WO2021261796A1 - 수소와 산소의 재결합방법 및 시스템 - Google Patents

수소와 산소의 재결합방법 및 시스템 Download PDF

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water
mixed gas
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김정식
김윤구
신현수
황선덕
김용제
김태훈
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(주) 테크윈
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Definitions

  • the water supply device may include: a water tank connected to a lower portion of the hydrogen recombination chamber and accommodating water; a water level control unit for constantly adjusting the water level in the water tank; and a heater unit which is driven and controlled by the control unit to heat the water in the water tank.
  • the hydrogen gas can be stably maintained even within the explosive range of concentration and cause a catalytic reaction to be recombined with water.
  • the catalyst unit 20 is installed in the heat exchange device 30, heat generated during the catalytic reaction is heat exchanged through the heat exchange device 30 and cooled, so that the temperature is maintained within the explosive range of hydrogen gas, and the catalytic reaction This deterioration can be prevented.
  • the heat exchange device 20 includes a cooling unit 200 and a heat exchange unit 300 disposed between the cooling unit 200 and the catalyst unit 10 .
  • the cooling unit 200 may include a heat medium transfer pipe 210 that is formed through the heat exchange unit 300 in the vertical direction or in a zigzag manner.
  • 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 may be disposed in parallel to the movement path of the hydrogen mixed gas, or may be disposed in a zigzag manner up and down.
  • the heat medium transfer pipe 210 is vertically disposed, and is illustrated as an example of being disposed at the center of the heat exchange unit 300 .
  • 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 moisture supply device 40 supplies moisture to the mixed gas supplied to the catalyst unit 10 to ensure stability even within the explosive concentration range.
  • the water supply device 40 includes a water tank 41 in which water is accommodated, a water level control unit 42 for constantly adjusting the water level in the water tank 41 , and a heater unit 43 for heating water in the water tank 41 . ) is provided.
  • the water level control unit 42 includes a pipe having an inlet 42a positioned inside the water tank 41 and an outlet 42b positioned outside the water tank 510 .
  • a so-called 'U'-shaped bending section 42c is formed between the inlet 42a and the outlet 42b.
  • the heater unit 43 is installed in the water tank 41 to heat the water in the water tank 41 to maintain a predetermined temperature range.
  • This heater part 43 is installed in the lower part of the water tank 41 and generates a heater 43a that generates heat when power is applied, a temperature sensor 43b that measures the water temperature of the water tank 41, and a temperature sensor 43b) It is selectively switched according to the measured temperature of the heater (43a) is provided with a switching unit (43c) for supplying the power of the power supply unit.
  • the switching unit 43c may include a bimetal that is switched and short-circuited according to temperature.
  • the mixed gas supply unit 50 is for supplying a mixed gas in which hydrogen is mixed in the air to the moisture supply device 40 , and includes the mixed gas generator 51 and the water tank 41 of the moisture supply device 40 . It includes a mixed gas supply path 52 connected thereto, and a mixed gas diffuser unit 53 for supplying the mixed gas supplied through the mixed gas supply path 52 into the water inside the water tank 41 .
  • the mixed gas diffuser unit 53 has a tubular shape, and a plurality of jetting holes for jetting the mixed gas are formed.
  • a plurality of the mixed gas diffuser unit 53 may be installed in the water tank 41 to be connected to the mixed gas supply path 52 .
  • the heat energy generated during the catalytic reaction in the catalyst unit 20 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 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 20 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.

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Abstract

공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 유입되어 수소를 촉매반응에 의해 물로 재결합하여 처리한 후 배출하는 수소 재결합챔버와, 수소 재결합챔버 내에 설치되어 혼합가스의 수소와 산소를 촉매반응으로 재결합하여 물로 생성시키는 촉매부 및 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 열교환에 의해 냉각하는 열교환 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합 시스템이 개시된다.

