KR20130047207A - 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 정제 분리막 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 분리막에 공급되는 혼합기체를 미세유로가 형성되는 혼합부를 통해 혼합(mixing) 효과와 분산(dispersion) 효과를 극대화하여 수소 분리막에 공급함으로써, 수소 정제 효율을 높이는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈에 관한 것이다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈은 혼합부를 통과하는 혼합가스 또는 저순도 수소가스가 수소 분리막에 고르게 공급되기 때문에 기존의 수소 정제 분리막 모듈에 비해 수소 정제 효율이 높아지는 효과가 있다.

Description

혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈{MODULE CONFIGURATION OF HYDROGEN PURIFICATION SEPARATION MEMBRANE MODULE WHICH HAVE MIXING PART}
본 발명은 수소 정제 분리막 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 분리막에 공급되는 혼합기체를 미세유로가 형성되는 혼합부를 통해 혼합(mixing) 효과와 분산(dispersion) 효과를 극대화하여 수소 분리막에 공급함으로써, 수소 정제 효율을 높이는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈에 관한 것이다.
수소 정제 모듈이란 수소가 혼합된 혼합가스 또는 개질된 저순도의 수소를 고순도의 수소로 정제시키는 장치를 말한다. 수소는 반도체 및 정밀화학 산업분야에서 널리 이용되고 있으며, 최근에는 수소가 연료전지의 연료가스로 이용됨에 따라 고순도의 수소를 제조할 필요성이 증대되고 있다.
수소를 제조하는 방법으로는 예를 들어 석탄 가스화(반응식 1)에 의한 일산화탄소 및 수소 혼합물의 합성가스를 제조한 후, 일산화탄소의 수성 반응(반응식 2)을 진행하여 일산화탄소 농도를 저감함으로써 수소 농도를 증가시키는 방법이 있다[참고문헌: J. Kopyscinski, T.J. Schildhauer, S.M.A. Boillaz, Production of synthetic natural gas (SNG) from coal and dry biomass-A technology review from 1950 to 2009, Fuel 89 (2010) 1763]. 이러한 방법을 통해서 수소/이산화탄소를 60/40 비율로 제조할 수 있다.
Figure pat00001
고농도의 수소를 요구하는 시스템에 수소를 공급함과 동시에 이산화탄소를 처리하기 해서는 추가적인 수소 정제 혹은 이산화탄소 정제공정이 요구된다. 이러한 수소 정제 방법으로는 대표적으로 PSA(Pressure Swing Adsorption)을 이용한 정제 공정, 게터법(Getter process), 심냉법, 분리막을 이용한 방법이 알려져 있다.
분리막을 이용하여 수소를 정제할 경우 연속적인 운전이 가능할 뿐 아니라 열효율과 콤팩트한 시스템 구성의 장점이 있다. 이를 위한 수소분리막은 팔라듐계 치밀 분리막이 가장 효과적인 것으로 알려져 있으며 이의 조성은 주로 Pd 또는 Pd-Cu, Pd-Ag와 같은 팔라듐 합금이 사용가능한 것으로 알려져 있다.
분리막을 이용한 수소 정제 및 분리막 반응기 구성을 위해서는 분리막 모듈 구성이 필요하다. 대표적으로, 미국특허 제5,498,278호에서는 주입구, 수소배출구, 라피네이트 배출구 및 수소분리막을 포함하여 이루어지는 수소 정제모듈이 개시되어 있다. 수소분리막은 수소를 통과시키는 코팅 금속층과 지지 매트릭스 및 이들 사이에 삽입되는 다공성 층으로 이루어진다. 이러한 수소분리막을 포함하여 플레이트-프레임(plate-and-frame) 형태 또는 셀 엔 튜브(shell-and-tube) 형태의 수소 정제모듈을 구성함에 있어서 확산 접합에 의한 단위셀을 구성한다.
