KR102690040B1 - 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 유도코일부에서 발생되는 자기장과 금속패널부와의 반응을 통해 생성되는 열원을 통해 메탄을 열분해하여 그린수소의 생산성 및 경제성을 향상시키고, 반응장치의 전체 부피를 축소하여 공간 활용성을 높이는 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명이다.

Description

그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치{METHANE PYROLYSIS REACTOR CAPABLE OF GENERATING GREEN HYDROGEN}

본 발명은 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 유도코일부에서 발생되는 자기장과 금속패널부와의 반응을 통해 생성되는 열원을 통해 메탄을 열분해하여 그린수소의 생산성 및 경제성을 향상시키고, 반응장치의 전체 부피를 축소하여 공간 활용성을 높이는 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명이다.

수소는 수증기 메탄 개질(SMR), 메탄 열분해(TDM), 물 전기 분해(WE) 방법으로 생산된다. 이 중 메탄 열분해 기술은 메탄을 900도씨 이상의 반응로에 넣어서 탄소와 수소로 분해하는 기술이다.

수증기 메탄 개질 기술은 메탄 1몰과 수증기로 수소 4몰을 생산할 수 있는 반면에, 메탄 열분해 기술은 메탄 1몰로 수소 2몰을 생산할 수 있어서, 이전까지는 수증기 메탄 개질 기술이 다수 활용되었다.

그러나, 수증기 메탄 개질 기술은 수소 생산과정에서 이산화탄소가 필연적으로 생성되므로 환경 오염을 야기할 수 있는 문제가 있다.

이에 반해, 메탄 열분해 기술은 이산화탄소의 배출이 없는 장점이 있으며, 생성된 수소는 후처리를 통해서 고순도의 수소로 저장하는 등 다양하게 활용될 수 있다. 또 다른 생성물인 탄소는 고체 탄소로 회수하여 탄소를 원료로 하는 산업에 공급할 수 있어서 친환경성이 강조되고 있는 요즘 대두되고 있는 기술이다. 또한, 최근 메탄 열분해 기술의 수소 획득 효율이 개선되어 더욱이 대두되고 있다.

탄소의 생산은 메탄 열분해 기술의 경제성을 확보할 수 있게 하고, 블루수소, 그린수소 생산에서 경쟁력을 갖게 한다. 이 밖에도 반응에 사용되는 폐열을 회수하여 온실이나 가정 등에 난방용으로 활용할 수 있다.

메탄 열분해 기술의 핵심은 히팅으로, 반응기에 유입된 메탄에 히팅을 하기 위한 열원의 효율이 경제성 측면과 직결되어 있다. 이에, 최근에는 반응기 주변에 별도의 전기 히터를 설치하여 메탄 열분해를 행하는 기술들이 개발되었다(대한민국 등록특허공보 제10-2460460호).

그러나, 전기 히터를 통해 메탄에 히팅을 가하게 되면 열효율이 떨어지는 문제점이 있었고, 전기 히터의 가동을 위한 전류 공급량이 과다하여 경제성 및 생산성이 떨어지는 문제점이 있었다. 무엇보다 전기 히터는 큰 부피를 차지하므로 메탄 열분해 장치 전체가 비대해지는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-2460460호

본 발명은 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명으로, 보다 상세하게는 유도코일부에서 발생되는 자기장과 금속패널부와의 반응을 통해 생성되는 열원을 통해 메탄을 열분해하여 그린수소의 생산성 및 경제성을 향상시키고, 반응장치의 전체 부피를 축소하여 공간 활용성을 높이는 메탄 열분해 반응장치에 관한 발명이다.

본 발명에 따른 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치에 따르면, 케이스부; 상기 케이스부 내에 위치되되, 메탄이 유입되는 반응부; 상기 반응부의 외면에 결합되는 금속패널부; 상기 금속패널부의 외면에 결합되는 유도코일부; 및 상기 반응부 내부에 수용되는 금속촉매부;를 포함하고, 상기 유도코일부에 전류가 가해져 발생되는 자기장이 상기 금속패널부와 반응하여 발열되고, 상기 메탄이 열분해되어 수소가 발생된다.

또한, 본 발명에 따른 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치는 외부로부터 메탄을 상기 반응부에 공급하는 공급부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치는 발생된 수소를 상기 반응부로부터 외부로 배출하는 배출부;를 더 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치의 상기 금속촉매부는 상기 유도코일부와 상기 금속패널부와의 반응으로 인한 발열로 인해 용융된다.

또한, 본 발명에 따른 그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치는 상기 유도코일부에 전류를 전달하는 전류공급부;를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, 유도코일부에 의한 자기장과 금속패널부의 반응으로 열원을 형성하게 되므로, 종래의 전기 히터보다 필요한 전류의 양이 적어 경제성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 전기 히터보다 열손실이 적어 수소 생산성이 향상되는 효과가 있으며, 전기 히터보다 차지하는 공간이 적어 공간 활용성이 증대되는 장점이 있다.

