KR102647707B1 - 액화수소운반선용 액화수소 저장탱크의 극저온 단열 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내측에 액화수소를 저장하는 내부용기; 상기 내부용기와의 사이에 공간을 형성하면서 내부용기를 둘러싸는 외부용기; 상기 내부용기와 상기 외부용기 사이 공간에 설치되되, 흡착재를 포함하는 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)를 충진하고 진공이 형성된 것인 1차 단열부; 상기 외부용기 표면에 설치되되, 진공단열패널(VIP) 및 스프레이 경질폴리우레탄폼을 포함하는 2차 단열부; 및 상기 내부용기 하단에 설치되어 내부용기와 외부용기 사이의 공간을 유지하는 내부용기 지지수단을 포함하는, 액화수소 저장탱크에 관한 것이다.
Description
본 발명은 액화수소운반선용 액화수소 저장탱크의 극저온 단열 시스템에 관한 것이다.
화석연료가 고갈되고 있으며, 지구온난화에 따른 환경문제에 대한 해결책과 대체에너지의 수급이 필요한 상황이다. 최근 세계적인 대체 에너지로 수소에너지가 각광받고 있다. 수소는 단위 질량 당 에너지밀도가 가장 높은 에너지원으로서 지구상에 탄소와 질소 다음으로 풍부하게 존재하며, 물에 다량 포함되어 있어 고갈의 우려가 없고 연소시에도 유해물질을 발생시키지 않는 친환경적인 대체 에너지원이다. 따라서, 환경오염의 측면에서도 가장 이상적인 에너지원으로 수소는 지구온난화로 인한 이산화탄소의 저감이 주요한 이슈로 떠오르는 최근 상황에 많은 주목을 받고 있다.
이러한 수소에너지를 활용하기 위해 가장 중요한 것은 수소를 저장하는 방법이다. 수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 가장 큰 물질이지만, 단위 부피당 밀도가 매우 낮아 액화시켜 저장하는 방법이 가장 효율적이고 경제적인 방법이다. 향후 수소 시장의 확대로 인해 수소를 운반하기 위한 운반선과 추진선 관련 시장의 규모가 커지고 있어 액화수소를 운반하는 기술이 필요하다. 하지만, 현재까지 액화수소를 저장하는 기술에 대해서는 기존의 액화천연가스(LNG)를 저장하는 탱크 구조를 그대로 사용하거나 변형하여 적용된 것이 대부분이다.
액화수소는 액화천연가스보다 더 비점이 낮은 극저온 유체로 체적당 증발률(Boil-Off Rate)이 액화천연가스 대비 10배에 달하기 때문에 기존보다 더 엄격한 저장 기술이 필요하다. 또한, 액화수소는 증발가스에 의한 탱크 내부의 압력 증가로 인해 방출되어야 하는 증발가스량이 더 높다. 따라서, 우수한 단열성을 갖춰 액화수소의 에너지 손실을 줄일 수 있는 저장기술이 필요하다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, -253 
의 저비점을 갖는 액화수소를 효율적으로 저장하기 위해, 단열성을 향상시키고 열손실과 증발가스 발생을 최소화할 수 있는 액화수소 저장탱크를 제공하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 실린더형 이중구조로 이루어지는 액화수소 저장탱크에 있어서 내부용기와 외부용기 사이에 1차 단열부를 형성하고, 외부용기 표면에 2차 단열부를 형성함으로써, 종래의 기술보다 열유입을 더 효과적으로 차단할 수 있는 액화수소 저장탱크를 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내측에 액화수소를 저장하는 내부용기; 상기 내부용기와의 사이에 공간을 형성하면서 내부용기를 둘러싸는 외부용기; 상기 내부용기와 상기 외부용기 사이 공간에 설치되되, 흡착재를 포함하는 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)를 충진하고 진공이 형성된 것인 1차 단열부; 상기 외부용기 표면에 설치되되, 진공단열패널(VIP) 및 스프레이 경질폴리우레탄폼을 포함하는 2차 단열부; 및 상기 내부용기 하단에 설치되어 내부용기와 외부용기 사이의 공간을 유지하는 내부용기 지지수단을 포함하는, 액화수소 저장탱크를 제공한다.
