KR20040012993A - 하이브리드 형태의 수소 저장 방법 - Google Patents

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KR20040012993A
KR20040012993A KR10-2003-7017070A KR20037017070A KR20040012993A KR 20040012993 A KR20040012993 A KR 20040012993A KR 20037017070 A KR20037017070 A KR 20037017070A KR 20040012993 A KR20040012993 A KR 20040012993A
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hydrogen storage
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KR10-2003-7017070A
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구옥시안리앙
잭쿠어스허트
패트릭라로셀레
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헤라 하이드로겐 스토리지 시스템즈 인코퍼레이티드
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Abstract

본 발명은 가스 형태, 액체 형태 및 고체 형태의 수소 저장 방법중에서 선택된 적어도 두가지의 공지된 수소 저장 방법의 장점을 결합한 수소 저장 방법에 관한 것이다. 특히, 상기 방법은 상기된 수소 저장 방법, 즉 A) 가스 형태의 수소 저장 방법; B) 액체 형태의 수소 저장 방법; 및 C) 체적이나 표면상에 바람직하게는 적절한 하이드라이드를 통한 고체 형태의 수소 저장 방법중 적어도 두가지의 방법을 하나의 탱크내에 조합 사용하여 이루어진 방법에 관한 것이다. 상기 방법의 각각은 탱크내에 저장되는 전체 수소량의 적어도 5 중량 퍼센트를 저장하기 위해 사용된다. 이러한 방법은 높은 저장 능력을 보장하는 동시에 요구되는 수소의 빠른 배출을 허용한다. 또한, 수소 차량의 가속시 만족스러운 과도 기간을 허용한다.

Description

하이브리드 형태의 수소 저장 방법 {METHOD FOR STORING HYDROGEN IN A HYBRID FORM}
수소의 저장 방법은 크게 다음의 세가지 카테고리로 분류될 수 있다.
(A) 고압 탱크내에 가스 형태로 저장.
(B) 극저온 탱크내에 액체 형태로 저장.
(C) 수소를 (체적내로) 흡수하거나 (표면상에) 흡착하는 물질을 포함하는 탱크내에 고체 형태로 저장.
카테고리(C)로 상기에 리스트된 마지막 카테고리는 금속 하이드라이드 저장 탱크를 이용하는 것이다.
상기 카테고리의 각각은 다음의 [표1]에 요약된 장점과 단점을 갖는다.
예를들어, 가스 형태의 수소 저장 방법(카테고리 A)의 경우, 1리터의 탱크에는 [표2]에 나타낸 것처럼 다양한 압력으로 다음 량의 수소가 채워질 것이다.
[표2] 가스 형태 저장
수소 압력 1리터내의 수소량
3,600 psig (248 bar) 0.0177 kg
5,000 psig (345 bar) 0.0233 kg
8,000 psig (550 bar) 0.0334 kg
10,000 psig (690 bar) 0.0392 kg
15,000 psig (1,035 bar) 0.0512 kg
액체 형태의 수소 저장 방법(카테고리 B)의 경우, -252.8℃(즉, 수소의 일반적인 비등점)에서 액체 수소의 밀도가 0.0708kg/l임에 따라 1리터의 탱크에는 0.0708kg의 수소가 채워질 것이다.
마지막으로, 금속 하이드라이드에 의한 고체 형태의 수소 저장 방법(카테고리 C)의 경우, 탱크 체적을 모두 차지하는 LaNi5H6(밀도: 6.59 kg/l, 수소 저장 능력 = 1.4%)와 같은 AB5구조식의 하이드라이드를 포함하는 1리터의 탱크에는 0.0923kg의 수소, 즉 15,000 psig에서 1리터의 탱크내에 가스 형태로 저장되는 수소량의 거의 2배가 채워질 것이다.
이 비교예의 결과를 [표3]에 나타내었다.
