KR20200073956A - 직냉식 액화시스템 및 액화방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직냉식 액화시스템 및 그 방법에 관한 것으로,본 발명의 직냉식 액화시스템은, 본 발명의 직냉식 액화시스템은, 냉매가 채워진 냉각 수조와 상기 냉각 수조 내부에 배치되는 제 1 열교환기를 구비하고, 상기 냉매의 냉열을 이용하여 외부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 1 예냉부; 극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 1 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 1 예냉부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 2 예냉부; 극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 2 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 2 예냉부에서 공급되는 기체를 액화하는 액화부; 및, 상기 액화부 후단에 연결되어 상기 액화부에서 생성되는 액체를 저장하는 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직냉식 액화시스템 및 액화방법{Direct type liquefaction system and liquefaction process}
본 발명은 직냉식 액화시스템과 그 방법에 관한 것이다.
화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 최근 국내외에서는 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 문제 해결을 위해 제안된 여러 가지 방법 중에서 가장 효율적이며 대표적인 방법이 바로 수소 에너지의 사용이다.
수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소시 이산화탄소의 배출 없이 오로지 물만 발생시키고 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생 가능한 에너지원으로 분류할 수 있다.
수소를 에너지원으로 사용하기 위해서는 이송의 간편성과 저장의 용이성이 보장되어야 하는 데, 이를 위해서는 고밀도화를 통해 부피를 축소시키는 것이 필요하다. 공지된 수소의 부피를 축소시켜 저장하는 방법 중 에너지 저장 밀도가 가장 큰 것은 수소를 액화시켜 액체수소 형태로 저장하는 방법이다.
기체 수소를 액화시키는 방법으로 Linde-Hampson 사이클, Claude 사이클 등이 알려져 있다. 이러한 수소 액화 사이클은 액화 효율은 우수하나 대형 수소 액화 시스템을 필요로 한다. 그런데 수소 에너지의 용도를 다양화하고 운송에 의한 에너지 손실을 줄이기 위해서는 지역적으로 액화가 가능한 소형 액화 장치가 필요하므로 공지의 대형 수소 액화 시스템으로는 수소 에너지의 활용성을 증대시키는 데 한계가 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해 최근에는 극저온 냉동기를 이용한 소형 수소 액화 장치에 관한 연구가 수행되고 있는바, 극저온 냉동기의 효율 증대로 기체 수소를 수소 액화 온도인 20K 이하로 보다 용이하게 냉각하는 것이 가능하게 되었다.
수소 에너지의 활용성을 증대시키기 위해서는 극저온 냉동기를 이용한 수소 액화 장치의 성능과 안정성을 개선하기 위한 다양한 방안들이 요구된다. 일 예로, 한국등록특허 10-1756181호는 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템을 소개하고 있다. 상기 종래의 수소 액화시스템은 2개 이상의 극저온 냉동기를 직렬로 연결하여 시간당 액화 용량을 증대시키는 효과를 나타내도록 구성된다.
그러나 상기 종래의 수소 액화시스템은 복수의 극저온 냉동기가 직렬로만 연결되어 수소를 액화시키는 최종 단계의 n차 극저온 냉동기에서 수소를 액화 처리하는 용량에 한계가 있으므로, 전체 액화시스템에서의 액화 용량에 한계를 나타내고 있다. 또한, 종래의 수소 액화시스템은 액화된 수소가 용기 본체에 보관되어 액화된 수소가 다시 기화되는 것을 효율적으로 방지하지 못하는 단점이 있다. 또한, 종래의 수소 액화시스템은 초기의 냉각 열을 이용하지 못하고, 외부에서 복사되는 열을 효율적으로 차폐하지 못하여 액화의 효율을 극대화하지 못하는 단점이 있다.
