KR102385106B1 - Hydrogen production apparatus using plasma discharge and seawater desalination system comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치는, 해수 담수화 시스템의 취수장치로부터 해수를 공급하거나 역삼투장치에 의해 생산된 담수를 공급하는 급수펌프; 상기 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기; 상기 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크; 상기 반응용기의 상부에 배열되는 복수의 방전전극; 상기 반응용기의 바닥에 배치되는 접지전극; 및 상기 복수의 방전전극에 고전압 전력을 공급하는 파워서플라이를 포함한다.A hydrogen production device according to an embodiment of the present invention includes: a water supply pump for supplying seawater from a water intake device of a seawater desalination system or for supplying fresh water produced by a reverse osmosis device; a reaction vessel supplied with water by the water pump; a methane tank for supplying methane to the reaction vessel; a plurality of discharge electrodes arranged on the upper portion of the reaction vessel; a ground electrode disposed on the bottom of the reaction vessel; and a power supply supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes.

Description

플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치 및 이를 포함하는 해수 담수화 시스템{Hydrogen production apparatus using plasma discharge and seawater desalination system comprising the same}Hydrogen production apparatus using plasma discharge and seawater desalination system including the same

본 발명은 플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치 및 이를 포함하는 해수 담수화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production device using plasma discharge and a seawater desalination system including the same.

일반적으로 해수를 담수화하는 처리시스템은 전처리단계에서 해수를 일정 용량의 저장탱크 내에 저장한 상태에서 이송펌프에 의해 모래 또는 다층 여과기로 보내 1차 불순물을 제거하고, 경우에 따라 활성탄 여과기를 거치게 하여 유기성 불순물을 제거하고 마지막으로 카트리지 여과기, 백 여과기 등을 통과시켜 미세 불순물을 제거한다.In general, in a treatment system for desalination of seawater, in the pretreatment stage, the seawater is stored in a storage tank of a certain capacity and sent to a sand or multi-layer filter by a transfer pump to remove primary impurities, and in some cases, through an activated carbon filter, Remove impurities and finally pass through cartridge filter, bag filter, etc. to remove fine impurities.

이와 같은 전처리과정을 거친 전처리수는 탈염용 역삼투압 여과장치로 유입되어 담수화된 처리수와 농축수로 분리되며, 농축수는 방류되고, 담수화된 처리수는 후처리단계에서 미네랄화 및 살균 처리되어 최종 처리 저장탱크로 들어가게 된다.The pre-treated water that has undergone such a pre-treatment process is introduced into the reverse osmosis filtration device for desalination and separated into desalinated treated water and concentrated water, the concentrated water is discharged, and the desalinated treated water is mineralized and sterilized in the post-treatment step. It goes to the final treatment storage tank.

종래의 역삼투압 여과장치는 베셀 내부에 복수의 역삼투막유닛을 삽입하여 배치한 구조로 이루어져 있다. 구체적으로, 역삼투막유닛의 일측으로 유입되는 해수는 역삼투막유닛의 타측으로 유동하는 동안 역삼투에 의해 물이 역삼투막을 통과하여 중심부의 관으로 모여 역삼투막유닛의 타측으로 유출하는 구조였다.The conventional reverse osmosis filtration device has a structure in which a plurality of reverse osmosis membrane units are inserted and disposed inside a vessel. Specifically, while the seawater flowing into one side of the reverse osmosis membrane unit flows to the other side of the reverse osmosis membrane unit, water passes through the reverse osmosis membrane by reverse osmosis, gathers in the central tube, and flows out to the other side of the reverse osmosis membrane unit.

그런데, 종래의 역삼투압 여과장치는 에너지 소모율이 높고 유지관리 비용이 많이 들뿐만 아니라 운전 및 유지보수도 어려운 문제점이 있다.However, the conventional reverse osmosis filtration device has a problem in that the energy consumption rate is high, the maintenance cost is high, and the operation and maintenance are difficult.

또한, 종래의 역삼투압 여과장치는 추가적인 열원 공급장치가 필요하다.In addition, the conventional reverse osmosis filtration device requires an additional heat source supply device.

공개특허공보 제10-2010-0060494호Laid-Open Patent Publication No. 10-2010-0060494

본 발명은 펄스 플라즈마 방전을 이용하여 단시간에 수소 발생량을 극대화할 수 있는 수소생산장치와, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 생산된 전력을 고압펌프로 공급하여 운전할 수 있는 해수 담수화 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a hydrogen production device capable of maximizing the amount of hydrogen generated in a short time using pulsed plasma discharge, and a seawater desalination system that can be operated by supplying the produced hydrogen to a fuel cell and supplying the produced power to a high-pressure pump. aim to

