KR20240050102A - 수소 저장 시스템 - Google Patents

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KR20240050102A
KR20240050102A KR1020220129869A KR20220129869A KR20240050102A KR 20240050102 A KR20240050102 A KR 20240050102A KR 1020220129869 A KR1020220129869 A KR 1020220129869A KR 20220129869 A KR20220129869 A KR 20220129869A KR 20240050102 A KR20240050102 A KR 20240050102A
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박지혜
김원중
이경문
남동훈
조영진
신병수
이지훈
홍석훈
박훈모
손용두
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 수소 저장 시스템에 관한 것으로, 금속수소화물 소재가 내부에 각각 마련되며 병렬로 연결되는 복수개의 단위저장용기를 포함하는 저장유닛, 및 복수개의 단위저장용기를 연속적으로 경유하도록 제공되며 단위저장용기를 가열 또는 냉각하기 위한 열유체가 이동하는 열유체 유로를 정의하는 열유체라인을 포함하는 것에 의하여, 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 수소 저장 시스템에 관한 것이다.

Description

수소 저장 시스템{HYDROGEN STORAGE SYSTEM}
본 발명의 실시예는 수소 저장 시스템에 관한 것으로, 수소의 저장 용량을 확보하면서 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 수소 저장 시스템에 관한 것이다.
수소는 상온 상압에서 기체 상태이므로 에너지밀도를 높이기 위해 고압기체 또는 액화수소 형태로 저장하거나 고상/액상 소재에 화학적으로 결합된 형태로 저장하기도 한다. 고압 기체 저장 방식은 물리적인 압력차로 수소를 충전하여 쉽고 빠르게 수소를 저장할 수 있다는 장점이 있고 고압으로 압축할수록 무게 저장 밀도가 높아지므로 모빌리티용으로 가장 널리 적용되고 있다. 하지만 부피당 저장 밀도가 낮으며 저장 용량을 증가시키기 위해 압력을 더욱 높이기에는 한계가 있다. 액화수소의 경우 체적당 에너지밀도는 높으나 극저온으로 액화시키기 위해 많은 에너지가 필요하고 하루에 2~3%가 증발되어 손실되므로 용기의 단열 기술이 매우 중요하다. 액화수소 저장 방식은 용기의 비표면적이 증가할수록 boil-off에 의한 손실이 증가하여 소용량 저장에 불리하며, 장기간 저장 방식으로는 효율적이지 못하다.
고상 또는 액상의 소재에 수소를 화학적으로 결합시켜 저장하는 방식은 상온, 상압 인근의 온도와 압력에서 수소를 저장할 수 있어 고압 기체 방식보다 안전하고 액화 수소 저장 방식보다 장기간 안정적으로 저장하는 것이 가능하다. 또한 수소를 고압으로 압축하거나 극저온으로 냉각하는 방식보다 적은 에너지를 투입하여 수소의 저장 밀도를 높일 수 있다.
특히, 고체 수소저장 방식은, 단위 부피당 저장 밀도가 높아 공간활용도를 높일 수 있고, 특정 온도 조건에 도달해야만 고체저장소재 내의 수소가 외부로 방출되기 때문에 매우 안전하며 장기간 수소를 저장하는데 유리하다. 이러한 장점을 H-ESS(Hydrogen-Energy Storage System)에 적용할 경우, 날씨와 계절에 따라 변동이 심한 재생에너지를 안정적으로 장기간 저장하는 것이 가능하다.
한편, 최근에는 고체 수소저장 방식으로 대용량의 수소를 저장하기 위한 시도가 행해지고 있다. 일 예로, 태양광, 풍력 등 신재생 에너지원을 통한 발전량이 증가함에 따라 대용량의 에너지를 안정적으로 저장하는 방법에 대한 필요성이 증대되고 있다.
