KR102201823B1 - 금속수소화물 기반 하이브리드 수소 저장 장치 - Google Patents

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KR102201823B1 KR1020190089476A KR20190089476A KR102201823B1 KR 102201823 B1 KR102201823 B1 KR 102201823B1 KR 1020190089476 A KR1020190089476 A KR 1020190089476A KR 20190089476 A KR20190089476 A KR 20190089476A KR 102201823 B1 KR102201823 B1 KR 102201823B1
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박주식
김종원
강경수
정성욱
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명은 금속수소화물 기반 하이브리드 수소 저장 장치 및 이를 이용한 수소 저장 방법에 관한 것으로, 하이브리드 수소 저장 장치는 제1 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기가 병렬 연결된 제1 저장부; 상기 제1 저장부와 직렬 연결되며, 제2 수소저장합금이 내장되는 제3 및 제4 수소저장용기가 병렬 연결된 제2 저장부; 상기 제1 저장부 및 제2 저장부에 포함된 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각 시키는 열매체 순환부; 상기 열매체 순환부를 제어하는 제어부; 및 상기 제1 및 제2 저장부와 연결되며, 제1 또는 제2 저장부를 통과한 수소가스가 저장되는 수소저장탱크;를 포함할 수 있다.

Description

금속수소화물 기반 하이브리드 수소 저장 장치 {Metal hydrides based hydrogen storage device and hydrogen storage method using thereof}
본 발명은 금속수소화물 기반 하이브리드 수소 저장 장치 및 이를 이용한 수소 저장 방법에 관한 것이다.
환경문제의 해결과 화석연료의 대체를 위해 수소 활용의 필요성이 대두하면서 수소 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 수소는 상온의 대기압 상태에서 기체로 존재하기 때문에 체적 당 에너지 밀도가 낮고 운반 및 저장이 불편할 뿐 아니라 안전성이 떨어진다.
수소 저장 방법으로 수소가스를 압축시켜 저장하는 방법, 액체화 시켜 저장하는 방법 및 수소저장합금을 이용한 저장방법 등이 알려져 있다.
이중, 수소가스를 압축시켜 저장하기 위해서는 압축에 필요한 에너지가 필요한데 100 bar 이하의 낮은 압력으로 압축하더라도 압축비가 높은 관계로 많은 에너지 비용이 요구되는 문제점이 있다. 또한, 수소가스를 액체화 시켜 저장하는 방법은 에너지 소비가 클 뿐만 아니라, 장시간 저장 시 수소가스의 손실이 발생해 장시간 저장이 어려운 문제점이 있다.
상술한 문제점으로 인해, 수소저장합금을 이용하여 수소가스를 금속수소화물 형태인 고체 상태로 저장하는 방법, 즉 수소저장합금의 가역적인 수소화/탈수소화 반응을 이용하여 수소가스의 흡장과 배출을 수행하는 방법이 제시되었다.
하지만, 수소저장합금을 이용한 수소 저장 방법은 수소가스의 흡장 및 배출속도가 낮은 문제가 있을 뿐만 아니라, 수소저장합금이 고가인 관계로, 비용문제가 발생한다.
이에 따라, 경제적이면서도, 낮은 압력에서 높은 부피에너지 밀도로 수소가스를 효율적으로 장시간 저장할 수 있는 방법이 필요한 실정이다.
