KR20220072505A - 상변화물질을 활용한 수소 추출 반응기 및 수소 추출 공정 - Google Patents

상변화물질을 활용한 수소 추출 반응기 및 수소 추출 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 공간을 포함하는 챔버; 상기 챔버의 내부를 지나도록 제공되며 수소 추출을 위한 흡열 반응이 발생되는 반응부; 상기 챔버의 내부에 상기 반응부와 이격되어 제공되며, 상기 챔버의 내부로 열을 전달하는 가열부; 상기 챔버의 내부에서 상기 반응부와 상기 가열부 사이에 제공되는 열전달물질을 포함하고, 상기 열전달물질은 상기 가열부 또는 상기 반응부로부터 출입되는 열에 따라 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이되는, 수소 추출 반응기가 제공된다.

Description

상변화물질을 활용한 수소 추출 반응기 및 수소 추출 공정{HYDROGEN EXTRACTING REACTOR AND HYDROGEN EXTRACTING PROCESS USING PHASE CHANGE MATERIALS}
본 발명은 수소 추출 반응기 및 수소 추출 공정에 관한 것이다.
수소는 압력탱크 당 0.1 ~ 10 MWh 또는 액상 탱크 당 0.1 ~ 100 GWh의 대용량의 재생 가능한 에너지를 저장할 수 있는 친환경 및 지속 가능한 에너지 캐리어로써 최근 주목을 받고 있다. 이와 동시에 수소 에너지는 환경에 부정적인 영향을 미치는 화석 연료로 구동되는 기존의 에너지 시스템을 대체하는 효율적인 에너지 시스템으로서 적극 개발되고 있다. 이에 따라서 수소 연료 전지는 고효율 및 물(H2O)을 부산물로 하는 친환경 시스템으로 자리매김하고 있다.
수소는 무게 대비 매우 높은 에너지 밀도(33.3 kWh·kg-1)를 가지고 있지만 부피 대비 낮은 에너지 밀도(2.97 Wh·L-1, H2 가스, 0℃ 1기압)를 갖기 때문에, 적절한 방법으로 저장하여 부피 대비 에너지 밀도를 높일 필요가 있다. 이에 수소를 효율적으로 저장하기 위하여 압축수소 저장, 액화수소저장 등 물리적 수소 저장방법 등이 산업적으로 많이 연구되어 왔으나, 이러한 방법은 안전과 에너지 손 실의 문제가 있다. 이러한 이유로 잠재적으로 대용량의 수소를 안정적으로 저장할 수 있는 화학적 수소저장방법에 관한 관심이 높아지고 있다. 화학적 수소 저장 방법에 이용 가능한 후보 물질로는 액체유기물수소운반체(LOHCs), 메틸사이클로헥산(MCH), 퍼하이드로-다이벤질톨루엔(H18-DBT), 메탄올 (CH3OH), 에탄올(C2H5OH), 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 암모니아 보란 (NH3BH3), 및 포름산 (HCO2H) 등을 들 수 있다.
한편, 화학적 수소저장방법은 화학 반응을 수반하므로 촉매 반응성 향상을 위해서는 열 효율이 중요하다. 반응기 내부에 열을 제공하기 위한 다양한 방법이 있으나, 열원 근처에서 국부적으로 가열이 수행되기 때문에 반응기 전체에 고르게 열을 전달하는 것은 어렵다. 특히, 반응기 내부에서 흡열 반응에 의한 열 출입과 열원에 의한 열 공급이 복합적으로 수행됨에 따라 반응기 내부의 영역별로 온도가 달라질 수 있고, 이는 열 효율을 저하시키는 원인이 된다. 또한 상술한 문제를 완화시키기 위해 반응기 내부에 고르게 열이 전달되도록 곳곳에 열원을 배치할 경우, 반응기 설계가 크게 제한될 수 있다. 따라서, 반응기 설계 자유도를 높이면서도 반응기 내부에 고르게 열을 전달할 수 있는 새로운 반응기 및 공정 수행 방법이 필요하다.
본 발명은 수소 추출 반응이 수행되는 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 반응 효율을 향상시킨 수소 추출 반응기 및 수소 추출 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 다양한 종류의 열원을 사용할 수 있어 설계 자유도가 높은 수소 추출 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 공간을 포함하는 챔버; 상기 챔버의 내부를 지나며 수소 추출을 위한 흡열 반응이 발생되는 반응부; 상기 챔버의 내부에 상기 반응부와 이격되어 제공되며, 상기 챔버의 내부로 열을 전달하는 가열부; 상기 챔버의 내부에서 상기 반응부와 상기 가열부 사이에 제공되는 열전달물질을 포함하고, 상기 열전달물질은 상기 가열부 또는 상기 반응부로부터 출입되는 열에 따라 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이되는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응부 내에서 발생되는 상기 흡열 반응은 메탄의 개질 반응, 메탄올의 개질 반응, 암모니아의 분해 반응, 액상유기수소운반체(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)의 탈수소화 반응, 개미산 또는 포메이트의 탈수소 반응, 다이메틸에터(Dimethylether)의 개질 반응 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응부 내에서 발생되는 상기 흡열 반응은 액상유기수소운반체의 탈수소화 반응이고, 상기 반응부의 출구에는 상기 액상유기수소운반체와 수소를 분리하기 위한 수소 분리부가 더 제공되는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리부로부터 분리된 수소의 적어도 일부는 상기 가열부로 제공되어 연소되는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가열부는 연료를 연소시켜 열을 제공하는 연소 장치, 전류가 흐를 때 저항으로부터 발생하는 열을 제공하는 전열 장치, 인덕션을 이용한 발열 장치 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열전달물질은 상기 챔버의 내부에서 순환하는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 챔버는 상기 챔버의 내부 압력을 제어할 수 있는 압력 제어 밸브를 더 포함하고, 상기 압력 제어 밸브를 제어하여 상기 열전달물질의 상 전이 온도를 조절하는, 수소 추출 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 챔버 내부에 제공된 반응부로 수소 저장 물질을 공급하는 제1 단계; 챔버 내부에 제공된 가열부를 이용하여 상기 챔버 내부에 제공된 열전달물질로 열을 전달하는 제2 단계; 상기 열전달물질로부터 상기 반응부 및 상기 반응부 내부의 상기 수소 저장 물질로 열을 전달하는 제3 단계; 및 전달된 열을 이용하여 상기 수소 저장 물질로부터 수소를 방출시키는 수소 추출 반응을 수행하는 제4 단계를 포함하고, 상기 제2 단계 내지 상기 제4 단계 수행 중 상기 열전달물질이 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이됨으로써 상기 챔버 내부의 온도가 기설정된 온도 범위를 벗어나지 않도록 제어하는, 수소 추출 공정이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기설정된 온도 범위는 150℃ 내지 400℃인, 수소 추출 공정이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응부에서 추출된 수소를 분리하는 제5 단계를 더 포함하는, 수소 추출 공정이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 추출 반응이 수행되는 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다양한 종류의 열원을 사용할 수 있어 반응기 및 공정 설계 자유도가 높다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 반응기 및 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 반응기이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 공정 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 반응기이다.
