KR102427731B1 - A liquid hydrogen fuel gas supply system combined with cold-energy utilization - Google Patents

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KR102427731B1
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Abstract

The present invention relates to a liquid hydrogen fuel supply system combined with a cold energy utilization device. According to the present invention, the liquid hydrogen fuel supply system comprises: a liquid hydrogen storage tank; a vaporizer for vaporizing liquid hydrogen discharged from the liquid hydrogen storage tank; a hydrogen fuel cell which generates electricity by receiving vaporized hydrogen gas; and a cold energy utilization unit which recovers and utilizes cold energy through heat exchange in the vaporization process of the liquid hydrogen. Therefore, by utilizing the cold energy of liquid hydrogen that is not utilized and discarded, there is an effect of implementing an economical and much simpler process than a conventional air separation device or an air separation system using cold energy of liquefied natural gas (LNG).

Description

냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템 {A LIQUID HYDROGEN FUEL GAS SUPPLY SYSTEM COMBINED WITH COLD-ENERGY UTILIZATION}{A LIQUID HYDROGEN FUEL GAS SUPPLY SYSTEM COMBINED WITH COLD-ENERGY UTILIZATION}

본 발명은 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 저장된 액체 수소를 수소연료전지의 작동 조건에 맞도록 기화할 때 발생하는 다량의 냉열을 냉동 창고 및 공기 분리 장치에 효과적으로 활용할 수 있도록 구성된 냉동 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid hydrogen fuel supply system combined with a cooling heat utilization device, and more particularly, a large amount of cold heat generated when vaporizing stored liquid hydrogen to match the operating conditions of a hydrogen fuel cell is removed by a refrigeration warehouse and an air separation device It relates to a liquid hydrogen fuel supply system combined with a refrigeration utilization device configured to be effectively utilized in

현재 세계적으로 액화천연가스(LNG)와 관련된 인프라가 잘 구축되어 있어 LNG를 활용한 발전이 단기적인 탄소 배출 저감 목표를 달성하기 위한 방법으로 주목받고 있다. 그러나, 완전한 탄소 중립 실현을 위해서는 결국 그린 수소를 이용해야 하며, 그린 수소를 활용하는 연료전지 발전 시스템이 모든 분야에 걸쳐 적용될 것이다.Currently, liquefied natural gas (LNG)-related infrastructure is well established around the world, so power generation using LNG is drawing attention as a method to achieve short-term carbon emission reduction goals. However, in order to realize complete carbon neutrality, green hydrogen must eventually be used, and a fuel cell power generation system using green hydrogen will be applied in all fields.

하지만, 한국의 경우 풍력과 태양광과 같은 신재생에너지를 활용한 그린 수소 생산의 생산 단가가 다른 나라들에 비해 현저히 높게 나타나고 있어, 다른 나라에서 생산된 수소를 액화시켜 운반해 오는 것이 오히려 더 경제적일 것으로 예상된다. However, in Korea, the production cost of green hydrogen production using renewable energy such as wind and solar power is significantly higher than in other countries, so it is more economical to liquefy hydrogen produced in other countries and transport it. is expected to be

따라서, 항만이나 대규모 발전 또는 산업 단지에서는 액체 수소를 대규모로 저장하여 활용할 수 있을 것이다. Therefore, it will be possible to store and utilize liquid hydrogen on a large scale in ports, large-scale power plants or industrial complexes.

한편, 수소를 연료전지에 사용하기 위해서는 연료전지의 작동 온도 조건을 반드시 맞춰주어야 하는데, 일반적인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경우, 약 60℃~80℃의 온도를 유지해야 한다. 따라서, 극저온 상태(약 -253℃)의 액체 수소를 사용하기 위해서는 기화기(Vaporizer)를 통해서 수소를 PEMFC의 작동 온도 조건에 맞추게 된다. Meanwhile, in order to use hydrogen in a fuel cell, the operating temperature conditions of the fuel cell must be met. In the case of a general polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a temperature of about 60°C to 80°C must be maintained. Therefore, in order to use liquid hydrogen in a cryogenic state (about -253° C.), the hydrogen is adjusted to the operating temperature conditions of the PEMFC through a vaporizer.

이렇듯, 극저온 상태인 액체 수소 연료를 연료전지의 작동 온도 조건에 맞추는 과정인 액체 수소의 기화 공정에서 다량의 냉열이 방출되게 된다.As such, a large amount of cooling heat is emitted in the vaporization process of liquid hydrogen, which is a process of adjusting the cryogenic liquid hydrogen fuel to the operating temperature condition of the fuel cell.

그러나, 현재까지 나온 MAN Energy Solutions사의 액체 수소 연료 공급 시스템(MAN-ES Cryo의 LH2 FGSS)이나 미국의 여러 연구 기관(Sandia National Lab의 'Zero-V' project 등)의 프로젝트를 살펴보았을 때, 기화기를 통해서 얻게 되는 냉열을 활용하지 않고 있다.However, when looking at the projects of MAN Energy Solutions' liquid hydrogen fuel supply system (MAN-ES Cryo's LH2 FGSS) or several US research institutes (such as the 'Zero-V' project of Sandia National Lab) that have been released so far, the carburetor It does not utilize the cooling heat obtained through

따라서, 에너지를 많이 소비하는 항만이나 대규모 발전 산업 단지의 경우, 많은 양의 액체 수소를 이용하게 되므로 효율의 측면에서 다량으로 발생하는 냉열을 활용할 수 있는 방안이 필요하다. Therefore, in the case of a port or large-scale power generation industrial complex that consumes a lot of energy, since a large amount of liquid hydrogen is used, there is a need for a method to utilize the cooling heat generated in a large amount in terms of efficiency.

현재, LNG 냉열을 활용하는 콜드체인이 제시되고 있으나 LNG의 경우 -160℃ 정도의 온도로 공기 분리 장치에 활용할 수 있는데, 공기 분리 장치로 유입되는 압축 공기는 LNG의 온도(약 -160℃)보다 더 낮은 -170℃ 정도의 온도 조건이 요구되고, 분리되어 나오는 생산물인 산소, 질소, 아르곤의 끓는점도 각각 -180℃, -194℃, -185℃ 정도로 액체 상태로 저장하기 위해서는 LNG의 온도(약 -160℃)보다 더 낮은 온도 조건이 요구됨에 따라 공기 분리 장치에 자체적인 별도의 열교환 시스템을 추가로 마련해야 한다.Currently, a cold chain that utilizes LNG cold heat has been proposed, but in the case of LNG, it can be used in an air separation device at a temperature of about -160°C. A lower temperature condition of about -170°C is required, and the boiling viscosities of oxygen, nitrogen, and argon, which are separated products, are about -180°C, -194°C, and -185°C, respectively. -160°C), the air separation device must additionally provide its own separate heat exchange system as a lower temperature condition is required.

또한, 공기 분리 장치의 여러 개의 증류탑을 거쳐 분리되는 아르곤의 경우, 불순물이라 할 수 있는 미량의 산소를 포함하고 있어 불순물인 산소를 제거하기 위해 별도의 수소를 추가로 주입하여 산소와의 합성으로 물을 생성 후 배출하여 아르곤의 순도를 높이는 공정이 별도로 필요하다.In addition, in the case of argon separated through several distillation columns of an air separation device, it contains a trace amount of oxygen, which can be called an impurity. A separate process is required to increase the purity of argon by generating and discharging it.

