KR101618338B1 - 수소정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소정화장치에 관한 것으로서, 제1챔버와, 상기 제1챔버의 내주면과의 사이에 단열층의 구비하면서 상기 제1챔버 내부에 설치되고, 내부에 액상의 냉각매체가 충진된 제2챔버를 구비한 본체; 상기 제2챔버 내부에 설치되고, 호펴형의 하부 부분을 가지며 일측 상부에 외부로부터 수소가 공급되는 수소공급관이 연결되어 유입된 수소가 회전유동하면서 하강하여 상기 냉각매체와의 열교환과 동시에 불순물이 분리되도록 하는 제1싸이클론챔버; 상기 제1싸이클론챔버의 내부의 중심부에 설치되며, 하단이 상기 제1싸이클론챔버의 내부 하단에 인접하게 위치하여 상기 제1싸이클론챔버 내부에서 하부로 유동한 수소가 유입되며, 상부로 연장되는 제1 수소배출관; 및 상기 제2챔버 내부에 상기 제1 수소배출관으로 유입된 수소가 이동하는 경로상에 설치되어, 상기 제1수소배출관으로 유입된 수소가 접촉이동하면서 ortho-para 수소 변환되도록 하는 ortho-para 수소 변환 촉매를 포함한다.

Description

수소정화장치{HYDROGEN PURIFIER}
본 발명은 수소정화장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저순도 수소를 고순도 수소로 정화시킴과 동시에 예냉 및 ortho-para 촉매 변환이 가능한 수소 예냉 및 정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위해 제안된 여러 가지 방법 중에서 가장 효율적이며 대표적인 방법이 바로 수소 에너지의 사용이다.
수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
상기 수소는 화학 제품의 원료 및 화학 공장의 공정 가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지 기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경 문제 및 화석 연료의 가격 상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있다.
수소 에니저의 보다 효율적 이용을 위해서는 수소를 분리 정제하여 고순도의 수소를 제조하는 것이 필요하다.
본 발명은, 액상의 냉각매체를 이용하여 수소를 예냉시키면서 상기 수소에 혼합된 불순물을 고형화시키고, 싸이클론 효과를 이용하여 상기 불순물을 가라앉혀 여과함으로써 수소 정화 효율을 향상시킬 수 있는 수소 정화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 수소가 액상의 냉각매체의 온도로 효과적으로 예냉되면서 orhto-para 수소 변환이 이루어져, para 수소 비율을 높인 수소를 생산하는 것이 가능한 수소 정화장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 수소정화장치는, 제1챔버와, 상기 제1챔버의 내주면과의 사이에 단열층의 구비하면서 상기 제1챔버 내부에 설치되고, 내부에 액상의 냉각매체가 충진된 제2챔버를 구비한 본체; 상기 제2챔버 내부에 설치되고, 호펴형의 하부 부분을 가지며 일측 상부에 외부로부터 수소가 공급되는 수소공급관이 연결되어 유입된 수소가 회전유동하면서 하강하여 상기 냉각매체와의 열교환과 동시에 불순물이 분리되도록 하는 제1싸이클론챔버; 상기 제1싸이클론챔버의 내부의 중심부에 설치되며, 하단이 상기 제1싸이클론챔버의 내부 하단에 인접하게 위치하여 상기 제1싸이클론챔버 내부에서 하부로 유동한 수소가 유입되며, 상부로 연장되는 제1 수소배출관; 및 상기 제2챔버 내부에 상기 제1 수소배출관으로 유입된 수소가 이동하는 경로상에 설치되어, 상기 제1수소배출관으로 유입된 수소가 접촉이동하면서 ortho-para 수소 변환되도록 하는 ortho-para 수소 변환 촉매를 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 제2챔버 내부에는 상기 제1수소배출관과 연결된 제2싸이클론챔버를 구비하고, 상기 ortho-para 수소 변환 촉매는 상기 제2싸이클론챔버로부터 수소가 배출되는 제2수소배출관에 설치된다.
본 발명에 의하면, 상기 제2싸이클론챔버는 적어도 호퍼형의 하부 부분의 일부가 상기 제1싸이클론챔버의 내부에 배치되도록 상기 제1싸이클론챔버와 결합되며, 상기 제2수소배출관은, 하단이 상기 제2싸이클론챔버의 내부 하단에 인접하게 위치하여 상기 제2싸이클론챔버 내부에서 하부로 유동한 수소가 유입되며, 상부로 연장된다.
