KR20180014144A - 기둥형상의 수소저장금속을 이용한 수소 저장 장치 - Google Patents

기둥형상의 수소저장금속을 이용한 수소 저장 장치 Download PDF

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Abstract

수소 저장 장치가 개시된다. 수소 저장 장치는, 실린더 형태의 저장용기; 상기 저장용기의 내부공간에 수용되고, 개방형 기공(Open Pore)을 포함하는 다공질 금속으로 이루어진 다공성 수용부재; 기둥 형상의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금 중 어느 하나이고, 상기 기둥 형상의 축방향이 상기 저장용기의 축방향에 평행하게 배치되어 상기 다공성 수용부재로 둘러싸인 채로 상기 저장용기 내부에 수용되는 복수의 수소저장금속; 상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내부공간으로 수소를 공급하는 수소공급관; 상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내의 수소를 공급처로 배출하는 수소배출관; 및 상기 저장용기의 내부 또는 외부에 위치하여 상기 저장용기의 내부공간에 열을 공급하는 열공급원을 포함하고, 상기 기공은 수소의 저장 및 방출 과정에서 상기 복수의 수소저장금속으로부터 분산되는 수소저장금속 입자들을 수용하여 상기 다공성 수용부재 내에 분산시킬 수 있는 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 수소 저장 장치를 이용하면, 수소저장금속의 발화 위험이 없고, 용기의 내부공간에 금속수소화물이 균일하게 분포할 수 있고, 이에 의해 수소의 저장 및 방출이 빠르게 이루어질 수 있다.

Description

기둥형상의 수소저장금속을 이용한 수소 저장 장치{HYDROGEN STORAGE APPARATUS USING A METAL HYDRIDE OF PILLAR}
본 발명은 수소 저장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소의 저장 및 방출 효율 및 제작 안전성이 증대된 수소 저장 장치에 관한 것이다.
산업이 급속도로 발전함에 따라 전 세계적으로 고갈되어 가는 화석 연료의 대체 및 지구의 환경보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 미래의 에너지 매체로 우수한 특성을 가지고 있는 에너지 관련 기술 중 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 매우 시급하다. 이에 따라 수소에너지의 기술개발에 대한 관심이 높아지고 있으며, 수소의 제조와 저장, 수송 분야를 포함한 수소에너지 이용기술의 확보는 미래 21세기 에너지 안보 및 국가경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다.
수소는 에너지원으로서 사용할 경우에 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어질 뿐만 아니라, 연소 시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않는다. 또한, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로의 저장이 용이하다. 또한, 직접 연소에 의한 연료 또는 연료전지 등의 연료로서의 사용이 간편한 장점을 가지고 있다. 따라서, 수소는 산업용의 기초소재로부터 일반 연료자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있어, 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다.
한편, 핵융합에너지는 수소동위원소인 삼중수소와 중수소의 핵융합반응으로 생산될 수 있다.
핵융합반응의 원료인 삼중수소는 방사성 수소동위원소로서, 그 취급에 있어서 고도의 안전기술이 요구된다. 또한, 삼중수소는 국가 간 수출입통제를 받는 민감한 방사성물질이므로, 이를 효율적으로 사용하기 위하여 안전하게 저장하고, 정확한 재고를 측정하여 공급하는 기술이 중요하다.
또한, 삼중수소 관련 기술은 국가 간 수출입이 통제되는 민감한 기술이기 때문에, 선진국으로부터의 기술이전에 제약이 많으며, 설사 해외에서 기술이 도입되어도, 타 분야 활용 또는 제 3국에의 기술 수출시 기술 공급국의 승인을 받아야하는 민감한 기술에 해당한다.
토카막 등의 핵융합반응로에서 발생한 헬륨 등의 핵융합반응 생성물과 미반응 수소동위원소는 토카막배기체처리 공정의 팔라듐-은 합금 금속막 장치에서 헬륨과 순수 수소동위원소로 분리된다.
