KR101391815B1

KR101391815B1 - 수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법

Info

Publication number: KR101391815B1
Application number: KR1020120068200A
Authority: KR
Inventors: 김용민; 김영천; 김유종; 윤창원; 윤성필; 남석우; 홍성안; 한종희; 함형철; 김기범
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-05-12
Also published as: KR20140000825A

Abstract

암모니아 보레인 펠렛을 수소 발생용 연료로 사용하고, 가열된 유기 용매가 암모니마 보레인 펠렛의 탈 수소화반응을 촉진함으로써, 별도의 촉매 없이 연속적으로 수소를 생산하고, 자열 운전이 가능하며, 불순물을 최소화 할 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법이 제공된다.

Description

수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법{Apparatus for generating hydrogen and method for providing hydrogen using the same}

본 명세서는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법에 관하여 기술한다. 보다 상세하게는 수소 발생 연료의 펠렛 예컨대 암모니아 보레인(Ammonia borane, 이하 AB) 펠렛을 수소 발생용 연료로 사용하고, 가열된 유기 용매가 AB 펠렛의 탈 수소화반응을 촉진함으로써, 별도의 촉매 없이 연속적으로 수소를 생산하고, 자열 운전이 가능하며, 불순물을 최소화 할 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법에 관한 것이다.

화석 에너지의 고갈 및 환경 오염 문제로 인하여 신재생 대체 에너지에 대한 요구가 크며, 이에 대한 대체 에너지의 하나로서 수소가 주목받고 있다. 특히 연료전지와 수소 연소 장치의 경우 수소를 반응 가스로 사용하고 있는데, 연료전지와 수소 연소 장치를 예컨대 자동차나 각종 전자 제품 등에 응용하기 위해서는 수소의 안정적이고 지속적인 공급 기술이 요구된다.

수소를 이용하는 장치에 있어서 수소를 공급하기 위해서는 별도로 설치된 수소 공급 장치로부터 수소가 필요할 때마다 수소를 공급받는 방식을 사용할 수 있다. 이러한 방식에서는 수소 저장을 위하여 압축 수소나 액화 수소를 사용할 수 있다.

그러나 압축 수소를 사용하는 수소 공급 방식은 120~200 기압의 고압을 견딜 수 있는 수소 저장 용기가 필요할 뿐만 아니라, 용기가 크고 무거워 이동이 불편하고, 또한 수소의 유출로 인한 폭발의 우려가 있으며, 설령 액화한다 하더라도 휘발유 에너지 밀도 1/3 수준에 불과한 단점 등이 있어 효율성 및 안정성에 있어 문제가 된다.

이외에, 수소를 저장하고 발생시키는 물질을 수소 이용 장치에 탑재하여, 해당 물질을 반응 시켜 수소를 발생시키고, 이를 공급하는 방식을 사용할 수 있다. 이 방식에는 예컨대, 금속수소화물(metal hydride) 이용 방법, 흡착, 탈착/탄소 (absorbents/carbon) 이용 방법, 화학적 방법(chemical hydrogen storage) 등이 제안되고 있다(비 특허문헌 참조). 이 중 상용화에 가장 가까운 것은 높은 수소 저장 밀도를 갖는 화학적 수소화물(hydride) 방법이다.

여러 종류의 화학적 수소화물 중 하나인 암모니아 보레인(AB)은 약 19,6wt%의 수소를 함유하는 수소 저장 물질로, 분자를 구성하는 N-B 결합에 의한 강한 극성 및 분자간 인력으로 인하여 상온에서 매우 안정하다. 상기 AB가 수소 저장 물질로 이용될 경우, 온도 조절을 통하여 수소 발생 여부를 조절할 수 있어 수소 저장에 유리하다.

상기 AB 로부터 수소를 생산하는 방식은 가수분해(hydrolysis)와 열분해 방식(thermolysis)이 있다. 가수분해 방식은 AB 한 분자에서 3개의 수소 분자가 방출되는 반응으로 다음과 같은 반응식(1)을 가진다.

상기 반응의 경우, 저온에서 수소 발생이 가능하나 이를 위한 별도의 촉매를 필요로 하고, 반응물로서 물이 추가적으로 필요하기 때문에 전체 수소 저장 밀도가 떨어지는 단점이 있다. 또한 반응의 결과로 폴리보레이트(polyborate)가 생성되는데, 상기 폴리보레이트는 열역학적으로 굉장히 안정하여 사용 연료의 재생 시 에너지가 많이 소모되는 단점이 존재한다.

AB의 열분해 방식은 별도의 반응물 없이 AB 자체에 열을 가함으로써 수소를 발생하는 방식으로 다음의 반응식을 가진다.

상기 반응을 살펴보면, 반응식 (2)와 같이 110℃ 부근에서 1 개의 수소 분자가 방출되고, 아래의 반응식 (3)과 같이 155℃ 부근에서 또다시 1개의 수소 분자가 방출된다. 온도가 증가함에 따라서 생성 수소량이 증가하며, 500℃ 이상에서는 완전한 탈수소화가 일어나서 보론 나이트라이드(Boron nitride: BN)를 생성한다. 하지만 BN 은 높은 화학적 및 열적 안정성 때문에 재생이 어렵다는 단점이 있다. 이처럼 AB는 상기 열분해 반응 시 별도의 촉매 없이 가열만으로 수소가 발생하고, 순수한 AB에 열을 가하여 수소를 발생시키는 방법에 대하여 특허가 출원되었다[특허문헌 1~5].

그러나, 순수한 AB의 열분해는 거품 및 비산(foaming & scattering), 유도 기간(induction period), 불순물(impurities) 발생과 같은 문제점이 있다. 거품 및 비산 발생은 탈 수소 반응이 일어나면서 AB 가 부풀어 오르거나 초기 순간적인 수소 발생에 의해서 미처 반응되지 못한 반응물이 비산되어 반응 지역에서 벗어남으로써 탈 수소 반응이 완전히 일어나지 못하는 현상이다.

또한 거품 및 비산 발생에 의해서 반응기 출구가 막히는 문제도 발생할 수 있다. 유도 기간의 발생은 열분해 반응에서 중간체로서 반드시 생성되어야 하는 diammoniate of diborane(DADB)의 생성이 지체됨으로써 전체적인 수소 발생 시간을 지연시키는 문제를 말한다[비 특허문헌 1].

