KR101864417B1 - 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치 - Google Patents

고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 상태의 분해제를 분사노즐에 공급되는 동안 기화시켜 증기 상태로 분사되도록 함으로써 반응탱크에 고체 상태로 공급된 수소화물과 신속하게 반응하여 수소의 생성이 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치에 관한 것으로, 고체 수소화물이 저장되고, 그 저장된 고체 수소화물과 분해제의 분해 반응에 의해 생성된 수소가 저장되는 반응탱크와, 상기 반응탱크의 일측에 설치되고, 분해제저장탱크에 액상 상태로 저장된 분해제가 분해제이송관을 통해 공급되는 동안 가열수단에 의해 기화되어 상기 분해제이송관의 끝단에 설치된 분사노즐을 통해 증기 상태로 분사되도록 형성된 분해제분사부와, 상기 반응탱크 내에 저장된 고체 수소화물이 고정되도록 설치되어, 상기 분해제분사부를 통해 분사된 분해제와 반응하여 생성된 수소는 이동 가능하면서도 부산물은 이동하지 못하도록 형성된 다공성격벽을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치{HYDROGEN GENERATE AND SUPPLY DEVICE USING STEAM-STATE DECOMPOSITION AGENT}
본 발명은 고체 상태의 수소화물에 증기 상태로 분사되는 분해제를 이용해 수소를 생성하고 이를 연료전지에 공급하도록 이루어진 수소발생 및 공급장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태로 공급된 분해제를 기화시켜 분사노즐을 통해 반응탱크 내에 분사될 때에는 증기 상태로 분사되도록 함으로써, 반응탱크에 고체 상태로 공급된 수소화물과 신속하게 반응하여 수소의 생성이 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학 반응을 통해 직접 전기에너지로 변환시키는 것으로, 최근 급격한 유가 상승과 환경 오염에 대한 관심이 커지면서 친환경 에너지를 사용해 연료 효율을 높일 수 있는 기술이 주목을 받고 있다.
연료전지는 화석 연료와 비교해 환경 오염 물질이 생성되지 않음은 물론 에너지 효율이 높고, 소음이 없으며, 지구 온난화를 일으키는 원인이 되고 있는 온실가스의 발생이 적어 수송, 발전, 가정, 휴대용 등의 다양한 분야에서 응용하기 위한 노력이 계속적으로 이루어지고 있다.
이러한 연료전지의 성능을 향상시키기 위해서는 연료전지 자체의 스택(stack)을 경량화하거나, 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA) 및 개질기(Reformer)의 성능 개선하거나 주변 기계장치(Balance of Plant, BOP) 개선을 통한 시스템 경량화 및 수소 저장 밀도를 향상시켜야 한다.
이 중에서 주변 기계장치에 해당하는 수소 공급장치의 경우에는 연료전지로 수소를 공급하기 위한 주요 장치로, 연료인 수소를 저장하는 방식으로는 고압 저장, 액화저장, 수소저장 합금, 수소화물, 제올라이트 또는 나노구조 탄소소재를 이용하는 방식이 있고, 보편적으로는 기체 상태의 수소를 고압 상태로 저장하는 고압 저장방식이 사용되고 있다.
그러나 상기한 고압 저장방식의 경우에는 폭발 위험성이 항상 내재되어 있고, 장치의 전체적인 중량이 크며, 유지관리에 많은 비용이 소요되는 단점이 있었다.
이에 따라 고압 저장방식을 대체하기 위한 일환으로 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 수소화 붕소 아연(ZnBH4), 수소화붕소 칼륨(CaBH4), 수소화 알루미늄 리튬(LiAlH4) 등과 같은 수소를 포함하는 수소화물을 별도의 반응 탱크 내에서 분해하여 발생된 수소를 연료전지로 공급하는 기술이 개발되었다.
하지만 상기와 같이 수소화물을 이용하는 방식은 고체 상태의 수소화물을 수용액 상태로 변화시키는 과정에서 수소의 분해율을 높이기 위해 촉매를 사용해야 하고, 수용액 내의 수소화물이 무분별하게 가수분해를 일으키지 않도록 염기성 안정화제를 더 첨가해야 했다.
이에 따라, 제조비용 및 제조시간이 증대되는 문제, 온도변화와 운용시간에 따라 성능 변화가 발생하는 문제, 촉매의 내구성 문제 및 가수분해 반응으로 인해 수소의 발생 선능이 불안정해지는 문제점이 있었다.
한편, 수소 공급장치에 저장된 수소화물이 수용액 상태인 경우에는 낮은 외부 온도에 의해 수용액이 빙결되어 운용에 제약이 발생함에 따라, 수소화물을 고체 상태로 저장하고 그 저장된 수소화물의 표면에 액체 상태의 분해제를 분사하여 수소를 생성시키는 연구가 이루어지고 있다.
그러나 상기와 같이 액체 상태의 분해제를 고체 상태의 수소화물 상측에 분사하는 경우 분해제와 수소화물의 가수분해 반응 후 부산물이 수소화물을 도포하게 되는데, 반응이 지속될수록 부산물 층은 점차 두꺼워져 액상의 분해제가 부산물 층을 통과하여 수소화물과 반응하는데 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 수소의 생성이 원활히 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
또한 설정된 양의 수소를 생성하기 위해 액상의 분해제를 과도하게 분사하게 될 경우 불필요하게 분해제가 낭비되는 것은 물론, 분해제에 의해 용해된 액상의 부산물이 반응기 내부의 열에 의해 끓어오르면서 반응기의 압력이 급격히 상승하게 되어 폭발할 우려가 있었으며, 반응탱크가 안전한 수준의 압력을 유지할 수 있도록 하기 위해서는 반응탱크 내에 생성된 수소를 임의로 배출시켜야 함에 따라 수소의 저장밀도가 저하되는 문제가 있었다.
