KR102281104B1 - 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기 및 이를 이용한 수소 생성 방법 - Google Patents

금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기 및 이를 이용한 수소 생성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 수증기 개질 반응을 위한 정상상태 온도까지 올리는 시간을 단축시키고, 각각의 촉매에 대한 온도 분포가 균일하게 형성되도록 하는 기술을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기는, 각각 내부 공간을 구비하며 서로 결합된 반응하우징과 공급하우징을 구비하는 하우징부; 공급하우징으로 연료를 공급하는 연료공급부; 공급하우징으로 수증기를 공급하는 수증기공급부; 반응하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망과 금속촉매망의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매를 포함하며, 공급하우징으로부터 반응하우징으로 유동한 연료와 수증기의 수증기 개질 반응을 수행하여 수소를 생성하는 하이브리드촉매반응부; 및 반응하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급받아 전기장을 생성하여 하이브리드촉매반응부에 와전류가 생성되도록 하는 인덕션코일;를 포함한다.

Description

금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기 및 이를 이용한 수소 생성 방법 {A HYDROGEN GENERATOR OF A HYBRID TYPE CATALYSTS AND CERAMIC PELLET CATALYSTS AND METHOD FOR GENERATING HYDROGEN}
본 발명은 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기 및 이를 이용한 수소 생성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수증기 개질 반응을 위한 정상상태 온도까지 올리는 시간을 단축시키고, 각각의 촉매에 대한 온도 분포가 균일하게 형성되도록 하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 탄화수소계 연료를 이용한 수소 제조 기술로는 수상 개질(Aqueous phase Reforming) 반응, 수증기 개질(Steam Reforming) 반응 또는 수성 가스 전환(Water Gas Shift) 반응 등이 있다. 이 중, 수증기 개질 반응은, 촉매의 존재 하에서 탄화수소계 연료와 수증기를 고온에서 반응시켜 수소 또는 메탄 등을 합성하는 기술이다.
DME(Dimetyl ether) SR(steam reforming) 수증기 개질 반응에 의한 수소를 발생시키는 종래의 촉매 연소 방식에서는, 정상상태 온도(약 300-500℃)까지 올리는데 약 30여분의 시간이 걸리며, 촉매층 간의 불균일한 온도가 문제가 되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-2023023호(발명의 명칭: 원료 예열부 일체형 수증기 개질기)에서는, 대류 열 교환 효율을 높임으로써 개질기 내부에 위치한 반응 튜브에 대한 균일한 반응열을 제공할 수 있어 개질 전환 성능을 향상시킬 수 있으며, 장치 컴팩트화 효율이 증대되는 수증기 개질 반응기가 개시되어 있다.
대한민국 등록특허 제10-2023023호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 수증기 개질 반응에 의한 수소를 발생시키는 장치에 있어서, 수증기 개질 반응을 위한 정상상태 온도까지 올리는 시간을 단축시키고, 각각의 촉매에 대한 온도 분포가 균일하게 형성되도록 하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 각각 내부 공간을 구비하며 서로 결합된 반응하우징과 공급하우징을 구비하는 하우징부; 상기 공급하우징으로 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 공급하우징으로 수증기를 공급하는 수증기공급부; 상기 반응하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망과 상기 금속촉매망의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매를 포함하며, 상기 공급하우징으로부터 상기 반응하우징으로 유동한 연료와 수증기의 수증기 개질 반응을 수행하여 수소를 생성하는 하이브리드촉매반응부; 및 상기 반응하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급받아 전기장을 생성하여 상기 하이브리드촉매반응부에 와전류가 생성되도록 하는 인덕션코일;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 하이브리드촉매반응부는, 상기 금속촉매망의 내부 공간에 관의 형상으로 형성되고, 복수 개의 홀을 구비하며, 강자성체 소재로 형성되는 강자성체관, 연료와 수증기가 유입되는 상기 금속촉매망의 유입구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 유입구캡, 및 수소가 배출되는 상기 금속촉매망의 배출구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 