KR20230089150A - 탈수소화 반응 장치 - Google Patents

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이재용
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김윤도
이유진
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남석우
손현태
김용민
정향수
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Abstract

탈수소화 반응 장치가 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 화학적 수소화물을 저장하는 반응 용기를 포함하는 탈수소화 반응기; 및 상기 탈수소화 반응기에서 생성된 일산화탄소를 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기를 포함할 수 있다.

Description

탈수소화 반응 장치 {DEHYDROGENATION REACTION APPARATUS}
본 발명은 탈수소화 반응 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탈수소화 반응 과정에서 발생하는 일산화탄소를 제거하는 탈수소화 반응 장치에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈 및 환경 오염 문제로 인하여 신재생 대체 에너지에 대한 요구가 크며, 그러한 대체 에너지의 하나로서 수소가 주목 받고 있다.
연료전지와 수소연소장치는 수소를 반응 가스로 사용하고 있는데, 연료전지와 수소연소장치를 자동차나 각종 전자 제품 등에 응용하기 위해서는 수소의 안정적이고 지속적인 공급 기술이 필요하다.
이와 같은, 수소를 이용하는 장치에 수소를 공급하기 위하여 별도로 설치된 수소 공급소로부터 수소가 필요할 때마다 수소를 공급받는 방식을 사용할 수 있다. 이러한 방식에서는 압축 수소나 액화 수소를 사용할 수 있다.
종래에는 연료전지 또는 수소연소장치에 수소를 공급하기 위해 반응 용기내에 저장된 수소화물에 산 수용액을 주입하여 수소를 발생시키는데, 수소화물과 산 수용액이 반응하는 과정에서 일산화탄소가 생성된다.
반응 용기에서 생성된 수소와 일산화탄소가 연료 전지로 공급되면, 연료 전지에서 심각한 비활성화가 발생하는 문제가 발생하였다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수소화물과 산 수용액의 반응 과정에서 생성되는 일산화탄소를 제거할 수 있는 탈수소화 반응 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 화학적 수소화물을 저장하는 반응 용기를 포함하는 탈수소화 반응기; 및 상기 탈수소화 반응기에서 생성된 일산화탄소를 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기를 포함할 수 있다.
상기 탈수소화 반응기는 화학적 수소화물을 저장하는 반응 용기; 상기 반응 용기의 내부에 산 수용액을 공급하기 위한 제1 공급구; 상기 반응 용기의 내부에 화학적 수소화물을 공급하기 위한 제2 공급구; 및 상기 반응 용기의 내부에서 생성된 가스를 배출하는 배출구를 포함할 수 있다.
상기 메탄 생성기는 상기 배출구와 연통하는 가스 도관; 및 상기 가스 도관의 내부에 구비되는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 가스 도관은 상기 반응 용기와 접하도록 설치될 수 있다.
상기 촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 도관의 외부를 감싸도록 구비되는 버너를 더 포함할 수 있다.
상기 버너는 수소 버너일 수 있다.
상기 메탄 생성기는 상기 반응 용기의 내부에서 상기 가스 배출구의 상류에 배치되는 격벽; 상기 반응 용기의 내부 상부에 배치되는 상판; 상기 격벽과 상기 반응 용기의 측면의 사이, 그리고 상기 상판과 상기 반응 용기의 내부 상면의 사이에 각각 구비되는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 상판은 타공판 또는 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
상기 촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 반응 용기의 외부를 감싸도록 구비되는 버너를 더 포함할 수 있다.
상기 버너는 수소 버너일 수 있다.
