KR102336884B1 - 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체수소를 냉각하여 액체수소로 저장탱크에 충전함과 동시에 저장탱크 내의 자연기화가스를 재액화시켜 저장하는 수소 액화 시스템을 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 액체수소를 저장하는 저장탱크, 고온고압 냉매를 팽창 감압시켜 저온저압 냉매로 전환하는 냉매순환부, 상기 냉매순환부에서 전환된 저온저압 상태의 냉매가 상기 저장탱크의 내부로 순환하도록 장치되고, 내부에서 순환하는 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 냉각하여 액화시키는 열교환튜브 및 상기 냉매순환부를 통해 외부로부터 공급되는 기체수소를 냉각하여 액체 상태로 상기 저장탱크에 충전하는 수소액화부를 포함하는 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템을 개시한다.

Description

수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템{HYDROGEN LIQUEFACTION AND BOG CONTROL SYSTEM}

본 발명은 수소 액화 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체 상태의 수소를 냉각 및 액화하여 액체 상태로 저장탱크에 충전함과 동시에 외부의 열 유입 및 압력 강하로 인하여 저장탱크 내의 액체수소에서 자연 증발 및 기화된 자연기화가스를 저장탱크 내부로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화시켜 저장함으로써 자연기화가스 생성을 최대한 억제하고 액체수소의 저장손실을 최소화하는 수소 액화 및 액체수소 저장탱크의 자연기화가스 억제 시스템에 관한 것이다.

오늘날 수소는 2차 에너지원으로써 에너지 발생 시의 환경오염이 적고, 고효율 연료전지, 연소터빈, 엔진 등과 복합 적용할 수 있으며, 다양한 산업분야에서 활용이 가능한 장점을 가지고 있다.

수소의 수송 및 저장 측면에서 고압 기체수소 공급과 액체수소 공급으로 분류할 수 있다. 동일한 무게의 수소를 탱크로리를 이용하여 수소융합스테이션 또는 저장소로 수송할 때 수소 저장 형태에 따라 약 10배 정도의 운송효율 차이가 발생하므로 현실적인 대안으로 액체수소가 각광받고 있다.

액체수소(liquid hydrogen)는 기체수소를 극저온 상태(대기압 기준 -253

로 냉각시켜 극저온용 특수 단열 저장탱크에 액화 상태로 저장할 수 있으며, 기체수소의 부피를 약 1/865로 감소시켜 동일 압력에서 기체수소 대비 865배의 체적에너지 밀도를 가지고 있다.

액체수소는 대기압에서 대용량, 즉 고밀도 저장이 가능하여 저장탱크의 안전성 측면은 물론 저장 비용을 줄일 수 있고, 아울러 낮은 온도로 고압의 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮은 장점을 가지고 있다.

하지만, 액체수소 저장탱크에서의 액체수소는 수송 또는 저장 중 외부의 열 유입으로 인하여 자연히 증발하는 기화 현상이 일어나고, 이로 인해 저장량의 손실이 발생하여 경제적으로 비효율적인 문제점이 있다.

또한, 액체수소 저장탱크 내에 자연 증발 및 기화로 발생하는 자연기화가스(Boil Off Gas; BOG)가 축적되면 내압이 과도하게 상승하고, 심각한 경우 액체수소 저장탱크의 손상 및 파손에 의하여 액체수소의 누출사고 발생의 위험이 큰 문제점도 있다.

나아가 액체수소 저장탱크는 외부로부터 유입되는 열에 의하여 증발 및 기화하는 수소를 처리하지 못할 경우 블레비(BLEVE)가 발생할 수도 있다.

여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.

