KR102252636B1 - Hydrogen purification system - Google Patents
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Abstract
수소 정제 시스템을 제공한다. 수소 정제 시스템은 플라즈마를 이용하여 화합물로부터 수소를 개질 처리하며, 캐소드 전극, 애노드 전극, 및 캐소드 및 애노드 전극들 사이에 배치되는 중성 전극을 포함하는 제1 수소 정제 장치, 제1 수소 정제 장치와 연결되어, 촉매를 이용하여 개질 처리된 수소 및 부산물로부터 수소를 정제하며 촉매를 재생시키며, 제1 챔버, 제1 챔버 외측에 배치되는 제1 가열부, 제2 챔버, 제2 챔버 외측에 배치되는 제2 가열부, 제1 수소 정제 장치와 연결되고 제1 및 제2 챔버들 사이를 연결하는 배관들, 및 배관들에 설치되는 복수의 밸브들을 포함하는 제2 수소 정제 장치, 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 개질 처리된 수소 및 부산물의 온도를 낮추며, 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이를 연결하는 배관 및 배관의 외벽을 감싸며 냉매를 제공하는 냉각부를 포함하는 열 교환기, 및 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 개질 처리된 수소 및 부산물을 제2 수소 정제 장치로 이동시키는 펌프를 포함한다.Provides a hydrogen purification system. The hydrogen purification system uses plasma to reform hydrogen from a compound, and is connected with a first hydrogen purification device, a first hydrogen purification device including a cathode electrode, an anode electrode, and a neutral electrode disposed between the cathode and anode electrodes. The catalyst is used to purify hydrogen from the reformed hydrogen and by-products and regenerate the catalyst, and the first chamber, the first heating unit disposed outside the first chamber, the second chamber, and the second chamber disposed outside the second chamber. 2 a second hydrogen purification apparatus including a heating unit, a plurality of valves connected to the first hydrogen purification apparatus and connected to the first and second chambers, and a plurality of valves installed in the pipes, the first and second hydrogen A heat exchanger disposed between the purification devices to lower the temperature of the reformed hydrogen and by-products, and including a pipe connecting the first and second hydrogen purification devices, and a cooling unit that surrounds the outer wall of the pipe and provides a refrigerant, and And a pump disposed between the first and second hydrogen purification devices to transfer the reformed hydrogen and by-products to the second hydrogen purification device.
Description
본 발명은 정제 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 수소 정제 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a purification system, and more particularly, to a hydrogen purification system.
연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 이용해 전기를 생산한다. 발전 과정에서 이산화탄소를 배출하지 않을 뿐만 아니라, 공기가 연료 전지 스택을 통과하는 과정에서 미세 먼지의 99%가 정화된다. 수소는 청정에너지로, 수소를 생산하고 정제하는 시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Fuel cells generate electricity using a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Not only does it not emit carbon dioxide during power generation, but 99% of the fine dust is purified as air passes through the fuel cell stack. Hydrogen is clean energy, and research on a system that produces and purifies hydrogen is being actively conducted.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로써, 본 발명의 목적은 고순도의 수소를 효율적으로 생산하고 정제하기 위한 수소 정제 시스템을 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the above-described technical problem, and an object of the present invention is to provide a hydrogen purification system for efficiently producing and purifying high-purity hydrogen.
