KR200414736Y1 - 고압 기체 저장량 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 진공에서 200기압까지 기체의 압력을 높여가며 고체 시료에 대한 기체의 저장량을 측정하는 장치에 관한 것이다. 본 고안에서 제공하는 고압 기체 저장량 측정장치는 안전사고 예방을 위하여 고압 가스통으로부터 일정량의 기체를 충전하기 위한 완충실린더(buffer cylinder)와 이 완충실린더로부터 측정에 필요한 압력만큼 기체를 유입 받아 저장하기 위해 사용하는 2차 완충실린더 등 2개 이상의 실린더와, 고진공 상태나 고압 조건에서도 새지 않고 기체의 흐름을 개폐할 수 있는 스테인레스 재질의 기체 유압식 밸브, 수소가스가 흡장하는 것을 막기 위해 스테인레스 재질로 만들어진 관, 진공에서부터 200기압까지 흡장에 의한 기체의 압력변화를 정확히 측정하기 위해 0에서 200기압 범위에서 압력 측정범위별로 2개 이상의 압력센서로 구성된다.

기체 흡착, 수소 저장량, 기체 유압식 밸브, 압력센서, 고압 흡장

Description

고압 기체 저장량 측정장치 {Measuring Apparatus for Gas Storage Capacity onto High Pressure}

도 1은 고압 기체 저장량 측정 장치의 밸브시스템 부분에 대한 회로도

도 2는 밸브시스템 중 시스템 부피부를 나타낸 상세도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1∼13: 기체 흐름 개폐 밸브 14: 1차 완충실린더(Buffer cylinder)

15: 2차 완충실린더(Buffer cylinder) 16: 진공펌프

17: 시료관 18: 헬륨 가스통

19: 측정기체 가스통 20: 시스템 부피부

P1: 압력센서1(0∼1 atm) P2: 압력센서2(0∼10 atm)

P3: 압력센서3(0∼200 atm) 21: 시스템 부피

22: 시료관 부피 23: 시료부피를 제외한 시료관 부피

24: 시료부피

차세대 대체에너지원으로 각광을 받고 있는 수소는 연소 후 물만을 배출하는 완벽한 친환경에너지로 평가받고 있어 이를 활용하고자 하는 연구가 세계 각국에서 활발히 진행되고 있다. 우리나라에서도 국가정책으로 수소에너지사업단이나 프론티어사업단, 수소연료전지사업단 등을 구성하여 수소에너지 활용에 관한 연구에 박차를 가하고 있다.

수소는 지구상에 존재하는 원소 중에서 가장 가벼운 물질로 발생 즉시 대부분 대기권 밖으로 날아가 버리기 때문에 이를 포집하는 기술과 저장하는 기술개발이 필요하다. 특히 수소는 폭발성이 매우 크기 때문에 저장하는 과정에서 폭발이 일어나면 그 피해는 실로 엄청나다. 외국의 자동차 회사에서는 이미 지난 1990년대에 액화수소를 탑재한 수소자동차를 만들어 시범운행하기도 하였으나 안정성이 확보되지 않아 이를 상용화하는 것이 미루어지고 있다. 결국 수소를 범용에너지원으로 이용하기 위해서는 안전하게 저장하는 기술이 절대적으로 필요하다.

수소에너지를 자동차 에너지원으로 대체하기 위한 연구는 오랫동안 꾸준히 진행되어 왔다. 그 방법으로 수소저장합금을 이용하여 수소를 저장한 다음 이를 탈착시켜 연료로 사용함으로써 자동차를 구동시키는 연구가 이루어져 왔다. 다양한 금속원소를 합금으로 만들어 여기에 고압으로 수소를 흡장시켜 수소를 저장하는 방법이다. 보통 50에서 100기압 정도의 고압까지 수소를 최대한 흡장시키는 방법으로 수소저장량이 많은 합금 개발이 주요 관심사였다. 그러나 수소저장합금은 수소저장량이 매우 적은 데다 합금 자체의 무게 때문에 자동차에 탑재하기에는 에너지 효율 면에서 불합리하다는 결론이 모아졌다.

