수소 저장 및 냉각 방법 document_id A220623108870

산업 및 상업적 영역에서의 수소 사용이 확대됨에 따라 효과적인 수소 저장에 대한 필요성이 증대되어 왔다. 이는 함선 및 자동차 제품에서 수소가 연료로서 선택되기 때문에 특히 그러한데, 이러한 제품에서는, 수소가 비히클 자체에 탑재(on-board) 저장되어 연료 스테이션으로부터 용이하게 이용할 수 있어야 한다. 현재 가장 대중적인 저장 및 수송 방법은 200 내지 800 bar 압력의 액체 수소 또는 압축 수소 가스로 이루어진다. 액체 수소는 가능한 최대의 밀도로 제공되지만, 이는 약 47 MJ/kg H2를 이용하는 20 K 정도의 저온을 요하기 때문에 제조하는데 비용이 많이 든다. 통상적인 200 bar 압력의 압축 가스는 비교적 저밀도를 갖는다. 액체 H2의 저장 용량의 70%의 저장 용량을 수득하는데 300 K에서 약 800 bar의 압력이 요구된다. 절충적으로, 수소는, 냉각재로서 액화 질소를 사용하여 극저온(예컨대 77 K)에서 80 내지 100 bar의 중간 압력에서 저장될 수도 있다. 그러나, 이는 일반적으로 지속적인 냉각을 필요로 하고, 상당한 양의 액체 질소가 소비될 것으로 보인다. 또한, 극저온(예컨대 77 K)에서 물리흡착형 흡착제를 사용하여 중간 압력에서 보다 높은 저장 용량을 제공하는 것이 공지되어 있다. 상기 방법은, 극저온을 유지하기 위해, 회수 및 사용에 의한 수소 탈착(desorption)에 의해 제공되는 냉각을 추가로 이용한다. 결과적으로 단지 소량의 액화 질소만을 필요로 한다. 상기 방법에 따른 저장 조건을 생성하는데 필요한 냉각 및 압축의 전체적인 에너지는 80 내지 100 bar에서 약 17 MJ/kg 수소이다. 이는 약 47 MJ/kg인 액체 수소를 생성하는데 필요한 에너지보다는 상당히 낮고, 200 bar 및 77 K에서 흡수제 물질 없이 대등한 밀도에서 수소를 저장하는데 필요한 에너지보다 약간 낮다. 본 발명은 비용 효과적 방식으로 약 30 내지 50 kg/m3의 유용한 밀도로 수소를 저장하는 수단을 제공한다. 본 발명의 저장 방법은 견줄만한 극저온 저장법에 비해 냉각을 소극적으로 제공하고 저장 시간을 증가시킬 것이다. 발명의 요약 본 발명은 수소 저장 방법을 제공한다. 저장 용기는 일반적으로 탑재식 저장 용기, 원격 저장 탱크 또는 벌크 수송 용기이다. 무작위적 사용 또는 빈번하지 않은 사용 조건 하에서의 수소의 장기간 저장은, 탈착의 냉각 효과에 의해 보호 쿨링(guard cooling)되는 소량의 액체 질소를 사용함에 의해 성취된다. 약 77 K에서의 물리흡착 물질은 탈착 동안 높은 흡착 용량 및 냉각 효과를 제공할 것이다. 본 발명의 한 실시양태에서, 물리흡착형 흡착제 물질 및 휘발성 액체 용기를 함유하는 저장 용기에 수소 가스를 저장하고(상기 휘발성 액체 용기는 상기 수소 가스 및 상기 흡착제 물질과 친밀하게 열 전달된다), 상기 수소 가스의 적어도 일부를 주기적으로 제거함을 포함하는, 수소 가스를 저장하는 방법이 개시된다. 본 발명의 다른 실시양태에서, 저장 용기, 상기 저장 용기 내에 함유된 물리흡착형 흡착제, 상기 저장 용기 내에 함유된 휘발성 액체 용기, 수소 가스를 주입하기 위한 하나 이상의 수단, 및 휘발성 액체를 주입하기 위한 하나 이상의 수단을 포함하는, 수소 가스 저장 장치가 개시된다. 본 발명의 추가의 실시양태에서, 물리흡착형 흡착제 물질 및 휘발성 액체 용기를 함유하는 저장 용기에 수소 가스를 저장하고, 상기 수소 가스를 적어도 주기적으로 제거함을 포함하되, 상기 수소 가스는 저장되는 동안 극저온으로 유지되는, 수소 가스를 승압 및 극저온으로 저장하는 방법이 개시된다. 임의적으로, 다른 휘발성 냉각제(refrigerant)(예: 탄화수소, LNG, 액체 공기 등)가 액체 질소 대신에 사용될 수 있고, 휘발성 액체 용기는 상이한 압력에서 작동될 수 있다. 본원에서, 액체 공기는 산소 및 질소의 임의적 혼합물로서 정의된다. 또한, 다른 냉각제, 예컨대 액체로부터 증기로, 고체로부터 액체로 및 고체로부터 증기로 상 전이되는 물질들이 사용될 수 있다. 일반적으로, 다른 냉각제를 사용하는 경우, 작동 온도 범위는 약 30 내지 250 K, 보다 유용하게는 약 50 내지 150 K일 수 있다. 최적 작동 온도는 일반적으로 특정 흡착제 물질 및 이들 물질의 최적화 및 개발에 좌우될 것이다. 이런 물리흡착형 물질의 예는 고표면적 탄소, 예컨대 KOH 또는 열적으로 활성화된 탄소, 알칼리 금속 삽입(intercalated), 박피(exfoliated), 나노스택 또는 헤링본(herringbone) 흑연계 탄소, 나노형태물(nanoform), 예컨대 나노-튜브, 나노-혼, 나노-어니언, 벅민스터 풀러렌(Buckminster Fullerene) "버키볼(buckyball)" 및 이들의 금속 결합(decorated) 또는 헤테로치환된 유사체; 결정질 미세공극질 물질, 예컨대 제올라이트, 점토 및 ALPO-4 및 이들의 헤테로원자 치환된 유사체; 메조공극질(mesoporous) 실리카, 예컨대 MCM 부류 및 이들의 헤테로원자 유사체; 고표면적 금속-유기 또는 유기 골격(framework) 물질; 및 기타 결정질 예컨대 특정의 헥사사이아노페레이트(hexacyanoferrate) 물질, 및 비결정질 고표면적 물질, 및 이들의 혼합물을 포함한다. 바람직한 물질은 고표면적 탄소, 예컨대 앤더슨 디벨롭먼트 코포레이션에서 시판하는 AX-21TM 및 간사이 코크(Kansai Coke) 코포레이션에서 시판하는 MAXSORB; 및 금속유기 골격체, 예컨대 미시간 대학의 오마르 야기(Omar Yaghi) 교수가 개발한 MOF-177, IRMOF-1(MOR-5) 및 IRMOF-20을 포함한다.