KR102313127B1 - 외부 자기장에 의하여 파라 수소 변환을 촉진하기 위한 파라 수소 변환용 촉매 모듈 및 이를 이용한 파라 수소 변환용 촉매 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영구자석 또는 전자석이 수소 스트림의 중앙을 따라 배치되도록 하여 수소 스트림 및 촉매와의 거리가 최소화된 상태에서 외부 자기장이 인가되어 자성 물질의 촉매를 더욱 강한 자성으로 자화시킴으로 파라 수소 변환 효율을 높일 수 있는 파라 수소 변환용 촉매 모듈과, 이를 이용한 파라 수소 변환용 촉매 장치에 관한 것이다.

Description

외부 자기장에 의하여 파라 수소 변환을 촉진하기 위한 파라 수소 변환용 촉매 모듈 및 이를 이용한 파라 수소 변환용 촉매 장치{Catalytic Module For Ortho- to Para-Hydrogen conversion Using an Extrinsic Field And Catalytic Apparatus}
본 발명은 외부 자기장에 의하여 오르토(ortho) 수소의 파라(para) 수소로의 변환을 촉진시키는 파라 수소 변환용 촉매 모듈과, 이를 이용한 파라 수소 변환용 촉매 장치에 관한 것이다.
수소 액화 플랜트의 경우 대부분 클로드 사이클 또는 터보-브레이튼 사이클을 적용하여 경제적인 액화공정을 구현한다.
터보-브레이톤 액화공정이 촉매에 의한 오르토-파라 수소변환 공정이 포함되어 있어 다른 액화공정과 구별되며, 액화공정 사이클에서 액화를 위해 통과하는 열교환기 및 저장탱크에 오르토-파라 수소변환을 위한 촉매를 통과할 수 있는 촉매층을 설치하여 이 변환이 공정상에서 적절히 이루어질 수 있도록 하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
그러나 상기 터보-브레이튼 사이클에는 수소변환 촉매가 스트림 중에 7개나 장착되어 있어 액화공정의 각 단계별 수소변환 효율이 원활하지 않다는 것을 알 수 있다.
한편 종래 기술인 특허등록 제10-1458098호 "수소 액화 장치용 프리쿨러"(2014.10.29. 등록)에는, 챔버 내부에 복수의 판형 ortho-para 변환 촉매가 서로 이격되어 설치되도록 하고, 판형 ortho-para 변환 촉매는 다공성의 판상 구조물로 성형되거나 망상 구조의 프레임 내에 ortho-para 촉매가 과립 또는 덩어리 형태로 충진되어 형성할 수 있으며, ortho-para 변환 촉매로는 자철석(Fe2O3), 산화크롬 등이 공지되어 있다고 기재되어 있다.
이와 같은 종래의 기술은 파라 수소 변환 효율을 높이기 위하여 수소와 촉매의 접촉 면적을 늘리기 위하여 많은 수의 촉매판을 사용하나, 이는 전체적인 장치가 커지는 단점이 있다.
한편, 외부 자기장에 의한 파라-수소 변환율에 관한 보고서를 살펴보면, Extrinsic Field Acceleration of the Magnetic Parahydrogen Conversion. (Makoto Misono and P.W. Selwood - Published 27 September 1968) 에서는 도 1과 같은 테스트 결과를 발표하였다.
도 1의 도표에서 3 종류의 크로미아-알루미나 촉매(chromia-alumina catalyst) 샘플을 자기장 2,000 Oersted와 온도 -100℃(173K)의 환경에서 파라-수소 변환율을 나타낸 것으로 도표의 가운데 Cr2O3의 샘플에서 파라-수소 변환율이, 자기장이 없을 때와 비교해 74%의 증가율을 보이는 것을 알 수 있다.
또한, Introduction to a Theory of Ortho-Para H2 Conversion on Paramagnetic Catalysts: The Magnetic Field Effect. (E. Ilisca, Phys. Rev. Lett. 40, 1535 - Published 5 June 1978)에 의하면, 오르토-수소를 파라-수소로 변환하는 동안 외부 자기장을 적용하면 촉매의 상자성 불순물 파동 함수가 혼합되어 비대칭의 새로운 오르토-파라 전이가 열리고, 수소분자 회전 시스템에 의해 유도된 표면 전자 스핀 또는 수소분자 핵 스핀의 동적 분극화는 촉매 속도를 강하게 향상시킨다는 보고가 있다.
그러나 이와 같은 종래의 외부 자기장 인가 방식은 수소 스트림의 외부에서 외부 자기장을 인가하게 되어 수소 및 촉매에 강력하고 넓은 자기장을 인가할 수 없다는 문제가 있다.
특허등록 제10-1458098호 "수소 액화 장치용 프리쿨러"(2014.10.29. 등록) 특허등록 제10-1738949호 "오르쏘수소의 파라수소 변환용 개질 촉매 및 그 제조 방법" (2017. 5.17)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 영구자석 또는 전자석이 수소 스트림의 중앙을 따라 배치되도록 하여 수소 스트림 및 촉매와의 거리가 최소화된 상태에서 외부 자기장이 인가되어 오르토(ortho) 수소의 파라(para) 수소로의 변환을 촉진시키는 파라 수소 변환용 촉매 모듈과, 이를 이용한 파라 수소 변환용 촉매 장치를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 길이방향으로 연장되는 형태로서 내부에 자석이 내장되는 자석통 ; 중앙부에 상기 자석통의 길이방향 일단이 결합되는 원판 형태의 제1모듈 지지판 ; 실린더 벽체에 복수의 수소 유동용 구멍이 형성된 실린더 형태로서 내부 중앙을 따라 상기 자석통이 이격되어 배치되면서 길이방향 일단이 상기 제1모듈 지지판에 결합되는 다공형 실린더 ; 중앙부에 수소 유동용 통공이 형성되는 링형 원판 형태로서 상기 다공형 실린더의 길이방향 타단이 결합되는 제2모듈 지지판 ; 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더를 감싸는 형태로 마련되는 실린더 형태의 수소 변환용 촉매 구조체 ; 를 포함하여 이루어지는 파라 수소 변환용 촉매 모듈을 제공한다.
