KR20230108924A - 초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치 - Google Patents

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양원균
안경준
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Abstract

초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치는 액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기, 상기 액화수소 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기 및 상기 초저온 냉동기와 접촉하여 상기 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시키는 증발 가스 재액화 장치를 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 1a 및 도 1b를 통해 종래의 액화수소를 저장하는 액화수소 저장장치에 대해 설명하도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 액화수소 저장장치를 도시한 예시적인 도면이다. 도 1a를 참조하면, 종래의 액화수소 저장용기(110)는 영하 253℃ 보다 높은 온도에서는 쉽게 증발하기 때문에, 단열 장치의 구비가 요구되었다.
그러나 종래의 액화수소 저장용기(110)는 단열 장치가 구비되었음에도, 외부와 완벽한 단열이 불가능하여, 액화수소 저장용기(110)의 내부에 액화수소 가스가 증발하는 현상이 발생되었다. 여기서, 증발된 액화수소 가스는 증발 가스(BOG, Boiled Off Gas)로 불린다.
액화수소 저장용기(110)의 내부에 증발 가스가 지속적으로 축적되는 경우, 액화수소 저장용기(110)의 내부의 압력이 증가되어 액화수소 저장용기(110)의 안정성이 떨어진다는 단점을 가지고 있었다. 또한, 해상 및 육상에서의 액화수소의 운송에 의해 종래의 액화수소 저장용기(110) 내 액화수소의 유동에 의해 증발 가스의 생성이 가속화된다는 단점을 가지고 있었다.
이러한 문제점을 방지하기 위해, 초기에는 액화수소 저장용기(110)에 발생된 증발 가스를 공기 중으로 배출시키고, 액화수소 저장용기(110) 내 저장된 액화수소의 수위를 일정하게 유지시키기 위해, 증발된 증발 가스의 양만큼 액화수소를 지속적으로 충전함에 따라, 액화수소 저장장치(100)의 내부에서 생성되는 증발 가스를 재액화시키는 기술이 개발되었다.
도 1b은 종래의 증발 가스 재액화 장치(120)가 구비된 액화수소 저장장치(100)를 도시한 도면으로, 종래의 액화수소 저장장치(100)는 증발 가스 재액화 장치(120) 및 액화수소 저장용기(110)를 포함하며, 증발 가스 재액화 장치(120)는 액화수소 저장용기(110)의 외부에 별도로 설치되었다.
즉, 종래의 증발 가스를 재액화시키는 기술은 액화수소 저장용기(110)에서 증발된 증발 가스를 증발 가스 재액화 장치(120)로 배출시킨 후, 증발 가스 재액화 장치(120)를 이용하여 재액화시켜 액화수소 저장용기(110)로 재주입시키는 방식이 이용되었다.
그러나 증발 가스 재액화 장치(120)에서 재액화시킬 수 있는 증발 가스의 용량이 초과된 경우, 초과된 용량의 증발 가스는 배출되게 하였다.
즉, 종래의 액화수소 저장장치(100)는 액화수소 저장용기(110)에서 발생된 증발 가스를 외부의 증발 가스 재액화 장치(120)로 배출시킨 후, 증발 가스 재액화 장치(120)에서 증발 가스를 재액화시킨 후, 액화수소 저장용기(110)로 재주입시킴에 따라, 액화수소 저장용기(110) 및 외부에 설치된 증발 가스 재액화 장치(120) 간의 추가적인 버퍼 탱크, 펌프, 밸브 등의 별도의 추가적인 장치들이 요구되었다.
