KR102363202B1 - 고순도 수소 발생 및 저장 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 수소 발생 및 저장 시스템에 관한 것으로, 수소 발생 장치 내에서 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 수소(hydrogen; 기호 H)를 생성하고, 수소 저장 탱크에 저장된 기체수소를 진공 모터로 흡입하여 한 개 이상의 카본 필터를 통과시켜 불순물이 제거된 고순도의 기체수소를 배출하고, 고순도의 기체수소를 한 개 이상의 냉각 탱크에 넣어서 액화수소로 극저온에서 안전하게 저장할 수 있다.
본 발명의 고순도 수소 발생 및 저장 시스템은, 전체 100중량%에 대하여, 30중량%의 마그네슘, 0.1중량%의 다이아몬드, 0.1중량%의 수정, 0.1중량%의 백금, 1중량%의 칼슘, 8중량%의 희토류, 나머지 중량%의 숯을 포함하는 수소 생성 물질과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 기체수소를 발생하는 수소 발생 장치(110); 상기 수소 발생 장치(110)에서 생성한 기체수소를 내부에 들어있는 물의 상부에 저장하며, 수소 배출관(121)에 밸브(122)가 설치된 수소 저장 탱크(120); 상기 수소 저장 탱크(120)에 저장된 기체수소를 진공 모터(130)로 흡입하여 불순물이 제거된 고순도 수소를 배출하며, 유입구 및 배출구 쪽의 배관에 밸브(141)가 설치된 한개 이상의 카본 필터(140); 상기 카본 필터(140)를 통과한 고순도 수소를 영하 60∼257℃의 극저온에서 액화수소로 저장하며, 이중 또는 삼중 구조의 스테인리스 재질로 구성되고 제일 안쪽 탱크의 내부에 액화수소가 저장되고 탱크와 탱크 사이의 공간에 냉매가 들어있는 외부 및 내부 냉각 탱크(210,220)와, 상기 냉매의 온도를 실시간 측정하는 냉매 온도 센서(260)에 의해 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주는 냉동 모터(250)와, 상기 외부 냉각 탱크(210)에 설치되어 냉매가 새는 것을 감지하는 누진 감지 센서(280)와, 수소 유입구에 설치된 역류 방지용 전자밸브(240)와, 및 상기 액화수소의 수위를 감지하는 수위 감지 센서(270)가 설치된 한개 이상의 냉각 탱크(200); 상기 냉각 탱크(200)의 배출관(301)에 설치되어 수소 압력을 측정하여 표시하는 압력게이지(302); 상기 수위 감지 센서(270) 및 압력게이지(302)의 신호에 따라 상기 냉각 탱크(200)의 수소를 상기 수소 저장 탱크(120) 또는 상기 카본 필터(140)로 배출하여 상기 액화수소의 수위 및 압력을 조절하는 수위 및 압력 조절 밸브(306); 및 상기 냉매 온도 센서(260), 상기 수위 감지 센서(270), 상기 누진 감지 센서(280) 및 상기 압력게이지(302)의 신호 또는 측정 데이터에 의해, 상기 수소 발생 장치(110), 상기 진공 모터(130), 상기 밸브(122,141) 및 상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 동작을 제어하고 상기 냉각 탱크(200)의 온도를 제어하는 제어부(160);를 포함한다.

Description

고순도 수소 발생 및 저장 시스템{Generation and storage system for high purity hydrogen}
본 발명은 고순도 수소 발생 및 저장 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 발생 장치 내에서 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 수소(hydrogen; 기호 H)를 생성하고, 수소 저장 탱크에 저장된 기체수소를 진공 모터로 흡입하여 한 개 이상의 카본 필터를 통과시켜 불순물이 제거된 고순도의 기체수소를 배출하고, 고순도의 기체수소를 한 개 이상의 냉각 탱크에 넣어서 액화수소로 극저온에서 안전하게 저장하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소는 무게대비 매우 높은 에너지 밀도(33.3kWh/kg)를 가지고 있지만 부피대비 낮은 에너지 밀도(2.97Wh/L, 0℃, 1기압)를 갖기 때문에 적절한 방법으로 저장하여 부피대비 에너지 밀도를 높일 필요성이 제기된다. 또한, 수소 경제 활성화를 위해 안전하고 경제적인 대용량 수소의 장거리 운송 기술이 반드시 필요하다.
