KR100386470B1

KR100386470B1 - 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치

Info

Publication number: KR100386470B1
Application number: KR10-2000-0061765A
Authority: KR
Inventors: 김태환; 추고연; 김동국; 이범석; 최정식; 배길환
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2003-06-02
Also published as: KR20020031440A

Abstract

본 발명은 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치에 관한 것으로, 그 목적은 수소저장합금을 이용한 지중 난방시스템을 개발함으로서 기존의 비닐하우스용 난방으로 심야전력 또는 유류를 이용한 난방기를 사용함으로서 농가의 난방비 부담 가중( > 2000만원/년 : 300평 기준)을 줄이고, 에너지 저장에 있어서 열 형태의 저장은 손실이 크고 대형장치가 필요한데 반하여, 수소저장합금의 반응열을 이용할 경우 열 저장이 가능하므로 이를 이용한 지중 난방장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 서로 승온 및 재생과정을 순차적으로 운전하는 2개의 단위 셀과, 각각 다수의 밸브 및 배관으로 연결 구성한 단위 셀이 연결된 유니트와, 상기 승온과정 단위 셀의 수소반응조에 추가열원으로 이용되는 전기를 공급하는 심야전력 공급기와, 상기 밸브의 온/오프(on/off)를 자동제어하는 컨트롤 박스와, 상기 유니트와 배관으로 연결된 비닐하우스와, 상기 비닐하우스를 순환한 냉각수를 저장함과 동시에 펌프를 사용하여 유니트에 냉각수를 공급하는 물저장탱크로 구성되는 것을 요지로 한다.

Description

수소저장합금을 이용한 지중난방 장치{Heat pump system using a metal hydride and apparatus}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치에 관한 것이다.

온실에서 농작물을 재배할 시 초봄 또는 늦가을에 온도가 하강함에 따라 농작물 발육상태가 어렵게 되므로 이 시기에 지중 난방을 통하여 농작물 성장에 알맞은 온도를 일정시간 동안 유지시켜야 한다.

지중 난방을 실시할 시의 농작물 재배에 따른 장점은 다음과 같다.

- 작물의 순멎이 현상이 나타나지 않는다.

- 수학시기 단축(20일∼30일) 및 수확량의 증대

- 난방비 절감

- 화훼 및 과채류의 착색이 뛰어남

- 곰팡이, 흰가루병 발생억제 및 병 발생시 회복이 빠르다.

- 뿌리 발육의 활성화로 영양분 흡수력이 뛰어나 병충해에 강하다.

아래의 표 1은 주요 작물의 적정 지온(地溫)이다.

주요 작물명	적정 지온[℃]
고추, 오이, 딸기, 참외, 수박	18∼20
토마토	15∼17
화훼	17∼20

<표 1> 주요 작물의 적정 地溫그러나 이와 같은 지중 난방을 하기 위해서는 현재 심야전력을 이용하거나, 유류 보일러를 가동해야 하므로 에너지 소비가 증대할 수밖에 없는 실정이다.

실제적으로 300평 규모의 난방 면적에서 경유 보일러를 가동할 시 연료 소비량은 시간당 5.2 리터 정도가 소요된다.

또한 경제적 측면을 고려하지 않더라도 갑자기 온도가 하강할 시에 온실에 급속 난방을 필요로 하는데 기존의 보일러로서는 이와 같은 문제점을 해결하기에어려움이 존재한다.

상기에서 언급한 문제점인 급속 난방 또는 경제성을 고려한다면 수소저장합금을 이용하여 이를 해결할 수가 있다.

수소저장합금은 금속수소화물로서 수소가 합금에 흡장될 때 발열반응을 하고 합금에서 수소를 방출할 때 흡열반응을 하는 특성을 이용하여 냉ㆍ난방 시스템에 적용할 수가 있기 때문이다.

수소저장합금에 있어서 수소저장 메카니즘(Mechanism)은 다음과 같다.

