KR20210114231A - 수소 개질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 원료가스와 물의 개질반응에 의하여 제1혼합가스를 생성하는 리포머, 제1혼합가스를 공급받아 수성전이반응에 의하여 일산화탄소가 제거된 제2혼합가스를 생성하는 변성기; 변성기에서 생성된 제2혼합가스에서 수소를 정제하여 분리하고, 수소가 분리된 오프가스를 배출하는 PSA(Pressure Swing Adsorption), 리포머와 변성기의 사이 및 변성기와 PSA 사이에 마련되어 물과 열교환에 의하여 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 제어하는 열교환기, 열교환기에 연결되어 물을 공급하고, 열교환기를 통과한 물을 리포머에 공급하는 물 공급라인 및 물 공급라인에서 물이 배출되는 라인에 마련되어 열교환기에 공급되는 물의 유량을 제어함으로써 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 개별적으로 제어하는 제어밸브를 포함하는 수소 개질 시스템에 관한 발명이다.

Description

수소 개질 시스템{Hydrogen Reforming System}
본 발명은 열교환기에 물 공급라인이 연결되고 물의 유량을 조절하는 제어밸브가 마련되어 혼합가스가 열교환기에서 물과 열교환되어 냉각되며, 제어밸브에 의하여 혼합가스의 온도가 단계별로 제어되는 수소 개질 시스템에 관한 발명이다.
연료전지는 연료와 산화제로부터 전기와 열에너지를 발생시키는 장치로서, 에너지 변환 효율이 기존의 발전방식보다 높아 차세대 발전장치로 많은 연구개발이 진행되고 있다. 수소를 연료로 사용할 경우 전기화학 반응에 있어서 활성이 매우 높고, 극소량의 질소산화물을 제외하면 환경에 유해한 생성물이 없으며, 고압가스, 액체가스 또는 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이하여 수소를 에너지원으로 이용하는 기술이 여러 분야에서 개발되고 있다.
수소의 제조방법은 수증기 개질이 가장 상용화된 기술이다. 수증기 개질은 도시가스 등 천연가스를 원료로 하여 리포머를 통해 수소를 제조하여 사용한다. 수증기 개질반응의 반응물인 물과 원료가스가 공급되어야 하는데, 물은 액체로 공급되었다가 수소 개질 과정에서 발생하는 혼합가스와 열교환을 통해 기화되어 공급된다. 물과 열교환을 통해 혼합가스의 온도제어도 수행된다.
수소 개질 시스템은 여러가지 반응이 일어나며, 개질온도 800℃에서부터 연료전지 투입온도 80℃까지 다양한 온도조건에서 운전된다. 따라서, 각각의 반응이 일어나는 반응기에서 적절한 온도조건을 제어하기 위하여 여러 개의 열교환기가 마련된다. 종래의 수소 개질 시스템은 열교환기의 온도 제어가 개별적으로 수행될 수 없기 때문에 혼합가스의 온도를 반응 단계별로 제어할 수 없는 문제점이 있었다. 따라서 외부 환경에 영향을 받아 물의 온도와 상태가 변하여 시스템의 제어가 불안정해지고 효율이 감소하는 문제점에 대한 해결이 필요한 실정이다.
KR 10-2016-0128486
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 수소 개질 시스템에 물을 공급하는 물 공급라인을 열교환기마다 연결되도록 구성하고, 물 공급라인에 제어밸브를 구비하여 물의 유량을 조절함으로써 반응 단계별로 혼합가스의 온도를 제어할 수 있는 수소 개질 시스템을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원료가스와 물의 개질반응에 의하여 제1혼합가스를 생성하는 리포머; 제1혼합가스를 공급받아 수성전이반응에 의하여 일산화탄소가 제거된 제2혼합가스를 생성하는 변성기; 변성기에서 생성된 제2혼합가스에서 수소를 정제하여 분리하고, 수소가 분리된 오프가스를 배출하는 PSA(Pressure Swing Adsorption); 리포머와 변성기의 사이 및 변성기와 PSA 사이에 마련되어 물과 열교환에 의하여 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 제어하는 열교환기; 열교환기에 연결되어 물을 공급하고, 열교환기를 통과한 물을 리포머에 공급하는 물 공급라인; 및 물 공급라인에서 물이 배출되는 라인에 마련되어 열교환기에 공급되는 물의 유량을 제어함으로써 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 개별적으로 제어하는 제어밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 피드백하여 제어밸브를 제어함으로써 물의 유량을 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
제어부는 시스템의 부하에 따라 제어밸브를 제어함으로써 물의 유량을 조절할 수 있다.
