KR102526670B1 - 탈수소화반응모듈 및 상기 모듈이 탑재된 친환경 소형전기보트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 저장매체를 이용하여 친환경적으로 전기를 생산하는 기술에 관한 것으로 보다 구체적으로는 액상유기수소저장체로부터 탈수화반응을 통해 수소를 생산할 수 있는 탈수소화반응모듈 및 상기 탈수소화반응모듈이 생산한 수소를 이용하여 전기를 생산하고 이를 이동에 사용할 수 있도록 탈수소화반응모듈 탑재된 친환경 소형전기보트에 관한 것이다.

Description

탈수소화반응모듈 및 상기 모듈이 탑재된 친환경 소형전기보트{Environment- Friendly Electric Boat Equipped with H2 Evolution Module}
본 발명은 수소 저장매체를 이용하여 친환경적으로 전기를 생산하는 기술에 관한 것으로 보다 구체적으로는 액상유기수소저장체로부터 탈수화반응을 통해 수소를 생산할 수 있는 탈수소화반응모듈 및 상기 탈수소화반응모듈이 생산한 수소를 이용하여 전기를 생산하고 이를 이동에 사용할 수 있도록 탈수소화반응모듈 탑재된 친환경 소형전기보트에 관한 것이다.
수소 에너지는 지구상에서 활용할 수 있는 다양한 에너지원 중에서 단위 무게당 에너지 밀도(gravimetric energy density)가 매우 큰 에너지원으로서, 석유 기반의 가솔린이나 디젤에 비해서 단위 무게 당 에너지 밀도가 4-5배 이상에 해당될 정도로 큰 에너지를 가진 에너지원이다. 수소 에너지를 활용하기 위해서는 크게 3가지의 기술이 상호보완적으로 발전해야만 한다.
첫 번째 기술은 수소 생산 기술이며, 두 번째는 생산된 수소의 저장 및 운송에 관한 기술이고, 세 번째는 수소를 에너지원으로 활용하는 기술이다. 3가지의 주요 기술 중에서 수소의 저장 및 운송의 경우, 주로 수소를 고압으로 압축하여 저장하거나 액화기술을 활용하여 단열된 용기에 저장하는 기술이 주로 활용되고 있다.
그러나, 이러한 수소의 저장 방법을 활용할 경우, 대용량의 수소를 저장하여 운송하기가 어려울 뿐만 아니라, 압축 및 액화 과정에서 많은 양의 에너지 주입이 필수적이기 때문에, 수소를 저장하여 운송하는 데 있어서 경제성이 낮을 수 밖에 없다.
따라서, 수소를 저장하고 운송하는 새로운 기술이 필요하며, 그 중에서 최근 각광받고 있는 기술이 액상 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC)를 활용하여 수소를 저장하고, 수소가 저장된 액체 상태의 유기 분자를 기존의 액상 연료(휘발유 및 경유 등)를 저장하고 운송하는 인프라를 활용하여 저장하는 기술이 개발되고 있다.
한편, 수소를 생산하고 저장 및 운송하여 수소를 필요로 하는 곳에서 활용하는 방법에는 대표적으로 연료전지를 활용하여 전기를 생산하고 이를 동력으로 활용하는 기술이 있다. 이 기술에는 수소가 연료로 활용되며, 많은 양의 수소를 연료 전지에 지속적으로 공급할 수 있는 시스템이 필수적이다. 현재 우리 나라에서 운행 중인 수소 연료전지 자동차의 경우가, 이러한 기술을 토대로 만들어진 자동차이며, 이 수소 연료전지 자동차에는 200 기압 이상으로 가압되어 수소를 저장하고 있는 고압의 실린더가 탑재되어 있으며, 고압의 실린더에 수소를 저장하여 자동차에 탑재되어 있는 연료전지 시스템을 활용하여 전기를 생산하여 자동차를 운용할 수 있게 하는 시스템이다.
선박 및 보트의 경우 아직까지 연료전지를 활용한 전기선박이 개발되지 않았으며, 대형 선박의 경우 근해상에서 항만으로 접근할 때에는 저속으로 운행함에 따라 기존의 내연기관의 연료 활용 효율이 하락함은 물론, 이에 따른 엔진 효율의 저하로 인한 매연 배출량 증가 등 근해상에 환경오염을 촉진시키는 문제가 대두되고 있다. 이에 따라 선박 및 보트가 항만으로 접근함에 따라 저속으로 운행하면서 매연 배출을 줄일 수 있는 엔진기관을 장착한 하이브리드형 선박을 개발하기도 하였다.
이처럼 선박이나 보트에 전기로 구동할 수 있는 엔진을 단독으로 장착하거나, 또는 기존의 내연기관 엔진과 함께 운용할 수 있는 하이브리드형 전기 엔진을 장착하여 운용한다면, 에너지 문제 해결은 물론 환경오염 문제까지도 함께 해결할 수 있을 것으로 예상된다.
