KR200268569Y1 - 수소 가스 정제 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안의 수소 가스 발생 장치에서 생성된 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스 및 수증기를 제거하기 위한 수소 가스 정제 장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 수소 가스 정제 장치는, 하단 일측에는 생성된 수소 가스가 유입되는 수소 가스 유입구가, 하단에는 수소 가스에서 분리된 물을 외부로 배출시키는 물 배출구가, 상단에는 정제된 수소 가스를 외부로 배출시키는 수소 가스 배출구가 각각 형성되어 있는 하우징; 분리망에 의하여 구분된 하우징의 하부 공간에 소정의 높이 차이를 갖고 교호적으로 설치되며, 일단은 하우징 내면에 고정되고 일단은 하우징 내면으로부터 이격되어 있는 형상을 갖는 다수의 배플; 분리망 위에 위치하여 배플의 표면을 지나 유입된 수소 가스에 혼합되어 있는 수분을 제거하는 제 1 수분제거층; 제 1 수분제거층 위에 위치하며, 제 1 수분제거층을 통과한 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스를 제거하기 위한 촉매층; 및 촉매층 상에 위치하며, 촉매와 수소 가스의 반응에 의하여 발생된 물을 제거하기 위한 제 2 수분제거층으로 이루어진다.

Description

수소 가스 정제 장치{Apparatus for purifying a hydrogen gas}

본 고안은 수소 가스 정제 장치에 관한 것으로서, 특히 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스 및 증기를 화학적, 물리적인 방법으로 분리, 제거할 수 있는 수소 가스 정제 장치에 관한 것이다.

수소 가스를 생산하기 위한 방법으로는 전기 분해, 탄화수소 연료의 부분 산화법, 오토 서멀(autothermal)법 및 수증기 개질법 등이 이용되고 있으나, 수증기 개질법이 큰 생산 용량과 우수한 생산 수율 등의 장점으로 가장 광범위하게 사용되고 있다.

수증기 개질법에 의하여 발생된 수소 가스에는 이물질 및 증기가 포함되어 있으며, 따라서 저순도(低純度)의 수소 가스를 고순도의 수소 가스로 정제하기 위하여 수소 정제 공정을 거쳐야 한다. 수소 정제 공정에서 가장 일반적으로 사용하는 방법은 PSA 방식이라 불리는 흡착제 정제 방식이다. 흡착제 정제 방식은 1960년대에 공기 건조용으로 개발된 이후, 1 내지 100,000Nm³/hr급에 이르기까지 대부분의 수소 생산 공정에 이용되고 있으며, 이 방법을 거쳐 생산된 수소 가스의 순도는 최고 99.999%를 유지한다.

이러한 흡착제 정제 방식을 간단하게 설명하면 다음과 같다. 흡착제 정제 방식에서의 흡착제로는 활성탄(activated carbon) 및 분자체(molecular sieve)가 주로 이용되며, 수소 저장 합금이 사용되기도 한다. 이러한 흡착제가 충진된 용기 내부로 가압 상태(보통 5 내지 20기압)의 수소 포함 혼합물을 통과시키게 되면, 수소 가스는 흡착제의 기공을 통과하는 반면에 다른 불순물들은 흡착제의 기공을 통과하지 못하고 잔류하게 된다. 따라서 흡착제를 통과하는 수소 가스는 불순물이 제거된 고순도 상태이다.

이러한 정제 공정을 일정 시간 진행한 다음, 흡착제에 잔류하는 불순물을 제거하기 위하여 용기의 압력을 상압으로 낮추면 불순물들이 흡착제의 기공에서 분리, 배출되며, 흡착제는 정화된 상태에서 정제 공정에 다시 이용된다. 수소 정제 공정을 연속적으로 진행하기 위해서는 이러한 흡착제 탱크를 다수(보통 2개 내지 16개)를 연결하여 사용하게 되며, 다수의 탱크로 이루어진 장치 전반에 걸쳐 배관 및 밸브 시스템을 설비해야 한다.

한편, 수소 가스 발생 장치에서 생성된 수소 가스에는 얻고자하는 수소 가스 이외에 다른 불순물 가스가 포함되어 있으며, 특히 수증기 형태의 물을 포함하고 있다. 특히, 증기를 제거하기 위해서는 냉각기를 이용하게 되나, 이 경우에 가스의순도를 99.5% 밖에 향상시킬 수 없게 된다. 이러한 점을 고려하여 물리, 화학적 방법을 이용하는 경우에는 수소 가스의 순도를 향상시킬 수는 있으나 장치의 대형화, 구조의 복잡성 및 부가 장치에서의 에너지 소비라는 문제점이 발생된다.

