기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치(A method of thermal analysis for gas storing medium and a equipment of thermal analysis for gas storing medium)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2013년02월20일
(11) 등록번호 10-1234854
(24) 등록일자 2013년02월13일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
G01N 25/00 (2006.01) G01N 1/28 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2010-0111653
(22) 출원일자 2010년11월10일
심사청구일자 2010년11월10일
(65) 공개번호 10-2012-0050243
(43) 공개일자 2012년05월18일
(56) 선행기술조사문헌
한국에너지기술연구소, ‘수소저장합금 이용 수소
저장시스템 개발’, 연구보고서, 2000. 08. 31.*
*는 심사관에 의하여 인용된 문헌
(73) 특허권자
동아대학교 산학협력단
부산광역시 사하구 낙동대로550번길 37, 동아대학
교 내 (하단동)
(72) 발명자
한정섭
부산광역시 동래구 충렬대로238번길 7, 2동 505호
(수안동, 성완 세띠앙)
박경덕
부산광역시 사하구 사하로125번길 20, 옥천파크
102호 (감천동)
김도일
전남 순천시 조례동 744 (45/4)
(74) 대리인
김성현
전체 청구항 수 : 총 5 항 심사관 : 최승원
(54) 발명의 명칭 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치
(57) 요 약
본 발명은 시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상 기체의 특성을 분석하기 위한 기체 저장매체의 열분석
방법 및 기체 저장매체의 분석장치에 관한 것이다. 이는 정해진 부피를 가진 반응기 내부에 시료가 배치되도록
하고, 반응기 내부로 대상 기체가 공급되도록 하여, 시료의 온도, 대상 기체의 압력, 시료와 시료에 흡착되거나
흡수된 대상 기체의 조성비 사이의 상관관계를 산출하게 되는 P-C-T측정기구를 구비하고, 정해진 저장압력과 저
장온도에서 대상 기체가 상기 시료에 흡착되거나 흡수되도록 한 후, 반응기 내부에 상기 시료가 배치된 상태에서
설정온도에 도달한 시료를 정해진 속도로 가열하면서 대상 기체가 시료로부터 방출되도록 하되, 시료의 온도에
따른 대상 기체의 방출율(evolution rate)을 산출하여 시료에 흡착되거나 흡수되는 대상 기체에 대한 열분석이
수행될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치는, 시료의 외기
(外氣) 노출없이 시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상 기체에 대한 각종 특성 분석과 열분석이 하나의
장치 내에서 정밀하고 정확하게 이루어지는 한편, 수소에너지 저장매체로 사용되는 수소저장합금의 물리화학적
특성이나 열역학적 특성에 대한 정밀분석에도 사용되어 분자수준의 미세구조에서의 수소 저장 특성이 파악될 수
있도록 한다.
대 표 도 - 도4
등록특허 10-1234854
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이 발명을 지원한 국가연구개발사업
과제고유번호 2010K000856
부처명 교육과학기술부
연구사업명 국가연구시설장비선진화지원사업
연구과제명 수소저장 합금의 특성조사를 위한 열분석(VTA)장비 개발
주관기관 동아대학교 산학협력단
연구기간 2010.03.29 ~ 2011.12.31
등록특허 10-1234854
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특허청구의 범위
청구항 1
시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상 기체의 특성을 분석하기 위한 장치에 있어서,
상기 대상 기체와 정해진 종류의 불활성기체가 이동하는 관로를 제공하는 기체 공급관체와;
상기 기체 공급관체와 연결되는 밀폐된 내부공간을 가져 상기 대상 기체와 불활성기체의 유출입이 이루어지고,
상기 내부공간에 시료가 배치되는 반응기와;
상기 기체 공급관체의 관로 상의 정해진 지점에 각각 설치되어 정해진 구간의 관로를 개폐시키게 되는 다수개의
개폐용 밸브와;
상기 반응기의 내부공간을 가열하기 위한 발열기구와;
상기 반응기의 내부온도, 내부압력을 측정하기 위한 측정센서와;
상기 반응기, 개폐용 밸브, 발열기구, 측정센서의 작동을 제어하고, 상기 측정센서로부터 상기 반응기의 내부온
도와 내부압력 정보를 입력받고, 상기 시료의 온도에 따른 대상 기체의 방출율(evolution rate)을 산출하여 열
스펙트럼으로 가시화함으로써 상기 시료에 흡착되거나 흡수되는 상기 대상 기체에 대한 열분석을 수행하는 열분
석 알고리즘을 구비하는 컨트롤러를 포함하여,
상기 대상 기체의 물리화학적 특성이나 열역학적 특성을 분석하게 되는 것을 특징으로 하는 기체 저장매체의 분
석장치.
