KR100828704B1 - 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기 - Google Patents

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Abstract

열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기가 개시된다. 개시된 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기는, 하우징과, 상기 하우징내에 배치된 반응 원료 컨테이너와, 상기 반응 원료 컨테이너에 연결되어 상기 반응 원료 컨테이너로부터 반응 원료를 공급 받아 촉매 반응을 일으키는 공간인 반응기 튜브와, 상기 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 상기 반응기 튜브내에 배치되는 다공성의 촉매층과, 및 상기 반응기 튜브에 연결되어 상기 반응기 튜브에서 생성된 반응 생성물을 수집하는 생성물 컨테이너를 구비하고, 상기 반응기 튜브내에는 컨벡션 홀(convection hall)이 상기 반응기 튜브를 길이 방향으로 관통하도록 형성되어 반응 생성물을 배출시키는 것을 특징으로 한다.
따라서, 개시된 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기는 자가 운전 능력(self-operating ability)을 구비하고, 운전비용을 절감할 수 있으며, 설치 공간을 축소할 수 있다.

Description

열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기{Thermal siphon reactor and a hydrogen generator having the same}
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열 사이펀 반응기의 단면들을 도시한 도면들이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기의 한 실시예를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 제어부의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 열 사이펀 반응기를 이용하는 실험에 의해 생성된 수소의 생성 속도를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 반응기 튜브 2: 절연층
3, 103: 촉매층 4: 컨벡션 홀
5: 액체 흡수 패드 6, 106: 열 사이펀 반응기
7, 107: 하우징 8, 108: 가스 배출관
9, 111: 밸브 10, 110: 반응 원료 주입관
11: 제어부 12, 112: 생성물 컨테이너
13, 113: 반응 원료 이송관 14, 114: 생성물 이송관
15, 115: 기액 분리막 16, 116: 반응 원료 컨테이너
17: 벨로즈 118: 역류 방지 밸브
119: 부산물 이송관
본 발명은 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자가 운전 능력(self-operating ability)을 구비한 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기에 관한 것이다.
수소 및 산소와 같은 기술적으로 중요한 가스는 에너지, 화학, 및 바이오 기술분야에서의 광범위한 사용으로 인해 많은 관심을 받아왔다. 기존에 이러한 가스들을 대량 생산하는 방법 및 분리하는 방법은 잘 알려져 있지만, 이러한 가스들을 소규모로 생산 및 분리하는 방법은 비용 효율성 및 고효율 측면에서 여전히 도전적인 과제로 남아있다.
일반적으로 연료전지나 기타 수소를 필요로 하는 장치에 수소를 공급하는 방법으로는, 기체 수소를 고압 저장한 후 공급하는 방법, 수소를 액화 저장한 후 기화하여 공급하는 방법, 탄화수소를 개질하여 수소를 생성한 후 공급하는 방법, 및 수소 저장 합금에 수소를 흡착시킨 후 이를 탈착시켜 공급하는 방법 등이 알려져 있다.
일반적으로 직접 저장 방법이 기체 및 액체 형태의 순수한 수소를 저장하기 위해 사용된다. 이러한 방법은 매우 높은 압력 및/또는 매우 낮은 온도에서 견딜 수 있는 특수하고 내구성있는 용기를 필요로 한다.
또 다른 일반적인 수소 발생 방법은 촉매 수증기 개질기(catalytic steam reformer)를 사용하는 것인데, 상기 촉매 수증기 개질기는 탄화수소를 수소와 이산화탄소로 전환시키는 것이다. 이 방법의 주요 단점은 개질로 인한 시간 지연과, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 원치 않는 부산물이 생성된다는 것이다. 또한, 수소 저장을 위한 흡착 방법은 단위 부피당 낮은 수소 밀도, 물질의 악화, 및 탈착으로 인한 시간 지연 등을 포함하여 많은 문제점을 가진다. 최근에, 촉매를 사용하여 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution)으로부터 수소를 발생시키는 방법이 당해 기술분야에서 많은 관심을 유발하고 있는데, 이 방법은 정상 운전 조건하에서 안정성이 있을 뿐만 아니라 안전하고 제어가능한 방법에 의해 수소를 방출할 수 있다는 잇점을 갖는다. 수소 발생을 위해 보로수소화 나트륨 용액을 사용하는 몇가지 잇점에도 불구하고, 이 기술을 이용하는 수소 발생 시스템은 고효율, 설치 공간의 축소, 편리성의 측면에서 더한 발전이 요구된다.
