초록 ▼

본 과제는 LPG를 연료로 이용하여 Steam Reforming 방식의 $30Nm^3/h$급 수소 제조 장치(Fuel Processor)를 국산화 하여, On-site형 수소스테이션을 건설하고 개발된 기술을 실증하는 것을 목표로 하고 있다. Fuel Processor의 주요 기술은 Main Reactor인 개질기 설계, 반응 촉매 기술, 수소 정제 기술, System Integration 기술로 구분할 수 있다. 촉매 기술은 위탁 과제로 선정하여 향후 수소스테이션 및 Fuel Processor 제작에 활용 가능하

본 과제는 LPG를 연료로 이용하여 Steam Reforming 방식의 $30Nm^3/h$급 수소 제조 장치(Fuel Processor)를 국산화 하여, On-site형 수소스테이션을 건설하고 개발된 기술을 실증하는 것을 목표로 하고 있다. Fuel Processor의 주요 기술은 Main Reactor인 개질기 설계, 반응 촉매 기술, 수소 정제 기술, System Integration 기술로 구분할 수 있다. 촉매 기술은 위탁 과제로 선정하여 향후 수소스테이션 및 Fuel Processor 제작에 활용 가능하도록 상용 촉매 대비 차별화된 우수성을 확보하여 원천 제조 기술 및 특허를 확보하도록 하였으며, 그 외의 Fuel Processor 주요 기술은 시작품 제작을 통하여 기술의 완성도 및 신뢰성을 확보하는 것을 목표로 하였다. 고압 수소 압축, 저장, 분배 System은 외국의 신뢰성이 높은 제품을 선정 및 설치하여, Fuel Processor와 연계 운전을 통하여 성능 검증 및 운영 기술을 확보는 것을 목표로 하였다.

Abstract ▼

The purpose of this project is developing the fuel processor which can produce 30Nm3 hydrogen per one hour by LPG fuel and construct the hydrogen station in which our fuel processor prototype is installed. The key technologies of fuel processor are reforming reactor design, main reaction catalysts,