그러나 이러한 형태의 수소 정제모듈은 고온에서의 확산접합 혹은 450-550℃ 고온 운전 시 분리막과 모듈간의 열적확산에 의한 분리막 성능저하 및 수명 단축의 문제점이 있다. 아울러, 하우징 구성으로 구조가 복잡하고 무게가 증가하여 열효율이 떨어지는 단점이 있다.
한국등록특허 제10-0980692호에서는 수소 정제 단위셀, 그 제조방법 및 이를 포함하는 수소 정제 모듈을 개시하고 있다. 상기 수소 정제 단위셀은 내부에 중공부가 형성되며 일측 또는 양측면에 이동홀, 돌출접합부, 측면 수소배출 튜브가 구비된 몸체, 상기 돌출접합부에 접합향상층을 형성하며 확산접합된 수소분리막, 다공성 지지수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 복수 개의 상기 수소 정제 단위셀은, 산소와 분리막 단위셀 간의 접촉에 의한 분리막 손상을 방지하기 위하여 혼합가스 공급부와 여과가스 배출부를 구비한 하우징 내에 결합됨으로써 수소 정제 모듈을 이루게 된다.
그러나 상기한 한국등록특허 제10-0980692호 또한 확산접합에 의한 단위셀 구성 및 다수의 단위셀을 하우징에 장착하는 방법에 의하므로, 분리막을 단위셀에 접합 시, 분리막 성분과 단위셀 성분 간 확산에 의한 분리막 성능저하 및 수명단축의 문제점이 발생한다. 또한 외부 하우징 구성으로 모듈 구성 및 절차가 복잡한 단점이 있다.
종래의 수소 정제모듈은 확산접합에 의한 단위셀 구성으로 이루어져 있어서, 분리막과 단위셀 간의 열적확산에 의한 분리막 성능저하 및 수명단축의 문제점이 있다. 아울러, 단위셀과 하우징 구성으로 구조가 단순하지 아니하며 콤팩트한 형태로 제작하기 곤란한 측면이 있다.
상기한 바와 같은 종래기술들의 문제점을 해결하고자 본 발명자들은 특허출원 제10-2011-0051991호 "농도구배제어를 위한 수소 정제 분리막 모듈"을 개시한 바 있다. 상기 수소 정제 분리막 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 안착홈(41)이 형성되어 있고 상기 안착홈(41)의 하부에 다수의 지지돌기부(44)가 제공되어 있으며 수소를 외부로 배출시키기 위한 하나 이상의 수소관통홀(45)이 제공되어 있는 하부플랜지(40), 상기 하부플랜지(40)에 제공되어 있는 상기 안착홈(41)과 상기 지지돌기부(44)에 의해 규정되어 있는 공간에 안착되어 있는 다공성 지지체(20) 및 상기 다공성 지지체(20)에 의해 지지되어 있는 수소분리막(10); 및 상기 하부플랜지(40)와 결합되어 있고 하나 이상의 관통홀(35)이 길이방향으로 제공되어 있는 상부플랜지(30)를 포함하며, 상기 수소분리막(10)과 상기 상부플랜지(30)의 사이에 내측실(internal seal)(50)이 치밀하게 제공되어 있으며, 상기 상부플랜지(30)와 상기 수소분리막(10)에 의해 규정되는 수소분리공간(70)에서의 상호 공간 거리(T)가 0.01 내지 20 mm 되게 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 수소 분리막 모듈은 종래의 수소 정제 모듈보다 수소 분리 효율이 우수하지만, 수소분리공간의 상호 공간 거리가 여전히 존재하기 때문에 수소분리공간으로 혼합가스를 공급하는 공급관에서 멀어질수록 혼합가스의 수소농도가 저하되어 수소분리막에 혼합가스가 고루 공급되지 않는 문제점이 발생한다.