고체 수소저장 방식으로 수소의 저장량을 높이기 위해, 금속수소화물 소재가 저장되는 저장용기의 사이즈를 증가시키는 것을 고려할 수 있으나, 저장용기의 사이즈가 일정 이상 증가할 경우에는, 저장용기에 수용된 금속수소화물 소재의 온도를 전체적으로 균일하게 제어하기 어려움(금속수소화물 소재의 영역별 온도 편차 발생)으로 인해, 오히려 수소의 저장 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 고체 수소저장 방식으로 대용량의 수소를 저장하면서 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시킬 수 있는 수소 저장 시스템을 하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 복수개의 단위저장용기를 병렬로 연결하여 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 단위저장용기의 가열 및 냉각에 사용되는 열유체의 공급을 위한 펌프의 부하를 최소화하고, 전력 소모를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 열유체라인을 따라 공급되는 열유체가 중력에 의해 낙하하여 이동할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 열유체에 의한 열교환 효율을 향상시키고, 단위저장용기의 가열 및 냉각 온도 편차를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 따르면 열유체의 열손실을 최소화하고, 단위저장용기의 가열 및 냉각에 소요되는 시간을 단축하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소 저장 시스템은, 금속수소화물 소재가 내부에 각각 마련되며 병렬로 연결되는 복수개의 단위저장용기를 포함하는 저장유닛, 및 복수개의 단위저장용기를 연속적으로 경유하도록 제공되며 단위저장용기를 가열 또는 냉각하기 위한 열유체가 이동하는 열유체 유로를 정의하는 열유체라인을 포함한다.
이는, 고체 수소저장 방식으로 대용량의 수소를 저장하면서, 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시키기 위함이다.
즉, 고체 수소저장 방식으로 수소의 저장량을 높이기 위해, 금속수소화물 소재가 저장되는 저장용기의 사이즈를 증가시키는 것을 고려할 수 있으나, 저장용기의 사이즈가 일정 이상 증가할 경우에는, 저장용기에 수용된 금속수소화물 소재의 온도를 전체적으로 균일하게 제어하기 어려움(금속수소화물 소재의 영역별 온도 편차 발생)으로 인해, 오히려 수소의 저장 성능 및 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 복수개의 단위저장용기를 병렬로 연결(금속수소화물 소재의 온도를 전체적으로 균일하게 제어 가능한 사이즈를 갖는 복수개의 단위저장용기를 병렬로 연결)하는 것에 의하여, 고체 수소저장 방식으로 대용량의 수소를 저장하면서 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 복수개의 단위저장용기를 연속적으로 경유하는 열유체라인에 의해 복수개의 단위저장용기가 연속적으로 냉각 또는 가열되도록 하는 것에 의하여, 복수개의 단위저장용기를 냉각 또는 가열하기 위한 구조 및 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
저장유닛을 구성하는 단위저장용기의 개수 및 배치 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 저장유닛은, 금속수소화물 소재가 내부에 수용되는 제1단위저장용기, 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며 중력 방향을 따라 제1단위저장용기의 하부에 마련되는 제2단위저장용기를 포함할 수 있다.