또한 AB 분해 시 보라진(Borazine)과 같은 폴리아미노보레인(polyaminoborane)류의 불순물이 생성되는데, 상기 물질들은 수소와 함께 혼합되어, 연료전지의 성능을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.

따라서, 촉매 또는 유기용매, 첨가물 등을 첨가하여 상기 언급한 순수한 AB 열분해의 문제점을 해결하려는 시도가 있었다[특허문헌 6-12], [비 특허문헌 2].

그 중 AB에 이온성 액체(Ionic liquid)나 유기용매와 같은 첨가물을 과량 섞어서 AB를 유동화 함으로써, AB 의 저장과 공급을 용이하게 하려고 하는 시도는, 용매에 대한 AB의 낮은 용해도 문제 및 액체화를 위해 과량 용매 사용 시 재료 기준 수소 저장 밀도가 현저히 감소하는 문제점이 있다[특허문헌 7], [비 특허문헌 3].

또 다른 방법은 AB 에 거품 생성 방지용 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose, MC)를 15wt% 첨가하여 오거 반응 시스템(auger reactor system)을 통해서 연료를 공급하는 것이다[비 특허문헌 3].

그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 따르면, 이 방법은 AB 의 스크루 피더(screw feeder), 파우더(powder)를 사용하였을 경우, 파우더 브릿지(bridge), 부피 밀도(bulk density)가 낮다는 문제와 격렬한 반응 시 발생하는 불순물의 제거 방법이 없다는 것이 단점이다.

[비 특허문헌 4]는 최근 미국에서 개발된 두 종류의 AB 연속 공급 시스템에 대해서 소개하였다. 첫 번째는 미국의 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구소(Pacific Northwest National Laboratory, PNNL)의 고체 AB 연속 공급 시스템(Solid AB flow system)이고, 두 번째는 미국의 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory, LANL)의 유체 AB 연속 공급 시스템(Fluid AB flow trough system) 이다.

고체 AB 연속 공급 시스템은 플렉서블 코일 스크루(flexible coil screw) 및 호퍼 위드 애지테이터(hopper with agitator)를 사용하여 AB 파우더를 연속적으로 공급하는 시스템인데, 상기 시스템은 연료의 공급이 용이하지 않고, 연료의 공급을 일정하게 하기 어렵다는 문제점이 있다.

유체 AB 연속 공급 시스템은 AB를 이온성 액체(Ionic liquid) 로 유동화 시킨 후 연속적으로 연료를 공급하는 시스템인데, 위에 언급한 이유에 의해서 AB를 유동화 시키는데 많은 용매가 사용된다는 점과, 유동화가 되어도 점도가 높기 때문에 연료를 공급하는데 펌프에서 사용 전력이 많이 필요하다는 문제점이 있다.

Portable hydrogen source (US 7,682,411) Hydrogen generator and fuel stick (US 2010/0226829) In hydrogen generators (US 2010/0247425) Hydrogen supply tank, and hydrogen supply apparatus, hydrogen supply method and hydrogen-consuming device using the same (US 2011/0207027) 암모니아보레인을 이용한 수소 발생장치 (KR10-2009-0114035) Method for releasing hydrogen form ammonia borane (US 2010/0047159) 암모니아보레인과 유기용매를 이용한 수소 발생 방법 (KR10-2010-0092316) Base metal dehydrogenation of amine-boranes (US 7,544,837) Acid-catalyzed dehydrogenation of amine-boranes (US 7,645,902) Bulk-scaffolded hydrogen storage and releasing materials and methods for preparing and using same (US 7,963,116) Hydrogen storage materials containing ammonia borane (US 8,038,980) Hydrogen production using ammonia borane (US 2009/0274613)

D.J. Heldebrant, A. Karkamkar, N.J. Hess, M. Bowden, S. Rassat, F. Zheng, K. Rappe and T. Autrey, "The effect of chemical additives on the induction phase in solid-sate thermal decomposition of ammonia borane", Chem. Mater., 2008, 20 (16), pp 53325336. (DADB) M.E. Bluhm, M.G. Bradley, R. Butterick III, U. Kusari, L.G. Sneddon, Amineborane-Based Chemical Hydrogen Storage: Enhanced Ammonia Borane Dehydrogenation in Ionic Liquids, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128 (24), pp 77487749. (Ionic liquid) M. Devarakonda, K. Brooks, E. Ronnebro, S. Rassat, "Systems modeling, simulation and material operating requirements for chemical hydride based hydrogen storage", Int. Hydrogen Energy 37 (2012) 2779-2793. 발표 자료 (Hydrogen storage engineering, center of excellence, Donald L. Anton, 2011 DOE Annual Merit Review, Project ID#ST004).