본 고안의 수소 가스 발생 장치에서 생성된 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스 및 수증기를 제거하는 과정에서 발생하는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 장비의 단순화, 생산의 용이성 및 순도가 높은 수소 가스의 수율을 향상시킬 수 있는 수소 가스 정제 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 실현하기 위한 본 고안에 따른 수소 가스 정제 장치는, 하단 일측에는 생성된 수소 가스가 유입되는 수소 가스 유입구가, 하단에는 수소 가스에서 분리된 물을 외부로 배출시키는 물 배출구가, 상단에는 정제된 수소 가스를 외부로 배출시키는 수소 가스 배출구가 각각 형성되어 있는 하우징; 분리망에 의하여 구분된 하우징의 하부 공간에 소정의 높이 차이를 갖고 교호적으로 설치되며, 일단은 하우징 내면에 고정되고 일단은 하우징 내면으로부터 이격되어 있는 형상을 갖는 다수의 배플; 분리망 위에 위치하여 배플의 표면을 지나 유입된 수소 가스에 혼합되어 있는 수분을 제거하는 제 1 수분제거층; 제 1 수분제거층 위에 위치하며, 제 1 수분제거층을 통과한 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스를 제거하기 위한 촉매층; 및 촉매층 상에 위치하며, 촉매와 수소 가스의 반응에 의하여 발생된 물을 제거하기 위한 제 2 수분제거층을 포함한다.

본 고안이 수소 가스 정제 장치는 촉매층과 제 1 수분제거층 사이 및 상기촉매층과 제 2 수분제거층 사이에 설치되어 양 층을 분리하는 분리망; 및 제 2 수분제거층 상에 위치하여 제 2 수분제거층을 통과하는 수소 가스와 혼합되어 있는 물을 완전히 제거하는 부직포를 더 포함한다.

도 1은 본 고안에 따른 수소 가스 정제 장치의 단면도.

도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도.

이하, 본 고안을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 수소 가스 정제 장치의 단면도, 도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 수소 가스 정제 장치의 내부 구성을 도시하고 있다.

본 고안에 따른 수소 가스 정제 장치는 원통형의 하우징(10)으로 이루어지며, 그 내부에 배플(11A, 11B), 분리망(12), 제 1 수분제거층(13), 촉매층(14), 제 2 수분제거층(15) 및 부직포(16)가 순차적으로 위치한다. 각 부재의 구성과 함께 그 기능을 상세히 설명한다.

하우징(10)

원통형의 하우징(10) 하부 일측에는 수소 가스 발생 장치(도시되지 않지만 예를 들어, 전기 분해 장치)에서 발생된 수소 가스가 유입되는 수소 가스 유입구 (10A)가 형성되어 있다. 한편, 이 유입구(10A)를 통하여 유입되는 수소 가스는 불순 가스 및 증기가 혼합되어 있는 상태이다.

하우징(10) 하단에는 수소 가스에서 분리된 물을 외부로 배출시키기 위한 물 배출구(10B)가 형성되어 있다. 하우징(10) 상단은 캡(10-1)에 의해 밀폐된 상태이며, 캡(11-1)에는 정제된 수소 가스를 외부 장치(예를 들어, 수소 가스 저장 탱크)로 배출시키기 위한 수소 가스 배출구(10C)가 형성되어 있다.

하우징(10)은 일반 강(steel)으로 이루어지며, 그 내부 표면에는 내 고온성과 내 화학성이 우수한 테프론 코팅층(20)이 형성되어 있다. 테프론 코팅층(20)은 금속과 수소 가스의 반응에 의하여 발생할 수 있는, 예를 들어 수소 취성 및 부식 등을 방지할 수 있으며, 테프론 코팅층(20)의 우수한 표면 조도(roughness)는 물(물이 형성되는 과정은 후술하기로 함)의 흐름을 원활하게 한다. 또한, 테프론 코팅층(20)은 발생되는 열(촉매반응열)을 외부로 빠른 속도로 전달하여 장치의 안정성을 기할 수 있다.