[표 3] 기본적인 수소 저장 방법의 저장 능력 비교
방법 1리터의 탱크내에 저장되는 수소량
(A) 상온 15,000 psig (1,035 bar)에서기체 형태로 저장 0.0512 kg
(B) -252.8℃(1 bar)에서 액체 상태로저장 0.0708 kg
(C) 상온(10bar)에서 LaNi5하이드라이드내에 고체 형태로 저장 0.0923 kg
물론, 액체 형태의 수소 저장 방법(카테고리 B)의 경우, 액체의 증발로 인해 액체와 균형을 이루는 가스 형태의 수소가 일부 존재한다. 또한, 일반적으로 저압(10bar)에서 동작하는 금속 하이드라이드에 의한 고체 형태의 수소 저장 방법(카테고리 C)의 경우에도 하이드라이드가 탱크내의 공간을 모두 차지하지 않기 때문에 가스 형태의 수소가 일부 존재한다. 아울러, 초고압에서의 가스 형태의 수소 저장 방법의 경우, 탱크의 내벽에 흡착되는 수소가 일부 존재한다(이와 같이 흡착된 수소를 "고체 수소"라 부른다). 따라서, 상기에 리스트된 각 방법(가스, 액체 및 고체)에 있어서, 상이한 저장 방법에 의해 저장되는 수소량이 일부 존재한다.
예를들어, 금속 하이드라이드 파우더(LaNi5H6)를 포함하는 1리터의 탱크에 대하여 상이한 저장 방법에 의한 수소의 최대 퍼센티지를 산출할 수 있다. 파우더가 조밀하지 않아 탱크 체적의 절반, 즉 1/2 리터를 차지한다고 가정하고 또한 LaNi5H6의 밀도가 6.59 kg/l이고 아울러 탱크내의 가스 형태의 수소(약 1/2 리터)가 10bar의 압력하에 있다고 가정하면, 1리터의 탱크내의 고체 형태가 아닌 수소량은 [표 4]에서 보고된 것처럼 될 것이다.
[표 4]
"가스" 수소 (10bar) "고체" 수소 전체 수소량
0.00041kg (0.9%) 0.0462 kg (99.1%) 0.0466 (100%)
이 예는 주어진 임의의 저장 방법에 대하여 일반적으로 1%의 수소가 다른 형태로 저장될 수 있음을 명백하게 보여주고 있다. 그러나, 모든 경우에 있어서, 그량은 항상 5 중량 퍼센트 보다 적다.
하나의 카테고리내에서 상이한 수소 저장 수단을 결합하는 것이 효과적이라는 것은 이미 제안되었다.
예를들어, 해당 출원인과 맥길 유니버시티(McGill University) 명의의 미국 특허 5,906,792 "수소 저장용 나노 결정 조성물(Nanocrystalline composite for hydrogen storage)"은 동일한 탱크내에서 저온 금속 하이드라이드를 고온 금속 하이드라이드와 서로 접촉하도록 혼합하는 것이 효과적임을 나타내고 있다. 그러한 혼합물이 내부 연소 엔진을 위해 사용되면, 저온 금속 하이드라이드는 시동시 수소를 제공함으로써 엔진의 냉시동(cold starting)을 허용한다. 엔진이 가열되면 발생된 열이 동일한 방식으로 고온 금속 하이드라이드로부터 수소를 제거한다(상세한 내용은 미국 특허 5,906,792의 칼럼3 참조).
또한, 2001년 3월 8일자로 공개된 데이비드 쥐. 스노우(David G. Snow) 등의 명의로 된 국제출원 공개번호 WO 01/16021는, 특히 수소의 흡수 및 제거 운동을 개선하기 위하여 하이드라이드의 나노 입자의 체적내에 고체 형태로 저장(흡수)하는 방법과 표면상에 고체 형태로 저장(흡착)하는 방법을 결합하는 것이 효과적임을 나타내고 있다.
