KR20030062910A - 수소저장합금을 이용한 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소저장합금을 이용한 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응장치의 수소 유동량을 균일하게 유지함에 따라 실내공간에 균일한 온도를 갖는 공기가 토출되도록 하기 위한 반응장치의 온도제어방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 반응기(1,2)에 수소흡장압력 범위 및 수소방출압력 범위가 각각 다른 이종의 수소저장합금이 충전되고, 상기 수소 유로관에는 가동주파수가 변경됨에 따라 반응기 내의 압력을 소정 압력으로 가변시키는 인버터 압축기를 설치하여, 상기 압력에 따라 반응기에 충전된 수소저장합금으로부터 토출되는 수소량을 일정하게 유지시키도록 함을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 반응장치를 제공한다.

Description

수소저장합금을 이용한 반응장치{hydride reactor for controling hydrogen gas flow using hydrogen storage alloy}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기의 반응열을 일정하게 유지시키도록 한 수소저장합금을 이용한 반응장치에 관한 것이다.

일반적인 수소저장합금을 이용한 반응장치는 한 쌍의 반응기를 설치하여 일측 반응기에서 타측 반응기로 혹은 그 반대로 수소를 번갈아 압송시킴에 따라 발생되는 반응열을 이용하도록 한 장치이다.

상기 수소저장합금은 수소를 가역적으로 흡장 또는 방출할 수 있는 능력을 보유한 합금을 말하는데, 이러한 수소저장합금은 수소와의 친화력이 강한 원소와 친화력이 약한 원소로 구성된 금속화합물이다. 상기 수소저장합금으로는 Ti-Mn, Ti-Fe-Mn, Fe-Ti-Zr-Nb, Fe-Ti-O, Mg-Ni, Ca-Ni, La-Ni 및 La-Ni-Al계 합금 등을 제시한다.

이러한 수소저장합금을 이용한 반응장치는 냉난방기, 냉장고, 히터 등과 같이 산업 전반에 걸쳐 다양한 제품에 응용이 가능하다.

그러나, 상기 반응장치는 일측 반응기에서 수소가 토출되는 초기에는 짧은 시간 동안에 많은 양의 수소가 토출되기 때문에 타측 반응기에는 단위 시간당 흡장되는 수소의 양이 많아지고 수소 토출 후기로 갈수록 수소의 양이 점점 적어짐에 따라 단위 시간당 흡장되는 수소의 양이 급감하게 된다.

이에 따라, 상기 반응장치는 수소 토출 초기에서 후기로 갈수록 수소저장합금에 흡장되는 수소량이 점점 줄어들며, 이러한 흡장량의 차이에 의해 각 반응기의 반응열은 수소 토출 후기로 갈수록 점점 줄어들게 된다.

결국, 이러한 반응장치가 냉난방기 및 냉온장고 등의 제품에 적용될 경우, 상기 반응장치를 통해 열교환된 공기의 온도차가 시간에 따라 기복이 심하게 나타나는 문제점이 발생된다.

상기한 제반 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 수소의 유동량을 거의 균일하게 유지함으로써 반응장치의 반응열을 균일하게 유지하도록 함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명 수소저장합금 반응장치의 개략적인 구성을 나타낸 개략도.

도 2a는 수소저장합금 중에서 TiMn0.8 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프.

도 2b는 수소저장합금 중에서 TiFe0.9Mn0.1 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프.

도 2c는 수소저장합금 중에서 LaNi5 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프.