상기 메탄 생성기는 상기 반응 용기의 내부에서 상기 가스 배출구와 유체적으로 연결되는 촉매 하우징; 및 상기 촉매 하우징의 내부에 구비되는 촉매를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 촉매 하우징을 감싸도록 구비되는 버너를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 탈수소화 반응기에서 생성된 수소를 일시적으로 저장한 후 연료 전지로 공급하는 수소 버퍼 탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 반응 용기의 내부에 설치되어 냉매가 순환하는 냉각 코일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 상기 탈수소화 반응기와 상기 수소 버퍼 탱크 사이에 배치되는 배압 조절 밸브; 및 상기 수소 버퍼 탱크와 연료 전지 사이에 배치되는 유량 제어기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치는 산 수용액을 저장하는 산 수용액 탱크; 및 상기 산 수용액 탱크에 저장되는 산 수용액을 상기 탈수소화 반응기로 펌핑하는 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치에 의하면, 수소화물과 산 수용액의 반응 과정에서 생성되는 일산화탄소를 메탄 생성기를 통해 메탄으로 변환함으로써, 일산화탄소에 의한 연료 전지의 피독을 방지할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치의 구성을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 단면도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)는 화학적 수소화물과 산 수용액의 반응에 의해 수소를 생성하는 탈수소화 반응기(10), 탈수소화 반응기(10)에서 생성된 수소를 일시적으로 저장하는 수소 버퍼 탱크(20), 탈수소화 반응기(10)로 공급되는 산 수용액을 저장하는 산 수용액 탱크(40), 화학적 수소화물과 산 수용액의 반응에 의해 부산물로 생성되는 일산화탄소를 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기(50, 60, 70)를 포함할 수 있다.
탈수소화 반응기(10)는 고온 및 고압 조건에서 탈수소화 반응이 이루어질 수 있도록, 고온 및 고압 용기로 구성될 수 있다. 일 예로, 탈수소화 반응기(10)는 원통, 구, 직육면체, 또는 다각 기둥 형상일 수 있고, 특히 원통 형상일 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 탈수소화 반응기(10)는 화학적 수소화물을 저장하도록 내부가 빈 반응 용기(11)를 포함하고, 반응 용기(11)에는 반응 용기(11)의 내부 공간에 산 수용액을 공급하기 위한 제1 공급구(12), 반응 용기(11)의 내부 공간에 화학적 수소화물을 공급하기 위한 제2 공급구(13), 반용 용기의 내부 공간에서 탈수화 반응에 의해 생성된 수소와 일산화탄소가 배출되는 가스 배출구(14)가 형성된다.
본 발명의 실시 예에서 반응 용기(11)의 내부 공간은 필요에 따라, 수소화물과 산 수용액이 반응하는 반응 공간(16)으로 칭하도록 한다.
제1 공급구(12)를 통해 내부 공간에 산 수용액을 공급하도록 제1 공급구(12)와 산 수용액 탱크(40)는 유체적으로 연결된다.
제2 공급구(13)를 통해 공급되는 화학적 수소화물은 분말 형태로 반응 용기(11)의 내부 공간으로 공급될 수 있다. 일 예로, 화학적 수소화물은 주유소에서 반응 용기(11)의 내부 공간에 분말 형태로 충전될 수 있다. 반응 용기(11)의 내부 공간으로 공급되는 화학적 수소화물은 제2 공급구(13)를 통해 설정량 공급되는데, 일 예로, 약 1kg의 수소화물이 반응 용기(11)의 내부 공간에 충전될 수 있다.
화학적 수소화물은 고체 상태로서, 일 예로 분말(powder), 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 펠렛(pellets) 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
화학적 수소화물은 가수분해되어 수소와 가수분해물을 생성시키는 임의의 화합물일 수 있고, 일 예로 NaBH4, LiBH4, KBH4, NH4BH4, NH3BH3, (CH3)4NH4BH4, NaAlH4, LiAlH4, KAlH4, Ca(BH4)2, Mg(BH4)2, NaGaH4, LiGaH4, KGaH4, LiH, CaH2, MgH2, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
탈수소화 반응기(10)의 내부에의 수소 발생 반응(탈수소화 반응)은 발열 반응이므로, 반응열을 냉각하기 위해, 필요에 따라, 반응 용기(11)의 내부에 냉각 코일(19)이 설치될 수 있다. 냉각 코일(19)에는 냉매가 순환되어 화학적 수소화물의 가수분해로 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다.
산 수용액 탱크(40)는 산 수용액을 저장하고, 저장된 산 수용액을 탈수소화 반응기(10)로 공급한다. 산 수용액 탱크(40)와 탈수소화 반응기(10)의 사이에는 주입 밸브(17)가 구비되고, 주입 밸브(17)의 개도량에 의해 탈수소화 반응기(10)로 공급되는 산 수용액의 유량이 결정될 수 있다. 이를 위해, 산 수용액 탱크(40)와 탈수소화 반응기(10)는 유체적으로 연결된다.
