현장 수소 충전소 - FCEV 수소 체크

현장 수소 스테이션

Hydrogen Quality Check for FCV

-미량 가스 모니터 GA-370 -

소개

최근 환경 문제가 주요 사회적 관심사로 떠오르면서 수소는 새로운 에너지원으로 관심을 끌고 있으며, 앞으로 그 활용이 확대될 것으로 예상됩니다.

With this trend, the hydrogen fueling stations for fuel-cell vehicle is witnessing a dramatic acceleration in growth. Currently, most hydrogen fuels are natural gas derived and ISO-14687 defines the quality standard of hydrogen for FCV. Hydrogen quality is vital for the performance and lifetime of hydrogen fuel cell, even trace level contamination is critical and may reduce the performance, lead to deterioration and damage of fuel cell catalyst.

따라서 과제는 낮은 비용으로 고품질의 수소를 보장하는 데 초점을 맞춥니다. 더 많은 양과 더 낮은 비용으로 더 높은 순도의 수소를 생산하기 위해 생산 공정 기술을 발전시키고 전체 생산 공정을 모니터링하고 공정에 사용된 촉매와 재료를 분석하여 흡착 및 재생 성능을 개선해야 할 지속적인 필요성이 있습니다. 수소 생산 기술 중에서 증기 개질은 대량의 수소를 생산하는 가장 효율적인 방법으로 널리 사용됩니다.

이 기술은 일반적으로 도시가스를 사용하여 고순도 수소로 개질합니다. 개질 과정에서 불순물 열이 고순도 수소와 함께 생성되므로 압력 변동 흡수 장치 이후 중요한 불순물을 지속적으로 모니터링하여 최종 제품인 연료 전지 등급 수소로 침투하는 것을 방지하고 수소 연료 전지 차량의 성능 저하를 방지하는 것이 매우 중요합니다.

표 1: ISO14687 수소 연료 품질 표준

프로세스 개요

아래 '그림 1'은 현장 수소충전소의 기본 운영의 5가지 핵심 단계를 보여줍니다.

1단계: 도시가스(주로 메탄으로 구성된 천연가스)가 수소충전소 트로프 파이프라인에 직접 공급됩니다.

2단계: 천연 가스의 황 화합물이 탈황 장치에서 제거됩니다.

3단계: 처리된 천연 가스는 고온 증기를 사용하여 메탄을 수소와 일산화탄소로 변환하는 증기 메탄 개질기(SMR)로 들어갑니다(CH₄+H2O = CO+3H₂). 고온은 메탄과 물 사이의 반응을 가속화하여 가능한 한 많은 수소를 포집합니다.

4단계: 개질로 인한 일산화탄소와 증기는 이산화탄소와 더 많은 수소를 생성하기 위해 CO 시프트 변환기로 이동합니다.
(CO+H₂O = H2+CO₂).
이 변환기는 물과 철-크롬 기반 촉매로 채워져 있어 증기가 유입 산소와 수소를 분해합니다. 수소는 산소가 개질 반응에서 일산화탄소에 부착되어 이산화탄소를 생성하는 동안 포집됩니다.

5단계: 수소는 압력 스윙 흡착(PSA)이라는 장치에서 최종적으로 정제되며, 이는 고압에서 고순도 수소를 회수하면서 저압에서 불순물을 흡수합니다. 이 장치는 수소 스트림에서 불순물을 분리하기 위해 탄소 분자체와 같은 고체 흡수제 베드를 사용합니다.

그림 1: 현장 수소충전소 기본 운영

압력 변동 흡착에서 CO를 측정하는 이유

CO는 수소 연료 전지에서 가장 원치 않는 불순물 중 하나로, 제거하기 어렵고 촉매 중독을 일으켜 연료 전지의 전압 강하로 이어질 수 있습니다. ISO-14687 수소 품질 기준(표 2 참조: ISO14687-3: 2019)에는 매우 낮은 농도로 모니터링해야 하는 불순물이 많지만, 모든 불순물 성분을 모니터링하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다.

해결책으로 ISO 규격에 규정된 "카나리아 불순물 방법"(표 3 참조: 카나리아 불순물 관리 방법)이라는 불순물 관리 방법이 있습니다. 이는 수소 정제 단계에서 가장 적게 제거되고 제품에 쉽게 혼합되는 성분을 지표로 사용하는 방법입니다. 수소의 불순물인 CO를 카나리아 성분으로 결정하고 연속적 적외선 분석기로 CO 농도를 지표로 지속적으로 모니터링하여 수소의 품질을 유지합니다. CO가 가장 적게 제거되는 성분인 이유는 PSA에서 돌파 성분으로 표시되기 때문입니다. 압력 변동 흡착(PSA)에서 흡수제가 열화되어 포화 상태에 도달하면 CO가 먼저 나옵니다.

HORIBA의 미량 가스 모니터 (GA-370)는 합리적인 비용으로 수소의 연료 전지 등급 품질을 보장하기 위해 돌파 성분인 CO를 모니터링하는 데 사용됩니다. 일산화탄소는 압력 변동 흡착 출구에서 확인해야 합니다.

