WO2025170231A1 - 수소 제조 장치 및 수소 제조 방법 - Google Patents

수소 제조 장치 및 수소 제조 방법

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WO2025170231A1
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reactor
waste
hydrogen
acid
hydrogen production
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이재용
신성민
정현중
김솔
김유권
오창근
오현석
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Samsung Electronics Co Ltd
Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen with inorganic reducing agents by reaction of inorganic compounds with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen-containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M6/00—Primary cells; Manufacture thereof
    • H01M6/04—Cells with aqueous electrolyte
    • H01M6/06—Dry cells, i.e. cells wherein the electrolyte is rendered non-fluid

Definitions

  • hydrogen is generally produced through a catalytic reaction using hydrocarbon fossil fuels such as natural gas, coal, and oil, or through electrolysis of deionized water and alkaline water.
  • a hydrogen production device includes a first reactor including a first reactor configured to receive a first waste acid and a first waste metal, a second reactor configured to receive a second waste acid and a second waste metal, and the second reactor may include a second reactor arranged such that the second waste acid in the second reactor is heated by heat generated in the first reactor, and a hydrogen storage device connected to the first reactor and the second reactor, respectively, to store hydrogen generated in the first reactor and the second reactor.
  • a method for producing hydrogen according to one aspect of the present disclosure may include generating hydrogen by exothermically reacting a first waste acid and a first waste metal in a first reactor, transferring heat generated from the exotherm reaction to a second reactor, generating hydrogen by reacting a second waste acid and a second waste metal in the second reactor, and collecting and storing the hydrogen generated in the first reactor and the hydrogen generated in the second reactor.
  • high-purity hydrogen can be produced in an environmentally friendly and economical manner by utilizing waste acid and waste metal, and the heat generated in the first reactor (5) can be transferred to the second reactor (6) to produce hydrogen, thereby increasing the efficiency of hydrogen production.
  • hydrogen can be produced and collected in each reactor, thereby enabling mass production of high-purity hydrogen.
  • it may include generating hydrogen by exothermic reaction between the first waste acid (7) and the first waste metal (9) in the first reactor (5), transferring the heat generated from the exothermic reaction to the second reactor (6), generating hydrogen by reacting the second waste acid (8) and the second waste metal (10) in the second reactor (6), and collecting and storing the hydrogen generated in the first reactor (5) and the hydrogen generated in the second reactor (6).
  • an environmentally friendly hydrogen production method capable of producing electricity without emitting carbon can solve the problems of the conventional hydrogen production method through reforming of hydrocarbon-based fossil fuels, which is not environmentally friendly due to carbon dioxide production, and the hydrogen production method through electrolysis of alkaline water and deionized water, which requires high production costs due to high electricity consumption costs.
  • FIG. 1 is a drawing showing a hydrogen production device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a drawing showing a hydrogen production device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a flowchart showing a hydrogen production method according to one embodiment of the present invention.
  • each of the phrases “A or B”, “at least one of A and B”, “at least one of A or B”, “A, B, or C”, “at least one of A, B, and C”, and “at least one of A, B, or C” may include any one of the items listed together in that phrase, or all possible combinations thereof.
  • a component e.g., a first component
  • another component e.g., a second component
  • the component can be connected to the other component directly (e.g., wired), wirelessly, or through a third component.
  • a hydrogen production device (1) includes a first reactor (2) including a first reaction tank (5) provided to receive a first waste acid (7) and a first waste metal (9), a second reaction tank (6) provided to receive a second waste acid (8) and a second waste metal (10), and the second reaction tank (6) may include a second reactor (3) arranged so that the second waste acid (8) in the second reaction tank (6) is heated by heat generated in the first reaction tank (5), and a hydrogen storage device (4) connected to the first reaction tank (5) and the second reaction tank (6) respectively to store hydrogen generated in the first reactor (2) and the second reactor (3).
  • FIG. 1 is a drawing showing a hydrogen production device (1) according to one embodiment of the present invention.
  • the hydrogen production device (1) may be arranged such that the second reaction tank (6) is disposed inside the first reaction tank (5).
  • the first waste acid (7) and the first waste metal (9) of the first reaction tank (5) can produce hydrogen through an exothermic reaction, and in the case of the second reaction tank (6), the heat generated in the first reaction tank (5) is directly transferred to improve the reaction efficiency when producing hydrogen from the second waste acid (8) and the second waste metal (10).
  • a structure in which one reaction tank is disposed inside another reaction tank may be used interchangeably with a double jacket structure or a double jacket structure.
  • Fig. 2 is a drawing showing a hydrogen production device (1) according to another embodiment of the present invention.
  • the hydrogen production device (1) according to one embodiment of the present invention may be arranged such that the first reaction tank (5) is placed inside the second reaction tank (6).
  • the first waste acid (7) and the first waste metal (9) of the first reactor (5) can produce hydrogen through an exothermic reaction, and in the case of the second reactor (6), the heat generated in the first reactor (5) can be directly transferred with high efficiency, thereby further improving the reaction efficiency when producing hydrogen from the second waste acid (8) and the second waste metal (10).
  • the possibility of direct heat transfer may mean that heat transfer through conduction is possible between the reactor and the waste acid, rather than through convection through air.
  • Fig. 3 is a drawing showing a hydrogen production device (1) according to another embodiment of the present invention.
  • the first reaction tank (5) can be provided outside the second reaction tank (6).
  • the first waste acid (7) and the first waste metal (9) of the first reactor (5) can produce hydrogen through an exothermic reaction
  • the second reactor (6) provided separately from the first reactor (5) can receive the heat generated in the first reactor (5) to improve the reaction efficiency when producing hydrogen from the second waste acid (8) and the second waste metal (10).
  • the method by which the first reactor (5) transfers the heat to the second reactor (6) is not particularly limited, and for example, the heat can be transferred by bringing the first reactor (5) and the second reactor (6) into contact so that the heat is directly transferred, by using the reaction heat generated from the first reactor (5) to generate steam or a heat source and then transferring it to the second reactor (6), or by indirectly transferring the heat by arranging a heat exchanger between the first reactor (5) and the second reactor (6).
  • the number of reactors, reaction tanks, waste acids or waste metals is not limited to the above, and several reactors, reaction tanks, waste acids or waste metals may be provided within a range that can achieve the purpose of the present invention.
  • first waste acid (7) and the second waste acid (8) may be waste acids generated from an anodizing process
  • first waste metal (9) and the second waste metal (10) may be metal wastes such as aluminum, magnesium, and zinc materials used in mobile phones, laptops, various machines, construction equipment, etc., such as plates and die castings, which may be utilized as waste metals in the treatment process of the present invention. Therefore, according to the hydrogen production device (1) according to one embodiment of the present invention, high-purity hydrogen can be produced in an environmentally friendly and economical manner by utilizing waste metals contained in the waste acid and metal waste generated in the anodizing process as described above.