또한 수소분리막을 포일 형태로 구성할 경우 분리막을 지지하기 위한 구성이 전무하여 시간이 지남에 따라 수소분리막에 주름이 발생할 우려가 있으며, 지속될 경우 분리막이 손상되는 문제점이 발생한다.
따라서 압력강하가 발생하지 않은 최소한의 상호공간거리를 갖는 수소분리공간을 구성하되, 종래의 기술에 비해 수소분리막에 혼합가스를 효과적으로 공급하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 수소 분리막과 유사한 크기를 갖는 판상의 혼합부에 미세 유로를 형성하고, 상기 혼합부를 수소분리공간 상에 배치하여 공급관으로부터 공급되는 혼합가스 또는 저순도의 수소가스가 혼합부를 경유하면서 혼합 및 분산되어 수소 분리막으로 공급되는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈을 제공함에 있다.
본 발명의 수소 정제 분리막 모듈은, 내부에 수소 분리 공간이 형성되는 하우징; 상기 수소 분리 공간의 일면에 연통되는 공급부; 상기 수소 분리 공간의 타면에 연통되는 배출부; 상기 수소 분리 공간상의 상기 공급부와 배출부 사이에 구비되는 수소 분리막; 및 내부에 적어도 하나 이상의 미세 유로가 형성되며, 상기 유입부와 수소 분리막 사이에 구비되는 혼합부; 를 포함하며, 상기 혼합부는, 상면에 길이방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성되는 제1 홈부와, 하면에 길이방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성되는 제2 홈부를 포함하되, 상기 제1 홈부와 제2 홈부는 일정 각도를 가지고 형성되며, 상기 제1 홈부와 제2 홈부의 중첩부가 관통되어 미세 유로를 형성하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예로 상기 혼합부는, 다수의 제1 바가 일정거리 이격 배치되는 제1 막; 상기 제1 막의 하측에 위치하며 다수의 제2 바가 일정거리 이격 배치되되, 상기 제2 바는 상기 제1 바와 일정 기울기를 가지고 결합 또는 일체로 형성되는 제2 막; 으로 구성되며, 상기 미세 유로는 상기 제1 바 및 제2 바의 이격 공간에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합부는, 세라믹 또는 상기 수소 분리막과 합금화가 되지 않는 금속 재질 인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 혼합부의 외면에는 산화물층이 형성되며, 상기 산화물층은, 상기 혼합부가 금속 재질로 될 경우 상기 혼합부를 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 산화물 중 선택되는 어느 하나로 코팅하여 형성되거나, 상기 혼합부가 알루미늄 재질로 될 경우 상기 혼합부를 산화하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소분리막과 상기 하우징 사이에는 내측실(internal seal)이 치밀하게 제공되어 있으며, 상기 수소분리막과 상기 내측실 사이에는 확산억제층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시 예로, 상기 수소분리막과 상기 하우징 사이에는 내측실(internal seal)이 치밀하게 제공되어 있으며, 상기 내측실의 외면에는 내측실을 감싸도록 구성되는 실확산억제층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 하우징, 혼합부 및 수소분리막은 양단이 개방되는 튜브형으로 이루어지며, 상기 하우징의 내부에 혼합부 및 수소분리막이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈은 혼합부를 통과하는 혼합가스 또는 저순도 수소가스가 수소 분리막에 고르게 공급되기 때문에 기존의 수소 정제 분리막 모듈에 비해 수소 정제 효율이 높아지는 효과가 있다. 또한, 수소 분리막이 포일 형태로 구성되는 경우 혼합부를 통해 수소 분리막을 지지하게 되어 수소 분리막의 변형을 방지하게 되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 수소 정제 분리막 모듈의 단면도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈의 분해 사시도
도 3은 본 발명의 제1-1 실시 예의 혼합부 사시도
도 4a는 도 3의 AA' 단면도
도 4b는 도 3의 BB' 단면도
도 5는 본 발명의 제1-2 실시 예의 혼합부 분해 사시도
도 6은 도 2에 도시된 수소 정제 분리막 모듈의 결합 단면도
도 7은 도 2에 도시된 수소 정제 분리막 모듈의 다른 실시 예의 결합 단면도
도 8은 본 발명의 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈에 적용되는 상부플랜지의 배면도
도 9는 본 발명의 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈에 적용되는 하부플랜지의 정면도
도 10은 본 발명의 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈의 작동 상태 단면도
도 11은 본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈의 종단면도
도 12는 본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈의 작동 상태 사시도
이하, 본 발명은 첨부된 예시 도면을 참조하여 더욱 더 상세하게 설명된다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
-실시 예 1
도 2 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 수소 정제 분리막 모듈(1)은 하부플랜지(40)와 상부플랜지(30)를 포함하는 하우징(30, 40), 내측으로 안착홈(41)이 형성되어 있는 하부플랜지(40), 상기 하부플랜지(40)의 안착홈(41)에 순차적으로 안착되어 있는 다공성 지지체(20) 및 상기 다공성 지지체(20)에 의해 지지되며 수소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 수소분리막(10) 및 상기 하부플랜지(40)와 결합되는 상부플랜지(30)를 포함한다.
