KR20220128701A - 수소 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 발생장치에 있어서, 증발과정에서 수증기가 발생하도록 가열 대상인 물을 공급하는 제1급수부; 상기 제1급수부에서 공급되는 물을 가열하는 가열기가 구비되며, 상기 가열기로 공급된 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증발부; 상기 증발부에서 발생한 저온저압의 수증기가 공급되며, 공급되는 저온저압의 수증기를 압축하는 압축부; 상기 압축부와 인접하게 구비되고 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부가 공급되며, 공급된 수증기를 가열하여 초고온 수증기를 생산하는 초고온 수증기 생산부; 상기 증발부와 상기 압축부 및 상기 초고온 수증기 생산부와 연결되며, 상기 압축부에서 압축된 수증기를 상기 증발부 및 상기 초고온 수증기 생산부로 선택적으로 분배하는 분배배관부; 및 상기 초고온 수증기 생산부에서 배출되는 수증기를 공급받아 수소를 생산하는 수전해부를 포함하되, 초기 운전 시에는 상기 압축부에서 압축된 수증기는 상기 분배배관부를 통해 상기 증발부의 열원으로 공급되며, 정상 운전 시에는 상기 압축부에서 생산된 수증의 일부는 상기 증발부의 가열 열원으로 사용되고, 나머지는 상기 초고온 수증기 생산부에서 수증기를 생산 후 상기 수전해부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치를 제공한다.
따라서, 압축부의 내부에 설치되는 터보팬을 이용하여 증발부에서 발생되는 수증기를 저 진공상태로 포집할 수 있으며, 터보팬을 이용하여 포집된 수증기를 가열 후 압축한 상태에서 약 10 내지 20%의 수증기는 외부 가열수단인 보일러에 의해 가열함으로써 초고온 수증기를 생산하기 위해 수증기를 가열하는데 사용되는 화석연료의 사용량을 저감시킬 수 있다.

Description

수소 발생장치{Hydrogen generation device}
본 발명은 수소 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물을 가열하여 수증기를 발생시키고 발생된 수증기를 포집하여 원심력으로 압축하는 과정에서 내부 마찰에 의해 가열된 수증기의 약 80 내지 90%는 증발장치에서 물을 가열하는 열원으로 이용하고 나머지 약 10 내지 20%의 가열 후 압축된 수증기는 외부 열원을 이용하여 초고온으로 가열하여 수소를 생산하는 수소 발생장치에 관한 것이다.
화석연료의 과다 사용으로 지구 온난화 현상이 심각해지는 상황에서 이를 보완할 수 있는 방법으로 수소를 생산하여 에너지로 이용하는 것이 제시되고 있다.
수소는 연소가 용이하며, 연소열이 크고, 공해물질이 생성되지 않아 일반연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지, 핵융합에너지 등의 청정한 에너지원으로 인식되고 있다.
이와 같은 수소를 생성하는 일반적인 방법으로 화석연료에서 열분해, 가스화 방법으로 수소를 생산하는 기술과 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법이 있으나 모두 에너지 소비가 큰 것이 문제이다.
액체인 물을 전기분해하여 수소를 생산하는데 소비되는 전력량은 "Jensen et. al, IJHE 2007" 자료에 의하면 3.57~4.46 kWh/㎥_H2 이나 800℃ 초고온 수증기는 2.3 kWh/㎥_H2 이므로 전력량 절감이 35.6~48.3% 정도 된다. 따라서 가장 낮은 에너지를 소비하면서 초고온 수증기를 생산하기 위해서는 1차적으로 화석연료를 이용하지 않고 물리적으로 낮은 온도의 수증기를 생산 후 최종 수전해 장치에 공급하는 수증기는 화석연료를 이용하여 800℃ 수증기를 생산할 경우와 비교하여 약 70% 정도의 에너지 절감이 가능하다.
