KR102152466B1 - 수소변환모듈 및 이를 포함하는 수소액화장치 - Google Patents

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최병일
한용식
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Abstract

본 발명의 일실시예는 수소의 ortho-para 변환 효율을 높일 수 있는 수소변환모듈 및 이를 포함하는 수소액화장치를 제공한다. 여기서, 수소변환모듈은 유로부 그리고 변환 촉매부를 포함한다. 유로부는 내측으로 수소가 이동되도록 한다. 변환 촉매부는 유로부의 내부에 구비되어 수소가 접촉 이동하면서 ortho-para 변환되도록 한다. 변환 촉매부는 유로부의 내측공간보다 작은 단면적을 가지고, 유로부의 내주면과 이격되어 구비되며, 복수의 제1통공을 가지는 주변환부와, 주변환부의 외주면에 돌출 형성되는 돌기변환부를 가지고, 변환 촉매부는 수소가 복수의 제1통공을 통해 주변환부를 관통하여 이동하는 제1유동 및 주변환부의 외주면에서 돌기변환부에 접촉하면서 이동하는 제2유동이 이루어지도록 한다.

Description

수소변환모듈 및 이를 포함하는 수소액화장치{MODULE FOR CONVERTING HYDROGEN AND APPARATUS FOR LIQUEFYING HYDROGEN COMPRISING THE SAME}
본 발명은 수소변환모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소의 ortho-para 변환 효율을 높일 수 있는 수소변환모듈 및 이를 포함하는 수소액화장치에 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, 연소 시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생 가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소는 화학 제품의 원료 및 화학 공장의 공정 가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지 기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경 문제 및 화석 연료의 가격 상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있다.
한편, 수소는 원자핵의 회전 방향에 따라 Ortho-수소와 Para-수소가 존재하며, 상온 상태에서는 Ortho-수소가 75%, Para-수소가 25%인 혼합물로 존재한다. 수소는 20K에서 액체 상태로 존재하게 되는데, 수소를 상온에서 20K까지 냉각시킬 때, Ortho-수소는 Para-수소로 변환된다. 즉, 수소를 액화시키기 위해서는 Ortho-수소가 Para-수소로 변환되어야 하는데, 수소의 액화 효율을 높이기 위해서 수소의 Ortho-Para 변환 효율을 높이기 위한 기술이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제 1458098호(2014.11.05. 공고)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수소의 ortho-para 변환 효율을 높일 수 있는 수소변환모듈 및 이를 포함하는 수소액화장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 내측으로 수소가 이동되는 유로부; 그리고 상기 유로부의 내부에 구비되어 수소가 접촉 이동하면서 ortho-para 변환되도록 하는 변환 촉매부를 포함하고, 상기 변환 촉매부는 상기 유로부의 내측공간보다 작은 단면적을 가지고, 상기 유로부의 내주면과 이격되어 구비되며, 복수의 제1통공을 가지는 주변환부와, 상기 주변환부의 외주면에 돌출 형성되는 돌기변환부를 가지고, 상기 변환 촉매부는 수소가 복수의 상기 제1통공을 통해 상기 주변환부를 관통하여 이동하는 제1유동 및 상기 주변환부의 외주면에서 상기 돌기변환부에 접촉하면서 이동하는 제2유동이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 돌기변환부는 상기 주변환부의 길이방향을 따라 나선형상으로 돌출 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 돌기변환부는 수소가 상기 제2유동 시에 상기 돌기변환부를 관통하여 이동하도록 하는 복수의 제2통공을 더 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 주변환부의 후단으로 갈수록 상기 제1통공의 공극밀도(Pore Density)는 커질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1통공의 공극밀도는 상기 주변환부의 후단방향을 따라 미리 설정된 구간별로 커질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1통공의 공극밀도는 상기 주변환부의 후단으로 갈수록 선형적으로 커질 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유로부 또는 상기 변환 촉매부에 접촉되도록 구비되고, 내측으로 냉각유체가 이동되도록 하여 상기 변환 촉매부를 냉각시키는 냉각채널을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 수소변환모듈; 상기 수소변환모듈의 전단에 구비되고, 수소가 1차 냉각되어 상기 수소변환모듈로 유입되도록 하는 제1열교환부; 그리고 상기 수소변환모듈의 후단에 구비되고, 상기 수소변환모듈에서 배출되는 수소가 2차 냉각되도록 하는 제2열교환부를 