도 2d는 수소저장합금 중에서 LaNi4.7Al0.3 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1,2 : 반응기 1a : 반응관

1b : 열전도핀 3 : 수소 유로관

3a : 분배관 4 : 압축기

5 : 송풍수단

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 수소가 흡장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 수소저장합금이 내부에 충전된 다수개의 반응관으로 이루어진 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기에 양단부가 연결되어 수소 유로를 형성하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 수소 유로관에 소정의 압력을 형성함으로써 수소를 일측 반응기에서 타측 반응기로 혹은 그 반대로 유동시키도록 하는 압축기:를 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 반응장치에 있어서, 상기 반응기에는 수소흡장압력 범위 및 수소방출압력 범위가 각각 다른 이종의 수소저장합금이 충전되고, 상기 수소 유로관에는 가동주파수가 변경됨에 따라 반응기 내의 압력을 소정 압력으로 가변시키는 인버터 압축기가 설치되어, 상기 압력에 따라 반응기에 충전된 수소저장합금으로부터 토출되는 수소량을일정하게 유지시키도록 함을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 반응장치를 제공한다.

이하, 본 발명 수소저장합금을 이용한 반응장치에 관해 참조도면 도 1 내지 도 2d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 수소저장합금 반응장치의 개략적인 구성을 나타낸 개략도로서 이를 참조하면, 상기 반응장치는 반응기(1,2), 수소 유로관(3), 압축기(4) 및 송풍수단(5)을 포함하여 이루어진다.

상기 각 반응기(1,2)는 다수개의 반응관(1a)과 열전도핀(1b)으로 이루어지는데, 상기 반응관(1a) 내부에는 수소가 흡장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 수소저장합금(hydrogen storage alloy)이 충전되며, 상기 열전도핀(1b)은 반응관(1a)의 외측면에 다수개가 적층되게 설치된다.

상기 각 반응기(1,2)의 일측에는 분배관(3a)이 각각 설치되고, 상기 각 분배관(3a)에는 수소 유로관(3)의 끝단부가 각각 연결되며, 상기 수소 유로관(3)에는 압축기(4)가 설치된다.

또한, 각 반응기(1,2) 근처에는 외부 공기를 강제 유동시키도록 송풍수단(5)이 각각 설치되는데, 상기 송풍수단(5)으로는 송풍팬을 예시한다.

한편, 상기 반응기(1,2)에는 이종의 수소저장합금이 충전되는데, 상기 수소저장합금으로는 TiMn0.8 합금, TiFe0.9Mn0.1 합금, LaNi5 합금, LaNi4.7Al0.3 합금, Fe0.94Ti0.96,Zr0.04Nb0.04 합금, Fe7Ti10O3 합금, Mg2Ni 합금, CaNi5 합금 등을 제시할 수 있다.

상기 수소저장합금은 각 원소의 성분비에 따라 수소를 흡장하는 압력범위(이하, 수소흡장압력 범위라 함)와 수소를 방출하는 압력범위(이하, 수소방출압력 범위라 함)가 상이한 특성을 갖는다.

이때, 상기 반응기(1,2)에는 이종의 수소저장합금을 각 반응기(1,2)에 혼합하여 충전하거나, 혹은 이종의 수소저장합금이 각 층을 이루되록 충전시킬 수도 있다.

또한, 상기 수소 유로관(3)에는 가동주파수가 변경됨에 따라 반응기(1,2) 내의 압력을 소정 압력으로 가변시키는 인버터 압축기가 설치된다.

이는 각 수소저장합금에 충전된 수소는 소정의 온도에서 그에 대응되는 압력 이상이 되어야만 토출되기 때문에 상기 압축기(4)의 가동주파수를 조절함에 따라 반응기의 수소저장합금으로부터 토출되는 수소량을 일정하게 유지할 수 있도록 하기 위함이다.

그리고, 상기 수소저장합금들은 온도와 압력에 따라 수소가 토출되거나 흡장되는 량이 각각 달라지기 때문에, 상기 반응기(1,2)에 충전된 수소저장합금의 종류와 반응장치의 용량에 따라 수소가 토출 및 흡장되는 온도와 압력을 각각 다르게 설정해야 한다.

그러므로, 이하에서는 각 수소저장합금의 종류에 따라 각각 수소흡장압력과 수소방출압력이 달라지는 예들에 관해 설명하기로 한다.

