KR102563650B1 - 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템 - Google Patents

수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템에 관한 것으로, 알루미늄원료가 공급되는 원료 공급관과, 알루미늄원료와 화학 반응하는 용액이 공급되는 용액 공급관과, 원료 공급관에 구비되어 알루미늄원료를 정량 공급하는 정량 공급 밸브장치와, 정량 공급 밸브장치에 의해 알루미늄원료가 정량 공급되어 용액과의 화학 반응에 의해 수소 연료가 생산되는 반응탱크를 포함하고, 반응탱크는 그 내부에 격리된 복수의 반응실이 구비되고, 각 반응실에는 각각의 원료 공급관과 용액 공급관이 연결되어 각 반응실에서 알루미늄원료와 용액이 각각 화학 반응되게 구비되는 수소 연료 생산시스템을 제공한다.

Description

수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템{Hydrogen fuel production system for possible continuously producing of hydrogen fuel}
본 발명은 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용액과 원료가 투입되는 반응기에서 수소 연료를 연속적으로 생산할 수 있도록 한 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템에 관한 것이다.
최근 들어, 전 세계적으로 이슈가 되고 있는 환경문제는 인류가 해결해야 할 가장 큰 과제 중 하나로, 특히 지구 온난화에 대한 문제는 그 해결이 매우 시급한 과제이며, 지구 온난화의 주원인으로는 이미 알려진 바와 같이 화석원료의 사용에 따른 이산화탄소의 배출이다.
이에 대한 해결 방안으로 수소 가스를 이용하여 전기에너지를 생산하는 연료 전지에 관한 연구 및 수소 가스를 직접 내연기관의 연료로 사용하는 연구 등이 활발히 이루어지고 있다.
특히, 연료 전지의 경우에는 연료의 연소반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에, 화석연료의 연소과정에서 발생되는 유독성 공해물질의 배출이 전혀 없으며, 이산화탄소의 배출량도 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
이러한 장점에도 불구하고 수소 가스 에너지의 이용에는 경제적인 수소 가스 생산 및 안정적인 수소 보관매체의 개발과 같은 파생 연구가 요구됨에 따라 아직까지 상용화 단계에 접어들지 못하고 있다. 예를 들어, 일반적으로 고압의 기체 또는 액화 상태로 저장되는 수소는 발화에너지가 매우 작기 때문에, 아주 미세한 정전기에도 쉽게 발화될 수 있는 등의 안정성에 대한 단점을 가지고 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 대한민국 등록특허 제10-2206004호(이하 '선행기술문헌'이라 한다)에는 '수소 연료 생산시스템'이 개시되어 있다.
선행기술문헌에 개시된 종래의 수소 연료 생산시스템은, 원료공급부의 호퍼에 담긴 알루미늄원료를 계단식공급장치를 통해 단계적으로 승강시켜 원료정렬/이송부로 공급하고, 원료정렬/이송부에 의해 이송되는 알루미늄 원료가 한 방향으로 정렬하여 자유낙하 형태로 수직이송부로 공급되며, 수직이송부로 공급된 알루미늄원료가 연료이송부재에 안착되면, 승하강실린더에 의해 연료이송부재가 상승하여 원료투입부의 제1투입실린더 또는 제2투입실린더가 작동되어 푸쉬부재를 이동시켜 알루미늄원료를 수소가스발생부의 원료반응기로 투입시켜 알루미늄원료와 용액(반응혼합물)에 의한 화학 반응에 의해 생산된 수소를 생산하고, 생산된 수소를 여과부에 의해 이물질이 제거된 깨끗한 수소를 생산하는 기술이다.
이와 같이 수소 연료의 생산과정 중 원료반응기 내에서는 알루미늄원료와 용액의 화학 반응에 의한 수소 연료가 발생됨과 동시에 부산물이 생성되어 용액 속에침전되는데, 이러한 부산물은 주기적으로 원료반응기에서 배출시켜 제거해줘야 한다.
하지만, 이러한 부산물의 제거과정 중에는 원료반응기에서 수소 연료를 생산할 수 없게 되므로 하나의 원료반응기에서 수소 연료의 연속 생산이 불가해지므로 수소 연료의 생산성에 한계가 있고, 이를 극복하기 위해 원료반응기를 여러 개 설치하는 경우에는 생산성은 향상시킬 수 있지만, 그만큼 대형화된 시스템의 규모로 인해 시스템 운용에 많은 인력과 비용이 소비되므로 비효율적인 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-2206004호
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 알루미늄원료와 용액이 투입되는 반응기에서 수소 연료를 연속적으로 생산할 수 있도록 구성하여, 하나의 반응기에서 수소 연료를 최대로 생산할 수 있도록 한 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템은, 알루미늄원료가 공급되는 원료 공급관과, 알루미늄원료와 화학 반응하는 용액이 공급되는 용액 공급관과, 원료 공급관에 구비되어 알루미늄원료를 정량 공급하는 정량 공급 밸브장치와, 정량 공급 밸브장치에 의해 알루미늄원료가 정량 공급되어 용액과의 화학 반응에 의해 수소 연료가 생산되는 반응탱크를 포함하고, 반응탱크는 그 내부에 격리된 복수의 반응실이 구비되고, 각 반응실에는 각각의 원료 공급관과 용액 공급관이 연결되어 각 반응실에서 알루미늄원료와 용액이 각각 화학 반응되게 구비되되, 한편, 정량 공급 밸브장치는, 원료 공급관에 연통되게 구비되어 알루미늄원료를 공급하는 한편 수소 가스의 누출을 차단하는 보조 공급밸브; 보조 공급밸브와 반응탱크 사이의 원료 공급관에 구비되어 알루미늄원료를 반응탱크로 정량 공급하는 정량 공급밸브;를 포함하는 한편, 보조 공급밸브와 정량 공급밸브 사이의 원료 공급관에 연결되어 원료 공급관으로 유입된 수소 연료를 반응탱크에서 생산된 수소 연료가 배출되는 수소 연료 배출관으로 공급하기 위한 바이패스관; 바이패스관에 구비되어 원료 공급관 내의 수소 연료가 유입되는 챔버; 챔버에 구비되어 챔버 내로 원료 공급관의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관으로 공급하는 실린더;를 포함할 수 있다.
그리고, 반응탱크의 내측에는 내부 공간을 복수의 반응실로 양분하는 격벽이 구비되고, 격벽의 상부는 복수의 반응실이 연통되는 공간으로 형성됨이 바람직하다.
게다가, 각 반응실에는 알루미늄원료와 용액의 화학 반응 후 발생되는 부산물을 배출시키기 위한 부산물 배출관이 각각 구비되고, 각 부산물 배출관에는 부산물을 일정량으로 배출시키는 정량 밸브가 구비될 수 있다.
이에 더하여, 정량 밸브는 각 부산물 배출관에 연통되게 연결되는 밸브 하우징; 밸브 하우징 내에 실링된 상태로 회전되게 구비되는 한편 부산물이 삽입되는 배출홈을 갖는 회전구;를 포함하여, 회전구의 배출홈에 부산물이 삽입된 상태에서 회전구가 회전되어 부산물을 배출시키도록 구비될 수 있다.
또한, 부산물 배출관에 구비되는 정량 밸브는 반응탱크 내의 온도 또는 압력에 따라 자동 개폐되도록 구비될 수 있다.
그리고, 반응탱크의 외측면에는 반응탱크를 감싸는 냉각수챔버가 구비되고, 냉각수챔버에는 순환펌프에 의해 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환관이 구비될 수 있다.
