KR20220120547A - 동결-시동 기능을 갖는 금속 수소화물-수소 탱크 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 위한 냉간 시동 장치 및 금속 수소화물 저장 시스템으로 발열성 수소 소비재를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 신속하게 작동될 수 있고 압력 탱크를 필요로 하지 않는 효율적인 냉간 시동 장치를 갖는 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 제공하는 것이다. 또한, 상기 냉간 시동 장치는 무제한의 시동 절차를 위해 사용할 수 있다. 이와 같은 목적은, 발열성 수소 소비재 및 - 40℃의 온도에서 적어도 100 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 금속 수소화물로 충전되는 하나 이상의 스타터 탱크뿐만 아니라, 0℃ 미만(< 0℃)의 온도에서 100 kPa 미만(< 100 kPa)의 평형 압력을 갖는 하나 이상의 금속 수소화물로 충전되는 하나 이상의 작동 탱크를 가지며, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크 내에 통합되는, 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재의 작동을 위한 장치에 의해 달성된다.

Description

동결-시동 기능을 갖는 금속 수소화물-수소 탱크 시스템

본 발명은 동결-시동 기능(frost-start capability)을 갖는 금속 수소화물- 수소 탱크 시스템에 관한 것으로서, 예를 들어 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재(hydrogen consumer)를 위한 수소 탱크 시스템뿐만 아니라 이와 같은 유형의 발열성 수소 소비재를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

물의 전기분해에서, 물 분자는 전류에 의해 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해된다. 연료 전지에서, 이와 같은 공정은 반대 방향으로 진행된다. 수소(H₂)와 산소(O₂)의 전기화학적 결합을 통해 물을 형성하고, 방출된 에너지는 높은 효율로 전류로 변환된다.

연료 전지의 원리의 기술적 구현은 실제로 다양한 전해질과 10℃ 내지 1000℃의 작동 온도를 갖는 다양한 해결책을 이끌어 냈다. 연료 전지는 작동 온도에 따라 저온, 중온 및 고온 연료 전지로 분류된다(예를 들면, DE 198 36 352 A1 참조). 저온 연료 전지는 60℃ 내지 120℃의 비교적 적당한 작동 온도에서 작동하며, 그 적당한 온도로 인해, 자동차의 작동과 같은 모바일 애플리케이션에 특히 적합하다. 자동차에서는, 바람직하게도 저온 PEM 유형의 연료 전지가 사용되며 60℃ 내지 90℃의 온도에서 작동된다.

연료로서 요구되는 수소는 일반적으로 압력 탱크로부터 공급되는데, 그 이유는 압력 탱크가 전체 운전 온도 범위에 걸쳐 수소를 공급하기 위해 사용될 수 있기 때문이다. 그러나, 이와 같은 압력 탱크들은 상대적으로 용적이 크며, 따라서 이용 가능한 저장 공간이 제한적이기 때문에, 자동차를 운전하는 경우와 같이 모바일 애플리케이션의 범위가 제한된다. 금속 수소화물을 기반으로 하는 수소 저장고, 소위 금속 수소화물 저장 시스템은 동일한 용량에 대해 훨씬 적은 공간을 필요로 하는 생산이 가능하다는 사실이 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 수소를 탈착하기 위해 금속 수소화물 저장고에 열이 공급되어야 하고, 수소를 흡수하기 위해 열은 발산되어야 한다. 수소 탈착을 위해서는 금속 수소화물에 따라 - 30℃ 내지 400℃의 온도가 필요한다. 그러나, 일반적으로 10 MPa 미만의 수소 압력이 필요하며, 이는 연료 전지의 작동에 충분하고, 수소 압력 탱크에 비해 이와 같은 탱크들의 구성을 실질적으로 단순화한다.

수소 저장을 위해 사용되는 금속 수소화물은 탈착 온도에 따라 여러 범주로 분류된다. 최신의 금속 수소화물 및 그 특성에 대한 개요는 국제 수소 에너지 간행물(International Journal of Hydrogen Energy), Vol. 32 (2007), 1121-1140쪽에 게재되어 있는 사킨투나 비.(B. Sakintuna) 등에 의한 "고체 수소 저장을 위한 금속 수소화물 재료: 평가"에서 찾을 수 있으며, 이는 참고로 본원에 포함된다. 수소는 다음 방정식에 따라 금속 격자에 저장(흡수)되거나 수소화물로부터 방출(탈착)된다.