대한민국 특허공개번호 제10-2020-0041291호
본 발명자들은 다수 연구 노력결과 소형 전기보트 또는 대형 선박에 탑재되어 액상 유기 수소 저장체로부터 수소를 탈착하여 연료전지로 공급할 수 있는 탈수소화 반응 모듈을 개발함으로서 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 소형 전기보트 또는 대형 선박에 탑재되어 액상유기수소저장체로부터 수소를 탈착시킴으로써 수소를 생성하여 공급할 수 있는 탈수소화반응모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탈수소화반응모듈로부터 생산된 수소를 이용하여 전기를 생성하고 생성된 전기에너지를 저장하여 전기보트를 구동할 수 있는 구조의 친환경 소형전기보트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고압의 수소 실린더나 액화 수소 저장 시스템을 별도로 구축할 필요 없이 소형 내연기관 보트의 엔진룸을 대체할 수 있는 규격 또는 그 이하의 규격으로 제조될 수 있어 안전하고 친환경적으로 구동할 수 있는 탈수화반응모듈 및 이를 포함하는 친환경 전기보트를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 상세한 설명의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 목적 역시 당연히 포함될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액상유기수소저장체로부터 촉매를 이용한 탈수소화반응을 통해 수소를 생산하고 생산된 수소를 포집하는 수소생성 및 포집 유닛; 상기 탈수소화반응을 보조하는 비활성기체를 저장하고 탈수소화반응전에 상기 수소생성 및 포집 유닛을 상기 비활성기체로 퍼징하는 퍼징유닛; 및 상기 수소생성 및 포집 유닛 및 퍼징유닛을 제어하여 수소의 생산속도 및 생산량을 모니터링 및 조절하는 제어유닛;을 포함하는 탈수소화반응모듈을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소생성 및 포집유닛은 그 내부에 상기 촉매가 내장된 상태에서 상기 액상유기수소저장체가 공급되면 탈수소화반응을 진행시켜 수소를 생성하는 탈수소화반응기, 상기 탈수소화반응기를 가열하여 탈수화반응기 내부의 온도를 조절하는 가열기, 및 상기 탈수화반응기에서 생성된 수소를 포집하고, 반응 도중 상기 액상유기수소저장체의 증발을 막는 냉각응축기를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탈수소화반응기는 상기 액상유기수소저장체를 반응용기부로 이동시키는 공급부, 및 상기 촉매가 내장되어 있다가 상기 액상유기수소저장체가 공급되면 상기 촉매를 통한 탈수소화반응이 수행되는 반응용기부를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 액상유기수소저장체를 저장하는 저장탱크유닛을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가열기는 상기 탈수소화반응기의 반응용기부 하부를 감싸는 가열부; 를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 냉각응축기는 상기 탈수소화반응기의 반응용기부 상부에 연결되어 생성된 수소를 냉각시키는 냉각쿨러부 및 상기 냉각쿨러부와 연결되어 생성된 수소를 포집하여 저장하는 포집저장부를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 포집저장부는 상기 포집된 수소의 양을 부피로 측정하는 측정부재를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 촉매는 Pt-Al2O3, Pt-CeO2, Pd-Al2O3, Pd-CeO2로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 수소생성 및 포집유닛에서 누출된 수소를 감지하는 누출수소감지유닛을 더 포함하고, 상기 누출수소감지유닛에 의해 수소가 누출된 것이 감지되면 상기 제어유닛에 의해 상기 수소생성 및 포집유닛에서 일어나는 탈수소화반응이 중단된다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 탈수소화반응모듈을 이용한 수소생성 및 포집방법에 있어서, 제어유닛에 의해 퍼징유닛이 동작되어 수소 생성 및 포집유닛을 비활성기체로 퍼징시키는 퍼징단계; 수소 생성 및 포집유닛이 퍼징되는 상태에서 공급부가 상기 제어유닛에 의해 동작되어 반응용기부로 액상유기수소저장체를 공급하는 단계; 상기 제어유닛에 의해 반응용기부에서 상기 비활성기체가 환기되는 단계; 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 상승되면서 탈수소화 반응이 진행되는 수소생성단계; 상기 제어유닛에 의해 수소 발생 수율이 모니터링되면서 생성된 수소가 포집되어 저장되는 모니터링 및 저장단계; 및 상기 모니터링 결과에 따라 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 조절되어 수소발생 수율이 조절되는 단계; 를 포함하는 수소생성 및 포집방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 누출수소감지유닛에 의해 상기 수소 생성 및 포집유닛에서 수소가 누출된 것이 감지되면 상기 제어유닛에 의해 상기 수소생성 및 포집유닛에서 일어나는 탈수소화반응이 중단되는 단계가 더 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 모니터링 및 저장 단계는 상기 생성된 수소의 부피를 측정하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 탈수소화반응모듈; 상기 탈수소화반응모듈이 생산한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하여 ESS모듈에 저장하는 연료전지모듈; 및 상기 탈수소화반응모듈에 탈수소화반응을 일으킬 수 있는 일정한 구동력을 제공하고, 상기 연료전지모듈이 생산하는 전기에너지를 저장하며, 저장된 전기에너지를 이용하여 소형전기보트의 이동을 위한 구동력을 제공하는 ESS모듈;을 포함하는 친환경 소형전기보트를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 탈수소화반응모듈 및 상기 ESS모듈에 제공하는 전기에너지를 생성하는 태양전지모듈;을 더 포함한다.
