KR102648100B1 - 초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치 - Google Patents

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Abstract

초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치는 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기, 상기 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 단열 용기 및 1단 스테이지부를 통해 상기 단열 용기와 접촉하여 상기 단열 용기 내의 온도를 제 1 온도 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 상기 액화수소 저장용기로의 열 전달을 차단시키고, 2단 스테이지부를 통해 상기 액화수소 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 제 2 온도 이하로 유지시킴으로써 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기를 포함한다.

Description

초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치{APPARATUS FOR STORING LIQUEFIED HYDROGEN USING CRYOGENIC REFRIGERATOR}
본 발명은 초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치에 관한 것이다.
수소는 지구상에 존재하는 가장 가벼운 원소로 무색, 무미, 무취의 특징을 가지며, 연소하더라도 공해 물질을 배출하지 않아, 석탄, 석유를 대체할 무공해 에너지원으로 각광받고 있다. 이러한 미래의 대체 에너지인 수소를 운송과 저장에 용이하게 하기 위해, 기체 상태인 수소를 영하 253℃까지 낮춰 액체 상태로 만든 액화수소가 이용되고 있다.
액화수소는 기체 상태일 때보다 부피가 약 1/800 정도 감소됨에 따라 수소의 운반에 적합해진다. 이러한 액화수소는 저장 탱크에 보관되어 운송되며, 액화수소를 저장하는 저장 탱크와 관련하여, 선행기술인 한국공개특허 제2017-0020092호는 액화수소 저장용기를 개시하고 있다. 여기서, 잠시 도 1을 통해 종래의 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 액화수소 저장용기를 도시한 예시적인 도면이다. 도 1을 참조하면, 종래의 액화수소 저장용기(100)는 영하 253℃ 보다 낮은 온도에서 액화된 액화수소를 저장한다. 그러나 액화수소는 영하 253℃ 보다 높은 온도에서 쉽게 증발하기 때문에, 액화수소 저장용기(100)는 단열 장치의 구비가 요구되었다.
그러나 종래의 액화수소 저장용기(100)는 단열 장치가 구비되었음에도, 외부와 완벽한 단열이 불가능하여, 액화수소 저장용기(100)의 내부에 액화수소 가스가 증발하는 현상이 발생되었다. 여기서, 증발된 액화수소 가스는 증발 가스(BOG, Boiled Off Gas)로 불린다.
액화수소 저장용기(100)의 내부에 증발 가스가 지속적으로 축적되는 경우, 액화수소 저장용기(100)의 내부의 압력이 증가되어 액화수소 저장용기(100)의 안정성이 떨어진다는 단점을 가지고 있었다.
또한, 해상 및 육상에서의 액화수소의 운송에 의해 종래의 액화수소 저장용기(100) 내 액화수소의 유동에 의해 증발 가스의 생성이 가속화된다는 단점을 가지고 있었다. 따라서, 액화수소 저장용기(100)는 증발 가스의 발생을 감소시키기 위해, 향상된 단열 방식이 요구되고 있다.
액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기, 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 단열 용기를 포함하는 액화수소 저장장치를 제공하고자 한다.
