KR102496145B1 - 액화수소 운송 차량 - Google Patents

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Abstract

액화수소를 운송하는 차량에 있어서, 외부로부터 주입된 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기; 차량으로 유입된 공기 중 일부와 냉매를 열교환시킴으로써 상기 공기 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성하는 액화공기 생성부; 및 상기 액화공기를 저장하고, 상기 액화수소 저장용기의 외면의 적어도 일부를 감싸는 액화공기 저장부를 포함한다.

Description

액화수소 운송 차량{LIQUEFIED HYDROGEN TRANSPORT VEHICLE}
본 발명은 액화수소를 운송하는 차량에 관한 것이다.
일반적으로, 수소는 연소 시 부산물로 물만이 발생하여 친환경적인 이점을 가지고 있다. 수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 가장 큰 물질이나 단위 부피당 밀도가 매우 낮아 이를 저장, 운송 및 활용하기 위해서는 고압압축 또는 액화를 하여야 한다.
액화수소는 수소를 액체로 만든 것으로, 효율적인 저장 및 운송을 위해 중량당 에너지 밀도가 가장 좋은 수소의 한 형태이다. 수소를 액화하기 위해서는 초저온 냉동기술이 필요하다. 예를 들어, 냉동기는 냉매를 압축하여 고온에서 냉각하고, 이를 팽창하여 온도를 낮추고, 낮은 온도에서 흡열하는 과정을 수행한다.
이와 관련하여, 선행기술인 한국등록특허공보 제2006330호는 수소저장부 및 열전도부를 포함하는 수소저장탱크와 열교환부를 포함하는 연료전지 차량의 수소 저장 장치를 개시하고 있다. 선행기술에 따른 연료전지 차량의 수소 저장 장치는, 수소저장탱크를 구속하는 구속 트랩부를 더 포함하여, 운송중 수소저장탱크가 저장셀에서 빠지거나 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 선행기술에 따른 연료전지 차량의 수소 저장 장치는 기체 형태의 수소를 운반하는바, 액체 형태의 수소에 비해 그 부피가 매우 커, 운반의 효율성이 떨어진다.
한편, 선행기술인 한국공개특허공보 제2020-0004608호는 단열부, 프레임 및 내벽, 외벽, 지지수단을 포함하는 선박용 액화수소 저장탱크를 개시하고 있다. 선행기술에 따른 선박용 액화수소 저장탱크는 내벽 및 외벽 사이에 단열부를 더 포함하고, 내부 공간에 별도의 단열 부재를 구성하여 운송중 증발가스의 발생 및 열손실을 방지할 수 있다.
그러나, 선행기술은 운송중 액화수소의 증발을 줄이기 위해 액화수소 저장탱크에 단열부재를 더 구비하고 있는데, 이를 통해 완전히 자연기화(Boil-Off)를 방지하기는 어려움이 있다.
한국등록특허공보 제2006330호 (2019. 7. 26. 등록) 한국공개특허공보 제2020-0004608호 (2020. 1. 14. 공개)
본 발명은 전술한 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액화수소를 운송하는 과정에서 열손실로 인한 액화수소의 증발을 효율적으로 방지하고, 액화수소의 손실을 최소화할 수 있는 액화수소 운송 차량을 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예는, 액화수소를 운송하는 차량에 있어서, 액화수소를 운송하는 차량에 있어서, 외부로부터 주입된 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기; 차량으로 유입된 공기 중 일부와 냉매를 열교환시킴으로써 상기 공기 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성하는 액화공기 생성부; 및 상기 액화공기를 저장하고, 상기 액화수소 저장용기의 외면의 적어도 일부를 감싸는 액화공기 저장부를 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량을 제공 할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 액화수소를 운송하는 과정에서 냉매와의 열교환을 통해 열손실로 인한 액화수소의 증발을 최소화할 수 있다.