상술된 본 발명의 탈수소화반응모듈에 의하면 특히 소형 전기보트에 탑재될 수 있는 비교적 작은 사이즈를 갖고 액상유기수소저장체로부터 수소를 탈착시킴으로써 수소를 생성하여 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 친환경 전기보트는 탈수소화반응모듈로부터 생산된 수소를 이용하여 전기를 생성하고 생성된 전기에너지를 저장하여 전기보트를 구동할 수 있는 구조를 갖는다.
또한, 본 발명의 탈수화반응모듈 및 이를 포함하는 친환경 전기보트에 의하면 고압의 수소 실린더나 액화 수소 저장 시스템을 별도로 구축할 필요 없이 소형 내연기관 보트의 엔진룸을 대체할 수 있는 규격 또는 그 이하의 규격으로 제조될 수 있어 안전하고 친환경적으로 구동할 수 있다.
본 발명의 이러한 기술적 효과들은 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응 모듈의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따라 탈수소화 반응 모듈을 제작하기 위한 3차원 설계도이고, 도 2b는 정면 설계도이며, 도 2c는 도 2a 및 도 2b의 설계도에 제작한 실제 탈수소화 반응 모듈의 정면 사진이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 탈수소화 반응 모듈의 우측 설계도이고, 도 3b는 좌측 설계도이며, 도 3c는 제작된 탈수소화 반응 모듈의 좌측에 위치한 퍼징유닛(비활성 기체(질소, 헬륨 등) 실린더 저장 공간)의 실제 사진이다.
도 4a는 도 2a 및 도 2b와 도 3a 및 도 3b의 설계도에 따라 제작한 실제 탈수소화 반응 모듈의 반응기 공간의 사진이며, 각각의 주요 구성 시스템을 표시하였다. 도 4b는 도 4a에 도시된 실제 탈수소화 반응 모듈의 반응기 공간에 설치되어 있는, 반응기 관련 주요 구성품의 사진이다. 도 4c는 도 4b에 도시된 실제 탈수소화 반응 모듈의 반응기 공간에 설치되어 있는, 수소 포집 뷰렛 및 수소 포집량 측정 저울의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 실제 탈수소화 반응 모듈을 활용하여 수소를 생산하는 모든 과정을 모니터링하고 있는 컴퓨터 모니터의 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성한 알루미나와 팔라듐이 담지된 알루미나의 X-선 회절, 질소 흡착 등온선, 투과전자현미경 분석 결과이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성한 세리아와 팔라듐이 담지된 세리아의 X-선 회절, 질소 흡착 등온선, 투과전자현미경 분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 실제 탈수소화 반응 모듈을 활용하여 알루미나(Al2O3)에 담지한 팔라듐 금속 나노입자 촉매(1, 3, 5 wt% Pd/Al2O3)를 활용해 액상 유기 수소 운반체 물질 중에 하나인 2-(n-methylcyclohexyl)piperidine으로부터 수소를 생산하는 과정을 시간에 따라 자동화된 시스템으로 모니터링한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 시간이 흘러감에 따라, 탈수소화 반응장치가 가열되면서 온도가 상승하고, 이에 따라 수소가 발생되는 양을 그래프로 보여주고 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 실제 탈수소화 반응 모듈을 활용하여 세리아(CeO2)에 담지한 팔라듐 금속 나노입자 촉매(1, 3, 5 wt% Pd/CeO2)를 활용해 액상 유기 수소 운반체 물질 중에 하나인 2-(n-methylcyclohexyl)piperidine으로부터 수소를 생산하는 과정을 시간에 따라 자동화된 시스템으로 모니터링한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 시간이 흘러감에 따라, 탈수소화 반응장치가 가열되면서 온도가 상승하고, 이에 따라 수소가 발생되는 양을 그래프로 보여주고 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성한 팔라듐이 5 wt% 담지된 알루미나와 세리아 촉매 각각의 재사용 결과이다. 총 4회의 재사용 실험을 통해 발생되는 수소 양의 결과를 보여주고 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 탈수소화반응모듈을 포함하는 소형전기보트에서 구동력의 발생과정을 보여주는 블록도이다.
본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 발명의 설명에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다. 특히, 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등이 사용되는 경우 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되는 것으로 해석될 수 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간 적 선후관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함한다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 기술적 특징은 고압의 수소실린더나 액화수소저장시스템을 별도로 구축할 필요 없이 소형 내연기관 보트의 엔진룸을 대체할 수 있는 규격 또는 그 이하의 규격으로 제조될 수 있어 안전하고 친환경적으로 구동할 수 있는 탈수화반응모듈 및 상기 탈수소화반응모듈로부터 생산된 수소를 이용하여 전기를 생성하고 생성된 전기에너지를 저장하여 전기보트를 구동할 수 있는 구조의 친환경 전기보트에 있다.
따라서, 본 발명의 소형전기보트 탑재용 탈수소화반응모듈은 액상유기수소저장체로부터 촉매를 이용한 탈수소화반응을 통해 수소를 생산하고 생산된 수소를 포집하는 수소생성 및 포집 유닛; 상기 탈수소화반응을 보조하는 비활성기체를 저장하고 탈수소화반응전에 상기 수소생성 및 포집 유닛을 상기 비활성기체로 퍼징하는 퍼징유닛; 및 상기 수소생성 및 포집 유닛 및 퍼징유닛을 제어하여 수소의 생산속도 및 생산량을 모니터링 및 조절하는 제어유닛;을 포함한다.
