KR100640681B1

KR100640681B1 - 비점화 수소가스 보일러

Info

Publication number: KR100640681B1
Application number: KR1020060063397A
Authority: KR
Inventors: 박정태; 정남권
Original assignee: 박정태; 정남권
Priority date: 2006-07-06
Filing date: 2006-07-06
Publication date: 2006-11-01

Abstract

본 발명은 촉매를 이용하여 수소의 산화 열변환 작용으로 난방 및 온수 등에 사용할 수 있는 비점화 수소 가스보일러이다.

본 발명에 의한 비점화 수소가스 보일러는 촉매 담체로 메탈폼(Metal foams)과 세라믹폼(Ceramic foams)을 사용하여 여기에 백금(Pt)과 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 세륨(Ce) 및 바나듐(V), 레늄(Re)등을 혼성하여 2원 혹은 3원 촉매를 만들어 공기 공급과 함께 수소 가스를 열변환 촉매 장치에 공급해서 열원을 발생시켜 온수 및 난방을 한다.

이에 따라 본 발명은 열량이 크고 효율이 높으며, 점화장치를 필요로 하지 않고, 부산물의 발생을 줄여 연소시 극소량의 질소산화물(NOx)이 생성되는 것을 제외하고는 공해 물질이 전혀 배출되지 않으며, 수소의 사용은 기후 변화 원인 물질의 배출을 줄일 수 있고, 대기 오염 물질을 줄일 수 있으며, 그로인한 지구 온난화 방지에도 기여한다.

수소가스 보일러, 촉매, 비점화, 촉매 열변환장치,

Description

비점화 수소가스 보일러{Non-combustion Hydrogen Gas Boiler}

도 1은 Cell Size에 따른 기공 Size를 나타낸 사진.

도 2는 카본폼(Carbon foams), 세라믹폼(Ceramic foams) 및 메탈폼(Metal foams)의 Cell구조를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 연소실의 개략적인 구조를 나타낸 도면

도 4는 메탈 메쉬(Metal mesh)에 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd)등이 코팅된 사진.

도 5는 세라믹폼(Ceramic foams)의 형태에 수소 가스가 공기와 혼합 접촉하여 발열과 부산물로 물(H2O)이 생성되는 상태를 나타낸 사진

도 6은 백금(Pt) 촉매의 활성 표면적과 온도시간의 상관관계를 나타낸 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 비점화 수소가스 보일러를 나타낸 도면.

도 8과 도 9는 본 발명에 의한 수소공급부를 나타낸 도면.

도 10은 촉매 열변환 장치를 나타낸 분해 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

5: 백금촉매필터 6: 수소센서

7: 배기구 10: 수소공급부

11: 분사노즐 20: 발열실

30: 송풍기 40: 촉매 열변환장치

41: 다공성 세라믹폼 42: 메탈메쉬 촉매

50: 순환펌프

수소 에너지는 무공해 청정에너지로서 차세대 대체에너지이다. 수소에너지는 사용상 문제점으로 안정성이 제기되는데, 이는 폭발 범위가 크고, 착화가 용이하며, 무색으로 식별이 어려운 반면 확산 및 화염 속도가 크기 때문이다. 수소는 미래의 청정에너지원 가운데 하나로 연소시 극소량의 질소산화물(NOx)이 생성되는 것을 제외하고는 공해 물질이 배출되지 않으며, 직접 연소를 위한 연료 또는 연료전지 등의 연료로 사용이 간편하다. 또한 수소는 세상에서 가장 풍부한 화학원소로서 지구 표면을 덮은 바다에는 13억 7천만㎦의 물이 있고 바닷물 1kg에는 0.108g 수소가 있다. 수소를 태우면 같은 무게의 가솔린 보다 3배나 많은 에너지를 방출한다. 수소는 전기에너지와 함께 현재의 에너지 시스템을 유지할 수 있는 에너지 매개체이다.