KR 10-1688705 B1(2016.12.15) KR 10-2062484 B1(2019.12.27) KR 10-1075195 B1(2011.10.13) KR 10-1559316 B1(2015.10.05)

이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 감안하고 기존의 수소액화 플랜트가 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, 기체 상태의 수소를 냉각하여 액체 상태로 저장탱크에 충전함과 동시에 외부의 열 유입 및 압력 강하로 인하여 저장탱크 내의 액체수소에서 자연 증발 및 기화된 자연기화가스를 액체수소 저장탱크 내부의 열교환튜브로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화시켜 저장함으로써 자연기화가스를 최대한 억제하고 액체수소의 저장손실을 최소화하는 효과를 도모할 수 있는 새로운 구성의 수소 액화 및 액체수소 저장탱크의 자연기화가스 억제 시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 기체수소를 액화하여 저장탱크에 충전함과 동시에 저장탱크 내 액체수소의 증발 및 기화로 발생하는 자연기화가스를 억제하여 저장손실을 최소화할 수 있도록 하는 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템을 제공하는 데 있는 것이다.

여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 기술적 목적을 달성하기 위함은 물론 종래기술의 문제점 내지 기술적 과제를 해결하고자 하는 본 발명에 따른 구체적 수단은, 액체수소를 저장하는 저장탱크, 고온고압 냉매를 감압시켜 저온저압 냉매로 전환하는 냉매순환부, 상기 냉매순환부에서 전환된 저온저압 상태의 냉매가 상기 저장탱크의 내부로 순환하도록 장치되고, 내부에서 순환하는 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 냉각하여 액화시키는 열교환튜브 및 외부로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 상기 냉매순환부를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 액화시킨 후 상기 저장탱크에 충전하는 수소 액화부를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템을 제시한다.

이로써 본 발명은 기체 상태의 수소를 냉매순환부를 통해 냉각하여 액체 상태로 저장탱크에 저장과 동시에 저장탱크 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 그 내부에 장치된 열교환튜브의 내부로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화할 수 있다.

아울러 저장탱크 내 자연기화가스를 최대한 억제하여 액체수소의 저장손실을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양은, 상기 냉매순환부의 냉매가 상기 저장탱크의 내부의 상기 열교환튜브로 유입되도록 상기 냉매순환부와 상기 열교환튜브를 연결하는 냉매유입라인의 중간에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브; 및 상기 냉매순환부의 냉매가 상기 냉매유입라인을 통해 상기 저장탱크 내부의 상기 열교환튜브로 유입되는 유량을 조절하기 위해 상기 저장탱크 내 액체수소의 수위를 측정하여 상기 유량조절밸브에 제어 신호를 전송하는 수위전송기를 더 포함하여 구성됨으로써 저장탱크 내에서 외부의 열 침입으로 인해 발생하는 액체수소의 증발손실량을 저장탱크 내에 담긴 액체수소의 수위로 측정하여 자연기화가스의 발생을 억제하기 위해 열교환튜브로 유입되는 냉매의 유량을 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양으로 상기 냉매순환부는, 제1냉매순환라인을 따라 순환하는 냉매를 압축하는 냉매압축부, 상기 냉매압축부를 거친 냉매를 냉각하는 냉매냉각부, 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하는 적어도 하나 이상의 열교환부 및 상기 냉매냉각부를 거친 냉매를 팽창시키는 팽창부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양으로 상기 냉매순환부는, 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하도록 상기 제1냉매순환라인 상에 설치되고, 상기 제1냉매순환라인에 인접하여 제2냉매순환라인이 구비되며, 상기 제2냉매순환라인에 상기 제1냉매순환라인을 따라 흐르는 냉매보다 낮은 온도의 냉매를 순환시켜 제2냉매순환라인을 따라 흐르는 냉매가 상기 제1냉매순환라인을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하여 예비 냉각시키는 예냉부를 더 포함하여 구성됨으로써 냉각 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양으로 상기 수소액화부는, 외부의 기체수소를 상기 열교환부를 거쳐 상기 저장탱크에 공급하기 위해 배관된 수소공급라인, 상기 수소공급라인을 통해 공급되는 기체수소를 압축하는 수소압축부 및 상기 열교환부를 거친 기체수소를 팽창 감압시키는 팽창밸브를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양으로 상기 수소액화부는, 외부의 기체수소를 상기 예냉부 및 상기 열교환부를 거쳐 상기 저장탱크에 공급하기 위해 배관된 수소공급라인, 상기 수소공급라인을 통해 공급되는 기체수소를 압축하여 상기 예냉부로 공급하는 수소압축부 및 상기 열교환부를 거친 기체수소를 팽창 감압시키는 팽창밸브를 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명의 기술사상 및 실시 예(embodiment)에 따르면, 외부에서 공급되는 기체 상태의 수소는 냉매순환부와 수소액화부를 통해 냉각하여 액체 상태로 액체수소 저장탱크에 충전할 수 있고, 이와 동시에 저장탱크 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스는 저장탱크 내부에 장치된 열교환튜브로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화시켜 저장할 수 있는 장점이 있다.