산 수용액 탱크(40)와 탈수소화 반응기(10) 사이에는 펌프(41)가 구비되고, 산 수용액 탱크(40)에 저장되는 산 수용액은 펌프(41)에 의해 펌핑되어 탈수소화 반응기(10)로 공급된다.
산 수용액 탱크(40)는 산 수용액에 의한 부식을 방지하기 위하여, 테플론 코팅과 같은 내부식성 보호막이 형성될 수 있다. 산 수용액은 화학적 수소화물의 pH를 조절하여 반감기를 단축시킴으로써 탈수소화 반응이 촉진되도록 한다.
산은 황산, 질산, 인산, 붕산, 또는 염산 등의 무기산, 헤테로폴리산, 아세트산, 포름산, 말릭산, 시트르산, 타르타르산, 아스코브산, 락트산, 옥살산, 숙신산, 타우린산 등의 유기산, 또는 이들의 혼합물일 수 있고, 수소 이온 대비 분자량이 작아 시스템 무게를 줄일 수 있고, 고농도 상태에서 염산보다 안전하다는 점에서 포름산(HCOOH)를 사용할 수 있다.
포름산의 경우는 약산으로서 본 발명에서 서술한 조건에서 낮은 pH로 유지되어 비교적 안전하게 사용할 수 있다. 뿐만 아니라, 포집된 이산화탄소를 수소화(hydrogenation)를 통해서 얻을 수 있어서, 이산화탄소의 재활용/재순환 측면에서 중요한 물질이다. 또한, 포름산염(formate)은 탈수소화 반응을 통해서 탄산염(bicarbonate)으로 변환되는데 이때 추가적으로 수소가 얻어질 수 있다.
수소 버퍼 탱크(20)는 탈수소화 반응 장치(1)에서 생성된 수소를 일시적으로 저장하고, 필요에 따라 수소 버퍼 탱크(20)에 저장된 수소는 연료 전지(30)로 공급된다. 이를 위해, 수소 버퍼 탱크(20)와 탈수소화 반응기(10)는 유체적으로 연결된다.
수소 버퍼 탱크(20)와 탈수소화 반응기(10) 사이에는 배압 조절 밸브(23)(back pressure regulator)가 구비되고, 탈수소화 반응기(10)의 내부 압력이 설정 압력 이상으로 증가하면 수소 버퍼 탱크(20)로 수소가 공급된다.
수소 버퍼 탱크(20)에 일시적으로 저장되는 수소는 연료 전지(30)로 공급된다. 이를 위해, 수소 버퍼 탱크(20)와 연료 전지(30)는 유체적으로 연결된다. 수소 버퍼 탱크(20)와 연료 전지(30)의 사이에는 유량 제어기(MFC: mass flow controller)가 배치되어, 연료 전지(30)로 공급되는 수소 유량이 조절된다.
메탄 생성기(50)는 탈수소화 반응기(10)의 내부 공간에서 수소화물과 산 수용액의 탈수소화 반응에 의해 수소가 생성될 때, 부산물로 생성되는 일산화탄소를 메탄으로 변환시킨다. 메탄 생성기(50)는 탈수소화 반응기(10)와 버퍼 탱크(20)의 사이에 배치될 수 있다.
메탄 생성기(50)는 탈수소화 반응기(10)의 가스 배출구(14)와 유체적으로 연결되는 가스 도관(51), 및 가스 도관(51)의 내부에 구비되는 촉매(55)를 포함할 수 있다. 일 예로, 가스 도관(51)은 탈수소화 반응기(10)의 반용 용기와 접하도록 설치된다.
가스 도관(51)의 내부에 구비되는 촉매(55)는 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 촉매(55)는 고체 상태로서, 일 예로 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 펠렛(pellets) 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
이와 같은 형태의 촉매(55)가 가스 도관(51)의 내부에 채워지고, 탈수소화 반응기(10)에서 배출된 수소와 일산화탄소의 가스가 촉매(55)를 통과하면서 일산화탄소가 메탄으로 변환된다. 일산화탄소의 메탄화는 고온 조건하에서 이루어진다. 예를 들어, 니켈 촉매를 사용하는 경우, 섭씨 약 300도 이상에서 메탄화 반응이 이루어지고, 섭씨 약 340도에서 대부분의 일산화탄소가 메탄으로 변환된다. 하지만, 본 발명의 조건과 같이 높은 수소 분압과 낮은 일산화탄소 조건에서는 섭씨 약 200도 이하에서도 메탄으로의 변환이 가능하다.
