KR101453777B1 - 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법 - Google Patents

저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매를 사용하지 않거나 촉매의 사용량을 줄이면서도 적은 양의 에너지를 투입하여 수성가스화 반응을 활성화하고 고농도 수소의 수율을 높일 수 있는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법에 대한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 챔버의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 투입구를 통해 투입된 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀으로 변화시키는 유전체 장벽 방전장치, 및 상기 유전체 장벽 방전장치로부터 발생한 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 수성가스화 반응장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법 {Water-Gas Shift Reaction System And Water-Gas Shift Method Using Low-Temperature Plasma Device}
본 발명은 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 촉매를 사용하지 않거나 촉매의 사용량을 줄이면서도 적은 양의 에너지를 투입하여 수성가스화 반응을 활성화하고 고농도 수소의 수율을 높일 수 있는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법에 대한 것이다.
수성가스화 반응이란 일산화탄소와 수증기를 반응시켜 수소와 이산화탄소로 변환하는 반응(CO＋H2O<->CO2＋H2)으로서, 합성천연가스(Synthetic Natural Gas : SNG) 생산 공정, DME(Dimethyl ether) 생산 공정 등 다양한 산업 공정에 필수적인 반응이다. 상기 수성가스화 반응은 반응을 활성화시켜 고농도 수소의 수율을 높이기 위하여, Fe-Cr, Co-Mo, Cu-Zn계 등의 촉매가 사용되는 것이 일반적이다.
그러나, 현재 수성가스화 반응장치에 상용화되는 촉매들은 고온에서 활성금속이 소결되거나 비활성화되는 문제를 가지며, 이를 해결하기 위해 Pt 등 귀금속을 포함한 촉매에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만 촉매 가격이 상당이 고가이기 때문에 가격 경쟁력이 떨어진다는 한계가 있다.
촉매를 사용한 수성가스화 반응의 전체 반응식은 하기 (1)식과 같으며, 하기 (1)식의 전제 반응식은 하기 (2)~(5)식과 같은 단일단계 반응식의 순서로 반응이 진행된다.
Figure 112013113458998-pat00001
상기 단일단계 반응식에서 (2)단계의 k 1 이 증가할수록 H 라디칼(Hㆍ)과 OH 라디칼(OHㆍ)의 양이 증가하게 되며, H와 OH 라디칼의 양이 증가할수록 전체 수성가스화 반응의 수율이 증가하게 된다. 따라서, 스팀(H2O)을 H와 OH 라디칼로 전환하는 것이 반응을 활성화하는데 상당히 중요한 요소가 된다.
한편, 가스의 활성화를 위한 하나의 방법으로 플라즈마(Plasma) 가열 기술을 이용한 방법이 있었다. 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체로 나눌 수 있는데, 기체 상태의 물질에 에너지를 가해주면 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온들이 존재하는 플라즈마 상태가 된다. 이러한 플라즈마는 화학적으로 반응성이 큰 매개체이므로, 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 장치는 기체를 이온화시켜 반응성을 높이는 역할을 수행하게 된다.
종래의 플라즈마 방전을 이용한 활성화 공정은 대부분 고온 플라즈마 방전이 많이 이용되고 있다. 이러한 고온 플라즈마 방전은 가스에 강한 전기장을 가하여 이온화를 극대화시키고 반응효율을 높이는 방식으로서, 에너지 밀도와 온도가 높아 소규모 반응기에서 많은 양을 처리할 수 있고, 높은 열 플럭스로 인해 운전시 정상조건에 빠르게 도달하기 때문에 작동개시 및 정지 시간이 빠르다는 장점 등으로 인해 많이 사용되고 있었다.
