KR102458502B1 - 액화수소 저장 탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템 - Google Patents

액화수소 저장 탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

선체에 결합되며, 내부에 액화수소가 저장되는 수소저장탱크; 상기 액화수소 중 파라(para) 수소의 오르쏘(ortho) 수소 전환용 촉매; 및 상기 촉매가 구비되도록 구성되며 상기 수소저장탱크의 상부에 배치되는 촉매거치대를 포함하며, 상기 수소저장탱크 상부의 온도가 높아짐에 따라 파라 수소의 오르쏘 수소 전환 촉매 반응이 일어나는, 액화수소 저장 시스템을 제공한다.

Description

액화수소 저장 탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템{Temperature control device for Liquefied hydrogen storage tank and Liquefied hydrogen storage system using the same}
본 발명은, 액화수소 저장 탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내부에 액화수소가 저장되는 수소저장탱크의 내부 온도의 변화에 따른 파라 수소의 오르쏘 수소로의 전환이 이루어지는 촉매 반응을 유도하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템에 관한 것이다.
최근 들어 급속한 산업화의 발달 및 인구의 증가로 인해 에너지 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 이에 따라 화석 연료의 고갈에 따른 대체 에너지 수급이 절실한 상황이다.
특히, 우리나라의 경우에는 에너지 소비량이 세계10위 안에 들 정도로 많은 양을 소비하고 있으면서도 사용하는 에너지의 90% 이상을 외국의 수입에 의존하고 있는 만큼 에너지 확보 대책이 시급한 실정하다.
이에 전 세계적으로 직면하고 있는 복잡한 에너지 문제들을 해결하기 위해 주목을 받고 있는 대체 에너지원으로 수소가 꼽히고 있다.
이러한 수소는 지구상에서 탄소와 질소 다음으로 가장 풍부한 원소일 뿐만 아니라, 연소 시에 극히 미량의 질소산화물만을 생성시킬 뿐 다른 공해물질은 전혀 배출하지 않는 깨끗한 에너지원이고, 지구상에 존재하는 풍부한 양의 물을 원료로 하여 만들어낼 수 있으며, 사용 후에도 다시 물로 재순환되기 때문에 고갈의 우려가 없는 최적의 대체 에너지원이라 할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는 데, 이를 위해서는 고밀화도를 통해 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 공지된 수소의 부피를 축소시켜 저장하는 방법 중 저장에너지가 가장 큰 것은 수소를 액화시켜 액화수소 형태로 저장하는 방법이다.
수소는 상온 (300K)에서 오르쏘(ortho) 수소와 파라(para) 수소의 비가 3:1로 구성되어 있는 고유한 특성을 가지고 있다. 이를 액화시키기 위해 냉각하면 임계온도와 삼중점에 의해 14K 내지 20K 사이에서 액화수소로 존재하게 된다. 상온 (300K)과 달리 20K에서 오르쏘 수소와 파라 수소의 비는 약 0.2:99.8의 비를 가지며, 이러한 비율로 전환될 때 발생하는 잠열로 인해 액화수소가 증발하게 된다.
그런데, 액화수소는 액화온도가 -253℃(20.15K)로 극저온의 LNG(-162℃)보다 더 낮은 액화 온도를 가지므로 LNG보다 더 쉽게 기화되며, 체적당 증발률(BOR: Boil-Off Rate)은 LNG의 10배에 달한다.
한편 이러한 에너지원을 운송하는 방법과 관련하여, 기존의 LNG선의 경우 인수기지에 LNG를 양하(unloading)한 후에 LNG터미널에 돌아가 다시 선적(loading)하게 되는데, 일정기간의 공선항해(ballast voyage) 동안 다음의 목적으로 잔여 LNG를 이용하여 LNG저장탱크를 cool-down하게 된다(도 1 참조).
LNG터미널(생산기지) 입항을 위해서는 소정의 조건을 만족해야 한다. 먼저, ATR(Average temperature of the mean top and bottom condition in LNG tank) 기준인 (top + bottom)/2 ≤ -130℃을 충족해야 하고, 열응력에 의한 화물탱크 손상방지, 적하작업 중 과도한 BOG 발생 억제 및 출항 후 과대 BOG발생 억제가 요구된다.
