KR100946235B1

KR100946235B1 - 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치

Info

Publication number: KR100946235B1
Application number: KR1020080010752A
Authority: KR
Inventors: 전봉경
Original assignee: 김병관
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2010-03-09
Also published as: KR20090084524A

Abstract

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 수소가스가 흡장 및 방출됨에 따라 발열 및 흡열하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치에 있어서, 수소가스 흡장시 발열반응하고, 수소가스 방출시 흡열반응 하는 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기와, 제1 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제2 수소저장용기에 강제 압송하여 제1 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제2 수소저장용기에 수소가스를 흡장시키는 제1 사이클과, 제2 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제1 수소저장용기에 강제 압송하여 제2 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제1 수소저장용에 수소가스를 흡장시키는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 펌프수단과, 상기 발열반응 중인 수소저장용기에서 방출된 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 고온 열교환기와, 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로에 설치되어 상기 고온 열교환기에 유입된 수소가스의 압력값이 미리 설정된 압력값에 도달하면 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로를 개방하여 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스를 상기 흡열반응 중인 수소저장용기측으로 이동시키는 릴리프 밸브와, 상기 흡열반응 중인 수소저장용기를 통과한 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 저온 열교환기 및 상기 수소가스의 이동경로상에 복수개 설치되고, 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단, 상기 제2 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제1 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동되고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가 상 기 펌프수단, 상기 제1 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제2 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동될 수 있도록 상기 수소가스의 이동경로를 선택적으로 변환하는 경로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치가 제공된다.

상기한 본 발명에 따르면, 수소가스가 펌프수단, 제2 수소저장용기, 고온 열교환기, 제1 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제1 사이클 및 수소가스가 펌프수단, 제1 수소저장용기, 고온 열교환기, 제2 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 순환구조를 취하고, 제1 및 제2 수소저장용기의 발열반응 및 흡열 반응의 전환과 상관없이 고온 열교환부는 지속적으로 고온의 수소가스가 유입되며, 저온 열교환부는 저온의 수소가스가 유입됨으로써, 고온 열교환부와 저온 열교환부에서 각각 발열반응과 흡열반응이 지속적으로 이루어게되어 열효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 수소저장합금의 발열 및 흡열반응에 의해 수소저장합금 분말과 열교환되어 가열 및 냉각된 수소가스가 고온 열교환기 및 저온 열교환기로 반응열을 공급하여 열교환기와 외부공기가 열교환함으로써 열효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

아울러, 수소가스는 수소와 불활성가스를 혼합한 혼합가스를 사용하고, 제1 수소저장용기와 제2 저장용기의 수소 이동로상에 릴리프 밸브를 설치하여 미리 설정된 압력에 따라 고온 열교환기로부터 방출되는 수소 이동로를 개폐함으로써 고온 열교환기와 발열반응 중인 수소저장용기의 내부압력을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐 아니라 고온 열교환기로부터 방출되는 잉여수소가스를 흡열반응 중인 수소저장용기에 제공하여 흡열반응 중인 수소저장용기 내의 열교환매체인 수소가스의 밀도와 유량을 높임으로써 수소저장합금과 수소가스의 수소화 반응속도를 빠르게 하여 흡열반응 중에 발생되는 반응열을 저온 열교환기로 빠르게 이송시킬 수 있는 열전달효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

수소저장합금, 발열, 흡열, 릴리프 밸브

Description

수소저장합금을 이용한 냉,난방장치{Heating and cooling device for hydrogen storage alloys}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소가 펌프수단, 제2 수소저장용기, 고온 열교환기, 제1 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제1 사이클 및 펌프수단, 제1 수소저장용기, 고온 열교환기, 제2 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 순환구조를 취하고, 제1 및 제2 수소저장용기의 발열반응 및 흡열 반응의 전환과 상관없이 고온 열교환부는 지속적으로 고온의 수소가스가 유입되며, 저온 열교환부는 저온의 수소가스가 유입됨으로써, 고온 열교환부와 저온 열교환부에서 각각 발열반응과 흡열반응이 지속적으로 이루게 되어 열효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치에 관한 것이다.

최근 화석연료의 고갈과 환경오염을 해결하기 위한 대체에너지원으로 수력, 풍력, 수소에너지, 태양에너지등의 다양한 에너지원이 연구와 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 그중에서도 수소에너지는 지구표면의 71%인 물(H₂O)로부터 대량생산 이 가능하고, 사용후 물로 환원되어지며, 사용에 따른 오염물질의 배출이 없는 등 대체에너지원으로서 각광을 받고 있다.

