KR101939983B1 - 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 관한 것으로서, 연료 저장용기의 내부에 마련되는 극저온 유체 저장용기에 극저온 유체를 저장하여 연료를 낮은 온도와 높은 밀도로 저장할 수 있으며, 연료에 열침입이 발생하는 경우에도 극저온 유체를 기화시켜 배출함으로써 연료의 온도 상승을 효과적으로 억제하고 연료를 장기간 보관할 수 있다.

Description

극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크{Fuel Storage Tank For Vehicle Using Cryogenic Liquid}
본 발명은 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화천연가스나 압축수소가스를 극저온 상태로 저장하여 차량 연료로 사용할 수 있도록 하기 위한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 관한 것이다.
차량의 배기가스는 환경 오염과 지구 온난화의 주범이다. 차량의 배기가스로 인한 문제를 해소하고자 친환경적인 연료를 사용하는 차량의 보급이 활발히 이루어지고 있다.
천연가스(Natural Gas)를 이용하는 차량은 종래의 휘발유나 경유 차량에 비하여 오염물질을 적게 배출하며, 수소가스(H2 Gas)를 에너지원으로 이용하는 수소연료전지 차량은 오염물질을 전혀 배출하지 않을 뿐만 아니라 오히려 대기오염물질을 정화하는 공기청정기 역할을 한다.
최근 천연가스나 수소연료전지를 이용하는 차량의 수요가 증가됨에 따라, 천연가스 차량의 연료인 천연가스와 수소연료전지 차량의 연료인 수소가스를 저장하기 위한 연료저장탱크에 관한 기술이 활발하게 개발되고 있다.
일반적으로 천연가스와 수소가스는 상온에서 기체 상태로 존재하므로, 차량에서 이를 이용하기 위해서는 높은 압력으로 압축하거나 액화시켜 연료저장탱크에 저장해야 한다. 천연가스의 경우 200~300bar의 압력으로 연료저장탱크에 저장되며, 수소가스는 그보다 더 높은 압력인 350~700bar의 압력으로 연료저장탱크에 저장된다.
천연가스나 수소가스와 같은 연료는 상온에서 부피가 매우 크므로, 이를 압축하여 저장하기 위해서는 매우 높은 압력이 필요하다. 연료를 높은 압력으로 저장하기 위해서는 연료저장탱크의 두께가 두꺼워지게 되며, 이로 인하여 전체적인 무게가 증가하게 된다. 아울러 고압으로 연료를 저장하면 연료저장탱크 내부의 높은 압력으로 인하여 안전성이 크게 저하된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 연료를 극저온으로 냉각하여 종래보다 낮은 압력으로 연료저장탱크에 저장하는 기술이 제안된 바 있다. 연료를 극저온으로 냉각하면 연료의 부피를 크게 줄일 수 있으며, 연료를 낮은 압력과 높은 저장밀도로 저장할 수 있다. 그러나 이와 같은 극저온 연료저장탱크는 외부에서 침입하는 열에너지에 의하여 연료에서 증발가스(BOG, Boil Off Gas)가 형성되어 연료저장탱크 내부의 압력이 점점 증가하게 된다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 증발가스를 수시로 배출하여 연료저장탱크 내부의 압력과 온도를 낮추는 방법이 널리 사용되나, 이와 같은 방법을 이용하면 연료를 불필요하게 소모하게 되므로 바람직하지 않다.
상기와 같이 차량용 연료저장탱크는, 차량에 탑재되어 연료를 저장하고 장기간 연료를 공급하여야 한다는 특성으로 인하여, 보다 많은 연료를 저장할 수 있으면서도 차량에 쉽게 탑재되고 차량의 연비 효율을 높이기 위하여 경량화 및 소형화가 필요하며 안전성을 갖추어야 한다는 요구가 있지만, 현재까지는 연료저장탱크의 재질을 변경하는 수준에 그치고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0032186호 "연료 전지 차량용 수소저장탱크 및 그 제조방법" (2013. 4. 1. 공개)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 별도의 냉각장치를 이용하지 않고 연료저장탱크 내부의 연료를 낮은 온도로 유지할 수 있도록 하여, 연료의 증발가스를 최소화하고 연료의 수요에 따라서 연료를 원활하게 공급할 수 있도록 하는 종래보다 개선된 연료 저장 및 공급이 가능한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크를 제시하고자 한다.