본 발명의 실시 예에 따른 수소 정제 시스템은, 플라즈마를 이용하여 화합물로부터 수소를 개질 처리하며, 캐소드 전극, 애노드 전극, 및 상기 캐소드 및 애노드 전극들 사이에 배치되는 중성 전극을 포함하는 제1 수소 정제 장치; 상기 제1 수소 정제 장치와 연결되어, 촉매를 이용하여 개질 처리된 수소 및 부산물로부터 수소를 정제하며 상기 촉매를 재생시키며, 제1 챔버, 상기 제1 챔버 외측에 배치되는 제1 가열부, 제2 챔버, 상기 제2 챔버 외측에 배치되는 제2 가열부, 상기 제1 수소 정제 장치와 연결되고 상기 제1 및 제2 챔버들 사이를 연결하는 배관들, 및 상기 배관들에 설치되는 복수의 밸브들을 포함하는 제2 수소 정제 장치; 상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 상기 개질 처리된 수소 및 상기 부산물의 온도를 낮추며, 상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이를 연결하는 배관 및 상기 배관의 외벽을 감싸며 냉매를 제공하는 냉각부를 포함하는 열 교환기; 및 상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 상기 개질 처리된 수소 및 상기 부산물을 상기 제2 수소 정제 장치로 이동시키는 펌프를 포함한다.The hydrogen purification system according to an embodiment of the present invention is a first hydrogen purification system including a cathode electrode, an anode electrode, and a neutral electrode disposed between the cathode and anode electrodes, and reforming hydrogen from a compound using plasma. Device; It is connected to the first hydrogen purification apparatus to purify hydrogen from reformed hydrogen and by-products using a catalyst and to regenerate the catalyst, and a first chamber, a first heating unit disposed outside the first chamber, and a second A chamber, a second heating unit disposed outside the second chamber, pipes connected to the first hydrogen purification device and connecting between the first and second chambers, and a plurality of valves installed in the pipes A second hydrogen purification device comprising; It is disposed between the first and second hydrogen purification devices to lower the temperature of the reformed hydrogen and the by-product, and a pipe connecting between the first and second hydrogen purification devices and a refrigerant surrounding the outer wall of the pipe A heat exchanger including a cooling unit that provides a; And a pump disposed between the first and second hydrogen purification devices to transfer the reformed hydrogen and the by-product to the second hydrogen purification device.
일 실시 예에서, 상기 화합물은 메탄(CH4)을 포함하고, 상기 부산물은 CO, CO2, H2O, 및 O2으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the compound includes methane (CH4), and the by-product may include at least one selected from the group consisting of CO, CO2, H2O, and O2.
일 실시 예에서, 상기 제2 수소 정제 장치에서, 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버 중 하나는 상기 수소를 정제하고 다른 하나는 상기 촉매를 재생할 수 있다.In an embodiment, in the second hydrogen purification apparatus, one of the first chamber and the second chamber may purify the hydrogen and the other may regenerate the catalyst.
본 발명의 실시 예에 따른 수소 정제 시스템은, 플라즈마를 이용하여 화합물로부터 수소를 개질하는 제1 수소 정제 장치; 상기 제1 수소 정제 장치와 연결되어, 촉매를 이용하여 개질 처리된 수소 및 부산물로부터 수소를 정제하며 상기 촉매를 재생시키는 제2 수소 정제 장치; 및 상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 상기 개질 처리된 수소 및 상기 부산물의 온도를 낮추는 냉각부를 포함하는 열 교환기를 포함한다.A hydrogen purification system according to an embodiment of the present invention includes: a first hydrogen purification apparatus for reforming hydrogen from a compound using plasma; A second hydrogen purification device connected to the first hydrogen purification device to purify hydrogen from reformed hydrogen and by-products using a catalyst and to regenerate the catalyst; And a heat exchanger disposed between the first and second hydrogen purification devices and including a cooling unit configured to lower the temperature of the reformed hydrogen and the by-product.
일 실시 예에서, 상기 제2 수소 정제 장치는, 제1 챔버 및 상기 제1 챔버 외측에 배치되는 제1 가열부를 포함하는 제1 정제 유닛; 제2 챔버 및 상기 제2 챔버 외측에 배치되는 제2 가열부를 포함하는 제2 정제 유닛; 상기 제1 수소 정제 장치와 연결되고 상기 제1 및 제2 챔버들 사이를 연결하는 배관들; 및 상기 배관들에 설치되는 복수의 밸브들을 포함하되, 상기 제1 정제 유닛 및 상기 제2 정제 유닛은 동일한 구조를 가질 수 있다.In an embodiment, the second hydrogen purification apparatus includes: a first purification unit including a first chamber and a first heating unit disposed outside the first chamber; A second purification unit including a second chamber and a second heating unit disposed outside the second chamber; Pipes connected to the first hydrogen purification apparatus and connecting between the first and second chambers; And a plurality of valves installed in the pipes, wherein the first purification unit and the second purification unit may have the same structure.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고용량의 메탄을 수소로 개질할 수 있으며, 냉각수의 오염 없이 효율적으로 열 교환될 수 있다. 또한, 공정에 필요한 구성이 경제적이며 기존 방식으로의 수소 생산보다 운전 비용을 감소시킬 뿐만 아니라 불순물 대비 수소 순도 및 수율을 향상시킬 수 있어 생산성 향상에 기여할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, methane having a high capacity can be reformed into hydrogen, and heat exchange can be efficiently performed without contamination of cooling water. In addition, the configuration required for the process is economical, and operation costs are reduced compared to hydrogen production in the conventional method, and hydrogen purity and yield compared to impurities can be improved, thereby contributing to productivity improvement.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 정제 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 정제 시스템의 제1 수소 정제 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 수소 정제 시스템의 제2 수소 정제 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 제2 수소 정제 장치를 이용하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen purification system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a first hydrogen purification apparatus of the hydrogen purification system shown in FIG. 1.
