KR20220130435A - Sustainable hydrogen extraction reactor - Google Patents

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조영석
김용민
윤창원
정향수
손현태
남석우
한종희
바다크쉬 아라쉬
곽연수
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한국과학기술연구원
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Abstract

According to one embodiment of the present invention, provided is a hydrogen extraction reacting device which comprises: a reactor in which a reaction of extracting hydrogen from a hydrogen storage compound is performed; a catalytic foam provided in the inside of the reactor; and a heat source providing heat to the catalyst foam, wherein the catalyst foam includes: nickel (Ni); chromium (Cr); aluminum (Al); and pores therein.

Description

지속 가능한 수소 추출 반응 장치{SUSTAINABLE HYDROGEN EXTRACTION REACTOR}SUSTAINABLE HYDROGEN EXTRACTION REACTOR

본 발명은 재생 가능한 열원을 이용하는 지속 가능한 수소 추출 반응 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a sustainable hydrogen extraction reactor using a renewable heat source.

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.Hydrogen has recently attracted attention as an eco-friendly and sustainable energy carrier capable of storing large-capacity renewable energy of 0.1 to 10 MWh per pressure tank or 0.1 to 100 GWh per liquid tank. At the same time, hydrogen energy is being actively developed as an efficient energy system to replace the existing energy system powered by fossil fuels that have a negative impact on the environment. Accordingly, the hydrogen fuel cell is positioned as an eco-friendly system with high efficiency and water (H 2 O) as a by-product.

수소를 제조하는 종래의 방법으로는 물의 전기분해, 물의 태양광 전기분해, 니켈(Ni) 또는 알루미나 지지체에 담지된 니켈, 로듐 등의 금속 촉매를 이용한 Steam-Methane Reforming(이하, SMR) 방법, 탄소체 촉매를 이용한 메탄의 직접분해 방법 및 알루미나 또는 산화아연 지지체에 담지된 구리, 금, 백금 등의 촉매를 이용한 메탄올 분해 방법이 있다.Conventional methods for producing hydrogen include electrolysis of water, solar electrolysis of water, steam-methane reforming (hereinafter, SMR) method using a metal catalyst such as nickel or rhodium supported on nickel (Ni) or alumina support, carbon There are a direct decomposition of methane using a sieve catalyst and a method of decomposing methanol using a catalyst such as copper, gold, or platinum supported on an alumina or zinc oxide support.

수소는 유용한 에너지원이지만 상술한 종래의 방법들은 수소 생산 효율이 낮다는 문제가 있다. 특히, 수소를 생산하는데 많은 에너지가 필요하기 때문에, 수소의 생산, 사용이 에너지 효율적이라고 보기 어렵다는 문제도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 에너지 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 기술이 필요하다.Hydrogen is a useful energy source, but the above-described conventional methods have a problem in that hydrogen production efficiency is low. In particular, since a lot of energy is required to produce hydrogen, there is also a problem that the production and use of hydrogen is difficult to be considered as energy efficient. In order to solve this problem, a technology capable of producing hydrogen energy efficiently is required.

본 발명은 에너지 효율적으로 수소를 생산할 수 있는 지속 가능한 수소 추출 반응 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a sustainable hydrogen extraction reaction apparatus capable of producing hydrogen energy efficiently.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기; 상기 반응기 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam); 및 상기 촉매 폼에 열을 제공하는 열원(Heat Source)을 포함하고, 상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함하는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a reactor in which a reaction for extracting hydrogen from a hydrogen storage compound is performed; Catalytic foam provided inside the reactor; and a heat source for providing heat to the catalytic foam, wherein the catalytic foam includes nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and includes voids therein, a hydrogen extraction reaction device is provided

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 촉매 폼 기재와 상기 촉매 폼 기재 상에 제공된 부촉매를 더 포함하는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalytic foam further comprises a catalytic foam substrate comprising nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and a subcatalyst provided on the catalytic foam substrate, hydrogen extraction reaction A device is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 부촉매는 루테늄(Ru)을 포함하는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the subcatalyst is provided with a hydrogen extraction reaction device comprising ruthenium (Ru).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 부촉매는 상기 촉매 폼 기재의 표면 상에 삽입되거나, 코팅 층을 형성하기 위한 코팅 기재 상에 삽입된 형태로 상기 촉매 폼 기재의 표면 상에 코팅되어 제공되는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the subcatalyst is provided by being coated on the surface of the catalyst foam substrate in a form inserted on the surface of the catalyst foam substrate, or inserted on the coating substrate to form a coating layer, A hydrogen extraction reaction apparatus is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열원은 상기 촉매 폼에 부착된 전극 형태로 제공되고, 상기 전극은 상기 촉매 폼에 전류를 공급하여 상기 촉매 폼으로부터 줄 발열(Joule heating)이 발생하도록 하는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the heat source is provided in the form of an electrode attached to the catalyst foam, and the electrode supplies current to the catalyst foam to generate Joule heating from the catalyst foam, A hydrogen extraction reaction apparatus is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장 화합물은 암모니아를 포함하고, 상기 반응기 내부에서는 상기 암모니아로부터 수소가 추출되는 반응이 수행되는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage compound contains ammonia, and a reaction in which hydrogen is extracted from the ammonia is performed in the reactor, a hydrogen extraction reaction apparatus is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기는 일 방향으로 연장된 튜브 형태로 제공되고, 상기 반응기의 일 측으로는 상기 수소 저장 화합물이 제공되고, 상기 반응기의 타 측으로는 수소가 배출되는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the reactor is provided in the form of a tube extending in one direction, the hydrogen storage compound is provided to one side of the reactor, and hydrogen is discharged to the other side of the reactor, hydrogen extraction A reaction apparatus is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 촉매 폼은 튜브 형태의 상기 반응기 내부에 상기 반응기의 연장 방향을 따라 충전되어 제공되는, 수소 추출 반응 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the catalyst foam is provided to be filled along the extension direction of the reactor inside the reactor in the form of a tube, a hydrogen extraction reaction device is provided.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 추출 반응 장치; 상기 수소 추출 반응 장치로부터 발생한 가스 중 수소 가스로부터 전자를 분리하여 전기를 생성하는 스택을 포함하고, 상기 수소 추출 반응 장치는 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기; 상기 반응기 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam); 및 상기 촉매 폼에 열을 제공하는 열원(Heat Source)을 포함하고, 상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함하는, 연료 전지가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a hydrogen extraction reaction device; and a stack for generating electricity by separating electrons from hydrogen gas in the gas generated from the hydrogen extraction reaction apparatus, wherein the hydrogen extraction reaction apparatus comprises: a reactor in which a reaction of extracting hydrogen from a hydrogen storage compound is performed; Catalytic foam provided inside the reactor; and a heat source for providing heat to the catalytic foam, wherein the catalytic foam includes nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and includes voids therein, a fuel cell is provided do.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 재생 가능한 열원을 이용하여 높은 에너지 효율로 수소를 생산할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, hydrogen can be produced with high energy efficiency using a renewable heat source.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 폼을 모식적으로 나타낸 이미지와 TEM 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 폼을 모식적으로 나타낸 이미지와 TEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 폼을 분석한 결과이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 폼을 포함하는 수소 추출 반응 장치의 수소 추출 반응 효율을 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 폼을 포함하는 수소 추출 반응 장치의 열 에너지 효율을 분석한 그래프이다.
1 is a perspective view showing a hydrogen extraction reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is an image and a TEM image schematically showing a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.
3 is an image and a TEM image schematically showing a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.
4 is a perspective view illustrating a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
5 is a result of analyzing a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph analyzing the hydrogen extraction reaction efficiency of a hydrogen extraction reaction apparatus including a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph analyzing the thermal energy efficiency of a hydrogen extraction reaction apparatus including a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.