열유체라인은 각 단위저장용기(제1단위저장용기, 제2단위저장용기)와 열교환 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열유체라인은, 제1단위저장용기를 경유하도록 제공되는 제1라인, 제2단위저장용기를 경유하도록 제공되는 제2라인, 및 제1라인과 제2라인을 연속적으로 연결하는 연결라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1라인은 제1단위저장용기의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공될 수 있고, 제2라인은 제2단위저장용기의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연결라인은 중력 방향(상하 방향)을 따라 배치되고, 연결라인에서 열유체는 중력에 의해 낙하하여 이동할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 연결라인을 중력 방향을 따라 배치하고, 열유체가 중력에 의해 이동하도록 하는 것에 의하여, 열유체의 이동을 위한 펌핑력을 제공하는 펌프의 부하를 최소화할 수 있고, 펌프의 작동에 따른 전력 소모를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 급격한 수소의 저장 또는 방출이 요구되지 않는 이상 열유체라인 상에 별도의 펌프를 마련하지 않더라도, 열유체의 흐름이 보장될 수 있으므로, 열유체라인에서 펌프를 배제하는 것이 가능하다. 따라서, 펌프를 배제할 경우에는 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1단위저장용기와 제2단위저장용기는 서로 밀착되게 제공하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제1단위저장용기와 제2단위저장용기가 서로 밀착되도록 하는 것에 의하여, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 제1단위저장용기와 제2단위저장용기가 서로 밀착되도록 하는 것에 의하여, 연결라인의 외부 노출을 최소화할 수 있으므로, 연결라인의 노출에 따른 열유체의 열손실 및 온도 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 저장유닛을 구성하는 복수개의 단위저장용기가 서로 다은 온도에서 수소를 저장(또는 방출)하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1단위저장용기는 제1온도범위에서 수소를 저장하고, 제2단위저장용기는 제1온도범위보다 낮은 제2온도범위에서 수소를 저장하도록 구성될 수 있다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제2단위저장용기가 제1단위저장용기의 작동 온도(제1온도범위보다) 낮은 제2온도범위에서 수소를 저장하도록 하는 것에 의하여, 제1단위저장용기와 제2단위저장용기 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열유체라인을 구성하는 제1라인 및 제2라인이 서로 다른 유로단면적으로 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
일 예로, 제1라인은 제1유로단면적을 갖도록 제공되고, 제2라인은 제1유로단면적보다 작은 제2유로단면적을 갖도록 제공될 수 있다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제2라인이 제1라인의 제1유로단면적보다 작은 제2유로단면적을 갖도록 하는 것에 의하여, 제2라인을 통과하는 열유체의 유속을 높여 제2라인에서 열유체에 의한 열교환 효과를 보다 향상시킬 수 있으므로, 제1단위저장용기와 제2단위저장용기 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소 저장 시스템은, 열유체라인에 연결되며 열유체의 온도 또는 유속 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조절하는 열유체 특성조절부를 포함할 수 있다.
열유체 특성조절부는 열유체라인을 따라 이동하는 열유체의 온도 및 유속을 선택적으로 조절할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열유체 특성조절부는, 연결라인에 연결되는 바이패스라인, 및 바이패스라인에 마련되며 열유체의 온도 또는 유속 중 적어도 어느 하나를 조절하는 조절부를 포함할 수 있다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제1단위저장용기를 통과한 열유체가 열유체 특성조절부에 의해 가열(또는 유속 증가)된 후, 제2단위저장용기에 공급되도록 하는 것에 의하여, 제1단위저장용기에 공급되는 열유체와 제2단위저장용기에 공급되는 열유체의 온도 편차(또는 유속 편차)를 최소화할 수 있으므로, 제1단위저장용기와 제2단위저장용기 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 고체 수소저장 방식으로 대용량의 수소를 저장하면서 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 복수개의 단위저장용기를 병렬로 연결하여 수소의 저장 성능 및 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 단위저장용기의 가열 및 냉각에 사용되는 열유체의 공급을 위한 펌프의 부하를 최소화하고, 전력 소모를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 열유체가 중력에 의해 낙하하며 이동하도록 하는 것에 의하여, 펌프에 의함 펌핑력을 최소화하거나 배제한 상태로 단위저장용기에 열유체를 공급하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 열유체에 의한 열교환 효율을 향상시키고, 단위저장용기의 가열 및 냉각 온도 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 열유체의 열손실을 최소화하고, 단위저장용기의 가열 및 냉각에 소요되는 시간을 단축하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 시스템의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 시스템으로서, 열유체 특성조절부를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 시스템(10)은, 금속수소화물 소재가 내부에 각각 마련되며 병렬로 연결되는 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)를 포함하는 저장유닛(100), 및 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)를 연속적으로 경유하도록 제공되며 단위저장용기를 가열 또는 냉각하기 위한 열유체가 이동하는 열유체 유로를 정의하는 열유체라인(200)을 포함한다.