수소는 가스나 액체로 쉽게 저장 수송할 수 있고 산업용 기초소재에서부터 일반연료, 자동차, 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 응용돼 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 에너지원으로 평가받고 있다. 수소의 에너지 시스템을 실용화하기까지는 제조, 수송, 저장, 변환, 이용 등 모든 분야에 있어서 해결해야 할 많은 화학적인 개발 문제가 있다. 수소 에너지 시스템을 개발하기 위하여 수소를 싼값으로 대량 생산할 수 있는 제조법, 경제적인 저장과 수송법, 공해 없는 연소, 연료 전지 등의 이용법이 연구 과제이며 또한 해결하지 않으면 안 되는 문제점이다. 안전성을 고려한 수소가 대량으로 값싸게 제조되어서 보급된다면 현재의 에너지 시스템에 큰 변화를 가져올 것이 확실하며 머지 않아 현재의 전력 경제에 맞먹는 수소 경제가 이루어질 것이 기대된다. 수소가 연소되거나 전기로 변환되어 산출된 물은 환경에 완전 무해하고 다시 사용될 수 있으며, 수소의 사용은 기후변화의 원인 물질의 배출을 줄일 수 있고 대기오염 물질을 줄일 수 있으며 지구 온난화 방지에도 기여한다. 또한 지속적인 에너지 공급이 가능하고 전력과는 달리 저장이 용이하다.

수소에너지가 지금까지 우주로케트의 연료나 특정 화학공업분야에만 사용되어온 것은 그 생산비용이 아주 높고 또한 수송과 저장기술이 실용화되어 있지 않기 때문이다. 그러나 자원의 지역적인 제한이 없고, 공해가 없고, 단위질량 당 발열량이 아주 크기 때문에 21세기의 중요 에너지원이 되리라는 전망이 지배적이다. 미국의 경우 우주개발, 군사용 등 특수분야에 실용화 기술을 확보해 놓고 있다. 일본은 새롭게 추진되고 있는 뉴선샤인 계획을 통해 지속적으로 연구를 수행해 오고 있으며 WE-NET 프로그램 등으로 관련연구의 국제화도 추진하고 있다. 독일의 경우 최근 대체전원으로부터 수소의 제조와 저장, 그리고 이를 연료전지, 수소보일러, 수소자동차 등에 이용하는 수소에너지 시스템기술 실증플랜트를 설치, 운용하는 등 수소에너지 시대에 대비하고 있다. 우리나라의 경우 80년대부터 관련기초연구에 착수, 현재 대안에너지 기술개발사업 및 에너지기술연구소 등의 중장기 계획에 따른 연구가 수행되고 있다. 한국에너지기술연구소에서는 차세대 대체에너지 기술개발 사업의 하나로 수소에너지기술을 상용화 단계로 끌어올리기 위한 기초연구 강화에 힘을 쏟고 있다. 우리의 수소에너지 기술개발 수준은 선진국의 20%선에 머물고 있지만 선진국 역시 아직 개발초기 단계인 만큼 앞으로 지속적인 투자가 뒤따른다면 빠른 시일 내에 기술격차를 줄일 수 있을 것이다. 현재 수소의 사용은 주로 항공 우주 부문에서 사용되어지고 있으며, 수소의 다양한 유용성과 이점으로 인해 에너지 분야에서 수소의 사용은 점차 확대되어 질 것으로 보인다. 수소는 연료전지의 연료로 사용되고 또한 난방 등 열원이 필요한 소각로, 귀금속 세공, 반도체 공정 및 식품 가공처리 등 여러 목적으로 사용되어지고 있다. 대한민국 특허 제 2002-0025363 및 등록실용신안공보 공고번호 20-0182683등 여러 종류의 특허 및 실용신안 등은 브라운 가스를 이용한 보일러에 관한 내용이다. 브라운 가스는 수소와 산소가 부피비 2:1로 혼합된 혼합가스이다. 이러한 혼합 가스는 폭명기로서 매우 위험하다. 또한 점화 및 소화 시 아주 강한 폭음이 발생한다. 수소와 산소의 혼합 가스는 연소 시 역화 폭발을 방지해야 하기 때문에 역화 방지 장치가 필수적이다. 수소의 연소열은 고위 발열 시 33,890kcal/kg이며, 저위 발열시 28,670kcal/kg이다. 그러나 브라운 가스는 수소와 산소비가 2:1이므로 혼합 가스 1000ℓ에 수소는 약 66.7%이므로 약 667ℓ가 수소이다. 수소(H₂)는 표준상태(0℃, 1기압)에서 1몰의 무게가 2g이며, 이때 부피는 22.4ℓ이다. 이러한 기초적인 관계식에 의해 수소 1kg의 부피는 표준상태에서 11,200ℓ가 된다. 브라운 가스는 같은 부피에서 수소만 약 7,500ℓ정도이다. 같은 조건에서 브라운 가스와 순수 수소가스를 공급해서 연소한다고 할 때 브라운 가스보다 수소가스의 열량이 상대적으로 크다. 또한, 브라운 가스 사용 시 부산물로는 질소 산화물(NOx)이 발생하게 되는 문제점이 있다.

