KR102303911B1 - 모듈타입 수소저장 시스템 및 그 운용방법 - Google Patents

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Abstract

모듈타입 수소저장 시스템으로, 컨테이너(100); 상기 컨테이너(100) 내에 설치된 액상화합물(LOHC)을 수용하는 제 1 저장기(10); 상기 제 1 저장기(10)로부터 공급된 액상화합물(LOHC)과 수소를 반응시켜 수소 저장 액상화합물을 생산하는 수소화반응기(20); 상기 수소화반응기(20)로부터 생산된 수소 저장 액상화합물을 저장하는 제 2 저장기(30); 상기 제 2 저장기로부터 원하는 양의 액상화합물을 공급받아 상기 액상화합물를 탈수소화시켜 수소를 생산하는 탈수소화반응기(40); 및 상기 탈수소화 반응기(40)로부터 생성된 수소를 컨테이너(100) 외부로 배출하기 위하여 상기 탈수소화반응기(40)와 연결되어 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하는 수소생산라인(50)을 포함하는 모듈타입 수소저장 시스템이 제공된다.

Description

모듈타입 수소저장 시스템 및 그 운용방법{Module typed system for liquid organic hydrogen carrier and operation method for the same}
본 발명은 모듈타입 수소저장 시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컨테이너와 같이 모듈화된 장치 내에 수소저장 시스템이 설치됨으로써 시스템의 제조, 운송 설치 비용 절감이 가능하며, 시스템 관리 등에 있어서도 장점을 가지는 모듈타입 수소저장 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다.
2015년 기후변화를 억제하기 위한 제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP21)에 195개국이 지구 온도 상승을 2℃ 이내로 억제하기 위한 계획에 서명함에 따라 우리나라도 동참하게 되었다. 기후변화 억제를 위해서는 에너지전환이 필수적이며, 모든 산업은 해당 분야에서 탈탄소화의 필요성에 직면했다. 이를 위하여 새로운 수소가 새로운 에너지원으로 부각되고 있다.
이러한 수소의 생산 후 저장하는 기술로 액상화합물 기반 수소저장기술(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)이 대두되고 있다. 액상화합물 기반 수소저장기술은 벤젠, 톨루엔, 다이벤질 톨루엔 등의 방향족 화합물에 수소를 화학반응 시킴으로서 화학적 방법으로 수소를 저장하는 방식으로, 높은 수소저장밀도, 상압 수소저장을 통한 저장안전성 확보, 액체상 수소저장을 통한 취급의 용이성 등을 확보할 수 있는 장점이 있다.
액상화합물 기반 수소저장기술은 리튬이온 배터리와 비교하여 4배 이상이고, 압축수소 방식에 비해 2배 이상의 수소저장 밀도를 가진다. 이와 같은 장점으로 인하여, 신재생에너지로부터 생산된 수소를 액상화합물 형태로 저장하여 에너지 저장장치로 활용하고자 하는 연구가 이어지고 있다(하기 선행기술문헌 참조).
하지만, 이와 같은 액상화합물 기반 수소저장기술은 탈수소화 반응기 등과 같은 시스템 요소들이 복잡하게 연결되어 있어 이를 간단하고 효율적으로 설치하기 어렵고, 아울러 수소 누출 등과 같은 관리 문제를 가지고 있다.
1. 액체 화합물 및 이를 수소 저장소로 사용하는 방법: 1019543050000 (2019.02.26) 2. 촉매 펩타이드 형성 및 수소화에 기초한 액체-유기 수소 캐리어 시스템: 1020177008895 (2015.09.03.) 3. 액상 수소저장물질 및 이를 이용한 수소 저장 방법: 1020160126557 (2016.09.30.) 4. 피리딘계 수소저장 물질을 활용한 수소 저장 및 방출 시스템: 1020160116140 (2016.09.09)
따라서, 본 발명이 해결하는 과제는 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 이동, 설치가 용이하며, 아울러 안전 관리 등에서도 효과적인 새로운 시스템을 제공하는 것이다.
