KR20100040279A - 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템. - Google Patents

수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템. Download PDF

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Abstract

본 발명은 실시간 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물의 산화 반응열에 의해 수소생성이 이루어지도록 하고, 촉매반응에 의해 수소생성의 활성효율을 높임으로써, 적은 연료로 수소를 제조 생산할 수 있는 것 및 이를 포함하는 흡착흡장용기를 구비하여 수소연료를 연료전지로 실시간 공급이 이루어지도록 하고, 또한 이를 통한 전력공급 및 반응과 재순환 과정에서 얻어지는 폐열을 10∼15℃ 활용하여 열펌프의 소스 열로 공급되어 건설 등 건축물의 냉/난방 온수장치 및 수소자동차를 포함하는 프로세스로 연계된 에너지의 활용도를 극대화할 수 있는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템에 관한 것이다.

Description

수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.{The hydrogen gas for chemistry solution or metal an oxide compound adsorption occlusion polymer membrane fuel cell system}
본 발명은 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 화학적 금속산화물에서 생성된 수소를 연료전지로 공급하기 위해 상온·상압에서 생성 및 흡착흡장이 가능하며, 화학용액과 금속의 산화반응기 장치에 의해 실시간 생산성을 향상시키고, 지속적으로 사용가능하도록 함으로서, 연료전지에 필요한 연료인 수소를 공급하도록 한 반영구적 장치로 연료전지를 통한 전력생산성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
종래의 물 분해 수소제조법으로 가장 잘 알려진 방법으로 전해질(電解質)에 전류를 통과시키면 양극에서 산소, 음극에서 수소가 발생 되는 구조이다.
종래에 상기 전해질 분해 수소제조법에 있어서, 수소의 순도가 높고 구조가 간단하지만 1Nm 3의 수소를 제조하기 위해서는 약 4kW/h의 전력이 필요해서, 전력원 단위에 의해 수소 원 단위에 크게 영향을 미치는 문제점이 있었다.
한편, 상기 전해질 분해 수소제조법의 다른 하나는 물의 열화학 분해법 물을 열로 직접 분해하기 위해서는 4000K(273℃) 이상의 고온을 필요로 하기 때문에 장시간의 기술로 문제가 제기되고 있다.
또한, 종래 개발된 수소 저장 방법으로는 액체,기체,합금형태,저온형태,로 저장하는 방법 및 탄소나노튜브를 이용하는 방법 등이 알려져 있다. 이들 방법 중 액체 수소 저장법과 기체 수소저장법은 상온에서 폭발의 위험이 있고 저장 비용이 높다는 단점이 있다. 수소 저장 합금의 형태로 저장하는 방법은 상온에서 비교적 낮은 압력으로 수소를 안전하게 저장할 수는 있지만 무게가 무겁고 수소 저장 표면적이 작아서 상업화가 가능할 정도의 수소를 저장하기 어렵다는 한계가 있다. 탄소나노튜브를 이용하는 방법은 수소 저장을 위한 표면적이 수소 저장 합금의 형태로 저장하는 방법에 비해 넓기는 하지만 탄소나노튜브에 사용되는 탄소 재료가 단일의 원료로 이루어져서 화학적으로 매우 안정하기 때문에 수소 등의 기체가 희토류계 흡착되더라도 쉽게 탈착되어 저장량이 저조해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수소생산시스템를 통한 수소를 효율적으로 생산하여 적은 에너지로 수소생산방법을 개선하고, 상기 수소생산 후 다량의 에너지 저장 및 전력원으로 에너지의 효율을 높이고, 연료전지에서 발생되는 열에 의해 수소생성에 필요한 매체로 재순환시켜 반응에 재활용함에 의해 더욱 에너지 회수 효율을 높이는 에너지를 크게 개선할 수 있도록 하면서 안정적으로 지속가능한 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템을 제공하는 데 있다.
