KR102665842B1 - 수소 반응기 및 이를 갖는 연속식 수소 방출 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기 유닛을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 반응기 유닛은 혼합물을 수용하는 수용 공간과 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크; 상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및 압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 수소 방출 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 금속수소화물(Metal Hydride: MH)을 이용한 연속식 수소 방출 시스템에 관한 것이다.
산업이 급속도로 발전함에 따라 전 세계적으로 고갈되어 가는 화석 연료의 대체 및 지구의 환경보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 미래의 에너지 매체로 우수한 특성을 가지고 있는 에너지 관련 기술 중 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 매우 시급하다. 이에 따라 수소에너지의 기술개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 수소의 제조와 저장, 수송 분야를 포함한 수소에너지 이용기술의 확보는 미래 21세기 에너지 안보 및 국가경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다.
수소는 에너지원으로서 사용할 경우에 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어질 뿐만 아니라, 연소 시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않는다. 또한, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로의 저장이 용이하다. 또한, 직접 연소에 의한 연료 또는 연료전지 등의 연료로서의 사용이 간편한 장점을 가지고 있다. 따라서, 수소는 산업용의 기초소재로부터 일반 연료자동차, 수소 비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있어, 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있으며, 수소 사용이 늘면서 자연스럽게 수소 생산과 저장기술에 대한 관심도가 높아지고 있다.
수소 저장 기술중에 하나인 금속수소화물을 이용한 방식은 수소 저장 금속에 수소를 흡장시켜 저장하였다가 필요할 때에 방출시켜 연료로 사용하거나 연료전지에 주입하여 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있다.
이러한 금속수소화물을 이용한 수소 발생 장치는 수소 발생시 반응 생성물이 반응기 내부에 누적되기 때문에 주기적으로 반응 생성물을 배출해야하고, 반응 생성물을 배출하는 과정에서 반응기 내부의 온도와 압력이 변하기 때문에 배출시에는 반응기의 가동을 중단해야 하는 문제점이 있다.
또한, 물과 MgH2 분말로 구성된 혼합물을 사용하는 수소 발생 장치는 혼합물을 반응기로 공급하는 과정에서 반응기 내부의 압력과 수증기로 인해 투입 경로가 막히는 현상이 빈번하게 발생한다. 그리고 기존 펌프 방식은 기밀이 완벽하게 이루어지지 않고 펌프 구조상 막힘 현상이 발생한다.
본 발명은 혼합물 투입시 반응기 내부 압력을 유지시킬 수 있는 수소 반응기 및 이를 갖는 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 반응기에서 반응 생성물의 배출이 용이한 수소 반응기 및 이를 갖는 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 공정 중단 없이 반응기로부터 반응 생성물 배출이 가능한 수소 반응기 및 이를 갖는 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 부하 변동에 따른 수소 생산량 조절이 가능한 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 반응기 내부의 압력을 일정하게 유지할 수 있는 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수소가 저장된 수소저장분말과 물을 혼합한 혼합물을 반응시켜 수소를 생성하는 반응기 유닛에 있어서: 혼합물을 수용하는 수용 공간과 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크; 상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및 압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함하는 반응기 유닛이 제공될 수 있다.
또한, 상기 투입 부재는 호퍼로부터 혼합물이 투입되는 투입구와 상기 제1개구와 연결되는 공급구를 갖는 공급 케이싱; 상기 공급 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 투입구를 통해 투입된 혼합물을 상기 공급구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제1이송 스크류를 포함하되; 상기 공급 케이싱은 1쌍의 상기 제1이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 공급구에서 상기 투입로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 상기 제1이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공될 수 있다.
또한, 압출 스크류 방식으로 상기 제2개구를 통해 상기 수용 공간의 반응부산물을 배출하는 배출 부재를 더 포함하되; 상기 배출 부재는 반응부산물이 낙하하는 낙하구와 상기 제2개구와 연결되는 배출구를 갖는 배출 케이싱; 상기 배출 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 배출구를 통해 투입된 혼합물을 상기 낙하구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제2이송 스크류를 포함하되; 상기 배출 케이싱은 1쌍의 상기 제2이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 배출구에서 상기 낙하구로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제2이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 배출 케이스의 바닥면은 상기 고압 탱크의 바닥면과 동일선상에 위치되고, 상기 제2이송 스크류는 상기 배출구를 통해 상기 수용 공간의 하단까지 연장되어 제공될 수 있다.
