KR102120818B1 - 자동 압력조절 기체 발생 장치 - Google Patents

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KR102120818B1
KR102120818B1 KR1020180087170A KR20180087170A KR102120818B1 KR 102120818 B1 KR102120818 B1 KR 102120818B1 KR 1020180087170 A KR1020180087170 A KR 1020180087170A KR 20180087170 A KR20180087170 A KR 20180087170A KR 102120818 B1 KR102120818 B1 KR 102120818B1
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허일정
박지훈
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한국화학연구원
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J7/00—Apparatus for generating gases

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  • Feeding, Discharge, Calcimining, Fusing, And Gas-Generation Devices (AREA)
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Abstract

본 발명의 기체 발생 장치는, 부하부가 반응부에 외력을 가하여 반응수단과 원료물질이 접촉하게 하여 기체를 발생시키고, 기체의 토출 유량이 증가함에 따라, 기체는 용기 내부의 압력을 높이게 되어, 반응수단이 원료물질과의 접촉을 잃어 원료물질의 반응이 멈추게 되는 과정을 반복하며 기체를 발생시킴으로써, 발생 기체의 유량 제어를 위한 전력이나 동력, 및 전기적 제어장치가 불필요하여, 소형화 및 경량화가 가능하다.

Description

자동 압력조절 기체 발생 장치{Automatically pressure-controlled gas generator}
본 발명은 발생 기체의 유량 제어를 위한 전력이나 동력, 및 전기적 제어장치가 불필요한 기체 발생 장치에 관한 것이다.
기체상태의 물질 공급이 필요한 공정의 경우, 해당 기체를 원료로부터 생산한 후 가압하여 내압용기에 보관한 상태에서 수요 대상에 공급하는 것이 가장 단순한 방법이라 할 수 있으나, 이러한 방법은 기체 생산공정에 대한 추가설비 및 내압 용기로의 기체 충전을 위한 고압 설비가 필수적이고, 설비와 용기의 무게나 부피가 작지 않은 관계로, 사용에 제약이 필연적으로 존재한다.
예를 들어, 고체상 원료로부터 이산화탄소 및 산소 등을 발생시키거나, 또는 슬러리의 분해에 의한 가스종 오염물질을 처리하기 위한 설비에서는 발생량 또는 처리량을 연계 반응설비에 맞추어야 하므로 발생·처리량의 제어를 위한 추가 설비가 필요하다. 또한, 연료전지와 같이 고농도의 산소와 수소 공급을 요하는 대상에 산소 및 수소를 가압하여 기체나 액체로 저장하였다가 공급하거나, 산소저장물질 및 수소저장합금에 흡착된 상태로 보관된 산소와 수소를 탈착시켜 공급하는 등의 형태에서 크게 벗어나지 못하고 있어, 가압 및/냉각 장치와 내압용기, 압력 등의 제어 장치가 필수적이고, 상기한 바와 같은 무게나 부피의 제약이나, 공급 능력과 내구성의 제약을 가지게 된다. 그 외, 발생 폐열의 열교환으로부터 스팀을 생산하기 위한 공정의 경우 폐열 배출조건에 따라 스팀의 생산량이 변하게 되므로 수요공정에 맞게 스팀의 생성량을 맞추기 위한 기술이 필요하다.
그러나, 기체의 발생을 위해 부수적으로 필요한 장치나 설비들로 인한 비용증가와 공간적, 중량적 문제로 인하여 적용이 제한적이고, 특히 단순하고 소형화된 경량의 기체 공급 장치의 경우 기술확보가 절실히 요구되고 있다.
