KR20200031467A - Dme를 이용한 수소발생장치 및 연료전지 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 DME(Dimethyl Ether)를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수증기 플라즈마와 DME를 반응시켜 수소를 생산한 후, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 전기에너지를 생산할 수 있는 DME를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 DME를 이용한 연료전지 시스템은 DME(Dimethyl Ether)와 수증기 플라즈마를 반응시켜 수소를 생산하는 수소발생장치를 구비한다. 상세하게, 상기 수소발생장치는, 상부에 기체 배출구가 형성된 원통형의 챔버; 상기 챔버의 측면에 구비된 제1 수증기 플라즈마 발생장치; 및 상기 챔버의 측면에 구비된 제1 DME(Dimethyl Ether) 공급장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 DME(Dimethyl Ether)를 이용한 수소발생장치 및 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수증기 플라즈마와 DME를 반응시켜 수소를 생산하는 수소발생장치 및 수소발생장치에서 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 전기에너지를 생산할 수 있는 DME를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템으로 이러한 연료전지 시스템은 전기자동차 또는 하이브리드 자동차 등 친환경 운송 수단에 적용되어 전기 모터를 작동시키며 운송 수단을 구동시킨다.
이러한 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다. 즉, 연료전지 시스템에서는 수소가 안정적으로 공급될 수 있는 수소발생장치가 수반되어야 한다.
수소를 제조하는 방법에는 메탄가스 등의 화석연료를 수증기 개질하여 얻은 후 이를 정제하여 사용하는 방법이 주종을 이루고 있으나, 최근에는 화석연료의 유한성과 환경문제를 극복하고자 물을 전기분해하는 수전해를 이용하는 방식을 적극적으로 개발하여 적용하고 있다.
즉, 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방법으로는 알칼리 수용액을 전해질로하는 알칼리 수전해 방식이 대표적이나 이러한 방법은 낮은 수소 순도로 인한 정제공정의 필요, 산소와 수소를 분리하는 분리공정의 필요, 수용액 상태의 전해질을 지속적으로 보충해야만 하는 공정 관리의 필요, 수용액 전해질에 의한 전극 및 구성부품의 부식, 낮은 전류 밀도로 인한 수소 생산 효율의 저하, 높은 전압에 의한 과다한 전력 소모 등의 많은 단점을 가지고 있다.
이에 비해 최근 각광을 받고 있는 고분자 전해질 수전해 방식은 알칼리 수전해 방식의 단점을 대부분 보완하고 있으며, 고분자 전해질 수전해 방식으로 제조되는 수소는 미량의 수분 이외에 불순물이 거의 없기 때문에 별도의 정제 공정이 불필요하고 전해질이 고체상으로서 관리가 불필요할 뿐만 아니라 순수한 물을 공급원으로 사용하기 때문에 장치를 부식시키는 문제가 거의 발생하지 않는 한편, 장치운영 시 에너지 효율면에 있어서도 알칼리 수전해 방식에 비하여 전류밀도가 높고 전력 소모도 낮은편이다.
종래 고분자 전해질 수전해 방식으로 수소를 제조하기 위해서 공급되는 물은산화반응이 일어나는 애노드(Anode)로 공급되어 산소를 발생시키고 수소 이온은 전해질막을 통과하여 캐소드(Cathode)로 이동한 후 환원 반응을 통해 수소를 발생시킨다.