또한, 액화수소를 운송하는 과정에서 차량 바퀴의 회전 힘을 동력으로 활용하여 외부 공기로부터 액화공기를 생산할 수 있고, 생산된 액화공기를 이용하여 액화수소의 손실을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량을 설명하기 위한 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장용기를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량의 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 액화수소 운송 차량(100)은 액화수소 저장용기(110), 액화공기 생성부(120), 액화공기 저장부(130), 동력 생성부(140), 열교환기(150) 및 단열 부재(160)를 포함할 수 있다. 또한, 액화수소 저장용기(110)는 오소-파라 변환부(111)를 포함할 수 있고, 액화공기 생성부(120)는 정화 부재(121)를 포함할 수 있다. 액화공기 저장부(130)는 액화공기 저장용기(131) 및 배관(132)을 포함할 수 있다. 다만 위 구성 요소들(110 내지 160)은 액화수소 운송 차량(100)에 의하여 제어될 수 있는 구성요소들을 예시적으로 도시한 것일 뿐이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 외부로부터 주입된 액화수소를 운송하는 차량으로서, 냉매와의 열교환을 통해 저장용기에 저장된 액화수소가 운송하는 과정에서 자연기화(Boil-Off)되지 않도록 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 운송하는 과정에서 외부 공기로부터 액화공기의 생성을 병행할 수 있다. 액화수소 운송 차량(100)은 생성된 액화공기를 활용하여 운송중 저장용기에 저장된 액화수소의 손실을 최소화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량을 설명하기 위한 예시적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 외부로부터 주입된 액화수소를 액화수소 저장용기(110)에 보관하여 운송하는 과정에서, 차량으로 유입된 공기(10) 중 일부를 액화하여 액화공기를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기 생성부(120)는 차량으로부터 유입된 공기(10) 중 일부와 냉매를 열교환시킴으로써 공기(10) 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 액화공기 생성부(120)는 정화 부재(121) 및 액화공기 생성기(120a)를 포함할 수 있다.
정화 부재(121)는 공기(10) 중 일부를 액화시키기 전 공기(10) 중 일부의 미세 물질을 제거할 수 있다. 예를 들어, 정화 부재(121)는 액화공기 생성부(120)의 일측에 형성되어, 외부에서 차량으로 유입된 공기(10) 내에 포함되어 있는 무기물 및 금속 등의 액화공기 내의 가스의 흐름을 방해할 수 있는 미세 물질을 제거할 수 있다.
액화공기 생성기(120a)는 냉동기 또는 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과가 있는 JT 밸브를 이용하여 차량으로부터 유입된 공기(10) 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성할 수 있다. 냉동기는 냉매를 압축하여 고온에서 냉각하고, 이를 팽창하여 온도를 낮추고, 낮은 온도에서 흡열하는 과정을 수행한다. 이 때, 액화공기 생성기(120a)는 팽창하는 수단으로 단열팽창 시 온도가 떨어지는 JT 밸브를 이용할 수 있다.
예를 들어, 액화공기 생성기(120a)는 정화 부재(121)를 거쳐 미세 물질이 제거된 공기(10)를 냉동기 또는 JT 밸브를 이용하여 압축한 후 빠르게 팽창시켜 온도를 떨어뜨리고, 온도가 떨어진 공기를 반복적으로 순환시켜 차량으로 유입되는 공기(10)의 온도를 더욱 떨어뜨려 액화공기를 생성할 수 있다. 액화공기 생성기(120a)는 차량으로 유입된 공기(10)를 액화하면서 이산화탄소를 제거하는 기능을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기 저장부(130)는 액화공기를 저장하고, 액화수소 저장용기(110)의 외면의 적어도 일부를 감싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 액화공기 저장부(130)는 액화공기 생성부(120)로부터 생성된 액화공기를 액체 상태로 저장할 수 있다.
도 2를 참조하면, 액화공기 저장부(130)는 액화공기 저장용기(131) 및 배관(132)을 포함할 수 있다. 액화공기 저장용기(131)는 액화공기를 저장할 수 있고, 배관(132)은 액화공기 저장용기(131)와 연결되어 액화수소 저장용기(110)의 외면의 적어도 일부를 감싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 배관(132)은 액화수소 저장용기(110)의 외면을 둘러 감싸도록 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배관(132)을 흐르는 액화공기가 액화수소 저장용기(110)에 저장된 액화수소의 자연기화를 방지할 수 있다. 예를 들어, 액화공기는 액화수소의 예냉(precooling) 자원으로 활용될 수 있다.
