KR102095530B1 - 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치 - Google Patents

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윤여헌
김종훈
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Abstract

본 발명은 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 저농도 수소에 의해 발생되는 폭발사고를 효과적으로 방지하기 위해 저농도의 수소도 효율적으로 제거할 수 있는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 관한 것이다.
또한, 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 저농도 수소에 의해 발생되는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 있어서, 연료전지 또는 내연기관의 상부에 배치되는 흡입구와 상기 흡입구로부터 연장되는 중공 몸체와 상기 몸체의 내부 전면에 배치되어 흡입구를 통해 흡입된 유체에 포함된 수소를 산화시키는 제1 촉매와 상기 몸체의 내부 후면에 배치되는 팬과 상기 몸체의 후면으로 연장되는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치{catalytic hydrogen removal system to prevent explosion}
본 발명은 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 5% 이하의 저농도 수소에 의해 발생되는 폭발사고를 효과적으로 방지하기 위해 저농도의 수소도 효율적으로 제거할 수 있는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 사용으로 인해 발생되는 각종 유해 배출가스 및 미세먼지로 인한 환경오염에 대한 문제를 해결하기 위한 방안으로 신, 재생에너지가 주목 받고 있다.
특히, 수소를 이용한 내연기관이나, 연료전지를 동력으로 하는 자동차(이하, 수소차)는 화석연료에 비해 유해 배출가스 발생량을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
반면, 수소는 공기와 특정 혼합비에서 자연 발화되어 폭발할 위험성이 존재하기 때문에 수소의 안정성이 지속적으로 문제시 되고 있으며, 보다 안전하게 수소를 보관하고 사용하기 위해 수소의 저장, 차단, 감지에 대한 연구가 이루어지고 있다.
그 중 한국등록특허 제10-1331391호 "상온에서 공기 중에 포함된 포름알데히드, 일산화탄소 및 수소 제거능을 갖는 팔라듐/티타니아 촉매 및 그 제조 방법"은 팔라듐/티타니아 촉매는 2.5~5중량부의 높은 귀금속 함량이 요구되고, 그 제조방법은 환원법에 기초하여 수소 및 질소 분위기에서 높은 온도에서 환원하는 공정을 수행해야 하는 문제점이 있었다.
또한, 현재 개발된 수소 제거용 촉매는 수소의 농도가 일정수준 이상으로 농축되었을 때(고농도일 때) 반응을 개시하기 때문에 수소차와 같이 갇혀진 공간 내에 설치된 내연기관이나, 연료전지에서 미량으로 유출되는 저농도의 수소 제거에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
다시 말해서, 수소차의 내연기관이나, 연료전지의 동작 과정에서 미량의 수소가 유출될 수 있으며, 인화성이 강한 수소는 미량의 저농도가 유출되더라도 폭발 및 화재가 발생할 수 있는 위험이 있다.
반면, 현재까지 미량의 저농도 수소를 제거할 수 있는 촉매 및 장치가 개발되지 않아 수소차의 상용화에 어려움이 있었다.
이에 따라, 수소차에서 유출되는 저농도의 수소를 효과적으로 제거하기 위한 장치 개발의 필요성이 제기되고 있다.
한국등록특허 제10-1331391호 "상온에서 공기 중에 포함된 포름알데히드, 일산화탄소 및 수소 제거능을 갖는 팔라듐/티타니아 촉매 및 그 제조 방법"
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 미량의 저농도 수소의 축적에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흡입된 유체의 일부만 촉매와 접촉하여 수소 제거 효율이 감소하지 않도록 유체를 고르게 촉매와 접촉시켜 주는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치는 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 저농도 수소에 의해 발생되는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 있어서, 연료전지 또는 내연기관의 상부에 배치되는 흡입구와 상기 흡입구로부터 연장되는 중공 몸체와 상기 몸체의 내부 전면에 배치되어 흡입구를 통해 흡입된 유체에 포함된 수소를 산화시키는 제1 촉매와 상기 몸체의 내부 후면에 배치되는 팬과 상기 몸체의 후면으로 연장되는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 촉매는 복수 개의 홀이 형성된 허니컴 구조의 원기둥 형태로 중공 몸체에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 촉매는 백금 콜로이드를 포함하는 수용액에 담체를 담지하여 슬러리를 제조한 후 건조 및 소성 공정을 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 촉매는 세라믹 재질로 구성된 촉매 프레임에 백금 콜로이드를 포함하는 코팅액을 코팅하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제1 촉매의 전면에 흡입된 유체에 와류를 발생시키는 와류 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 촉매는 복수 개의 홀이 형성되어 있으며, 상기 와류 발생부는 복수 개의 저항체가 제1 촉매의 각 홀에 대응하도록 배열되어 있으며, 제1 촉매로부터 일정한 거리만큼 이격되어 배치된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 의하면, 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 5%이하의 저농도 수소를 지속적으로 제거하여 수소가 축적되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 의하면, 흡입된 유체가 고르게 촉매와 접촉할 수 있도록 흡입된 유체의 유동에 난류를 발생시켜 수소의 제거 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 몸체를 도시한 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 몸체를 도시한 배면도.
