KR102483101B1

KR102483101B1 - 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템

Info

Publication number: KR102483101B1
Application number: KR1020200185163A
Authority: KR
Inventors: 윤형철; 정운호; 장진영; 우영민; 조강희; 김선형; 주형국
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2023-01-02
Also published as: KR20220093960A

Abstract

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 암모니아 분해 반응 시 국부적인 콜드존 형성을 방지하여 열분해 효율이 높은 효과가 있으며, 외부로부터 추가적인 열원 및 촉매의 공급 없이도 암모니아 연료를 10 부피% 이상의 수소를 함유한 암모니아-수소 혼합 연료로 전환하여 사용하는 높은 열효율을 가지며, 컴팩트하게 장치 구성이 가능하여 소형화 가능한 효과가 있다.

Description

암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템{Combustion system using ammonia decomposition reaction}

본 발명은 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템에 관한 것이다.

암모니아는 질소(N)와 수소(H)로 이뤄져 있으며, 화석연료의 가격이 상승하고, 이산화탄소 규제가 강화되고 있음에 따라 차세대 에너지로 떠오를 가능성이 높은 연료이다. 특히 암모니아는 내연기관을 뼈대로 한 기존 수송수단의 대체 연료로 사용 가능한 이점이 있다. 즉, 암모니아가 이송수단의 대체 연료로 주목받는 것은 무엇보다도 기존 내연기관을 재활용할 수 있다는 것이다. 또한 암모니아를 연료로 한 이송수단은 폭발 위험성이나 독성 문제도 다른 연료와 비교하여 심하지 않다.

암모니아를 내연기관의 연료로 효율적으로 사용하기 위해서는, 암모니아를 먼저 열분해하여 수소를 생성하고, 이 수소와 미반응 암모니아를 포함하는 연료를 내연기관을 통해 연소시키는 과정이 필요하다. 하지만 암모니아를 열분해하기 위해서는 열에너지가 많이 필요하며, 촉매를 사용하여 열분해 온도를 감소시킬 수 있으나, 촉매는 높은 가격을 형성하고 있기 때문에 효율적이지 못하다. 또한 암모니아는 흡열반응이기 때문에 열분해 시 주변 온도를 균일하게 유지하기 어려워 국부적인 콜드존이 생성되며, 이는 암모니아의 분해율을 급격하게 감소시키는 원인이 된다.

따라서 암모니아를 내연기관의 연료로 사용하는 것에 있어 암모니아의 열분해 시 필요한 열에너지를 최소화할 수 있는 암모니아 연소 시스템이 요구되고 있다.

한국공개특허 제10-2011-0089454호

본 발명의 목적은 암모니아 분해 반응 시 국부적인 콜드존 형성을 방지하여 열분해 효율이 높은 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 외부로부터 추가적인 열원 및 촉매의 공급 없이도 암모니아 연료를 10 부피% 이상의 수소를 함유한 암모니아-수소 혼합 연료로 전환하여 사용하는 높은 열효율을 가지는 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 탄소계 연료와 함께 사용 가능하여 암모니아-수소-탄화수소의 혼합 연료로서 사용 가능한 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 컴팩트하게 장치 구성이 가능하여 소형화 가능한 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은, 암모니아를 포함하는 제1 연료가 저장된 암모니아 연료탱크; 상기 제1 연료를 열분해 반응시켜 생성되는 수소와 미반응 암모니아를 포함하는 제2 연료로 전환하는 열분해 챔버; 및 상기 제2 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 내연기관;을 포함하며, 상기 열분해 챔버는, 제1 중공과 제2 중공으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제1 중공에 상기 제1 연료가 유입되어 열분해되고, 상기 제2 중공에 상기 배기가스가 유입되어 상기 격벽을 통해 상기 제1 연료와 상기 배기가스가 서로 열교환되며, 상기 제1 중공은, 상기 격벽과 연결되되 서로 이격하여 교차하는 다수의 블러프 바디(Bluff body)를 구비하여, 상기 제2 중공 내 배기가스의 열에너지를 상기 제1 중공 내 제1 연료에 균일하게 전달한다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제2 연료의 열에너지가 상기 제1 연료로 전달되는 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.