배출구캡,을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 하이브리드촉매반응부는, 상기 강자성체관의 둘레 방향을 따라 형성되어 상기 금속촉매망의 내부 공간을 분리시키고, 복수 개의 홀을 구비하는 각막체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 펠렛형촉매는, 상기 금속촉매망의 내부 공간에서 상기 강자성체관의 내부와 외부에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속촉매망은, 강자성체 소재로 형성되고 원통형의 메쉬 형상인 금속망, 및 상기 금속촉매가 상기 금속망에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 펠렛형촉매는, 세라믹 소재로 펠렛의 형상으로 형성되는 펠렛체, 및 촉매 기능을 수행하는 금속이 상기 펠렛체에 코팅되어 형성되는 펠렛코팅층,을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수증기공급부는, 물을 공급하는 물공급기, 상기 물공급기와 결합하고 물에 유로를 제공하며 상기 반응하우징의 내부 공간에 형성되고 상기 하이브리드촉매반응부에서 배출된 가스와 접촉하여 열교환을 통해 물을 가열시키는 열교환기, 및 상기 열교환기와 결합하고 상기 공급하우징으로 유동하는 수증기에 유로를 제공하는 수증기공급관,을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 공급하우징의 내부 공간에 형성되고, 상기 공급하우징으로 유입된 연료와 수증기를 혼합시키는 혼합부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 인덕션코일로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 하이브리드촉매반응부의 온도를 측정하고, 측정된 정보를 상기 전원제어부로 전달하는 온도측정기를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 연료공급부로부터 상기 공급하우징으로 연료가 공급되고, 상기 수증기공급부로부터 상기 공급하우징으로 수증기가 공급되는 제1단계; 전원제어부로부터 상기 인덕션코일로 전기가 인가되고, 상기 하이브리드촉매반응부가 가열되는 제2단계; 상기 공급하우징으로부터 상기 반응하우징으로 연료와 수증기의 혼합물이 유동하는 제3단계; 및 연료와 수증기의 혼합물이 가열된 하이브리드촉매반응부를 통과하면서 금속촉매망 및 펠렛형촉매와 접촉함으로써, 수증기 개질 반응을 수행하여 수소가 생성되는 제4단계;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 제2단계에서, 온도측정기로 상기 하이브리드촉매반응부의 온도를 측정하고, 상기 전원제어부가 상기 하이브리드촉매반응부의 온도 정보를 이용하여 상기 인덕션코일에 공급되는 전기를 제어할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망; 상기 금속촉매망의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매; 상기 금속촉매망의 내부 공간에 관의 형상으로 형성되고, 복수 개의 홀을 구비하며, 강자성체 소재로 형성되는 강자성체관; 상기 금속촉매망의 유입구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 유입구캡; 및 상기 금속촉매망의 배출구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 배출구캡,을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 강자성체관의 둘레 방향을 따라 형성되어 상기 금속촉매망의 내부 공간을 분리시키고, 복수 개의 홀을 구비하는 각막체를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 펠렛형촉매는, 상기 금속촉매망의 내부 공간에서 상기 강자성체관의 내부와 외부에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 금속촉매망은, 강자성체 소재로 형성되고 원통형의 메쉬 형상인 금속망, 및 상기 금속촉매가 상기 금속망에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 펠렛형촉매는, 세라믹 소재로 펠렛의 형상으로 형성되는 펠렛체, 및 촉매 기능을 수행하는 금속이 상기 펠렛체에 코팅되어 형성되는 펠렛코팅층,을 구비할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 금속촉매망 뿐만 아니라 금속촉매망 내부의 강자성체관에도 와전류가 생성되어, 금속촉매망과 금속촉매망 내부의 펠릿형촉매의 발열 효율이 극대화되고, 금속촉매망과 펠렛형촉매 각각에 대한 온도 분포가 균일하게 형성되므로, 수소 생성 효율이 극대화될 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 생성기의 구조에 대한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드촉매반응부에 대한 모식도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 생성기의 구조에 대한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드촉매반응부(200)에 대한 모식도이다.