아울러, 본 발명의 상기 목적은 수소생성물질 화학용액과 금속산화물의 발열반응에 의해 수소가 생성되고, 고순도의 수소를 제조하는 공정에 있어서, 수소생성물질을 반응시켜 실시간 수소생산을 위한 수소생산시스템과, 상기 수소생산시스템과 일체형으로 형성되고, 수소생성물질을 발열에 의해 수소반응을 일으키기 위한 발열반응부와,상기 발열반응부 내에 수소생성물질을 공급하기 위한 싸이로형 공급부와, 상기 싸이로형 공급부로부터 수소생성물질을 유입시키기 위한 좌/우 스쿠류 이송관과, 상기 발열반응부 및 상기 싸이로형 공급부 용기는 수소생성물질의 순환원리에 따라 사각 및 원형으로 다변화가 가능하도록 형성되고, 상기 발열반응부 내에 유입시킨 후 발열반응에 의한 수소생성을 일으키기 위한 수소생성물질 화학용액 및 금속산화물과, 상기 화학용액 및 금속산화물(5)의 수소 반응시 필요한 온도 조절을 위한 멀티 온도 조절부(6)와, 상기 발열반응부 내의 발열을 촉진 시키기 위한 촉매 충진부와, 상기 발열반응부로부터 수소를 도출시키기 위한 수소 도출부와, 상기 수소 도출부로부터 배출된 수소 기체에 포함된 수분을 함유하는 혼합물을 응축기에 도입하여 수분을 응축시키는 냉각휀과, 상기 수소 도출부로부터 배출되 고, 상기 냉각휀으로 유입시키기 전에 수소 기체에 포함된 수분을 회수하기 위한 용액회수기와, 상기 수소생성물질 상기 화학용액, 금속산화물의 발열반응 후 미반응 한 용액을 재순환시키기 위한 용액 튜브펌프와, 상기 냉각휀으로부터 배출된 수소 기체를 건조부에 공급하여 순수한 수소기체로 건조시키는 제1건조부와, 상기 제1건조부에서 건조된 후 배출된 수소를 다시 고순도의 수소로 건조시키는 제2건조부와, 상기 제1건조부와, 제2건조부를 통해 고순도의 수소로 전환된 후 흡저장을 위한 흡착흡장용기와, 상기 흡착흡장용기로부터 공급받아 필요한 모든 곳의 동력원과 열원으로 사용 가능하도록 구비되는 연료전지시스템으로 도입되어 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성 있게 이루어짐으로써, 추가적인 에너지 소요량을 최소화할 수 있고, 다용도로 활용할 수 있도록 희박연소 엔진 및 가스버너 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 엔진식 열펌프(엔진냉동기), 내연기관차, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템을 포함하여 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성을 이루며, 재순환이 이루어지도록 수소제조방법을 제공함으로써, 달성할 수 있다.
또한, 수소생성물질의 자체 발열반응에 의한 열과 연료전지로부터 80도의 열을 공급받음으로써, 필요한 열에너지의 확보가 가능하며, 보조열원으로 발열반응부에 촉매 및 전기히터를 장치하여 수소생성 시 활성화된 온도센서를 갖도록 하여 실시간 생산이 가능하도록 하면서 이를 자동차와 같은 지속적으로 소요되는 에너지시스템에 연계시킴으로써, 생산의 효율성을 향상시킬 수 있는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템은 수소생성물질 화학용액과 금속산화물의 발열반응에 의해 수소생성물질을 반응시켜 실시간 수소생산을 위한 수소생산시스템과, 상기 수소생산시스템 과 일체형으로 형성되고, 수소생성물질을 발열에 의해 수소반응을 일으키기 위한 발열반응부와,상기 발열반응부 내에 수소생성물질을 공급하기 위한 싸이로형 공급부와, 상기 싸이로형 공급부로부터 수소생성물질을 유입시키기 위한 좌/우 스쿠류 이송관과, 상기 발열반응부 및 상기 싸이로형 공급부 용기는 수소생성물질의 순환원리에 따라 사각 및 원형으로 다변화가 가능하도록 형성되고, 상기 발열반응부 내에 유입시킨 후 발열반응에 의한 수소생성을 일으키기 위한 수소생성물질 화학용액 및 금속산화물과, 상기 화학용액 및 금속산화물(5)의 수소 반응시 필요한 온도 조절을 위한 멀티 온도 조절부(6)와, 상기 발열반응부 내의 발열을 촉진 시키기 위한 촉매 충진부와, 상기 발열반응부로부터 수소를 도출시키기 위한 수소 도출부와, 상기 수소 도출부로부터 배출된 수소 기체에 포함된 수분을 함유하는 혼합물을 응축기에 도입하여 수분을 응축시키는 냉각휀과, 상기 수소 도출부로부터 배출되 고, 상기 냉각휀으로 유입시키기 전에 수소 기체에 포함된 수분을 회수하기 위한 용액 회수기와, 상기 수소생성물질 상기 화학용액, 금속산화물의 발열반응 후 미반응 한 용액을 재순환시키기 위한 용액 튜브펌프와, 상기 냉각휀으로부터 배출된 수소 기체를 건조부에 공급하여 순수한 수소기체로 건조시키는 제1건조부와, 상기 제1건조부에서 건조된 후 배출된 수소를 다시 고순도의 수소로 건조시키는 제2건조부와, 상기 제1건조부와, 제2건조부를 통해 고순도의 수소로 전환된 후 흡저장을 위한 흡착흡장용기와, 상기 흡착흡장용기로부터 공급받아 필요한 모든 곳의 동력원과 열원으로 사용가능하도록 구비되는 연료전지시스템을 포함하여 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성 있게 이루어짐으로써, 추가적인 에너지 소요량을 최소화할 수 있고, 다용도로 활용할 수 있도록 희박연소 엔진 및 가스버너 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 엔진식 열펌프(엔진냉동기), 내연기관차, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템이다.