상기 흡착재는 수소 분자 흡착재, 수분 흡착재, 질소 분자 흡착재 및 산소 분자 흡착재로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.
상기 수소 분자 흡착재는 이산화티타늄(Titanium dioxide)이고, 상기 수분 흡착재는 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)이고, 상기 질소 분자 흡착재는 바륨이고, 상기 산소 분자 흡착재는 지르코늄일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 1차 단열부는 상기 내부용기와 외부용기 사이에 수소 분자 흡착재인 이산화 티타늄과 수분 흡착재인 알루미노 실리케이트, 질소 분자 흡착재인 바륨과 산소 분자 흡착재인 지르코늄을 포함하는 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)를 충진하고 형성되는 진공 단열층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 2차 단열부는 외부용기 표면에 진공단열패널(Vacuum insulation panel; VIP)이 일정간격으로 설치된 후 스프레이 경질폴리우레탄폼이 도포되어 형성되는 것일 수 있다. 일 례로, 상기 2차 단열부는 외부용기 표면에 열전도율이 2~4mW/mk인 진공단열패널(VIP)을 고무밴드로 가설치하고, 스테인리스 스틸밴드(SUS Band)로 고정하여 진공단열패널이 일정 간격으로 설치된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 2차 단열부는 외부용기 표면에 일정간격으로 진공단열패널(VIP)이 설치된 후, 균열 어레스트(Crack arrest)를 설치하고 스프레이 경질폴리우레탄 폼이 도포되어 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면. 상기 스프레이 경질폴리우레탄폼의 밀도는 40 kg/m3 이상일 수 있다. 바람직하게는 40~60 kg/m3 밀도 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스프레이 경질폴리우레탄폼 표면에는 폼을 보호하는 보호부가 추가로 설치될 수 있다. 상기 보호부는 스프레이 경질폴리우레탄폼에 코팅되는 우레아 코팅층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보호부 표면에는 보호부의 변색을 방지하는 방지부가 추가로 설치될 수 있다. 일 례로, 상기 방지부는 우레아 코팅층의 변색을 방지하는 UV 차단 코팅층일 수 있다.
상기 내부용기 및 외부용기는 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다.
상기 내부용기 및 외부용기는 독립형 Type-C (소형 선박용)의 실린더형으로 제조될 수 있다.
상기 내부용기 지지수단은 플라이우드와, 유리섬유 강화 우레탄(Glass fiber reinforced urethane, GRU) 또는 유리섬유 강화 고분자(Glass fiber reinforced polymer, GRP)로 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면 내부용기 및 외부용기 이중구조의 실린더형 액화수소 저장탱크에 있어서, 1차 단열부로 내부용기와 외부용기 이격 공간에 수소 분자 흡착재인 이산화티타늄, 수분 흡착재인 알루미노 실리케이트, 질소 분자 흡착재인 바륨 및 산소 분자 흡착재인 지르코늄으로 이루어지는 흡착재를 포함하는 심재로 펄라이트 및 실리케이트를 충진하고 진공을 형성함으로써 단열성이 우수하고, -253℃의 저비점을 갖는 액화수소의 열손실을 감소시켜 가스 증발을 최소화시키고, 추가로 외부용기 표면에 진공단열패널과 스프레이방식의 경질폴리우레탄폼으로 2차 단열부를 형성함으로써, 열유입을 추가적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 외부용기 표면에 진공단열패널(VIP)이 일정간격으로 설치된 2차 단열부의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 외부용기 표면에 진공단열패널(VIP)이 일정간격으로 설치된 2차 단열부의 모식도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에", "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 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 일 실시예에 따른 액화수소 저장탱크의 단면 모식도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크는 내측에 저장되는 액화수소의 액화 상태를 유지하기 위해 내부용기(20)와, 상기 내부용기(20)와의 사이에 공간을 형성하면서 상기 내부용기(20)를 둘러싸는 외부용기(40)의 이중 구조이며, 상기 내부용기(20)와 상기 외부용기(40) 사이 공간에는 1차 단열부(30)가 설치되고, 상기 외부 용기(40) 표면에는 2차 단열부(50)가 설치되고, 상기 2차 단열부(50) 표면에는 상기 2차 단열부(50)를 보호하는 보호부 및 방지부(70)가 설치되고, 상기 내부용기(20)와 외부용기(40) 사이의 공간을 유지시키기 위한 내부용기 지지수단(60)이 설치된다.
