KR20070061527A - 수소를 저장하기 위한 방법 및 저장 매체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소를 저장하기 위한 방법 및 저장 매체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저장 매체는 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물을 포함하거나, 적어도 부분적으로 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물로 구성되는 것을 특징으로 한다. 이온 화합물은 바람직하게 액상 및/또는 고체상으로 제공된다.
Description
본 발명은 수소를 저장하기 위한 방법 및 저장 매체에 관한 것이다.
수소의 저장 및 분배는 여러 가지 방식으로 이루어질 수 있다. 즉, 수소는 예컨대 압축된 형태로 적절한 (875 바아까지 저장할 수 있는) 고압 어큐뮬레이터(High-pressure Accumulator) 내에 저장될 수 있다.
또한, 액화된 극저온 수소를 적절한 극저온 용기(cryogenic vessel), 바람직하게는 초절연 극저온 용기에 저장하는 방법도 공지되어 있다. 이 방법은 특히 수소 구동 자동차에서 -상기 자동차가 변형된 내연기관에 의해 구동되느냐 아니면 전동기를 구동하는 연료 전지에 의해 구동되느냐의 여부와 상관없이- 구현된다.
현재, 수소를 화학적으로 결합시킬 수 있는 수소화 가능한 유기 화합물의 수소가 저장되는 저장 시스템이 실험 단계에 있다. 그러한 저장 시스템은 MPH(Methylcyclohexane Poluene Hydrogen) 시스템, 데카린/나프탈렌 시스템 및 n-헵탄/톨루올 시스템이라는 명칭으로 공지되어 있다.
전술한 시스템들의 공통점은, 수소가 적절한 조건 하에서 상기 시스템들과 반응함으로써 수소화 및 수소 저장이 이루어진다는 것이다.
전술한 모든 접근 방법은 고유의 장단점을 가지므로, 일반적인 경우 상기 접 근 방법들 중 하나를 결정하는 일은 그때그때의 용도 및 상황에 따라 결정된다. 마지막으로 언급한 접근 방법의 중요한 단점은, 사용되는 화학 반응 시스템들이 상대적으로 높은 증기압을 가짐에 따라 휘발성을 지니기 때문에 수소를 크게 오염시킨다는 것이다. 따라서 그러한 반응 시스템은 -특히 높은 수소 순도의 획득을 위해- 부분적으로 기술적 측면 및/또는 에너지학적 측면에서 복잡하게 제거되어야 한다.
당업계에서는 수소를 순수한 내지는 가장 순수한 형태로 저장할 수 있도록 하는 수소 저장기를 제공하기 위한 노력이 끊임없이 시행되어 왔으며, 상기 저장은 최대한 저렴하고 안전한 방식으로 이루어질 수 있어야 한다. 특히 연료 전지의 구동시에는 매우 순수한 형태의 수소가 필요하다. 또한, 위에 언급한, 통상 촉매 컨버터 전방에 접속되는 변형된 내연 기관의 경우에도 (고)순도 수소의 저장이 지향되는데, 그 이유는 그렇지 않은 경우 수소를 동반한 탄화수소가 촉매 컨버터의 활성 및 수명에 부정적인 영향을 미치기(미칠 수 있기) 때문이다. 특히 소위 이동성 애플리케이션(자동차 운행 등)에서 수소가 사용되는 경우 안전성 측면이 매우 중요하다. 이는 특히 통상 운전자 자신 및 "기술적 비전문가"에 의해 수행되는 충전 프로세스의 경우에 적용된다.
전술한 문제들을 해결하기 위해, 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물을 포함하거나 적어도 부분적으로 최소 1개의 수소화 가능한 이온 화합물로 형성되는 것을 특징으로 하는, 수소를 저장하기 위한 저장 매체가 제안된다.
이와 유사한 방식으로 본 발명에 따른 수소 저장 방법에서도, 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물을 포함하거나 적어도 부분적으로 최소 1개의 수소화 가능한 이온 화합물로 형성된 저장 매체에서 수소의 저장이 이루어진다.
이 경우, 사용되는 이온 화합물은 바람직하게 액체 및/또는 고체 형태로 존재한다.