또한, 1 쌍의 상기 제1이송 스크류와 1쌍의 상기 제2이송 스크류 각각은 압축날개의 방향이 서로 반대이며 상기 모터에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물을 혼합한 혼합물이 저장되어 있는 호퍼; 상기 호퍼로부터 공급받은 상기 혼합물을 반응시켜 수소를 생성시키는 반응기 유닛; 상기 반응기 유닛에서 생성된 수소를 포함한 반응 가스를 냉각시켜 반응 가스에서 수분을 제거하는 냉각 건조 장치; 상기 냉각 건조 장치로부터 수소를 제공받아 저장하는 저장 탱크; 및 상기 반응기 유닛으로의 혼합물 투입량과 상기 반응기 유닛의 내부 온도와 압력을 제어하는 제어기를 포함하되; 상기 반응기 유닛은 혼합물을 수용하는 수용 공간과, 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크; 상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및 압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함하는 수소 방출 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 투입 부재는 상기 호퍼로부터 혼합물이 투입되는 투입구와 상기 제1개구와 연결되는 공급구를 갖는 공급 케이싱; 상기 공급 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 투입구를 통해 투입된 혼합물을 상기 공급구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제1이송 스크류를 포함하되; 상기 공급 케이싱은 1쌍의 상기 제1이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 공급구에서 상기 투입로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 상기 제1이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공될 수 있다.
또한, 압출 스크류 방식으로 상기 제2개구를 통해 상기 수용 공간의 반응부산물을 배출하는 배출 부재를 더 포함하되; 상기 배출 부재는 반응부산물이 낙하하는 낙하구와 상기 제2개구와 연결되는 배출구를 갖는 배출 케이싱; 상기 배출 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 배출구를 통해 투입된 혼합물을 상기 낙하구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제2이송 스크류를 포함하되; 상기 배출 케이싱은 1쌍의 상기 제2이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 배출구에서 상기 낙하구로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제2이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공될 수 있다.
또한, 상기 배출 케이스의 바닥면은 상기 고압 탱크의 바닥면과 동일선상에 위치되고, 상기 제2이송 스크류는 상기 배출구를 통해 상기 수용 공간까지 연장되어 제공될 수 있다.
또한, 상기 호퍼는 깔때기 모양으로 형성되고, 상기 투입구와 연결되는 투입 용기; 상기 투입 용기에 저장된 혼합물을 교반하기 위한 교반기; 및 상기 투입 용기를 냉각하는 칠러(chiller)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 호퍼와 상기 반응기 유닛으로 물을 공급하는 물 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기 유닛에 혼합액을 공급하기 전에 상기 반응기 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공급하는 퍼지가스 공급부; 상기 반응기 유닛의 초기 가동을 위해 상기 반응기에 압력 조절을 위한 질소 가스를 공급하는 질소가스 공급부; 및 상기 반응기 유닛의 내부 압력 조절을 위해 상기 반응기 내부의 반응 가스를 벤트하는 가스 벤트라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기 유닛에서 생성된 반응 가스를 상기 냉각 건조 장치로 공급하는 그리고 압력 조정 밸브가 설치된 반응 가스 공급 라인을 더 포함하고, 상기 반응기 유닛은 상기 고압 탱크의 내부 압력을 측정하는 압력 측정부; 상기 고압 탱크의 내부 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며, 상기 제어기는 상기 압력 측정부 및 상기 온도측정부의 측정값에 따라 상기 고압 탱크로의 혼합물 공급량과 물 공급량, 상기 반응기 유닛에서 상기 냉각 건조 장치로 배출되는 반응 가스의 배출량 그리고 상기 히팅 부재를 제어할 수 있다.
또한, 상기 냉각 건조 장치는 소정 높이로 냉각수가 채워지는 냉각 수조를 갖는 냉각 탱크; 상기 냉각 수조의 중앙 공간에 코일 형태로 제공되어 상기 냉각수에 의해 냉각되고, 상기 반응가스 공급관으로부터 제공받은 반응가스가 흐르는 냉각코일관을 포함하고, 상기 냉각코일관는 수소와 물이 토출되는 오픈된 끝단을 갖고, 상기 오픈된 끝단은 상기 냉각 수조의 하단에 위치될 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크에서 수소를 제공받는 연료 전지를 더 포함하되; 상기 제어기는 상기 저장 탱크의 압력 변화 또는 상기 연료 전지에서의 전력 소모량을 측정하여 상기 압축 탱크로의 혼합물 투입량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 수소 저장 물질은 마그네슘 하이드라이드(MgH2)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 혼합물 투입시 반응기 내부 압력을 유지시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 혼합물 투입이 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 반응기 유닛으로부터 반응 생성물 배출이 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 공정 중단 없이 반응기 유닛으로부터 반응 생성물 배출이 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 수소 발생량을 용이하게 조절할 수있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 반응로 유닛의 압력을 일정하게 조절할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 방출 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 2는 반응기 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 투입 부재를 설명하기 위한 평단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 A-A선을 따라 절취한 측단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 B-B선을 따라 절취한 배출 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 고압 탱크의 측단면도이다.