금속 + 수소 ↔ 금속 수소화물 + 열

금속 내 수소의 압력, 온도 및 농도 사이의 관계는 농도-압력 등온선(CPI)으로서 표시된다. 특정 온도에서, 수소는 금속 격자에 용해되어 압력을 상승시킨다. 이와 같은 공정은 포화 농도(α상)에 도달할 때까지 시버트 법칙(Sievert's law)을 따른다. 그 후, 압력을 증가시키지 않고 금속에서의 농도가 증가한다 - 수소화물 상(β상)이 형성된다. 이와 같은 플래토 영역(plateau region)은 반트 호프의 법칙(van't Hoff's law)뿐만 아니라 깁스 상률(Gibbs Phase rule) 모두를 따른다. 상기 플래토의 종점에서, 압력은 다시 2차 방식으로 증가하고, 수소는 시버트 법칙에 따라 수소화물 상에서 용해된다. 상이한 수소화물들을 비교하기 위해, 상기 플래토 중앙의 평형 값들로부터 반트 호프 다이어그램들을 구성하는 것이 표준 관행이 되었다. 라인의 기울기는 온도와 무관한, 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피(reaction enthalpy)(ΔH_abs)를 제공한다.

중온 수소화물의 경우에는, 10 kPa의 정상 압력 하에 100℃ 내지 200℃에서 탈착이 시작된다. 중온 수소화물은 30 kJ/mol H₂ 내지 65 kJ/mol H₂의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)으로 한정된다. 일반적으로, 이들은 기본 금속을 기준으로 약 2.5 중량% 내지 5 중량%의 수소 저장 밀도를 갖는다. 중온 수소화물은 특히 최대 4.5 중량%의 H₂ 흡수 용량을 갖는 NaAlH₄와 같은 알라네이트 및 LiNH₂와 같은 아미드를 포함한다. 예를 들어, 나트륨 알라네이트의 최적 수소 흡수 온도는 약 125℃이고, 수소 전달 온도는 160℃ 내지 185℃이다. 상대적으로 높은 수소 저장 용량과 상대적으로 낮은 작동 온도로 인해, 중온 수소화물은 모바일 애플리케이션에 대한 흥미로운 대상이다. 90℃ 내지 110℃의 수소 흡수 온도를 갖는 중온 수소화물에 대하여는 US 2005/0135961 A1에 기재되어 있다.

고온 수소화물의 경우에는, 200℃ 이상에서 10 kPa의 정상 압력 하에 탈착이 시작된다. 고온 수소화물은 65 kJ/mol H₂ 초과의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)으로 한정된다. 일반적으로, 그들은 기본 금속을 기준으로 약 7 중량% 내지 15 중량%의 훨씬 더 높은 수소 저장 밀도를 갖는다. 그들은 종종 경금속(마그네슘, 알루미늄) 및/또는 비금속(질소, 붕소)으로부터 생산되므로, 고용량으로 인해 연료 전지 및 H₂ 내연 기관에서 사용하기에 적합할 수 있으나, 그와 같이 높은 온도는 연료 전지의 저장고로서 사용하기에는 장애가 된다. 따라서, 고온 수소화물은 현재 연료 전지 및 H₂ 내연 기관에서 사용되지 않는다.

2 중량% 미만의 수소에 대한 중량 대비 상대적으로 낮은 저장 용량 때문에, 10 kPa의 정상 압력에서 - 40℃ 내지 100℃ 미만의 탈착 온도를 갖는 저온 수소화물은 오직, 낮은 저장 용량이 허용될 수 있는, 모바일 애플리케이션의 특수한 경우를 위해서만, 특히 프로토타입 지게차 및 자전거를 위해서만 사용된다. 상기 저온 수소화물은 30 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)으로 한정된다.

