KR20230168497A - 수소저장시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소저장시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소저장합금에 수소를 저장 또는 방출할 때 수반되는 반응열을 자체적으로 교환하는 열관리 시스템으로 수소 저장 효율을 높이고 안정적인 수소 공급을 할 수 있는 수소저장시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소저장시스템은 수소저장합금을 저장하는 두 개 이상의 수소저장장치, 수소저장장치 간의 열을 교환하는 열교환장치, 수소저장장치의 수소의 충전 또는 방전 여부를 판단할 수 있는 관리장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수소저장시스템은 수소저장합금을 저장하는 두 개 이상의 수소저장장치, 수소저장장치 간의 열을 교환하는 열교환장치, 수소저장장치의 수소의 충전 또는 방전 여부를 판단할 수 있는 관리장치를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 수소저장시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소저장합금에 수소를 저장 또는 방출할 때 수반되는 반응열을 자체적으로 교환하는 열관리 시스템으로 수소 저장 효율을 높이고 안정적인 수소 공급을 할 수 있는 수소저장시스템에 관한 것이다.
수소는 수소 경제 시대를 대비하는 차세대 에너지원으로서 제조, 저장, 이용 등의 각 분야에서 다양한 연구가 폭넓게 진행되고 있다.
수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 높고 여타 탄화수소 연료에 비하여 단위 질량당 발열량이 높은 반면, 밀도가 매우 작기 때문에 단위 부피 당 에너지 밀도는 매우 작은 단점이 있다. 또한 기체 중 가장 큰 열전도율을 가지고 있고, 확산이 빠르며, 점화 에너지가 작아 점화가 쉽게 일어날 수 있기 때문에 수소 저장 시에는 저장 효율과 안전성에 대한 주의가 필요하다.
따라서, 이러한 필요성에 의해 수소를 안전하고 효율적으로 저장하기 위한 다양한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 대표적인 수소저장방법으로는 고압가스상태로 수소를 저장하는 방법, 액체 상태로 저장하는 방법, 수소저장합금을 이용하여 저장하는 방법이 있다. 이 중, 수소저장합금을 이용한 방법은 수소저장합금의 가역적인 수소화/탈수소화 반응을 이용 하여 수소의 저장과 방출을 수행하는 방법으로, 액체수소 이상의 밀도로 수소를 저장할 수 있어 저장효율이 높을 뿐 아니라, 다른 방식에 비해 안전한 장점이 있다.
한편 수소저장합금이 수소를 흡수하여 저장할 때는 발열반응이 일어나고 역으로 수소를 방출할 때는 흡열반응이 일어난다.
도 1은 외부 열 공급이 없는 경우 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 방전시간에 따른 수소 유량과 방전 특성을 도시한 것이다. 특히, 상온 수소저장합금인 LaNi5 합금(이하, AB5 합금)을 300 ml 부피를 가지는 알루미늄 용기에 장입하고 별도의 외부 열 공급 없이 상온 환경에서 수소를 방출하면서 용기 중심부의 온도와 방출되는 수소 유량을 측정한 결과이다. 도 1을 참조하면, 외부 열 관리가 되지 않아 충분한 반응열이 공급되지 않는 경우, 수소 유량이 흔들리고 수소 유량이 전체적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
특히, 수소 저장 시 급격한 용기 내부의 온도 증가는 수소저장합금의 수소 흡착을 방해하여 충전시간을 지연시키며 방출 시에는 온도 감소로 인해 수소 유량이 불안정해지고, 유량이 불안정해지면 연료전지가 손상되는 문제점이 발생한다. 따라서 수소의 효율적인 저장과 안정적인 방출을 위해서는 열관리가 필수적이다.
최근에는 수소저장합금을 활용하기 위한 다양한 열관리 기법에 대한 연구가 진행되고 있으며, 연료전지 수소공급용으로 개발된 수소저장합금 저장장치는 연료전지에서 열을 공급받아 저장/방출 효율을 높이기도 한다. 다만, 열관리를 위해 추가되는 열원 혹은 냉각 환경은 BOP(Balance Of Plant)를 필요로 하므로 수소저장시스템의 복잡도를 높이고 무게와 부피 증가를 수반하여 시스템 효율, 즉 수소저장효율을 낮춘다는 문제점이 발생한다.