또한, 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 수소 정제 분리막 모듈(1)은 가스 누출을 차단하기 위한 내측실(50)과 외측실(55)을 포함한다.
상기 내측실(50)은 바람직하게는 금속링(metal ring), 특히 금속성 O-링 또는 수소분리막(10)의 중심 방향으로 뚫려 있는 금속성 C-링으로 이루어진다. 이러한 금속링은 니켈, 철 등의 금속 재질로 이루어진다. 밀폐력을 보다 유리하게 하기 위해서는, 외부에 금, 은, 니켈 등으로 코팅 처리하는 것이 바람직하다. 이러한 내측실(50)은 상기 수소분리막(10) 상에 배치될 때, 상기 상부플랜지(40)의 내측면과 접촉되도록 한다. 이는 상부플랜지(30)와의 실링성을 향상시키기 위함이다.
상기 외측실(55)은 550℃ 이상에서 운전 가능한 금속링 또는 흑연링(Graphite)으로 구비될 수 있다. 상기 외측실(55)은 상기 내측실(50)에 사용된 어느 형태의 금속링이라도 사용할 수 있다. 또한, 금속실 외에도 고온에서 운전 가능한 흑연링(graphite-ring)이어도 무방하다. 본 실시 형태에서는 원형 단면을 갖는 금속링을 사용하였으나, 본 명세서를 숙지한 당업자라면 다양한 형태를 고려할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 수소 정제 분리막 모듈(1)에서는 특히 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 실질적으로 수소가 분리되는 공간인 수소 분리 공간(70)이 상부플랜지(30)와 수소분리막(10) 그리고 내측실(50)에 의해 규정되는 공간으로 제공된다.
이때, 본 발명은 상기 수소 분리 공간(70)으로 공급되는 혼합 가스를 상기 수소 분리막(10)에 고루 분산 공급하기 위해 다음과 같은 구성을 갖는다.