또한, 본 발명의 탈수소화반응모듈을 이용한 수소생성 및 포집방법은 제어유닛에 의해 퍼징유닛이 동작되어 수소 생성 및 포집유닛을 비활성기체로 퍼징시키는 퍼징단계; 수소 생성 및 포집유닛이 퍼징되는 상태에서 공급부가 상기 제어유닛에 의해 동작되어 반응용기부로 액상유기수소저장체를 공급하는 단계; 상기 제어유닛에 의해 반응용기부에서 상기 비활성기체가 환기되는 단계; 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 상승되면서 탈수소화 반응이 진행되는 수소생성단계; 상기 제어유닛에 의해 수소 발생 수율이 모니터링되면서 생성된 수소가 포집되어 저장되는 모니터링 및 저장단계; 및 상기 모니터링 결과에 따라 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 조절되어 수소발생 수율이 조절되는 단계;를 포함한다. 필요한 경우 누출수소감지유닛에 의해 상기 수소 생성 및 포집유닛에서 수소가 누출된 것이 감지되면 상기 제어유닛에 의해 상기 수소생성 및 포집유닛에서 일어나는 탈수소화반응이 중단되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 친환경 소형전기보트는 상기 탈수소화반응모듈이 생산한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하여 ESS모듈에 저장하는 연료전지모듈; 및 상기 탈수소화반응모듈에 탈수소화반응을 일으킬 수 있는 일정한 구동력을 제공하고, 상기 연료전지모듈이 생산하는 전기에너지를 저장하며, 저장된 전기에너지를 이용하여 소형전기보트의 이동을 위한 구동력을 제공하는 ESS모듈;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응모듈의 블록도가 도시된 도 1을 참조하면, 본 발명의 탈수소화반응모듈(100)은 수소생성 및 포집 유닛(110), 퍼징유닛(120) 및 제어유닛(130)을 포함한다. 필요한 경우 저장탱크유닛(140) 및 누출수소감지유닛(150)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 저장탱크유닛(140)은 액체유기수소저장체가 보관되는 장소로서 일반적인 연료통이 사용될 수 있으며, 누출수소감지유닛(150)은 수소를 감지할 수 있기만 하면 공지된 모든 구성이 채택될 수 있는데, 일 구현예로서 누출수소감지유닛(150)은 수소생성 및 포집유닛(110)의 내부 또는 수소생성 및 포집유닛(110)이 형성된 내부공간에 설치될 수 있다. 이와 같이 누출수소감지유닛(150)이 설치되면 탈수소화 반응에서 생성된 수소 가스가 수성생성 및 포집유닛(100) 외부로 누출될 경우 자동으로 탈수소화 반응을 멈출 수 있도록 제어유닛(130)에 의해 수소생성 및 포집 유닛(110)이 제어될 수 있다.
탈수소화반응모듈(100)은 수소생성 및 포집 유닛(110), 퍼징유닛(120) 및 제어유닛(130)을 포함하기만 하면 다양한 형태로 설계될 수 있는데, 일 구현예로서 도 2a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이 하우징은 알루미늄 등을 활용한 금속 프레임으로 견고하게 제작되고, 각 유닛을 보관하는 공간은 아크릴 도어로 내부를 확인하기 쉽게 제작될 수 있다.
도시된 바와 같이, 탈수소화반응모듈(100)의 하우징은 그 내부 공간 중 좌측의 1/3 공간에 해당하는 영역이 분리되어 퍼징유닛(120)이 배치되도록 형성되고, 중앙의 1/3 공간과 우측의 1/3 공간은 아크릴도어가 설치되어 그 내부에 설치되는 수소생성 및 포집유닛(110) 및 그 내부 또는 외부에 설치되는 제어유닛(130)을 관찰하기 용이하게 형성된다.
탈수소화반응모듈(100)의 하우징 상단부에는 도 2a에 도시된 바와 같이 배기구를 설치하여 탈수소화 반응과정에서 누출될 수 있는 수소의 빠른 배기를 도와줄 수 있다. 우측에는 도 3a에 도시된 바와 같이 외부로부터 냉각수가 진입하고 다시 배출될 수 있는 물관이 설치되어 있으며, 이를 통해 수소생성 및 포집 유닛(110)의 냉각 쿨러(컨덴서) 즉 냉각응축기(113)를 이용하여 반응 과정에서 증발하는 액상 유기 수소 운반체의 응축을 진행시킬 수 있게 한다.
도 3b 및 도 3c에 도시된 바와 같이 탈수소화반응모듈(100)의 좌측에는 퍼징유닛(120)이 설치되는데, 일 구현에로서 가스 실린더를 보관할 수 있는 저장 공간을 설치하고, 이 공간에는 수소생성 및 포집 유닛(110)에서 수행되는 탈수소화 반응 과정에서 수소생성 및 포집 유닛(110) 내부의 전처리를 위한 비활성 기체(질소, 헬륨 등)를 저장하는 가스 실린더를 설치하고, 수소생성 및 포집 유닛(110)과는 가스 라인으로 연결시켜 설치할 수 있다. 탈수소화반응모듈(100)의 구동을 위한 퍼징유닛(120)으로 비활성 기체 실린더를 포함하는 경우 일반적인 고압 실린더 규격인 41L 실린더를 최대 2개 장착할 수 있으며, 최대 2개의 실린더를 장착할 경우, 24시간 내내 탈수소화 반응 모듈을 작동시키더라도 약 6개월 정도의 사용이 가능한 양이다.