즉, 열교환튜브 내부로 순환하는 냉매가 저장탱크 내의 열을 기화열로 흡수하여 냉각시킴으로써 저장탱크 내의 자연기화가스가 액화될 수 있도록 하는 장점이 있다.

따라서 저장탱크 내의 액체수소에서 증발 및 기화로 발생하는 자연기화가스의 발생을 최대한 억제하여 액체수소의 저장손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 자연기화가스로 인해 저장탱크 내부의 압력이 높아지는 것을 방지하여 액체수소를 안전하게 저장하는 데 필요한 설비의 간소화, 컴팩트화는 물론 에너지 및 유지비용, 설비비 절감으로 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하며 본 발명을 설명하기에 앞서 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.

아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

즉, 본 명세서에서 설시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.

이외에도 "부" 및 "유닛"의 용어에 대한 의미는 시스템에서 목적하는 적어도 하나의 기능이나 어느 일정한 동작을 처리하는 단위 또는 역할을 하는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합 등을 통한 수단이나 독립적인 동작을 수행할 수 있는 디바이스 또는 어셈블리 등으로 구현할 수 있다.

그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.

<제1실시 예>

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(1)의 주요 구성요소는 저장탱크(10), 냉매순환부(20), 열교환튜브(30), 수소액화부(40), 유량조절밸브(50) 및 수위전송기(60)를 포함하고 있다.

<저장탱크>

저장탱크(10)는 액체수소 및 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 일정량 저장한다.

즉, 저장탱크(10)는 내부의 밀폐된 저장공간에 극저온 액체 상태로 수소를 저장한다.

여기서 저장탱크(10)는 수소가 극저온의 액체 상태를 유지 및 수소의 증발률을 최소화하는 구조일 수 있다.

예를 들면, 저장탱크(10)는 스테인리스 스틸(stainless steel) 재질의 내통과 외통으로 이루어진 이중용기(vessel) 형태로 이루어질 수 있으며, 그 내통과 외통 사이의 갭(gap) 층에는 단열재를 충진시켜 단열과 진공을 유지하여 외부로부터의 열 유입을 차단하는 구조일 수 있다.

또한, 저장탱크(10)는 액체수소에서 증발 및 기화하는 자연기화가스로 인해 내압이 상승하여 설정값을 초과하면 외부로 자연기화가스를 배출시켜 내압을 자동으로 조절하기 위한 안전밸브(미도시)가 설치될 수 있다.

한편, 저장탱크(10)의 액체수소 저장용량 및 크기는 한정하지 않으며, 시스템의 규모나 설치 환경에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

<냉매순환부>

냉매순환부(20)는 고온고압 냉매를 팽창 감압시켜 저온저압 냉매로 전환하고, 이를 지속적으로 순환시켜 기체수소와 자연기화가스를 냉각하는 역할을 한다.

이를 위해 냉매순환부(20)는 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하며 액화점까지 온도가 내려가지 않은 기체 상태의 냉매를 고압으로 압축하는 냉매압축부(22)가 구비되어 있고, 이 냉매압축부(22)를 거친 냉매를 냉각하는 냉매냉각부(23)가 구비되어 있다.

즉, 냉매압축부(22)는 냉매순환부(20)의 열교환부(25)에서 열 교환된 냉매와 열교환튜브(30)에서 배출되는 냉매를 함께 압축한 후 냉매의 온도가 상승되면, 이를 냉매냉각부(23)는 냉각한다.