도 9은 실시예와 비교예에 따른 수소 추출 반응기의 특성을 분석한 결과 그래프이다.
도 10은 열전달물질의 기화에 의한 메탄올 증기 개질의 시작 프로토콜에서 온도 균질화 프로세스를 분석한 그래프이다.
도 11는 열전달물질의 열 안정성 평가 결과 그래프이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 반응기이다.
도 13은 실험예 2의 열매체유 기반 복합 열원 수소 추출 반응기의 특성을 분석한 결과 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 명세서에 있어서, 어느 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 상(on)에 형성되었다고 할 경우, 상기 형성된 방향은 상부 방향만 한정되지 않으며 측면이나 하부 방향으로 형성된 것을 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 '상면'과 '하면'는 본 발명의 기술적 사상을 이해하기 쉽도록 설명하기 위하여 상대적인 개념으로 사용된 것이다. 따라서, '상면'과 '하면'은 특정한 방향, 위치 또는 구성 요소를 지칭하는 것이 아니고 서로 호환될 수 있다. 예를 들어, '상면'이 '하면'이라고 해석될 수도 있고 '하면'이 '상면'으로 해석될 수도 있다. 따라서, '상면'을 '제1'이라고 표현하고 '하면'을 '제2'라고 표현할 수도 있고, '하면'을 '제1'로 표현하고 '상면’을 '제2'라고 표현할 수도 있다. 그러나, 하나의 실시예 내에서는 '상면'과 '하면'이 혼용되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이를 하는 열전달물질을 포함하는 수소 추출 반응기가 제공되는데, 이러한 수소 추출 반응기는 반응기 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있고 다양한 열원을 이용할 수 있어 반응 효율이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 반응기 및 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 1과 도 2 및 도 3을 참고하면, 수소 추출 반응기는 내부에 공간을 포함하는 챔버(100), 챔버(100)의 내부를 지나며 수소 추출을 위한 흡열 반응이 발생되는 반응부(200), 챔버(100)의 내부에 반응부(200)와 이격되어 제공되며 챔버(100) 내부로 열을 전달하는 가열부(300), 챔버(100)의 내부에서 반응부(200)와 가열부(300) 사이에 제공되는 열전달물질(400)을 포함한다. 또한 열전달물질(400)은 가열부(300) 또는 반응부(200)로부터 출입되는 열에 따라 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이된다.
수소 추출 반응기는 분자 내 수소 원자를 포함하는 화합물로부터 수소 기체를 분리하는 반응을 통해 수소 기체를 생산하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 액체유기물수소운반체(LOHCs), 메틸사이클로헥산(MCH), 퍼하이드로-다이벤질톨루엔(H18-DBT), 메탄올 (CH3OH), 수소화 붕소 나트륨 (NaBH4), 암모니아 보란 (NH3BH3), 및 포름산 (HCO2H) 등의 형태로 저장되어 있는 수소는 수소 추출 반응기를 거쳐 수소 기체 형태로 추출될 수 있고, 추출된 수소 기체는 연료 전지 등 다양한 용도로 사용될 수 있다. 따라서, 수소 추출 반응기는 단독으로 사용되거나 연료 전지 등 수소 기체를 활용하는 장치와 함께 연결되어 제공될 수 있다.
수소 추출 반응기의 크기 및 형태는 앞서 서술한 것과 같이 수소 추출 반응기 이용 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 수소 추출 반응기는 연료 전지를 포함하는 수소자동차 내에 제공될 수 있는데 이 경우 자동차 내부에 제공되어야 하므로 상대적으로 크기가 작을 수 있다. 또한 경우에 따라서는 수소 추출 반응기는 수소 기체를 생산하기 위한 산업 플랜트의 일부로 제공될 수 있는데 이 경우 수소 추출 반응 처리 용량을 늘리기 위해 수소 추출 반응기 크기가 상대적으로 클 수 있다. 따라서 통상의 기술자는 다양한 형태와 크기로 수소 추출 반응기를 설계할 수 있다.
수소 추출 반응기는 챔버(100), 반응부(200), 가열부(300) 및 열전달물질(400)을 포함한다.
먼저 챔버(100)는 내부에 반응부(200), 가열부(300), 열전달물질(400)이 제공될 수 있는 공간을 포함하는 하우징일 수 있다. 챔버(100)는 외부의 물리적 충격을 흡수하고, 챔버(100) 내외로 열이 불필요하게 출입하는 것을 막을 수 있다. 따라서, 챔버(100)는 벽면에 단열재를 포함하도록 제공될 수 있다.
