KR20040003604A - 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치에 관한 것으로써, 수소가 유동하는 관로를 따라 수소 저장합금의 분말 및 각종 불순물이 유동됨을 방지할 수 있도록 한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 구조 및 그 제어 방법을 제공하고자 한 것이다.

이를 위해 본 발명은 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 각 반응기와 연결된 수소 유로관과; 상기 수소 유로관의 관로상에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 전달하는 펌핑 수단; 그리고, 수소가 유동하는 경로상에 설치된 불순물 분해 수단:을 포함하여 이루어진 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제시한다.

Description

수소 저장합금을 이용한 냉난방장치{heating and cooling device for hydrogen storage alloys}

본 발명은 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치의 열교환기에 관한 것으로써, 특히 상기 열교환기를 이루면서 수소의 흡장 및 탈장에 의한 흡열 혹은, 발열 반응을 수행하는 각 반응기의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 수소 저장합금(Hydrogen Storage Alloy)은 수소가 흡착될 경우 발열반응을 일으키고, 수소가 방출될 경우 흡열반응을 일으키는 특성을 지님과 더불어 수소를 저장할 수 있는 용량이 크다는 특성을 이용하여 히트 펌프(heat pump)나 수소 저장기기(hydrogen storage devices) 등의 응용분야에 사용이 가능한 것으로 알려졌다.

그러나, 종래에는 전술한 수소 저장합금을 이용하여 냉난방장치를 구현할 수 있다는 것은 단순히 개념적으로만 제시되었을 뿐 상기한 수소 저장합금의 특성을 고려하여 구체적인 시스템의 구현은 이루어진 바가 없다.

이는, 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 구현하기 위해서는 상기 냉난방장치의 효율이 기존 냉매를 사용하는 냉난방장치의 효율과 적어도 같아야 함에도 불구하고, 그에 따른 각종 구성 요소의 상관 관계나 배치에 대한 연구가 전혀 이루어지지 않았기 때문이다.

특히, 수소 저장합금으로는 수소만이 유입되어야 함에도 불구하고, 여타의 각 구성요소에서 발생되는 불순물 등이 수소와 함께 유입되기 때문에 상기 수소 저장합금의 성능을 급격히 저하시켰던 문제가 있었다.

즉, 수소 가스에 불순물이 함유됨에 따라 촉매독 현상이 발생되어 수소 저장합금의 성능 저하를 유발하게 된 것이다.

뿐만 아니라, 상기 수소 저장합금은 그 열화에 따른 미분화로 인해 미세 분말이 발생되며, 이렇게 발생된 미세 분말이 상기 수소와 함께 유동하면서 각 구성 요소의 손상을 유발하였던 문제점도 가지고 있다.

따라서, 상기한 각종 문제점이 해결된 냉난방장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 수소의 유동 경로를 따라 유동하는 각종 불순물이 각 반응기에 충전된 수소 저장합금으로 유입되어 상기 수소 저장합금의 성능을 저하시킴을 최대한 방지할 수 있도록 한 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 구성도

도 2 는 도 1의 냉난방장치가 반응 전환을 수행한 상태를 개략적으로 나타낸 구성도

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉난방장치를 개략적으로 나타낸 구성도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

110. 제1반응기120. 제2반응기

111,121. 반응용기112,122. 분지관

113,123. 수소 유출입관200. 수소 유로관

300. 펌핑 수단410. 제1불순물 분해 수단

420. 제2불순물 분해 수단

상기한 목적 달성을 위한 본 발명의 형태에 따르면 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와; 각 반응기와 연결된 수소 유로관과; 상기 수소 유로관의 관로상에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 전달하는 펌핑 수단; 그리고, 수소가 유동하는 경로상에 설치된 불순물 분해 수단:을 포함하여 이루어진 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치가 제공된다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 각 실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 도시한 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내고 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 크게 한 쌍의 반응기(110,120)와, 수소 유로관(200)과, 펌핑 수단(300) 그리고, 불순물분해 수단을 포함하여 구성된다.

