KR102386882B1 - 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치에 관한 것으로, 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지할 수 있으므로, 고순도의 수소를 생성할 수 있도록 한 것이다.

Description

알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치{Continuous type hydrogen gas generation apparatus by using Aluminum}
본 발명은 화학 반응을 이용해 수소 가스를 발생시키는 기술에 관련한 것으로, 특히 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치에 관한 것이다.
수소(H)는 주기율표의 가장 첫 번째(1족 1주기) 화학 원소로, 지구상에 풍부하게 존재하지만 기체 상태로 존재하는 수소의 양은 매우 적다. 현재 수소 기체는 주로 천연가스를 수증기로 처리하여 제조한다. 수소는 연료전지에 의해 전기로 변환될 수 있고, 연소에 의해 열에너지로 변환될 수 있다.
무한한 수소의 공급원은 바닷물인데, 물(H2O)을 분해하여 수소를 얻으려면 수소 1Mol당 286kJ의 에너지가 있어야 한다. 수소는 전기와 달리 대용량으로 장기간 저장이 가능한 장점이 있다.
수소는 화석연료 이외에 재생에너지, 바이오가스, 광분해 등 다양한 방식으로 생산할 수 있으므로, 한정된 자원인 화석연료와는 달리 무한한 에너지원으로서의 가치가 높다. 전 세계적으로 수소 생산은 천연가스 개질 48%, 부생가스 및 석유화학산업 30%, 석탄 18%, 수전해 4% 수준으로 이루어지고 있다.
한편, 알루미늄(Aluminum, Al)은 원자 번호 13번으로, 매장량이 철(약 5%)보다 더 많다. 지표물질 중 약 13%가 알루미늄 원료인 보크사이트(Bauxite)이다. 알루미늄은 탄소, 규소에 이어 3번째로 풍부한 자원으로, 재활용 가능한 원소이며, 1kg의 알루미늄을 재활용하면, 화학물질 4kg과 보크사이트 6kg, 전기 4kWh를 절약할 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0803074호(1408.02.04)에서 알루미늄 분말(Al), 산화칼슘 분말(CaO) 및 수산화나트륨(NaOH) 분말을 포함하는 수소발생용 조성물을 이용한 고순도 수소발생 장치를 제안하고 있다.
수산화나트륨(Sodium Hydroxide, NaOH)과 같은 알칼리 용액에 알루미늄(Al)을 넣으면, 중간 생성 물질인 알루민산 나트륨(Sodium Aluminate, NaAl(OH)4)이 생성되고 수소가 발생한다.
알루민산 나트륨(NaAl(OH)4)은 촉매제 수산화나트륨(NaOH)과 수산화알루미늄(Aluminum Hydroxide, Al(OH)3)으로 분리되어, 촉매제 수산화나트륨(NaOH)은 소모되지 않고 원상태로 되돌아온다. 결과적으로 알루미늄(Al)과 물(H2O)이 소모되고, 수산화나트륨(NaOH)은 계속 촉매 역할을 수행한다.
또 다른 촉매제 "α"는 알루미늄 드로스(Al Dross) 또는 레이들 슬래그(Ladle Slag) 등과 같은 이물질이 생성되어 반응조에 쌓임으로써 연속공정이 이루어지지 못하고 배치공정으로 한정되는 것을 막기 위한 스케일방지 촉매제이다.
다음 반응식 1, 2에 의해 수소가 발생하고, 반응식 3은 전체 반응(Overall Reaction)으로서 알루미늄(Al)과 물(H2O)이 소모되어 수소(H)와 열(Heat)이 발생함을 나타내고, 이론상 수산화나트륨(NaOH)과 "α"는 소모되지 않고 촉매 역할만 수행함을 표시하고 있다. 여기서 α는 스케일방지 촉매제, β는 α의 반응 후 생성물질, γ는 α의 반응 후 생성물질이다.
(반응식 1) 2Al + 2NaOH + α + 6H2O → 2NaAl(OH)4 + β + 3H2↑
(반응식 2) 2NaAl(OH)4 + β → 2NaOH + 2Al(OH)3 + α + γ
(반응식 3) 2Al + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2↑+ 열(831.1kJ/mol)
그런데, 이러한 알칼리 수용액에 알루미늄(Al)을 용해시켜 수소를 발생시키는 방법은 알루미늄(Al) 표면에 산화물이 형성되어 부동태화(Passivation) 되고, 반응속도가 느리고, 강알칼리로 인한 부식성이 강해 취급하기 어렵고, 발열반응으로 인한 반응조절이 어려운 문제가 있다.
도 1 은 수산화나트륨(NaOH) 농도별 반응시간에 따른 수소 발생속도를 도시한 도면으로, 알루미늄(Al) 합금 1514를 30℃에서 0.5M부터 5M까지 수산화나트륨(NaOH)의 농도를 변화시키면서 수소발생 속도를 측정한 것이다.
