수소 정제 시스템

수소는 연료전지, 발전, 운송 등 다양한 응용분야에 사용될 수 있는 유망한 청정 에너지 운반체입니다. 그러나 수소 생산에는 품질과 성능에 영향을 미칠 수 있는 불순물이 포함되는 경우가 많습니다. 따라서 수소 정제는 수소 활용의 효율성과 안전성을 확보하기 위한 필수적인 단계입니다.

압력 변동 흡착
압력 변동 흡착(PSA)은 고압에서 활성탄이나 제올라이트와 같은 다공성 물질에 불순물을 선택적으로 흡착하는 수소 정화 방법으로 널리 사용됩니다. 그런 다음 압력을 낮추고 퍼지 가스로 흡착제를 플러싱하여 흡착된 불순물을 방출합니다. PSA는 고순도 및 수소 회수를 달성할 수 있지만, 높은 에너지 소비, 대형 장비 크기 및 주기적인 흡착제 재생이 필요합니다.

막 분리
막 분리는 고분자, 금속 또는 세라믹과 같은 얇고 투과성 물질을 사용하여 분자 크기, 모양 또는 친화력을 기반으로 다른 가스로부터 수소를 분리하는 수소 정제의 또 다른 일반적인 방법입니다. 막 분리는 낮은 압력이나 주변 압력 및 온도에서 작동할 수 있으므로 에너지 및 자본 비용이 절감됩니다. 그러나 막 분리는 막 오염, 분해, 선택성과 같은 문제에도 직면해 있습니다.

극저온 증류
극저온 증류는 수소와 기타 가스의 다양한 끓는점을 활용하는 수소 정제 방법입니다. 가스 혼합물을 극도로 낮은 온도로 냉각함으로써 수소는 증기로 분리되고 불순물은 액체로 응축될 수 있습니다. 극저온 증류는 특히 질소나 헬륨과 같은 불활성 가스를 제거하기 위해 매우 높은 순도와 수소 회수율을 달성할 수 있습니다. 그러나 극저온 증류에는 높은 에너지 소비, 복잡한 장비 및 안전 위험도 수반됩니다.

팔라듐 확산
팔라듐 확산은 격자 구조를 통해 수소 원자를 흡수하고 확산시킬 수 있는 팔라듐 금속의 고유한 특성을 활용하는 수소 정제 방법입니다. 얇은 팔라듐 막을 가로질러 압력이나 온도 구배를 적용함으로써 수소는 불순물을 남기고 한쪽에서 다른 쪽으로 선택적으로 이동할 수 있습니다. 팔라듐 확산은 초고순도와 수소 회수를 달성할 수 있지만 재료 비용이 높고 가용성이 제한적이며 중독 및 취성에 취약하다는 문제도 있습니다.

생물학적 방법
생물학적 방법은 박테리아, 조류 또는 곰팡이와 같은 미생물을 사용하여 수소 가스에서 불순물을 전환하거나 제거하는 수소 정화 방법으로 떠오르고 있습니다. 예를 들어, 일부 박테리아는 수소 생산의 일반적인 불순물인 일산화탄소를 성장용 기질로 사용하고 부산물로 이산화탄소와 물을 생산할 수 있습니다. 생물학적 방법은 낮은 에너지 소비, 환경적 이점 및 잠재적인 부가가치 제품을 제공할 수 있습니다. 그러나 생물학적 방법은 낮은 효율성, 확장성 및 안정성과 같은 문제에도 직면해 있습니다.

연구자들은 처음으로 기존의 수냉식 수성 가스 전환 원자로의 출구 흐름에서 수소의 98.8%를 회수했는데, 이는 지금까지 기록된 것 중 가장 높은 수치입니다.

전통적인 수소 분리 방법에서는 수성 가스 전환 반응기가 사용되므로 추가 단계가 필요합니다. 수성가스 전환 반응기에서는 일산화탄소가 먼저 이산화탄소로 전환된 후 흡수 공정을 통해 수소와 이산화탄소가 분리됩니다. 정제된 수소를 즉시 사용하거나 보관하기 위해 압축기를 사용하여 가압합니다.

이산화탄소 및 일산화탄소와 같은 다른 가스 분자로부터 수소를 빠르고 경제적으로 분리하려면 고온 양성자 선택성 고분자 전해질막(PEM)을 사용하는 것이 필요합니다. 또한 다른 고온 PEM형 전기화학 펌프보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있어 다른 가스로부터 수소를 분리하는 능력이 향상됩니다.

수소 정제 공정
분리를 달성하기 위해 팀은 반대 전하를 가진 전극이 "빵" 역할을 하고 막이 "델리 고기" 역할을 하는 전극 "샌드위치"를 사용했습니다. 전극 이오노머 바인더 재료는 글루텐이 빵을 서로 고정하는 것과 유사하게 전극을 서로 고정하도록 설계되었습니다.

펌프에 있는 빵 조각 또는 양전하를 띤 전극은 수소에서 양성자와 전자를 방출합니다. 양성자가 멤브레인을 통해 이동하는 동안 전자는 양전하를 띤 전극에 닿는 와이어를 통해 펌프를 통해 이동합니다. 막을 통과하여 음전하를 띤 전극에 도달한 후 양성자와 전자가 결합하여 다시 한 번 수소를 형성합니다.
PEM은 양성자만 통과시키기 때문에 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 질소 가스는 통과할 수 없습니다. 팀은 수소 펌프에 전극 입자를 함께 유지하여 제대로 작동할 수 있도록 접착성 포스폰산 이오노머 바인더를 만들었습니다.