수소생성 및 포집 유닛(110)은 액상유기수소저장체로부터 촉매를 이용한 탈수소화반응을 통해 수소를 생산하고 생산된 수소를 포집하는 기능을 수행하는데, 탈수소화반응기(111), 가열기(112) 및 냉각응축기(113)를 포함할 수 있다.
탈수소화반응기(111)는 탈수소화반응이 일어나는 공간을 제공하는 구성요소로서, 공급부(111a) 및 반응용기부(111b)를 포함할 수 있다. 공급부(111a)는 액상유기수소저장체를 반응용기부(111b)로 이동시키는 역할을 수행하므로, 액상유기수소저장체가 저장된 저장탱크유닛(140)으로부터 반응용기부(111b)로 액상유기수소저장체를 공급할 수 있기만 하면 공지된 모든 구성이 채용될 수 있는데, 일 구현예로서 저장탱크유닛(140)과 반응용기부(111b)를 연결하도록 형성는 관상라인 및 관상라인을 통해 액상유기수소저장체를 이동시키는 구동력을 제공하는 이동요소가 포함될 수 있을 것이다. 반응용기부(111b)는 촉매를 내장하고 있다가 액상유기수소저장체가 공급되면 촉매를 통한 탈수소화반응이 수행되는 공간을 제공할 수 있기만 하면 공지된 모든 구성이 채용될 수 있다. 일 구현예로서 반응용기부(111b)는 진공이 유지될 수 있는 밀폐된 반응챔버일 수 있다.
가열기(112)는 탈수소화반응기(111)의 반응용기부(111b) 하부를 감싸는 가열부(112a)만 포함하거나 필요한 경우 가열부(112a)에 의해 가열된 반응용기부(111b) 내부의 온도를 조절하는 온도조절부를 더 포함할 수 있다.
냉각응축기(113)는 탈수소화반응기(111)의 반응용기부(111b) 상부에 연결되어 생성된 수소를 냉각시키는 냉각쿨러부(113a) 및 냉각쿨러부(113a)와 연결되어 생성된 수소를 포집하여 저장하는 포집저장부(113b)를 포함할 수 있다. 필요한 경우, 포집저장부(113b)는 포집된 수소의 양을 부피로 측정하는 측정부재를 더 포함할 수 있다.
수소생성 및 포집 유닛(110)은 탈수소화반응기(111)의 반응용기부(111b)에 대응하는 반응기를 중심으로 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같은 형태를 갖도록 실험적으로 구현될 수도 있다.
즉, 반응기의 상단부는 3-neck 형태로 설계되었는데, 1개는 퍼징유닛(120)에 의해 반응 전 질소로 환기하기 위한 질소 가스 주입구로 활용되고, 1개는 반응 과정에서 내부의 온도를 측정하기 위한 열전대(Thermocouple)가 장착되어 있으며, 나머지 1개는 냉각응축기(113)의 냉각쿨러부(113a, 컨덴서)와 연결되어 수소 기체는 통과하고 반응 과정에서 기화한 액상 유기 수소 운반체 물질들이 다시 응축되어 반응기로 환류될 수 있도록 돕는 장치가 설치되어 있다.
반응용기부(111b) 즉 반응기에서 반응이 일어나는 핵심 부분은 반응기 하단부인데, 하단부는 가열기(112)의 가열부(112a)에 해당하는 히팅맨틀이 감싸고 있으며, 히팅 맨틀은 온도조절부(112b)인 온도 컨트롤러에 연결될 수 있다. PID 온도 컨트롤러가 세밀하게 반응기 내부의 온도를 상승시킨다. 단열을 위해 알루미늄 호일 또는 기타 단열재로 감싸는 것이 가능하다. 반응은 주로 270℃까지 반응기 내부의 온도를 상승시키며 진행시키고, 후술하는 실험예와 같이 가열을 진행하는 과정에서 수소는 점차 생산되어, 270℃에 도달했을 때 최대 수소 생산 수율을 보여준다.
생산된 수소는 냉각쿨러부(113a)에 해당하는 냉각 쿨러를 통과하여 포집저장부(113b)에 대응하는 수소 포집용 뷰렛(4L 규모)에 포집시겨 저장할 수 있다. 필요한 경우, 포집저장부(113b)는 측정부재를 더 포함할 수 있는데, 측정부재는 도 4c에 도시된 바와 같이 뷰렛의 내부에 있는 미네랄 오일(Mineral oil)이 저울위에 올려져 있는 비커쪽으로 이동하고, 비커에 옮겨진 미네랄 오일의 무게를 측정하여 미네랄 오일의 밀도값을 활용하여 생성된 수소의 양을 부피로 계산해내는 방식으로 구현될 수 있다. 수소 포집용 뷰렛의 경우, 4L보다 더 큰 규모로도 확장이 가능하며, 확장 범위에 따라 수소 생산 및 저장량을 결정할 수 있다.