상기 각 반응기(110,120)는 수소 저장합금이 충전되어 이루어진 다수의 반응용기(111,121)와, 각 반응용기(111,121)와 연결되는 분지관(112,122) 그리고, 상기 분지관과 상기 수소 유로관을 연결하는 수소 유출입관(113,123)을 포함하여 구성된다.

이와 같은 각 반응기(110,120)는 수소의 유입이 이루어질 경우 발열 반응을 수행하여 주변 공기를 가열하고, 수소의 방출이 이루어질 경우 흡열 반응을 수행하여 주변 공기를 냉각하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 수소 유로관(200)은 양 단이 각 반응기(110,120)와 각각 연통되도록 연결되어 이루어지며, 상기 어느 하나의 반응기(이하, “제1반응기”라 한다)(110)로부터 다른 하나의 반응기(이하, “제2반응기”라 한다)(120)로 수소 유동을 안내하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 펌핑 수단(300)은 상기 수소 유로관(200)의 관로 상에 설치되며, 상기 수소 유로관(200)을 유동하는 수소를 어느 한 반응기로부터 다른 한 반응기로 강제 압송하는 역할을 수행한다.

이 때, 상기 펌핑 수단(300)은 통상의 펌프나 압축기 등이 될 수 있으나 한정하지는 않는다.

그리고, 상기 불순물 분해 수단은 수소가 유동하는 경로상인 상기 수소 유로관(200) 내부에 설치된다.

이 때, 상기 불순물 분해 수단은 두 개로 구비되며, 그 중 어느 하나의 불순물 분해 수단(이하, “제1불순물 분해 수단”이라 한다)(410)은 제1반응기와 펌핑 수단 사이의 수소 유로관 내에 구비되고, 다른 하나의 불순물 분해 수단(이하, “제2불순물 분해 수단”이라 한다)(420)은 제2반응기(120)와 펌핑 수단(300) 사이의 수소 유로관(200) 내에 구비한다.

또한, 상기 각 불순물 분해 수단(410,420)은 각 반응기(110,120)의 수소 유출입관(113,123)과 연결되는 부위의 수소 유로관(200) 내부에 구비함으로써 각 수소 저장합금의 수소 흡장시 발생되는 발열을 그 에너지 근원으로 하여 온도에 의한 여기가 원활히 이루어질 수 있도록 한다.

물론, 도시한 도 3과 같이 각 반응기(110,120)를 구성하는 각 반응용기(111,121)의 수소 유출입측을 이루는 관로 내에 구비함으로써 온도에 따른 여기가 보다 원활히 이루어질 수 있도록 구성할 수도 있다. 이의 경우 상기 불순물 분해 수단은 각 반응용기(111,121) 마다 하나씩 혹은, 각 분지관(112,122) 내에 각각 하나씩 구비된다.

상기와 같은 불순물 분해 수단(410,420)은 TiO₂광촉매가 코팅된 금속망으로 구성되며, 이 때 상기 금속망의 재질은 스테인레스강으로 구성함으로써 그 수명을 장기화할 수 있도록 한다.

이하, 전술한 바와 같이 이루어지는 냉난방장치의 동작 과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 냉난방장치의 운전이 시작된다면 컨트롤러(도시는 생략함)의 제어에의해 펌핑수단(300)이 동작되면서 제1반응기(110) 내로부터 수소가 탈장된다.

그리고, 이렇게 탈장된 수소는 수소 유로관(200)의 안내를 받아 제1불순물 분해 수단(410), 펌핑 수단(300), 제2불순물 분해 수단(420)을 순차적으로 통과하면서 제2반응기(120) 내로 강제 유입된다.