아울러, 수소화물을 고체 상태로 저장하는 경우에는 저장되는 수소화물의 양에 따라 반응탱크의 크기가 커지게 되는 문제가 있으며, 반응탱크에 생성된 부산물을 제거하거나 반응탱크 내에 고체 수소화물을 새로 공급하기 위해 동안에는 연료전지에 수소를 공급하지 못하게 되어 연료전지의 작동이 정상적으로 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
한국등록특허 제10-1567302호(2015.11.03.등록, 연료전지용 수소 공급장치)
따라서, 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액체 상태로 공급된 분해제가 분사노즐 측으로 이송되는 동안 기화시켜 반응탱크 내에서는 증기 상태로 분사되도록 함으로써, 반응탱크에 고체 상태로 공급된 수소화물의 신속한 분해 반응을 통해 수소의 생성이 원활하게 이루어지도록 하고, 이에 더해 반응탱크에서 생성된 수소가 연료전지에 안정적이면서도 지속적으로 공급할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 것으로, 고체 상태의 수소화물을 분해제로 분해시켜 생성된 수소를 연료전지에 공급하는 수소 공급장치에 있어서, 설정된 양의 고체 수소화물이 수용되어 그 고체 수소화물에 분사된 분해제와 분해 반응하여 생성된 수소를 연료전지에 공급하도록 형성된 반응탱크와, 상기 반응탱크의 일측에 설치되고, 분해제저장탱크에 액상 상태로 저장된 분해제가 분해제이송관을 통해 상기 반응탱크의 내부로 이송되는 동안 가열수단에 의해 기화되어 상기 분해제이송관의 끝단에 설치된 분사노즐을 통해 증기 상태로 분사되도록 형성된 분해제분사부와, 상기 반응탱크 내부가 상·하로 구획되도록 설정된 높이로 설치되어 상기 고체 수소화물과 분해제의 분해 반응을 통해 생성된 수소는 이동되도록 하면서도 고체 수소화물과 부산물은 이동하지 못하도록 형성된 다공성격벽을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 가열수단은 상기 분해제이송관의 끝단부에 외주면을 감싸도록 설치되어 전기에너지를 공급받아 가열하도록 형성된 히팅코일과, 상기 히팅코일의 외주면을 감싸도록 설치되어 고체 수소화물과 히팅코일이 접촉되는 것을 차단함과 동시에 히팅코일에서 발생된 열이 손실되는 것을 억제하도록 형성된 단열재로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 분사노즐은 반응탱크 내에 수용된 고체 수소화물에 매립되게 설치된 것이 바람직하다.
한편, 상기 반응탱크의 일측에 설치되어 고체 상태의 수소화물이 저장되는 고체연료저장탱크와, 상기 고체연료저장탱크의 하부와 반응탱크의 일측면에 형성된 고체연료공급부가 서로 연통되게 설치되어 상기 고체연료저장탱크에 저장된 고체 수소화물이 상기 반응탱크에 공급되도록 이송시키는 고체연료이송부와, 상기 고체연료이송부에 의해 고체 수소화물의 공급이 완료되면 상기 고체연료공급부를 폐쇄하도록 형성된 마개부와, 상기 반응탱크의 하부에 개폐 가능하게 설치되어 내부에 생성된 부산물을 배출시키는 부산물배출부와, 상기 반응탱크에서 생성된 수소의 일부를 공급받아 저장하였다가 상기 반응탱크에서 연료전지에 수소가 공급되지 못하는 동안 그 저장해둔 수소를 연료전지에 공급하도록 형성된 수소버퍼탱크와, 상기 반응탱크와 수소버퍼탱크 및 연료전지가 서로 연결되도록 설치된 수소이송관에 개폐 가능하게 구비되어 수소가 공급되거나 공급되지 못하도록 형성된 개폐밸브와, 상기 고체연료이송부, 부산물배출부, 분해제분사부, 개폐밸브의 작동을 제어하여 연료전지가 동작하는데 필요로 하는 수소를 상기 반응탱크 및 수소버퍼탱크에서 지속적으로 공급하도록 형성된 제어수단을 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 고체연료이송부는 고체 수소화물이 이송되도록 관 형상으로 이루어진 고체연료이송관과, 고체연료이송관의 내부에 길이방향으로 설치되어 모터로부터 전달된 동력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에 나선형상으로 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하며 고체 수소화물을 상기 반응탱크 측으로 이송시키는 회전날개로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 마개부는 고체연료공급부의 상측에 힌지축으로 회동되게 설치된 밀폐부재가 비틀림스프링에 의해 상기 고체연료공급부를 폐쇄하는 방향으로 탄성력이 작용하도록 설치된 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치는 액체 상태로 공급된 분해제가 분사노즐 측으로 이송되는 동안 가열수단에 의해 기화되어 반응탱크 내에 공급될 때에는 분사노즐을 통해 증기 상태로 분사됨에 따라 반응탱크 내에 신속히 확산될 수 있고, 이를 통해 고체 수소화물의 분해 반응을 통한 수소의 생성이 안정적이면서도 원활하게 이루질 수 있는 효과가 있다.