열교환기는 리포머와 변성기 사이에 마련되어 제1혼합가스와 물이 열교환되는 제1열교환기, 변성기와 PSA 사이에 마련되어 제2혼합가스와 물이 열교환되는 제2열교환기 및 제3열교환기로 구성되고, 물 공급라인은 제1열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제1공급라인, 제2열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제2공급라인 및 제3열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제3공급라인으로 구성되어 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 개별적으로 제어할 수 있다.
열교환기는 제2혼합가스가 PSA로 유입되는 입구에 마련되어 제2혼합가스와 냉각수의 열교환을 통해 제2혼합가스를 냉각하는 제4열교환기를 포함하고, 제2혼합가스의 온도에 따라 선택적으로 제4열교환기를 가동할 수 있다.
제어밸브는 제1공급라인에 마련되어 제1공급라인을 흐르는 물의 유량을 제어하는 제1제어밸브 및 제3공급라인에 마련되어 제3공급라인을 흐르는 물의 유량을 제어하는 제2제어밸브로 구성되어 제1공급라인 내지 제3공급라인을 흐르는 물의 유량을 각각 제어할 수 있다.
제1혼합가스의 온도를 측정하는 제1온도센서; 및 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제2온도센서;를 더 포함하고, 제1제어밸브는 제1온도센서의 측정값을 피드백하여 제1공급라인의 유량을 제어하고, 제2제어밸브는 제2온도센서의 측정값을 피드백하여 제2공급라인의 유량을 제어할 수 있다.
열교환기는 리포머의 입구단에 마련되는 제5열교환기를 더 포함하고, 물 공급라인은 제1공급라인 내지 제3공급라인에서 열교환기를 통과한 하류지점에 연결되어 승온된 물을 제5열교환기로 공급하는 제4공급라인을 포함할 수 있다.
제2공급라인에 원료가스를 공급하여 제2열교환기에서 제2혼합가스가 물 및 원료가스와 열교환되도록 하는 원료가스 공급라인;을 더 포함할 수 있다
물 공급라인은 제1공급라인 내지 제3공급라인에서 열교환기를 통과한 하류지점에 연결되어 승온된 물을 제5열교환기로 공급하는 제4공급라인을 포함하고, 제2열교환기를 통과한 원료가스는 제4공급라인을 통해 물과 함께 회수될 수 있다.
원료가스 공급라인에는 가스제어밸브가 마련되어 원료가스의 유량을 제어하고, 제2열교환기를 통과한 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제3온도센서가 마련되며, 가스제어밸브는 제3온도센서의 측정값을 피드백하여 원료가스 공급라인의 유량을 제어할 수 있다.
열교환기는 제2열교환기와 제3열교환기 사이에 마련되어 제2혼합가스가 원료가스와 열교환되는 제6열교환기를 더 포함하고, 제2혼합가스가 원료가스와 열교환되도록 제6열교환기에 원료가스를 공급하는 원료가스 공급라인;을 더 포함할 수 있다.
원료가스 공급라인에는 가스제어밸브가 마련되어 원료가스의 유량을 제어하고, 제6열교환기를 통과한 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제3온도센서가 마련되며, 가스제어밸브는 제3온도센서의 측정값을 피드백하여 원료가스 공급라인의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명은 물의 유량을 조절하여 수소 개질 시스템의 반응 단계별로 혼합가스의 온도제어가 가능하므로 외부 환경이 변하더라도 혼합가스의 온도를 일정하게 제어할 수 있어 시스템의 안정성 및 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 원료가스를 냉각매체로 사용하는 실시예에서 원료가스가 승온된 후 리포머에 유입되므로 시스템의 효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.