그러나, 기화점이 -252.6℃로 대기압 상온에서 기체인 수소는 폭발위험성이 매우 높은 물질로서, 저장효율 및 취급성이 떨어진다. 이러한 수소가스의 취급성과 안정성을 만족할 수 있는 수소저장방법으로 수소저장합금을 이용한 수소저장법, 탄소나노튜브와 같은 탄소계 나노재료에 의한 수소저장법 그리고 유무기물재료에 의한 비탄소계 나노재료에 의한 수소저장법을 들 수가 있다.

특히, 수소저장방법 중 수소저장합금을 이용한 수소저장법은 높은 수소밀도를 얻을 수 있고, 상온에서 체적당의 수소저장량이 많을 뿐 아니라, 고압용기 및 단열용기가 필요치 않고, 안정성이 매우 높아 취급이 용이한 특징이 있다.

또한, 수소와 수소저장합금의 가역반응이 에너지의 변환기능을 갖고 있기 때문에 이러한 다양한 반응특성으로부터의 에너지변환기능을 응용한 냉난방장치, 센서 등의 각종 응용기술의 연구개발이 활발하게 진행되어지고 있으며, 많은 기대를 걸고 있다.

도5는 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도5에 도시된 바와 같이 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치는 용기 내부에 수소저장합금(110,210)이 구비되는 제1,2 반응기(100,200)와, 일측 반응기의 수소가 타측 반응기로 강제 이동하도록 압력차를 생성하는 펌핑수단(300)과, 수 소가스의 이동방향을 선택적으로 제어하는 사방밸브(400) 및 각 반응기를 거쳐 열교환된 공기가 실내 혹은 실외로 선택적인 배출이 이루어지도록 그 유동방향을 결정하는 공기유동 안내수단(500)을 포함한다.

이러한 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치는 펌핑수단(300) 가동되면 제2 반응기(200)의 수소저장합금(210)에 저장되어 있던 수소를 펌핑수단(300)이 수소이동관(900-2)을 통해 제1 반응기(100)측으로 강제 압송하여 제1 반응기(100)의 수소저장합금(110)에 흡장된다. 이 때, 제1 반응기(100)에서는 발열반응이 진행되고 제2 반응기(200)에서는 흡열반응이 진행되기 때문에, 실내를 냉방하기 위해 공기유동 안내수단(500)이 회동하여 상기 제2 반응기(200)와 실내공기 토출덕트(700)를 연통시킴과 동시에 제1 반응기(100)와 실외공기 토출덕트(800)를 연통시키게 된다. 따라서, 제2 반응기(200)측의 외부공기는 제2 반응기(200)에 의해 저온화되고, 저온화된 외부공기는 제2 송풍기(810)에 의해 실내공기 토출덕트(700)를 통해 실내로 토출된다. 이와 동시에, 제1 반응기(100)측의 외부공기는 제2 반응기(200)에 의해 고온화되고, 고온화된 외부공기는 제1 송풍기(710)에 의해 실외공기 토출덕트(800)을 통해 실외로 토출된다.

이후, 제1 반응기(100)의 수소저장합금(110)에 수소가 포화상태가 되면 제어부의 제어에 의해 펌핑수단(300)은 역방향으로 회전하고, 이에 제1 반응기(100)에서 수소가 방출되어 수소이동관(901), 사방밸브(400), 수소이동관(902)을 따라 제2 반응기(200)측으로 이동하게 된다.

한편, 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치가 실내난방을 목적으로 적 용될 경우, 실내공기가 발열반응을 하는 반응기(100,200)측으로 흡입되어 실내공기 토출덕트(700)를 통해 토출되는 점을 제외하고는 전술한 바와 같은 작용을 하며, 따라서 그 설명은 생략하기로 한다.