상기 분리된 순수 수소동위원소는 초저온 증류탑에서 경수소, 중수소 및 삼중수소로 분리되며, 이 중, 삼중수소는 저장공정과 연료주입계통을 통하여 다시 토카막으로 순환된다. 이때, 삼중수소저장공정에는 수소 저장 장치가 설치된다.
이와 같이 수소는 미래의 대체 에너지원으로서 수소 에너지를 이용하고자 하는 노력이 점차 증대되고 있으며, 이에 따라 수소 저장 장치의 개발에 주목되고 있다.
종래의 대부분의 수소 저장 장치는 밀폐된 용기 내에 수소저장금속을 분말 형태로 수용하고 있고 상기 용기 내에 가열선을 설치하여 구성된다. 이러한 종래의 수소 저장 장치는 수소저장금속이 수소를 흡장하여 저장하고 수소를 탈장하여 방출하는 과정을 반복하면서 팽창 및 수축이 반복되고, 이에 의해 수소저장금속이 쉽게 분말화 되어서, 분말 형태의 수소저장금속이 용기 내에서 일부분으로 집중되어 수용되는 문제가 있었다. 예를 들면, 분말 형태의 수소저장금속이 용기의 내부공간의 아래쪽에 집중되는 문제가 있었다. 이에 의해, 수소저장금속이 용기 내에 고르게 분포하여 배치되기 어렵고, 이는 결과적으로 수소를 저장한 금속수소화물의 열전달이 저하되어 수소의 저장 및 방출 효율이 낮아지는 문제로 이어진다.
또한, 종래의 수소 저장이 가능한 물질은 수소 저장 장치의 제작 공정 중에 대기중에 산화로 인해 수소 저장 성능의 저하가 발생하며, 일부는 급속한 산화로 인한 화재의 우려 또한 존재한다. 이는 수소 저장 장치의 제작 안전성을 위협하거나, 제작 비용의 증대로 이어지는 문제가 있다.
미국특허 US6,015,041
본 발명은 수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 금속수소화물이 용기 내에 균일하게 분포하도록 하고 이에 의해 수소의 저장 및 방출이 빠르게 이루어질 수 있도록 한 수소 저장 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치는, 실린더 형태의 저장용기; 상기 저장용기의 내부공간에 수용되고, 개방형 기공(Open Pore)을 포함하는 다공질 금속으로 이루어진 다공성 수용부재; 기둥 형상의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금 중 어느 하나이고, 상기 기둥 형상의 축방향이 상기 저장용기의 축방향에 평행하게 배치되어 상기 다공성 수용부재로 둘러싸인 채로 상기 저장용기 내부에 수용되는 복수의 수소저장금속; 상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내부공간으로 수소를 공급하는 수소공급관; 상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내의 수소를 공급처로 배출하는 수소배출관; 및 상기 저장용기의 내부 또는 외부에 위치하여 상기 저장용기의 내부공간에 열을 공급하는 열공급원을 포함하는 것을 특징으로 한다.
저장용기의 실린더 형태는, 즉 내부공간을 갖도록 속인 빈 통형의 용기 형태를 의미한다.
수소저장금속은 흡장 및 탈장을 통해 수소를 저장 및 방출한다. 여기서, 흡장은 수소가 수소저장금속과 반응하여 메탈 하이드라이드를 형성하는 반응을 의미하고, 탈장은 메탈 하이드라이드로 형성된 수소저장금속으로부터 수소가 방출되도록 열을 흡수하는 흡열반응을 의미한다. 따라서 수소를 흡장할 때에는 저장용기의 내부공간을 냉각해 주고, 수소를 탈장할 때에는 저장용기의 내부공간을 가열한다.
다공성 수용부재는 메탈폼(Metal form)일 수 있고, 상기 메탈폼은 구리, 니켈, 알루미늄 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된 어느 하나로 이루어질 수 있다.
일 실시예로, 다공성 수용부재는 원통 형상일 수 있고 상기 저장용기의 축방향을 따라 다공성 수용부재에 관통된 다수의 삽입구멍을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 기둥 형상의 수소저장금속은 다수의 삽입구멍의 전부 또는 일부에 삽입될 수 있다.