해당 출원인 명의의 미국 특허 5,872,074 "다공성 나노 결정 물질, 그 물질의 제조 및 에너지 분야에서의 사용 방법(Leached nanocrystalline materials, process for manufacture the same and use thereof in the energetic field)" 또한 고특성 표면을 갖는 하이드라이드 사용시 수소의 흡수 및 흡착 운동이 개선됨을나타내고 있다.
또한, 고체 형태의 수소 저장 방법(C)은 일반적으로 가스 형태의 수소 저장 방법(A) 보다 매우 느리고, 액체 형태의 수소 저장 방법(B) 보다 느린 반응시간(로딩 및 언로딩)을 갖는 것으로 알려져 있다. 실제로, 하이드라이드 저장 탱크를 채우기 위해 적어도 15분, 때때로 1시간 이상의 시간이 필요하다. 이러한 단점에도 불구하고, 고체 형태의 수소 저장 방법은 단위 체적당 가장 높은 저장 능력을 갖는다(상기 표3 참조).
일부 기술 응용 분야에서는 1분 보다 더 빠른 반응시간을 요구하는 것으로 알려져 있다.
예를들어, 수소가 공급되는 연료 셀을 사용하는 UPS(Uninterruptible Power Supply) 시스템의 경우에는 일반적으로 백밀리초의 반응시간이 요구된다. 물론, 금속 하이드라이드를 사용하는 수소 저장 탱크가 이러한 특별 조건을 만족시킬 수는 없다. 그러한 경우에는 수소가 고압에서 가스 형태로 저장되는 탱크가 이용될 수 있다.
유사하게, 수소 작동 차량에는,
일반적으로 백밀리초의 반응시간을 요구하는 추진 시스템에 의한 단기 가속(초); 및
차량이 언덕을 등반하는 때의 마지막 몇분의 파워 증강;
과 같은 상이한 형태의 과도 기간이 존재한다.
연료 셀과 배터리를 사용하는 하이브리드 차량에서는 단기 가속(초)이 배터리에 의해 수행될 수 있으나, 장기의 과도 기간(몇분)은 가스 형태로 저장된 수소를 요구할 수 있다. 한편, 약 20KW인 일반 차량의 평균 동력은 금속 하이드라이드 탱크를 통해 용이하게 축적할 수 있다. 그와 같은 차량의 배터리내에 축적된 에너지는 일반적으로 보드상 에너지의 약 1%에 해당한다. 그러므로, 과도 기간의 변경을 위해 1% 이상의 수소량이 요구된다.
요약하면, 상기에 리스트된 상이한 방법들의 장점을 결합한 수소 저장 방법의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 하이브리드 형태의 수소 저장 방법에 관한 것이다. 특히, 하나의 탱크내에 두가지의 상이한 형태로 수소를 저장하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 수소가 액체 및 고체 형태로 저장되거나 고체 및 가스 형태로 저장될 때에 상기 방법을 수행하기 위하여 사용되는 "하이브리드 탱크"라 불리우는 탱크에 관한 것이다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 설명되는 다음의 비한정적인 실시예들을 통해 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1은 실시예 1에 개시된 하이브리드 가스-고체 저장 탱크내에서 사용되는 하이드라이드의 평형 상태를 나타낸 도면,
도 2는 실시예 2에 개시된 하이브리드 액체-고체 저장 탱크의 개략적인 단면도,
도 3은 실시예 3에 개시된 하이브리드 가스-고체 저장 탱크내에서 사용되는 하이드라이드의 평형 상태를 나타낸 도면,
도 4는 실시예 3에 개시된 하이브리드 가스-고체 저장 탱크의 개략적인 단면도,
도 5는 실시예 1 및 실시예 3에 개시된 하이브리드 가스-고체 저장 탱크내에서 사용될 수 있는 몇가지 하이드라이드의 온도에 따른 평형 상태를 나타낸 도면.
본 발명의 목적은 상기된 수소 저장 방법, 즉 가스 형태, 액체 형태 및 고체 형태의 수소 저장 방법중 적어도 2가지의 장점을 결합한 새로운 수소 저장 방법을 제공함으로써, 상기된 필요성을 만족시키는 것이다.