따라서, 상기 제1반응기(110) 내의 수소 저장합금으로부터 탈장된 수소와, 상기 제1반응기(110) 내의 수소 저장합금으로부터 열화되어 미분화된 수소 저장합금 분말 및 수소 가스 자체에 함유된 불순물 등은 상기 제1불순물 분해 수단(410)을 통과하면서 펌핑 수단(300)으로 유동하게 된다.

이의 과정에서 상기 수소 저장합금 분말 및 각종 불순물 등은 상기 제1불순물 분해 수단(410)에 걸러지고, 수소만이 상기 제1불순물 분해 수단(410)을 통과하여 펌핑 수단(300)으로 유동된다.

이 때, 상기 제1불순물 분해 수단(410)인 TiO₂광촉매가 코팅된 금속망의 눈의 크기는 수소의 통과가 가능하지만 여타의 미세 불순물의 통과는 불가능한 정도의 크기 이므로 상기 수소만의 통과가 가능하다.

특히, 상기 TiO₂광촉매는 각종 불순물을 거르는 성능도 가지고 있기 때문에 수소의 통과시 수소에 함유된 각종 불순물의 제거가 가능하다.

그리고, 상기와 같은 과정이 수행되는 도중 제1반응기(110)는 수소의 탈장에 의한 흡열 반응을 수행하면서 주위 공기를 냉각하게 된다.

이와 함께, 펌핑 수단(300)을 통과하여 제2반응기(120)로 유입되는 수소에는상기 펌핑 수단(300)을 통과하는 과정에서 상기 펌핑 수단(300)의 유로 내에서 발생된 각종 불순물이 함유될 수 있다.

하지만, 상기 펌핑 수단(300)과 제2반응기(120) 사이의 수소 유로관(200) 내에 구비된 제2불순물 분해 수단(420)을 통과하는 과정에서 상기 불순물은 제거되고, 순수한 수소만이 상기 제2반응기(120)를 구성하는 각 반응용기(121) 내부로 유입된다.

따라서, 제2반응기(120)는 수소의 흡장에 의한 발열 반응을 수행하면서 주위 공기를 가열한다.

이 때, 상기 제2반응기(120)의 발열 반응에 의해 발생된 열은 TiO₂광촉매를 여기시키게 된다.

즉, 상기 TiO₂광촉매의 분자 구조가 안정된 상태에서 상기 열에 의한 일정 이상의 에너지를 받게 되면 정공이 불안정된 상태를 이루면서 전자와 반응한다.

따라서, 상기 정공과 전자에 의한 산화분해 반응이 이루어지면서 상기 제2불순물 분해 수단(420)의 표면에 붙어 있는 각종 불순물을 산화분해 시키게 되는 것이다.

그리고, 전술한 일련의 과정이 수행되는 도중 컨트롤러는 각 반응기(110,120)의 반응 전환 주기를 카운트하게 된다.

이는, 각 반응기(110,120) 중 발열 반응을 수행하는 어느 한 반응기(제2반응기)의 열화를 방지할 수 있도록 하기 위함으로써, 상기 제2반응기(120)가 열화되기전에 흡열 반응을 수행하도록 바꾸어 주어야만 한다.

특히, 상기한 반응 전환 주기는 주로 시간을 설정하여 카운트하거나 상기 각 반응기(110,120)의 반응 허용 온도를 미리 설정한 후 각 반응기(110,120)의 온도를 측정함으로써 확인하게 된다.

만일, 상기의 과정에 의해 각 반응기(110,120)의 반응 전환 시기가 되면 컨트롤러는 펌핑 수단(300)을 제어하여 제2반응기(120) 내에 있는 수소를 제1반응기(110)로 압송하도록 구동시킨다.

이에 따라, 상기 제2반응기(120) 내의 수소 저장합금으로부터 탈장된 수소와, 상기 제2반응기(120) 내의 수소 저장합금으로부터 미분화된 수소 저장합금 분말 및 여타의 불순물 등은 수소 유로관(200)의 안내를 받아 제2불순물 분해 수단(420), 펌핑 수단(300), 제1불순물 분해 수단(410)을 순차적으로 통과하면서 제1반응기(110) 내로 강제 압송된다.