액화수소 운송선(LH2 tanker)은 LNG와 유사하게 액화수소를 운반하는 선박으로서 LNG보다 온도가 낮은 -253℃(20.15K)의 화물을 다루고 있으나 전 세계적으로 기술 초입단계로 LH2터미널 등 관련된 법규와 규정이 미비한 상태이나 공선항해 시 LNG선과 동일한 목적으로 cool-down이 필요하다.
기존의 cool-down 방식은 화물을 5% 내외 남겨둔 화물을 저장탱크 하부에 설치된 스프레이 펌프(spray pump)를 통해 노즐(nozzle)로 탱크 내부에 분사하여 냉각하는 방식을 사용하고 있다. 즉, 화물저장탱크 내 하부에 설치되어 있는 스프레이 펌프를 가동하여 탱크 상단에 설치되어 있는 노즐을 통해 탱크 내부를 목표온도 이하로 냉각시킨다.
그러나, 스프레이 펌프는, i) 노즐 입구(nozzle inlet) 압력 수준에 맞는 스프레이 펌프 로드(spray pump load) 조절, ii) 화물 재순환 양이 많을 경우 열 침입으로 인한 BOG 증가, iii) 낮은 전류 흐름(low current trip), iv) 선체운동에 따른 스프레이 펌프 로드 조절 등과 같은 사항들을 고려해야 함에 따라 운영상 주의를 기울여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 액화수소의 특성을 이용하여 기존의 까다로운 운전절차를 간소화하고 저장탱크의 온도를 효율적으로 유지할 수 있는 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.
0001)대한민국 등록특허공보 제 2152466호(2020.08.31)
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 촉매를 이용하여 파라-오르쏘 수소 전환 흡열반응을 통해 액화수소의 저장탱크 내부의 온도를 저온 유지할 수 있는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치를 제공하는 것이다.
나아가, 액화수소의 저장탱크 내부의 온도 및 오르쏘-파라 분율에 따라 액화수소의 저장탱크 내부의 온도를 제어할 수 있는 액화수소 저장 시스템을 제공하는 것이다.
한편 본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 내부에 액화수소가 저장되는 수소저장탱크의 내측 상부에 구비되는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치에 있어서, 상기 액화수소 중 파라(para) 수소의 오르쏘(ortho) 수소 전환용 촉매; 및 상기 촉매가 구비되도록 구성되며 상기 수소저장탱크의 상부에 배치되는 촉매거치대를 포함하며, 상기 수소저장탱크 내부 온도의 변화에 따른 파라 수소의 오르쏘 수소로의 전환이 이루어지는 촉매 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치가 제공될 수 있다.
상기 촉매거치대는 상기 수소저장탱크의 내부 온도의 변화에 따라 상기 촉매가 노출되는 면적이 조절 가능하도록 이루어질 수 있다.
상기 촉매거치대는 상기 수소저장탱크의 내부 온도가 높아짐에 따라 파라 수소의 오르쏘 수소 전환 촉매 반응이 촉진되도록 상기 촉매의 노출 면적을 증가시키는 것일 수 있다.
상기 촉매거치대는, 상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공을 포함하며, 상기 수소저장탱크의 내부 온도에 따라 기공의 크기가 조절되는 형상기억합금으로 이루어지는 것일 수 있다.
상기 촉매거치대는, 상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공을 포함하는 다공성부재, 및 상기 다공성부재의 외측을 감싸도록 구비되되, 상기 수소저장탱크의 내부온도에 따라 상기 촉매가 외부와 접촉하는 면적이 가변되도록 작동하는 개폐부를 포함할 수 있다.
상기 개폐부는 형상기억합금 또는 전기신호로 구동되는 구조체로 이루어진 것일 수 있다.
상기 기공의 크기는 상기 촉매의 입자크기 보다 작을 수 있다.
