KR-20260060564-A - System for Converting Methanol to Gaseous Hydrogen for Charging and Power Generation

Abstract

본 발명은 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템에 관한 것이다. 그러한 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템(1)은, 메탄올을 저장한 저장조(3)와; 저장조(3)에 저장된 메탄올을 개질시켜서 기체수소로 변환시키는 기체수소 변환부(5)와; 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 충전하는 충전부(9)와; 그리고 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 발전하는 PEMFC(11)를 포함한다.

Inventors

• 이윤호

Assignees

• 국립목포해양대학교산학협력단

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (4)

1. 메탄올 충전소에 구비되며, 메탄올을 저장한 저장조(3)와; 저장조(3)에 저장된 메탄올을 개질시켜서 기체수소로 변환시키는 기체수소 변환부(5)와; 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 충전하는 충전부(9)와; 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 발전하는 PEMFC(11)와; 그리고 기체수소 변환부, 충전부, PEMFC를 제어하는 제어부(6)를 포함하는 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 기체수소 변환부(5)는 개질기에 의하여 메탄올을 기체수소로 전환시키는 바, 기체수소 변환부(5)는, 메탄올이 유입되는 하부 관로(13)와; 흡착 탈황부(15)와; 촉매 반응부(17)와; 기화된 수소가 배출되는 상부 관로(19)를 포함하는 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템.
3. 제 1항에 있어서, PEMFC(11)는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 구성되며, 촉매로는 백금을 사용함으로써 수소이온이 전해질막을 통과하고, 이 막을 통과하지 못한 전자가 밀려서 도선을 따라 흐름으로써 전류가 생성되는 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 제어부(6)는 수소탱크와 충전부의 사이 관체에 배치되어 개폐하는 제 1밸브(V1)와; 수소탱크와 PEMFC의 사이 관체에 배치되어 개폐하는 제 2밸브(V2)를 포함하며, 제어부(6)는 제 1 및 제 2밸브(V2)를 제어하여 충전부 및 PEMFC에 기체수소의 공급을 개폐하되, PEMFC에서 생성되는 전력량에 따라 제 2밸브(V2)의 개폐량을 제어하여 기체수소의 양을 조절함으로써 부족한 전력량을 생성시키는 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템.

