KR102328753B1 - Hydrogen liquefying apparatus and hydrogen liquefying process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 액화 공정에서 냉각되는 수소의 온도 강하에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 변환에 따른 발열을 제어하여 액화수소의 손실을 방지할 수 있는 수소 액화장치 및 수소 액화방법을 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 수소공급부에서 공급되는 수소를 제1 온도로 냉각시키는 제1 열교환기; 상기 제1 온도로 냉각된 수소의 열적 평형상태가 유지되도록 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키는 제1 촉매변환기; 상기 제1 촉매변환기에서 배출되는 수소를 제2 온도로 냉각시키는 제2 열교환기; 및 상기 제2 온도로 냉각된 수소의 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시키는 제2 촉매변환기;를 포함하며, 상기 제2 촉매변환기에서 배출되는 수소를 수소저장부에 저장하기 이전에 상기 제2 열교환기에 재차 통과시키며 목표 액화온도로 냉각되도록 하는 특징을 개시한다.The present invention is to provide a hydrogen liquefaction apparatus and a hydrogen liquefaction method capable of preventing the loss of liquid hydrogen by controlling the heat generated by the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen in accordance with the temperature drop of hydrogen cooled in the hydrogen liquefaction process. The present invention for this purpose is a first heat exchanger for cooling the hydrogen supplied from the hydrogen supply unit to a first temperature; a first catalytic converter for converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen so that a thermal equilibrium state of hydrogen cooled to the first temperature is maintained; a second heat exchanger for cooling the hydrogen discharged from the first catalytic converter to a second temperature; and a second catalytic converter for converting ortho-hydrogen and para-hydrogen of hydrogen cooled to the second temperature to have a target ratio; Disclosed is a feature of allowing it to pass through the second heat exchanger again and cooled to a target liquefaction temperature.

Description

수소 액화장치 및 수소 액화방법{HYDROGEN LIQUEFYING APPARATUS AND HYDROGEN LIQUEFYING PROCESS}Hydrogen liquefaction apparatus and hydrogen liquefaction method

본 발명은 수소 액화장치 및 수소 액화방법에 관한 것으로, 상세하게는 수소 액화 공정에서 냉각되는 수소의 온도 강하에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 변환에 따른 발열을 제어하여 액화수소의 손실을 방지할 수 있는 수소 액화장치 및 수소 액화방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen liquefaction apparatus and a method for liquefying hydrogen, and more specifically, by controlling the heat generated by the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen in accordance with the temperature drop of hydrogen cooled in the hydrogen liquefaction process, loss of liquefied hydrogen can be prevented. It relates to a hydrogen liquefaction apparatus and a hydrogen liquefaction method.

화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 예로 수소 에너지를 이용하는 방식이 있는데, 수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소 시 이산화탄소의 배출 없이 물만 발생시키고, 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생 가능한 에너지원으로 분류될 수 있다.As a measure to solve the problems of air pollution and global warming caused by excessive use of fossil fuels, research for using non-hydrocarbon fuels is being actively conducted at home and abroad. As a representative example, there is a method using hydrogen energy. Unlike hydrocarbon-based energy, hydrogen energy generates only water without emission of carbon dioxide during combustion, and can be classified as a renewable energy source because hydrogen can be obtained again from water.

수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는데, 이를 위해서는 고밀도화를 통해 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 현재 수소의 저장 효율을 높이는 방법으로는 수소를 액화시켜 액체수소 형태로 저장하는 방법이 이용된다.In order to use hydrogen as an energy source, simplicity of transport and ease of storage must be guaranteed. For this, it is necessary to reduce the volume through densification. Currently, as a method of increasing the storage efficiency of hydrogen, a method of liquefying hydrogen and storing it in the form of liquid hydrogen is used.

수소의 액화 공정으로는 린데-햄턴(Linde-Hampson) 사이클, 클로드(Claude) 사이클, 콜린스(Collins) 사이클, 터보-브레이튼(Turbo-Brayton) 사이클 등이 공지되어 있으며, 상대적으로 린데-햄턴(Linde-Hampson) 사이클 및 콜린스(Collins) 사이클은 소형 액화 장치에 적합하고, 상대적으로 클로드(Claude) 사이클 및 터보-브레이튼(Turbo-Brayton) 사이클은 대형 액화 장치에 적합하다.As the hydrogen liquefaction process, Linde-Hampson cycle, Claude cycle, Collins cycle, Turbo-Brayton cycle, etc. are known, and relatively Linde-Hampton ( The Linde-Hampson cycle and Collins cycle are suitable for small liquefaction units, while the Claude cycle and Turbo-Brayton cycle are relatively suitable for large liquefaction units.

한편 수소분자는 가장 간단한 형의 공유결합 분자로서, 두 개의 핵주위를 두 개의 전자가 공통의 전자구름(분자오비탈)을 만들어서 에워싸고 있다. 이렇게 공유결합을 만들고 있는 한 쌍의 전자는 파울리의 배타원리에 따라 항상 반대방향의 자전운동(스핀운동)을 해야 하지만, 수소분자에서는 핵의 양성자도 스핀을 갖고 있기 때문에 두 개의 핵의 스핀이 모두 같은 방향인 경우와 서로 반대방향인 경우가 존재하게 된다. 여기서 전자의 경우를 오르토수소(Ortho-hydrogen)라 하고, 후자의 경우를 파라수소(Para-hydrogen)라고 한다.On the other hand, a hydrogen molecule is the simplest type of covalent molecule, and around two nuclei, two electrons form a common electron cloud (molecular orbital) and surround it. A pair of electrons making a covalent bond should always rotate in the opposite direction (spin motion) according to Pauli's exclusion principle. There are cases in the same direction and cases in opposite directions. Here, the former case is called ortho-hydrogen, and the latter case is called para-hydrogen.

이처럼 오르토수소와 파라수소의 두가지 분자구조로 존재하는 수소분자는 수소 액화 과정에서 오르토수소 및 파라수소의 변환이 고려되어야 한다. 즉, 상온 부근에서 오르토수소는 75%의 비율을, 파라수소는 25%의 비율을 유지하며 평형상태를 이루고, 저온으로 냉각되면 오트로수소가 파라수소로 변화되면서 파라수소의 비율이 높아지며, 액화온도인 20K 이하에서는 대부분이 파라수소(95 내지 99.5%) 상태로 변화한다.As such, for hydrogen molecules that exist in two molecular structures of ortho-hydrogen and para-hydrogen, the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen must be considered in the hydrogen liquefaction process. That is, near room temperature, ortho-hydrogen maintains a ratio of 75% and para-hydrogen maintains a ratio of 25% to form an equilibrium state, and when cooled to a low temperature, ortho-hydrogen changes to para-hydrogen, the ratio of para-hydrogen increases, and the ratio of para-hydrogen increases Below the temperature of 20K, most of them change to a para-hydrogen (95 to 99.5%) state.

여기서 오르토수소에서 파라수소로 변환은 발열 반응이고, 이러한 반응은 수십 시간 내지 수일에 걸쳐 매우 천천히 이루어진다. 따라서 오르토수소 및 파라수소의 변환을 고려하지 않고 수소의 온도를 강하시켜 액화시키면, 액화수소 상태에서 오르토수소에서 파라수소로 변환이 일어나면서 변환 과정에서 발생된 발열에 의해 액화수소가 다시 기화되면서 손실이 발생될 수 있어, 저장 안정성이 떨어지는 문제가 있다.Here, the conversion from orthohydrogen to parahydrogen is an exothermic reaction, and this reaction occurs very slowly over several tens of hours to several days. Therefore, if the temperature of hydrogen is lowered to liquefy it without considering the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen, the conversion from ortho-hydrogen to para-hydrogen occurs in the liquid hydrogen state, and liquid hydrogen is vaporized again due to the heat generated in the conversion process and is lost. This may occur, and there is a problem in that storage stability is deteriorated.

이러한 문제로 인하여, 수소 액화 공정에서는 오르토수소 및 파라수소의 변환을 촉진하는 촉매를 이용하여 수소 온도의 강하에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 변환이 이루어지도록 함으로써 액화 후 오르토수소 및 파라수소의 변환에 따른 발열량의 제어가 요구된다.Due to this problem, in the hydrogen liquefaction process, the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen after liquefaction by using a catalyst that promotes the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen is used to make the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen in accordance with the drop in the hydrogen temperature. It is required to control the amount of heat generated accordingly.