내부용기(20)의 내측에는 액화수소(Liquid hydrogen, 이하 LH2로 부르기로 한다)가 저장되기 위한 공간이 형성된다.
내부용기(20)는 -253℃의 저비점을 갖는 액화수소(LH2)의 저온상태를 견딜 수 있고, 수소 취화를 방지할 수 있는 소재로 이루어진다. 바람직하게는 내부용기는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다.
외부용기(40)는 내부용기(20)와 외부용기(40) 사이에 진공을 형성할 수 있는 공간을 제공하고, 내부용기(20)로부터 전달되는 압력을 지지해주는 역할을 한다.
외부용기(40)는 내부용기(20)의 균열로 인해 액화수소와 접촉하였을때, 액화수소의 저온상태를 견딜 수 있고, 수소 취화를 방지할 수 있는 소재로 이루어져야 한다. 바람직하게는 외부용기는 스테인리스 스틸, 알루미늄, 알루미늄 합금으로 제작될 수 있다.
내부용기(20)와 외부용기(40)의 구조는 내부용기(20)의 내측에 저장되는 액화수소의 내부압력이 고르게 분포될 수 있는 구조로 이루어져야 한다. 도 1에 도시한바와 같이, 내부용기 및 외부용기는 독립형 Type-C (소형 선박용)의 실린더형으로 제조될 수 있다.
1차 단열부(30)는 내부용기(20)와 외부용기(40) 사이 공간에 수소 분자 흡착재인 이산화 티타늄과 수분 흡착재인 알루미노 실리케이트, 질소 분자 흡착재인 바륨과 산소 분자 흡착재인 지르코늄을 포함하여 충진시키고 진공을 형성한 것일 수 있다. 그 결과, 내부용기와 외부용기의 벽면에 내재된 수분으로 인해 발생할 수 있는 수소 분자와 수분을 흡착할 수 있는 이산화티타늄과 알루미노 실리케이트를 포함하여 진공 상태에서 잔류 기체 및 수분을 흡착할 수 있으며, 열전도도가 우수한 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)에 진공층을 형성함으로써 열유입을 효과적으로 차단할 수 있다.
펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)는 내부용기의 표면으로부터 약 100mm 내지 300mm의 두께, 바람직하게는 200mm의 두께로 형성될 수 있다.
1차 단열부는 10-1 내지 10-6 torr의 진공도, 바람직하게는 10-3 torr의 진공도를 가질 수 있다.
1차 단열부(30) 뿐만 아니라 2차 단열부(50)를 통해 추가적으로 열유입을 차단할 수 있다.
2차 단열부(50)는 외부용기 표면(40)에 진공단열패널(VIP)과 스프레이 방식의 경질폴리레탄폼, 즉 스프레이 경질폴리우레탄폼을 형성한 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 외부용기 표면에 진공단열패널(VIP)이 일정간격으로 설치된 2차 단열부의 모식도이다.
도 2를 참고하면, 진공단열패널(VIP)는 외부용기 표면에 고무밴드를 가설치하고, 스테인리스 스틸 밴드(SUS Band)로 고정하여 일정 간격으로 설치될 수 있다. 그 다음, 균열 어레스트(Crack arrest)가 설치되고 스프레이 경질폴리우레탄 폼이 형성될 수 있다.
