KR101504113B1 - 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법 - Google Patents
수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것으로 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료가 공급되는 유입관과, 상기 유입관 상에 구비되어 반응원료를 공급 또는 차단하는 제어밸브와, 상기 유입관에 연결되어 반응원료를 공급받으며, 내측에는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어져 반응원료를 고체상의 탄소와 수소로 분해하는 촉매가 구비되고, 외측에는 내측에서 반응원료가 고체상의 탄소와 수소로 분해되면서 발생 되는 열이 외부로 손실되는 것을 방지하기 위한 단열재가 구비되는 반응기와, 상기 반응기의 외측에 구비되며, 반응기에서 반응원료가 고체상의 탄소와 수소로 분해되도록 반응기에 반응열을 공급하는 히터와, 상기 반응기와 연결되어 반응기 내에서 반응원료가 분해된 고체상의 탄소와 수소를 공급받으며, 상부에는 수소를 배출하는 수소배출구가 형성되고, 하부에는 고체상의 탄소를 배출하는 탄소배출구가 형성되며, 탄소배출구에는 고체상의 탄소를 배출할 시에 수소가 유출되는 것을 방지하는 밸브가 형성되는 원통형의 분리용기와, 상기 분리용기의 상부에 구비되어 일측에 연결되는 수소배출구로부터 수소를 공급받아 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하며, 상부에는 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 수소배출관로가 구비되고, 하부에는 분리용기의 상부와 연결되어 수소로부터 분리된 소량의 탄소 미립자가 분리용기로 배출되는 탄소배출관로가 구비되는 원통형의 소형분리용기와, 상기 소형분리용기의 수소배출관로와 일측이 연결되어 수소를 공급받으며, 내측에는 수소배출관로에서 공급받은 수소에서 소량의 탄소 미립자를 분리하도록 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터가 구비되고, 타측에는 수소에 포함된 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 배출관로가 형성되는 필터부와, 상기 히터와 연결되어 히터의 온도를 800~1200℃로 제어하는 제어부와, 상기 분리용기의 탄소배출구 하부에 구비되어 탄소배출구를 통해 배출되는 탄소를 회수하는 회수용기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료를 유입관을 통하여 원통형의 반응기로 공급하는 제1단계와, 상기 반응기에 공급된 반응원료를 반응기의 외측에 구비되어 반응기에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어진 촉매를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기로 공급하는 제2단계와, 상기 반응기에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기의 하부에 형성되는 탄소배출구로 배출하여 탄소배출구의 하부에 구비되는 회수용기로 회수하며, 수소는 분리용기의 상부에 구비되는 수소배출구로 원통형의 소형분리용기에 공급하는 제3단계와, 상기 분리용기에서 소형분리용기로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기의 하부 및 분리용기 상부에 연결 형성된 탄소배출관로를 사용하여 분리용기로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기 상부에 형성된 수소배출관로를 사용하여 수소배출관로의 일측에 연결 구비된 필터부로 공급하는 제4단계와, 상기 소형분리용기에서 필터부로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부 내측에 구비된 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료를 유입관을 통하여 원통형의 반응기로 공급하는 제1단계와, 상기 반응기에 공급된 반응원료를 반응기의 외측에 구비되어 반응기에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어진 촉매를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기로 공급하는 제2단계와, 상기 반응기에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기의 하부에 형성되는 탄소배출구로 배출하여 탄소배출구의 하부에 구비되는 회수용기로 회수하며, 수소는 분리용기의 상부에 구비되는 수소배출구로 원통형의 소형분리용기에 공급하는 제3단계와, 상기 분리용기에서 소형분리용기로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기의 하부 및 분리용기 상부에 연결 형성된 탄소배출관로를 사용하여 분리용기로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기 상부에 형성된 수소배출관로를 사용하여 수소배출관로의 일측에 연결 구비된 필터부로 공급하는 제4단계와, 상기 소형분리용기에서 필터부로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부 내측에 구비된 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 수소가스를 제조하기 위해 반응원료로 사용되는 탄화수소를 포함하고 있는 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스를 히터에서 발생 되는 반응열 및 반응기 내측에 구비된 촉매를 사용하여 탄소와 수소가스로 분해하는 수소가스 제조 반응장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 수소가스를 제조하기 위해 반응원료로 사용되는 탄화수소를 포함하고 있는 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스를 수소가스 제조 반응장치를 이용하여 수소가스를 제조하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 수소가스는 수소가스와 산소가 화학 반응하여 발생 되는 에너지를 전기에너지로 변환하는데 사용되며, 국내에서는 반도체산업, 광통신산업 등의 산업체 주로 많이 사용되므로 수소가스와 관련하여 수소가스의 제조, 수소가스의 저장 및 수소가스의 이용과 관련하여 다양한 연구개발이 이루어지고 있다.