상기 수소 분리 공간(70) 상에는 혼합부(100)가 구비될 수 있다. 상기 혼합부(100)는 상기 수소 분리 공간(70)과 같은 크기를 갖는 원형의 판상으로 이루어질 수 있다. 도면상에는 상기 혼합부(100)가 원형으로 도시되어 있으나, 수소 정제 분리막 모듈(1)의 형태에 따라 다양한 형상이 적용될 수 있음은 자명하다. 다만 상기 혼합부(100)의 상면은 상기 수소 분리 공간(70)의 상측과 맞닿도록 구성되며, 하면은 상기 수소 분리 공간(70)의 하측과 맞닿도록 구성된다. 즉 상기 혼합부(100)의 두께는 상기 수소 분리 공간(70)의 상호공간거리와 일치되도록 구성된다. 상기 혼합부(100)는 상기 혼합 가스를 혼합 및 분산시키기 위한 미세 유로(101)가 형성될 수 있으며, 이하 미세 유로(101) 형성을 위한 상기 혼합부(100)의 구체적 실시 예를 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 혼합부(100)는 제1 홈부(110)와 제2 홈부(120)를 포함하여 이루어진다. 상기 제1 홈부(110)는 상기 혼합부(100)의 상면에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성될 수 있다. 또한 상기 제2 홈부(120)는 상기 혼합부(100)의 하면에 길이 방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성될 수 있다. 이때 상기 제1 홈부(110)와 제2 홈부(120)는 일정 각도를 갖도록 기울어지게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 홈부(110)와 제2 홈부(120)가 중첩되는 부분은 서로 관통되어 지도록 상기 제1 홈부(110)와 제2 홈부(120)는 일정 깊이를 가지고 함몰 형성될 수 있다. 즉 상기 제1 홈부(110)와 제2 홈부(120)가 중첩되어 관통되는 부분에 미세 유로(101)가 형성된다.
상기 혼합부(100)를 구성하기 위한 다른 실시 예로 도 5를 참조하면, 상기 혼합부(100)는 제1 막(111)과 제2 막(112)의 결합으로 구성될 수 있다. 상기 제1 막(111)은 다수의 제1 바(111a)가 제1 유로(111b)가 형성되도록 일정거리 이격 배치되어 구성되며, 상기 제2 막(112)은 상기 제1 막(111)의 하측에 위치하며, 다수의 제2 바(112a)가 제2 유로(112b)가 형성되도록 일정거리 이격 배치되어 구성된다. 이때 상기 제1 바(111a)와 제2 바(112a)는 일정 각도를 갖도록 기울어지게 결합될 수 있다. 또한 상기 제1 바(111a)와 제2 바(112a)는 일체로 형성될 수도 있다. 따라서 상기 제1 유로(111b)와 제2 유로(112b)의 중첩부에 미세 유로(101)가 형성될 수 있다.
이때 본 발명의 혼합부(100)는 상기 분리막(10)과의 접촉으로 인해 분리막(10)이 망실되는 것을 억제하기 위해 다음과 같은 특징적인 구성을 갖는다. 상기 혼합부(100)와 상기 분리막(10)과의 접촉부위 즉 상기 혼합부(100)의 하면에는 산화물이 코팅될 수 있으며, 상기 혼합부(100)의 산화물 코팅을 위한 구체적인 실시 예는 다음과 같다.
첫째, 상기 혼합부(100)가 금속 재질로 이루어질 경우 상기 혼합부(100)의 하면에는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 산화물로 코팅 처리될 수 있다.
둘째, 상기 혼합부(100)를 알루미늄 금속으로 구현하고, 혼합부(100)를 산화하여 산화물로 전환시킬 수 있다.
셋째, 상기 혼합부(100)를 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 산화물 중 선택되는 어느 하나로 구현할 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 수소 정제 분리막 모듈에서는 내측실(50)과 수소분리막(10) 사이에 확산억제층(L)이 제공된다.
이러한 확산억제층(L)은 수소분리막 표면에 형성이 되되 실링부재와 맞닿는 부분에 형성된다. 이때 확산억제층(L)은 세라믹 단독으로 또는 세라믹과 금속이 동시에 또는 임의적 순서로 코팅되어 있는 부분을 포함한다. 이때 세라믹과 금속이 함께 이용되는 경우, 세라믹과 함께 사용되는 금속으로는 수소분리막의 구성 물질이 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 물질의 비제한적인 예로는 Pd, Cu, Ag, Au, Ru 및 Pt 등이 있다. 세라믹과 수소분리막의 구성 물질, 예를 들어 Pd, Cu, Ag, Au, Ru 및 Pt는 코스퍼터링(co-sputtering)함으로써 상호 확산억제되게 한다.
