KR20210064562A - 고체상 수소저장물질을 이용한 열순환 수소 저장 방법 - Google Patents

고체상 수소저장물질을 이용한 열순환 수소 저장 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열순환 구조를 통해 열을 효율적으로 재사용하여 에너지 효율을 향상시킨 수소 저장 방법에 관한 것이다. 구체적으로 상기 수소 저장 방법은 공급장치가 수소를 공급하는 단계, 상기 공급장치로부터 전달받은 수소를 압축장치로 압축하는 단계, 상기 압축장치에 의해 압축된 수소를 공급받아 저장장치에 저장하는 단계 및 상기 저장장치로부터 발생하는 열을 상기 압축장치에 전달하는 단계를 포함하고, 상기 압축장치와 상기 저장장치는 수소가 저장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 고체상 수소저장물질을 포함하는 것일 수 있다.

Description

고체상 수소저장물질을 이용한 열순환 수소 저장 방법{HEAT CIRCULATION HYDROGEN STORING METHOD USING SOLID STATE HYDROGEN STORAGE MATERIAL}
본 발명은 열순환 구조를 통해 열을 효율적으로 재사용하여 에너지 효율을 향상시킨 수소 저장 방법에 관한 것이다.
에너지원으로서 재생 불가능한 화석에너지는 산업화의 가속화 현상에 따라 급증하여 고갈의 위기에 처해 있다. 또한 연소과정에서 부산되는 유해물질은 환경 및 자연생태계를 위협하고 있는 상황이다.
이러한 상황을 해결하기 위해 대두되고 있는 신재생 에너지원인 수소는 지구상 어디에나 풍부히 존재하는 물로부터 지속적으로 제조할 수 있어서 그 원료가 고갈될 염려가 없다. 또한 연소하면 공해물질은 거의 배출되지 않고 다시 물을 생산하는 청정에너지이다.
이러한 수소기체를 연료로 공급하기 위해서는 수소 저장 장치가 필요하다. 수소 저장 장치는 크게 3가지의 고압 기체 저장 방식, 액체 수소 저장 방식, 그리고 고체 수소 저장 방식을 이용하는 것이 대표적이다.
고압 기체 저장 방식은 가장 보편화된 방식으로써 700bar에서의 고압의 기체를 저장하고 있으나, 단위 부피당 저장 밀도가 낮고 압력이 높아 위험하다는 단점이 있다.
액체 수소 저장 방식은 수소를 액화시킨다는 면에서 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 장점이 있다. 그러나 극저온에서의 액화라는 특성상 극저온을 유지시켜 주어야 하는 단점이 있다.
한편, 고체 수소 저장 방식은 수소 저장용 고체 분말에 수소 기체를 반응시켜 저장을 하는 방식으로 고압기체에 비하여 상대적으로 낮은 압력에서 수행된다. 또한 액체 저장 방식과 달라 극저온이 아닌 고온에서 수행되어 상대적으로 개발이 용이한 장점이 있으며, 수소기체의 저장량이 크다는 장점이 있다.
그러나 기존의 고체 수소 저장 방식은 수소 저장 물질에 수소를 저장하거나 상기 수소 저장 물질로부터 수소를 방출시키기 위한 별도의 열공급 장치가 필요하다는 한계가 있다. 이러한 장치 및 공정은 구조가 복잡하여 구현이 어렵고, 제조비용이 많이 드는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2017-0104254호
본 발명은 열순환 구조를 통해 열을 효율적으로 재사용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 열순환식 수소 저장 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명에 따른 수소 저장 방법은 공급장치가 수소를 공급하는 단계; 상기 공급장치로부터 전달받은 수소를 압축장치로 압축하는 단계; 상기 압축장치에 의해 압축된 수소를 공급받아 저장장치에 저장하는 단계; 및 상기 저장장치로부터 발생하는 열을 상기 압축장치에 전달하는 단계;를 포함하고, 상기 압축장치와 상기 저장장치는 수소가 저장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 고체상 수소저장물질을 포함하는 것일 수 있다.