도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 수소 생성기는, 각각 내부 공간을 구비하며 서로 결합된 반응하우징(510)과 공급하우징(520)을 구비하는 하우징부; 공급하우징(520)으로 연료를 공급하는 연료공급부(300); 공급하우징(520)으로 수증기를 공급하는 수증기공급부; 반응하우징(510)의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망(210)과 금속촉매망(210)의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매(220)를 포함하며, 공급하우징(520)으로부터 반응하우징(510)으로 유동한 연료와 수증기의 수증기 개질 반응을 수행하여 수소를 생성하는 하이브리드촉매반응부(200); 및 반응하우징(510)의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급받아 전기장을 생성하여 하이브리드촉매반응부(200)에 와전류가 생성되도록 하는 인덕션코일(110);를 포함한다. 그리고, 본 발명의 수소 생성기는, 공급하우징(520)의 내부 공간에 형성되고, 공급하우징(520)으로 유입된 연료와 수증기를 혼합시키는 혼합부(521)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 연료는, 함산소연료 또는 DME(Dimetyl ether)와 같은 탄화수소계 연료일 수 있다. 반응하우징(510)과 공급하우징(520)은 원통 형상으로 형성될 수 있다.
반응하우징(510)과 공급하우징(520)은 서로 내부 공간이 연결되도록 결합하고, 공급하우징(520)의 내부 공간을 유동하는 연료와 수증기의 혼합물이 반응하우징(510)으로 유입될 수 있다. 혼합부(521)는 복수 개의 베인(vane)을 구비하는 선회기(swirler)일 수 있다. 이에 따라, 공급하우징(520)으로 공급된 연료와 수증기가 혼합부(521)를 통과하면서 혼합됨과 동시에 선회력을 제공 받아, 연료와 수증기의 혼합물이 용이하게 반응하우징(510)으로 유입된 후 하이브리드촉매반응부(200)로 유동할 수 있다. 그리고, 이와 같은 연료와 수증기의 유동 및 혼합을 위해, 공급되는 연료 또는 수증기의 압력을 증대시키거나, 공급하우징(520)의 내부 공간 압력을 증대시킬 수 있다.
반응하우징(510)의 외측면에는 절연 물질이 코팅되어 절연층(530)이 형성될 수 있으며, 이에 따라, 하이브리드촉매반응부(200)에 생성된 와전류가 외부로 전달되는 현상 또는 하이브리드촉매반응부(200)에 생성된 와전류에 의해 생성된 전기장에 의해 인덕션코일(110)의 전기장이 영향을 받게 되는 현상을 방지할 수 있다.
수증기공급부는, 물을 공급하는 물공급기(410), 물공급기(410)와 결합하고 물에 유로를 제공하며 반응하우징(510)의 내부 공간에 형성되고 하이브리드촉매반응부(200)에서 배출된 가스와 접촉하여 열교환을 통해 물을 가열시키는 열교환기(421), 및 열교환기(421)와 결합하고 공급하우징(520)으로 유동하는 수증기에 유로를 제공하는 수증기공급관(422),을 구비할 수 있다. 물공급기(410)는 열교환기(421)와 연결되어 열교환기(421)로 소정의 압력의 물을 공급할 수 있다. 하이브리드촉매반응부(200)의 금속촉매망(210)으로 유입된 연료와 수증기가 수증기 개질 반응을 수행하고, 반응 결과물로써 수소와 수소 외 다른 기체 (이산화탄소(CO2) 등)를 포함한 가스가 생성되어 하이브리드촉매반응부(200)로부터 배출될 수 있다.
그리고, 도 1에서 보는 바와 같이, 금속촉매망(210)의 배출구에 인접하게 열교환기(421)가 형성되며, 상대적으로 고온의 가스가 열교환기(421)와 접촉하게 되어, 가스의 폐열을 이용하여 열교환기(421)를 통과하는 물이 가열될 수 있다. 이와 같이 가열된 물은 수증기가 되어 수증기공급관(422)을 따라 유동한 후 공급하우징(520)으로 공급될 수 있다. 수증기공급관(422)의 일 부위는 금속촉매망(210)의 외측면에 인접하게 위치할 수 있고, 이에 따라 수증기공급관(422)의 금속촉매망(210)으로부터 열을 전달 받아, 수증기공급관(422)을 따라 유동하는 수증기의 상태 변화(기체에서 액체로)가 방지되어 수증기가 상태를 유지하면서 수증기공급관(422)을 따라 유동될 수 있다.
