KR102237244B1 - 수소저장장치를 이용하는 수소 충방전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지, 수소 저장 장치 및 수전해 스택을 연결한 수소 충방전 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 측에 따르는 수소저장장치 수소 충방전 시스템은, 전기와 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부; 상기 생산된 수소를 전달받아 저장하고 저장된 수소를 방출할 수 있는 수소저장합금이 탑재된 수소 저장부; 및 상기 수소 저장부로부터 수소를 전달받아 전력을 생산하는 연료전지부;를 포함한다.

Description

수소저장장치를 이용하는 수소 충방전 시스템 {HYDROGEN CHARGE/DISCHARGE SYSTEM USING HYDROGEN STORAGE DEVICE}

본 발명은, 수소저장장치를 포함하도록 구성된 수소의 충방전 시스템에 관한 것이다.

수소는 자원이 풍부하며 다른 형태로의 에너지 전환이 쉽고 에너지 저장 매체로도 뛰어난 장점을 가지고 있어 화석 연료를 대체할 유력한 미래의 에너지원으로 기대되고 있다. 그러나 수소는 상온, 상압에서 기체로 존재하기 때문에 체적당 에너지 밀도가 낮고, 저장, 운반이 불편하다는 문제점을 가지고 있다. 이 문제점을 해결하기 위해, 부피저장밀도가 가장 우수하고 상온 상압 부근에서 가역적으로 수소의 흡수 및 방출이 가능한 특징을 가지고 있는 수소저장합금을 이용한 수소저장에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

수소가 합금에 (또는, 수소저장합금으로부터) 흡수 (또는 방출)되는 속도는 반응에 수반되는 발열(또는 흡열)에 의해 점차 느려지게 되어 저장 (또는 방출) 효율성을 저하시킨다. 따라서, 내부의 열을 외부로 원활하게 방출시킬 수 있는 구조를 가진 수소저장장치와 그를 포함하는 시스템 설계가 중요한 기술이 된다.

또한, 수소저장장치로부터 발열되는 열을 효율적으로 이용하려는 연구가 진행되기도 하고 있었는데, 일 측에서는 이러한 일련의 시스템에서 발생하는 열들을 효과적으로 관리하여 자체적으로 에너지를 일정 수준 이상 충당할 수 있는 수소 충방전 시스템에 대한 연구가 나날이 진행 중에 있었다.

다만, 기존의 방식에 따라서 수소저장합금을 이용하여 수소를 충전하는 과정을 보면, 수소를 생산 후 충전시 컴프레싱에 따른 기생전력이 큰 문제가 있었으며, 또한, 수소를 방출하는 과정에서도 흡열반응에 소요되는 열을 추가적으로 공급해야 하는 필요가 존재하였다.

본 발명의 목적은, 상술한 수소의 충방전 과정에서 발생하는 에너지 공급 및 비효율의 문제를 해소하고, 개선된 공정 효율을 가지는 새로운 수소 충방전 시스템을 제공하기 위함이다.

구체적으로 본 발명은 수전해장치와 수소저장합금을 연결하여 수전해장치에서 생산되는 수소를 이용하여 수소저장장치의 수소저장합금을 충전하고, 방출 시에는 수소저장장치에 저장된 수소를 연료전지에 공급하여 전기를 생산하는 에너지 충방전 시스템을 제공하기 위함이다.