Description

수소와 산소의 재결합방법 및 시스템
본 발명은 수소 재결합방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 화학반응 후 발생하는 수소를 산소와 재결합하는 수소와 산소의 재결합방법 및 시스템에 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 재결합방법 및 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소와 산소의 재결합시스템은, 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 유입되어 수소를 촉매반응에 의해 물로 재결합하여 처리한 후 배출하는 수소 재결합챔버; 상기 수소 재결합챔버 내에 설치되어, 상기 혼합가스의 수소와 산소를 촉매반응으로 재결합하여 물로 생성시키는 촉매부; 및 상기 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 열교환에 의해 냉각하는 열교환 장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 수소와 산소가 혼합된 혼합가스 내의 수소를 재결합하여 물로 생성함으로써 폭발범위 이내가 되도록 처리할 수 있다.
여기서, 상기 열교환 장치는, 상기 수소 재결합챔버를 통과하도록 설치되어 열매체가 이동되도록 하여 상기 수소 재결합챔버 내의 열을 냉각시키는 냉각부; 및 상기 냉각부와 상기 촉매부 사이에 배치되어, 상기 촉매부의 촉매 반응열을 상기 냉각부의 열매체와 열교환시켜 냉각시키는 열교환부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 촉매부에서 발생하는 반응열을 열교환에 의해 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 수소와 산소의 재결합시스템은, 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 유입되어 수소를 촉매반응에 의해 물로 재결합하여 처리한 후 배출하는 수소 재결합챔버; 상기 수소 재결합챔버 내에 설치되어, 상기 혼합가스의 수소와 산소를 촉매반응으로 재결합하여 물로 생성시키는 촉매부; 및 상기 수소 재결합챔버 내부로 수분을 공급하여 수소의 폭발을 억제시켜 상기 촉매부에서 수소 재결합이 이루어지도록 하는 수분 공급장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 혼합가스로 충분한 수증기를 공급하여 폭발을 방지하면서 수소와 산소를 재결합하여 수소를 처리할 수 있다.
여기서, 상기 수분 공급장치는, 상기 수소 재결합챔버의 하부에 연결되며, 물이 수용되는 수조; 상기 수조 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부; 및 상기 제어부에 의해 구동 제어되어 상기 수조 내부의 물을 가열하는 히터부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 수소 재결합챔버로 수분을 효과적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 촉매부는 수소와 산소의 산화 반응을 일으키며, 소수성을 가지는 촉매를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 습도가 높은 상태에서도 촉매부의 촉매반응이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 수소 재결합챔버 내부로 상기 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 더 포함하며, 상기 혼합가스 공급부는, 혼합가스 발생부와 상기 수조를 연결하는 혼합가스 공급경로; 상기 혼합가스 공급경로를 통해 공급된 혼합가스를 상기 수조 내부의 물속으로 공급하는 혼합가스 디퓨져부;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 혼합가스에 수분이 효과적으로 포함되도록 하여 공급할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수소와 산소의 재결합방법은, 산소와 수소를 포함하는 혼합가스를 수소 재결합챔버 내에서 촉매를 이용한 반응으로 수소와 산소를 재결합하여 물로 생성하는 단계; 및 상기 촉매에 의한 반응열을 열교환시켜 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 촉매열을 냉각시키면서 안정적인 상태에서 수소와 산소를 재결합하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 냉각시키는 단계는, 상기 수소 재결합챔버 내부에서 상기 촉매에 인접하여 설치되는 열교환부를 경유하도록 냉각부를 설치하고, 상기 냉각부로 열매체를 통과시켜서 상기 열교환부를 통해 전달되는 촉매반응열을 냉각시키는 것이 좋다.
이로써, 촉매에서 발생하는 열을 열교환부와 냉각부를 이용하여 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 수소와 산소의 재결합방법은, 산소와 수소를 포함하는 혼합가스를 수소 재결합챔버 내에서 촉매를 이용한 반응으로 수소와 산소를 재결합하여 물로 생성하는 단계; 및 상기 수소 재결합챔버 내로 수증기를 공급하여, 상기 수소를 폭발농도 범위 내에서 폭발을 방지하고 상기 수소와 산소의 재결합이 이루어지도록 하는 수분 공급단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 수소의 폭발을 방지할 수 있도록 수분을 공급한 상태에서 수소와 산호의 재결합이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
여기서, 상기 수분 공급단계는, 상기 수소 재결합챔버의 하부에 연결되는 수조에 물을 공급하는 단계; 및 상기 수조의 물을 설정된 온도로 가열하는 단계;를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 수소 재결합챔버로 수분을 용이하게 공급할 수 있다.
