KR102317404B1 - Hydrogen storage system and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소저장시스템 및 이의 운용방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 연료전지 시동 시 필요한 충분한 양의 수소를 안정적으로 공급할 수 있는 수소저장시스템 및 이의 운용방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen storage system and an operating method thereof, and more particularly, to a hydrogen storage system capable of stably supplying a sufficient amount of hydrogen required for starting a fuel cell and an operating method thereof.
수소의 저장방법으로 가스 상태의 수소를 압축시켜 저장하는 방법, 액화시켜 저장하는 방법 및 수소저장합금을 이용한 저장방법 등이 있다.As a storage method of hydrogen, there are a method of compressing and storing gaseous hydrogen, a method of storing it by liquefaction, and a storage method using a hydrogen storage alloy.
이중, 수소가스를 압축시켜 저장하기 위해서는 높은 압축 에너지가 요구되며, 수소가스를 액화시켜 저장하는 방법은 에너지 소비가 클 뿐만 아니라, 장시간 저장시 수소가스의 손실이 발생해 장시간 저장이 어려운 문제점이 있다. Among them, high compression energy is required to compress and store hydrogen gas, and the method of liquefying and storing hydrogen gas not only consumes a lot of energy, but also has a problem in that it is difficult to store for a long time due to loss of hydrogen gas during long-term storage. .
상술한 문제점으로 인해, 수소저장합금을 이용하여 수소가스를 금속수소화물형태인 고체 상태로 저장하는 방법, 즉 수소저장합금의 가역적인 수소화/탈수소화 반응을 이용하여 흡장과 방출을 수행하는 방법이 제시되었으며, 대한민국 등록특허 제10-1052599호에는 수소저장합금용기를 구비한 연료전지 자동차가 개시되어 있다.Due to the above problems, a method of storing hydrogen gas in a solid state in the form of a metal hydride using a hydrogen storage alloy, that is, a method of performing occlusion and release using a reversible hydrogenation/dehydrogenation reaction of a hydrogen storage alloy. and Korean Patent Registration No. 10-1052599 discloses a fuel cell vehicle having a hydrogen storage alloy container.
이와 같은 수소저장합금용기를 구비한 연료전지 자동차는 연료전지가 전기를 발전하는데 필요한 수소연료를 저장하고 공급하는 연료공급장치로서 수소저장합금이 내장된 수소저장합금용기를 사용한다. A fuel cell vehicle having such a hydrogen storage alloy container uses a hydrogen storage alloy container having a built-in hydrogen storage alloy as a fuel supply device for storing and supplying hydrogen fuel required for a fuel cell to generate electricity.
하지만, 이처럼 수소저장합금을 이용한 수소 저장방법은 연료전지의 시동시 요구하는 충분한 양의 수소를 제대로 공급하지 못하여, 시동을 수행하지 못하는 경우가 발생하거나 시동을 위한 충분한 수소가 공급될 때 까지 장시간 대기해야한다는 문제점이 있다. However, the hydrogen storage method using the hydrogen storage alloy does not properly supply a sufficient amount of hydrogen required at the time of starting the fuel cell, so that it cannot start or wait for a long time until sufficient hydrogen is supplied for starting. There is a problem that has to be done.
본 발명의 목적은 연료전지의 시동시 필요한 수소를 충분하게 제공할 수 있는 수소저장시스템 및 이의 운용방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hydrogen storage system capable of sufficiently providing hydrogen necessary for starting a fuel cell and a method for operating the same.
본 발명에 따른 수소저장시스템은 수소가 공급되며, 수소저장합금이 내장된 메인저장부; 메인저장부와 연통되어 메인저장부로부터 배출되는 수소를 저장하는 서브저장부; 및 열매 또는 냉매를 통해 메인저장부를 가열 또는 냉각하여 메인저장부 또는 서브저장부에 수소를 저장할 수 있는 냉열매순환부;를 포함한다.The hydrogen storage system according to the present invention includes a main storage unit in which hydrogen is supplied and a hydrogen storage alloy is embedded; a sub storage unit communicating with the main storage unit to store hydrogen discharged from the main storage unit; and a refrigerant circulation unit capable of storing hydrogen in the main storage unit or the sub storage unit by heating or cooling the main storage unit through a heat medium or a refrigerant.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 냉열매순환부는 냉매가 저장되며 메인저장부와 연결되는 냉매탱크; 냉매탱크로부터 냉매가 분기되어 공급되고, 분기된 냉매를 열교환하는 열교환부; 및 메인저장부로 냉매 및 열매의 공급을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the refrigerant circulating unit stores the refrigerant and includes: a refrigerant tank connected to the main storage unit; a heat exchange unit for supplying a branched refrigerant from the refrigerant tank and exchanging the branched refrigerant; and a control unit for controlling the supply of refrigerant and heat medium to the main storage unit.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 제어부는 수소 저장 모드 시, 냉매탱크로부터 메인저장부로 냉매를 공급하고, 수소 사용 모드 시, 열교환부로부터 메인저장부로 열매를 공급할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the control unit may supply a refrigerant from the refrigerant tank to the main storage unit in the hydrogen storage mode, and supply heat from the heat exchange unit to the main storage unit in the hydrogen use mode.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장시스템은 서브저장부로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage system may further include a fuel cell that receives hydrogen from a sub-storage unit and generates electric power.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 냉열매순환부는 연료전지에서 생성된 폐열을 사용할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the refrigerant circulation unit may use waste heat generated in the fuel cell.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 메인저장부와 서브저장부 사이에 수소의 역류를 방지하는 메인벨브를 더 구비할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, a main valve for preventing reverse flow of hydrogen between the main storage unit and the sub storage unit may be further provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 메인저장부는 내부에 냉매 또는 열매를 수용하는 메인탱크, 및 메인탱크의 내부에 내장되며, 수소저장합금이 내장된 서브탱크를 포함하고, 수소저장합금은 서브탱크 내부에 수소가 유동할 수 있는 메인수소유로를 형성할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the main storage unit includes a main tank for accommodating a refrigerant or heat medium therein, and a sub-tank built in the main tank and having a hydrogen storage alloy embedded therein, The storage alloy may form a main hydrogen flow path through which hydrogen may flow in the sub-tank.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 메인저장부는 메인수소유로의 형상을 유지할 수 있도록 메인수소유로에 수소의 이동이 가능하게 삽입되어 설치되는 형상유지부를 더 구비할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the main storage unit may further include a shape maintaining unit which is installed and inserted into the main hydrogen flow path to enable movement of hydrogen so as to maintain the shape of the main hydrogen flow path.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 형상유지부는 메인수소유로의 연장방향을 따라 연장되고, 양단이 개방되어 내부에 메인수소유로와 연통된 서브수소유로를 형성하며, 적어도 일측에 수소저장합금으로부터 수소의 이동이 가능한 측면수소이동로가 형성될 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the shape maintaining part extends along the extension direction of the main hydrogen flow path, both ends are open to form a sub-hydrogen flow path communicating with the main hydrogen flow path therein, at least on one side A side hydrogen transfer path capable of moving hydrogen from the hydrogen storage alloy may be formed.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 형상유지부는 메인수로유로의 내측면을 따라 나선방향으로 연장된 나선관을 구비할 수 있다. In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the shape maintaining unit may include a spiral tube extending in a spiral direction along the inner surface of the main water passage.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 형상유지부는 편조 또는 직조되어 제조된 메쉬관을 구비할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the shape maintaining unit may be provided with a mesh pipe manufactured by braiding or woven.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 메인저장부는 형상유지부를 지지하며 수소의 유동이 가능하도록 형상유지부의 서브수소유로의 내부에 설치되는 지지부재를 더 구비할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the main storage unit may further include a support member installed in the sub-hydrogen flow path of the shape maintaining unit to support the shape maintaining unit and to allow the flow of hydrogen.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 지지부재는 서브수소유로의 내부에서 서브수소유로 방향으로 연장되고, 양단이 개방된 내부공간을 형성하며, 내부공간과 연통된 적어도 하나의 타공이 형성된 타공관을 구비할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the support member extends from the inside of the sub-hydrogen flow path to the sub-hydrogen flow path, and forms an internal space with both ends open, and at least one perforated hole communicating with the internal space. This formed perforated tube may be provided.
본 발명은 수소가 공급되며, 수소저장합금이 내장된 메인저장부, 메인저장부와 연통되어 메인저장부로부터 배출되는 수소를 저장하는 서브저장부, 열매 또는 냉매를 통해 메인저장부를 가열 또는 냉각하여 메인저장부 또는 서브저장부에 수소를 저장할 수 있는 냉열매순환부를 포함하는 수소저장시스템의 운용방법으로, (A) 메인저장부에 냉매를 공급하여 메인저장부에 공급된 수소를 수소저장합금에 흡장시키는 단계;를 포함하며, 메인저장부에 수소가 공급될 시, 서브저장부에 수소가 동시 공급된다.In the present invention, hydrogen is supplied, and the main storage unit in which the hydrogen storage alloy is embedded, the main storage unit communicates with the main storage unit and stores hydrogen discharged from the main storage unit, and the main storage unit is heated or cooled through heat or refrigerant. An operating method of a hydrogen storage system including a refrigerant circulation unit capable of storing hydrogen in a main storage unit or a sub storage unit, (A) supplying a refrigerant to the main storage unit and converting the hydrogen supplied to the main storage unit to a hydrogen storage alloy occluding; and, when hydrogen is supplied to the main storage unit, hydrogen is simultaneously supplied to the sub storage unit.
본 발명의 일 실시예에 따른 운용방법에 있어서, 수소저장시스템은 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지를 더 포함하며, (A)단계 이후, (B1) 서브저장부로부터 연료전지에 수소를 공급하여 연료전지를 작동시키는 단계; (B2) 연료전지의 작동에 따라 발생한 폐열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계; (B3) 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 공급하는 단계; (B1) 내지 (B3)를 단위공정으로 1회 이상 반복하여 연료전지에 수소를 공급할 수 있다.In the operating method according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage system further includes a fuel cell for generating electricity by receiving hydrogen, and after step (A), (B1) hydrogen is supplied from the sub-storage unit to the fuel cell. supplying the fuel cell to operate; (B2) generating heat by heat-exchanging waste heat generated by the operation of the fuel cell with a refrigerant; (B3) supplying heat to the main storage unit and supplying hydrogen released as the main storage unit is heated to the sub storage unit; Hydrogen can be supplied to the fuel cell by repeating steps (B1) to (B3) one or more times as a unit process.
본 발명의 일 실시예에 따른 운용방법에 있어서, 연료전지의 작동을 종료할 경우, (C1) 서브저장부로부터 연료전지로 수소공급을 중단하는 단계; (C2) 연료전지에 잔열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계; (C3) 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.In an operating method according to an embodiment of the present invention, when the operation of the fuel cell is terminated, (C1) stopping the supply of hydrogen from the sub-storage unit to the fuel cell; (C2) generating heat from residual heat in the fuel cell and heat exchange with the refrigerant; (C3) supplying the fruit to the main storage unit and storing the hydrogen released as the main storage unit is heated in the sub storage unit.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장합금은 열전도성 물질과 혼합되어 수소저장복합체에 함유될 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage alloy may be mixed with a thermally conductive material and contained in the hydrogen storage complex.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장복합체는 수지를 더 함유할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage complex may further contain a resin.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장복합체는 수소저장합금 100중량부에 대하여 열전도성 물질 0.5 내지 70중량부 및 수지 1 내지 70중량부를 함유할 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage complex may contain 0.5 to 70 parts by weight of the thermal conductive material and 1 to 70 parts by weight of the resin based on 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장복합체는 (D1) 열전도성 물질과 수지를 혼합하여 제1혼합물을 수득하는 단계; (D2) 제1혼합물에 수소저장합금을 혼합하여 제2혼합물을 수득하는 단계; 및 (D3) 제2혼합물을 성형하는 단계;로부터 제조될 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage complex comprises the steps of (D1) mixing a thermally conductive material and a resin to obtain a first mixture; (D2) mixing a hydrogen storage alloy with the first mixture to obtain a second mixture; And (D3) forming the second mixture; can be prepared from.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소저장시스템에 있어서, 수소저장복합체는 (D3)이후, (D4) 성형된 제2혼합물을 경화시키는 경화단계;로부터 제조될 수 있다.In the hydrogen storage system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen storage complex may be manufactured from (D3) and then, (D4) a curing step of curing the molded second mixture.
본 발명에 따른 수소저장시스템 및 이의 운용방법은 별도로 구비된 서브저장부에 연료전지의 시동 시 필용한 충분한 양의 수소를 저장 및 공급할 수 있어, 연료전지 시동의 안정도를 높일 수 있다. The hydrogen storage system and the method for operating the same according to the present invention can store and supply a sufficient amount of hydrogen necessary for starting the fuel cell in a separately provided sub-storage unit, thereby increasing the stability of starting the fuel cell.
또한, 냉매 또는 열매를 통하여 수소저장합금을 냉각 또는 가열할 수 있어, 필요에 따라 수소를 신속하게 저장 및 공급할 수 있다.In addition, it is possible to cool or heat the hydrogen storage alloy through the refrigerant or heat medium, so that hydrogen can be stored and supplied quickly as needed.
