KR20200114386A

KR20200114386A - 극저온 연료 저장장치

Info

Publication number: KR20200114386A
Application number: KR1020190036074A
Authority: KR
Inventors: 백종훈
Original assignee: 백종훈
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-07

Abstract

본 발명은 극저온 연료 저장장치에 관한 것으로, 본 발명의 극저온 연료 저장장치는, 연료를 저장하는 내부 용기, 상기 내부 용기와 소정의 간격을 이루는 단열 공간을 형성하면서 상기 내부 용기를 수용하는 외부 용기, 상기 내부 용기 및 상기 외부 용기를 연결하면서 상기 내부 용기의 내부와 상기 외부 용기의 외부를 연통시키는 연결 부재, 상기 연결 부재에 결합되어 유체를 주입 및 배출시키는 유체 입출관, 및, 상기 단열 공간에 설치되는 기체 흡착부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

극저온 연료 저장장치{Cryogenic fuel storage apparatus}

본 발명은 극저온 연료 저장장치에 관한 것이다.

화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위해 제안된 여러 가지 방법 중에서 가장 효율적이며 대표적인 방법이 바로 수소 에너지의 사용이다.

수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생 가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.

수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는데, 이를 위해서는 고밀도화를 통해 수소의 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 수소의 부피를 축소시켜 저장하는 공지된 방법 중 에너지 저장 밀도가 가장 큰 것은 수소를 액화시켜 액체 수소 형태로 저장하는 방법이다. 최근에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 수행되고 있는 바, 극저온 냉동기의 효율 증대로 기체 수소를 수소 액화 온도인 20K 이하로 보다 용이하게 냉각하는 것이 가능하게 되었다.

액체 수소는 대기압에서 기체 대비 약 850배의 고밀도 저장능력을 가져 연료의 부피를 크게 줄일 수 있고, 종래보다 낮은 압력으로 연료 저장탱크에 저장하는 것도 가능하며, 이송에도 매우 효율적인 효과를 나타낸다. 반면, 액체 수소는 극저온의 기화점을 갖고 있어, 저장 기술에 있어서 초고진공의 단열 기술이 요구된다.

종래의 극저온 연료 저장탱크는 상온의 외부 용기와 저온의 내부 용기가 일정한 공간을 두고 배치되는 이중 구조를 이루고, 그 사이의 기체를 제거하여 대류 열전달의 형태로 전달되는 열유입을 차단하도록 구성된다. 따라서 극저온 연료 저장탱크는 내외부 사이의 공간에 대한 고진공도 유지 기술이 연료의 증발 손실을 최소화하는 핵심 기술이라 할 수 있다.

그러나 초기에는 진공도가 매우 높더라도 시간이 지남에 따라 내부 단열재 및 에폭시 등의 소재로부터 발생되는 기체(out-gassing) 혹은 미세하게 외부에서 들어오는 기체로 인하여 장시간 고진공을 효과적으로 유지하지 못하므로, 단열 기능이 저하되고 열 침입에 의한 연료의 기화 손실율이 증가하게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 극저온 연료 저장탱크는 외부 용기와 내부 용기 사이에 연료 주입과 배출을 위한 주입관 및 배출관이 별도로 구비되므로, 두 개의 배관에서 열 출입이 이루어져 외부 열이 쉽게 유입되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 외부 열 침입을 최소로 하여 증발가스 발생에 따른 연료의 기화 손실율을 최소로 할 수 있는 극저온 연료 저장장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 외부 용기와 내부 용기의 단열재나 에폭시 등으로부터 발생되는 기체를 흡착함으로써, 내외부 용기 사이의 이격된 공간에 대한 고진공이 장시간 유지될 수 있도록 하는 극저온 연료 저장장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 극저온 연료 저장장치는, 연료를 저장하는 내부 용기, 상기 내부 용기와 소정의 간격을 이루는 단열 공간을 형성하면서 상기 내부 용기를 수용하는 외부 용기, 상기 내부 용기 및 상기 외부 용기를 연결하면서 상기 내부 용기의 내부와 상기 외부 용기의 외부를 연통시키는 연결 부재, 상기 연결 부재에 결합되어 유체를 주입 및 배출시키는 유체 입출관, 및, 상기 단열 공간에 설치되는 기체 흡착부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 내부 용기는, 탄소섬유나 유리섬유 복합재를 이용한 보강층 또는 다층 단열필름층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 연결 부재는, 저열전도성을 갖는 유리강화 섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 연결 부재 또는 상기 유체 입출관의 통로 일 측에는 상 분리기가 더 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 유체 입출관은, 내부가 연통되는 중공의 통 형상으로 상기 연결 부재에 결합되는 결합부, 연료 주입구와 배출구를 각각 제공하면서 상기 결합부의 상단에 결합되는 헤드부, 상기 연료 주입구를 개폐하는 캡부, 및, 상기 연료 배출구를 개폐하면서 연료 배출량을 조절하는 밸브부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기체 흡착부재는, 다공성의 나노세공물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 기체 흡착부재는, 상기 외부 용기의 내면에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 단일 구조의 유체 입출관을 통하여 유체가 주입 및 배출되어 외부 열 침입을 최소로 하여 증발가스 발생에 따른 연료의 기화 손실율을 최소로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 내부 용기와 외부 용기 사이의 진공 단열 공간에 고성능의 유체 흡착부재가 배치되어, 내외부 용기 사이의 이격된 공간에 대한 고진공이 장시간 유지될 수 있도록 하여, 단열 효율이 장시간 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 극저온 연료 저장장치를 나타낸 단면도,
도 2는 도 1의 주요부인 연결 부재와 유체 입출관을 나타낸 확대 단면도,