청구항 2
제1항에 있어서,
상기 기체 공급관체는 상기 대상 기체를 상기 반응기로 공급하게 되는 대상 기체 유입로와;
상기 불활성기체를 상기 반응기로 공급하게 되는 불활성기체 유입로와;
상기 반응기 내부의 기체가 자연배출되는 기체 배출로 및;
상기 반응기의 내부압력을 강하시키기 위하여 상기 반응기 내부의 기체가 강제배출되도록 하는 기체 흡입로를
가지되,
상기 대상 기체 유입로, 불활성기체 유입로, 기체 배출로, 기체 흡입로는 다수개의 상기 개폐용 밸브에 의해 독
립적으로 형성되어 운용되는 것을 특징으로 하는 기체 저장매체의 분석장치.
청구항 3
제2항에 있어서,
상기 대상 기체 유입로 상에는 버퍼 실린더와 저장탱크가 설치되도록 하고,
상기 기체 흡입로에는 진공펌프가 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 기체 저장매체의 분석장치.
청구항 4
제3항에 있어서,
상기 반응기의 내부공간과 연통되게 설치되어 상기 반응기의 내부공간 압력을 조절하게 되는 압력조절기가 상기
기체 공급관체 상에 설치되는 것을 특징으로 하는 기체 저장매체의 분석장치.
청구항 5
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
등록특허 10-1234854
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상기 대상 기체는 수소이고, 상기 시료는 수소저장합금인 것을 특징으로 하는 기체 저장매체의 분석장치.
청구항 6
삭제
청구항 7
삭제
청구항 8
삭제
청구항 9
삭제
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 시료
의 외기(外氣) 노출없이 시료에 흡착되거나 흡수되는 정해진 종류의 대상 기체에 대한 각종 특성 분석과 열분석
이 하나의 장치 내에서 정밀하고 정확하게 이루어지는 한편, 수소에너지 저장매체로 사용되는 수소저장합금의
물리화학적 특성이나 열역학적 특성에 대한 정밀분석에도 사용되어 분자수준의 미세구조에서의 수소 저장 특성
이 파악될 수 있도록 하는 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치에 관한 것이다.
배 경 기 술
현재 각종 화석연료의 고갈과 지구적 규모의 환경오염에 대한 우려에 따라 각종 대체에너지 개발이 활발하게 진
행되고 있고, 국내에서도 정부차원의 저탄소 녹색성장 산업 활성화 전략과 핵심기술의 국산화 전략에 따라 기술
개발이 활발하게 이루어지고 있는 추세인데, 이와 같은 기술개발의 일환으로 높은 열효율과 용이한 전기 환원성
을 가진 무공해 자원인 수소를 에너지원으로 사용하는 기술개발도 현재 활발하게 진행되고 있다.
이와 같은 수소는 압축가스, 액체수소, 고체의 형태로 저장되어 에너지원으로 사용될 수 있다. 특히, 수소가 고
체의 형태로 저장될 시 에너지 효율이 가장 높은데, 이에 따라 금속 수소화합물(hydride)형태로 수소를 저장하
는 수소저장합금의 개발이나 이와 같은 수소저장합금을 이용한 Ni-MH 2차 전지, 수소연료전지, 수소정화장치,
히트 펌프를 이용한 냉난방장치, 압축기, 수송장치, 수소자동차용 연료탱크, 폐열회수장치, 액추에이터 등의 개
발이 현재 활발하게 진행되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 수소저장합금은 수소 저장 용량이 부족하여 각종 기계장치의 상용연료나 전기전자장치
의 상용에너지원으로 사용하기 어려운 점이 있었으므로, 현재 수소에너지 개발분야에서는 수소 저장 용량이 큰
수소저장합금의 개발이 주요한 과제로 대두되고 있는 실정이다.
여기서, 수소저장합금의 개발은 각종 소재로 이루어지는 수소저장합금의 특성을 측정하고 산출하여 고용량의 수
소 저장에 적합한 합금소재를 선정하고 생성시키는 과정으로 이루어지는데, 이와 같은 수소저장합금의 특성을
측정하고 산출하기 위한 장치로서 P-C-T측정기구가 일반적으로 사용되었던, 이와 같은 P-C-T측정기구는 정해진
부피를 가진 반응기 내부에 배치되는 정해진 종류의 수소저장합금에 있어서, 온도, 압력, 수소저장합금 내 수소
기체의 조성비 간 상관관계를 산출하여 온도, 압력, 조성 간의 관계가 P-C-T (Pressure-Composition-
Temperature) 곡선으로 도시화되도록 하게 된다.
