WO2021261795A1 - 수소와 산소의 재결합장치 - Google Patents

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WO2021261795A1
WO2021261795A1 PCT/KR2021/006916 KR2021006916W WO2021261795A1 WO 2021261795 A1 WO2021261795 A1 WO 2021261795A1 KR 2021006916 W KR2021006916 W KR 2021006916W WO 2021261795 A1 WO2021261795 A1 WO 2021261795A1
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unit
catalyst
heat exchange
hydrogen
water
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PCT/KR2021/006916
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English (en)
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정붕익
김정식
김윤구
신현수
황선덕
김용제
김태훈
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(주) 테크윈
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/002—Avoiding undesirable reactions or side-effects, e.g. avoiding explosions, or improving the yield by suppressing side-reactions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
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    • B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B5/00—Water

Definitions

  • the present invention relates to a hydrogen recombination device, and more particularly, to a hydrogen-oxygen recombination device for recombination of hydrogen generated after a chemical reaction with oxygen.
  • the present invention was created in view of the above points, and a hydrogen and oxygen recombination device for generating water by recombination of hydrogen and oxygen in a mixed gas in which hydrogen and oxygen are mixed while managing the temperature within the explosion range of hydrogen. Its purpose is to provide
  • the hydrogen and oxygen recombination apparatus of the present invention for achieving the above object includes: a catalyst unit for recombination of a mixed gas in which air and gas are mixed with water by a catalytic reaction; a cooling unit for cooling the heat generated during the catalytic reaction in the catalyst unit; and a heat exchange unit transferring heat from the catalyst unit to the cooling unit.
  • the cooling unit includes a heating medium conveying pipe through which the heating medium passes, and the heat exchange unit and the catalyst unit are arranged to be in contact with the heating medium conveying pipe.
  • the heat exchange unit and the catalyst unit are concentrically disposed with respect to the heat medium transfer pipe.
  • the heat of reaction generated in the catalyst unit can be effectively recovered by transferring heat to the cooling unit.
  • the heat exchange unit may include a coupling unit coupled to surround the outside of the heat medium transfer pipe; and a plurality of heat exchange fins protruding from the outside of the coupling part to extend in contact with the catalyst part, and spaced apart from each other at regular intervals.
  • the heat exchange fin part may include a fin part body extending from the outside of the coupling part in the direction of the catalyst part; and a branching portion extending in a plurality of branches from an end of the fin body and contacting the catalyst portion.
  • the heat exchange unit may include a coupling unit coupled to surround the outside of the heat medium transfer pipe; a plurality of main heat exchange fins protruding from the outside of the coupling part to extend in contact with the catalyst part and spaced apart from each other at regular intervals; and a sub heat exchanging fin part extending from the coupling part to the catalyst part, disposed between the main heat exchange fin parts and shorter than the main heat exchange fin part.
  • the catalyst part causes an oxidation reaction of hydrogen and oxygen, and preferably includes a catalyst having hydrophobicity.
  • a moisture supply unit for supplying moisture to the mixed gas supplied to the catalyst unit to prevent an explosion in the explosive concentration range of hydrogen to perform a catalytic reaction.
  • the water supply unit, the catalyst unit and the heat exchange unit are disposed on the mixed gas transport path of the upper portion, the water tank is accommodated in the lower portion; a water level control unit for constantly adjusting the water level in the water tank; a gas vent for supplying the mixed gas in the water inside the water tank; and a heater unit for heating the water in the water tank. It is better to include
  • the hydrogen gas can be stably maintained even within the explosive concentration range, and stability during the catalytic reaction can be secured.
  • the hydrogen gas in the use of the hydrogen mixed gas, can be adjusted to a safe range by recombination with water through a catalytic reaction of hydrogen and oxygen so as to be out of the explosive range.
  • the hydrogen gas can be stably maintained even within the explosive range of concentration and cause a catalytic reaction to be recombined with water.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an apparatus for recombination of hydrogen and oxygen according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing an extract of the catalyst unit, the heat exchange unit, and the cooling unit shown in FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the catalyst unit, the heat exchange unit, and the cooling unit of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a plan view illustrating a heat exchange unit according to the first embodiment shown in FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a plan view illustrating a heat exchange unit according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view illustrating a heat exchange unit according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a plan view illustrating a heat exchange unit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a plan view illustrating a heat exchange unit according to a fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic view for explaining the moisture supply unit shown in FIG. 1 .
  • the catalyst unit 100 for recombination of hydrogen and oxygen into water through a catalytic reaction and the catalyst in the catalyst unit 100
  • a cooling unit 200 for cooling heat generated during the reaction and a heat exchange unit 300 for transferring heat from the catalyst unit 100 to the cooling unit 200 are provided.