상기 촉매는 산화철일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 온도조절장치; 수소저장탱크의 내부 온도를 측정하는 온도 센서; 수소저장탱크 내부의 파라-오르쏘 수소 분율을 측정하는 분율 분석기; 및 상기 온도 센서와 분율 분석기로부터 수소저장탱크 내부 온도 및 오르쏘-파라 분율 정보를 입력받아, 수소와 촉매의 접촉면적을 조절하도록 상기 촉매거치대의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장 시스템이 제공될 수 있다.
상기 온도조절장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도조절장치일 수 있다.
상기 온도 센서는, 수소저장탱크의 높이 방향으로 일정 거리 이격되도록 설치된 복수로 구성되고, 상기 제어부는, 상기 수소저장탱크에 높이방향으로의 평균온도가 14K 내지 80K를 유지하도록 상기 촉매의 접촉면적을 조절할 수 있다.
상기 액화수소 저장 시스템은 액화수소가 저장된 수소저장탱크가 탑재되는 선박에 설치되고, 상기 제어부는, 선박의 운용시스템으로부터 공선항해 일수, ATR, 연료전지로의 연료공급량, 수소가스의 벤트량 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 운전정보를 전달받아, 상기 촉매의 접촉면적을 조절할 수 있다.
저장탱크 냉각을 위한 기존의 방식은 펌프를 구동함으로써 잦은 고장으로 인해 가용도가 낮았으며, 펌프의 구동으로 인한 추가 발생 열이 탱크 내로 들어온다는 단점이 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 펌프를 제거함으로써 간단한 방법으로 탱크온도를 저온으로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 운전자가 본인의 선박의 상황에 따라 적극적으로 저장탱크 온도를 제어함으로써 효율적인 액화수소 화물관리가 가능한 장점이 있다.
한편, 앞서 기재된 효과는 예시적인 것에 불과하며 당업자의 관점에서 본 발명의 세부 구성으로부터 예측되거나 기대되는 효과들 또한 본원발명 고유의 효과에 추가될 수 있을 것이다.
도 1은 기존 액화수소 밸류체인(value chain)과 공선항해(ballast voyage)시 저장탱크 냉각방법을 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 파라 수소와 오르쏘 수소의 에너지 준위를, 도 2(b)는 온도에 따른 오르쏘 수소의 평형분율을 나타낸 도면이다.
도 3은 촉매가 없을 경우의 오르쏘에서 파라 상태로의 전환시간을 나타낸 도면이다.
도 4(a)는 본 발명의 일시예에 따른 액화수소 저장 시스템을, 도 4(b)는 일정 항해 후 수소저장탱크 높이에 따른 내부 온도 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일시예에 따른 액화수소 저장 시스템을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 오르쏘(ortho)　수소는　수소　분자를 구성하고 있는 두개의 원자의 회전방향이 같은　수소를 의미한다.
본 명세서에서 파라(para)　수소는　수소　분자를 구성하고 있는 두개의 원자의 회전방향이 반대인　수소를 의미한다.
본 명세서에서 오르쏘　수소를 파라　수소로 전환한다는 것은 오르쏘　수소의 두개의 같은 회전방향의 원자 중 한 개의 원자 회전방향을 반대로 바꾸어주는 것(spin conversion)을 의미한다. 예컨대,　수소　분자 주변의 자기력 등의 변화에 의해 오르쏘　수소는 파라　수소로 전환될 수 있는 것으로 알려져 있다.
본 명세서에서　촉매란 파라　수소를 오르쏘　수소로 전환이 가능한 물질을 의미한다.
본 개시내용은 도면 및 이상의 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 본 개시내용은 특성이 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하고, 단지 소정의 실시형태가 도시되고 설명되었으며, 본 개시내용의 정신 내에 들어가는 모든 변화와 변형은 보호되는 것이 바람직함이 이해될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 촉매를 이용한 파라-오르쏘 수소 전환의 흡열반응을 통하여 액화수소를 저장하는 시스템을 제공한다. 하기 식 1에 나타난 수소 이성질체 반응을 참고하면, 본 발명은 수소액화시 생기는 발열반응의 역반응을 이용하여 액화수소가 저장되는 수소저장탱크 내부를 저온으로 유지할 수 있다. 액화수소가 저장되는 수소저장탱크 내부의 온도는 액체수소 액면에서부터 수소저장탱크 상부까지 바람직한 온도로 유지될 수 있는데, 수소저장탱크에 높이방향으로의 평균온도 약 14K(액체수소 액면) 내지 약 80K(탱크 상부)의 온도로 유지할 수 있다.