그리고 냉매순환부(20)는 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매를 반대방향으로 흐르게 하여 상호 간에 열 에너지를 교환함으로써 수소액화부(40)의 수소공급라인(41)을 따라 공급되는 기체수소를 냉각하는 열교환부(25)가 적어도 하나 이상으로 구비되어 있다.

또한, 냉매순환부(20)는 냉매압축부(22)에 의해서 수 기압으로 압축된 상태로 냉매냉각부(23)와 열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 팽창부(26)를 추가로 구비할 수 있다.

여기서 열교환부(25)는 다수의 열교환 구역으로 분할하고, 그 분할된 각 구역의 열교환부(25)는 냉매가 순환되도록 각각 연결하여 구비할 수 있다.

또한, 열교환부(25)에서 냉매로 헬륨이 사용될 경우 그 냉매의 열교환 또는 냉각을 용이하도록 하기 위해 제1냉매순환라인(21)을 따라 여러 개를 나란하게 장치할 수 있다.

예를 들면, 열교환부(25)는 적어도 하나 또는 그 이상을 직렬이나 병렬 조합으로 배치 및 함께 가동하여 열 교환 용량과 효율을 증대시킬 수 있다.

즉, 다수의 열교환부(25)를 통해 냉매 간 열 교환이 중복으로 일어남으로써 크기(용량) 및 성능상의 한계를 극복하고 저장탱크(10) 내의 자연기화가스를 보다 효율적으로 재액화할 수 있다.

아울러 제1냉매순환라인(21)을 따라 지속적으로 순환하는 냉매의 온도는 복수의 열교환부(25)를 거치면서 점차 낮아져 설정 온도에 도달하게 된다.

그리고 냉매냉각부(23)와 열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매는 팽창부(26)에 의한 단열팽창으로 온도가 내려가고, 이렇게 해서 충분히 냉각된 저압의 냉매를 다시금 열교환부(25)를 거쳐 냉매압축부(22)로 되돌림으로써 추가적인 냉매를 공급하지 않고 폐순환으로 운영하여 에너지 효율을 제고할 수 있다.

한편, 냉매압축부(22)는 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 직렬 또는 병렬로 배치되는 컴프레서(Compressor)일 수 있고, 또 냉매냉각부(23)는 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 단수 또는 복수로 배치되는 쿨러(Intercooler)일 수 있다.

<열교환튜브>

열교환튜브(30)는 냉매순환부(20)에서 전환 및 분리된 냉매의 흡열 작용으로 저장탱크(10) 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 냉각하여 액화시키는 역할을 한다.

이를 위해 냉매순환부(20)의 저온저압 상태의 냉매가 저장탱크(10)의 내부로 순환하도록 장치되어 있다.

즉, 냉매순환부(20)에서 열교환튜브(30)의 내부로 순환하는 냉매가 저장탱크(10) 내에서 발생하는 자연기화가스의 열을 흡수하여 냉각하고 액화시키는 역할을 한다.

여기서 열교환튜브(30)는 냉매순환부(20)의 제1냉매순환라인(21)과 냉매유입라인(31) 및 냉매배출라인(32)에 의해 통하도록 연결되어 있다.

즉, 열교환튜브(30)의 냉매유입라인(31)은 팽창부(26)에서 팽창된 상태의 냉매가 흐르는 부분의 제1냉매순환라인(21) 상에 연결되어 있고, 냉매배출라인(32)은 열교환부(25)로 냉매가 유입되는 부분의 제1냉매순환라인(21) 상에 연결되어 있다.

한편, 열교환튜브(30)는 저장탱크(10) 내의 자연기화가스와 열 교환을 위한 전열 면적 증가, 표면적 및 효율을 증대시키기 위해 핀 튜브(fin tube) 방식으로 이루어지거나 냉각핀 또는 냉각판 등을 포함하여 이루어질 수 있다.

<수소액화부>

수소액화부(40)는 외부로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 냉매순환부(20)를 지속적으로 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 액화시킨 후 저장탱크(10)에 충전하는 역할을 한다.

