KR102562801B1 - 수소 방출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 방출 시스템을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 방출 시스템은 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부 챔버; 상기 외부 챔버의 내부 공간에 위치되고, 수소 저장 물질들이 저장되는 저장 공간을 갖는 저장 탱크; 및 상기 외부 챔버 외측에 설치되어 상기 외부 챔버의 내부 공간으로 연결되는 도파관을 통해 상기 저장 탱크로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론을 포함할 수 있다.

Description

수소 방출 시스템{hydrogen release system}
본 발명은 수소를 저장하기 위한 수단으로서 수소 저장 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 금속수소화물(Metal Hydride: MH)을 이용한 수소 방출 시스템에 관한 것이다.
산업이 급속도로 발전함에 따라 전 세계적으로 고갈되어 가는 화석 연료의 대체 및 지구의 환경보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 미래의 에너지 매체로 우수한 특성을 가지고 있는 에너지 관련 기술 중 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 매우 시급하다. 이에 따라 수소에너지의 기술개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 수소의 제조와 저장, 수송 분야를 포함한 수소에너지 이용기술의 확보는 미래 21세기 에너지 안보 및 국가경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다.
수소는 에너지원으로서 사용할 경우에 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어질 뿐만 아니라, 연소 시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않는다. 또한, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로의 저장이 용이하다. 또한, 직접 연소에 의한 연료 또는 연료전지 등의 연료로서의 사용이 간편한 장점을 가지고 있다. 따라서, 수소는 산업용의 기초소재로부터 일반 연료자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있어, 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있으며, 수소 사용이 늘면서 자연스럽게 수소 생산과 저장기술에 대한 관심도가 높아지고 있다.
수소 저장 기술중에 하나인 금속수소화물을 이용한 방식은 수소 저장 합금에 소수를 흡장시켜 저장하였다가 필요할 때에 방출시켜 연료로 사용하거나 연료전지에 주입하여 전기 에너지로 변환하여 사용할 수 있다. 한번 저장된 수소는 특별한 조작을 하지 않은 자연상태에서는 배출되지 않기 때문에 안전하고 장기간 보관에 유리하다. 여러가지 금속 또는 합금재료가 수소를 저장할 수 있으나, 그 중에서 마그네슘은 이론적 수소 저장용량이 최대 7.6wt%로 금속재료 중 가장 높은 수소저장능력을 가진다. 또한 마그네슘은 지구상에 풍부하여 수급이 용이하고 가격이 상대적으로 저렴하여 높은 활용성을 가진다. 그러나, 마그네슘에 저장된 수소는 약 300~400℃의 온도하에서 방출되기 때문에 일반적인 방법으로는 즉각적으로 활용이 어려운 단점이 있다.
이러한 금속수소화물을 이용한 수소 저장 시스템은 수소 방출에 상당한 시간이 소요되기 때문에 반응속도를 향상시키기 위한 성능 향상에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 수소의 방출이 빠르게 이루어질 수 있는 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 수소 저장 물질들의 급속 가열이 가능한 수소 방출 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부 챔버; 상기 외부 챔버의 내부 공간에 위치되고, 수소 저장 물질들이 저장되는 저장 공간을 갖는 저장 탱크; 및 상기 외부 챔버 외측에 설치되어 상기 외부 챔버의 내부 공간으로 연결되는 도파관을 통해 상기 저장 탱크로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론을 포함하는 수소 방출 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크는 상기 마이크로웨이브에 의해 발열되는 재질로 제공될 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크는 내부 공간을 수직한 방향으로 구획하는 격벽들을 포함하며, 상기 격벽들은 상기 저장 탱크의 내부면과 접촉도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 격벽은 상기 저장 탱크와 동일 재질로 이루어지고, 수소 저장 물질의 유동이 가능하도록 타공들을 가질 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크 외측면에 제공되어 내부의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 단열부재를 더 포함하되; 상기 단열부재는 상기 도파관을 통해 조사되는 마이크로웨이브를 투과시키는 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크의 저장 공간에 저장된 수소 저장 물질의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도 센서로부터 측정값을 제공받아 수소 저장 물질이 수소 방출 온도를 유지하도록 상기 마그네트론을 제어하는 제어부를 포함하되; 상기 온도센서는 수소 저장 물질과 직접적으로 접촉하는 접촉식 열전대로 제공될 수 있다.
또한, 상기 외부 챔버는 내측면에 마이크로웨이브를 반사시키는 반사층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크의 저장 공간을 펌핑하기 위한 진공 펌프; 및 상기 저장 탱크의 저장 공간을 수소 분위기로 치환하기 위해 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저장 탱크는 상부 플랜지를 갖고 상면이 개방된 용기 형태의 몸체; 및 상기 개방된 상면을 덮도록 상기 상부 플랜지에 결합되는 커버를 포함할 수 있다.