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

후술되는, 본 실시예의 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 한다. 즉 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은, 일 실시예에 관련하여 다른 실시예로 구현될 수 있으며, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 변경될 수 있음이 이해되어야 하며, 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이, 면적 및 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 극저온 연료 저장장치를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 주요부인 단일 유체 입출관을 나타낸 확대 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 극저온 연료 저장장치는 연료를 저장하는 내부 용기(100), 내부 용기(100)와 소정의 간격을 형성하면서 내부 용기(100)를 수용하는 외부 용기(200), 일 측에서 내외부 용기(100,200)를 연결하면서 내부 용기(100)의 내부와 외부 용기(200)의 외부를 연통시키는 연결 부재(300), 연결 부재(300)에 결합되어 유체를 주입 및 배출시키는 유체 입출관(400) 및 내부 용기(100)와 외부 용기(200) 사이의 공간에 배치되는 기체 흡착부재(500)를 포함한다. 본 발명에서 연료가 저장되는 탱크는 내부 용기(100)와 외부 용기(200)가 간격을 이루면서 결합되는 이중 구조를 이루고, 이들 사이의 간격은 외부 열 침입을 차단하기 위한 단열 공간(S)을 형성한다.

구체적으로 살펴보면, 내부 용기(100)는 내부에 극저온 상태의 연료, 일 예로 20.3K@1atm 이하의 온도로 냉각된 액화 수소(LH2)를 저장한다. 내부 용기(100)는 극저온에 강하고 높은 압력에도 충분히 견딜 수 있는 강성과 내구성을 갖는 소재로 구성된다. 또한, 내부 용기(100)는 내압 성능을 향상시키기 위하여 탄소섬유 혹은 유리섬유과 같은 저온용 에폭시 복합재를 이용한 보강 구조가 적용될 수 있고, 효율적인 단열을 위하여 다층 단열필름(Multi-layer Insulation)이 적용될 수 있다. 즉, 내부 용기(100)는 저온용 에폭시층 또는 다층 단열필름층을 포함할 수 있다.

외부 용기(200)는 내부 용기(100)와 소정의 간격을 이루면서 내부 용기(100)와 결합되며, 외부의 상온 상태에 노출되어 상온으로부터 저온 상태의 내부 용기(100)를 보호한다. 외부 용기(200)는 내부 용기(100) 사이에 단열 공간(S)을 형성하여 외부의 열 출입을 차단한다.

내부 용기(100)와 외부 용기(200) 사이의 단열 공간(S)에는 단열 성능을 보강하기 위한 단열층이 더 형성될 수 있다.

내부 용기(100)와 외부 용기(200) 사이의 단열 공간(S)은 기체가 제거되어 고진공에 의한 단열층을 형성한다. 단열 공간(S)은 외부 용기(200)에 구비된 진공 밸브(210)를 통하여 기체가 제거될 수 있으며, 기체가 제거된 단열 공간(S)은 대류가 형성되지 않아 대류에 의한 열전달이 차단된다. 이때, 내부 용기(100)와 외부 용기(200) 사이에는 소정 간격을 유지시키기 위한 간격재(110)가 다수의 위치에 배치될 수 있다. 간격재(110)는 열전도도가 작은 저열전달 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

내부 용기(100) 및 외부 용기(200)가 형성하는 저장탱크는 도시된 바와 같이 와상형 구조를 이룰 수 있으며, 필요에 따라 입상형 구조 등 다양한 형상을 이룰 수 있다.