그리고 냉매 또는 열매를 통하여 수소저장합금의 수소 흡장 및 방출이 이루어짐에 따라 수소의 충전압 및 방출압이 일정하여, 연료전지로 공급되는 수소의 압력을 일정하게 유지할 수 있다.In addition, as hydrogen occlusion and release of the hydrogen storage alloy is made through the refrigerant or heat medium, the charging pressure and the releasing pressure of hydrogen are constant, so that the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell can be maintained constant.
도 1은 제1 실시예에 따른 본 발명의 수소저장시스템의 구성을 도시한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 수소저장시스템의 메인탱크의 A-A'단면도,
도 3은 제2 실시예에 따른 서브탱크의 일부절개 사시도,
도 4는 제3 실시예에 따른 서브탱크의 일부 절개 사시도,
도 5는 제4 실시예에 따른 서브탱크의 일부 절개 사시도,
도 6은 제5 실시예에 따른 서브탱크의 일부 절개 사시도,
도 7은 제6 실시예에 따른 서브탱크의 일부 절개 사시도,
도 8은 제7 실시예에 따른 서브탱크의 일부 절개 사시도,
도 9는 본 발명의 수소저장복합체의 압력-조성 등온선을 나타낸 그래프,
도 10은 도 9에 따른 수소저장복합체의 시간당 수소저장량을 나타낸 그래프,
도 11은 도 9에 따른 수소저장복합체의 사진이다. 1 is a view showing the configuration of a hydrogen storage system of the present invention according to a first embodiment;
2 is a sectional view A-A' of the main tank of the hydrogen storage system shown in FIG. 1;
3 is a partially cut-away perspective view of the sub tank according to the second embodiment;
4 is a partially cut-away perspective view of a sub-tank according to a third embodiment;
5 is a partially cut-away perspective view of a sub-tank according to the fourth embodiment;
6 is a partially cut-away perspective view of a sub tank according to the fifth embodiment;
7 is a partially cut-away perspective view of a sub-tank according to the sixth embodiment;
8 is a partially cut-away perspective view of a sub-tank according to the seventh embodiment;
9 is a graph showing the pressure-composition isotherm of the hydrogen storage complex of the present invention;
10 is a graph showing the amount of hydrogen storage per hour of the hydrogen storage complex according to FIG. 9;
11 is a photograph of the hydrogen storage complex according to FIG.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, those of ordinary skill in the art to which this invention belongs have the meanings commonly understood, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used herein may be intended to include the plural form as well, unless the context specifically dictates otherwise.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, in the present specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and unless otherwise defined, the weight % is any one component of the entire composition. It means % by weight in the composition.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. As used herein, the term 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed further; Materials or processes are not excluded.
또한, 본 명세서의 용어, '실질적으로'는 특정된 요소, 재료 또는 공정과 함께 열거되어 있지 않은 다른 요소, 재료 또는 공정이 발명의 적어도 하나의 기본적이고 신규한 기술적 사상에 허용할 수 없을 만큼의 현저한 영향을 미치지 않는 양 또는 정도로 존재할 수 있는 것을 의미한다. In addition, as used herein, the term 'substantially' means that other elements, materials, or processes not listed together with the specified element, material or process are unacceptable for at least one basic and novel technical idea of the invention. It means that it can be present in an amount or degree that does not significantly affect it.
본 명세서에서 달리 정의하지 않는 한, 수소저장합금의 압력-조성 등온선 내의 평탄압력구간은 수소저장합금에 의해 흡장되는 수소가스의 양이 증가함에 따라, 압력이 크게 변화되지 않는 안정한 구역에 해당하는 압력범위를 의미한다. Unless otherwise defined herein, the flat pressure section within the pressure-composition isotherm of the hydrogen storage alloy corresponds to a stable region in which the pressure does not change significantly as the amount of hydrogen gas occluded by the hydrogen storage alloy increases. means range.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소저장시스템에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a hydrogen storage system according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 수소저장시스템은 수소가 공급되며, 수소저장합금이 내장된 메인저장부와, 메인저장부와 연통되어 메인저장부로부터 배출되는 수소를 저장하는 서브저장부, 열매 또는 냉매를 통해 메인저장부를 가열 또는 냉각하여 메인저장부 또는 서브저장부에 수소를 저장할 수 있는 냉열매순환부;를 포함한다.In the hydrogen storage system of the present invention, hydrogen is supplied, the main storage unit having a hydrogen storage alloy embedded therein, the sub storage unit communicating with the main storage unit to store hydrogen discharged from the main storage unit, and main storage through the medium or refrigerant and a cooling fruit circulation unit capable of storing hydrogen in the main storage unit or the sub storage unit by heating or cooling the unit.
종래의 수소저장합금을 이용한 수소저장시스템의 경우, 연료전지등과 같이 수소를 연료로 사용하는 전력장치에 수소를 공급할 시, 전력장치의 시동 시 요구하는 수소의 양을 충분히 공급하지 못하여, 시동에 필요한 수소가 충분히 공급될 때까지 장시간 대기한다는 문제점이 있다. 특히, 겨울철과 같이 주위 온도가 낮을 경우 더욱 빈번하게 일어나며, 심할 경우, 시동이 수행되지 못하였다. In the case of a hydrogen storage system using a conventional hydrogen storage alloy, when hydrogen is supplied to a power device that uses hydrogen as a fuel, such as a fuel cell, the amount of hydrogen required at the time of starting the power device cannot be sufficiently supplied. There is a problem in that it waits for a long time until the necessary hydrogen is sufficiently supplied. In particular, it occurs more frequently when the ambient temperature is low, such as in winter, and in severe cases, the start was not performed.
본 발명의 수소저장시스템은 수소저장합금이 내장된 메인저장부와 별도로 수소를 저장할 수 있는 서브저장부가 구비된다. 서브저장부에는 연료전지등과 같이 수소를 연료로 하는 전력장치의 시동에 필요한 수소가 저장될 수 있다. 수소저장합금과 별도로 서브저장부에 수소가 저장됨에 따라, 연료전지와 같은 수소를 연료로 사용하는 발전장치의 시동 시 요구되는 수소가 안정적으로 공급될 수 있다. 상세하게, 서브저장부에는, 수소충전기와 같은 외부 수소 공급장치나, 수소저장시스템 내부의 메인저장부에 의해, 수소가 저장될 수 있다. 일 예로, 수소충전기와 같은 수소공급장치에 의해 메인저장부에 수소가 충전될 시, 서브저장부 역시 수소충전기에 의해 수소가 충전될 수 있다. 이와 달리, 냉열매순환부에 의해 메인저장부로 열매가 공급되어 메인저장부가 가열됨에 따라 방출되는 수소가 서브저장부에 저장될 수 있다. 메인저장부와 서브저장부 사이에는 역류방지벨브로 구비되는 메인벨브가 설치되어 별도의 제어과정 및 전원 공급없이 서브저장부에 수소를 저장할 수 있다.The hydrogen storage system of the present invention is provided with a sub-storage unit capable of storing hydrogen separately from the main storage unit in which the hydrogen storage alloy is embedded. Hydrogen required for starting an electric power device using hydrogen as a fuel, such as a fuel cell, may be stored in the sub storage unit. As hydrogen is stored in the sub-storage unit separately from the hydrogen storage alloy, hydrogen required for starting a power generation device using hydrogen as a fuel, such as a fuel cell, can be stably supplied. In detail, in the sub storage unit, hydrogen may be stored by an external hydrogen supply device such as a hydrogen charger or a main storage unit inside the hydrogen storage system. For example, when hydrogen is charged in the main storage unit by a hydrogen supply device such as a hydrogen charger, the sub storage unit may also be charged with hydrogen by the hydrogen charger. On the other hand, heat is supplied to the main storage unit by the cooling medium circulation unit, and hydrogen emitted as the main storage unit is heated may be stored in the sub storage unit. A main valve provided as a backflow prevention valve is installed between the main storage unit and the sub storage unit, so that hydrogen can be stored in the sub storage unit without a separate control process and power supply.
그리고 본 발명의 수소저장시스템은 메인저장부로 냉매 및 열매를 공급하여 메인저장부를 냉각 및 가열할 수 있는 냉열매순환부를 구비한다. 상세하게, 냉열매순환부가 메인저장부 측으로 냉매를 공급하면 메인저장부에 구비된 수소저장합금에서 수소의 흡장이 일어나며 수소가 저장되고, 메인저장부 측으로 열매를 공급하면 메인저장부에 구비된 수소저장합금으로부터 수소가 방출된다. 이처럼, 냉매 또는 열매를 통해 수소를 저장하거나 방출할 수 있어 신속한 수소의 흡장 및 방출이 이루어질 수 있다. 즉, 메인저장부의 수소 충전속도가 상승되고, 메인저장부로부터 수소의 방출이 빨라 대기시간 없이 수소를 사용할 수 있도록 한다. And the hydrogen storage system of the present invention is provided with a cooling medium circulation unit capable of cooling and heating the main storage unit by supplying refrigerant and heat to the main storage unit. In detail, when the refrigerant circulation unit supplies the refrigerant to the main storage unit, hydrogen occlusion occurs in the hydrogen storage alloy provided in the main storage unit and hydrogen is stored, and when the refrigerant is supplied to the main storage unit, hydrogen provided in the main storage unit Hydrogen is released from the storage alloy. In this way, hydrogen can be stored or released through the refrigerant or heat medium, so that the occlusion and release of hydrogen can be performed quickly. That is, the hydrogen charging speed of the main storage unit is increased, and hydrogen is rapidly released from the main storage unit, so that hydrogen can be used without waiting time.
게다가, 냉열매순환부는 주변온도와 관계없이 일정한 냉매 또는 열매의 온도로 메인저장부의 수소저장합금을 냉각하거나 가열할 수 있어 충전 및 방출되는 수소의 압력을 일정하게 유지할 수 있다. 일 예로, 연료전지등과 같은 수소를 연료로 사용하는 발전장치에 본 발명의 수소저장시스템이 적용될 시, 발전장치로 일정한 압력의 수소를 제공할 수 있음에 따라 더욱 안정적인 발전장치의 작동이 이루어질 수 있도록 한다. In addition, the refrigerant circulation unit can cool or heat the hydrogen storage alloy of the main storage unit at a constant temperature of the refrigerant or heat medium regardless of the ambient temperature, thereby maintaining a constant pressure of charged and discharged hydrogen. For example, when the hydrogen storage system of the present invention is applied to a power generation device using hydrogen as a fuel, such as a fuel cell, a more stable operation of the power generation device can be achieved because hydrogen at a constant pressure can be provided to the power generation device. let it be
냉열매순환부는 냉매가 저장되는 냉매탱크와, 냉매탱크로부터 분기된 냉매를 열매로 전환시킬 수 있는 열교환부, 냉매 및 열매의 공급을 제어하는 제어부를 포함할 수 있으며, 제어부는 수소 저장 모드, 수소 사용 모드에 따라 메인저장부로 공급되는 냉매 또는 열매를 제어할 수 있다. 상세하게, 제어부는 수소 저장 모드 시에는 냉매를 메인저장부로 공급하며, 수소 사용 모드 시에는 열매를 메인저장부로 공급한다. 수소냉열매순환부의 냉매탱크는 커플러등과 같은 연결부재에 의해 메인저장부와 연결되어, 필요시에 메인저장부와 연결될 수 있다. 상세하게, 제어부의 수소 저장 모드 시, 메인저장부와 연결되어 메인저장부측으로 냉매를 공급할 수 있다. 이와 달리, 제어부의 수소 사용 모드 시에는 메인저장부와 연결이 해지되어 분리될 수 있다. 열교환부는 냉매를 열매로 전환시키는 것으로, 열원으로 후술할 연료전지의 폐열을 사용할 수 있다. 이에, 더욱 에너지 효율이 높은 시스템을 제공할 수 있다. The refrigerant circulation unit may include a refrigerant tank in which the refrigerant is stored, a heat exchange unit capable of converting the refrigerant branched from the refrigerant tank into a heat medium, and a control unit for controlling the supply of the refrigerant and the heat medium, and the control unit includes a hydrogen storage mode, hydrogen Depending on the mode of use, the refrigerant or heat supplied to the main storage unit can be controlled. In detail, the control unit supplies the refrigerant to the main storage unit in the hydrogen storage mode, and supplies the heat medium to the main storage unit in the hydrogen use mode. The refrigerant tank of the hydrogen refrigerant circulation unit may be connected to the main storage unit by a connecting member such as a coupler, and may be connected to the main storage unit if necessary. In detail, in the hydrogen storage mode of the control unit, the refrigerant may be supplied to the main storage unit by being connected to the main storage unit. On the other hand, in the hydrogen use mode of the control unit, the connection with the main storage unit may be disconnected and separated. The heat exchange unit converts the refrigerant into a heat medium, and as a heat source, waste heat of a fuel cell, which will be described later, can be used. Accordingly, it is possible to provide a system with higher energy efficiency.