대한민국 등록특허공보 제1458098호 (2014.11.05.공고)Republic of Korea Patent Publication No. 1458098 (2014.11.05.Announcement)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 수소 액화 공정에서 냉각되는 수소의 온도 강하에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 변환에 따른 발열을 제어하여 액화수소의 손실을 방지할 수 있는 수소 액화장치 및 수소 액화방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, and the present invention can prevent the loss of liquid hydrogen by controlling the heat generated by the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen in accordance with the temperature drop of hydrogen cooled in the hydrogen liquefaction process. To provide a hydrogen liquefaction apparatus and a hydrogen liquefaction method.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치는, 수소공급부에서 공급되는 수소를 통과시키며 제1 온도로 냉각되도록 하는 제1 열교환기; 상기 제1 온도로 냉각된 수소의 열적 평형상태가 유지되도록 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키기 위한 제1 촉매변환기; 상기 제1 촉매변환기에서 배출되는 수소를 통과시키며 제2 온도로 냉각되도록 하는 제2 열교환기; 및 상기 제2 온도로 냉각된 수소의 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시키기 위한 제2 촉매변환기;를 포함할 수 있으며, 이때 상기 제2 촉매변환기에서 배출되는 수소를 수소저장부에 저장하기 이전에 상기 제2 열교환기에 재차 통과시키며 목표 액화온도로 냉각되도록 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention includes a first heat exchanger that passes hydrogen supplied from a hydrogen supply unit and is cooled to a first temperature; a first catalytic converter for converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen so that a thermal equilibrium state of hydrogen cooled to the first temperature is maintained; a second heat exchanger for passing hydrogen discharged from the first catalytic converter and cooling it to a second temperature; and a second catalytic converter for converting ortho-hydrogen and para-hydrogen of the hydrogen cooled to the second temperature to have a target ratio; in this case, the hydrogen discharged from the second catalytic converter is transferred to the hydrogen storage unit. It is characterized in that it is passed through the second heat exchanger again before storage and cooled to a target liquefaction temperature.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 제2 촉매변환기를 통과하는 수소의 O/P변환 과정에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 냉매의 유량을 단속하는 밸브; 및 상기 제2 열교환기를 재차 통과한 수소의 온도가 상기 목표 액화온도와 일치되도록, 상기 온도센서에서 측정된 수소의 온도를 기반으로 상기 밸브를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, a temperature sensor for measuring the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the O/P conversion process of hydrogen passing through the second catalytic converter; a valve controlling the flow rate of the refrigerant supplied to the second heat exchanger; and a controller configured to control the valve based on the temperature of hydrogen measured by the temperature sensor so that the temperature of the hydrogen that has passed through the second heat exchanger again matches the target liquefaction temperature.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급부는, 액화천연가스 공급부에서 공급되는 액화천연가스를 천연가스로 기화시키는 액화천연가스 기화부; 및 상기 액화천연가스 기화부에서 기화된 천연가스를 개질시켜 수소를 추출하는 천연가스 개질부;를 포함할 수 있으며, 이때 상기 액화천연가스 기화부의 가열열원은 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기의 열원일 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply unit includes: a liquefied natural gas vaporizer for vaporizing the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas supply unit into natural gas; and a natural gas reforming unit for extracting hydrogen by reforming the natural gas vaporized in the liquefied natural gas vaporizing unit, wherein the heating heat source of the liquefied natural gas vaporizing unit is the first heat exchanger or the second heat exchange It may be a source of heat.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급부는, 내부에 수소가 각각 압축 저장되며, 상기 제1 열교환기에 연결되는 수소 스트림과 선택적으로 연결되는 제1 버퍼탱크 및 제2 버퍼탱크를 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply unit has a first buffer tank and a second buffer tank in which hydrogen is compressed and stored therein, and is selectively connected to a hydrogen stream connected to the first heat exchanger. may include.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급부는, 상기 수소 스트림 상에 배치되며, 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에서 공급되는 수소의 압력을 조절하는 압력조절부를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply unit is disposed on the hydrogen stream, and a pressure control unit for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the first buffer tank or the second buffer tank is further may include

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급부는, 내부에 수소가 압축 저장하며, 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에 선택적으로 연결되어 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에 수소를 충진하거나, 상기 수소 스트림에 직접 연결되는 튜브 트레일러를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply unit stores hydrogen compressed therein, and is selectively connected to the first buffer tank or the second buffer tank to the first buffer tank or the second buffer tank. 2 The buffer tank may be filled with hydrogen, or a tube trailer connected directly to the hydrogen stream may be further included.

한편 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화방법은, 수소를 공급하는 수소공급단계; 공급되는 수소를 제1 열교환기에 통과시키며 제1 온도로 냉각시키는 제1 냉각단계; 상기 제1 온도로 냉각된 수소가 열적 평형상태를 유지하도록 제1 촉매변환기를 통과시키며 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키는 제1 O/P변환단계; 제1 O/P변환된 수소를 제2 열교환기에 통과시키며 제2 온도로 냉각시키는 제2 냉각단계; 상기 제2 온도로 냉각된 수소를 제2 촉매변환기에 통과시키며 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시키는 제2 O/P변환단계; 및 제2 O/P변환된 수소를 수소저장부에 저장하기 이전에 상기 제2 열교환기에 재차 통과시키며 목표 액화온도로 냉각시키는 제3 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention, a hydrogen supply step of supplying hydrogen; a first cooling step of passing the supplied hydrogen through a first heat exchanger and cooling it to a first temperature; a first O/P conversion step of converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen while passing the hydrogen cooled to the first temperature through a first catalytic converter to maintain a thermal equilibrium; a second cooling step of passing the first O/P-converted hydrogen through a second heat exchanger and cooling to a second temperature; a second O/P conversion step of passing hydrogen cooled to the second temperature through a second catalytic converter and converting ortho-hydrogen and para-hydrogen to have a target ratio; and a third cooling step of re-passing the second O/P-converted hydrogen through the second heat exchanger before storing it in the hydrogen storage unit and cooling it to a target liquefaction temperature.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화방법에 있어서, 상기 제3 냉각단계는, 상기 제2 O/P변환단계에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 제2 열교환기를 재차 통과한 수소의 온도가 상기 목표 액화온도와 일치되도록 상기 제2 열교환기의 냉매 유량을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention, the third cooling step includes: measuring the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the second O/P conversion step; and controlling the refrigerant flow rate of the second heat exchanger so that the temperature of hydrogen that has passed through the second heat exchanger again matches the target liquefaction temperature.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급단계는, 액화천연가스를 공급하는 액화천연가스 공급단계; 공급되는 액화천연가스를 액화천연가스 기화부에 통과시키며 천연가스로 기화시키는 액화천연가스 기화단계; 및 기화된 천연가스의 적어도 일부를 천연가스 개질부에 통과시키며 수소를 추출하는 천연가스 개질단계를 포함할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply step includes: a liquefied natural gas supply step of supplying liquefied natural gas; a liquefied natural gas vaporization step of passing the supplied liquefied natural gas through a liquefied natural gas vaporizer and vaporizing it into natural gas; And passing at least a portion of the vaporized natural gas through the natural gas reforming unit may include a natural gas reforming step of extracting hydrogen.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급단계는, 제1 버퍼탱크 및 제2 버퍼탱크에 수소를 충진시키는 버퍼탱크 충진모드; 튜브 트레일러를 상기 제1 열교환기를 향하는 수소 스트림에 연결하고, 상기 튜브 트레일러에 저장된 수소를 상기 수소 스트림으로 공급하는 제1 수소공급모드; 및 상기 제1 수소공급모드 시 상기 튜브 트레일러의 수소가 소진되면 상기 튜브 트레일러와 상기 수소 스트림의 연결을 차단하고, 상기 제1 버퍼탱크 및 상기 제2 버퍼탱크 중 하나의 버퍼탱크를 상기 수소 스트림에 연결하여 버퍼탱크에 충진된 수소를 상기 수소 스트림으로 공급하는 제2 수소공급모드를 구비할 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, the hydrogen supply step includes: a buffer tank filling mode for filling the first buffer tank and the second buffer tank with hydrogen; a first hydrogen supply mode for connecting a tube trailer to a hydrogen stream directed to the first heat exchanger, and supplying hydrogen stored in the tube trailer to the hydrogen stream; and when the hydrogen of the tube trailer is exhausted in the first hydrogen supply mode, the connection between the tube trailer and the hydrogen stream is cut off, and one of the first buffer tank and the second buffer tank is supplied to the hydrogen stream. It may be connected to a second hydrogen supply mode for supplying hydrogen charged in the buffer tank to the hydrogen stream.

본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치에 있어서, 상기 수소공급단계는, 상기 제2 수소공급모드 시 수소 공급 중인 버퍼탱크의 수소가 소진되면 해당 버퍼탱크와 상기 수소 스트림의 연결을 차단하고, 다른 나머지 버퍼탱크를 상기 수소 스트림에 연결하여 버퍼탱크에 충진된 수소를 상기 수소 스트림에 공급하는 제3 수소공급모드;를 더 구비할 수 있으며, 이때 상기 제2 수소공급모드 및 상기 제3 수소공급모드 중 수소가 소진된 버퍼탱크에 수소를 충진하는 버퍼탱크 충진모드가 동시에 수행될 수 있다.In the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, in the hydrogen supply step, when hydrogen in the buffer tank in which hydrogen is being supplied is exhausted in the second hydrogen supply mode, the connection between the buffer tank and the hydrogen stream is cut off, and another It may further include; a third hydrogen supply mode for supplying the hydrogen charged in the buffer tank to the hydrogen stream by connecting the remaining buffer tank to the hydrogen stream, wherein the second hydrogen supply mode and the third hydrogen supply mode A buffer tank filling mode in which hydrogen is filled in a buffer tank in which heavy hydrogen is exhausted may be simultaneously performed.

본 발명에 따르면, 수소 액화 공정에서 냉각되는 수소의 온도 강하에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 변환에 따른 발열을 제어하여 액화수소의 손실을 막아 저장 안정성을 높일 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that can increase the storage stability by preventing the loss of liquid hydrogen by controlling the heat generated by the conversion of ortho-hydrogen and para-hydrogen in accordance with the temperature drop of hydrogen cooled in the hydrogen liquefaction process.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화장치의 수소공급부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화장치의 수소공급부를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치의 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소공급부를 이용한 수소공급방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소공급부를 이용한 수소공급방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is an exemplary view for explaining a hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the hydrogen supply unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to the first embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the hydrogen supply unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to the second embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the control unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a hydrogen supply method using a hydrogen supply unit according to the first embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a hydrogen supply method using a hydrogen supply unit according to a second embodiment of the present invention.

이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention in which the above-described problems to be solved can be specifically realized will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the present embodiments, the same names and reference numerals may be used for the same components, and an additional description thereof may be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치를 설명하기 위한 예시도이다.1 is an exemplary view for explaining a hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 액화장치는 저온 냉동기에 기체수소를 통과시키면서 냉각 및 액화된 수소를 생산할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the hydrogen liquefaction apparatus according to this embodiment may produce cooled and liquefied hydrogen while passing gaseous hydrogen through a low-temperature refrigerator.

이를 위한 본 실시예에 따른 수소 액화장치는 수소 액화장치는 수소공급부(20), 제1 열교환기(30), 제1 촉매변환기(40), 제2 열교환기(50), 제2 촉매변환기(60), 수소저장부(70)를 포함할 수 있다.For this purpose, the hydrogen liquefaction apparatus according to this embodiment includes a hydrogen supply unit 20, a first heat exchanger 30, a first catalytic converter 40, a second heat exchanger 50, a second catalytic converter ( 60), a hydrogen storage unit 70 may be included.

수소공급부(20)는 기체 상태로 압축된 수소를 공급할 수 있다.The hydrogen supply unit 20 may supply hydrogen compressed in a gaseous state.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화장치의 수소공급부를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the hydrogen supply unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to the first embodiment of the present invention.

