소 인프라가 도입되기 전에 연료전지 자동차의 수소 충전용이나 분산 발전형 연료전지의 수소 공급을 위해 필요하다. 생산 용량은 수소 기준으로 $20{\sim}100 Nm^3/hr$ 정도로 현재로선 천연가스의 수증기 개 질법이 가장 경제적인 공정으로 알려져 있다. 소규모 생산에 따른 열효율 저하를 줄이 기 위해 단위 공정들이 통합된 컴팩트 개질 시스템의 개발이 필요하다. 연료전지 자동차용 수소 인프라 조기 구축을 위하여 수소충전소 구축과 국산화 천연가스 수증기 개질기 개발을 병행하여 진행하였다. 수소 충전소 구축 부분은 충전소 부지 확보, 건물 건축, 각종 유틸리 티 설치의 토목 부분과 천연가스 개질형 수소 제조 유닛 설치, 수소 압축, 저장, 디스펜싱 시스템 설치를 포함하고 있으며 고압 설비에 대한 인허가 대응 및 안전대책 작업도 진행하였다. 구축된 수소충전소는 향후 연료전지 자동차 연계 실증 프로그램에 활용할 수 있다. 국산화 핵심 기술 개발을 위하여 열 및 시스템 통합 설계에 의 해 천연가스 수증기 개질기를 제작하고 내부 열교환 구조에 따른 개질기의 성능을 평가하였다. 개발된 개질기는 개질온도 $720^{\circ}C$, 수증기 대 카본 비 2.7의 운전조건에서 $23Nm^3/h$ 이상의 수소 생산이 가능하였으며 73% 이상의 개질 효율을 나타내었다. 개발된 천연가스 수증기 개질기는 향후 수소 정제용 PSA(Pressure Swing Adsorption) 시스템과 연계하여 수소충전소 국산화 엔지니어링 설계 패키지 개발의 핵심 기 술로 사용할 계획이다.시간 정도 운전한 후 시스템을 정지하였다 메탄 전환율과 일산화 탄소 농도, 열효율을 모니터링 하고 있으며, 현재까지 초기 성능을 그대로 유지하고 있다. 앞으로 일일시동-정지 운전 시험을 지속하면서 초기 시동 특성 및 부하 변동에 따른 응답 특성 개선, 그리고 연료전지와의 연계 운전을 실시할 예정이다 한다. 단위 전지 운전 온도 $130^{\circ}C$, 상대습도 37%의 운전 조건에서도 상당히 우수한 전지 성능을 보임에 따라 고온/저가습 조건에서 상용 Nafion 112 막보다 우수한 막 특성을 나타냄을 확인하였다.소/배후방사능비는 각각 $2.18{\pm}0.03,\;2.56{\pm}0.11,\;3.08{\pm}0.18,\;3.77{\pm}0.17,\;4.70{\pm}0.45$ 그리고 $5.59{\pm}0.40$이었고, $^{67}Ga$-citrate의 경우 2시간, 24시간, 48시간에 $3.06{\pm}0.84,\;4.12{\pm}0.54\;4.55{\pm}0.74 $이었다. 결론 : Transferrin에 $^{99m}Tc$을 이용한 방사성표지가 성공적으로 이루어졌고, $^{99m}Tc$-transferrin의 표지효율은 8시간까지 95% 이상의 안정된 방사성표지효율을 보였다. $^{99m}Tc$-transferrin을 이용한 감염영상을 성공적으로 얻을 수 있었으며, $^{67}Ga$-citrate 영상과 비교하여 더 빠른 시간 안에 우수한 영상을 얻을 수 있었다. 그러므로 $^{
