KR100378837B1 - 란탄-니켈합금을 이용한 수소저장방법 - Google Patents

Abstract

고압의 수소를 합금분말이 충진된 저장탱크 속으로 보내서 수소를 금속수소화물로 변환시켜 금속에 수소를 저장하기 위한 것으로 LaNi₅합금을 분말로 만들어 충전된 수소저장탱크에 전기분해에 의해 발생된 다량의 수소가스를 상온의 가압장치에서 20기압 이상의 고압으로 보내 LaNi₅합금이 수소를 금속수소화물(水素化物)의 형태로 포착하여 LaNi₅합금에 수소가 저장되고, 수소저장탱크에 저장된 수소를 방출하고자 할시에는 수소저장탱크 내의 압력을 감압하는 감압장치를 가동시켜 저장탱크 내부의 압력을 2기압 이하로 낮추어 수소를 방출하도록 하는 LaNi₅합금을 이용한 수소저장방법에 관한 것이다.

Description

란탄-니켈합금을 이용한 수소저장방법{method for storing hydrogen using alloy of lanthanum-nickel}

본 발명은 LaNi₅합금을 이용한 수소저장방법에 관한 것으로 보다 상세하게는 고압의 수소를 수소저장합금이 충전된 저장탱크로 고압으로 보내서 수소를 금속수소화물로 변환시켜 금속에 수소를 저장하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 수소는 열에너지원으로 사용하는 과정에서 연소하면 용이하게 원래의 물로 돌아가 환경공해를 일으키지 않은 무공해 에너지이고 수소를 만드는 원료가 무한히 존재하는 풍부한 물을 전기분해하여 용이하게 만들 수 있는 대단히 유용한 에너지원이다.

그러나 수소를 원료로 사용하기 위하여서는 용기에 보관하여 이동하게 되는데 수소는 가볍기 때문에 확산이 쉽고 원자의 크기가 작아 누설이 쉽다. 또 수소는 상온에서 기체상태이므로 부피가 크기 때문에 수소를 저장하기 위하여서는 대형탱크를 필요로 한다. 따라서, 수소의 부피를 줄여 저장하기 위해 액체상태로 저장할 수 있는데, 기체를 액체수소로 저장하기 위하여서는 수소를 고압과 -235℃의 저온으로 낮추어야 하고 또 고압에 견디는 탱크를 필요로 하여 수소를 보관하는데는 고정투자비용이 많이 소요되는 문제점이 있고 특히 수소는 공기중에 누설되었을때 폭발의 위험성이 상존하고 있어 수소를 저장하고 이동시키는데 많은 위험이 따르게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로 수소를 용기에 대량으로 저장하면서도 이동시 위험을 줄이기 위함을 목적으로 한다.

상기의 목적은 수소저장합금인 LaNi₅합금을 분말로 만들어 충진된 수소저장탱크에 전기분해에 의하여 발생된 다량의 수소가스를 상온의 수소저장탱크에 가압장치로 20기압이상의 압력을 가하여 보내면 LaNi₅합금이 금속수소화물(金屬水素化物)의 형태로 수소를 포착하여 LaNi₅합금에 수소가 저장되고, 수소저장탱크에 저장된 수소를 방출하고자 할시에는 수소저장탱크 내의 압력을 감압하는 감압장치를 가동시켜 저장탱크 내의 압력을 2기압 이하로 낮추어 수소를 방출하도록 수소를 저장함으로써 달성된다.

도1은 본 발명의 란탄-니켈합금을 이용한 수소저장방법을 보인개략도

***도면중 주요부분에 대한 부호의 설명***

1 : 수소저장탱크 2 : 가압기

3 : 가열장치 4 : 감압기

50 : 전극판 51 : 절연체

이하 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 물을 전기분해하여 생성되는 다량의 수소가스를 가압장치에서 20기압 이상으로 가압하여 수소저장탱크로 보내면 분말화 된 LaNi₅합금이 저장되어 있는 상기 수소저장탱크 내에서는 LaNi₅합금과 수소가 반응하여 금속수소화물로 되어 수소가 저장되며, 상기 수소 저장탱크에 저장된 수소를 방출하고자 할시에는 감압장치를 가동시켜 수소저장탱크의 압력을 낮추어 수소를 방출하여 에너지로 사용하기 희토류금속인 LaNi₅합금을 이용한 수소저장방법이다.

상기 수소저장탱크로 공급되는 수소의 발생은 전해조 내에 물을 채운 후에 직류전류를 통하면 음극에서는 수소가 양극에서는 산소가 발생하게 하는 공지의 방법을 사용한다.