본 발명의 일 예에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 상기 제1 연료와 상기 제2 연료를 열교환하는 열교환부를 더 포함할 수 있으며, 상기 열교환부는, 제3 중공과 제4 중공으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제3 중공 및 상기 제4 중공에 각각 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료가 유동되어 격벽을 통해 열교환될 수 있으며, 상기 이중관인 열교환부의 일단부에서 제3 중공은 상기 제1 중공과 연결되어 제1 중공으로 상기 제1 연료가 유출될 수 있으며, 상기 이중관인 열교환부의 타단부에서 제4 중공은 상기 제1 중공과 연결되어 제1 중공으로부터 상기 제2 연료가 유입될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 열교환부는 제3 중공이 중심부로 제4 중공이 외면부로 형성되는 이중관인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.

본 발명의 일 예에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은, 냉각수 저장 탱크; 및 상기 제1 중공으로부터 유출되는 제2 연료와 상기 냉각수를 서로 열교환하는 냉각부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 냉각부에 의해 열교환된 제2 연료가 상기 제4 중공으로 유출될 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1 중공은 암모니아 분해용 촉매가 담지된 모노리스 폼 지지체를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 블러프 바디(Bluff body)의 표면은 암모니아 분해용 촉매가 코팅된 것일 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 열분해 챔버는 제1 중공이 중심부로 제2 중공이 외면부로 형성되는 이중관일 수 있다.

본 발명의 일 예에 있어서, 상기 열교환 챔버에서, 수소의 생산 수율이 10% 이상일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 탄화수소계 연료가 저장된 탄소계 연료탱크를 더 포함할 수 있으며, 상기 내연기관은 상기 제2 연료와 상기 탄화수소계 연료를 포함하는 혼합 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 암모니아 분해 반응 시 국부적인 콜드존 형성을 방지하여 열분해 효율이 높은 효과가 있다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 외부로부터 추가적인 열원 및 촉매의 공급 없이도 암모니아 연료를 10 부피% 이상의 수소를 함유한 암모니아-수소 혼합 연료로 전환하여 사용하는 높은 열효율을 가지는 효과가 있다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 탄소계 연료와 함께 사용 가능하여 암모니아-수소-탄화수소의 혼합 연료로서 사용 가능한 효과가 있다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 컴팩트하게 장치 구성이 가능하여 소형화 가능한 효과가 있다.

도 1은 제1 원료와 배기가스가 열교환되는 수단을 포함하는 연소 시스템의 개략적인 공정 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 이중관인 열교환 챔버의 제1 중공 내부가 나타날 수 있도록 이중관의 길이방향으로 단면을 친 도면이다.
도 3은 열반응 후의 제2 연료에 의한 제1 연료의 예열 수단과 예열된 제1 원료와 배기가스가 열교환되는 수단을 포함하는 연소 시스템의 개략적인 공정 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 열반응 후의 제2 연료에 의한 제1 연료의 예열 수단, 예열된 제1 원료와 배기가스가 열교환되는 수단 및 냉각부를 포함하는 연소 시스템의 개략적인 공정 흐름을 나타낸 도면이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템을 상세히 설명한다.

