KR20210052290A - 수소 액화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 수소 액화 장치는, 제1 등온 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에 위치되는 컴퓨레셔(compressor); 제1 등압 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 컴퓨레셔에 순차적으로 연결되는 예냉기(precooler)와 열교환기(heat exchanger)와 제1 냉동기(first cryocooler); 등엔탈피 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 제1 냉동기에 연결되는 주울-톰슨 밸브(joule-thomson valve); 제2 등온 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 주울-톰슨 밸브에 연결되는 저장 탱크(storage tank); 및 등엔탈피 과정과 제2 등온 과정 사이에서 제3 등압 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 저장 탱크에 연결되는 제2 냉동기를 포함한다.

Description

수소 액화 장치{HYDROGEN LIQUIFYING EQUIPMNET}
본 발명은, 수소 흐름 경로에 외부로부터 수소 기체를 주기적으로 공급하면서 수소 흐름 경로 상에 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클(precooling-able Linde-Hampson cycle)을 반복적으로 수행하는 수소 액화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 수소는 생산처에서 생산 원료(= 석유, 석탄, 천연가스, LPG, 바이오 또는 원자력 등등)로부터 만들어진 후 사용처(= 충전소, 건물, 발전소, 일반 가정 등등)에 기체 상태 또는 액체 상태로 수송되고 있다. 여기서, 수소 기체는 200bar 이상의 고압으로 저장하지만, 수소 액체는 대기압으로 저장하므로 안전성 측면에서 수소 기체보다 더 유리하다.
상기 수소 액체가 수소 기체의 부피를 약 1/800로 감소시켜 형성되므로, 상기 수소 액체는 동일 압력에서 수소 기체 대비 800 배의 체적에너지 밀도를 갖는다. 따라서, 상기 수소 기체의 액화 기술이 최근에 주목받고 있다. 상기 수소 기체는 대기압 조건의 약 -253℃(절대 온도 20K)에서 액화된다. 상기 수소 기체의 액화는 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클(precooling-able Linde-Hampson cycle)을 반복적으로 구현하는 액화 도구를 통해 수행된다.
상기 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클은, 온도(temperature)와 엔탈피(enthalphy)의 선형도(diagram)에서 볼 때, 유사사각(類似四角)으로 이루어진 하나의 싸이클에 제1 등온 과정(isothermal process)과 제1 등압(isobaric) 과정과 등엔탈피(isenthalpic) 과정과 제2 등온 과정과 제2 등압 과정을 순차적으로 갖는다.
상기 액화 도구는 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클에서 원(原) 수소 기체를 주기적으로 공급받으면서 예냉기(precooler)를 통해 원 수소 기체를 냉각하여 잔여(殘餘) 수소 기체와 수소 액체를 확보하며 예냉기를 통해 잔여 수소 기체를 가열하여 잔여 수소 기체에 원 수소 기체를 혼합하고 혼합(混合) 수소 기체를 다시 냉각시키도록 구성된다.
상기 '예냉' 용어는 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클에서 컴퓨레셔(compressor)와 열교환기(heat exchanger) 사이에서 예냉기를 통해 원 또는 혼합 수소 기체를 냉각시키는 방법을 지칭한다. 상기 예냉기는 액화 천연 가스를 사용하여 원 또는 혼합 수소 기체와 액화 천연 가스의 열교환을 통해 원 또는 혼합 수소 기체를 냉각시키거나 가열시킨다.
그러나, 상기 액화 천연 가스가 대기압 조건에서 -162℃에서 끓는점을 가지기 때문에, 상기 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클은 원 또는 혼합 수소 기체의 액화를 위해 원 또는 혼합 수소 기체를 충분히 냉각시키는데 한계를 갖는다. 왜냐하면, 상기 수소 기체는 대기압 조건에서 -253℃에서 액화되기 때문이다.
