KR100955654B1 - 수소저장합금을 이용한 수소저장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소저장합금을 이용한 수소저장장치로서, 저장수소의 평형압을 빠른 속도로 제어할 수 있어 수소의 흡수/방출 효율을 향상시킬 수 있으며, 가열과 냉각시스템이 일체로 구성될 수 있는 수소저장합금을 이용한 수소저장장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소저장장치는, 수소의 흡입구 및 방출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되는 개기공(開氣孔) 발포금속과 상기 발포금속의 개기공에 채워지는 수소저장합금분말로 이루어지는 수소저장모듈과, 상기 수소저장모듈의 적어도 일 측부에 배치되어 상기 수소저장모듈을 가열 또는 냉각시키는 가열/냉각 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

수소저장장치, 수소저장합금, 열전모듈

Description

수소저장합금을 이용한 수소저장장치{A HYDROGEN STORAGE DEVICE USING HYDROGEN STORAGE ALLOY}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 수소저장장치로서, 보다 구체적으로는 수소저장합금의 가열과 냉각을 급속도로 제어할 수 있어, 저장 수소의 평형압을 보다 빠른 속도로 제어할 수 있는 수소저장장치에 관한 것이다.

최근 환경문제의 해결과 화석연료의 대체를 위해 수소 활용의 필요성이 대두하면서 수소 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 수소는 상온의 대기압 상태에서 기체로 존재하기 때문에 체적당 에너지밀도가 낮고 운반 및 저장이 불편할 뿐 아니라 안전성이 떨어진다.

이러한 수소의 저장 방법으로는 수소 기체를 압축시켜 저장하는 방법, 액체화시켜 저장하는 방법, 또는 수소저장합금을 이용한 저장방법 등이 알려져 있다.

이중, 수소저장합금을 이용한 방법은, 수소저장합금의 가역적인 수소화/탈수소화 반응을 이용하여 수소의 저장과 방출을 수행하는 방법인데, 액체수소 이상의 밀도로 수소를 저장할 수 있어 저장효율이 높을 뿐 아니라, 다른 방식에 비해 안전한 장점이 있다.

한편 수소저장합금이 수소를 흡수하여 저장할 때는 발열반응이 일어나고 역으로 수소를 방출할 때는 흡열반응이 일어난다. 이에 따라, 수소저장합금을 이용한 수소저장시스템에서는 필연적으로 수소화반응 동안 온도가 올라가고 탈수소반응 동안 온도가 떨어지게 된다. 그런데 상기 반응에 따른 수소의 평형압은 온도에 민감하게 반응하여 그 변동폭이 크므로, 전술한 수소저장시스템의 온도 변화는 수소의 흡수시 장시간이 소요되게 하거나 수소의 방출시 방출량이 줄어들게 하는 문제점을 야기한다.

또한 수소저장합금으로 사용되는 물질의 경우, 열전도율이 낮은 편이기 때문에, 수소저장시스템과 같이 실용적인 목적으로 다량의 수소저장합금을 사용하는 경우에는 반응열을 제어하기가 어렵다.

따라서 수소저장합금을 이용한 수소저장시스템에 있어서는 반응열을 신속하게 제어할 수 있는 시스템의 설계가 필수적이다.

이와 관련하여, 수소저장합금을 이용한 종래의 수소저장장치에서는, 수소저장용기의 외벽에 전기저항을 이용한 발열체로 가열시키고 냉각수를 외벽으로 흘려 냉각시키는 방법을 사용하거나, 외벽에 방열 핀을 설치하는 방식 등을 사용하고 있으나, 금속 수소화물의 낮은 열전도 특성으로 인해, 저장 수소의 평형압을 실용적인 목적으로 사용할 수 있을 정도로 신속하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.

또한 종래의 시스템의 경우, 가열시스템과 냉각시스템을 별도로 구성하기 때문에 시스템이 복잡하고 부피가 커져 제조원가가 높아지고 실용성이 떨어졌다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 저장수소의 평형압을 빠른 속도로 제어할 수 있어, 수소의 흡,방출 효율을 향상시킬 수 있으며 가열과 냉각시스템이 일체로 구성될 수 있는 수소저장합금을 이용한 수소저장장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 수소저장장치는, 수소의 흡입구 및 방출구가 형성된 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되며 개기공(開氣孔) 발포금속과 상기 발포금속의 개기공에 채워지는 수소저장합금분말로 이루어지는 수소저장모듈과, 상기 수소저장모듈의 적어도 일 측부에 배치되어 상기 수소저장모듈을 가열 또는 냉각시키는 가열/냉각 모듈을 포함하는데 구성적 특징이 있다.