그리고 본 발명에 따르면 상기 발열반응부 내의 화학용액과 금속산화물이 자체 발열반응이 일으키도록 하되, 히터를 설치한 전극을 통하여 반응온도를 파악하고 설정온도를 결정하여 제공되며, 수소생성물질은 희토류계를 포함하는 알칼이토금속 및 전이금속으로 이루어진 군에서 선택되는 것으로 발열성 및 수소생성이 탁월한 물질로 구성된 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 사용할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면 상기 수소생산시스템은 실시간 생산이 가능하여 저장과 즉시 공급이 이루어지며, 또한 수소반응 후 잔존 용액은 상기 발열반응부로 유입되어 재순환된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화 및 흡착흡장 연료전지시스템은 화학용액과 금속산화물의 발열반응에 의해 생성된 수소기체를 도출부를 통해 전달한 후, 상기 수소기체가 냉각휀에서 기체와 수분으로 전환하고, 상기 수소기체가 순수한 수소기체로 전환시키는 제1건조부와 다시 제2건조부에서 고순도의 수소로 전환하여 흡저장을 위한 흡착흡장용기로 이송됨에 의해 고밀도의 수소가스 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 수소가스 생성시 발열반응에 따른 발생되는 고형물질을 STS 카트리지망을 설치하여 제거함으로써, 반응공정을 안정적으로 운영할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템은 고순도의 연료로 연료전지에 공급하기 위한 수소기체를 흡착흡장용기 내 충상구조를 이루는 수소저장 매체 각 층 사이를 실리콘나노튜브와 전이금속으로 표면적을 충분히 확보하여 저장 능력의 효율을 향상시킴으로써, 실시간 생산에서 흡착흡장용기까지 단축시킬 수 있도록 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 전체구성의 수소생산시스템 실시예를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 의한 상기 발열반응부(2)로부터 생성된 수소 도출부(8)를 통해 연계 이송되는 제1건조부(11), 제2건조부(12)를 도시.
도 3은 본 발명에 의한 흡착흡장용기(13)의 흡열과 방출에 의한 수소저장 및 연료원으로의 공급을 위한 연료전지시스템(14)을 도시.
본 발명은 수소생산 시스템을 크게 향상시킬 수 있고, 지구 온난화를 억제할 수 있도록 환경친화적 에너지 활용 일환으로 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템은 수소생성물질 화학용액과 금속산화물의 발열반응에 의해 수소가 생성되고, 고순도의 수소를 제조하는 공정에 있어서, 수소가 생성되고, 고순도의 수소를 제조하는 공정에 있어서, 수소생성물질을 반응시켜 수소생산을 위한 수소생산시스템과, 상기 수소생산시스템과 일체형으로 형성되고, 수소생성물질을 발열에 의해 수소반응을 일으키는 발열반응부와, 상기 발열반응부 내에 수소생성물질을 공급하기 위한 싸이로형 공급부와, 상기 싸이로형 공급부로부터 상기 발열반응부 내에 유입시키기 위한 스쿠류이송관과, 상기 발열반응부 내에 유입시킨 후 발열반응에 의한 수소생성을 일으키기 위한 화학용액, 금속산화물과, 상기 화학용액 및 금속산화물(5)의 수소 반응시 필요한 온도 조절을 위한 멀티 온도 조절부(6)와, 상기 발열반응부 의 적정한 온도유지를 위해 겉과 속 사이를 진공처리하여 단열효과를 꾀하고, 발열반응부의 재질은 스텐레스를 사용하여 산화를 방지할 수 있도록 형성하며, 상기 발열반응부 본체 내의 발열을 촉진시키기 위한 촉매 충진부와, 상기 발열반응부로부터 수소를 도출시키기 위한 수소 도출부와, 상기 수소 도출부로부터 배출된 수소기체에 포함된 수분을 함유하는 혼합물을 응축기에 도입하여 수분을 분리하는 냉각휀과, 상기 냉각휀으로부터 배출된 수소기체를 건조부에 공급하여 순수한 수소기체로 전환시키는 제1건조부와, 상기 제1건조부에서 전환된 후 배출된 수소를 다시 고순도의 수소로 전환시키는 제2건조부와, 상기 제1건조부와, 제2건조부를 통해 분리 배출된 수분의 회수를 위한 용액 회수기와, 상기 제1건조부와, 제2건조부를 통해 고순도의 수소로 전환된 후 흡저장을 위한 흡착흡장용기와, 상기 흡착흡장용기로부터 공급받아 필요한 모든 곳의 동력원과 열원으로 사용가능하도록 구비되는 연료전지 시스템으로 도입되어 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성 있게 이루어짐으로써, 추가적인 에너지 소요량을 최소화할 수 있고, 다용도로 활용할 수 있도록 희박연소 엔진 및 가스버너 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 엔진식 열펌프(엔진냉동기), 내연기관차, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템이다.