챔버(100)의 형태는 다양할 수 있다. 예를 들어, 챔버(100)는 도면에 도시된 것과 같이 원통 형태를 가질 수 있다. 또는 챔버(100)는 정육면체, 직육면체, 사각대, 삼각대, 구, 타원구 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 아울러, 챔버(100)는 도시된 것과 같이 지면에 수직하게 제공될 수 있으나, 필요에 따라서는 지면과 수평하게 또는 지면에 대해 비스듬하게 제공될 수도 있다. 챔버(100)의 제공 형태는 수소 추출 반응기의 처리 용량, 설치 장소, 다른 부재와의 연결 관계 등을 고려하여 변경할 수 있다.
챔버(100) 내부에는 반응부(200)가 제공된다.
반응부(200)에서는 수소 추출을 위한 흡열 반응이 발생한다. 반응부(200)는 챔버(100)의 외부에서 시작되어 챔버(100) 내부를 거쳐 챔버(100) 밖으로 이어지는 형태로 제공될 수 있다. 반응부(200)는 예를 들어 도면에 도시된 것과 같이 챔버(100) 내부를 지나는 관(pipe) 형태로 제공될 수 있으며, 반응부(200)의 양 끝은 챔버(100) 바깥에 제공될 수 있다. 다만, 이러한 반응부(200)의 형태는 예시적인 것에 불과하며, 반응부(200)는 챔버(100) 내부에 배치(batch) 형태로 제공될 수도 있다.
반응부(200)에서 수행되는 수소 추출을 위한 흡열 반응은 앞서 서술한 것과 같이 수소 원자를 포함하는 수소 저장 물질(250)로부터 수소 기체를 분리하는 반응을 통해 수소 기체가 생산되는 반응일 수 있다. 예를 들어, 흡열 반응은 메탄의 개질 반응, 메탄올의 개질 반응, 암모니아의 분해 반응, 액상유기수소운반체(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)의 탈수소화 반응, 개미산 또는 포메이트의 탈수소 반응, 다이메틸에터(Dimethylether)의 개질 반응 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
반응부(200)에서 수행되는 상술한 흡열 반응은 수소 저장 물질(250)이 참여하는 반응일 수 있다. 수소 저장 물질(250)은 메틸사이클로헥산(MCH), 퍼하이드로-다이벤질톨루엔(H18-DBT), 메탄올 (CH3OH), 수소화 붕소 나트륨 (NaBH4), 암모니아 보란 (NH3BH3), 포름산 (HCO2H) 및 액상유기수소운반체(LOHC)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 액상유기수소운반체(LOHC)는 예를 들어 바이페닐(biphenyl), 다이페닐메테인(diphenylmethane), 톨루엔(toluene), 메틸인돌(methylindole), 에틸카바졸(ethylcarbazole), 다이벤질톨루엔(dibenzyl toluene)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 액상유기수소운반체는 부피대비 수소저장 용량이 크고 수소화반응(수소저장) 및 탈수소화반응(수소방출)을 가역적으로 여러 번 수행할 수 있다는 장점을 나타낸다.
반응부(200)는 반응부 입구(201)와 반응부 출구(202)를 포함할 수 있다. 반응부 입구(201)로는 수소를 저장한 수소 저장 물질(250)이 유입될 수 있고, 반응부 출구(202)로는 수소가 떨어져 나간 상태의 탈수소 물질(250') 및 수소 기체가 배출될 수 있다. 따라서 수소 저장 물질(250)은 반응부 입구(201)를 통해 챔버(100) 내부에 삽입된 반응부(200)로 유입되고, 반응부(200) 내부에서 수소가 분리되는 흡열 반응이 수행된 뒤 탈수소 물질(250') 및 수소 기체 형태로 반응부 출구(202)를 통해 빠져나갈 수 있다.
반응부 입구(201)는 따라서 수소 저장 물질(250)을 저장하는 저장 탱크 등과 연결될 수 있다.
반응부 출구(202)는 또한 탈수소 물질(250')과 수소 기체를 분리하기 위한 수소 분리부, 수소 저장 탱크, 탈수소 물질 저장 탱크 등과 연결될 수 있다.
반응부(200) 내부에는 상술한 수소 추출 반응을 촉진하기 위해 촉매가 제공될 수 있다. 촉매는 예를 들어 루테늄(Ru), 란타넘(La) 등의 촉매 금속을 알루미나(Al2O3) 등의 지지체 상에 담지한 것일 수 있다. 또한, 촉매는 충전층(Packed bed) 형태로 제공될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 수소 저장 물질과 접촉할 수 있다면 어떠한 형태로도 제공될 수 있다.
반응부(200)에 있어서, 반응부 입구(201)와 반응부 출구(202) 사이의 영역의 적어도 일부는 챔버(100) 내부에 제공된다. 반응부(200)의 상술한 영역은 챔버(100) 내부에서 열 교환될 수 있다. 예를 들어 반응부(200)에서 수행되는 흡열 반응(수소 저장 물질의 탈수소화 반응)에 필요한 반응열이 챔버(100) 내부에서 반응부(200)로 이동할 수 있다.
반응부(200)에 열을 공급하기 위해 챔버(100) 내부에 가열부(300)가 제공된다.
가열부(300)는 열원(heat source)로 기능하며, 반응부(200)를 비롯한 챔버(100) 내부에 열을 공급한다. 가열부(300)는 연료를 연소시켜 열을 제공하는 연소 장치, 전류가 흐를 때 저항으로부터 발생하는 열을 제공하는 전열 장치, 인덕션을 이용한 발열 장치 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.