3 is a view for explaining a second hydrogen purification apparatus of the hydrogen purification system shown in FIG. 1.
4 and 5 are diagrams for explaining a process of using the second hydrogen purification apparatus shown in FIG. 3.
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described clearly and in detail to the extent that a person having ordinary knowledge in the technical field of the present invention can easily implement the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 정제 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen purification system according to an embodiment of the present invention.
수소 정제 시스템(1000)은 제1 수소 정제 장치(100) 및 제2 수소 정제 장치(200)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 수소 정제 시스템(1000)은 LNG(Liquerfied Natural Gas)의 주성분인 메탄(CH4)으로부터 수소를 정제하는 시스템(1000)일 수 있다.The
제1 수소 정제 장치(100)는 메탄을 플라즈마를 이용하여 분해하여 개질 처리할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 제1 수소 정제 장치(100)는 아르곤(Ar)을 점화 가스로 사용하고 수증기(H2O)를 소스로 사용하는 플라즈마 장치일 수 있다. 제1 수소 정제 장치(100)를 이용하여 메탄으로 플라즈마를 가하면, 하기의 화학식 1과 같이 화학적 변화가 발생될 수 있다.The first
화학식 1에서 보는 바와 같이, 메탄 분자 하나가 물 분자 하나와 반응하여, 일산화탄소 분자 하나와 세 개의 수소 분자를 발생시킬 수 있다.As shown in Formula 1, one molecule of methane can react with one molecule of water to generate one molecule of carbon monoxide and three molecules of hydrogen.
도 2는 도 1에 도시된 수소 정제 시스템의 제1 수소 정제 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 제1 수소 정제 장치(100)는 챔버(110), 캐소드 전극(120), 애노드 전극(130), 및 중성 전극(140)을 포함할 수 있다.FIG. 2 is a diagram illustrating a first hydrogen purification apparatus of the hydrogen purification system shown in FIG. 1. Referring to FIG. 2, the first
챔버(110)는 5Nm3/hr (88.33LPM)의 가스를 처리할 수 있는 크기 및 성능을 가져, 고용량의 메탄을 수소로 개질할 수 있다. 캐소드 전극(120), 애노드 전극(130), 및 중성 전극(140)은 챔버(110) 내에 배치될 수 있다.The
캐소드 전극(120) 및 애노드 전극(130)은 서로 마주하며, 중성 전극(140)에 의해 서로 이격되어 절연될 수 있다. 캐소드 전극(120)은 애노드 전극(130)에 인접한 일 단부가 뾰족한 구조를 가질 수 있다. 애노드 전극(130)은 내부에 관통 홀을 가지며, 애노드 전극(130)의 관통 홀은 캐소드 전극(120)의 일 단부에 대응하도록 위치할 수 있다. 애노드 전극(130)의 관통 홀은 캐소드 전극(120)과 멀어질수록 작아지는 구조를 가질 수 있다.The
중성 전극(140)은 절연물질을 포함하는 전극으로써 플라즈마 생성 시 아크(arc)가 발생되는 부분일 수 있다. 일 예로, 중성 전극(140)은 질화 붕소(boron nitride) 및 질화 알루미늄(aluminum nitride)을 포함할 수 있다.The
캐소드 전극(120) 및 애노드 전극(130)에 각각 소정의 전압을 인가하고 아르곤과 같은 점화 가스를 주입하면, 중성 전극(140)에서 아크가 발생되고 소스로부터 수증기가 제공되어 화학식 1과 같은 반응이 제1 수소 정제 장치(100) 내에서 발생될 수 있다.When a predetermined voltage is applied to each of the