한국등록특허 10-1756181호(2017.07.26.등록, 극저온 냉동기를 이용한 소용량 수소 액화시스템)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 복수의 극저온 냉동기를 직렬 또는 병렬 연결하여 액화 용량을 증대시킬 수 있는 직냉식 액화시스템과 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 내부의 냉각 열을 이용하고 외부에서 유입되는 열을 차단하여 액화 효율을 극대화할 수 있는 직냉식 액화시스템과 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 구조를 단순화하고, 저 비용으로 구현할 수 있으며, 유지 보수가 용이한 직냉식 액화시스템과 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직냉식 액화시스템은, 냉매가 채워진 냉각 수조와 상기 냉각 수조 내부에 배치되는 제 1 열교환기를 구비하고, 상기 냉매의 냉열을 이용하여 외부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 1 예냉부; 극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 1 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 1 예냉부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 2 예냉부; 극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 2 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 2 예냉부에서 공급되는 기체를 액화하는 액화부; 및, 상기 액화부 후단에 연결되어 상기 액화부에서 생성되는 액체를 저장하는 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제 1 예냉부는, 상기 냉각 수조의 외부에서 상기 제 1 열교환기의 전단에 설치되며, 상기 냉각 수조에서 발생되는 증발 가스의 냉열을 이용하여 제 1 열교환기에 공급되는 기체를 냉각하는 제 2 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액화부는, 극저온 냉동기가 복수개로 구성되고, 복수개의 극저온 냉동기를 병렬 구조로 결합하는 냉각판을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각판은, 복수의 극저온 냉동기 단부에 결합되는 제 1 냉각판과, 열교환기를 매개로 제 1 냉각판과 마주하는 제 2 냉각판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 저장 탱크는, 액체가 저장되는 과정에서 기화되는 기체를 상기 액화부로 공급하는 피드백 배관을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 직냉식 액화시스템은, 극저온 냉동기와 열교환기를 내부 공간에 수용하면서 외부의 열침투를 차단하는 차폐 수조;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐 수조는, 이중벽 구조를 이루는 통 형상으로 내벽과 외벽 사이에 냉매가 채워지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐 수조는, 상기 냉각 수조를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐 수조는, 액체 질소 풀(LN2 pool) 또는 액화 천연 가스 풀(LNG pool)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 액화 대상의 상기 기체는, 수소인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 직냉식 액화시스템은, 수소의 이동관을 따라 ortho-para 변환을 유도하는 하나 이상의 O-P 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 직냉식 액화시스템은, 상기 제 1 예냉부, 상기 제 2 예냉부, 상기 액화부 및 상기 저장 탱크가 배치되는 본체부 내부에 배치되는 히터;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직냉식 액화 방법은, (a) 제 1 열교환기를 냉매가 채워진 냉각 수조에 침지하고, 공급되는 기체를 상기 제 1 열교환기를 통과시켜 기체를 1차 냉각하는 단계; (b) 1차 냉각된 상기 기체를 열교환기를 갖는 1차 극저온 냉동기에 공급하여 2차 냉각하는 단계; (c) 2차 냉각된 상기 기체를 열교환기를 갖는 2차 극저온 냉동기에 공급하여 액화하는 단계; 및 (d) 상기 2차 극저온 냉동기에서 액화된 액체를 저장 탱크에 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (a) 단계는, 상기 기체는 상기 냉각 수조의 외부에서 상기 제 1 열교환기의 전단에 설치된 제 2 열교환기를 통하여 상기 제 1 열교환기에 공급하고, 상기 냉각 수조에서 발생되는 증발 가스의 냉열을 상기 제 2 열교환기에 공급하여 상기 제 1 열교환기에 공급되는 기체를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 극저온 냉동기가 복수개로 구성되고, 냉각판을 이용하여 복수개의 상기 극저온 냉동기를 병렬로 결합하여 상기 기체를 액화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각판은, 열교환기 일 단부에서 극저온 냉동기와 열교환기 사이에 결합되는 제 1 냉각판과, 열교환기 타 단부에 결합되는 제 2 냉각판으로 이루어지고, 상기 (c) 단계는, 상기 제 1 냉각판이 복수개의 상기 2차 극저온 냉동기의 냉열을 병합하여 복수개의 상기 열교환기에 전달하고, 상기 제 2 냉각판이 복수의 상기 열교환기에서 생성된 액체를 병합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d) 단계는, 액체가 저장되는 과정에서 기화되는 기체를 상기 액화부로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 내지 (d) 단계는, 외부의 열침투를 차단하는 차폐 수조 내부 공간에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐 수조는, 일부가 상기 냉각 수조를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 차폐 수조는, 이중벽 구조를 이루는 통 형상을 이루고, 내벽과 외벽 사이에 액체 질소(LN2)가 채워진 액체 질소 풀(LN2 pool)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 액화 대상의 상기 기체는 수소인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 복수의 극저온 냉동기가 직렬 또는 병렬 연결되어 냉각 효율을 극대화 시킴으로써 액화 용량을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 외부로부터의 열침투를 최소화하고, 내부의 냉열을 재활용함으로써, 액화 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 구조가 단순화되어 운영 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 수소 액화시스템의 주요 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 도 1의 수소 액화 시스템의 연결 구조를 나타낸 개념도,
도 3은 도 1의 시스템에서 이루어지는 수소 액화과정을 나타낸 공정도,
도 4는 도 1의 수소 액화 시스템의 연결 구조의 다른 예를 나타낸 개념도.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
후술되는, 본 실시예의 차이는 상호 배타적이지 않은 사항으로 이해되어야 한다. 즉 본 발명의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은, 일 실시예에 관련하여 다른 실시예로 구현될 수 있으며, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 변경될 수 있음이 이해되어야 하며, 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이, 면적 및 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 본 실시예의 설명에 있어서, 1, 2, 전, 후, 등과 같은 표현은 서로 상대적인 순서나 위치, 방향 등을 나타내는 것으로 그 기술적 의미가 반드시 사전적 의미에 구속되지는 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 수소 액화시스템의 주요 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1의 수소 액화 시스템의 연결 구조를 나타낸 개념도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수소 액화시스템은, 제 1 예냉부(100), 제 1 예냉부(100)에 연결되는 제 2 예냉부(200) 및 제 2 예냉부(200)에 연결되는 액화부(300)를 포함한다. 또한, 제 1 예냉부(100), 제 2 예냉부(200) 및 액화부(300)는 본체부(600) 내에 수용되어 설치되며, 본체부(600) 내부에는 액화부(300)에서 액화된 수소를 저장하는 저장 탱크(400)와, 외부의 열 침투를 차단하는 차폐 수조(500)가 더 구비된다.