2H₂O2H₂(기체) + 0₂(기체) - 135Kcal

이 반응은 흡열반응이고 에너지를 필요로 하므로 전기를 통하여야 하며 그 전극반응은

양극에서는 4OH^- O₂(기체) + 2H₂0 + 4e-

음극에서는 2e- + 2H₂OH₂(기체)+ 2OH^-

의 반응이 일어나 음극에서 수소가 발생된다.

이때 물을 전기분해하여 수소를 대량으로 발생시키기 위하여서는 전해조(5)내에 전극은 스테인레스재질의 전극판(50)을 복수개를 설치하되 하부에 절연체(51)를 장착하여 고정시켜 전원을 통하면 많은 량의 수소를 발생시킬 수 있고 전극으로 사용하는 스테인레스판은 니켈도금하여 사용하면 전극의 소모가 적고 단시간내에 많은 량의 수소를 발생시킬 수 있다.

그리고 이때에 전해질로는 통상의 공지된 전해질인 묽은황산이나 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중에서 선택하여 사용할 수 있다.

전기분해에 의하여 발생된 수소를 가압기(2)로 20기압 이상의 압력을 가하여 수소저장탱크(1)로 보내면 수소저장탱크(1) 내에 충진된 LaNi₅합금(7)에 수소가 흡장(吸藏)되어 금속수소화물의 형태로 수소가 저장된다.

수소저장탱크(1)에 충진된 LaNi₅금속에 수소가 흡장되는 과정은 먼저 수소가스가 LaNi₅합금 표면에 흡착하여 수소원자가 되고 그 수소원자가 금속내부에 침입 고용되어 금속수소화물로 되어 수소가 저장되는 것이다.

LaNi₅합금에 저장되는 수소의 량은 수소의 압력과 온도에 의해 결정된다.

고용체 내의 수소농도가 외부로부터의 수소공급으로 압력이 점차적으로 커지게 되면 금속산화물(MHy)이 되는데 그 반응은

2/(x-y)MHx + 1/2H₂ 2/(y-x)MHy 이며,

여기서 M은 금속원자이고 x,y는 정수이며 x〈1이다

이 반응에서 수소화물은 일정온도에서 일정압력의 수소와 평행을 이루게 된다.

LaNi₅합금에 수소를 저장할시에 압력과의 관계를 표시한 그림이 표1에 나타나 있다.

표1에서 알 수 있는 바와같이

LaNi₅합금을 일정한 온도(상온)를 유지하고, 수소압력을 천천히 올리면 수소원자와 금속원자의 비(H/M)는 AB로 상승하게 되고, 이 영역에서는 수소압의 변화는 현저히 높아지면서 금속표면에 흡착하고 있던 수소는 높은 압력으로 인하여 해리되어 수소원자로 된다. 이때, 금속 내에 수소가 용해되어 금속 중에 수소가 침입하고 있는 고용체(α상)를 형성하여 이 A-B영역에서는 수소압력을 높여도 금속에 저장되는 수소저장량은 그다지 증가하지 않는다.

이때의 금속내에 고용되는 수소농도 [H]_M는 금속상의 수소압력(P)의 평방근에 비레한다는 Srverts의 법칙 P_H2 ^1/2∝〔H〕_M이 성립한다.

B점에 도달하면, 수소를 고용한 금속상(α상)이 수소가스와 반응하여 수소화합물을 형성(β상)하며 모두 α상과 β상으로 되면 C점이 되는데, C점에 도달할 때까지 수소압은 일정하게 유지된다.

다시 말하면, 수소의 압력을 높여 B점에 도달하면 α상의 금속이 수소가스와 반응하여 β상의 수소화물을 형성하고 수소압력이 일정하게 유지되면서 C점에 도달하게 된다. 이때, B-C구간에서 수소가 저장된다.

C 점에 도달하면 수소압력을 높여도 수소저장능력은 저하된다.

또, 표1에서는 온도가 일정한 조건에서 금속에 수소를 저장시킬 때 필요한 소정의 저장압과 수소를 방출시킬 때 필요한 방출압으로서의 통상 평형수소압이 다르다는 것을 나타낸다.

금속과 수소의 발열반응에 의하여 금속수소화물이 생성되는 경우, 금속과 수소의 압력(P), 온도(T), 수소농도(X)의 관계는 표2에서 보인바와 같이

온도 T₁을 일정하게 하였을 경우

평행하는 상 영역은 0-a₁까지는 고용체 영역,

a₁∼b₁까지는 고용체와 저급 수산화물의 2상 공존영역,

b₁∼c₁은 저급 수산화물의 단상영역,

c₁∼d₁은 저급 수산화물과 고급 수산화물과의 2상 공존영역,

d₁∼e₁은 고급 수산화물의 단상영역이다.