그러나, 상기와 같은 고온 플라즈마를 이용한 방법은 고온 플라즈마를 발생시키기 위해 상대적으로 많은 에너지를 투입해야만 하며, 고온 영역 발생으로 인한 내열성 확보를 위해 가스를 재구성하는 챔버를 내화물질로 라이닝하는 등의 대책이 강구되어야 한다는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 적은 양의 에너지로 방전 가능한 유전체 장벽 방전(Dielectic Barrier Discharge)장치를 이용하여 스팀의 저온 플라즈마 방전을 수행함으로써, 촉매를 사용하지 않거나 촉매를 사용하더라도 그 사용량을 줄이면서 수성가스화 반응을 활성화시키고 고농도 수소의 수율을 높일 수 있는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 저온 플라즈마 장치를 이용하여 수성가스화 반응을 활성화하고 고농도의 수소를 생산하는 수성가스화 반응 시스템에 있어서, 챔버의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 투입구를 통해 투입된 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시키는 유전체 장벽 방전장치 및 상기 유전체 장벽 방전장치로부터 발생한 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 수성가스화 반응장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 저온 플라즈마 방전을 이용하여 반응을 활성화하고 고농도의 수소를 생산하는 수성가스화 방법에 있어서, i) 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시키는 단계; 및 ⅱ) 상기 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 저온 플라즈마 방전 처리는 유전체 장벽 방전장치에 의하여 수행될 수 있다.
여기서, 상기 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법에 사용되는 유전체 장벽 방전장치는 유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판, 상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판, 상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판, 및 상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 이루어질 수 있으며, 상기 제1전극판 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류 전원이 사용될 수 있다. 또한, 상기 스페이서는 아크릴 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 스페이서의 두께는 10mm 이하의 두께를 갖도록 구성할 수 있다.
그리고, 상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에는 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 추가로 설치될 수 있으며, 상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치될 수 있다. 이때, 상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 유전체 장벽 방전장치의 전방측에는 상기 투입구를 통해 투입된 스팀을 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판을 추가적으로 설치할 수 있으며, 상기 유동 분리판 내부에는 스팀이 통과되는 다수의 통공들이 구비되며, 상기 통공들은 상기 유동 분리판의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열되도록 구성할 수 있다.
상기한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 스팀이 수성가스화 반응기에 진입하기 전에 대기압 조건에서 동작하는 저온 플라즈마 장치인 유전체 장벽 방전장치를 통과하도록 함으로써, 다량의 라디칼을 포함한 스팀을 반응기로 투입하여 수성가스화 반응의 반응성을 증대시킬 수 있고 최종적으로 생산되는 고농도 수소의 수율을 높일 수 있다. 따라서, 고가의 촉매를 사용하지 않거나 적은 양의 촉매를 사용하면서도 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수성가스화 반응 시스템을 도시한 개념도
도 2는 유전체 장벽 방전장치에 스팀을 통과시켰을 때 생성되는 라디칼 특성을 보여주는 그래프
도 3은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치를 도시한 사시도
도 4a,b는 본 발명에 따른 유전체 장벽 방전장치의 분해 사시도 및 측면도
도 5는 본 발명에 따른 유전체 장벽 방전장치가 교류 전원에 연결된 모습을 보여주는 측면도
도 6은 유동분리판의 정면도
본 발명에 따른 수성가스화 반응 시스템 및 수성가스화 방법은 외부에서 투입되는 스팀을 저온 플라즈마 방전을 통해 활성화된 라디칼을 포함한 상태로 변환한 후 수성가스화 반응장치 내부로 투입하여 수성가스화 반응을 활성화하고 고농도 수소의 수율을 증대시키는 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수성가스화 반응시스템은 챔버(110)의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 투입구(102)를 통해 투입된 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시킨 후 토출구(104)를 통해 배출하는 유전체 장벽 방전장치(130)와, 상기 유전체 장벽 방전장치로부터 배출된 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 외부로부터 유입된 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 수성가스화 반응장치(200)를 포함하도록 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 수성가스화 방법은 i) 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시키는 단계, 및 ⅱ) 상기 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 단계를 포함하며, 이때 상기 저온 플라즈마 방전 처리는 유전체 장벽 방전장치에 의하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 수성가스화 반응시스템 및 수성가스화 방법에 사용되는 유전체 장벽 방전장치(130)는 도 3의 저온 플라즈마 장치를 도시한 사시도에서 볼 수 있듯이, 일측에 스팀이 투입되는 투입구(102)가 형성되고 다른 일측에는 내부에서 활성화된 라디칼을 수성가스화 반응장치(200)로 배출하기 위한 토출구(104)가 형성된 챔버(110)의 내부 공간에 설치된다.
