KR20040078889A - 수소 저장기 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

수소 저장기는 수산화금속으로 충진된 저장 용기 그리고 충진/인출관으로 이루어진다. 저장 용기 및 상기 저장 용기의 수산화금속 충진은, 충진시 상기 저장 용기가 수산화금속의 팽창에 의해 가소성으로 변형됨으로써, 상승된 충진 밀도로 인해 저장 용량이 상승될 수 있도록 디자인 및 설계된다.

Description

수소 저장기 및 이의 제조방법 {HYDROGEN-RESERVOIR AND METHOD FOR PRODUCING THEREOF}

본 발명은 수산화금속 저장기의 형태로 된 수소 저장기 및 이러한 저장기의 제조방법에 관한 것이다.

독일 공개 특허 제 35 02 311호에는 본 발명이 속하는 분야의 수소 저장기가 공지되어 있다. 이러한 수소 저장기는 수소에 대해 압력 밀봉식으로 대개가 강철로된 저장 용기로 이루어져 있으며, 저장 용기는 원통형으로 되어 있고, 이의 축을 따라 충진/인출관이 제공되어 있고, 이러한 관은 수소 기체를 통과시키는 작은 상자로 둘러싸여 있다. 상자내에는 수산화금속이 저장되어 있어서, 상자의 격자구조물내에 수소가 공지된 방식으로 저장될 수 있다. 공지된 저장 용기의 경우에는 수산화금속이 과립의 형태로 제공되어 있다. 선택적으로는, 수산화금속을 분말 형태 혹은 펠릿의 형태로 제공하는 것이 공지되어 있다.

수소를 저장하는 경우에는 수소 원자가 결정격자내에 저장되기때문에 수산화금속이 상당히 팽창되고, 상자는 저장 용기 내부에 있는 빈 공간이 그대로 방치되도록 형성되어 있으며, 이러한 빈 공간은 나중에 수소를 저장할 때 수산화금속의 방사방향 팽창에 의해 완전히 채워진다. 이것은 저장 용기를 파열시킬 위험이나 허용되지 않는 가소성 변형에 의한 손상 위험을 확실하게 방지하는 장점을 갖지만,충진율이 비교적 낮아서 물리적으로 가능한 수소의 저장용량을 근사적으로도 충족시키지 못한다는 단점을 갖는다.

더욱이 상기와 같은 공지된 수소 저장기의 제조는 매우 복잡하다. 수산화금속은 통상적으로 진공 상태에서 용융되며, 이 경우 잉곳(ingot)은 보다 저렴한 방식으로 분쇄 및 가루로 되고 경우에 따라서는 재차 압축된다. 이러한 가공방법은 단단하고 깨지기 쉬운 재료로 인해 에너지가 많이 소모되고 복잡한 장치를 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 과제는 수산화금속 수소 저장기의 수소 저장용량이 상승되도록 수산화금속 수소 저장기를 형성하고, 더 나아가 간단하고 저렴한 방식으로 이와 같은 수소 저장기를 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 작동 전에 본 발명에 따른 수소 저장기를 종방향으로 절단하여 개략적으로 도시한 종단면도,

도 2는 작동 전(a) 및 작동 후(b)의 저장 용기를 도시한 개략도,

도 3은 도 2에 따른 저장 용기를 선 III-III을 따라 절단하여 도시한 단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 저장 용기 2: 강철 저장 용기

3: 커버 4: 충진/인출관

5: 상자 6: 잉곳(ingot)

a: 수소로 채우기 전 b: 수소로 채운 후

장치와 관련된 상기 과제는 청구항 1에 기술된 특징부에 의해 해결된다. 청구항 4는 본 발명에 따른 수소 저장기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 특징으로 한다.