포함하는 수소액화장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유로부의 전단부에 구비되어 수소가 상기 유로부로 유입되도록 안내하는 유입부; 그리고 상기 유입부의 내측에 구비되고, 수소가 스월링(Swirling) 유동되면서 상기 유로부로 유입되도록 하는 스월링 유도부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스월링 유도부는 상기 유입부의 내주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소가 스월링 유동되도록 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스월링 유도부는 상기 유입부의 내측에 상기 유입부의 중심축 방향으로 구비되는 코어부와, 상기 코어부의 외주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소가 스월링 유동되도록 유도하는 나선부를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유로부의 내측공간에서 돌기변환부에 접촉하면서 이동하는 제2유동에서의 수소의 유동속도가 주변환부에서의 제1유동에서의 수소의 유동속도보다 빠름에 따라 제2유동하는 수소의 일부는 주변환부의 내측으로 이동되는 제3유동을 형성할 수 있으며, 제3유동에 의해 주변환부의 내측으로 이동되는 수소는 주변환부의 내부에서 제1유동하는 수소의 흐름을 방해할 수 있다. 이에 따라 주변환부의 내부에서 수소의 유동 속도는 더욱 저하될 수 있고 수소가 변환 촉매부에 체류하는 시간을 증가시킬 수 있기 때문에, 변환 촉매부에 의한 수소의 ortho-para 변환 효율은 높아질 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 변환 촉매부를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 단면예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈에서 수소의 유동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 변환 촉매부의 제1통공의 공극밀도를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈이 냉각채널을 포함하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치를 나타낸 예시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치의 스월링 유도부를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치의 응용예를 나타낸 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 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(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 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 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈을 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 변환 촉매부를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 단면예시도이다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 수소변환모듈(100)은 유로부(110) 그리고 변환 촉매부(150)를 포함할 수 있다.
유로부(110)는 내측으로 수소가 이동되도록 할 수 있다.
변환 촉매부(150)는 유로부(110)의 내측공간(111)에 구비될 수 있으며, 수소가 접촉 이동하면서 ortho-para 변환되도록 할 수 있다.
수소 분자는 ortho-수소와 para-수소의 두 가지 분자구조로 존재하는 데, ortho-수소와 para-수소의 평형 조성은 온도에 따라 달라진다. 상온(300K)에서는 25% para-수소와 75% ortho-수소가 평형을 이루며, 상온의 수소를 예냉할 경우 77K에서 ortho-para 수소의 평형조성비를 50%까지 변환시킬 수 있다. 최종적으로 액화 온도인 20K에서는 99.8% para-수소 상태로 변환한다.
본 발명에서는 변환 촉매부(150)를 이용하여 수소의 ortho-para 변환 속도를 높일 수 있다.
변환 촉매부(150)는 형태가 변하지 않는 고체 상태로 형성될 수 있다. 일 예로, 변환 촉매부(150)는 분말이 압착되어 덩어리 형태로 구비될 수 있다. 변환 촉매부(150)는 수소의 ortho-para 변환 속도를 높일 수 있는 소재라면 특별하게 한정되지 않으며, 예를 들면, 자철석 또는 산화크롬이 사용될 수 있다.
수소변환모듈(100)로 유입되는 수소(10)는 변환 촉매부(150)에 접촉 이동하면서 ortho-para 변환이 이루어질 수 있으며, 수소변환모듈(100)에서 배출되는 수소(11)는 para-수소의 비율이 증가된 수소일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상, 수소의 흐름 방향을 기준으로 전단/전단부/전방, 후단/후단부/후방으로 설명한다. 즉, 수소가 제1지점에서 제2지점으로 이동되는 경우, 제1지점을 전단/전단부/정방으로, 제2지점을 후단/후단부/후방으로 하여 설명한다.
변환 촉매부(150)는 주변환부(151) 및 돌기변환부(155)를 가질 수 있다.