한편, P-C-T측정기구 이외의 TGA(ThermoGravimetric Analysis) 장치, DSC(Differencial Scanning
Calorimeter) 장치, TDS(Thermal Desorption Spectrometer) 장치 등이 수소저장합금의 특성을 측정하고 산출하
기 위해 이용되는데, TGA 장치는 수소저장합금과 같이 수소화합물 시료를 일정 속도로 가열하면서 수소화합물
시료로부터 방출되는 수소에 의해 수소화합물 시료의 질량이 감소되기 시작하는 온도를 측정하여 해당 수소화합
물 시료의 열역학적 안정성(thermodynamic stability)을 확인하게 되는 장치이다.
등록특허 10-1234854
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그리고, DSC 장치는 수소화합물 시료의 발열반응이나 흡열반응이 시작되는 온도와 엔탈피 값(ΔH)을 검출하여
수소화합물 시료의 열역학적 특성을 확인하게 되는 장치이다.
여기서, 상기 TGA 장치와 DSC 장치는 상기의 P-C-T 측정기구에 배치되어 수소를 일정량 저장하게 되는 수소화합
물 시료를 해당 TGA 장치나 DSC 장치로 이동시켜 분석을 수행해야 했다. 이에 따라 수소화합물 시료가 외기(外
氣)에 노출되게 되므로, 이동과정에서 외부물질과의 화학반응이 일어나지 않도록 하기 위하여 불활성기체 분위
기의 글로브 박스(glove box)를 별도로 구비하여 글로브 박스 내에서 수소화합물 시료의 이동이 수행되도록 해
야 하는 번거로움이 있었으며, 수소화합물 시료의 이동에 따라 작업시간도 지연되는 문제점이 있었다.
또한, TDS 장치는 수소화합물 시료를 일정속도로 가열할 시 수소화합물 시료에 흡착된 수소의 방출량을 측정하
여 수소화합물 시료의 열역학적 특성을 확인하게 되는 장치인데, 수소화합물 시료에 흡착된 수소의 방출량과 방
출속도를 분석하기 위하여 별도의 질량 분석기(mass analyzer)를 구비하고, TDS 장치와 질량 분석기를 높은 진
공상태에서 연결해야 하는 번거로움이 있었다.
한편, 수소저장합금에서와 같이 수소와 같은 대상 기체가 고압 상태에서 흡착되거나 흡수되어 저장되는 시료의
특성 분석을 위한 측정장치와 관련하여 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0658642호 "고압 기체 저장량 측
정방법 및 이에 관한 측정장치"가 안출되어 있다.
상기 "고압 기체 저장량 측정방법 및 이에 관한 측정장치"는 고압 기체 흡착장치의 밸브시스템에서 비어있는 시
료관의 부피와 시스템 부피를 측정한 후 시료관에 시료를 넣고 헬륨기체를 도입하여 압력 변화 차이로부터 시료
의 부피와 시료를 제외한 시료관의 부피를 측정한 후 측정기체의 흡착량을 측정하는 방법을 제공하는 한편, 안
전사고 예방을 위하여 고압 가스통으로부터 일정량의 기체를 충전하기 위한 1차 버퍼실린더와 이 버퍼실린더로
부터 측정에 필요한 압력만큼 기체를 유입받아 채우기 위해 사용하는 2차 버퍼실린더 등 2개 이상의 실린더와,
고진공상태나 고압 조건에서도 기체가 새지 않고 기체의 흐름을 기체의 흐름을 개폐하는 스테인레스 재질의 기
체 유압식 밸브와, 수소가스의 흡장을 막기 위해 스테인레스 재질로 만들어진 관과, 진공부터 고압조건까지 흡
착에 의한 기체의 압력변화를 정확히 측정하기 위해 0에서 200기압 범위에서 압력측정범위별로 2개 이상의 압력
센서를 사용하는 장치를 제공하는 기술이다.