본 발명의 기본 사상은 저장 용기의 충진율을 높이는 것으로, 특히 수소를 채울 때 외부 저장 용기의 가소성 변형이 이루어질 정도로 저장 용기의 충진율을 높이는 것이다. 그러나 이 경우에는 가소성 변형이 저장 용기의 기능을 손상시키지 않는 범위 내에서 이루어지도록하고, 한편으로는 저장 용기 그리고 다른 한편으로는 충진율이 상호 균형있게 조절된다. 다시 말해 저장 용기는, 팽창이 예상되는 경우에는 저장 용기가 가소성 변형을 허용하지만, 안전에 필수적인 저장 용기의 강도에는 영향을 미치지 않도록 구조적으로 설계되어 있다. 그렇기 때문에 상기와 같은 상호 조절은 저장 용기의 팽창이 확실하게 허용 가능한 정도로 제한되도록 이루어진다(통상적으로 저장 용기용으로 설계됨). 가스 압력과 달리 이 경우에는 작은 변형에서도 이미 팽창 압력과 외부 대항 압력 사이에 균형이 이루어지기 때문에, 충진율이 상응하게 설계된 경우에는 허용되지 않는 공간적인 초과 팽창 위험이 존재하지 않게 된다.

균일한 분배 및 그와 더불어 수소 저장시의 수산화금속의 팽창을 보장하기 위해서는, 수산화금속을 수소를 통과시키도록 구성된 상자, 예컨대 알루미늄 또는 다른 금속합금으로 이루어진 상자 내부에 제공하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 과도한 압력 상승이 공간의 팽창에 의해 방지될 수 있는데, 그 이유는 수산화금속의 재료 축적이 저장 용기의 특정 장소에서는 전반적으로 방지되기 때문이다.

높은 충진율에 도달하기 위해서는, 본 발명에 따라 통상적인 것과 같이 수산화금속을 가루로 분쇄하여 과립으로 만들거나 펠릿으로 만들어 외부 저장 용기(아직 개방 상태에 있음)를 형성하는 강철 저장 용기 내부로 주입하는 것이 아니라, 수산화금속 잉곳의 형태로 주입하는 것이 제안된다. 바람직하게는 수산화금속 잉곳도 또한 수소를 통과시키도록 구성된 상자 내부에 배치되어 있는데, 그 이유는 작동 후, 즉 최초로 수소를 채운 후에는 잉곳이 가루로 파쇄된 다음에 마찬가지로 수산화금속 가루의 공간적인 축적 상승이 나타나지 않도록 하는 데 도움을 주기 때문이다.

수산화금속 잉곳의 사용에 의해서는, 분쇄된 재료가 사용되는 선행 기술의 경우보다 훨씬 더 많은 양의 수산화금속이 저장 용기 내부에 제공될 수 있다. 본 발명에서 통상적으로 사용되는 저온 수산화금속의 경우에는 블록 내부로 부어지는 재료가 통상적으로 6 g/cm³의 밀도를 갖는다. 상기 재료가 과립으로 되거나 또는 가루로 되면, 심지어 이러한 재료가 재차 압축되는 경우에도, 작동 후에는 단지 4 g/cm³미만의 밀도에만 도달하게 된다. 이와 달리 본 발명에 따른 수산화금속 잉곳을 사용하는 경우에는 저장 용기 내부에 있는 활성 수산화금속이 4 g/cm³이상의 밀도를 갖기 때문에, 상응하게 보다 높은 양의 수소가 결합될 수 있다.

저장 용기를 충진시키기 전에 수산화금속 재료를 분쇄시키는 것은 불필요하며, 심지어는 단점이 되는 것으로 알려져 있다. 단점이 되는 이유는, 분쇄된 상태에서 나타나는 이용 불가능한 중간 공간으로 인해 원하는 좁은 충진 밀도에 도달할 수 없기 때문이다. 또다른 중요한 단점은, 서문에 기술된 바와 같은 수산화금속 잉곳의 분쇄는 비용이 많이 든다는 것이다.

