KR20080110901A - 액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치 - Google Patents

액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치 Download PDF

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KR20080110901A
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로사리오 로코 툴리노
산티노 레티치아
피에로 발렌티니
레오나르도 발렌티니
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로사리오 로코 툴리노
산티노 레티치아
피에로 발렌티니
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Abstract

액체 암모니아(10바의 압력)의 열 물리학적 촉매 분해를 위하여 콤팩트하게 고안된 이 기구는, 수소와 질소를 가스 상태로 생산하기 위한 것이다. 본 장치는 일련의 단계적인 세 개의 반응기(reactor)를 이용하는데, 처음 두 개의 반응기는 열촉매 분해를 수행하고, 세 번째 반응기는 마이크로파 공진기(resonator)이다. 알칼리 연료 전지를 공급하도록 구성되는 수소는 세정기(scrubber)를 통과한 후 얻어진다. 차량에 탑재된 설비는, NH3 1kg 당 12,000 kJ 의 수율로써 차량 주행을 위한 전기 에너지의 생성을 가능하게 한다.
전기 에너지, 암모니아, 분해, 연료 전지

Description

액체 암모니아를 기체 질소와 수소로 분해하는 장치{Apparatus for Liquid Ammonia Decomposition in Gaseous Nitrogen and Hydrogen}
본 발명은 에너지 분야에 대한 것으로서, 더 구체적으로는, 열물리학적으로 액체 암모니아를 분해하여 수소를 생산함으로써 특히 알칼리 연료 전지로 활용 할 수 있게 함에 대한 것이다. 이와 같은 연료 전지 활용의 가장 일반적인 예로는 차량 주행을 위한 동력 생산을 꼽을 수 있다.
일반적으로 차량용 연료로 사용되는 휘발유나 가스에 비해 낮은 에너지 밀도(에너지/체적 비율)와 관련된 수소의 문제점들은, 수소 연료 시스템의 보급에 대한 주요 장애요인 중 하나이다. 수소 연료를 널리 사용되지 못하게 하는 또 다른 장애요인으로, 특히 사고상황에서 가중되는 화재와 폭발의 위험으로 인한 수소 고유의 설치안전성 문제를 꼽을 수 있다.
이러한 결정적인 단점들을 극복한다면, 화석연료가 아닌 광범위한 주요 에너지원으로부터 얻을 수 있는 수소와 같은 에너지 벡터의 고효율, 다기능성 뿐 아니라 오염물질 배출의 저감과 같은 큰 긍정적 특성들을 활용할 수 있다.
약 10 바의 압력에서 적당한 탱크 내에서 안정화된 액체 암모니아를 사용하면, 압축 수소로 된 실린더 내압의 10배의 에너지 밀도를 얻을 수 있고, (상대적으 로 극저온화 문제를 가지는 -253℃에서 보관되는) 액체 수소와 비교할 때는 50% 이상 향상된 에너지 밀도를 얻을 수 있으며, 마그네슘, 란탄(lanthanum), 펜타니켈(pentanickel) 등의 합금으로 된 침입형(interstitial) 금속 수화물의 경우의 약 두 배에 해당하는 에너지 밀도를 얻을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
따라서, 이미 알려진 대로 낮은 비용과 높은 에너지 출력으로 차량을 주행하기 위해 동력을 공급할 수 있는 알칼리 연료 전지를 공급하기 위하여, 암모니아에 함유된 수소의 분해를 수행할 수 있고 차량에 직접 탑재된 콤팩트한 장치를 제공하는 것은 대단히 바람직한 일이다.