암모니아 보레인을 유동화 시키지 않고, 고체의 펠렛 형태로 공급함으로써 연속 반응이 용이하도록 하고, 반응기에 가열된 유기 용매를 공급함으로써 AB 탈수소화 반응을 촉진하여, 연속적으로 수소 발생이 일어나게 할 수 있는 AB 펠렛 기반 수소 발생 장치 및 수소 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한 별도의 촉매 없이도 높은 수소 수득률을 달성하며, 상기 얻어진 수소를 연료전지 또는 수소연소장치 등에 안정적이고 지속적으로 제공할 수 있는 AB 펠렛 기반 수소 발생 장치 및 수소 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 구현예들에서는 암모니아 보레인 펠렛 공급부; 유기 용매 공급부; 및 상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부로부터 암모니아 펠렛을 공급받고, 상기 유기 용매 공급부로부터 유기 용매를 공급받으며, 암모니아 보레인 펠렛의 탈 수소화 반응이 일어나는 반응 챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 하나의 구현예는 암모니아 보레인(Ammonia borane, 암모니아 보레인) 펠렛을 저장하기 위한 암모니아 보레인 펠렛 저장부; 상기 암모니아 보레인 저장부로부터 암모니아 보레인 펠렛을 전달받는 암모니아 보레인 펠렛 공급부; 유기 용매를 저장하기 위한 유기 용매 저장부; 상기 유기 용매 저장부로부터 유기 용매를 전달받는 유기 용매 공급부; 상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부에 연결되어 암모니아 보레인 펠렛을 공급받고, 상기 유기 용매 공급부에 연결되어 유기 용매를 공급받으며, 상기 암모니아 보레인 펠렛이 탈 수소화 반응을 일으키는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어 상기 반응으로 생성된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부; 및 상기 반응 챔버에 연결되어 상기 반응으로 생성된 수소를 포함하는 가스가 배출되는 수소 포함 가스 배출부를 포함하는 암모니아 보레인 펠렛 기반 수소 발생 장치에 관한 것이다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부로부터 배출된 수소의 일부를 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 공급하는 수소 공급부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부의 일단에 위치하여, 상기 암모니아 보레인 펠렛이 상기 반응 챔버에 공급되는 때에 열리고, 상기 반응 챔버에서 반응이 일어날 때에 닫히는 개폐 조절 장치를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버는 유기 용매를 가열하기 위한 유기 용매 가열 장치를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버는 과열된 반응 챔버를 냉각하기 위한 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버 내의 압력과 온도를 각각 감지하는 압력 센서 및 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부에 연결된 정제부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 정제부는 물리적 및 화학적 필터로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부와 상기 정제부 사이에 상기 유기 용매 저장부가 위치하고, 상기 수소 포함 가스 배출부는 상기 유기 용매 저장부에 연결되며, 상기 유기 용매 저장부는 상기 정제부와 연결될 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부와 상기 유기 용매 저장부 사이에 가스 냉각 장치를 더 포함할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 펠렛은 구형의 펠렛 형태를 가질 수 있 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 반응 챔버의 내부 온도는 100℃ 내지 160℃일 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부는 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 연속적으로 암모니아 보레인 펠렛을 전달받아, 연속적으로 반응 챔버에 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 하나의 구현예는, 암모니아 보레인(Ammonia borane, 암모니아 보레인) 펠렛을 저장하기 위한 암모니아 보레인 펠렛 저장부; 상기 암모니아 보레인 저장부로부터 암모니아 보레인 펠렛을 전달받는 암모니아 보레인 펠렛 공급부; 유기 용매를 저장하기 위한 유기 용매 저장부; 상기 유기 용매 저장부로부터 유기 용매를 전달받는 유기 용매 공급부; 상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부에 연결되어 암모니아 보레인 펠렛을 공급받고, 상기 유기 용매 공급부에 연결되어 유기 용매를 공급받으며, 상기 암모니아 보레인 펠렛이 탈 수소화 반응을 일으키는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 연결되어 상기 반응으로 생성된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부; 및 상기 반응 챔버에 연결되어 상기 반응으로 생성된 수소가 배출되는 수소 포함 가스 배출부를 포함하는 수소 발생 장치를 포함하는 연료전지 장치에 관한 것이다.

본 발명의 구현예들에서는 암모니아 보레인 펠렛을 반응 챔버로 공급하는 단계; 유기 용매를 반응 챔버로 공급하는 단계; 및 반응 챔버에서 유기 용매의 존재 하에서 암모니아 보레인 펠렛의 탈 수소화 반응을 유도하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 하나의 구현예는 암모니아 보레인 펠렛을 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 반응 챔버로 공급하는 단계; 유기 용매를 유기 용매 저장부로부터 반응 챔버로 공급하는 단계; 상기 반응 챔버에서 암모니아 보레인펠렛의 탈 수소화 반응을 유도하는 단계; 및 상기 반응 챔버에서 생성된 수소를 외부로 배출하는 단계를 포함하는 수소 제조 방법에 관한 것이다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 제조 방법은 암모니아 보레인 펠렛을 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 상기 반응 챔버로 공급하는 단계 및 유기 용매를 유기 용매 저장부로부터 반응 챔버로 공급하는 단계를 동시에 진행할 수 있다.

예시적인 구현예에서, 상기 유기 용매는 반응 챔버로 공급되기 전 또는 반응 챔버에서 가열된다.

예시적인 구현예에서, 수소 포함 가스 배출부를 통하여 배출되는 가스의 분술물을 유기 용매 저장부에서 트랩하도록 한다.

예시적인 구현예에서, 상기 수소 제조 방법은 상기 수소 포함 가스 배출부를 통해 외부로 배출된 수소의 일부는 수소 공급부로 공급되고, 상기 수소 공급부에 공급된 수소는 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 공급되어, 상기 반응 챔버에서 생성되는 수소가 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 구현예들에 따른 수소 발생 장치는, 연속적인 연료 공급이 가능하며, 별도의 촉매 없이도 수소를 연속적으로 생산하고, 아울러 높은 수소 수득률을 달성하는 효과가 있다. 또한 상기 수소 발생 장치는 반응 챔버에 대한 별도의 가열 장치 없이도, AB펠렛의 열분해 시 방출되는 열을 유기 용매가 흡수하여 반응 챔버의 온도를 일정하게 유지시키므로 자열 운전이 가능한 효과를 가진다.

또한, 본 발명의 구현예에 따른 수소 발생 장치는, 유기 용매가 반응 챔버에서 생성되는 휘발성 부산물을 흡수하여 불순물 함량을 최소화하고, 유기 용매가 고/액상 부산물을 유동화시킴으로써 반응 생성물을 쉽게 제거할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 하나의 구현예에 따른 수소 발생 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에서 순수한 AB펠렛을 온도를 달리하여 열분해 한 경우의 시간에 따른 수소 발생량 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에서 순수한 AB펠렛을 서로 다른 온도로 가열된 테트라 글라임에 첨가하여 열분해 한 경우 시간에 따른 수소 발생량 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 145℃의 테트라 글라임에 AB 펠렛을 연속으로 15개 공급한 경우 시간에 따른 수소 발생량 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에서 테트라 글라임에 대한 AB 펠렛 공급 속도를 변화시킬 때 수소 발생량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 4에서 테트라 글라임에 AB 펠렛을 일정한 속도로 연속적으로 공급하여 발생된 수소를 200W급 고분자 전해질 연료전지에 공급할 때, 등전류 시 연료전지 발생 전력과 반응기 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 5에서 테트라 글라임에 AB 펠렛을 일정한 속도로 연속적으로 공급하여 수소를 생산할 때, 외부 트랩의 사용 여부에 따른 불순물 생성량을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 구현예를 보인 것으로서, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 연료 전지 장치란 연료 전지 및 이에 수소를 공급하는 수소 발생 장치를 포함하는 장치를 의미한다.