본 발명에 의하면, 상기 제1수소배출관 내부에는 정화용 흡착제가 설치된다.
본 발명에 의하면, 상기 제1싸이클론챔버 내에는 불순물을 여과하기 위한 메쉬망이 설치된다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 수소정화장치에 의하면, 예냉과 동시에 싸이클론 효과를 통해 수소에 혼합된 불순물을 여과하므로 예냉 및 수소 정화가 동시에 가능하게 된다.
더불어, ortho-para 수소 촉매를 이용한 수소의 ortho-para 수소 변환이 액상의 냉각매체를 이용한 예냉 후에 이루어지므로, para 수소 비율 높은 수소를 생산하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 수소정화장치를 나타내는 단면도이다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 수소정화장치는, 제1챔버(110)와, 내부에 액상의 냉각매체가 충전된 제2챔버(120)로 이루어진 본체(100)와, 제1싸이클론챔버(200), 제2싸이클론챔버(300) 및 ortho-para 수소 변환 촉매(400)를 포함한다.
상기 제2챔버(120)는 제1챔버(110) 내에 원통 형상으로 수용되며, 제1 챔버(110)의 내주면과 제2챔버(120) 사이 공간에는 진공단열층 등의 단열층을 형성하여, 제2챔버(120)가 외부로부터 단열되도록 한다.
상기 제2챔버(120)의 내부에는 액상의 냉각매체가 충전되어 있으며, 제1싸이클론챔버(200) 내로 유입되는 수소를 냉각매체의 온도로 예냉하는 기능을 한다. 이때, 상기 제2챔버(120) 내에 충전되는 냉각매체는 액체 질소가 사용될 수 있다.
상기 액체 질소는 대기압하에서 77K에서 액화되므로 액상의 냉각매체로서 액체 질소가 사용되는 경우 열교환을 통해 수소의 온도를 77K로 강하시키는 것이 가능하다.
이러한 액체 질소는 제2챔버(120)의 일측에 연결된 냉각매체 공급관(1)을 통해 질소 탱크(2)로부터 액체 질소가 공급되어 충전된다.
상기 제1싸이클론챔버(200)는 제2챔버(120) 내부에 설치된다. 상기 제1싸이클론챔버(200)는 원통형의 상부 부분과 하부로 갈수록 직경이 축소되는 형태의 호퍼형의 하부 부분을 가지며, 상부 일측에 수소 공급관(3)이 연결되어 수소 탱크(4)로부터 수소를 공급받게 된다.
상기 제1싸이클론챔버(200) 내부에는 제1 수소배출관(210)이 설치된다. 상기 제1 수소배출관(210)은 상기 제1싸이클론챔버(200)의 내부 중심부에 배치되며, 그 하단이 상기 제1싸이클론챔버(200)의 하단과 인접하게 배치되어 상부로 연장된다.
따라서, 상기 수소 공급관(3)으로부터 공급되는 수소는 제1싸이클론챔버(200) 내에서 싸이클론을 일으키는 동시에 회전 유동으로 하강 이동하면서 액화질소와 열교환을 통해 액화질소의 온도 77K로 냉각된 후 제1수소배출관(210)으로 배출된다.
상기 수소는 액화질소의 온도로 냉각되며, 수소 내에 혼합되어 있는 불순물은 고형화되어 제1싸이클론챔버(200) 하부에 가라앉게 된다.
이때, 상기 제1싸이클론챔버(200)에는 호퍼형의 하부 부분에 복수의 판형 메쉬망(700)이 행 배열을 이루면서 각각이 수평 방향으로 설치되어 있다. 이에 따라, 수소 탱크(4)로부터 수소 공급관(3)을 통해 공급되는 저순도의 수소는 복수의 판형 메쉬망(700)을 거치면서 불순물이 여과된다.
제1수소배출관(210)의 내부에는 제올라이트 등의 정화흡착제(600)가 설치된다. 따라서 상기 제1싸이클론챔버(200) 내부에서 정화된 수소는 상기 정화흡착제(600)이의해 한번 정화되어 정화효율이 향상된다.
본 발명에 의하면, 상기 제2챔버(120) 내부에는 상기 제1싸이클론챔버(200)와 연결되는 상기 제2싸이클론챔버(300)를 포함한다.