또한, 종래의 공기 분리 장치는 수증기와 이산화탄소를 필터링한 정제된 공기를 압력 12bar까지 올려주고 turbo-expander를 통해 공기를 6bar 정도로 낮추어 팽창시키면서 온도를 떨어뜨리는 비용이 많이 들고 복잡한 공정을 수행해야 한다.In addition, the conventional air separation device raises the pressure of purified air filtered with water vapor and carbon dioxide to 12 bar and expands the air by lowering the air to about 6 bar through a turbo-expander, which is expensive and requires a complicated process to drop the temperature.

하지만, 기화 과정에서 -250℃ ~ -200℃ 정도의 낮은 온도 조건으로 냉열이 발생하는 액체 수소를 공기 분리 장치에 활용함으로써, 별도의 복잡한 열교환 시스템을 마련하지 않고도 단순히 열교환 장치를 통해 산소, 질소 및 아르곤의 분리와 액화가 가능하다. 액체 수소의 냉열을 통해 공기 분리 장치의 lower column의 condenser와 lower ratio column의 condenser에 필요한 냉열, 공기 또는 아르곤의 다단 압축 과정에서 intercooling에 필요한 냉열을 모두 충족하도록 구성할 수 있을 뿐만 아니라 일차적으로 분리되어 나온 아르곤의 불순물인 산소를 제거하기 위해 추가적인 수소 보유 및 주입 과정 없이 시스템 내에 이미 제공되어있는 수소를 바로 활용함으로써 고순도의 아르곤을 분리할 수 있다. 남은 냉열은 냉동 창고의 에너지원이 되어 액체 수소의 냉열을 최대한 활용한 후 연료전지의 작동 온도 조건에 맞춰 수소를 공급할 수 있을 것이다. 단순히 수송 목적으로 액체 수소를 사용한다는 좁은 개념을 벗어나 액체 수소의 냉열이 가스, 냉동 산업에 효과적으로 활용될 수 있는 액체 수소 연료 공급 시스템의 개발이 필요하다.However, by utilizing liquid hydrogen, which generates cooling heat at a low temperature of -250°C to -200°C during the vaporization process, in the air separation device, oxygen, nitrogen and Separation and liquefaction of argon is possible. Through the cooling and heating of liquid hydrogen, it can be configured to satisfy all the cooling and heat required for intercooling in the multi-stage compression process of cooling and air or argon required for the condenser of the lower column of the air separation device and the condenser of the lower ratio column. In order to remove oxygen, which is an impurity of argon, it is possible to separate high-purity argon by directly utilizing the hydrogen already provided in the system without additional hydrogen retention and injection processes. The remaining cold heat will become an energy source for the refrigerated warehouse, making the most of the cold heat of liquid hydrogen, and then supplying hydrogen according to the operating temperature condition of the fuel cell. It is necessary to develop a liquid hydrogen fuel supply system in which the cooling heat of liquid hydrogen can be effectively utilized in the gas and refrigeration industries, beyond the narrow concept of simply using liquid hydrogen for transportation purposes.

[특허문헌] KR 10-2021-0048024호 (공개일자 2021.05.03.)[Patent Document] KR 10-2021-0048024 (published date of 2021.05.03.)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 액체수소 저장탱크, 상기 액체수소 저장탱크에서 배출된 액체 수소를 기화하는 기화기, 기화된 수소 기체를 공급받아 전력을 생산하는 수소연료전지 및 상기 액체 수소의 기화 과정에서 열교환을 통해 냉열을 회수하여 활용하는 냉열활용부를 포함하고, 상기 냉열활용부는 상기 냉열을 활용한 공기 분리 유닛 및 냉동 저장 유닛을 포함하여 구성됨으로써, 별도의 복잡한 열교환 시스템을 마련하지 않고도 액체 수소의 냉열을 통해 공기 분리 장치의 lower column의 condenser와 lower ratio column의 condenser에 필요한 냉열, 공기 또는 아르곤의 다단 압축 과정에서 intercooling에 필요한 냉열을 모두 충족시키면서 산소, 질소 및 아르곤의 분리와 액화까지 가능하고, 일차적으로 분리되어 나온 아르곤의 불순물인 산소를 제거하기 위해 추가적인 수소 보유 및 주입 과정 없이 시스템 내에 이미 제공되어있는 수소를 바로 활용함으로써 고순도의 아르곤 분리가 가능할 뿐만 아니라, 남은 냉열은 냉동 창고의 에너지원이 되어 액체 수소의 냉열을 최대한 활용한 후 연료전지의 작동 온도 조건에 맞춰 수소를 공급하도록 구성된 액체 수소 연료 공급 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a liquid hydrogen storage tank, a vaporizer for vaporizing liquid hydrogen discharged from the liquid hydrogen storage tank, a hydrogen fuel cell for generating electric power by receiving vaporized hydrogen gas, and the liquid hydrogen It includes a cold-heat utilization unit that recovers and utilizes cold heat through heat exchange in the vaporization process of Through the cooling heat of liquid hydrogen, the cooling heat required for the condenser of the lower column of the air separation device and the condenser of the lower ratio column, and the cooling heat required for intercooling in the multi-stage compression process of air or argon are met, and oxygen, nitrogen, and argon are separated and liquefied. In order to remove oxygen, which is an impurity of argon, which is first separated, it is possible to separate high-purity argon by directly utilizing the hydrogen already provided in the system without additional hydrogen retention and injection process, and the remaining cold heat is stored in the refrigerated warehouse. An object of the present invention is to provide a liquid hydrogen fuel supply system configured to supply hydrogen according to the operating temperature condition of a fuel cell after maximizing the cooling heat of liquid hydrogen as an energy source.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템은 액체수소 저장탱크; 상기 액체수소 저장탱크에서 배출된 액체 수소를 기화하는 기화기; 기화된 수소 기체를 공급받아 전력을 생산하는 수소연료전지; 및 상기 액체 수소의 기화 과정에서 열교환된 냉열을 회수하여 활용하는 냉열활용부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a liquid hydrogen storage tank; a vaporizer for vaporizing liquid hydrogen discharged from the liquid hydrogen storage tank; A hydrogen fuel cell that generates electricity by receiving vaporized hydrogen gas; and a cooling heat utilization unit that recovers and utilizes the heat exchanged cold heat in the vaporization process of the liquid hydrogen.

또한, 본 발명에 따른 상기 냉열활용부는, 상기 냉열을 활용한 공기 분리 유닛; 및 상기 냉열을 활용한 냉동 저장 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the cooling and heat utilization unit according to the present invention, an air separation unit utilizing the cooling heat; and a refrigeration storage unit utilizing the cooling heat.

또한, 본 발명에 따른 상기 공기 분리 유닛은, 증류탑에 공급될 공기를 필터 및 압축하는 공기공급라인; 상기 증류탑의 하단열(Lower Column, LC) 콘덴서 및 저비율열(Lower Ratio Column, LR) 콘덴서에 냉열을 공급하는 콘덴서냉열공급라인; 상기 증류탑의 상단열 리보일러(Upper Column Reboiler, UC Reboiler)에서 액체 산소를 생성하는 산소생성라인; 상기 증류탑의 상단열에서 배출되는 질소 기체로 액체 질소를 생성하는 질소생성라인; 및 상기 저비율열 콘덴서에서 배출되는 아르곤 기체로 액체 아르곤을 생성하는 아르곤생성라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the air separation unit according to the present invention, an air supply line for filtering and compressing the air to be supplied to the distillation column; a condenser cooling heat supply line for supplying cooling heat to a lower column (LC) condenser and a lower ratio column (LR) condenser of the distillation column; an oxygen generation line for generating liquid oxygen in an upper column reboiler (UC Reboiler) of the distillation column; a nitrogen generating line for generating liquid nitrogen with nitrogen gas discharged from the upper row of the distillation column; and an argon generating line for generating liquid argon from the argon gas discharged from the low-ratio heat condenser.