그러나, 이러한 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치는 반응기내에서 발열반응 및 흡열반응이 일어날 경우 반응기에 내장된 수소저장합금의 서로 근접한 입자간에 열이 전달되면서 제1 및 제2반응기와 외부공기가 열교환이 이루어 지는 바 열 전달경로가 길어져 열효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치는 상기한 바와 같이 제1 반응기(100)와 제2 반응기(200)에서 흡열반응 및 발열반응이 교번적으로 이루어지면서 실내공기와 열교환이 진행됨에 따라, 흡열반응에서 발열반응으로 또는 발열반응에서 흡열반응으로 전환되는 동안 가열과 냉각이 반복되므로 각각 흡열반응, 발열반응하는 동작에 비해 열효율이 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수소가스가 펌프수단, 제2 수소저장용기, 고온 열교환기, 제1 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제1 사이클 및 수소가스가 펌프수단, 제1 수소저장용기, 고온 열교환기, 제2 수소저장용기, 저온 열교환기 순으로 이동되는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 순환구조를 취하고, 제1 및 제2 수소저장용기의 발열반응 및 흡열 반응의 전환과 상관없이 고온 열교환부는 지속적으로 고온의 수소가스가 유입되며, 저온 열교환부는 저온의 수소가스가 유입됨으로써, 고온 열교환부와 저온 열교환부에서 각각 발열반응과 흡열반응이 지속적으로 이루어지게 되어 열효율을 향상시킬 수 있는 수소저장합금을 이용한 냉,난방기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 수소저장합금의 발열 및 흡열반응에 의해 수소저장합금 분말과 열교환되어 가열 및 냉각된 수소가스가 고온 열교환기 및 저온 열교환기로 반응열을 공급하여 열교환기와 외부공기가 열교환함으로써 열효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치를 제공함에 있다.

또한, 수소가스는 수소와 불활성가스를 혼합한 혼합가스를 사용하고, 제1 수소저장용기와 제2 저장용기의 수소 이동로상에 릴리프 밸브를 설치하여 미리 설정된 압력에 따라 고온 열교환기로부터 방출되는 수소 이동로를 개폐함으로써 고온 열교환기와 발열반응 중인 수소저장용기의 내부압력을 일정하게 유지시킬 수 있을 뿐 아니라 고온 열교환기로부터 방출되는 잉여수소가스를 흡열반응 중인 수소저장 용기에 제공하여 흡열반응 중인 수소저장용기 내의 열교환매체인 수소가스의 밀도와 유량을 높임으로써 수소저장합금과 수소가스의 수소화 반응속도를 빠르게 하여 흡열반응 중에 발생되는 반응열을 저온 열교환기로 빠르게 이송시킬 수 있는 열전달효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 수소가스가 흡장 및 방출됨에 따라 발열 및 흡열하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치에 있어서, 수소가스 흡장시 발열반응하고, 수소가스 방출시 흡열반응 하는 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기와, 제1 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제2 수소저장용기에 강제 압송하여 제1 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제2 수소저장용기에 수소가스를 흡장시키는 제1 사이클과, 제2 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제1 수소저장용기에 강제 압송하여 제2 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제1 수소저장용에 수소가스를 흡장시키는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 펌프수단과, 상기 발열반응 중인 수소저장용기에서 방출된 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 고온 열교환기와, 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로에 설치되어 상기 고온 열교환기에 유입된 수소가스의 압력값이 미리 설정된 압력값에 도달하면 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로를 개방하여 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스를 상기 흡열반응 중인 수소저장용기측으로 이동시키는 릴리프 밸브와, 상기 흡열반응 중인 수소저장용기를 통과한 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 저온 열교환기 및 상기 수소가스의 이동경로상에 복수개 설치되고, 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단, 상기 제2 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제1 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동되고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가 상기 펌프수단, 상기 제1 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제2 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동될 수 있도록 상기 수소가스의 이동경로를 선택적으로 변환하는 경로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치가 제공된다.

그리고, 상기 경로전환밸브는, 상기 제2 수소저장용기, 상기 고온 열교환기 및 상기 저온 열교환기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 제2 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기 측으로 이동될 수 있도록 상기 제2 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 제2 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제2 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하는 제1 경로전환밸브와, 상기 고온 열교환기, 제1 수소저장용기 및 상기 제2 수소저장용기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 고온 열교환기에서 상기 제1 수소저장용기 측으로 이동될 수 있도록 상기 고온 열교환기에서 상기 제1 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 고온 열교환기에서 상기 제2 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 고온 열교환기에서 상기 제2 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하는 제2 경로전환밸브와, 상기 제1 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 및 상기 고온 열교환기 사 이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 제1 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제1 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 제1 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제1 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하는 제3 경로전환밸브 및 상기 펌프수단, 제2 수소저장용기 및 상기 제1 수소저장용기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단에서 상기 제2 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 펌프수단에서 상기 제2 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단에서 상기 제1 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 펌프수단에서 상기 제1 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하는 제4 경로전환밸브를 포함한다.