다른 실시예로, 다공성 수용부재는 상기 저장용기의 축방향을 따라 나열되어 포개어진 둘 이상의 메탈폼으로 이루어질 수 있고, 각각의 메탈폼은 삽입구멍을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 상기 저장용기는 상기 저장용기의 내면에 일단부가 고정되어 길이방향이 상기 저장용기의 축방향과 평행하도록 배치된 격판을 포함하고, 상기 둘 이상의 메탈폼은 상기 격판과 결합하는 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 열공급원은 소정의 길이를 갖는 카트리지 히터를 포함하고, 상기 카트리지 히터의 길이의 일부 또는 전부는 상기 다수의 삽입구멍 중 하나 이상의 삽입구멍에 삽입될 수 있다.
상기 열공급원은 상기 저장용기의 외면을 감싸도록 상기 저장용기의 외면에 설치된 외부히터를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 저장 장치는 상기 저장용기를 수용하여 밀폐된 차폐용기를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 저장 장치는 상기 저장용기 및 차폐용기 사이에 설치된 하나 이상의 열차폐부재를 더 포함할 수 있다.
상기 수소 저장 장치는, 상기 수소공급관 상에 설치되어 상기 수소저장금속의 기둥 형상으로부터 입자 형태로 분해된 수소저장금속 입자가 상기 저장용기의 내부로부터 유출되는 것을 방지하는 제1 유출방지필터; 및 상기 수소배출관 상에 설치되어 상기 수소저장금속 입자가 상기 저장용기의 내부로부터 유출되는 것을 방지하는 제2 유출방지필터를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 유출방지필터 및 제2 유출방지필터는 관형상의 소결 금속필터 또는 판형상의 소결 금속필터로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 수소 저장 장치에 의하면, 우라늄 또는 감손 우라늄으로 구성된 수소저장금속의 발화의 위험성을 대폭 줄여서 수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소저장장치를 제공할 수 있는 이점이 있다.
또한, 용기의 내부공간에 금속수소화물이 균일하게 분포할 수 있고, 이에 의해 수소의 저장 및 방출이 빠르게 이루어질 수 있다.
또한, 수소저장금속의 기둥 형상으로부터 분해되어 메탈폼 내로 분산된 수소저장금속 입자가 수소공급관 및 수소배출관을 통해 외부로 유출되는 것을 방지하여 수소공급관 및 수소배출관의 내부를 오염시키거나 수소 저장량이 감소하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 수소저장금속을 수용하고 있는 저장용기를 차폐용기 및 열차폐부재가 밀폐하여 보호하므로 저장용기로부터 수소의 누설을 방지, 수소저장금속 및 저장용기의 산화방지 및 열손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 다공성 수용부재 및 수소저장금속을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 저장 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 저장용기, 다공성 수용부재, 수소저장금속 및 열공급원을 나타낸 분리 사시도이다.
도 5는 도 3의 A-A'선 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 장치에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치(100)는, 저장용기(110), 다공성 수용부재(120), 수소저장금속(130), 수소공급관(140) 및 열공급원(160)을 포함한다.
저장용기(110)는 다공성 수용부재(120)를 수용하며, 수용된 다공성 수용부재(120)를 외부로부터 보호한다. 저장용기(110)는 실린더 형태이다. 예를 들면, 내부공간을 갖는 속이 빈 원통 형상일 수 있다.
다공성 수용부재(120)는 다공성 소재로 이루어지고, 수소저장금속(130)을 수용하거나 감싸도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 다공성 수용부재(120)는 개방형 기공(Open Pore) 형태의 다공질 금속, 즉 메탈폼(Foam Metal)일 수 있고, 메탈폼에 다수의 삽입구멍(121)을 형성한 형태로 구성될 수 있다. 일 예로, 다공성 수용부재(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 저장용기(110)의 내부공간의 길이에 대응하는 길이를 갖는 원기둥 형상일 수 있다. 이러한 경우, 삽입구멍(121)들은 원기둥 형상의 축방향을 따라 다공성 수용부재(120)에 관통될 수 있다. 이때, 삽입구멍(121)들은 방사상으로 배치된다. 여기서, 상기 메탈폼을 구성하는 금속의 종류에는 제한이 없으며, 예를 들면, 메탈폼은 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 알루미늄 합금일 수 있다. 이러한 다공성 수용부재(120)의 기공, 즉 메탈폼의 기공은 수소의 저장 및 방출 과정에서 복수의 수소저장금속으로부터 분산되는 수소저장금속 입자들을 수용하여 다공성 수용부재(120) 내에 분산시킬 수 있는 크기를 갖는다.