또한, 본 발명에 따른 상기 아르곤생성라인은, 상기 증류탑에서 분리되어 나온 아르곤 기체의 불순물인 산소를 제거하는 산소제거모듈; 및 상기 아르곤 기체의 극저온 열교환을 통해 액체 아르곤을 생성하는 아르곤열교환모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the argon generation line according to the present invention, an oxygen removal module for removing oxygen, which is an impurity of the argon gas separated from the distillation column; and an argon heat exchange module for generating liquid argon through cryogenic heat exchange of the argon gas.

또한, 본 발명에 따른 상기 산소제거모듈은, 상기 저비율열 컨덴서에서 배출된 아르곤 기체를 수용하는 리액터; 상기 리액터로 수소 기체를 공급하는 수소공급관; 및 상기 아르곤 기체에 함유된 산소와 공급된 상기 수소 기체가 반응하여 생성된 물을 상기 리액터 외부로 배출하는 물배출관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the oxygen removal module according to the present invention, a reactor for accommodating the argon gas discharged from the low-ratio heat condenser; a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen gas to the reactor; and a water discharge pipe for discharging water generated by reacting the oxygen contained in the argon gas with the supplied hydrogen gas to the outside of the reactor.

또한, 본 발명에 따른 상기 산소제거모듈은, 상기 리액터를 통과한 아르곤 기체를 가압하는 아르곤가압기; 가압된 아르곤 기체의 온도를 소정으로 열교환하는 제3열교환기; 및 상기 아르곤가압기 및 제3열교환기에 의해 추가적으로 생성된 물을 외부로 배출시키는 분리기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the oxygen removal module according to the present invention, an argon pressurizer for pressurizing the argon gas that has passed through the reactor; a third heat exchanger for exchanging a predetermined temperature of the pressurized argon gas; and a separator for discharging the water additionally generated by the argon pressurizer and the third heat exchanger to the outside.

또한, 본 발명에 따른 상기 아르곤열교환모듈은, 상기 아르곤 기체를 열교환하는 극저온의 제4열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the argon heat exchange module according to the present invention, a cryogenic fourth heat exchanger for exchanging the argon gas; characterized in that it comprises a.

또한, 본 발명에 따른 상기 공기공급라인은, 공급된 공기에서 이산화탄소 및 수증기를 제거하는 필터모듈; 상기 필터모듈을 거친 공기를 승압시키는 피드에어가압기; 및 상기 냉열을 이용하여 공기를 냉각시키는 극저온의 제1열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the air supply line according to the present invention, a filter module for removing carbon dioxide and water vapor from the supplied air; a feed air pressurizer for boosting the air that has passed through the filter module; and a cryogenic first heat exchanger for cooling air using the cooling heat.

또한, 본 발명에 따른 상기 질소생성라인은, 상기 질소 기체를 열 교환하여 액체 질소를 생성하는 극저온의 제2열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the nitrogen generating line according to the present invention, a cryogenic second heat exchanger for generating liquid nitrogen by heat exchanging the nitrogen gas; characterized in that it comprises a.

또한, 본 발명에 따른 상기 냉동 저장 유닛은, 상기 액체 수소의 기화 과정에서 열 교환된 냉열, 상기 공기 분리 유닛의 질소생성라인에 사용 후 남은 잔류 냉열 및 상기 아르곤생성라인에서 생성된 아르곤 기체의 냉열이 활용되는 것을 특징으로 한다.In addition, the refrigeration storage unit according to the present invention, the cold heat exchanged in the vaporization process of the liquid hydrogen, the residual cold heat remaining after use in the nitrogen production line of the air separation unit, and the cold heat of the argon gas generated in the argon production line It is characterized in that it is used.

아울러, 본 발명에 따른 상기 냉동 저장 유닛은, 적어도 하나 이상의 냉동 창고인 것을 특징으로 한다.In addition, the frozen storage unit according to the present invention, characterized in that at least one or more frozen warehouse.

상기와 같은 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템에 의하면, 기화 과정에서 -250℃ ~ -200℃ 정도의 낮은 온도 조건으로 냉열이 발생하는 액체 수소를 공기 분리 장치에 활용함으로써, 별도의 복잡한 열교환 시스템을 마련하지 않고도 단순히 열교환 장치를 통해 증류탑의 하단열 콘덴서(Lower column condenser)와 저비율열 콘덴서(lower ratio column condenser)에 필요한 냉열, 공기 또는 아르곤의 다단 압축 과정에서 intercooling에 필요한 냉열을 모두 충족시키면서 산소, 질소 및 아르곤의 분리와 액화까지 가능하고, 일차적으로 분리되어 나온 아르곤의 불순물인 산소를 제거하기 위해 추가적인 수소 보유 및 주입 과정 없이 시스템 내에 이미 제공되어있는 수소를 바로 활용하여 고순도의 아르곤 분리도 가능하며, 남은 냉열은 냉동 창고의 에너지원이 되어 액체 수소의 냉열을 최대한 활용한 후 연료전지의 작동 온도 조건에 맞춰 수소를 공급하는 효과가 있다.According to the liquid hydrogen fuel supply system combined with the cooling heat utilization device according to the present invention as described above, by utilizing liquid hydrogen that generates cooling heat under a low temperature condition of -250°C to -200°C in the vaporization process to the air separation device, , for intercooling in the multi-stage compression process of cold heat, air or argon required for the lower column condenser and lower ratio column condenser of the distillation column simply through a heat exchange device without providing a separate complex heat exchange system. It is possible to separate and liquefy oxygen, nitrogen, and argon while satisfying all the necessary cooling and heat. In order to remove oxygen, which is an impurity of argon, which is first separated, use the hydrogen already provided in the system without additional hydrogen retention and injection process Thus, high-purity argon separation is possible, and the remaining cold heat becomes an energy source for the refrigeration warehouse, making the most of the cold heat of liquid hydrogen, and then supplying hydrogen according to the operating temperature condition of the fuel cell.

따라서, 활용되지 못하고 버려지는 액체 수소의 냉열을 활용하여 경제적일 뿐 아니라 종래의 공기 분리 장치나 LNG 냉열을 활용한 공기 분리 시스템보다 월등하게 단순한 공정이 구현되는 효과가 있다.Therefore, it is economical by utilizing the cold heat of liquid hydrogen that is not utilized and is discarded, and there is an effect of implementing a much simpler process than a conventional air separation device or an air separation system using LNG cold heat.

아울러, 단순히 수송 목적으로 액체 수소를 사용한다는 좁은 개념을 벗어나 액체 수소의 냉열이 가스, 냉동 산업에 효과적으로 활용되는 효과가 있다.In addition, there is an effect that the cooling heat of liquid hydrogen is effectively utilized in gas and refrigeration industries, beyond the narrow concept of simply using liquid hydrogen for transportation purposes.

도 1은 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 아르곤 생성 라인의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a configuration diagram showing the overall configuration of a liquid hydrogen fuel supply system combined with a cooling heat utilization device according to the present invention.
2 is a block diagram showing the overall configuration of a liquid hydrogen fuel supply system combined with a cooling heat utilization device according to the present invention.
3 is a block diagram showing the configuration of an argon generating line according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, it should be noted that the same components or parts in the drawings are denoted by the same reference numerals as much as possible. In describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted so as not to obscure the gist of the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템의 전반적인 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing the overall configuration of a liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of a liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device according to the present invention It is a block diagram.