도 1은 본 발명의 하나의 구현예에서 수소 발생 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시된 본 발명의 하나의 구현예에 따르는 수소 발생 장치는 AB펠렛을 저장하는 AB펠렛 저장부(10), 상기 AB펠렛 저장부(10)로부터 AB펠렛을 전달받는 AB펠렛 공급부(15), 유기 용매를 저장하는 유기 용매 저장부(20), 상기 유기 용매 저장부(20)로부터 유기 용매를 전달받는 유기 용매 공급부(25), 상기 AB펠렛이 탈 수소화 반응을 일으키는 반응 챔버(30), 상기 반응 챔버(30)에 연결되어, 상기 반응으로 얻어진 반응 생성물 (반응 후 생성물로서, 하기 수소 포함 가스 배출부를 통하여 배출되는 수소 및 기타 불순물을 포함하는 가스를 제외한 반응 생성물을 의미한다)을 배출하는 반응 생성물 배출부(40), 상기 반응 챔버(30)에 연결되어, 상기 반응으로 얻어진 수소 포함 가스 (수소 및 기타 불순물을 포함하는 가스를 의미한다. 여기서 불순물이란 수소를 제외한 기타 물질로 예컨대 미반응 암모니아 보레인을 포함할 수 있다.)를 외부로 배출하는 수소 포함 가스 배출부(50)를 포함한다.

상기 수소 발생 장치는 상기 수소 포함 가스 배출부(50)로부터 배출된 수소의 일부를 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부(10)로 공급하는 수소 공급부(60)를 더 포함할 수 있다.

상기 수소 발생 장치는 상기 AB펠렛 공급부(15)의 일단에 위치하여, 상기 AB 펠렛이 상기 반응 챔버(30)에 공급되는 때에 열리고, 상기 반응 챔버(30)에서 반응이 일어날 때에 닫히는 개폐 조절 장치(33)를 더 포함할 수 있다.

상기 반응 챔버(30)는 유기 용매를 가열하는 유기 용매 가열 장치(70)를 포함할 수 있으며, 상기 반응 챔버(30)에 연결된 냉각 장치(도시하지 않음)를 포함할 수 있고, 또한 상기 반응 챔버 내의 압력과 온도를 각각 감지하는 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 구현예에 따른 수소 발생 장치는 수소 포함 가스 배출부(50)에 연결된 정제부(55)를 더 포함할 수 있다.

상기 정제부(55)는 물리적 필터(51) 및 화학적 필터(52)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다.

상기 수소 포함 가스 배출부(50)와 상기 정제부(55) 사이에 상기 유기 용매 저장부(20)가 위치하고, 상기 수소 포함 가스 배출부(50)는 상기 유기 용매 저장부(20)에 연결되며, 상기 유기 용매 저장부(20)는 상기 정제부(55)와 연결될 수 있다.

상기 수소 포함 가스 배출부(50)와 상기 유기 용매 저장부(20) 사이에 가스 냉각 장치(26)를 더 포함할 수 있다. 이 가스 냉각 장치(26)는 수소 포함 가스 배출부(50)로부터 배출되는 가스와 유기 용매 간에 열교환을 수행하여 해당 가스는 냉각하고 유기 용매는 가열하게 된다.

상기 유기 용매 저장부(20)에는 냉각 장치가 더 포함될 수 있다. 즉, 수소 포함 가스 배출부(50)를 지난 가스에는 불순물이 포함되어 있는데, 이 불순물은 유기 용매 저장부(20)를 통과하면서 불순물이 트랩(trap)된다. 참고로, 이와 같이 트랩 된 불순물은 미반응 암모니아 보레인 등을 포함하므로 유용하게 재활용 될 수 있다. 이와 같은 트랩 효과를 높이기 위하여는 불순물의 온도를 낮추어 응축이 잘 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 측면에서 유기 용매 저장부(20) 자체에 냉각 장치가 장착 또는 연결되도록 할 수 있다. 하나의 예로서, 상기 냉각 장치는 유기 용매 저장부(20)에 장착되는 냉각팬일 수 있다. 참고로, 도 1의 20번에는 도면의 단순화를 위하여 해당 냉각 장치를 별도로 도시하고 있지 않다. 한편, 위와 같은 불순물 트랩의 목적으로 수소 포함 가스 배출부(50)를 지난 수소 및 기타 불순물을 포함하는 가스를 냉각하기 위한 위한 추가적인 냉각 장치들이 50번과 26번 사이, 26번과 20번 사이에 장착될 수 있음은 물론이다.

AB펠렛 저장부(10)는 상기 AB펠렛 기반 수소 발생장치의 연료가 되는 AB펠렛을 저장하고, 상기 AB펠렛을 AB펠렛 공급부(15)로 전달하기 위한 것으로, 상기 AB펠렛을 저장할 수 있는 형태이면 제한되지 않는다.

상기 AB펠렛 저장부(10)에 저장되는 AB 펠렛은 고체 형태의 펠렛이라면 제한되지 않는다. 펠렛은 원료 물질을 일정한 형상으로 성형시킨 성형체이다. 예컨대, 미세한 가루를 압착 또는 밀어내기 등으로 주형틀을 거쳐 제조할 수 있다.

상기 펠렛은 펠렛타이징(pelletizing)을 통해 구현될 수 있다. 일례로 AB는 구형의 AB 펠렛일 수 있으며, 고체 안식각이 최소화된 형태인 것이 바람직하다. 참고로, 굉장히 매끄러운 구형의 경우 고체 안식각이 0도가 된다. 고체 펠렛이 적층될 때 적층된 펠렛들의 표면이 어느 각도 이상 경사지면 펠렛의 일부가 미끄러져 내린다. 이렇게 미끄러져 내리지 않는 최대의 각을 고체 안식각이라고 한다. 펠렛은 이송장치에 의해서 아래에서 위로 이동하게 되는데, 고체 안식각이 크면 펠렛이 이송장치로 잘 흘러들어가지 않아서 펠렛의 공급이 어려워진다. 또한 고체 안식각이 크면 이송장치로 흘러들어가지 못하고 적층된 펠렛이 많기 때문에 AB 펠렛 저장부 안의 AB 펠렛을 전부 사용하지 못해 시스템 에너지 밀도가 감소하는 문제가 생긴다. 따라서 펠렛은 고체 안식각이 최소화된 형태인 것이 바람직하다.