한편, 도시가스(LNG) 및 프로판 가스(LPG)는 기존 보일러에서 사용 시 항상 점화가 필요하므로 점화장치가 필수적이다. 이러한 점화장치는 잦은 점화나 이물질 발생으로 인한 고장이 빈번하게 발생되는 문제점이 있다. 또한, 점화가 필요한 가스보일러는 필수적으로 연소실이 있어야 한다. 아울러, 도시가스나 프로판 가스는 질소 산화물(NOx)과 이산화탄소(CO₂) 및 그 외 연소 가스가 발생하게 되므로 환경오염을 일으키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 열량이 크고 효율이 높으며, 점화장치를 필요로 하지 않는 비점화 수소가스 보일러를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 부산물의 발생을 줄여 환경오염을 일으키지 않는 비점화 수소가스 보일러를 제공하는 것이다.

본 발명의 비점화 수소가스 보일러는 본체 내부에 구비된 발열실 내부에 구비되고 다수의 분사노즐이 구비되는 수소공급부; 상기 본체의 하부에 구비된 급기구를 통하여 상기 본체 외부의 공기를 상기 발열실 내부로 송풍하는 송풍기; 상기 수소공급부의 상부에 구비되고 삼차원 구조물로 된 촉매담체로 이루어져 전이금속 또는 이들 전이금속의 조합으로부터 선택된 촉매가 코팅되며 상기 수소공급부에서 분사된 수소와 상기 송풍기에서 송풍된 공기가 접촉되어 비점화 연소되어 발열되는 촉매 열변환장치; 상기 본체 내부에 구비되며 상기 발열실로부터 가열된 온수를 순환시키는 순환펌프; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 전이금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 로듐(Rh), 세륨(Ce), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)으로부터 선택되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 촉매 열변환장치는 교체가능하도록 착탈가능한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 상기 촉매담체는 세라믹 폼(CERAMIC FOAM), 메탈릭 폼(METALLIC FOAM), 카본 폼(CARBON FOAM)으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 된 구조로 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 촉매담체의 하부 또는 상하부에 전이금속으로 코팅된 메탈 메쉬(METAL MESH)가 적층된 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 분사노즐은 수소가스를 상기 촉매 열변환장치의 하부에 전체적으로 분사되도록 일정형상으로 된 메쉬형태로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기 발열실로부터 발생된 열에 의해 발생되어 배출되는 저농 도의 질소산화물을 필터링하여 본체 외부로 배출시키는 촉매필터가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 발열실로부터 산화반응되지 않고 배출되는 수소 가스를 감지하는 수소센서가 배기구 측에 더 구비된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 수소 가스의 촉매 산화 작용의 열 발생에 의한 보일러의 냉수가 순환 펌프에 의해 방열판의 관을 순환하면서 온수를 공급하는 방법이다. 이때 수소가 산화하여 열을 발생한다. 이것은 기존의 도시가스나 프로판 가스를 연료로 사용할 때와는 완전히 다른 방법이며, 배기가스는 단지 열에 의한 저농도의 질소 산화물(NOx)이 0.1ppm이하로 배출되게 된다. 따라서 수소 가스를 촉매의 산화 방법에 의한 비점화 연소를 할 때는 점화 연소보다 아주 낮은 농도의 질소 산화물(NOx)이 발생하므로 환경 기준치보다 현저히 낮다. 또한 기존 보일러와는 달리 이산화탄소 및 황산화물(SOx)등이 전혀 발생하지 않아 수소 가스를 연료로 한 비점화 촉매 방식의 보일러는 친환경적이고 대체에너지 활용 기술로 매우 적합하다.