다시 도 1을 참조하면, 메탄이 제1 수소 정제 장치(100)를 통과하면 화학식 1에서 보는 바와 같이 CO 및 H2로 분해될 수 있다. H2는 연료로 사용되지만 CO, CO2, H2O, 및 O2와 같은 물질은 반응 부산물로서 정제되어야 하는 물질이다. 반응 부산물을 정제하기 위하여 제2 수소 정제 장치(200)를 이용할 수 있다.Referring back to FIG. 1, when methane passes through the first
일 실시 예에 따르면, 제1 수소 정제 장치(100)를 통과한 물질들은 고온 상태인데 제2 수소 정제 장치(200)로 유입 시 냉각되어 실온 상태로 유입되어야 하기 때문에, 본 실시 예에 따른 수소 정제 시스템(1000)은 제1 수소 정제 장치(100) 및 제2 수소 정제 장치(200) 사이에 열 교환기(HE)를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the materials that have passed through the first
열 교환기(HE)는 제1 수소 정제 장치(100)로부터 고온의 물질이 유입되는 배관과, 배관의 외벽을 감싸며 냉각수를 제공하는 냉각부를 포함할 수 있다. 제1 수소 정제 장치(100)를 통과한 고온 상태의 물질과 냉각부의 냉각수는 서로 접촉하지 않고, 제1 수소 정제 장치(100)를 통과한 고온 상태의 물질은 배관 내부를 흐르고, 배관 내부를 흐르는 동안 배관의 외벽에 배치된 냉각부에서 냉각수와 같은 냉매를 흘려 보냄으로써 제1 수소 정제 장치(100)를 통해 배출된 물질의 온도를 실온까지 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 냉각수의 오염 없이 효율적으로 열 교환될 수 있다.The heat exchanger (HE) may include a pipe through which a high-temperature material flows from the first
일 실시 예에 따르면, 수소 정제 시스템(1000)은 제1 수소 정제 장치(100)로부터 제2 수소 정제 장치(200)로 목적하는 H2뿐만 아니라 CO, CO2, H2O, 및 O2와 같은 물질은 반응 부산물을 이동시키기 위하여 펌프(PP)를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 펌프(PP)는 제1 수소 정제 장치(100) 및 제2 수소 정제 장치(200) 사이에 배치될 수 있다. 다른 예로, 펌프(PP)는 제2 수소 정제 장치(200)의 일 측과 연결되도록 배치될 수 있다.According to an embodiment, in the
도 3은 도 1에 도시된 수소 정제 시스템의 제2 수소 정제 장치를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a second hydrogen purification apparatus of the hydrogen purification system shown in FIG. 1.
도 3을 참조하면, 제2 수소 정제 장치(200)는 유입된 H2, CO, CO2, H2O, 및 O2중에서, H2만 선택적으로 배출시키기 위한 장치일 수 있다.Referring to FIG. 3, the second
제2 수소 정제 장치(200)는 복수의 정제 유닛들(210, 220)을 포함할 수 있다. 설명의 용이함을 위해, 제2 수소 정제 장치(200)는 제1 정제 유닛(210) 및 제2 정제 유닛(220)을 포함할 수 있으며, 본 발명에서는 제2 수소 정제 장치(200)의 정제 유닛들의 수량을 이로 한정하지 않는다.The second
제1 정제 유닛(210)은 제1 챔버(CH1) 및 제1 챔버(CH1) 외측에 배치되는 제1 가열부(HT1)를 포함할 수 있다. 제2 정제 유닛(220)은 제2 챔버(CH2) 및 제2 챔버(CH2) 외측에 배치되는 제2 가열부(HT2)를 포함할 수 있다. 제1 정제 유닛(210) 및 제2 정제 유닛(220)은 서로 동일한 구조를 가질 수 있다.The
제1 챔버(CH1) 및 제2 챔버(CH2) 각각을 연결하거나 제1 챔버(CH1) 및 제2 챔버(CH2) 사이를 연결하는 배관들을 더 포함할 수 있다. 배관들 각각에는 배관들을 개폐하는 밸브들이 각각 설치될 수 있다.It may further include pipes connecting each of the first chamber CH1 and the second chamber CH2 or connecting the first chamber CH1 and the second chamber CH2. Valves for opening and closing the pipes may be installed in each of the pipes.
