• Title, Summary, Keyword: 수소생산

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Development of Natural Gas Steam Reformier for Small Scale On-Site Production of Hydrogen (소규모 현장 생산 방식에 의한 수소 제조용 천연가스 수증기 개질기 개발)

  • Seo Dong Joo;Seo Yutaek;Seo Yong Seog;Park Sang Ho;Jeong Jin Hyeok;Yoon Wang Lai
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.264-267
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    • 2005
  • 수소의 소규모 분산 생산 기술은 본격적 인 수소 인프라가 도입되기 전에 연료전지 자동차의 수소 충 전용이나 분산 발전형 연료전지의 수소 공급을 위해 필요하다. 생산 용량은 수소 기준으로 $10\~100 Nm^3/hr$ 정도로 현재로선 천연가스의 수증기 개질법이 가장 경제적인 공정으로 알려져 있다. 소규모 생산에 따른 열효율 저하를 줄이 기 위해 단위 공정들이 통합된 컴팩트 개질 시스템의 개발이 필요하다. 핵심 기술인 컴팩트 리포머의 국산화 기술 확보를 위하여 $20 Nm^3/hr$용량의 동심관형 리포머를 설계, 제작하였다. 내부구조는 제작의 단순화를 고려하여 중첩된 동심관이 배열되었고 압력 손실과 열웅력 발생을 억제하도록 유로를 배치하였다. 수증기개질 반응에 필요한 반응열은 리포머 본체에 부착된 버너를 이용하여 공급하였다. 성능 측정을 위한 부속 기기로 상온 흡착식 탈황기, 폐열 회수형 수증기 발생기, 반응물 예열을 위한 열교환기, 생성 가스 응축기를 설계 제작하여 전체 리포밍 시스템을 구성하였다. 반응 온도 $680\~720^{\circ}C$, 탄소 대 수중기 비(S/C ratio) $2.7\~3.2$ 조건에서 수증기 개질 반응을 수행하였다. 해당 반응 조건에서 메탄 전환율 $89\%$ 이상, 저위 발열량 기준 개질 열효율 $70\%$ 이상을 달성하였고 개질 생성가스 내 수소의 최대 유량은 $23.4Nm^3/h$였다. 개발된 리포밍 시스템은 고순도 수소 생산이 필요한 경우, 수소 수율 향상을 위한 고온 수성 가스 전화 반응기를 통합 가능하도록 열교환기 구성을 조정할 수 있으며 용융 탄산염 연료전지와 같이 고온형 연료전지의 경우 $550^{\circ}C$ 이상으로 개질 생성 가스를 공급하도록 구성할 수도 있다. 향후 리포머 본체의 개질 효율 향상 및 장치 소형화, 부속 기기의 최적화를 통한 전체 리포밍 시스템 개선, 스케일 업 설계를 위한 엔지니어링 설계 패키지 구성을 계획하고 있다.

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Environmental and economic life cycle analysis of hydrogen as Transportation fuels (자동차 연료로서 수소의 전과정 환경성/경제성 분석)