그러나, 상기 "고압 기체 저장량 측정방법 및 이에 관한 측정장치"는 TGA 장치, DSC 장치, TDS 장치와 달리 시
료의 물리화학적 특성 분석이나 열역학적 특성 분석을 수행할 수 없는 한계가 있었다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 정해진 부피를 가진 반응기 내부에 시료가 배치되고, 발
열기구가 구비되어 반응기 내부가 가열될 수 있음에 따라, 시료의 온도, 대상 기체의 압력, 시료와 시료에 흡착
되거나 흡수되는 대상 기체의 조성비 사이의 상관관계(P-C-T 곡선) 뿐만 아니라, 시료에 대한 물리화학적 특성
과 열역학적 특성도 하나의 장치구성 내에서 분석될 수 있도록 하는 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장
매체의 분석장치를 제공함에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 반응기의 내부를 가열하는 발열기구의 구비로 시료가 별도의 이동없이 반응기 내부에 배치된
상태에서 물리화학적 특성 분석이나 열역학적 특성 분석을 위한 실험이 수행될 수 있음에 따라 시료의 이동이
요구되었던 종래의 TGA 장치, DSC 장치, TDS 장치에 비해 작업시간이 단축되고, 분석의 정밀도도 향상되는 새로
운 형태의 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치를 제공함에 목적이 있다.
특히, 본 발명은 수소에너지 저장매체로 사용되는 수소저장합금의 분석에 적용되어 수소저장합금에 대한 P-C-T
특성 분석뿐만 아니라, 수소저장합금의 물리화학적 특성 분석이나 열역학적 특성 분석도 발열기구를 부가한 P-
C-T측정기구에 의해 일괄적으로 수행될 수 있도록 하는 새로운 형태의 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저
장매체의 분석장치를 제공함에 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 수소저장합금의 물리화학적 특성이나 열역학적 특성이 정밀하고 정확하게 분석되고, 이를 통
해 분자수준의 미세구조에서의 수소 저장 특성이 파악될 수 있도록 하는 새로운 형태의 기체 저장매체의 열분석
방법 및 기체 저장매체의 분석장치를 제공함에 목적이 있다.
등록특허 10-1234854
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과제의 해결 수단
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상
기체의 특성을 분석하기 위한 방법에 있어서, 정해진 부피를 가진 반응기 내부에 상기 시료가 배치되도록 하고,
상기 반응기 내부로 상기 대상 기체가 공급되도록 하여, 상기 시료의 온도, 상기 대상 기체의 압력, 상기 시료
와 상기 시료에 흡착되거나 흡수된 상기 대상 기체의 조성비 사이의 상관관계를 산출하게 되는 P-C-T측정기구를
구비하고, 정해진 저장압력과 저장온도에서 상기 대상 기체가 상기 시료에 흡착되거나 흡수되도록 한 후, 상기
반응기 내부에 상기 시료가 배치된 상태에서 설정온도에 도달한 상기 시료를 정해진 속도로 가열하면서 상기 대
상 기체가 상기 시료로부터 방출되도록 하되, 상기 시료의 온도에 따른 상기 대상 기체의 방출율(evolution
rate)을 산출하여 상기 시료에 흡착되거나 흡수되는 상기 대상 기체에 대한 열분석이 수행될 수 있도록 한다.
이와 같은 기체 저장매체의 열분석 방법에서 상기 시료는 마그네슘이고, 상기 대상 기체는 수소이되, 상기 마그
네슘이 정해진 저장압력과 저장온도에서 상기 수소를 흡착하거나 흡수하여 마그네슘 수소화합물(MgH₂)이 생성
되도록 하는 단계와; 상기 마그네슘 수소화합물을 설정온도까지 자연냉각시키고, 상기 마그네슘 수소화합물이
배치된 상기 반응기 내부압력을 제1설정압력으로 맞추는 단계와; 상기 반응기를 정해진 속도로 가열하되, 상기
반응기 내부압력이 제2설정압력에 도달할 시 상기 반응기 내부를 개방시켜 상기 반응기 내부압력이 다시 제1설
정압력이 되도록 하는 과정을 반복하여 상기 마그네슘 수소화합물로부터의 수소 방출이 완료되도록 하는 단계를
거쳐 상기 시료의 온도에 따른 상기 대상 기체의 방출율(evolution rate)이 측정되도록 한다. 여기서, 상기 정
해진 저장압력과 저장온도는 25atm와 643K이고, 상기 설정온도는 523K이며, 제1설정압력과 제2설정압력은
0.1atm과 0.2atm이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 본 발명은 시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의
대상 기체의 특성을 분석하기 위한 장치에 있어서, 상기 대상 기체와 정해진 종류의 불활성기체가 이동하는 관
로를 제공하는 기체 공급관체와; 상기 기체 공급관체와 연결되는 밀폐된 내부공간을 가져 상기 대상 기체와 불
활성기체의 유출입이 이루어지고, 상기 내부공간에 시료가 배치되는 반응기와; 상기 기체 공급관체의 관로 상의
정해진 지점에 각각 설치되어 정해진 구간의 관로를 개폐시키게 되는 다수개의 개폐용 밸브와; 상기 반응기의
내부공간을 가열하기 위한 발열기구와; 상기 반응기의 내부온도, 내부압력을 측정하기 위한 측정센서와; 상기