본 발명의 실시 예에서, 탈수소화 반응기(10)의 내부에서 이루어지는 발열 반응인 탈수소화 반응에서 발생하는 열을 이용하여 일산화탄소를 메탄화한다. 즉, 메탄 생성기(50)의 가스 도관(51)이 탈수소화 반응기(10)의 반응 용기(11)와 접하도록 설치됨으로써, 탈수소화 반응기(10)에서 발생하는 열이 가스 도관(51)으로 전달되고 가스 도관(51)이 고온 상태를 유지할 수 있게 된다. 따라서, 일산화탄소의 메탄화를 위해 별도의 열원을 구비할 필요가 없기 때문에 탈수소화 반응기(10)의 제조 원가를 절감할 수 있다.
별도로 메탄 생성기(50)의 가스 도관(51)을 가열할 필요가 있는 경우에는, 메탄 생성기(50)의 가스 도관(51)을 감싸도록 버너가 설치될 수 있다. 이때, 버너는 탈수소화 반응기(10)에서 생성된 수소를 이용하는 수소 버너일 수 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)의 동작에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
주유소 등에서 설정량의 화학적 수소화물이 제2 공급구(13)를 통해 고온 및 고압 탈수소화 반응기(10)에 장입된다. 이때, 화학적 수소화물은 고체 상태의 분말, 입상, 구슬, 마이크로캡슐, 또는 펠렛의 형태로 장입된다.
버퍼 탱크(20)의 압력이 설정 압력 이하로 낮아지면, 제1 공급구(12)를 통해 탈수소화 반응기(10)의 내부 공간으로 산 수용액을 주입한다. 이때, 특정 몰비로 혼합된 산 수용액을 펌프(41)(pump)를 이용하여 주입한다. 이때, 주입 속도는 탈수소화 반응기(10)의 크기와 화학적 수소화물의 양에 따라 달라질 수 있다.
산 수용액의 주입에 의해 반응 용기(11) 내부에 장입된 화학적 수소화물과 산 수용액의 탈수소화 반응에 의해 수소가 발생한다. 이때, 반응 용기(11)의 내부 공간에서는 산 수용액에 의한 화학적 수소화물의 가수분해 반응에 의하여 수소가 발생하는 탈수소화 반응이 진행된다. 일 예로, 화학적 수소화물은 NaBH4이고, 산이 HCOOH일 수 있다. NaBH4와 개미산(HCOOH)을 이용하는 시스템의 경우 탈수소화 반응의 온도는 10
Figure pat00001
내지 400
Figure pat00002
이고, 100
Figure pat00003
내지 250
Figure pat00004
일 수 있다.
한편, 반응 용기(11)에서 탈수소화 반응이 진행될 때, 부산물인 일산화탄소가 생성될 수 있다.
반응 용기(11)의 내부 공간에서의 탈수소화 반응에 의해 생성된 수소와 부산물인 일산화탄소는 가스 배출구(14)를 통해 메탄 생성기(50)로 배출된다. 메탄 생성기(50)의 내부에 구비되는 촉매(55)에 의해 가스 도관(51)의 내부로 유입된 일산화탄소는 메탄으로 변환된다. 수소와 메탄은 버퍼 탱크(20)로 공급되고, 버퍼 탱크(20)에 일시적으로 저장된 수소는 연료 전지(30)로 공급된다.
이때, 메탄 생성기(50)의 가스 도관(51)이 고온의 반응 용기(11)와 접하도록 설치됨으로써, 별도로 메탄 생성기(50)를 가열할 필요가 없기 때문에 탈수소화 반응 장치(1)의 제조 원가를 절감할 수 있다. 필요에 따라서는, 버너에 의해 메탄 생성기(50)의 가스 도관(51)을 가열할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 사시도이다. 그리고 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 단면도이다.
