KR20030007578A - 수소 가역 저장 탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부 압력 쉘, 거기에 함유된 수소-저장 합금, 열교환 시스템 및 수소 저장실을 포함하는 가역 수소 저장 탱크에 관한 것이다. 본 발명 탱크는 탱크가 수소-저장 합금을 수용하는 층을 구비 하고, 이 층은 재료 접합부에서 압력 용기의 벽과 연결되는 개방-기공 금속 스펀지로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 가역 저장 탱크{TANK FOR THE REVERSIBLE STORAGE OF HYDROGEN}
(이용분야)
본 발명은 외부 압력 케이싱, 거기에 함유된 수소-저장 합금, 열-교환 시스템 및 수소-가스 저장실을 포함하는 수소 가역 저장 탱크에 관한 것이다.
보편적인, 가역적으로 제조할 수 있는 에너지 공급원으로서 수소는 에너지 공급을 위한 미래 시스템에 관한 토론에서 중요한 역할을 한다. 미래 수소-에너지 관리의 일부는 수소의 제조(예를 들면, 물의 전기분해에 의함)후의 그것의 저장과 연소 가스(예를 들면, 연소 엔진 또는 연료전지용)로서의 수소의 제공이다.
다음 세가지 시스템이 수소의 저장을 위해 기술적으로 증명된 것으로 간주된다.
- 압축-가스 탱크에 저장(압축된 기체상 수소)
- 저온 탱크에 저장(극 저온 액화 수소)
- 금속 합금에 저장(금속에 화학 결합된 수소)
탄소 섬유(나노튜브)로 만들어진 한정된 기하학적 구조적 구조에서의 저장은 여전히 개발의 초기 단계에 있고 현재까지 공업적 규모로 증명되지 않았다.
세가지 가능한 저장 방법 모두는 특정한 장점과 단점을 갖고 있으며, 그들중가장 중요한 것을 하기 표에 기재한다:
물-저장 합금 탱크는 25년 이상 공지되어 왔고 하기의 기본적인 성분들로 구성되어 있으며, 그것의 실제적인 구성은 개개의 사용 조건에 의존한다:
- 금속-합금 층
→ 압력 용기에 성긴 분말의 충전
→ 압력 용기의 카세트에의 분말, 숏트, 주괴
→ 열 전도도를 개선하기 위한 분말/숏트의 금속-합금 분말과의 혼합물
→ 결합제와의 밀집된 분말/숏트 시스템
- 금속-합금 층 주위의 외부 압력 용기
→ 오목한 바닥을 갖는 원통형 튜브
→ 작은 외부 치수를 갖는 평평한 기하학적 구조
- 열교환 시스템(외부 및/또는 내부)
→ 압력 용기에서 열전도를 개선하기 위한 시스템
→ 압력 용기에서의 냉각/가열 코일
→ 외부로 부터의 압력-용기벽의 냉각/가열
→ 열-교환 수단으로서의 가스, 액체
- 수소 저장실
→ 압력 용기내의 미세 기공 튜브(< 0.5㎛ 기공 크기)
보다 큰 수소-저장 합금 탱크는 개개의 보다 작은 장치들을 함께 결합함에 의해 얻어진다.
수소-저장 합금은 수소의 흡장 및 방출이 각 경우에 작업 온도에 전형적인 평형압력에서 일어나는 것을 특징으로 한다. 흡장의 동안에는, 금속 수소화물의 생성열이 시스템으로부터 제거되어야 하는데(발열반응), 그렇지 않으면 금속-합금층이 가열되고 평형압력(흡장)이 상승하기 때문이다. 반대로, 열은 방출의 동안에는 공급되어야 하는데, 그렇지 않으면 금속-합금층이 동결되고 평형압력(방출)이 떨어지기 때문이다.