도 1 을 참조해 보면, 알루미늄 합금의 성분에 따라 반응속도가 달라짐을 알 수 있다. 순수 알루미늄보다 합금이 반응속도가 빠르다. 따라서, 폐알루미늄을 바로 수소발생 재료로 사용할 수 있다.
0.5M부터 3.0M까지는 농도증가에 따라 수소발생 속도가 증가했으나, 3.5M 이상부터는 농도증가에 의한 속도 증가가 거의 없음을 볼 수 있다. 물질전달 즉, 촉매제인 수산화나트륨의 전달속도가 전체 반응속도에 중요한 역할을 한다. 물질전달은 농도구배가 구동력(Driving Force)이 된다.
농도구배가 일정한 값(예, 2.5M 정도) 이상이 되어 물질전달 속도가 표면 반응속도보다 빨라지면, 전체 반응속도는 물질전달이 좌우하는 게 아니라 표면 반응속도에 좌우된다.
표면 반응속도는 알루미늄 펠릿(Al Pellet)의 물리적 구조 외에 온도에 가장 큰 영향을 받는다. 따라서, 온도를 변화시키면 반응속도를 조절할 수 있다. 알루미늄(Al)이 용해되어 수소(H)가 발생하고, 수산화알루미늄(Al(OH)3)이 침전하면서 물 중의 산소(H2O)도 소모된다. 물이 계속 보충되지 않으면 물이 소모되어 수산화나트륨(NaOH) 농도는 증가한다.
도 2 는 온도별 수산화나트륨(NaOH) 농도에 따른 수소 발생속도를 도시한 도면이다. 도 2 를 참조해 보면, 온도가 상승할수록 수산화나트륨(NaOH) 농도 증가에 따른 수소 발생속도가 증가함을 알 수 있다.
온도상승에 따라 표면 반응속도가 빨라져 물질전달이 잘되는 높은 농도에서 수소 발생속도가 더욱더 빨라진다. 0.5M 농도에서는 30℃보다 75℃에서 수소발생 속도가 7.6배 높았으나, 5.0M에서는 16.6배로 급상승한다.
알루미늄(Al)의 알칼리 용해과정에서 부동태(Passivation)는 30~75℃, 0.5~5.0M에서는 발생하지 않는다. 따라서, 온도 범위는 60~70℃ 범위로 유지하는 것이 효율적이고, 이 온도를 유지하기 위해서는 발생열을 흡수하는 냉각과정이 필요하다.
위와 같은 알루미늄을 이용한 수소 발생시, 화학반응이 일어나는 반응기로 알루미늄(Al)과 함께 공기를 포함하는 이종 가스가 유입될 경우, 반응기 내에서 생성되는 수소의 순도가 떨어지는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명자는 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지할 수 있는 새로운 구조의 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치에 대한 연구를 하였다.
대한민국 등록특허 제10-0803074호(1408.02.04)
본 발명은 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지할 수 있는 새로운 구조의 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 반응 물질인 알루미늄(Al)과, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O)을 포함하는 원료들을 공급하는 원료 공급탱크(Resource Feed Tank)와; 원료 공급탱크에 의해 공급되는 원료들이 화학 반응하여 수소(H2)를 발생시키는 반응기(Reactor)와; 원료 공급탱크와 반응기 사이에 설치되어 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지하는 수소 순도 하락 방지부를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 수소 순도 하락 방지부가 대기압과 동일한 압력을 유지하되, 원료 공급탱크와 수직한 상태로 연결되는 저압력 구역 배관과; 저압력 상태의 저압력 구역 배관과 고압력 상태의 반응기 사이에서 압력 완충 기능을 수행하되, 반응기와 특정 각도로 기울어진 상태로 연결되어 반응기로의 이종 가스 유입을 방지하면서 반응기로 원료들을 공급하는 압력 완충 구역 배관과; 원료 공급탱크와 저압력 구역 배관 사이에 설치되는 제1공급 밸브와; 저압력 구역 배관과 압력 완충 구역 배관 사이에 설치되는 제2공급 밸브와; 압력 완충 구역 배관과 반응기 사이에 설치되는 제3공급 밸브를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 수소 순도 하락 방지부가 제2공급 밸브와 제3공급 밸브가 폐쇄된 상태에서 제1공급 밸브를 개방시켜 원료 공급탱크에 의해 공급되는 원료들을 저압력 구역 배관 내로 이송하고, 그 다음 제1공급 밸브를 폐쇄시키고 제2공급 밸브를 개방시켜 저압력 구역 배관 내의 원료들을 압력 완충 구역 배관 내로 이송하고, 그 다음 제2공급 밸브를 폐쇄시키고 제3공급 밸브를 개방시켜 압력 완충 구역 배관 내의 원료들을 반응기 내로 공급함으로써 이종 가스의 유입 없이 저압력 구역의 원료 공급탱크에서 공급되는 원료들을 고압력 구역인 반응기로 공급한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 수소 순도 하락 방지부가 특정 각도로 기울어진 상태의 압력 완충 구역 배관 내의 경사진 하부를 따라 원료들이 아래로 천천히 내려가는 동안 경사진 상부를 따라 이종 가스가 위로 올라감으로써 이종 가스의 유입 없이 반응기 내로 원료들을 공급한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 반응기가 반응기 내부를 교반하여 