이때, 고분자 전해질막을 통과하는 수소 이온은 수화된 상태로 이동하게 결과적으로 캐소드 전극 측에 물 분자를 운반하는 역할을 하게 되어 캐소드 전극 측에 물이 차오르게 됨에 따라 캐소드 전극에 점차 쌓이는 물을 주기적으로 배출해야 하는 번거로움이 있으며 이에 따라 장치가 복잡해지고 애노드 전극 측의 공급수 소모가 많아지는 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0896900호에는 위와 같은 캐소드 전극에 점차 쌓이는 물을 주기적으로 배출해야 하는 번거로움과 애노드 전극측의 공급수가 많아지는문제점들을 해결할 수 있는 장치가 개시되어있으며, 더 나아가 대한민국 등록특허제10-1630165호에는 공급수를 캐소드 전극쪽에서 공급하여 수소발생장치를 구조적으로 매우 단순화 시킬 수 있는 장치가 개시되었다. 특히, 상기 대한민국 등록특허 제10-1630165호에서는 전기분해를 위해 저장되는 공급수가 약10cc 내지 50cc이하로 유지되는 크기의 물탱크를 갖는 구조로 수소발생장치를 구현했을 경우 여러 이점들을 얻을 수 있음을 실증하였다.
그러나, 상기 대한민국 등록특허 제10-1630165호에 제시되어 있는 수소발생장치 구조는 수소발생장치가 구동되는 과정에서 물의 전기 분해가 진행됨에 따라소진되는 물을 자동으로 공급할 수 있는 별도의 외부 장치가 필요하다. 이는 물이없는 상태에서 수전해부로 전원이 공급되면 이는 고장의 직접적인 원인이 되기 때문이다.
이처럼 종래의 수소발생장치는 물의 추가 보충을 위한 외부 장치가 별도로 갖추어져야 했기에 수소발생장치의 전체 구조가 복잡해지고, 수소발생장치 제품의 크기가 커지게 되며, 이에 따른 제작비의 상승을 초래하게 되는 문제점이 있었다.
이에, 물을 전기분해하는 방식을 사용하지 않고, 전혀 다른 방식으로 수소를 생산할 수 있으면서도 크기가 개선되고, 수소 생산효율이 뛰어난 수소발생장치 및 이를 적용한 연료전지 시스템에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기돠 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 DME를 활용하여 수소 생산 효율을 개선하면서도 소형화할 수 있는 수소발생장치와 연계된 연료전지 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 DME(Dimethyl Ether)를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 수증기 플라즈마와 DME를 반응시켜 수소를 생산한 후, 생산된 수소를 연료전지에 공급하여 전기에너지를 생산할 수 있는 DME를 이용한 연료전지 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 DME를 이용한 연료전지 시스템은 DME(Dimethyl Ether)와 수증기 플라즈마를 반응시켜 수소를 생산하는 수소발생장치; 수소발생장치에서 생성된 수소를 포함하는 기체를 냉각하는 냉각부; 및 냉각부에 의해 냉각된 수소 가스를 연료로 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지;를 포함하는 DME를 이용한 연료전지 시스템에 의해 달성될 수 있다.
이때, 수소발생장치는, 상부에 기체 배출구가 형성된 원통형의 챔버; 챔버의 측면에 구비된 제1 수증기 플라즈마 발생장치; 및 챔버의 측면에 구비된 제1 DME(Dimethyl Ether) 공급장치;를 포함할 수 있다.
또한, 제1 수증기 플라즈마 발생장치는, 챔버의 수평 절단면에 대하여 20~30도의 각도로 구비되는 것이 바람직하고, 챔버의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되어 제1 수증기 플라즈마 발생장치에서 형성된 불꽃이 챔버의 내부 벽면을 따라 회전하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 수소발생장치는, 챔버의 측면에 구비된 제2 수증기 플라즈마 발생장치; 및 챔버의 측면에 구비된 제2 DME(Dimethyl Ether) 공급장치;를 더 포함할 수 있다.
이때, 제2 수증기 플라즈마 발생장치는, 챔버의 수평 절단면에 대하여 20~30도의 각도로 구비되는 것이 바람직하고, 챔버의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되어 제2 수증기 플라즈마 발생장치에서 형성된 불꽃이 챔버의 내부 벽면을 따라 회전하는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 연료전지는, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)일 수 있다.