상기 Jensen 자료에서 800℃ 초고온 수증기를 이용하여 전기분해 방법으로 수로를 생산할 때 전력소비율이 2.3 kWh/㎥_H2 이고, 800℃ 수증기를 생산하는데 필요한 추가적인 에너지 소비율이 약 0.69 kWh/㎥_H2 이므로 합하여 전체 전력소비율이 약 2.99 kWh/㎥_H2 이므로 물 전기분해 방법과 비교하여 16.2~33.0% 정도의 에너지 절감이 가능하다.
따라서 수전해장치에서 소비된 전기에너지량과 생산한 수소에너지량을 비교하면 0.843(
Figure pat00001
)으로 생산된 수소에너지량이 약 16% 더 크다.
따라서 약 30% 정도의 화석연료를 사용하여 수전해장치에서 필요로 하는 초고온 증기를 생산할 수 있으므로, 위에서 설명한 수전해장치의 낮은 전력량 소비율을 감안하면 수소 생산의 경제성이 충분히 확보할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 화석연료를 가스화 또는 개질 반응을 통하여 수소를 생성하는 과정에서 연료에 포함된 탄소가 지구 온난화의 원인 물질인 이산화탄소를 발생시키기 때문에, 오염 물질 및 온실가스를 최소로 하면서 저에너지 소비형 수소 생산기술은 현실적으로 매우 중요한 기술이며, 그에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록 제10-1203454호(2012.11.15.)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정에 부합하기 위해 창출된 것으로서, 압축부의 내부에 터보팬을 설치하고 증발부를 압축부의 입구측에 위치시켜 증발부에서 저진공 상태의 수증기를 발생시 발생된 수증기를 터보팬을 이용하여 압축하여 온도와 압력을 높인 수증기 중 약 80 내지 90%는 저 진공상태에서 물을 증발시키는 증발장치 가열용 열원으로 이용하고 나머지 약 10 내지 20%는 외부 열원을 이용하여 초고온으로 가열 후 수전해부에서 수소를 발생시킴으로써 수소를 발생시키기 위해 수증기를 가열하는 연료의 사용을 절감할 수 있는 수소 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 발생장치에 있어서, 증발과정에서 수증기가 발생하도록 가열 대상인 물을 공급하는 제1급수부; 상기 제1급수부에서 공급되는 물을 가열하는 가열기가 구비되며, 상기 가열기로 공급된 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증발부; 상기 증발부에서 발생한 저온저압의 수증기가 공급되며, 공급되는 저온저압의 수증기를 압축하는 압축부; 상기 압축부와 인접하게 구비되고 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부가 공급되며, 공급된 수증기를 가열하여 초고온 수증기를 생산하는 초고온 수증기 생산부; 상기 증발부와 상기 압축부 및 상기 초고온 수증기 생산부와 연결되며, 상기 압축부에서 압축된 수증기를 상기 증발부 및 상기 초고온 수증기 생산부로 선택적으로 분배하는 분배배관부; 및 상기 초고온 수증기 생산부에서 배출되는 수증기를 공급받아 수소를 생산하는 수전해부를 포함하되, 초기 운전 시에는 상기 압축부에서 압축된 수증기는 상기 분배배관부를 통해 상기 증발부의 열원으로 공급되며, 정상 운전 시에는 상기 압축부에서 생산된 수증의 일부는 상기 증발부의 가열 열원으로 사용되고, 나머지는 상기 초고온 수증기 생산부에서 가열된 후 상기 수전해부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치를 제공한다.
