KR20210024827A - 수소 분리 장치 및 이를 이용한 수소 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 수소 분리 장치는, 수증기가 분해되는 수증기 분해부; 상기 수증기로부터 분해된 수소 이온 및 전자가 통과하는 분리막; 및 상기 통과된 수소 이온으로부터 수소가 생산되는 수소 생산부를 포함하고, 상기 수증기 분해부 및 상기 수소 생산부의 수증기 분압차로 구동될 수 있다.

Description

수소 분리 장치 및 이를 이용한 수소 분리 방법{An apparatus for producing hydrogen and a method of producing hydrogen using thereof}
본 발명은 수소 분리 장치 및 이를 이용한 수소 분리 방법에 관한 것이다.
최근, 화석연료 사용에 따른 환경오염 및 자원 고갈에 따른 에너지 문제가 사회적 주요 이슈로 대두되고 있다. 이에 따라 화석연료 사용 절감 및 대체 에너지 개발을 위한 대안으로 수소를 이용하는 신재생에너지에 의한 무탄소화 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 현재의 수소는 주로 가스화법을 통해 생산되고 있다. 수소 생산 효율이 높고 대량의 수소 생산이 가능하지만 화석 연료를 기반으로 동작하므로 여전히 환경 및 에너지 이슈를 수반 한다는 문제가 있다.
이를 해결하고자 다양한 방법으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 친환경적인 방식에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 전기분해, 생물학적 분해 및 광분해가 대표적인 방법이다. 전기분해는 순수한 수소생산이 가능하며 현 수소생산에 있어 많은 부분을 차지하고 있으나, 고비용으로 인해 사용상 제약이 크다. 생물학적 분해와 광분해는 생산시설이 단순하며 자연에너지를 이용하기 때문에 에너지 생산 과정에서 전력 소모가 없지만 낮은 효율과 지속적인 생산성에 대한 문제가 있다.
현재 수소 생산방식은 이상에서 설명한 바와 같이 기술별 단점 및 기술적인 한계가 존재하기 때문에 기존 수소생산 방식이 아닌 이를 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 수소 생산방식이 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 수소 생산 방식을 대체할 수 있는 새로운 원리의 수소 생산 장치 및 수소 분리 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 수증기 분압의 차이를 이용하여 고순도 수소를 생산할 수 있는 수소 분리 장치 및 수소 분리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명의 수소 분리 장치는, 수증기가 분해되는 수증기 분해부; 상기 수증기로부터 분해된 수소 이온 및 전자가 통과하는 분리막; 및 상기 통과된 수소 이온으로부터 수소가 생산되는 수소 생산부를 포함하고, 상기 수증기 분해부 및 상기 수소 생산부의 수증기 분압차로 구동될 수 있다.
본 발명의 수소 분리 장치에서, 상기 수소 생산부에 산화칼슘(CaO), 철(Fe), 산화칼륨(K2O) 및 산화나트륨(Na2O)으로 이루어진 군에 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 적용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수소 분리 장치는, 상기 수증기 분해부와 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부를 더 포함한다.
본 발명의 수소 분리 장치는, 상기 수소 생산부와 연결되어 비활성가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함한다.
본 발명의 수소 분리 장치에서, 상기 가스 공급부는 다이보레인(B2H6), 일산화탄소(CO), 삼산화황(SO3), 및 이산화질소(NO2)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 가스를 더 공급한다.
본 발명의 수소 분리 장치에서, 상기 분리막은 상기 수증기 분해부와 마주보는 제1 면; 및 상기 수소 생산부와 마주보는 제2 면을 포함하고, 상기 제1 면에 수증기 분해를 촉진시키는 제1 활성층이 배치되고, 상기 제2 면에 수소 생산을 촉진시키는 제2 활성층이 더 배치된다.
본 발명의 수소 생산 방법은 상기 수소 분리 장치를 이용하여 수소를 생산한다.
본 발명의 수소 생산 장치는 수소 이온만 선택적으로 통과하는 치밀한 분리막을 이용하기 때문에 고청정 수소생산이 가능하다. 또한, 본 발명의 수소 생산 장치는 수증기 농도구배를 구동력으로 작동하므로, 전력의 의존도가 낮아 경제적으로 수소 생산이 가능하고, 집적화가 가능하며, 600 oC 이하의 중·저온에서 구동가능하다. 또한, 기존의 수소 생산을 위한 전기 분해, 생물학적 분해 및 광 분해 방법의 단점을 보완할 수 있고, 이들을 대체할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 일 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 동작 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치에 포함되는 수소 생산부의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치에 포함되는 수소 생산부의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 작동 원리이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 일 사시도이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 일 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 동작 모식도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 작동 원리이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 분리 장치(100)는 수증기 분해부(10), 분리막(20), 수소 생산부(30), 수증기 공급부(40), 수증기 배출부(50), 가스 공급부(60), 및 수소 배출부(70)를 포함할 수 있다.
수증기 분해부(10)는 수증기 공급부(40)로부터 수증기를 공급받을 수 있다. 수증기 분해부(10)에서는 산화 반응을 통해 수증기가 분해될 수 있다. 한편, 분해되지 않은 수증기는 수증기 배출부(50)를 통해 배출될 수 있다. 수증기 분해부(10)는 수증기 공급부(40)로부터 지속적으로 수증기를 공급받음으로써, 높은 수증기 분압이 유지될 수 있다.
분리막(20)은 수증기로부터 분해된 수소 이온 및 전자를 통과시킬 수 있다. 분리막(20)은 수소 이온 전도 및 전자 전도를 동시에 갖는 혼합 전도체 분리막(20)일 수 있다. 분리막(20)은 선택적으로 수소 이온 및 전자만을 통과시킬 수 있도록 치밀한 구조를 가질 수 있다. 따라서, 수소 생산부(30)에서는 고청정의 수소를 생산할 수 있다. 또한, 분리막(20)은 확산 저항 및 강도를 최적화할 수 있도록 20 내지 100 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
수소 생산부(30)에서는 통과된 수소 이온으로부터 수소가 생산될 수 있다. 즉, 환원 반응을 통해 수소가 생산될 수 있다. 생산된 수소는 수소 배출부(70)를 통해 외부로 빠져나갈 수 있다. 한편, 수소 생산부(30)는 가스 공급부(60)를 통해 비활성가스(inert gas)를 공급받을 수 있다. 이러한 비활성가스는 수소 생산부(30)를 거쳐 수소 배출부(70)로 빠져나갈 수 있다.
수소 생산부(30)는 수증기 분해부(10)와는 달리 낮은 수증기 분압이 유지될 수 있다. 낮은 수증기 분압을 유지하기 위해 수소 생산부(30)에 물과의 자발적 반응성이 높은 산화칼슘(CaO), 철(Fe), 산화칼륨(K2O) 및 산화나트륨(Na2O)으로 이루어진 군에 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 적용될 수 있다.
구체적으로, 도 3을 참고하면, 산화칼슘(CaO), 철(Fe), 산화칼륨(K2O) 또는 산화나트륨(Na2O)의 고체 물질이 수소 생산부(30)의 내면을 따라 코팅되어 코팅층(31)을 형성할 수 있다.
또는, 도 2 및 도 4를 참고하면, 산화칼슘(CaO), 철(Fe), 산화칼륨(K2O) 또는 산화나트륨(Na2O)의 고체 물질을 포함하는 필터(32)가 수소 생산부(30) 내에 배치될 수 있다.
한편, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 수소 생산부(30)에 비활성 가스뿐만 아니라 물과의 자발적 반응성이 높은 가스가 함께 공급될 수도 있다. 즉, 수소 생산부(30)에 다이보레인(B2H6), 일산화탄소(CO), 삼산화황(SO3), 및 이산화질소(NO2)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 가스가 더 공급될 수 있다. 즉, 가스 공급부(60)는 비활성 가스와, 이보레인(B2H6), 일산화탄소(CO), 삼산화황(SO3), 및 이산화질소(NO2)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 가스를 추가로 공급할 수 있다.
또한, 수소 생산부(30)에 상기 물과의 자발적 반응성이 높은 고체 소재 및 가스 공급이 동시에 이루어질 수도 있다.
즉, 본 발명에서는 수소 생산부(30)에 물과의 자발적 반응성이 높은 고체 소재 또는 가스 상의 소재를 적용함으로써, 수증기 분압을 낮춰 초 건조(hyper-dry) 분위기를 조성할 수 있다. 따라서, 수증기 분해부(10) 및 수소 생산부(30)의 수증기 분압차를 극대화함으로써 형성된 구동력을 통해 수증기가 분해되고 수소가 생산될 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 수소 분리 장치(100)는 수증기 농도구배를 구동력으로 작동한다. 따라서, 전력의 의존도가 낮아 경제적으로 수소 생산이 가능하고, 집적화가 가능하며, 600 oC 이하의 중·저온에서 구동가능하다. 또한, 기존의 수소 생산을 위한 전기 분해, 생물학적 분해 및 광 분해 방법의 단점을 보완할 수 있고, 이들을 대체할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 분리 장치(110)의 일 사시도이다.
도 6을 참고하면, 수소 분리 장치(110)는 제1 활성층(21) 및 제2 활성층(22)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 분리막(20)은 수증기 분해부(10)와 마주보는 제1 면(20a) 및 수소 생산부(30)와 마주보는 제2 면(20b)을 포함하고, 제1 면(20a)에 제1 활성층(21)이 배치되고, 제2 면(20b)에 제2 활성층(22)이 배치될 수 있다. 제1 활성층(21)은 수증기 분해를 촉진시킬 수 있는 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 활성층(21)은 수증기의 산화 반응을 촉진시킬 수 있는 산화제를 포함할 수 있다. 제2 활성층(22)은 수소 생성을 촉진시킬 수 있는 활성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 활성층(22)은 수소 이온의 환원 반응을 촉진시킬 수 있는 환원제를 포함할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 수증기가 분해되는 수증기 분해부;
    상기 수증기로부터 분해된 수소 이온 및 전자가 통과하는 분리막; 및
    상기 통과된 수소 이온으로부터 수소가 생산되는 수소 생산부를 포함하고,
    상기 수증기 분해부 및 상기 수소 생산부의 수증기 분압차로 구동되는 수소 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생산부에 산화칼슘(CaO), 철(Fe), 산화칼륨(K2O) 및 산화나트륨(Na2O)으로 이루어진 군에 선택된 적어도 어느 하나의 물질이 적용되는 것을 특징으로 하는 수소 분리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수증기 분해부와 연결되어 수증기를 공급하는 수증기 공급부를 더 포함하는 수소 분리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생산부와 연결되어 비활성가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하는 수소 분리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 다이보레인(B2H6), 일산화탄소(CO), 삼산화황(SO3), 및 이산화질소(NO2)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나의 가스를 더 공급하는 수소 분리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리막은 상기 수증기 분해부와 마주보는 제1 면; 및
    상기 수소 생산부와 마주보는 제2 면을 포함하고,
    상기 제1 면에 수증기 분해를 촉진시키는 제1 활성층이 배치되고,
    상기 제2 면에 수소 생산을 촉진시키는 제2 활성층이 더 배치되는 수소 분리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 수소 분리 장치를 이용하여 수소를 생산하는 방법.
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