열교환기(421)는 지그재그 형상으로 복수 회 구부려진 관의 형상일 수 있으며, 이와 같은 형상으로 형성되어 하이브리드촉매반응부(200)로부터 배출된 가스와의 접촉 면적을 증대시킬 수 있다. 또한, 열교환기(421)의 표면에는 복수 개의 핀(fin)이 형성되어 열전달 효율을 향상시킬 수도 있다. 본 발명에서는 열교환기(421)의 형상이 상기와 같다고 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 열교환 효율이 증대되는 다른 형상으로 열교환기(421)가 형성될 수도 있다.
본 발명의 수소 생성기에서, 초기 작동 시에는 열교환에 의한 가열로 수증기의 생성이 용이하지 않을 수 있으므로, 물공급기(410)에서 물을 가열하여 열교환기(421)로 수증기를 공급할 수 있다.
본 발명의 수소 생성기는, 인덕션코일(110)로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부(130)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명의 수소 생성기는, 하이브리드촉매반응부(200)의 온도를 측정하고, 측정된 정보를 전원제어부(130)로 전달하는 온도측정기(120)를 더 포함할 수 있다. 금속촉매층과 펠렛코팅층의 촉매 기능에 의한 최적 반응 온도 범위는 300 내지 500도(℃)이므로, 전원제어부(130)는 온도측정기(120)로부터 하이브리드촉매반응부(200)의 온도 정보를 전달 받고, 하이브리드촉매반응부(200)의 온도가 최적 반응 온도 범위 내에 형성되는지 여부를 판단할 수 있다. 그리고, 하이브리드촉매반응부(200)의 온도 정보에 따라, 인덕션코일(110)로 공급되는 전기를 제어할 수 있다. 구체적으로, 하이브리드촉매반응부(200)의 온도 정보를 전달 받은 전원제어부(130)에서 하이브리드촉매반응부(200)의 온도가 300도(℃) 미만으로 판단되는 경우, 전원제어부(130)는 인덕션코일(110)로 공급되는 전류의 세기 또는 주파수를 증가시킬 수 있다. 반면에, 하이브리드촉매반응부(200)의 온도 정보를 전달 받은 전원제어부(130)에서 하이브리드촉매반응부(200)의 온도가 500도(℃) 초과로 판단되는 경우, 전원제어부(130)는 인덕션코일(110)로 공급되는 전류의 세기 또는 주파수를 감소시킬 수 있다.
금속촉매망(210)은, 강자성체 소재로 형성되고 원통형의 메쉬 형상인 금속망, 및 금속촉매가 금속망에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비할 수 있다. 여기서, 금속망은 FeCrAl합금으로 형성될 수 있다. 그리고, 금속촉매로는, 구리(Cu), 세륨(Ce), 란타넘(La), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질일 수 있다. 금속망에 금속촉매층이 형성되는 사항은 하기에 상세히 설명하기로 한다. 금속망은 메쉬(mesh)로 형성되어 복수 개의 홀을 구비할 수 있으며, 원통 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 금속촉매망(210)은 반응하우징(510)의 내측면과 소정의 거리만큼 이격되어 형성될 수 있고, 이와 같은 사이 공간으로 연료와 수증기의 혼합물이 통과하면서 금속촉매망(210)에 의해 수증기 개질 반응이 수행될 수 있다. 인덕션코일(110)에 의한 전기장에 의해 금속촉매망(210)에 와전류가 생성됨으로써 금속촉매망(210)이 가열될 수 있다.
하이브리드촉매반응부(200)는, 금속촉매망(210)의 내부 공간에 관의 형상으로 형성되고, 복수 개의 홀을 구비하며, 강자성체 소재로 형성되는 강자성체관(230), 연료와 수증기가 유입되는 금속촉매망(210)의 유입구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 유입구캡(251), 및 수소가 배출되는 금속촉매망(210)의 배출구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 배출구캡(252),을 더 포함할 수 있다. 그리고, 하이브리드촉매반응부(200)는, 강자성체관(230)의 둘레 방향을 따라 형성되어 금속촉매망(210)의 내부 공간을 분리시키고, 복수 개의 홀을 구비하는 각막체(240)를 더 포함할 수 있다. 인덕션코일(110)에 의한 전기장에 의해 금속촉매망(210)에 와전류가 생성됨으로써 강자성체관(230)이 가열될 수 있다.