수소저장금속(130)은 수소저장금속(130)이 저장용기(110) 내에 수용된 상태에서 저장용기(110)의 내부공간의 온도 및 압력을 조절함으로써 수소를 저장 및 방출한다. 수소저장금속(130)은 기둥 형상인 것이 바람직하다. 왜냐하면, 수소저장금속(130)은 수소를 저장하는 과정에서 부피가 팽창하게 되고 따라서 내부응력이 발생하며, 이때 발생한 내부응력은 수소저장금속(130)을 파쇄시키게 되는데, 수소저장금속(130)이 기둥 형상으로 형성되는 경우에는 수소를 저장하는 과정에서 발생되는 내부응력을 견디는 능력이 향상될 수 있기 때문이다.
또한, 수소저장금속(130)은 기둥 형상의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금 중 어느 하나이다. 상기 Zr 계열 합금은, 예를 들어, ZrNi, ZrNi, ZrNixCoyFez(x=0.01~0.99, y=0.01~0.99, z=0.01~0.99, x+y+z=1)을 포함할 수 있다. 이러한 기둥 형상의 수소저장금속(130)은 취급이 용이하다. 즉, 수소저장금속은 대기와의 접촉에 의해 급속한 산화가 이루어질 우려가 있다. 특히 분말 형태의 수소저장금속의 경우, 특히 분말 형태의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금은 상온에서도 자연 발화할 수 있다. 그러나 수소저장금속(130)을 기둥 형상의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금 중 어느 하나로 이용하게 되면 대기중에서의 산화 및 급속한 산화로 인한 발화의 위험성을 대폭 줄일 수 있어 취급이 용이해진다.
바람직하게는, 수소저장금속(130)은 감손우라늄(DU: depleted uranium)일 수 있다. 감손우라늄의 경우에는 핵융합 시설의 토카막 등의 반응로에서 핵융합 에너지 생산에 필요로 하는 DT(deuterium-tritium, 중수소-삼중수소)반응을 위한 중수소-삼중수소의 원활한 공급이 가능할 정도로 탈장 압력이 높고 불균일화의 문제가 없기 때문이다.
이러한 수소저장금속(130)은 다공성 수용부재(120)에 형성된 삽입구멍(121)들에 삽입되어 다공성 수용부재(120)의 내부에 수용된다. 이때, 수소저장금속(130)은 삽입구멍(121)들이 방사상으로 배치되어 있으므로 다공성 수용부재(120) 내에 방사상으로 배치된다.
한편, 수소저장금속(130)은 수소 저장시의 내부응력을 견디도록 기둥 형상으로 형성되지만 반복적인 수소의 저장 및 방출과정에서 기둥 형상의 수소저장금속(130)의 일부가 기둥 형상으로부터 수소저장금속 입자로 분해되어 분산될 수 있다. 이때, 수소저장금속 입자들은 다공성 수용부재(120)인 메탈폼의 개방형 기공을 통해 메탈폼 내로 분산될 수 있다.
수소공급관(140)은 저장용기(110)의 내부로 수소를 공급한다. 이를 위해, 수소공급관(140)은 저장용기(110)의 내부공간과 유체 소통 가능하게 연결되어 저장용기(110)의 내부공간으로 수소, 예를 들면 삼중수소를 공급할 수 있다.
수소배출관(150)은 저장용기(110)의 내부공간으로부터 수소를 공급처로 배출한다. 이를 위해, 수소배출관(150)은 저장용기(110)의 내부공간과 유체 소통 가능하게 연결되어 저장용기(110)의 내부공간으로부터 수소를 공급처로 배출할 수 있다. 예를 들면, 수소배출관(150)은 저장용기(110)의 내부공간으로부터 핵융합 시설의 토카막으로 삼중수소를 공급할 수 있다.