상술된 바와 같이 동작하는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 수소생성 및 포집 유닛(110)에 의한 모든 실험 과정 및 수소 포집량 측정 과정은 제어유닛(130)인 컴퓨터로 자동화 운용이 가능하며, 도 5에 도시된 바와 같이 제어유닛(130)을 통해 실시간으로 반응을 모니터링하며 수소 포집량을 체크할 수 있다.
상술된 구성을 갖는 본 발명의 탈수소화반응모듈(100)에서 반응용기부(111b)에 내장되어 사용되는 촉매는 액상유기수소저장체로부터 화학적으로 수소를 추출하는 탈수소화반응시 저온에서 높은 수소추출 속도를 보이면서 고온에서 촉매의 안정성을 담보할 수 있는 촉매이기만 하면 제한되지 않으나, 본 발명에서는 탈수소화반응모듈(100)의 특성상 촉매의 잦은 교체가 불가능한 점을 고려하여 고온에서 안정성이 우수한 촉매를 개발하였다. 특히 본 발명의 탈수소화반응모듈(100)에 사용되는 촉매는 후술하는 바와 같이 300~400℃에서 90분 내지 150분 동안 환원시킨 후 상온까지 냉각 시켜 사용될 수 있다.
실시예 1
본 발명의 탈수소화반응모듈(100)에서 탈수소화 반응은 팔라듐 계열의 금속 나노입자를 알루미나(Al2O3)에 담지한 촉매를 활용하였는데, 상기 촉매의 구체적인 합성 과정은 다음과 같다. 촉매 담체인 알루미나는 1.0 g의 P123를 에탄올 10.0 g에 녹인 후, 0.01 mol의 염화알루미늄을 첨가한 뒤 1 시간 동안 상온에서 강한 교반을 하였다. 그 혼합물을 페트리 접시에 옮긴 뒤 4일간 공기 중 40℃에서 겔화 시킨다. 만들어진 겔은 유기물을 제거하기 위해 400℃에서 공기가 흐르는 조건 하에 5 시간 동안 소성시킨다. 팔라듐이 담지된 촉매는 팔라듐의 함량을 조절하여 합성할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 1.0 g의 알루미나를 100 mL의 증류수에 분산 시킨 후 질산팔라듐(II) 2수화물을 팔라듐의 양이 각각 1, 3, 5 wt%만큼 되도록 추가하여 1 시간 동안 교반한다. 혼합물의 용매는 회전 증발기를 사용하여 증발시키고 100℃ 오븐에서 건조시킨다. 팔라듐이 담지된 촉매는 400℃에서 공기가 흐르는 조건 하에 4 시간 동안 소성시켜 각각 Pd가 1, 3, 5 wt% 담지된 Pd-Al2O3촉매 1 내지 3을 얻었다.
실시예 2
본 발명의 탈수소화반응모듈(100)에서 탈수소화 반응은 팔라듐 계열의 금속 나노입자를 세리아(CeO2)에 담지한 촉매를 활용하였는데, 상기 촉매의 구체적인 합성 과정은 다음과 같다. 촉매 담체인 세리아는 1.0 g의 질산세륨(III) 6수화물을 1.0 mL의 증류수에 용해시키고 1.0 mL의 아세트산과 30.0mL의 에틸렌글리콜을 추가한 뒤 잘 섞이도록 교반한다. 혼합물은 오토클레이브 셀로 옮긴 뒤 밀봉하여 180℃에서 240 분간 유지시킨다. 생성된 고체 물질은 원심분리기에서 10,000 rpm으로 10분간 분리시켜 회수한다. 생성물은 증류수와 에탄올을 사용하여 세척하고 80℃에서 건조시킨다. 그 후, 300℃에서 공기가 흐르는 조건 하에 4 시간 동안 소성시킨다. 팔라듐이 담지된 촉매는 팔라듐의 함량을 조절하여 합성할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 1.0 g의 세리아를 100 mL의 증류수에 분산 시킨 후 질산팔라듐(II) 2수화물을 팔라듐의 양이 각각 1, 3, 5 wt%만큼 되도록 추가하여 1 시간 동안 교반한다. 혼합물의 용매는 회전 증발기를 사용하여 증발시키고 100℃ 오븐에서 건조시킨다. 팔라듐이 담지된 촉매는 400℃에서 공기가 흐르는 조건 하에 4 시간 동안 소성시켜 각각 Pd가 1, 3, 5 wt% 담지된 Pd-CeO2촉매 1 내지 3을 얻었다.
실시예 3
도 3a 내지 도 4c에 도시된 구성을 갖는 탈수소화반응모듈을 활용하여 다음과 같이 수소를 생성하여 포집하였다.
1. 전처리 단계
실시예1 및 2에서 얻어진 촉매들을 연속 흐름 고정층 반응기에 유리솜을 깐 뒤 분말 형태의 촉매 0.16 g을 넣고 상압에서 아르곤(50mL min-1)과 수소(60mL min-1)를 흘리며 350℃에서 2시간 동안 환원시킨다. 상온까지 냉각 시킨 후, 탈수소화 반응기에 주입하였다.
2 퍼징단계
제어유닛에 의해 퍼징유닛이 동작되어 수소 생성 및 포집유닛을 비활성기체로 퍼징시켰다.