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또한, 본 발명의 수소 연료 생산시스템은 반응탱크와 용액 공급관으로 연결되는 용액 공급탱크; 용액 공급관에 구비되어 용액 공급탱크 내의 용액을 반응탱크로 공급하는 펌프; 용액 공급관에 구비되어 용액을 반응탱크로 정량 공급하는 정량 공급밸브; 정량 공급밸브와 펌프 사이의 용액 공급관에 구비되어 정량 공급밸브 측으로 공급된 용액의 역류를 방지하는 자동체크밸브;를 포함할 수도 있다.
게다가, 정량 공급밸브와 자동체크밸브 사이의 용액 공급관에 연결되어 용액 공급관으로 유입된 수소 연료를 반응탱크에서 생산된 수소 연료가 배출되는 수소 연료 배출관으로 공급하기 위한 바이패스관; 바이패스관에 구비되어 용액 공급관 내의 수소 연료가 유입되는 챔버; 챔버에 구비되어 챔버 내로 용액 공급관의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관으로 공급하는 실린더;를 포함할 수도 있다.
이와 더불어, 용액 공급관에 연결된 바이패스관에 구비되어 바이패스관으로 유입되는 용액의 높이를 감지하여 정량 공급밸브의 작동을 제어하는 용액 감지센서를 포함할 수도 있다.
본 발명의 수소 연료의 연속 생산이 가능한 수소 연료 생산시스템에 따르면, 알루미늄원료와 용액이 투입되는 반응기에서 수소 연료를 연속적으로 생산함과 동시에 수소 연료의 생산시 발생되어 용액 속에 침전된 부산물을 배출시킬 수 있으므로, 하나의 반응기에서 수소 연료를 최대로 생산할 수 있고, 시스템의 규모 역시도 소형화로 운용할 수 있어 효율적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템에 구성되는 보조 공급밸브를 도시한 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템에 구성되는 정량 공급밸브의 일실시예를 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템에 구성되는 정량 공급밸브의 다른 실시예를 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 보조 공급밸브의 작동도로서, 도 5a는 보조 공급밸브에 알루미늄원료가 공급된 상태이고, 도 5b는 보조 공급밸브의 회전구가 회전된 상태이며, 도 5c는 보조 공급밸브에서 알루미늄원료가 배출된 상태의 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 정량 공급밸브의 작동도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 정량 공급밸브의 작동도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템에 구성되는 반응탱크의 단면 구성도와 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템에 구성되는 용액 공급탱크와 원료 공급관 및 용액 공급관의 바이패스라인의 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
아울러, 본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.
그리고, 아래 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
이에, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
첨부도면 도 1 내지 도 9는 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템 및 이에 구성되는 정량 공급 밸브장치, 반응탱크, 용액 공급탱크를 도시한 도면들이다.
본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄원료(1)가 투입되어 공급되는 원료 공급관(10)과, 알루미늄원료(1)와 화학 반응하는 용액(2)이 공급되는 용액 공급관(400)과, 원료 공급관(10)에 구비되어 알루미늄원료(1)를 정량 공급하는 정량 공급 밸브장치와, 정량 공급 밸브장치에 의해 알루미늄원료(1)가 정량 공급되어 용액(2)과의 화학 반응에 의해 수소 연료가 생산되는 반응탱크(300)를 포함한다.
먼저, 반응탱크(300)는 도 1 및 도 8a, 도 8b에 도시된 바와 같이, 그 내부에 격리된 복수의 반응실(301)(302)이 구비되고, 각 반응실(301)(302)에는 각각의 원료 공급관(10)과 용액 공급관(410)이 연결되게 구비되어 각 반응실(301)(302)에서 알루미늄원료(1)와 용액(2)이 각각 화학 반응될 수 있도록 구비된다.
특히, 반응탱크(300) 내에 구획되는 반응실(301)(302)은 다수의 반응실로 구비될 수도 있지만, 부산물 배출시에도 수소 연료를 연속 생산하고자 한 목적 달성을 위해서는 복수의 반응실로도 만족할 수 있으므로, 이하의 실시예에서는 복수의 반응실(301)(302)을 일례로 들어 설명하기로 한다.
구체적으로, 반응탱크(300)의 내측에는 내부 공간을 복수의 반응실(301)(302)로 양분하는 격벽(310)이 수직하게 세워져 구비되고, 격벽(310)을 기준으로 한 양 반응실(301)(302)에는 원료 공급관(10)과 용액 공급관(410)이 각각 연결되어 대칭되게 구비된다.
그리고, 격벽(310)은 반응탱크(300)의 내측 바닥면에서 상방향으로 수직하게 세워져 설치되고, 격벽(310)의 상단부는 반응탱크(300)의 내측 천장면과 이격되게 형성됨으로써 복수의 반응실(301)(302)이 격벽(310) 상부의 공간을 통해 연통되게 구비된다.
또한, 반응탱크(300) 내에서 양분된 각 반응실(301)(302)의 바닥면에는 알루미늄원료(1)와 용액(2)의 화학 반응 후 발생되는 부산물(또는 '불순물'이라고도 하나, 이하에서는 "부산물"로 통칭한다)을 배출시키기 위한 부산물 배출관(340)(340a)이 각각 구비되고, 각 부산물 배출관(340)(340a)에는 부산물을 일정량으로 배출시키는 정량 밸브(341)(341a)가 구비된다.
이러한 정량 밸브(341)(341a)는 각 부산물 배출관(340)(340a)에 입구부와 출구부를 통해 연통되게 연결되는 밸브 하우징(341-1)(341a-1)과, 밸브 하우징(341-1)(341a-1) 내에 실링된 상태로 회전되게 구비되는 한편 부산물이 삽입되는 배출홈(341-3)(341a-3)을 갖는 회전구(341-2)(341a-2)를 포함하여, 회전구(341-2)(341a-2)의 배출홈(341-3)(341a-3)에 부산물이 삽입된 상태에서 회전구(341-2)(341a-2)가 회전되어 부산물을 일정량씩 부산물 배출관(340)(340a)을 통해 배출시키게 됨으로써, 부산물 배출관(340)(340a)으로의 수소 연료 배출을 사전에 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같은 정량 밸브(341)(341a)는 후술될 정량 공급 밸브장치에 구성되는 정량 공급밸브(100)의 구성 및 구조와 동일하고, 그 역할에 있어 약간의 미차가 있으므로, 이에 대한 자세한 설명은 후술될 정량 공급밸브(100)의 설명으로 대신하기로 한다.
또한, 상기와 같은 정량 밸브(341)(341a)는 반응탱크(300) 내의 온도 또는 압력에 따라 자동 개폐되도록 구비됨이 바람직하다. 즉, 반응탱크(300) 내부에서 알루미늄원료(1)와 용액(2)이 화학 반응하면 반응탱크(300) 내부의 온도와 압력이 상승되면서 수소 연료가 생산되는데, 이때 반응탱크(300) 내의 압력이 대략 10bar에서 수소 연료가 후술될 수소 연료 배출관(330)을 통해 배출된다고 가정하면, 수소 연료의 배출 후에는 반응탱크(300) 내부의 온도와 압력은 하강되고 이때 반응탱크(300)의 용액(2) 속에는 부산물이 발생되어 침전된다.
따라서, 반응탱크(300) 내의 온도 또는 압력이 설정값(대략 3bar)에 도달되면, 컨트롤러(미도시)의 제어 등에 의해 정량 밸브(341)(341a)가 작동되어 부산물을 일정량씩 배출시키게 되고, 반응탱크(300) 내의 용액이 최저 수위에 도달되면 정량 밸브(341)(341a)의 작동을 중지시켜 부산물 배출관(340)(340a)을 폐쇄시키게 된다.
