KR102303890B1 - 연료 가스 저장 시스템 - Google Patents

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니콜라이 콘스탄티노비치 제바고
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에이치2-에너지 리미티드 라이어빌리티 컴퍼니
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Abstract

본 발명은 다중 모세관 구조의 형태를 갖는 가스, 바람직하게는 수소 가스 저장 시스템에 관한 것이다. 이러한 다중 모세관 구조는 특정 길이에 걸쳐 일정한 단면을 가지며, 이러한 단면은 다중 모세관이 충분히 가요성을 갖는 값으로 급격히 감소된다. 다중 모세관의 가요성 영역은 수소를 연료 전지로 수송하기에 충분한 길이를 갖는다. 이러한 방식으로, 가요성을 갖는 다중 모세관 가스 파이프 라인이 생성되는데, 이러한 파이프 라인은 대량의 수소 정장 공간과 통합됨으로써, 이에 의해 연료 전지에 수소를 공급하도록 구성된다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 고압 가스를 갖는 다중 모세관 탱크의 신속 재충전과 더불어 다중 모세관 탱크로부터 매니 폴드로 제어된 가스 방출이 가능한 연료 가스 저장 시스템을 제공하는 것으로, 이때 연료 전지의 작동을 위한 적절 압력이 1 MPa 미만으로 유지되도록 구성된다. 가스 저장 시스템 및 연료 전지로의 가스 수송 시스템을 포함하여 동력원의 최적 안전과 더불어 효율적인 중량 및 공간 특성을 보장하는 것이 필요하다.

Description

연료 가스 저장 시스템
본 발명은 고압 가스의 저장 분야에 관한 것이다. 보다 정확하게는, 본 발명은 수소 및 메탄과 같은 가스의 콤팩트하고 용이한 저장에 관한 것이다. 본 발명은 엔진 분야, 특히 연료 전지에서 연료 가스와 산소의 촉매 반응에 의해 전기를 생성하는 자동차용 엔진에 응용될 수 있다.
현재, 모바일 전자 기기 및 무인 항공기의 가장 일반적인 전기 에너지 공급원은 니켈-폴리머 전지 또는 리튬-폴리머 전지이다. 최고 사양의 리튬-폴리머 전지는 총 커패시티 용량 20 Ah에서, 전지 무게 1킬로그램당 약 200 Wh의 비에너지(specific energy) 소비량을 갖는데, 이러한 용량으로는 배터리를 재충전하지 않을 경우 장치의 작동 시간을 제한하게 된다. 모바일 기기의 동력원에 대한 에너지 소비를 대폭 증가시키기 위한 방법으로 연료 전지가 사용되고 있다. 연료 전지의 경우, 저장소로부터 공급되는 수소와 산화제가 촉매 반응을 일으킴으로써 전기가 생성되도록 구성된다. 연료 전지에서 사용되는 가장 일반적인 연료 가스는 수소이고, 대기 산소의 경우에는 산화제로 사용되는데, 이들에 의해 최종적으로 물, 열 에너지 및 전기 에너지를 생성하도록 구성된다. 그러나 또 다른 연료, 예컨대 천연 가스의 경우에도 연료 전지에 사용 가능하다.
수소 에너지가 직면한 문제 중 하나는 수소 연료를 안전하게 저장할 수 있는지의 여부 및 이를 연료 전지로 적절히 조절 공급할 수 있는가의 여부이다. 스틸 소재 또는 복합 소재로 구성된 실린더에서 수소를 저장하는 다양한 모바일(이동식) 방법이 개발되었는데, 이들 방법은 다공성 구조에 의해 압축 또는 흡착된 액체 상태로 저장하는 물리적 저장 방법 및 금속 수소화물의 상태로 저장하는 화학적 저장 방법을 포함하고 있다. 그러나 이러한 모든 방법들은 연료 저장 및 공급 시스템에서 수소의 중량 측정 함량 및 부피 함량에 상당한 제한이 있다(굽타 알[Gupta R.], 바질 에이[Basile A.], 베지로글루 티엔[Veziroglu T.N.] (ed.), 수소 에너지 개요: 수소의 저장, 분배 및 인프라 - 우드헤드 출판사, 2016년).