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.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

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.In describing each figure, like reference numerals have been used for like elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged than the actual size for clarity of the present invention. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise.

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.In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, when a part of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “on” another part, this includes not only cases where it is “directly on” another part, but also cases where another part is in between. In addition, in the present specification, when a portion such as a layer, film, region, or plate is formed on another portion, the formed direction is not limited only to the upper direction, and includes those formed in the side or lower direction. . Conversely, when a part, such as a layer, film, region, plate, etc., is "under" another part, it includes not only cases where it is "directly under" another part, but also a case where another part is in between.

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.In this specification, 'upper surface' and 'lower surface' are used as relative concepts to easily understand the technical idea of the present invention. Accordingly, the terms 'top' and 'bottom' do not refer to specific directions, positions, or components, and may be interchangeable with each other. For example, 'top' may be interpreted as 'bottom' and 'bottom' may be interpreted as 'top'. Therefore, 'top' may be expressed as 'first' and 'bottom' as 'second', 'bottom' may be expressed as 'first' and 'top' as 'second'. However, in one embodiment, 'top surface' and 'bottom surface' are not used interchangeably.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 촉매 폼을 포함하는 반응기, 반응기 내부의 촉매 폼에 열을 전달하는 수소 추출 반응 장치를 이용하여 수소 추출 반응을 수행할 수 있고, 반응기 내부에 공급되는 열이 손실 없이 수소 추출 반응에 이용되고, 촉매 폼의 넓은 면적에서 열의 출입 및 반응물과의 접촉이 이루어지기 때문에 반응기 효율이 우수하다.According to an embodiment of the present invention, a hydrogen extraction reaction can be performed using a reactor including a catalyst foam therein, a hydrogen extraction reaction device that transfers heat to the catalyst foam inside the reactor, and the heat supplied to the inside of the reactor It is used for the hydrogen extraction reaction without this loss, and the reactor efficiency is excellent because heat is transferred and contacted with the reactants in a large area of the catalyst foam.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 장치를 나타낸 사시도이다.1 is a perspective view showing a hydrogen extraction reaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 수소 추출 반응 장치는 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기(100); 반응기(100) 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam)(200); 및 촉매 폼(200)에 열을 제공하는 열원(300)을 포함하고, 촉매 폼(200)은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함한다.Referring to FIG. 1 , the hydrogen extraction reaction apparatus includes a reactor 100 in which a reaction for extracting hydrogen from a hydrogen storage compound is performed; Catalytic Foam (200) provided inside the reactor (100); and a heat source 300 for providing heat to the catalyst foam 200, wherein the catalyst foam 200 includes nickel (Ni), chromium (Cr), and aluminum (Al) and includes voids therein.

반응기(100)에서는 수소 저장 화합물이 유입되고, 유입된 수소 저장 화합물로부터 수소가 추출되는 반응이 발생한다. 반응기(100)의 형태는 회분식 반응기(Batch Reactor), 연속식 반응기(Continuous Reactor) 등 다양하게 구현될 수 있다. 반응기(100)의 형태는 수소 저장 화합물 처리 용량 및 수소 추출 반응 장치의 용도를 고려하여 결정할 수 있다.In the reactor 100 , a hydrogen storage compound is introduced and a reaction in which hydrogen is extracted from the introduced hydrogen storage compound occurs. The shape of the reactor 100 may be variously implemented, such as a batch reactor, a continuous reactor, and the like. The shape of the reactor 100 may be determined in consideration of the hydrogen storage compound processing capacity and the use of the hydrogen extraction reactor.

반응기(100)의 내부는 반응이 발생될 수 있도록 빈 공간을 포함할 수 있다. 또한, 반응기(100)의 외벽은 반응기(100) 내외로 열이 출입하는 것을 막기 위해 단열 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)의 외벽은 석영(quartz)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 열 전도성이 매우 낮을 수 있다.The inside of the reactor 100 may include an empty space so that the reaction can occur. In addition, the outer wall of the reactor 100 may be made of a heat insulating material to prevent heat from entering and leaving the reactor 100 . For example, the outer wall of the reactor 100 may include quartz, and thus thermal conductivity may be very low.

반응기(100)는 상술한 반응을 수행하기 위하여, 수소 저장 화합물이 유입되는 유입구, 반응 후 생산된 수소를 배출하기 위한 배출구를 포함할 수 있다. 이때 배출구 상에는 필요에 따라서 반응 생성물 중 수소를 분리하기 위한 수소 분리 장치가 더 제공될 수 있다. 수소 분리 장치의 형태에는 특별한 제한이 없다.The reactor 100 may include an inlet through which a hydrogen storage compound is introduced and an outlet for discharging hydrogen produced after the reaction in order to perform the above-described reaction. In this case, a hydrogen separation device for separating hydrogen from the reaction product may be further provided on the outlet if necessary. There is no particular limitation on the form of the hydrogen separation device.

반응기(100)는 일 방향으로 연장된 튜브 형태를 가질 수 있다. 이 경우 반응기(100)의 일 측에는 상술한 유입구가 제공되어 수소 저장 화합물이 반응기(100) 내부로 흘러들어오고, 반응기(100)의 타 측에는 상술한 배출구가 제공되어 반응 생성물 중 수소 가스가 반응기(100)로부터 배출될 수 있다. 반응기(100)의 길이 및 내경은 수소 저장 화합물 처리 용량 및 수소 추출 반응 장치의 용도를 고려하여 결정할 수 있다.The reactor 100 may have a tube shape extending in one direction. In this case, one side of the reactor 100 is provided with the above-described inlet so that the hydrogen storage compound flows into the reactor 100, and the other side of the reactor 100 is provided with the above-described outlet so that hydrogen gas among the reaction products is discharged into the reactor ( 100) can be released. The length and inner diameter of the reactor 100 may be determined in consideration of the hydrogen storage compound processing capacity and the use of the hydrogen extraction reactor.

반응기(100) 내부에는 수소 저장 화합물로부터 수소가 추출되는 반응을 촉진하기 위한 촉매 폼(200)이 제공된다.A catalyst foam 200 is provided inside the reactor 100 for accelerating the reaction in which hydrogen is extracted from the hydrogen storage compound.