본 발명에 따르면, DME를 활용함으로써 환경 오염문제를 방지하면서도 수소를 안정적으로 공급받을 수 있어 에너지 효율이 우수한 연료전지 시스템을 제공할 수 있는 효과를 가진다.
구체적으로, 수증기 플라즈마와 DME를 반응시켜 수소를 안정적으로 생산하여 연료전지로 공급할 수 있고, 섭씨 25도에서 액화되는 DME의 특성을 통해 자동차와 같은 다양한 동력장치에 쉽게 적용할 수 있는 장점을 가진다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DME를 이용한 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면(측면도)이다.
도 3은 도 2의 챔버의 수평 절단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 예에 따른 제1 수증기 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면(측면도)이다.
도 6은 도 5의 챔버의 수평 절단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 일 예에 따른 냉각부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면(측면도)이다.
도 3은 도 2의 챔버의 수평 절단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 일 예에 따른 제1 수증기 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면(측면도)이다.
도 6은 도 5의 챔버의 수평 절단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 일 예에 따른 냉각부를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DME를 이용한 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 DME를 이용한 연료전지 시스템은 DME(Dimethyl Ether)와 수증기 플라즈마를 반응시켜 수소를 생산하는 수소발생장치(10); 수소발생장치(10)에서 생성된 수소를 포함하는 기체를 냉각하는 냉각부(20); 및 냉각부(20)에 의해 냉각된 수소 가스를 연료로 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지(30);를 포함한다.
본 발명은 DME를 수증기 플라즈마와 반응시킴으로써 연료전지(30)에 안정적으로 수소 기체를 공급할 수 있을 뿐만 아니라 운송 및 저장이 용이한 DME의 장점을 활용하여 다양한 운송 수단에 효과적으로 적용할 수 있는 효과를 가진다. 도 2는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 챔버(100)의 수평 절단면(X-X')을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 수소발생장치(10)에 대해 구체적으로 설명한다.
일 실시예에 있어서, 수소발생장치(10)는 상부에 기체 배출구(110)가 형성된 원통형의 챔버(100); 챔버(100)의 측면에 구비된 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200); 및 챔버(100)의 측면에 구비된 제1 DME(Dimethyl Ether) 공급장치(300);를 포함한다. 수소발생장치(10)는 원통형의 챔버(100) 내에 수증기 플라즈마와 DME를 공급한 후, 반응시켜 수소 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, DME를 사용함으로써 기존의 화석연료를 대체할 수 있고, 이를 통해 환경오염을 방지할 수 있는 효과도 가진다.
챔버(100)는 내부로 수증기 플라즈마와 DME가 공급되고, 상부에 기체 배출구(110)가 형성되어 수증기 플라즈마와 DME의 반응에 의해 생성된 수소 기체(수소를 포함하는 기체)를 배출할 수 있다. 챔버(100)는 다양한 형상으로 제작될 수 있으나, 후술할 수증기 플라즈마 발생장치에 의해 생성되는 수증기 플라즈마 불꽃이 챔버(100)의 내부 벽면을 따라 회전할 수 있도록 중심부(A)는 원통형으로 형성되는 것이 바람직하다. 챔버(100)는 내부의 온도 변화를 측정하기 위하여 온도계를 구비할 수 있다. 이때, 챔버(100) 내부의 온도 변화를 정확하게 파악하기 위하여 챔버(100) 중심부(A)의 하단으로부터 약 1/8, 1/2, 7/8 지점 및 기체 배출구(110)에 각각 온도계를 설치하는 것이 바람직하다. 챔버(100)는 내부의 단열성을 향상시키기 위하여 외부에 소정의 두께의 시멘트 콘크리트 구조물을 형성할 수 있다.
제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)는 챔버(100)의 측면에 구비되어 수증기 플라즈마를 생성하고, 생성된 수증기 플라즈마를 챔버(100)의 내부로 공급할 수 있다. 이때, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)는 챔버(100)의 수평 절단면(도 2, X-X’)에 대하여 20~30도의 각도로 챔버(100)의 측면에 구비되는 것이 바람직하다.