특히, 연료를 저장하는 연료 저장용기의 내부에 연료보다 저렴한 극저온 유체를 함께 저장하여, 극저온 유체의 배출을 제어함으로써 연료를 높은 밀도로 안전하게 저장할 수 있도록 하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 연료를 저장하기 위한 연료 저장용기 ; 상기 연료 저장용기의 외부를 감싸는 단열수단 ; 극저온 유체를 액체 상태로 저장하기 위하여 상기 연료 저장용기의 내부에 마련되는 극저온 유체 저장용기 ; 상기 극저온 유체 저장용기에 연결된 일단으로부터 상기 연료 저장용기의 외부로 연장되어 극저온 유체 출입로를 형성하는 내부 연장관, 상기 연료 저장용기의 외부에 마련되되 일단이 상기 연료 저장용기에 연결되며 내부를 따라 상기 내부 연장관이 배치되어 상기 내부 연장관과의 사이에 연료 출입로를 형성하는 외부 연장관, 일단이 상기 내부 연장관과 연결되어 상기 극저온 유체 출입로와 연통되며 타단이 상기 외부 연장관의 주면을 관통하여 상기 외부 연장관의 외부에 배치되는 극저온 유체 충전구, 일단이 상기 내부 연장관과 연결되어 상기 극저온 유체 출입로와 연통되며 타단이 상기 외부 연장관의 주면을 관통하여 상기 외부 연장관의 외부에 배치되는 극저온 유체 배출구, 일단이 상기 외부 연장관과 연결되어 상기 연료 출입로와 연통되는 연료 충전구, 일단이 상기 외부 연장관과 연결되어 상기 연료 출입로와 연통되는 연료 배출구, 상기 외부 연장관과 상기 연료 충전구와 상기 연료 배출구와 상기 극저온 유체 충전구와 상기 극저온 유체 배출구를 감싸는 단열박스를 포함하여 이루어지는 다목적 포트 ; 상기 극저온 유체 배출구와 연결되는 극저온 유체 배출용 배관 ; 상기 연료 저장용기에 저장된 연료의 상태 또는 상기 극저온 유체 저장용기에 저장된 극저온 유체의 상태를 측정하기 위한 상태 측정수단 ; 상기 극저온 유체 배출용 배관에 마련되어 상기 상태 측정수단에서 측정된 상태에 따라 상기 극저온 유체 배출용 배관을 개폐하는 극저온 유체 배출용 개폐밸브 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 상태 측정수단은 상기 다목적 포트를 통하여 상기 연료 저장용기에 저장된 연료의 온도 또는 압력을 측정하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 연료 저장용기에 저장된 연료를 가열하기 위한 연료 히터유닛이 마련되며, 상기 연료 히터유닛은 상기 상태 측정수단에서 측정된 상태에 따라 그 작동이 제어되는 것이 바람직하다.
상기와 같이 본 발명에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크는, 연료 저장용기의 내부에 마련되는 극저온 유체 저장용기에 극저온 유체를 저장하여 연료를 낮은 온도와 높은 밀도로 저장할 수 있으며, 연료에 열침입이 발생하는 경우에도 극저온 유체를 기화시켜 배출함으로써 연료의 온도 상승을 효과적으로 억제하고 연료를 장기간 보관할 수 있다.
특히, 상대적으로 저렴한 극저온 유체를 기화시켜 배출하여 연료를 극저온 상태로 유지하므로 연료를 낭비하지 않고도 연료를 안전하게 저장할 수 있다.
또한 연료의 수요에 따라 극저온 유체의 배출량을 조절하면 연료의 공급량을 손쉽게 조절할 수 있다.
