KR20210048024A - 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템 - Google Patents

액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템 및 이를 이용한 수소 순환 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 기체 수소를 냉각하여 액화하는 액체 수소 생산 모듈; 및 액체 수소를 공기와 열교환시켜서 기체 수소를 생성하고, 액체 수소와 열교환된 공기를 팽창시켜서 액체 공기를 생성하는 기체 수소 공급 모듈을 포함하고, 상기 액체 수소 생산 모듈은 상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성되는 액체 공기를 이용하여 수소를 예비 냉각시키는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.

Description

액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템{SYSTEM FOR COLD HEAT TRANSFER AND HYDROGEN LIQUEFACTION USING COLD HEAT CIRCULATION OF LIGUIFIED HYDROGEN}
본 발명은 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템에 대한 것이다.
액체 수소는 화석 연료에 비해 10배 이상 가벼운 연료로, 우주 항공 산업 분야에서 꾸준히 로켓, 무인기(UAV)와 같은 추진체 연료로 각광받아 왔으며, 최근 수소 연료를 내연기관으로 이용한 차량이 본격적으로 상용화됨에 따라 그 수요가 급증하고 있다.
수소의 액화 온도는 대기압 기준 20.3K로서, 일반 물질에 비하여 극저온의 범위에서 액화가 이루어진다. 즉, 액체 수소를 얻기 위해서는 극저온 공학(cryogenic engineering), 열역학(thermodynamics), 열전달(heat transfer)과 같은 다양한 공학 분야가 필연적으로 응용되어야 한다. 일반적인 대규모 수소 액화 플랜트는 Brayton 사이클 또는 Claude 사이클로 구성되는데, 여기에는 압축기(compressor), 열교환기(heat exchanger), 극저온 터빈(cryogenic turbine) 등의 설비가 필요하다.
액체 수소 생산 공정은 수소의 액화를 위해 수소 비등점 보다 낮은 헬륨을 이용한 냉동 브레이튼 사이클을 구성하고, 액체 천연가스 혹은 액체 질소를 이용하여 이들보다 비등점이 높은 온도 영역에서 예비 냉각을 실시한다. 이를 통해 오직 헬륨만을 이용한 냉동사이클에 비해 수소액화를 위해 비교적 적은 에너지가 소비된다. 이러한 예비 냉각을 위한 예비 냉각 냉매로서 종래에는 액체 천연 가스가 사용되었으나, 이 경우 보관 및 이송이 까다로운 액체 천연 가스를 저장 및 활용할 수 있는 시설과 인접한 곳에서만 적용이 가능하기 때문에 지역적으로 많은 제약이 따르게 된다. 또한, 액체 천연 가스 외에 액체 질소가 활용될 수도 있으나, 마찬가지로 액체 질소 또한 별도의 저장 및 활용을 위한 시설이 필요하며, 지역적 제약이 따를 뿐만 아니라, 운영 비용 또한 높아지는 문제가 있다.
한편, 종래의 수소 사용처에서는 액체 수소를 생산하는 수소 액화 공정으로부터 액체 수소를 기차 혹은 트레일러를 통해 공급받고, 이를 저장한 후 필요시에 액체 수소를 기체 수소로 상변화시켜 사용하고 있다. 액체 수소는 사용처의 사용 압력에 따라 액체 수소 펌프에 의해서 압력이 상승되고, 공정수, 대기열 등에 의해서 기체 수소로 상변화된다. 그런데, 이렇게 액체 수소를 기체 수소로 상변화 시키기 위해서 상당히 많은 에너지가 소비되어야 하며, 이 과정에서 공정수 혹은 대기 중으로 많은 에너지가 낭비되는 문제가 있다.
이에, 상술한 바와 같은 문제들을 해결하여 액체 수소가 기체 수소로 상변화 하는 과정에서 버려지는 에너지를 재활용할 수 있는 통합적인 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템에 대한 연구가 필요한 실정이다.
특허문헌 1: 한국등록특허 제10-1756181호 공보(2017.07.04) 특허문헌 2: 한국공개특허 제10-2007-0067827호 공보(2007.06.29) 특허문헌 3: 한국공개특허 제10-2009-0016515호 공보(2009.02.13)
본 발명의 실시예들은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 액체 수소의 생산시 액체 천연 가스, 액체 질소 등과 같이 취급이 까다로운 물질이 아닌 취급이 용이하고 구하기 쉬운 물질을 이용하여 예비 냉각을 실시함으로써, 지역적 제약에서 자유로우면서도 종래에 비해 운영 비용 또한 절감할 수 있는 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 사용처에서 액체 수소를 기체 수소로 상변화하는 과정에서 발생되는 에너지를 효과적으로 회수하여 종래에 비해 에너지 효율이 높은 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기체 수소를 냉각하여 액화하는 액체 수소 생산 모듈; 및 액체 수소를 공기와 열교환시켜서 기체 수소를 생성하고, 액체 수소와 열교환된 공기를 팽창시켜서 액체 공기를 생성하는 기체 수소 공급 모듈을 포함하고, 상기 액체 수소 생산 모듈은 상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성되는 액체 공기를 이용하여 수소를 예비 냉각시키는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 액체 수소와 액체 공기를 저장하여 상기 액체 수소 생산 모듈과 상기 기체 수소 공급 모듈 간에 이송 가능하게 제공되는 이송 유닛을 더 포함하고, 상기 이송 유닛은, 액체 수소를 저장할 수 있는 액체 수소 이송 탱크; 액체 공기를 저장할 수 있는 액체 공기 이송 탱크; 및 상기 액체 수소 이송 탱크 및 상기 액체 공기 이송 탱크를 연결하여 서로 지지되도록 하는 지지부를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 액체 수소 생산 모듈은, 액체 공기를 공급받아서 기체 수소와 열교환 시켜서 기체 수소를 예비 냉각하는 예비 냉각부; 상기 예비 냉각부에서 예비 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와의 열교환을 통해 액화시키는 본 냉각부; 및 상기 본 냉각부에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 저장 탱크를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 예비 냉각부는, 상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 저장 탱크; 상기 액체 공기 저장 탱크와 연결되고, 상기 액체 공기 저장 탱크로부터 공급되는 액체 공기를 가압하는 액체 공기 펌프; 및 상기 액체 공기 펌프와 연결되고, 상기 액체 공기 펌프로부터 액체 공기를 전달받아서 기체 수소와 열교환시키는 예비 냉각기를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 예비 냉각기와 연결되고, 상기 본 냉각부로부터 전달받은 냉매를 팽창시켜서 상기 예비 냉각기에 공급하여 기체 수소 및 액체 공기와 열교환되도록 하는 냉매 팽창기; 상기 예비 냉각기와 연결되고, 상기 예비 냉각기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 상기 냉매 압축기와 연결되고, 상기 제1 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 냉각하는 냉매 냉각기; 및 상기 냉매 냉각기와 연결되고, 상기 냉매 냉각기에서 