수소저장합금의 단점을 보완할 수 있는 소재개발에 관심이 모아지면서 최근에는 탄소나노튜브를 적용하기 시작하는 경향이다. 탄소나노튜브는 물질이 매우 가벼우면서 수소저장 능력이 비교적 높게 나타나는 것으로 알려져 있다. 소재개발은 탄소나노튜브에 국한되지 않고 다양하게 연구되어 오다가 최근에는 얼음에 수소를 저장시켜 상당히 높은 저장효율을 얻은 결과가 발표되기도 하였다. 이렇듯 수소에너지의 활용은 궁극적으로 수소저장 효율이 가장 높은 소재 개발이 문제 해결의 열쇠라고 볼 수 있다.

수소저장물질 개발 못지 않게 시급히 개발되어야 할 중요한 기술분야는 고압에서도 수소저장량을 정확하게 측정할 수 있는 고압 수소 저장량 측정장치 개발이다. 서두에서 언급하였듯이 수소는 폭발성이 매우 큰 물질이므로 고압에서는 더욱 위험하다. 때문에 100기압이 넘는 고압에서도 안전하면서 정확하게 저장량을 측정할 수 있는 기술이 필요하다. 또 수소는 고압에서는 일반 소재의 조직에 흡장하는 특성이 있기 때문에 이를 방지하는 재질을 선정하여 측정기기의 재료로 사용하여야 하는 어려움이 있다.

결국 수소저장을 위한 신물질의 평가는 고압으로 수소를 가하여 흡장시켰을 때 흡장되는 수소의 양으로 판가름나므로 고압에서 수소의 저장량을 정확하게 측정할 수 있는 측정장치의 중요성은 신물질 개발 못지 않게 매우 크다고 할 수 있다. 그러나 수소나 천연가스 등 연료 기체를 고압까지 가압하여 기체의 저장량을 측정하는 장치 개발에 대한 연구는 미미하여 아직도 많은 오차요인을 안고 있는 측정장치를 가지고 평가하고 있는 실정이다. 이 측정장치는 주로 실험실에서 직접 제작하거나 외주로 비전문가에 의해 제작되고 있으며, 표준화된 기기 구성요소나 측정 방법 등이 마련되어 있지 않아 측정값의 오차가 매우 큰 편이다. 따라서 수소를 대체에너지로 활용하기 위해서는 수소저장물질 개발과 더불어 고압에서도 재현성이 있으면서 정확하고 신뢰성이 높은 고압 기체 저장량 측정장치가 필요하다.

현재 고압 조건에서 수소, 메탄 등 연료 기체의 저장량을 측정하는 장치는 정확성 면에서 몇 가지 큰 문제점을 안고 있어 이러한 문제를 해결하여야 한다. 첫째, 시스템 부피에서 시료가 차지하는 부피를 고려하지 않고 있다는 점이다. 부피식 흡착방법을 이용하는 수소저장량 측정방법은 이상기체법칙이나 van der Waals 기체상태방정식을 이용하여 저장량을 계산하므로 정확한 시스템 부피 측정이 매우 중요하다. 시스템의 부피가 잘못 측정되면 오차 부피에 해당하는 수소의 양이 흡착된 것으로 계산되기 때문이다. 그러나 기존 장치는 시스템의 부피만을 측정할 뿐 시료를 충전하였을 때 시료의 부피는 고려하고 있지 않아 시료부피만큼 오차 요인을 안고 있다.

수소저장합금은 비중이 커서 시료의 부피가 적은 편이므로 그 오차가 그래도 적은 편이나 탄소나노튜브 같은 소재는 단위질량당 부피가 매우 커서 상당한 부피 를 차지한다. 이는 전체 시스템 부피의 5% 이상 차지하는 경우도 있으므로 시료의 부피를 정확하게 측정하여 이를 계산에 고려하여야만 정확한 수소저장량을 측정할 수 있다.