상기 열교환기는 예냉기와 함께 사용되어 원 또는 혼합 수소 기체를 냉각하지만 수소 기체의 액화온도가 워낙 낮아서 원 또는 혼합 수소 기체에 액화 분위기를 조성해주는데 충분하지 않다. 또한, 상기 열교환기는 린데-햄프슨 싸이클에서 볼 때 주울-톰슨 밸브에 연결되고, 상기 주울-톰슨 밸브는 린데-햄프슨 싸이클에서 볼 때 저장 탱크에 연결된다.
상기 주울-톰슨 밸브는 린데-햄프슨 싸이클에서 잔여 수소 기체와 수소 액체를 만들어 잔여(殘餘) 수소 기체와 수소 액체를 저장 탱크에 공급한다. 상기 저장 탱크의 내부 분위기 온도는 잔여 수소 기체와 수소 액체의 온도로 만들어진다. 즉, 상기 저장 탱크의 내부 분위기 온도는 잔여 수소 기체의 액화에 관여되지 않기 때문에, 상기 액화 도구는 린데-햄프슨 싸이클을 통해 원 또는 혼합 수소 기체로부터 가정용 또는 산업용의 수소 액체를 얻는데 많은 시간을 요구한다.
한편, 상기 액화 도구는 한국공개특허공보 제10-2020-0109054호에 종래기술로써 유사하게 개시되고 있다.
한국공개특허공보 제10-2020-0109054호
본 발명은, 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 수소 흐름 경로 상에서 볼 때, 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클을 반복적으로 구현하며, 컴퓨레셔와 주울-톰슨 밸브 사이에 수소 기체에 대한 예냉기와 열교환기의 냉각 한계를 극복하고, 저장 탱크에서 수소 기체의 액화를 부분적으로 수행하여 싸이클 마다 수소 기체의 액화 량을 극대화시키는데 적합한 수소 액화 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 수소 액화 장치는, 수소 기체를 액화시키기 위해, 온도(temperature)와 엔탈피(enthalphy)의 선형도(diagram)에서 볼 때, 제1 등온 과정(isothermal process)과 제1 등압(isobaric) 과정과 등엔탈피(isenthalpic) 과정과 제2 등온 과정과 제2 등압 과정을 순차적으로 그리고 반복적으로 수행하면서, 상기 제1 등온 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에 위치되는 컴퓨레셔(compressor); 상기 제1 등압 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 컴퓨레셔에 순차적으로 연결되는 예냉기(precooler)와 열교환기(heat exchanger)와 제1 냉동기(first cryocooler); 상기 등엔탈피 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 제1 냉동기에 연결되는 주울-톰슨 밸브(joule-thomson valve); 상기 제2 등온 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 주울-톰슨 밸브에 연결되는 저장 탱크(storage tank); 및 상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정 사이에서 제3 등압 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 저장 탱크에 연결되는 제2 냉동기를 포함하고, 상기 제3 등압 과정은, 상기 선형도에서, 상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정 사이에서 상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정을 이어주도록 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 컴퓨레셔는, 상기 제1 등온 과정의 수행시, 상기 선형도에서 가장 높은 온도를 유지하면서, 수소 내부 기체와 수소 외부 기체를 혼합 및 압축시켜 수소 순환 기체를 만들고, 상기 수소 내부 기체는, 상기 예냉기로부터 공급되어 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력범위를 가지고, 상기 수소 외부 기체는, 상기 컴퓨레셔에 외부로부터 주기적으로 공급되어 300K의 절대온도와 60bar의 압력을 가질 수 있다.
상기 수소 순환 기체는, 상기 컴퓨레셔의 출력단에서 300K의 절대온도와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 예냉기와 상기 열교환기와 상기 제1 냉동기는, 상기 제1 등압 과정의 수행시, 상기 컴퓨레셔의 수소 순환 기체를 바탕으로 상기 예냉기와 상기 열교환기와 상기 제1 냉동기의 순서에 따라 상기 수소 순환 기체의 온도를 점진적으로 낮추어 제1 내지 제3 수소 저온 기체를 만들 수 있다.