본 발명의 수소와 산소의 재결합방법 및 시스템에 따르면, 수소 혼합가스의 사용에 있어서, 폭발범위를 벗어나도록 수소와 산소를 촉매 반응을 통해 물로 재결합하여 수소가스를 안전한 범위로 조절할 수 있다.
또한, 촉매 반응시 발생하는 열을 열교환 하여 냉각부로 회수함으로써, 반응열에 의한 촉매반응의 저하를 방지할 수 있고, 온도 상승으로 인한 수소가스 폭발을 방지할 수 있다.
또한, 혼합가스에 수분을 공급하여 수소가스가 폭발범위 농도 내에서도 안정적으로 유지되면서 촉매반응을 일으켜서 물로 재결합되도록 할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 촉매 반응시 발생하는 열을 냉각시켜서 수소 폭발을 억제할 수 있고, 이로써 수소와 산소의 재결합이 효과적으로 이루어지도록 하여 수소를 안전하게 처리할 수 있다. 또한, 혼합가스로 수분을 공급하여 줌으로써, 폭발범위 내의 수소농도를 가지는 수소가 혼합된 혼합가스가 폭발하는 것을 방지하면서 촉매 반응이 효과적으로 이루어지도록 하여 수소가스를 안전하게 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합시스템을 설명하기 위한 개략적인 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합시스템을 나타내 보인 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 촉매부와 열교환 장치를 발췌하여 보인 개략적인 평면 구성도이다.
도 4는 도 3의 촉매부와 열교환 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 3에 도시된 제1실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 6은 제2실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 7은 제3실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 8은 제4실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 9는 제5실시예에 따른 열교환부를 나타내 보인 평면도이다.
도 10은 도 2에 도시된 수분 공급장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 11은 수소와 산소 및 수증기가 혼합된 상태에서의 수소의 폭발범위를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소와 산소의 재결방법 및 시스템을 자세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소와 산소의 재결합시스템은, 수소 재결합챔버(10)와, 상기 수소 재결합챔버(10) 내부의 상부 공간에 배치되는 촉매부(20), 상기 촉매부(20)에서 발생하는 반응열을 낮춰주는 열교환 장치(30), 상기 촉매부(20) 및 열교환 장치(30)로 수분을 공급하기 위한 수분 공급장치(40) 상기 수소 재결합챔버(10)로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부(50), 모니터링부(60) 및 제어부(70)를 구비한다.
상기 수소 재결합 챔버(10)는 외부와 내부가 차단되어 내부의 혼합가스가 외부로 유출되지 않도록 기밀을 유지하도록 구성되며, 하부에서 상부로 혼합가스가 이동하는 터널, 덕트 또는 하우징 구조를 가질 수 있다. 이러한 수소 재결합 챔버(10) 내부의 상부에 촉매부(20), 열교환 장치(30)가 배치되고, 하부에는 수분 공급장치(40)가 설치된다. 수소 재결합챔버(10)의 상부에는 혼합가스 중의 수소를 재결합하여 폭발범위 이내의 안전한 상태로 처리된 처리가스가 배출되는 벤트홀(미도시)이 형성되거나, 배출 덕트(미도시)가 연결될 수 있다.
상기 촉매부(20)는 열교환 장치(30)에 설치되어, 촉매 반응시 발생하는 열이 상기 열교환 장치(30)를 통해 열교환되어 냉각됨으로써, 수소가스의 폭발범위 이내로 온도가 유지되도록 하고, 촉매반응이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
바람직하게는 상기 촉매부(20)는 열교환 장치(30)의 주변에 배치되며, 열교환 장치(30)의 냉각부(200)를 중심으로 하는 원형의 관 형상을 가지되, 상하로 혼합공기가 용이하게 통과하면서 접촉할 수 있도록 다공성 구조나 격자구조를 가질 수 있다. 물론 상기 촉매부(20)는 구체적인 형상에 의해 한정되지 않으며 다양한 형상이나 구조가 가능하다.