즉, 액화수소 저장용기(110)를 둘러 감싸고 있는 액화공기 저장부(130)의 배관(132)은 단열재 역할을 수행할 수 있다. 배관(132)을 흐르는 액화공기의 냉열에 의해 액화수소 저장용기(110)는 일정 수준의 온도를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동력 생성부(140)는 차량의 바퀴의 기어변속을 통해 액화공기 생성부(120)에 동력을 전달할 수 있다. 예를 들어, 동력 생성부(140)는 회전하는 차량의 바퀴의 힘, 즉, 차량의 잉여 에너지를 활용하여 액화공기 생성부(120)에 동력을 전달할 수 있다.
구체적으로, 동력 생성부(140)는 차량 바퀴의 저속회전을 고속회전으로 변속하고, 이를 직선운동으로 전환시킬 수 있다. 일예로, 속도 60km/h, 바퀴 지름 100초인 차량이 60초에 차량의 바퀴가 600바퀴 회전하는 경우, 동력 생성부(140)는 600바퀴 회전을 60,000회전으로 변환시킬 수 있다. 즉, 동력 생성부(140)는 직선왕복으로 60,000rpm을 생성할 수 있다.
본 발명에 일 실시예에 따르면 액화수소 운송 차량(100)은 액화수소를 운송하는 과정에서 회전하는 차량의 바퀴의 힘을 동력으로 전환시켜 이를 액화공기를 생성하는데 활용하여 액화공기를 생성하는데 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장용기를 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장용기(110)는 외부로부터 주입된 액화수소를 저장할 수 있다. 예를 들어, 액화수소 저장용기(110)는 주입구(110a)를 통해 외부로부터 주입된 액화수소를 액체 상태로 보관할 수 있다.
이때, 주입구(110a)는 단열 주입기일 수 있다. 액화수소는 온도 20K 이상에서 쉽게 기화될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 액화수소 저장용기(110)는 주입구(110a)에 단열 처리하여 액화수소의 자연 기화를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장용기(110)는 오소-파라 변환부(111)를 포함할 수 있다. 오소-파라 변환부(111)는 촉매를 통해 액화수소 저장용기(110)에 저장된 액화수소의 오소-파라(Ortho-Para) 수소 변환 시 발생하는 발열을 줄일 수 있다.
예를 들어, 수소는 300K에서 오소(Ortho):파라(Para)의 비율이 75:25로 존재하고, 20K에서는 오소:파라의 비율이 0.2:99.8로 존재한다. 이 때, 수소는 오소에서 파라로 변환시, 발열 반응이 생겨 액체상태의 수소를 기화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 오소-파라 변환부(111)는 발생되는 발열을 줄이기 위해 오소-파라 촉매를 이용할 수 있다.
열교환기(150)는 액화수소 저장용기(110)에 저장된 액화수소가 자연기화되지 않도록 액화수소와 냉매를 열교환시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 열교환기(150) 및 압축기(151)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 압축기(151)는 열교환기(150)에 헬륨(He) 냉매를 공급하여 액화수소와 헬륨을 열교환시킬 수 있다. 열교환기(150)는 액화수소 저장용기(110)에 저장된 액화수소가 자연 기화되는 현상을 방지할 수 있는 증발방지 극저온 냉동기일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 단열 부재(160)를 더 포함할 수 있다. 단열 부재(160)는 액화수소 저장용기(110)로의 복사열이 전달되는 것을 차단하기 위해 배관(132) 및 액화수소 저장용기(110)의 외면의 적어도 다른 일부를 감싸도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 단열 부재(160)는 배관(132) 및 액화수소 저장용기(110)의 외면을 둘러 감싸도록 형성되어, 외부로부터 액화수소 저장용기(110)에 열이 유입되는 것을 차단할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 운송 차량의 동작 흐름도이다. 도 4를 참조하여 액화수소 운송 차량을 이용하여 액화수소를 운송하는 과정을 살펴본다. 먼저, 본 발명에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 외부로부터 차량으로 유입된 공기(10)를 1차적으로 정화시킬 수 있다. 액화수소 운송 차량(100)은 정화 부재(121)를 통해 유입된 공기(10) 내에 포함되어 있는 미세물질을 제거할 수 있다.
