KR20170062785A

KR20170062785A - 고체 수소 저장 장치

Info

Publication number: KR20170062785A
Application number: KR1020150168394A
Authority: KR
Inventors: 최현규
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-08
Also published as: CN206259440U; KR102430095B1

Abstract

본 발명은 고체 수소 저장 방식으로 수소를 저장하기 위한 고체 수소 저장 장치에 관한 것으로, 수소를 저장하기 위한 몸체부의 일측 단부 및 타측 단부를 반구형태로 형성한 용기본체; 상기 용기본체의 일측 단부에 결합된 수소 출입부; 상기 용기본체의 타측 단부에 결합되며, 수소 흡수 및 방출에 사용하기 위한 열교환용 열매체가 출입되는 열매체 출입부; 상기 열매체 출입부에 연결된 이중튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브로부터 방사 방향으로 분기된 후 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 다수의 분기튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브의 안쪽에서 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 중심튜브와, 상기 분기튜브 및 상기 중심튜브가 연결된 마감튜브를 구비하고, 상기 용기본체의 내부에 배치되는 매니폴딩부; 상기 매니폴딩부의 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지고, 상기 용기본체의 내부에서 길이 방향을 따라 다수로 적층되는 핀 플레이트; 및 상기 핀 플레이트에 다수로 배치되며 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지며, 수소 저장용 고체 분말로 이루어진 저장디스크;를 포함한다.

Description

고체 수소 저장 장치{APPARATUS FOR STORING SOLID-STATE HYDROGEN}

본 발명은 고체 수소 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지차량의 수소 기체 연료를 공급하는 고체 수소 저장 방식의 효율적인 열교환이 가능하도록 경량화되고 효율적인 열교환량 및 열균일도를 확보한 고체 수소 저장 장치에 관한 것이다.

근래 들어 기후환경협약이 실질적으로 가동되고, 또한 오일 유가가 매일 최고가를 갱신하면서 석유를 대체할 수 있는 신에너지의 개발이 절실해지고 있다.

에너지원으로서 재생 불가능한 화석에너지는 산업화의 가속화 현상에 따라 급증하여 고갈의 위기에 처해 있고, 연소과정에서 부산 되는 유해물질은 환경 및 자연생태계를 위협하고 있는 상황이다.

이러한 상황을 해결하기 위해 대두되고 있는 신재생에너지원은 유해물질의 배출이 없으면서도 지속적으로 공급이 가능한 방향으로 개방되고 있다.

예컨대, 수소는 지구상 어디에나 풍부히 존재하는 물로부터 지속적으로 제조할 수 있어서 그 원료가 고갈될 염려가 없으며, 연소하면 공해물질은 거의 배출하지 않고 다시 물을 생산하는 청정에너지이다.

한편, 연료전지 차량 구동의 필수 선결조건 중 하나로서, 안정적인 수소기체 연료의 공급은 필수적으로 선결이 되어야 한다. 이러한 수소 저장 장치의 구성을 위하여 고압 기체 저장 방식, 액체 수소 저장 방식, 그리고 고체 수소 저장 방식 등과 같이 크게 3가지 방식의 연구가 진행 중이다. 모든 연구는 안전성이 수반된 수소의 저장량을 증가시키는 방식으로 연구가 진행되고 있다.

고압 기체 저장 방식은 가장 보편화된 방식으로써 700bar에서의 고압의 기체를 저장하고 있으나, 추가적인 수소기체의 저장에는 한계를 보유하고 있다.

액체 수소 저장 방식은 수소를 액화시킨다는 면에서 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 장점은 보유하고 있지만 극저온에서의 액화라는 특성상 극저온을 유지시켜 주어야 한다는 문제점을 보유하고 있다.

고체 수소 저장 방식의 경우 수소 저장용 고체 분말에 수소기체를 반응시켜 저장을 하는 방식으로써 고압기체에 비하여 상대적으로 낮은 압력(예: 150bar 이하)과 액체저장방식과는 달리 극저온이 아닌 고온(예: 200℃) 동작이라는 면에서 상대적으로 개발이 용이하다는 장점과 더불어 수소기체의 저장량이 크다는 장점이 있다.

그러나, 종래 기술에 따른 고체 수소 저장 방식 역시 많은 개발의 과제를 보유하고 있으며 이를 해결하기 위한 개발이 현재 유수의 국가기관 및 기업에서 연구를 진행하고 있다.

첫번째 과제는 많은량의 기체 수소를 고체화 시킬 수 있는 금속수소화물 분발의 개발이 요구되고 있다.