또한, 상기 커버는 유입 포트와 배출 포트를 갖고, 상기 유입 포트에는 상기 저장 탱크의 저장 공간을 수소 분위기로 치환하기 위한 수소 가스를 공급하기 위한 공급 라인이 연결되고, 상기 배출 포트에는 펌핑 라인 및 수소 저장 물질로부터 방출된 수소가 배출되는 배출 라인이 연결될 수 있다.
또한, 상기 외부 챔버는 일단은 상기 외부 챔버의 내측면에 고정되고, 타단은 상기 저장 탱크의 상부 플랜지를 지지하도록 제공되는 지지 브라켓들을 포함하며, 상기 저장 탱크는 상기 상부 플랜지가 상기 지지 브라켓들 타단에 안착된 상태로 상기 외부 챔버의 중앙에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 마이크로파를 사용하여 방출 온도 조건에 빠르게 대응할 수 있어 수소의 방출 시간을 단축시킬 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 방출 시스템을 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수소 방출 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 방출 장치의 평면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 저장 탱크의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 격벽을 보여주는 사시도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 방출 시스템을 보여주는 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수소 방출 장치의 단면도, 도 3은 도 2에 도시된 수소 방출 장치의 평면도이고, 도 4는 도 2에 도시된 저장 탱크의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 수소 방출 시스템(10)은 수소 방출 장치(100), 가스 공급부(20), 진공 펌프(30) 그리고 수소 배출부(40)를 포함할 수 있다.
가스 공급부(20)는 수소 방출 장치(100)에 수소가 포함된 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급부(20)는 수소 방출 장치(100)에서 수소 방출 공정 전에 사전 준비 작업을 위해 연결될 수 있다. 즉, 가스 공급부(20)는 저장 탱크(200)의 저장 공간과 유체 소통 가능하게 연결된 유입 포트(232)와 연결되어 저장 탱크(200)의 저장 공간으로 수소가 포함된 가스를 공급할 수 있다.
진공 펌프(30)는 저장 탱크(200) 내부의 대기(공기)를 제거한다. 진공 펌프(30)의 펌핑 라인(32)은 저장 탱크(200)의 저장 공간과 유체 소통 가능하게 연결된 배출 포트(234)와 연결될 수 있다.
예컨대, 수소 방출 시스템(10)은 수소 방출 공정을 진행하기 전에 사전 준비 공정을 진행한다. 사전 준비 공정은 저장 탱크(200) 내부의 대기를 진공펌프(30)를 이용해 제거하고, 가스 공급부(20)로부터 공급되는 수소를 이용해　3회 치환하여 내부를 수소 분위기로 전환시킨다. 그리고,　진공 펌프(30)를 이용하여 저장 탱크(200)의 내부 압력을　0.5Bar로 대기압보다 낮은 상태로 유지시킨다.
한편, 수소 배출부(40)는 수소 방출 작업을 통해 생성된 수소를 저장 탱크(200)로부터 사용처(공급처)로 공급한다. 여기서 사용처는 저장 배터리, 연료 전지 등을 포함할 수 있다. 수소 배출부(40)는 저장 탱크(200)의 저장 공간과 유체 소통 가능하게 연결된 배출 포트(234)와 연결될 수 있다.
즉, 수소 저장 장치(100)에는 수소 방출 공정을 위해 선택적으로 가스 공급부(20), 진공 펌프(30) 또는 수소 배출부(40)가 연결될 수 있다.
제어부(50)는 수소 방출 장치(100)로의 가스 공급 및 펌핑 그리고 수소 방출 장치(100) 내부의 온도를 제어할 수 있다.
수소 방출 장치(100)는 외부 챔버(110), 저장 탱크(200), 마그네트론(300)을 포함할 수 있다.
외부 챔버(110)는 외부와 밀폐된 내부 공간을 갖는다. 외부 챔버(110)의 내부 공간에는 저장 탱크(200)가 위치된다. 외부 챔버(110)는 지지 브라켓(120)들을 갖는다. 지지 브라켓(120)의 일단은 외부 챔버(110)의 내측면에 고정되고, 타단은 저장 탱크(200)의 상부 플랜지(212)를 지지하도록 제공될 수 있다. 지지 브라켓(120)은 저장 탱크(200)를 중심으로 방사상으로 배치되어 저장 탱크(200)를 지지한다. 저장 탱크(200)는 상부 플랜지(212)가 지지 브라켓(120)들 타단 상면에 안착된 상태로 외부 챔버(110)의 중앙에 위치된다. 지지 브라켓(120)의 상면에는 스톱퍼(122)가 제공된다. 스톱퍼(122)는 경사진 내측면(124)을 갖는다. 저장 탱크(200)의 상부 플랜지(212)는 스톱퍼(122)의 경사진 내측면(124)을 따라 안내되어 지지 브라켓(120) 상면에 안착된다.