상기 챔버(110)의 내부 후방측에는 챔버(110) 내부로 투입된 스팀을 유전체 장벽 방전을 통해 라디칼을 포함한 활성화된 상태로 변환시킬 수 있는 유전체 장벽 방전장치(130)가 설치되고, 상기 유전체 장벽 방전장치(130)의 전방측에는 투입구(102)를 통해 투입된 스팀을 상기 유전체 장벽 방전장치(130)로 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판(120)이 설치된다.
도 2는 유전체 장벽 방전장치(130)에 스팀을 통과시켰을 때 생성되는 라디칼 특성을 보여주는 그래프로서, 스팀이 상기 유전체 장벽 방전장치(130)를 통과하면서 다량의 H 라디칼과 OH 라디칼이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
상기 유전체 장벽 방전장치(130)는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시키는 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectric barrier discharge)을 이용하는 장치로서, 이러한 유전체 장벽 방전(DBD)은 대기압에서 아주 큰 비-평형 조건에서 동작하고, 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 불꽃이 존재하지 않는 저온 플라즈마 방전을 한다.
또한, 상기 유전체 장벽 방전은 고출력 방전을 할 수 있으며 플라즈마 방전 과정에서 방전소음을 발생시키지 않고, 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 되는 다양한 장점을 갖는다. 이러한 유전체 장벽 방전은 사인함수(sine function) 혹은 펄스형 전원으로 점화되며, 투입 가스의 조성, 전압 그리고 여기 주파수에 따라 필라멘트 형태 혹은 글로우 형태의 방전을 수행하게 된다.
이와 같은 유전체 장벽 방전장치(130)는 도 4a,b의 분해 사시도 및 측면도에서 볼 수 있듯이, 상단 및 하단에 각각 배치되는 상부 플레이트(131) 및 하부 플레이트(132)와, 상기 상부 플레이트(131)와 하부 플레이트(132) 사이에 배치되어 상하방향으로 일정 간격을 두고 평행하게 적층되는 복수의 유전체판(133)과, 상기 유전체판(133) 내부에 부분적으로 삽입되어 상기 유전체판(133)의 좌우에서 외부전원(150)과 각각 연결되는 제1전극판(135) 및 제2전극판(136)과, 상기 유전체판(133) 사이에 개재되어 상기 전극판들(135)(136) 사이의 간격을 일정하에 유지시켜 주는 스페이서(spacer)(134)를 포함하여 구성된다.
상기 상부 플레이트(131) 및 하부 플레이트(132)는 유전체 장벽 방전장치(130) 전체를 지탱해주는 구조물로서, 2개의 전극판(135)(136) 사이에 전원 인가시 유전체판(133) 표면에서 발생하는 플라즈마가 다른 방향으로 흐르지 않고 정해진 유동방향으로만 흐를 수 있도록 가이드 해주는 역할도 하게 된다. 이러한 상,하부 플레이트(131)(132)는 절연물질인 아크릴(arcryl) 재질로 구성되는데, 이러한 아크릴 물질 외에 우수한 구조적 강성을 갖는 다른 절연 물질로 대체하여 적용할 수도 있다.
상기 유전체판(133)은 유전체 물질(dielectric substance)로 구성된 판 구조물로서, 상하방향으로 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층된 구조를 갖는다. 이러한 유전체판(133)은 알루미늄 산화물인 알루미나(alumina) 재질로 구성되며, 그 내부에는 제1전극판(135) 또는 제2전극판(136)이 부분적으로 삽입된 구조를 갖는다.
상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136)은 동박(copper foil)으로 구성된 전도성 판 구조물로서, 상기 제1전극판(135)은 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 중 홀수 번째의 유전체판들 내부에 부분적으로 삽입된 형태로 설치되고 외부로 노출된 일부분은 외부전원과 연결된다. 아울러 상기 제2전극판(136)은 짝수 번째 유전체판들 내부에 부분적으로 삽입된 형태로 설치되며 그 일부분은 상기 제1전극판(135)의 노출된 부분과 반대편 방향으로 노출되어 외부전원(150)과 연결된다.
