KR0170929B1 - 물의 플라즈마 분해에 의해 수소 제조 방법 및 이에 사용되는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간편하고 효율적으로 물의 플라즈마 분해에 의해 수소를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것으로, 물(11)로 채워진 반응기(1), 평판형의 양극(3), 상기 양극(3)과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 표면처리된 와이어 형태의 금속 음극(2), 이 양전극에 연결된 이중 모드의 전원(4) 및 회로에 직렬로 연결된 인덕터(5)를 포함하는 수소 제조 장치를 사용하여 물을 전기 분해하여 수소를 필요시에 즉시 생산할 수 있다.

Description

물의 플라즈마 분해에 의한 수소 제조 방법 및 이에 사용되는 장치.

제1도는 전기 방전으로 물의 플라즈마 분해에 의한 수소 제조 장치의 개략도이고,

제2도는 제1도의 수소 제조 장치의 음극의 단면도이고,

제3도 (a) 및 (b)는 생성된 수소 분리 방법을 나타내는 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반응기 2 : 음극

3 : 양극 4 : 전원

5 : 인덕터

본 발명은 물의 플라즈마 분해에 의하여 필요시 즉시 수소를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다.

수소연료전지의 연료원으로 사용되는 수소는 물을 전기 분해하여 제조한 다음 다른 형태로 저장되어 사용되어 왔다. 그런데 수소기체는 폭발성이 매우 강하고 저장 밀도가 낮으며, 수소 액체는 증발 속도가 빠른 등, 경제적인 수소 저장 시스템이 아직 개발되지 않았다. 따라서 그 자체는 취급하기에 안전한 재료로부터 필요시 수소를 제공할 수 있는 방법에 대한 연구가 행해져 왔다.

수소의 제조는 대부분 메탄가스나 메탄올과 같은 탄화수소 연료를 열화학 반응을 통하여 개질하는 방법에 의존하고 있다. 이러한 개질 방법은 200℃ 이상의 온도에서 Cu-Zn과 같은 촉매의 존재하에 가능하다. 이 개질 반응의 생성물에는수소 이외에도 C0, C02 와 같은 화합물이 포함된다. 그러나 이 개질 반응은 흡열 반응이고 또한 200℃ 이상의 고온을 유지하여야 하는데, 이를 위해서는 반응기의 단열이 철저히 이루어져야 한다.

이와 같이 열화학 반응을 통한 개질 반응으로 수소를 제조하는 방법은 고온에서 진행되며 또한 흡열 반응이므로, 반응기의 단열, 생성 가스의 냉각을 위한 열교환, 가스의 공급, 압력 조정 등에 필요한 여러 보조 장치의 장착 때문에 반응기 시스템의 크기가 거대해지는 단점이 있으며, 특히 개질 반응 장치가 수송 차량에 탑재될 경우에는 이 단점이 두드러지게 된다.

필요시에 즉시 수소를 제조하는 다른 방법으로는 알루미늄과 같은 금속 원료와 물의 반응을 전기 방전에 의하여 유도하여 플라즈마 전기 분해하는 것이 있다. 금속 원료의 전기 방전에 의한 플라즈마 전기 분해 방법은 그 점화가 용이하지 않으며 일단 점화가 된다하더라도 물이 하나의 커다란 히트싱크(heat sink)로 작용하기 때문에 연소 반응이 지속되지 않는 단점이 있다. 또한 전기 화학 연소 반응 또는 플라즈마 전기 분해를 지속하기 위해서는 음극과 양극의 주변 온도가 높아야 하므로 반응기 내부의 물 전체의 온도를 높여야 하는 등 비효율적인 열처리의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 보온 장치가 되어 있는 반응기에서 수증기와 금속간의 플라즈마 전기 분해 방법을 생각할 수 있으나 와이어 형태의 금속 연료가 반응열의 열전도에 의한 열처리의 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 보온 장치가 되어 있는 반응기에서 수증기와 금속간의 플라즈마 전기 분해 방법을 생각할 수 있으나 와이어 형태의 금속 연료가 반응열의 열전도에 의하여 급격히 녹아버리는 현상으로 인하여 실용적인 방법이 되지 못한다.