이와 같은 본 발명은, 연료를 낮은 온도로 저장할 수 있어, 용기의 두께를 줄일 수 있어 전체적인 무게가 줄고 연료의 밀도가 높아져 용기의 크기를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 액화천연가스가 저장된 상태를 도시한 개념도,
도 2는 도 1의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크의 다목적 포트의 개념 평면도,
도 3은 본 발명의 제2실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 압축수소가스가 저장된 상태를 도시한 개념도,
도 4는 도 3의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크의 다목적 포트의 개념 평면도,
도 5는 압축수소가스의 온도별 압력에 따른 저장밀도를 도시한 그래프.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시례에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 액화천연가스가 저장된 상태를 도시한 개념도이며, 도 2는 도 1의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크의 다목적 포트의 개념 단면도이다.
본 실시례의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크는 연료 저장용기(100)에 액화천연가스를 저장하고 극저온 유체 저장용기(200)에 극저온 유체인 액체질소를 저장하여, 액화천연가스를 극저온 상태로 유지하면서 수요에 맞추어 액화천연가스를 기화시켜 공급할 수 있도록 한다.
우선 연료 저장용기(100)에 대하여 설명한다. 연료 저장용기(100)는 연료인 액화천연가스를 극저온의 상태로 저장하기 위한 것이다. 연료 저장용기(100)의 외부는 단열수단(110)에 의하여 감싸여진다.
단열수단(110)은 다층박막단열재(multi-layer insulation), 에어로젤(aerogel), 알루미늄과 유리섬유 재질의 이중 단열재, 또는 별도의 외부탱크에 의하여 형성되는 진공 분위기 등 공지의 수단이 채택될 수 있다.
극저온 유체 저장용기(200)는 연료 저장용기(100)의 내부에 극저온 유체를 액체 상태로 저장하기 위한 것이다. 본 실시례의 극저온 유체 저장용기(200)에는 극저온 유체로서 액체질소가 저장된다. 극저온 유체 저장용기(200)에 저장된 극저온 유체는 액체 상태에서 기체 상태로 기화되면서 주변의 열을 흡수하게 된다. 극저온 유체는 연료보다 저렴하면서 쉽게 액화될 수 있다면 그 종류를 불문한다.
극저온 유체 저장용기(200)의 크기는 연료 저장용기(100)에 저장된 연료에서 발생되는 증발가스의 양과 연료의 저장 기간에 따라서 선택될 수 있다. 예를 들어 증발가스의 일일 발생량이 3%이고 연료의 저장기간이 3일이라면, 연료 저장용기(100)의 9%에 대응되는 용적을 갖도록 제작된다. 만일 극저온 유체 저장용기가 연료 저장용기의 외부에서 연료 저장용기를 감싸는 형태로 설치한다면 극저온 유체 저장용기의 표면적이 넓게 되고 이로 인하여 그 중량이 커져 차량의 연비 효율이 낮아지게 된다는 문제가 발생한다.
상기와 같은 이유로 본 극저온 유체 저장용기(200)는 연료 저장용기(100)의 내부에 배치된다. 이와 같은 배치는 극저온 유체 저장용기(200)를 매우 효율적으로 제작할 수 있으며 극저온 유체 저장용기(200)를 소형화시킬 수 있어 전체적인 중량을 크게 감소시킬 수 있다.
극저온 유체 저장용기(200)는 연료 저장용기(100)의 내부에 저장되는 연료에 잠기도록 마련된다. 따라서 극저온 유체 저장용기(200)에 저장되는 극저온 유체는 연료 저장용기(100)에 저장되는 연료와만 열교환이 이루어지며, 극저온 유체의 냉열은 연료 저장용기(100)의 외부로 유출되지 않는다.
이와 같은 연료 저장용기(100)의 외부 표면에 다목적 포트(400)가 마련된다.
다목적 포트(400)는 내부 연장관(420) 및 외부 연장관(410)을 포함하여 이루어진다.
내부 연장관(420)은 극저온 유체 저장용기(200)에 연결된 일단으로부터 연료 저장용기(100)의 외부로 연장되어 그 내부에 극저온 유체 출입로(420a)를 형성한다.
외부 연장관(410)은 상기 연료 저장용기(200)의 외부에 마련되되 일단이 연료 저장용기(200)에 연결되며 내부를 따라 내부 연장관(420)이 배치되어 내부 연장관(420)과의 사이에 연료 출입로(410a)를 형성한다.
외부 연장관(410)에는 연료 충전구(411) 및 연료 배출구(412)가 각각 연결된다.
