KR20110126924A - 수소 저장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원연료가 되는 수소 가스를 저장하는 연료 저장 수단으로서의 수소 봄베에 있어서, 상기 수소 봄베는 설정 길이의 통형체로 이루어지고, 일측에는 수소의 흡입가, 타측에는 수소의 방출이 이루어지는 방출구가 연장 형성되고, 상기 수소 봄베의 내부에는 길이방향을 따라 길게 배열된 자바라관이 일방향으로 유동 가능하게 내장되고, 상기 자바라관의 내부에는 일방향으로 나열된 핀들이 설정 간격으로 다수개 병렬 배열된 것을 특징으로 한다.

Description

수소 저장 장치{A HYDROGEN STORAGE DEVICE}

본 발명은 수소저장합금을 이용한 수소저장장치로서, 보다 구체적으로는 수소저장합금에 저장 보관되는 저장 수소의 평형압을 능동적이고도 빠른 속도로 제어할 수 있음으로써, 기존의 빈 공간으로 인한 진동 등을 극력 규제할 수 있도록 한 수소저장장치에 관한 것이다.

가장 기본적인 원소인 수소를 주연료로 하는 것으로, 공기중의 산소와 수소의 산화·환원 반응을 통하여 전기 에너지를 발생시키므로 화석연료의 문제점을 모두 해결할 수 있는 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다.

다만, 연료전지 자동차의 상용화에 가장 필수적인 요건으로서 현재의 내연기관 자동차에 상응하는 1충전 주행거리를 갖추는 것이 요구된다. 300마일(mile)에 달하는 주행거리를 확보하기 위하여 약 5㎏ 이상의 수소를 차량에 탑재할 수 있는 기술이 필요하다. 종래의 기술로서 연료전지 자동차에 고압(350bar 또는 700bar)의 수소 저장 시스템이 적용되고 있으나 , 가스 상태 수소의 낮은 밀도로 인해 저장할 수 있는 수소량에 한계를 보이고 있다.

350 bar 시스템의 경우 5㎏의 수소를 저장하기 위해 215L의 용적을 가지는 탱크가 필요하여 차량 탑재가 거의 불가능하며, 700bar 시스템의 경우 동일량의 수소를 저장하기 위하여 125L 의 탱크 용적이 요구되어 그에 따른 시스템의 무게, 가격, 저장효율 측면에서 상용화가 문제되고 있다.

이에 수소 가스가 가지는 밀도상의 문제를 해결하기 위하여, 액체 수소 저장 시스템, 슬러리 상태의 수소 발생 재료를 이용한 시스템, 고체상태 수소 저장 재료를 이용한 시스템등이 대안으로 연구되고 있다.

액체 수소 저장 시스템의 경우 수소의 액화 온도가 -253℃로 낮아 액화시키는 데 사용되는 에너지가 수소가 가진 에너지의 30%이상이 되고, 주·정차중에 액체 수소가 기화되는 문제가 발생하여(3%/하루) 액체 수소 저장 용기 내부의 압력문제로 인하여 기화된 수소 가스를 외부로 배출함에 따른 에너지 효율과 안전성 문제가 발생한다.

또한, 슬러리 상태의 수소발생 장치의 경우엔 주로 가수 분해를 이용하여 수소를 발생시키게 되는데 수소가 발생되고 남게 되는 부산물을 차량탑재 상태에서 처리하기가 어려운 과제를 갖고 있다.

이에 반하여, 고체상태로 수소를 가역적으로 흡장/방출시킬 수 있는 수소 저장 재료를 이용하는 경우 가장 높은 수소 밀도를 가지며 안정성 문제도 해결할 수 있는 장점이 있다.

수소를 가역적으로 흡장/방출시킬 수 있는 고체상태 저장재료로는 수소 저장 합금. 탄소계 나노재료, 다공성 나노구조체 등이 있는데 나노재료의 경우 수소를 가역적으로 저장할 수 있는지에 대한 기초적인 연구가 진행되고 있다. 반면에 수소 저장 합금의 경우 Ni-MH 배터리 등에 상용화될 정도로 많은 연구가 진행되어 온 상태이고 새로운 응용분야로서 차량용 수소 저장 시스템에의 적용가능성을 모색하고 있는 상태이다.

수소 저장 합금은 고체상태로 수소와 반응하여 수소를 저장하므로 중량저장밀도는 1.5~2.5wt%로 비교적 낮지만 고압 수소 기체에 비하여 뛰어난 부피저장밀도를 갖고 있으므로 차량 패키지 측면에서 유리하다. 게다가 350 bar 이상의 고압 시스템에 비해 약 100bar정도의 낮은 압력에서 수소를 흡장/방출할 수 있으므로 안전에 대한 우려도 해소할 수 있다.