배관들(IL, P1, P2, P3, P4, P5, P6, OL)은 제1 수소 정제 장치(100)와 연결되어 H2, CO, CO2, H2O, 및 O2와 같은 물질을 받는 유입 배관(IL), 유입 배관(IL)과 제1 정제 유닛(210) 및 제2 정제 유닛(220) 각각으로 연결되는 제1 배관(P1), 제1 배관(P1) 사이를 연결하는 제2 배관(P2), 제2 배관(P2)으로부터 분기되는 제3 배관(P3), 제2 수소 정제 장치(200)로부터 정제된 가스가 배출되는 배출 배관(OL), 제1 정제 유닛(210) 및 제2 정제 유닛(220)과 연결되고 배출 배관(OL)과 연결되는 제4 배관(P4), 제4 배관(P4) 사이를 연결하는 제5 배관(P5), 배출 배관(OL) 및 제5 배관(P5)과 연결되는 제6 배관(P6)을 포함할 수 있다.The pipes (IL, P1, P2, P3, P4, P5, P6, OL) are connected to the first
밸브들(V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10)은 제1 배관(P1)에 설치되는 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2), 제2 배관(P2)에 설치되는 제3 밸브(V3) 및 제4 밸브(V4), 제4 배관(P4)에 설치되는 제5 밸브(V5) 및 제6 밸브(V6), 제5 배관(P5)에 설치되는 제7 밸브(V7) 및 제8 밸브(V8), 그리고, 제6 배관(P6)에 설치되는 제9 밸브(V9) 및 제10 밸브(V10)를 포함할 수 있다.Valves (V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10) are the first valve (V1) and the second valve (V2) installed in the first pipe (P1), the second pipe In the third valve (V3) and fourth valve (V4) installed in (P2), the fifth valve (V5) and sixth valve (V6) installed in the fourth pipe (P4), and the fifth pipe (P5). It may include a seventh valve V7 and an eighth valve V8 installed, and a ninth valve V9 and a tenth valve V10 installed in the sixth pipe P6.
유입 배관(IL)은 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2) 사이를 연결하고, 제3 밸브(V3)는 제3 밸브(V3) 및 제4 밸브(V4) 사이를 연결하고, 배출 배관(OL)은 제5 밸브(V5) 및 제6 밸브(V6) 사이를 연결하고, 제5 배관(P5) 및 제6 배관(P6)을 연결하는 배관은 제5 배관(P5)에서 제7 밸브(V7) 및 제8 밸브(V8) 사이를 연결하고 제6 배관(P6)에서 제9 밸브(V9) 및 제10 밸브(V10) 사이를 연결할 수 있다.The inlet pipe (IL) connects between the first valve (V1) and the second valve (V2), and the third valve (V3) connects between the third valve (V3) and the fourth valve (V4), and discharges The pipe OL connects between the fifth valve V5 and the sixth valve V6, and the pipe connecting the fifth pipe P5 and the sixth pipe P6 is the fifth pipe P5 to the seventh pipe. The valve V7 and the eighth valve V8 may be connected, and the sixth pipe P6 may be connected between the ninth valve V9 and the tenth valve V10.