본 발명에서 중요한 것은 비점화용 촉매 담체와 촉매의 사용이다. 이때 사용되는 촉매는 백금(Pt)과 팔라듐(Pd) 및 레늄(Re), 세륨(Ce), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir) 등이 적절히 조합된 2원 혹은 3원 촉매를 사용한다. 또한 촉매 담체는 대한민국 특허 제 10-0585400호에 사용된 촉매와 혼용하여서 사용되어도 무방하다. 추가적으로 여기서 사용되는 담체는 세라믹 폼(CERAMIC FOAM), 메탈 메 쉬(METAL MESH), 메탈릭 폼(METALLIC FOAM), 세라믹 하니컴(CERAMIC HONEYCOMB), 메탈 하니컴(METAL HONEYCOMB) 및 카본 폼(CARBON FOAM)이 사용될 수 있으며, 상기 담체에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 로듐(Rh), 세륨(Ce), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 등의 전이금속을 적절히 혼합하여 비점화 촉매로 사용한다.

(실시예)

촉매 담체인 세라믹폼(Ceramic foams), 메탈폼(Metal foams) 및 카본폼(Carbon foams)은 도 1에서와 같이 Cell Size(ppi = pore per inch)에 따른 기공 Size를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 연소실의 개략적인 구조를 나타낸 도면이다. 전술한 각각의 Cell을 공기 공급 송풍기에 의한 공기 유량과 보일러의 열원부의 방식에 따라서 Cell Size를 선정하여 사용하게 된다. 담체에 촉매를 코팅하여 내구성 및 발열성에 따라 도 3과 같은 구조로 제작하였다.

또한 이때 비점화 발열부에서 촉매 열변환 장치는 메탈메쉬에 촉매를 코팅한 것과 같이 혼성해서 사용한다. 도 4는 메탈 메쉬(Metal mesh)에 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 등이 코팅된 것이다.

표 1은 이때 사용한 메탈 메쉬의 Specifications을 나타낸 것이고, 메탈 메쉬의 조성은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 크롬(Cr)의 합금으로 되어 있다.

	Mesh #1	Mesh #2
Dimension	300 x 300㎜
Mesh #	ㅨ0.14㎜	ㅨ0.10㎜
Opening Dimension	0.18㎜	0.15㎜
Number of Wire(X)	944	1181
Number of Wire(Y)	944	1181
Wire Pitch	0.318㎜	0.254㎜
Surface Area of X line	1659㎠	1417㎠
Surface Area of Y line	1659㎠	1417㎠
Total Surface Area	3318㎠	2833㎠
Opening Ratio	31%	37%
Mesh Coating Surface Area	0.28㎟	0.20㎟
Mesh Volume	25.20㎤	18.00㎤
Mesh Surface Area	900.0㎠	900.0㎠
Mesh Open Pore Surface Area	280.8㎠	330.8㎠

<표 1. 메탈 메쉬의 Specifications>

본 발명의 특징은 상기에서 서술한 바와 같이 메탈폼(Metal foams) 및 세라믹폼(Ceramic foams) 형태로 구성된 것과 메탈메쉬(Metal mesh)를 혼성하여 수소가스와 접촉되는 분사 노즐에 밀착하고 연소실 하부에서 공기를 공급하는 송풍기에서 공기 유량과 수소 가스 유량을 보일러 사용 용량에 따라 조절할 수 있게 하였다. 여기서 촉매가 코팅된 메탈폼, 세라믹폼 등과 메탈메쉬가 세라믹폼(Ceramic foams)의 상부 혹은 하부 및 상·하부에 고정시키고 일정한 유속으로 수소 가스를 통과시키면 하니컴이나 모노리스 촉매보다 일직선으로 통과하지 않고 수소가스의 공기 혼합 비율을 증대시키고 수소 가스가 촉매 열변환 장치의 일정한 두께로 통과하므로 단일층인 메탈메쉬를 통과하는 것보다 수소와 촉매의 산화 반응을 최대로 증대할 수 있다. 이러한 의미는 물질전달(Mass transfer)을 증대시키고 또한 중요한 사실은 열변환(Heat transfer)을 증가하는 효과가 있다. 따라서 도 5는 세라믹폼(Ceramic foams)의 형태에 수소 가스가 공기와 혼합 접촉하여 발열과 부산물로 물(H₂O)이 생성되는 상태를 나타낸 사진이다.

