KR102336892B1 - 수소 재액화시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소를 그 내부로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화시킴과 동시에 저장탱크에서의 수소 증발가스 발생을 억제하는 수소 재액화시스템을 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 액체수소 및 상기 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 저장하는 저장탱크; 고온고압 냉매를 감압 팽창시켜 저온저압 냉매로 전환하고, 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 수소액화부; 및 상기 수소액화부에서 전환 및 분리된 저온저압 상태의 기상 냉매가 상기 저장탱크의 내부로 순환하도록 장치되고, 상기 기상 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크 내의 수소 증발가스를 냉각하여 재액화시키는 열교환튜브를 포함하는 수소 재액화시스템을 개시한다.

Description

수소 재액화시스템{HYDROGEN RELIQUEFACTION SYSTEM}
본 발명은 수소 재액화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외부의 열 유입으로 인하여 액체수소 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 그 저장탱크 내부로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화함과 동시에 액체수소 저장탱크 내에서 증발에 의한 액체수소의 저장손실을 최소화하는 수소 재액화시스템에 관한 것이다.
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 운송 효율 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 발생 할 수도 있어 이에 대한 대응방안이 필요하다.
또한, 액체수소 저장탱크 내에 증발가스가 축적되면 내압이 과도하게 상승하고, 심각한 경우 액체수소 저장탱크의 손상 및 파손에 의하여 액체수소의 누출사고 가능성도 존재 한다.
나아가 액체수소 저장탱크는 외부로부터 유입되는 열에 의하여 증발하는 수소의 적절한 처리 방안이 없을 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 10-2062484 B1(2019.12.27) KR 10-1075195 B1(2011.10.13) KR 10-1559316 B1(2015.10.05) KR 10-2016-0087117 A(2016.07.21)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하면서 기존의 수소액화 플랜트가 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상으로, 액체수소 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 그 내부의 열교환튜브로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화함과 동시에 액체수소 저장탱크 내의 증발에 의한 액체수소 저장손실을 최소화할 수 있는 새로운 구성의 수소 재액화시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 액체수소 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 재액화하여 저장손실을 최소화할 수 있도록 하는 수소 재액화시스템을 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 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적 수단은, 액체수소 및 상기 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 저장하는 저장탱크; 고온고압 냉매를 감압 팽창시켜 저온저압 냉매로 전환하고, 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 수소액화부; 및 상기 수소액화부에서 전환 및 분리된 저온저압 상태의 기상 냉매가 상기 저장탱크의 내부로 순환하도록 장치되고, 상기 기상 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크 내의 수소 증발가스를 냉각하여 액화시키는 열교환튜브를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 수소 재액화시스템을 제시한다.
이로써 본 발명은 액체수소 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 그 내부에 장치된 열교환튜브로 순환하는 냉매의 흡열을 활용하여 재액화함과 동시에 액체수소 저장탱크 내에서 증발에 의한 액체수소의 저장손실을 효과적으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양은, 상기 수소액화부의 기상 냉매가 상기 저장탱크의 내부의 상기 열교환튜브로 유입되도록 상기 수소액화부와 상기 열교환튜브를 연결하는 냉매유입라인의 중간에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브; 및 상기 수소액화부의 기상 냉매가 상기 냉매유입라인을 통해 상기 저장탱크의 내부의 상기 열교환튜브로 유입되는 유량을 조절하기 위해 상기 저장탱크 내 액체수소의 수위를 측정하여 상기 유량조절밸브에 제어 신호를 전송하는 수위전송기를 더 포함하여 구성됨으로써 저장탱크로 침입하는 외부열에 의해 발생하는 증발손실 기체수소의 양을 저장탱크 내에 담긴 액체수소의 수위로 측정하여 증발손실 기체수소의 발생을 억제하기 위해 열교환튜브로 유입되는 냉매의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양으로 상기 수소액화부는, 냉매순환라인을 따라 순환하는 냉매를 압축하는 압축부; 상기 압축부를 거친 냉매를 냉각하는 냉각부; 상기 냉각부를 거친 냉매를 감압 팽창시키는 팽창밸브; 상기 팽창밸브를 거친 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 기액분리부; 및 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하는 적어도 하나 이상의 제1열교환부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 수소액화부는, 상기 냉각부를 거친 냉매를 팽창시켜 상기 압축부 또는 상기 제1열교환부로 이송하는 팽창기를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 냉매가 흐르는 냉매순환라인에 인접하는 외부냉매순환라인 상에 그 냉매보다 낮은 온도의 외부냉매를 순환시켜 냉매순환라인을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하는 제2열교환부를 더 포함하여 구성됨으로써 효율성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 냉매는 수소이고, 상기 기액분리부의 액상 냉매(액체수소)가 상기 저장탱크의 내부로 유입되도록 상기 기액분리부와 상기 저장탱크를 연결하는 액체수소라인 중간에 설치되어 상기 액상 냉매(액체수소)를 압송하는 펌프를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 열교환튜브는, 상기 저장탱크의 내부에 장치되어 상기 수소액화부의 기상 냉매 유입을 위해 상기 수소액화부와 냉매유입라인으로 연결되고, 상기 냉매유입라인을 통해 내부로 유입되는 기상 냉매를 상기 수소액화부의 냉매순환라인으로 되돌려 순환시키기 위해 상기 수소액화부와 냉매배출라인으로 연결될 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명은, 저장탱크 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 그 내부에 장치되어 있는 열교환튜브로 순환하는 냉매를 이용하여 재액화할 수 있다.