또한 소모성 금속 연료를 보통 튜브같은 것으로 절연시킬 경우에는 물이 튜브 안벽과 금속 사이로 스며들어가 전기분해를 일으키므로 전기방전법의 옴 로스(ohmic loss)가 금속 끝부분에 집약되지 않는 문제점이 있다. 더욱이 방전회로의 인덕턴스 값이 크지 않기 때문에 전기방전이 소멸될 때 이를 회복시키려는 힘이 미약한 단점이 있다.

이에 본 발명의 목적은 간편하고 용이하게 물의 플라즈마 분해에 의해 수소를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 전기분해를 수행하기 위한 금속 와이어로 된 음극(2)으로서 평판형의 양극(3)과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 코팅된 음극(2)을 구비하고 있고, 상기 전극들(2,3) 사이가 물로 충만된 반응기(1)의 내부 온도와 수소 분압을 감지하는 단계; 상기 감지 신호에 따라 음극(2)의 진입 속도를 조절하면서 상기 반응기(1)내로 진입시키는 단계; 상기 감지 신호에 따라 전력을 조절하여 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 전압을 인가하는 단계; 및 생성된 수소를 분리하는 단계를 포함하는 물의 플라즈마 분해하여 수소를 제조하는 방법을 제공한다.

또한 본 발명에서는 물(11)로 채워진 반응기(1), 평판형의 양극(3), 상기 양극(3)과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 표면처리된 와이어 형태의 금속 음극(2), 이 양 전극에 연결된 이중 모드의 전원(4) 및 회로에 직렬로 연결된 인덕터(5)를 포함하는 수소 제조 장치를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 물로 채워진 반응기 내부에 위치한 소모성 금속 연료 전극과 그 주변의 물과의 전기 방전에 의하여 점화된 전기 화학 연소 반응으로 수소를 제조하게 된다. 즉, 반응기 내부에 위치한 금속 와이어로 된 음극의 표면을 평판형의 양극과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 코팅하고 상기 음극과 양극 사이를 물로 충만시킨 후 전압을 인가하여 수소를 제조하게 된다.

절연체로 표면처리된 와이어 형태의 금속 음극은 와이어의 끝부분에서만 전기 방전이 일어나 물의 전기분해를 촉진하게 된다.

본 발명의 수소 제조 방법에 사용되는 장치는 제1도에 나타낸 바와 같이 물로 채워진 반응기(1)에 절연체로 표면처리된 음극(2)이 위치하고 이에 대치하여 평판 양극(3)이 위치해 있다. 고전압/저전류와 저전압/고전류의 두가지 모드를 가진 전원(4)은 이들 두 전극을 통한 전기 방전을 유도하는 전원으로 사용된다. 전원은 방전 초기에는 전압을 100V-10kV로 상승시키고 일단 점화가 되면 전압을 10V-100V로 유지한다. 이 방전 회로에는 수 헨리의 인덕터가 직렬로 연결되어 있다.

음극(2)으로 사용되는 소모성 금속 와이어는 Al, Mg, Ti, Fe 등의 금속으로 직경 0.2-5mm의 것이 바람직하다. 금속 와이어는 제2도에 나타낸 바와 같이 절연체로 표면처리되며, 전기 화학적 방법 또는 화학적 방법에 의한 코팅으로 표면처리할 수 있다. 코팅물질은 와이어 재료의 산화물 형태의 것을 사용할 수 있으며 이것은 세라믹의 성질을 갖는다.

금속연료의 표면처리로 인하여 전기 방전에 의한 플라즈마 전기 분해를 휠씬 효율적으로 달성할 수 있다. 금속 와이어는 물과의 연소에 의하여 소모되므로 모터(10)에 의해 와이어 공급기(6)로 공급속도를 조절하여 반응기(1)내로 진입시키는 것이 바람직하다.

반응기(1)의 내부온도와 수소의 수소 분압은 컨트롤러(7)로 피드-인(feed-in) 되어 와이어의 진입속도와 전력을 조절할 수 있다.