기존의 콘덴싱 보일러는 발생열매에 따른 구분으로 증기보일러와 온수보일러로 구분되고 방식에 따라서는 노통연관식, 수관식, 노통·수관 혼합식 및 관류식, 입형식 등이 있다. 폐열 회수 방식에 따라 공기 예열기 및 온수 발생장치 부착과 공기 예열기 부착으로 구분된다.

본 발명 기술의 핵심은 도 5에서와 같이 세라믹폼 혹은 메탈폼에 촉매를 코팅한 열변환 장치의 하부에서 공기 송풍과 함께 수소 가스를 공급하면 열이 발생한다. 이때 전열면적이란 물이 접촉하는 부분의 면을 말한다. 기존 도시가스(LNG)와 수소 가스를 비교하여 실시 예로서 표2에 결과를 기술하였다.

(기준 : 30평형 20,000kcal/h)

연료구분 비교사양	도시가스(LNG)	수소가스
시간당 연료 소모량	1,904ℓ/h	600ℓ/h
연소 열량	10,500kcal/LB(1,000ℓ)	34,000kcal/kg
초기 공급 물 온도	15℃	15℃
60℃도달 경과 시간	약 5분	약 5분
온수 효율 (%)	88.1%	90% 이상
개방형 배기방법	강제 급배기식	강제 급배기식
용도	난방/온수 전용	난방/온수 전용
온수 공급량 ΔT40℃	8.3ℓ/min	8.3ℓ/min
온수 출력	20,000kcal/h	20,000kcal/h

<표 2. 도시가스와 수소가스의 사양비교>

본 발명에서 가장 중요한 핵심은 촉매의 조합 구성이다. 다음과 같은 촉매들은 어떻게 구성하느냐가 내구성 및 안정성에 중요한 영향을 준다. 백금(Pt), 팔라 듐(Pd), 레늄(Re), 로듐(Rh), 세륨(Ce), 루테늄(Ru) 및 이리듐(Ir)에 비금속인 지올라이트(Zeolites) 및 산화물 형태의 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 및 하프늄(Hf) 등의 촉매를 전이 금속과 세라믹 혹은 산화물로 구분하고 여기서 백금(Pt)을 기본으로 하여 팔라듐(Pd) 및 세라믹인 지올라이트 혹은 산화물인 알루미늄 등을 혼합한 전이 금속과 비금속 및 금속 산화물의 혼성 촉매를 사용한다. 표 3은 촉매 혼성 구성을 나타낸 것이다.

세라믹 및 금속산화물 촉매조성	Zeolites	Al	Zr	Hf
Pt	○	○	○
Pd	○	○	○
Re	○	○	○
Rh	○	○	○
Ru	○	○	○
Ir	○	○	○	○
Pt+Pd	○	○	○	○
Pt+Ru	○	○	○	○
Pt+Ce	○	○	○	○
Pt+Pd+Ir	○	○	○	○
Pt+Pd+Ce	○	○	○	○

<표 3. 촉매의 혼성 구성>

도 6은 백금촉매 표면적이 250㎡/g인 것에 수소 가스를 계속적으로 공급하여 장시간 방치시 발열 온도에 따른 내구성 실험의 실시 예이다. 여기서 수소 공급량에 따라 온도가 낮을수록 담체에 코팅된 수명이 늘어나는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서는 백금(Pt) 촉매만 사용 시 장시간의 사용이 불가능하고 또한 보일러의 발열실은 온도가 800~1200℃이므로 내구성을 높이기 위해서 백금(Pt)에 팔라듐(Pd) 혹은 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir), 세륨(Ce)등을 적절히 혼합하여 2원 혹은 3원 촉매를 사용하였다. 여기에 지올라이트(Zeolites)나 알루미늄 혹은 지르코늄(Zr) 등의 담체를 혼합하여서 소성 온도를 500℃ 이상 24시간 소성한 후 사용하였다. 이렇게 하면 적어도 수소 보일러를 하루 8시간 기준으로 작동할 경우 내구성면에서 3년 정도 사용이 가능하다.