  • the heat exchange unit 300 is disposed between the catalyst unit 100 and the cooling unit 200, and heat generated during a catalytic reaction in the catalyst unit 100 is transferred to the cooling unit 200 for heat exchange,
  • the temperature can be maintained within the explosive range of hydrogen gas.
  • the cooling unit 200 may include a heat medium transfer pipe 210 that is formed vertically through the center of the heat exchange unit 300 .
  • the heat medium transfer pipe 210 is preferably formed of a metal material having good heat transfer efficiency, but may be formed of a non-metal material depending on the environment.
  • the heat medium transfer pipe 210 is arranged in parallel to the movement path of the hydrogen mixed gas, preferably vertically arranged or arranged in a vertical zigzag manner.
  • An inlet 211 to which a heat medium is supplied is provided at one end of the heat medium transfer pipe 210 , and an outlet 213 through which the heat-exchanged heat medium is discharged is provided at the other end.
  • the heat exchange unit 300 is closely adhered to and coaxially coupled to the periphery of the heat medium transfer pipe 210 having this configuration.
  • the catalyst part 100 has a circular ring or tube shape centered on the cooling part 200 .
  • the heat exchange unit 300 is disposed between the cooling unit 200 and the catalyst unit 100, and preferably has a substantially donut shape.
  • the heat exchange unit 300 has a porous shape or a lattice structure, that is, a structure having a plurality of flow passages vertically to enable smooth movement of air or water vapor.
  • the heat exchanger 300 includes a pipe-type coupling part 310 that is in close contact with the outer periphery of the cooling part 200 , and the catalyst part ( ) from the outside of the coupling part 310 .
  • 100) has a plurality of heat exchange fins 320 extending toward the side.
  • the heat exchange fins 320 are radially installed at regular intervals along the circumferential direction from the outside of the coupling part 310 , and the ends extend to contact the catalyst part 100 . Accordingly, sufficient space is secured between the plurality of heat exchange fins 320 so that heat exchange can be performed while fluids such as air and water vapor flow.
  • the heat exchange fin part 320 may be formed to have a constant thickness from the coupling part 310 to the end, and may have an upper and lower plate structure.
  • the heat exchange unit 300 ′ includes a pipe-type coupling part 310 and a heat exchange fin part extending radially from the outside of the coupling part 310 ( 320') is provided.
  • the heat exchange fins 320 ′ are installed on the outer periphery of the coupling portion 310 to be spaced apart from each other at regular intervals in the circumferential direction.
  • the heat exchange fin part 320 ′ has a fin body 321 connected to the coupling part 310 , and a branching part 323 that is branched from the fin body 321 .
  • the branching part 323 is branched at the same thickness from the end of the fin body 321 , and extends in parallel to each other and is disposed to contact the catalyst part 100 . Accordingly, the contact point between the heat exchange fin unit 320 and the catalyst unit 100 can be increased, and a wide heat exchange area can be secured.
  • the branch portion 323 of the heat exchange unit 300 ′ of the second embodiment is shorter than the length of the fin body 321 and has a symmetrically branched shape.
  • the heat exchange unit 300 ′′ includes a circular coupling unit 310 coupled to the outside of the cooling unit 200 , and the catalyst unit 100 from the outside of the coupling unit 310 . ) and a heat exchange fin part 320 "extending to protrude toward the side.
  • the heat exchange fin part 320 ′′ has a fin body 321 ′′ connected to the coupling part 310 , and a branch part 323 ′′ branching from the fin body 321 ′′.
  • the branch portion 323 ′′ is branched into three strands from the pin body 321 ′′ and is in contact with the catalyst unit 100 .
  • the branch portion 323′′ is formed to have a length corresponding to the pin body 321′′.
  • the heat exchange unit 1300 includes a circular coupling part 1310 coupled to the outside of the cooling part 200 , and radially connected from the outside of the coupling part 1310 to the catalyst
  • a main heat exchange fin part 1320 in contact with the part 100 and a sub heat exchange fin part 1330 disposed between the main heat exchange fin parts 1320 are provided.
  • the main heat exchange fin part 1320 has a fin body 1321 connected to the coupling part 1310 , and a branch part 1323 that is branched from the fin body 1321 .
  • the branching part 1323 is branched into three strands from the fin body 1321 and is in contact with the catalyst part 100 .
  • the sub heat exchange fin parts 1330 protrude from the outside of the coupling part 1310 toward the catalyst part 100 , and are alternately disposed between the main heat exchange fin parts 1320 .
  • the sub heat exchange fin part 1330 is formed to have a shorter length than the fin body 1321 of the main heat exchange fin part 1320 and is spaced apart from the fin body 1321 .
