KR20140115313A

KR20140115313A - 금속 수소화물 형태의 수소 저장을 위한 탱크

Info

Publication number: KR20140115313A
Application number: KR1020147019236A
Authority: KR
Inventors: 올리비에 질리아; 프레데릭 ?로케; 가브리엘 메니에; 조프로이 위송; 장-필리프 푸와로-크루베지에; 알뱅 쉐스
Original assignee: 꼼미사리아 아 레네르지 아또미끄 에 오 에네르지 알떼르나띠브스
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-09-30
Also published as: US9500318B2; FR2984453B1; FR2984453A1; JP6285867B2; WO2013087565A2; EP2791572A2; JP2015504143A; US20150008145A1; WO2013087565A3; CA2858754A1

Abstract

수소를 흡수에 의해 물질로 저장하기 위한 탱크는 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)을 구비하고, 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II) 각각은 배럴(4)을 구비하고, 배럴은 실릴적으로 반구형 부분(6)에 의해 하나의 제 1 길이 방향 단부(4.1)에서 폐쇄되고, 2 개 부분(I,II)들은 조립 플레이트(2)에 의해 배럴(4)의 개방된 제 2 길이 방향 단부(4.2)에 의해 접합되고, 상기의 탱크는 2 개의 열교환기(12)들을 구비하고, 그 각각은 2 개 부분(I, II)들중 하나에 포함되고 동일한 수소 압력하에 있도록 의도되며, 상기 탱크는 조립 플레이트에 통합된 상기 열교환기내에서 순환하는 열전달 매체의 공급 및 배출 수단 및, 수소의 공급 및 수집 수단을 가진다.

Description

금속 수소화물 형태의 수소 저장을 위한 탱크{Tank for the storage of hydrogen in the form of metallic hydrides}

본 발명은 금속 수소화물 형태의 수소 저장을 위한 탱크에 관한 것이다.

특히 석유 자원의 감소에 기인하여, 석유의 대안이 되는 에너지를 찾고 있는 중이다. 이러한 에너지원의 유망한 방향들중 하나는 수소이며, 이것은 전기를 발전하는 연료 전지에서 사용될 수 있다.

수소는 지구상에서 매우 광범위하게 퍼져 있는 원소이며, 이것은 석탄, 천연 개스 또는 다른 탄화수소로부터 생성될 수 있지만 또한 예를 들어 태양 에너지 또는 풍력 에너지를 이용함으로써 물의 간단한 전기 분해에 의해서도 생성될 수 있다.

수소 전지는 예를 들어 자동차와 같은 특정의 적용예에서 이미 사용되지만, 아직 매우 보편적이지 않으며, 특히 수소를 저장하는데 있어서의 곤란 및 취급상의 주의 때문에 그러하다.

수소는 350 내지 700 바아 사이의 압축 수소의 형태로 저장될 수 있으며, 이것은 안전 문제를 일으킨다. 따라서 이러한 압력을 견딜 수 있는 탱크가 제공되어야 하는데, 이들 탱크들이 차량에 설치될 때 충격을 받을 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

수소는 액체 형태로 저장될 수 있지만, 그러한 저장은 오직 낮은 저장 수율(storage yield)을 보장할 뿐이며 장기간의 저장을 허용하지 않는다. 압력 및 체적의 보통 조건에서 액체 상태로부터 기체 상태로 수소 체적을 통과시키는 것은 대략 800 의 인자로 체적 증가를 발생시킨다. 액체 형태 수소를 위한 탱크들은 일반적으로 기계적인 충격에 대하여 매우 저항적이지 않으며, 이는 심각한 안전 문제를 일으킨다.

수소화물 형태인 "고체" 수소로 호칭되는 저장이 존재한다. 그러한 저장은 상당한 저장 체적 밀도를 허용하며, 수소 체인(hydrogen chain), 즉, 생성으로부터 상이한 에너지로의 전환의 전체적인 수율에 대한 에너지의 저장 충격을 최소화시키면서 통상적인 수소 압력을 이용한다.

수소를 수소화물 형태로 고체 저장하는 원리는 다음과 같다:특정의 물질 및, 특히 특정의 금속은 수소화물을 형성하도록 수소를 흡수하는 성능을 보유한다-이러한 반응은 흡수(absorption)이라고 호칭된다. 그렇게 형성된 수소화물은 다시 수소 기체 및 금속을 제공할 수 있다. 이러한 반응은 탈착(desorption)이라고 호칭된다. 흡수 또는 탈착은 수소의 분압 및 온도에 의존하여 발생된다.

금속 분말 또는 매트릭스(M)에서의 수소의 흡수 및 탈착은 다음의 반응에 따라서 발생된다.

M + x/2 H2 ↔ MHχ + △H (Heat)

여기에서 M 은 금속 분말 또는 매트릭스

MHx 는 금속 수소화물이다.

예를 들어, 금속 분말이 사용되는데, 이것은 수소와 접촉되게 두어지고, 흡수 현상이 나타나고 금속 수소화물이 형성된다. 탈착 메카니즘에 따라서 수소의 방출이 발생된다.

수소의 저장은 발열 반응이고, 즉 열을 방출하는 반응이고, 이에 반해 수소의 방출은 흡열 반응이며, 즉, 열을 흡수하는 반응이다.

특히, 금속 분말을 수소로 신속하게 충전시키려는 것이 추구된다. 그러한 신속한 충전이 이루어지도록, 상기 충전중에 발생된 열은 금속 분말 또는 매트릭스상의 수소 흡수 지연을 회피하도록 배출되어야 한다. 수소가 방출될 때, 열이 흡수된다.

따라서 탱크에는 열전달 매체가 순환하는 회로를 포함하는 열교환기가 설치되며, 이러한 회로는 탱크 외부에 있는 회로, 수소의 흡수를 위하여 수소를 탱크 안으로 도입하는 수단 및 탈착 단계에서의 수소의 수집 수단에 연결된다.