전반적인 치수나 비용 만큼이나, 차량 주행을 위한 어떠한 제안도 무력화시켜 왔던, 이제까지 만족스런 해답을 찾지 못했던 주요한 문제점은, 암모니아의 분해에서 나온 수소는 알칼리 연료 전지를 제공하기 위하여 탄소 화합물을 포함해서는 아니된다는 것과 관련되어 있다. 실제로 이 탄소 화합물은 전지의 표면에서 이온 교환을 비활성화시키는 작용을 한다. (산성 전지의 전형적인 현상)
이러한 문제들을 극복하기 위해 본 발명의 발명자는 컴팩트하고 통합적인 방식으로 암모니아로부터 수소를 분해하기 위한 장치를 개발하였는데, 이 장치는 단계적으로 반응하도록 배열된 두 개의 촉매 반응기를 가지며, 이어서 특정의 마이크로파 공진기가 수소의 출력 흐름에 있어 탄소 화합물을 완전히 없앤 상태에서 해리 과정을 수행한다. 그러면, 기체 수소와 질소의 흐름이 미량의 NH3 를 포획할 수 있는 세정기(absorption scrubber)를 관통한 다음, 알칼리 연료 전지로 가스를 공급한다. 이미 설명한 바와 같이 낮은 제조 비용으로 높은 에너지 출력을 내는 알칼리 연료 전지의 이용은, 탄소 화합물(개질 과정에서 존재하는 CO2)을 완전히 없앰으로써 실행 가능하게 된다.
실험 결과, 본 기술에 의하면 전지들에 연결된 전기 모터 축 상에서 NH3 1kg 당 약 12,000 kJ 의 일을 할 수 있음이 나타났는데, 이것은 현재 차량 주행에 사용되는 열 엔진과 동일한 정도이며, 운행거리와 소비의 측면에서도 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
본 발명이 가지는 이외의 다른 특성과 이점들은 첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 서술되는데, 첨부 도면은 제한적인 예가 아니라 단순히 바람직한 실시예를 나타내는 것이다.
도 1은 암모니아 분해 제1 단계에 대한 제1 촉매 반응기의 길이방향 단면도이다.
도 2는 도 1에서의 선 A-A에 따른 동일한 반응기의 단면도이다.
도 3은 분해 제2 단계에 대한 제2 촉매 반응기의 길이방향 단면도이다.
도 4는 도 3에서의 선 A-A에 따른 동일한 반응기의 단면도이다.
도 5는 잔류 암모니아의 분해를 완료하는 분해 제3 단계에 사용되는 마이크로파 도파관의 단면도이다.
도 6은 도 5에서의 선 A-A에 따른 도파관의 단면도이다.
도 7은 도파관에 십자형으로 볼팅 연결되는 마이크로파 이미터(emitter)를 축소하여 도시하고 있다.
도 8a과 도 8b는 출력 가스가 수집되는 단부 세정기(end scrubber)와 돔(dome)의 길이방향 단면도이다.
이상의 도면들을 참조하여 개시된 본 장치는, Ar, Br, Cr의 일련의 3 단계에서 액체 암모니아를 그 구성성분인 질소와 기체 수소로 분해하는 반응을 실행하는 수단을 구비한다. 그리고, 제3 단계 Cr로부터의 기체 수소와 질소의 흐름은, 상기 기체가 연료 전지로 공급되기 전에 미량의 NH3 를 포획하기 위하여 세정기 단계 Dr로 통과된다.
특히 처음의 두 단계인 Ar(도 1, 도 2)과 Br(도 3, 도 4)은 열 촉매 분해를 실행하는 두 개의 촉매 반응기를 포함하고, 한편 제3 단계 Cr(도 3, 도 4, 도 5)는 해리 과정을 끝내는 마이크로파 범위에 있는 전자기 공진덕트를 포함하여 이루어진다.
이제, 도 1에 도시된 제1 분해 단계(Ar)을 설명하겠다. 그것은 일반적으로 원통 형태인 내부 공간의 경계를 정하는 스테인레스 스틸로 된 외부 케이스(10)로 구성되는데, 내부 공간에는, 절연 자기로 된 접선방향 유동 확산기(6), 바깥을 향한 꼭지점을 가지는 일련의 각추 투영이 그 외벽에서 정의되도록 다각형 단면과 길 이방향 벨로우(bellow) 단면을 가지는 중앙 몸체(4) 및 내측으로부터 상기 몸체(4)를 가열하는 강화 전기 저항(5)이 외측으로부터 중심 쪽으로 동축 상에 놓여 있다.