도 4는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 다른 실시예에 따른 단면도.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치를 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 몸체를 도시한 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 몸체를 도시한 배면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 다른 실시예에 따른 단면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치는 수소를 연료로 하는 수소차의 엔진룸 내에 설치된 연료전지 또는 내연기관에서 유출되는 저농도 수소에 의해 발생되는 폭발사고를 방지하기 위한 것으로써, 엔진룸의 연료전지 또는 내연기관의 상부에 배치되어 저농도 수소가 포함된 엔진룸 내부 유체(공기)를 흡입하기 위한 흡입구(1)와 상기 흡입구(1)로부터 연장되는 중공 몸체(2)와 상기 몸체(2)의 내부 전면에 배치되어 흡입구(1)를 통해 흡입된 유체에 포함된 저농도 수소를 산화시키는 제1 촉매(11)와 상기 몸체(2)의 내부 후면에 배치되는 팬(4)과 상기 몸체(2)의 후면으로 연장되는 배출구(3)를 포함하여 구성된다.
보다 상세하게는, 상기 몸체(2)의 배면에 배치된 팬(4)의 회전 동작에 의해 엔진룸 내부의 유체는 흡입구(1)를 통해 흡입되며, 흡입된 유체에 포함된 저농도 수소는 몸체(2)의 전면에 배치된 제1 촉매(11)를 통과하면서 제1 촉매(11)와 반응하여 산화되어 제거되며, 배출구(3)를 통해 차량 외부로 배출되거나, 엔진룸 내부로 재 순환된다.
상기 제1 촉매(11)는 흡입된 유체와의 접촉되는 표면적을 넓히기 위해 복수 개의 홀이 형성된 허니컴 구조의 원기둥 형태로 구성되어 중공 몸체(2)의 내부에 결합된다.
이때, 상기 제1 촉매(11)에 형성되는 홀의 형태는 원형 또는 다각형으로 구성될 수도 있으며, 크기에 특별한 제약은 없다.
또한, 상기 제1 촉매(11)는 저농도 수소와의 효율적 산화반응이 실시될 수 있도록 백금 콜로이드가 담체 100 중량부에 대해 0.1~1 중량부로 담지될 수 있도록 백금 콜로이드를 포함하는 수용액에 담체를 담지하여 슬러리를 제조한 후 건조 및 소성 공정을 거쳐 제조된다.
또는, 백금 콜로이드가 담체 100 중량부에 대해 0.1~1 중량부로 담지될 수 있도록 백금 콜로이드를 포함하는 수용액에 담체를 담지하여 제조된 슬러리 100 중량부에 대해 0.1~10 중량부의 첨가 재료를 첨가하여 건조 및 소성 공정을 거쳐 제조할 수도 있으며, 첨가 재료는 철, 니켈, 팔라듐, 티타늄 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수도 있다.
또는, 세라믹 재질과 같은 다공성 재료로 구성된 촉매 프레임을 먼저 제조한 후 백금 콜로이드를 포함하는 코팅액을 코팅하여 제1 촉매(11)를 제조할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치의 다른 실시예를 도시한 것이며, 도 5는 다른 실시예의 단면을 도시한 것으로써, 몸체(2)의 내부에 설치되는 제1 촉매(11)의 전면에 흡입된 유체에 와류를 발생시키는 와류 발생부(5)를 더 포함하도록 구성될 수도 있다.