본 고안에서는 시료의 부피를 정확하게 측정하기 위해 불활성기체인 헬륨을 시스템에 유입하여 순수한 시료만의 부피를 측정할 수 있도록 구성하여 이러한 문제를 해결하였다.

기존 장치는 낮은 압력범위인 초기 흡착량 측정이 부정확하다. 수소저장량 측정은 10^-7 Torr 정도 고진공에서 100기압 이상 압력을 서서히 가하면서 흡착량을 측정한다. 때문에 진공범위를 정밀하게 측정할 수 있는 압력센서를 사용하여 초기 흡장량을 정확히 측정하여야 한다. 그러나 기존 장치는 압력센서가 고압범위를 측정하는 센서만 장착되어 진공범위에서 압력변화를 정확히 측정하지 못한다. 따라서 측정된 초기흡착량도 매우 부정확할 수밖에 없다. 이러한 장치로 측정한 결과는 첫 측정점에서 측정된 흡착량이 전체 흡착량의 10% 이상이 되는 것으로 결과가 얻어지는 경우도 있다. 이는 초기 측정값에 오차요인이 포함되므로 신뢰성이 매우 낮은 결과이다. 본 고안에서는 압력 측정범위에서 압력 변화를 보다 정확하게 측정하기 위해 진공범위, 상압범위, 고압범위로 나누어 각 범위를 정확하게 측정할 수 있는 여러 개의 압력센서를 각각 시스템에 설치하여 정밀한 압력값을 측정할 수 있도록 하였다.

수소 흡착량은 매우 적은 데 비해 상대적으로 시스템의 부피가 너무 크면 수 소 흡착에 의한 압력변화를 정확하게 측정하기가 힘들다. 수소가 흡착하는 공간 부피는 압력 변화가 적절하게 측정될 수 있는 부피이어야만 정확한 측정결과를 얻을 수 있다. 따라서 본 고안에서 제공하는 고압 기체 저장량 측정장치는 시스템부피를 시료관의 부피와 2:1 가량으로 조절하여 제작하며 필요에 따라서는 고압 영역에서 2차 완충실린더를 시스템부피로 포함시킬 수 있도록 설계하여 시스템부피를 늘일 수 있도록 하였다.

측정 시료에 대해 기체 저장량을 정확하게 측정하기 위해서는 시료가 함유하고 있는 수분이나 다른 유기물의 질량을 고려하여 순수 시료의 무게를 저장량 계산에 적용하여야 한다. 수소 저장량은 시료의 단위 질량당 수소 흡장량으로 나타내기 때문에 시료의 정확한 무게를 측정하는 것도 매우 중요하다. 일반적으로 수소를 흡착시키기 전에 시료를 고온에서 전처리하여 시료에 흡착되어 있던 수분이나 다른 유기물 등을 제거한 후 수소를 흡착시키기 시작한다. 그러나 시료의 무게를 측정하는 과정은 전처리하기 전 공기 중에서 무게를 측정하기 때문에 여기에는 흡착된 수분의 무게가 포함되어 있으므로 실제 수소를 흡착시킬 때의 무게와는 다르다. 합금류는 이러한 차이가 크지 않지만 탄소나노튜브 등은 수분함량이 상당히 많기 때문에 시료의 수분 함량을 정확히 측정하여 이를 계산에 산입시켜야 한다.

본 고안에서 제공하는 고압 기체 저장량 측정장치는 크게 밸브시스템(valve system), 히터와 시료도입부, 제어부, 그리고 운영소프트웨어를 실행시키고 결과를 받아 보여주는 전산부로 나눌 수 있다. 그 중에서 핵심을 이루는 부분은 밸브시스템부로 도 1에 제시한 바와 같다. 밸브시스템은 측정 가스 유입구와 시료의 부피 측정을 위한 헬륨가스 유입구가 외부로부터 연결되어 있다.