액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기, 액화수소 저장용기와 접촉하여 액화수소 저장용기 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기 및 초저온 냉동기와 접촉하여 액화수소로부터 발생된 증발 가스를 재액화시키는 증발 가스 재액화 장치를 포함하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
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 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기 및 상기 초저온 냉동기와 접촉하여 상기 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시키는 증발 가스 재액화 장치를 포함하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증발 가스 재액화 장치는 상기 액화수소 저장용기의 상단부에 위치하고, 상기 초저온 냉동기의 2단 스테이지부와 접촉할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증발 가스 재액화 장치는 유선형의 재액화 플레이트를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증발 가스 재액화 장치는 상기 재액화 플레이트 상에서 상기 초저온 냉동기의 상기 2단 스테이지부를 통해 상기 증발 가스를 재액화시키고, 상기 재액화된 증발 가스는 상기 유선형의 재액화 플레이트에 의해 상기 액화수소 저장용기로 하강될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초저온 냉동기의 1단 스테이지부는 상기 액화수소 저장용기와 접촉할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 진공 용기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 소정 온도는 -253℃ 이하일 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 냉동기가 액화수소 저장용기와의 접촉을 통해 액화수소 저장용기 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 액화수소를 액화 상태로 유지시키고, 증발 가스 재액화 장치가 초저온 냉동기와의 접촉을 통해 액화수소로부터 발생된 증발 가스를 재액화시킴으로써, 액화수소의 장기 보관시에 발생되는 액화수소를 다시 액화수소 저장용기로 주입시켜 증발 가스로 인한 손실을 방지하고, 액화수소 저장용기의 안정성을 향상시키는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
증발 가스 재액화 장치가 액화수소 저장용기 내에 위치됨으로써, 버퍼 탱크, 펌프, 밸브 등의 추가적인 장치 없이 간소화된 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
수소 충전소를 포함하여 다양한 산업에서 액화수소가 이용될 경우, 액화수소의 장기 보관을 가능하게 하는 액화수소 저장장치를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 액화수소 저장장치를 도시한 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 저장장치를 도시한 예시적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스를 액화시키는 과정을 설명하기 위한 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 액화수소 저장용기(210), 진공 용기(220), 초저온 냉동기(230) 및 증발 가스 재액화 장치(240)를 포함할 수 있다.
액화수소 저장용기(210)는 액화수소를 저장할 수 있다. 예를 들어, 액화수소 저장용기(210)는 -253℃ 이하의 액화수소(LH2)를 저장할 수 있다.
이러한 액화수소 저장용기(210)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.
진공 용기(220)는 액화수소 저장용기(210)의 외측을 둘러싸도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 진공 용기(220)는 액화수소 저장용기(210)의 외측을 둘러싸도록 설치됨에 따라, 진공 용기(220)가 액화수소 저장용기(210)를 수용하도록 구성되며, 액화수소 저장용기(210) 및 진공 용기(220) 사이에 진공(vacuum) 공간이 형성되도록 하여, 액화수소 저장용기(210)의 외통으로부터 내통으로의 대류, 전도 및 복사 열손실을 최소화시키도록 할 수 있다.
초저온 냉동기(230)는 수소의 끓는 온도인 20K 이하의 초저온 영역에서 사용되는 냉동기인 GM(Gifford-McMahon) 냉동기가 이용될 수 있다.
초저온 냉동기(230)는 2단(two-stage) 냉동기의 접촉 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 초저온 냉동기(230)의 1단 스테이지부(231)는 액화수소 저장용기(210)와 접촉하고, 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)는 증발 가스 재액화 장치(240)와 접촉할 수 있다. 예를 들어, 초저온 냉동기(230)가 가동되는 경우, 초저온 냉동기(230)의 특성상 1단 스테이지부(231)가 먼저 냉각이 진행되고, 1단 스테이지부(231)에서 충분히 냉각이 이루어진 경우, 2단 스테이지부(232)에서 냉각이 진행되며, 2단 스테이지부(232)의 온도가 액화 온도에 도달하면, 증발 가스의 재액화가 시작될 수 있다. 이러한 초저온 냉동기(230)의 1단 스테이지부(231)는 예를 들어, 대략 80K의 냉각 성능을 가질 수 있으며, 2단 스테이지부(232)는 예를 들어, 대략 10K의 냉각 성능을 가질 수 있다. 초저온 냉동기(230)는 액화수소 저장용기(210)와 접촉하여 액화수소 저장용기(210) 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 액화수소를 액화 상태로 유지시킬 수 있다. 여기서, 소정 온도는 -253℃(20K) 이하일 수 있다.
예를 들어, 초저온 냉동기(230)는 초저온 냉동기(230)의 1단 스테이지부(231)를 액화수소 저장용기(210)에 접촉시켜 액화수소를 액화 상태로 유지시킬 수 있다. 이 때, 초저온 냉동기(230)의 1단 스테이지부(231)를 액화수소 저장용기(210)에 직접 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(230)가 기체 상태의 수소와 직접 접촉됨에 따라, 상온상압의 상태에서 기체 상태의 수소를 액화시키고, 액화수소를 액화 상태로 냉각하여 유지시키는 직접냉각방식의 액화 사이클이 이용될 수 있다. 이러한 과정을 통해, 초저온 냉동기(230)의 1단 스테이지부(231)를 액화수소 저장용기(210)에 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(230)는 상온상압의 상태에서 기체 상태의 수소를 대략 80K까지 급속 냉각시켜 액화시킬 수 있다.