두번째 과제는 저장 용기의 구조적인 열교환 성능 확보를 위한 기술 개발이다. 즉, 수소의 흡수 및 방출시에는 열이 발생되는데, 그 열의 냉각과 승온의 성능확보와 동시에, 한정된 공간을 갖는 연료전지 차량에 탑재할 수 있도록, 효율적인 구성을 통해 부피 및 무게를 최소화 해야 실정이다.

그러나, 종래 기술에 따른 고체 수소 저장 장치는 고체 분말 내 수소를 흡착하는 방식으로 저장하거나, 고체 분말로부터 저장된 수소를 방출하도록 상대적으로 복잡하고 무거운 통상적인 열교환기를 탑재하고 있다.

즉, 종래 기술의 열교환기는 냉매 유입구와 냉매 유출구 사이에 마련된 복잡한 구조의 냉매 분배 구조물과, 그 냉매 분배 구조물에 연결된 다수의 U자관 냉각 채널을 구비하고, 이때 고체 분말 충진용 포켓을 갖는 구조물은 각 냉각 채널에 연결되어 있다.

그러나, 종래 기술의 고체 수소 저장 장치의 열교환기는 그의 형태가 복잡하여 제작시의 어려움이 있고, 열교환기의 중량이 상대적으로 무겁기 때문에, 연료전지차량에 탑재가 가능하도록 최소의 중량 및 부피의 확보가 요구되면서도, 고체 수소 저장 장치의 무게 저장 밀도 및 부피 저장 밀도도 상대적으로 크게 해야하는 난관에 봉착한 상황이다.

즉, 종래 기술의 고체 수소 저장 장치는 열교환기의 연결구조가 매우 복잡하게 구성이 되어 있고, 이에 따라 추가적인 부품수와 더불어 제작 공정의 공수가 높아지는 문제점이 있다.

또한, 일부 고체 수소 저장 장치는 열교환기 없는 방열 타입으로 제작되어 있어서, 수소의 흡수 및 방출시에 발생하는 열을 효과적으로 처리하지 못하는 단점이 있다.

본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 경량화되고 이중튜브로부터 방사 방향으로 분기된 분기튜브 및 중심튜브를 갖는 매니폴딩부를 제공하여, 고체 수소 저장 방식을 이용한 연료의 공급을 원활히 수행할 수 있고, 구조적으로 경량화되면서도 효율적인 열교환이 가능하며, 연료전지차량에서 요구되는 열교환량 및 열균일도를 확보하여, 수소저장량을 증가시킬 수 있고, 매니폴딩용 튜브 개수를 상대적으로 줄이고, 열매체 누수 포인트를 최소화할 수 있도록 구성한 고체 수소 저장 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고체 수소 저장 장치는, 수소를 저장하기 위한 몸체부의 일측 단부 및 타측 단부를 반구형태로 형성한 용기본체; 상기 용기본체의 일측 단부에 결합된 수소 출입부; 상기 용기본체의 타측 단부에 결합되며, 수소 흡수 및 방출에 사용하기 위한 열교환용 열매체가 출입되는 열매체 출입부; 상기 열매체 출입부에 연결된 이중튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브로부터 방사 방향으로 분기된 후 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 다수의 분기튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브의 안쪽에서 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 중심튜브와, 상기 분기튜브 및 상기 중심튜브가 연결된 마감튜브를 구비하고, 상기 용기본체의 내부에 배치되는 매니폴딩부; 상기 매니폴딩부의 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지고, 상기 용기본체의 내부에서 길이 방향을 따라 다수로 적층되는 핀 플레이트; 및 상기 핀 플레이트에 다수로 배치되며 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지며, 수소 저장용 고체 분말로 이루어진 저장디스크;를 포함한다.

상기 용기본체는 상기 핀 플레이트 중 최종단에 적층된 일측 핀 플레이트와 타측 핀 플레이트의 외측을 기준으로 상기 용기본체의 내부에 배치되는 프레스 플레이트를 포함한다.

상기 수소 출입부는 상기 수소의 흡수 및 방출의 통로에 배치되는 소결 스테인레스 필터(sintered stainless filter)를 포함한다.

상기 열매체 출입부는, 상기 이중튜브의 외측튜브와 내측튜브의 사이에 열매체를 유입시키도록 상기 이중튜브의 끝단에 결합된 중공 링 단면의 유입부, 및 상기 유입된 열매체를 배출시키도록 상기 이중튜브의 내측튜브인 상기 중심튜브의 타측 끝단부와 연결되는 배출부를 포함한다.