본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은, 암모니아(NH₃)를 포함하는 제1 연료가 저장된 암모니아 연료탱크(100); 상기 제1 연료를 열분해 반응시켜 생성되는 수소(H₂)와 미반응 암모니아를 포함하는 제2 연료로 전환하는 열분해 챔버(200); 및 상기 제2 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 내연기관(300);을 포함한다. 이때 상기 열분해 챔버(200)는, 제1 중공(210)과 제2 중공(220)으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제1 중공(210)에 상기 제1 연료가 유입되어 열분해되고, 상기 제2 중공(220)에 상기 배기가스가 유입되어 상기 격벽을 통해 상기 제1 연료와 상기 배기가스가 서로 열교환된다. 특히 상기 제1 중공(210)은, 상기 격벽과 연결되되 서로 이격하여 교차하는 다수의 블러프 바디(211)(Bluff body)를 구비하여, 상기 제2 중공(220) 내 배기가스의 열에너지를 상기 제1 중공(210) 내 제1 연료에 균일하게 전달한다.

즉, 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 내연기관(300)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 열분해 챔버(200)의 암모니아 열분해 반응에 사용하고, 이때 상기 배출가스의 열에너지를 열분해 챔버(200)의 중심부까지 전달할 수 있는 블러프 바디(211)가 열분해 챔버(200) 내부에 구비됨으로써 열분해 챔버(200)의 모든 영역에서 배출가스의 열에너지에 의한 암모니아의 열분해 반응이 일어날 수 있도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다.

도 1을 들어 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 암모니아 연료탱크(100)에 저장된 암모니아를 포함하는 제1 연료가 제1 중공(210)과 제2 중공(220)이 격벽을 중심으로 구획된 이중관인 열분해 챔버(200)로 유입되되, 상기 제1 중공(210)으로 유입된다. 암모니아는 열에너지를 충족하면 수소와 질소로 분해되며, 상기 제1 중공(210)은 암모니아를 포함하는 제1 연료가 열분해 반응하여 생성되는 수소 및 미반응 암모니아를 포함하는 제2 연료로 전환되는 열분해부이다. 상기 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)에서 제1 연료로부터 전환된 제2 연료는 수소를 포함함으로써 내연기관(300)에서 상기 제2 연료의 연소를 통해 높은 에너지 효율로 동력을 제공할 수 있다. 이때 제2 연료는 연소되면서 배출가스를 생성하며, 이 배출가스는 고온으로서 높은 열에너지를 가진다. 상기 열분해 챔버(200)에서 암모니아의 열분해반응은 흡열반응으로서 높은 열에너지를 필요로 하며, 요구 열에너지를 충족하지 않을 경우, 열분해에 의한 수소 생성 수율이 그만큼 감소하게 된다. 따라서 높은 에너지 효율로 동력을 생산하기 위해서는 암모니아의 열분해에 충분한 열에너지를 공급해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 내연기관(300)으로부터 발생하는 배기가스의 열에너지를 암모니아의 열분해에 이용하며, 특히 상기 배기가스의 열에너지가 영역 내 모든 암모니아에 전달되어 열분해할 수 있도록 다수의 블러프 바디(211)(Bluff body)가 사용된다.

상세하게, 제1 중공(210)과 제2 중공(220)이 격벽을 중심으로 구획된 이중관인 열분해 챔버(200)에서, 상기 배기가스는 상기 제2 중공(220)으로 유입되며, 상기 제2 중공(220)을 유동하는 배기가스는 상기 격벽을 통해 암모니아가 열분해하는 제1 중공(210) 내 암모니아를 포함하는 제1 연료와 열교환하여 암모니아의 온도를 증가시킨다. 이와 같이 격벽을 통해 열교환이 이루어지므로 격벽과 상대적으로 더 떨어진 제1 중공(210)의 중심부는 열전달이 원활하지 않을 수 있으나, 상기 격벽과 연결되되 서로 이격하여 교차하는 다수의 블러프 바디(211)가 상기 제1 중공(210) 내부에 구비됨으로써 제1 중공(210) 내 모든 영역에서 암모니아가 열분해 반응을 할 수 있도록 한다.