1단 스테이지부를 통해 단열 용기와 접촉하여 단열 용기 내의 온도를 제 1 온도 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 액화수소 저장용기로의 열 전달을 차단시키고, 2단 스테이지부를 통해 액화수소 저장용기와 접촉하여 액화수소 저장용기 내의 온도를 제 2 온도 이하로 유지시킴으로써 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기를 포함하는 액화수소 저장장치를 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 저장하는 액화수소 저장용기, 상기 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 단열 용기 및 1단 스테이지부를 통해 상기 단열 용기와 접촉하여 상기 단열 용기 내의 온도를 제 1 온도 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 상기 액화수소 저장용기로의 열 전달을 차단시키고, 2단 스테이지부를 통해 상기 액화수소 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 제 2 온도 이하로 유지시킴으로써 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기를 포함하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 온도는 40K 내지 50K 이고, 상기 제 2 온도는 20K 이하일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단열 용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 진공 용기를 더 포함하는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 1단 스테이지부는 상기 단열 용기와 접속하기 위한 어댑터를 더 포함하는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 액화수소 저장용기 및 상기 단열 용기 사이로 형성된 단열층 및 상기 어댑터 및 상기 단열층의 상단 사이에 삽입되는 단열 부재를 더 포함하는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단열층의 상단은 둘레방향을 따라 복수의 홀이 형성되고, 상기 어댑터는 상기 복수의 홀을 통해 볼트 체결되어 상기 단열층에 고정되는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 외부로부터 기체 수소를 주입시키는 주입구 및 상기 주입구로부터 상기 액화수소 저장용기를 관통하도록 설치된 배관을 더 포함하고, 상기 배관은 상기 주입구를 통해 주입된 상기 기체 수소를 상기 액화수소 저장용기 내로 공급하는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초저온 냉동기는 상기 2단 스테이지를 통해 상기 액화수소 저장용기로 공급된 상기 기체 수소를 액화시키는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초저온 냉동기는 상기 2단 스테이지를 통해 상기 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시키는 것인 액화수소 저장장치를 제공할 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, 초저온 냉동기의 1단 스테이지부를 통해 단열 용기와 접촉하여 단열 용기 내의 온도를 제 1 온도 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 액화수소 저장용기로의 열 전달을 차단시키고, 2단 스테이지부를 통해 액화수소 저장용기와 접촉하여 액화수소 저장용기 내의 온도를 제 2 온도 이하로 유지시킴으로써 액화수소를 액화 상태로 유지시키도를 하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
종래에는 진공을 이용한 이중 단열 또는 액체 질소(영하 196℃)를 이용한 이중 단열 방식을 이용하여 액화수소 저장용기를 단열하였으나, 본 발명은 20K-50K의 1단 스테이지부 및 2단 스테이지부로 구성된 2단 G-M 초저온 냉동기를 이용함으로써, 액체 질소를 사용하지 않으면서, 단순 구조로 수소 액화 및 단열을 동시에 구현할 수 있는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
초저온 냉동기의 1단 스테이지부를 통해 외부로부터의 열이 액화수소 저장용기로 전달되지 않도록 단열시킴으로써, 액화수소 저장용기에서의 증발 가스의 발생을 감소시키도록 하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
수소 충전소를 포함하여 다양한 산업에서 액화수소가 이용될 경우, 액화수소의 장기 보관을 가능하게 하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 액화수소 저장용기를 도시한 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장장치를 도시한 예시적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열층에 고정된 1단 스테이지부를 도시한 예시적인 도면이다.
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 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장장치를 도시한 예시적인 도면이다. 도 2를 참조하면, 액화수소 저장장치(200)는 주입구(210), 배관(220), 액화수소 저장용기(230), 단열 용기(240), 초저온 냉동기(250) 및 진공 용기(260)를 포함할 수 있다.
주입구(210)는 외부로부터 기체 수소(GH)를 주입시킬 수 있다. 여기서, 주입구(210)는 액화수소 저장장치(200)의 상측에 설치될 수 있다.
배관(220)은 주입구(210)로부터 액화수소 저장용기(230)를 관통하도록 설치될 수 있다. 여기서, 배관(220)은 주입구(210)로부터 기체 수소(GH)가 액화수소 저장용기(230)로 유입될 수 있도록, 주입구(210)와 대응되는 위치에 진공 용기(260), 단열 용기(240) 및 액화수소 저장용기(230)를 관통하도록 설치될 수 있다.
액화수소 저장용기(230)는 액화수소를 저장할 수 있다. 예를 들어, 액화수소 저장용기(230)는 20K(-253℃) 이하의 액화수소(LH2)를 저장할 수 있다. 여기서, 액화수소 저장용기(230)는 외부로부터 액화수소 저장용기(230)로의 열 전달을 차단시키기 위해, 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)에 의해 -20K(253℃) 이하의 온도로 유지될 수 있다.
이러한 액화수소 저장용기(230)는 단열 장치가 구비된 것으로, 초저온 온도에 대한 저항성이 높은 금속인 SUS 304L, SUS 316L,Stainless, Aluminum 등으로 구성될 수 있으며, 수소를 흡수하여 저장할 수 있는 수소저장합금으로 구성될 수도 있다.