진공단열패널(VIP)은 기존 단열재 대비 단열성능이 10배 이상 우수하고 고진공으로 매우 낮은 열전도율을 유지할 수 있다, 따라서 열유입을 효과적으로 차단할 수 있다. 바람직하게는, 상기 진공단열패널은 열전도율이 2~4mW/mk일 수 있다.
스프레이 경질폴리우레탄 폼은 진공단열패널 상에 형성되어 진공단열패널의 균열 및 손상을 방지할 뿐만 아니라 열유입을 차단할 수 있다. 스프레이 경질폴리우레탄폼의 밀도는 40 kg/m3 이상일 수 있고, 바람직하게는 40~60 kg/m3 밀도 범위를 가질 수 있다.
스프레이 경질폴리우레탄폼의 보호를 위해 우레아 코팅(70)이 형성될 수 있다. 또한, 우레아 코팅의 변색을 방지하기 위해 UV 차단 코팅을 할 수 있다.
내부용기 지지수단(60)은 내부용기(20)과 외부용기(40)의 이중구조 사이에 설치되어, 내부용기(20)과 외부용기(40) 사이의 이격을 유지시키고 내부용기(20)의 하중을 지지한다. 내부용기 지지수단(60)은 내부용기(20)의 저면을 지지하도록 액화수소 저장탱크의 하측에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 내부용기 지지수단(60)은 강도가 높고 열전도율이 낮은 플라이우드(plywood)로 이루어지는 프레임과, 프레임의 내부 공간에 마련되는 단열부재로서 유리섬유 강화 우레탄(Glass fiber reinforced urethane, GRU) 또는 유리섬유 강화 고분자(Glass fiber reinforced polymer, GFRP)를 포함할 수 있다. 프레임을 이루는 플라이우드는 강도가 높아 내부용기(20)에 저장되는 액화수소의 하중을 지지할 수 있고, 열전도율이 낮아 외부의 열이 내부용기(20)로 전달되는 것을 상당 수준 저감시킬 수 있다.
내부용기 지지수단(60)은 하단부에서 상단부로 갈수록 폭이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 내부용기(20)에 저장되는 액화수소는 저비중 특성을 가지므로, 내부용기 지지수단(60)의 하부에 작용하는 하중에 비하여 상부에 작용하는 하중이 작다. 따라서 내부용기 지지수단(60)의 형상을 상단부로 갈수록 좁아지게 마련할 수 있고, 이에 따라 열전달이 일어날 수 있는 접촉 범위를 축소시키고 재료비도 절감할 수 있다.
본 발명의 액화수소 저장탱크는 액화수소운반선에 사용될 수 있다. 액화수소운반선에 사용 시 액화수소 저장탱크의 전체 구조를 지지하기 위해 전체 구조 지지 수단이 설치될 수 있다.
전체 구조 지지 수단은 액화수소 저장탱크 전체 구조의 하단에 설치되어 하중을 견딜 수 있어야 한다. 전체 구조 지지 수단은 스프레이 경질폴리우레탄폼을 감싸는 형태로 설치된다. 상기 전체 구조 지지수단은 유리섬유로 강화된 우레탄(GRU; Glassfiber reinforced urethane)의 구성으로 제조될 수 있다.
본 발명은 내부용기(20)와 외부용기(40)의 이중구조로 제조되는 액화수소 저장탱크에 있어서, 내부용기(20)와 외부용기(40) 사이에 이산화티타늄과 알루미노 실리케이트, 바륨과 지르코늄을 포함하는 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)를 충진하고 진공을 형성하여 외부로부터 열유입을 1차적으로 차단할 수 있다. 또한, 외부용기(40) 표면에 진공단열패널(VIP)를 일정 간격으로 설치한 후 균열 어레스트(Crack arrest)를 설치하고 경질폴리우레탄 폼을 스프레이 방식으로 도포함으로써 2차적으로 외부 열 유입을 차단하여 증발률을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명은 액화천연가스보다 더 엄격한 단열성능을 요구하는 액화수소 저장탱크에 적용되기 위한 것이지만, 액화수소는 물론 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 압축천연가스(CNG) 등 타종의 액화가스를 저장하는 저장탱크에도 적용이 가능함은 물론이다.