즉, 저장탱크 내의 수소 증발가스가 열교환튜브로 순환하는 냉매의 흡열을 흡수하여 냉각될 수 있다.
따라서 저장탱크 내의 액체수소에서 증발에 의한 수소 증발가스의 발생을 억제하여 액체수소의 저장손실을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 수소 증발가스로 인해 저장탱크 내부의 압력이 높아지는 것을 방지하여 액체수소를 안전하게 저장하는 데 필요한 설비의 간소화는 물론 에너지 및 유지비용을 절감할 수 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 재액화시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 재액화시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시 예에 따른 수소 재액화시스템을 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.
아울러 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
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 재액화시스템(1)은 크게 저장탱크(10), 수소액화부(20), 열교환튜브(30), 유량조절밸브(40) 및 수위전송기(50)를 포함하고 있다.
저장탱크(10)는 액체수소 및 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 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, 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 증발하는 수소 증발가스로 인해 내압이 상승하여 설정값을 초과하면 외부로 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 있다.
수소액화부(20)는 고온고압 냉매를 감압 팽창시켜 저온저압 냉매로 전환하고, 기상 냉매와 액상 냉매로 분리한다.
이를 위해 수소액화부(20)는 냉매순환라인(28)을 따라 순환하며 액화점까지 온도가 내려가지 않은 기체 상태의 냉매를 고압으로 압축하는 압축부(21)가 구비되어 있고, 이 압축부(21)를 거친 냉매를 냉각하는 냉각부(22)가 구비되어 있다.
즉, 압축부(21)는 제1열교환부(25) 또는 제2열교환부(27)에서 열 교환된 냉매, 열교환튜브(30)에서 배출되는 냉매 및 액화된 양 만큼 보충하는 Feed gas의 혼합물을 압축하여 온도를 상승시키고, 이를 냉각부(22)는 냉각한다.
그리고 수소액화부(20)는 냉각부(22)를 거친 냉매를 감압 팽창시키는 팽창밸브(23)가 구비되어 있고, 이 팽창밸브(23)를 거친 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 기액분리부(24)가 구비되어 있다.
또한, 수소액화부(20)는 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하는 제1열교환부(25)가 적어도 하나 이상으로 구비되어 있다.
아울러 수소액화부(20)는 냉매가 흐르는 냉매순환라인(28)과 인접하는 외부냉매순환라인(29) 상에 유입되는 Feed gas 보다 낮은 온도의 LNG, 액체질소, 헬륨(He) 등과 같은 외부냉매를 순환시켜 냉매순환라인(28)을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하는 제2열교환부(27)가 구비될 수 있다.
즉, 제2열교환부(27)는 제1열교환부(25)에서 냉매로 수소가 사용될 경우 그 냉매의 열교환 또는 냉각을 용이하도록 하기 위해 추가적으로 구비될 수 있다.
예를 들면, 제2열교환부(27)의 냉매로는 유입되는 Feed gas 보다 낮은 온도의 LNG, 액체질소, 헬륨(He) 등을 외부로부터 외부냉매순환라인(29)을 통해 순환하도록 공급받을 수 있다.
여기서 팽창밸브(23)는 줄 톰슨 효과를 이용하는 밸브 하나만을 도시하였으나, 이에 한정하지 않고, 직렬로 다수개를 설치하여 수소의 팽창(감압) 공정을 다단계에 걸쳐 실시할 수도 있다.