본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템(1)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 액체수소 저장탱크(10), 기화기(20), 수소연료전지(30) 및 냉열활용부(40)를 포함할 수 있다.The liquid hydrogen fuel supply system 1 combined with the cooling heat utilization device according to the present invention is a liquid hydrogen storage tank 10 , a vaporizer 20 , a hydrogen fuel cell 30 and cooling heat as shown in FIGS. 1 and 2 . It may include a utilization unit 40 .

상기 액체수소 저장탱크(10)는 액체 수소를 저장하도록 구비된다.The liquid hydrogen storage tank 10 is provided to store liquid hydrogen.

또한, 상기 액체수소 저장탱크(10)는 증발하기 쉬운 초저온의 액체 수소의 저장에 적합하도록 단열 처리되어 있고, 예를 들어, 내조, 보냉충 및 외조로 형성되는 이중 구조의 극저온 탱크로서 보냉층은 진공 처리될 수 있으며, 단열성이 우수한 단열재를 사용할 수 있다. 이로써 복사열 등에 의한 입열을 최소화하여, BOG 생성량을 최소화할 수 있도록 한다.In addition, the liquid hydrogen storage tank 10 is insulated to be suitable for storage of ultra-low temperature liquid hydrogen that is easy to evaporate, for example, as a cryogenic tank of a dual structure formed of an inner tank, a cold storage tank, and an outer tank, the cold storage layer is It may be vacuum-treated, and an insulating material having excellent thermal insulation may be used. Accordingly, heat input due to radiant heat or the like is minimized, thereby minimizing the amount of BOG generation.

또한, 액체수소 저장탱크(10)가 이중 구조의 탱크인 경우, 보냉층에 기체가 충전되면, 액체 수소의 저온으로 기체가 고화 또는 액화될 수 있어 위험하므로, 보냉층은 진공 배기 상태로 구성될 수 있다.In addition, when the liquid hydrogen storage tank 10 is a tank of a double structure, when the gas is filled in the cooling layer, the gas may be solidified or liquefied at the low temperature of liquid hydrogen, so it is dangerous. can

또한, 액체수소 저장탱크(10)의 지지에 있어서는, 열전달을 최소화하여 단열 성능을 향상시키고, 강도가 향상된 지지구조를 채용할 수 있도록 한다.In addition, in the support of the liquid hydrogen storage tank 10, heat transfer is minimized to improve thermal insulation performance, and to employ a support structure with improved strength.

수소의 비점은 약 -253℃ 로, 헬륨 가스 등을 제외한 대부분의 기체와 접하면 기체가 고화 또는 액화될 수 있으므로 액체수소 저장탱크(10)는 물론 본 실시예의 액체 수소 연료 공급 시스템(1)을 구성하는 각종 장치 및 각 구성 요소들을 연결하는 배관 등은 단열 처리될 수 있도록 한다.The boiling point of hydrogen is about -253°C, and since the gas can be solidified or liquefied when in contact with most gases except helium gas, etc., the liquid hydrogen storage tank 10 as well as the liquid hydrogen fuel supply system 1 of this embodiment Various devices constituting the components and piping connecting each component may be insulated.

또한, 상기 액체수소 저장탱크(10)는 증발 가스 생성에 따른 압력 상승을 견딜 수 있는 압력탱크일 수 있다. 예를 들어, 액체수소 저장탱크(10)는 약 4 bar 내지 9 bar 정도의 설정 압력까지의 압력 상승을 견딜 수 있는 구조로 구성됨이 바람직할 수 있다. In addition, the liquid hydrogen storage tank 10 may be a pressure tank capable of withstanding a pressure increase caused by the generation of boil-off gas. For example, the liquid hydrogen storage tank 10 may be preferably configured to have a structure capable of withstanding a pressure rise up to a set pressure of about 4 bar to 9 bar.

상기 기화기(20)는 상기 액체수소 저장탱크(10)에서 배출된 액체 수소를 기화하도록 구성된다.The vaporizer 20 is configured to vaporize the liquid hydrogen discharged from the liquid hydrogen storage tank (10).

구체적으로, 상기 기화기(20)는 액체 수소가 수소연료전지(30)에 공급되기 위한 조건을 맞추기 위해 기화되는 공정이 수행되는 구성으로, 액체 수소를 공기와 열 교환시켜 수소 기체를 생성하며 이 과정에서 다량의 냉열이 발생하게 된다.Specifically, the vaporizer 20 is configured to perform a process in which liquid hydrogen is vaporized in order to meet the conditions for supplying it to the hydrogen fuel cell 30, and heat exchanges liquid hydrogen with air to generate hydrogen gas. This process A large amount of cooling heat is generated.

수소를 연료전지에 사용하기 위해서는 연료 전지의 작동 온도 조건을 맞추어야 하는데, 일반적인 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)의 경우, 대략 -253℃ 정도의 극저온 상태인 액체 수소를 상기 기화기(20)를 통해 PEMFC의 작동조건인 60℃~80℃의 온도로 상승시켜 작동 온도 조건에 맞출 수 있게 된다.In order to use hydrogen in the fuel cell, it is necessary to meet the operating temperature conditions of the fuel cell. In the case of a general polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), liquid hydrogen in a cryogenic state of about -253° C. is transferred to the PEMFC through the vaporizer 20. It can be adjusted to the operating temperature condition by raising the temperature to the operating condition of 60°C to 80°C.

상기 수소연료전지(30)는 기화된 수소 기체를 공급받아 전력을 생산하도록 구비된다.The hydrogen fuel cell 30 is provided to generate electric power by receiving vaporized hydrogen gas.

상기 냉열활용부(40)는 상기 액체 수소의 기화 과정에서 열 교환된 냉열을 회수하여 활용하도록 구성된다.The cold heat utilization unit 40 is configured to recover and utilize the cold heat heat exchanged in the vaporization process of the liquid hydrogen.

구체적으로, 상기 냉열활용부(40)는 상술한 바와 같이 액체 수소가 수소연료전지(30)에 공급되기 위한 조건을 맞추기 위한 기화 과정에서 발생하는 냉열을 활용하는 구성으로, 상기 냉열을 활용한 공기 분리 유닛(400) 및 냉동 저장 유닛(500)을 포함할 수 있다.Specifically, the cooling and heat utilization unit 40 is configured to utilize the cooling heat generated during the vaporization process to meet the conditions for supplying liquid hydrogen to the hydrogen fuel cell 30 as described above, and the air using the cooling heat It may include a separation unit 400 and a frozen storage unit 500 .

상기 공기 분리 유닛(400)은 액체 수소의 기화기(20)에서 발생된 냉열을 이용하여 공기를 분리시키기 위한 구성으로, 수증기 및 이산화탄소가 제거되어 정제된 공기를 피드에어(feed air) 압력 조건인 6bar로 승압하고 기화기(20)에서 발생된 냉열을 이용하여 -170℃ 정도의 온도 조건을 맞춘 후 산소, 질소 및 아르곤으로 분리되도록 하는 구성이다.The air separation unit 400 is configured to separate air using the cooling heat generated in the vaporizer 20 of liquid hydrogen, and the purified air from which water vapor and carbon dioxide are removed is fed air pressure condition of 6 bar. It is configured to be separated into oxygen, nitrogen and argon after adjusting the pressure to about -170° C.