이와 같은 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 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
20 : 내부용기 30 : 1차 단열부 40 : 외부용기 50 : 2차 단열부 60 : 내부용기 지지수단 70 : 보호부 및 방지부
Claims (18)
- 내측에 액화수소를 저장하는 내부용기;
상기 내부용기와의 사이에 공간을 형성하면서 내부용기를 둘러싸는 외부용기;
상기 내부용기와 상기 외부용기 사이 공간에 설치되되, 수소 분자 흡착재인 이산화 티타늄과 수분 흡착재인 알루미노 실리케이트, 질소 분자 흡착재인 바륨과 산소 분자 흡착재인 지르코늄을 포함하는 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)를 충진하고 형성되는 진공 단열층을 포함하여 10-1 내지 10-6 torr의 진공도를 갖는 것인 1차 단열부;
상기 외부용기 표면에 설치되되, 외부용기 표면에 진공단열패널(Vacuum insulation panel; VIP)이 일정간격으로 설치된 후 스프레이 경질폴리우레탄폼이 도포되어 형성되고 열전도율이 2~4mW/mk인 2차 단열부; 및
상기 내부용기 하단에 설치되어 내부용기와 외부용기 사이의 공간을 유지하는 내부용기 지지수단을 포함하는, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 흡착재는 수소 분자 흡착재, 수분 흡착재, 질소 분자 흡착재 및 산소 분자 흡착재로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상인 것인, 액화수소 저장탱크. - 제2항에 있어서,
상기 수소 분자 흡착재는 이산화티타늄(Titanium dioxide)이고, 상기 수분 흡착재는 알루미노 실리케이트(Alumino silicate)이고, 상기 질소 분자 흡착재는 바륨이고, 상기 산소 분자 흡착재는 지르코늄인 것인, 액화수소 저장탱크. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 펄라이트(Perlite) 및 실리케이트(silicate)는 내부용기의 표면으로부터 100mm 내지 300mm의 두께로 형성되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 진공단열패널(VIP)는 외부용기 표면에 진공단열패널(VIP)을 고무밴드로 가설치하고, 스테인리스 스틸밴드(SUS Band)로 고정하여 일정 간격으로 설치되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 2차 단열부는 외부용기 표면에 일정간격으로 진공단열패널(VIP)이 설치된 후, 균열 어레스트(Crack arrest)를 설치하고 스프레이 경질폴리우레탄 폼이 도포되어 형성된 것인, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 스프레이 경질폴리우레탄폼의 밀도는 40 kg/m3 이상인 것인, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 스프레이 경질폴리우레탄폼 표면에는 폼을 보호하는 보호부가 추가로 설치되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 제12항에 있어서,
상기 보호부는 우레아 코팅층인 것인, 액화수소 저장탱크. - 제12항에 있어서,
상기 보호부 표면에는 보호부의 변색을 방지하는 방지부가 추가로 설치되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 제14항에 있어서,
상기 방지부는 UV 차단 코팅층인 것인, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 내부용기 및 외부용기는 스테인리스 스틸, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제작되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 내부용기 및 외부용기는 독립형 Type-C (소형 선박용)의 실린더형으로 제조되는 것인, 액화수소 저장탱크. - 제1항에 있어서,
상기 내부용기 지지수단은 플라이우드와, 유리섬유 강화 우레탄(Glass fiber reinforced urethane, GRU) 또는 유리섬유 강화 고분자(Glass fiber reinforced polymer, GRP)로 제조되는 것인, 액화수소 저장탱크.
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