KR20240002267A - 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매를 포함하되, 상기 복수의 암모니아분해촉매는 적층되되, 상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매 중 일부인 제1 암모니아분해촉매와, 또 다른 일부인 제2 암모니아분해촉매는 암모니아 도입방향이 서로 교차하도록 적층 배치된 것을 특징으로 하는 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, 이 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 발생시키는 암모니아분해촉매를 다수 사용할 때, 다수의 암모니아분해촉매에 다량의 암모니아 가스를 균일하게 공급하거나, 이와 반대로 다수의 암모니아분해촉매에 의해 분해된 수소를 배출할 때, 이들의 유동 균일도를 증가시키기 위한 필요 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은, 다수의 암모니아분해촉매를 이용해 암모니아를 분해하여 수소를 발생시킬 때, 암모니아 및/또는 수소의 유동 균일도를 증가시킬 수 있는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치를 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매를 포함하되, 상기 복수의 암모니아분해촉매는 적층되되, 상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매 중 일부인 제1 암모니아분해촉매와, 또 다른 일부인 제2 암모니아분해촉매는 암모니아 도입방향이 서로 교차하도록 적층 배치된 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치를 제공한다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 암모니아분해촉매에서, 상기 제2 암모니아분해촉매의 암모니아 도입방향은 막혀있을 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매는 복수이되, 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매는 서로 교대로 적층될 수 있다.
일 실시예에 따라, 외부의 암모니아를 상기 복수의 암모니아분해촉매로 제공하기 위한 암모니아도입부를 더 포함하고, 상기 암모니아도입부는, 외부의 암모니아를 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매의 상기 도입방향에 따라 분기하여, 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매 각각으로 제공하되, 또 각각은 상기 복수의 제1 암모니아분해촉매 각각으로 병렬 도입되도록 함과 동시에, 상기 복수의 제2 암모니아분해촉매 각각으로 병렬 도입되도록 할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매는, 직육면체 또는 정육면체이고, 상기 암모니아분해촉매 각각은, 직육면제 또는 정육면체일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 암모니아분해촉매는, 허니컴구조의 촉매일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매는, 인접한 상기 암모니아분해촉매 간에 열교환 가능하도록 서로 면접하여 배치될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 복수의 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 적층된 복수의 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 수소는 합류되어 배출되는 수소배출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 수소배출부는, 상기 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 가스 중 수소를 정제하는 수소분리막을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치는, 다수의 암모니아분해촉매를 이용해 암모니아를 분해하여 수소를 발생시킬 때, 암모니아 및/또는 수소의 유동 균일도를 증가시킬 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 내 암모니아분해촉매의 배치 예시도이다.
도 4는 도 3의 암모니아분해촉매를 수용한 하우징에 연결된 도입부와 배출부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수 개의 암모니아분해촉매의 배치 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치 내 암모니아분해촉매의 배치 예시도이다.
도 4는 도 3의 암모니아분해촉매를 수용한 하우징에 연결된 도입부와 배출부를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
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, 어느 일 방향에서 도입된 암모니아를 분해할 수 있고, 암모니아 도입방향과 대향하는 방향에서 분해된 수소를 배출할 수 있는 구조를 가질 수 있으며, 일 예로 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 5에 도시하였다.
도 5에 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, 복수의 암모니아분해촉매(10)가 일렬로 적층될 수 있으며, 이때 적층된 복수의 암모니아분해촉매(10) 중 일부인 제1 암모니아분해촉매(20)와, 또 다른 일부인 제2 암모니아분해촉매(30)는, 암모니아 도입방향에 서로 교차하도록 배치되는 것이 바람직하다.
즉, 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30)가 서로 교대로 적층될 수 있고, 이때 도 2의 도면방향을 기준으로 제1 암모니아분해촉매(20)에 암모니아가 전방에서 후방으로 도입된다고 가정하면, 제2 암모니아분해촉매(30)는 암모니아가 좌측에서 우측으로 도입하도록, 또는 우측에서 좌측으로 도입하도록 배치될 수 있다.
다만, 적층된 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30) 각각은 서로 같은 방향을 바라보도록 배치되는 것이 바람직하다.
따라서, 제1 암모니아분해촉매(20) 중 제2 암모니아분해촉매(30)의 암모니아 도입방향은 막혀있을 수 있고, 이와 반대로 제2 암모니아분해촉매(30) 중 제1 암모니아분해촉매(20)의 암모니아 도입방향은 막혀있을 수 있다.
이와 같은 배치로 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30)가 일렬로 적층되어 있을 때, 어느 일측에서 전면(全面)에 걸쳐 암모니아가 도입되는 경우, 암모니아는 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30) 중 어느 하나에만 병렬 도입될 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30)가 서로 교대로 일렬 적층되되, 서로 다른 방향을 바라보도록 적층되어 있을 때, 하우징(100)에 연결된 암모니아도입부(101)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 둘 이상으로 분기될 수 있다.