나아가, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)에서 형성되는 불꽃(화염, F)이 챔버(100)의 내부 벽면을 따라 회전할 수 있도록 챔버(100)의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되는 것이 더욱 바람직하다(도 3 참조). 이러한, 배치를 통해 챔버(100) 내부는 수증기 플라즈마가 균일하게 퍼지게 되고, DME와의 반응이 잘 일어나 수소 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 후술할 제1 DME 공급장치(300)의 끝단은 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)의 끝단(201)과 인접하게 설치되는 것이 바람직하다. 인접하게 설치된다는 것은, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)에서 형성되어 챔버(100) 내부로 공급되는 불꽃으로 DME가 진입할 수 있도록 설치되는 것을 의미한다.
도 4는 일 예에 따른 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
구체적으로, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)는, 전자파를 발진하는 마그네트론; 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원공급부; 마그네트론이 장착된 마이크로웨이브 헤드; 마이크로웨이브 헤드가 장착되며, 마그네트론으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관(210); 도파관(210)을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 수증기 와류가스에 의해 수증기 플라즈마를 생성하는 방전관(220); 방전관(220)으로 와류 수증기를 섭씨 150도 이상이 되도록 하여 공급하는 기능을 하며 방전관(220) 내부의 고온 플라즈마에 견딜 수 있는 강철 또는 카본재질로 이루어져 있는 수증기공급부(230); 및 방전관(220) 내에 유입된 전자파와 수증기에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부(240);를 포함할 수 있다.
마그네트론(미도시)은 10 ㎒ ~ 10 ㎓ 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용되며, 바람직하게는 2.45㎓ 전자파를 발진하도록 구성될 수 있다. 전원공급부(미도시)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치로 구성되어 마그네트론으로 전력을 공급하고, 도파관(210)은 전자파를 방전관(220)으로 전송하며, 방전관(220)은 도파관(210)의 종단(211)에 설치되어 도파관(210)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 수증기공급부(230)는 수증기 플라즈마의 생성 및 생성된 플라즈마의 안정화와 방전관(220)의 내벽 보호를 위한 수증기 와류가스를 공급하고, 점화부(240)는 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급한다.
이하. 도 4를 참조하여 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도파관(210)은 표준형 직사각형 도파관(210)을 사용할 수 있고, 방전관(220)측으로 갈수록 단면적이 감소하는 테이퍼 형상으로 형성되어 방전관(220)으로 전송하는 전자파가 방전관(220)측으로 갈수록 에너지 밀도가 증가한다.
방전관(220)은 도파관(210)의 종단(211)으로부터 관내 파장의 1/8~1/2 사이에서 도파관(210)을 수직하게 관통하도록 설치된다. 바람직하게는, 방전관(220)은 도파관(210)의 종단(211)으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 설치되며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영이나 알루미나 또는 세라믹으로 형성될 수 있다.
수증기공급부(230)는 수증기 플라즈마의 생성 및 생성된 플라즈마의 안정화와 플라즈마로부터 방전관(220)의 내면을 보호하기 위한 수증기 와류가스를 공급하는 것으로, 제1블록(231), 주입구(232) 및 제2블록(233)을 포함할 수 있다. 제1블록(231)은 방전관(220)의 내부에 구비된 공간(S)과 연결되는 블록으로 방전 시 그 표면이 고온에 노출되기 때문에 고온에 견디는 재질로 만들어지며, 주입구(232)를 통하여 유입된 고온의 수증기는 제1블록(231)과 방전관(220) 사이의 나선형 통로를 따라 와류형태로 방전관(220)에 들어간다.
