KR101110367B1 - 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수소가스를 포함하는 혼합가스를 유량조절기를 통해 제1 가스포트로 공급하기 위한 혼합가스공급부와, 상기 제1 가스포트가 삽입되어 설치되고 상기 혼합가스로부터 수소가스를 분리하기 위한 관형의 수소분리막모듈이 장입되는 챔버와, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연을 이격되어 감싸도록 상기 챔버에 설치된 가열을 위한 히터모듈과, 상기 관형의 수소분리막모듈의 관 내부와 연결되고 상기 혼합가스로부터 상기 관형의 수소분리막모듈에 의해 분리된 수소가스를 배출하기 위한 수소가스배출구와, 수소가스가 분리된 후 남은 가스를 배출하기 위하여 상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제2 가스포트를 포함하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 관형의 수소분리막모듈을 둘러싼 챔버에 수소 가스를 포함하는 혼합가스를 주입하여 수소를 분리할 수 있고, 관형의 수소분리막모듈을 이용하므로 수소 분리 효율이 높으며, 압력변환기와 피드백시스템 등을 이용하여 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 용이하게 수소를 분리할 수 있고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입되어 챔버 내의 압력이 갑자기 높아지더라도 안전하게 혼합가스를 강제적으로 배출할 수 있어 안정성이 우수하다.
수소분리막, 관형의 수소분리막모듈, 압력변환기, 피드백시스템, 안전변

Description

관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치{Apparatus for separating hydrogen using hydrogen filtering membrane having pipe-shaped structure}
본 발명은 수소분리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 관형의 수소분리막모듈을 둘러싼 챔버에 수소 가스를 포함하는 혼합가스를 주입하여 수소를 분리할 수 있고, 관형의 수소분리막모듈을 이용하므로 수소 분리 효율이 높으며, 압력변환기와 피드백시스템 등을 이용하여 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 용이하게 수소를 분리할 수 있고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입되어 챔버 내의 압력이 갑자기 높아지더라도 안전하게 혼합가스를 강제적으로 배출할 수 있어 안정성이 우수한 수소분리장치에 대한 것이다.
수소 에너지는 석유, 석탄과 같은 화석 연료의 고갈과 공해 문제를 해결할 수 있는 대체 에너지 원으로 각광 받고 있다. 수소 분자를 제조하는 기술로는 물을 전기 분해하는 방법, 미생물에 의한 생화학 반응 방법, 자연 상태의 수소 분자를 여과하는 방법 그리고 고온의 열을 이용한 생산 방법 등 다양한 방법이 있다.
그러나, 대부분의 방법들이 비용 등의 문제로 에너지원으로서의 수소를 확보하는데 어려움이 있으며, 따라서 순도가 낮거나 폐수소 함유 가스로부터 여과에 의해 고순도 수소 분자를 분리하는 방법에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다.
질소, 산소, 이산화탄소, 일산화탄소 등과 함께 혼합되어 있는 수소를 분리하기 위한 방법으로 나노미터(㎚) 크기의 기공을 가진 분리막을 이용하여 분리하려는 시도가 있어 왔다. 그러나 현재까지 균일한 기공 구조를 가지는 수소 분리막의 제조에 어려움이 있어 고순도의 수소를 얻는 단계까지는 이르지 못하고 있다.
고순도의 수소를 얻기 위한 방법으로 고온에서 순수한 수소만을 분리정제하는 기술이 연구되고 있다. 대표적인 수소 분리막 소재로는 ABO3의 조성을 갖는 페로브스카이트(perovskite) 구조의 재료가 있다. 그 중 가장 많이 연구된 조성은 SrCeO3, BaCeO3 인데 내구성은 우수한 반면에 분리 특성이 낮은 단점이 있다. 최근 연구(대한민국 특허등록 제10-0691645호)에 따르면 수소 분리 특성을 개선하기 위하여 BaCexYM1-xO3 및 LaSrxM1-xO3(M = La, Y, Yb, Ga, Gd, In, Ge) 등의 소재가 연구되고 있다. 여기에 Ni, Pt, Rh, Pd 등의 금속 나노 입자를 첨가하여 세라믹-금속 나노복합체를 제조하여 수소분리 특성을 더욱 개선하고 있다.