상기 열교환장치(20)는 냉각부(200)와, 상기 냉각부(200)와 상기 촉매부(10) 사이에 배치되는 열교환부(300)를 구비한다.
상기 냉각부(200)는 열교환부(300)를 상하 방향 또는 지그재그 방식으로 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 배치될 수도 있고, 상하로 지그재그 방식으로 배치될 수도 있다. 본 발명의 실시예에서는 열매체 이송관(210)은 상하 수직으로 배치되고, 열교환부(300)의 중심에 배치되는 것을 예로 들어 도시하였다. 이러한 열매체 이송관(210)의 일단(하단)에는 열매체가 공급되는 입구(211)가 마련되고, 타단(상단)에는 열교환된 열매체가 배출되는 배출구(213)가 마련된다. 이러한 구성의 열매체 이송관(210) 주변에 상기 열교환부(300)가 밀착되어 결합된다. 상기 입구(211)와 배출구(213)는 수소 재결합챔버(10)의 외측으로 노출되어 미도시된 열매체 이송경로와 연결된다.
상기 열교환부(300)는 냉각부(200)와 촉매부(10) 사이에 배치되며, 대략 도넛 형태의 평면구조를 가지는 것이 좋다. 다만, 열교환부(300)는 공기 또는 수증기 등의 원활한 이동이 가능하도록 상하로 다공성 형상 즉, 다수의 유로를 가지는 구조를 갖는 것이 좋다.
상기 열교환기(300)의 제1실시예가 도 5에 도시되어 있다. 도 5를 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(10)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 6을 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(10)에 접촉되게 배치된다. 이로써, 열교환 핀부(320)와 촉매부(10)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 7을 참조하면, 제3실시예에 따른 열교환부(300")는 냉각부(200)의 외측에 결합되는 원형의 결합부(310)와, 결합부(310)의 외측에서 촉매부(10) 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(10)에 접촉된다. 상기 분기부(323")는 핀부 몸체(321")에 대응되는 길이로 형성된다.
도 8을 참조하면, 제4실시예에 따른 열교환부(1300)는 냉각부(200)의 외측에 결합되는 원형의 결합부(1310)와, 결합부(1310)의 외측에서 방사상으로 연결되어 촉매부(10)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(10)에 접촉된다. 서브 열교환 핀부(1330)는 결합부(1310)의 외측에서 촉매부(10) 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 9를 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(10) 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.
상기 수분 공급장치(40)는 촉매부(10)로 공급되는 혼합가스로 수분을 공급하여 폭발농도 범위 내에서도 안정성을 확보하도록 한다. 수분 공급장치(40)는 물이 수용되는 수조(41), 상기 수조(41) 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부(42), 수조(41) 내부의 물을 가열하는 히터부(43)를 구비한다.
상기 수조(41)는 상기 촉매부(10)와 열교환 장치(20)의 하부에 배치되며, 바람직하게는 수소 재결합챔버(10)의 하부에 연결된다. 물론, 수조(41)는 수소 재결합챔버(10)와 일체로 형성될 수도 있다. 수조(41)에는 혼합가스에 수분을 공급하기 위한 물이 일정 수위 수용된다. 또한, 상기 촉매부(10)와 열교환부(300)에서 생성된 물이 수조(41)로 흘러내려 수용된다.
상기 수위 조절부(42)는 수조(41) 내부에 위치되는 입구(42a)와, 수조(510) 외측에 위치되는 출구(42b)를 갖는 배관을 구비한다. 입구(42a)와 출구(42b) 사이에는 소위 'U' 자형 절곡 구간(42c)이 형성되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 수조(41) 내의 물 수위가 입구(42a)보다 높아지면, 입구(42a)로 물이 유입되어 출구(42b)로 배출됨으로써, 일정 수위로 조절될 수 있고, 혼합가스가 배출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 절곡 구간(42c)에서는 혼합가스가 배출되는 것을 차단할 수 있다.