본 발명에 따른 수소 발생장치는 상기 초고온 수증기 생산부와 연결되며, 상기 초고온 수증기 생산부에서 발생된 배가스와 제2급수부에서 공급되는 물을 이용하여 수증기를 발생시키는 폐열회수부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소 발생장치는 상기 폐열회수부에서 발생된 수증기를 상기 압축부로 공급하는 수증기 이동관과, 상기 초고온 수증기 생산부와 상기 수전해부를 연결하는 수증기 연결관과 상기 수증기 이동관을 연결하는 연결배관 상에 구비되어 상기 수증기 연결관과 상기 수증기 이동관으로 이동되는 수증기의 방향을 전환하는 방향전환밸브와, 상기 방향전환밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 압축부에서 압축된 수증기를 상기 증발부 및 상기 초고온 수증기 생산부로 선택적으로 분배할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생장치에 있어서, 상기 폐열회수부에서 발생된 수증기의 온도는 134 ~ 150℃일 수 있으며, 상기 폐열회수부에서 발생된 수증기의 절대압력은 2.0 ~ 3.0bar일 수 있다.
상기 압축부는 내부에 구비되는 터보팬을 이용하여 수증기를 원심력을 이용하여 압축할 수 있으며, 상기 증발부는 상기 압축부의 입구측에 위치할 수 있고, 상기 증발부의 내부는 상기 압축부에 의해 저진공상태가 될 수 있으며, 85~99℃ 이하에서 수증기가 발생될 수 있다.
상기 분배배관부는 상기 압축부의 출구와 연결되는 제1배관과, 일단은 상기 제1배관과 연결되고 타단은 상기 증발부와 연결되며 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부를 상기 증발부로 분배하는 제2배관과, 일단은 상기 제1배관과 연결되고 타단은 상기 초고온 수증기 생산부의 입구와 연결되며 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부를 상기 초고온 수증기 생산부로 분배하는 제3배관을 포함할 수 있다.
상기 압축부에서 압축된 수증기의 온도는 150 ~ 250℃일 수 있으며, 상기 압축부에서 압축된 수증기의 절대압력은 1.5 ~ 3.5bar일 수 있고, 상기 초고온 수증기 생산부에서 생산된 수증기의 온도는 700 ~ 850℃일 수 있으며, 정상 운전 시 상기 압축부에서 생산된 수증기의 80 내지 90%는 상기 분배배관부를 통해 상기 증발부로 공급될 수 있고, 나머지 10 내지 20%는 상기 분배배관부를 통해 상기 초고온 수증기 생산부로 공급되어 초고온의 수증기를 생산 후 상기 수전해부로 공급될 수 있다.
본 발명에 따른 수소 발생장치는 압축부의 내부에 설치되는 터보팬을 이용하여 증발부에서 발생되는 수증기를 저 진공상태로 포집할 수 있으며, 터보팬을 이용하여 포집된 수증기를 압축하는 과정에서 내부 마찰에 의해 가열된 상태에서 약 10 내지 20%의 수증기는 외부 가열수단인 보일러에 의해 가열함으로써 초고온 수증기를 생산하기 위해 수증기를 가열하는데 사용되는 화석연료의 사용량을 저감시킬 수 있고, 또한 터보팬 내부에서 수증기를 압축하는 과정에서 마찰에 의해 가열된 상태인 약 80~90%의 수증기는 증발부에서 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 열원으로 사용할 수 있으며, 추가적으로 외부 열원을 이용하는 초고온 수증기 생산부 후단에서는 연소 배가스의 폐열을 이용하여 수증기를 생산 후 수증기 압축부에 공급하여 초고온 수증기 생산을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수소 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 수증기의 온도에 따른 수전해부에서 수소 생산에 필요한 에너지를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 발생장치(10)는 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하기 위한 것으로 제1급수부(110)와, 증발부(120)와, 압축부(130)와, 초고온 수증기 생산부(140)와, 분배배관부(150)와, 수전해부(160)를 포한하고, 폐열회수부(170), 수증기 이동관(180), 방향전환밸브(190), 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1급수부(110)은 증발과정에서 수증기가 발생하도록 가열 대상인 물을 외부에서 공급하는 역할을 하며, 상기 제1급수부(110)를 통해 증발부(120)의 내부로 가열 대상인 물이 공급된다.
상기 제1급수부(110)를 통해 공급되는 물은 상기 증발부(120)에서 가열된다.