이와 같은 본 발명의 수소저장시스템은 연료전지의 수소공급원으로 설치될 수 있다. 본 발명의 수소저장시스템은 연료전지의 폐열만을 사용하여 냉매를 열매로 전환시키기 때문에 에너지 효율이 매우 높으며, 외부에 수소공급장치 및 냉매탱크와 필요시에만 연결 사용이 가능함에 따라 더욱 컴팩트(compact)한 구조로 구비될 수 있어 연료전지 자동차에 적합할 수 있다. Such a hydrogen storage system of the present invention may be installed as a hydrogen supply source of a fuel cell. The hydrogen storage system of the present invention has very high energy efficiency because it converts the refrigerant into heat using only the waste heat of the fuel cell, and it is more compact as it can be connected to an external hydrogen supply device and a refrigerant tank only when necessary. Since it can be provided in one structure, it can be suitable for a fuel cell vehicle.
본 발명의 수소저장시스템이 구비된 연료전지 자동차는 서브저장부에 충분한 양의 수소가 저장됨에 따라, 연료전지 자동차의 시동 시 요구되는 수소가 안정적으로 공급될 수 있다. 게다가, 이와 같은 자동차는 냉열매순환부에 의해 메인저장부의 수소 흡장 및 방출이 이루어짐에 따라 계절 및 주위 환경에 관계없이 수소가 일정한 압력으로 제공될 수 있어 안정적인 구동이 가능하다. 게다가, 이와 같은 자동차는 수소의 충전 및 방출속도가 상승되어 사용자에게 편리를 제공할 수 있다.In the fuel cell vehicle equipped with the hydrogen storage system of the present invention, since a sufficient amount of hydrogen is stored in the sub-storage unit, hydrogen required for starting the fuel cell vehicle can be stably supplied. In addition, since hydrogen occlusion and discharge of the main storage unit is made by the refrigerant circulation unit, hydrogen can be provided at a constant pressure regardless of the season and the surrounding environment, so that the vehicle can be driven stably. In addition, such a vehicle can provide convenience to the user by increasing the charging and discharging rates of hydrogen.
도 1 내지 도 2에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소저장시스템이 도시되어 있다.1 to 2 show a hydrogen storage system according to a first embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 수소저장시스템은 수소가 공급되며, 수소저장합금(15)이 내장된 메인저장부(10)를 포함한다.1 to 2, the hydrogen storage system according to the present invention is supplied with hydrogen and includes a
메인저장부(10)는 수소충전기 혹은 수소 봄베와 같은 수소공급장치(21)로부터 공급받은 수소를 저장할 수 있다. 이때, 수소공급장치(21)는 메인저장부(10)와 별도로 외부에 설치될 수 있으며, 메인저장부(10)와 커플러등과 같은 제1연결부재(21a)에 의해 필요에 따라 연결될 수 있다. 즉, 메인저장부(10)로 수소를 충전할 시에 수소공급장치(21)를 연결하여 수소를 메인저장부(10)로 공급할 수 있다. 메인저장부(10)는 수소공급장치(21) 및 후술할 서브저장부(30)와 연결되어 수소공급장치(21)로부터 공급받은 수소를 저장한 후 서브저장부(30)로 수소를 공급할 수 있다. 또한, 후술할 냉열매순환부(50)와 연결되어 냉매 또는 열매에 의해 가열 또는 냉각될 수 있다. 메인저장부(10)는 내부에 열매 또는 열매를 수용하는 메인탱크(11), 메인탱크(11)의 내부에 내장되며 수소저장합금(15)이 내장된 서브탱크(13)를 구비할 수 있다. The
메인탱크(11)는 사각단면의 내부공간을 형성하는 통형상의 부재로, 수소저장합금(15)이 내장된 서브탱크(13)가 내부에 다수개 내장될 수 있다. 메인탱크(11)의 내부공간에는 냉매 또는 열매가 수용될 수 있으며, 수용된 냉매 또는 열매에 의해, 서브탱크(13)가 메인탱크(11) 내부에서 가열 또는 냉각될 수 있다. 메인탱크(11)는 도면에 도시된 바와 달리, 원형 또는 삼각 및 오각등과 같이 다각형의 단면을 갖는 통형상의 부재일 수 있으며, 서브탱크(13) 및 냉매와 열매를 내부에 수용할 수 있도록 내부공간(12)을 형성하는 형상은 모두 적용이 가능할 수 있다.The
서브탱크(13)는 메인탱크(11)보다 작은 직경을 갖는 통형상의 부재로, 메인탱크(11)의 길이방향과 나란한 길이방향을 형성하며 메인탱크(11)의 내부에 설치될 수 있다. 서브탱크(13)는 기존 수소저장합금(15)이 저장된 탱크를 적용할 수 있으며, 도면에 도시된 바와 달리 다각형의 단면을 갖는 통형상의 부재일 수 있다. 서브탱크(13)는 메인탱크(11) 내부에 다수개가 구비될 수 있다. 다수개의 서브탱크(13)는 양단이 각각 연통될 수 있으며, 연통된 일단은 수소공급장치(21)와 연결되어 내부에 수소가 공급되도록 하며, 타단은 서브저장부(30)와 연결되어 서브저장부(30) 측으로 수소를 공급할 수 있다. 다수개의 서브탱크(13)는 메인탱크(11) 내부에서 상호간 동일 간격으로 이격되어 배열되는 것이 바람직할 수 있다. 이에, 메인탱크(11) 내부에서 유동하는 냉매 또는 열매가 서브탱크(13)의 외부면에 균일하게 접촉할 수 있다. 이에, 냉매 또는 열매에 의한 수소의 흡장 및 방출이 균일하게 이루어지며 더욱 균일한 압력으로 수소를 서브저장부(30) 측으로 공급할 수 있다. The
서브탱크(13) 내부에 내장된 수소저장합금(15)은 서브탱크(13) 내부에서 수소가 유동할 수 있는 메인수소유로(14)를 형성할 수 있다. 수소저장합금(15)은 특정 압력 및 온도 범위에서 수소를 흡장하여 금속수소화물을 형성하며, 압력 및 온도변화에 의해 수소를 다시 방출하는 성질을 가지는 합금을 지칭할 수 있다. 수소저장합금(15)은 중공을 갖는 디스크 형상이며, 다양한 두께로 형성될 수 있다. 수소저장합금(15)은 서브탱크(13) 내부에 중공이 서로 통공되도록 적층될 수 있다. 서브탱크(13) 내부로 유입된 수소는 수소저장합금(15)의 중공을 통해 유동할 수 있다. 즉, 수소저장합금(15)의 중공이 위치하는 곳에 메인수소유로(14)가 형성될 수 있다.The
수소저장합금(15)은 AB5형, AB2형, AB형, A2B형으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이며, 상기 A는 란타넘 (La), 지르코늄 (Zr), 타이타늄 (Ti), 칼슘 (Ca) 및 마그네슘 (Mg) 중의 하나이며, 상기 B는 니켈 (Ni), 구리 (Cu), 아연 (Zn), 철 (Fe), 코발트 (Co), 망간 (Mn), 바나듐 (V) 중의 하나일 수 있다. 구체적인 일 예로, LaNi5, CaCu5, TiMn2, ZrNi2, TiFe, TiCo, Mg2Ni 및 Mg2Cu 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있으나 이에 제한하지는 않는다. The
메인저장부(10)와 연결된 서브저장부(30)는 수소를 저장할 수 있는 용기로 그 형상이 제한되지 않는다. 서브저장부(30)는 수소공급장치(21) 또는 메인저장부(10)에 의해 배출된 수소가 저장될 수 있다. 서브저장부(30)는 수소저장합금으로부터 배출되는 수소의 양보다 많은 양의 수소가 저장될 수 있다. 서브저장부(30)는 후술할 연료전지(70)의 시동 시 필요한 충분한 수소를 제공할 수 있도록 한다. 서브저장부(30)는 후술할 연료전지가 가동됨에 따라 발생하는 폐열로 인해 후술할 열매의 온도가 40 내지 90℃, 바람직하게는 60 내지 80℃의 온도로 가열될 때 까지 지속적으로 연료전지를 시동 및 구동시킬 수 있는 충분한 양의 수소가 저장될 수 있다.The
메인저장부(10)와 서브저장부(30) 사이에는 수소의 역류를 방지하기 위한 메인벨브(35)가 설치될 수 있다. 메인벨브(35)는 수소의 유동을 차단 또는 개방시킬 수 있는 벨브는 모두 적용이 가능하나 바람직하게는 역류방지벨브를 사용할 수 있다. 역류방지벨브는 별도의 제어과정 및 전원공급 필요없이 차압에 의해 높은 압력에서 낮은 압력으로 수소가 흐를 때에만 작동하고, 반대로, 역압일 경우에는 벨브가 폐쇄될 수 있다. 또한, 차압의 크기에 따라 역류방지벨브의 개방 정도가 달라질 수 있으며, 차압이 클수록 상기 개방 정도가 커져 수소의 유량 또한 높아질 수 있다. A main valve 35 for preventing the reverse flow of hydrogen may be installed between the
구체적으로, 역류방지벨브는 벨브가 작동하는 최소 상류 압력인 크래킹 압력 (Cracking pressure)이 1 내지 15, 좋게는 1 내지 8 bar일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 메인벨브(35)가 역류방지벨브인 경우, 메인저장부(10)로부터 서브저장부(30)로 수소가 유입될 시, 차압이 0 이하가 되면, 메인벨브(35)는 자동으로 닫히게 되어, 역류하는 문제가 발생하지 않을 수 있다. Specifically, the non-return valve may have a cracking pressure of 1 to 15, preferably 1 to 8 bar, which is the minimum upstream pressure at which the valve operates, but is not limited thereto. When the main valve 35 is a non-return valve, when hydrogen flows into the
일 예로, 본 발명에 따른 수소저장시스템은 서브저장부(30)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(70)를 더 포함할 수 있다. For example, the hydrogen storage system according to the present invention may further include a
서브저장부(30)와 연결되어 서브저장부(30)로부터 수소를 공급받을 수 있는 연료전지(70)는 수소에너지를 기반으로 전력을 생산할 수 있다. 연료전지(70)와 서브저장부(30) 사이에는 제어부에 의해 개폐될 수 있는 서브벨브(37)가 설치될 수 있다.The
연료전지(70)는 본체(71)(스택, stack)와 냉매순환부(75)를 구비할 수 있다. 본체(71)는 수소를 통해 전력을 생산하며, 이때 열(폐열)이 발생하여 본체(71)의 온도가 높아짐에 따라 냉각시킬 필요가 있다. 냉매순환부(75)는 본체(71)로 제1냉매를 공급하여 본체(71)를 냉각할 수 있다. 냉매순환부(75)는 본체(71)와 후술할 열교환부(55)를 순환하도록 연결되며 제1냉매 또는 제1열매가 유동하는 순환라인(77)과, 순환라인(77)에 설치되는 공냉팬(78), 펌프(79)를 구비할 수 있다. 이와 달리, 냉매순환부(75)는 본체(71)를 냉각시킬 수 있는 종래의 냉매순환 구조는 적용이 가능하다. 냉매순환부(75)에 의해 본체(71)로 공급된 제1냉매는 본체(71)의 폐열을 흡수하여 제1열매로 전환될 수 있다. 제1열매로 전환된 제1냉매는 후술할 열교환부(55)를 통과하며 다시 제1냉매로 전환될 수 있다. 열교환부(55)를 통과한 제1냉매는 공냉팬(78)에 의해 더욱 냉각될 수 있다. 서브저장부(30)와 연료전지(70) 사이에는 별도의 레귤레이터(39)가 설치되어, 서브저장부(30)로부터 연료전지(70)로 공급되는 수소가 감압될 수 있음은 물론이다. The
냉열매순환부(50)는 메인저장부(10)에 냉매 또는 열매를 공급하여 메인저장부(10)를 냉각 또는 가열할 수 있다. 냉열매순환부(50)는 메인저장부(10)에 열매를 공급하여 메인탱크(11)의 내부에 내장된 서브탱크(13)를 가열함으로써 수소저장합금(15)으로부터 수소가 방출될 수 있도록 한다. 이와 반대로, 냉열매순환부(50)는 메인저장부(10)에 냉매를 공급하여 서브탱크(13)를 냉각함으로써 수소저장합금(15)이 수소를 흡장 즉, 수소를 충전할 수 있도록 한다. The cooling
냉열매순환부(50)는 냉매가 저장되며 메인저장부(10)의 메인탱크(11)와 연결되는 냉매탱크(51), 냉매탱크(51)로부터 냉매가 분기되어 공급되고, 분기된 냉매를 열교환하는 열교환부(55), 메인저장부(10)로 냉매 및 열매의 공급을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 냉열매순환부(50)는 별도의 에너지를 열원으로 사용하지 않고 연료전지(70)에서 생성된 폐열만으로 냉매를 열매로 전환할 수 있다. 이와 같은 구조는 추가적인 에너지를 필요하지 않아 에너지 효율이 우수하며, 에너지 소비로 인한 비용을 현저히 감소시킬 수 있다.The