일 실시 예에 따르면, 정제 유닛들(210, 220) 각각은 제1 수소 정제 장치(100)에서 개질 처리된 물질을 제공 받아 촉매를 이용하여 물질 내 H2를 정제하는 기능 또는 정제하는 동안 사용되는 촉매를 재생시키는 기능 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.According to an embodiment, each of the
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 제2 수소 정제 장치를 이용하는 공정을 설명하기 위한 도면들이다.4 and 5 are diagrams for explaining a process of using the second hydrogen purification apparatus shown in FIG. 3.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 정제 유닛(210)이 정제의 기능을 수행하는 경우, 제1 밸브(V1)를 온(on)하여, 제2 밸브(V2) 및 제3 밸브(V3) 각각을 오프(off)하여, 제1 수소 정제 장치(100)로부터 제공된 물질을 제1 챔버(CH1)으로 제공할 수 있다. 제1 챔버(CH1)로 촉매가 제공되고, 촉매는 수소 가스 중에 부산물과 결합하여 수소 가스를 정제할 수 있다. 예컨대, 촉매는 니켈(Ni) 및 M/S을 포함하며, 제1 정제 유닛(210)에 유입된 CO, CO2, H2O, 및 O2과 결합하여, H2를 정제시킬 수 있다. CO, CO2, H2O, 및 O2은 하기의 화학식 2, 화학식 3, 화학식 4, 및 화학식 5에서 도시된 바와 같이 Ni 및 M/S와 결합될 수 있다.As shown in FIG. 4, when the
제1 챔버(CH1)로부터 정제된 가스, 즉, 99.999% 순도의 수소 가스가 배출 배관(OL)을 통해 배출되는데, 제5 밸브(V5)는 온 하고 제6 밸브(V6) 및 제7 밸브(V7) 각각은 오프할 수 있다. 제1 정제 유닛(210)이 정제의 기능을 수행하는 동안 제4 밸브(V4), 제8 밸브(V8), 및 제10 밸브(V10)의 상태는 제1 정제 유닛(210)에 영향을 미치지 않을 수 있다. 이때, 제1 가열부(HT1)가 오프된 상태로 실온 상태일 수 있다.Gas purified from the first chamber CH1, that is, hydrogen gas of 99.999% purity, is discharged through the discharge pipe OL, the fifth valve V5 is turned on, and the sixth valve V6 and the seventh valve ( V7) Each can be turned off. While the
제1 정제 유닛(210)이 정제의 기능을 수행하는 동안 제2 정제 유닛(220)은 재생의 기능을 수행할 수 있다. 이 경우, 제10 밸브(V10)를 온하고 제9 밸브(V9)를 오프하며, 제8 밸브(V8)를 온하고 제7 밸브(V7)를 오프하여, 제6 배관(P6) 및 제5 배관(P5)을 순차적으로 지나는 수소 가스를 제2 챔버(CH2)로 제공하며 이때, 제2 가열부(HT2)가 온 상태로써 250℃의 고온 상태일 수 있다. 이로써, 제2 챔버(CH2)에서는 촉매가 재생될 수 있다. NiO은 H2와 결합하여, Ni으로 환원되며, M/S-H2O, 및 M/S-CO2는 고온에서 H2O 및 CO2가 분리되어 M/S로 변환될 수 있다. 하기의 화학식 6, 화학식 7, 및 화학식 8을 참조한다.While the
제2 챔버(CH2)에서 재생된 촉매는 제4 밸브(V4)를 온하고 제3 밸브(V3)를 오프하여 제2 배관(P2) 및 제3 배관(P3)을 통해 외부로 배출되어, 재사용될 수 있다.The catalyst regenerated in the second chamber (CH2) is discharged to the outside through the second pipe (P2) and the third pipe (P3) by turning on the fourth valve (V4) and turning off the third valve (V3), and reused. Can be.
도 5에 도시된 바와 같이 제1 정제 유닛(210)이 재생의 기능을 수행하는 경우, 제1 밸브(V1)를 오프하여, 유입 배관(IL)과 연결을 차단하고, 제10 밸브(V10)를 온하고, 제9 밸브(V9)를 오프하여, 주입된 수소 가스를 제5 배관(P5)으로 보내고, 제7 밸브(V7)를 온하고 제8 밸브(V8) 및 제5 밸브(V5)를 오프하여 제5 배관(P5)을 통해 제1 챔버(CH1)로 제공할 수 있다. 이 경우, 제1 가열부(HT1)는 온 상태이며, 250℃의 고온 상태일 수 있다. 제1 정제 유닛(210)에서는 화학식 6, 화학식 7, 및 화학식 8에서 설명된 것과 같은 반응이 일어나, 제4 밸브(V4)를 오프하여 제3 배관(P3)을 통해 촉매가 배출될 수 있다.As shown in FIG. 5, when the
제1 정제 유닛(210)이 재생의 기능을 수행하는 동안 제2 정제 유닛(220)은 정제의 기능을 수행할 수 있다. 이 경우, 제1 밸브(V1) 및 제4 밸브(V4)를 오프하고, 제2 밸브(V2)를 온하여 유입 배관(IL)과 제2 챔버(CH2)를 연통시킬 수 있다. 제2 가열부(HT2)는 오프 상태로 제2 챔버(CH2)는 실온 상태일 수 있다. 제2 챔버(CH2)에서는 화학식 1, 화학식 2, 화학식 3, 및 화학식 4의 반응이 일어나 정제된 수소 가스가 배출 배관(OL)을 통해 배출될 수 있다. 이를 위해, 제8 밸브(V8) 및 제5 밸브(V5) 각각은 오프 상태이고, 제6 밸브(V6)는 온 상태일 수 있다.While the
전술한 바와 같이, 제1 정제 유닛(210) 및 제2 정제 유닛(220)이 동일한 구조를 가짐으로써, 정제 기능 또는 재생 기능을 유동적으로 수행할 수 있어, 공정을 보다 효율적으로 수행할 수 있다.As described above, since the
이와 같이 제1 수소 정제 장치(100) 및 제2 수소 정제 장치(200)를 이용하여 개질, 분리, 및 제거 공정을 수행하여 고순도(99.999%)의 수소 가스를 획득함으로써, 수성 가스 전이(water gas shift) 반응 공정 및 압력 순환 흡착(pressure swig absorption) 등의 후단 공정을 생략할 수 있다. 따라서, 공정에 필요한 구성이 경제적이며 기존 방식으로의 수소 생산보다 운전 비용을 감소시킬 뿐만 아니라 불순물 대비 수소 순도 및 수율을 향상시킬 수 있어 생산성 향상에 기여할 수 있다.As described above, reforming, separation, and removal processes are performed using the first