구체적으로 살펴보면, 본체부(600)는 제 1 예냉부(100), 제 2 예냉부(200), 액화부(300), 저장 탱크(400) 및 차폐 수조(500)를 수용하고 보호하는 구성이다. 본체부(600)는 상측 개구부를 밀폐하는 상판(610)과, 하측 개구부를 밀폐하는 하판(620)을 포함한다.
본체부(600)는 소정의 높이를 이루면서 내부가 빈 중공의 통 형상을 이루며, 내부에 제 1 예냉부(100), 제 2 예냉부(200), 액화부(300), 저장 탱크(400) 및 차폐 수조(500)를 수용하면서 이들이 효율적으로 배치될 수 있도록 소정의 직경을 갖는 타원, 트랙 형상 또는 다면체 형상을 이룰 수 있다.
상판(610)과 하판(620)은 소정의 두께를 갖는 플레이트 형상을 이루며, 각각 본체부(600)의 상부와 하부에 결합되어 본체부(600) 내부를 외부로부터 밀폐한다. 상판(610)과 하판(620)은 본체부(600)의 형상에 대응하는 형상을 이루며, 본 실시예에서는 본체부(600)보다 큰 직경을 갖는 타원 또는 트랙 형상을 이룬다. 상판(610)은 기체 수소(GH2), 액체 질소(LN2), 기체 질소(GN2), 액화 수소(LH2) 등의 공급관 또는 배출관이 결합되는 포트를 형성하고, 복수의 극저온 냉동기(Cryocooler)가 결합되는 플랜지를 구비할 수 있다. 하판(620)은 본체부(600)을 쉽게 이동시키기 위한 캐스트를 구비할 수 있다.
본체부(600)와 상판(610) 및 하판(620)은 고진공을 견딜 수 있는 강도를 보유한 금속, 금속의 합금 또는 비금속 재질로 구성되며, 일 예로, 단열 효과와 강도가 우수한 수지 재질로도 구성될 수 있다.
제 1 예냉부(100)는 초기 상태의 기체 수소(GH2)를 1차 냉각하는 구성이다. 통상적으로 초기에 공급되는 기체 수소(GH2)는 상온 상태인 300K의 온도로 공급된다. 초기 상태의 기체 수소(GH2)는 액체 질소(LN2)에 의하여 액체 질소(LN2)의 온도까지 1차 냉각이 이루어진다. 기체 수소(GH2)의 1차 냉각은 액화 질소 수조(LN2 pool) 또는 액화 천연 가스 수조(LNG pool) 내부에서 이루어진다. 이하에서는 LN2 pool에서 이루어지는 구성을 예시한다.
이를 위한 본 실시예의 제 1 예냉부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 수조(110), 제 1 열교환기(HX1) 및 제 2 열교환기(HX2)를 포함하고, LN2 공급관(L1), GH2 공급관(L2), GN2 배출관(L3) 및 GH2 이송관(L4)이 연결된다.
LN2 공급관(L1)은 기체 수소(GH2)를 냉각(cool down) 시키기 위하여 냉매인 액체 질소(LN2)를 공급하는 배관으로 구성된다. 액체 질소(LN2)는 LN2 공급관(L1)을 통하여 냉각 수조(110)로 공급된다. GH2 공급관(L2)은 액화 대상의 기체인 수소 가스(GH2 Feed gas)를 공급하는 배관이다. 기체 상태의 수소(GH2)는 GH2 공급관(L2)을 통하여 제 2 열교환기(HX2)를 거쳐 제 1 열교환기(HX1)로 공급된다.
