KR20110037329A - 태양열 화학반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내부공간을 형성하되, 반응 전의 유체가 유입되는 입구와. 반응 후의 유체가 유출되는 출구가 형성된 몸체; 태양광이 입사될 수 있도록 몸체의 전면에 투명하게 배치된 윈도우; 몸체의 내부공간 상에서 윈도우의 후방에 설치되고, 촉매층을 포함하여 태양열을 흡수하는 집열체; 및 이러한 집열체를 회전시키는 회전수단을 구비하는 태양열 화학반응기를 제공한다.

본 발명에 의한 태양열 화학반응기에 의하면, 집열체의 촉매층 표면을 회전시켜 유입되는 태양에너지의 양이 균일하게 분포되도록 함으로써, 태양에너지의 초점면인 촉매층 표면의 온도분포가 불균일하여 발생하던 국부적인 과열과, 이로 인한 촉매층 표면의 손상 및 파손을 방지할 수 있다.

태양열, 반응기, 초점, 촉매, 회전

Description

태양열 화학반응기{Chemical reactor using solar energy}

본 발명은 태양열 화학반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열을 이용하여 화학반응을 수행함으로써, 종국적으로 수소를 생산하기 위한 태양열 화학반응기에 관한 것이다.

근래 새로운 신재생 에너지로로 부각되고 있는 수소는 석유, 석탄 등과 같은 일차 에너지가 아니라, 일차 에너지를 변환시켜 얻을 수 있는 이차 에너지이다. 이러한 수소는 물, 화석연료, 바이오매스 등 천연자원으로부터 얻을 수 있는 청정에너지이며, 탄소성분이 없으므로 발전용으로 사용된 후 생성물로 인한 환경오염을 시키지 않는 장점을 지니고 있다.

위와 같은 수소는 우리 주위에서 가장 흔한 자원이지만 독립적인 에너지원으로 얻기가 힘들며, 독립적으로 생산할 수 있다면 발전용으로 에너지를 공급할 수 있는 효과적인 연료가 될 수 있다.

예를 들면 연료전지 등과 같이, 수소를 이용한 발전기술이 점차 현실화됨에 따라 수소를 대량으로 제조할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는바, 이의 제조방법에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

대표적인 제조방법으로 수증기 개질법(Steam Reforming), 부분산화법(partial oxidation), 플라즈마 개질법(Plasma Reforming), 금속산화물을 이용한 물분해 방법 등이 있다.

상기 수증기 개질법은 도시 가스, 엘피지(LPG), 천연가스 등의 원료가스와 수증기를 반응기 내로 주입하여 개질하는 것으로 반응기의 크기가 크고 반응속도가 상대적으로 느리지만 가스 처리량과 높은 생산수율 등의 장점으로 인해 현재 가장 많이 사용되고 있다.

상기 금속산화물을 이용한 물분해 방법은, 2단계의 열화학반응에 의해 수소를 생산하는 것으로서, 태양열 등을 이용하여 페라이트(Fe3O4)와 같은 금속산화물에 고온의 열(대략 1500℃ 이상)을 가하면 산소를 잃게 되는 열적환원단계(Thermal Reduction of metal oxide;T-R Step)와, 환원된 불안정한 상태의 금속산화물이 수증기로부터 산소를 공급받아 산화되고, 산소를 잃은 수증기는 수소로 배출되는 물의 분해단계(Water Decomposition;W-D Step)로 구성된다.

도 1a에는 수소를 생산하기 위한 종래 태양열 화학반응기의 일례를 간략하게 나타낸 구성도가 도시되어 있고, 도 1b에는 도 1a에 나타낸 화학반응기의 초점면인 촉매층 표면에서의 온도분포를 나타낸 참고도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 종래 태양열 화학반응기는, 몸체(10)와, 이러한 몸체(10)의 전면에 배치된 투명한 윈도우(20)와, 태양에너지의 초점면에 촉매층(31)이 형성되어 태양열을 흡수하는 집열체(30)를 포함한다.

그런데, 화학반응기에 태양에너지를 집광하여 전달하는 태양열 집열장치(미 도시)의 경우 집광을 위한 반사판 등이 외부 환경에 노출되어 손상되거나 파손되면, 그 집열면이 불균일하게 되며, 이로 인해 화학반응기에 집광된 초점면도 불균일해질 수 있다. 즉, 도 1b에 도시된 바와 같이 촉매층(31) 표면에 형성된 초점면이 불균일한 경우에는 촉매층(31) 표면의 온도분포가 불균일하게 되며, 이 때문에 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 촉매층(31)의 표면이 국부적으로 파손 및 손상되는 문제점이 발생하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 태양에너지의 초점면인 촉매층의 표면에서의 온도분포가 균일하도록 구현된 태양열 화학반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 내부공간을 형성하되, 반응 전의 유체가 유입되는 입구와. 반응 후의 유체가 유출되는 출구가 형성된 몸체; 태양광이 입사될 수 있도록 상기 몸체의 전면에 투명하게 배치된 윈도우; 상기 몸체의 내부공간 상에서 상기 윈도우의 후방에 설치되고, 촉매층을 포함하여 태양열을 흡수하는 집열체; 및 상기 집열체를 회전시키는 회전수단을 구비하는 태양열 화학반응기를 제공한다.

