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KR101795686B1 - Apparatus for production of hydrogen using microwave steam torch - Google Patents

Apparatus for production of hydrogen using microwave steam torch Download PDF

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KR101795686B1
KR101795686B1 KR1020150073526A KR20150073526A KR101795686B1 KR 101795686 B1 KR101795686 B1 KR 101795686B1 KR 1020150073526 A KR1020150073526 A KR 1020150073526A KR 20150073526 A KR20150073526 A KR 20150073526A KR 101795686 B1 KR101795686 B1 KR 101795686B1
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Abstract

전자파 수증기 플라즈마 토치를 이용한 수소 발생 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치는, 수증기 토치 발생에 필요한 전력을 공급하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부에서 전력을 받아 수증기 토치를 발생하는 수증기 토치장치; 탄화수소 화합물 개질에 필요한 고온 열을 공급하는 수증기토치; 개질 할 탄화수소 화합물을 공급하는 탄화수소 공급부; 공급된 탄화수소를 열로 개질 하여 수소를 생산하는 개질 반응기; 고온의 개질 가스를 냉각하며 동시에 물을 수증기로 기화하는 냉각부; 개질 가스를 순수 수소로 정제하는 정제 장치; 및 정제된 수소를 연료전지와 같은 수소 응용장치에 제공하는 수소배출구를 포함한다. Disclosed is a hydrogen generating apparatus using an electromagnetic wave steam plasma torch. According to an embodiment of the present invention, there is provided a hydrogen generator including: an electromagnetic wave supply unit for supplying electric power necessary for generating a steam torch; A steam torch device for receiving electric power from the electromagnetic wave supply part and generating a steam torch; A steam torch for supplying high temperature heat required for reforming the hydrocarbon compound; A hydrocarbon supply part for supplying a hydrocarbon compound to be reformed; A reforming reactor for reforming the supplied hydrocarbon into heat to produce hydrogen; A cooling unit for cooling the reformed gas at a high temperature and simultaneously vaporizing water by steam; A purifier for purifying the reformed gas with pure hydrogen; And a hydrogen outlet to provide purified hydrogen to a hydrogen application device such as a fuel cell.

Description

전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치 {Apparatus for production of hydrogen using microwave steam torch}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a hydrogen generator using an electromagnetic wave steam torch,

본 발명은 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생 기술과 관련된다.The present invention relates to a hydrogen generation technique using an electromagnetic wave steam torch.

현재 여러 가지 방법으로 수소를 생산하는 연구가 진행되고 있으나 실질적인 수소의 대량 생산은 화석연료의 수증기 개질에 의하고 있다. 오늘도 우리 실험실에 필요한 수소를 가스회사에 주문하면 수소 실린더에 넣어 전달되는 수소는 어느 수소 생산 공장에서 화석연료의 개질로 만들어진 것이다. 그러나 대부분의 화석연료의 고온 수증기 개질은 25기압이상에서 가동되는 공장에서 만들어 지고 있다. 만일 1기압에서 수증기로 화석연료를 개질 할 수 있다면 개질 장치를 가볍고 간편하게 함으로서 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 이 장치를 다양한 분야에 활용할 수 있는 가능성이 있는 것이다.Currently, research is underway to produce hydrogen in various ways, but the actual mass production of hydrogen is based on the steam reforming of fossil fuels. Today, when hydrogen is supplied to our laboratory by our laboratory, the hydrogen that is transferred into the hydrogen cylinder is made from the reforming of the fossil fuel at any hydrogen production plant. However, most of the fossil fuels' high temperature steam reforming is being done in factories operating above 25 atm. If the fossil fuel can be reformed with steam at 1 atm, it is possible to reduce the cost by making the reforming device light and simple, and it is also possible to utilize this device in various fields.