연료 충전구(411)는 일단이 외부 연장관(410)과 연결되어 연료 출입로(410a)와 연통된다. 연료 충전구(411)를 통하여 연료가 연료 저장용기(200)의 내부에 충전 및 저장될 수 있다.
연료 배출구(412) 또한 일단이 외부 연장관(410)과 연결되어 연료 출입로(410a)와 연통된다.
내부 연장관(420)에는 극저온 유체 충전구(421) 및 극저온 유체 배출구(422)가 각각 연결된다.
극저온 유체 충전구(421)은, 일단이 내부 연장관(420)과 연결되어 극저온 유체 출입로(420a)와 연통되며, 타단이 외부 연장관(410)의 주면을 관통하여 외부 연장관(410)의 외부에 배치된다. 극저온 유체 충전구(421)를 통하여 극저온 유체가 극저온 유체 저장용기(200)의 내부에 충전 및 저장될 수 있다.
극저온 유체 배출구(422)는, 내부 연장관(420)과 연결되어 극저온 유체 출입로(420a)와 연통되며, 타단이 외부 연장관(410)의 주면을 관통하여 외부 연장관(410)의 외부에 배치된다.
단열 박스(430)는 다목적 포트(400)를 통한 열출입을 차단하기 위하여 마련되는 것으로, 외부 연장관(410)과 연료 충전구(411)와 연료 배출구(412)와 극저온 유체 충전구(421)와 극저온 유체 배출구(422)를 감싸게 된다.
단열박스(430)는 내부에 단열재가 충전되어 있거나 진공 분위기가 형성되어 있는 상자 형태이다. 단열박스(430)는 연료 및 극저온 유체의 출입시 적상이 발생하는 것을 방지하고, 다목적 포트(400)를 통한 열출입을 억제하여 열손실을 방지할 수 있도록 한다.
다목적 포트(400)는 극저온 유체의 충전 및 배출 그리고 연료의 충전 및 배출이 한 곳에서 이루어질 수 있도록 하고, 각종 측정장치 등을 다목적 포트(400)에 장착할 수 있도록 함으로써 사용상의 편의성을 높이고 열출입이 이루어지는 부위를 최소화할 수 있도록 한다.
다목적 포트(400)의 연료 배출구(412)에 연료 배출용 배관(510)이 연결되고, 연료 배출용 배관(510)에 연료 안전밸브(511) 및 연료 압력 조절기(512)가 각각 마련된다.
연료 안전밸브(511)는 연료 저장용기(100) 내부의 압력이 허용치에 도달할 경우 연료의 증발가스를 대기중으로 배출하여 연료 저장용기(100)의 압력을 낮추기 위한 것이다.
연료 압력 조절기(512)는 연료 출구와 연결되는 것으로, 연료를 차량에 공급할 때 연료의 압력을 차량에 필요한 균일한 압력으로 조절하기 위한 것이다. 연료의 압력을 조절하기 위한 연료 압력 조절기(512)는 종래의 연료저장탱크에도 널리 사용되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
다목적 포트(400)의 극저온 유체 배출구(422)에 극저온 유체 배출용 배관(520)이 연결되고, 극저온 유체 배출용 배관(520)에 극저온 유체 안전밸브(521) 및 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)가 각각 마련된다.
극저온 유체 안전밸브(521)는 극저온 유체 저장용기(200) 내부의 압력이 허용치에 도달할 경우 극저온 유체를 대기중으로 배출하여 극저온 유체 저장용기(200)의 압력을 낮추기 위한 것이다.
극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)는 극저온 유체 배출용 배관(520)을 통한 극저온 유체의 배출을 개폐하기 위한 것이다. 본 실시예에서 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)는 제어반(600)에 의하여 제어되는 솔레노이드 밸브이다.
극저온 유체 배출용 배관(520)을 통하여 극저온 유체가 대기중으로 배출되면 극저온 유체 저장용기(200)에 저장된 극저온 유체가 기화되면서 극저온 유체의 온도와 압력이 낮아진다. 따라서 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 개폐하여 극저온 유체의 배출량을 조절하면 극저온 유체의 온도와 압력을 제어할 수 있다.