냉각 수조(110)는 LN2 공급관(L1)에서 공급되는 액체 질소(LN2)가 채워지고, 내부에 제 1 열교환기(HX1)가 구비된다. 냉각 수조(110)는 외부로부터 열침투(Heat flux)를 최소로 하기 위하여 LN2 pool로 구성된다. 제 1 열교환기(HX1)는 냉각 수조(110) 내에서 액체 질소(LN2)에 침지되고, 액체 질소(LN2)로부터 냉열을 전달받아 내부를 통과하는 기체 수소(GH2)를 냉각한다.
본 실시예의 제 1 예냉부(100)에는 LN2 공급관(L1)을 통하여 77K의 액체 질소(LN2)를 공급하고, GH2 공급관(L2)을 통하여 상온 상태인 300K의 기체 수소(GH2)를 공급한다. 따라서, 냉각 수조(110) 및 제 1 열교환기(HX1)를 통하여 300K의 기체 수소(GH2)는 77K의 기체 수소(GH2)로 냉각된다. 제 1 열교환기(HX1)에서 1차 냉각된 기체 수소(GH2)는 이송관(L4)을 따라 제 2 예냉부(200)로 공급된다.
제 2 열교환기(HX2)는 냉각 수조(110) 내에서 증발되는 질소 가스(GN2)를 이용하여 GH2 공급관(L2)으로 유입되는 기체 수소(GH2)를 냉각한다. 냉각 수조(110) 내에서는 액체 질소(LN2)가 기체 수소(GH2)에 냉열을 제공하면서 액체 질소(LN2)의 일부가 가스 형태로 증발한다(BOG : Boiled Off Gas). 증발된 질소 가스(GN2)는 냉열 일부를 잃었지만, 초기 공급되는 기체 수소(GH2)보다는 낮은 온도를 유지한다. 따라서 본 실시예에서는 냉각 수조(110) 내부에서 증발되는 질소 가스(GN2)의 냉열을 제 1 열교환기(HX1)로 공급되기 전의 기체 수소(GH2)를 냉각하는데 재사용함으로써, 제 1 열교환기(HX1)로 공급되는 기체 수소(GH2)의 냉각 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
제 2 열교환기(HX2)는 본체부(600) 내부에 배치될 수 있으나, 본체부(900) 외부에 배치될 수도 있다. 이때 제 2 열교환기(HX2)는 상온보다 낮은 온도 상태이므로 적절한 단열부재가 적용될 수 있다.
제 2 열교환기(HX2)에서 기체 수소(GH2)를 냉각하는데 사용된 질소 가스(GN2)는 GN2 배출관(L3)을 통하여 외부로 배출된다.
제 2 예냉부(200)는 제 1 예냉부(100)를 통하여 1차 냉각된 기체 수소(GH2)를 2차 냉각하며, 극저온 냉동기(Cryocooler, C1)와 극저온 냉동기(C1)의 하단부에 결합되는 열교환기(HX3)를 포함한다. 극저온 냉동기(C1)는 질소와 수소의 액화점, 77K 내지 20K 사이의 냉열을 발생시켜 열교환기(HX3)에 전달하고, 열교환기(HX3)는 극저온 냉동기(C1)에서 전달받은 냉열을 이용하여 기체 수소(GH2)를 냉각한다. 제 1 예냉부(100)에서 1차 냉각된 77K의 기체 수소(GH2)는 제 2 예냉부(200)의 열교환기(HX3)를 통과하면서 77K 내지 20K로 냉각된다. 제 2 예냉부(200)의 열교환기(HX3)에서 40K로 냉각된 기체 수소(GH2)는 이송관(L4)을 통하여 액화부(300)로 공급된다.
액화부(300)는 기체 수소(GH2)를 액화시키는 구성으로, 제 1 예냉부(100) 및 제 2 예냉부(200)를 통하여 77K 내지 20K로 냉각된 기체 상태의 수소(GH2)를 액체 상태의 수소(LH2)로 상변화시킨다. 액화부(300)는 적어도 하나 이상의 극저온 냉동기(Cryocooler)와, 극저온 냉동기의 콜드 헤드에 결합되는 제 1 냉각판(Cooling Plate, CP1)과, 일단이 제 1 냉각판(CP1)에 결합되는 적어도 하나 이상의 열교환기(Heat Exchanger)와, 열교환기의 타단에 결합되는 제 2 냉각판(CP2)을 포함한다. 극저온 냉동기는 20K의 냉열을 발생시켜 77K 내지 20K의 기체 수소(GH2)를 수소의 액화점인 20.3K@1atm 이하의 온도로 냉각하여 액화시킨다.