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치는, 해수 담수화 시스템의 취수장치로부터 해수를 공급하거나 역삼투장치에 의해 생산된 담수를 공급하는 급수펌프; 상기 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기; 상기 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크; 상기 반응용기의 상부에 배열되는 복수의 방전전극; 상기 반응용기의 바닥에 배치되는 접지전극; 및 상기 복수의 방전전극에 고전압 전력을 공급하는 파워서플라이를 포함한다.A hydrogen production device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a water supply pump for supplying seawater from a water intake device of a seawater desalination system or for supplying fresh water produced by a reverse osmosis device; a reaction vessel supplied with water by the water pump; a methane tank for supplying methane to the reaction vessel; a plurality of discharge electrodes arranged on the upper portion of the reaction vessel; a ground electrode disposed on the bottom of the reaction vessel; and a power supply supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치에서, 상기 메탄은 물과 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되고, 상기 일산화탄소는 물과 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention, the methane may react with water to produce carbon monoxide and hydrogen, and the carbon monoxide may react with water to produce carbon dioxide and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치에서, 상기 반응용기는 직육면체 형태로 이루어지고, 상기 복수의 방전전극은 상기 반응용기의 천장에 복수의 행과 열을 이루도록 배열될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention, the reaction vessel may have a rectangular parallelepiped shape, and the plurality of discharge electrodes may be arranged to form a plurality of rows and columns on the ceiling of the reaction vessel.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치에서, 상기 접지전극은 평판 또는 복수의 리브 형태로 이루어지고, 상기 반응용기의 바닥면에 배치될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention, the ground electrode may be formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs, and may be disposed on the bottom surface of the reaction vessel.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치에서, 상기 반응용기는 일측면에 상기 용수탱크와 연결되는 급수구와, 타측면에 공급되는 물의 수위보다 낮은 위치에 구비되는 배수구와, 하면에 상기 메탄탱크와 연결되는 가스흡입구와, 상면 또는 상부 일측면에 구비되는 가스배출구를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention, the reaction vessel has a water supply port connected to the water tank on one side, a drain port provided at a position lower than the water level supplied to the other side, and the methane tank on the lower side It may include a gas inlet connected to and a gas outlet provided on the upper surface or one side of the upper surface.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템은, 해수를 취수하는 취수장치; 해수에 함유된 불순물을 여과 처리하는 전처리장치; 전처리된 해수를 고압으로 공급하는 고압펌프; 고압의 해수로부터 역삼투에 의해 담수를 생산하는 역삼투장치; 상기 취수장치에 의해 취수된 해수가 공급되거나 상기 역삼투장치에 의해 생산된 담수가 공급되어, 가스를 주입하며 플라즈마 방전에 의해 수소를 생산하는 수소생산장치; 및 상기 수소생산장치에서 생산된 수소를 공급받아 전력을 생산하여 상기 고압펌프로 공급한다.A seawater desalination system according to an embodiment of the present invention includes: a water intake device for collecting seawater; a pretreatment device for filtering impurities contained in seawater; a high-pressure pump for supplying pretreated seawater at high pressure; a reverse osmosis device for producing fresh water by reverse osmosis from high-pressure seawater; a hydrogen production device in which seawater taken in by the water intake device is supplied or fresh water produced by the reverse osmosis device is supplied, and the gas is injected and hydrogen is produced by plasma discharge; And the hydrogen produced by the hydrogen production device is supplied to produce electric power and supplied to the high-pressure pump.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템에서, 상기 수소생산장치는 상기 취수장치로부터 공급되는 해수 또는 역삼투장치에 의해 생산된 담수를 일시 저장하는 용수탱크; 상기 용수탱크로부터 물을 공급하는 급수펌프; 상기 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기; 상기 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크; 상기 반응용기의 상부에 배열되는 복수의 방전전극; 상기 반응용기의 바닥에 배치되는 접지전극; 및 상기 복수의 방전전극에 고전압 전력을 공급하는 파워서플라이를 포함할 수 있다.In the seawater desalination system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen production device includes: a water tank for temporarily storing seawater supplied from the water intake device or fresh water produced by the reverse osmosis device; a water pump for supplying water from the water tank; a reaction vessel supplied with water by the water pump; a methane tank for supplying methane to the reaction vessel; a plurality of discharge electrodes arranged on the upper portion of the reaction vessel; a ground electrode disposed on the bottom of the reaction vessel; and a power supply supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템에서, 상기 메탄은 물과 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되고, 상기 일산화탄소는 물과 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성될 수 있다.In the seawater desalination system according to an embodiment of the present invention, the methane may react with water to produce carbon monoxide and hydrogen, and the carbon monoxide may react with water to produce carbon dioxide and hydrogen.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템에서, 상기 반응용기는 직육면체 형태로 이루어지고, 상기 복수의 방전전극은 상기 반응용기의 천장에 복수의 행과 열을 이루도록 배열될 수 있다.In the seawater desalination system according to an embodiment of the present invention, the reaction vessel may have a rectangular parallelepiped shape, and the plurality of discharge electrodes may be arranged to form a plurality of rows and columns on the ceiling of the reaction vessel.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템에서, 상기 접지전극은 평판 또는 복수의 리브 형태로 이루어지고, 상기 반응용기의 바닥면에 배치될 수 있다.In the seawater desalination system according to an embodiment of the present invention, the ground electrode may be formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs, and may be disposed on the bottom surface of the reaction vessel.