상기 제1 중공(210)에서, 블러프 바디(211)는 열전달이 용이할 수 있도록 열전도체 물질이라면 제한되지 않으며, 예를 들어 스테인레스 스틸 등의 금속, 산화알루미늄 등의 금속 산화물 등 다양한 것들이 사용될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 중공(210) 내에서 암모니아를 포함하는 제1 연료가 와류를 형성하여 유동할 수 있도록 다수의 블러프 바디(211)가 교차하여 형성된다. 구체적인 일 예로, 상기 블러프 바디(211)는 이중관인 열분해 챔버(200)의 격벽의 내주면의 원주에서 중심으로 돌출 형성되는 디스크(링) 형상의 제1 블러프 바디(211a)가 이중관인 열분해 챔버(200)의 길이 방향으로 복수 개가 서로 소정거리 이격하여 형성될 수 있다. 또한 상기 블러프 바디(211)는 이중관인 열분해 챔버(200)의 격벽의 내주면의 중심에서 격벽의 내주면의 원주로 형성되는 원판 형상의 제2 블러프 바디(211b)가 이중관인 열분해 챔버(200)의 길이 방향으로 복수 개가 서로 소정거리 이격하여 형성되되, 상기 제2 블러프 바디(211b)와 교차하여 형성될 수 있다. 이때 제1 블러프 바디(211a)와 제2 블러프바디(211b)도 이중관인 열분해 챔버(200)의 길이 방향으로 소정거리 이격하여 형성될 수 있다. 상기 제2 블러프 바디(211b)는 상기 격벽과 연결되어 격벽으로 전달되는 열에너지를 전달 받을 수 있도록 위치하며 되며, 예를 들어 이중관인 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)에 중심축이 위치하여 상기 중심축에 원판 형상의 제2 블러프 바디(211b)가 소정거리 이격하여 형성될 수 있다. 상기 중심축은 격벽으로부터 열에너지를 전달받을 수 있도록 관의 일단부 또는 타단부를 통해 격벽과 연결되어 있으면 무방하다.

상기 열분해 챔버(200)에서, 제1 중공(210)과 제2 중공(220)의 위치는 제1 중공(210)이 중심부로 제2 중공(220)이 외면부로 형성될 수도 있고, 제1 중공(210)이 외면부로 제2 중공(220)이 중심부로 형성될 수도 있다. 바람직하게는 열분해 반응이 일어나는 제1 중공(210)의 열에너지가 시스템의 외부로 빠져나가는 것을 최소화할 수 있도록 제1 중공(210)이 중심부로 제2 중공(220)이 외면부로 형성되는 것이 좋다.

보다 바람직한 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 열분해 챔버(200)에서 전환된 암모니아 및 수소를 포함하는 제2 연료가 갖는 높은 열에너지를 상기 열분해 챔버(200)에서 열분해 전의 제1 연료에 전달하여 예열함으로써, 열분해 챔버(200) 내에서 암모니아의 열분해 반응이 보다 잘 일어날 수 있도록 하는 효과가 있다. 상술한 바와 같이, 내연기관(300)에서 배출되는 배출가스의 열에너지를 블러프 바디(211)를 통해 암모니아의 열분해 시 콜드존 형성을 최소화할 수 있는 효과가 구현되지만, 본 발명이 제2 연료와 제1 연료의 열교환을 통한 제1 연료의 예열 수단을 더 포함할 경우, 저온의 제1 연료가 열분해 챔버(200)로 주입됨에 따라 순간적으로 열분해 효율이 저하될 수 있는 문제를 방지하여 콜드존 형성을 더 최소화할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 추가적인 외부의 열에너지 공급원 및 값비싼 암모니아 열분해용 촉매 없이도 암모니아의 열분해 반응에 요구되는 열에너지를 충분히 공급할 수 있어 높은 효율의 내연기관(300) 시스템을 제공할 수 있다. 하지만 이는 외부의 열에너지 공급원 및 값비싼 암모니아 열분해용 촉매 없이도 암모니아 내연기관(300) 시스템의 운용이 가능한 것을 설명한 것일 뿐, 외부의 열에너지 공급원 및 암모니아 열분해용 촉매가 더 사용되는 것 또한 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있음은 물론이다.