Atef Chibani, Cherif Bougriou, Slimane Merouani. Simulation of hydrogen absorption/desorption on metal hydride LaNi5-H2: Mass and heat transfer, 2018, Vol. 142, ISBN 1359-4311, Pages 110-117
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열 관리가 필수적인 수소저장합금을 활용한 수소저장시스템에서 수소저장합금의 저장장치 간의 자체적인 열 교환을 통해 효율적인 열관리를 가능하게 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 수소저장시스템은 수소저장합금을 저장하는 두 개 이상의 수소저장장치, 수소저장장치 간의 열을 교환하는 열교환장치, 수소저장장치의 수소의 충전 또는 방전 여부를 판단할 수 있는 관리장치를 포함할 수 있다.
수소저장장치 중 일부 수소저장장치가 수소를 저장하는 경우 방출하는 열을 나머지 수소저장장치가 공급열로 활용하여 저장되어 있는 수소를 방출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
관리장치는 일부 수소저장장치에는 수소를 공급하고 나머지 수소저장장치에는 수소를 공급하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
일부 수소저장장치에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 방전된 상태이며, 나머지 수소저장장치에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 충전된 상태일 수 있다.
열교환장치는 수소저장장치 사이에 위치하며 대류에 의해 수소저장장치 간의 열을 교환할 수 있다.
수소저장장치와 열교환장치 간의 열 전달은 전도로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소를 저장하는 수소저장용기와 수소를 방출하는 수소저장용기 간의 자체 열 교환을 통해서 효율적인 열관리를 구현할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 자체 열 교환을 활용한 열관리는 수소저장 시스템에 열 공급 또는 열 방출을 위한 추가적인 BOP를 필요로 하지 않아 시스템의 수소저장효율을 높일 수 있으며, 동시에 안정적으로 수소를 방출할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 외부 열 공급이 없는 경우 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 방전시간에 따른 수소 유량과 방전 특성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 4는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 저장 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 5는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 방출 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 4는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 저장 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 5는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 방출 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 등속 운동을 위한 해수 유량 조절 장치를 상세하게 설명 하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템의 열 교환을 도시한 것이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템은 수소저장합금을 저장하는 두 개 이상의 수소저장장치(10), 상기 수소저장장치(10) 간의 열을 교환하는 열교환장치(미도시), 및 상기 수소저장장치(10)의 수소 충전 또는 방전 여부를 판단하는 관리장치(20)를 포함할 수 있다.
상기 열교환장치는 상기 수소저장장치(10) 사이에 위치할 수 있으며, 단열설계로 이루어짐이 바람직하다.
상기 수소저장장치(10) 중 일부 수소저장장치에는 수소가 방전된 상태인 수소저장합금이 저장되어 있으며 나머지 수소저장장치에는 수소가 충전된 상태인 수소저장합금이 저장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템 내에 수소가 충전 또는 공급되는 경우 상기 수소저장장치(10) 중 일부 수소저장장치는 공급된 수소를 저장할 수 있으며 열을 방출할 수 있다.
즉, 다수 개의 수소저장장치(10)는 수소를 저장하거나 수소를 방출할 수 있으나, 수소저장장치(10)가 수소를 저장하는 경우에는 수소를 방출할 수 없다.
수소저장합금을 저장하는 수소저장장치의 내부 구조는 공지된 기술이므로, 상세한 설명은 생략함을 밝혀 둔다.
구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템은 다음과 같다.
상기 관리장치(20)는 상기 수소저장장치(10)에 저장되어 있는 수소저장합금이 수소가 충전된 상태인지 혹은 방전된 상태인지를 판단할 수 있으며, 수소가 방전된 상태인 수소저장합금이 존재하는 상기 일부 수소저장장치(10)에만 수소가 유입되어 저장될 수 있도록 할 수 있다.
상기 일부 수소저장장치(10)에 저장되어 있는 수소저장합금이 수소를 저장하게 되면 열을 방출하게 되고, 방출된 열을 수소가 방전된 상태인 수소저장합금이 저장되어 있는 상기 나머지 수소저장장치(10)가 공급열로 활용할 수 있다.
따라서, 상기 나머지 수소저장장치(10)는 공급열의 흡수를 통해 저장되어 있는 수소를 방출할 수 있으며, 그 결과 수소저장장치(10)의 내부 온도의 변화가 일어나지 않는다.
방출된 열은 상기 열교환장치를 통해 상기 나머지 수소저장장치(10)로 전달되며, 대류의 방식을 통해 열이 전달될 수 있으며, 상기 수소저장장치(10) 내에서 상기 열교환장치까지의 열전달은 전도의 방식을 통해 이루어질 수 있다.
이때, 상기 수소저장장치(10) 내에서 상기 열교환장치까지의 열이 효과적으로 전달될 수 있도록 상기 수소저장장치(10) 내에 수소저장합금 외에 열전도도가 높은 금속구조물을 추가하여 유효 열전도도를 높일 수 있다.
