KR20170093326A - 수소저장용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소저장합금을 수용한 수소저장용기에 관한 것으로써, 수소저장용기의 구성은 수소저장합금과 이를 수용하는 압력용기와, 상기 압력용기에 말단에 설치되어 수소저장합금 내부에 저장된 수소를 압력용기 외부로의 배출 여부를 단속하는 밸브와, 수소저장합금과 기체수소를 분리하는 필터와, 수소의 저장/방출 시 생성되는 반응열을 제거하기 위한 방열 유닛을 내부에 수용하여 효율적인 수소저장용기를 제공한다.
보다 상세하게는 본 발명에서는 수소저장합금의 부피팽창 시 수소저장용기 중심부를 관통하는 필터의 보호와 저장용기 중심부의 수소저장합금의 수소화 반응열을 원활한 제거를 위한 방열 유닛 중심부에 튜브 모양의 내부기둥을 방열유닛 가운데에 배치하여 수소저장합금과 필터의 직접 접촉방지를 통한 필터를 보호할 수 있으며, 수소저장용기 심부 반응열 제거를 위한 추가적인 열교환 면적을 확보하고 방열유닛 가장자리 부분을 바깥방향으로 기울기를 가지도록 절곡하여 수소저장용기에 삽입 시 가이드 역할과 저장용기 내벽과 완전한 밀착이 가능하도록 하여 열전달 및 수소저장용기의 제조를 용이하게 할 수 있다. 또한 저장용기 내부의 합금을 구획함과 동시에 균일한 합금 충진 밀도를 가지게 하여 합금팽창에 따른 저장용기의 변형을 방지하는 기능을 제공한다.

Description

수소저장용기{hydrogen storage vessel and method for producing thereof}

본 발명은 수소저장용기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소저장용기 내부의 수용된 수소저장합금 부피팽창으로 인한 필터의 보호와 저장용기 중심부의 반응열을 원활히 제거가 가능한 튜브 모양의 돌기를 방열유닛 가운데에 배치하고 방열유닛의 가장자리를 절곡하여 수소저장합금의 삽입 시 가이드 역할과 저장용기 내벽과의 접촉성을 높여 안전성과 효율성을 제공하는 수소저장용기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

수소에너지를 활용하기 위해서는 효율적인 수소에너지의 수송 및 저장이 요구된다. 지금까지 수소를 저장하는 방법으로서는 고압기체저장, 저온액체저장, 금속수소화물(수소저장합금)을 이용한 저장법 등이 있다. 수소저장합금을 이용한 수소저장방법은 저장밀도가 다른 방법에 비하여 매우 크며 안전하고 효율적으로 수소를 저장할 수 있다.

수소저장합금을 이용하는 방법은 (1)식과 같은 수소저장합금과 수소와의 가역반응을 이용하는 것이다.

M + x/2 H2 <===> MHx + Q ----- (1)

M: 수소저장합금, MHx : 금속수소화합물, Q : 반응열

수소저장용기는 압력용기 내부에 수소저장합금을 수용하여 저장용기의 온도를 낮추거나 수소압력을 높이면 수소저장합금에 수소가 흡수되고, 반대의 경우에는 수소를 방출하게 되는 반응을 이용하는 것이다.

이에 따라 수소에너지를 안전하고 많은 양을 저장하는 방법으로 압력용기에 수소저장합금을 수용하여 사용하는 방식이 이용된다. 하지만 이때 사용되는 수소저장합금은 그 종류에 따라 차이가 있으나 수소와 반응 시 매우 높은 반응열 출입이 수반되며 동시에 약 10% ∼ 30%의 부피팽창이 수반된다.

여기서 수소화 반응 시 반응열을 적절히 제거하지 않으면 반응속도가 매우 느려져 목표한 수소유량을 확보하지 못하므로 수소저장용기 내부에 반응열 제거를 위한 방열 유닛 등이 필요하다.

또한 수소화 반응 시 수반되는 수소저장합금의 부피팽창 문제가 발생하는데 이를 고려하지 않으면 수소저장용기 내부에 배치되어 합금과 수소를 분리하는 필터가 파손되어 기능을 상실할 수 있으며, 심각하게는 압력용기의 변형 등이 초래된다.