외부 챔버(110)는 내측면에 마이크로웨이브를 반사시키는 반사층(119)을 갖는다.
저장 탱크(200)는 수소 저장 물질들이 저장되는 저장 공간을 갖는다. 저장 탱크(200)는 몸체(210)와 커버(230)를 포함할 수 있다. 수소 저장 물질은 파우더 형태일 수 있다. 몸체(210)는 상부 플랜지(212)를 갖고 상면이 개방된 용기 형태로 제공될 수 있다. 커버(230)는 몸체(210)의 개방된 상면을 밀폐하도록 상부 플랜지(212)에 결합될 수 있다. 커버(230)는 유입 포트(232)와 배출 포트(234)를 갖는다. 유입 포트(232)에는 저장 탱크(200)의 저장 공간을 수소 분위기로 치환하기 위한 수소 가스를 공급하기 위한 공급 라인(22)이 연결될 수 있다. 배출 포트(234)에는 펌핑 라인(32) 및 수소 저장 물질로부터 방출된 수소가 배출되는 배출 라인(42)이 연결될 수 있다.
저장 탱크(200)는 마이크로웨이브에 의해 발열되는 재질로 제공될 수 있다. 일 예로, 저장 탱크(2000는 SiC재질 또는 마이크로파에 에 의해 발열되는 흑연, 탄소 등이 포함된 재질일 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 한편, 저장 탱크(200)는 내부의 열전달을 빠르게 하기 위해 몸체 내부에 “+” 모양의 격벽(250)이 제공될 수 있다. 격벽(250)은 저장 탱크(200)와 동일한 재질이며 타공(252)이 있어 수소 저장 물질의 유동이 가능하도록 제공될 수 있다. 격벽(250)은 몸체(210)의 내부면과 접촉될 수 있다. EK라서, 마이크로웨이브에 의해 가열된 몸체(210)와 접촉된 격벽(250)은 몸체와 함께 승온될 수 있다.
저장 탱크(200)는 외측면에 단열부재(270)가 제공될 수 있다. 단열부재(270)는 마이크로웨이브에 의해 발열되는 저장 탱크(200)의 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단한다. 단열부재(270)는 도파관(310)을 통해 조사되는 마이크로웨이브를 투과시키는 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로, 단열 부재(270)는 알루미나 성분이 높은 세라믹 울 소재일 수 있다.
저장 탱크(200)가 마그네트론(300)에 의해 가열되면 수소 저장 물질의 온도가 상승하게 되고, 수소 저장 물질로부터 수소가 방출된다. 본 실시예에 따르면, 수소 저장 물질은 마그네슘에 그라파이터(ENG)가 포함된 수소저장합금일 수 있다. 마그네슘의 수소 방출조건은 300~400℃, 9bar일 수 있다. 그러나, 본 발명에서 수소 저장 물질은 마그네슘에 한정되는 것은 아니며, 란타넘-니켈계(系)의 수소저장합금, 타이타늄-철합금, 란타넘-니켈합금, 마그네슘-니켈합금 등이 적용될 수 있다.
한편, 저장 탱크(200)는 내부 압력을 측정하기 위한 압력 측정 포트(236)가 제공되며, 압력 측정 포트(236)에는 압력 측정기(237)가 연결될 수 있다. 또한, 저장 탱크(200)는 수소 저장 물질의 온도를 측정하는 온도 센서(190)를 포함할 수 있다. 온도 센서(190)는 커버(230)의 온도 측정 포트(238)을 통해 설치될 수 있다. 온도 센서(190)는 수소 저장 물질과 직접적으로 접촉하는 접촉식 열전대로 제공될 수 있다. 참고로, 압력 측정 포트(236)와 온도 측정 포트(238)의 위치는 변경될 수 있다. 온도 센서(190)는 저장 탱크(200)의 하단 영역 중간 영역 그리고 상부 영역 각각에 위치한 수소 저장 물질의 온도를 측정하도록 제공될 수 있다.
제어부(50)는 온도 센서(190)로부터 측정값을 제공받아 수소 저장 물질의 온도가 수소 방출 온도를 유지하도록 마그네트론(300)을 On/Off 비율을 조절하도록 제어할 수 있다. 예컨대, 저장 탱크(200)가 가열되어 내부에 저장된 수소 저장 물질로부터 수소가 방출되기 시작하면 저장 탱크(200) 내부의 압력이 차오르게 되고 1.5Bar가 되면 배출포트를 통해 수소를 배출하게 되며 1.1Bar가 되면 작동을 멈춘다. 참고로, 방출된 수소의 유량을 측정하기 위해 배출 라인(42) 상에 질량유량계를 설치하여 유량을 측정한다.