열공급원(160)은 저장용기(110)의 내부공간에 열을 공급한다. 열공급원(160)은 저장용기(110)의 내부 또는 외부에 위치할 수 있다. 일 예로, 열공급원(160)은 카트리지 히터일 수 있다. 카트리지 히터는 다공성 수용부재(120)의 삽입구멍(121) 전체 중 일부에 일부분이 삽입되어 저장용기(110)의 내부공간에 열을 공급할 수 있다. 카트리지 히터는 저장용기(110) 외부의 전원과 직접 연결되거나 전선 피드쓰루(electrical feed-through)를 통해 연결되어 전원의 공급이 이루어질 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치는 수소공급관(140)을 통해 저장용기(110)의 내부공간으로 수소(예를 들면, 삼중수소)가 공급되고, 저장용기(110)의 내부로 공급된 수소는 다공성 수용부재(120)의 삽입구멍(121) 내에 수용된 수소저장금속(130)과 흡장 반응하여 저장되고, 수소를 저장하고 있는 수소저장금속(130), 즉 금속수소화물로부터 수소를 방출하고자 하는 경우 열공급원(160)을 통해 저장용기(110)의 내부공간에 열을 공급하여 수소를 저장한 수소저장금속(130)을 가열함으로써 수소저장금속(130)의 흡장 반응의 역방향으로 반응하여 수소저장금속(130)에 저장된 수소를 탈장하여 방출시킬 수 있고, 방출되는 수소는 수소배출관(150)을 통해 공급처, 예를 들면 핵융합 시설의 토카막으로 공급될 수 있다.
이러한 수소의 저장 및 방출 과정이 반복되면 수소저장금속(130)은 일부가 기둥 형상으로부터 수소저장금속 입자로 분해되어 분산될 수 있고, 이때 수소저장금속 입자들은 메탈폼의 개방형 기공을 통해 메탈폼 내로 분산되며, 수소저장금속 입자들은 방사상으로 배치된 기둥 형상의 수소저장금속(130)의 주변으로 분포하게 되고, 이에 의해 저장용기(110)의 내부공간에 수소저장금속(130)이 균일하게 분포될 수 있고, 이는 금속수소화물이 균일하게 분포되도록 한다. 수소저장금속(130)이 균일하게 분포됨에 따라 수소의 저장 및 방출이 빠르게 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 저장 장치의 구성을 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 저장용기, 다공성 수용부재, 수소저장금속 및 열공급원을 나타낸 분리 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 저장 장치(200)는 저장용기(210), 다공성 수용부재(220), 수소저장금속(230), 수소공급관(240), 수소배출관(250), 열공급원(260), 차폐용기(270), 열차폐부재(280), 제1 유출방지필터(291) 및 제2 유출방지필터(292)를 포함한다.
저장용기(210)는 다공성 수용부재(220)를 수용하며, 수용된 다공성 수용부재(220)를 외부로부터 보호한다. 저장용기(210)는 실린더 형태이다. 예를 들면, 내부공간을 갖는 속이 빈 원통 형상일 수 있다.
다공성 수용부재(220)는 다공성 소재로 이루어지고, 수소저장금속(230)을 수용하거나 감싸도록 구성될 수 있다. 다공성 수용부재(220)는 저장용기(210)의 축방향을 따라 나열되어 포개어진 둘 이상의 메탈폼으로 이루어질 수 있고, 각각의 다공성 수용부재(220)는 삽입구멍(221)을 포함하며 저장용기(210)의 내부공간에 수용되어 포개어질 수 있다. 또한 다공성 수용부재(220)는 원 형상에서 일부분이 절개된 절개부(223)가 형성될 수 있고, 상기 절개부(223)는 다공성 수용부재(220)가 저장용기(210) 내에 수용될 때 저장용기(210)의 내면과 이격되어 저장용기(210) 내에 관인입공간(210a)을 형성할 수 있다.