상기 증발부에서 발생한 저온저압의 수증기는 상기 압축부로 공급되며, 상기 압축부는 상기 증발부에서 공급되는 저온저압의 수증기를 압축하여 고압의 수증기를 생성한다. 상기 압축부는 원심 압축기가 사용될 수 있다.
상기 압축부에서 생성된 고온, 고압의 수증기 중 일부, 약 80~90%는 상기 증발부로 공급되어, 상기 증발부(120)의 물을 가열한다.
상기 초고온 수증기 생산부(140)는 외부 화석연료 또는 전기에너지를 이용하여 압축부(130)에서 배출되는 수증기 중 상기 증발부로 공급되지 아니한 10~20%의 수증기를 초고온으로 가열한다.
상기 초고온 수증기 생산부(140) 후단에는 폐열회수부(170)가 설치된다. 상기 폐열회수부(170)는 제2급수부(172)가 공급하는 물을 연소 배가스의 폐열을 이용하여 수증기를 생산 후 수증기 압축부(130)에 공급하여 초고온 수증기 생산을 증가시킬 수 있다.
상기 초고온 수증기 생산부(140)의 가열기(미도시)는 공급되는 수증기의 압력에 대한 내구성을 갖도록 제작되는 것이 바람직하며, 연소에 사용되는 연료는 기체연료가 가장 바람직하나, 다른 액체, 고체연료도 사용이 가능하며 열교환기에서 고온 부식이 발생할 수 있어 열교환기 재질 선정에 주의할 필요성이 있다.
상기 압축부(130)에서 생산한 고온,고압의 수증기 온도는 134~250℃이며 이 수증기의 열을 이용하는 상기 증발부(120)에서 발생되는 수증기의 온도는 85~99℃이고, 소정의 압력을 가질 수 있다.
[표 1]은 상기 증발부(120)에서 발생된 수증기의 압력이 3bar일 때 온도에 따른 엔탈피 값을 나타낸다.
과열증기 온도(℃) 엔탈피(enthalpy) (kcal/kg)
133.6(포화온도) 650.9
200 684.4
300 733.1
500 832.6
600 884.5
700 938.0
800 993.1
[표 2]는 상기 증발부(120) 내부의 진공도에 따른 물의 비등점 및 포화증기 엔탈피를 나타낸다.
절대압력
(bar)		 절대압력
(mmHg & Torr)		 물 비등점
(℃)		 증발 엔탈피
(kcal/kg)		 포화증기 엔탈피
(kcal/kg)
1.0 750 99.6 539 639
0.9 676 96.7 541 638
0.8 600 93.5 543 637
0.7 525 90.0 545 635
0.6 450 85.9 548 634
0.5 375 81.3 551 632
0.4 300 75.9 554 630
0.3 220 69.1 558 627
0.2 150 60.1 563 623
0.1 75 45.8 572 617
0.04 30 29.0 581 610
상기와 같이 상기 증발부(120)에서 발생된 수증기의 온도가 200℃ 이상으로 설정된다면, 증기 생산에 필요한 엔탈피가 증가되므로, 수증기의 온도는 200℃인 것이 바람직하다. 또한, 수증기의 압력도 3 bar로 설정되는 것이 바람직하다.
상기 증발부(120)에서 발생된 수증기는 저온저압 상태이며, 발생된 수증기는 압축부(130)로 공급된다. 상기 압축부(130)는 공급된 저온저압 상태의 수증기를 압축하여 수증기의 온도와 압력을 높이는 역할을 하며, 상기 압축부(130)에는 원심력을 이용하여 수증기를 압축하는 터보팬(132)이 구비되는 것이 바람직하다. 상기 압축부(130)의 내부에 구비되어 상기 압축부(130)로 공급된 수증기를 압축하는 터보팬(132)는 일반적인 것인 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 압축부(130)의 입구측에 상기 증발부(120)가 위치하면 상기 증발부(120)의 내부는 저진공 상태가 되어 85~99℃ 이하에서 수증기가 발생되게 된다.