The purpose of this project is developing the fuel processor which can produce 30Nm3 hydrogen per one hour by LPG fuel and construct the hydrogen station in which our fuel processor prototype is installed. The key technologies of fuel processor are reforming reactor design, main reaction catalysts, product hydrogen purification and system integration. We collaborated with several institutes and universities to develop catalyst technology. Through the catalyst research, we aimed to develop the new catalyst production method and patents which can be applicable to prototype of next project. Other key technologies of fuel processor are planed to test performance of the technologies by making the prototype. This project does not include the technologies of hydrogen compressor, storage & dispenser. We aimed to demonstrate the performance of hydrogen compressor, storage & dispenser which is integrated with our fuel processor.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ...17
• 제 1 절 연구 기술의 개요 ...17
• 제 2 절 연구 개발의 필요성 ...19
• 제 3 절 연구 개발의 범위 및 목표 ...24
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ...26
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ...26
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ...31
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ...34
• 제 1 절 주요 기술 ...34
• 1. 핵심 반응 ...34
• 가. 탈황 반응 ...34
• 나. Steam Reforming 반응 ...34
• 다. Water Gas Shift 반응 ...35
• 라. PSA (Pressure Swing Adsorption) ...35
• 2. 수소스테이션 공정 개요 및 외국 사례 ...36
• 가. 수소스테이션 Type 및 선진 업체 ...36
• 나. 개질방식의 수소스테이션 공정 개요 및 개발 현황 ...38
• 제 2 절 1차 시작품 개발 결과 ...40
• 1. 촉매 및 반응 조건 선정 ...40
• 가. Reforming 촉매 ...40
• 나. 탈황 촉매/흡수제 평가 ...44
• 2. 버너 개발 ...48
• 3. System 설계 ...53
• 가. Fuel Processor System 구성 및 PFD 작성 ...53
• 나. 개질기 설계 ...55
• 다. 탈황기 및 Shift 반응기 설계 ...58
• 라. 도입 PSA 선정 ...60
• 4. 1차 시작품 Test 결과 ...62
• 가. 1차 시작품 구성 ...62
• 나. 1차 시작품 운전 결과 ...64
• 제 3 절 2차 시작품 개발 ...70
• 1. 반응기 및 Heat Network 개발 ...70
• 가. 개질기 열 내구성 개선 ...70
• 나. 개질기 내 Feed Gas 균등 분배 ...72
• 다. 용이한 초기 구동 및 Load 변경이 가능한 Heat Network ...72
• 2. 국산 PSA 개발 ...74
• 가. 고순도 수소 분리를 위한 PSA 공정 ...74
• 나. PSA 설계 및 제작 ...76
• 제 4 절 주요기술 개발 적용 및 시작품 성능 ...82
• 1. 수소스테이션 건설 ...82
• 2. 운전 결과 ...87
• 가. Main 반응기 운전 결과 ...87
• 나. System 효율 ...91
• 다. System 종합 성능 ...95
• 라. Fuel Processor 자동화 ...99
• 마. 고압 부 운전 결과 및 FCV 충전 결과 ...104
• 사. 국산 PSA 운전 결과 ...109
• 제 5 절 특허 등 지적재산권 발표 실적 ...116
• 1. 특허 ...116
• 2. 논문 ...118
• 3. 학술 발표 ...123
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...131
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ...134
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ...135
• 1. 미국의 연료전지 차량 및 수소스테이션 개발 현황 ...135
• 2. 일본의 연료전지 차량 및 수소스테이션 개발 현황 ...135
• 제 7 장 참고문헌 ...137
• 표목차
• 표 1. '신.재생에너지 RD&D 2030' 의 수소스테이션 보급 계획 ...23
• 표 2. 수소스테이션 국산과 기술개발 과제 목표 ...25
• 표 3. 수소스테이션 관련 세계 주요 연구개발 Program ...29
• 표 4. 지식경제부의 수소스테이션 관련 국책과제 ...33
• 표 5. Fuel Processor 촉매 충진 량 ...47
• 표 6. 연료별 발열량 ...50
• 표 7. 버너 특성 비교 ...52
• 표 8. 도입 PSA 선정 ...61