이를 위해 수소액화부(40)는 외부의 기체수소를 냉매순환부(20)의 열교환부(25)를 지속적으로 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 저장탱크(10)에 공급하기 위해 수소공급라인(41)이 배관되어 있다.

그리고 수소액화부(40)는 수소공급라인(41)을 통해 공급되는 기체수소를 압축하여 열교환부(25)로 공급하기 위한 수소압축부(42) 및 수소공급라인(41)을 통해 열교환부(25)를 거친 기체수소를 팽창 감압시키는 팽창밸브(43)가 구비되어 있다.

여기서 팽창밸브(43)는 줄 톰슨 효과를 이용하는 밸브 하나만을 도시하였으나, 이에 한정하지 않고, 직렬로 다수를 설치하여 수소의 팽창(감압) 공정을 다단계에 걸쳐 실시할 수도 있다.

즉, 팽창밸브(43)와 열교환부(25)를 다수로 설치하여 저장탱크(10)에 저장할 액체수소의 상태와 팽창밸브(43) 이후 변경되는 액체수소 상태가 조화를 이루도록 적절히 조절함으로써 저장탱크(10)로 공급되는 액체수소를 목표 온도 및 목표 압력까지 도달시킬 수 있다.

<유량조절밸브>

유량조절밸브(50)는 냉매순환부(20)의 냉매가 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 있는 열교환튜브(30)로 유입되는 유량을 조절하기 위해 냉매순환부(20)와 열교환튜브(30)를 통하도록 연결하는 냉매유입라인(31)의 중간에 설치되어 있다.

즉, 유량조절밸브(50)는 시스템의 가동을 중지 시 등에 별도 제어부의 제어에 따라 기상 냉매가 냉매유입라인(31)을 통해 열교환튜브(30)로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

<수위전송기>

수위전송기(60)는 저장탱크(10) 내의 액체수소 수위를 측정하여 유량조절밸브(50)에 제어 신호를 전송하도록 설치되어 있다.

즉, 수위전송기(60)로 저장탱크(10) 내의 액체수소 수위를 계측하여 미리 정해진 값에 따라 냉매유입라인(31)을 통해 열교환튜브(30)로 유입되는 냉매의 유량을 조절하고, 시스템의 종료 시점을 결정할 수 있다.

<주요 작용 및 작동원리>

이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(1)의 주요 작용 및 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 냉매순환부(20)는 제1냉매순환라인(21)을 따라 냉매를 지속적으로 순환시키면서 고온고압의 냉매를 팽창 감압시켜 저온저압의 냉매로 전환한다.

즉, 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 냉매는 냉매압축부(22)와 냉매냉각부(23)를 순차적으로 거치면서 고압으로 압축 및 냉각되고, 이 상태로 열교환부(25)에서 열교환을 통해 설정 온도 이하로 냉각된 후 팽창부(26)를 고속으로 통과하면서 팽창되는데, 이 과정에서 단열 팽창을 통해 온도가 낮아지게 된다.

이렇게 냉각 및 액화된 냉매는 제어부로부터 통제를 받는 유량조절밸브(50)의 개방에 따라 냉매유입라인(31)을 통해 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 있는 열교환튜브(30)로 유입되었다가 냉매배출라인(32)을 통해 다시 열교환부(25)와 인접한 제1냉매순환라인(21)으로 배출된다.

즉, 열교환튜브(30)를 통과하는 저온 상태의 냉매는 그 흡열 작용으로 저장탱크(10) 내에서 증발 및 기화된 자연기화가스의 열을 흡수하여 냉각한 후 제1냉매순환라인(21)으로 이동한다.

이때, 저장탱크(10) 내의 자연기화가스는 비록 기체 상태이지만, 저장탱크(10)내 존재하는 증발가스의 압력이 높고, 온도가 그 압력하의 비등점보다 약간 높은 상태이기 때문에 열교환튜브(30)에 의해 쉽게 응축(condensation) 현상이 일어날 수 있으며, 응축 후에는 저장탱크(10) 내의 아래쪽으로 자연스럽게 낙하하여 액체수소 상태로 저장된다.