반응기, 개폐용 밸브, 발열기구, 측정센서의 작동을 제어하고, 상기 측정센서로부터 상기 반응기의 내부온도와
내부압력 정보를 입력받게 되는 컨트롤러를 포함하여, 상기 대상 기체의 물리화학적 특성이나 열역학적 특성을
분석하게 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치에서 상기 기체 공급관체는 상기 대상 기체를 상기 반응기
로 공급하게 되는 대상 기체 유입로와; 상기 불활성기체를 상기 반응기로 공급하게 되는 불활성기체 유입로와;
상기 반응기 내부의 기체가 자연배출되는 기체 배출로 및; 상기 반응기의 내부압력을 강하시키기 위하여 상기
반응기 내부의 기체가 강제배출되도록 하는 기체 흡입로를 가지되, 상기 대상 기체 유입로, 불활성기체 유입로,
기체 배출로, 기체 흡입로는 다수개의 상기 개폐용 밸브에 의해 독립적으로 형성되어 운용되는 것을 특징으로
한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치에서 상기 대상 기체 유입로 상에는 버퍼 실린더와 저장탱
크가 설치되도록 하고, 상기 기체 흡입로에는 진공펌프가 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치에서 상기 반응기의 내부공간과 연통되게 설치되어 상기 반
응기의 내부공간 압력을 조절하게 되는 압력조절기가 상기 기체 공급관체 상에 설치되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치에서 상기 컨트롤러는 상기 시료의 온도에 따른 상기 대상
기체의 방출율(evolution rate)을 산출하여 상기 시료에 흡착되거나 흡수되는 상기 대상 기체에 대한 열분석이
수행하게 되는 열분석 알고리즘을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치에서 상기 대상 기체는 수소이고, 상기 시료는 수소저장합
금인 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
등록특허 10-1234854
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상기와 같이 이루어지는 본 발명의 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치는, 시료의 외기
(外氣) 노출없이 시료에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상 기체에 대한 각종 특성 분석과 열분석이 하나의
장치 내에서 정밀하고 정확하게 이루어져 분석장비 구축을 위한 비용이 절감되고, 분석작업에 걸리는 시간이 단
축되는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 기체 저장매체의 열분석 방법 및 기체 저장매체의 분석장치는 수소저장합금에 대한 물리화학적
특성이나 열역학적 특성 분석에도 사용될 수 있어 높은 활용성을 가질 뿐만 아니라, 수소저장합금 내 수소의 구
조적 특성과 물리화학적 특성 및 열역학적 특성이 높은 정밀도와 정확성으로 분석되어 분자수준의 미세구조에서
의 수소 저장 특성이 파악될 수 있음에 따라, 고용량의 수소저장합금 개발의 방향설정에 기여할 수 있고, 이로
써 수소저장합금 개발을 활성화시킬 수 있게 된다.
도면의 간단한 설명
도 1은 등록특허공보 등록번호 제10-0658642호의 구성을 보여주기 위한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 블록도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 도면;
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 도면;
도 5는 시그마 알드리치에서 제조된 마그네슘 1g 시료를 1.0 K/min의 가열속도로 700K까지 가열하면서 분석된
온도-수소방출율 열 스펙트럼;
도 6은 시그마 알드리치에서 제조된 마그네슘 1g 시료의 초기 수소 흡수량을 4.46wt%로 일정하게 하고 가열속도
를 1.0~3.0 K/min 범위에서 달리하면서 분석된 온도-수소방출율 열 스펙트럼이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면 도 2 내지 도 4에 의거하여 상세히 설명한다. 한편, 도면과 상세한 설명
에서 일반적인 기체 저장매체의 열분석 방법이나 기체 저장매체의 분석장치, 수소저장합금, P-C-T 곡선, P-C-
T측정기구 등로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하
거나 생략하였다. 특히 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않
는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적
구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석방법은 시료(1)에 흡착되거나 흡수된 정해진 종류의 대상 기체의 특성을
분석하기 위한 것이다. 여기서, 시료(1)로는 금속소재를 포함한 다양한 소재가 사용될 수 있다. 그리고, 대상
기체는 시료(1)에 흡착되거나 흡수되어 저장되는 기체를 지칭한다.