또한 반응탱크 내에서 생성된 수소의 일부를 저장해 두었다가, 그 저장해둔 수소는 반응탱크 내에서 연료전지에 공급하기 위한 수소를 생성하는 동안 연료전지에 공급함으로써, 연료전지에서 필요로 하는 수소를 지속적으로 공급하여 안정적으로 동작되도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치를 나타낸 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 분사노즐이 구비된 반응탱크를 발췌하여 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 반응탱크의 내부에 공급된 고체 수소화물이 다공성 격벽에 의해 복수개의 영역으로 구획된 상태를 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명에 따른 분사노즐의 가열구조를 발췌하여 나타낸 측단면도,
도 5는 본 발명에 따른 제어수단에 의해 각 구성들이 제어되는 상태를 나타낸 제어구성도,
도 6은 본 발명에 따른 반응탱크에서 생성된 수소가 수소버퍼탱크에 공급되는 상태를 나타낸 개략도,
도 7은 본 발명에 따른 반응탱크 내의 수소가 연료전지에 공급되는 상태를 나타낸 개략도,
도 8은 본 발명에 따른 수소버퍼탱크 내의 수소가 연료전지에 공급되는 상태를 나타낸 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 고체연료이송부 및 마개부를 발췌하여 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 수소발생 및 공급장치는 도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 고체 상태의 수소화물(Hs)을 분해제(Gb)로 분해시켜 수소를 생성하도록 이루어진 것으로, 반응탱크(100), 분해제분사부(200) 및 다공성격벽(300)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기의 반응탱크(100)는 고체 수소화물(Hs)이 일정 높이로 채워져 저장되고, 그 저장된 고체 수소화물(Hs)에 후술할 분사노즐(230)로부터 증기 상태의 분해제(Gb)가 분사되었을 때 이들의 분해 반응에 의해 생성된 수소가 내부공간에 채워지면서 소정의 압력으로 저장되도록 형성된 것이다.
이때의 고체 수소화물(Hs)은 상대적으로 취급이 용이하고 획득하기 쉬운 수소화 붕소 나트륨(NaBH4)을 이용하는 것이 바람직하나, 이 외에도 수소화 붕소 아연(ZnBH4), 수소화붕소 칼륨(CaBH4), 수소화 알루미늄 리튬(LiAlH4) 등이 사용될 수 있으며, 첨부한 도면에서는 고체 수소화물(Hs)이 알갱이(Granular) 형태인 것으로 도시하였으나, 이 외에도 분말(Powder), 구슬(Bead), 마이크로캡슐(Microcapsule) 또는 알약(Pellets) 형태와 같은 고체 상태로 형성된 것일 수 있다.
또한 반응탱크(100)는 원통 형태인 것으로 도시하였으나, 이 외에도 원형, 사각형 또는 다각형 형태로 이루어질 수 있는 것이다.
상기의 분해제분사부(200)는 반응탱크(100)의 일측에 설치되어 반응탱크(100) 내에 수용된 고체 수소화물(Hs)이 분해 반응을 통해 수소를 생성할 수 있도록 액체 상태의 분해제(Lb)를 공급받아 증기 상태로 기화된 상태의 분해제(Gb)가 분사되도록 이루어진 것으로, 이러한 분해제분사부(200)는 분해제저장탱크(210) 내에 액상 상태로 저장된 분해제(Lb)가 분해제이송관(220)을 통해 반응탱크(100)에 이송되는 동안 가열수단(250)에 의해 기화되도록 하여 상기 분해제이송관(220)의 끝단에 설치된 분사노즐(230)을 통해 증기 상태로 분사하도록 형성된 것이다.
여기서 가열수단(250)은 동일한 온도로 가열되게 설정될 수 있으며, 이와는 달리 분사노즐(230) 측으로 갈수록 가열온도가 점차 증가하도록 설정될 수 있다.
이때 분해제분사부(200)는 분해제저장탱크(210)에 저장된 분해제(Lb)를 분사노즐(230) 측으로 공급할 수 있도록 하는 펌프(P)가 구비된 것이 바람직하며, 분사노즐(230)은 증기 상태 분해제(Gb)가 넓은 범위로 분사될 수 있도록 형성된 것이 바람직하다.
상기에서 분해제저장탱크(210)에 저장되는 액상의 분해제(Lb)는 수소화물(Hs)의 pH를 조절하여 반감기를 단축시킴으로써 수소가 생성되는 분해 반응이 일어나게 하는 것으로, 염산(Hydrochloric Acid)을 사용하는 것이 가장 바람직하나, 이 외에도 황산(Sulfuric Acid), 질산(Nitric Acid), 붕산(Boric Acid) 및 아세트산(Acetic Acid)이 사용될 수 있으며, 또한 취급을 용이하게 하기 위해 증류수에 희석한 산성 용액으로 형성된 것이 사용될 수 있다.
이에 따라 분해제이송관(220) 및 분사노즐(230)은 산(Acid) 성분의 분해제(Lb,Gb)에 잘 견딜 수 있도록 내산성이 높은 것으로 구비하고, 가열수단(250)에 의해 가열되었을 때 액상 상태의 분해제(Lb)를 신속하게 기화시키면서도 열에 의한 변형이 이루어지지 않을 수 있도록 열전도율이 높으면서도 열전도에 의한 영향이 적은 재질로 구비하는 것이 바람직하며, 분사노즐(230)이 금속 재질로 이루어진 경우에는 내면 및 외면에 산(Acid)에 의한 부식을 방지할 수 있는 코팅처리가 된 것이 바람직하다.
상기의 다공성격벽(300)은 반응탱크(100)의 내부가 상·하로 구획되도록 설정된 높이로 설치되는 것으로, 고체 수소화물(Hs)과 부산물(Bp)은 통과하지 못하도록 하면서도 고체 수소화물(Hs)과 분해제(Gb)의 분해 반응을 통해 생성된 수소는 이동이 가능하도록 형성된 것이다.
이러한 다공성격벽(300)은 반응탱크(100)가 기울어지거나 상·하 방향이 반전되더라도 고체 수소화물(Hs)과 분사노즐(230)에 의한 분해제(Gb)의 분사 위치가 크게 달라지지 않도록 제한함으로써 신속하면서도 일정한 속도로 수소가 생성되도록 하기 위함이며, 이에 더해 고체 수소화물(Hs)이 분해제(Gb)와의 분해 반응을 통해 수소가 생성될 때에 거품처럼 끓어오르는 것을 방지하기 위함인 것이다.