최근에는 미세 모세관 구조(micro-capillary structure)에 기초한 저장 시설의 사용이 유망하게 떠오르고 있다. 고강도 등급의 글라스로 구성된 모세관 용기는 압축된 연료 가스의 저장 및 수송에 있어, 기존의 스틸 및 복합 소재로 구성된 실린더에 대한 실질적인 대안으로 알려져 있다. 이용 가능한 실험 데이터(제바고 엔케이[Zhevago N.K.], 데니솝 이아이[Denisov E.I.], 글레봅 뷔아이[Glebov V.I.], 국제 저널/수소 에너지[International Journal of hydrogen energy], 2010년, v.35, 169-175쪽)에 따르면, 글라스로 구성된 미세 모세관을 사용할 경우 스틸(20-35 MPa) 및 복합 소재(35-70 MPa)로 구성된 실린더보다 현저히 높은 압력(100 MPa 이상)에서 수소 및 기타 가스를 안전하게 저장할 수 있으므로, 가스의 중량 측정 함량에 있어 기록적인 고성능을 제공한다. 다중 모세관 용기 내에 저장된 가스의 총 부피는 미세 모세관의 수에 따라 대응되도록 여러개의 작은 부피 단위로 분할되어 있기 때문에, 용기의 일부분이 비상 상황 하에서 파괴되는 동안에도 대량의 가스가 대기 중으로 즉시 방출될 확률을 감소시킴으로써, 고압 상태에 있는 수소 가스의 저장 안전성을 증가시키도록 구성된다.
다중 모세관 용기(탱크)는 다른 장점도 있는데, 예컨대 강성 확보의 이유로 인해 원형 실린더나 구 형태를 갖도록 구성된 종래의 고압 가스 실린더와는 달리, 다중 모세관 용기의 경우에는 임의의 형태(육각형, 플랫 형태 등)를 갖도록 구성될 수 있다는 점이다. 따라서 이들을 사용하면, 연료 전지에 의해 전기를 생성하는 장치의 빈 공간을 이용 가능하다. 직경이 200 미크론(micron) 미만인 글라스 모세관의 또 다른 중요한 특성은 높은 기계적 유연성을 갖는다는 점이다. 이러한 이유로 가요성 모세관 다발(bundle)을 파이프 라인으로 사용할 수 있는데, 예컨대 고압 가스 저장 장치의 주요 저장 공간을 연료 전지와 연결할 수 있도록 구성된다. 이러한 경우에는, 필요에 따라 가스의 유동을 전환하더라도 연결 슬리브가 필요하지 않다(제바고 엔케이[Zhevago N.K.] 외, 미세 모세관 수소 저장 탱크, Scientific Journal Alternative Energy and Ecology, 2012년. №.9.106-115쪽). 가요성 모세관 다발은 연료 가스의 저장 및 운송 분야뿐만 아니라 또 다른 많은 응용 분야를 찾을 수 있다. 이들은 특히, 응급 상황에서 항공기 승객에게 호흡 가스를 분배하기 위한 방법으로도 제안되었다(독일 특허 공개번호 DE 10343250 A1).