도 7은 고압 탱크와 배출 부재의 연결 부분을 보여주는 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 냉각 건조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 반응기 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 투입 부재를 설명하기 위한 평단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 A-A선을 따라 절취한 측단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 B-B선을 따라 절취한 배출 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 고압 탱크의 측단면도이다.
도 7은 고압 탱크와 배출 부재의 연결 부분을 보여주는 도면이다.
도 8은 도 1에 도시된 냉각 건조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 방출 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 수소 방출 시스템(10)은 호퍼(100), 반응기 유닛(200), 냉각 건조 장치(300), 저장 탱크(400), 배출 장치(500), 질소가스 공급부(610), 퍼지가스 공급부(620), 가스 벤트라인(630), 물 공급부(640), 제어기(900) 그리고 연료전지(20)를 포함할 수 있다.
호퍼(100)는 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물이 혼합된 혼합물이 저장된다. 호퍼(100)에 저장된 혼합물은 반응기 유닛(200)으로 공급된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 호퍼(110)는 깔때기 모양으로 형성된 투입 용기(112)를 갖는다. 투입 용기(112)에는 혼합물이 저장된다. 혼합물은 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물이 혼합된 페이스트 형태일 수 있다. 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물은 다른 혼합장치에서 혼합된 후 호퍼에 공급될 수 있다. 혼합 투입 용기(112)에는 저장된 혼합물을 교반하기 위한 교반기(114)가 설치된다. 이 교반기(114)는 혼합물이 투입 용기에서 대기하는 동안 수소저장물질과 물이 분리되는 것을 방지한다. 그리고 투입 용기(112)의 외측에는 칠러(chiller;116)가 설치된다. 칠러(116)는 공냉식 또는 수냉식으로 제공될 수 있다.
반응기 유닛(200)에서는 혼합물(원료)을 반응시켜 수소를 생성시킨다. 본 실시예에서는 1개의 반응기 유닛이 개시되어 있으나, 2개의 반응기 유닛이 병렬로 연결될 수 있다.
도 2는 반응기 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 반응기 유닛(200)은 고압 탱크(210), 히팅 부재(230), 투입 부재(240) 그리고 배출 부재(260)를 포함할 수 있다.
고압 탱크(210)는 원형 단면의 중공 형태로 제공될 수 있다. 고압 탱크는 아래로 갈수록 단면적이 작아지도록 제공될 수 있다. 고압 탱크(210)의 내부에는 히팅 부재(230)가 설치된다. 고압 탱크(210) 내부는 히팅 부재(230)에 의해 혼합물의 수소 방출 온도로 가열 유지될 수 있다.
고압 탱크(210)는 혼합물을 수용하는 수용 공간과, 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구(215) 그리고 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구(216)를 갖는다. 제1개구(215)는 고압 탱크(210) 상단에 형성되고, 제2개구(216)는 고압 탱크(210) 하단에 바닥과 동일 위치로 형성될 수 있다.
도 3은 투입 부재를 설명하기 위한 평단면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 A-A선을 따라 절취한 측단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 투입 부재(240)는 압출 스크류 방식으로 제1개구(215)를 통해 수용 공간에 혼합물을 압출 공급할 수 있다. 투입 부재(240)는 공급 케이싱(242), 한쌍의 제1이송 스크류(250)를 포함할 수 있다. 공급 케이싱(242)은 호퍼(100)로부터 혼합물이 투입되는 투입구(244)와 제2개구(216)와 연결되는 공급구(245)를 갖는다. 투입구(244)에는 호퍼(100)가 연결된다. 한 쌍의 제1이송 스크류(250)는 공급 케이싱(242)에 회전 가능하게 지지되어 모터(258)의 회전력에 의하여 회전된다. 한 쌍의 제1이송 스크류(250)는 투입구(244)를 통해 투입된 혼합물을 공급구(245)를 향해 압출 이송한다. 공급 케이싱(242)은 1쌍의 제1이송 스크류(250)에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 공급구(245)에서 투입구(244)로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제1이송 스크류(250)를 둘러싸는 형상으로 제공될 수 있다.