상기에 있어서, 상기 수소 변환용 촉매 구조체는, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더의 외주면의 외측에 마련되는 내측 그물망, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 내측 그물망의 외측에 마련되는 외측 그물망, 미세공이 형성된 과립(granule) 형태로서 상기 내측 그물망과 상기 외측 그물망 사이에 충전되어 촉매층을 형성하는 과립형 수소 변환용 촉매를 포함하여 이루어지는 것일 수 있다.
상기에 있어서, 상기 자석은 영구자석 또는 전자석일 수 있다.
본 발명의 다른 사상으로, 일측에 수소 스트림 출구가 형성되며 타측에 수소 스트림 입구가 형성되며 상기 수소 스트림 출구와 상기 수소 스트림 입구 사이에 촉매 모듈 장착부가 형성된 수소 유동용 케이싱 ; 길이방향으로 연장되는 형태로서 내부에 자석이 내장되는 자석통, 중앙부에 상기 자석통의 길이방향 일단이 결합되는 원판 형태의 제1모듈 지지판, 실린더 벽체에 복수의 수소 유동용 구멍이 형성된 실린더 형태로서 내부에 상기 자석통이 이격되어 배치되면서 길이방향 일단이 상기 제1모듈 지지판에 결합되는 다공형 실린더, 중앙부에 수소 유동용 통공이 형성되는 링형 원판으로서 상기 다공형 실린더의 길이방향 타단이 결합되는 제2모듈 지지판, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더를 감싸는 형태로 마련되는 실린더 형태의 수소 변환용 촉매 구조체를 포함하여 이루어지되, 상기 수소 유동용 케이싱의 촉매 모듈 장착부에 장착되는 파라 수소 변환용 촉매 모듈 ; 을 포함하여 이루어지며, 상시 수소 스트림 입구로 유입된 수소는, 상기 제2모듈 지지판의 수소 유동용 통공, 상기 다공형 실린더, 상기 수소 변환용 촉매 구조체를 거쳐 상기 수소 스트림 출구로 유동하도록 이루어지는 파라 수소 변환용 촉매 장치를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 수소 유동용 케이싱은, 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성되며 상기 촉매 모듈 장착부를 감싸는 형태로 형성되는 냉각매체 유동부를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 수소 유동용 케이싱은, 상기 촉매 모듈 장착부가 형성된 케이싱 본체와, 상기 케이싱 본체에 착탈 가능하게 결합되는 케이싱 덮개를 포함하여 이루어지며, 상기 케이싱 덮개와 상기 제1모듈 지지판 사이에 압축 스프링이 마련될 수 있다.
상기와 같이 본 발명은, 영구자석 또는 전자석이 수소 스트림의 중앙을 따라 배치되도록 하여 수소 스트림 및 촉매와의 거리가 최소화된 상태에서 외부 자기장이 인가되어 자성 물질의 촉매를 더욱 강한 자성으로 자화시킴으로 파라 수소 변환 효율을 높일 수 있고, 일부 오르토 수소가 저장 탱크에서 기화하는 것을 근본적으로 방지하므로 수소 액화공정 전체의 에너지 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 외부 자기장에 의한 파라-수소 변환율에 관한 보고서의 도표,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 파라 수소 변환용 촉매 장치의 개념 단면도,
도 3은 도 2의 파라 수소 변환용 촉매 장치에서 수소 및 냉각매체의 유동을 보이는 도면,
도 4는 도 2에서 파라 수소 변환용 촉매 모듈의 분리하여 나타낸 도면,
도 5는 도 1의 자석통 내부의 자석으로 인한 분균일 자기장의 형성을 보이는 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 파라 수소 변환용 촉매 장치의 개념 단면도이며, 도 3은 도 2의 파라 수소 변환용 촉매 장치에서 수소 및 냉각매체의 유동을 보이는 도면이며, 도 4는 도 2에서 파라 수소 변환용 촉매 모듈의 분리하여 나타낸 도면이며, 도 5는 도 1의 자석통 내부의 자석으로 인한 분균일 자기장의 형성을 보이는 도면이다.
< 용어 및 기본 개념의 정의 및 설명 >
- 오르토-파라 수소 변환(Ortho-Para Hydrogen Conversion);
수소에는 특이한 물리적 성질이 있으며, 보통 수소 분자를 구성하고 있는 두 원자의 회전 방향이 같은 오르토 수소와 두 원자의 회전 방향이 반대인 파라로 구별되고, 이들은 열 배향적 평형(온도 평행전이)을 이루고 있다.
이 두 종류의 분자형태의 물리적 특성은 다소 차이점이 있으나 화학적인 특성은 동등하다.
상온 대기압 하에서 수소는 75% 오르토와 25% 파라로 구성되어 있으며, 온도에 따라 그 비율이 천천히 바뀐다. 즉 77K 부근에서 오르토와 파라 비율은 50대 50으로 구성되어 있으며, 20K의 액체로 변환된 후에는 저장탱크에서 약 99.8% 파라로 서서히 변화한다.
한편 촉매를 사용하면 촉매에 반응하여 그 변환속도가 더 빨라지는 특성이 있다.
오르토에서 파라로의 변환은 발열을 동반하고, 파라에서 오르토의 변환은 흡열을 동반하는 특성을 가진다.
수소 액화는 다른 상용 초저온 액체인 액체 질소, 액체 산소, 액체 헬륨 등의 액화방법과 유사하지만 수소의 고유물성인 오르토-파라 수소 변환으로 인해서 액체수소의 증발잠열보다 큰 변환열이 발생한다.
이 변환열은 이미 액화된 수소를 저장탱크 내에서 서서히 증발시키므로 액화과정에서 반드시 촉매를 이용하여 오르토 수소를 파라 수소로 변환시켜 변환열을 회수해야 하므로, 다른 상용 초저온 액체인 액체 질소, 액체 산소, 액체 헬륨 등과는 상이한 추가적인 파라 수소 변환용 촉매 장치가 필요하다.
즉, 수소가스를 액체로 변환시키기 위해서는 오르토 수소를 파라 수소로 빠르게 변화시킬 필요가 있다.
파라 수소는 오르토 수소보다 더 안정하고 에너지 준위가 낮다.