상기 히터부(43)는 수조(41)에 설치되어 수조(41) 내의 물을 일정 온도 범위를 유지하도록 가열한다. 이러한 히터부(43)는 수조(41)의 하부에 설치되어 전원 인가 시 열을 발생시키는 히터(43a)와, 수조(41)의 물 온도를 측정하는 온도센서(43b), 온도센서(43b)의 측정온도에 따라서 선택적으로 스위칭 되어 히터(43a)로 전원 공급부의 전원을 공급하는 스위칭부(43c)를 구비한다. 스위칭부(43c)는 온도에 따라서 스위칭 연결 및 단락되는 바이메탈을 포함할 수 있다.
상기 혼합가스 공급부(50)는 수분 공급장치(40)로 공기 중에 수소가 혼합된 혼합가스를 공급하기 위한 것으로서, 혼합가스 발생부(51)와 상기 수분 공급장치(40)의 수조(41)를 연결하는 혼합가스 공급경로(52)와, 혼합가스 공급경로(52)를 통해 공급된 혼합가스를 수조(41) 내부의 물속으로 공급하는 혼합가스 디퓨져부(53)를 구비한다. 상기 혼합가스 디퓨져부(53)는 관 형상을 가지며, 혼합가스를 분출하기 위한 다수의 분출공이 형성된다. 또한, 혼합가스 디퓨져부(53)는 복수가 혼합가스 공급경로(52)에 연결되도록 수조(41) 내에 설치될 수도 있다.
상기 모니터링부(60)는 수소 재결합챔버(10) 내의 온도를 측정하는 챔버 온도센서(61)와, 수소 재결합챔버(10) 내의 습도를 측정하는 습도 센서(62), 수소 재결합챔버(10)의 하류(배출단)에서 처리 가스에 포함된 수소의 농도를 측정하는 수소 농도 센서(63)를 구비한다. 상기 센서들(61,62,63)은 바람직하게는 수소 재결합챔버(10)의 하류(즉, 상부 쪽) 쪽에 설치되어, 수조 재결합 챔버(10) 내의 온도, 습도, 수소 농도를 각각 측정하는 것이 좋다. 상기 각 센서(61,62,63)에서 측정된 정보는 제어부(70)로 전달된다.
상기 제어부(70)는 상기 모니터링부(60)의 센서들(61,62,63) 각각에서 측정된 정보를 전달받고, 수소 재결합챔버(10) 내의 환경 조건이 수소의 폭발을 방지하면서 안정적인 수소 재결합이 이루어질 수 있는 환경인지 판단한다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 수소 재결합챔버(10) 내에서 공기 중 수소와 수증기가 함께 존재하는 환경에서, 수소의 폭발농도 범위는 혼합가스 전체 부피에서 수증기의 부피가 약 35% 이상에서는 폭발(Detonation) 한계점을 벗어나게 되고, 약 60% 이상에서는 화재(Burn) 한계점을 벗어나게 된다. 또한, 공기 중 수소가스의 자연발화온도는 500∼571℃이고, 공기 중 수소 농도가 30v/v% 이내에서는 폭발이 일어나지 않은 안정된 상태를 유지할 수 있다.
이처럼 공기와 산소가 혼합된 혼합가스와 수증기가 혼합된 상태로 수소 재결합챔버(10) 내에 존재할 때, 상기 수소 재결합챔버(10) 내에서 수소를 재결합하여 수소 농도를 낮춰주면서, 각 센서(61,62,63)에서 측정된 정보를 근거로 하여 수소를 폭발범위 이내의 안전한 상태의 농도 범위가 되도록 하여 배출할 수 있게 된다. 이를 위해, 제어부(70)는 모니터링부(60)의 모니터링 정보를 전달받아서 수소 재결합챔버(10)내의 상태를 확인하면서, 수소가 안정된 상태를 유지할 수 있는 상태가 되도록 수분이 충분히 공급되도록 수분 공급장치(40)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(70)는 냉각부(200)를 제어하여 열매체의 공급 또는 순환 동작을 제어함으로써 수소 재결합챔버(10) 내의 온도를 안정적으로 유지되게 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(70)는 습도 센서(62)의 측정값을 모니터링하면서, 수소 재결합챔버(10) 내의 수증기가 전체 혼합기체의 부피 중에서 60% 이상을 유지할 수 있도록 수분 공급장치(40)를 제어하게 된다. 이를 위해, 제어부(70)는 히터부(43)와, 전원공급부를 직접 또는 간접적으로 제어하여 히터의 구동 동작과, 공급전류의 세기를 조절할 수 있다.
