KR102614405B1 - 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기는 내부에 금속 연료와 촉매 수용액이 반응하는 반응 공간이 제공되며 상부가 개방된 반응기 몸체, 상기 반응기 몸체의 개방된 상부를 덮는 커버, 일정한 거리로 떨어져 배치되고 하측에 배치될수록 그물코의 크기가 작은 복수의 금속 그물망을 포함하고, 상기 반응 공간에 배치되는 금속 그물망 어셈블리 및 상기 반응기 몸체의 측면에 형성된 관측구멍에 결합되어 외부에서 상기 반응 공간을 관측할 수 있게 하는 관측창을 포함한다.

Description

금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기{Reactor for experiment of hydrogen generation using metallic fuel}
본 발명은 금속 연료를 이용한 수소 발생 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 연료를 이용한 수소 발생 시스템의 최적 운전 조건을 탐색할 수 있는 금속 연료를 이용한 수소 발생 실험을 위한 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 유기물을 포함하는 연료를 분해하여 수소를 포함하는 가스를 제조하는 장치를 개질 장치(reformer)라 한다. 이러한 개질 장치는 수소를 연료로 하는 연료전지의 수소 공급 장치로서 널리 사용되고 있다. 한편, 개질 장치는 잠수함용 수소공급장치로 탑재되어 운용되기에는 아직 기술적으로 미흡한 부분이 있다. 따라서 수소저장합금이 잠수함용 연료전지에 수소를 공급하는 장치로 사용되는 것이 일반적이다. 그런데 수소를 연료로 하는 기존의 잠수함의 경우, 단위 부피 당 저장용량이 큰 수소저장합금을 수소 공급 장치로 사용하고 있다. 따라서 수소저장합금의 경우 무겁고 가격이 비싼 문제점이 있다. 그리고 충전과 방전에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위하여 한국등록특허공보 제10-1577536호에서 금속 연료를 이용하는 잠수함 수소 시스템이 제안되었다.
한편, 상기 공보에서 제안된 잠수함 수소 시스템은 잠수함 내에서 금속 연료를 저장하는 금속 연료 저장 장치, 금속연료와 촉매수용액으로 수소를 발생시켜 잠수함 내의 수소 연료 전지로 제공하는 금속 연료를 이용하는 수소 발생 장치 및 금속 연료를 이용하는 수소 발생 장치에서 발생된 수소 중에서 수소 연료 전지에서 소비되고 남은 수소를 저장하되, 금속 연료 저장소에 저장된 금속 연료가 완전히 소비된 경우에는 저장된 수소를 수소 연료 전지로 공급하는 수소 저장 장치를 포함한다.
그런데 현재 상기 공보에서 제안된 잠수함 수소 시스템의 금속 연료를 이용하는 수소 발생 장치의 최적 수소 발생 조건이 아직 밝혀지지 않은 상태이다.
따라서 금속 연료를 이용하는 수소 발생 장치의 최적 수소 발생 조건이 탐색될 필요가 있다.
한국등록특허공보 제10-1577536호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 금속 연료를 이용하는 수소 발생 장치의 최적 수소 발생 조건을 탐색할 수 있게 하는 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기는 내부에 금속 연료와 촉매 수용액이 반응하는 반응 공간이 제공되며 상부가 개방된 반응기 몸체; 상기 반응기 몸체의 개방된 상부를 덮는 커버; 일정한 거리로 떨어져 배치되고 하측에 배치될수록 그물코의 크기가 작은 복수의 금속 그물망을 포함하고, 상기 반응 공간에 배치되는 금속 그물망 어셈블리; 및 상기 반응기 몸체의 측면에 형성된 관측구멍에 결합되어 외부에서 상기 반응 공간을 관측할 수 있게 하는 관측창을 포함한다.
여기서, 상기 금속 연료는 알루미늄(Al)이고, 상기 촉매 수용액은 수산화나트륨(NaOH)일 수 있다.
또한, 상기 금속 그물망 어셈블리는, 상기 복수의 금속 그물망을 감싸며 내면이 상기 복수의 금속 그물망 각각의 테두리에 결합되는 아우터 그물망; 및 상기 반응 공간의 바닥에서 상기 아우터 그물망을 지지하는 베이스 링을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 베이스 링에는 배플이 배치될 수 있다.