따라서, 상기 공기 분리 유닛(400)은 공기공급라인(420), 콘덴서냉열공급라인(430), 산소생성라인(440), 질소생성라인(450) 및 아르곤생성라인(460)을 포함할 수 있다.Accordingly, the air separation unit 400 may include an air supply line 420 , a condenser cooling and heat supply line 430 , an oxygen generation line 440 , a nitrogen generation line 450 , and an argon generation line 460 . .

상기 공기공급라인(420)은 증류탑(410)에 공급될 공기를 필터 및 압축하도록 구성된다.The air supply line 420 is configured to filter and compress the air to be supplied to the distillation column 410 .

따라서, 상기 공기공급라인(420)은 공급된 공기에서 이산화탄소 및 수증기를 제거하는 필터모듈(421), 상기 필터모듈(421)을 거친 공기를 공기 분리 유닛(400)의 피드 에어(feed air) 압력 조건으로 승압시키는 피드에어가압기(422) 및 상기 냉열을 이용하여 공기 분리 유닛(400)의 피드 에어 온도 조건으로 공기를 냉각시키는 극저온의 제1열교환기(423)를 포함할 수 있다.Therefore, the air supply line 420 is a filter module 421 for removing carbon dioxide and water vapor from the supplied air, and the air that has passed through the filter module 421 is fed air pressure of the air separation unit 400 . It may include a feed air pressurizer 422 that increases the pressure under the condition, and a cryogenic first heat exchanger 423 that cools the air to the feed air temperature condition of the air separation unit 400 using the cooling heat.

이 때, 상기 피드에어가압기(422)는 상기 공기를 6bar 의 압력으로 승압시키고, 상기 제1열교환기(423)는 상기 공기의 온도를 -170℃ 정도로 냉각시키며, 상기 제1열교환기(423)는 수소 기체의 냉열을 사용할 수 있다.At this time, the feed air pressurizer 422 pressurizes the air to a pressure of 6 bar, and the first heat exchanger 423 cools the temperature of the air to about -170° C., and the first heat exchanger 423. can use the cooling heat of hydrogen gas.

따라서, 본 발명에 따른 상기 공기공급라인(420)은 수증기와 이산화탄소가 제거된 정제된 공기의 압력을 12bar까지 올려주고 turbo-expander를 통해 공기를 팽창시키면서 온도를 떨어뜨리는 공정을 포함한 종래의 공기 분리 장치보다 훨씬 단순한 공정을 수행할 수 있도록 한다.Therefore, the air supply line 420 according to the present invention raises the pressure of the purified air from which water vapor and carbon dioxide are removed to 12 bar and expands the air through a turbo-expander and lowers the temperature while separating the conventional air. It makes it possible to carry out a much simpler process than the device.

상기 콘덴서냉열공급라인(430)은 상기 증류탑(410)의 하단열(Lower Column, LC) 콘덴서(431) 및 저비율열(Lower Ratio Column, LR) 콘덴서(432)에 냉열을 공급하는 구성으로, 증류탑(410)의 하단열(Lower Column, LC) 콘덴서(431) 및 저비율열(Lower Ratio Column, LR) 콘덴서(432)에 필요한 냉열을 극저온의 수소에서 발생하는 냉열을 활용하여 경제적이고 효율적인 공기 분리 유닛(400)의 사용이 구현될 수 있도록 한다.The condenser cooling heat supply line 430 is configured to supply cooling heat to the lower column (LC) condenser 431 and the lower ratio column (LR) condenser 432 of the distillation column 410, The cooling heat required for the lower column (LC) condenser 431 and the lower ratio column (LR) condenser 432 of the distillation column 410 is economical and efficient by utilizing the cooling heat generated from cryogenic hydrogen. Allows the use of a separation unit 400 to be implemented.

구체적으로, 상기 콘덴서냉열공급라인(430)은 공기 분리 유닛(400) 내의 콘덴서에 필요한 냉열을 제공하는 구성으로, -178℃, -184℃ 이하 조건의 냉매가 필요한 하단열 콘덴서(LC Condenser)(431) 및 저비율열 콘덴서(LR Condenser)(432)에 약 -250℃ ~ -200℃ 정도의 충분히 낮은 온도 조건을 갖는 액체 수소의 냉매를 제공하도록 구성됨으로써 종래의 공기 분리 장치보다 상대적으로 단순한 설계가 가능하도록 하는 효과가 있다.Specifically, the condenser cooling and heat supply line 430 is a configuration that provides cooling heat required for the condenser in the air separation unit 400, and a lower heat condenser (LC Condenser) (LC Condenser) ( 431) and a low-ratio thermal condenser (LR Condenser) 432 are configured to provide a refrigerant of liquid hydrogen having a sufficiently low temperature condition of about -250 ° C. to -200 ° C. has the effect of making it possible.

상기 산소생성라인(440)은 상기 증류탑(410)의 상단열 리보일러(Upper Column Reboiler, UC Reboiler)(441)에서 액체 산소를 생성하는 구성이다.The oxygen generation line 440 is configured to generate liquid oxygen in an upper column reboiler (UC Reboiler) 441 of the distillation column 410 .

구체적으로, 상기 산소생성라인(440)은 공기 분리 유닛(400) 내의 상단열 리보일러(Upper Column Reboiler, UC Reboiler)(441)에서 선행한 앞선 공정을 거치면서 약 40℃의 온도를 갖게 된 수소 기체를 열매체로 다시 사용하게 된다.Specifically, the oxygen generation line 440 is hydrogen having a temperature of about 40 ℃ through the preceding process in the upper column reboiler (UC Reboiler) 441 in the air separation unit 400. The gas is used again as a heating medium.

상기 질소생성라인(450)은 상기 증류탑(410)의 상단열(411)에서 배출되는 질소 기체로 액체 질소를 생성하도록 구성된다.The nitrogen generating line 450 is configured to generate liquid nitrogen from nitrogen gas discharged from the upper row 411 of the distillation column 410 .

또한, 상기 질소생성라인(450)은 상기 질소 기체를 열 교환하여 액체 질소를 생성하는 극저온의 제2열교환기(451)를 포함할 수 있다.In addition, the nitrogen generating line 450 may include a cryogenic second heat exchanger 451 for generating liquid nitrogen by heat exchanging the nitrogen gas.

구체적으로, 상기 질소생성라인(450)은 대규모 발전 단지에서 많은 양으로 생산된 질소 기체를 효율적으로 저장하기 위한 것으로, 공기 분리 유닛(400)를 통해 기체 상태로 공기에서 분리된 질소를 액체 수소의 냉열을 활용한 극저온의 제2열교환기(451)를 통해 열 교환시킴으로써 약 -196℃의 매우 낮은 끓는점을 갖는 질소 기체를 액체 질소로 생산할 수 있도록 한다.Specifically, the nitrogen generation line 450 is for efficiently storing nitrogen gas produced in a large amount in a large-scale power plant, and the nitrogen separated from air in a gaseous state through the air separation unit 400 is converted into liquid hydrogen. By heat exchange through the cryogenic second heat exchanger 451 utilizing cold heat, nitrogen gas having a very low boiling point of about -196° C. can be produced as liquid nitrogen.

도 3은 본 발명에 따른 아르곤 생성 라인의 구성을 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of an argon generating line according to the present invention.