따라서 본 발명의 과제는 수소저장용기 내부의 원활한 반응열 제거와 수소저장합금의 부피팽창에 따른 수소저장용기 내부에 위치하는 필터의 보호를 동시에 할 수 있는 방법을 제공하며, 또한 별도의 용접 등의 가공이 필요 없는 방열유닛을 구성하여 보다 간편한 수소저장용기 제작에 관한 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 수소저장용기 내부의 수소화 반응열을 원활히 함과 동시에 수소저장합금의 부피팽창에 따른 필터와 수소저장용기의 소성변형을 방지하기 위해 방열유닛의 중심부에 저장용기 단면과 수직 방향으로 튜브 형태의 돌기를 가지는 도록하여 방열유닛을 설계하고 또한 방열유닛 가장자리 부분을 바깥방향으로 기울기를 가지도록 절곡하여 수소저장용기에 삽입 시 가이드 역할과 저장용기 내벽과 완전한 밀착이 가능하도록 하여 안전성과 효율성을 제공함.

본 발명은 수소저장용기에 내재된 수소저장합금과 구성 품에 대한 청구 항과 같이 특징되며, 이에 따른 최적 설계와 제조방법을 제공하여 수소저장용기의 최대 성능을 보장한다.

도 1에 도시된 수소 저장용기(1) 구성에 있어서, 수소저장합금을 수용하는 압력용기(3), 압력용기에 설치되어 수소저장합금(5), 수소저장합금에 저장된 수소의 출입을 단속하는 밸브(2), 상기 밸브와 연결되어 수소저장합금과 수소가스를 분리를 위한 한쪽 끝단이 막힌 중공 소결필터(4), 수소저장합금의 부피팽창 시 수소저장용기 중심부를 관통하는 필터와 수소저장합금의 직접적인 접촉방지를 위한 방열 유닛(6) 중심부에 면과 수직 방향으로 튜브 형태의 돌기를 가지는 방열유닛 내부 돌기(6-1)로 구성되어진다.
특히 방열유닛 중심부에 위치한 튜브형태의 돌기(6-1)는 수소저장합금 내부 면에 직접 접촉되며, 수소방출 압력 손실 방지를 위한 튜브형태의 돌기에 하나 이상의 구멍을 뚫어 수소의 이동을 원활하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한 수소저장합금을 수소저장용기에 적층하여 제작 시 방열유닛에 넣은 후 개별적으로 삽입되며 이때 유압장치 등을 이용하여 수소저장용기에 삽입할 수 있으며 방열유닛(6) 가장자리 부분을 바깥방향으로 기울기를 가지도록 절곡하여 수소저장용기에 삽입 시 가이드 역할과 저장용기 내벽과 완전한 밀착이 가능하도록 제작할 수 있다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: 수소저장용기
2: 수소 충/방전 밸브
3: 압력용기
4: 중공 소결필터
5: 수소저장합금
6: 방열유닛
6-1: 방열유닛 내부돌기

본 발명 수소저장합금이 내재된 수소저장용 및 이의제조방법에 관한 것으로 청구 항과 같이 구성된다.

본 발명의 수소저장용기의 구성에 있어서 우선 수소의 출입을 단속하는 밸브가 압력용기 끝단에 설치되고 이와 연결되어 압력용기 중심에 수소저장합금과 수소의 분리 역할을 하는 필터가 구비되어진다.

본 발명에 따르면 압력용기 내재된 방열유닛 사이에 수소저장합금이 채워진다. 수소저장합금의 경우 수소저장용기에 수소를 저장 또는 방출 시 상당한 반응열이 발생하며, 이러한 반응열을 원활히 제거해주지 않으면 수소의 유량과 흡/방출 속도가 현격하게 줄어들어 초기 성능을 만족하지 못한다.

따라서 수소저장용기 내부에는 반응열 제거를 위해 일반적으로 가운데 구멍을 뚫어 필터가 삽입되는 └ ┘형태나 디스크 형태의 열교환 핀을 내재한다. 하지만 이러한 경우 수소저장합금과 필터가 직접 접촉하여 필터의 미세한 구멍을 막아 필터를 손상시킬 우려가 있으며 수소저장용기의 내 벽면과 수직으로만 열교환 면적으로만 사용이 가능하여 반응열 제거에 한계가 있다.

하지만 본 발명에 따르면 압력용기에 내재된 방열유닛은 수소저장용기의 길이 방향으로 튜브모양의 돌기를 마련하여 추가적인 열교환 면적이 확보되며, 이에 따라 수소저장용기 심부의 반응열을 매우 빠르게 제거를 할 수 있어 수소의 저장/방출 유량과 속도를 높이는 장점을 가진다. 또한 방열유닛을 수소저장용기에 삽입을 편리하게 하고 방열유닛과 수소저장용기 내벽이 밀착을 위해 방열유닛 가장자리를 바깥방향으로 기울기를 가지게 절곡하여 수소저장용기의 제작과 성능을 보장한다.