제1이송 스크류(250)는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 모터(258)에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하게 된다.
상기와 같이, 투입 부재(240)는 듀얼 스크류 방식이라 고압 탱크(210) 내부의 압력 조건하에서도 혼합물의 막힘 현상 없이 일정하게 혼합물 투입이 가능하다. 튜얼 스크류 방식은 혼합물을 스크류에서 서로 압출하면서 이동하게 되므로 혼합물이 스크류에 눌러붙어 막히는 현상을 현저하게 개선할 수 있다. 또한, 혼합물이 2개의 스크류에서 맞물려 압축된 상태에서 공급되므로 공급 케이싱을 통한 압력 리크를 방지할 수 있다.
수소저장물질이 수소화 마그네슘인 경우 반응기에서는 아래와 같은 반응식에 의해 수소가 발생한다. 일 예로, 반응 온도 120~130도, 압력 2bar의 수소 분위기 상태일 수 있다.
MgH2 +2H2O → Mg(OH) 2 + 2H2‥‥‥(1) MgH2+H2O → MgO+2H2
상기 반응식에 의해 고압 탱크(210)에서는 수소와 반응 부산물인 수산화마그네슘이 발생된다. 수소는 물이 가열되어 발생한 수증기와 섞인다. 수소와 수증기는 반응가스 공급관(290)을 통해 냉각 건조 장치(300)로 공급된다. 반응가스 공급관(290)에는 압력 조정 밸브(292)가 설치된다. 압력 조절 밸브(292)는 반응기에서 냉각 건조 장치(300)로 공급되는 반응가스량을 조절한다.
예컨대, 고압 탱크(210)에 혼합물(연료)가 공급되고 반응이 시작되면 수소 및 수증기가 발생됨에 따라 내부 압력이 올라가게 된다. 이때, 반응가스 공급관에 설치된 압력 조정 밸브(292;Back pressure regulator)에 의해 고압 탱크(210) 내부는 일정한 압력으로 조절되게 제어된다. 즉, 연료 투입량과 상관없이 고압 탱크(210) 내부의 압력은 일정하게 유지되게 제어될 수 있다. 수소 생산량이 많아지면 압력 조정 밸브(292)의 개도율을 자동 제어함으로써 내보내는 수소량을 조절하게 된다. 결론적으로 연료 투입량과 물 공급량과는 상관없이 고압 탱크(210) 내부의 압력은 일정하게 유지될 수 있고, 수소 발생량이 많게 되어 고압 탱크(210) 압력이 올라가게 되면 올라간 압력만큼 반응가스 공급관(290)을 통해 배출한다. 이러한 압력 조정 밸브(292)의 제어는 고압 탱크(210) 내부 압력을 측정하는 압력센서(202)의 측정값을 받은 제어부(900)에 의해 제어될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 고압 탱크(210)에는 내부 온도 측정을 위한 온도센서(204), 고압 탱크(210) 내부 레벨을 측정하기 위한 레벨 센서(206)가 설치된다. 압력센서(202), 온도센서(204), 레벨센서(206)에서 각각 측정된 측정값은 제어기(900)로 제공된다. 제어기(900)는 고압 탱크(210) 내부의 압력 및 온도를 제어할 수 있다. 일 예로, 제어기(900)는 고압 탱크(210) 내부 압력을 일정하게 유지하도록 고압 탱크(210)의 연료 투입량 및 반응가스 배출량을 조절할 수 있다.
도 5 내지 도 6은 도 2에 도시된 배출 부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 반응 부산물과 물은 고압 탱크(210) 내부에 쌓이고, 고압 탱크(210)에 반응 부산물이 누적되면 배출 부재(260)를 통해 배출된다. 고압 탱크(210) 내부의 압력은 반응 부산물의 배출시에도 변화되지 않는다.
배출 부재(260)는 압출 스크류 방식으로 제2개구(216)를 통해 수용 공간의 반응부산물을 배출한다.
배출 부재(260)는 배출 케이싱(262)과 제2이송 스크류(270)를 포함할 수 있다. 배출 케이싱(262)은 반응부산물이 낙하하는 낙하구(265)와 제2개구(216)와 연결되는 배출구(264)를 갖는다. 한 쌍의 제2이송 스크류(270)는 배출 케이싱(262)에 회전 가능하게 지지되어 모터(278)의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 배출구(264)를 통해 투입된 혼합물을 낙하구(265)를 향해 압출 이송한다. 낙하구(2650 아래에는 드레인 탱크(530)가 위치된다.