이와 달리 본 발명에 따른 방법은 적어도 하나의, 그러나 바람직하게는 다수의(바람직하게는 상자 내에 배치됨) 수산화금속 블록이 강철 저장 용기에 가급적 밀접하게 서로 인접하여 통합된 다음에 이러한 강철 저장 용기가 압력 밀봉된 저장 용기로 밀폐되고 진공화 됨으로써, 상기와 같은 단점들을 제거한다. 본 발명에 따라 강철 저장 용기는 실온 및 평균 압력에서 수소로 채워진다. 즉, 활성화된다. 이 때 수소는 잉곳 내에 계속해서 존재하는 응력 틈을 통해 잉곳 내부에 도달하여 재료를 활성화시킨다. 수소를 충진시킬 때 이루어지는 재료의 팽창으로 인해 잉곳은 완전히 확장되어 가루로 된다. 그러나 그 때 형성되는 가루 재료는 임의로 팽창될 수 없는데, 그 이유는 사용되는 공간이 외부 저장 용기에 의해 제한되기 때문이다. 그렇기 때문에 벌크재료(bulk material)와 같은 것은 파괴되지 않고, 오히려 적어도 부분적으로 고체와 유사한 구조물 내에 유지되며, 이와 같은 사실은 충진 밀도를 상당히 상승시킨다. 더 나아가 수소를 채울 때에 필연적으로 나타나는 수산화금속의 부피 팽창은 목적한 바대로 방사 방향 외부로 저장 용기 벽을 향해 유도되고, 상기 저장 용기 벽은 재료 압력에 의해 허용 가능한 정도로 가소성으로변형된다. 상승된 충진 밀도로 인해 수산화금속은 더 이상 움직일 가능성이 없다. 따라서, 수산화금속의 국부적 축적이 나타날 수 있고, 그와 더불어 저장 용기에서는 조절되지 않은 국부적 변형의 위험이 나타날 수 있다.

더 나아가 허용 가능한 충진/인출 사이클의 수가 감소되는 경우에도 여전히 충진 밀도는 사용 목적을 위해 상승될 수 있다. 이것은 특히 수소 저장기의 용량이 결정적인 의미를 갖는 반면 충진/인출 사이클의 수는 용도에 따라 제한된 잠수함에 사용시 장점이 된다. 다시 말해서 잠수함의 경우에는 충진 밀도의 추가 상승에 의해 저장 용기의 용량이 더욱 상승될 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 따라 수산화금속 잉곳이 실제로 가공되지 않은 형태로 강철 용기 내에 사용되고, 특히 바람직하게는 각각 수소를 통과시키도록 구성된 상자의 중간 연결에 의해 사용된다. 그럼으로써 잉곳의 추가 가공이 완전히 생략될 수 있다. 그 경우에는 물론 수산화금속 잉곳이 간극을 두고 상자 내에 삽입될 수 있도록 하기 위한, 즉 제조 허용 오차로 의해 막히거나 서로 끼일 수 없도록 하기 위한 소정의 빈 공간이 나타난다. 상기 빈 공간은 최초 활성화시에, 즉 저장 용기를 수소로 채울 때 재료 팽창에 의해 보상되기 때문에, 제조 정확성이 가급적 적게 유지되도록 설계되어 있다.

본 발명에 따라 수산화금속의 활성화는 용기 내부에서 가열 및 세척 없이 이루어진다. 따라서 본 발명은 방법을 현저하게 단순화시킨다. 수소를 처음으로 채우는 작업은 바람직하게 실온에서, 즉 5 내지 45℃의 온도에서 이루어진다. 충진 압력은 10 내지 65 바아이어야 하며, 이 경우 하부 한계는 활성을 강화시키기 위해 필요하고, 상부 한계는 저장 용기의 완전한 충진을 달성하기 위해 필요하다.