상기와 같은 수소가스를 얻기 위해 종래에는 전기분해법으로 물을 분해하여 수소가스를 제조하는 방법을 사용하였으나 이러한 제조방법은 수소가스를 제조하기 위해 과도한 전기가 소모되므로 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다.
한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 천연가스를 이용한 수증기 개질법으로 수소를 제조하여 사용하였으나 이러한 제조방법은 경제성은 확보되었으나 천연가스에서 수소를 제조하는 과정에서 천연가스의 주성분인 메탄이 수증기와 반응하여 메탄에 있는 수소와 수증기에 있는 수소가 분해되어 수소와 부산물인 일산화탄소가 발생 되어 환경을 오염시키는 문제점이 있었다.
이에, 상기와 같은 전기분해법 및 수증기 개질법의 문제점을 해결하기 위해 메탄가스와 수증기를 반응시켜 합성가스를 생성하는 수증기개질반응부와, 상기 수증기개질반응부를 통해 생성된 합성가스 내의 일산화탄소를 수증기와 반응시켜 이산화탄소 및 수소로 전환 시키며, 고온전환반응기와 저온전환반응기로 이루어지는 수성가스전환반응부와, 상기 수성가스전환반응부를 통해 배출되는 합성가스 내의 일산화탄소를 산화시키는 선택적산화반응부와, 상기 선택적산화반응부를 냉각시키는 쿨링부 및 상기 수증기개질반응부와, 수성가스전환반응부, 쿨링부 및 선택적산화반응부가 순서대로 수납되는 본체부를 포함하여 이루어지며, 상기 수성가스전환반응부는 상기 수증기개질반응부의 폐열을 이용하되, 상기 선택적산화반응부는 합성가스의 이동통로가 되는 유입구 및 배출구가 구비된 반응챔버와, 상기 유입구와 연통하여 상기 반응챔버 내부의 하단에 좌우방향으로 설치되는 가스유도관 및 상기 가스유도관과 연통하여 상하방향으로 설치되는 복수의 가스분사관을 포함하여 이루어지며, 상기 가스유도관 및 가스분사관은 말단부가 마감처리되고, 상기 가스분사관에는 방향을 달리하여 천공된 다수의 분사공을 포함하여 구성되는 기술이 등록특허공보 제10-1243767호에서와 같이 공지된바 있다.
하지만, 상기와 같은 기술은 구성이 복잡하여 장치를 제작하는 비용이 많이 발생 되며, 장치를 운용하는데에도 숙련된 작업자가 운용하여야하는 문제점이 있는 것이다.