냉각된 냉매를 수용하는 버퍼탱크를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 본 냉각부는, 상기 예비 냉각부에서 예비 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와 열교환시켜서 냉각하는 적어도 하나 이상의 냉매 열교환기; 상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 냉매 열교환기에서 배출되는 냉매를 전달받아서 후단으로부터 공급받은 온도가 더 높은 냉매와 열교환시키는 적어도 하나 이상의 복열기; 상기 복열기와 연결되고, 상기 복열기를 거치면서 온도가 더 높아지는 냉매를 수용하는 적어도 하나 이상의 버퍼탱크; 및 상기 복열기 및 상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 복열기를 거치면서 온도가 더 낮아지는 냉매를 전달받아서 팽창시키고, 팽창된 냉매를 상기 냉매 열교환기로 전달하는 적어도 하나 이상의 냉매 팽창기를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 버퍼탱크는 복수 개로 제공되고, 상기 본 냉각부는, 복수의 상기 버퍼탱크들 중 적어도 어느 하나에 연결되고, 연결된 상기 버퍼탱크로부터 냉매를 전달받아서 압축하는 적어도 하나 이상의 냉매 압축기; 및 상기 냉매 압축기와 연결되고, 상기 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 전달받아서 냉각하는 적어도 하나 이상의 냉매 냉각기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 본 냉각기는, 상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 냉매 열교환기를 거쳐 냉각된 기체 수소를 팽창시켜서 액화하는 수소 팽창기를 더 포함하고, 상기 액체 수소 저장 탱크는 상기 수소 팽창기와 연결되고, 상기 수소 팽창기로부터 액체 수소를 전달받아서 저장하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 냉매 열교환기는 복수 개로 제공되고, 상기 본 냉각부는, 복수의 상기 냉매 열교환기들 중 서로 인접하는 한 쌍의 냉매 열교환기들 사이에 연결되고, 상기 액체 수소 저장 탱크와 연결되며, 상기 액체 수소 저장 탱크 내에서 액체 수소가 기화되면서 생성되는 기체 수소를 공급받아서 상기 냉매 열교환기에서 냉각된 기체 수소와 열교환시키는 수소 열교환기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 본 냉각부는, 상기 수소 열교환기로부터 배출되는 기체 수소를 압축하여 상기 냉매 열교환기로 전달하는 수소 재순환 압축기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기체 수소 공급 모듈은, 상기 액체 수소 생산 모듈에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 수용 탱크; 상기 액체 수소 수용 탱크로부터 액체 수소를 전달받아서 증발시키는 증발기; 및 공기를 압축시켜서 상기 증발기로 압축 공기를 투입하는 공기 압축기를 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기체 수소 공급 모듈은, 상기 공기 압축기와 상기 증발기의 사이에 연결되고, 상기 공기 압축기에서 압축된 공기에 함유된 수분을 제거하여 상기 증발기로 제습된 공기를 투입하는 제습기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기체 수소 공급 모듈은, 액체 공기가 저장되는 액체 공기 수용 탱크; 상기 증발기와 연결되고, 상기 공기 압축기로부터 상기 증발기를 통과한 공기를 상기 액체 공기 수용 탱크로부터 공급되는 공기와 열교환시키는 공기 열교환기; 및 상기 공기 열교환기 및 상기 액체 공기 수용 탱크와 연결되고, 상기 증발기를 거쳐 상기 공기 열교환기로부터 배출되는 공기를 팽창시켜서 적어도 일부를 액화시키는 공기 팽창기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기체 수소 공급 모듈은, 상기 공기 열교환기와 연결되고, 상기 액체 공기 수용 탱크로부터 배출되어 상기 공기 열교환기를 거친 공기를 압축하여 상기 증발기로 재 투입하는 재순환 압축기를 더 포함하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 액체 수소 생산 모듈은, 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 저장 탱크; 및 상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 저장 탱크를 포함하고, 상기 기체 수소 공급 모듈은, 상기 액체 수소 생산 모듈에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 수용 탱크; 및 생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 수용 탱크를 포함하고, 상기 이송 유닛은, 상기 액체 수소 저장 탱크로부터 전달되는 액체 수소를 상기 액체 수소 이송 탱크에 저장하고, 상기 액체 수소 이송 탱크에 저장된 액체 수소를 상기 액체 수소 수용 탱크로 공급하며, 상기 액체 공기 수용 탱크로부터 전달되는 액체 공기를 상기 액체 공기 이송 탱크에 저장하고, 상기 액체 공기 이송 탱크에 저장된 액체 공기를 상기 액체 공기 저장 탱크로 공급하는, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 액체 수소의 생산시 취급이 용이하고 구하기 쉬운 물질을 이용하여 예비 냉각을 실시함으로써, 지역적 제약에서 자유로우면서도 종래에 비해 운영 비용 또한 절감할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 사용처에서 액체 수소를 기체 수소로 상변화하는 과정에서 발생되는 에너지를 효과적으로 회수하여 종래에 비해 에너지 효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템의 액체 수소 생산 모듈을 도시한 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템의 기체 수소 공급 모듈을 도시한 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템을 도시한 계통도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '결합', '고정', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합, 고정, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 일 측, 타 측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템(1)은 기체 수소를 냉각하여 액체 수소로 상변화시켜 저장하고, 저장된 액체 수소를 수소 에너지 사용처로 이송한 후 다시 기체 수소로 상변화시켜서 공급하는 기능을 수행하도록 구성된다. 이때, 액체 수소가 기체 수소로 상변화하는 과정에서 발생되는 잠열은 외기를 압축한 후 액체 공기를 생성하는데 이용될 수 있다. 이렇게 생성된 액체 공기는 다시 기쳬 수소를 액체 수소로 상변화시킴에 있어서 예냉을 위해 사용될 수 있다. 이와 같이, 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템(1)은 액체 수소의 생산 및 이를 다시 기화하여 사용처에 공급하는 과정에서 발생되는 잠열 등의 에너지를 재활용함으로써, 에너지 효율을 종래에 비하여 향상시킬 수 있게 된다. 이때, 기체 수소를 액화시키는데 사용되는 냉매는 일 예로 헬륨(He) 가스 등이 사용될 수 있다.