상기 매니폴딩부는, 상기 중심튜브의 타측 끝단부가 기밀하게 관통하도록 상기 이중튜브의 끝단면에 형성된 중심구멍; 상기 분기튜브의 타측 끝단과 관통하게 연결되도록 상기 이중튜브의 상기 외측튜브의 원주면에 형성된 제 1 분기구멍; 상기 분기튜브의 일측 끝단과 관통하게 연결되도록 마감튜브의 원주면에 형성된 제 2 분기구멍을 포함한다.

상기 마감튜브는, 상기 중심튜브의 일측 끝단부와 용접되어 서로 연결된 연결부와, 상기 중심튜브가 위치한 곳의 반대쪽에서 상기 연결부에 일체형으로 형성되고, 상기 연결부보다 큰 직경을 갖고, 상기 마감튜브의 끝단을 마감하고, 상기 용기본체의 내부에서 상기 수소 출입부와 이격되게 배치된 캡 형상의 마감부를 포함한다.

상기 핀 플레이트는, 상기 저장디스크가 다수로 배치되는 원형의 제 1 베이스판과, 상기 제 1 베이스판의 외곽을 따라 형성되며 상기 저장디스크의 두께보다 상대적으로 작게 돌출된 높이를 갖는 원형벽과, 상기 제 1 베이스판의 중심에 형성된 제 1 중심튜브 관통홀과, 상기 분기튜브의 위치에 대응하도록 상기 제 1 베이스판에 형성된 제 1 분기튜브 관통홀과, 상기 제 1 중심튜브 관통홀의 주변으로 상기 제 1 베이스판에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 1 수소 유동홀, 및 상기 원형벽에 근접하면서 상기 저장디스크의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 1 베이스판에 형성되며 상기 제 1 수소 유동홀에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 수소 유동홀을 포함한다.

상기 프레스 플레이트는, 상기 저장디스크의 표면 또는 상기 핀 플레이트의 표면에 밀착되는 제 2 베이스판과, 상기 제 2 베이스판의 중심에 형성된 제 2 중심튜브 관통홀과, 상기 분기튜브의 위치에 대응하도록 상기 제 2 베이스판에 형성된 제 2 분기튜브 관통홀과, 상기 제 2 중심튜브 관통홀의 주변으로 상기 제 2 베이스판에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 3 수소 유동홀, 및 상기 제 2 베이스판의 외주에 근접하면서 상기 저장디스크의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 2 베이스판에 형성되며 상기 제 3 수소 유동홀에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 4 수소 유동홀을 포함한다.

본 발명에 의한 고체 수소 저장 장치는, 수소의 흡수 또는 방출시에 발생하는 열과 열교화하는 열매체의 공급 및 회수를 위한 다수의 매니폴딩용 튜브의 개수를 줄인 경량화된 매니폴딩부를 제공함에 따라, 제조 공정을 단순화 시킬 수 있고, 열매체 누수 포인트를 최소화여 안전성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 고체 수소 저장 장치는, 핀 플레이트 및 프레스 플레이트를 구비하되, 핀 플레이트에 다수의 수소 흡수 또는 흡착용 고체 분말로 이루어진 저장디스크를 배치하고, 다수의 핀 플레이트를 용기 길이 방향으로 적층한 후, 프레스 플레이트로 가압한 후, 프레스 플레이트를 용기본체에 고정함으로써, 적층된 핀 플레이트들이 고정되도록 하여 용기본체의 내부에서 핀 플레이트들이 이동되지 않게 할 수 있고, 이를 통해서 열교환 성능 향상과 더불어 저장디스크의 구조적 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 고체 수소 저장 장치는, 용기본체의 길이 방향의 일측 단부와 타측 단부를 반구형태를 구현함으로써, 내압 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 수소 저장 장치의 사시도.
도 2는 도 1에서 용기본체 및 열매체 출입부를 제거한 분리 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 매니폴딩부의 사시도.
도 4는 도 3의 원 A에 수소 출입부를 결합한 상태의 확대 단면도.
도 5는 도 3의 원 B의 확대 단면도.
도 6은 도 2에 도시된 매니폴딩부와 핀 플레이트간 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 7은 도 2에 도시된 매니폴딩부와 핀 플레이트 및 저장디스크간 결합관계를 설명하기 위한 사시도.
도 8은 도 1에 도시된 수소 출입부를 설명하기 위한 확대 단면도.
도 9는 수소 흡입시 도 1에 도시된 고체 수소 저장 장치의 냉각 성능을 보인 시뮬레이션 해석 캡쳐도.
도 10은 수소 흡입시 도 1에 도시된 고체 수소 저장 장치의 매니폴딩부의 열매체 유속 분포를 보인 시뮬레이션 해석 캡쳐도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체 수소 저장 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에서 용기본체 및 열매체 출입부를 제거한 분리 사시도이다.