본 발명에 따른 수소저장장치에서는 개기공 발포금속의 내부에 수소저장합금분말이 충전된 구조로 이루어져 있기 때문에, 흡수 또는 방출되는 수소 가스의 물질 이동이 원활할 뿐 아니라, 종래의 방열 핀 방식에 비해 가열 및 냉각에 대한 반응성이 현저하게 높아진다. 이에 따라 수소압력의 급속 제어가 가능하게 되어 수소의 흡수/방출 시간을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서 상기 가열/냉각모듈은 가해진 전원의 극성의 변화에 따라 가열 또는 냉각시킬 수 있는 열전모듈인 것이 바람직하다. 열전모듈은 전극에 가해지는 전류의 극성의 변화를 통해 수소저장모듈과 접하 는 면을 가열 또는 냉각시키는 전환이 가능하기 때문에, 종래와 같이 별도의 가열 또는 냉각 시스템을 구축할 필요가 없게 되어, 장치의 부피를 현저하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 가열/냉각모듈 중, 상기 가열모듈은 저항 발열체로 이루어지고, 상기 냉각모듈은 내부에 수냉관이 형성되어 있는 냉각 매스(cooling mass)로 이루어질 수 있다. 이 경우 냉각 매스를 수소저장장치의 내부에 설치할 수 있기 때문에, 대규모 수소저장장치의 신속한 가열/냉각에 유리하다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 수소저장모듈과 가열/냉각모듈은 복수 개가 적층되게 배치될 수 있다. 상기 모듈들을 적층되게 배치하면, 규모가 큰 수소저장장치라고 신속한 가열/냉각이 유리하다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 선택적으로 상기 열전모듈의 하부에 추가로 냉각 매스(mass)를 배치할 수 있으며, 냉각 매스로는 구리 또는 알루미늄과 그들의 합금을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 열전모듈의 하부에 냉각 매스를 배치하게 되면 수소저장모듈의 냉각시 열전모듈의 하부에서 발생하는 열을 신속하게 냉각 매스를 통해 제거할 수 있기 때문에, 냉각속도를 한층 강화시킬 수 있기 때문이다.

또한 상기 냉각 매스의 내부에는 수냉관을 형성시켜, 필요할 경우 강제냉각을 실시할 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 발포금속으로는 발포화가 가능한 모든 금속이 사용될 수 있으나, 열전도도를 고려할 때 구리와 알루미늄 이 가장 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 발포금속의 기공률은 70% 이상인 것이 바람직하다. 기공률이 70% 이하로 낮으면 수소저장합금분말의 충전율이 떨어져 부피가 증가할 뿐 아니라, 수소저장합금분말의 수소화 또는 탈수소화 반응에 필요한 수소의 물질이동의 속도가 떨어질 수도 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 하우징은 선택적으로 폐기공(閉氣孔) 발포금속으로 이루어질 수 있다. 폐기공 발포금속은 열차단 효과뿐 아니라, 충격흡수성이 매우 우수하기 때문에 수소저장장치의 효율과 안전성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 수소저장장치에 의하면, 수소저장합금에 대한 온도제어가 신속하게 이루어지기 때문에, 그에 따른 수소의 흡수 및 방출이 용이하게 제어될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에서는, 가열 및 냉각이 열전요소에 의해 이루어지기 때문에, 가열과 냉각을 별도로 구비한 종래의 수소저장장치에 비해 저렴할 뿐 아니라, 수소저장장치의 부피도 현저하게 줄일 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치에 대한 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치(1)는 크게 하우징(10)과, 이 하우징 내부에 배치되는 수소저장합금을 포함하는 수소저장모듈(20) 과, 상기 수소저장모듈의 하부에 배치되는 열전모듈(30)과, 상기 열전모듈(30)의 하부에 배치되는 냉각 매스(40)와, 상기 가열/냉각 모듈에 전원을 공급하는 전원장치(50)로 이루어진다.