KR 10-2017-0031851 A (2017.03.22)
본 발명의 목적은 금속수소화물의 온도에 따른 평탄압 변화 특성을 이용하여 낮은 압력에서 높은 부피에너지 밀도의 수소를 압축 저장하는 수소 저장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 압축기를 사용하지 않으면서도, 낮은 압력에서 다양한 압력으로의 수소를 저장하는 수소 저장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 하이브리드 수소 저장 장치를 제공하며,
제1 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기가 병렬 연결된 제1 저장부;
상기 제1 저장부와 직렬 연결되며, 제2 수소저장합금이 내장되는 제3 및 제4 수소저장용기가 병렬 연결된 제2 저장부;
상기 제1 저장부 및 제2 저장부에 포함된 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각 시키는 열매체 순환부;
상기 열매체 순환부를 제어하는 제어부; 및
상기 제1 및 제2 저장부와 연결되며, 제1 또는 제2 저장부를 통과한 수소가스가 저장되는 수소저장탱크;를 포함한다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 수소저장합금 및 제2 수소저장합금은 서로 다른 압력-조성 등온선 내의 평탄압 기울기를 가지며, 상기 제1 수소저장합금은 제2 수소저장합금보다 동일한 온도에서 더 낮은 평탄압을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 수소저장합금은 AB5형, AB2형, AB형, A2B형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,
상기 A는 란타넘 (La), 지르코늄 (Zr), 타이타늄 (Ti), 칼슘 (Ca) 및 마그네슘 (Mg) 중의 하나이며, 상기 B는 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 망간 (Mn), 바나듐 (V) 중의 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 저장부는 제1 및 제2 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제1 밸브군을 더 포함하며;
상기 제2 저장부는 제3 및 제4 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제2 밸브군을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 및 제2 밸브군은 역류방지밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 밸브군은 제1 및 제2 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제1-1 및 제1-2 밸브, 후방에 각각 위치하는 제1-3 및 제1-4 밸브를 포함하며,
상기 제2 밸브군은 제3 및 제4 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제2-1 및 제2-2 밸브, 후방에 각각 위치하는 제2-3 및 2-4 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제2 저장부는 수소가스 공급부와 연통되며, 상기 제2 저장부와 수소가스 공급부 사이에 위치하는 제3 밸브; 및
상기 제1 저장부는 수소저장탱크와 연통되며, 상기 제1 저장부와 수소저장탱크 사이에 위치하는 제4 밸브;를 더 포함하며, 상기 제3 및 제4 밸브는 역류방지밸브일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 저장부 및 제2 저장부의 사이에 위치하며, 상기 제1 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제5 밸브; 및 상기 제2 저장부 및 수소저장탱크의 사이에 위치하며, 상기 제2 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제6 밸브;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 내지 제4 수소저장용기는 각 수소저장용기에 포함되는 수소저장합금 100 중량부에 대하여 흑연 1 내지 25 중량부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 열매체 순환부를 운전하는 전력 공급부를 더 포함하며, 상기 전력 공급부는 태양에너지 또는 풍력에너지로부터 생산된 전력을 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 제1 내지 제4 수소저장용기를 가열하는 열 공급부를 더 포함하며, 상기 열 공급부는 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하여 열을 공급받을 수 있다.
본 발명은 또한 수소 저장 방법을 제공하며,
(A1) 수소가스 공급부로부터 수소가스를 제1 내지 제4 수소저장용기에 유입하여 저장하는 단계;
(A2) 상기 수소가스가 저장된 제1 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계;
(A3) 상기 가열된 제1 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
(A4) 상기 제1 수소저장용기를 냉각하고 제2 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계;
(A5) 상기 가열된 제2 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
상기 (A2) 내지 (A5) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계;
(B1) 상기 수소가스가 저장된 제3 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계;
(B2) 상기 가열된 제3 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
(B3) 상기 제3 수소저장용기를 냉각하고 제4 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계;
(B4) 상기 가열된 제4 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; 및
상기 (B1 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계;
를 포함하며,
상기 수소저장용기의 가열 및 냉각은 열매체 순환부 제어에 의해 이루어지고,
상기 수소가스의 유입 및 배출은 역류방지밸브에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 (A1) 단계에서, 상기 수소가스는 10 bar 이하의 압력으로 유입될 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 (B1) 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계 후, 제3 및 제4 수소저장용기에서 배출되는 수소가스의 압력은 20 bar 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예에 있어, 상기 가열은 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하며, 상기 열원의 온도는 60 내지 150℃일 수 있다.
본 발명에 따른 수소 저장 장치는 별도의 압축기 없이도, 낮은 압력에서 높은 부피에너지 밀도의 수소가스를 효율적으로 압축 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 20 bar 이상의 다양한 압력으로 수소가스 저장이 가능한 장점이 있다.
본 발명에 따른 수소 저장 장치는 태양에너지 또는 풍력에너지로부터 생산되는 전력 및 산업폐열을 열원으로 사용함으로써, 훨씬 경제적인 장점이 있다.
본 발명에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 명세서에서 기재된 효과 및 그 내재적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 저장 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금이 내장되는 수소저장용기를 도시한 도면이다.
도 4(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 수소저장합금의 압력-조성 등온선을 나타낸 도면이며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 수소저장합금의 압력-조성 등온선을 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 저장부의 제1 및 제2 수소저장용기의 반복 온도 전환에 따른 제1, 제2 수소저장용기 및 제2 저장부의 압력과 온도 변화를 나타낸 도면이다.
도 6은 제1 저장부의 제1 및 제2 수소저장용기의 반복 온도 전환에 따른 제1 저장부에서 제2 저장부로의 수소가스 유량 변화 및 제2 저장부의 수소가스 누적량을 나타낸 도면이다
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 달리 정의하지 않는 한, 수소저장합금의 압력-조성 등온선 내의 평탄압력구간은 수소저장합금에 의해 흡장되는 수소가스의 양이 증가함에 따라, 압력이 크게 변화되지 않는 안정한 구역에 해당하는 압력범위를 의미한다.