  • anodizing refers to the phenomenon in which an oxide film with great adhesion to the base metal is formed by oxygen generated at the anode when metal or parts are placed on the anode and electrolyzed in a dilute acid electrolyte.
  • anodic oxidation is a compound word of anode and oxidation (Ano-dizing).
  • the hydrogen production device (1) may include at least one of nitric acid, phosphoric acid, or sulfuric acid in the first waste acid (7) and the second waste acid (8), and may include at least one of aluminum, magnesium, zinc, or iron in the first waste metal (9) and the second waste metal (10).
  • waste acids and waste metals used in the present invention are not limited to the types of waste acids and waste metals mentioned above, and various waste acids and combinations thereof generated in the anodizing process, as well as various waste metals contained in metal waste materials, can be used in the hydrogen production device (1) of the present invention.
  • the waste metals may include, without limitation, die-casting scrap, frames, chips, and metal waste materials including some polymer compounds.
  • the hydrogen production device (1) comprises: the first spent acid (7) includes phosphoric acid in an amount of 30% to 90% by weight, sulfuric acid in an amount of 2% to 20% by weight, and the remainder water; the pH of the first spent acid (7) may be -0.2 to 4, preferably 0.1 to 0.5; the first spent metal (9) may include magnesium; the reaction temperature of the second reactor (6) is 50°C or higher; the second spent acid (8) includes sulfuric acid in an amount of 10% to 60% by weight, and the remainder water; the pH of the second spent acid (8) may be 0.3 to 4, preferably 0.5 to 1; and the second spent metal (10) may include aluminum.
  • the hydrogen production efficiency of the hydrogen production device (1) can be improved by controlling the composition and content of the first waste acid (7) and the second waste acid (8), the pH, and the reaction temperature of the reaction tank.
  • the hydrogen production device (1) may be arranged so that the second reaction tank (6) further accommodates one or more of platinum, carbon, or titanium.
  • a metal having a lower reactivity than the second waste metal (10) used for hydrogen production may be introduced into the second reaction tank (6) to promote galvanic corrosion of the second waste metal (10).
  • galvanic corrosion may be induced by directly contacting the second waste metal (10) with a metal having a lower reactivity than the second waste metal (10), such as platinum, carbon, or titanium, or by connecting the second waste metal (10) with a conductor (14) that allows ion movement, but the present invention is not necessarily limited to this method, and various methods capable of promoting galvanic corrosion may be used.
  • aluminum may be used as the second waste metal (10), and in this case, an oxide film that inhibits the solubility of aluminum may be formed on the surface of the aluminum. Accordingly, a metal having a lower ionization tendency than aluminum can be provided in the second reactor (6) to induce galvanic corrosion, thereby removing the surface oxide film of aluminum and improving the reactivity of the second waste metal (10) with the second waste acid (8).
  • a redox reaction occurs through the exchange of electrons between reactants. Oxidation refers to the loss of electrons, while reduction refers to the gain of electrons. Different metals have different tendencies to lose electrons and become oxidized. This is referred to as metal reactivity, and a comparison of the reactivity of representative metals is as follows.
  • Galvanic corrosion is also a type of corrosion that occurs when dissimilar metals come into contact, accelerating the oxidation of one metal. This corrosion process can be reversed and used to prevent corrosion, a process known as cathodic protection or cathodic protection.
  • a metal such as titanium or platinum which has a lower ionization tendency than aluminum, can be introduced into the second reaction tank (6) to induce oxidation of aluminum, thereby removing the oxide film formed on the surface of aluminum, thereby improving the reaction efficiency.
  • the hydrogen production device (1) may be provided so as to accommodate a galvanic cell (11) including an anode (12) including at least one of platinum, carbon, or titanium, a cathode (13) including aluminum, a conductor (14) connecting the anode (12) and the cathode (13), and an electronic device (15) connected to the conductor (14) and operable.
  • the current generated by the potential difference caused by the galvanic corrosion may be used to drive the electronic device (15) through the conductor (14) or stored in the galvanic cell (11) to be utilized as energy.
  • the hydrogen production device (1) may further include a gas filter (16) for separating hydrogen from the hydrogen storage device (4).
  • the purity of hydrogen produced in the first reaction tank (5) and the second reaction tank (6) may be increased through the gas filter (16).
  • the gas filter (16) may include a water vapor removal filter, a nitrogen removal filter, or an oxygen removal filter, etc., to separate hydrogen from air and water vapor.
  • the hydrogen production device (1) may further include a filtration filter (17) for each of the first reactor (2) and the second reactor (3), and the filtration filter (17) may further include a primary filter (18) and a secondary filter (19) for additionally filtering the residue that has passed through the primary filter (18), and the primary filter (18) may have a mesh structure and a pore size of 30 to 50 meshes, and the secondary filter (19) may include a non-woven fabric, a woven fabric, or a knitted fabric, and may have a pore size of 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • a filtration filter (17) including a primary filter (18) and a secondary filter (19) in each of the first reactor (2) and the second reactor (3) by-products generated after the reaction to produce hydrogen can be filtered and stored as needed. That is, through the primary filtration filter (17), waste metals such as metal materials after the reaction and residual substances after the reaction can be prevented from flowing into the production vessel, and unnecessary residual substances can be additionally filtered through the secondary filtration filter (17), so that the filtered metal salt by-products can be utilized in an environmentally friendly and economical way for producing fertilizers, etc.
  • the hydrogen production device has been described above.
  • a method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention may include generating hydrogen by causing an exothermic reaction between a first waste acid (7) and a first waste metal (9) in a first reaction tank (5), transferring heat generated from the exothermic reaction to a second reaction tank (6), generating hydrogen by causing a second waste acid (8) and a second waste metal (10) to react in the second reaction tank (6), and collecting and storing the hydrogen generated in the first reaction tank (5) and the hydrogen generated in the second reaction tank (6).
  • the present invention not only can hydrogen be produced in an environmentally friendly and economical manner by reacting waste acid and waste metal in each reaction tank, but also the heat generated from the exothermic reaction of the first waste acid (7) and the first waste metal (9) in the first reaction tank (5) can be transferred to the second reaction tank (6) and utilized for the reaction of the second waste acid (8) and the second waste metal (10), thereby improving the efficiency of hydrogen production, and hydrogen produced in the first reaction tank (5) and hydrogen produced in the second reaction tank (6) can be collected and stored, respectively, thereby enabling mass production of hydrogen.
  • the hydrogen production method according to one embodiment of the present invention may further include galvanically corroding the second waste metal (10) within the second reaction tank (6).
  • a metal having a lower ionization tendency than the second waste metal (10) such as platinum, may be connected to the second waste metal (10) to induce galvanic corrosion, thereby promoting oxidation of the second waste metal (10), thereby improving the hydrogen production efficiency of the second waste acid (8) and the second waste metal (10) within the second reaction tank (6).