상기 예냉기는, 상기 제1 등압 과정의 초기(初期)에 작동되어 상기 컴퓨레셔로부터 상기 수소 순환 기체를 전달받고, 상기 수소 순환 기체와 액화 가스를 열교환시켜 상기 수소 순환 기체로부터 제1 수소 저온 기체를 만들 수 있다.
상기 제1 수소 저온 기체는, 상기 예냉기의 출력단에서 77K 내지 80K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 열교환기는, 상기 제1 등압 과정의 중기(中期)에 작동되어 상기 예냉기로부터 제1 수소 저온 기체를 전달받고, 상기 제1 수소 저온 기체를 냉각시켜 제2 수소 저온 기체를 만들 수 있다.
상기 제2 수소 저온 기체는, 상기 열교환기의 출력단에서 60K 내지 76K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 제1 냉동기는, 상기 제1 등압 과정의 후기(後期)에 작동되어 상기 열교환기로부터 제2 수소 저온 기체를 전달받고, 상기 제2 수소 저온 기체를 냉각시켜 제3 수소 저온 기체를 만들고, 상기 제3 수소 저온 기체는, 상기 제3 수소 저온 기체에서 기체 상태를 액체 상태로 전환시키는 최대 역전 온도(maximum inversion temperature) 이하로 유지될 수 있다.
상기 제3 수소 저온 기체는, 상기 제1 냉동기의 출력단에서 40K 내지 50K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 주울-톰슨 밸브는, 상기 등엔탈피 과정의 수행시, 상기 제1 냉동기의 제3 수소 저온 기체를 전달받고, 상기 제3 수소 저온 기체의 부피를 팽창시켜 수소 저장 기체와 수소 저장 액체를 만들어 상기 저장 탱크에 상기 수소 저장 기체와 상기 수소 저장 액체 공급하고, 상기 수소 저장 기체는, 상기 제1 냉동기의 제3 수소 저온 기체로부터 상기 수소 저장 액체보다 더 큰 질량 비율로 만들어질 수 있다.
상기 수소 저장 기체와 상기 수소 저장 액체는, 상기 주울-톰슨 밸브의 출력단에서 20K 내지 30K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 제2 냉동기는, 상기 제3 등압 과정의 수행시, 상기 저장 탱크로부터 수소 저장 기체를 전달받고, 상기 수소 저장 기체를 냉각시켜 제1 수소 저장 저온 기체를 만든 후 상기 제1 수소 저장 저온 기체를 상기 저장 탱크에 공급할 수 있다.
상기 제1 수소 저장 저온 기체는, 상기 저장 탱크의 내부 분위기 온도를 일정하게 유지하기 위해, 상기 제2 냉동기의 출력단에서 10K 내지 20K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지고, 상기 수소 저장 기체의 일부와 함께, 상기 저장 탱크에서 부분적으로 액화될 수 있다.
상기 제2 등온 과정은, 상기 저장 탱크에서, 상기 주울-톰슨 밸브로부터 수소 저장 기체와 수소 저장 액체를 전달받아 상기 수소 저장 기체와 상기 수소 저장 액체를 수용하고, 상기 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 상기 저장 탱크의 내부에서 상기 저장 탱크의 수소 저장 기체에 상기 제2 냉동기의 제1 수소 저장 저온 기체를 접촉시켜 상기 수소 저장 기체로부터 상기 제2 수소 저장 저온 기체를 만들어서 상기 제1 수소 저장 저온 기체와 상기 제2 수소 저장 저온 기체를 혼합하여 수소 저장 저온 기체를 형성하고, 상기 선형도에서 볼 때, 상기 저장 탱크의 상기 내부로부터 상기 저장 탱크의 외부를 향해 상기 수소 저장 저온 기체의 흐름 동안 상기 수소 흐름 경로를 따라 가장 낮은 온도에서 수행될 수 있다.
상기 제2 등압 과정은, 상기 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 상기 열교환기와 상기 예냉기의 순서에 따라 상기 저장 탱크의 수소 저장 저온 기체를 바탕으로 상기 수소 저장 저온 기체의 온도를 점진적으로 높여 수소 가온(加溫) 기체와 수소 내부 기체를 만들도록 수행될 수 있다.