도 2a는 수소저장합금 중에서 TiMn0.8 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프로서 이를 참조하면, 상기 TiMn0.8 합금은 약 30℃의 온도와약 17 - 30기압에서 합금으로부터 수소의 방출량이 증대되고, 약 8-17기압에서는 수소의 흡장량이 증대된다.

이에 따라, 상기 TiMn0.8 함금에 대한 수소방출압력은 반응기의 온도가 30℃인 상태에서는 약 17~30기압 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.

도 2b는 수소저장합금 중에서 TiFe0.9Mn0.1 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프로서 이를 참조하면, 상기 TiFe0.9Mn0.1 합금은 약 30℃의 온도와 약 7- 50기압에서 수소의 흡장량이 증대되며, 약 3기압에서 50기압 사이에서 수소의 방출량이 증대된다.

이에 따라, 상기 TiFe0.9Mn0.1 합금에 대한 수소방출압력은 약 7-50기압 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.

도 2c는 수소저장합금 중에서 LaNi5 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프로서 이를 참조하면, 상기 LaNi5 합금은 약 30℃의 온도와 약 4기압 정도에서 수소의 흡장량이 증대되며, 약 2.5기압 정도에서 수소의 토출량이 증대된다.

이에 따라, 상기 LaNi5 합금에 대한 수소방출압력 범위는 약 2.5기압으로 설정되는 것이 바람직하다.

도 2d는 수소저장합금 중에서 LaNi4.7Al0.3 합금에 관한 수소방출압력과 수소흡장압력을 나타낸 그래프로서 이를 참조하면, 상기 LaNi4.7Al0.3 합금은 약 30℃의 온도와 약 0.4-0.8기압의 범위에서 수소의 흡장량이 증가되며, 약 0.35에서 0.5기압의 범위에서 수소의 방출량이 증가된다.

이에 따라, 상기 LaNi4.7Al0.3 합금에 관한 수소방출압력은 약 0.35-0.5기압 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하다.

이러한 수소저장합금은 대체적으로 수소를 흡장시킬 때보다 수소를 방출시킬 때에 상대적으로 작은 압력이 요구된다.

이와 같이, 반응기(1,2)에 각각 수소토출압력 범위가 다른 이종의 수소저장합금을 충전시킴에 따라 각 반응기(1,2)로부터 토출되는 수소량을 일정하게 유지할 수 있다.

이처럼 혼합된 수소저장합금을 충전한 반응장치에 관해 3종의 수소저장합금이 반응기에 충전된 경우를 일예로 하여 그 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 반응장치에는 LaNi4.7Al0.3 합금과, LaNi5 합금과, TiMn0.8 합금과 같은 3종의 수소저장합금을 혼합하여 충전한다.

수소를 유동시키기 위해 압축기(4)를 가동하여 반응기 내에 약 0.5기압을 형성하면, 상기 3종의 수소저장합금 중에서 LaNi4.7Al0.3 합금에 흡장된 수소는 짧은 시간동안에 합금으로부터 방출되어 일측 반응기(1)에서 타측 반응기(2)로 토출된다.

이때, 나머지 2종의 수소저장합금으로부터는 소량의 수소가 방출되지만은 이러한 양은 반응열에는 커다란 영향을 미치지 않는다.

상기 LaNi4.7Al0.3 합금에서 수소가 거의 방출되면, 압축기(4)의 가동주파수를 높여 반응기 내의 압력을 2.5기압 정도까지 상승시킨다.

이에 따라, 상기 LaNi5 합금으로부터 수소의 방출이 활발히 진행되어 일정한양의 수소를 타측 반응기(2)에 공급할 수 있게 된다.

이어, 점점 압축기(4)의 가동주파수를 높여 반응기 내부의 압력을 17기압으로 상승시킴으로써, 상기 TiMn0.8 합금으로부터 수소를 방출되게 한다.

이처럼 각 수소저장합금의 종류에 따라 수소방출압력을 각각 다르게 형성하여 각종의 수소저장합금으로부터 토출되는 수소량을 조절하고, 이러한 조절에 의해 반응기에서 발생되는 반응열을 일정하게 유지시킬 수 있다.