일본 공표특허공보 제2017-537428호
본 발명의 목적은 원료물질로부터 발생되는 기체의 유량 제어를 위한 전력이나 동력, 및 전기적 제어장치가 불필요한 기체 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하고 반응조 용적 변화가 용이한 저렴한 기체 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경량화가 가능하고, 설치 부피의 제약이 적은 기체 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 설비 자체적으로 기체 발생이 가능하여 요구환경에서 독립적인 기체공급이 가능한 기체 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 설치 방위와 무관하게 기체 발생 속도가 자동적으로 조절되는 기체 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 기체 발생 장치를 제공하는 것으로, 본 발명의 기체 발생 장치는,
기체 생성 반응의 원료물질이 축방향의 일측에 저장되되,
축방향에 수직인 단면의 형상이 축방향을 따라 일정하게 형성된 용기;
원료물질과 접촉하였을 때 기체 생성 반응이 일어나게 하는 반응수단을 포함하고,
상기 반응에 의한 생성 기체가 원료물질이 저장된 공간으로부터 원료물질이 저장되지 않은 용기내 공간으로 이동할 수 있는 통기부를 포함하되,
상기 축방향의 타측에 위치하고, 외주부가 상기 용기의 내면에 밀착되며, 상기 축방향으로 왕복 가능하게 형성되는, 반응부;
상기 반응부와 원료물질이 접촉되도록 축방향의 외력을 가하되, 상기 용기의 압력이 상기 외력의 반대 방향으로 작용하는 힘으로 전환되는 부하부; 및
상기 발생 기체를 소정의 설정값보다 작은 유량으로만 상기 용기 외부로 토출하는 토출부;를 포함한다.
본 발명의 일 양태에서, 발생 기체는 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아, 탄화수소, 산소, 및 수증기 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 원료물질은 기체 생성 반응의 진행에 따라 부피가 감소할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 원료물질은 고체 및/또는 액체 상태일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 축방향은 직선, 곡선, 나선(helix), 와선(spiral) 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 반응수단은 촉매, 반응에너지원, 및 반응물질 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 반응수단은 열원 및 광원 중 어느 하나 또는 둘 다를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 통기부는 원료물질에 대해 비투과성일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 통기부는 일단부가 상기 반응부의 일측에, 타단부가 상기 반응부의 타측에 형성된 통공, 다공성 세라믹, 및 다공성 고분자 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부가 가하는 외력은 탄성부재, 압축성 유체, 및 중력 중 어느 하나 또는 둘 이상에 의해 구현될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부는 일단이 반응부와 연결되고 타단이 용기의 타측에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부는 탄성부재, 압축성 유체, 및 무게추 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 실린더의 팽창에 의해 상기 반응부에 외력을 가하고, 상기 실린더는 용기의 압력에 의해 수축될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 토출부의 유량 설정값은 조절 가능할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 용기 및/또는 기체 발생 장치의 외측을 둘러싸는 단열부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 용기 및/또는 기체 발생 장치의 외측을 둘러싸는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 반응에너지원에 에너지를 공급하는 에너지 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 기체 발생 장치를 사용하여 기체를 발생시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 토출부의 유량 설정값을 조절함으로써 기체 발생 반응속도를 조절할 수 있다.
본 발명의 기체 발생 장치는 발생 기체의 유량 제어를 위한 전력이나 동력, 및 전기적 제어장치가 불필요하여, 구조가 간단하고 경량이며 작은 부피를 가지면서 저렴하게 구현이 가능하다. 그에 따라, 산업용 기체나 연료 기체로서 제공이 필요한 장치에도 공간이나 무게 등의 제약 극복이 가능하다.
또한 이동원 등에 장착이 용이하여, 종래의 무거운 가스 탱크나 가스 발생 장치가 적용되지 못했던 영역까지 활용이 가능하다.
또한 본 발명의 기체 발생 장치는 설치 방위와 무관하고 고립된 장소에서 독립적으로 기체 공급이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따른, 가스 발생 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른, 가스 발생 장치의 작동 개념도이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 발생하는 수소 기체의 유량 변화이다.
이하 본 발명의 가스 발생 장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명에서 “반응”은 화학적 변화 뿐 아니라, 화학적 변화가 수반되지 않는 물리적 변화도 포함한다. 또한 화학적 변화 및 물리적 변화가 모두 수반되는 경우도 포함한다.