상기 수소 가온 기체는, 상기 열교환기에서 상기 수소 저장 저온 기체를 가열시켜 형성되고, 상기 열교환기의 출력단에서 140K 내지 150K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
상기 수소 내부 기체는, 상기 예냉기에서 액화 가스를 통해 상기 수소 가온 기체를 가열시켜 만들어지고, 상기 예냉기의 출력단에서 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 수소 액화 장치는,
수소 흐름 경로 상에서 볼 때, 예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클을 구현하도록, 컴퓨레셔와 주울-톰슨 밸브 사이에 예냉기와 열교환기와 제1 냉동기를 순차적으로 배열하여 예냉기와 열교환기와 제1 냉동기를 거친 후 제1 냉동기의 출력단에수소 기체의 온도를 최대 역전 온도 이하로 저하시키면서 주울-톰슨 밸브에서 수소 기체를 기체 상태와 액체 상태로 만들고,
예냉 가능한 린데-햄프슨 싸이클을 구현하도록, 주울-톰슨 밸브 이후에 저장 탱크에 연결되는 제2 냉동기를 복수로 배열하여 저장 탱크의 내부 온도를 주울-톰슨 밸브의 출력단 온도보다 더 낮게 유지시키므로,
컴퓨레셔와 주울-톰슨 밸브 사이에 제1 냉동기를 사용하여 수소 기체에 대한 예냉기와 열교환기의 냉각 한계를 극복하고, 제2 냉동기를 사용하여 저장 탱크에서 수소 기체의 액화를 부분적으로 수행하여 싸이클 마다 수소 기체의 액화 량을 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 액화 장치의 내부 구조를 개략적으로 보여주는 배치도이다.
도 2는 도 1의 수소 액화 장치의 작동 순서를 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
도 3은 도 1의 수소 액화 장치에서 수소 흐름 경로 상에서 예냉 가능한 린데-톰슨 싸이클을 따라 보여주는 온도와 엔탈피의 선형도(diagram)이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 액화 장치의 내부 구조를 개략적으로 보여주는 배치도이고, 도 2는 도 1의 수소 액화 장치의 작동 순서를 개략적으로 보여주는 블럭도이다.
또한, 도 3은 도 1의 수소 액화 장치에서 수소 흐름 경로 상에서 예냉 가능한 린데-톰슨 싸이클을 따라 보여주는 온도와 엔탈피의 선형도(diagram)이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 수소 액화 장치(100)는, 수소 기체를 액화시키기 위해, 도 3의 온도(temperature; T)와 엔탈피(enthalphy; S)의 선형도(diagram)에서 볼 때, 제1 등온 과정(isothermal process)과 제1 등압(isobaric) 과정과 등엔탈피(isenthalpic) 과정과 제2 등온 과정과 제2 등압 과정을 순차적으로 그리고 반복적으로 수행하도록 구성된다.
개략적으로 살펴보면, 상기 수소 액화 장치(100)는, 도 1 또는 도 2와 같이, 수소 흐름 경로 상에, 컴퓨레셔(compressor; 10)와 예냉기(precooler; 30)와 열교환기(heat exchanger; 40)와 제1 냉동기(first cryocooler; 50)와 주울-톰슨 밸브(J-T(joule-thomson) valve; 60)와 저장 탱크(storage tank; 70)와 제2 냉동기(80, 90)를 포함한다.
상기 컴퓨레셔(10)는, 제1 등온 과정(도 1 또는 도 3의 a-b)을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에 위치된다. 상기 예냉기(30)와 열교환기(40)와 제1 냉동기(50)는, 제1 등압 과정(도 1 또는 도 3의 b-c & c-d & d-e; 이하에서, 'b-e' 로 지칭됨)을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 컴퓨레셔(10)에 순차적으로 연결된다.