냉매탱크(51)는 냉각수와 같은 냉매가 수용된 용기이다. 냉매탱크(51)는 수소저장시스템과 일체로 연결되어 있을 수 있으나, 이와 달리 수소저장시스템과는 별도로 설치되고, 커플러등과 같은 연결부재에 의해 수소저장시스템과 연결되어 필요에 따라 연결될 수 있다. 냉매탱크(51)는 냉매를 메인저장부(10) 측으로 공급하는 공급커플러(51b)와, 메인저장부(10)측으로부터 냉매 또는 열매를 수용하는 수용커플러(51a)가 각각 구비될 수 있다. The refrigerant tank 51 is a container in which a refrigerant such as cooling water is accommodated. The refrigerant tank 51 may be integrally connected to the hydrogen storage system, but unlike the hydrogen storage system, it is installed separately, and is connected to the hydrogen storage system by a connecting member such as a coupler, and may be connected as needed. The refrigerant tank 51 may include a
공급커플러(51b)를 통해 냉매탱크(51)의 외부로 공급된 냉매는 수용커플러(51a)를 통해 냉매탱크(51)의 내부로 수용됨에 따라 냉매 또는 열매의 순환이 가능할 수 있다. 공급커플러(51b)와 수용커플러(51a) 사이에는 상호 연결된 분기라인(58)이 더 설치될 수 있으며, 분기라인(58)에는 벨브(57)가 설치될 수 있다. 벨브(57)가 폐쇄될 시, 냉매탱크(51)로부터 공급커플러(51b)를 통해 메인저장부(10)로 공급된 냉매는 메인저장부(10)를 통과한 후 수용커플러(51a)를 통해 다시 냉매탱크(51)로 수용되며 냉매가 순환될 수 있다. 이와 달리, 벨브(57)가 개방될 시, 공급커플러(51b) 및 수용커플러(51a)는 폐쇄되어 이미 공급된 냉매는 냉매탱크(51)를 통해 순환하지 않고, 열교환부(55)와 메인저장부(10)를 통과하며 순환될 수 있다. 벨브(57)는 제어부에 의해 조절될 수 있다. As the refrigerant supplied to the outside of the refrigerant tank 51 through the
열교환부(55)는 냉매탱크(51)로부터 분기된 냉매를 열교환하여 열매로 전환시키기 위한 것으로, 연료전지(70)의 폐열을 사용할 수 있다. 열교환부(55)는 종래의 열교환기를 적용할 수 있으며, 냉매탱크(51)로부터 공급된 냉매와 연료전지(70) 측으로부터 공급된 제1열매가 상호간 열교환될 수 있다. 열교환부(55)에서 열매로 전환된 냉매는 메인저장부(10)로 이동하여 메인저장부(10)를 가열시킬 수 있다.냉매탱크(51)와 열교환부(55) 사이에는 펌프(53)가 설치되어 열매의 순환을 원활하게 할 수 있다. 열교환부(55)는 상술한 냉매탱크(51)의 공급커플러(51b)와 연결될 수 있으며, 공급커플러(51b)를 통해 공급된 냉매를 열매로 전환시키거나 혹은 냉매 그대로 메인저장부(10)에 공급할 수 있다. The
제어부는 수소 저장 모드 또는 수소 사용 모드에 따라 메인저장부(10) 측으로 냉매 또는 열매를 공급할 수 있다. 제어부는 수소 저장 모드 시, 냉매탱크(51)로부터 메인저장부(10)로 냉매를 공급하고, 수소 사용 모드 시, 열교환부(55)로부터 메인저장부(10)로 열매를 공급할 수 있다.The control unit may supply a refrigerant or heat medium to the
수소 저장 모드는 메인저장부(10) 및 서브저장부(30)에 수소를 저장하는 모드일 수 있다. The hydrogen storage mode may be a mode for storing hydrogen in the
제어부는 수소 저장 모드 시, 메인저장부(10)로 냉매가 공급될 수 있도록 냉열매순환부(50)에 설치된 펌프를 가동시켜 냉매탱크(51)로부터 냉매를 열교환부(55)로 이동시킬 수 있다. 열교환부(55)를 통과한 냉매는 메인저장부(10)의 메인탱크(11)내부로 이동할 수 있다. 이때, 열교환부(55)는 폐열이 존재하지 않는 상태로, 열교환이 일어나지 않는다. 이에, 냉매는 열매로 전환되지 않고 냉매 그대로 메인저장부(10)로 공급되며 메인저장부(10)를 냉각시킬 수 있다. The control unit moves the refrigerant from the refrigerant tank 51 to the
수소 저장 모드 시에는 냉매탱크(51)는 공급커플러(51b)와 수용커플러(51a)에 의해 메인저장부(10)와 연결되어 있을 수 있으며, 수소공급장치(21) 역시 커플러에 의해 메인저장부(10)와 연결되어 있을 수 있다. 제어부는 수소 저장 모드시 벨브(57)는 폐쇄되도록 하여 냉매탱크(51)에서 공급커플러(51b)를 통해 메인저장부(10)로 공급된 냉매가 다시 공급커플러(51b)를 통해 냉매탱크(51)로 수용되지 않도록 할 수 있다. In the hydrogen storage mode, the refrigerant tank 51 may be connected to the
수소 저장 모드 시, 수소공급장치(21)로부터 공급된 수소는 냉각된 메인저장부(10) 내부의 수소저장합금(15)에 충전될 수 있다. 수소공급장치(21)로부터 공급된 수소는 메인저장부(10)에 저장됨과 동시에 메인저장부(10)와 연결된 서브저장부(30)에도 저장될 수 있다. 제어부는 서브저장부(30)와 연결된 연료전지(70)에는 수소가 공급되지 않도록 서브벨브(37)를 폐쇄할 수 있다. In the hydrogen storage mode, hydrogen supplied from the
이와 달리, 수소 사용 모드는 저장된 수소를 사용하는 모드이다.In contrast, the hydrogen use mode is a mode that uses stored hydrogen.
수소 사용 모드 시, 연료전지(70)는 가동될 수 있다. 제어부는 서브저장부(30)와 연결된 연료전지(70)에는 수소가 공급되도록 서브벨브(37)를 개방할 수 있다. 서브저장부(30)에 저장된 수소가 연료전지(70)에 공급되며 연료전지(70)가 가동될 수 있으며, 또한, 서브저장부(30)의 수소가 연료전지(70)에 공급되며 연료전지(70)에서 발생되는 폐열에 의해 열교환부(55)에 열매가 공급될 수 있다. 서브저장부(30)에 저장된 수소에 의해 연료전지(70)의 가동(시동) 및 폐열 발생이 이루어진 후, 연료전지(70)의 폐열에 의해 생성되는 열매가 메인저장부(10)에 공급되며 수소저장합금(15)에 저장된 수소가 방출되어, 연료전지(70)의 가동이 유지될 수 있다. In the hydrogen use mode, the
제어부는 수소 사용 모드 시, 공급된 냉매를 열매로 전환시키며 메인저장부(10)와 열교환부(55)를 순환하도록 할 수 있다. 이때, 메인저장부(10)는 냉매탱크(51)와 연결된 공급커플러(51b)와 수용커플러(51a)에 의해 냉매탱크(51)와 연결이 해지되고, 수소공급장치(21)와의 연결도 해지될 수 있다. 그리고 벨브는 개방될 수 있다. 공급된 냉매는 열교환부(55)를 통과하며, 연료전지(70)의 작동에 따라 발생한 폐열과 열교환되어 열매로 전환될 수 있다. 전환된 열매는 메인저장부(10)를 통과하며 메인저장부(10)를 가열시켜 수소저장합금(15)에 저장된 수소가 방출되도록 한다. 열매는 메인저장부(10)를 통과하며 냉매로 전환될 수 있다. 전환된 냉매는 다시 열교환부(55)를 통해 열매로 전환되며 메인저장부(10)로 공급되고 위의 과정을 반복하여 순환한다. 제어부는 또한, 수소 사용 모드시 서브벨브(37)를 조절하여 연료전지(70)로 제공되는 수소의 양을 조절할 수 있다.In the hydrogen use mode, the control unit may convert the supplied refrigerant into heat medium and circulate the
제어부는 수소 사용 모드 후, 연료전지(70)의 가동이 멈출 시, 서브 수소 저장 모드를 수행할 수 있다. 서브 수소 저장모드는 수소 사용 모드의 종료 후 자동으로 수행될 수 있다. 서브 수소 저장 모드는 서브저장부(30)에 다시 수소를 저장하기 위한 모드로, 이러한 서브 수소 저장 모드에 의해 연료전지(70)의 최초 시동 뿐만 아니라 가동 중지 후 재시동시에도 메인저장부(10)와 무관하게 서브저장부(30)에 의해 연료전지(70)가 구동될 수 있다. 서브 수소 저장모드 시 제어부는 서브벨브(37)를 차단할 수 있다. 그리고 수소 사용 모드 시와 동일하게 열매가 메인저장부(10)측으로 공급될 수 있도록 냉매 및 열매를 순환시킬 수 있다. 이에, 서브저장부(30)로 지속적으로 수소가 공급되어 서브저장부(30)에 충분한 양의 수소가 저장될 수 있다. 이때, 열교환부(55)는 연료전지(70) 가동이 멈추어도 잔열(잔여하는 폐열)이 남아있어, 열교환이 가능할 수 있다. 서브저장부(30)에 저장된 충분한 양의 수소는 이후, 다시 연료전지(70)를 시동할 시 사용할 수 있음에 따라, 본 발명의 수소저장시스템은 안정적인 수소 공급력을 가질 수 있다. When the operation of the
이와 같은 본 발명의 수소저장시스템은 수소저장합금이 내장된 메인저장부와 별도로 서브저장부가 구비됨에 따라, 연료전지의 시동 및 가동에 필요한 충분한 양의 수소를 저장할 수 있다. 냉열매순환부에 의해 메인저장부를 가열 또는 냉각할 수 있음에 따라, 메인저장부의 수소 충전 및 방출의 속도가 상승될 수 있다. 게다가, 연료전지의 폐열만을 이용하여 냉매를 열매로 전환시키기 때문에 열교환 효율이 매우 우수할 수 있다. 그리고 주변온도에 관계없이 냉매 또는 열매의 온도로 수소의 충전 및 방출이 이루어짐에 따라, 수소가 충전되는 압력과 수소가 방출되는 압력이 일정하게 유지될 수 있다.As such, the hydrogen storage system of the present invention includes a sub-storage unit separate from the main storage unit in which the hydrogen storage alloy is embedded, and thus can store a sufficient amount of hydrogen required for starting and operating the fuel cell. As the main storage unit can be heated or cooled by the refrigerant circulation unit, the rate of hydrogen charging and discharging of the main storage unit can be increased. In addition, heat exchange efficiency may be very good because the refrigerant is converted into a heat medium using only the waste heat of the fuel cell. And as the charging and discharging of hydrogen is made at the temperature of the refrigerant or the medium regardless of the ambient temperature, the pressure at which hydrogen is charged and the pressure at which the hydrogen is discharged can be kept constant.
특히, 이와 같은 본 발명의 수소저장시스템은 연료전지 자동차에 적합할 수 있다. 본 발명의 수소저장시스템은 수소공급장치 및 냉매탱크가 별도로 외부에 구비된 후 필요시 커플러들을 연결하여 사용할 수 있다. 그리고, 열원으로 연료전지의 폐열만을 사용하기 때문에 별도의 가열장치를 설치할 필요가 없어 더욱 단순한 구조로 구비된다. 이에, 비교적 가볍고 컴팩트하여 연료전지 자동차에 적합할 수 있다. In particular, the hydrogen storage system of the present invention may be suitable for a fuel cell vehicle. The hydrogen storage system of the present invention can be used by connecting couplers if necessary after the hydrogen supply device and the refrigerant tank are separately provided outside. In addition, since only waste heat of the fuel cell is used as a heat source, there is no need to install a separate heating device, and thus a simpler structure is provided. Accordingly, since it is relatively light and compact, it may be suitable for a fuel cell vehicle.
아울러, 본 발명의 수소저장시스템은 연료전지 자동차의 시동시 필요한 수소를 서브저장부가 제공할 수 있기 때문에 시동의 오작동을 방지할 수 있다.게다가, 본 발명의 수소저장시스템을 적용한 연료전지 자동차는 수소 충전속도가 매우 상승되며, 일정한 수소압이 제공되어 안정적인 구동이 가능할 수 있다. In addition, in the hydrogen storage system of the present invention, since the sub-storage unit can provide hydrogen necessary for starting the fuel cell vehicle, it is possible to prevent malfunction of starting. The charging speed is greatly increased, and a constant hydrogen pressure is provided to enable stable driving.