저장탱크(10) 내 존재하는 액상의 경우도 저장탱크(10) 내로 유입되는 기상 냉매 보다 온도, 압력이 높기 때문에 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.

이 과정에서 냉매순환부(20)로부터 열교환튜브(30)로 흘러들어가는 냉매의 유량은 저장탱크(10)에 설치되어 있는 수위전송기(60)의 측정값에 따라 적절히 조절할 수 있다.

즉, 수위전송기(60)는 미리 설정된 값에 따라 유량조절밸브(50)의 작동을 제어하여 저장탱크(10)의 내부로 이송되는 냉매의 양을 안정적으로 조절할 수 있다.

아울러 수소액화부(40)를 통해 외부에서 공급되는 기체 상태의 수소는 냉매순환부(20)를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 액화시킨 후 저장탱크(10)에 충전할 수 있다.

이처럼 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(1)은 외부에서 공급되는 기체 상태의 수소를 냉매순환부(20)와 수소액화부(40)를 통해 열교환으로 냉각하여 액화시킨 후 저장탱크(10)에 충전함과 동시에 저장탱크(10) 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 냉매순환부(20)에서 열교환튜브(30)로 순환하는 냉매를 이용하여 효율적으로 재액화하고 저장할 수 있다.

따라서 냉매순환부(20)의 흡열을 활용해 기체수소를 안정적이고 효율적으로 액화할 수 있을 뿐만 아니라 저장탱크(10) 내에서 증발 및 기화에 의한 자연기화가스 발생을 억제하여 액체수소의 저장손실을 최소화할 수 있다.

<제2실시 예>

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(2)의 주요 구성요소는 저장탱크(10), 냉매순환부(20), 열교환튜브(30), 수소액화부(40), 유량조절밸브(50) 및 수위전송기(60)를 포함하고 있다.

특히 냉매순환부(20)는 냉매와 기체수소를 예비 냉각시키기 위해 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하도록 예냉부(24)를 포함하고 있다.

즉, 예냉부(24)는 냉매와 기체수소의 냉각이 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간의 열교환으로 용이하게 이루어지도록 구비되어 있다.

그리고 예냉부(24)는 제1냉매순환라인(21)에 인접하여 제2냉매순환라인(29)이 구비되어 있다.

즉, 제2냉매순환라인(29)에 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매보다 낮은 온도의 냉매를 순환시켜 제2냉매순환라인(29)을 따라 흐르는 냉매가 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하여 냉각하도록 구비되어 있다.

예를 들면, 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매가 헬륨(He)일 경우 제2냉매순환라인(29)을 따라 헬륨보다 낮은 온도의 LNG 또는 액체질소 등을 순환시켜 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수할 수 있다.

아울러 수소액화부(40)는 외부로부터 공급받는 기체수소를 냉매순환부(20)의 예냉부(24)와 열교환부(25)를 지속적으로 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 저장탱크(10)에 공급하기 위해 수소공급라인(41)이 배관되어 있다.

또한, 수소액화부(40)의 수소압축부(42)는 수소공급라인(41)을 통해 공급되는 기체수소를 압축하여 예냉부(24)로 공급하기 위해 구비되어 있다.

이러한 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(2)은 예냉부(24)를 통해 신속히 온도를 낮추는 예비 냉각과 함께 제2냉매순환라인(29)으로 LNG 또는 액체질소 등을 순환시킴으로써 기체수소와 자연기화가스를 더욱 신속하고 효율적으로 액화할 수 있다.

한편, 상기 열교환튜브(30)는, 상기 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 상기 냉매순환부(20)의 기상 냉매 유입을 위해 상기 냉매순환부(20)와 냉매유입라인(31)으로 연결되고, 상기 냉매유입라인(31)을 통해 내부로 유입되는 기상 냉매를 상기 냉매순환부(20)의 제1냉매순환라인(21)으로 되돌려 순환시키기 위해 상기 냉매순환부(20)와 냉매배출라인(32)으로 연결되도록 할 수 있다.