또한, 물을 냉각매체로 사용하여 혼합가스의 온도가 일정 온도 이하로 냉각된 이후에는 냉각수를 냉각매체로 사용하는 열교환기의 가동을 중단하여 시스템을 가동함으로써 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 수소 개질 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 개질 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 개질 시스템을 나타내는 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 종래의 수소 개질 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 수소 개질 시스템은 물 공급장치(20)에서 물을 공급하면 제3열교환기(430), 제2열교환기(420), 제1열교환기(410)를 거치면서 물이 승온되어 수증기가 되도록 구성되었다. 리포머(100)에서 수증기와 원료가스를 원료로 하여 개질반응을 통해 수소를 포함하는 혼합가스가 생산된다. 혼합가스는 정제과정을 거쳐 제4열교환기(440)에서 냉각수와 열교환에 의하여 냉각된 후 PSA(300)로 공급되도록 구성되었다.
제1열교환기(410), 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)의 냉각매체는 물 공급장치(20)에서 공급되는 물이고, 제4열교환기(440)의 냉매는 별도로 공급되는 냉각수이다. 종래의 수소 개질 시스템에 의할 경우 외부 환경에 따라 물의 온도와 상태가 영향을 받기 때문에 혼합가스의 온도 제어가 불안정할 수 있다. 따라서 온도 제어의 안정성에 어려움이 있어 전체 시스템이 제어가 불안정해지고 시스템의 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
본 발명은 복수의 열교환기에 공급되는 물의 유량을 조절하여 온도를 제어함으로써 혼합가스의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 수소 개질 시스템에 관한 것이다. 외부환경이 변하더라도 각 단계마다 혼합가스의 온도를 제어할 수 있으므로 안정적이고 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 기술적 효과를 가진다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질 시스템은 리포머(100), 변성기(200), PSA(300), 열교환기(400), 물 공급라인(500) 및 제어밸브(600)를 포함할 수 있다.
원료가스는 수소를 제조하는 천연가스로 가정에 보급되는 도시가스일 수 있다. 원료가스 공급장치(10)에서 공급된 원료가스는 가스 압축기(P)에 의하여 약 8 bar까지 가압될 수 있다.
리포머(100)는 개질반응에 의하여 수소를 포함하는 제1혼합가스를 생성할 수 있다. 리포머(100)에서 원료가스와 물이 반응하여 제1혼합가스를 생성하는 개질반응의 반응식은 다음과 같다.
[반응식 1]
CH4 + H2O →CO + 3H2
상기 반응식 1의 메탄-수증기 개질반응은 강한 흡열반응이다. 따라서 고온의 조건에서 정반응이 활발하게 일어나므로 리포머(100)에 반응열을 공급하는 버너(700)를 필요로 한다. 버너(700)는 PSA(300)에서 배출되는 오프가스와 원료가스를 연소시켜 반응열을 공급할 수 있다.
상기 반응식 1을 참조하면, 탄화수소와 수증기의 개질반응의 생성물인 제1혼합가스는 수소와 일산화탄소를 포함한다. 제1혼합가스는 제1열교환기(410)에서 물과 열교환되어 냉각된 후 변성기(200)로 유입된다.
변성기(200)는 제1혼합가스를 공급받아 일산화탄소를 제거한 제2혼합가스를 생성할 수 있다. 일산화탄소는 연료전지 스택의 전극에 사용되는 촉매에 촉매독으로 작용되기 때문에 일산화탄소를 제거하는 공정이 필요할 수 있다. 일반적으로 일산화탄소를 제거하는 반응은 아래의 반응식 2와 같은 수성전이반응을 이용한다.
[반응식 2]
CO + H2O →CO2 + H2
상기 반응식 2를 참조하면, 제2혼합가스는 이산화탄소와 수소를 포함할 수 있다. 제2혼합가스는 냉각된 후 PSA(300)로 유입된다.
PSA(300)는 제2혼합가스에서 수소를 정제하여 분리하고, 이산화탄소가 포함된 오프가스를 배출한다. 오프가스는 버너(700)로 유입되어 버너(700)에서 연소될 수 있다. PSA(300)에서 정제된 수소는 수요처(30)로 공급된다.
물 공급라인(500)은 물 공급장치(20)의 물을 시스템에 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 물은 개질반응에 사용되는 순수한 물인 순수(pure water) 또는 초순수(ultrapure water)일 수 있다. 물 공급라인(500)에는 배출되는 물의 전체 유량을 결정하는 물 공급펌프(501)가 마련될 수 있다.