  • aluminum and platinum may be connected within the second reaction tank (6) by a conductor (14), and at this time, an oxide film formed on the surface of aluminum may be removed by a redox reaction, and when the oxide film is removed, the reaction efficiency of aluminum and the second waste acid (8) may increase.
  • FIG. 2 illustrates a galvanic cell (11) including an anode (12), a cathode (13), a conductor (14), and an electronic device (15) provided in the second reactor (6) according to one embodiment of the present invention.
  • the electronic device (15) may mean a device composed of an electronic device such as a electron tube, a transistor, or an integrated circuit that can be driven by applying voltage or current, and may be used in the same meaning as an electronic device or an electronic product.
  • the first waste acid (7) and the second waste acid (8) may include at least one of nitric acid, phosphoric acid, or sulfuric acid
  • the first waste metal (9) and the second waste metal (10) may include at least one of aluminum, magnesium, zinc, or iron.
  • the waste acid and waste metal used in the present invention are not limited to the types of the waste acid and waste metal, and various waste acids and combinations thereof generated in the anodizing process, and various waste metals included in metal waste materials may be used in the hydrogen production device (1) of the present invention.
  • the waste metal may be, without limitation, die-casting scrap, frames, chips, metal waste materials including some polymer compounds, etc.
  • a method for producing hydrogen may include the first waste metal (9) including magnesium, the second waste metal (10) including aluminum, the first waste acid (7) including phosphoric acid in an amount of 30% to 90% by weight, sulfuric acid in an amount of 2% to 20% by weight, and the remainder water, the second waste acid (8) including sulfuric acid in an amount of 10% to 60% by weight, and the remainder water, the pH of the first waste acid (7) may be -0.2 to 4, preferably 0.1 to 0.5, the reaction temperature of the second reactor (6) may be 50°C or higher, and the pH of the second waste acid (8) may be 0.3 to 4, preferably 0.5 to 1.
  • hydrogen production efficiency may be maximized, thereby promoting mass production of hydrogen.
  • the hydrogen production method may further include separating the stored hydrogen from water vapor and air, and the purity of the separated hydrogen may be 99% or more, preferably 99.9% or more.
  • a gas filter (16) may be used that may include a water vapor removal filter, a nitrogen removal filter, or an oxygen removal filter, so as to separate hydrogen from air and water vapor, and the purity of the hydrogen produced in the first reactor (5) and the second reactor (6) may be secured to 99% or more, preferably 99.9% or more through the gas filter (16).
  • the hydrogen production method may further include filtering the residue generated after the hydrogen production reaction in the first reactor (5) and the second reactor (6).
  • a filter (17) may be used in each of the first reactor (2) and the second reactor (3), or the reactors may be connected to use one filter (17), and the filter (17) further includes a primary filter (18) and a secondary filter (19) that further filters the residue that has passed through the primary filter (18), and the primary filter (18) has a mesh structure and has a pore size of 30 to 50 mesh, and the secondary filter (19) may include a non-woven fabric, a woven fabric, or a knitted fabric, and may have a pore size of 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • a filtration filter (17) including a primary filter (18) and a secondary filter (19) in each of the first reactor (2) and the second reactor (3) by-products generated after the reaction to produce hydrogen can be filtered and stored as needed. That is, through the primary filtration filter (17), waste metals such as metal materials after the reaction and residual substances after the reaction can be prevented from flowing into the production vessel, and unnecessary residual substances can be additionally filtered through the secondary filtration filter (17), so that the filtered metal salt by-products can be utilized in an environmentally friendly and economical manner as fertilizer production or a coagulant for water treatment.
  • FIG. 4 is a flow chart showing a hydrogen production method according to one embodiment of the present invention.
  • the first waste acid (7) and the first waste metal (9) can generate hydrogen through an exothermic reaction in the first reactor (5), and the heat generated in the first reactor (5) can be transferred to the second reactor (6) and used in the hydrogen production process of the second waste acid (8) and the second waste metal (10).
  • the hydrogen produced in each reactor can be collected and stored, and the stored high-purity hydrogen of 99% or more can be secured with a purity of 99.9% or more through an additional hydrogen separation process.
  • unnecessary residues generated after the hydrogen production reaction in each reactor can be filtered, and the filtered metal salt byproducts can be utilized in processes such as fertilizer production or coagulants for water treatment.
  • Table 1 shows the results of an experiment in which a chemical polishing sample (C.P) containing 1 g of magnesium metal in wt%, 85% phosphoric acid, and 15% sulfuric acid was diluted in water at different concentrations and then reacted to determine the amount of hydrogen produced and the reactivity of hydrogen production.
  • C.P chemical polishing sample
  • Table 2 shows the results of an experiment on the amount of hydrogen produced and the reactivity of hydrogen production by reacting a film sample containing 0.5 g of aluminum metal (by weight%), 30% sulfuric acid, and the remainder water at varying pH. The reaction was conducted at a temperature of 53°C for 2 hours and 30 minutes.
  • a hydrogen production device (1) includes a first reactor (2) including a first reaction tank (5) provided to receive a first waste acid (7) and a first waste metal (9), a second reaction tank (6) provided to receive a second waste acid (8) and a second waste metal (10), and the second reaction tank (6) may include a second reactor (3) arranged so that the second waste acid (8) in the second reaction tank (6) is heated by heat generated in the first reaction tank (5), and a hydrogen storage device (4) connected to the first reaction tank (5) and the second reaction tank (6) respectively to store hydrogen generated in the first reactor (2) and the second reactor (3).
  • the first waste acid (7) and the second waste acid (8) may include at least one of nitric acid, phosphoric acid, or sulfuric acid.
  • the first waste metal (9) and the second waste metal (10) may include at least one of aluminum, magnesium, zinc, or iron.
  • the first waste acid (7) includes phosphoric acid in an amount of 30% to 90% by weight, sulfuric acid in an amount of 2% to 20% by weight, and the remainder water, the pH of the first waste acid (7) is -0.2 to 4, and the first waste metal (9) may include magnesium.
  • the reaction temperature of the second reactor (6) is 50°C or higher
  • the second waste acid (8) includes sulfuric acid in a weight percent of 10% or higher and 60% or lower and the remainder water
  • the pH of the second waste acid (8) is 0.3 or higher and 4 or lower
  • the second waste metal (10) may include aluminum.
  • the second reaction tank (6) may be provided to further accommodate one or more of platinum, carbon, or titanium.
  • a hydrogen production device (1) may be provided to accommodate a galvanic cell (11) including an anode (12) including at least one of platinum, carbon, or titanium, a cathode (13) including aluminum, a conductor (14) connecting the anode (12) and the cathode (13), and an electronic device (15) connected to the conductor (14) and operable.