앞에서 설명한 탈수소화 반응 장치(1)의 메탄 생성기(60)는 탈수소화 반응기(10)의 외부에 설치되지만, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)의 메탄 생성기(60)는 탈수소화 반응기(10)의 내부에 설치되는 점에서 차이가 있다. 이하에서는, 앞에서 설명한 탈수소화 반응 장치(1)와 차이가 있는 부분에 대해서만 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 탈수소화 반응기(10)는 화학적 수소화물을 저장하도록 내부가 빈 반응 용기(11)를 포함하고, 반응 용기(11)에는 반응 용기(11)의 내부 공간에 산 수용액을 공급하기 위한 제1 공급구(12), 반응 용기(11)의 내부 공간에 화학적 수소화물을 공급하기 위한 제2 공급구(13), 반용 용기의 내부 공간에서 탈수화 반응에 의해 생성된 수소와 일산화탄소가 배출되는 가스 배출구(14)가 형성된다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 메탄 생성기(60)는 반응 용기(11)의 내부에 배치되는 격벽(61), 반응 용기(11)의 내부에 배치되는 상판(63), 및 격벽(61)과 반응 용기(11)의 내측면 사이와 상판(63)과 반응 용기(11)의 내측면 사이에 각각 구비되는 촉매(65)를 포함할 수 있다.
즉, 탈수소화 반응기(10)의 반응 용기(11)의 내부에는 가스 배출구(14)의 상류에 격벽(61)이 배치되고, 탈수소화 반응기(10)의 반응 용기(11)의 내측 상부에는 상판(63)이 배치된다. 격벽(61)과 반응 용기(11)의 내부 측면과의 사이, 그리고 상판(63)과 반응 용기(11)의 내부 상면의 사이에는 각각 공간이 형성된다. 격벽(61)과 반응 용기(11)의 측면의 사이, 그리고 상판(63)과 반응 용기(11)의 내부 측면의 사이에는 각각 촉매(65)가 구비된다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 제1 공급구(12)는 반응 용기(11)의 상부에 형성되고, 제2 공급구(13)는 반응 용기(11)의 일측면에 형성되며, 가스 배출구(14)는 반응 용기(11)의 타측면에 형성될 수 있다. 제1 공급구(12)는 상판(63)을 관통하여 반응 용기(11)의 내부 공간으로 연장될 수 있다. 따라서, 제1 공급구(12)를 통해 공급되는 산 수용액이 반응 용기(11)의 내부 공간으로 공급될 수 있다.
격벽(61)에 의해 반응 용기(11)의 내부에 구비되는 반응물(수소화물 + 산 수용액)이 가스 배출구(14)를 통해 반응 용기(11)의 외부로 유출되는 것이 방지될 수 있다.
상판(63)은 타공판 또는 메쉬 형태로 형성될 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 촉매(65)는 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 펠렛(pellets) 등의 고체 상태이기 때문에, 상판(63)에 의해 반응 용기(11)의 내부에서 반응 공간(16)과 촉매(65)가 배치되는 공간이 분리된다.
그리고 타공판 또는 메쉬 형태의 상판(63)에 의해 반응물이 촉매(65)측으로 유입되는 것이 방지된다.
또한, 촉매(65)가 입상(granular), 구슬(bead), 마이크로캡슐(microcapsule), 및 펠렛(pellets) 등의 형태로 형성되기 때문에, 반응 공간(16)에서 생성된 수소가 가스 배출구(14)로 원활하게 흐를 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 탈수소화 반응기(10)의 내부에서 이루어지는 발열 반응인 탈수소화 반응에서 발생하는 열을 이용하여 일산화탄소를 메탄화한다. 즉, 메탄 생성기(60)의 촉매(65)가 반응 용기(11)의 내부에 구비됨으로써, 탈수소화 반응기(10)의 내부에서 발생하는 열이 촉매(65)로 전달되어 촉매(65)가 고온 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 일산화탄소의 메탄화를 위해 별도의 열원을 구비할 필요가 없기 때문에 탈수소화 반응기(10)의 제조 원가를 절감할 수 있다.