본 발명에 의해 제작된 수소저장용기에 내재된 수소저장합금은 방열유닛 사이에 위치한다. 수소저장합금의 경우 수소를 저장하면 부피팽창이 전 방위로 일어나 수소저장용기와 필터가 손상될 수 있으나 방열유닛 가운데의 튜브모양의 돌기가 존재하여 필터와 합금의 직접 접촉을 방지하고 수소저장합금의 팽창을 튜브모양의 돌기가 필터 반대방향으로 향하게 하여 필터를 보호할 수 있다. 그리고 방열유닛의 내부 돌기가 수소 이동을 방해할 수 있으므로 바람직하게는 돌기에는 필터 방향으로 하나 이상의 구멍을 뚫어 수소 이동 압력손실을 낮출 수 있다.

본 발명에 의해 제작된 방열유닛 사이에 적층된 수소저장합금은 잉곳형태와 분말형태 모두 사용이 가능하며, 수소저장합금의 양은 수소화 반응에 의해 발생하는 부피팽창률을 고려해 삽입하여야 한다. 수소저장합금의 충진률이 너무 높으면 수소저장용기가 소성변형이 발생할 수 있으며 용기의 소성변형은 매우 많은 Dislocation을 생성하여 수소취성으로 인해 용기의 파손을 초래한다. 따라서 방열유닛 사이에 충진되는 합금의 양은 저장용기의 소성변형이 발생하지 않는 범위 내로 제한하는 것이 바람직하며, 방열유닛과 수소저장합금 사이에 여유 공간을 확보함으로써 제반 문제점을 극복할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 실시 예를 통하여 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시 예]

본 발명에 따르면, 수소저장용기는 압력용기 내부에 방열유닛에 수소저장합금을 담아 유압장치 등을 이용해 압력용기에 하나씩 밀어 넣은 후 가운데 봉 형태의 필터를 삽입하고 압력용기 양단을 접합하는 방법으로 완성이 되며 수소저장용기는 초기 진공배기 후 수소를 수소저장용기에 수소저장합금의 평형압력 이상으로 수소를 가압함으로써 활성화가 되며 이 후에는 진공배기 없이 곧 바로 사용할 수 있다.

본 발명에 의해 제작된 방열유닛은 금속 등의 열전도도가 우수한 재료를 사용할 수 있으며, 실시 예로는 알루미늄을 사용하였다. 또한 수소저장합금의 충진율은 방열유닛의 돌기의 높이로 조절이 가능하며, 유압장치를 이용하여 방열유닛 사이를 촘촘히 밀착시킬 수 있으며, 별도로 방열유닛간 용접 등은 필요하지 않게 하여 작업용이성을 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 다음의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 구성으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 수소저장용기에 있어서,
   수소저장합금을 수용하는 압력용기와;
   상기 압력용기에 설치되어 수소저장합금에 저장된 수소의 출입을 단속하는 밸브와;
   상기 밸브와 연결되어 수소저장합금과 수소가스를 분리를 위한 한쪽 끝단이 막힌 중공 소결필터와;
   수소저장합금의 부피팽창 시 수소저장용기 중심부를 관통하는 필터와 수소저장합금의 직접적인 접촉방지를 위한 방열 유닛 중심부에 면과 수직 방향으로 튜브 형태의 돌기를 가지는 것을 특징으로 하는 방열유닛이 상기 압력용기에 수용된 수소저장용기.
2. 제1항에 있어서, 방열유닛 중심부에 위치한 튜브형태의 돌기는 수소저장합금 내부 면에 직접 접촉되며, 수소방출 압력 손실 방지를 위한 튜브형태의 돌기에 하나 이상의 구멍을 뚫어 수소의 이동을 원활하게 하는 것을 특징으로 하는 방열유닛을 수용한 수소저장용기.
3. 제 1항에 있어서, 수소저장합금을 수소저장용기에 적층하여 제작 시 방열유닛에 넣은 후 개별적으로 삽입되며 이때 유압장치 등을 이용하여 수소저장용기에 삽입할 수 있으며 방열유닛 가장자리 부분을 바깥방향으로 기울기를 가지도록 절곡하여 수소저장용기에 삽입 시 가이드 역할과 저장용기 내벽과 완전한 밀착이 가능하도록 하여 수소저장용기를 제조하는 방법
4. 제 1항에 있어서, 압력용기 내부의 다수의 수소저장합금 층은 방열유닛에 의해 구획되어지며, 방열유닛 중심부에 위치한 튜브형태의 돌기가 적층구조에 있어 중심부의 함몰을 방지하는 지지체 역할을 하는 것을 특징으로 하는 방열유닛을 수용한 수소저장용기.

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