이에 따라, 외부에서 도입된 암모니아는 분기점을 기준으로 나누어져, 적층된 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30)에서 제1 암모니아분해촉매(20)의 암모니아 도입방향과, 제2 암모니아분해촉매(30)의 암모니아 도입방향으로 각각 유입될 수 있다.
외부의 암모니아가 암모니아도입부(101)를 따라 적층된 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30)에서 제1 암모니아분해촉매(20)의 암모니아 도입방향으로 유입되는 경우, 제2 암모니아분해촉매(30)의 해당 방향은 막혀 있어 해당 방향으로는 제2 암모니아분해촉매(30)에 외부의 암모니아가 유입되지 않을 수 있고, 이때, 외부의 암모니아가 유입되는 제1 암모니아분해촉매(20)가 둘 이상인 경우 복수의 제1 암모니아분해촉매(20)로 외부의 암모니아는 병렬 도입될 수 있다.
마찬가지로, 외부의 암모니아가 암모니아도입부(101)를 따라 적층된 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30)에서 제2 암모니아분해촉매(30)의 암모니아 도입방향으로 유입되는 경우, 제1 암모니아분해촉매(20)의 해당 방향은 막혀 있어 해당 방향으로는 제1 암모니아분해촉매(20)에 외부의 암모니아가 유입되지 않을 수 있고, 이때, 외부의 암모니아가 유입되는 제2 암모니아분해촉매(30)가 둘 이상인 경우 복수의 제2 암모니아분해촉매(30)로 외부의 암모니아는 병렬 도입될 수 있다.
한편, 하우징(100) 내 적층된 복수의 암모니아분해촉매(10)는 인접한 암모니아분해촉매(10) 간에 열교환 가능하도록 서로 면접하여 배치되는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 암모니아분해촉매(10)가 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 반응을 유도할 수 있도록 히터(120)에 의해 승온된 암모니아가 하우징(100)의 내부로 공급될 수 있으며, 고온의 암모니아가 제1 및 제2 암모니아분해촉매(20, 30) 중 암모니아 도입방향과 또 다른 방향의 면에 차단되더라도, 고온의 암모니아가 가진 열을 인접한 암모니아분해촉매(10)에 전달함으로써, 열손실없이 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10)가 손쉽게 분해반응 유도온도까지 도달할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 하우징(100)의 내부 수용공간에는 복수의 암모니아분해촉매(10)가 적층 배치될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10)는 직육면체 또는 정육면체 형태로 적층 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 특별히 한정하지 않으나, 각각의 암모니아분해촉매(10) 역시, 마찬가지로 직육면체 또는 정육면체 형태일 수 있다.
하우징(100) 내 적층된 복수의 암모니아분해촉매(10)는 직육면체 또는 정육면체 형태로 적층 배치될 수 있으나, 일 예로, 도 3에 도시하 바와 같이, 하우징(100) 내 수용되는 복수의 암모니아분해촉매(10)는 정육면체 형태를 가질 수 있다.
적육면체 형태를 가질 경우, 복수의 제1 암모니아분해촉매(20)와 복수의 제2 암모니아분해촉매(30)가 적층되되, 교차 적층된 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30)가 동일 개수의 행렬을 가져, 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10) 역시 전체적으로 정육면체 형태를 가질 수 있다. 이때, 각각의 암모니아분해촉매(10) 역시 정육면체 형태일 수 있다.
이러한 하우징(100)에 암모니아도입부(101)와 수소배출부(102)가 연통 가능하도록 연결된 모습을 도 4에 도시하였다.
도 4에 도시한 바와 같이, 암모니아도입부(101)를 통해 외부에서 도입된 암모니아는 암모니아도입부(101)의 분기점을 기준으로 나누어져 하우징(100)의 서로 다른 측면으로 유입될 수 있다.
이때 암모니아도입부(101)가 외부의 암모니아를 나누어 하우징(100)의 서로 다른 측면으로 균일하게 유도할 수 있도록, 암모니아도입부(101)의 내부에는 소정 형태를 가진 적어도 하나의 베플(baffle)이 마련될 수 있다.
복수의 암모니아분해촉매(10)가 정육면체 형태를 갖도록 적층 배치되어 있고, 또 외부의 암모니아가 도입되는 각 방향에 마주하도록 배치된 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30)가 동일한 개수를 갖기 때문에, 하우징(100)의 서로 다른 방향에서 도입되는 외부의 암모니아의 양이나 배압 등은 서로 균일할 수 있다.
이에 상응하여, 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30)에서 발생된 수소, 질소 및 슬립 암모니아가 혼합된 혼합가스는, 암모니아 도입방향과 대향하는 방향으로 배출되어 이와 연통 가능하도록 연결된 수소배출부(102)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
하우징(100)에서 암모니아가 유입되는 서로 다른 둘 이상의 측면 각각과 대향하는 반대측면에는 합류점을 가진 수소배출부(102)가 연결될 수 있다.