따라서, 상기와 같은 종래의 문제점을 해결한 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 종래에 전기분해법 및 수증기 개질법을 사용하여 수소가스를 제조할 시에 과도한 전기가 사용되거나 일산화탄소 등이 발생 되는 것을 방지하면서도 기술의 구성을 간단하게 하여 장치를 제작하는 비용을 저렴하게 하며, 장치를 운용하는데에도 용이하게 하는 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법에 관한 것으로 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료가 공급되는 유입관과, 상기 유입관 상에 구비되어 반응원료를 공급 또는 차단하는 제어밸브와, 상기 유입관에 연결되어 반응원료를 공급받으며, 내측에는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어져 반응원료를 고체상의 탄소와 수소로 분해하는 촉매가 구비되고, 외측에는 내측에서 반응원료가 고체상의 탄소와 수소로 분해되면서 발생 되는 열이 외부로 손실되는 것을 방지하기 위한 단열재가 구비되는 반응기와, 상기 반응기의 외측에 구비되며, 반응기에서 반응원료가 고체상의 탄소와 수소로 분해되도록 반응기에 반응열을 공급하는 히터와, 상기 반응기와 연결되어 반응기 내에서 반응원료가 분해된 고체상의 탄소와 수소를 공급받으며, 상부에는 수소를 배출하는 수소배출구가 형성되고, 하부에는 고체상의 탄소를 배출하는 탄소배출구가 형성되며, 탄소배출구에는 고체상의 탄소를 배출할 시에 수소가 유출되는 것을 방지하는 밸브가 형성되는 원통형의 분리용기와, 상기 분리용기의 상부에 구비되어 일측에 연결되는 수소배출구로부터 수소를 공급받아 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하며, 상부에는 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 수소배출관로가 구비되고, 하부에는 분리용기의 상부와 연결되어 수소로부터 분리된 소량의 탄소 미립자가 분리용기로 배출되는 탄소배출관로가 구비되는 원통형의 소형분리용기와, 상기 소형분리용기의 수소배출관로와 일측이 연결되어 수소를 공급받으며, 내측에는 수소배출관로에서 공급받은 수소에서 소량의 탄소 미립자를 분리하도록 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터가 구비되고, 타측에는 수소에 포함된 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 배출관로가 형성되는 필터부와, 상기 히터와 연결되어 히터의 온도를 800~1200℃로 제어하는 제어부와, 상기 분리용기의 탄소배출구 하부에 구비되어 탄소배출구를 통해 배출되는 탄소를 회수하는 회수용기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료를 유입관을 통하여 원통형의 반응기로 공급하는 제1단계와, 상기 반응기에 공급된 반응원료를 반응기의 외측에 구비되어 반응기에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어진 촉매를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기로 공급하는 제2단계와, 상기 반응기에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기의 하부에 형성되는 탄소배출구로 배출하여 탄소배출구의 하부에 구비되는 회수용기로 회수하며, 수소는 분리용기의 상부에 구비되는 수소배출구로 원통형의 소형분리용기에 공급하는 제3단계와, 상기 분리용기에서 소형분리용기로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기의 하부 및 분리용기 상부에 연결 형성된 탄소배출관로를 사용하여 분리용기로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기 상부에 형성된 수소배출관로를 사용하여 수소배출관로의 일측에 연결 구비된 필터부로 공급하는 제4단계와, 상기 소형분리용기에서 필터부로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부 내측에 구비된 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료를 유입관을 통하여 원통형의 반응기로 공급하는 제1단계와, 상기 반응기에 공급된 반응원료를 반응기의 외측에 구비되어 반응기에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어진 촉매를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기로 공급하는 제2단계와, 상기 반응기에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기의 하부에 형성되는 탄소배출구로 배출하여 탄소배출구의 하부에 구비되는 회수용기로 회수하며, 수소는 분리용기의 상부에 구비되는 수소배출구로 원통형의 소형분리용기에 공급하는 제3단계와, 상기 분리용기에서 소형분리용기로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기의 하부 및 분리용기 상부에 연결 형성된 탄소배출관로를 사용하여 분리용기로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기 상부에 형성된 수소배출관로를 사용하여 수소배출관로의 일측에 연결 구비된 필터부로 공급하는 제4단계와, 상기 소형분리용기에서 필터부로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부 내측에 구비된 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법을 제공한다.
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이와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치 및 이를 이용한 수소가스 제조방법은 반응기 내부로 반응원료 외에 별도의 다른 반응물이 유입되지 않으므로 수소가스의 제조 시에 일산화탄소 또는 이산화탄소 등의 부산물이 발생 되지 않아 고순도의 수소가스를 제조할 수 있으며, 수성가스전환반응공정이 없으므로 수소가스 제조 반응장치의 소형화가 가능하여 수소가스 제조 반응장치를 제작하는 비용이 저렴하고, 장치가 간단하므로 장치를 운용하는데에도 용이한 이점이 있는 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치의 개략도,
도 2는 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법의 순서도이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 보면 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치는 반응원료(4)가 공급되는 유입관(10)과, 상기 유입관(10)에 연결되어 반응원료(4)를 공급받는 반응기(20)와, 상기 반응기(20)의 외측에 구비되어 반응열을 공급하는 히터(30)와, 상기 반응기(20)와 연결되어 반응기(20) 내에서 반응원료(4)가 분해된 고체상의 탄소와 수소를 공급받는 원통형의 분리용기(40)와, 상기 분리용기(40)의 상부에 구비되어 분리용기(40)로부터 수소를 공급받아 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하는 원통형의 소형분리용기(50)와, 상기 소형분리용기(50)와 연결되어 수소를 공급받으며, 내측에는 필터(62)가 구비되고, 타측에는 수소가 배출되는 배출관로(64)가 형성되는 필터부(60)로 이루어진다.