본 실시예의 액화부(300)는 극저온 냉동기와 열교환기가 복수개로 구성될 수 있으며, 도시된 바와 같이 3개의 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)와 3개의 제 1 내지 제 3 열교환기(HX4,HX5,HX6)를 예시하였다. 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)는 서로 나란하게 배치되고, 제 1 냉각판(CP1)은 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)의 각 단부를 하나로 연결하면서 결합된다. 즉, 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)는 단일의 제 1 냉각판(CP1)에 의하여 병렬 구조로 연결된다. 따라서 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)는 냉각 면적을 향상시켜 액화 용량을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4) 각각은 냉열을 발생시키는 온도가 미세하게 차이가 날 수 있으나, 제 1 냉각판(CP1)이 제 1 내지 제 3 극저온 냉동기(C2,C3,C4)의 냉각 온도를 병렬 병합함으로써, 균일한 냉각 온도를 열교환기(HX4,HX5,HX6)에 전달할 수 있다.
제 1 내지 제 3 열교환기(HX4,HX5,HX6)는 일 단부가 제 1 냉각판(CP1)에 결합되어 제 1 냉각판(CP1)으로부터 냉열을 전달받고, 제 1 냉각판(CP1)으로부터 전달된 냉열로 제 2 예냉부(200)에서 공급되는 기체 수소(GH2)를 액체 수소(LH2)로 변화시킨다. 본 실시예의 열교환기는 내부에는 히트 파이프가 구비되고, 히트 파이프는 열전달 효율을 향상시키기 위하여 표면적을 향상시키는 다양한 소재, 형상 또는 구조의 전열 수단이 적용될 수 있다.
제 2 냉각판(CP2)은 제 1 내지 제 3 열교환기(HX4,HX5,HX6)의 타 단부에 결합되어 제 1 내지 제 3 열교환기(HX4,HX5,HX6)에서 생성된 액화 수소(LH2)를 수집하여 저장 탱크(400)로 이송한다. 제 2 냉각판(CP2)은 제 1 내지 제 3 열교환기(HX4,HX5,HX6)를 병렬 연결함으로써, 각 열교환기(HX4,HX5,HX6)에서 생성된 액화 수소(LH2)의 온도를 균일화시켜 저장 탱크(400)로 이송한다.
본 실시예의 열교환기는 각 극저온 냉동기(C2,C3,C4)에 연결되는 복수의 열교환기(HX4,HX5,HX6)를 예시하였으나, 통합된 하나의 열교환기로 구성될 수 있다. 즉, 제 1 냉각판(CP1)과 제 2 냉각판(CP2)은 열교환기를 매개로 서로 마주하고, 열교환기는 복수 또는 단일 열교환기로 구성될 수 있다.
저장 탱크(400)는 액화 수소(LH2)를 저장하는 구성으로, 내외부가 밀폐되면서 소정의 용량을 갖는 탱크로 구성된다. 저장 탱크(400)는 제 2 냉각판(CP2) 하부에 배치되며, 액화 수소 이송관(L6)을 매개로 제 2 냉각판(CP2)에 연결된다. 또한, 저장 탱크(400)는 GH2 회수관(L5)을 구비하고, GH2 회수관(L5)은 액화부(300)에 연결된다. 저장 탱크(400)로 저장되는 액체 수소(LH2) 중 일부는 외부의 복사열과 같은 다양한 원인으로 기화될 수 있으므로, GH2 회수관(L5)은 저장 탱크(400) 내에서 기체화된 수소(GH2)를 액화부(300)로 피드백시켜 다시 액화되도록 한다.
또한, 저장 탱크(400)는 내부의 공기를 제거하기 위한 진공 배관(L8)과 저장된 액화 수소를 추출하기 위한 LH2 추출관(L7)이 상판(610) 외부로 노출되며, 내부에는 저장되는 액화 수소의 수위를 감지하는 레벨 감지센서(S1)가 마련된다. 레벨 감지센서(S1)는 저장 탱크(400)에 쌓여가는 액체 수소(LH2)의 양을 감지하여 설정된 양의 액체 수소(LH2)가 저장되는 경우 GH2 공급관(L2)을 통한 기체 수소(GH2) 공급이 중단되도록 할 수 있다.
저장탱크(400)는 본체부(600) 내부에 배치되는 구성을 예시하였으나, 저장용량의 크기에 따라 본체부(600) 외부에 배치되는 구성도 가능하다.