본 발명에 있어, 가스 발생 장치는,
기체 생성 반응의 원료물질이 축방향의 일측에 저장되되,
축방향에 수직인 단면의 형상이 축방향을 따라 일정하게 형성된 용기;
원료물질과 접촉하였을 때 기체 생성 반응이 일어나게 하는 반응수단을 포함하고,
상기 반응에 의한 생성 기체가 원료물질이 저장된 공간으로부터 원료물질이 저장되지 않은 용기내 공간으로 이동할 수 있는 통기부를 포함하되,
상기 축방향의 타측에 위치하고, 외주부가 상기 용기의 내면에 밀착되며, 상기 축방향으로 왕복 가능하게 형성되는, 반응부;
상기 반응부와 원료물질이 접촉되도록 축방향의 외력을 가하되, 상기 용기의 압력이 상기 외력의 반대 방향으로 작용하는 힘으로 전환되는 부하부; 및
상기 발생 기체를 소정의 설정값 이하의 유량으로만 상기 용기 외부로 토출하는 토출부;를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 양태에 따른 기체 발생 장치의 작동 과정을 도시하고 있다. 반응부에 포함된 반응수단이 원료물질과 접촉을 시작하면(a), 부하부가 반응부에 용기의 일단부 방향(이 경우 하방)으로 외력을 가하여 반응수단과 원료물질이 계속 접촉하게 하여 원료물질이 반응을 일으켜 기체를 발생시키고 기체는 통기부를 통과하여 원료물질이 보유되지 않은 용기의 공간으로 이동한 후, 토출부를 통해 토출된다(b). 반응이 계속되어 기체의 토출 유량이 증가함에 따라, 토출 유량이 설정값에 도달하면 기체는 설정된 유량으로 일정하게 토출되고, 발생하는 기체는 용기 내부의 압력을 높이게 되어, 상기 외력에 반대되는 방향(이 경우 상방)으로 부하부에 힘을 가하고, 그 결과 부하부가 압축되면서 반응부가 상승하며, 그 결과로서 반응수단이 원료물질과의 접촉을 잃어 원료물질의 반응이 멈추게 된다(c). 반응이 멈추기 전에 이미 발생한 기체가 토출부를 통해 계속 토출되어 용기 내부 압력이 감소하면서 부하부는 다시 하방으로 반응부에 대해 외력을 가함에 따라, 반응수단이 원료물질과 다시 접촉하여 반응이 일어나고, 다시 기체가 발생하게 된다(d). (c)와 (d)를 반복하며 설정된 유량값 이하에서 일정한 유량으로 기체가 토출되다가 원료물질이 모두 소진되면 기체 발생이 종료된다(e).
본 발명의 일 양태에서 상기 원료물질은 기체 생성 반응의 진행에 따라 부피가 감소하거나 점도가 높아 반응물들이 반응중 혼합되지 않는 겔 또는 고체 물질일 수 있으며, 반응에 의해 분해되거나 기화되는 등의 변화가 수반될 수 있다. 일 예로 상기 원료물질은 고체 상태, 반응에 의해 분해되거나 기화되는 고형분이 포함된 슬러리 상태, 분해되어 부피가 감소하는 액체 상태 등일 수 있다.
상기 원료물질은 반응에 의해 기체를 발생시키는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 본 발명의 일 양태에서, 발생되는 기체는 산소, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아, 메탄, 및 수증기 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 산소 생산을 위한 원료물질은 과산화물일 수 있고, 특히 금속 과산화물일 수 있으며, 일 예로 BaO2, MgO2, CaO2, Na2CO3, NaClO3중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있다. 산소 생산을 위한 원료물질은 열분해 및/또는 촉매접촉 분해를 통해 산소를 생산할 수 있다. 산소 생산 원료물질을 사용하는 경우, 생산된 산소를 산화제 등의 목적으로 공급할 수 있고, 우주, 수중, 유독가스 환경 등에 있어, 소형 및/또는 독립형 기기에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 수소 생산을 위한 원료물질은, 액상 유기물 수소 저장체(Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC))일 수 있고, LOHC는 시클로헥산(cyclohexane), 메틸시클로헥산(methyl cyclohexane), 데칼린(decalin), 벤질톨루엔(benzyl toluene), 디벤질톨루엔(dibenzyl toluene) 등의 고리형 탄화수소; 퍼하이드로-N-에틸카바졸(perhydro-N-ethylcarbazole); 2-[(N-메틸시클로헥실)메틸]피페리딘; 퍼하이드로-디벤질톨루엔(perhydro-Dibenzyltoluene) 등일 수 있다. 