  • the heat exchange unit 1300 having such a configuration can secure a large contact area with the fluid, that is, a heat exchange area, while securing a passage for the fluid, thereby increasing heat exchange efficiency.
  • the heat exchange part 2300 includes a circular coupling part 2310 coupled to the outside of the cooling part 200 and a circumferential direction from the outside of the coupling part 2310 . Accordingly, the heat exchange fins 1320 extending to protrude at regular intervals are provided.
  • the heat exchange fin part 1320 extends in the direction of the catalyst part 100 and is preferably formed in a spiral form from the coupling part 2310 . As such, since the heat exchange fin part 1320 is formed in a spiral shape, there is an advantage in that the heat exchange area can be widened by securing a long length.
  • the heat exchange parts 300, 300', 300", 1300, and 2300 having the above configuration are formed of an aluminum material, and the coupling part and the heat exchange fin part have a heat sink structure.
  • the catalyst part 100 may include a catalyst having hydrophobicity.
  • the hydrophobic catalyst is a hydrophobic porous support, for example, a catalyst using a hydrophobic zeolite, hydrophobic silica, or hydrophobic carbon, or a material capable of imparting hydrophobicity, for example, a fluoropolymer resin, an organic silane to a porous material ( It is preferable to include a catalyst coated with zeolite, silica, carbon, titania, ceria, alumina, and zirconia).
  • the degree of hydrophobicity of the catalyst is preferably in the range of a surface contact angle of 90 to 160 degrees.
  • the hydrophobic catalyst is a catalyst having oxidation reaction characteristics of hydrogen and oxygen, preferably iron, nickel, cobalt, copper, It is preferable to use a catalyst material such as gold, silver, or tungsten to impart oxidation reaction properties.
  • the hydrogen recombination device it is preferable to further include a moisture supply unit 500 for supplying moisture to the mixed gas supplied to the catalyst unit 100 to ensure stability even within the explosive concentration range. .
  • the water supply unit 500 includes a water tank 510 in which water is accommodated, a water level adjusting unit 520 for constantly adjusting the water level in the water tank 510 , and a gas for supplying a mixed gas in the water inside the water tank 510 .
  • a diffuser unit 530 and a heater unit 540 for heating water in the water tank 510 are provided.
  • the water tank 510 is disposed below the catalyst unit 100 and the heat exchange unit 300 , and water for supplying moisture to the supplied mixed gas is accommodated at a predetermined level. In addition, the water generated by the catalyst unit 100 and the heat exchange unit 300 flows down into the water tank 510 and is accommodated.
  • the water level control unit 520 includes a pipe 521 having an inlet 521a positioned inside the water tank 510 and an outlet 521b positioned outside the water tank 510 .
  • a so-called 'U'-shaped bending section 521c is formed between the inlet 521a and the outlet 521b.
  • the gas diffuser unit 530 is connected to the inside and outside of the water tank 510 to receive a mixed gas containing hydrogen and oxygen from the outside, and is installed so as to be submerged in the water inside the water tank 510 to be submerged in the water inside the water tank 510 .
  • the mixed gas is ejected.
  • a plurality of such gas diffuser units 530 may be provided.
  • the heater unit 540 is installed in the water tank 510 to heat the water in the water tank 510 to maintain a predetermined temperature range.
  • the heater unit 540 is installed under the water tank 510 to generate heat when power is applied, a heater 541, a temperature sensor 542 for measuring the water temperature of the water tank 510, and a temperature sensor 542 It is selectively switched according to the measured temperature of the heater 541 is provided with a switching unit 543 for supplying power to the power supply unit.
  • the switching unit 543 may include a bimetal that is switched and short-circuited according to temperature.
  • a mixed gas of air and hydrogen is supplied into the water tank 510 through the diffuser unit 530 .
  • the water in the water tank 510 is heated by driving the heating unit 540 .
  • the water in the water tank 510 is maintained above a certain temperature to generate water vapor and is supplied to the catalyst unit 100 and the heat exchange unit 300 located above the water tank 510 .
  • the mixed gas supplied into the water in the water tank 510 rises while containing moisture and moves to the catalyst unit 100 .
  • the supplied mixed gas is maintained in an environment in which sufficient moisture is supplied, thereby ensuring stability even in the hydrogen explosion concentration range.
  • the hydrogen gas explosion concentration range in the air is known as LEL (Lower Explosion Limit) 3.75 Mol%, UEL (Upper Explosion Limit) 75.1 Mol% (ASTM E 681).