이 경우, 금속 수소화물 저장 시스템의 일반적인 사용을 위해서는 상기 금속 수소화물 저장 시스템을 가열하여 배출시키는 외부 가열 시스템이 필요하다. 일반적으로, 상기 금속 수소화물 저장 시스템을 가열하기 위해 필요한 에너지는 지금까지 연료 전지 또는 다른 열원에 의해 공급되었다. 그러나, 연료 전지를 시동하는 동안과 아직 금속 수소화물 저장 시스템을 예열하기에 충분한 열을 제공할 수 없을 때의 작동 초기 몇 분 동안에는 상기 금속 수소화물 저장 시스템의 방전에 필요한 에너지의 제거가 불가능하다. 더욱이, 당업계에 공지된 연료 전지는 특정 시동 온도를 초과하는 외부 사용을 위한 전류만을 생성할 수 있다. 따라서, 냉간 시동(cold start) 또는 급속 시동의 경우, 연료 전지는 초기에 시동 온도 이상의 온도로 가열되어야만 한다. 연료 전지의 큰 열용량 때문에, 이를 위해서는 상당한 양의 가열이 필요하며, 특히 종래의 연소 엔진의 경우와 같이 냉간 시동이 유사하게 짧은 기간에 수행되어야 하는 경우에 그러하다.

DE 10 2008 002 624 A1은, 상업적으로 이용 가능한 수소 저장 합금뿐만 아니라 높은 수소 밀도 및 낮은 수소 전달 온도를 갖는 수소 저장 재료 모두가 용적 저장 밀도와 수소의 전체 저장 용적을 증가시키기 위해 사용되는, 연료 전지 차량용 수소 저장 시스템을 개시한다. 상기 수소 저장 재료는 금속 필터에 의해 분리되는 외부 챔버와 내부 챔버에 존재한다. 상기 금속 필터를 사용하는 이유는, 수소는 상기 외부 챔버와 내부 챔버를 통과할 수 있게 하고 금속 분말이 통과하는 것은 방지하기 위함이다. 금속 수소화물 저장 시스템을 사용하는 경우에도, 금속 수소화물 저장 시스템이 방전될 때까지 상기 상기 금속 수소화물 저장 시스템을 가열하는 외부 가열 시스템이 사용된다.

DE 103 17 123 B4는 수소 저장 시스템으로서의 수소 압력 탱크뿐만 아니라 금속 수소화물 가열 장치를 포함하는 냉간 시동 장치를 구비한, 모바일 용도를 위한 연료 전지를 개시하고 있다. 압축 가스 탱크로부터의 수소는 탈착된 금속 수소화물 저장 시스템을 통과한다. 이것은 대응하는 금속 수소화물의 형성과 함께 가열되고, 이와 같은 방식으로 연료 전지 시스템의 용량이 개선된다. 그러나, DE 103 17 123 B4로부터 공지된 냉간 시동 장치의 경우, 압력 저장 시스템이 각각의 냉간 시동 및 급속 시동에서 점진적으로 방전되고 자동으로 충전되지 않기 때문에, 냉간 시동 절차 및 급속 시동 절차의 횟수는 상기 압력 저장 시스템의 크기에 의해 제한을 받는다. 이와 같은 관점에서, 본 시스템은 이와 같은 장치가 없을 때조차도 냉간 시동 및 급속 시동이 가능한 압력 탱크 기반 저장 시스템에 대해서만 향상된 기능을 제공할 뿐이다.

국제 수소 에너지 간행물, Vol. 39(2014), 7030-7041쪽에 게재되어 있는, 이. 뷔르거 등(I. Burger et al)에 의한 "복합 수소화물에 대한 진보된 반응기 개념: 실온으로부터 수소 흡수"는 탱크에서의 복합 수소화물(CxH)과 실온 수소화물(MeH)의 조합을 개시하고, 냉간 시동 특성을 개선하기 위해 복합 수소화물의 높은 충전 용량과 실온 수소화물의 높은 반응 속도를 이용한다. 냉간 시동의 경우, 실온 수소화물은 수소로 충전되고 발열 반응으로 인해 가열된다. 이는 또한 상기 복합 수소화물도 가열하고, 다음에 서서히 작동 온도로 돌아가고 수소를 전달하므로, 연료 전지에 수소를 공급한다. 실온 수소화물과 복합 수소화물의 이와 같은 반응 캐스케이드와 상기 복합 수소화물의 느린 가열로 인해, 시스템은 비교적 느려진다. 또한, 상기 간행물은 실온 수소화물을 충전하는 방법에 대해서는 설명하고 있지 않다.