즉, 팽창밸브(23)와 제1열교환부(25)를 다수개로 설치하여 저장탱크(10)에 저장할 액체수소 상태와 팽창밸브(23) 이후 변경되는 액체수소 상태가 조화를 이루도록 적절히 조절함으로써 펌프(60)를 통해 기액분리부(24)에서 저장탱크(10)로 공급되는 액체수소를 목표 온도 및 목표 압력까지 도달시킬 수 있다.
또한, 제1열교환부(25)는 적어도 하나 이상으로 이루어지고 냉매순환라인(28)을 따라 나란히 배치될 수 있다.
즉, 제1열교환부(25)는 적어도 하나 또는 그 이상을 직렬이나 병렬 조합으로 배치 및 함께 가동하여 열 교환 용량과 효율을 증대시킬 수 있다.
아울러 수소액화부(20)의 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 냉매는 수소를 채용하는 것이 바람직하다.
즉, 수소 냉매를 채용함으로써 통상적인 냉매 사용에 비해 비용절감은 물론 환경오염을 방지할 수 있고, 간단한 구조로도 효율적인 재액화가 가능할 수 있다.
한편, 압축부(21)는 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 단수 또는 복수로 배치되는 컴프레서(Compressor)일 수 있고, 또 냉각부(22)는 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 단수 또는 복수로 배치되는 쿨러(cooler)일 수 있다.
열교환튜브(30)는 수소액화부(20)에서 전환 및 분리된 기상 냉매의 흡열 작용으로 저장탱크(10) 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 냉각하여 액화시키기 위해 저온저압 상태의 기상 냉매가 저장탱크(10)의 내부로 순환하도록 장치되어 있다.
즉, 수소액화부(20)에 의해 열교환튜브(30)의 내부로 공급되어 순환하는 기상 냉매가 저장탱크(10) 내 수소 증발가스의 열을 흡수하여 냉각하고 액화시키는 역할을 한다.
여기서 열교환튜브(30)는 수소액화부(20)의 냉매순환라인(28)과 냉매유입라인(31) 및 냉매배출라인(32)으로 통하도록 연결되어 있다.
즉, 열교환튜브(30)의 냉매유입라인(31)은 기액분리부(24)의 기상 냉매가 배출되는 부분의 냉매순환라인(28) 상에 연결되어 있고, 냉매배출라인(32)은 제1열교환부(25) 또는 제2열교환부(27)로 기상 냉매가 유입되는 부분의 냉매순환라인(28) 상에 연결되어 있다.
한편, 열교환튜브(30)는 저장탱크(10) 내의 수소 증발가스와 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.
유량조절밸브(40)는 수소액화부(20)의 기상 냉매가 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 있는 열교환튜브(30)로 유입되는 냉매의 유량을 조절하기 위해 수소액화부(20)와 열교환튜브(30)를 통하도록 연결하는 냉매유입라인(31)의 중간에 설치되어 있다.
즉, 유량조절밸브(40)는 시스템의 가동을 중지 시 등에 별도 제어부의 제어에 따라 기상 냉매가 냉매유입라인(31)을 통해 열교환튜브(30)로 유입되었다가 상기 냉매배출라인(32)을 통해 상기 냉매순환라인(28)으로 순환되는 양을 조절할 수 있다.
수위전송기(50)는 저장탱크(10) 내의 액체수소 수위를 측정하여 유량조절밸브(40)에 제어 신호를 전송한다.
즉, 수위전송기(50)로 저장탱크(10) 내의 액체수소 수위를 계측하여 미리 정해진 값에 따라 냉매유입라인(31)을 통해 열교환튜브(30)로 유입되는 기상 냉매의 유량을 조절하고, 시스템의 종료 시점을 결정할 수 있다.
한편, 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 냉매를 수소로 채용할 경우, 기액분리부(24)의 액상 냉매, 즉 액체수소가 저장탱크(10)의 내부로 유입되도록 하기 위해 기액분리부(24)의 하부와 저장탱크(10)의 상부는 액체수소라인(61)으로 연결될 수 있고, 이 액체수소라인(61)의 중간에는 기액분리부(24)의 액체수소를 압송하는 펌프(60)가 설치될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 재액화시스템(1)의 주요 작용 및 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 수소액화부(20)는 냉매순환라인(28)을 따라 수소 냉매를 순환시켜 고온고압의 수소 냉매를 감압 팽창시켜 저온저압의 수소 냉매로 전환하고, 이를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리한다.
즉, 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 수소 냉매는 압축부(21)와 냉각부(22)를 순차적으로 거치면서 고압으로 압축 및 냉각되고, 이 상태로 제1열교환부(25)와 제2열교환부(27)에서의 열 교환으로 줄 톰슨 효과의 역전 온도 이하로 냉각된 후 팽창밸브(23)를 고속으로 통과하면서 팽창되는데, 이 과정에서 줄 톰슨 효과에 의해 압력과 온도가 수소의 비등점 이하로 낮아지면서 상변화를 일으키고, 기액분리부(24)에서 기상 냉매와 액상 냉매로 분리된다.