상기 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 ,
모듈타입 수소저장 시스템으로서, 컨테이너(100); 상기 컨테이너(100) 내에 설치된 액상화합물(LOHC)을 수용하는 제 1 저장기(10); 상기 제 1 저장기(10)로부터 공급된 액상화합물(LOHC)과 수소를 반응시켜 수소 저장 액상화합물을 생산하는 수소화반응기(20); 상기 수소화반응기(20)로부터 생산된 수소 저장 액상화합물을 저장하는 제 2 저장기(30); 상기 제 2 저장기로부터 원하는 양의 액상화합물을 공급받아 상기 액상화합물을 탈수소화시켜 수소를 생산하는 탈수소화반응기(40); 및 상기 탈수소화반응기(40)로부터 생성된 수소를 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하기 위하여 상기 탈수소화반응기(40)와 연결되어 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하는 수소생산라인(50)을 포함하는 모듈타입 수소저장 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 모듈타입 수소저장 시스템은 상기 컨테이너(100)에 상기 컨테이너 내의 탈수소화반응기(40)로부터 액상화합물을 외부로 이송시키기 위한 액상화합물 이송라인(90); 상기 수소화반응기(20)로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인(60); 상기 수소화 반응시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 매질(질소, 물 등)이 공급되는 냉각라인(70); 및 상기 수소화반응기(20)에서 발생하는 잔여가스를 배출하기 위한 배출라인(80)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은,
상기 제 1 저장기(10)의 액상화합물에 수소를 공급하여 상기 수소저장 액상화합물을 생성하는 단계(S10); 및 상기 생성된 액상화합물로부터 선택적으로 탈수소화반응을 유도하여 수소를 생산하는 단계(S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템의 운용방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 모듈타입 수소저장 시스템의 운용방법은 상기 단계 S10과 S20은 각각 수소를 생산하는 장소 및 수소를 소비하는 장소에 설치된 컨테이너에서 별도로 진행될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 내부 조건 관리가 가능한 컨테이너 내에 액상화합물 기반 수소저장 시스템을 미리 설치하여 원하는 장소(예를 들어 수소 충전소, 연료전지)로 용이하게 이동시켜 설치할 수 있다. 따라서 수소저장 시스템 제조, 설치 및 이동에 있어서의 비용을 절감할 수 있다. 또한, 컨테이너로부터 수소만이 생산되므로, 수소를 활용하는 모든 영역에 활용될 수 있고, 컨테이너 내부의 환경 관리를 통하여 시스템의 안전성 또한 재고할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 공정 플로우 다이어그램이다.
도 3은 상술한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법의 단계도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 타입 시스템이 이격된 장소에서 운용되는 것을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모듈 타입 시스템은 컨테이너(100) 내에 설치된 액상화합물(LOHC)을 수용하는 제 1 저장기(10); 상기 제 1 저장기(10)로부터 공급된 액상화합물(LOHC)과 수소를 반응시켜 수소 저장 액상화합물을 생산하는 수소화반응기(20); 및 상기 수소화반응기(20)로부터 생산된 수소 저장 액상화합물을 저장하는 제 2 저장기(30); 상기 제 2 저장기로부터 원하는 양의 액상화합물을 공급받아 상기 액상화합물를 탈수소화시켜 수소를 생산하는 탈수소화반응기(40); 및 상기 탈수소화 반응기(40)로부터 생성된 수소를 컨테이너(100) 외부로 배출하기 위하여 상기 탈수소화반응기(40)와 연결되어 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하는 수소생산라인(50)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 수소화 반응과 탈수소화 반응은 수소의 수요량 및 공급량에 따라 시스템의 설계, 운전요건 등을 설정함으로써 동시에 진행될 수 있다. 상술한 바와 같이 수소화 반응과 탈수소화 반응이 동시에 진행되는 경우에는, 상기 수소화반응기(20)와 상기 탈수소화반응기(40) 사이에 열교환이 발생할 수 있다.