이의 과정에서 상기 수소와, 수소 저장합금 분말 및 여타의 불순물 등은 일차적으로 상기 제2불순물 분해 수단(420)에 걸러지면서 상기 수소만이 펌핑 수단(300)을 통과하여 제1반응기(120)로 유입된다.

이 때, 상기 펌핑 수단(300)과 제1반응기(120) 사이의 수소 유로관(200) 내부에는 제1불순물 분해 수단(410)이 구비되어 있기 때문에 상기 펌핑 수단(300)을 통과하면서 각종 불순물이 함유된 수소는 상기 제1불순물 분해 수단(410)에 의해 재차적으로 걸러진다.

이에 따라, 순수한 수소 만이 상기 제1반응기(110) 내로 유입되어 수소 저장합금에 흡장되고, 상기 제1반응기(110)의 수소 저장합금은 수소의 흡장에 따른 발열 반응을 수행한다.

이 때, 상기 제1반응기(110)로부터 발열된 열은 주위 공기를 가열시킴과 더불어 제1불순물 분해 수단(410)의 TiO₂광촉매를 여기시킨다.

특히, 상기 제1불순물 분해 수단(410)에는 제1반응기(110)로부터의 수소 탈장시 걸러졌던 각종 불순물 및 수소 저장합금의 분말이 존재함을 고려할 때 이러한 각종 불순물은 금번 수소의 유입시 걸러진 각종 불순물과 함께 산화분해 된다.

결국, 전술한 일련의 과정에 의해 각 반응기(110,120) 내의 수소 저장합금으로는 순수한 수소만이 유입될 수 있기 때문에 상기 수소 저장합금의 성능 저하가 방지될 수 있고, 원활한 열교환 반응이 이루어질 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치는 미분화된 수소 저장합금의 분말 및 각 구성 요소를 순환하는 과정에서 수소에 함유되는 각종 불순물 등을 제거할 수 있는 효과를 가진다.

특히, 상기 걸러진 각종 불순물은 각 반응기의 발열 반응에 따른 고온의 열을 이용하여 산화분해 시킴으로써 상기 각 불순물이 수소 저장합금을 오염시켜 그 성능을 저하하는 현상을 최대한 방지할 수 있는 효과를 가진다.

뿐만 아니라, 상기 미분화된 수소 저장합금의 분말이 펌핑 수단 내부로 유입됨을 최대한 방지할 수 있게 되어 상기 펌핑 수단의 손상을 방지할 수 있게 된 효과를 가진다.

Claims (7)

1. 수소 저장합금이 충전된 한 쌍의 반응기와;

   각 반응기와 연결된 수소 유로관과;

   상기 수소 유로관의 관로상에 연결되어 어느 한 반응기에서 다른 한 반응기로 수소를 강제 압송하도록 압송력을 전달하는 펌핑 수단; 그리고,

   수소가 유동하는 경로상에 설치된 불순물 분해 수단:을 포함하여 이루어진 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   불순물 분해 수단은

   TiO₂광촉매가 코팅된 금속망으로 구성됨을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   금속망의 재질은

   스테인레스강임을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   불순물 분해 수단은

   적어도 둘 이상으로 구비됨을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   불순물 분해 수단이 둘 이상일 경우

   적어도 어느 하나의 불순물 분해 수단은 어느 한 반응기와 펌핑 수단 사이의 수소 유로관 내에 구비하고, 다른 하나의 불순물 분해 수단은 다른 한 반응기와 펌핑 수단 사이의 수소 유로관 내에 구비함을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   불순물 분해 수단은

   각 반응기의 수소 유출입측과 연결되는 부위의 수소 유로관 내에 구비됨을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   불순물 분해 수단은

   각 반응기의 수소 유출입측을 이루는 관로 내에 구비됨을 특징으로 하는 수소 저장합금을 이용한 냉난방장치.