본 명세서에서 오르토 수소를 파라 수소로 변환한다는 것은 오르토 수소의 두개의 같은 회전방향의 원자 중 한 개의 원자 회전방향을 바꾸어주는 것(spin flip)을 의미한다.
예컨대, 수소 분자 주변의 자기력 등의 변화에 의해 오르토 수소는 파라 수소로 변환될 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 명세서에서 자기장에 반응하는 스핀 양자수란, 물리학에서는 전자가 아니라 양성자와 중성자에 의한 스핀 양자수가 결정되는데 이는 양성자와 중성자의 수에 의한 홀수 또는 짝수 그리고 오비탈 껍질에 의해 결정된다. 모든 원소들이 자기장에 반응을 하는 것은 아니다. 핵자의 스핀 양자수(J；스핀 각운동량)는 1/2일때 구별 가능한 두가지 상태의 스핀을 가질 수 있다.
수소 원자(1H)는 양성자 한 개로 이루어진 핵이 있으므로 수소분자(H2)는 두개의 양성자가 있으며, 이들 양성자의 핵 스핀 방향이 같은 것은 자기 모멘트(I)가 1인 오르토이고, 상자성 성질을 가지고 있다. 양성자의 핵 스핀 방향이 서로 반대인 것은 자기 모멘트(I)가 0인 파라이고, 반자성 상태로 존재한다.
오르토, 파라 상태의 어느 한쪽에서 다른 쪽으로 변환하는 속도는 자연 환경에서는 매우 느리게 행동한다. 상온 또는 그 이상의 온도에서는 핵 스핀에 의한 상태의 통계적 온도에 비례하여 오르토와 파라의 비는 3:1이다. 이것을 표준 수소라고 한다.
변환 속도를 높이기 위해 자성체를 촉매로 쓰는 방법 등으로 오르토와 파라 사이의 변환을 촉진할 수 있는데, 초저온 상태에서 이들의 방법을 쓰면 거의 순수한 파라 수소를 얻을 수 있다. 이러한 일은 수소에 한정된 것은 아니고 핵스핀이 “0”이 아닌 동종 원자핵 두개 이상을 동등한 위치에 가진 분자에서는 항상 일어난다.
수소 저장 방법에 있어서 파라 형태로 저장하는 개념에 대한 관심은 파라 수소가 오르토 수소 보다 에너지 상태가 낮다는 사실에 기인한다. 그러므로 초저온 상태에서는 파라 수소 형태로 저장하는 것이 더 쉽다. 그러므로 수소를 오르토 형태에서 파라 형태로 전환시키는 효과적인 방법이 중요하다.
오르토-파라 전이를 유도하기 위한 2가지 주요 접근법은 다음과 같다.
첫째 수소의 이성질체 분자의 생성은 온도에 의해 지시되는 평형 에너지 분포에 의존한다. 즉, 상온에서는 오르토 수소의 비율이 75%로 높으나 온도가 내려가면 점점 파라 수소의 비율이 증가하고, 마침내 수소 액화 온도 20K에서는 약 99.8%로 낮은 에너지 상태의 파라 수소로 변환하는 것이다.
둘째 불균일 자기장은 수소 분자의 핵 자기장에 영향을 미치므로 적용된 외부 자기장은 오르토-파라 전이에 해당하는 스핀 반전을 촉발한다. 그러나 수소 분자가 자기장에 충분히 밀착되어야 자장이 수소분자에 영향을 미치게 된다.
또 다른 방법은 일부 촉매의 자성 물질에 의해 생성된 자기장 사이의 상호 작용으로 자기장은 핵 스핀의 회전축을 따라 적용되어, 스핀 이성체인 수소분자의 분포비율은 열역학적으로 존재하는 온도에 의해 정해진다. 즉, 오르토 수소에서 파라 수소로 변할 때는 열을 내놓고, 반대로 파라 수소에서 오르토 수소로 바뀔 때는 열을 흡수하여 주위의 온도를 낮추는 역할을 한다.
파라 수소 변환용 촉매 장치 :
본 명세서에서 파라 수소 변환용 촉매 장치란, 오르토 수소의 파라 수소 변환을 위한 수소 변환용 촉매를 포함하는 것으로, 오르토 수소를 파라 수소로 변환하기 위한 반응기 등의 각종 장치 또는 물품을 의미한다.
반자성 :
본 명세서에서 반자성(diamagnetism)이란 전자의 궤도 운동과 스핀 운동에 의한 자기 모멘트가 정확히 상쇄되어, 원자가 평균적으로 자기 모멘트를 띠지 않는 물질이며, 반자성 요소는 자기장에 의해 약하게 반발될 수 있어 자기장과 반대 방향으로 자화되고 자기장이 제거되면 자석의 성질을 잃는다. 반자성체에는 물, 수은, 에탄올, 비스무트, 구리, 금, 은 등이 있다.
상자성 :
본 명세서에서 상자성(Paramagnetism)이란 전자의 궤도 운동과 스핀에 의한 자기 모멘트가 정확히 상쇄되지 않아, 원자가 어느 한 방향으로 자기 모멘트를 띠는 물질이며, 상자성 요소는 약하게 끌어당겨 자화될 수 있다. 이러한 이유는 외부 궤도 쉘에 하나 이상의 짝을 이루지 않은 전자가 존재하기 때문이다. 상자성체는 자기장 안에 있으면 약하게 자화되고 자기장이 제거되면 자석의 성질을 잃는다. 상자성 원자 목록은 다음과 같다.