강자성체관(230)은 철(Fe)에 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 니켈(Ni) 등의 다른 금속이 추가된 합금일 수 있다. 구체적으로, 강자성체관(230)은 SUS 등으로 형성될 수 있다. 즉, 강자성체관(230)은, 인덕션코일(110)에 의한 전자기유도에 의해 가열되며 물 등에 의해 부식되지 않은 내부식성 스테인리스 금속 등의 도체 금속들 중에서 선택되어 구성될 수 있다.
유입구캡(251)과 배출구캡(252)은 각각 원형판의 형상으로 형성될 수 있으며 복수 개의 홀을 구비할 수 있다. 유입구캡(251)에 형성된 복수 개의 홀을 통하여 연료와 수증기의 혼합물이 금속촉매망(210)의 내부 공간으로 유입될 수 있고, 배출구캡(252)에 형성된 복수 개의 홀을 통하여 금속촉매망(210) 내부에서 수증기 개질 반응으로 생성된 수소 등이 금속촉매망(210)으로부터 배출될 수 있다. 유입구캡(251)과 배출구캡(252) 각각은 용접에 의해 금속촉매망(210)에 결합될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
펠렛형촉매(220)는, 세라믹 소재로 펠렛의 형상으로 형성되는 펠렛체, 및 촉매 기능을 수행하는 금속이 펠렛체에 코팅되어 형성되는 펠렛코팅층,을 구비할 수 있다. 펠렛체는 γ-Al2O3(감마알루미나)로 형성될 수 있으며, 이와 같은 펠렛체에 금속의 촉매(Cu, Ce, La, Co, Ni 등)를 코팅시켜 펠렛코팅층을 펠렛체의 표면에 형성시킬 수 있다. 여기서, 펠렛코팅층의 형성을 위한 코팅은 종래기술로써 상세한 설명은 생략하기로 한다. 그리고, 펠렛코팅층이 형성된 펠렛체를 압축용 다이(die)에 투입시켜 150bar 이상의 압력으로 압착함으로써 펠렛형촉매(220)가 형성될 수 있다. 여기서, 펠렛형촉매(220)의 직경은 1 내지 10 밀리미터(mm)이고, 길이는 1 내지 10 밀리미터(mm)일 수 있다.
펠렛형촉매(220)는, 금속촉매망(210)의 내부 공간에서 강자성체관(230)의 내부와 외부에 형성될 수 있다. 즉, 펠렛형촉매(220)는 강자성체관(230)의 내부 공간에 복수 개 형성될 수 있고, 금속촉매망(210)의 내측면과 강자성체관(230)의 외측면 사이의 공간에도 복수 개 형성될 수 있다. 그리고, 강자성체관(230)에 형성된 복수 개의 홀을 통해 연료와 수증기의 혼합물이 강자성체관(230)의 내부로 유입되어 펠렛형촉매(220)에 의한 반응이 수행될 수 있다. 이에 따라, 반응의 범위가 증대되어 수증기 개질 반응의 효율이 증대될 수 있다. 여기서, 강자성체관(230)의 홀을 펠렛형촉매(220)가 통과 불가능하도록 강자성체관(230)의 홀 면적이 형성될 수 있다. 여기서, 강자성체관(230)의 홀은 원형, 타원형 또는 다각형 등 다양한 형상일 수 있다.
각막체(240)는 강자성체관(230)의 둘레 방향을 따라 원판의 형상으로 형성될 수 있으며, 강자성체관(230)의 중심축 방향과 각막체(240)의 지름 방향은 서로 수직으로 형성될 수 있다. 그리고, 각막체(240)의 홀을 펠렛형촉매(220)가 통과 가능하도록 각막체(240)의 홀 면적이 형성될 수 있다. 여기서, 각막체(240)의 홀은 원형, 타원형 또는 다각형 등 다양한 형상일 수 있다.