동시에, 대용량의 수소를 안전하게 공급하기 위한 국내외 수소 공급망(H2 supply chain) 구축이 반드시 요구되지만 해외에서 재생에너지 혹은 미활용 화석연료를 이용하여 생산된 초저가의 수소를 대량으로 한국에 수입하는 경우, 수소가 가지는 낮은 부피대비 에너지 저장밀도로 인해 기체 수소의 형태로 운송하기가 매우 어렵다.
이에 수소를 효율적으로 저장, 운송하기 위하여 산업적으로 압축 수소의 저장, 액화 수소의 저장 등 물리적 저장 방법들이 연구되어 왔으나 이러한 방법들은 안전과 에너지 손실 등의 문제를 가지고 있다. 이러한 이유들로 인해 대용량의 수소를 안정적으로 운송, 저장할 수 있는 화학적 저장 방법에 대해 점차 관심이 높아지고 있다.
화학적 수소저장 방법으로는 메탄올(CH3OH), 수소화 붕소 나트륨(NaBH4), 암모니아 보란(NH3BH3), 포름산(HCOOH) 및 톨루엔(C7H8)과 같은 액상 유기 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) 등을 들 수 있는데 이 물질들은 본질적으로 낮은 수소저장 용량, 고비용 처리(정제 등) 시스템, 수소 재생산 시 고에너지 손실 등 해결해야 할 많은 문제점이 산재해 있다.
화학적 수소저장 방법 중 암모니아(NH3)는 소재 기준 무게 및 부피대비 17.6wt% 및 120kg-H2/m3의 저장 용량을 가지는 초고용량 수소저장/운반체로서 현존하는 저장 및 운송 인프라를 거의 그대로 활용함으로써 초기 투자를 최소화할 수 있는 장점을 가지는 물질로 주목받고 있다. 또한, 암모니아는 액상 유기 수소 운반체(LOHC)와 달리 탄소를 포함하지 않기 때문에 탈수소화 반응 이후 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 같은 지구 온난화 문제가 있는 물질들을 방출하지 않고, 또한 [화학식 1]의 탈수소화 에너지 비교와 같이 암모니아 탈수소화 에너지 소모가 적은 장점을 가진 친환경(Green) 물질로서 대안이 되고 있다.
[화학식 1]
C7H14 → C7H8 + 3H2 △H = + 216.3 kj/mol
2NH3 → N2 + 3H2 △H = + 92.0 kj/mol
그러나, 암모니아가 수소의 저장, 운송 및 생산의 장점을 산업적으로 활용하기 위해서는 안전성, 저에너지의 탈수소화 촉매 및 시스템, 수소 대량 생산을 위한 투자비 절감 등의 문제들을 해결하기 위해서는 경제적이고 효율적인 수소 생산 기술 및 시스템의 개발이 절실한 실정이다.
또한, 구성이 간단하고 수소 발생의 제어 및 관제가 가능하며, 비용이 저렴하고 친환경적인 수소 발생 및 저장 시스템(또는 장치)의 개발이 절실한 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1022330호(등록일자: 2011.03.08.)