도 1 또는 도 2를 참조하면, 본 실시예는 용기본체(100), 수소 출입부(200), 열매체 출입부(300), 매니폴딩부(400), 핀 플레이트(500, 501), 저장디스크(600), 프레스 플레이트(700, 701)를 포함한다.

용기본체(100)는 수소를 저장하기 위한 몸체부(110)의 일측 단부(111) 및 타측 단부(112)를 반구형태로 형성하고 있다.

용기본체(100)의 내부에 들어갈 구성품의 조립 또는 탑재를 위해서, 일측 단부(111) 또는 타측 단부(112)는 몸체부(110)로부터 개별적으로 제작 후 용접을 통해 합체될 수 있다.

용기본체(100)는 금속 재질로 이루어지며, 압력용기 형태로 제작되어 있다.

수소 출입부(200)는 수소의 흡수 및 방출의 통로가 된다. 수소 출입부(200)는 용기본체(100)의 일측 단부(111)에 결합된다.

열매체 출입부(300)는 용기본체(100)의 타측 단부(112)에 결합되며, 수소 흡수 및 방출에 따른 열교환용 열매체가 출입된다.

매니폴딩부(400)는 열매체 출입부(300)로 유입되는 열매체를 열교환기에 해당하는 분기튜브로 분배하는 역할과, 분기튜브의 열매체를 수거하여 다시 열매체 출입부(300) 쪽으로 수거하여 배출시키는 역할과, 상기 분기튜브를 통해서 열매체의 열과 저장디스크(600)의 열을 열교환하는 역할을 담당한다.

핀 플레이트(500)는 용기본체(100)의 내부에 적층되거나 다수의 단을 이루도록 복수개로 이루어질 수 있다.

핀 플레이트(500)는 매니폴딩부(400)의 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지고, 상기 용기본체(100)의 내부에서 길이 방향을 따라 다수로 적층된다.

핀 플레이트(500)는 저장디스크(600)를 지지하며 열교환 성능을 향상시키는 열 분산 및 방열의 역할도 담당할 수 있다.

저장디스크(600)는 수소 저장용 고체 분말로 이루어진 일종의 고체수소분말 디스크(Compacted Metal Hydride)일 수 있다.

저장디스크(600)는 핀 플레이트(500)별로 다수로 배치되고, 핀 플레이트(500)와 함께, 상기 용기본체(100)의 내부에서 길이 방향을 따라 다수로 적층된다.

각 저장디스크(600)는 삽입홀이 중심에 형성되어 있는 링형상으로 형성되어 있다.

이렇게 다수의 저장디스크(600)는 매니폴딩부(400)의 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워진 상태로 각 핀 플레이트(500) 위에 배치된다.

분기튜브 또는 중심튜브는 적층된 저장디스크(600)의 삽입홀을 관통하고 튜브 길이 방향으로 연장되어 있을 수 있다.

프레스 플레이트는 핀 플레이트(500) 중 최종단에 적층된 일측 핀 플레이트(500)와 타측 핀 플레이트(501)의 외측을 기준으로 용기본체(100)의 내부에 배치된다.

즉, 프레스 플레이트(700, 701)는 적층된 핀 플레이트(500, 501)들의 최상단 위 또는 최하단 아래를 지지하거나, 프레스 플레이트(700, 701)끼리 가까워지는 방향으로 압착된 후 용기본체(100)의 내측 표면에 고정될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 매니폴딩부의 사시도이고, 도 4는 도 3의 원 A에 수소 출입부를 결합한 상태의 확대 단면도이고, 도 5는 도 3의 원 B의 확대 단면도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 매니폴딩부(200)는 용기본체의 내부에 배치되는 구성품이다.

매니폴딩부(400)는 열매체 출입부(300)에 연결된 이중튜브(410)와, 상기 이중튜브(410)의 외측튜브(411)로부터 방사 방향으로 분기된 후 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 다수의 분기튜브(420)와, 상기 이중튜브(410)의 외측튜브(411)의 안쪽에서 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 중심튜브(430)와, 상기 분기튜브(420) 및 상기 중심튜브(430)가 연결되 마감튜브(440)를 구비한다.

분기튜브(420)는 일자형 파이프의 일측 끝단과 타측 끝단에 경사형 엘보를 각각 구비한 형태로 제작되어 있을 수 있다.