가열부(300)는 경우에 따라서 도면에 도시된 것과 같이 챔버(100)의 일측에 제공될 수 있다. 다만, 가열부(300)의 제공 위치, 제공 형태, 열 발생 방식에는 제한이 없다. 가열부(300)를 자유롭게 설계할 수 있는 이유는 챔버(100) 내부의 가열부(300)와 반응부(200) 사이에 열전달물질(400)이 제공되기 때문이다. 이에 대한 자세한 내용은 후술하고자 한다. 가열부(300)를 자유롭게 설계할 수 있기 때문에 반응기 설계 자유도가 매우 높다. 따라서 수소 추출 반응기를 필요에 따라 컴팩트하게 또는 대형으로 자유롭게 설계하여 제공할 수 있다.
가열부(300)가 연료를 연소시켜 열을 제공하는 연소 장치를 포함하는 때, 반응부(200)에서 추출된 수소 기체 중 적어도 일부는 가열부(300)로 제공되어 연소될 수 있다. 이 경우 가열부(300) 내부로는 필요에 따라 공기 및 탄화수소 연료가 함께 제공되어 연소될 수 있다.
가열부(300)는 적어도 일부가 챔버(100) 내로 삽입되어 제공될 수 있다. 따라서 가열부(300)에서 발생한 열은 가열부(300)의 챔버(100) 내에 삽입된 영역을 통해 챔버(100) 내부로 전달될 수 있다. 이때 가열부(300)는 흡열 반응이 수행되는 반응부(200)와 이격되어 제공된다. 이격된 가열부(300)와 반응부(200) 사이에는 열전달물질(400)이 제공된다.
열전달물질(400)은 챔버(100) 내부에 제공되며, 가열부(300)에서 공급되는 열을 흡열 반응이 수행되는 반응부(200)로 전달한다. 따라서 열전달물질(400)은 적어도 일부가 가열부(300) 및 반응부(200)와 맞닿은 형태로 제공된다.
열전달물질(400)은 전도 및 대류를 통해 가열부(300)로부터 전달받은 열을 반응부(200)로 전달한다. 또한 열전달물질(400)은 열을 전달하는 과정에서 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이될 수 있다. 따라서 가열부(300)로부터 필요 이상의 열이 제공되는 경우, 전달받은 열 중 일부가 열전달물질(400)을 액체 상에서 기체 상으로 전이시키는 상 전이 에너지로 흡수될 수 있다. 열전달물질(400)이 상 전이하여 잠열로 열의 적어도 일부를 저장함에 따라 챔버(100) 내부가 과열되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기체 상의 열전달물질(400)은 챔버(100) 내부에서 순환됨에 따라 가열부(300)와 먼 곳으로 이동할 수 있다. 이 경우 기체 상의 열전달물질(400)이 가열부(300)와 먼 곳에서 다시 액체 상으로 상 전이됨에 따라 잠열이 챔버(100) 내부로 방출되고 가열부(300)와 멀리 위치한 곳의 온도가 상승할 수 있다. 따라서, 열전달물질(400)의 상 전이 및 순환을 이용하여 챔버(100) 내부의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 특히, 가열부(300)를 챔버(100) 일측에만 제공하는 경우에도 열전달물질(400)을 이용하여 챔버(100) 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있는 바 가열부(300)의 제공 형태, 위치에 대한 자유도가 향상된다.
열전달물질(400)이 일정한 수준의 온도를 유지함에 따라 반응부(200)에도 상대적으로 균일한 양의 열이 전달될 수 있다. 특히, 반응부(200)는 앞서 서술한 것과 같이 챔버(100) 내에서 길게 연장되어 제공될 수 있는데, 챔버(100) 내 제공된 반응부(200)의 모든 영역에서 균일하게 일정한 열이 전달될 수 있다. 따라서, 반응부(200)의 위치에 관계 없이 균일하게 흡열 반응이 수행될 수 있다. 반응부(200) 내부에서 흡열 반응이 수행되는 영역이 상대적으로 넓어지기 때문에 반응기 효율이 향상될 수 있다.
열전달물질(400)은 150℃ 내지 400℃의 상 전이 온도를 가지면서 기상-액상 상 전이 온도에서 장기간 안정할 수 있는 탄화수소계 유기물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전달물질(400)은 모노벤질톨루엔(monobenzyltoluene), 디벤질톨루엔(dibenzyltoluene), 톨루엔, 모노-C12-14-알킬 유도체, 바이페닐, 디페닐 옥사이드, 디페닐메탄, 나프탈렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
열전달물질(400)을 이용하여 상술한 것과 같이 챔버(100) 내부의 온도를 기설정된 온도 범위에서 일정하게 유지할 수 있다. 아울러, 챔버(100) 내부의 압력을 제어함으로써 열전달물질(400)의 끓는 점을 조절하고, 이를 통해 챔버(100) 내부의 온도를 원하는 범위로 조절할 수 있다. 구체적으로, 챔버(100) 내부의 압력이 증가할 경우 열전달물질(400)의 끓는 점이 상승하고, 이에 따라 상 전이가 보다 높은 온도에서 수행되기 때문에 챔버(100) 내부의 온도가 상대적으로 높게 유지될 수 있다. 반면, 챔버(100) 내부의 압력이 감소할 경우 열전달물질(400)의 끓는 점이 하강하고, 이에 따라 상 전이가 보다 낮은 온도에서 수행되기 때문에 챔버(100) 내부의 온도가 상대적으로 낮게 유지될 수 있다. 이렇게 챔버(100) 내부의 압력을 조절하기 위하여 챔버(100)에는 압력 제어 밸브가 더 제공될 수 있다.