본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템에서, 상기 반응용기는 일측면에 상기 용수탱크와 연결되는 급수구와, 타측면에 공급되는 물의 수위보다 낮은 위치에 구비되는 배수구와, 하면에 상기 메탄탱크와 연결되는 가스흡입구와, 상면 또는 상부 일측면에 구비되는 가스배출구를 포함할 수 있다.In the seawater desalination system according to an embodiment of the present invention, the reaction vessel has a water supply port connected to the water tank on one side, a drain port provided at a position lower than the water level supplied to the other side, and the methane tank on the lower side It may include a gas inlet connected to and a gas outlet provided on the upper surface or one side of the upper surface.

상기한 본 발명의 플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치 및 이를 포함하는 해수 담수화 시스템에 의하면, 수소생산장치에서 펄스 플라즈마 방전을 이용하여 단시간에 수소 발생량을 극대화할 수 있고, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 생산된 전력을 고압펌프로 공급하여 해수 담수화 시스템을 운전할 수 있다.According to the hydrogen production apparatus using plasma discharge of the present invention and the seawater desalination system including the same, it is possible to maximize the amount of hydrogen generated in a short time by using pulse plasma discharge in the hydrogen production apparatus, and the produced hydrogen is supplied to the fuel cell The generated power can be supplied to the high-pressure pump to operate the seawater desalination system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 연료전지의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
1 is a schematic diagram showing a seawater desalination system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram for explaining an operating principle of a fuel cell.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '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.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'comprising' or 'having' are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, and one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this case, it should be noted that in the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically illustrated in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 담수화 시스템을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a seawater desalination system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 해수 담수화 시스템은, 취수장치(10), 전처리장치(20), 고압펌프(30), 역삼투장치(40), 후처리장치(50), 수소생산장치(100), 및 연료전지(200)를 포함할 수 있다.The seawater desalination system of the present invention includes a water intake device 10 , a pretreatment device 20 , a high pressure pump 30 , a reverse osmosis device 40 , a post-treatment device 50 , a hydrogen production device 100 , and a fuel cell (200) may be included.

취수장치(10)는 해수를 취수하는 인테이크(intake)장치로서, 바다에서 해수를 소정 유량과 압력으로 끌어올린다.The water intake device 10 is an intake device that takes in seawater, and draws seawater from the sea to a predetermined flow rate and pressure.

전처리장치(20)는 해수를 취수하여 유입된 용수 내에 함유된 불순물을 여과 처리한다.The pretreatment device 20 takes in seawater and filters impurities contained in the introduced water.

전처리장치(20)의 전처리에는 침전처리, 여과처리, 약품처리가 있다. 침전처리와 여과처리는 원수에 포함된 부유물질 등을 제거하여 막의 오염을 방지하기 위해서 실시한다. 약품처리는 공급수의 수질을 조절하여 역삼투막의 성능을 최대한으로 유지하기 위하여 실시한다. 또한, 이와 같은 전처리는 역삼투막의 오염을 방지하고 높은 성능을 발휘하기 위해서 반드시 필요하다.The pretreatment of the pretreatment device 20 includes precipitation treatment, filtration treatment, and chemical treatment. Precipitation treatment and filtration treatment are carried out to prevent contamination of the membrane by removing suspended substances contained in the raw water. Chemical treatment is performed to maintain the performance of the reverse osmosis membrane to the maximum by controlling the quality of the feed water. In addition, such pretreatment is absolutely necessary in order to prevent contamination of the reverse osmosis membrane and to exhibit high performance.

고압펌프(30)는 전처리된 해수를 역삼투장치(40)로 고압으로 유입시킨다.The high-pressure pump 30 introduces the pretreated seawater into the reverse osmosis device 40 at high pressure.

역삼투장치(40)는 카트리지필터에서 여과된 용수를 고압펌프(30)에 의해 공급하여 역삼투에 의해 담수를 생산한다. 역삼투(RO: Reverse Osmosis)는 삼투압보다 높은 압력을 가할 때, 용액으로부터 순수한 용매가 반투막을 통해 빠져 나오는 현상이다. 역삼투 현상을 이용하여 해수를 담수화할 수 있다. 역삼투가 일어나도록 하기 위해 역삼투장치(40)의 전에 해수의 삼투압보다 높은 압력으로 여과된 용수를 공급하는 고압펌프(30)가 배치되는 것이다.The reverse osmosis device 40 supplies the water filtered from the cartridge filter by the high-pressure pump 30 to produce fresh water by reverse osmosis. Reverse osmosis (RO) is a phenomenon in which a pure solvent escapes from a solution through a semipermeable membrane when a pressure higher than the osmotic pressure is applied. Reverse osmosis can be used to desalinate seawater. In order to cause reverse osmosis to occur, a high-pressure pump 30 for supplying filtered water at a pressure higher than the osmotic pressure of seawater before the reverse osmosis device 40 is disposed.