이러한 수소 저장 합금에는 AB5계, AB2계, BCC 고용체 등의 구조를 갖는 재료가 있는데, 이들은 수소 방출 온도가 연료전지에서 발생되는 열을 이용할 수 있을 정도로 낮은 장점이 있는 반면 중량저장밀도가 1~2.5wt%로 낮아 시스템 무게가 무거워지는 한계를 갖고 있다.

이에 반해, Mg계 수소 저장 합금 또는 금속착수소화물(complex metal hydride: NaAlH4, LiAlH4 등)과 같은 재료들은 수소 저장 밀도가 5~10wt% 이상으로 전통적인 수소 저장 합금 재료보다는 높지만, 수소 방출 온도가 150~400℃ 정도로 높아 연료전지의 폐열을 이용하기에는 어려운 단점이 있다.

상기와 같은 수소 저장 합금으로 알려진 전통적인 금속들은 특정한 압력과 온도 조건으로 수소와 발열 반응하여 금속수소화물(Metal Hydride: MH)을 형성하면서 수소를 흡장하고, 금속수소화물은 적절한 열을 공급받아 수소를 방출할 수 있다. 수소 저장시 수소 저장 합금과 수소가 반응하면서 열이 발생되는데, 발생되는 열을 효과적으로 제거해주어야 반응이 계속해서 일어날 수 있다. 또한 금속수소화물에 적당한 열을 가하면 수소가 방출되는데 이때에는 금속수소화물의 온도가 낮아지므로 적당한 양의 열을 지속적, 효율적으로 공급해 주어야 한다. 이와 같이 금속수소화물을 연료전지 자동차용 수소 저장 시스템으로 사용하기 위해서는 효율적인 열전달이 가능한 구조를 필요로 하므로 열교환기를 내장시킨 저장 탱크에 대한 개발이 진행중에 있다.

도 1은 대표적인 열교환기를 갖춘 저장탱크(1)를 도시한 것이다.

기존의 금속재로 제작된 금속수소화물(20)이 포함된 수소 저장 용기의 내부에 수소가 출입할 수 있는 밸브를 설치하고, 상기 수소 저장 용기에는 열교환을 위하여 열교환 튜브(30)와 알루미늄 핀(40)이 수소 저장 용기 내부에 구성된다. 상기 열교환 튜브는 저장 용기 외부로 연결되고 상기 열교환 튜브내에는 냉각수가 흘러 열교환 튜브를 순환하며 저장 용기 내부의 열교환 루프를 완성한다.

다만, 금속재로 제작된 수소 저장 용기의 경우 내부 압력의 증가로 인하여 폭발의 위험이 존재하는 바, 이를 극복하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 수소 저장 용기는 알루미늄을 라이너(50)로 하여 탄소 섬유 강화플라스틱(10, CFRP: carbon fiber reinforced plastic)을 감아 제작한 형태가 있다.

이 경우 탄소 섬유층(10)이 내압하중의 대부분을 견디고, 라이너(50)는 기밀유지와 와인딩을 위한 기본 형상을 제공한다. 상기 탄소 섬유층(10)은 압력기준을 초과한 경우 탄소 섬유 사이로 기체가 누출되어 압력을 감소시키는 구조로서, 압력초과로 인한 폭발의 위험은 줄어드나 여전히 수소가 배출되는 문제가 있다.

따라서, 종래의 수소 저장 용기는 수소 흡장시 팽창하면서 상기 수소 저장 용기에 응력이 가해지면 용기에 변형이 일어날 우려가 있으며, 용기의 내구성이 저하되며, 용기에 균열과 같은 파손의 우려가 발생하며 파손된 용기 외부로 수소가 유출될 경우에 따른 안전성 문제가 발생한다.

또한, 수소저장합금은 합금에 수소를 저장하는 방법으로 일반적으로 저장시에는 방열, 방출시에는 가열을 수행한다. 아울러 수소저장합금은 수소저장 시에는 체적(3축 팽창) 팽창을 하며, 수소방출시에는 체적 수축을 동반한다.

대용량 수소저장합금은 수소저장/방출 시에 발생/요구 되는 열을 제거/공급하기 위하여 핀앤튜브(fin and tube) 형식의 열교환기의 핀 사이에 수소저장합금을 조립한 후에 장관형의 용기에 넣어 사용한다.