이러한 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템(1)은 액체 수소 생산 모듈(10), 기체 수소 공급 모듈(20) 및 이송 유닛(30)을 포함한다.
액체 수소 생산 모듈(10)은 기체 수소를 냉각하여 액화한다. 이때, 액체 수소 생산 모듈(10)은 기체 수소 공급 모듈(20)에서 생성되는 액체 공기를 이용하여 수소를 예비 냉각시킨다. 이러한 액체 수소 생산 모듈(10)은 예비 냉각부(100), 본 냉각부(200) 및 액체 수소 저장 탱크(300)를 포함할 수 있다.
예비 냉각부(100)는 액체 공기를 공급받아서 기체 수소와 열교환 시켜서 기체 수소를 예비 냉각한다. 이때, 예비 냉각부(100)는 기체 수소를 외부로부터 공급받아서 -196℃의 액체 공기와 -126℃의 헬륨과 동시에 열교환을 진행함으로써 -180℃까지 예비 냉각을 시키도록 구비될 수 있다. 이러한 예비 냉각부(100)는 액체 공기 저장 탱크(102), 액체 공기 펌프(104), 공기 터빈(106), 예비 냉각기(110), 제1 냉매 팽창기(112), 제1 냉매 압축기(114), 제1 냉매 냉각기(116) 및 제1 버퍼탱크(118)를 포함할 수 있다.
액체 공기 저장 탱크(102)는 기체 수소 공급 모듈(20)에서 생성되어 이송된 액체 공기를 저장하도록 구비된다. 이때, 액체 공기 저장 탱크(102)에 저장되는 액체 공기는 액체 공기 펌프(104)에 의해 압력이 상승하고, 예비 냉각기(110)로 투입되어 기체 수소에 냉열을 공급한 후, 공기 터빈(106)을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 전기 에너지는 시스템을 구동하기 위한 전력원으로서 활용될 수 있다.
구체적으로, 액체 공기 펌프(104)는 액체 공기 저장 탱크(102)와 연결되고, 액체 공기 저장 탱크(102)로부터 공급되는 액체 공기를 가압하도록 구비된다. 또한, 예비 냉각기(110)는 액체 공기 펌프(104)와 연결되고, 액체 공기 펌프(104)로부터 액체 공기를 전달받아서 기체 수소와 열교환시키도록 구비된다. 예비 냉각기(110)에서 열교환된 후 기체화되어 배출되는 공기는 공기 터빈(106)으로 투입되어 전기 에너지 생산에 사용될 수 있다.
한편, 예비 냉각기(110)는 제1 냉매 팽창기(112)와 연결되며, 제1 냉매 팽창기(112)는 본 냉각부(200)로부터 전달받은 냉매를 팽창시켜서 예비 냉각기(110)에 공급하여 기체 수소 및 액체 공기와 열교환되도록 할 수 있다. 이때, 제1 냉매 팽창기(112)에 공급된 냉매는 단열 팽창에 의해 -126℃로 냉각되어 전기를 생산한 후 예비 냉각기(110)로 공급될 수 있다. 또한, 제1 냉매 팽창기(112)는 터빈(미도시)을 포함할 수 있으며, 제1 냉매 팽창기(112)에서 냉매가 팽창됨에 따라 발생되는 엔탈피 변화는 터빈 일로 전환되며, 이렇게 발생되는 터빈 일은 전기 생산에 이용될 수 있다.
제1 냉매 압축기(114)는 예비 냉각기(110)와 연결되고, 예비 냉각기(110)에서 열교된 후 배출되는 냉매를 압축하도록 구비된다. 이때, 예비 냉각기(110)에서 토출된 냉매는 제1 냉매 압축기(114)에 의해 압축되고, 제1 냉매 냉각기(116)에 의해서 냉각된 후 제1 버퍼탱크(118)로 공급될 수 있다. 이때, 제1 냉매 압축기(114)에 의해 압축되는 냉매의 압력은 후술할 제1 복열기(212)에서 배출되는 냉매의 압력과 동일하게 설정될 수 있다.
제1 냉매 냉각기(116)는 제1 냉매 압축기(114)와 연결되고, 제1 냉매 압축기(114)에서 압축된 냉매를 냉각하도록 구비된다. 이때, 제1 냉매 압축기(114)에 의해 냉매가 압축되는 과정에서 온도가 증가하게 되고, 이렇게 증가된 온도로 인해 냉매의 밀도가 낮아지게 된다. 이렇게 냉매의 밀도가 낮아질 경우, 후단에서 냉매가 재 압축될 때 압축일이 증가될 수 있으므로, 제1 냉매 냉각기(116)를 통해 압축된 냉매를 냉각시켜서 온도를 낮춤으로써, 이러한 압축일 증가를 방지하고, 효율적인 공정 운용이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 제1 버퍼탱크(118)는 제1 냉매 냉각기(116)와 연결되고, 제1 냉매 냉각기(116)에서 냉각된 냉매를 수용하도록 구비된다. 이때, 제1 버퍼탱크(118)에 유입된 냉매는 후술할 제2 냉매 압축기(216)를 통해 압축된 후 후술할 제2 냉매 냉각기(218)를 통해 냉각된 후 후술할 제2 버퍼탱크(219)에 전달될 수 있다.