다음으로 본 발명에 따른 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화 및 흡착흡장 연료전지시스템의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화 및 흡착흡장 연료전지시스템의 일실시예는 도 1에 나타낸 바와 같이,
환경친화적 에너지 활용 일환으로 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템은 수소생성물질 화학용액과 금속산화물의 발열반응에 의해 수소가 생성되고, 고순도의 수소를 제조하는 공정에 있어서, 수소생성물질을 반응시켜 실시간 수소생산을 위한 수소생산시스템(1)과, 상기 수소생산시스템(1)과 일체형으로 형성되고, 수소생성물질을 발열에 의해 수소반응을 일으키기 위한 발열반응부(2)와, 상기 발열반응부(2) 내에 수소생성물질을 공급하기 위한 싸이로형 공급부(3)와, 상기 싸이로형 공급부(3)로부터 수소생성물질을 유입시키기 위한 좌/우 스쿠류 이송관(4)과, 상기 발열반응부(2) 및 상기 싸이로형 공급부(3) 용기는 수소생성물질의 순환원리에 따라 사각 및 원형으로 다변화가 가능하도록 형성되고, 상기 발열반응부(2) 내에 유입시킨 후 발열반응에 의한 수소생성을 일으키기 위한 수소생성물질 화학용액, 금속산화물(5)과, 상기 화학용액, 금속산화물(5)이 발열에 의해 수소 반응시 필요한 온도 조절을 위한 멀티 온도 조절부(6)와, 상기 발열반응부(2) 내의 발열을 촉진 시키기 위한 촉매 충진부(7)와, 상기 발열반응부(2)로부터 수소를 도출시키기 위한 수소 도출부(8)와, 상기 수소 도출부(8)로부터 배출된 수소 기체에 포함된 수분을 함유하는 혼합물을 응축기에 도입하여 수분을 응축시키는 냉각휀(9)과, 상기 수소 도출부(8)로부터 배출되고, 상기 냉각휀(9)으로 유입시키기 전에 수소 기체에 포함된 수분을 회수하기 위한 용액 회수기(10)와, 상기 수소생성물질 상기 화학용액, 금속산화물(5)의 발열반응 후 미반응 한 용액을 재순환시키기 위한 용액 튜브펌프(16)와, 상기 냉각휀(9)으로부터 배출된 수소 기체를 건조부에 공급하여 순수한 수소기체로 건조시키는 제1건조부(11)와, 상기 제1건조부(11)에서 건조된 후 배출된 수소를 다시 고순도의 수소로 건조시키는 제2건조부(12)와, 상기 제1건조부(11)와, 제2건조부(12)를 통해 고순도의 수소로 전환된 후 흡저장을 위한 흡착흡장용기(13)와, 상기 흡착흡장용기(13)로부터 공급받아 필요한 모든 곳의 동력원과 열원으로 사용 가능하도록 구비되는 연료전지(14)시스템으로 도입되어 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성 있게 이루어짐으로써, 추가적인 에너지 소요량을 최소화할 수 있고, 다용도로 활용할 수 있도록 희박연소 엔진 및 가스버너 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 엔진식 열펌프(엔진냉동기), 내연기관차, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템이다.
다음으로 본 발명에 따른 금속화합물촉매를 이용한 수소 엔진연료화 시스템의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 의한 전체구성의 수소생산시스템 실시예를 도 1에 나타낸 바와 같이,
으로 SOX,NOX등과 같은 탄화수소계 유해물질로 인한 지구온난화 및 엘리뇨현상을 방지할 수 있는 환경친화적 수소생산시스템(1)에 있어서, 수소생성물질 수용용기 상기 발열반응부(2) 몸체를 중심으로 각 좌측과 우측 상단부에 위치하며, 싸이로형 공급부(3)를 형성하고, 상기 수소생성물질 화학용액을 금속산화물(5)과 함께 혼합발열반응부(2)에 투입하여 산화반응열을 일으켜 수소를 발생시킨다. 이때 금속산화물류는 알칼리금속 및 알칼리토금속을 포함하는 합금이고, 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속재료를 포함하고, 상기 금속재료는 소정의 덩어리 형태의 크기로 형성한다.
상기 발열반응부(2) 내의 수소생성에 활성을 일으키도록 일정량의 촉매를 첨가하여 수소발생을 촉진시키는 촉매 충진부(7)와, 온도 및 압력조절을 위한 온도조절부(6)와, 압력계(15)를 구비한다.
상기 수소생산시스템(1) 발열반응부(2)로부터 배출되는 생성물을 분류하기 위한 용액회수기(10)가 구비된다. 상기 용액회수기(10)의 생성물에 포함된 수소기체는 상부로 배출됨과 동시에 용액은 상기 발열반응부(2)와 상기 용액회수기(10)와의 압력차를 이용하여 상기 발열반응부(2)로 환류되어 재활용된다.
상기 용액회수기(10)에서 배출되는 수소가스는 응축을 통하여 냉각휀(9)에 의해 응축되면서 응축수가 발생하며, 이때 수소 기체는 건조부로 이송되어 기액 분리가 이루어진다.
또한, 상기 응축수는 용액회수기(10) 내의 용액과 함께 상기 수소생산시스템(1) 발열반응부(2)로 환류시켜 재활용된다. 그러므로, 반응이 개시되면 용액을 회수하여 사용하므로, 상기 발열반응부(2)의 반응온도에 영향을 미칠 수 있으므로, 재순환되는 용액의 온도와 양을 조절 할 필요가 있다.