Description

메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템{System for Converting Methanol to Gaseous Hydrogen for Charging and Power Generation} 본 발명은 메탄올을 이용한 충전 및 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메탄올 충전소를 마련하고, 이 메탄올 충전소에서 메탄올을 개질과정을 통하여 기체수소로 변환시키고 이 기체수소를 수소차에 공급하여 충전하거나, 잉여 수소의 경우 PEMFC로 공급하여 발전도 할 수 있는 복합 발전 충전소로 사용할 수 있는 기술에 관한 것이다. 일반적으로 메탄올(Methanol)은 화학식 CH3OHCH의 알코올로서 다양한 산업 및 화학 공정에서 중요한 원료 및 용제로 사용된다. 이러한 메탄올은 천연가스 개질공정이나, 탄소 가스화 공정에 의하여 제조될 수 있다. 천연가스 개질공정은 천연가스를 개질하여 수소와 일산화탄소를 생성하고, 이를 통해 메탄올을 합성하는 방식이다. 그리고, 탄소 가스화 공정은 석탄이나 기타 탄화수소 연료를 가스화하여 얻은 가스를 메탄올로 전환하는 방식이다. 이러한 공정을 통하여 제조된 메탄올은 개질공정을 통하여 기체수소로 변환할 수 있는 바, 개질공정은 두 가지 주요 반응 경로, 즉 부분 산화(Partial Oxidation, POX), 증기 개질(Steam Reforming, SR)을 통하여 기체수소를 제조한다. 그러나, 종래에는 기체수소를 수소 충전소로 저장 및 운반하기 어려워 수소차나 선박의 연료로 사용하기 곤란한 문제점이 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 메탄올 충전소에 배치되어 메탄올을 개질공정을 통하여 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 기체수소 변환부의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 3은 도 1에 도시된 PEMFC의 외관을 보여주는 사시도이다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템(1)은, 메탄올 충전소에 구비되어 메탄올을 저장한 저장조(3)와; 저장조(3)에 저장된 메탄올을 개질시켜서 기체수소로 변환시키는 기체수소 변환부(5)와; 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 충전하는 충전부(9)와; 기체수소 변환부(5)에 의해 생성된 기체수소를 이용해 발전하는 PEMFC(11)을 포함한다. 이러한 구조를 갖는 메탄올을 기체수소로 변환시켜 충전 및 발전하는 시스템에 있어서, 저장조(3)는 메탄올 충전소에 배치되며, 그 내부에 일정 용적을 갖음으로써 메탄올을 저장하게 된다. 그리고, 저장조(3)의 메탄올은 배관을 통하여 기체수소 변환부(5)로 공급되어 개질공정을 통하여 기체수소로 변환될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 기체수소 변환부(7)는 개질공정을 통하여 메탄올을 기체수소로 변환시키는 바, 통상적인 구조의 개질기로 개질을 진행한다. 이러한 기체수소 변환부(7)는, 메탄올이 유입되는 하부 관로(13)와; 가스내의 황 성분을 제거하는 흡착 탈황부(15)와; 촉매에 의하여 수소를 생성하는 촉매 반응부(17)와; 기화된 수소가 배출되는 상부 관로(19)를 포함한다. 즉, 기체수소 변환부(7)의 하부 관로(13)를 통하여 공급된 가스는 흡착탈황부(15)에서 가스 내에 존재하는 황 성분을 제거하고, 촉매반응부(17)에서 강한 흡열 반응을 통해 고 농도의 수소를 생산한다. 이러한 기체수소 변환부(7)은 개질반응을 통하여 메탄올과 수증기의 촉매반응을 통해 H2, CO, CO2를 포함하는 개질가스를 생성한다. 이때 메탄올과 수증기를 포함한 연료개질반응은 흡열 반응이므로 스팀 발생기(도시안됨)를 이용하여 열을 개질기로 공급한다. 그리고 생성된 개질가스는 기체수소 변환부(7)의 상부 관로(19)를 통하여 배출시킴으로써 기체수소를 수집할 수 있다. 이와 같이 수집된 기체수소는 수소탱크(7)에 저장된다. 그리고 외부 충전 대상체에 수소 공급(충전)이 필요한 경우 충전부(9)를 통하여 수소탱크(7)에 저장된 고압의 기체수소를 공급하게 된다. 이때 외부 충전 대상체는 다양한 바, 예를 들면 자동차 혹은 선박의 배터리를 포함한다. 한편, 수소탱크에서 공급된 기체수소 중 잉여 기체수소는 PEMFC(11;고분자 전해질 연료전지;Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로 공급되어 발전을 할 수도 있다. 상기 PEMFC(11)는 수소이온 교환막 연료전지 또는 양성자 교환막 연료전지라고도 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 PEMFC(11)는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 구성되며, 촉매로는 백금을 사용한다. PEMFC(11)는 선택적 투과에 의하여 전류를 생성하는 바, 수소이온은 전해질막을 통과하고, 이 막을 통과하지 못한 전자가 밀려서 도선을 따라 흐름으로써 전류가 생성된다. 이러한 PEMFC(11)는 다른 연료전지와 비교해 전류밀도가 높은 고출력 연료전지로서, 20℃~120℃(평균 80℃)의 비교적 저온에서 작동하며, 그 구조가 간단하다. 또한, 시동성과 응답성이 빠르고, 내구성이 우수하며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어서, 자동차 동력원으로서 적합한 시스템이다. 또한, PEMFC(11)에 의하여 생성된 전력은 배터리 혹은 한전 등에 의한 외부 상시전력으로도 사용될 수 있다. 한편, 제어부(6)는 수소탱크에 충전된 고압의 기체수소를 충전부 혹은 PEMFC로 선택적으로 공급할 수 있다. 즉, 수소탱크와 충전부 및 PEMFC를 연결하는 관체에 제 1 및 제 2밸브(V2)를 배치하고, 제 1 및 제 2밸브(V2)를 제어부(6)에 의하여 온/오프하는 구조를 갖는다. 제 1밸브(V1)는 수소탱크와 충전부의 사이 관체에 배치되어 기체수소의 공급을 제어하고, 제 2밸브(V2)는 수소탱크와 PEMFC의 사이 관체에 배치되어 기체수소의 공급을 제어한다. 이때 밸브는 제어부(6)에 의하여 제어 가능한 솔레노이드 밸브이다. 따라서, 제어부(6)는 충전부 혹은 PEMFC에 기체수소를 공급하는 경우, 제 1 및 제 2밸브(V2)에 신호를 전송함으로써 기체수소가 충전부 혹은 PEMFC로 공급될 수 있도록 한다. 이때, PEMFC의 발전량이 기준값 이하로 내려가는 경우 제어부(6)는 전력량을 감지하여 제 2밸브(V2)의 개방량을 제어함으로써 공급되는 기체수소의 양을 제어할 수 있다. 따라서, 부족한 전력량에 비례하는 정도의 기체수소를 PEMFC에 자동으로 공급하게 된다.