참고로, 본 발명에 따른 수소 저장 시스템(10)은 요구되는 수소를 처리(저장 및 방출)하기 위해 사용될 수 있으며, 수소 저장 시스템(10)에서 처리되는 수소의 특성 및 상태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 수소 저장 시스템(10)은 수소생산설비에서 생산된 수소를 피공급처에 공급하기 전에 저장하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 이미 한번 압축된 수소를 재저장하기 위해 본 발명에 따른 수소 저장 시스템을 사용하는 것도 가능하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 저장유닛(100)은 금속수소화물 소재가 내부에 각각 마련되며 병렬로 연결되는 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)를 포함하며, 가열 및 냉각의 반복적인 과정에 의해 수소를 저장 및 방출하도록 마련된다.
일 예로, 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)는 모두 서로 동일한 온도에서 수소를 저장(또는 방출)하도록 구성될 수 있다.
저장유닛(100)을 구성하는 단위저장용기의 개수 및 배치 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 단위저장용기의 개수 및 배치 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 저장유닛(100)을 구성하는 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)가 4×5 행렬(또는 5×4 행렬)을 이루도록 병렬로 연결된 예를 들어 설명하기로 한다.(도 2 기준)
보다 구체적으로, 저장유닛(100)은, 금속수소화물 소재가 내부에 수용되는 제1단위저장용기(110), 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며 중력 방향(상하 방향) (G)을 따라 제1단위저장용기(110)의 하부에 마련되는 제2단위저장용기(120), 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며 중력 방향(상하 방향) (G)을 따라 제2단위저장용기(120)의 하부에 마련되는 제3단위저장용기(130), 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며 중력 방향(상하 방향) (G)을 따라 제3단위저장용기(130)의 하부에 마련되는 제4단위저장용기(140), 및 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며 중력 방향(상하 방향) (G)을 따라 제4단위저장용기(140)의 하부에 마련되는 제5단위저장용기(150)를 포함할 수 있으며, 각 단위저장용기(제1단위저장용기(110), 제2단위저장용기(120), 제3단위저장용기(130), 제4단위저장용기(140), 제5단위저장용기(150))는 수평 방향(도 2 기준으로 가로 방향)을 따라 소정 간격을 두고 이격되게 4개씩 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저장유닛을 구성하는 복수개의 단위저장용기가 상하 방향을 따라 1차원적 행렬(1×n 행렬) 또는 여타 다른 2차원적 행렬을 이루도록 배열하는 것도 가능하다.
각 단위저장용기(제1단위저장용기(110), 제2단위저장용기(120), 제3단위저장용기(130), 제4단위저장용기(140), 제5단위저장용기(150))는 고체 수소저장 방식 기반의 저장용기로서, 금속수소화물 소재의 특성을 이용하여 가열 및 냉각의 반복적인 과정을 통해 수소를 저장 및 방출할 수 있다.
각 단위저장용기(제1단위저장용기(110), 제2단위저장용기(120), 제3단위저장용기(130), 제4단위저장용기(140), 제5단위저장용기(150))는 내부에 저장공간을 갖는 다양한 구조 및 형태로 제공될 수 있으며, 각 단위저장용기의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 각 단위저장용기는 원형 단면을 갖는 중공의 원통 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 각 단위저장용기 다각형(예를 들어, 사각형) 단면 또는 여타 다른 단면 형태를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
각 단위저장용기의 일단(예를 들어, 도 1을 기준으로 좌단)에는 수소의 출입을 위한 출입포트(미도시)가 마련될 수 있다.
여기서, 수소가 출입포트를 통해 출입한다 함은, 단위저장용기의 외부에서 단위저장용기의 내부로 수소가 공급되거나, 단위저장용기의 내부에서 단위저장용기의 외부로 수소가 배출되는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
출입포트는 수소가 출입 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 출입포트의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 발명의 실시예에서는 단위저장용기에 단 하나의 출입포트가 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 단위저장용기에 복수개의 출입포트를 마련하는 것도 가능하다. 다르게는 단위저장용기의 단부가 아닌 다른 부위(예를 들어, 중앙부)에 출입포트를 형성하는 것도 가능하다.