또한 본 발명의 일 양태에서 수소 생산을 위한 원료물질은 NaBH4 등일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 수소와 이산화탄소 생산을 위한 원료물질은 개미산(formic acid)일 수 있는데, 개미산은 액상에서 기체로 분해되어 반응의 진행에 따라 부피가 감소하게 된다. 개미산은 또한 일산화탄소 생산을 위한 원료물질일 수 있고, 촉매에 따라 일산화탄소와 물로 분해되며, 분해된 물이 수증기로 변환되어 역시 반응의 진행에 따라 부피가 감소할 수 있다. 수소 생산 원료물질을 사용하는 경우, 생산된 수소를 연료전지에 공급할 수 있고, 특히 소형 장치나, 공간 및/또는 무게의 제약이 있는 차량, 항공기, 우주선 등에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 일산화탄소와 수소, 또는 탄화수소 생산을 위한 원료물질은 포름알데하이드, 아세트알데하이드 등의 알데하이드일 수 있다. 일산화탄소, 수소, 탄화수소 생산 원료물질을 사용하는 경우, 생산된 기체를 연계된 공정의 원료로서 공급할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 암모니아와 이산화탄소 생산을 위한 원료물질은 요소, 요소수, 암모늄 함유 고체일 수 있고, 고체 요소의 경우, 반응후에 모두 소진될 수 있으며, 요소수의 경우에는 부피 감소량이 상대적으로 작을 수 있다. 암모니아 생산 원료물질을 사용하는 경우, 생산된 암모니아를 자동차용 후처리 촉매에 공급할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 이산화탄소 생산을 위한 원료물질은 카보네이트 물질일 수 있고, 가열 등에 의해 열분해되어 이산화탄소를 생산할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서 기체는 고체 및/또는 액체 상태에서 물리적 상변화만을 통하여 생산될 수 있다. 일 예로, 드라이아이스, 메탄 등의 가스하이드레이트일 수 있고, 물과 같은 액체가 수증기 등의 증기로 생산될 수 있다. 그러한 상변화를 위해 반응수단으로서 열원이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 용기의 일측은 중력방향일 수 있으며, 반응부가 용기의 타측으로 이동, 즉 상승하면서 반응수단과 원료물질이 이격될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 원료물질은 용기의 일측에 고정되어, 반응부가 용기의 타측으로 이동하면서 반응수단과 원료물질이 이격될 수 있다. 그러한 고정을 위해, 본 발명의 일 양태에서는 원료물질이 용기의 일측에 형성된 고정부재에 의해 고정될 수 있으며, 일 예로, 고정부재의 일단부는 용기의 일측에 연결되고, 타단부는 고체 상태인 원료물질에 매립 및/또는 끼워진 형태일 수 있다. 일 예로, 고정부재는 용기와 고체 상태인 원료물질 사이의 접착부재일 수 있다. 일 예로, 접착부재는 접착제, 접착테이프 등일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 반응수단은 촉매, 반응물질, 및 반응에너지원 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 상기 반응수단은 원료물질과 접촉시에 반응을 일으키며, 원료물질과 접촉하지 않는 경우에는 반응이 일어나지 않는다.
촉매는 상술한 원료물질들의 반응을 일으키는 것이면 특별히 한정되지 않으며, 특히 원료물질들의 분해반응을 일으킬 수 있다. 본 발명의 일 양태에서, 상기 촉매는 과산화물을 분해하는 Fe 기반 촉매일 수 있고, LOHC로부터 수소를 발생시키는 Ni, Mo, Pt 중 어느 하나 이상을 기반으로 하는 촉매일 수 있으며, 개미산을 분해하는 Pd 기반 촉매일 수 있다. 반응물질 역시 원료물질과 반응하여 기체를 발생시키는 것이면 특별히 한정되지 않는다.
반응에너지원은 상술한 원료물질들의 반응을 일으킬 수 있는 에너지를 원료물질에 가할 수 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 일 양태에서, 상기 반응에너지원은 전자기파 발생원일 수 있고, 상기 전자기파는 자외선, 가시광선, 적외선 등일 수 있으며, 원료물질의 반응을 일으킬 수 있는 것이라면 그 파장에는 특별한 제한이 없으나, 본 발명의 일 양태에서 상기 반응에너지원은 자외선 램프일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 반응에너지원은 열원일 수 있고, 상기 열원은 발열체이거나 가열유체일 수 있다. 본 발명의 일 양태에서 상기 발열체는 전력 또는 전자기파를 공급받는 발열체일 수 있으나, 발열을 위해 공급되는 에너지의 종류에는 제한이 없다.