하기에서는 액체 상태로 존재하는 수소화 가능한 이온 화합물을 이온성 액체라 칭한다. 이와 유사한 방식으로, 고체 상태로 존재하는 수소화 가능한 이온 화합물을 이온 고체라 칭한다.
결과적으로 수소화 가능한 이온 화합물은 수소를 화학적으로 결합하는 능력을 가진 이온성 액체이거나 이온 고체이다.
이온성 액체는 100℃ 내지 -90℃ 사이의 용융점을 갖는 저온 용융(low-melting) 유기염이고, 이때 공지된 이온성 액체의 대부분은 이키 실온에서 액체 상태로 존재한다. 종래 기술에 따른 분자성 액체와 달리 이온성 액체는 완전히 이온 상태이기 때문에 신규하면서 특별한 특성을 갖는다. 이온성 액체의 특성은 음이온 및/또는 양이온의 구조 변형 및 음이온과 양이온의 다양한 조합을 통해 주어진 기술적 문제 상황에 비교적 우수하게 매칭될 수 있다. 이러한 이유에서 이온성 액체를 소위 "디자이너 용매(designer solvent)"라고도 한다. 그에 반해 종래의 분자성 액체의 경우 구조의 변형만 가능하다.
또한, 종래의 분자성 액체에 반해 이온성 액체는 측정 가능한 증기압을 갖지 않는다는 장점이 있다. 이는 -이온성 액체의 분해 온도에 도달하지 않는 경우에 한해- 이온성 액체 자체가 고진공 상태에서 최소 흔적량에서 증발되지 않는다는 것 을 의미한다. 그 결과, 이온성 액체가 결과적으로 대기에 도달할 수 없기 때문에 불연소성 및 환경 친화성과 같은 특성이 얻어진다.
이미 언급한 바와 같이, 공지된 이온성 액체의 용융점은 규정에 따라 100℃ 미만이다. 소위 액상 영역 -용융점과 열분해점 사이의 영역- 은 일반적으로 400℃ 이상이다.
또한, 이온성 액체는 높은 열 안정성을 갖는다. 이온성 액체의 분해점은 종종 400℃보다 높다. 이온성 액체의 경우 밀도 및 다른 액체들과의 혼합 특성은 이온의 선택에 의해 영향을 받거나 조정될 수 있다. 그 밖에도 이온성 액체는 전도성이 있기 때문에, 위험 잠재성을 의미하는 전기적 충전이 방지될 수 있다.
하기에서 "이온성 고체"란 용어는 전술한 이온성 액체의 관점에서 용융점이 적어도 100℃인 염을 의미한다. 또한, 이온성 액체와 이온성 고체 사이에는 -전술한 정의의 관점에서- 기본적으로 화학적 및 물리적 차이가 없다.
본 발명에 따른 저장 매체가 적합한 조건(압력, 온도, 촉매 컨버터, 이온성 액체 내로의 수소 주입 등)에서 수소와 반응하면 수소화가 일어나고, 그로 인해 본 발명에 따른 저장 매체에 수소가 함침되거나 결합된다.
본 발명에 따른 저장 매체의 방전은 저장된 수소의 방출 하에 이루어진다.
역반응, 즉 본 발명에 따른 저장 매체로부터의 수소 방출을 위한 에너지 수요를 줄이기 위해, 상기 저장 매체가 - 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라- 적어도 1개의 콘쥬게이션(conjugation) Pi-전자계(electron system), 바람직하게는 방향족 Pi-전자계를 포함한다. 이 Pi-전자계는 양이온 부분에 존재하거나, 음이온 부분에 존재하거나 또는 상기 두 부분 모두에 존재할 수 있다. 또한, 서로 공명 상태에 있거나 서로 분리된 다수의 Pi-전자계가 하나의 분자 내에서 결합될 수 있다. 탈수화 상태의 Pi-전자계의 추가적인 안정화 및 수소화 상태의 불안정화는 -열역학적 관점에서- 적절한 치환체를 이용한 유도체화(derivatization)를 통해 달성된다. 이 경우, 상기 치환체와 Pi-전자계의 상호작용은 유도 효과, 메소머(mesomer) 효과 및/또는 전계 효과에 의해 이루어진다.