보다 상세하게는, 복수 개의 홀이 형성된 제1 촉매(11)의 전면에 설치되는 와류 발생부(5)는 복수 개의 저항체(5a)가 제1 촉매(11)의 각 홀에 대응하도록 지지체를 통해 연결되어 복수 개의 행과 열로 배열되어 지지된다.
또한, 와류 발생부(5)는 제1 촉매(11)로부터 일정한 거리만큼 이격되어 와류 발생부(5)를 통과하는 유체에 와류가 발생할 수 있는 공간이 형성되도록 배치된다.
이를 통해, 도 5의 확대된 P1에 도시된 바와 같이, 와류 발생부(5)의 각 저항체(5a)의 배면에서 발생된 와류가 제1 촉매(11)의 홀을 통해 유입되면서, 제1 촉매(11)를 통과하는 유체가 보다 고르게 제1 촉매(11)와 접촉하여 유체에 포함된 수소의 제거 효율이 더욱 향상될 수 있다.
즉, 흡입된 유체가 층류 형태로 제1 촉매(11)의 홀을 통과할 경우, 홀의 중심에 위치한 수소는 제1 촉매(11)와 접촉하지 않을 수 있으나, 흡입된 유체를 난류 형태로 제1 촉매(11)의 홀을 통과시킴으로써, 흡입된 유체를 보다 고르게 제1 촉매(11)와 접촉시킬 수 있고, 수소 제거 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또는, 제1 촉매(11)의 배면에 제2 촉매(12)를 더 포함할 수도 있으며, 제2 촉매(12)에 배열된 홀의 크기 및 배열 위치는 제1 촉매(11)에 배열된 홀의 크기 및 배열 위치와는 상이하도록 구성되어 도 5의 확대된 P2에 도시된 바와 같이, 층류 형태로 제1 촉매(11)를 통과하면서 제1 촉매(11)의 홀 중심에 위치하여 제1 촉매(11)와 접촉하지 못한 수소가 제2 촉매(12)를 통해 접촉할 수 있도록 구성될 수도 있다.
또한, 상기 제2 촉매(12)는 위에서 설명한 제조방법 중 하나를 통해 제조되되, 제1 촉매(11)와는 제조방법이나, 구성이 상이하도록 제조되어 배치될 수도 있다.
또한, 상기 와류 발생부(5)와 제2 촉매(12) 중 어느 하나만 포함하거나, 와류 발생부(5)와 제2 촉매(12) 모두 포함하도록 구성될 수도 있으며, 이와 별도로 이물의 유입을 차단하기 위한 필터를 더 포함하도록 구성될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어져야 한다.
1 : 흡입구
2 : 몸체
3 : 배출구
4 : 팬
5 : 와류 발생부
11 : 제1 촉매
12 : 제2 촉매

Claims (6)

  1. 수소를 연료로 하는 연료전지 또는 수소를 연료로 하는 내연기관에서 유출되는 수소에 의해 발생되는 폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치에 있어서,
    연료전지 또는 내연기관의 상부에 배치되는 흡입구와;
    상기 흡입구로부터 연장되는 중공 몸체와;
    상기 몸체의 내부 전면에 배치되어 흡입구를 통해 흡입된 유체에 포함된 수소를 산화시키는 제1 촉매와;
    상기 몸체의 내부 후면에 배치되는 팬과;
    상기 몸체의 후면으로 연장되는 배출구와;
    상기 제1 촉매의 전면에 설치되어 흡입된 유체에 와류를 발생시키는 와류 발생부를 포함하며,
    상기 제1 촉매는 복수 개의 홀이 형성되어 있으며,
    상기 와류 발생부는 복수 개의 저항체가 제1 촉매의 각 홀에 대응하도록 배열되어 있으며, 제1 촉매로부터 일정한 거리만큼 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는
    폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    제1 촉매는 복수 개의 홀이 형성된 허니컴 구조의 원기둥 형태로 중공 몸체에 결합되는 것을 특징으로 하는
    폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    제1 촉매는
    백금 콜로이드를 포함하는 수용액에 담체를 담지하여 슬러리를 제조한 후 건조 및 소성 공정을 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는
    폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    제1 촉매는
    세라믹 재질로 구성된 촉매 프레임에 백금 콜로이드를 포함하는 코팅액을 코팅하여 제조되는 것을 특징으로 하는
    폭발을 방지하기 위한 촉매형 수소 제거장치.
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