이 과정에서, 반응탱크(300) 내에서 생산된 수소 연료는 가스(기체) 형태로서 용액(2) 속에는 존재하지 않으므로, 부산물 배출관(340)(340a)을 통한 수소 연료 배출을 사전에 방지할 수 있게 된다.
게다가, 상기와 같은 부산물의 배출과 수소 연료의 생산과정은 반응탱크(300)의 양 반응실(301)(302)에서 번갈아 이루어지므로 수소 연료는 중단없이 연속적으로 생산할 수 있게 된다. 이때, 각 반응실(301)(302)에는 온도 또는 압력센서(미도시)가 용액(2)과 근접한 위치에 구비돼 있어 해당 반응실(301)(302)의 온도 또는 압력을 각각 감지할 수 있게 된다.
이로써, 일측 반응실(301)에서 부산물 배출이 이루어지면, 반대편의 타측 반응실(302)에서는 용액(2)과 알루미늄원료(1)가 차례로 공급되어 화학 반응에 의한 수소 연료를 생산하게 된다.
한편, 부산물 배출관(340)(340a)의 말단부에는 부산물 저장탱크(350)가 구비되어, 부산물 배출관(340)(340a)을 통해 배출되는 부산물이 저장된다.
그리고, 반응탱크(300)의 상면에는 반응탱크(300) 내에서 알루미늄원료(1)와 용액(2)의 화학 반응에 의해 생산된 가스 형태의 수소 연료가 배출되는 수소 연료 배출관(330)이 연결되어 구비되고, 이 수소 연료 배출관(330)은 정화탱크(500)에 연결되게 구비된다.
이러한 수소 연료 배출관(330)은 반응탱크(300)의 내측 상부가 격벽(310)에 의해 막히지 않고 연통된 공간으로 존재함에 따라 제일 높은 천장면에 하나의 관으로 구비되고, 하나의 수소 연료 배출관(330)에는 양 반응실(301)(302)에서 생산된 수소 연료가 각각 유입되어 배출된다.
또한, 수소 연료 배출관(330)을 기준으로 한 양측의 반응탱크(300) 상면에는 급수관(370)이 구비되는 바, 급수관(370)은 시스템을 구성하는 각 관로 즉 후술될 바이패스관(360)(470) 및 수소 연료 배출관(330) 상에 구비되는 체크밸브(365)(475)(331)에서 고압력으로 인한 수소 연료의 누출이 감지될 때 물을 각 반응실(301)(302)로 공급하여 반응탱크(300) 내의 온도 및 압력을 하강시켜 끓음 현상을 완화시키기 위한 구성이다.
이때, 수소 연료 배출관(330) 및 후술될 바이패스관(360)(470)에는 체크밸브(331)(365)(475)가 구비되고, 체크밸브(331)(365)(475)에는 수소 연료의 누출을 감지하기 위한 누출 감지센서(332)(366)(476)가 구비되되, 누출 감지센서(332)(336)(476)는 체크밸브(331)(365)(475)가 개방되는 측에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 상기와 같은 반응탱크(300)의 외측면에는 반응탱크(300)를 감싸는 냉각수챔버(320)가 구비되고, 이러한 냉각수챔버(320)는 반응탱크(300)의 전 외측면을 감싼 상태로 구비될 수 있지만, 보다 바람직하게는 화학 반응이 일어나는 부위 즉 용액(2)이 담겨 저장되는 부위를 집중적으로 감싼 상태로 구비되는 것이 바람직하다.
이와 같은 냉각수챔버(320)의 일측에는 냉각수가 주입되어 공급되는 냉각수 공급관(321)이 구비되고, 냉각수챔버(320)의 타측에는 냉각수챔버(320) 내의 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 순환관(322)이 구비되며, 냉각수 순환관(322)에는 냉각수를 강제 순환시키는 순환펌프(323)와 냉각수 순환관(322)을 지나는 냉각수의 온도를 측정하는 온도 측정장치가 구비된다.
그리고, 냉각수챔버(320)의 내부에는 반응탱크(300)의 외측면을 따라 나선형으로 감김된 냉각수 유로(324)가 형성되고, 냉각수 유로(324)는 냉각수 공급관(321) 및 냉각수 순환관(322)과 연통되게 구비되어, 냉각수가 냉각수챔버(320) 전체를 순환할 수 있도록 구비된다.
게다가, 냉각수 유로(324)의 바닥면에는 냉각수가 직하방으로 바로 배출될 수 있도는 배수공(325)이 천공되되, 이 배수공(325)은 반응탱크(300)의 외측면과 근접한 냉각수 유로(324)의 내측단에 형성되어 냉각수가 반응탱크(300)의 외측면을 타고 흐를 수 있도록 구비된다.
따라서, 냉각수챔버(320) 내의 냉각수는 정체돼 있지 않고 냉각수챔버(320)의 전면적을 돌아 순환하게 됨으로써 열교환 효과가 극대화되고, 이에 따라 반응탱크(300)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기와 같은 냉각수챔버(300)의 외측에는 안전망(326)이 구비될 수 있고, 안전망(326)은 철망으로 고온의 반응탱크(300)에 의한 화상의 위험을 방지할 수 있다.
그리고, 후술될 정량 공급 밸브장치에 구성되는 보조 공급밸브(200)와 정량 공급밸브(100)(100a) 사이의 원료 공급관(10)에는 원료 공급관(10)과 수소 연료 배출관(330)을 연결하는 바이패스관(360)이 구비된다. 이러한 바이패스관(360)에 의해 원료 공급관(10)으로 유입된 미량의 수소 연료를 대기 방출없이 모두 회수하여 수소 연료 배출관(330)을 통해 정화탱크(500)로 공급할 수 있게 된다.
이러한 바이패스관(360)에는 원료 공급관(10) 내의 수소 연료가 유입되는 챔버(362)가 구비되고, 챔버(362)에는 챔버 내로 원료 공급관(10)의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관(330)으로 공급하는 실린더(363)가 구비된다.
챔버(362)의 내부에는 실린더(363)에 피스톤로드로 연결된 피스톤(364)이 구비되어, 챔버(362) 내에서 직선 이동된다. 즉, 챔버(362) 내에서 피스톤(364)이 실린더(363)에 근접한 측으로 이동되면 챔버(362) 내부에는 흡입 압력이 작용되어 원료 공급관(10) 내의 수소 연료를 후술될 열린 전자동밸브(361)가 있는 바이패스관(360)을 통해 흡입하게 되고, 피스톤(364)이 반대편 측으로 이동되면 챔버(362) 내의 수소 연료가 체크밸브(365)가 있는 바이패스관(360)을 통해 수소 연료 배출관(330)으로 배출된다.
이때, 챔버(362)와 원료 공급관(10) 사이의 바이패스관(360)에는 실린더(363)의 작동과 연동되는 전자동밸브(361)가 구비되고, 전자동밸브(361)는 실린더(363)의 흡입 작동(피스톤(364)의 인입 작동)시 바이패스관(360)을 개방시키는 한편 실린더(363)의 배출 작동(피스톤(364)의 인출 작동)시 바이패스관(360)을 폐쇄시키게 된다.
또한, 체크밸브(365)는 챔버(362) 측에서 수소 연료 배출관(330) 측으로 바이패스관(360)의 관로를 개방시키고, 반대로의 역류는 차단하게 된다.
한편, 상기와 같은 반응탱크(300)에는 반응탱크(300) 내부로 용액을 공급하기 위한 용액 공급탱크(400)가 용액 공급관(410)으로 연결되어 구비된다.