또한, 상기 과정은 반복될 수 있다.
즉, 일련의 과정이 끝나면 상기 일부 수소저장장치(10)에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 충전된 상태이며 상기 나머지 수소저장장치(10)에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 방전된 상태일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템 내에 수소가 충전 또는 공급되는 경우 상기 나머지 수소저장장치(10)는 공급된 수소를 저장할 수 있으며 열을 방출할 수 있고, 상기 일부 수소저장장치(10)는 방출된 열을 공급열로 활용하여 저장된 수소를 방출할 수 있다.
도 4는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 저장 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 5는 대표적인 상온 수소저장합금인 AB5 합금의 수소 방출 시 용기 중심부의 온도 측정 결과를 도시한 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 수소의 저장 시 반응열에 의해 용기 내부 온도는 짧은 시간 내에 급격하게 증가하며 수소의 방출 시 필요한 열을 주변에서 흡수하여 용기 내부 온도가 서서히 감소하고, 이 때의 온도 차이는 대략 30℃~50℃이다.
따라서, 이러한 온도 차이는 수소의 저장 및 방출 간의 열 교환이 가능함을 시사하므로 수소저장장치(10) 간의 열 교환이 가능함을 알 수 있다.
이하 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다,
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예. 30kJ/mol의 수소 반응열을 가지는 AB
5
합금
수소저장합금 중 30kJ/mol의 수소 반응열을 가지는 AB5합금을 저장하는 수소저장장치에서 1Slpm(Standard liter per minute)의 수소 유랑을 안정적으로 방출하고자 할 때 필요한 열량은 22W이다.
이때, 본 발명에 따른 수소저장시스템 외부로의 열손실이 30%가 되도록 단열설계를 하며, 자연대류(h=10W/m2·K)방식으로 열교환장치를 설계할 경우 수소저장장치(10) 간의 온도차가 최소 30℃가 되므로, 열교환장치의 열전달 면적이 0.1m2 이상이 되도록 열교환장치를 설계하면 안정적인 수소 유량을 확보할 수 있는 자체 열교환이 가능하다.
이를 위해, 상기 설명했듯이, 상기 수소저장장치(10) 내에서 상기 열교환장치까지의 열이 효과적으로 전달될 수 있도록 상기 수소저장장치(10) 내에 수소저장합금 외에 열전도도가 높은 금속구조물을 추가하여 유효 열전도도를 높이는 내부 열설계가 이루어질 수 있다.
특히, 수소저장장치(10)를 직사각형 형태의 저장용기로 택하고 수소저장장치(10) 간의 중심 사이의 거리를 약 6cm로 구성한다면 수소저장장치(10) 간에 전달되는 열량은 최소 32W이므로 안정적인 방출을 위한 열량인 22W보다 높은 수치이므로 안정적인 수소 유량을 확보할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가 진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현 들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10 : 수소저장장치
20 : 관리장치
20 : 관리장치
Claims (5)
- 수소저장합금을 저장하는 두 개 이상의 수소저장장치;
상기 수소저장장치 간의 열을 교환하는 열교환장치; 및
상기 수소저장장치의 수소 충전 또는 방전 여부를 판단하는 관리장치; 를 포함하며
상기 수소저장장치 중 일부 수소저장장치가 수소를 저장하는 경우 방출하는 열을 상기 수소저장장치 중 나머지 수소저장장치가 공급열로 활용하여 저장되어 있는 수소를 방출하는 것을 특징으로 하는 수소저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 관리장치는 상기 일부 수소저장장치에는 수소를 공급하고 상기 나머지 수소저장장치에는 수소를 공급하지 않는 것을 특징으로 하는 수소저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환장치는 상기 수소저장장치 사이에 위치하며 대류에 의해 상기 수소저장장치 간의 열을 교환하는 것을 특징으로 하는 수소저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 일부 수소저장장치에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 방전된 상태이며
상기 나머지 수소저장장치에 저장되어 있는 수소저장합금은 수소가 충전된 상태인 것을 특징으로 하는 수소저장시스템. - 제1항에 있어서,
상기 수소저장장치 및 상기 열교환장치 간의 열 전달은 전도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소저장시스템.
Priority Applications (1)
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2022
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Atef Chibani, Cherif Bougriou, Slimane Merouani. Simulation of hydrogen absorption/desorption on metal hydride LaNi5-H2: Mass and heat transfer, 2018, Vol. 142, ISBN 1359-4311, Pages 110-117 |
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