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 수소 발생 장치 내에서 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 수소(hydrogen; 기호 H)를 생성하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 수소 반응조에서 전체 100중량%에 대하여 마그네슘(30중량%), 다이아몬드(0.1중량%), 수정(0.1중량%), 백금(0.1중량%), 칼슘(1중량%), 희토류(8중량%), 숯(나머지 중량%)을 포함하는 수소 생성 물질과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 기체수소를 발생하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수소 발생 장치에서 생성한 기체수소를 내부에 물이 들어있는 수소 저장 탱크에 저장하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 수소 저장 탱크에 저장된 기체수소를 진공 모터로 흡입하여 한 개 이상의 카본 필터를 통과시켜 불순물이 제거된 고순도의 기체수소를 배출하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 카본 필터를 통과한 고순도의 기체수소를 한 개 이상의 냉각 탱크에 넣어서 액화수소로 극저온에서 안전하게 저장하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 액화수소를 저장하는 냉각 탱크를 이중 또는 삼중으로 구성하고 냉매와 냉동 모터로 냉각 탱크의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 수소가 폭발하지 않도록 극저온에서 안전하게 보관하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 냉각 탱크 내부에 수위 감지 센서를 설치하여 액화수소의 수위를 감지하여 액화수소의 수위를 자동으로 조절하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 냉각 탱크에 설치한 냉매 온도 센서를 통해 냉매 온도를 실시간으로 측정하여 냉동 모터로 냉매 온도를 적정 온도로 유지시켜주는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 냉각 탱크의 수소 유입구에 역류 방지용 전자밸브가 설치되고 누진 감지 센서를 설치하여 냉매의 누진을 감지하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 시스템의 각종 센서와 밸브 및 차단기의 신호 또는 데이터를 유선 또는 무선 통신망을 통해 서버에서 실시간으로 전송받아 시스템을 관제하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 시스템의 이상 신호 발생시 서버에서 이상 발생 내용을 등록된 연락처로 관제페이지나 SMS 문자 또는 어플 푸시기능으로 전송하여 신속한 대응이 이루어지도록 하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전력회사에서 공급하는 전압이 끊어지면 예비 전원으로 사용하는 발전 장치를 가동하여 냉각 탱크의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 수소가 폭발하지 않도록 조치하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 냉동 모터의 가동에도 불구하고 냉각 탱크의 내부 온도가 영하 60∼257℃로 유지되지 않을 경우 냉각 탱크에서 수소를 자동 배출하여 압력을 줄임으로써 폭발사고의 위험을 방지하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템을 제시하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템은, 전체 100중량%에 대하여, 30중량%의 마그네슘, 0.1중량%의 다이아몬드, 0.1중량%의 수정, 0.1중량%의 백금, 1중량%의 칼슘, 8중량%의 희토류, 나머지 중량%의 숯을 포함하는 수소 생성 물질과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 기체수소를 발생하는 수소 발생 장치(110); 상기 수소 발생 장치(110)에서 생성한 기체수소를 내부에 들어있는 물의 상부에 저장하며, 수소 배출관(121)에 밸브(122)가 설치된 수소 저장 탱크(120); 상기 수소 저장 탱크(120)에 저장된 기체수소를 진공 모터(130)로 흡입하여 불순물이 제거된 고순도 수소를 배출하며, 유입구 및 배출구 쪽의 배관에 밸브(141)가 설치된 한개 이상의 카본 필터(140); 상기 카본 필터(140)를 통과한 고순도 수소를 영하 60∼257℃의 극저온에서 액화수소로 저장하며, 이중 또는 삼중 구조의 스테인리스 재질로 구성되고 제일 안쪽 탱크의 내부에 액화수소가 저장되고 탱크와 탱크 사이의 공간에 냉매가 들어있는 외부 및 내부 냉각 탱크(210,220)와, 상기 냉매의 온도를 실시간 측정하는 냉매 온도 센서(260)에 의해 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주는 냉동 모터(250)와, 상기 외부 냉각 탱크(210)에 설치되어 냉매가 새는 것을 감지하는 누진 감지 센서(280)와, 수소 유입구에 설치된 역류 방지용 전자밸브(240)와, 및 상기 액화수소의 수위를 감지하는 수위 감지 센서(270)가 설치된 한개 이상의 냉각 탱크(200); 상기 냉각 탱크(200)의 배출관(301)에 설치되어 수소 압력을 측정하여 표시하는 압력게이지(302); 상기 수위 감지 센서(270) 및 압력게이지(302)의 신호에 따라 상기 냉각 탱크(200)의 수소를 상기 수소 저장 탱크(120) 또는 상기 카본 필터(140)로 배출하여 상기 액화수소의 수위 및 압력을 조절하는 수위 및 압력 조절 밸브(306); 및 상기 냉매 온도 센서(260), 상기 수위 감지 센서(270), 상기 누진 감지 센서(280) 및 상기 압력게이지(302)의 신호 또는 측정 데이터에 의해, 상기 수소 발생 장치(110), 상기 진공 모터(130), 상기 밸브(122,141) 및 상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 동작을 제어하고 상기 냉각 탱크(200)의 온도를 제어하는 제어부(160);를 포함하여 구성될 수 있다.