  • Lee, Ji-Yong;Cha, Kyoung-Hoon;Yu, Moo-Sang;Lee, Soo-Yeon;Hur, Tak;Lim, Tae-Won
    • New & Renewable Energy
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    • v.3 no.2
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    • pp.31-39
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    • 2007
  • 화석연료의 사용으로 인한 자원고갈과 지구온난화 영향 그리고 에너지 안보문제의 해결을 위해 세계 각국들은 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중 수소는 다양한 경로를 통해 생산 가능하고, 수송연료로 사용 시, 유해 물질이 거의 배출되지 않는다는 장점 때문에 가장 주목받는 대체 에너지원이다. 현재는 수소생산 기술개발을 통해 상업화시기를 앞당기려고 하는 수소에너지 시대의 진입시점이라 할 수 있다. 그러나 수소는 생산경로에 따라 다양한 환경성 및 경제성 결과를 도출 할 수 있기 때문에 다양한 평가가 요구된다. 본 연구에서는 국내 수소생산 방식으로 개발/상용화되어있는 Natural Gas Steam Reforming (NGSR), Naphtha Steam Reforming (Naphtha SR), Water Electrolysis (WE)에 대하여, Life Cycle Assessment (LCA)와 Life Cycle Costing Analysis (LCCA) 방법을 사용하여, 수소경로 전반에 대한 즉, 원료채취부터 자동차로 주행하였을 때까지의 각 대상 수소경로의 환경성과 경제성을 평가하였다. LCA와 LCCA 결과는 Naphtha SR과 NGSR 수소경로에서 지구온난화와 화석자원 소모 부문 모두 기존연료 (가솔린, 디젤)와 비교해서 개선효과가 뚜렷하게 나타났으나, WE 수소경로는 오히려 환경부하가 증가되는 것으로 나타났다. 또한 경제성 측면에서는, 수소 판매 시 가솔린과 동일한 연료세율을 부과하더라도 수소가 가솔린에 비해 가격경쟁력을 확보하게 되는데, 이는 주행 시 수소자동차의 연비가 기존 차량에 비해 월등히 좋기 때문에 연료비용의 이점 때문이다. 만약, 수소에 연료세를 부과하지 않는 다면, Naphtha SR로 생산하여 유통한 수소가 수송연료로서 가장 뛰어난 비용효율성을 갖는 것으로 나타났다.

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Rhodopsedomonas palustris P4를 이용한 Trickle Bed Reactor에서의 일산화탄소와 물로부터 연속적인 수소생산

  • Park, Ji-Yeong;Lee, Tae-Ho;Park, Seong-Hun
    • 한국생물공학회:학술대회논문집
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    • pp.241-244
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    • 2000
  • Continuous $H_2$ production from CO and water was studied in a trickle bed reactor(TBR) using Rhodopspedomonas palustris P4. To achieve high cell density, R. palustris P4 were cultivated by a fed-batch culture mode under chemoheterotrophic and aerobic condition, and final cell concentration was 13 g/L. TBR could provide sufficient residence time for CO to contact with cell suspension circulating TBR. The maximum CO uptake rate was found to be 16 mmol/L/hr at gas retention time of 50 min and CO partial pressure of 0.4 atm. In our correlation of the experimental data with mathematical model of TBR, the TBR operation with P4 was found to be lie in an intermediate state between mass transfer limitation and kinetic limitation. Due to the high cell density as well as hydrogen production activity in this study, TBR operation showed a superior performance to other previous reports on microbial hydrogen production.

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simulation of PSA process in $H_2$ production process from WGSR (WGSR off gas로부터 수소 회수를 위한 PSA 연계공정 모델링 및 공정모사)

  • Kim, Min-Kyu;Ahn, Sol;Lee, Chang-Ha
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.518-521
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    • 2008
  • 수소에너지는 다양한 원료로부터의 수소생산을 위한 반응기술 및 생산물로부터 수소 정제를 위한 분리기술의 확립과 더불어, 대형화 시스템부터 소형 시스템에 이르는 공정기술을 확보하는 것이 다가오는 청정 대체에너지 체제에 대비하기 위하여 필요하다. 이를 위해서는 생산된 수소 혼합물에서부터 수소를 분리 정제하는pressure swing adsorption (PSA) 의 개발이 필수적이다. 이 기술은 이미 다양한 분야에 성공적으로 상용화 적용되어 기술의 타당성을 제시하고 있으나, 국내의 경우 수입에 의존하고 있어 이를 설계 할 수 있는 공정모사기 (simulator)의 개발이 우선되어야 한다. 따라서 효율적으로 PSA 공정 및 scale-up기술을 확보하기 위해서는 전산모사기 개발의 선행이 필수적이다. PSA 공정의 전산모사기는 물질수지, 에너지수지, 모멘텀수지와 더불어 흡착평형과 속도식이 결합되어 개발되어야 한다. 특히 공정에 다양한 단계가 적용되기 때문에 복잡한 boundary condition이 적용되며, 연속순환공정이라 하더라도 각 단계가 discrete 하게 해석되어야 한다. 따라서 공정모사는dynamic simulator로 개발되어야 정확도를 확보할 수 있다. 본 연구에서는 제철소에서 발생하는 수소혼합물이 WGSR 반응기를 거쳐 수소의 농도를 향상 시키고, 이를 유입가스로 사용하는 $H_2$ PSA 공정 모사기를 개발하고자 한다. 수소 생산을 위한 PSA 공정 모사기 개발을 통하여 95% $H_2$ 순도와 90% 회수율 규모의 수소를 생산할 수 있는 PSA 공정의 설계 기술기반을 확보하고자 한다.