또한, 단위저장용기의 출입포트에는 단위저장용기로 유입 및 방출되는 수소를 조절하기 위한 밸브(미도시), 및 단위저장용기의 내부 압력이 과도하게 증가할 시 수소를 강제로 배출하기 위한 안전장치(예를 들어, rupture disc)(미도시)와 같은 각종 부가 장치가 마련될 수 있으며, 부가 장치의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
각 단위저장용기(제1단위저장용기(110), 제2단위저장용기(120), 제3단위저장용기(130), 제4단위저장용기(140), 제5단위저장용기(150))의 내부에는 금속수소화물 소재가 수용(충진)되며, 금속수소화물 소재는 가열 및 냉각의 반복적인 과정을 통해 수소를 저장 및 방출할 수 있다.
즉, 금속수소화물 소재에 열과 같은 에너지가 가해지면 금속원소와 수소로 분해되어 수소가 방출되고, 적정 온도에서 수소를 가압하면 다시 금속원소와 수소가 다시 금속수소화물 소재로 합성되어 수소가 저장될 수 있다.
금속수소화물 소재로서는 가열 및 냉각의 반복적인 과정을 통해 수소를 저장 및 방출할 수 있는 다양한 소재가 사용될 수 있으며, 금속수소화물 소재의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 금속수소화물 소재는, AB5계 합금, AB2계 합금, AB계 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속수소화물 소재는 LaNi5, TiFe, TiMn2 등을 주 원소로 하는 합금일 수 있다.
참고로, 금속수소화물 소재는 파우더(powder) 또는 펠릿(pellet) 형태로 각 단위저장용기의 내부에 수용될 수 있으며, 금속수소화물 소재의 수용 상태 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 금속수소화물 파우더 또는 금속수소화물 펠릿을 압축하여 각 단위저장용기에 대응하는 벌크 형상으로 금속수소화물 소재를 마련하는 것도 가능하다.
열유체라인(200)은 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)를 연속적으로 경유하도록 제공되며, 단위저장용기를 가열 또는 냉각하기 위한 열유체가 이동하는 열유체 유로를 정의한다.
열유체라인(200)을 따라 공급되는 열유체(Thermal Fluid: TF)로서는 각 단위저장용기의 금속수소화물 소재와 열교환 가능한 통상의 열매(heat medium) 또는 냉매(cooling medium)가 사용될 수 있으며, 열유체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에서, 열유체라인(200)이 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)를 연속적으로 경유한다 함은, 열유체라인(200)이 각 단위저장용기의 내부를 통과하거나 각 단위저장용기와 열교환 가능하게 각 단위저장용기의 외면에 접촉되는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다. 이하에서는, 열유체라인(200)이 각 단위저장용기의 내부를 통과하도록 마련된 예를 들어 설명하기로 한다.
열유체라인(200)은 각 단위저정용기와 열교환 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 열유체라인(200)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 제1단위저장용기(110) 및 제2단위저장용기(120)를 경유하는 열유체라인(200)을 기준으로 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열유체라인(200)은, 제1단위저장용기(110)를 경유하도록 제공되는 제1라인(210), 제2단위저장용기(120)를 경유하도록 제공되는 제2라인(220), 및 제1라인(210)과 제2라인(220)을 연속적으로 연결하는 연결라인(230)을 포함할 수 있다.
제1라인(210) 및 제2라인(220)과 유사한 구조로 제3단위저장용기(130)에는 제3라인(미도시)이 마련될 수 있고, 제4단위저장용기(140)에는 제4라인(미도시)이 마련될 수 있으며, 제5단위저장용기(150)에는 제5라인(미도시)이 마련될 수 있고, 제1라인(210)과 제2라인(220)을 연결하는 연결라인(230)과 같은 방식으로 제3라인 내지 제5라인은 다른 연결라인(230)을 매개로 연속적으로 연결될 수 있다.
제1라인(210)은 제1단위저장용기(110)와 열교환 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1라인(210)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1라인(210)은 제1단위저장용기(110)의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공될 수 있다.