반응기 내부의 용액의 농도를 균일하게 유지시키는 동시에 열 교환 효과를 향상시켜 반응기 내부의 화학 반응 속도가 일정하게 유지되도록 하는 교반기(Agitator)와; 반응기 내부 하부에 설치되어 교반기에 의한 반응기 내부의 와류를 방지하는 메쉬 스크린(Mesh Screen)과; 반응기 내부 벽면을 따라 설치되어 반응기 내부의 화학 반응에 의해 발생하는 열을 흡수하여 반응기 내부 온도를 일정하게 유지시키는 냉각 코일(Cooling Coil)을 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 반응기가 반응기 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 하는 사이트 글래스(Sight Glass)를 더 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 원료 공급탱크가 물(H2O)을 공급하는 물 공급 탱크(Water Feed Tank)와; 알루미늄 펠릿을 공급하는 알루미늄 펠릿 공급 탱크(Aluminum Pellet Feed Tank)와; 촉매제인 수산화나트륨(NaOH)을 공급하는 촉매 공급 탱크(Catalyst Feed Tank)와; 물 공급 탱크에 의해 공급되는 물과, 알루미늄 펠릿 공급 탱크에 의해 공급되는 알루미늄 펠릿을 혼합하는 혼합 탱크(Mixing Tank)를 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 반응기에서 배출되는 가스로부터 수소 이외의 수용성 가스를 제거하는 수소 필터(Hydrogen Filter)와; 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출함으로써 수소발생 상황을 시각적으로 나타내는 불꽃 감지기와; 수소 필터에 의해 수용성 가스가 제거된 수소를 압축하는 압축기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 불꽃 감지기가 반응기와 압축기 사이에서 압력 완충역할을 하여 불균형을 완화시키는 완충탱크와; 완충탱크에서 압축기로 흡입되는 수소 가스량을 일정하게 유지시키는 밸브와; 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출시키는 불꽃 표시기를 포함할 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 압축기에 의해 압축된 수소에 포함된 이물질을 제거하는 수소 정제기와; 수소 정제기에 의해 정제된 수소를 저장하는 수소 완충 탱크(Hydrogen Buffer Tank)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지할 수 있으므로, 고순도의 수소를 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 수산화나트륨(NaOH) 농도별 반응시간에 따른 수소 발생속도를 도시한 도면이다.
도 2 는 온도별 수산화나트륨(NaOH) 농도에 따른 수소 발생속도를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 적용된 연료 전지 시스템을 예시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치의 불꽃 감지기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다. 도 3 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)는 원료 공급탱크(Resource Feed Tank)(110)와, 반응기(Reactor)(120)와, 수소 순도 하락 방지부(130)를 포함한다.
원료 공급탱크(110)는 반응 물질인 알루미늄(Al)과, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O)을 포함하는 원료들을 공급한다. 예컨대, 수소 생성 원료 즉, 반응 물질인 알루미늄(Al)은 5 내지 8mm 크기의 알갱이인 알루미늄 펠릿(Al Pellet) 형태로 공급될 수 있다.
한편, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH)은 알루미늄 드로스(Al Dross) 등과 같은 슬래그(Slag)가 발생되는 것을 방지하기 위해 공급되며, 물(H2O)은 수산화나트륨(NaOH) 수용액의 농도를 일정한 범위로 유지하기 위해 공급된다.
이 때, 수산화나트륨(NaOH)의 농도와, 반응 온도가 수소 발생 속도에 영향을 주는 요인이므로, 수소 발생량 및 반응 온도를 고려하여 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O)의 공급량을 조절하여 공급하는 것이 바람직하다.
예컨대, 원료 공급탱크(110)가 물(H2O)을 공급하는 물 공급 탱크(Water Feed Tank)(111)와, 알루미늄 펠릿을 공급하는 알루미늄 펠릿 공급 탱크(Aluminum Pellet Feed Tank)(112)와, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH)을 공급하는 촉매 공급 탱크(Catalyst Feed Tank)(113)와, 물 공급 탱크에 의해 공급되는 물과, 알루미늄 펠릿 공급 탱크에 의해 공급되는 알루미늄 펠릿을 혼합하는 혼합 탱크(Mixing Tank)(114)를 포함하도록 구현될 수 있다.