인덕션코일(110)에 의한 전기장에 의한 전기력선이 와전류 생성 대상의 표면을 수직으로 통과하는 경우에 와전류 생성 효율이 극대화되므로, 인덕션코일(110)에 의한 전기장이 각막체(240)를 통과함으로써 와전류 생성 효율이 증대되어 와전류 생성에 의한 가열 효율이 증대될 수 있다. 또한, 각막체(240)는 금속촉매망(210)의 내부 공간에서 펠렛형촉매(220)의 위치를 고정시키는 기능도 수행함으로써, 펠렛형촉매(220)에 의한 반응이 안정되도록 하여 수증기 개질 반응의 효율을 증대시킬 수 있다.
인덕션코일(110)에 의한 가열 범위, 즉, 인덕션코일(110)에 의한 와전류 발생 범위는, 인덕션코일(110)의 권선수, 인덕션코일(110)과 피가열물체(금속촉매망(210) 또는 강자성체관(230)) 간 거리, 인덕션코일(110)에 인가하는 전류의 세기와 주파수에 따라 결정되는데, 상기와 같이 강자성체인 금속망에 와전류(맴돌이 전류)를 생성함과 동시에 금속촉매망(210) 내부에 형성된 강자성체관(230)에도 와전류가 생성됨으로써, 금속촉매망(210) 자체 뿐만 아니라, 금속촉매망(210)의 내부에서도 강자성체관(230)에 의한 가열이 수행되어, 인덕션코일(110)에 의한 가열 범위를 증대시킴으로써, 인덕션코일(110)에 의한 금속촉매층의 발열 효율을 극대화시키고, 금속촉매층의 온도 분포를 균일하게 형성할 수 있다. 그리고, 펠렛형촉매(220)에 있어서도, 펠렛형촉매(220)가 강자성체관(230)의 내외부에 형성되고 각막체(240)에 의해 안정적으로 위치되며, 금속촉매망(210)과 강자성체관(230)에 의한 가열이 수행되어, 펠렛형촉매(220)의 발열 효율이 극대화되고, 펠렛형촉매(220)의 온도 분포를 균일하게 형성할 수 있다.
상기와 같이, 금속촉매망(210)과 펠렛형촉매(220)에 대한 발열 효율이 증대되어 하이브리드촉매반응부(200)의 온도가 최적 반응 온도 범위 내 형성되는 시간이 단축되고, 금속촉매망(210)과 펠렛형촉매(220) 각각의 온도 분포도 균일하게 형성되어, 본 발명의 수소 생성기를 이용하는 경우 수소 생성 효율이 극대화될 수 있다.
그리고, 추가적으로, 금속촉매망(210)의 금속촉매층을 형성하는 금속촉매와 펠렛형촉매(220)의 펠렛코팅층을 형성하는 물질을 변경하여, 본 발명의 수소 생성기를 연소기용 후처리 장치 또는 화학반응 장치로 이용할 수 있다. 구체적으로, 금속촉매층을 형성하는 금속촉매와 펠렛코팅층을 형성하는 물질을 질소산화물 등과 반응하는 물질로 변경하는 경우 연소기용 후처리 장치로 이용 가능하고, 금속촉매층을 형성하는 금속촉매와 펠렛코팅층을 형성하는 물질을 특정의 다른 물질과 반응하는 물질로 변경하는 경우 화학반응 장치로도 이용 가능할 수 있다.
이하, 금속망에 금속촉매층을 코팅시키는 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 제1단계에서, FeCrAl합금으로 형성된 금속망을 마련하고, 금속망에 대한 열처리를 수행할 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 금속망의 표면에 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 증류수에 혼합시킨 용액을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~ 600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 조촉매 물질층을 형성할 수 있다. 다음으로, 제3단계에서, 조촉매 물질층 상에 γ-Al2O3 및 금속촉매 물질을 포함하는 졸(sol)을 코팅하고 110 ~ 130 ℃의 온도에서 3 ~ 5 시간 동안 건조시킨 후, 400 ~600 ℃의 온도에서 1 ~ 5 시간 동안 열처리하여 금속망의 표면에 금속촉매층을 형성할 수 있다. 여기서, 조촉매 물질층이 금속망의 표면과 금속촉매층을 접착시킬 수 있다.