연결 부재(300)는 내부 용기(100)와 외부 용기(200)를 하나로 결합시키고, 동시에 내부 용기(100)의 내부와 외부 용기(200)의 외부를 연통하여 유체 입출관(400)이 체결되는 구조를 제공한다. 연결 부재(300)는 내부가 중공인 통 형상을 이루면서 중앙 내부는 유체가 흐르는 통로(310)를 제공하고, 일단이 외부 용기(200)에 결합되고 타단이 내부 용기(100)에 결합된다. 연결 부재(300)의 내부 통로(310)에는 상 분리기(320, phase separator)가 더 구비될 수 있다. 상 분리기(320)는 다공성 금속 또는 복합재로 구성될 수 있으며, 기체 상태의 수소(GH2)만 배출될 수 있도록 한다. 상 분리기(320)는 연결 부재(300) 또는 유체 입출관(400)을 따라 유체가 배출되는 통로의 일 측에 설치될 수 있다.

또한, 연결 부재(300)는 액화 수소(LH2)의 주입과 수소 기체(GH2)의 배출시 열 침입을 최소로 할 수 있도록 저온에서 매우 낮은 열전도를 갖는 소재로 구성되며, 일 예로, 유리강화 섬유로 구성될 수 있다. 연결 부재(300)는 내외부 용기(100,200)의 상측에 체결되는 것이 바람직하며, 저장탱크의 구조에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있다.

유체 입출관(400)은 액화 수소(LH2)를 주입하고 기화된 기체 수소(GH2)를 배출한다. 본 실시예의 연료 저장장치는 하나의 입출관을 통하여 연료를 주입함과 동시에 배출하도록 구성되어 유체 주입 또는 배출 수단을 통한 열 침투를 최소로 한다.

유체 입출관(400)은 내부가 연통되어 탱크 즉, 연결 부재(300)에 결합되는 결합부(410)와, 연료 주입구(421)와 배출구(422)를 각각 제공하면서 결합부(410)의 상단에 결합되는 헤드부(420)와, 연료 주입구(421)를 개폐하는 캡부(430)와, 연료 배출구(422)를 개폐하는 밸브부(440)를 포함한다.

결합부(410)는 연료가 흐르는 내부 통로를 제공하고, 하단부는 연결 부재(300)에 결합되기 위한 제 1 결합 단부를 제공하고, 상단부는 헤드부(420)를 결합시키기 위한 제 2 결합 단부를 제공한다. 헤드부(420)는 내부가 중공을 이루는 'T' 형상의 배관으로 구성되어 연료가 흐르는 통로를 제공하며, 수직 방향의 상단부는 연료 주입구(421)를 형성하고, 연료 통로에 수직하는 수평 방향의 단부는 연료 배출구(422)를 형성한다. 연료 주입구(421)에는 캡부(430)가 결합되고, 연료 배출구(422)의 맞은편에는 밸브부(440)가 결합되어 연료의 배출량을 조절한다.

이러한 구성의 유체 입출관(400)은 헤드부(420)의 유체 주입구(421)를 통하여 액체 상태의 연료(액화 수소)를 주입하고, 연료의 주입이 완료된 후 캡부(430)를 닫아 밀폐시킨다. 또한, 유체 입출관(400)은 연료 배출시 밸브부(440)를 조절하여 기화된 연료(수소 기체)가 배출되도록 하고, 밸브부(440)의 조절로 수소 기체(GH2)의 배출량을 제어할 수 있다.

이와 같이 연료의 주입과 배출이 하나의 유체 입출관(400)에서 이루어짐으로써, 연료의 주입과 배출 구조에 의한 열 침투를 최소로 할 수 있다.

다시, 도 1을 참조하면, 기체 흡착부재(500)는 내부 용기(100)와 외부 용기 사이의 단열 공간(S)에 설치되어, 단열 공간(S) 내부에서 발생되는 기체와 외부에서 미세하게 유입되는 기체를 흡착 및 고정한다. 이를 위한 기체 흡착부재(500)는 다공성의 나노세공물질로 구성되며, 일 예로, MOF(Metal-Organic Framework), 제올라이트, 활성탄소 등으로 구성될 수 있다.

단열 공간(S)은 단열을 위하여 고진공 상태를 지속적으로 유지하여야 하지만, 연료 저장장치를 장시간 사용하는 경우 내외부 용기의 단열부재에서 발생되는 기체나 외부로부터 미세하게 유입되는 기체에 의하여 진공도가 점차 낮아지게 된다. 따라서 낮은 진공도는 대류 열전달을 일으켜 단열 효율을 저하시키므로, 기체 흡착부재(500)는 내부에서 발생되는 기체와 외부 유입 기체를 흡착 및 고정하여 단열 공간(S)이 장기간 고진공도를 유지할 수 있도록 한다. 고진공도 상태에서는 기체에 의한 대류 연전달 또는 전도에 따른 열손실을 최소로 하여 극저온 상태에서 연료를 안정적으로 보관할 수 있다.