수소저장합금을 이용할 시 장점은 수소 흡수 및 방출에 따른 흡열과 발열을 이용할 수 있고, 지구 환경오염을 유발시키지 않는 환경 친화적인 냉.난방에 이용할 수 있으며, 압축기가 필요 없으므로 추가 동력에너지를 절감할 수 있다는 것이다.

또한 일반 냉.난방기에 적용하는 환경오염물질인 CFC 냉매를 전혀 사용치 않는다는 것이다.

하지만 상기 수소저장합금의 단점은 합금 제조시 제조단가가 비싸며(현재 200$/kg 수준 -> 대량 제조시 30$/kg 가능) 또한 열전도도가 작다는 문제점이 있다.

그래서 열전도도를 향상시키기 위한 방법 모색이 요구되고 있다.

수소저장합금을 이용한 히트펌프 시스템 연구는 국내에서는 KIST[참고문헌 2]에서 히트펌프의 기초연구를 수행하여 활용 가능성을 확인하였고, KAIST[참고문헌 3]외 국내대학에서 Ni/MH 전지용 수소저장합금 및 히트펌프 관련 연구 수행하고 있으며, KIER[참고문헌 4]에서는 전지 소재 및 정제, 저장 합금 개발 연구를 러시아 MSU, ICAD 및 IVTAN과 공동으로 수행하고 있다.

또한 선진국에서는 일본이 적수화학공업[참고문헌 5]의 냉방과 급탕 출력을 동시에 얻는 히트펌프 제작 외 10기 이상의 히트펌프 시작기를 제작하였고, 미국의 MPD 테크놀로지사[참고문헌 6]에서 95℃ 온수 또는 100℃ 스팀 등의 고온열원을 얻어 출력 3.5kW의 히트펌프 실용화하였으며, 이스라엘 공과대학[참고문헌 7]에서는 버스의 냉방 시스템용 수소저장합금 히트펌프를 개발하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 수소저장합금을 이용한 지중 난방시스템을 개발함으로서 기존의 비닐하우스용 난방으로 심야전력 또는 유류를 이용한 난방기를 사용함으로서 농가의 난방비 부담 가중( > 2000만원/년 : 300평 기준)을 줄이고, 에너지 저장에 있어서 열 형태의 저장은 손실이 크고 대형장치가 필요한데 반하여, 수소저장합금의 반응열을 이용할 경우 열 저장이 가능하므로 이를 이용한 지중 난방장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 수소저장합금을 이용한 농촌지역의 시설재배용 지중난방 장치는 단위 셀(Cell)로 구성된 일종의 화학식 히트펌프 기술로 상기 단위 셀은 1개의 수소반응조와 1개의 수소저장조로 구성되어 있으며, 10∼20℃의 냉수를 투입하여 90∼120℃ 정도의 온수로 배출하도록 한 장치를 제공함으로써 달성된다.

이때 추가로 수소저장조에 투입되는 열원은 심야전력을 이용하여 수소저장조의 평형 압력을 증가시키는데 사용하며, 평형압력에 도달하면 수소저장조의 수소는 밸브(Valve)를 통하여 수소반응조로 보내지며 이때 발열되는 반응열로 지중난방에 이용하게 된다.

도 1은 지중난방용 승온 및 재생과정이고,

도 2는 본 발명 수소저장합금을 이용한 난방시스템이며,

도 3은 자체 개발한 본 발명 수소저장합금의 PCT 측정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(R1) : 수소저장조1 (R1-1) : 수소저장조2