상기 압축부(130)에서 압축된 수증기의 온도는 150 ~ 250℃이며, 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기의 절대압력은 1.5 ~ 3.5bar인 것이 바람직하다.
초기 운전시에는, 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기는 모두 후술되는 분배배관부(150)를 통해 상기 증발부(120)의 열원으로 공급되며, 정상 운전 시에는 상기 압축부(130)에서 생산된 수증기의 일부는 상기 증발부(120)의 가열 열원으로 사용되고, 나머지는 후술되는 초고온 수증기 생산부(140)에서 수증기를 생산 후 후술되는 수전해부(160)로 공급된다. 정상 운전 시 상기 증발부(120)로는 상기 압축부(130)에서 생산된 수증기의 80 내지 90%가 공급되고, 후술되는 초고온 수증기 생산부(140)로는 나머지 10 내지 20%가 공급된 후 약 800℃의 수증기를 생산 후 후술되는 수전해부로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 압축부(130)와 인접하게 초고온 수증기 생산부(140)가 구비되고, 상기 초고온 수증기 생산부(140)로는 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기의 일부가 공급되며, 상기 초고온 수증기 생산부(140)는 공급된 수증기를 가열하여 초고온의 수증기를 생산하는 역할을 한다.
상기 초고온 수증기 생산부(140)는 석유, 석탄과 같은 화석 연료를 연소시켜 얻어지는 연소열을 이용하여 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기를 가열하여 초고온으로 온도가 상승한 수증기를 후술되는 수전해부(160)로 배출하며, 상기 초고온 수증기 생산부(140)는 화석 연료를 연소시키는 보일러(미도시)를 포함한다.
상기 증발부(120)의 가열기(미도시)에서 사용되는 가연성 폐기물은 열량과 연소성이 상대적으로 낮아 가연성 폐기물의 연소만으로는 고온의 수증기를 얻기 어려워 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서는 석탄, 석유와 같은 화석 연료를 사용하는 것이 바람직하나 에너지 공급에 제한이 있는 장소에서는 전기에너지를 사용할 수 있다.
상기 증발부(120)에서 열량이 낮고 연소성이 낮은 가연성 폐기물을 이용하여 저온, 저압의 수증기를 대량 생산한 후, 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 발전과 산업체에서 필요로 하는 온도, 압력의 수증기를 생성하는 경우, 화석연료만을 사용하여 필요로 하는 온도, 압력의 수증기를 생성하는 경우보다 연료 절감 효과가 상승되며, 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 생산된 후 배출되는 수증기의 온도는 700~850℃인 것이 바람직하다.
도 2는 수증기의 온도에 따른 후술되는 수전해부(160)에서 수소 생산에 필요한 에너지를 도시한 그래프이며, 도 2를 참조하면 수증기의 온도가 높을수록 후술되는 수전해부(160)에서 수소 생산에 필요한 전력이 감소함을 알 수 있다.
그리고 수증기의 온도 상승에 필요한 에너지는 수증기의 온도가 높을수록 증가하므로 전체적인 에너지 소모량을 고려하였을 때, 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 생산된 수증기의 온도는 700~850℃인 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 증발부(120)와 상기 압축부(130) 및 상기 초고온 수증기 생산부(140)는 분배배관부(150)에 의해 연결되며, 상기 분배배관부(150)는 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기를 상기 증발부(120)와 상기 초고온 수증기 생산부(140)로 선택적으로 분배하는 역할을 한다.
상기 분배배관부(150)는 제1배관(151)과, 제2배관(152)과, 제3배관(153)을 포함한다. 상기 제1배관(151)의 일단은 상기 압축부(130)의 출구와 연결되고 타단에는 상기 제2배관(152) 및 제3배관(153)의 일단이 연결되며, 타단에는 상기 제2배관(152) 및 제3배관(153)의 연결이 용이하도록 분배노즐(미도시)이 장착되는 것이 바람직하며, 상기 분배노즐(미도시)에는 제2배관 및 제3배관(153)으로 수증기를 선택적으로 분배할 수 있도록 개폐밸브(미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 제2배관(152)의 일단은 상기 분배노즐(미도시)에 장착되어 상기 제1배관(151)과 연결되고, 타단은 상기 증발부(120)와 연결되며 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기의 일부(90%)를 상기 증발부(120)로 분배한다.