국제 수소 에너지 간행물, Vol. 44(2019), 48784888쪽에 게재되어 있는, 엠. 쾰비크 등(M. Kolbig et al.)에 의한 "0℃ 미만의 차량에서 열적 애플리케이션을 위한 금속 수소화물의 특성화"는 0℃ 미만에서 열을 발생시키는 금속 수소화물로서 LaNi_4.85Al_0.15 및 수소화물을 전달하는 금속 수소화물로서 HYDRALLOY C5^® (Ti_0.95Zr_0.05Mn_1.46V_0.45Fe_0.09)로부터 생산된 폐쇄 시스템의 충전 및 방전을 고려한다.

상술된 모든 시스템들은 작동되기 전에 다른 공급원에 의해 가열되는 금속 수소화물에 의한 연료 전지로의 공급이 이루어진다는 사실에 기초한다. 상기 연료 전지는 금속 수소화물을 가열한 후에만 작동할 수 있다. 본 발명의 목적은, 예를 들어 승용차에서 이용 가능한 공간이 협소하여 불리하게 될 압력 탱크나 또는 외부 수소 공급원을 필요로 하지 않고 즉시 작동할 수 있는, 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 위한 효율적인 냉간 시동 장치를 제공하는 것이다. 또한, 상기 냉간 시동 장치는 시동 절차의 횟수에 제한 없이 이용 가능해야 한다.

본 발명에 따르면, 이와 같은 목적은 청구항 1에 한정된 특징을 갖는 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 작동시키기 위한 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속항들에 한정된다.

제1 실시예에 있어서, 본 발명은 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 작동시키기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 발열성 수소 소비재, 적어도 하나의 스타터 탱크 및 적어도 하나의 작동 탱크를 포함하고, 여기서 상기 적어도 하나의 스타터 탱크는 상기 작동 탱크 내에 통합되고 제1 금속 수소화물로 충전된 수소에 대해 압력-기밀되는 용기로 구성되며, 여기서 상기 제1 금속 수소화물은 - 40℃의 온도에서 적어도 100 kPa의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 가지며, 상기 적어도 하나의 작동 탱크는 제2 금속 수소화물로 충전된 수소에 대해 압력-기밀되는 용기로 구성되며, 상기 제2 금속 수소화물은 65 kJ/mol H₂ 미만의, 바람직하게는 20 kJ/mol H₂ 내지 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)을 가지며 또한 - 40℃의 온도에서 100 kPa 미만의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 갖는다. 이와 관련하여 공지된, 일반적으로 금속 수소화물의 낮은 열전도율은, 고온 또는 저온 수소화물을 함유하는 압력 용기들 사이의 열 전달을 최소화하여 상기 압력 용기들이 별도의 온도 수준으로 유지될 수 있도록, 본 발명에서 이용된다. 또한 상기 스타터 탱크가 상기 작동 탱크 내에 통합되어 있기 때문에, 모바일 애플리케이션에서 사용 가능한 공간이 최대한 활용된다.

접근 방식을 단순화하기 위해, 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피는 상기 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)과 관련된다. 상기 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피(ΔH_abs)는 일반적으로 음수이므로, 상기 절대값은 부호 없이 표시된다. 따라서, 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 양(|ΔH_abs|)은 0 내지 65의 유리수로 표시되는 모든 반응 엔탈피들을 포함한다.

바람직하게도, 상기 발열성 수소 소비재는, 중간에 전해질이 배치되는 적어도 하나의 캐소드와 적어도 하나의 애노드를 포함한다. 가장 바람직하게도, 상기 발열성 수소 소비재는 PEM 연료 전지, 예를 들어 저온 PEM 연료 전지이다.

바람직하게도, 상기 스타터 탱크는 구형 또는 원통형 구성을 갖는다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스타터 탱크의 금속 수소화물은 티타늄-크롬-망간계 합금이다. 또한, 상기 작동 탱크는 바람직하게도 2개 이상의 모듈들로 분할된다. 냉간 시동 특성을 갖는 제1 금속 수소화물로 충전되는 상기 스타터 탱크의 하나 이상의 모듈은 이와 같은 모듈들 중 하나 이상의 모듈 내에 통합된다. 50 bar(5 MPa) 미만의 선호되는 최대 작동 압력에서, 상기 작동 탱크는 사용 가능한 공간을 실질적으로 완전히 활용하기 위해 필요한 거의 모든 형상을 가질 수 있기 때문에, 상기 공간이 예를 들면 장방형일 때조차도, 빈 공간이 거의 없게 된다. 따라서, 이와 같은 방식으로 용적 효율성은 최대화될 수 있다.