도 2를 추가 참조하면, 제1 실시예에 따르면 수소공급부(20A)는 액화천연가스로부터 추출된 수소를 공급할 수 있다. 이를 위한 수소공급부(20A)는 액화천연가스 공급부(21), 액화천연가스 기화부(22), 천연가스 개질부(23)를 포함할 수 있다.2 , according to the first embodiment, the hydrogen supply unit 20A may supply hydrogen extracted from liquefied natural gas. The hydrogen supply unit 20A for this purpose may include a liquefied natural gas supply unit 21 , a liquefied natural gas vaporizer 22 , and a natural gas reformer 23 .

액화천연가스 공급부(21)는 액화천연가스를 일정한 압력으로 공급할 수 있다. 예를 들면, 액화천연가스는 액화천연가스를 압축 저장할 수 있는 액화천연가스탱크로부터 공급될 수 있다.The liquefied natural gas supply unit 21 may supply liquefied natural gas at a constant pressure. For example, the liquefied natural gas may be supplied from a liquefied natural gas tank capable of compressing and storing the liquefied natural gas.

액화천연가스 기화기(22)는 액화천연가스 공급부(21)에서 공급되는 액화천연가스를 가열 증발시켜 기화된 천연가스를 추출할 수 있다.The liquefied natural gas vaporizer 22 may extract the vaporized natural gas by heating and evaporating the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas supply unit 21 .

본 실시예에 따르면, 액화천연가스 기화부(22)는 본 발명에 따른 수소 액화장치에 적용되는 냉동기(10)에 구비되는 열교환기가 적용될 수 있다. 즉, 액화천연가스 기화부(22)의 가열열원은 후술되는 제1 열교환기(30) 또는 제2 열교환기(50)의 열원(냉열원)이 이용될 수 있다. 실시예에 따르면, 액화천연가스 공급부(21)에서 공급되는 액화천연가스는 제1 열교환기(30)를 통과하면서 제1 열교환기(30)의 냉열원에 의하여 가열 증발됨으로써 천연가스가 추출될 수 있다.According to this embodiment, the liquefied natural gas vaporizer 22 may be a heat exchanger provided in the refrigerator 10 applied to the hydrogen liquefaction apparatus according to the present invention. That is, the heating heat source of the liquefied natural gas vaporization unit 22 may be a heat source (cooling heat source) of the first heat exchanger 30 or the second heat exchanger 50 to be described later. According to the embodiment, the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas supply unit 21 passes through the first heat exchanger 30 and is heated and evaporated by the cooling heat source of the first heat exchanger 30 so that natural gas can be extracted. have.

이처럼 액화천연가스의 기화 과정에서 발생되는 냉열을 수소 액화 공정의 냉동기(10)의 열원으로 활용함으로써, 수소 액화 공정에서 소요되는 에너지를 크게 절감할 수 있다.As such, by utilizing the cooling heat generated in the vaporization process of liquefied natural gas as a heat source for the refrigerator 10 of the hydrogen liquefaction process, energy required in the hydrogen liquefaction process can be greatly reduced.

천연가스 개질부(23)는 액화천연가스 기화부(22)에서 추출되는 천연가스를 개질(Reforming)시켜 수소를 추출할 수 있다. 천연가스 개질 공정을 통하여 수소를 추출하는 방식으로는 촉매 분해, 촉매 부분산화, 이산화탄소 개질, 수증기 촉매 개질 공정 등이 적용될 수 있다. 이렇게 추출된 수소는 수소 액화장치의 수소 스트림(S)으로 공급될 수 있다.The natural gas reformer 23 may reform the natural gas extracted from the liquefied natural gas vaporizer 22 to extract hydrogen. As a method of extracting hydrogen through the natural gas reforming process, catalytic decomposition, catalytic partial oxidation, carbon dioxide reforming, steam catalytic reforming processes, etc. may be applied. The hydrogen thus extracted may be supplied to the hydrogen stream (S) of the hydrogen liquefier.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화장치의 수소공급부를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining the hydrogen supply unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to the second embodiment of the present invention.

도 1 및 도 3을 참조하면, 제2 실시예에 따르면 수소공급부(20B)는 압축 상태의 기체수소가 저장된 탱크일 수 있다. 즉, 제2 실시예에 따른 수소공급부(20B)는 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)를 포함할 수 있다.1 and 3 , according to the second embodiment, the hydrogen supply unit 20B may be a tank in which gaseous hydrogen in a compressed state is stored. That is, the hydrogen supply unit 20B according to the second embodiment may include a first buffer tank 25 and a second buffer tank 26 .

제1 버퍼탱크(25)는 내부에 수소가 압축 저장되며, 수소 액화장치의 수소 스트림(S)과 선택적으로 연결될 수 있다. 제1 버퍼탱크(25)에는 수소 유입구 및 수소 유출구가 구비될 수 있으며, 수소 유입구에는 수소의 유입량을 단속하는 유입밸브가 구비될 수 있고, 수소 유출구에는 수소의 유출량을 단속하는 유출밸브가 구비될 수 있다.The first buffer tank 25 is compressed and stored therein, and may be selectively connected to the hydrogen stream (S) of the hydrogen liquefaction apparatus. The first buffer tank 25 may be provided with a hydrogen inlet and a hydrogen outlet, the hydrogen inlet may be provided with an inlet valve for controlling the inflow of hydrogen, and the hydrogen outlet may be provided with an outlet valve for controlling the outflow of hydrogen. can

제2 버퍼탱크(26)는 내부에 수소가 압축 저장되며, 수소 액화장치의 수소 스트림(S)과 선택적으로 연결될 수 있다. 제2 버퍼탱크(26)에는 수소 유입구 및 수소 유출구가 구비될 수 있으며, 수소 유입구에는 수소의 유입량을 단속하는 유입밸브가 구비될 수 있고, 수소 유출구에는 수소의 유출량을 단속하는 유출밸브가 구비될 수 있다.In the second buffer tank 26, hydrogen is compressed and stored therein, and may be selectively connected to the hydrogen stream (S) of the hydrogen liquefaction apparatus. The second buffer tank 26 may be provided with a hydrogen inlet and a hydrogen outlet, the hydrogen inlet may be provided with an inlet valve for controlling the inflow of hydrogen, and the hydrogen outlet may be provided with an outlet valve for controlling the outflow of hydrogen. can

제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)는 서로 동일한 압축 조건에서 동일한 용량의 기체수소를 저장할 수 있다.The first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 may store the same capacity of gaseous hydrogen under the same compression conditions.

이러한 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)는 수소 스트림(S)에 번갈아서 연결됨으로써 수소 액화 공정에서 사용되는 수소를 연속해서 공급할 수 있다.The first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 are alternately connected to the hydrogen stream S to continuously supply hydrogen used in the hydrogen liquefaction process.

그리고 제2 실시예에 따른 수소공급부(20B)에는 압력조절부(27)가 더 구비될 수 있다.And the hydrogen supply unit 20B according to the second embodiment may further include a pressure adjusting unit 27 .

압력조절부(27)는 수소 스트림(S) 상에 배치될 수 있으며, 수소 스트림(S)을 통해 공급되는 수소의 압력을 조절 및 설정할 수 있다.The pressure control unit 27 may be disposed on the hydrogen stream S, and may adjust and set the pressure of hydrogen supplied through the hydrogen stream S.

제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)는 수소의 저장용량을 높이기 위하여 높은 저장압력을 가지게 되는데, 이처럼 높은 압력으로 공급되는 수소는 압력조절부(27)를 통과하면서 수소 액화 공정에서 요구되는 수소의 압력으로 조절 및 설정될 수 있다.The first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 have a high storage pressure in order to increase the storage capacity of hydrogen. As such, the hydrogen supplied at a high pressure passes through the pressure adjusting unit 27 while performing a hydrogen liquefaction process. It can be adjusted and set to the required hydrogen pressure.

예를 들면, 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)에 저장되는 수소는 상온 상태에서 100barg 압력 상태로 저장될 수 있으며, 수소 스트림(S)으로 이송 중 압력조절부(27)를 통하여 10barg 압력으로 감압 설정된 상태로 공급될 수 있다.For example, the hydrogen stored in the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 may be stored at a pressure of 100 barg at room temperature, and the pressure adjusting unit 27 during transfer to the hydrogen stream (S). It can be supplied under reduced pressure at a pressure of 10 barg through the

그리고 제2 실시예에 따른 수소공급부(20B)에는 튜브 트레일러(28)가 더 구비될 수도 있다.In addition, a tube trailer 28 may be further provided in the hydrogen supply unit 20B according to the second embodiment.

튜브 트레일러(28)는 내부에 수소가 압축 저장되는 탱크를 여러 개 조합한 형태로, 이동성 차량에 장착될 수 있다.The tube trailer 28 is a combination of several tanks in which hydrogen is compressed and stored, and may be mounted on a mobile vehicle.

튜브 트레일러(28)는 제1 버퍼탱크(25) 또는 제2 버퍼탱크(26)에 선택적으로 연결되어 제1 버퍼탱크(25) 또는 제2 버퍼탱크(26)에 수소를 선택적으로 충진할 수 있다. 또한, 튜브 트레일러(28)는 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)를 통하지 않고 수소 스트림(S)에 직접 연결되어 수소 스트림(S)으로 수소를 직접 공급할 수도 있다.The tube trailer 28 may be selectively connected to the first buffer tank 25 or the second buffer tank 26 to selectively fill the first buffer tank 25 or the second buffer tank 26 with hydrogen. . In addition, the tube trailer 28 may be directly connected to the hydrogen stream S without passing through the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 to directly supply hydrogen to the hydrogen stream S.

예를 들면, 튜브 트레일러(28)는 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26) 중 어느 한 쪽 버퍼탱크에 충진된 수소를 수소 스트림(S)으로 공급하는 중 미 사용 중인 다른 나머지 버퍼탱크에 수소를 충진할 수 있고, 만약 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)의 수소가 모두 소진된 경우에는 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)와의 연결을 차단하고 수소 스트림(S)으로 수소를 직접 공급할 수 있다.For example, the tube trailer 28 supplies hydrogen filled in one of the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 as a hydrogen stream S, while the other remaining unused. Hydrogen can be filled in the buffer tank, and if all of the hydrogen in the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 is exhausted, the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 The connection can be cut off and hydrogen can be fed directly into the hydrogen stream (S).

