KR20240002266A - 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매, 인접한 상기 복수의 암모니아분해촉매 사이에 마련된 갭, 상기 갭에 마련되어, 유입된 수소를 물로 합성하는 수소산화촉매, 및 상기 복수의 암모니아분해촉매에 의해 발생된 수소 중 일부를 상기 수소산화촉매에 주입하는 수소주입부를 포함하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치를 제공한다.
Description
본 발명은 수소발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세히는 암모니아분해촉매를 이용하여 암모니아를 분해함으로써 수소를 발생하는 장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈 및 환경오염 문제로 인하여 신재생 대체 에너지에 대한 요구가 크며, 이에 대한 대체에너지의 하나로서 수소가 주목받고 있다.
수소는 화석연료와 달리, 이산화탄소의 배출이 없고, 물이 부산물로써 배출되는 청정에너지원으로서, 수소를 연료로서 활용하고자 하는 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라 안정적인 수소 공급을 위하여 수소를 생산 또는 발생하는 기술에 대한 연구 역시 함께 진행 중이다.
수소를 압축하거나 액화하여 저장장치에 저장한 다음, 저장장치에 저장된 수소를 공급하는 방안이 제시되고 있지만, 이외에 수소를 저장할 수 있는 물질을 이용하여 수소를 저장한 다음 저장된 수소를 발생시켜 공급하는 방안도 제시되고 있다. 구체적으로, 금속수소화물(metal hydride) 이용 방법, 흡착, 탈착/탄소 (absorbents/carbon) 이용 방법, 화학적 수소저장 방법(chemical hydrogen storage) 등이 제안되고 있다.
이 중 높은 수소 저장 밀도를 갖는 화학적 수소화물 방법이 주목받고 있고, 그 중 특히 암모니아는 다량의 수소를 저장할 수 있고, 상온에서 안정적인 상태를 유지할 수 있어, 수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 방법으로서 암모니아를 수소 공급원으로 사용하는 방안이 제시되고 있다.
즉, 암모니아는 1㎥ 당 120kg의 수소를 저장할 수 있고, 자연발화 온도가 651℃로 높아 화재 위험성이 아주 낮다는 점에서 효율적인 수소 운반체가 될 수 있다. 게다가, 산업적인 용도로 암모니아가 사용되어 왔기 때문에 기존 암모니아 인프라를 활용할 수 있다는 경제적 이점도 있어 암모니아 분해를 통한 수소 생산 방식이 현실적인 방안으로 주목받고 있다.
암모니아를 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열과정이기 때문에, 암모니아로부터 수소를 생산(또는 발생)시키기 위해서는 에너지가 필요하며, 구체적으로 하기 화학식과 같은 반응을 통해 암모니아로부터 수소가 발생할 수 있다.
[화학식]
2NH3 → N2 + 3H2, △H=46.22 kJ/mol of NH3
이렇게 암모니아를 분해하여 수소를 발생시킬 때 요구되는 에너지 소비량을 줄이기 위한 필요 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은, 암모니아분해촉매를 이용해 암모니아를 분해하여 수소를 발생시킬 때 소비되는 에너지 소비량을 최소화할 수 있는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매, 인접한 상기 복수의 암모니아분해촉매 사이에 마련된 갭, 상기 갭에 마련되어, 유입된 수소를 산화하는 수소산화촉매, 및 상기 복수의 암모니아분해촉매에 의해 발생된 수소 중 일부를 상기 수소산화촉매에 주입하는 수소주입부를 포함하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치를 제공한다.