실제로 "Energiespeicherung in Metallhydrieden; Innovative Energietechnik" [금속 수소화물 에서의 에너지 저장; 혁신적 에너지 기술], Springer-Verlag, Vienna, New York, 1992에서 H. Buchner에 의해 기술된 것처럼 소위 카세트 기술은 높은 흡장(또는 방출)속도가 요구되는 탱크에 대하여 승인을 얻었다. 반응열은 압력 용기의 벽 및 카세트를 통하여 작은 두께의 금속-합금층으로 광범위한 면적에 걸쳐 열전도에 의해 전달되어, 따라서 금속-합금층의 나쁜 열전도는 덜 현저한 한정 효과를 갖는다. 낮은 방출 속도를 갖는 탱크에 대하여, 해당 압력 용기내의 금속 합금의 분말 충전이 관습적으로 사용되고, 반응열은 압력용기의 벽을 통해서 및 금속-합금층에서의 열전도를 통하여 공급되거나 제거된다.
수소-저장 합금 탱크는 기본적으로 압력 용기이며 상응하는 규제를 받게된다. 설계는 금속합금의 바람직한 작업범위에 상응해야 할 뿐만아니라, 또한 생각할 수 있는 모든 조건을 고려하여야 한다. 이미 상대적으로 낮은 온도를 갖는 탱크가 높은 방출압력을 가지려면 이것이 문제가 되나, 외부 온도는 아주 쉽게 또한 분명히 높아질 수 있다. 인용될 수 있는 예는 수소를 0℃에서 2bar의 압력으로 제공하는 연소 엔진을 갖는 자동차용 탱크이다. 가능한 최고 온도가 80℃로 주어진다면, 대략 70bar의 평형압력이 탱크에 설정되는데, 그것은 따라서 내압설계를 가져야 한다.
수소-저장 합금 탱크의 결정적인 단점은 낮은 중량 측정 에너지 밀도인데, 그것은 한편으로는 활성 금속 수산화물에 의한 것일 뿐만아니라, 또한 압력 용기 및 열-교환 시스템에 의한 것이기도 하다. 따라서, 1994년 베를린에서 Daimler Benz 함대 시도로 부터 H. Buchner(상기 참조)에 의해 기술된 탱크는 총질량이 145kg인데, 그 중 단지 90kg을 금속 합금이 차지한다. 개개의 압력 용기의 지름을 증가시킴(보다 큰 용기 부피 측정)에 의하여 문제를 최소화 할 수 있다. 그러나, 요구되는 최소 벽 두께는 주어진 최대 압력에서 증가하고 가능한 중량 측정 절감을 거의 완전히 상쇄시킨다. 게다가, 열교환은 지름이 증가할수록 더더욱 어려워지는데, 그 결과로 실제로는 50mm와 120mm사이의 지름 범위의 개개의 압력 용기로 구성되는 튜브 뭉치가 승인을 얻었다. 그러나, 압력 용기와 관련된 문제 때문에 요구되는 "둥근" 기하학적 구조는 탱크(예를 들면, 자동차에서)를 복잡한 공동으로 통합하고 싶어하는 사용자의 원함에 부응하지 못한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소-저장 탱크의 횡단면 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 수소-저장 탱크의 길이 방향 단면 개략도이다.
부재번호 1 내지 5는 다음의 의미를 갖는다.
1 냉각수 입구
2 냉각수 출구
3 수소 저장실
4 금속-합금층(금속-합금 분말로 채워진 개방-기공으로 된 금속 스펀지)
5 하프-쉘 클로저(금속 케이싱에 용접됨)
본 발명은, 큰 기공 지름을 갖는 개방-기공으로 된 금속 스펀지를 최대 기공 지름을 고려하여 설계된 바람직하게는 같은 금속 재료로 된 얇은 벽으로 된 압력 용기에 통합하는 것에 기초를 두고 있다.
통합은 시트 금속으로부터 일방이 개방된 용기를 생성하고 이 용기에 금속 스펀지를 제조함에 의해 달성된다. 금속-주조 방법에 기초한 스펀지-제조 공정의 결과로서, 스펀지 재료은 접점에서 용기벽의 재료에 연결되어, 따라서 예리한 점들에 의해 상호 연결된 결과적인 개개의 둥근 기공은 단지 "점 모양 방식"으로 용기 벽과 만난다. 용기벽에서, 압력 조건은 따라서 최대 기공 지름의 속이 빈 구에서 유사하게 존재할 만큼 설정된다. 압력에 관하여, 용기벽의 두께는 이 지름에 따라 설계되어야 한다. 전체 용기의 기하학적 구조는 원하는 대로 변화될 수 있고, 이것이 본 발명의 본질이다.