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Novel Sorption Enhanced Reaction Process for Direct Production of Fuel-Cell Grade $H_2$ from Synthesis Gas (합성가스로부터 연료전지급 수소의 직접 생산을 위한 흡착분리 반응 동시 공정)

  • Lee, Ki-Bong;Jeon, Sang-Goo;Na, Jeong-Geol;Ryu, Ho-Jung
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.745-748
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    • 2009
  • 수소는 지구상에 풍부하게 존재하는 원소로 최근 수소경제시대에 대한 기대와 함께 청정 에너지 carrier로 주목받고 있다. 본 연구에서는 고순도 수소 생산을 위해 water gas shift (WGS) 반응과 $CO_2$의 분리를 하나의 unit operation의 형태로 수행하는 신개념의 thermal swing sorption enhanced reaction (TSSER) 공정의 타당성을 테스트하는데 목적을 두고 있다. Le Chatelier 원리를 기본으로 하는 흡착분리 동시 반응 (sorption enhanced reaction, SER)에서는 수소생산 반응의 열역학적 한계를 극복할 수 있고 정반응의 속도를 증대시킬 수 있다. 본 연구에서는 $K_2CO_3$가 첨가된 hydrotalcite에 대한 고온에서의 $CO_2$ 화학흡착 평형 및 거동 데이터를 실험을 통하여 측정하였다. 또한 WGS 상용촉매와 화학 흡착제를 이용하여 흡착분리 동시 반응을 실험과 수치해석 시뮬레이션으로 수행하였고, 연구결과로부터 연료전지에 사용할 수 있는 고순도의 수소 (~10 ppm CO)를 직접 생산할 수 있으며, 동시에 고압상태의 $CO_2$를 고순도로 포집할 수 있음을 확인할 수 있었다. 고압, 고순도의 $CO_2$ 포집은 이후 $CO_2$ 저장에 용이하게 이용되어 온실가스 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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Deduction of Optimum Factors for Hydrogen Production from Organic Resources using a Continuous Reaction Process (연속반응공정을 이용한 유기성자원으로부터 수소생산을 위한 최적인자도출에 관한 연구)

  • Kim, Choong Gon;Shin, Hyun Gon
    • Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association
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    • v.19 no.2
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    • pp.22-27
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    • 2011
  • This study was performed to find out the optimum condition for hydrogen production by changing mixture ratio from 3:7(food waste water : swine wastewater) without pre-treatment of food wastewater and swine wastewater using a continuous reaction process. It was confirmed that hydrogen generation according to pH is the highest in a condition of pH 5.5, and that the optimum pH for hydrogen production in case of mixing food wastewater with swine wastewater is 5.5 through this. Hydrogen generation according to HRT showed high hydrogen generation rate in case of 4 days rather than 3 days, and this involves largely in vitality of hydrogen producing bacteria according to variation of the HRT value, so it is judged that HRT also acts as an important factor to hydrogen producing bacteria. The organic removal efficiency recorded a removal efficiency of maximum TS 52%, VS 71%, TSS 83% and VSS 89% at the 6th day of operation, and it was confirmed that organic removal efficiency is possible even through an hydrogen production process.