주변환부(151)는 유로부(110)의 내측공간(111)보다 작은 단면적을 가질 수 있으며, 유로부(110)의 내주면(112)과 이격되어 구비될 수 있다. 또한, 주변환부(151)는 복수의 제1통공(152)을 가질 수 있다. 제1통공(152)은 주변환부(151)의 내측에서 서로 연결되도록 형성될 수 있으며, 주변환부(151)의 표면으로 노출될 수 있다.
돌기변환부(155)는 주변환부(151)의 외주면(153)에 돌출 형성될 수 있다. 돌기변환부(155)는 주변환부(151)의 길이방향을 따라 나선형상으로 돌출 형성될 수 있다.
변환 촉매부(150)는 수소가 제1유동 및 제2유동이 이루어지도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈에서 수소의 유동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 제1유동(FL1)은 수소가 복수의 제1통공(152)을 통해 주변환부(151)를 관통하여 이동하는 유동일 수 있다. 수소가 제1유동(FL1)을 하는 경우, 수소의 유속이 감소되어 변환 촉매부(150)에 체류하는 시간이 증가될 수 있기 때문에, 변환 촉매부(150)에 의한 수소의 ortho-para 변환 효율은 높아질 수 있다.
제2유동(FL2)은 수소가 주변환부(151)의 외주면에서, 즉, 유로부(110)의 내측공간(111)에서 돌기변환부(155)에 접촉하면서 이동하는 유동일 수 있다. 제2유동(FL2)에서 수소는 돌기변환부(155)를 따라 이동하면서 유동속도가 빨라질 수 있다.
제2유동(FL2)에서의 수소의 유동속도가 제1유동(FL1)에서의 수소의 유동속도보다 빠름에 따라 제2유동(FL2)하는 수소의 일부는 제1통공(152)을 통해 주변환부(151)의 내측으로 이동되는 제3유동(FL3)을 형성할 수 있다. 제3유동(FL3)에 의해 주변환부(151)의 내측으로 이동되는 수소는 주변환부(151)의 내부에서 제1유동(FL1)하는 수소의 흐름을 방해할 수 있다. 이에 따라 주변환부(151)의 내부에서 수소의 유동 속도는 더욱 저하될 수 있고 수소가 변환 촉매부(150)에 체류하는 시간이 증가될 수 있기 때문에, 변환 촉매부(150)에 의한 수소의 ortho-para 변환 효율은 높아질 수 있다.
돌기변환부(155)는 수소가 제2유동(FL2) 시에 돌기변환부(155)를 관통하여 이동하도록 하는 복수의 제2통공(156)을 더 가질 수 있다. 따라서, 제2유동(FL2)하는 수소의 일부는 제2통공(156)을 관통하면서 돌기변환부(155)에 접촉되어 ortho-para 변환될 수 있기 때문에, 전체적인 ortho-para 변환 효율이 증가될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈의 변환 촉매부의 제1통공의 공극밀도를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 제1통공(152)의 공극밀도(Pore Density)는 커질 수 있다. 즉, 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 제1통공(152)의 개수가 증가하고 수소가 유동하는 공간이 커질 수 있으며, 이를 통해, 수소가 제1유동(FL1)을 하는 경우 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 유동저항이 감소될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제3유동(FL3)에 의해 주변환부(151)에서 제1유동(FL1)에 의한 수소의 유동속도가 느려지게 되면, 수소가 변환 촉매부(150)에 체류하는 시간이 증가되어 수소의 ortho-para 변환 효율은 높아질 수 있다. 그러나, 제1유동(FL1)에 의한 수소의 유동속도가 너무 느려져서 수소가 변환 촉매부(150)에 거의 정체하는 현상이 발생하게 되면 수소의 ortho-para 변환량이 저하될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 제1통공(152)의 공극밀도는 커지도록 형성될 수 있으며, 따라서 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 유동저항이 감소될 수 있다. 이러한 방법으로 변환 촉매부(150)에서 수소의 유동속도가 일정속도 이상으로 유지되도록 할 수 있으며, 이를 통해, ortho-para 변환 효율이 높게 유지되도록 하면서 동시에, 수소의 ortho-para 변환량도 일정수준 이상으로 유지되도록 할 수 있다. 제1통공(152)의 공극밀도는 수소의 유동 속도, 온도에 의한 ortho-수소와 para-수소의 평형 조성 등을 기초로 결정될 수 있다.