이와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석방법은 먼저, P-C-T측정기구를 구비하여 정해진 저장압력과 저
장온도에서 대상 기체가 시료(1)에 흡착되거나 흡수되도록 한다.
여기서, P-C-T측정기구는 정해진 부피를 가진 반응기(20)를 가져 반응기(20) 내부에 시료(1)가 배치되도록 하는
한편, 반응기(20) 내부로 대상 기체가 공급되도록 한다. 그리고, 반응기(20) 내부로 공급되는 대상 기체의 압력
을 조절하거나, 반응기(20) 내부에 배치되는 시료(1)의 온도를 조절하면서 시료(1)의 온도(T), 대상 기체의 압
력(P), 시료(1)와 시료(1)에 흡착되거나 흡수된 대상 기체의 조성비(C) 사이의 상관관계(P-C-T곡선)를 산출하게
된다.
한편, P-C-T측정기구에는 반응기(20) 내부를 가열하여 반응기(20) 내부에 배치되는 시료(1)의 온도를 상승시키
게 되는 발열기구(40)가 부가적으로 설치된다.
이와 같이 발열기구(40)가 부가적으로 설치된 P-C-T측정기구의 반응기(20) 내부에 시료(1)가 배치된 상태에서
시료(1)가 정해진 설정온도에 도달하게 되면, 시료(1)를 정해진 속도로 가열하면서 대상 기체가 시료(1)로부터
방출되도록 한다.
여기서, 시료(1)로부터 방출되는 대상 기체의 방출량을 밀폐된 반응기(20) 내부에 설치된 압력센서(54)를 통해
측정되는 반응기(20) 내부압력변화를 통해 산출하고, 이를 시간으로 미분함으로써 시료(1)의 온도에 따른 대상
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기체의 방출율(evolution rate)을 산정하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석방법은 온도별 대상 기체의 방출율을 산정함으로써 시료(1)에
흡착되거나 흡수된 대상 기체가 시료(1)의 온도 상승에 따라 방출될 시 대상 기체의 방출속도에 해당되는 방출
율과 온도 간 상관관계를 파악할 수 있게 된다.
이와 같은 온도와 대상 기체의 방출율의 상관관계를 열 스펙트럼으로 가시화하면 곡선 형태로 나타나는데, 이를
분석함으로써 시료(1)에 흡착되거나 흡수되는 대상 기체에 대한 열분석이 수행될 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석방법은 기체 저장매체의 분석장치(100)를 통해 구현되므로,
다음에서 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)의 구성을 상세히 설명한 후, 본 발명에 따른 기체 저
장매체의 분석방법이 수소저장합금에 적용되는 것을 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)는 기체 공급관체(10), 반응기(20), 개폐용 밸
브(30), 측정센서(50), 컨트롤러(60)를 포함하는 구성으로 이루어진다.
기체 공급관체(10)는 대상 기체와 정해진 종류의 불활성기체가 이동하는 관로를 제공하는 관체이다. 여기서, 불
활성기체는 대상 기체가 시료(1) 이외의 타물질과 반응하지 않도록 하기 위하여 제공되는 것이다.
이와 같은 기체 공급관체(10)는 대상 기체 유입로(11), 불활성기체 유입로(12), 기체 배출로(13), 기체 흡입로
(14)를 가지는데, 대상 기체 유입로(11)는 대상 기체를 반응기(20)로 공급하게 되는 관로이고, 불활성기체 유입
로(12)는 불활성기체를 반응기(20)로 공급하게 되는 관로이며, 기체 배출로(13)는 반응기(20) 내부의 기체가 자
연배출되도록 하는 관로이고, 기체 흡입로(14)는 진공펌프(70)가 연결되어 반응기(20) 내부의 기체가 강제배출
되도록 하는 관로로서 반응기(20)의 내부압력을 정해진 수치로 강하시킬 수 있게 된다.
이와 같은 대상 기체 유입로(11), 불활성기체 유입로(12), 기체 배출로(13), 기체 흡입로(14)는 다수개가 구비
되어 기체 공급관체(10)의 관로 상의 정해진 지점에 각각 배치되는 개폐용 밸브(30)의 선택적인 개폐동작에 따
라 독립적으로 형성되어 운용되게 된다.
반응기(20)는 기체 공급관체(10)와 연결되는 밀폐된 내부공간을 가지는 용기로서, 대상 기체와 불활성기체의 유
출입이 이루어지는 한편, 내부공간에 시료(1)가 배치되게 된다.
여기서, 본 발명에 따른 반응기(20)는 발열기구(40)를 구비하여 노(瀘:furnace) 기능도 수행할 수 있게 된다.
