KR20220110634A - 수소저장용기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소저장용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소저장합금이 충진된 수소저장용기로 수소저장합금의 수소화반응 시 발생되는 부피 팽창과 수소화 반응열 문제를 효율적으로 극복하기 위한 것으로 필터의 효율적 배치와 유연한 메쉬소재를 적용하여 손쉬운 필터교체와 필터파손 방지를 확보 가능하고, 수소저장용기 내부에 금속돌기를 형성시켜고 금속돌기 사이에 수소저장합금을 충진하여 부피발생 시 수소저장용기에 가해지는 압력이 균일하게 하여 안전성을 확보하고 금속돌기를 수소화 반응열 제거에 활용하여 수소의 흡방출 속도를 향상할 수 있다.

Description

수소저장용기{Hydrogen Storage}

본 발명은 수소저장용기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소저장합금이 충진된 수소저장용기로 3단 형태의 필터를 구성하여 수소저장합금 수소화반응에 의한 필터의 파손 및 교환을 용이하게 하여 필터 내구성능과 수소저장용기의 경제성을 향상을 기대할 수 있으며, 그리고 저장용기 내벽에 일정간격으로 구성된 금속돌기는 저장용기 내 공간을 균등 구획하고 금속돌기 사이에 수소저장합금을 삽입 또는 충진함으로서 수소저장합금의 수소화반응 시 수반되는 부피팽창 현상에 의한 수소저장용기의 변형과 파손을 효과적으로 방지함과 동시에 내부 돌기는 방열핀용도로도 활용할 수 있어 수소화 반응열을 원활히 제거하여 합금의 흡방출 속도를 향상시키는 이점을 얻을 수 있다. 그리고 수소저장용기 내용적 설계 시 수소저장합금 충진밀도를 균등화 및 일정범위로 제한함으로서 합금부피 변화에 따른 저장용기의 안전성과 성능을 동시에 확보되도록 구성한 수소저장용기에 관한것이다.

일반적으로 수소저장합금이 충진된 수소저장용기는 수소가 출입하는 통로에 흡방출 밸브와 수소저장합금과 수소를 분리하는 용도의 필터(금속소결 또는 세라믹 재질)가 저장용기 내부에 설치된다.

상기의 필터는 한쪽끝이 막힌 파이프 형태의 필터로 외부 충격이나 수소저장합금의부피팽창 시 발생하는 강한 압력에 취약해 파손 또는 변형이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 이 경우 필터고유의 기능(분리, 유로)이 없어질 가능성이 높아 진다. 또한 수소화반응에 의해 수소저장합금과 필터가 일체화 또는 강착되어 필터를 분리 교체할 수 없어 필터의 막힘, 변형, 파손 시 수소저장용기 전체를 폐기해야만 하는 문제점이 있다.

상기에서 수소저장합금은 다양한 형태로 충진할 수 있지만, 일반적으로는 잉곳(Ingot) 또는 분말형태로 채워지며, 수소저장용기에 내재된 수소저장합금 고유의 저장압력 이상의 수소가스를 공급해주면 수소저장합금에 수소가 저장된다. 이때 수소저장합금은 반응열과 부피팽창이 발생하므로 이에대한 적절한 내부 설계가 필요하다.

따라서 독일의 폼머한스 (특허등록번호 10-065452) 등은 일정 크기의 박스 형태의 카세트에 수소저장합금을 채우고 이를 다시 저장용기에 채운다. 그리고 수소화 반응에의해 수소저장합금이 저장용기를 소성변형에 이르도록 팽창시켜 카세트와 저장용기가 기계적 접촉을 통하여 수소화 반응열의 제거를 원활히 하고자 하였다. 하지만 수소저장합금을 카트리지에 넣어 밀봉하는 등 공정이 복잡하여 경제성 확보가 어렵다. 또한 수소저장용기를 소성변형까지 이르게할 만큼의 과도한 수소저장합금 충진밀도는 수소저장용기의 외벽이 구조적으로 취약할 수 있다.

즉 종래에는 수소저장합금의 부피팽창과 수소화 반응열 등의 문제점 극복을 위한 연구개발과 수소저장용기의 성능향상에 대한 많은 시도가 있다.

상기와 같은 구조의 종래 수소저장합금이 내재된 수소저장용기는 필터 교체의 어려움있으며, 수소저장합금의 부피 팽창으로 필터가 눌리게 되면 필터의 미세크랙 및 파손 발생확율이 높아지며 이 경우 수소저장용기 전체를 교체해야 하므로 비용이 매우 증가한다.

그리고 수소저장합금의 수소화 반응열 제거를 위해 카세트 내부에 수소저장합금을 밀봉하고 합금팽창을 이용하여 카세트가 저장용기 내벽에 밀착하는 방식은 공정이 비교적 복잡하고 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다.

