KR20210059656A - 탄소배출이 없는 수소 생산 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내부에 제공되며 입구로 암모니아를 포함하는 반응물이 유입되는 적어도 하나의 반응 튜브; 상기 반응 튜브에 열을 제공하기 위한 가열부; 및 일 방향으로 연장된 형태의 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 세라믹 촉매층 및 금속 구조체 촉매층을 포함하고, 상기 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브의 입구에 인접하여 배치되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.

Description

탄소배출이 없는 수소 생산 반응기{Hydrogen Production Reactor without Carbon Emission}
본 발명은 단열층을 포함하는 하우징 내부에 하나 이상의 반응 튜브를 포함하는 반응기로서, 상기 반응 튜브는 내관과 외관으로 이루어진 이중관 구조로 이루어진 것이고, 상기 내관과 외관 사이에 암모니아 가열부 및 촉매층을 포함하는 것으로, 상기 촉매층은 가열부 하단에 위치하며 촉매 지지체에 담지된 금속 촉매로 이루어진 것인, 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 관형 반응기에 관한 것이다.
휴대용, 자동차용 및/또는 고정형 연료 전지 개발에 대한 청정하고 지속가능한 기술에 대한 수요를 해결하기 위해, 수소저장물질 연구분야에 관심이 쏠리고 있다. 특히, 포름산, 암모니아 등과 같은 액체 또는 고체 물질은 연료전지에 적용가능한 화학 수소 저장 물질로서 관심이 대두되고 있다.
온화한 조건(20℃ 및 0.8 MPa) 하에서 액화될 수 있는 기체인 NH3로부터 생성된 H2는 CO 또는 CO2가 발생하지 않고, 고분자 전해질 막 연료 전지(polymer electrolyte membrane fuel cells; PEMFCs)로 생성물을 공급할 수 있으며 발전용 연료전지와 연계 운전, 에너지 저장 시스템 등의 다양한 연료전지 시스템에 응용이 가능하다. 이는 공정 중에 발생하는 CO와 CO2 제거를 위해 수성가스전이반응이나 선택적 CO 부식반응과 같은 추가적인 공정을 요구하는 개질 시스템에 비해 시스템 구성이 단순하여 잠재적인 강점으로 평가되고 있다.
암모니아 분해 반응[2NH3 -> N2 + 3H2, ΔH=46.2 kJ/mol]은 흡열반응으로 고온 및 대기압 조건에서 수소와 질소로 완전히 전환된다. 외부로부터 반응기 내부로 열 전달이 주요한 흡열 반응의 경우, 기존의 펠릿 촉매보다 금속 기반 담체 (모노리스, 폼, 메쉬, 펠트)가 열 전달이 매우 효과적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 금속 기반 담체를 사용할 경우, 특히 FeCr alloy의 경우에는 암모니아에 부식되는 문제가 있어 반응기를 장기 운전하는데 문제가 있다.
따라서 본 발명자들은 연료전지 연료 등으로 사용되는 수소를 생성하기 위해 반응기에 암모니아 부식 저항성이 높은 세라믹 지지체를 응용하여, 탄소 배출이 없는 암모니아 분해 반응의 장기 운전이 가능한 수소 생산 반응기를 완성하기에 이르렀다.