예를 들어 연료전지는 미래 자동차의 원동력이 될 것으로 알려져 있으며 이를 위하여 수소를 효율적으로 대량 생산하여야 한다. 특히 수소는 생산, 관리, 저장 등에 많은 어려움이 있다. 그래서 현재와 가까운 미래에는 화석연료의 수증기 개질에 의하여 수소를 대량생산할 것으로 예상한다. 현재 사용되는 고압 개질은 공장규모의 큰 장치에서만 가능하다. 차에 장착할 수는 없다는 것이다. 고온 수증기 토치는 고압 개질 장치 없이도 화석연료로부터 수소를 생산하게 될 수도 있어 연료전지와 수소 차에도 이용될 수도 있다. 사실 안정적으로 작동되는 순수 수증기 토치를 제공하기 위하여 2008년 10월23일에 등록한 대한민국 특허 제10-0864695은 본 발명자 엄환섭과 김종헌, 홍용철에 의하여 제안된 것으로 전자파 플라즈마를 이용한 순수 수증기 토치를 발생하는 장치이다. Fuel cells, for example, are known to be the driving force of future automobiles. For this purpose, hydrogen must be mass produced efficiently. In particular, hydrogen has many difficulties in production, management and storage. So we expect to produce hydrogen in large quantities by steam reforming of fossil fuels in the near future. Currently used high pressure reforming is only possible on large plant scale equipment. It can not be mounted on a car. High-temperature steam torches can produce hydrogen from fossil fuels without the need for high-pressure reforming, and can also be used in fuel cells and hydrogen cars. In fact, Korean Patent No. 10-0864695, which was registered on Oct. 23, 2008 to provide a stable water vapor torch to be operated stably, has been proposed by the inventors Eun-Hwan Seop, Kim Jong Heon and Hong Yong Chul, and a device for generating a pure water vapor torch using electromagnetic wave plasma to be.

이러한 맥락에서 안정적이고 장시간 운전 가능한 대기압 수증기 개질 장치를 확보할 필요성을 통감하면서 1기압에서 간편하게 수증기 개질을 할 수 있는 장치로 순수 수증기 토치를 이용하여 탄화수소를 개질 하여 수소를 생산하고자 한다.
In this context, it is intended to produce hydrogen by reforming hydrocarbons using a pure water vapor torch as a device capable of easily modifying steam at 1 atmospheres, recognizing the need to secure stable and long-time atmospheric steam reforming apparatus.

본 발명은 상기와 같이 대기압 수증기 개질 장치를 확보하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자파 수증기 토치를 이용하여 탄화수소 화합물을 효과적으로 개질 하여 수소를 생산하기 위한 수단을 제공하는데 있다.
An object of the present invention is to provide an apparatus for producing hydrogen by effectively modifying a hydrocarbon compound using an electromagnetic wave steam torch.

상기 목적과 수단을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소발생 장치는, 수증기 토치 발생에 필요한 전력을 공급하는 전자파 공급부, 상기 전자파 공급부로부터 전력을 받아 수증기 토치를 발생하는 수증기 토치장치, 탄화수소 화합물 개질에 필요한 고온 열을 공급하는 수증기 토치, 개질 할 탄화수소 화합물을 공급하는 탄화수소 공급부, 공급된 탄화수소를 열로 개질 하여 수소를 생산하는 개질 반응기, 고온의 개질 가스를 냉각하는 냉각부, 개질 가스를 순수 수소로 정제하는 정제 장치 및 정제된 수소를 연료전지와 같은 수소 응용장치에 제공하는 수소배출구를 포함한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a hydrogen generating apparatus including an electromagnetic wave supplying unit for supplying electric power required for generating a steam torch, a steam torch unit for generating a steam torch by receiving electric power from the electromagnetic wave supplying unit, A reforming reactor for reforming the supplied hydrocarbon by heat to produce hydrogen, a cooling section for cooling the reformed gas at a high temperature, a steam reforming section for reforming the reformed gas into pure water A purification device for purifying hydrogen and a hydrogen outlet for providing purified hydrogen to a hydrogen application device such as a fuel cell.

본 발명에 따를 경우 전자파 수증기 토치를 이용하여 짧은 시간 내에 거의 완벽하게 탄화수소 화합물을 개질 하여 수소를 생성함으로써 수소발생 의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that the efficiency of hydrogen generation can be increased by modifying the hydrocarbon compound almost completely within a short time by using the electromagnetic wave steam torch to generate hydrogen.

또한, 본 발명에 따를 경우 도시가스와 물이 있는 곳에서는 물을 이용한 수증기 토치로 도시가스를 개질 하여 쉽게 수소를 발생할 수 있다. In addition, according to the present invention, the city gas can be easily reformed by using a water vapor torch using water in the city gas and water, thereby easily generating hydrogen.