제1블록(231)과 제2블록(233)은 하단에서 서로 연결되고, 방전관(220)의 하단부를 감싸도록 도파관(210)에 고정되며, 금속 또는 도체로 형성되어 전자파를 차단할 수 있다. 주입구(232)는 적어도 하나 이상으로 가지를 쳐 제1블록(231)의 원주방향을 따라 나선형으로 상향 경사지게 설치되어 있다. 주입구(232)를 통해 공급되는 수증기 와류가스는 방전관(220) 내에서 수증기 플라즈마를 생성하고, 와류를 발생시켜 플라즈마를 안정화시키며, 플라즈마에 의한 방전관(220) 내면의 손상을 방지할 수 있다.
점화부(240)는 초기에 플라즈마의 생성을 위한 전자를 방전관(220) 내에 공급하는 것으로, 한 쌍의 텅스텐 전극(241, 242)이 방전관(220)의 내부에 위치하도록 설치될 수 있으며, 제2블록(233)과 전극(241, 242) 간의 아크 발생을 방지하도록 전극(241, 242)은 유전체관(243)으로 보호될 수 있다. 이때, 한 쌍의 텅스텐 전극(241, 242)의 끝단은 0.1~50㎜의 방전 간격을 유지하도록 구성되는 것이 바람직하다.
제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)의 작동과정을 정리하면, 마그네트론으로 전원이 공급되면, 마그네트론은 전자파를 발진하게 되고, 발진된 전자파는 도파관(210)을 통해 방전관(220)으로 전달된다. 한편, 상기 수증기공급부(230)는 외부의 수증기 공급원(미도시)으로부터 공급되는 고온의 수증기를 와류가스 형태로 방전관(220)의 내부 공간으로 주입하게 된다. 제1블록(231)은 방전 열에 의하여 데워지고 통과하는 수증기 역시 데워진다.
상기와 같이 방전관(220)의 내부로 전자파가 유입되고, 수증기 와류가스가 공급되면, 점화부(240)의 전극(241, 242)에 전압이 인가되어 플라즈마 생성에 필요한 전자를 공급해줌으로써 수증기 플라즈마를 생성하게 된다. 이때, 수증기 플라즈마를 생성하기 위하여 공급된 수증기 와류가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키는 한편, 방전관(220) 내에 와류를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(220)의 내벽을 보호하는 기능도 수행한다.
제1 DME 공급장치(300)는 챔버(100)의 측면에 구비되어 챔버(100)의 내부로 DME(Dimethyl Ether)를 공급한다. 구체적으로, 챔버(100) 내부로 공급되는 불꽃(수증기 플라즈마 포함) 속으로 DME를 공급하여 수소 생성반응이 일어나도록 한다(하기 화학식 1 참조).
[화학식 1]
CH
3
OCH
3
+
3H
2
O
→
2CO
2
+
6H
2
DME 공급부는 끝단에 노즐이 형성되고, 노즐은 복수 개로 형성될 수 있으며, 노즐로부터 배출되는 DME가 수증기 플라즈마와 만날 수 있도록 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 인접하게 설치되는 것이 바람직하다.
한편, DME 공급부는 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)에 직접 부착되어 방전관(220) 내부로 DME를 공급할 수도 있으나, 방전관(220) 내부의 높은 온도로 인해 노즐의 파손 우려가 있고, 수증기공급부(230)에서 공급되는 수증기 와류가스가 수증기 플라즈마로 형성되는 것을 방해할 수 있으므로 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 별도로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5는 일 예에 따른 수소발생장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5의 챔버(100)의 수평 절단면(X-X’)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 일 예에 따른 수소발생장치는 챔버(100)의 측면에 구비된 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400); 및 챔버(100)의 측면에 구비된 제2DME(Dimethyl Ether)
공급장치(500);를 더 포함할 수 있다. 이때, 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)와 제2 DME 공급장치(500)는 각각 상술한 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 제1 DME 공급장치(300)와 동일한 것을 사용하므로, 구체적인 구성에 관한 설명은 중복되어 생략한다.