열교환기(400)는 리포머(100)와 변성기(200) 사이 및 변성기(200)와 PSA(300) 사이에 마련될 수 있다. 제1혼합가스 및 제2혼합가스는 열교환기에서 물과 열교환되어 냉각될 수 있다. 열교환기(400)는 물 공급라인(500)과 연결되어 물을 공급받고, 열교환기를 통과한 물은 리포머(100)에 공급되어 개질반응에 사용된다.
제어밸브(600)는 물 공급라인(500)에 마련되어 열교환기(400)에 공급되는 물의 유량을 조절하는 장치이다. 제어밸브(600)가 물의 유량을 조절함으로써 제1혼합가스 및 제2혼합가스는 각각 온도를 개별적으로 제어할 수 있다. 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 추가적인 냉각이 필요한 경우 제어밸브(600)는 개방되어 물의 유량을 증가시킨다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질 시스템은 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부는 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 피드백하여 제어밸브(600)를 제어함으로써 온도를 제어할 수 있다. 제어부는 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 적정 온도 범위를 설정값으로 설정하고, 그 설정값을 기준으로 제어밸브(600)를 제어하게 된다. 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 측정하기 위하여 온도센서를 포함할 수 있다.
제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도가 설정값 이상인 경우 제어부는 제어밸브(600)를 개방하여 물의 유량을 증가시킴으로써 혼합가스의 온도를 낮출 수 있다. 반대로 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도가 설정값 이하인 경우 제어부는 제어밸브(600)를 닫아 물의 유량을 감소시킴으로써 혼합가스의 온도를 높일 수 있다.
그리고 제어부는 시스템의 부하에 따라 제어밸브(600)를 제어하여 물의 유량을 조절할 수도 있다. 예를 들면, 시스템의 부하가 100%로 가동되는 경우 제어밸브(600)를 완전 개방하고, 시스템의 부하가 50%로 가동되는 경우 제어밸브(600)를 일부 닫아 물의 유량을 감소시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 열교환기(400)는 제1열교환기(410), 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)로 구성될 수 있다. 제1열교환기(410)는 리포머(100)와 변성기(200) 사이에 마련되어 제1혼합가스와 물의 열교환에 의해 제1혼합가스를 냉각시킬 수 있다. 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)는 변성기(200)와 PSA(300) 사이에 마련되어 제2혼합가스와 물의 열교환에 의해 제2혼합가스를 냉각시킬 수 있다. 제4열교환기(440)는 PSA(300) 입구에 마련되므로, 제3열교환기(430)를 통과한 물은 제4열교환기(440)로 유입되어 냉각수와 열교환에 의하여 냉각될 수 있다.
제1열교환기(410), 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)는 각각 물 공급라인(500)과 연결되어 물을 직접 공급받도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 물 공급라인(500)은 제1열교환기(410)에 연결되어 물을 공급하는 제1공급라인(510), 제2열교환기(420)에 연결되어 물을 공급하는 제2공급라인(520) 및 제3열교환기(430)에 연결되어 물을 공급하는 제3공급라인(530)으로 구성될 수 있다.
물 공급펌프(501)에서 물을 펌핑하면 물 공급라인(500)에서 물이 배출되어 제1공급라인(510), 제2공급라인(520) 및 제3공급라인(530)으로 흐르게 된다. 제1공급라인(510)에는 제1열교환기(410)로 유입되는 물의 유량을 제어하는 제1제어밸브(610)가 마련되고, 제3공급라인(530)에는 제3열교환기(430)로 유입되는 물의 유량을 제어하는 제2제어밸브(620)가 마련될 수 있다. 제1제어밸브(610)와 제2제어밸브(620)에 의하여 제1열교환기(410) 및 제3열교환기(430)로 유입되는 물의 유량이 제어되고, 나머지 물은 모두 제2공급라인(520)을 통해 제2열교환기(420)로 유입되게 된다. 따라서 제1제어밸브(610) 및 제2제어밸브(620)에 의하여 제2공급라인(520)의 유량도 제어되는 것이다.