(R2) : 수소반응조1 (R2-1) : 수소반응조2

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 지중난방용 승온 및 재생과정이고, 도 2는 본 발명 수소저장합금을 이용한 난방시스템을 도시하고 있는데, 본 발명의 수소저장합금을 이용한 온실용 지중난방 반응장치의 구성은 일반식 Mm(Ni_XFe_YAl_ZM_W)_n을 만족하는 AB₅계 수소저장합금이 각각 저장된 수소반응조 및 수소저장조와, 이 수소반응조와 수소저장조간의 수소 및 온수이동과 비닐하우스로의 온수이동을 위한 다수의 밸브 및 배관으로 연결 구성된 단위셀을 순환 시간(Cycle time)에 따른 밸브의 개폐로 서로 승온 및 재생과정이 순차적으로 전환되도록 승온과정 단위셀 및 재생과정 단위셀로 구성한 유니트와,상기 승온과정 단위셀의 수소저장조에 수소방출용 열원을 공급하는 심야전력 공급기와,상기 각 밸브의 온/오프(on/off)를 자동제어하는 컨트롤 박스(도시없음)와,상기 유니트와 배관으로 연결되어 온수를 공급받는 비닐하우스와,상기 비닐하우스를 순환한 온수를 저장하는 물저장탱크와,상기 승온과정 단위셀 및 재생과정 단위셀에 물저장탱크의 물을 공급하는 단일 펌프로 구성된다.상기 수소저장합금은 AB₅계 수소저장합금으로 일반식이 Mm(Ni_XFe_YAl_ZM_W)_n(이 식에서 n=X+Y+Z+W; X=3.0∼4.4; Y=0.2∼1.0; Z=0.05∼0.2; W=0.1∼1.0)이며 M은 Cu, V, Co로 구성된 금속 단체들 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소를 나타낸다.

또한 상기의 합금은 20∼40 KJ/mol H₂의 반응열을 가진다.

상기 본 발명의 유니트를 수개의 유니트로 연속으로 결합하여 구성하여도 된다.

상기 본 발명에서 사용한 다수의 밸브는 각각의 수소반응조와 수소저장조간의 수소가스 이동을 위한 밸브5, 6, 7, 8(V5, 6, 7, 8)과 열교환 파이프를 통해 순환되는 냉수 및 온수의 공급을 위한 밸브1, 2, 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16(V1 ,2, 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16)으로 구성된다.보다 자세히 설명하면 상기 다수의 밸브는 각 단위셀의 수소저장조와 수소반응조간에 연결된 배관에 설치되어 수소 교환을 개폐하는 밸브5, 7(V5, 7) 및 밸브 6, 8(V6, 8)과,상기 물저장탱크로부터 공급되는 물을 각각의 단위셀에 공급함과 동시에 각각의 단위셀을 구성하는 수소저장조와 수소반응조간의 물 교환을 하도록 배관에 설치되어 개폐되는 밸브 1, 4(V1, 4)와,상기 각의 단위셀 수소저장조에 연결된 배관에 설치되어 수소를 탈착시키기 위한 열원을 공급하는 밸브2, 3(V2,3)와,상기 각 단위셀로부터의 승온된 물을 비닐하우스로 공급하는 배관에 설치되어 개폐되는 밸브 11, 15, 10, 16(V11,15,10,16)와,상기 각 단위셀에서 탈착시키기 위한 물이 흐르게 연결된 배관을 개페하는 밸브 9, 13, 12, 14(V9, 13, 12, 14)로 구성된다.상기와 같은 본 발명을 이루는 각 밸브의 개폐를 승온 및 재생 단계에 따라 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.- 단위 셀1(unit 1)의 승온 과정시수소저장조1(R1)에서 수소반응조1(R2)로 수소가 이동할 때 수소 방출시 공급되는 열원은 심야전력에서 가열된 열이 밸브3(V3)을 경유하여 수소저장조1(R1)이 내부에 수소가 방출할 수 있는 열원을 공급한 다음, 밸브9(V9)을 경유하여 다시 심야전력을 이용한 가열기로 들어가게 된다.한편, 수소반응조1(R2)로는 물저장탱크에 있던 물이 펌프를 통하여 밸브1(V1)를 지나 들어오게 되는데, 수소저장합금은 수소와 만나 수소화반응이 일어 날 때 상당한 열을 발생시킴으로 수소반응조1(R2) 내부에서 수소화반응열과 저장탱크에서 들어온 물 사이에 열교환이 일어나 고온으로 승온된 물이 밸브11(V11)과 밸브15(V15)를 통과하여 비닐하우스의 난방에 이용된다.이렇게 단위 셀1(unit 1)이 승온과정을 수행할 때 승온된 물과 수소저장조1(R1)의 수소 방출에 필요한 열원을 공급한 물이 섞이지 않게 밸브13(V13)을 닫은 상태로 운전되며 수소의 역 이동을 막기 위해 밸브5(V5) 역시 닫인 상태여야 한다.- 단위 셀2(unit 2)의 재생시이 과정에서는 사용되는 열원은 모두 난방용으로 사용하기에 적절치 못하기 때문에 비닐 하우스로의 유입을 막아야함으로 밸브16(V16)은 닫혀져야 한다.심야전력을 이용한 가열기에서 공급되는 고온의 열원은 밸브2(V2)을 경유하여 수소저장조2(R1-1)로 들어가서 밸브12(V12)을 통하여 심야 전력을 이용한 가열기로 들어가게 되고 수소반응조2(R2-1)에서 수소가 수소저장조2(R1-1)로 밸브6(V6)를 통하여 이동하면 발생되는 열을 제거하여 많은 수소가 저장될 수 있도록 해 주어야 하는데, 이때 냉매는 물 저장탱크에서 밸브4(V4)를 경유하여 들어오게 된다.이렇게 열교환 된 물은 밸브10, 14(V10, 14)를 경유하여 재생과정에 있는 단위 셀2(unit 2)를 순환하게 된다.본 발명 단위 셀 1(cell 1)과 단위 셀 2(cell 2)는 일정한 순환 시간(Cycle time)에 따라 운전된다.순환시 밸브는 앞서 단위 셀1(unit 1)이 승온, 단위 셀2(unit 2)가 재생시에 열고 닫힌 형태의 밸브가 반대로 작용하여 물의 순환과 수소의 이동을 수행하게 한다.즉, 단위 셀1(unit 1)이 승온시 밸브15(V15)와 밸브7(V7)이 열리고 밸브13(V13)과 밸브5(V5)는 닫히지만, 재생과정에 있는 단위 셀2(unit 2)는 밸브16(V16)과 밸브8(V8)이 닫히고 밸브14(V14)와 밸브6(V6)이 열리게 된다.순환 시간(cycle time)이 되면 이들 밸브는 역의 작동하여 물과 수소가 흐르게 된다.