또한, 본 발명에 따를 경우 운반이 편리한 액체 탄화수소 화합물을 수증기 토치로 개질 하여 수소를 생산하기 때문에 수소운반에 대한 문제점을 해소한다.
Further, according to the present invention, since the liquid hydrocarbon compound, which is convenient to be transported, is reformed with a steam torch to produce hydrogen, the problem of hydrogen transportation is solved.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생 장치(100)의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 토치 불꽃의 온도에 따른 수소, 산소, 그리고 일산화수소의 밀도를 전체 중성입자의 밀도에 대한 비로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수증기 토치 불꽃 (빨강색)과 탄화수소 화합물 (노랑색)의 유체 요소 (Fluid Element)가 개질 반응기 내부에서 흘러가는 것을 컴퓨터를 이용하여 전산모사로 나타낸 것이다.
1 is a block diagram of a hydrogen generator 100 using an electromagnetic wave steam torch according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the density of hydrogen, oxygen, and hydrogen monoxide according to the temperature of a steam torch flame according to an exemplary embodiment of the present invention, relative to the density of all the neutral particles.
FIG. 3 is a computer simulation of the flow of a steam torch flame (red) and a hydrocarbon element (yellow) in a reforming reactor according to an embodiment of the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, this is merely an example and the present invention is not limited thereto.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. In the following description, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
The technical idea of the present invention is determined by the claims, and the following embodiments are merely a means for effectively explaining the technical idea of the present invention to a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생 장치(100)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 장치(100)는 전자파 공급부 (10), 수증기 토치장치 (20), 수증기 토치 (30), 탄화수소 공급부 (40), 개질 반응기 (50), 냉각부 (60), 정제장치 (70) 및 수소배출구 (80)를 포함한다.1 is a block diagram of a hydrogen generator 100 using an electromagnetic wave steam torch according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the hydrogen generator 100 according to an embodiment of the present invention includes an electromagnetic wave supply unit 10, a steam torch unit 20, a steam torch 30, a hydrocarbon supply unit 40, a reforming reactor 50, A cooling unit 60, a refiner 70, and a hydrogen outlet 80. [

전자파 공급부(10)는 플라즈마 수증기 토치 발생을 위하여, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진한다. 구체적으로, 전자파 공급부(10)는 전원 공급부로부터 전력을 공급받아 마그네트론 전자파 발진기를 이용하여 전자파를 수증기 토치 장치 (20)에 공급한다. The electromagnetic wave supply unit 10 oscillates an electromagnetic wave of a preset frequency for generating a plasma water vapor torch. Specifically, the electromagnetic wave supply unit 10 receives electric power from a power supply unit and supplies the electromagnetic wave to the water vapor torch device 20 using the magnetron electromagnetic wave oscillator.

수증기 토치 장치 (20)는, 순환기, 방향성 결합기, 스터브 튜너, 도파관, 수증기 공급장치 및 방전관으로 구성되어 있으며 전자파 공급부 (10)에서 제공된 전자파가 도파관을 통하여 순환기, 방향성 결합기, 스터브 튜너를 지나 방전관에 유입되어, 수증기 공급장치가 방전관에 제공한 수증기 내어 방전을 일으킨다. 이로 인하여 수증기 토치 (30)가 발생한다. The steam torch device 20 includes a circulator, a directional coupler, a stub tuner, a waveguide, a steam supply device, and a discharge tube. The electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave supply part 10 passes through a circulator, a directional coupler, a stub tuner, So that the water vapor supply device supplies a discharge water vapor to the discharge tube. As a result, a steam torch 30 is generated.

방전관에 생성된 수증기 토치 (30)는 고온으로서 토치 온도가 절대온도 7000도에서 1000도로 토치 부위에 분포되어 있다. 일반적으로 수증기 토치 불꽃은 밝고 하얀 부위와 붉고 약간 어두운 부위로 구분된다. 밝고 흰 부위는 플라즈마 입자들에 의한 대표적인 토치 불꽃이며 어둡고 붉은 부위는 물 분자가 유리되어 발생된 수소가 산소 속에서 다시 타면서 발산하는 대표적인 수소연소 불꽃이다. 수증기 토치 속에서는 대단히 많은 물 분자들이 산소, 수소 그리고 일산화수소 (OH)로 분해된 것을 이론계산과 측정으로 관찰할 수가 있다. 도 2는 수증기 토치 불꽃의 온도에 따른 수소, 산소, 그리고 일산화수소의 밀도를 전체 중성입자의 밀도에 대한 비로 나타낸 것이다. 절대온도 2000도 이상의 불꽃 부위에서는 대단히 많은 수소, 산소, 그리고 일산화수소 분자가 존재하는 것을 볼 수 있다. 여기 존재하는 산소와 수소는 원자와 분자의 혼 존 상태로 존재한다. The steam torch 30 generated in the discharge tube has a high temperature, and the torch temperature is distributed at a torch portion at an absolute temperature of 7000 to 1000 degrees. Generally, the steam torch flame is divided into bright white part and red and slightly dark part. The bright and white part is a typical torch flame caused by plasma particles, and the dark and red part is a typical hydrogen combustion flame which is generated when water molecule is liberated and burns again in oxygen. In the steam torch, it is possible to observe by theoretical calculation and measurement that a great deal of water molecules are decomposed into oxygen, hydrogen and hydrogen (OH). Figure 2 shows the density of hydrogen, oxygen, and hydrogen monoxide as a function of the density of the total neutral particles with the temperature of the steam torch flame. There is a great deal of hydrogen, oxygen, and hydrogen monoxide molecules in the flame region above 2000 degrees absolute. The oxygen and hydrogen that exist here exist in the state of the atom and the molecule in a mixed state.