  • a galvanic cell (11) including an anode (12) including at least one of platinum, carbon, or titanium, a cathode (13) including aluminum, a conductor (14) connecting the anode (12) and the cathode (13), and an electronic device (15) connected to the conductor (14) and operable.
  • a hydrogen production device (1) may further include a gas filter (16) for separating hydrogen in the hydrogen storage device (4).
  • a hydrogen production device (1) further includes a primary filter (18) and a secondary filter (19) for additionally filtering residues that have passed through the primary filter (18), wherein the primary filter (18) has a mesh structure and has a pore size of 30 to 50 meshes, and the secondary filter (19) includes a non-woven fabric, a woven fabric, or a knitted fabric, and may have a pore size of 5 ⁇ m or more and 15 ⁇ m or less.
  • a method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention may include generating hydrogen by exothermically reacting a first waste acid (7) and a first waste metal (9) in a first reaction tank (5), transferring the heat generated from the exotherm reaction to a second reaction tank (6), generating hydrogen by reacting a second waste acid (8) and a second waste metal (10) in the second reaction tank (6), and collecting and storing the hydrogen generated in the first reaction tank (5) and the hydrogen generated in the second reaction tank (6).
  • a hydrogen production method may further include galvanically corroding the second waste metal (10) within the second reactor (6).
  • a hydrogen production method may further include generating energy through galvanic corrosion within the second reactor (6).
  • the first waste metal (9) may include magnesium
  • the second waste metal (10) may include aluminum
  • the first waste acid (7) may include phosphoric acid in an amount of 30% to 90% by weight, sulfuric acid in an amount of 2% to 20% by weight, and the remainder water
  • the second waste acid (8) may include sulfuric acid in an amount of 10% to 60% by weight, and the remainder water.
  • the pH of the first waste acid (7) may be -0.2 or more and 4 or less
  • the reaction temperature of the second reaction tank (6) may be 50°C or more
  • the pH of the second waste acid (8) may be 0.3 or more and 4 or less.
  • a method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention may further include separating the stored hydrogen from water vapor and air.
  • the purity of the separated hydrogen may be 99% or higher.
  • the hydrogen production method according to one embodiment of the present invention may further include filtering the residue generated after the hydrogen production reaction in the first reaction tank (5) and the second reaction tank (6).
  • a hydrogen storage device (4) may include a first reactor (2) including a first reactor (5) arranged to receive a first waste acid (7) and a first waste metal (9), a second reactor (6) arranged to receive a second waste acid (8) and a second waste metal (10), and the second reactor (6) may include a second reactor (3) arranged so that the second waste acid (8) in the second reactor (6) is heated by heat generated in the first reactor (5), and a hydrogen storage device (4) connected to the first reactor (5) and the second reactor (6) respectively to store hydrogen generated in the first reactor (2) and the second reactor (3).

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Abstract

수소 제조 장치는 제1 폐산과 제1 폐금속을 수용하도록 마련되는 제1 반응조를 포함하는 제1 반응기, 제2 폐산과 제2 폐금속을 수용하도록 마련되는 제2 반응조를 포함하고, 상기 제2 반응조는 상기 제2 반응조 내의 상기 제2 폐산이 상기 제1 반응조에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기 및 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조와 상기 제2 반응조에 각각 연결되는 수소 저장 장치를 포함할 수 있다.

Description

수소 제조 장치 및 수소 제조 방법
본 개시는 수소 제조 장치 및 수소 제조 방법에 관한 것으로서, 폐산과 폐금속을 이용하여 수소를 제조하기 위한 장치 및 수소 제조 방법에 관한 것이다.
수소 제조의 경우 일반적으로 천연가스, 석탄 및 석유 등과 같이 탄화수소계 화석연료를 활용하여 촉매반응을 통해 수소를 제조하는 방식 또는 탈이온수와 알칼리수를 전기분해하여 수소를 제조하는 방식을 사용하고 있다.
본 개시의 일 측면은 수소 제조 장치 및 수소 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 사상에 따른 수소 제조 장치는 제1 폐산과 제1 폐금속을 수용하도록 마련되는 제1 반응조를 포함하는 제1 반응기, 제2 폐산과 제2 폐금속을 수용하도록 마련되는 제2 반응조를 포함하고, 상기 제2 반응조는 상기 제2 반응조 내의 상기 제2 폐산이 상기 제1 반응조에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기 및 상기 제1 반응기 및 상기 제2 반응기에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조와 상기 제2 반응조에 각각 연결되는 수소 저장 장치를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 사상에 따른 수소 제조 방법은 제1 폐산과 제1 폐금속을 제1 반응조에서 발열 반응시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응에서 생성된 열을 제2 반응조로 전달하고, 제2 폐산과 제2 폐금속을 상기 제2 반응조에서 반응시켜 수소를 생성하고 및 상기 제1 반응조에서 생성된 수소 및 상기 제2 반응조에서 생성된 수소를 수집하여 저장하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 사상에 따르면, 폐산과 폐금속을 활용하여 친환경적이고 경제적으로 고순도의 수소를 제조할 수 있으며, 제1 반응조(5)에서 발생한 열을 전달받아 제2 반응조(6)의 수소 제조에 활용하여 수소 제조 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 반응조에서 수소를 제조하여 수집할 수 있는 바, 고순도 수소의 대량 생산이 가능하다.
또한, 본 개시의 사상에 따르면, 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 제1 반응조(5)에서 발열 반응시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응에서 생성된 열을 제2 반응조(6)로 전달하고, 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 상기 제2 반응조(6)에서 반응시켜 수소를 생성하고 및 상기 제1 반응조(5)에서 생성된 수소 및 상기 제2 반응조(6)에서 생성된 수소를 수집하여 저장하는 것을 포함할 수 있다.
본 개시의 사상에 따르면, 탄소가 발생하지 않으면서 전력을 생산할 수 있는 친환경적인 수소 제조 방법을 통하여 이산화탄소 발생으로 친환경적이지 못 한 종래의 탄화수소계 화석연료의 개질을 통한 수소 제조 방법 및 높은 전력 소비 비용에 따른 높은 생산 비용을 요하였던 알칼리수 및 탈이온수의 전기분해 수소 제조 방법의 문제점을 해결할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 구성요소들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 구성요소들 중의 어느 구성요소를 포함한다.
