KR102302059B1 - 액화수소 저장용기에 충진되는 실시간 액화수소량 측정 장치 및 방법 - Google Patents

액화수소 저장용기에 충진되는 실시간 액화수소량 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 진공챔버 내에 배치되는 액화수소원으로부터 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
상기 액화수소량을 측정하는 장치는, 진공챔버 내의 액화수소 배관에 설치되어, 액화수소 저장용기에서 액화수소 배관을 통해 배출되는 액화수소의 유량을 측정하는 극저온 액체유량계; 상기 진공챔버의 외부에서 상기 액화수소 배관에 연결되는 극저온 밸브; 상기 극저온 밸브에 연결되는 진공단열배관; 상기 진공단열배관 및 외부 저장용기에 연결되는 연결구; 상기 연결구와 연결되는 기화기; 상기 기화기에서 배출되는 기체수소의 유량을 측정하는 외부 유량계; 를 포함하고, 상기 연결구는 상기 진공단열배관 및 상기 외부 저장용기의 유로와 연결되는 연결유로와, 상기 연결유로 외측에서 상기 외부 저장용기와 연결되어 상기 외부 저장용기에 액화수소를 충진하는 과정에서 기화되는 액화수소를 상기 기화기로 배출할 수 있는 배출유로를 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 진공챔버 내에 배치되는 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소를 외부 저장용기에 옮겨담는 과정에서 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Description

액화수소 저장용기에 충진되는 실시간 액화수소량 측정 장치 및 방법 {Apparatus and method for measuring the amount of liquid hydrogen filled in liquid hydrogen storage container in real time}
본 발명은 진공챔버 내에 배치되는 액화수소원으로부터 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 수소 에너지를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는데, 이를 위해서는 수소를 액화시켜 저장용기에 액체수소 형태로 저장하는 것이 효율적이다.
수소 에너지의 용도를 다양화하고 운송에 의한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 현장에서 액화가 가능한 소형의 액화 장치가 필요한데, 근래에는 극저온 냉동기의 성능 개선으로 진공챔버에 설치되는 극저온 냉동기에서의 열교환으로 기체 수소를 수소액화온도인 20K 이하로 냉각하여 저장용기에 저장하는 형태의 소형 액화장치가 개발되었다.
도 1은 종래의 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치를 도시하는 도면이다.
진공챔버(10)의 상부에는 극저온 냉동기(30)가 설치되고, 극저온 냉동기(30)는 압축기 유닛(35)과 연결되어, 압축기 유닛(35)으로부터 헬륨 냉매를 공급받는다.
진공챔버(10) 내에는 예냉기(20)가 위치하여, 액체 질소에 의해 기체 수소를 80K 정도로 예비 냉각시킨다.
기체 수소는 예냉기(20)에서 예비 냉각된 후 극저온 냉동기(30)의 액화열교환기(40)로 공급된다. 기체 수소는 액화열교환기(40)에서 20K까지 냉각되어 액화된 후, 액화수소 저장용기(50)에 저장된다. 저장된 액화수소는 극저온 밸브(60)를 통해 외부로 공급될 수 있다.
액화수소 저장용기(50)에 저장된 액화수소는 이를 필요로 하는 수요자에게 외부 저장용기에 담겨진 형태로 판매될 수 있는데, 판매를 위해서는 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 실시간으로 확인하면서 충진량을 조절할 필요가 있다.
외부 저장용기는 진공단열재로 채워지므로 내부를 확인할 수 없고, 외부 저장용기를 정밀한 저울 위에 올려놓고 내부에 충진되는 액화수소 무게를 측정한다 하더라도 액화수소의 밀도가 낮아서 충진되는 액화수소의 무게를 정밀하게 측정하기가 어렵다.
또한, 액화수소는 외부 저장용기에 채워지는 과정에서 실시간으로 상당량이 기화되어 외부로 빠져나가므로, 이러한 점이 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하기 어렵게 한다.
따라서, 액화수소 저장용기(50)에 저장된 액화수소를 외부 저장용기에 담아 수요처에 판매하기 위해서는 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정할 수 있는 장치 및 방법이 요구된다.