차폐 수조(500)는 내부 공간에 극저온 냉동기(C1,C2,C3,C4), 열교환기(HX3,HX4,HX5,HX6) 및 저장 탱크(400)를 이들에 대한 외부의 열 침투를 차단하는 구성이다. 차폐 수조(500)는 외부로부터의 복사열을 차단할 수 있는 다양한 종류의 차폐 수단으로 구성될 수 있으며, 일 예로, 이중 벽 구조를 이루면서 내벽과 외벽 사이의 공간에 액체 질소(LN2)가 채워지는 LN2 수조(LN2 pool)로 구성될 수 있다. 차폐 수조(500)가 LN2 수조로 구성되는 경우 제 1 예냉부(100)의 냉각 수조(110)를 대신할 수 있으며, 본체부(600)의 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있다. 즉, 냉각 수조(110)와 차폐 수조(500)는 하나의 LN2 수조(LN2 pool)로 구성될 수 있으며, 이때, LN2 수조는 액화를 위하여 공급되는 기체 수소(GH2)를 1차 냉각시키는 기능을 수행함과 동시에 외부에서 침투되는 열을 차단한다.
차폐 수조(500)의 일측에는 내부에 채워지는 액체 질소(LN2)의 수위를 감지하는 레벨 감지센서(S2)가 구비될 수 있다.
상기와 같은 구성의 수소 액화시스템은, 4개의 극저온 냉동기를 이용하여 짧은 시간과 저렴한 전력비로 다량의 액화 수소를 생산할 수 있다. 1개의 극저온 냉동기에서 시간당 1L의 액화 수소를 생산한다고 할 때, 4개의 극저온 냉동기를 사용하면 시간당 4L의 액화 수소가 생성되는 것이 일반적이나, 본 실시예는 4개의 극저온 냉동기를 직렬 및 병렬 혼합 구조로 결합함으로써, 액화 수소의 생산량을 극대화하여 시간당 10L 이상의 액화 수소가 생산될 수 있다.
또한, 가스 액화 공정에서 액화량 대비 전력 소모량이 매우 중요한 요소인데, 본 실시예의 수소 액화시스템은 전력 소모량을 최소로 할 수 있다. 일반적으로 액화 수소의 대량 생산이 이루어질수록 상대적인 전력 소모량은 감소하고, 일 예로, Air Liquid 사의 주력 모델인 수소액화기 Hylial 600 l/h 모델의 전력 소모량(Expected compressor power)은 550kW 이다. 그러나 본 실시예의 수소 액화시스템은 액화 수소 생산량이 60 l/h 일 때 약 50kW의 전력 소모량을 나타낸다. 따라서, 본 실시예의 수소 액화시스템은 10 배 이상의 생산량을 갖는 시스템과 동급의 전력 소모량을 나타내므로, 수소 액화 공정에 소요되는 운영비를 절감할 수 있다.
도 3은 도 1의 시스템에서 이루어지는 수소 액화과정을 나타낸 공정도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수소 액화시스템은 기체 수소(GH2)가 6개의 열교환기를 통과하면서 액화 수소로 상변화되는 과정으로 진행된다.
구체적으로 살펴보면, 초기 공급되는 기체 수소(GH2)는 제 1 예냉부(100)의 제 2 열교환기(HX2)를 통과하면서 제 1 열교환기(HX1)로 공급된다. 이때, 제 1 열교환기(HX1)는 LN2 수조(LN2 pool)에 위치하고, LN2 수조에는 77K의 액체 질소(LN2)가 충진되어 초기 공급된 기체 수소(GH2)를 77K로 1차 냉각한다. 이때, LN2 수조에서 발생되는 일부의 증발 질소(GN2)는 제 2 열교환기(HX2)로 제공되어 제 1 열교환기(HX1)로 공급되는 기체 수소(GH2)를 냉각하는데 사용된다.
또한, 제 1 열교환기(HX1)에서 1차 냉각된 기체 수소(GH2)는 제 2 예냉부(200)의 제 3 열교환기(HX3)로 공급된다. 제 3 열교환기(HX3)는 극저온 냉동기(C1)로부터 40K의 냉열을 전달받아 1차 냉각된 기체 수소(GH2)를 40K로 2차 냉각한다. 제 3 열교환기(HX3)에서 2차 냉각된 기체 수소(GH2)는 액화부(300)의 제 4 내지 제 6 열교환기(HX4,HX5,HX6)로 공급된다. 제 4 내지 제 6 열교환기(HX4,HX5,HX6)는 각각 극저온 냉동기(C2,C3,C4)로부터 20K의 냉열을 전달받아 기체 수소(GH2)를 20K로 냉각하여 액화시킨다. 20K로 냉각된 액체 수소(LH2)는 저장 탱크(400)로 이송되어 저장되고, 저장 과정에서 발생되는 일부의 기체 수소(GH2)는 다시 제 4 내지 제 6 열교환기(HX4,HX5,HX6)로 공급되어 액화 과정을 반복하게 된다. 이때, 냉각이 이루어지는 과정은 LN2 수조를 이용한 차폐 수조 내부에서 열 침투가 차단된 상태에서 이루어진다.