본 발명의 제2 실시예는 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 발열성 수소 소비재는 초기에 적어도 하나의 스타터 탱크로부터 수소를 공급받고, - 40℃의 온도에서 적어도 100 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 제1 금속 수소화물을 포함하며, 작동 온도에 도달한 후, 상기 연료 전지는 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|) 및 - 40℃의 온도에서 100 kPa 미만의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 적어도 하나의 제2 금속 수소화물을 포함하는 적어도 하나의 작동 탱크로부터 수소를 공급받으며, 상기 스타터 탱크는 상기 제2 작동 탱크로부터 상기 발열성 수소 소비재에 대한 공급이 시작될 때 냉각되고, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크로부터의 수소로 재충전되고, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크 내에 통합되고 또한 상기 스타터 탱크가 상기 작동 탱크로부터의 수소로 충전되자마자 상기 제1 금속 수소화물이 환경 열로부터 절연되도록 수소에 대해 압력-기밀되는 벽에 의해 상기 작동 탱크로부터 분리된다. 상기 스타터 탱크가 완전히 충전되는 즉시, 그의 냉각은 중지될 수 있다.

수소에 대해 압력-기밀되는 상기 스타터 탱크와 상기 작동 탱크 사이의 벽은, 냉간 시동 조건 하에서, 상기 제1 금속 수소화물이 상기 제2 금속 수소화물로 수소 압력을 전달하지 않으면서 냉간 시동을 위한 발열성 수소 소비재로 공급될 수 있는 적어도 100 kPa의 수소 압력을 형성할 수 있도록 제공된다. 명백히, 상기 작동 탱크의 외벽은 수소가 환경으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 압력-기밀된다. 일반적으로, 상기 스타터 탱크 및/또는 작동 탱크의 용기는 강철로 제조된다. 스타터 탱크 및/또는 작동 탱크로서 사용될 수 있는, 일반적으로 강철로 제조되고 수소에 대해 압력-기밀되는 그와 같은 유형의 용기들은, 본원에 참고로 포함되는 DE 35 02 311 A1에 설명되어 있다.

언급된 바와 같이, 발열성 수소 소비재, 예를 들어 PEM 연료 전지와 같은 연료 전지, 예를 들어 저온 PEM 연료 전지는 초기에 상기 스타터 탱크로부터 수소를 공급받으며, 여기서 상기 스타터 탱크는 바람직하게는 적어도 - 40℃의 온도에서 적어도 300 kPa의, 더욱 바람직하게는 저어도 1000 kPa의, 특히 적어도 1300 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 적어도 하나의 금속 수소화물을 포함하며, 이는 재순환 모드에서 작동되는 연료 전지에 특히 유리하다.

본 발명에 따른 방법에 있어서는, 냉간 시동 조건 하에서, 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재는 상기 스타터 탱크로부터 충분한 수소를 공급받아, 상기 수소 소비재, 예를 들어 연료 전지가 시동되고 작동 온도까지 가열될 수 있게 한다. 그 경우, 상기 발열성 수소 소비재로부터의 배기열은 또한 주요 수소 저장 시스템인 작동 탱크를 그의 작동 온도까지 가열할 수 있으며, 또한 상기 수소 소비재의 공급을 대신할 수 있다. 상기 작동 탱크를 통해 상기 수소 소비재를 공급할 때, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크로부터의 수소로 재충전된다. 이와 관련하여, 상기 스타터 탱크는 반드시 상기 작동 탱크로부터 열적으로 분리되어야 한다. 이와 관련하여, 본 발명은 금속 수소화물이 낮은 열전도율을 가지며 절연체로서의 기능할 수 있다는 점을 이용한다.