이중튜브(410)는 열교환 전 상태의 열매체(예: 매니폴딩부(400)의 분기튜브(420) 내의 유동 흐름을 나타낸 화살표)를 위한 외측튜브(411)와, 중심튜브(430)의 타측 끝단부인 내측튜브(431)로 구성될 수 있다. 여기서, 매니폴딩부(400)의 중심튜브(430) 내의 유동 흐름을 나타낸 화살표는 열교환 후 상태의 열매체를 의미한다.

중심튜브(430)의 타측 끝단부와 내측튜브(431)는 동일 직경의 파이프 부재로서 일체형으로 제작되거나, 별도 제작 후 용접에 의해 서로 연결되어 합체될 수 있다.

외측튜브(411)는 열매체의 유입을 위한 것으로서 다수의 분기튜브(420)와 연결 되어있어서, 열매체를 다수의 분기튜브(420) 쪽으로 고르게 분산을 시켜주는 역할을 한다.

도 4에 점선으로 표시한 바와 같이, 열매체 출입부(300)는 유입부(310)와 배출부(320)를 포함한다.

유입부(310)는 이중튜브(410)의 외측튜브(411)와 내측튜브(431)의 사이에 열매체를 유입시키도록 이중튜브(410)의 끝단에 결합되고, 중공 링 단면을 갖는다.

유입부(310)의 외측벽에는 열매체의 유입을 위한 유입호스(311)가 더 결합되어 있을 수 있다.

배출부(320)는 유입된 열매체가 열교환을 끝마치고 배출될 수 있도록, 중심튜브(430)의 타측 끝단부에 해당하는 이중튜브(410)의 내측튜브(431)와 연결된다. 이러한 배출부(320)에는 미 도시된 열매체 공급일 위한 공급호스가 더 결합되어 있을 수 있다. 공급호스 또는 유입호스(311)는 열매체 공급 회수 장치(미 도시)에 연결되어 있다.

매니폴딩부(400)는 내측튜브(431)인 중심튜브(430)의 타측 끝단부가 기밀하게 관통하도록 이중튜브(410)의 끝단면에 형성된 중심구멍(412)을 포함한다. 중심구멍(412)의 테두리 및 그 테두리와 접촉하는 중심튜브(430)의 외표면에는 용접부가 형성된다.

매니폴딩부(400)는 분기튜브(420)의 타측 끝단과 관통하게 연결되도록 이중튜브(410)의 외측튜브(411)의 원주면에 형성된 제 1 분기구멍(413)을 포함한다. 제 1 분기구멍(413)은 분기튜브(420)의 개수 및 배치 위치를 기준으로 다수개로 이루어질 수 있다.

도 5를 참조하면, 매니폴딩부(400)는 분기튜브(420)의 일측 끝단과 관통하게 연결되도록 마감튜브(440)의 원주면에 형성된 제 2 분기구멍(443)을 포함한다. 제 2 분기구멍(443)도 분기튜브(420)의 개수 및 배치 위치를 기준으로 다수개로 이루어질 수 있다.

제 2 분기구멍(443) 또는 도 4의 제 1 분기구멍(413)이 분기튜브(420)에 연결되는 부위에도 용접부가 형성되어 기밀한 연결관계를 유지할 수 있다.

다수의 분기튜브(420)는 일종의 서브 열교환 튜브이다.

매니폴딩부(400)의 중앙에 배치된 중심튜브(430)는 일종의 메인 열교환 튜브이다.

분기튜브(420)의 일측 끝단은 마감튜브(440)로 합쳐지게 된다.

마감튜브(440)는 중심튜브(430)의 일측 끝단부와 용접되어 서로 연결된 연결부(441)를 포함한다.

또한, 마감튜브(440)는 중심튜브(430)가 위치한 곳의 반대쪽에서 상기 연결부(441)에 일체형으로 형성되고, 상기 연결부(441)보다 큰 직경을 갖고, 상기 마감튜브(440)의 끝단을 마감하는 캡 형상의 마감부(442)를 포함한다. 여기서, 마감부(442)는 용기본체(100)의 내부에서 도 8에 도시된 바와 같이 수소 출입부(200) 또는 수소 출입부(200)의 소결 스테인레스 필터(210)(sintered stainless filter)와 이격되게 배치된다.

도 4를 참조하면, 열매체 공급 회수 장치(미 도시)의 열매체는 매니폴딩부(400)의 열매체 출입부(300)의 유입부(310)의 내부로 공급된다.

이후, 열매체는 외측튜브(411)와 내측튜브(431)의 사이 공간으로 유동한다. 이후, 열매체는 다수의 제 1 분기구멍(413)을 통해 해당 분기튜브(420) 쪽으로 유동하여 분산된다.