도 2를 참조하면, 열교환기는 제2혼합가스가 PSA(300)로 유입되는 입구에 마련되어 제2혼합가스와 냉각수의 열교환을 통해 제2혼합가스를 냉각하는 제4열교환기(440)를 포함할 수 있다. 제4열교환기(440)는 물 공급라인(500)과 연결되지 않고 별도의 냉각수 공급장치와 연결되어 냉각수가 흐르게 된다. 제4열교환기(440)는 제2혼합가스의 온도에 따라 선택적으로 가동될 수 있다. 물 공급라인(500)과 연결된 열교환기에 의하여 제2혼합가스의 온도가 충분히 냉각되는 경우 제4열교환기(440)는 가동되지 않게 되어 시스템의 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 개질 시스템은 제1혼합가스의 온도를 측정하는 제1온도센서(611) 및 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제2온도센서(621)를 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1온도센서(611)는 제1열교환기(410)에서 배출되는 제1혼합가스의 온도를 측정할 수 있도록 제1열교환기(410)와 변성기(200) 사이에 마련될 수 있다. 따라서, 제1온도센서(611)는 변성기(200)로 유입되는 제1혼합가스의 온도를 측정할 수 있게 된다.
제2온도센서(621)는 제3열교환기(430)에서 배출되는 제2혼합가스의 온도를 측정할 수 있도록 제3열교환기(430)와 PSA(300) 사이에 마련될 수 있다. 제4열교환기(440)가 마련된 경우 제2온도센서(621)는 제3열교환기(430)와 제4열교환기(440) 사이에 마련될 수 있다.
제1제어밸브(610)는 제1온도센서(611)에서 측정된 제1혼합가스의 온도정보를 피드백하여 제1공급라인(510)의 유량을 제어할 수 있다. 즉, 제1혼합가스의 적정온도 유지 범위 설정값과 제1온도센서(611)에서 측정된 온도정보를 비교하여 측정값이 설정값보다 높은 경우 제1제어밸브(610)가 개방되어 제1공급라인(510)을 흐르는 물의 유량을 증가시킬 수 있다. 물의 유량이 증가되면 제1혼합가스는 냉각되어 온도가 하강하여 적정온도 유지 범위 설정값에 이르면 제1제어밸브(610)는 다시 물의 유량을 감소시킬 수 있다.
제2제어밸브(620)는 제2온도센서(621)에서 측정된 제2혼합가스의 온도정보를 피드백하여 제2공급라인(520)의 유량을 제어할 수 있다. 즉, 제2혼합가스의 적정온도 유지 범위 설정값과 제2온도센서(621)에서 측정된 온도정보를 비교하여 측정값이 설정값보다 높은 경우 제2제어밸브(620)가 개방되어 제2공급라인(520)을 흐르는 물의 유량을 증가시킬 수 있다. 물의 유량이 증가되면 제2혼합가스는 냉각되어 온도가 하강하여 적정온도 유지 범위 설정값에 이르면 제2제어밸브(620)는 다시 물의 유량을 감소시킬 수 있다.
이처럼 제1제어밸브(610)와 제2제어밸브(620)가 각각 제1혼합가스와 제2혼합가스의 온도에 따라 유량을 제어하기 때문에 종래의 수소 개질 시스템에 비하여 안정적으로 온도제어가 가능할 수 있다. 혼합가스의 온도에 기반하여 물의 유량을 제어하기 위하여 제1온도센서(611)와 제1제어밸브(610)는 전기적으로 연결될 수 있고, 마찬가지로 제2온도센서(621)와 제2제어밸브(620)도 전기적으로 연결될 수 있다.
또한, 물 공급라인(500)은 제1공급라인(510), 제2공급라인(520) 및 제3공급라인(530)에서 열교환기를 통과한 하류지점에 제4공급라인(540)이 형성될 수 있다. 제4공급라인(540)은 제1열교환기(410), 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)를 통과하면서 혼합가스와 열교환에 의하여 승온된 물을 리포머(100)의 입구단에 마련된 제5열교환기(450)로 공급할 수 있다. 물 공급라인(500)에서 공급된 물은 제1혼합가스 및 제2혼합가스와 열교환을 통해 승온되어 기화되고, 기화된 수증기가 제4공급라인(540)을 통해 리포머(100)에 공급되어 개질반응에 사용될 수 있다.
제5열교환기(450)는 리포머(100)의 입구단에 마련될 수 있다. 원료가스와 수증기가 제5열교환기(450)로 공급된다. 버너(700)는 원료가스와 오프가스를 연소시켜 발생하는 열에너지를 제5열교환기(450)로 공급하여 개질반응에 필요한 온도로 승온시킬 수 있다. 제4공급라인(540)은 일부가 수증기로 기화된 물을 제5열교환기(450)로 공급하게 된다.