이때 용액은 발열반응부(2)와 용액회수기(10)를 연결시켜주는 용액 튜브펌프(16)를 통해 압에 의한 인출이 이루어지며, 따라서 수소 기체와 용액이 완전히 분리될 수 있도록 유도하는 것을 포함하여 형성한다.
상기 냉각휀(9)으로부터 배출되는 배출가스는 수분 제거를 위해 제1건조부(11)를 통과시킨 다음 수소가스는 다시 제2건조부(12)를 통해 미반응 수분을 완전히 제거한 후 고순도의 수소가스는 흡저장을 위한 흡착흡장용기(13)에 공급되어 에너지로 전환되고 연료전지(14)의 연료로 사용할 수 있도록 형성된다.
상기 제1건조부(11)와, 제2건조부(12)는 STS 304, 316의 이중 원통형으로 구성 제작되고 내부의 습기 건조 소재는 제올라이트를 1200℃로 30분 소성하고, 실리카겔로 이루어진 것을 포함하여 수소의 고순도 제조 공정이 이루어지도록 형성된 것이 특징이다.
본 발명에서는 2단의 건조부를 사용하였지만, 건조부의 수는 한정되지 않고 여러단의 건조부를 사용할 수 있다.
상기 고순도의 수소가스 저장을 위한 흡착흡장용기(13)가 구비되며, 그 저장된 수소를 필요에 따라 공급이 보다 용이하게 이루어지고, 이 때 연료전지(14)가 핵심역할을 하며, 모든 곳의 동력원과 열원으로 기능할 수 있도록 환경친화적 에너지원으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 수소생성물질을 수용하기 위한 수용용기 발열반응부(2) 내의 수소생성물질간의 자체 화학적 발열반응에 의해 수소 반응을 일으키도록 원격제어 시스템을 구비함으로써, 공정이 보다 안정적이다.
그리고, 수소생산시스템(1)은 수소반응을 촉진시키기 위한 금속촉매는 기계적다공 또는 Raney Ni,Cd,Na 분말, 펠렛 형태로 반복 사용한다.
또한, 기계적 다공성 형태로 10mm∼30mm 사이즈에 한정하지 않으며, STS 카트리지(Cartridge)망(19)형태로 이송은 리니어, 콘베이어, 낙하 및 흡입 방식을 포함한 좌/우 스쿠류 등 이송방식으로 다변화가 가능하도록 이루어진다.
또한, 스쿠류이송관(4)을 통하여 발열반응부(2) 내로 화학용액과 금속산화물(5)을 유입시킴으로써, 화학용액과 금속산화물(5)반응을 일으켜 자체 열이 발생하면서 수소생성이 일어나도록 하며, 이때 온도조절을 통하여 수소의 수율을 높일 수 있도록 형성하는 것을 포함하여 형성한다.
그리고, 본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 발열반응부(2) 몸체를 중심으로 각 좌측과 우측 상단부에 위치하며, 상기 수소생성물질 화학용액과 금속산화물(5)을 공급하기 위한 일정 크기의 싸이로형 공급부(3)를 형성하며, 공급라인은 좌/우 정/역회로모터(23)에 의해 운전되고, 스쿠류 이송 방식으로 연속적 공급이 이루어지도록 한 것을 포함하여 형성한다.
즉, 상기 수소생성물질 화학용액과 금속산화물(5)은 스쿠류를 타고 상기 발열반응부(2) 중심부 위치에서 낙하 유입되며, 이때 가스 생성 시 발생되는 고형물 포착을 위해 망을 구비함으로써, 원활한 발열반응이 일어나도록 유도할 뿐만 아니라 배출구를 구비함으로써, 실시간 운전이 가능하도록 형성된다.
또한 본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 발열반응부(2) 내에 수소생성에 필요한 반응 온도를 45℃, 55℃, 80℃, 100℃이하로 설정함으로써, 멀티 온도조절이 가능하고, 압력센서(15-1)) 및 수위센서(15-2), 온도센서(6-1), 온도센서보호관(23), 수위센서보호관(22), 용액눈금센서(24), T자밸브(25), 정역모터(26), 워터보충탱크(27), 침전배출구(28) 기체누출 감지센서로 전자밸브(21)를 부착하여 원격제어로 운전할 수 있도록 하며, 안정성을 확보할 수 있도록 형성한다.
본 발명의 수소생산시스템(1)은 수소생성물질 수용용기 발열반응부(2)의 외관은 열전도율이 우수하고 용액 산화에 강한 재질 STS 304, 316으로 원통형 압력용기로 형성한다. 단, 발열반응부(2)용기는 원통형에 국한하지 않고 사각 등 다양하게 변화시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 발열반응부(2) 내관과 외관은 소정의 간격을 두고 알곤용접에 의해 일체형으로 이루어진다.