수소가스는 가스통에 충전할 때 보통 120기압 이상 충전하여 공급된다. 수소흡착 실험을 하기위해서는 고압 수소가스통에서 수소가스를 100기압 정도까지 도입하여 사용하여야하므로 실험하는 동안 수소가스통 밸브를 열어놓아야 한다. 이 경우 수소는 엄청난 폭발력을 가지고 있기 때문에 예기치 못할 대형 사고가 일어날 수 있으므로 수소가스통의 밸브를 항상 열어놓고 실험하는 것은 매우 위험한 일이다.

본 고안에서는 밸브 시스템에 2개 이상의 완충실린더(buffer cylinder)를 사용하여 이러한 안전사고의 위험을 제거한다. 실험을 시작하기 전에 먼저 도 1의 1차 완충실린더(14)에 수소가스를 100기압 이상 채운다. 9번 밸브를 열고 닫은 후 8번 밸브를 열고 닫아 측정에 필요한 만큼 기체를 2차 완충실린더(15)에 채운다. 측정에 필요한 기체의 양을 7번 밸브와 6번 밸브를 개폐하여 시스템 내부로 유입한다.

2차 완충 실린더는 시스템 부피(도 3)로 포함될 수 있도록 설계되었으며 측정 범위가 낮은 압력범위일 경우에는 시스템의 부피를 가급적 적게하기 위하여 시스템 부피에 포함되지 않도록 구성한다.

압력변화를 측정하는 압력센서는 10^-9 ∼ 760 Torr 범위를 정밀하게 측정할 수 있는 진공용 압력센서(P1), 0∼10 atm을 측정할 수 있는 압력센서(P2), 그리고 0부터 200기압 이상을 측정할 수 있는 압력센서(P3)로 구성한다. 시스템의 압력이 압력센서의 측정허용범위를 초과할 경우에는 압력센서가 고장이 날 수 있으므로 각각의 압력센서 측정허용범위를 넘을 때는 압력센서 앞의 밸브(3번, 4법 밸브)가 자동으로 닫히도록 하여 압력센서의 파손을 방지한다.

밸브는 진공에서부터 고압까지 새지않고 견딜 수 있어야 하고 수소가 밸브 소재의 조직 속으로 흡장하지 않아야 한다. 따라서 본 고안에 사용하는 밸브는 10^-9 Torr부터 200 기압 압력 범위에서도 기체가 새지않고 견딜 수 있는 기체 유압식 고성능 밸브를 사용한다. 밸브의 재질도 수소의 흡장이 일어나지 않도록 내부가 코팅이 되어있는 스테인레스 재질로 제작된 밸브를 사용한다. 기체 유압식 밸브는 솔레노이드 밸브의 작동에 의해 공급되거나 차단되는 기체에 의해 제어된다. 본 고안에서는 솔레노이드 밸브에 릴레이를 연결하고 디지털/아날로그 전화기를 통하여 컴퓨터에서 솔레노이드 밸브의 개페를 제어하여 궁극적으로는 기체 유압식 밸브를 컴퓨터 프로그램에 의해 제어할 수 있도록 구성하였다.

헬륨가스(18)는 시료에 수소를 흡착시키기 전에 시료의 부피를 측정하기 위하여 도입한다. 헬륨은 물질과 반응하지 않는 불활성 기체이므로 시료에 흡착하지않고 비어있는 공간에만 채워지기 때문에 시료를 제외한 공간의 압력을 측정할 수 있다. 따라서 시료가 충전되지 않고 비어있는 시스템 내부에 헬륨을 충전하여 압력을 측정한 후 시료를 시료관에 충전시킨 후 헬륨을 흘려보내 압력을 측정하면 시료 가 차지하는 부피만큼의 압력 변화값을 구할 수 있다. 이상기체법칙을 이용하여 압력값을 부피로 계산하면 시료의 부피를 제외한 시료관의 부피를 구할 수 있다.