본 발명은 상기된 수소 저장 방법, 즉
A) 가스 형태의 수소 저장 방법;
B) 액체 형태의 수소 저장 방법; 및
C) 체적내 또는 표면상에 고체 형태의 수소 저장 방법;
중 적어도 두가지의 방법을 "수소 저장용 하이브리드 탱크"라 불리우는 하나의 탱크내에서 조합 사용하여 이루어진다.
상기 각 방법들은 탱크내의 전체 수소량의 적어도 5 중량 퍼센트를 저장하기 위해 사용된다.
그러므로, 청구된 것처럼 본 발명은,
a) 가스 형태의 수소 저장 수단;
b) 액체 형태의 수소 저장 수단; 및
c) 흡수나 흡착을 통한 고체 형태의 수소 저장 수단;
으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 두가지의 수소 저장 수단을 하나의 탱크내에서 결합 사용하는 단계를 구비하되,
사용되는 각 저장 수단들은 탱크내에 저장되는 전체 수소량의 적어도 5 중량 퍼센트를 저장하기 위한 크기를 갖는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법에 관한 것이다.
상이한 형태로 수소를 저장하는 상기된 수단들은 상기된 각 방법을 수행하기 위하여 사용된다. 그들은 매우 일반적인 것으로, 더 상세하게 설명될 필요는 없다. 그들은 적어도 수소의 5 중량 퍼센트를 각각 저장하기 위하여 동시에 사용될 수 있도록 하나의 탱크내에서 결합될 뿐이다.
본 발명의 다른 목적은 두개의 동심 컨테이너를 구비하되, 상기 컨테이너의 하나인 "내부" 컨테이너가 다른 컨테이너인 "외부" 컨테이너의 내부에 위치되고, 저온에서 내부 컨테이너를 유지하기 위하여 상기 컨테이너들은 절연 슬리브에 의해 분리되어 있는 액체 및 고체 형태로 수소를 저장하기 위한 하이브리드 탱크를 제공하는 것이다. 내부 컨테이너는 액체 형태로 수소를 저장하기 위해 사용된다. 외부 컨테이너는 내부 컨테이너와 직접 연결되어 있으며 고체 형태로 수소를 저장하기 위한 금속 하이드라이드를 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적은,
중합체의 외부 쉘을 덮는 금속 라이너 또는 내벽을 갖되, 고압에서 가스 형태로 수소를 저장하고, 고체 형태로 수소를 저장하기 위하여 금속 하이드라이드를 수용 및 저장하는 컨테이너와;
열운반 유체의 순환을 허용하기 위하여 상기 컨테이너내에 장착된 적어도 하나의 히트 파이프; 및
상기된 적어도 하나의 히트 파이프와 하이드라이드간의 열적 결합을 보장하기 위하여 상기 컨테이너 내부에 위치되는 열교환기를 구비하는 고체와 가스 형태로 수소를 저장하기 위한 하이브리드 탱크를 제공하는 것이다.
실시예 1 : 가스 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 저장 탱크
1리터의 체적을 갖는 수소 저장 탱크가 평균 직경이 5 나노미터인 LaNi5하이드라이드 나노입자 파우더로 채워져 있다. 이 파우더는 조밀하지 않기 때문에 탱크 체적의 50%, 즉 0.5리터를 차지한다. 이 나노입자들의 표면상의 원자수는 각 나노입자 표면상의 0.4 내지 0.5 나노미터의 층을 고려하여 각 입자내에 있는 전체 원자량의 약 20%로 나타내어진다. 상기 탱크에는 10bar(금속 하이드라이드 탱크의 일반적인 사용 압력) 내지 700bar(고압 가스 탱크에 사용되는 일반적인 압력) 범위의 상이한 압력으로 가스 형태의 수소가 채워진다. 체적내 및 금속 하이드라이드 표면상의 수소량은 H/M=1 (H=수소, M=금속)에 대응된다고 추정되며, 이는 대다수의 금속 하이드라이드에 대해서도 일반적이다. 이러한 조건하에서, 사용되는 두가지의 상이한 저장 수단과 관련된 수소량을 산출하여 다음의 [표 5]에 나타내었다.