촉매 폼(200)은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함한다. 촉매 폼(200)이 내부에 공극을 포함하기 때문에 비표면적이 넓다. 이에 따라, 촉매 폼(200)과 수소 저장 화합물간 반응 면적이 넓고, 또한, 줄 발열 방식의 열원을 사용하는 경우, 촉매 폼(200)의 넓은 표면적에서 열이 발산되기 때문에, 발열 효율이 매우 우수하고 발생한 열이 같은 시간 동안 더 많은 양의 수소 저장 화합물과 만날 수 있어, 반응기 효율이 매우 우수하다.The catalyst foam 200 includes nickel (Ni), chromium (Cr), and aluminum (Al), and includes pores therein. Since the catalyst foam 200 includes pores therein, the specific surface area is large. Accordingly, the reaction area between the catalyst foam 200 and the hydrogen storage compound is large, and when a Joule heat source is used, heat is dissipated from the large surface area of the catalyst foam 200, so the exothermic efficiency is very excellent. And the generated heat can meet a larger amount of hydrogen storage compound for the same time, so the reactor efficiency is very good.

촉매 폼(200)의 공극률(porosity)은 약 70% 내지 약 90%일 수 있다. 또한, 촉매 폼(200)의 비표면적은 약 3.0 m2/L 내지 5 m2/L일 수 있다. 촉매 폼(200)이 상술한 범위의 공극률 및 비표면적을 가짐으로써, 상술한 발열량 및 반응 면적에서의 유리한 효과가 나타날 수 있다.The porosity of the catalyst foam 200 may be about 70% to about 90%. In addition, the specific surface area of the catalyst foam 200 may be about 3.0 m 2 /L to 5 m 2 /L. As the catalyst foam 200 has a porosity and a specific surface area in the above-described ranges, advantageous effects in the above-described calorific value and reaction area may be exhibited.

촉매 폼(200)의 제공 형태는 반응기(100)의 형태에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)가 회분식 반응기인 경우와 연속식 반응기인 경우에 촉매 폼(200)의 제공 형태가 달라질 수 있다. 반응기(100)가 상술한 것과 같이 일 방향으로 연장된 튜브 형태로 제공되는 때, 촉매 폼(200) 역시 반응기(100) 내부에 반응기(100)의 연장 방향을 따라 충전되어 제공될 수 있다.The form of providing the catalyst foam 200 may vary depending on the form of the reactor 100 . For example, when the reactor 100 is a batch reactor and a continuous reactor, the form of providing the catalyst foam 200 may be different. When the reactor 100 is provided in the form of a tube extending in one direction as described above, the catalyst foam 200 may also be provided by being filled in the reactor 100 along the extension direction of the reactor 100 .

촉매 폼(200)이 상술한 것과 같이 일 방향을 따라 충전되어 제공되는 경우, 촉매 폼(200)은 전체적으로 보았을 때 반응기(100) 내부에서 수소 저장 화합물의 흐름 방향을 따라 연장된 막대(rod) 형태를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 반응기(100) 내부로 유입된 수소 저장 화합물은 반응기(100) 내부를 흐르면서 촉매 폼(200)과 반응할 수 있다. 이 경우 반응기(100)의 말단 영역, 즉, 생성된 수소 가스가 배출되는 배출구 영역에 이르러서는 유입된 대부분의 수소 저장 화합물이 촉매 폼(200)과 반응을 완료할 수 있다. 특히, 본 발명의 경우, 이하에서 살펴볼 것과 같이 국부적으로 촉매 폼(200) 또는 반응기(100) 내부가 가열되는 것이 아니라 촉매 폼(200) 전체 영역에서 열이 발산되는 형태를 가지므로, 촉매 폼(200) 내 위치에 관계 없이 수소 추출 반응에 충분한 열 에너지가 제공될 수 있다. 촉매 폼(200)에 열을 공급하기 위한 기술적 구성에 대한 더 자세한 내용은 후술하고자 한다.When the catalyst foam 200 is provided filled in one direction as described above, the catalyst foam 200 is in the form of a rod extending along the flow direction of the hydrogen storage compound in the reactor 100 when viewed as a whole. can represent Accordingly, the hydrogen storage compound introduced into the reactor 100 may react with the catalyst foam 200 while flowing inside the reactor 100 . In this case, most of the introduced hydrogen storage compound may complete the reaction with the catalyst foam 200 when it reaches the end region of the reactor 100 , that is, the outlet region where the generated hydrogen gas is discharged. In particular, in the case of the present invention, as will be seen below, since the inside of the catalyst foam 200 or the reactor 100 is not locally heated, but heat is dissipated in the entire area of the catalyst foam 200, the catalyst foam ( 200), sufficient thermal energy can be provided for the hydrogen extraction reaction regardless of its location. More details on the technical configuration for supplying heat to the catalyst foam 200 will be described later.

촉매 폼(200)에서 반응하는 수소 저장 화합물은 암모니아(NH3), 메탄올, 액체 유기 수소 운반체(LOHC), 포름산, 포름산염으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 이중 예를 들어, 수소 저장 화합물은 암모니아일 수 있다. 암모니아는 높은 중량 및 부피 수소 저장 밀도(약 17.8 wt%, 20 Ž및 8.6 bar에서 108 g/L)를 제공하며 탈수소화 중에 탄소 배출이 전혀 없고 부반응의 문제도 없다는 장점이 있다. 또한, 암모니아는 산업적으로 다량 생산되고 있고, 현재 생산 및 운반을 위한 인프라가 갖추어져 있다는 점에서 수소 저장 화합물로 사용하기 우수하다. 다만, 본원 발명의 수소 추출 반응기의 경우 촉매의 조성, 로딩된 촉매의 양, 반응기의 형태 등을 다르게 설계함으로써 암모니아뿐만 아니라 다양한 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는데 이용할 수 있다.The hydrogen storage compound reacting in the catalyst foam 200 may include at least one selected from the group consisting of ammonia (NH 3 ), methanol, liquid organic hydrogen carrier (LOHC), formic acid, and formate. For example, the hydrogen storage compound may be ammonia. Ammonia provides a high gravimetric and bulk hydrogen storage density (about 17.8 wt %, 108 g/L at 20 °C and 8.6 bar) and has the advantage of no carbon emissions and no side reaction problems during dehydrogenation. In addition, ammonia is industrially produced in large quantities, and is excellent for use as a hydrogen storage compound in that the infrastructure for production and transport is currently in place. However, in the case of the hydrogen extraction reactor of the present invention, it can be used to extract hydrogen from various hydrogen storage compounds as well as ammonia by designing differently the composition of the catalyst, the amount of the loaded catalyst, the shape of the reactor, and the like.

촉매 폼(200)에서 상술한 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는, 이른 바 탈수소화 반응은 흡열 반응일 수 있다. 따라서, 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하기 위하여 지속적인 열 공급이 필요하다. 또한, 앞서 서술한 것과 같이 반응기(100)가 연속식 반응기이거나, 촉매 폼(200)이 일 방향으로 연장되어 길게 제공되는 경우에는 촉매 폼(200)의 여러 영역에 고르게 열을 전달하는 것이 중요하다. 국부적으로 열을 제공하였을 때에는 열이 제공된 영역과 그 인접 영역에서는 수소 추출 반응이 활발하게 수행되나 열이 제공된 영역과 먼 곳에서는 수소 추출 반응이 발생하지 않거나 효율이 저하되기 때문에, 반응기 효율이 낮다.Extracting hydrogen from the hydrogen storage compound described above in the catalyst foam 200, the so-called dehydrogenation reaction may be an endothermic reaction. Therefore, a continuous heat supply is required to extract hydrogen from the hydrogen storage compound. In addition, as described above, when the reactor 100 is a continuous reactor or when the catalyst foam 200 is extended in one direction and provided for a long time, it is important to evenly transfer heat to various regions of the catalyst foam 200 . . When heat is locally applied, the hydrogen extraction reaction is actively performed in the region to which the heat is provided and the region adjacent thereto, but the hydrogen extraction reaction does not occur or the efficiency is lowered in the region far from the region to which the heat is provided, so the reactor efficiency is low.