또, 본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 발열반응부(2) 외관과 내관 공간 사이를 진공(20)하여 열이 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수소생성물질 화학용액과 금속산화물(5)의 흡열과 발열 반응 시 발생하는 자체 생성열 40℃∼50℃와, 연료전지로부터의 생성되는 80℃의 열은 층판형열교환기 (30)를 통하여 열을 재활용함으로써, 수소생산에 필요한 열 에너지를 별도의 장치 없이 자체적 열을 호환성 있게 사용하도록 구성한다.
그리고, 본 발명의 수소생산시스템(1)은 상기 발열반응부(2) 내의 하단부에 수관식 코일히터(17)를 설치하여 보조열원으로 활용할 수 있도록 형성한다.
또한, 상기 온도 조절부는 상기 발열반응부(2)의 중간부 몸체의 한쪽 측면에 부착되며, 압력센서가 상단부의 한쪽 측면에 부착되고, 대략 원형으로 형성한다.
본 발명의 수소생산시스템(1)은 수소반응 후 분리되는 용액을 되돌려 재사용이 가능하기 때문에 친환경적 프로세스로 이루어지는 것이 특징이다.
도 2는 본 발명에 의한 상기 발열반응부(2)로부터 생성된 수소 도출부(8)를 통해 연계 이송되는 제1건조부(11), 제2건조부(12)를 도시한 바와 같이,
본 발명의 수소생산시스템은 상기 수소생성물질을 수용하기 위한 수용용기 발열반응부(2)에 내장되는 금속산화물 폐품(廢品)알루미늄 606,707,7075 및 화학용액을 NaBH4·KOH·K·N·I·AI·ST·Li·K·Ca·Na·Mg·Ti·Fe·Cr·Mn·Zn·Nn·Pb·Cd·Co·Sn·Ga·을 포함하며 그룹 가운데 하나 이상을 선택할 수 있다.
상기 발열반응부(2)에 내장하는 수소생성물질 화학용액과 금속산화물(5)에 의해 자체적으로 흡열과 발열을 일으키는 화학반응열 40 ∼ 50℃와, 내장된 수관식 코일히터(17)와, 정격온도보조 전기히터(18)를 2kw/h에 의해 필요한 소비전력을 충당하는 것을 포함하여 형성한다.
또한, 가변적 멀티온도, 압력센서(15-1)반응에 따라 수소생산량의 응답성 조절이 가능하도록 하며, 연료전지(14)로부터 얻어지는 80℃의 열을 보조 공용열로 사용함으로써, 수소생산시스템의 효율성을 높일 수 있도록 하며, 수소생산량을 원격제어로 조절이 매우 용이하도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기 발열반응부(2)의 적정한 온도유지를 위해 겉과 속 사이를 진공(20)처리하여 단열효과를 꾀하고, 발열반응부(2)의 재질은 STS 304, 316을 사용하여 산화를 방지할 수 있도록 형성하며, 압력 및 팽창에 따른 리스크 방지를 위해 원형으로 하되, 순환원리에 맞게 다변화가 가능하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 발열반응부(2)로부터 도출된 수소와 수증기에 포함된 혼합물의 기액분리가 용이하도록 라지레터 냉각휀(9)에 의해 응축시킨 다음 제1건조부(11)와 제2건조부(12)를 통해 고밀도의 수소에너지를 실시간 공급해줌과 동시에 흡착흡장용기에 다량의 수소저장이 가능하도록 함으로서, 효율적 경제적 수소생산 공급라인으로 이루어지도록 구성된다.
그리고, 수소반응 후 미반응물질에 의한 오염원자를 포집 정제하여 수소의 순도를 높임으로써, 흡착흡장용기(13)로 안정된 상태로 이송 저장됨으로써, 연료전지(14)로 고순도의 수소만을 공급할 수 있도록 하여 산화반응으로 인한 기기의 손상 및 습기로 인한 막힘을 방지할 수 있다.
따라서, 상기 건조부는 고순도의 수소 생산을 위해 하나 이상의 직렬 건조부를 형성하는 것도 바람직하다.
도 3은 본 발명에 의한 흡착흡장용기(13)의 흡열과 방출에 의한 수소저장 및 연료원으로의 공급을 위한 연료전지시스템(14)을 도시한 바와 같이,
상기 발열반응부(2)로부터 생산된 잉여수소를 저장할 수 있고, 수소의 안정성을 고려하여 흡착흡장용기(13)를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 흡착흡장용기(13)의 합금을 구성하는 금속의 결정구조에 따라(티탄·철합금·란탄·리튬·니켈·마그네슘·동·합금,티탄·망간·크롬·코발트,납·제트알·제로륨)3그룹으로 분류선택 할 수 있도록 구성한다.