상기 하우징(10)은 외부와의 열차단 효과와 충격흡수성이 뛰어난 폐기공 발포금속 샌드위치 패널로 내부가 비어있는 직육면체 형상으로 형성되어 있으며, 그 상부에는 수소의 흡입과, 탈수소화 반응에 의해 발생한 수소의 방출이 이루어지는 흡입구(11)와 방출구(12)가 형성되어 있다.

상기 수소저장모듈(20)은, 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같은, 개기공(open cell) 구조를 갖는 알루미늄(Al) 폼(foam)(21)과, 알루미늄 폼(21)에 형성되어 있는 개기공에 충전되는 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말(22)로 이루어져 있다. 도 2에서 알 수 있듯이, 상기 알루미늄 폼(21)은 직경 2 ~ 3mm인 다수의 개기공으로 이루어져 있으며, 수소저장합금의 입경은 30 ~ 50㎛이다. 그리고 상기 개기공의 부피분율(volume fractrion)은 93% 이상이므로 충분히 많은 양의 수소저장합금 분말을 상기 개기공에 충전시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 발포금속으로 알루미늄 폼을 사용하고 있는데, 이는 알루미늄이 다른 금속들에 비해 경량이고 열전달 속도가 빠르기 때문이며, 필요에 따라 다양한 발포금속을 사용할 수 있음은 물론이다.

상기 열전모듈(30)은 상기 수소저장모듈(20)의 하부에 요홈에 형성되어 있는 알루미늄재의 케이스(70)의 상기 요홈에 배치되는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 세라믹기판(31)과 이 기판상에 배열된 복수의 N형 및 P형칩(32)과, 상기 칩에 연결된 전극(33)으로 이루어지며, 상기 전극에 가해지는 전류에 의해 일측에서는 가열이 되고 타측에서는 냉각이 되며, 상기 전류 극성의 변경을 통해 상기 수소저장모듈(20)에 접한 면의 가열과 냉각을 변경할 수 있도록 되어 있다.

상기 냉각용 매스(mass)(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 열전모듈(30)의 하측에 배치된 것으로서, 상기 열전모듈(30)에서 수소저장모듈(20)에 접한 면을 냉각시킬 때, 열전모듈(30)의 타면에서 발생하는 열이 냉각용 매스(40) 쪽으로 신속하게 제거되도록 하여 냉각효과가 저하되는 것을 방지하는 작용을 한다. 냉각용 매스(mass)(40)로는 구리 판을 사용하며, 필요에 따라서는 구리판의 내부에 수냉관(미도시)을 형성시켜 물로 강제냉각이 가능하도록 한다.

상기 전원장치(50)는 전류를 변경시킬 수 있는 DC전원공급시스템이다.

또한 상기 열전모듈(30)의 상측에는 방출되는 수소 가스에 포함된 이물질을 걸러내는 필터(60)가 배치된다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 수소저장모듈(20)과 열전모듈(30)이 각각 하나씩만 하우징(10)에 배치되었으나, 수소저장장치(1)의 규모가 커질 경우, 복수의 수소저장모듈(20)과 열전모듈(30)을 적층하는 형식으로 배치할 수도 있다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치(1)에 대해 온도특성 및 수소의 흡수/방출 특성에 대해 시험하였다.

먼저 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치(1)를 구성하는 수소저장모듈(20)의 온도 거동을 평가하였다. 온도 거동의 평가는 수소저장모듈(20)의 하부 에 전기저항 열을 이용하는 저항 발열체를 배치하고, 상기 발열체로부터 2cm 상부에, 각각 알루미늄 폼과, MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말과, MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말이 충전된 알루미늄 폼(즉, 수소저장모듈)을 배치한 후, 상기 발열체의 온도를 150℃까지 올린 후 자연 냉각시켰을 때의 각 구성의 온도 변화를 측정하는 방식으로 진행하였다.