상기 제2 연료가 갖는 높은 열에너지를 상기 열분해 챔버(200)에서 열분해 전의 제1 연료에 전달하여 예열하는 구체적 수단으로, 바람직한 본 발명의 일 예에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 상기 제1 연료와 상기 제2 연료를 열교환하는 열교환부(400)를 더 포함할 수 있으며, 상기 열교환부(400)는, 제3 중공(310)과 제4 중공(320)으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제3 중공(310) 및 상기 제4 중공(320)에 각각 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료가 유동되어 격벽을 통해 열교환될 수 있으며, 상기 이중관인 열교환부(400)의 일단부에서 제3 중공(310)은 상기 제1 중공(210)과 연결되어 제1 중공(210)으로 상기 제1 연료가 유출될 수 있으며, 상기 이중관인 열교환부(400)의 타단부에서 제4 중공(320)은 상기 제1 중공(210)과 연결되어 제1 중공(210)으로부터 상기 제2 연료가 유입될 수 있다.

도 3을 들어 상기 제1 연료의 예열 수단을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)에서 열반응하여 배출되는 미반응 암모니아 및 수소를 포함하는 제2 연료는 제3 중공(310)과 제4 중공(320)이 격벽을 중심으로 구획된 이중관인 열교환부(400)로 유입되되, 상기 제4 중공(320)으로 유입된다. 그리고 상기 이중관인 열교환부(400)의 일단부에서 제4 중공(320)을 통해 상기 제2 연료가 배출되어 내연기관(300)으로 유입된다. 이때 상기 이중관인 열교환부(400)의 타단부에서 제4 중공(320)은 상기 제1 중공(210)과 연결되어 제1 중공(210)으로부터 상기 제2 연료가 유입된다. 제3 중공(310)의 일단부는 암모니아 연료탱크(100)로부터 암모니아를 포함하는 제1 연료가 유입되고, 제3 중공(310)을 유동하여 제3 중공(310)의 타단부를 통해 상기 제1 연료가 배출되면서 상기 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)으로 유입된다. 즉, 이중관인 열교환부(400)의 격벽을 통해 상대적으로 온도가 높은 제2 연료와 상대적으로 온도가 낮은 제1 연료가 서로 열교환하며, 이를 통해 열분해 반응 전 제1 연료는 예열되어 이후 열분해 챔버(200)에서 열분해에 요구되는 온도에 쉽게 다다를 수 있다.

이와 같이, 바람직한 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은, 연료의 흐름 경로로 볼 때 열반응 후의 제2 연료에 의한 제1 연료의 예열이 먼저 수행된 이후, 예열된 제1 원료와 배기가스가 열교환하는 것이 좋다. 배기가스에 의해 제1 연료의 예열이 먼저 수행된 이후, 예열된 제1 원료와 열반응 후의 제2 원료가 열교환할 경우, 열반응 챔버에서 제1 원료의 암모니아의 열반응에 필요한 열에너지의 충분한 확보가 어려울 수 있으며, 내연기관(300)으로 유입되는 제2 원료의 충분한 냉각 효과를 기대하지 못할 수도 있다.

상기 열교환부(400)에서, 제3 중공(310)과 제4 중공(320)의 위치는 제3 중공(310)이 중심부로 제4 중공(320)이 외면부로 형성될 수도 있고, 제3 중공(310)이 외면부로 제4 중공(320)이 중심부로 형성될 수도 있다. 바람직하게는 제3 중공(310)의 열에너지가 시스템의 외부로 빠져나가는 것을 최소화할 수 있도록 제3 중공(310)이 중심부로 제4 중공(320)이 외면부로 형성되는 것이 좋다.