[표 5]
탱크내의수소 압력 가스 상태의수소(kg) % 하이드라이드 표면상에 결합된 수소 % 하이드라이드내에 삽입된 수소 % 전체 수소량(kg)
10 bar150psi 0.0004 1 0.0142 28 0.0365 71 0.0511
248 bar3600 psi 0.0089 15 0.0142 24 0.0365 61 0.0596
345 bar5000psi 0.0117 19 0.0142 23 0.0365 58 0.0624
690 bar10000 psi 0.0196 28 0.0142 20 0.0365 52 0.0703
[표 5]에 나타낸 첫번째의 경우, 즉 압력이 150psi (10bar)인 경우에 가스상태의 수소량이 전체량의 1%로 나타났다. 이 예는 종래의 금속 하이드라이드 탱크에서 얻어지는 것을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위 밖의 것이다. 그러나, 압력이 3,600psi, 5,000psi 및 10,000psi인 상기된 다른 세가지의 경우에는 가스 상태의 수소량이 각각 탱크내의 전체 수소량의 15%, 19% 및 28%로 나타났다. 이는 상기된 5%의 한계치를 초과하는 것이다.
실시예 1에 개시된 탱크는 연료 셀이나 수소원 발전기를 기반으로 하는 "백업" 시스템에 사용될 수 있는 탱크를 나타낸 것이다. 전기 공급에 실패할 경우, 가스 상태의 수소가 연료 셀이나 발전기로 초기 공급되어 그것을 서서히 워밍업시킨다. 탱크내의 압력은 감소된다. 압력이 하이드라이드의 평형 상태에 도달하면, 즉 실온에서 AB5합금에 대해 약 2bar에 도달하면 가스 상태의 수소는 거의 존재하지 않는다. 그 후, 연료 셀이나 발전기에 의해 발생되는 열을 위하여 하이드라이드가 시스템 탱크로의 수소의 공급을 담당한다.
이 예에 있어서, 종래의 저온 금속 하이드라이드인 LaNi5의 작동온도(일반적으로 0 내지 100℃의 범위)에서의 평형 상태는 연료 셀의 입구측에서 요구되는 압력, 일반적으로 2bar 보다 다소 높다. 만약, 탱크가 하이드라이드에 의해 50%가 채워지고 나머지는 690bar의 가스 상태의 수소로 채워진다면, 그 상태는 도 1에 도시된 것에 대응될 것이다.
그러한 조건하에서 시스템이 작동하는 동안에 수소는 처음에 가스 상태로 나온다. 그 이후에 수소량과 가스압이 낮아지면 하이드라이드가 시스템으로의 수소공급을 담당한다. 그 후, 탱크내의 압력은 하이드라이드의 제거 평형 상태(desorption plateau)의 레밸을 유지하게 된다. 따라서, 시스템의 운동 에너지는 초기에 매우 높고(가스 시스템의 반응시간), 그 이후에 낮아진다(하이브리드 시스템의 반응시간).
가스와 고체 형태의 저장 방법을 조합한 하이브리드 저장 방법의 사용에는 다음과 같은 장점이 있다.
a) 탱크의 충전이 종래의 금속 하이드라이드 탱크에 비해 단시간에 이루어진다.
b) 탱크의 열전달 구성의 설계가 단순하다.
c) 금속 하이드라이드 체적을 통한 높은 저장 능력과 새로운 조성물의 고압 가스 저장 탱크를 통한 높은 저장 능력이 결합되었다.