반응의 조절을 위해, 토출부를 통해 기체가 토출되는 동안에는 상기 반응에너지원에 공급되는 에너지는 차단되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시양태에서, 용기 내부 압력이 토출부의 설정값을 넘는 경우에는 반응에너지원에 공급되는 에너지가 차단되는 스위치가 포함될 수 있다. 본 발명의 일 양태에서 상기 열원은 화학적 또는 물리적 변화에 따른 발열을 일으키는 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 반응부는 플레이트 형상일 수 있고, 부하부의 외력을 전달받기 위한 외력 전달 부재를 통해 부하부와 연결될 수 있다. 본 발명에서 상기 외력 전달 부재는 일단이 반응부와, 타단이 부하부와 연결된 축 형상일 수 있다. 발명의 일 양태에서 반응부는 부하부에서 제공되는 외력에 의해 왕복 운동하는 피스톤 형상일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 반응수단은 원료물질과 접촉할 수 있도록 반응부의 일단부에 위치할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 반응수단이 위치할 수 있도록 반응부의 일단부에는 홈, 요철 등이 형성될 수 있고, 이 경우 상기 반응수단은 상기 홈이나 요부에 끼워질 수 있다. 본 발명의 일 양태에서 반응수단은 반응부의 일단부에 형성된 메시 내부에 포함될 수 있다. 또한 본 발명의 일 양태에서 반응수단은 모듈화되어 반응부에 장착될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 기체 발생 장치의 축방향은 직선, 곡선, 나선(helix), 와선(spiral) 중 어느 하나 또는 둘 이상일 수 있으며, 상기 반응부의 외주부는 용기 내면에 밀착되어 미끌어지면서 축을 따라 이동할 수 있다. 따라서, 용기의 형상은 용기가 적용되는 대상에 따라 반응부의 이동이 제한받지 않는 한 자유롭게 형성될 수 있고, 일 예로 반응기가 외부로부터 가열 또는 냉각될 필요가 있는 경우에 열교환 효율을 높이기 위해 나선형, 와선형 등으로 감겨 있는 형상인 튜브로 형성될 수도 있다. 그러한 가열 또는 냉각의 필요가 있는 경우, 용기 및/또는 기체 발생 장치의 외측에 열교환부가 포함될 수 있으며, 열교환부는 열매체를 포함할 수 있고, 열교환 효율 향상을 위한 고표면적을 가지는 열전도성 부재를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양태에서, 상기 열전도성 부재는 냉각핀(cooling fin)일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 용기 및/또는 기체 발생 장치 내부의 온도를 유지하기 위하여 용기 및/또는 기체 발생 장치 외측에 단열부가 더 포함될 수 있다. 그러한 온도 유지가 필요한 경우의 일 예로, 드라이아이스 등과 같이 원료물질을 저온에서 고체상태로 유지하다가 열원인 반응수단에 의해 상변화를 일으켜 기체를 발생시키는 경우를 들 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 통기부는 원료물질에 대해 비투과성일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 통기부는 원료물질의 상태와 입자 크기 등에 의해 그 형상이 결정될 수 있으며, 원료물질이 고체인 경우에는 고체 입자가 통과할 수 없는 정도의 단면적을 가지도록 일단부가 상기 반응부의 일측에, 타단부가 상기 반응부의 타측에 형성된 통공일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에서, 상기 통기부는 기액 분리막일 수 있고, 다공성 세라믹 및/또는 다공성 고분자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부는 일단이 반응부와 연결되고 타단이 용기의 타측에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부가 가하는 외력은 압축된 탄성부재가 신장하려 하는 탄성력, 역시 압축된 압축성 유체가 팽창하려 하는 팽창력, 및 중력 중 어느 하나 또는 둘 이상에 의해 구현될 수 있다. 중력 이외의 힘으로 외력이 구현되는 경우, 기체 발생 장치는 중력 방향과 무관하게, 그 설치 방위나 기울어짐과 상관없이 기체를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부는 탄성부재, 압축성 유체, 및 무게추 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있고, 또한 반응부가 부하부에 충분한 외력을 가할 수 있는 정도의 무게라면 무게추가 불필요할 수도 있다. 