이와 같이 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136)은 유전체판(133)의 좌,우측에서 외부전원(150)과 연결되어 통전시 상기 유전체판(133)의 표면에 플라즈마를 발생시키게 된다. 이때, 상기 외부전원(150)으로는 도 4에 도시된 것과 같이 사인함수 혹은 펄스형태의 전원을 발생시키는 교류(AC) 전원이 사용된다. 그리고, 상기 제1 및 제2전극판(135)(136)은 앞서 언급된 동박 재질 이외에 전도성이 우수한 다른 금속 재질이 적용될 수 있다.
상기 스페이서(spacer)(134)는 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 사이에 좌우 한쌍을 이루며 배치된다. 아울러, 상기 상,하부 플레이트(131)(132)와 이들과 인접하는 유전체판(133) 사이 부분에도 위와 동일한 배치구조로 설치된다. 이러한 스페이서(134)는 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 사이 간격을 일정한 간격으로 유지해주는 역할을 한다.
또한, 상기 스페이서(134)의 장변측 방향 길이는 상기 유전체판(133)의 유전체판(133)의 단변측 방향 길이와 동일하게 형성된다. 이러한 구조로 인해 적층된 유전체판(133)들의 좌,우측은 상기 좌우 한쌍의 스페이서(134)를 통해 폐쇄되어 스팀의 흐름이 유전체판(133)의 전방측 방향에서 후방측 방향으로만 흐를 수 있도록 되어 있다.
이때, 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이에 교류 전원을 인가하여 플라즈마를 발생하는 경우에 안정적인 플라즈마 작동을 보장할 수 있도록 하기 위하여 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이의 간격을 10mm 이하로 제한하여야 한다. 이는 상기 유전체판(133) 사이에 설치되는 스페이서(134)의 두께를 조정하는 것을 통해 가능하다.
한편, 유동 분리판(Flow separator)(120)은 챔버(110) 내부로 투입된 스팀을 균일한 유동(laminar flow)으로 변환해 주기 위한 것으로서, 내부에는 스팀이 통과되는 다수의 통공(122)들이 구비된다. 이때, 상기 통공(122)들은 도 6의 정면도에서 볼 수 있듯이, 유동 분리판(120)의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 구조로 형성하게 되면 유동 분리판(120)에 형성된 서로 다른 크기의 통공(122)들을 통해 스팀 유동의 흐름이 많은 중심부 부분에는 상대적으로 적은 양의 스팀이 통과되도록 하고 스팀 유동이 적은 외곽 부분에는 상대적으로 많은 양의 스팀이 통과되도록 하여 유전체 장벽 방전장치(130)로 스팀 유동이 고르고 균일하게 공급되도록 할 수 있다. 이렇게 되면, 유전체 장벽 방전장치(130) 내부에서 각 전극들과 가스와의 반응 면적을 최대화시킬 수 있고, 따라서, 상기 유전체 장벽 방전장치(130) 내에서 플라즈마 방전을 통해 발생하는 라디칼(radical)과 이온의 양을 최대화시킬 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 저온 플라즈마 장치(100)의 작동 및 이를 통한 수성가스화 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 챔버(110)의 선단부에 있는 투입구(102)로 스팀이 투입되면, 투입된 스팀은 유동 분리판(120)을 통과하여 균일한 유동으로 변화된 상태에서 후방측에 위치한 유전체 장벽 방전장치(130)로 투입된다. 그리고, 상기 유전체 장벽 방전장치(130)로 투입된 스팀은 유전체판(133)과 스페이서(134)로 둘러싸인 공간을 통과하여 후방측으로 이동하게 되는데, 이때, 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이에서 발생하는 플라즈마와 반응하여 다량의 라디칼(radical)을 발생시키게 된다.