여기서 상기 회전수단은, 상기 집열체에 연결된 회전축과, 상기 회전축을 구동시키는 구동원을 포함할 수 있다.

또한 반응 전 상기 몸체의 입구로 유입되는 유체는 연료가스와 수증기이고, 반응 후 상기 몸체의 출구로 유출되는 유체는 수소와 합성가스일 수 있다. 이 때 상기 연료가스는 도시가스, 엘피지(LPG), 천연가스 중 선택된 하나일 수 있다.

대안으로서, 상기 집열체는 금속산화물을 포함하고, 반응 전 상기 몸체의 입구로 유입되는 유체는 수증기이며, 반응 후 상기 몸체의 출구로 유출되는 유체는 수소일 수 있다.

본 발명에 의한 태양열 화학반응기에 의하면, 집열체의 촉매층 표면을 회전시켜 유입되는 태양에너지의 양이 균일하게 분포되도록 함으로써, 태양에너지의 집열 효율을 향상기킬 수 있다.

또한 태양에너지의 초점면인 촉매층 표면의 온도분포가 불균일하여 발생하던 국부적인 과열과, 이로 인한 촉매층 표면의 손상 및 파손을 방지할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기를 나타내는 구성도이고, 도 3은 도 2에 나타낸 집열체와 회전수단을 도시한 구성도이며, 도 4는 도 2에 나 타낸 태양열 화학반응기의 초점면인 촉매층 표면에서의 온도분포를 나타낸 참고도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기는, 몸체(110)와, 투명한 윈도우(120)와, 태양열을 흡수하는 집열체(130)를 구비한다.

상기 몸체(110)는 내부공간(111)을 형성하고 있다. 그리고 반응 전의 유체가 유입되는 입구(112)와. 반응 후의 유체가 유출되는 출구(113)가 형성되어 있다. 이러한 입구(112)와 출구(113)를 통해 유입 및 유출되는 유체는, 화학반응기의 용도에 대응하여 달라지며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.

상기 윈도우(120)는 태양광이 입사될 수 있도록 투명하며, 상기 몸체(110)의 전면에 배치되어, 상기 몸체(110)의 내부공간(111)이 밀폐되도록 한다.

상기 집열체(130)는, 몸체(110)의 내부공간(111)에 배치되며, 상기 윈도우(110)의 후방에 설치된다. 그리고 이러한 집열체(130)는 다공성 매개체(Porus foam media)로 만들어지며, 태양광의 초점면에 촉매층(131)을 포함하여 태양열을 흡수하도록 하고 있다. 여기서도 촉매층(131)을 형성하는 재질은 화학반응기의 용도에 대응하여 달라지며, 이에 대해서도 후술하도록 한다.

위와 같은 본 발명의 실시예에서, 촉매층(131) 표면에 형성된 초점면이 불균일하기 때문에 발생하는 촉매층(131) 표면의 온도분포 불균일을 해소하기 위하여, 본 발명의 태양열 화학반응기는 상기 집열체(130)를 회전시키는 회전수단(140)을 구비한다.

상기 회전수단(140)은, 상기 집열체(130)에 연결된 회전축(141)과, 이러한 회전축을 구동시키는 구동원(142)을 포함할 수 있다. 상기 구동원은 모터(Motor)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 회전축(141)을 매개로 상기 집열체(130)를 안정적으로 회동시키기 위한 회전력을 전달하는 동력원이면 모두 가능하다고 볼 것이다.

전술한 바와 같이, 상기 집열체(130)를 회전시키면, 촉매층(131)의 표면에 유입되는 태양에너지는 균일하게 분포되어 촉매층(131) 표면의 온도분포 불균일을 해소할 수 있으며, 이에 따라 국부적인 과열과 촉매층(131) 표면의 손상을 방지할 수 있다.

이하 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기의 작용을, 화학반응기의 용도에 대응하여 각각 설명하도록 한다. 여기서 도 5는 도 2에 나타낸 태양열 화학반응기의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기를, 다음의 반응식으로 표현되는 연료가스의 수증기 개질반응에 적용하여 수소를 생산하는 경우에 대해서 설명하도록 한다. 다만, 여기서는 연료가스로서 천연가스의 일종인 메탄(CH4)을 예시하여 표현하였으나, 상기 연료가스는, 도시가스, 엘피지(LPG), 천연가스 중 선택된 어느 하나일 수 있다.

CH4 + H2O = 3H2 + Syn Gas(합성가스 ; Co)

도 2 내지 도 5를 참조하면, 반응 전 상기 몸체(110)의 입구(112)로 유입되는 유체1은 연료가스, 즉 천연가스인 메탄이고, 유체2는 고온의 수증기이다. 이 때 집열체(130)의 촉매층(131)의 재질로는 니켈페라이트(NiFe2O4)를 사용할 수 있다. 이러한 개질반응 후, 상기 몸체(110)의 출구(112)로 유출되는 유체는 수소(H2)와, 일산화타소(Co)와 같은 합성가스(Syn Gas)이다.