수소의 탈착 단계에 의해 이어지는 흡수 단계는 "수화(hydration) 사이클" 로 호칭된다.

탱크는 수소 압력을 견딜 수 있어야 한다. 본 출원에서, 관심의 대상이 되는 압력의 간격은 1 내지 30 바아 절대 간격내에 있으며, 사용된 수소화물의 유형에 따라서 이러한 간격은 더 넓어지거나 또는 더 좁아질 것 같다. 압력하에서의 수소 저장을 가진 수소화물을 이용하는 이러한 저장 유형의 "혼성화"(hybridisation)도 고려될 수 있다. 현재, 압력 간격은 1 내지 300 바아이거나 또는 심지어 1 내지 700 바아이다.

이러한 요건을 용이하게 달성하는 것은 매우 곤란한데, 왜냐하면 탱크 질량의 감소가 추구되고 있고, 특히 차량에 설치되는 탱크 질량의 감소가 추구되고 있기 때문이다.

미국 출원 US 2005/01 88847 은 중심의 튜브형 부분 및 2 개의 길이 방향 반구형 단부들로 구성된 외피를 포함하는, 수소화물 형태로 저장된 수소를 위한 탱크를 설명한다. 튜브형 부분 및 반구형 단부들중 하나는 스테인레스 스틸로부터 하나으 부재로 만들어지며, 스테인레스 스틸로 만들어진 제 2 반구형 단부는 열교환기의 설치 이후에 스크류 결합에 의하여 부착된다. 다음에 외피는 탄소 섬유로 이루어진 조성물로 코팅되어 수소 압력을 견디는 탱크의 성능을 향상시킨다. 수소화물은 열교환기의 블레이드에 의해 경계가 정해진 공간들 내부에서 외피 안에 저장된다.

열교환기의 도입은 복잡한데, 왜냐하면 2 단계들로 이루어져야만 하는 외피의 제작 때문이다.

국제 출원 WO-2007/011476 은 전체가 강철로 제작되는, 2 개의 길이 방향 단부들 및 중심의 튜브형 부분으로 구성된 외피를 포함하는 수소 탱크를 설명한다. 단부들 각각은 개구를 가지며, 하나는 수소 공급 및 수소 수집을 허용하고, 다른 하나는 열전달 매체의 순환을 허용한다. 이러한 탱크는 분해하기 용이하지 않으며, 이는 탱크 내부의 그 어떤 작동도 곤란하게 한다. 더욱이, 만약 외피가 용접에 의해 제작되면, 수소화물은 공기에 매우 예민하기 때문에, 이러한 작동은 글로브 박스(glove box)를 이용하여 수행되어야 하며, 이는 제조를 복잡하게 한다.

결국, 본 발명의 목적은 현재 기술의 탱크에 비하여 상대적으로 구조가 단순하고 질량이 감소된 수소 저장 탱크를 제공하려는 것이다.

상기의 목적은 수소화물을 포함하고 수소 압력을 견디는 외피를 가진 탱크 및 열전달 작용제가 순환하는 열교환기들에 의해 달성되는데, 상기 외피는 2 개의 부분들로 이루어지고, 각각의 부분은 단부들중 하나에서 폐쇄되고 다른 단부에서 개방되며 개방 단부들에 의해 조립 플레이트에 연결되고, 열교환기들은 조립 플레이트를 통해 공급된다.

즉, 2 개의 절반 탱크들은 중심 플레이트에 의해 연결되도록 만들어지는데, 이것은 탱크 내부의 열교환기들에 대한 공급을 보장한다. 이러한 탱크는 제조가 용이하고 열교환기 및 수소화물은 외피 내부에 위치시키기에 용이하다.

더욱이, 2 개의 절반 탱크들은 동등한 수소 압력하에 있어서 조립 플레이트는 양쪽 표면상에서 동일 압력을 겪으며, 따라서 굽힘 응력을 겪지 않는다. 그러므로 구성이 자유로우며 매우 두꺼울 필요가 없다. 이것은 탱크의 질량을 감소시킬 수 있게 한다.

매우 유리하게도, 2 개의 절반 탱크들은 실질적으로 반구형의 저부를 가진다. 본 출원에서, "실질적으로 반구형"은 반구(hemisphere), 즉, 일정한 반경의 절반의 구(sphere)와 평탄화된 저부를 가진 반구 사이 범위의 형태를 의미한다. 그러한 형태를 가진 물품은 또한 "볼록한 저부"로도 호칭된다.

만약 탱크가 실질적으로 반구형의 단부들을 가진다면, 수소 압력을 유지하는 그것의 형태들이 평탄한 표면들로부터 자유롭다는 사실에 기인하여 압력에 대한 우수한 저항성 및 질량의 감소를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 물질에서의 흡수에 의해 수소 저장을 위하여 의도된 탱크가 제공되며, 이것은 길이 방향 축을 가지고; 탱크는 제 1 부분 및 제 2 부분을 가지고, 제 1 및 제 2 부분들 각각은 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부 및 개방된 길이 방향의 제 2 단부와 조립 플레이트를 구비하고; 제 1 부분 및 제 2 부분은 조립 플레이트에 의해 외피들의 개방된 길이 방향의 제 2 단부들의 레벨에서 접합되고; 2 개 부분들의 내측 체적은 동일한 압력에 있도록 의도되고; 상기 탱크는 또한 2 개의 열교환기들을 구비하고, 각각의 열교환기는 상기 부분들중 하나에 감싸여지고, 탱크는 또한 수소 저장 물질을 위한 공간들을 구비하고; 상기 탱크는 수소의 공급 및 수집의 수단과 조립 플레이트로 통합된 상기 열교환기들 안에서 순환하는 열전달 매체의 공급 및 배출의 수단에 연결되는 수단을 가진다.