촉매 폼(200)에 상술한 것과 같이 고르게 열을 전달하기 위하여 열원(300)이 제공된다.A heat source 300 is provided to evenly transfer heat to the catalyst foam 200 as described above.

열원(300)은 촉매 폼(200)에 열을 전달하기 위한 장치로, 반응기(100) 내부에 열을 공급한다. 열원(300)은 촉매 폼(200)에 부착된 전극 형태로 제공되고, 전극은 촉매 폼(200)에 전류를 공급하여 촉매 폼(200)으로부터 줄 발열(Joule Heating)이 발생하도록 할 수 있다. 따라서, 이 경우에 열원(300)은 촉매 폼(200) 또는 반응기(100)의 특정 영역에 국부적으로 열 에너지를 공급하는 것이 아니라, 전기 에너지를 촉매 폼(200) 전체 영역에 공급하고, 촉매 폼(200)에서 줄 발열에 의해 전기 에너지가 열 에너지로 변환되도록 할 수 있다. 이에 따라, 촉매 폼(200)의 전 영역에서 고르게 열 에너지가 발생할 수 있다.The heat source 300 is a device for transferring heat to the catalyst foam 200 , and supplies heat to the inside of the reactor 100 . The heat source 300 may be provided in the form of an electrode attached to the catalyst foam 200 , and the electrode may supply current to the catalyst foam 200 to generate Joule heating from the catalyst foam 200 . Therefore, in this case, the heat source 300 supplies electric energy to the entire area of the catalyst foam 200, rather than locally supplying thermal energy to a specific area of the catalyst foam 200 or the reactor 100, and the catalyst foam. In (200), electrical energy may be converted into thermal energy by Joule heating. Accordingly, thermal energy may be uniformly generated in the entire region of the catalyst foam 200 .

열원(300)이 상술한 형태로 제공됨에 따라 촉매 폼(200) 전체가 일종의 발열 장치로 이용될 수 있다. 이때 촉매 폼(200)은 열적으로 안정적인 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)의 합금으로 구성될 수 있다. 또한, 상술한 조성의 촉매 폼(200)은 고온에서 변형되거나 산소 또는 암모니아와 반응하여 부식될 우려가 없다는 장점이 있다.As the heat source 300 is provided in the form described above, the entire catalyst foam 200 may be used as a kind of heat generating device. In this case, the catalyst foam 200 may be formed of an alloy of thermally stable nickel (Ni), chromium (Cr), and aluminum (Al). In addition, the catalyst foam 200 of the above composition has the advantage that there is no fear of being deformed at high temperature or corroded by reacting with oxygen or ammonia.

열원(300)은 촉매 폼(200)과 전기적으로 연결되는 전극부 및 전극부로 전류를 공급하기 위한 전원부를 더 포함할 수 있다. 전극부는 도전성이 높은 재료로 구성되며, 수소 저장 화합물과 불필요하게 반응하는 것을 피하기 위하 반응기(100) 밖에 제공될 수 있다. 따라서, 촉매 폼(200)은 일부가 반응기(100)에서 도출된 형태를 나타낼 수 있고, 촉매 폼(200)의 돌출된 영역은 열원(300)의 전극부와 전기적으로 연결될 수 있다. 전원부는 전극부에 전류를 공급하기 위한 전원장치로 직류 전원 또는 교류 전원을 공급할 수 있다.The heat source 300 may further include an electrode unit electrically connected to the catalyst foam 200 and a power supply unit for supplying current to the electrode unit. The electrode part is made of a material with high conductivity, and may be provided outside the reactor 100 to avoid unnecessary reaction with the hydrogen storage compound. Accordingly, the catalyst foam 200 may represent a form in which a portion is derived from the reactor 100 , and the protruding region of the catalyst foam 200 may be electrically connected to the electrode portion of the heat source 300 . The power supply unit is a power supply device for supplying current to the electrode unit, and may supply DC power or AC power.

열원(300)의 형태가 도면에 도시된 것에 국한되는 것은 아니다. 예를 들어, 열원(300)의 전극부는 촉매 폼(200)과 이격되어 제공될 수도 있다. 이 경우, 예를 들어, 열원(300)의 전극부는 교류 전원을 공급하는 전원부와 연결되고, 유도 가열을 이용하여 촉매 폼(200)을 가열할 수도 있다.The shape of the heat source 300 is not limited to that shown in the drawings. For example, the electrode portion of the heat source 300 may be provided to be spaced apart from the catalyst foam 200 . In this case, for example, the electrode part of the heat source 300 may be connected to a power supply for supplying AC power, and the catalyst foam 200 may be heated using induction heating.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응기에 대하여 살펴보았다. 본원 발명에 따른 수소 추출 반응기는 넓은 비표면적을 갖는 촉매 폼(200)의 전체 영역에서 줄 발열이 발생하도록 하여 높은 열 효율 및 수소 추출 효율을 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응기는 고압 강하, 독성 배출, 고유 연소 복잡성 및 산화를 위한 추가 촉매 필요성이 없다는 장점이 있다.In the above, a hydrogen extraction reactor according to an embodiment of the present invention was examined. The hydrogen extraction reactor according to the present invention may exhibit high thermal efficiency and hydrogen extraction efficiency by causing Joule heat to occur in the entire area of the catalyst foam 200 having a large specific surface area. In addition, the hydrogen extraction reactor according to an embodiment of the present invention has the advantages of high pressure drop, toxic emissions, inherent combustion complexity, and no need for additional catalysts for oxidation.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 폼의 변형된 형태에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.Hereinafter, the modified form of the catalyst foam according to an embodiment of the present invention will be looked at in more detail.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 폼을 모식적으로 나타낸 이미지와 TEM 이미지이다.2 and 3 are images and TEM images schematically showing the catalyst foam according to an embodiment of the present invention.

도 2와 도 3을 참고하면, 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al) 외에 부촉매를 더 포함할 수 있다. 촉매 폼은 구체적으로 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 촉매 폼 기재와 상기 촉매 폼 기재 상에 제공된 부촉매를 더 포함할 수 있다.2 and 3 , the catalyst foam may further include a co-catalyst in addition to nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al). The catalyst foam may further include a catalyst foam substrate including nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and a cocatalyst provided on the catalyst foam substrate.