특정의 결과물에 따르면, 중앙 몸체(4)의 소재는 소위 m.a.(mechanical alloying : 기계 합금)라 불리는 특별한 소결 합금(50% W - 35% Fe - 6% Co - 5% Ag - 4% Mo)으로 이루어진다.
특정의 저장 탱크로부터 기화된 암모니아는 외부 케이스(10)에 개방되어 있는 덕트(Ea)를 통과하고, 중앙 몸체(4) 주위에서 소용돌이 운동을 일으키는 접선방향 입력 구멍(6a)를 통하여 접선방향 유동 확산기(6)에 진입한다(도 2). 중앙 몸체는 절연 자기로 된 링(3)에 의해 제 위치에 유지된다. 가스 유동이, 팁(tip)이 풍부하여 NH3의 분해를 위한 가열된 촉매제로 작용하는 벨로우 몸체(4)와의 접촉 영역을 길이 방향으로 통과한 후, 자기로 된 천공 링(7)을 반경 방향으로 통과하여 반응기 바닥(8)에 형성된 출력 도관(9) 안으로 흐른다. H2, N2, 그리고 해리되지 않은 NH3로 이루어지는 출력 가스 산출물은 도 3에 나타난 제2 분해 단계(Br)로 체결관을 통해 들어간다.
일반적인 원통 형태인 후자의 반응기는 외벽(13), 제1 반응기(Ar)의 출력측으로부터 체결 덕트 외측에 연결되는 중앙 덕트(11) 및, 천공 격판(19) 위에서 상기 중앙 덕트(11)에 대하여 동축으로 배치되는 복수 개의 상부 촉매 링부(16)를 포함하여 이루어진다. 중앙 덕트(19)는 제1 반응기(Ar)의 몸체(4)에 사용되는 동일한 소결 합금 m.a.로 이루어지는 실린더(17)와 동축으로 되어 있으며, 강화 저항(18) 에 의해 내측으로부터 가열된다.
각 촉매제(16)는 스테인레스 스틸 망(網) 상에서 산화 코발트 30%와 산화 크롬 70%의 혼합물로 이루어진다.
반응기의 외벽(13)은 전기 밴드 저항(20)에 의해 가열되어, 촉매부(16) 내를 500℃ 내지 750℃의 온도가 되게 한다.
제1 단계의 출력 가스(Us)는 체결 덕트를 관통하여 중앙 덕트(11)에 흐르고, 450℃ 내지 750℃의 범위 내 온도(Ti)에서 입력부에 도달한다. 그리고 나서, 'fg'로 나타내어지는 가스 유동이 내측으로부터 강화 저항(18)에 의해 가열된 실린더(17)로 흐른다. 덕트를 통과하자 마자, 가스 유동을 촉매제(16)와 접촉하도록 운반하는 다수의 구멍을 통하여 빠져 나가기 전에, 제1 단계(Ar)로부터 해리되지 않은 암모니아는 더 분해된다. 천공 격판(19)은 출력 가스(Us)를 운반하고, 제2 단계의 출력 덕트를 절연 덕트를 통해 도 5 내지 도 7에 도시된 잔류 암모니아 분해가 종료되는 제3 단계(Cr)의 입력구(Ey)에 연결한다.
이 제3 단계는, 미세하게 천공된 격판(d)이 전자기파가 외부로부터 운반되지 않도록 하는 수집기(colector,21) 내에, Ey 로부터의 가스 유동에 의해 길이방향 축(X-X)을 따라 통과되는 마이크로파 도파 튜브(22)를 반드시 포함하여 이루어진다.