본 발명은 제1 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기가 병렬 연결된 제1 저장부; 상기 제1 저장부와 직렬 연결되며, 제2 수소저장합금이 내장되는 제3 및 제4 수소저장용기가 병렬 연결된 제2 저장부; 상기 제1 저장부 및 제2 저장부에 포함된 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각 시키는 열매체 순환부; 상기 열매체 순환부를 제어하는 제어부; 및 상기 제1 및 제2 저장부와 연결되며, 제1 또는 제2 저장부를 통과한 수소가스가 저장되는 수소저장탱크;를 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치를 제공한다. 이때, 직렬 또는 병렬 연결은 수소가스의 흐름을 기준으로 한다.
앞서 서술한 바와 같이, 수소저장합금을 이용하여 수소가스를 금속수소화물 형태인 고체 상태로 저장하는 방법, 즉 수소저장합금의 가역적인 수소화/탈수소화 반응을 이용하여 수소가스를 흡장 및 배출하는 방법을 사용할 수 있으나, 수소저장합금을 이용한 수소 저장 방법은 수소가스의 흡장 및 배출속도가 느릴 뿐만 아니라, 수소저장합금 자체가 고가인 관계로 비용문제가 발생한다.
그러나, 본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 각 수소저장용기에 서로 다른 수소저장합금을 내장하며, 상기 각 수소저장용기의 가열 및 냉각에 의해 수소가스의 흡장 및 배출을 반복함으로써, 별도의 압축기 없이도, 수소가스를 20 bar 이상의 다양한 압력으로 압축저장이 가능하다. 즉, 수소저장합금을 이용한 고체 수소가스 저장 및 수소가스 압축 저장을 동시에 사용하는 하이브리드 수소 저장 장치에 의해, 수소가스의 빠른 흡장 및 배출특성을 나타내면서도 높은 부피에너지 밀도를 가질 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치에 의해, 동일한 부피에너지 밀도의 수소가스를 저장하기 위해 필요한 금속수소화물의 양이 줄어들어 이에 따른 비용을 현저히 감소시킬 수 있어 상대적으로 경제적인 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시한 예와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 수소가스 공급부 (150), 제1 저장부 (110), 제2 저장부 (120) 및 수소저장탱크 (140)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 저장부 (110)은 서로 병렬 연결된 제1 수소저장용기 (111) 및 제2 수소저장용기 (112)를 포함하며, 상기 제1 및 제2 수소저장용기는 제1 수소저장합금이 내장되어 있을 수 있다. 또한, 상기 제2 저장부 (120)는 상기 제1 저장부 (110)과 직렬 연결되며, 서로 병렬 연결된 제3 수소저장용기 (121) 및 제4 수소저장용기 (122)을 포함하며, 상기 제3 및 제4 수소저장용기는 제2 수소저장합금이 내장되어 있을 수 있다. 상기 제1 저장부 (110)의 제1 수소저장용기 (111) 및 제2 수소저장용기 (112)는 수소가스 공급부 (150)와 연결되어 외부로부터 수소가스를 동시에 공급받거나 각각 공급받을 수 있다. 또한, 상기 제2 저장부 (120)는 상기 수소가스 공급부 (150) 및 제1 저장부 (110)과 각각 연결되어, 수소가스 공급부 (150)로부터 직접 수소가스를 공급받거나, 제1 저장부 (110)에서 방출되는 수소가스를 공급받을 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 상기 제1 및 제2 저장부에 포함된 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각시키는 열매체 순환부 (130)을 포함한다. 상기 열매체 순환부 (130)는 가열 또는 냉각시킨 열매체를 순환함으로써, 각 수소저장용기의 온도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 수소저장용기의 가열에 의해 수소가스를 배출할 수 있으며, 냉각에 의해 수소가스를 흡장할 수 있다. 상기 열매체 순환부는 열매체를 순환시키기 위해 펌프 및 유량제어밸브를 더 포함할 수 있으며, 펌핑속도는 유량제어밸브에 의해 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 또한 상기 열매체 순환부를 제어하는 제어부를 포함함으로써, 상기 제1 내지 제4 수소저장용기의 수소가스 배출 및 흡장을 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어부는 제1 저장부의 열매체 순환부를 제어하여, 제1 및 제2 수소저장용기의 가열 및 냉각을 교번적으로 수행하여 제1 및 제2 수소저장용기의 수소가스의 흡장 및 배출을 반복하여 설정한 압력 값으로 수소가스를 1차적으로 압축할 수 있다. 여기서 배출은 상기 제2 저장부로의 수소가스 배출 또는 수소저장탱크로의 저장을 의미할 수 있다. 또한 상기 제어부는 제2 저장부의 열매체 순환부를 제어하여, 제3 및 제4 수소저장용기의 가열 및 냉각을 교번적으로 수행하여 수소가스의 흡장 및 배출을 반복하여 설정한 압력 값으로 수소가스를 2차적으로 압축시켜 수소저장탱크에 저장할 수 있다. 구체적으로, 상기 1차적으로 압축된 수소가스의 압력은 2 내지 20 bar일 수 있으며, 상기 2차적으로 압축된 수소가스의 압력은 20 내지 100 bar일 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 및 제2 저장부의 각 수소저장용기의 가열 또는 냉각은 상기 제어부가 열매체 순환부를 제어함으로써 이루어질 수 있으며, 가열 시에는 열매를 순환시키고, 냉각 시에는 냉매를 순환시킴으로써 각 수소저장용기의 온도를 조절할 수 있다.