전술한 바와 같이, 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)의 수소 저장압력이 100barg 일 경우 튜브 트레일러(28)의 수소 저장압력은 200barg일 수 있다. 이 경우 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26) 각각에서 수소 스트림(S)으로 수소를 공급하는 시간과, 튜브 트레일러(28)에서 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26) 각각으로 수소를 충진하는 시간은 동일할 수 있으며, 이에 따라, 수소 액화 공정의 중단 없이 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)는 번갈아가며 수소 스트림(S)으로 연속적인 수소 공급이 가능하다.As described above, when the hydrogen storage pressure of the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 is 100 barg, the hydrogen storage pressure of the tube trailer 28 may be 200 barg. In this case, the time for supplying hydrogen as a hydrogen stream S from each of the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 and the first buffer tank 25 and the second buffer tank from the tube trailer 28 (26) The time for filling each of hydrogen may be the same, and accordingly, the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 are alternately continuous as a hydrogen stream (S) without interruption of the hydrogen liquefaction process. Hydrogen supply is possible.

다시 도 1을 참조하면, 수소 스트림(S)으로 공급되는 수소는 냉동기(10)에 구비되는 복수의 열교환기를 순차적으로 통과하면서 냉각 및 액화되며, 액화된 수소는 수소저장부(70)에 저장될 수 있다.Referring back to FIG. 1 , hydrogen supplied as a hydrogen stream S is cooled and liquefied while sequentially passing through a plurality of heat exchangers provided in the refrigerator 10 , and the liquefied hydrogen is stored in the hydrogen storage unit 70 . can

본 발명의 실시예에 적용되는 냉동기(10)는 터보-브레이튼 사이클이 적용될 수 있다. 일반적으로 터보-브레이튼 냉동 사이클은 헬륨 또는 수소를 냉매로 사용하고, 터보팽창기(12)로 팽창시키는 역브레이튼 사이클을 이용하여 극저온 냉동시스템을 구현할 수 있으며, 대용량 액화공정 플랜트(100 liter/hr 이상)에 효과적으로 적용될 수 있다.The refrigerator 10 applied to the embodiment of the present invention may be a turbo-Brayton cycle. In general, the turbo-Brayton refrigeration cycle uses helium or hydrogen as a refrigerant and uses the reverse Brayton cycle to expand with the turbo expander 12 to implement a cryogenic refrigeration system, and a large-capacity liquefaction process plant (100 liter/hr or more) ) can be effectively applied to

터보-브레이튼 냉동 사이클에서 터보팽창기(12)의 출력일은 기체의 순차적인 재열 및 기체의 순차적인 팽창 단계를 통하여 증가될 수 있는데, 도시된 바와 같이 냉동기(10)의 압축기(11)를 통해 압축된 냉매는 터보팽창기(12)를 사이에 두고 배열되는 제1 열교환기(30) 및 제2 열교환기(50)를 순차적으로 통과하면서 재열(온도상승), 냉각(온도하강), 재열(온도상승) 과정이 반복될 수 있다.In the turbo-Brayton refrigeration cycle, the output work of the turboexpander 12 can be increased through the sequential reheating of gas and the sequential expansion of the gas, which is compressed through the compressor 11 of the chiller 10 as shown. The cooled refrigerant sequentially passes through the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 50 arranged with the turbo expander 12 interposed therebetween to reheat (temperature rise), cool (temperature drop), and reheat (temperature rise). ) process can be repeated.

도시된 바와 달리, 터보-브레이튼 냉동 사이클은 복수의 터보팽창기와 2개 이상의 열교환기가 다단으로 배열될 수 있으며, 도시된 실시예에서는 설명의 편의 상, 하나의 터보팽창기(12)를 사이에 두고 제1 열교환기(30) 및 제2 열교환기(50)가 배열된 최소한의 구성요소를 중심으로 설명하기로 한다.Unlike the drawings, in the turbo-Brayton refrigeration cycle, a plurality of turboexpanders and two or more heat exchangers may be arranged in multiple stages, and in the illustrated embodiment, for convenience of explanation, one turboexpander 12 is interposed therebetween. The minimum components in which the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 50 are arranged will be mainly described.

수소공급부(20)에서 공급되는 수소는 수소 스트림(S)을 따라 이송되면서 제1 열교환기(30) 및 제2 열교환기(50)를 순차적으로 통과하면서 냉각 및 액화되고, 액화된 수소는 수소저장부(70)에 저장될 수 있다.Hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 20 is cooled and liquefied while being transferred along the hydrogen stream S while sequentially passing through the first heat exchanger 30 and the second heat exchanger 50, and the liquefied hydrogen stores hydrogen may be stored in the unit 70 .

제1 열교환기(30)는 수소공급부(20)에서 공급되는 수소를 통과시키며 제1 온도로 냉각시킬 수 있다.The first heat exchanger 30 may allow hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 20 to pass therethrough and may be cooled to a first temperature.

여기서, 제1 온도는 수소의 액화온도(20K)보다 높은 온도일 수도 있다.Here, the first temperature may be a temperature higher than the hydrogen liquefaction temperature (20K).

제1 열교환기(30)를 통과하면서 제1 온도로 냉각된 수소는 열적 평형상태를 유지하기 위하여, 오르토수소가 파라수소로 서서히 변환하게 된다. 이러한 O/P변환 과정은 수십 시간에서 수일에 걸쳐 매우 천천히 이루어지게 된다.Hydrogen cooled to the first temperature while passing through the first heat exchanger 30 is gradually converted into ortho-hydrogen into para-hydrogen in order to maintain a thermal equilibrium state. This O/P conversion process is done very slowly over several tens of hours to several days.

따라서, 이후 수소저장부(70)에 저장된 액화수소에서 오르토수소가 파라수소로 변환하게 되면서 변환열이 발생될 수 있고, 이러한 O/P변환 시 발생된 변환열은 액화수소의 증발열보다 크기 때문에 수소저장부(70)에 저장된 액화수소가 손실될 수 있다.Therefore, since ortho-hydrogen is converted into para-hydrogen in the liquid hydrogen stored in the hydrogen storage unit 70, heat of conversion may be generated, and the heat of conversion generated during this O/P conversion is greater than the heat of evaporation of liquid hydrogen Liquid hydrogen stored in the storage unit 70 may be lost.

제1 촉매변환기(40)는 제1 열교환기(30)를 통과한 수소 스트림(S) 상에 설치될 수 있으며, 제1 열교환기(30)를 통과하면서 제1 온도로 냉각된 수소의 열적 평형상태가 유지되도록 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시킬 수 있다.The first catalytic converter 40 may be installed on the hydrogen stream S that has passed through the first heat exchanger 30 , and thermal equilibrium of hydrogen cooled to a first temperature while passing through the first heat exchanger 30 . The ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen can be changed so that the state is maintained.

다시 말해, 제1 촉매변환기(40)는 수소의 제1 온도에 맞추어 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환하여 수소의 열적 평형상태를 빠르게 구현할 수 있다.In other words, the first catalytic converter 40 can rapidly implement a thermal equilibrium state of hydrogen by converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen according to the first temperature of hydrogen.

예를 들어, 상온에서 오르토수소 비율은 75%이고 파라수소 비율은 25%일 수 있는데, 만약 제1 열교환기(30)를 통과하면서 77K로 냉각된 수소는 오르토수소 비율이 50%이고 파라수소 비율이 50%일 때 열적 평형상태일 수 있다. 따라서, 만약 제1 열교환기(30)를 통과하면서 수소가 77K로 냉각되면 제1 촉매변환기(40)를 통과하면서 수소의 오르토수소 및 파라수소는 50:50의 비율을 유지할 수 있다.For example, the ortho-hydrogen ratio at room temperature may be 75% and the para-hydrogen ratio may be 25%, if the hydrogen cooled to 77K while passing through the first heat exchanger 30 has an ortho-hydrogen ratio of 50% and a para-hydrogen ratio When this is 50%, it may be in thermal equilibrium. Therefore, if hydrogen is cooled to 77K while passing through the first heat exchanger 30 , the ortho-hydrogen and para-hydrogen of hydrogen passing through the first catalytic converter 40 may maintain a 50:50 ratio.

제1 촉매변환기(40)는 내부를 유동하는 수소와 접촉되는 촉매가 구비되는 반응공간이 구비되는데, 수소와 접촉하는 촉매의 화학 반응으로부터 수소의 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환할 수 있다. 제1 촉매변환기(40)의 촉매 및 반응공간의 구조에 대해서 특별히 한정하지는 않으며, 다양한 촉매 및 다양한 구조의 반응공간을 가지는 촉매변환기가 적용될 수 있다.The first catalytic converter 40 is provided with a reaction space provided with a catalyst in contact with hydrogen flowing therein, it is possible to convert the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen of hydrogen from the chemical reaction of the catalyst in contact with hydrogen. The structure of the catalyst and reaction space of the first catalytic converter 40 is not particularly limited, and catalytic converters having various catalysts and reaction spaces of various structures may be applied.

이때, 제1 촉매변환기(40)를 통과하는 수소는 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 제1 온도보다 높은 온도로 다시 상승될 수 있다.At this time, the hydrogen passing through the first catalytic converter 40 may be raised again to a temperature higher than the first temperature due to the conversion heat generated in the O/P conversion process.

제2 열교환기(50)는 제1 촉매변환기(40)에서 배출되는 수소를 통과시키며 제2 온도로 냉각시킬 수 있다.The second heat exchanger 50 may allow hydrogen discharged from the first catalytic converter 40 to pass therethrough and may be cooled to a second temperature.

여기서, 제2 온도는 제1 온도와 동일한 온도일 수 있으며, 제2 온도는 제1 온도보다 낮은 온도일 수도 있다.Here, the second temperature may be the same as the first temperature, and the second temperature may be a temperature lower than the first temperature.