[식 1]
Figure 112020128341937-pat00001
수소는 본질적 특성으로 파라 상태와 오르쏘 상태의 이성질체로 존재하며, 온도에 따라 평형 분율이 달라진다. 상온(300K)에서는 파라 수소와 오르쏘 수소의 1:3의 비율로 존재하지만, 액화수소 온도인 14K 내지 20K에서는 대략 97% 이상의 파라 수소로 존재한다. 도 2는 파라 수소와 오르쏘 수소의 에너지 준위(a) 및 온도에 따른 오르쏘 수소의 평형분율(b)을 나타낸다. 상온영역에서는 75%의 오르쏘로 존재하나 온도가 낮아지면서 오르쏘에서 파라로 변환되며, 도 2(b)는 해당 온도대에서의 오르쏘의 평형분율을 나타내는 그래프이다.
para H2 = (100 - ortho H2)
도 2(a)를 참조하면, 오르쏘 상태의 에너지준위가 파라 상태의 에너지준위보다 더 높기 때문에 오르쏘에서 파라로 전환되는 과정은 발열반응이며, 그 반대과정은 흡열반응이다. 따라서, 본 발명은 파라 수소가 오르쏘 수소로 전환되는 흡열반응을 통해 수소저장탱크 내부의 평균온도를 수소저장탱크의 하부에서 상부로의 높이방향으로 14K 내지 80K로 유지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크용 온도조절장치 를나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 액화수소가 저장되는 수소저장탱크의 내측 상부에 구비되는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치에 있어서, 상기 액화수소 중 파라(para) 수소의 오르쏘(ortho) 수소 전환용 촉매; 및 상기 촉매가 구비되도록 구성되며 상기 수소저장탱크의 상부에 배치되는 촉매거치대를 포함하며, 상기 수소저장탱크 내부 온도의 변화에 따른 파라 수소의 오르쏘 수소로의 전환이 이루어지는 촉매 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치를제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 수소저장탱크는 선체에 결합되어 액화수소선박을 구성할 수 있다. 상기 액화수소선박은 액화수소 운송선(LH2 tanker) 혹은 수소를 연료로 이용하여 추진하는 수소연료 추진선박일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수소저장탱크의 내부에는 상기 선체의 추진에 사용되는 수소 혹은 운송용 수소가 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수소저장탱크는 선체의 내부 또는 선체의 외부에 설치될 수 있고, 상기 선체의 내부 및 외부에 걸쳐서 설치될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 수소저장탱크에는 액화수소가 저장되는데, 경우에 따라 기체상태의 수소가 저장될 수도 있다. 저장된 수소는 파라 상태와 오르쏘 상태의 이성질체로 존재할 수 있다.
액화수소 운송선의 경우, 상기 액화수소는 선적시에 99% 이상의 파라 상태로 저장될 수 있다. 액화수소 온도에서 오르쏘 상태에서 파라 상태로 전환되는 과정은 매우 속도가 느리게 진행되기 때문에 보통 수소액화 과정에서 산화철(III)(ferric oxide, Fe2O3) 계열의 촉매를 사용하여 액화과정에서 전환을 다 마치고 수소저장탱크에 저장한다.