액화수소 운송 차량(100)은 정화 부재(121)를 통해 미세물질이 제거된 공기는 액화공기 생성부(120)로 유입되어, 공기 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성할 수 있다. 이때, 동력 생성부(140)는 차량 바퀴의 회전에 의한 동력을 액화공기 생성부(120)로 전달할 수 있다.
액화수소 운송 차량(100)은 액화공기 생성부(120)를 통해 생성된 액화공기를 액화공기 저장부(130)에 저장할 수 있다. 액화공기 저장부(130)는 액화공기 저장용기(131) 및 액화수소 저장용기(110)의 외면을 둘러 감싸는 배관(132)을 포함할 수 있고, 배관(132)에 보관된 액화공기는 액화수소 저장용기(110)에 보관된 액화수소의 자연기화를 방지할 수 있다.
액화수소 운송 차량(100)은 액화수소 주입구(110a)를 통해 외부로부터 유입된 액화수소를 액화수소 저장용기(110)에 저장 및 보관하여 액화수소를 운송할 수 있다. 액화수소 저장용기(110)는 오소-파라 변환부(111)를 포함할 수 있고, 오소-파라 변환부(111)는 액화수소 저장용기(110)에 보관된 액화수소가 운송중 자연기화되는 것을 방지할 수 있다. 오소-파라 변환부(111)는 오소-파라 촉매를 이용하여 액화수소가 오소에서 파라로 변환시 발생되는 잠열을 줄일 수 있다.
또한, 액화수소 운송 차량(100)은 액화수소 저장용기(110)의 일측에 열교환기(150)를 형성하여 액화수소와 냉매를 열교환시킴으로써 운송중 액화수소의 자연기화를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 외부로부터 주입된 액화수소를 저장 및 보관하여 운송하는 과정에서 차량 바퀴의 회전힘으로부터 동력을 얻어 액화공기를 생성할 수 있고, 생성된 액화공기를 이용하여 액화수소의 자연기화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 액화수소 운송 차량(100)은 오소-파라 촉매를 이용하여 운송중 액화수소의 자연기화를 방지할 수 있고, 열교환기로부터 액화수소와 냉매를 열교환시킴으로써 운송중 액화수소의 자연기화를 효율적으로 방지할 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 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 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: 액화수소 운송 차량
110: 액화수소 저장용기
120: 액화공기 생성부
130: 액화공기 저장부
140: 동력 생성부
150: 열교환기
160: 단열 부재

Claims (8)

  1. 액화수소를 운송하는 차량에 있어서,
    외부로부터 주입된 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기;
    차량으로 유입된 공기 중 일부와 냉매를 열교환시킴으로써 상기 공기 중 일부를 액화시켜 액화공기를 생성하는 액화공기 생성부; 및
    상기 액화공기 생성부로부터 생성된 상기 액화공기를 저장하는 액화공기 저장부를 포함하고,
    상기 액화공기 저장부는,
    상기 액화공기를 저장하는 액화공기 저장용기; 및
    상기 액화공기 저장용기와 연결되고, 상기 액화수소 저장용기의 외면에 접촉되도록 상기 액화수소 저장용기의 외면을 둘러 감싸는 배관을 포함하고,
    상기 액화수소 저장용기로의 복사열이 전달되는 것을 차단하기 위해 상기 액화공기 저장용기, 상기 배관 및 상기 액화수소 저장용기를 감싸는 단열 부재를 더 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량의 바퀴의 기어변속을 통해 상기 액화공기 생성부에 동력을 전달하는 동력 생성부
    를 더 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소가 자연기화(Boil-Off)되지 않도록 상기 액화수소와 냉매를 열교환시키는 열교환기
    를 더 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배관을 흐르는 액화공기가 상기 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소의 자연기화를 방지하는 것인, 액화수소 운송 차량.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화공기 생성부는 상기 공기 중 일부를 액화시키기 전 상기 공기 중 일부의 미세 물질을 제거하는 정화 부재
    를 더 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화수소 저장용기는 촉매를 통해 상기 액화수소 저장용기에 저장된 액화수소의 오소-파라(Ortho-Para) 수소 변환 시 발생하는 발열을 줄이는 오소-파라 변환부
    를 더 포함하는 것인, 액화수소 운송 차량.
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