한편, 상기 관측창의 안쪽에 배치되고, 상기 금속 그물망 어셈블리와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 상기 금속 그물망 어셈블리의 직경보다 작은 폭을 가진 서브 금속 그물망 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응 공간의 하부에 상기 촉매 수용액을 공급하는 촉매 수용액 공급 부재를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 촉매 수용액 공급 부재는, 상기 반응기 몸체의 하부에 형성되는 촉매 수용액 유입구; 및 상기 유입구에 상기 촉매 수용액을 공급하는 촉매 수용액 공급관을 포함하고, 상기 촉매 수용액 유입구에는 촉매 수용액 역류 방지 체크 밸브가 설치되고, 상기 촉매 수용액 공급관에는 촉매 수용액 유량 조절 밸브가 설치될 수 있다.
한편, 상기 반응 공간의 온도를 조절하는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 냉각 장치는, 상기 금속 그물망 어셈블리를 감싸는 냉매 코일 튜브; 및 상기 냉매 코일 튜브에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 커버에는 상기 반응 공간의 압력이 일정한 압력 이상으로 되는 것을 방지하는 안전밸브가 설치될 수 있다.
또한, 상기 커버에는 상기 반응 공간을 퍼징하는 퍼징가스를 공급하는 퍼징가스 공급관이 결합될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기에 의하면, 금속을 연료로 이용하는 수소 발생 장치의 최적 수소 발생 조건을 탐색할 수 있게 된다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 종단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 부분 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기를 나타낸 종단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기(이하, ‘반응기’라 한다.)(10)는 내부에 금속 연료와 촉매 수용액이 반응하는 반응 공간(RS)이 제공되며 상부가 개방된 반응기 몸체(100), 반응기 몸체(100)의 개방된 상부를 덮는 커버(200), 일정한 거리로 떨어져 배치되고 하측에 배치될수록 그물코(NC)의 크기가 작은 복수의 금속 그물망(311-315)을 포함하고, 반응 공간(RS)에 배치되는 금속 그물망 어셈블리(300) 및 반응기 몸체(100)의 측면에 형성된 관측구멍(110)에 결합되어 외부에서 반응 공간(RS)을 관측할 수 있게 하는 관측창(400)을 포함할 수 있다.
반응 공간(RS)에서 반응하는 금속 연료는 알루미늄(Al)이고, 촉매 수용액은 수산화나트륨(NaOH)일 수 있으나, 이들에 한정되지는 않는다.
반응기 몸체(100)는 반응기 몸체(100)의 하부에서 연장되는 반응기 다리(110)에 의해 지지될 수 있다.
커버(200)의 측면에는 볼트 홈(R)이 마련되고, 반응기 몸체(100)의 측면에는 볼트(B)가 회동 가능하게 결합될 수 있다. 따라서 볼트(B)가 볼트 홈(R)에 끼워진 상태로 볼트(B)에 너트(N)가 결합되면 커버(200)는 반응기 몸체(100)에 견고하게 결합되면서 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)을 완전히 밀폐시킨다.
금속 그물망 어셈블리(300)는 복수의 금속 그물망(311-315)을 감싸며 내면이 복수의 금속 그물망(311-315) 각각의 테두리에 결합되는 아우터 그물망(320) 및 반응 공간(RS)의 바닥에서 아우터 그물망(320)을 지지하는 베이스 링(330)을 더 포함할 수 있다. 금속 그물망 어셈블리(300)는 촉매 수용액과의 반응을 방지하기 위해 스테인레스(SUS) 재질로 제작될 수 있다.
이러한 금속 그물망 어셈블리(300)에 의해, 금속 그물망 어셈블리(300)의 상부에 놓인 금속 연료는 촉매 수용액과 반응 정도에 따라 그 크기가 작아져 복수의 금속 금속 그물망(311-315)를 순차적으로 통과하여 하측으로 낙하된다. 따라서 금속 연료의 반응 단계별로 분류된다.
여기서, 베이스 링(330)에는 배플(Baffle)(BF)이 배치될 수 있다. 따라서 반응하고 남은 금속 연료의 찌꺼기가 베이스 링(330)에 모이게 됨으로써, 금속 연료의 찌꺼기(슬러지)를 용이하게 제거할 수 있게 된다.
관측창(400)은 투명한 유리로 구현되어 반응기 몸체(100)의 측면에 형성된 관찰 구멍(110)에 결합될 수 있다. 관찰 구멍(110)와 관측창(400) 사이에는 반응 공간(RS)이 완전히 밀폐되도록 실링 부재(S)가 배치될 수 있다.