즉, 제2 열교환기(50)는 앞서 제1 촉매변환기(40)를 통과하며 O/P변환 과정에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 다시 떨어트릴 수 있다.That is, the second heat exchanger 50 passes through the first catalytic converter 40 and may drop the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the O/P conversion process again.

만약 제2 열교환기(50)를 통하여 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 냉각된 수소는 열적 평형상태를 유지하기 위하여, 제1 온도와 제2 온도의 온도차 맞추어 오르토수소가 파라수소로 서서히 변환될 수 있다. 따라서, 제1 온도와 제2 온도의 온도차와 상응하는 O/P변환에 따른 변환열을 추가적으로 처리해 줄 필요가 있다.If hydrogen cooled to a second temperature lower than the first temperature through the second heat exchanger 50 is gradually converted into para-hydrogen by matching the temperature difference between the first temperature and the second temperature, in order to maintain a thermal equilibrium state. can Therefore, it is necessary to additionally process the conversion heat according to the O/P conversion corresponding to the temperature difference between the first temperature and the second temperature.

제2 촉매변환기(60)는 제2 열교환기(50)를 통과한 수소 스트림(S) 상에 설치될 수 있으며, 제2 열교환기(50)를 통과하면서 제2 온도로 냉각된 수소의 열적 평형상태가 유지되도록 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시킬 수 있다.The second catalytic converter 60 may be installed on the hydrogen stream S that has passed through the second heat exchanger 50 , and thermal equilibrium of hydrogen cooled to a second temperature while passing through the second heat exchanger 50 . Ortho-hydrogen and para-hydrogen can be converted to have a target ratio so that the state is maintained.

목표비율은 목표 액화온도에서 수소의 오르토수소 및 파라수소가 열적 평형상태를 유지할 수 있는 비율를 의미한다. 그리고 목표 액화온도는 기체수소가 액화되는 온도(20K)일 수 있으며, 목표 액화온도는 20K보다 낮은 온도일 수도 있다.The target ratio means a ratio at which ortho-hydrogen and para-hydrogen of hydrogen can maintain thermal equilibrium at the target liquefaction temperature. And the target liquefaction temperature may be a temperature at which gaseous hydrogen is liquefied (20K), and the target liquefaction temperature may be a temperature lower than 20K.

즉, 목표 액화온도(20K 이하)에서 수소가 열적 평형상태를 유지하기 위한 파라수소의 목표비율은 95 내지 99.5%일 수 있다.That is, the target ratio of para-hydrogen for maintaining the thermal equilibrium state of hydrogen at the target liquefaction temperature (20K or less) may be 95 to 99.5%.

한편 제2 촉매변환기(60)를 통과하는 수소는 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 제2 온도보다 높은 온도로 다시 상승될 수 있다.Meanwhile, the hydrogen passing through the second catalytic converter 60 may be raised again to a temperature higher than the second temperature due to the conversion heat generated in the O/P conversion process.

예를 들면, 제2 열교환기(50)를 통하여 수소가 목표 액화온도(20K 이하)까지 냉각되었다 하더라도, 제2 촉매변환기(60)를 통과한 수소는 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 목표 액화온도(20K)보다 높은 온도로 다시 상승될 수 있다.For example, even if hydrogen is cooled to a target liquefaction temperature (20K or less) through the second heat exchanger 50, hydrogen passing through the second catalytic converter 60 is converted into heat of conversion generated in the O/P conversion process. Due to this, it may be raised again to a temperature higher than the target liquefaction temperature (20K).

결과적으로, 제2 촉매변환기(60)를 통과한 수소를 그대로 수소저장부(70)에 저장할 경우 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 액화수소가 손실될 수 있다.As a result, when hydrogen that has passed through the second catalytic converter 60 is stored in the hydrogen storage unit 70 as it is, liquid hydrogen may be lost due to the conversion heat generated in the O/P conversion process.

이를 해소하기 위해, 제2 촉매변환기(60)에서 배출되는 수소를 수소저장부(70)에 직접 저장하는 것이 아니라, 제2 열교환기(50)를 재차 통과시키고, 제2 열교환기(50)를 재차 통과하면서 수소는 목표 액화온도(20K 이하)로 재차 냉각되도록 한다.To solve this, the hydrogen discharged from the second catalytic converter 60 is not directly stored in the hydrogen storage unit 70 , but is passed through the second heat exchanger 50 again, and the second heat exchanger 50 is As it passes again, the hydrogen is cooled again to the target liquefaction temperature (20K or less).

따라서, 수소저장부(70)에 저장되기에 이전에 제2 열교환기(50)를 재차 통과한 수소는 앞서 제2 촉매변환기(60)를 통과하며 O/P변환 과정에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 온도를 다시 떨어트려, 액화수소가 가지는 목표 액화온도(20K 이하)를 유지할 수 있으며, 목표 액화온도(20K 이하)로 냉각된 수소는 열적 평형상태가 유지되는 목표비율 즉, 95 내지 99.5%의 파라수소 비율을 유지할 수 있다.Therefore, the hydrogen that has passed through the second heat exchanger 50 again before being stored in the hydrogen storage unit 70 passes through the second catalytic converter 60 and rises by the conversion heat generated in the O/P conversion process. By lowering the temperature again, it is possible to maintain the target liquefaction temperature (20K or less) of liquefied hydrogen, and the hydrogen cooled to the target liquefaction temperature (20K or less) is the target ratio at which the thermal equilibrium is maintained, that is, 95 to 99.5% of The para-hydrogen ratio can be maintained.

이렇게 수소저장부(70)에 저장된 액화수소는 O/P변환 및 변환열에 의한 손실을 막을 수 있고, 안정된 액화수소의 저장이 가능하다.The liquid hydrogen stored in the hydrogen storage unit 70 in this way can prevent loss due to O/P conversion and conversion heat, and stable storage of liquid hydrogen is possible.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화장치의 제어부를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the control unit of the hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 수소 액화장치는 제2 촉매변환기(60)를 통과한 수소의 온도를 측정하기 위한 온도센서(81)와, 제2 열교환기(50) 측으로 공급되는 냉매의 유량을 단속하기 위한 밸브(82)와, 온도센서(81)에서 측정된 온도를 기반으로 밸브(82)를 제어하는 제어부(83)를 더 포함할 수 있다.1 and 4, the hydrogen liquefaction apparatus according to the present invention is supplied to the temperature sensor 81 for measuring the temperature of hydrogen passing through the second catalytic converter 60, and the second heat exchanger 50 side. It may further include a valve 82 for controlling the flow rate of the refrigerant, and a controller 83 for controlling the valve 82 based on the temperature measured by the temperature sensor 81 .

온도센서(81)는 제2 촉매변환기(60)를 통과한 수소의 온도를 측정하여, 제2 촉매변환기(60)를 통과하는 수소의 O/P변환 과정에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정할 수 있다.The temperature sensor 81 measures the temperature of the hydrogen passing through the second catalytic converter 60, temperature can be measured.

밸브(82)는 제2 열교환기(50)로 공급되는 냉매의 유량을 단속할 수 있다.The valve 82 may control the flow rate of the refrigerant supplied to the second heat exchanger 50 .

제어부(83)는 온도센서(81)를 통해 측정된 제2 촉매변환기(60)의 O/P변환 과정에서 상승된 수소의 온도를 기반으로 밸브(82)의 개폐량을 조절하는 것으로, 제2 열교환기(50)의 열교환 성능을 제어할 수 있다.The control unit 83 controls the opening/closing amount of the valve 82 based on the temperature of hydrogen increased in the O/P conversion process of the second catalytic converter 60 measured through the temperature sensor 81 , and the second The heat exchange performance of the heat exchanger 50 may be controlled.

최종 냉각 및 액화된 수소를 수소저장부(70)에 저장하기 이전에, 최종으로 통과하는 제2 촉매변환기(60)를 통해 설정된 파라수소의 비율이 95 내지 99.5%를 가지는 목표비율과, 최종으로 통과하는 제2 열교환기(50)를 통해 목표 액화온도(20K 이하)가 유지되는 열적 평형상태의 액화수소를 수소저장부(70)에 안정적으로 저장할 수 있게 된다.Before storing the final cooling and liquefied hydrogen in the hydrogen storage unit 70, the target ratio of para-hydrogen set through the second catalytic converter 60 that finally passes is 95 to 99.5%, and finally It is possible to stably store liquefied hydrogen in a thermal equilibrium state at which the target liquefaction temperature (20K or less) is maintained through the second heat exchanger 50 passing through it in the hydrogen storage unit 70 .

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention will be described.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소 액화방법을 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining a hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수소 액화방법은 전술한 수소 액화장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 수소공급단계, 제1 냉각단계(S12), 제1 O/P변환단계(S13), 제2 냉각단계(S14), 제2 O/P변환단계(S15), 제3 냉각단계(S16), 수소저장단계(S17)를 포함할 수 있다.1 and 5, the hydrogen liquefaction method according to the present invention may be implemented using the above-described hydrogen liquefaction apparatus, a hydrogen supply step, a first cooling step (S12), a first O/P conversion step ( S13), a second cooling step (S14), a second O/P conversion step (S15), a third cooling step (S16), and a hydrogen storage step (S17) may be included.

수소공급단계(S11)는 기체 상태로 압축된 수소를 수소 액화장치의 수소 스트림(S)으로 공급하는 단계이다.The hydrogen supply step (S11) is a step of supplying hydrogen compressed in a gaseous state to the hydrogen stream (S) of the hydrogen liquefier.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소공급부를 이용한 수소공급방법을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining a hydrogen supply method using a hydrogen supply unit according to the first embodiment of the present invention.

도 2 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소공급단계(S11)는 액화천연가스로부터 추출된 수소를 공급할 수 있으며, 이를 위한 수소공급단계(S11)는 액화천연가스 공급단계(S110), 액화천연가스 기화단계(S111), 천연가스 개질단계(S112)를 포함할 수 있다.2 and 6, the hydrogen supply step (S11) according to this embodiment may supply hydrogen extracted from liquefied natural gas, and for this, the hydrogen supply step (S11) is a liquefied natural gas supply step (S110) , may include a liquefied natural gas vaporization step (S111), a natural gas reforming step (S112).