배출 케이싱(262)은 1쌍의 제2이송 스크류(270)에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 배출구(264)에서 낙하구(265)로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제2이송 스크류(270)를 둘러싸는 형상으로 제공된다.
배출 케이싱(262)의 바닥면은 고압 탱크(210)의 바닥면(217)과 동일선상에 위치되고, 제2이송 스크류(270)는 배출구(264)를 통해 수용 공간의 하단까지 연장되어 제공된다. 도 7에서와 같이, 고압 탱크(210)의 바닥면(217)은 제2이송 스크류(270)의 형상에 대응되도록 곡면지게 형성된다. 고압 탱크(210)의 하단 측면은 바닥면(217)을 향해 경사지게 형성된다.
제2이송 스크류(270)는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 모터(278)에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하게 된다.
상기와 같이, 배출 부재(260)는 듀얼 스크류 방식이라 고압 탱크(210) 내부의 압력 조건하에서도 반응 부산물 배출이 가능하다. 튜얼 스크류 방식은 반응 분산물을 스크류에서 서로 압출하면서 이동하게 되므로 반응 부산물이 스크류에 눌러붙어 막히는 현상을 현저하게 개선할 수 있다. 또한, 반응 부산물이 2개의 스크류에서 맞물려 압축된 상태에서 배출되므로 고압 탱크의 압력 저하를 방지할 수 있다.
물 공급부(640)는 호퍼(110)에 물을 공급한다. 물 공급부(640)는 물 탱크(642)와, 물 공급라인(644)을 포함할 수 있다. 참고로, 제어기(900)는 반응기의 내부압력 및 온도 변화에 따라 물 공급부를 통한 물 공급량을 제어할 수 있다.
반응 부산물과 물은 배출 부재를 통해 드레인 탱크(530)로 흘러 들어간다.
반응기 유닛(200)은 최초 운전시 질소로 퍼지한 후에 수소를 투입하여 반응 조건에 해당하는 압력으로 유지될 수 있다. 이를 위해 퍼지가스 공급부(620)는 반응기 유닛(200)의 초기 가동을 위해 반응기 내부를 퍼지하기 위한 불활성 가스를 공급할 수 있다. 여기서 불활성 가스는 질소가스일 수 있다. 퍼지 가스 공급부(620)는 반응기 유닛(200)의 가스 공급 포트와 연결된 초기 세팅 라인(602)을 통해 반응기 유닛(200) 내부 공간으로 불활성 가스가 포함된 퍼지 가스를 공급할 수 있다. 반응기 유닛(200)은 수소 방출 공정 과정에서의 폭발 위험성을 방지하기 위해 퍼지 가스를 공급하고 배출하는 퍼지 과정을 수회 반복하여 실시할 수 있다. 수소 가스 공급부(610)는 퍼지 공정을 마친 반응기 유닛(200)으로 수소 가스를 공급할 수 있다. 수소 가스 공급부(610)는 반응기 유닛(200)의 내부가 반응 조건에 해당되는 압력을 유지할 수 있도록 수소를 공급할 수 있다.
도 8 냉각 건조 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 냉각 건조 장치(300)는 반응기 유닛(200)으로부터 반응 가스(수소와 수증기)를 공급받는다. 반응가스는 냉각 건조 장치(300)에서 수소와 물로 분리될 수 있다. 일 예로, 냉각 건조 장치(300)는 냉각 탱크(310)와 냉각코일관(330)을 포함할 수 있다. 냉각 탱크(310)는 냉각수가 채워지는 냉각 수조(320)를 포함할 수 있다. 냉각 수조(320)의 중앙에는 냉각 코이로간(330)이 제공된다. 냉각 탱크(310)에는 냉각 수조(320)로 냉각수를 공급하는 공급포트와 열교환된 냉각수가 배수되는 배수포트가 제공될 수 있다.
냉각 코일관(330)은 냉각 수조(320)의 중앙 공간에 코일 형태로 제공된다. 냉각 코일관(330)은 냉각수에 의해 냉각된다. 반응 가스는 반응가스 공급관(290)을 통해 냉각 코일관(330)으로 제공되고, 반응가스는 냉각 코일관(330)을 통과하면서 수소와 물로 분리된다.