상기 제3배관(153)의 알단은 상기 분배노즐(미도시)에 장착되어 상기 제1배관(151)과 연결되고, 타단은 상기 초고온 수증기 생산부(140)의 입구와 연결되며 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기의 일부(10%)를 상기 초고온 수증기 생산부(140)로 분배한다.
상기 초고온 수증기 생산부(140)는 수전해부(160)와 연결되며, 상기 수전해부(160)는 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 생산된 후 배출되는 초고온의 수증기를 공급받아 수소를 생산하는 역할을 하며, 수소를 생산하는 상기 수전해부(160)는 해당분야에서 널리 사용되는 일반적인 것인 바, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 초고온 수증기 생산부(140)는 폐열회수부(170)와 연결되며, 상기 폐열회수부(170)는 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 발생된 배가스와 외부의 제2급수부(172)에서 공급되는 물을 이용하여 수증기를 발생시키는 역할을 한다.
상기 폐열회수부(170)에서 발생된 수증기는 수증기 이동관(180)을 통해 상기 압축부(130)로 공급되며, 상기 초고온 수증기 생산부(140)와 상기 수전해부(160)를 연결하는 수증기 연결관(162)과 상기 수증기 이동관(180)을 연결하는 연결배관(CP) 상에는 상기 수증기 연결관(162)과 상기 수증기 이동관(180)으로 이동되는 수증기의 방향을 전환하는 방향전환밸브(190)가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 폐열회수부(170)에서 발생된 수증기를 상기 압축부(130)로 공급한 후 상기 초고온 수증기 생산부(140)를 거쳐 상기 수전해부(160)로 공급함으로써 수소의 생산량을 증대시킬 수 있다.
상기 방향전환밸브(190)와 상기 개폐밸브(미도시)의 동작은 제어부(200)에 의해 제어되며, 상기 제어부(200)는 상기 개폐밸브(미도시)의 동작을 제어하여 상기 압축부(130)에서 압축된 수증기를 상기 증발부(120) 및 상기 초고온 수증기 생산부(140)로 선택적으로 분배하고, 상기 방향전환밸브(190)의 동작을 제어하여 본 발명에 따른 수소 발생장치(10)의 운전 초기에는 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 발생된 수증기와 상기 폐열회수부(170)에서 발생된 수증기를 통합하여 상기 압축부(130)로 공급하며, 정상운전 시에는 상기 초고온 수증기 생산부(140)에서 생산 후 배출되는 수증기를 상기 수전해부(160)로 공급하게 된다.