도 3은 본 발명에 사용한 1종의 수소저장합금으로서 성능특성을 측정한 그래프를 도시하고 있는데, 서로 다른 온도일 때 같은 형태의 부호를 가진 각각의 두 개 곡선에서 윗 부분의 곡선은 수소저장합금에 수소가 흡장할 때이며, 아래곡선은 수소가 방출할 때에 수소저장합금의 성능을 측정한 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

실시예 1)

본 발명에서는 먼저 AB₅계 수소저장합금(Mm/Ni/Fe/Al)을 충전시킨 수소저장조1(R1)과 수소반응조1(R2)로 구성하였으며, 각각의 수소저장조와 수소반응조를 도 2와 같이 밸브7, 8(V7, 8)과 밸브5, 6(V5, 6)을 사용하여 연결시켰다.

각각의 수소저장조 및 수소반응조에는 수소저장합금을 각각 650g 정도로 채웠으며, 각각 밸브(valve)의 온/오프(on/off)는 컨트롤 박스(Control box, 도시없음)를 통하여 자동 조절할 수 있도록 하였다.

최초 수소저장조1(R1)에 합금을 채울 때는 대기에서 행하기 때문에 합금에 함유된 불순물을 가열함과 동시에 진공펌프를 이용하여 탈착시킨다. 이 과정을 합금의 활성화라하며 이는 수소를 저장하는데 꼭 필요한 전처리 과정이다.

활성화 과정에서 가열 매체는 물이며 온도는 40℃∼80℃이다. 이 과정은 한번으로 충분치 않기 때문에 여러번 반복 시행한다.

다음으로 수소저장조1(R1)에 수소를 흡장시키는데 초기 20atm으로 약 30분간 순도 99.999%의 수소를 투입하면 흡장이 된다.