일 실시예에 따라, 상기 수소산화촉매는 수소와 산소를 결합시켜 발생되는 반응열을 상기 암모니아분해촉매에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 수소산화촉매는, 상기 갭을 형성하는 인접한 상기 복수의 암모니아분해촉매 벽면에 마련될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 수소주입부는, 상기 수소발생장치의 운전초기에 외부의 수소를 상기 수소산화촉매에 주입하고, 상기 암모니아분해촉매에서 수소 발생시 상기 암모니아분해촉매에서 발생된 수소를 상기 수소산화촉매에 주입할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매에 주입하는 암모니아의 온도를 승온시키기 위한 히터를 더 포함하되, 수소가 상기 수소산화촉매에 주입되어 발열반응이 일어나는 경우, 상기 히터의 가열레벨을 낮출 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매에 주입하는 암모니아의 온도를 승온시키기 위한 히터, 및 상기 히터로 도입되는 암모니아 가스에 열을 공급하기 위해, 상기 암모니아분해촉매를 통과하여 외부로 배출되는 고온의 유체와 열교환하는 제1 열교환기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 가스 중 수소를 정제하는 수소분리막을 더 포함하되
상기 수소주입부는, 상기 수소분리막에 의해 정제된 수소를 상기 수소산화촉매에 주입할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 수소주입부를 통해 상기 수소산화촉매에 주입되는 수소의 농도를 측정하는 수소농도측정센서, 및 기 설정된 수소농도로 상기 수소산화촉매에 수소를 주입하기 위해, 상기 수소주입부를 통해 상기 수소산화촉매에 주입되는 수소에 외부 공기를 혼합하는 믹서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 갭을 사이에 두고 배치된 상기 암모니아분해촉매의 단면적 대비 상기 갭의 단면적은 그 비율이 1% 내지 30%일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매는, 격자무늬 형태의 허니컴구조의 촉매일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매를 통과하는 암모니아의 흐름방향과, 상기 갭을 통과하는 수소의 흐름방향은 서로 반대일 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치는, 생성된 수소를 수소 산화 촉매로 일부 재투입하여 산화시킴으로써, 이때 생성되는 산화열을 암모니아 분해에 필요한 열로 이용하여 암모니아로부터 수소를 추출시 소비되는 에너지 소비량을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매의 외관 일 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 암모니아분해촉매의 배치 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 내 암모니아분해촉매의 배치 예시도이다.
도 3b는 도 3a의 횡단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매를 수용한 하우징을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 암모니아분해촉매의 배치 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 내 암모니아분해촉매의 배치 예시도이다.
도 3b는 도 3a의 횡단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매를 수용한 하우징을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상pa에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매의 외관 일 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매(10)는, 외부에서 도입된 암모니아(NH3)를 수소와 질소로 분해할 수 있으며, 이러한 암모니아분해촉매(10)는 담체와, 담체에 담지된 활성성분을 포함할 수 있다.
여기서, 담체는 탄소, TiO2, ZrO2, Al2O3, SiO2, CeO2, MgO, La2O3 및 Zeolite 중에 적어도 하나를 포함하는 금속산화물일 수 있으며, 이러한 담체는 분말을 활용한 압출 방식을 통하여 차압이 발생하지 않는 범위에서 다양한 제형으로 제조될 수 있다. 일 예로, 담체는 도 1에 도시한 바와 같이 다공성의 허니컴 구조를 가질 수 있으나, 이에 한하지 않고, 분말 타입, 팰렛 타입(pellet type), 비드 타입(bead type), 스퀘어 타입(square type), 적어도 하나의 홀을 가진 실린더 타입 등일 수도 있다.
또한, 담체에 담지되는 활성성분은, 귀금속(noble metal) 또는 비귀금속(non-noble metal)을 포함할 수 있으며, 일 예로 귀금속은 Ru, Pt, Pd, Rh 및 Ir 중에 적어도 하나를 포함할 수 있고, 비귀금속은 Ni, Co, Fe, Cu, W 또는 Mo 기반의 산화물, Cs 및 V 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 담체에 활성성분을 담지할 때, 담체의 물성개선이나 활성성분의 성능증진을 의해 촉진제를 더 포함할 수 있으며, 촉진제는 일 예로, K, Mg, Ca, Ba, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn 중에 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매(10)는, 다공성의 허니컴 구조나, 또 다른 예로 다공성의 세라믹 허니컴 셀의 입구와 출구를 교번하여 플러깅(pluging)된 필터, 즉 Wall Flow Monoliths Type 일 수 있다. 본 명세서에서는 이를 기준으로 설명하기로 하나, 본 발명은 특별히 한정하지 않고, 전술한 바와 같이 다른 형태를 가질 수도 있음은 물론이다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매(10)의 일측으로 암모니아가 도입되면, 촉매를 사용한 분해시 약 300℃ ~ 700℃의 반응온도에서 암모니아를 수소와 질소로 분해할 수 있으며, 이에 따라 타측으로 분해된 수소와 질소는 물론, 분해되지 않은 일부의 암모니아가 배출될 수 있다.