다음으로 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기를, 금속산화물과 태양열을 이용한 2단계의 열화학반응에 의해 수소를 생산하는 경우에 대해서 설명하도록 한다. 다만, 여기서 집열체(130)의 촉매층(131)을 형성하는 금속산화물로서, 페라이트(Fe3O4)를 예시하여 표현하였으나, 이에 한정되지 않고, MnO계열, MgO계열, NiO계열, CoO계열 중에서 선택된 어느 하나일 수도 있다. 반응식으로 표현하면 다음과 같다.

열적산화단계(T-R Step)

Fe3O4 = 3FeO + 1/2O2(high-Temperature Thermal Reduction of metal Oxide ; T-R Step)

이러한 열적산화단계에서는, 태양열 등을 이용하여 페라이트(Fe3O4)에 고온의 열(대략 1500℃ 이상)을 가하면 페라이트는 환원, 즉 산소를 잃게 된다. 이 과정이 첫 번째 단계로써 열적환원단계(Thermal Reduction of metal oxide;T-R Step)이다.

물분해단계(W-D Step)

3FeO + H2O(수증기) = Fe3O4 + H2(Low-Temperature Water Decomposition with Reduced metal Oxide ; W-D Step)

위와 같은 물분해단계에서, 환원된 페라이트는 불안정한 상태로서 주위에 있는 산소를 끌어드려 원래의 안정적인 상태(Fe3O4)로 돌아가려는 성질이 있다. 이때 수증기를 공급하게 되면 수증기의 산소를 받아들여 Fe3O4로 산화되고 산소를 잃은 수증기는 수소로 배출하게 된다. 이러한 과정이 두 번째 단계로써 물의 분해단계(Water Decomposition;W-D Step)이다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 부연 설명하면, 상기 집열체(130), 즉 촉매층(131)은 페라이트((Fe3O4)와 같은 금속산화물을 포함한다. 그리고 반응 전에 상기 몸체(110)의 입구(112)로 유입되는 유체1은 수증기이며, 반응 후에 상기 몸체(110)의 출구(112)로 유출되는 유체는 수소이다.

한편, 상기 몸체(110)의 입구(112)로 유입되는 유체2는 비활성기체인 질소(N2)이며, 반응전 수증기를 상기 촉매층(131)에 원활하게 공급하기 위한 압력 제공의 역할을 수행하고, 반응후에 수소를 반응기 외부로 배출하기 위한 배출압을 제공하기 위하여 공급된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1a는 종래 태양열 화학반응기의 일례를 간략하게 나타낸 구성도,

도 1b는 도 1a에 나타낸 태양열 화학반응기의 초점면인 촉매층 표면에서의 온도분포를 나타낸 참고도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 화학반응기를 나타내는 구성도,

도 3은 도 2에 나타낸 집열체와 회전수단을 도시한 구성도,

도 4는 도 2에 나타낸 태양열 화학반응기의 초점면인 촉매층 표면에서의 온도분포를 나타낸 참고도,

도 5는 도 2에 나타낸 태양열 화학반응기의 작용을 설명하기 위한 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

110 : 몸체 111 : 내부공간

112 : 입구 113 : 출구

120 : 윈도우 130 : 집열체

131 : 촉매층 140 : 회전수단

141 : 회전축 142 : 구동원

Claims (5)

1. 내부공간(111)을 형성하되, 반응 전의 유체가 유입되는 입구(112)와. 반응 후의 유체가 유출되는 출구(113)가 형성된 몸체(110);

   태양광이 입사될 수 있도록 상기 몸체(110)의 전면에 투명하게 배치된 윈도우(120);

   상기 몸체(110)의 내부공간(111) 상에서 상기 윈도우(110)의 후방에 설치되고, 촉매층(131)을 포함하여 태양열을 흡수하는 집열체(130); 및

   상기 집열체(130)를 회전시키는 회전수단(140)을 구비하는 태양열 화학반응기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 회전수단(140)은,

   상기 집열체에 연결된 회전축(141)과,

   상기 회전축을 구동시키는 구동원(142)을 포함하는 태양열 화학반응기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   반응 전 상기 몸체(110)의 입구(112)로 유입되는 유체는 연료가스와 수증기이고,

   반응 후 상기 몸체(110)의 출구(112)로 유출되는 유체는 수소와 합성가스인 태양열 화학반응기.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 연료가스는 도시가스, 엘피지(LPG), 천연가스 중 선택된 하나인 태양열 화학반응기.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 집열체(130)는 금속산화물을 포함하고,

   반응 전 상기 몸체(110)의 입구(112)로 유입되는 유체는 수증기이며,

   반응 후 상기 몸체(110)의 출구(112)로 유출되는 유체는 수소인 태양열 화학반응기.

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