제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)는 챔버(100)의 수평 절단면(도 5, X-X')에 대하여 20~30도의 각도로 챔버(100)의 측면에 구비되는 것이 바람직하고, 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)에서 형성되는 불꽃(화염, F)이 챔버(100)의 내부 벽면을 따라 회전할 수 있도록 챔버(100)의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되는 것이 더욱 바람직하다(도 6 참조, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 동일한 배치). 특히, 제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)는 동일한 각도로 배치되되, 일측은 챔버(100)의 하부 방향으로 설치되어 불꽃(수증기 플라즈마 포함)이 챔버(100)의 내부 벽면을 따라 아래쪽으로 회전하도록 하고, 타측은 챔버(100)의 상부 방향으로 설치되어 불꽃(수증기 플라즈마 포함)이 챔버(100)의 내부 벽면을 따라 위쪽으로 회전하도록 함으로써, 챔버(100) 내부에 수증기 플라즈마가 균일하게 퍼지게 되고, DME와의 반응이 잘 일어나 수소 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제2 DME 공급장치(500)의 끝단은 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)의 끝단과 인접하게 설치되는 것이 바람직하다. 인접하게 설치된다는 것은, 제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)에서 형성되어 챔버(100) 내부로 공급되는 불꽃으로 DME가 진입할 수 있도록 설치되는 것을 의미한다.
한편, 일 예에 따른 수소발생장치(도 2의 형태(제1 수증기 플라즈마 발생장치(200)와 제1 DME 공급장치(300)를 포함)와 도 5의 형태(제2 수증기 플라즈마 발생장치(400)와 제2 DME 공급장치(500)도 포함) 모두 해당)는, 챔버(100)의 측면에 별도의 수증기 투입부(600)를 더 포함할 수 있다. 수증기 투입부(600)는 수증기의 보조 공급원으로서, 제1 플라즈마 발생장치의 수증기공급부(230)를 통해 공급되는 수증기의 양이 부족할 경우 이를 보완하기 위해 설치될 수 있다. 수증기 투입부(600)를 통해 공급되는 수증기는 불꽃에 의해 수증기 플라즈마를 생성하고, DME와의 반응을 통해 수소를 생산할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 냉각부(20)는 수소발생장치(10)에서 생성되어 기체 배출구(110) 통해 배출되는 수소를 포함하는 기체를 냉각하는 것으로서, 고온의 수소 포함 기체를 냉각함과 동시에 냉각수의 일부를 기화하여 수증기를 생산할 수도 있다. 생산된 수증기는 수소발생장치(10)로 공급되어 재활용될 수도 있다. 일 예에 따른 냉각부를 개략적으로 나타낸 도 7을 통해 구체적으로 설명하면, 냉각부(20)는 수소 포함 기체가 이동하는 수소 이송관(21)과 수소 이송관(21)을 감싸는 코일 형태의 냉각수 이송관(22)을 포함하여 수소 포함 기체를 냉각할 수 있다. 또한, 냉각부(20)는 수소 이송관(21)의 끝단에 정제장치를 구비할 수 있다. 정제장치는, 냉각된 수소 포함 기체에서 수소의 함량 비율을 상대적으로 높이기 위한 것으로서, 공지의 수성화 장치, 이산화탄소 포집장치 등을 사용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 연료전지(30)는 냉각부(20)에 의해 냉각된 수소 가스를 연료로 공급받아 전기에너지를 생산하는 것으로서, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)를 사용하는 것이 바람직하나, 이에 국한되는 것은 아니고, 수소를 연료로 사용하는 공지의 다양한 연료전지를 사용할 수도 있다.
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 것으로서, 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지이다. 특히, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하며, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있다.