본 발명에 따른 상기 아르곤생성라인(460)은 도 3 도시된 바와 같이 상기 저비율열 콘덴서(432)에서 배출되는 아르곤 기체(Argon Product, Ar)로 액체 아르곤을 생성하도록 구성된다.The argon generating line 460 according to the present invention is configured to generate liquid argon from argon gas (Argon Product, Ar) discharged from the low-ratio heat condenser 432 as shown in FIG. 3 .

구체적으로, 상기 아르곤생성라인(460)은 대규모 발전 단지에서 많은 양으로 생산된 아르곤 기체를 효율적으로 저장하기 위한 것으로, 공기 분리 유닛(400)을 통해 기체 상태로 공기에서 분리된 아르곤을 액체 수소의 냉열을 활용한 극저온의 제4열교환기(462a)를 통해 열 교환시킴으로써 약 -186℃의 매우 낮은 끓는점을 갖는 아르곤 기체가 액체 아르곤으로 생산될 수 있도록 한다.Specifically, the argon generating line 460 is for efficiently storing argon gas produced in a large amount in a large-scale power plant, and argon separated from air in a gaseous state through the air separation unit 400 is converted into liquid hydrogen. By heat exchange through the cryogenic fourth heat exchanger 462a using cold heat, argon gas having a very low boiling point of about -186° C. can be produced as liquid argon.

또한, 상기 아르곤생성라인(460)은 생산된 아르곤 기체(Argon Product, Ar)의 순도가 약 98.5%로 높지 않아 추가적인 정제 과정을 거쳐 고순도의 아르곤을 생산할 수 있도록 구성된다.In addition, the argon generating line 460 is configured to produce high-purity argon through an additional purification process because the purity of the produced argon product (Ar) is not high at about 98.5%.

따라서, 상기 아르곤생성라인(460)은 산소제거모듈(461) 및 아르곤열교환모듈(462)을 포함할 수 있다.Accordingly, the argon generation line 460 may include an oxygen removal module 461 and an argon heat exchange module 462 .

상기 산소제거모듈(461)은 상기 증류탑(410)에서 분리되어 나온 아르곤 기체(Argon Product)의 불순물인 산소를 제거하여 고순도의 아르곤 기체를 생성하도록 구성된다.The oxygen removal module 461 is configured to remove oxygen, which is an impurity of argon product separated from the distillation column 410, to generate argon gas of high purity.

구체적으로, 상기 산소제거모듈(461)은 아르곤 기체에 섞여 있는 산소 기체가 제거되도록 시스템에 이미 포함된 수소 기체와 반응하여 형성된 물을 외부로 배출하여 산소가 제거된 순도가 높은 즉, 고순도의 아르곤을 형성하는 모듈이다.Specifically, the oxygen removal module 461 discharges water formed by reacting with the hydrogen gas already included in the system to the outside so that the oxygen gas mixed with the argon gas is removed, that is, argon with high purity from which oxygen has been removed. module that forms

보다 구체적으로, 상기 산소제거모듈(461)은 아르곤 기체의 불순물이라 할 수 있는 미량의 산소를 제거하기 위해 수소를 반응시켜 물을 만들고 만들어진 물을 배출시키는 것으로, 본 발명에 따른 액체 수소 연료 공급 시스템(1)에 이미 포함된 수소를 활용하기 때문에 아르곤 정제를 위해 별도의 수소를 보유하거나 주입할 필요가 없어 공정을 간소화하는 장점이 있다.More specifically, the oxygen removal module 461 is a liquid hydrogen fuel supply system according to the present invention to make water by reacting hydrogen to remove a trace amount of oxygen, which can be said to be an impurity of argon gas, and discharge the produced water. Since hydrogen already contained in (1) is utilized, there is no need to retain or inject separate hydrogen for argon purification, thereby simplifying the process.

또한, 상기 산소제거모듈(461)은 불순물인 산소를 수소와 반응시켜 물을 형성하고 형성된 물을 배출하여 산소를 제거하는 1차 공정 이후, 아르곤 기체의 압력을 높임과 동시에 상승하는 온도를 열교환기를 통해 소정으로 낮춰주어 물을 생성하고 생성된 물을 배출하여 추가적으로 산소를 제거하는 2차 공정을 순차적으로 수행하게 된다.In addition, the oxygen removal module 461 reacts oxygen, which is an impurity, with hydrogen to form water, and discharges the formed water to remove oxygen, after the first process, increases the pressure of argon gas and increases the temperature at the same time as a heat exchanger. The secondary process of generating water by lowering it to a predetermined level and discharging the generated water to additionally remove oxygen is sequentially performed.

이에, 상기 산소제거모듈(461)의 1차 공정은 상기 저비율열 컨덴서(432)에서 배출된 아르곤기체를 수용하는 리액터(461a), 상기 리액터(461a)로 수소기체를 공급하는 수소공급관(461b) 및 상기 아르곤 기체에 함유된 산소와 공급된 상기 수소기체가 합성하여 생성된 물을 상기 리액터(461a) 외부로 배출하는 물배출관(461c)을 포함할 수 있다.Accordingly, the first process of the oxygen removal module 461 is a reactor 461a for accommodating the argon gas discharged from the low-ratio heat condenser 432, and a hydrogen supply pipe 461b for supplying hydrogen gas to the reactor 461a. ) and a water discharge pipe 461c for discharging water produced by synthesizing the oxygen contained in the argon gas and the supplied hydrogen gas to the outside of the reactor 461a.

또한, 상기 산소제거모듈(461)의 2차 공정은 상기 리액터(461a)를 통과한 아르곤 기체 즉, 1차 공정을 통해 일정량의 산소가 제거된 고순도의 아르곤 기체를 가압하는 아르곤가압기(461d), 가압된 아르곤 기체의 온도를 소정으로 열 교환하여 낮춰주는 제3열교환기(461e) 및 상기 아르곤가압기(461d)와 제3열교환기(461e)에 의해 추가적으로 생성된 물을 외부로 배출시키는 분리기(461f)을 포함할 수 있다.In addition, the secondary process of the oxygen removal module 461 is an argon pressurizer (461d) that pressurizes the argon gas that has passed through the reactor (461a), that is, high-purity argon gas from which a certain amount of oxygen has been removed through the primary process; A third heat exchanger 461e for lowering the temperature of the pressurized argon gas by predetermined heat exchange, and a separator 461f for discharging water additionally generated by the argon pressurizer 461d and the third heat exchanger 461e to the outside ) may be included.

이 때, 상기 제3열교환기(461e)는 액체 수소의 냉열을 활용하게 된다.At this time, the third heat exchanger 461e utilizes the cooling heat of liquid hydrogen.

따라서, 상기 산소제거모듈(461)은 상술한 1차 공정 및 2차 공정을 통해 아르곤 기체의 불순물인 산소를 효율적으로 제거하여 아르곤 기체의 순도가 월등히 향상될 수 있도록 한다.Therefore, the oxygen removal module 461 efficiently removes oxygen, which is an impurity of argon gas, through the above-described first and second processes, so that the purity of argon gas can be significantly improved.

상기 아르곤열교환모듈(462)은 상기 고순도 아르곤 기체의 극저온 열교환을 통해 액체 아르곤을 생성하는 구성으로, 상기 산소제거모듈(461)의 1차 공정 및 2차 공정을 통해 산소가 제거된 고순도의 아르곤 기체를 열교환하여 액체 아르곤을 생성하도록 한다.The argon heat exchange module 462 is configured to generate liquid argon through cryogenic heat exchange of the high purity argon gas, and high purity argon gas from which oxygen has been removed through the primary and secondary processes of the oxygen removal module 461 . heat exchange to produce liquid argon.