열전달물질(400)을 순환시키기 위하여 챔버(100)에는 순환 장치가 더 제공될 수 있다. 순환 장치는 교반을 위한 블레이드 등 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라 기체 상의 열전달물질(400)이 반응부(200) 또는 가열부(300) 표면에 흡착되어 열 전달 효율을 떨어트리지 않고 계속 챔버(100) 내에서 순환될 수 있다. 또한, 기체 상의 열전달물질(400)이 상술한 것과 같이 온도가 낮은 영역으로 이동하여 액체 상으로 다시 전이됨으로써 챔버(100) 내부 온도를 균일하게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 열전달물질(400)이 가열부(300)와 반응부(200) 사이에 제공되어, 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이하면서 열을 전달함에 따라 반응부(200)를 포함하는 챔버(100) 내부의 온도가 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라 챔버(100) 내 특정 영역이 과열되고 이에 따라 열이 불필요하게 낭비되는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 반응부(200)의 넓은 영역에서 동시에 흡열 반응이 수행될 수 있도록 하여 반응기 효율을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응기의 제공 형태에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 다른 형태에 따른 수소 추출 반응기 형태를 더 살펴보고자 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 4를 참고하면, 반응부 출구(202)와 연결된 수소 분리부(210)가 더 제공된다.
수소 분리부(210)는 탈수소 물질(250')과 수소 기체를 수용한 후, 이들을 분리하는 기능을 수행한다. 수소 분리부(210)는 탈수소 물질(250')과 수소 기체를 분리하기 위하여, 흡착제를 포함할 수 있다. 흡착제의 종류는 탈수소 물질(250')의 종류에 따라 달라질 수 있다. 흡착제는 예를 들어 흡착제는 CaCl2/Al2O3 MgCl2/Al2O3, HZSM-5, HY, 및 13X 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
수소 분리부(210)는 컬럼(column) 형태로 제공될 수 있다. 컬럼(column)을 지나는 탈수소 물질(250')과 수소 기체는 흡착제와의 친화력에 따라 흡착제와 흡착되거나 흡착되지 않음으로써 서로 분리될 수 있다.
다만, 수소 분리부(210)의 상술한 구현 형태는 예시적인 것에 불과하다. 수소 분리부(210)는 필요에 따라 PSA(Pressure Swing Adsoprtion) 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
수소 분리부(210)는 수소 배출구(211)와 탈수소 물질 배출구(212)를 포함할 수 있다. 이들을 통해 분리된 수소 기체와 탈수소 물질이 각각 분리 배출될 수 있다. 수소 배출구(211)는 수소 저장 탱크 및/또는 가열부(300)와 연결될 수 있다. 이에 따라 수소 기체 중 적어도 일부가 연소 장치 형태의 가열부(300)로 제공되어 연소되어 반응부(200)에 열을 공급할 수 있다. 이 경우 연료 또는 전기의 사용을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
탈수소 물질 배출구(212)는 탈수소 물질 저장 탱크와 연결될 수 있다. 저장된 탈수소 물질(250') 다시 수소 저장을 위한 플랜트로 이송되어 활용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 추출 반응기를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참고하면, 수소 추출 반응기는 반응기 양 측에 제공되는 전열 장치(310)를 더 포함한다. 전열 장치(310)는 저항을 포함하고 저항에 전류가 흐를 때 열이 발생할 수 있다. 전열 장치(310)로부터 발생된 열은 열전달물질(400)로 전달된다. 전열 장치(310)는 제공함으로써 연소가 없어도 수소 추출 반응을 수행할 수 있다. 따라서, 연소가 어려운 공간 예를 들어 수소자동차 내부에 수소 추출 반응기가 제공되는 때에도 전열 만으로 수소 추출 반응을 수행할 수 있다. 특히, 전열 장치(310)는 재생 에너지를 활용할 수 있다. 이에 따라 수소 추출 반응기는 반응 과정에서 이산화탄소 등 온실 기체를 생산하지 않으면서 작동할 수 있다.
전열 장치(310)의 제공 형태는 예시적인 것에 불과하며, 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어 전열 장치(310)는 도면에 도시된 것과 달리 챔버(100)의 일 측에만 제공될 수도 있다. 또한, 여러 개의 전열 장치(310)가 챔버(100)를 둘러싸는 형태로 제공되고, 각각의 전열 장치(310)가 독립적으로 제어될 수도 있다. 이 경우, 열전달물질(400)의 순환과 함께 챔버(100) 내 온도 구배에 따라 전열 장치(310)가 작동됨으로써 보다 적은 에너지로도 챔버(100) 내부의 온도를 균일하게 유지할 수 있다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 공정 수행 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 공정은 챔버 내부에 제공된 반응부로 수소 저장 물질을 공급하는 제1 단계(S100); 챔버 내부에 제공된 가열부를 이용하여 상기 챔버 내부에 제공된 열전달물질로 열을 전달하는 제2 단계(S200); 상기 열전달물질로부터 상기 반응부 및 상기 반응부 내부의 상기 수소 저장 물질로 열을 전달하는 제3 단계(S300); 및 전달된 열을 이용하여 상기 수소 저장 물질로부터 수소를 방출시키는 수소 추출 반응을 수행하는 제4 단계(S400)를 포함하고, 상기 제2 단계 내지 상기 제4 단계(S200, S300, S400) 수행 중 상기 열전달물질이 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이됨으로써 상기 챔버 내부의 온도가 기설정된 온도 범위를 벗어나지 않도록 제어될 수 있다.
수소 추출 공정에 있어서 기설정된 온도 범위는 약 150℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 상술한 온도 범위에서 액상유기수소운반체로부터 수소가 떨어져 나오는 탈수소화 반응이 안정적으로 수행될 수 있다. 구체적으로 상술한 온도 미만에서는 탈수소화 반응 속도가 낮을 수 있으며 반응 평형이 정반응쪽으로 충분히 이동되지 않을 수 있다. 또한 상술한 온도를 초과할 경우 액상유기수소운반체가 열 분해될 우려가 있다.