Americium(A), Aluminum(Al), Barium(Ba), Calcium(Ca), Cerium(Ce), Cesium(Cs), Dysprosium(Dy), Erbium(Er) Europium(Eu), Hafnium(Hf), Holmium(Ho), Iridium(Ir), Potassium(K), Lithium(Li), Lanthanum(La), Lutetium(Lu), Magnesium(Mg), Manganese(Mn), Molybdenum(Mb), Sodium(Na), Neodymium(Nd), Niobium(Nb), Osmium(Os), Oxygen(O), Palladium(Pd), Platinum(Pt), Praseodymium(Pr), Plutonium(Pu), Protactinium(Pa), Rhenium(Re), Ruthenium(Ru) Rhodium(Rh), Rubidium(Rb), Samarium(Sm), Scandium(Sc), Strontium(Sr), Tantalum(Ta), Technetium(Tc), Terbium(Tb), Thorium(Th), Thulium(Tm), Titanium(Ti), Tungsten(W), Uranium(U), Vanadium(V), Ytterbium(Yb), Yttrium(Y), Zirconium(Zr)
준강자성 :
본 명세서에서 준강자성(Ferrimagnetism 페리자성)이란 마그네타이트(magnetite), 즉 자철석이라 불리는 철의 산화물에서 나타나는데, 화학식은 Fe3O4다. 자성이 나타나는 이유는 “자기 도메인” 혹은 “자기 모멘트”라 불리는 아주 작은 영역이 정렬된 결과이다. 페리자성의 경우 인접한 자기 모멘트가 반대 방향으로 배열된다. 보통 반대로 정렬되면 전반적인 자기장을 상쇄시키는데 그러나 페리자석에서는 인접한 도메인과의 작은 차이로 자기장이 나타나게 된다.
준강자성체 물질로는 Fe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, MnOFe2O3, Y3Fe5O12, FeO, Fe2O3, Fe3O4 등이 있다.
강자성 :
본 명세서에서 강자성(Ferromagnetism)이란 스핀 운동이 한쪽 방향으로 다 정렬되어, 원자가 강한 자기 모멘트를 띠는 물질이며, 강자성 재료는 또한 자화될 수 있지만, 상자성 요소와 달리 자화는 영구적이다. 강자성체는 자기장과 같은 방향으로 강하게 자화된 뒤에 자기장이 제거되어도 자석의 성질을 가진다. 자기 모멘트가 같은 방향으로 배열되어 서로 평행 상태가 되어 결과적으로 강한 영구 자석이 된다. 강자성을 띄는 물질로는 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd) 및 과학자들이 최근에 발견한 루테늄(Ru)이 포함된다. 이들 원소에서는 최근 네오디뮴(neodymium) 같은 희토류 원소가 강자성을 크게 강화시킬 수 있음이 발견되어 강력한 소형 영구자석을 만들 수 있게 되었다.
금속 활성 물질 :
본 명세서에서 금속 활성 물질이란 오르토 수소를 파라 수소로 변환이 가능한 상자성 내지 강자성의 금속 물질을 의미한다.
개질 촉매 :
본 명세서에서 개질 촉매란 촉매를 지지하는 지지체의 표면이 오르토 수소의 파라 수소 변환이 가능한 활성 물질로 코팅된 것을 의미한다.
본 명세서의 지지체의 표면은 지지체의 외측 표면뿐만 아니라 지지체 내측의 표면도 포함하는 것이다. 즉, 예컨대 다공성 지지체의 경우 지지체 내측에 있는 기공의 표면도 포함하는 의미이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 파라 수소 변환용 촉매 장치(300) 및 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)을 설명한다.
파라 수소 변환용 촉매 장치(300)는, 크게 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)과 수소 유동용 케이싱(200)으로 구분된다.
수소 유동용 케이싱(200)은, 일측에 수소 스트림 출구(201)가 형성되며 타측에 수소 스트림 입구(202)가 형성되며, 수소 스트림 출구(201)와 수소 스트림 입구(202) 사이에 촉매 모듈 장착부(210)가 형성된다.
촉매 모듈 장착부(210)는 후술하는 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)이 장착되는 공간이다.
수소 스트림은 수소 스트림 입구(202)로 유입되어 촉매 모듈 장착부(210)를 지나 수소 스트림 출구(201)로 유출된다.
수소 유동용 케이싱(200)은, 촉매 모듈 장착부(210)가 형성된 케이싱 본체(200A)와, 케이싱 본체(200A)에 착탈 가능하게 결합되는 케이싱 덮개(200B)를 포함하여 이루어진다.
케이싱 덮개(200B)는 케이싱 본체(200A)에 볼트 결합에 의하여 착탈 가능하게 결합된다.
또한 수소 유동용 케이싱(200)은, 냉각매체 유동부(220)가 더 형성된다.
냉각매체 유동부(220)는, 촉매 모듈 장착부(210)를 감싸는 형태로 형성되되, 냉각매체 유입구(221) 및 냉각매체 유출구(222)가 형성되어 있다.
냉각매체 유동부(220)는, 기체 수소 또는 액체 수소가 오르토 수소에서 파라 수소로 변환 중에 발생하는 발열을 제거하기 위한 것이다.
파라 수소로의 변환 중에 발생하는 발열을 방치하면 수소의 다운 스트림에서 수소 액화 공정에 영향을 미치게 되며, 액화 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다.
냉각매체로서는, 수소 액화 공정 중 본 파라 수소 변환용 촉매 장치가 배치되는 곳에 따라서 액체 질소 또는 기체 질소가 될 수 있다.
경우에 따라 냉각매체로서 기체 수소 내지 액체 수소가 될 수도 있다.
이와 같은 수소 유동용 케이싱(200)의 촉매 모듈 장착부(210)에 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)이 장착되며, 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)의 제1모듈 지지판(120)과 케이싱 덮개(200B) 사이에 압축 스프링(230)이 배치된다.
파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)의 제2모듈 지지판(120)은 패킹(240)을 사이에 두고 케이싱 본체(200A)에 밀착된다.
다음으로 수소 유동용 케이싱(200)의 촉매 모듈 장착부(210)에 장착되는 파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)을 설명한다.
파라 수소 변환용 촉매 모듈(100)은, 크게 제1모듈 지지판(110), 제2모듈 지지판(120), 자석(131)이 내장된 자석통(130), 다공형 실린더(140), 수소 변환용 촉매 구조체(150)을 포함하여 이루어진다.
길이방향으로 연장되는 형태의 자석(131)이 길이방향으로 연장되는 형태의 자석통(130)에 내장된다.
여기에서 자석(131)은 영구자석이거나 혹은 전자석일 수 있다.
자석통(130)은 내부에 밀폐된 공간인 실린더형 중공부가 형성되어 실린더형 중공부에 자석(131)을 수용할 수 있다.
자석통(130)의 재질은, 오르토 수소의 파라 수소로의 변환율에 영향을 미치는 강자성 물질인 니켈 도금된 철 파이프를 사용하는 것이 바람직하다.