개방-기공으로 된 금속 스펀지 구조의 결과로서, 작은 지름과 함께 구형의 압력조건이 다수의 그와 같이 속이 빈 구로 구성되는 기하학적 구조적으로 확장된 압력용기에 적응되는데, 이로써 용기벽이 비교적 얇게 설계될 수 있고, 더욱이 효율적인 열전도가 용기벽 및 통합된 열교환기 모두에 보장되는데, 이것은 스펀지 제조를 위한 주조 공정중에 구조물로 주입될 수 있다.
탱크는 또한 DE-C-197 25 210에 기술된 공정에 따라 제조될 수 있다. 이 특허명세서의 내용이 여기에 의도적으로 포함되었다. 바람직한 절차에서, 저장 수단이 스펀지 구조와 용기벽 모두가 전개되는 단일 주조 공정에서 고안된다. 더 이상의 바람직한 변형에서, 금속 스펀지는 액화된 금속을 벽에 부음에 의해, 용접함에 의해 또는 납땜에 의해 재료 접합부에서 압력 용기 벽에 연결된다.
특히, 알루미늄, 마그네슘, 철, 니켈, 구리, 아연, 납, 주석 및 그들의 합금이 금속 스펀지를 위한 금속이나 금속 합금으로 고려될 수 있다. 알루미늄 또는 마그네슘과 그들의 합금이 바람직하게는 금속 재료로서 사용된다.
수소-저장 합금은 그들의 작업 온도에 따라 저온 및 고온 합금으로 구분될 수 있다. 저온 수소화물은 열역학적으로 덜 안정하다, 즉 교환되는 반응열은 고온 수소화물의 경우 보다 분명히 더 작다. 약 2wt% 수소의 최대 저장 용량을 갖는 저온 수소-저장 합금의 가장 통상적인 기본 형태는 다음과 같다:
AB 합금: FeTi, LaNi
AB2합금: Zr(V,Mn)2, Ti(V,Mn)2
AB5합금: LaNi5, CaNi5
실제로 적절한 고온 수소화물은 그들의 주성분(MgH2, Mg2Ni)으로서 Mg를 갖고 7.6wt% 이하의 분명히 더 높은 저장 용량을 갖는다. 그러나, 200℃이상의 필요한 방출 온도 및 비교적 높은 특정 방출 에너지가 현재 실제적인 사용을 제한하고 있다. 수소-저장 합금 사용의 개관이 V. Guther와 A. Otto에 의하여 J. of Alloysand Compounds 1999, 295, pages 889-892의 "금속 수소화물에 기초한 수소 저장 이용분야 에서의 최근의 개발"에서 주어진다.
더 이상의 적합한 수소-저장 합금은 본 분야의 최신 기술에서 광범위하게 기술된다. 어떤 적합한 수소-저장 합금이 본 발명의 실행을 위하여 고려될 수 있다. 여기에서 하기 특허명세서가 대표적인 예로서 언급되어야 한다:
DE-C-30 31 471, DE-C-30 23 770, DE-C-31 51 712, DE-C-31 39 368 및 US-A-41 60 014. 바람직하게는, DE-C-34 11 011에서 기술된 수소-저장 합금이 사용된다.
본 발명의 목적은 수소-저장 합금층의 하우징을 위해 기하학적 구조적으로 보편적인 방법으로 구성될 수 있는 가벼운 압력 용기를 제공하는 것이다.
그 목적은 외부 압력 케이싱, 거기에 함유된 수소-저장 합금, 열-교환 시스템 및 수소-가스 저장실을 포함하는 가역 수소 저장 탱크에 의하여 달성되는데, 그것은 수소-저장 합금의 흡장를 위하여 탱크가 재료 접합부에서 압력-용기 벽에 연결된 개방-기공으로 된 금속 스펀지로 구성되는 층을 갖는 것을 특징으로 한다.
압력 용기는 바람직하게는 금속 또는 금속 합금으로 구성되고, 특히 압력 용기와 금속 스펀지는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된다. 금속 스펀지의 기공률은 바람직하게는 50% 와 90% 사이이다.
발명의 바람직한 변형에서, 압력 용기는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고 금속 스펀지는 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 구성된다.
더 이상의 바람직한 변형에서, 수소-저장 탱크는 연료전지에 의해 전력 공급되는 차량용 탱크이다.