즉, 본 발명은 흡열과 발열이 한 공간에서 진행되는 시스템을 통하여, 발열 수소화 반응기와 흡열 탈수소화 반응 사이에 별도의 냉매 등을 통한 열교환이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 탈수소화반응기(40)로부터 생산된 수소는 컨테이너 외부로 상기 수소생산라인(50)을 통하여 연료전지 또는 충전 스테이션으로 유입되어 연료 또는 충전 스테이션의 충전 목적으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 모듈화된 구성을 통하여 원하는 목적 장소에서 수소저장 시스템을 설치/이동/사용할 수 있으므로 매우 효과적이며, ISO 규격에 따른 컨테이너를 사용함으로써 트레일러, 선박 등을 통한 컨테이너의 운송이 보다 용이하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 컨테이너에는 상술한 수소생산라인(50)과 함께, 상기 수소화반응기(20)로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인(60), 상기 수소화 반응시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 매질과 반응물(질소, 물) 등이 공급되는 냉각라인(70)이 연결되어 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컨테이너에는 탈수소화 반응기(40)로부터 탈수소화 반응 후의 액상화합물을 외부로 이송하기 위한 액상화합물 이송라인(90)이 더 연결될 수 있다. 상기 이송라인(90)을 통하여 외부의 액상화합물이 상기 제 1 저장기로 유입될 수 있으며, 이를 위하여 상기 이송라인에는 상기 제 1 저장기와 연결되는 또 다른 라인(미도시)이 연결될 수 있으며, 상기 또 다른 라인을 통하여 탈수소화 반응 후의 액상화합물은 상기 제 1 저장기로 재생될 수 있다.
본 발명은 특히 모듈화된 수소저장 시스템을 통하여 전체 반응 시스템의 온도/습도와 같은 환경을 용이하게 제어할 수 있으며, 더 나아가, 컨테이너 내에 수소 센서를 설치하는 경우, 외부 조건(바람, 온도 등)에 영향을 받지 않으면서도 센서 민감도에 따라 미량의 수소가 새어나오는 경우 일정하게 센싱할 수 있으며, 이를 통하여 시스템 위험을 미리 예측할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 컨테이너에는 상술한 수소 누출을 사전에 방지하기 위해, 컨테이너 내부 환기를 위한 환기팬을 설치할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 공정 플로우 다이어그램이다.
도 2를 참조하면, 컨테이너 바깥으로는 냉매와 반응물인 질소와 물이 공급되는 라인, 액상화합물을 공급하기 위한 이송라인, 그리고 수소공급라인, 그리고 수소를 외부로 배출하기 위한 수소배출라인으로 구성된다.
즉, 필요에 따라 수소가 생산되는 시스템 예를 들어 수전해 시스템에서 도 2의 시스템을 연결, 수소를 공급받아 저장한 후, 상기 시스템을 원하는 장소로 이동시키거나, 원하는 때에 탈수소화 반응기를 통하여 수소를 생산, 외부로 수소를 제공할 수 있다. 나아가, 컨테이너의 공급 및 배출라인을 상기 라인으로 고정함으로써, 시스템의 모듈화 편이성을 도모할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예 따른 시스템의 컨테이너 외부에는 액상화합물(LOHC)를 수용하는 LOHC 외부저장고를 설치할 수 있다.
즉, 수소를 장기적으로 저장하는 경우에 LOHC 외부저장고를 보조적으로 컨테이너 외부에 설치함으로써 수소의 저장용량을 증가시킬 수 있다.
도 3은 상술한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법의 단계도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제 1 저장기(10)의 액상화합물에 수소를 공급하여 상기 수소저장 액상화합물을 생성하는 단계(S10); 및 상기 생성된 액상화물로부터 선택적으로 탈수소화반응을 유도하여 수소를 생산하는 단계(S20)를 포함하며, 상기 단계 S10과 S20은 상이한 장소에서 진행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 타입 시스템이 이격된 장소에서 운용되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 타입 시스템은 수소화반응을 통해 수소를 생산 및 저장하는 제 1 컨테이너(101)와 탈수소화 반응을 통해 수소를 공급 및 소비하는 제 2 컨테이너(201)로 분리되어 운용될 수 있다.
상기 제 1 컨테이너(101)는 상기 제 1 저장기(10), 상기 수소화반응기(20), 상기 제 2 저장기(30), 상기 수소공급라인(60), 상기 냉각라인(70) 및 상기 배출라인(80)을 포함하며, 상기 제 2 컨테이너(201)는 탈수소화반응기(40), 상기 수소생산라인(50) 및 상기 액상화합물 이송라인(90)을 포함한다. 이에 따라, 상기 제 1 컨테이너(101)와 제 2 컨테이너(201)를 각각 수소를 생산하는 장소 및 수소를 소비하는 장소에 설치하여 수소화 및 탈수소화 단계가 별도로 진행될 수 있다.