예비 냉각부(100)에서 예비 냉각된 기체 수소는 본 냉각부(200)로 전달되어 냉매와의 열교환을 통해 액화될 수 있다. 이때, 수소를 액화하기 위한 수단으로서, 헬륨 기체 등으로 이루어진 냉매를 이용한 브레이튼(Brayton) 사이클이 적용될 수 있다. 이러한 본 냉각부(200)는 수소 재순환 압축기(202), 수소 팽창기(204), 제1 냉매 열교환기(210), 제1 복열기(212), 제2 냉매 팽창기(214), 제2 냉매 압축기(216), 제2 냉매 냉각기(218), 제2 버퍼탱크(219), 수소 열교환기(220), 제2 냉매 열교환기(230), 제2 복열기(232), 제3 냉매 팽창기(234), 제3 냉매 압축기(236), 제3 냉매 냉각기(238) 및 제3 버퍼탱크(239)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 본 냉각부(200)가 두 개의 냉매 열교환기(210, 230), 두 개의 복열기(212, 232), 두 개의 냉매 팽창기(214, 234), 두 개의 냉매 압축기(216, 236), 두 개의 냉각기(218, 238) 및 두 개의 버퍼탱크(219, 239)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 이로써 본 발명의 사상이 한정되는 것은 아니며, 이러한 시스템을 구성하는 각 장치의 개수는 복수 개로 제공될 수 있으며, 상황에 따라서 변형 실시가 가능하다.
제1 냉매 열교환기(210)는 예비 냉각부(100)에서 예비 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와 열교환시켜서 냉각하도록 구비된다. 이때, 제1 냉매 열교환기(210)에 투입되는 기체 수소는 -180℃로 설정될 수 있으며, -221℃의 냉매와 열교환하여 -220℃까지 냉각될 수 있다. 또한, 제1 냉매 열교환기(210)에서 배출되는 -208.6℃의 냉매는 제1 복열기(212)로 공급되어 상온/고압의 냉매에 냉열을 공급하고 제1 버퍼탱크(118)로 공급될 수 있다.
제1 복열기(212)는 제1 냉매 열교환기(210)와 연결되고, 제1 냉매 열교환기(210)에서 배출되는 냉매를 전달받아서 후단으로부터 공급받은 온도가 더 높은 냉매와 열교환시키도록 구비된다. 이때, 제1 복열기(212)로 공급되는 상온/고압의 냉매는 제1 냉매 열교환기(210)에서 배출되는 저온의 냉매와 복열된 후 제2 냉매 팽창기(214)에 공급될 수 있다.
제2 냉매 팽창기(214)는 제1 복열기(212) 및 제1 냉매 열교환기(210)와 연결되고, 제1 복열기(212)를 거치면서 온도가 더 낮아지는 냉매를 전달받아서 팽창시키고, 팽창된 냉매를 제1 냉매 열교환기(210)로 전달하도록 구비된다. 이때, 제2 냉매 팽창기(214)에서 단열 팽창한 -221℃의 냉매는 전기를 생산한 후 제1 냉매 열교환기(210)에 공급된다. 또한, 제2 냉매 팽창기(214)는 터빈(미도시)을 포함할 수 있으며, 제2 냉매 팽창기(214)에서 냉매가 팽창됨에 따라 발생되는 엔탈피 변화는 터빈 일로 전환되며, 이렇게 발생되는 터빈 일은 전기 생산에 이용될 수 있다.
제2 냉매 압축기(216)는 제1 버퍼탱크(118)와 연결되고, 제1 버퍼탱크(118)로부터 냉매를 전달받아서 압축하도록 구비된다. 이러한 제2 냉매 압축기(216)에 의해 압축된 냉매의 압력은 제2 복열기(232)에서 배출되는 냉매의 압력과 동일하게 설정될 수 있다.
제2 냉매 냉각기(218)는 제2 냉매 압축기(216)와 연결되고, 제2 냉매 압축기(216)에서 압축된 냉매를 전달받아서 냉각하도록 구비된다. 이때, 제2 냉매 압축기(216)에 의해 냉매가 압축되는 과정에서 온도가 증가하게 되고, 이렇게 증가된 온도로 인해 냉매의 밀도가 낮아지게 된다. 이렇게 냉매의 밀도가 낮아질 경우, 후단에서 냉매가 재 압축될 때 압축일이 증가될 수 있으므로, 제2 냉매 냉각기(218)를 통해 압축된 냉매를 냉각시켜서 온도를 낮춤으로써, 이러한 압축일 증가를 방지하고, 효율적인 공정 운용이 가능하도록 할 수 있다. 이렇게 냉각된 냉매는 제2 버퍼탱크(219)로 전달될 수 있다.
제2 버퍼탱크(219)는 제2 복열기(232)와 연결되고, 제2 복열기(232)를 거치면서 온도가 더 높아지는 냉매를 수용하도록 구비된다. 또한, 제2 냉매 냉각기(218)에서 냉각된 냉매를 전달받아서 수용하도록 구비된다. 이렇게 제2 버퍼탱크(219)에 수용된 냉매는 제3 냉매 압축기(236)로 전달되어 압축될 수 있다.
제3 냉매 압축기(236)는 제2 버퍼탱크(219)와 연결되고, 제2 버퍼탱크(219)로부터 냉매를 전달받아서 압축하도록 구비된다. 또한, 제3 냉매 압축기(236)는 고압의 냉매를 제3 냉매 냉각기(238)로 전달할 수 있다.
제3 냉매 냉각기(238)는 제3 냉매 압축기(236)와 연결되고, 제3 냉매 압축기(236)에서 압축된 냉매를 전달받아서 냉각하도록 구비된다. 이때, 제3 냉매 압축기(236)에 의해 냉매가 압축되는 과정에서 온도가 증가하게 되고, 이렇게 증가된 온도로 인해 냉매의 밀도가 낮아지게 된다. 이렇게 냉매의 밀도가 낮아질 경우, 후단에서 냉매가 재 압축될 때 압축일이 증가될 수 있으므로, 제1 냉매 냉각기(238)를 통해 압축된 냉매를 냉각시켜서 온도를 낮춤으로써, 이러한 압축일 증가를 방지하고, 효율적인 공정 운용이 가능하도록 할 수 있다. 이렇게 냉각된 냉매는 제3 버퍼탱크(239)로 전달될 수 있다.