자석(131)이 영구자석인 경우, 산화물 자성재료로는 Barium Ferrites, Barium Cobalt Ferrites, Barium Potassium Ferrites, Barium Zinc Ferrites, Barium Cobalt Zinc Ferrites, Barium Nicdel Ferrites, Barium Cobalt Zinc Ferrites, Cadmium Nickel Ferrites, Cobalt Ferrites, Cobalt Zinc Ferrites, Copper Zinc Ferrites, Copper Zinc Nickel Titanium Chromium Ferrites, Iron Cobalt Oxide, Lithium Ferrites, Lithium Cobalt Zine Ferrites, Lithium Magnesium Ferrites, Manganese Zinc Cadnium Ferrites, Manganese Zinc Calcium Ferrites, Manganese Zinc Chrominium Ferrites, Manganese Zinc Cobalt Ferrites, Manganese Zinc Molybdenium Ferrites, Nickel Ferrites, Nickel Cobalt Ferrites, Nickel Copper Ferrites, Nickel Copper Cobalt Ferrites, Nickel Magnesium Ferrites, Nickel Magnesise Ferrites, Nickel Manganese Oxides, Nickel Zinc Ferrites, Nickel Zinc Aluminium Ferrites, Nickel Zinc Barium Ferrites, Nickel Zinc Copper Ferrites, Nickel Zinc Copper Cobalt Ferrites, Nickel Zinc Manganese Ferrites, Nickel Zinc Titanium Ferritesz, Strontium Ferrites, Yttrium Iron Garnets, Zinc Ferrites, Yttrium Iron Garnets, Zinc Ferrites. Zinc Nickel Ferrites, Lithium Magnesium Molydbenum Ferrites, Lithium Magnesium Aluminium Ferrites, Lithium Magnesium Vanadium Ferrites, Lithium Nickel Ferrites, Lithium Titanium Ferrites, Magnesium Aluminium Magnanese Ferrites, Magnesium Copper Manganese Ferrites, Magnesium Manganese Ferrites, Magnesium Manganese Calcium Ferrites, Magnesium Manganese Zinc Ferrites, Magnesium Manganese Zinc Cadminium Ferrites, Magnesium Manganese Zinc Copper Ferrites, Magnesium Manganese Zinc Nickel Ferrites, Magnesium Nickel Cobalt Ferrites, Magnesium Nickel Titanium Ferrites, Magnesium Zinc Ferrties 등이 있으며, 이 중 하나 내지는 다수개가 합쳐서 자석을 이룰 수 있다.
금속 자성 재료로는 Aluminium Cobalt, Aluminium Nickel Cobalt, Aluminium Nickel Cobalt Copper, Aluminium Nickel Cobalt Copper Titanium Iron, Cobalt Alumium Phosphorus, Cobalt Iron Aluminium Bolon, Cobalt Iron Manganese, Cobalt Iron Phosphorus, Cobalt Nickel, Cobalt Phosphorus, Cobalt Platinum, Cobalt Yttrium, Copper Iron, Germmanium Manganese Aluminium, Germmanium Manganese Palladium Iron, Manganese Ferrites, Manganese Cadminium Ferrites, Manganese Chrominium Ferrites, Manganese Chrominium Nickel Ferritesz, Manganese Copper Ferrites, Manganese Magnesium Ferrites, Manganese Magnesium Zinc Ferrties, Manganese Nickel Ferrites, Manganese Zinc Ferrties, Manganese Zinc Aluminium Ferrites, Manganese Aluminium, Manganese Antimony Arsenic, Manganese Antimony Chromium Indium, Manganese Antimony Copper, Manganese Gallium Iron, Manganese Nickel Bolon, Molybdenum Iron, Molybdenum Nickel Iron, Molybdenum CObalt Chromium, Neodymium Iron, Nickel Iron, Nickel Iron Germanium, Silicon Chromium Iron, Silicon Iron, Silicon Molybdenum Aluminum Iron, Silicon Steel 등이 있으며, 이 중 하나 내지는 다수개가 합쳐져 자석을 이룰 수 있다. 이 중에서 상업화된 영구자석 중에서 가장 강한 자력을 가지고 있으면서도 쉽게 구입이 가능한 네오디뮴(Neodymium) 자석이 바람직하고, 일반적으로 자력의 세기는 2,500~6,000 Oe 정도이나, 5,000 Oe 정도가 바람직하다.
자석(131)이 전자석인 경우, 강한 자력의 전자석을 만들 수 있는 조건을 살펴보면, 에나멜선을 많이 감을수록, 에나멜선의 굵기가 굵을수록, 전류의 세기가 셀수록, 길이와 굵기가 큰 철심을 사용할수록 전자석의 세기가 세어진다.
일반적으로 전자석의 세기는 20,000 Oe 정도지만, 본 발명의 실시예에서는 10,000 Oe정도가 바람직 하다.
자석통(130)의 길이방향 일단이 제1모듈 지지판(110)에 결합된다.
제1모듈 지지판(110)은 원판 형태이다.
본 실시예에서 자석통(130)은 제1모듈 지지판(110)의 결합볼트(132)에 의하여 결합되지만, 그 결합 방식은 다양한 방식이 이용될 수 있으며, 본 명세서의 도면은 하나의 예시일 뿐이다.
제1모듈 지지판(110)에 다공형 실린더(140)의 길이방향 일단이 결합된다.
다공형 실린더(140)는 실린더 벽체에 복수의 수소 유동용 구멍(141)이 형성된 실린더 형태이다.
다공형 실린더(140)는 후술하는 수소 변환용 촉매 구조체(150)의 지지대 역할을 하면서도 수소 스트림이 과립형 수소 변환용 촉매(153)로 원활하게 유입될 수 있도록 복수의 수소 유동용 구멍(141)이 형성되어 있다.
수소 유동용 구멍(141)의 크기는 4.5~8Φ 원형 홀(hole)로 구성될 수 있으나 5Φ 정도가 바람직하고, 수소 유동용 구멍(141)의 개방율(open율)은 50% 이상인 것이 바람직하다.
다공형 실린더(140)의 재질은 오르토 수소의 파라 수소로의 변환율에 영향을 미치는 강자성 물질인 니켈 도금 다공판을 사용하는 것이 바람직하다.