더 구체적으로, 상기 부하부는 스프링, 벨리즈, 공기 등의 압축 가능한 기계적 요소 또는 기체를 포함하는 실린더 형상일 수 있다. 또한 본 발명의 일 양태에서, 상기 실린더 형상은 용기 내부 압력을 압축력으로 전환하는 압력판을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에서, 상기 부하부가 가하는 외력은 소정의 값으로 설정되며, 그 값은 조절이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상술한 바와 같이, 발생 기체의 토출 유량이 설정값에 도달한 후에도 기체 발생량이 더욱 증가하여 용기 내부의 압력이 상승하게 되면, 상기 압력이 실린더 형상의 부하부에 작용하여 상기 실린더 형상의 부하부 내부의 스프링이나 압축 가능 유체가 압축되게 한다. 그 결과 부하부가 용기의 일단부 방향으로 반응부에 가하는 외력이 점차 작아지고, 용기 내부의 압력이 소정의 압력을 넘어서게 되면 반응부가 원료물질의 반대쪽으로 이동하여 반응수단이 원료물질과의 접촉을 상실하게 된다. 접촉을 상실한 후, 기체가 계속 토출됨에 따라 용기 내부 압력이 다시 감소하게 되면, 상기 용기 내부 압력에 의해 부하부에 가해지던 힘이 감소하고, 부하부는 다시 반응부에 외력을 가하여 용기의 일단부쪽으로 이동하도록 하고, 그 결과로 반응수단이 원료물질과 다시 접촉하여 반응이 다시 시작되는 과정이 반복된다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 토출부는 토출 유량 설정수단 및 토출구를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 양태에서 상기 토출 유량 설정수단은 개방 정도를 설정할 수 있는 밸브일 수 있고, 그러한 작동을 하는 밸브라면 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 토출부의 토출 유량 설정값은 임의로 조절이 가능할 수 있다. 그러한 조절은 토출 유량 설정수단에 대한 기계식 또는 전자식 조절일 수 있고, 또한 직접 또는 원격 조절일 수 있다.
하기 실시예 및 비교예를 통해, 본 발명의 일 양태를 더욱 상세히 설명한다.
[비교예]
유량제어를 위한 부하부를 포함하지 않아, 원료물질과 촉매가 반응 시작부터 계속 접촉 상태를 유지하는 기체 발생 장치의 용기에 개미산을 넣고, 성형된 Pd 촉매를 개미산에 접촉시켜 수소 생성반응을 개시하였다. 상기 반응에 따라 토출되는 수소의 유량을 시간에 대해 도시하였다(도 3). 반응 초기에 약 9 L/min으로 급격하게 수소가 발생한 다음, 수소 발생 유량이 지속적으로 감소하여, 약 20분 후부터 약 4 L/min 이하로 수소 발생량이 감소한다. 반응 시작 후 가스 발생이 급격하게 증가하였다가 점차 감소하는 전형적인 반응차수 1차 이상의 반응 형태를 보이고, 반응 후반부에는 감소폭이 미미해짐을 보인다.
[실시예 1]
반응부의 일단부에 성형된 Pd 촉매가 모듈화되어 장착된 기체 발생 장치의 용기에 개미산을 넣고, 용기 압력에 의해 압축되는, 스프링 내장 실린더에 의해 상기 Pd 촉매를 개미산에 접촉시켜 수소 생성반응을 개시하였다. 상기 반응에 따라 토출되는 수소의 유량을 시간에 대해 도시하였다(도 3). 반응 시작 직후 약 5 L/min으로 수소가 급격히 발생하고, 바로 약 4 L/min로 수소 발생량이 안정화된다. 반응 시작 후 15분에 토출 유량값(밸브 개방값)을 3/4으로 낮추었다. 그 결과 가스 발생속도가 3 L/min으로 감소하였고, 반응 시작 후 약 27분에 원료물질인 개미산의 소진으로 수소 발생량이 급격히 감소하였다
[실시예 2]
초기 2 L/min으로 수소 발생량을 유지하다가 약 15분에 밸브 개방값을 2배로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 기체를 발생시켰다. 약 15분에 밸브 개방값을 2배로 변경하자, 바로 4 L/min으로 수소발생량이 증가하였다. 실시예 1과 마찬가지로 약 31분부터 원료물질의 소진으로 수소발생량이 급격하게 감소하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 확인할 수 있듯, 원료물질과 촉매의 접촉이 제어되지 않는 경우에는 초기에 기체의 발생이 급격히 감소하고, 이후에도 설정 압력의 조절시에 기체의 발생은 점차 감소하게 된다. 반면, 본 발명의 일 양태에 따라 원료물질과 촉매의 접촉이 제어되는 경우, 반응 초기부터 기체의 발생 속도가 일정하게 제어되고, 밸브의 설정 유량이 조절되더라도, 해당 조건에서의 기체 발생 속도가 감소하지 않고 일정한 범위에서 유지된다.