한편, 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 제1통공(152)의 공극밀도는 주변환부(151)의 후단방향을 따라 미리 설정된 구간별로 커질 수 있다. 예를 들어, 주변환부(151)가 주변환부(151)의 전단에 형성되는 제1구간(P1)과, 주변환부(151)의 후단에 형성되는 제3구간(P3)과, 제1구간(P1) 및 제3구간(P3)의 사이에 형성되는 제2구간(P2)으로 구분되는 경우, 제2구간(P2)에서의 제2공극밀도는 제1구간(P1)에서의 제1공극밀도보다 클 수 있다. 그리고, 제3구간(P3)에서의 제3공극밀도는 제2구간(P2)에서의 제2공극밀도보다 클 수 있다.
또는, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 제1통공(152)의 공극밀도는 주변환부(151)의 후단으로 갈수록 선형적으로 커질 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 수소변환모듈이 냉각채널을 포함하는 상태를 나타낸 예시도이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 수소변환모듈(100)은 냉각채널(200)을 더 포함할 수 있다.
냉각채널(200)은 유로부(110) 또는 변환 촉매부(150)에 접촉될 수 있으며, 내측으로 냉각유체가 이동되도록 하여 변환 촉매부(150)를 냉각시킬 수 있다. 이를 통해, 수소변환모듈(100)에서 수소의 ortho-para 변환 시에 발열반응으로 발열되는 열은 효과적으로 제거될 수 있다.
도 6에서는 냉각채널(200)이 유로부(110)의 외주면에 밀착되도록 구비된 것으로 도시되었으나, 전술한 바와 같이 냉각채널(200)은 변환 촉매부(150)에 접촉되도록 구비될 수도 있다.
냉각채널(200)은 수소변환모듈(100)의 후단에 구비되는 유입구(210)와 수소변환모듈(100)의 전단에 구비되는 배출구(230)를 가질 수 있다. 유입구(210)로 유입되는 냉각유체(21)는 냉각채널(200)에서 이동하면서 변환 촉매부(150)와 열교환되어 변환 촉매부(150)를 냉각시킨 후 배출구(230)로 배출될 수 있다. 배출구(230)에서 배출되는 냉각유체(22)는 냉각 사이클에서 순환되어 냉각된 후 다시 유입구(210)로 유입될 수 있다.
냉각유체는 수소변환모듈(100)에서 수소의 유동방향과 반대방향으로 이동할 수 있으며, 이를 통해, ortho-para 변환 시 발생하는 열을 더욱 효과적으로 냉각시킬 수 있다.
냉각유체는 액화천연가스(LNG) 또는 액체질소가스(LN2)와 같은 극저온액체나, 네온(Ne) 또는 헬륨(He)과 같은 극저온기체일 수 있다. 그리고, 변환 촉매부(150)는 액화천연가스(LNG), 액체질소가스(LN2), 네온(Ne) 또는 헬륨(He)과 같은 냉각유체에 의해 냉각유체의 온도와 유사한 온도로 냉각될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치를 나타낸 예시도이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 수소액화장치는 수소변환모듈(100), 제1열교환부(700) 그리고 제2열교환부(800)를 포함할 수 있다.
그리고, 수소액화장치는 수소변환모듈(100)의 전단에 구비되는 유입부(300) 및 수소변환모듈(100)의 후단에 구비되는 배출부(400)를 포함할 수 있다.
유입부(300)는 수소변환모듈(100)의 전단에 구비되는 제1헤드부(500)에 의해 수소변환모듈(100)과 연결될 수 있으며, 배출부(400)는 수소변환모듈(100)의 후단에 구비되는 제2헤드부(600)에 의해 수소변환모듈(100)과 연결될 수 있다.
수소(10)는 유입부(300)를 통해 제1헤드부(500)로 유입된 후 수소변환모듈(100)로 이동할 수 있다. 그리고, 수소변환모듈(100)을 거치면서 ortho-para 변환된 수소(11)는 제2헤드부(600)를 통해 배출부(400)로 배출될 수 있다.
제1열교환부(700)는 수소변환모듈(100)의 전단에 구비될 수 있으며, 수소(10)가 1차 냉각되어 수소변환모듈(100)로 유입되도록 할 수 있다. 보다 상세하게는 제1열교환부(700)는 유입부(300)와 연결되어 1차 냉각된 수소(10)가 유입부(300)로 이동되도록 할 수 있다.