상기 공급장치는 수소를 2bar 내지 8bar의 압력으로 공급하는 것일 수 있다.
상기 고체상 수소저장물질은 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
[화학식1]
MHx
여기서, M은 Mg, BaRe, KB, NaAl, NaB, Li, LiN, LiB, Mg2Ni, LaNi5, FeTi, FeMn2, NH3B 및 N 중에서 선택된 것이고, 상기 x는 0.9 내지 10이다.
상기 압축장치는 상기 고체상 수소저장물질에 저장된 수소를 제한된 공간 내로 방출하여 상기 수소를 10bar 이상으로 압축할 수 있다.
상기 압축장치와 저장장치 간에 설치된 폐쇄 유로 루프(Closed flow path loop)를 흐르는 유체를 통해 상기 압축장치와 저장장치 간의 열을 교환할 수 있다.
상기 저장장치로부터 수소를 저장하면서 발생하는 열은 상기 유체를 통해 상기 압축장치에 전달되고, 저장된 열은 상기 압축장치의 고체상 수소저장물질로부터 수소가 방출되도록 하는 것일 수 있다.
상기 수소 저장 방법은 상기 압축장치에 수소를 저장하면서, 상기 압축장치로부터 발생하는 열을 상기 유체를 통해 저장장치에 전달하여 상기 저장장치의 고체상 수소저장물질로부터 수소를 방출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 저장 방법은 압축장치 및 저장장치 간의 열순환을 통해 수소의 저장 및 방출 과정에서 발생하는 열을 효과적으로 재사용하므로 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 저장 시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 저장 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 수소 저장 시스템은 수소를 공급하는 공급장치(10), 상기 공급장치(10)로부터 수소를 공급받아 상기 수소가 소정의 압력을 갖도록 압축하는 압축장치(20), 상기 압축장치(20)로부터 압축된 수소를 공급받아 저장하는 저장장치(30) 및 상기 압축장치(20)와 저장장치(30) 간에 열교환이 이루어지도록 구비된 폐쇄 유로 루프(Closed flow path loop)를 포함하는 열교환장치(40)를 포함한다.
상기 공급장치(10)는 수소를 보관하고 있다가 공급하는 구성이거나, 수소를 생산하여 공급하는 구성일 수 있다. 예를 들어, 전자의 경우 수소 저장 탱크일 수 있고, 후자의 경우 수전해 시스템 또는 개질 시스템일 수 있다.
상기 압축장치(20)는 기체를 압축하는 일반적인 압축기(Compressor)일 수 있으나, 고체상 수소저장물질을 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 구체적으로 상기 압축장치(20)는 하기 화학식1로 표현되는 화합물인 고체상 수소저장물질을 포함할 수 있다. 하기와 같은 고체상 수소저장물질을 포함하는 압축장치(20)를 사용하여 수소를 일정 압력으로 가압할 수 있는바 이에 대해서는 후술한다.
[화학식1]
MHx
여기서, M은 Mg, BaRe, KB, NaAl, NaB, Li, LiN, LiB, Mg2Ni, LaNi5, FeTi, FeMn2, NH3B 및 N 중에서 선택된 것이고, 상기 x는 0.9 내지 10이다.
상기 저장장치(30)는 상기 압축장치(20)로부터 공급받은 수소를 고체상 수소저장물질에 저장하거나, 저장된 수소를 방출하여 사용처(50)에 공급하는 구성이다. 상기 고체상 수소저장물질은 수소가 저장될 때에는 발열반응을, 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 물질이다. 따라서 상기 저장장치(30)에서 상기 수소가 상기 고체상 수소저장물질에 저장될 때, 이로부터 열이 발생한다. 상기 저장장치(30)의 고체상 수소저장물질은 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 저장장치(30)의 고체상 수소저장물질은 상기 압축장치(20)의 것과 같거나 다를 수 있다.
[화학식1]
MHx
여기서, M은 Mg, BaRe, KB, NaAl, NaB, Li, LiN, LiB, Mg2Ni, LaNi5, FeTi, FeMn2, NH3B 및 N 중에서 선택된 것이고, 상기 x는 0.9 내지 10이다.