비제한적인 예시에서, 상기 구형 AB펠렛은 직경이 약 2 내지 8㎜일 수 있고, 상기 AB펠렛의 부피는 약 0.04 내지 0.15㎝³ 내의 범위를 가질 수 있으며, 무게는 약 0.03 내지 0.15g의 범위를 가질 수 있다.

상기 AB가 펠렛의 형태를 가짐으로써, 분말(powder) 형태의 AB에 비하여 연료의 겉보기 밀도(bulk density)가 높아지고, 따라서 연료의 부피당 에너지 밀도(volumetric energy density)가 높아질 수 있는 효과가 존재하며, 또한 펠렛 형태를 가짐으로써, 연속적인 AB 공급이 가능하여 수소의 연속 발생을 가능하게 하는 효과가 존재한다.

또한, 상기 AB펠렛에는 순수한 AB 이외에, 탈 수소화 반응 속도를 증가시키거나, 불순물을 최소화 시킬 수 있는 첨가제가 포함될 수 있다. 예컨대, 18-크라운-6(18-crown-6), 메틸 셀룰로오스(methyl cellulose), 중형 다공성 실리카(etc. SBA-15), 금속-유기 구조체(MOF: metal organic framework), 금속 나노 촉매 등이 포함될 수 있다.

AB펠렛 공급부(15)는 AB펠렛 저장부(10)로부터 AB를 공급받아 반응 챔버(30)의 제 1 흡입구(31)로 공급할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다. 예시적인 구현예에서, 상기 AB펠렛 공급부(15)는 AB펠렛 저장부(10)로부터 연속적으로 AB펠렛을 공급받아 연속적으로 반응 챔버(30)에 공급하는 것이 바람직하며, 예를 들어 상기 AB펠렛 공급부(15)는 AB 펠렛을 연속적으로 공급할 수 있는 이송 장치일 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 AB펠렛 공급부(15)는 스프링 등의 탄성 수단에 의하여 펠렛을 연속적으로 발사하여 AB 펠렛 저장부(10)에 공급하는 예컨대 스프링 건과 같은 연속 발사 장치일 수 있다.

상기 AB펠렛 공급부(15)에서는 필요에 따라 AB 펠렛 공급 속도를 조절할 수 있다. AB펠렛 공급 속도를 조절하여 수소 발생량을 조절할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

또한 상기 AB펠렛 공급부(15)의 일단에는 상기 AB펠렛이 상기 반응 챔버에 공급되는 때에 열리고, 상기 반응 챔버에서 반응이 일어날 때에 닫히는 개폐 조절 장치(33)를 더 포함할 수 있다. 상기 개폐 조절 장치가 포함되어 상기 반응 챔버에서 생성되는 수소를 포함하는 가스가 AB펠렛 저장부로 역류되는 것을 최소화 시킬 수 있게 된다.

유기 용매 저장부(20)는 상기 수소 발생 장치에서 탈 수소화 반응을 촉진하는 유기 용매를 저장하기 위한 것으로, 상기 유기 용매를 저장할 수 있는 형태이면 제한되지 않는다.

상기 유기 용매 저장부(20)에 저장되는 유기용매는 폴리 에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(polyethylene glycol dimethyl ether), 폴리 에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 알코올(alcohol)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 모노글라임(monoglyme), 디글라임(diglyme), 트리글라임(triglyme), 테트라글라임(tetraglyme), 에틸렌 글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌 글리콜(diethylene glycol), 트리에틸렌 글리콜(triethylene glycol), 테트라에틸렌 글리콜(tetraethylene glycol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 바람직한 일례로 상기 유기 용매는 테트라 글라임과 트라이 글라임일 수 있다.

상기 유기 용매는 AB펠렛의 탈 수소화 반응을 촉진하며, 상기 탈 수소화 반응에 의해 수소 발생 시 생성되는 휘발성 부산물을 흡수하여 수소 포함 가스 배출구(50)를 통하여 배출되는 가스에 포함되는 불순물의 함량을 최소화 하는 효과를 지닌다(전술한 트랩 효과). 또한 상기 유기 용매는 고/액상 부산물을 유동화시킴으로써 반응 생성물을 쉽게 제거할 수 있고, 상기 탈 수소화 반응시 발생하는 열을 흡수하여 열이 외부로 소산되는 것을 막음으로써, 반응 챔버의 온도를 유지시켜주고, 따라서 추가적인 AB펠렛의 탈 수소화반응에 필요한 열을 공급하는 역할을 한다. 상기 유기 용매 없이 AB를 열분해할 경우 고체 비산물(solid scatter) 및 거품(foaming)이 생성되는 문제점이 발생할 수 있다.

유기 용매 공급부(25)는 유기 용매 저장부(20)로부터 유기 용매를 공급받아 반응 챔버(30)의 제 2 흡입구(32)로 공급할 수 있는 것이라면 제한되지 않는다.

반응 챔버(30)는 AB펠렛이 탈 수소화 반응을 일으킬 수 있는 것이면 제한되지 않는다. 일례로 상기 반응 챔버(30)는 세미-배치(semi-batch) 형태 또는 진공컵 형태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 티타늄 2중 벽으로 구성되고 내부가 진공일 수 있다. 일례로 상기 반응 챔버(30)의 상단부에는 AB펠렛이 공급되는 제 1 흡입구(31)가 위치할 수 있고, 상기 제 1 흡입구(31)의 반대편에는 AB펠렛의 탈 수소화 반응에 의하여 생성된 수소 가스 및 불순물이 배출되는 수소 포함 가스 배출부(50)가 위치할 수 있으며, 상기 반응 챔버(30)의 하단부에는 유기 용매가 공급되는 제 2 흡입구(32)가 위치할 수 있고, 상기 반응 챔버(30)의 바닥에는 AB펠렛의 탈 수소화 반응에 의하여 생성된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부(40)가 위치할 수 있다.

상기 반응 챔버는 유기 용매 가열 장치(70)를 더 포함할 수 있다.