이와 같이, 본 실시예의 수소 액화 과정은 LN2 수조를 이용하여 예냉이 이루어지고, 예냉 과정에서 발생되는 증발 가스도 다시 공급 기체를 냉각하는데 사용되어 냉각 효율이 향상될 수 있다. 또한, 본 실시예의 액화 시스템은 LN2 수조를 이용한 차폐 수조 내에서 1차 예냉이 이루어지므로 시스템의 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 본 실시예의 액화 시스템은 복수의 극저온 냉동기와 열교환기를 병렬로 병합함으로써, 액화 수소의 생산량을 극대화할 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 액화 대상의 기체로 수소를 예시하였으나 이에 한정되지 않고 헬륨 등 다양한 종류의 기체가 액화 대상이 될 수 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 차폐 수조에 채워지는 냉매로 질소를 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 공급되는 기체 수소의 온도보다 낮고 수소의 액화점보다 높은 다양한 종류의 pree-cooling 냉매로서 액화천연가스, N2, CH4, C3H6, Ne 등과 이들의 혼합물이 적용될 수 있다.
도 4는 도 1의 수소 액화 시스템의 연결 구조의 다른 예를 나타낸 개념도이다. 본 실시예의 수소 액화 시스템에서는 O-P 컨버터(700)와 히터(800)가 더 구비된다.
구체적으로 살펴보면, O-P 컨터버(700, otrho-para converter)는 제 1 예냉부(100)와 제 2 예냉부(200) 사이, 제 2 예냉부(200)와 액화부(300) 사이 및 액화부(300)와 저장 탱크(400) 사이에 구비된다. O-P 컨터버(700)는 기체 또는 액체 상태의 수소가 흐르는 이송관(L2, L4, L5, L6)에 설치되고, 내부에 ortho-para 변환 촉매가 충진되어 이송관 내부를 흐르는 수소의 ortho-para 변환을 유도한다. ortho-para 변환 촉매로는 자철석, 산화크롬 등이 이용될 수 있다. O-P 컨터버(700)는 기체 또는 액체 상태의 수소가 이동하는 경로를 따라 적어도 한 곳이상의 위치에 설치될 수 있다.
일반적으로 수소 분자는 ortho 수소와 para 수소의 두 가지 분자 구조로 존재하는 데, ortho 수소와 para 수소의 평형 조성은 온도에 따라 달라진다. 상온인 300K에서는 25% para 수소와 75% ortho 수소가 평형을 이루며, 액화 온도인 20K에서는 99.9% para 수소 상태로 변화한다. 그런데, ortho 수소에서 para 수소로의 변환은 발열 반응이고, 수십 시간 내지 수일에 걸쳐 매우 천천히 이루어진다. 따라서 ortho-para 변환 없이 수소의 온도를 강하시켜 액화시키는 경우, 액화 상태에서 ortho-para 변환이 일어나면서 ortho-para 변환시의 발열에 의해 액화 수소가 다시 기화될 가능성이 있으므로 저장 안정성이 낮다. 따라서 수소 액화 공정에서는 ortho-para 변환 촉매를 이용하여 온도 강하에 맞추어 ortho-para 변환이 이루어지도록 함으로써 액화 후의 ortho-para 변환 후의 발열량을 제어하게 된다.