그리고, 특정 범위의 압력에서 수소의 토출량이 많이 발생되는 수소저장합금의 충전량을 감소시키고 이러한 수소방출압력 범위보타 큰 수소방출압력을 갖는 수소저장합금의 충전량을 증가시킴으로써 각 수소방출압력 범위에 따른 수소방출량을 일정하게 조절할 수 있음도 이해 가능하다.

이처럼 수소저장합금의 수소방출압력과 각 수소저장합금 종류의 혼합량은 반응기의 용량 설계시 고려되야 할 것이다.

이처럼 수소의 유출입량을 일정하게 유지함에 따라 각 반응기(1,2)에서 생되는 수소의 흡입량과 토출량을 일정하게 유지시킬 수 있다.

이와 같이, 상기 반응기에 유출입되는 수소량을 거의 균일하게 유지함으로써 상기 송풍수단을 가동시켜 외기를 반응기에 열교환시키더라도 균일한 온도를 갖는 공기를 실내로 토출시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 송풍수단(5) 대신에 냉매와 같은 다른 열전달 매체를 열교환핀 및 반응기에 열접촉시킴에 따라 상기 반응장치를 냉난방기, 냉온수기 및 공기조화기와 같은 제품에 적용할 수 있음도 이해 가능하다.

본 발명에 따른 수소저장합금을 이용한 반응장치는 이종의 수소저장합금을 반응기(1,2)에 충전시킴으로써 이들의 수소방출압력 범위에 따라 수소의 유동량를 조절하는데 기술적 사상이 있으므로, 상술한 수소저장합금뿐만 아니라 다른 수소저장합금들도 이러한 반응기에 적용될 수 있음은 당업자라면 누구나 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

이상에서와 같이, 상기 반응장치에 각종의 수소저장합금을 혼합하여 충전시키고 압축기(4)에 의해 반응장치 내에 압력을 가변적으로 형성시킴으로써 상기 반응장치에서 발생되는 반응열을 소정 온도범위 내에서 유지시킬 수 있도록 하였다.

이상에서와 같이, 본 발명은 압축기의 가동주파수를 가변시킴으로써 가 반응기의 수소저장합금에 흡장되는 수소량을 일정하게 유지시키도록 하였다.

이에 따라, 반응장치에서 발생되는 열량을 시간에 따라 균일하게 유지시킬 수 있도록 하였다.

Claims (3)

1. 수소가 흡장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 수소저장합금이 내부에 충전된 다수개의 반응관으로 이루어진 한 쌍의 반응기와; 상기 반응기에 양단부가 연결되어 수소 유로를 형성하는 수소 유로관과; 상기 수소 유로관에 연결되어 수소 유로관에 소정의 압력을 형성함으로써 수소를 일측 반응기에서 타측 반응기로 혹은 그 반대로 유동시키도록 하는 압축기:를 포함하여 이루어진 수소저장합금을 이용한 반응장치에 있어서,

   상기 각 반응기에는 수소흡장압력 범위 및 수소방출압력 범위가 각각 다른 이종의 수소저장합금이 충전되고, 상기 수소 유로관에는 가동주파수가 변경됨에 따라 반응기 내의 압력을 소정 압력으로 가변시키도록 인버터 압축기를 설치하여, 상기 압력에 따라 반응기에 충전된 수소저장합금으로부터 토출되는 수소량을 일정하게 유지시키도록 함을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 반응장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수소저장합금은 TiMn0.8합금, TiFe0.9Mn0.1합금, LaNi5합금, LaNi4.7Al0.3 합금, Fe0.94Ti0.96,Zr0.04Nb0.04 합금, Fe7Ti10O3 합금, Mg2Ni 합금, CaNi5 합금 중에서 적어도 2개 이상의 합금들로 혼합됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 반응장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응기에는 이종의 수소저장합금이 각각의 층을 형성하도록 충전됨을 특징으로 하는 수소저장합금을 이용한 반응장치.