바람직한 일 실시예에서, 외피들 각각은 배럴 및, 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부를 형성하는 실질적으로 반구형의 저부를 가진다.

열교환기들은 예를 들어 튜브들을 가지며, 탱크의 2 개의 부분들에서 열교환 유체는 튜브들 안에서 순환한다.

일 실시예에서, 조립 플레이트는 열전달 매체의 분배를 위한 적어도 하나의 공동 및 적어도 하나의 배출 공동을 가지며, 상기 공동 안으로 열교환기의 제 1 튜브들이 개방되고, 상기 배출 공동 안으로 열교환기의 제 2 튜브들이 개방되고; 각각의 제 1 튜브는 반구형 부분의 레벨(level)에서 적어도 하나의 제 2 파이프에 연결된다.

조립 플레이트는 2 개의 절반 플레이트들로 구성되고, 절반 플레이트들 사이에 분배 공동 및 배출 공동이 형성되는 것이 바람직스럽다. 탱크는 2 개의 절반 플레이트들 사이에 길이 방향으로 지향된 브레이스(brace)들을 가진다. 이러한 브레이스들이 유리하게는 실질적으로 보빈(bobbin)과 같은 형상이다.

조립 플레이트는 분배 공동으로 개방된 적어도 하나의 반경 방향 통공 및 배출 공동으로 개방된 적어도 하나의 반경 방향 통공을 가지며; 상기 통공들은 열전달 매체의 공급 및 배출 수단에 대하여 연결된다.

유리하게는, 2 개의 열교환기들의 제 1 튜브들은 동일한 분배 공동으로 개방될 수 있고, 2 개의 열교환기들의 제 2 튜브들은 동일한 배출 공동으로 개방된다.

일 실시예에서, 탱크는 외피들의 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부들 각각의 레벨에 위치되는 연결 챔버들을 가지며, 제 1 튜브 및 제 2 튜브가 챔버들 안으로 개방된다. 바람직스럽게는, 브레이스(brace)들이 연결 챔버들중 적어도 하나에 위치되고, 상기 브레이스들은 길이 방향으로 지향되고, 상기의 브레이스들은 실질적으로 보빈의 형상을 가진다.

다른 실시예에서, 각각의 열교환기의 각각의 제 1 튜브 및 각각의 제 2 튜브는 U 튜브로서 형성되고, U 의 저부는 외피들의 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부들의 레벨에 위치된다.

수소의 공급 및 수집 수단은, 제 1 부분의 조립 플레이트 또는 배럴의 벽을 통해 연장되는 적어도 하나의 연결 튜브 및 조립 플레이트 또는 제 2 부분의 배럴을 통해 연장되는 적어도 하나의 연결 튜브를 구비한다.

수소 연결 튜브들은 제 1 부분 및 제 2 부분의 수소 압력 챔버들을 직접적으로 상호 연결하는 "크로우 풋(crow foot)" 연결부를 형성하는 것이 바람직스럽다.

제 1 부분 및 제 2 부분 각각은 플랜지를 구비하고, 스크류 및 너트 세트들에 의하여 또는 용접에 의하여 플랜지는 조립 플레이트에 고정된다.

유리하게는, 수소 저장 물질을 위한 공간들이 열교환기들에 의해 형성된다.

본 발명의 제 2 양상은 본 발명에 따른 탱크 및 수소 저장 물질을 구비하고 흡수에 의한 수소의 저장을 위한 탱크의 제공을 목적으로서 가진다.

본 발명의 제 3 양상에 따르면, 본 발명의 제 1 양상에 따른 탱크의 제조를 위한 방법이 제공되는데, 이것은

제 1 부분 및 제 2 부분의 외피들을 만드는 단계;

수소 저장 물질로 로딩된 각각의 열교환기를 열전달 작용제 튜브들의 단부들에 의해 조립 플레이트에 부착하는 단계;

열교환기를 제 1 부분 및 제 2 부분을 형성하는 외피들 안에 배치하는 단계;

외피들을 조립 플레이트상에서 조립하는 단계;를 포함한다.

조립 플레이트가 2 개의 절반 플레이트들로부터 만들어질 때, 각각의 열교환기의 튜브들은 조립 플레이트의 하나의 절반 플레이트에 고정되고, 외피들이 조립될 때 2 개의 절반 플레이트들이 조립된다.

예를 들어, 외피들은 실질적으로 반구형 저부에 의해 폐쇄된 배럴을 구비하고, 상기 배럴들은 그들의 개방 단부에 플랜지들이 설치되고, 제 1 부분 및 제 2 부분의 조립은 플랜지들 및 2 개의 절반의 조립 플레이트들을 통해 연장되는 스크류 및 너트 세트들에 의해 수행되거나 또는 용접에 의해 수행될 수 있다.

본 발명은 다음의 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 수소 탱크의 일 실시예에 대한 측면도이다.
도 2 는 제 1 실시예에 따른 도 1 탱크의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 3 은 제 2 실시예에 따른 탱크의 평면 A-A 를 따른 단면도이다.
도 4 는 도 2 의 탱크의 변형예에 대한 상세도이다.
도 5 는 조립체 플레이트의 레벨에서 도 4 의 변형예에 따른 탱크의 단면도이다.
도 6 은 제 2 실시예에 따른 도 1 의 탱크의 평면 B-B 을 따른 길이 방향 단면도이다.
도 7 은 평면 B-B 에 직각인 평면을 따른 제 2 실시예에서 탱크의 상부 부분에 대한 단면도이다.

도 1 에서, 본 발명에 따른 저장기의 실시예의 외부가 도시되어 있으며, 이것은 길이 방향 축(X)을 따라서 연장되고 수소 저장 물질을 포함한다.