다공성 수용부재(220)가 서로 포개어지는 둘 이상의 메탈폼으로 이루어지는 경우, 저장용기(210)는 저장용기의 내면에 일단부가 고정되어 길이방향이 상기 저장용기의 축방향과 평행하도록 배치된 격판(211)을 포함하며, 각각의 다공성 수용부재(220)는 상기 격판(211)과 결합하는 슬릿(222)을 포함할 수 있다.
격판(211)은 저장용기(210)의 단면의 원 형상에 수직하고 저장용기(210)의 길이방향에 평행하도록 저장용기(210)의 내부에 배치되고, 격판(211)의 장축방향은 저장용기(210)의 내부공간의 길이에 대응하는 길이일 수 있고 격판(211)의 단축방향은 저장용기(210)의 단면의 원 형상의 지름보다 작은 길이일 수 있다. 이러한 격판(211)은 저장용기(210)의 내부공간에 수용되는 둘 이상 포개어지는 다공성 수용부재(220)가 저장용기(210) 내에서 일방향으로 회전하여 각각의 다공성 수용부재(220)가 일방향으로 회전하는 것을 방지하기 위한 구성일 수 있다.
슬릿(222)은 격판(211)과 평행하도록 각각의 다공성 수용부재(220)에 형성되며, 격판(211)이 삽입될 수 있는 깊이일 수 있다.
다공성 수용부재(220)의 다수의 삽입구멍(221)은 슬릿(222)의 주변에 배치될 수 있다. 이때, 다수의 삽입구멍(221)의 배열 형태에는 특별한 제한은 없으며, 예를 들면, 슬릿(222)의 양측에서 복수의 열로 배치될 수 있다.
이러한 다공성 수용부재(220)는 둘 이상의 서로 포개어지는 메탈폼으로 구성되고 슬릿(222)을 포함하는 것을 제외하고는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치의 다공성 수용부재(220)와 동일하므로 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
수소저장금속(230)은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장금속(130)과 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
수소공급관(240)은 저장용기(210)의 내부로 수소를 공급한다. 이를 위해, 수소공급관(240)은 저장용기(210)의 내부공간과 유체 소통 가능하게 연결되어 저장용기(210)의 내부공간으로 수소, 예를 들면 삼중수소를 공급할 수 있다. 이때, 수소공급관(240)은 일부분이 저장용기(210) 내의 관인입공간(210a)에 삽입되어 저장용기(210) 내의 격판(211)의 일측에 위치할 수 있다.
수소배출관(250)은 저장용기(210)의 내부공간으로부터 수소를 공급처로 배출한다. 이를 위해, 수소배출관(250)은 저장용기(210)의 내부공간과 유체 소통 가능하게 연결된다. 이때, 수소배출관(250)은 일부분이 저장용기(210) 내의 관인입공간(210a)에 삽입되어 수소공급관(240)이 위치하지 않은 격판(211)의 다른 일측에 위치할 수 있다. 이러한 수소배출관(250)은 저장용기(210)의 내부공간으로부터 수소를 공급처로 배출할 수 있다. 예를 들면, 수소배출관(250)은 저장용기(210)의 내부공간으로부터 핵융합 시설의 토카막으로 삼중수소를 공급할 수 있다.
열공급원(260)은 저장용기(210)의 내부공간에 열을 공급한다. 열공급원(260)은 저장용기(210)의 내부 및 외부에 위치할 수 있다. 일 예로, 열공급원(260)은 카트리지 히터(261) 및 외부히터(262)를 포함할 수 있다.
카트리지 히터(261)는 다공성 수용부재(220)의 삽입구멍(221) 전체 중 일부에 일부분이 삽입되어 저장용기(210)의 내부공간에 열을 공급할 수 있다. 카트리지 히터(261)는 저장용기(110) 외부의 전원과 직접 연결되거나 전선 피드쓰루(electrical feed-through)를 통해 연결되어 전원의 공급이 이루어질 수 있다.