이러한 용액 공급탱크(400)는 도 1 및 도 9에 도시된 바와 같이, 반응탱크(300)와 연결되는 용액 공급관(4100에 구비되어 용액 공급탱크(400) 내의 용액(2)을 반응탱크(300)로 공급하는 공급펌프(420)와, 용액 공급관(410)에 구비되어 용액(2)을 반응탱크(300)로 정량 공급하는 정량 공급밸브(460)와, 정량 공급밸브(460)와 공급펌프(420) 사이의 용액 공급관(410)에 구비되어 정량 공급밸브(460) 측으로 공급된 용액(2)의 역류를 방지하는 자동체크밸브(450)를 포함한다.
용액 공급탱크(400)와 공급펌프(420) 사이의 용액 공급관(410)에는 개폐밸브(430)와 유량조절기(440)가 차례로 구비될 수 있고, 개폐밸브(430)는 공급펌프(420)의 작동시 펌핑력에 의해 개방되는 체크밸브로 구비될 수 있으며, 유량조절기(440)는 용액 공급관(410)을 통해 공급되는 용액(2)의 유량을 조절할 수 있다.
그리고, 공급펌프(420)와 자동체크밸브(450) 사이의 용액 공급관(410)에는 필요에 따라 별도의 체크밸브를 더 구성할 수도 있다.
한편, 용액 공급관(410)에 구비된 정량 공급밸브(460)는 용액 공급관(410)에 입구부와 출구부를 통해 연통되게 연결되는 밸브 하우징(461)과, 밸브 하우징(461) 내에 실링된 상태로 회전되게 구비되는 한편 부산물이 삽입되는 공급홈(463)을 갖는 회전구(462)를 포함하여, 회전구(462)의 공급홈(463)에 용액(2)이 삽입된 상태에서 회전구(462)가 회전되어 공급홈(463)에 삽입된 양의 용액(2)을 반응탱크(300)로 공급하게 됨으로써, 용액(2)을 항상 정량으로만 공급할 수 있게 된다.
이와 같은 정량 공급밸브(460)는 수소 연료를 생산하고자 할 때 작동되는 것으로, 알루미늄원료(1)를 정량 공급하는 후술될 정량 공급 밸브장치에 구성되는 정량 공급밸브(100)의 구성 및 구조와 동일하고, 그 역할에 있어 약간의 미차가 있으므로, 이에 대한 자세한 구성 및 구조, 작동관계에 대한 설명은 후술될 정량 공급밸브(100)의 설명으로 대신하기로 한다.
그리고, 정량 공급밸브(460)와 자동체크밸브(450) 사이 즉 정량 공급밸브(460)의 입구부 측에는 용액 공급관(410)과 수소 연료 배출관(330)을 연결하는 바이패스관(470)이 구비된다. 이 바이패스관(470) 역시도 정량 공급밸브(460)의 작동시 용액 공급관(410)으로 유입된 미량의 수소 연료를 대기 방출없이 모두 회수하여 수소 연료 배출관(330)을 통해 정화탱크(500)로 공급할 수 있게 된다.
이러한 바이패스관(470)에는 용액 공급관(410) 내의 수소 연료가 유입되는 챔버(472)가 구비되고, 챔버(472)에는 챔버 내로 용액 공급관(410)의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관(330)으로 공급하는 실린더(473)가 구비된다.
챔버(472)의 내부에는 실린더(473)에 피스톤로드로 연결된 피스톤(474)이 구비되어, 챔버(472) 내에서 직선 이동된다. 즉, 챔버(472) 내에서 피스톤(474)이 실린더(473)에 근접한 측으로 이동되면 챔버(472) 내부에는 흡입 압력이 작용되어 용액 공급관(410) 내의 수소 연료를 후술될 용액 감지센서(471)가 있는 바이패스관(470)을 통해 흡입하게 되고, 피스톤(474)이 반대편 측으로 이동되면 챔버(472) 내의 수소 연료가 체크밸브(475)가 있는 바이패스관(470)을 통해 수소 연료 배출관(330)으로 배출된다.
이에 더하여, 용액 공급관(410)과 챔버(472) 사이의 바이패스관(470)에는 바이패스관(470)으로 유입되는 용액(2)의 높이를 감지하여 정량 공급밸브(460)의 작동을 제어하는 용액 감지센서(471)가 구비된다.
즉, 상기와 같은 용액 공급관(410)에는 반응탱크(300)에서 발생된 수소 가스의 압력과 용액 공급탱크(400)에서 공급되는 용액(2)의 압력이 양방향에서 가해지는 높은 압력이 작용되므로 시중에서 유통되는 일반 밸브로는 원활한 작동이 되지 않을 뿐더러 큰 부하로 인해 시스템이 정지될 수 있었다.
이에 따라, 본 발명에서는 정량 공급밸브(460)와, 자동체크밸브(450), 바이패스관(470), 용액 감지센서(471) 등을 더 구성함으로써, 높은 압력에도 시스템의 안정화를 도모하였다.
이를 구체적으로 설명하면, 공급펌프(420)에 의해 용액 공급탱크(400) 내의 용액(2)이 용액 공급관(410)으로 압송되어 공급되고, 공급된 용액(2)이 정량 공급밸브(460) 전방의 용액 공급관(410)에 일정량 차게 되면 자동체크밸브(450)가 닫혀 용액(2)의 공급을 차단하며, 이 상태에서 정량 공급밸브(460)가 작동되어 공급홈(463)의 내부 체적만큼 용액(2)을 담은 후 더 회전되면서 반응탱크(300)에 정량의 용액(2)을 공급하게 되고, 용액(2)의 공급 후 원상태로 복귀되는 정량 공급밸브(460)의 공급홈(463)에는 미량의 수소 연료가 채워질 수 있으며, 정량 공급밸브(460)의 복귀시 용액 공급관(410) 내부를 채우고 있던 용액(2)이 공급된 양만큼 비워진 공간을 수소 연료가 채우게 되고, 이후 실린더(473)의 작동에 의해 바이패스관(470)을 통해 챔버(472)로 유입된 후 수소 연료 배출관(330)으로 배출된다.
이때, 용액 공급탱크(400)와 정량 공급밸브(460) 사이의 용액 공급관(410)을 채운 용액(2)이 바이패스관(470)으로 유입되어 용액 감지센서(471)까지 도달되면, 컨트롤러가 정량 공급밸브(460)를 작동시켜 용액(2)을 정량 공급밸브(460)의 공급홈(463)으로 공급하게 됨으로써, 용액(2)이 챔버(472)로 넘치게 되는 것을 사전에 방지할 수 있게 된다.
또한, 체크밸브(475)는 챔버(472) 측에서 수소 연료 배출관(330) 측으로 바이패스관(470)의 관로를 개방시키고, 반대로의 역류는 차단하게 된다.
한편, 원료 공급관(10)에는 알루미늄원료(1)를 반응탱크(300)로 정량 공급하는 정량 공급 밸브장치가 더 구비되고, 정량 공급 밸브장치는 알루미늄원료(1)를 반응탱크(300)에 정량 공급하는 한편 반응탱크(300)에서 생산된 수소 연료의 수소 가스가 원료 공급관(10)을 통해 대기 중으로 누출되는 것을 효율적으로 차단할 수 있도록 구비된다.
그리고, 원료 공급관(10)은 도 1에 도시된 바와 같이, 후술될 정량 공급 밸브장치에서 반응탱크(300) 측으로 하향 경사진 구조로 구비된 것을 일례로 예시하였고, 이러한 원료 공급관(10)의 경사에 의해 알루미늄원료(1)를 반응탱크(300)로 원활히 공급할 수 있게 된다.
또한, 원료 공급관(10)의 경사도는 효율적인 알루미늄원료(1)의 공급을 위해 알루미늄원료(1)의 형태에 따라 다양한 각도로 변경될 수 있다.