다중 모세관 탱크에 저장된 연료 가스를 실제로 사용하려면, 탱크를 가스로 신속 충진하는 한편 탱크에서 버퍼(연료 전지의 양성자 멤브레인을 통한 가스 유동이 가능하도록 적당한 압력[0.1-1.0 MPa]이 유지되는 곳)로 방출되는 가스를 제어할 필요가 있다. 모세관으로부터 가스를 방출하기 위한 다중 모세관 용기와 관련하여 종래에 제안된 디자인을 보면, 가용성 금속층(러시아 특허번호 RU 2327078 C2 및 RU 2339870 C1) 이라든가, 또는 밀봉되지 않은 자유 모세관 단부를 커버하는 플러그(미국 특허 공개번호 US 20090120811 A1 및 유럽 특허 공개번호 EP 2062850 A3)가 사용되었다. 이러한 예들에서, 가스가 방출되려면 금속층 또는 플러그가 각각 파괴(용융)되어야 수행될 수 있는데, 이러한 접근법은 효율적인 것과는 거리가 멀다. 이들은 조절 방법이 너무 복잡하고 금속층들(플러그)을 가열하는 데 에너지가 필요한데, 유리의 부피 팽창 계수와 금속층들(플러그)의 재료 차이로 인해 추가의 글라스 장력을 유발할 수 있기 때문이다. 이러한 실시예들의 또 다른 단점은 탱크로 가스를 신속 충진하기 어렵고, 탱크에서 버퍼로 방출되는 가스를 제어할 때, 모세관으로부터 가스 방출에 대한 최적의 신뢰성 및 속도를 보장할 수 없다는 점이다.
탱크에서 연료 전지로 가스를 방출하는 동안 모세관에 대한 열적 영향을 제거하기 위한 방법으로, 일단부가 개방된 다수의 미세 모세관(카트리지)을 원통형 보호 실린더 내에 접착시키는 것이 제안되었는데, 여기서는 이러한 개방 단부를 갖는 모세관이 연료 전지용 표준 수소 공급 시스템을 구비한 어댑터에 통합되도록 구성된다(미국 특허 공개번호 US 20150236362 A1). 유사한 해결 방법으로, 가스가 모세관으로부터 배출되도록 고압 공간을 구비한 폐쇄 용기에 모세관 다발을 배치하는 한편, 충분한 양의 가스 저장을 위해 파이프 라인과 연결된 용기 그룹을 배치하는 방법이 제안되었다(미국 특허 공개번호 US 2013186904 A1),
이와 동시에, 이러한 수소 공급 방식은 보호 실린더(용기)의 단면이 충분히 작을 경우 안전함을 알 수 있는데, 그 이유는 실린더와 카트리지의 접합부에 대한 가스 압력의 힘이 그 단면적에 비례하기 때문이다. 예컨대, 압력이 100MPa이고 면적이 1cm2 인 경우 힘은 약 1000kgf이므로, 따라서 적당한 단면적을 가진 다수의 카트리지를 사용하거나, 어댑터의 구비와 더불어 다수의 연결 부재로 구성된 카트리지를 사용하여야 하는데, 이러한 경우 시스템의 중량이 많아지게 된다. 이러한 방법의 또 다른 단점은 카트리지들 사이에 쓸모없는 공간이 발생함으로써 동력원의 총 공간(부피) 성능을 저하시킨다는 것이다.
상술한 바와 같이, 종래의 기술 및 해결책에는 중량 측정 및 공간(부피) 특성뿐만 아니라 안전 사용 기준에 있어서도 만족할만한 해결책이 제시되어 있지 않다.
따라서 다중 모세관 저장소로부터 연료 전지로 수소를 효율적으로 공급하도록 하기 위해서는, 이동식 수소 저장소를 위한 장비의 추가 개선이 필요하며, 또한 동력원의 안전성 향상과 더불어 중량 측정 및 공간(부피) 특성을 개선하는 과제가 최근 매우 시급하게 대두되었다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복할 수 있는 연료 가스 저장 시스템을 제공하는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 다중 모세관 탱크를 고압 가스로 신속 재충전함과 더불어, 다중 모세관 탱크로부터 매니 폴드로 제어된 가스 방출이 가능한 연료 가스 저장 시스템을 제공하는 것으로, 여기서는 연료 전지의 작동을 위한 적정 압력이 1 MPa 미만으로 유지되도록 구성된다. 가스 저장 시스템 및 연료 전지로의 가스 수송 시스템을 포함하여 동력원의 최적 안전과 더불어 효율적인 중량 측정 및 공간(부피) 특성을 보장하는 것이 필요하다.