여기서 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템(2)과 관련한 구성요소 중 상술한 제1실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 상술한 제1실시 예와 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.

그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.

10: 저장탱크 20: 냉매순환부
21: 제1냉매순환라인 22: 냉매압축부
23: 냉매냉각부 24: 예냉부
25: 열교환부 26: 팽창부
29: 제2냉매순환라인 30: 열교환튜브
31: 냉매유입라인 32: 냉매배출라인
40: 수소액화부 41: 수소공급라인
42: 수소압축부 43: 팽창밸브
50: 유량조절밸브 60: 수위전송기

Claims (7)

1. 액체수소를 저장하는 저장탱크(10); 고온고압 냉매를 팽창 감압시켜 저온저압 냉매로 전환하는 냉매순환부(20); 상기 냉매순환부(20)에서 전환된 저온저압 상태의 냉매가 상기 저장탱크(10)의 내부로 순환하도록 장치되고, 내부에서 순환하는 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크(10) 내의 액체수소에서 증발 및 기화된 자연기화가스를 냉각하여 액화시키는 열교환튜브(30); 외부로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 상기 냉매순환부(20)를 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 액화시킨 후 상기 저장탱크(10)에 충전하는 수소액화부(40); 상기 냉매순환부(20)의 냉매가 상기 저장탱크(10)의 내부의 상기 열교환튜브(30)로 유입되도록 상기 냉매순환부(20)와 상기 열교환튜브(30)를 연결하는 냉매유입라인(31)의 중간에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브(50); 상기 냉매순환부(20)의 냉매가 상기 냉매유입라인(31)을 통해 상기 저장탱크(10)의 내부의 상기 열교환튜브(30)로 유입되는 유량을 조절하기 위해 상기 저장탱크(10) 내 액체수소의 수위를 측정하여 상기 유량조절밸브(50)에 제어 신호를 전송하는 수위전송기(60);를 포함하며;
   상기 냉매순환부(20)는, 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 냉매를 압축하는 냉매압축부(22); 상기 냉매압축부(22)를 거친 냉매를 냉각하는 냉매냉각부(23); 상기 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하도록 설치되어 냉매를 예비 냉각시키는 예냉부(24); 상기 제1냉매순환라인(21)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하는 적어도 하나 이상의 열교환부(25); 및 상기 냉매냉각부(23)와 열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창부(26)로 구성하고;
   상기 열교환튜브(30)는, 상기 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 상기 냉매순환부(20)의 기상 냉매 유입을 위해 상기 냉매순환부(20)와 냉매유입라인(31)으로 연결되고, 상기 냉매유입라인(31)을 통해 내부로 유입되는 기상 냉매를 상기 냉매순환부(20)의 제1냉매순환라인(21)으로 되돌려 순환시키기 위해 상기 냉매순환부(20)와 냉매배출라인(32)으로 연결되도록 구성하며;
   상기 수소액화부(40)는, 외부의 기체수소를 상기 열교환부(25)를 지속적으로 순환하는 냉매와 열교환으로 냉각하여 상기 저장탱크(10)에 공급하기 위해 배관된 수소공급라인(41), 상기 수소공급라인(41)을 통해 공급되는 Feed gas를 압축하여 상기 열교환부(25)로 공급하는 수소압축부(42) 및 상기 수소공급라인(41)을 통해 상기 열교환부(25)를 거친 기체수소를 팽창 감압시키는 팽창밸브(43)로 구성하고;
   상기 예냉부(24)는, 상기 제1냉매순환라인(21)에 인접하여 제2냉매순환라인(29)이 구비되며, 상기 제2냉매순환라인(29)에 상기 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매보다 낮은 온도의 냉매를 순환시켜 제2냉매순환라인(29)을 따라 흐르는 냉매가 상기 제1냉매순환라인(21)을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하는 것을 특징으로 하는 수소 액화 및 자연기화가스 억제 시스템.
   
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