다공형 실린더(140)의 내부 중앙을 따라 자석통(130)이 배치된다.
자석통(130)은 다공형 실린더(140)와 이격되어 배치된다.
다공형 실린더(140)의 길이방향 타단에 제2모듈 지지판(120)이 결합된다.
제2모듈 지지판(120)은 그 중앙부에 수소 유동용 통공(121)이 형성되는 링형 원판 형태이다.
수소 유동용 통공(121)으로 유입된 수소는 다공형 실린더(140)를 지날 수 있다.
제1모듈 지지판(110)과 제2모듈 지지판(120) 사이에 수소 변환용 촉매 구조체(150)가 마련된다.
수소 변환용 촉매 구조체(150)는, 다공형 실린더(140)를 감싸는 실린더 형태를 가진다.
본 실시예에서 수소 변환용 촉매 구조체(150)는, 내측 그물망(151), 외측 그물망(152), 과립형 수소 변환용 촉매(153)으로 이루어진다.
내측 그물망(151)은, 제1모듈 지지판(110)과 제2모듈 지지판(120) 사이에서 다공형 실린더(140)의 외주면의 외측에 마련된다.
외측 그물망(152)은, 제1모듈 지지판(110)과 제2모듈 지지판(120) 사이에서 내측 그물망(151)의 외측에 마련된다.
내측 그물망(151)과 외측 그물망(152)은, 과립형 수소 변환용 촉매(153)의 이탈을 방지하고, 수소 스트림 중에 부유하는 비교적 큰 오염물질을 걸러 내기 위한 목적으로 설치되며, 대략 50~200메쉬 정도가 사용될 수 있으나, 바람직하게는 약 100메쉬 정도가 필요하다.
내측 그물망(151)과 외측 그물망(152)의 재질은 티타늄, 니켈, 철, 스테인리스, 구리 등을 사용할 수 있으나, 오르토 수소의 파라 수소로의 변환율에 영향을 미치는 강자성 물질인 니켈 도금 망을 사용하는 것이 바람직하다.
과립형 수소 변환용 촉매(153)는, 미세공이 형성된 과립(granule) 형태로서 내측 그물망(151)과 외측 그물망(152) 사이에 충전되어 촉매층을 형성한다.
본 실시예에서 촉매(153)는, 과립형 수소 변환용 촉매(153)를 이용한다.
본 실시예에서 촉매(153)는, 수소 변환의 열역학적 에너지 장벽을 낮춤으로 수소 변환 반응을 촉진한다.
과립형 수소 변환용 촉매(153)는, 미세공이 형성된 다공성 구조의 지지체와 이에 코팅되는 금속 활성 물질로 이루어진다.
다공성 구조의 지지체는 구형 입자 형태의 금속 산화물로서, 그 직경은 1.6~2.2mm 정도이며, 입도 분포 균일성과 높은 비표면적을 가진다.
다공성 구조의 지지체는 제올라이트, 알루미나, 실리카, 활성탄, 지르코니아 및 티타니아로 이루어진 그룹에서 선택되며, 지지체 표면이 개질된 형태로 변환된다.
다공성 구조의 지지체는, 메조 기공(mesopore)과 같은 미세공을 포함할 수 있으며, 메조 기공은 2~50nm 크기의 기공을 말하는데, 이러한 메조기공을 갖는 촉매는 비교적 큰 기공 및 넓은 비표면적으로 인해 높은 흡착량 및 전환율 향상이 가능하고, 이에 따라 촉매의 소형화 및 경제성 향상이 가능하다.
다공성 구조의 지지체의 비표면적은 10∼1000 m2/g, 바람직하게는 10∼500 m2/g의 범위를 가진다.
금속 활성 물질은, 다공성 구조의 지지체의 표면과 미세공의 내부에 코팅되며, 상자성체 혹은 강자성체 물질로서 외부 자기장에 의하여 더욱 강한 자성을 가지면서 촉매를 통과하는 수소 분자에 영향을 주어 스핀 회전(spin flip)를 용이하게 유도하므로 파라 수소 변환을 빠르게 할 수 있다.
금속 활성 물질은 상자성체 혹은 강자성체의 금속 산화물일 수 있다.
금속 활성 물질인 금속 산화물의 금속은 강자성 물질인 것으로 강자성 물질인 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 가돌리늄(Gd) 및 과학자들이 최근에 발견한 루테늄(Ru)에서 선택되는 하나 이상을 사용한 것일 수 있다.
또한 금속 활성 물질인 금속 산화물의 금속은 상자성 물질인 것으로 상자성 원자 목록은 다음과 같으며, Americium(A), Aluminum(Al), Barium(Ba), Calcium(Ca), Cerium(Ce), Cesium(Cs), Dysprosium(Dy), Erbium(Er) Europium(Eu), Hafnium(Hf), Holmium(Ho), Iridium(Ir), Potassium(K), Lithium(Li), Lanthanum(La), Lutetium(Lu), Magnesium(Mg), Manganese(Mn), Molybdenum(Mb), Sodium(Na), Neodymium(Nd), Niobium(Nb), Osmium(Os), Oxygen(O), Palladium(Pd), Platinum(Pt), Praseodymium(Pr), Plutonium(Pu), Protactinium(Pa), Rhenium(Re), Ruthenium(Ru) Rhodium(Rh), Rubidium(Rb), Samarium(Sm), Scandium(Sc), Strontium(Sr), Tantalum(Ta), Technetium(Tc), Terbium(Tb), Thorium(Th), Thulium(Tm), Titanium(Ti), Tungsten(W), Uranium(U), Vanadium(V), Ytterbium(Yb), Yttrium(Y), Zirconium(Zr)에서 선택되는 하나 이상을 사용한 것일 수 있다.