역삼투장치(40)를 통과하면 공급된 해수는 고염수(농축수)가 되고, 역삼투막을 통과한 물이 처리수로 된다.When passing through the reverse osmosis device 40, the supplied seawater becomes high salt water (concentrated water), and the water that has passed through the reverse osmosis membrane becomes treated water.

역삼투장치(40)의 뒤에는 여과된 처리수를 다시 처리하는 후처리장치(50)가 배치될 수 있다. 후처리장치(50)는 pH 조정, 미네랄 주입, 염소 소독 등을 실시할 수 있다.A post-treatment device 50 for re-treating the filtered treated water may be disposed behind the reverse osmosis device 40 . The post-treatment device 50 may perform pH adjustment, mineral injection, chlorine disinfection, and the like.

아울러, 역삼투장치(40)에서 발생하는 고염수를 처리하여 폐수하는 장치(미도시)가 더 구비될 수 있다.In addition, a device (not shown) for treating the high salt water generated in the reverse osmosis device 40 to waste water may be further provided.

한편, 수소생산장치(100)는 취수장치(10)에 의해 취수된 해수가 공급되거나 역삼투장치(40)에 의해 생산된 담수가 공급되어, 가스를 주입하며 플라즈마 방전에 의해 수소를 생산할 수 있다.On the other hand, the hydrogen production device 100 is supplied with seawater taken in by the water intake device 10 or fresh water produced by the reverse osmosis device 40 is supplied, injects gas, and can produce hydrogen by plasma discharge. .

연료전지(200)는 수소생산장치(100)에서 생산된 수소를 공급받아 전력을 생산하여 고압펌프(30)로 공급할 수 있다. 본 발명의 해수 담수화 시스템에서는 고압펌프(30)에 별도의 전원을 공급하지 않고, 수소생산장치(100)에서 생산된 수소를 이용하여 연료전지(200)에서 전력을 생산하여 고압펌프(30)에 공급할 수 있다. 즉, 해수 담수화 시스템이 자체적으로 전력을 생산하여 가동될 수 있다.The fuel cell 200 may receive hydrogen produced by the hydrogen production device 100 , generate electricity, and supply it to the high-pressure pump 30 . In the seawater desalination system of the present invention, power is generated in the fuel cell 200 by using the hydrogen produced in the hydrogen production device 100 without supplying a separate power to the high-pressure pump 30 and supplied to the high-pressure pump 30 . can supply That is, the seawater desalination system can be operated by generating electricity by itself.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치(100)는, 해수 담수화 시스템의 취수장치(10)로부터 해수를 공급하거나 역삼투장치(40)에 의해 생산된 담수를 공급하는 급수펌프(115), 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기(130), 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크(120), 반응용기의 상부에 배열되는 복수의 방전전극(140), 반응용기의 바닥에 배치되는 접지전극(150), 및 복수의 방전전극에 고전압 전력을 공급하는 파워서플라이(160)를 포함한다.As shown in FIG. 2 , the hydrogen production device 100 according to an embodiment of the present invention supplies seawater from the water intake device 10 of the seawater desalination system or fresh water produced by the reverse osmosis device 40 . A water supply pump 115 for supplying, a reaction vessel 130 supplied with water by the water pump, a methane tank 120 for supplying methane to the reaction vessel, a plurality of discharge electrodes 140 arranged on the upper portion of the reaction vessel, It includes a ground electrode 150 disposed on the bottom of the reaction vessel, and a power supply 160 for supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes.

수소생산장치(100)의 상류에는 취수장치(10)의 하류 또는 역삼투장치(40)의 하류로부터 연결되어 해수 또는 담수를 일시 저장하는 용수탱크(110)가 연결될 수 있다. 용수탱크(110)는 플라즈마 방전 반응에 필요한 물이 일시 저장될 수 있다. 용수탱크(110)는 소정 용량의 크기로 형성될 수 있고, 상측부에 유입관이 연결되며 하측부에 유출관이 연결될 수 있다.A water tank 110 that is connected from the downstream of the water intake device 10 or the downstream of the reverse osmosis device 40 to temporarily store seawater or fresh water may be connected to the upstream of the hydrogen production device 100 . The water tank 110 may temporarily store water required for the plasma discharge reaction. The water tank 110 may be formed in a size of a predetermined capacity, an inlet pipe may be connected to an upper part, and an outlet pipe may be connected to a lower part.