제3 버퍼탱크(239)는 제3 냉매 냉각기(238), 제1 복열기(212), 제1 냉매 팽창기(112) 및 제2 복열기(232)와 연결되고, 제3 냉매 냉각기(238)를 거쳐 냉각된 냉매를 전달받아서 수용하도록 구비된다. 제3 버퍼탱크(239)에 수용된 냉매는 제1 복열기(212), 제2 복열기(232) 및 제1 냉매 팽창기(112)로 전달될 수 있다.
제2 복열기(232)는 제2 냉매 열교환기(230)와 연결되고, 제2 냉매 열교환기(230)에서 배출되는 냉매를 전달받아서 후단으로부터 공급받은 온도가 더 높은 냉매와 열교환시키도록 구비된다. 이때, 제3 버퍼탱크(239)로부터 제3 복열기(232)로 공급되는 상온/고압의 냉매는 제2 냉매 열교환기(210)에서 배출되는 저온의 냉매와 복열된 후 제3 냉매 팽창기(234)에 공급될 수 있다. 또한, 제2 복열기(232)로 공급되는 상온의 냉매는 제2 냉매 열교환기(230)에서 배출되는 -240.2℃의 냉매에 의해 -239.2℃로 복열될 수 있다.
제3 냉매 팽창기(234)는 제2 복열기(232) 및 제2 냉매 열교환기(230)와 연결되고, 제2 복열기(232)를 거치면서 온도가 더 낮아지는 냉매를 전달받아서 팽창시키고, 팽창된 냉매를 제2 냉매 열교환기(230)로 전달하도록 구비된다. 이때, 제3 냉매 팽창기(234)에서 단열 팽창한 -243℃의 냉매는 전기를 생산한 후 제2 냉매 열교환기(230)에 공급된다. 또한, 제3 냉매 팽창기(234)는 터빈(미도시)을 포함할 수 있으며, 제3 냉매 팽창기(234)에서 냉매가 팽창됨에 따라 발생되는 엔탈피 변화는 터빈 일로 전환되며, 이렇게 발생되는 터빈 일은 전기 생산에 이용될 수 있다.
제2 냉매 열교환기(230)는 후술할 수소 열교환기(220)에서 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와 열교환시켜서 냉각하도록 구비된다. 이때, 제2 냉매 열교환기(230)에 투입되는 기체 수소는 -243℃의 냉매와 열교환하여 -242℃까지 냉각될 수 있다.
수소 열교환기(220)는 제1 냉매 열교환기(210)와 제2 냉매 열교환기(230)의 사이에 연결되고, 후술할 액체 수소 저장 탱크(300)와 연결되며, 액체 수소 저장 탱크(300) 내에서 액체 수소가 기화되면서 생성되는 기체 수소를 공급받아서 제1 냉매 열교환기(210)에서 냉각된 기체 수소와 열교환시키도록 구비된다. 이때, 제1 냉매 열교환기(210)로부터 수소 열교환기(220)로 공급되는 기체 수소는 액체 수소 저장 탱크(300)로부터 전달되는 기체 수소와 열교환되어 -238℃까지 냉각될 수 있다.
한편, 수소 팽창기(204)는 제2 냉매 열교환기(230)와 연결되고, 제2 냉매 열교환기(230)를 거쳐 냉각된 기체 수소를 팽창시켜서 액화할 수 있다. 이때, 수소 팽창기(204)에서는 단열 팽창을 통해 전기 에너지가 발생함과 동시에 기체 수소가 -242℃에서 -245.1℃까지 냉각되며 액체수소로 상변화될 수 있다. 또한, 수소 팽창기(204)는 터빈(미도시)을 포함할 수 있으며, 수소 팽창기(204)에서 냉매가 팽창됨에 따라 발생되는 엔탈피 변화는 터빈 일로 전환되며, 이렇게 발생되는 터빈 일은 전기 생산에 이용될 수 있다.
액체 수소 저장 탱크(300)는 상술한 과정들을 거쳐서 본 냉각부(200)에서 생성된 액체 수소를 저장하도록 구비된다. 이러한 액체 수소 저장 탱크(300)는 수소 팽창기(204)와 연결되고, 수소 팽창기(204)로부터 액체 수소를 전달받아서 저장할 수 있다. 또한, 액체 수소 저장 탱크(300)에서 배출되는 기체 수소는 수소 열교환기(220)에 공급되어 냉열을 전달한 후 수소 재순환 압축기(202)로 전달될 수 있다.
수소 재순환 압축기(202)는 수소 열교환기(220)로부터 배출되는 기체 수소를 압축하여 제1 냉매 열교환기(210)로 전달하도록 구비된다. 이때, 수소 재순환 압축기(202)로 전달된 기체 수소는 제1 냉매 열교환기(210)로 공급되는 기체 수소의 압력과 동일한 압력으로 승압된 후 제1 냉매 열교환기(210)로 공급될 수 있다.
한편, 액체 수소 생산 모듈(10)에서 생성된 액체 수소는 기체 수소 공급 모듈(20)로 이송될 수 있으며, 이렇게 이송된 액체 수소는 기체 수소 공급 모듈(20) 내에서 공기와 열교환되어 기체 수소가 생성되고, 액체 수소와 열교환된 공기는 팽창되어 액체 공기를 생성한다.
이러한 기체 수소 공급 모듈(20)은 액체 수소 수용 탱크(400), 액체 수소 펌프(402), 고압 수소 저장 용기(404), 저압 수소 저장 용기(406), 증발기(410), 공기 압축기(412), 제습기(414), 공기 열교환기(420), 공기 팽창기(422), 액체 공기 수용 탱크(424) 및 공기 재순환 압축기(426)를 포함할 수 있다.
액체 수소 수용 탱크(400)는 액체 수소 생산 모듈(10)에서 생성된 액체 수소를 저장하도록 구비된다. 이때, 액체 수소는 후술할 이송 유닛(30)에 의해 이송될 수 있으며, 액체 수소 수용 탱크(400)는 이송 유닛(30)과 접속되어 액체 수소를 공급받을 수 있다.
액체 수소 펌프(402)는 액체 수소 수용 탱크(400)와 연결되고, 액체 수소 수용 탱크(400)로부터 액체 수소를 뽑아내어 증발기(410)로 공급하도록 구비될 수 있다.