만약 다공성격벽(300)이 구비되지 않은 경우, 반응탱크(100)가 기울어지거나 상·하 방향이 반전되면 분사노즐(230)은 반응탱크(100)에 고정되게 설치되어 유동되지 못하는데 비해, 고체 수소화물(Hs)은 반응탱크(100) 내에서 위치가 달라지며 분사노즐(230)과 가까워지거나 멀어지게 됨에 따라, 비록 증기 상태의 분해제(Gb)가 액체 상태의 분해제(Lb)에 비해 비교적 빠르게 확산되는 것이라 할지라도, 분해 반응이 일정한 속도로 이루어지지는 못해 수소의 생성 속도 역시 일정하게 유지하기 어려운 문제가 발생하게 된다.
여기서 다공성격벽(300)은 도 3에 도시한 바와 같이 반응탱크(100)의 크기나 반응탱크(100) 내에 수용되는 고체 수소화물(Hs)의 양에 따라, 반응탱크(100)에 고체 수소화물(Hs)이 수용되는 공간을 복수개로 구획하도록 설치될 수 있는 것으로, 이와 같이 다공성격벽(300)에 의해 반응탱크(100)에 고체 수소화물(Hs)의 수용공간이 복수개로 구획된 경우에는 그 복수개의 수용공간 각각에 증기 상태의 분해제(Gb)가 분사되는 분사노즐(230)을 설치하여 고체 수소화물(Hs)과 분해제(Gb)의 분해 반응이 더욱 신속하고 원활하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치에 대한 작용효과를 살펴보면 다음과 같다.
반응탱크(100)에 고체 수소화물(Hs)이 수용된 상태에서 펌프(P)를 구동시키면 분해제저장탱크(210)에 저장된 액체 상태의 분해제(Lb)가 분해제이송관(220)을 통해 반응탱크(100)에 내부를 향해 이송되며, 분해제이송관(220)을 통해 이송되는 액체 상태의 분해제(Lb)는 가열수단(250)이 설치된 부분에서 설정된 온도로 가열되며 기화되어 반응탱크(100)의 내부에 설치된 분사노즐(230)을 통해 증기 상태로 분사된다.
이와 같이 증기 상태로 분사되는 분해제(Gb)는 액체 상태로 분사되는 분해제(Lb)에 비해 빠르게 확산되어 반응탱크(100) 내의 고체 수소화물(Hs)과 신속하게 분해 반응이 일어나 수소가 생성되며, 분해 반응이 일어나는 동안 형성된 부산물(Bp) 층을 신속히 통과함에 따라 부산물(Bp)을 용해시키지 않더라도 고체 수소화물(Hs)과 반응하여 원활하게 수소가 생성되도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한 반응탱크(100) 내에 설치된 다공성격벽(300)을 통해 고체 수소화물(Hs)의 이동을 제한하여 항상 정해진 공간에서 분해 반응이 일어나도록 함으로써, 반응탱크(100)가 기울어지거나 상·하 방향이 반전되더라도 분사노즐(230)을 통해 분해제(Gb)가 분사되었을 때 고체 수소화물(Hs)과의 분해 반응을 통한 수소의 생성 속도를 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.
이때 상기의 가열수단(250)은 도 4와 같이 분해제이송관(220)의 끝단부 외주면을 감싸도록 설치되어 전기에너지를 공급받아 가열되도록 형성된 히팅코일(251)과, 히팅코일(251)의 외주면을 감싸도록 설치된 단열재(252)로 이루어진 것이 바람직하다.
이처럼 분해제저장탱크(210)에서 액상 상태로 공급된 분해제(Lb)가 분해제이송관(220)을 지나는 동안 가열된 히팅코일(251)에 의해 기화되어 분사노즐(230)에서는 증기 상태로 분사되도록 함으로써 고체 수소화물(Hs)과의 분해 반응이 신속하고 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있다.
더불어 히팅코일(251)의 외주면에 설치된 단열재(252)를 통해 히팅코일(251)이 고체 수소화물(Hs)과 직접 접촉되는 것을 차단함과 동시에 히팅코일(251)에서 발생된 열이 손실되는 것을 억제함으로써, 고체 수소화물(Hs)과의 분해 반응이 보다 안정적으로 이루어지도록 함은 물론 히팅코일(251)을 가열하기 위한 에너지 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
여기서, 분사노즐(230)은 반응탱크(100) 내에 수용된 고체 수소화물(Hs) 내에 매립되게 설치된 것이 바람직한데, 이는 증기 상태의 분해제(Gb)가 분사노즐(230)을 통해 분사됨과 동시에 고체 수소화물(Hs)과 신속하게 분해 반응이 일어나도록 함으로써 반응 효율을 극대화 시킬 수 있고, 부산물(Bp)에 의한 분해 반응이 지연되는 것을 방지하여 수소의 생성이 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있기 때문이다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치는 고체연료저장탱크(400), 고체연료이송부(500), 마개부(120), 부산물배출부(130), 수소버퍼탱크(600), 개폐밸브(800), 제어수단(900)을 더 포함하여 구성될 수 있는 것이다.
상기의 고체연료저장탱크(400)는 반응 탱크의 일측에 설치되어 고체 상태의 수소화물(Hs)이 저장되도록 형성된 것이고, 고체연료이송부(500)는 고체연료저장탱크(400)의 하부와 반응탱크(100)의 일측면에 형성된 고체연료공급부(110)가 서로 연통되게 설치되어 고체연료저장탱크(400)에 저장된 고체 수소화물(Hs)이 반응탱크(100)에 공급되도록 이송시키는 것이다.