참고로 원소와 무기 화합물의 자화율( χm 10-6cm3/mol)을 보면 Aluminum(Al) +16.5, Calcium(Ca) +40, Chromium(Cr) +167, Chromium(III) oxide(Cr2O3) +1960, , Cobalt(II,III) oxide(Co3O4) +7380’ Dysprosium(Dy) +98000, Erbium(Er) +48000, Europium(Eu) +30900, Gadolinium(Gd) at 350K+185000, Holmium(Ho) +72900, Iron(II) oxide(FeO) +7200, Oxygen-solid(O2) +10200, Oxygen-gas(O2) +3449, Ruthenium(Ru) +39, Terbium(Tb) +170000, Thulium(Tm) +24700, Zirconium(Zr) +120 등이 있으며, 강자성 물질로는 Cobalt(Co), Iron(Fe), Nickel(Ni) 등이 있으며, 자화율이 높은 물질로 이루어진 촉매는 파라 수소 변환율이 높다는 것을 여러 연구 자료를 통해서 알 수 있으므로 자화율에 따라 선택되는 하나 이상을 사용한 것일 수 있다.
상기 촉매를 이용하여 파라 수소 변환을 수행하는 장치 및 방법은, 전술한 촉매를 이용하는 것에 특별히 한정되지 않으며, 오르토 수소를 파라 수소로 전환하는 촉매 기술 분야에 알려진 통상적인 촉매를 사용할 수도 있다.
예시적인 구현예에서, 전환 대상 수소는 가스 및 액상 중 하나 이상이다. 이러한 전환 대상 수소를 상기 개질 촉매에 제공하여 반응시키되, 상온(300K)에서부터 극저온(14K)까지 온도조건에서 반응시킬 수 있다. 또한, 예시적인 구현예에서, 상기 장치는 예컨대 액화 수소 제조 과정에 매우 유용하게 이용될 수 있다.
본 실시예에서 수소 변환용 촉매 구조체(150)는, 내측 그물망(151), 외측 그물망(152), 과립형 수소 변환용 촉매(153)에 의하여 구성되지만, 실시예에 따라서는 수소 변환용 촉매 구조체(150)는 다공성 실린더 형태 구조물이 채택될 수도 있다.
즉 수소 변환용 촉매 구조체(150)는 미세공이 형성된 실린더 벽체 형태일 수도 있다.
상기와 같은 파라 수소 변환용 촉매 장치는, 수소 스트림 입구(202)로 유입된 수소는 다공형 실린더(140), 내측 그물망(151), 과립형 파라 수소 변환용 촉매(153), 외측 그물망(152)을 거쳐 수소 스트림 출구(201)로 유동하게 된다.
이때 수소는 과립형 파라 수소 변환용 촉매(153)와 접촉되면서 오르토-파라 수소 변환이 촉진된다.
한편 오르토-파라 수소 변환시 발생하는 열은, 냉각매체 유동부(220)를 지나는 냉각매체와의 열교환에 의하여 제거된다.
즉 액체질소 등의 냉각매체가 냉각매체 유입구(221)로 유입되어 촉매 모듈 장착부(210)와 열교환한 후 냉각매체 유출구(222)로 유출된다.
촉매에 의한 오르토-파라 수소변환은 촉매가 열역학적 에너지 장벽을 낮춤으로 느린 수소 변환 반응을 빠르게 진행시킬 수 있다.
촉매는 자기적 모멘트의 성질을 보임으로 수소 핵의 자전방향을 바꾸는 것으로 보고되고 있으며, 수소 변환 속도를 급격히 상승시키는 효과를 보인다.
여기서 이 반응은 화학적인 반응이 아니기 때문에 일반적인 반응 촉매의 개념과 자기적 성질을 동시에 설명할 수 있는 개념으로 보아야 한다. 즉, 촉매는 자성을 가져야 하지만 또한 수소의 흡착 등을 고려할 때 넓은 표면적이 필요하다.
수소는 두 가지 형태인 오르토 수소와 파라 수소가 있으며, 자기장에 반응하는 수소는 양자 스핀이 대칭인 관계로 상자성 성질을 가진 오르토 수소이고, 양자 스핀이 비대칭인 관계로 반자성 성질을 가진 파라 수소는 자기장에 반응을 하지 않는다.
그리고 파라 수소는 오르토 수소 보다 에너지 상태가 낮으므로 초저온으로 내려갈수록 파라 수소비율이 높아지는 것은 온도에 의해 지시되는 평형 에너지 분포에 의존하기 때문이다.
즉, 상온에서는 오르토 수소의 비율이 75%로 높으나 온도가 내려가면 점점 파라 수소의 비율이 증가하고, 마침내 수소 액화 온도 20K에서는 약 99.8%로 낮은 에너지 상태의 파라 수소로 변환하는 것이다.
도 5와 같이 자석통(130) 속의 자석(131)에 의해 자성 촉매의 주위로 불균일한 자기장이 발생하면 이는 수소 분자의 핵 자기장에 영향을 미치므로 적용된 외부 자기장은 오르토-파라 수소 변환에 해당하는 스핀 반전을 촉발한다.
이 때 스핀 반전은 주위 환경이 초저온 상태에 있으므로 상술한 초저온으로 내려갈수록 온도에 의해 지시되는 평형 에너지 분포에 의존하여 에너지 준위가 낮은 파라 수소로 변환하고자 하는 성질이 강하므로 외부 자기장에 의해 파라 변환 속도는 크게 향상된다.
그러나 수소 분자가 자기장에 충분히 밀착되어야 자장이 수소분자에 영향을 미치게 되므로 본 발명은 길이방향으로 긴 자석(131)이 수소 변환용 촉매 구조체(150)의 내부에 삽입되도록 하고, 그 사이의 간격으로 수소가 유동하도록 하여 이를 해결하였으며, 자석의 N극에서 S극으로 향하는 불균일 자기장의 영향으로 오르토 수소의 양자 스핀 전환(spin flip)을 촉발하게 하는 것이다
또한 일부 촉매의 자성 물질에 의해 생성된 자기장 사이의 상호 작용으로 자기장은 핵 스핀의 회전축을 따라 적용되어, 스핀 이성체인 수소분자의 분포비율은 열역학적으로 존재하는 온도에 의해 정해진다. 즉, 오르토 수소에서 파라 수소로 변할 때는 열을 내놓고, 반대로 파라 수소에서 오르토 수소로 바뀔 때는 열을 흡수하여 주위의 온도를 낮추는 역할을 한다.