온도T₁에서 b₁까지 수소를 저장한 뒤 온도를 T₂로 올리면 수산화물의 수소농도는 b₂가 되고 수평선 a₂-b₂와 종축과의 교차점에 표시된 압력의 수소가 방출된다.

금속에 수소를 저장하고 방출할 때에는 반응열(△H)인 엔탈피의 변화가 일어나게 되는데, 수소저장금속으로는 반응열이 작은 금속을 이용하는 것이 에너지 효율면에서 유리하다. 따라서, 본 발명에서는 금속결합성이 강하고 수소화물의 생성열이 작은 LaNi₅합금을 수소저장 금속으로 사용한다.

즉, α상을 나타내는 금속의 수소조성이 증가하여 β상의 수소화물로 되는 반응시에는 반응열(ΔH)을 방출하고, 역으로 금속화합물에서 수소를 방출하여 β상에서 α상으로 될시에는 반응열(ΔH)을 흡수하는 흡열반응이 일어나게 된다. 합금을 수소저장재료로만 사용할 경우에는 반응열(ΔH)의 값이 작은 금속을 이용하는 것이 에너지 효율관점에서 유리하여 수소를 저장하는 금속으로서 금속결합성이 강하고 생성열이 적은 LaNi₅합금을 사용하는 것이 좋다.

한편, LaNi₅합금에 수소를 저장시킬 때에는 수소저장탱크의 압력을 20기압 이상으로 올려야 하는데, 표1에서 알 수 있는 바와 같이 수소가 저장되는 B-C구간에서는 일정기압 이상이 되면 수소농도는 더이상 올라가지 않고 평형을 유지하기 때문에 수소저장탱크의 압력을 20기압으로 하여 금속수소화물에 수소를 저장시키는 것이 가장 바람직하다.

수소저장탱크에 LaNi₅금속을 분말로 만들어 넣은 것은 수소와 접촉되는 LaNi₅합금과의 표면적을 크게하여 LaNi₅합금과 수소와의 반응속도를 빠르게 하고 수소저장속도를 증가시키기 위함이다.

수소저장탱크의 외부에는 탱크내부의 온도를 가열하기 위한 가열장치(3)를 설치하여 필요에 따라 수소저장탱크내부의 온도를 올리기도 한다.LaNi₅합금에 수소를 고압으로 보내면 LaNi₅합금이 LaNi₅H 가까운 화학조성의 3원수소화물을 형성하는데 LaNi₅합금에 수소의 저장과 방출을 반복하게 되면 LaNi₅합금이 불안정하여 LaH와 Ni₅H로 분해되는 양변(壤變)(disproportion)현상이 일어나게 되고 수소저장능력이나 수소저장속도등의 성질이 나빠지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 가열장치(3)로 LaNi₅합금을 가열하여 양변현상이 일어나는 것을 방지하여 LaNi₅합금의 수소저장능력이나 수소저장속도를 유지토록한다.

수소저장탱크에 수소화합물로 저장된 수소를 사용하기 위하여서는 수소저장탱크의 외부에 설치된 감압기(4)를 가동하여 수소저장탱크(1)의 압력을 2기압으로 낮추면 LaNi₅합금에 금속수소화합물로 저장되어 있던 수소가 LaNi₅합금에서 빠져나와 수소를 방출하게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 LaNi₅합금에 수소를 고용하는 금속수소화물로 저장하므로 작은 수소저장탱크 대량의 수소를 저장할 수 있으며 특히 저장하는데 위험성이 없어 안전하게 이동할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. LaNi₅합금을 분말로 만들어 충전된 수소저장탱크에 전기분해에 의하여 발생된 다량의 수소가스를 상온의 수소저장탱크에 가압장치로 20기압 이상의 압력을 가하여 보내면 LaNi₅합금이 금속수소화물의 형태로 수소를 포착하여 LaNi₅합금에 수소가 저장되며, 수소저장탱크에 저장된 수소를 방출하고자 할시에는 수소저장탱크 내의 압력을 감압하는 감압장치를 가동시켜 저장탱크 내의 압력을 2기압 이하로 낮추어 수소를 방출하도록 하는 것을 특징으로 하는 LaNi₅합금을 이용한 수소저장방법.
2. 제1항에 있어서, 수소저장탱크의 외부에는 탱크내부의 온도를 가열하기 위한 가열장치를 설치하는 것을 특징으로 하는 LaNi₅합금을 이용한 수소저장방법.