또한, 용융된 금속촉매부를 활용하므로 촉매의 열화가 없어 스케일업하기에 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유도코일을 활용한 메탄 열분해 반응장치의 구성을 도시한 것이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 통상의 기술자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐 만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 메탄 열분해 반응장치 구성을 도시한 것이다. 이하, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 메탄 열분해 반응장치의 구성 및 효과를 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 메탄 열분해 반응장치는 케이스부(100), 반응부(200), 금속패널부(300), 유도코일부(400), 공급부(500), 배출부(600) 및 전류공급부(700)를 포함한다.

케이스부(100)는 하우징 형태로, 케이스부(100)의 내부에 반응부(200), 금속패널부(300), 유도코일부(400), 공급부(500)의 일부 및 배출부(600)의 일부를 포함한다.

반응부(200)는 케이스부(100) 내부에 위치되며, 반응부(200)의 내부에 공급부(500)의 일부 및 배출부(600)의 일부가 위치된다. 공급부(500)는 메탄 열분해 반응장치 외부에서 메탄(1)을 반응부(200)에 유입시키고, 열분해 이후 생성된 수소(2)는 배출부(600)를 통해 메탄 열분해 반응장치 외부로 배출된다.

반응부(200)의 내부에는 금속촉매부(210)가 수용되어 있다. 금속촉매부(210)는 후술하겠지만, 발열에 의해 용융되어 액체 금속 형태로 반응부(200) 내부에 존재하게 된다. 따라서, 액체 형태의 금속 촉매를 활용하여 균일성이 향상되며 촉매의 열화가 없으며 스케일업하기 매우 유리한 효과가 있다.

이때, 금속촉매부(210)의 녹는점은 후술할 금속패널부(300)보다 낮은 것이 바람직하며, 후술할 발열로 인해 금속촉매부(210)만 용융되고, 금속패널부(300)는 용융되지 않는 것이 바람직하다.

금속패널부(300)는 반응부(200)의 외면에 결합된다. 바람직하게는, 반응부(200)의 양측에 결합되도록 한 쌍으로 결합되는 것이 바람직하며, 다른 예로 반응부(200)를 둘러싸는 형태로도 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 금속패널부(300)의 금속 재질은 금속촉매부(210)보다 녹는점이 높은 것이 바람직하다.

유도코일부(400)는 금속패널부(300)의 외면에 결합된다. 유도코일부(400)는 코일을 포함한다. 코일에 전류가 공급되면, 코일 주위에 자기장이 형성된다. 이때, 유도코일부(400)는 전류공급부(700)와 연동되는 것이 바람직하며, 전류공급부(700)에 의해 전류가 공급된다.

금속패널부(300)와 마찬가지로, 유도코일부(400) 또한 금속패널부(300)의 양측에 결합되도록 한 쌍으로 결합되는 것이 바람직하며, 다른 예로 금속패널부(300)를 둘러싸는 형태로도 형성될 수 있다.

유도코일부(400)에 전류가 공급되면, 자기장이 형성되어 유도코일부(400)와 인접한 금속패널부(300)와 반응하여 열이 발생된다. 소위 '인덕션'의 원리와 유사하다.

따라서, 유도코일부(400)와 금속패널부(300)와의 반응으로 생성된 열은 반응부(200) 내부에 전달되고, 금속촉매부(210)가 용융되며, 반응부(200) 내부로 유입된 메탄(1)과 반응한다. 용융된 금속촉매부(210)를 매개체로 메탄(1)은 열분해하게 되며, 수소(2) 및 탄소(3)가 형성된다. 메탄의 열분해는 공지된 기술인 바, 상세한 설명은 생략하도록 한다.

생성된 탄소(3)는 반응장치 외부로 배출되며, 배출되어 포집된 탄소(3)는 다시 다른 분야에 재활용 될수 있다. 이때, 탄소(3)가 배출되기 위한 탄소배출관(800)이 반응부(200)와 연통되어 형성될 수 있으며, 탄소(3)의 원활한 배출을 위해 바람직하게는 반응부(200)의 하부에서 연장 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 유도코일부(400)에 의한 자기장과 금속패널부(300)의 반응으로 열원을 형성하게 되므로, 종래의 전기 히터보다 필요한 전류의 양이 적어 경제성이 향상되는 효과가 있다. 또한, 전기 히터보다 열손실이 적어 수소 생산성이 향상되는 효과가 있으며, 전기 히터보다 차지하는 공간이 적어 공간 활용성이 증대되는 장점이 있다.