탱크는 조립 플레이트(2)상에 접합된 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)을 포함한다. 각각의 부분(I,II)은 하위 조립체(sub assembly)를 형성한다. 2 개의 조립체(I,II)들이 유사하므로, 하위 조립체(I) 만을 상세하게 설명하기로 한다.

조립 플레이트(2)를 가진 하위 조립체(I,II)는 탱크를 형성한다.

도시된 예에서, 매우 유리하게, 하위 조립체(1)는 배럴(4)에 의해 형성된 길이 방향 축(X)을 가진 외피(3) 및 배럴(4)의 제 1 길이 방향 단부(4.1)를 밀봉되게 폐쇄시키는 실질적인 반구형 부분(6)을 포함한다. 이러한 형상은 압력하에서 매우 우수한 성능을 제공한다.

도시된 실시예에서, 배럴(4)은 원형 단면을 가진다. 배럴의 제 2 길이 방향 단부(4.2)는 개방되어 있으며 조립체 플레이트(2)에 대한 외피(3)의 고정 수단(8)이 설치되어 있다.

도시된 실시예에서, 고정 수단(8)은 플랜지(10)를 구비하는데, 이것은 배럴(4)의 제 2 길이 방향 단부에 고정되고 스트류 및 너트 세트(미도시)들에 의해 조립 플레이트(2)에 접합되도록 의도된다. 이러한 목적을 위하여, 플랜지(10) 및 조립 플레이트(2)에는 드릴 구멍들이 만들어진다. 이러한 고정의 예는 그 어떤 경우에도 제한적이지 않다. 그 어떤 다른 유형의 고정이, 바람직스럽게는 개방될 수 있는 고정이 본 발명의 범위내에 있으며, 이것은 배럴들과 조립 플레이트 사이의 조인트가 밀폐되는 것을 보장할 수 있는 그 어떤 해법이라도 포함하며, 예를 들어, 플랜지(10) 또는 플레이트(12)에 있는 기계 가공된 목(neck)에 위치된 O 링 밀봉의 이용과 같은 것이다. 용접에 의한 조립도 생각될 수 있다; 그러한 조립체는 더 작은 플랜지(10)를 가질 수 있게 하고 통상적으로 크기가 큰 스크류 및 너트 조인트를 배제시킬 수 있게 한다. 따라서 탱크의 덩어리가 감소된다.

도 2 에서, 도 1 의 탱크의 제 1 실시예의 부분적인 단면도가 도시되어 있으며, 보다 상세하게는 하위 조립체(1)의 단면도가 도시되어 있다. 하위 조립체(II)의 내부는 투명한 형태로 도시되어 있다. 하위 조립체(1)는 열교환기(12)를 구비하며, 열교환기는 수소화물 물질이 배치되는 공간을 형성한다. 이러한 열교환기(12)는 수소 저장 물질에 의한 수소 흡수중의 열의 추출 및 수소의 탈착(desorption)에 필요한 열의 제공을 위해 의도된다.

열교환기(12)는 복수개의 블레이드(14)를 포함하며, 블레이드들 사이는 가열 또는 냉각될 수소의 저장을 위한 구획부로 분리된다. 열교환기는 열의 추출 또는 도입을 위하여 블레이드들에 의해 형성되는 구조 내측에 열전달 작용제 순환 회로를 가진다. 이러한 순환 회로는 탱크를 통한 열전달 작용제의 순환을 보장하여 균일한 방식으로 열을 추출 또는 도입할 수 있게 한다.

탱크의 길이 방향 축(X)은 수평으로 지향되도록 의도된다. 도시된 실시예에서, 수평 블레이드는 다수의 레벨로 분리되고 각각의 레벨은 길이 방향 축(X)에 평행하게 그리고 길이 방향 축(X)에 대하여 횡방향으로 연장된 수직 블레이드들에 의해 구획부들로 분할된다. 열전달 매체 순환 회로는, 수평 블레이드와 수직 블레이드의 교차점에 형성된 길이 방향 채널 안에 위치되고 길이 방향으로 연장된 튜브(16)들을 포함한다. 도 3 에는 튜브(16)의 횡방향 단면 및 구획부를 형성하는 블레이드의 횡방향 단면이 도시되어 있다.

이러한 구조는 전체 탱크를 통한 물질의 분배 및 제한을 보장함으로써 수소 저장 물질을 유리하게 구획화할 수 있게 한다.

열교환기의 내부 순환 회로와 외부 회로의 연결은 조립 플레이트(2)를 통해 이루어진다. 열교환 유체가 배럴(4)의 제 2 길이 방향 단부(4.2)로부터 배럴의 제 1 길이 방향 단부로 순환하고, 다음에 비워져야 하는 제 2 길이 방향 단부(4.1)로 복귀하도록 순환 회로가 이루어진다.

도 2 의 실시예에서, 조립 플레이트(2)는 2 개의 공동(20,22)을 가지며, 이들은 격벽(24)에 의해 밀폐 분리된다; 이들 공동들은 "물 박스"로 호칭된다. 공동(20,22)들중 하나는 분배 공동이고 다른 공동(20,22)은 수집 및 배출 공동이다. 더욱이, 조립 플레이트(2)는 분배 공동으로 개방되고 열전달 작용제의 공급을 허용하는 반경 방향 드릴 구멍(26) 및, 배출 공동으로 개방되고 열전달 작용제의 배출을 허용하는 반경 방향 드릴 구멍(28)을 가진다.