이와 같이, 제1라인(210)을 제1단위저장용기(110)의 내부 공간의 둘레를 감싸는 나선 형태로 형성하는 것에 의하여, 제1라인(210)의 열교환 면적을 충분하게 확보할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1라인을 직선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
제2라인(220)은 제2단위저장용기(120)와 열교환 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2라인(220)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2라인(220)은 제2단위저장용기(120)의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공될 수 있다.
이와 같이, 제2라인(220)을 제2단위저장용기(120)의 내부 공간의 둘레를 감싸는 나선 형태로 형성하는 것에 의하여, 제2라인(220)의 열교환 면적을 충분하게 확보할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2라인을 직선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
연결라인(230)은 제1라인(210)과 제2라인(220)을 끊김없이 연속적으로 연결하도록 마련되며, 제1라인(210)에 공급된 열유체를 열결라인을 거쳐 제2라인(220)으로 공급될 수 있다.
연결라인(230)은 제1라인(210)과 제2라인(220)을 연속적으로 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 연결라인(230)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 연결라인(230)은 대략 직선 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 연결라인을 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 연결라인(230)의 일단(도 1을 기준으로 상단)은 제1라인(210)의 일단(제1을 기준으로 우단)에 연결되고, 연결라인(230)의 일단(도 1을 기준으로 하단)은 제1라인(210)의 일단을 마주하는 제2라인(220)의 일단(도 1을 기준으로 좌단)에 연결될 수 있다.
이와 같이, 연결라인(230)이 제1라인(210) 및 제2라인(220)의 단부에 연결되도록 하는 것에 의하여, 제1단위저장용기(110) 및 제2단위저장용기(120)의 길이 방향을 따른 전 구간에 걸쳐 열유체라인(200)에 의한 열교환이 균일하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연결라인(230)은 중력 방향(상하 방향)(G)을 따라 배치되고, 연결라인(230)에서 열유체는 중력에 의해 자연스럽게 낙하함으로써 연결라인(230)을 따라 이동할 수 있다.
더욱 바람직하게, 연결라인(230)은 지면에 수직하게 마련될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 연결라인(230)을 중력 방향(G)을 따라 배치하고, 열유체가 중력에 의해 이동하도록 하는 것에 의하여, 열유체의 이동을 위한 펌핑력을 제공하는 펌프의 부하를 최소화할 수 있고, 펌프의 작동에 따른 전력 소모를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 열유체라인(200) 상에 별도의 펌프를 마련하지 않더라도, 열유체의 흐름(예를 들어, 제1라인에서 제2라인으로의 열유체의 이동)이 보장될 수 있으므로, 열유체라인(200)에서 펌프를 배제하는 것이 가능하다. 따라서, 펌프를 배제할 경우에는 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 각 단위저장용기가 소정 간격을 두고 이격되게 배치된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 서로 인접한 단위저장용기를 서로 밀착되게 배치하는 것도 가능하다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)는 서로 밀착되게 제공될 수 있다.
여기서, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)는 서로 밀착된다 함은, 제2단위저장용기(120)의 상부(도 2를 기준)가 제1단위저장용기(110)의 하부에 밀착되는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 제3단위저장용기(130), 제4단위저장용기(140), 제5단위저장용기(150)는 순차적으로 밀착되게 제공될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)가 서로 밀착되도록 하는 것에 의하여, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)가 서로 밀착되도록 하는 것에 의하여, 연결라인(230)의 외부 노출을 최소화할 수 있으므로, 연결라인(230)의 노출에 따른 열유체의 열손실 및 온도 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 저장유닛(100)을 구성하는 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)가 모두 서로 동일한 온도에서 수소를 저장(또는 방출)하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저장유닛(100)을 구성하는 복수개의 단위저장용기(110,120,130,140,150)가 서로 다은 온도에서 수소를 저장(또는 방출)하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1단위저장용기(110)는 제1온도범위에서 수소를 저장하고, 제2단위저장용기(120)는 제1온도범위보다 낮은 제2온도범위에서 수소를 저장하도록 구성될 수 있다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기(110)를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기(120)에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기(110)에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기(120)에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제2단위저장용기(120)가 제1단위저장용기(110)의 작동 온도(제1온도범위보다) 낮은 제2온도범위에서 수소를 저장 (또는 방출)하도록 하는 것에 의하여, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120) 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)의 작동 온도(수소를 저장 또는 방출하는 온도)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 변경될 수 있다.