삭제
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상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템은, 상기 냉매 온도 센서(260), 상기 수위 감지 센서(270), 상기 누진 감지 센서(280), 상기 압력게이지(302) 및 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 신호 또는 데이터를 유선 또는 무선 통신망을 통해 실시간으로 전송받아 상기 시스템을 관제하고, 상기 시스템의 이상 신호 발생시 이상 발생 내용을 등록된 연락처로 관제페이지나 SMS 문자 또는 어플 푸시기능으로 전송하며, 전력회사에서 공급하는 전압이 끊어지면 예비 전원으로 사용하는 발전 장치를 가동하여 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주고, 상기 냉동 모터(250)의 가동에도 불구하고 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도가 영하 60∼257℃로 유지되지 않을 경우 상기 냉각 탱크(200)에서 수소를 배출하도록 상기 시스템의 동작을 제어하는 관제서버(400);를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소 발생 장치 내에서 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 수소(hydrogen; 기호 H)를 생성하고, 수소 저장 탱크에 저장된 기체수소를 진공 모터로 흡입하여 한 개 이상의 카본 필터를 통과시켜 불순물이 제거된 고순도의 기체수소를 배출하고, 고순도의 기체수소를 한 개 이상의 냉각 탱크에 넣어서 액화수소로 극저온에서 안전하게 저장할 수 있다.
또한, 본 발명은 생성한 고순도의 수소를 산업용, 공업용, 자동차의 수소가스 충진용, 냉난방용 등에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 간단한 구조의 시스템을 가지면서 별도의 BOP(balance of Plant) 없이도 수소의 발생량 제어가 가능하며, 비용이 저렴하고 친환경적이다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 구성도 및 블록 구성도
도 3은 수소 반응조의 수소 생성 물질의 구성도
도 4는 수소 냉각 탱크(200)의 단면 구성도
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 블록 구성도
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명되는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 발명의 설명 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에서 실시하고자 하는 구체적인 기술내용에 대해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 제1 실시예
도 1 및 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 구성도 및 블록 구성도이고, 도 3은 수소 반응조의 수소 생성 물질의 구성도이고, 도 4는 수소 냉각 탱크(200)의 단면 구성도이다.
본 발명의 제1 실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)은 도 1 내지 도 2에 나타낸 바와 같이, 수소 발생 장치(110), 수소 저장 탱크(120), 진공 모터(130), 카본(carbon) 필터(140), 냉각 탱크(200, 300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수소 발생 장치(110)는 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 기체수소를 생성하는 장치이다.
상기 물(H2O)의 전기분해에 의해 수소를 생성하는 방법은 공지된 바와 같이, 물을 포함한 전해액의 직류 전기 분해에 의해 수소를 발생시키게 된다. 이러한 수소 발생 방법에서는 챔버 내에 양극과 음극으로 된 전극을 설치하고 챔버 내에 전해액을 충전시킨 후 전원을 인가하여 전해액을 전기분해하는 방식으로 기체수소를 발생시키게 된다.
상기 수소 반응조의 내부에는 수소 생성 물질이 들어있으며, 상기 수소 생성 물질과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 기체수소를 발생하게 된다. 상기 수소 생성 물질은 전체 100중량%에 대하여, 30중량%의 마그네슘, 0.1중량%의 다이아몬드(또는, 카본(carbon)), 0.1중량%의 수정, 0.1중량%의 백금, 1중량%의 칼슘, 8중량%의 희토류, 나머지 중량%의 숯을 포함한다(도 3 참조).
상기 기체수소는, 상기 수소 생성 물질에 포함된 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 희토류, 숯(무정형탄소) 등과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 생성될 수 있다.
예를 들어, 상기 마그네슘(Mg), 캄슘(Ca) 금속은 물이나 산소와의 반응성이 아주 강한 것으로 알려져 있다.
마그네슘(Mg)과 물(H2O)이 반응하면 수산화마그네슘(Mg(OH)2과 수소(H2)기체가 발생한다.
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2↑
여기서, Mg(OH)2는 이온으로 Mg2++, 2OH_이며, 수산화이온이 생긴다.
마찬가지로, 칼슘(Ca)과 물(H2O)이 반응하면 수산화칼슘(Ca(OH)2과 수소(H2)기체가 발생한다.