탄화수소 공급부 (40)는 개질 할 탄화수소 화합물을 공급하는 역할을 하며 공급하는 탄화수소 화합물은 디메틸에테르, 메탄가스와 같은 기체, 경유, 등유와 같은 액체, 그리고 석탄과 같은 고체 등의 화합물을 포함한다. The hydrocarbon supply part 40 serves to supply a hydrocarbon compound to be reformed, and the hydrocarbon compound to be supplied includes a compound such as a gas such as dimethyl ether, methane gas, light oil, liquid such as kerosene, and solid such as coal.

개질 반응기 (50)는 수증기 토치 (30)가 제공하는 열원을 이용하여 탄화수소 공급부 (40)에서 제공되는 탄화수소 화합물을 개질 한다. 고온의 수증기 토치 (30)는 그 자체가 산소, 수소 그리고 일산화수소와 같은 활성입자를 대량으로 보유하고 있어 개질 반응기 (50) 내의 탄화수소 화합물을 효율적으로 개질 하게 된다. 탄화수소 화합물이 고온의 수증기 토치 (30)와 함께 공존할 수 있도록 개질 반응기 (50)을 구성하는 것은 개질 효율증대에 대단히 중요한 요소가 된다. 그래서 개질 반응기 내부를 원통구조로 구성하며 수증기 토치 (30) 불꽃과 탄화수소 화합물을 개질 반응기 (50)에 입사함에 있어 그것들이 내부 원통 벽을 따라 함께 회오리 치도록 (Swirl) 한다. 예를 들어 개질 반응기 (50)에 두 개의 수증기 토치 (30) 불꽃과 탄화수소 화합물을 투입한다면 한 수증기 토치 (30) 불꽃과 탄화수소 화합물은 개질 반응기 (50) 상단으로 그리고 다른 수증기 토치 (30) 불꽃과 탄화수소 화합물은 개질 반응기 (50) 하단으로 입사하도록 만들 수 있다. 도 3은 수증기 토치 (30) 불꽃 (빨강색)과 탄화수소 화합물 (노랑색)의 유체 요소 (Fluid Element)가 개질 반응기 (50) 내부에서 흘러가는 것을 컴퓨터를 이용한 전산모사로 나타낸 것이다. 두 유체요소가 함께 잘 섞여 움직이면서 개질 효율성이 보장될 수 있는 것을 예상할 수 있다. The reforming reactor 50 reforms the hydrocarbon compound provided in the hydrocarbon feeder 40 using the heat source provided by the steam torch 30. The hot steam torch 30 itself retains a large amount of active particles such as oxygen, hydrogen, and hydrogen monoxide, thereby efficiently reforming the hydrocarbon compound in the reforming reactor 50. It is very important to increase the reforming efficiency of the reforming reactor 50 so that the hydrocarbon compound can coexist with the high-temperature steam steam 30. Thus, the inside of the reforming reactor has a cylindrical structure, and swirls of the steam steam torch 30 and the hydrocarbon compounds swirl along the inner cylindrical wall when they enter the reforming reactor 50. For example, if two steam torches 30 and hydrocarbon compounds are fed into the reforming reactor 50, one steam torch 30 flame and the hydrocarbon compound can flow to the top of the reforming reactor 50 and the other steam torch 30 flame The hydrocarbon compound may be made to enter the bottom of the reforming reactor (50). 3 shows a computer simulation of the flow of the fluid element of the steam torch 30 flame (red) and the hydrocarbon compound (yellow) inside the reforming reactor 50. As shown in FIG. It can be expected that the efficiency of the reforming can be guaranteed as the two fluid elements move together with each other.

냉각부 (60)는 개질 반응기 (50)에서 개질 된 고온의 개질 가스를 냉각함과 동시에 냉각수 일부를 기화하여 수증기를 만든다. 정제장치 (70)는 냉각된 개질 가스를 정제하여 순수한 수소가스만 수소배출구 (80)를 통하여 배출되며 상기 배출된 수소는 수소 연료전지나 다른 수소 이용장치에 제공된다.
The cooling unit 60 cools the reformed gas of the high temperature modified in the reforming reactor 50 and vaporizes a part of the cooling water to produce water vapor. The purifier 70 purifies the cooled reformed gas so that only pure hydrogen gas is discharged through the hydrogen outlet 80, and the discharged hydrogen is supplied to the hydrogen fuel cell or another hydrogen utilization device.