본 발명자들은 탄소배출이 없는 청정한 수소 생산 및 소형화 가능하고, 암모니아 부식 저항성이 뛰어난 장기운전 가능한 경제적인 수소 생산 반응기 개발을 예의 노력 연구한 결과, 반응 튜브를 내관과 외관으로 이루어진 이중관 구조로 내관과 외관 사이에 암모니아 가열부 및 다단층의 촉매층을 포함하도록 하는 암모니아를 분해하여 수소를 생산하는 관형 반응기를 완성하여, 암모니아 부식 저항성이 향상되면서도 경제적인 수소 생산이 가능함을 확인하였다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징; 상기 하우징 내부에 제공되며 입구로 암모니아를 포함하는 반응물이 유입되는 적어도 하나의 반응 튜브; 상기 반응 튜브에 열을 제공하기 위한 가열부; 및 일 방향으로 연장된 형태의 촉매층을 포함하고, 상기 촉매층은 세라믹 촉매층 및 금속 구조체 촉매층을 포함하고, 상기 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브의 입구에 인접하여 배치되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응 튜브는 반응부 내관과 상기 반응부 내관을 둘러싸는 반응부 외관으로 이루어진 이중관 구조를 포함하고, 상기 촉매층은 상기 반응부 외관 내에 제공되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응물의 유입 방향을 따라 상기 세라믹 촉매층과 상기 금속 구조체 촉매층은 상기 세라믹 촉매층-상기 금속 구조체 촉매층의 순서로 제공되고, 상기 반응물은 상기 세라믹 촉매층을 거쳐 상기 금속 구조체 촉매층으로 유입되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브 밖에 제공되고, 상기 금속 구조체 촉매층은 상기 세라믹 촉매층과 이격되어 상기 반응 튜브 내부에 제공되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 세라믹 촉매층은 Al2O3, SiC, Cordierite, MgO 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 담체로서 포함하고, 상기 담체 상에 제공된 활성 금속을 포함하는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 활성 금속은 Ru, Ni, Fe, Co, Rh으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 구조체 촉매층은 금속 구조체 및 촉매 입자를 포함하고, 상기 금속 구조체는 Fe, Cr, Ni, Al, Mn, Cu 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하고, 상기 촉매 입자는 담체 및 상기 담체 상에 제공된 활성 금속을 포함하는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응 튜브는 예열부를 더 포함하고, 상기 예열부는 탄화규소(SiC)와 금속 충진물을 포함하는 것인, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속 충진물은 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 구리 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것인, 수소 생산 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매층에 포함된 상기 세라믹 촉매층은 상기 촉매층의 전체 부피에 대하여 5% 내지 15% 비율로 포함되는, 수소 생산 반응기가 제공된다.
관형 반응기에 암모니아 부식 저항성이 높은 세라믹 지지체를 다단층의 촉매층에 적용함으로써 암모니아 분해 반응의 효율을 높이고 장기 운전이 가능한 수소 생산 반응기를 완성하였다. 본 발명을 통해 탄소 배출이 없는 청정 연료를 얻을 수 있으면서도, 경제적인 수소 생산이 가능함을 확인함으로써 수소를 연료로 하는 연료전지 등에 높은 활용성이 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기에 포함된 반응 튜브의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생산 반응기에 포함된 반응 튜브의 단면도이다.
도 4는 촉매층에 포함된 세라믹 촉매층의 양에 따른 부식 형태를 나타낸 이미지이다.
도 5는 촉매층에 포함된 세라믹 촉매층의 양에 따른 암모니아 전환율 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 수소 생산 반응기는 세라믹 촉매층과 금속 구조체 촉매층을 포함함으로써 암모니아를 포함하는 반응물에 따른 촉매층 부식의 문제 없이 높은 효율로 수소 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 수소 생산 반응기는 하우징(100), 하우징(100) 내부에 제공되며 입구로 암모니아를 포함하는 반응물이 유입되는 적어도 하나의 반응 튜브(200), 반응 튜브(200)에 열을 제공하기 위한 가열부(300) 및 일 방향으로 연장된 형태의 촉매층을 포함하고, 촉매층은 세라믹 촉매층 및 금속 구조체 촉매층을 포함하고, 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브의 입구에 인접하여 배치된다.
하우징(100)은 반응 튜브(200)를 수용할 수 있도록 내부에 빈 공간을 포함할 수 있다. 경우에 따라 하우징(100)은 반응 튜브(200)의 적어도 일부가 하우징(100) 내부에 삽입되도록 상단면에 홀을 구비할 수 있다.
하우징(100)은 원통, 정육면체, 직육면체 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 하우징(100)의 내부 공간의 크기는 반응 튜브(200)의 부피보다 클 수 있다. 구체적으로 하우징(100) 내부 공간의 크기는 적어도 1개 이상의 반응 튜브(200)를 서로 이격하여 수용할 수 있을 정도일 수 있다.