그리고, 이러한 다량의 라디칼들을 포함한 스팀은 챔버(110)의 후방측 토출구(104)를 통해 수성가스화 반응장치(200)로 토출되어 외부에서 유입된 이산화탄소와 수성가스화 반응을 하게 된다. 수성가스화 반응장치(200) 내부로 유입된 다량의 라디칼을 포함하고 있는 스팀은 높은 반응성을 가지며 반응하게 됨으로써 높은 수율의 고농도 수소를 얻을 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 스팀을 저온 플라즈마 방전을 통해 활성화된 라디칼을 포함한 상태로 변환한 후 수성가스화 반응장치 내부로 투입하여 고가의 촉매를 사용하지 않고도 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 저온 플라즈마 장치 102 : 투입구
104 : 토출구 110 : 챔버
120 : 유동 분리판 122 : 통공
130 : 유전체 장벽 방전장치 131,132 : 상,하부 플레이트
133 : 유전체판 134 : 스페이서(spacer)
135,136 : 제1전극판,제2전극판 200 : 수성가스화 반응장치

Claims (22)

  1. 저온 플라즈마 장치를 이용하여 수성가스화 반응을 활성화하고 고농도의 수소를 생산하는 수성가스화 반응 시스템에 있어서,
    챔버의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 투입구를 통해 투입된 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시키는 유전체 장벽 방전장치; 및 상기 유전체 장벽 방전장치로부터 발생한 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 수성가스화 반응장치;를 포함하며,
    상기 유전체 장벽 방전장치가, 유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판; 상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판; 상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판; 및 상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer);를 포함하고,
    상기 유전체 장벽 방전장치의 전방측에는 상기 투입구를 통해 투입된 스팀을 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판이 설치되고, 상기 유동 분리판 내부에는 스팀이 통과되는 다수의 통공들이 구비되며, 상기 통공들은 상기 유동 분리판의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극판 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류(AC) 전원인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스페이서의 두께는 10mm 이하로 적용되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에 각각 설치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 반응 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 저온 플라즈마 방전을 이용하여 반응을 활성화하고 고농도의 수소를 생산하는 수성가스화 방법에 있어서,
    i) 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하여 H와 OH 라디칼(radical)을 포함하는 스팀으로 변화시키는 단계; 및 ⅱ) 상기 H와 OH 라디칼을 포함하는 스팀과 일산화탄소 가스를 반응시켜 수소 가스를 발생시키는 단계;를 포함하며,
    상기 스팀을 저온 플라즈마 방전 처리하는 단계가, 유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판; 상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판; 상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판; 및 상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer);를 포함하는 유전체 장벽 방전장치에 의하여 수행되고,
    상기 유전체 장벽 방전장치의 전방측에는 투입구를 통해 투입된 스팀을 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판이 설치되며, 상기 유동 분리판 내부에는 스팀이 통과되는 다수의 통공들이 구비되며, 상기 통공들은 상기 유동 분리판의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1전극판 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류(AC) 전원인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 장치를 이용한 수성가스화 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 스페이서는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 스페이서의 두께는 10mm 이하로 적용되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에 각각 설치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 방전을 이용한 수성가스화 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060055141A (ko) * 2004-11-18 2006-05-23 한국과학기술연구원 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치 및이를 이용한 합성가스 제조 방법
US20070059235A1 (en) 2005-09-15 2007-03-15 Voecks Gerald E Rapid activation catalyst systemin a non-thermal plasma catalytic reactor
US20070186474A1 (en) 2006-02-14 2007-08-16 Gas Technology Institute Plasma assisted conversion of carbonaceous materials into a gas
KR101178885B1 (ko) * 2010-06-21 2012-08-31 한국기계연구원 스팀 플라즈마 반응기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20060055141A (ko) * 2004-11-18 2006-05-23 한국과학기술연구원 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치 및이를 이용한 합성가스 제조 방법
US20070059235A1 (en) 2005-09-15 2007-03-15 Voecks Gerald E Rapid activation catalyst systemin a non-thermal plasma catalytic reactor
US20070186474A1 (en) 2006-02-14 2007-08-16 Gas Technology Institute Plasma assisted conversion of carbonaceous materials into a gas
KR101178885B1 (ko) * 2010-06-21 2012-08-31 한국기계연구원 스팀 플라즈마 반응기

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