또한, 상기 제1,2 수소저장용기는, 상부에 유입구가 형성되고, 하부에 배출구가 형성된 몸체와, 상면 및 하면에 복수개의 확산공이 형성되고, 상기 몸체의 내부에 설치되는 단열부재 및 상기 단열부재의 내부에 내장되는 수소저장합금을 포함할 수 있다.

아울러, 상기 제1,2 수소저장용기는 상기 몸체 내부의 상,하면과 상기 단열부재의 상,하면 사이에 개재되어 상기 유입구를 통해 몸체 내부로 유입된 수소를 확산시키는 한쌍의 필터부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 수소가스는 수소와 불활성가스의 혼합가스인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 수소저장합금의 발열 및 흡열반응에 의해 수소저장합금 분말과 열교환되어 가열 및 냉각된 수소가스가 고온 열교환기 및 저온 열교환기로 반응열을 공급하여 고온 열교환기 및 저온 열교환기와 외부공기가 열교환함으로써 열효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

설명에 앞서 본 발명의 일실시에서 흡열반응 중인 수소저장용기에서 발생되는 반응열을 저온 열교환기로 빠르게 이송시켜 열전달효율을 현저하게 향상시킬 수 있도록 수소와 불활성가스인 아르곤이 15:1로 혼합된 수소가스를 제시하였다.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치는 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)와, 펌프수단(30)과, 고온 열교환기(40)와, 릴리프 밸브(50)와, 저온 열교환기(60)와, 경로전환밸브(70) 및 축압수단(80)을 포함하여 구성된다.

제1 및 제2 수소저장용기(10,20)는 일측이 저온 열교환기(60)에서 방출되는 수소가스의 이동로 및 고온 열교환기(40)에서 방출되는 수소가스의 이동로와 연결되고, 타측에 고온 열교환기(40)로 유입되는 수소가스의 이동로 및 저온 열교환기(60)로 유입되는 수소가스의 이동로와 연결되는데, 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)의 구조는 도2에서 상세히 설명하도록 한다.

펌프수단(30)은 후술하는 저온 열교환기(60)에서 방출되는 수소가스의 이동로에 설치되어 제1 수소저장용기(10)에서 제2 수소저장용기(20)로 수소가스를 강제 압송하는 제1 사이클과, 제2 수소저장용기(20)에서 제1 수소저장용기(10)로 수소를 강제 압송하는 제2 사이클을 교번적으로 수행한다.

축압수단(80)은 수소가스를 저장한 후 초기 동작시 제1 수소저장용기(10)로 수소를 공급하는 역할을 한다.

고온 열교환기(40)는 내열성이 좋은 재질로 형성되며 외부공기와 열교환을 하는 면적을 늘여 열교환의 효율을 향상시키기 위해 복수번 절곡형성되어 있다. 그리고 고온 열교환기(40)는 일측이 제1 수소저장용기(10)와 제2 수소저장용기(20)로부터 방출되는 수소가스가 유입되는 수소이동로와 각각 연결되고, 다른 일측은 고온 열교환기(40)를 통과한 수소가스가 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)로 방출되는 수소이동로와 각각 연결되어 있다.

릴리프 밸브(50)는 고온 열교환기(40)를 통과한 수소가스가 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)로 방출되는 수소이동로에 설치되어 고온 열교환기(40)에 유입된 수소가스의 압력값이 미리 설정된 압력값에 도달하면 고온 열교환기(40)를 통과한 수소가스가 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)로 방출되는 수소이동로를 개방하여 고온 열교환기(40)과 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)의 내부압력을 일정하게 유지시킬 뿐만 아니라 고온 열교환기(40)로부터 방출되는 수소가스를 제1 수소저장용기(10) 또는 제2 수소저장용기(20)로 이동시키는 역할을 한다.

저온 열교환기(60)는 저온에 강한 재질로 형성되며 외부공기와 열교환을 하는 면적을 늘여 열교환의 효율을 향상시키기 위해 복수번 절곡형성되어 있다. 그리고, 저온 열교환기(60)는 일측이 제1 수소저장용기(10)와 제2 수소저장용기(20)로 부터 방출되는 수소가스가 유입되는 수소이동로와 각각 연결되고, 다른 일측은 고온 열교환기(40)를 통과한 수소가스가 제1 및 제2 수소저장용기(20)로 방출되는 수소이동로와 각각 연결되어 있다.