이렇게 기액분리부(24)에서 분리된 기상 냉매는 제어부로부터 통제를 받는 유량조절밸브(40)의 개방에 따라 냉매유입라인(31)을 통해 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 있는 열교환튜브(30)로 유입되었다가 냉매배출라인(32)을 통해 다시 제1열교환부(25)와 인접한 냉매순환라인(28)으로 순환된다.
이때, 수소액화부(20)로부터 열교환튜브(20)로 흘러들어가는 기상 냉매, 즉 기체수소의 유량은 저장탱크(10)에 설치되어 있는 수위전송기(50)의 측정값에 따라 적절히 조절할 수 있다.
계속해서, 열교환튜브(30)를 통과하는 저온 상태의 기상 냉매는 그 흡열 작용으로 저장탱크(10) 내의 수소 증발가스의 열을 흡수하여 냉각한 후 다시 고온 상태로 냉매순환라인(28)으로 이동한다.
즉, 저장탱크(10) 내의 수소 증발가스는 비록 기체 상태이지만, 저장탱크(10) 내 존재하는 증발가스의 경우 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 저장된다.
저장탱크(10) 내 존재하는 액상의 경우도 저장탱크(10) 내로 유입되는 기상 냉매 보다 온도, 압력이 높기 때문에 냉각 효과를 얻을 수 있게 된다.
아울러 기액분리부(24)에서 분리된 액상 냉매, 즉 액체수소는 액체수소라인(61)을 통해 저장탱크(10)로 보내지는데, 이때 미리 설정된 값에 따라 펌프(60)의 작동을 제어하여 저장탱크(10)로 이송되는 액체수소의 압력 및 양을 안정적으로 조절할 수 있다.
이처럼 본 발명의 제1실시 예에 따른 수소 재액화시스템(1)은 저장탱크(10) 내의 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 수소액화부(20)에서 열교환튜브(30)로 순환하는 냉매를 이용하여 효율적으로 재액화할 수 있을 뿐만 아니라 저장탱크(10) 내에서 증발에 의한 액체수소의 저장손실을 최소화할 수 있다.
<제2실시 예>
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 재액화시스템(2)은 그 구성요소 중 수소액화부(20)에 냉각부(22)를 거친 냉매를 팽창시켜 압축부(21) 또는 제1열교환부(25)로 이송하는 팽창기(26)를 추가로 구비할 수 있다.
아울러 제1열교환부(25)는 다수의 열교환 구역으로 분할하고, 그 분할된 각 구역의 제1열교환부(25)는 냉매가 순환되도록 각각 연결하여 구비할 수 있다.
즉, 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 냉매의 온도는 복수의 제1열교환부(25)를 거치면서 점차 낮아져 설정 온도에 도달하게 된다.
여기서 본 발명의 제2실시 예에 따른 수소 재액화시스템과 관련한 구성요소 중 상술한 제1실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 상술한 제1실시 예와 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략한다.
<제3실시 예>
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3실시 예에 따른 재수소 액화시스템(3)은 그 구성요소 중 수소액화부(20)에 압축부(21)에 의해서 수 기압으로 압축된 상태로 냉각부(22)와 제1열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매를 팽창시켜 다시 제1열교환부(25)로 이송하여 압축부(21)로 되돌리는 팽창기(26)를 추가로 구비할 수 있다.
아울러 제1열교환부(25)는 다수의 열교환 구역으로 분할하고, 그 분할된 각 구역의 제1열교환부(25)는 냉매가 순환되도록 각각 연결하여 구비할 수 있다.
또한, 제1열교환부(25)에서 냉매로 수소가 사용될 경우 그 냉매의 열교환 또는 냉각을 용이하도록 하기 위해 제1열교환부(25)와 함께 제2열교환부(27)를 장치할 수 있다.
즉, 제2열교환부(27)와 제1열교환부(25)를 통해 냉매 간 열 교환이 중복으로 일어남으로써 크기(용량) 및 성능상의 한계를 극복하고 저장탱크(10) 내의 수소 증발가스를 보다 효과적으로 재액화하여 생산성과 효율을 높일 수 있다.