별도로 메탄 생성기(60)의 촉매(65)를 가열할 필요가 있는 경우에는, 반응 용기(11)의 외측 일부(예를 들어, 상판(63)이 구비된 반응 용기(11)의 상부)를 감싸도록 버너가 설치될 수 있다. 이때, 버너는 탈수소화 반응기(10)에서 생성된 수소를 이용하는 수소 버너일 수 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)의 동작에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
주유소 등에서 설정량의 화학적 수소화물이 제2 공급구(13)를 통해 고온 및 고압 탈수소화 반응기(10)에 장입된다. 이때, 화학적 수소화물은 고체 상태의 분말, 입상, 구슬, 마이크로캡슐, 또는 펠렛의 형태로 장입된다.
버퍼 탱크(20)의 압력이 설정 압력 이하로 낮아지면, 제1 공급구(12)를 통해 탈수소화 반응기(10)의 내부 공간으로 산 수용액을 주입한다. 이때, 특정 몰비로 혼합된 산 수용액을 펌프(41)(pump)를 이용하여 주입한다. 이때, 주입 속도는 0.01 mL/min 내지 20 mL/min로 조절할 수 있고, 탈수소화 반응기(10)의 크기와 화학적 수소화물의 양에 따라 달라질 수 있다.
산 수용액의 주입에 의해 반응 용기(11) 내부에 장입된 화학적 수소화물과 산 수용액의 탈수소화 반응에 의해 수소가 발생한다. 이때, 반응 용기(11)의 내부 공간에서는 산 수용액에 의한 화학적 수소화물의 가수분해 반응에 의하여 수소가 발생하는 탈수소화 반응이 진행된다. 일 예로, 화학적 수소화물은 NaBH4이고, 산이 HCOOH일 수 있다. NaBH4와 개미산(HCOOH)을 이용하는 시스템의 경우 탈수소화 반응의 온도는 10
Figure pat00005
내지 400
Figure pat00006
이고, 100
Figure pat00007
내지 250
Figure pat00008
일 수 있다.
한편, 반응 용기(11)에서 탈수소화 반응이 진행될 때, 부산물인 일산화탄소가 생성될 수 있다.
반응 용기(11)의 내부 공간에서의 탈수소화 반응에 의해 생성된 수소와 부산물인 일산화탄소는 타공판 또는 메쉬 형태로 형성된 상판(63)을 통해 촉매(55, 65, 75)로 유입된다. 촉매(55, 65, 75)로 유입된 일산화탄소는 고온의 반응 용기(11) 내부에서 메탄으로 변환되고, 수소와 메탄은 가스 배출구(14)를 통해 버퍼 탱크(20)로 공급되고, 버퍼 탱크(20)에 일시적으로 저장된 수소는 연료 전지(30)로 공급된다.
이때, 촉매(65)가 탈수소화 반응기(10)의 반용 용기 내부에 구비되기 때문에, 별도로 촉매(65)를 가열할 필요가 없다. 따라서, 탈수소화 반응 장치(1)의 제조 원가를 절감할 수 있다. 필요에 따라서는, 버너에 의해 탈수소화 반응기(10)의 반응 용기(11)를 가열할 수 있다.
또한, 가스 배출구(14)의 상류가 격벽(61)에 의해 막혀 있기 때문에, 반응 용기(11) 내부의 반응물이 가스 배출구(14)로 배출되는 것이 방지된다.
마지막으로, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응기의 구성을 도시한 단면도이다.
앞에서 설명한 탈수소화 반응 장치(1)의 메탄 생성기(50)는 탈수소화 반응기(10)의 외부에 설치되지만, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)의 메탄 생성기(70)는 탈수소화 반응기(10)의 내부에 설치되는 점에서 차이가 있다. 이하에서는, 앞에서 설명한 탈수소화 반응 장치(1)와 차이가 있는 부분에 대해서만 설명하도록 한다.
도 6을 참조하면, 탈수소화 반응기(10)는 화학적 수소화물을 저장하도록 내부가 빈 반응 용기(11)를 포함하고, 반응 용기(11)에는 반응 용기(11)의 내부 공간에 산 수용액을 공급하기 위한 제1 공급구(12), 반응 용기(11)의 내부 공간에 화학적 수소화물을 공급하기 위한 제2 공급구(13), 반용 용기의 내부 공간에서 탈수화 반응에 의해 생성된 수소와 일산화탄소가 배출되는 가스 배출구(14)가 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 메탄 생성기(70)는 반응 용기(11)의 내부에서 가스 배출구(14)와 유체적으로 연결되는 촉매 하우징(71), 및 촉매 하우징(71)의 내부에 구비되는 촉매(75)를 포함할 수 있다.