촉매 폼 기재는 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)의 합금을 포함하며, 내부에 공극을 포함하는 기재일 수 있다. 촉매 폼 기재의 공극률(porosity)은 약 70% 내지 약 90%일 수 있고, 비표면적은 약 3.0 m2/L 내지 5 m2/L일 수 있다. 촉매 폼 기재가 상술한 범위의 공극률 및 비표면적을 가짐으로써, 상술한 발열량 및 반응 면적에서의 유리한 효과가 나타날 수 있다.The catalyst foam substrate includes an alloy of nickel (Ni), chromium (Cr), and aluminum (Al), and may be a substrate including voids therein. The porosity of the catalyst foam substrate may be about 70% to about 90%, and the specific surface area may be about 3.0 m 2 /L to 5 m 2 /L. When the catalyst foam substrate has a porosity and a specific surface area in the above-described ranges, advantageous effects in the above-described calorific value and reaction area may be exhibited.

촉매 폼 기재 상에는 부촉매가 제공될 수 있다. 부촉매는 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응을 촉진할 수 있다. 부촉매는 예를 들어, 루테늄(Ru)일 수 있다. 루테늄은 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응을 촉진할 수 있지만 가격이 비싸기 때문에 다량 사용하기 어렵다는 문제가 있다. 종래 기술의 경우 수소 생산 반응 효율을 높이기 위하여 다량의 루테늄을 사용하였으나, 본 발명의 경우에는 루테늄이 부촉매로 기능할 뿐이며, 루테늄 없이도 상업적으로 이용 가능한 정도의 수소 추출 반응 효율을 확보할 수 있다. 다만, 수소 추출 반응 장치의 효율을 상용적 수준보다 높게 올릴 필요가 있을 때 루테늄과 같은 부촉매를 촉매 폼 상에 함께 사용할 수 있다.A co-catalyst may be provided on the catalyst foam substrate. The co-catalyst may catalyze a reaction to extract hydrogen from the hydrogen storage compound. The co-catalyst may be, for example, ruthenium (Ru). Ruthenium can promote the reaction of extracting hydrogen from a hydrogen storage compound, but it is difficult to use in large amounts because of its high price. In the case of the prior art, a large amount of ruthenium was used to increase the hydrogen production reaction efficiency, but in the present invention, ruthenium only functions as a co-catalyst, and it is possible to secure a commercially available hydrogen extraction reaction efficiency without ruthenium. However, when it is necessary to raise the efficiency of the hydrogen extraction reaction device higher than the commercial level, a co-catalyst such as ruthenium may be used together on the catalyst foam.

부촉매는 촉매 폼 기재 표면 상에 삽입되거나, 촉매 폼 기재 표면에 코팅 층 형태로 제공될 수 있다.The co-catalyst may be intercalated on the surface of the catalyst foam substrate or provided in the form of a coating layer on the surface of the catalyst foam substrate.

도 2를 참고하면, 촉매 폼 기재 표면 상에 부촉매가 삽입된 형태를 확인할 수 있다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 부촉매의 일부는 촉매 폼 기재 상에 삽입되고 일부 영역은 촉매 폼 기재 표면에서 도출되어 제공된다. 부촉매는 촉매 폼 기재의 표면에 고르게 분산되어 제공될 수 있다. 삽입된 부촉매의 돌출된 영역에서 수소 저장 물질이 반응할 수 있다.Referring to FIG. 2 , it can be seen that the sub-catalyst is inserted on the surface of the catalyst foam substrate. As can be seen from the drawings, a part of the subcatalyst is inserted on the catalyst foam substrate and a portion of the subcatalyst is provided derived from the surface of the catalyst foam substrate. The subcatalyst may be provided uniformly dispersed on the surface of the catalyst foam substrate. The hydrogen storage material may react in the protruding region of the intercalated subcatalyst.

도 3을 참고하면, 촉매 폼 기재 표면에 코팅 층 형태로 제공된 부촉매를 확인할 수 있다. 이때 촉매 폼 표면에 제공되는 코팅 층은 코팅 기재와 코팅 기재 상에 삽입된 부촉매를 포함할 수 있다. 코팅 기재는 예를 들어 도면에 도시된 것과 같이 알루미늄 산화물(Al2O3)일 수 있다. 다만, 코팅 기재의 종류는 상술한 물질에 한정되는 것이 아니며 열 전도성이 우수하고, 부촉매의 활성에 영향을 주지 않으면서 수소 저장 물질 및 수소 가스와 반응하지 않는 물질이라면 어떠한 것도 가능하다.Referring to FIG. 3 , it can be seen that the subcatalyst is provided in the form of a coating layer on the surface of the catalyst foam substrate. In this case, the coating layer provided on the surface of the catalyst foam may include a coating substrate and a subcatalyst inserted on the coating substrate. The coating substrate may be, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) as shown in the drawings. However, the type of the coating substrate is not limited to the above-described material, and any material is possible as long as it has excellent thermal conductivity and does not react with a hydrogen storage material and hydrogen gas without affecting the activity of the subcatalyst.

부 촉매가 코팅 층 형태로 제공되는 때, 코팅 기재에는 복수 개의 부촉매가 삽입되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 도면에 나타난 것과 같이 알루미늄 산화물 기재 표면에 복수 개의 루테늄이 삽입되고, 알루미늄 산화물은 촉매 폼 기재 표면에서 코팅을 형성할 수 있다.When the sub-catalyst is provided in the form of a coating layer, a plurality of sub-catalysts may be inserted and provided in the coating substrate. For example, as shown in the drawings, a plurality of ruthenium is inserted into the surface of the aluminum oxide substrate, and the aluminum oxide may form a coating on the surface of the catalyst foam substrate.

부촉매를 포함한 경우에는 수소 저장 화합물로부터의 수소 추출 반응 효율이 더 향상될 수 있다. 다만, 부촉매로 루테늄과 같은 금속을 사용하는 경우 반응기의 제작 단가가 증가하고, 반응기 설계가 보다 복잡해질 수 있다.When a co-catalyst is included, the hydrogen extraction reaction efficiency from the hydrogen storage compound may be further improved. However, when a metal such as ruthenium is used as a co-catalyst, the manufacturing cost of the reactor may increase, and the design of the reactor may become more complicated.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 장치는 반응기, 촉매 폼, 열원을 포함하여 열 손실 없이 높은 효율로 수소 추출을 수행할 수 있다. 수소 추출 반응 장치는 수소를 이용하는 장치의 일부로서 이용될 수 있다. 예를 들어, 수소 추출 반응 장치는 수소를 이용하는 연료전지의 일부로 이용될 수 있다. 이하에서는 수소 추출 반응 장치를 포함하는 연료전지에 대하여 살펴보고자 한다.In the above, the hydrogen extraction reaction apparatus according to an embodiment of the present invention can perform hydrogen extraction with high efficiency without heat loss, including a reactor, a catalyst foam, and a heat source. A hydrogen extraction reaction apparatus may be used as part of an apparatus using hydrogen. For example, the hydrogen extraction reaction apparatus may be used as a part of a fuel cell using hydrogen. Hereinafter, a fuel cell including a hydrogen extraction reaction device will be described.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 나타낸 사시도이다.4 is a perspective view illustrating a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 수소 추출 반응 장치(10); 수소 추출 반응 장치(10)로부터 발생한 가스 중 수소 가스로부터 전자를 분리하여 전기를 생성하는 스택(20)을 포함하고, 수소 추출 반응 장치(10)는 수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기; 상기 반응기 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam); 및 상기 촉매 폼에 열을 제공하는 열원(Heat Source)을 포함하고, 상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함한다.Referring to FIG. 4 , a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen extraction reaction device 10 ; and a stack 20 for generating electricity by separating electrons from hydrogen gas among the gas generated from the hydrogen extraction reaction device 10, and the hydrogen extraction reaction device 10 includes a reaction for extracting hydrogen from a hydrogen storage compound reactor; Catalytic foam provided inside the reactor; and a heat source for providing heat to the catalyst foam, wherein the catalyst foam includes nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and includes pores therein.