상기 흡착흡장용기(13)는 고분자 금속 착화합물 폴리머 실리콘 나노튜브 육각형 구조로 이루어진(C6H4O·2Ti)n 혹은(C6H4NH·2Ti)n과 된(C6H4·2Ti)n 경우 H2분자 하나당 흡착 에너지는 각각 0.49eV와 0.38eV(전자볼트)로서 상온·상압에서 수소 흡장저장을 할 수 있는 이상적인 값이다. 상기 (C6H4O·2Sc)n과(C6H4NH·2Sc)n과(C6H4·2ScH2)n는 H2당 흡착에너지 0.22eV와, 희토류, 페라이트 영구자석 등 토루마린은 온도변화에 관련 없이 흡착과 상압을 가한 상태에서 쉽게 저장할 수 있다.
상기 수소의 빠른 산화속도와 안전성을 고려하여 흡착흡장용기(13)에 바로 저장이 가능하도록 함으로서, 실시간 생산과 공급과 소비라인이 안정성 및 절약적으로 이루어진다.
또한, 상기 흡착흡장용기(13)는 수소방출압 MPa온도0.4(50) ∼ 수소화물의 생성 Entropy 변화△H(KJ/moI-H2)-30.3 ∼ -38.9 멀티온도 변화 저온형C15 다성분계의 수소 압력을 유지할 수 있도록 구성된다.
또한, 0.1∼50Bar이상 압은 증압장치에 의해 50∼700Bar는 멀티압력으로 다기능 조절이 가능하며, 그 때문에 봄베(Bombe)를 사용하여 수소스테이션(Hydrogen Station)건설 시 상용화가 가능하도록 구성한다.
그리고 연료분사 압력 1∼8Bar를 유지하며, 희박연소 엔진 및 가스버너와, 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 펌프엔진식(엔진냉동기),내연기관 기관차와, 연료전지, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 이루어진다.
특히, 수소생성 자연압으로 0.1 ∼ 10Bar 이하는 수소기체 이동 관로로 활발하게 상온·상압에서 흡착흡장이 가능함으로써, 각 각 다양한 분야의 에너지원으로 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 연료전지(14)내부의 온도가 상승시 연료전지(14)의 냉각을 위해 연료전지(14)에서 생성되는 열을 방열판으로 전달되도록 전류(轉流)를 공급하고, 층판형열교환기(30)를 통해서 외부로 방출되게 하여 연료전지(14)를 냉각시키고 이때, 연료전지(14)의 열을 방열판으로 펌핑하는 열펌프의 역할을 수행한다. 그 열이 역으로 연료전지(14)의 내부의 온도가 낮은 경우에는 연료전지(14)내부를 순환하는 물의 결빙을 방지하기 위하여 층판형열교환기(30)를 통해서 연료전지(14)로 열을 공급한다.
이때, 역으로 연료전지(14)로 열을 펌핑하는 열펌프(31)역할을 수행한다.
이러한 연료전지(14) 냉각장치에 의해 연료전지(14)내부를 순환하는 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라 연료전지(14)에서 생성하는 열을 효과적으로 배출할 수 있게 된다.
상기 연료전지(14)에서 생성되는 열을 층판형열교환기(30)를 통하여 냉/온장치에 사용되는 열펌프(31)시스템과 연계함으로써, 패키지화하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 형성한다.
또한, 수소 원자는 지구상의 어떤 화석연료와도 혼합연료로 융합 연소가 잘되고 에너지 확산이용률을 높일 수 있을 뿐만 아니라 대기환경에도 친환경적이다.
또한, 상기 수소생산에서 흡장을 위한 전 공급라인이 상호 호환성을 유지하면서 전력의 효율성을 최대로 증가시킬 수 있도록 모든 곳의 동력원으로 연료전지(14)가 장치됨을 특징으로 한다.
본 발명의 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 해당기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 수소생산시스템 2 : 발열반응부 3 : 싸이로형 공급부 4 : 스쿠류 이송관 5 : 화학용액과 금속산화물 6 : 온도 조절부 6-1 : 온도센서 7 : 촉매 충진부 8 : 수소 도출부 9 : 냉각휀 10 : 용액회수기 11 : 제1건조부 12 : 제2건조부 13 : 흡착흡장용기 14 : 연료전지 15 : 압력계 15-1 : 압력센서 15-2 : 수위센서 16 : 용액 튜브펌프 17 : 수관식코일히터 18 : 전기히터 19 : STS 카트리지망 20 : 진공 21 : 전자밸브 22 : 수위센서보호관 23 :온도센서보호관 24 : 용액눈금센서 25 : T자밸브 26 : 정역모터 27 : 워터보충탱크 28 : 침전배출구 29 : 계량기 30 : 층판형열교환기 31 : 열펌프

Claims (8)

  1. 고순도의 수소를 생산하고자 환경친화적 에너지 활용 일환으로 수소생성물질을 반응시켜 실시간 수소생산을 위한 수소생산시스템(1)과,
    상기 수소생산시스템(1)과 일체형으로 형성되고, 수소생성물질을 발열에 의해 수소반응을 일으키기 위한 발열반응부(2)와,
    상기 발열반응부(2) 내에 수소생성물질을 공급하기 위한 싸이로형 공급부(3)와,
    상기 싸이로형 공급부(3)로부터 수소생성물질을 유입시키기 위한 좌/우 스쿠류 이송관(4)과,