액화천연가스 공급단계(S110)는 액화천연가스를 공급하는 단계로서, 예를 들면, 액화천연가스는 액화천연가스탱크로부터 공급될 수 있으며, 액화천연가스탱크로부터 공급되는 액화천연가스는 액화천연가스 기화부(22)로 공급될 수 있다.The liquefied natural gas supply step (S110) is a step of supplying liquefied natural gas. For example, liquefied natural gas may be supplied from a liquefied natural gas tank, and the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas tank is liquefied natural gas. It may be supplied to the vaporizer 22 .

액화천연가스 기화단계(S111)는 액화천연가스를 액화천연가스 기화부(22)에 통과시키면서 기화시켜 천연가스를 추출하는 단계이다. 이렇게 추출된 천연가스의 적어도 일부는 천연가스 개질부(23)로 공급될 수 있고, 다른 나머지 일부는 다른 사용처에 공급될 수 있다.The liquefied natural gas vaporization step (S111) is a step of vaporizing the liquefied natural gas while passing it through the liquefied natural gas vaporizer 22 to extract the natural gas. At least a portion of the extracted natural gas may be supplied to the natural gas reforming unit 23, and the other portion may be supplied to other uses.

천연가스 개질단계(S112)는 액화천연가스 기화단계(S111)를 거치며 추출된 천연가스의 적어도 일부를 천연가스 개질부(23)에 통과시키며 수소를 추출하는 단계이다. 이렇게 추출된 수소는 수소 액화장치의 수소 스트림(S)으로 공급될 수 있다.The natural gas reforming step (S112) is a step of extracting hydrogen by passing at least a portion of the natural gas extracted through the liquefied natural gas vaporization step (S111) through the natural gas reforming unit 23 . The hydrogen thus extracted may be supplied to the hydrogen stream (S) of the hydrogen liquefier.

여기서, 액화천연가스 기화부(22)에서 사용되는 가열열원은 수소 액화장치의 냉동기(10)에 구비되는 열교환기의 열원(냉열원)이 이용될 수 있다. 이처럼 액화천연가스로부터 수소를 추출하는 과정에서 액화천연가스의 기화 과정에서 발생되는 냉열을 수소 액화 공정의 냉동기(10)의 냉열원으로 활용함으로써, 수소 액화 공정에서 소요되는 에너지를 크게 절감할 수 있다.Here, the heating heat source used in the liquefied natural gas vaporizer 22 may be a heat source (cooling heat source) of a heat exchanger provided in the refrigerator 10 of the hydrogen liquefaction apparatus. In this way, in the process of extracting hydrogen from liquefied natural gas, the cooling heat generated during the vaporization of the liquefied natural gas is used as a cooling heat source for the refrigerator 10 of the hydrogen liquefaction process, thereby greatly reducing the energy required in the hydrogen liquefaction process. .

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소공급부를 이용한 수소공급방법을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a hydrogen supply method using a hydrogen supply unit according to a second embodiment of the present invention.

도 3 및 도 7을 추가 참조하면, 수소 공급은 전술한 바와 같이 액화천연가스에서 수소를 추출하는 방식 외, 압축 상태의 기체수소가 저장된 탱크를 이용하여, 수소 액화장치의 수소 스트림(S)으로 수소를 직접 공급할 수도 있으며, 본 실시예에 따른 수소공급단계(S11)는 버퍼탱크 충진모드, 제1 수소공급모드, 제2 수소공급모드, 제3 수소공급모드를 가질 수 있다.3 and 7, hydrogen is supplied as a hydrogen stream (S) of a hydrogen liquefaction device using a tank in which gaseous hydrogen in a compressed state is stored, in addition to the method of extracting hydrogen from liquefied natural gas as described above. Hydrogen may be directly supplied, and the hydrogen supply step S11 according to the present embodiment may have a buffer tank filling mode, a first hydrogen supply mode, a second hydrogen supply mode, and a third hydrogen supply mode.

도 7 (a)는 버퍼탱크 충진모드를 나타낸 것으로, 버퍼탱크 충진모드는 내부에 수소가 압축 저장되며 제1 열교환기를 향하는 수소 스트림(S)에 선택적으로 연결되는 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26)에 수소를 충진시키는 모드이다. 이러한 버터탱크 충진모드는 수소 액화 공정의 가동 이전에 미리 수행될 수 있다.Figure 7 (a) shows the buffer tank filling mode, in which hydrogen is compressed and stored therein, and the first buffer tank 25 and the second selectively connected to the hydrogen stream S toward the first heat exchanger. 2 In this mode, the buffer tank 26 is filled with hydrogen. Such a butter tank filling mode may be performed in advance before the operation of the hydrogen liquefaction process.

도 7 (b)는 제1 수소공급모드를 나타낸 것으로, 제1 수소공급모드는 튜브 트레일러(28)를 수소 스트림(S)에 직접 연결하여 튜브 트레일러(28)에 저장된 수소를 수소 스트림(S)으로 공급하는 모드이다. 이 모드 수행 시 압력조절부(27)는 튜브 트레일러(28)에서 공급되는 수소의 압력을 조절 및 설정하여 수소 스트림(S)을 향해 균일한 압력의 수소를 공급할 수 있다.7 (b) shows a first hydrogen supply mode, in which the tube trailer 28 is directly connected to the hydrogen stream S, and hydrogen stored in the tube trailer 28 is converted into a hydrogen stream (S). This mode is supplied by When performing this mode, the pressure control unit 27 may supply hydrogen at a uniform pressure toward the hydrogen stream S by adjusting and setting the pressure of hydrogen supplied from the tube trailer 28 .

도 7 (c)는 제2 수소공급모드를 나타낸 것으로, 제2 수소공급모드는 제1 수소공급모드 수행 시, 수소 스트림(S)으로 수소를 공급하던 튜브 트레일러(28)의 수소가 소진되면, 튜브 트레일러(28)와 수소 스트림(S)의 연결을 차단하고, 제1 버퍼탱크(25) 및 제2 버퍼탱크(26) 중 제1 버퍼탱크(25)를 수소 스트림(S)에 연결하여 제1 버퍼탱크(25)에 충진된 수소를 수소 스트림(S)으로 공급하는 모드이다. 이 모드 수행 시 압력조절부(27)는 제1 버퍼탱크(25)에서 공급되는 수소의 압력을 조절 및 설정하여 수소 스트림(S)을 향해 균일한 압력의 수소를 공급할 수 있다.7 (c) shows the second hydrogen supply mode, the second hydrogen supply mode is when the hydrogen of the tube trailer 28 that supplies hydrogen as the hydrogen stream S is exhausted when the first hydrogen supply mode is performed, The tube trailer 28 and the hydrogen stream S are cut off, and the first buffer tank 25 of the first buffer tank 25 and the second buffer tank 26 is connected to the hydrogen stream S 1 It is a mode in which the hydrogen charged in the buffer tank 25 is supplied as a hydrogen stream (S). When performing this mode, the pressure adjusting unit 27 may adjust and set the pressure of hydrogen supplied from the first buffer tank 25 to supply hydrogen at a uniform pressure toward the hydrogen stream S.

도 7 (d)는 제3 수소공급모드를 나타낸 것으로, 제3 수소공급모드는 제2 수소공급모드 수행 시, 제1 버퍼탱크(25)의 수소가 소진되면 제1 버퍼탱크(25)와 수소 스트림(S)의 연결을 차단하고, 제2 버퍼탱크(26)를 수소 스트림(S)에 연결하여 제2 버퍼탱크(26)에 충진된 수소를 수소 스트림(S)에 공급하는 모드이다. 이 모드 수행 시 압력조절부(27)는 제2 버퍼탱크(26)에서 공급되는 수소의 압력을 조절 및 설정하여 수소 스트림(S)을 향해 균일한 압력의 수소를 공급할 수 있다.7 (d) shows a third hydrogen supply mode. In the third hydrogen supply mode, when the hydrogen in the first buffer tank 25 is exhausted when the second hydrogen supply mode is performed, the first buffer tank 25 and hydrogen It is a mode in which the connection of the stream (S) is cut off, and the hydrogen charged in the second buffer tank (26) is supplied to the hydrogen stream (S) by connecting the second buffer tank (26) to the hydrogen stream (S). When performing this mode, the pressure adjusting unit 27 may adjust and set the pressure of hydrogen supplied from the second buffer tank 26 to supply hydrogen at a uniform pressure toward the hydrogen stream S.

여기서, 도 7 (e)에 나타낸 바와 같이, 제1 버퍼탱크(25)의 수소를 공급하는 제2 수소공급모드 또는 제2 버퍼탱크(26)의 수소를 공급하는 제3 수소공급모드 수행 중, 수소가 소진된 버퍼탱크는 튜브 트레일러(28)를 통해 수소가 충진되는 버퍼탱크 충진모드가 동시에 수행될 수 있다.Here, as shown in FIG. 7 (e), during the second hydrogen supply mode for supplying hydrogen from the first buffer tank 25 or the third hydrogen supply mode for supplying hydrogen from the second buffer tank 26, The buffer tank in which hydrogen is exhausted may be simultaneously performed in a buffer tank filling mode in which hydrogen is filled through the tube trailer 28 .

따라서, 유통되는 튜브 트레일러(28)의 불특정한 사용주기에도 불구하고, 수소 액화 공정의 중단 없이 수소 스트림(S)을 향해 기체 수소의 연속적이고 안정적인 공급이 가능하고, 수소 이송 및 공급의 효율성을 높일 수 있다.Therefore, in spite of the unspecified use cycle of the tube trailer 28 being distributed, it is possible to continuously and stably supply gaseous hydrogen toward the hydrogen stream S without stopping the hydrogen liquefaction process, and to increase the efficiency of hydrogen transport and supply. can

다시 도 5를 참조하면, 제1 냉각단계(S12)는 수소 스트림(S)을 통해 공급되는 수소를 제1 열교환기(30)에 통과시키며 제1 온도로 냉각시키는 단계이다.Referring back to FIG. 5 , the first cooling step S12 is a step of passing hydrogen supplied through the hydrogen stream S through the first heat exchanger 30 and cooling it to a first temperature.