연료전지에 있어서, 수소 추출 반응 장치(10)에 관한 사항은 앞서 서술한 것과 동일하며, 이하에서는 내용의 중복을 피하기 위하여 설명을 생략하고자 한다.In the fuel cell, the details regarding the hydrogen extraction reaction device 10 are the same as those described above, and the description will be omitted below in order to avoid overlapping of the contents.

스택(20)은 수소 추출 반응 장치(10)로부터 공급되는 수소 가스를 흡입하여 전기를 발생시키는 장치일 수 있다. 스택(20)은 이를 위하여 음극, 전해질, 양극을 포함할 수 있다.The stack 20 may be a device for generating electricity by sucking the hydrogen gas supplied from the hydrogen extraction reaction device 10 . The stack 20 may include an anode, an electrolyte, and an anode for this purpose.

스택(20)의 작동 원리에 대하여 더 자세히 살펴보면, 수소 추출 반응 장치(10)로부터 제공된 수소 가스는 음극으로 이동하여 전자를 잃고 전해질에서 수소 이온(H+) 형태로 전환된다. 이때 수소 가스가 잃은 전자는 음극과 연결된 배선을 따라 이동한다. 음극과 전해질에 의해 분리된 양극에서는 수소 이온과 산소, 전자가 만나 물이 생성된다. 이때 음극과 양극 사이에 전위차가 발생하게 되며, 음극 및 양극과 연결된 배선을 따라 전류가 흐르게 된다.Looking more closely at the operating principle of the stack 20 , the hydrogen gas provided from the hydrogen extraction reaction device 10 moves to the cathode to lose electrons and is converted into hydrogen ions (H + ) in the electrolyte. At this time, the electrons lost by the hydrogen gas move along the wiring connected to the cathode. At the anode separated by the cathode and electrolyte, hydrogen ions, oxygen, and electrons meet to form water. At this time, a potential difference is generated between the cathode and the anode, and a current flows along the wiring connected to the cathode and the anode.

다만, 본원 발명에 따른 연료전지에 포함된 스택(20)이 상술한 구성에 한정되는 것은 아니다. 연료전지는 수소를 이용하는 형태라면 어떠한 것도 가능하며, 스택(20)의 구조는 이에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 연료전지는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)일 수 있고, 이 경우에는 스택(20) 내 전해질에서 수소 이온이 아니라 탄산염 이온이 이동할 수 있다. 또한, 다른 예에서는 연료전지는 고체산화물 연료전지, 인산형 연료전지 등일 수 있다. 연료전지는 수소를 이용하는 것이라면 어떠한 종류로도 구현될 수 있다.However, the stack 20 included in the fuel cell according to the present invention is not limited to the above-described configuration. The fuel cell may be any type using hydrogen, and the structure of the stack 20 may vary accordingly. For example, the fuel cell may be a molten carbonate fuel cell (MCFC), and in this case, carbonate ions, not hydrogen ions, may move in the electrolyte in the stack 20 . Also, in another example, the fuel cell may be a solid oxide fuel cell, a phosphoric acid type fuel cell, or the like. The fuel cell may be implemented in any type as long as it uses hydrogen.

이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 추출 반응 장치, 연료전지에 대하여 살펴보았다. 이하에서는 실시예를 토대로 본 발명에 따른 수소 추출 반응 장치의 유리한 효과에 대하여 더 자세히 살펴보고자 한다.In the above, a hydrogen extraction reaction device and a fuel cell according to an embodiment of the present invention have been described. Hereinafter, we will look at the advantageous effects of the hydrogen extraction reaction apparatus according to the present invention in more detail based on the examples.

제조예. 촉매 폼 준비manufacturing example. Catalyst Foam Preparation

제조예 1-1. 촉매 폼 기재 준비Preparation Example 1-1. Catalyst Foam Substrate Preparation

촉매 폼 기재로서 개방 셀 NiCrAl 폼을 사용하였다.시트 형태의 촉매 폼 기재는 와이어 절단을 통해 원형 막대(직경: 5 mm, 길이: 20mm)로 절단되었다.An open cell NiCrAl foam was used as the catalytic foam substrate. The catalytic foam substrate in the form of a sheet was cut into circular rods (diameter: 5 mm, length: 20 mm) through wire cutting.

제조예 1-2, 제조예 1-3. 부촉매 촉매 준비Preparation 1-2, Preparation 1-3. Cocatalyst Catalyst Preparation

제조예 1-2와 제조예 1-3에서는 촉매 폼 기재만을 사용하였을 경우와 비교하기 위하여, 촉매 폼 기재 상에 부촉매를 제공하였다. 부촉매로는 루테늄 촉매를 이용하였고, 이를 위해 Ru 촉매 전구체로 Ruthenium chloride hydrate (RuCl3.xH2O with Ru 함량 46.98 wt.%, Sigma Aldrich)를 사용했다.In Preparation Examples 1-2 and Preparation 1-3, in order to compare with the case where only the catalyst foam substrate was used, a subcatalyst was provided on the catalyst foam substrate. A ruthenium catalyst was used as a co-catalyst, and for this purpose, Ruthenium chloride hydrate (RuCl 3 .xH 2 O with Ru content 46.98 wt.%, Sigma Aldrich) was used as a Ru catalyst precursor.

제조예 1-2. 부촉매 삽입 촉매 폼(iRu/NF)Preparation 1-2. Cocatalyst Intercalation Catalyst Foam (iRu/NF)

iRu/NF로 표시되는 루테늄이 삽입된 촉매 폼은 RuCl3 수용액을 사용하여 습식 함침을 통해 제조되었다. 구체적으로, RuCl3.xH2O 분말을 탈 이온수에 첨가하고 균일 한 용액이 얻어질 때까지 혼합하였다. 그런 다음 거품 표면의 최대 젖음이 달성되는 방식으로 용액을 거품에 조심스럽게 주입했다. 함침은 각 단계 사이에 진공 하에 100℃에서 건조하면서 두 번 수행되었다.A catalyst foam into which ruthenium is inserted, represented by iRu/NF, was prepared through wet impregnation using an aqueous RuCl 3 solution. Specifically, RuCl 3 .xH 2 O powder was added to deionized water and mixed until a uniform solution was obtained. The solution was then carefully injected into the foam in such a way that maximum wetting of the foam surface was achieved. Impregnation was performed twice with drying at 100° C. under vacuum between each step.

제조예 1-3. 부촉매 코팅 촉매 폼(cRu/NF)Preparation Example 1-3. Cocatalyst Coated Catalyst Foam (cRu/NF)

cRu/NF로 표시된 코팅된 촉매 폼을 준비하기 위해 세라믹 지지체에 Ru를 함침시킨 다음 촉매 폼 기재 표면에 Ru이 함침된 세라믹 지지체를 코팅했다.To prepare a coated catalyst foam represented by cRu/NF, a ceramic support was impregnated with Ru, and then the surface of the catalyst foam substrate was coated with a ceramic support impregnated with Ru.