증발기(410)는 액체 수소 수용 탱크(400)로부터 액체 수소 펌프(402)를 통해 전달되는 액체 수소를 전달받아서 증발시키도록 구비된다. 이러한 증발기(410)는 후술할 공기 압축기(412) 및 제습기(414)로부터 공기를 전달받아서 액체 수소와 열교환시켜서 -172℃의 냉각 공기를 생성할 수 있다. 또한, 증발기(410)에서 기화된 수소는 고압 수소 저장 용기(404)와 저압 수소 저장 용기(406)로 전달되어 공급될 수 있다. 이때, 증발기(410)로부터 공급되는 기체 수소를 가압하는 압축기(미도시)가 추가로 제공될 수 있으며, 가압되는 압력에 따라 고압 수소 저장 용기(404) 또는 저압 수소 저장 용기(406)로 공급될 수 있다.
한편, 공기 압축기(412)는 외부로부터 유입되는 공기를 압축시켜서 증발기(410)로 압축 공기를 투입하도록 구비된다. 이때, 공기 압축기(412)와 증발기(410)의 사이에는 제습기(414)가 추가로 연결될 수 있으며, 제습기(414)에 의해 공기 압축기(412)에서 압축된 공기에 함유된 수분이 제거될 수 있다. 이렇게 제습기(414)에 의해 제습된 공기는 증발기(410)로 투입될 수 있으며, 이로써 증발기(410)에 의해 공기가 냉각되더라도 얼음이 생성되는 것이 방지될 수 있다.
공기 열교환기(420)는 증발기(410)와 연결되고, 공기 압축기(412)로부터 증발기(410)를 통과한 공기를 액체 공기 수용 탱크(424)로부터 공급되는 기체 상태의 공기와 열교환시키도록 구비된다. 또한, 공기 열교환기(420)를 통과하면서 냉각된 공기는 공기 팽창기(422)로 전달될 수 있으며, 공기 열교환기(420)를 통과하면서 승온된 공기는 공기 재순환 압축기(426)로 전달될 수 있다.
공기 팽창기(422)는 공기 열교환기(420) 및 액체 공기 수용 탱크(424)와 연결되고, 증발기(410)를 거쳐 공기 열교환기(420)로부터 배출되는 공기를 팽창시켜서 적어도 일부를 액화시키도록 구비된다. 이때, 공기 팽창기(422)를 통과하는 공기는 -199.6℃의 기체와 액체가 혼합된 2 상으로서 액체 공기 수용 탱크(424)로 전달되어 수용될 수 있다. 또한, 공기 팽창기(422)는 터빈(미도시)을 포함할 수 있으며, 공기 팽창기(422)에서 냉매가 팽창됨에 따라 발생되는 엔탈피 변화는 터빈 일로 전환되며, 이렇게 발생되는 터빈 일은 전기 생산에 이용될 수 있다.
액체 공기 수용 탱크(424)는 기체 상태의 공기와 액체 상태의 공기가 혼합되어 수용될 수 있다. 이 중 기체 상태의 공기는 공기 열교환기(420)로 전달될 수 있으며, 액체 상태의 공기는 이송 유닛(30)으로 전달되어 이송될 수 있다. 이렇게 이송되는 액체 공기는 액체 수소 생산 모듈(10)의 액체 공기 저장 탱크(102)로 전달되어 저장될 수 있다.
공기 재순환 압축기(426)는 공기 열교환기(420)와 연결되고, 액체 공기 수용 탱크(424)로부터 배출되어 공기 열교환기(420)를 거친 공기를 압축하여 증발기(410)로 재 투입하도록 구비된다. 이때, 액체 공기 수용 탱크(424)에서 배출되는 -196℃의 기체 공기는 증발기(410)에서 배출되는 -172℃의 공기에 냉열을 전달한 후 다시 공기 재순환 압축기(426)로 투입되어 압축된 후에 증발기(410)로 전달될 수 있다.
이송 유닛(30)은 액체 수소와 액체 공기를 함께 저장하여 액체 수소 생산 모듈(10)로 액체 공기를, 기체 수소 공급 모듈(20)로 액체 수소를 이송할 수 있도록 제공된다. 예를 들어, 이송 유닛(30)은 유체를 저장할 수 있는 탱크가 적재된 차량으로서 제공될 수 있다. 이러한 이송 유닛(30)은 지지부(502), 액체 수소 이송 탱크(510) 및 액체 공기 이송 탱크(520)를 포함할 수 있다.
지지부(502)는 액체 수소 이송 탱크(510) 및 액체 공기 이송 탱크(520)를 연결하여 서로 지지되도록 구비된다. 또한, 액체 수소 이송 탱크(510)는 액체 수소를 저장할 수 있도록 구비되며, 액체 공기 이송 탱크(520)는 액체 공기를 저장할 수 있도록 구비된다. 또한, 액체 수소 이송 탱크(510)는 일 예로 원통 형상을 가질 수 있으며, 액체 공기 이송 탱크(520)는 원통 형상의 액체 수소 이송 탱크(510)의 하측에 배치되어 액체 수소 이송 탱크(510)의 둘레면 중 하부 절반을 감싸는 형상을 가질 수 있다. 또한, 지지부(502)는 액체 공기 이송 탱크(520)에 의해 액체 수소 이송 탱크(510)가 지지되도록 구비될 수 있으며, 액체 공기 이송 탱크(520)와 액체 수소 이송 탱크(510) 간에 열전달이 원활하게 이루어질 수 있도록 구비될 수 있다. 이와 같이, 이송 유닛(30)은 공기층으로 구성된 액체 공기 이송 탱크(520)가 액체 수소 이송 탱크(510)의 외벽을 커버하는 구조를 가지므로, 이므로, 일반적인 액체 수소 이송을 위해 제작되는 탱크에 비해 외부 충격에 의한 구조적 안정성이 향상될 수 있다.