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
여기서, Ca(OH)2는 이온으로 Ca2++, 2OH_이며, 수산화이온이 생긴다.
상기 수소 발생 장치(110)에서 기체수소의 생성 방법은, 본 출원인이 출원한 등록특허 제10-1372999호(등록일: 2014.03.05.)의 수소 음이온 살균 정화장치와, 공개특허 제10-2005-0028640호(공개일: 2005.03.23.)의 천연 광촉 음이온 제조방법과, 특허 출원번호 제10-2020-0176849호(출원일: 2020.12.16.)의 고순소 수소 음이온을 이용한 살균 및 치료 장치에 의해 생성될 수 있다.
상기 수소 발생 장치(110)에서 생성된 기체수소는 배관(111)을 통해 상기 수소 저장 탱크(120)에 저장되게 된다.
상기 수소 저장 탱크(120)는 내부에 일정 높이의 물이 들어있으며, 상기 수소 발생 장치(110)에서 생성된 기체수소가 탱크 하부에 유입되어 물 위의 공간에 기체수소가 저장되게 된다.
상기 수소 저장 탱크(120)는 스테인리스(stainless) 또는 플라스틱 재질로 구성되며, 상부에 개폐뚜껑이 구성된다. 이때, 개폐뚜껑에는 기체수소를 배출하는 수소 배출관(121)이 연결되어 있고, 상기 수소 배출관(121)에는 밸브(valve; 122)가 구성되어 있다. 이때, 상기 밸브(valve; 122)는 수동식 밸브 또는 전자식 밸브로 구성될 수 있다.
상기 진공 모터(130)는 상기 수소 저장 탱크(120)에 저장된 기체수소를 흡입하여 상기 카본(carbon) 필터(140)로 보내게 된다.
상기 카본 필터(140)는 내부에 카본(carbon) 물질이 들어있으며, 상기 기체수소에 포함된 불순물을 제거하여 고순도 수소를 배출하게 된다.
상기 카본 필터(140)는 적어도 한개 이상으로 구성될 수 있다. 상기 진공 모터(130)에서 상기 카본 필터(140)로 연결된 배관(130)에는 밸브(141)가 설치되어 있다. 이때, 상기 밸브(141)는 수동식 밸브 또는 전자식 밸브로 구성될 수 있다. 상기 밸브(141)는 상기 카본 필터(140)가 두개 이상 복수개로 구성된 경우, 상기 카본 필터(140)의 유입구 및 배출구 쪽에 하나씩 구성될 수 있다(도 1 참조).
상기 카본 필터(140)를 통해 배출된 고순도 수소는 배관(144)을 통해 상기 냉각 탱크(200)에 저장된다.
상기 냉각 탱크(200)는 적어도 한개 이상 구성될 수 있으며, 상기 카본 필터(140)에서 배출된 고순도 수소를 내부로 유입하여 영하 60∼257℃의 극저온에서 액화수소로 저장하게 된다(본 발명의 실시예에서는 60∼70℃ 적용).
상기 냉각 탱크(200)는 이중 또는 삼중 구조의 스테인리스 재질로 구성되며, 제일 안쪽 탱크의 내부에 액화수소가 저장되고, 탱크와 탱크 사이의 공간에 냉매가 들어있다.
예를 들어, 도 4에는 이중 구조의 냉각 탱크(200)를 나타내고 있다.
상기 냉각 탱크(200)는, 외부 냉각 탱크(210)와, 상기 외부 냉각 탱크(210)의 내부에 들어 있는 내부 냉각 탱크(220)로 구성되며, 상기 외부 및 내부 냉각 탱크(210,220) 사이의 공간에 냉매가 들어있고, 상기 내부 냉각 탱크(220)의 내부에 액화수소가 일정 높이로 채워지며, 냉동 모터(250)에 의해 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃(본 발명의 실시예에서는 60∼70℃ 적용)로 유지시켜 준다.
상기 내부 냉각 탱크(220)에는 수위 감지 센서(270)가 설치되어 상기 액화수소의 수위를 감지하게 된다. 이때, 상기 수위 감지 센서(270)는 상기 내부 냉각 탱크(220)의 상부 한곳에 설치되거나 상부 및 하부에 각각 설치될 수 있다.