제1 온도는 수소의 액화온도인 목표 액화온도일 수 있으며, 제1 온도는 목표 액화온도보다 높은 온도일 수도 있다.The first temperature may be a target liquefaction temperature that is a liquefaction temperature of hydrogen, and the first temperature may be a temperature higher than the target liquefaction temperature.

제1 O/P변환단계(S13)는 제1 온도로 냉각된 수소가 열적 평형상태를 유지하도록 제1 촉매변환기(40)를 통과시키며 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키는 단계이다.The first O/P conversion step (S13) is a step of converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen while passing the hydrogen cooled to the first temperature through the first catalytic converter 40 to maintain a thermal equilibrium.

제1 열교환기(30)를 통한 제1 냉각단계(S12)를 거친 수소는 열적 평형상태를 유지하기 위하여 오르토수소가 파라수소로 수십 시간에서 수일에 걸쳐 매우 천천히 변화될 수 있는데, 이와 달리, 제1 촉매변환기(40)를 통한 제1 O/P변환단계(S13)를 거친 수소는 오르토수소 및 파라수소가 열적 평형상태를 만족할 수 있는 비율에 신속하게 도달될 수 있다. 따라서, O/P변환 과정에서 발생되는 변환열로 인하여 이후 수소저장부(70)에 저장된 액화수소가 손실되는 것을 방지할 수 있다.Hydrogen that has undergone the first cooling step (S12) through the first heat exchanger 30 may be changed from ortho-hydrogen to para-hydrogen very slowly over several tens of hours to several days in order to maintain a thermal equilibrium state. 1 The hydrogen that has undergone the first O/P conversion step (S13) through the catalytic converter 40 can quickly reach a ratio that can satisfy the thermal equilibrium state of ortho-hydrogen and para-hydrogen. Accordingly, it is possible to prevent the loss of liquid hydrogen stored in the hydrogen storage unit 70 afterward due to the conversion heat generated in the O/P conversion process.

제2 냉각단계(S14)는 제1 O/P변환된 수소를 제2 열교환기(50)에 통과시키며 제2 온도로 냉각시키는 단계이다.The second cooling step (S14) is a step of passing the first O/P-converted hydrogen through the second heat exchanger 50 and cooling it to a second temperature.

제1 촉매변환기(40)를 통한 제1 O/P변환단계(S13)를 거친 수소는 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 제1 온도보다 높은 온도로 다시 상승될 수 있는데, 제2 열교환기(50)를 통한 제2 냉각단계(S14)를 거친 수소는 제2 온도로 냉각될 수 있다.Hydrogen that has undergone the first O/P conversion step (S13) through the first catalytic converter 40 may be raised again to a temperature higher than the first temperature due to the conversion heat generated in the O/P conversion process, the second The hydrogen that has undergone the second cooling step S14 through the heat exchanger 50 may be cooled to a second temperature.

제2 온도는 제1 온도와 동일한 온도일 수 있으며, 제2 온도는 제1 온도보다 낮은 온도일 수도 있다.The second temperature may be the same as the first temperature, and the second temperature may be lower than the first temperature.

제2 O/P변환단계(S15)는 제2 온도로 냉각된 수소를 제2 촉매변환기(60)에 통과시키며 오르토수소 및 파라수소가 목표비율 즉, 목표 액화온도(20K 이하)에서 수소의 오르토수소 및 파라수소가 열적 평형상태를 유지할 수 있는 비율을 가지도록 변환시키는 단계이다.In the second O/P conversion step (S15), hydrogen cooled to a second temperature is passed through the second catalytic converter 60, and ortho-hydrogen and para-hydrogen are ortho-hydrogen and para-hydrogen at a target ratio, that is, at a target liquefaction temperature (20K or less) of hydrogen. It is a step of converting hydrogen and para-hydrogen to have a ratio capable of maintaining a thermal equilibrium state.

즉, 제2 O/P변환단계(S15)에서는 목표 액화온도(20K 이하)에서 수소가 열적 평형상태를 유지하기 위한 파라수소의 목표비율인 95 내지 99.5%를 가지도록 변환될 수 있다.That is, in the second O/P conversion step (S15), hydrogen may be converted to have a target ratio of 95 to 99.5% of para-hydrogen for maintaining a thermal equilibrium state at a target liquefaction temperature (20K or less).

제3 냉각단계(S16)는 제2 O/P변환된 수소를 수소저장부(70)에 저장하기 이전에, 제2 열교환기(50)에 재차 통과시키며 목표 액화온도(20K 이하)로 냉각시키는 단계이다.In the third cooling step (S16), before storing the second O/P converted hydrogen in the hydrogen storage unit 70, it is passed through the second heat exchanger 50 again and cooled to a target liquefaction temperature (20K or less). is a step

제2 촉매변환기(60)를 통한 제2 O/P변환단계(S15)를 거친 수소는 O/P변환 과정에서 발생된 변환열로 인하여 제2 온도보다 높은 온도로 다시 상승될 수 있는데, 수소저장부(70)에 저장되기 이전에 제2 열교환기(50)에 재차 통과시키며 제3 냉각단계(S16)를 거침으로써 목표 액화온도(20K 이하)가 유지될 수 있다.Hydrogen that has undergone the second O/P conversion step (S15) through the second catalytic converter 60 may be raised again to a temperature higher than the second temperature due to the conversion heat generated in the O/P conversion process, hydrogen storage Before being stored in the unit 70, the target liquefaction temperature (20K or less) can be maintained by passing it through the second heat exchanger 50 again and passing through the third cooling step (S16).

도 4를 참조하면, 제3 냉각단계(S16)에서는 제2 열교환기(50)를 재차 통과한 수소의 온도가 목표 액화온도와 일치되도록, 제2 O/P변환단계(S15)에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정하는 단계와, 이렇게 측정된 수소의 온도를 기반으로 제2 열교환기(50)의 냉매 유량을 단속하는 것으로 제2 열교환기(50)의 열교환 성능을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.4, in the third cooling step (S16), the conversion generated in the second O/P conversion step (S15) so that the temperature of the hydrogen that has passed through the second heat exchanger 50 again matches the target liquefaction temperature Measuring the temperature of hydrogen raised by heat, and controlling the heat exchange performance of the second heat exchanger 50 by intermitting the refrigerant flow rate of the second heat exchanger 50 based on the measured hydrogen temperature. may include.

이처럼 제2 O/P변환단계(S15)에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도에 따라, 제2 열교환기(50)에 사용되는 냉열원을 미세하게 단속함으로써, 최종 수소저장부(70)에 저장되는 수소의 목표 액화온도(20K 이하)에 따른 오르토수소 및 파라수소의 목표비율(95 내지 99.5% 비율의 파라수소)을 정확히 일치시킬 수 있다. 이에 따라, 이후 O/P변환 과정에서 발생되는 변환열로 인하여 수소저장부(70)에 저장된 액화수소의 손실을 줄일 수 있다.As such, by finely controlling the cooling heat source used in the second heat exchanger 50 according to the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the second O/P conversion step (S15), the final hydrogen storage unit 70 It is possible to exactly match the target ratio (95 to 99.5% of para-hydrogen) of ortho-hydrogen and para-hydrogen according to the target liquefaction temperature (20K or less) of hydrogen stored in the . Accordingly, it is possible to reduce the loss of liquid hydrogen stored in the hydrogen storage unit 70 due to the conversion heat generated in the subsequent O/P conversion process.

또한 제2 O/P변환단계(S15)에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도에 따라, 제2 열교환기(50)에 사용되는 냉열원을 미세하게 단속함으로써, 냉동 사이클의 에너지를 절감할 수도 있다.In addition, according to the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the second O/P conversion step (S15), by finely controlling the cooling heat source used in the second heat exchanger 50, energy of the refrigeration cycle can be saved. may be

이상에서의 일련의 냉각 및 액화 과정을 거친 액체수소는 수소저장부(70)에 저장되어 장시간 손실 없이 안정적으로 저장 보관될 수 있다.Liquid hydrogen that has undergone a series of cooling and liquefaction processes described above is stored in the hydrogen storage unit 70 and can be stored and stored stably without loss for a long time.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings as described above, those skilled in the art may vary the present invention in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. may be modified or changed.

10: 냉동기
20: 수소공급부
30: 제1 열교환기
40: 제1 촉매변환기
50: 제2 열교환기
60: 제2 촉매변환기
70: 수소저장부10: Freezer
20: hydrogen supply unit
30: first heat exchanger
40: first catalytic converter
50: second heat exchanger
60: second catalytic converter
70: hydrogen storage unit

Claims (11)