히터(800)는 본체부(600) 내의 일측에 배치된다. 본체부(600) 내부는 진공 상태가 유지되는데, 본체부(600) 내부를 진공 상태로 변환할 때 진공 펌프로만 진공으로 변환하는 경우 한계를 나타낸다. 즉, 본체부(600) 내부에는 가스나 불순물과 같은 다른 이물질이 존재할 수 있으며, 이 경우 진공 펌프에 의해서는 가스나 불순물이 쉽게 분리되지 않는다. 따라서 히터(800)를 이용하여 내부에 소정의 열을 가하는 경우 가스나 불순물이 외부로 쉽게 빠져나가게 되며, 본체부(600) 내부는 이물질이 제거된 순수한 진공 상태가 유지될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
100 : 제 1 예냉부 110 : 냉각 수조
200 : 제 2 예냉부 300 : 액화부
400 : 저장 탱크 500 : 차폐 수조
600 : 본체부 700 : O-P 컨버터
800 : 히터
C1,C2,C3,C4 : 극저온 냉동기
HX1,HX2,HX3,HX4,HX5,HX6 : 열교환기
CP1,CP2 : 냉각판

Claims (21)

  1. 냉매가 채워진 냉각 수조와 상기 냉각 수조 내부에 배치되는 제 1 열교환기를 구비하고, 상기 냉매의 냉열을 이용하여 외부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 1 예냉부;
    극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 1 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 1 예냉부에서 공급되는 기체를 냉각하는 제 2 예냉부;
    극저온 냉동기와 극저온 냉동기의 일 측에 결합되는 열교환기를 구비하고, 상기 제 2 예냉부 후단에 연결되어 상기 제 2 예냉부에서 공급되는 기체를 액화하는 액화부; 및,
    상기 액화부 후단에 연결되어 상기 액화부에서 생성되는 액체를 저장하는 저장 탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 예냉부는,
    상기 냉각 수조의 외부에서 상기 제 1 열교환기의 전단에 설치되며, 상기 냉각 수조에서 발생되는 증발 가스의 냉열을 이용하여 제 1 열교환기에 공급되는 기체를 냉각하는 제 2 열교환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 액화부는,
    극저온 냉동기가 복수개로 구성되고, 복수개의 극저온 냉동기를 병렬 구조로 결합하는 냉각판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 냉각판은,
    복수의 극저온 냉동기 단부에 결합되는 제 1 냉각판과, 열교환기를 매개로 제 1 냉각판과 마주하는 제 2 냉각판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 저장 탱크는,
    액체가 저장되는 과정에서 기화되는 기체를 상기 액화부로 공급하는 피드백 배관을 구비하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    극저온 냉동기와 열교환기를 내부 공간에 수용하면서 외부의 열침투를 차단하는 차폐 수조;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 차폐 수조는,
    이중벽 구조를 이루는 통 형상으로 내벽과 외벽 사이에 냉매가 채워지는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 차폐 수조는,
    상기 냉각 수조를 구성하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 차폐 수조는,
    액체 질소 풀(LN2 pool) 또는 액화 천연 가스 풀(LNG pool)로 구성되는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    액화 대상의 상기 기체는 수소인 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  11. 제 11 항에 있어서,
    수소의 이동 경로를 따라 배치되어 ortho-para 변환을 유도하는 하나 이상의 O-P 컨버터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 예냉부, 상기 제 2 예냉부, 상기 액화부 및 상기 저장 탱크가 배치되는 본체부 내부에 배치되는 히터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화시스템.
  13. (a) 제 1 열교환기를 냉매가 채워진 냉각 수조에 침지하고, 공급되는 기체를 상기 제 1 열교환기를 통과시켜 기체를 1차 냉각하는 단계;
    (b) 1차 냉각된 상기 기체를 열교환기를 갖는 1차 극저온 냉동기에 공급하여 2차 냉각하는 단계;
    (c) 2차 냉각된 상기 기체를 열교환기를 갖는 2차 극저온 냉동기에 공급하여 액화하는 단계; 및
    (d) 상기 2차 극저온 냉동기에서 액화된 액체를 저장 탱크에 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    상기 기체는 상기 냉각 수조의 외부에서 상기 제 1 열교환기의 전단에 설치된 제 2 열교환기를 통하여 상기 제 1 열교환기에 공급하고,
    상기 냉각 수조에서 발생되는 증발 가스의 냉열을 상기 제 2 열교환기에 공급하여 상기 제 1 열교환기에 공급되는 기체를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    상기 극저온 냉동기가 복수개로 구성되고, 냉각판을 이용하여 복수개의 상기 극저온 냉동기를 병렬로 결합하여 상기 기체를 액화시키는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 냉각판은, 열교환기 일 단부에서 극저온 냉동기와 열교환기 사이에 결합되는 제 1 냉각판과, 열교환기 타 단부에 결합되는 제 2 냉각판으로 이루어지고,
    상기 (c) 단계는, 상기 제 1 냉각판이 복수개의 상기 2차 극저온 냉동기의 냉열을 병합하여 복수개의 상기 열교환기에 전달하고, 상기 제 2 냉각판이 복수의 상기 열교환기에서 생성된 액체를 병합하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    액체가 저장되는 과정에서 기화되는 기체를 상기 액화부로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 (a) 내지 (d) 단계는,
    외부의 열침투를 차단하는 차폐 수조 내부 공간에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 차폐 수조는,
    일부가 상기 냉각 수조를 구성하는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 차폐 수조는,
    이중벽 구조를 이루는 통 형상을 이루고, 액체 질소 풀(LN2 pool) 또는 액화 천연 가스 풀(LNG pool)로 구성되는 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    액화 대상의 상기 기체는 수소인 것을 특징으로 하는 직냉식 액화방법.
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