상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 수소 재결합시스템의 작용 효과를 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 혼합가스 공급부(50)의 디퓨져부(53)를 통해서 수조(41) 내부로 공기와 수소 혼합가스를 공급한다. 그리고 제어부는 히팅부(44)를 구동 제어하여 수조(41)의 물을 가열한다. 그러면, 수조(41)의 물이 일정 온도 이상으로 유지되어 수증기가 발생하여 수조(41)의 상부에 위치한 수소 재결합챔버(10)의 촉매부(20)와 열교환부(20)로 공급된다. 이때, 수조(41) 내의 물속으로 공급된 혼합가스는 수분을 포함한 채로 상승하여 촉매부(20)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 공급장치(40)에서 혼합가스로 수분 즉, 수증기를 충분히 공급하여 줌으로써, 폭발농도 범위 내에서 폭발을 방지하여 안정성을 확보할 수 있게 된다. 이때, 공기 중 수소와 공기가 존재하는 환경에서 수소의 폭발농도 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 공급장치(40)에서 혼합가스로 충분한 수분, 증기를 공급하여 줄 수 있도록 하여 수소의 폭발을 방지하고 안정성을 확보할 수 있다. 그리고 수소 재결합챔버(10) 내의 수증기, 온도, 수소 농도는 상기 모니터링부(60)에서 모니터링하여 제어부(70)로 전달된다. 따라서, 제어부(70)는 모니터링부(60)에서 전달된 측정값들을 확인하면서, 수소 재결합챔버(10) 내의 환경이 수소 폭발이 일어나지 않는 안정된 상태를 유지하도록 하면서, 혼합가스 내의 수소가 재결합되어 물로 생성되도록 하고, 안전한 상태의 수소 농도 범위의 처리가스가 외부로 배출되도록 제어할 수 있다.
이처럼 폭발 농도 범위 내의 수소가 포함된 혼합가스는 촉매부(20)에서 수소와 산소의 촉매반응 때문에 재결합되어 물을 생성하게 되고, 생성된 물은 수조(41)로 회수된다.
그리고 촉매부(20)에서 촉매 반응시 발생하는 열에너지는 열교환부(300)를 통해서 냉각부(200)로 전달하여 줌으로써, 촉매반응에 의한 열이 수소가스의 자연발화 온도 범위(500 ∼ 571℃)로 상승하는 것을 방지하여 촉매반응이 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(20)에서의 반응열을 열교환부(300)와 냉각부(200)를 이용하여 낮춰줌으로써, 반응열과 수분에 의한 촉매반응 저하를 방지하고, 촉매반응의 안정성을 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 경우, 촉매부(20)를 소수성 지지체의 촉매를 사용함으로써, 열교환 장치(30) 및 수분 공급장치(40)에서 공급되는 수분 때문에 촉매 반응성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 혼합가스를 가스 디퓨져부(53)를 이용하여 수조(41) 내의 물속에서 버블링시켜서 공급함으로써, 혼합가스에 수분이 효과적으로 혼합되도록 할 수 있다.
또한, 수소 재결합챔버 즉, 수소 재결합환경을 수소가 폭발하지 않고 안정된 사태를 유지할 수 있도록 설정 범위 이상의 수증기를 포함하도록 수분을 공급하면서 촉매에 의해 수소 재결합과정을 거치도록 함으로써, 저 비용이면서고, 간단한 구성으로 수소를 재결합하여 물로 생성하도록 하여 혼합가스에 포함된 수소를 안전하게 처리할 수 있게 된다.