수소의 소규모 분산 생산 기술은 본격 적 인 수소 인프라가 도입되기 전에 연료전지 자동차의 수소 충전용이나 분산 발전형 연료전지의 수소 공급을 위해 필요하다. 생산 용량은 수소 기준으로 $20{\sim}100 Nm^3/hr$ 정도로 현재로선 천연가스의 수증기 개 질법이 가장 경제적인 공정으로 알려져 있다. 소규모 생산에 따른 열효율 저하를 줄이 기 위해 단위 공정들이 통합된 컴팩트 개질 시스템의 개발이 필요하다. 연료전지 자동차용 수소 인프라 조기 구축을 위하여 수소충전소 구축과 국산화 천연가스 수증기 개질기 개발을 병행하여 진행하였다. 수소 충전소 구축 부분은 충전소 부지 확보, 건물 건축, 각종 유틸리 티 설치의 토목 부분과 천연가스 개질형 수소 제조 유닛 설치, 수소 압축, 저장, 디스펜싱 시스템 설치를 포함하고 있으며 고압 설비에 대한 인허가 대응 및 안전대책 작업도 진행하였다. 구축된 수소충전소는 향후 연료전지 자동차 연계 실증 프로그램에 활용할 수 있다. 국산화 핵심 기술 개발을 위하여 열 및 시스템 통합 설계에 의 해 천연가스 수증기 개질기를 제작하고 내부 열교환 구조에 따른 개질기의 성능을 평가하였다. 개발된 개질기는 개질온도 $720^{\circ}C$, 수증기 대 카본 비 2.7의 운전조건에서 $23Nm^3/h$ 이상의 수소 생산이 가능하였으며 73% 이상의 개질 효율을 나타내었다. 개발된 천연가스 수증기 개질기는 향후 수소 정제용 PSA(Pressure Swing Adsorption) 시스템과 연계하여 수소충전소 국산화 엔지니어링 설계 패키지 개발의 핵심 기 술로 사용할 계획이다.시간 정도 운전한 후 시스템을 정지하였다 메탄 전환율과 일산화 탄소 농도, 열효율을 모니터링 하고 있으며, 현재까지 초기 성능을 그대로 유지하고 있다. 앞으로 일일시동-정지 운전 시험을 지속하면서 초기 시동 특성 및 부하 변동에 따른 응답 특성 개선, 그리고 연료전지와의 연계 운전을 실시할 예정이다 한다. 단위 전지 운전 온도 $130^{\circ}C$, 상대습도 37%의 운전 조건에서도 상당히 우수한 전지 성능을 보임에 따라 고온/저가습 조건에서 상용 Nafion 112 막보다 우수한 막 특성을 나타냄을 확인하였다.소/배후방사능비는 각각 $2.18{\pm}0.03,\;2.56{\pm}0.11,\;3.08{\pm}0.18,\;3.77{\pm}0.17,\;4.70{\pm}0.45$ 그리고 $5.59{\pm}0.40$이었고, $^{67}Ga$-citrate의 경우 2시간, 24시간, 48시간에 $3.06{\pm}0.84,\;4.12{\pm}0.54\;4.55{\pm}0.74 $이었다. 결론 : Transferrin에 $^{99m}Tc$을 이용한 방사성표지가 성공적으로 이루어졌고, $^{99m}Tc$-transferrin의 표지효율은 8시간까지 95% 이상의 안정된 방사성표지효율을 보였다. $^{99m}Tc$-transferrin을 이용한 감염영상을 성공적으로 얻을 수 있었으며, $^{67}Ga$-citrate 영상과 비교하여 더 빠른 시간 안에 우수한 영상을 얻을 수 있었다. 그러므로 $^{
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문제 정의
본 연구에서는 KIER의 수소충전소 구축 현황을 소개하고 수소충전소의 수소 제조 장치로 이용 가능한 20 Nm7h 용량의 천연가스 수증기 개질기의 성능 평가를 수행하였다.
수소충전소 인프라 구축과 병행하여 현장 생산 방식의 수소 제조 공급을 위한 천연가스 수증기 개질기를 개발하였다. 초기 실증 단계에서 수소충전소는 20-100 NmVh 정도의 수소 생산량으로 주로 운영되고 있으며 이러한 소규모 시스템은 고효율 설계와 장치 컴팩트화가 필요하다.