한편, 정량 공급 밸브장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄원료(1)가 공급되는 원료 공급관(10)에 설치되어 알루미늄원료(1)를 공급하는 한편 수소 가스의 누출을 차단하는 보조 공급밸브(200)와, 보조 공급밸브(200)와 반응탱크(300) 사이의 원료 공급관(10)에 설치되어 알루미늄원료(1)를 반응탱크(300)로 정량 공급하는 정량 공급밸브(100)(100a)를 포함한다.
먼저, 보조 공급밸브(200)는 알루미늄원료(1)를 하나씩 차례로 공급함에 따라 반응탱크(300)로 공급되는 알루미늄원료(1)를 정량 공급할 수 있고, 반응탱크(300)에서 수소 연료의 생산시 발생되는 수소 가스의 누출을 원천 차단할 수 있도록 구비된다.
즉, 반응탱크(300)는 수소 연료를 생산하는 고압 탱크이므로 반응탱크(300) 내에서 수소 연료의 생산시 증발되는 수소 가스가 원료 공급관(10)으로 유입되고, 이는 후술될 정량 공급밸브(100)(100a)에서 반응탱크(300) 측을 향한 회전구(120)의 빈 공급홈(121)(121a)(121b)으로 유입되었다가 회전구(120)의 회전에 의해 정량 공급밸브(100)(100a) 전방의 원료 공급관(10)을 통해 대기 중으로 방출될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 경우에는 반드시 정량 공급밸브(100)(100a) 전방의 원료 공급관(10)에는 보조 공급밸브(200)를 구비하여 수소 가스의 대기 방출을 차단해야 한다.
이를 위해, 보조 공급밸브(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 정량 공급밸브(100)(100a) 전방의 원료 공급관(10)에 입구부(211)와 출구부(212)로 연통되게 연결되는 밸브 하우징(210)과, 밸브 하우징(210) 내에 실링된 상태로 회전되게 구비되는 한편 그 일측에는 알루미늄원료(1)가 관통 이동되는 공급로(221)를 갖는 회전구(220)와, 회전구(220)의 공급로(221)를 가로막은 상태로 이동 가능하게 구비되는 피스톤(222)을 포함한다.
여기서, 보조 공급밸브(200)의 밸브 하우징(210)은 후술될 정량 공급밸브(100)(100a)의 밸브 하우징(110)과 동일하게 구성되는 바, 밸브 하우징(210)은 내부가 빈 중공의 구체로 형성되고, 밸브 하우징(210)의 양측부에는 각각 중공관 형태의 입구부(211)와 출구부(212)가 각각 돌출 형성된다.
이러한 입구부(211)와 출구부(212)는 밸브 하우징(210)에 동일 선상으로 구비됨이 바람직하지만, 이에 국한되거나 한정되지 않고 다양한 형태와 구조로 변경될 수 있다.
한편, 상기와 같은 밸브 하우징(210)은 입구부(211)와 출구부(212)를 통해 원료 공급관(10)에 연통된 상태로 연결되어 구비된다.
그리고, 회전구(220)는 밸브 하우징(210) 내에 회전 가능하게 삽입되어 구비되는 구체로 형성되고, 그 일측에는 회전구(220)를 일직선 형태로 관통하는 공급로(221)가 형성된다.
이러한 회전구(220)의 공급로(221)는 밸브 하우징(210)의 입구부(211)와 출구부(212)를 연통시키게 구비됨으로써, 밸브 하우징(210)의 입구부(211)로 유입된 알루미늄원료(1)는 회전구(220)의 공급로(221)를 관통하여 밸브 하우징(210)의 출구부(212)로 이동되어 배출된다.
그리고, 피스톤(222)은 회전구(220)의 공급로(221)에 대응한 외경을 갖는 원판으로 형성되고, 그 외주면에는 공급로(221)의 내주면에 접하여 기밀을 유지하는 복수의 O링(223)이 각각 결합되어 구비된다.
따라서, 피스톤(222)은 회전구(220)의 공급로(221)를 가로막아 차단한 상태로 구비되고, 이 상태에서 후술될 실린더(260)의 로드(261)에 의해 공급로(221)에서 직선 이동되게 구비된다.
또한, 상기와 같은 회전구(220)에는 이를 평면상으로 180도 자동 회전시키는 회전수단이 구비되고, 이 회전수단은 회전축(240)과 기어(241) 및 모터(250)와 기어(251)로서 후술될 정량 공급밸브(100)(100a)의 회전수단과 동일하므로 이에 대한 설명은 정량 공급밸브(100)(100a)에서 자세히 설명하기로 한다.
한편, 상기와 같이 보조 공급밸브(200)에 의한 알루미늄원료(1)의 이동과정을 설명하면, 밸브 하우징(210)의 입구부(211)로 유입된 알루미늄원료(1)가 회전구(220)의 공급로(221)에 삽입되면 도 5a에서와 같이 피스톤(222)은 공급로(221)의 말단부에 위치되어 알루미늄원료(1), 피스톤(222) 순으로 구비된다.
이 상태에서 회전구(220)가 모터(250)에 의해 180도 회전되면서 알루미늄원료(1)와 피스톤(222)의 위치가 도 5b에서와 같이 반전되어 피스톤(222), 알루미늄원료(1) 순으로 구비되고, 이 상태에서 후술될 실린더(260)의 로드(261)가 피스톤(222)을 전진 이동시킴으로써 도 5c에서와 같이 알루미늄원료(1)를 회전구(220)의 공급로(221)에서 밸브 하우징(210)의 출구부(212) 측으로 배출시켜 공급하게 된다.
이러한 알루미늄원료(1)의 공급과정을 통해 알 수 있듯이, 보조 공급밸브(200)에서는 회전구(220)의 180도 회전이 피스톤(222)이 공급로의 말단부에 위치된 상태에서만 이루어져 공급로(221) 상의 알루미늄원료(1)와 피스톤(222)의 위치가 반전됨으로써 회전구(220)의 공급로(221)에는 수소 가스가 유입되지 못할 뿐 아니라 설령 피스톤(222)의 이동 전에 수소 가스가 유입되었더라도 피스톤(222)의 전진 이동에 의해 모두 배출되어 남아 있지 않게 되므로 보조 공급밸브(200)를 통한 수소 가스의 누출을 완벽히 차단된다.
게다가, 보조 공급밸브(200)의 회전구(220) 역시도 전술한 정량 공급밸브(100)(100a)의 회전구(120)와 마찬가지로 180도 회전되어 알루미늄원료(1)를 배출함으로써, 알루미늄원료(1)가 고체 또는 액체, 기체 등 그 형태와 관계없이 항상 공급로(221)의 내부 체적만큼씩 정량화된 알루미늄원료(1)를 공급할 수 있게 된다.
한편, 보조 공급밸브(200)와 정량 공급밸브(100)(100a) 사이의 원료 공급관(10)에는 고압의 수소 가스가 유입될 수 있고, 이 경우 고압의 수소 가스가 회전구(220)의 공급로(221)를 통해 피스톤(222)에 작용되어 피스톤(222) 및 알루미늄원료(1)를 공급 반대 방향으로 밀어낼 수 있으므로 밸브 하우징(210)의 입구부(211) 내경을 회전구(220)의 공급로(221) 내경보다 작은 직경으로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 밸브 하우징(210)의 입구부(211)가 회전구(220)의 공급로(221)보다 작은 내경을 가짐으로써 입구부(211)의 말단부에는 공급로(221)와의 경계를 이루는 단턱이 형성되고, 이 단턱에 의해 피스톤(222)이 걸림되므로 피스톤(222)의 밀림을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 회전구(220)의 공급로(221) 또는 밸브 하우징(210)에는 피스톤(222)의 위치를 감지하는 위치 감지센서(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 상기와 같이 밸브 하우징(210) 내에서 제자리 회전되는 회전구(220)와 밸브 하우징(210) 사이에는 전술한 정량 공급밸브(100)(100a)와 마찬가지로 기밀 유지 패킹(230)이 구비되어 회전구(220)와 밸브 하우징(210) 사이를 실링하여 기밀하게 된다.