이때 발열온도는 최고 92℃인데 냉수를 이용하여 열교환시켜 수소의 흡장이 잘 이루어지게 한다.

도 2에서는 단위 셀 1(cell 1)과 단위 셀 2(cell 2)를 서로 승온 및 재생과정을 통하여 순차적으로 운전하게 설계되어 있다.

단위 셀 1(cell 1)이 승온과정일 때 단위 셀 2(cell 2)는 재생과정에 들어가고 순환 시간(Cycle time)에 의해 이들 과정이 바뀌게 된다.

승온 과정인 단위 셀 1(cell 1)을 보면 심야전력을 이용하여 수소가 저장된 수소저장조1(R1)을 가열하면 수소가 방출된다. 도 1에서 ① - ②의 과정이다.

이렇게 방출된 수소는 밸브7(V7)를 통하여 수소반응조1(R2)로 수소가 이동되며, 수소반응조1(R2)로 들어오는 25℃ 물은 수소화반응에 수반되는 반응열을 이용하여 52℃ 물로 승온된다.

냉수로 열교환된 수소반응조1(R2)은 내부 온도가 낮아진다. 이는 도 1에서 ② - ③으로 가는 과정이다.

한편, 수소저장조1(R1)는 수소를 방출함으로 반응기 내부는 T _l 까지 내려간다.

재생과정인 단위 셀 2(cell 2)는 수소가 저장된 수소저장조2(R1-1)는 단위 셀 1(cell 1)에서 승온된 일부의 열원을 공급받아 수소를 방출하는데 두 합금의 평형압력차이에 의해 수소반응조2(R2-1)로 수소가 밸브8(V8)을 지나 이동한다. 이 과정은 도 1에서 ③ - ④로 가는 과정이다.

이와 같은 방식으로 단위 셀 1(cell 1)과 단위 셀 2(cell 2)는 일정한 순환 시간(Cycle time)에 따라 운전된다.

실시예 2)

단위 셀 1(cell 1)의 승온과정에서는 실시예 1)과 같이 최초 심야전력을 이용하여 약 40℃의 온수가 밸브1(V1)을 통하여 수소저장조1(R1) 반응기로 공급되면 수소가 방출되면서 밸브7(V7)을 통하여 수소반응조1(R2) 반응기로 이동하게 된다.

이 때 수소반응조1(R2) 반응기로 물저장탱크로부터 공급되는 약 52℃의 물이 수소화 반응을 통해 발생되는 열에 의해 승온되어 약 80℃ 물이 밸브11(V11)과 밸브15(V15)를 지나 비닐하우스로 공급되어 난방용으로 사용된다.

그리고 수소저장조1(R1) 반응기에서 나오는 물은 심야전력을 이용하여 가열한 후 탈착에 이용될 열원을 만들어 도 2에서 볼 수 있듯이 순환된다.

한편, 재생과정의 단위 셀 2(cell 2)에서는 수소반응조2(R2-1) 반응기에 저장된 수소가 심야전력으로 덥혀진 40℃ 열원의 일부를 받아 밸브6(V6)을 지나 수소저장조2(R1-1)로 이동된다. 이 때 수소반응조2(R2-1)에서 나오는 물은 우리가 원하는 온도의 물이 아니기 때문에 밸브12(V12)를 지나 탈착 열원으로 순환된다.

또한, 수소저장조2(R1-1) 반응기는 수소가 저장되면서 나오는 열을 교환시키기 위해 저온의 물을 밸브4(V4)를 통해 공급하고 이 수소저장조2(R1-1)를 통과한 물은 밸브10(V10)과 밸브14(V14)를 지나 펌프압을 구동원으로 이용하여 심야 전력으로 40℃ 탈착 열원으로 수소저장조2(R2-1)에 순환된다.

본 발명에서 단위 셀 1(cell 1)이 승온 과정일 때는 밸브13(V13)이 닫힌 상태에서 운전이 되고 재생 과정일 때는 밸브15(V15)가 닫힌 상태에서 운전된다.