본 발명은 상기 고체상 수소저장물질로부터 방출되는 열을 외부로 발산하지 않고, 상기 수소 저장 시스템 내에서 순환시켜 열효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 압축장치(20)와 저장장치(30) 간을 순환하는 일종의 폐쇄 유로 루프를 설치하고, 이에 열을 운반할 수 있는 유체를 흐르게 하여 열교환장치(40)를 구성함으로써, 열효율을 향상시킨 것이다. 또한 전술한 바와 같이 상기 압축장치(20)도 고체상 수소저장물질을 포함하므로 상기 압축장치(20)에 수소를 저장시킬 때에도 열이 발생한다. 따라서 상기 압축장치(20)에서 발생하는 열을 상기 저장장치(30)로 순환시켜 상기 저장장치(30)에 저장된 수소를 방출하는 데에도 사용할 수 있다. 이에 대해서는 하기 본 발명에 따른 수소 저장 방법에도 보다 구체적으로 설명한다.
상기 수소 저장 시스템을 사용하여 수소를 저장하는 방법은 상기 공급장치(10)가 수소를 공급하는 단계, 상기 공급장치(10)로부터 전달받은 수소를 압축장치(20)로 압축하는 단계, 상기 압축장치(20)에 의해 압축된 수소를 공급받아 저장장치(30)에 저장하는 단계 및 상기 저장장치(30)로부터 발생하는 열을 상기 압축장치(20)에 전달하는 단계를 포함한다.
상기 공급장치(10)는 수소를 2bar 내지 8bar의 압력으로 공급하는 것일 수 있다. 공급처에서는 고압으로 수소를 공급하는 것에 한계가 있기 때문에 일반적으로 위와 같이 낮은 압력으로 수소를 공급한다. 따라서 상기 공급장치(10)로부터 공급되는 수소를 저장하기 위해서는 압축장치(20)를 사용하여 상기 수소를 고압으로 압축할 필요가 있다.
상기 압축장치(20)는 상기 고체상 수소저장물질을 포함하는 것으로서, 구체적으로 상기 고체상 수소저장물질이 충진되어 있는 일정한 공간을 갖는 챔버일 수 있다. 상기 압축장치(20)에 일정한 열을 가하면 상기 고체상 수소저장물질로부터 수소가 방출된다. 또한 방출되는 수소와 함께 상기 공급장치(10)로부터 공급되는 수소가 상기 챔버에 유입된다. 즉, 일정한 공간에 수소가 채워지게 되므로 상기 수소의 압력이 높아진다. 이때, 상기 압축장치(20)에 충진된 고체상 수소저장물질로부터 수소를 방출시키기 위해 공급되는 열은 상기 저장장치(30)로부터 방출되는 열을 사용한다. 즉, 상기 저장장치(30)의 고체상 수소저장물질에 수소가 저장될 때 방출되는 열을 열교환장치(50)를 통해 수집하여 상기 압축장치(20)로 전달함으로써, 열이 상기 수소 저장 시스템 내에서 순환하도록 한 것이다.
상기 압축장치(20)는 상기 수소를 10bar 이상의 고압으로 압축할 수 있다.
이후, 상기 압축장치(20)에 의해 압축된 수소를 상기 저장장치(30)로 공급하고, 상기 저장장치(30)는 상기 수소를 저장한다.
또한 상기 수소 저장 방법은 상기 압축장치(20)로부터 수소 저장시 발생하는 열을 상기 열교환장치(50)를 통해 수집하여 상기 저장장치(30)로 전달함으로써, 상기 저장장치(30)의 고체상 수소저장물질에 저장된 수소를 방출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 저장 방법은 압축장치(20)와 저장장치(30)에 각각 고체상 수소저장물질을 충진시키고, 이들이 수소를 흡방출하는 과정에서 열을 방출하거나 열을 필요로 할 때, 시스템 내에서 발생하는 열을 적절히 순환시켜 충당함으로써 열효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다. 이하 이에 대해 각 상황 별로 설명한다.