상기 탄화수소가 포함된 반응원료(4)가 공급되는 유입관(10)이 구비된다.
이때, 상기 반응원료(4)는 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스와 같은 액화천연가스 또는 액화석유가스가 사용되는 것이며, 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스가 개별적으로 반응원료(4)로 사용되는 것이 바람직하나 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 반응원료(4)로 사용되어도 무방한 것이다.
또한, 상기 유입관(10)에는 반응원료(4)가 공급 또는 차단될 수 있도록 제어밸브(12)가 구비되며, 제어밸브(12)는 필요 이상의 반응원료(4)가 후술 되는 반응기(20)에 공급되어 반응기(20)가 오작동 되는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다.
상기 유입관(10)에 연결되어 반응원료(4)를 공급받으며, 내측에는 반응원료(4)를 고체상의 탄소와 수소로 분해하는 촉매(22)가 구비되고, 외측에는 내측에서 반응원료(4)가 고체상의 탄소와 수소로 분해되면서 발생 되는 열이 외부로 손실되는 것을 방지하기 위한 단열재(24)가 구비되는 반응기(20)가 구비된다.
이때, 상기 촉매(22)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh) 등과 같은 성분으로 형성되는 귀금속촉매나 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 등과 같은 성분으로 형성되는 금속촉매 또는 카본 블랙(Carbon black) 등과 같은 성분으로 형성되는 탄소계촉매 등이 사용됨이 바람직하나 반응원료(4)로 사용되는 메탄가스, 프로판가스 및 부탄가스와 같은 액화천연가스 또는 액화석유가스를 분해하여 반응원료(4)를 고체상의 탄소와 수소로 분해할 수 있는 촉매(22)라면 어떠한 촉매(22)를 사용하여도 무방한 것이다.
또한, 상기 반응기(20)의 외측에 구비되는 단열제(24)는 반응원료(4)가 반응기(20)의 내부에서 촉매(22) 및 후술 되는 히터(30)에서 공급되는 반응열로 인하여 고체상의 탄소와 수소로 분해될 시에 발생 되는 열 및 히터(30)에서 공급되는 반응열이 외부로 유출되어 손실되는 것을 방지하여 에너지가 낭비되는 것을 방지하는 역할을 하는 것이다.
한편, 상기 반응기(20) 내부에서 반응원료(4)가 히터(30)에 의한 반응열 및 촉매(22)에 의해 일어나는 화학반응은 아래와 같다.
CmHn → m C + 1/2n H2
또한, 상기 반응원료(4)를 액화천연가스로 사용할 경우 액화천연가스는 주성분이 메탄으로 이루어져 있으므로 반응기(20) 내부에서 반응원료(4)가 히터(30)에 의한 반응열 및 촉매(22)에 의해 일어나는 화학반응은 아래와 같다.
CH4 → C + 2H2
상기 반응기(20)의 외측에 구비되며, 반응기(20)에서 반응원료(4)가 고체상의 탄소와 수소로 분해되도록 반응기(20)에 반응열을 공급하는 히터(30)가 구비된다.
이때, 상기 히터(30)는 히터(30)의 온도를 800~1200℃로 제어하는 제어부(70) 및 히터(30)에 전원을 공급하는 히터전원공급기(80)와 연결되어 작동되게 되며, 히터(30)의 온도가 800℃ 이하로 내려갈 시에는 반응원료(4)가 반응기(20) 내에서 탄소와 수소로 분해가 거의 되지 않으며, 히터(30)의 온도가 1200℃ 이상으로 올라갈 시에는 반응원료(4)가 반응기(20) 내에서 탄소와 수소로 분해되는 효율이 낮아지는 문제가 있는 것이다.