하우징(100)은 벽면에 단열재를 더 포함할 수 있다. 이에 따라 하우징(100) 내부에 가열부(300)가 제공된 경우, 가열부(300)에서 발생된 열이 하우징(100) 밖으로 빠져나가는 것을 막을 수 있다. 암모니아로부터 수소가 추출되는 반응이 흡열 반응이기 때문에 하우징(100)에 포함된 단열재를 이용하여 열 손실을 막음으로써 보다 효율적으로 수소 생산이 가능하다.
하우징 내에는 적어도 하나의 반응 튜브(200)가 제공된다.
반응 튜브(200)에서는 반응물의 전환 반응이 수행된다. 이때 반응물은 암모니아를 포함할 수 있고, 전환 반응은 암모니아로부터 수소가 추출되는 반응일 수 있다. 따라서, 반응 튜브(200) 내에는 암모니아를 포함하는 반응물이 유입된 후 반응 튜브(200)를 통과하는 동안 암모니아로부터 수소가 추출되는 흡열 반응이 수행될 수 있다. 생산된 수소는 기체 형태로 반응 튜브(200)를 따라 외부로 배출될 수 있다. 도면에 도시되어 있지는 않으나, 수소 생산 반응기는 생성물로부터 수소 기체를 분리하기 위한 분리부를 더 포함할 수 있다.
반응 튜브(200)는 반응열 제공하는 가열부(300)에 인접하여 복수 개 제공될 수 있다. 복수 개의 반응 튜브(200)가 제공됨으로써 단위 시간당 암모니아 분해량이 증가하고, 이에 따라 수소 생산량을 향상될 수 있다.
반응 튜브(200)는 관형 반응기 형태로 제공될 수 있다. 관형 반응기는 채널 반응기와 비교했을 때 촉매 충전이 용이하다는 이점을 지닌다. 채널 반응기는 긴 채널 내부에 직접 촉매를 균일하게 코팅하기 어려울 뿐만 아니라 채널 내부로 촉매 삽입하는 것도 용이하지 않다. 또한, 채널 반응기는 채널 양쪽 면에서 일어나는 발열과 흡열반응의 균형이 맞지 않는 경우 반응이 일어나지 않아 촉매가 비활성화 되고 반응기 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
반응 튜브(200) 내에는 예열부(211)가 더 제공될 수 있다. 예열부(211)는 열전도성이 높은 물질을 포함하여, 반응 튜브(200) 외부에서 공급되는 열이 반응 튜브(200) 내부에 빠르게 전달될 수 있도록 한다. 예열부(211)는 탄화규소(SiC)와 금속 충진물을 포함할 수 있다. 상술한 물질을 포함함으로써 예열부(211)의 열 전도성이 향상될 수 있다. 특히 탄화규소는 뛰어난 열전도성 재료임이 확인된 바, 예열부(211)에 포함될 수 있다. 금속 충진물은 스테인레스 스틸(SUS)로 이루어진 군에서 어느 하나 이상인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 스테인레스 스틸은 Fe 및 Cr을 기반으로 이루어진 물질을 의미할 수 있다. 상기 금속 충진물의 비제한적 예로서, 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 구리 등이 있다. 경우에 따라 예열부(211)는 Fe 파이버를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기는 적어도 1개 이상의 반응 튜브(200)를 포함함으로써 높은 효율로 수소 생산 반응을 수행할 수 있다.
상술한 것과 같이 반응 튜브(200) 내부로 열을 제공하기 위하여 가열부(300)가 제공된다.
가열부(300)는 반응 튜브(200)로 열을 제공한다. 가열부(300)는 전열장치 이거나, 연소 반응 등의 발열 반응을 발생시키는 버너(Burner)일 수 있다. 가열부(300)의 제공 형태에는 특별한 제한이 없다. 다만, 도면에 도시된 것과 같이 본 발명의 일 실시예의 경우 가열부(300)는 버너 형태로 제공될 수 있다.