반응기(120)는 원료 공급탱크(110)에 의해 공급되는 원료들이 화학 반응하여 수소(H2)를 발생시킨다. 반응기(120) 내에서 반응 물질인 알루미늄(Al)과, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O) 등이 어우러져 상기한 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 반응식 1 내지 반응식 3과 같은 화학 반응이 일어난다.
이러한 화학 반응에 의해 반응기(120) 내에서 수소(H) 가스와, 침전물인 수산화알루미늄(Al(OH)3)이 발생하고, 수소 가스는 내부의 위쪽으로 상승하고, 침전물인 수산화알루미늄(Al(OH)3)은 반응기 내부 아래로 침전된다.
이 때, 알루미늄의 알칼리 용해과정에서 부동태(Passivation)가 생기는 현상 등과 같은 단점을 피하고 안정적인 제어를 하기 위하여 반응기(120) 내의 수산화나트륨(NaOH)의 농도는 3 내지 5Mol, 발열반응을 고려한 반응온도는 60 내지 70℃ 범위를 유지하도록 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O)의 공급량을 제어한다.
수소 순도 하락 방지부(130)는 원료 공급탱크(110)와 반응기(120) 사이에 설치되어 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지한다.
예컨대, 수소 순도 하락 방지부(130)가 저압력 구역 배관(131)과, 압력 완충 구역 배관(132)과, 제1공급 밸브(133)와, 제2공급 밸브(134)와, 제3공급 밸브(135)를 포함할 수 있다.
저압력 구역 배관(131)은 대기압과 동일한 압력을 유지하되, 원료 공급탱크(110)와 수직한 상태로 연결된다. 예컨대, 저압력 구역 배관(131) 일단은 원료 공급탱크(110)의 촉매 공급 탱크(113)와, 혼합 탱크(114)에 각각 연결되고, 타단은 압력 완충 구역 배관(132)과 연결되도록 구현될 수 있다.
압력 완충 구역 배관(132)은 저압력 상태의 저압력 구역 배관(131)과 고압력 상태의 반응기(120) 사이에서 압력 완충 기능을 수행하되, 반응기와 특정 각도로 기울어진 상태로 연결되어 반응기로의 이종 가스 유입을 방지하면서 반응기로 원료들을 공급한다.
제1공급 밸브(133)는 원료 공급탱크(110)와 저압력 구역 배관(131) 사이에 설치된다. 예컨대, 제1공급 밸브(133)가 자동 원격 제어 가능한 버터플라이밸브(Butterfly Valve) 또는 게이트밸브(Gate Valve)일 수 있다.
한편, 제1공급 밸브(133)가 촉매 공급 탱크(113)와 저압력 구역 배관(131) 사이 및 혼합 탱크(114)와 저압력 구역 배관(131) 사이 각각에 연결되도록 구현될 수 있다.
제2공급 밸브(134)는 저압력 구역 배관(131)과 압력 완충 구역 배관(132) 사이에 설치된다. 예컨대, 제2공급 밸브(134)가 자동 원격 제어 가능한 게이트밸브(Gate Valve)일 수 있다.
제3공급 밸브(135)는 압력 완충 구역 배관(132)과 반응기(120) 사이에 설치된다. 예컨대, 제3공급 밸브(135)가 자동 원격 제어 가능한 게이트밸브(Gate Valve)일 수 있다.
이 때, 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단하기 위한 수소 순도 하락 방지부(130) 동작은 다음과 같다. 먼저, 제2공급 밸브(134)와 제3공급 밸브(135)가 폐쇄된 상태에서 제1공급 밸브(133)를 개방시켜 원료 공급탱크(110)에 의해 공급되는 원료들을 저압력 구역 배관(131) 내로 이송한다.
그 다음, 제1공급 밸브(133)를 폐쇄시키고 제2공급 밸브(134)를 개방시켜 저압력 구역 배관(131) 내의 원료들을 압력 완충 구역 배관(132) 내로 이송한다. 그 다음 제2공급 밸브(134)를 폐쇄시키고 제3공급 밸브(135)를 개방시켜 압력 완충 구역 배관(132) 내의 원료들을 반응기(120) 내로 공급한다.
이 과정에서 특정 각도로 기울어진 상태의 압력 완충 구역 배관(132) 내의 경사진 하부를 따라 원료들이 아래로 천천히 내려가는 동안 경사진 상부를 따라 이종 가스가 위로 올라감으로써 이종 가스의 유입 없이 반응기(120) 내로 원료들을 공급하게 된다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 저압력 구역의 원료 공급탱크에서 공급되는 원료들을 고압력 구역인 반응기로 공급하는 과정에서 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지할 수 있으므로, 고순도의 수소를 생성할 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 반응기(120)가 교반기(Agitator)(121)와, 메쉬 스크린(Mesh Screen)(122)과, 냉각 코일(Cooling Coil)(123)을 포함할 수 있다.