기체의 온도변화에 대해 압력이 민감하게 변화하므로 밸브시스템 내부의 온도는 위치와 시간의 변화에 관계없이 항상 일정하여야 한다. 본 고안에서는 밸브 시스템부를 단열시키고 내부에 가열용 히터와 냉각용 펜을 설치하였다. PID 온도제어기를 통해 시스템 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 하여 온도변화에 의한 압력변화가 일어나지 않도록 하여 측정결과의 정확성을 높였다.

고체 물질의 수소저장량은 동일한 실험 조건에서 측정한 절대값으로 물질의 수소저장량을 평가하므로 이를 측정하는 기기와 측정방법은 정확하여야 하며 재현성도 높아야 한다. 본 고안에서 제공한 측정기기를 사용하면 많은 오차 요인을 제거할 수 있어 정확한 측정값을 얻을 수 있다.

본 고안에서 제시한 측정기기를 사용하여 연료 기체의 저장량을 측정하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 시료의 부피를 측정하여 이를 흡착량 계산에 고려하므로 정확한 흡착량을 구할 수 있다. 둘째, 진공에서 고압까지 압력범위를 나누어 각 압력범위별로 정밀도가 높은 압력센서를 여러 개 사용하므로 압력 변화를 보다 정확하게 측정할 수 있어 결과의 정확도가 높다. 셋째, 측정압력 범위에 따라 측정기체 주입량을 달리하여 측정결과의 조밀도를 조절할 수 있다.

본 고안에서 제시한 고압 기체 저장량 측정장치는 진공에서부터 고압에서도 기체가 새지않는 기체 유압식 밸브를 사용하여 실험의 정확도를 높이고, 고압에서 수의 흡장이 일어나지 않는 재질을 관이나 밸브에 적용하여 수소가 기기 재질에 흡장하여 발생하는 측정오차를 줄이는 효과가 있으며, 2개 이상 완충실린더를 사용하여 완충실린더에 소량 충전한 후 가스통을 잠그고 실험할 수 있으므로 고압가스통을 열어놓고 실험하다가 발생할 수 있는 폭발 등 안전사고를 예방하는 효과가 있다.

이와 같은 정밀 측정기법과 장치를 사용하여 궁극적으로 고체물질의 기체 흡착량을 진공에서부터 고압 영역까지 정확하게 측정할 수 있는 기법을 제공하여 에너지 응용 기술분야의 발전에 기여할 수 있다

Claims (3)

1. 고압 기체 흡착장치의 밸브시스템(도 1)에서 비어있는 시료관의 부피와 시스템 부피(21)를 측정한 후 시료관에 시료를 넣고 헬륨 기체를 도입하여 압력 변화 차이로부터 시료의 부피(24)와 시료를 제외한 시료관의 부피(23)를 측정한 후 측정기체의 흡착량을 측정할 수 있도록 구성된 고압 기체 저장량 측정장치
2. 고압 가스통으로부터 일정량의 기체를 충전하기 위한 1차 완충실린더(14)와 이 완충실린더로부터 측정에 필요한 압력만큼 기체를 유입받아 채우기 위해 사용하는 2차 완충실린더(15) 등 2개 이상의 실린더와, 고진공상태나 고압 조건에서도 기체가 새지 않고 기체의 흐름을 개폐하는 스테인레스 재질의 기체 유압식 밸브와, 수소가스의 흡장을 막기 위해 스테인레스 재질로 만들어진 관과, 10^-9 Torr부터 200기압까지 흡장에 의한 기체의 압력변화를 정확히 측정하기 위해 0에서 200기압 범위에서 압력측정범위별로 압력센서를 2개 이상 사용하는 것을 특징으로 하는 고압 기체 저장량 측정장치
3. 제 2항에서 기체 유압식 밸브는 솔레노이드 밸브로 제어되며 솔레노이드밸브 는 릴레이를 통해 디지털/아날로그 전환기를 거쳐 컴퓨터에 의해 제어되도록 구성된 고압 기체 저장량 측정장치

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