파라 수소에서 오르토 수소로의 스핀 전환은 초저온 상태에서는 일어나지 않으며, 외부의 열을 받아 온도가 상승하면 에너지 상태가 높은 오르토 수소로 스핀 전환이 일어나면서 열을 흡수하므로 주위의 온도가 내려간다. 이 또한 스핀 이성체인 수소분자의 분포비율은 열역학적으로 존재하는 온도에 의해 자동으로 정해지지만 외부 자기장과 촉매의 영향으로 스핀 반전을 촉진시키게 된다.
상기와 같이 본 발명은, 영구자석 또는 전자석이 수소 스트림의 중앙을 따라 배치되도록 하여 수소 스트림 및 촉매와의 거리가 최소화된 상태에서 외부 자기장이 인가되어 영구자석 또는 전자석으로 인가되는 외부 자기장에 의하여 자성 물질의 촉매를 더욱 강한 자성으로 자화시킴으로 파라 수소 변환 효율을 높이고, 일부 오르토 수소가 저장 탱크에서 기화하는 것을 근본적으로 방지하므로 수소 액화공정 전체의 에너지 손실을 방지할 수 있다.
또한 본 실시예의 그래뉼(granule)형태의 촉매 지지체의 미세공으로 인하여 액화 공정 과정에서 발생하는 오염 물질을 필터링할 수 있으며, 수소 스트림에서 압력강하를 방지할 수 있고, 수소 변환용 촉매 구조체는 탈착식 카트리지로 구성되어 있어 성능이 저하된 촉매의 교환을 용이하게 하는 장점이 있다.
또한 본 실시예는 수소변환시 발생하는 압력강하를 방지할 수 있고, 수소 액화 공정 중에 발생하는 불순물을 동시에 제거할 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 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 상기 상세한 설명보다는 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.
100 : 파라 수소 변환용 촉매 모듈
110 : 제1모듈 지지판
120 : 제2모듈 지지판 121 : 수소 유동용 통공
130 : 자석통 131 : 자석
140 : 다공형 실린더 141 : 수소 유동용 구멍
150 : 수소 변환용 촉매 구조체 151 : 내측 그물망
152 : 외측 그물망 153 : 과립형 수소 변환용 촉매
200 : 수소 유동용 케이싱 200A : 케이싱 본체
200B : 케이싱 덮개
201 : 수소 스트림 출구 202 : 수소 스트림 입구
210 : 촉매 모듈 장착부
220 : 냉각매체 유동부 221 : 냉각매체 유입구
222 : 냉각매체 유출구
230 : 압축 스프림
240 : 패킹
300 : 파라 수소 변환용 촉매 장치

Claims (6)

  1. 길이방향으로 연장되는 형태로서 내부에 자석이 내장되는 자석통 ;
    중앙부에 상기 자석통의 길이방향 일단이 결합되는 원판 형태의 제1모듈 지지판 ;
    실린더 벽체에 복수의 수소 유동용 구멍이 형성된 실린더 형태로서 내부 중앙을 따라 상기 자석통이 이격되어 배치되면서 길이방향 일단이 상기 제1모듈 지지판에 결합되는 다공형 실린더 ;
    중앙부에 수소 유동용 통공이 형성되는 링형 원판 형태로서 상기 다공형 실린더의 길이방향 타단이 결합되는 제2모듈 지지판 ;
    상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더를 감싸는 형태로 마련되는 실린더 형태의 수소 변환용 촉매 구조체 ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 자기장에 의하여 파라 수소 변환을 촉진하기 위한 파라 수소 변환용 촉매 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 변환용 촉매 구조체는, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더의 외주면의 외측에 마련되는 내측 그물망, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 내측 그물망의 외측에 마련되는 외측 그물망, 미세공이 형성된 과립(granule) 형태로서 상기 내측 그물망과 상기 외측 그물망 사이에 충전되어 촉매층을 형성하는 과립형 수소 변환용 촉매를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 외부 자기장에 의하여 파라 수소 변환을 촉진하기 위한 파라 수소 변환용 촉매 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석은 영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 외부 자기장에 의하여 파라 수소 변환을 촉진하기 위한 파라 수소 변환용 촉매 모듈.
  4. 일측에 수소 스트림 출구가 형성되며 타측에 수소 스트림 입구가 형성되며 상기 수소 스트림 출구와 상기 수소 스트림 입구 사이에 촉매 모듈 장착부가 형성된 수소 유동용 케이싱 ;
    길이방향으로 연장되는 형태로서 내부에 자석이 내장되는 자석통, 중앙부에 상기 자석통의 길이방향 일단이 결합되는 원판 형태의 제1모듈 지지판, 실린더 벽체에 복수의 수소 유동용 구멍이 형성된 실린더 형태로서 내부에 상기 자석통이 이격되어 배치되면서 길이방향 일단이 상기 제1모듈 지지판에 결합되는 다공형 실린더, 중앙부에 수소 유동용 통공이 형성되는 링형 원판으로서 상기 다공형 실린더의 길이방향 타단이 결합되는 제2모듈 지지판, 상기 제1모듈 지지판과 상기 제2모듈 지지판 사이에서 상기 다공형 실린더를 감싸는 형태로 마련되는 실린더 형태의 수소 변환용 촉매 구조체를 포함하여 이루어지되, 상기 수소 유동용 케이싱의 촉매 모듈 장착부에 장착되는 파라 수소 변환용 촉매 모듈 ;
    을 포함하여 이루어지며,
    상시 수소 스트림 입구로 유입된 수소는, 상기 제2모듈 지지판의 수소 유동용 통공, 상기 다공형 실린더, 상기 수소 변환용 촉매 구조체를 거쳐 상기 수소 스트림 출구로 유동하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 파라 수소 변환용 촉매 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소 유동용 케이싱은, 냉각매체 유입구 및 냉각매체 유출구가 형성되며 상기 촉매 모듈 장착부를 감싸는 형태로 형성되는 냉각매체 유동부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 파라 수소 변환용 촉매 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소 유동용 케이싱은, 상기 촉매 모듈 장착부가 형성된 케이싱 본체와, 상기 케이싱 본체에 착탈 가능하게 결합되는 케이싱 덮개를 포함하여 이루어지며, 상기 케이싱 덮개와 상기 제1모듈 지지판 사이에 압축 스프링이 마련되는 것을 특징으로 하는 파라 수소 변환용 촉매 장치.
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