제안 방법
천연가스와 수증기는 개질 반응기 내부에 충전된 촉매층에서 수소를 포함한 개질 생성가스로 전환된 후 열교환기로 공급되어 도입되는원료와 1차 열교환하여 300-350 ℃ 정도로 냉각된 후 응축기에서 추가 냉각되어 40 ℃ 이하로 배출되고 기액 분리기에서 기상과 액상으로 분리된다. 1차 열교환 후의 개질 생성 가스 온도 설정은차후 추가될 고온 수성 가스 전화 반응의 입구 온도 조건을 고려하여 설정하였다. 기액 분리기에서배출되는 기상은 유량을 측정하고 생성 가스의성분은 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다.
개질기 성능 측정 시스템을 이용하여prototype-1 개질기와 prototype-2 개질기의 운전 특성을 측정하였다. Fig.
수소 압축, 저장, 충전(dispensing) 시스템은 20 Nm3/h 규모의 생산 수소를 400 bar로 압축 저장하고 350 bar로 연료전지 자동차에 충전 가능하도록 구성하였다. 고정식 수소 자동차 충전소의 시설기준 및 기술기준은산업자원부 고시(제2005-43호, 2005. 4. 14)에 의하여 고압가스 안전 관리법 시행규칙 별표 6의2의 규정인 CNG 스테이션의 기술기준과 안전기준을준용하도록 하고 있으므로 설비 사용을 위한 인허가 대응 작업을 수행하였고 완성검사를 통과하였다. 수소충전소의 수소를 공급하기 위한 중소형천연가스 수증기 개질기의 국산화 설계 기술 확보를 위하여 열 및 시스템 통합 설계를 수행하였다.
수소충전소의 수소를 공급하기 위한 중소형천연가스 수증기 개질기의 국산화 설계 기술 확보를 위하여 열 및 시스템 통합 설계를 수행하였다. 고효율화 설계를 위해 향류식 입출구 구성을이용하였고 제작의 단순화를 고려하여 동심관 중첩형 구조를 채택하였다. 설계된 prototype-1, prototype-2 개질기를 제작하고 성능 시험을 수행하였다.
과압, 이상 과열, 수소 누설에 대해 자동 셧다운이 이루어지도록 제어 시스템을 구성하였고 긴급 정지 버튼을 수소충전기 본체와 충전소 외벽에 별도로 설치하여 긴급 상황에서 수동으로 설비를 정지하고 안전 상태로 전환 가능하도록 하였다. 그 밖의 안전과 관련한 시설 기준과기술 기준은 국내 법규상 요구 사항을 모두 반영하였다.
1차 열교환 후의 개질 생성 가스 온도 설정은차후 추가될 고온 수성 가스 전화 반응의 입구 온도 조건을 고려하여 설정하였다. 기액 분리기에서배출되는 기상은 유량을 측정하고 생성 가스의성분은 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. 개질기 성능 측정을 위한 시스템 구성은 Fig.
다중관을 중첩 구조로 배치하여 원활한 내부열교환을 유도하였으며 제작의 단순화를 고려하여 설계하였다.
개질 반응용 천연가스는 취기제로 첨가된 황성분이 촉매독으로 작용한다. 상온흡착식 탈황기를 이용하여 탈황된 천연가스를 개질 반응기로 공급하였다. 반응 원료로 사용되는물은 개질기 본체에서 배출되는 연소 배가스의열을 이용하여 수증기로 변환된다.
고효율화 설계를 위해 향류식 입출구 구성을이용하였고 제작의 단순화를 고려하여 동심관 중첩형 구조를 채택하였다. 설계된 prototype-1, prototype-2 개질기를 제작하고 성능 시험을 수행하였다. 개질 촉매층과 연소 배가스 배출 유로 사이에 개질 반응 원료 예열층을 형성한 prototype-2 개질기는 개질 생성 가스 배출 유로를 개질 반응원료 예열층과 인접하도록 설계한 prototype-1 개질기보다 높은 개질 열효율을 나타내었다.
설계된 개질기의 성능을 측정하기 위해 천연가스와 물을 반응원료로 공급하면서 수증기 개질반응을 진행하였다. 개질 반응용 천연가스는 취기제로 첨가된 황성분이 촉매독으로 작용한다.