마그네트론(300)은 외부 챔버(110) 외측에 저장 탱크(200)를 기준으로 방사상으로 복수개가 배치될 수 있다. 마그네트론(300)은 외부 챔버(110)의 내부 공간으로 연결되는 도파관(310)을 통해 저장 탱크(200)로 마이크로웨이브를 조사한다. 저장 탱크(200)는 마이크로웨이브에 의해 매우 빠른 속도로 가열될 수 있다. 본 실시예에서는 마그네트론(300)이 180도 간격으로 총 2개가 배치된 것으로 도시하고 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 저장 탱크(200)의 크기에 따라 용량과 설치 개수가 변경될 수 있다.
상술한 바와 같은 수소 방출 시스템에서의 소수 방출은 다음과 같다.
수소 방출은 마그네트론(300)에 의해 저장 탱크(200)가 가열되고, 그 내부의 수소 저장 물질의 온도가 방출 온도에 도달하게 되면서 수소를 방출시킨다.
본 발명에 따르면, 마그네트론(300)의 마이크로웨이브는 매질(저장 탱크) 전체에 작용하여 순간적으로 온도를 높이기 때문에 다른 가열원에 비해 매우 빠른 속도로 가열이 가능하다. 따라서, 마이크로 웨이브를 사용하여 수소 저장 물질이 저장된 탱크(200)를 급속 가열하여 단시간에 수소 저장 금속에 흡착된 수소를 방출할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 수소 방출 시스템 100 : 수소 방출 장치
110 : 외부 챔버 120 : 지지 브라켓
200 : 저장 탱크

Claims (11)

  1. 밀폐된 내부 공간을 갖는 외부 챔버;
    상기 외부 챔버의 내부 공간에 위치되고, 수소 저장 물질들이 저장되는 저장 공간을 갖는 그리고 마이크로웨이브에 의해 발열되는 재질로 제공되는 저장 탱크;
    상기 외부 챔버 외측에 설치되어 상기 외부 챔버의 내부 공간으로 연결되는 도파관을 통해 상기 저장 탱크로 마이크로웨이브를 조사하는 마그네트론; 및
    상기 저장 탱크 외측면에 제공되어 내부의 열이 외부로 전달되는 것을 차단하는 단열부재들을 포함하되;
    상기 저장 탱크는
    내부 공간을 수직한 방향으로 구획하는 격벽들을 포함하며,
    상기 격벽들은 상기 저장 탱크의 내부면과 접촉하도록 제공되고,
    상기 단열부재는
    상기 도파관을 통해 조사되는 마이크로웨이브를 투과시키는 재질로 이루어지는 수소 방출 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 격벽은
    상기 저장 탱크와 동일 재질로 이루어지고,
    수소 저장 물질의 유동이 가능하도록 타공들을 갖는 수소 방출 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크의 저장 공간에 저장된 수소 저장 물질의 온도를 감지하는 온도센서; 및
    상기 온도 센서로부터 측정값을 제공받아 수소 저장 물질이 수소 방출 온도를 유지하도록 상기 마그네트론을 제어하는 제어부를 포함하되;
    상기 온도센서는 수소 저장 물질과 직접적으로 접촉하는 접촉식 열전대로 제공되는 수소 방출 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 챔버는 내측면에 마이크로웨이브를 반사시키는 반사층을 더 포함하는 수소 방출 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크의 저장 공간을 펌핑하기 위한 진공 펌프; 및
    상기 저장 탱크의 저장 공간을 수소 분위기로 치환하기 위해 수소 가스를 공급하는 수소 가스 공급부를 더 포함하는 수소 방출 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장 탱크는
    상부 플랜지를 갖고 상면이 개방된 용기 형태의 몸체; 및
    상기 개방된 상면을 덮도록 상기 상부 플랜지에 결합되는 커버를 포함하는 수소 방출 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 커버는
    유입 포트와 배출 포트를 갖고,
    상기 유입 포트에는 상기 저장 탱크의 저장 공간을 수소 분위기로 치환하기 위한 수소 가스를 공급하기 위한 공급 라인이 연결되고,
    상기 배출 포트에는 펌핑 라인 및 수소 저장 물질로부터 방출된 수소가 배출되는 배출 라인이 연결되는 수소 방출 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 외부 챔버는
    일단은 상기 외부 챔버의 내측면에 고정되고, 타단은 상기 저장 탱크의 상부 플랜지를 지지하도록 제공되는 지지 브라켓들을 포함하며,
    상기 저장 탱크는
    상기 상부 플랜지가 상기 지지 브라켓들 타단에 안착된 상태로 상기 외부 챔버의 중앙에 위치되는 수소 방출 시스템.
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