KR100837973B1 - 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미분말 필터링 구조를 갖는 수소 연료전지 자동차용 수소저장합금 탱크에 관한 것으로, 고체상의 수소저장합금의 형태로 수소를 저장하는 수소저장합금 탱크에 있어서, 상기 수소저장합금 탱크의 단부에 형성되어 수소가 유입 및 배출되는 수소입출부; 상기 수소저장합금 탱크의 내측에 설치되어 수소저장합금의 미분말이 상기 수소입출부를 통해 배출되지 못하도록 수소저장합금의 미분말을 필터링하는 미분말 필터; 및 상기 수소저장합금 탱크의 내측에 설치되되 미분말이 상기 미분말 필터에 도달하기 전 포집할 수 있도록 상기 미분말 필터보다 내측에 설치되며, 자력에 의해 상기 미분말 필터쪽으로 진행하는 수소저장합금의 미분말을 포집하는 미분말 포집부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 수소저장합금의 미분말을 포집하여 미분말 필터의 성능 저하를 방지함으로써 미분말 필터의 막힘에 의한 수소 공급 중단 및 수소저장합금 탱크의 내압 증가에 따른 탱크 파손 가능성 등의 문제를 해결할 수 있다.

수소저장합금 탱크, 미분말, 필터링, 미분말 포집부재

Description

미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크{Metal hydride hydrogen storage tank with filter for micronized metal hydride powder}

도 1은 종래의 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 단면도.

도 2는 종래의 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 단면도.

도 4는 도 3에 따른 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 수소저장합금 탱크 110 : 수소저장합금

120 : 수소 입출부 130 : 밸브

140 : 미분말 필터 150, 150' : 미분말 포집부재

본 발명은 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자력으로 수소저장합금의 미분말을 포집하여 미분말 필터의 성능 저 하를 방지하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크에 관한 것이다.

환경 친화적인 자동차 개발을 위해 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있다. 현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 고압(300 또는 700bar)의 수소저장 시스템이 사용되고 있는데, 이 방법으로 내연기관 자동차에 준하는 일충전 주행거리 목표를 달성하기 위해 필요한 수소(약 5kg)를 저장하는 데는 한계가 있다.

압축 수소를 사용할 경우 부피저장밀도가 낮아 5kg의 수소를 저장하기 위해서는 350bar일 때 25℃에서 약 215ℓ의 공간을 필요로 하므로, 이는 자동차 상의 공간 활용 측면에서 상당히 불리하다. 또한, 700bar의 경우에는 시스템의 무게 및 가격 측면에서 불리하여 새로운 수소저장 방법을 모색하고 있다.

새로운 수소저장 방법 중 하나는 고체 상태의 수소저장 재료를 이용하는 것으로, 금속수소화물(metal hydride), 금속 착수소화물(complex metal hydride), 나노 다공성 재료 등이 이용된다.

수소저장합금을 이용하면 가역적으로 수소를 저장할 수 있지만, 수소 저장 및 방출을 반복하게 되면 반복되는 팽창/수축으로 인해 합금 분말의 미분화가 일어난다.

이러한 합금의 미분말이 다른 부품의 고장을 일으키지 않도록 도 1에 도시된 바와 같이 수소저장합금 탱크(1)의 출구에 필터(4)를 설치하거나, 도 2에 도시된 바와 같이 미분말이 회수될 수 있도록 다공성 금속으로 미분말 회수실(10)을 만들어 필터(14)의 앞쪽에 설치한다.

그러나 필터를 설치하는 경우라도 수소 방출시 미분화된 합금 분말이 필터에 쌓이게 된다. 수소의 충전시 고압의 수소가 탱크 쪽으로 유입되기 때문에 필터에 쌓여 있던 미분말의 일부가 떨어져 나가긴 하지만 수소의 충전 및 방출이 반복되면 필터 주위에 쌓이는 미분말의 양이 많아져 필터의 성능이 저하된다.

미분말 회수실()을 설치하는 경우 필터만을 사용할 때보다 미분말의 축적을 감소시킬 수는 있으나, 미분말 회수실을 구성하는 다공성 금속에 미분말이 축적된다.