수소 추출 공정은 반응부에서 추출된 수소를 분리하는 제5 단계를 더 포함할 수 있다. 수소의 분리는 PSA, 일반 흡착 등 다양한 방식으로 수행될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 반응기이다. 도 6을 참고하면, 가열부는 전열 장치(챔버의 양옆 및 반응부 하단에 제공)와 연소 장치를 모두 포함하는 것을 확인할 수 있다.
전열 장치와 연소 장치는 각각 독립적으로 제어될 수 있으며, 챔버 및 반응부의 여러 영역에 제공됨에 따라 고르고 빠르게 가열이 수행될 수 있다.
1. 메탄올 증기 개질 반응(MSR) 연료 프로세서 설계
본 발명의 실시예에 있어서 도 8의 (a)에 도시된 것과 같이 MSR 연료 프로세서를 준비하였다. 이때 서로 다른 가열부를 포함하는 2종류의 MSR 연료 프로세서를 준비하였다.
먼저 도 8의 (b)와 같은 U자형 반응기에 도 8의 (d)와 같이 약 3 m의 열 테이프(500 W)를 고르게 감았으며, 이를 사용하여 단일 열원으로 열 전도를 시뮬레이션했다. 다음으로, 도 8의 (e)에 나타난 것과 같이 원통형 스테인리스 파이프 반응기에 PCM 전열기를 설치하여 U 자형 반응기를 가열하였다. U자형 반응기는 전체 길이가 50 cm이며, 내경이 1.66 cm인 3/4'' 스테인리스 스틸 튜브로 제작했다.
여기에서 디페닐메탄(DPM)의 저압 상태에서의 끓는 점의 메탄올 증기 개질의 공정 온도 범위와 맞기 때문에, DPM을 열전달물질로 사용하였다.
다음으로, MDC-3((Sud Chemie, 145g)을 U자형 반응기에 충전하였다. Cu/ZnO/Al2O3(MDC-3, Sud Chemie, 10 g, BET surface area = 70 m2/g, Total pore volume = 0.18 cc/g, packing density = 1.3 g/mL)를 촉매로 사용하였다. 메탄올 증기 개질에 대한 촉매 활성은 대기압(P = 1 bar), 입구 층 온도가 250℃인 조건에서 WHSV를 0.7- 1.7 g / gcat / h (GHSV의 959-2027 mL / mLcat / h에 해당)로 변경하며 시험되었다. 반응 혼합물(S/C = 1.3)은 다목적 기어 펌프 (Micropump I-drive, 500 - 6000 rpm)에 의해 전달되었다. 펌프의 하류에 체크 밸브를 설치하여 가압 조건에서도 일정한 주입이 이루어질 수 있도록 했다.
도 8의 (d)와 도 8의 (e)에 나타난 두 가지 구성의 반응기에 공급하기 전에, 연료 혼합물을 예열기(1 kW)를 통해 가열하고 기화시켰다. 충전 층과 열전달물질 내부 온도는 여러 K-타입 열전대에 의해 모니터링되었고 반응 온도 구배의 지표로 사용되었다. 입구와 출구에서의 온도 차이(Toutlet-inlet)를 측정하여 반응기 내 온도 구배의 균일성을 평가하였다.
실험예 1-1. 열전달물질 유무에 따른 반응기 운전 비교
도 9은 실시예와 비교예에 따른 수소 추출 반응기의 특성을 분석한 결과 그래프이다.
도 9은 메탄올 전환, 수소 생산 속도, 베드 입구 및 출구 온도로부터의 온도 구배 및 베드 입구 온도가 250℃로 제어될 때 생성 가스 조성에 중량 시간 공간 속도(WHSV)가 미치는 영향을 나타낸다.
도 9의 (a)와 (b)를 참고하면 가열 방법의 차이에 따른 개선 효과를 확인하기 위하여 기존 반응기에서 사용되는 U자형 반응기를 열전달물질을 사용하는 반응기에서 재사용하였다. 열전달물질로는 디페닐메탄(DPM)을 사용하였다.
도 9의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 기존의 반응기의 경우 낮은 WHSV에서 U자형 반응기를 감싸는 열 테이프에 의한 열 축적으로 인해 출구 온도가 입구 온도에 비하여 훨씬 높다. 그러나, 높은 WHSV에서 흡열 반응이 발생한 후에는 출구 온도가 크게 감소하였다. 예를 들어, WHSV가 1.57 g/gcat/h인 조건에서 출구 온도와 입구 온도의 차이는 30℃ 정도였는데, 이는 무시하기 힘든 수준이다.
이와 비교하였을 때, 열전달물질을 사용할 경우, 열 축적에 의해 높은 출구 온도가 관측되었다. 그러나, 높은 WHSV 조건에서 입구 온도와 출구 온도의 차이가 작았다. 예를 들어, WHSV가 1.53 g/gcat/h인 조건에서 출구 온도와 입구 온도의 차이는 10℃ 미만이었다. 이는 반응기 내 최대 온도 차이가 10℃임을 의미하며, 반응기 내 균일한 온도 구배가 나타남을 의미한다.
다음으로, 반응 화학량론 및 CO 발생 여부를 확인하기 위해 반응 생성 가스의 조성을 분석하였다.
전체 공정 중에서 수소는 전체 가스의 약 75%를 차지하고, H2/CO2 비율은 2.9(메탄올 증기 개질 반응에서 H2/CO2의 이론적 화학량론은 3)였고, CO는 열 안정화 동안에 거의 검출되지 않았다(WHSV = 0.54 g/gcat/h에서 0.5% 미만 검출). 이는 추가 정제 후에 생성물을 연료 전지 등급의 수소로 사용할 수 있음을 나타낸다.