  • LEL Lower Explosion Limit
  • UEL Upper Explosion Limit
  • ASTM E 681 Standard Explosion Limit
  • the explosive concentration range of hydrogen in an environment in which hydrogen and air exist in the air is out of the detonation limit when the volume of water vapor in the total volume of the mixed gas is about 35% or more, and when it is about 60% or more, a fire (Burn) ) is out of bounds. Therefore, it is possible to prevent the explosion of hydrogen and secure stability by supplying sufficient moisture and steam to the mixed gas from the moisture supply unit 500 so as to escape the explosion and fire limit points as described above.
  • the mixed gas containing hydrogen within the explosive concentration range is recombined due to the catalytic reaction of hydrogen and oxygen in the catalyst unit 100 to generate water, and the generated water is recovered to the water tank 510 .
  • heat energy generated during the catalytic reaction in the catalyst unit 100 is transferred to the cooling unit 200 through the heat exchange unit 300, so that the heat from the catalytic reaction is in the auto-ignition temperature range of the hydrogen gas (500-571°C) It is possible to prevent the catalytic reaction from rising to a stable level.
  • the heat medium may be circulated in the cooling unit 200 in a water-cooled or air-cooled manner to increase heat exchange efficiency. As such, by lowering the heat of reaction in the catalyst unit 100 by using the heat exchange unit 300 and the cooling unit 200, deterioration of the catalytic reaction due to the heat of reaction and moisture can be prevented, and the stability of the catalytic reaction can be maintained.
  • the catalyst of the hydrophobic support for the catalyst part 100 by using the catalyst of the hydrophobic support for the catalyst part 100 , it is possible to prevent the catalyst reactivity from being lowered by the moisture supplied from the heat exchange part 300 and the moisture supply part 500 .

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Abstract

공기와 가스가 혼합된 혼합가스를 촉매 반응에 의해 물로 재결합하여 주는 촉매부와, 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 냉각하는 냉각부 및 촉매부의 열을 냉각부로 전달하는 열교환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치가 개시된다.

Description

수소와 산소의 재결합장치
본 발명은 수소 재결합장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학반응 후 발생하는 수소를 산소와 재결합하는 수소와 산소의 재결합장치에 관한 것이다.
화석에너지의 고갈로 인하여 신재생에너지 기술의 개발이 가속화되고 있다. 그중에서 지속 가능하며, 2차 오염이 적은 에너지로 수소에너지가 주목받고 있다.
그러나 수소는 가스로 존재하는 만큼 사용, 저장 부분에 제약이 많으며, 유출 시에는 산소와 반응하여 폭발의 위험성을 내재하고 있다.
따라서, 수소의 위험성을 줄이기 위해서 폭발한계 미만으로 또는 폭발한계를 초과하도록 처리하여 대기 중으로 배출하거나 사용할 필요가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 수소의 폭발범위 온도 이내로 관리하면서 수소와 산소가 혼합된 혼합가스 내에서 수소와 산소를 재결합하여 물을 생성하기 위한 수소와 산소의 재결합장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소와 산소의 재결합장치는, 공기와 가스가 혼합된 혼합가스를 촉매 반응에 의해 물로 재결합하여 주는 촉매부; 상기 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 냉각하는 냉각부; 및 상기 촉매부의 열을 상기 냉각부로 전달하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 수소와 산소를 촉매 반응으로 물로 재결합하여 수소가스를 안전한 범위로 조절할 수 있다.
여기서, 상기 냉각부는 열매체를 통과시키는 열매체 이송관을 포함하고, 상기 열교환부와 상기 촉매부는 상기 열매체 이송관과 접하도록 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열교환부와 상기 촉매부는 상기 열매체 이송관을 중심으로 동심적으로 배치되는 것이 좋다.
이로써, 촉매부에서 발생하는 반응열을 냉각부로 열 전달하여 효과적으로 회수할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 상기 열매체 이송관의 외측을 감싸도록 결합되는 결합부; 및 상기 결합부의 외측에서 돌출되어 상기 촉매부에 접촉되게 연장 형성되며, 일정 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 열교환 핀부;를 포함하는 것이 좋다.
또한, 상기 열교환핀부는, 상기 결합부의 외측에서 상기 촉매부 방향으로 돌출되어 연장되는 핀부 몸체; 및 상기 핀부 몸체의 끝단에서 복수로 분기되어 연장되며, 상기 촉매부에 접촉되는 분기부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 촉매부의 반응열을 효과적으로 열전달하여 회수할 수 있다.