급수펌프(115)는 용수탱크(110)로부터 연결된 배관에 설치되어 반응용기(130) 내부로 물을 소정 압력으로 공급할 수 있다.The water supply pump 115 may be installed in a pipe connected from the water tank 110 to supply water into the reaction vessel 130 at a predetermined pressure.

반응용기(130)는 내부로 물(H2O)과 메탄(CH4)이 공급되고 플라즈마 방전 반응에 의해 수소(H2)가 생성될 수 있다.The reaction vessel 130 is supplied with water (H 2 O) and methane (CH 4 ) therein, and hydrogen (H 2 ) may be generated by a plasma discharge reaction.

메탄탱크(120)는 내부에 메탄 가스가 고압으로 저장될 수 있다. 메탄탱크(120)의 일측에는 반응용기(130)의 하면으로 가스공급관이 연결될 수 있다.The methane tank 120 may store methane gas at a high pressure therein. At one side of the methane tank 120 , a gas supply pipe may be connected to the lower surface of the reaction vessel 130 .

방전전극(140)은 반응용기(130)의 상부에 복수개가 배열되어 반응용기(130) 내부에 있는 물을 향해 펄스 플라즈마(Pulse Plasma)를 발생할 수 있다.A plurality of discharge electrodes 140 may be arranged on the upper portion of the reaction vessel 130 to generate pulse plasma toward the water in the reaction vessel 130 .

접지전극(150)은 반응용기(130)의 바닥에 배치되는데, 평판 형태 또는 복수의 리브 형태로 이루어질 수 있다. 복수의 리브는 유입관으로부터 유출관으로 유동하는 물의 유동방향에 평행하거나 또는 그에 수직방향으로 배열될 수 있다.The ground electrode 150 is disposed on the bottom of the reaction vessel 130 and may be formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs. The plurality of ribs may be arranged parallel to or perpendicular to the flow direction of the water flowing from the inlet pipe to the outlet pipe.

파워서플라이(Power Supply, 160)는 복수의 방전전극(140)에 병렬로 연결되어 각 방전전극(140)에 고전압 전력을 펄스 형태로 공급할 수 있다.A power supply 160 may be connected in parallel to the plurality of discharge electrodes 140 to supply high voltage power to each discharge electrode 140 in the form of a pulse.

반응용기(130) 내부에 있는 물 속으로 공급되는 메탄(CH4)은, 화학식 1과 같이, 펄스 플라즈마 방전에 의해 물(H2O)과 반응하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 생성될 수 있다.Methane (CH 4 ) supplied into the water in the reaction vessel 130 reacts with water (H 2 O) by pulsed plasma discharge as shown in Formula 1 to generate carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) can be created

[화학식 1][Formula 1]

CH4 + H2O → CO + 3H2 CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2

구체적으로, 메탄(CH4) 가스 한 분자와 물(H2O) 한 분자가 반응하여 한 분자의 일산화탄소(CO)와 세 분자의 수소(H2)가 생성될 수 있다.Specifically, one molecule of methane (CH 4 ) gas and one molecule of water (H 2 O) react to generate one molecule of carbon monoxide (CO) and three molecules of hydrogen (H 2 ).

[화학식 2][Formula 2]

CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2

화학식 1에서 생성된 일산화탄소(CO) 한 분자는 화학식 2와 같이, 다시 물(H2O)과 반응하여 한 분자의 이산화탄소(CO2)와 한 분자의 수소(H2)가 생성될 수 있다.One molecule of carbon monoxide (CO) generated in Chemical Formula 1 may react with water (H 2 O) again as in Chemical Formula 2 to generate one molecule of carbon dioxide (CO 2 ) and one molecule of hydrogen (H 2 ).

결과적으로, 한 분자의 메탄(CH4) 가스는 충분한 물(H2O)과 반응하여 4분자의 수소(H2)가 생성될 수 있다.As a result, one molecule of methane (CH 4 ) gas can react with sufficient water (H 2 O) to produce four molecules of hydrogen (H 2 ).

반응용기(130)는 직육면체 케이스 형태로 이루어질 수 있다.The reaction vessel 130 may be formed in the form of a rectangular parallelepiped case.

복수의 방전전극(140)은 반응용기(130)의 천장에 복수의 행과 열을 이루도록 소정 간격으로 배열될 수 있다. 각 방전전극(140)은 수면에 수직인 방향으로 펄스 플라즈마를 방전하도록 배치될 수 있다.The plurality of discharge electrodes 140 may be arranged at predetermined intervals to form a plurality of rows and columns on the ceiling of the reaction vessel 130 . Each discharge electrode 140 may be disposed to discharge pulsed plasma in a direction perpendicular to the water surface.