그러나, 소재의 수소 분리 특성이 향상되었다고 하여 고순도 수소 제조를 위한 방법이 완전히 해결된 것은 아니다. 대한민국 특허등록 제10-0691645호에서 연구된 바와 같이 통상 원료가 되는 산화물을 요구되는 비율로 혼합한 뒤 1400℃ 이상의 고온에서 판상의 형태로 소결하고 이를 평판으로 연마하여 분리막체를 제조하 고 있다.
수소 분리 특성은 두께가 얇아짐에 따라 급격히 증가하는 경향을 보인다. 그러나, 수소 분리막체의 두께는 연마 과정 중에 파손되지 않는 두께로 까지 한정된다. 일반적으로 연마할 수 있는 한계는 0.1㎜ 정도의 수준이고 이보다 더 낮은 두께를 얻고자 하는 경우에는 파손에 의한 문제가 빈번히 일어나게 된다. 따라서 종래의 기술로는 분리막 소재의 이온전도도가 향상된다고 할지라도 분리막 자체를 평판형으로 연마하여 사용하는 것은 수소분리라는 목적을 달성하기 위하여 많은 한계를 가질 수밖에 없다.
한편, 평판형의 수소분리막을 이용한 수소분리방법은 외부와 차단된 챔버 내부에 수소 분리모듈을 설치하여 평판형의 수소 분리막을 기준으로 일방향으로 수소를 포함하는 가스(예컨대, 이산화탄소와 수소 가스를 포함하는 가스)를 주입하고 수소 분리막을 통과한 수소를 평판형의 수소 분리막을 기준으로 타방향에서 수소 분리를 포집하는 방법으로 수행된다.
그러나, 상술한 평판형 수소 분리막의 수소 분리 효율이 높지 않고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입될 경우 챔버 내의 압력이 높아져 폭발의 위험이 있을 수 있으며, 챔버 내의 압력을 일정 압력으로 유지하는데에도 어려움이 있고, 수소 분리 후 남은 이산화탄소와 같은 가스를 배출하는데에도 어려움이 있으며, 평판형의 수소 분리막을 통과한 수소를 포집하는데에도 많은 어려움이 있으며, 따라서 평판형의 수소 분리막을 이용한 수소 분리장치의 내구성에 심각한 문제점이 있어 왔다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 관형의 수소분리막모듈을 둘러싼 챔버에 수소 가스를 포함하는 혼합가스를 주입하여 수소를 분리할 수 있고, 관형의 수소분리막모듈을 이용하므로 수소 분리 효율이 높으며, 압력변환기와 피드백시스템 등을 이용하여 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 용이하게 수소를 분리할 수 있고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입되어 챔버 내의 압력이 갑자기 높아지더라도 안전하게 혼합가스를 강제적으로 배출할 수 있어 안정성이 우수한 수소분리장치를 제공함에 있다.
본 발명은, 수소가스를 포함하는 혼합가스를 유량조절기를 통해 제1 가스포트로 공급하기 위한 혼합가스공급부와, 상기 제1 가스포트가 삽입되어 설치되고 상기 혼합가스로부터 수소가스를 분리하기 위한 관형의 수소분리막모듈이 장입되는 챔버와, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연을 이격되어 감싸도록 상기 챔버에 설치된 가열을 위한 히터모듈과, 상기 관형의 수소분리막모듈의 관 내부와 연결되고 상기 혼합가스로부터 상기 관형의 수소분리막모듈에 의해 분리된 수소가스를 배출하기 위한 수소가스배출구와, 수소가스가 분리된 후 남은 가스를 배출하기 위하여 상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제2 가스포트를 포함하며, 수소가스를 포함하는 상기 혼합가스는 상기 제1 가스포트를 통해 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간으로 주입되고, 상기 이격 공간과 관형의 수소분리막모듈의 관 내부 사이의 압력 차이에 의하여 상기 수소가스가 상기 관형의 수소분리막모듈을 관통하여 상기 관 내부로 유입되어 분리되는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치를 제공한다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제3 가스포트와, 상기 제3 가스포트에 연결되고, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 상기 혼합가스 압력을 측정하여 전기적 신호로 변환하는 압력변환기와, 상기 압력변환기의 전기적 신호를 입력받아 피드백 신호로 전환하는 피드백시스템을 더 포함할 수 있으며, 상기 피드백 신호에 따라 상기 유량조절기를 제어하여 상기 제1 가스포트로 공급되는 혼합가스의 유량을 제어한다.
상기 유량조절기에 의해 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력이 5bar 내지 30bar 범위로 일정하게 유지되는 것이 바람직하다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제4 가스포트와, 상기 제4 가스포트에 연결되고 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력을 센싱하여 일정 압력을 초과할 경우 신호를 제공하는 압력계와, 상기 압력계에서 제공하는 신호를 입력받아 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력이 일정 압력을 초과할 경우 혼합가스가 배출되게 열려져 서 혼합가스를 강제로 배출하기 위한 안전변을 더 포함할 수 있다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연을 이격되어 감싸도록 상기 챔버에 설치된 보온을 위한 단결재를 더 포함할 수 있다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 상기 혼합가스공급와 상기 제1 가스포트 사이에 상기 유량조절기와 밸브가 구비되어 있고, 상기 유량조절기와 상기 밸브에 대하여 병렬로 구비된 밸브와 솔레노이드 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 수소가스가 분리된 후 남은 가스를 배출하기 위한 밸브와 솔레노이드밸브가 상기 제2 가스포트에 연결되어 있고, 수소가스가 분리된 후 남은 가스의 유량을 제어하기 위하여 상기 솔레노이드 밸브와 병렬로 유량조절기가 구비되어 있을 수 있다.
상기 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는, 상기 챔버 내부의 혼합가스가 외부로 배출되지 않게 밀봉하기 위하여 상기 챔버에 장입된 관형의 수소분리막모듈의 양단에 구비된 제1 캡과, 상기 관형의 수소분리막모듈의 양단 테두리를 따라 상기 제1 캡과의 밀착성을 높이기 위해 구비된 오링과, 상기 관형의 수소분리막모듈의 양단을 밀봉하기 위하여 상기 제1 캡의 외측에 구비된 제2 캡을 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 캡에는 관통공이 형성되어 있고 상기 관통공을 통해 체결부재가 삽입되어 상기 챔버의 외측부와 결합될 수 있다.
본 발명의 수소분리장치는, 관형의 수소분리막모듈을 둘러싼 챔버에 수소 가스를 포함하는 혼합가스를 주입하여 수소를 분리할 수 있고, 관형의 수소분리막을 이용하므로 수소 분리 효율이 높으며, 압력변환기와 피드백시스템 등을 이용하여 챔버 내부의 압력을 일정하게 유지하면서 용이하게 수소를 분리할 수 있고, 수소를 포함하는 혼합가스가 계속적으로 주입되어 챔버 내의 압력이 갑자기 높아지더라도 안전하게 혼합가스를 강제적으로 배출할 수 있어 안정성이 우수하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호 번호가 일련으로 연속되는 것은 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치를 제시한다.
관형의 수소분리막모듈은 수소 이온 전도도를 가지는 수소 분리막 소재가 가능한 얇은 두께로 다공성의 관형 지지체 상에 코팅됨으로써 전체 수소 분리 특성이 개선된 것이다. 관형의 수소분리막모듈은 수소 분리를 담당하는 수소 이온 전도도를 가지는 부분과 이를 지지하는 관형의 지지체로 구성되어 있다. 수소 분리막 소 재와 관형의 지지체는 수소분리 특성 향상과 분리막모듈을 포함하는 시스템의 다양한 구성을 위하여 여러 가지 형태를 가질 수 있다. 이하에서, 나노 크기라 함은 나노미터(㎚) 크기를 의미하고, 1～1000㎚ 범위의 크기를 의미하는 것으로 사용한다. 또한, 이하에서 내측이라 함은 관형 지지체의 관 중심으로 향하는 방향을 의미하고, 외측이라 함은 관형 지지체의 관 중심으로부터 외부로 향하는 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 수소분리막모듈은 수소 가스가 배출되는 통로를 제공하는 관(112)이 내부에 형성되어 있고 다공성을 갖는 관형 지지체(110)와, 관형 지지체(110) 상에 형성된 미세한 나노 크기의 기공을 갖는 다공성 코팅막(120)과, 다공성 코팅막(120)의 외측에 형성되어 있고 수소 이온 전도성을 가져 수소를 포함하는 혼합 가스에서 수소를 분리시켜 관형 지지체(110)로 배출하는 수소 분리막(130)을 포함한다. 