실시예 2 : 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크
1리터의 전체 체적을 갖는 수소 저장용 하이브리드 탱크(1)는 두개의 동심 컨테이너(3,5)로 나누어진다(도 2 참조). 내부 컨테이너(3)는 0.8 리터의 체적을 가지며, 외부 컨테이너(5)는 0.2 리터의 체적을 갖는다. 절연 슬리브(7)가 저온에서 내부 컨테이너(3)를 유지하기 위하여 내부 및 외부 컨테이너(3,5)의 사이에 위치된다.
실제, 탱크(1)의 내부 컨테이너(3)는 액체 수소로 채워진다. 약 0.0708kg/l x 0.8 리터 = 0.0566kg의 수소가 수용된다. 외부 컨테이너(5)는 체적의 약 50%, 즉0.1 리터를 차지하는 LaNi6H6형 금속 하이드라이드 파우더로 채워진다. 따라서, 외부 컨테이너(5)에는 6.59kg/l x 0.1 리터 x 1.4% = 0.0092kg의 수소가 수용된다. 탱크(1)내에 저장된 전체 수소량은 0.0658kg에 해당한다(외부 탱크에 14%, 내부 탱크에 86%).
종래의 액체 형태의 수소 저장용 탱크에 비해 실시예 2에 개시된 탱크는 2주 이상의 기간동안 수소의 손실이 발생하지 않는다는 장점을 갖는다. 실제로, 종래의 액체 수소 저장 탱크가 갖는 문제점은 수소가 증발한다는 것이다. 액체 수소량의 1%까지 종래의 탱크로부터 매일 증발할 수 있다(1% x 0.0566kg = 0.0006kg/일). 실시예 2에 개시된 하이브리드 탱크에서는 증발되는 수소가 내부 컨테이너의 외주로 연장되는 금속 하이드라이드에 의해 그것의 최대 능력까지 흡수된다(즉, 0.0092kg/0.0006kg/일 =15일).
액체 수소 저장 탱크로 부터 증발되는 수소를 "포획(catching)"하기 위하여 금속 하이드라이드를 사용한다는 아이디어는 이미 제안되었지만, 두개의 분리된 시스템은 상호 관계를 가지고 연결되어 있으며 독립적으로 제어되어야 한다. 이와 관련하여, 산요 전기 주식회사(SANYO ELECTRIC CO.)의 미국 특허 5,728,483를 언급할 수 있다. 반면, 본 발명에서는 이러한 상이한 두가지의 수소 저장 수단이 하나의 탱크내에서 결합되어 있으며, 그로 인해 단순한 방식으로 작동하게 된다.
실시예 3 : 과도 기간을 갖는 시스템에서의 사용을 위한 가스-고체 형태의수소 저장용 하이브리드 탱크
실시예 1에 기재된 탱크에 있어서, 하이드라이드로써 LaNi5H6가 사용된다. 이 조성물은 작동 온도에서 낮은 평형 상태(즉, 40bar 이하)를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, NaAlH4, LiAlH4또는 MgH2와 같은 낮은 평형 상태를 갖는 다른 하이드라이드가 이용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 작동 온도(일반적으로 0 내지 100℃ 범위)에서 종래의 하이드라이드의 평형 상태(일반적으로 1 내지 10bar) 보다 높은 평형 상태를 갖는 하이드라이드가 또한 사용될 수 있다. 그러한 높은 평형 상태는 40bar이거나 그 이상이다. 그러한 하이드라이드로는 실온에서 100bar 이상의 높은 평형 상태를 갖는 TiCr1.8가 있다(도 6 참조). 또한, TiMn2-y, Hf2CU, Zr2Pd, TiCu3또는 V0.855Cr0.145와 같이 고압에서 평형 상태를 갖는 중온 하이드라이드에 관심을 가질 수도 있다(도 5 및 도 6 참조).