그리고 냉각부(22)와 제1열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매는 팽창기(26)에 의한 단열팽창으로 온도가 내려가고, 이렇게 해서 충분히 냉각된 고압의 냉매를 다시금 제1열교환부(25)를 거쳐 압축부(21)로 되돌림으로써 다른 외부냉매를 사용하지 않고도 직접 액화하여 에너지 효율을 제고할 수 있다.
여기서 본 발명의 제3실시 예에 따른 수소 재액화시스템과 관련한 구성요소 중 상술한 제1 및 2실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 상술한 제1 및 2실시 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: 수소액화부
21: 압축부 22: 냉각부
23: 팽창밸브 24: 기액분리부
25: 제1열교환부 26: 팽창기
27: 제2열교환부 28: 냉매순환라인
29: 외부냉매순환라인 30: 열교환튜브
31: 냉매유입라인 32: 냉매배출라인
40: 유량조절밸브 50: 수위전송기
60: 펌프 61: 액체수소라인

Claims (7)

  1. 액체수소 및 상기 액체수소에서 증발하는 수소 증발가스를 저장하는 저장탱크(10)와, 고온고압 냉매를 감압 팽창시켜 저온저압 냉매로 전환하고 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 수소액화부(20)와, 상기 수소액화부(20)에서 전환 및 분리된 저온저압 상태의 기상 냉매가 상기 저장탱크(10)의 내부로 순환하도록 장치되고 상기 기상 냉매의 흡열 작용으로 상기 저장탱크(10) 내의 수소 증발가스를 냉각하여 액화시키는 열교환튜브(30) 및 상기 수소액화부(20)의 기상 냉매가 상기 저장탱크(10)의 내부의 상기 열교환튜브(30)로 유입되도록 상기 수소액화부(20)와 상기 열교환튜브(30)를 연결하는 냉매유입라인(31)의 중간에 설치되어 유량을 조절하는 유량조절밸브(40)와, 상기 수소액화부(20)의 기상 냉매가 상기 냉매유입라인(31)을 통해 상기 저장탱크(10)의 내부의 상기 열교환튜브(30)로 유입되었다가 냉매배출라인(32)을 통해 상기 수소액화부(20)의 냉매순환라인(28)으로 순환되는 양을 조절하기 위해 상기 저장탱크(10) 내 액체수소의 수위를 측정하여 상기 유량조절밸브(40)에 제어 신호를 전송하는 수위전송기(50)를 포함하며;
    상기 수소액화부(20)는, Feed gas를 압축하는 압축부(21), 상기 압축부(21)를 거친 압축된 냉매를 이동시키기 위한 냉매순환라인(28), 상기 냉매순환라인(28)을 거친 냉매를 냉각하는 냉각부(22), 상기 냉각부(22)를 거친 냉매를 감압 팽창시키는 팽창밸브(23), 상기 팽창밸브(23)를 거친 냉매를 기상 냉매와 액상 냉매로 분리하는 기액분리부(24), 및 상기 냉매순환라인(28)을 따라 순환하는 고온고압 냉매와 저온저압 냉매 간에 열 에너지를 교환하도록 복수의 열교환 구역으로 분할된 제1열교환부(25), 상기 냉각부(22)와 제1열교환부(25)를 거쳐 냉각된 냉매를 팽창시켜 다시 상기 제1열교환부(25)로 이송하여 직접 액화를 위해 상기 압축부(21)로 되돌리는 팽창기(26), 상기 냉매가 흐르는 냉매순환라인(28)과 인접하는 외부냉매순환라인(29) 상에 그 냉매보다 낮은 온도의 외부냉매를 순환시켜 상기 냉매순환라인(28)을 따라 흐르는 냉매의 열을 흡수하는 제2열교환부(27)로 구성하고;
    상기 냉매는, 수소로 이루어지고, 상기 기액분리부(24)의 액상 냉매(액체수소)가 상기 저장탱크(10)의 내부로 유입되도록 상기 기액분리부(24)와 상기 저장탱크(10)를 연결하는 액체수소라인(61) 중간에 설치되어 상기 액상 냉매(액체수소)를 압송하는 펌프(60)를 포함하며;
    상기 열교환튜브(30)는, 상기 저장탱크(10)의 내부에 장치되어 상기 수소액화부(20)의 기상 냉매 유입을 위해 상기 수소액화부(20)와 냉매유입라인(31)으로 연결되고, 상기 냉매유입라인(31)을 통해 내부로 유입되는 기상 냉매를 상기 수소액화부(20)의 냉매순환라인(28)으로 되돌려 순환시키기 위해 상기 수소액화부(20)와 냉매배출라인(32)으로 연결되도록 한 것을 특징으로 하는 수소 재액화시스템.
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