상기 압축부(130)의 내부에 설치되는 터보팬(132)을 이용하여 증발부(120)에서 발생되는 수증기를 저진공상태로 포집할 수 있으며, 상기 터보팬(132)을 이용하여 포집된 수증기를 압축하는 과정에서 내부 마찰에 의해 가열된 상태에서 약 10 내지 20%의 수증기는 외부 가열수단인 보일러(미도시)에 의해 가열함으로써 초고온 수증기를 생산하기 위해 수증기를 가열하는데 사용되는 화석연료의 사용량을 저감시킬 수 있고, 터보팬(132)에서 압축하는 과정에서 내부 마찰에 의해 가열된 상태의 약 80~90%의 수증기는 증발부(120)에서 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 열원으로 사용할 수 있어 에너지의 소비를 감소시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 수소 발생장치 110 : 제1급수부
120 : 증발부 130 : 압축부
140 : 초고온 수증기 생산부 150 : 분배배관부
160 : 수전해부 170 : 폐열회수부
180 : 수증기 이동관 190 : 방향전환밸브
200 : 제어부

Claims (10)

  1. 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 발생장치에 있어서,
    증발과정에서 수증기가 발생하도록 가열 대상인 물을 공급하는 제1급수부;
    상기 제1급수부에서 공급되는 물을 가열하는 가열기가 구비되며, 상기 가열기로 공급된 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증발부;
    상기 증발부에서 발생한 저온저압의 수증기가 공급되며, 공급되는 저온저압의 수증기를 압축하는 압축부;
    상기 압축부와 인접하게 구비되고 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부가 공급되며, 공급된 수증기를 가열하여 초고온 수증기를 생산하는 초고온 수증기 생산부;
    상기 증발부와 상기 압축부 및 상기 초고온 수증기 생산부와 연결되며, 상기 압축부에서 압축된 수증기를 상기 증발부 및 상기 초고온 수증기 생산부로 선택적으로 분배하는 분배배관부; 및
    상기 초고온 수증기 생산부에서 배출되는 수증기를 공급받아 수소를 생산하는 수전해부를 포함하되,
    초기 운전 시에는 상기 압축부에서 압축된 수증기는 상기 분배배관부를 통해 상기 증발부의 열원으로 공급되며, 정상 운전 시에는 상기 압축부에서 생산된 수증의 일부는 상기 증발부의 가열 열원으로 사용되고, 나머지는 상기 초고온 수증기 생산부에서 가열된 후 상기 수전해부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초고온 수증기 생산부와 연결되며, 상기 초고온 수증기 생산부에서 발생된 배가스와 제2급수부에서 공급되는 물을 이용하여 수증기를 발생시키는 폐열회수부를 더 포함하는 수소 발생장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 폐열회수부에서 발생된 수증기를 상기 압축부로 공급하는 수증기 이동관과,
    상기 초고온 수증기 생산부와 상기 수전해부를 연결하는 수증기 연결관과 상기 수증기 이동관을 연결하는 연결배관 상에 구비되어 상기 수증기 연결관과 상기 수증기 이동관으로 이동되는 수증기의 방향을 전환하는 방향전환밸브를 더 포함하는 수소 발생장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 방향전환밸브의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 압축부에서 압축된 수증기를 상기 증발부 및 상기 초고온 수증기 생산부로 선택적으로 분배하는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 폐열회수부에서 발생된 수증기의 온도는 134 ~ 150℃이며, 상기 폐열회수부에서 발생된 수증기의 절대압력은 2.0 ~ 3.0bar인 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축부는 내부에 구비되는 터보팬을 이용하여 수증기를 원심력을 이용하여 압축하며,
    상기 증발부는 상기 압축부의 입구측에 위치하고, 상기 증발부의 내부는 상기 압축부에 의해 저진공상태가 되며, 85~99℃ 이하에서 수증기가 발생되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분배배관부는,
    상기 압축부의 출구와 연결되는 제1배관과,
    일단은 상기 제1배관과 연결되고 타단은 상기 증발부와 연결되며 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부를 상기 증발부로 분배하는 제2배관과,
    일단은 상기 제1배관과 연결되고 타단은 상기 초고온 수증기 생산부의 입구와 연결되며 상기 압축부에서 압축된 수증기의 일부를 상기 초고온 수증기 생산부로 분배하는 제3배관을 포함하는 수소 발생장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축부에서 압축된 수증기의 온도는 150 ~ 250℃이며, 상기 압축부에서 압축된 수증기의 절대압력은 1.5 ~ 3.5bar인 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 초고온 수증기 생산부에서 생산된 수증기의 온도는 700 ~ 850℃인 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    정상 운전 시 상기 압축부에서 생산된 수증기의 80 내지 90%는 상기 분배배관부를 통해 상기 증발부로 공급되고, 나머지 10 내지 20%는 상기 분배배관부를 통해 상기 초고온 수증기 생산부로 공급되어 초고온의 수증기를 생산 후 상기 수전해부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 발생장치.
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