가열부(300)는 하우징(100) 내부에 제공되며, 하우징(100) 내부로 열을 발산한다. 가열부(300)의 제공 위치에는 제한이 없다. 예를 들어, 가열부(300)는 하우징(100)의 중심부에 제공되며, 가열부(300)를 둘러싼 형태로 복수 개의 반응 튜브(200)가 제공될 수 있다. 또는 가열부(300)는 하우징(100)의 벽면을 따라 제공되고, 반응 튜브(200)는 가열부(300)의 안쪽에 제공될 수도 있다.
가열부(300)에서 제공되는 열은 반응 튜브(200) 및/또는 촉매층(250)으로 전달된다.
촉매층(250)은 가열부(300)로부터 제공되는 열을 받아 암모니아로부터 수소가 발생되는 반응을 촉진한다. 촉매층(250)은 세라믹 촉매층(251)과 금속 구조체 촉매층(252)을 포함한다. 촉매층(250)의 적어도 일부는 반응 튜브(200) 내에 제공될 수 있다. 예를 들어 도면에 도시된 것과 같이 촉매층(250) 전체가 반응 튜브(200) 내에 제공될 수 있다. 다른 예에 따르면 촉매층(250) 중 일부는 반응 튜브(200) 밖에 제공될 수 있다.
촉매층(250)에 관한 더 자세한 사항은 후술하고자 한다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 수소 생산 반응기에 포함된 반응 튜브에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기에 포함된 반응 튜브의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 반응 튜브(200)는 내부에는 촉매층(250)이 제공된다. 촉매층(250)은 반응 튜브(200) 내에서 일 방향으로 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 촉매층(250)은 관 형태의 반응 튜브(200) 내부를 채우거나, 반응 튜브(200) 내벽에 코팅된 형태로 제공될 수 있다. 촉매층(250)이 일 방향으로 연장된 형태로 제공됨에 따라, 반응물은 반응 튜브(200)를 따라 흐르면서 촉매층(250)과 계속 접촉할 수 있다. 이에 따라, 촉매층(250)에 의한 반응물의 전환 반응 촉진 효과가 더 향상될 수 있다.
촉매층(250)은 세라믹 촉매층(251)과 금속 구조체 촉매층(252)을 포함한다. 이때 세라믹 촉매층(251)은 반응 튜브(200)의 입구에 인접하여 배치된다. 따라서, 반응물은 세라믹 촉매층(251)과 먼저 만날 수 있다.
세라믹 촉매층(251)은 세라믹 지지체에 담지된 촉매 입자를 포함할 수 있다. 상기 세라믹 지지체는 내식성이 강하기 때문에 반응물에 포함된 암모니아에 의해 부식되지 않는다. 세라믹 촉매층(251)에서 촉매 입자는 세라믹 지지체 상에 코팅되거나 가루 형태로 뭉쳐서 제공될 수 있다. 세라믹 촉매층(251)이 암모니아에 대하여 내식성을 갖기 때문에 반복적인 사용에도 촉매층(250)이 열화되지 않고 촉매 효과가 유지될 수 있다. 촉매 입자는 세라믹 담체 및 활성 금속을 포함할 수 있다. 구체적으로, 촉매 입자는 세라믹 담체 상에 활성 금속이 담지된 형태로 제공될 수 있다. 세라믹 담체는 Al2O3, SiC, Cordierite, MgO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 세라믹은 특정 구조나 형태에 한정되지 않으며, 일 예시로 펠렛 형태가 아닌 모노리스와 폼 형태도 무방하다. 활성 금속은 Ru, Ni, Fe, Co, Rh으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
금속 구조체 촉매층(252)은 금속 구조체 및 여기에 담지된 촉매 입자를 포함한다. 금속 구조체는 열전달 특성이 우수하다. 따라서, 금속 구조체 촉매층(252)에 금속 구조체가 포함됨으로써 반응기 내부의 열이 금속 구조체 상에 담지된 촉매 입자로 빠르게 전달될 수 있다. 이에 따라, 촉매 입자가 촉진하는 흡열 반응의 속도가 증가된다. 금속 구조체는 Fe, Cr, Ni, Al, Mn, Cu 로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 금속 구조체는 금속 폼(foam), 모노리스 등의 형태일 수 있다. 촉매 입자는 금속 구조체 상에 담지될 수 있다. 촉매 입자는 세라믹 담체 및 활성 금속을 포함할 수 있다. 촉매 입자는 세라믹 담체 및 활성 금속의 복합체일 수 있다. 세라믹 담체는 Al2O3, SiC, Cordierite, MgO로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 또한, 상기 세라믹은 특정 구조나 형태에 한정되지 않으며, 일 예시로 펠렛 형태가 아닌 모노리스와 폼 형태도 무방하다. 활성 금속은 Ru, Ni, Fe, Co, Rh으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
금속 구조체 촉매층(252)은 복수 개의 단으로 구성될 수 있다. 복수 개의 단의 금속 구조체는 서로 독립적으로 교체될 수 있다. 아울러, 반응기의 처리량에 따라 독립적으로 금속 구조체 촉매층(252)을 반응 튜브(200) 내에 추가하거나 제거할 수도 있다.