따라서, 상기 아르곤열교환모듈(462)은 상기 고순도 아르곤 기체를 열 교환하는 극저온의 제4열교환기(462a)를 포함할 수 있다.Accordingly, the argon heat exchange module 462 may include a cryogenic fourth heat exchanger 462a for heat exchanging the high purity argon gas.

이는, 상기 아르곤열교환모듈(462)이 대규모 발전 단지에서 많은 양으로 생산된 아르곤 기체를 효율적으로 저장하기 위해 액체 수소의 냉열을 활용한 극저온의 제4열교환기(462a)로 열 교환시켜 약 -186℃의 매우 낮은 끓는점을 갖는 아르곤 기체가 액체 아르곤으로 생산될 수 있도록 한다.In this case, the argon heat exchange module 462 exchanges heat with the cryogenic fourth heat exchanger 462a using the cold heat of liquid hydrogen to efficiently store the argon gas produced in a large amount in a large-scale power plant, about -186 It allows argon gas with a very low boiling point of °C to be produced as liquid argon.

따라서, 본 발명에 따른 제1열교환기(423), 제2열교환기(451), 제3열교환기(461e) 및 제4열교환기(462a)는 액체 수소의 냉열을 활용하여 작동될 수 있도록 한다.Therefore, the first heat exchanger 423, the second heat exchanger 451, the third heat exchanger 461e, and the fourth heat exchanger 462a according to the present invention can be operated by utilizing the cooling heat of liquid hydrogen. .

상기 냉동 저장 유닛(500)은 낭비되거나 버려질 수 있는 냉열을 최대한 활용한 냉동 창고의 구성으로, 도 1에 도시된 바와 같이 아르곤생성라인(460) 전에 상기 공기 분리 유닛(400)에서 생산된 매우 낮은 온도(약 -184℃)의 아르곤 기체(Argon Product, Ar)의 냉열을 활용하여 구현될 수 있다.The frozen storage unit 500 is a configuration of a frozen warehouse that maximizes the cold heat that can be wasted or thrown away. It can be implemented by utilizing the cooling heat of argon gas (Argon Product, Ar) at a low temperature (about -184°C).

또한, 상기 냉동 저장 유닛(500)은 도시된 바와 같이 질소 액화 공정 이후 등 다른 구역에서 수소의 냉열을 활용하여 구성될 수도 있다.In addition, the refrigeration storage unit 500 may be configured by utilizing the cold heat of hydrogen in other areas, such as after the nitrogen liquefaction process, as shown.

따라서, 상기 냉동 저장 유닛(500)은 상기 액체 수소의 기화 과정에서 열교환된 냉열, 상기 공기 분리 유닛(400)의 질소생성라인(450)에 사용 후 남은 잔류 냉열 및 상기 아르곤생성라인(460)에서 생성된 아르곤 기체의 냉열이 활용될 수 있다.Therefore, the refrigeration storage unit 500 is the cold heat exchanged in the vaporization process of the liquid hydrogen, the residual cold heat remaining after being used in the nitrogen generation line 450 of the air separation unit 400 and the argon generation line 460. The cooling heat of the generated argon gas may be utilized.

또한, 상기 냉동 저장 유닛(500)은 적어도 하나 이상의 냉동 창고일 수 있다.In addition, the frozen storage unit 500 may be at least one or more frozen warehouses.

상기와 같은 본 발명에 따른 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템에 의하면, 기화 과정에서 -250℃ ~ -200℃ 정도의 낮은 온도 조건으로 냉열이 발생하는 액체 수소를 공기 분리 장치에 활용함으로써, 별도의 복잡한 열교환 시스템을 마련하지 않고도 단순히 열 교환장치를 통해 증류탑의 하단열 콘덴서(Lower column condenser)와 저비율열 콘덴서(lower ratio column condenser)에 필요한 냉열, 공기 또는 아르곤의 다단 압축 과정에서 intercooling에 필요한 냉열을 모두 충족시키면서 산소, 질소 및 아르곤의 분리와 액화까지 가능하고, 일차적으로 분리되어 나온 아르곤의 불순물인 산소를 제거하기 위해 추가적인 수소 보유 및 주입 과정 없이 시스템 내에 이미 제공되어있는 수소를 바로 활용하여 고순도의 아르곤 분리도 가능하며, 남은 냉열은 냉동 창고의 에너지원이 되어 액체 수소의 냉열을 최대한 활용한 후 연료전지의 작동 온도 조건에 맞춰 수소를 공급하는 효과가 있다.According to the liquid hydrogen fuel supply system combined with the cooling heat utilization device according to the present invention as described above, by utilizing liquid hydrogen that generates cooling heat under a low temperature condition of -250°C to -200°C in the vaporization process to the air separation device, , intercooling in the multi-stage compression process of cold heat, air, or argon required for the lower column condenser and lower ratio column condenser of the distillation column simply through a heat exchanger without a separate complex heat exchange system It is possible to separate and liquefy oxygen, nitrogen, and argon while satisfying all the cooling and heat necessary for It is also possible to separate high-purity argon by using it, and the remaining cold heat becomes an energy source for the refrigeration warehouse, making the most of the cold heat of liquid hydrogen, and then supplying hydrogen according to the operating temperature condition of the fuel cell.

따라서, 활용되지 못하고 버려지는 액체 수소의 냉열을 활용하여 경제적일 뿐 아니라 종래의 공기 분리 장치나 LNG 냉열을 활용한 공기 분리 시스템보다 월등히 단순한 공정이 구현되는 효과가 있다.Therefore, it is economical by utilizing the cooling heat of liquid hydrogen that is not utilized and discarded, and there is an effect of implementing a much simpler process than a conventional air separation device or an air separation system using LNG cooling heat.

아울러, 단순히 수송 목적으로 액체 수소를 사용한다는 좁은 개념을 벗어나 액체 수소의 냉열이 가스, 냉동 산업에 효과적으로 활용되는 효과가 있다.In addition, there is an effect that the cooling heat of liquid hydrogen is effectively utilized in gas and refrigeration industries, beyond the narrow concept of simply using liquid hydrogen for transportation purposes.

이에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims described herein should not be construed as being limited to their ordinary or dictionary meanings, and the present inventors have properly defined the concept of terms in order to best describe their invention. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configurations shown in the drawings and embodiments described in this specification are only one of the most preferred embodiments of the present invention, and do not represent all of the technical spirit of the present invention, so they can be substituted at the time of the present application. It should be understood that there may be various equivalents and variations that exist.