단열 용기(240)는 액화수소 저장용기(230)의 외측을 둘러싸도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 단열 용기(240)는 액화수소 저장용기(230)의 외측을 둘러싸도록 설치됨에 따라, 단열 용기(240)가 액화수소 저장용기(230)를 수용하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 액화수소 저장용기(230) 및 단열 용기(240) 사이에 진공(vacuum) 공간이 형성되도록 하여, 액화수소 저장용기(230)의 외통으로부터 내통으로의 대류, 전도 및 복사 열손실을 최소화시키도록 할 수 있다.
단열 용기(240)는 외부로부터 액화수소 저장용기(230)로의 열 전달을 차단시키기 위해, 초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)에 의해 40K~50K (223℃) 이하의 온도로 유지될 수 있다.
초저온 냉동기(250)는 수소의 끓는 온도인 20K 이하의 초저온 영역에서 사용되는 냉동기인 GM(Gifford-McMahon) 냉동기가 이용될 수 있다.
초저온 냉동기(250)는 2단(two-stage) 냉동기의 접촉 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)는 단열 용기(240)와 접촉하고, 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)는 액화수소 저장용기(230)와 접촉할 수 있다.
예를 들어, 초저온 냉동기(250)가 가동되는 경우, 초저온 냉동기(250)의 특성상 1단 스테이지부(251)가 먼저 냉각이 진행되고, 1단 스테이지부(251)에서 충분히 냉각이 이루어진 경우, 2단 스테이지부(252)에서 냉각이 진행되며, 2단 스테이지부(252)의 온도가 액화 온도에 도달하면, 증발 가스의 재액화가 시작될 수 있다. 이러한 초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)는 예를 들어, 40~50K의 냉각 성능을 가질 수 있으며, 2단 스테이지부(252)는 예를 들어, 대략 20K의 냉각 성능을 가질 수 있다.
여기서, 제 1 온도는 기체 수소가 액화되는 온도를 나타내고, 제 2 온도는 수소를 제외한 공기분자들이 모두 얼음이 되는 온도를 나타내므로, 진공단열 공간을 진공으로 유지할 수 있어 단열의 효과를 높일 수 있다는 장점을 제공할 수 있다. 또한, 1단 스테이지부(251)의 최저 온도는 40K이며, 적어도 50K 정도로 유지되면서, 진공 단열의 효과를 높일 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.
초저온 냉동기(250)는 1단 스테이지부(251)를 통해 단열 용기(240)와 접촉하여 단열 용기(240) 내의 온도를 제 1 온도(예를 들어, -223℃) 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 액화수소 저장용기(230)로의 열 전달을 차단시킬 수 있다.
초저온 냉동기(250)는 2단 스테이지부(232)를 통해 액화수소 저장용기(230)와 접촉하여 액화수소 저장용기(230) 내의 온도를 제 2 온도(-253℃) 이하로 유지시킴으로써 액화수소를 액화 상태로 유지시킬 수 있다.
이 때, 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)를 통해 액화수소 저장용기(230)에 직접 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(250)가 기체 상태의 수소와 직접 접촉됨에 따라, 상온상압의 상태에서 기체 상태의 수소를 액화시키고, 액화수소를 액화 상태로 냉각하여 유지시키는 직접냉각방식의 액화사이클이 이용될 수 있다. 이러한 과정을 통해, 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)를 액화수소 저장용기(230)에 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(250)는 상온상압의 상태에서 기체 상태의 수소를 대략 20K까지 급속 냉각시켜 액화시킬 수 있다.
초저온 냉동기(250)는 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)를 통해 액화수소 저장용기(230)에 접촉하여, 액화수소 저장용기(230) 내에서 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화되도록 할 수 있다. 예를 들어, 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)를 액화수소 저장용기(230)에 직접 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(250)가 액화수소로부터 발생된 증발 가스와 직접 접촉됨에 따라, 증발 가스를 재액화시키도록 할 수 있다. 이러한 초저온 냉동기(250)의 2단 스테이지부(252)는 열전도율이 높은 구리로 된 핀(fin)이 포함되도록 제작될 수 있으며, 이 경우, 2단 스테이지부(252)와 증발 가스와 접촉면적을 증가시켜 빠르고 효율적인 냉각이 진행되도록 할 수 있다. 여기서, 재액화된 증발 가스는 액화수소 저장용기(230)로 하강될 수 있다.