또한, 각 분기튜브(420)의 열매체는 수소의 흡수 또는 방출시에 발생하는 열과 열교환을 수행한다.

도 5를 참조하면, 열교환을 끝낸 열매체는 분기튜브(420)로부터 제 2 분기구멍(443)을 경유하여 마감튜브(440)의 내부에서 합쳐진다. 이후 합쳐진 열매체는 중심튜브(430)를 경유하여 다시 열매체 출입부(300) 쪽으로 유동한다. 즉, 중심튜브(430)의 열매체는 최종적으로 열매체 출입부(300)의 내측튜브(431) 및 열매체 출입부(300)의 배출부(320)에 도달하고, 이후 열매체 공급 회수 장치(미 도시)로 회수되고, 이와 같은 공급 회수가 반복되어서 열매체의 순환이 이루어진다.

이러한 본 실시예는 번들 구조의 다수의 열교환 파이프와, 열교환 파이프의 일측에 배치된 매니폴드관과, 열교환 파이프의 타측에 배치된 매니폴드관으로 이루어진 종래의 구조물에 비하여, 탱크본체의 내부 구성품을 효율적으로 배치할 수 있게 함과 동시에 열매체의 유입과 유출이 하나의 위치로 통합되어서 열매체 누출의 관리 포인트를 최소화시킬 수 있게 된다.

도 6은 도 2에 도시된 매니폴딩부와 핀 플레이트간 결합관계를 설명하기 위한 사시도이고, 도 7은 도 2에 도시된 매니폴딩부와 핀 플레이트 및 저장디스크간 결합관계를 설명하기 위한 사시도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 핀 플레이트(500)는 저장디스크(600)가 다수로 배치되는 원형의 제 1 베이스판(510)과, 제 1 베이스판(510)의 외곽을 따라 형성되며 상기 저장디스크(600)의 두께보다 상대적으로 작게 돌출된 높이를 갖는 원형벽(520)을 포함한다. 원형벽(520) 또는 제 1 베이스판(510)의 외경은 앞서 설명한 용기본체의 내경에 삽입될 수 있는 정도의 치수를 가질 수 있다.

핀 플레이트(500)는 제 1 베이스판(510)의 중심에 형성된 제 1 중심튜브 관통홀(530)과, 상기 분기튜브(420)의 위치에 대응하도록 상기 제 1 베이스판(510)에 형성된 제 1 분기튜브 관통홀(540)과, 상기 제 1 중심튜브 관통홀(530)의 주변으로 상기 제 1 베이스판(510)에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 1 수소 유동홀(550)과, 상기 원형벽(520)에 근접하면서 상기 저장디스크(600)의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 1 베이스판(510)에 형성되며 상기 제 1 수소 유동홀(550)에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 수소 유동홀(560)을 포함한다.

각 핀 플레이트(500)마다 상기 제 1 수소 유동홀(550) 및 제 2 수소 유동홀(560)의 중심은 서로 일치한다.

핀 플레이트(500, 501)의 역할은 3가지 이다. 첫번째는 분기튜브(420) 및 중심튜브(430)와 저장디스크(600)과의 접촉면적 외에 추가적인 접촉면적을 부가함으로써, 저장디스크(600)의 냉각 및 승온시 열교환 효율을 높임과 동시에 열균일도를 달성할 수 있다. 두번째는 저장디스크(600)의 하부와 외부를 감쌈으로써 저장디스크(600)의 이동을 최소화 할 수 있다. 세번째는 핀 플레이트(500, 501)의 제 2 수소 유동홀(560)이 하기의 도 8을 통해 설명할 프레스 플레이트(700, 701)의 제 4 수소 유동홀(760)과 함께 규칙적인 구조, 즉 중심이 서로 일치된 구조로 형성됨에 따라, 수소의 흡수 및 방출을 용이하게 하거나, 수소의 유동이 원활하게 이루어질 수 있는 통로의 역할을 수행할 수 있다.

도 8은 도 1에 도시된 수소 출입부를 설명하기 위한 확대 단면도이다.

도 8을 참조하면, 수소 출입부(200)는 수소의 흡수 및 방출의 통로에 배치되는 소결 스테인레스 필터(210)를 포함하고 있다.

수소의 유출입은 필수이며 본 실시예서 수소, 즉 수소 기체의 유출입은 소결 스테인레스 필터(210)을 통하여 이루어 진다. 소결 스테인레스 필터(210)는 다공성 물질로 이루어져 있고, 그 물질의 특성상 액체와 고체는 유출입이 불가하고, 기체 상태의 물질만 이동이 가능하다.