경로전환밸브(70)는 제1 경로전환밸브(71)와, 제2 경로전환밸브(72)와, 제3 경로전환밸브(73)와; 펌프수단(30), 제4 경로전환밸브(74)를 포함하고, 제1 사이클시 수소가 펌프수단(30), 제2 수소저장용기(20), 고온 열교환기(40), 제1 수소저장용기(10), 저온 열교환기(60) 순으로 이동되고, 제2 사이클시 펌프수단(30), 제1 수소저장용기(10), 고온 열교환기(40), 제2 수소저장용기(20), 저온 열교환기(60) 순으로 이동될 수 있도록 수소가스의 이동경로를 선택적으로 전환하는 역할을 한다.

제1 경로전환밸브(71)는 제2 수소저장용기(20), 고온 열교환기(40) 및 저온 열교환기(60) 사이에 설치되어 제1 사이클시 수소가스가 제2 수소저장용기(20)에서 고온 열교환기(40)측으로 이동될 수 있도록 제2 수소저장용기(20)에서 고온 열교환기(40)에 연결되는 수소이동로를 개방하고, 제2 사이클시 수소가스가 제2 수소저장용기(20)에서 저온 열교환기(60)측으로 이동될 수 있도록 제2 수소저장용기(20)에서 저온 열교환기(60)에 연결되는 수소이동로를 개방하는 역할을 한다.

제2 경로전환밸브(72)는 고온 열교환기(40), 제1 수소저장용기(10) 및 제2 수소저장용기(20) 사이에 설치되어 제1 사이클시 수소가스가 고온 열교환기(40)에서 제1 수소저장용기(10)측으로 이동될 수 있도록 고온 열교환기(40)에서 제1 수소저장용기(10)에 연결된 수소이동로를 개방하고, 제2 사이클시 수소가스가 고온 열 교환기(40)에서 제2 수소저장용기(20)측으로 이동될 수 있도록 고온 열교환기(40)에서 제2 수소저장용기(20)에 연결된 수소이동로를 개방하는 역할을 한다.

제3 경로전환밸브(73)는 제1 수소저장용기(10), 저온 열교환기(60) 및 고온 열교환기(40) 사이에 설치되어 제1 사이클시 수소가스가 제1 수소저장용기(10)에서 저온 열교환기(60)측으로 이동될 수 있도록 제1 수소저장용기(10)에서 저온 열교환기(60)측의 수소이동로를 개방하고, 제2 사이클시 수소가스가 제1 수소저장용기(10)에서 고온 열교환기(40)측으로 이동될 수 있도록 제1 수소저장용기(10)에서 고온 열교환기(40)측의 수소이동로를 개방하는 역할을 한다.

제4 경로전환밸브(74)는 펌프수단(30), 제2 수소저장용기(20) 및 제1 수소저장용기(10) 사이에 설치되어 제1 사이클시 수소가스가 펌프수단(30)에서 제2 수소저장용기(20)측으로 이동될 수 있도록 펌프수단(30)에서 제2 수소저장용기(20)에 연결된 수소이동로를 개방하고, 제2 사이클시 수소가스가 펌프수단(30)에서 제1 수소저장용기(10)측으로 이동될 수 있도록 펌프수단(30)에서 제1 수소저장용기(10)에 연결된 수소이동로를 개방하는 역할을 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방기의 제1 및 제2 반응기의 전체 사시도이다.

도2에서 보는 바와 같이 제1 및 제 2 수소저장용기(10,20)는 원통형상의 몸체(11,21)와, 몸체(11,21) 내부에 설치되는 단열부재(12,22)와, 상기 단열부재(12,22)의 내부에 내장되는 수소저장합금(13,23) 및 몸체(11,21) 내부의 상면과 상기 단열부재(12,22)의 상면 사이에 개재되는 한쌍의 필터부재(14,24)를 포함하여 구성된다.

몸체(11,21)는 원통형상으로 형성되고, 상면에 수소가 유입되는 유입구(11a,21a)가 형성되며, 하면에는 배출구(11b,21b)가 형성된다.