먼저 상기 저장장치(30)에 수소를 저장하기 위한 방법을 설명한다. 상기 압축장치(20)에 의해 약 10bar 이상으로 압축되어 공급되는 수소는 상기 저장장치(30)로 유입된다. 상기 저장장치(30)에 충진된 고체상 수소저장물질에 상기 수소가 저장되며 열이 발생한다. 상기 압축장치(20)와 상기 저장장치(30) 간에 설치된 폐쇄 유로 루프를 흐르는 유체가 상기 저장장치(30)로부터 방출되는 열을 전달받고, 이를 압축장치(20)에 전달한다. 상기 열을 전달받은 압축장치(20)에서는 고체상 수소저장물질로부터 수소가 다량으로 방출되고, 전술한 바와 같이 수소를 보다 높은 압력으로 압축할 수 있게 된다.
다음으로 상기 저장장치(30)로부터 수소를 방출시키기 위한 방법을 설명한다. 상기 저장장치(30)에 열을 가하면 상기 고체상 수소저장물질로부터 수소가 방출된다. 상기 저장장치(30)에 가하는 열은 상기 압축장치(20)로부터 공급받을 수 있다. 구체적으로 상기 압축장치(20)에 충진된 고체상 수소저장물질에 흡장되어 있던 수소가 고갈되면 이에 수소를 다시 저장해야 한다. 즉, 공급장치(10)가 상기 압축장치(20)에 일정한 압력의 수소를 공급하고 상기 압축장치(20)가 고체상 수소저장물질에 수소를 저장시킬 때, 상기 고체상 수소저장물질로부터 열이 발생한다. 상기 폐쇄 유로 루프를 흐르는 유체를 통해 상기 압축장치(20)의 열을 흡수하고, 이를 상기 저장장치(30)에 공급하면 상기 저장장치(30)에 저장되어 있던 수소를 방출시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하였다. 다만 본 발명의 권리범위는 상술한 설명에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10: 공급장치 20: 압축장치 30: 저장장치
40: 열교환장치 50: 사용처

Claims (7)

  1. 공급장치가 수소를 공급하는 단계;
    상기 공급장치로부터 전달받은 수소를 압축장치로 압축하는 단계;
    상기 압축장치에 의해 압축된 수소를 공급받아 저장장치에 저장하는 단계; 및
    상기 저장장치로부터 발생하는 열을 상기 압축장치에 전달하는 단계;를 포함하고,
    상기 압축장치와 상기 저장장치는 수소가 저장될 때에는 발열반응을 일으키고 수소가 방출될 때에는 흡열반응을 일으키는 고체상 수소저장물질을 포함하는 것인 수소 저장 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급장치는 수소를 2bar 내지 8bar의 압력으로 공급하는 것인 수소 저장 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고체상 수소저장물질은 하기 화학식1로 표현되는 화합물을 포함하는 것인 수소 저장 방법.
    [화학식1]
    MHx
    여기서, M은 Mg, BaRe, KB, NaAl, NaB, Li, LiN, LiB, Mg2Ni, LaNi5, FeTi, FeMn2, NH3B 및 N 중에서 선택된 것이고, 상기 x는 0.9 내지 10이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압축장치는 상기 고체상 수소저장물질에 저장된 수소를 제한된 공간 내로 방출하여 상기 수소를 10bar 이상으로 압축하는 것인 수소 저장 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압축장치와 저장장치 간에 설치된 폐쇄 유로 루프(Closed flow path loop)를 흐르는 유체를 통해 상기 압축장치와 저장장치 간의 열을 교환하는 것인 수소 저장 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저장장치로부터 수소를 저장하면서 발생하는 열은 상기 유체를 통해 상기 압축장치에 전달되고, 저장된 열은 상기 압축장치의 고체상 수소저장물질로부터 수소가 방출되도록 하는 것인 수소 저장 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 압축장치에 수소를 저장하면서, 상기 압축장치로부터 발생하는 열을 상기 유체를 통해 저장장치에 전달하여 상기 저장장치의 고체상 수소저장물질로부터 수소를 방출시키는 단계를 더 포함하는 수소 저장 방법.
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