열교환기에 수소를 통과시키면서 냉각 및 액화시키는 수소 액화장치로서,
수소공급부에서 공급되는 수소를 통과시키며 제1 온도로 냉각되도록 하는 제1 열교환기;
상기 제1 온도로 냉각된 수소의 열적 평형상태가 유지되도록 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키기 위한 제1 촉매변환기;
상기 제1 촉매변환기에서 배출되는 수소를 통과시키며 제2 온도로 냉각되도록 하는 제2 열교환기;
상기 제2 온도로 냉각된 수소의 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시키기 위한 제2 촉매변환기;
상기 제2 촉매변환기를 통과하는 수소의 O/P변환 과정에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정하기 위한 온도센서;
상기 제2 열교환기 측으로 공급되는 냉매의 유량을 단속하는 밸브; 및
상기 온도센서에서 측정된 수소의 온도를 기반으로 상기 밸브를 제어하는 제어부;를 포함하며,
상기 제2 촉매변환기를 거치면서 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환되는 과정에서 수소의 온도가 상기 제2 온도보다 높게 상승될 시, 상기 제2 촉매변환기에서 배출되는 수소를 수소저장부에 저장하기 이전에 상기 제2 열교환기에 재차 통과시키며, 수소의 온도가 상기 제2 온도와 동일하거나 상기 제2 온도보다 낮은 목표 액화온도로 냉각되도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 액화장치.A hydrogen liquefaction device for cooling and liquefying while passing hydrogen through a heat exchanger,
a first heat exchanger to pass hydrogen supplied from the hydrogen supply unit and to be cooled to a first temperature;
a first catalytic converter for converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen so that a thermal equilibrium state of hydrogen cooled to the first temperature is maintained;
a second heat exchanger for passing hydrogen discharged from the first catalytic converter and cooling it to a second temperature;
a second catalytic converter for converting ortho-hydrogen and para-hydrogen of hydrogen cooled to the second temperature to have a target ratio;
a temperature sensor for measuring the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the O/P conversion process of hydrogen passing through the second catalytic converter;
a valve controlling the flow rate of the refrigerant supplied to the second heat exchanger; and
Includes; a control unit for controlling the valve based on the temperature of hydrogen measured by the temperature sensor;
When the temperature of hydrogen rises higher than the second temperature in the process of converting ortho-hydrogen and para-hydrogen to have a target ratio while passing through the second catalytic converter, the hydrogen discharged from the second catalytic converter is stored in a hydrogen storage unit. Hydrogen liquefaction apparatus, characterized in that by passing it through the second heat exchanger again before storing in the hydrogen liquefier, the temperature of hydrogen is the same as the second temperature or cooled to a target liquefaction temperature lower than the second temperature. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수소공급부는,
액화천연가스 공급부에서 공급되는 액화천연가스를 천연가스로 기화시키는 액화천연가스 기화부; 및
상기 액화천연가스 기화부에서 기화된 천연가스를 개질시켜 수소를 추출하는 천연가스 개질부;를 포함하며,
상기 액화천연가스 기화부의 가열열원은 상기 제1 열교환기 또는 상기 제2 열교환기의 열원인 것을 특징으로 하는 수소 액화장치.According to claim 1,
The hydrogen supply unit,
a liquefied natural gas vaporizer for vaporizing the liquefied natural gas supplied from the liquefied natural gas supply unit into natural gas; and
and a natural gas reforming unit for extracting hydrogen by reforming the natural gas vaporized in the liquefied natural gas vaporizing unit
The heating heat source of the liquefied natural gas vaporization unit is hydrogen liquefaction apparatus, characterized in that the heat source of the first heat exchanger or the second heat exchanger. 제1항에 있어서,
상기 수소공급부는,
내부에 수소가 각각 압축 저장되며, 상기 제1 열교환기에 연결되는 수소 스트림과 선택적으로 연결되는 제1 버퍼탱크 및 제2 버퍼탱크를 포함하며,
상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에 저장된 수소가 상기 수소 스트림 측으로 연속하여 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 액화장치.According to claim 1,
The hydrogen supply unit,
Hydrogen is compressed and stored therein, and includes a first buffer tank and a second buffer tank selectively connected to a hydrogen stream connected to the first heat exchanger,
Hydrogen liquefaction apparatus, characterized in that the hydrogen stored in the first buffer tank or the second buffer tank is continuously supplied to the hydrogen stream side. 제4항에 있어서,
상기 수소공급부는,
상기 수소 스트림 상에 배치되며, 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에서 공급되는 수소의 압력을 조절하는 압력조절부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 액화장치.5. The method of claim 4,
The hydrogen supply unit,
Hydrogen liquefaction apparatus comprising a; is disposed on the hydrogen stream, the pressure control unit for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the first buffer tank or the second buffer tank. 제4항에 있어서,
상기 수소공급부는,
내부에 수소가 압축 저장하며, 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에 선택적으로 연결되어 상기 제1 버퍼탱크 또는 상기 제2 버퍼탱크에 수소를 충진하거나, 상기 수소 스트림에 직접 연결되는 튜브 트레일러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 액화장치.5. The method of claim 4,
The hydrogen supply unit,
A tube trailer that stores hydrogen compressed therein and is selectively connected to the first buffer tank or the second buffer tank to fill the first buffer tank or the second buffer tank with hydrogen, or is directly connected to the hydrogen stream ; Hydrogen liquefaction apparatus further comprising a. 제1항에 기재된 수소 액화장치를 이용한 수소 액화방법으로서,
수소를 공급하는 수소공급단계;
공급되는 수소를 상기 제1 열교환기에 통과시키며 상기 제1 온도로 냉각시키는 제1 냉각단계;
상기 제1 온도로 냉각된 수소가 열적 평형상태를 유지하도록 상기 제1 촉매변환기를 통과시키며 오르토수소 및 파라수소의 비율을 변환시키는 제1 O/P변환단계;
제1 O/P변환된 수소를 상기 제2 열교환기에 통과시키며 상기 제2 온도로 냉각시키는 제2 냉각단계;
상기 제2 온도로 냉각된 수소를 상기 제2 촉매변환기에 통과시키며 오르토수소 및 파라수소가 목표비율을 가지도록 변환시키는 제2 O/P변환단계; 및
제2 O/P변환된 수소를 상기 수소저장부에 저장하기 이전에 상기 제2 열교환기에 재차 통과시키며 상기 목표 액화온도로 냉각시키는 제3 냉각단계;를 포함하며,
상기 제3 냉각단계는,
상기 제2 O/P변환단계에서 발생된 변환열에 의하여 상승된 수소의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 제2 O/P변환단계에서 발생된 변환열에 의하여 수소의 온도가 상기 제2 온도보다 높게 상승될 시, 상기 제2 열교환기를 재차 통과하는 수소의 온도가 상기 제2 온도와 동일하거나 상기 제2 온도보다 낮은 상기 목표 액화온도로 냉각되도록 상기 제2 열교환기의 냉매 유량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 액화방법.As a hydrogen liquefaction method using the hydrogen liquefaction apparatus according to claim 1,
A hydrogen supply step of supplying hydrogen;
a first cooling step of passing the supplied hydrogen through the first heat exchanger and cooling it to the first temperature;
a first O/P conversion step of converting the ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen while passing through the first catalytic converter so that the hydrogen cooled to the first temperature maintains a thermal equilibrium;
a second cooling step of passing the first O/P-converted hydrogen through the second heat exchanger and cooling it to the second temperature;
a second O/P conversion step of passing hydrogen cooled to the second temperature through the second catalytic converter and converting ortho-hydrogen and para-hydrogen to have a target ratio; and
A third cooling step of passing the second O/P-converted hydrogen through the second heat exchanger again before storing it in the hydrogen storage unit and cooling it to the target liquefaction temperature;
The third cooling step,
measuring the temperature of hydrogen raised by the conversion heat generated in the second O/P conversion step; and
When the temperature of hydrogen is raised higher than the second temperature by the conversion heat generated in the second O/P conversion step, the temperature of hydrogen passing through the second heat exchanger again is the same as the second temperature or the second temperature and controlling the refrigerant flow rate of the second heat exchanger to be cooled to the target liquefaction temperature lower than the temperature. 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 수소공급단계는,
액화천연가스를 공급하는 액화천연가스 공급단계;
공급되는 액화천연가스를 액화천연가스 기화부에 통과시키며 천연가스로 기화시키는 액화천연가스 기화단계; 및
기화된 천연가스의 적어도 일부를 천연가스 개질부에 통과시키며 수소를 추출하는 천연가스 개질단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 액화방법.8. The method of claim 7,
The hydrogen supply step is
A liquefied natural gas supply step of supplying liquefied natural gas;
a liquefied natural gas vaporization step of passing the supplied liquefied natural gas through a liquefied natural gas vaporizer and vaporizing it into natural gas; and
Hydrogen liquefaction method comprising a; natural gas reforming step of extracting hydrogen by passing at least a portion of the vaporized natural gas through a natural gas reforming unit. 제7항에 있어서,
상기 수소공급단계는,
제1 버퍼탱크 및 제2 버퍼탱크에 수소를 충진시키는 버퍼탱크 충진모드;
튜브 트레일러를 상기 제1 열교환기를 향하는 수소 스트림에 연결하고, 상기 튜브 트레일러에 저장된 수소를 상기 수소 스트림으로 공급하는 제1 수소공급모드; 및
상기 제1 수소공급모드 시 상기 튜브 트레일러의 수소가 소진되면 상기 튜브 트레일러와 상기 수소 스트림의 연결을 차단하고, 상기 제1 버퍼탱크 및 상기 제2 버퍼탱크 중 하나의 버퍼탱크를 상기 수소 스트림에 연결하여 버퍼탱크에 충진된 수소를 상기 수소 스트림으로 공급하는 제2 수소공급모드;를 구비하는 것을 특징으로 하는 수소 액화방법.8. The method of claim 7,
The hydrogen supply step is
a buffer tank filling mode for filling the first buffer tank and the second buffer tank with hydrogen;
a first hydrogen supply mode for connecting a tube trailer to a hydrogen stream directed to the first heat exchanger, and supplying hydrogen stored in the tube trailer to the hydrogen stream; and
When the hydrogen of the tube trailer is exhausted in the first hydrogen supply mode, the connection between the tube trailer and the hydrogen stream is cut off, and one of the first buffer tank and the second buffer tank is connected to the hydrogen stream and a second hydrogen supply mode for supplying the hydrogen charged in the buffer tank to the hydrogen stream. 제10항에 있어서,
상기 수소공급단계는,
상기 제2 수소공급모드 시 수소 공급 중인 버퍼탱크의 수소가 소진되면 해당 버퍼탱크와 상기 수소 스트림의 연결을 차단하고, 다른 나머지 버퍼탱크를 상기 수소 스트림에 연결하여 버퍼탱크에 충진된 수소를 상기 수소 스트림에 공급하는 제3 수소공급모드;를 더 구비하며,
상기 제2 수소공급모드 및 상기 제3 수소공급모드 중, 수소가 소진된 버퍼탱크에 수소를 충진하는 버퍼탱크 충진모드가 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 액화방법.11. The method of claim 10,
The hydrogen supply step is
In the second hydrogen supply mode, when the hydrogen in the buffer tank that is supplying hydrogen is exhausted, the connection between the corresponding buffer tank and the hydrogen stream is cut off, and the other buffer tank is connected to the hydrogen stream to convert the hydrogen charged in the buffer tank to the hydrogen. A third hydrogen supply mode for supplying the stream; further comprising,
Among the second hydrogen supply mode and the third hydrogen supply mode, a buffer tank filling mode for filling hydrogen in a buffer tank in which hydrogen is exhausted is simultaneously performed.
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