금속 구조체 촉매층(252)은 반응물의 유입 방향을 따라 세라믹 촉매층(251) 다음에 제공된다. 따라서, 반응물은 먼저 세라믹 촉매층(251)을 거친 후 금속 구조체 촉매층(252)으로 유입된다. 이에 따라 반응물에 고농도의 암모니아 가스가 포함된 경우 세라믹 촉매층(251)에서 먼저 암모니아의 전환 반응이 수행되어 반응물 내 암모니아 가스의 농도가 감소한다. 다음으로, 암모니아 가스의 농도가 감소한 상태에서 금속 구조체 촉매층(252)과 반응물이 만남으로써, 금속 구조체 촉매층(252)이 암모니아에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 암모니아에 부식성을 갖는 금속 구조체를 사용하는 경우 장기운전이 불가능한 문제가 있었다. 실제 고온에서 암모니아 분해 반응 후 금속 구조체 표면이 부식됨을 확인하였다. 본원 발명에 따르면 세라믹 촉매층(251)과 금속 구조체 촉매층(252)이 상술한 형태로 제공됨으로써 촉매층이 공정 중 부식될 우려가 없다. 또한 반응물에 포함되는 암모니아 가스의 농도를 높일 수 있기 때문에 공정 효율이 향상될 수 있다.
촉매층(250)에 포함된 세라믹 촉매층(251)은 촉매층(250)의 전체 부피에 대하여 5% 내지 15% 비율로 포함될 수 있다. 세라믹 촉매층(251)이 부피 비율로 5% 미만 포함되는 경우, 세라믹 촉매층(251)과 암모니아간 반응이 충분히 이루어지지 않을 수 있다. 이 경우 높은 농도의 암모니아 가스가 금속 구조체 촉매층(252)으로 유입돼 금속 구조체 촉매층(252) 부식이 발생할 수 있다. 또한, 세라믹 촉매층(251)이 부피 비율로 15%를 초과하여 포함되는 경우, 금속 구조체 촉매층(252)의 양이 줄어들어 금속 구조체를 통한 열 전달 효율이 저하될 수 있다. 이에 따라 암모니아 가스로부터의 수소 가스 생산 효율이 저하될 수 있다.
상술한 촉매층(250)을 포함하는 반응 튜브(200)에 대하여 더 자세히 살펴보면 반응 튜브(200)는 반응부 내관(220)과 반응부 내관(220)을 둘러싸는 반응부 외관(210)을 포함하는 이중관 구조를 가질 수 있다. 이중관 구조로 반응 튜브(200)를 형성함으로써 열의 유출을 막으면서도 반응 튜브(200)의 길이를 늘려 보다 넓은 영역에서 반응물과 촉매층(250)이 반응하도록 할 수 있다. 또한, 수소 생산 반응기를 보다 컴팩트하게 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생산 반응기에 포함된 반응 튜브의 단면도이다.