관련 양이온 (Q+)n은 4차(quaternated) 암모늄 양이온(R1R2R3R4N+), 포스포늄 양이온(R1R2R3R4P+) 및/또는 술포늄 양이온(R1R2R3S+) 및/또는 유사하게 4차 질소-헤테로방향족(heteroaromatic), 인-헤테로방향족 또는 황-헤테로방향족이며, 이때 전술한 잔기 R1, R2, R3 및 R4는 동일하거나, 부분적으로 동일하거나 상이할 수 있다. 상기 잔기는 특히 선형, 원통형, 분기형, 포화형 및/또는 불포화형 알킬 잔기, 단결정 또는 다결정의 방향족 또는 헤테로방향족 잔기 및/또는 또 다른 작용기로 치환된 상기 잔기의 유도체일 수 있으며, 이때 R1, R2, R3 및 R4는 상호 결합될 수 있다.
음이온으로는 공지된 모든 유기 및 무기 음이온이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 저장 매체의 한 바람직한 실시예에서는 수소화 가능 음이온이 사용된다.
본 발명에 따른 수소 저장 매체 및 본 발명에 따른 수소 저장 방법은 -종래 기술에 비해- 높은 환경 친화력 및 현저한 안전성 이득을 갖는 수소 저장 가능성을 제공한다.
Claims (13)
- 수소를 저장하기 위한 저장 매체에 있어서,상기 저장 매체는 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물을 포함하거나, 적어도 부분적으로 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 1항에 있어서,상기 이온 화합물은 액상 및/또는 고체상으로 존재하는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,적재 상태 및/또는 비적재 상태에 있는 상기 저장 매체가 분해 온도 아래에서 측정 가능한 증기압을 갖지 않는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 저장 매체는 적어도 0.01mS/cm의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 수소화 가능한 이온 화합물은 적어도 1개의 유기염 및/또는 적어도 1개의 유기 혼합염(salt mixture)으로 형성되고, 상기 유기 혼합염은 유기 양이온 그리고 유기 및/또는 무기 음이온으로 구성되는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 5항에 있어서,상기 양이온은 4차(quaternated) 암모늄 양이온(R1R2R3R4N+), 포스포늄 양이온(R1R2R3R4P+) 및/또는 술포늄 양이온(R1R2R3S+) 및/또는 유사한 4차 질소-헤테로방향족(heteroaromatic), 인-헤테로방향족 또는 황-헤테로방향족이며, 전술한 잔기 R1, R2, R3 및 R4는 동일하거나, 부분적으로 동일하거나 상이한 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 6항에 있어서,상기 잔기(R1, R2, R3 및 R4)는 특히 선형, 원통형, 분기형, 포화형 및/또는 불포화형 알킬 잔기, 단결정 또는 다결정의 방향족 및/또는 헤테로방향족 잔기 및/ 또는 또 다른 작용기로 치환된 상기 잔기의 유도체이고 및/또는 상기 잔기(R1, R2, R3 및 R4)가 상호 결합되는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 음이온은 수소화 가능한 음이온인 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,상기 수소화 가능 이온 화합물은 수소의 물리적 결합을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는,수소 저장 매체.
- 수소를 저장하는 방법에 있어서,상기 수소의 저장이 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물을 포함하거나, 적어도 부분적으로 적어도 1개의 수소화 가능한 이온 화합물로 구성된 저장 매체에서 이루어지는 것을 특징으로 하는,수소 저장 방법.
- 제 10항에 있어서,상기 이온 화합물이 액상으로 및/또는 고체상으로 존재하는 것을 특징으로 하는,수소 저장 방법.
- 제 10항 또는 제 11항에 있어서,적재 상태 및/또는 비적재 상태에 있는 상기 저장 매체가 분해 온도 아래에서 측정 가능한 증기압을 갖지 않는 것을 특징으로 하는,수소 저장 방법.
- 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서상기 저장 매체는 적어도 0.01mS/cm의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,수소 저장 방법.
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