다르게는, 본 발명에 있어서의 확산억제층(L)은 알루미늄 박막(호일)의 외표면을 산화시킴으로써 얻은 표면 산화된 알루미늄 박막(호일)을 수소분리막(10)과 실(50) 사이에 위치시킴으로써 상호 억제되게 한다. 또한, 본 실시 형태에서는 외측실(55)에 대해서는 언급하지 않았지만, 본 명세서를 숙지한 당업자라면 외측실(55)도 내측실(50)과 마찬가지로 적용될 수 있음은 물론이다.
도 7에는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수소 정제 분리막 모듈이 도시되어 있다.
본 실시 형태에서는 특정의 접촉면에만 확산억제층(L)이 제공되는 상기한 실시 형태와 달리 예를 들어 내측실(50)(예, 금속성 O-링)의 외표면 전체에 세라믹 또는 세라믹과 수소분리막(10)의 구성 물질, 예를 들어 Pd, Cu, Ag, Au, Ru 및 Pt를 동시에 또는 임의적 순서로 코스퍼터링 함으로써 실확산억제층(51)이 제공된다.
또한, 본 실시 형태에서는 외측실(55)에 대해서는 언급하지 않았으나, 본 명세서를 숙지한 당업자라면 외측실(55)의 외표면 전체에 대하여도 내측실(50)과 동일하게 적용될 수 있음을 이해할 것이다.
상기 다공성 지지체(20)로는 다공성 금속 혹은 다공성 세라믹이 이용되며, 수소분리막(10)을 지지함으로써 모듈구성의 용이성을 제공한다. 수소분리막(10)은 공지된 분리막으로서 수소를 선택적으로 투과시킨다. 이러한 수소분리막(10)으로는 팔라듐(Pd) 단독 또는 팔라듐과 Cu, Ag, Au, Ru 및 Pt로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 성분과의 혼합물 또는 합금이 이용된다.
상술된 바와 같은 수소분리막(10)의 재질은 실시 예의 하나일 뿐 그 재질을 한정하는 것은 아니며, 수소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 재질이면 어떠한 재질도 적용될 수 있음은 자명하다.
수소분리막(10)은 포일 타입이거나 스퍼터링, 무전해도금, 전해도금, 스프레이코팅, E-beam 등의 코팅법으로 다공성 지지체에 코팅되어진 형태일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 하부플랜지(40)에는 상기 안착홈(41)의 내측 하부에 다공성 지지체(20)를 지지하기 위한 다수의 지지돌기부(44)가 제공된다. 이들 지지돌기부(44)는 수소분리막(10) 및 다공성 지지체(20)를 지지하며 내부 압력으로 인한 파손을 방지한다. 또한, 이들 지지돌기부(44)들 사이의 공간에 의해 형성된 상기 수소배출유로(43)는 정제된 수소들이 이동할 수 있는 통로를 형성시켜 준다.
상기 안착홈(41)에는 수소를 외부로 배출시키기 위해 적어도 하나 이상의 수소관통홀(45)이 제공된다. 또한, 하부플랜지(40)에는 도시된 바와 같이 상기 상부플랜지(30)와의 접촉면에 외측실(55)이 안착되는 안착부(42)가 형성되어 있다.
상부플랜지(30) 외측에는 혼합가스 공급을 위한 공급부(62)와 여과가스 배출관(64)이 결합되고, 상기 하부플랜지(40)에는 분리된 수소가 포집되어 이동하는 정제수소를 배출하기 위한 배출부(66)가 외측에 결합된 수소 정제분리막 모듈을 나타낸다. 상기 배출부(66)는 상기 수소관통홀(45)의 개수에 따라 적어도 하나 이상이 구비될 수 있다.
상부플랜지(30)와 하부플랜지(40)는 이들에 각각 형성되어 있는 체결홀(36)(46)에 별도의 볼트가 끼워지고 이에 너트가 체결되는 방식으로 상호 치밀하게 고정될 수 있다.