이러한 고체연료저장탱크(400)와 고체연료이송부(500)를 설치함으로써, 반응탱크(100) 내에 고체 수소화물(Hs)을 다량 저장해둔 상태로 증기 상태의 분해제(Gb)를 분사해 수소를 생성하는 것이 아니라, 연료전지(F)에 필요한 수소를 공급할 수 있을 정도의 고체 수소화물(Hs)을 반응탱크(100)에 공급하여 수소가 생성되도록 할 수 있으며, 이를 통해 반응탱크(100)의 크기가 고체 수소화물(Hs)의 저장량에 따라 커지는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 반응탱크(100)의 제작단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.
상기의 마개부(120)는 고체연료저장탱크(400)에 저장된 고체 수소화물(Hs)이 고체연료이송부(500)에 의해 반응탱크(100)에 공급되고 나면 고체연료공급부(110)를 긴밀하게 폐쇄시켜, 분사노즐(230)을 통해 증기 상태의 분해제(Gb)가 분사되었을 때 반응탱크(100) 내에서 생성된 수소가 고체연료저장탱크(400) 측으로 누설되는 것을 방지하도록 형성된 것이다.
상기의 부산물배출부(130)는 반응탱크(100)의 하부에 개폐 가능하게 설치되어 고체 수소화물(Hs)과 분해제(Gb)의 분해 반응에 의해 반응탱크(100)의 내부에 생성된 부산물(Bp)을 반응탱크(100)의 외부로 배출하도록 형성된 것이다.
고체 수소화물(Hs)에 액체 상태의 분해제(Lb)를 분사할 경우에는 겔 형태의 부산물(Bp)이 생성되지만 증기 상태의 분해제(Gb)를 분사할 경우에는 대부분의 부산물(Bp)이 고체 상태로 반응탱크(100) 내부에 남게되기 때문에, 이러한 부산물배출부(130)는 반응탱크(100)의 하부면 전체에 걸쳐 형성시켜 부산물배출부(130)를 개방시켰을 때 고체 상태의 부산물(Bp)이 신속하고 용이하게 배출되도록 형성된 것이 바람직하다.
상기의 수소버퍼탱크(600)는 반응탱크(100)에서 생성된 수소의 일부를 수소이송관(700)으로 공급받아 저장하였다가 그 저장된 수소를 연료전지(F)에 공급하도록 형성된 것으로, 반응탱크(100) 내에 고체 수소화물(Hs)이 공급될 때, 반응탱크(100) 내에 수소가 생성될 때, 반응탱크(100) 내에 생성된 부산물(Bp)을 외부로 배출시킬 때와 같이, 반응탱크(100) 내에서 연료전지(F)에 수소를 공급하지 못하는 동안에도 수소버퍼탱크(600)에 저장해둔 수소를 연료전지(F)에 공급함으로써 연료전지(F)에 지속적으로 수소가 공급될 수 있도록 형성된 것이다.
상기의 개폐밸브(800)는 반응탱크(100)와 수소버퍼탱크(600) 및 연료전지(F)가 서로 연결되도록 설치된 수소이송관(700)에 개폐 가능하게 구비되어 수소가 공급되거나 공급되지 못하도록 하는 것이다.
이러한 개폐밸브(800)는 후술할 제어수단(900)에 의해 개폐 동작이 제어되도록 형성된 것이 바람직하며, 이를 위해 개폐밸브(800)에는 반응탱크(100) 및 수소버퍼탱크(600)의 내부압력을 감지하고 그 감지된 정보를 제어수단(900)에 전달하는 센서부(S)를 구비하여, 제어수단(900)에 의한 개폐밸브(800)의 작동이 정확하게 제어되도록 하는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기의 개폐밸브(800)에 대하여 설명의 편의와 이해를 돕기 위해, 반응탱크(100)와 연료전지(F)를 연결하는 수소이송관(700)에 설치된 것을 반응수소개폐밸브(810)로, 반응탱크(100)와 수소버퍼탱크(600)를 연결하는 수소이송관(700)에 설치된 것을 저장수소개폐밸브(820)로, 수소버퍼탱크(600)와 연료전지(F)를 연결하는 수소이송관(700)에 설치된 것을 버퍼수소개폐밸브(830)로 구분하여 설명한다.
상기의 제어수단(900)은 도 5에 도시한 바와 같이 고체연료이송부(500), 부산물배출부(130), 분해제분사부(200), 개폐밸브(800)의 작동을 제어하여 연료전지(F)가 동작하는데 필요로 하는 수소를 반응탱크(100) 및 수소버퍼탱크(600)에서 지속적으로 공급할 수 있도록 형성된 것일 뿐만 아니라, 상기의 가열수단(250)에 의해 가열되는 온도를 제어하도록 형성된 것이다.
이때 반응탱크(100)와 수소버퍼탱크(600)를 연결하는 수소이송관(700)에 설치된 저장수소개폐밸브(820)는 제어수단(900)에 의해 제어될 수 있는 것이지만, 이와는 달리 제어수단(900)의 개입 없이 압력의 정도에 따라 개방 또는 폐쇄되도록 형성된 체크밸브가 구비될 수 있는 것이다.
이는 저장수소개폐밸브(820)를 체크밸브로 구비하더라도 제어수단(900)에 의해 개폐 동작이 제어되는 것과 같이, 반응탱크(100)의 내부압력이 설정된 압력을 초과하였을 때에는 자동으로 개방되어 반응탱크(100)의 내부압력이 과도하게 증가하는 것을 방지함과 동시에 반응탱크(100) 내의 수소가 수소버퍼탱크(600)에 공급되어 저장되도록 하며, 반응탱크(100)의 내부압력이 설정된 압력 이하일 때에는 자동으로 폐쇄되어 수소버퍼탱크(600)의 내부에 저장된 수소가 연료전지(F)에 공급될 수 있을 정도의 압력 상태를 유지할 수 있기 때문이다.