관측창(400)의 안쪽에는 금속 그물망 어셈블리(300)와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 금속 그물망 어셈블리(300)의 직경보다 작은 폭을 가진 서브 금속 그물망 어셈블리(350)가 배치될 수 있다. 서브 금속 그물망 어셈블리(350)는 금속 그물망 어셈블리(300)의 복수의 금속 그물망(311-315)과 실질적으로 동일한 복수의 서브 금속 그물망(361-365) 및 금속 그물망 어셈블리(300)의 아우터 그물망(320)과 실질적으로 동일하며 복수의 서브 금속 그물망(361-365)의 테두리를 지지하는 프레임 금속 그물망(370)을 포함할 수 있다. 이러한 서브 금속 그물망 어셈블리(350)에 의해 사용자는 금속 연료의 반응 단계를 용이하게 관찰할 수 있게 된다.
반응기(10)는 반응 공간(RS)의 하부에 촉매 수용액을 공급하는 촉매 수용액 공급 부재(500)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 촉매 수용액 유입 부재(500)는 반응기 몸체(100)의 하부에 형성되는 촉매 수용액 유입 구(510) 및 외부에서 촉매 수용액을 공급받아 촉매 수용액 유입구(510)를 통해 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)에 공급하는 촉매 수용액 공급관(520)을 포함할 수 있다. 따라서 반응 공간(RS)의 하부에서부터 차오르게 금속 연료와 금속 그물망 어셈블리(300)에 거치된 금속 연료의 접촉 시작 시간이 명확하게 됨으로써 금속 연료와 촉매 수용액의 화학 반응에 따른 수소 발생량을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
촉매 수용액 유입구(510)에는 촉매 수용액의 역류를 방지하기 위한 촉매 수용액 역류 방지 체크 밸브(CV1)가 설치되고, 촉매 수용액 공급관(520)에는 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)에 공급되는 촉매 수용액의 유량을 조절하는 촉매 수용액 유량 조절 밸브(540)가 설치될 수 있다. 따라서 반응 공간(RS)에 공급되는 촉매 수용액의 유량을 조절할 수 있게 된다.
커버(200)에는 온도 측정 장치(210), 압력 측정 장치(220) 및 산성도(PH) 측정 장치(230)가 결합될 수 있다. 온도 측정 장치(210)는 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)의 온도를 측정한다. 압력 측정 장치(220)는 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)의 압력을 측정한다. 산성도 측정 장치(230)는 반응기 몸체(100)의 반응 공간(RS)의 산성도를 측정한다. 따라서 사용자는 반응 공간(RS)에서 반응하는 금속 연료와 촉매 수용액의 온도, 압력 및 산성도를 관측할 수 있게 된다.
또한, 커버(200)에는 반응 공간(RS)을 퍼징(purging)하기 위한 퍼징가스 공급관(240)이 결합될 수 있다. 퍼징가스 공급관(240)에는 퍼징가스의 역류를 방지하는 퍼징가스 역류 방지 밸브(CV2)가 설치될 수 있다. 퍼징가스 공급관(240)을 통해 공급되는 퍼징가스는 질소(N2)일 수 있다. 따라서 금속 연료와 촉매 수용액의 반응 전에 반응 공간(RS)에 있는 수소를 제거할 수 있게 됨으로써 금속 연료와 촉매 수용액의 반응에 의해 발생되는 수소의 량을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
또한, 커버(200)에는 반응 공간(RS)에서 생성된 수소가 배출되는 수소 배출관(250)이 결합될 수 있다. 따라서 외부에서 반응 공간(RS)에서 생성되어 수소 배출관(250)을 통해 배출되는 수소를 포집할 수 있게 된다. 수소 배출관(250)에는 수소의 역류를 방지하는 수소 역류 방지 밸브(CV3)가 설치될 수 있다.
또한, 커버(200)에는 반응 공간(RS)의 압력이 일정한 압력 이상으로 되는 것을 방지하는 안전밸브(260)가 설치될 수 있다. 따라서 반응 공간(RS)의 압력이 과도하게 상승하여 반응기(10)가 파손되는 것이 방지된다.
반응기(10)는 반응 공간(RS)의 온도를 조절하는 냉각 장치(600)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 냉각 장치(600)는 금속 그물망 어셈블리(300)를 감싸며 내부에 냉매가 흐르는 냉매 코일 튜브(610)와 냉매 코일 튜브(610)에 냉매를 공급하는 냉매 공급 장치(620)를 포함할 수 있다. 냉매 공급 장치(620)는 외부 열교환기(621)와 펌프(622)를 포함할 수 있다. 냉매 공급 장치(620)가 공급하는 냉매는 냉각수 또는 공조기에 이용되는 냉매일 수 있다.