본 발명에 따른 일단부가 폐쇄된 미세 모세관 다발을 포함하는 다중 모세관 가스 저장 시스템은, 미세 모세관이 금속 플러그로 밀봉되고, 미세 모세관들 사이의 공간은 플라스틱 재료로 충진되어 있으며, 미세 모세관은 원통형으로 구성되는 한편 폐쇄 단부 근처에서 일정한 단면적을 갖고, 이러한 단면적은 개방 단부에 가까울수록 미세 모세관이 유연해지는 값으로 감소함으로써, 이에 따라 가요성 가스 파이프 라인을 형성하도록 구성된다.
본 발명에 따른 일단부가 폐쇄된 미세 모세관 다발을 포함하는 다중 모세관 가스 저장 시스템은, 미세 모세관이 금속 플러그로 밀봉되고, 안쪽의 미세 모세관은 공통 면을 갖는 육각형의 프리즘 형태로 제조되는 반면 최외곽 모세관의 외부면은 원통형으로 구성되며, 미세 모세관은 폐쇄 단부 근처에서 일정한 단면적을 갖고, 이러한 단면적은 개방 단부에 가까울수록 미세 모세관이 유연해지는 값으로 감소함으로써, 이에 따라 가요성 가스 파이프 라인을 형성하도록 구성된다.
본 발명에 따른 다중 모세관 구조는, 미세 모세관이 유리, 석영 또는 현무암으로 제조된다는 점에서 상이하다.
본 발명에 따른 다중 모세관 구조는, 융점이 낮고 미세 모세관 재료에 대한 높은 접착성을 갖는 금속 합금이 금속 플러그의 재료로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 모세관 구조는, 인듐-주석 합금이 금속 플러그의 재료로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 모세관 구조는, 플러그의 길이(L)가 다음 공식에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다:
Figure 112020007424474-pct00001
이때, r은 모세관의 내경, k는 글라스 표면 유닛과 합금의 접착력, P는 모세관 내부에 요구되는 가스 압력임.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 모세관 구조는 일정한 단면적 영역에서 미세 모세관의 반경에 대한 외벽 두께의 비가 0.1 % 내지 10 % 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다중 모세관 구조는 일정한 단면적 영역에서 미세 모세관의 반경에 대한 외벽 두께의 비가 0.1 % 내지 2 % 범위 내에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다중 모세관 구조는, 에폭시 수지 또는 에폭시 접착제가 플라스틱 재료로 사용된다는 점에서 상이하다.
본 발명에 따른 압축 수소 가스를 연료 전지로 저장 및 운반하기 위한 장치는 수소 가스를 함유하는 하나 이상의 다중 모세관 유닛, 저장된 수소를 연료 전지로 이송하기 위한 용도를 갖는 한편 상기 다중 모세관 유닛에 통합되는 가요성의 다중 모세관 가스 파이프 라인, 및 압력 센서 및 밸브를 포함하는 수소 유입 및 배출 제어 시스템을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 장치는 일단부가 금속 플러그로 밀봉되는 한편 일련의 단단히 패킹된 원통형 글라스 미세 모세관으로 구성된 6각형식 다중 모세관 구조를 포함한다. 기존 제품과의 주요 차이점은 원통형 미세 모세관들 사이의 공간이 에폭시 수지 또는 기타 플라스틱 재료로 충진된다는 점으로, 이에 의해 모놀리식 구조(monolithic structure)를 보장하고, 수소가 모세관의 외벽을 통해 주변 매체로 확산되는 것을 방지하는 한편, 모세관의 외표면 상에 존재하는 나노 미터 크기의 그랙들을 충진시킴으로써 모세관의 강도를 증가시키도록 구성된다.