교반기(Agitator)(121)는 반응기(120) 내부를 교반하여 반응기 내부의 용액의 농도를 균일하게 유지시키는 동시에 열 교환 효과를 향상시켜 반응기 내부의 화학 반응 속도가 일정하게 유지되도록 한다.
예컨대, 교반기(121)가 물(H2O)에 촉매제인 수산화나트륨(NaOH)이 수용된 알칼리 수용액이 용이하게 빠져나갈 수 있는 다수의 홈들이 천공되어 교반 효과가 우수한 동시에 회전 부하를 줄일 수 있는 회전 날개 형태로 구현될 수 있다.
메쉬 스크린(Mesh Screen)(122)은 반응기(120) 내부 하부에 설치되어 교반기(121)에 의한 반응기 내부의 와류를 방지한다. 예컨대, 메쉬 스크린(122)이 알루미늄 펠릿이 통과하지 않을 정도의 다수의 홈이 천공되어 교반기(121)의 회전에 의한 와류를 방지하는 동시에 화학 반응에 의해 생성되는 침전물인 수산화알루미늄(Al(OH)3)이 비중차에 의해 쉽게 침전될 수 있도록 하는 그물망 형태로 구현될 수 있다.
냉각 코일(Cooling Coil)(123)은 반응기(120) 내부 벽면을 따라 설치되어 반응기 내부의 화학 반응에 의해 발생하는 열을 흡수하여 반응기 내부 온도를 일정하게 유지시킨다.
수산화나트륨(NaOH)이 수용된 알칼리 수용액 속에 알루미늄 펠릿을 화학 반응시켜 수소를 발생시키는 화학반응은 발열반응이므로, 반응기(120) 내부의 온도가 점점 상승하게 되는데, 반응기(120) 내부 벽면을 따라 설치되는 냉각 코일(123)을 통해 반응기 내부의 열을 흡수하여 외부로 열교환시켜 냉각시킴으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지시킨다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 반응기(120)가 사이트 글래스(Sight Glass)(124)를 더 포함할 수 있다. 사이트 글래스(Sight Glass)(124)는 반응기(120) 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 한다.
사이트 글래스(124)를 통해 사용자는 반응기(120) 내부의 수산화나트륨 용액량, 침전물인 수산화알루미늄 용액량 및 발생한 수소량 등을 눈으로 쉽게 확인할 수 있다.
예컨대, 사이트 글래스(124)가 반응기 내부의 3개의 영역(수산화알루미늄 침전액 영역, 수산화나트륨 용액 영역, 발생한 수소가스 영역)과 밸브를 통해 연결되도록 구현될 수 있다.
한편, 사이트 글래스(124)가 반응기 내부의 3개의 영역 각각의 수위 레벨을 나타내기 위한 액위표시기(Level Indicator)(124a) 및 광검출기(Photo Detector)(124b)를 포함할 수도 있다. 예컨대, 액위표시기가 부유식 표시기일 수 있고, 광검출기(Photo Detector)를 이용하여 무접촉으로 각각의 액위를 측정하도록 구현될 수도 있다.
도 4 는 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 적용된 연료 전지 시스템을 예시한 도면이다. 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)는 수소 필터(140)와, 불꽃 감지기(150)와, 압축기(160)와, 수소 정제기(170)와, 수소 완충 탱크(180)를 더 포함한다.
한편, 연료 전지 시스템은 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)와, 수소 봄베(200)와, 수소 연료 전지(300)와 전기 부하 장치(400) 및 인버터(Inverter)(500)를 포함한다.
수소 필터(Hydrogen Filter)(140)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 반응기(120)에서 배출되는 가스로부터 수소 이외의 수용성 가스를 제거한다. 예컨대, 수소 필터(140)가 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)에 의해 생성된 수소 가스를 순수한 물에 통과시켜 수소 이외의 수용성 가스를 제거하도록 구현될 수 있다.
불꽃 감지기(Flame Indicator)(150)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)에 의해 생성되는 수소량과, 압축기(160)로 입력되는 수소량 사이의 불균형을 완화시키는 동시에, 수소 필터(140)에 의해 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출함으로써 수소발생 상황을 시각적으로 나타낸다.
알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)에 의해 생성되는 수소량은 일정하지 않고 불규칙적인 반면, 압축기(160)로 흡입되는 수소량은 일정하게 유지되기 때문에 불꽃 감지기(Flame Indicator)(150)가 이 사이에 완충역할을 하여 불균형을 완화시킴으로써 연속동작이 가능하도록 한다.