일 실시예에 따르면, 상기 온도조절장치는 상기 수소저장탱크의 내측 상부에 구비될 수 있다. 도 4(b)를 참조하면, 공선항해가 일정 일수 진행됨에 따라 탱크 상부의 온도는 높아지게 되며, 이에 따라 탱크 상부와 하부에 온도차 발생하게 되어 상부의 온도를 조절할 필요가 있다. 본 발명에 따르면, 온도조절장치가 수소저장탱크의 내측 상부에 구비되어 특히 탱크 상부의 온도를 저온 유지할 수 있다. 상기 온도조절장치를 이루는 형태에는 제한이 없으며, 촉매, 촉매거치대를 포함하는 기계기구, 시스템 등을 모두 포함하는 개념이다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 상기 액화수소 중 파라 수소를 오르쏘 수소로 전환시키는 반응을 촉진한다. 공선항해 일수가 진행됨에 따라 탱크 상부의 온도가 높아진 경우, 상대적으로 높은 탱크 상부의 온도에서 평형 분율에 따라 파라 상태에서 오르쏘 상태로의 전환과정이 이루어지며 촉매가 없을 경우에는 매우 느린 속도로 진행한다(도 3 참조). 그러나, 본 발명에 따르면, 파라 수소의 오르쏘 수소 전환용 촉매를 포함함으로써 수소저장탱크 상부의 온도가 높아지게 됨에 따라 평형분율에 맞는 촉매반응이 자동적으로 이루어지며, 흡열반응을 통한 저장탱크 내부 온도가 낮아질 수 있다. 따라서, 상기 촉매를 통하여 파라 수소의 오르쏘 수소 전환되는 흡열반응을 촉진하여 수소저장탱크 내부의 평균온도를 액화수소가 수용되는 조건인 수소저장탱크에 높이방향으로 14K 내지 80K로 유지로 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매는 파라 수소를 오르쏘 수소로 전환이 가능하게 하는 물질이면 제한없이 사용할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 촉매는 파라-오르쏘 전환 반응시간을 단축시키고 균일한 입자 크기, 넓은 접촉면적을 통해 신속한 전환이 가능하게 하는 물질을 사용할 수 있다. 예시적으로, 상기 촉매는 FeO,　Fe3O4,　Fe2O3,　α-Fe2O3,　β-Fe2O3, γ-Fe2O3,　ε-Fe2O3 등과 같은 산화철 계열의 촉매를 사용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매거치대는 상기 촉매가 안정적으로 거치될 수 있도록 구성되며 그 형태에는 제한이 없다. 상기 촉매거치대는 상기 수소저장탱크의 상부에 배치되어 특히 수소저장탱크 상부의 온도를 효과적으로 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매거치대는 상기 수소저장탱크의 내부 온도의 변화에 따라 상기 촉매가 노출되는 면적이 조절 가능하도록 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 수소저장탱크의 내부 온도가 높아짐에 따라 파라 수소의 오르쏘 수소 전환 촉매 반응이 촉진되도록 상기 촉매의 노출 면적을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매거치대는 상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공(pore)을 포함하며, 상기 수소저장탱크의 내부 온도에 따라 기공의 크기가 조절되는 형상기억합금으로 이루어질 수 있다.
촉매거치대에 해당 촉매를 거치할 수 있는 동시에 기공이 없으면 탱크 상부의 기체 수소와 촉매가 접촉하는 면적이 줄어든다. 따라서 일 실시예에서, 촉매거치대는 촉매가 기체상과 넓은 접촉면적을 가질 수 있도록 복수의 기공을 포함하는 다공성부재를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 상기 기공의 크기보다 큰 입자 크기를 가짐으로써 액면으로 촉매 입자가 떨어지지 않도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 다공성부재는 복수개의 기공을 포함하며, 마이크로포어(micropore) (<2 ㎚), 메조포어(mesopore) (2-50 ㎚) 또는　마크로포어(macropore) (>50 ㎚)일 수 있다. 본 발명에 따르면 상기 촉매거치대가 다공성 구조를 가짐으로써 촉매와 기체 수소와의 접촉면을 넓힐 수 있어 액화수소 저장 시스템의 효율성을 높일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 촉매거치대는 상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공을 포함하는 다공성부재, 및 상기 다공성부재의 외측을 감싸도록 구비되되, 상기 수소저장탱크의 내부온도에 따라 상기 촉매가 외부와 접촉하는 면적이 가변되도록 작동하는 개폐부를 포함할 수 있다.