상기의 제1단계에서, 열처리는 950 ~ 1050 ℃의 온도에서 10~17 시간 동안 수행될 수 있다. 이러한 열처리에 의해 금속망의 표면에 다수의 돌기가 형성되고, 돌기는 γ-Al2O3를 포함할 수 있다. 또한, 제2단계에서, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있으며, 제2단계 자체가 2회 이상 반복 수행될 수 있다. 그리고, 제3단계에서, 졸은 Ce(NO3)3·6H2O, Cu(NO3)2·3H2O, La(NO3)3·6H2O, NiCl2·6H2O, 또는 NiSO4·6H2O 중 하나 이상의 물질을 더 포함할 수 있다. 제3단계에서는, 열처리 이전에, 코팅 및 건조 공정이 2회 이상 반복 수행될 수 있으며, 제3단계 자체가 2회 이상 반복 수행될 수 있다.
이하, 본 발명의 수소 생성기를 이용한 수소 생성 방법에 대해 설명하기로 한다. 먼저, 제1단계에서, 연료공급부(300)로부터 공급하우징(520)으로 연료가 공급되고, 수증기공급부로부터 공급하우징(520)으로 수증기가 공급될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 전원제어부(130)로부터 인덕션코일(110)로 전기가 인가되고, 하이브리드촉매반응부(200)가 가열될 수 있다. 여기서, 온도측정기(120)로 하이브리드촉매반응부(200)의 온도를 측정하고, 전원제어부(130)가 하이브리드촉매반응부(200)의 온도 정보를 이용하여 인덕션코일(110)에 공급되는 전기를 제어할 수 있다.
다음으로, 제3단계에서, 공급하우징(520)으로부터 반응하우징(510)으로 연료와 수증기의 혼합물이 유동할 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 연료와 수증기의 혼합물이 가열된 하이브리드촉매반응부(200)를 통과하면서 금속촉매망(210) 및 펠렛형촉매(220)와 접촉함으로써, 수증기 개질 반응을 수행하여 수소가 생성될 수 있다. 상기와 같은 본 발명의 수소 생성 방법에 대한 나머지 상세한 사항은, 상기된 본 발명의 수소 생성기에 대한 사항과 동일할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 인덕션코일 120 : 온도측정기
130 : 전원제어부 200 : 하이브리드촉매반응부
210 : 금속촉매망 220 : 펠렛형촉매
230 : 강자성체관 240 : 각막체
251 : 유입구캡 252 : 배출구캡
300 : 연료공급부 410 : 물공급기
421 : 열교환기 422 : 수증기공급관
510 : 반응하우징 520 : 공급하우징
521 : 혼합부 530 : 절연층

Claims (17)

  1. 각각 내부 공간을 구비하며 서로 결합된 반응하우징과 공급하우징을 구비하는 하우징부;
    상기 공급하우징으로 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 공급하우징으로 수증기를 공급하는 수증기공급부;
    상기 반응하우징의 내부 공간에 형성되고, 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망과, 상기 금속촉매망의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매,를 포함하며, 상기 공급하우징으로부터 상기 반응하우징으로 유동한 연료와 수증기의 수증기 개질 반응을 수행하여 수소를 생성하는 하이브리드촉매반응부; 및
    상기 반응하우징의 외부에 코일 형상으로 형성되고, 전기를 공급받아 전기장을 생성하여 상기 하이브리드촉매반응부에 와전류가 생성되도록 하는 인덕션코일;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드촉매반응부는,
    상기 금속촉매망의 내부 공간에 관의 형상으로 형성되고, 복수 개의 홀을 구비하며, 강자성체 소재로 형성되는 강자성체관,
    연료와 수증기가 유입되는 상기 금속촉매망의 유입구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 유입구캡, 및
    수소가 배출되는 상기 금속촉매망의 배출구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 배출구캡,을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 하이브리드촉매반응부는, 상기 강자성체관의 둘레 방향을 따라 형성되어 상기 금속촉매망의 내부 공간을 분리시키고, 복수 개의 홀을 구비하는 각막체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 펠렛형촉매는, 상기 금속촉매망의 내부 공간에서 상기 강자성체관의 내부와 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속촉매망은,
    강자성체 소재로 형성되고 원통형의 메쉬 형상인 금속망, 및