그리고, 원료 공급관(10)의 전방에는 다양한 형태의 알루미늄원료(1)를 원료 공급관(10)으로 투입하기 위한 실린더(260)가 구비되고, 원료 공급관(10)과 마주하는 실린더(260)의 일단부에는 로드(261)가 출입 가능하게 구비된다.
따라서, 실린더(260)에서 인출되는 로드(261)가 알루미늄원료(1)를 원료 공급관(10)으로 밀어 투입하게 된다.
한편, 정량 공급밸브(100)(100a)는 원료 공급관(10)에 경사지게 설치되거나 또는 경사진 원료 공급관(10)에 설치되어, 정량 공급밸브(100)(100a)를 지난 알루미늄원료(1)가 정량 공급밸브(100)(100a)에서 자유 낙하되어 반응탱크(300) 내로 공급되도록 구비된다.
이러한 정량 공급밸브(100)(100a)는 후술될 회전구(120)에 형성되는 공급홈의 구조에 따라 각기 다른 실시예로 구성된다.
제 1 실시예에 따른 정량 공급밸브(100)는 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 원료 공급관(10)에 연통되게 연결되는 밸브 하우징(110)과, 밸브 하우징(110) 내에 회전되게 구비되는 한편 정량의 알루미늄원료(1)가 삽입되어 수용되는 공급홈(121)을 갖는 회전구(120)를 포함한다.
밸브 하우징(110)은 내부가 빈 중공의 구체로 형성되고, 밸브 하우징(110)의 양측부에는 각각 중공관 형태의 입구부(111)와 출구부(112)가 각각 돌출 형성된다.
이러한 입구부(111)와 출구부(112)는 밸브 하우징(110)에 동일 선상으로 구비됨이 바람직하지만, 이에 국한되거나 한정되지 않고 다양한 형태와 구조로 변경될 수 있다.
한편, 상기와 같은 밸브 하우징(110)은 입구부(111)와 출구부(112)를 통해 원료 공급관(10)에 연통된 상태로 연결되어 구비된다.
그리고, 회전구(120)는 밸브 하우징(110) 내에 삽입되어 회전 가능하게 구비되는 구체로 형성되고, 그 일측에는 회전구(120)의 원주면에서 내측 중심을 향하는 하나의 공급홈(121)이 형성된다.
이러한 공급홈(121)은 그 일단부가 회전구(120)의 원주면 측으로 개구되게 형성되고, 반대편의 타단부는 폐쇄되게 형성되며, 공급홈(121)의 개구부는 회전구(120)의 회전에 의해 밸브 하우징(110)의 입구부(111) 또는 출구부(112)와 선택적으로 연통되게 구비된다.
따라서, 밸브 하우징(110)의 입구부(111)로 유입된 알루미늄원료(1)는 회전구(120)의 공급홈(121)에 삽입된 후, 회전구(120)의 180도 회전에 의해 밸브 하우징(110)의 출구부(112)를 통해 배출됨으로써, 공급홈(121)에 의해 알루미늄원료(1)를 항상 정량 공급할 수 있게 된다.
이때, 밸브 하우징(110)의 입구부(111) 또는 회전구(120)의 공급홈(121)에는 알루미늄원료(1)의 삽입을 감지하여 정량을 측정할 수 있는 정량 감지센서(미도시) 등과 같은 감지수단이 구비될 수 있다.
한편, 상기와 같은 정량 공급밸브(100)에 의해 원통형으로 정형화된 알루미늄원료(1) 뿐 아니라 비정형화된 알루미늄원료도 모두 정량 공급할 수 있게 된다.
그리고, 상기와 같이 회전구(120)에는 알루미늄원료(1)가 공급홈(121)에 삽입되면 회전구(120)를 평면상으로 180도 자동 회전시키는 회전수단이 구비된다. 이러한 회전수단은 도 3에 도시된 바와 같이, 회전구(120)의 상단부에서 밸브 하우징(110)을 관통하여 외측으로 돌출되게 구비되는 회전축(140)과, 회전축(140)에 기어수단으로 연결되어 구비되는 모터(150)를 포함한다.
이러한 모터(150)는 회전구(120)의 회전각도를 정밀 제어할 수 있는 스텝모터나 서보모터로 구성될 수 있다.
그리고, 기어수단은 회전축(140)의 상단부에 고정된 기어(141)와, 모터(150)에 의해 회전 구동되는 기어(151)가 베벨기어 타입 또는 웜기어 타입으로 연결되어 구비될 수 있다. 이러한 모터(150)는 정.역 회전이 가능할 뿐 아니라 회전구(120)의 회전을 정밀 제어할 수 있는 스텝모터 또는 서보모터로 구비될 수 있다.
따라서, 모터(150)의 구동에 의해 회전구(120)는 밸브 하우징(110)을 관통한 회전축(140)을 기준으로 밸브 하우징(110) 내에서 회전축(140)과 직교되는 수평 방향으로 제자리 회전되고, 이러한 회전구(120)의 회전에 의해 회전구(120)의 공급홈(121)은 밸브 하우징(110)의 입구부(111) 또는 출구부(112)와 선택적으로 연통되게 구비된다.
한편, 상기와 같이 밸브 하우징(110) 내에서 제자리 회전되는 회전구(120)와 밸브 하우징(110) 사이에는 기밀 유지 패킹(130)이 구비되어, 회전구(120)와 밸브 하우징(110) 사이로 반응탱크(300)에서 생산된 수소 가스가 누출되는 것을 사전에 완벽히 차단할 수 있게 된다.
그리고, 제 2 실시예에 따른 정량 공급밸브(100a)는 도 4 및 도 7에서와 같이, 회전구(120)에 형성된 공급홈(121a)(121b)의 구성만이 제 1 실시예의 정량 공급밸브(100)와 차이가 있을 뿐, 나머지는 모두 제 1 실시예의 정량 공급밸브(100)와 동일하게 구성된다.
이에, 제 2 실시예에 따른 정량 공급밸브(100a)를 설명함에 있어, 전술한 제 1 실시예의 정량 공급밸브(100)와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여함과 더불어 중복되는 설명은 생략하고, 차이가 있는 상이한 부분에 대해서만 자세히 설명하기로 한다.
제 2 실시예에 따른 정량 공급밸브(100a)는 도 4에 도시된 바와 같이, 회전구(120)의 양측에 회전구(120)의 원주면에서 내측 중심을 향하는 공급홈(121a)(121b)이 각각 형성되고, 양 공급홈(121a)(121b)은 내측벽에 의해 이격되어 독립된 개체로 각각 구비된다.
그리고, 양 공급홈(121a)(121b)은 동일 선상으로 구비되어, 일측의 제 1 공급홈(121a)이 밸브 하우징(110)의 입구부(111)에 일치되면, 타측의 제 2 공급홈(121b)은 밸브 하우징(110)의 출구부(112)에 일치되게 구비된다.
이로써, 밸브 하우징(110)의 입구부(111)로 유입된 다양한 형태의 알루미늄원료(1)가 회전구(120)의 제 1 공급홈(121a)에 삽입된 상태에서 회전구(120)가 180도 회전되면, 회전구(120)의 제 1 공급홈(121a)은 밸브 하우징(110)의 출구부(112)와 일치되게 위치되고, 회전구(120)의 제 2 공급홈(121b)은 밸브 하우징(110)의 입구부(111)와 일치되게 구비된다.