이러한 기체 흡착부재(500)는 통기성을 갖는 주머니 등에 삽입되어 내부 용기(100)와 접촉되지 않도록 외부 용기(200)의 내면에 설치되는 것이 바람직하다. 기체 흡착부재(500)가 내부 용기(100)에 접촉되는 경우 기체 흡착부재(500)를 통하여 내부 용기(100)에 열이 전달될 수 있기 때문이다.

한편, 도시되지는 않았지만 외부 용기(200)의 일측에는 히팅부가 설치될 수 있다. 히팅부는 외부 용기(200)의 외면에 설치되거나 단열 공간(S)에서 외부 용기의 내면에 설치될 수 있다. 특히, 히팅부는 기체 흡착부재(500)가 설치된 위치에 설치되는 것이 바람직하다.

히팅부는 기체 흡착부재(500)에 흡착 및 고정된 기체를 제거하여 기체 흡착부재(500)가 재사용될 수 있도록 한다. 즉, 연료 저장장치 내부에 연료를 다시 채우는 경우 단열 공간(S) 내부도 다시 기체를 제거하여 고진공화하고, 그 전에 히팅부는 기체 흡착부재(500)에 열을 가하여 기체 흡착부재(500)에 흡착 및 고정된 기체를 강제로 제거한다. 따라서 히팅부는 단열 공간(S) 내부에 설치된 기체 흡착부재(500)를 교체하지 않고 고성능의 기체흡착 기능을 가지면서 재사용할 수 있도록 한다. 이러한 히팅부는 히팅 코일 또는 히팅 카트리지 형태로 구현될 수 있다.

상기와 같은 구성의 연료 저장장치는, 연료 주입과 배출을 위한 입출관을 하나의 단일 배관으로 구성하여 연료 주입 및 배출 수단을 통한 열 침투를 최소로 할 수 있고, 동시에 내외부 용기 사이의 단열 공간에 기체를 흡착 및 고정하는 고성능의 기체 흡착부재(500)를 설치하여 단열 공간 내부의 고진공 상태를 장시간 유지시킬 수 있다. 또한, 본 실시예의 연료 저장장치는 히팅부를 더 구비하여, 기체 흡착부재에 흡착된 기체를 강제로 배출시키도록 구성되어 연료 저장장치를 장시간 재사용할 수 있다.

100 : 내부 용기 200 : 외부 용기
110 : 간격재 S : 단열 공간
300 : 연결 부재
400 : 유체 입출관 410 : 결합부
420 : 헤드부 430 : 캡부
440 : 밸브부
500 : 기체 흡착부재

Claims

연료를 저장하는 내부 용기;
상기 내부 용기와 소정의 간격을 이루는 단열 공간을 형성하면서 상기 내부 용기 외부를 수용하는 외부 용기;
상기 내부 용기 및 상기 외부 용기를 연결하면서 상기 내부 용기의 내부와 상기 외부 용기의 외부를 연통시키는 연결 부재;
상기 연결 부재에 결합되어 유체를 주입 및 배출시키는 유체 입출관; 및
상기 단열 공간에 설치되는 기체 흡착부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 1 항에 있어서, 상기 내부 용기는,
탄소섬유나 유리섬유 복합재를 이용한 보강층 또는 다층 단열필름층을 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 1 항에 있어서, 상기 연결 부재는,
저열전도성을 갖는 유리 강화섬유로 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 연결 부재 또는 상기 유체 입출관의 통로 일 측에는 상 분리기가 더 결합되는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 1 항에 있어서, 상기 유체 입출관은,
내부가 연통되는 중공의 통 형상으로 상기 연결 부재에 결합되는 결합부;
연료 주입구와 배출구를 각각 제공하면서 상기 결합부의 상단에 결합되는 헤드부;
상기 연료 주입구를 개폐하는 캡부; 및
상기 연료 배출구를 개폐하면서 연료 배출량을 조절하는 밸브부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 1 항에 있어서, 상기 기체 흡착부재는,
다공성의 나노세공물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.
제 6 항에 있어서, 상기 기체 흡착부재는,
상기 외부 용기의 내면에 설치되는 것을 특징으로 하는 극저온 연료 저장장치.