이와 같이 단순한 형태의 핀앤튜브 형식의 열교환기에 수소저장합금을 내장하는 방식이 수소저장합금 탱크는 수소의 저장 시에 핀앤튜브 열교환기의 튜브에 수직으로 고정된 핀에 의한 탱크의 길이방향 구속으로 탱크의 반경방향으로의 팽창이 주로 발생을 하여, 용기의 두께를 늘리거나, 또는 반경방향의 팽창에 해당되는 공간을 내부의 수소저장합금이 조립된 핀앤투브 열교환기와 탱크 사이에 마련을 하지만, 빈 공간으로 인한 진동 등이 발생을 하는 문제점들을 유발시킨다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 체적팽창을 구속하는 종래형의 핀앤튜브 열교환기의 구속을 최소화하고 유연성을 갖춘 구배형 핀과 일방향이나 대향방향으로 팽창수축이 가능한 자발화관에 수소저장합금 분말을 충진하여 수소저장과 방출시 발생하는 체적 팽창과 수축을 탱크의 길이 방향으로 유도하여, 기존 수소저장합금 용기의 문제점을 해결하는 것은 물론 최적의 수소저장 효율을 나타내는 수소저장용기의 구조와 설계방법을 제시함에 있다.

본 발명은 원연료가 되는 수소 가스를 저장하는 연료 저장 수단으로서의 수소 봄베에 있어서,

상기 수소 봄베는 설정 길이의 통형체로 이루어지고, 일측에는 수소의 흡입가, 타측에는 수소의 방출이 이루어지는 방출구가 연장 형성되고,

상기 수소 봄베의 내부에는 길이방향을 따라 길게 배열된 자바라관이 일방향으로 유동 가능하게 내장되고,

상기 자바라관의 내부에는 일방향으로 나열된 핀들이 설정 간격으로 다수개 병렬 배열된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 자바라관의 내부에 병렬된 핀들은 일방향으로 경사 배열되는 구조로 됨이 바람직하다.

또한, 상기 경사진 핀들의 중앙을 관통하고, 일단은 상기 자바라관의 일단벽에 고정되며, 타단은 상기 방출구 측으로 연장 배치된 튜브를 포함하는 구성으로 되어 있다.

본 발명에 따라, 수소저장합금의 체적팽창에서 수소저장합금 탱크의 반경반향의 체적 팽창/수축을 최소화하고 길이방향 팽창/추축으로 유도하는 경사핀과 튜브의 열교환기형식과 한방향으로의 팽창이 자바라관을 갖는 수소저장합금 탱크로서의 수소 봄베를 용이하게 획득할 수 있게 되는 특장점이 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치에 대한 개략도이다,
도 2는 핀앤튜브 열교환기와 자발화관 사이에 충진된 수소저장전의 수소저장합금이 수축된 상태의 수소저장합금 탱크의 단면도이다.
도 3은 핀앤튜브 열교환기와 자발화관 사이에 충진된 수소저장후의 수소저장합금이 팽창된 상태의 수소저장합금 탱크의 단면도이다.

이하, 본 발명인 차량용 의자의 구성을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소저장장치에 대한 개략도이고, 도 2는 핀앤튜브 열교환기와 자발화관 사이에 충진된 수소저장전의 수소저장합금이 수축된 상태의 수소저장합금 탱크의 단면도이며, 도 3은 핀앤튜브 열교환기와 자발화관 사이에 충진된 수소저장후의 수소저장합금이 팽창된 상태의 수소저장합금 탱크의 단면도이다.

본 발명은 수소저장합금을 이용한 수소저장장치로서, 저장수소의 평형압을 빠른 속도로 제어하여, 보다 안정되게 저장할 수 있도록 하는 수소저장합금을 이용한 수소저장장치의 안출에 관련한 것이다.

상기 금속수소화물계 수소 저장 시스템의 내부 용기(120)에는 수소 저장 금속이 충전되도록 구성된다. 충전된 상기 수소 저장 금속이 수소를 흡장함에 따라 상기 수소 저장 금속의 상변화가 일어나면서 금속수소화물의 부피가 팽창하며, 또한, 수소 방출시에는 상기 금속수소화물의 부피가 수축되는 현상이 발생한다.

일례로써, BCC 고용체 수소 저장 금속(Ti-Cr-V)의 경우 흡장시 최대 30%의 부피 팽창이 발생한다. 내부 용기 내 수소 저장 금속의 부피 팽창에 따라 내부 용기에 대하여 응력이 발생하고, 부피 팽창에 따라 발생한 응력은 일반적인 금속재료의 탄성 변형 영역을 넘어서 소성 변형 영역에 해당하여 상기 내부 용기의 금속재료가 영구하게 변형되어 용기의 파손을 초래할 수도 있다.