또한, 본 발명은 연료전지와 수소저장장치를 연결하여 연료전지의 자체 생산 열로부터 수소저장합금의 흡열량을 충당함으로써 추가적 히터가 없어도 구동이 가능한 수소 충방전 시스템을 구축하고 궁극적으로 효율이 향상되어 상용화가 용이한 에너지 시스템을 제공하기 위함이다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측에 따르는 수소저장장치 수소 충방전 시스템은, 전기와 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부; 상기 생산된 수소를 전달받아 저장하고 저장된 수소를 방출할 수 있는 수소저장합금이 탑재된 수소 저장부; 및 상기 수소 저장부로부터 수소를 전달받아 전력을 생산하는 연료전지부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부에서 발생한 열이 상기 수소 저장부로 전달되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부는, 물을 보관하고 공급하는 물탱크; 및 상기 물탱크로부터 공급된 물을 가압하고 상기 수전해 스택으로 전달하는 부스터 펌프;를 더 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부는 수소가 전달되는 유로로 연결되고, 상기 유로에는 압력 측정 장치 및 여분의 수소 배출 장치가 도입된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부 사이에 건조부;를 더 포함하고, 상기 건조부는, 상기 수전해 스택부에서 생산된 수소를 상기 수소 저장부에 저장하기 전 건조하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부 사이에 컴프레셔-프리(compressor-free)인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부의 허용압력은, 상기 수소저장합금의 프레토(Plateau) 압력 이상인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소저장합금으로 공급되는 수소의 압력은 30 bar 내지 50 bar 인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장부와 상기 연료전지부는 유로로 연결되고, 상기 유로는 감압 밸브를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부는, 공냉식 연료전지를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부는, 무가습 조건에서 운전 가능한 연료전지를 포함하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장부의 방전량은, 충전량의 90 % 이상인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 수소저장합금이 탑재된 수소저장장치에 수전해장치에서 생산되는 수소를 공급하여 충전하고, 방전 과정에서는 수소저장장치에 저장된 수소를 연료전지로 방출, 공급하여 전기를 생산하는 시스템을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템은 수전해 스택부 및 수소 저장부 사이에, 별도의 컴프레셔를 필요로 하지 않아서 공정 효율이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 수전해 스택부로부터 수소를 공급하고 연료전지의 자체 생산 열을 이용하여 다시 수소저장합금의 흡열량을 충당하여, 수소저장합금에 추가적인 히터가 필요치 않게 되며, 이는 궁극적으로 공정효율의 향상으로 이어지는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력 생산 시 잔여량으로 발생하는 전기를 수소의 형태로 저장해두었다가, 필요할 경우에 저장된 수소를 이용하여 다시 발전이 가능해지는 효과가 있어, 잉여 전기를 활용하여 필요할 때 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충전 시스템의 각 구성과 그 연결관계를 나타내는 개념도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 방전 시스템의 각 구성과 그 연결관계를 나타내는 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AB5 타입 수소저장합금을 이용하여 측정한 PCT (Pressure-concentration-temperature) 측정 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충전 과정 중 수소저장장치의 온도, 압력, 충전량 변화의 실험 결과 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템의 수소 저장부와 연료전지부 간의 연결관계에 있어서 연료전지부의 폐열을 팬을 이용하여 수소저장부로 전달하는 일 예가 개략적으로 도시되어 있는 개념도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템을 실험실에서 구현한 사진이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템의 연료전지부와 수소 저장부를 연계하기 전(비교예)과 연계한 후(실시예)에 수소 저장부의 온도를 측정한 실험 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충방전 시스템의 연료전지부에서 시간에 따라 전기에너지로 전환된 양을 측정한 그래프이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 다른 설명이 없는 한, 각 도면에 제시된 동일한 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 발명의 범위를 설명된 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 출원을 통해 권리로서 청구하고자 하는 범위는 이들에 대한 모든 변경, 균등 물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 청정에너지로서 고 에너지 밀도로 활용이 가능한 수소의 충방전을 이용하여 다량의 에너지 소비 없이도 발전이 가능한 시스템을 제안하기 위함이다.

본 발명에 따르면, 전력 생산 시 잔여량으로 발생하는 전기를 수소의 형태로 저장해두었다가, 필요할 경우에 저장된 수소를 이용하여 다시 발전이 가능해지는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 시스템을 어플리케이션에 적용할 경우 운전 시간이 연장되고 에너지 효율이 향상되는 이점을 기대할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 수소 충방전 시스템은, 기존의 리튬 기반의 에너지 저장장치들과 비교할 때 더 높은 에너지저장밀도로 에너지를 저장 및 이용할 수 있고, 기존의 수소를 이용하는 연료전지 시스템과 비교하더라도 수소를 공급하는 인프라 없이 수소 에너지를 활용할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충전 시스템의 각 구성과 그 연결관계를 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조할 때, 상기 수소 충전 시스템은, 수소저장합금이 탑재된 수소저장장치를 포함하는 수소 저장부와 물탱크, 부스터 펌프, 및 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부를 포함하고 둘은 건조부, 압력 측정기 백 프레셔 레귤레이터 등이 연결된 유로를 통하여 연결되어 있다.

도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 방전 시스템의 각 구성과 그 연결관계를 나타내는 개념도이다.

도 2를 참조할 때, 상기 수소 방전 시스템은, 수소 저장부와 연료전지부를 연결하는 관계가 도시되어 있으며, 상기 수소 방전 시스템은 수소 저장부에서 방출된 수소가 연료 전지부로 공급되어 전기를 생산하게 되는 시스템이다.

도 1 및 도 2에는 이해를 돕기 위해 본 발명의 수소의 충방전 시스템에 이용할 수 있는 세부적인 구성들을 디테일하게 제안해 두었으나, 본 발명의 수소 충방전 시스템을 구동하기 위하여 도 1 및 도 2의 모든 구성이 필수적으로 필요한 것은 아닐 수 있다.

아래에서는 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 시스템에 포함될 수 있는 각 부분의 구성과 기능에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측에 따르는 수소저장장치 수소 충방전 시스템은, 전기와 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부(100); 상기 생산된 수소를 전달받아 저장하고 저장된 수소를 방출할 수 있는 수소저장합금(210)이 탑재된 수소 저장부(200); 및 상기 수소 저장부로부터 수소를 전달받아 전력을 생산하는 연료전지부(300);를 포함한다.

상기 수전해 스택은 전기로 물을 분해하여 수소를 생산하는 것일 수 있다. 이 때 생산된 수소는 수소 저장부로 공급이 되고, 수소 저장부는 수소를 저장해 두었다가 필요시 방출할 수 있다. 수소 저장부에서 방출된 수소는 연료전지부로 공급되어 필요할 때 전기를 생산할 수 있다. 즉 본 발명에 따르면, 전기를 수소로 대체하여 저장해 두었다가 필요 시에 수소를 전기로 변환하여 사용할 수 있는 이점이 있다.

일 예로서, 상기 수전해 스택은 이동형 수전해 스택일 수 있다. 상기 수전해 스택은, 상온에서 작동 가능한 알칼라인 전해질 기반의 수전해 스택, 폴리머 전해질 기반의 수전해 스택을 포함할 수 있다.

일 예로서 상기 수전해 스택은 가압형 수전해 스택일 수 있다. 상기 수전해 스택은 최소 가압 가능 압력이 25 bar 인 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 최소 가압 가능 압력은 30 bar 인 것일 수 있다.

상기 수소 저장부는 수소저장합금을 포함할 수 있다. 일 예로서, 상기 수소 저장부는 수소저장합금을 포함하는 수소 저장 장치를 포함할 수 있다. 본 발명에서 상기 수소저장합금의 성분이나 종류는 특별히 한정하지 아니하며, 필요에 따라 다양한 저장 조건의 수소저장합금을 이용할 수 있다.

일예로서, 상기 수전해 스택의 양극에서는 산소와 미반응된 물이 생성이 되며, 산소는 세퍼레이터를 통해 분리가 될 수 있다. 이 때 미반응된 물은 재회수하여 이용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부에서 발생한 열이 상기 수소 저장부로 전달되는 것일 수 있다.

본 발명에서는 연료전지부에서 발생한 폐열을 수소 저장부의 수소 저장을 위한 조건 구비를 위하여 이용할 수 있다. 수소 저장부의 수소저장합금의 경우 수소 저장을 위해서 일정 온도 이상의 유지가 필요하며 이를 위해 열의 공급을 필요로 할 수 있다. 이 때, 본 발명의 시스템에 따르면 연료전지부의 폐열을 이용하여 수소 저장부로 공급할 수 있다.

본 발명의 실험 예에 따를 때, 셀당 전압 약 0.7 V의 운전으로 50 W의 전력을 생산하는 연료전지 스택의 경우 폐열이 약 57 W 발생하며, 전력 생산에 요구되는 수소 유량(~590 ml/min) 공급을 위해 AB5 타입의 합금에 요구되는 탈착 열량은 약 12 W 수준임을 확인하였다. 즉, 연료전지에서 발생하는 폐열의 20 % 내외의 열량 정도만 자체적으로 활용 가능할 경우, 본 발명의 시스템에서는 수소저장합금으로의 열 공급장치를 생략이 가능하다는 의미가 된다.

즉, 본 발명은 연료전지의 발열량을 활용하여 수소저장합금의 흡열량을 충당할 수 있으며, 이를 정량적으로 대응되도록 설계하면 추가적인 열 공급장치(히터)가 필요 없어지게 되어, 공정효율의 향상이 가능해지는 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부는, 물을 보관하고 공급하는 물탱크; 및 상기 물탱크로부터 공급된 물을 가압하고 상기 수전해 스택으로 전달하는 부스터 펌프;를 더 포함하는 것일 수 있다.

일 예로서 상기 수전해 스택부의 가압 운전을 위해서 물탱크로부터 공급받은 수전해 스택으로 물을 공급 및 가압하는 부스터 펌프가 포함될 수 있다. 또한, 수전해 스택의 후단의 압력을 유지시켜주는 릴리프 밸브가 구비될 수도 있다.

상기 수소 저장부의 수소 저장 장치는 수소의 저장을 위하여 공급되는 수소가 일정 수준 이상의 압력으로 유지될 필요가 있다.

본 발명에서는, 수소저장합금에서 요구되는 압력과 수전해 스택부의 배출 수소의 압력과 동일하게 설정할 수 있다. 이를 위해, 수전해 스택부에서 수소 저장부로 수소가 공급되는 유로에 압력 측정기 및/또는 일정 압력 유지 장치를 도입하여 일정 압력을 초과하는 수소는 흘려 내보내면서 수소 저장부로 충전을 위해 공급되는 수소의 압력을 일정하게 유지할 수 있다. 일 예로서, 상기 일정 수소 압력의 유지 및/또는 여분의 수소 배출을 위하여 수전해 스택부 및 수소 저장부 사이에 백 프레셔 레귤레이터(Back pressure regulator) 혹은 릴리프 밸브(Relief valve)를 도입할 수 있다. 상기 백 프레셔 레귤레이터 및/또는 릴리프 밸브를 도입할 경우 별도의 컴프레셔를 필요로 하지 않게 되어 공정 효율이 향상을 도모할 수 있다.

상기 수전해 스택부와 수소 저장부 사이에 일정한 수소의 압력 유지 장치가 없을 경우에는 생산된 수소가 모두 수소저장장치로 충전되지 않으면, 수전해 스택부 내부의 수소 압력이 설계된 압력보다 상승하여 수전해 스택부의 성능 저하가 발생하는 문제가 생길 수 있다.

수전해스택에서 가압을 하지 않으면, 상압으로 생산되어 나온 수소를 수소저장합금에 요구되는 압력을 맞추기 위해 컴프레서를 통해 가압을 해야할 필요가 발생한다.

기체 가압은 일반적으로는 액체가압보다 공정에 소요되는 에너지가 크고(약 100배) 소음도 크다는 단점이 있다.

따라서 수전해 스택에서 가압이 된다면 물 펌프부터 액체 가압이 가능해져 기생전력이 크게 소요되고 소음이 크게 발생하는 컴프레서가 필요치 않게 될 수 있다.

본 발명의 경우 수전해 스택으로부터 생산된 수소는 별도의 컴프레서를 통한 가압과정을 거치지 않고 수소저장장치에 저장이 가능한 이점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부 사이에 건조부(dryer);를 더 포함하고, 상기 건조부는, 상기 수전해 스택부에서 생산된 수소를 상기 수소 저장부에 저장하기 전 건조하는 것일 수 있다.

일 예로서, 상기 건조부는 드라이어 장치를 포함할 수 있으며, 이는 수분이 함유된 수소를 건조시켜서, 고순도의 수소를 확보하기 위한 것일 수 있다. 상기 건조된 수소는, 백 프레셔 레귤레이터를 통해 상기 수소 저장부의 충전 정격 압력으로 조절된 후 도킹부를 거쳐 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부 사이에 컴프레셔-프리(compressor-free)인 것일 수 있다.

이를 통해서 본 발명은 상당한 수준의 공정 효율 향상을 의도할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수전해 스택부의 허용압력은, 상기 수소저장합금의 프레토(Plateau) 압력 이상인 것일 수 있다.

일 예로서, 상기 수전해 스택은, 칠러(chiller)를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 칠러는, 수전해 스택부의 물분해 반응이 고전류 인가 조건에서 발열반응이므로, 수전해 스택부의 수전해 스택의 온도를 일정하게 유지시키는 역할을 하는 것일 수 있다.

한편, 상기 수소저장합금에 수소를 충전할 때, 발열반응이 일어나 수소저장용기의 온도가 상승하고 수소의 흡수를 저해할 수 있는 바, 수소 저장부는 냉각 장치로서, 공랭 팬을 더 포함할 수 있다.

일 측에 따를 때, 상기 공랭 팬은, 발열반응으로 인해, 충전 수소 유량이 정격보다 떨어져 수소의 유효적 이용 효율이 저하될 때, 수소 저장부의 수소저장합금에서 발생하는 열을 제거하여 충전 속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소저장합금으로 공급되는 수소의 압력은 30 bar 내지 50 bar 인 것일 수 있다.

컴프레셔를 사용할 경우에는 100 bar 이상의 압력을 손쉽게 구현할 수 있지만, 본 발명은 컴프레셔를 도입하지 않고 공정 효율을 향상하는 경우도 의도한 것이다.본 발명에서는 수소저장합금으로 공급되는 수소의 압력은 10 bar 내지 60 bar 수준으로 유지되는 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 수소의 압력은 30 bar 내지 50 bar 인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장부와 상기 연료전지부는 유로로 연결되고, 상기 유로는 감압 밸브를 포함하는 것일 수 있다.

연료전지부에 공급되어야 하는 수소의 압력은 수소 저장부에서 배출되는 수소의 압력 보다 낮은 수준일 수 있다. 따라서, 둘 사이를 연결하는 유로는 감압 밸브를 포함할 수 있다.

상기 수소 저장부와 상기 연료전지부는 유로로 서로 연결되며, 상기 유로를 통하여 수소 저장부에서 배출된 수소가 연료전지부로 공급될 수 있다. 상기 수소 저장부와 상기 연료전지부를 연결하는 유로에서 상술한 감압 밸브를 거쳐 통과하는 수소의 압력은 1.0 bar 내지 3.0 bar 인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부는, 공냉식 연료전지를 포함하는 것일 수 있다.

일예로서, 상기 공냉식 연료전지는, Air-breathing 타입일 수 있다. 일 예로서, 상기 Air-breathing 타입의 공냉식 연료전지는, 내장 팬에서 발생하는 토출 공기의 흐름 방향을 수소 저장부 쪽으로 향하게 하여 수소저장부의 흡열반응에 필요한 열 공급이 가능하게 할 뿐만 아니라, 수소 저장부 주위의 유동을 개선하여 수소 저장부의 히팅능력을 향상 시킬 수 있다.

일 예로서, 본 발명에서 상기 연료전지의 종류를 특별히 한정하지는 않으며, 수냉식 연료전지및 공냉식 연료전지 모두가 이용 될 수 있다. 다만, 에너지 저장 밀도 측면에서는 열교환기 및 수로가 필요 없어 구조가 간결한 공냉식 연료전지가 유리할 수 있다.

일 예로서, 상기 연료전지부의 연료전지는, 퍼징밸브 및 컨트롤러를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 퍼징밸브 및 컨트롤러는, 상기 연료전지 양극의 Dead-end 모드 운전을 위해서 일정 주기로 수소 토출구를 막았다가 열어주는 역할을 하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 연료전지부는, 무가습 조건에서 운전 가능한 연료전지를 포함하는 것일 수 있다.

일 예로서, 상기 Air-breathing 타입의 공냉식 연료전지을 이용하여 무가습 조건에서 운전 가능 하도록 연료전지부의 연료전지 스택이 구성되어 있을 경우 추가적 가습장치가 필요 없으므로 종래의 가습장치가 필요한 연료전지의 스택 대비 본 발명의 수소 충방전 시스템의 에너지 저장 밀도가 향상될 수 있다.

일 예로서, 상기 연료전지부는, 1 kWh/L 이상의 에너지 생산이 가능한 것일 수 있다. 상기 연료전지부의 1 kWh/L 이상의 에너지 생산은, 전기 생산 출력 기준이 아닌 방전부에 저장된 수소의 저위발열량 기준(LHV, Lower Heating Value)인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 저장부의 방전량은, 충전량의 90 % 이상인 것일 수 있다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 제안하는 수소 충방전 시스템에 따라, 수전해 스택부, 수소 저장부, 연료전지부를 포함하는 수소 충방전 시스템을 실험실 수준으로 구현하였다. 수전해 스택부는 수전해 스택 외에 물탱크 및 부스터 펌프를 구비하도록 설계되었고, 수전해 스택부와 수소 저장부 사이는 유로로 연결되며 유로에는 압력 측정기 및 백 프레셔 레귤레이터 및 드라이어를 구비하였다. 수전해 스택부와 수소 저장부 사이에 컴프레셔는 별도로 구비하지 않았다.

본 실시예에서는 30 bar 로 수소를 공급할 수 있는 수전해 스택을 이용하였으며, 50℃, 30 bar조건에서 수소를 거의 완충할 수 있는 AB5 타입의 수소저장합금을 이용하였다.

수소 저장부의 수소저장합금으로 전달되는 수소의 압력은 30 내지 50 bar 수준으로 유지하였다. 수소 저장부에서 연료전지부로 수소를 전달하는 유로에는 감압 밸브를 구비하고, 연료전지부로 공급되는 수소의 압력은 1.5 bar가 되도록 유지하였다.

수소저장합금에 수소를 충전하는 반응은 발열반응이므로 충전 시 온도가 상승하게 되는 부분을 확인하였다. 수소저장합금의 온도가 상승하면 수소저장합금 고유 특성상 충전에 요구되는 압력이 상승하게 되는데, 이에 따라, 수전해 스택에서 공급가능한 압력 한도 내에서 온도 상승에도 불구하고 최대의 수소를 저장할 수 있는 수소저장합금의 선정이 요구되는 것을 이해하였다.

이와 같이 설계한 수소 충방전 시스템을 구동하면서, 그를 구성하는 각 부분의 성능과 효율에 대하여 아래와 같이 다양하게 실험하여 본 발명의 효과를 파악하였다.

도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 AB5 타입 수소저장합금을 이용하여 측정한 PCT (Pressure-concentration-temperature) 측정 그래프이다.

도 3에 나타난 그래프에 따르면, 20℃ 정도의 온도에서 수소가 완충이 되기 위해서는 수소 저장부로 공급되는 수소의 압력이 15 bar 수준으로 요구되는 것을 확인할 수 있었다.

도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충전 과정 중 수소저장장치의 온도, 압력, 충전량 변화의 실험 결과 그래프이다.

도 4에 나타난 그래프를 통해 충전 시 압력이 30 bar로 상승하여 유지되며, 온도도 발열반응에 의해 약 66 ℃ 로 상승하였다가 쿨링이 되며 수소가 점차 충전이 되는 과정을 확인할 수 있었다. 또한, 4시간 정도가 지난 후 온도가 급감하는 지점에서는 대부분의 충전 반응이 모두 일어나 발열반응이 멈춰 온도가 급감하는 것을 확인하였으며, 이때의 수소저장량도 98% 수준으로 충전된 것을 확인할 수 있었다.

도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템의 수소 저장부와 연료전지부 간의 연결관계에 있어서 연료전지부(300)의 폐열을 팬을 이용하여 수소저장부(200)의 수소저장합금(210)으로 전달하는 일 예가 개략적으로 도시되어 있는 개념도이다.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템을 실험실에서 구현한 사진이다.

도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수소 충방전 시스템의 연료전지부와 수소 저장부를 연계하기 전(비교예)과 연계한 후(실시예)에 수소 저장부의 온도를 측정한 실험 그래프이다.