"제1", "제2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
"포함하다" 또는 "가지다"등의 용어는 본 문서에 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 않는다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합", "지지" 또는 "접촉"되어 있다고 할 때, 이는 구성요소들이 직접적으로 연결, 결합, 지지 또는 접촉되는 경우뿐 아니라, 제3 구성요소를 통하여 간접적으로 연결, 결합, 지지 또는 접촉되는 경우를 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 수소 제조 장치 및 수소 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 수용하도록 마련되는 제1 반응조(5)를 포함하는 제1 반응기(2), 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 수용하도록 마련되는 제2 반응조(6)를 포함하고, 상기 제2 반응조(6)는 상기 제2 반응조(6) 내의 상기 제2 폐산(8)이 상기 제1 반응조(5)에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기(3) 및 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조(5)와 상기 제2 반응조(6)에 각각 연결되는 수소 저장 장치(4)를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)를 나타내는 도면이다. 도 1를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)가 상기 제1 반응조(5)의 내부에 배치되도록 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 반응조(5)의 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)이 발열 반응을 통해 수소를 제조할 수 있고, 제2 반응조(6)의 경우 제1 반응조(5)에서 발생한 열을 직접 전달받아 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 수소 제조 시 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명에 있어서는 하나의 반응조가 다른 반응조의 내부에 마련되는 구조를 이중자켓구조 또는 이중재킷구조와 동일한 의미로 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 반응조(5)가 상기 제2 반응조(6)의 내부에 배치되도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 반응조(5)의 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)이 발열 반응을 통해 수소를 제조할 수 있고, 제2 반응조(6)의 경우 제1 반응조(5)에서 발생한 열을 높은 효율로 직접 전달받아 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 수소 제조 시 반응 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 발명에 있어서 직접 열 전달이 될 수 있다는 것은 공기를 통한 대류의 방식이 아닌 반응조와 폐산 간에 전도를 통한 열 전달이 가능하다는 것을 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 반응조(5)가 상기 제2 반응조(6)의 외부에 각각 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 반응조(5)의 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)이 발열 반응을 통해 수소를 제조할 수 있고, 제1 반응조(5)와 별개로 마련된 제2 반응조(6)가 제1 반응조(5)에서 발생한 열을 전달받아 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 수소 제조 시 반응 효율을 향상시킬 수 있다. 이때 제1 반응조(5)가 제2 반응조(6)에 열을 전달하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일 예로 제1 반응조(5)와 제2 반응조(6)를 접촉시켜 열이 직접 전달되도록 하거나, 제1 반응조(5)로부터 발생한 반응 열을 이용하여 스팀 또는 열원을 생성한 후 이를 제2 반응조(6)로 전달하거나, 제1 반응조(5)와 제2 반응조(6) 사이에 열 교환기를 배치하여 간접적으로 열을 전달하는 방식 등을 통하여 열을 전달할 수 있다. 다만, 본 발명에 있어서 반응기, 반응조, 폐산 또는 폐금속은 상기와 같은 개수로 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 수개의 반응기, 반응조, 폐산 또는 폐금속이 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)에 의하면, 제1 반응기(2)에 있어서 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)을 수용하도록 마련되는 제1 반응조(5)를 구비할 수 있으며, 제2 반응기(3)에 있어서, 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)을 수용하도록 마련되는 제2 반응조(6)를 구비할 수 있도록 함으로써 각각의 반응조 내에서 폐산 및 폐금속을 반응시켜 수소를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 반응조(5) 내의 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)의 발열 반응에서 생성된 열이 제2 반응조(6)에 전달되어 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 반응에 활용되어 수소 제조 효율을 향상시킬 수 있으며, 제1 반응조(5) 내에서 제조된 수소 및 제2 반응조(6) 내에서 제조된 수소를 각각 수집하여 저장할 수 있어 수소 대량 생산이 가능할 수 있다.
또한, 상기 제1 폐산(7) 및 제2 폐산(8)의 경우 아노다이징 공정으로부터 발생하는 폐산일 수 있으며, 상기 제1 폐금속(9) 및 제2 폐금속(10)의 경우 휴대폰, 노트북, 각종 기계, 건축 등의 기구물에 적용되는 알루미늄, 마그네슘, 아연 소재의 판재, 다이캐스팅 등의 금속폐기물들이 본 발명의 처리 공정에 있어서 폐금속으로 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)에 따르면, 상기와 같은 아노다이징 공정에서 발생하는 폐산 및 금속폐기물에 포함된 폐금속을 활용하여 고순도의 수소를 친환경적이고 경제적으로 제조할 수 있다.
일반적으로 아노다이징(Anodizing; 양극산화)은 금속이나 부품 등을 양극에 걸고 희석-산의 전해액에서 전해한 경우, 양극에서 발생하는 산소에 의해서 소지금속과 대단한 밀착력을 가진 산화피막이 형성되는 현상을 의미하며, 양극산화라고 하는 것은 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 합성어(Ano-dizing)이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)이 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 사용되는 폐산 및 폐금속은 상기 폐산 및 페금속 종류에 한정되는 것은 아니며, 아노다이징 공정에서 발생하는 다양한 폐산 및 이들의 조합, 금속폐자재에 포함된 다양한 폐금속들이 본 발명의 수소 제조 장치(1)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 폐금속은 다이캐스팅 스크랩, 프레임, 칩, 일부 고분자 화합물을 포함하는 금속폐자재 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제1 폐산(7)의 pH는 -0.2 이상 4 이하, 바람직하게는 pH가 0.1 이상 0.5 이하일 수 있고, 상기 제1 폐금속(9)은 마그네슘을 포함할 수 있으며, 상기 제2 반응조(6)의 반응 온도는 50℃이상이고, 상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제2 폐산(8)의 pH는 0.3 이상 4 이하, 바람직하게는 pH가 0.5 이상 1 이하일 수 있고, 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함할 수 있다. 상기와 같이 제1 폐산(7) 및 제2 폐산(8)의 조성과 함량, pH 및 반응조의 반응 온도의 제어를 통하여 수소 제조 장치(1)의 수소 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)가 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 더 수용하도록 마련될 수 있다. 이와 같이 상기 제2 반응조(6) 내에 수소 제조에 사용되는 제2 폐금속(10)보다 반응성이 낮은 금속을 투입하여 제2 폐금속(10)의 갈바닉 부식을 촉진시킬 수 있다. 이때, 백금, 탄소 또는 티타늄과 같이 제2 폐금속(10)보다 반응성이 낮은 금속과 제2 폐금속(10)을 직접 접촉시키거나 이온의 이동이 가능한 도선(14)으로 연결하여 갈바닉 부식을 유도할 수 있으나 반드시 이러한 방식에 제한되는 것은 아니며, 갈바닉 부식을 촉진시킬 수 있는 다양한 방식이 사용될 수 있다. 더불어, 제2 폐금속(10)으로 알루미늄이 사용될 수 있고, 이 경우 상기 알루미늄의 표면에는 알루미늄의 용해도를 저해하는 산화막이 형성될 수 있다. 이에, 알루미늄보다 이온화 경향이 낮은 금속을 제2 반응조(6)에 구비하여 갈바닉 부식을 유도할 수 있으며 이를 통하여 알루미늄의 표면 산화막을 제거해 제2 폐금속(10)의 제2 폐산(8)과의 반응성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 산화환원반응이란 반응물 간에 전자를 주고 받아서 일어나는 것으로, 산화란 전자를 잃는 것을 의미하고, 환원이란 전자를 얻는 것을 의미한다. 서로 다른 금속은 전자를 잃어서 산화되고자 하는 경향이 다르다. 이를 금속의 반응성이라 하며, 대표적인 금속의 반응성의 크기를 비교하면 다음과 같다.