상기 발열성 수소 소비재의 작동 동안 상기 스타터 탱크를 재충전하기 위해, 종래에 알려진 해결책과는 대조적으로, 설명된 본 방법은, 예를 들어 연료 전지를 작동시키기 위한 장치의 단순화된 구성에 추가하여, 상기 스타터 탱크의 용적에 의해 제한받지 않는 상당히 더 많은 횟수의 냉간 시동 절차를 수행할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 해결책은 자체적으로 냉간 시동 특성을 가질 필요 없이 주요 수소 저장 시스템을 위한 매우 저렴한 저장 해결책을 제공한다. 따라서, 상기 작동 탱크의 경우, 보다 높은 효율 및/또는 훨씬 저렴한 비용을 갖는 금속 수소화물이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법에 의하면, 예를 들어 특히 저온에서 그리고 예를 들어 자동차 애플리케이션을 위한 연료 전지의 작동을 위한 수소의 신속한 공급이 보장되고, 이는 또한 압력 탱크의 경우에도 적용되되, 더 높은 용적 밀도 및 더 낮은 작동 압력으로 인해 작동 탱크에 대해 거의 모든 형상을 선택할 수 있는 능력을 갖는다.

본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 스타터 탱크는 내부에 함유된 금속 수소화물용 쉘을 가지며, 이는 상기 작동 탱크의 충전 온도 및 작동 온도에서 수소화물의 최대 평형 압력까지의 수소 압력에 견딜 수 있게 한다. 상기 스타터 탱크의 쉘에는 슈퍼 듀플렉스 강(Super duplex steel)이 선호된다. 상기 작동 탱크의 작동 온도에서 평형 압력이 낮고 결과적으로 상기 시스템에서의 가능한 최대 온도가 낮을수록, 상기 스타터 탱크의 쉘은 더 얇고 더 가벼워질 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 연료 전지를 작동시키기 위한 장치는 상기 작동 탱크가 수소 소비재에 대한 공급을 취하자마자 충전될 때 상기 스타터 탱크를 냉각시키는 냉각 시스템을 포함한다. 펠티에 소자(Peltier element)는 매우 컴팩트하고 또한 열전도율에 의해 또는 내부 냉각 채널들을 통해 상기 탱크 시스템을 냉각시키기 위한 열교환기와의 결합에 의해 쉘의 직접 냉각을 가능하게 하기 때문에 여기에서 유리하다. 역방향 모드에서는, 펠티에 소자가 가열 요소로서 기능할 수도 있다. 대안적으로, 종래의 압축기 기반 냉각이 채용될 수 있다.

바람직하게도, 상기 스타터 탱크의 금속 수소화물은 수소가 - 40℃와 같은 동결 시작 조건 하에서 또는 유사하게 낮은 온도에서 탈착되도록 선택된다. 탈착 온도가 더 높은 금속 수소화물이 선택될 때에라도, 필요한 경우, 예를 들어 극단적으로 낮은 온도에서, 예를 들어 가열 요소로서 기능하는 펠티에 소자를 통해, 기존의 개별 가열 수단을 통해 또는 발열성 수소 소비재를 위한 냉각 매체를 통해 환경으로부터 열전달이 제공될 수 있어서, 수소 탈착이 가능하게 된다.

상기 발열성 수소 소비재를 위한 낮은 공급 압력과 작동 중의 높은 충전 압력에 의해 열전달이 빠져나가는 것이 유리하므로, 시스템이 이미 이와 같은 열을 전달할 수 있을 때 추가적인 열은 필요하지 않게 된다.

상기 스타터 탱크(저온 PEM 연료 전지의 경우, 약 60℃ 내지 80℃)에 의해 활성화된 상기 발열성 수소 소비재의 작동 후 정상 작동 온도에 도달하면, 상기 작동 탱크뿐만 아니라 차량 내부 난방과 같은 차량에 존재하는 다른 모든 소비재들은 상기 연료 전지로부터의 배기열에서 열 에너지를 공급받을 수 있다. 상기 발열성 수소 소비재로부터의 추가 전력 부분(예를 들면, 5% 미만) - 일반적인 전력의 경우 - 은 그 냉각 시스템을 통해 상기 스타터 탱크를 냉각시키기 위해 작동 상태에 도달한 후에 사용된다.

상기 작동 탱크의 구조체는 상기 냉간 스타터 탱크의 평형 압력보다 상기 발열성 수소 소비재의 압력과 반드시 동일하지 않은 자체 작동 온도에서 더 높은 수소 압력을 생성하도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크로부터 재충전될 수 있다.