상술한 제4열교환기(440)는 제3열교환기(430)와 PSA(300) 사이에 마련될 수 있다. 제4열교환기(440)는 제3열교환기(430)를 통과한 제2혼합가스를 냉각수와 열교환에 의하여 냉각시키는데, 제2혼합가스의 온도에 따라 선택적으로 가동될 수 있다. 제2혼합가스는 변성기(200)에서 배출된 후 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)를 통과하면서 물과 열교환되어 냉각된다. 그러나, 제2혼합가스의 온도가 낮아 제4열교환기(440)를 가동시킬 필요가 없는 경우에는 제4열교환기(440)는 가동되지 않고 제2혼합가스는 바로 PSA(300)로 유입된다.
냉각수를 냉매로 하는 제4열교환기(440)를 가동시켜 PSA(300)에 유입되는 제2혼합가스의 온도를 제어할 수 있기 때문에 수소 개질 시스템의 기본적인 운전모드에서는 제4열교환기(440)를 가동시킨다. 그러나 본 발명의 수소 개질 시스템에서 제1제어밸브(610) 및 제2제어밸브(620)를 통해 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 제어할 수 있으므로 제3열교환기(430)에서 배출되는 제2혼합가스의 온도가 PSA(300)에 바로 유입될 수 있는 온도까지 냉각된 경우에는 제4열교환기(440)는 가동되지 않게 되는 최적 효율 모드가 된다. 이로써 수소 개질 시스템의 내부 열활용을 극대화하여 전체 효율을 증가시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 개질 시스템을 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 개질 시스템은 원료가스를 냉각매체로 사용하도록 구성될 수 있다. 원료가스와 제2혼합가스가 열교환되도록 제2공급라인(520)에 원료가스를 공급하는 원료가스 공급라인(800)을 더 포함할 수 있다.
원료가스 공급라인(800)은 제2공급라인(520)에 원료가스를 공급하여 원료가스는 물과 함께 제2열교환기(420)로 유입될 수 있다. 제2열교환기(420)에서 물과 원료가스가 냉각매체로 사용되어 제2혼합가스를 냉각시킬 수 있다. 원료가스는 원료가스 공급라인(800)을 통해 제2공급라인(520)에서 물과 섞이게 되고, 물과 원료가스가 섞여 제2열교환기(420)로 인입되게 된다. 제2열교환기(420)에서 제2혼합가스는 물 및 원료가스를 냉각매체로 하여 열교환될 수 있다.
제2열교환기(420)에서 열교환된 원료가스는 제2혼합가스와 열교환되어 승온되고, 제4공급라인(540)을 통해 물과 함께 회수될 수 있다. 제4공급라인(540)은 리포머(100)의 입구단에 연결되므로 승온된 물과 원료가스를 개질반응에 사용할 수 있게 된다. 제4공급라인(540)을 통해 회수된 물과 원료가스는 버너(700)에 의해 추가로 승온된 후 리포머(100)에 유입되어 개질반응에 사용되는 것이다. 원료가스를 냉각매체로 사용할 경우 혼합가스의 열을 원료가스를 승온시키는데 사용할 수 있으므로 전체 시스템의 열 효율이 증대될 수 있는 장점이 있다.
또한, 원료가스 공급라인(800)에는 가스제어밸브(810)가 마련되어 원료가스 유량을 조절할 수 있다. 가스제어밸브(810)는 제2공급라인(520)에 공급되는 원료가스의 양을 조절하여 제2혼합가스의 온도를 제어할 수 있다.
제2열교환기(420)의 후단에는 제2열교환기(420)를 통과한 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제3온도센서(811)가 마련될 수 있다. 가스제어밸브(810)는 제3온도센서(811)의 측정값을 피드백하여 원료가스 공급라인(800)의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제3온도센서(811)에서 측정된 제2혼합가스의 온도가 설정값보다 큰 경우 냉각이 필요하므로 가스제어밸브(810)는 원료가스의 유량을 증가시켜 추가로 냉각시킬 수 있다. 반대로 제3온도센서(811)에서 측정된 제2혼합가스의 온도가 설정값보다 작은 경우 가스제어밸브(810)는 원료가스의 유량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적인 수치를 들어 설명한다. 다만, 하기의 온도 수치는 예시적인 것이며 이에 한정되는 것은 아니다.