또한, 상기 열교환부는, 상기 열매체 이송관의 외측을 감싸도록 결합되는 결합부; 상기 결합부의 외측에서 돌출되어 상기 촉매부에 접촉되게 연장 형성되며, 일정 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 메인 열교환 핀부; 및 상기 결합부에서 상기 촉매부 쪽으로 돌출되게 연장되며, 상기 메인 열교환 핀부 사이에 배치되고 상기 메인 열교환 핀부보다 짧게 형성되는 서브 열교환 핀부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 열교환 면적으로 넓게 확보하여 촉매부의 반응열을 효과적으로 회수할 수 있다.
또한, 상기 촉매부는 수소와 산소의 산화 반응을 일으키며, 소수성을 가지는 촉매를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 수소와 산소 혼합가스에 수증기가 혼합되더라도 촉매부의 촉매 반응이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 촉매부로 공급되는 혼합가스에 수분을 공급하여 수소의 폭발 농도 범위에서 폭발을 방지하여 촉매 반응을 하도록 하는 수분 공급부를 더 포함하는 것이 좋다.
이로써, 수소가스의 폭발범위 농도에서도 안정적으로 유지되어 촉매 반응을 하여 물로 재결합되도록 할 수 있다.
또한, 상기 수분 공급부는, 상부의 혼합가스 이송경로 상에 촉매부와 열교환부가 배치되고, 하부에는 물이 수용되는 수조; 상기 수조 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부; 상기 수조 내부의 물속에서 상기 혼합가스를 공급하는 가스 환기구 부; 및 상기 수조의 물을 가열하는 히터 부; 를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 혼합가스로 수분을 공급하여 수소가스가 폭발 농도 범위 내에서도 안정적으로 유지되도록 할 수 있고, 촉매 반응시의 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명의 수소와 산소의 재결합장치에 따르면, 수소 혼합가스의 사용에 있어서, 폭발범위를 벗어나도록 수소와 산소의 촉매 반응을 통해 물로 재결합하여 수소가스를 안전한 범위로 조절할 수 있다.
또한, 촉매 반응시 발생하는 열을 열교환 하여 냉각부로 회수함으로써, 반응열에 의한 촉매 반응의 저하를 방지할 수 있고, 온도 상승으로 인한 수소가스 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 혼합가스에 수분을 공급하여 수소가스가 폭발범위 농도 내에서도 안정적으로 유지되면서 촉매 반응을 일으켜서 물로 재결합되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합장치를 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 촉매부와 열교환부 및 냉각부를 발췌하여 보인 개략적인 평면 구성도이다.
도 3은 도 2의 촉매부와 열교환부 및 냉각부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 도 2에 도시된 제1실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 5는 제2실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 6은 제3실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 7은 제4실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 8은 제5실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 수분 공급부를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합장치를 자세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합장치는, 수소와 산소를 촉매 반응을 통해 물로 재결합하는 촉매부(100), 상기 촉매부(100)에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 냉각하는 냉각부(200) 및 상기 촉매부(100)의 열을 상기 냉각부(200)로 전달하는 열교환부(300)를 구비한다.
상기 촉매부(100)와 상기 냉각부(200) 사이에 상기 열교환부(300)가 배치되어, 촉매부(100)에서 촉매 반응시 발생하는 열이 상기 냉각부(200)로 전달되어 열교환 됨으로써, 수소가스의 폭발범위 이내로 온도가 유지되도록 할 수 있다.
상기 냉각부(200)는 열교환부(300)의 중심에서 상하로 관통 형성되는 열매체 이송관(210)을 구비할 수 있다. 상기 열매체 이송관(210)은 열전달 효율이 좋은 금속재질로 형성되는 것이 좋으나, 환경에 따라서 비금속 재질로 형성되어 적용될 수도 있다. 상기 열매체 이송관(210)은 수소 혼합가스의 이동경로에 나란하게 배치되며, 바람직하게는 상하 수직으로 배치되거나, 상하 지그재그 방식으로 배치되는 것이 좋다. 이러한 열매체 이송관(210)의 일단에는 열매체가 공급되는 입구(211)가 마련되고, 타단에는 열교환된 열매체가 배출되는 배출구(213)가 마련된다. 이러한 구성의 열매체 이송관(210) 주변에 상기 열교환부(300)가 밀착되어 동축적으로 결합된다.
여기서, 바람직하게는 상기 촉매부(100)는 냉각부(200)를 중심으로 하는 원형의 링 또는 관 형상을 가지는 것이 좋다. 그리고 열교환부(300)는 냉각부(200)와 촉매부(100) 사이에 배치되며, 대략 도넛 형태를 가지는 것이 좋다. 다만, 열교환부(300)는 공기 또는 수증기 등의 원활한 이동이 가능하도록 상하로 다공성 형상이나 격자구조 즉, 다수의 유로를 가지는 구조를 갖는 것이 좋다.