냉각 코일관(330)의 일단은 반응가스 공급관(290)과 연결된다. 냉각 코일관(330)의 타단은 오픈된 형태로 냉각 수조(320)의 하단에 잠긴 상태로 위치된다. 냉각 코일관(330)에서 분리된 수소와 물은 오픈된 타단을 통해 냉각 수조(320)로 토출된다. 수소는 냉각 탱크(310)의 상부 공간에 모이고, 냉각 탱크(310) 상단에 연결된 수소 공급관(390)을 통해 저장 탱크(400)에 저장된다.
저장 탱크(400)에는 수소가 저장된다. 저장 탱크(400)에 저장된 수소는 연료 전지(20)와 같은 수소 사용처로 공급된다.
가스 벤트라인(630)은 반응가스 공급관(290)에 연결된다. 가스 벤트라인(630)과 반응가스 공급관은 릴리프 밸브(632)를 통해 연결된다. 릴리프 밸브(632)는 반응기(200) 내부의 과압을 감지하여 벤트하도록 제공된다. 즉, 릴리프 밸브(632)는 과압에 의한 반응기(200)의 파괴,폭발을 방지하기 위해 제공된다. 릴리프 밸브는 반응기의 설계 압력 이하로 설정된다.
압력 조정 밸브(292) 전단에는 비상 벤트라인(634)이 연결된다. 비상 벤트라인(634)에는 비상 밸브(636)가 설치된다. 비상 밸브(636)는 반응기(200)의 제어 압력보다 높게 설정하여 압력 조정 밸브(292)가 정상적으로 작동하지 않아 반응기(200) 내부 압력이 제어압력보다 높게 걸리면 비상 벤트가 이루어지도록 작동된다. 참고로, 비상 밸브(636)을 우회하는 라인에는 수동 조작 밸브(637)이 설치된다. 비상 밸브(636)의 작동에도 불구하고 계속적으로 반응기(200)의 압력이 상승할 경우 작업자가 수동 조작 밸브(637)를 수동으로 조작하여 벤트하도록 한다.
한편, 본 발명의 수소 방출 시스템(10)은 연료전지의 부하(전력 소모량) 변동에 따른 원료 투입량을 자동 제어하여 수소 발생량을 조절할 수 있다. 연료전지(20)에서의 전력 소모량이 변동되면 저장 탱크(400)의 수소 저장량도 변동된다. 반응기 유닛(200)의 수소 생산량보다 연료전지의 전력 소모량이 상대적으로 많아지면 저장 탱크(400)의 수소 저장량이 줄어 들게 되면서 압력이 떨어된다. 따라서, 제어부(900)는 반응기 유닛(200)로의 연료 투입량을 증가시켜 압력을 유지시킨다. 참고로, 원료 투입에서 수소 생산까지 약 5분 이내이므로 저장 탱크에서 5분 이상의 저장량을 가지고 있으며 부하 변동에 따라 저장 탱크(400)의 압력을 측정해 일정 압력 이하로 떨어지면 연료 투입량을 증가시켜 발생되는 수소량을 조절할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 수소 방출 시스템(10)은 연료 전지의 부하 변동에 따른 원료 투입량의 조절은 수소 저장 탱크의 압력으로 제어할 수도 있고, 연료전지의 전력 소모량을 측정하여 제어할 수도 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100: 원료 투입 장치 200 : 반응기 유닛
300 : 냉각 건조 장치 400 : 저장 탱크
500 : 배출 장치 610 : 질소가스 공급부
900 : 제어기 20 : 연료 전지
300 : 냉각 건조 장치 400 : 저장 탱크
500 : 배출 장치 610 : 질소가스 공급부
900 : 제어기 20 : 연료 전지
Claims (16)
- 수소가 저장된 수소저장분말과 물을 혼합한 혼합물을 반응시켜 수소를 생성하는 반응기 유닛에 있어서:
혼합물을 수용하는 수용 공간과 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크;
상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및
압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함하되;
상기 투입 부재는
호퍼로부터 혼합물이 투입되는 투입구와 상기 제1개구와 연결되는 공급구를 갖는 공급 케이싱;
상기 공급 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 투입구를 통해 투입된 혼합물을 상기 공급구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제1이송 스크류를 포함하고,
상기 공급 케이싱은 1쌍의 상기 제1이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 공급구에서 상기 투입로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 상기 제1이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공되는 반응기 유닛. - 제1항에 있어서,
1 쌍의 상기 제1이송 스크류는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 상기 모터에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하는 반응기 유닛. - 수소가 저장된 수소저장분말과 물을 혼합한 혼합물을 반응시켜 수소를 생성하는 반응기 유닛에 있어서:
혼합물을 수용하는 수용 공간과 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크;