수소를 통과시키도록 구성되고 각각 수산화금속 블록, 바람직하게는 전반적으로 가공되지 않은 잉곳을 수용하는 금속 상자는 한편으로는 이송 용기로서 이용되고, 다른 한편으로는 상기 링형 상자가 충진/인출관과 강철 저장 용기 벽 사이의 공간에 적층됨으로써, 강철 저장 용기 내부에서의 재료의 균일한 분배를 가능하게 한다. 이 경우 나중에 외부 용기를 형성하는 강철 저장 용기는, 상자 내에 통합된 수산화금속 블록에 의해 상기 용기가 거의 완전하게 채워지도록 설계되어 있다. 충진 후에는 용접될 커버에 의해 강철 저장 용기가 폐쇄됨으로써, 그 때에는 수산화금속으로 채워진 압력 밀봉 방식의 용기가 형성된다. 가루로 분쇄될 수산화금속이 개별 상자 내부에 남아 있도록 하기 위해서는, 각각의 상자가 강철 저장 용기 내부로 삽입되기 전에 바람직하게 상자와 용접되는 커버로 폐쇄된다. 이 경우에는 커버가 바람직하게 다음으로 그 위에 배치될 상자의 바닥에 의해 형성됨으로써, 다만 최상부 상자만이 특이하게 형성될 수 있다.

전체 상자가 서로 용접되어 있는 경우에는 실제로 원통형의 바디가 나타나는데, 상기 바디는 강철 저장 용기의 내부 공간을 약간의 간극을 두고 완전히 채우며, 다만 중간 부분에만 충진/인출관을 위한 중앙 리세스가 형성된다.

상자의 상호 용접은 특히 정적인 요구 조건을 고려해서도 강철 저장 용기 내부로 삽입하기 전에 이루어지는 것이 바람직한데, 그 이유는 이와 같은 방법에 의해서는 특히 스택이 높은 경우에 상기 스택의 고유 안정성이 상승되어, 비교적 불안정한 상자가 그 위에 있는 상자의 압력에 의해 변형되지 않게 된다.

중앙의 충진/인출관을 통해 연속적인 충진 및 해제가 가능하도록 하기 위해서는, 용기 내부에 배치된 상자가 수소를 충분히 통과시켜야 한다. 이를 위해서는 예컨대 알루미늄에 존재하는 재료 투과성이 일반적으로 충분하지 않기 때문에, 결국 경우에 따라서는 적합한 장소, 예컨대 충진/인출관으로 향하는 상자의 면에 상응하는 리세스가 제공될 수 있다. 경우에 따라서는 상기와 같은 리세스가 위·아래로 배치된 상자 사이에, 예컨대 내부면에 형성될 수도 있다. 다시 말해, 경우에 따라서는 재료 선택에 의해서 및/또는 구성에 의해서도 충분한 수소 투과성이 상자에 제공될 수 있도록 주의를 기울여야 한다.

본 발명에 따른 수소 저장기의 적용 분야는 제한되지 않는다. 특히 바람직하게는 상기와 같은 수소 저장기가 잠수함에 사용될 수 있는데, 그 이유는 한편으로는 외부 저장시에 필요한 높은 압력 강도가 높은 충진율에 의해 지지되고, 다른 한편으로는 특히 잠수함에 필요하고, 실제로 주행 동작 중에 예상될 수 있는 것과 같은 수평 방식의 또는 임의의 방식의 저장이 가능하기 때문이다. 높은 충진 밀도에 의해서는, 수소 저장 용기의 저장과 무관하게 저장기 내부에서의 수산화금속의 이동이 전혀 예상되지 않거나 또는 국부적으로 허용 가능한 정도로만 예상된다. 더 나아가 높은 충진 밀봉에 의해서는 용기의 충격 부하 수용 능력이 높게 보장되고, 이와 같은 사실은 특히 군사용 잠수함에서 장점이 된다. 더 나아가 본 발명에 따른 수소 저장기는 바람직하게 해상 선박에도 사용될 수 있다.