-실시 예 2
도 11 및 도 12에는 본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(2)이 도시되어 있다. 본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(2)의 기본적인 구성은 상기 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(1)과 동일하며, 다만 혼합부(220) 및 수소분리막(230)이 튜브형으로 이루어진다는 점에서 그 차이가 있다. 이하 상기와 같은 구성을 갖기 위한 구체적 실시 예에 대하여 상세 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(2)은 하우징(210), 혼합부(220), 수소분리막(230) 및 지지체(240)를 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(210)은 양단이 개방되며 원통 상으로 되는 튜브 타입으로 이루어진다. 도면상에는 상기 하우징(210)의 양단이 개방되는 것으로 도시되어 있으나, 일단만 개방되고 타단은 밀폐되는 구성도 가능할 것이다. 도면상에는 상기 하우징(210)이 원통형으로 도시되어 있으나, 양단이 개방되는 형태이면 어떠한 형상도 가능함은 자명하다. 상기 하우징(210)에는 혼합가스 공급을 위한 공급관(211)과 혼합가스 배출을 위한 배출관(212)이 결합된다. 따라서 상기 공급관(211)의 타단은 상기 하우징(210)의 내부공간에 연통되며, 상기 여과가스 배출관(212)의 일단 역시 상기 하우징(210)의 내부공간에 연통된다. 이때, 상기 공급관(211)과 배출관(212)은 상기 하우징(210)상에 설치되되 최대한 이격되어 설치될 수 있다. 이는 수소 정제 효율을 높이기 위함이다.
상기 하우징(210)의 내주면에는 혼합부(220)가 삽입될 수 있다. 상기 혼합부(220)는 양단이 개방되는 튜브형으로 이루어지며, 외주면이 상기 하우징(210)의 내주면에 맞닿도록 구성된다. 상기 혼합부(220)의 상세 구성은 상술된 제1 실시예의 혼합부(100)를 튜브형으로 변경한 것에 불과하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
상기 혼합부(220)의 내주면에는 수소분리막(230)이 삽입될 수 있다. 수소분리막(230)은 양단이 개방되는 튜브형으로 이루어지며, 외주면이 상기 혼합부(220)의 내주면에 맞닿도록 구성된다. 상기 수소분리막(230)은 공지된 분리막을 튜브형으로 변경한 것으로서 수소를 선택적으로 투과시킨다. 이러한 수소분리막(230)으로는 팔라듐(Pd) 단독 또는 팔라듐과 Cu, Ag, Au, Ru 및 Pt로 구성된 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 금속 성분과의 혼합물 또는 합금이 이용된다.
상술된 바와 같은 수소분리막(10)의 재질은 실시 예의 하나일 뿐 그 재질을 한정하는 것은 아니며, 수소를 선택적으로 투과시킬 수 있는 재질이면 어떠한 재질도 적용될 수 있음은 자명하다.
수소분리막(230)은 포일 타입이거나 스퍼터링, 무전해도금, 전해도금, 스프레이코팅, E-beam 등의 코팅법으로 다공성 지지체에 코팅되어진 형태일 수 있다.
상기 지지체(240)는 상기 수소분리막(230)의 내부에 삽입될 수 있다. 상기 지지체(240)는 양단 또는 일단이 개방되는 튜브형으로 이루어지며, 외주면이 상기 수소분리막(230)의 내주면에 맞닿도록 구성된다. 이때 상기 지지체(240)에는 상기 수소분리막(230)으로부터 정제되는 수소를 내측으로 이동시키기 위해 다공체로 구성될 수 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 작용에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(1)은 혼합가스 공급관(62)으로부터 공급되는 혼합 가스가 혼합부(100)의 제1 홈부(110) 또는 제1 유로(111b)를 따라 혼합 및 분산되며, 미세유로(101)를 통해 제2 홈부(120) 또는 제2 유로(112b)로 이동되어 수소 분리막(10)에 고르게 공급되어 진다.