도 5 는 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치의 불꽃 감지기의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다. 도 5 에 도시한 바와 같이, 불꽃 감지기(150)가 반응기(120)와 압축기(160) 사이에서 압력 완충역할을 하여 불균형을 완화시키는 완충탱크(151)와, 완충탱크에서 압축기로 흡입되는 수소 가스량을 일정하게 유지시키는 유량 조절 밸브(152a)(152b)와, 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출시키는 불꽃 표시기(153)를 포함할 수 있다.
이 때, 완충탱크(151)의 상부 양측에 유량 조절 밸브(152a)(152b)가 위치하도록 설치하고, 완충탱크(151) 저부에 드레인 밸브(154)가 위치하도록 설치하고, 완충탱크(151) 보다 높은 위치로 설치되는 불꽃 표시기(153)와 완충탱크(151) 저부를 가스 배관(155)과 역지 밸브(156)를 통해 연결되도록 구현될 수 있다.
한편, 불꽃 감지기(150)는 완충탱크(151)에서 압축기(160)로 흡입되는 가스량을 일정하게 유지할 수 있도록 유량 조절 밸브(152a)(152b)를 조정하여 압축기(160)의 흡입 부압이 직접 완충탱크(151)에 미치지 않도록 하여 압력맥동현상을 일으키지 않도록 하고, 완충탱크(151)의 압력을 압축기(160)의 ON/OFF 제어신호로 제어하도록 구현될 수 있다.
한편, 불꽃 표시기(153)는 수소 필터(140)에 의해 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출함으로써 수소발생 상황을 시각적으로 나타냄으로써 사용자가 외부에서 수소발생 상황을 인지할 수 있도록 한다.
반응기(120)가 작동하여 수소가 발생하기 시작하면 불순물(산소나 질소 등)과 수소 가스가 섞여 나오기 시작하고, 수소는 비중이 낮기때문에 가벼워서 완충탱크(151) 위로 모이고, 산소나 질소 등의 이종 가스는 완충탱크(151) 아래쪽부터 채우기 때문에 가스 배관(155)과 역지 밸브(156)를 통해 이종 가스 먼저 불꽃 표시기(153)로 배출되면서 불규칙적인 불꽃을 발생하면서 타기 시작하다가 점차 불순물이 배제되고 수소가 대부분을 차지하면 안정적으로 불꽃이 타기 시작하여 수소 발생상태를 시각적으로 나타내게 된다.
따라서, 불꽃 표시기(153)에 의해 표시되는 불꽃 발생 상황에 따라 가스 배관(155)을 통해 배출되는 가스가 이종 가스인지 아니면 수소 가스인지 쉽게 확인할 수 있다. 한편, 불꽃 표시기(153) 내부에 니크롬선 등으로 만든 축열코일(153a)을 설치하여 축열코일이 가열되어 열을 함유함으로써 가스발생이 불규칙하거나 이종가스가 섞여 불안정한 흐름이라 하더라도 불꽃이 꺼지지 않고 안정화시키도록 구현될 수도 있다.
압축기(Compressor)(160)는 수소 필터(140)에 의해 수용성 가스가 제거된 수소를 압축한다. 예컨대, 압축기(160)가 10BAR 정도의 저압으로 수소를 압축하도록 구현될 수 있다.
한편, 압축기(160)의 흡입부압을 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)와 수소 필터(140) 등에 신호하여 효과적으로 수소 가스가 생성 및 이송되도록 구현될 수 있다.
수소 정제기(Hydrogen Purifier)(170)는 압축기(160)에 의해 압축된 수소에 포함된 이물질을 제거한다. 예컨대, 수소 정제기(170)가 중공섬유 멤브레인을 포함하여, 수소에 포함된 이물질을 제거하도록 구현될 수 있다.
수소 완충 탱크(Hydrogen Buffer Tank)(180)는 수소 정제기(170)에 의해 정제된 수소를 저장하되, 수소 정제기(170)에 의해 정제된 수소량과, 연료 전지(300)로 입력되는 수소량 사이의 불균형을 완화시켜 연료 전지(300)로 입력되는 수소량을 일정하게 유지시키는 완충역할을 한다. 예컨대, 수소 완충 탱크(180)의 압력은 5~10BAR 정도의 저압탱크로 설계하되 최고 내압은 15BAR 정도일 수 있다.
연료 전지 시스템의 수소 봄베(Hydrogen Bombe)(200)는 비상용의 고순도 수소를 충전하여 저장하며, 비상시 수소 봄베(200)에 저장된 비상용의 고순도 수소를 연료 전지(300)로 공급한다. 수소 완충 탱크(180)에 의해 연료 전지(300)로 입력되는 수소의 공급에 이상이 있을 때, 수소 봄베(200)가 비상용의 고순도 수소를 연료 전지(300)로 공급한다.