K > Ca > Na > Mg > Al > Ti > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
또한 갈바닉 부식이란 서로 다른 금속이 접촉하여 한쪽 금속의 산화를 촉진시킴으로써 일어나는 부식이다. 이러한 부식작용을 역이용하여 부식을 막을 수도 있으며 이를 음극보호 또는 음극방식이라고 한다.
상기와 같이 제2 폐금속(10)에 알루미늄이 사용되는 경우 알루미늄보다 이온화 경향이 낮은 티타늄, 백금 등의 금속을 제2 반응조(6)에 투입하여 알루미늄의 산화를 유도할 수 있으며, 이를 통하여 알루미늄 표면에 형성된 산화막을 제거하여 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)는 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 포함하는 양극(12), 알루미늄을 포함하는 음극(13), 상기 양극(12)과 상기 음극(13)을 연결하는 도선(14), 및 상기 도선(14)에 연결되어 작동될 수 있도록 마련되는 전자장치(15)를 포함하는 갈바닉 전지(11)를 수용하도록 마련될 수 있다. 상기 갈바닉 부식에 의하여 발생하는 전위차에 의하여 발생한 전류를 도선(14)을 통해 전자장치(15)를 구동하거나 갈바닉 전지(11)에 저장하여 에너지로 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 수소 저장 장치(4)는 수소를 분리하기 위한 가스필터(16)를 더 포함할 수 있다. 상기 가스필터(16)를 통하여 상기 제1 반응조(5) 및 상기 제2 반응조(6)에서 제조된 수소의 순도를 높일 수 있으며, 이때, 상기 가스필터(16)에는 공기와 수증기로부터 수소를 분리할 수 있도록 수증기 제거필터, 질소 제거필터 또는 산소 제거필터 등이 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)는 여과필터(17)를 각각 더 포함할 수 있으며, 상기 여과필터(17)는 1차 필터(18) 및 상기 1차 필터(18)를 통과한 잔유물을 추가로 여과하는 2차 필터(19)를 더 포함하고, 상기 1차 필터(18)는 메쉬 구조를 가지며, 다공의 크기가 30 내지 50 메쉬(mesh)이고, 상기 2차 필터(19)는 부직포, 직물 또는 편물을 포함하며, 기공 크기(pore size)가 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다.
상기와 같이 제1 반응기(2) 및 제2 반응기(3) 각각에 1차 필터(18) 및 2차 필터(19)를 포함하는 여과필터(17)를 포함하여 수소를 제조하는 반응 이후 발생하는 부산물을 필요에 따라 여과하여 저장할 수 있다. 즉, 상기 1차 여과필터(17)를 통하여 반응 이후 금속 자재와 같은 폐금속과 반응 이후 잔존물질이 제조 용기로 유입되는 것을 방지할 수 있고, 이후 추가로 상기 2차 여과필터(17)를 통해 불필요한 잔유물을 여과할 수 있는 바, 여과된 금속염 부산물을 비료 제조 등에 친환경적이고 경제적으로 활용할 수 있다.
이상으로 수소 제조 장치에 대하여 설명하였다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 제1 반응조(5)에서 발열 반응시켜 수소를 생성하고, 상기 발열 반응에서 생성된 열을 제2 반응조(6)로 전달하고, 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 상기 제2 반응조(6)에서 반응시켜 수소를 생성하고 및 상기 제1 반응조(5)에서 생성된 수소 및 상기 제2 반응조(6)에서 생성된 수소를 수집하여 저장하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 각각의 반응조 내에서 폐산 및 폐금속을 반응시켜 친환경적이고 경제적으로 수소를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 제1 반응조(5) 내의 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)의 발열 반응에서 생성된 열이 제2 반응조(6)에 전달되어 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 반응에 활용되어 수소 제조 효율을 향상시킬 수 있으며, 제1 반응조(5) 내에서 제조된 수소 및 제2 반응조(6) 내에서 제조된 수소를 각각 수집하여 저장할 수 있어 수소 대량 생산이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제2 반응조(6) 내에서 상기 제2 폐금속(10)을 갈바닉 부식시키는 것을 더 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 백금과 같이 제2 폐금속(10)보다 이온화 경향이 낮은 금속을 제2 폐금속(10)과 연결하여, 갈바닉 부식을 유도할 수 있고, 이를 통해 제2 폐금속(10)의 산화를 촉진하여 제2 반응조(6) 내의 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)의 수소 제조 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 반응조(6) 내에 알루미늄과 백금을 도선(14)으로 연결할 수 있으며, 이 때 알루미늄의 표면에 생성된 산화피막이 산화환원반응에 의하여 제거될 수 있고, 산화피막이 제거되는 경우 알루미늄과 제2 폐산(8)의 반응 효율이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제2 반응조(6) 내에서 상기 갈바닉 부식을 통해 에너지를 발생시키는 것을 더 포함할 수 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 양극(12), 음극(13), 도선(14) 및 전자장치(15)를 포함하는 갈바닉 전지(11)가 제2 반응조(6)에 마련된 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 음극(13)에 제2 폐금속(10)을 설치하고, 양극(12)에는 제2 폐금속(10)보다 이온화 경향이 낮은 금속을 설치하여 각각 도선(14)에 의해 연결하고 이를 전자장치(15)에 연결하는 경우 음극(13)에서는 산화반응, 양극(12)에서는 환원반응이 일어나게 되며, 환원반응을 통해 생성된 전자가 음극(13)에서 양극(12)으로 이동하게 되어 발생한 전류를 통해 발생한 전기 에너지를 이용하여 전자장치(15)를 구동할 수 있다. 여기서 전자장치(15)란 전압 또는 전류를 인가하여 구동할 수 있는 전자관, 트랜지스터, 집적 회로 따위의 전자적인 장치로 구성된 기기를 의미할 수 있으며, 전자기기 또는 전자제품과 동일한 의미로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)은 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 상술한 것처럼 본 발명에 있어서 사용되는 폐산 및 폐금속은 상기 폐산 및 페금속 종류에 한정되는 것은 아니며, 아노다이징 공정에서 발생하는 다양한 폐산 및 이들의 조합, 금속폐자재에 포함된 다양한 폐금속들이 본 발명의 수소 제조 장치(1)에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에서 폐금속은 다이캐스팅 스크랩, 프레임, 칩, 일부 고분자 화합물을 포함하는 금속폐자재 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐금속(9)이 마그네슘을 포함하고, 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함할 수 있으며, 상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함할 수 있고, 상기 제1 폐산(7)의 pH는 -0.2 이상 4 이하, 바람직하게는 0.1 이상 0.5 이하일 수 있고, 상기 제2 반응조(6)의 반응 온도는 50℃이상이고, 상기 제2 폐산(8)의 pH는 0.3 이상 4 이하, 바람직하게는 0.5 이상 1 이하일 수 있다. 본 발명의 일 실시예예 따라 상기와 같이 폐금속에 따라 폐산의 농도와 pH 및 반응 온도를 제어함으로써 수소 제조 효율을 최대한으로 확보하여 수소의 대량 생산을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 수증기 및 공기로부터 상기 저장된 수소를 분리하는 것을 더 포함할 수 있고, 상기 분리된 수소의 순도가 99% 이상, 바람직하게는 99.9% 이상일 수 있다. 상술한 것처럼 상기 수소 분리에 있어서 공기와 수증기로부터 수소를 분리할 수 있도록 수증기 제거필터, 질소 제거필터 또는 산소 제거필터 등이 포함될 수 있는 가스필터(16)가 사용될 수 있으며, 상기 가스필터(16)를 통하여 상기 제1 반응조(5) 및 상기 제2 반응조(6)에서 제조된 수소의 순도를 99% 이상, 바람직하게는 99.9% 이상으로 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 반응조(5) 및 상기 제2 반응조(6)의 수소 생성 반응 후 발생한 잔여물을 여과하는 것을 더 포함할 수 있다. 상술한 것처럼 상기 잔여물의 여과에 있어서 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)에 여과필터(17)가 각각 사용되거나 반응기가 연결되어 하나의 여과필터(17)가 사용될 수 있으며, 상기 여과필터(17)는 1차 필터(18) 및 상기 1차 필터(18)를 통과한 잔유물을 추가로 여과하는 2차 필터(19)를 더 포함하고, 상기 1차 필터(18)는 메쉬 구조를 가지며, 다공의 크기가 30 내지 50 메쉬(mesh)이고, 상기 2차 필터(19)는 부직포, 직물 또는 편물을 포함하며, 기공 크기(pore size)가 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다.