    상기 발열반응부(2) 및 상기 싸이로형 공급부(3) 용기는 수소생성물질의 순환원리에 따라 사각 및 원형으로 다변화가 가능하도록 형성되고,
    상기 발열반응부(2) 내에 유입시킨 후 발열반응에 의한 수소생성을 일으키기 위한 수소생성물질 화학용액 및 금속산화물(5)과,
    상기 화학용액 및 금속산화물(5)의 수소 반응시 필요한 온도 조절을 위한 멀티 온도 조절부(6)와,
    상기 발열반응부(2) 내의 발열을 촉진 시키기 위한 촉매 충진부(7)와,
    상기 발열반응부(2)로부터 수소를 도출시키기 위한 수소 도출부(8)와,
    상기 수소 도출부(8)로부터 배출된 수소 기체에 포함된 수분을 함유하는 혼합물을 응축기에 도입하여 수분을 응축시키는 냉각휀(9)과,
    상기 수소 도출부(8)로부터 배출되고, 상기 냉각휀으로 유입시키기 전에 수소 기체에 포함된 수분을 회수하기 위한 용액 회수기(10)와,
    상기 수소생성물질 상기 화학용액, 금속산화물(5)의 발열반응 후 미반응 한 용액을 재순환시키기 위한 용액 튜브펌프(16)와,
    상기 냉각휀(9)으로부터 배출된 수소 기체를 건조부에 공급하여 순수한 수소기체로 건조시키는 제1건조부(10)와,
    상기 제1건조부(10)에서 건조된 후 배출된 수소를 다시 고순도의 수소로 건조시키는 제2건조부(11)와,
    상기 제1건조부(10)와, 제2건조부(11)를 통해 고순도의 수소로 전환된 후 흡저장을 위한 흡착흡장용기(13)와,
    상기 흡착흡장용기(13)로부터 공급받아 필요한 모든 곳의 동력원과 열원으로 사용 가능하도록 구비되는 연료전지(14)시스템으로 도입되어 수소생산 및 저장의 전 공정이 호환성 있게 이루어짐으로써, 추가적인 에너지 소요량을 최소화할 수 있고, 다용도로 활용할 수 있도록 희박연소 엔진 및 가스버너 각종 자동차, 캠핑카, 보일러, 중장비, 선박, 잠수함, 탱크, 비행기, 발전기, 트랙터, 엔진식 열펌프(엔진냉동기), 내연기관차, 가스보일러에 공급하는 연료로 단독 또는 혼용 연소 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열반응부(2) 및 상기 싸이로형 공급부(3) 용기는 수소생성물질의 순환원리에 따라 사각 및 원형을 더 포함하여 다변화가 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 수소생성물질 화학용액 및 금속산화물(5)의 이송은 스쿠류 및 리니어, 콘베이어, 낙하, 및 흡입방식을 더 포함하여 다변화가 가능한 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 발열반응부(2)는 적정한 온도유지를 위해 겉과 속 사이를 진공(20)처리하여 단열효과를 꾀하고, 발열반응부(2)의 재질은 스텐레스를 사용하여 산화를 방지할 수 있도록 형성하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  5. 제1항 있어서, 상기 흡착흡장용기는 고분자 금속 착화합물 폴리머 구조로 이루어진(C6H4O·2Ti)n 혹은(C6H4NH·2Ti)n과 된(C6H4·2Ti)n H2분자 하나당 각 각eV(전자볼트)로부터 선택되는 1종 이상을 포함하여 흡착 에너지는 상온 상압 상태에서 단위부피당 수소 수율이 높은 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발열반응부 또는 흡착흡장용기에 담지되는 금속촉매는 불순물을 분리하고, 흡장 특성을 이용하여 발열반응과 흡열반응을 일으킬 때 적절한 열교환이 이루어짐으로써, 고순도의 수소를 실시간 생산할 수 있도록 기계적 다공 또는 Raney Ni,Cd,Na 분말, 펠렛으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 화학용액 및 금속산화물(5)은 유기-전이금속 및 알카리토금속 복합체로부터 선택되는 1종 이상 및 폐 알루미늄 606,707,7075 및 화학용액을 NaBH4·KOH·K·N·I·AI·ST·Li·K·Ca·Na·Mg·Ti·Fe·Cr·Mn·Zn·Nn·Pb·Cd·Co·Sn·Ga·을 더 포함하여 수소생성물질로 사용하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 연료전지(14)에서 생성하는 열을 층판형열교환기(30)를 통하여 냉온장치에 사용되는 열펌프(31)시스템을 더 포함하여 연계함으로써, 패키지화하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 수소생산을 위한 화학용액과 금속산화물 및 흡착흡장 연료전지시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180007112A (ko) * 2016-07-12 2018-01-22 대우조선해양 주식회사 수중운동체의 수소공급시스템
KR20180010607A (ko) * 2016-07-21 2018-01-31 대우조선해양 주식회사 수중운동체의 수소공급 시스템 및 방법

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