한편, 수소를 액화하는 공정에서 수소 소비처로 공급하는 액체 수소의 체적을 100%로 가정하였을 때, 이송되고 소비되는 액체 수소의 증발 잠열과 현열을 회수하여 액체 공기를 생산 및 저장할 때 가능한 체적은 액체 수소의 약 27%일 수 있다. 이에 따라, 액체 수소 이송 탱크(510)와 액체 공기 이송 탱크(520)의 용량 비율이 설정될 수 있다. 다시 말해서, 액체 수소 이송 탱크(510)와 액체 공기 이송 탱크(520)의 저장 용적비는 1:0.27로 설정될 수 있다.
이러한 구성에 의해, 이송 유닛(30)은 액체 수소 생산 모듈(10)의 액체 수소 저장 탱크(300)로부터 전달되는 액체 수소를 액체 수소 이송 탱크(510)에 저장하고, 액체 수소 이송 탱크(510)에 저장된 액체 수소를 기체 수소 공급 모듈(20)의 액체 수소 수용 탱크(400)로 공급하며, 기체 수소 공급 모듈(20)의 액체 공기 수용 탱크(424)로부터 전달되는 액체 공기를 액체 공기 이송 탱크(520)에 저장하고, 액체 공기 이송 탱크(520)에 저장된 액체 공기를 액체 수소 생산 모듈(10)의 액체 공기 저장 탱크(102)로 공급할 수 있다. 이와 같이, 액체 수소 생산 모듈(10)에서 생산된 액체 수소는 기체 수소 공급 모듈(20)로 이송됨과 동시에 액체 공기가 이송 유닛(30)에 저장되고, 저장된 액체 공기는 회차시 액체 수소 생산 모듈(10)로 이송되어 활용될 수 있으므로 이송 비용이 절감될 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템에 따르면, 액체 수소의 생산시 취급이 용이하고 구하기 쉬운 물질을 이용하여 예비 냉각을 실시함으로써, 지역적 제약에서 자유로우면서도 종래에 비해 운영 비용 또한 절감할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 사용처에서 액체 수소를 기체 수소로 상변화하는 과정에서 발생되는 에너지를 효과적으로 회수하여 종래에 비해 에너지 효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.
이러한 효과를 증명하기 위해, 아래와 같은 실험이 실시되었으며, 하기의 표 1은 수소 증발 잠열 및 현열을 액체 공기로 회수하는 공정을 예비 냉각기에 적용하였을 때 효과를 해석한 결과를 나타낸다.
하기 표 1에 나타난 것과 같이, 액체 공기를 활용할 경우, 1kg의 수소를 액화하기 위한 에너지가 약 8% 정도 절감될 수 있으며, 만약 수소 소비처에서 활용하고 있는 공기 압축기가 있을 경우, 에너지 절감은 12%에 달할 수 있다. 또한, 압축 공기를 생산하고 이를 액화시키는 에너지를 고려하더라도 액체 공기를 활용하지 않는 것에 비해 에너지 효율이 높아지기 때문에 경제적으로 이득이라 할 수 있다.
<표 1. 액화공기 적용의 이론적 효과>
Unit 액화공기 비적용 액화공기 적용
Value Value
헬륨압축기 1 kW -1,101 -673
헬륨압축기 2 kW -3,169 -2,304
헬륨압축기 3 kW -6,319 -5,584
수소재순환압축기 kW -161 -161
수소 소비처 공기압축기 kW -1,039
소비동력총합 kW -10,750 -9,762
헬륨터빈 1 kW 652 477
헬륨터빈 2 kW 589 468
헬륨터빈 3 kW 316 322
Sub-total power generation kW 1,557 1,267
Net power consumption kW -9,192 -8,495
H2 feed kg/hr 1,000 1,000
Unit power consumption kWh/kg-H2 9.19 8.49
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1: 수소 순환 시스템 10: 액체 수소 생산 모듈
100: 예비 냉각부 102: 액체 공기 저장 탱크
104: 액체 공기 펌프 106: 공기 터빈
110: 예비 냉각기 112: 제1 냉매 팽창기
114: 제1 냉매 압축기 116: 제1 냉매 냉각기
118: 제1 버퍼탱크 200: 본 냉각부
202: 수소 재순환 압축기 204: 수소 팽창기
210: 제1 냉매 열교환기 212: 제1 복열기
214: 제2 냉매 팽창기 216: 제2 냉매 압축기
218: 제2 냉매 냉각기 219: 제2 버퍼탱크
220: 수소 열교환기 230: 제2 냉매 열교환기
232: 제2 복열기 234: 제3 냉매 팽창기
236: 제3 냉매 압축기 238: 제3 냉매 냉각기
239: 제3 버퍼탱크 300: 액체 수소 저장 탱크
20: 기체 수소 공급 모듈 400: 액체 수소 수용 탱크
402: 액체 수소 펌프 404: 고압 수소 저장 용기
406: 저압 수소 저장 용기 410: 증발기
412: 공기 압축기 414: 제습기
420: 공기 열교환기 422: 공기 팽창기
424: 액체 공기 수용 탱크 426: 공기 재순환 압축기
30: 이송 유닛 502: 지지부
510: 액체 수소 이송 탱크 520: 액체 공기 이송 탱크

Claims (15)

  1. 기체 수소를 냉각하여 액화하는 액체 수소 생산 모듈; 및
    액체 수소를 공기와 열교환시켜서 기체 수소를 생성하고, 액체 수소와 열교환된 공기를 팽창시켜서 액체 공기를 생성하는 기체 수소 공급 모듈을 포함하고,
    상기 액체 수소 생산 모듈은 상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성되는 액체 공기를 이용하여 수소를 예비 냉각시키는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    액체 수소와 액체 공기를 저장하여 상기 액체 수소 생산 모듈과 상기 기체 수소 공급 모듈 간에 이송 가능하게 제공되는 이송 유닛을 더 포함하고,
    상기 이송 유닛은,
    액체 수소를 저장할 수 있는 액체 수소 이송 탱크;
    액체 공기를 저장할 수 있는 액체 공기 이송 탱크; 및
    상기 액체 수소 이송 탱크 및 상기 액체 공기 이송 탱크를 연결하여 서로 지지되도록 하는 지지부를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 액체 수소 생산 모듈은,
    액체 공기를 공급받아서 기체 수소와 열교환 시켜서 기체 수소를 예비 냉각하는 예비 냉각부;
    상기 예비 냉각부에서 예비 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와의 열교환을 통해 액화시키는 본 냉각부; 및
    상기 본 냉각부에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 저장 탱크를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 예비 냉각부는,