1 : 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템
10 : 액체수소 저장탱크 20 : 기화기
30 : 수소연료전지 40 : 냉열활용부
400 : 공기분리유닛 410 : 증류탑
411 : 상단열(Upper Column, UC) 412 : 하단열(Lower Column, LC)
413 : 저비율열(Lower Ratio Column, LR)
420 : 공기공급라인 421 : 필터모듈
422 : 피드에어가압기 423 : 제1열교환기
430 : 콘덴서냉열공급라인
431 : 하단열콘덴서(Lower Column Condenser, LC Condenser)
432 : 저비율열콘덴서(Lower Ratio Column Condenser, LR Condenser)
440 : 산소생성라인
441 : 상단열 리보일러(Upper Column Reboiler, UC Reboiler)
450 : 질소생성라인 451 : 제2열교환기
460 : 아르곤생성라인 461 : 산소제거모듈
461a : 리액터 461b : 수소공급관
461c : 물배출관 461d : 아르곤가압기
461e : 제3열교환기 461f : 분리기
462 : 아르곤열교환모듈 462a : 제4열교환기
500 : 냉동 저장 유닛1: Liquid hydrogen fuel supply system combined with cooling and heat utilization device
10: liquid hydrogen storage tank 20: vaporizer
30: hydrogen fuel cell 40: cooling heat utilization part
400: air separation unit 410: distillation column
411: Upper Column (UC) 412: Lower Column (LC)
413: Low Ratio Column (LR)
420: air supply line 421: filter module
422: feed air pressurizer 423: first heat exchanger
430: condenser cooling heat supply line
431: Lower Column Condenser (LC Condenser)
432: Low Ratio Column Condenser (LR Condenser)
440: oxygen generation line
441: Upper Column Reboiler (UC Reboiler)
450: nitrogen production line 451: second heat exchanger
460: argon generation line 461: oxygen removal module
461a: Reactor 461b: Hydrogen supply pipe
461c: water discharge pipe 461d: argon pressurizer
461e: third heat exchanger 461f: separator
462: argon heat exchange module 462a: fourth heat exchanger
500: frozen storage unit

Claims (11)

액체수소 저장탱크;
상기 액체수소 저장탱크에서 배출된 액체 수소를 기화하는 기화기;
기화된 수소 기체를 공급받아 전력을 생산하는 수소연료전지; 및
상기 액체 수소의 기화 과정에서 열 교환된 냉열을 회수하여 활용하는 냉열활용부;를 포함하고,
상기 냉열활용부는,
상기 냉열을 활용한 공기 분리 유닛; 및
상기 냉열을 활용한 냉동 저장 유닛;을 포함하며,
상기 공기 분리 유닛은,
증류탑에 공급될 공기를 필터 및 압축하는 공기공급라인;
상기 증류탑의 하단열(Lower Column, LC) 콘덴서 및 저비율열(Lower Ratio Column, LR) 콘덴서에 냉열을 공급하는 콘덴서냉열공급라인;
상기 증류탑의 상단열 리보일러(Upper Column Reboiler, UC Reboiler)에서 액체 산소를 생성하는 산소생성라인;
상기 증류탑의 상단열에서 배출되는 질소 기체로 액체 질소를 생성하는 질소생성라인; 및
상기 저비율열 콘덴서에서 배출되는 아르곤 기체로 액체 아르곤을 생성하는 아르곤생성라인;을 포함하고,
상기 아르곤생성라인은,
상기 증류탑에서 분리되어 나온 아르곤 기체의 불순물인 산소를 제거하는 산소제거모듈; 및
상기 아르곤 기체의 극저온 열교환을 통해 액체 아르곤을 생성하는 아르곤열교환모듈;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
liquid hydrogen storage tank;
a vaporizer for vaporizing liquid hydrogen discharged from the liquid hydrogen storage tank;
A hydrogen fuel cell that generates electricity by receiving vaporized hydrogen gas; and
Containing; and
The cooling and heat utilization unit,
an air separation unit utilizing the cooling heat; and
It includes; a refrigeration storage unit utilizing the cooling heat.
The air separation unit,
an air supply line for filtering and compressing air to be supplied to the distillation column;
a condenser cooling heat supply line for supplying cooling heat to the lower column (LC) condenser and the lower ratio column (LR) condenser of the distillation column;
an oxygen generation line for generating liquid oxygen in an upper column reboiler (UC Reboiler) of the distillation column;
a nitrogen generating line for generating liquid nitrogen with nitrogen gas discharged from the upper row of the distillation column; and
and an argon generating line for generating liquid argon from the argon gas discharged from the low-ratio heat condenser.
The argon generating line is
an oxygen removal module for removing oxygen, which is an impurity of argon gas separated from the distillation column; and
an argon heat exchange module for generating liquid argon through cryogenic heat exchange of the argon gas;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device, characterized in that it comprises a.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 산소제거모듈은,
상기 저비율열 컨덴서에서 배출된 아르곤 기체를 수용하는 리액터;
상기 리액터로 수소 기체를 공급하는 수소공급관; 및
상기 아르곤 기체에 함유된 산소와 공급된 상기 수소 기체가 반응하여 생성된 물을 상기 리액터 외부로 배출하는 물배출관;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
The method of claim 1,
The oxygen removal module,
a reactor for accommodating the argon gas discharged from the low-ratio heat condenser;
a hydrogen supply pipe for supplying hydrogen gas to the reactor; and
a water discharge pipe for discharging water generated by reacting the oxygen contained in the argon gas with the supplied hydrogen gas to the outside of the reactor;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device, characterized in that it comprises a.
 제 5항에 있어서,
상기 산소제거모듈은,
상기 리액터를 통과한 아르곤 기체를 가압하는 아르곤가압기;
가압된 아르곤 기체의 온도를 소정으로 열 교환하는 제3열교환기; 및
상기 아르곤가압기 및 제3열교환기에 의해 추가적으로 생성된 물을 외부로 배출시키는 분리기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
6. The method of claim 5,
The oxygen removal module,
an argon pressurizer for pressurizing the argon gas that has passed through the reactor;
a third heat exchanger for exchanging a predetermined temperature of the pressurized argon gas; and
a separator for discharging water additionally generated by the argon pressurizer and the third heat exchanger to the outside;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 아르곤열교환모듈은,
상기 아르곤 기체를 열 교환하는 극저온의 제4열교환기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
The method of claim 1,
The argon heat exchange module,
a fourth cryogenic heat exchanger for heat exchanging the argon gas;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 공기공급라인은,
공급된 공기에서 이산화탄소 및 수증기를 제거하는 필터모듈;
상기 필터모듈을 거친 공기를 승압시키는 피드에어가압기; 및
상기 냉열을 이용하여 공기를 냉각시키는 극저온의 제1열교환기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
The method of claim 1,
The air supply line is
a filter module for removing carbon dioxide and water vapor from the supplied air;
a feed air pressurizer for boosting the air that has passed through the filter module; and
a first cryogenic heat exchanger for cooling air using the cooling heat;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 질소생성라인은,
상기 질소 기체를 열 교환하여 액체 질소를 생성하는 극저온의 제2열교환기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
The method of claim 1,
The nitrogen production line is
a second cryogenic heat exchanger for generating liquid nitrogen by heat exchanging the nitrogen gas;
A liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling heat utilization device comprising a.
 제 1항에 있어서,
상기 냉동 저장 유닛은,
상기 액체 수소의 기화 과정에서 열 교환된 냉열, 상기 공기 분리 유닛의 질소생성라인에 사용 후 남은 잔류 냉열 및 상기 아르곤생성라인에서 생성된 아르곤기체의 냉열이 활용되는 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.
The method of claim 1,
The frozen storage unit,
Cooling heat exchanged in the vaporization process of liquid hydrogen, residual cooling heat remaining after use in the nitrogen generation line of the air separation unit, and cooling heat of argon gas generated in the argon generation line are utilized. liquid hydrogen fueling system.
 제 1항에 있어서,
상기 냉동 저장 유닛은,
적어도 하나 이상의 냉동 창고인 것을 특징으로 하는 냉열 활용 장치가 결합된 액체 수소 연료 공급 시스템.The method of claim 1,
The frozen storage unit,
Liquid hydrogen fuel supply system coupled with a cooling and heat utilization device, characterized in that at least one or more refrigeration warehouses.
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