도 6에 나타난 바와 같이, 합금 m.a.로 이루어지는 와이어(f1-n)가 피치(P,파 장(λ)에 의존하는 거리)로써 너비(1a)를 가지는 사각 단면의 도파 튜브(22) 내에 놓인다. 이 와이어(f1-n)는 550℃ 내지 750℃의 온도로 전기적으로 가열되고, 자기로 된 지지대(K)에 의해 금속 구조물로부터 절연된다(도 5). 와이어(f1-n)는 높은 정전 전위로 충전된다. 이러한 상태에서, (강한 극성을 띈) NH3 분자는 와이어로 당겨져서 이온화된다. 특정 주파수(ν)에서 작동하는 마그네트론(magnetron, M)에 의해 방사되는 전자기파를 운반하는 덕트(24)는, 도파 튜브를 가로질러서 위치한다. 이런 식으로 길이방향 축(X-X)을 따라 정적 운동(stationary motion)의 조건들이 성취된다. 그 결과, 전자기파의 전기적 구성요소는 이온화된 분자와 와이어(f1-n) 주위에서 최대 효율(공진)로 상호작용하고, 따라서 결합을 분해하게 된다. 해리되지 않은 가스(N2 + H2)는 출력 덕트(26)를 통해 자유롭게 흐를 수 있는 반면, 마이크로파는 상기의 목적을 위해 배치된 교차하는 메시(r)를 가지는 금속 망에 의해 도파 튜브 밖으로 빠져 나오지 못한다(도 5).
파이프는 공진기(Cr)로부터 빠져 나오는 유동(Us)을 도 8a에 도시된 세정기(Dr)로 연결한다. 후자는, '28'로 도시되며 압력 "p"(연료 전지의 작동압력)에서 작동하는 체크 밸브(30)를 구비한, 유동(Us)에 대한 입력 덕트(Eδ) 및 3개의 이전 해리 수단으로부터 가스 유동 내의 잔류 암모니아의 ppm 단위까지도 포획할 수 있는 용액(Sa)으로 배출하는 낮은 개구(34)를 구비한, 중앙 덕트(32)를 가지는 밀폐된 탱크를 반드시 포함하여 이루어진다. 덕트(Eδ) 안으로 투입된 가스는 용액(Sa) 을 관통하는데, 여기에서 가스는 잔류 암모니아를 방출한다. 완전히 해리된 가스(N2 + H2)는 그 단부에 수증기제거 망(defogging net, 33)을 가지는 부분이 위치하는 중앙 덕트(32)를 통과하여, 습기가 없고 연료 전지를 공급할 수 있는 가스(N2, H2)의 유동(Uf)을 출력구로 운반한다.
그리하여, 엔진이 회전수가 변하면서 90% 이상의 효율로 작동될 수 있도록, 60% 내지 70%의 수율을 가지는 전기 에너지가 생성될 수 있게 됨으로써, 전체 효율이 55% 이상(열 엔진을 개조한 것의 약 2배의 효율)인 주행 시스템을 제공할 수 있다.
본 명세서의 내용에 포함되어 있음.

Claims (20)

  1. 액체 암모니아를 그 구성성분인 질소와 기체 수소로 분해하는 장치로서,
    3개의 반응기(Ar,Br,Cr)가 단계적으로 구비하고,
    제1 및 제2 반응기(Ar,Br)는 암모니아의 열촉매 분해를 수행할 수 있으며,
    제3 반응기(Cr)는 마이크로파 공진기, 즉 마이크로파 범위에서의 전자기 공진 반응기인 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    사용자에게 가스 유동을 운반하기 전에, 상기 마이크로파 공진기로부터 빠져나오는 가스 유동 내의 미량의 잔류 NH3를 포획할 수 있는 세정기(Dr)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 반응기(Ar)는 일반적으로 원통형인 내부 공간의 경계를 정하는 외부 케이스(10)를 포함하여 이루어지되,
    상기 내부 공간에는, 절연 접선방향-유동 확산기(6), 중공의 원통형 중앙 몸체(4) 및 내측에서 상기 몸체(4)를 가열하는 강화 전기 저항(5)이 외측으로부터 중심을 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연 확산기(6)는 해리된 가스 유동의 복수 개의 접선 입력구들(6a)을 구비한 세라믹 소재의 소용돌이 확산기인 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중공의 중앙 몸체(4)는 다각형 단면 및 길이방향 벨로우 단면을 가짐으로써, 바깥을 향하는 꼭지점을 구비한 일련의 각추형 투영들이 해리된 암모니아 유동이 부딪히는 외벽 상에 정의되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 반응기(Br)는 외벽(13), 제1 반응기(Ar)의 출력구로부터 체결 덕트까지 외측에 연결된 중앙 덕트(11) 및 상기 중앙 덕트(11) 주위에 동측으로 배치된 복수 개의 상부 촉매 링부(16)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매 