상기한 바와 같이, 접지전극(150)은 평판 또는 복수의 리브 형태로 이루어지고, 반응용기(130)의 바닥면에 배치될 수 있다. 접지전극(150)이 평판 형태인 경우 반응용기(130)의 바닥면 전체를 덮도록 안착될 수 있다. 접지전극(150)이 복수의 리브 형태인 경우 반응용기(130)의 바닥면에 서로 평행하게 장착될 수 있다.As described above, the ground electrode 150 may be formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs, and may be disposed on the bottom surface of the reaction vessel 130 . When the ground electrode 150 is in the form of a flat plate, it may be seated to cover the entire bottom surface of the reaction vessel 130 . When the ground electrode 150 is in the form of a plurality of ribs, the ground electrode 150 may be mounted parallel to each other on the bottom surface of the reaction vessel 130 .

반응용기(130)는 일측면에 용수탱크(110)와 연결되는 급수구(131)와, 타측면에 공급되는 물의 수위보다 낮은 위치에 구비되는 배수구(132)와, 하면에 메탄탱크(120)와 연결되는 가스흡입구(135)와, 상면 또는 상부 일측면에 구비되는 가스배출구(136)를 포함할 수 있다.The reaction vessel 130 has a water supply port 131 connected to the water tank 110 on one side, a drain port 132 provided at a position lower than the water level supplied to the other side, and a methane tank 120 on the lower side. It may include a gas inlet 135 connected to and a gas outlet 136 provided on the upper surface or one side of the upper surface.

급수구(131)는 반응용기(130)의 일측면에 구비되고 급수펌프(115)와 배관으로 연결되어, 급수구(131)를 통해 용수탱크(110)에 있는 물이 소정 압력으로 반응용기(130) 내부로 공급될 수 있다.The water supply port 131 is provided on one side of the reaction vessel 130 and is connected to the water supply pump 115 by a pipe, and the water in the water tank 110 through the water supply port 131 is supplied to the reaction vessel at a predetermined pressure ( 130) can be supplied internally.

배수구(132)는 반응용기(130)의 타측면에 구비되는데, 급수구(131)보다 높은 위치에 구비되되 물의 수위보다 낮은 위치에 배치될 수 있다. 배수구(132)를 통해 플라즈마 방전 처리를 거친 물이 배수될 수 있다.The drain port 132 is provided on the other side of the reaction vessel 130, and is provided at a position higher than the water supply port 131, but may be disposed at a position lower than the water level. Water that has undergone plasma discharge treatment may be drained through the drain hole 132 .

가스흡입구(135)는 반응용기(130)의 하면에 구비되고 메탄탱크(120)와 연결되어, 가스흡입구(135)를 통해 메탄 가스가 물 속으로 유입될 수 있다.The gas inlet 135 is provided on the lower surface of the reaction vessel 130 and is connected to the methane tank 120 , so that methane gas may be introduced into the water through the gas inlet 135 .

가스배출구(136)는 반응용기(130)의 상면 또는 상부 일측면에 구비되고, 가스배출구(136)를 통해 상기 화학식 1에 의해 생성되는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 배출될 수 있다. 또한, 도 2에 표시하지 않았지만, 가스배출구(136)를 통해서는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와 함께 이산화탄소(CO2)도 배출될 수 있다.The gas outlet 136 is provided on the upper surface or one side of the upper side of the reaction vessel 130, and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) generated by Chemical Formula 1 can be discharged through the gas outlet 136 . . In addition, although not shown in FIG. 2 , carbon dioxide (CO 2 ) may also be discharged along with hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) through the gas outlet 136 .

화학식 1에서 생성된 일산화탄소(CO)는 그 전부가 화학식 2에 의해 반응하여 전부 이산화탄소(CO2)로 생성되는 것이 바람직하다. 하지만, 일산화탄소(CO)의 일부는 반응하지 않고 그대로 배출될 수 있기 때문에, 가스배출구(136)를 통해 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와 함께 이산화탄소(CO2)도 배출되는 것이다.It is preferable that all of the carbon monoxide (CO) produced in Chemical Formula 1 is reacted by Chemical Formula 2 to form carbon dioxide (CO 2 ). However, since a portion of carbon monoxide (CO) does not react and can be discharged as it is, carbon dioxide (CO 2 ) is also discharged along with hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) through the gas outlet 136 .

본 발명의 일 실시예에 따른 수소생산장치(100)는, 물과 메탄을 공급하고 펄스 플라즈마 방전을 함으로써 수소를 효율적으로 생산할 수 있다. 수소생산장치(100)에서 생산된 수소는 연료전지(200)로 공급하여 전력을 생산하는 원료로 사용할 수도 있고, 수소저장탱크(미도시)에 저장할 수도 있다.The hydrogen production apparatus 100 according to an embodiment of the present invention can efficiently produce hydrogen by supplying water and methane and performing pulse plasma discharge. Hydrogen produced by the hydrogen production device 100 may be supplied to the fuel cell 200 and used as a raw material for generating electricity, or may be stored in a hydrogen storage tank (not shown).

도 3은 연료전지의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.3 is a conceptual diagram for explaining an operating principle of a fuel cell.