도 9의 (e)를 참고하면, WHSV에 따른 반응 효율을 측정하였다. 효율 개선 계수는 1 이상이며, 그 추세는 출구와 입구 온도의 차이를 따름을 확인하였다. 두 반응 시스템 모두 WHSV=1에서 출구 온도와 입구 온도의 차이가 최소일 때 가장 낮은 효율 향상 계수를 나타냈다. 상기 지점 이후에 열전달물질을 포함하는 반응기의 효율은 촉매를 충분히 사용함에 따라 증가하였는데, 생산된 수소의 수소의 LHV 증가가 반응물인 메탄올의 LHV 증가 및 반응기의 전력 소비 증가를 모두 뛰어넘기 때문이다.
도 9의 (f)를 참고하면, 메탄 증기 개질 반응에서 WHSV에 따른 소모 전력의 비율을 확인할 수 있다. 반응 엔탈피의 비율은 WHSV가 커질 때 함께 증가한다. 따라서 도 9의 (f)의 결과를 통해 효과적으로 반응기를 운전하기 위한 최적의 WHSV를 결정할 수 있다.
실험예 1-2. 반응기 내 온도 균질화 과정 확인
도 10은 열전달물질의 기화에 의한 메탄올 증기 개질의 시작 프로토콜에서 온도 균질화 프로세스를 분석한 그래프이다.
도 10의 (a)는 열전달물질을 사용한 메탄올 증기 개질의 시작 프로토콜에서 신속한 온도 균질화 프로세스를 보여준다. 130분까지 디페닐메탄은 280℃까지 가열되었고, 압력은 1.3 bar까지 증가되었으며, 점차적으로 가압된 상태로 인하여 상 전이는 발생하지 않았다. 133분 내에 가압된 디페닐메탄을 퍼지한 후, 압력이 급격히 떨어졌고 반응기 내부의 디페닐메탄이 전체적으로 급격히 기화되었다. 이러한 활성화는 이어지는 10분간 촉매 층의 빠른 온도 균질화로 이어진다.
도 10의 (b)를 참고하면 결과적으로 상술한 압력 변화에 따라 입구 온도가 250℃로 조절되었음을 확인할 수 있다.
도 10의 (c)와 (d)를 참고하면 각각 WHSV = 1.53 g/gcat/h인 조건에서 열전달물질을 이용하여 반응하였을 때 유지되는 안정적인 작동 온도와 압력을 나타낸다. 여기서 TDPM-low를 275℃로 설정하여 Tinlet을 250℃로 설정한다. 1.15 bar에서 DPM의 끓는점이 약 270℃이므로 약 270℃의 TDPM-high와 TDPM-mid는 열전달물질의 연속적인 응축 및 기화 사이클을 통해 촉매층 주변의 온도가 균질화됨을 시사한다.
Toutet-inlet이 약 -10℃인 본 발명의 실시예에 따른 반응기는 열전달물질을 사용하지 않는 반응기에 비하여 약 1/3 정도의 온도 차이만을 보이며, 따라서 열전달물질에 의해 반응기 내 온도가 균질화될 수 있음을 알 수 있다.
실험예 1-3. 열전달물질의 열안정성 시험
도 11는 열전달물질의 열 안정성 평가 결과 그래프이다.
도 11의 (a)와 (b)를 참고하면, H1-NMR 분광법을 통해 10시간 동안 Tinlet = 250℃인 조건에서 메탄올 증기 개질 반응 전후에 디페닐메탄의 피크 시프트가 없음을 확인할 수 있다.
또한 분해 산물을 조사하기 위해 테스트된 샘플에 대해 GC/MS 분석을 추가로 수행하였다. 산화 분해는 주로 구조 중간에 있는 퍼지되지 않고 반응기 내에 남아 있는 기체 사이의 반응에 의해 발생하였으며, 도 11의 (c)에 나타난 것과 같이 여러 형태로 산화된 DPM이 생성됐다. 이를 통해 상술한 온도 범위에서 안정한 열전달물질을 사용하고 반응 전에 반응기 내부를 완전히 퍼지함으로써 반응 공정이 더 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 반응기이다.
2. 10 L/min 급 수소 추출용 메틸사이클로헥산 (MCH) 탈수소화 반응기 설계
본 발명의 또 다른 실시 예로서 도 12 에 도시된 것과 같이 10 L/min 급 수소를 생산할 수 있는 메틸사이클로헥산 (MCH) 탈수소화 반응기를 준비하였다.
먼저 도 12의 (a)와 같이 1400 mL 급의 직렬로 연결된 관형 반응기가 전류가 흐를 때 저항으로부터 발생하는 열을 제공하는 2.7 kW급 전열 장치와 함께 위치하도록 설계되었다. 관형 반응기의 상세 설계는 도 12의 (b)와 같으며, 이를 실제로 제작한 결과는 도 12의 (c)와 같다. 다음으로, 도 12의 (d)에 나타난 것과 같이 관련된 BOP (balance-of-plant)인 예열기 (1 kW), 열교환기 (10,000 kcal/hr), 기액분리기, MFC 및 MFM 등을 배치하여 전체 탈수소화 시스템을 구성하였다. 이 때, 도 12의 (e) 와 같이 연료를 연소시켜 열을 제공하는 연소 장치를 반응기 하단에 설치하여, 복합적으로 열원을 구성하였다.
여기에서 Monobenzyltoluene 의 약 가압 상태에서의 끓는 점이 탈수소화 공정 온도 범위와 맞기 때문에, 상용 Monobenzyltoluene인 Marlotherm LH를 열전달물질로 사용하였다.