상기 제2싸이클론챔버(300)는 상기 제1싸이클론챔버(200)보다 소형으로 형성되며, 호퍼형의 하부 부분이 상기 제1싸이클론챔버(200)의 내부 중심부에 위치하면서 상기 제1싸이클론챔버(200)의 상단을 관통하여 제2챔버(120) 내부로 연장된다. 즉, 상기 제2싸이클론챔버(300)는 호퍼형의 하부 부분의 전체 또는 일부가 상기 제1싸이클론챔버(200) 내부에 위치하고, 상부 부분이 상기 제1싸이클론챔버(200)의 상단 외부에 위치하는 형태로 제2 챔버(120) 내에 배치된다.
상기 제2싸이클론챔버(300)의 하단은 상기 제1수소배출관(210)의 막힌 상단과 결합된다. 이에 의해 상기 제1수소배출관(210)이 상기 제1싸이클론챔버(200) 내부에서 지지될 수 있다.
상기 제1수소배출관(210)의 상단과 상기 제2사이클론챔버(300)의 상단은 연결관(500)을 통해 연결되어 상기 제1싸이클론챔버(200)를 거친 수소가 상기 제1수소배출관(210)을 거쳐 상기 제2싸이클론챔버(300)의 상단으로 유입된다. 연결관(500)은 상기 제1수소배출관(210) 및 상기 제2싸이클론챔버(300) 보다 작은 단면적을 가지므로 벤추리 효과가 발생한다. 즉, 연결관(500)을 통해 상기 제1싸이클론챔버(200)의 상기 제1수소배출관(210)으로부터 제2싸이클론챔버(300)로 수소가 흐를 때 직경차에 의해 공급되는 수소의 유속이 빨라지게 되고, 이와 같이 유속이 빨라진 수소는 직경이 큰 제2싸이클론챔버(300)를 통과할 때 빨라진 속도와 동일한 속도를 유지하려는 특성에 의해 상기 벤츄리관(500)은 저압 상태가 된다.
따라서, 상기 제1싸이클론챔버(200)의 제1수소배출관(210)을 흐르는 수소는 연결관(500)으로 자동 유입되며 이렇게 연결관(500)으로 유입된 수소는 제2싸이클론챔버(300)로 빠른 속도로 자동 배출된다.
상기 제2싸이클론챔버(300)로 빠르게 유입된 수소는 제1싸이클론챔버(200)에서와 마찬가지로 정화되면서 제2수소배출관(310)을 통해 배출된다.
상기 제2수소배출관(310)은, 상기 제2싸이클론챔버(300)의 내부 중심부에 배치되며, 그 하단이 상기 제2싸이클론챔버(200)의 하단과 인접하게 배치되어 상부로 연장된다. 제2수소배출관(310)은 제1챔버(110) 외부로 수소를 배출하는 관과 연결된다.
이때, 상기 제2수소배출관(310) 내부에는 수소 액화와 관련하여 수소의 ortho-para 수소 변환이 고려되도록 ortho-para 수소 변환 촉매(400)가 설치된다.
수소 분자는 ortho 수소와 para 수소의 두 가지 분자구조로 존재하는 데, ortho 수소와 para 수소의 평형 조성은 온도에 따라 달라진다. 상온에서는 25% para 수소와 75% ortho 수소가 평형을 이루며, 액화 온도인 20K에서는 99.8% para 수소 상태로 변환한다.
그런데, ortho 수소에서 para 수소로의 변환은 발열 반응이고, 수십 시간 내지 수일에 걸쳐 매우 천천히 이루어진다. 따라서 ortho-para 수소 변환 없이 수소의 온도를 강하시켜 액화시키는 경우, 액체 상태에서 ortho 수소에서 para 수소로 변환하면서 발생하는 열(527 kJ/kg)이 액체수소의 증발에 필요한 증발잠열(451.9 kJ/kg)을 공급하고도 남기 때문에 저장한 액체 수소가 모두 기화됨으로써 액체수소를 저장할 수 없게 된다. 따라서 수소 액화 공정에서 ortho-para 수소 변환 촉매(400)를 이용하여 온도 강하에 맞추어 ortho-para 수소 변환이 이루어지도록 함으로써 액화 후의 ortho-para 수소 변환에 따른 발열량을 차단할 수 있다.