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

디메틸에테르 (DME)는 CH3OCH3의 분자식을 가지는 특별한 탄화수소 화합물이다. DME를 수증기 개질을 한다면Dimethyl ether (DME) is a special hydrocarbon compound having the molecular formula CH 3 OCH 3 . If steam reforming of DME

Figure 112015050603341-pat00001
Figure 112015050603341-pat00001

의 반응으로 수소를 생산할 수 있는 것으로 나타난다. 여러 가지 개질을 예상 활 수 있으나 이 연구에서는 수소 생산을 목표로 한다. DME는 1기압에서 약 섭씨 -20도에서 기화한다. 그래서 DME 기체를 사용하는 것으로 한다. DME기체의 특성은 엔탈피가 -184.1kJ/mole, 엔트로피는 266.4J/mole/K이며 비열은 64.4J/mole/K이다. 한편 수증기의 엔탈피는 -241.8kJ/mole이고 엔트로피는 188.7J/mole/K이며 이산화탄소의 엔탈피는 -393.5kJ/mole이고 엔트로피는 213.6J/mole/K이다. 이러한 정보를 이용하면 위 반응에 의한 엔탈피 변화는 △H = 122.5kJ/mole 이며 엔트로피 변화는 △S = 378.3J/mole/K로 계산된다. 여기서 분명한 것은 이 반응은 흡열반응이다. 따라서 위 반응이 일어나기 위한 온도는 T = △H/△S에서 산출되며 T = 323.8K 또는 섭씨 51도로 계산된다. 그러나 실제로는 섭씨 100도 이상이 되어야 할 것으로 생각된다. 물은 1기압에서 섭씨100도가 되어야 기체화하기 때문이다. 여하튼 낮은 온도에서도 수증기 개질이 될 수 있는 가능성을 보여주고 있다. Hydrogen production can be achieved. Several modifications can be expected, but this study aims at hydrogen production. DME vaporizes at about -20 ° C at 1 atm. Therefore, DME gas is used. Characteristics of DME gas have enthalpy of -184.1 kJ / mole, entropy of 266.4 J / mole / K and specific heat of 64.4 J / mole / K. The enthalpy of water vapor is -241.8 kJ / mole, the entropy is 188.7 J / mole / K, the enthalpy of carbon dioxide is -393.5 kJ / mole and the entropy is 213.6 J / mole / K. Using this information, the enthalpy change due to the above reaction is ΔH = 122.5 kJ / mole and the entropy change is calculated as ΔS = 378.3 J / mole / K. Obviously, this reaction is an endothermic reaction. Therefore, the temperature at which the above reaction takes place is calculated as T = ΔH / ΔS and T = 323.8K or 51 ° C. However, in reality, it is supposed to be more than 100 degrees centigrade. Water is vaporized at 1 atmospheres to 100 degrees Celsius. At any rate, it shows the possibility of steam reforming even at low temperatures.

DME가 직접 수증기와 반응한 연구를 하여 반응상수를 측정한 데이터는 아직 발견되지 않고 있다. 그래서 수증기 플라즈마 토치 속에 DME를 넣고 일어날 수 있는 반응을 연구할 수 있다. 이 경우 DME 수증기 개질의 흡열반응에서 요구되는 에너지는 수증기 플라즈마 토치가 조달하게 된다. 즉 1몰의 DME를 개질하는데 122.5kJ의 에너지가 필요하고 6몰의 수소가 발생한다. 수소 6몰이 산화하여 수증기를 만들 때 6×241.8 = 1451kJ의 에너지가 나온다. Data on the reaction constants of DME reacted directly with water vapor have not yet been found. So you can study the reactions that can take place by putting DME in a steam plasma torch. In this case, the energy required for the endothermic reaction of DME steam reforming is supplied by the steam plasma torch. That is, 122.5 kJ of energy is required to reform 1 mole of DME and 6 moles of hydrogen are generated. When 6 moles of hydrogen are oxidized to produce water vapor, energy of 6 × 241.8 = 1451 kJ comes out.