초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)는 단열 용기(240)와 접속하기 위한 어댑터를 포함할 수 있다. 여기서, 초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)가 어댑터를 통해 단열 용기(240)와 접속되는 과정에 대해서는 도 3을 통해 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단열층에 고정된 1단 스테이지부를 도시한 예시적인 도면이다. 도 3을 참조하면, 초저온 냉동기(250)의 1단 스테이지부(251)는 단열 용기(240)와 접속하기 위한 어댑터(245)를 포함할 수 있다. 여기서, 어댑터(245)는 구리(Cu)로 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다. 초저온 냉동기(250)는 1단 스테이지부(251)의 어댑터(245)를 통해 단열 용기(240)와 접촉됨으로써, 어댑터(245)를 통해 단열 용기(240)로의 열 전달이 이루어질 수 있다.
어댑터(245)는 상단에 둘레방향을 따라 복수의 홀이 형성된 상부 커버(241) 및 연결 부재(300)를 포함할 수 있다.
어댑터(245)는 상부 커버(241)에 형성된 복수의 홀을 통해 볼트 체결되어 단열 용기(240)에 고정될 수 있다.
연결 부재(300)는 상부 커버(241) 및 단열 용기(240) 사이에 삽입될 수 있다. 여기서, 연결 부재(300)는 접촉 저항을 낮추고, 단열 용기(240)의 열이 진공 용기(260)로 누설되는 것을 방지하며, 열 전달을 향상시키기 위해 인듐 테이프(Indium tape)가 이용될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
다시 도 2로 돌아와서, 진공 용기(260)는 단열 용기(240)의 외측을 둘러싸도록 설치될 수 있다. 여기서, 단열 용기(240) 및 진공 용기(260)의 사이의 공간은 진공 상태일 수 있다. 예를 들어, 진공 용기(260)는 단열 용기(240)의 외측을 둘러싸도록 설치됨에 따라, 진공 용기(260)가 단열 용기(240)를 수용하도록 구성되며, 단열 용기(240) 및 진공 용기(260) 사이에 진공 공간이 형성되도록 하여, 단열 용기(240)의 외통으로부터 내통으로의 대류, 전도 및 복사 열손실을 최소화시키도록 할 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.
200: 액화수소 저장장치
210: 주입구
220: 배관
230: 액화수소 저장용기
240: 단열 용기
250: 초저온 냉동기
251: 1단 스테이지부
252: 2단 스테이지부
260: 진공 용기
300: 연결 부재

Claims (9)

  1. 초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치에 있어서,
    액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기;
    상기 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 단열 용기; 및
    1단 스테이지부를 통해 상기 단열 용기와 접촉하여 상기 단열 용기 내의 온도를 제 1 온도 이하로 유지시킴으로써 외부로부터 상기 액화수소 저장용기로의 열 전달을 차단시키고, 2단 스테이지부를 통해 상기 액화수소 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 제 2 온도 이하로 유지시킴으로써 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기를 포함하고,
    상기 1단 스테이지부는 상기 단열 용기와 접속하기 위한 어댑터를 더 포함하고,
    상기 어댑터는,
    상단에 둘레방향을 따라 복수의 홀이 형성된 상부 커버; 및
    상기 상부 커버 및 상기 단열 용기 사이에 삽입되는 연결 부재를 더 포함하고,
    상기 어댑터는 상기 복수의 홀을 통해 볼트 체결되어 상기 단열 용기에 고정되는 것인, 액화수소 저장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 온도는 40K 내지 50K 이고,
    상기 제 2 온도는 20K 이하인 것인, 액화수소 저장장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열 용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 진공 용기를 더 포함하는 것인, 액화수소 저장장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부로부터 기체 수소를 주입시키는 주입구; 및
    상기 주입구로부터 상기 액화수소 저장용기를 관통하도록 설치된 배관을 더 포함하고,
    상기 배관은 상기 주입구를 통해 주입된 상기 기체 수소를 상기 액화수소 저장용기 내로 공급하는 것인, 액화수소 저장장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초저온 냉동기는 상기 2단 스테이지부를 통해 상기 액화수소 저장용기로 공급된 상기 기체 수소를 액화시키는 것인, 액화수소 저장장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 초저온 냉동기는 상기 2단 스테이지부를 통해 상기 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시키는 것인, 액화수소 저장장치.
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