제1열교환기(410)를 통과한 후 제1혼합가스의 적정 온도는 300℃로 설정되고, 제2열교환기(420)를 통과한 후 제2혼합가스의 적정 온도는 180℃로 설정되며, 제3열교환기(430)를 통과한 후 제2혼합가스의 적정 온도는 120℃로 설정될 수 있다. 적정 온도를 기준으로 허용할 수 있는 오차범위까지의 온도가 설정값이 된다.
리포머(100)에서 배출되는 제1혼합가스는 제1열교환기(410)에서 물과 열교환되어 냉각된다. 변성기(200)에 유입되는 제1혼합가스의 온도는 적정 온도인 300℃가 되어야 하므로, 제1온도센서(611)에서 측정된 측정값과 설정값을 비교하여 제1제어밸브(610)가 작동될 수 있다. 제1제어밸브(610)는 제1공급라인(510)을 흐르는 물의 유량을 제어하여 제1혼합가스의 온도를 제어할 수 있다.
변성기(200)에서 배출되는 제2혼합가스는 제2열교환기(420) 및 제3열교환기(430)에서 냉각될 수 있다. 제3온도센서(811)에서 측정된 측정값이 180℃를 기준으로 설정한 설정값을 벗어나는 경우 제2제어밸브(620)가 제2공급라인(520)의 유량을 제어한다. 마찬가지로 제2온도센서(621)에서 측정된 측정값이 120℃를 기준으로 설정한 설정값을 벗어나는 경우 제3제어밸브가 제3공급라인(530)의 유량을 제어한다.
최적 효율 모드로 시스템을 가동하는 경우에는 제3온도센서(811)에서 측정된 측정값이 120℃ 이하로 떨어지더라도 제3제어밸브는 제3공급라인(530)을 흐르는 물의 유량을 유지하도록 제어한다. 제3온도센서(811)에서 측정된 측정값이 40℃ 이하로 떨어지면 냉각수의 인입을 중단하여 제4열교환기(440)의 가동을 중단한다. 시스템 내부의 열을 활용하여 효율을 증가시킬 수 있는 최적 효율 모드로 가동되는 것이다.
한편, 제어부가 구비된 경우, 제어부에 의하여 제어밸브가 구동될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 개질 시스템의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 제3실시예의 경우 제6열교환기(460)를 더 포함할 수 있다.
제6열교환기(460)는 제2열교환기(420)와 제3열교환기(430) 사이에 마련될 수 있다. 제6열교환기(460)는 원료가스 공급라인(800)과 연결된다. 원료가스가 공급되어 제2열교환기(420)를 통과한 제2혼합가스는 제6열교환기(460)에서 원료가스와 열교환되어 냉각될 수 있다. 제2실시예의 경우와 달리 제3실시예는 원료가스만을 냉각매체로 사용하는 제6열교환기(460)를 더 포함하여 온도제어를 더 정밀하게 할 수 있는 효과가 있다.