본 발명의 제2 실시 예의 수소 정제 분리막 모듈(2)은 도 12에 도시된 바와 같이 공급관(211)으로 공급되는 혼합공기가 혼합부(220)를 통해 수소분리막(230)에 고루 공급되며, 수소분리막(230)을 통해 정제된 수소는 다공체인 지지체(240)의 내부공간에 공급되고, 최종적으로 지지체(240)의 개방된 양단 또는 개방된 일단을 따라 배출된다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1, 2 : 수소 정제 분리막 모듈 10 : 수소분리막
20 : 다공성 지지체 30 : 상부플랜지
36 : 체결홀 40 : 하부플랜지
41 : 안착홈 42 : 안착부
43 : 수소배출유로 44 : 지지돌기부
45 : 수소관통홀 46 : 체결홀
50 : 내측실 55 : 외측실
60 : 가스관 62 : 공급부
64 : 여과가스 배출관 66 : 배출부
70 : 수소분리공간
L : 확산억제층
100 : 혼합부 101 : 미세 유로
110 : 제1 홈부 120 : 제2 홈부
111 : 제1 막 111a : 제1 바
111b : 제1 유로 112 : 제2 막
112a : 제2 바 112b : 제2 유로
120 : 제2 홈부
210 : 하우징 220 : 혼합부
230 : 수소분리막 240 : 지지체

Claims (10)

  1. 내부에 수소 분리 공간이 형성되는 하우징;
    상기 수소 분리 공간의 일면에 연통되는 공급부;
    상기 수소 분리 공간의 타면에 연통되는 배출부;
    상기 수소 분리 공간상의 상기 공급부와 배출부 사이에 구비되는 수소 분리막; 및
    내부에 적어도 하나 이상의 미세 유로가 형성되며, 상기 유입부와 수소 분리막 사이에 구비되는 혼합부;
    를 포함하는, 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    상면에 길이방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성되는 제1 홈부와, 하면에 길이방향을 따라 일정 간격으로 함몰 형성되는 제2 홈부를 포함하되,
    상기 제1 홈부와 제2 홈부는 일정 각도를 가지고 형성되며, 상기 제1 홈부와 제2 홈부의 중첩부가 관통되어 미세 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    다수의 제1 바가 일정거리 이격 배치되는 제1 막;
    상기 제1 막의 하측에 위치하며 다수의 제2 바가 일정거리 이격 배치되되, 상기 제2 바는 상기 제1 바와 일정 기울기를 가지고 결합 또는 일체로 형성되는 제2 막; 으로 구성되며,
    상기 미세 유로는 상기 제1 바 및 제2 바의 이격 공간에 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 혼합부는,
    세라믹 또는 상기 수소 분리막과 합금화가 되지 않는 금속 재질 인 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 혼합부의 외면에는 산화물층이 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.

  6. 제 5항에 있어서,
    상기 산화물층은, 상기 혼합부가 금속 재질로 될 경우 상기 혼합부를 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 실리콘(Si), 티타늄(Ti) 산화물 중 선택되는 어느 하나로 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 산화물층은, 상기 혼합부가 알루미늄 재질로 될 경우 상기 혼합부를 산화하여 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수소분리막과 상기 하우징 사이에는 내측실(internal seal)이 치밀하게 제공되어 있으며, 상기 수소분리막과 상기 내측실 사이에는 확산억제층이 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 수소분리막과 상기 하우징 사이에는 내측실(internal seal)이 치밀하게 제공되어 있으며, 상기 내측실의 외면에는 내측실을 감싸도록 구성되는 실확산억제층이 형성되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징, 혼합부 및 수소분리막은 양단이 개방되는 튜브형으로 이루어지며, 상기 하우징의 내부에 혼합부 및 수소분리막이 순차적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 혼합부를 갖는 수소 정제 분리막 모듈.
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