KR20230046119A - 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템을 제공할 수 있다. 상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크를 포함하는 저장탱크부;및 상기 저장탱크부 외부에 설치되고 상기 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소가스를 공급받아 흡수하는 수소저장합금을 포함하는 수소저장부;를 포함할 수 있다.

Description

액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템{HYDROGEN STORAGE SYSTEM FOR LIQUID HYDROGEN VAPORIZATION STORAGE}
본 발명은 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 수소저장합금을 이용하여 액화수소 기화가스를 저장할 수 있는 수소저장시스템에 관한 것이다.
최근 환경문제의 해결과 화석연료의 대체를 위해 수소 활용의 필요성이 대두되면서 수소 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그런데 수소는 상온의 대기압 상태에서 기체로 존재하기 때문에 체적당 에너지밀도가 낮고 운반 및 저장이 불편할 뿐 아니라 안전성이 떨어진다.
이러한 수소의 저장 방법으로는 수소 기체를 압축시켜 저장하는 방법, 액체화시켜 저장하는 방법 또는 수소저장용 합금을 이용한 방법 등이 알려져 있다.
또한, 액화 수소는 영하 253도의 극저온으로 냉각시켜야 하므로 에너지 소모가 극심하고, 액화수소탱크를 상온 보관 시 상당량이 자연 기화되어 증발해버릴 수 있다.
상기 액화수소탱크에서 자연 기화되는 수소가스(BOG: Boil off gas) 양은 전체의 1% 내지 4%가 기화될 수 있다. 이는 수소 1톤(ton) 보관 시 하루에 10 내지 40kg의 수소가 기화될 수 있다.
이때, 상기 액화수소탱크 내에서 자연 기화된 수소 가스(BOG: Boil off gas)는 액화수소탱크 내부의 압력을 상승시킬 수 있다. 이렇게 액화수소탱크 내부의 압력이 상승한 경우, 수소 폭발의 위험성이 증가할 수 있다.
이에, 상기 액화수소탱크 내부에서 자연 기화된 수소가스를 대기 중에 방출할 수 있는데 자연기화가스를 전량 대기중으로 방출하는 경우 수소 가스의 낭비로 인한 경제적 손실이 있고, 다시 재액화 하는 방법은 추가적인 설비가 요구되어 경제성이 낮은 문제가 있다.
따라서, 상기 액화수소탱크에서 상기 자연기화 되어 배출되는 수소 기체를 에너지 소모가 적고 안전하며 장기보관 가능한 수소저장시스템 또는 수소저장합금에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 공개특허 제2020-0009221호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액화수소 저장탱크에서 자연 기화되어 배출되는 수소 기체를 에너지 소모가 적고 안전하게 보관 가능한 수소저장시스템을 제공하는 것이다.
또한, 상기 수소저장시스템에 포함되어 상기 액화수소 저장탱크에서 자연기화되어 배출되는 수소 기체를 저장할 수 있는 수소저장합금을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크를 포함하는 저장탱크부;및 상기 저장탱크부 외부에 설치되고 상기 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소가스를 공급받아 흡수하는 수소저장합금을 포함하는 수소저장부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 저장탱크부와 수소저장부 사이에 위치되어 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소가스가 배출되는 경우 상기 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금에서 수소가스를 공급받아 흡수되는 공정은 - 100℃ 내지 30℃ 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금은 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소 가스(BOG)의 배출 압력보다 평탄압이 낮을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금은 30℃ 를 기준으로 평탄압이 5bar 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금에 의해 흡수된 수소는 열처리에 의해 상기 수소저장합금에서 방출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금은 수소와의 반응엔탈피를 기준으로 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 일 실시 예는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법은 상기 액화수소 저장탱크의 내부에서 자연 기화된 수소가스가 수소저장부로 이동하여 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소가스의 흡수량을 측정하는 수소가스 흡수량 측정단계; 및
상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소 가스의 흡수량이 기 설정된 기준량과 비교하여 상기 기 설정된 기준량 초과인 경우 밸브를 폐쇄하여 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 제어 단계;를 포함 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 제어 단계에서, 상기 수소 가스가 흡수된 수소저장합금을 열처리 한 경우 상기 수소저장합금에서 수소가 방출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어서, 상기 수소저장합금은 30℃ 를 기준으로 평탄압이 5bar 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 액화수소 저장탱크에서 자연기화되어 배출되는 수소기체를 에너지 소모가 적고 안전하게 보관가능하다.