이러한 암모니아분해촉매(10)를 포함한 수소발생장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도를 도 4a에 도시하였다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치는 암모니아분해촉매(10)가 내부에 수용된 하우징(100)을 포함할 수 있고, 이때 하우징(100)의 일측에는 외부 암모니아를 암모니아분해촉매(10)로 유도하기 위한 암모니아도입부(101)가 연통 가능하도록 마련될 수 있고, 또 하우징(100)의 타측에는 암모니아분해촉매(10)에 의해 분해된 수소, 질소, 그리고 슬립 암모니아가 배출되는 수소배출부(102)가 연통 가능하도록 마련될 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이, 하우징(100)의 내부에 마련된 복수의 암모니아분해촉매(10)가 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 반응을 유도하기 위해서는 약 300℃ ~ 700℃의 고온의 분위기를 형성하여야 하므로, 암모니아도입부(101)에는 히터(120)가 마련되어, 하우징(100)의 내부, 즉 복수의 암모니아분해촉매(10)에 주입되는 암모니아의 온도를 승온시킬 수 있다.
히터(120)는 복수의 암모니아분해촉매(10)에 공급되는 암모니아의 온도를 승온시킬 수 있는 것이면 본 발명은 특별히 한정하지 않는다.
구체적으로 히터(120)는 전기히터나 각종의 연소 가능한 연료를 이용하는 버너 등일 수 있으며, 여기서 버너는 연료로서 암모니아분해촉매(10)에 의해 발생된 수소를 이용할 수도 있다.
히터(120)가 암모니아를 승온시켜 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10)에 고온의 암모니아를 제공할 때, 후술하는 바와 같이, 수소를 수소산화촉매(110)에 제공하여 수소산화촉매(110)의 발열반응이 일어나는 경우, 제어모듈은 히터(120)의 가열레벨을 낮추어 수소발생장치의 운전시 소모되는 에너지를 절감토록 하는 것이 바람직하다.
한편, 하우징(100)의 내부 수용공간에는 복수의 암모니아분해촉매(10)가 배치될 수 있으며, 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 암모니아분해촉매(10)는 도 2에 도시한 바와 같이, 인접한 복수의 암모니아분해촉매(10) 사이에 갭(G)이 마련될 수 있다.
복수의 암모니아분해촉매(10)는 각각이 암모니아가 도입되는 입구가 동일 방향, 일 예로 암모니아도입부(101)를 향하도록 병렬로 배치되되, 인접한 암모니아분해촉매(10) 사이에는 갭(G)이 형성되도록 배치될 수 있다.
여기서 갭(G)은 좁은 틈으로서, 갭(G)을 사이에 두고 배치된 복수의 암모니아분해촉매(10)의 전체 단면적 대비, 갭(G)의 단면적은 그 비율이 1% ~ 30%, 바람직하게는 10% ~ 20%일 수 있다. 구체적으로, 도 3b에 도시한 바와 같이, 전체 단면적(=4×R1 + G1 + G2) 대비 갭(G)의 단면적(=G1 + G2)의 비율은 1% ~ 30%, 바람직하게는 10% ~ 20%일 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따라, 하우징(100) 내 배치된 복수의 암모니아분해촉매(10)는 암모니아 분해량을 증가시키기 위해, 갭(G)을 사이에 두고 배치된 암모니아분해촉매(10) 각각은, 도 3a에 도시한 바와 같이, 복수 개가 일렬로, 즉 상부/하부 암모니아분해촉매(10)의 입구가 하부/상부 암모니아분해촉매(10)의 출구와 마주하도록 적층될 수 있다.
즉, 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10)는, 어느 일 방향(일 예로 가로방향)을 따라 마련된 적어도 하나의 갭(G1)을 사이에 두고 n개의 열로 배치될 수 있고, 그리고/또는 또 다른 일 방향(일 예로 세로방향)을 따라 마련된 적어도 하나의 갭(G2)을 사이에 두고 m개의 행으로 배치될 수 있다. 또한, n×m 행렬로 배치된 암모니아분해촉매(10)는 도입되는 암모니아의 압력에 따라 일렬로 k개의 층만큼 적층될 수 있으며, 이때 적층된 암모니아분해촉매(10) 간에는 간극 없이 밀착될 수 있다.