상기와 같이 제1 반응기(2) 및 제2 반응기(3) 각각에 1차 필터(18) 및 2차 필터(19)를 포함하는 여과필터(17)를 포함하여 수소를 제조하는 반응 이후 발생하는 부산물을 필요에 따라 여과하여 저장할 수 있다. 즉, 상기 1차 여과필터(17)를 통하여 반응 이후 금속 자재와 같은 폐금속과 반응 이후 잔존물질이 제조 용기로 유입되는 것을 방지할 수 있고, 이후 추가로 상기 2차 여과필터(17)를 통해 불필요한 잔유물을 여과할 수 있는 바, 여과된 금속염 부산물을 비료 제조 또는 수처리용 응집제 등에 친환경적이고 경제적으로 활용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 제1 폐산(7) 및 제1 폐금속(9)이 제1 반응조(5) 내에서 발열 반응을 통하여 수소를 발생시킬 수 있으며, 제1 반응조(5) 내에서 발생한 열이 제2 반응조(6)로 전달되어 제2 폐산(8) 및 제2 폐금속(10)의 수소 발생 공정에 사용될 수 있다. 또한, 각각의 반응조에서 제조된 수소를 수집하고 저장할 수 있으며, 저장된 99% 이상의 고순도의 수소를 추가적인 수소 분리 공정을 통하여 99.9% 이상의 순도로 확보할 수 있다. 더불어, 각각의 반응조에서 수소 제조 반응 후에 발생한 불필요한 잔유물을 여과하여 여과된 금속염 부산물을 비료 제조 또는 수처리용 응집제 등의 공정에서 활용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 따른 수소 제조 방법에 대하여 설명하였다.
이하에서는 실험예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.
<실험예1-수소 제조 실험>
하기 표 1는 1g의 마그네슘 금속을 중량%로, 인산 85% 및 황산 15%를 포함하는 화학연마 시료(C.P)를 각각 다른 농도로 물에 희석시킨 뒤 반응시켜 수소 생성량 및 수소 생성 반응성을 실험한 결과를 나타낸 것이다.
화학 연마 시료 pH -0.49 -0.29 0.11 0.51 0.94
화학 연마 시료 희석비율(C.P:물) 1:0 1:1 1:2 1:9 1:32
반응에 사용된 C.P 부피 280ml 15ml 6.7ml 8ml 7.3ml
생성된 수소의 몰수 28.8mmol 43.8mmol 44.6mmol 44.6mmol 40.0mmol
(생성된 수소의 몰수)/(반응에 사용된 C.P 부피) 0.10mol/L 2.92mol/L 6.66mol/L 5.58mol/L 5.48mol/L
상기 표 1를 참조하면, 화학연마 시료(C.P)를 각각 다른 농도로 물에 희석시킨 뒤 마그네슘 금속과 반응시킨 본 실험에 있어서, 화학연마 시료(C.P)의 농도가 증가함에 따라 수소 생성 반응성이 증가하다가 화학연마 시료(C.P)의 pH가 약 0.11인 지점에서 수소 생성 반응성이 감소하는 경향을 확인할 수 있었고, 이를 통하여 화학연마 시료(C.P)의 pH가 0.11일 때, 6.66mol/L로 수소 생성 반응성이 최대인 것을 확인할 수 있었다.
<실험예2-수소 제조 실험>
하기 표 2는 0.5g의 알루미늄 금속을 중량%로, 황산 30% 및 나머지 물을 포함하는 피막 시료를 pH를 변화시키며 반응시켜 수소 생성량 및 수소 생성 반응성을 실험한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 반응은 53℃의 온도에서, 2시간 30분간 진행하였다.