상기 스타터 탱크의 재충전 시 발생되는 열은 바람직하게도 그의 평형 압력을 상기 작동 탱크의 압력보다 낮게 유지하고 상기 스타터 탱크를 재충전할 수 있도록 발산된다. 상기 스타터 탱크가 완전히 충전되는 즉시, 냉각은 차단될 수 있다.

Claims (15)

1. 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 작동시키기 위한 장치로서,
   상기 장치는 발열성 수소 소비재, 적어도 하나의 스타터 탱크 및 적어도 하나의 작동 탱크를 포함하고, 상기 적어도 하나의 스타터 탱크는, 상기 작동 탱크 내에 통합되고 제1 금속 수소화물로 충전된 수소에 대해 압력-기밀(pressure-tight)되는 용기로 구성되며, 상기 제1 금속 수소화물은 - 40℃의 온도에서 적어도 100 kPa의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 가지며, 상기 적어도 하나의 작동 탱크는 제2 금속 수소화물로 충전된 수소에 대해 압력-기밀되는 용기로 구성되며, 상기 제2 금속 수소화물은 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)을 가지며 또한 - 40℃의 온도에서 100 kPa 미만의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 것인, 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 발열성 수소 소비재는 연료 전지, 바람직하게는 PEM 연료 전지인 것인, 장치.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크에 의해 완전히 둘러싸이는 것인, 장치.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스타터 탱크는 - 40℃의 온도에서 적어도 300 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 금속 수소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4 항에 있어서, 상기 스타터 탱크는 - 40℃의 온도에서 적어도 1000 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 금속 수소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제5 항에 있어서, 상기 스타터 탱크는 - 40℃의 온도에서 적어도 1300 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 금속 수소화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스타터 탱크의 금속 수소화물은 티타늄-크롬-망간계 합금인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 탱크의 제2 금속 수소화물은 20 kJ/mol H₂ 내지 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스타터 탱크의 냉각은 펠티에 소자(Peltier element)에 의해 또는 압축기 기반 냉각에 의해 수행되는 것인, 장치.
10. 연료 전지와 같은 발열성 수소 소비재를 작동시키는 방법으로서,
    상기 발열성 수소 소비재는 초기에 적어도 하나의 스타터 탱크로부터 수소를 공급받고, 상기 적어도 하나의 스타터 탱크는, - 40℃의 온도에서 적어도 100 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 제1 금속 수소화물을 포함하며, 작동 온도에 도달한 후, 상기 연료 전지는, 65 kJ/mol H₂ 미만의 수소 흡수 반응에 대한 반응 엔탈피의 절대값(|ΔH_abs|) 및 - 40℃의 온도에서 100 kPa 미만의 수소 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 적어도 하나의 제2 금속 수소화물을 포함하는 적어도 하나의 작동 탱크로부터 수소를 공급받으며, 상기 스타터 탱크는, 상기 제2 작동 탱크로부터 상기 발열성 수소 소비재에 대한 공급이 시작될 때 냉각되고, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크로부터의 수소로 재충전되고, 상기 스타터 탱크는 상기 작동 탱크 내에 통합되고, 또한 상기 스타터 탱크가 상기 작동 탱크로부터의 수소로 충전되자마자 상기 제1 금속 수소화물이 환경 열(environmental heat)로부터 절연되도록 수소에 대해 압력-기밀되는 벽에 의해 상기 작동 탱크로부터 분리되는 것인, 방법.
11. 제10 항에 있어서, 상기 발열성 수소 소비재는 연료 전지, 바람직하게는 PEM 연료 전지인 것인, 방법.
12. 제10 항 또는 제11 항에 있어서, 상기 스타터 탱크는, - 40℃의 온도에서 적어도 300 kPa의 탈착을 위한 평형 압력을 갖는 금속 수소화물을 포함하는 것인, 방법.
13. 제10 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스타터 탱크의 금속 수소화물은 티타늄-크롬-망간계 합금인 것인, 방법.
14. 제10 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 금속 수소화물 저장 시스템의 냉각은 펠티에 소자에 의해 또는 압축기 기반 냉각에 의해 수행되는 것인, 방법.
15. 제10 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 탱크에 의한 상기 연료 전지로의 공급이 이루어질 때, 상기 작동 탱크를 탈착 온도로 유지시키기 위해 상기 발열성 수소 소비재로부터의 배기열이 사용되는 것인, 방법.