다음으로, 10 wt.% Pd/C 펠렛 촉매 (Riogen, 560g)을 U자형 반응기에 충전하였다. 메틸사이클로헥산에 대한 촉매 활성은 대기압(P = 1 bar), 입구 층 온도가 320℃인 조건에서 WHSV를 0.3 - 2.5 g / gcat / h (LHSV의 0.16 - 1.3 mL / mLcat / h에 해당)로 변경하며 시험되었다. 반응물은 다목적 기어 펌프 (Micropump I-drive, 500 - 6000 rpm)에 의해 전달되었다.
실험예 2-1. 수소 10 L/min 추출 실험
도 13은 실험예 2의 열매체유 기반 복합 열원 수소 추출 반응기의 특성을 분석한 결과 그래프이다.
도 13은 시간에 따른 공간 속도, 단위 촉매당 수소 생산 속도, 총 수소 생산속도, 반응기 내부 온도 구배, 열매체유 내부 온도 구배 및 시간에 따른 각 열원의 에너지 분율을 나타낸다.
도 13의 (a)와 같이 단계별로 메틸사이클로헥산 (MCH) 의 주입량을 늘려주었다. 도 13의 (b)와 (c) 에서 확인할 수 있듯이 최종적으로 단위 촉매량당 수소 생성량은 20 mL/gcat/min 이상으로 나타났고, 이 때 총 수소 생산속도 또한 12 L/min 을 기록하였다.
도 13의 (d)에서 확인할 수 있듯이, 반응기에 열원이 점진적으로 제공됨에 따라 반응기 내 열전달 물질의 위치에 따른 단계적인 승온이 일어나나며, 1시간 부근에서는 상변화와 함께 내부 온도가 합일되었다. 도 13 의 (e)를 참고하면, 이러한 상변화에 의한 열 관리는 반응기 내부 온도에까지 영향을 미치기 시작하며, 반응기 내부 온도가 1시간 이후부터 합일되어 큰 폭으로 상승함을 알 수 있다.
도 13의 (f) 을 통하여 반응기 복합 열원의 에너지 분율을 알 수 있다. 초반에는 연소 장치에 의해 열이 온전히 공급되었으며 (남색 분율), 이후에는 연소 연료량을 줄여 열의 세부적인 조정이 필요할 때마다 반응기 내 전열장치를 사용할 수 있도록 하였다 (적색 분율). 반응물의 기화를 위해 반응물 예열기에 열을 공급한 부분은 회색 분율로 나타난다. 이러한 복합적인 열원의 사용을 통해, 도 13의 (d), (e) 와 같이 온도 구배를 최소화한 수소 추출용 촉매 반응기의 운전이 가능함을 보였다.
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.

Claims (10)

  1. 내부에 공간을 포함하는 챔버;
    상기 챔버의 내부를 지나도록 제공되며 수소 추출을 위한 흡열 반응이 발생되는 반응부;
    상기 챔버의 내부에 상기 반응부와 이격되어 제공되며, 상기 챔버의 내부로 열을 전달하는 가열부;
    상기 챔버의 내부에서 상기 반응부와 상기 가열부 사이에 제공되는 열전달물질을 포함하고,
    상기 열전달물질은 상기 가열부 또는 상기 반응부로부터 출입되는 열에 따라 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이되는, 수소 추출 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응부 내에서 발생되는 상기 흡열 반응은 메탄의 개질 반응, 메탄올의 개질 반응, 암모니아의 분해 반응, 액상유기수소운반체(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)의 탈수소화 반응, 개미산 또는 포메이트의 탈수소 반응, 다이메틸에터(Dimethylether)의 개질 반응 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는, 수소 추출 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응부 내에서 발생되는 상기 흡열 반응은 액상유기수소운반체의 탈수소화 반응이고,
    상기 반응부의 출구에는 상기 액상유기수소운반체와 수소를 분리하기 위한 수소 분리부가 더 제공되는, 수소 추출 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소 분리부로부터 분리된 수소의 적어도 일부는 상기 가열부로 제공되어 연소되는, 수소 추출 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 연료를 연소시켜 열을 제공하는 연소 장치, 전류가 흐를 때 저항으로부터 발생하는 열을 제공하는 전열 장치, 인덕션을 이용한 발열 장치 및 이들의 조합으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 수소 추출 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전달물질은 상기 챔버의 내부에서 순환하는, 수소 추출 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 챔버는 상기 챔버의 내부 압력을 제어할 수 있는 압력 제어 밸브를 더 포함하고,
    상기 압력 제어 밸브를 제어하여 상기 열전달물질의 상 전이 온도를 조절하는, 수소 추출 반응기.
  8. 챔버 내부에 제공된 반응부로 수소 저장 물질을 공급하는 제1 단계;
    챔버 내부에 제공된 가열부를 이용하여 상기 챔버 내부에 제공된 열전달물질로 열을 전달하는 제2 단계;
    상기 열전달물질로부터 상기 반응부 및 상기 반응부 내부의 상기 수소 저장 물질로 열을 전달하는 제3 단계; 및
    전달된 열을 이용하여 상기 수소 저장 물질로부터 수소를 방출시키는 수소 추출 반응을 수행하는 제4 단계를 포함하고,
    상기 제2 단계 내지 상기 제4 단계 수행 중 상기 열전달물질이 기체 상과 액체 상 사이에서 상 전이됨으로써 상기 챔버 내부의 온도가 기설정된 온도 범위를 벗어나지 않도록 제어하는, 수소 추출 공정.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기설정된 온도 범위는 150℃ 내지 400℃인, 수소 추출 공정.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 반응부에서 추출된 수소를 분리하는 제5 단계를 더 포함하는, 수소 추출 공정.
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