또한, 상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템에 포함된 수소저장합금은 저압으로 방출되는 자연 기화된 수소가스의 압력보다 평탄압이 낮으므로 자연 기화되는 수소 가스(BOG)를 별도의 조작 없이 곧바로 흡수 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템의 대략적인 구성을 나타낸 개념도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템의 가스흐름을 대략적으로 나타낸 개념도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장합금의 PCT다이어그램이다.
도4는 DFT 계산식 및 50℃를 기준으로 상기 DFT계산 결과에 따른 수소방출압력을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템에 대해 설명한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템의 대략적인 구성을 나타낸 개념도이다.
상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크를 포함하는 저장탱크부(10); 및 상기 저장탱크부 외부에 설치되고 상기 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소가스를 공급받아 흡수하는 수소저장합금을 포함하는 수소저장부(20);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 저장탱크부(10)와 수소저장부(20) 사이에 위치되어 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소가스가 배출되는 경우 상기 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 밸브(30)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템의 상기 저장탱크부(10)는 액화수소 저장탱크를 포함할 수 있다.
상기 액화 수소는 영하 253도의 극저온으로 냉각시켜야 하므로 에너지 소모가 극심하고, 액화수소탱크를 상온 보관 시 상당량이 자연 기화되어 증발해버릴 수 있다.
상기 액화수소탱크에서 자연 기화되는 수소가스(BOG: Boil off gas) 양은 전체의 1% 내지 4%가 기화될 수 있다. 이는 수소 1톤(ton) 보관 시 하루에 10kg 내지 40kg의 수소가 기화될 수 있다.
이때, 상기 액화수소탱크 내에서 자연 기화된 수소 가스(BOG: Boil off gas)는 액화수소탱크 내부의 압력을 상승시킬 수 있다. 이렇게 액화수소탱크 내부의 압력이 상승한 경우, 수소 폭발의 위험성이 증가할 수 있다.
따라서, 상기 액화수소탱크 내에서 자연기화된 수소가스를 포집할 수 있는 시스템이 필요하다.
이에 따라, 본 발명의 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 수소저장부(20)를 포함할 수 있다.
상기 수소저장부(20)는 상기 저장탱크부 외부에 설치되고 상기 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소가스를 공급받아 흡수하는 수소저장합금을 포함할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 수소저장합금(40)에서 수소가스를 공급받아 흡수되는 공정은 -100℃ 내지 30℃ 온도에서 수행될 수 있다. 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금(40)에서 수소가스를 공급받아 흡수되는 공정이 -100℃ 내지 30℃ 온도에서 수행되는 이유는 다음과 같다.
실제 액화 수소는 영하 253도에서 기화될 수 있으므로 수소가스는 영하 253도를 초과하는 극저온 온도에서도 수소저장탱크에 공급되고 상기 수소저장합금에 수소가스가 흡수될 수 있다.
이때, 수소저장탱크 내부로 수소가스가 공급되는 동안 온도가 소폭 증가할 수 있고 상기 수소저장합금 내부로 수소를 합수하는 과정이 발열 반응을 수반할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 액화 수소 저장용 수소저장시스템은 -100℃ 내지 30℃에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 수소저장합금(40)은 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소 가스(BOG)의 배출 압력보다 평탄압이 낮을 수 있다.
상기 액화수소 저장탱크 내부의 압력은 2 내지 5 bar 압력으로 유지되며, 상기 수소가 기화되어 일정 압력 이상(예, 5기압)이 형성되면 밸브(30)를 통해 수소기체를 배출할 수 있다.