제2열교환부(800)는 수소변환모듈(100)의 후단에 구비될 수 있으며 수소변환모듈(100)에서 배출되는 수소(11)가 2차 냉각되도록 할 수 있다. 보다 상세하게는 제2열교환부(800)는 배출부(400)와 연결되어 배출부(400)로부터 배출되는 수소(11)가 2차 냉각되도록 할 수 있다.
수소변환모듈(100)로 유입되는 수소(10)는 제1열교환부(700)에 의해 열교환되어 이미 냉각된 상태이기 때문에, 수소변환모듈(100)에서 ortho-para 변환 효율이 높아질 수 있다. 또한, 수소변환모듈(100)을 거치면서 ortho-para 변환된 후의 배출되는 수소(11)는 제2열교환부(800)에 의해 2차 냉각되어 더욱 냉각될 수 있다.
수소액화장치는 복수의 수소변환모듈(100)을 포함할 수 있고, 각각의 수소변환모듈(100)의 사이에는 열교환부가 더 구비될 수 있다. 이를 통해, ortho-para 변환되는 수소가 계속해서 더 낮은 온도로 냉각되도록 할 수 있으며, 최종적으로는 액화 온도인 20K에서 99.8% para-수소 상태로 변환될 수 있다.
수소액화장치는 유입부(300)의 내측에 구비되고, 수소(10)가 스월링(Swirling) 유동되면서 유로부(110)로 유입되도록 하는 스월링 유도부를 포함할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치의 스월링 유도부를 나타낸 예시도이다.
먼저, 도 8에서 보는 바와 같이, 스월링 유도부(900)는 유입부(300)의 내주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소가 스월링 유동되도록 유도할 수 있다.
스월링 유도부(900)에 의해 수소(10)가 스월링 유동되면 수소변환모듈로 유입되는 수소의 유동 속도가 감소될 수 있기 때문에, 변환 촉매부(150)에서의 수소의 유동 속도가 조금 더 감소될 수 있어 체류시간이 길어지고, 수소의 ortho-para 변환 효율이 높아질 수 있다.
또는, 도 9에서 보는 바와 같이, 스월링 유도부(900a)는 코어부(910) 및 나선부(920)를 가질 수 있다.
코어부(910)는 유입부(300)의 내측에 유입부(300)의 중심축 방향으로 구비될 수 있다.
나선부(920)는 코어부(910)의 외주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소(10)가 스월링 유동되도록 유도할 수 있다. 나선부(920)의 외주면은 유입부(300)의 내주면에 밀착될 수 있으며, 이를 통해, 수소의 스월링 유동이 좀 더 효과적으로 발생되도록 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 수소액화장치의 응용예를 나타낸 예시도이다.
수소액화장치는 복수의 수소변환모듈을 가질 수 있으며, 수소변환모듈의 배치 형태에 따라 냉각채널의 배치 형태도 조절될 수 있다.
먼저, 도 10의 (a)에서 보는 바와 같이, 수소변환모듈(100a,100b,100c)은 동일한 방향의 유동흐름을 가지는 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 냉각채널(200a,200b,200c)은 각각의 수소변환모듈(100a,100b,100c)에 대응되어 마련될 수 있으며, 냉각유체는 서로 이웃한 냉각채널의 배출구 및 유입구를 통해 이동될 수 있다. 즉, 가장 후단에 구비되는 냉각채널(200c)의 유입구(210c)로 유입되는 냉각유체(21)는 이동하여 배출구(230c)로 배출될 수 있으며, 이렇게 배출되는 냉각유체(21a)는 바로 전단에 배치되는 냉각채널(200b)의 유입구(210b)로 유입되어 이동될 수 있다. 그리고, 배출구(230b)로 배출되는 냉각유체(21b)는 바로 전단에 배치되는 냉각채널(200a)의 유입구(210a)로 유입되어 이동하고 배출구(230a)로 배출될 수 있다. 배출구(230a)에서 배출되는 냉각유체(22)는 냉각 사이클을 순환하여 다시 가장 후단에 구비되는 냉각채널(200c)의 유입구(210c)로 공급될 수 있다.