이를 위해 먼저, 알루미나 펠릿 (γ-Al2O3, Alfa Aesar)을 평균 크기가 500 μm 미만인 입자로 분쇄했다. 그런 다음 분쇄된 알루미나 입자를 초기 습식 함침 방법을 사용하여 Ru로 함침하였다. 함침된 촉매 입자를 진공 하에 100℃에서 12 시간 동안 건조시켰다.To this end, first, alumina pellets (γ-Al2O3, Alfa Aesar) were ground into particles with an average size of less than 500 μm. The pulverized alumina particles were then impregnated with Ru using an initial wet impregnation method. The impregnated catalyst particles were dried under vacuum at 100° C. for 12 hours.

다음으로, 슬러리를 제조하기 위해 촉매 입자의 매트릭스 바인더로 폴리 비닐 알코올(PVA, Sigma Aldrich)을 사용하였다. 구체적으로 75 g의 탈 이온수에 PVA 비드 5 g을 넣고 60℃에서 2 시간 동안 자기적으로 교반하였다. 그 다음 점성 혼합물을 교반하지 않고 방치하여 밤새 침전시켰다. 제조된 Ru/Al2O3 분말을 특정 비율로 바인더에 첨가하여 촉매 워시 코트를 제조하였다. 촉매 폼 상에 촉매 슬러리를 코팅하는 것은 iRu/NF 제조예에서 설명한 함침 절차와 유사하게 수행했다.Next, polyvinyl alcohol (PVA, Sigma Aldrich) was used as a matrix binder of catalyst particles to prepare a slurry. Specifically, 5 g of PVA beads were added to 75 g of deionized water and magnetically stirred at 60° C. for 2 hours. The viscous mixture was then left without stirring to allow it to settle overnight. The prepared Ru/Al 2 O 3 powder was added to a binder in a specific ratio to prepare a catalyst wash coat. The coating of the catalyst slurry on the catalyst foam was performed similarly to the impregnation procedure described in the iRu/NF Preparation Example.

실시예 1. 촉매 활성 분석Example 1. Catalytic Activity Analysis

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촉매 폼의 형태 및 활성을 분석한 결과이다.5 is a result of analyzing the form and activity of a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.

도 5의 a를 참고하면, 부촉매가 담지되지 않은 촉매 폼(bare NF), iRu/NF 및 cRu/NF의 형태를 확인할 수 있다. 도면을 참고하면 촉매 폼의 표면에 결절 구조가 존재함을 알 수 있다. cRu/NF 제조에 사용되는 분말 촉매의 형태학적 특성도 도 5의 a'에 요약되어 있다.Referring to a of FIG. 5 , the forms of catalyst foam (bare NF), iRu/NF and cRu/NF in which a co-catalyst is not supported can be confirmed. Referring to the drawings, it can be seen that a nodular structure exists on the surface of the catalyst foam. The morphological properties of the powder catalyst used for cRu/NF preparation are also summarized in Fig. 5a'.

도 5의 b에 표시된 X선 회절도는 촉매 폼 표면의 Ni3Al 상, iRu/NF 표면의 Ru 피크 및 cRu/NF 표면의 Al2O3 피크에 대해 검출된 지표 피크를 나타낸다. 도면을 참고하면, 각각 44, 52 및 77의 2θ에서 Ru(111), (200) 및 (220) 격자에 해당하는 전형적인 피크가 감지되었다. Ni 폼에 Ru이 전착된 형태를 나타냄을 의미한다.The X-ray diffraction diagram shown in FIG. 5 b shows the index peaks detected for the Ni 3 Al phase on the surface of the catalyst foam, the Ru peak on the iRu/NF surface, and the Al 2 O 3 peak on the cRu/NF surface. Referring to the figure, typical peaks corresponding to Ru(111), (200) and (220) lattices were detected at 2θ of 44, 52 and 77, respectively. It means that Ru is electrodeposited on Ni foam.

In vitro 시험의 결과는 도 5의 c에 나와 있다. 여기에서 볼 수 있듯이 NH3 변환은 온도에 따라 증가하여 cRu / NF에 대해 550℃ 및 1000 mL/gCat/h의 GHSV에서 최대 ca인 68 %에 도달함을 알 수 있다. 분석된 촉매 활성은 cRu/N F> iRu/NF > NF순으로 나타났다.The results of the in vitro test are shown in Fig. 5c. As can be seen here, it can be seen that the NH 3 conversion increases with temperature, reaching a maximum ca of 68% at GHSV of 550 °C and 1000 mL/gCat/h for cRu/NF. The analyzed catalytic activity was shown in the order of cRu/N F > iRu/NF > NF.

실시예 2. 수소 추출 반응 효율 분석Example 2. Analysis of hydrogen extraction reaction efficiency

상술한 제조예 1-1 내지 1-3에 따른 촉매 폼을 이용하여 수소 추출 반응 효율을 분석했다. 제조예 1-1 내지 1-3에 따른 촉매 폼은 줄 발열을 이용하는 수소 추출 반응 장치 내에 제공됐다.Hydrogen extraction reaction efficiency was analyzed using the catalyst foams according to Preparation Examples 1-1 to 1-3 described above. Catalyst foams according to Preparation Examples 1-1 to 1-3 were provided in a hydrogen extraction reaction device using Joule heat.

수소 추출 반응 장치에서 조정된 DC 전원 공급 장치를 사용하여 전기 바이어스를 적용했다. 촉매 폼 시료는 반응기 양 끝에서 구리 튜브에 고정되었고 구리 튜브는 전도성 전극으로 사용되었다. An electrical bias was applied using a regulated DC power supply in the hydrogen extraction reactor. Catalyst foam samples were fixed to copper tubes at both ends of the reactor, and the copper tubes were used as conductive electrodes.

수소 추출 반응 장치 온도는 공급 가스 입구, 중심점 및 가스 출구에서 석영으로 외벽이 이루어진 반응기(enclosure)에 삽입된 3개의 K형 열전대를 사용하여 측정되었다. The hydrogen extraction reactor temperature was measured using three K-type thermocouples inserted into a quartz outer walled reactor at the feed gas inlet, center point and gas outlet.

공급 가스 유량은 열 질량 유량 컨트롤러를 사용하여 조정되었다. 수소 추출 반응 장치는 수소 저장 화합물인 NH3에 노출되기 전에 2 시간 동안 환원되었다.The feed gas flow rate was adjusted using a thermal mass flow controller. The hydrogen extraction reactor was reduced for 2 hours before exposure to the hydrogen storage compound, NH 3 .

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 촉매 폼을 포함하는 수소 추출 반응 장치의 수소 추출 반응 효율을 분석한 그래프이다.6 is a graph analyzing the hydrogen extraction reaction efficiency of a hydrogen extraction reaction apparatus including a catalyst foam according to an embodiment of the present invention.