수증기 토치 (30)를 이용한 DME개질로 수소를 발생하는 것은 아주 특별한 의미를 갖는다. 이 개질 반응은 휴대용 (Portable) 수소 발생장치를 가능하게 하기 때문이다. 위에서 언급한 것처럼, DME는 1기압에서 섭씨 -20도에서 액화되며 상온에서는 조금만 압력을 가해준 저장탱크에서 액체상태로 존재하기 때문에 쉽게 자동차에 탑재할 수 있으며 탱크에서 배출되면 기화되어 수증기 토치 (30)로 개질 하기 쉽다. 그래서 저장탱크에 있는 액상의 DME와 물만 있으면 수소를 발생할 수 있다. 이러한 맥락에서 연료전지 차에 탑재하여 사용하기에 용이하다. The generation of hydrogen by DME reforming using a steam torch 30 has a very special significance. This is because the reforming reaction enables a portable hydrogen generator. As mentioned above, DME is liquefied at -20 ° C at 1 atmospheric pressure. It can be easily mounted on automobiles because it is liquid in the storage tank which is slightly pressurized at room temperature. When it is discharged from the tank, it is vaporized and vaporized. ). So, if you only have liquid DME and water in the storage tank, you can generate hydrogen. In this context, it is easy to mount on a fuel cell vehicle and use it.

액상 DME는 Diesel과 비슷하여 Diesel차 연료로 사용할 수 있는데 DME가 엔진에서 연소하는 반응은 Liquid DME is similar to diesel and can be used as diesel fuel.

Figure 112015050603341-pat00002
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로 엔탈피 변화는 △H = 1325.3kJ/mole이다. 그래서 Carnot Cycle 엔진의 효율이 0.32로서 DME 1몰당 제공되는 차 엔진 에너지는 약 424kJ/mole이다. 한편 DME를 수증기로 개질 할 때 필요한 개질 에너지 122.5kJ/mole과 물 3몰을 기화하는데 필요한 에너지 126kJ로 위에서 언급한 DME의 수증기 개질에 필요한 총 에너지는 249kJ/mole이된다. DME 1몰의 개질에서 수소 6몰이 생산되며 이 수소가 산화되면 1451kJ이 된다. 현재 수소 연료전지 효율을 약 0.8로서 DME 1몰에 의한 전기 생산은 1161kJ/mole이 된다. 그런데, 개질에 필요한 총 에너지 249kJ/mole을 전자파 토치로 제공하여 생산된 전기를 사용했기 때문에 순수 전기생산은 912kJ/mole이 된다. 고온의 개질 가스를 냉각하는 냉각부 (60)에서 물을 수증기로 기화할 수 있어 여기서 개질에 필요한 수증기를 생산할 수 있게 된다. 일부 에너지가 대류에 의하여 냉각부 (60)에서 손실될 수 있어 순수 전기생산은 912kJ/mole 보다 약간 적을 것으로 예상된다. DME를 엔진에서 산화하여 사용하는 것 (424kJ/mole) 보다는 개질 해서 연료전지로 사용하는 것 (912kJ/mole)이 월등히 좋은 것을 관찰할 수 있다.
The change in enthalpy is ΔH = 1325.3 kJ / mole. Thus, the efficiency of the Carnot Cycle engine is 0.32, and the car engine energy provided per mole of DME is about 424 kJ / mole. On the other hand, the energy required for reforming DME to steam is 122.5 kJ / mole and the energy required for vaporizing 3 moles of water is 126 kJ. Total energy required for DME steam reforming is 249 kJ / mole. When 1 mole of DME is reformed, 6 moles of hydrogen are produced and when this hydrogen is oxidized, it becomes 1451 kJ. At present, the hydrogen fuel cell efficiency is about 0.8, and the electricity production by 1 mole of DME is 1161 kJ / mole. However, pure electricity production is 912 kJ / mole because of the electricity generated by supplying the total energy 249 kJ / mole needed for the reforming with the electromagnetic torch. The water can be vaporized by the steam in the cooling unit 60 for cooling the reformed gas at a high temperature, so that the water vapor necessary for the reforming can be produced. It is expected that some of the energy may be lost in the cooling section 60 due to the convection, so that the net electricity production is slightly less than 912 kJ / mole. It can be observed that DME is reformed rather than oxidized (424 kJ / mole) in the engine and used as fuel cell (912 kJ / mole).