고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 것으로서, 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한, 고체산화물 연료전지는(SOFC)는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700~1000℃)에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하고, 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 따라서, 연료전지(30)로 고체산화물 연료전지를 사용할 경우, 필요에 따라 냉각부(20)를 배제할 수도 있다. 다만, 이 경우에도 수소 함량을 높이기 위한 정제장치는 포함하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
10 : 수소발생장치
20 : 냉각부
21 : 수소 이송관
22 : 냉각수 이송관
30 : 연료전지
100 : 챔버
110 : 기체 배출구
200 : 제1 수증기 플라즈마 발생장치
201 : 끝단
210 : 도파관
211 : 종단
220 : 방전관
230 : 수증기공급부
231 : 제1블록
232 : 주입구
233 : 제2블록
240 : 점화부
241, 242 : 텅스텐 전극
243 : 유전체관
300 : 제1 DME 공급장치
400 : 제2 수증기 플라즈마 발생장치
500 : 제2 DME 공급장치
600 : 수증기 투입부
A : 챔버 중심부
F : 불꽃
S : 방전관 내부 공간
20 : 냉각부
21 : 수소 이송관
22 : 냉각수 이송관
30 : 연료전지
100 : 챔버
110 : 기체 배출구
200 : 제1 수증기 플라즈마 발생장치
201 : 끝단
210 : 도파관
211 : 종단
220 : 방전관
230 : 수증기공급부
231 : 제1블록
232 : 주입구
233 : 제2블록
240 : 점화부
241, 242 : 텅스텐 전극
243 : 유전체관
300 : 제1 DME 공급장치
400 : 제2 수증기 플라즈마 발생장치
500 : 제2 DME 공급장치
600 : 수증기 투입부
A : 챔버 중심부
F : 불꽃
S : 방전관 내부 공간
Claims (8)
- DME(Dimethyl Ether)와 수증기 플라즈마를 반응시켜 수소를 생산하는 수소발생장치에 있어서,
상기 수소발생장치는,
상부에 기체 배출구가 형성된 원통형의 챔버;
상기 챔버의 측면에 구비된 제1 수증기 플라즈마 발생장치; 및
상기 챔버의 측면에 구비된 제1 DME(Dimethyl Ether) 공급장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 수증기 플라즈마 발생장치는,
상기 챔버의 수평 절단면에 대하여 20~30도의 각도로 구비되는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 수증기 플라즈마 발생장치는,
챔버의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되어 상기 제1 수증기 플라즈마 발생장치에서 형성된 불꽃이 상기 챔버의 내부 벽면을 따라 회전하는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제1항에 있어서,
상기 수소발생장치는,
상기 챔버의 측면에 구비된 제2 수증기 플라즈마 발생장치; 및
사익 챔버의 측면에 구비된 제2 DME(Dimethyl Ether) 공급장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제4항에 있어서,
상기 제2 수증기 플라즈마 발생장치는,
상기 챔버의 수평 절단면에 대하여 20~30도의 각도로 구비되는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제4항에 있어서,
상기 제2 수증기 플라즈마 발생장치는,
상기 챔버의 수평 절단면의 접선 방향으로 구비되어 상기 제2 수증기 플라즈마 발생장치에서 형성된 불꽃이 상기 챔버의 내부 벽면을 따라 회전하는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 수소발생장치. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 수소발생장치를 구비하는 DME를 이용한 연료전지 시스템에 있어서,
상기 수소발생장치에서 생성된 수소를 포함하는 기체를 냉각하는 냉각부; 및
상기 냉각부에 의해 냉각된 수소 가스를 연료로 공급받아 전기에너지를 생산하는 연료전지;를 포함하는 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 연료전지 시스템. - 제7항에 있어서,
연료전지는,
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC) 또는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 것을 특징으로 하는, DME를 이용한 연료전지 시스템.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102534314B1 (ko) * | 2022-03-03 | 2023-05-30 | 신상용 | 이온화부의 반복 배열 구조를 포함하는 수소 활성화/이온화 촉진장치 |
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