다른 실시예에서, 다중 모세관 구조는 단단히 용접된 6각형 프리즘 형태의 모세관으로 구성된다. 그러나 최외곽 모세관의 경우에는 기존 제품과 달리, 원통형 구조가 프리즘의 평면을 대체하도록 특별한 형상을 갖는다. 이로 인해, 내부 가스 압력이 가해질 때, 다중 모세관 구조의 외표면이 평탄한 면의 경우와 달리 굽힘보다는 연신을 겪도록 구성되는데, 이에 의해 고압 가스 압력에서 구조의 계단식 파괴를 회피하도록 구성된다.
플러그는 글라스에 대한 높은 접착성을 갖는 저융점 합금, 바람직하게는 인듐-주석 합금으로 제조되며, 플러그의 길이는 미세 모세관의 직경에 비례하고 접착 정도에 반비례하도록 구성된다.
본 발명에 따른 장치 및 시스템과 기존 제품과의 주요 차이점은 다중 모세관의 구조 형상이다. 다중 모세관 구조는 일정한 길이에서 일정한 단면적을 갖는데, 이러한 단면적은 다중 모세관이 상당히 유연해지는 값으로 급격히 감소한다. 다중 모세관의 가요성 영역은 수소를 연료 전지로 수송하는데 필요한 길이가 된다. 이에 의해 수소 저장 공간과 통합된 가요성의 다중 모세관 가스 파이프 라인을 생성함으로써 연료 전지에 수소를 공급할 수 있도록 구성된다. 가요성의 다중 모세관 가스 파이프 라인은 외부의 기계적 충격으로부터 이들을 보호하기 위한 기능을 갖는 외부 재킷(outer jacket)을 구비할 수 있다. 이들을 에폭시 수지와 결합시킴으로써, 다수의 다중 모세관 구조로부터 충분한 양의 공간(부피) 및 임의의 모양으로 수소 저장이 가능하도록 구성된다. 저장 공간은 이들을 충격으로부터 보호하기 위한 기능을 갖는 경량 다공성 폴리머로 구성된 외부 쉘(outer shell)을 구비할 수 있다. 또한, 본 장치는 전체적으로 가요성 다중 모세관 가스 파이프 라인의 단부에 연결된 조절 가능식 배출 밸브도 포함한다.
본 발명에 따른 장치는 또한 수소 이외의 가스, 예컨대 메탄, 산소, 헬륨, 수소와 메탄의 혼합물, 산소와 헬륨의 혼합물, 및 기타 가스뿐만 아니라 이들의 혼합물에 대한 저장 및 방출을 위해 사용될 수 있다는 점이 인식되어야 한다.
상술된 본 발명의 특징 및 장점 및 이를 달성하는 방법은 첨부된 도면들을 참조하는 한편, 본 발명의 실시예들에 대한 추가 설명에 기초하여 보다 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따라 종래 기술의 단점을 극복할 수 있는 연료 가스 저장 시스템이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따라 고압 가스를 갖는 다중 모세관 탱크의 신속 재충전과 더불어 다중 모세관 탱크로부터 매니 폴드로 제어된 가스 방출이 가능한 연료 가스 저장 시스템이 제공된다.
도 1은 가스 저장 영역 내에서 조밀하게 패킹된 원통형 글라스 미세 모세관 구조의 단면을 도시한다.
도 2는 모세관의 폐쇄 단부로부터 단단히 용접된 6면식 프리즘(육각형) 모세관의 구조를 도시한다.
도 3은 가스 저장 영역이 가요성 다중 모세관 가스 파이프 라인으로 들어가는 다중 모세관 구조의 형태를 도시한다.
도 4는 다중 모세관 구조를 임의의 형태를 갖는 단일 가스 저장소로 결합시키기 위한 가능한 방법 중 하나의 실시예를 도시한다.
도 5는 다중 모세관 가스 케이블의 가능한 구조에 대한 실시예를 도시한다.