하우징(100) 내에는 복수의 암모니아분해촉매(10)가 n개의 행 및/또는 m개의 열로 배치되되, k개의 층만큼 적층될 수 있으며, 이때 암모니아분해촉매(10)의 입구와 출구 각각은 암모니아도입부(101)와 수소배출부(102)를 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, n, m, k는 1 이상의 자연수일 수 있다.
이렇게, 인접한 복수의 암모니아분해촉매(10) 사이에는 갭(G)이 마련될 수 있으며, 바람직한 일 실시예에 따라 상기 갭(G)에는 수소산화촉매(110)가 마련되되, 상기 수소산화촉매(110)에는 수소가 제공될 수 있다.
여기서 수소산화촉매(110)는, 수소와 산소 간의 합성, 즉 수소의 산화반응을 통해 발생되는 반응열(또는 산화열)을, 그 주변에 마련된 암모니아분해촉매(10)에 제공하기 위한 것으로서, 수소를 물로 산화시킬 수 있는 촉매이면 그 종류를 특별히 한정하지 않으나, 일 예로, 팔라듐(Pd)을 포함한 세라믹 팰렛(ceramic pellet)이나 다공성의 알루미늄 팰렛(porous aluminum pellet) 등일 수 있고, 또 팔라듐(Pd)과 백금(Pt)을 포함한 스테인레스스틸(stainless steel) 또는 백금(Pt)과 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 메탈폼(metal foam) 등이 충진된 형태일 수 있고, 또 이와 달리, 캡(G)에 충진된 형태가 아닌 갭(G)을 형성하는 벽면(11)(도 2 참조), 즉 갭(G)과 인접한 복수의 암모니아분해촉매(10)의 벽면에 코팅 또는 부착된 형태일 수도 있다.
즉, 수소산화촉매(110)는, 하기 화학식과 같이, 수소가 산화하면서 발생하는 반응열을 암모니아분해촉매(10)에 전달할 수 있고, 이렇게, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치는, 수소산화촉매(110)에 수소를 제공함으로써 수소산화촉매(110)로부터의 발열을 유도하고, 이를 그 주변의 암모니아분해촉매(10)에 제공함으로써, 암모니아분해촉매(10)가 암모니아를 분해할 때 필요한 열의 적어도 일부를 담당케할 수 있다.
[화학식]
H2 + 1/2O2 → H2O + △H, △H=242 kJ/mol
이렇게, 수소산화촉매(110)를 통해 발생되는 수소의 산화반응시 발생하는 반응열을 암모니아 분해반응에 이용함으로써, 암모니아분해촉매(10)를 이용해 암모니아를 분해하여 수소를 발생시킬 때 소비되는 에너지 소비량을 최소화할 수 있다.
여기서, 수소산화촉매(110)에는 외부의 수소저장장치(미도시)에 저장된 수소가 제공되거나, 이와 다르게, 암모니아분해촉매(10)에 의해 발생된 수소 중 일부가 우회 제공될 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치는 수소배출부(102) 및/또는 배기관(103)을 통해 배출되는 수소, 즉 암모니아분해촉매(10)에 의해 발생된 수소는 바이패스유로(104)를 통해 수소산화촉매(110)에 제공될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 운전 초기에는 수소 발생량이 없거나 적기 때문에, 수소발생장치의 운전 초기에는 외부 수소저장장치에 저장된 수소를 수소산화촉매(110)로 공급할 수 있고, 이후 수소배출부(102) 또는 배기관(103)을 통해, 즉 암모니아분해촉매(10)에 의해 수소가 발생하는 경우, 발생된 수소를 수소주입부(105)를 통해 수소산화촉매(110)에 제공할 수 있다.
한편, 도 4a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 암모니아분해촉매(10)는 암모니아를 분해함으로써 수소를 발생시키고, 이렇게 발생된 수소는 수소배출부(102)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때 수소배출부(102)의 후단에는 고농도의 수소를 생산하기 위해 수소분리막(130)이 마련될 수 있다.