열교환기가 2n 개의 튜브들을 가지며, n 개의 튜브(16)들이 각각의 공동(20,22)으로 개방된다. 실제로, 열교환 작용제는 배럴(4)의 제 2 길이 방향 단부(4.2)의 2 공급 튜브(16)에서 배럴(4)의 제 1 길이 방향 단부(4.1)로 순환하고, 열교환 작용제는 배럴(4)의 제 1 길이 방향 단부(4.1)의 n 복귀 튜브에서 배럴(4)의 제 2 길이 방향 단부(4.2)를 향하여 순환한다.

튜브(16)들은 열전달 작용제 회로와 수소 환경 사이의 밀폐 분리 및 조립 플레이트(2)상의 튜브(16)들의 기계적 유지를 제공하는 다양한 방법들에 의해 조립 플레이트에 고정될 수 있다. 예를 들어, 비딩(beading)과 같은 기계적 방법이 이용된다. 예를 들어 O-링(ring) 밀봉과 같은 조인트들이 각각의 튜브와 플레이트 사이에 제공될 수 있다. 변형으로서, 튜브들은 조립 플레이트에 직접 용접되거나 브레이징(brazing)될 수 있다.

2 개의 절반 플레이트(2.1,2.2)로 만들어진 조립 플레이트(2)는 플레이트(2) 내의 튜브(16)들의 고정 및 밀폐 상태를 보장할 수 있다. 실제로, 조립되기 전에 튜브(16)들이 각각의 절반 플레이트(2.1, 2.2)에 고정되는 것이 바람직스럽다. 예를 들어 이들 2 개의 절반 플레이트(2.1,2.2)들은 스크류 작용에 의해 조립체가 조여질 때 서로 조립된다. 예를 들어, 2 개의 절반 플레이트(2.1, 2.2) 사이의 밀폐 조인트는 O 링 밀봉에 의해 보장된다. 이러한 유형의 조립체는 해체될 수 있는 탱크를 제공한다. 대안으로서, 2 개의 절반 플레이트(2.1, 2.2)들은 용접에 의해 접합될 수 있다. 각각의 절반 플레이트들은 격벽에 의해 분리된 2 개의 요부들을 가진다. 2 개의 절반 플레이트들이 조립될 때, 각각의 부분의 격벽 및 요부는 정렬되며, 따라서 격벽(24)에 의해 분리된 공동(20,22)들을 형성한다.

매우 유리하게도, 도 2 에 도시된 탱크의 제작에 대한 변형예를 상세하게 도시한 도 4 에 도시된 바와 같이, 수소 기체의 압력하에서 공동(20,22)의 붕괴를 방지하기 위하여 길이 방향 축에 평행한 절반 플레이트(2.1, 2.2) 사이에 브레이스(brace, 25)들이 위치된다. 매우 유리하게도, 브레이스(25)들은 보빈(bobbin) 형상을 가지며, 즉, 2 개의 길이 방향 단부들은 직경이 크고 중간 부분은 직경이 작으며, 각각의 단부와 중간 부분 사이의 연결 형상은 매끄럽다. 이러한 형태는 공동(20,22)의 벽에 대한 핀의 접촉 압력을 분배시키는 장점을 가져서, 벽에 대한 핀들의 만입 효과를 방지한다.

더욱이, 작은 직경의 중간 부분은 공동(20,22) 안에서 열전달 유체에 대한 더 넓은 통로를 제공하여, 유체 부하(load of fluid)의 손실을 방지하고 따라서 공동 안에서 유체의 보다 균일한 압력을 허용하는데, 이는 열교환기의 여러 튜브들에서 균일한 압력이 균일한 유체 분배를 보장하기 때문이다. 도 6 에는 도 4 의 변형예에 따른 탱크 공동(20,22)들 레벨에서의 단면이 도시되어 있으며, 튜브(16)들의 단부들이 절반 플레이트 및 브레이스(25)를 통해 연장되는 절반 플레이트(2.1)의 정면이 도시되어 있다.

도시된 예에서, 유리하게는, 제 1 길이 방향 단부의 레벨에서 튜브(16)들은 물 박스(29) 안으로 개방되어 n 공급 튜브들에 있는 열전달 작용제가 n 복귀 튜브들로 유동하는 것을 허용한다.

예를 들어, 이러한 물 박스(29)는 격벽을 가지지 않는다.

물 박스(29)의 구현은 그것이 모든 공급 튜브들을 모든 복귀 튜브들로 동시에 연결하므로 탱크 질량을 더욱 감소시킬 수 있게 한다. 물 박스(29)는 열교환기에 접합되는 것이 바람직스러우며, 다음에 튜브들과 물 박스 사이의 연결이 외피 밖에서 이루어진다. 따라서, 조립이 단순화된다. 열전달 작용제 튜브들과 물 박스(29)를 외피(3) 외부에서 조립하는 작용은 물 박스(29)의 벽에서 조립을 수행할 수 있게 하여, 예를 들어 비딩(beading)과 같은 기계적 조립, 또는 용접 또는 브레이징, 또는 밀폐 조인트에 의하여 그것이 밀폐되는 것을 보장한다.

이러한 제 2 실시예는 공급 튜브들과 복귀 튜브들 사이에 밀봉을 보장하는 수단이 불필요하다는 장점을 가진다.

예를 들어, 물 박스(29)들은 시트 금속의 2 개 플레이트 및 주위 벽으로부터 만들어진다. 따라서 수소 압력하에서 물 박스들이 붕괴되지 않도록, 브레이스들이 플레이트들 사이에 규칙적으로 배치된다. 이러한 브레이스들이 유리하게는 보빈의 형상으로 만들어질 수 있고 공동(20,22)과 관련하여 설명된 것과 동일한 장점을 가질 수 있다. 변형예로서, 블레이드들이 열전달 작용제를 위한 도관들로부터 그들 사이에서 직접적으로 만들어지고, 커넥터들이 조립 플레이트상에 장착되며, 예를 들어 도관들 안으로 강제되는 것이 생각될 수 있다. 용접 또는 브레이징의 작용은 예를 들어 블레이드들과 조립 플레이트 사이의 밀봉을 보장하게 할 수 있다.