양극(3)은 음극(2)과 2-5mm 정도 떨어진 거리에 위치하며 Al, Ni 또는 카본 재질의 평판을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 장치를 이용하여 수소를 제조하기 위해서는 먼저 반응기(1)에 채워진 물을 50℃ 이상으로 가열시킨다. 1μH-100 H의 인덕터(5)가 들어 있는 전기 회로에서 음극(2)과 양극(3)간의 방전을 전원의 전압을 1kV-10kV로 올려서 유도시킨다. 이때 음극(2)인 금속 와이어가 물 내부에서 점화되면 전원(4)의 전압을 500V 이하로 강하시키고 전류를 500mA 이상으로 올린다. 이때 금속 와이어는 물과의 연소에 의하여 소멸되므로 와이어 공급기(6)를 통하여 일정한 속도로 반응기로 진입시킨다.

본 발명의 수소 제조 방법 및 이에 따른 장치로 제조된 수소는 수증기와 함께 냉각 튜브(9)를 통과하면서 과포화 수증기가 제거되며, 제3도에 나타낸 바와 같이 Pd, Pd/Ag 막을 이용한 각 기체간의 압력차를 통하여 (제3도(a)), 또는 전기화학 전압차에 의하여 (제3도(b)) 수소만 분리한 다음 수소 수집 용기(8)에 수집할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

단, 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.

반응기(1)에 채워진 물을 70℃로 가열시켰다. 5H의 인덕터(5)가 들어있는 전기 회로에서 전원의 전압을 5kV로 올려 점화시켰다. 점화가 된후 300V 이하로 떨어뜨리고 전류는 500mA로 올려 반응을 진행시켰다. 금속 와이어 음극(2)은 와이어 공급기로 일정한 속도로 공급하였다. 반응 생성물로부터 산소 및 수증기를 제거하여 수소를 분리해냈다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면 수소를 아주 간편하고 안정한 방법으로 제조할 수 있다. 이중 모드 전원 및 인덕터의 사용을 통하여 전력을 절약하고 플라즈마 전기 분해를 용이하게 하며 또한 금속 원료의 표면처리를 통하여 전기 방전에 의하 플라즈마 전기 분해를 효율적으로 달성시킨다.

Claims (7)

1. 전기분해를 수행하기 위한 금속 와이어로 된 음극(2)으로서 평판형의 양극(3)과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 코팅된 음극(2)을 구비하고 있고, 상기 전극들(2,3) 사이가 물로 충만된 반응기(1)의 내부 온도와 수소 분압을 감지하는 단계; 상기 감지 신호에 따라 음극(2)의 진입 속도를 조절하면서 상기 반응기(1) 내로 진입시키는 단계; 상기 감지 신호에 따라 전력을 조절하여 상기 음극(2)과 양극(3) 사이에 전압을 인가하는 단계; 및 생성된 수로를 분리하는 단계를 포함하는 물을 플라즈마 분해하여 수소를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 음극(2) 표면의 절연체는 상기 음극(2)을 구성하는 물질의 산화물인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 반응기(1)의 내부 온도값과 수소 분압값이 컨트롤러(7)로 입력되도록 하고, 이들 값에 따라 상기 컨트롤러(7)가 상기 음극(2)이 공급되는 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 방전을 유도하기 위하여 상기 음극(2)과 양극(3)사이에 전압을 1-6V로 올려 상기 음극(2)이 점화되도록 하고, 점화가 되면 상기 전압을 100-500V로 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 물(11)로 채워진 반응기(1), 평판형의 양극(3), 상기 양극(3)과 대면하고 있는 단부를 제외하고는 절연체로 표면처리된 와이어 형태의 금속 음극(2), 이 양 전극에 연결된 이중 모드의 전원(4) 및 회로에 직렬로 연결된 인덕터(5)를 포함하는 수소 제조 장치.
6. 제5항에 있어서, 음극(2)는 Al, Mg, Ti 또는 Fe로 이루어진 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제5항에 있어서, 인덕터(5)는 1μH-100H인 것을 특징으로 하는 장치.