종래의 가스 발생 장치는, 종종, 원료 이송을 위해 사용되는 펌프 및 열원(heating source)과 같은 보조 장치를 구비한다. 이러한 보조 장치는 에너지 이용 효율을 전체적으로 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 자가 운전 능력(self-operating ability)을 구비한 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 운전비용을 절감할 수 있는 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 설치 공간을 축소할 수 있는 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면,
반응 원료가 유입되어 촉매 반응이 일어나는 공간인 반응기 튜브; 및
상기 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 상기 반응기 튜브내에 배치되는 다공성의 촉매층을 구비하고,
상기 반응기 튜브내에는 컨벡션 홀(convection hall)이 상기 반응기 튜브를 길이 방향으로 관통하도록 형성되어 반응 생성물을 배출시키는 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기가 제공된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 반응 원료는 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution)이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기 튜브에서 발생하는 가스는 수소이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기 튜브에서 일어나는 반응은 발열 반응이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기 튜브는 중공(hollow)이 형성된 원통형이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매층은 다공성 매트릭스 형상이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매층에는 적어도 하나의 중공(hollow)이 형성되고, 상기 중공이 상기 컨벡션 홀을 이룬다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 촉매층은 상기 반응기 튜브 보다 폭이 좁은 원통형이고 , 상기 반응기 튜브와 상기 촉매층 사이의 공간이 상기 컨벡션 홀을 이룬다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기 튜브의 외부면을 감싸도록 배치된 절연층을 더 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착 배치되는 것으로, 액상의 반응 원료를 흡수하여 상기 촉매층으로 이송하는 액체 흡수 패드를 더 구비한다.
또한 본발명에 따르면,
하우징;
상기 하우징내에 배치된 반응 원료 컨테이너;
상기 반응 원료 컨테이너에 연결되어 상기 반응 원료 컨테이너로부터 반응 원료를 공급 받아 촉매 반응을 일으키는 공간인 반응기 튜브;
상기 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 상기 반응기 튜브내에 배치되는 다공성의 촉매층; 및
상기 반응기 튜브에 연결되어 상기 반응기 튜브에서 생성된 반응 생성물을 수집하는 생성물 컨테이너를 구비하고,
상기 반응기 튜브내에는 컨벡션 홀(convection hall)이 상기 반응기 튜브를 길이 방향으로 관통하도록 형성되어 반응 생성물을 배출시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생기가 제공된다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 반응 원료 컨테이너로부터 반응 원료를 공급 받아 상기 반응기 튜브에 재공급하는 것으로, 상기 반응 원료 컨테이너와 상기 반응기 튜브 사이의 위치에서 상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착되게 배치되는 제어부를 더 구비하한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 반응 원료 컨네이너로부터 유입된 반응 원료를 상기 반응기 튜브내로 이송하는 벨로즈(bellows)와, 상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착 배치되는 것으로 액상의 반응 원료를 흡수하여 상기 촉매층으로 이송하는 액체 흡수 패드를 구비하고, 상기 벨로즈는 상기 반응기 튜브내의 압력의 크기에 따라 신축됨으로써 상기 액체 흡수 패드를 상기 반응기 튜브의 하단부에 밀착시키거나 분리시킨다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 반응 원료 컨테이너와 상기 반응기 튜브 사이에 반응 원료 이송관을 더 구비하고, 상기 반응 원료 이송관은 상기 반응 원료 컨테이너로부터 차례로 개폐 밸브와 역류 방지 밸브를 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 생성물 컨테이너에 연결되어 상기 생성물 컨테이너의 가스를 외부로 배출시키는 가스 배출관을 더 구비하고, 상기 생성물 컨테이너와 상기 가스 배출관 사이에 기액 분리막을 더 구비한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응 원료 컨테이너는 상기 하우징으로 둘러싸인 내부 공간이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 반응 원료 컨테이너는 상기 하우징내에 별도의 배치된 유연성 막이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 생성물 컨테이너는 상기 하우징내에 별도의 배치된 유연성 막이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 열 사이펀 반응기의 단면들을 도시한 도면들이다. 즉, 열 사이펀 반응기의 횡단면도 및 종단면도가 각 도면의 상하부에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 열 사이펀 반응기(6)는 반응기 튜브(1), 촉매층(3), 컨벡션 홀(convection hall)(4), 액체 흡수 패드(5), 및 절연층(2)을 구비한다.
열 사이펀 반응기(6)는 "열 사이펀 효과(thermal siphon effect)"를 이용하는 반응기를 말한다. 여기서, "열 사이펀 효과"란 열전달로 인한 자연 대류 때문에 유체 흐름을 유발하는 현상으로 알려져 있다. 대부분의 열 사이펀 효과의 사용은 태양 전지 및 물 순환 장치 기술분야에서 발견된다. 이러한 열 사이펀 효과와 촉매 반응 공정의 조합은 무펌프 촉매 반응기(pumpless catalytic reactor)를 창출할 수 있게 한다. 열 사이펀 효과를 화학 반응기에 적용한 사례는 아직 없었다. 이와 관련하여, 본 발명은 외부 전원 없이도 높은 전화율(high conversion rate)을 갖는 열 사이펀 반응기 및 이를 구비하는 수소 발생기에 관한 것이다.
반응기 튜브(1)는 반응 원료가 유입되어 촉매 반응이 일어나는 공간이다. 이러한 반응기 튜브(1)는 스테인레스 스틸 등 임의의 공지된 재질로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 반응기 튜브(1)는 중공(hollow)이 형성된 원통형이지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 사각형, 오각형 등 다른 다양한 형태로 형성될 수 있다. 본 실시예에서 반응 원료는 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution)이며, 이는 수소 가스를 발생시키기 위한 것이다. 그러나, 이러한 반응 원료는 수소 가스를 발생시킬 수 있는 한 다른 다양한 물질이 사용될 수 있다. 여기서, 촉매 반응이란 촉매가 작용해서 일어나는 반응을 말하며, 촉매란 화학 반응에서 자신은 아무 반응이 일어나지 않으나 다른 물질의 반응을 촉진시키거나 지연시키는 물질을 말한다.
촉매층(3)은 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 반응기 튜브(1)내에 배치된다. 이러한 촉매층(3)은 다공성 매트릭스 형상인 것이 바람직하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 촉매층(3)은 다공성 금속, 다공성 금속 산화물, 다공성 금속 붕화물, 다공성 매체에 함침된 균질 촉매, 세라믹 물질, 무기산, 유기산, 실리카, 알루미나, 제올라이트, 유리, 직물, 직포, 부직포, 시멘 트, 및 이들의 혼합물일 수 있다. 촉매층(3)에는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 중공(hollow)이 형성될 수 있는데, 상기 중공은 반응 생성물을 배출시키는 컨벡션 홀(convection hall)(4)을 이룬다. 도 1a는 촉매층(3)내에 하나의 중공이 형성되어 하나의 컨벡션 홀(4)을 이루는 경우이고, 도 1b는 촉매층(3)내에 세개의 중공이 형성되어 세개의 컨벡션 홀(4)을 이루는 경우이다. 즉, 도 1a 및 도 1b는 촉매층(3)내에 컨벡션 홀(4)이 형성된 경우를 도시한 도면들이다. 도 1c를 참조하면, 촉매층(3)은 반응기 튜브(1) 보다 폭이 좁은 원통형이고, 반응기 튜브(1)와 촉매층(3) 사이의 공간이 컨벡션 홀(4)을 이루게 된다. 즉, 이 경우, 반응기 튜브(1) 내에 반응기 튜브(1) 보다 폭이 좁은(즉, 직경이 작은) 촉매층(3)이 반응기 튜브(1)와 서로 동심원을 이루며 배치되므로, 이들 사이에 여유 공간이 생기게 되며, 이 여유 공간이 컨벡션 홀(4)을 이루게 되는 것이다. 컨벡션 홀(4)의 개수와 크기는 가스의 유속, 및 가스와 부산물의 종류에 따라 변화될 수 있다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 컨벡션 홀(4)은 반응기 튜브(1)를 길이 방향으로 관통하도록 형성된다.
액체 흡수 패드(5)는 반응기 튜브(1)의 하단부(1a)에 분리 가능하게 밀착 배치된다. 여기서, 분리 가능하게 밀착 배치된다는 것은 반응기 튜브(1)내의 압력이 소정의 기준치 보다 낮으면 액체 흡수 패드(5)가 반응기 튜브(1)에 밀착되고 상기 압력이 소정의 기준치 보다 높으면 액체 흡수 패드(5)가 반응기 튜브(1)로부터 분리되는 것을 의미한다. 이와 같이, 액체 흡수 패드(5)가 반응기 튜브(1)에 밀착되거나 분리되는 원리에 관하여는 후술하기로 한다. 이러한 액체 흡수 패드(5)는 액 상의 반응 원료를 흡수하여 촉매층(3)으로 이송하는 기능을 담당한다. 또한, 액체 흡수 패드(5)는 반응기 튜브(1)로부터 가스 및 부산물이 역류되는 것을 방지하는 기능을 담당한다. 액체 흡수 패드(5)는 합성 또는 천연 섬유나 직물, 스폰지, 다공성 세라믹, 다공성 금속, 다공성 고분자, 및 이들의 혼합물일 수 있다.
절연층(2)은 반응기 튜브(1)의 외부면을 감싸도록 배치된다. 절연층(2)은 반응기 튜브(1)와 외기 사이의 열전달을 차단하여 반응기 튜브(1)내의 열이 외부로 방출되지 않도록 하기 위한 것이다. 이러한 절연층(2)으로는 단열 특성이 우수한 임의의 공지된 물질이 사용될 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 열 사이펀 반응기(6)의 작동 원리를 설명한다.
먼저, 액체 흡수 패드(5)에 반응 원료가 흡입된다.
다음에, 반응 원료는 모세관 현상 및 습윤 현상에 의해 액체 흡수 패드(5)와 접촉하는 촉매층(3)으로 이송된다.
반응 원료는 촉매층(3)과 접촉하면서 반응을 일으킨다. 이러한 반응은 주로 발열 반응으로서 반응기 튜브(1)내의 온도를 증가시킨다. 반응기 튜브(1)에서 생성된 열로 인해 반응기 튜브(1)와 액체 흡수 패드(5) 사이에 온도 기울기(temperature gradient)가 생겨 반응기 튜브(1)내부로의 반응 원료 이송이 가속화된다. 촉매 반응으로부터 생성된 열이 반응기(6)의 자가 운전(self-operation)에 충분하지 않을 경우에는, 반응기(6)가 외부 열원(미도시)에 의해 가열될 수도 있다. 여기서, 자가 운전이란 반응 원료가, 펌프없이, 열 사이펀 효과에 의해 반응기 튜브(1)내로 자동적으로 이송되는 것을 말한다. 반응기 튜브(1)내의 온도는 반응기 튜브(1)의 외부면을 감싸도록 배치된 절연층(2)에 의해 유지될 수 있다.
반응기 튜브(1)내에서 촉매 반응이 진행되면서, 다량의 반응 원료가 가스 및 부산물로 전환된다.
다음에, 생성된 가스 및 부산물, 그리고 미반응된 반응 원료는 컨벡션 홀(4)을 통해 반응기(6) 외부로 배출된다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기의 한 실시예를 도시한 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 제어부의 구조 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면들이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 부재 또는 동일한 부재의 부분을 가리킨다.
도 2, 도 3a, 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 발생기는 하우징(7), 반응 원료 컨테이너(16), 제어부(11), 열 사이펀 반응기(6), 생성물 컨테이너(12), 및 기액 분리막(15)을 구비한다.
하우징(7)은 반응 원료와 반응 생성물을 저장하는 장소로서, 금속 또는 비금속을 포함한다.
반응 원료 컨테이너(16)는 반응 원료를 저장하는 장소로서, 하우징(7)내에 설치된다. 반응 원료 컨테이너(16)는 유연성 막으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 반응과정에서 반응 원료가 소모됨에 따라 상기 컨테이너(16)의 부피가 줄어 드는 반면에, 하우징(7)내의 여유 공간은 증가되게 된다. 반응 원료 컨테이너(16)의 일측에는 반응 원료 주입관(10)이 연결되어 밸브(9)를 통해 반응 원료가 주입된다.
제어부(11)는 반응 원료 이송관(13)을 통해 반응 원료 컨테이너(16)에 연결되어 반응 원료 컨테이너(16)로부터 반응 원료를 공급 받아 이를 후술하는 열 사이펀 반응기(6)로 재공급하는 기능을 담당한다. 이러한 제어부(11)는 벨로즈(bellows)(17)와 액체 흡수 패드(5)를 포함한다. 벨로즈(17)는 후술하는 열 사이펀 반응기(6)내의 압력의 크기에 따라 신축됨으로써 액체 흡수 패드(5)를 열 사이펀 반응기(6)의 하단부(6a)에 밀착시키거나 이로부터 분리시키는 기능을 담당한다. 벨로즈(17)는 실리콘 또는 고무 등 임의의 공지된 물질로 형성될 수 있다. 도 3a는 제어부(11), 즉 구체적으로 액체 흡수 패드(5)가 열 사이펀 반응기(6)의 하단부(6a)에 밀착되어 상기 반응기(6)내로의 반응 원료 공급이 계속되는 상태를 도시한 것이고, 도 3b는 제어부(5)가 열 사이펀 반응기(6)의 하단부(6a)로부터 분리되어 상기 반응기(6)내로의 반응 원료 공급이 중단된 상태를 도시한 것이다. 도 3a는 열 사이펀 반응기(6)내의 압력이 소정의 기준치 이내인 경우이고, 도 3b는 상기 압력이 상기 기준치를 초과한 경우이다.
열 사이펀 반응기(6)는 도 1a 내지 도 1c에서와 같이 반응기 튜브, 촉매층, 컨벡션 홀로 구성되어 있으며, 이들 구성요소들은 전술한 바와 같으므로 여기에서는 자세한 설명을 생략한다.
생성물 컨테이너(12)는 열 사이펀 반응기(6)로부터 생성된 반응 생성물을 저장하는 장소로서, 하우징(7)내에 설치된다. 생성물 컨테이너(12)는 생성물 이송관(14)을 통해 열 사이펀 반응기(6), 즉 구체적으로 반응기 튜브(1)와 연결되어 상 기 반응기 튜브에서 생성된 반응 생성물을 공급 받는다. 생성물 컨테이너(12)는 유연성 막으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 반응과정에서 반응 생성물이 증가됨에 따라 상기 컨테이너(12)는 부피가 늘어나는 반면에, 하우징(7)내의 여유 공간은 감소되게 된다.
기액 분리막(15)은 생성물 컨테이너(12)의 일측면에 배치되어 생성물로부터 가스만을 분리하는 기능을 담당한다. 생성물 컨테이너(12)에 포함된 수소 등의 가스는 기액 분리막(15)을 통과한 후 가스 배출관(8)을 통해 외부로 배출된다.
이하, 상기와 같은 구성을 같는 수소 발생기의 작동 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 반응 원료 컨테이너(16)로부터 반응 원료가 반응 원료 이송관(13)을 통해 제어부(11)로 공급된다.
다음에, 제어부(11)에 공급된 반응 원료는 벨로즈(13)와 액체 흡수 패드(5)를 차례로 거쳐 열 사이펀 반응기(6)로 유입되고, 여기서 촉매 반응에 의해 가스 및 부산물로 전환된다.
가스, 부산물, 및 미반응 반응 원료로 구성된 반응 생성물은 열 사이펀 반응기(6)로부터 배출되어 생성물 이송관(14)을 통해 생성물 컨테이너(12)로 유입된다. 생성물 이송관(14)에는, 여기에서는 비록 도시되지 않았지만, 역류 방지 밸브가 더 설치되는 것이 바람직하다.
생성물 컨테이너(12)의 반응 생성물에 포함된 수소 등의 가스는 기액 분리막(15)을 통과한후 가스 배출관(8)을 통해 외부로 배출된다. 반면에, 가스 외의 액 체 및 고체는 상기 분리막(15)을 통과하지 못하고 생성물 컨테이너(12)에 잔류하게 된다.
한편, 반응 시간이 경과함에 따라 반응 원료가 소모되어 반응 원료 컨테이너(16)의 부피는 줄어들고, 이와 반대로 반응 생성물이 증가하여 생성물 컨테이너(12)의 부피는 늘어나게 된다. 이와 같이 양 컨테이너(12, 16)의 부피가 서로 반대방향으로 증감함에 따라, 하우징(7)내의 전체 여유 공간이 급격히 줄어드는 현상을 방지할 수 있고, 이로써 수소 발생기 전체의 설치 공간이 대폭 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.
또 다른 한편, 반응 시간이 경과하여 반응 생성물이 다량 발생하면 열 사이펀 반응기(6)의 압력이 증가하게 된다. 이 경우, 상기 압력이 소정의 기준치를 초과하게 되면 제어부(11)내의 벨로즈(17)가 수축하면서 벨로즈(17)와 결합되어 있는 액체 흡수 패드(5)가 열 사이펀 반응기(6)로부터 분리되게 된다. 따라서, 열 사이펀 반응기(6)로의 반응 원료 공급이 중단되고 반응이 더 이상 일어나지 않게 된다. 액체 흡수 패드(5)가 열 사이펀 반응기(6)로부터 분리되게 되면, 반응기 압력이 순식간에 대기압까지 떨어지므로 벨로즈(17)는 다시 원 상태로 복원되고 액체 흡수 패드(5)는 열 사이펀 반응기(6)에 다시 밀착되게 된다. 따라서, 열 사이펀 반응기(6)로의 반응 원료 공급이 재개되고 반응이 다시 일어나게 된다.
실험예
(열 사이펀 반응기의 제조)
스테인레스 스틸로 형성된 반응기 튜브(1)내에 코발트-철 혼합 금속 촉매 층(3)을 충진한 다음 열산화 반응(thermal oxidation)시킴으로써 열 사이펀 반응기(6)를 제조하였다. 반응기 튜브(1)는 길이가 6cm이고 폭이 1/2인치이었다. 촉매층(3)은 도 1a에 도시된 바와 같이 하나의 중공이 형성된 원통형으로서, 중공, 즉 컨벡션 홀(4)은 직경이 0.5cm로 형성하였다. 촉매층(3)이 충진된 반응기 튜브(1)를 600℃의 온도로 공기중에서 2시간 동안 가열하였다. 대안으로, 촉매층(3)이 충진된 반응기 튜브(1)를 부탄 토치로 10 내지 20분간 가열할 수도 있다.
(수소 생성 실험)
수소의 유속을 측정하기 위해 수소 생성 실험을 수행하였다. 먼저, Co/Fe 혼합 금속 산화물 금속층(3)을 포함하는 열 사이펀 반응기(6)를 반응조에 장착하고, 이 반응조에 20wt% NaBH4, 5wt% NaOH, 및 75wt% 증류수를 함유하는 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution) 50ml를 첨가함으로써 실험을 수행하였다. 일단 반응이 시작되면, 보로수소화 나트륨 용액이 외부 펌프 없이도 반응기(6)의 일측 내부로 자동적으로 공급되었다. 수소, 물, 및 고체 폐기물은 반응기(6)의 타측으로 배출되었다. 수소의 유속은 PC(personal computer)와 연결된 질량 유량계(mass flow controller)를 사용하여 측정하였다. 도 4는 본 실험에 의해 생성되는 수소의 생성 속도를 시간 경과에 따라 도시한 그래프이다. 도 4를 참조하면, 반응 초기에는 수소 생성 속도가 1,000ml/min까지 급격히 상승하였다가 대략 400초가 경과한 이후부터는 약 200ml/min의 일정한 유속으로 유지되는 것으로 나타났다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기 의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 수소 발생기는 하우징(107), 반응 원료 컨테이너(116), 개폐 밸브(111), 역류 방지 밸브(118), 열 사이펀 반응기(106), 생성물 컨테이너(112), 및 기액 분리막(115)을 구비한다.
하우징(107)의 일측에는 반응 원료 주입관(110)이 연결되어 있다.
반응 원료 컨테이너(116)는 하우징(107)으로 둘러싸인 내부 공간으로 이루어진다. 즉, 본 실시예에서 반응 원료 컨테이너(116)는 하우징(107) 내부에 별도로 설치된 구조물이 아닌, 하우징(107) 내부 공간 그 자체이다.
개폐 밸브(111)와 역류 방지 밸브(118)는, 반응 원료 컨테이너(116)와 열 사이펀 반응기(106)를 연결하는 반응 원료 이송관(113)에 배치되어 열 사이펀 반응기(106)에 반응 원료를 공급하는 기능을 담당한다. 역류 방지 밸브(118)는 열 사이펀 반응기(106)에서 생성된 반응 생성물이 반응 원료 컨테이너(116)쪽으로 역류하는 것을 방지한다.
열 사이펀 반응기(106)는 도 1a 내지 도 1c에서와 같이 반응기 튜브, 촉매층(103), 컨벡션 홀로 구성되어 있으며, 이들 구성요소들은 전술한 바와 같으므로 여기에서는 자세한 설명을 생략한다.
생성물 컨테이너(112)는 열 사이펀 반응기(106)로부터 생성된 반응 생성물을 저장하는 장소로서, 하우징(107)내에 설치된다. 생성물 컨테이너(112)는 차례로 부산물 이송관(119) 및 생성물 이송관(114)을 통해 열 사이펀 반응기(106)와 연결되어 반응 생성물을 공급 받는다. 생성물 컨테이너(112)는 유연성 막으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 상기 컨테이너(112)는 그 내부의 생성물이 증가됨에 따라 부피가 늘어나고, 하우징(107)내의 여유 공간은 감소되게 된다. 부산물 이송관(119)은 생성물 이송관(114)으로부터 분기된다.
기액 분리막(115)은 생성물 이송관(114)의 후단부, 즉 부산물 이송관(119)이 분기된 위치 이후에 배치되어 반응 생성물로부터 가스만을 분리하는 기능을 담당한다. 반응 생성물에 포함된 수소 등의 가스는 기액 분리막(115)을 통과한 후 가스 배출관(108)을 통해 외부로 배출된다.
이하, 상기와 같은 구성을 같는 수소 발생기의 작동 원리를 상세히 설명한다.
먼저, 반응 원료가 반응 원료 컨테이너(116)로부터 반응 원료 이송관(113)으로 유입된다.
다음에, 반응 원료 이송관(113)에 유입된 반응 원료는 개폐 밸브(111)와 역류 방지 밸브(118)를 차례로 거쳐 열 사이펀 반응기(106)로 유입되고, 여기서 촉매 반응에 의해 가스 및 부산물로 전환된다.
가스, 부산물, 및 미반응 반응 원료로 구성된 반응 생성물은 열 사이펀 반응기(106)로부터 배출되어 차례로 생성물 이송관(114) 및 부산물 이송관(119)을 통해 생성물 컨테이너(112)로 유입된다.
생성물 컨테이너(112)내의 반응 생성물에 포함된 수소 등의 가스는 기액 분리막(115)을 통과한후 가스 배출관(108)을 통해 외부로 배출된다. 반면에, 가스 외의 액체 및 고체는 상기 분리막(115)을 통과하지 못하고 생성물 컨테이너(112)에 잔류하게 된다.
한편, 반응 시간이 경과함에 따라 반응 원료가 소모되어 반응 원료 컨테이너(116)내의 반응 원료 부피는 줄어 들고, 이와 반대로 반응 생성물이 증가하여 생성물 컨테이너(112)의 부피는 늘어나게 된다. 이와 같이 양 컨테이너(112, 116)의 부피가 서로 반대방향으로 증감함에 따라, 하우징(107)내의 전체 여유 공간이 급격히 줄어드는 현상을 방지할 수 있고, 이로써 수소 발생기 전체의 설치 공간이 대폭 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.
또 다른 한편, 반응 시간이 경과하여 반응 생성물이 다량 발생하면 열 사이펀 반응기(106)의 압력이 증가하게 된다. 이 경우, 상기 압력이 소정의 기준치를 초과하여 역류 방지 밸브(118)의 일면, 즉 상기 반응기(106)쪽 면에 가해지면 역류 방지 밸브(118)가 폐쇄되는 효과를 가져오게 된다. 따라서 이 경우, 열 사이펀 반응기(106)로의 반응 원료 공급이 중단되고 반응이 더 이상 일어나지 않게 된다. 한편, 열 사이펀 반응기(106)로부터 배출된 반응 생성물 중 수소 등의 가스는 기액 분리막(115)을 통하여 외부로 배출되므로, 시간이 경과함에 따라, 열 사이펀 반응기(106)내의 압력은 점차 감소되게 된다. 따라서, 역류 방지 밸브(118)의 일면, 즉 상기 반응기(106)쪽 면에 가해지던 압력도, 시간이 경과함에 따라 점차 감소하게 되어 역류 방지 밸브(118)가 다시 개방되게 된다. 따라서, 열 사이펀 반응기(106)로의 반응 원료 공급이 재개되고 반응이 다시 일어나게 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 한 실시예에 따른 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기는 펌프가 불필요한 자가운전이 가능하고, 수소 발생량을 자동으로 조절할 수 있으므로, 전체적인 운전비용을 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 자가 운전 능력(self-operating ability)을 구비한 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기가 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 운전비용을 절감할 수 있는 열 사이펀 반응기 및 이를 구비한 수소 발생기가 제공될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 설치 공간을 축소할 수 있는 열 사이펀 반응기를 구비한 수소 발생기가 제공될 수 있다.