각각의 하위 조립체(I, II)는 필요할 때 수소의 공급 및 수집 수단에 연결되며, 예를 들어 수소 전지에 대한 공급을 위하여 연결된다. 도시된 실시예에서, 수소의 공급 및 수집 수단에 대한 연결은 플랜지(10) 가까이에서 배럴(4)의 벽을 통해 밀접하게 지나가는 연결 튜브(30)에 의해 이루어진다. 하위 조립체(II)의 연결 튜브 및 연결 튜브(30)가 유리하게는 단일의 "크로우 풋(crow foot)" 연결부(32)에 의해 유리하게 형성되는데, 이것은 유체 유동을 동일한 압력으로 2 개의 분리 유동으로 분배한다. 따라서 2 개의 하위 조립체(I, II)들은 동일한 도관에 의해 동시에 공급된다. 이러한 연결부(32)는 양쪽 하위 조립체들에서 간단한 방법으로 동일한 압력을 얻을 수 있게 한다. 더욱이, 부피가 감소된다. 변형예로서, 탱크의 공급 수단의 연결은 플랜지(10)를 통해 이루어질 수 있다. 플랜지에 가깝게 또는 플랜지를 통한 연결은 수소 및 열전달 유체 공급이 가깝다는 장점을 가진다.

변형예로서, 수소 공급 수단의 연결은 볼록한 저부(6)에서 이루어질 수 있다.

구획부들은 수소에 밀봉되지 않는다; 수소가 외피로 주입될 때, 이것은 블레이드들 사이에서 순환하며, 특히 수평 블레이드들 사이에서 순환하며, 모든 구획부들에 있는 물질에 의해 흡수된다.

수집을 위하여, 모든 구획부들내에서 탈착(desorbe)된 수소는 연결부(30)에 의해 수집된다. 연결부들의 수를 감소시키기 위하여 수소 수집 및 공급을 위한 단일의 연결부가 이용되는 것이 바람직스럽다; 그러나, 수집 및 공급이 2 개의 분리된 연결부들을 통하여 발생되는 탱크가 본 발명의 범위 밖에 있는 것은 아니다.

열교환기 회로의 디자인 레벨에서 제 1 실시예와 상이한, 도 6 및 도 7 에 도시된 제 2 실시예에서, 구조체의 다른 특성들은 유사하거나 또는 동일하다. 도 6 및 도 7 의 도시된 탱크에서, 공급 튜브는 배럴의 저부 레벨에서 튜브의 굽힘부(34)에 의해 복귀 튜브와 하나의 부재로 만들어져서, 튜브는 동시에 공급 및 복귀의 역할을 하며, 따라서 물 박스(29)는 제거된다. 이러한 실시예는 공급 튜브들과 복귀 튜브들 사이의 밀봉을 더 간단하게 만들 수 있는 장점을 가진다.

이제 도 2 의 탱크를 제조하는 과정의 예를 설명하기로 한다.

구획부들은 캘리브레이션된 물질의 블록들로 채워지거나 또는 하이드라이트(hydrite)로 직접 채워지는데, 상기 캘리브레이션된 물질은 차후에 수소의 제 1 흡수중에 분말로 환원되고, 상기 하이드라이트는 이미 분말 상태로 환원된 것으로서 이것은 흡수/탈착 사이클을 통하거나 또는 그렇지 않을 수 있다.

열교환기는 예를 들어 구획부들을 수소화물(hydride)로 하나씩 채우거나 또는 몇개의 구획부들을 동시에 채움으로써 단계별로 조립된다.

하나의 레벨의 구획부들이 채워졌을 때, 빈 구획부들의 레벨은 채워졌던 레벨상에 배치되고 충전의 새로운 국면이 발생된다. 모든 레벨들이 중첩되었을 때 충전이 완료된다. 도 7 에서 하위 조립체(I)의 상부 부분에 있는 레벨들의 중첩이 도시되어 있다.

구획부들을 채우지 않고 탱크를 조립하는 것이 생각될 수 있으며, 구획부들은 차후에 채워지는데, 예를 들어 다른 제조 유닛에서 채워진다. 그러한 경우에, 구획부들을 채운 이후에 레벨들을 하나씩 조립할 수 있도록, 튜브들은 물 박스(29)들에 용접되지 않는다.

다음 단계에서, 각각의 열교환기는 그것의 물 박스와 조립된다. 용접 또는 팽창 롤링(expansion rolling)에 의해, 하위 조립체(1)의 열교환기의 튜브(16)들은 절반의 플레이트(2.1)에 고정되고, 하위 조립체(II)의 열교환기의 튜브(16)들은 절반 플레이트(2.2)에 고정된다. 다음에 각각의 열교환기는 외피(3)에 장착된다. 따라서 2 개의 하위 조립체(I,II)들이 만들어진다. 이들은 2 개의 플랜지(10)들을 지나는 스크류 및 너트 세트들과 조립 절반 플레이트(2.1, 2.2)들을 이용하여, 2 개의 절반 플레이트(2.1, 2.2)들을 접촉되게 배치함으로써 조립된다. 밀봉 조인트는 2 개의 절반 플레이트(2.1, 2.2) 사이에 그리고 플랜지(10)들과 절반 플레이트(2.1, 2.2)들 사이에 제공될 수 있다. 도시된 실시예에서, 배출 공동(20)이 그러하듯이, 분배 공동(22)은 2 개의 하위 조립체(I,II)들에 공통이다.