따라서, 회전구(120)의 제 1 공급홈(121a)에 삽입돼 있던 알루미늄원료(1)는 밸브 하우징(110)의 출구부(112)를 통해 배출되고, 이와 동시에 회전구(120)의 제 2 공급홈(121b)에는 알루미늄원료(1)가 다시 삽입됨으로써 알루미늄원료(1)의 정량 공급은 물론 전술한 제 1 실시예의 정량 공급밸브(100)보다 2배 빠른 속도로 알루미늄원료(1)를 연속하여 공급할 수 있는 이점이 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 수소 연료 생산시스템의 작동관계를 설명한다.
먼저, 반응탱크(300)의 좌측 반응실(301)에서 수소 연료를 생산하고자 할 시는 해당 반응실(301)에 구비된 용액 공급관(410)을 통해 용액(2)이 정량 공급된다.
즉, 용액 공급관(410)에 구비된 공급펌프(420)에 의해 용액 공급탱크(400) 내의 용액(2)이 용액 공급관(410)으로 압송되어 공급되고, 공급된 용액(2)이 정량 공급밸브(460) 전방의 용액 공급관(410)에 일정량 차게 되면 자동체크밸브(450)가 닫혀 용액(2)의 공급을 차단하게 된다.
이 상태에서 정량 공급밸브(460)가 작동되어 공급홈(463)의 내부 체적만큼 용액(2)을 담은 후 더 회전되면서 반응탱크(300)에 정량의 용액(2)을 공급하게 되고, 용액(2)의 공급 후 원상태로 복귀된다.
이와 같이 용액(2)의 공급이 완료된 후에는 원료 공급관(10)을 통해 알루미늄원료(1)가 반응탱크(300)로 정량 공급된다.
즉, 실린더(260)에서 인출되는 로드(261)에 의해 원료 공급관(10)의 선단부로 알루미늄원료(1)가 삽입되어 투입되고, 투입된 알루미늄원료(1)는 도 5a에서와 같이 보조 공급밸브(200)의 밸브 하우징(210)의 입구부(211)를 통해 회전구(220)의 공급로(221) 내로 유입된다.
이와 같이 유입되는 알루미늄원료(1)에 의해 피스톤(222)은 공급로(221)의 말단부 측으로 이동되어 공급로(221) 내에는 알루미늄원료(1), 피스톤(222) 순으로 위치된다.
이 상태에서 모터(250)에 의해 회전구(220)가 밸브 하우징(210) 내에서 180도 제자리 회전되고, 이에 알루미늄원료(1)와 피스톤(222)의 위치가 도 5b와 같이 반전되어 피스톤(222), 알루미늄원료(1) 순으로 위치된다.
이후, 실린더(260)의 로드(261)가 재인출되어 피스톤(222)을 공급로(221)의 말단부까지 밀어 이동시킴으로써 알루미늄원료(1)는 도 5c에서와 같이 회전구(220)의 공급로(221)를 벗어나 밸브 하우징(210)의 출구부(212)를 통해 보조 공급밸브(200) 후방의 원료 공급관(10)으로 배출된다.
이러한 알루미늄원료(1)의 공급과정에선 항상 피스톤(222)이 공급로(221)의 말단부에 위치되므로 원료 공급관(10) 내의 수소 가스는 절대로 공급로(221) 내부로 유입되지 못한다.
한편, 보조 공급밸브(200)를 통한 알루미늄원료(1)는 정량 공급밸브(100)(100a)의 밸브 하우징(110)의 입구부(111)로 유입되고, 입구부(111)를 통한 알루미늄원료(1)는 밸브 하우징(110)의 입구부(111)를 향하고 있는 회전구(120)의 공급홈(121) 또는 제 1 공급홈(121a)으로 삽입되어 수용된다.
이후, 모터(150)가 구동되어 정량 공급밸브(100)(100a)의 밸브 하우징(110) 내에서 회전구(120)를 180도 제자리 회전시키고, 이에 따라 공급홈(121) 또는 제 1 공급홈(121a)의 위치가 반전되어 밸브 하우징(110)의 출구부(112)를 향하도록 위치된다.
이로써, 알루미늄원료(1)는 밸브 하우징(110)의 출구부(112) 측으로 배출되어 원료 공급관(10)을 통해 반응탱크(300) 내부로 공급홈(121)(121a)(121b)의 내부 체적만큼씩 정량 공급된다.
이때, 제 2 실시예와 같이 회전구(120)의 양측에 제 1,2 공급홈(121a)(121b)이 각각 형성돼 있는 경우는 제 1 실시예에 따른 정량 공급밸브(100)보다 알루미늄원료(1)를 2배 빠른 속도로서 정량 공급할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에서는 알루미늄원료(1) 및 용액(2)을 반응탱크(300)로 정량으로 공급할 수 있을 뿐 아니라 반응탱크(300)에서 생산된 수소 연료가 각 공급관(10)(410)을 통한 대기 누출을 원천 차단한 상태로 생산된 모든 수소 연료를 회수하여 저장할 수 있게 된다.
한편, 상기와 같이 반응탱크(300)의 좌측 반응실(301)로 정량 투입된 알루미늄원료(1)가 용액(2)과 혼합되어 알루미늄원료(1)와 용액(2)의 화학 반응에 의해 수소 연료가 생산되고, 생산된 수소 연료는 반응탱크(300) 상면의 수소 연료 배출관(330)을 통해 정화탱크(500)로 공급되어 저장된다.
상기와 같이 반응탱크(300) 내에서 수소 연료가 생산되는 과정에서 알루미늄원료(1)나 용액(2)이 더 공급되면, 이 과정에서 미량의 수소 가스가 각 공급되어 유입될 수 있다.
즉, 알루미늄원료(1)를 반응탱크(300)로 공급한 후 회전구(120)의 빈 공급홈(121)(121a)(121b)에는 반응탱크(300)에서 증발된 미량의 수소 가스가 채워질 수 있고, 이 수소 가스는 회전구(120)의 180도 회전에 의해 정량 공급밸브(100)(100a)와 보조 공급밸브(200) 사이의 원료 공급관(10)으로 유입되지만, 유입된 수소 가스는 전술한 바와 같은 보조 공급밸브(200)의 작동에 의해 보조 공급밸브(200) 측으로의 누출은 완전히 차단된 상태로 원료 공급관(10) 내에 존재하게 된다.
또한, 용액(2)의 정량 공급 후에도 용액 공급관(410)에 구비된 정량 공급밸브(460)의 공급홈(463)에는 미량의 수소 연료가 채워질 수 있고, 정량 공급밸브(460)의 복귀시 용액 공급관(410) 내부를 채우고 있던 용액(2)이 공급된 양만큼 비워진 공간을 수소 연료가 채운 상태로 존재하게 된다.
이 상태에서 각각의 실린더(363)(473)가 작동되어 피스톤(364)(474)이 후진 이동되면 원료 공급관(10) 및 용액 공급관(410)에 존재하는 수소 가스를 각각의 챔버(362)(472)로 흡입하여 유입하였다가 피스톤(364)(474)의 전진 이동시 각각의 바이패스관(360)(470)을 통해 수소 연료 배출관(330)으로 배출되어 정화탱크(500)로 공급된다.
그리고, 반응탱크(300)의 좌측 반응실(301)에서 수소 연료의 생산이 완료되어 수소 연료 배출관(330)으로 모두 배출되면, 반응탱크(300)의 좌측 반응실(301)은 대략 10bar의 고온.고압 환경에서 저온.저압으로 떨어지게 되고, 이때 해당 반응실(301)의 용액(2) 속에는 화학 반응에 의한 부산물이 발생되어 침전된다.