본 발명에 따른 기체 발생 장치는 발생 기체의 유량 제어를 위한 전력이나 동력, 및 전기적 제어장치가 없는 간단한 구조를 가지고, 필요시 유량 설정값을 간단히 조절하는 것만으로도 기체 발생 속도 조절이 가능함에 따라, 장치의 경량화 및 소형화가 가능하여, 설치시의 중량 및 부피의 제한이 적어, 적용상의 제한이 있었던 영역까지 활용이 가능하다.
100: 용기
200: 반응부
210: 반응수단
300: 부하부
310: 탄성부재
320: 압력판
400: 토출부
410: 토출 유량 설정수단
420: 토출구
500: 외력 전달 부재
A: 원료물질

Claims (18)

  1. 기체 생성 반응의 원료물질이 축방향의 일측에 형성된 고정부재에 의해 고정되되,
    축방향에 수직인 단면의 형상이 축방향을 따라 일정하게 형성된 용기;
    상기 반응에 의한 생성 기체가 원료물질이 저장된 공간으로부터 원료물질이 저장되지 않은 용기내 공간으로 이동할 수 있는 통기부;를 포함하되,
    상기 축방향의 타측에 위치하고, 플레이트 형상의 단면의 외주부가 상기 용기의 내면에 밀착되어 상기 축방향으로 왕복 가능하게 형성되는 상기 축방향에 수직인 플레이트 형상의 단면을 포함하고, 상기 플레이트 형상의 단면의 전체에, 원료물질과 접촉하였을 때 기체 생성 반응이 일어나게 하는 반응수단이 포함된 반응부;
    상기 반응부와 원료물질이 접촉되도록 축방향의 외력을 가하되, 상기 용기의 압력이 상기 외력의 반대 방향으로 작용하는 힘으로 전환되는 부하부; 및
    토출 유량 설정수단과 토출구를 포함하고, 상기 생성 기체를 소정의 설정값보다 작은 유량으로만 상기 용기 외부로 토출하는 토출부;를 포함하고,
    상기 원료물질은 고체 상태이며,
    상기 통기부는 상기 원료물질의 고체 입자에 대해 비투과성이고,
    상기 반응수단은 상기 반응부의 일단부에 형성된 메시 내부에 포함된 것이며, 촉매 및 열원인 반응에너지원을 포함하고,
    상기 반응에너지원에 에너지를 공급하는 에너지 공급부; 및
    상기 용기의 외측을 둘러싸는 단열부;와 열교환부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 기체 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체는 산소, 수소, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아, 탄화수소, 및 수증기 중 어느 하나 또는 둘 이상인, 기체 발생 장치.


  3. 제1항에 있어서, 상기 원료물질은 기체 생성 반응의 진행에 따라 부피가 감소하는, 기체 발생 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 축방향은 직선, 곡선, 나선(helix), 와선(spiral) 중 어느 하나 또는 둘 이상인, 기체 발생 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 통기부는 일단부가 상기 반응부의 일측에, 타단부가 상기 반응부의 타측에 형성된 통공, 다공성 세라믹, 및 다공성 고분자 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는, 기체 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 부하부가 가하는 외력은 탄성부재, 압축성 유체, 및 중력 중 어느 하나 또는 둘 이상에 의해 구현되는, 기체 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 부하부는 일단이 반응부와 연결되고 타단이 용기의 타측에 연결된, 기체 발생 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 부하부는 탄성부재, 압축성 유체, 및 무게추 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 실린더의 팽창에 의해 상기 반응부에 외력을 가하고, 상기 실린더는 용기의 압력에 의해 수축되는, 기체 발생 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 기체 발생 장치를 사용하여 기체를 발생시키는 방법으로서,
    상기 토출부의 유량 설정값을 조절함으로써 기체 발생 반응속도를 조절하는, 방법.
  18. 삭제
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