3. 액상유기수소저장체 공급단계
수소 생성 및 포집유닛이 퍼징되는 상태에서 공급부가 제어유닛에 의해 동작되어 반응용기부로 액상유기수소저장체를 공급하였다.
4. 비활성기체 환기단계
탈수소화반응기(111) 특히 반응용기부(111b) 내부가 제어유닛에 의해 비활성 기체(질소, 헬륨 등)로 3회 환기된 후, 반응을 시작하였다.
5. 수소생성 단계
제어유닛에 의해 온도조절부가 동작되어 반응용기부의 하단부를 감싸서 설치된 가열부의 온도가 상온에서부터 270℃까지 상승되고, 이에 따라 가열부로 감싸져 있는 반응용기부 내부의 온도가 상승하여 액상유기수소저장체로부터 탈수소화 반응이 내장된 촉매를 활용하여 효율적으로 진행되면서 수소를 생성하였다.
6. 모니터링 및 저장단계
탈수소화 반응이 진행되어 수소가 생성되면, 제어유닛에 의해 실시간 모니터링되면서 생성된 수소가 포집되어 저장된다. 이 때 발생한 수소는 뷰렛을 활용하여 포집한다. 필요한 경우 수소의 생산량은 저울로 뷰렛으로부터 밀려져 나온 미네랄 오일의 양을 무게로 측정하여, 미네랄 오일의 밀도(0.838 g/cm3)를 활용하여 역으로 수소의 부피를 계산할 수 있다. 수소의 생산량도 역시 제어유닛 즉 컴퓨터 자동화 시스템을 활용하여 실시간으로 모니터링할 수 있다.
실험예 1
실시예 1 및 실시예 2에서 합성한 촉매들 중 Pd-Al2O3촉매 3 및 Pd-CeO2촉매 3을 X-선 회절, 질소 흡착 등온선, 투과전자현미경을 통해 분석하고, 그 결과를 각각 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, Pd-Al2O3촉매 3 및 Pd-CeO2촉매 3은 모두 Pd가 잘 담지되었으며, 메조다공성을 띠는 것을 알 수 있다. 또한, 팔라듐 나노입자의 크기는 5 nm 정도 되며, 작은 나노입자들이 Al2O3 및 CeO2 의 메조기공에 고루 분산되어 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2
Pd-Al2O3촉매 1 내지 3을 각각 사용하여 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 수소를 생성하고, 그 결과 도 8에 나타내었다.
도 8에 도시된 바와 같이 사용된 촉매에 포함된 Pd의 함량이 높을수록 탈수소화반응온도 및 수소생성수율이 높아지는 것을 알 수 있다.
실험예 3
Pd-CeO2촉매 1 내지 3을 각각 사용하여 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 수소를 생성하고, 그 결과 도 9에 나타내었다.
도 9에 도시된 바와 같이 사용된 촉매에 포함된 Pd의 함량이 높을수록 탈수소화반응온도 및 수소생성수율이 높아지는 것을 알 수 있다.
실험예 4
Pd-Al2O3촉매 3 및 Pd-CeO2촉매 3을 활용하여 4회에 걸친 재사용 실험을 진행하였다. 각 촉매는 매회 차 반응 후 회수한 후, 아세톤과 헵테인의 혼합 용매를 사용하여 원심분리기를 통해 세척하였다. 3회 세척 후, 환원 과정을 거쳐 재사용 실험을 진행하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
알루미나 촉매는 1차 반응에서 높은 활성(75.8% 수율)을 보여주며 재사용에 따라 수율이 감소하였음을 보여준다. 세리아 촉매 또한 알루미나만큼 높은 활성을 보이진 않으나, 재사용에 따라 수율의 감소 없이 활성을 유지함을 보여주고 있다.
상술된 구성을 갖는 본 발명의 탈수소화반응모듈(100)을 소규모의 선박 및 보트에 탑재하게 되면 도 11에 도시된 바와 같이 해상에서 수소발생원으로부터 수소를 발생시키고, 이를 연료전지에 주입하여 전기를 발생시켜 선박 및 보트를 구동할 수 있는 친환경 동력 발생 시스템에 활용이 가능하다. 이 경우 해상에서 태양광(또는 태양열)을 활용하여 탈수소화 반응 모듈을 구동할 수도 있다.
보다 구체적으로 본 발명의 친환경 소형전기보트(1)의 구동원에 대해 살펴보면, 도 11에 도시된 바와 같이 탈수소화반응모듈(100), 연료전지모듈(200) 및 ESS모듈(300)을 포함할 수 있다. 필요한 경우 태양전지모듈(400)을 더 포함할 수 있다.