외부히터(262)는 저장용기(210)의 외면을 감싸도록 저장용기(210)의 외면에 설치될 수 있다. 일 예로, 외부히터(262)는 코일타입히터일 수 있다. 이러한 경우, 코일타입의 외부히터(262)는 저장용기(210)의 외면에 나선형으로 감겨서 저장용기(210)를 감싸는 형태일 수 있다. 이러한 외부히터(262)는 저장용기(210) 및 차폐용기(270)에 대하여 피드쓰루로 처리되어 설치될 수 있다.
차폐용기(270)는 저장용기(210)를 수용한다. 이를 위해, 차폐용기(270)는 저장용기(210)의 외경보다 큰 내경을 갖는 관 형태일 수 있다. 예를 들면, 원통형 관 형상일 수 있다. 차폐용기(270)는 저장용기(210)를 수용하여 밀폐되며, 이에 의해 저장용기(210)에 가해진 열의 손실을 차단하고, 저장용기(210)로부터의 수소의 누설을 방지하고, 수소저장금속(230) 및 저장용기(210)를 외부로부터 보호하여 산화를 방지할 수 있다.
열차폐부재(280)는 저장용기(210)에서 외부로의 열전달을 차단한다. 이를 위해, 열차폐부재(280)는 저장용기(210) 및 차폐용기(270) 사이에 설치된다. 일 예로, 열차폐부재(280)는 원통형 관 형상의 금속 또는 금속 포일 형태일 수 있다. 이러한 열차폐부재(280)는 하나 이상의 층으로 저장용기(210) 및 차폐용기(270) 사이에 설치될 수 있다.
제1 유출방지필터(291)는 수소공급관(240) 상에 설치되어 수소저장금속의 기둥 형상으로부터 입자 형태로 분해된 수소저장금속 입자가 저장용기(210)의 내부로부터 유출되는 것을 방지한다. 즉, 제1 유출방지필터(291)는 수소공급관(240)을 통해 상기 수소저장금속 입자가 유출되는 것을 방지한다.
일 예로, 제1 유출방지필터(291)는 관형상의 소결 금속필터 또는 판형상의 소결 금속필터일 수 있다. 관 형상의 경우 제1 유출방지필터(291)는 수소공급관(240)의 저장용기(210) 내로 삽입된 부분의 끝의 개구를 감싸도록 설치될 수 있고, 이때 저장용기(210) 내의 관인입공간(210a) 내에 위치할 수 있다. 판형상인 경우 제1 유출방지필터(291)는 수소공급관(240)의 내부의 통로상에 배치되도록 설치될 수 있다. 이때, 제1 유출방지필터(291)는 저장용기(210) 내의 관인입공간(210a) 또는 저장용기(210)의 외측에 위치할 수 있다.
제2 유출방지필터(292)는 수소배출관(250) 상에 설치되어 상기 수소저장금속 입자가 저장용기(210)의 내부로부터 유출되는 것을 방지한다. 제2 유출방지필터(292)가 수소배출관(250) 상에 설치되는 구조는 제1 유출방지필터(291)와 유사하므로 제1 유출방지필터(291)의 설명으로 대신하도록 하고 더 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 저장 장치에서 수소저장금속(230)이 수소, 예를 들면, 삼중수소를 저장 및 방출하는 과정은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 장치와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 저장 장치는 다공성 수용부재(220)가 서로 포개어지는 둘 이상의 메탈폼으로 이루어지므로 반복적인 수소저장금속(230)의 삼중수소의 저장 및 방출과정으로 인해 수소저장금속(230)의 기둥 형상으로부터 분해되어 분산되는 수소저장금속 입자를 수용하는 영역을 복수로 분획하여 제공할 수 있고, 이에 따라 수소저장금속 입자가 다공성 수용부재(220)의 전체 길이 중 일부분으로 집중되어 수용되는 것이 방지될 수 있다.
또한, 수소를 저장 및 방출하는 과정에서 수소저장금속(230)의 가열이 저장용기(210) 내에 위치하는 카트리지 히터(261) 및 저장용기(210)를 감싸는 코일타입의 외부히터(262)에 의해 이루어지므로 더욱 용이하게 수소저장금속(230)을 가열할 수 있고, 이에 의해 수소저장금속(230) 및 수소의 반응이 빠르게 이루어질 수 있다.