상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재;
압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재; 및
압출 스크류 방식으로 상기 제2개구를 통해 상기 수용 공간의 반응부산물을 배출하는 배출 부재를 포함하되;
상기 배출 부재는
반응부산물이 낙하하는 낙하구와 상기 제2개구와 연결되는 배출구를 갖는 배출 케이싱;
상기 배출 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 배출구를 통해 투입된 혼합물을 상기 낙하구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제2이송 스크류를 포함하되;
상기 배출 케이싱은 1쌍의 상기 제2이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 배출구에서 상기 낙하구로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제2이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공되는 반응기 유닛. - 제 3 항에 있어서,
상기 배출 케이싱의 바닥면은 상기 고압 탱크의 바닥면과 동일선상에 위치되고,
상기 제2이송 스크류는 상기 배출구를 통해 상기 수용 공간의 하단까지 연장되어 제공되는 반응기 유닛. - 제 3 항에 있어서,
1쌍의 상기 제2이송 스크류는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 상기 모터에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하는 반응기 유닛. - 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물을 혼합한 혼합물이 저장되어 있는 호퍼;
상기 호퍼로부터 공급받은 상기 혼합물을 반응시켜 수소를 생성시키는 반응기 유닛;
상기 반응기 유닛에서 생성된 수소를 포함한 반응 가스를 냉각시켜 반응 가스에서 수분을 제거하는 냉각 건조 장치;
상기 냉각 건조 장치로부터 수소를 제공받아 저장하는 저장 탱크; 및
상기 반응기 유닛으로의 혼합물 투입량과 상기 반응기 유닛의 내부 온도와 압력을 제어하는 제어기를 포함하되;
상기 반응기 유닛은
혼합물을 수용하는 수용 공간과, 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크;
상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및
압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함하고,
상기 투입 부재는
상기 호퍼로부터 혼합물이 투입되는 투입구와 상기 제1개구와 연결되는 공급구를 갖는 공급 케이싱;
상기 공급 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 투입구를 통해 투입된 혼합물을 상기 공급구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제1이송 스크류를 포함하되;
상기 공급 케이싱은 1쌍의 상기 제1이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 공급구에서 상기 투입로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 상기 제1이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공되는 수소 방출 시스템. - 제 6 항에 있어서,
1 쌍의 상기 제1이송 스크류는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 상기 모터에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하는 수소 방출 시스템.
- 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물을 혼합한 혼합물이 저장되어 있는 호퍼;
상기 호퍼로부터 공급받은 상기 혼합물을 반응시켜 수소를 생성시키는 반응기 유닛;
상기 반응기 유닛에서 생성된 수소를 포함한 반응 가스를 냉각시켜 반응 가스에서 수분을 제거하는 냉각 건조 장치;
상기 냉각 건조 장치로부터 수소를 제공받아 저장하는 저장 탱크; 및
상기 반응기 유닛으로의 혼합물 투입량과 상기 반응기 유닛의 내부 온도와 압력을 제어하는 제어기를 포함하되;
상기 반응기 유닛은
혼합물을 수용하는 수용 공간과, 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크;
상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재;
압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재; 및
압출 스크류 방식으로 상기 제2개구를 통해 상기 수용 공간의 반응부산물을 배출하는 배출 부재를 포함하되;
상기 배출 부재는
반응부산물이 낙하하는 낙하구와 상기 제2개구와 연결되는 배출구를 갖는 배출 케이싱;
상기 배출 케이싱에 회전 가능하게 지지되어 모터의 회전력에 의하여 회전하는 그리고 상기 배출구를 통해 투입된 혼합물을 상기 낙하구를 향해 압출 이송하는 1쌍의 제2이송 스크류를 포함하되;
