플레이트형 수소제조장치는 2000년에 천연가스의 고부가가치화를 위한 방안으로서 한국가스공사, (주)경동도시가스 그리고 한국화학연구원과 공동으로 수행했던 ‘천연가스로부터 수소제조연구’라는 프로젝트를 통하여 개발된 것이다.
그 당시에는 소형 수소제조장치에 대한 필요성이 그리 중요하게 대두되지 않았지만 천연가스의 고부가가치화를 위해서 천연가스로부터 수소를 제조하는 것에 대한 필요성이 있었고 또한 연료전지의 상업화 시점이 2005년 정도로 보고 있는 상황에서 연료전지에 수소를 공급해 줄 수 있는 소형 수소제조장치 개발이 반드시 필요할 것이라고 판단을 했었다.
또한 현지 설치형 수소제조장치가 개발될 경우 수소를 연속적으로 필요로 하는 산업체의 기존 수요를 대체할 수 있을 뿐만 아니라 앞으로 수소자동차 등 수소시대가 도래할 경우 수소스테이션을 위한 기반기술을 확보할 수 있을 것으로 판단했다.
현재 사용되고 있는 수소 중 반 정도는 천연가스 혹은 탄화수소의 개질에 의해 얻어지고 있으며, 그 외 석탄 가스화, 전기분해방법 등이 사용되고 있다.
탄화수소의 개질방법 중 수증기 개질방법은 현재 상업적으로 가장 많이 이용하고 있는 방법으로 탄화수소와 고온의 증기기를 촉매 상에서 반응시켜 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 얻는 방법이다.
이외에도 탄화수소에 공기 또는 산소를 이론연소 공기량 이하로 공급하여 촉매 상에서 반응시키는 촉매 부분산화방법과 수증기 개질반응과 부분산화반응을 조합한 오토써멀 개질방법 등이 있으며 열 또는 플라즈마를 이용하여 메탄 등을 직접 분해하여 수소를 얻는 방법도 있다.
가정용 연료전지의 개발은 소형 수소제조장치에 대한 개발을 요구하고 있을 뿐만 아니라 수소자동차 보급에 대한 전망은 현지 설치가 가능한 소형 수소제조장치의 개발을 필요로 하고 있다.
이에 따라 수소제조장치의 공통적인 연구개발 방향으로 연료전지 시스템에 적합한 소형 컴팩트형 시스템과 수소자동차용 수소스테이션이나 산업체에서의 용도에 적합한 현지설치형 시스템으로 개발이 이루어지고 있다.
이 외에도 특수한 용도에 이용이 가능한 전기분해 방식을 이용하는 수소제조장치에 대한 보급이 확대되고 있는 실정이다.
보통의 수증기 개질반응공정에는 탈황반응기, 개질반응기, 고온 및 저온 전환반응기 그리고 스팀을 공급해 주기 위한 스팀발생기와 열교환기 등으로 구성된다.
따라서 초기에는 원통형 개질반응기 주위에 전환반응기들을 배치한 통합형 반응기 구조의 수소제조장치를 고안하였고 이를 바탕으로 열 이용효율을 보다 높일 수 있는 플레이트형 반응기 적층구조를 가지는 플레이트형 수소제조장치를 개발하게 됐다.
플레이트형 반응기 적층구조는 반응에 필요한 온도 순서대로 반응기를 배치하여 버너에서 발생되는 연소열을 온도대별로 효과적으로 이용하면서 각각의 반응기들이 가열 및 예열할 수 있도록 하는 원리를 이용한 것이다.
이러한 적층구조를 통하여 열의 자연스러운 흐름을 이용함으로써 에너지 이용효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 반응기의 예열에 별도의 에너지원이 필요치 않아 열효율이 높고 시스템이 단순화될 수 있다.
뿐만 아니라 수증기 개질장치의 컴팩트화와 소형화가 가능하여 현지 설치형 수소 제조장치로서의 장점을 가질 수 있다.
기존의 수증기 개질장치는 분산형 반응기 시스템으로 되어 있기 때문에 장치가 복잡하고 열손실이 많을 뿐만 아니라 소형화하는데 한계가 있었으나 플레이트형 수소제조장치는 플레이트형 반응기 통합기술을 적용하여 5 Nm3/hr 용량의 수소를 안정적으로 생산할 수 있는 컴팩트한 시스템으로 구성한 것이 가장 큰 특징이라고 할 수 있다.
에너지 흐름을 고려한 플레이트형 반응기 적층구조로 83%에 이르는 높은 에너지 이용효율과 메탄 전환율과 개질효율이 각각 98%와 58% 정도로 우수한 성능을 얻을 수 있었으며 또한 기존의 경우 3-4시간 정도 걸리는 기동시간이 1시간 이내로 단축됐다.
아울러 시스템 전력용량은 1.1kW정도로 작고 공기 냉각방식을 적용하여 별도의 냉각수설비를 없앰으로써 현지 설치형으로서의 장점을 살렸을 뿐 아니라 유틸리티 설비로 인한 공사비 및 운전비 절감이 가능토록 한 것이 특징이다.
모듈화된 반응기 시스템 구조는 정비가 간단하고 제작기간 및 제작비용을 줄일 수 있는 장점이 있으며 평판형 버너의 적용으로 NOx등 환경오염물질을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
최근 미국은 에너지안보와 환경보호를 위해 수소개발의 필요성을 강조하고 수소경제로의 진입을 시도하고 있다.
이에 따라 2020년까지 수소연료전지 자동차의 가격경쟁력 확보를 주요목표로 하고 있으며 우리나라에서도 산자부가 연료전지 분야를 10대 차세대 성장동력 산업의 하나로 선정하여 2011년까지 총 4700억원을 투자하여 수소 연료전지 기술개발에 박차를 가하고 있다.
수소 연료전지 자동차가 기존 자동차와의 경쟁력을 확보하기 위해서는 수소충전 인프라를 구축하는 것이 필요하며 이를 위해서 수소를 저렴하게 제조할 수 있는 방안이 필요하다.
이번 가스공사에서 독자적으로 개발한 컴팩트형 수소제조장치기술은 국내 수소제조장치관련 기술력을 높이는 기회가 될 것이며 앞으로 연료전지 상업화뿐만 아니라 수소 충전소 개발에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