도 1은 수소를 연료 전지로 저장 및 이송하기 위한 제1실시예의 다중 모세관 유닛에 대한 개략적인 단면도를 도시한다. 상기 유닛의 구조는 동일한 단면적의 원통 형상과 더불어 얇은 외벽을 구비한 일련의 글라스 미세 모세관(1)들로 구성되며, 이들 모세관은 6각형 또는 기타의 매트릭스 구조에 단단히 패킹되고 단부들이 폐쇄되는 한편 금속 플러그(3)를 구비하는데, 이때 플러그는 인듐-주석 합금(In50Sn)과 같이 충분히 낮은 융점을 갖고 글라스에 대해 충분히 양호한 접착력을 가지며 수소에 대한 내화학성이 우수한 특성을 갖도록 구성된다. 모세관 내부의 용융물을 융점 미만으로 냉각시킨 후, 고체형의 금속 플러그(3)가 형성된다. 플러그의 길이(L)는, 모세관이 소정 압력(P)의 가스로 채워져 있는 경우, 모세관의 내부 표면과 플러그의 접착력이 플러그를 밀어내는 힘을 초과하는 상태로부터 결정된다.
계산에 따르면 튜브의 길이(L)는 다음 조건을 충족해야 한다:
Figure 112020007424474-pct00002
이때, r은 모세관의 내경, k는 글라스 표면 유닛과 합금의 접착력임.
모세관(1)의 재료는 다양한 유형의 글라스, 석영 또는 현무암일 수 있다. 이들을 후속의 결정화 공정 없이 상승된 온도에서 연화시킴으로써 상응하는 프리폼(preform)으로부터 다중 모세관을 인출할 수 있도록 구성된다. 임계 깊이를 갖는 나노미터 크기의 크랙들이 미세 모세관의 표면에 발생할 확률을 최소화하기 위해, 외벽의 두께는 바람직하게는 10 미크론 미만, 보다 바람직하게는 2 미크론 미만이어야 한다.
미세 모세관 시스템의 중량을 최소화하기 위해, 미세 모세관의 반경에 대한 외벽 두께의 비는 바람직하게는 0.1 % 내지 10 %, 보다 바람직하게는 0.1 % 내지 2 %이어야 한다.
미세 모세관들(1) 사이의 공간은 에폭시 접착제, 에폭시 수지와 같은 플라스틱 접착제(예: 글루 콜텍 CT 1010 제품 [Glue Colltech CT 1010])로 충진되며, 이들의 액체 모노머 페이즈(monomer phase)는 충분히 낮은 점도를 가지며, 미세 모세관들 내부 및 사이의 공간을 용이하게 충진할 수 있도록 구성된다. 유사한 특성을 가진 다른 접착제도 사용될 수 있다. 모세관 력으로 인한 모노머(플라스틱 재료의 액상)의 리프팅 높이는 채널의 직경에 반비례하기 때문에, 상기 모노머는 모세관 자체의 공간보다 더 큰 깊이로 모세관 사이의 공간으로 침투한다.
접착제의 모노머 페이즈의 중합 반응은 자외선 또는 열의 영향으로 발생한다. 중합 반응 후, 모세관의 폐쇄 단부들은 모세관 사이의 공간이 닫힌 채로 절단되어야 한다. 모세관 사이의 공간이 플라스틱 재료(2)로 충진됨으로써 모놀리식 구조(monolithic structure)를 제공하며, 이로 인해 모세관의 외표면에 존재할 수 있는 나노미터 크기의 크랙(crack)들을 커버함에 따라 모세관의 외벽을 통해 수소가 외부 환경으로 확산되는 것을 방지하는 한편 모세관의 강도를 증가시키도록 구성된다. 플러그(3)를 생성하기 위해, 미세 모세관의 개방 단부를 용융 금속 합금에 침지시키는 한편, 펌프를 사용하여 모세관 내부에 약간의 희박(rarefaction)을 생성한다.