즉, 제1 암모니아분해촉매(20)와 제2 암모니아분해촉매(30) 각각에서 발생된 수소를 포함한 혼합가스는 수소배출부(102)를 따라 유동하여 합류 후 외부로 배출될 수 있다.
이때 수소배출부(102)가 수소나 이를 포함한 혼합가스를 균일하게 외부로 유도할 수 있도록, 수소배출부(102)의 내부에는 소정 형태를 가진 적어도 하나의 베플(baffle)이 마련될 수도 있다.
이렇게, 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 본 발명의 일 실시예에 따라, 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 일부는 히터(120)의 연료로 사용될 수 있도록 우회될 수 있다.
한편, 도 5에 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.
한편, 도 6a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 6a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라, 수소분리막(130)을 투과하여 정제된 고농도의 수소는, 배기관(103)을 통해 외부로 배출될 수 있으며, 그 중 일부, 일 예로 0.1% ~ 10%의 수소는 바이패스유로(104)를 통해 우회하여, 수소주입부(105)를 통해 하우징(100)에 수용된 수소산화촉매(110)로 주입될 수 있다.
수소산화촉매(110)는 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10) 중 적어도 어느 하나(바람직한 일 예로 중심에 배치된 것)를 대체하여 배치될 수 있으며, 수소산화촉매(110)는, 수소와 산소 간의 합성, 즉 수소의 산화반응을 통해 발생되는 반응열(또는 산화열)을, 그 주변에 마련된 암모니아분해촉매(10)에 제공할 수 있다.
여기서, 수소산화촉매(110)는 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) 등일 수 있고, 또 이와 달리, 수소산화촉매(110)가 배치된 빈 공간의 내측벽, 즉 그 주변에 배치된 암모니아분해촉매(10)의 외측 벽면에 도포 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.
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, 수소산화촉매(110)를 통과하는 수소의 흐름방향은 서로 반대일 수 있으며, 이에 따라 수소가 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 6a에 도시한 바와 같이, 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 6b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수소발생장치의 구성도이다.
도 6b에 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, 하우징(100) 내 복수의 암모니아분해촉매(10) 중 적어도 어느 하나를 대체하여 적어도 하나의 수소산화촉매(110), 적어도 하나의 암모니아제거촉매(111), 또는 이들의 조합이 마련될 수 있다.
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
20: 제1 암모니아분해촉매
30: 제2 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
30: 제2 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
Claims (10)
- 유입된 암모니아를 분해하여 수소를 발생하는 복수의 암모니아분해촉매;
를 포함하되,
상기 복수의 암모니아분해촉매는 적층되되, 상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매 중 일부인 제1 암모니아분해촉매와, 또 다른 일부인 제2 암모니아분해촉매는 암모니아 도입방향이 서로 교차하도록 적층 배치된 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 암모니아분해촉매에서, 상기 제2 암모니아분해촉매의 암모니아 도입방향은 막혀있는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매는 복수이되, 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매는 서로 교대로 적층된 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 3 항에 있어서,
외부의 암모니아를 상기 복수의 암모니아분해촉매로 제공하기 위한 암모니아도입부;
를 더 포함하고,
상기 암모니아도입부는, 외부의 암모니아를 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매의 상기 도입방향에 따라 분기하여, 상기 제1 및 제2 암모니아분해촉매 각각으로 제공하되, 또 각각은 상기 복수의 제1 암모니아분해촉매 각각으로 병렬 도입되도록 함과 동시에, 상기 복수의 제2 암모니아분해촉매 각각으로 병렬 도입되도록 하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매는, 직육면제 또는 정육면체이고, 상기 암모니아분해촉매 각각은, 직육면제 또는 정육면체인 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 암모니아분해촉매는, 허니컴구조의 촉매인 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매는, 인접한 상기 암모니아분해촉매 간에 열교환 가능하도록 서로 면접하여 배치된 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 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 1 항에 있어서,
상기 적층된 복수의 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 수소는 합류되어 배출되는 수소배출부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 수소배출부는, 상기 암모니아분해촉매를 통과하여 발생된 가스 중 수소를 정제하는 수소분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치.
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| KR1020220078981A KR20240002267A (ko) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240002267A true KR20240002267A (ko) | 2024-01-05 |
Family
ID=89541272
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| KR1020220078981A KR20240002267A (ko) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101391815B1 (ko) | 2012-06-25 | 2014-05-12 | 한국과학기술연구원 | 수소 발생 장치 및 이를 이용한 수소 제조 방법 |
| KR102247197B1 (ko) | 2020-06-24 | 2021-05-04 | (주)원익머트리얼즈 | 암모니아 개질기 |
| KR102315763B1 (ko) | 2020-11-05 | 2021-10-21 | (주)씨이에스 | 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 |
-
2022
- 2022-06-28 KR KR1020220078981A patent/KR20240002267A/ko unknown
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