초록 ▼

본 연구에서는 가스공사에서 기 개발되었던 5$Nm^3$/hr급 플레이트형 수소제조장치의 메카니즘을 적용하여 수소스테이션에 적용 가능한 20$Nm^3$/hr급 컴팩트형 스케일-업 수소제조 장치를 개발 하였다. 버너는 수증기 개질반응기에서 성능을 결정하는 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서 1차 년도에서는 20$Nm^3$/hr급 시스템을 위한 스케일-업 버너와 개질 반응기가 효과적인 열 공급 과 역화방지 개념이 도입되어 디자인되고 제작이 이루어졌다. 시험결과 플레이트형

본 연구에서는 가스공사에서 기 개발되었던 5$Nm^3$/hr급 플레이트형 수소제조장치의 메카니즘을 적용하여 수소스테이션에 적용 가능한 20$Nm^3$/hr급 컴팩트형 스케일-업 수소제조 장치를 개발 하였다. 버너는 수증기 개질반응기에서 성능을 결정하는 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 따라서 1차 년도에서는 20$Nm^3$/hr급 시스템을 위한 스케일-업 버너와 개질 반응기가 효과적인 열 공급 과 역화방지 개념이 도입되어 디자인되고 제작이 이루어졌다. 시험결과 플레이트형 반응기 개념으로 개질반응기의 스케일-업이 가능함을 확인할 수 있었다. 스케일-업 버너모듈과 개질반응기 시제품의 성능시험 결과를 바탕으로 2차 년도에서는 개질반응에 필요한 모든 반응기가 적층된 20$Nm^3$/hr급의 개질반응기 시제품을 제작하였다. 제작된 개질반응기 시제품은 탈황반응기 전환반응기, PROX반응기 등이 통합된 구조로 제작 되었다. 개질반응기의 고효율화를 위하여 반응기 열전달 효율향상을 위한 새로운 반응기 구조가 고안되어 적용되었다. 시제품에 사용된 개질반응 촉매와 고온 및 저온전환반응촉매는 상업용 촉매를 우선 적용하였다. 시스템의 효율향상을 위한 방법으로 열손실을 줄이고 폐열 회수를 통한 연소용 공기를 예열하는 방법이 적용되었다. 폐열회수 배관은 효율성을 높이기 위하여 외부로 노출되지 않는 구조를 적용하였다. 3차 년도에서는 개질반응기 시제품의 운전결과를 바탕으로 문제점을 해결하고 제어기를 구성하여 본 연구의 최종 목표인 20$Nm^3$/hr급 고효율 컴팩트형 수소제조장치를 완성하였다. 최종 시제품에서는 전용 벤츄리믹서, 버너 제어방법 개선, 반응기 열교환 면적 증가방안, 배열순환 덕트 적용, 배열순환덕트 일체화기술, 배열순환 전용 열교환기 구조 적용, 증기발생기 열효율 증대방안 등의 기술이 종합적으로 개선 및 적용되었다. 결론적으로 최종 시제품인 20$Nm^3$/hr급 컴팩트형 수소제 조장치는 S/C=3.75의 100%의 부하에서 안정적으로 운전됨을 확인하였고 추가적인 보완을 통하여 수소스테이션에 시범적으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼

In this study, 20$Nm^3$/hr scale compact hydrogen generator which can be apply to the hydrogen station was developed by upgrading concept of stacking plate reactors from former 5$Nm^3$/hr scale plate hydrogen generator. The burner is a essential part determining the performance