단열부재(12,22)는 상면과 하면에 복수개의 확산공(12a,22a)이 형성되고, 내부에 수용부가 형성된 원통형상으로 형성되어 몸체(11,21)의 내부에 설치되는 것으로, 수소저장합금(13,23)이 발열반응 및 흡열반응할 경우 외부와 열교환되는 것을 차단하는 역할을 한다. 이때, 단열부재(12,22)는 수소저장합금(13,23)과 외부와의 열교환을 차단하기 위해 단열성이 좋은 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

수소저장합금(13,23)은 수소가 흡장될 경우 금속수화물이 만들어지면서 발열반응이 일어나고, 수소가 수소저장합금(13,23)에서 방출될 경우 흡열반응이 일어나는 금속이다. 수소저장합금(13,23)의 바람직한 조건으로는 내부활성화가 용이하고, 수소가스의 저장능력이 크며, 수소가스의 흡수 및 방출속도가 커야할 뿐만 아니라 수소가스의 반복적인 흡수와 저장에 따라 열화되지 않고, 합금의 미분화가 작고, 내구성이 우수해야 한다.

필터부재(14,24)는 수소가스 방출시 수소가스와 수소저장합금 분말을 분리하고 분말 형태의 수소저장합금분말이 단열부재(12,22)의 확산공(12a,22a)을 통해 외부로 이탈되는 것을 방지하는 역할을 한다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 동작설명을 도3 및 도4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명의 제1사이클에 따른 수소가스의 이동방향을 도시한 도면이고, 도4는 본 발명의 제2 사이클에 따른 수소가스의 이동방향을 도시한 도면이다.

설명에 앞서 본 발명의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 동작은 연속적으로 수행되는 순환동작이나, 본 발명의 일실시예에서는 설명의 편의를 위해 동작을 단계적으로 설명하였음을 밝혀둔다.

먼저, 제1 사이클시 초기 축압수단에 저장되어 있던 수소가스가 제1 수소저장용기(10)에 유입되면 수소가스 중 수소는 제1 수소저장용기에 내장된 수소저장합금에 흡장되어 금속수화물의 형태로 저장되어지고, 불활성가스인 아르곤가스는 제1 수소저장용기에 잔존하게 된다.

이후, 펌프수단(30)이 가동되면 제1 수소저장용기에 내장된 금속수화물은 수소저장합금과 수소로 분리되면서 흡열반응이 일어나게 되고, 흡열반응에 의해 냉각된 수소가스(수소와 아르곤의 혼합가스)는 펌프수단(30)의 흡입력에 의해 저온 열교환기(60)를 이동되고 제2 수소저장용기(20)로 강제 압송된다. 이때, 냉각된 수소가스는 저온 열교환기(60)를 통과하면서 외부공기와 열교환이 일어난다.

이후, 제2 수소저장용기(20)로 강제 압송된 수소가스는 릴리프밸브(50)의 개폐작동에 의해 가압 및 압축되어 수소가스의 대부분은 제2 수소정장용기에 내장된 수소저장합금(23)에 흡장되며, 남은 수소가스는 고온 열교환기(40)측으로 이동된다. 제2 수소저장용기(20)에 내장된 수소저장합금(23)은 수소가스가 흡장됨에 따라 발열반응이 일어나게 되어 수소저장합금(23)에 흡장되고 남은 수소와 잔존하는 아 르곤 가스는 수소저장용기(20)를 통과되면서 수소가스는 발열반응에 의해 고온화된다.

제2 수소저장용기(20)를 통과하는 고온의 수소가스는 고온 열교환기(40)측으로 유입되어 고온 열교환기(40)를 통과하면서 외부공기와 열교환이 일어난다. 고온 열교환기를 통과한 수소가스는 고온 열교환기(40)로부터 방출되는 수소가스의 이동로에 릴리프 밸브(50)를 거치게 된다. 이때, 릴리프 밸브(50)는 고온 열교환기(40)의 내부기압이 미리 설정된 압력에 도달할 때까지 고온 열교환기(40)로부터 방출되는 수소가스의 이동로를 폐쇄하게 된다. 예를 들어, 상기한 수소가스는 수소와 아르곤의 비율이 15:1로 혼합된 혼합가스로 14기압이고, 릴리프 밸브(50)의 설정된 기압이 12기압이면 릴리프 밸브(50)로부터 방출되는 수소가스는 2기압만큼의 수소가스가 방출되는 것이다. 이렇게 릴리프 밸브(50)로부터 방출된 잉여수소가스는 제1 수소저장용기(10)로 유입된다.