이와 같이 좌측 반응실(301) 내의 온도 또는 압력이 떨어져 대략 3bar의 설정값에 도달되면, 컨트롤러가 좌측 반응실(301)의 부산물 배출관(340)에 구비된 좌측 정량 밸브(341)를 작동시켜 좌측 반응실(301) 내의 부산물을 일정량씩 배출시키게 되고, 해당 반응실(301) 내의 용액(2)이 최저 수위에 도달되면 정량 밸브(341)의 작동은 중지되어 부산물 배출관(340)을 폐쇄시키게 된다.
이로써, 부산물 배출과정에서 부산물 배출관(340)을 통한 수소 연료의 배출은 완벽히 차단되어 방지된다.
그리고, 상기와 같이 좌측 반응실(301)에서 부산물 배출이 이루어짐과 동시에 우측 반응실(302)에서는 용액(2)과 알루미늄원료(1)가 차례로 공급되어 전술한 좌측 반응실(301)에서와 같은 화학 반응으로 수소 연료를 생산할 수 있게 된다.
따라서, 반응탱크(300)의 양 반응실(301)(302)을 통해 부산물을 배출하면서도 수소 연료를 연속적으로 생산할 수 있으므로 생산성 향상에 지대한 영향을 미치게 된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
1 : 알루미늄원료 2 ; 용액
10 : 원료 공급관 100,100a : 정량 공급밸브
110 : 밸브 하우징 111 : 입구부
112 : 출구부 120 : 회전구
121,121a,121b : 공급홈 130 : 기밀 유지 패킹
140 : 회전축 141 : 기어
150 : 모터 151 : 기어
200 : 보조 공급밸브 210 : 밸브 하우징
211 : 입구부 212 : 출구부
220 : 회전구 221 : 공급로
222 : 피스톤 223 : O링
230 : 기밀 유지 패킹 240 : 회전축
241 : 기어 250 : 모터
251 : 기어 260 : 실린더
261 : 로드 300 : 반응탱크
301,302 : 반응실 310 : 격벽
320 : 냉각수챔버 321 : 냉각수 공급관
322 : 냉각수 순환관 323 : 순환펌프
324 : 냉각수 유로 325 : 배수공
326 : 안전망 330 : 수소 연료 배출관
331 : 체크밸브 332 : 감지센서
340,340a : 부산물 배출관 341,341a : 정량 밸브
341-1,341a-1 : 밸브 하우징 341-2,341a-2 : 회전구
341-3,341a-3 : 배출홈 350 : 부산물 저장탱크
360 : 바이패스관 361 : 전자동밸브
362 : 챔버 363 : 실린더
364 : 피스톤 365 : 체크밸브
366 : 감지센서 370 : 급수관
400 : 용액 공급탱크 410 : 용액 공급관
420 : 공급펌프 430 : 개폐밸브
440 : 유량 조절기 450 : 자동체크밸브
460 : 정량 공급밸브 461 : 밸브 하우징
462 : 회전구 463 : 공급홈
470 : 바이패스관 471 : 용액 감지센서
472 : 챔버 473 : 실린더
474 : 피스톤 475 : 체크밸브
476 : 감지센서 500 : 정화탱크

Claims (11)

  1. 알루미늄원료가 공급되는 원료 공급관과, 알루미늄원료와 화학 반응하는 용액이 공급되는 용액 공급관과, 원료 공급관에 구비되어 알루미늄원료를 정량 공급하는 정량 공급 밸브장치와, 정량 공급 밸브장치에 의해 알루미늄원료가 정량 공급되어 용액과의 화학 반응에 의해 수소 연료가 생산되는 반응탱크를 포함하고,
    반응탱크는 그 내부에 격리된 복수의 반응실이 구비되고, 각 반응실에는 각각의 원료 공급관과 용액 공급관이 연결되어 각 반응실에서 알루미늄원료와 용액이 각각 화학 반응되게 구비되되,
    정량 공급 밸브장치는, 원료 공급관에 연통되게 구비되어 알루미늄원료를 공급하는 한편 수소 가스의 누출을 차단하는 보조 공급밸브; 및
    보조 공급밸브와 반응탱크 사이의 원료 공급관에 구비되어 알루미늄원료를 반응탱크로 정량 공급하는 정량 공급밸브;를 포함하는 한편,
    보조 공급밸브와 정량 공급밸브 사이의 원료 공급관에 연결되어 원료 공급관으로 유입된 수소 연료를 반응탱크에서 생산된 수소 연료가 배출되는 수소 연료 배출관으로 공급하기 위한 바이패스관;
    바이패스관에 구비되어 원료 공급관 내의 수소 연료가 유입되는 챔버; 및
    챔버에 구비되어 챔버 내로 원료 공급관의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관으로 공급하는 실린더;를 포함하는 수소 연료 생산시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    반응탱크의 내측에는 내부 공간을 복수의 반응실로 양분하는 격벽이 구비되고, 격벽의 상부는 복수의 반응실이 연통되는 공간으로 형성되는 수소 연료 생산시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    각 반응실에는 알루미늄원료와 용액의 화학 반응 후 발생되는 부산물을 배출시키기 위한 부산물 배출관이 각각 구비되고, 각 부산물 배출관에는 부산물을 일정량으로 배출시키는 정량 밸브가 구비되는 수소 연료 생산시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    정량 밸브는 각 부산물 배출관에 연통되게 연결되는 밸브 하우징;
    밸브 하우징 내에 실링된 상태로 회전되게 구비되는 한편 부산물이 삽입되는 배출홈을 갖는 회전구;를 포함하여,
    회전구의 배출홈에 부산물이 삽입된 상태에서 회전구가 회전되어 부산물을 배출시키는 수소 연료 생산시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    부산물 배출관에 구비되는 정량 밸브는 반응탱크 내의 온도 또는 압력에 따라 자동 개폐되도록 구비되는 수소 연료 생산시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    반응탱크의 외측면에는 반응탱크를 감싸는 냉각수챔버가 구비되고, 냉각수챔버에는 순환펌프에 의해 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환관이 구비되는 수소 연료 생산시스템.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    반응탱크와 용액 공급관으로 연결되는 용액 공급탱크;
    용액 공급관에 구비되어 용액 공급탱크 내의 용액을 반응탱크로 공급하는 펌프;
    용액 공급관에 구비되어 용액을 반응탱크로 정량 공급하는 정량 공급밸브;
    정량 공급밸브와 펌프 사이의 용액 공급관에 구비되어 정량 공급밸브 측으로 공급된 용액의 역류를 방지하는 자동체크밸브;를 포함하는 수소 연료 생산시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    정량 공급밸브와 자동체크밸브 사이의 용액 공급관에 연결되어 용액 공급관으로 유입된 수소 연료를 반응탱크에서 생산된 수소 연료가 배출되는 수소 연료 배출관으로 공급하기 위한 바이패스관;
    바이패스관에 구비되어 용액 공급관 내의 수소 연료가 유입되는 챔버;
    챔버에 구비되어 챔버 내로 용액 공급관의 수소 연료를 유입시키는 한편 챔버 내의 수소 연료를 수소 연료 배출관으로 공급하는 실린더;를 포함하는 수소 연료 생산시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    용액 공급관에 연결된 바이패스관에 구비되어 바이패스관으로 유입되는 용액의 높이를 감지하여 정량 공급밸브의 작동을 제어하는 용액 감지센서를 포함하는 수소 연료 생산시스템.
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