상기 촉매거치대는 상기 수소저장탱크의 내부온도에 따라 상기 촉매가 외부와 접촉하는 면적이 가변되도록 작동하는 개폐부를 포함할 수 있다. 상기 개폐부는 촉매와 수소저장탱크 기상부(vapor state)와 접촉하는 면적을 조절할 수 있다. 상기 기상부는 수소저장탱크 내부에서 기체상태의 수소가 존재할 수 있다. 상기 개폐부는 사용자 조작에 따라 선택적으로 개폐를 조절하여 촉매거치대에 거치된 촉매의 접촉면을 조절할 수 있다. 예시적으로, 상기 개폐부는 상기 촉매거치대에 대해 좌우방향으로 이동 가능하게 설치될 수 있으며, 상기 촉매거치대를 감싸는 덮개 형태로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 개폐부는 형상기억합금 또는 전기신호로 구동되는 구조체 등으로 이루어질 수 있다. 형상기억합금 또는 전기신호로 구동되는 구조체는 형상이 변화될 수 있는 구조로 촉매와 수소와의 접촉면을 조절하여 수소저장탱크 내부의 온도를 조절할 수 있다.
형상기억합금(shape memory alloy)은 여러 가지 금속 합금 가운데 전이 온도 이하에서 변형하여도 전이 온도 이상이 되면 변형 이전의 모양으로 되돌아가는 성질을 가진 합금을 말한다. 전이온도는 물질의 상태가 전이할 때의 그 물질 고유의 일정한 온도를 말한다. 일 실시예에서, 상기 형상기억합금은 상기 수소저장탱크의 내부 온도에 따라 기공의 크기가 조절되는 성질을 가진다.
이와 같은　형상기억합금은 열에너지를 기계적인 에너지(변위 또는 힘 등)로 전환 가능하고 형상기억효과(shape memory effect) 및 초탄성효과(super elastic effect) 등의 특성을 가지고 있으며 내부식성 등이 우수하다.
형상기억효과는 임계점 이하의 저온에서 변형을 시켰다가, 고온으로 가열하면 원래의 형상으로 되돌아가는 성질을 말하며, 초탄성효과는 임계점 이상의 고온상(austenite)에서 변형을 시켰다가, 외력을 제거하면 다시 원래의 형상으로 복원되는 특성이다.
일 실시예에 따르면, 상기 형상기억합금은 니켈계(Ni), 구리계(Cu), 철계(Fe) 등 일 수 있고, 예시적으로, 아연(Zn), 알루미늄(Al), 금(Au), 은(Ag) 등의 금속을 조합한 Cu-Zn-Ni,　Cu-Al-Ni, Ag-Ni, Au-Cd 등일 수 있으며, 또 다른 예시적으로, 니켈-티타늄(Ni-Ti)합금일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전기신호로 구동되는 구조체는 전기적신호가 제공되면 금속 내부　저항에 의해 열을 발생시킴으로써 그 모양을 변화시킬 수 있는 금속 물질일 수 있다. 예시적으로, 상기 전기신호로 구동되는 구조체는 제어부에　전기적으로 연결되고, 상기 제어부는 상기 전기신호로 구동되는 구조체에 선택적으로　전기적신호를 제공할 수 있다.　상기 전기신호로 구동되는 구조체에　전기적신호가 전달되면 그 내부에서　전기　저항에 의한 열이 발생되며, 이는　전기신호로 구동되는 구조체의 내부 온도를 변화시켜 종국적으로 그 형상을 변화시키게 된다. 즉,　전기신호로 구동되는 구조체는　전기적　신호를　전기　저항에 의한 열에너지로 변화시키고, 열에너지는　전기신호로 구동되는 구조체의 결정구조를 변화시켜 그 형상을 변화시킨다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장 시스템을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 온도조절장치; 수소저장탱크의 내부 온도를 측정하는 온도 센서; 수소저장탱크 내부의 파라-오르쏘 수소 분율을 측정하는 분율 분석기; 및 상기 온도 센서와 분율 분석기로부터 수소저장탱크 내부 온도 및 오르쏘-파라 분율 정보를 입력받아, 수소와 촉매의 접촉면적을 조절하도록 상기 촉매거치대의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 액화수소 저장 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 상기 온도조절장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도조절장치일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 온도 센서는 수소저장탱크의 높이 방향으로 일정 거리 이격되도록 설치된 복수로 구성될 수 있다. 상기 온도 센서는 상기 수소저장탱크 높이에 따라 일정 간격으로 설치되어 상기 수소저장탱크의 높이 별로 온도를 감지하고 측정할 수 있다. 상기 온도 센서에서 측정된 온도 정보는 상기 제어부로 전달된다.