또한, 상기 냉각 탱크(200)에는, 상기 외부 냉각 탱크(210)의 내부에 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 센서(260)가 설치될 수 있다.
상기 냉동 모터(250)는 상기 냉매 온도 센서(260)에서 실시간으로 측정되는 냉매의 온도에 따라 가동되어 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃(본 발명의 실시예에서는 60∼70℃ 적용)로 유지시켜 준다.
또한, 상기 냉각 탱크(200)에는, 상기 외부 냉각 탱크(210)의 내부 또는 외부에 누진 감지 센서(280)를 설치하여 냉매가 새는 것을 실시간으로 감지하게 된다.
또한, 상기 냉각 탱크(200)에는, 상기 냉각 탱크(200)의 수소 유입구(230)에 역류 방지용 전자밸브(240)를 설치하여 액화수소가 역류되는 것을 자동으로 차단하도록 한다.
또한, 상기 냉각 탱크(200)에는, 상기 외부 냉각 탱크(210)에 냉매 밸브(204)를 구성하여 냉매를 주입 또는 보충하거나 배출하도록 구성되어 있다.
계속해서, 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 냉각 탱크(200)에 저장된 액화수소는 배출구(231)를 통해 배관(232)으로 배출되면서 기체수소로 변하게 된다. 이때, 상기 배관(232)을 통해 배출된 기체수소는 냉각 탱크(300)에 저장된다. 이때, 상기 냉각 탱크(300)는 앞에서 설명한 상기 냉각 탱크(200)와 그 구성이 동일하다.
상기 냉각 탱크(300)에는 T자형의 배출관(301)이 연결된다. 상기 배출관(301)의 일측에는 압력게이지(302)와 차단기(303)가 구성되고, 타측에 연결된 배관(305)에 수위 및 압력 조절 밸브(306)가 설치 구성된다.
상기 압력게이지(302)는 상기 배출관(301)을 통해 배출되는 기체수소의 압력을 측정하여 표시한다. 상기 압력게이지(302)는 압력 수치를 눈금으로 표시하는 압력게이지로 구성될 수도 있고, 디지털숫자로 표시하는 디지털 압력게이지로 구성될 수도 있다.
상기 차단기(303)는 상기 배출관(301)을 통해 기체수소의 배출을 차단 또는 제어하기 위해 통로를 개폐하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에서는 상기 차단기(303)를 생략하고 상기 배출관(301)에 연결호스(304)를 연결하기 위한 연결부재(미도시)를 구성할 수도 있다.
상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)는 상기 냉각 탱크(300)에 저장된 수소를 상기 수소 저장 탱크(120) 또는 상기 카본 필터(140)로 배출하여 상기 액화수소의 수위 및 압력을 조절하는 역할을 한다. 상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)는 수동식 밸브 또는 전자식 밸브로 구성될 수 있다.
상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)를 열었을 경우(개방)에는 상기 진공 모터(130)의 흡입에 의해 상기 냉각 탱크(300)에 저장된 수소가 배관(305)을 통해 배출되게 된다. 이때, 상기 진공 모터(130)에 의해 배출된 기체수소는 상기 수소 저장 탱크(120) 또는 상기 카본 필터(140)로 배출되게 되는데, 그 선택은 수동 또는 자동으로 선택할 수 있다.
예를 들어, 상기 수소 저장 탱크(120)의 밸브(122)를 수동 또는 자동으로 잠그고 상기 카본 필터(140)의 밸브(141)를 수동 또는 자동으로 열면 상기 냉각 탱크(300)의 수소가 상기 진공 모터(130)의 흡입에 의해 상기 카본 필터(140)로 보내진다. 반대로, 상기 수소 저장 탱크(120)의 밸브(122)를 수동 또는 자동으로 열고 상기 카본 필터(140)의 밸브(141)를 수동 또는 자동으로 잠그면 상기 냉각 탱크(300)의 수소가 상기 진공 모터(130)의 흡입에 의해 상기 수소 저장 탱크(120)로 보내지게 된다.
상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)는 상기 수위 감지 센서(270) 및 압력게이지(302)의 신호 또는 데이터에 따라 그 개폐 동작이 자동으로 이루어지도록 구성될 수 있다.