반면 단위 셀 2(cell 2)가 재생 과정일 때는 밸브16(V16)이 닫히며, 승온 과정일 때는 밸브14(V14)가 닫힌 상태에서 운전된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<참고문헌>

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[2] B.H. Kang외 2인, Dynamic behavior of heat and hydrogen transfer in a metal hydride cooling system, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 21, No. 9, pp. 769-774, 1996

{3] S.E. Lee외 3인, Operating charateristics of metal hydride heat pump using Zr-based Laves phases,

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[5] 河合重征, 西崎倫義, エネルギㆍ資源, 5,(4) 350-355, 1984

[6] P.P. Turillon, J. less-Common Met., 74, 322, 1980

[7] M. Ron, J. Less-Common Met., 104, 259, 1984

상기와 같은 본 발명 수소저장합금을 이용한 지중 난방시스템은 전기나, 유류만을 사용하지 않고, 수소저장합금에 의한 반응열 및 심야전기를 보조적으로 사용하여 구성함으로서 농가의 난방비 부담을 경감시키고, 소형 장치로 에너지를 저장할 수 있는 등의 장점이 있다.

Claims

수소저장합금을 이용한 온실용 지중난방 반응장치를 구성함에 있어서,

일반식 Mm(Ni_XFe_YAl_ZM_W)_n을 만족하는 AB₅계 수소저장합금이 각각 저장된 수소반응조 및 수소저장조와, 이 수소반응조와 수소저장조간의 수소 및 온수이동과 비닐하우스로의 온수이동을 위한 다수의 밸브 및 배관으로 연결구성된 단위셀을 순환 시간(Cycle time)에 따른 밸브의 개폐로 서로 승온 및 재생과정이 순차적으로 전환되도록 승온과정 단위셀 및 재생과정 단위셀로 구성한 유니트와,

상기 승온과정 단위셀의 수소저장조에 수소방출용 열원을 공급하는 심야전력 공급기와,

상기 각 밸브의 온/오프(on/off)를 자동제어하는 컨트롤 박스와,

상기 유니트와 배관으로 연결되어 온수를 공급받는 비닐하우스와,

상기 비닐하우스를 순환한 온수를 저장하는 물저장탱크와,

상기 승온과정 단위셀 및 재생과정 단위셀에 물저장탱크의 물을 공급하는 단일 펌프로 구성한 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 다수의 밸브는 각 단위셀의 수소저장조와 수소반응조간에 연결된 배관에 설치되어 수소 교환을 개폐하는 밸브5, 7(V5, 7) 및 밸브 6, 8(V6, 8)과,

상기 물저장탱크로부터 공급되는 물을 각각의 단위셀에 공급함과 동시에 각각의 단위셀을 구성하는 수소저장조와 수소반응조간의 물 교환을 하도록 배관에 설치되어 개폐되는 밸브 1, 4(V1, 4)와,

상기 각의 단위셀 수소저장조에 연결된 배관에 설치되어 수소를 탈착시키기 위한 열원을 공급하는 밸브2, 3(V2,3)와,

상기 각 단위셀로부터의 승온된 물을 비닐하우스로 공급하는 배관에 설치되어 개폐되는 밸브 11, 15, 10, 16(V11,15,10,16)와,

상기 각 단위셀에서 탈착시키기 위한 물이 흐르게 연결된 배관을 개페하는 밸브 9, 13, 12, 14(V9, 13, 12, 14)로 구성한 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치.
제 1항에 있어서,

상기 일반식이 Mm(Ni_XFe_YAl_ZM_W)_n(이 식에서 n=X+Y+Z+W; X=3.0∼4.4; Y=0.2∼1.0; Z=0.05∼0.2; W=0.1∼1.0)로 이루어진 수소저장합금에서 M은 Cu, V, Co로 구성된 금속 단체들 중에서 선택된 적어도 1개 이상의 원소이며, 20∼40 KJ/mol H₂의 반응열을 가지는 합금을 사용한 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 지중난방 장치.