앞에서 설명된 바와 같은 구성을 가진 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기에 의하면, 금속을 연료로 이용하는 수소 발생 시스템의 최적 수소 발생 조건을 탐색할 수 있게 된다.
구체적으로, 냉각 장치(500)로 반응 공간(RS)의 온도를 조절하면서 금속 연료와 촉매 수용액의 최적 수소 발생 온도를 탐색할 수 있게 된다.
또한, 복수의 금속 그물망(311-315)을 포함한 금속 그물망 어셈블리(300)와 관측창(400)에 의해, 금속 연료와 촉매 수용액의 수소 발생 화학 반응 시간에 따른 금속 연료의 크기변화를 탐색할 수 있게 된다.
또한, 퍼징가스 공급관(240)에 의해, 금속 연료와 촉매 수용액의 반응 전에 반응 공간(RS)에 있는 수소를 제거할 수 있게 됨으로써, 금속 연료와 촉매 수용액의 반응에 의해 발생되는 수소의 량을 정확하게 측정할 수 있게 되어, 금속 연료와 촉매 수용액의 최적 수소 발생 온도를 탐색할 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기
100: 반응기 몸체
200: 커버
300: 금속 그물망 어셈블리
350: 서브 금속 그물망 어셈블리
400: 관측창
500: 촉매 수용액 공급 부재
600: 냉각 장치

Claims (11)

  1. 내부에 금속 연료와 촉매 수용액이 반응하는 반응 공간이 제공되며 상부가 개방된 반응기 몸체;
    상기 반응기 몸체의 개방된 상부를 덮는 커버;
    일정한 거리로 떨어져 배치되고 하측에 배치될수록 그물코의 크기가 작은 복수의 금속 그물망을 포함하고, 상기 반응 공간에 배치되는 금속 그물망 어셈블리; 및
    상기 반응기 몸체의 측면에 형성된 관측구멍에 결합되어 외부에서 상기 반응 공간을 관측할 수 있게 하는 관측창을 포함하며,
    상기 커버에는 반응기 몸체의 반응 공간의 온도를 측정하는 온도 측정 장치, 반응 공간의 압력을 측정하는 압력 측정 장치, 반응 공간의 산성도를 측정하는 산성도 측정 장치, 반응 공간을 퍼징하기 위한 퍼징가스 공급관 및 반응 공간에서 생성된 수소가 배출되는 수소 배출관이 마련되며,
    상기 커버에는 상기 반응 공간의 압력이 일정한 압력 이상으로 되는 것을 방지하는 안전밸브가 설치되고,
    상기 금속 연료는 알루미늄(Al)이고, 상기 촉매 수용액은 수산화나트륨(NaOH)이고,
    상기 금속 그물망 어셈블리는 상기 복수의 금속 그물망을 감싸며 내면이 상기 복수의 금속 그물망 각각의 테두리에 결합되는 아우터 그물망 및 상기 반응 공간의 바닥에서 상기 아우터 그물망을 지지하는 베이스 링을 포함하며,
    상기 베이스 링에는 배플이 배치되고,
    상기 관측창의 안쪽에 배치되고, 상기 금속 그물망 어셈블리와 실질적으로 동일한 구조를 가지며, 상기 금속 그물망 어셈블리의 직경보다 작은 폭을 가진 서브 금속 그물망 어셈블리를 더 포함하며,
    상기 반응 공간의 하부에 상기 촉매 수용액을 공급하는 촉매 수용액 공급 부재를 더 포함하고,
    상기 촉매 수용액 공급 부재는 상기 반응기 몸체의 하부에 형성되는 촉매 수용액 유입구 및 상기 유입구에 상기 촉매 수용액을 공급하는 촉매 수용액 공급관을 포함하고, 상기 촉매 수용액 유입구에는 촉매 수용액 역류 방지 체크 밸브가 설치되고, 상기 촉매 수용액 공급관에는 촉매 수용액 유량 조절 밸브가 설치되고,
    상기 반응 공간의 온도를 조절하는 냉각 장치를 더 포함하며,
    상기 냉각 장치는 상기 금속 그물망 어셈블리를 감싸는 냉매 코일 튜브 및 상기 냉매 코일 튜브에 냉매를 공급하는 냉매 공급장치를 포함하는 금속 연료를 이용하는 수소 발생 실험을 위한 반응기.
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