상기 열매체 순환부는 수소저장용기 별로 가열을 위한 매체를 순환하는 순환부 및 냉각을 위한 매체(냉매)를 순환하는 순환부를 포함할 수 있다. 상기 냉각은 냉매 사용 없이, 공기냉각기 등을 사용하여 수소저장용기를 냉각시킬 수도 있으나, 본 발명은 냉매를 순환하는 순환부를 별도로 포함하여 사용하는 것을 선호한다.
본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 또한 상기 제1 및 제2 저장부와 연결되며, 제1 또는 제2 저장부를 통과한 수소가스가 저장되는 수소저장탱크 (140)을 포함한다. 구체적으로, 상기 제1 저장부에 의해 1차적으로 압축된 수소가스를 제2 저장부로 유입하지 않고, 바이패스 관을 통해 직접 상기 수소저장탱크 (140)로 이송하여 저장할 수 있으며, 상기 1차적으로 압축된 수소가스를 제2 저장부에 의해 2차적으로 압축시켜 상기 수소저장탱크 (140)에 이송하여 저장할 수도 있다. 이에 따라 사용자가 원하는 압력으로 압축된 수소가스를 쉽게 상기 수소저장탱크 (140)에 저장할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 저장 장치의 상기 제1 저장부는 제1 및 제2 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제1 밸브군을 더 포함하며; 상기 제2 저장부는 제3 및 제4 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제2 밸브군을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 밸브군은 제1 및 제2 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제1-1 밸브 (113) 및 제1-2 밸브 (114), 후방에 각각 위치하는 제1-3 밸브 (115)및 제1-4 밸브 (116)를 포함하며, 상기 제2 밸브군은 제3 및 제4 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제2-1 밸브 (123) 및 제2-2 밸브 (124), 후방에 각각 위치하는 제2-3 밸브 (125) 및 2-4 밸브 (126)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 밸브군은 역류방지밸브를 포함할 수 있다. 상기 역류방지밸브는 수소가스의 역류를 방지하는 밸브로 별도의 제어과정 및 전원공급 필요없이 차압에 의해 높은 압력에서 낮은 압력으로 수소가스가 흐를 때에만 작동하고, 반대로, 역압일 경우에는 상기 밸브가 닫히게 된다. 또한, 상기 차압의 크기에 따라 상기 역류방지밸브의 개방 정도가 달라질 수 있으며, 차압이 클수록 상기 개방 정도가 커져 수소가스의 유량 또한 높아질 수 있다. 구체적으로, 상기 역류방지밸브는 밸브가 작동하는 최소 상류 압력인 크래킹 압력 (Cracking pressure)이 1 내지 15, 좋게는 1 내지 8 barg일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 밸브군이 역류방지밸브를 포함하는 경우, 상기 제1-1 밸브 (113) 및 제1-2 밸브 (114)에 의해, 수소가스 공급부로부터 제1 및 제2 수소저장용기로 수소가스가 유입되며, 차압이 0 이하가 되면, 상기 밸브들은 자동으로 닫히게 되어, 역류하는 문제가 발생하지 않게 된다. 또한, 상기 제1-3 밸브 (115) 및 제1-4 밸브 (116)에 의해, 상기 제1 또는 제2 수소저장용기로부터 배출되는 수소가스가 차압이 0 이하가 될 때까지 제3 또는 제4 수소저장용기로 유입된다. 동일한 원리로, 상기 제2-1 밸브 (123) 및 제2-2 밸브 (124)에 의해, 제1 또는 제2 수소저장용기로부터 배출된 수소가스가 제3 또는 제4 수소저장용기로 유입되며, 상기 제2-3 밸브 (125) 및 제2-4 밸브 (126)에 의해, 제3 또는 제4 수소저장용기로부터 배출되는 수소가스가 수소저장탱크로 유입될 수 있다.