In this study, 20$Nm^3$/hr scale compact hydrogen generator which can be apply to the hydrogen station was developed by upgrading concept of stacking plate reactors from former 5$Nm^3$/hr scale plate hydrogen generator. The burner is a essential part determining the performance of steam reformer. In this reason, burner as well as prototype scale-up reforming reactor was designed at the beginning and manufactured for 20$Nm^3$/hr scale reforming system in a view point of effective heat supply and back-fire protecting concept in the first year. From the test, we can learn the possibility of scale-up reforming reactor in a concept of plate type reactor. In second year, the prototype 20$Nm^3$/hr scale reforming reactor system as a modified concept was manufactured on the base of the performance test result of scale up burner module and reforming reactor. Reforming reactor system concluding desulphurizer, shift reactor and PROX reactor as well as reforming reactor was integrated into a reactor body and reactor concepts were newly designed for improving system efficiency and heat transfer of reforming reactor. Commercial catalysts were used for the reforming and high & low shift reactor in prototype reactor system. Methods of preheating combustion air through the heat recovery and reducing heat loss were applied and heat recovery ducts were installed to the inner structure to increase heat efficiency. In third year, as the final goal of this study, 20$Nm^3$/hr scale high efficiency & compact hydrogen generator was completed by improving system and setting up the control system. For final prototype of scale-up 20$Nm^3$/hr scale compact hydrogen generator, all concepts for improving system efficiency and performance such as idea of heat recovery from the exhaust, exhaust duct which is especially design for plate type reactor, reinforcement of insulation, enlargement of heat exchange area of reactors, introduction of desulphurizer reactor and PROX rector in a compact design, introduction of back fire protection structure of plate burner and so on were introduced and applied. In conclusion, we can learn that final prototype of scale-up 20$Nm^3$/hr scale compact hydrogen generator can be operated steadily in 100% road at which over 94% of methane conversion(S/C=3.75) was obtained. In case of making up the weak point, we expect that it is possible to apply to hydrogen station by way of showing an example.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 10
• 목차 ... 11
• 제1장 서 론 ... 14
• 제1절 연구의 필요성 ... 14
• 제2절 연구의 목적 ... 16
• 제2장 국내외 기술개발 동향 ... 17
• 제1절 수소에너지 관련 환경변화 ... 17
• 제2절 수소스테이션의 구성 ... 19
• 제3절 국외 연구개발 동향 ... 20
• 제4절 국내 연구개발 동향 ... 25
• 제3장 이론적 배경 ... 27
• 제1절 수소제조방법의 종류 ... 27
• 제2절 수증기 개질시스템 ... 29
• 1. 수증기 개질시스템의 개요 ... 29
• 2. 수증기 개질시스템의 구성 ... 30
• 2.1. 탈황반응 ... 30
• 2.2. 수증기 개질반응 ... 30
• 2.3. 수성가스 전환반응 ... 32
• 2.4. 선택적 산화반응(PROX) ... 33
• 3. 수증기 개질공정을 이용하는 수소제조장치 시스템 구성 ... 33
• 제3절 플레이트형 수소제조장치 ... 36
• 1. 전통적인 수증기 개질반응기의 구조 ... 36
• 2. 컴팩트형 고효율 수소제조장치 원리 ... 36
• 3. 5Nm3/hr급 플레이트형 수소 제조장치 특징 ... 41
• 제4장 시제품 제작 및 성능시험 ... 44
• 제1절 스케일-업 버너 및 개질반응기 모듈 제작 ... 44
• 1. 스케일-업 버너 및 개질반응기 개념설계 ... 44
• 2. 버너 및 개질반응기 모듈 시제품 제작 ... 47
• 3. 성능시험 방법 ... 48
• 4. 버너 및 개질반응 모듈 성능시험 결과 ... 49
• 4.1. 버너 및 개질반응 모듈 승온실험 ... 49
• 4.2. 버너 및 개질반응 모듈의 물 투입실험 ... 51
• 4.3. 버너 및 개질반응기 모듈의 개질반응실험 ... 54
• 4.4. 기존 시스템과의 성능비교 ... 61
• 4.5. 결론 및 토의 ... 62
• 제2절 스케일-업 수소제조 반응기 제작 ... 63
• 1. 수소제조 반응기 문제점 분석 및 개선방향 ... 63
• 2. 20$Nm^3$/hr급 수소제조 반응기 제작 ... 64
• 3. 성능시험방법 ... 66
• 4. 성능시험 결과 ... 67
• 4.1. 개질 반응기 승온실험 및 시운전 ... 67
• 4.2. 수소제조반응기 운전특성 시험 ... 68
• 4.3. 물 투입량에 따른 개질반응 활성 ... 72
• 5. 결과 및 토의 ... 73
• 제3절 20Nm3/hr급 고효율 수소 제조장치 제작 ... 74
• 1. 수소 제조장치 개념설계 ... 74
• 2. 수소 제조장치 제작 ... 74
• 2.1. 개질반응기 설계 개선 ... 74
• 2.2. 메탈화이버 버너 설계 개선 ... 76
• 2.3. 개질기 운전을 위한 주변기기 제작 ... 76
• 1) 연료 및 원료 공급부 ... 76
• 2) 반응용 물공급 펌프 ... 76
• 3) 댐퍼 구동 모터 ... 77
• 4) PROX 반응용 공기 공급 장치 ... 77
• 5) 탈황장치 ... 78
• 6) 반응기 예열 및 냉각장치 ... 78
• 7) 버너 폐열 회수기 ... 78
• 8) 물탱크 ... 78
• 9) 열교환 시스템 ... 79
• 10) 컨트롤 판넬 ... 79
• 2.4. 제어시스템 구성 ... 79
• 1) 운전 알고리즘 ... 79
• 2) 제어프로그램 ... 80
• 3. 20$Nm^3$/hr급 수소 제조장치 장치 구성 ... 84
• 4. 성능시험 결과 ... 90
• 4.1. 시스템의 온도변화 특성 ... 90
• 4.2. 시스템의 운전성능 특성 ... 97
• 5. 결과 및 토의 ... 99
• 제5장 결론 ... 101
• 참고문헌 ... 103