상기 주울-톰슨 밸브(60)는, 등엔탈피 과정(도 1 또는 도 3의 e-f)을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 제1 냉동기(50)에 연결된다. 상기 저장 탱크(70)는, 제2 등온 과정(도 1 또는 도 3의 h-g3)을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 주울-톰슨 밸브(60)에 연결된다.
또한, 상기 제2 냉동기(80, 90)는, 등엔탈피 과정(e-f)과 제2 등온 과정(h-g3) 사이에서 제3 등압 과정(도 1 또는 도 3의 f-h)을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에서, 저장 탱크(70)에 연결된다. 여기서, 상기 제3 등압 과정(f-h)은, 도 3의 선형도에서, 등엔탈피 과정(e-f)과 제2 등온 과정(h-g3) 사이에서 등엔탈피 과정(e-f)과 제2 등온 과정(h-g3)을 이어주도록 수행된다.
좀 더 상세하게 설명하면, 상기 컴퓨레셔(10)는, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 제1 등온 과정(a-b)의 수행시, 선형도에서 가장 높은 온도를 유지하면서, 수소 내부 기체(도면에 미도시)와 수소 외부 기체(도 1의 g1)를 혼합 및 압축시켜 수소 순환 기체(도면에 미도시)를 만든다.
상기 수소 내부 기체는, 예냉기(30)로부터 공급되어 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력범위를 갖는다. 상기 수소 외부 기체(g1)는, 컴퓨레셔(10)에 외부로부터 주기적으로 공급되어 300K의 절대온도와 60bar의 압력을 갖는다. 상기 수소 순환 기체는, 컴퓨레셔(10)의 출력단에서 300K의 절대온도와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 갖는다.
상기 예냉기(30)와 열교환기(40)와 제1 냉동기(50)는, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 제1 등압 과정(b-e)의 수행시, 컴퓨레셔(10)의 수소 순환 기체를 바탕으로 예냉기(30)와 열교환기(40)와 제1 냉동기(50)의 순서에 따라 수소 순환 기체의 온도를 점진적으로 낮추어 제1 내지 제3 수소 저온 기체(도면에 미도시)를 만든다.
여기서, 상기 예냉기(20)는, 제1 등압 과정(b-e)의 초기(初期; b-c)에 작동되어 컴퓨레셔(10)로부터 수소 순환 기체를 전달받고, 수소 순환 기체와 액화 가스(도 1의 20)를 열교환시켜 수소 순환 기체로부터 제1 수소 저온 기체(도면에 미도시)를 만든다. 상기 액화 가스(20)는 수소 순환 기체로부터 열을 얻을 수 있다.
상기 제1 수소 저온 기체는, 예냉기(30)의 출력단에서 77K 내지 80K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 갖는다. 상기 열교환기(40)는, 제1 등압 과정(b-e)의 중기(中期; c-d)에 작동되어 예냉기(30)로부터 제1 수소 저온 기체를 전달받고, 제1 수소 저온 기체를 냉각시켜 제2 수소 저온 기체를 만든다.
상기 제2 수소 저온 기체는, 열교환기(40)의 출력단에서 60K 내지 76K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 갖는다. 상기 제1 냉동기(50)는, 제1 등압 과정(b-e)의 후기(後期; d-e)에 작동되어 열교환기(40)로부터 제2 수소 저온 기체를 전달받고, 제2 수소 저온 기체를 냉각시켜 제3 수소 저온 기체를 만든다.
상기 제3 수소 저온 기체는, 제3 수소 저온 기체에서 기체 상태를 액체 상태로 전환시키는 최대 역전 온도(maximum inversion temperature) 이하로 유지된다. 상기 제3 수소 저온 기체는, 제1 냉동기(50)의 출력단에서 40K 내지 50K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 갖는다.
상기 주울-톰슨 밸브(60)는, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 등엔탈피 과정(e-f)의 수행시, 제1 냉동기(50)의 제3 수소 저온 기체를 전달받고, 제3 수소 저온 기체의 부피를 팽창시켜 수소 저장 기체(g2)와 수소 저장 액체(LH2)를 만들어 저장 탱크(70)에 수소 저장 기체(g2)와 수소 저장 액체(LH2)를 공급한다.