상기 반응 챔버 내에서는 유기 용매 존재 하에서 AB펠렛의 탈 수소화 반응이 일어난다. 상기 AB펠렛의 탈 수소화 반응은 100내지 160℃ 사이에서 이루어 질 수 있는데, 100℃미만에서는 수소가 발생되기는 하지만 발생 속도가 느려지므로, 100℃ 이상에서 반응되는 것이 바람직하다. 상기 유기 용매 가열 장치(70)는 반응 초기에만 작용하는 것이 바람직한데, 이는 반응이 일정 부분 진행되면, 탈 수소화 반응에서 방출되는 열을 유기 용매가 흡수하여, 별도의 가열 없이도 반응 온도를 유지할 수 있게 되기 때문이다.

또한, 상기 반응 챔버(30)에는 상기 반응 챔버(30)를 냉각할 수 있는 냉각 장치(도면 단순화를 위하여 도시 하지 않음)가 장착 또는 연결될 수 있다. 이러한 냉각 장치는 반응 챔버를 냉각할 수 있는 것이면 제한되지 않는다. 하나의 예로서, 상기 냉각 장치는 냉각팬일 수 있다.

상기 냉각 장치는 반응 챔버(30)의 온도가 160℃ 이상으로 상승하는 경우 가동되는 것이 바람직하다. 이는 반응 챔버의 온도가 지나치게 과열 시 반응 챔버의 온도를 낮추어 반응 속도를 일정하게 유지하는 효과를 가질 수 있기 때문이다. 반응 챔버의 온도가 160℃를 초과하게 되면 반응 생성물의 증발이 촉진되고 이에 따라 불순물이 수소 가스와 함께 수소 포함 가스 배출구로 배출될 확률이 높아져 수소 발생 시 불순물을 최소화 하기 어렵기 때문에, 반응 챔버의 온도는 160℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버 내의 압력과 온도를 각각 감지하는 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)를 더 포함할 수 있다. 상기 압력 센서(P) 및 온도 센서(T)는 상기 반응 챔버 내의 압력과 온도를 일정하게 유지시키기 위한 역할을 하게 된다.

반응 생성물 배출부(40)에서는 상기 AB펠렛의 탈 수소화 반응에 따른 반응 생성물이 유기 용매에 용해되어 반응 챔버(30)의 외부로 배출된다.

상기 반응 생성물 배출부(40)는 상기 반응 생성물의 배출을 제어할 수 있게 하는 제어 밸브(45)를 포함할 수 있다. 상기 제어 밸브(45)를 포함함으로써, 반응 챔버(30) 내의 반응 생성물, 예를 들어 고체/액체 부산물 등을 적절히 제거할 수 있게 된다. 상기 반응 생성물의 지속적인 제거가 일어남과 동시에, 새로운 유기 용매가 유기 용매 공급기를 통하여 반응 챔버(30) 내부로 공급되며, 따라서 연속적인 탈 수소화 반응이 일어나 수소 발생이 가능해 진다.

수소 포함 가스 배출부(50)에서는 반응 챔버(30) 내에서 일어나는 AB펠렛의 탈 수소화 반응에 따른 수소 및 불순물을 반응 챔버(30)의 외부로 배출한다.

상기 수소 포함 가스 배출부(50)는 정제부(55)와 연결된다.

상기 정제부(55)는 물리적 필터(51) 및 화학적 필터(52)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 필터를 포함하게 됨으로써, 상기 수소 포함 가스 배출부(50)에서 배출되는 수소 가스 및 불순물을 제거하는데 기여하게 된다. 상기 정제부의 물리적 필터(51)의 일례로서 다공성 형태를 가진 고흡수성 폴리머 필터 (super adsorption polymer), 원통 여과지 필터 (thimble filter)가 사용될 수 있다.

화학적 필터(52)로는 염기성 불순물을 제거하기 위한 산성 물질 예컨대, 이온 교환 수지, 활성탄 같은 고체산이나 황산, 아황산과 같은 액체 산 등이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 구현에에 따르면, 전술한 바와 같이 상기 수소 포함 가스 배출부(50)와 상기 정제부(55) 사이에 상기 유기 용매 저장부(20)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 수소 포함 가스 배출부(50)와 상기 유기 용매 저장부(20) 사이에는 가스 냉각 장치(26)가 더 포함될 수 있다.

상기 수소 포함 가스 배출부(50)에서 배출되는 수소 가스 및 불순물은 상기 가스 냉각 장치(26)에 의해 냉각되고, 상기 불순물은 냉각에 의해 액화되어 유기 용매 저장부(20)에서 유기 용매에 혼합된다. 상기 수소는 상기 유기 용매 저장부(20)를 통과하여 상기 정제부(55)로 이동하게 된다. 즉, 상기 수소 포함 가스 배출부에서 배출되는 수소 가스 및 불순물은 상기 냉각 장치(26)에 의해 냉각되고, 유기 용매 저장부(20)에 저장된 유기 용매 내에서 버블링 되면서 수소 이외의 불순물이 1차적으로 제거되고, 상기 1차적으로 불순물이 제거된 수소 가스는 정제부(55)로 이동하게 된다.

본 발명에 따른 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부로부터 배출된 수소의 일부를 상기 AB펠렛 저장부(10)로 공급하는 수소 공급부(60)는 상기 정제부(55)에서 최종적으로 배출되는 수소를 일부 전달받아 이를 AB펠렛 저장부(10)로 공급할 수 있는 것이라면 형태가 제한되지 않는다. 일례로, 상기 수소 공급부는 펌프장치를 포함할 수 있다.

상기 수소 공급부(60)가 수소를 AB펠렛 저장부(10)에 공급하여, 상기 반응 챔버(30)에서 발생하는 수소 및 불순물 가스가 AB펠렛 공급부(10)로 역류하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 하나의 구현예에 따르는 AB펠렛 기반 수소 발생 장치는 발생한 수소를 안정적이고 일정하게 연료전지에 공급함으로써 연료전지의 계속적인 작동을 가능하게 하는 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.

또한, 본 발명의 하나의 구현예에 따르는 AB펠렛 기반 수소 발생 장치는 발생한 수소를 안정적이고 일정하게 수소 연소 장치에 공급함으로써 수소를 원료로 하는 수소 연소 장치의 계속적인 작동을 가능하게 하는 수소 연소 장치를 구성할 수 있다.