도 4는 상기 온도 거동의 평가 결과를 나타내는 그래프이다. 상기 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 발열체의 온도를 150℃까지 올리고 자연 냉각시켰을 때, 수소저장장치 내에 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금분말(22)만 충전시킨 경우 발열체의 온도변화에 대해 합금분말(22)은 거의 온도 변화를 나타내지 않는데, 이는 상기 합금분말(22)의 열전도 특성이 매우 떨어지기 때문이다.

이에 비해 수소저장장치 내에 알루미늄 폼(21)만 설치된 경우에는 발열체의 온도변화에 대해 약간의 시차를 두고 반응하고 온도 변화량은 약간 떨어지며, 수소저장모듈(20)은 알루미늄 폼(21)에 비해 반응속도 및 변화량이 모두 떨어지기는 하나 발열체의 온도 변화와 유사한 거동을 나타낸다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 개기공 발포금속의 내부에 수소저장합금 분말을 채운 수소저장모듈(20)은 종래의 분말만 채운 경우에 비해 온도의 변화에 대해 매우 신속한 반응을 나타냄을 알 수 있다.

도 5는 3.5kgf/㎠ 압력의 수소를 장입하여 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말(22)에 수소화시킨 후, 온도변화에 따른 수소의 압력변화를 측정한 결과를 나타내는 그래 프이다.

그래프에서 알 수 있는 바와 같이, MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말(22)의 온도를 30℃에서 70℃로 증가시킴에 따라, 수소의 평형압도 대략 Y=0.035X - 0.93의 수식에 대응하도록 선형적으로 증가함을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장모듈을 열전모듈(30)을 사용하여 32℃에서 45℃의 온도범위로 가열과 냉각을 반복하였을 때 수소저장모듈에 충전된 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말(22)의 온도변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 열전모듈의 온도변화에 대하여, 열전모듈로부터 2cm 떨어진 위치에 충전된 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금분말(22)의 온도는 열전모듈 온도의 대략 1/2 ~ 2/3 정도의 수준에서 약 수십 초의 간격을 두고 신속하게 반응함을 알 수 있다.

상기 도 6의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 수소저장장치(1)는 종래의 수소저장장치에서 실현하기 어려웠던 수소압력의 급속 제어가 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치에 대한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 수소저장모듈에 사용된 알루미늄 폼(foam) 및 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말의 주사전자현미경 사진이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 사용된 열전모듈의 구조에 대한 개략도이다.

도 4는 가열체로 일반 저항 발열체를 사용하였을 때 발열체의 온도변화에 따라, 각각 수소저장장치 내에 알루미늄 폼만 설치된 경우, MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말만 장입된 경우, 및 MmNi_a(Mn,Al)_bCo_c 합금 분말이 충전된 알루미늄 폼(즉, 수소저장모듈)을 설치한 경우의 온도 변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 5는 3.5kgf/㎠의 수소를 장입하여 수소저장합금분말에 수소화시킨 후, 온도변화에 따른 수소의 압력변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장모듈을 열전모듈을 사용하여 32℃에서 45℃의 온도범위로 가열과 냉각을 반복하였을 때 수소저장모듈에 충전된 수소저장합금분말의 온도변화를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

Claims (10)

1. 수소의 흡입구 및 방출구가 형성된 하우징과,

   상기 하우징의 내부에 배치되는 개기공(開氣孔) 발포금속과 상기 발포금속의 개기공에 채워지는 수소저장합금분말로 이루어지는 수소저장모듈과,

   상기 수소저장모듈의 적어도 일 측부에 배치되어 상기 수소저장모듈을 가열 또는 냉각시키는 가열/냉각 모듈을 포함하는 수소저장장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열/냉각모듈은 가해진 전원의 극성의 변화에 따라 가열 또는 냉각할 수 있는 열전모듈인 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 가열/냉각모듈은 저항발열체와 내부에 냉각관이 형성되어 있는 냉각 매스(cooling mass)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소저장모듈과 가열/냉각모듈은 복수 개가 적층되어 배치되는 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가열/냉각모듈의 하부에 추가로 냉각 매스(cooling mass)를 배치하는 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발포금속은 알루미늄 또는 구리인 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 냉각 매스는 구리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각 매스의 내부에는 수냉관이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발포금속의 기공률은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 수소저장장치.
10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징은 폐기공(閉氣孔) 발포금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소저장장치.

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