상술한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술한 실시 예들 이외에도, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described contents are specific examples for carrying out the present invention. In addition to the above-described embodiments, the present invention will include simple design changes or embodiments that can be easily changed. In addition, the present invention will also include techniques that can be easily modified and implemented using the embodiments. Therefore, the scope of the present invention is limited to the above-described embodiments and should not be defined, and should be determined by the claims and equivalents of the present invention as well as the claims to be described later.
1000: 수소 정제 시스템
100: 제1 수소 정제 장치
200: 제2 수소 정제 장치
HE: 열 교환기
PP: 펌프
110: 챔버
120: 캐소드 전극
130: 애노드 전극
140: 중성 전극
210: 제1 정제 유닛
220: 제2 정제 유닛
CH1, CH2: 챔버
HT1, HT2: 가열부
IL, OL, P1, P2, P3, P4, P5, P6: 배관
V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10: 밸브1000: hydrogen purification system
100: first hydrogen purification device
200: second hydrogen purification device
HE: heat exchanger
PP: pump
110: chamber
120: cathode electrode
130: anode electrode
140: neutral electrode
210: first purification unit
220: second purification unit
CH1, CH2: chamber
HT1, HT2: heating part
IL, OL, P1, P2, P3, P4, P5, P6: piping
V1, V2, V3, V4, V5, V6, V7, V8, V9, V10: valve
Claims (5)
상기 제1 수소 정제 장치와 연결되어, 촉매를 이용하여 개질 처리된 수소 및 부산물로부터 수소를 정제하며 상기 촉매를 재생시키며, 제1 챔버, 상기 제1 챔버 외측에 배치되는 제1 가열부, 제2 챔버, 상기 제2 챔버 외측에 배치되는 제2 가열부, 상기 제1 수소 정제 장치와 연결되고 상기 제1 및 제2 챔버들 사이를 연결하는 배관들, 및 상기 배관들에 설치되는 복수의 밸브들을 포함하는 제2 수소 정제 장치;
상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 상기 개질 처리된 수소 및 상기 부산물의 온도를 낮추며, 상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이를 연결하는 배관 및 상기 배관의 외벽을 감싸며 냉매를 제공하는 냉각부를 포함하는 열 교환기; 및
상기 제1 및 제2 수소 정제 장치들 사이에 배치되어 상기 개질 처리된 수소 및 상기 부산물을 상기 제2 수소 정제 장치로 이동시키는 펌프;를 포함하고,
상기 제2 수소 정제 장치는,
제1 챔버 및 상기 제1 챔버로 열을 제공하는 제1 가열부를 포함하는 제1 정제 유닛;
상기 제1 정제 유닛과 이격되어 배치되고, 제2 챔버 및 상기 제2 챔버로 열을 제공하는 제2 가열부를 포함하는 제2 정제 유닛;
상기 제1 및 제2 챔버들 중 적어도 하나로 공정 가스를 제공하는 유입 배관;
상기 유입 배관과 상기 제1 및 제2 챔버들과 연결된 제1 배관;
상기 제1 배관에 연결되는 제2 배관;
상기 제2 배관에 연결되는 제3 배관;
상기 제1 및 제2 챔버들 중 적어도 하나로부터 정제된 수소를 배출하는 배출 배관;
상기 배출 배관과 상기 제1 및 제2 챔버들과 연결되는 제4 배관;
상기 제4 배관에 연결되는 제5 배관;
상기 배출 배관, 상기 제4 및 제5 배관들 각각과 연결되는 제6 배관;
상기 제1 배관에 설치되며 상기 유입 배관에 의해 이격되는 제1 밸브 및 제2 밸브;
상기 제2 배관에 설치되며 상기 제3 배관에 의해 이격되는 제3 밸브 및 제4 밸브;
상기 제4 배관에 설치되며 상기 배출 배관에 의해 이격되는 제5 밸브 및 제6 밸브;
상기 제5 배관에 설치되며 상기 제6 배관에 의해 이격되는 제7 밸브 및 제8 밸브; 및
상기 제6 배관에 설치되며 상기 제5 배관에 의해 이격되는 제9 밸브 및 제10 밸브를 포함하는 수소 정제 시스템.Hydrogen is reformed from the compound using plasma, and a cathode electrode having a sharp structure at one end, and a through hole having a structure that decreases as the distance from the cathode electrode increases at a position corresponding to one end of the cathode electrode. A first hydrogen purification apparatus including an anode electrode disposed to be spaced apart from the cathode electrode, a neutral electrode disposed between the cathode electrode and the anode electrode;