극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)의 개폐를 제어하기 위하여 본 발명은, 기 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 상태 또는 극저온 유체 저장용기(200)에 저장된 극저온 유체의 상태를 측정하기 위한 상태 측정수단이 마련되며, 상태 측정수단에서 측정된 상태에 따라 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)의 개폐가 제어된다.
다목적 포트(400)를 통하여 연료 레벨 측정부(532), 연료 온도 측정부(533,534) 및 연료 압력 측정부(535)가 마련되어 연료 저장용기(100)의 상태를 측정할 수 있다.
아울러 다목적 포트(400)를 통하여 연료 히터유닛(531)이 마련되어 연료 저장용기(100) 내부의 연료를 가열할 수 있다.
또한 다목적 포트(400)를 통하여 극저온 유체 온도 측정부(541) 및 극저온 유체 압력 측정부(542)가 마련되어 극저온 유체 저장용기(200)의 상태를 측정할 수 있다.
연료 히터유닛(531)은 연료 저장용기(100)의 내부에 저장된 연료를 가열하기 위한 것이다. 연료를 가열하면 연료의 기화량이 증가하여 연료의 공급량을 늘릴 수 있다. 즉, 연료의 수요가 증가하면 연료 히터유닛(531)을 가동하여 연료의 공급량을 조절할 수 있다.
연료 레벨 측정부(532)는 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 양을 측정하기 위한 것이다. 연료 레벨 측정부(532)를 이용하여 연료의 양을 측정하여 기준치 이하가 되면 사용자에게 연료를 충전하도록 알린다. 연료 레벨 측정부(532)는 종래의 연료저장탱크에도 널리 사용되는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 실시례에서 상태 측정수단으로, 연료의 온도를 측정하기 위한 연료 온도 측정부(533,534)가 마련된다.
연료 연료 온도 측정부(533,534)는 연료의 온도를 측정하여 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)의 개폐를 제어하기 위한 제1연료 온도 측정부(533)와, 연료의 온도를 측정하여 연료 히터유닛(531)을 작동시키기 위한 제2연료 온도 측정부(534)로 구분된다.
연료 압력 측정부(535)는 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 압력을 측정하기 위한 것이다.
극저온 유체 온도 측정부(541)는 극저온 유체의 온도를 측정하기 위한 것이다.
극저온 유체 압력 측정부(542)는 극저온 유체의 압력을 측정하기 위한 것이다.
각종 측정부에서 측정된 상태에 따라 각종 장치를 제어하여 연료의 공급량을 조절하고 연료의 증발가스 발생을 억제하여 연료를 안전하게 저장할 수 있도록 제어하는 제어반(600)이 마련된다.
제어반(600)은 연료의 공급량을 조절하기 위하여 제1,2연료 온도 측정부(533.534) 및 극저온 유체 온도 측정부(541)에서 측정된 연료 및 극저온 유체의 온도를 이용하여 연료 히터유닛(531) 및 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 제어한다.
더욱 구체적으로는 연료의 수요가 증가하면 제2연료 온도 측정부(534)에서 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 온도를 측정하여 측정된 값에 따라서 연료 히터유닛(531)을 가동하여 연료에 열에너지를 공급하며, 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 닫도록 제어하여 극저온 유체 배출용 배관(520)을 통하여 극저온 유체가 배출되는 것을 차단한다.
극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 닫은 상태에서 연료 히터유닛(531)을 가동하여 연료에 열에너지를 공급하면 연료의 기화량이 증가하며 연료의 공급량을 늘릴 수 있게 된다.
이와는 반대로 연료의 수요가 없으면 제1연료 온도 측정부(533)에서 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 온도를 측정하여 측정된 값에 따라서 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 열어 극저온 유체 배출용 배관(520)을 통하여 극저온 유체가 배출되도록 한다. 그리고 연료 히터유닛(531)의 가동을 중단하여 연료에 더이상 열에너지가 공급되지 않도록 한다.
극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 열어 극저온 유체가 배출되도록 하면, 극저온 유체 저장용기(200)에 저장된 극저온 유체가 기화되면서 그 온도가 낮아지며 이에 의하여 연료 저장용기(100)에 저장된 연료의 기화를 억제할 수 있게 된다.