개폐용 밸브(30)는 기체 공급관체(10)의 관로 상의 정해진 지점에 각각 설치되어 정해진 구간의 관로를 개폐시
키게 된다. 이와 같은 개폐용 밸브(30)에 의해 기체 공급관체(10)에 형성되는 대상 기체 유입로(11), 불활성기
체 유입로(12), 기체 배출로(13), 기체 흡입로(14) 중에서 선택된 관로가 개방되면 나머지 관로는 폐쇄되면서
요구되는 기체 유동이 실현될 수 있게 된다.
발열기구(40)는 반응기(20)의 내부공간을 가열하기 위한 것으로, 이와 같은 발열기구(40)은 컨트롤러(60)에 의
해 제어되면서 반응기(20)의 내부온도를 조절하거나, 반응기(20)의 내부온도 상승속도나 반응기(20)의 내부온도
하강속도 등을 조절하게 된다.
측정센서(50)는 반응기(20)의 내부온도, 내부압력을 측정하기 위한 것으로, 이와 같은 측정센서(50)는 온도센서
(52)와 압력센서(54)로 이루어질 수 있다.
컨트롤러(60)는 반응기(20), 개폐용 밸브(30), 발열기구(40), 측정센서(50)의 작동을 제어하게 되는 것으로, 측
정센서(50)로부터 반응기(20)의 내부온도와 내부압력 정보를 입력받게 된다. 이와 같은 컨트롤러(60)는 시료
(1)의 온도, 대상 기체의 압력을 입력받고, 반응기(20) 내부압력변화를 통해 시료(1)와 시료(1)에 흡착되거나
흡수된 대상 기체의 조성비를 산출하여 시료(1)의 온도, 대상 기체의 압력, 시료(1)와 시료(1)에 흡착된 대상
기체의 조성비 간의 상관관계(P-C-T 곡선)를 파악하는 한편, 온도 별 대상 기체의 방출율(evolution rate)을 산
출하여 시료에 대한 물리화학적 특성이나 열역학적 특성을 파악하게 된다.
이를 위하여 컨트롤러(60)는 시료(1)의 온도에 따른 대상 기체의 방출율(evolution rate)을 산출하여 시료(1)에
흡착되거나 흡수되는 대상 기체에 대한 열분석이 수행하게 되는 열분석 알고리즘을 구비하게 된다.
도 3과 도 4는 수소저장합금의 분석에 적용되는 본 발명의 실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)가 도
시되어 있다.
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도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)는 시료(1)인 수소저장합금이 반
응기(20)의 내부에 배치되고, 기체 공급관체(10)의 대상 기체 유입로(11)와 불활성기체 유입로(12)가 반응기
(20)와 연통되게 형성되어 수소기체와 헬률기체가 반응기(20) 내부로 유입될 수 있도록 한다.
그리고, 반응기(20)의 내부와 연통되는 기체 공급관체(10)의 기체 흡입로(14)의 반대측 끝단에 진공펌프(70)가
연결되어 반응기(20)의 내부에 수용된 기체가 흡입될 수 있도록 함으로써 반응기(20)의 내부압력이 조절될 수
있도록 한다.
또한, 기체 공급관체(10)의 대상 기체 유입로(11) 상에는 버퍼 실린더(80)와 저장탱크(82)가 설치되는데, 이에
따라 고압 상태로 외부에서 공급되는 수소기체가 버퍼 실린더(80)와 저장탱크(82)에 수용된 후 반응기(20)의 내
부로 유입됨으로써 순간적인 수소기체 유입에 인한 수소기체의 폭발 등이 방지될 수 있도록 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)를 사용하여 수소저장합금에 대
한 열분석을 수행하는 방법은 다음과 같다.
여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)는 시료(1)로서 마그네슘 1g을 사용하는데,
이와 같은 마그네슘은 미리 수행되는 수소의 흡수-방출 반응을 통해 활성화된 것이 사용된다.
이와 같은 마그네슘은 반응기(20)의 내부에 배치된 상태에서 정해진 저장압력과 저장온도에서 수소를 흡착하여
마그네슘 수소화합물(MgH₂)으로 생성되는데, 정해진 저장압력과 저장온도를 맞추기 위하여 정해진 저장압력의
수소기체가 유입되는 대상 기체 유입로(11)가 개방되고, 반응기(20)에 설치되는 발열기구(40)가 컨트롤러(60)에
의해 제어되면서 발열하여 저장온도를 맞추게 된다. 여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석
장치(100)를 사용한 분석방법에서 저장압력과 저장온도는 25atm와 643K로 설정된다.