본 발명의 제2실시예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서는 내부 미세 모세관(1)이 공통 면을 구비한 육각형 프리즘의 형상을 가지며 이러한 구조에 의해 벌집 구조 단면을 형성하는 반면, 최외곽의 미세 모세관은 특별한 형상으로 구성되는데, 즉 외표면이 플랫한 면 대신 원통형 면(4)으로 구성됨으로써, 이러한 구조가 글라스 강도에 영향을 미칠 수 있는 내부 가스 압력 하에 있을 때 굽힘 변형이 발생하지 않도록 구성된다. 예컨대 완전한 육각형 프리즘으로 구성된 다중 모세관 구조의 양단을 납땜한 다음 가열하면, 플랫한 엣지로부터 상응되는 최외곽 모세관의 형상을 도출할 수 있다. 글라스의 점도가 충분히 낮은 경우에는, 모세관 내부의 공기 팽창으로 인한 내부 압력의 상승에 의해, 최외곽 모세관의 면이 필요한 만큼 변형된다. 플러그(3)를 생성하기 위해, 미세 모세관들의 초기 개방 단부를 용융 금속 합금에 침지시키는 한편, 펌프를 사용하여 모세관 내부에 약간의 희박을 생성한다.
육각형으로 구성된 다중 모세관 블록에 대한 전체 도면이 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 다중 모세관 블록(5)은 수만 내지 수십만개의 미세 모세관(1)을 포함할 수 있으며, 단면적 기준 수 제곱 밀리미터 내지 수십 제곱 센티미터의 가스 저장 영역을 보유할 수 있다. 블록의 형상은 육각형으로만 제한되지 않으며, 상이한 기하학적 형상, 예컨대 평행 육면체 형상 또는 기타 형상으로 구성될 수 있는데, 이에 의해 미세 모세관 시스템에서 블록의 후속 밀착 패킹을 허용하도록 구성된다. 가스 운송 영역(6)에서, 블록의 가로 치수는 다중 모세관(1)에 충분한 가요성을 제공하도록 선택되어야 하며, 바람직하게는 300 미크론 미만의 가로 치수를 갖는다. 미세 모세관 블록(5)의 가요성 단부는, 다중 미세관들(1)을 가열하되, 예컨대 블록의 중단(waist)에서 글라스의 점도가 감소하는 온도까지 가열함으로써 얻을 수 있다. 이러한 절차는, 예컨대 TOSS LLC(http://www.tegs.ru/?p=261)에서 X-선 광학을 위한 가변 단면을 갖는 글라스 다중 모세관 구조의 생성시 사용된다. 운반시 다중 모세관(1)의 내부 구조는 그 형상을 유지한 채 더 작은 크기로 조정된다.
연료 가스를 연료 전지로 이송 및 이동 저장하기 위한 미세 모세관 시스템이 도 4에 개략적으로 도시되어있다. 이러한 시스템은 다수의 블록(5)을 임의의 형상의 구조로 소결 또는 접착(또는 또다른 유사한 작업)함으로써 구현되며, 다중 모세관의 가요성 단부(6)는 다중 모세관 케이블(7)에 결합된다. 케이블 단부(7)는 예컨대, 에폭시 접착제에 의해 고압 제어 밸브(압력 조절기)(8)의 입구에 연결된다. 기어 박스(8)의 출력은 버퍼 공간(콜렉터)(9)에 연결되며, 이때 가스 압력은 연료 전지(10)의 정상 작동에 필요한 레벨로 유지된다. 예컨대, 미세 모세관 시스템의 수소 압력이 100 MPa에 도달할 수 있으면, 이러한 압력은 버퍼 공간에서 0.1 내지 0.5 MPa로 감소해야 한다. 감속기(8)로는, 임의의 공지된 고압 밸브, 예컨대 100 MPa의 입구 압력에서 수소와 함께 작동하도록 설계된 공지된 부텍 밸브(BuTech 316SS valve)가 사용될 수 있다.