상기 열교환기(300)의 제1실시예가 도 4에 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 제1실시예에 따른 열교환기(300)는 냉각부(200)의 외주에 밀착되는 파이프형의 결합부(310), 상기 결합부(310)의 외측에서 상기 촉매부(100) 쪽으로 연장 형성되는 다수의 열교환 핀부(320)를 가진다. 상기 열교환 핀부(320)는 결합부(310)의 외측에서 원주 방향을 따라서 일정 간격으로 이격되게 방사상으로 설치되며, 끝단이 상기 촉매부(100)에 접촉하도록 연장되어 형성된다. 따라서, 복수의 열교환 핀부(320) 사이에는 충분한 공간이 확보되어 공기와 수증기 등의 유체가 유동하면서 열교환이 이루어질 수 있다. 상기 열교환 핀부(320)는 결합부(310)에서 끝단까지 일정한 두께로 형성될 수 있으며, 상하 판구조를 가질 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환부(300')는 파이프형의 결합부(310)와, 결합부(310)의 외측에서 방사상으로 연장 형성되는 열교환 핀부(320')를 구비한다. 상기 열교환 핀부(320')는 결합부(310)의 외주에 원주 방향으로 일정 간격으로 이격되게 설치된다. 열교환 핀부(320')는 결합부(310)에 연결되는 핀부 몸체(321)와, 핀부 몸체(321)에서 복수로 분기되는 분기부(323)를 가진다. 분기부(323)는 핀부 몸체(321)의 끝단에서 동일한 두께로 분기되어, 서로 나란하게 연장되어 촉매부(100)에 접촉되게 배치된다. 이로써, 열교환 핀부(320)와 촉매부(100)의 접촉지점을 늘릴 수 있고, 열교환 면적을 넓게 확보할 수 있다. 제2실시예의 열교환부(300')의 분기부(323)는 핀부 몸체(321)의 길이보다 짧고, 한 쌍이 대칭되게 분기된 형상을 가진다.
도 6을 참조하면, 제3실시예에 따른 열교환부(300")는 냉각부(200)의 외측에 결합되는 원형의 결합부(310)와, 결합부(310)의 외측에서 촉매부(100) 쪽으로 향하도록 돌출되게 연장되는 열교환 핀부(320")를 구비한다. 상기 열교환 핀부(320")는 결합부(310)에 연결되는 핀부 몸체(321")와, 핀부 몸체(321")에서 복수로 분기되는 분기부(323")를 가진다. 상기 분기부(323")는 핀부 몸체(321")에서 3가닥으로 분기되어 촉매부(100)에 접촉된다. 상기 분기부(323")는 핀부 몸체(321")에 대응되는 길이로 형성된다.
도 7을 참조하면, 제4실시예에 따른 열교환부(1300)은 냉각부(200)의 외측에 결합되는 원형의 결합부(1310)와, 결합부(1310)의 외측에서 방사상으로 연결되어 촉매부(100)에 접촉되는 메인 열교환 핀부(1320)와, 메인 열교환 핀부(1320) 사이마다 배치되는 서브 열교환 핀부(1330)를 구비한다. 상기 메인 열교환 핀부(1320)는 결합부(1310)에 연결되는 핀부 몸체(1321)와, 핀부 몸체(1321)에서 복수로 분기되는 분기부(1323)를 가진다. 상기 분기부(1323)는 핀부 몸체(1321)에서 3가닥으로 분기되어 촉매부(100)에 접촉된다. 서브 열교환 핀부(1330)는 결합부(1310)의 외측에서 촉매부(100) 방향으로 돌출되게 연장되며, 메인 열교환 핀부(1320) 사이에 교번되게 배치된다. 그리고 서브 열교환 핀부(1330)는 메인 열교환 핀부(1320)의 핀부 몸체(1321)보다 짧은 길이로 형성되고, 핀부 몸체(1321)와 이격되게 배치된다. 이러한 구성을 가지는 열교환부(1300)는 유체의 이동통로를 확보하면서도, 유체와의 접촉면적, 즉 열교환 면적을 넓게 확보할 수 있어서 열교환 효율을 높일 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 제5실시예에 따른 열교환부(2300)는 냉각부(200)의 외측에 결합되는 원형의 결합부(2310)와, 결합부(2310)의 외측에서 원주 방향을 따라서 일정 간격으로 돌출되게 연장되는 열교환 핀부(1320)를 구비한다. 열교환 핀부(1320)는 촉매부(100) 방향으로 연장되며, 결합부(2310)에서부터 나선형으로 형성된 것이 좋다. 이처럼, 열교환 핀부(1320)가 나선형으로 형성됨으로써, 길이를 길게 확보하여 열교환 면적을 넓힐 수 있는 이점이 있다.