상기와 같이 고체연료저장탱크(400), 고체연료이송부(500), 마개부(120), 부산물배출부(130), 수소버퍼탱크(600), 개폐밸브(800) 및 제어수단(900)을 더 포함하여 구성된 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치의 작용효과를 살펴보면 다음과 같다.
고체연료저장탱크(400) 내에 저장된 고체 상태의 수소화물(Hs)은 제어수단(900)에 의해 작동되는 고체연료이송부(500)에 의해 반응탱크(100) 측으로 이송되어 연료전지(F)에 공급하기 위한 수소의 양에 따라 적정량이 고체연료공급부(110)를 통해 반응탱크(100) 내에 공급되며, 반응탱크(100)의 내부압력은 대기압 상태이므로 고체연료저장탱크(400) 내의 고체 수소화물(Hs)이 고체연료이송부(500)를 통해 공급될 수 있는 것이다.
이때, 반응탱크(100) 내에 설정된 양의 고체 수소화물(Hs)이 공급되고 난 이후 고체연료공급부(110)는 마개부(120)에 의해 긴밀하게 밀폐된 상태가 되며, 수소이송관(700)에 설치된 반응수소개폐밸브(810)와 저장수소개폐밸브(820) 및 버퍼수소개폐밸브(830)는 제어수단(900)에 의해 모두 폐쇄되도록 제어된 상태이다.
반응탱크(100) 내에 설정된 양의 고체 수소화물(Hs)이 공급된 이후 제어수단(900)에 의해 펌프(P)가 작동되면, 분해제저장탱크(210)에 저장된 액체 상태의 분해제(Lb)는 분해제이송관(220)에 공급되기 시작하고, 분해제이송관(220)에 설치된 가열수단(250)을 지나는 동안에는 액체 상태의 분해제(Lb)가 기화되어 분사노즐(230)을 통해 분사될 때에는 증기 상태로 반응탱크(100) 내에 분사된다.
이와 같이 증기 상태로 분사된 분해제(Gb)는 반응탱크(100) 내에서 신속히 확산되어 고체연료저장탱크(400)로부터 공급된 고체 수소화물(Hs)과 분해 반응이 일어나게 되며, 이를 통해 수소가 생성된다.
이후 반응탱크(100) 내에서 수소가 생성되면서 반응탱크(100)의 내부압력은 증가하게 되는데, 이러한 반응탱크(100)의 내부압력이 설정된 압력 이상으로 증가하게 되면 저장수소개폐밸브(820)는 도 6과 같이 제어수단(900)에 의해 개방되고, 저장수소개폐밸브(820)가 개방되면 반응탱크(100) 내에서 생성된 수소는 반응탱크(100)의 내부압력에 의해 수소버퍼탱크(600)에 공급된다.
이때, 반응탱크(100)의 내부압력이 수소버퍼탱크(600)의 내부압력과 동일한 상태가 되거나 혹은 반응탱크(100)의 내부압력이 설정된 압력 이하인 상태가 되면, 제어수단(900)은 저장수소개폐밸브(820)를 폐쇄시키게 되는데, 이와 같이 수소버퍼탱크(600)에 수소가 저장된 상태에서의 내부압력은 버퍼수소개폐밸브(830)를 개방하였을 때 연료전지(F)에 수소를 공급할 수 있을 정도의 압력 상태가 되며, 수소버퍼탱크(600)에 공급된 수소는 반응탱크(100) 내의 수소가 연료전지(F)에 모두 공급되기 전까지 저장된 상태를 유지하게 된다.
수소버퍼탱크(600)에 설정된 양의 수소가 저장되어 저장수소개폐밸브(820)가 폐쇄된 이후에는 반응수소개폐밸브(810)가 도 7과 같이 제어수단(900)에 의해 개방되고, 반응수소개폐밸브(810)가 개방되면 반응탱크(100) 내의 수소가 내부압력에 의해 연료전에 공급된다.
반응탱크(100) 내의 수소가 연료전지(F)에 모두 공급되고 난 이후에는 도 8과 같이 반응수소개폐밸브(810)가 폐쇄되고 버퍼수소개폐밸브(830)가 개방되는데, 버퍼수소개폐밸브(830)가 개방되면 수소버퍼탱크(600) 내에 저장된 수소가 수소버퍼탱크(600)의 내부압력에 의해 연료전지(F)에 공급된다.
수소버퍼탱크(600)의 수소가 연료전지(F)에 공급되는 동안, 부산물배출부(130)는 제어수단(900)에 의해 개방되어 반응탱크(100)에 남아있는 부산물(Bp)이 외부로 배출되고, 부산물(Bp)의 배출이 완료되면 부산물배출부(130)는 폐쇄된 상태가 되며, 부산물(Bp)이 배출된 반응탱크(100)에는 고체연료저장탱크(400)로부터 설정된 양의 고체 수소화물(Hs)이 고체연료이송부(500)를 통해 공급된다.
이때 반응탱크(100)에는 수소버퍼탱크(600)에 저장해둔 수소가 연료전지(F)에 모두 공급되기 전에 증기 상태의 분해제(Gb)가 분사되어 수소를 생성하게 되며, 이와 같이 생성된 수소가 설정된 압력을 초과하게 되면 저장수소개폐밸브(820)가 개방되어 반응탱크(100)에서 생성된 수소의 일부가 수소버퍼탱크(600)에 저장되고, 반응탱크(100)에서 생성된 수소가 설정된 압력으로 상승하여 연료전지(F)에 공급할 수 있는 준비 상태가 되면 버퍼수소개폐밸브(830)는 폐쇄되고 반응수소개폐밸브(810)는 개방되어 반응탱크(100) 내의 수소가 연료전지(F)에 공급된다.