암모니아분해촉매(10)를 통과하여 발생한 가스는 수소, 질소, 그리고 슬립된 암모니아가 혼합된 혼합가스로서, 상기 수소분리막(130)은 혼합가스 중 수소만을 분리하여 정제하기 위한 수단이다.
수소분리막(130)에 대해 본 발명은 특별히 한정하지 않으나, 얇은 다공성의 지지체 위해 팔라듐계(palladium base) 금속, 일 예로 Pd-Cu, Pd-Au 등의 합금 등이 코팅된 분리막일 수 있다.
수소분리막(130)을 투과하여 정제된 고농도의 수소는, 배기관(103)을 통해 외부로 배출될 수 있고, 이때, 배기관(103)을 통해 배출되는 수소 중 일부, 일 예로 0.1% ~ 10%의 수소는 바이패스유로(104)를 통해 우회하여, 수소주입부(105)를 통해 하우징(100)에 수용된 복수의 암모니아분해촉매(10) 간에 형성된 갭(G)에 마련된 수소산화촉매(110)로 주입될 수 있다.
다만, 수소분리막(130)을 통해 정제된 고농도의 수소가 그대로 고온의 분위기를 형성하고 있는 하우징(100)의 내부로 제공되는 경우, 수소폭발 위험성이 있기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소주입부(105)에는 수소주입부(105)를 통해 수소산화촉매(110)에 주입되는 수소의 농도를 측정하기 위한 수소농도측정센서(미도시)가 마련될 수 있고, 이에 따라 기 설정된 수소농도, 즉 수소폭발범위 하한인 4% 이하의 농도로 수소산화촉매(110)에 수소를 주입하기 위해, 수소주입부(105)에 주입되는 수소에 외기(air)를 혼합하기 위한 믹서(mixer)(미도시)를 포함할 수 있다.
구체적인 일 예로, 수소농도측정센서는 수소주입부(105)를 따라 유동하는 기체의 수소농도를 측정할 수 있고, 이에 따라 제어모듈은 믹서의 외기 도입구를 개폐하는 밸브의 동작을 제어하여, 수소주입부(105)를 통해 수소산화촉매(110)로 주입되는 수소의 농도를 기 설정된 수소농도 이하로 조절할 수 있다.
한편, 본 발명은 특별히 한정하지 않으나, 수소산화촉매(110)에 수소를 주입하는 통로를 마련하는 수소주입부(105)는, 하우징(100)의 수소배출부(102) 측에 마련될 수 있다.
즉, 암모니아분해촉매(10)에 의해 발생된 수소가 수소배출부(102) 및/또는 배기관(103)을 통해 배출될 때, 배출되는 수소를 우회하여 다시 하우징(100)의 수소분리막(130)에 주입하기 용이하도록, 수소주입부(105)는 하우징(100)의 수소배출부(102) 측에 마련될 수 있다.
따라서, 하우징(100) 내 암모니아분해촉매(10)를 통과하는 암모니의 흐름방향과, 갭(G) 또는 수소산화촉매(110)를 통과하는 수소의 흐름방향은 서로 같거나 반대일 수 있으며, 암모니아분해촉매(10)를 통과하는 암모니의 흐름방향과, 수소산화촉매(110)를 통과하는 수소의 흐름방향이 서로 반대인 경우, 수소가 갭(G) 또는 수소산화촉매(110)를 통과함으로써 발생하는 물(또는 수증기)은 하우징(100)의 암모니아도입부(101) 측에 마련된 배수구(106)를 통해 하우징(100) 외부로 배수될 수 있다.
한편, 도 4a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치는, 하우징(100) 또는 수소분리막(130)의 후단에 마련되어, 고온의 가스 또는 혼합가스가 외부로 배출되는 유로 상에 제1 열교환기(40)가 마련될 수 있다.
수소발생장치 내 암모니아분해촉매(10)의 반응온도가 약 300℃ ~ 700℃의 고온으로서, 하우징(100) 또는 수소분리막(130)으로부터 배출되는 가스 역시 고온이기 때문에, 이로부터 열을 회수하기 위해 제1 열교환기(40)를 이용할 수 있다.
제1 열교환기(40)는 하우징(100) 또는 수소분리막(130)으로부터 배출된 가스와 열을 전달하기 위한 열전달유체 간에 열을 서로 교환하기 위한 수단으로서, 제1 열교환기(40)에서 열전달유체는 열을 흡수하고, 제1 열전달유로를 따라 히터(120)로 공급되는 암모니아 가스를 가열하는데 사용될 수 있다.