다음으로, 상기에서 생성된 마그네슘 수소화합물을 설정온도까지 자연냉각시키고, 마그네슘 수소화합물이 배치
된 반응기 내부압력을 제1설정압력으로 맞추게 된다. 여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분
석장치(100)를 사용한 분석방법에서 설정온도와 제1설정압력은 523K와 0.1atm로 설정된다.
그리고, 발열기구(40)를 작동시켜 반응기(20)를 정해진 속도로 가열{linear heating}하게 되는데, 반응기(20)의
가열로 인해 마그네슘 수소화합물의 온도가 상승하게 되면 특정 온도시점에서 마그네슘 수소화합물 내 수소가
급격하게 방출되면서 반응기(20) 내부압력이 상승하게 되고, 이 과정에서 반응기(20) 내부압력이 제2설정압력에
도달하게 되면, 개폐용 밸브(309)인 V9를 개방하여 반응기(20)의 내부가 개방되도록 함으로써 반응기(20) 내부
압력이 다시 제1설정압력이 되도록 한다. 반응기(20) 내부압력이 제1설정압력에 도달하면 개폐용 밸브(309)인
V9는 다시 폐쇄시킨다. 여기서, 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)를 사용한 분석방법
에서 제2설정압력은 0.2atm로 설정된다.
상기와 같이 제1설정압력 상태에서 반응기(20)를 가열하여 제1설정압력에 도달할 시 다시 반응기(20)의 압력을
강하시켜 제1설정압력 상태로 만든 후, 다시 반응기(20)를 가열하는 과정을 반복하면서 마그네슘 수소화합물로
부터의 수소 방출이 완료되도록 하는데, 이 과정을 거치면서 마그네슘 수소화합물의 온도에 따른 수소의 방출율
(evolution rate)이 측정되게 된다.
여기서, 마그네슘 수소화합물로부터 방출되는 수소의 방출량은 밀폐된 반응기(20) 내부에 설치된 압력센서(54)
를 통해 측정되는 반응기(20) 내부압력변화를 통해 산출되는데, 이를 시간으로 미분함으로써 수소의 방출율
(evolution rate)을 산정하게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치의 구성을 보여주기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)는 반응기(20)의 내부공간과 연통
되게 설치되어 반응기(20)의 내부공간 압력을 조절하게 되는 압력조절기(90)가 기체 공급관체(10) 상에 설치되
는 한편, 분석장치(100)가 컨트롤러(60)에 의해 자동으로 제어되면서 작동하는 것이다.
이에 따라, 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)에서는 반응기(20)의 내부압력 조절이
진공펌프(70)와 압력조절기(90)에 의해 자동으로 이루어지게 되고, 수소의 방출율이 정확하게 산출될 수
있으며, 분석실험을 위한 시간이 절약되게 된다.
이와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)를 사용하여 수소저장합금에 대한 열분석
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을 수행하는 방법은 본 발명의 제1실시예에 따른 기체 저장매체의 분석장치(100)에서와 동일하다.
한편, 도 5와 도 6에는 본 발명의 제2실시예에 따른 기체 저장매체 분석장치(100)를 이용하여 마그네슘 수소화
합물의 물리화학적 특성을 분석한 열 스펙트럼이 도시되어 있는데, 도 5는 시그마 알드리치에서 제조된 마그네
슘 1g 시료를 1.0 K/min의 가열속도로 700K까지 가열하면서 분석된 온도-수소방출율 열 스펙트럼이고, 도 6은
시그마 알드리치에서 제조된 마그네슘 1g 시료의 초기 수소 흡수량을 4.46wt%로 일정하게 하고 가열속도를
1.0~3.0 K/min 범위에서 달리하면서 분석된 온도-수소방출율 열 스펙트럼이다.
이와 같은 온도-수소방출율 열 스펙트럼을 분석함으로써 분자수준의 미세구조에서의 수소 저장 특성이 파악할
수 있게 된다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고,
본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
부호의 설명
1 : 시료 10 : 기체 공급관체
11 : 대상 기체 유입로 12 : 불활성기체 유입로
13 : 기체 배출로 14 : 기체 흡입로
15 : 필터 20 : 반응기
30 : 개폐용 밸브 32 : 솔레노이드 밸브
40 : 발열기구 50 : 측정센서
52 : 온도센서 54 : 압력센서
60 : 컨트롤러 70 : 진공펌프
80 : 버퍼 실린더 82 : 저장탱크
90 : 압력조절기 100 : 분석장치
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도면
도면1
도면2
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도면3
도면4
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도면6
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