관형 지지체(110) 내부의 관(112)은 외부의 혼합 가스에서 수소 분리막(130)에 의해 분리된 수소가 배출되는 통로 역할을 하며, 관(112)의 직경은 분리되어 배출되는 수소 가스의 양을 고려하여 결정하며 바람직하게는 0.5～10㎝ 정도이다. 관형 지지체(110)의 크기는 요구에 따라 다양하게 변화할 수 있으나, 관형 지지체(110) 내부로 수소 가스의 유동이 용이하도록 기공이 잘 발달되어 있어야 한다. 관형 지지체(110)에는 0.1～100㎛ 크기의 기공들이 다수 형성되어 있다. 상기 관형 지지체(110)는 수소분리막모듈가 사용되는 온도인 300～900℃에서 변형이 일 어나지 않는 세라믹 재질인 SiC, Al2O3, ZrO2 및 AlTiO3 중에서 선택된 적어도 하나의 재질로 이루어질 수 있고, 상기 수소 분리막은 BaCexYM1-xO3, SrCexYM1-xO3 및 LaSrxM1-xO3(여기서, M은 La, Y, Yb, Ga, Gd, In 또는 Ge이고, x는 실수이고 0≤x≤1임)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종의 페로브스카이트형 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 수소 분리막(130)은 수소 이온 전도성에 전자 전도성을 부여하기 위한 10～200㎚ 크기의 전도성 금속 나노입자 또는 전도성 세라믹 나노입자를 더 포함하되, 상기 전도성 금속 나노입자는 수소분리막모듈이 사용되는 온도인 300～900℃보다 융점이 높은 Pt, Ni, Pd, Ag, Mo, Fe 및 Co 중에서 선택된 적어도 하나의 금속으로 이루어질 수 있고 상기 세라믹 나노입자는 CeO2, SnO2, WO3, SiC 중에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 다공성 코팅막(120)은 수소분리막모듈이 사용되는 온도인 300～900℃에서 변형이 일어나지 않는 세라믹 재질인 SiC, Al2O3, ZrO2 및 AlTiO3 중에서 선택된 적어도 하나의 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 예로서 도 2에 관형의 수소분리막모듈을 나타내었다. 도 2를 참조하면, 수소분리막모듈은 수소를 포함하는 혼합 가스가 유입되는 통로를 제공하는 관이 내부에 형성되어 있고 다공성을 갖는 관형 지지체(210)와, 관형 지지체(220)의 내측에 형성되어 있고 수소 이온 전도성을 가져 수소를 포함하는 혼합 가스에서 수소를 분리시켜 관형 지지체로 배출하는 수소 분리막(230)을 포함한다.
본 발명의 또 다른 예로 도 3에 관형의 수소분리막모듈을 나타내었다. 관형 지지체(310) 위에 형성된 다공성 코팅막(320)이 형성된 것은 전술한 도 1에 도시된 것과 동일하나, 수소 이온 전도성을 갖는 수소 분리막(330)이 코팅되기 전에 수소 분리 및 가스 반응을 촉진하는 촉매층(340a)이 추가로 도입될 수 있다. 촉매층(340a)은 Pt, Ni, Pd, Ag, Mo, Co 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 원소로 구성될 수 있다.
상술한 수소분리막모듈에 대하여는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제10-2008-0030567호에 상세하게 개시되어 있다.
위에서는 관형의 수소분리막모듈이 관형 지지체와 수소 분리막을 포함하는 것으로 설명되었으나, 수소 분리막(130, 230, 330) 자체가 관형으로 형성된 것일 수도 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치의 전체적인 구성을 보여주는 개념도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소분리장치에서 관형의 수소분리막모듈과 챔버 등을 상세히 보여주는 정면 절단면도이며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소분리장치에서 관형의 수소분리막모듈과 챔버 등을 상세히 보여주는 측면 절단면도이다.
도 4 내지 도 6에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는 일정한 압력을 유지할 수 있도록 외부가 실링되고 내구성을 갖는 스테인레스스틸(Steel Use Stainless; SUS)과 같은 재질로 이루어진 원통형 챔버(20) 내부에 관형의 수소분리막모듈(30)을 설치하고, 상기 관형의 수소분 리막모듈(30)을 통과한 수소가스를 수소가스배출구(2-5)로 배출시켜 따로 저장하고, 남은 이산화탄소와 같은 가스를 배출시키는 장치이다.