Modeling, Simulation and Optimization of Hydrogen Production Process from Glycerol using Steam Reforming (글리세롤로부터 수증기 개질에 의한 수소 생산공정의 모델링, 시뮬레이션 및 최적화)

  • Park, Jeongpil;Cho, Sunghyun;Lee, Seunghwan;Moon, Dong Ju;Kim, Tae-Ok;Shin, Dongil
    • Korean Chemical Engineering Research
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    • v.52 no.6
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    • pp.727-735
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    • 2014
  • For improved sustainability of the biorefinery industry, biorefinery-byproduct glycerol is being investigated as an alternate source for hydrogen production. This research designs and optimizes a hydrogen-production process for small hydrogen stations using steam reforming of purified glycerol as the main reaction, replacing existing processes relying on steam methane reforming. Modeling, simulation and optimization using a commercial process simulator are performed for the proposed hydrogen production process from glycerol. The mixture of glycerol and steam are used for making syngas in the reforming process. Then hydrogen are produced from carbon monoxide and steam through the water-gas shift reaction. Finally, hydrogen is separated from carbon dioxide using PSA. This study shows higher yield than former U.S. DOE and Linde studies. Economic evaluations are performed for optimal planning of constructing domestic hydrogen energy infrastructure based on the proposed glycerol-based hydrogen station.

Current Status of Nuclear Hydrogen Development (원자력을 이용한 수소생산기술 개발 동향)

  • Chang Jong-Hwa
    • Journal of Energy Engineering
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    • v.15 no.2
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    • pp.127-137
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    • 2006
  • To resolve the environmental and economics problems of fossil fuel energy, a hydrogen economy is promoted in many developed countries. Massive production of hydrogen using a nuclear power is a practical way to feed fuel required for the hydrogen economy. The author introduces a very high temperature reactor and its development status. He also reviews recent achievements and directions of research in hydrogen production process, such as sulfur-iodine thermochemical cycle, sulfur hybrid cycle, and high temperature electrolysis.

Pilot plant plan for the waste plasma gasification - hydrogen recovery (폐기물의 플라즈마 가스화 - 고순도 수소회수 파일럿 플랜트 계획)

  • Kim, Young-Suk;Lee, Jin-Ho;Cha, Jae-Joon;Hwang, Soon-Mo;Jeong, Seong-Jae
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.802-805
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    • 2009
  • 생활폐기물을 플라즈마 가스화하고 얻어지는 합성가스로부터 수소를 생산하는 파일럿플랜트 건설 계획을 소개한다. 이 파일럿플랜트는 현재 가동 중인 청송군의 10톤/일급 플라즈마 가스화 시설을 고농도 합성가스를 생산하는 시설로 변경하고 수소전환반응기와 수소 PSA 장치를 부착하여 99.999% 순도의 수소 $200Nm^3/h$을 생산하여 연료전지 발전하는 것으로 계획되어 있다. 이 파일럿플랜트는 $20Nm^3/h$ 급의 폐기물 플라즈마 가스화 - 고순도 수소 생산 기술개발 완료에 이은 상용화 실증 시설이다.

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Long Term Operation of Biological Hydrogen Production in Anaerobic Sequencing Batch Reactor (ASBR) (생물학적 수소생산을 위한 혐기성 연속 회분식 반응조(ASBR)의 장기운전 특성)

  • Jeong, Seong-Jin;Seo, Gyu-Tae;Lee, Taek-Soon
    • Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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    • v.35 no.1
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    • pp.1-9
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    • 2013
  • Long term hydrogen production was investigated in an anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) using mixed microflora. Glucose (about 8,250 mg/L) was used as a substrate for the ASBR operation under the condition of pH 5.5 and $37^{\circ}C$ with mixing at 150 rpm. The experiment was carried out over a period of 160 days. Hydrogen yield was 0.8mol $H_2/mol$ glucose with F/M ratio 2 at initial operation period. The hydrogen yield reached to maximum 2.6 mol $H_2/mol$ glucose at 80th day operation. However decreased hydrogen yield was observed after 80 days operation and eventually no hydrogen yield. Although well-known hydrogen producer Clostridium sp. was detected in the reactor by PCR-DGGE analysis, changed reactor operation was the major reason of the decreased hydrogen production, such as low F/M ratio of 0.5 and high propionic acid concentration 2,130 mg/L. Consequently the long period operation resulted in MLSS accumulation and then low F/M ration stimulating propionic acid formation which consumes hydrogen produced in the reactor.