이하 본 발명의 구현예에 따른 수소 제조 방법을 설명한다.

본 발명의 하나의 구현예에서는, AB펠렛을 AB펠렛 저장부(10)로부터 반응 챔버(30)로 공급하는 단계; 유기 용매를 유기 용매 저장부(20)로부터 반응 챔버(30)로 공급하는 단계; 상기 반응 챔버(30)에서 AB펠렛의 탈 수소화 반응을 유도하는 단계; 및 상기 반응 챔버(30)에서 생성된 수소를 수소 포함 가스 배출부(50)를 통해 외부로 배출하는 단계를 포함한다. 이와 같이 수소를 제조함으로써 수소를 안정적이고 일정하게 제조할 수 있다. 상기 수소 제조 단계에 있어서, 상기 AB펠렛을 AB펠렛 저장부(10)로부터 반응 챔버(30)로 공급하는 단계; 및 상기 유기 용매를 유기 용매 저장부(20)로부터 반응 챔버(30)로 공급하는 단계를 동시에 진행할 경우 수소를 보다 안정적으로 일정하게 제조할 수 있다.

또한 본 발명의 하나의 구현예에서, 상기 수소 포함 가스 배출부(50)를 통해 외부로 배출된 수소는 가스 냉각 장치(26)에 의해 냉각되어 불순물이 유기 용매 저장부(20)내에서 1차적으로 걸러지고, 상기 1차적으로 불순물이 걸러진 수소는 정제부(55)를 통과하며, 불순물이 재차 제거된다. 상기 불순물이 제거된 수소의 일부는 수소 공급부(60)로 공급되며, 상기 수소 공급부(60)에 공급된 수소는 다시 AB 펠렛 저장부(10)로 공급되어 상기 반응 챔버(30)에서 발생한 생성물 (수소와 불순물 포함)가 AB펠렛 공급부(15)를 통하여 AB펠렛 저장부(10)로 역류하는 것을 방지하게 된다.

이하, 본 발명의 구현예들을 실시예 및 실시예와 대비의 목적으로 설정한 비교예를 통하여 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

비교예 1

건식 펠렛타이징을 통해서 지름은 5.7㎜, 부피는 0.097㎝³, 무게는 0.082g의 구형 AB펠렛을 제조하였다.

반응 챔버는 티타늄 2중 벽으로 구성된 진공컵(반응챔버의 부피: 300㎖)을 사용하였다.

상기 반응 챔버에 구형 AB펠렛을 공급하고 반응 챔버의 온도를 각각 85℃, 105℃, 125℃, 145℃로 유지하고 시간에 따른 수소의 발생량을 도 2의 그래프로 나타내었다. 상기 반응 챔버에서 생성되는 수소 이외의 불순물은 물과 테트라글라임이 각각 채워진 두 개의 트랩에서 제거하였다. 본 비교예 1 내지 4에서는 유기 용매를 공급하지 않았다.

실시예 1

반응 챔버는 상기 비교예 1 내지 4와 동일한 반응 챔버를 사용하였다.

유기 용매는 테트라 글라임을 0.5g사용하였으며, 반응 챔버에 구형 AB펠렛을 공급하고 반응 챔버의 온도를 각각 85℃, 105℃, 125℃, 145℃로 유지하고 시간에 따른 수소의 발생량을 도 3의 그래프로 나타내었다. 상기 반응 챔버에서 생성되는 수소 이외의 불순물은 물과 테트라글라임이 각각 채워진 두 개의 트랩에서 제거하였다.

상기 실험 결과를 참조하면, 상기 비교예 1과 실시예 1의 차이는 유기 용매인 테트라 글라임의 첨가 여부임을 알 수 있다. 본 실험으로 AB펠렛의 탈 수소화 반응 시 유기 용매인 테트라 글라임의 첨가가 있으면 시간에 따른 수소 발생량이 월등하게 증가한다는 것을 알 수 있다(도 2, 도3 참조).

실시예 2

유기 용매는 테트라 글라임을 0.5g사용하였으며, 반응 챔버에 구형 AB펠렛을 공급하고 반응 챔버의 온도를 145℃로 유지하였다.

상기 반응 챔버의 온도를 145℃로 유지한 상태에서 AB펠렛을 연속으로 15개 공급한 경우 시간에 따른 수소의 발생량을 도 4의 그래프로 나타내었다.

상기 실험 결과를 참조하면, AB 펠렛을 1개부터 15개까지 순차적으로 공급함에 따라 2당량에 해당하는 수소가 AB펠렛으로부터 단시간에 생성됨을 확인할 수 있었다. 이 경우 재료 기준 에너지 밀도 (총 반응물 무게 대비 발생한 수소의 무게 비, wt%)는 8.9wt%였다.

실시예 3

건식 펠렛타이징을 통해서 지름은 5.7㎜, 부피는 0.097㎝³, 무게는 0.082g의 구형 AB펠렛을 제조하였고 두레박 형태의 연속 이송 시스템을 사용하여 반응 챔버에 공급하였다.

유기 용매는 테트라 글라임을 사용하였고, 반응 챔버로 약 120g 주입하였다.

반응 챔버는 티타늄 2중 벽으로 구성된 진공컵(반응챔버의 부피: 300㎖)을 사용하였다. 상기 반응 챔버는 유기 용매 가열장치를 이용하여 약 150℃로 가열하였다.

수소 포함 가스 배출구에는 물리적 필터(Super adsorption polymer) 및 활성탄이 담지된 화학필터를 사용하여 불순물을 제거하였다.

상기 AB펠렛의 공급 속도를 달리하여 시간에 따른 수소의 발생량을 도 5의 그래프로 나타내었다.

상기 실험 결과를 참조하면, AB 펠렛의 공급 속도가 달라짐에 따라서 수소 발생량도 달라지는데, 분당 6발의 펠렛(0.49g/min)을 공급한 경우 0.8slm, 분당 14발의 펠렛(1.15g/min)을 공급한 경우 2slm, 분당 24발의 펠렛(1.97g/min)을 공급한 경우는 3slm의 수소가 발생하는 것으로 나타났다. 상기 3slm의 수소가 발생하도록 할 경우 200W 급 연료전지의 운전에 필요한 수소량을 충족시킨다. 또한 3slm 수소 생산시 150℃ 이상에서 자열 운전이 가능해진다(도 5 참조).