연료 전지 시스템의 수소 연료 전지(Hydrogen Fuel Cell)(300)는 수소 완충 탱크(180) 또는 수소 봄베(200)로부터 공급되는 수소가 블로워(Blower)(도면 도시 생략)로부터 공급되는 산소와 반응하여 물이 되는 화학반응(2H2 + O2 → H2O)을 통해 전자가 산화전극(anode)에서 환원전극(cathode)으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시킨다. 이 때, 블로워(Blower)가 산소 공급 역할 외에 수소 연료 전지 스택의 냉각 역할을 겸할 수 있다.
연료 전지 시스템의 전기 부하 장치(400)는 수소 연료 전지(300)에 의해 발생되는 전기 에너지를 소모한다. 예컨대, 전기 부하 장치(400)가 전기 에너지로부터 빛 에너지를 생성하는 LED 또는 전기 에너지로부터 운동 에너지를 생성하는 모터 등일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
인버터(Inverter)(500)는 수소 연료 전지(300)에 의해 생산된 직류 전기 에너지를 교류 전기 에너지로 변환하여, 교류 모터 등과 같은 교류 구동되는 전기 부하 장치(400)로 공급한다.
한편, 본 발명에 따른 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가 침전물 저장 탱크(Sediment Storage Tank)(190)와, 냉각기(Chiller)(192)와, 물 저장 탱크(Water Storage Tank)(194) 및 제어 장치(Controller)(196)를 더 포함할 수 있다.
침전물 저장 탱크(Sediment Storage Tank)(190)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 반응기(120)에서 수소 발생시 생성되는 주요 침전물인 수산화알루미늄(Al(OH)3)과, 그 외 침전물들을 분리하여 저장한다. 이 때, 침전물 저장 탱크(190)에 저장되는 침전물들은 수거되어 폐기된다.
냉각기(Chiller)(192)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 반응기(120)에서 발생하는 열을 흡수 또는 회수하여 반응기 온도를 60~70℃로 유지시킨다. 이 때, 필요에 따라 냉각기(192)를 폐열 회수장치(Waste Heat Recovery)로 대체하여 발생열을 재사용할 수 있도록 구현될 수도 있다.
물 저장 탱크(Water Storage Tank)(194)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 원료 공급탱크(110)로 공급되는 물을 저장한다. 물 저장 탱크(194)에 저장되는 물은 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 원료 공급탱크로 공급되고, 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 반응기로 공급된다.
제어 장치(Controller)(196)는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)의 동작 제어를 포함하는 장치 전반을 제어한다. 한편, 제어 장치(196)가 연료 전지 시스템 전반을 제어할 수도 있다.
예컨대, 제어 장치(196)가 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치(100)에 의해 발생되는 수소의 연속 발생 및 이송 제어, 각종 운전상황 모니터링 제어 등을 수행하도록 구현될 수 있다.
이와 같이 구현함에 의해 본 발명은 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치를 연료 전지 시스템에 적용하여 수소로부터 전기 에너지를 생산하고, 전기 에너지를 빛 에너지나 운동 에너지 등으로 변환하여 전기 부하 장치를 구동하는 에너지원으로 사용할 수 있다.
본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 화학 반응을 이용해 수소 가스를 발생시키는 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치
110 : 원료 공급탱크
111 : 물 공급 탱크
112 : 알루미늄 펠릿 공급 탱크
113 : 촉매 공급 탱크
114 : 혼합 탱크
120 : 반응기
121 : 교반기
122 : 메쉬 스크린
123 : 냉각 코일
124 : 사이트 글래스
124a : 액위표시기
124b : 광검출기
130 : 수소 순도 하락 방지부
131 : 저압력 구역 배관
132 : 압력 완충 구역 배관
133 : 제1공급 밸브
134 : 제2공급 밸브
135 : 제3공급 밸브
140 : 수소 필터
150 : 불꽃 감지기
151 : 완충탱크
152a, 152b : 유량 조절 밸브
153 : 불꽃 표시기
153a : 축열코일
154 : 드레인 밸브
155 : 가스 배관
156 : 역지 밸브
160 : 압축기
170 : 수소 정제기
180 : 수소 완충 탱크
190 : 침전물 저장 탱크
192 : 냉각기
194 : 물 저장 탱크
196 : 제어 장치
200 : 수소 봄베
300 : 수소 연료 전지
400 : 전기 부하 장치