도 7의 검은 선은 연료전지부와 수소저장부를 연계하기 전(비교예)을 나타내며 최저온도는 0도 근처로 확인되었고, 충전량의 75 % 정도의 방전이 가능하였다. 도 7의 파란 선은 연료전지부와 수소저장부를 연계한 후(실시예)를 나타내고, 최저온도는 15도 근처로 확인되었고, 충전량의 100 % 방전이 가능한 것을 확인하였다. 도 7의 빨간 색 화살표는 연료전지부를 연계함에 따라 작동시간이 증대된 부분을 가리키고 있다.

비교예는 연료전지와 수소저장장치를 열적으로 연계하지 않고 운전한 결과를 나타내며, 실시예는 도 6과 같이 연료전지와 수소저장장치를 열적으로 연계한 결과를 나타내고 있다. 연료전지를 연계하기 전에는 지속적으로 수소저장장치의 온도가 감소하여 최종적으로는 충전량의 75%만 방전할 수 있었으나, 연료전지와 연계 후에는 온도가 높게 유지되어 10시간동안 정격 운전을 통해 충전량의 100%를 방전할 수 있었다. 이를 통하여 연료전지부와 수소 저장부를 연결하면 에너지 효율을 큰 폭으로 상승시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충방전 시스템의 연료전지부에서 시간에 따라 전기에너지로 전환된 양을 측정한 그래프이다.

도 8의 그래프를 통하여 본 발명의 수소 충방전 시스템을 이용하여 10시간 동안 정격출력으로 전기가 지속적으로 생산이 된 것을 확인할 수 있었다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

1. 전기와 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부;
   상기 생산된 수소를 전달받아 저장하고 저장된 수소를 방출할 수 있는 수소저장합금이 탑재된 수소 저장부; 및
   상기 수소 저장부로부터 수소를 전달받아 전력을 생산하는 연료전지부;
   를 포함하고,
   상기 수전해 스택부와 상기 수소 저장부는 수소가 전달되는 유로로 연결되고,
   상기 유로에는 압력 측정 장치 및 여분의 수소 배출 장치가 도입되고,
   상기 수소 저장부와 상기 연료전지부는 유로로 연결되고, 상기 유로는 감압 밸브를 포함하고, 상기 감압 밸브를 거쳐 통과한 수소가 연료전지부로 공급되고,
   상기 수전해 스택부는,
   물을 보관하고 공급하는 물탱크; 및
   상기 물탱크로부터 공급된 물을 가압하고 상기 수전해 스택으로 전달하는 부스터 펌프;를 더 포함하고,
   상기 수소저장합금으로 공급되는 수소의 압력은 30 bar 내지 50 bar인 것인,
   수소저장장치 수소 충방전 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 연료전지부에서 발생한 열이 상기 수소 저장부로 전달되는 것인,
   수소저장장치 수소 충방전 시스템.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 수전해 스택부의 허용압력은, 상기 수소저장합금의 프레토(Plateau) 압력 이상인 것인,
   수소저장장치 수소 충방전 시스템.
   
8. 전기와 물을 이용하여 수소를 생산하는 수전해 스택을 포함하는 수전해 스택부;
   상기 생산된 수소를 전달받아 저장하고 저장된 수소를 방출할 수 있는 수소저장합금이 탑재된 수소 저장부; 및
   상기 수소 저장부로부터 수소를 전달받아 전력을 생산하는 연료전지부;
   를 포함하고,
   상기 수전해 스택부는,
   물을 보관하고 공급하는 물탱크; 및
   상기 물탱크로부터 공급된 물을 가압하고 상기 수전해 스택으로 전달하는 부스터 펌프;를 더 포함하고,
   상기 수소저장합금으로 공급되는 수소의 압력은 30 bar 내지 50 bar인 것인,
   수소저장장치 수소 충방전 시스템.
   
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지부는, 공냉식 연료전지를 포함하는 것인,
    수소저장장치 수소 충방전 시스템.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지부는, 무가습 조건에서 운전 가능한 연료전지를 포함하는 것인,
    수소저장장치 수소 충방전 시스템.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장부의 방전량은, 충전량의 90 % 이상인 것인,
    수소저장장치 수소 충방전 시스템.
    
    

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