상기 구성을 가지는 열교환부(300,300',300",1300, 2300)는 알루미늄 재질로 형성되며, 결합부와 열교환 핀부가 방열판 구조를 가지는 것이 좋다.
한편, 상기 촉매부(100)는 소수성을 가지는 촉매를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 소수성을 가진 촉매는 소수성의 다공성 지지체, 예를 들어 소수성 제올라이트, 소수성 실리카, 소수성 카본을 이용한 촉매 또는 소수성을 부여할 수 있는 물질 예를 들어, 불소 고분자 수지류, 유기 실란을 다공성 소재(제올라이트, 실리카, 카본, 티타니아, 세리아, 알루미나, 지르코니아 중 어느 하나)와 혼합하여 코팅한 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 촉매의 소수성의 정도는 표면 접촉각을 90 내지 160도의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 소수성을 가지는 촉매는 수소와 산소의 산화 반응 특성을 가지는 촉매로서, 바람직하게는 백금족 귀금속 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금과 산화 반응 특성을 갖는 철, 니켈, 코발트, 구리, 금, 은, 텅스텐 등의 촉매 물질을 이용하여 산화 반응 특성을 부여한 촉매인 것이 좋다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 수소 재결합장치는, 촉매부(100)로 공급되는 혼합가스로 수분을 공급하여 폭발 농도 범위 내에서도 안정성을 확보하도록 하는 수분 공급부(500)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 수분 공급부(500)는 물이 수용되는 수조(510), 상기 수조(510) 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부(520), 수조(510) 내부의 물속에서 혼합가스를 공급하는 가스 디퓨져부(530), 수조(510)의 물을 가열하는 히터부(540)를 구비한다.
상기 수조(510)는 상기 촉매부(100)와 열교환부(300)의 하부에 배치되며, 공급되는 혼합가스에 수분을 공급하기 위한 물이 일정 수위 수용된다. 또한, 상기 촉매부(100)와 열교환부(300)에서 생성된 물이 수조(510)로 흘러내려 수용된다.
상기 수위 조절부(520)는 수조(510) 내부에 위치되는 입구(521a)와, 수조(510) 외측에 위치되는 출구(521b)를 갖는 배관(521)을 구비한다. 입구(521a)와 출구(521b) 사이에는 소위 'U' 자형 절곡구간(521c)이 형성되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 수조(510) 내의 물 수위가 입구(521a)보다 높아지면, 입구(521a)로 물이 유입되어 출구(521b)로 배출됨으로써, 일정 수위로 조절될 수 있고, 혼합가스가 배출되는 것을 방지할 수 있다.
상기 가스 디퓨져부(530)는 수조(510) 내외로 연결되어 외부로부터 수소와 산소가 포함된 혼합가스를 공급받으며, 수조(510) 내부에서 물에 잠기도록 설치되어 수조(510) 내부의 물속에서 혼합가스를 분출한다. 이러한 가스 디퓨져부(530)는 복수가 구비될 수도 있다.
상기 히터부(540)는 수조(510)에 설치되어 수조(510) 내의 물을 일정 온도 범위를 유지하도록 가열한다. 이러한 히터부(540)는 수조(510)의 하부에 설치되어 전원 인가 시 열을 발생시키는 히터(541)와, 수조(510)의 물 온도를 측정하는 온도센서(542), 온도센서(542)의 측정온도에 따라서 선택적으로 스위칭 되어 히터(541)로 전원 공급부의 전원을 공급하는 스위칭부(543)를 구비한다. 스위칭부(543)는 온도에 따라서 스위칭 연결 및 단락되는 바이메탈을 포함할 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 수소 재결합장치의 작용 효과를 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 디퓨져부(530)를 통해서 수조(510) 내부로 공기와 수소 혼합가스를 공급한다. 그리고, 히팅부(540)를 구동하여 수조(510)의 물을 가열한다. 그러면, 수조(510)의 물이 일정 온도 이상으로 유지되어 수증기가 발생하여 수조(510)의 상부에 위치한 촉매부(100)와 열교환부(300)로 공급된다. 또한, 수조(510) 내의 물속으로 공급된 혼합가스는 수분을 포함한 채로 상승하여 촉매부(100)로 이동된다.