도 3을 참고하면, 세라믹 촉매층(251)은 금속 구조체 촉매층(252)과 이격되어 제공된다. 구체적으로 세라믹 촉매층(251)은 반응 튜브(200) 밖에 제공되고, 금속 구조체 촉매층(252)은 세라믹 촉매층(251)과 이격되어 반응 튜브(200) 내부에 제공된다.
상술한 것과 같이 세라믹 촉매층(251)과 금속 구조체 촉매층(252)은 서로 이격되어 제공될 수 있다. 이 경우, 세라믹 촉매층(251)이 먼저 반응물과 만나고 다음으로 금속 구조체 촉매층(252)을 만나도록 설계함으로써 앞서 설명한 것과 같은 부식 방지 효과를 얻을 수 있다.
세라믹 촉매층(251)과 금속 구조체 촉매층(252)을 분리하여 제공할 경우 반응기 설계 자유도가 향상될 수 있다. 또한, 세라믹 촉매층(251)이 반응 튜브(200) 밖에 제공됨에 따라 손쉽게 세라믹 촉매층(251)을 교체 가능하다. 세라믹 촉매층(251)으로 공급되는 반응 물질은 예열되어 제공될 수 있으며, 이에 따라 세라믹 촉매층(251)이 반응 튜브(200) 밖에 있어도 암모니아로부터 수소가 생산되는 반응이 문제 없이 수행될 수 있다. 또한, 반응기 밖에 제공된 세라믹 촉매층(251)에서 발생하는 반응에 의해 암모니아 농도가 줄어든 반응 물질이 금속 구조체 촉매층(252)으로 제공됨으로써 암모니아에 의한 금속 구조체 촉매층(252)의 부식을 막을 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 수소 생산 반응기를 포함하는 수소 시스템을 제공한다. 수소 시스템은 생산된 수소를 사용하는 부재를 더 포함할 수 있다. 예를 들어 수소 시스템에서 본 발명의 수소 생산 반응기를 이용하여 생산된　수소는 연료전지의 연료로 사용되거나 수소차의 연료로 사용될 수 있어 수소 충전소에 적용될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 수소 생산 반응기를 포함하는 수소 시스템은 전력을 생산하는데 이용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기의 형태에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 비교 실험 데이터를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 반응기가 나타내는 유리한 효과에 대하여 살펴보고자 한다.
실험예 1. 촉매층 부식 시험
촉매층이 암모니아를 이용한 수소 생산 반응에서 부식되는지 여부를 확인하기 위하여 세라믹 촉매층의 양이 부피 비로 0%, 5%, 10% 및 15%인 촉매층에 대하여 암모니아를 이용한 수소 생산 반응을 수행하였다. 실험은 반응 온도 약 700℃, 상압 압력, GHSV 5,000 h-1의 조건에서 수행되었으며, 촉매층에 포함된 촉매 입자로는 루테늄(Ru)을 사용하였다.
도 4는 촉매층에 포함된 세라믹 촉매층의 양에 따른 부식 형태를 나타낸 이미지이다.
도 4의 (a)는 반응 전 촉매층의 모습이며, 도 4의 (b), (c), (d), (e)는 각각 세라믹 촉매층의 양이 부피 비로 0%, 5%, 10% 및 15%일 때 반응 후 모습이다.
먼저 도 4의 (a)를 참고하면 반응 전에는 촉매층이 다공성 형태를 나타냄을 확인할 수 있다. 다음으로, 도 4의 (b)를 참고하면 세라믹 촉매층이 제공되지 않은 경우에 반응 후 부식에 의해 촉매층의 형태가 변형되거나 촉매층이 위쪽부터 소실된 것을 확인할 수 있다. 이에 비하여 세라믹 촉매층이 5% 내지 15% 포함된 (c), (d), (e)의 경우 반응 후 촉매층의 형태가 상대적으로 온전하게 유짐됨을 확인할 수 있다. 특히, 도 4의 (e)의 경우에는 반응 전 후에 촉매층의 변형이 육안으로 관측되지 않음을 확인할 수 있다.
따라서, 세라믹 촉매층을 제공함으로써 부식을 방지할 수 있음을 도 4의 비교 결과를 통해 알 수 있다.