도 2 에서, 공동(20,22)으로 개방된 하위 조립체(II)의 튜브들의 단부들이 도시되어 있다. 이러한 단순화된 예(version)는 조립 플레이트를 더욱 가늘게 할 수 있어서, 탱크의 질량을 더욱 감소시킨다. 그러나, 조립체 플레이트가 하위 조립체(I,II)들중 하나에 대하여 전용된 공동들을 가지거나 또는 공통의 분배 공동 및 2 개의 수집 공동들을 가지는 탱크가 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.

도시된 실시예에서, 2 개의 하위 조립체들은 동일한 길이 방향 치수를 가진다. 그러나, 이들은 상이한 길이 방향 치수들을 가지고 만들어질 수 있으며, 예를 들어 통합을 용이하게 하도록 그러할 수 있다. 이러한 경우에, 2 개의 하위 조립체들 사이에서 연결부(32)가 수소 압력의 순간적인 균형을 허용한다면 수소의 공급은 균일한 방식으로 항상 보장된다.

도시된 실시예에서, 외부 시스템들에 대한 저장부의 연결은 조립 플레이트의 레벨에서 함께 그룹을 이루며, 이는 매우 유리할 수 있다. 그러나, 탱크 단부들의 레벨에서의 연결이 생각될 수 있다.

배럴(4), 반구형 단부(6) 및 플랜지(10)는 하나의 부재로 만들어질 수 있거나, 또는 예를 들어 용접 또는 냉간 플랜징(cold flanging)에 의해 몇개의 부분들이 조립될 수 있다. 이러한 3 개의 부분들은 동일한 재료 또는 상이한 재료로 만들어질 수 있다.

수소 저장부가 아직 제 위치에 있지 않고 그것이 개방된 공기에서 수행될 수 있으므로 용접 단계는 더 이상 문제가 되지 않는다.

압력을 유지하는 외피는 P355NL2 와 같은 금속 재료, 또는 316L 과 같은 스테인레스 스틸, 또는 수소 압력을 견딜 수 있는 것으로 규정에 의해 인정된 임의의 다른 금속으로 만들 수 있다. 대안으로서, 외피는 내측 외피 및 외측 외피와 같은 몇개의 부분들로 구성될 수 있는데, 내측 외피는 수소 밀폐를 보장하는 기능을 가지고 라이너(liner)라고 호칭되며, 외측 외피는 포함된 수소의 압력에 기인하는 기계적 응력을 견디도록 의도된다. 외측 외피는 예를 들어 폴리머 수지로 결합된 Keblar(등록 상표) 섬유 또는 카본 섬유, 유리의 필라멘트 권선에 의해 만들어질 수 있다. 내측 외피는 예를 들어 알루미늄 또는 스테인레스 스틸과 같은 금속으로 만들어질 수 있고 외피가 Type III 외피로 호칭되거나, 또는 폴리머 재료로 만들어질 수 있고 외피가 Type IV 외피로 호칭된다. 제 1 경우에, 외피는 Type III 외피로 호칭되고 제 2 경우에 Type IV 외피로 호칭된다.

탱크는 특히 제조가 단순한데, 왜냐하면 외피들이 그 자체로 제작되고 수소 저장 물질로 로딩딘 열교환기들은 2 개의 하위 조립체(I 및 II)를 형성하는 외피들 안으로 예를 들어 블록의 형태로 도입되며, 2 개의 하위 조립체들을 다음에 조립 플레이트로 가져간다. 더욱이, 연결들이 단순화된다.

회부 회로와 열교환기들 사이의 연결을 이루도록 조립 플레이트를 이용하는 것은 탱크 제조를 단순화시키고, 특히 그것이 밀봉되는 것을 단순화시킨다. 더욱이, 조립 플레이트 안에 위치된 동일한 물 박스들로부터 2 개의 열교환기를 제공함으로써, 필요한 부품들의 수가 감소되며, 이는 탱크의 질량을 감소시킨다.

예를 들어, 수소 저장 물질은 Mg, Mg-Ni, Mg-Cu, Ti-Fe, Ti-Mn, Ti-Ni, Ti-V, Mn-Ni, Ti-V-Cr, Ti-V-Fe 에 기초하여 구성될 수 있다. 사용되는 압력 및 온도에 의존하여, 수소 흡수 용량이 수소 저장 물질에 따라 변화된다. 수소를 흡수하는 다른 물질들, 예를 들어 알라네이트(NaA1H4)와 같은 가벼운 요소(light element)들을 가진 복합 화학 수소화물, LIBH4, NaBH4와 같은 Li 및 B 에 기한 수소화물(hydride) 또는 이미드(imides) 또는 아미드(amides)가 본 발명에서 설명된 기하 형태로 이용될 수도 있다.

더욱이, 만약 2 개의 외피들이 동일한 길이 방향 치수들을 가진다면, 제조되어야 하는 상이한 부품들의 수가 감소되며, 이것은 비용을 더욱 감소시킨다.

명백히, 열교환기의 그 어떤 다른 구조라도 2 개의 하위 조립체로 이용될 수 있다.

2. 조립 플레이트 3. 외피
4. 배럴 6. 반구형 부분
8. 고정 수단 10. 플랜지

Claims

수소를 수소화물(hydride) 형태로 저장하는 탱크로서, 상기 탱크는:
길이 방향 축(X);
제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)으로 형성된 라이너(liner);
조립 플레이트(2);
제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)중 하나에 각각 포함된 2 개의 열교환기(12);
수소 저장 물질을 위한 공간들; 및,
열전달 작용제를 공급 및 배출시키는 수단에 열교환기들을 연결시키기 위한 열교환기 연결 수단; 및,
수소를 공급 및 수집하는 수단에 연결하기 위한 수소 교환 연결 수단;을 포함하고,
제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II) 각각은 외피(3)를 가지고, 상기 외피는 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부(4.1) 및 개방된 길이 방향의 제 2 단부(4.2)를 포함하고, 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)은 조립 플레이트(2)에 의해 개별적인 개방된 길이 방향의 제 2 단부(4.2)들에서 접합되고, 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)의 내부 체적은 동일한 압력에 있도록 구성되고,
열교환기 연결 수단은 조립 플레이트(2)에 통합되는, 탱크.
제 1 항에 있어서,
외피(3)들 각각은 배럴(3) 및, 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부(4.1)를 형성하는 실질적으로 반구형의 저부(6)를 가지는, 탱크.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
열교환기들은 튜브(16)들을 가지며, 탱크의 2 개의 부분(I,II)들에서 열교환 유체는 상기 튜브들 안으로 순환될 수 있는, 탱크.
제 3 항에 있어서,
조립 플레이트(2)는 열전달 작용제의 분배를 위한 적어도 하나의 공동(20) 및 적어도 하나의 배출 공동(22)을 가지며, 상기 공동(20) 안으로 열교환기의 제 1튜브들이 개방되고, 상기 배출 공동(22) 안으로 열교환기의 제 2 튜브들이 개방되고, 각각의 제 1 튜브는 반구형 부분(6)의 레벨(level)에서 적어도 하나의 제 2 튜브에 연결되는, 탱크.
제 4 항에 있어서,
조립 플레이트는 2 개의 절반 플레이트들로 구성되고, 상기 절반 플레이트들 사이에 분배 공동 및 배출 공동이 형성되는, 탱크.
제 5 항에 있어서,
2 개의 절반 플레이트들 사이에 길이 방향으로 지향된 브레이스(brace)들을 가지고, 상기 브레이스들은 실질적으로 보빈(bobbin)의 형상인, 탱크.
제 4 항 내지 제 6 항의 어느 한 항에 있어서,
조립 플레이트(2)는 분배 공동(20)으로 개방된 적어도 하나의 반경 방향 통공(26) 및 배출 공동(22)으로 개방된 적어도 하나의 반경 방향 통공(28)을 가지며, 상기 통공들은 열전달 작용제의 공급 수단 및 배출 수단에 대한 연결을 위한 것인, 탱크.
제 4 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 있어서,
2 개의 열교환기들의 제 1 튜브들은 동일한 분배 공동(20)으로 개방되고, 2 개의 열교환기들의 제 2 튜브들은 동일한 배출 공동(22)으로 개방되는, 탱크.
제 4 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
외피들의 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부들 각각의 레벨에 위치되는 연결 챔버(29)들이 구비되고, 제 1 튜브 및 제 2 튜브가 연결 챔버들 안으로 개방되는, 탱크.
제 9 항에 있어서,
연결 챔버들중 적어도 하나에 위치된 브레이스(barace)들이 구비되고, 상기 브레이스들은 길이 방향으로 지향되고, 상기의 브레이스들은 실질적으로 보빈의 형상인, 탱크.
제 4 항 내지 제 8 항의 어느 한 항에 있어서,
각각의 열교환기(12)의 각각의 제 1 튜브 및 각각의 제 2 튜브는 U 튜브를 형성하고, U 의 저부는 외피들의 폐쇄된 길이 방향의 제 1 단부들의 레벨에 위치되는, 탱크.
제 1 항 내지 제 11 항의 어느 한 항에 있어서,
수소 교환 연결 수단은, 제 1 부분(I)의 조립 플레이트 또는 배럴(4)의 벽을 통해 연장되는 적어도 하나의 연결 튜브(30) 및 조립 플레이트 또는 제 2 부분(II)의 배럴을 통해 연장되는 적어도 하나의 연결 튜브를 구비하는, 탱크.
제 12 항에 있어서,
수소 연결 튜브(30)들은 제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)의 수소 압력 챔버들을 직접적으로 상호 연결하는 "크로우 풋(crow foot)" 연결부(32)를 형성하는, 탱크.
제 1 항 내지 제 13 항의 어느 한 항에 있어서,
제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II) 각각은 플랜지(10)를 구비하고, 스크류 및 너트 세트들에 의하여 또는 용접에 의하여 플랜지는 조립 플레이트(2)에 고정되는, 탱크.
제 1 항 내지 제 14 항의 어느 한 항에 있어서,
수소 저장 물질을 위한 공간들이 열교환기들에 의해 형성되는, 탱크.
제 1 항 내지 제 15 항의 어느 한 항에 따른 탱크 및 수소 저장 물질.
제 16 항에 따른 탱크의 제조 방법으로서,
제 1 부분(I) 및 제 2 부분(II)의 외피(3)들을 만드는 단계;
수소 저장 물질로 로딩(loading)된 각각의 열교환기(12)를 열전달 매체 튜브들의 단부들에 의해 조립 플레이트에 부착하는 단계;
열교환기(12)를 제 1 부분 및 제 2 부분을 형성하는 외피들 안으로 배치하는 단계; 및,
외피들을 조립 플레이트상에서 조립하는 단계;를 포함하는, 탱크의 제조 방법.
제 17 항에 있어서,
조립 플레이트는 2 개의 절반 플레이트(2.1, 2.2)들로부터 만들어지고, 각각의 열교환기의 튜브들은 조립 플레이트의 하나의 절반 플레이트상에 고정되고, 외피들이 조립될 때 2 개의 절반 플레이트들이 조립되는, 탱크의 제조 방법.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
외피들은 실질적으로 반구형 단부에 의해 폐쇄된 배럴을 구비하고, 상기 배럴들에는 그들의 개방 단부에 플랜지들이 설치되고, 제 1 부분 및 제 2 부분의 조립은 플랜지들 및 2 개인 절반의 조립 플레이트들을 통해 연장되는 스크류 및 너트 세트들에 의해 수행되거나 또는 용접에 의해 수행되는, 탱크의 제조 방법.