    상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 저장 탱크;
    상기 액체 공기 저장 탱크와 연결되고, 상기 액체 공기 저장 탱크로부터 공급되는 액체 공기를 가압하는 액체 공기 펌프; 및
    상기 액체 공기 펌프와 연결되고, 상기 액체 공기 펌프로부터 액체 공기를 전달받아서 기체 수소와 열교환시키는 예비 냉각기를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 예비 냉각기와 연결되고, 상기 본 냉각부로부터 전달받은 냉매를 팽창시켜서 상기 예비 냉각기에 공급하여 기체 수소 및 액체 공기와 열교환되도록 하는 냉매 팽창기;
    상기 예비 냉각기와 연결되고, 상기 예비 냉각기에서 열교환 후 배출되는 냉매를 압축하는 냉매 압축기;
    상기 냉매 압축기와 연결되고, 상기 제1 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 냉각하는 냉매 냉각기; 및
    상기 냉매 냉각기와 연결되고, 상기 냉매 냉각기에서 냉각된 냉매를 수용하는 버퍼탱크를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 본 냉각부는,
    상기 예비 냉각부에서 예비 냉각된 기체 수소를 전달받아서 냉매와 열교환시켜서 냉각하는 적어도 하나 이상의 냉매 열교환기;
    상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 냉매 열교환기에서 배출되는 냉매를 전달받아서 후단으로부터 공급받은 온도가 더 높은 냉매와 열교환시키는 적어도 하나 이상의 복열기;
    상기 복열기와 연결되고, 상기 복열기를 거치면서 온도가 더 높아지는 냉매를 수용하는 적어도 하나 이상의 버퍼탱크; 및
    상기 복열기 및 상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 복열기를 거치면서 온도가 더 낮아지는 냉매를 전달받아서 팽창시키고, 팽창된 냉매를 상기 냉매 열교환기로 전달하는 적어도 하나 이상의 냉매 팽창기를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 버퍼탱크는 복수 개로 제공되고,
    상기 본 냉각부는,
    복수의 상기 버퍼탱크들 중 적어도 어느 하나에 연결되고, 연결된 상기 버퍼탱크로부터 냉매를 전달받아서 압축하는 적어도 하나 이상의 냉매 압축기; 및
    상기 냉매 압축기와 연결되고, 상기 냉매 압축기에서 압축된 냉매를 전달받아서 냉각하는 적어도 하나 이상의 냉매 냉각기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 본 냉각기는,
    상기 냉매 열교환기와 연결되고, 상기 냉매 열교환기를 거쳐 냉각된 기체 수소를 팽창시켜서 액화하는 수소 팽창기를 더 포함하고,
    상기 액체 수소 저장 탱크는 상기 수소 팽창기와 연결되고, 상기 수소 팽창기로부터 액체 수소를 전달받아서 저장하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 냉매 열교환기는 복수 개로 제공되고,
    상기 본 냉각부는,
    복수의 상기 냉매 열교환기들 중 서로 인접하는 한 쌍의 냉매 열교환기들 사이에 연결되고, 상기 액체 수소 저장 탱크와 연결되며, 상기 액체 수소 저장 탱크 내에서 액체 수소가 기화되면서 생성되는 기체 수소를 공급받아서 상기 냉매 열교환기에서 냉각된 기체 수소와 열교환시키는 수소 열교환기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 본 냉각부는,
    상기 수소 열교환기로부터 배출되는 기체 수소를 압축하여 상기 냉매 열교환기로 전달하는 수소 재순환 압축기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급 모듈은,
    상기 액체 수소 생산 모듈에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 수용 탱크;
    상기 액체 수소 수용 탱크로부터 액체 수소를 전달받아서 증발시키는 증발기; 및
    공기를 압축시켜서 상기 증발기로 압축 공기를 투입하는 공기 압축기를 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급 모듈은,
    상기 공기 압축기와 상기 증발기의 사이에 연결되고, 상기 공기 압축기에서 압축된 공기에 함유된 수분을 제거하여 상기 증발기로 제습된 공기를 투입하는 제습기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급 모듈은,
    액체 공기가 저장되는 액체 공기 수용 탱크;
    상기 증발기와 연결되고, 상기 공기 압축기로부터 상기 증발기를 통과한 공기를 상기 액체 공기 수용 탱크로부터 공급되는 공기와 열교환시키는 공기 열교환기; 및
    상기 공기 열교환기 및 상기 액체 공기 수용 탱크와 연결되고, 상기 증발기를 거쳐 상기 공기 열교환기로부터 배출되는 공기를 팽창시켜서 적어도 일부를 액화시키는 공기 팽창기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급 모듈은,
    상기 공기 열교환기와 연결되고, 상기 액체 공기 수용 탱크로부터 배출되어 상기 공기 열교환기를 거친 공기를 압축하여 상기 증발기로 재 투입하는 재순환 압축기를 더 포함하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.
  15. 제2 항에 있어서,
    상기 액체 수소 생산 모듈은,
    생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 저장 탱크; 및
    상기 기체 수소 공급 모듈에서 생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 저장 탱크를 포함하고,
    상기 기체 수소 공급 모듈은,
    상기 액체 수소 생산 모듈에서 생성된 액체 수소를 저장하는 액체 수소 수용 탱크; 및
    생성된 액체 공기를 저장하는 액체 공기 수용 탱크를 포함하고,
    상기 이송 유닛은,
    상기 액체 수소 저장 탱크로부터 전달되는 액체 수소를 상기 액체 수소 이송 탱크에 저장하고, 상기 액체 수소 이송 탱크에 저장된 액체 수소를 상기 액체 수소 수용 탱크로 공급하며,
    상기 액체 공기 수용 탱크로부터 전달되는 액체 공기를 상기 액체 공기 이송 탱크에 저장하고, 상기 액체 공기 이송 탱크에 저장된 액체 공기를 상기 액체 공기 저장 탱크로 공급하는,
    액체 수소 냉열 순환을 이용한 수소 액화 및 냉열 이송 시스템.

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