상기 반응기(20)와 연결되어 반응기(20) 내에서 반응원료(4)가 분해된 고체상의 탄소와 수소를 공급받으며, 상부에는 수소를 배출하는 수소배출구(42)가 형성되고, 하부에는 고체상의 탄소를 배출하는 탄소배출구(44)가 형성되며, 탄소배출구(44)에는 고체상의 탄소를 배출할 시에 수소가 유출되는 것을 방지하는 밸브(46)가 형성되는 원통형의 분리용기(40)가 구비된다.
이때, 상기 분리용기(40)의 상부에 원통형으로 구비되는 수소배출구(42)는 반응원료(4)가 분해된 고체상의 탄소와 수소 중에 공기보다 가벼운 수소가 상승 되는 성질을 이용하여 수소를 상부로 배출하는 것이다.
또한, 상기 분리용기(40)의 하부에 구비되는 원통형의 탄소배출구(44)는 반응원료(4)가 분해된 고체상의 탄소와 수소 중에 공기보다 무거운 탄소가 하강 되는 성질을 이용하여 탄소를 하부로 배출하는 것이며, 탄소배출구(44)에는 밸브(46)가 구비되어 수소가 먼저 상부로 배출될 때까지 탄소의 배출을 차단하여 탄소가 탄소배출구(44)를 통하여 하부로 배출될 시에 분리용기(40)에 남아있는 수소가 탄소와 함께 배출되는 것을 방지한다.
한편, 상기 탄소배출구(44)의 하부에는 탄소배출구(44)를 통하여 배출되는 탄소를 회수하는 회수용기(90)가 구비되며, 회수용기(90)에 회수되는 탄소는 미세한 탄소 분말로 규칙성이 작은 결정성 물질인 카본 블랙(Carbon black)이며, 주로 자동차 타이어, 다른 고무 제품의 강화제, 인쇄용 잉크, 페인트 및 먹지 등에 재활용하여 사용할 수 있는 것이다.
상기 분리용기(40)의 상부에 구비되어 일측에 연결되는 수소배출구(42)로부터 수소를 공급받아 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하며, 상부에는 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 수소배출관로(52)가 구비되고, 하부에는 분리용기(40)의 상부와 연결되어 수소로부터 분리된 소량의 탄소 미립자가 분리용기(40)로 배출되는 탄소배출관로(54)가 구비되는 원통형의 소형분리용기(50)가 구비된다.
이때, 상기 소형분리용기(50)는 1차적으로 분리용기(40)에서 수소와 탄소가 분리되어 공급된 수소에 남아있는 소량의 탄소 미립자를 2차적으로 분리하는 역할을 하는 것이며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 공기보다 가벼운 수소가 상승 되는 성질을 이용하여 수소배출관로(52)를 통하여 상부로 배출되고, 소량의 탄소 미립자는 공기보다 무거운 성질을 이용하여 분리용기(40)와 연결된 탄소배출관로(54)를 통하여 하부로 배출되게 되는 것이다.
상기 소형분리용기(50)의 수소배출관로(52)와 일측이 연결되어 수소를 공급받으며, 내측에는 수소배출관로(52)에서 공급받은 수소에 남아있는 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하는 필터(62)가 구비되고, 타측에는 수소에 포함된 소량의 탄소 미립자가 완전히 분리된 수소가 배출되는 배출관로(64)가 형성되는 필터부(60)가 구비된다.
이때, 상기 필터(62)는 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망 등으로 형성되는 것이며, 소형분리용기(50)에서 공급된 수소에 남아있는 소량의 탄소 미립자가 완전히 분해될 수 있는 것이면 어떠한 형태든 무방한 것이다.
또한, 상기 필터부(60)의 배출관로(64)를 통하여 배출되는 수소는 반응원료(4)에서 탄소가 완전히 제거된 고순도의 수소만을 배출하는 것이다.