도 3 내지 도 8에는 본 발명의 제 2 내지 제7 실시예에 따른 수소저장시스템의 서브탱크가 도시되어 있다. 3 to 8 show the sub-tanks of the hydrogen storage system according to the second to seventh embodiments of the present invention.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 메인저장부는 메인수소유로의 형상을 유지할 수 있도록 메인수소유로에 수소의 이동이 가능하게 삽입되어 설치되는 형상유지부(40)를 더 구비할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the main storage unit of the present invention may further include a
형상유지부(40)는 수소저장합금(15)의 팽창시의 압력을 견딜 수 있도록 강도가 높은 금속소재로 구비되는 것이 바람직하나, 이에 한정되진 않는다. 형상유지부(40)는 메인수소유로(14)의 연장방향을 따라 연장된 관형상의 부재일 수 있다. 형상유지부(40)는 양단이 개방되어 내부에 메인수소유로(14)와 연통된 서브수소유로(44)를 형성할 수 있다. 형상유지부(40)는 수소저장합금(15)의 내측면과 마주보는 적어도 일측면에 수소저장합금(15)으로부터 수소의 이동이 가능한 측면수소이동로(42)가 형성될 수 있다. 측면수소이동로(42)를 통해 수소저장합금(15)과 서브수소유로(44)에 수소가 이동할 수 있다. 이와 같은 형상유지부(40)는 수소저장합금(15)의 내측면에서 수소저장합금(15)을 지지하여, 수소가 흡장 및 방출됨에 따라 발생되는 수소저장합금(15)의 붕괴를 방지할 수 있다. 혹, 수소저장합금(15)의 붕괴시에도 메인수소유로(14)의 형상을 유지하도록 지지함에 따라, 메인수소유로(14)를 안정적으로 확보할 수 있다. 형상유지부(40)는 메인수소유로(14)에 삽입되어 수소저장합금(15)의 내측면을 지지하며, 메인수소유로(14)의 수소이동과, 수소저장합금(15)과 메인수소유로(14)간의 수소이동을 방해하지 않는 구조는 모두 적용이 가능하다.The
이와 같은 형상유지부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 메인수소유로(14)의 내측면을 따라 나선방향으로 연장된 나선관(41)으로 구비될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이 나선관은 내부가 채워진 봉부재가 나선방향으로 연장되어 구비될 수 있다. 이와 달리 내부가 빈 관부재가 나선방향으로 연장되어 구비될 수 있다. 나선관은 나선방향으로 연장됨에 따라 나선모양의 서브수소유로(44)가 형성될 수 있다.As shown in FIG. 3 , the
이와 달리 형상유지부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 편조 또는 직조되어 제조된 메쉬관(47)으로 구비될 수 있다. 메쉬관은 편조 또는 직조됨에 따라 외측면에 다수개의 통공형상의 서브수소유로(44)가 형성될 수 있다.Alternatively, the
이와 달리 형상유지부(40)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수개로 중첩되어 구비될 수 있다. 도 5를 참조하면, 메인수소유로(14)에 삽입된 메쉬관(47) 내부로 나선관(41)이 삽입되어 구비될 수 있다. 이때, 나선관(41)은 메쉬관(47) 내부에 삽입가능한 직경을 가질 수 있다. 이와 달리, 메쉬관(47)이 나선관(41) 내부로 삽입되어 구비될 수 있음은 물론이다. 또한, 도면에 도시된 바와 달리, 서로 직경이 다른 다양한 형상유지부(40)가 메인수소유로(14)에 중첩되어 설치될 수 있다. 이처럼, 중첩되어 설치되는 형상유지부(40)는 더욱 더 안정적으로 메인수소유로(14)의 형상을 유지할 수 있다.On the other hand, as shown in FIG. 5 , the
이와 같은 형상유지부(40)가 구비된 메인저장부(10)는 서브탱크(13) 내부에 내장된 수소저장합금(15)을 안정적으로 지지할 수 있음에 따라, 수소의 흡장 및 방출에 따른 수소저장합금(15)의 붕괴를 방지할 수 있다. 아울러, 수소저장합금(15)의 붕괴 시에도, 메인수소유로(14)의 형상을 유지함에 따라 수소가 원활하게 이동할 수 있도록 한다. 이에, 수소저장합금(15)의 붕괴로 인한 오작동을 방지할 수 있으며, 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다. The
아울러, 형상유지부(40)는 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 형상유지부(40)를 지지하며 수소의 유동이 가능하도록 형상유지부(40)의 서브수소유로(44)의 내부에 설치되는 지지부재(60)를 더 구비할 수 있다. 지지부재(60)는 봉 또는 관형상의 부재로 형상유지부(40)의 서브수소유로(44)에 삽입 시, 지지부재(60)의 외측면이 형상유지부(40)의 내측면과 완전히 밀착되지 않도록 하여 서브수소유로(44)의 수소이동을 방해하진 않을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 지지부재(60)는 다수개의 봉부재(61)가 형상유지부(40)의 서브수소유로(44)에 삽입되어 구비될 수 있다. 이와 달리 지지부재는 삼각 및 사각 등 다각형의 단면을 갖는 봉 또는 관부재일 수 있다. In addition, as shown in FIGS. 6 to 7 , the
지지부재(60)는 도 8에 도시된 바와 같이, 서브수소유로(44)의 내부에서 서브수소유로(44) 방향으로 연장되고, 양단이 개방된 내부공간을 형성한 관형상의 부재로 구비될 수 있다. 이때, 지지부재(60)는 내부공간과 연통된 다수개의 타공(65)이 형성된 타공관(63)일 수 있다. 이와 같은 지지부재(60)는 타공(65)이 형성됨에 따라 형상유지부(40)를 지지함과 동시에 수소저장합금(15)과 서브수소유로(44)간의 수소이동을 원활하게 할 수 있다. 타공관(63) 역시 서브수소유로(44)의 내부에서 다수개가 삽입되어 구비될 수 있다. As shown in FIG. 8 , the
이처럼 지지부재(60)가 설치된 메인저장부(10)는 서브탱크(13) 내부에 내장된 수소저장합금(15)을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다. 이에, 수소저장합금(15)의 수명이 더욱 연장됨에 따라, 본 발명의 수소저장시스템의 수명 또한 더욱 더 증가될 수 있다.As such, the
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수소저장합금은 열전도성 물질과 혼합된 수소저장복합체에 함유될 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the hydrogen storage alloy may be contained in the hydrogen storage complex mixed with the thermally conductive material.
수소저장복합체 역시 중공을 갖는 디스크 형상으로 구비될 수 있음은 물론이다. 수소저장복합체는 열전도성 물질을 함유함에 따라 열전도도를 향상시킬 수 있어, 수소를 효율적으로 흡장 및 방출할 수 있다는 장점이 있다. Of course, the hydrogen storage complex may also be provided in the shape of a disk having a hollow. As the hydrogen storage complex contains a thermally conductive material, thermal conductivity can be improved, and thus hydrogen can be efficiently occluded and released.
열전도성 물질은 중량이 낮고 열 또는 전기전도성이 높은 소재라면 특별히 한정되지 않으나, 열전도성 금속 및 열전도성 탄소체 중 선택된 어느 하나 이상 일 수 있다. 금속은 알루미늄, 금, 은, 텅스텐, 철 및 백금 등이 될 수 있으며, 탄소체는 흑연, 탄소나노튜브등이 될 수 있다. The thermally conductive material is not particularly limited as long as it has a low weight and high thermal or electrical conductivity, but may be any one or more selected from a thermally conductive metal and a thermally conductive carbon body. The metal may be aluminum, gold, silver, tungsten, iron, platinum, or the like, and the carbon body may be graphite, carbon nanotubes, or the like.
다른 일 예로, 본 발명의 수소저장복합체는 수지를 더 함유할 수 있다. 수소저장복합체는 수지를 더 함유함에 따라, 안정적으로 형상을 유지할 수 있어 수소의 흡장 및 방출시 발생하는 수소저장합금의 팽창에 의해 붕괴되는 것을 방지할 수 있다. As another example, the hydrogen storage complex of the present invention may further contain a resin. As the hydrogen storage complex further contains a resin, it can stably maintain its shape, thereby preventing it from collapsing due to the expansion of the hydrogen storage alloy that occurs when hydrogen is occluded and released.
수지는 페놀수지, 에폭시수지, 규소수지, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드 및 불소수지 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 수지는 수소저장복합체의 형상을 유지하는 역할을 하며, 수소저장합금과 혼합하거나 수소저장합금의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. The resin may be any one or more selected from phenol resin, epoxy resin, silicon resin, polyethylene, polypropylene, polyimide, and fluororesin. The resin serves to maintain the shape of the hydrogen storage complex, and may be formed by mixing with the hydrogen storage alloy or by coating the surface of the hydrogen storage alloy.
수소저장복합체는 수소저장합금 100중량부에 대하여 열전도성 물질 0.1 내지 90중량부 및 수지 0.1 내지 90중량부를 함유할 수 있다. 상세하게는, 수소저장합금 100중량부에 대하여 열전도성 물질 0.5 내지 70중량부 및 수지 1 내지 70중량부를 함유할 수 있다. 이와 같은 함량의 수소저장복합체는 열전도성 물질에 의해 높은 열전도성을 가지며, 안정적으로 형상을 유지할 수 있어 수소의 흡장 및 방출시 발생하는 수소저장합금의 팽창에 의해 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.The hydrogen storage complex may contain 0.1 to 90 parts by weight of a thermally conductive material and 0.1 to 90 parts by weight of a resin based on 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy. Specifically, it may contain 0.5 to 70 parts by weight of the thermal conductive material and 1 to 70 parts by weight of the resin based on 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy. The hydrogen storage complex having such an amount has high thermal conductivity due to the thermally conductive material, and can be stably maintained in shape, so that it can be prevented from collapsing due to the expansion of the hydrogen storage alloy generated during occlusion and release of hydrogen.
수소저장복합체는 (D1) 열전도성 물질과 수지를 혼합하여 제1혼합물을 수득하는 단계, (D2) 상기 제1혼합물에 수소저장합금을 혼합하여 제2혼합물을 수득하는 단계, (D3) 상기 제2혼합물을 성형하는 단계로부터 제조될 수 있다. (D3)이 후, (D4) 성형된 상기 제2혼합물을 경화시키는 경화단계를 더 거쳐 제조될 수 있다. The hydrogen storage complex is obtained by (D1) mixing a thermally conductive material and a resin to obtain a first mixture, (D2) mixing a hydrogen storage alloy with the first mixture to obtain a second mixture, (D3) the first 2 It can be prepared from the step of molding the mixture. After (D3), (D4) may be manufactured through a further curing step of curing the molded second mixture.
구체적으로, (D1)단계에서, 열전도성 물질 100중량부에 대하여 수지 10 내지 300중량부, 바람직하게는 50 내지 250중량부, 더욱 바람직하게는 70 내지 150중량부를 혼합하여 제1혼합물을 수득할 수 있다. 상기와 같은 함량에서 제1혼합물은 적절한 점성을 지니어 후술할 수소저장합금과 혼합이 용이하다.Specifically, in step (D1), 10 to 300 parts by weight of the resin, preferably 50 to 250 parts by weight, more preferably 70 to 150 parts by weight based on 100 parts by weight of the thermally conductive material to obtain a first mixture by mixing can At the above content, the first mixture has an appropriate viscosity and is easily mixed with a hydrogen storage alloy to be described later.
(D2)단계에서는 수소저장합금 100중량부에 대하여 제1혼합물 0.1 내지 90중량부, 상세하게는, 수소저장합금 100중량부에 대하여 제1혼합물 0.5 내지 70중량부를 혼합하여 제2혼합물을 수득할 수 있다. 이와 같은 함량을 통해 제조된 수소저장복합체는 열전도성 물질에 의해 높은 열전도성을 가지며, 수지에 의한 형상유지능력을 가질 수 있다.In step (D2), 0.1 to 90 parts by weight of the first mixture based on 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy, specifically, 0.5 to 70 parts by weight of the first mixture with respect to 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy to obtain a second mixture. can The hydrogen storage composite prepared through such an amount may have high thermal conductivity due to the thermally conductive material, and may have shape maintenance ability by the resin.
(D3)단계에서는 제2혼합물을 성형한다. 제2혼합물은 사출성형 또는 압축성형을 통해 내부에 중공이 형성된 디스크형상으로 성형될 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 이외에 제2혼합물은 종래에 알려진 다른 성형방법을 통해 다양한 형상으로 성형이 가능하다.In step (D3), the second mixture is molded. The second mixture may be molded into a disk shape having a hollow therein through injection molding or compression molding, but is not limited thereto. In addition, the second mixture can be molded into various shapes through other conventionally known molding methods.
(D4)단계에서는 성형된 제2혼합물을 경화시켜 최종적인 수소저장복합체를 수득할 수 있다. (D4)단계에서 경화는 0 내지 500℃, 바람직하게는 100 내지 300℃, 더욱 바람직하게는 150 내지 250℃에서 수행할 수 있다. 경화시간은 수소저장복합체를 완전히 경화시킬 수 있다면 한정되진 않으나, 상기와 같은 범위의 온도에서 더욱 빠르게 경화될 수 있다. In step (D4), the final hydrogen storage complex can be obtained by curing the molded second mixture. Curing in step (D4) may be carried out at 0 to 500 °C, preferably at 100 to 300 °C, more preferably at 150 to 250 °C. The curing time is not limited as long as the hydrogen storage composite can be completely cured, but it can be cured more rapidly at a temperature in the above range.
이와 같은 단계를 거쳐 제조된 수소저장복합체는 열전도성 물질에 의해 높은 열전도성을 가지며, 안정적으로 형상을 유지할 수 있어 수소의 흡장 및 방출시 발생하는 수소저장합금의 팽창에 의해 붕괴되는 것을 방지할 수 있다. The hydrogen storage complex manufactured through these steps has high thermal conductivity by the thermally conductive material and can stably maintain its shape, so that it can be prevented from collapsing due to the expansion of the hydrogen storage alloy that occurs during occlusion and release of hydrogen. have.