알루미늄 시트를 말단이 반원 모양으로 안쪽으로 구부러지고 50mm 넓이의 개구가 있는 U자 모양으로 구부렸다. 금속 시트를 상부가 반개된 좁은 용기를 만들도록 U자 가지의 양측면상에서 용접하였다. 용기의 길이는 800mm, 폭은 120mm, 그리고 높이는 250mm이다. 용기를 따라 구부러지는 알루미늄 파이프를 용접된 측면부중 하나에 용접하고 다시 같은 표면의 두번째 지점에서 밖으로 끌어낸다. 용기에 DE-C-197 25 210에 따라 결합제와 혼합된 석영 모래로 만들어진 구형 스페이서를 채웠다. 석영 모래 구는 약 83%의 충전도가 생기도록 2형태의 지름 분포(약 30mm 및 약 10mm)를 갖는다. 형성하는 공동에 인용된 특허명세서에 따라 알루미늄을 주조하였다. 발생하는 주조 열을 통하여 스페이서의 결합제 시스템을 용해시키고 기공으로 부터 석영 모래가 제거 되도록 하였다. 용해를 통하여, 견고한 재료 접합부가 벽 및 열교환기와의 스펀지의 접점부에 생긴다.
그 결과는 이전에는 압력 용기로 실현 되지 않은 평평한 기하학적 구조를 갖는 얇은 벽으로 된 압력 용기이다. 중앙에 길이 방향을 따라 측면부내로 구멍을 뚫었고 가스 저장실을 도입하여, 벽에 용접하고 밖으로 끌어내었다. 개방-기공으로 된 구조내로 수소-저장 합금 분말을 흔들어 넣었다. 다음에 그 곳의 지배적인 압력 조건에 대응하는 두께의 하프-쉘에 상부 개구부를 용접하였다(도 1 및 2 참조).
약 60kg의 금속 합금(수소 약 960g 또는 31kwh에 해당함)을 기술된 탱크에 저장할 수 있다. 열교환기와 가스 저장실을 포함하는 빈 탱크의 순 중량은 단지 약 18.4kg이고 따라서 분명히 종래 탱크의 특정 중량 측정비율 아래이다.
원하는 대로 구성될 수 있는 기하학적 구조에 더하여, 탱크는 금속-합금층과 열교환매체사이에 내부 열전도도를 갖는데, 이것은 종래의 설계에 비하여 상당히 우수하여, 그 결과, 반응열의 전달에 의해 제한되는 수소의 흡장 및 방출속도가 증가될 수 있다.

Claims (10)

  1. 외부 압력 케이싱, 거기에 함유된 수소-저장 합금, 열교환 시스템 및 수소-가스 저장실을 포함하는 수소 가역 저장 탱크에 있어서,
    수소-저장 합금의 흡장를 위해, 탱크가 재료 접합부에서 압력-용기벽에 연결된 개방-기공으로 된 금속 스펀지로 구성되는 층을 갖는 것을 특징으로 하는 수소 가역 저장 탱크.
  2. 제 1 항에 있어서, 압력 용기가 금속 또는 금속 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탱크.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 압력 용기 및 개방-기공으로 된 금속 스펀지가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탱크.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 압력 용기가 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성되고 금속 스펀지가 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탱크.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 금속 스펀지의 기공률이 50% 와 90% 사이인 것을 특징으로 하는 탱크.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서, 연료전지에 의해 전력 공급되는 자동차용 탱크인 것을 특징으로 하는 탱크.
  7. 저장 수단을 단일 주조 공정으로 제조하는데, 여기서 스펀지 구조 및 용기벽 모두가 전개되는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 3항, 제 5항 및 제 6항중 어느 한 항에 따른 탱크의 제조 방법.
  8. 금속 스펀지를, 재료 접합부에서 액화된 금속을 벽에 부음에 의해 압력-용기벽에 연결시키는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 탱크의 제조 방법.
  9. 금속 스펀지를 재료 접합부에서 용접에 의해 압력-용기벽에 연결시키는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 탱크의 제조 방법.
  10. 금속 스펀지를, 재료 접합부에서 납땜에 의해 압력-용기벽에 연결시키는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 탱크의 제조 방법.
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