또한, 상기 수소화 단계가 진행되는 제 1 컨테이너(101)는 복수개가 설치되어 수소 저장용량을 증가시킬 수 있으며, 수소 소비량에 따라 상기 탈수소화 단계가 진행되는 제 2 컨테이너(201)로 운송되고 도킹, 연동 등을 통해 상기 제 2 컨테이너(201)와 선택적으로 연결되어 수소 저장 LOHC를 제공함으로써, 상기 탈수소화 단계가 진행되는 제 2 컨테이너(201)에서 수소를 소비하는 장소에 수소를 효율적으로 제공할 수 있다.
따라서, 수소 생산과 수소 공급이 별도의 컨테이너 내에서 진행될 수 있는 본 발명의 시스템은, 수소 사용 용도의 목적에 따라 상이한 장소에서 효율적으로 운영될 수 있으므로, 이격된 수소 생산 장소와 수소 공급 장소간 설치, 이송, 비용 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. 나아가 이격된 장소에서 수소화반응과 탈수소화반응이 분리되어 진행되므로, 수소 누출로 인한 사고위험의 발생가능성을 낮출 수 있다.
10 : 제 1 저장기
20 : 수소화반응기
30 : 제 2 저장기
40 : 탈수소화반응기
50 : 수소생산라인
60 : 수소공급라인
70 : 냉각라인
80 : 배출라인
90 : 액상화합물 이송라인
100 : 컨테이너
101 : 제 1 컨테이너
201 : 제 2 컨테이너

Claims (11)

  1. 모듈타입 수소저장 시스템으로,
    컨테이너(100);
    상기 컨테이너(100) 내에 설치된 액상화합물(LOHC)을 수용하는 제 1 저장기(10);
    상기 제 1 저장기(10)로부터 공급된 액상화합물(LOHC)과 수소를 반응시켜 수소 저장 액상화합물을 생산하는 수소화반응기(20);
    상기 수소화반응기(20)로부터 생산된 수소 저장 액상화합물을 저장하는 제 2 저장기(30);
    상기 제 2 저장기로부터 원하는 양의 액상화합물을 공급받아 상기 액상화합물을 탈수소화시켜 수소를 생산하는 탈수소화반응기(40); 및
    상기 탈수소화반응기(40)로부터 생성된 수소를 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하기 위하여 상기 탈수소화반응기(40)와 연결되어 상기 컨테이너(100) 외부로 배출하는 수소생산라인(50)을 포함하며,
    상기 컨테이너(100)에는
    상기 컨테이너(100)내의 탈수소화반응기(40)로부터 액상화합물을 외부로 이송시키기 위한 액상화합물 이송라인(90);
    상기 수소화반응기(20)로 수소를 공급하기 위한 수소공급라인(60);
    상기 수소화 반응시 발생하는 열을 냉각시키기 위한 매질(질소, 물 등)이 공급되는 냉각라인(70); 및
    상기 수소화반응기(20)에서 발생하는 잔여가스를 배출하기 위한 배출라인(80)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모듈타입 수소저장 시스템의 컨테이너(100)는 이송가능한 형태인 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 컨테이너(100) 내에 환기팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컨테이너(100) 외부에 설치되어 액상화합물(LOHC)를 수용하는 LOHC 외부저장고를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 컨테이너(100)는
    상기 저장기(10), 상기 수소화반응기(20) 및 상기 제 2 저장기(30)를 포함하는 제 1 컨테이너(101)와 상기 탈수소화반응기(40) 및 상기 수소생산라인(50)을 포함하는 제 2 컨테이너(201)로 분리된 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 컨테이너(101)가 복수개인 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 컨테이너(101)와 상기 제 2 컨테이너(201)가 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템.
  9. 제 1항, 제 3항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 모듈타입 수소저장 시스템의 운용방법으로,
    상기 제 1 저장기(10)의 액상화합물에 수소를 공급하여 상기 수소저장 액상화합물을 생성하는 단계(S10); 및
    상기 생성된 액상화합물로부터 선택적으로 탈수소화반응을 유도하여 수소를 생산하는 단계(S20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템의 운용방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계 S10과 S20은 각각 수소를 생산하는 장소 및 수소를 소비하는 장소에 설치된 컨테이너에서 별도로 진행될 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈타입 수소저장 시스템의 운용방법.
  11. 삭제
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