전술한 바와 같이, 바람직한 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 열분해하여 생성된 수소를 포함하는 제2 연료의 열에너지를 이용하여 열분해 전의 제1 연료를 예열하는 효과도 있지만, 열분해 챔버(200)에서 열분해 반응에 의한 고온의 제2 연료를 열교환부(400)를 통해 저온의 제2 연료로 전환하여 내연기관(300) 연소실의 급격한 온도차에 의한 내구성 저하를 최소화할 수 있는 효과도 갖는다.

상기 제2 연료의 온도를 더 감소시킬 수 있는 일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은, 냉각수 저장 탱크; 및 상기 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)으로부터 유출되는 제2 연료와 상기 냉각수를 서로 열교환하는 냉각부(500);를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 냉각부(500)에 의해 열교환된 제2 연료는 상기 열교환부(400)의 제4 중공(320)으로 유출될 수 있다. 이를 통해 제2 연료의 온도를 더 감소시켜 내연기관(300)에 제2 연료를 공급함으로써 내연기관(300) 연소실의 급격한 온도차에 의한 내구성 저하를 최소화할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 추가적인 외부의 열에너지 공급원 및 값비싼 암모니아 열분해용 촉매 없이도 높은 효율의 내연기관(300) 시스템을 제공할 수 있으나, 본 발명은 경우에 따라 열분해 온도를 낮추기 위해 암모니아 열분해용 촉매가 더 사용될 수 있다. 특히 본 발명은 전술한 구성의 조합을 통해 암모니아 열분해용 촉매가 사용되더라도 촉매의 함량을 종래 대비 현저히 낮출 수 있다.

구체적인 일 예로, 상기 열분해 챔버(200)의 제1 중공(210)은 암모니아 분해용 촉매가 담지된 모노리스 폼 지지체를 더 구비할 수 있다. 촉매가 담지된 모노리스 폼 지지체가 사용될 경우, 세라믹 촉매 등에 비해 차압이 적고 선박엔진 과 같은 진동이 큰 경우에도 내구성이 강한 효과가 있다.

구체적인 일 예로, 상기 제1 중공(210) 내 블러프 바디(211)의 표면은 암모니아 분해용 촉매가 코팅된 것일 수 있다. 블러프 바디(211)에 의해 제1 원료는 유동 시 와류를 형성함으로써 단위 시간당 블러프 바디(211) 표면과의 접촉 확률 및 접촉량이 현저히 증가하므로, 블러프 바디(211) 표면에 촉매가 코팅되어 있을 경우, 적은 함량의 촉매가 사용되더라도 높은 효율로 암모니아의 열분해 온도를 낮출 수 있다.

상기 촉매는 암모니아의 열분해 온도를 감소시킬 수 있는 것이라면 무방하며, 예를 들어 γ-Al₂O₃ 촉매층 위에 RuO₂ 나노입자가 침지된 촉매 등을 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.

상기 열분해 챔버(200)에서 열분해 온도는 전술한 구성의 조합 또는 촉매의 사용 유무 등에 따라 다를 수 있으며, 일 예로 500℃ 이상, 구체적으로 500 내지 1,000℃에서 수행될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 전술한 수단의 조합을 통해 암모니아의 열분해 반응에 따른 수소의 생산 수율이 10% 이상일 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 탄화수소계 연료가 저장된 탄소계 연료탱크를 더 포함할 수 있으며, 상기 내연기관(300)은 상기 제2 연료와 상기 탄화수소계 연료를 포함하는 혼합 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 암모니아 또는 수소를 원료로 사용할 수 있지만, 이와 함께 탄소화수소계 연료, 예를 들어 휘발유, 디젤 등의 석유 연료도 사용될 수 있으며, 이때 상기 제2원료와 함께 혼합사용 또한 가능하다.