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

도시가스는 메탄 (CH4)이 주 성분으로 어느 지역이나 쉽게 제공되고 있다. 그래서 도시가스를 수증기 토치 (30)로 개질 할 경우 반응 식은 Urban gas is mainly supplied by methane (CH 4 ) in any area. Thus, when the city gas is reformed into the steam torch 30,

Figure 112015050603341-pat00003
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이며 이때 엔탈피 변화는 △H = 165kJ/mole이고 엔트로피 변화는 △S = 172J/mole/K 이다. 따라서 자발반응 온도는 T = 956K이다. 한편 저급탄을 가스화하여 수소를 생산하는 반응은 And the enthalpy change is ΔH = 165 kJ / mole and the entropy change is ΔS = 172 J / mole / K. Therefore, the spontaneous reaction temperature is T = 956K. On the other hand, the reaction to produce hydrogen by gasifying low-

Figure 112015050603341-pat00004
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로서 이반응의 엔탈피 변화는 △H = 90.1kJ/mole이며 엔트로피 변화는 △S = 91.7J/mole/K 이다. 그래서 자발반응 온도는 T = 982.6K이다. The enthalpy change of the reaction is ΔH = 90.1kJ / mole and the entropy change is ΔS = 91.7J / mole / K. So the spontaneous reaction temperature is T = 982.6K.

두 개질반응은 매우 유사하나, 메탄 개질이 더 에너지를 필요로 하지만 더 많은 수소를 생산한다. 전반적으로 저급 탄에 비하여 메탄 개질이 더 용이한데, 그 이유는 용이한 도시가스 공급, 용이한 개질 장치, 예를 들어 분탄 주입기, 분진제거, 회재처리 등이 메탄개질에는 필요가 없이 오직 개질 반응기 (50)와 전자파시스템으로만 구성된다는 간편한 구조 때문이다.
Both reforming reactions are very similar, but methane reforming requires more energy but produces more hydrogen. Overall, methane reforming is easier than low-grade coal because of the ease of city gas supply, easy reforming equipment, such as coal blast furnaces, dust removal, and material handling, 50) and an electromagnetic wave system.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the above-described embodiments, but should be determined by equivalents to the appended claims, as well as the appended claims.

100: 수소 발생 장치
10: 전자파 공급부
20: 수증기 토치 장치
30: 수증기 토치
40: 탄화수소 공급부
50: 개질 반응기
60: 냉각부
70: 정제장치
80: 수소배출구
DME: 디메틸에테르
CH3OCH3: 디메틸에테르
H2O: 물분자
O2: 산소분자
CO2: 이산화탄소
H2: 수소분자
CH4: 메탄
C: 탄소
T: 온도
△H: 엔탈피변화
△S: 엔트로피변화
K: 절대온도
nN: 총 중성입자 밀도
nO2: 산소 밀도
nH2: 수소 밀도
nOH: 일산화수소 밀도
100: hydrogen generator
10:
20: Water vapor torch device
30: Water vapor torch
40: hydrocarbon feed
50: Reforming Reactor
60: cooling section
70: Purification device
80: hydrogen outlet
DME: Dimethyl ether
CH 3 OCH 3 : Dimethyl ether
H 2 O: water molecule
O 2 : oxygen molecule
CO 2 : Carbon dioxide
H 2 : hydrogen molecule
CH 4 : Methane
C: carbon
T: temperature
ΔH: Change in enthalpy
ΔS: Entropy change
K: absolute temperature
n N : total neutral particle density
n O2 : oxygen density
n H2 : hydrogen density
n OH : Density of hydrogen monoxide

Claims (11)