일 예로, 제1단위저장용기(110)에는 제1금속수소화물 소재를 충진하고, 제2단위저장용기(120)에는 제1금속수소화물 소재와 다른 제2금속수소화물 소재를 충진함으로써, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)의 작동 온도를 변경하는 것이 가능하다. 다르게는 제1단위저장용기(110) 및 제2단위저장용기(120)의 사이즈 또는 구조 등을 변경함으로써, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120)의 작동 온도를 변경하는 것도 가능하다.
한편, 열유체라인(200)을 구성하는 제1라인(210) 및 제2라인(220)은 서로 동일한 유로단면적으로 갖도록 구성될 수 있지만, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 열유체라인(200)을 구성하는 제1라인(210) 및 제2라인(220)이 서로 다른 유로단면적으로 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
여기서, 제1라인(210) 및 제2라인(220)의 유로단면적이라 함은, 제1라인(210) 및 제2라인(220)에서 열유체가 이동하는 유로(통로)의 단면적(예를 들어, 직경)으로 이해될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1라인(210)은 제1유로단면적(예를 들어, 제1직경)을 갖도록 제공되고, 제2라인(220)은 제1유로단면적보다 작은 제2유로단면적(예를 들어, 제2직경)을 갖도록 제공될 수 있다. 이와 유사한 방식으로, 제3라인은 제2라인(220)보다 작은 유로단면적을 갖도록 형성될 수 있고, 제4라인은 제3라인보다 작은 유로단면적을 갖도록 형성될 수 있으며, 제5라인은 제4라인보다 작은 유로단면적을 갖도록 형성될 수 있다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기(110)를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기(120)에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기(110)에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기(120)에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제2라인(220)이 제1라인(210)의 제1유로단면적보다 작은 제2유로단면적(예를 들어, 제2직경)을 갖도록 하는 것에 의하여, 제2라인(220)을 통과하는 열유체의 유속을 높여 제2라인(220)에서 열유체에 의한 열교환 효과를 보다 향상시킬 수 있으므로, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120) 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소 저장 시스템(10)은, 열유체라인(200)에 연결되며 열유체의 온도 및 유속 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조절하는 열유체 특성조절부(300)를 포함할 수 있다.
열유체 특성조절부(300)는 열유체라인(200)을 따라 이동하는 열유체의 온도 및 유속을 선택적으로 조절할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 열유체 특성조절부(300)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 열유체 특성조절부(300)는, 연결라인(230)에 연결되는 바이패스라인(310), 및 바이패스라인(310)에 마련되며 열유체의 온도 또는 유속 중 적어도 어느 하나를 조절하는 조절부(320)를 포함할 수 있다.