이때, 상기 수소저장합금(40)은 평탄압을 갖는데, 상기 수소저장합금(40)의 평탄압은 수소와의 반응성에 의해서 결정될 수 있다.
상기 수소저장합금(40) 내의 수소 농도가 증가하더라도 평형 수소 압력이 변동되지 않고 일정하게 유지되는 영역을 평탄 영역이라 하고, 이때의 평형 수소 압력을 평탄압(plateau pressure)이라고 한다.
상기 평탄압은 합금에 수소를 저장하거나 방출시켜 사용할 때 중요한 특성으로 수소 저장시의 수소 압력과 방출시의 수소 압력을 결정해준다. 또한, 상기 수소저장합금(40)에서의 평탄압은 수소 저장 합금을 사용하는 용도에 따라서 조정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금(40)은 합금 성분계에 따라서 평탄압의 제어가 가능하며 상기 수소저장합금(40)의 평탄압은 기화되어 방출되는 가스의 압력보다 낮은 합금일 수 있고, 상기 수소저장합금(40)을 사용한 경우 기화되는 가스를 그대로 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금(40)의 평탄압은 5bar 이하 일 수 있는데 상기 수소저장합금(40)의 평탄압이 5bar 이하인 이유에 대해서 설명한다.
상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템은 30℃ 를 기준으로 액화수소 기화가스 배출가스의 압력이 5bar 인데 상기 수소저장합금의 평탄압이 액화수소 기화가스 배출가스의 압력보다 낮은 압력인 5bar 이하인 경우 기화되어 방출되는 수소가 상기 수소저장합금 내부로 전부 저장될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 AB계 수소저장합금의 평탄압은 수소와의 반응성과 관계가 있으며, 상기 수소와의 반응성은 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)에 의해 결정될 수 있다.
즉, 30℃ 기준으로 상기 수소저장합금의 평탄압이 5bar이하인 경우 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)가 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가질 수 있다.
이때, 상기 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)를 기준으로 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가지는 상기 AB 계 합금은 제일원리, DFT(density function theory) 계산 결과에 의해 도출할 수 있다.
도4를 참조하여, DFT(density function theory) 계산 결과에 따른 수소저장합금의 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)가 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가지는 이유에 대해서 설명한다.
상기 도4는 DFT 계산식 및 50℃를 기준으로 상기 DFT계산 결과에 따른 수소방출압력을 나타낸 그래프이다.
수소저장합금은 온도가 높아질수록 평탄압이 증가되기 때문에, 수소의 방출 시에는 가열을 해야하고, 수소의 저장 시에는 수소의 흡수를 위해 냉각을 해야하는데, 도4에서와 같이 50℃를 기준으로 방출 압력이 1기압 이거나 1기압 이하가 되면 30℃ 일 때의 흡수 평탄압도 더욱 낮아져 수소를 잘 흡수할 수 있다는 것을 도출 할 수 있다.
이때, 상기 도4의 그래프에 포함된 계산식을 참조하면, 50℃를 기준으로 방출 압력이 1기압일 때 수소와의 반응 엔탈피가 해당 계산식에서 도출된 수치보다 음으로 큰 값이면 평탄압이 더욱 낮아지는 것을 의미할 수 있으므로, 상기 계산식에 의해 수소와의 반응 엔탈피가 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 값을 가지는 경우 평탄압이 5기압 이하 일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)를 기준으로 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가지는 상기 AB계 합금은 평탄압이 5bar (5기압) 이하일 수 있으며 상기 5bar 이하로 방출되는 액화수소 기화가스를 잘 흡수 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 적용할 수 있는 수소저장합금에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금은 상기 AB계, AB2계, AB5계 수소저장합금을 적용할 수 있는데,
상기 금속A는 수소와의 높은 화학 친화도를 보이기 때문에 안정적인 수소화물을 형성하는 반면, 금속B는 수소화물의 안정성을 낮춰 가역적인 반응을 가능하게 하는 성분이다.