본 발명을 도면에 나타낸 실시예를 참조하여 이하 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 수소 저장기는 강철로 제작된 수소용의 압력 밀봉식 저장 용기(1)로 이루어지며, 이 용기는 한 면(상부)으로 개방된 원통형 강철 저장 용기(2)로부터 형성되고, 강철 저장 용기(2)는 저장 용기(1)에 대해 자신과 용접된 커버(3)에 의해 형성된다. 저장 용기(1) 내부에 저장 용기 축에 대해서 동축으로 충진/인출관(4)이 배치되어 있고, 이러한 관이 공지된 방식에 따라 소결 금속으로부터 형성됨으로써, 수소는 투과시키지만 고체는 투과시키지 않는다. 충진/인출관(4)은 저장 용기(1)의 커버에서 (도시는 생략함) 관 연결부로 통한다.

상기 실시예에서 저장 용기(1) 내부에는, 수소를 투과시키도록 구성되고 열전도성이 우수한 재료, 여기에서는 알루미늄으로 이루어진 7개의 상자(5)가 형성되어 있으며, 이러한 상자들은 저장 용기(1) 내부에서 간극을 두고 충진/인출관(4)과 내부벽 사이에 배치되어 있다. 상기 상자들은 개방되어 있는 강철 저장 용기(2) 내부로 위로부터 삽입된다. 상자(5)들은 각각 저온 수산화금속으로 이루어진 잉곳으로 충진되어 있다. 잉곳(6)도 마찬가지로, 통상적으로 진공 용융물로서 생성되는 잉곳이 냉각 후에 추가처리 없이 상자(5) 내부로 삽입될 수 있도록 각각의 상자(5) 내부에서 간극을 두고 배치된다.

상자(5)는 위로 개방된 중공링 형태의 케이스로서 구성되고, 상기 케이스 내부로 잉곳(6)이 위로부터 삽입된다. 그 다음에 상자(5)는 상부면에서 커버에 의해 밀폐되고, 커버의 둘레는 상자(5)와 용접되어 있다. 위로 추가된 상자(5)에 의해 커버되는 아래의 상자(5)의 경우에는 위에 있는 상자의 바닥이 아래에 있는 상자의 커버를 형성한다. 상자(5)는 또한 서로 용접되어 있다. 다만 최상부 상자를 위해서만 별도의 커버가 제공될 수 있다. 이와 같은 방식에 의해 중앙에 리세스를 갖는 대체로 원통형의 바디가 형성되며, 상기 바디는 위로부터 강철 저장 용기(2) 내부로 삽입될 수 있고, 전체 바디는 그 내부에 잉곳(6)을 갖는 상자를 둘러싼다.

이와 같이 충진된 강철 저장 용기(2)가 커버(3)의 용접에 의해 폐쇄되어 압력 밀봉 방식의 저장 용기(1)로 형성된 후에는, 상기와 같이 형성된 수소 저장기가작동될 수 있다.

수소 저장기의 작동은 적어도 10 바아의 압력 및 실온에서 이루어진다. 이 경우 수소는 충진/인출관(4)을 통해 상자(5) 내부의 잉곳(6)에 이른다. 잉곳(6) 내부를 냉각시킴으로써 존재하는 응력 틈을 통해 수소는 블록의 내부까지 이르고, 이러한 블록은 수소 충진에 의해 완전히 가루로 분쇄된다. 잉곳(6)이 공간적으로 밀폐된 상자(5) 내에서 그리고 상기 잉곳이 재차 공간적으로 밀폐된 저장 용기(1) 내에 배치되어 있기 때문에, 수소 충진시 통상적으로 나타나는 팽창은 먼저 저장 용기(1) 내부에서 허용 오차에 의해 형성되는 빈 공간을 제외한 가운데 이루어진다. 마지막으로 상자(5)는 완전히 수산화금속 가루로 충진되고, 이러한 가루는 더욱 확장되어 상자(5)를 내부에서는 충진/인출관(4)으로 그리고 외부에서는 저장 용기(1)의 내부면으로 이동된다. 인출관(4)으로 향하는 팽창력은 전반적으로 보상됨으로써, 실제의 팽창은 방사 방향 외부로 작용하고, 그 결과 수산화금속의 추가 팽창시에는 결국 저장 용기(1)의 원통형 외부 둘레가 가소성으로 변형된다. 탄성 한계를 초과하는 변형에 의해 팽창 압력과 외부 대항 압력사이에는 이미 작은 변형에서도 균형이 이루어진다. 수산화금속 가루가 상자 구성 방식으로 인해 공간적으로 연관된 저장 용기(1) 내부에 배치되어 있기 때문에, 팽창은 전체 외부 둘레에 걸쳐 균일하게 이루어지고, 이 경우에는 공간적인 초과 확장의 위험이 없다. 상기 팽창 과정은 도 2 및 도 3을 참조하여 더욱 자세히 설명되며, 이 경우 a는 작동 전의 상태를 그리고 b는 작동 후의 상태를 특징적으로 도시한다.

