KR20210059224A - 연속 수소 생산 시스템 - Google Patents

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KR20210059224A KR1020190146402A KR20190146402A KR20210059224A KR 20210059224 A KR20210059224 A KR 20210059224A KR 1020190146402 A KR1020190146402 A KR 1020190146402A KR 20190146402 A KR20190146402 A KR 20190146402A KR 20210059224 A KR20210059224 A KR 20210059224A
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김필근
임문채
김상명
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대우조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 촉매와 물을 혼합하여 촉매수용액을 생성하는 믹싱 탱크, 수소 생산에 사용되는 알루미늄을 공급하는 알루미늄 공급장치, 상기 믹싱 탱크에서 생성된 촉매수용액과 상기 알루미늄 공급장치에서 공급된 알루미늄을 혼합하는 믹싱 노즐, 상기 믹싱 노즐을 거쳐 혼합된 촉매수용액 및 알루미늄을 반응시켜 수소를 생산하는 튜브형 반응기, 및 상기 튜브형 반응기에서 생산된 수소와, 상기 수소의 생산 시 발생된 부산물 및 촉매수용액을 제공받아 수소를 분리하는 기액분리기를 포함한다.

Description

연속 수소 생산 시스템{CONTINUOUS HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM}
본 발명의 실시예는 연속 수소 생산 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수중함의 AIP(Air Independent Propulsion) 시스템에 수소를 공급하기 위해 금속을 이용하여 수소를 생산하고, 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용을 위하여 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기를 적용한 연속 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
최근 화석연료를 대체하기 위한 에너지원인 수소를 연료전지에 공급하여 열과 전기를 생산하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
연료전지에 수소를 공급하기 위한 방법 중 하나인 금속을 이용한 수소 생산 방법은 금속(예: 알루미늄 등)을 물과 반응하여 수소를 생산하는 방법이 소개되어 있다.
구체적으로, 금속을 이용한 수소 생산 방법은 반응성을 향상시키기 위해 촉매(예: 수산화나트륨 등)를 이용한다. 또한, 금속은 비표면적을 높이기 위해 파우더, 펠릿 또는 작은 금속 형태로 공급된다. 이러한 형태로 공급된 금속은 물과 반응하여 수소를 생산하게 된다.
한편, 잠수함 등의 수중함의 경우 협소한 공간으로 인해 많은 제약이 따르는데, 공간활용을 위하여 사용 공간을 최소화하면서 유휴 공간을 사용할 수 있는 반응기의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0078559호
본 발명의 목적은 수중함의 AIP 시스템에 수소를 공급하기 위해 금속을 이용하여 수소를 생산하고, 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용을 위하여 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기를 적용한 연속 수소 생산 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 수중함의 AIP 시스템에 수소를 공급하기 위해 금속을 이용하여 수소를 생산하고, 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용을 위하여 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기를 적용한 연속 수소 생산 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 촉매와 물을 혼합하여 촉매수용액을 생성하는 믹싱 탱크; 수소 생산에 사용되는 알루미늄을 공급하는 알루미늄 공급장치; 상기 믹싱 탱크에서 생성된 촉매수용액과 상기 알루미늄 공급장치에서 공급된 알루미늄을 혼합하는 믹싱 노즐; 상기 믹싱 노즐을 거쳐 혼합된 촉매수용액 및 알루미늄을 반응시켜 수소를 생산하는 튜브형 반응기; 및 상기 튜브형 반응기에서 생산된 수소와, 상기 수소의 생산 시 발생된 부산물 및 촉매수용액을 제공받아 수소를 분리하는 기액분리기;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 기액분리기에서 분리된 수소를 공급받아 수분을 제거하는 수분흡착컬럼;을 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 수분흡착컬럼의 출측에 배치되며, 상기 수분흡착컬럼에서 수분이 제거된 수소를 저장하고, 상기 저장된 수소를 연료전지로 공급하는 수소저장탱크;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 믹싱 탱크와 상기 믹싱 노즐 사이에 설치되며, 상기 믹싱 탱크에서 생성된 촉매수용액을 설정 압력 및 유량으로 조절하는 촉매수용액 공급펌프;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 촉매수용액 공급펌프와 상기 믹싱 노즐 사이에 설치되며, 상기 촉매수용액 공급펌프에서 설정 압력 및 유량으로 조절된 촉매수용액의 온도를 보정하여, 상기 믹싱 노즐로 공급되는 촉매수용액을 설정 온도로 조절하는 열교환기;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 믹싱 노즐과 상기 튜브형 반응기 사이에 설치되며, 상기 믹싱 노즐에서 혼합된 촉매수용액과 알루미늄을 교반하여 상기 튜브형 반응기로 공급하는 라인 믹서;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 기액분리기에서 상기 부산물과 촉매수용액을 전달받아 상기 부산물과 촉매수용액을 분리하는 필터 프레스;를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템은 상기 기액분리기와 상기 필터 프레스 사이에 설치되어, 상기 기액분리기에서 수소와 분리된 상기 부산물과 촉매수용액을 상기 필터 프레스로 공급하는 부산물 이송펌프;를 더 포함한다.