또한, 용융된 금속촉매부(210)를 활용하므로 촉매의 열화가 없어 스케일업하기에 용이한 효과가 있다.

이때, 본 발명의 다른 실시 예에서는 반응부(200) 내부에 세라믹 비드(미도시)가 포함되는 것이 바람직하다. 세라믹 비드는 일 예로 지르코니아(ZrO2)일 수 있다.

메탄을 열분해하는 과정에서, 일정 온도 이상의 고온의 열이 필요하게 된다. 그러나, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 세라믹 비드로 인해 반응온도를 낮춰 경제성 및 생산성을 향상시킬 수 있으며, 세라믹 비드가 담체 역할을 하여 용융된 금속촉매부(210)의 표면적을 넓힐 수 있게 되어 촉매를 안정화시키게 되는 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 케이스부는 열 손실을 최소화하기 위해 단열 효과를 구현할 수 있으며, 케이스부(100)의 외면에는 단열 코팅층이 형성된 것이 바람직하다. 이로 인해, 종래의 단열재 사용보다 단열 효과를 극대화되는 장점이 있다.

바람직하게는, 케이스부(100)의 표면은 수계 용매, 고분자 수지, 에어로겔, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 단열 코팅 조성물로 코팅된 것이다:

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서,

m 및 n은 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 1 내지 20의 정수이다.

구체적으로, 상기 수계 용매는 메틸알코올, 에틸알코올, 프로필알코올, n-부틸알코올, iso-부틸알코올, tert-부틸알코올, 물, 에틸아세테이트 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.

한편, 상기 고분자 수지는 최종적으로 제조되는 단열 코팅층에서 요구되는 물성 등을 고려하여 선택될 수 있으며, 상기 고분자 수지의 구체적인 예로는 폴리이미드, 폴리이미드아미드, 실리콘 수지, 폴리아미드, 폴리테트라 플루오로알킬렌, 폴리에틸렌니트릴, 폴리에테르설폰, 폴리 (메타)아크릴레이트 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 상기 고분자 수지는 3,000 내지 300,000의 중량평균분자량을 갖는 것이다. 보다 구체적으로, 상기 고분자 수지는 상기 수계 용매에 분산된 것일 수 있다.

한편, 상기 에어로겔은 이전에 알려진 통상적인 에어로겔을 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로, 규소 산화물, 탄소, 폴리이미드, 금속 카바이드 및 이들의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 화합물을 포함할 수 있으며, 상기 에어로겔은 100㎤/g 내지 1,000 ㎤/g의 비표면적을 갖을 수 있다.

구체적으로, 단열 코팅 조성물의 구성으로, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 경우, 상기 단열 코팅 조성물 내에서 상기 고분자 수지와 에어로겔의 상용성 및 분산성이 향상되어 최종적으로 형성되는 단열 코팅층이 균일한 물성을 나타낼 수 있다. 더 나아가, 상기 고분자 수지에 상기 에어로겔이 균일하게 분산됨에 따라 단열 코팅 조성물로부터 형성되는 단열 코팅층이 보다 낮은 열전도도 및 높은 열용량을 구현하여 결과적으로 높은 단열성능을 나타낼 수 있다.

더 나아가, 상기 화학식 1 및 화학식 2로 표시되는 화합물에 포함되는 특정 작용기에 의하여, 본 발명 단열 코팅 조성물로부터 형성되는 단열 코팅층이 우수한 기계적 강도 및 내열성 등을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 케이스부(100)에 대한 높은 접착력을 나타낼 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 단열 코팅 조성물은 수계 용매 100 중량부에 대하여, 고분자 수지 40 내지 60 중량부, 에어로겔 40 내지 60 중량부, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 10 내지 30 중량부 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물 10 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.

상기 중량 범위에 의하는 경우, 각 유효성분의 혼합에 따른 상승 효과로 상기 단열 코팅 조성물로 형성된 코팅층의 단열성 및 접착력이 극대화될 수 있다.

한편, 상기 중량 범위 미만이거나, 상기 중량 범위를 초과하는 경우, 목적하는 상기 효과가 미미할 수 있다.

제조예

단열 코팅 조성물의 제조

에틸 알코올에 분산된 다공성 실리카 에어로겔(비표면적 약 500㎤/g), 수계 용매 메틸에틸케톤(MEK)에 분산된 실리콘 고분자 수지, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 반응기에 주입하고, 교반(mechanical stirrer) 장치를 사용하여 약 60℃의 온도 및 상압 조건에서 300 내지 500rpm의 속도로 혼합하여, 단열 코팅 조성물을 제조하였다:

[화학식 1]

[화학식 2]

여기서,

m은 6이며, n은 12이다.

상기 단열 코팅 조성물에 포함되는 각 유효성분의 중량 범위는 하기 표 1과 같다.