분리망(12)

하우징(10) 내부에는 상부 공간 및 하부 공간으로 분리하기 위한 분리망(12)이 고정되어 있다. 이 분리망(12)은 후술할 제 1 수분제거층, 촉매층, 제 2 수분제거층 및 부직포를 지지하기 위한 부재로서, 각 부재를 지지하기 위한 강도를 갖는 망(網) 부재이다.

배플(11A 및 11B)

분리망(12) 하부 공간에는 2개의 배플(11A 및 11B; baffle)이 소정의 높이 차이를 갖고 하우징(10) 내면에 고정된다. 각 배플(11A 및 11B)은 한 단부가 일정 길이 절단된 상태이며, 또다른 일단이 하우징(10) 내면에 고정되어 있어 반원판형 형상을 갖는다.

여기서, 어느 한 배플(예를 들어, 11A)은 인접한 다른 배플(11B)의 고정단과 반대의 종단이 하우징(10) 내면에 고정되어 있으며, 따라서 하우징(10)의 하부 공간으로 유입된 수소 가스(수분이 혼합된 상태임)는 순차적으로 각 배플(11A 및 11B) 표면을 따라 유동하게 된다. 한편, 각 배플(11A 및 11B)은 하우징(10) 내면에 고정된 종단을 기준으로 일정 각도 하향 경사진 상태이다.

수소 가스 유입구(10A)를 통하여 하우징(10)의 하부 공간으로 유입된 수소 가스가 각 배플(11A 및 11B)의 표면을 따라서 유동하는 과정에서 수소 가스에 혼합되어 있는 증기는 각 배플(11A 및 11B)의 표면과 접촉, 응축되어 수소 가스에서 분리된다. 수소 가스에서 분리된 수분은 응집되어 액체 상태로 각 배플(11A 및 11B)의 하향 경사면을 따라 하우징(10) 하부 공간으로 떨어져 하단의 물 배출구(10B)를 통하여 외부로 배출된다.

여기서, 각 배플(11A 및 11B)을 고정단을 중심으로 하향 경사진 상태로 하우징(10) 내면에 고정시킴으로서 응집된 액체는 경사진 각 배플(11A 및 11B) 표면을 타고 하우징(10) 하부 공간으로 원활하게 흘러내릴 수 있다. 특히, 도 2에 도시된 바와 같이 각 배플(11A 및 11B)의 자유단 일부 길이를 빗살 형태(도 2의 11B-1)로 분리함으로서 이 빗살 부분(11B-1)에 접촉하는 증기의 응집을 극대화할 수 있다.

제 1 수분제거층(13) 및 제 2 수분제거층(15)

분리망(12) 위에 위치한 제 1 수분제거층(13)과 후술한 촉매층(14) 위에 위치한 제 2 수분제거층(15)은 알루미나실리카겔로 이루어진다. 전술한 배플(11A 및11B)을 통과하는 과정에서 수분이 분리된 수소 가스(물론, 불순 가스가 혼합된 상태임)는 먼저 제 1 수분제거층(13)을 통과하게 되며, 알루미나 실리카겔로 이루어진 제 1 수분제거층(13)을 통과하는 과정에서 수소 가스에 함유된 잔류 증기는 제거된다.

촉매층(14)

제 1 수분제거층(13) 위에 위치하는 촉매층(14)은 수소 흡착형 촉매로서, 01 내지 0.5%의 팔라듐/알루미나(Pd/Al₂O₃)로 이루어진다. 팔라듐/알루미나는 자체의 반응열에 의해 재생이 가능하기 때문에 이 촉매층(14)은 반영구적으로 사용할 수 있다.

제 1 수분제거층(13)을 통과한 수소 가스(증기가 제거된 상태이나, 불순 가스가 혼합되어 있는 상태임)가 촉매층(14)을 통과하는 과정에서 혼합되어 있는 불순 가스, 예를 들어 산소 가스는 촉매와 반응하여 완전히 제거된다. 한편, 촉매와 산소 가스의 반응(H₂(99.5%) + 1/2 O₂(0.5%) →H₂O(g) + ΔT)에 의하여 생성된 물은 수소 가스와 함께 촉매층(14) 위에 위치한 제 2 수분제거층(15)을 통과하는 과정에서 제 2 수분제거층(15)에 의하여 완전히 제거된다.