금속A가 과다한 경우 수소를 너무 강하게 잡아서 수소 방출이 어렵고, 금속B가 과다한 경우 수소를 잘 흡수하지 않을 수 있어서, 적절한 비율로 수소저장합금을 제조할 필요성이 있다.
상기 AB계 수소저장합금은 수소 저장 용량이 1,1wt% 내지 2.0 wt% 로서 수소를 흡수하여 활성되기 어려운 특성이 있고, AB2계 수소저장합금은 수소 저장 용량이 1,7wt% 내지 2.0 wt% 로서 마찬가지로 수소를 흡수하여 활성되기 어려운 특성이 있을 수 있다.
또한, 상기 AB5 계 수소저장합금은 수소 저장 용량이 1.2 wt% 내지 1.6 wt%이며, 상기 BCC 계 수소저장합금은 수소 저장용량이 1.6 wt% 내지 2.0 wt%이며 반응 속도가 느린 것이 특징이다.
예를 들면, AB계 수소저장합금에서, 상기 A는 Ti(티타늄), Zr(지르코늄) 또는 V(바나듐)를 포함하고, 상기 B는 Fe(철)를 포함할 수 있다.
구체적 예로, 상기 AB계 합금은 TiFe 합금일 수 있다.
예를 들어, 상기 Ti의 일부가 Zr로 치환되는 경우 수소 흡수 능력이 향상하고 사이클 성능이 우수해 질 수 있다.
예를 들어, 상기 Ti의 일부가 V로 치환되는 경우 활성화 특성이 향상할 수 있다.
예를 들어, 상기 AB2계 수소저장합금의 종류로서 Zn(Mn)2, Ti(Mn) 2, Zn(V)2 등이 있을 수 있고, 상기 AB5계 수소저장합금은 LaNi5, MnNi5 등이 있을 수 있다.
또한, 상기 BCC계 수소저장합금은 Ti-V-Cr, Ti-V-Mn 등이 있을 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소저장합금(40)은 AB계, AB2계, AB5계 또는 BCC 계 합금으로 구성될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장합금(40)은 상기 30℃ 를 기준으로 평탄압이 4bar 이하인 수소저장합금일 수 있고, AB계 합금으로 TiFe계 합금, AB2계 합금으로 TiMn2계 합금, AB5계 합금으로 LaNi5계 합금 및 BCC 계 합금으로 TiVCr계 합금에서 선택된 1종으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소저장합금은, 전체 조성이 TiFe1-xMx 로 표시되는 화학식을 가지며, 상기M은 V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Al 중에 선택되는 하나 이상을 포함하고, 상기 x는 0.1초과 0.5이하인 것을 특징으로 한다.
상기 M의 함량이 x범위 내에서 증가할수록 수소 흡수 특성이 상승할 수 있다.
예를 들어, TiFe0.77 Mn0.20Cr0.03 수소저장합금의 경우 평탄압이 4bar 이하일 수 있다.
상기 Fe일부를 Cr 또는 Mn으로 치환하면서 TiFe 기지에 부분적으로 라베스상을 형성시킴으로써 기존 TiFe에 비해 수소를 흡수하는 특성이 크게 향상하는 효과를 갖게 된다.
상기 Ti의 일부 또는 전부를 Zr로 치환할 수 있다.
상기 Zr 치환에 의해 수소 흡수 능력이 향상하고 사이클 성능이 우수해 질 수 있다.
또한, 상기 Ti의 일부 또는 전부를 V로 치환할 수 있다.
상기 V 치환에 의해 활성화 특성이 향상할 수 있다.
또한, 상기 Fe의 일부를 Co, Ni, Cu 또는 Al로 치환할 수도 있다.
상기M의 원자 분율 x가 0.5초과인 경우에는 평탄압이 너무 낮아져서 수소의 방출을 위해 매우 높은 온도로 가열해야 하는 문제가 있을 수 있다.
예를 들어, 상기TiFe1-xMx 은 TiFe0.8Cr0.2 또는 TiFe0.8Mn0.2 일 수 있고, Cr 및 Mn을 동시에 포함할 수도 있으며, 상기 M의 분율(0.1초과 0.5 이하) 내에서는 어떠한 조합도 가능하다.