이와 같이 축적되는 미분말의 양이 많아지고 미분말의 축적이 지속되면 필터의 성능이 저하되고 심하게는 수소의 유로가 점점 좁아지다 막힐 우려가 있다 이로 인해 수소 공급이 중단되어 연료전지 시스템의 작동이 멈추게 될 뿐만 아니라 탱크의 내압 상승으로 인하여 파손의 위험성이 있다.

본 발명의 목적은 자력으로 수소저장합금의 미분말을 포집하여 미분말 필터의 성능 저하를 방지함으로써 미분말 필터의 막힘에 의한 문제 발생을 방지하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고체상의 수소저장합금의 형태로 수소를 저장하는 수소저장합금 탱크에 있어서, 상기 수소저장합금 탱크의 단부에 형성되어 수소가 유입 및 배출되는 수소입출부; 상기 수소저장합금 탱크의 내측에 설치되어 수소저장합금의 미분말이 상기 수소입출부를 통해 배출되지 못하도 록 수소저장합금의 미분말을 필터링하는 미분말 필터; 및 상기 수소저장합금 탱크의 내측에 설치되되 미분말이 상기 미분말 필터에 도달하기 전 포집할 수 있도록 상기 미분말 필터보다 내측에 설치되며, 자력에 의해 상기 미분말 필터쪽으로 진행하는 수소저장합금의 미분말을 포집하는 미분말 포집부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크를 제공한다.

상기 미분말 포집부재는 자석인 것을 특징으로 한다.

상기 미분말 포집부재는 얇은 판 형상의 자석이 복수 개로 구비되어 수소저장합금의 미분말과의 접촉 면적이 최대가 될 수 있을 정도의 간격을 두고 서로 이격 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 미분말 포집부재는 수소저장합금의 미분말을 자력으로 포집할 수 있도록 코일에 자기장을 형성한 형태인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크에 관해 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 따른 수소저장합금 탱크의 일부를 도시한 사시도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소저장합금 탱크(100)는 수소를 고체 상태로 저장하는 탱크로, 내부에 고체상의 수소 저장 재료인 수소저장합금(110)을 수납하여 수소를 저장 또는 방출한다.

수소저장합금 탱크(100)의 일단부에는 밸브(130)가 설치된 수소 입출부(120) 가 형성되어 이를 통해 수소가 출입한다.

또한, 수소저장합금 탱크(100)의 내측에는 미분말 필터(140) 및 미분말 포집부재(150, 150')가 설치되어 수소저장합금(110)으로부터 떨어져나온 미세한 합금 분말(미분말)을 필터링한다.

미분말 필터(140)는 수소저장합금 탱크(100)의 내측에서도 수소 입출부(120) 쪽에 가깝게 설치되며, 미분말 포집부재(150, 150')는 미분말 필터(140)보다 더 안쪽에 설치되어 배출되는 수소 가스에 섞여 있는 미세한 합금 분말이 미분말 필터(140)에 도달하기 전에 먼저 한 번 걸러주는 역할을 한다.

미분말 포집부재(150, 150')는 합금 분말의 자기적 성질을 이용하여 미분말 필터(140)에 도달하는 양을 감소시켜 미분말 필터(140)의 성능 저하를 방지한다.

수소저장합금은 수소와 합금을 특정한 온도와 압력 조건에서 반응해 금속수소화물(metal hydride)을 형성함으로써 수소를 저장하는 물질로, 수소를 저장할 때 열을 발생시키면서 팽창하고, 형성된 수소화물에 열을 가하면 합금에서 수소가 방출되면서 수축한다.

이러한 과정을 반복함에 따라 수소가 방출될 때 미세하게 부서진 합금 분말(미분말)이 방출되는 수소와 함께 이동하여 수소 배출 유로 상에 있는 밸브(130)나 레귤레이터 등의 작동에 이상을 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해 미분말을 효과적으로 포집할 수 있는 미분말 포집부재(150, 150')를 사용하는 것이다.

수소저장합금은 LaNi₅, SmCo₅, LaCo₅ 등의 천이 금속(transition elements) 또는 희토류 금속 등 자성 원소를 포함한 것이 많다. 수소저장합금이 수소와 반응한 상태에서는 수소화물을 이루므로 자기적 성질이 감소하지만, 수소저장합금의 미분말은 수소와 분리된 상태이므로 합금 분말의 자기적 성질을 이용하여 포집이 가능하다.