따라서, 본원 발명의 상기 금속수소화물계 수소 저장 시스템은 금속수소화물의 부피변화 문제를 개선하기 위하여 2중으로 된 수소 저장 용기를 제안하되, 내·외부 광간의 일정거리가 이루는 공간은 수소 저장 금속의 수소 흡장에 따른 부피 팽창 시에 내부 공간이 일방향으로만 팽창할 수 있는 여유공간을 제공할 수 있도록 구성하여, 내부 공간에서의 응력 집중이 일어나지 않고, 전체에 대하여 비교적 일정하게 유지될 수 있도록 구성하여 최소한의 체적으로 일방향 팽창 가능한 공간을 내부에 갖는 수소 저장 용기로서의 수소 봄베를 조성할 수 있도록 하기 위한 기술을 창출하고자 본 연구를 수행한 것이다.

본 발명은, 원연료가 되는 수소 가스를 저장하는 연료 저장 수단으로서의 수소 봄베으로서, 상기 수소 봄베는 설정 길이의 통형체로 이루어지고, 일측에는 수소의 흡입가, 타측에는 수소의 방출이 이루어지는 방출구가 연장 형성되어 있다.

또, 상기 수소 봄베의 내부에는 길이방향을 따라 길게 배열된 자바라관(100)이 일방향으로 유동 가능하게 내장되어 있다.

또한, 상기 자바라관(100)의 내부에는 일방향으로 나열된 핀들이 설정 간격으로 다수개 병렬 배열되어 있다.

또, 상기 자바라관(100)의 내부에 병렬된 핀들은 일방향으로 경사 배열되는 구조로 되어 있다.

또한, 상기 경사진 핀(200)들의 중앙을 관통하고, 일단은 상기 자바라관의 일단벽에 고정되며, 타단은 상기 흡입구(2)측으로부터 방출구 측으로 연장 배치된 튜브(300)를 포함하는 구성으로 되어 있다.

또, 상기 흡입구(2)와 방출구는 일체로 고압압출에 의해 돌출되어 연장 형성되는 구조로 되어 있다.

또한, 상기 자바라관(100)과 수소저장합금 탱크(2)에 자바라관의 팽창/수축을 보완하고, 길이방향(20) 진동을 방지하는 용수철(400) 또는 탄성체가 상기 자바라관의 타측과 상기 방출구측 내부 공간 사이에 탄성 지지되는 구성으로 되어 있다.

또, 상기 수소 봄베는 핀앤튜브 열교환기에 채용되어 열교환기의 구속을 최소화하고 유연성을 확보하도록 일방향 또는 양방향으로 팽창 가능한 구성으로 핀앤튜브 열교환기에 채용되어도 좋다.

이로써, 수소저장합금의 체적팽창에서 수소저장합금 탱크의 반경반향의 체적 팽창/수축을 최소화하고 길이방향 팽창/추축으로 유도하는 경사핀과 튜브의 열교환기형식과 한방향으로의 팽창이 자바라관을 갖는 수소저장합금 탱크로서의 수소 봄베를 용이하게 획득할 수 있게 되는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.

또한, 수소저장합금 분말(1)의 체적 팽창(1')/수축(1)시 수소저장합금 탱크(2)의 길이방향(20)으로의 팽창/수축이 가능한 기술인 것이다.

또, 수소저장합금 분말(1)의 체적 (1')/수축(1)을 수소저장합금 탱크(2)의 반경방향(10) 구속을 길이방향(20) 팽창/수축으로 유도하는 자바라관(100)이 용기 내부에 배열되어 있으며, 이 자바라관(100)과 수소저장합금 탱크(2)은 최소 간극이 유지되는 범위 내로 설정된다.

여기에서, 수소저장합금(1) 팽창 유도방향(20)으로 핀 끝(5)이 향하는 핀 및 튜브(200, 300)가 튜브에 대하여 경사져서 일방향 배향됨이 바람직하다.

또한, 상기 핀 및 튜브(200, 300)의 핀(200)의 크기가 이 자바라관(100)의 골(4)보다 큰 골(4)과 산(4) 사이에 위치하기에 적당한 크기로 설정된 구조로 되어 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 저장수소의 평형압을 빠른 속도로 제어할 수 있어, 수소의 흡,방출 효율을 향상시킬 수 있게 되는 특장점이 있다.