    상기 금속촉매가 상기 금속망에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 펠렛형촉매는,
    세라믹 소재로 펠렛의 형상으로 형성되는 펠렛체, 및
    촉매 기능을 수행하는 금속이 상기 펠렛체에 코팅되어 형성되는 펠렛코팅층,을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 수증기공급부는,
    물을 공급하는 물공급기,
    상기 물공급기와 결합하고 물에 유로를 제공하며 상기 반응하우징의 내부 공간에 형성되고 상기 하이브리드촉매반응부에서 배출된 가스와 접촉하여 열교환을 통해 물을 가열시키는 열교환기, 및
    상기 열교환기와 결합하고 상기 공급하우징으로 유동하는 수증기에 유로를 제공하는 수증기공급관,을 구비하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 공급하우징의 내부 공간에 형성되고, 상기 공급하우징으로 유입된 연료와 수증기를 혼합시키는 혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인덕션코일로 전기를 공급하고, 공급되는 전기를 제어하는 전원제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하이브리드촉매반응부의 온도를 측정하고, 측정된 정보를 상기 전원제어부로 전달하는 온도측정기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기.
  11. 청구항 1의 금속촉매와 세라믹 펠렛촉매의 하이브리드식 수소 생성기를 이용한 수소 생성 방법에 있어서,
    상기 연료공급부로부터 상기 공급하우징으로 연료가 공급되고, 상기 수증기공급부로부터 상기 공급하우징으로 수증기가 공급되는 제1단계;
    전원제어부로부터 상기 인덕션코일로 전기가 인가되고, 상기 하이브리드촉매반응부가 가열되는 제2단계;
    상기 공급하우징으로부터 상기 반응하우징으로 연료와 수증기의 혼합물이 유동하는 제3단계; 및
    연료와 수증기의 혼합물이 가열된 하이브리드촉매반응부를 통과하면서 금속촉매망 및 펠렛형촉매와 접촉함으로써, 수증기 개질 반응을 수행하여 수소가 생성되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2단계에서, 온도측정기로 상기 하이브리드촉매반응부의 온도를 측정하고, 상기 전원제어부가 상기 하이브리드촉매반응부의 온도 정보를 이용하여 상기 인덕션코일에 공급되는 전기를 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 생성 방법.
  13. 금속촉매를 구비하며 내부 공간을 구비하는 금속촉매망;
    상기 금속촉매망의 내부에 형성되고 펠렛 형상으로 형성된 촉매인 펠렛형촉매;
    상기 금속촉매망의 내부 공간에 관의 형상으로 형성되고, 복수 개의 홀을 구비하며, 강자성체 소재로 형성되는 강자성체관;
    상기 금속촉매망의 유입구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 유입구캡; 및
    상기 금속촉매망의 배출구와 결합하고, 복수 개의 홀을 구비하는 배출구캡,을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 촉매 반응기.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 강자성체관의 둘레 방향을 따라 형성되어 상기 금속촉매망의 내부 공간을 분리시키고, 복수 개의 홀을 구비하는 각막체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 촉매 반응기.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 펠렛형촉매는, 상기 금속촉매망의 내부 공간에서 상기 강자성체관의 내부와 외부에 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 촉매 반응기.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 금속촉매망은,
    강자성체 소재로 형성되고 원통형의 메쉬 형상인 금속망, 및
    상기 금속촉매가 상기 금속망에 코팅되어 형성되는 금속촉매층,을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 촉매 반응기.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 펠렛형촉매는,
    세라믹 소재로 펠렛의 형상으로 형성되는 펠렛체, 및
    촉매 기능을 수행하는 금속이 상기 펠렛체에 코팅되어 형성되는 펠렛코팅층,을 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 촉매 반응기.
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