대한민국 등록특허 제10-0243384호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 진공챔버 내에 배치되는 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소를 외부 저장용기에 옮겨담는 과정에서 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치는, 진공챔버 내의 액화수소 배관에 설치되어, 액화수소 저장용기에서 액화수소 배관을 통해 배출되는 액화수소의 유량을 측정하는 극저온 액체유량계; 상기 진공챔버의 외부에서 상기 액화수소 배관에 연결되는 극저온 밸브; 상기 극저온 밸브에 연결되는 진공단열배관; 상기 진공단열배관 및 외부 저장용기에 연결되는 연결구; 상기 연결구와 연결되는 기화기; 상기 기화기에서 배출되는 기체수소의 유량을 측정하는 외부 유량계; 를 포함한다.
또한, 상기 연결구는 상기 진공단열배관 및 상기 외부 저장용기의 유로와 연결되는 연결유로와, 상기 연결유로 외측에서 상기 외부 저장용기와 연결되어 상기 외부 저장용기에 액화수소를 충진하는 과정에서 기화되는 액화수소를 상기 기화기로 배출할 수 있는 배출유로를 포함한다.
또한, 상기 극저온 액체유량계와 상기 외부 유량계에 연결되는 제어부; 를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 극저온 액체유량계의 적산 유량값과 상기 외부 유량계의 적산 유량값의 차로부터 상기 외부 저장용기에 충진되는 액화수소의 유량을 계산한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 방법은, 진공챔버 내의 액화수소 저장용기에서 액화수소를 액화수소 배관을 통해 외부로 배출하는 단계; 상기 진공챔버 내의 상기 액화수소 배관에 극저온 액체유량계를 배치하고, 상기 극저온 액체유량계를 통해 유동하는 액화수소의 적산유량을 측정하는 단계; 상기 액화수소 배관에 진공단열배관을 연결하고, 상기 진공단열배관에 외부 저장용기와 연결되는 연결구를 연결하는 단계; 상기 액화수소 저장용기로부터 상기 진공단열배관 및 상기 연결구를 통해 공급되는 액화수소를 외부 저장용기에 충진하는 단계; 상기 연결구에 외부 유량계를 연결하여 상기 외부 저장용기에서 기화되어 상기 연결구를 통해 배출되는 액화수소의 적산유량을 측정하는 단계; 를 포함한다.
또한, 상기 연결구와 상기 외부 유량계 사이에 지그재그형 유로를 갖는 기화기를 연결하여 상기 연결구를 통해 기화되어 배출되는 액화수소를 외기와 열교환시켜 완전 기화시킨 후 상기 외부 유량계로 유입되게 하는 단계; 를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 진공챔버 내에 배치되는 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소를 외부 저장용기에 옮겨담는 과정에서 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액화수소량을 측정하는 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2에서 연결구의 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액화수소량을 측정하는 장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 3은 도 2에서 연결구의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시간으로 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치(이하, 액화수소량 측정 장치)는 극저온 액체유량계(135), 극저온 밸브(131), 진공단열배관(140), 연결구(150), 기화기(160), 외부 유량계(170) 등을 포함한다.
진공챔버(110)의 상부에는 극저온 냉동기(120)가 설치되고, 극저온 냉동기(120)는 압축기 유닛과 연결되어, 압축기 유닛으로부터 냉매를 공급받는다.
진공챔버(110) 내에는 예냉기(111)가 위치하여, 액체 질소에 의해 기체 수소를 80K 정도로 예비 냉각시킨다.
기체 수소는 예냉기(111)에서 예비 냉각된 후 극저온 냉동기(120)의 액화열교환기(121)로 공급된다. 기체 수소는 액화열교환기(121)에서 20K까지 냉각되어 액화된 후, 액체수소 저장용기(125)에 저장된다. 저장된 액화수소는 액화수소 배관(130)을 통해 외부로 공급될 수 있다.
액화수소 배관(130)은 액화수소 저장용기(125) 내로 삽입되어 진공챔버(110) 외부로 연결된다. 극저온 액체유량계(135)는 진공챔버(110) 내에 설치되어, 액화수소 저장용기(125)에서 액화수소 배관(130)을 통해 배출되는 액화수소의 유량을 적산하여 측정한다.
극저온 밸브(131)는 진공챔버(110)의 외부에서 액화수소 배관(130)에 연결된다. 극저온 밸브(131)는 개도를 조절하여 액화수소 저장용기(125) 내의 액화수소를 외부로 배출하기 위해 사용된다.
진공단열배관(140)은 극저온 밸브(131)에 연결된다. 진공단열배관(140)은 내부에 액화수소가 유동하는 유로(142)가 형성되고, 유로(142)의 외부는 진공단열재(141)로 둘러싸인다.