이러한 조건하에서, 수소의 필요성이 요구되면 저장 탱크의 가스 시스템이 약 1초(예를들어 차량이 가속하는 경우)의 매우 짧은 반응시간(t1)을 갖는 그러한 요청을 수용할 것이다. 탱크내의 압력이 수치(1)로부터 수치(2)로 떨어지거나 변경되면(도 3 참조), 하이드라이드가 다음 가속까지 몇분의 짧은 반응시간(t2) 동안 가스 시스템을 재건할 것이다.
이러한 하이브리드 방법은 하이드라이드로부터의 제거나 그 내부로의 흡수를 이끄는 열전달을 위해 요구되는 구성물을 단순하게 구성하는 것을 가능하게 한다.또한, 이 하이브리드 방법은 알라네이트(NaAlH4또는 LiAlH4)와 같은 하이드라이드의 재충전 문제를 해결할 수 있다. 사용될 수 있는 하이드라이드가 여기에 첨부된 도 5(AB5형 하이드라이드)및 도 6(AB2형 하이드라이드)에 도시되어 있다.
실행 가능한 이 방법의 예로써, 도 4에는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크(11)가 도시되어 있다. 탱크(11)는 중합체의 외부셀(13)을 덮는 금속 라이너나 내벽(15)을 갖는 컨테이너를 구비한다. 이러한 형태의 컨테이너는 일반적인 것으로, 고압에서 가스 형태로 수소를 저장하기 위해 일반적으로 사용된다. 그것은 바람직하게는 원통형의 형상을 가지며, 축방향의 구멍(17)을 구비한다. 라이너(15)는 일반적으로 알루미늄으로 제작되며, 그것의 외부 셀은 탐소 섬유로 강화된 조성물로 구성된다. 실제, 하이브리드 탱크(11)의 콘테이너는 40bar 이상의 압력에서 가스 형태로 수소를 저장하기 위해 사용되며 또한 고체 형태로 수소를 저장하기 위한 금속 하이드라이드를 수용하거나 저장하기 위해 사용된다.
적어도 하나의 히트 파이프(19)가 컨테이너(11)내에서 열전달 유체의 순환을 허용하기 위하여 컨테이너내에 장착된다. 도시된 것처럼, 탱크(11)는 구멍(17)을 통해 컨테이너내로 삽입되고 그 내부에서 축방향으로 연장되는 적어도 하나의 히트 파이프(19)를 구비하는 것이 바람직하다. 탱크(11)는 히트 파이프(19)와 하이드라이드간의 열적 결합을 보장하기 위하여 컨테이너내에 위치되는 열교환기를 더 포함한다. 이 열교환기는 컨테이너내에서 횡방향으로 확장되고, 축방향의 히트 파이프(19), 컨테이너의 금속 라이너 벽체(15) 및 그 내부에 저장된 하이드라이드와 직접 연결되는 적어도 하나의 금속 그리드나 다공성 금속 구조 또는 섬유(21)로 구성되는 것이 바람직하다.
금속 하이드라이드의 작동을 위한 히트 파이프 및 열교환기 시스템의 사용은 이미 공지되어 있다(예를들어, 웨스팅하우스 사반나 리버 주식회사 "WESTINGHOUSE SAVANNAH RIVER CO." 명의의 2000년에 허여된 미국 특허 6,015,041 참조). 본 발명은 양 기술의 장점을 동시에 얻기 위하여 고압에서 가스형태로 수소를 저장하기 위해 사용되는 탱크내에 그러한 시스템을 결합하는 것이다.

Claims (16)

  1. 하이브리드 형태의 수소 저장 방법에 있어서:
    a) 가스 형태의 수소 저장 수단;
    b) 액체 형태의 수소 저장 수단; 및
    c) 흡수나 흡착을 통한 고체 형태의 수소 저장 수단;
    으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 두가지의 수소 저장 수단을 하나의 탱크내에서 결합 사용하되, 사용되는 각각의 수소 저장 수단은 탱크내에 저장되는 전체 수소량의 적어도 5 중량 퍼센트를 저장하기 위한 크기인 것을 특징으로 하는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    결합 사용되는 상기 수단은 가스 형태의 수소 저장 수단과 금속 하이드라이드를 통한 고체 형태의 수소 저장 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 하이드라이드는 탱크의 작동 온도에서 40bar 이상의 평형 상태 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 하이드라이드는 Ti- 또는 알라네이트(AlHx) 기반의 하이드라이드인 것을 특징으로 하는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    결합 사용되는 상기 수단은 액체 형태의 수소 저장 수단과 금속 하이드라이드를 통한 고체 형태의 수소 저장 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 형태의 수소 저장 방법.