이처럼 공급되는 혼합가스는 충분한 수분이 공급된 환경상태로 유지됨으로써 수소 폭발 농도 범위에서도 안정성을 확보할 수 있게 된다. 즉, 공기 중 수소 가스 폭발 농도 범위는 LEL(Lower Explosion Limit) 3.75 Mol%, UEL(Upper Explosion Limit) 75.1 Mol%(ASTM E 681)로 알려져 있는데, 상기 수분 공급부(500)에서 혼합가스로 수분 즉, 수증기를 공급하여 줌으로써, 폭발 농도 범위 내에서 폭발을 방지하여 안정성을 확보할 수 있게 된다. 이때, 공기 중 수소와 공기가 존재하는 환경에서 수소의 폭발 농도 범위는, 혼합가스 전체 부피에서 수증기의 부피가 약 35% 이상에서는 폭발(Detonation) 한계점을 벗어나게 되며, 약 60% 이상에서는 화재(Burn) 한계점을 벗어나게 된다. 따라서, 상기와 같이 폭발 및 화재 한계점을 벗어날 수 있도록 수분 공급부(500)에서 혼합가스로 충분한 수분, 증기를 공급하여 줄 수 있도록 하여 수소의 폭발을 방지하고 안정성을 확보할 수 있다.
이처럼 폭발 농도 범위 내의 수소가 포함된 혼합가스는 촉매부(100)에서 수소와 산소의 촉매 반응 때문에 재결합되어 물을 생성하게 되고, 생성된 물은 수조(510)로 회수된다.
그리고 촉매부(100)에서 촉매 반응시 발생하는 열에너지는 열교환부(300)를 통해서 냉각부(200)로 전달하여 줌으로써, 촉매 반응에 의한 열이 수소가스의 자연발화 온도 범위(500 ∼ 571℃)로 상승하는 것을 방지하여 촉매 반응이 안정적으로 이루어지도록 할 수 있다. 열교환부(300)를 통해 전달되는 열에너지를 효과적으로 회수할 수 있도록 냉각부(200)에는 수냉식 또는 공랭식으로 열매체를 순환시켜서 열교환 효율을 높일 수 있다. 이처럼 촉매부(100)에서의 반응열을 열교환부(300)와 냉각부(200)를 이용하여 낮춰줌으로써, 반응열과 수분에 의한 촉매 반응 저하를 방지하고, 촉매 반응의 안정성을 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 촉매부(100)를 소수성 지지체의 촉매를 사용함으로써, 열교환부(300) 및 수분 공급부(500)에서 공급되는 수분에 의해 촉매 반응성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 혼합가스를 가스 디퓨져부(530)를 이용하여 수조(510) 내의 물속에서 버블링시켜서 공급함으로써, 혼합가스에 수분이 효과적으로 혼합되도록 할 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 공기와 가스가 혼합된 혼합가스를 촉매 반응에 의해 물로 재결합하여 주는 촉매부;
    상기 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 냉각하는 냉각부; 및
    상기 촉매부의 열을 상기 냉각부로 전달하는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는 열매체를 통과시키는 열매체 이송관을 포함하고,
    상기 열교환부와 상기 촉매부는 상기 열매체 이송관과 접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환부와 상기 촉매부는 상기 열매체 이송관을 중심으로 동심적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소와 산호의 재결합장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 열교환부는,
    상기 열매체 이송관의 외측을 감싸도록 결합되는 결합부; 및
    상기 결합부의 외측에서 돌출되어 상기 촉매부에 접촉되게 연장 형성되며, 일정 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 열교환 핀부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 열교환핀부는,
    상기 결합부의 외측에서 상기 촉매부 방향으로 돌출되어 연장되는 핀부 몸체; 및
    상기 핀부 몸체의 끝단에서 복수로 분기되어 연장되며, 상기 촉매부에 접촉되는 분기부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 열교환부는,
    상기 열매체 이송관의 외측을 감싸도록 결합되는 결합부;
    상기 결합부의 외측에서 돌출되어 상기 촉매부에 접촉되게 연장 형성되며, 일정 간격으로 이격되어 배치되는 복수의 메인 열교환 핀부; 및
    상기 결합부에서 상기 촉매부 쪽으로 돌출되게 연장되며, 상기 메인 열교환 핀부 사이에 배치되고 상기 메인 열교환 핀부보다 짧게 형성되는 서브 열교환 핀부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는 수소와 산소의 산화 반응을 일으키며, 소수성을 가지는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매부로 공급되는 혼합가스에 수분을 공급하여 수소의 폭발 농도 범위에서 폭발을 방지하여 촉매 반응을 하도록 하는 수분 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 수분 공급부는,
    상부의 혼합가스 이송경로 상에 촉매부와 열교환부가 배치되고, 하부에는 물이 수용되는 수조; 및
    상기 수조의 물을 가열하는 히터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 수분 공급부는,
    상기 수조 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치
  11. 제9항에 있어서, 상기 수분 공급부는,
    상기 수조 내부의 물속에서 상기 혼합가스를 공급하는 가스 디퓨져부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합장치.
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