본 발명은 상기한 수소저장시스템의 운용방법으로, (A) 메인저장부에 냉매를 공급하여 메인저장부에 공급된 수소를 수소저장합금에 흡장시키는 단계;를 포함한다. (A)단계에서 메인저장부에 수소가 공급될 시, 서브저장부에 수소가 동시 공급되어 저장된다. (A)단계를 포함하는 본 발명의 수소저장시스템의 운용방법은 주변온도와 관계없이 수소저장합금을 냉매로 냉각시켜 수소를 수소저장합금에 흡장시킬 수 있음에 따라, 메인저장부 및 서브저장부에 수소가 신속하게 충전될 수 있다. The present invention is an operating method of the above-described hydrogen storage system, including (A) supplying a refrigerant to the main storage unit and occluding the hydrogen supplied to the main storage unit in the hydrogen storage alloy. When hydrogen is supplied to the main storage unit in step (A), hydrogen is simultaneously supplied to and stored in the sub storage unit. The operation method of the hydrogen storage system of the present invention comprising the step (A) is to cool the hydrogen storage alloy with a refrigerant regardless of the ambient temperature so that hydrogen can be occluded in the hydrogen storage alloy, so that the main storage unit and the sub storage unit can be quickly charged with hydrogen.
구체적으로 (A)단계는 메인저장부에 냉매를 공급하여 메인저장부에 공급된 수소를 수소저장합금에 흡장시키는 단계로, (A)단계에서 수소는 수소공급장치로부터 10 bar 이하의 압력으로 유입될 수 있다. 수전해 등 방법으로 제조된 수소는 10 bar 이하의 낮은 압으로 생산되는데, 생산된 수소를 별도의 압축과정 없이 바로 저압 상태의 수소를 유입함으로써, 기계 압축기 등 사용에 의한 비용을 현저히 감소시킬 수 있다. (A) 단계는 수소저장시스템의 냉열매순환부에 의해 이루어질 수 있다. 냉열매순환부는 냉매 또는 열매를 메인저장부측으로 공급할 수 있다. (A)단계에서 냉열매순환부는 메인저장부측으로 냉매를 공급할 수 있다. (A)단계에서 메인저장부에 수소가 채워질 시, 수소는 메인벨브를 통과하여 서브저장부로 공급되어 저장될 수 있다. (A)단계에서 서브저장부는 연료전지의 시동이 가능하도록 수소가 저장될 수 있다. (A)단계에서 서브저장부는 연료전지가 가동됨에 따라 발생하는 폐열로 인해 후술할 열매의 온도가 40 내지 90℃, 바람직하게는 60 내지 80℃의 온도로 가열될 때 까지 지속적으로 연료전지를 시동 및 구동시킬 수 있는 충분한 양의 수소가 저장될 수 있다.Specifically, step (A) is a step of supplying a refrigerant to the main storage unit to occlude the hydrogen supplied to the main storage unit in a hydrogen storage alloy. In step (A), hydrogen is introduced from the hydrogen supply device at a pressure of 10 bar or less. can be Hydrogen produced by methods such as water electrolysis is produced at a low pressure of 10 bar or less, and by directly introducing hydrogen in a low pressure state without a separate compression process, the cost of using a mechanical compressor can be significantly reduced. . Step (A) may be made by the refrigerant circulation part of the hydrogen storage system. The refrigerant circulation unit may supply the refrigerant or the heat medium to the main storage unit. In step (A), the refrigerant circulation unit may supply the refrigerant to the main storage unit. When hydrogen is filled in the main storage unit in step (A), hydrogen may be supplied to and stored in the sub storage unit through the main valve. In step (A), the sub-storage unit may store hydrogen so that the fuel cell can be started. In step (A), the sub storage unit continuously starts the fuel cell until the temperature of the fruit, which will be described later, is heated to a temperature of 40 to 90°C, preferably 60 to 80°C, due to waste heat generated as the fuel cell is operated. and a sufficient amount of hydrogen to be driven can be stored.
(A)단계에서 제어부는 수소 저장 모드를 수행할 수 있다. 제어부는 메인저장부로 냉매가 공급될 수 있도록 냉열매순환부에 설치된 펌프를 가동시켜 냉매탱크로부터 냉매를 열교환부로 이동시키며, 열교환부를 통과한 냉매는 메인저장부의 메인탱크내부로 이동할 수 있다. 이때, 열교환부는 폐열이 존재하지 않는 상태로, 열교환이 일어나지 않을 수 있다. 이에, 냉매는 열매로 전환되지 않고 냉매 그대로 메인저장부로 이동하며 메인저장부를 냉각시킬 수 있다. (A)단계에서 냉매탱크는 공급커플러와 수용커플러에 의해 메인저장부와 연결되고, 수소공급장치 역시 커플러에 의해 메인저장부와 연결된다. 벨브는 폐쇄되어 냉매탱크에서 공급커플러를 통해 메인저장부로 공급된 냉매가 다시 공급커플러를 통해 냉매탱크로 수용되지 않도록 한다. In step (A), the control unit may perform a hydrogen storage mode. The control unit moves the refrigerant from the refrigerant tank to the heat exchange unit by operating a pump installed in the refrigerant circulation unit to supply the refrigerant to the main storage unit, and the refrigerant passing through the heat exchange unit may move into the main tank of the main storage unit. In this case, the heat exchange unit may be in a state in which waste heat does not exist, and heat exchange may not occur. Accordingly, the refrigerant is not converted into a heat medium, and the refrigerant moves to the main storage unit as it is, and the main storage unit can be cooled. In step (A), the refrigerant tank is connected to the main storage unit by the supply coupler and the receiving coupler, and the hydrogen supply device is also connected to the main storage unit by the coupler. The valve is closed so that the refrigerant supplied from the refrigerant tank to the main storage unit through the supply coupler is not received back into the refrigerant tank through the supply coupler.
본 발명의 수소저장시스템의 운용방법은 (A)단계 이후, (B1) 서브저장부로부터 연료전지에 수소를 공급하여 연료전지를 작동시키는 단계, (B2) 연료전지의 작동에 따라 발생한 폐열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계, (B3) 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 공급하는 단계를 수행하고, (B1) 내지 (B3)를 단위공정으로 1회 이상 반복하여 연료전지에 수소를 공급한다. The operation method of the hydrogen storage system of the present invention includes the steps of (B1) operating the fuel cell by supplying hydrogen from the sub-storage unit to the fuel cell, (B2) waste heat generated by the operation of the fuel cell is the refrigerant after step (A). and heat-exchanged to generate heat, (B3) supplying heat to the main storage unit and supplying hydrogen released as the main storage unit is heated to the sub-storage unit, and (B1) to (B3) are unit processes to supply hydrogen to the fuel cell repeatedly one or more times.
이와 같은 본 발명의 수소저장시스템의 운용방법은 추가적으로 유입하는 냉매 없이 이미 공급된 냉매를 순환시켜 사용하고, 별도의 가열장치 없이 연료전지의 가동시 발생되는 폐열을 열원으로 사용함에 따라, 시스템의 운용 시 에너지 효율이 우수하다. 주변온도에 관계없이 일정한 온도의 열매를 메인저장부로 공급할 수 있음에 따라, 일정한 압력을 가지는 수소를 제공할 수 있기 때문에 보다 안정적으로 연료전지측으로 수소를 공급할 수 있다.The operation method of the hydrogen storage system of the present invention as described above circulates the refrigerant supplied without additional refrigerant and uses waste heat generated during operation of the fuel cell as a heat source without a separate heating device. City energy efficiency is excellent. Since heat having a constant temperature can be supplied to the main storage unit regardless of the ambient temperature, hydrogen having a constant pressure can be provided, so that hydrogen can be more stably supplied to the fuel cell side.
구체적으로, (B1)단계는 서브저장부로부터 연료전지에 수소를 공급하여 연료전지를 작동시키는 단계로, (B1)단계에서 서브저장부는 연료전지에 수소를 공급하여 연료전지를 시동시킨 후 작동시킬 수 있다. (B1)단계는 연료전지의 작동여부에 따라 이루어질 수 있다.Specifically, step (B1) is a step of supplying hydrogen from the sub storage unit to the fuel cell to operate the fuel cell. In step (B1), the sub storage unit supplies hydrogen to the fuel cell to start the fuel cell and then operate it. can Step (B1) may be performed depending on whether the fuel cell is operating.
(B2)단계는 연료전지의 작동에 따라 발생한 폐열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계로, (B2)단계에서 폐열의 온도는 30 내지 200℃, 바람직하게는 50 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 60 내지 90℃일 수 있다. (B2) 단계는 수소저장시스템의 냉열매순환부와 연료전지의 냉매순환부에 의해 이루어질 수 있다. 냉열매순환부의 열교환부에서 냉열매순환부로부터 공급된 냉매가 냉매순환부를 통해 공급된 열매를 통해 열교환되어 열매로 전환될 수 있다. 냉매순환부의 열매의 열원은 연료전지의 작동에 따라 발생한 열 (폐열)이다. 즉, 냉열매순환부의 열교환부에서 냉열매순화부로부터 공급된 냉매는 연료전지의 폐열을 열원으로 열매로 전환될 수 있다. Step (B2) is a step in which waste heat generated according to the operation of the fuel cell is heat-exchanged with a refrigerant to generate a fruit. In step (B2), the temperature of the waste heat is 30 to 200°C, preferably 50 to 150°C, more preferably may be 60 to 90 °C. Step (B2) may be performed by the refrigerant circulation unit of the hydrogen storage system and the refrigerant circulation unit of the fuel cell. In the heat exchange unit of the cooling medium circulation unit, the refrigerant supplied from the cooling medium circulation unit is heat-exchanged through the heat medium supplied through the refrigerant circulation unit and may be converted into heat medium. The heat source of the heat source of the refrigerant circulation part is the heat (waste heat) generated by the operation of the fuel cell. That is, in the heat exchange unit of the cooling medium circulating unit, the refrigerant supplied from the cooling medium circulating unit may be converted into heat from waste heat of the fuel cell as a heat source.
(B3)단계는 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 공급하는 단계로, (B3)단계에서 열매는 메인저장부의 메인탱크로 이동되며 서브탱크를 가열시켜 수소저장합금을 가열시킬 수 있다. 이에, 수소저장합금은 수소를 방출하며, 방출된 수소는 서브저장부로 공급된다. 공급된 수소는 연료전지의 연료로 사용할 수 있다. Step (B3) is a step of supplying the heat medium to the main storage unit and supplying hydrogen released as the main storage unit is heated to the sub storage unit. In step (B3), the heat medium is moved to the main tank of the main storage unit and heating the sub tank. to heat the hydrogen storage alloy. Accordingly, the hydrogen storage alloy releases hydrogen, and the released hydrogen is supplied to the sub storage unit. The supplied hydrogen can be used as fuel for the fuel cell.
(B3)단계 이후, 다시 (B1)단계가 수행됨에 따라 연료전지는 작동을 유지할 수 있다. After step (B3), as step (B1) is performed again, the fuel cell may maintain operation.
(B1) 내지 (B3)단계에서 제어부는 수소 사용 모드를 수행할 수 있다. 제어부는 (B1)단계에서 서브저장부와 연료전지 사이에 설치된 서브벨브를 개방하여 서브저장부에서 연료전지 측으로 수소를 공급할 수 있다. 제어부는 수소 사용 모드 시, 이미 공급된 냉매가 메인저장부와 열교환부를 순환하도록 제어할 수 있다. 이때, 메인저장부는 냉매탱크와 연결된 공급커플러와 수용커플러에 의해 냉매탱크와 연결이 해지되고, 수소공급장치와의 연결도 해지될 수 있다. 그리고 벨브는 제어부에 의해 개방될 수 있다. 공급된 냉매는 열교환부를 통과하며, 연료전지의 작동에 따라 발생한 폐열과 열교환되어 열매로 전환될 수 있다. 전환된 열매는 메인저장부를 통과하며 메인저장부를 가열시켜 수소저장합금에 저장된 수소가 방출될 수 있다. 열매는 메인저장부를 통과하며 냉매로 전환될 수 있다. 전환된 냉매는 다시 열교환부를 통해 열매로 전환되며 메인저장부로 공급되고 이의 과정을 반복하여 순환할 수 있다.In steps (B1) to (B3), the control unit may perform a hydrogen use mode. The control unit may supply hydrogen from the sub-storage unit to the fuel cell by opening the sub-valve installed between the sub-storage unit and the fuel cell in step (B1). In the hydrogen use mode, the control unit may control the refrigerant already supplied to circulate between the main storage unit and the heat exchange unit. At this time, the main storage unit may be disconnected from the refrigerant tank by the supply coupler and the accommodating coupler connected to the refrigerant tank, and may also be disconnected from the hydrogen supply device. And the valve can be opened by the control unit. The supplied refrigerant passes through the heat exchange unit, and may be exchanged with waste heat generated according to the operation of the fuel cell to be converted into a heat medium. The converted fruit passes through the main storage unit, and the hydrogen stored in the hydrogen storage alloy can be released by heating the main storage unit. The fruit passes through the main reservoir and can be converted into a refrigerant. The converted refrigerant is again converted to heat through the heat exchange unit, is supplied to the main storage unit, and can be circulated by repeating this process.