제3실시예의 경우에도 원료가스 공급라인(800)에는 원료가스의 유량을 제어하는 가스제어밸브(810)가 마련될 수 있고, 제6열교환기(460) 후단에는 제3온도센서(811)가 마련될 수 있다. 제3온도센서(811)에서 측정된 제2혼합가스의 온도를 피드백하여 가스제어밸브(810)가 원료가스의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에서 별도로 설명한 구성 이외의 구성과 기술적 효과는 상술한 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 리포머 200 : 변성기
300 : PSA 400 : 열교환기
410 : 제1열교환기 420 : 제2열교환기
430 : 제3열교환기 440 : 제4열교환기
450 : 제5열교환기 460 : 제6열교환기
500 : 물 공급라인 510 : 제1공급라인
520 : 제2공급라인 530 : 제3공급라인
540 : 제4공급라인 600 : 제어밸브
610 : 제1제어밸브 611 : 제1온도센서
620 : 제2제어밸브 621 : 제2온도센서
700 : 버너 800 : 원료가스 공급라인
810 : 가스제어밸브 811 : 제3온도센서

Claims (13)

  1. 원료가스와 물의 개질반응에 의하여 제1혼합가스를 생성하는 리포머;
    제1혼합가스를 공급받아 수성전이반응에 의하여 일산화탄소가 제거된 제2혼합가스를 생성하는 변성기;
    변성기에서 생성된 제2혼합가스에서 수소를 정제하여 분리하고, 수소가 분리된 오프가스를 배출하는 PSA(Pressure Swing Adsorption);
    리포머와 변성기의 사이 및 변성기와 PSA 사이에 마련되어 물과 열교환에 의하여 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 제어하는 열교환기;
    열교환기에 연결되어 물을 공급하고, 열교환기를 통과한 물을 리포머에 공급하는 물 공급장치; 및
    물 공급장치에서 물이 배출되는 라인에 마련되어 열교환기에 공급되는 물의 유량을 제어함으로써 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 개별적으로 제어하는 제어밸브;를 포함하는 수소 개질 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 피드백하여 제어밸브를 제어함으로써 물의 유량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제어부는 시스템의 부하에 따라 제어밸브를 제어함으로써 물의 유량을 조절하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    열교환기는 리포머와 변성기 사이에 마련되어 제1혼합가스와 물이 열교환되는 제1열교환기, 변성기와 PSA 사이에 마련되어 제2혼합가스와 물이 열교환되는 제2열교환기 및 제3열교환기로 구성되고,
    물 공급장치는 제1열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제1공급라인, 제2열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제2공급라인 및 제3열교환기에 연결되어 물을 공급하는 제3공급라인으로 구성되어 제1혼합가스 및 제2혼합가스의 온도를 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    열교환기는 제2혼합가스가 PSA로 유입되는 입구에 마련되어 제2혼합가스와 냉각수의 열교환을 통해 제2혼합가스를 냉각하는 제4열교환기를 포함하고, 제2혼합가스의 온도에 따라 선택적으로 제4열교환기를 가동하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    제어밸브는 제1공급라인에 마련되어 제1공급라인을 흐르는 물의 유량을 제어하는 제1제어밸브 및 제3공급라인에 마련되어 제3공급라인을 흐르는 물의 유량을 제어하는 제2제어밸브로 구성되어 제1공급라인 내지 제3공급라인을 흐르는 물의 유량을 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    제1혼합가스의 온도를 측정하는 제1온도센서; 및 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제2온도센서;를 더 포함하고,
    제1제어밸브는 제1온도센서의 측정값을 피드백하여 제1공급라인의 유량을 제어하고, 제2제어밸브는 제2온도센서의 측정값을 피드백하여 제2공급라인의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    열교환기는 리포머의 입구단에 마련되는 제5열교환기를 더 포함하고,
    물 공급장치는 제1공급라인 내지 제3공급라인에서 열교환기를 통과한 하류지점에 연결되어 승온된 물을 제5열교환기로 공급하는 제4공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  9. 청구항 4에 있어서,
    제2공급라인에 원료가스를 공급하여 제2열교환기에서 제2혼합가스가 물 및 원료가스와 열교환되도록 하는 원료가스 공급라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    물 공급장치는 제1공급라인 내지 제3공급라인에서 열교환기를 통과한 하류지점에 연결되어 승온된 물을 제5열교환기로 공급하는 제4공급라인을 포함하고, 제2열교환기를 통과한 원료가스는 제4공급라인을 통해 물과 함께 회수되는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    원료가스 공급라인에는 가스제어밸브가 마련되어 원료가스의 유량을 제어하고, 제2열교환기를 통과한 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제3온도센서가 마련되며, 가스제어밸브는 제3온도센서의 측정값을 피드백하여 원료가스 공급라인의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  12. 청구항 4에 있어서,
    열교환기는 제2열교환기와 제3열교환기 사이에 마련되어 제2혼합가스가 원료가스와 열교환되는 제6열교환기를 더 포함하고,
    제2혼합가스가 원료가스와 열교환되도록 제6열교환기에 원료가스를 공급하는 원료가스 공급라인;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    원료가스 공급라인에는 가스제어밸브가 마련되어 원료가스의 유량을 제어하고, 제6열교환기를 통과한 제2혼합가스의 온도를 측정하는 제3온도센서가 마련되며, 가스제어밸브는 제3온도센서의 측정값을 피드백하여 원료가스 공급라인의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 개질 시스템.
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