상기 제2 저장부 (120)는 수소가스 공급부 (150)와 연통되며, 상기 제2 저장부와 수소가스 공급부 사이에 위치하는 제3 밸브 (160); 및 상기 제1 저장부 (110)는 수소저장탱크 (140)와 연통되며, 상기 제1 저장부와 수소저장탱크 사이에 위치하는 제4 밸브 (170);를 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 및 제4 밸브는 역류방지밸브일 수 있다. 구체적으로, 상기 제3 밸브 (160)를 통해 수소가스 공급부 (150)로부터 유입되는 수소가스를 제1 저장부 (110) 통과없이 직접 제2 저장부 (120)로 이송할 수 있으며, 수소가스 공급부로의 역류를 막을 수 있다. 상기 제4 밸브 (170)을 통해 제1 저장부 (110)로부터 배출되는 수소가스를 제2 저장부 (120) 통과없이 직접 수소저장탱크 (140)로 이송하여 저장할 수 있으며, 역류되는 문제 또한 막을 수 있어, 안전하게 수소가스의 유입, 배출 및 저장과정을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 상기 제1 저장부 (110) 및 제2 저장부 (120)의 사이에 위치하며, 상기 제1 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제5 밸브 (180); 및 상기 제2 저장부 (120) 및 수소저장탱크 (140)의 사이에 위치하며, 상기 제2 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제6 밸브 (190);를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제5 및 제6 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함함으로써, 제1 또는 제2 저장부로부터 배출되는 수소가스를 수소저장탱크 (140)에 저장하지 않고, 외부로의 배출을 제어할 수 있다. 비한정적인 예로, 상기 제5 및 제6 밸브 제어를 통해, 제1 또는 제2 저장부로부터 배출되는 수소가스를 자동차 또는 공장장비의 연료탱크와 직접 연결하여 연료를 채움으로써 바로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금이 내장되는 수소저장용기를 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 예와 같이, 본 발명에 따른 제1 내지 제4 수소저장용기 (200)는 원통형상의 몸체 (210), 상기 몸체 (210) 내부에 설치되는 수용부 (220) 및 상기 수용부 (220) 내부에 내장되는 수소저장합금 (230)을 포함할 수 있다. 상기 몸체 (210)의 상면에는 수소가스가 유입되는 수소가스 유입구 (250)가 형성되며, 하면에는 수소가스 배출구 (260)이 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 수용부 (220)는 상면과 하면에 복수개의 확산공 (240)을 포함함으로써 수소가스 유입구 (250)로 유입되는 수소가스를 수소저장합금 (230) 내로 균일하게 확산시킬 수 있으며, 수소저장용기의 가열 및 냉각에 따라 수소가스를 수소저장합금에 균일하게 흡장하거나 흡장된 수소가스를 다시 균일하게 외부로 배출할 수 있다.
상기 수소저장합금은 특정 압력 및 온도 범위 내에서 수소가스를 흡장하여 금속수소화물을 형성하며, 압력 및 온도 변화에 의해 수소가스를 다시 배출하는 성질을 가지는 합금을 지칭할 수 있다. 서로 다른 수소저장합금은 서로 상이한 압력-조성 등온선 특성을 가질 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 수소저장합금 및 제2 수소저장합금은 서로 다른 압력-조성 등온선 내의 평탄압 기울기를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 4 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 수소저장합금의 압력-조성 등온선을 나타낸 도면이며, 도 4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 수소저장합금의 압력-조성 등온선을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 제1 수소저장합금은 제2 수소저장합금보다 동일한 온도에서 더 낮은 평탄압을 가질 수 있다. 상기 제1 수소저장합금은 상기 제1 저장부의 제1 및 제2 수소저장용기 내에 내장되어 있으며, 수소가스 공급부과 직접 연결되어, 외부로부터 생산된 수소가스를 제1 및 제2 수소저장용기에 1차적으로 저장할 수 있다. 일반적으로 수전해 등 수소 제조 기술은 10 bar 이하의 낮은 압력으로 수소를 생산하기 때문에, 외부로부터 생산된 수소가스를 상술한 바와 같이, 동일한 온도에서 상대적으로 낮은 평탄압을 가지는 제1 수소저장합금을 포함하는 제1 및 제2 수소저장용기로 유입함으로써, 별도의 압축기 없이 1차적으로 간편하게 수소가스를 상기 제1 및 제2 수소저장용기를 포함하는 제1 저장부에 저장할 수 있다.