① 수소생산장치(100)에서 생산되어 연료전지(200) 스택으로 주입되는 수소(H2)는 연료극에서 전자를 잃는 산화반응에 의해 양이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다.① Hydrogen (H 2 ) produced in the hydrogen production device 100 and injected into the fuel cell 200 stack is separated into positive ions (H + ) and electrons (e ) by an oxidation reaction in which electrons are lost at the anode.

② 양이온(H+)은 전해질을 통해 공기극 쪽으로, 전자(e-)는 외부 회선으로 이동한다.② Positive ions (H + ) move toward the cathode through the electrolyte, and electrons (e - ) move to the external circuit.

③ 공기극에서 양이온(H+)은 유입되는 공기에 포함된 산소(O2)와 만나 더욱 안정적인 구조인 물(H2O)이 되는 환원반응이 일어나서 동력원의 전자(e-)를 끌어들인다.③ At the cathode, positive ions (H + ) meet with oxygen (O 2 ) contained in the incoming air to undergo a reduction reaction to become water (H 2 O), a more stable structure, and attract electrons (e - ) from the power source.

④ 부산물인 물(H2O)은 외부로 방출된다.④ Water (H 2 O) as a by-product is discharged to the outside.

⑤ 위 ①~④의 과정이 반복되어 지속적인 전자의 흐름을 만들어서 전기가 생산된다.⑤ The process of ①~④ above is repeated to create a continuous flow of electrons to produce electricity.

이상과 같이, 연료전지(200)는 수소생산장치(100)에서 생산되는 수소를 공급받아 전력을 생산하여 고압펌프(30)로 공급할 수 있다. 이에 따라, 연료전지(200)에서 생산된 전력으로 해수 담수화 시스템을 운전할 수 있다.As described above, the fuel cell 200 may receive hydrogen produced by the hydrogen production device 100 , generate electric power, and supply it to the high-pressure pump 30 . Accordingly, the seawater desalination system may be operated with the power generated by the fuel cell 200 .

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.As described above, one embodiment of the present invention has been described, but those of ordinary skill in the art can add, change, delete or add components within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes of the present invention will be possible by this, and this will also be included within the scope of the present invention.

10: 취수장치 20: 전처리장치
30: 고압펌프 40: 역삼투장치
50: 후처리장치
100: 수소생산장치 110: 용수탱크
115: 급수펌프 120: 메탄탱크
130: 반응용기 131: 급수구
132: 배수구 135: 가스흡입구
136: 가스배출구 140: 방전전극
150: 접지전극 160: 파워서플라이
200: 연료전지
10: water intake device 20: pretreatment device
30: high pressure pump 40: reverse osmosis device
50: post-processing device
100: hydrogen production device 110: water tank
115: water pump 120: methane tank
130: reaction vessel 131: water inlet
132: drain 135: gas inlet
136: gas outlet 140: discharge electrode
150: ground electrode 160: power supply
200: fuel cell

Claims (11)