초저온 냉동기(230)는 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)를 증발 가스 재액화 장치(240)와 접촉시켜, 액화수소로부터 발생된 증발 가스를 재액화되도록 할 수 있다. 예를 들어, 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)를 증발 가스 재액화 장치(240)에 직접 접촉시킴으로써, 초저온 냉동기(230)가 액화수소로부터 발생된 증발 가스와 직접 접촉됨에 따라, 증발 가스를 재액화시키도록 할 수 있다. 이러한 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)는 열전도율이 높은 구리로 된 핀(fin)이 포함되도록 제작될 수 있으며, 이 경우, 2단 스테이지부(232)와 증발 가스와의 접촉면적을 증가시켜 빠르고 효율적인 냉각이 진행되도록 할 수 있다.
증발 가스 재액화 장치(240)는 초저온 냉동기(230)와 접촉하여 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시킬 수 있다. 이러한 증발 가스 재액화 장치(240)는 액화수소 저장용기(210)의 상단부에 위치하여, 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)와 접촉될 수 있다.
증발 가스 재액화 장치(240)는 유선형의 재액화 플레이트(245)를 포함할 수 있다.
증발 가스 재액화 장치(240)는 재액화 플레이트(245) 상에서 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)를 통해 증발 가스를 재액화시킬 수 있다. 여기서, 재액화된 증발 가스는 유선형의 재액화 플레이트(245)에 의해 액화수소 저장용기(210)로 하강될 수 있다.
즉, 증발 가스 재액화 장치(240)는 유선형의 재액화 플레이트(245)를 이용하여 액화가스 저장용기(210)로 증발 가스를 재액화시킬 수 있으며, 이에 대해서는 도 3을 통해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발 가스를 액화시키는 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 3을 참조하면, 초저온 냉동기(230)는 액화수소 저장용기(210)와 접촉하여 액화수소 저장용기(210) 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 액화수소(300)를 액화 상태로 유지시킬 수 있다.
이후, 액화수소 저장용기(210)가 해상 및 육상에서의 운송으로 인해 유동이 발생됨에 따라, 액화수소 저장용기(210) 내에 저장된 액화수소(300)로부터 증발 가스(310)가 발생된 경우, 증발 가스 재액화 장치(240)는 재액화 플레이트(245) 상에서 초저온 냉동기(230)의 2단 스테이지부(232)를 통해 증발 가스(310)를 재액화시킬 수 있다. 여기서, 재액화된 증발 가스는 유선형의 재액화 플레이트(245)에 의해 액화수소 저장용기(210)로 하강됨으로써, 다시 액화수소 저장용기(210) 내로 주입될 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: 액화수소 저장용기
220: 진공 용기
230: 초저온 냉동기
231: 1단 스테이지부
232: 2단 스테이지부
240: 증발 가스 재액화 장치

Claims (7)

  1. 초저온 냉동기를 이용한 액화수소 저장장치에 있어서,
    액화수소를 저장하는 액화수소 저장용기;
    상기 액화수소 저장용기와 접촉하여 상기 액화수소 저장용기 내의 온도를 소정 온도 이하로 유지시켜 상기 액화수소를 액화 상태로 유지시키는 초저온 냉동기; 및
    상기 초저온 냉동기와 접촉하여 상기 액화수소로부터 발생된 증발 가스(BOG, Boil of Gas)를 재액화시키는 증발 가스 재액화 장치를 포함하는 것인, 액화수소 저장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발 가스 재액화 장치는 상기 액화수소 저장용기의 상단부에 위치하고, 상기 초저온 냉동기의 2단 스테이지부와 접촉하는 것인, 액화수소 저장장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발 가스 재액화 장치는 유선형의 재액화 플레이트를 포함하는 것인, 액화수소 저장장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증발 가스 재액화 장치는 상기 재액화 플레이트 상에서 상기 초저온 냉동기의 상기 2단 스테이지부를 통해 상기 증발 가스를 재액화시키고,
    상기 재액화된 증발 가스는 상기 유선형의 재액화 플레이트에 의해 상기 액화수소 저장용기로 하강되는 것인, 액화수소 저장장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초저온 냉동기의 1단 스테이지부는 상기 액화수소 저장용기와 접촉하는 것인, 액화수소 저장장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 액화수소 저장용기의 외측을 둘러싸도록 설치되는 진공 용기를 더 포함하는 것인, 액화수소 저장장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 온도는 -253℃ 이하인 것인, 액화수소 저장장치.
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