상기 수소저장합금은 AB5형, AB2형, AB형, A2B형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며, 상기 A는 란타넘 (La), 지르코늄 (Zr), 타이타늄 (Ti), 칼슘 (Ca) 및 마그네슘 (Mg) 중의 하나이며, 상기 B는 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 망간 (Mn), 바나듐 (V) 중의 하나일 수 있다. 구체적인 일 예로, LaNi5, CaCu5, MgZn2, ZrNi2, TiFe, TiCo, Mg2Ni 및 Mg2Cu 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한하지는 않는다.
상기 제1 내지 제4 수소저장용기는 각 수소저장용기에 포함되는 수소저장합금 100 중량부에 대하여, 흑연 1 내지 30 중량부, 좋게는 1 내지 25 중량부를 더 포함할 수 있다. 상기 흑연은 팽창흑연 (Expandable graphite) 및 흑연섬유 (Graphite fiber) 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 크게 제한하지는 않는다. 상기 제1 내지 제4 수소저장용기에 흑연을 더 포함함으로써, 열전달 능력을 향상시킬 수 있어, 수소가스를 효율적으로 흡장할 수 있는 장점이 있으며, 수소저장용기가 열매체 순환부에 의해 보다 신속하게 가열 또는 냉각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 매체 순환부를 운전하는 전력 공급부를 더 포함하며, 상기 전력 공급부는 태양에너지 또는 풍력에너지로부터 생산된 전력을 공급받을 수 있다. 상기 전력 공급부는 상기 열매체 순환부에 전력을 공급하여, 수소저장용기의 가열 및 냉각을 위한 열매체 순환을 수행할 수 있으며, 상기 태양에너지 및 풍력에너지와 같은 신재생에너지로부터 생산된 전력을 사용함으로써, 전력소모에 따른 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 수소 저장 장치는 상기 제1 내지 제4 수소저장용기를 가열하는 열 공급부를 더 포함하며, 상기 열 공급부는 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하여 열을 공급받을 수 있다. 상기 산업 폐열은 구체적으로 발전소 온배수 또는 소각장 및 제조업에서 발생하는 폐열일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 별도의 에너지를 열원으로 사용하는 것보다, 상기 산업 폐열을 재활용하거나, 태양에너지와 같은 신재생에너지를 사용함으로써, 에너지 소비를 현저히 감소시킬 수 있으며, 이에 따른 비용 또한 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명은 또한 (A1) 수소가스 공급부로부터 수소가스를 제1 내지 제4 수소저장용기에 유입하여 저장하는 단계; (A2) 상기 수소가스가 저장된 제1 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계; (A3) 상기 가열된 제1 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; (A4) 상기 제1 수소저장용기를 냉각하고 제2 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계; (A5) 상기 가열된 제2 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; 상기 (A2) 내지 (A5) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계; (B1) 상기 수소가스가 저장된 제3 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계; (B2) 상기 가열된 제3 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; (B3) 상기 제3 수소저장용기를 냉각하고 제4 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계; (B4) 상기 가열된 제4 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; 및 상기 (B1) 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계;를 포함하며, 상기 수소저장용기의 가열 및 냉각은 열매체 순환부 제어에 의해 이루어지고, 상기 수소가스의 유입 및 배출은 역류방지밸브에 의해 이루어지는 수소 저장 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 수소 저장 방법은 상기 (A2) 내지 (A5) 단계 및 (B1) 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계를 포함함으로써, 별도의 압축단계를 거치지 않고, 단순한 가열 및 냉각의 반복과정을 통해 높은 부피에너지 밀도의 수소를 효율적으로 압축 저장할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 단위공정의 반복 회수에 따라 20 bar 이상의 다양한 압력으로 수소가스를 저장할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 (A1) 단계에서, 상기 수소가스는 10 bar 이하의 압력으로 유입될 수 있다. 수전해 등 방법으로 제조된 수소가스는 10 bar 이하의 낮은 압으로 생산되는데, 상기 생산된 수소가스를 별도의 압축과정 없이 바로 저압 상태의 수소가스를 유입함으로써, 기계 압축기 등 사용에 의한 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
상기 (A2) 내지 (A5) 단계 및 (B1) 내지 (B4) 단계에서의 수소저장용기 가열 및 냉각은 열매체 순환부 제어에 의해 이루어지는 것일 수 있다. 상기 열매체 순환부는 열매체를 순환시켜 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각시킴으로써, 수소가스를 흡장 및 배출할 수 있다. 상기 가열은 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하며, 상기 열원의 온도는 60 내지 150℃일 수 있다. 상기 가열 또는 냉각을 위해 별도의 에너지 공급과정 없이, 신재생에너지인 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업에서 생산되는 폐열을 재활용함으로써, 폐자원을 효율적으로 활용할 수 있으면서도, 에너지 소비에 따른 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.