이처럼 반응탱크(100) 내에서 생성된 수소의 일부를 수소버퍼탱크(600)에 저장해두었다가, 반응탱크(100) 내의 수소를 연료전지(F)에 모두 공급하였을 때에는 수소버퍼탱크(600)에 저장해둔 수소를 연료전지(F)에 공급하고, 수소버퍼탱크(600)에 저장해둔 수소가 연료전지(F)에 공급되는 동안에는 반응탱크(100) 내의 부산물(Bp)을 제거하고 고체 수소화물(Hs)을 새로 공급받아 증기 상태로 분사된 분해제(Gb)와 분해 반응하여 생성된 수소를 공급할 수 있도록 함으로써, 연료전지(F)에 필요한 수소를 안정적이면서도 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있는 것이다.
게다가 반응탱크(100) 내에서 고체 수소화물(Hs)과 분해제(Gb)가 반응할 때에는 부산물(Bp)이 모두 제거된 상태이므로, 부산물(Bp)에 의한 분해 반응이 지연되는 것을 방지할 수 있고, 이를 통해 수소의 생성이 안정적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.
이에 더해 고체 상태의 수소화물(Hs)을 분해시켜 수소를 성생시키는 구조를 가지므로 수소화물(Hs)을 액체 상태로 변화시킬 필요가 없고, 별도의 염기성 안정제와 촉매를 사용하지 않아도 되는 장점이 있으며, 안정된 압력 및 온도로 수소를 공급하여 연료전지(F)의 출력 저하, 멤브레인 건조화 현상 및 열 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이때 도 9에 도시한 바와 같이 상기의 고체연료이송부(500)는 고체 수소화물(Hs)이 이송되도록 관 형상으로 이루어진 고체연료이송관(510)과, 고체연료이송관(510)의 내부에 길이방향으로 설치되어 고체연료저장탱크(400)의 일측에 설치된 모터(M)로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전축(520)과, 회전축(520)의 외주면에 나선형상으로 결합되어 회전축(520)과 함께 회전하며 고체 수소화물(Hs)을 반응탱크(100) 측으로 이송시키는 회전날개(530)를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.
이와 같이 나선 형상의 회전날개(530)가 회전축(520)에 의해 회전하면서 고체 수소화물(Hs)이 이송되는 구조를 통해, 고체 수소화물(Hs)을 반응탱크(100) 내에 원활하게 공급할 수 있음은 물론이고, 설정된 양의 고체 수소화물(Hs)을 반응탱크(100)에 정확하게 공급되도록 제어할 수 있는 효과가 있다.
여기서 회전축(520) 및 회전날개(530)는 고체연료저장탱크(400)의 바닥면 측으로 설치하되, 고체연료이송관(510)의 길이와 고체연료저장탱크(400)의 너비를 합한 길이로 형성된 것이 바람직한데, 이는 고체연료저장탱크(400)의 하부에 채워진 고체 수소화물(Hs)부터 반응탱크(100)에 공급되도록 함으로써 고체연료저장탱크(400)에 고체 수소화물(Hs)을 수시로 채워야 하는 번거로움을 해소할 수 있고, 고체 수소화물(Hs)이 고체연료저장탱크(400)의 하부에 퇴적되지 않고 반응탱크(100) 측으로 원활하게 공급되도록 할 수 있기 때문이며, 이를 위해 고체연료저장탱크(400)는 상광하협의 형상으로 형성될 수 있다.
아울러 상기의 마개부(120)는 고체연료공급부(110)의 상측에 힌지축(121)으로 회동되게 설치된 밀폐부재(122)가 비틀림스프링(123)에 의해 고체연료공급부(110)를 폐쇄하는 방향으로 탄성력이 작용하도록 설치된 것이 바람직하다.
이와 같이 비틀림스프링(123)에 의해 탄성 지지되는 밀폐부재(122)에 의해 고체 수소연료가 공급되지 않을 때에는 항상 고체연료공급부(110)를 긴밀하게 폐쇄시킨 상태를 유지하다가, 고체 수소연료가 고체연료공급부(110)를 통해 반응탱크(100)에 공급되는 동안에만 고체 수소연료가 공급되는 힘에 의해 밀려 일부 개방된 상태가 되고, 고체 수소연료의 공급이 완료된 이후에는 비틀림스프링(123)의 탄성력에 의해 다시 고체연료공급부(110)를 긴밀하게 폐쇄시킬 수 있으므로, 제어수단(900)을 통해 별도로 제어하지 않더라도 고체연료공급부(110)의 개폐가 원활하고 정확하게 이루어질 수 있는 이점이 있다.
여기서 마개부(120)는 고체연료공급부(110)가 보다 긴밀하게 밀폐되도록 하기 위해 고체연료공급부(110)를 향하는 밀폐부재(122)의 일면에 실링부재(W)가 더 설치된 것일 수 있으며, 힌지축(121) 및 비틀림스프링(123)은 내산성 및 내열성을 갖도록 별도의 코팅처리가 된 금속재로 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치는 액체 상태로 공급된 분해제(Lb)를 반응탱크(100) 내에서 분사되기에 앞서 기화시켜 분사노즐(230)을 통해 분사될 때에는 증기 상태로 분사되도록 이루어진 것으로써, 증기 상태로 분사된 분해제(Gb)는 반응탱크(100) 내에서 신속히 확산되어 고체 수소화물(Hs)과의 분해 반응을 통한 수소의 생성이 원활하게 이루어지도록 할 수 있는 효과가 있고, 이에 더해 반응탱크(100)에서 생성된 수소의 일부를 수소버퍼탱크(600)에 저장해두었다가 반응탱크(100)에서 수소가 생성되지 못하는 동안 연료전지(F)에 공급되도록 함으로써 연료전지(F)에서 필요로 하는 양의 수소를 안정적이면서도 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.