도 6은 iRu/NF(속이 빈 마커로 표시) 및 cRu/NF(속이 색칠된 마커로 표시) 반응기의 NH3 전환 및 개질 효율에 대한 추세를 보여준다. Bare NF(모든 그래프에서 연속적인 검은색 선으로 표시됨)는 상대적으로 낮은 전환 및 개질 효율을 나타내지만, Bare NF에서 보여주는 수치를 확인하였을 때 부촉매 없이 상업적으로 촉매 폼을 이용할 수 있음을 확인하였다. 6 shows trends for NH 3 conversion and reforming efficiency of iRu/NF (indicated by hollow markers) and cRu/NF (indicated by solid markers) reactors. Bare NF (indicated by a continuous black line in all graphs) shows relatively low conversion and reforming efficiency, but when checking the values shown in Bare NF, it was confirmed that the catalyst foam can be used commercially without a co-catalyst.

일반적으로 입력 전력을 증가시킴에 따라 전환율 및 NH3 공급 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 가장 높은 NH3 전환율은 Pin 50W, GHSV 1827mLNH3/ gFoam/h에서 99.99 % 이상으로 확인되었다(도 6의 a 및 b 참고). 또한, 도 6의 c와 d에서 보는 바와 같이 입력 전력이 증가함에 따라 반응기의 개질 효율이 증가하는 것을 확인하였다.In general, it was confirmed that the conversion rate and the NH 3 supply rate increased as the input power was increased. The highest NH 3 conversion rate was found to be 99.99% or more in P in 50W, GHSV 1827mL NH3 / g Foam /h (see FIGS. 6 a and b). In addition, as shown in c and d of FIG. 6 , it was confirmed that the reforming efficiency of the reactor increased as the input power increased.

도 6과 표 1에서 볼 수 있듯이, cRu/NF의 낮은 Ru 로딩(iRu/NF의 절반 미만)에도 불구하고 촉매 활성은 다소 유사하고 일부 지점에서 훨씬 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 코팅 기재 상에 사전 함침된 촉매를 사용할 경우, Ru 입자를 더 우수하게 분산할 수 있음을 의미한다. 이에 따라 더 적은 양의 Ru를 사용하고도 우수한 효율의 수소 추출 반응 장치를 구현할 수 있음을 확인하였다. 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.As can be seen in FIG. 6 and Table 1, it was confirmed that, despite the low Ru loading of cRu/NF (less than half that of iRu/NF), the catalytic activity was somewhat similar and much higher at some points. This means that when the catalyst pre-impregnated on the coating substrate is used, the Ru particles can be better dispersed. Accordingly, it was confirmed that a hydrogen extraction reaction apparatus with excellent efficiency can be implemented even with a smaller amount of Ru. Although the above has been described with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art or those having ordinary knowledge in the technical field will not depart from the spirit and technical scope of the present invention described in the claims to be described later. It will be understood that various modifications and variations of the present invention can be made without departing from the scope of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

Claims (9)

수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기;
상기 반응기 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam); 및
상기 촉매 폼에 열을 제공하는 열원(Heat Source)을 포함하고,
상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함하는, 수소 추출 반응 장치.
a reactor in which a reaction for extracting hydrogen from the hydrogen storage compound is performed;
Catalytic foam provided inside the reactor; and
Containing a heat source (Heat Source) for providing heat to the catalyst foam,
The catalyst foam includes nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and includes a void therein, a hydrogen extraction reaction device.
제1항에 있어서,
상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 촉매 폼 기재와 상기 촉매 폼 기재 상에 제공된 부촉매를 더 포함하는, 수소 추출 반응 장치.
According to claim 1,
The catalytic foam further comprises a catalytic foam substrate comprising nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and a subcatalyst provided on the catalytic foam substrate.
제2항에 있어서,
상기 부촉매는 루테늄(Ru)을 포함하는, 수소 추출 반응 장치.
3. The method of claim 2,
The subcatalyst comprises ruthenium (Ru), a hydrogen extraction reaction device.
제2항에 있어서,
상기 부촉매는 상기 촉매 폼 기재의 표면 상에 삽입되거나, 코팅 층을 형성하기 위한 코팅 기재 상에 삽입된 형태로 상기 촉매 폼 기재의 표면 상에 코팅되어 제공되는, 수소 추출 반응 장치.
3. The method of claim 2,
The subcatalyst is inserted on the surface of the catalytic foam substrate, or provided by being coated on the surface of the catalytic foam substrate in a form inserted on the coating substrate for forming a coating layer.
제1항에 있어서,
상기 열원은 상기 촉매 폼에 부착된 전극 형태로 제공되고,
상기 전극은 상기 촉매 폼에 전류를 공급하여 상기 촉매 폼으로부터 줄 발열(Joule heating)이 발생하도록 하는, 수소 추출 반응 장치.
According to claim 1,
The heat source is provided in the form of an electrode attached to the catalyst foam,
The electrode supplies an electric current to the catalytic foam so that Joule heating is generated from the catalytic foam.
제1항에 있어서,
상기 수소 저장 화합물은 암모니아를 포함하고,
상기 반응기 내부에서는 상기 암모니아로부터 수소가 추출되는 반응이 수행되는, 수소 추출 반응 장치.
According to claim 1,
the hydrogen storage compound comprises ammonia,
In the reactor, a reaction in which hydrogen is extracted from the ammonia is performed, a hydrogen extraction reaction device.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 일 방향으로 연장된 튜브 형태로 제공되고,
상기 반응기의 일 측으로는 상기 수소 저장 화합물이 제공되고,
상기 반응기의 타 측으로는 수소가 배출되는, 수소 추출 반응 장치.
According to claim 1,
The reactor is provided in the form of a tube extending in one direction,
One side of the reactor is provided with the hydrogen storage compound,
Hydrogen is discharged to the other side of the reactor, a hydrogen extraction reaction device.
제7항에 있어서,
상기 촉매 폼은 튜브 형태의 상기 반응기 내부에 상기 반응기의 연장 방향을 따라 충전되어 제공되는, 수소 추출 반응 장치.
8. The method of claim 7,
The catalyst foam is provided to be filled along the extension direction of the reactor inside the reactor in the form of a tube, a hydrogen extraction reaction device.
수소 추출 반응 장치;
상기 수소 추출 반응 장치로부터 발생한 가스 중 수소 가스로부터 전자를 분리하여 전기를 생성하는 스택을 포함하고,
상기 수소 추출 반응 장치는
수소 저장 화합물로부터 수소를 추출하는 반응이 수행되는 반응기;
상기 반응기 내부에 제공되는 촉매 폼(Catalytic Foam); 및
상기 촉매 폼에 열을 제공하는 열원(Heat Source)을 포함하고,
상기 촉매 폼은 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 알루미늄(Al)을 포함하며 내부에 공극을 포함하는, 연료 전지.
hydrogen extraction reactor;
A stack for generating electricity by separating electrons from hydrogen gas among the gas generated from the hydrogen extraction reaction device,
The hydrogen extraction reaction device is
a reactor in which a reaction for extracting hydrogen from the hydrogen storage compound is performed;
Catalytic foam provided inside the reactor; and
Containing a heat source (Heat Source) for providing heat to the catalyst foam,
The catalytic foam includes nickel (Ni), chromium (Cr) and aluminum (Al) and includes pores therein.
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