결론적으로 본 발명의 기술은 수소 가스보일러의 발열실에 비점화 촉매를 이용한 열변환 장치를 장착하고 하부에서 열변환 장치에 최대한 근접하게 일정량의 공기 공급과 수소 가스를 공급하고 수소 공급 노즐을 부착하여 난방 및 온수를 공급할 수 있게 하였다. 여기서 백금(Pt) 및 팔라듐(Pd) 촉매의 원자가 주양자수의 구조는 다음과 같다.

Pt : [Xe] 4f¹⁴5d⁹6s¹

Pd : [Kr] 4d¹⁰

백금(Pt)은 5d-궤도와 6s-궤도에 전자가 각각 하나씩 비어있는 상태이고 팔라듐은 4d-궤도가 안정되어 있다. 이러한 의미는 고체촉매에서 활성 위치가 어디인지 원자 해상도의 표면 구조를 제공한다. 촉매 표면의 특정 위치에 의해 주도되는 화학 반응을 보다 쉽게 이해할 수 있으며 이것은 전이 금속이 중재된 산화 반응의 촉매이다. 백금(Pt)은 상온에서 수소(H₂)가 2개의 안정된 전자가 백금(Pt)의 5-d와 6-s 궤도에 쉽게 결합해서 산화화학 반응을 하며 열을 낸다. 그러나 팔라듐(Pd)은 4-d궤도가 너무 안정화되어 상온에서는 수소(H₂)와 반응을 할 수 없다. 그러나 백금(Pt)에 의한 1차 반응에서 발열한 후 600℃이상에 도달하면 팔라듐(Pd)은 4-d궤도의 전자가 들뜬 상태로 전이가 되어 수소(H₂)와 쉽게 반응하여 고온으로 상승하는 효과를 볼 수 있다. 레늄(Re), 이리듐(Ir) 및 세륨(Ce)은 최외각 전자(s-궤도)보다 d-궤도가 비어 있어서 수소(H₂)와 고온에서 보다 쉽게 산화 반응을 할 수가 있다. 그러나 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 및 바나듐(V)등은 백금(Pt)과 같이 d 및 s궤도에 전자가 비어 있어서 200~600℃ 이하에서 전자의 들뜬 상태가 되기 쉽다. 이러한 특성을 활용하여서 촉매의 구성을 응용 목적에 따라 혼성하여 사용하였다.

이하, 본 발명에 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명에 따른 비점화 수소가스 보일러를 설명한다.

본 발명에 따른 비점화 수소가스 보일러를 도 7 내지 도 10에 나타내었다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 비점화 수소가스 보일러의 주요 구성은 다수의 분사노즐(11)이 구비되는 수소공급부(10); 외부 공기를 발열실(20) 내부로 송풍하는 송풍기(30); 삼차원 구조물로 된 촉매담체로 이루어져 전이금속의 촉매가 코팅되며 분사된 수소와 송풍된 공기가 접촉되어 비점화 연소되어 발열되는 촉매 열변환장치(40); 가열된 온수를 순환시키는 순환펌프(50);를 포함한다.

도 7에서 난방 시 배수관에 공기가 채워져 있을 때 공기방출 겸 퇴수밸브(1) 를 이용해서 공기를 빼준다. 분배기(2)는 난방 시 온수가 골고루 잘 분배되도록 되어있다. 보조 물탱크(3)에서 온수가 넘쳤을 때 자동 배수하도록 배수튜브(4)로 흘러 나가게 된다. 상기 발열실(20) 내부에는 촉매 열변환 장치(40)가 부착되어 있고 발열 후 안전 문제 및 상기 발열실(20)로부터 발생된 열에 의해 발생되어 배출되는 질소산화물(NOx)을 최소화하기 위해서 저농도의 질소산화물(NOx)을 필터링하여 본체 외부로 배출시키는 백금촉매필터(5) 및 반응되지 않고 배출할 수 있는 수소 가스를 감지하기 위해서 수소센서(6)를 배기구(7)안에 장착하도록 하는 것이 바람직하다.