본 발명에 따른 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치는 혼합가스공급부(70)로부터 이산화탄소 등의 가스와 수소가스가 혼합된 혼합가스가 공급되고, 수소를 포함하는 혼합가스는 유량조절기(Mass Flow Controller; MFC)(10)에 유입되어 적절한 유량으로 제1 가스포트(2-1)를 통해 챔버(20) 내에 주입되고, 상기 챔버(20) 내 공간 중심부에 설치된 관형의 수소분리막모듈(30)로 주입된다.
혼합가스공급부(70)는 수소를 포함하는 혼합가스를 고압 상태로 수용하고 혼합가스를 제1 가스포트(2-1)를 통해 챔버(20) 내로 공급하기 위한 용기이다. 혼합가스공급부(70)는 고압으로 수용된 수소를 포함하는 혼합가스를 공급함으로써 챔버(20)에 5～30bar의 범위의 압력으로 혼합가스를 공급할 수 있다. 상기 혼합가스는 이산화탄소와 수소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
혼합가스공급부(70)와 제1 가스포트(2-1) 사이에는 유량조절기(10)와 밸브(12)가 구비되어 있고, 유량조절기(10)와 밸브(12)에 대하여 병렬로 구비된 밸브(14)와 솔레노이드 밸브(16)가 설치되어 있을 수 있다. 밸브(12)는 혼합가스공급부(70)로부터 공급되는 혼합가스를 제1 가스포트(2-1)로 공급하기 위하여 개폐되는 밸브이다. 유량조절기(10)와 밸브(12)에 대하여 병렬로 구비된 밸브(14)와 솔레노이드 밸브(16)는 유량조절기(10)가 동작하지 않는 경우에 대비하여 혼합가스를 제1 가스포트(2-1)로 공급하기 위한 밸브들이고, 또한 혼합가스를 추가적으로 제1 가스포트(2-1)을 통해 챔버(20) 내로 주입되어야 할 필요가 있는 경우에 혼합가스를 공급하는 역할을 할 수도 있다.
제1 가스포트(2-1) 내지 제4 가스포트(2-4)는 가스의 유입 또는 배출을 위한 통로로서, 본 발명에 따르면 시계 방향으로 4개의 가스포트가 설치되며, 제1 가스포트(2-1)를 중심으로 양편에 설치된 제3 가스포트(2-3)와 제4 가스포트(2-4)는 약 30도 각도로 이격된 간격으로 삽입 고정되고, 상기 제1 가스포트(2-1)와 제2 가스포트(2-2)는 180도 각도로 이격되며, 각각 적절한 압력을 유지하기 위한 가스의 유입과 배출을 담당한다.
여기에서 상기 가스포트들(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)은 상기 챔버(20)를 관통하여 형성되며, 외부 방향으로 돌출되게 주입부가 형성되어, 가스 주입 또는 전기적 연결을 위한 전선 작업이 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 챔버(20)는 다수의 가스포트들(2-1, 2-2, 2-3, 2-4)을 삽입할 수 있는 홀이 외주연에서 내부로 수직 관통되게 형성되어, 상기 홀을 통해 압력 등을 측정할 수 있는 압력계 등을 삽입하거나 혼합가스 등을 주입할 수 있으며, 일정 압력(예컨대, 5 bar 내지 30 bar)의 상태에서도 센서들의 전기적 구동을 할 수 있는 구조로 되어 있다.
그리고, 상기 챔버(20)는 상부 챔버와 하부 챔버로 나뉘어 구성될 수 있으며, 각각 고정된 매립부를 형성하고, 상호 밀착되는 면에 밀폐 작용을 하도록 실링 부재를 설치하게 되며, 이에 따라 상기 상부 챔버의 하중에 의해 실링 부재가 압착되면서 완충식 밀착수단으로 구성되어, 실링 부재를 장시간 손상 없이 안정된 밀폐 기능을 갖도록 사용할 수 있는 것이다.
또한 상기 챔버(20) 내부를 외부로부터 밀봉하기 위해 밀봉부재를 사용하여 외부로 혼합가스 등이 새어나가지 않도록 하고, 상기 챔버(20) 내부가 외부로부터 완전히 밀봉되지 않으면, 외부 가스가 챔버(20) 내로 유입되거나 혼합가스가 챔버(20) 외부로 배출되므로 수소가스의 분리가 어려운 문제가 발생될 수도 있어 상기 실링 부재와 밀봉 부재를 동시에 사용하는 것도 바람직하다.