연료를 안전하기 저장하기 위해서는 연료 저장용기(100) 및 극저온 유체 저장용기(200) 내부의 압력을 조절하여야 한다.
제어반(600)은 연료 압력 측정부(535)를 통하여 연료의 압력을 측정하고, 연료 저장용기(100)에 이상 압력이 감지되면 이를 인디케이터(720)에 표시하고 알람(710)을 통하여 사용자에게 경고한다. 알람(710)은 연료 안전밸브(511) 작동 압력의 90~95%에서 울리게 된다.
제어반(600)은 극저온 유체 압력 측정부(542)를 통하여 극저온 유체의 압력을 측정하고, 극저온 유체 저장용기(200)에 이상 압력이 감지되면 이를 인디케이터(720)에 표시하고 알람(710)을 통하여 사용자에게 경고한다. 알람(710)은 극저온 유체 안전밸브(521) 작동 압력의 90~95%에서 작동된다.
한편, 인디케이터(720)와 알람(710)은 연료 및 극저온 유체의 온도와 압력을 시각적으로 보이고 이상 발생시 경고하기 위한 것이다. 인디케이터(720)와 알람(710)은 종래에 널리 사용되는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하여 액체질소를 이용하여 액화천연가스를 극저온 상태로 저장하고, 수요에 따라 액화천연가스를 기화시켜 공급하는 상태를 구체적으로 설명한다.
도면에서 확인할 수 있는 바와 같이 연료 저장용기(100)의 내부에는 액화천연가스(LNG)가 저장되고, 극저온 유체 저장용기(200)의 내부에는 액체질소(LN2)가 저장된다.
액화천연가스는 대기압 상태에서 -162℃의 온도에서 기화된다. 그리고 액체질소는 대기압 상태에서 -196℃의 온도에서 기화된다. 따라서 액체 상태로 극저온 유체 저장용기(200)에 저장되는 액체질소는 액화천연가스의 열에너지를 흡수하며 액화천연가스의 온도 상승 및 기화를 저지한다.
액체질소와 액화천연가스의 온도가 -162℃로 동일한 상태가 되면 외부에서 연료 저장용기(100)로 침입하는 열에너지에 의하여 액화천연가스의 온도가 점점 상승하게 된다. 액화천연가스의 온도가 -157℃가 되면 연료 저장용기(100) 내부의 압력이 1.448bar로 대기압보다 높아지며 기상의 천연가스를 수요처로 원활하게 공급할 수 있게 된다.
액화천연가스의 수요가 증가하면 제2연료 온도 측정부(534)에서 측정된 액화천연가스의 온도를 바탕으로 제어반(600)이 연료 히터유닛(531)을 제어하여 액화천연가스에 열에너지를 공급한다. 액화천연가스에 열에너지가 공급되면 액화천연가스의 기화량이 증가하여 공급량을 늘릴 수 있다. 액화천연가스를 수요처로 공급하는 동안에는 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)가 닫힌 상태로 유지된다.
이와는 반대로 액화천연가스의 수요가 줄어들거나 수요가 전혀 없으면 제어반(600)이 제1연료 온도 측정부(533)에서 측정된 액화천연가스의 온도를 바탕으로 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 제어하여 액체질소를 기화시켜 배출한다. 액체질소가 배출되어 액체질소의 온도가 낮아지면 액화천연가스의 기화를 억제할 수 있다. 물론 연료 히터유닛(531)은 제어반(600)에 의하여 그 작동이 중단된다.
액화천연가스를 수요처로 공급하면 연료 저장용기(100)에 저장된 액화천연가스의 온도와 압력이 점점 낮아지게 된다. 제2연료 온도 측정부(534)에서 측정된 액화천연가스의 온도가 -160℃에 도달하면 제어반(600)은 연료 히터유닛(531)을 가동하여 액화천연가스를 기화하기 위한 열에너지를 공급한다.