Claims (25)

  1. 반응 원료가 유입되어 촉매 반응이 일어나는 공간인 반응기 튜브;
    상기 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 상기 반응기 튜브내에 배치되는 다공성의 촉매층; 및
    상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착 배치되는 것으로, 액상의 반응 원료를 흡수하여 상기 촉매층으로 이송하는 액체 흡수 패드를 구비하고,
    상기 반응기 튜브내에는 컨벡션 홀(convection hall)이 상기 반응기 튜브를 길이 방향으로 관통하도록 형성되어 반응 생성물을 배출시키는 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 원료는 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution)인 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 튜브에서 발생하는 가스는 수소인 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 튜브에서 일어나는 반응은 발열 반응인 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 튜브는 중공(hollow)이 형성된 원통형인 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 다공성 매트릭스 형상인 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층에는 적어도 하나의 중공(hollow)이 형성되고, 상기 중공이 상기 컨벡션 홀을 이루는 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 반응기 튜브 보다 폭이 좁은 원통형이고 , 상기 반응기 튜브와 상기 촉매층 사이의 공간이 상기 컨벡션 홀을 이루는 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 튜브의 외부면을 감싸도록 배치된 절연층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 열 사이펀 반응기.
  10. 삭제
  11. 하우징;
    상기 하우징내에 배치된 반응 원료 컨테이너;
    상기 반응 원료 컨테이너에 연결되어 상기 반응 원료 컨테이너로부터 반응 원료를 공급 받아 촉매 반응을 일으키는 공간인 반응기 튜브;
    상기 반응 원료와 접촉하여 가스 발생을 촉진시키는 것으로, 상기 반응기 튜브내에 배치되는 다공성의 촉매층;
    상기 반응 원료 컨테이너로부터 반응 원료를 공급 받아 상기 반응기 튜브에 재공급하는 것으로, 상기 반응 원료 컨테이너와 상기 반응기 튜브 사이의 위치에서 상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착되게 배치되는 제어부; 및
    상기 반응기 튜브에 연결되어 상기 반응기 튜브에서 생성된 반응 생성물을 수집하는 생성물 컨테이너를 구비하고,
    상기 반응기 튜브내에는 컨벡션 홀(convection hall)이 상기 반응기 튜브를 길이 방향으로 관통하도록 형성되어 반응 생성물을 배출시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반응 원료는 보로수소화 나트륨 용액(sodium borohydride solution)인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 반응기 튜브에서 일어나는 반응은 발열 반응인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 반응기 튜브는 중공(hollow)이 형성된 원통형인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 촉매층은 다공성 매트릭스 형상인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 촉매층에는 적어도 하나의 중공(hollow)이 형성되고, 상기 중공이 상기 컨벡션 홀을 이루는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 촉매층은 상기 반응기 튜브 보다 폭이 좁은 원통형이고 , 상기 반응기 튜브와 상기 촉매층 사이의 공간이 상기 컨벡션 홀을 이루는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 반응기 튜브의 외부면을 감싸도록 배치된 절연층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  19. 삭제
  20. 제11항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 반응 원료 컨네이너로부터 유입된 반응 원료를 상기 반응기 튜브내로 이송하는 벨로즈(bellows)와,
    상기 반응기 튜브의 하단부에 분리 가능하게 밀착 배치되는 것으로 액상의 반응 원료를 흡수하여 상기 촉매층으로 이송하는 액체 흡수 패드를 구비하고,
    상기 벨로즈는 상기 반응기 튜브내의 압력의 크기에 따라 신축됨으로써 상기 액체 흡수 패드를 상기 반응기 튜브의 하단부에 밀착시키거나 분리시키는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  21. 제11항에 있어서,
    상기 반응 원료 컨테이너와 상기 반응기 튜브 사이에 반응 원료 이송관을 더 구비하고, 상기 반응 원료 이송관은 상기 반응 원료 컨테이너로부터 차례로 개폐 밸브와 역류 방지 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  22. 제11항에 있어서,
    상기 생성물 컨테이너에 연결되어 상기 생성물 컨테이너의 가스를 외부로 배출시키는 가스 배출관을 더 구비하고, 상기 생성물 컨테이너와 상기 가스 배출관 사이에 기액 분리막을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  23. 제11항에 있어서,
    상기 반응 원료 컨테이너는 상기 하우징으로 둘러싸인 내부 공간인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  24. 제11항에 있어서,
    상기 반응 원료 컨테이너는 상기 하우징내에 별도의 배치된 유연성 막인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
  25. 제11항에 있어서,
    상기 생성물 컨테이너는 상기 하우징내에 별도의 배치된 유연성 막인 것을 특징으로 하는 수소 발생기.
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