본 고안자의 실험에 의하면, 촉매층(14)과 가스의 반응 시간을 약 10초 이내로 설정함으로서 순도 99.999%의 산소가 발생하며, 이 때의 반응시 발생하는 열의 온도는 약 55 내지 60℃이다.

한편, 촉매층(14)과 제 1 수분제거층(13)의 경계면 및 촉매층(14)과 제 2 수분제거층(15)의 각 경계면에는 양 층의 분리를 위한 분리망(17A 및 17B)이 위치하며, 이 분리망(17A 및 17B)은 내부식성이 우수한 스테인레스 스틸 또는 티타늄으로 이루어진다.

부직포(16)

제 2 수분제거층(15) 위에 위치하는 부직포(16)는 내화학성, 흡수성이 우수한 유리 섬유(fiber glass) 또는 폴리벤지미드아졸 유리 PPS로 이루어지며, 제 2 수분제거층(15)을 통과한 수소 가스 내에 잔류하는 수분을 완전히 제거하는 기능을 수행한다.

이와 같이 배플(11A 및 11B), 제 1 수분제거층(13), 촉매층(14), 제 2 수분제거층(15) 및 부직포(16)를 통과함으로서 수산 가스와 혼합되어 있는 증기 및 불순 가스가 완전하게 제거되며, 따라서 순수한 수소 가스만이 하우징(10)의 상단에 형성된 가스 배출구(10C)를 통하여 외부 장치로 배출된다.

이상과 같은 간단한 구조로 이루어진 본 고안의 장치를 이용함으로서 수소 가스에 혼합되어 있는 불순 가스와 증기를 완전히 제거할 수 있어 고순도의 수소 가스를 생산할 수 있으며, 특히 장치를 구동하기 위한 별도의 에너지를 사용할 필요가 없으며, 밸브 및 배관 등과 같은 관련 설비를 갖출 필요가 없다.

Claims (5)

1. 수소 가스 발생 장치에서 발생된 수소 가스를 정제시키는 장치에 있어서,

   하단 일측에는 생성된 수소 가스가 유입되는 수소 가스 유입구가, 하단에는 수소 가스에서 분리된 물을 외부로 배출시키는 물 배출구가, 상단에는 정제된 수소 가스를 외부로 배출시키는 수소 가스 배출구가 각각 형성되어 있는 하우징;

   분리망에 의하여 구분된 하우징의 하부 공간에 소정의 높이 차이를 갖고 교호적으로 설치되며, 일단은 하우징 내면에 고정되고 일단은 하우징 내면으로부터 이격되어 있는 형상을 갖는 다수의 배플;

   분리망 위에 위치하여 배플의 표면을 지나 유입된 수소 가스에 혼합되어 있는 수분을 제거하는 제 1 수분제거층;

   제 1 수분제거층 위에 위치하며, 제 1 수분제거층을 통과한 수소 가스와 혼합되어 있는 불순 가스를 제거하기 위한 촉매층; 및

   촉매층 상에 위치하며, 촉매와 수소 가스의 반응에 의하여 발생된 수분을 제거하기 위한 제 2 수분제거층을 포함하는 수소 가스 정제 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 촉매층과 제 1 수분제거층 사이 및 상기 촉매층과 제 2 수분제거층 사이에 설치되어 각 층을 분리하는 분리망; 및

   상기 제 2 수분제거층 상에 위치하여 제 2 수분제거층을 통과하는 수소 가스와 혼합되어 있는 물을 완전히 제거하는 부직포를 더 포함하는 수소 가스 정제 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징은 일반 강으로 이루어지며, 그 내부 표면에는 테프론 코팅층이 형성되어 있으며, 상기 각 배플은 하우징 내면에 고정된 종단을 기준으로 일정 각도 하향 경사진 상태이고; 상기 제 1 수분제거층 및 제 2 수분제거층은 알루미나실리카겔로 이루어지며; 상기 촉매층을 구성하는 촉매는 수소 흡착형 촉매로서, 팔라듐/알루미나(Pd/Al₂O₃)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 가스 정제 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 촉매층과 각 수분제거층을 분리하는 분리망은 스테인레스 스틸 또는 티타늄으로 이루어지며, 부직포는 유리 섬유(fiber glass) 또는 폴리벤지미드아졸 유리 PPS로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 가스 정제 장치.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 각 배플의 자유단 일부 길이를 빗살 형태로 구성한 것을 특징으로 하는 수소 가스 정제 장치.