본 발명의 수소저장시스템의 운용방법은 연료전지의 작동을 종료할 경우, (C1) 서브저장부로부터 연료전지로 수소공급을 중단하는 단계, (C2) 연료전지에 잔열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계, (C3) 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 저장하는 단계;가 수행될 수 있다. The operation method of the hydrogen storage system of the present invention includes the steps of (C1) stopping the supply of hydrogen from the sub-storage unit to the fuel cell when the operation of the fuel cell is terminated, (C2) the residual heat in the fuel cell is heat exchanged with the refrigerant to generate heat The generating step, (C3) supplying fruit to the main storage unit and storing the hydrogen released as the main storage unit is heated in the sub storage unit; may be performed.
이와 같은 단계를 수행하는 본 발명의 운용방법은 서브저장부에 수소가 저장됨에 따라 후에, 연료전지의 재시동 시, 필요한 수소를 안정적으로 공급할 수 있다. In the operating method of the present invention for performing the above steps, as hydrogen is stored in the sub-storage unit, necessary hydrogen can be stably supplied when the fuel cell is restarted later.
구체적으로 설명하면, (C1) 단계는 서브저장부로부터 연료전지로 수소공급을 중단하는 단계로, 제어부에 의해 서브벨브가 페쇄됨에 따라, 연료전지 측으로 수소의 공급이 중단될 수 있다. More specifically, step (C1) is a step of stopping the supply of hydrogen from the sub storage unit to the fuel cell. As the sub-valve is closed by the control unit, the supply of hydrogen to the fuel cell may be stopped.
(C2)단계는 연료전지에 잔열이 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계로, (C2)단계에서 연료전지의 냉매순환부와, 수소저장시스템의 냉열매순환부에 의해 이루어질 수 있다. 연료전지는 작동이 종료된 후에, 작동함에 따라 발생한 폐열이 여전히 잔여함에 따라 잔열이 존재할 수 있다. 이에, 연료전지의 냉매순환부는 연료전지의 작동이 종료된 후에도 열교환부 측으로 열매를 공급할 수 있다. 이로 인해, 냉열매순환부는 순환하는 냉매를 열매로 전환시킨 후 메인저장부 측으로 공급할 수 있다. Step (C2) is a step in which residual heat in the fuel cell is heat-exchanged with the refrigerant to generate heat. In step (C2), the refrigerant circulation unit of the fuel cell and the refrigerant circulation unit of the hydrogen storage system may be performed. After the operation of the fuel cell is terminated, residual heat may be present as waste heat generated during operation is still remaining. Accordingly, the refrigerant circulation unit of the fuel cell may supply heat to the heat exchange unit even after the operation of the fuel cell is terminated. For this reason, the refrigerant circulation unit can supply the circulating refrigerant to the main storage unit side after converting the refrigerant.
(C3)단계는 메인저장부로 열매를 공급하여 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 서브저장부에 저장하는 단계로, 서브벨브가 (C1)단계에서 폐쇄되어 있어 메인저장부에서 방출된 수소는 서브저장부에 저장될 수 있다. 이에, (C3)단계에서 서브저장부는 연료전지의 작동 시 수소저장합금으로부터 배출되는 수소보다 많은 양의 수소가 저장될 수 있다. 서브저장부는 후술할 연료전지가 가동됨에 따라 발생하는 폐열로 인해 후술할 열매의 온도가 40 내지 90℃, 바람직하게는 60 내지 80℃의 온도로 가열될 때 까지 지속적으로 연료전지를 시동 및 구동시킬 수 있는 충분한 양의 수소가 저장될 수 있다.Step (C3) is a step of supplying fruit to the main storage unit and storing the hydrogen released as the main storage unit is heated in the sub storage unit. Since the sub-valve is closed in step (C1), the hydrogen released from the main storage unit is It may be stored in the sub-storage unit. Accordingly, in step (C3), the sub-storage unit may store a greater amount of hydrogen than hydrogen discharged from the hydrogen storage alloy during operation of the fuel cell. The sub storage unit continuously starts and drives the fuel cell until the temperature of the fruit, which will be described later, is heated to a temperature of 40 to 90 ° C, preferably 60 to 80 ° C, due to waste heat generated as the fuel cell to be described later is operated. A sufficient amount of hydrogen can be stored.
(C1) 내지 (C3)에서 제어부는 서브수소 저장 모드를 수행할 수 있다. 제어부는 서브벨브를 차단하고, (B2)와 동일하게 열매가 메인저장부측으로 공급될 수 있도록 냉매 및 열매를 순환시킬 수 있다. 이에, 서브저장부로 지속적으로 수소가 공급되어 서브저장부에 충분한 양의 수소가 저장될 수 있도록 한다. 이때, 열교환부는 연료전지 가동이 멈추어도 잔열(잔여하는 폐열)이 남아있어, 열교환이 가능할 수 있다. In (C1) to (C3), the control unit may perform the sub-hydrogen storage mode. The control unit may block the sub-valve, and circulate the refrigerant and the heat medium so that the heat medium can be supplied to the main storage unit as in (B2). Accordingly, hydrogen is continuously supplied to the sub-storage unit so that a sufficient amount of hydrogen can be stored in the sub-storage unit. In this case, the heat exchange unit may retain residual heat (residual waste heat) even when the operation of the fuel cell is stopped, so that heat exchange may be possible.
이상에서 설명한 본 발명에 다른 수소저장시스템 및 이의 운용방법은 수소저장합금이 내장된 메인저장부와 별도로 서브저장부에 충분한 양의 수소를 저장할 수 있어, 연료전지 시동시 필요한 수소를 충분하게 제공할 수 있다. 또한, 냉열매순환부에 의해 수소의 충전 및 방출속도를 신속하게 수행할 수 있으며, 일정한 압력의 수소를 연료전지 측으로 제공할 수 있어 안정도가 높은 연료전지의 작동을 수행할 수 있다. The hydrogen storage system and its operating method according to the present invention described above can store a sufficient amount of hydrogen in the sub-storage unit separately from the main storage unit in which the hydrogen storage alloy is embedded, thereby providing sufficient hydrogen required for starting the fuel cell. can In addition, the charging and discharging rates of hydrogen can be quickly performed by the cooling medium circulation unit, and hydrogen at a constant pressure can be provided to the fuel cell, so that the operation of the fuel cell with high stability can be performed.
특히, 본 발명의 수소저장시스템 및 이의 운용방법은 연료전지 자동차에 적용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 수소저장시스템 및 운용방법은 비교적 가볍고 컴팩트하여 연료전지 자동차에 적합하다. 게다가, 본 발명의 수소저장시스템 및 운용방법은 충전 및 방출속도가 빨라 사용도에 따라 빈번하게 충전해야하는 연료전지 자동차에 매우 적합하다.In particular, the hydrogen storage system and the operating method thereof of the present invention are preferably applied to a fuel cell vehicle. The hydrogen storage system and operating method of the present invention are relatively light and compact, and thus are suitable for fuel cell vehicles. In addition, the hydrogen storage system and operating method of the present invention are very suitable for a fuel cell vehicle that needs to be frequently charged according to usage because the charging and discharging speed is fast.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Examples, but these are for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by the Examples below.
수소저장합금으로 TiMn2, 열전도성 물질으로 알루미늄을 사용하여 수소저장복합체를 제조하였다. 알루미늄에 TiMn2을 혼합한 후 압축성형하여 제조하였다. 제조된 수소저장복합체는 TiMn2 85w%, 알루미늄 15w%를 함유하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다. A hydrogen storage complex was prepared using TiMn 2 as a hydrogen storage alloy and aluminum as a thermally conductive material. After mixing TiMn 2 with aluminum, it was prepared by compression molding. The prepared hydrogen storage complex contained TiMn 2 85w% and aluminum 15w%. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
수소저장합금으로 TiMn2, 열전도성 물질으로 알루미늄, 수지 A를 사용하여 수소저장복합체을 제조하였다. 알루미늄에 TiMn2 를 혼합한 뒤 압축성형하여 제조한 후, 수지 A를 압축성형체에 코팅하여 수소저장복합체를 제조하였다. 제조된 수소저장복합체는 TiMn2 80w%, 알루미늄 10w%, 수지 A 10w%를 함유하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다. A hydrogen storage complex was prepared using TiMn 2 as a hydrogen storage alloy, aluminum as a thermally conductive material, and Resin A. After mixing TiMn 2 with aluminum and compression molding, the resin A was coated on the compression molded body to prepare a hydrogen storage composite. The prepared hydrogen storage complex contained TiMn 2 80w%, aluminum 10w%, and Resin A 10w%. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
실시예 2의 수소저장복합체 제조 시, 압축성형 후 수지 A를 코팅하지 않고, 압축성형 전에 수지 A를 알루미늄 및 TiMn2와 혼합하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수소저장복합체를 제조하였다. 제조된 수소저장복합체는 TiMn2 40w%, 알루미늄 10w%, 수지 A 50w%를 함유하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다.When preparing the hydrogen storage composite of Example 2, the hydrogen storage composite was prepared in the same manner as in Example 2, except that the resin A was not coated after compression molding, and the resin A was mixed with aluminum and TiMn 2 before compression molding. did. The prepared hydrogen storage complex contained 40w% of TiMn 2 , 10w% of aluminum, and 50w% of Resin A. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
실시예 3의 수소저장복합체 제조시, 수지 A 대신 수지 B를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수소저장복합체를 제조하였다. 제조된 수소저장복합체는 TiMn2 40w%, 알루미늄 10w%, 수지 B 50w%를 함유하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다.A hydrogen storage complex was prepared in the same manner as in Example 3, except that, when preparing the hydrogen storage complex of Example 3, resin B was used instead of resin A. The prepared hydrogen storage complex contained 40w% of TiMn 2 , 10w% of aluminum, and 50w% of resin B. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
제조된 수소저장복합체는 TiMn2 80w%, 알루미늄 10w%, 수지 A 10w%를 함유하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수소저장복합체를 제조하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다.A hydrogen storage complex was prepared in the same manner as in Example 3, except that the prepared hydrogen storage complex contained 80w% of TiMn 2, 10w% of aluminum, and 10w% of Resin A. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
실시예 5의 제조시, 수지A 대신 수지 B를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 수소저장복합체를 제조하였다. 제조된 수소저장복합체는 TiMn2 80w%, 알루미늄 10w%, 수지 B 10w%를 함유하였다. 제조된 수소저장복합체를 사용하여 서브탱크 및 메인저장부를 구성하였고, 수소저장시스템을 구성하였다. 이후, 냉매를 통하여 메인저장부를 냉각시켜 수소저장복합체에 수소를 흡장시켰다. 수소는 수소공급장치를 통해 40 bar의 압력으로 서브탱크에 공급되었으며, 냉각을 위한 냉매인 냉수의 온도는 15 내지 18℃로 제어하였다.A hydrogen storage complex was prepared in the same manner as in Example 5, except that in the preparation of Example 5, Resin B was used instead of Resin A. The prepared hydrogen storage complex contained TiMn 2 80w%, aluminum 10w%, and resin B 10w%. A sub-tank and a main storage unit were constructed using the prepared hydrogen storage complex, and a hydrogen storage system was constructed. Thereafter, by cooling the main storage unit through the refrigerant, hydrogen was occluded in the hydrogen storage complex. Hydrogen was supplied to the sub-tank at a pressure of 40 bar through a hydrogen supply device, and the temperature of cold water, which is a refrigerant for cooling, was controlled to 15 to 18°C.
도 9는 본 발명의 실시예 6에 따른 수소저장복합체의 압력-조성 등온선을 나타낸 도면이며, 도 10은 본 발명의 실시예 6에 따른 수소저장복합체의 시간당 수소저장량을 나타낸 그래프이다. 도 9 내지 도 10을 참조하면, 15℃에서 40 bar의 수소가 수소저장복합체에 저장됨을 확인할 수 있으며, 수소저장복합체는 최대수소저장량의 약 90%에 도달하는데 3분 이하 소요됨을 알 수 있다.9 is a view showing the pressure-composition isotherm of the hydrogen storage complex according to Example 6 of the present invention, and FIG. 10 is a graph showing the amount of hydrogen storage per hour of the hydrogen storage complex according to Example 6 of the present invention. Referring to FIGS. 9 to 10 , it can be seen that hydrogen of 40 bar at 15° C. is stored in the hydrogen storage complex, and it takes 3 minutes or less for the hydrogen storage complex to reach about 90% of the maximum hydrogen storage.
도 11은 본 발명의 실시예 1 내지 6에 따른 수소저장복합체의 사진이 도시되어 있다. 도 11의 (a)는 실시예 1의 수소흡장 전 사진을 나타내며, (b)는 실시예 1의 수소흡장 후를 나타낸다. (c)는 실시예 2의 수소흡장 후, (d)는 실시예 3의 수소흡장 후를 나타낸다. 그리고, (e)는 실시예 4의 수소흡장 후, (f)는 실시예 5의 수소흡장 후, (g)는 실시예 6의 수소흡장 후를 나타낸다.11 is a photograph showing the hydrogen storage complex according to Examples 1 to 6 of the present invention. 11(a) shows a photograph before hydrogen occlusion in Example 1, and (b) shows after hydrogen occlusion in Example 1. FIG. (c) shows after hydrogen occlusion in Example 2, and (d) shows after hydrogen occlusion in Example 3. In addition, (e) shows after hydrogen occlusion in Example 4, (f) shows after hydrogen occlusion in Example 5, and (g) shows after hydrogen occlusion in Example 6.