It is connected to the first hydrogen purification device to purify hydrogen from reformed hydrogen and by-products using a catalyst and to regenerate the catalyst, and a first chamber, a first heating unit disposed outside the first chamber, and a second A chamber, a second heating unit disposed outside the second chamber, pipes connected to the first hydrogen purification device and connecting between the first and second chambers, and a plurality of valves installed in the pipes A second hydrogen purification device comprising;
It is disposed between the first and second hydrogen purification devices to lower the temperature of the reformed hydrogen and the by-product, and a pipe connecting between the first and second hydrogen purification devices and a refrigerant surrounding the outer wall of the pipe A heat exchanger including a cooling unit providing a; And
A pump disposed between the first and second hydrogen purification devices to move the reformed hydrogen and the by-product to the second hydrogen purification device,
The second hydrogen purification device,
A first purification unit including a first chamber and a first heating unit providing heat to the first chamber;
A second purification unit disposed to be spaced apart from the first purification unit and including a second chamber and a second heating unit providing heat to the second chamber;
An inlet pipe for providing a process gas to at least one of the first and second chambers;
A first pipe connected to the inlet pipe and the first and second chambers;
A second pipe connected to the first pipe;
A third pipe connected to the second pipe;
A discharge pipe for discharging purified hydrogen from at least one of the first and second chambers;
A fourth pipe connected to the discharge pipe and the first and second chambers;
A fifth pipe connected to the fourth pipe;
A sixth pipe connected to each of the discharge pipe and the fourth and fifth pipes;
A first valve and a second valve installed in the first pipe and spaced apart by the inlet pipe;
A third valve and a fourth valve installed in the second pipe and spaced apart by the third pipe;
A fifth valve and a sixth valve installed in the fourth pipe and spaced apart by the discharge pipe;
A seventh valve and an eighth valve installed in the fifth pipe and spaced apart by the sixth pipe; And
A hydrogen purification system including a ninth valve and a tenth valve installed in the sixth pipe and spaced apart by the fifth pipe.
상기 화합물은 메탄(CH4)을 포함하고,
상기 부산물은 CO, CO2, H2O, 및 O2으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 수소 정제 시스템.The method of claim 1,
The compound includes methane (CH 4 ),
The by-product is a hydrogen purification system comprising at least one selected from the group consisting of CO, CO 2 , H 2 O, and O 2.
상기 제2 수소 정제 장치에서, 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버 중 하나는 상기 수소를 정제하고 다른 하나는 상기 촉매를 재생하는 수소 정제 시스템.The method of claim 1,
In the second hydrogen purification apparatus, one of the first chamber and the second chamber purifies the hydrogen and the other regenerates the catalyst.
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