상기한 바와 같이 릴리프 밸브(50)를 사용하여 설정된 압력을 초과하는 만큼의 잉여수소가스를 제1 수소저장용기(10)로 방출하는 이유는 제1 사이클시 펌프수단(30)에 의해 제1 수소저장용기(10)에 저장된 수소가 제2 수소저장용기(20)로 강제 방출되는 바, 제1 수소저장용기(10)의 내부는 수소저장합금(13)의 흡열반응으로 인해 내부가 매우 저온화 되어 있을뿐 아니라 수소가 방출됨으로써 수소가스의 흐름이 중단되고 진공에 가까운 상태로 단열이 되면서 열교환이 어려워지며 이에 수소저장합금(13)이 압력과 기온이 낮아짐에 따라 탈수소화 반응이 낮아지는 점을 고려하여 저온 진공에 가까운 상태의 제1 수소저장용기에 고온 열교환기(40)를 통해 상온의 수소가스를 유입하여 제1 수소저장용기(10)의 흡열반응을 원활히 함과 동시에 유체의 흐름을 지속적으로 유도하여 수소저장합금과 수소가스와의 열교환 속도의 향상을 도모하고자 한 것이다. 그리고, 제2 사이클시 또한 같은 이유이다.

다음, 제1 수소저장용기(10)로 유입된 수소가스는 다시 펌프 수단(30)에 의해 저온 열교환기(60)를 통해 제1 수소저장용기(10)로 강제 압송되는 동작이 반복된다.

한편, 제2 수소저장용기(20)에 수소가스의 흡장량이 포화상태가 되면 도면에 도시되어 있지 않지만 각 경로전환밸브(70)를 제어하는 제어부가 상기한 바와 같이 각 경로전환밸브(70)에 신호를 인가하여 수소이동로를 전환하는 바 제2 수소저장용기(20)에 저장된 수소가스는 펌프수단(30)에 의해 저온 열교환기(60)를 통해 제1 수소저장용기(10)로 강제 압송된다.. 이때, 경로전환밸브(70)가 수소이동로를 전환하는 시점은 제2 수소저장용기(20)의 포화량, 압력, 온도, 제1 수소저장용기(10)의 방출량, 압력, 온도 등 여러 환경을 고려하여 설정된다.

이후, 제1 수소저장용기(10)로 강제 압송된 수소가스의 대부분은 제1 수소정장용기에 내장된 수소저장합금(13)에 흡장되며, 남은 수소가스는 고온 열교환기(40)측으로 이동된다. 제1 수소저장용기(10)에 내장된 수소저장합금(13)은 수소가스가 흡장됨에 따라 발열반응이 일어나게 되어 수소저장합금(13)에 흡장된 수소과 잔존하는 아르곤 가스 및 제1 수소저장용기(10)를 통과하는 수소가스는 발열반응에 의해 고온화된다.

제1 수소저장용기(10)를 통과하는 고온의 수소가스는 고온 열교환기(40)측으 로 유입되어 고온 열교환기(40)를 통과하면서 외부공기와 열교환이 일어난다. 고온 열교환기(40)를 통과한 수소가스는 고온 열교환기(40)로부터 방출되는 수소가스의 이동로에 설치된 릴리프 밸브(50)를 거치게 된다. 이때, 상기 제1 사이클에 설명한 것과 마찬가지로 릴리프 밸브(50)로부터 방출된 잉여수소가스는 제2 수소저장용기(20)로 유입된다.

다음, 제2 수소저장용기(20)로 유입된 수소가스는 다시 펌프 수단(30)에 의해 저온 열교환기(60)를 통해 제1 수소저장용기(10)로 강제 압송되는 동작이 반복된다.

아울러, 제1 및 제2 수소저장용기(10,20)로 유입되는 수소가스의 흡장 및 방출되는 동작을 살펴보면 몸체(11,21)의 상부에 형성된 유입구(11a,21a)를 통해 수소가 유입되고, 유입된 수소는 필터부재(14,24)를 통과하게 된다. 이때, 수소가스는 필터부재(14,24)를 통과하여 단열부재(12,22)의 상면에 형성된 확산공(12a,22a)을 통해 확산되면서 단열부재(12,22)의 내부로 진입하게 된다. 이때, 단열부재(12,22)의 내부에는 수소저장합금(13,23)이 내장되어 있는 바 단열부재(12,22)의 내부로 진입한 수소는 수소저장합금(13,23)과 각 사이클에 따라 흡장 또는 방출되고, 미반응 및 잉여의 수소가스는 단열부재(12,22)의 하면에 형성된 확산공(12a,22a)을 통과하고 이어 단열부재(12,22)의 하면과 몸체(11,21) 내부의 하면 사이에 개재된 필터부재(14,24)를 통과하여 배출구(11b,21b)로 배출된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소저장합금을 이용한 냉,난방기의 제1 및 제2 반응기의 전체 사시도,