실험예 2. 암모니아 전환율 평가
세라믹 촉매층의 양에 따른 암모니아 전환율을 평가하기 위하여 세라믹 촉매층의 양이 부피 비로 0%, 5%, 10% 및 15%인 촉매층에 대하여 암모니아를 이용한 수소 생산 반응을 수행하였다. 실험은 반응 온도 약 700℃, 상압 압력, GHSV 5,000 h-1의 조건에서 수행되었으며, 촉매층에 포함된 촉매 입자로는 루테늄(Ru)을 사용하였다.
도 5는 촉매층에 포함된 세라믹 촉매층의 양에 따른 암모니아 전환율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고하면, 촉매층 내에 세라믹 촉매층이 포함되지 않은 경우(0%로 표시), 반응 시간이 증가함에 따라 암모니아 전환율이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 반응 시간이 약 300 시간 경과한 경우, 암모니아 전환율이 4% 가량 감소한 것을 확인할 수 있다.
이에 비하여 촉매층이 세라믹 촉매층이 각각 5%, 10%, 15% 포함된 경우에는 반응 시간에 따른 암모니아 전환율 감소가 적은 것을 확인할 수 있다. 특히 촉매층 내에 세라믹 촉매층이 약 15% 포함된 경우에는 반응 시간이 300시간 경과한 후에도 암모니아 전환율 저하가 없음을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 하우징 200: 반응 튜브
300: 가열부 210: 반응부 외관
220: 반응부 내관 250: 촉매층
251: 세라믹 촉매층 252: 금속 구조체 촉매층

Claims (10)

  1. 하우징;
    상기 하우징 내부에 제공되며 입구로 암모니아를 포함하는 반응물이 유입되는 적어도 하나의 반응 튜브;
    상기 반응 튜브에 열을 제공하기 위한 가열부; 및
    일 방향으로 연장된 형태의 촉매층을 포함하고,
    상기 촉매층은 세라믹 촉매층 및 금속 구조체 촉매층을 포함하고,
    상기 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브의 입구에 인접하여 배치되는, 수소 생산 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 튜브는 반응부 내관과 상기 반응부 내관을 둘러싸는 반응부 외관으로 이루어진 이중관 구조를 포함하고,
    상기 촉매층은 상기 반응부 외관 내에 제공되는, 수소 생산 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응물의 유입 방향을 따라 상기 세라믹 촉매층과 상기 금속 구조체 촉매층은 상기 세라믹 촉매층-상기 금속 구조체 촉매층의 순서로 제공되고,
    상기 반응물은 상기 세라믹 촉매층을 거쳐 상기 금속 구조체 촉매층으로 유입되는, 수소 생산 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 촉매층은 상기 반응 튜브 밖에 제공되고,
    상기 금속 구조체 촉매층은 상기 세라믹 촉매층과 이격되어 상기 반응 튜브 내부에 제공되는, 수소 생산 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 세라믹 촉매층은 Al2O3, SiC, Cordierite, MgO 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 담체로서 포함하고,
    상기 담체 상에 제공된 활성 금속을 포함하는, 수소 생산 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 활성 금속은 Ru, Ni, Fe, Co, Rh으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 수소 생산 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 구조체 촉매층은 금속 구조체 및 촉매 입자를 포함하고,
    상기 금속 구조체는 Fe, Cr, Ni, Al, Mn, Cu 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하고,
    상기 촉매 입자는 담체 및 상기 담체 상에 제공된 활성 금속을 포함하는, 수소 생산 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응 튜브는 예열부를 더 포함하고,
    상기 예열부는 탄화규소(SiC)와 금속 충진물을 포함하는 것인, 수소 생산 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 충진물은 텅스텐, 니켈, 철, 코발트, 크롬, 몰리브덴, 망간, 알루미늄, 구리 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것인, 수소 생산 반응기.
  10. 제1항에 있어서,상기 촉매층에 포함된 상기 세라믹 촉매층은 상기 촉매층의 전체 부피에 대하여 5% 내지 15% 비율로 포함되는, 수소 생산 반응기.
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