수소 생산 용량을 기준으로 20 Nm3/h 규모의동심관형 수증기 개질 반응기를 설계, 제작하였다. 다중관을 중첩 구조로 배치하여 원활한 내부열교환을 유도하였으며 제작의 단순화를 고려하여 설계하였다.
수소충전소를 구축하였다. 수소 압축, 저장, 충전(dispensing) 시스템은 20 Nm3/h 규모의 생산 수소를 400 bar로 압축 저장하고 350 bar로 연료전지 자동차에 충전 가능하도록 구성하였다. 고정식 수소 자동차 충전소의 시설기준 및 기술기준은산업자원부 고시(제2005-43호, 2005.
고압 저장조는 3단 케스케이드방식으로 운영되고 이를 위하여 순위제어 판넬을설치하였다. 수소충전기와 순위제어 판넬의 연동에 의해 최적 충전 속도를 유지하도록 구성하였다. 수소충전기는 차량 탑재 용기에 최대 350 bar 까지 충전이 가능하도록 설정되었다.
14)에 의하여 고압가스 안전 관리법 시행규칙 별표 6의2의 규정인 CNG 스테이션의 기술기준과 안전기준을준용하도록 하고 있으므로 설비 사용을 위한 인허가 대응 작업을 수행하였고 완성검사를 통과하였다. 수소충전소의 수소를 공급하기 위한 중소형천연가스 수증기 개질기의 국산화 설계 기술 확보를 위하여 열 및 시스템 통합 설계를 수행하였다. 고효율화 설계를 위해 향류식 입출구 구성을이용하였고 제작의 단순화를 고려하여 동심관 중첩형 구조를 채택하였다.
연료전지 자동차의 수소 공급을 위한 인프라인 수소충전소를 구축하였다. 수소 압축, 저장, 충전(dispensing) 시스템은 20 Nm3/h 규모의 생산 수소를 400 bar로 압축 저장하고 350 bar로 연료전지 자동차에 충전 가능하도록 구성하였다.
3에 prototype-1 개질기의 열교환 구조를 개략도로 나타내었다. 연소 챔버(combustion chamber)에는 가스 버너를 부착하여 반응열을 공급하도록 하였다. 촉매층을 가열하고 연소 챔버에서 빠져나온 연소 배가스는 개질용 반응 원료를예열하도록 하였다.
반응 원료로 사용되는물은 개질기 본체에서 배출되는 연소 배가스의열을 이용하여 수증기로 변환된다. 이를 위하여폐열 회수형 수증기 발생기를 설치하였다. 수증기와 혼합된 천연가스는 개질 반응부에서 배출되는고온 생성 가스와 열교환 후 예열되어 개질기로도입된다.
상세 사항은 2005년에고시된 산업자원부 특례에 의하여 CNG 충전소의시설 기준과 기술 기준을 준용하도록 하고 있다. 이에 따라 인허가 작업을 진행하였고 완성검사를통과 하였다. 전체 인허가 진행 과정을 Fig.
대상 데이터
KIER 수소 충전소는 천연가스 개질형 수소 제조장치, 수소 압축기, 고압 저장조, 순위제어 판넬, 수소충전기(dispenser)로 구성하였다. Fig.
1은공정 구성 개략도이다. 원료로 사용하는 천연가스는 도시가스 배관에서 분기한 후 9 bar까지 승압하여 공급하였다. 공급된 도시가스는 수증기 개질반응이 진행되는 리포머를 통하여 수소가 풍부한개질 가스로 전환된다.
성능/효과
개질 촉매층과 연소 배가스 배출 유로 사이에 개질 반응 원료 예열층을 형성한 prototype-2 개질기는 개질 생성 가스 배출 유로를 개질 반응원료 예열층과 인접하도록 설계한 prototype-1 개질기보다 높은 개질 열효율을 나타내었다. 개발된개질기는 23 NmVh 이상의 수소 생산이 가능하며 73 % 이상의 개질 효율을 나타내었다.
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