표 2: ISO14687-3: 2019

표 3: 카나리아 불순물 관리 방법

참고 문헌：JXTG 기술 리뷰 Vol.60 No.01(2018년 3월)
ENEOS Hydrogen을 위한 새로운 품질 관리 방법 개발

HORIBA 분석기 구성

HORIBA의 미량 가스 모니터 GA-370(그림 2 참조)은 압력 변동 흡착(PSA) 후 CO를 10억 분의 1(ppb) 수준으로 지속적으로 모니터링하는 강력한 분석 솔루션을 제공합니다.
이 기술은 교차 변조 듀얼 빔 비분산 적외선이라는 원리를 사용하여 드리프트가 없는 측정과 미량의 오염 물질 분자를 신뢰할 수 있고 초고감도로 감지하여 연료 전지 등급의 수소 품질을 보장합니다.

HORIBA 수십 년간의 측정 솔루션 경험을 바탕으로 일상적인 교정 주기를 없애고 장기적으로 안정적인 측정과 지속적인 무인 작업을 제공할 수 있도록 이 분석기를 설계했습니다.
분석기의 모든 요소는 가장 까다로운 산업과 응용 분야의 만족을 위해 최고의 신뢰성, 정확성 및 초고감도 측정을 수행할 수 있습니다.

경제적인 비용 절감, 안정성 및 민감도가 매우 뛰어나며 스마트한 수소 품질 관리 및 품질 보증 관리를 위한 최고의 솔루션을 제공합니다.

표 4: 사양

GA-370 소개 영상

HORIBA의 미량 가스 모니터 GA-370 소개

그림 2: 미량 가스 모니터 GA-370

측정 원리

교차 변조 듀얼 빔 비분산 적외선 분석기

서로 다른 원자로 구성된 분자는 특정 파장 범위의 적외선을 흡수하는 것으로 알려져 있습니다.

비분산 적외선 분석기(Non-dispersive infrared analyzer, 이하 'NDIR')는 분자의 위의 물리적 특성을 사용하고 CO, CO₂및 / 또는 CH₄의 특정 파장에서 적외선 흡수를 측정합니다. 샘플 가스에서 농도 값의 측정을 계속합니다.

기존의 NDIR 기술은 변조 신호를 얻기 위해 두 개의 측정 셀과 회전 섹터(광학 초퍼)를 사용하는 데 사용되었습니다. 교차 변조 기술이 적용된 HORIBA 오리지널 NDIR은 하나의 측정 셀을 사용합니다. 새로운 설계의 필수 요소는 일정한 주기(예: 1 Hz)로 전환하고 샘플 가스와 기준 가스(제로 가스)를 측정 셀에 도입하는 솔레노이드 밸브입니다 또는. 이 방법을 사용하면 샘플과 기준 광학 경로 간의 구분이 제거되고 동일한 광학 경로가 샘플 및 기준 광학 경로로 번갈아 작동합니다. 따라서 검출기 출력을 변조하기 위한 광학 초퍼의 요구 사항이 제거됩니다. 샘플 가스에 CO, CO₂및/또는 CH₄가 존재하면 셀이 샘플 가스로 채워질 때 검출기에 도달하는 빛의 강도에 차이가 발생합니다. 셀이 기준 가스로 채워질 때. 이 차이로 인해 검출기의 금속 멤브레인이 앞뒤로 움직이게 되며, 이는 농도 값에 해당합니다.

이 측정 기술은 광학 초퍼나 광학 조정이 필요 없고, 드리프트 없는 측정이 가능하며, 감도를 높이고 장기 안정성을 제공합니다.

교차 변조 이중 빔 NDIR은 위에서 설명한 교차 변조와 동일한 기술이지만, 하나의 측정 셀 대신 샘플 가스와 기준 가스가 두 개의 측정 셀에 번갈아 투입됩니다(그림 3 참조). 두 개의 셀에서 신호를 획득함으로써 두 배의 신호를 가질 수 있었으며, 이는 측정의 높은 감도에 기여했습니다.

또한, 기존 NDIR에서 상당한 잡음을 발생시키는 광학 초퍼가 제거되었기 때문에 신호 대 잡음비가 상당히 향상되었습니다.

이 기술은 샘플 가스에 공존하는 다른 측정되지 않은 성분으로 인한 간섭을 최소화하기 위해 이중 검출기 시스템을 채택했습니다.
보상 검출기는 주 검출기 뒤에 위치합니다. 측정 성분 + 간섭 성분의 신호는 주 검출기에 의해 추출되고 간섭 성분의 신호는 보상 검출기에 의해 추출됩니다. 이러한 신호는 감산기에 의해 증폭되고 계산되어 대상 측정 성분의 출력만 추출됩니다. 이러한 이중 검출기 설계는 매우 정확한 측정과 ppb 수준의 정밀도를 가능하게 합니다.