연구원들은 천연가스 파이프라인의 수소 정화를 조사하기 위해 그들의 접근 방식과 도구를 사용할 것입니다. 이러한 수소 수송 및 저장 방법은 아직 실용화되지 않았지만 많은 가능성을 갖고 있습니다. 수소는 연료 전지나 터빈 발전기를 사용하여 태양광 및 풍력 에너지 시스템은 물론 다양한 환경 친화적 응용 분야를 지원하는 데 사용될 수 있습니다.

산업용 가스에는 다양한 수소와 함께 다량의 폐가스가 포함되어 있습니다. 수소의 분리 및 정제 역시 PSA 기술 중 가장 먼저 산업화된 분야 중 하나입니다.

가스 혼합물의 PSA 분리 원리는 압력 변화에 따라 다양한 가스 성분에 대한 흡착제의 흡착 용량이 변하는 것입니다. 유입가스 중의 불순물 성분은 고압 흡착에 의해 제거되며, 이러한 불순물은 감압 및 온도 상승에 의해 탈착됩니다. 불순물을 제거하고 순수한 성분을 추출하는 목적은 압력과 온도의 변화를 통해 달성됩니다.

PSA 수소 생산은 JZ-512H 분자체 흡착제를 사용하여 풍부한 수소를 분리하여 수소를 생성하며, 이는 흡착층의 압력 변화를 통해 완료됩니다. 수소는 흡착하기가 매우 어렵기 때문에 다른 가스(불순물이라고 할 수 있음)는 흡착하기 쉽거나 쉽기 때문에 처리 가스의 입구 압력에 가까울 때 수소가 풍부한 가스가 생성됩니다. 탈착(재생) 과정에서 불순물이 방출되며, 점차적으로 탈착압력까지 압력이 감소합니다.
흡착탑은 흡착과 가압의 과정을 교대로 수행합니다. 지속적인 수소 생산을 달성하기 위한 균등화 및 탈착. 풍부한 수소는 특정 압력 하에서 시스템에 들어갑니다. 풍부한 수소는 특수 흡착제가 채워진 흡착탑을 아래에서 위로 통과합니다. Co/CH4/N2는 강력한 흡착성분으로 흡착제 표면에 보유되고, H2는 흡착성분으로 베드에 침투합니다. 흡착탑 상단에서 포집된 생성물 수소는 경계 밖으로 배출됩니다. 베드의 흡착제가 CO/CH4/N2로 포화되면 풍부한 수소가 다른 흡착탑으로 전환됩니다. 흡착 탈착 과정에서 흡착탑에는 제품 수소의 일정 압력이 여전히 남아 있습니다.

순수 수소의 이 부분은 방금 탈착된 다른 압력 균압 타워를 균압하고 세척하는 데 사용됩니다. 이는 흡착탑에 남아있는 수소를 활용할 뿐만 아니라 흡착탑의 압력 상승 속도를 늦추고, 흡착탑의 피로도를 늦추어 수소 분리의 목적을 효과적으로 달성하게 됩니다.

수소 가스는 다양한 공정에서 생산되며 일반적으로 불순한 형태로 생산됩니다. 일반적인 공정에는 메탄 수증기 개질에 의한 화학적 합성, 부산물로 수소 가스가 생성되는 스티렌 또는 에틸렌 공장의 배출 가스 처리, 수소화분해 또는 탈황과 같은 석유화학 응용 분야가 포함됩니다. 수소를 이용하기 위해서는 정제된 수소가스를 생성하는 정제과정이 필요합니다. 수소 압력 변동 흡착(H2PSA)은 수소의 휘발성과 제올라이트에 대한 전반적인 극성 및 친화력 부족을 활용하여 오염된 가스 흐름을 정화하는 공정입니다.

수소 생성에는 일반적으로 제거해야 하는 오염물질이나 부산물이 생성됩니다. 여기에는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 물 및 미반응 탄화수소와 같은 화합물이 포함됩니다. 수소 PSA는 이러한 구성 요소의 우선적 흡착을 활용하여 수소 흐름에서 해당 구성 요소를 제거하여 정제된 수소를 생성합니다.

전통적으로 수소 PSA는 다중 체층을 활용하며 흡착 단계, 감압 단계, 재생 단계 및 재가압 단계의 4개 단계로 구성됩니다. 이 과정에서, 불순한 수소 흐름은 체층으로 전달되며, 여기서 불순물은 압력 하에서 분자체에 선택적으로 흡착됩니다. 흡착 단계가 완료된 후 불순물의 친화력을 감소시켜 불순물을 폐기할 수 있도록 베드를 감압함으로써 재생이 이루어집니다.

순수한 수소로 퍼징하여 남아 있는 오염 물질을 제거함으로써 층을 추가로 정화할 수 있습니다. 흡착 과정을 반복하기 위해 베드에 다시 압력이 가해집니다. 침대는 연속적인 수소 생성을 위해 동기화되어 작동합니다.

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