상기와 같이 이루어지는 수소가스 제조 반응장치(2)는 간단한 구조만으로도 고순도의 수소를 제조할 수 있으며, 반응원료(4)가 분해되면서 발생 되는 탄소인 소량의 카본 블랙(Carbon black)을 제외하고는 대부분이 수소만 생성되기 때문에 일산화탄소가 발생 되지 않아 별도로 수성가스 전환반응 공정이 생략될 수 있으므로 수소가스 제조 반응장치(2)의 소형화가 가능한 이점이 있는 것이다.
한편, 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법은 하기와 같다.
탄화수소가 포함된 반응원료(4)를 유입관(10)을 통하여 원통형의 반응기(20)로 공급하는 제1단계(S1)와, 상기 반응기(20)에 공급된 반응원료(4)를 반응기(20)의 외측에 구비되어 반응기(20)에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터(30) 및 촉매(22)를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기(40)로 공급하는 제2단계(S2)와, 상기 반응기(20)에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기(40)에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기(40)의 하부에 형성되는 탄소배출구(44)로 배출하며, 수소는 분리용기(40)의 상부에 구비되는 수소배출구(42)로 원통형의 소형분리용기(50)에 공급하는 제3단계(S3)와, 상기 분리용기(40)에서 소형분리용기(50)로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기(50)의 하부 및 분리용기(40) 상부에 연결 형성된 탄소배출관로(54)를 사용하여 분리용기(40)로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기(50) 상부에 형성된 수소배출관로(52)를 사용하여 수소배출관로(52)의 일측에 연결 구비된 필터부(60)로 공급하는 제4단계(S4)와, 상기 소형분리용기(50)에서 필터부(60)로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부(60) 내측에 구비된 필터(62)를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로(64)를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계(S5)로 이루어진다.
상기한 제1단계(S1)~제5단계(S5)가 완료되면 반응원료(4)에 포함된 고체상의 탄소가 수소와 완전히 분리되게 되며, 분리된 수소는 필터부(60)의 일측에 연결 구비된 배출관로(64)를 통하여 배출되어 사용되며, 분리된 탄소는 분리용기(40)의 하부에 연결 구비된 탄소배출구(44)로 배출되어 재활용되는 것이다.
한편, 상기 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법은 상술 된 본 발명에 의한 수소가스 제조 반응장치(2)를 사용하며, 그 사용동작 설명은 상술 된 바와 같으므로 이를 생략한다.
상기와 같이 이루어지는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법은 간단한 구조로 이루어지는 본 발명에 따른 수소가스 제조 반응장치(2)를 사용함으로써, 고순도의 수소를 제조할 수 있으며, 반응원료(4)가 분해되면서 발생 되는 탄소인 소량의 카본 블랙(Carbon black)을 제외하고는 대부분이 수소만 생성되기 때문에 일산화탄소가 발생 되지 않아 별도로 수성가스 전환반응 공정이 생략될 수 있는 이점이 있는 것이다.
2 : 수소가스 제조 반응장치 4 : 반응원료
10 : 유입관 20 : 반응기
22 : 촉매 24 : 단열재
30 : 히터 40 : 분리용기
42 : 수소배출구 44 : 탄소배출구
46 : 밸브 50 : 소형분리용기
52 : 수소배출관로 54 : 탄소배출관로
60 : 필터부 62 : 필터
64 : 배출관로 70 : 제어부
80 : 히터전원공급기
10 : 유입관 20 : 반응기
22 : 촉매 24 : 단열재
30 : 히터 40 : 분리용기
42 : 수소배출구 44 : 탄소배출구
46 : 밸브 50 : 소형분리용기
52 : 수소배출관로 54 : 탄소배출관로
60 : 필터부 62 : 필터
64 : 배출관로 70 : 제어부
80 : 히터전원공급기
Claims (5)
- 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료(4)가 공급되는 유입관(10);
상기 유입관(10) 상에 구비되어 반응원료(4)를 공급 또는 차단하는 제어밸브(12);