한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예로서, 열교환장치(30)와 수분공급장치(40)를 함께 적용한 구성을 예로 들어 설명하였으나, 열교환장치(30)나 수분공급장치(40) 중에서 어느 하나만을 선택하여 적용하더라도 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있다. 즉, 열교환장치(30)만을 적용하여 촉매 반응시의 열을 냉각함으로써, 폭발을 방지하면서 수소와 산호의 재결합이 효과적으로 이루어지도록 처리할 수 있게 된다. 또한, 수분 공급장치(40)만을 적용할 경우에도, 수소의 폭발을 방지하면서 수소와 산소의 재결합이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있게 된다.
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 (12)

  1. 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 유입되어 수소를 촉매반응에 의해 물로 재결합하여 처리한 후 배출하는 수소 재결합챔버;
    상기 수소 재결합챔버 내에 설치되어, 상기 혼합가스의 수소와 산소를 촉매반응으로 재결합하여 물로 생성시키는 촉매부; 및
    상기 촉매부에서의 촉매 반응시 발생하는 열을 열교환에 의해 냉각하는 열교환 장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열교환 장치는,
    상기 수소 재결합챔버를 통과하도록 설치되어 열매체가 이동되도록 하여 상기 수소 재결합챔버 내의 열을 냉각시키는 냉각부; 및
    상기 냉각부와 상기 촉매부 사이에 배치되어, 상기 촉매부의 촉매 반응열을 상기 냉각부의 열매체와 열교환시켜 냉각시키는 열교환부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합시스템.
  3. 공기와 가스가 혼합된 혼합가스가 유입되어 수소를 촉매반응에 의해 물로 재결합하여 처리한 후 배출하는 수소 재결합챔버;
    상기 수소 재결합챔버 내에 설치되어, 상기 혼합가스의 수소와 산소를 촉매반응으로 재결합하여 물로 생성시키는 촉매부; 및
    상기 수소 재결합챔버 내부로 수분을 공급하여 수소의 폭발을 억제시켜 상기 촉매부에서 수소 재결합이 이루어지도록 하는 수분 공급장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수분 공급장치는,
    상기 수소 재결합챔버의 하부에 연결되며, 물이 수용되는 수조;
    상기 수조 내의 물 수위를 일정하게 조절하는 수위 조절부; 및
    상기 제어부에 의해 구동 제어되어 상기 수조 내부의 물을 가열하는 히터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매부는 수소와 산소의 산화 반응을 일으키며, 소수성을 가지는 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 재결합챔버 내부로 상기 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부를 더 포함하며,
    상기 혼합가스 공급부는,
    혼합가스 발생부와 상기 수조를 연결하는 혼합가스 공급경로;
    상기 혼합가스 공급경로를 통해 공급된 혼합가스를 상기 수조 내부의 물속으로 공급하는 혼합가스 디퓨져부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수소 재결합챔버 내부로 수분을 공급하는 수분 공급장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합시스템.
  8. 산소와 수소를 포함하는 혼합가스를 수소 재결합챔버 내에서 촉매를 이용한 반응으로 수소와 산소를 재결합하여 물로 생성하는 단계; 및
    상기 촉매에 의한 반응열을 열교환시켜 냉각시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 냉각시키는 단계는,
    상기 수소 재결합챔버 내부에서 상기 촉매에 인접하여 설치되는 열교환부를 경유하도록 냉각부를 설치하고, 상기 냉각부로 열매체를 통과시켜서 상기 열교환부를 통해 전달되는 촉매반응열을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합방법.
  10. 산소와 수소를 포함하는 혼합가스를 수소 재결합챔버 내에서 촉매를 이용한 반응으로 수소와 산소를 재결합하여 물로 생성하는 단계; 및
    상기 수소 재결합챔버 내로 수증기를 공급하여, 상기 수소를 폭발농도 범위 내에서 폭발을 방지하고 상기 수소와 산소의 재결합이 이루어지도록 하는 수분 공급단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 수분 공급단계는,
    상기 수소 재결합챔버의 하부에 연결되는 수조에 물을 공급하는 단계; 및
    상기 수조의 물을 설정된 온도로 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 수소 재결합챔버 내로 수증기를 공급하여, 상기 수소를 폭발농도 범위 내에서 폭발을 방지하고 상기 수소와 산소의 재결합이 이루어지도록 하는 수분 공급단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소와 산소의 재결합방법.
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