상기 (A1), (A2), (A4), (B1) 및 (B3) 단계에서의 수소가스 유입 및 배출은 각 수소저장용기의 가열 및 냉각에 의해 이루어지며, 구체적으로 역류방지밸브를 통해 각 수소저장용기 또는 수소저장탱크로 유입 및 배출된다. 상기 역뷰방지밸브를 통해 별도의 제어과정 및 전원공급 필요없이 차압에 의해 높은 압력에서 낮은 압력으로 수소가스를 유입 또는 배출할 수 있다.
상기 (B1) 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계 후, 제3 및 제4 수소저장용기에서 배출되는 수소가스의 압력은 20 bar 이상일 수 있으며, 상기 단위공정의 반복 회수에 따라 20 bar 이상의 다양한 압력으로 수소를 저장할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 수소 저장 방법은 각 수소저장용기의 가열 및 냉각과정의 반복만으로도, 낮은 압력에서 다양한 압력으로 수소를 압축 저장할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제1 수소저장합금으로 LaNi5를 사용하여 제1 저장부를 구성하였으며, 제2 수소저장합금을 MgZn2로 사용하여 하이브리드 수소 저장 장치를 구성하였고, 제1 및 제2 저장부의 가열 및 냉각 단계 반복에 따른 압력 및 온도 변화를 측정하였다.
수소가스는 수소가스 공급부를 통해 4 bar의 압력으로 제1 저장부 및 제2 저장부로 유입하였으며, 각 수소저장용기의 냉각을 위한 냉수 온도는 15 내지 18℃로 제어하였고, 가열을 위한 온수 온도는 85℃로 제어하였다. 10분 간격으로 냉수 및 온수 전환을 반복하면서 제1 저장부의 수소가스 압력을 증가시켜 1차적으로 압축시켰으며, 상기 압축된 수소가스를 제2 저장부로 배출하여 2차 압축과정을 진행하였다.
도 5는 제1 저장부의 가열 및 냉각 단계를 10회 반복하였을 때의 제1 저장부의 수소가스 1차 압축 및 제2 저장부로의 수소가스 저장에 따른 압력과 온도 변화를 나타낸 것이다.
도 5에서 볼 수 있듯이, 2회 반복 시, 수소가스의 압력이 약 12.5 bar로 증가하였으며, 10회 반복 시에는 18.5 bar까지 상승한 것을 확인할 수 있다.
도 6은 상기 제1 저장부의 가열 및 냉각 단계 반복에 따른 제1 저장부에서 제2 저장부로의 수소가스 이동 및 제2 저장부에 누적 저장되는 수소량을 유량 및 부피로 나타낸 도면이다.
도 6에서 볼 수 있듯이, 가열 및 냉각 단계 반복 횟수가 증가함에 따라 수소가스의 유량이 초기 3 L/min에서 점점 감소되는 것을 확인할 수 있으며, 수소가스의 누적량인 경우, 5회 반복 시, 기울기가 감소되는 경향을 확인할 수 있다. 또한, 5회 반복 후, 제2 저장부의 수소가스 저장량은 322 L로, 이미 총 저장량의 85%에 도달한 것을 확인할 수 있다.
100: 하이브리드 수소 저장 장치; 110: 제1 저장부
111: 제1 수소저장용기; 112: 제2 수소저장용기
113: 제1-1 밸브; 114: 제1-2 밸브
115: 제1-3 밸브; 116: 제1-4 밸브
120: 제2 저장부; 121: 제3 수소저장용기
122: 제4 수소저장용기; 123: 제2-1 밸브
124: 제2-2 밸브; 125: 제2-3 밸브
126: 제2-4 밸브; 130: 열매체 순환부
140: 수소저장탱크; 150: 수소가스 공급부
160: 제3 밸브; 170: 제4 밸브
180: 제5 밸브; 190: 제6 밸브

Claims (15)

  1. 제1 수소저장합금이 내장되는 제1 및 제2 수소저장용기가 병렬 연결된 제1 저장부;
    상기 제1 저장부와 직렬 연결되며, 제2 수소저장합금이 내장되는 제3 및 제4 수소저장용기가 병렬 연결된 제2 저장부;
    상기 제1 저장부 및 제2 저장부에 포함된 각 수소저장용기를 가열 또는 냉각 시키는 열매체 순환부;
    상기 열매체 순환부를 제어하는 제어부; 및
    상기 제1 및 제2 저장부와 연결되며, 제1 또는 제2 저장부를 통과한 수소가스가 저장되는 수소저장탱크;
    를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 수소저장합금은 서로 다른 압력-조성 등온선 내의 평탄압 기울기를 가지고, 상기 제1 수소저장합금은 제2 수소저장합금보다 동일한 온도에서 더 낮은 평탄압을 가지며,
    상기 제1 저장부는 제1 및 제2 수소저장용기의 반복적인 가열 및 냉각에 의한 1차압축을 위한 것이고,
    상기 제2 저장부는 제3 및 제4 수소저장용기의 반복적인 가열 및 냉각에 의한, 상기 제1저장부로부터 유입되는 수소가스의 2차압축을 위한 것인 하이브리드 수소 저장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 AB5형, AB2형, AB형, A2B형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며,
    상기 A는 란타넘 (La), 지르코늄 (Zr), 타이타늄 (Ti), 칼슘 (Ca) 및 마그네슘 (Mg) 중의 하나이며, 상기 B는 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 망간 (Mn), 바나듐 (V) 중의 하나인 하이브리드 수소 저장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저장부는 제1 및 제2 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제1 밸브군을 더 포함하며;