상기 유입관(10)에 연결되어 반응원료(4)를 공급받으며, 내측에는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어져 반응원료(4)를 고체상의 탄소와 수소로 분해하는 촉매(22)가 구비되고, 외측에는 내측에서 반응원료(4)가 고체상의 탄소와 수소로 분해되면서 발생 되는 열이 외부로 손실되는 것을 방지하기 위한 단열재(24)가 구비되는 반응기(20);
상기 반응기(20)의 외측에 구비되며, 반응기(20)에서 반응원료(4)가 고체상의 탄소와 수소로 분해되도록 반응기(20)에 반응열을 공급하는 히터(30);
상기 반응기(20)와 연결되어 반응기(20) 내에서 반응원료(4)가 분해된 고체상의 탄소와 수소를 공급받으며, 상부에는 수소를 배출하는 수소배출구(42)가 형성되고, 하부에는 고체상의 탄소를 배출하는 탄소배출구(44)가 형성되며, 탄소배출구(44)에는 고체상의 탄소를 배출할 시에 수소가 유출되는 것을 방지하는 밸브(46)가 형성되는 원통형의 분리용기(40);
상기 분리용기(40)의 상부에 구비되어 일측에 연결되는 수소배출구(42)로부터 수소를 공급받아 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하며, 상부에는 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 수소배출관로(52)가 구비되고, 하부에는 분리용기(40)의 상부와 연결되어 수소로부터 분리된 소량의 탄소 미립자가 분리용기(40)로 배출되는 탄소배출관로(54)가 구비되는 원통형의 소형분리용기(50);
상기 소형분리용기(50)의 수소배출관로(52)와 일측이 연결되어 수소를 공급받으며, 내측에는 수소배출관로(52)에서 공급받은 수소에서 소량의 탄소 미립자를 분리하도록 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터(62)가 구비되고, 타측에는 수소에 포함된 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소가 배출되는 배출관로(64)가 형성되는 필터부(60);
상기 히터(30)와 연결되어 히터(30)의 온도를 800~1200℃로 제어하는 제어부(70);
상기 분리용기(40)의 탄소배출구(44) 하부에 구비되어 탄소배출구(44)를 통해 배출되는 탄소를 회수하는 회수용기(90)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치. - 삭제
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- 탄화수소가 포함된 메탄가스, 프로판가스, 부탄가스로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어지는 반응원료(4)를 유입관(10)을 통하여 원통형의 반응기(20)로 공급하는 제1단계(S1);
상기 반응기(20)에 공급된 반응원료(4)를 반응기(20)의 외측에 구비되어 반응기(20)에 800~1200℃의 반응열을 공급하는 히터(30) 및 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 카본 블랙(Carbon black)으로 이루어진 군에서 1종 또는 2종 이상이 각각 혼합되어 이루어진 촉매(22)를 이용하여 고체상의 탄소와 수소로 분해하여 원통형의 분리용기(40)로 공급하는 제2단계(S2);
상기 반응기(20)에서 공급받은 고체상의 탄소와 수소를 분리용기(40)에서 분리하여 고체상의 탄소는 분리용기(40)의 하부에 형성되는 탄소배출구(44)로 배출하여 탄소배출구(44)의 하부에 구비되는 회수용기(90)로 회수하며, 수소는 분리용기(40)의 상부에 구비되는 수소배출구(42)로 원통형의 소형분리용기(50)에 공급하는 제3단계(S3);
상기 분리용기(40)에서 소형분리용기(50)로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 분리하여 분리된 소량의 탄소 미립자를 소형분리용기(50)의 하부 및 분리용기(40) 상부에 연결 형성된 탄소배출관로(54)를 사용하여 분리용기(40)로 배출하며, 소량의 탄소 미립자가 분리된 수소는 소형분리용기(50) 상부에 형성된 수소배출관로(52)를 사용하여 수소배출관로(52)의 일측에 연결 구비된 필터부(60)로 공급하는 제4단계(S4);
상기 소형분리용기(50)에서 필터부(60)로 공급되는 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 필터부(60) 내측에 구비된 탄소 미립자보다 작은 개구부가 형성된 실크망 또는 SUS(Steel use stainless)망으로 이루어진 군에서 어느 하나로 형성되는 필터(62)를 사용하여 수소 내에 포함된 소량의 탄소 미립자를 완전히 분리하여 배출관로(64)를 통하여 수소만을 배출하는 제5단계(S5)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소가스 제조 반응장치를 이용한 수소가스 제조방법.
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