상기 M(Cr, Mn 또는 이들의 혼합물)의 함량이 x범위 내에서 증가할수록 수소의 흡수 특성이 상승할 수 있다.
또한, 상기 수소저장합금에 의해 흡수된 수소는 열처리에 의해 상기 수소저장합금에서 방출될 수 있다.
이때, 상기 가열은 60℃ 내지 150℃ 온도 범위에서 실시될 수 있다.
이로써, 상기 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템을 통하여 고정된 온도에서 저장 합금의 평탄압 보다 높은 압력의 수소 분위기에 있으면 대량의 수소 흡수가 가능하고, 액화수소에서 기화되는 저압의 수소 가스의 효율적인 재활용이 가능한 수소저장합금을 제공할 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템의 가스흐름을 대략적으로 나타낸 개념도이다.
상기 도 2를 참조하면, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템에서 액화수소 저장탱크부(10)에서 수소저장부(20)로 액화수소 내에서 자연기화된 가스가 이동하는 것을 확인 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법을 설명한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법은,
상기 액화수소 저장탱크의 내부에서 자연 기화된 수소가스가 수소저장부로 이동하여 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소가스의 흡수량을 측정하는 수소가스 흡수량 측정단계; 및 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소 가스의 흡수량이 기 설정된 기준량과 비교하여 상기 기 설정된 기준량 초과인 경우 밸브를 폐쇄하여 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 제어 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 액화수소 저장탱크의 내부에서 자연 기화된 수소가스가 수소저장부로 이동하여 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소가스의 흡수량을 측정하는 수소가스 흡수량 측정단계를 포함할 수 있다.
상기 액화수소 탱크 내부에서 자연기화되는 수소가스가 액화수소 탱크 외부로 배출되는 경우, 상기 액화수소 저장탱크 내부의 압력은 2 내지 5 bar 압력으로 유지되며, 상기 수소가 기화되어 일정 압력 이상(예, 5기압)이 형성되면 밸브를 통해 수소기체를 배출할 수 있다.
이때, 상기 저압으로 방출된 수소가스는 액화수소 저장탱크 외부에 연결되어 설치된 수소저장합금을 포함하는 수소저장부로 이동될 수 있다.
이때, 상기 자연 기화된 수소가스가 수소저장부에 설치된 수소저장합금 내부로 흡수될 수 있다.
또한, 상기 수소저장합금은 흡수될 수 있는 수소 흡수량이 한정되어 있으므로, 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소 가스의 흡수량을 측정할 수 있다.
상기 수소가스 흡수량을 측정하는 방법은 실제 저장 합금 탱크의 무게 변화를 측정하거나 수소를 흡수하는 유량을 합산하여 흡수된 총량을 계산하는 방법을 이용 할 수 있다.
둘째 단계로, 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소 가스의 흡수량이 기 설정된 기준량과 비교하여 상기 기 설정된 기준량 초과인 경우 밸브를 폐쇄하여 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 제어 단계를 포함할 수 있다.
상기 밸브는 저장탱크부와 수소저장부 사이에 위치되어 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소가스가 배출되는 경우 상기 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어할 수 있다.
이때, 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소가스 흡수량이 기 설정된 기준량과 비교하여 상기 기 설정된 기준량을 초과하는 경우 밸브를 폐쇄하여 가스의 배출을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어단계에서는 상기 수소 가스가 흡수된 수소저장합금을 열처리 한 경우 상기 수소저장합금에서 수소가 방출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 수소저장합금은 30℃ 를 기준으로 평탄압이 4bar 이하일 수 있다.
이때, 상기 수소가스가 방출될 수 있도록 하는 가열 온도는 60℃ 내지 150℃ 일 수 있다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
제조예1
Ti 50at%, Fe 38.5at%, Cr 1.5at% 및 Mn 10at%를 각각 칭량하여 도가니에 넣고 가열한 후 냉각하여, TiFe 합금 기지에 부분적으로 석출된 라베스 상을 갖는 TiFe0.77 Mn0.20Cr0.03 수소저장합금을 제조하였다.