상기와 같이 형성된 수소 저장기를 완전히 충진하기 위해서는 상기 저장기에 충전용 압력이 제공되어야 한다. 상기와 같이 형성된 수소 저장기의 제 1 충진 후에는 이러한 저장기가 직접 자체의 충진율 결정에 이용될 수 있고, 선행 기술에서 가열 및 세척에 의해 필요한 것과 같은 작동은 완전히 생략될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명은 수산화금속 수소 저장기의 수소 저장용량이 상승되도록 수산화금속 수소 저장기를 형성하고, 더 나아가 간단하고 저렴한 방식으로 이와 같은 수소 저장기를 제조할 수 있는 방법을 제공한다.

Claims (13)

1. 수산화금속(6)으로 충진된 저장 용기(1)로 이루어진 수소 저장기에 있어서, 이러한 저장기가 충진/인출관(4)을 포함하고 있고, 저장 용기의 충진시 저장 용기(1)가 수산화금속(6)의 팽창에 의해 가소성으로 변형되도록 형성된 수소 저장기.
2. 제 1 항에 있어서, 저장 용기(1)가 수소를 통과시키도록 구성된 상자(5)내에 배치된 수산화금속 잉곳(6)으로 충진되어 있는 수소 저장기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 저장 용기(1)가 작동 상태에서는 4 g/cm³이상의 밀도를 갖는 수산화금속(6)을 함유하고 있는 수소 저장기.
4. 상기항 중 어느 한 항에 따른 수소 저장기를 선박, 및 잠수함에 사용하는 수소 저장기의 용도.
5. 수소 저장기의 제조 방법에 있어서, 강철 저장 용기(2)를 적어도 하나의 수산화금속 잉곳(6)으로 충진한 후에 저장 용기(1)로 밀폐시키고, 그 다음에 진공화시켜 수소로 채우는 수소 저장기 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 수산화금속 잉곳(6)을 대체로 가공되지 않은 잉곳(6)으로서 강철 저장 용기(2) 내부에, 경우에 따라서는 수소를 통과시키는 상자(5)의 중간 연결에 의해 사용하는 방법.
7. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 수산화금속(6)의 작동을 가열 및 세척 없이 이루어지도록 하는 방법.
8. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 수산화금속의 작동이 5℃ 내지 45℃의 온도 및 10 바아 내지 65 바아의 압력에서 수소를 채움으로써 이루어지도록 하는 방법.
9. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 수산화금속 잉곳(6)을 수소를 통과시키도록 구성된 금속 상자(5) 내에 배치시키고, 이와 같은 방식으로 충진된 다수의 상자를 강철 저장 용기(2) 내부에 일체형으로 형성시키는 방법.
10. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 강철 저장 용기(2)가 대체로 완전히 수산화금속 잉곳(6)으로 그리고 경우에 따라 존재하는 상자로 충진시키는 방법.
11. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상자(5)가 강철 저장 용기(2) 내부로 삽입되기 전에, 바람직하게는 다음 상자(5)의 바닥에 의해 형성되는 커버에 의해 상자(5)를 밀폐시키는 방법.
12. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 상자(5)를 용접에 의해 밀폐시키는 방법.
13. 상기항 중 어느 한 항에 있어서, 상자(5)를 강철 저장 용기(2) 내부로 삽입하기 전에 서로 용접하는 방법.