수증기 토치 발생에 필요한 전력을 공급하는 전자파 공급부;
상기 전자파 공급부로부터 전력을 받아 수증기 토치를 발생하는 수증기 토치장치;
탄화수소 화합물 개질에 필요한 고온 열을 공급하는 수증기토치;
개질 할 탄화수소 화합물을 공급하는 탄화수소 공급부;
공급된 탄화수소를 열로 개질 하여 수소를 생산하는 개질 반응기;
고온의 개질 가스를 냉각하며 동시에 물을 수증기로 기화하는 냉각부;
개질 가스를 순수 수소로 정제하는 정제 장치; 및
정제된 수소를 연료전지와 같은 수소 응용장치에 제공하는 수소배출구를 포함하고,
상기 개질 반응기는 수증기 토치가 제공하는 열원을 이용하여 탄화수소 공급부에서 제공되는 탄화수소 화합물을 개질 하는 곳으로 탄화수소 화합물이 고온의 수증기 토치와 함께 공존할 수 있도록 개질 반응기 내부를 원통구조로 구성하며 수증기 토치 불꽃과 탄화수소 화합물을 개질 반응기에 입사함에 있어 그것들이 내부 원통 벽을 따라 함께 회오리 치도록 (Swirl) 하는 것을 특징으로 하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
An electromagnetic wave supply unit for supplying power necessary for generating a steam torch;
A steam torch device for receiving electric power from the electromagnetic wave supply part and generating a steam torch;
A steam torch for supplying high temperature heat required for reforming the hydrocarbon compound;
A hydrocarbon supply part for supplying a hydrocarbon compound to be reformed;
A reforming reactor for reforming the supplied hydrocarbon into heat to produce hydrogen;
A cooling unit for cooling the reformed gas at a high temperature and simultaneously vaporizing water by steam;
A purifier for purifying the reformed gas with pure hydrogen; And
A hydrogen outlet for providing purified hydrogen to a hydrogen application device, such as a fuel cell,
The reforming reactor has a cylindrical structure inside the reforming reactor so that the hydrocarbon compound can be coexisted with the high temperature steam steam using a heat source provided by the steam torch, and the hydrocarbon compound supplied from the hydrocarbon supply unit is reformed. And the hydrocarbon compounds are swirled together along the inner cylindrical wall when entering the reforming reactor.
제1항에 있어서,
상기 전자파 공급부는 플라즈마 수증기 토치 발생을 위하여, 마그네트론 전자파 발진기를 이용하여 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the electromagnetic wave supply unit uses an electromagnetic wave steam torch to generate electromagnetic waves of a predetermined frequency by using a magnetron electromagnetic wave oscillator for generating a plasma water vapor torch.
제1항에 있어서,
상기 수증기 토치장치는,
상기 전자파 공급부가 제공하는 전자파가 마그네트론으로 반사되는 반사파를 흡수하는 순환기;
상기 순환기로부터 전송되는 전자파를 출력하는 방향성 결합기;
상기 전자파로 유도되는 전기장의 세기가 방전관 내에서 최대가 되도록, 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파의 입사파 및 반사파의 세기를 조절하는 스터브 튜너; 및
상기 스터브 튜너로부터 입력되는 전자파를 상기 방전관으로 전송하는 도파관을 포함하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
In the steam torch device,
A circulator for absorbing the electromagnetic wave reflected from the magnetron by the electromagnetic wave provided by the electromagnetic wave supply unit;
A directional coupler for outputting electromagnetic waves transmitted from the circulator;
A stub tuner for adjusting the intensity of an incident wave and a reflected wave of an electromagnetic wave input from the directional coupler such that the intensity of the electric field induced by the electromagnetic wave is maximized within the discharge tube; And
And a waveguide for transmitting the electromagnetic wave inputted from the stub tuner to the discharge tube.
제1항에 있어서,
상기 수증기 토치는, 상기 수증기 토치장치 내부의 방전관에서 전자파 방전에 의하여 발생된 전자파 플라즈마 수증기 토치로서, 개질에 필요한 고온 에너지와 활성입자들을 공급하는 것을 포함하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the steam torch is an electromagnetic plasma steam steam torch generated by an electromagnetic wave discharge in a discharge tube inside the steam steam torch device and supplying high temperature energy and active particles required for the reforming.
제1항에 있어서,
상기 탄화수소 공급부는 개질 할 탄화수소 화합물을 제공하고, 상기 탄화수소 화합물은 DME(Dimethylether), 메탄가스, 등유, 중유, 및 석탄 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrocarbon supply part supplies a hydrocarbon compound to be reformed and the hydrocarbon compound includes at least one of DME (Dimethylether), methane gas, kerosene, heavy oil, and coal.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 냉각부는, 개질가스가 지나가는 긴 가스관과 상기 가스관 외주면 주위를 감싸주는 냉각수가 지나가는 통로로 구성되어 상기 개질 반응기에서 발생한 상기 개질가스가 미리 설정된 온도 이하로 냉각되게 하며 냉각수 일부가 기화하여 수증기로 변환하게 하는 것을 특징으로 하는, 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
The cooling unit includes a long gas pipe through which the reformed gas passes and a passage through which the cooling water for wrapping around the outer circumferential surface of the gas pipe passes. The reformed gas generated in the reforming reactor is cooled to a predetermined temperature or less, and a part of the cooling water is vaporized and converted into steam Wherein the hydrogen gas is supplied to the hydrogen generator.
제1항에 있어서,
상기 정제장치는 수소와 다른 기체들을 분리하여 순수 수소가스로 정제하는 것을 특징으로 하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the purification apparatus separates hydrogen and other gases and purifies them into pure hydrogen gas.
제1항에 있어서,
상기 수소배출구는 순수하게 정제된 수소가스를 여러 수소 응용장치에 제공하는 수소배출구를 포함하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen outlet comprises a hydrogen outlet for providing purely purified hydrogen gas to various hydrogen application devices.
제9항에 있어서,
상기 수소 응용장치는 수소 연료전지와 더불어 각종 수소 응용장치를 의미하는 것을 특징으로 하는 전자파 수증기 토치를 이용한 수소 발생장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the hydrogen application device refers to various hydrogen application devices in addition to a hydrogen fuel cell.
삭제delete
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