  6. 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크에 있어서:
    두개의 동심 컨테이너를 구비하되, 상기 컨테이너의 하나인 "내부 컨테이너"가 다른 컨테이너인 "외부 컨테이너"의 내부에 위치되고, 저온에서 내부 컨테이너를 유지하기 위하여 상기 컨테이너들은 절연 슬리브에 의해 분리되며, 상기 내부 컨테이너는 액체 형태로 수소를 저장하기 위해 사용되고, 상기 외부 컨테이너는 내부 컨테이너와 직접 연결되며 고체 형태로 수소를 저장하기 위한 금속 하이드라이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  7. 청구항 6에 있어서,
    외부 컨테이너에서 사용되는 하이드라이드는 탱크의 작동 온도에서 낮은 평형 상태 압력을 갖는 하이드라이드인 것을 특징으로 하는 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  8. 청구항 7에 있어서,
    사용되는 하이드라이드는 NaAlH4, LiAlH4, LaNi5H6및 MgH2로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  9. 청구항 6에 있어서,
    외부 컨테이너내의 하이드라이드는 탱크의 작동 온도에서 높은 평형 상태 압력을 갖는 하이드라이드인 것을 특징으로 하는 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하이드라이드는 TiCr1.8, TiMn2-y, Hf2Cu, Zr2Pd, TiCu3및 V0.855Cr0.145로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 액체 및 고체 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  11. 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크에 있어서:
    중합체의 외부 쉘을 덮는 금속 라이너나 내벽을 갖되, 고압에서 가스 형태로 수소를 저장하고, 고체 형태로 수소를 저장하기 위하여 금속 하이드라이드를 수용 및 저장하고 있는 컨테이너와;
    상기 컨테이너내에서 열운반 유체의 순환을 허용하기 위하여 컨테이너내에 장착되는 적어도 하나의 히트 파이프; 및
    적어도 하나의 상기 히트 파이프와 상기 하이드라이드간의 열적 결합을 보장하기 위하여 상기 컨테이너 내부에 위치되는 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 컨테이너는 원통형이며, 축방향의 구멍을 구비하고;
    상기 탱크는 상기 구멍을 통해 컨테이너로 삽입되며 컨테이너 내부에서 축방향으로 연장되는 하나의 히트 파이프를 구비하며;
    상기 열교환기는 컨테이너 내부에서 횡방향으로 연장된 금속 그리드, 섬유 또는 다공성 금속 구조물로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 요소로 구성되며, 각각의 적어도 하나의 그리드가 축방향의 히트 파이프, 컨테이너의 금속 라이너 및 하이드라이드와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  13. 청구항 11 또는 12에 있어서,
    외부 컨테이너내에서 사용되는 하이드라이드는 탱크의 작동 온도에서 낮은 평형 상태 압력을 갖는 하이드라이드인 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  14. 청구항 13에 있어서,
    사용되는 하이드록사이드는 NaAlH4, LiAlH4, LaNi5H6및 MgH2로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  15. 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
    외부 컨테이너내의 하이드라이드는 탱크의 작동 온도에서 높은 평형 상태를 갖는 하이드라이드인 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 하이드라이드는 TiCr1.8, TiMn2-y, Hf2Cu, Zr2Pd, TiCu3및 V0.855Cr0.145로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 고체 및 가스 형태의 수소 저장용 하이브리드 탱크.
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