본 발명에 따른 수소저장장치에서는 개기공 발포금속의 내부에 수소저장합금분말이 충전된 구조로 이루어져 있기 때문에, 흡수 또는 방출되는 수소 가스의 물질 이동이 원활하게 이루어지게 됨으로써, 수소압력의 급속 제어가 가능하게 되어 수소의 흡수/방출 시간을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 핀 및 튜브 모듈은 복수 개가 적층되게 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 발포금속으로는 발포화가 가능한 모든 금속이 사용될 수 있으나, 열전도도를 고려할 때 구리와 알루미늄이 가장 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 발포금속의 기공률은 70% 이상인 것이 바람직하다. 기공률이 70% 이하로 낮으면 수소저장합금분말의 충전율이 떨어져 부피가 증가할 뿐 아니라, 수소저장합금분말의 수소화 또는 탈수소화 반응에 필요한 수소의 물질이동의 속도가 떨어질 수도 있기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 수소저장장치에 있어서, 상기 하우징은 선택적으로 폐기공(閉氣孔) 발포금속으로 이루어질 수 있다. 폐기공 발포금속은 열차단 효과뿐 아니라, 충격흡수성이 매우 우수하기 때문에 수소저장장치의 효율과 안전성을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 수소저장장치에 의하면, 수소저장합금에 대한 용기 내에서의 흡방출이 일방향으로 신속하게 이루어지기 때문에, 그에 따른 수소의 흡수 및 방출이 용이하게 제어될 수 있다.

상기 수소 저장 합금, 개기공(open cell) 구조를 갖는 알루미늄(Al) 폼(foam)과, 알루미늄 폼에 형성되어 있는 개기공에 충전되는 MmNia(Mn,Al)bCoc 합금 분말로 이루어져도 좋다.

또한, 상기 알루미늄 폼은 직경 2 ~ 3mm인 다수의 개기공으로 이루어져 있으며, 수소저장합금의 입경은 30 ~ 50㎛이다. 그리고 상기 개기공의 부피분율(volume fractrion)은 93% 이상이므로, 충분히 많은 양의 수소저장합금 분말을 상기 개기공에 충전시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 발포금속으로 알루미늄 폼을 사용하고 있는데, 이는 알루미늄이 다른 금속들에 비해 경량이고 열전달 속도가 빠르기 때문이며, 필요에 따라 다양한 발포금속을 사용할 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 자바라관은 초탄성 합금으로 이루어지고, 스프링과 같은 탄성 수단으로서의 스프링이 용기 간에 배치하여 용기의 형상 변화에 따른 부피 변화없이 금속수소화물의 팽창/수축에 대처할 수 있도록 구성한다. 용기에는 AB5, AB2, BCC 고용체 합금, NaAlH4, LiAlH4, MgH2 등의 수소 저장 합금을 충전한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 상기 자바라관이 수소 저장 합금의 팽창에 대응할 수 있으며 상기와 같은 시스템 구성을 통하여 수소 저장 합금의 분말을 자바라관 내에 가득 채울 수 있으므로, 단위 부피당 수소 함유량이 늘어나게되어 연료전지 시스템의 소형화에 기여할 수 있는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명함에 있어 특정형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

1. 원연료가 되는 수소 가스를 저장하는 연료 저장 수단으로서의 수소 봄베에 있어서,
   상기 수소 봄베는 설정 길이의 통형체로 이루어지고, 일측에는 수소의 흡입가, 타측에는 수소의 방출이 이루어지는 방출구가 연장 형성되고,
   상기 수소 봄베의 내부에는 길이방향을 따라 길게 배열된 자바라관이 일방향으로 유동 가능하게 내장되고,
   상기 자바라관의 내부에는 일방향으로 나열된 핀들이 설정 간격으로 다수개 병렬 배열된 것을 특징으로 하는 수소 봄베.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 자바라관의 내부에 병렬된 핀들은 일방향으로 경사 배열된 것을 특징으로 하는 수소 봄베.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경사진 핀들의 중앙을 관통하고, 일단은 상기 자바라관의 일단벽에 고정되며, 타단은 상기 방출구 측으로 연장 배치된 지지봉을 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수소 봄베.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 흡입구와 방출구는 일체로 고압압출에 의해 돌출되어 연장 형성된 것을 특징으로 하는 수소 봄베.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 자바라관과 수소저장합금 탱크에 자바라관의 팽창/수축을 보완하고, 길이방향 진동을 방지하는 용수철 또는 탄성체가 상기 자바라관의 타측과 상기 방출구측 내부 공간 사이에 탄성 지지된 것을 특징으로 하는 수소 봄베.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 수소 봄베는 핀앤튜브 열교환기에 채용되어 열교환기의 구속을 최소화하고 유연성을 확보하도록 일방향 또는 양방향으로 팽창 가능한 구성으로 핀앤튜브 열교환기에 채용되는 것을 특징으로 하는 수소 봄베 채용 핀앤튜브 열교환기.

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