도 11을 참조하면, 수지를 혼합하지 않은 실시예 1의 경우, 수소의 흡장 이후 팽창에 의해 붕괴가 일어난 것을 알 수 있었다. 이와 달리, 본 발명의 수지를 혼합한 실시예 2 내지 6의 경우, 실시예1에 비해 거의 붕괴가 일어나지 않았음을 알 수 있었으며, 특히, 수지 B를 혼합한 실시예 4 및 6의 경우 붕괴가 전혀 일어나지 않았음을 확인할 수 있었다. 게다가, 수지 B의 경우, 소량을 혼합하여도 붕괴가 전혀 일어나지 않았다. Referring to FIG. 11 , in the case of Example 1 in which no resin was mixed, it was found that collapse occurred due to expansion after occlusion of hydrogen. On the contrary, in the case of Examples 2 to 6 in which the resin of the present invention was mixed, it was found that almost no collapse occurred compared to Example 1, and in particular, in the case of Examples 4 and 6 in which Resin B was mixed, the collapse was I could confirm that it didn't happen at all. Moreover, in the case of Resin B, no disintegration occurred even when a small amount was mixed.
10 : 메인저장부 11 : 메인저장부
12 : 내부공간 13 : 서브탱크
14 : 메인수소유로 15 : 수소저장합금
21 : 수소공급장치 30 : 서브저장부
35 : 메인벨브 37 : 서브벨브
40 : 형상유지부 41 : 나선관
42 : 측면수소이동로 47 : 메쉬관
50 : 냉열매순환부 51 : 냉매탱크
53 :펌프 55 : 열교환부
57 : 벨브 58 : 분기라인
60 : 지지부재 70 : 연료전지
71 : 본체 75 : 냉매순환부
77 : 순환라인 78 : 공냉팬
79 : 펌프10: main storage unit 11: main storage unit
12: inner space 13: sub tank
14: main hydrogen flow path 15: hydrogen storage alloy
21: hydrogen supply device 30: sub storage unit
35: main valve 37: sub-valve
40: shape maintaining part 41: spiral tube
42: side hydrogen transfer path 47: mesh tube
50: refrigerant circulation unit 51: refrigerant tank
53: pump 55: heat exchange unit
57: valve 58: branch line
60: support member 70: fuel cell
71: body 75: refrigerant circulation part
77: circulation line 78: air cooling fan
79: pump
Claims (22)
상기 메인저장부와 연통되어 상기 메인저장부로부터 배출되는 수소를 저장하는 서브저장부; 및
열매 또는 냉매를 통해 상기 메인저장부를 가열 또는 냉각하여 상기 메인저장부 또는 상기 서브저장부에 수소를 저장할 수 있는 냉열매순환부; 및 포함하고,
상기 서브저장부로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지;를 포함하고,
상기 냉열매순환부는 상기 냉매가 저장되며 상기 메인저장부와 연결되는 냉매탱크;
상기 냉매탱크로부터 냉매가 분기되어 공급되고, 분기된 냉매를 열교환하는 열교환부; 및
상기 메인저장부로 상기 냉매 및 열매의 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고,
상기 냉열매순환부는 상기 연료전지에서 생성된 폐열을 사용하는, 수소저장시스템.a main storage unit in which hydrogen is supplied and a hydrogen storage alloy is built in;
a sub storage unit communicating with the main storage unit to store hydrogen discharged from the main storage unit; and
a cooling medium circulation unit capable of storing hydrogen in the main storage unit or the sub storage unit by heating or cooling the main storage unit through a heat medium or a refrigerant; and comprising;
Including; a fuel cell for generating power by receiving hydrogen from the sub-storage unit;
The refrigerant circulation unit stores the refrigerant and includes a refrigerant tank connected to the main storage unit;
a heat exchange unit for supplying a branched coolant from the coolant tank and exchanging the branched coolant; and
Including; a control unit for controlling the supply of the refrigerant and the heat medium to the main storage unit;
The refrigerant circulation unit uses waste heat generated in the fuel cell, a hydrogen storage system.
상기 제어부는
수소 저장 모드 시, 상기 냉매탱크로부터 상기 메인저장부로 냉매를 공급하고,
수소 사용 모드 시, 상기 열교환부로부터 상기 메인저장부로 열매를 공급하는 수소저장시스템.The method of claim 1,
the control unit
In the hydrogen storage mode, the refrigerant is supplied from the refrigerant tank to the main storage unit,
A hydrogen storage system for supplying heat from the heat exchange unit to the main storage unit in the hydrogen use mode.
상기 메인저장부와 상기 서브저장부 사이에 수소의 역류를 방지하는 메인벨브를 더 구비하는 수소저장시스템.The method of claim 1,
A hydrogen storage system further comprising a main valve for preventing a reverse flow of hydrogen between the main storage unit and the sub storage unit.
상기 메인저장부는
내부에 냉매 또는 열매를 수용하는 메인탱크, 및
상기 메인탱크의 내부에 내장되며, 수소저장합금이 내장된 서브탱크를 포함하고,
상기 수소저장합금은 상기 서브탱크 내부에 수소가 유동할 수 있는 메인수소유로를 형성하는 수소저장시스템. The method of claim 1,
The main storage unit
A main tank for accommodating a refrigerant or fruit therein, and
It is built in the inside of the main tank and includes a sub-tank in which a hydrogen storage alloy is embedded,
The hydrogen storage alloy is a hydrogen storage system that forms a main hydrogen flow path through which hydrogen can flow in the sub-tank.
상기 메인저장부는
상기 메인수소유로의 형상을 유지할 수 있도록 상기 메인수소유로에 수소의 이동이 가능하게 삽입되어 설치되는 형상유지부를 더 구비하는 수소저장시스템.8. The method of claim 7,
The main storage unit
The hydrogen storage system further comprising a shape maintaining part which is inserted and installed to allow movement of hydrogen into the main hydrogen flow path so as to maintain the shape of the main hydrogen flow path.
상기 형상유지부는 상기 메인수소유로의 연장방향을 따라 연장되고, 양단이 개방되어 내부에 상기 메인수소유로와 연통된 서브수소유로를 형성하며, 적어도 일측에 상기 수소저장합금으로부터 수소의 이동이 가능한 측면수소이동로가 형성된 수소저장시스템. 9. The method of claim 8,
The shape maintaining part extends along the extension direction of the main hydrogen flow path, both ends are opened to form a sub-hydrogen flow path communicating with the main hydrogen flow path therein, and at least one side of the side where hydrogen can be moved from the hydrogen storage alloy A hydrogen storage system with a hydrogen flow path.
상기 형상유지부는 상기 메인수소유로의 내측면을 따라 나선방향으로 연장된 나선관을 구비하는 수소저장시스템. 10. The method of claim 9,
The shape maintaining part is a hydrogen storage system having a spiral tube extending in a spiral direction along the inner surface of the main hydrogen passage.
상기 형상유지부는 편조 또는 직조되어 제조된 메쉬관을 구비하는 수소저장시스템.10. The method of claim 9,
The shape maintaining part is a hydrogen storage system having a mesh tube manufactured by braiding or woven.
상기 메인저장부는
상기 형상유지부를 지지하며 상기 수소의 유동이 가능하도록 상기 형상유지부의 서브수소유로의 내부에 설치되는 지지부재를 더 구비하는 수소저장시스템.10. The method of claim 9,
The main storage unit
The hydrogen storage system further comprising a support member that supports the shape maintaining part and is installed in the sub-hydrogen flow path of the shape maintaining part to enable the flow of hydrogen.
상기 지지부재는 상기 서브수소유로의 내부에서 상기 서브수소유로 방향으로 연장되고, 양단이 개방된 내부공간을 형성하며, 상기 내부공간과 연통된 적어도 하나의 타공이 형성된 타공관을 구비하는 수소저장시스템.13. The method of claim 12,
The support member extends from the inside of the sub-hydrogen channel in the direction of the sub-hydrogen channel, forms an inner space with both ends open, and a hydrogen storage system having at least one perforated tube communicating with the inner space. .
(A) 상기 메인저장부에 냉매를 공급하여 상기 메인저장부에 공급된 수소를 상기 수소저장합금에 흡장시키는 단계;를 포함하며,
상기 메인저장부에 수소가 공급될 시, 상기 서브저장부에 수소가 동시 공급되어 저장되는 수소저장시스템 운용방법.The method of operating the hydrogen storage system of any one of claims 1, 3 and 6 to 13,
(A) supplying a refrigerant to the main storage unit and occluding the hydrogen supplied to the main storage unit in the hydrogen storage alloy;
When hydrogen is supplied to the main storage unit, hydrogen is simultaneously supplied to and stored in the sub storage unit.
상기 (A)단계 이후,
(B1) 상기 서브저장부로부터 상기 연료전지에 수소를 공급하여 상기 연료전지를 작동시키는 단계;
(B2) 상기 연료전지의 작동에 따라 발생한 폐열이 상기 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계;
(B3) 상기 메인저장부로 상기 열매를 공급하여 상기 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 상기 서브저장부에 공급하는 단계;
상기 (B1) 내지 상기 (B3)를 단위공정으로 1회 이상 반복하여 상기 연료전지에 수소를 공급하는 수소저장시스템 운용방법.15. The method of claim 14,
After step (A),
(B1) supplying hydrogen from the sub storage unit to the fuel cell to operate the fuel cell;
(B2) generating heat by heat-exchanging waste heat generated by the operation of the fuel cell with the refrigerant;
(B3) supplying the fruit to the main storage unit and supplying hydrogen released as the main storage unit is heated to the sub storage unit;
A method of operating a hydrogen storage system for supplying hydrogen to the fuel cell by repeating (B1) to (B3) as a unit process one or more times.
상기 연료전지의 작동을 종료할 경우,
(C1) 상기 서브저장부로부터 상기 연료전지로 수소공급을 중단하는 단계;
(C2) 상기 연료전지에 잔열이 상기 냉매와 열교환되어 열매를 생성하는 단계;
(C3) 상기 메인저장부로 상기 열매를 공급하여 상기 메인저장부가 가열됨에 따라 방출된 수소를 상기 서브저장부에 저장하는 단계;가 수행되는 수소저장시스템 운용방법.16. The method of claim 15,
When the operation of the fuel cell is terminated,
(C1) stopping the supply of hydrogen from the sub storage unit to the fuel cell;
(C2) generating heat by exchanging residual heat with the refrigerant in the fuel cell;
(C3) supplying the fruit to the main storage unit and storing the hydrogen released as the main storage unit is heated in the sub storage unit; a method for operating a hydrogen storage system that is performed.
상기 수소저장합금은 열전도성 물질과 혼합되어 수소저장복합체에 함유되는 수소저장시스템.The method of claim 1,
The hydrogen storage alloy is mixed with a thermally conductive material and contained in the hydrogen storage complex.
상기 수소저장복합체는 수지를 더 함유하는 수소저장시스템.18. The method of claim 17,
The hydrogen storage complex is a hydrogen storage system further containing a resin.
상기 수소저장복합체는 상기 수소저장합금 100중량부에 대하여 열전도성 물질 0.5 내지 70중량부 및 수지 1 내지 70중량부를 함유하는 수소저장시스템.19. The method of claim 18,
The hydrogen storage complex is a hydrogen storage system containing 0.5 to 70 parts by weight of a thermal conductive material and 1 to 70 parts by weight of a resin based on 100 parts by weight of the hydrogen storage alloy.
(D1) 열전도성 물질과 수지를 혼합하여 제1혼합물을 수득하는 단계;
(D2) 상기 제1혼합물에 수소저장합금을 혼합하여 제2혼합물을 수득하는 단계; 및
(D3) 상기 제2혼합물을 성형하는 단계;로부터 제조되는 것인 수소저장시스템.The hydrogen storage complex according to claim 18,
(D1) mixing a thermally conductive material and a resin to obtain a first mixture;
(D2) mixing a hydrogen storage alloy with the first mixture to obtain a second mixture; and
(D3) forming the second mixture; hydrogen storage system to be prepared from.
상기 수소저장복합체는 (D3)이후,
(D4) 성형된 상기 제2혼합물을 경화시키는 경화단계;로부터 제조되는 것인 수소저장시스템.
21. The method of claim 20,
After the hydrogen storage complex (D3),
(D4) a curing step of curing the molded second mixture; hydrogen storage system to be prepared from.
상기 냉매탱크는 연결부재에 의해 상기 메인저장부와 연결되며,
상기 수소 저장 모드 시,
상기 냉매탱크는 상기 메인저장부와 연결되어 상기 메인저장부로 냉매를 공급하고,
상기 수소 사용 모드 시,
상기 냉매탱크는 상기 메인저장부와 연결이 해지되어 분리되는 수소저장시스템.
4. The method of claim 3,
The refrigerant tank is connected to the main storage unit by a connecting member,
In the hydrogen storage mode,
The refrigerant tank is connected to the main storage unit to supply the refrigerant to the main storage unit,
In the hydrogen use mode,
A hydrogen storage system in which the refrigerant tank is disconnected from the main storage unit and separated.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |