KR101336764B1 - 반응분리동시공정에 의한 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응분리동시공정에 의한 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제1개질촉매, 수소 분리막과 마주하는 제2 개질촉매를 포함하는 단위셀, 상기 단위셀 다수를 적층하고 내압챔버에 장착하여 고압 운전이 가능한 수소제조 장치를 제공한다. 상기 수소제조모듈은 탄화수소, 일산화탄소 및 알콜을 원료로 하여 수소를 제조할 수 있다. 특히, 개질촉매는 모두 다공성 금속 플레이트 형으로 구성하여 반응에 필요한 열전달 효과를 극대화한다. 반응물은 제1개질촉매를 투과 접촉하고, 이어서, 대향(對向)하는 수소분리막과 제2개질촉매의 간극을 통과하면서 반응과 동시에 수소를 분리한다. 이에 따라서, 반응온도의 평형전환율을 능가하는 고효율과 확보와 동시에 고순도 수소를 얻을 수 있다.

Description

반응분리동시공정에 의한 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기{Module for hydrogen production by simultaneous reaction and separation, and reactor using thereof}
본 발명은 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소 또는 일산화탄소로부터 반응분리동시공정으로 평형 전환율을 파과하여 수소를 고효율로 제조할 수 있는 수소제조모듈 및 이를 이용한 수조제조반응기에 관한 것이다.
수소는 미래의 에너지원임과 동시에 화학 및 전자산업 공정에 근본물질로서 다양한 경로를 통하여 제조되고 있다.
여러 가지 반응중에서 천연가스를 이용한 스팀개질 반응(반응식 1, steam reforming, 이하 SR)은 수소 농도가 높기 때문에 산업적으로 널리 사용되고 있다.
[반응식 1]
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2, 반응열 = 205.8 kJ/mol
상기 반응 이후에, 반응식 2에 따라서, 일산화탄소 전환반응(water gas shift, 이하 WGS)을 진행하여 수소농도를 증가키고, 이어서, 냉각/수분제거, 압력스윙분리(PSA) 단위공정에서 수소를 분리하는 공정을 따른다.
[반응식 2]
CO + H2O ↔ CO2 + H2, 반응열 = -41.2 kJ/mol
특히, 상기 반응식 1에 해당되는 SR 반응은 흡열량이 크고 평형반응으로서 고온진행이 불가피하며, 반응식 2에 따른 WGS 반응은 평형반응으로서 생성열에 의해서 공정 온도가 증가되기 때문에 고온 수성전이반응(HTS) 후에 반응가스를 냉각하고, 이어서 저온 수성전이반응(LTS) 반응의 진행이 불가피 하다. 따라서, 전체 공정은 거대한 플랜트이며 열효율이 낮은 문제점이 있어 이를 대체할 신공정 개발이 필요하다.
상기 문제점을 개선하기 위하여 열전달 속도가 빠른 금속촉매, 이를 이용한 마이크로채널 반응기 등등에 대한 연구가 진행되었다.
또한, 수소생성반응은 평형반응이라는 점에 착안하여 일본에 미쓰비씨중공업에서는 수소분리막을 이용하여 반응과 동시에 수소를 제거하여 평형을 파과하고 이로 인하여 저온개질반응과 동시에 고농도 수소를 얻을 수 있는 단순화된 공정 개발을 진행된 바 있다(Y. Shirasaki et al, Development of membrane reformer system for highly efficient hydrogen production from natural gas, Int. J. Hydrogen Energy, 34 (2009) 4482-4487, K.-R. Hwang et al., A catalytic membrane reactor for water-gas shift reaction, Korean J. Chem. Eng., 27 (3) (2010) 816-821).
상기 방법과 같이, 황(Hwang) 등은 일산화탄소 수성반응과 동시에 수소를 제거하여 일산화탄소의 전환율을 향상하였다.
상기 2가지 반응기 구성에서 주안점은, 촉매와 반응기의 구성 방법으로 분리막 주변에 촉매를 배치하기 위하여 각고의 노력을 진행하였다. 금속 웹에 촉매를 코팅하여 분리막과 접촉되지 않는 근거리에 위치하거나, 미세 파우더 촉매를 바스켓에 위치시키고 분리막과 일정 간격을 유지하도록 구성하였다. 즉, 분리막과 촉매의 위치를 고정하고, 특히, 반응기 입구에서는 생성수소가 작기 때문에 촉매만을 위치시키고, 일정 거리 후반부터 촉매 주변에 분리막을 위치하도록 하고 있다. 이러한 구성은, 반응분리 동시공정을 증명하기 위한 연구차원의 결과이며, 효율 극대화 또는 대용량으로 스케일업 기술로 문제가 있는 구성이다. 특히, 반응분리효과를 극대화하기 위해서 반응기 운용압력을 높일 수 있는 구성이 필요하나 구조적인 특성상 새로운 접근이 필요하다.
즉, 분리막과 촉매의 공간적인 구성 방법에 따라서 성능에서 큰 차이점이 있으며, 대용량화 및 양산성을 고려한다면 스케일업이 용이한 구성이 필요하다는 점을 알 수 있다.
본 발명의 제 1의 목적은, 탄화수소 또는/동시에 일탄화탄소를 이용하여 수소를 제공하는 고효율의 반응분리동시공정을 제공한다.
제 2의 목적은, 상기 반응기를 단위셀로 형성하고, 이의 적층방법에 의한 스케일업 기술을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 반응효율을 극대화할 수 있는 촉매와 분리막 배치와 유닛셀 반복에 의하여 스케일업이 용이한 고효율의 반응분리동시공정을 활용한다.
이러한 수소제조모듈은, 반응가스가 유입되는 유입유로; 상기 유입유로와 연통되고, 상기 유입유로로부터 공급되는 반응가스를 개질시키는 제1개질촉매에 접촉하는 제1개질유로; 상기 제1개질유로에 연결되어 개질가스를 제2개질촉매와 수소분리막 사이로 통과시키는 제2개질유로; 상기 제2개질유로를 지나서 수소가 제거된 미투과가스가 배출되는 미투과가스배출유로; 및 상기 수소분리막의 투과측에 연통되어 수소가스가 배출되는 수소배출유로를 포함하고, 상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로는 양단부가 모두 외부로 노출된다.
따라서, 상기 수조제조모듈은, 상면에 반응가스채널이 형성되는 반응가스유입판; 상기 반응가스유입판의 상측에 배치되고 투과형인 제1개질촉매가 설치되는 제1개질촉매판; 상기 제1개질촉매판의 상측에 배치되고, 하면에 상기 제1개질촉매에 대응되는 위치에 개질가스채널이 형성되는 개질가스전달판; 상기 개질가스전달판의 상측에 배치되고, 비투과형인 제2개질촉매가 설치되는 제2개질촉매판; 상기 제2개질촉매판의 상측에 배치되고, 상기 제2개질촉매에 대응되는 위치에 간극유통홀이 형성되는 간극유지판; 상기 간극유지판의 상측에 배치되고, 상기 간극유통홀에 대응되는 위치에 수소분리막이 설치되는 수소분리막판; 및 상기 수소분리막판의 상측에 배치되고, 하면에 상기 수소분리막판에 대응되는 위치에 수소전달채널이 형성되는 수소전달판을 포함하고, 상기 반응가스유입판, 상기 제1개질촉매판, 상기 개질가스전달판, 상기 제2개질촉매판, 상기 간극유지판, 상기 수소분리막판, 및 상기 수소전달판에는 서로 이격되는 수소배출홀, 반응가스유입홀, 및 미투과가스배출홀이 각각 형성되고, 상기 반응가스유입판에서 상기 반응가스유입홀은 상기 반응가스채널과 연통되며, 상기 개질가스전달판에는 상기 개질가스채널과 연통되는 개질가스공급홀이 형성되고, 상기 제2개질촉매판 및 상기 간극유지판에는 상기 개질가스전달판의 개질가스공급홀과 연통되는 개질가스공급홀이 형성되며, 상기 간극유지판에서 상기 간극유통홀은 상기 개질가스공급홀 및 상기 미투과가스배출홀과 연통되고, 상기 수소전달판에서 상기 수소전달채널은 상기 수소배출홀과 연통되는 것으로 구체화될 수 있다.
여기서, 상기 반응가스유입홀의 단면적은 상기 미투과가스배출홀의 단면적보다 큰 것이, 상기 수소분리막을 통한 수소의 투과율을 향상시킬 수 있어 바람직하다.
상술한 수소제조모듈을 하나 이상 포함하고, 상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로에 각각 반응가스유입관과 미투과가스배출관과 수소배출관이 연결되는 것에 의해 수소제조반응기를 완성할 수 있다.
또, 고압에서 운전되는 조건을 고려하여 상기 수소제조모듈을 내압챔버 내에 배치할 수 있다.
내압챔버를 이용하는 경우, 내압챔버 내의 가스를 압력을 제공하기 위한 질소와 같은 불활성가스로 공급하거나, 반응가스로 공급할 수 있다.
상기 내압챔버 내의 가스로 반응가스를 사용하는 경우에는, 상기 반응가스유입관은 상기 내압챔버에 설치되고, 상기 유입유로는 상기 내압챔버의 내부공간과 연통되며, 미투과가스배출관과 수소배출관은 상기 내압챔버를 관통하도록 설치된다.
또, 상기 내압챔버 내의 가스로 불활성가스을 사용하는 경우에는, 상기 내압챔버에는 압력가스가 공급되고, 상기 내압챔버와 상기 수소제조모듈의 반응가스유입관과 미투과가스배출관과 수소배출관은 상기 내압챔버를 관통하도록 설치된다.
본 발명에 따른 단위셀 적층형 반응분리 동시공정용 반응기의 개발로, 열효율이 향상되고 다양한 수소제조 규모에 대응할 수 있는 컴팩트한 수소제조장치를 제공할 수 있다. 따라서, 수소제조 및 수소활용공정에 경쟁력 향상이 기대된다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 따른 수소제조모듈을 이용한 수소제조반응기의 실시예 1의 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 수소제조반응기의 조립된 상태의 사시도이다.
도 3은 도 1의 수소제조모듈의 조립된 상태의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 따른 수소제조모듈을 이용한 수소제조반응기의 실시예 2의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 따른 수소제조모듈을 이용한 수소제조반응기의 실시예 3의 분해사시도이다.
도 6은 도 5의 수소제조반응기의 조립된 상태의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 따른 수소제조모듈을 이용한 수소제조반응기의 실시예 4의 사시도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 수소제조모듈(101)은 모두 동일한반응효율을 극대화할 수 있는 촉매와 분리막 배치와 유닛셀 반복에 의하여 스케일업이 용이한 고효율의 반응분리동시공정을 활용한다.
상기 수소제조모듈(101)은 반응가스가 유입되는 유입유로와, 상기 유입유로와 연통되고, 상기 유입유로로부터 공급되는 반응가스를 개질시키는 제1개질촉매에 접촉하는 제1개질유로와, 상기 제1개질유로에 연결되어 개질가스를 제2개질촉매와 수소분리막 사이로 통과시키는 제2개질유로와, 상기 제2개질유로를 지나서 수소가 제거된 미투과가스가 배출되는 미투과가스배출유로와, 상기 수소분리막의 투과측에 연통되어 수소가스가 배출되는 수소배출유로를 포함하고, 상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로는 양단부가 모두 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 수소제조모듈(101)은 적층을 고려하여 상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로는 양단부가 모두 외부로 노출되며, 적층에 의해 상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로를 연결시키는 것만으로, 수소제조능력을 증대시킬 수 있다.
이러한 유로들을 구현한 상기 수조제조모듈(101)은, 반응가스유입판(180), 제1개질촉매판(170), 개질가스전달판(160), 제2개질촉매판(150), 간극유지판(140), 수소분리막판(130), 및 수소전달판(120)을 포함하여 구성되며, 본 발명의 사상에 포함되는 한 다른 방식으로 구성될 수 있다.
상기 반응가스유입판(180), 상기 제1개질촉매판(170), 상기 개질가스전달판(160), 상기 제2개질촉매판(150), 상기 간극유지판(140), 상기 수소분리막판(130), 및 상기 수소전달판(120)에는 서로 이격되면서 판을 관통하여 수소배출홀(124,134,144,154,164,174,184)과 반응가스유입홀(122.132.142.152.162.172.182)와 미투과가스배출홀(123,133,143,153,163,173,183)이 각각 형성된다.
상기 반응가스유입판(180)의 상면에는 중심부에 반응가스채널(185)가 형성된다. 그리고, 상기 수소배출홀(184)과 상기 반응가스유입홀(182)과 상기 미투과가스배출홀(183)이 상기 반응가스채널(185) 주위로 배치되며, 상기 반응가스유입홀(182)은 상기 반응가스채널(185)에 연통된다. 따라서, 상기 수소제조모듈(101)을 통해 공급되는 반응가스는 상기 반응가스유입판(180)에서 상기 반응가스채널(185)을 통해서만 공급된다.
상기 반응가스유입판(180)의 상측으로 제1개질촉매판(170)이 배치된다. 상기 제1개질촉매판(170)은 내부에 제1개질촉매(177)가 대략 중앙부에 배치된다. 상기 제1개질촉매(177)는 반응가스가 투과하여 수소와 탄산가스 등으로 개질시키는 투과형 개질촉매로써, 직경 1-2㎛의 니켈파우더를 압착하여 제조한 다공성 촉매를 사용할 수 있다.
상기 제1개질촉매판(170)에서 상기 제1개질촉매홀(175)의 주위에는 상기 수소배출홀(174)과 상기 반응가스유입홀(172)과 상기 미투과가스배출홀(173)이 서로 이격되도록 배치된다.
상기 제1개질촉매판(170)의 상측에는 개질가스전달판(160)이 설치된다. 상기 개질가스전달판(160)의 하면에는 상기 제1개질촉매(177)에 대응되는 위치에 개질가스채널(165)이 형성된다.
상기 개질가스전달판(160)에서 상기 개질가스채널(165)의 주위에는 상기 수소배출홀(164)과 상기 반응가스유입홀(162)과 상기 미투과가스배출홀(163)이 서로 이격되도록 배치되며, 상기 개질가스채널(165)과 연통되는 개질가스공급홀(161)이 추가로 형성된다.
상기 개질가스전달판(160)의 상측에는 제2개질촉매판(150)이 설치된다. 상기 제2개질촉매판(150)의 구성은 상기 제1개질촉매판(170)과 유사하다.
상기 제2개질촉매판(150)은 내부에 제2개질촉매(157)가 대략 중앙부에 배치된다. 상기 제2개질촉매(157)는 반응가스가 표면접촉을 통해 수소와 탄산가스 등으로 개질시키는 비투과형 개질촉매로써, 직경 0,5~1.5㎛의 니켈파우더를 압착하여 제조한 다공성 촉매를 사용할 수 있다. 따라서, 상기 제2개질촉매(157)를 제작하기 위한 니켈파우더의 직경은, 상기 제1개질촉매(177)와 니켈파우더의 직경보다 작아야 한다. 즉, 상기 제1개질촉매(177)와 상기 제2개질촉매(157)의 조밀의 차이를 이용하여 반응가스의 투과여부를 결정한다.
상기 제2개질촉매판(150)에서 상기 제2개질촉매홀(155)의 주위에는 상기 수소배출홀(154)과 상기 반응가스유입홀(152)과 상기 미투과가스배출홀(153)이 이격되도록 배치된다. 그리고, 상기 제2개질촉매판(150)에는 상기 개질가스전달판(160)의 개질가스공급홀(161)에 대응되는 개질가스공급홀(151)이 형성된다.
상기 제2개질촉매판(150)의 상측에는 간극유지판(140)이 배치된다. 상기 간극유지판(140)에는 상기 제2개질촉매(157)에 대응되는 위치에 간극유통홀(145)이 형성된다. 상기 간극유지판(140)에서 상기 간극유통홀(145)의 주위에는 상기 수소배출홀(144)과 상기 반응가스유입홀(142)과 상기 미투과가스배출홀(143)과 개질가스공급홀(141)이 이격되도록 배치된다.
그리고, 상기 간극유통홀(145)은 상기 개질가스공급홀(141) 및 상기 미투과가스배출홀(143)과 연통된다. 이 때, 상기 개질가스공급홀(141) 및 상기 미투과가스배출홀(143)의 연통은 상기 간극유지판(140)의 상측에 오목하게 형성된 개질가스공급홈(146) 및 미투과가스배출홈(147)에 의한다.
상기 간극유지판(140)의 상측에는 수소분리막판(130)이 배치된다. 상기 수소분리막판은 상기 제1개질촉매판(170)과 비교하여, 제1개질촉매(177)를 대신하여 수소분리막(137)을 설치한 것을 제외하고는 동일한 구성을 가진다.
상기 수소분리막판(130)에는 상기 간극유통홀(145)이 대응되는 위치에 수소분리막(137)이 설치된다. 이를 위해, 상기 수소분리막판(130)의 중심부에는 수소분리막설치홀(135)가 형성된다.
상기 수소분리막(137)은 포일 타입이거나 스퍼터링, 무전해도금, 전해도금, 스프레이코팅, E-beam 등의 코팅법으로 다공성 금속 혹은 다공성 세라믹으로 이루어지는 다공성 지지체에 코팅되어질 수 있다.
그리고, 상기 수소분리막판(130)에서 상기 수소분리막설치홀(135)의 주위에는 상기 수소배출홀(134)과 상기 반응가스유입홀(132)과 상기 미투과가스배출홀(133)이 서로 이격되도록 배치된다.
상기 수소분리막판(130)의 상측에는 수소전달판(120)이 형성된다. 상기 수소전달판(120)의 중심부 하면에는 상기 수소분리막(137)에 대응되는 위치에 수소전달채널(125)가 형성된다. 그리고, 상기 수소전달채널(125)의 주위에는 상기 수소배출홀(124)과 상기 반응가스유입홀(122)과 상기 미투과가스배출홀(123)이 서로 이격되도록 배치된다. 또, 상기 수소배출홀(124)은 상기 수소전달채널(125)과 연통된다.
본 발명에 따른 수소제조모듈(101)은 기본적으로 상술한 바와 같이 구성되며, 이를 반응가스유입홀(122.132.142.152.162.172.182)과 미투과가스유입홀(123,133,143,153,163,173,183)과 수소배출홀(124,134,144,154,164,174,184) 일치하도록 하여 확산접합, 용접 등의 방법으로 접합시키면 도 3에 도시된 바와 같은 하나의 단위체가 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 수소제조모듈은, 각 플레이트에 형성된 수소배출홀과 반응가스유입홀과 미투과가스배출홀이, 관체를 이루게 된다.
이러한 수소제조모듈(101)을 이용하여 다양한 수소제조반응기를 구현할 수 있다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예 1에 따른 수소제조반응기(101)를 설명한다.
상기 수소제조모듈(101)의 상하측에 각각 상부플레이트(110)와 하부플레이트(190)가 배치된다.
상기 상부플레이트(110)에는 수소배출관(114)이 형성되고, 상기 수소배출관(114)은 상기 수소배출홀(124,134,144,154,164,174,184)이 이루는 관체와 연통된다. 그리고, 상기 상부플레이트(110)는 반응가스유입홀(122.132.142.152.162.172.182)이 이루는 관체의 상단과, 미투과가스유입홀(123,133,143,153,163,173,183)이 이루는 관체의 상단을 폐쇄한다.
그리고, 상기 하부플레이트(190)에는 반응가스유입관(192)과 미투과가스배출관(193)이 형성된다. 상기 반응가스유입관(192)은 반응가스유입홀(122.132.142.152.162.172.182)이 이루는 관체의 하단과 연결되고, 상기 미투과가스배출관(193)은 미투과가스유입홀(123,133,143,153,163,173,183)이 이루는 관체의 하단과 연결된다. 그리고, 상기 하부플레이트(190)는 상기 수소배출홀(124,134,144,154,164,174,184)이 이루는 관체의 하단을 폐쇄한다.
상기 수소제조모듈(101)과 상기 상부플레이트(110) 및 상기 하부플레이트(190)를 접합하면 도 2와 같이 완성된다.
다음으로, 본 발명의 실시예 1에 따른 수소제조반응기(100)의 작동과정을 설명한다. 먼저, 상기 반응가스유입관(192)으로 탄화수소가스와 스팀이 혼합된 반응가스가 유입된다. 상기 반응가스는 상기 반응가스유입홀(122.132.142.152.162.172.182)이 이루는 관체 쪽으로 진행되고, 이 관체에 연통되는 상기 반응가스유입판(180)의 반응가스채널(185)로 반응가스가 공급된다.
그리고, 상기 반응가스는 상기 반응가스채널(185)을 경유하여 상기 제1개질촉매(177)를 관통하면서, 수소와 탄산가스 등으로 이루어지는 개질가스로 개질된다. 그리고, 상기 개질가스는 상기 개질가스전달판(160)의 개질가스채널(165)을 통해 개질가스공급홀(141,151,161)을 지나 상기 간극유통홀(145)로 진행된다.
상기 간극유통홀(145)에 도달한 개질가스는 제2개질촉매(157)에 접촉하여 미분리된 탄화수소가스의 개질반응을 계속하면서, 이미 개질된 수소를 상기 수소분리막(137)을 통해 상기 수소전달판(120)의 수소전달채널(125)로 이동하게 된다.
상기 수소전달채널(125)은 상기 수소배출홀(124,134,144,154,164,174,184)이 이루는 관체에 연통되므로, 발생된 수소는 상기 수소배출관(114)을 통해 배출된다. 그리고, 상기 간극유통홀(145)에서 수소가 제거된 미투과가스는 상기 간극유통홀(145)과 연통되는 미투과가스유입홀(123,133,143,153,163,173,183)이 이루는 관체로 전달된다. 따라서, 미투과가스는 상기 미투과가스배출관(193)을 통해 배출된다.
다음으로, 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예 2에 따른 수소제조반응기(102)를 설명한다. 상기 수소제조반응기(102)는 상기 수소제조모듈(101)을 복수개 적층한 것을 제외하고는 실시예 1의 수소제조반응기(100)와 동일하다.
상술한 바와 같이, 각 플레이트에 형성된 수소배출홀과 반응가스유입홀과 미투과가스배출홀이 관체를 이루고, 도 3에 도시된 바와 같이 상하로 노출되어 있으므로, 상기 수소제조모듈(101)을 복수개 적층하는 것이 가능하다.
상기 수소제조반응기(102)의 작동과정은 실시예 1의 수소제조반응기(100)와 동일하므로, 설명은 생략한다.
그리고, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예 3에 따른 수소제조반응기(103)를 설명한다. 상기 수소제조반응기(102)는 상부플레이트(200)와 하부플레이트(210)의 구성이 실시예 1의 수소제조반응기(100)과 상이하다. 상기 수소제조반응기(103)는, 필요에 따라 수소배출관(214), 반응가스유입관(212), 미투과가스배출관(213)을 동일한 위치에 설치해야 하는 경우에 적합하다.
상술한 바와 같이, 각 플레이트에 형성된 수소배출홀과 반응가스유입홀과 미투과가스배출홀이 관체를 이루고 있으므로, 수소배출관(214), 반응가스유입관(212), 미투과가스배출관(213)은 상부플레이트(200)와 하부플레이트(210)에 선택적으로 설치할 수 있으며, 상부플레이트(200)와 하부플레이트(210)에 동시에 설치하는 것도 가능하다. 실시예 3의 수소제조반응기(103)에서는 하부플레이트(210)에 수소배출관(214), 반응가스유입관(212), 미투과가스배출관(213)을 모두 설치하였다. 그리고, 상기 상부플레이트(200)는 각 플레이트에 형성된 수소배출홀과 반응가스유입홀과 미투과가스배출홀이 이루는 관체의 상단을 폐쇄한다. 상기 수소제조반응기(103)의 작동과정은 수소배출관(214)이 하부플레이트(210)에 설치된 것을 제외하고는 실시예 1의 수소제조반응기(100)와 동일하므로, 설명은 생략한다.
또, 그리고, 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예 4에 따른 수소제조반응기(104)를 설명한다. 상기 수소제조반응기(104)에 공급되는 압력은 상당히 높으므로, 이를 확산접합에 의해 접합시켜서 안정상의 문제가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 실시예 4의 수소제조반응기(104)는 내압챔버(106) 내에 실시예1의 수소제조반응기(100)를 설치하고, 수소배출관(114), 반응가스유입관(192), 미투과가스배출관(193)을 상기 내압챔버(106)의 벽체를 관통시켜 외부와 연통시켰다. 그리고, 상기 내압챔버(106)의 일측에는 압력가스공급관(108)을 설치하여, 상기 수소제조모듈(101)에 외압을 가하도록 질소 등과 같은 불활성가스를 주입한다.
따라서, 상기 수소제조반응기(104)는 안정성을 상당히 높일 수 있으며, 반응가스의 주입압력에도 비교적 자유로울 수 있다.
또한, 상기 압력가스를 반응가스로 대체하는 방법도 있다. 이 경우에는 상기 반응가스유입관(192)을 상기 내압챔버(106) 내부에 위치하도록 하거나, 상기 반응가스유입관(192)이 위치하는 상부플레이트(110) 또는 하부플레이트(190)에 관통홀을 형성하여 상기 내압챔버(106) 내부 공간과 상기 미투과가스유입홀(123,133,143,153,163,173,183)이 이루는 관체로 연통시키면 된다. 이 방법의 경우에는 별도의 불활성가스를 사용할 필요가 없는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,102,103,104: 수소제조반응기 101: 수소제조모듈
106: 내압챔버 108: 압력가스공급관
110,200: 상부플레이트 114,214: 수소배출관
120: 수소전달판
122.132.142.152.162.172.182: 반응가스유입홀
123,133,143,153,163,173,183: 미투과가스배출홀
124,134,144,154,164,174,184: 수소배출홀
125: 수소전달채널 130: 수소분리막판
135: 수소분리막설치홀 137: 수소분리막
140: 간극유지판 141,151,161: 개질가스공급홀
145: 간극유통홀 146: 개질가스공급홈
147: 미투과가스배출홈 150: 제2개질촉매판
155: 제2개질촉매설치홀 157: 제2개질촉매
160: 개질가스전달판 165: 개질가스채널
170: 제1개질촉매판 175: 제1개질촉매설치홀
177: 제1개질촉매 180: 반응가스유입판
185: 반응가스채널 190,210: 하부플레이트
192,212: 반응가스유입관 193,213: 미투과가스배출관

Claims (7)

  1. 반응가스가 유입되는 유입유로;
    상기 유입유로와 연통되고, 상기 유입유로로부터 공급되는 반응가스를 개질시키는 제1개질촉매에 접촉하는 제1개질유로;
    상기 제1개질유로에 연결되어 개질가스를 제2개질촉매와 수소분리막 사이로 통과시키는 제2개질유로;
    상기 제2개질유로를 지나서 수소가 제거된 미투과가스가 배출되는 미투과가스배출유로; 및
    상기 수소분리막의 투과측에 연통되어 수소가스가 배출되는 수소배출유로를 포함하고,
    상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로는 양단부가 모두 외부로 노출되며,
    상면에 반응가스채널이 형성되는 반응가스유입판;
    상기 반응가스유입판의 상측에 배치되고 반응가스 투과형인 제1개질촉매가 설치되는 제1개질촉매판;
    상기 제1개질촉매판의 상측에 배치되고, 하면에 상기 제1개질촉매에 대응되는 위치에 개질가스채널이 형성되는 개질가스전달판;
    상기 개질가스전달판의 상측에 배치되고, 반응가스 비투과형인 제2개질촉매가 설치되는 제2개질촉매판;
    상기 제2개질촉매판의 상측에 배치되고, 상기 제2개질촉매에 대응되는 위치에 간극유통홀이 형성되는 간극유지판;
    상기 간극유지판의 상측에 배치되고, 상기 간극유통홀에 대응되는 위치에 수소분리막이 설치되는 수소분리막판; 및
    상기 수소분리막판의 상측에 배치되고, 하면에 상기 수소분리막판에 대응되는 위치에 수소전달채널이 형성되는 수소전달판을 포함하고,
    상기 반응가스유입판, 상기 제1개질촉매판, 상기 개질가스전달판, 상기 제2개질촉매판, 상기 간극유지판, 상기 수소분리막판, 및 상기 수소전달판에는 서로 이격되는 수소배출홀, 반응가스유입홀, 및 미투과가스배출홀이 각각 형성되고,
    상기 반응가스유입판에서 상기 반응가스유입홀은 상기 반응가스채널과 연통되며, 상기 개질가스전달판에는 상기 개질가스채널과 연통되는 개질가스공급홀이 형성되고, 상기 제2개질촉매판 및 상기 간극유지판에는 상기 개질가스전달판의 개질가스공급홀과 연통되는 개질가스공급홀이 형성되며, 상기 간극유지판에서 상기 간극유통홀은 상기 개질가스공급홀 및 상기 미투과가스배출홀과 연통되고, 상기 수소전달판에서 상기 수소전달채널은 상기 수소배출홀과 연통되는 것을 특징으로 하는 수소제조모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응가스유입홀의 단면적은 상기 미투과가스배출홀의 단면적보다 큰 것을 특징으로 하는 수소제조모듈.
  4. 제1항의 수소제조모듈을 하나 이상 포함하고,
    상기 유입유로와 상기 미투과가스배출유로와 상기 수소배출유로에 각각 반응가스유입관과 미투과가스배출관과 수소배출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 수소제조반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 수소제조모듈을 내압챔버 내에 배치하는 것을 특징으로 하는 수소제조반응기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반응가스유입관은 상기 내압챔버에 설치되고, 상기 유입유로는 상기 내압챔버의 내부공간과 연통되며, 미투과가스배출관과 수소배출관은 상기 내압챔버를 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소제조반응기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 내압챔버에는 압력가스가 공급되고, 상기 내압챔버와 상기 수소제조모듈의 반응가스유입관과 미투과가스배출관과 수소배출관은 상기 내압챔버를 관통하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수소제조반응기.
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