링부(16)의 어셈블리는, 축방향 출력구를 갖는 중앙 덕트(11)로부터의 가스 유동에 반경방향으로 부딪히고, 반응기의 중앙 덕트(11) 내측 및 외 벽(13) 상에 배치된 가열 수단에 의해 내측 및 외측 모두에서 가열되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수단은, 중앙 덕트(11) 내측에 배치되고 강화 저항(18)에 의해 내측으로부터 가열되는 중공의 원통형 몸체(17) 및, 외벽(13) 상에 배치된 전기 밴드 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    각 촉매부(16)는 스테인레스 스틸 망에 의해 지지되는, 15% 내지 55%, 바람직하게는 30%의 산화코발트(CoO) 및 45% 내지 85%, 바람직하게는 70%의 산화크롬(Cr2O3)의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로파 공진기는 가로지르는 이미터(24)를 구비한 도파 튜브(22)를 구비하고, 해리된 가스 유동에 의해 길이방향으로 통하는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전기적으로 가열되고 자기로 된 지지대(K)에 의해 금속 구조물로부터 절연된 와이어들(fi-n)이, 도파 튜브(22) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 와이어들(fi-n)은, 아직 해리되지 않은 NH3 분자들이 상기 와이어들 쪽으로 당겨져서 이온화될 수 있도록, 높은 정전기 전위로 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 와이어들(fi-n)은 4 내지 400, 바람직하게는 25 내지 64개가 도파 튜브(22)의 길이방향 축에 평행하게 배치되며, 상기 와이어들은 마이크로파의 파장(λ)에 따른 피치(p)만큼 서로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  14. 제 3 항, 제 8항 또는 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진기의 와이어들 및 가열 몸체들(4, 17)은 열촉매에 의한 소결 합금으로 이루어지며, 30% 내지 65%, 바람직하게는 50%의 텅스텐, 15% 내지 40%, 바람직하게는 35%의 철, 3% 내지 12%, 바람직하게는 6%의 코발트, 4% 내지 10%, 바람직 하게는 5%의 은 및 2% 내지 8%, 바람직하게는 4%의 몰리브덴으로 구성되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 세 개의 분해 단계에 사용되는 소결 합금의 작동 온도는, 250℃ 내지 950℃, 바람직하게는 350℃ 내지 850℃, 더 바람직하게는 550℃ 내지 650℃, 가장 바람직하게는 600℃인 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 공진기의 와이어들은 자기로 된 지지대(K)에 의해 공진기의 단부 플레이트들로부터 절연되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 공진기의 와이어 다발(fi-n)에 가해지는 전기장의 전압은 300kV 내지 0.3kV, 바람직하게는 15kV인 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  18. 제 2 항에 있어서,
    상기 열분해 반응기들 뒤에 배치되는 세정기(Pr)는, 반응기(Cr)로부터의 가스 유동을 위한 입력 덕트(Eδ)를 갖는 밀폐 탱크(28), 및 세 개의 이전 해리 수단 으로부터의 가스 유동에 남아있는 극소량의 잔류 암모니아를 포획할 수 용액(Sa)으로 배출하는 하부 개구(34)를 구비한 중앙 덕트(32)를 포함하며,
    상기 입력 덕트는 연료 전지들의 압력(P)에서 작동하는 체크 밸브(30)를 구비하는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유동은 탱크의 외벽에 수직으로 입력되고, 수증기제거망(33)에 의해 수증기가 제거된 가스들은 축방향 중앙 덕트(32)를 따라 출력되는 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동 압력은 20바(bar) 내지 1바, 바람직하게는 12바 내지 4바, 더 바람직하게는 8바인 것을 특징으로 하는 액체 암모니아 분해장치.
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