도3은 본 발명의 제1사이클에 따른 수소의 이동방향을 도시한 도면,

도4는 본 발명의 제2 사이클에 따른 수소의 이동방향을 도시한 도면,

도5는 종래의 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 제1 수소저장용기 11,21 : 몸체

11a,21a : 유입구 11b,21b : 배출구

12,22 : 단열재 12a,22a : 확산공

13,23 : 수소저장합금 14,24 : 필터부재

20 : 제2 수소저장용기 30 : 펌프수단

40 : 고온 열교환기 50 : 릴리프 밸브

60 : 저온 열교환기 70 : 경로전환밸브

80 : 축압수단

Claims

수소가스가 흡장 및 방출됨에 따라 발열 및 흡열하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방장치에 있어서,

수소가스 흡장시 발열반응하고, 수소가스 방출시 흡열반응 하는 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기와;

제1 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제2 수소저장용기에 강제 압송하여 제1 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제2 수소저장용기에 수소가스를 흡장시키는 제1 사이클과, 제2 수소저장용기에 유입된 수소가스를 제1 수소저장용기에 강제 압송하여 제2 수소저장용기의 수소가스를 방출시키고 제1 수소저장용에 수소가스를 흡장시키는 제2 사이클을 교번적으로 수행하는 펌프수단과;

상기 발열반응 중인 수소저장용기에서 방출된 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 고온 열교환기와;

상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로에 설치되어 상기 고온 열교환기에 유입된 수소가스의 압력값이 미리 설정된 압력값에 도달하면 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스의 이동로를 개방하여 상기 고온 열교환기로부터 방출되는 수소가스를 상기 흡열반응 중인 수소저장용기측으로 이동시키는 릴리프 밸브와;

상기 흡열반응 중인 수소저장용기를 통과한 수소가스가 유입되어 외부와 열교환을 수행하는 저온 열교환기; 및

상기 수소가스의 이동경로상에 복수개 설치되고, 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단, 상기 제2 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제1 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동되고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가 상기 펌프수단, 상기 제1 수소저장용기, 상기 고온 열교환기, 상기 제2 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 순으로 이동될 수 있도록 상기 수소가스의 이동경로를 선택적으로 변환하는 경로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치.
제1항에 있어서,

상기 경로전환밸브는,

상기 제2 수소저장용기, 상기 고온 열교환기 및 상기 저온 열교환기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 제2 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기 측으로 이동될 수 있도록 상기 제2 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 제2 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제2 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하는 제1 경로전환밸브와;

상기 고온 열교환기, 제1 수소저장용기 및 상기 제2 수소저장용기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 고온 열교환기에서 상기 제1 수소저장용기 측으로 이동될 수 있도록 상기 고온 열교환기에서 상기 제1 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 고온 열 교환기에서 상기 제2 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 고온 열교환기에서 상기 제2 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하는 제2 경로전환밸브와;

상기 제1 수소저장용기, 상기 저온 열교환기 및 상기 고온 열교환기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 제1 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제1 수소저장용기에서 상기 저온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 제1 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측으로 이동될 수 있도록 상기 제1 수소저장용기에서 상기 고온 열교환기측의 수소 이동로를 개방하는 제3 경로전환밸브; 및

상기 펌프수단, 제2 수소저장용기 및 상기 제1 수소저장용기 사이에 설치되어 상기 제1 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단에서 상기 제2 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 펌프수단에서 상기 제2 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하고, 상기 제2 사이클시 상기 수소가스가 상기 펌프수단에서 상기 제1 수소저장용기측으로 이동될 수 있도록 상기 펌프수단에서 상기 제1 수소저장용기측의 수소 이동로를 개방하는 제4 경로전환밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치
제1항에 있어서,

상기 제1,2 수소저장용기는,

상부에 유입구가 형성되고, 하부에 배출구가 형성된 몸체와;

상면 및 하면에 복수개의 확산공이 형성되고, 상기 몸체의 내부에 설치되는 단열부재; 및

상기 단열부재의 내부에 내장되는 수소저장합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치.
제3항에 있어서,

상기 제1,2 수소저장용기는 상기 몸체 내부의 상,하면과 상기 단열부재의 상,하면 사이에 개재되어 상기 유입구를 통해 몸체 내부로 유입된 수소가스를 확산시키는 한쌍의 필터부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치.
제 1 항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 수소가스는 수소 또는 수소와 불활성가스의 혼합가스인 것을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 냉,난방 장치.