이와 같은 방식으로 액화천연가스와 액체질소가 약 5℃ 이상의 온도차를 유지할 수 있도록 하여 액화천연가스의 공급이 안정적으로 유지되도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 압축수소가스가 저장된 상태를 도시한 개념도이며, 도 4는 도 3의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크의 다목적 포트의 개념 평면도이며, 도 5는 압축수소가스의 온도별 압력에 따른 저장밀도를 도시한 그래프이다.
본 발명의 제2실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크에 대하여 설명한다. 본 실시례의 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크는, 연료 저장용기(100)에 압축수소가스를 저장하고 극저온 유체 저장용기(200)에 액체질소를 저장하여, 액체질소를 극저온 상태로 유지하고 수요에 맞추어 수소가스를 공급할 수 있도록 한다.
본 실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크는 제1실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크와 전체적인 구성이 유사하다.
다만, 본 실시예에서는 연료 저장용기(100)에 저장되는 압축수소가스는 기체 상태이므로, 제1실시예의 제2연료 온도 측정부(534), 연료 히터유닛(531), 연료 레벨 측정부(532)가 불필요하다.
극저온 유체 안전밸브(521), 연료 안전밸브(511), 연료 압력 조절기(512), 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)는 제1실시례와 동일하게 마련된다. 다만, 본 실시례의 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)는, 제1연료 온도 측정부(533)에서 측정된 연료의 온도가 아니라, 연료 압력 측정부(535)에서 측정된 연료의 압력에 따라서 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)가 개폐된다는 점에서 차이가 있다. 즉 본 실시예에서 상태 측정수단은 연료 압력 측정부(535)이다.
극저온 유체 온도 측정부(541), 극저온 유체 압력 측정부(542)는 극저온 유체의 온도 및 압력을 측정하여 이상 발생시 인디케이터(720)를 통하여 사용자에게 알리거나 알람(710)을 통하여 사용자에게 경고할 수 있도록 하는 극저온 유체 상태 측정수단이다.
제1연료 온도 측정부(533) 및 연료 압력 측정부(535)는 본 실시례에 의한 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크의 연료 상태 측정수단으로서, 연료의 온도 및 압력을 측정하여 인디케이터(720)를 통하여 사용자에게 알리거나, 이상 압력 발생시 알람(710)을 통하여 사용자에게 경고할 수 있도록 한다. 아울러 연료 압력 측정부(535)에서 측정된 연료의 압력에 따라 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)가 개폐된다.
도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 연료 저장용기(100)의 내부에는 압축수소가스(CGH2)가 저장되고, 극저온 유체 저장용기(200)의 내부에는 액체질소(LH2)가 저장된다.
압축수소가스는 극저온 유체 저장용기(200)에 저장되는 -196℃의 액체질소에 의하여 -196℃ 온도, 200bar의 압력으로 연료 저장용기(100)에 저장된다. 이때 압축수소가스의 저장밀도는 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 50㎏/㎥로서, 종래의 연료저장탱크에 저장되는 압축수소가스의 저장밀도(통상 약 700bar의 압력으로 저장할 때 약 40㎏/㎥)보다 높은 저장밀도로 저장되는 것을 확인할 수 있다.
제어반(600)은 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 제어하여 액체질소가 기화되어 배출되도록 하여 액체질소의 온도가 -196℃로 유지되도록 한다. 액체질소의 기화에 의하여, 열침입에 의한 압축수소가스의 온도 상승을 억제할 수 있으므로, 연료 저장용기(100)의 압력이 과도하게 증가하게 되는 것을 방지할 수 있다.
앞선 실시례에서는 압축수소가스가 -196℃의 온도에 200bar의 압력으로 저장되는 것을 예로 들었으나, 도 5와 같이, 실시례에 따라서 연료 저장용기(100)의 기준 압력을 300bar가 되도록 하여 60㎏/㎥의 저장밀도로 압축수소가스를 저장할 수도 있다.
이와 같은 압력으로 압축수소가스를 저장하는 경우에도 압축수소가스의 온도는 -196℃로 유지되므로, 더 이상 압축수소가스의 압력이 기준치를 넘어서지 않으며 안전하게 저장할 수 있다.
압축수소가스의 수요가 증가하면 연료 압력 측정부(535)에서 측정된 압축수소가스의 압력에 따라서 극저온 유체 배출용 개폐밸브(522)를 닫아 극저온 유체의 배출이 차단된다.