또한, 반복적인 수소의 저장 및 방출 과정에 의해 수소저장금속(230)의 기둥 형상으로부터 분해되어 메탈폼 내로 분산된 수소저장금속 입자가 수소공급관(240) 및 수소배출관(250) 상에 설치된 제1 유출방지필터(291) 및 제2 유출방지필터(292)에 의해 저장용기(210) 및 차폐용기(270)의 외부로 유출되는 것이 방지되며, 이에 의해 수소공급관(240) 및 수소배출관(250)의 내부를 오염시키거나 수소 저장량이 감소하는 것이 방지될 수 있다.
또한, 차폐용기(270) 내에 저장용기(210)가 수용되어 밀폐되고, 저장용기(210) 및 차폐용기(270) 사이에 열차폐부재(280)가 설치되므로 저장용기(210)로부터의 수소의 누설을 방지하고, 수소저장금속(230) 및 저장용기(210)를 외부로부터 보호하여 산화를 방지할 수 있고, 저장용기(210)에 가해진 열의 손실을 방지할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 실린더 형태의 저장용기;
    상기 저장용기의 내부공간에 수용되고, 개방형 기공(Open Pore)을 포함하는 다공질 금속으로 이루어진 다공성 수용부재;
    기둥 형상의 우라늄, 감손 우라늄 및 Zr 계열 합금 중 어느 하나이고, 상기 기둥 형상의 축방향이 상기 저장용기의 축방향에 평행하게 배치되어 상기 다공성 수용부재로 둘러싸인 채로 상기 저장용기 내부에 수용되는 복수의 수소저장금속;
    상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내부공간으로 수소를 공급하는 수소공급관;
    상기 저장용기와 유체 소통 가능하게 연결되어 상기 저장용기의 내의 수소를 공급처로 배출하는 수소배출관; 및
    상기 저장용기의 내부 또는 외부에 위치하여 상기 저장용기의 내부공간에 열을 공급하는 열공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 수용부재는 상기 저장용기의 축방향에 평행하도록 상기 다공성 수용부재에 관통된 다수의 삽입구멍을 포함하고,
    상기 기둥 형상의 수소저장금속은 상기 다수의 삽입구멍 전부 또는 일부에 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 수용부재는 메탈폼(Metal form)인 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다공성 수용부재는 상기 저장용기의 축방향을 따라 나열되어 포개어진 둘 이상의 메탈폼으로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저장용기는 상기 저장용기의 내면에 일단부가 고정되어 길이방향이 상기 저장용기의 축방향과 평행하도록 배치된 격판을 포함하고,
    상기 둘 이상의 메탈폼은 상기 격판과 결합하는 슬릿을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 열공급원은 소정의 길이를 갖는 카트리지 히터를 포함하고,
    상기 카트리지 히터의 길이의 일부 또는 전부는 상기 다수의 삽입구멍 중 하나 이상의 삽입구멍에 삽입되는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 열공급원은 상기 저장용기의 외면을 감싸도록 상기 저장용기의 외면에 설치된 외부히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장 장치는 상기 저장용기를 수용하여 밀폐된 차폐용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수소 저장 장치는 상기 저장용기 및 차폐용기 사이에 설치된 하나 이상의 열차폐부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소 저장 장치는,
    상기 수소공급관 상에 설치되어 상기 수소저장금속의 기둥 형상으로부터 입자 형태로 분해된 수소저장금속 입자가 상기 저장용기의 내부로부터 유출되는 것을 방지하는 제1 유출방지필터; 및
    상기 수소배출관 상에 설치되어 상기 수소저장금속 입자가 상기 저장용기의 내부로부터 유출되는 것을 방지하는 제2 유출방지필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 유출방지필터 및 제2 유출방지필터는 관형상의 소결 금속필터 또는 판형상의 소결 금속필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    수소저장금속의 발화 위험이 없는 수소 저장 장치.
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