피막 시료 pH 0.09 0.61 1.02
반응에 사용된 피막 시료 부피 150ml 58ml 12ml
생성된 수소의 몰수 5.54mmol 3.17mmol 0.48mmol
(생성된 수소의 몰수)/(반응에 사용된 피막 시료 부피) 0.003mol/L 0.055mol/L 0.046mol/L
상기 표 2를 참조하면, 피막 시료를 각각 pH를 달리하여 알루미늄 금속과 반응시킨 본 실험에 있어서, 피막 시료의 산 농도가 높을수록 수소 생성 반응 속도가 빠른 것을 확인할 수 있었으며, 이때 피막 시료의 pH가 0.61일 때, 0.055mol/L로 수소 생성 반응성이 최대인 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 수용하도록 마련되는 제1 반응조(5)를 포함하는 제1 반응기(2), 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 수용하도록 마련되는 제2 반응조(6)를 포함하고, 상기 제2 반응조(6)는 상기 제2 반응조(6) 내의 상기 제2 폐산(8)이 상기 제1 반응조(5)에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기(3) 및 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조(5)와 상기 제2 반응조(6)에 각각 연결되는 수소 저장 장치(4)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)은 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제1 폐산(7)의 pH는 -0.2 이상 4 이하이고, 상기 제1 폐금속(9)은 마그네슘을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)의 반응 온도는 50℃이상이고, 상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제2 폐산(8)의 pH는 0.3 이상 4 이하이고, 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)는 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 더 수용하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제2 반응조(6)는 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 포함하는 양극(12) 알루미늄을 포함하는 음극(13); 상기 양극(12)과 상기 음극(13)을 연결하는 도선(14) 및 상기 도선(14)에 연결되어 작동될 수 있도록 마련되는 전자장치(15)를 포함하는 갈바닉 전지(11)를 수용하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 수소 저장 장치(4)는 수소를 분리하기 위한 가스필터(16)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)는 여과필터(17)를 각각 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 장치(1)는 상기 여과필터(17)는 1차 필터(18) 및 상기 1차 필터(18)를 통과한 잔유물을 추가로 여과하는 2차 필터(19)를 더 포함하고, 상기 1차 필터(18)는 메쉬 구조를 가지며, 다공의 크기가 30 내지 50 메쉬(mesh)이고, 상기 2차 필터(19)는 부직포, 직물 또는 편물을 포함하며, 기공 크기(pore size)가 5㎛ 이상 15㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 제1 반응조(5)에서 발열 반응시켜 수소를 생성하고 상기 발열 반응에서 생성된 열을 제2 반응조(6)로 전달하고 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 상기 제2 반응조(6)에서 반응시켜 수소를 생성하고 및 상기 제1 반응조(5)에서 생성된 수소 및 상기 제2 반응조(6)에서 생성된 수소를 수집하여 저장하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제2 반응조(6) 내에서 상기 제2 폐금속(10)을 갈바닉 부식시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제2 반응조(6) 내에서 상기 갈바닉 부식을 통해 에너지를 발생시키는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)은 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함하고, 상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐금속(9)은 마그네슘을 포함하고, 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고, 상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 폐산(7)의 pH는 -0.2 이상 4 이하이고, 상기 제2 반응조(6)의 반응 온도는 50℃이상이고, 상기 제2 폐산(8)의 pH는 0.3 이상 4 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 수증기 및 공기로부터 상기 저장된 수소를 분리하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 분리된 수소의 순도가 99% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 제조 방법은 상기 제1 반응조(5) 및 상기 제2 반응조(6)의 수소 생성 반응 후 발생한 잔여물을 여과하는 것을 더 포함할 수 있다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 수소 제조 장치 및 수소 제조 방법에 대해 설명하였다.
본 개시의 사상에 따르면, 수소 저장 장치(4)는 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 수용하도록 마련되는 제1 반응조(5)를 포함하는 제1 반응기(2), 제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 수용하도록 마련되는 제2 반응조(6)를 포함하고, 상기 제2 반응조(6)는 상기 제2 반응조(6) 내의 상기 제2 폐산(8)이 상기 제1 반응조(5)에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기(3) 및 상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조(5)와 상기 제2 반응조(6)에 각각 연결되는 수소 저장 장치(4)를 포함할 수 있다.
이상으로 개시된 발명의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능할 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 수용하도록 마련되는 제1 반응조(5)를 포함하는 제1 반응기(2);
    제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 수용하도록 마련되는 제2 반응조(6)를 포함하고, 상기 제2 반응조(6)는 상기 제2 반응조(6) 내의 상기 제2 폐산(8)이 상기 제1 반응조(5)에서 발생한 열에 의해 가열되도록 배치되는 제2 반응기(3); 및
    상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)에서 발생하는 수소를 저장하도록 상기 제1 반응조(5)와 상기 제2 반응조(6)에 각각 연결되는 수소 저장 장치(4)를 포함하는 수소 제조 장치(1).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)은 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함하는 수소 제조 장치(1).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함하는 수소 제조 장치(1).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고,
    상기 제1 폐산(7)의 pH는 -0.2 이상 4 이하이고,
    상기 제1 폐금속(9)은 마그네슘을 포함하는 수소 제조 장치(1).
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반응조(6)의 반응 온도는 50℃이상이고,
    상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고,
    상기 제2 폐산(8)의 pH는 0.3 이상 4 이하이고,
    상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함하는 수소 제조 장치(1).
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반응조(6)는 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 더 수용하도록 마련되는 수소 제조 장치(1).
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 반응조(6)는 백금, 탄소 또는 티타늄 중 하나 이상을 포함하는 양극(12); 알루미늄을 포함하는 음극(13); 상기 양극(12)과 상기 음극(13)을 연결하는 도선(14); 및 상기 도선(14)에 연결되어 작동될 수 있도록 마련되는 전자장치(15);를 포함하는 갈바닉 전지(11)를 수용하도록 마련된 수소 제조 장치(1).
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 저장 장치(4)는 수소를 분리하기 위한 가스필터(16)를 더 포함하는 수소 제조 장치(1).
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반응기(2) 및 상기 제2 반응기(3)는 여과필터(17)를 각각 더 포함하는 수소 제조 장치(1).
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 여과필터(17)는 1차 필터(18) 및 상기 1차 필터(18)를 통과한 잔유물을 추가로 여과하는 2차 필터(19)를 더 포함하고,
    상기 1차 필터(18)는 메쉬 구조를 가지며, 다공의 크기가 30 내지 50 메쉬(mesh)이고,
    상기 2차 필터(19)는 부직포, 직물 또는 편물을 포함하며, 기공 크기(pore size)가 5㎛ 이상 15㎛ 이하인 수소 제조 장치(1).
  11. 제1 폐산(7)과 제1 폐금속(9)을 제1 반응조(5)에서 발열 반응시켜 수소를 생성하고;
    상기 발열 반응에서 생성된 열을 제2 반응조(6)로 전달하고;
    제2 폐산(8)과 제2 폐금속(10)을 상기 제2 반응조(6)에서 반응시켜 수소를 생성하고; 및
    상기 제1 반응조(5)에서 생성된 수소 및 상기 제2 반응조(6)에서 생성된 수소를 수집하여 저장하는 것을 포함하는 수소 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2 반응조(6) 내에서 상기 제2 폐금속(10)을 갈바닉 부식시키는 것을 더 포함하는 수소 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 폐산(7) 및 상기 제2 폐산(8)은 질산, 인산 또는 황산 중 하나 이상을 포함하고,
    상기 제1 폐금속(9) 및 상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄, 마그네슘, 아연 또는 철 중 하나 이상을 포함하는 수소 제조 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 폐금속(9)은 마그네슘을 포함하고,
    상기 제2 폐금속(10)은 알루미늄을 포함하는 수소 제조 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 폐산(7)은 중량%로 30% 이상 90% 이하의 인산, 2% 이상 20% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하고,
    상기 제2 폐산(8)은 중량%로 10% 이상 60% 이하의 황산 및 나머지 물을 포함하는 수소 제조 방법.
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