뿐만 아니라 종래의 수소저장용기의 경우 내부에 충진되는 수소저장합금의 크기나 형태에 따라 수소저장용기 내부 특정부분에만 채워져 수소저장합금의 충진밀도가 다르거나, 적절한 충진밀도 이상의 수소저장합금을 충진하면 수소저장용기가 소성변형에 이르게 되어 저장용기 외벽이 구조적으로 취약해져 안전성 확보가 곤란할 수 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수소저장합금의 부피 팽창 시 발생하는 필터의 파손과 교환을 용이하게 하고 수소저장용기 내벽에 돌기를 형성시켜 수소저장합금의 균등배치와 더불어 수소화 반응열을 효율적으로 제거하기 위한 것이다.

그리고 본 발명의 다른 목적은 수소저장용기에 장입된 수소저장합금의 충진밀도의 범위를 구체화 하여 수소저장합금의 부피팽창에 따른 수소저장용기의 변형 등을 방지하여 안전성을 확보하기 위한 것이다.

본 발명이 제안하는 수소저장합금이 장입된 수소저장용기는 수소의 출입을 통제하는 밸브와 상기 밸브하단 수소저장용기 개구부 내부에 위치한 교체형 필터가 삽입되며 수소저장용기 개구부하단에 연결된 상기 수소저장합금 필터와 연결되어 수소저장용기 하단부까지 위치한 메쉬(mesh)필터와 수소저장용기내벽면에 형성된 돌기와 상기 돌기사이에 삽입된 수소저장합금을 포함하여 이루어진다.

상기 밸브하단 수소저장용기 개구부 내부에 위치한 교체형 필터는 저장용기 개구부 내부에 삽입되거나 나사결합이 되도록 연결시키는 것도 가능하다.

상기에서 수소저장합금 필터는 수소저장용기 개구부 하단과 용접, 접착 또는 나사결합으로 연결시키는 것도 가능하다.

상기 메시필터는 철망형태의 메쉬를 말아서 한쪽 끝단이 막힌 파이프 형상으로 수소저장합금 분리필터 하단에 삽입, 용접, 접착 또는 나사결합 등 다양하게 연결 가능하다.

상기 수소저장용기 내벽의 금속돌기는 수소저장용기 내부공간을 균등하게 구획되도록 설계 및 배치되도록 하고 수소저장용기 내벽을 깍아 일체형으로 형성하거나 용접, 브레이징 등을 이용하여 열 전도성이 좋은 판상 또는 봉형태의 금속(알루미늄, 구리, 스테인레스 등) 으로 돌기를 형성시키는 것도 가능하다.

상기에서 수소저장용기에 충진되는 수소저장합금은 상기의 금속돌기 사이에 삽입 또는 적층되어 수소저장용기 내부공간에 동일한 충진밀도로 배치 할 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 수소저장용기는 필터교환이 가능하여 수소저장용기의 수명이 향상되고 내부 수소저장합금 분말 등 오염원으로 부터 수소저장용기 밸브를 보호하여 수소누출 위험성을 낮출 수 있다.

그리고 유연한 망을 말아 만든 파이프 형태의 유연성을 가지는 메쉬필터를 적용함으로서 수소저장합금의 부피팽창에 따른 필터의 찌그러짐, 크랙발생, 유로막힘 등의 문제점을 해결함과 동시에 필터파손으로 인한 수소저장용기 폐기문제도 방지할 수 있다.

또한 수소저장용기 내벽에 금속돌기를 균등하게 형성함으로서 일정한 충진밀도를 가지는 수소저장합금의 배치가 가능하므로 수소저장용기 내 특정부위에만 수소저장합금을 채울때 발생하는 수소저장합금의 국부적인 팽창에 따른 수소저장용기의 변형 또는 파손을 방지할 수 있어 수소저장용기의 안전성을 높일 수 있다.

추가적으로 상기의 돌기는 수소저장용기와 일체형 또는 용접 등에 의해 결합되어 수소화 반응열을 효과적으로 제거가 가능하고 수소저장용기의 수소 흡/방출속도의 향상이 기대된다.

본 발명에 따른 수소저장용기에 의하면 수소저장용기 내부에 일정간격으로 형성된 금속돌기사이에 수소저장합금을 균등배치하여 수소화 반응 시 팽창방향을 수소저장용기 내부방향으로 도 2와 같이 유도하여 수소저장용기의 변형과 파손을 방지를 기대할 수 있다.

그리고 충진밀도 범위를 제한함으로서 수소저장합금의 부피팽창에 따른 여러 문제점(예를 들면 과도한 충진밀도는 수소저장용기의 소성변형 유발, 낮은 충진밀도는 경제성 악화 등)을 극복할 수 있어 수소저장용기의 안전성 및 경제성 향상이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 수소저장용기의 일실시예를 나타내는 계략 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소저장용기의 수소화 반응이 이뤄진 후 일실시예를 나타내는 계략 단면도이다.