• 표 9. 국산 PSA 설계 기준 ...77
• 표 10. 국산 PSA 흡착제 Data Sheet ...81
• 표 11. Fuel Processor의 성능 ...96
• 표 12. 수소스테이션 고압 압축, 저장, 분배기 ...105
• 표 13. 국산 PSA 성능 ...114
• 표 14. 과제 목표 대비 달성 실적 ...132
• 그림목차
• 그림 1. 수소스테이션 개념도 ...18
• 그림 2. 미래 연료전지 자동차 보급 시나리오 ...21
• 그림 3. Worldwide Hydrogen Fueling Stations ...28
• 그림 4. 세계 수소스테이션 보급 추이 ...28
• 그림 5. 미국의 CaFCP Program 현황 2009.02 ...30
• 그림 6. European Union Hydrogen Highway ...30
• 그림 7. 국내 수소스테이션 보급 현황 ...32
• 그림 8. 국내 대규모 수소 생산 시설 및 NG 보급 망 ...32
• 그림 9. Type 별 수소스테이션 ...37
• 그림 10. 제조사별 Fuel Processor 상 : Hydrigenics, 중 : Mahler, 하 : MKK ...39
• 그림 11. SR 촉매 A, B의 온도 및 GHSV에 따른 CH4 전환율 ...41
• 그림 12. SR 촉매 A, B의 반응 후 Gas 조성 ...41
• 그림 13. SR 촉매 B의 상압에서의 개질 가스 조성 ...43
• 그림 14. SR 촉매 B의 압력 및 GHSV에 따른 $CH_4$ 전환율 ...43
• 그림 15. 일정 수소 분압하에서 온도와 GHSV변화에 따른 수첨탈황 성능 평가 결과 (반응물 중 총 유기황화합물 농도: 300ppm) ...46
• 그림 16. 공간속도 1500hr-1에서의 반응 온도와 $H_2$/S몰비에 따른 수첨 탈황 성능 평가 결과 ...46
• 그림 17. 버너 테스트 장비 (a)LPG Tank, (b)기화기, (c)테스트장치, (d)화염 ...49
• 그림 18. 버너 Type 및 화염 특성 : (상)Nozzle Mixing Type, (하)Metal Fiber Type ...49
• 그림 19. 버너 화염 온도 ...51
• 그림 20. Schematic Process Flow Diagram of LPG Fuel Processor ...54
• 그림 21. 원통형 개질기 구조 ...56
• 그림 22. Multi Tubular Type 개질기 구조 ...56
• 그림 23. 개질기 1차 시작품 디자인 ...57
• 그림 24. 탈황 반응기 구조 ...59
• 그림 25. LTS 반응기 구조 ...59
• 그림 26. Fuel Processor 1차 시작품 ...63
• 그림 27. 1차 시작품 LTS 후단 Reformate 조성 ...65
• 그림 28. 1차 시작품 시작품 Feed 온도 ...65
• 그림 29. 1차 시작품 LTS 후단 Reformate 조성(시스템 개선 후) ...67
• 그림 30. 1차 시작품 PSA 운전 데이터 ...67
• 그림 31. 1차 시작품 DSS 누적 운전 데이터 ...68
• 그림 32. 1차 시작품 Root Cause Analysis ...69
• 그림 33. 1차 시작품 열응력 해석 ...71
• 그림 34. Tubular 반응기 Feed 균등 분배 Concept ...73
• 그림 35. 2차 시작품 열 교환 망 ...73
• 그림 36. $20^{\circ}C$ 활성탄에서의 흡착 평형 곡선 ...75
• 그림 37. $20^{\circ}C$ 제올라이트에서의 흡착 평형 곡선 ...75
• 그림 38. PSA 공정에서의 압력 변화($\uparrow$:Cocurrent flow.$\downarrow$:Countercurrent flow) ...78
• 그림 39. PSA P&ID 및 Lay-out ...79
• 그림 40. PSA 흡착 Bed ...80
• 그림 41. 수소스테이션 건설 일정 ...83
• 그림 42. 수소스테이션 고압가스제조시설 인허가 ...84
• 그림 43. 수소스테이션 구성 ...85
• 그림 44. Fuel Processor 구성 ...86
• 그림 45. 개질기 2차 시작품 구조 ...88
• 그림 46. Load 별 개질기 $CH_4$ 전환율 및 Reformate 중 $CH_4$ 조성 ...89
• 그림 47. 반응 중의 12개 개질기 하부의 온도 ...89
• 그림 48. LTS 반응기 구조 ...90
• 그림 49. LTS 반응기 내부 온도 및 CO 전환율 ...90
• 그림 50. Fuel Processor의 Heat Network 및 Energy Balance ...92
• 그림 51. System Heat Loss ...92
• 그림 52. Load 별 시스템 열효율 ...93
• 그림 53. Load 별 Heat Loss 비율 ...94
• 그림 54. Product 수소 성적서 ...96
• 그림 55. Fuel Processor Start-up 소요 시간 및 시스템 온도 ...97
• 그림 56. Fuel Processor Load 변경 시간 ...97
• 그림 57. Fuel Processor 장기 운전 데이터 (440hr) ...98
• 그림 58. Fuel Processor 자동 제어 개념도 ...100
• 그림 59. Fuel Processor Control Logic ...100
• 그림 60. Fuel Processor 자동 운전 화면 ...103
• 그림 61. 고압 수소 압축기 운전 데이터 ...106
• 그림 62. 연료전지 자동차 충전 사진 및 충전 일지 ...108
• 그림 63. 연료전지 자동차 누적 수소 충전량 ...108
• 그림 64. 국산 PSA 제작 및 설치 사진 ...110
• 그림 65. 국산 PSA 운전 화면 ...111
• 그림 66. 국산 PSA 운전 시퀀스 ...111
• 그림 67. 국산 PSA 연속 운전 데이터(30Nm3/hr 수소 생산 기준) ...113
• 그림 68. 국산 PSA Load 별 성능 데이터 ...115