또한, 마감튜브(440)는 용기본체(100)의 내부에서 이격거리(G)에 대응하도록 수소 출입부(440)와 이격되게 배치되어 있다. 이격거리(G) 내 및 그 주변의 수소의 압력은 마감튜브(440)의 열매체의 열을 전달받아서 출력 압력으로 변환될 수 있으므로, 수소를 더욱 효율적으로 배출시킬 수 있다.

일측 프레스 플레이트(700)는 저장디스크(600)의 표면에 밀착되는 제 2 베이스판(710)을 포함한다. 한편 최하단의 핀 플레이트(501)를 지지하는 타측 프레스 플레이트(701)의 제 2 베이스판은 최하단의 핀 플레이트(501)의 표면에 밀착될 수 있다.

이러한 프레스 플레이트(700, 701)는 제 2 베이스판(710)의 중심에 형성된 제 2 중심튜브 관통홀(730)과, 분기튜브(420)의 위치에 대응하도록 제 2 베이스판(710)에 형성된 제 2 분기튜브 관통홀(740)과, 상기 제 2 중심튜브 관통홀(740)의 주변으로 상기 제 2 베이스판(710)에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 3 수소 유동홀(750)과, 상기 제 2 베이스판(710)의 외주에 근접하면서 상기 저장디스크(600)의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 2 베이스판(710)에 형성되며 상기 제 3 수소 유동홀(750)에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 4 수소 유동홀(760)을 포함한다.

프레스 플레이트(700, 701)의 제 4 수소 유동홀(760)의 중심은 핀 플레이트(500, 501)의 제 2 수소 유동홀의 중심과 일치되어서, 용기본체(100) 내에서 수소의 원활한 유동이 이루어질 수 있다.

또한, 열매체의 유출입과 수소 기체의 유출입은 저장용기(100)에서 서로 반대방향에서 이루어지진다.

프레스 플레이트(700, 701)는 적층된 핀 플레이트(500, 501) 및 저장디스크(600)로 이루어진 어셈블리의 양단을 가압하는 용도로 사용되며, 조립후에 여러단의 저장디스크(600)들의 고정을 통한 이동방지의 역할을 수행할 수 있다.

도 9는 수소 흡입시 도 1에 도시된 고체 수소 저장 장치의 냉각 성능을 보인 시뮬레이션 해석 캡쳐도이고, 도 10은 수소 흡입시 도 1에 도시된 고체 수소 저장 장치의 매니폴딩부의 열매체 유속 분포를 보인 시뮬레이션 해석 캡쳐도이다.

도 9 및 도 10은 위에서 설명한 구성품을 바탕으로 수소 흡입시 열매체의 유동흐름과 이의 냉각 성능을 해석으로 얻어낸 결과를 보여주고 있다.

도 9를 통해 확인 할 수 있듯이, 중심부를 제외한 주위 6개의 저장디스크들의 온도분포가 매우 유사함을 확인 할 수 있다. 이때 주위 저장디스크의 중심부의 온도가 매우 낮은 부분은 열매체의 온도에 기인한 것으로 중심부에서부터 고르게 냉각이 되는 것을 확인 할 수 있다.

중심에 있는 저장디스크의 경우 주위 저장디스크 6개의 온도에 비해 상대적으로 낮은 것을 확인 할 수가 있다. 이는 2가지 원인에 기인한 것으로 첫번째는 중심튜브의 직경이 큼으로 인하여 저장디스크와의 접촉면적이 큼으로 생길 수 있다.

도 10을 참조하면, 다른 이유는 매니폴딩부의 중심튜브의 유속이 분기튜브에 비해 빠름으로 기인한 것으로 보인다.

이에 따라 본 실시예서는 이러한 중심튜브가 통과하는 저장디스크와 그 주위의 분기튜브가 통과하는 저장디스크의 온도차를 최소화 하기 위하여 두가지 방법이 사용될 수 있다.

즉, 첫번째는 중심튜브가 통과하는 저장디스크의 직경과 분기튜브가 통과하는 저장디스크의 직경 비율을 조절하는 방법이 있을 수 있고, 두번째는 중심튜브의 직경을 조절하여, 열매체의 유동 유량을 조절하는 방법이 있다. 이러한 방법으로 저장디스크간 온도차이를 조절 또는 제어하여 최적화 한다면 균일한 열의 분포를 달성할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 용기본체 200 : 수소 출입부
210 : 소결 스테인레스 필터 300 : 열매체 출입부
400 : 매니폴딩부 500, 501 : 핀 플레이트
600 : 저장디스크 700, 701 : 프레스 플레이트