따라서 미분말 포집부재(150, 150')는 자석이나, 코일 등에 자기장을 형성하는 등 자력을 이용하여 다양한 형태로 구현이 가능하다. 즉, 원판형이나 중앙에 중공이 형성된 링 형태, 또는 사각형 등 다양한 형태의 자석을 사용한 자석형 미분말 포집부재(150)나, 코일형 미분말 포집부재(150') 등을 다양하게 사용할 수 있다.

또한, 미분말 포집부재(150)는 미세한 합금 분말의 포집 성능을 향상시키기 위해 미분말과 미분말 포집부재(150)의 접촉 면적을 최대한 넓게 하는 것이 좋으므로 다양한 형태의 자석을 얇은 판 형상으로 구비한 후 2개 이상 복수 개로 서로 이격 설치하여 사용할 수 있다.

이때 각각의 자석은 접촉 면적을 증가시킬 수 있을 정도의 간격을 두고 이격되는 것이 바람직하다. 코일에 자기장을 걸어 사용하는 코일형 미분말 포집부재(150')의 경우에도 코일의 굵기나 간격 등에 변화를 주어 미분말과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있다.

미분말 필터(140)보다 내측에서 미분말 포집부재(150, 150')가 미세한 합금 분말을 먼저 포집하므로 미분말 필터(140)쪽으로 유입되는 미분말의 양이 크게 감소되어 미분말 필터(140)의 막힘을 방지할 수 있다.

따라서 미분말 필터의 성능 저하를 방지함은 물론, 수소저장합금 탱크의 내 압이 증가하거나 그에 따른 탱크의 성능 저하와 같은 미분말 필터의 막힘에 의한 문제를 해결할 수 있다.

본 발명의 미분말 포집부재의 경우 종래에 필터만 사용하거나 미분말 회수실을 설치할 때보다 미분말 포집부재의 사용 수명이 훨씬 길고, 미분말 포집부재의 수명이 미분말 필터의 수명보다 길기 때문에 미분말 필터의 교환 시기에 맞추어 미분말 포집부재를 교환할 수 있어 종래보다 유지 보수 비용이 감소되는 추가적인 효과도 기대할 수 있다.

한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크는 수소저장합금의 미분말을 포집하여 미분말 필터의 성능 저하를 방지함으로써 미분말 필터의 막힘에 의한 수소 공급 중단 및 수소저장합금 탱크의 내압 증가에 따른 파손 위험성 등의 문제를 해결할 수 있다.

Claims (4)

1. 고체상의 수소저장합금(110)의 형태로 수소를 저장하는 수소저장합금 탱크(100)에 있어서,

   상기 수소저장합금 탱크(100)의 단부에 형성되어 수소가 유입 및 배출되는 수소 입출부(120);

   상기 수소저장합금 탱크(100)의 내측에 설치되어 수소저장합금(110)의 미분말이 상기 수소 입출부(120)를 통해 배출되지 못하도록 수소저장합금(110)의 미분말을 필터링하는 미분말 필터(140); 및

   상기 수소저장합금 탱크(100)의 내측에 설치되되 미분말이 상기 미분말 필터(140)에 도달하기 전 포집할 수 있도록 상기 미분말 필터(140)보다 내측에 설치되며, 자력에 의해 상기 미분말 필터(140) 쪽으로 진행하는 수소저장합금(110)의 미분말을 포집하는 미분말 포집부재(150, 150')를 포함하는 것을 특징으로 하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크.
2. 제1항에 있어서,

   상기 미분말 포집부재(150)는 자석인 것을 특징으로 하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크.
3. 제2항에 있어서,

   상기 미분말 포집부재(150)는 얇은 판 형상의 자석이 복수 개로 구비되어 수소저장합금(110)의 미분말과의 접촉 면적이 최대가 될 수 있을 정도의 간격을 두고 서로 이격 설치된 것을 특징으로 하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크.
4. 제1항에 있어서,

   상기 미분말 포집부재(150')는 수소저장합금(110)의 미분말을 자력으로 포집할 수 있도록 코일에 자기장을 형성한 형태인 것을 특징으로 하는 미분말 필터링 구조를 갖는 수소저장합금 탱크.

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