일 예로, 히터(120) 전단에 상기 열전달유체와 히터(120)로 도입되는 암모니아 가스 간에 열을 서로 교환하기 위한 또 다른 열교환기(미도시)가 마련되어, 히터(120)로 공급되는 암모니아 가스를 미리 가열함으로써, 히터(120)가 암모니아가스를 가열하는 데 요구되는 에너지소비량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치는, 배수구(106)의 후단에 마련되어, 고온의 물(또는 수증기)이 외부로 배출되는 유로 상에 제2 열교환기(50)가 마련될 수 있다.
하우징(100) 또는 암모니아분해촉매(10) 내 마련된 수소산화촉매(110)를 통과하여 생성되는 물(또는 수증기) 역시 고온이기 때문에, 이로부터 열을 회수하기 위해 제2 열교환기(50)를 이용할 수 있다.
제2 열교환기(50)는 제1 열교환기(40)와 마찬가지로, 수소산화촉매(110)로부터 배출되는 물(또는 수증기)와 열을 전달하기 위한 열전달유체 간에 열을 서로 교환하기 위한 수단으로서, 제2 열교환기(50)에서 열전달유체는 열을 흡수하고, 제2 열전달유로를 따라 히터(120)로 공급되는 암모니아 가스를 가열하는데 사용될 수 있다.
일 예로, 히터(120) 전단에 마련된 상기 또 다른 열교환기(미도시)를 이용하여, 히터(120)로 공급되는 암모니아 가스를 미리 가열함으로써, 히터(120)가 암모니아가스를 가열하는 데 요구되는 에너지소비량을 감소시킬 수 있다.
한편, 도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치는, 하우징(100)의 후단부에 수소분리막(130)이 마련되지 않을 수 있고, 이에 따라 암모니아분해촉매(10)에 의해 생성된 수소를 포함한 혼합가스가 정제 없이 수소산화촉매(110)에 제공될 때, 수소산화촉매(110)의 하류측에는 암모니아를 제거하기 위한 암모니아제거촉매(111)가 마련될 수 있다.
암모니아제거촉매(111)는 암모니아를 제거하기 위한 촉매로서, 그 종류를 특별히 한정하지 않으나 상기 암모니아제거촉매(111)는 일 예로 암모니아를 산화하여 질소와 물로 바꿀 수 있는 암모니아슬립촉매장치(AOC; Ammonia Oxidation Catalyst)일 수 있다.
암모니아제거촉매(111)는 코디어라이트 등을 원료로 한 세라믹으로 구성된 허니컴 구조의 담체 등에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등의 귀금속을 촉매로서 구성될 수 있으며, 이렇게 복수의 암모니아분해촉매(10)를 통해 배출된 질소, 수소, 그리고 슬립된 암모니아는, 하우징(100) 내 수소산화촉매(110)와 암모니아제거촉매(111)를 통과함으로써 수소와 암모니아가 제거될 수 있고, 이이 따라 수소와 암모니아가 대기 중으로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 인접한 복수의 암모니아분해촉매(10) 사이에 형성되는 갭(G)에는 적어도 하나의 수소산화촉매(110), 적어도 하나의 암모니아제거촉매(111), 또는 이들의 조합이 마련될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아분해촉매를 수용한 하우징을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 하우징(100) 내에는 복수의 암모니아분해촉매(10)가 마련되되, 일 예로 복수의 암모니아분해촉매(10)는 3열로 배치되고, 각 열 사이에는 갭(G)이 형성될 수 있다.
이때, 각 갭(G)에는 바이패스유로(104)를 통해 수소주입부(105)를 따라 수소가 유입되는 방향에 따라 직렬로 수소산화촉매(110)와 암모니아제거촉매(111)가 마련될 수 있다.
또한, 하우징(100)에는 암모니아가 유입되는 측에 암모니아도입부(101)가 마련될 수 있고, 그리고 암모니아가 분해되어 발생된 수소가 배출되는 측에는 수소배출부(102)가 마련될 수 있으며, 암모니아도입부(101)와 수소배출부(102) 각각에는 암모니아분해촉매(10)의 배치에 따라 암모니아가 유입되는 유입구(101a, 101b, 101c)와, 수소, 질소, 및 슬립 암모니아가 배출되는 배출구(102a, 102b, 102c)가 형성될 수 있다.