압축수소가스의 수요가 없으면 극저온 유체를 기화 및 배출시켜, 열침입으로 인한 연료 저장용기(100) 내부의 압력 증가를 상쇄한다. 그리고 압축수소가스의 수요가 증가하면 극저온 유체의 배출을 차단한다.
이와 같이 본 실시례의 챠량용 극저온 연료저장탱크를 이용하면, 상온에서 약 350~700bar의 압력으로 압축수소가스를 저장하는 종래의 기술보다 훨씬 높은 저장밀도로 안전하게 저장할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시례들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 연료 저장용기 110 : 단열수단
200 : 극저온 유체 저장용기
400 : 다목적 포트 410 : 외부 연장관
411 : 연료 충전구 412 : 연료 배출구
420 : 내부 연장관 421 : 극저온 유체 출입구
422 : 극저온 유체 배출구 430 : 단열박스
510 : 연료 배출용 배관 511 : 연료 안전밸브
512 : 연료 압력 조절기
520 : 극저온 유체 배출용 배관 521 : 극저온 유체 안전밸브
522 : 극저온 유체 배출량 조절밸브
531 : 연료 히터유닛 532 : 연료 레벨 측정부
533 : 제1연료 온도 측정부 534 : 제2연료 온도 측정부
535 : 연료 압력 측정부 541 : 극저온 유체 온도 측정부
543 : 극저온 유체 압력 측정부
600 : 제어반
710 : 알람 720 : 인디케이터

Claims (3)

  1. 연료를 저장하기 위한 연료 저장용기 ;
    상기 연료 저장용기의 외부를 감싸는 단열수단 ;
    극저온 유체를 액체 상태로 저장하기 위하여 상기 연료 저장용기의 내부에 마련되는 극저온 유체 저장용기 ;
    상기 극저온 유체 저장용기에 연결된 일단으로부터 상기 연료 저장용기의 외부로 연장되어 극저온 유체 출입로를 형성하는 내부 연장관, 상기 연료 저장용기의 외부에 마련되되 일단이 상기 연료 저장용기에 연결되며 내부를 따라 상기 내부 연장관이 배치되어 상기 내부 연장관과의 사이에 연료 출입로를 형성하는 외부 연장관, 일단이 상기 내부 연장관과 연결되어 상기 극저온 유체 출입로와 연통되며 타단이 상기 외부 연장관의 주면을 관통하여 상기 외부 연장관의 외부에 배치되는 극저온 유체 충전구, 일단이 상기 내부 연장관과 연결되어 상기 극저온 유체 출입로와 연통되며 타단이 상기 외부 연장관의 주면을 관통하여 상기 외부 연장관의 외부에 배치되는 극저온 유체 배출구, 일단이 상기 외부 연장관과 연결되어 상기 연료 출입로와 연통되는 연료 충전구, 일단이 상기 외부 연장관과 연결되어 상기 연료 출입로와 연통되는 연료 배출구, 상기 외부 연장관과 상기 연료 충전구와 상기 연료 배출구와 상기 극저온 유체 충전구와 상기 극저온 유체 배출구를 감싸는 단열박스를 포함하여 이루어지는 다목적 포트 ;
    상기 극저온 유체 배출구와 연결되는 극저온 유체 배출용 배관 ;
    상기 연료 저장용기에 저장된 연료의 상태 또는 상기 극저온 유체 저장용기에 저장된 극저온 유체의 상태를 측정하기 위한 상태 측정수단 ;
    상기 극저온 유체 배출용 배관에 마련되어 상기 상태 측정수단에서 측정된 상태에 따라 상기 극저온 유체 배출용 배관을 개폐하는 극저온 유체 배출용 개폐밸브 ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상태 측정수단은 상기 다목적 포트를 통하여 상기 연료 저장용기에 저장된 연료의 온도 또는 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 저장용기에 저장된 연료를 가열하기 위한 연료 히터유닛이 마련되며, 상기 연료 히터유닛은 상기 상태 측정수단에서 측정된 상태에 따라 그 작동이 제어되는 것을 특징으로 하는 극저온 유체를 이용한 차량용 연료저장탱크.
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