실시예 4

반응 챔버는 티타늄 2중 벽으로 구성된 진공컵(반응챔버의 부피: 300㎖)을 사용하고, 상기 반응 챔버 내부의 온도가 160℃ 이하로 유지되도록 하기 위하여 별도의 냉각팬을 이용하여 냉각할 수 있게 하였다. 상기 반응 챔버는 유기 용매 가열장치를 이용하여 약 130℃로 가열하였다.

테트라 글라임에 상기 AB펠렛을 분당 28발(2.3g/min)의 공급 속도로 공급할 때 발생한 수소를 200W급 고분자 전해질 연료전지에 공급할 때, 등 전류 시 연료전지 발생 전력과 반응기 온도 변화를 도 6에 나타내었다.

상기 실험 결과를 참조하면, 반응 시작 후 3분까지 반응 챔버로부터 생산되는 수소 양이 충분하지 않았다가, 3분 이후부터는 연료전지를 200W 로 구동할 때 필요한 수소의 생산량(3.3slm)에 도달해서, 그 때부터 연료전지의 출력이 200W로 일정하게 유지됨을 확인할 수 있었다(도 6). 뿐만 아니라 도 7에 따르면 외부 필터를 사용하지 않았을 경우 보라진(borazine)과 같은 불순물이 많이 검출되었지만, 외부 필터를 사용할 경우 이러한 불순물이 잘 제거됨을 확인할 수 있었다. 도 7은 FTIR 장비로 반응 생성물을 검출한 것으로 gram-schmidt 값은 반응 생성물에 포함되어 있는 수소 이외의 불순물의 농도를 나타낸다(빨간색 원은 외부 필터를 통과하지 않은 경우이고, 검은색 사각형은 외부 필터를 통과한 경우이다).

10: AB펠렛 저장부 15: AB펠렛 공급부
20: 유기 용매 저장부 25: 유기 용매 공급부
26: 가스 냉각 장치
30: 반응 챔버 31: 반응 챔버의 제 1 흡입구
32: 반응 챔버의 제 2 흡입구 33: 개폐 조절 장치
40: 반응 생성물 배출부 45: 제어 밸브
50: 수소 포함 가스 배출부 55: 정제부
51: 물리적 필터 52: 화학적 필터
60: 수소 공급부 70: 유기 용매 가열 장치
FC: 연료전지
P: 압력센서
T: 온도센서
SP: 반응 생성물

Claims

암모니아 보레인 펠렛 저장부;
상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 암모니아 보레인 펠렛을 전달받는 암모니아 보레인 펠렛 공급부;
유기 용매 저장부;
상기 유기 용매 저장부로부터 유기 용매를 전달받는 유기 용매 공급부;
상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부로부터 암모니아 펠렛을 공급받고, 상기 유기 용매 공급부로부터 유기 용매를 공급받으며, 암모니아 보레인 펠렛의 탈 수소화 반응이 일어나는 반응 챔버;
상기 반응 챔버에 연결된 반응 생성물 배출부;
상기 반응 챔버에 연결된 수소 포함 가스 배출부; 및
상기 수소 포함 가스 배출부로부터 배출된 수소의 일부를 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 공급하는 수소 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
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제 1 항에 있어서,
상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부의 일단에 위치하여, 상기 암모니아 보레인 펠렛이 상기 반응 챔버에 공급되는 때에 열리고, 상기 반응 챔버에서 반응이 일어날 때에 닫히는 개폐 조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
반응 챔버는 유기 용매 가열 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버는 냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버는 상기 반응 챔버 내의 압력과 온도를 각각 감지하는 압력 센서 및 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 포함 가스 배출부에 연결된 정제부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 정제부는 물리적 필터 및 화학적 필터로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 수소 포함 가스 배출부와 상기 정제부 사이에 상기 유기 용매 저장부가 위치하고, 상기 수소 포함 가스 배출부는 상기 유기 용매 저장부에 연결되며, 상기 유기 용매 저장부는 상기 정제부와 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 포함 가스 배출부와 상기 유기 용매 저장부 사이에 가스 냉각 장치를 더 포함하고, 상기 가스 냉각 장치는 수소 포함 가스 배출부로부터 배출되는 가스와 유기 용매 저장부로부터 공급되는 유기 용매간 열교환을 수행하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수소 포함 가스 배출부로부터 배출되는 가스는 유기 용매 저장부를 통과하면서 불순물이 트랩되는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 유기 용매 저장부는 불순물의 응축을 위한 냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
암모니아 보레인 펠렛은 구형인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 반응 챔버의 내부 온도는 100 내지 160℃인 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 암모니아 보레인 펠렛 공급부는 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 연속적으로 암모니아 보레인 펠렛을 공급받아 연속적으로 상기 반응 챔버에 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
제 1 항 및 제 4 항 중 어느 한 항의 수소 발생 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
암모니아 보레인 펠렛을 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 반응 챔버로 공급하는 단계;
유기 용매를 유기 용매 저장부로부터 반응 챔버로 공급하는 단계;
상기 반응 챔버에서 유기 용매의 존재 하에서 암모니아 보레인 펠렛의 탈 수소화 반응을 유도하는 단계; 및
상기 반응 챔버에서 생성된 수소를 수소 포함 가스 배출부를 통해 외부로 배출하는 단계를 포함하고,
상기 수소 포함 가스 배출부를 통해 외부로 배출된 수소의 일부는 수소 공급부로 공급되고, 상기 수소 공급부에 공급된 수소는 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 공급되어, 상기 반응 챔버에서 생성되는 수소가 상기 암모니아 보레인 펠렛 저장부로 역류하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
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제 18 항에 있어서,
상기 암모니아 보레인 펠렛을 암모니아 보레인 펠렛 저장부로부터 상기 반응 챔버로 공급하는 단계; 및
상기 유기 용매를 유기 용매 저장부로부터 상기 반응 챔버로 공급하는 단계를 동시에 진행하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 유기 용매는 반응 챔버로 공급되기 전 또는 반응 챔버에서 가열되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
제 18 항에 있어서,
수소 포함 가스 배출부를 통하여 배출되는 가스의 분술물을 유기 용매 저장부에서 트랩하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 방법.
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