계속해서, 도 1을 참조하면, 상기 배출관(301)에 설치된 차단기(303) 또는 연결부재(미도시)에 토치(torch; 150)의 연결호스(304)가 연결 구성된다. 상기 토치(150)는 수소를 이용하여 팁(tip; 151)에서 고온의 불꽃을 만들어 금속을 용접하는 기구이다.
본 발명의 실시예에서는 상기 토치(150)를 예를 들어 나타내고 있으나, 본 발명의 시스템에서 생성한 고순도의 수소를 이용하여 산업용, 공업용, 자동차의 수소가스 충진용, 냉난방용 등에 사용할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)은 시스템을 자동으로 제어하기 위한 제어부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어부(160)는 시스템에 설치된 센서(예, 냉매 온도 센서(260), 수위 감지 센서(270), 누진 감지 센서(280) 등) 및 게이지(예, 압력게이지(302) 등)의 신호 또는 측정 데이터에 의해 상기 시스템의 동작을 제어하게 된다.
즉, 상기 제어부(160)는 시스템에 설치된 센서 및 게이지의 신호 또는 측정 데이터에 의해, 상기 수소 발생 장치(110), 상기 진공 모터(130), 상기 밸브(122,141) 및 상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 동작을 제어하고 상기 냉각 탱크(200)의 냉매 온도를 제어하게 된다.
고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 제2 실시예
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템의 블록 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)은 도 5에 나타낸 바와 같이, 도 1의 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)에서 통신망, 관제서버(400), 휴대전화(500)를 더 포함하고 있다.
상기 통신망은 상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)과 상기 관제서버(400) 사이에 연결된 유선 또는 무선 통신망으로, 인터넷 망 등의 정보통신망을 포함한다.
상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)은 시스템의 센서 및 밸브의 신호 또는 데이터를 유선 또는 무선 통신망을 통해 상기 관제서버(400)로 실시간 전송한다.
상기 관제서버(400)는 상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)으로부터 실시간으로 수신받은 신호 또는 데이터를 모니터링 및 분석하여 유선 또는 무선 통신망을 통해 상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템(100)을 관제한다.
상기 관제서버(400)는 시스템의 이상 신호 발생시 이상 발생 내용을 등록된 휴대전화(500)(또는, 연락처)로 관제페이지나 SMS 문자 또는 어플 푸시기능으로 전송한다.
또한, 상기 관제서버(400)는 전력회사에서 공급하는 전압이 끊어지면 예비 전원으로 사용하는 발전 장치를 가동하여 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주고, 상기 냉동 모터(250)의 가동에도 불구하고 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도가 영하 60∼257℃로 유지되지 않을 경우 상기 냉각 탱크(200)에서 수소를 배출하도록 시스템의 동작을 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 고순도 수소 발생 및 저장 시스템은, 수소 발생 장치 내에서 물(H2O)의 전기분해와 수소 반응조를 통해 수소(hydrogen; 기호 H)를 생성하고, 수소 저장 탱크에 저장된 기체수소를 진공 모터로 흡입하여 한 개 이상의 카본 필터를 통과시켜 불순물이 제거된 고순도의 기체수소를 배출하고, 고순도의 기체수소를 한 개 이상의 냉각 탱크에 넣어서 액화수소로 극저온에서 안전하게 저장함으로써, 본 발명의 기술적 과제를 해결할 수가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시 예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(당업자)라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 고순도 수소 발생 및 저장 시스템
110 : 수소 발생 장치 111 : 배관
120 : 수소 저장 탱크 121 : 수소 배출관