100 : 반응탱크 110 : 고체연료공급부
120 : 마개부 121 : 힌지축
122 : 밀폐부재 123 : 비틀림스프링
130 : 부산물배출부
200 : 분해제분사부 210 : 분해제저장탱크
220 : 분해제이송관 230 : 분사노즐
250 : 가열수단 251 : 히팅코일
252 : 단열재
300 : 다공성격벽
400 : 고체연료저장탱크
500 : 고체연료이송부 510 : 고체연료이송관
520 : 회전축 530 : 회전날개
600 : 수소버퍼탱크 700 : 수소이송관
800 : 개폐밸브 810 : 반응수소개폐밸브
820 : 저장수소개폐밸브 830 : 버퍼수소개폐밸브
900 : 제어수단
Hs : 고체 수소화물 Bp : 부산물
Lb : 액상 상태의 분해제 Gb : 증기 상태의 분해제
F : 연료전지 M : 모터
P : 펌프 S : 센서부
W : 실링부재

Claims (6)

  1. 고체 상태의 수소화물(Hs)을 분해제로 분해시켜 생성된 수소를 연료전지(F)에 공급하는 수소발생 및 공급장치에 있어서,
    설정된 양의 고체 수소화물(Hs)이 수용되어 그 고체 수소화물(Hs)에 분사된 분해제와 분해 반응하여 생성된 수소를 연료전지(F)에 공급하도록 형성된 반응탱크(100);
    상기 반응탱크(100)의 일측에 설치되고, 분해제저장탱크(210)에 액상 상태로 저장된 분해제가 분해제이송관(220)을 통해 상기 반응탱크(100)의 내부로 이송되는 동안 가열수단(250)에 의해 기화되어 상기 분해제이송관(220)의 끝단에 설치된 분사노즐(230)을 통해 증기 상태로 분사되도록 형성된 분해제분사부(200);
    상기 반응탱크(100) 내부가 상·하로 구획되도록 설정된 높이로 설치되어 상기 고체 수소화물(Hs)과 분해제의 분해 반응을 통해 생성된 수소는 이동되도록 하면서도 고체 수소화물(Hs)과 부산물(Bp)은 이동하지 못하도록 형성된 다공성격벽(300);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열수단(250)은 상기 분해제이송관(220)의 끝단부에 외주면을 감싸도록 설치되어 전기에너지를 공급받아 가열하도록 형성된 히팅코일(251)과, 상기 히팅코일(251)의 외주면을 감싸도록 설치되어 고체 수소화물(Hs)과 히팅코일(251)이 접촉되는 것을 차단함과 동시에 히팅코일(251)에서 발생된 열이 손실되는 것을 억제하도록 형성된 단열재(252)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분사노즐(230)은 반응탱크(100)에 수용된 고체 수소화물(Hs) 내에 매립되게 설치된 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응탱크(100)의 일측에 설치되어 고체 상태의 수소화물(Hs)이 저장되는 고체연료저장탱크(400)와,
    상기 고체연료저장탱크(400)의 하부와 반응탱크(100)의 일측면에 형성된 고체연료공급부(110)가 서로 연통되게 설치되어 상기 고체연료저장탱크(400)에 저장된 고체 수소화물(Hs)이 상기 반응탱크(100)에 공급되도록 이송시키는 고체연료이송부(500)와,
    상기 고체연료이송부(500)에 의해 고체 수소화물(Hs)의 공급이 완료되면 상기 고체연료공급부(110)를 폐쇄하도록 형성된 마개부(120)와,
    상기 반응탱크(100)의 하부에 개폐 가능하게 설치되어 내부에 생성된 부산물(Bp)을 배출시키는 부산물배출부(130)와,
    상기 반응탱크(100)에서 생성된 수소의 일부를 공급받아 저장하였다가 상기 반응탱크(100)에서 연료전지(F)에 수소가 공급되지 못하는 동안 그 저장해둔 수소를 연료전지(F)에 공급하도록 형성된 수소버퍼탱크(600)와,
    상기 반응탱크(100)와 수소버퍼탱크(600) 및 연료전지(F)가 서로 연결되도록 설치된 수소이송관(700)에 개폐 가능하게 구비되어 수소가 공급되거나 공급되지 못하도록 형성된 개폐밸브(800)와,
    상기 고체연료이송부(500), 부산물배출부(130), 분해제분사부(200), 개폐밸브(800)의 작동을 제어하여 연료전지(F)가 동작하는데 필요로 하는 수소를 상기 반응탱크(100) 및 수소버퍼탱크(600)에서 지속적으로 공급하도록 형성된 제어수단(900)을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체연료이송부(500)는 고체 수소화물(Hs)이 이송되도록 관 형상으로 이루어진 고체연료이송관(510)과, 고체연료이송관(510)의 내부에 길이방향으로 설치되어 모터(M)로부터 전달된 동력에 의해 회전하는 회전축(520)과, 상기 회전축(520)의 외주면에 나선형상으로 결합되어 상기 회전축(520)과 함께 회전하며 고체 수소화물(Hs)을 상기 반응탱크(100) 측으로 이송시키는 회전날개(530)로 이루어진 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마개부(120)는 고체연료공급부(110)의 상측에 힌지축(121)으로 회동되게 설치된 밀폐부재(122)가 비틀림스프링(123)에 의해 상기 고체연료공급부(110)를 폐쇄하는 방향으로 탄성력이 작용하도록 설치된 것을 특징으로 하는 고체연료에 증기분해제를 이용한 수소발생 및 공급장치.
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