바이패스라인(310)은 연결라인(230)과 조절부(320)를 연결 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 바이패스라인(310)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
조절부(320)로서는 바이패스라인(310)으로 바이패스된 열유체의 온도를 조절(가열)할 수 있는 히터(예를 들어, 전기 히터), 열유체의 유속을 조절(증가)할 수 있는 부스터(또는 펌프) 등이 사용될 수 있으며, 조절부(320)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이는, 열유체가 제1단위저장용기(110)를 경유(열교환)한 후 제2단위저장용기(120)에 공급됨에 따라, 제1단위저장용기(110)에 공급된 열유체에 비해 제2단위저장용기(120)에 공급된 열유체가 상대적으로 낮은 온도를 갖는 것에 기인한 것으로, 제1단위저장용기(110)를 통과한 열유체가 열유체 특성조절부(300)에 의해 가열(또는 유속 증가)된 후, 제2단위저장용기(120)에 공급되도록 하는 것에 의하여, 제1단위저장용기(110)에 공급되는 열유체와 제2단위저장용기(120)에 공급되는 열유체의 온도 편차(또는 유속 편차)를 최소화할 수 있으므로, 제1단위저장용기(110)와 제2단위저장용기(120) 간의 수소 저장 성능 및 효율 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같은 방식으로, 제2단위저장용기(120)를 통과한 열유체는 열유체 특성조절부(300)에 의해 가열(또는 유속 증가)된 후 제3단위저장용기(130)에 공급될 수 있고, 제3단위저장용기(130)를 통과한 열유체는 열유체 특성조절부(300)에 의해 가열(또는 유속 증가)된 후 제4단위저장용기(140)에 공급될 수 있으며, 제4단위저장용기(140)를 통과한 열유체는 열유체 특성조절부(300)에 의해 가열(또는 유속 증가)된 후 제5단위저장용기(150)에 공급될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 수소 저장 시스템
100 : 저장유닛
110 : 제1단위저장용기
120 : 제2단위저장용기
130 : 제3단위저장용기
140 : 제3단위저장용기
150 : 제3단위저장용기
200 : 열유체라인
210 : 제1라인
220 : 제2라인
230 : 연결라인
300 : 열유체 특성조절부
310 : 바이패스라인
320 : 조절부

Claims (13)

  1. 금속수소화물 소재가 내부에 각각 마련되며 병렬로 연결되는 복수개의 단위저장용기를 포함하는 저장유닛; 및
    복수개의 상기 단위저장용기를 연속적으로 경유하도록 제공되며, 상기 단위저장용기를 가열 또는 냉각하기 위한 열유체가 이동하는 열유체 유로를 정의하는 열유체라인;
    을 포함하는 수소 저장 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장유닛은,
    상기 금속수소화물 소재가 내부에 수용되는 제1단위저장용기; 및
    상기 금속수소화물 소재가 내부에 수용되며, 중력 방향을 따라 상기 제1단위저장용기의 하부에 마련되는 제2단위저장용기;
    를 포함하는 수소 저장 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열유체라인은,
    상기 제1단위저장용기를 경유하도록 제공되는 제1라인;
    상기 제2단위저장용기를 경유하도록 제공되는 제2라인; 및
    상기 제1라인과 상기 제2라인을 연속적으로 연결하는 연결라인;
    을 포함하는 수소 저장 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연결라인은 중력 방향을 따라 배치되고,
    상기 연결라인에서 상기 열유체는 중력에 의해 낙하하여 이동하는 수소 저장 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1라인은 상기 제1단위저장용기의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공되고,
    상기 제2라인은 상기 제2단위저장용기의 길이 방향을 따라 마련되되, 나선(helical) 형태를 갖도록 제공되는 수소 저장 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 연결라인의 일단은 상기 제1라인의 일단에 연결되고, 상기 연결라인의 일단은 상기 제1라인의 상기 일단을 마주하는 상기 제2라인의 일단에 연결되는 수소 저장 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1단위저장용기와 상기 제2단위저장용기는 서로 밀착되게 제공되는 수소 저장 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1단위저장용기와 상기 제2단위저장용기는 서로 다른 온도에서 수소를 저장하도록 정의되는 수소 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1단위저장용기는 제1온도범위에서 상기 수소를 저장하고, 상기 제2단위저장용기는 상기 제1온도범위보다 낮은 제2온도범위에서 상기 수소를 저장하는 수소 저장 시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1라인 및 상기 제2라인은 서로 다른 유로단면적을 갖도록 제공되는 수소 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1라인은 제1유로단면적을 갖도록 제공되고, 상기 제2라인은 상기 제1유로단면적보다 작은 제2유로단면적을 갖도록 제공되는 수소 저장 시스템.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 열유체라인에 연결되며 상기 열유체의 온도 및 유속 중 적어도 어느 하나를 선택적으로 조절하는 열유체 특성조절부를 포함하는 수소 저장 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열유체 특성조절부는,
    상기 연결라인에 연결되는 바이패스라인; 및
    상기 바이패스라인에 마련되며, 상기 열유체의 온도 또는 유속 중 적어도 어느 하나를 조절하는 조절부;
    를 포함하는 수소 저장 시스템.
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