본 발명에 따른 수소저장합금이 내장된 수소저장용기의 일실시예는 도 1~도 2에 나타낸 바와 같이, 수소저장용기 몸체(20)와, 수소저장용기 상단캡(22)과 수소저장용기 하단캡(23)으로 이루어지고, 상기 상단캡(22)에 위치한 수소저장용기의 개구부(21)에 수소 출입제어 밸브(10)이 설치되고, 밸브(10)하단 개구부(21) 내부에 교체형필터(30)이 삽입되고, 상기 상단캡(22)의 하부 개구부(21)에 수소저장합금(60) 분리필터(40)가 연결되고 상기 분리필터(40)과 연결되어 메쉬필터(50)가 설치되어 수소유로와 필터링 볼륨을 확장 형성하고 상기 몸체(20) 내벽에 설치되는 금속돌기(70)은 수소저장용기 몸체(20)의 내용적을 균등하게 구획하도록 형성되고 각 금속돌기(70) 사이에 수소저장합금(60)이 수소화반응 시 부피팽창에 의하여 상기 수소저장 몸체(20)가 변형 또는 파손되지 않도록 동일한 충전밀도를 갖도록 삽입되어 설치된다.

상기의 교체형필터(22)는 수소출입 통제밸브(10)를 분리 후 교체가 가능하도록 오링이나 나사결합 등으로 연결하는 것도 가능하다.

상기의 수소소저장합금 분리필터(40)은 상기 상단캡(22)의 개구부(21)에 연결할 시 용접, 브레이징, 접착, 나사결합 등으로 형성되는 것도 가능하다.

상기의 메쉬필터(50)는 상기 수소저장합금 분리필터(40)와 연결되며 삽입, 접합, 용접, 브레이징, 나사결합 등으로 형성이 가능하다.

상기 금속돌기(70)는 저장용기 몸체(20) 내벽에 형성되며 돌기의 형상은 판형, 봉형상 등 다양하게 적용이 가능하며, 연결 시 몸체(20) 내벽을 깍아 일체형으로 형성하거나, 용접, 브레이징 다양한 방법으로 형성가능하다.

상기의 상단캡(22)와 하단캡(23)은 상기 몸체(20)과 오링(24)을 이용하여 실링하고 나사결합을 이용하여 본 발명에서 형성하였으나, 용접, 브레이징 등 외 압출 등을 이용하여 일체형으로 형성이 가능하다.

도 1에 도시된 수소저장용기는 수소출입밸브(10)을 통해 수소저장합금(60) 고유의 저장압력 이상으로 압력을 공급해주면 교체형필터(30), 수소저장합금 분리필터(40), 메쉬필터(50)를 순차적으로 통과하여 금속돌기(70)사이에 삽입된 수소저장합금(60)에 수소화 반응을 진행시킴과 동시에 부피팽창이 진행된다. 부피팽창은 도 2와 같이 금속돌기(70)에 의하여 메쉬필터(50)방향으로 유도되어 상기 수소저장용기의 몸체(20)의 변형 또는 파손이 방지되고 필터의 손상도 피할 수 있다. 이때 발생되는 수소화 반응열은 빠르게 금속돌기(70)를 통하여 외부로 이동된다.

상기 실시예에서 수소저장용기에서 수소 방출과정은 상기 수소출입밸브(10)를 개방하면 저장경로와 반대로 수소저장합금(60), 메쉬필터(50), 수소저장합금분리필터(40), 교체필터(30) 순으로 수소가 분리 이동된다.

상기에서는 본 발명에 따른 수소저장용기의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명, 첨부한 도면의 범위내에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본발명의 범위내에 속한다.

10 : 수소출입통제 밸브
20 : 수소저장용기 몸체
21 : 수소저장용기 개구부
22 : 수소저장용기 상단캡
23 : 수소저장용기 하단캡
24 : 오링
30 : 교체형 필터
40 : 수소저장합금 분리필터
50 : 메쉬(mesh) 필터
60 : 수소저장합금
70 : 금속돌기

Claims (3)

1. 수소의 출입을 통제하는 밸브와 상기 밸브하단 수소저장용기 개구부 내부에 교체가 가능한 교체형필터가 삽입되고 수소저장용기 개구부하단에 연결된 수소저장합금 분리필터와 상기 수소저장합금분리필터와 연결되어 수소저장용기 하단부까지 위치한 유연한 변형이 가능한 메쉬(mesh)필터로 구성되고, 수소저장용기 내용적이 균등하게 구획되게 금속돌기를 형성시켜 그 사이에 수소저장합금이 균질한 충전밀도를 갖도록 삽입되어 형성된 수소저장용기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   
   상기 수소저장용기 내부공간과 수소저장합금을 균등하게 구획되도록 배치 되는 수소저장용기 내벽 금속돌기는 수소저장용기 내벽을 깍아 일체형으로 형성하거나 내벽에 용접, 브레이징 등을 이용하여 판상 또는 봉형태의 금속 돌기가 일체형 부착되어 구성된 수소저장용기.
   
3. 청구항 1항 또는 청구항 2항에 있어서,
   
   상기에서 수소저장용기 내용적에 저장되는 수소저장합금의 충진밀도가 2.5 g/cm³ ~ 4.0 g/cm³ 이하의 값을 갖는 수소저장용기.

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