실험예
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 액화수소 기화가스 저장용 수소저장합금의 PCT다이어그램이다.
상기 도 3을 참조하면, 수소 흡수/방출 거동을 분석하는 PCT(pressure-concentration-temperature) 장비를 이용하여 수소의 흡수 특성을 측정하였다.
상기 도 3은 제조예에 의해 제조된 TiFe0.77 Mn0.20Cr0.03 수소저장합금의 30℃ 에서 찍은 pct 다이어그램을 분석하면, 상기 수소저장합금의 평탄압의 기울기가 완만해지는 압력이 4bar 이하인 것을 확인 할 수 있다.
상기 TiFe0.77 Mn0.20Cr0.03 수소저장합금은 평탄압의 기울기가 완만해져서 1.3wt% 의 수소 잔량이 남는다는 것을 확인할 수 있다.
도4는 DFT 계산식 및 50℃를 기준으로 상기 DFT계산 결과에 따른 수소방출압력을 나타낸 그래프이다.
상기 도4를 참조하면, 반응 엔탈피가 증가할수록 수소방출압력이 증가하는 것을 확인 할 수 있으며, TiFe계 합금 중에 수소방출압력에 따른 반응 엔탈피가 비례하는 관계를 나타내는 각각의 합금들을 나타낼 수 있다.
또한, 상기 도4의 그래프에 포함된 계산식을 참조하면, 50℃를 기준으로 방출 압력이 1기압일 때 수소와의 반응 엔탈피가 해당 계산식에서 도출된 수치보다 음으로 큰 값이면 수소저장합금의 평탄압이 더욱 낮아지는 것을 의미할 수 있으므로, 상기 계산식에 의해 수소와의 반응 엔탈피가 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 값을 가지는 경우 수소저장합금의 평탄압이 5기압 이하 일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 hydride forming enthalpy(수소와의 반응 엔탈피)를 기준으로 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 가지는 상기 TiFe계 합금은 평탄압이 5bar 이하일 수 있으며 상기 5bar 이하로 방출되는 액화수소 기화가스를 잘 흡수 할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크를 포함하는 저장탱크부;및
    상기 저장탱크부 외부에 설치되고 상기 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소가스를 공급받아 흡수하는 수소저장합금을 포함하는 수소저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크부와 수소저장부 사이에 위치되어 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소가스가 배출되는 경우 상기 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금에서 수소가스를 공급받아 흡수되는 공정은 -100℃ 내지 30℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 상기 액화수소 저장탱크 내부에서 자연 기화된 수소 가스(BOG)의 배출 압력보다 평탄압이 낮은 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 30℃ 를 기준으로 평탄압이 5bar 이하인 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금에 의해 흡수된 수소는 열처리에 의해 상기 수소저장합금에서 방출될 수 있는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 수소와의 반응엔탈피를 기준으로 -35kJ/mole 보다 음의 값으로 큰 엔탈피를 갖는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템.
  8. 제1항의 액화수소 기화가스 저장용 수소저장 시스템을 이용한 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법에 있어서,
    상기 액화수소 저장탱크의 내부에서 자연 기화된 수소가스가 수소저장부로 이동하여 상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소가스의 흡수량을 측정하는 수소가스 흡수량 측정단계; 및
    상기 수소저장합금 내부로 흡수된 수소 가스의 흡수량이 기 설정된 기준량과 비교하여 상기 기 설정된 기준량 초과인 경우 밸브를 폐쇄하여 액화수소 저장탱크에서 자연 기화된 수소 가스의 배출을 제어하는 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어 단계에서, 상기 수소 가스가 흡수된 수소저장합금을 열처리 한 경우 상기 수소저장합금에서 수소가 방출되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 수소저장합금은 30℃ 를 기준으로 평탄압이 5bar 이하인 것을 특징으로 하는 액화수소 기화가스 저장용 수소저장시스템 제어방법.
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