    상기 제2 저장부는 제3 및 제4 수소저장용기에 수소가스를 유입 및 배출시키는 제2 밸브군을 더 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 밸브군은 역류방지밸브를 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 밸브군은 제1 및 제2 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제1-1 및 제1-2 밸브, 후방에 각각 위치하는 제1-3 및 제1-4 밸브를 포함하며,
    상기 제2 밸브군은 제3 및 제4 수소저장용기의 전방에 각각 위치하는 제2-1 및 제2-2 밸브, 후방에 각각 위치하는 제2-3 및 2-4 밸브를 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 저장부는 수소가스 공급부와 연통되며, 상기 제2 저장부와 수소가스 공급부 사이에 위치하는 제3 밸브; 및
    상기 제1 저장부는 수소저장탱크와 연통되며, 상기 제1 저장부와 수소저장탱크 사이에 위치하는 제4 밸브;를 더 포함하며,
    상기 제3 및 제4 밸브는 역류방지밸브인 하이브리드 수소 저장 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 저장부 및 제2 저장부의 사이에 위치하며, 상기 제1 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제5 밸브; 및
    상기 제2 저장부 및 수소저장탱크의 사이에 위치하며, 상기 제2 저장부로부터 배출되는 수소가스를 외부로 배출하는 제6 밸브;를 더 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 수소저장용기는 각 수소저장용기에 포함되는 수소저장합금 100 중량부에 대하여 흑연 1 내지 25 중량부를 더 포함하는 하이브리드 수소 저장 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열매체 순환부를 운전하는 전력 공급부를 더 포함하며, 상기 전력 공급부는 태양에너지 또는 풍력에너지로부터 생산된 전력을 공급받는 하이브리드 수소 저장 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 내지 제4 수소저장용기를 가열하는 열 공급부를 더 포함하며, 상기 열 공급부는 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하여 열을 공급받는 하이브리드 수소 저장 장치.
  12. (A1) 수소가스 공급부로부터 수소가스를 제1 내지 제4 수소저장용기에 유입하여 저장하는 단계;
    (A2) 상기 수소가스가 저장된 제1 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계;
    (A3) 상기 가열된 제1 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
    (A4) 상기 제1 수소저장용기를 냉각하고 제2 수소저장용기를 가열하여 제3 및 제4 수소저장용기로 수소가스를 배출하는 단계;
    (A5) 상기 가열된 제2 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
    상기 (A2) 내지 (A5) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하여 1차 압축하는 단계;
    (B1) 상기 수소가스가 저장된 제3 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계;
    (B2) 상기 가열된 제3 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계;
    (B3) 상기 제3 수소저장용기를 냉각하고 제4 수소저장용기를 가열하여 수소저장탱크로 수소가스를 배출하여 압축 저장하는 단계;
    (B4) 상기 가열된 제4 수소저장용기를 냉각하여 수소가스를 흡장하는 단계; 및
    상기 (B1 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하여 2차압축하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 수소저장용기의 가열 및 냉각은 열매체 순환부 제어에 의해 이루어지고,
    상기 수소가스의 유입 및 배출은 역류방지밸브에 의해 이루어지는 수소 저장 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 (A1) 단계에서, 상기 수소가스는 10 bar 이하의 압력으로 유입되는 수소 저장 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 (B1) 내지 (B4) 단계를 단위공정으로 하여 1회 이상 반복하는 단계 후, 제3 및 제4 수소저장용기에서 배출되는 수소가스의 압력은 20 bar 이상인 수소 저장 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 가열은 태양에너지로부터 생산된 열 또는 산업 폐열을 열원으로 사용하며, 상기 열원의 온도는 60 내지 150℃인 수소 저장 방법.
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