해수 담수화 시스템의 취수장치로부터 해수를 공급하거나 역삼투장치에 의해 생산된 담수를 공급하는 급수펌프;
상기 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기;
상기 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크;
상기 반응용기의 상부에 공급되는 물의 수위보다 높게 배열되어 물을 향해 펄스 플라즈마를 발생하는 복수의 방전전극;
상기 반응용기의 바닥면에 배치되고 평판 또는 복수의 리브 형태로 이루어지는 접지전극; 및
상기 복수의 방전전극에 고전압 전력을 펄스 형태로 공급하는 파워서플라이를 포함하고,
상기 반응용기는
일측면에 구비되고 용수탱크와 연결되는 급수구와,
타측면에 공급되는 물의 수위보다 낮은 위치에 구비되는 배수구와,
하면에 구비되고 상기 메탄탱크와 연결되는 가스흡입구와,
상면 또는 상부 일측면에 구비되는 가스배출구를 포함하는 플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치.
a water supply pump for supplying seawater from the water intake device of the seawater desalination system or for supplying fresh water produced by the reverse osmosis device;
a reaction vessel supplied with water by the water pump;
a methane tank for supplying methane to the reaction vessel;
a plurality of discharge electrodes arranged higher than the water level supplied to the upper portion of the reaction vessel to generate pulsed plasma toward the water;
a ground electrode disposed on the bottom surface of the reaction vessel and formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs; and
and a power supply supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes in the form of a pulse,
The reaction vessel is
A water supply port provided on one side and connected to the water tank;
A drain port provided at a position lower than the water level supplied to the other side;
a gas inlet provided on the lower surface and connected to the methane tank;
Hydrogen production apparatus using plasma discharge including a gas outlet provided on the upper surface or one side of the upper surface.
제1항에 있어서,
상기 메탄은 물과 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되고,
상기 일산화탄소는 물과 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치.
According to claim 1,
The methane reacts with water to produce carbon monoxide and hydrogen,
Hydrogen production apparatus using plasma discharge, characterized in that the carbon monoxide reacts with water to produce carbon dioxide and hydrogen.
제2항에 있어서,
상기 반응용기는 직육면체 형태로 이루어지고,
상기 복수의 방전전극은 상기 반응용기의 천장에 복수의 행과 열을 이루도록 배열되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방전을 이용한 수소생산장치.
3. The method of claim 2,
The reaction vessel is made in the form of a rectangular parallelepiped,
The plurality of discharge electrodes are hydrogen production apparatus using plasma discharge, characterized in that arranged to form a plurality of rows and columns on the ceiling of the reaction vessel.
삭제delete 삭제delete 해수를 취수하는 취수장치;
해수에 함유된 불순물을 여과 처리하는 전처리장치;
전처리된 해수를 고압으로 공급하는 고압펌프;
고압의 해수로부터 역삼투에 의해 담수를 생산하는 역삼투장치;
상기 취수장치에 의해 취수된 해수가 공급되거나 상기 역삼투장치에 의해 생산된 담수가 공급되어, 가스를 주입하며 플라즈마 방전에 의해 수소를 생산하는 수소생산장치; 및
상기 수소생산장치에서 생산된 수소를 공급받아 전력을 생산하여 상기 고압펌프로 공급하는 연료전지를 포함하고,
상기 수소생산장치는
상기 취수장치로부터 공급되는 해수 또는 역삼투장치에 의해 생산된 담수를 일시 저장하는 용수탱크;
상기 용수탱크로부터 물을 공급하는 급수펌프;
상기 급수펌프에 의해 물을 공급받는 반응용기;
상기 반응용기로 메탄을 공급하는 메탄탱크;
상기 반응용기의 상부에 공급되는 물의 수위보다 높게 배열되어 물을 향해 펄스 플라즈마를 발생하는 복수의 방전전극;
상기 반응용기의 바닥면에 배치되고 평판 또는 복수의 리브 형태로 이루어지는 접지전극; 및
상기 복수의 방전전극에 고전압 전력을 펄스 형태로 공급하는 파워서플라이를 포함하며,
상기 반응용기는
일측면에 구비되고 상기 용수탱크와 연결되는 급수구와,
타측면에 공급되는 물의 수위보다 낮은 위치에 구비되는 배수구와,
하면에 구비되고 상기 메탄탱크와 연결되는 가스흡입구와,
상면 또는 상부 일측면에 구비되는 가스배출구를 포함하는 해수 담수화 시스템.
water intake device for water intake;
a pretreatment device for filtering impurities contained in seawater;
a high-pressure pump for supplying pretreated seawater at high pressure;
a reverse osmosis device for producing fresh water by reverse osmosis from high-pressure seawater;
a hydrogen production device in which seawater taken in by the water intake device is supplied or fresh water produced by the reverse osmosis device is supplied, and the gas is injected and hydrogen is produced by plasma discharge; and
and a fuel cell that receives the hydrogen produced in the hydrogen production device, generates electric power, and supplies it to the high-pressure pump,
The hydrogen production device is
a water tank for temporarily storing seawater supplied from the water intake device or fresh water produced by the reverse osmosis device;
a water pump for supplying water from the water tank;
a reaction vessel supplied with water by the water pump;
a methane tank for supplying methane to the reaction vessel;
a plurality of discharge electrodes arranged higher than the water level supplied to the upper portion of the reaction vessel to generate pulsed plasma toward the water;
a ground electrode disposed on the bottom surface of the reaction vessel and formed in the form of a flat plate or a plurality of ribs; and
and a power supply supplying high voltage power to the plurality of discharge electrodes in the form of a pulse,
The reaction vessel is
a water supply port provided on one side and connected to the water tank;
A drain port provided at a position lower than the water level supplied to the other side;
a gas inlet provided on the lower surface and connected to the methane tank;
A seawater desalination system including a gas outlet provided on the upper surface or one side of the upper surface.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 메탄은 물과 반응하여 일산화탄소와 수소가 생성되고,
상기 일산화탄소는 물과 반응하여 이산화탄소와 수소가 생성되는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시스템.
7. The method of claim 6,
The methane reacts with water to produce carbon monoxide and hydrogen,
Seawater desalination system, characterized in that the carbon monoxide reacts with water to produce carbon dioxide and hydrogen.
제8항에 있어서,
상기 반응용기는 직육면체 형태로 이루어지고,
상기 복수의 방전전극은 상기 반응용기의 천장에 복수의 행과 열을 이루도록 배열되는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 시스템.
9. The method of claim 8,
The reaction vessel is made in the form of a rectangular parallelepiped,
The plurality of discharge electrodes are seawater desalination system, characterized in that arranged to form a plurality of rows and columns on the ceiling of the reaction vessel.
삭제delete 삭제delete
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