일 실시예에 따르면, 상기 오르쏘-파라 분율 분석기는 수소저장탱크 내부에 존재하는 수소의 오르쏘 및 파라 상태의 이성질체 분율을 측정하고 분석할 수 있다. 상기 오르쏘-파라 분율 분석기는 수소저장탱크의 형상 및 크기에 따라 적절한 부위에 설치할 수 있다. 상기 오르쏘-파라 분율 분석기에서 측정된 오르쏘-파라 분율 정보는 상기 제어부로 전달된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 수소저장탱크의 하부에서 상부로의 높이방향으로의 수소저장탱크 내부의 평균온도가 14K 내지 80K를 유지하도록 상기 촉매의 접촉면적을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 온도 센서와 분율 분석기로부터 수소저장탱크 내부 온도 및 오르쏘-파라 분율 정보를 입력받아, 수소와 촉매의 접촉면적을 조절하도록 상기 촉매거치대의 작동을 제어한다. 상기 제어부는 열역학적 계산을 통해 해당 액화수소선박에 적합한 수소저장탱크 온도 제어 시스템으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 선박의 운용시스템으로부터 공선항해 일수, ATR, 연료전지로의 연료공급량, 수소 가스의 벤트량 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 운전정보를 전달받아, 상기 촉매의 접촉면적을 조절할 수 있다. 촉매와의 접촉면적이 넓을수록 온도가 더 낮아지는데, 공선항해 일수를 고려하여 ATR, 연료전지로의 연료공급량, Vent 수소량 등 운전조건들에 따라 접촉면적을 조절할 수 있다.
상기 연료전지는 선박추진 동력원으로 사용될 수도 있고, 선박의 기타 전기공급을 위한 것으로도 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 공선항해 일수가 증가할수록 촉매 접촉면적이 넓어질 수 있다. 또한, 탱크 내부온도가 ATR보다 높을 경우 접촉면적이 넓어질 수 있다. 또한, 연료공급량이 많이 필요할수록 접촉면적은 좁아지거나 없을 수 있다. 또한, 가스벤트량이 많이 발생할 경우, 이를 컨트롤하기 위해 접촉면적을 높일 수 있다. 또한, 상기 변수들이 동시다발적으로 발생하여 통합적으로 개폐량을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 온도 센서와 상기 오르쏘-파라 분율 분석기로부터 온도 및 분율 정보를 받아 해당 선박의 목표에 맞게끔 기체 수소와 촉매 접촉면을 조절할 수 있도록 구성할 수 있다. 일 실시예에서, 온도와 분율 정보를 받으면, 운항 조건을 고려하여 촉매 접촉면을 계산하고, 그런 다음 촉매 접촉면을 조절할 수 있다. 예시적으로, 해당 선박의 수소저장탱크의 상부의 온도가 적정 수준보다 높아진 것이 감지되면, 상기 촉매거치대의 개폐부를 조절하여 수소와 촉매의 접촉면적을 넓혀 흡열반응을 촉진시켜 온도를 낮출 수 있다.
또한, 오르쏘-파라 분율 분석기와 온도 센서를 포함하는 액화수소 저장 시스템을 통해 남은 항해 일수와 벙커링(bunkering) 일정을 고려하여 촉매 전환을 조절함으로써 목표에 맞는 저장탱크 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 액화수소 저장 시스템으로서의 액화수소가 수용되는 조건 하에, 촉매의 존재 하에, 파라 수소를 오르쏘 수소로 전환시키는 단계를 포함하는 액화수소 저장 방법을 제공한다.