연결구(또는 베이오넷)(150)는 3중 구조로 형성되어 있으며, 진공단열배관(140), 외부 저장용기(101) 및 기화기(160)에 연결된다. 연결구(150)는 연결유로(152)와 배출유로(153)를 포함한다.
연결유로(152)는 진공단열배관(140)의 유로(142) 및 외부 저장용기(101)의 유로(101a)와 연결된다. 연결구(150)를 진공단열배관(140) 및 외부 저장용기(101)에 연결하면 연결유로(152)를 통해 액화수소가 유동할 수 있다. 배출유로(153)는 연결유로(152) 외측에 있는 공간으로, 외부 저장용기(101)로 액화수소가 충전되는 과정에서 기화되는 액화수소를 기화기(160) 쪽으로 배출하기 위한 것이다. 배출유로(153)는 진공단열재(151)로 둘러싸인다. 외부 저장용기(101)는 저울(102) 위에 올려질 수 있다.
기화기(160)는 연결구(150)와 연결된다. 기화기(160)는 지그재그형으로 반복되는 유로를 구비하여, 외부 저장용기(101)에 충진하는 과정에서 기화되는 액화수소가 상온에서 지그재그형 유로를 통과하면서 완전히 기화될 수 있게 한다.
외부 유량계(170)는 기화기(160)에서 배출되는 기체수소의 유량을 적산하여 측정한다.
수소의 액화온도는 20K(약 -253℃) 이므로, 액화수소 저장용기(125) 내의 액화수소를 외기에 노출되는 진공단열배관(140)을 통해 외부 저장용기(101)에 충진하는 과정에서 상당량의 액화수소가 기화된다. 액화수소는 밀도가 낮고 외부 저장용기(101)가 소용량인 경우에 충진되는 무게를 정밀하게 측정하기가 어렵다. 또한, 액화수소의 낮은 온도로 인해 액화수소를 이송하기 위한 진공단열배관(140) 및 연결구(150) 등에서 수축이 발생되어, 외부 저장용기(101)를 저울(102) 위에 올려서 충진되는 액화수소의 무게를 잰다고 하더라도 저울(102)의 수치는 정확한 액화수소의 무게를 나타내지 못한다.
외부 저장용기(101)에 실시간으로 저장되는 액화수소의 충진량(무게)은 액화수소 저장용기(125)에서 액화수소 배관(130)을 통해 빠져나오는 액화수소의 적산 유량값과 기화되어 외부 저장용기(101)의 외부로 배출되는 액화수소의 적산 유량값으로부터 계산할 수 있다.
본 발명에서는 극저온 액체유량계(135)와 외부 유량계(170)에 제어부(180)가 연결되고, 제어부(180)는 극저온 액체유량계(135)의 적산 유량값과 외부 유량계(170)의 적산 유량값의 차로부터 외부 저장용기(101)에 충진되는 액화수소의 유량을 실시간으로 계산한다.
극저온 액체유량계(135)의 적산 유량값은 질량유량으로 측정되고 외부 유량계(170)의 적산 유량값은 체적유량으로 측정되지만, 기체수소의 온도와 압력으로부터 밀도를 알 수 있고, 이로부터 질량유량으로 환산할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 액화수소 충진량 실시간 측정 장치에 따르면, 진공챔버(110) 내에 배치되는 액화수소 저장용기(125)로부터 외부 저장용기(101)로 충진되는 액화수소량을 실시간으로 측정할 수 있어, 진공챔버(110) 내의 액화수소 저장용기(125)에서 외부 저장용기(101)로 액화수소를 충진하는 과정에서 실시간으로 이송량을 정확히 확인할 수 있는 이점을 제공할 수 있다.
이하에서는, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 액화수소량 측정 장치를 이용하여 실시간으로 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 진공챔버(110) 내의 액화수소 저장용기(125)에서 액화수소를 액화수소 배관(130)을 통해 외부로 배출한다.
다음에, 진공챔버(110) 내의 액화수소 배관(130)에 극저온 액체유량계(135)를 배치하고, 이러한 극저온 액체유량계(135)를 통해 유동하는 액화수소의 적산유량을 측정한다.
다음에, 액화수소 배관(130)에 진공단열배관(140)을 연결하고, 이러한 진공단열배관(140)에 외부 저장용기(101)와 연결되는 연결구(150)를 연결한다.