즉, 촉매 하우징(71)은 반응 용기(11)의 내부에 배치되고, 촉매 하우징(71)의 내부에 촉매(75)가 채워진다. 촉매 하우징(71)은 반응 용기(11)의 반응 공간(16)과 유체적으로 연결되고, 가스 배출구(14)와 유체적으로 연결된다. 따라서, 반응 용기(11)의 반응 공간(16)에서 생성된 수소와 일산화탄소는 촉매 하우징(71)을 거쳐 가스 배출구(14)로 배출된다. 이때, 일산화탄소가 촉매 하우징(71)의 내부에 구비된 촉매(75)를 통과하는 과정에서 메탄으로 변환된다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 탈수소화 반응기(10)의 내부에서 이루어지는 발열 반응인 탈수소화 반응에서 발생하는 열을 이용하여 일산화탄소를 메탄화한다. 즉, 메탄 생성기(70)의 촉매(75)가 반응 용기(11)의 내부에 구비됨으로써, 탈수소화 반응기(10)의 내부에서 발생하는 열이 촉매(75)로 전달되어 촉매(75)가 고온 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 일산화탄소의 메탄화를 위해 별도의 열원을 구비할 필요가 없기 때문에 탈수소화 반응기(10)의 제조 원가를 절감할 수 있다.
별도로 메탄 생성기(70)의 촉매(75)를 가열할 필요가 있는 경우에는, 촉매 하우징(71)의 외부를 감싸도록 버너가 설치될 수 있다. 이때, 버너는 탈수소화 반응기(10)에서 생성된 수소를 이용하는 수소 버너일 수 있다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)의 동작에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
주유소 등에서 설정량의 화학적 수소화물이 제2 공급구(13)를 통해 고온 및 고압 탈수소화 반응기(10)에 장입된다. 이때, 화학적 수소화물은 고체 상태의 분말, 입상, 구슬, 마이크로캡슐, 또는 펠렛의 형태로 장입된다.
버퍼 탱크(20)의 압력이 설정 압력 이하로 낮아지면, 제1 공급구(12)를 통해 탈수소화 반응기(10)의 내부 공간으로 산 수용액을 주입한다. 이때, 특정 몰비로 혼합된 산 수용액을 펌프(41)(pump)를 이용하여 주입한다. 이때, 주입 속도는 0.01 mL/min 내지 20 mL/min로 조절할 수 있고, 탈수소화 반응기(10)의 크기와 화학적 수소화물의 양에 따라 달라질 수 있다.
산 수용액의 주입에 의해 반응 용기(11) 내부에 장입된 화학적 수소화물과 산 수용액의 탈수소화 반응에 의해 수소가 발생한다. 이때, 반응 용기(11)의 내부 공간에서는 산 수용액에 의한 화학적 수소화물의 가수분해 반응에 의하여 수소가 발생하는 탈수소화 반응이 진행된다. 일 예로, 화학적 수소화물은 NaBH4이고, 산이 HCOOH일 수 있다. NaBH4와 개미산(HCOOH)을 이용하는 시스템의 경우 탈수소화 반응의 온도는 10
Figure pat00009
내지 400
Figure pat00010
이고, 100
Figure pat00011
내지 250
Figure pat00012
일 수 있다.
한편, 반응 용기(11)에서 탈수소화 반응이 진행될 때, 부산물인 일산화탄소가 생성될 수 있다.
반응 용기(11)의 내부 공간에서의 탈수소화 반응에 의해 생성된 수소와 부산물인 일산화탄소는 촉매 하우징(71)으로 유입되고, 촉매 하우징(71)으로 유입된 일산화탄소는 촉매 하우징(71)의 내부에 구비된 촉매(75)에 의해 메탄으로 변환된다. 수소와 메탄은 가스 배출구(14)를 통해 버퍼 탱크(20)로 공급되고, 버퍼 탱크(20)에 일시적으로 저장된 수소는 연료 전지(30)로 공급된다.