한편 히터포트(1)에 연결되고 온도가 300℃ 내지 900℃로 유지되도록 관형의 수소분리막모듈(30)의 외주연을 둘러싸도록 열선을 포함하는 히터모듈(35)이 설치되며, 상기 히터모듈(35) 외주연에 구비된 보온을 위한 단열재(36)가 형성되어 있는 것이 바람직하다.
챔버(20) 내로 주입된 수소가스를 포함하는 혼합가스는 관형의 수소분리막모듈(30)의 외주연과 히터모듈(35) 사이의 빈 공간(32)으로 유입되고, 혼합가스 중에서 수소가스는 관형의 수소분리막모듈(30)을 통과하여 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)로 유입되고, 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)로 유입된 수소가스는 수소가스배출구(2-5)를 통해 배출되어 포집된다. 수소가스배출구(2-5)는 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)와 연결되어 있고 혼합가스로부터 수소분리막모듈(30)을 통해 혼합가스에서 분리된 수소가스를 배출한다.
챔버(20) 내부의 공간(32)은 혼합가스가 주입되어 일정 압력(예컨대, 5 bar 내지 30 bar) 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 챔버(20) 내부의 공간(32) 압력은 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제3 가스포트(2-3)와 연결된 압력변환기(Pressure Transducer)(40)와 피드백시스템(Feed Back System)(41)을 통해 유량조절기(10)를 제어하여 조절한다. 즉, 압력변환기(40)는 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제3 가스포트(2-3)와 연결되어 챔버(20) 내부의 공간(32)에서의 혼합가스 압력을 측정하여 전기적 신호로 변환하고, 피드백시스템(41)은 압력변환기(40)의 전기적 신호를 입력받아 피드백 신호로 전환하고 유량조절기(10)를 상기 피드백 신호에 따라 제어하여 챔버(20) 내로 주입되는 혼합가스의 유량이 조절되게 한다.
혼합가스에서 수소가스가 분리된 후 남은 이산화탄소 가스는 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제2 가스포트(2-2)를 통해 배출되며, 제2 가스포트(2-2)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 밸브(16)와 솔레노이드 밸브(19)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 제2 가스포트(2-2)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스의 유량은 솔레노이드 밸브(19)와 병렬로 연결된 유량조절기(10)를 통해 챔버(20) 내부의 공간(32) 압력 조절을 위해 제어될 수도 있다.
상기 챔버(20) 내부에 삽입되는 제4 가스포트(2-4)에는 압력계(51)가 설치되며, 챔버(20) 내부의 압력이 일정 압력을 초과할 경우 압력계(51)는 이를 센싱하여 그 신호를 안전변(52)에 보내게 되며, 챔버(20) 내부의 압력이 일정 압력을 초과한다는 신호를 받은 안전변(52)은 혼합가스가 배출될 수 있게 열리게 되고, 챔버(2) 내부의 혼합가스는 안전변(52)을 통해 강제로 배기될 수 있다.
일정 압력(예컨대, 5 bar 내지 30 bar)을 유지하는 상기 챔버(20) 내의 공간(32)은 상술한 압력변환기(40), 피드백 시스템(41), 유량조절기(10) 등에 의하여 항상 일정 압력을 유지하게 되며, 이에 따라 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)와 수소분리막모듈(30)의 외부인 상기 챔버(20) 내의 공간(32)은 일정 압력 차이가 지속적으로 존재하여 일정한 면적을 통해 단위시간당 일정량의 수소 가스가 관형의 수소분리막모듈(30)을 투과하여 관 내부(31)로 유입될 수 있어 용이하게 수소를 분리할 수 있는 것이다.
관형의 수소분리막모듈(30)의 양측 끝에 제1 캡(80)을 형성하여 챔버(20) 내부의 혼합가스가 외부로 배출되지 않게 밀봉한다. 관형의 수소분리막모듈(30)의 양측 끝 테두리를 따라 제1 캡(80)과의 밀착성(sealing)을 높이기 위해 오링(82)이 형성될 수 있다. 또한, 관형의 수소분리막모듈(30)의 양측 끝을 밀봉하는 제1 캡(80)의 외측에 제2 캡(84)이 구비될 수 있으며, 제2 캡(84)에는 관통공(86)이 형성되어 있고 상기 관통공(86)을 통해 나사와 같은 체결부재가 삽입되어 챔버(20)와 결합된다. 관형의 수소분리막모듈(30)은 제1 캡(80)과 제2 캡(84)을 개방한 상태에서 챔버(20)에 장입될 수 있고, 관형의 수소분리막모듈(30)이 챔버(20)에 장입되면 제1 캡(80)과 제2 캡(84)으로 밀봉하여 기밀 상태를 유지할 수 있다. 수소가스배출구(2-5)는 제1 캡(80)과 제2 캡(84)을 관통하여 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)와 연결된다.
이하 본 발명에 따른 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치를 사용하여 수소를 분리하는 방법에 대하여 자세히 설명한다.
먼저, 이산화탄소 가스와 수소가스가 혼합된 혼합가스가 저장된 혼합가스공급부(70)를 준비하고, 히터모듈(35)을 작동시켜 300～900℃의 온도로 설정하고, 상기 혼합가스가 혼합가스공급부(70)로부터 유량조절기(10)를 통해 유입되어 제1 가 스포트(2-1)에 주입되도록 한다. 이때, 제2 가스포트(2-2)과 연결된 밸브(18)는 닫혀있는 것이 바람직하다.
제1 가스포트(2-1)를 통해 챔버(20) 내로 주입된 수소가스를 포함하는 혼합가스는 관형의 수소분리막모듈(30)의 외주연과 히터모듈(35) 사이의 빈 공간(32)으로 유입되고, 혼합가스 중에서 수소가스는 관형의 수소분리막모듈(30)을 통과하여 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)로 유입되고, 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)로 유입된 수소가스는 수소가스배출구(2-5)를 통해 배출되어 포집된다.
관형의 수소분리막모듈(30)을 통해 수소가 분리되는 동안에는 챔버(20) 내부의 공간(32) 압력이 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제3 가스포트(2-3)와 연결된 압력변환기(40)와 피드백시스템(41)을 통해 유량조절기(10)를 제어하여 조절된다. 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제3 가스포트(2-3)와 연결된 압력변환기(40)에 의해 챔버(20) 내부의 공간(32)에서의 혼합가스 압력이 측정되어 전기적 신호로 변환하고, 피드백시스템(41)은 압력변환기(40)의 전기적 신호를 입력받아 피드백 신호로 전환하고 유량조절기(10)를 상기 피드백 신호에 따라 제어하여 챔버(20) 내로 주입되는 혼합가스의 유량이 조절된다.
따라서, 챔버(20) 내의 공간(32)은 항상 일정 압력(예컨대, 5 bar 내지 30 bar)을 유지하게 되며, 이에 따라 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)와 수소분리막모듈(30)의 외부인 상기 챔버(20) 내의 공간(32)은 일정 압력 차이가 지속적으로 존재하여 일정한 면적을 통해 단위시간당 일정량의 수소 가스가 관형의 수 소분리막모듈(30)을 투과하여 관 내부(31)로 유입되게 되어 수소 분리가 일어난다.
혼합가스에서 수소가스가 분리된 후 남은 이산화탄소 가스는 수소가스에 비하여 상대적으로 무겁기 때문에 챔버(20) 내부의 공간(32)에서 하부로 가라앉게 되며, 챔버(20) 내부 공간(32)의 하측부에 연결되어 상기 챔버(20) 내부에 삽입된 제2 가스포트(2-2)를 통해 배출되며, 제2 가스포트(2-2)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 밸브(16)와 솔레노이드 밸브(19)를 통해 외부로 배출되게 된다.
챔버(20) 내부의 압력이 일정 압력을 초과할 경우, 압력계(51)는 이를 센싱하여 그 신호를 안전변(52)에 보내게 되며, 챔버(20) 내부의 압력이 일정 압력을 초과한다는 신호를 받은 안전변(52)은 혼합가스가 배출될 수 있게 열리게 되고, 챔버(2) 내부의 혼합가스는 안전변(52)을 통해 강제로 배기된다.
관형의 수소분리막모듈(30)을 통해 포집된 수소가스는 관형의 수소분리막모듈(30)의 관 내부(31)과 연결된 수소가스배출구(2-5)를 통해 소정의 장소에 저장되도록 한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치의 전체적인 구성을 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소분리장치의 관형 수소분리막모듈과 챔버 등을 상세히 보여주는 정면 절단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소분리장치의 관형 수소분리막모듈과 챔버 등을 상세히 보여주는 측면 절단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 히터포트 2-1 : 제1 가스포트
2-2 : 제2 가스포트 2-3 : 제3 가스포트
2-4 : 제4 가스포트 2-5 : 수소가스배출구
10 : 유량조절기(MFC) 20 : 챔버
30 : 관형의 수소분리막모듈 35 : 히터모듈
40 : 압력변환기 41 : 피드백시스템
51 : 압력계 52 : 안전변
60 : 받침대

Claims (8)

  1. 수소가스를 포함하는 혼합가스를 유량조절기를 통해 제1 가스포트로 공급하기 위한 혼합가스공급부;
    상기 제1 가스포트가 삽입되어 설치되고, 상기 혼합가스로부터 수소가스를 분리하기 위한 관형의 수소분리막모듈이 장입되는 챔버;
    상기 관형의 수소분리막모듈 외주연을 이격되어 감싸도록 상기 챔버에 설치된 가열을 위한 히터모듈;
    상기 관형의 수소분리막모듈의 관 내부와 연결되고 상기 혼합가스로부터 상기 관형의 수소분리막모듈에 의해 분리된 수소가스를 배출하기 위한 수소가스배출구; 및
    수소가스가 분리된 후 남은 가스를 배출하기 위하여 상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제2 가스포트를 포함하며,
    수소가스를 포함하는 상기 혼합가스는 상기 제1 가스포트를 통해 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간으로 주입되고, 상기 이격 공간과 관형의 수소분리막모듈의 관 내부 사이의 압력 차이에 의하여 상기 수소가스가 상기 관형의 수소분리막모듈을 관통하여 상기 관 내부로 유입되어 분리되는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제3 가스포트;
    상기 제3 가스포트에 연결되고, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 상기 혼합가스 압력을 측정하여 전기적 신호로 변환하는 압력변환기; 및
    상기 압력변환기의 전기적 신호를 입력받아 피드백 신호로 전환하는 피드백시스템을 더 포함하며,
    상기 피드백 신호에 따라 상기 유량조절기를 제어하여 상기 제1 가스포트로 공급되는 혼합가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유량조절기에 의해 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력이 5bar 내지 30bar 범위로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내부에 삽입되게 구비된 제4 가스포트;
    상기 제4 가스포트에 연결되고, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력을 센싱하여 일정 압력을 초과할 경우 신호를 제공하는 압력계;
    상기 압력계에서 제공하는 신호를 입력받아 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연과 상기 히터모듈 사이의 이격 공간에서의 혼합가스 압력이 일정 압력을 초과할 경우 혼합가스가 배출되게 열려져서 혼합가스를 강제로 배출하기 위한 안전변을 더 포함하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 관형의 수소분리막모듈 외주연을 이격되어 감싸도록 상기 챔버에 설치된 보온을 위한 단결재를 더 포함하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 혼합가스공급와 상기 제1 가스포트 사이에 상기 유량조절기와 밸브가 구비되어 있고, 상기 유량조절기와 상기 밸브에 대하여 병렬로 구비된 밸브와 솔레노이드 밸브를 더 포함하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  7. 제1항에 있어서, 수소가스가 분리된 후 남은 가스를 배출하기 위한 밸브와 솔레노이드밸브가 상기 제2 가스포트에 연결되어 있고, 수소가스가 분리된 후 남은 가스의 유량을 제어하기 위하여 상기 솔레노이드 밸브와 병렬로 유량조절기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 챔버 내부의 혼합가스가 외부로 배출되지 않게 밀봉하기 위하여 상기 챔버에 장입된 관형의 수소분리막모듈의 양단에 구비된 제1 캡;
    상기 관형의 수소분리막모듈의 양단 테두리를 따라 상기 제1 캡과의 밀착성을 높이기 위해 구비된 오링; 및
    상기 관형의 수소분리막모듈의 양단을 밀봉하기 위하여 상기 제1 캡의 외측에 구비된 제2 캡을 더 포함하며,
    상기 제2 캡에는 관통공이 형성되어 있고 상기 관통공을 통해 체결부재가 삽입되어 상기 챔버의 외측부와 결합되는 것을 특징으로 하는 관형의 수소분리막모듈을 이용한 수소분리장치.
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