상기 배출 케이싱은 1쌍의 상기 제2이송 스크류에 의해 혼합물이 이동시 압축력이 작용하도록 그리고 상기 배출구에서 상기 낙하구로 압력이 빠져나가지 않도록 1쌍의 제2이송 스크류를 둘러싸는 형상으로 제공되는 수소 방출 시스템. - 제 8 항에 있어서,
1쌍의 상기 제2이송 스크류는 압축날개의 방향이 서로 반대이며 상기 모터에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 혼합물을 압출 이송하고,
상기 배출 케이싱의 바닥면은 상기 고압 탱크의 바닥면과 동일선상에 위치되고,
상기 제2이송 스크류는 상기 배출구를 통해 상기 수용 공간까지 연장되어 제공되는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 호퍼는
깔때기 모양으로 형성되고, 상기 투입구와 연결되는 투입 용기;
상기 투입 용기에 저장된 혼합물을 교반하기 위한 교반기; 및
상기 투입 용기를 냉각하는 칠러(chiller)를 포함하는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 호퍼와 상기 반응기 유닛으로 물을 공급하는 물 공급부를 더 포함하는 수소 방출 시스템. - 수소가 저장된 파우더 형태의 수소저장물질과 물을 혼합한 혼합물이 저장되어 있는 호퍼;
상기 호퍼로부터 공급받은 상기 혼합물을 반응시켜 수소를 생성시키는 반응기 유닛;
상기 반응기 유닛에서 생성된 수소를 포함한 반응 가스를 냉각시켜 반응 가스에서 수분을 제거하는 냉각 건조 장치;
상기 냉각 건조 장치로부터 수소를 제공받아 저장하는 저장 탱크; 및
상기 반응기 유닛으로의 혼합물 투입량과 상기 반응기 유닛의 내부 온도와 압력을 제어하는 제어기를 포함하되;
상기 반응기 유닛은
혼합물을 수용하는 수용 공간과, 상기 수용 공간으로 혼합물이 투입되는 제1개구와 상기 수용 공간으로부터 반응 부산물이 배출되는 제2개구를 갖는 고압 탱크;
상기 수용 공간에 수용된 혼합물을 가열시키는 히팅 부재; 및
압출 스크류 방식으로 상기 제1개구를 통해 상기 수용 공간에 혼합물을 압출 공급하는 투입 부재를 포함하고,
상기 반응기 유닛에 혼합액을 공급하기 전에 상기 반응기 내부를 퍼지하기 위한 퍼지 가스를 공급하는 퍼지가스 공급부;
상기 반응기 유닛의 초기 가동을 위해 상기 반응기에 압력 조절을 위한 질소 가스를 공급하는 질소가스 공급부; 및
상기 반응기 유닛의 내부 압력 조절을 위해 상기 반응기 내부의 반응 가스를 벤트하는 가스 벤트라인을 더 포함하는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 반응기 유닛에서 생성된 반응 가스를 상기 냉각 건조 장치로 공급하는 그리고 압력 조정 밸브가 설치된 반응 가스 공급 라인을 더 포함하고,
상기 반응기 유닛은
상기 고압 탱크의 내부 압력을 측정하는 압력 측정부;
상기 고압 탱크의 내부 온도를 측정하는 온도 측정부를 더 포함하며,
상기 제어기는
상기 압력 측정부 및 상기 온도측정부의 측정값에 따라 상기 고압 탱크로의 혼합물 공급량과 물 공급량, 상기 반응기 유닛에서 상기 냉각 건조 장치로 배출되는 반응 가스의 배출량 그리고 상기 히팅 부재를 제어하는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 냉각 건조 장치는
소정 높이로 냉각수가 채워지는 냉각 수조를 갖는 냉각 탱크;
상기 냉각 수조의 중앙 공간에 코일 형태로 제공되어 상기 냉각수에 의해 냉각되고, 상기 반응가스 공급관으로부터 제공받은 반응가스가 흐르는 냉각코일관을 포함하고,
상기 냉각코일관는 수소와 물이 토출되는 오픈된 끝단을 갖고, 상기 오픈된 끝단은 상기 냉각 수조의 하단에 위치되는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 저장 탱크에서 수소를 제공받는 연료 전지를 더 포함하되;
상기 제어기는 상기 저장 탱크의 압력 변화 또는 상기 연료 전지에서의 전력 소모량을 측정하여 압축 탱크로의 혼합물 투입량을 조절하는 수소 방출 시스템. - 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 수소 저장 물질은 마그네슘 하이드라이드(MgH2)를 포함하는 수소 방출 시스템.
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| KR1020210161706A KR102665842B1 (ko) | 2021-11-22 | 2021-11-22 | 수소 반응기 및 이를 갖는 연속식 수소 방출 시스템 |
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| KR20230075264A KR20230075264A (ko) | 2023-05-31 |
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2021
- 2021-11-22 KR KR1020210161706A patent/KR102665842B1/ko active IP Right Grant
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