탈수소화반응모듈(100)은 상술된 구성을 갖고 액상유기수소저장체로부터 수소를 생성하여 연료전지모듈(200)로 제공하고, 연료전지모듈(200)은 탈수소화반응모듈(100)에서 공급된 수소를 이용하여 전기에너지를 생성하고, 생성된 전기에너지를 ESS모듈(300)에 저장하며, ESS모듈(300)은 탈수소화반응모듈(100)에 탈수소화반응을 일으킬 수 있는 일정한 구동력을 제공하고, 연료전지모듈(200)이 생산하는 전기에너지를 저장하며, 저장된 전기에너지를 이용하여 소형전기보트의 이동을 위한 구동력을 제공한다. 태양전지모듈(400)은 탈수소화반응모듈(100) 및 ESS모듈(300)에 제공하는 전기에너지를 생성할 수 있는데, 공지된 구성의 태양광패널이 사용될 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
1 : 소형 전기 보트
100 : 탈수소화반응모듈 110 : 수소생성 및 포집유닛
111 : 탈수소화반응기 111a : 공급부
111b: 반응용기부 112 : 가열기
112a: 가열부 112b : 온도조절부
113 : 냉각응축기 113a : 냉각쿨러부
113b: 포집저장부
120 : 퍼징유닛 130 : 제어유닛
140 : 저장탱크유닛 150 : 누출수소감지유닛
200 : 연료전지모듈 300 : ESS모듈
400 : 태양전지모듈

Claims (14)

  1. 액상유기수소저장체로부터 촉매를 이용한 탈수소화반응을 통해 수소를 생산하고 생산된 수소를 포집하는 수소생성 및 포집 유닛; 상기 탈수소화반응을 보조하는 비활성기체를 저장하고 탈수소화반응전에 상기 수소생성 및 포집 유닛을 상기 비활성기체로 퍼징하는 퍼징유닛; 및 상기 수소생성 및 포집 유닛 및 퍼징유닛을 제어하여 수소의 생산속도 및 생산량을 모니터링 및 조절하는 제어유닛;을 포함하는 탈수소화반응모듈;
    상기 탈수소화반응모듈이 생산한 수소를 공급받아 전기에너지를 생산하여 ESS모듈에 저장하는 연료전지모듈;
    상기 탈수소화반응모듈에 탈수소화반응을 일으킬 수 있는 일정한 구동력을 제공하고, 상기 연료전지모듈이 생산하는 전기에너지를 저장하며, 저장된 전기에너지를 이용하여 소형전기보트의 이동을 위한 구동력을 제공하는 ESS모듈; 및
    상기 탈수소화반응모듈 및 상기 ESS모듈에 제공하는 전기에너지를 생성하는 태양전지모듈;을 포함하는 친환경 소형전기보트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소생성 및 포집유닛은 그 내부에 상기 촉매가 내장된 상태에서 상기 액상유기수소저장체가 공급되면 탈수소화반응을 진행시켜 수소를 생성하는 탈수소화반응기, 상기 탈수소화반응기를 가열하여 탈수화반응기 내부의 온도를 조절하는 가열기, 및 상기 탈수화반응기에서 생성된 수소를 포집하고, 반응 도중 상기 액상유기수소저장체의 증발을 막는 냉각응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탈수소화반응기는 상기 액상유기수소저장체를 반응용기부로 이동시키는 공급부, 및 상기 촉매가 내장되어 있다가 상기 액상유기수소저장체가 공급되면 상기 촉매를 통한 탈수소화반응이 수행되는 반응용기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액상유기수소저장체를 저장하는 저장탱크유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가열기는 상기 탈수소화반응기의 반응용기부 하부를 감싸는 가열부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각응축기는 상기 탈수소화반응기의 반응용기부 상부에 연결되어 생성된 수소를 냉각시키는 냉각쿨러부 및 상기 냉각쿨러부와 연결되어 생성된 수소를 포집하여 저장하는 포집저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 포집저장부는 상기 포집된 수소의 양을 부피로 측정하는 측정부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매는 Pt-Al2O3, Pt-CeO2, Pd-Al2O3, Pd-CeO2로 구성된 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 수소생성 및 포집유닛에서 누출된 수소를 감지하는 누출수소감지유닛을 더 포함하고, 상기 누출수소감지유닛에 의해 수소가 누출된 것이 감지되면 상기 제어유닛에 의해 상기 수소생성 및 포집유닛에서 일어나는 탈수소화반응이 중단되는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  10. 제 9 항에 있어서,상기 탈수소화반응모듈은
    제어유닛에 의해 퍼징유닛이 동작되어 수소 생성 및 포집유닛을 비활성기체로 퍼징시키는 퍼징단계; 수소 생성 및 포집유닛이 퍼징되는 상태에서 공급부가 상기 제어유닛에 의해 동작되어 반응용기부로 액상유기수소저장체를 공급하는 단계;상기 제어유닛에 의해 반응용기부에서 상기 비활성기체가 환기되는 단계; 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 상승되면서 탈수소화 반응이 진행되는 수소생성단계; 상기 제어유닛에 의해 수소 발생 수율이 모니터링되면서 생성된 수소가 포집되어 저장되는 모니터링 및 저장단계; 및 상기 모니터링 결과에 따라 상기 제어유닛에 의해 반응용기부의 온도가 조절되어 수소발생 수율이 조절되는 단계;가 포함된 수소생성 및 포집방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탈수소화반응모듈에서 수행되는 수소생성 및 포집방법은 누출수소감지유닛에 의해 상기 수소 생성 및 포집유닛에서 수소가 누출된 것이 감지되면 상기 제어유닛에 의해 상기 수소생성 및 포집유닛에서 일어나는 탈수소화반응이 중단되는 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 친환경 소형전기보트.
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