본 발명에 의하면 수중함의 AIP 시스템에 수소를 공급하기 위해 금속(예: 알루미늄 등)을 이용하여 수소를 생산하고, 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기를 적용하여 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 수소의 연속 생산이 가능한 장점이 있으며, 장시간 운전이 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 수중함 기동 시 레벨(level) 변화에 영향이 없는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면 고압 반응으로 연료전지에 수소 공급을 위한 컴프레서(compressor)가 불필요함에 따라, 수중함의 정숙성 유지에 도움을 줄 수 있는 장점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템을 간략히 도시한 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템(100)은 수중함의 AIP(Air Independent Propulsion) 시스템에 수소를 공급하도록 금속, 즉 알루미늄을 이용하여 수소를 생산한다.
특히, 수중함 내 협소한 공간활용을 위하여 설치공간을 최소화하고 유휴공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기(170, 도 1 참조)를 적용하였다.
구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시예에 따르는 연속 수소 생산 시스템(100)은 믹싱 탱크(110), 촉매수용액 공급펌프(120), 열교환기(130), 알루미늄 공급장치(140), 믹싱 노즐(150), 라인 믹서(160), 튜브형 반응기(170), 기액분리기(180), 수분흡착컬럼(191), 부산물 이송펌프(193), 필터 프레스(195)를 포함한다. 그리고 수소저장탱크(200)를 더 포함한다.
믹싱 탱크(110)는 촉매(즉, NaOH)와 물을 혼합하여, 촉매수용액 즉, NaOH 수용액을 제작한다.
촉매수용액 공급펌프(120)는 믹싱 탱크(110)에서 제작된 촉매수용액을 설정 압력 및 유량으로 조절한다.
열교환기(130)는 믹싱 탱크(110)에서 제작된 촉매수용액의 온도를 보정하여 촉매수용액을 설정 온도로 조절한다.
알루미늄 공급장치(140)는 수소 생산에 이용되는 금속, 즉 알루미늄을 펠릿(pellet) 형태로 공급할 수 있다.
믹싱 노즐(150)은 촉매수용액 공급펌프(120)와 열교환기(130)를 거쳐 설정 압력, 온도 및 유량으로 조절된 촉매수용액과, 알루미늄 공급장치(140)에서 공급된 알루미늄을 혼합하는 장치이다.
라인 믹서(160)는 믹싱 노즐(150)을 거쳐 공급된 촉매수용액과 알루미늄을 교반한다. 다시 말해, 라인 믹서(160)는 믹싱 노즐(150)에서 혼합된 촉매수용액과 알루미늄을 교반하여 균질하게 혼합시켜 튜브형 반응기(170)로 공급한다.
튜브형 반응기(170)는 믹싱 노즐(150) 및 라인 믹서(160)를 거쳐 균질하게 혼합된 촉매수용액과 알루미늄 혼합물을 공급받아 수소를 발생시키는 장치이다. 튜브형 반응기(1780)의 적용에 따라, 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있어, 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
한편, 튜브형 반응기(170)는 촉매수용액과 알루미늄 혼합물을 공급받아 수소를 발생시키지만, 수소 이외에도 촉매수용액 및 부산물을 발생시킨다.
기액분리기(180)는 튜브형 반응기(170)에서 발생된 수소, 촉매수용액 및 부산물을 분리한다.
수분흡착컬럼(191)은 기액분리기(180)에서 발생된 수소를 전달받아 수분을 제거한다.
이와 같이, 기액분리기(180)에서 발생된 수소는 수분흡착컬럼(191)을 거치며 수분만이 제거되고, 수분이 제거된 수소는 수소저장탱크(200)로 공급되어 저장될 수 있다. 이후, 수소저장탱크(200)에 저장된 수소는 연료전지로 공급되어 사용될 수 있다.
한편, 튜브형 반응기(170)에서 발생한 부산물과 촉매수용액은 기액분리기(180)에서 수소와 분리되어 부산물 이송펌프(193)를 통해 필터 프레스(195)로 이송된다.
필터 프레스(195)는 기액분리기(180)에서 수소와 분리된 부산물 및 촉매수용액을 전달받아, 다시 부산물과 촉매수용액을 분리하는 역할을 한다.
이때, 필터 프레스(195)에서 분리된 부산물과 촉매수용액은 재활용될 수 있으며, 불필요할 경우 폐기 처리될 수 있다.
다음으로, 본 발명인 연속 수소 생산 시스템(100)의 작동 관계를 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 믹싱 탱크(110)는 촉매(즉, NaOH)와 물을 혼합하여, 촉매수용액 즉, NaOH 수용액을 제작한다.
믹싱 탱크(110)에서 제작된 촉매수용액은 촉매수용액 공급펌프(120)와 열교환기(130)를 순차적으로 거치면서 촉매수용액의 압력, 온도, 및 유량이 설정된 값으로 조절되고, 믹싱 노즐(150)로 공급된다.
한편, 수소 생산이 이용되는 금속인 알루미늄은 알루미늄 공급장치(140)에서 펠릿(pellet) 형태로 공급되는데, 펠릿 형태의 알루미늄은 믹싱 노즐(150)로 공급된다.
믹싱 노즐(150)은 설정 압력, 온도 및 유량으로 조절된 촉매수용액과, 펠릿 형태의 알루미늄을 혼합하며, 혼합된 촉매수용액과 알루미늄은 라인 믹서(160)를 거쳐 한번 더 교반하여 균질하게 혼합될 수 있다.
이후, 촉매수용액과 알루미늄은 튜브형 반응기(170)에서 하기의 반응식에 따른 반응을 일으켜 수소를 발생시키게 된다.
2Al+2NaOH+6H2O -> 2NaOH+2Al(OH)3+3H2
한편, 튜브형 반응기(170)에서 발생된 수소, 촉매수용액 및 부산물은 기액분리기(180)에서 분리되고, 분리된 수소는 수분흡착컬럼(191)을 거쳐 수분이 제거된 후 수소저장탱크(200)에 공급되어 저장될 수 있다.
그리고 한편, 기액분리기(180)에서 수소와 분리되고 남은 부산물과 촉매수용액은 부산물 이송펌프(193)에 의해 필터 프레스(195)로 이송되고, 필터 프레스(195)는 부산물과 촉매수용액을 분리한다. 이후, 필터 프레스(195)에서 분리된 부산물과 촉매수용액은 재활용되거나 폐기될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면 수중함의 AIP 시스템에 수소를 공급하기 위해 금속(예: 알루미늄 등)을 이용하여 수소를 생산하고, 공간을 최소화하고 유휴 공간을 사용할 수 있는 튜브형 반응기를 적용하여 수중함 내 협소한 AIP 섹션의 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
또한, 수소의 연속 생산이 가능하며, 장시간 운전이 가능하다.
또한, 수중함 기동 시 레벨(level) 변화에 영향이 없는 점에서 유리한 측면이 있다.
또한, 고압 반응으로 연료전지에 수소 공급을 위한 컴프레서의 사용이 불필요해짐에 따라, 수중함의 정숙성 유지가 가능한 유리한 기술적 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 연속 수소 생산 시스템
110: 믹싱 탱크
120: 촉매수용액 공급펌프
130: 열교환기
140: 알루미늄 공급장치
150: 믹싱 노즐
160: 라인 믹서
170: 튜브형 반응기
180: 기액분리기
191: 수분흡착컬럼
193: 부산물 이송펌프
195: 필터 프레스
200: 수소저장탱크

Claims (8)

  1. 촉매와 물을 혼합하여 촉매수용액을 생성하는 믹싱 탱크;
    수소 생산에 사용되는 알루미늄을 공급하는 알루미늄 공급장치;
    상기 믹싱 탱크에서 생성된 촉매수용액과 상기 알루미늄 공급장치에서 공급된 알루미늄을 혼합하는 믹싱 노즐;
    상기 믹싱 노즐을 거쳐 혼합된 촉매수용액 및 알루미늄을 반응시켜 수소를 생산하는 튜브형 반응기; 및
    상기 튜브형 반응기에서 생산된 수소와, 상기 수소의 생산 시 발생된 부산물 및 촉매수용액을 제공받아 수소를 분리하는 기액분리기;
    를 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 분리된 수소를 공급받아 수분을 제거하는 수분흡착컬럼;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수분흡착컬럼의 출측에 배치되며, 상기 수분흡착컬럼을 거쳐 공급된 수분이 제거된 수소를 저장하고, 상기 저장된 수소를 연료전지에 공급하는 수소저장탱크;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 믹싱 탱크와 상기 믹싱 노즐 사이에 설치되며, 상기 믹싱 탱크에서 생성된 촉매수용액을 설정 압력 및 유량으로 조절하는 촉매수용액 공급펌프;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 촉매수용액 공급펌프와 상기 믹싱 노즐 사이에 설치되며, 상기 촉매수용액 공급펌프에서 설정 압력 및 유량으로 조절된 촉매수용액의 온도를 보정하여, 상기 믹싱 노즐로 공급되는 촉매수용액을 설정 온도로 조절하는 열교환기;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 믹싱 노즐과 상기 튜브형 반응기 사이에 설치되며, 상기 믹싱 노즐에서 혼합된 촉매수용액과 알루미늄을 교반하여 상기 튜브형 반응기로 공급하는 라인 믹서;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기액분리기에서 상기 부산물과 촉매수용액을 전달받아 상기 부산물과 촉매수용액을 분리하는 필터 프레스;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기액분리기와 상기 필터 프레스 사이에 설치되고, 상기 기액분리기에서 수소와 분리된 상기 부산물과 촉매수용액을 상기 필터 프레스로 공급하는 부산물 이송펌프;
    를 더 포함하는 연속 수소 생산 시스템.
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KR20230014270A (ko) * 2021-07-21 2023-01-30 한국수력원자력 주식회사 대형 방사선 멸균시설의 감마선원을 이용한 수소생산 시스템 및 방법

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KR20180078559A (ko) 2016-12-30 2018-07-10 대우조선해양 주식회사 금속연료를 이용한 수소발생장치

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