본 발명은 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템, 장치 또는 방법에 관한 것으로, 내연기관(300)의 구체적 구조 등 이미 널리 공지된 것들에 대해서는 발명의 본지를 흐리지 않도록 그 설명을 생략하며, 필요할 경우 공지문헌을 참고하면 무방하다.

100 : 암모니아 연료탱크, 200 : 열분해 챔버,
210 : 열분해 챔버의 제1 중공, 211 : 블러프 바디,
211a : 링형 블러프 바디, 211b : 원판형 블러프 바디
220 : 열분해 챔버의 제2 중공, 300 : 내연기관,
400 : 열교환부, 410 : 열교환부의 제3 중공,
420 : 열교환부의 제4 중공, 500 : 냉각부

Claims

암모니아를 포함하는 제1 연료가 저장된 암모니아 연료탱크(100);
상기 제1 연료를 열분해 반응시켜 생성되는 수소와 미반응 암모니아를 포함하는 제2 연료로 전환하는 열분해 챔버(200); 및
상기 제2 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 내연기관(300);을 포함하며,
상기 열분해 챔버(200)는, 제1 중공(210)과 제2 중공(220)으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제1 중공(210)에 상기 제1 연료가 유입되어 열분해되고, 상기 제2 중공(220)에 상기 배기가스가 유입되어 상기 격벽을 통해 상기 제1 연료와 상기 배기가스가 서로 열교환되며,
상기 제1 중공(210)은, 상기 격벽과 연결되되 서로 이격하여 교차하는 다수의 블러프 바디(211)를 구비하여, 상기 제2 중공(220) 내 배기가스의 열에너지를 상기 제1 중공(210) 내 제1 연료에 균일하게 전달하고,
상기 제2 연료의 열에너지가 상기 제1 연료로 전달되며,
상기 제1 연료와 상기 제2 연료를 열교환하는 열교환부(400)를 더 포함하고,
상기 열교환부(400)는, 제3 중공(410)과 제4 중공(420)으로 내부가 격벽을 중심으로 구획된 이중관이되, 상기 제3 중공(410) 및 상기 제4 중공(420)에 각각 상기 제1 연료 및 상기 제2 연료가 유동되어 격벽을 통해 열교환되며,
상기 이중관인 열교환부(400)의 일단부에서 제3 중공(410)은 상기 제1 중공(210)과 연결되어 제1 중공(210)으로 상기 제1 연료가 유출되고,
상기 이중관인 열교환부(400)의 타단부에서 제4 중공(420)은 상기 제1 중공(210)과 연결되어 제1 중공(210)으로부터 상기 제2 연료가 유입되는, 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 열교환부(400)는 제3 중공(410)이 중심부로 제4 중공(420)이 외면부로 형성되는 이중관인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
제1항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은,
냉각수 저장 탱크; 및
상기 제1 중공(210)으로부터 유출되는 제2 연료와 상기 냉각수를 서로 열교환하는 냉각부(500);를 더 포함하며,
상기 냉각부(500)에 의해 열교환된 제2 연료가 상기 제4 중공(420)으로 유출되는 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 중공(210)은 암모니아 분해용 촉매가 담지된 모노리스 폼 지지체를 더 구비하는 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
제1항에 있어서,
상기 블러프 바디(Bluff body)(211)의 표면은 암모니아 분해용 촉매가 코팅된 것인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열분해 챔버(200)는 제1 중공(210)이 중심부로 제2 중공(220)이 외면부로 형성되는 이중관인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
◈청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈

제1항에 있어서,
상기 열교환 챔버(200)에서, 수소의 생산 수율이 10% 이상인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.
제1항에 있어서,
암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템은 탄화수소계 연료가 저장된 탄소계 연료탱크를 더 포함하며,
상기 내연기관(300)은 상기 제2 연료와 상기 탄화수소계 연료를 포함하는 혼합 연료를 연소시켜 배기가스와 에너지를 생성하는 것인 암모니아 분해 반응을 통한 연소 시스템.