500 : 인버터

Claims (10)

  1. 반응 물질인 알루미늄(Al)과, 촉매제인 수산화나트륨(NaOH) 및 물(H2O)을 포함하는 원료들을 공급하는 원료 공급탱크(Resource Feed Tank)와;
    원료 공급탱크에 의해 공급되는 원료들이 화학 반응하여 수소(H2)를 발생시키는 반응기(Reactor)와;
    원료 공급탱크와 반응기 사이에 설치되어 반응기로의 공기를 포함하는 이종 가스 유입을 차단함으로써 이종 가스에 의한 수소 순도 하락을 방지하는 수소 순도 하락 방지부와;
    반응기에서 배출되는 가스로부터 수소 이외의 수용성 가스를 제거하는 수소 필터(Hydrogen Filter)와;
    수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출함으로써 수소발생 상황을 시각적으로 나타내되, 반응기와 압축기 사이에서 압력 완충역할을 하여 불균형을 완화시키는 완충탱크와, 완충탱크에서 압축기로 흡입되는 수소 가스량을 일정하게 유지시키는 밸브와, 수용성 가스가 제거된 수소의 일부를 연소시켜 방출시키는 불꽃 표시기를 포함하는 불꽃 감지기와;
    수소 필터에 의해 수용성 가스가 제거된 수소를 압축하는 압축기를;
    포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수소 순도 하락 방지부가:
    대기압과 동일한 압력을 유지하되, 원료 공급탱크와 수직한 상태로 연결되는 저압력 구역 배관과;
    저압력 상태의 저압력 구역 배관과 고압력 상태의 반응기 사이에서 압력 완충 기능을 수행하되, 반응기와 특정 각도로 기울어진 상태로 연결되어 반응기로의 이종 가스 유입을 방지하면서 반응기로 원료들을 공급하는 압력 완충 구역 배관과;
    원료 공급탱크와 저압력 구역 배관 사이에 설치되는 제1공급 밸브와;
    저압력 구역 배관과 압력 완충 구역 배관 사이에 설치되는 제2공급 밸브와;
    압력 완충 구역 배관과 반응기 사이에 설치되는 제3공급 밸브를;
    포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    수소 순도 하락 방지부가:
    제2공급 밸브와 제3공급 밸브가 폐쇄된 상태에서 제1공급 밸브를 개방시켜 원료 공급탱크에 의해 공급되는 원료들을 저압력 구역 배관 내로 이송하고, 그 다음 제1공급 밸브를 폐쇄시키고 제2공급 밸브를 개방시켜 저압력 구역 배관 내의 원료들을 압력 완충 구역 배관 내로 이송하고, 그 다음 제2공급 밸브를 폐쇄시키고 제3공급 밸브를 개방시켜 압력 완충 구역 배관 내의 원료들을 반응기 내로 공급함으로써 이종 가스의 유입 없이 저압력 구역의 원료 공급탱크에서 공급되는 원료들을 고압력 구역인 반응기로 공급하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    수소 순도 하락 방지부가:
    특정 각도로 기울어진 상태의 압력 완충 구역 배관 내의 경사진 하부를 따라 원료들이 아래로 천천히 내려가는 동안 경사진 상부를 따라 이종 가스가 위로 올라감으로써 이종 가스의 유입 없이 반응기 내로 원료들을 공급하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    반응기가:
    반응기 내부를 교반하여 반응기 내부의 용액의 농도를 균일하게 유지시키는 동시에 열 교환 효과를 향상시켜 반응기 내부의 화학 반응 속도가 일정하게 유지되도록 하는 교반기(Agitator)와;
    반응기 내부 하부에 설치되어 교반기에 의한 반응기 내부의 와류를 방지하는 메쉬 스크린(Mesh Screen)과;
    반응기 내부 벽면을 따라 설치되어 반응기 내부의 화학 반응에 의해 발생하는 열을 흡수하여 반응기 내부 온도를 일정하게 유지시키는 냉각 코일(Cooling Coil)을;
    포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    반응기가:
    반응기 내부 상태를 육안으로 확인할 수 있도록 하는 사이트 글래스(Sight Glass)를;
    더 포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    원료 공급탱크가:
    물(H2O)을 공급하는 물 공급 탱크(Water Feed Tank)와;
    알루미늄 펠릿을 공급하는 알루미늄 펠릿 공급 탱크(Aluminum Pellet Feed Tank)와;
    촉매제인 수산화나트륨(NaOH)을 공급하는 촉매 공급 탱크(Catalyst Feed Tank)와;
    물 공급 탱크에 의해 공급되는 물과, 알루미늄 펠릿 공급 탱크에 의해 공급되는 알루미늄 펠릿을 혼합하는 혼합 탱크(Mixing Tank)를;
    포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치가:
    압축기에 의해 압축된 수소에 포함된 이물질을 제거하는 수소 정제기와;
    수소 정제기에 의해 정제된 수소를 저장하는 수소 완충 탱크(Hydrogen Buffer Tank)를;
    더 포함하는 알루미늄을 이용한 연속방식 수소발생장치.
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