122 : 밸브(valve) 130 : 진공 모터
131 : 배관 140 : 카본(carbon) 필터
141 : 밸브 142 : 밸브손잡이
143 : 밸브 144 : 배관
150 : 토치(torch) 151 : 팁(tip)
152 : 토치 밸브 160 : 제어부
200 : 냉각 탱크 201 : 액화수소
202 : 냉매 203 : 냉매 저장 공간
204 : 냉매 밸브 210 : 외부 냉각 탱크
220 : 내부 냉각 탱크 230 : 유입구
231 : 배출구 232 : 배관
240 : 역류방지용 전자밸브 250 : 냉동 모터
260 : 냉매 온도 센서 270 : 수위 감지 센서
280 : 누진 감지 센서
300 : 냉각 탱크
301 : 배출관 302 : 압력게이지
303 : 차단기 304 : 연결호스
305 : 배관
306 : 수위 및 압력 조절 밸브
400 : 관제서버 500 : 휴대전화

Claims (4)

  1. 고순도 수소 발생 및 저장 시스템에 있어서,
    전체 100중량%에 대하여, 30중량%의 마그네슘, 0.1중량%의 다이아몬드, 0.1중량%의 수정, 0.1중량%의 백금, 1중량%의 칼슘, 8중량%의 희토류, 나머지 중량%의 숯을 포함하는 수소 생성 물질과 물(H2O)의 화학 반응에 의해 기체수소를 발생하는 수소 발생 장치(110);
    상기 수소 발생 장치(110)에서 생성한 기체수소를 내부에 들어있는 물의 상부에 저장하며, 수소 배출관(121)에 밸브(122)가 설치된 수소 저장 탱크(120);
    상기 수소 저장 탱크(120)에 저장된 기체수소를 진공 모터(130)로 흡입하여 불순물이 제거된 고순도 수소를 배출하며, 유입구 및 배출구 쪽의 배관에 밸브(141)가 설치된 한개 이상의 카본 필터(140);
    상기 카본 필터(140)를 통과한 고순도 수소를 영하 60∼257℃의 극저온에서 액화수소로 저장하며, 이중 또는 삼중 구조의 스테인리스 재질로 구성되고 제일 안쪽 탱크의 내부에 액화수소가 저장되고 탱크와 탱크 사이의 공간에 냉매가 들어있는 외부 및 내부 냉각 탱크(210,220)와, 상기 냉매의 온도를 실시간 측정하는 냉매 온도 센서(260)에 의해 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주는 냉동 모터(250)와, 상기 외부 냉각 탱크(210)에 설치되어 냉매가 새는 것을 감지하는 누진 감지 센서(280)와, 수소 유입구에 설치된 역류 방지용 전자밸브(240)와, 및 상기 액화수소의 수위를 감지하는 수위 감지 센서(270)가 설치된 한개 이상의 냉각 탱크(200);
    상기 냉각 탱크(200)의 배출관(301)에 설치되어 수소 압력을 측정하여 표시하는 압력게이지(302);
    상기 수위 감지 센서(270) 및 압력게이지(302)의 신호에 따라 상기 냉각 탱크(200)의 수소를 상기 수소 저장 탱크(120) 또는 상기 카본 필터(140)로 배출하여 상기 액화수소의 수위 및 압력을 조절하는 수위 및 압력 조절 밸브(306); 및
    상기 냉매 온도 센서(260), 상기 수위 감지 센서(270), 상기 누진 감지 센서(280) 및 상기 압력게이지(302)의 신호 또는 측정 데이터에 의해, 상기 수소 발생 장치(110), 상기 진공 모터(130), 상기 밸브(122,141) 및 상기 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 동작을 제어하고 상기 냉각 탱크(200)의 온도를 제어하는 제어부(160);
    를 포함하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 고순도 수소 발생 및 저장 시스템은,
    상기 냉매 온도 센서(260), 상기 수위 감지 센서(270), 상기 누진 감지 센서(280), 상기 압력게이지(302) 및 수위 및 압력 조절 밸브(306)의 신호 또는 데이터를 유선 또는 무선 통신망을 통해 실시간으로 전송받아 상기 시스템을 관제하고, 상기 시스템의 이상 신호 발생시 이상 발생 내용을 등록된 연락처로 관제페이지나 SMS 문자 또는 어플 푸시기능으로 전송하며, 전력회사에서 공급하는 전압이 끊어지면 예비 전원으로 사용하는 발전 장치를 가동하여 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도를 영하 60∼257℃로 유지시켜 주고, 상기 냉동 모터(250)의 가동에도 불구하고 상기 냉각 탱크(200)의 내부 온도가 영하 60∼257℃로 유지되지 않을 경우 상기 냉각 탱크(200)에서 수소를 배출하도록 상기 시스템의 동작을 제어하는 관제서버(400);
    를 포함하는 고순도 수소 발생 및 저장 시스템.
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