	T1	T2	T3	T4	T5
수계 용매	100	100	100	100	100
실리콘 수지	35	40	50	60	65
다공성 실리카 에어로겔	35	40	50	60	65
화학식 1로 표시되는 화합물	5	10	20	30	35
화학식 2로 표시되는 화합물	5	10	20	30	35

(단위 중량부)

단열 코팅층의 제조

상기 제조된 단열 코팅 조성물 T1을 스프레이 코팅 방식으로 스테인리스강 시편에 도포하고, 150℃에서 10분 간 1차 반건조를 진행한 후, 상기 단열 코팅 조성물(T1)을 재도포하고 150℃에서 10분 간 2차 반건조를 진행하였다. 상기 2차 건조 이후, 상기 단열 코팅 조성물(T1)을 재차 도포하고, 250℃에서 60분 간 완전 건조를 진행하여 단열 코팅층(실시예 1)을 형성하였다.

상기 T2 내지 T5를 상기와 동일한 방식으로 코팅하여, 각각 실시예 2 내지 5의 단열 코팅층을 형성하였다.

실험예

1) 열전도도 측정

상기 단열 코팅층이 형성된 스테인리스강 시편에 대하여, ASTM E1461에 의거하여 상온 및 상압 조건에서 레이저플레시법을 이용하고, 열확산 측정 방법으로 열전도도를 측정하였다.

2) 열용량 측정

상기 단열 코팅층이 형성된 스테인리스강 시편에 대하여, ASTM E1269에 의거하여 상온 조건에서 DSC 장치를 이용하여 사파이어를 레퍼런스로 하여 비열을 측정함으로써 열용량을 확인하였다.

3) 박리 강도 측정

ISO 20502 기준에 의거하여 CSM 사의 밀착력 측정 장치를 이용하고, 미세한 침을 이용하여 10mm길이의 박막을 하중을 주며 긁는 방법으로 상기 스테인리스강 시편과 코팅층 간의 접착력을 평가하였다.

상기 실험 결과는 하기 표 2와 같다.

	코팅층의 열전도도 (W/m)	코팅층의 열용량 (KJ/m3 K)	시편과 코팅층 간의 박리강도(N)
실시예 1	0.578	1001	8.7
실시예 2	0.333	1385	12.0
실시예 3	0.301	1401	18.7
실시예 4	0.374	1345	14.7
실시예 5	0.498	1044	9.7

상기 표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 5의 경우, 비교적 높은 열용량, 낮은 열전도도를 나타내어 단열 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 우수한 박리 강도를 나타내어 접착력이 우수한 것을 확인할 수 있다.

보다 구체적으로, 실시예 2 내지 4의 경우 그 효과가 극대화됨을 확인할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 케이스부,
200 : 반응부,
300 : 금속 패널부,
400 : 유도 코일부,
500 : 공급부,
600 : 배출부,
700 : 전류공급부.
400 : 고체 흡장물질.

Claims (5)

1. 케이스부;
   상기 케이스부 내에 위치되되, 메탄이 유입되는 반응부;
   상기 반응부의 외면에 결합되는 금속패널부;
   상기 금속패널부의 외면에 결합되는 유도코일부; 및
   상기 반응부 내부에 수용되는 금속촉매부;를 포함하고,
   상기 유도코일부에 전류가 가해져 발생되는 자기장이 상기 금속패널부와 반응하여 발열되고, 상기 메탄이 열분해되어 수소가 발생되고,
   외부로부터 메탄을 상기 반응부에 공급하는 공급부;를 더 포함하고,
   발생된 수소를 상기 반응부로부터 외부로 배출하는 배출부;를 더 포함하고,
   상기 금속촉매부는 상기 유도코일부와 상기 금속패널부와의 반응으로 인한 발열로 인해 용융되고,
   상기 유도코일부에 전류를 전달하는 전류공급부;를 더 포함하고,
   상기 반응부의 내부에는 지르코니아인 세라믹 비드가 포함되어 반응온도를 낮추고 상기 금속촉매부의 표면적을 넓히고,
   상기 반응부의 하부에는 열분해 과정에서 생성된 탄소를 상기 반응부의 외부로 배출하여 포집할 수 있도록 하는 상기 반응부와 연통된 탄소배출관;을 더 포함하고,
   상기 케이스부의 표면에는 단열 코팅층이 형성되고, 상기 코팅층은 단열 코팅 조성물로 형성되고,
   상기 코팅 조성물은 용매, 고분자 수지, 에어로겔, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는
   그린수소 생성이 가능한 메탄 열분해 반응장치:
   [화학식 1]
   
   
   [화학식 2]
   
   여기서, m 및 n은 서로 동일하거나 상이하며, 각각 독립적으로 1 내지 20의정수이다.
   
   
   
   
   
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