Claims

수소를 저장하기 위한 몸체부의 일측 단부 및 타측 단부를 반구형태로 형성한 용기본체;
상기 용기본체의 일측 단부에 결합된 수소 출입부;
상기 용기본체의 타측 단부에 결합되며, 수소 흡수 및 방출에 사용하기 위한 열교환용 열매체가 출입되는 열매체 출입부;
상기 열매체 출입부에 연결된 이중튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브로부터 방사 방향으로 분기된 후 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 다수의 분기튜브와, 상기 이중튜브의 외측튜브의 안쪽에서 상기 용기본체의 길이 방향을 따라 연장된 중심튜브와, 상기 분기튜브 및 상기 중심튜브가 연결된 마감튜브를 구비하고, 상기 용기본체의 내부에 배치되는 매니폴딩부;
상기 매니폴딩부의 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지고, 상기 용기본체의 내부에서 길이 방향을 따라 다수로 적층되는 핀 플레이트; 및
상기 핀 플레이트에 다수로 배치되며 상기 분기튜브 또는 중심튜브에 끼워지며, 수소 저장용 고체 분말로 이루어진 저장디스크;를 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 용기본체는 상기 핀 플레이트 중 최종단에 적층된 일측 핀 플레이트와 타측 핀 플레이트의 외측을 기준으로 상기 용기본체의 내부에 배치되는 프레스 플레이트를 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 수소 출입부는 상기 수소의 흡수 및 방출의 통로에 배치되는 소결 스테인레스 필터(sintered stainless filter)를 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 열매체 출입부는,
상기 이중튜브의 외측튜브와 내측튜브의 사이에 열매체를 유입시키도록 상기 이중튜브의 끝단에 결합된 중공 링 단면의 유입부, 및
상기 유입된 열매체를 배출시키도록 상기 이중튜브의 내측튜브인 상기 중심튜브의 타측 끝단부와 연결되는 배출부를 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 매니폴딩부는,
상기 중심튜브의 타측 끝단부가 기밀하게 관통하도록 상기 이중튜브의 끝단면에 형성된 중심구멍;
상기 분기튜브의 타측 끝단과 관통하게 연결되도록 상기 이중튜브의 상기 외측튜브의 원주면에 형성된 제 1 분기구멍;
상기 분기튜브의 일측 끝단과 관통하게 연결되도록 마감튜브의 원주면에 형성된 제 2 분기구멍을 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 마감튜브는,
상기 중심튜브의 일측 끝단부와 용접되어 서로 연결된 연결부와,
상기 중심튜브가 위치한 곳의 반대쪽에서 상기 연결부에 일체형으로 형성되고, 상기 연결부보다 큰 직경을 갖고, 상기 마감튜브의 끝단을 마감하고, 상기 용기본체의 내부에서 상기 수소 출입부와 이격되게 배치된 캡 형상의 마감부를 포함하고,
인 고체 수소 저장 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 핀 플레이트는,
상기 저장디스크가 다수로 배치되는 원형의 제 1 베이스판과,
상기 제 1 베이스판의 외곽을 따라 형성되며 상기 저장디스크의 두께보다 상대적으로 작게 돌출된 높이를 갖는 원형벽과,
상기 제 1 베이스판의 중심에 형성된 제 1 중심튜브 관통홀과,
상기 분기튜브의 위치에 대응하도록 상기 제 1 베이스판에 형성된 제 1 분기튜브 관통홀과,
상기 제 1 중심튜브 관통홀의 주변으로 상기 제 1 베이스판에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 1 수소 유동홀, 및
상기 원형벽에 근접하면서 상기 저장디스크의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 1 베이스판에 형성되며 상기 제 1 수소 유동홀에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 2 수소 유동홀을 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 프레스 플레이트는,
상기 저장디스크의 표면 또는 상기 핀 플레이트의 표면에 밀착되는 제 2 베이스판과,
상기 제 2 베이스판의 중심에 형성된 제 2 중심튜브 관통홀과,
상기 분기튜브의 위치에 대응하도록 상기 제 2 베이스판에 형성된 제 2 분기튜브 관통홀과,
상기 제 2 중심튜브 관통홀의 주변으로 상기 제 2 베이스판에 형성되며 방출된 수소가 유동하는 제 3 수소 유동홀, 및
상기 제 2 베이스판의 외주에 근접하면서 상기 저장디스크의 위치에 겹치지 않도록 상기 제 2 베이스판에 형성되며 상기 제 3 수소 유동홀에 비하여 상대적으로 큰 직경을 갖는 제 4 수소 유동홀을 포함하는 것
인 고체 수소 저장 장치.