일 실시예에 따르면, 상기 액화수소가 수용되는 조건은 액화수소가 파라 상태와 오르쏘 상태의 이성질체로 존재할 수 있으며, 액화수소가 저장되는 수소저장탱크의 온도가 14K 내지 80K인 조건일 수 있다. 예시적으로, 오르쏘 수소와 파라 수소는 약 0.1: 99.9 내지 약 25:75의 비를 가질 수 있다. 또 다른 예시적으로, 액화수소 액면 위(탱크 상부)의 기체수소는 약 0.1: 99.9 내지 약 25:75의 비를 가질 수 있고, 액화수소는 약 0.1:99.9 비율을 가질 수 있으며, 해당 액화수소선박의 상태에 따라 파라 수소와 오르쏘 수소의 전환이 자유롭게 이루어질 수 있다.
이상 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 상세히 설명하였지만 본 실시예의 권리범위가 전술한 도면 및 설명에 국한되지는 않는다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 내부에 액화수소가 저장되는 수소저장탱크의 내측 상부에 구비되는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치에 있어서,
    상기 액화수소 중 파라(para) 수소의 오르쏘(ortho) 수소 전환용 촉매; 및
    상기 촉매가 구비되도록 구성되며 상기 수소저장탱크의 상부에 배치되는 촉매거치대;
    를 포함하며,
    상기 수소저장탱크 내부 온도의 변화에 따른 파라 수소의 오르쏘 수소로의 전환이 이루어지는 촉매 반응을 유도하고,
    상기 촉매거치대는,
    상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공을 포함하며, 상기 수소저장탱크의 내부 온도에 따라 기공의 크기가 조절되는 형상기억합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매거치대는,
    상기 수소저장탱크의 내부 온도의 변화에 따라 상기 촉매가 노출되는 면적이 조절 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매거치대는,
    상기 수소저장탱크의 내부 온도가 높아짐에 따라 파라 수소의 오르쏘 수소 전환 촉매 반응이 촉진되도록 상기 촉매의 노출 면적을 증가시키는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 촉매거치대는,
    상기 촉매의 적어도 일부를 감싸도록 형성되되, 상기 촉매가 외부에 노출되도록 형성된 복수의 기공을 포함하는 다공성부재, 및
    상기 다공성부재의 외측을 감싸도록 구비되되, 상기 수소저장탱크의 내부온도에 따라 상기 촉매가 외부와 접촉하는 면적이 가변되도록 작동하는 개폐부,
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 개폐부는 형상기억합금 또는 전기신호로 구동되는 구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 기공의 크기는 상기 촉매의 입자크기 보다 작은 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  8. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 촉매는 산화철인 것을 특징으로 하는 액화수소 저장탱크용 온도조절장치.
  9. 액화수소 저장 시스템으로서,
    제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 온도조절장치;
    수소저장탱크의 내부 온도를 측정하는 온도 센서;
    수소저장탱크 내부의 파라-오르쏘 수소 분율을 측정하는 분율 분석기; 및
    상기 온도 센서와 분율 분석기로부터 수소저장탱크 내부 온도 및 오르쏘-파라 분율 정보를 입력받아, 수소와 촉매의 접촉면적을 조절하도록 상기 촉매거치대의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도 센서는,
    수소저장탱크의 높이 방향으로 일정 거리 이격되도록 설치된 복수로 구성되고,
    상기 제어부는,
    상기 수소저장탱크에 높이방향으로의 평균온도가 14K 내지 80K를 유지하도록 상기 촉매의 접촉면적을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액화수소 저장 시스템은 액화수소가 저장된 수소저장탱크가 탑재되는 선박에 설치되고,
    상기 제어부는,
    선박의 운용시스템으로부터 공선항해 일수, ATR, 연료전지로의 연료공급량, 수소가스의 벤트량 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 운전정보를 전달받아, 상기 촉매의 접촉면적을 조절하는 것을 특징으로 하는 액화수소 저장 시스템.
KR1020200162578A 2020-11-27 2020-11-27 액화수소 저장 탱크용 온도조절장치 및 이를 이용한 액화수소 저장 시스템 KR102458502B1 (ko)

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