다중 모세관 파이프 라인의 단면이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 다중 모세관 파이프 라인(7)은 글라스 섬유 또는 금속(11)으로 제조되는 한편, 바람직하게는 폴리에틸렌 피복(12)으로 덮인 지지 케이블을 구비할 수 있으며, 이에 의해 각각의 가스 파이프 라인(6)을 중앙에 배치하고 케이블(7)에 기계적 강성을 부여하는 한편 케이블을 커플링 기어 박스(8)에 고정시키도록 구성된다. 케이블은 예컨대 폴리우레탄 폼(polyurethane foam)과 같은 아라미드(aramid) 또는 탄소 필라멘트(13) 및/또는 연질 피복(14)으로 덮임으로써, 설치 도중에 다중 모세관 블록에서 버퍼 공간에 이르기까지 우발적인 외부 손상을 방지하도록 구성된다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명은 본원에 개시된 설명에 기초하여 구현될 수 있다. 필요한 수단 및 방법은 모두 본원에 개시되거나 당업자에게 공지되어 있다.
또한, 본원에 제시된 도면들은 단지 설명을 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명에 따른 장치의 다양한 예를 도시하는 도면들은 스케일 및 비율을 고려하지 않고 명확성을 위해 제공되어 있음에 유의해야 한다. 또한, 이들 도면에서 블록 및 기타 부재들은 배타적인 기능적 유닛들이므로, 이들 유닛들 사이에 물리적 연결 및/또는 물리적 상호 작용이 아닌 기능적 관계가 존재한다는 것에 유의해야 한다. 또한, 본 발명은 청구된 청구항들의 프레임 워크 및 본 기술 분야의 숙련자에게 명백할 수 있는 것 이외의 다른 옵션으로도 구현될 수 있다는 점이 부각되어야 한다.
1 미세 모세관
2 플라스틱 물질
3 모세관 플러그
4 모세관의 외표면
5 다중 모세관 블록
6 가스 파이프 라인의 일부
7 가스 파이프 라인
8 감압기
9 감압시 수소의 버퍼 공간
10 연료 전지
11 다중 모세관 파이프 라인 캐리어
12 폴리에틸렌 피복
13 케블라 또는 탄소 섬유의 권선
14 충격 방지 파이프 라인 피복

Claims (16)

  1. 일단부가 폐쇄된 미세 모세관 다발을 포함하는 다중 모세관 가스 저장 시스템에 있어서,
    상기 미세 모세관은 금속 플러그로 밀봉되고, 안쪽의 미세 모세관은 공통 면을 갖는 육각형의 프리즘 형태로 제조되는 반면, 최외곽 미세 모세관은 원통형으로 구성되며, 모세관들은 폐쇄 단부 근처에서 일정한 단면적을 갖는데, 이러한 단면적은 개방 단부에 가까울수록 미세 모세관이 유연해지는 값으로 감소함으로서 가요성가스 파이프 라인을 형성하도록 구성되는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 모세관은 유리 또는 석영 또는 현무암으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    금속 플러그의 재료로서, 낮은 융점을 갖는 한편 미세 모세관 재료에 대해 높은 접착성을 갖는 금속 합금이 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    인듐-주석 합금이 플러그의 재료로서 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    튜브의 길이(L)는 다음 공식, 즉:
    Figure 112021095912542-pct00004

    에 의해 결정되고, 이때 r은 모세관의 내경, k는 글라스 표면 유닛과 합금의 접착력, P는 모세관 내부에 요구되는 가스 압력인 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    임의의 모세관 단면에서 미세 모세관의 반경에 대한 외벽 두께의 비는 0.1 % 내지 10 %인 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    임의의 모세관 단면에서 미세 모세관의 반경에 대한 외벽 두께의 비는 0.1 % 내지 2 %인 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    에폭시 수지 또는 에폭시 접착제가 중합체(polymer) 재료로서 사용되는 것을 특징으로 하는 다중 모세관 가스 저장 시스템.
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