이때, 촉매(75)가 구비된 촉매 하우징(71)이 반용 용기 내부에 구비되기 때문에, 별도로 촉매(75)를 가열할 필요가 없다. 따라서, 탈수소화 반응 장치(1)의 제조 원가를 절감할 수 있다. 필요에 따라서는, 버너에 의해 촉매 하우징(71)을 가열할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응 장치(1)에 의하면, 화학적 수소화물과 산 수용액의 반응에 의해 발생되는 부산물인 일산화탄소가 메탄 생성기(50, 60, 70)에 의해 메탄으로 변환되어 연료 전지(30)로 공급되기 때문에, 연료 전지(30)의 피독을 방지할 수 있다.
또한, 탈수소환 반응기에서 발생되는 열을 이용하여 일산화탄소를 메탄화하기 때문에, 별도의 열원을 도입할 필요가 없고, 탈수소화 반응 장치(1)의 제조 원가를 절감할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1: 탈수소화 반응 장치
10: 탈수소화 반응기
11: 반응 용기
12: 제1 공급구
13: 제2 공급구
14: 가스 배출구
16: 반응 공간
17: 주입 밸브
19: 냉각 코일
20: 버퍼 탱크
23: 배압 조절 밸브
30: 연료 전지
40: 산 수용액 탱크
41: 펌프
50, 60, 70: 메탄 생성
51: 가스 도관
55, 65, 75: 촉매
57, 77: 버너
61: 격벽
63: 상판
71: 촉매 하우징

Claims (19)

  1. 화학적 수소화물을 저장하는 반응 용기를 포함하는 탈수소화 반응기; 및
    상기 탈수소화 반응기에서 생성된 일산화탄소를 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기;
    를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기는
    화학적 수소화물을 저장하는 반응 용기;
    상기 반응 용기의 내부에 산 수용액을 공급하기 위한 제1 공급구;
    상기 반응 용기의 내부에 화학적 수소화물을 공급하기 위한 제2 공급구; 및
    상기 반응 용기의 내부에서 생성된 가스를 배출하는 배출구;
    를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메탄 생성기는
    상기 배출구와 연통하는 가스 도관; 및
    상기 가스 도관의 내부에 구비되는 촉매;
    를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 도관은 상기 반응 용기와 접하도록 설치되는 탈수소화 반응 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 촉매는
    니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 도관의 외부를 감싸도록 구비되는 버너;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 버너는 수소 버너인 탈수소화 반응 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 메탄 생성기는
    상기 반응 용기의 내부에서 상기 가스 배출구의 상류에 배치되는 격벽;
    상기 반응 용기의 내부 상부에 배치되는 상판;
    상기 격벽과 상기 반응 용기의 측면의 사이, 그리고 상기 상판과 상기 반응 용기의 내부 상면의 사이에 각각 구비되는 촉매;
    를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상판은 타공판 또는 메쉬 형태로 형성되는 탈수소화 반응 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 촉매는
    니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 반응 용기의 외부를 감싸도록 구비되는 버너;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 버너는 수소 버너인 탈수소화 반응 장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 메탄 생성기는
    상기 반응 용기의 내부에서 상기 가스 배출구와 유체적으로 연결되는 촉매 하우징; 및
    상기 촉매 하우징의 내부에 구비되는 촉매;
    를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 촉매는
    니켈(Ni), 루테늄(Ru), 코발트(Co), 로듐(Rh), 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 촉매 하우징을 감싸도록 구비되는 버너;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기에서 생성된 수소를 일시적으로 저장한 후 연료 전지로 공급하는 수소 버퍼 탱크;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 반응 용기의 내부에 설치되어 냉매가 순환하는 냉각 코일;
    을 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기와 상기 수소 버퍼 탱크 사이에 배치되는 배압 조절 밸브; 및
    상기 수소 버퍼 탱크와 연료 전지 사이에 배치되는 유량 제어기;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    산 수용액을 저장하는 산 수용액 탱크; 및
    상기 산 수용액 탱크에 저장되는 산 수용액을 상기 탈수소화 반응기로 펌핑하는 펌프;
    를 더 포함하는 탈수소화 반응 장치.
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