또는, 도 10의 (b)에서 보는 바와 같이, 수소변환모듈(100a,100b,100c)은 반대되는 방향의 유동흐름이 번갈아 형성되는 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 냉각채널(200a,200b,200c)은 각각의 수소변환모듈(100a,100b,100c)에 대응되어 마련될 수 있다. 이러한 형태에서도 수소의 유동 경로상 가장 후단에 구비되는 냉각채널(200c)의 유입구(210c)로 유입되는 냉각유체(21)는 바로 전단에 배치되는 냉각채널(200b)와, 또 그 바로 전단에 배치되는 냉각채널(200a)로 이동할 수 있으며, 최종적으로는 수소의 유동 경로상 가장 전단에 배치되는 냉각채널(200a)의 배출구(230a)로 배출될 수 있다. 배출구(230a)에서 배출되는 냉각유체(22)는 냉각 사이클을 순환하여 다시 가장 후단에 구비되는 냉각채널(200c)의 유입구(210c)로 공급될 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 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 100a,100b,100c: 수소변환모듈 150: 변환 촉매부
151: 주변환부 155: 돌기변환부
200, 200a,200b,200c: 냉각채널 300: 유입부
400: 배출부 500: 제1헤드부
600: 제2헤드부 700: 제1열교환부
800: 제2열교환부 900: 스월링 유도부
FL1: 제1유동 FL2: 제2유동
FL3: 제3유동

Claims (11)

  1. 내측으로 수소가 이동되는 유로부; 그리고
    상기 유로부의 내부에 구비되어 수소가 접촉 이동하면서 ortho-para 변환되도록 하는 변환 촉매부를 포함하고,
    상기 변환 촉매부는
    상기 유로부의 내측공간보다 작은 단면적을 가지고, 상기 유로부의 내주면과 이격되어 구비되며, 복수의 제1통공을 가지는 주변환부와,
    상기 주변환부의 외주면에 돌출 형성되는 돌기변환부를 가지고,
    상기 변환 촉매부는 수소가 복수의 상기 제1통공을 통해 상기 주변환부를 관통하여 이동하는 제1유동 및 상기 주변환부의 외주면에서 상기 돌기변환부에 접촉하면서 이동하는 제2유동이 이루어지도록 하고,
    상기 돌기변환부는 수소가 상기 제2유동 시에 상기 돌기변환부를 관통하여 이동하도록 하는 복수의 제2통공을 가지는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌기변환부는 상기 주변환부의 길이방향을 따라 나선형상으로 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 주변환부의 후단으로 갈수록 상기 제1통공의 공극밀도(Pore Density)는 커지는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1통공의 공극밀도는 상기 주변환부의 후단방향을 따라 미리 설정된 구간별로 커지는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1통공의 공극밀도는 상기 주변환부의 후단으로 갈수록 선형적으로 커지는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유로부 또는 상기 변환 촉매부에 접촉되도록 구비되고, 내측으로 냉각유체가 이동되도록 하여 상기 변환 촉매부를 냉각시키는 냉각채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소변환모듈.
  8. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 기재된 수소변환모듈;
    상기 수소변환모듈의 전단에 구비되고, 수소가 1차 냉각되어 상기 수소변환모듈로 유입되도록 하는 제1열교환부; 그리고
    상기 수소변환모듈의 후단에 구비되고, 상기 수소변환모듈에서 배출되는 수소가 2차 냉각되도록 하는 제2열교환부를 포함하는 수소액화장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 유로부의 전단부에 구비되어 수소가 상기 유로부로 유입되도록 안내하는 유입부; 그리고
    상기 유입부의 내측에 구비되고, 수소가 스월링(Swirling) 유동되면서 상기 유로부로 유입되도록 하는 스월링 유도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소액화장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스월링 유도부는 상기 유입부의 내주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소가 스월링 유동되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 수소액화장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 스월링 유도부는
    상기 유입부의 내측에 상기 유입부의 중심축 방향으로 구비되는 코어부와,
    상기 코어부의 외주면에 나선형상으로 돌출 형성되어 수소가 스월링 유동되도록 유도하는 나선부를 가지는 것을 특징으로 하는 수소액화장치.
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