상기 제2수소배출관(310)은 내부에 ortho-para 수소 변환 촉매(400)를 포함하므로, 상기 제2수소배출관(310)은 내부로 유입된 수소의 ortho-para 수소 변환이 발생하는 공간이 된다. 상기 ortho-para 수소 변환 촉매(400)는 제2수소배출관(310) 내에 ortho-para 수소 촉매가 과립 또는 덩어리 형태로 구비되어 형성될 수 있다. ortho-para 수소 변환 촉매(400)로는 자철석, 산화크롬 등이 사용되고 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 수소정화장치에 따르면, 수소는 냉각매체 예컨대 액화 질소의 온도 77K와 유사한 온도에서 ortho-para 수소 변환 촉매(400)를 만나 ortho-para 수소 변환이 이루어진다.
ortho 수소와 para 수소의 평형 조성은 온도에 의해 결정되는바, 본 발명에 따르면 수소는 ortho-para 수소 변환 촉매(400)에 의해 ortho-para 수소 변환이 이루어지기 전에 냉각매체 의해 예냉 상태가 되므로 제2수소배출관(310)을 통해 배출되는 수소는 para 비율이 높은 수소 상태가 된다.
이하 본 발명에 따른 수소정화장치의 다른 실시예를 설명함에 있어 본 발명의 제1실시예와 동일한 구성과 동일한 기능을 갖는 구성에 대해서는 동일한 구성부호를 사용하며 반복적인 구성을 피하기 위하여 이들 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소정화장치는 도 1에 도시된 제1실시예의 수소정화장치와 대비할 때 제1싸이클론챔버(200)와 제1수소배출관(210)을 구비한 형태로 형성될 수 있다. 제1수소배출관(210)은 제1싸이클론챔버(200)의 상단을 관통하여 연장되며 외부로 수소를 배출하는 관과 연결된다. 이 경우 제1수소배출관(210)에 ortho-para 수소 변환 촉매(400)가 설치될 수 있다.
그러나, 도 1 에 도시된 실시예에 의할 경우 제1 및 제2싸이클론챔버(200, 300)를 연속으로 배치하여 정화효율을 높임과 동시에 제2챔버(120) 내에서의 유동 시간을 높여 예냉 효율이 향상된다. 더욱이 도 1 에 도시된 실시예에 의할 경우 제2챔버(120)의 크기를 최소화하면서 제1 및 제2싸이클론챔버(200, 300)를 설치하는 것이가능하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 본체 110 : 제1챔버
120 : 제2챔버 200 : 제1싸이클론챔버
210 : 제1수소배출관 300 : 제2싸이클론챔버
310 : 제2수소배출관 400 : ortho-para 변환 촉매
500 : 벤츄리관 600 : 정화 흡착제
700 : 메쉬망

Claims (5)

  1. 제1챔버와, 상기 제1챔버의 내주면과의 사이에 단열층의 구비하면서 상기 제1챔버 내부에 설치되고, 내부에 액상의 냉각매체가 충진된 제2챔버를 구비한 본체;
    상기 제2챔버 내부에 설치되고, 호펴형의 하부 부분을 가지며 일측 상부에 외부로부터 수소가 공급되는 수소공급관이 연결되어 유입된 수소가 회전유동하면서 하강하여 상기 냉각매체와의 열교환과 동시에 불순물이 분리되도록 하는 제1싸이클론챔버;
    상기 제1싸이클론챔버의 내부의 중심부에 설치되며, 하단이 상기 제1싸이클론챔버의 내부 하단에 인접하게 위치하여 상기 제1싸이클론챔버 내부에서 하부로 유동한 수소가 유입되며, 상부로 연장되는 제1 수소배출관; 및
    상기 제2챔버 내부에 상기 제1 수소배출관으로 유입된 수소가 이동하는 경로상에 설치되어, 상기 제1수소배출관으로 유입된 수소가 접촉이동하면서 ortho-para 수소 변환되도록 하는 ortho-para 수소 변환 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2챔버 내부에는 상기 제1수소배출관과 연결된 제2싸이클론챔버를 구비하고, 상기 ortho-para 수소 변환 촉매는 상기 제2싸이클론챔버로부터 수소가 배출되는 제2수소배출관에 설치되는 것을 특징으로 하는 수소정화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2싸이클론챔버는 적어도 호퍼형의 하부 부분의 일부가 상기 제1싸이클론챔버의 내부에 배치되며,
    상기 제2수소배출관은, 하단이 상기 제2싸이클론챔버의 내부 하단에 인접하게 위치하여 상기 제2싸이클론챔버 내부에서 하부로 유동한 수소가 유입되며, 상부로 연장되는 것을 특징으로 하는 수소정화장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1수소배출관 내부에는 정화용 흡착제가 설치되는 되는 것을 특징으로 하는 수소정화장치.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제1싸이클론챔버 내에는 불순물을 여과하기 위한 메쉬망이 설치된 것을 특징으로 하는 수소정화장치.
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