아울러, 하우징(100) 내 암모니아분해촉매(10)를 통과하는 암모니아의 흐름방향과 갭(G)을 통과하는 수소의 흐름방향이 서로 반대인 경우, 암모니아도입부(101)와 수소배출부(102) 각각에는 갭(G)의 배치에 따라 물(또는 수증기)가 배수구(106a, 106b)와, 수소가 주입되는 주입구(105a, 105b)가 형성될 수 있다.
하우징(100)에 마련된 암모니아도입부(101)와 수소배출부(102)의 형태는 특별히 한정하지 않으나, 하우징(100)으로 유입된 암모니아가 분해되어 배출될 때 원활하게 가스가 유동할 수 있도록, 암모니아도입부(101)의 암모니아가 유입되는 측의 단면적은 암모니아분해촉매(10)측의 단면적보다 좁고, 또 수소배출부(102)에서 수소가 배출되는 측의 단면적은 암모니아분해촉매(10)의 단면적보다 좁은 것이 바람직하다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 암모니아분해촉매
40: 제1 열교환기
50: 제2 열교환기 100: 하우징
101: 암모니아도입부 102: 수소배출부
103: 배기관 104: 바이패스유로
105: 수소주입부 106: 배수구
110: 수소산화촉매 111: 암모니아제거촉매
120: 히터 130: 수소분리막
50: 제2 열교환기 100: 하우징
101: 암모니아도입부 102: 수소배출부
103: 배기관 104: 바이패스유로
105: 수소주입부 106: 배수구
110: 수소산화촉매 111: 암모니아제거촉매
120: 히터 130: 수소분리막
Claims (11)
- 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매;
인접한 상기 복수의 암모니아분해촉매 사이에 마련된 갭;
상기 갭에 마련되어, 유입된 수소를 산화하는 수소산화촉매; 및
상기 복수의 암모니아분해촉매에 의해 발생된 수소 중 일부를 상기 수소산화촉매에 주입하는 수소주입부;
를 포함하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소산화촉매는 수소와 산소를 결합시켜 발생되는 반응열을 상기 암모니아분해촉매에 전달하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 수소산화촉매는, 상기 갭을 형성하는 인접한 상기 복수의 암모니아분해촉매 벽면에 마련되는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소주입부는, 상기 수소발생장치의 운전초기에 외부의 수소를 상기 수소산화촉매에 주입하고, 상기 암모니아분해촉매에서 수소 발생시 상기 암모니아분해촉매에서 발생된 수소를 상기 수소산화촉매에 주입하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매에 주입하는 암모니아의 온도를 승온시키기 위한 히터;
를 더 포함하되,
수소가 상기 수소산화촉매에 주입되어 발열반응이 일어나는 경우, 상기 히터의 가열레벨을 낮추는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매에 주입하는 암모니아의 온도를 승온시키기 위한 히터; 및
상기 히터로 도입되는 암모니아 가스에 열을 공급하기 위해, 상기 암모니아분해촉매를 통과하여 외부로 배출되는 고온의 유체와 열교환하는 제1 열교환기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 가스 중 수소를 정제하는 수소분리막을 더 포함하되,
상기 수소주입부는, 상기 수소분리막에 의해 정제된 수소를 상기 수소산화촉매에 주입하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 수소주입부를 통해 상기 수소산화촉매에 주입되는 수소의 농도를 측정하는 수소농도측정센서; 및
기 설정된 수소농도로 상기 수소산화촉매에 수소를 주입하기 위해, 상기 수소주입부를 통해 상기 수소산화촉매에 주입되는 수소에 외부 공기를 혼합하는 믹서;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 갭을 사이에 두고 배치된 상기 암모니아분해촉매의 단면적 대비 상기 갭의 단면적은 그 비율이 1% 내지 30%인 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매는, 격자무늬 형태의 허니컴구조의 촉매인 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매를 통과하는 암모니아의 흐름방향과, 상기 갭을 통과하는 수소의 흐름방향은 서로 반대인 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치.
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