다음에, 액화수소 저장용기(125)로부터 진공단열배관(140) 및 연결구(150)를 통해 공급되는 액화수소를 외부 저장용기(101)에 충진한다.
다음에, 연결구(150)에 지그재그형 유로를 갖는 기화기(160)를 연결하여, 외부 저장용기(101)에서 기화되어 연결구(150)를 통해 배출되는 액화수소를 기화기(160)에서 외기와 열교환시켜 완전 기화되게 한다.
다음에, 기화기(160)에 외부 유량계(170)를 연결하고, 외부 유량계(170)를 통해 유동하는 기체수소의 적산유량을 측정한다.
다음에, 극저온 액체유량계(135)의 적산 유량값과 외부 유량계(170)의 적산 유량값의 차로부터 외부 저장용기(101)에 충진되는 액화수소의 유량을 계산한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 액화수소량을 측정하는 방법에 따르면, 진공챔버(110) 내에 배치되는 액화수소 저장용기(125)로부터 외부 저장용기(101)로 충진되는 액화수소량을 실시간으로 측정할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
101 : 외부 저장용기
101a : 유로
110 : 진공챔버
111 : 예냉기
120 : 극저온 냉동기
121 : 액화열교환기
125 : 액체수소 저장용기
130 : 액화수소 배관
131 : 극저온 밸브
135 : 극저온 액체유량계
140 : 진공단열배관
141 : 진공단열재
142 : 유로
150 : 연결구
151 : 진공단열재
152 : 연결유로
153 : 배출유로
160 : 기화기
170 : 외부 유량계
180 : 제어부

Claims (5)

  1. 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치에 있어서,
    진공챔버 내의 액화수소 배관에 설치되어, 액화수소 저장용기에서 액화수소 배관을 통해 배출되는 액화수소의 유량을 측정하는 극저온 액체유량계;
    상기 진공챔버의 외부에서 상기 액화수소 배관에 연결되는 극저온 밸브;
    상기 극저온 밸브에 연결되는 진공단열배관;
    상기 진공단열배관 및 외부 저장용기에 연결되는 연결구;
    상기 연결구와 연결되는 기화기;
    상기 기화기에서 배출되는 기체수소의 유량을 측정하는 외부 유량계;
    를 포함하는 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결구는 상기 진공단열배관 및 상기 외부 저장용기의 유로와 연결되는 연결유로와, 상기 연결유로 외측에서 상기 외부 저장용기와 연결되어 상기 외부 저장용기에 액화수소를 충진하는 과정에서 기화되는 액화수소를 상기 기화기로 배출할 수 있는 배출유로를 포함하는 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 극저온 액체유량계와 상기 외부 유량계에 연결되는 제어부;
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 극저온 액체유량계의 적산 유량값과 상기 외부 유량계의 적산 유량값의 차로부터 상기 외부 저장용기에 충진되는 액화수소의 유량을 계산하는 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 장치.
  4. 실시간으로 외부 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 방법에 있어서,
    진공챔버 내의 액화수소 저장용기에서 액화수소를 액화수소 배관을 통해 외부로 배출하는 단계;
    상기 진공챔버 내의 상기 액화수소 배관에 극저온 액체유량계를 배치하고, 상기 극저온 액체유량계를 통해 유동하는 액화수소의 적산유량을 측정하는 단계;
    상기 액화수소 배관에 진공단열배관을 연결하고, 상기 진공단열배관에 외부 저장용기와 연결되는 연결구를 연결하는 단계;
    상기 액화수소 저장용기로부터 상기 진공단열배관 및 상기 연결구를 통해 공급되는 액화수소를 외부 저장용기에 충진하는 단계;
    상기 연결구에 외부 유량계를 연결하여 상기 외부 저장용기에서 기화되어 상기 연결구를 통해 배출되는 액화수소의 적산유량을 측정하는 단계;
    를 포함하는 실시간으로 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연결구와 상기 외부 유량계 사이에 지그재그형 유로를 갖는 기화기를 연결하여 상기 연결구를 통해 기화되어 배출되는 액화수소를 외기와 열교환시켜 완전 기화시킨 후 상기 외부 유량계로 유입되게 하는 단계;
    를 더 포함하는 실시간으로 저장용기에 충진되는 액화수소량을 측정하는 방법.
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