순환 펌프(50)는 온수를 난방출구(51)와 난방환수구(52)로 순환할 수 있도록 작동하는 펌프이다. 냉각수는 직수입구(61)로 공급되어서 급탕흐름스위치(62)를 통과한 다음 발열실(20)로 공급된다. 발열실(20)에서 냉각수가 비점화 촉매 열변환 장치(40)에 의해 온수(60~80℃)로 변환되어 순환펌프(50)에 통해 난방온수로 공급되거나 급탕출구(63)로 흘러서 온수로 사용할 수 있다. 수소가스는 수소입구(12)에 공급되어 자동으로 가스밸브(13)를 통해서 발열실(20)의 촉매 열변환 장치(40)에 공급되어진다. 급기구(31)는 외부 공기를 흡입해서 송풍기(30)로 공급한다. 도 8, 도 9는 수소가스 공급장치 및 수소가스 노즐을 나타낸 것이다. 수소가스 공급장치는 도 7의 발열실(20)안에 장착되어져 있다. 이때, 분사노즐(11)은 수소가스를 상기 촉매 열변환장치(40)의 하부에 전체적으로 분사되도록 일정형상으로 된 메쉬형태로 배치되는 것이 바람직하다.

도 9의 수소가스 공급장치의 하단부에서 송풍기(30)에 의해 공기가 발열 실(20)로 유입된다. 이때 가장 중요한 것은 수소 가스보일러를 초기 작동 시 송풍기(30)에서 맨 처음 공기가 발열실(20)로 공급되며 보일러 작동을 중지해도 수 분간 송풍기(30)는 작동되어 진다. 이러한 이유는 잔류 수소가스를 제거하고 발열실(20)의 온도를 냉각해 주어야 하기 때문이다.

일반적으로 수소 가스를 점화 후 연소하여 사용 시에는 수소의 연소열량(약 34,000kcal)이 정해져 있어서 수소량에 따라 열량이 결정되어진다. 그러나 본 발명의 특징적인 작용은 촉매 열변환 장치(40)에서 비점화로 사용하며, 수소가스가 촉매 열변환 장치(40)에서는 비점화면서 수소가스가 촉매 열변환장치(40)에 접촉하는 순간부터 발열하기 시작해서 수 분후에 발열실(20) 내부 온도가 800~1200℃에 도달한다. 이때 실시 예로서 약 30평인 크기를 난방 시 도시가스(LNG)는 시간당 1500~2000ℓ의 가스를 사용해야 하나, 촉매 열변환 장치(40)를 이용한 수소 가스보일러는 시간당 500~700ℓ의 수소 가스면 된다. 촉매 열변환 장치(40)를 사용하면 약 3배 이상 연료절감 효과가 있다.

도 4에 도시된 촉매 열변환 장치는 다공성 메탈폼 또는 다공성 세라믹폼(41)에 2원 혹은 3원 촉매가 코팅되어 있다.

메탈폼(Metal foams)이나 세라믹폼(Ceramic foams)은 촉매 열변환 장치(40)에서 수소 가스가 공급될 때 메탈메쉬(Metal mesh)보다 열보존과 고온으로 발열하는 작용을 한다. 또, 본 발명의 촉매 열변환장치(40)는 조밀하여 수소가 잘 통과되지 않는 메탈폼(Metal foams), 세라믹폼(Ceramic foams) 또는 카본폼(Carbon foams)을 사용하게 됨으로써 수소가 통과하는 메탈 하니컴(Metal Honeycomb)이나 세라믹 하니컴(Ceramic Honeycomb)에 비해 산화작용이 더욱 촉진되게 됨에 따라 수소가스가 완전히 산화되게 되므로 열효율이 좋게 된다. 아울러, 본 발명은 메탈폼(Metal foams), 세라믹폼(Ceramic foams)또는 카본폼(Carbon foams)을 사용하여 열효율을 높임과 동시에 메탈폼의 상부 또는 상하부에 메탈메쉬 촉매(42)를 적층하여 전체의 촉매 열변환 장치(40)가 구성할 수 있다. 여기서 상부 혹은 하부의 메탈메쉬 촉매(42)를 같이 사용할 수도 있고, 상부 혹은 하부의 메탈메쉬 촉매(42)를 각각 상부 혹은 하부만 조합해서 사용할 수도 있다. 이렇게 되면 수소가스의 산화작용을 더욱 촉진시킬 수 있게 되어 수소가스의 완전산화를 이룰 수 있게 된다. 특히, 하단부의 메탈메쉬(42)는 수소가스가 공급 시 곧바로 발열하여 메탈폼이나 세라믹폼(41)의 발열 속도를 빨리 진행하기 위해서 사용하며, 상단부의 메탈메쉬(42)는 안전상 미반응 수소 가스가 존재 시 완전하게 산화 반응을 할 수 있도록 하는 역할을 한다. 다공성 메탈폼 또는 다공성 세라믹폼(41), 메탈메쉬(42)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 로듐(Rh), 세륨(Ce), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)으로부터 선택되는 전이금속으로 코팅되는 것이 바람직하다. 상기 촉매 열변환장치(40)는 수명이 다한 경우 교체가능하도록 발열실(20) 내부에 착탈가능한 것이 바람직하다.

또한 가스밸브(13)는 수소 가스의 역화 방지를 위해 부착되었다.

본 발명에 따른 수소가스 보일러는 무한한 자원으로 청정에너지원이며 전력 과는 다르게 저장이 용이한 수소(H₂)를 대체에너지로 사용하고 기존의 도시가스(LNG)나 LPG에 비해 부피비가 ⅓ 이하로 적으며, 작은 부피에 비해 열량이 커서 효율이 높고 에너지 절감효과를 기대할 수 있다. 또한, 점화에 의한 연소가 아닌 비점화 촉매 열변환 방식을 사용한 수소 가스의 산화반응을 이용하므로 점화장치가 전혀 필요없으며, 완전산화를 이룰 수 있어 열효율이 높고, 부산물 또한 산소와 결합하여 다시 물로 환원되므로 대기오염이 날로 심각해지는 오늘날 수소에너지는 이산화탄소(CO₂) 및 황산화물(SOx)등 대기오염 물질이 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 기후 변화의 원인 물질의 배출을 줄일 수 있고 대기오염 물질을 줄일 수 있으며, 그로인한 지구 온난화 방지에도 기여한다. 또한 수소에 대한 안전성 문제 역시 비점화 촉매 열변환 방식을 사용하기 때문에 전혀 문제가 없고 역화 방지 시스템을 적용해서 보다 안전한 효과가 있다.

Claims

본체 내부에 구비된 발열실 내부에 구비되고 다수의 분사노즐이 구비되는 수소공급부;

상기 본체의 하부에 구비된 급기구를 통하여 상기 본체 외부의 공기를 상기 발열실 내부로 송풍하는 송풍기;

상기 수소공급부의 상부에 구비되고 삼차원 구조물로 된 촉매담체로 이루어져 전이금속 또는 이들 전이금속의 조합으로부터 선택된 촉매가 코팅되며 상기 수소공급부에서 분사된 수소와 상기 송풍기에서 송풍된 공기가 접촉되어 비점화 연소되어 발열되는 촉매 열변환장치;

상기 본체 내부에 구비되며 상기 발열실로부터 가열된 온수를 순환시키는 순환펌프;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 1 항에 있어서,

상기 전이금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 레늄(Re), 로듐(Rh), 세륨(Ce), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir)으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 2 항에 있어서,

촉매 열변환장치는 교체가능하도록 착탈가능한 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 1 항 내지 제 3 항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,

상기 촉매담체는 세라믹 폼(CERAMIC FOAM), 메탈릭 폼(METALLIC FOAM), 카본 폼(CARBON FOAM)으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 된 구조로 된 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 4 항에 있어서,

상기 촉매담체의 하부 또는 상하부에 전이금속으로 코팅된 메탈 메쉬(METAL MESH)가 적층된 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 5 항에 있어서,

분사노즐은 수소가스를 상기 촉매 열변환장치의 하부에 전체적으로 분사되도록 일정형상으로 된 메쉬형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 6 항에 있어서,

상기 발열실로부터 발생된 열에 의해 발생되어 배출되는 저농도의 질소산화 물을 필터링하여 본체 외부로 배출시키는 촉매필터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.
제 6 항에 있어서,

상기 발열실로부터 산화반응되지 않고 배출되는 수소 가스를 감지하는 수소센서가 배기구 측에 더 구비된 것을 특징으로 하는 비점화 수소가스 보일러.