여기서, 상기 수소 저장 기체(g2)는, 제1 냉동기(50)의 제3 수소 저온 기체로부터 수소 저장 액체(LH2)보다 더 큰 질량 비율로 만들어진다. 상기 수소 저장 기체(g2)와 수소 저장 액체(LH2)는, 주울-톰슨 밸브(60)의 출력단에서 20K 내지 30K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 갖는다. 상기 수소 저장 액체(LH2)는, 도 1을 고려해 볼 때, 저장 탱크(70)로부터 외부를 향해 배출될 수 있다.
상기 제2 냉동기(80, 90)는, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 제3 등압 과정(f-h)의 수행시, 저장 탱크(70)로부터 수소 저장 기체(g2)를 전달받고, 수소 저장 기체(g2)를 냉각시켜 제1 수소 저장 저온 기체(도면에 미도시)를 만든 후 제1 수소 저장 저온 기체를 저장 탱크(70)에 공급한다.
상기 제1 수소 저장 저온 기체는, 저장 탱크(70)의 내부 분위기 온도를 일정하게 유지하기 위해, 제2 냉동기(80, 90)의 출력단에서 10K 내지 20K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지고, 수소 저장 기체의 일부와 함께, 저장 탱크(70)에서 부분적으로 액화된다. 왜냐하면, 상기 수소 저장 기체의 일부는, 제1 수소 저장 저온 기체에 의해 액화되기 때문이다.
상기 제2 등온 과정(h-g3)은, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 저장 탱크(70)에서, 주울-톰슨 밸브(60)로부터 수소 저장 기체(g2)와 수소 저장 액체(LH2)를 전달받아 수소 저장 기체(g2)와 수소 저장 액체(LH2)를 수용하고, 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 저장 탱크(70)의 내부에서 저장 탱크(70)의 수소 저장 기체에 제2 냉동기(80, 90)의 제1 수소 저장 저온 기체를 접촉시켜 수소 저장 기체로부터 제2 수소 저장 저온 기체(도면에 미도시)를 만들어서 제1 수소 저장 저온 기체와 제2 수소 저장 저온 기체를 혼합하여 수소 저장 저온 기체(g3)를 형성하도록 수행된다.
또한, 상기 제2 등온 과정(h-g3)은, 도 3의 선형도에서 볼 때, 저장 탱크(70)의 내부로부터 저장 탱크(70)의 외부를 향해 수소 저장 저온 기체(g3)의 흐름 동안 수소 흐름 경로를 따라 가장 낮은 온도에서 수행된다.
상기 제2 등압 과정(g3-i & i-a)은, 도 1 내지 도 3을 고려해 볼 때, 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 열교환기(40)와 예냉기(30)의 순서에 따라 저장 탱크(70)의 수소 저장 저온 기체(g3)를 가열하면서 수소 저장 저온 기체(g3)의 온도를 점진적으로 높여 수소 가온(加溫) 기체(도면에 미도시)와 수소 내부 기체(도면에 미도시)를 만들도록 수행된다.
상기 수소 가온 기체는, 열교환기(40)에서 수소 저장 저온 기체(g3)를 가열시켜 형성되고, 열교환기(40)의 출력단에서 140K 내지 150K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 갖는다.
상기 수소 내부 기체는, 예냉기(30)에서 액화 가스(20)를 통해 수소 가온 기체를 가열시켜 만들어지고, 예냉기(30)의 출력단에서 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 갖는다.
10; 컴퓨레셔, 20; 액화 가스
30; 예냉기, 40; 열교환기
50; 제1 냉동기. 60; 주울-톰슨 밸브
70; 저장 탱크, 80 & 90; 제2 냉동기
100; 액화 수소 장치.

Claims (18)

  1. 수소 기체를 액화시키기 위해, 온도(temperature)와 엔탈피(enthalphy)의 선형도(diagram)에서 볼 때, 제1 등온 과정(isothermal process)과 제1 등압(isobaric) 과정과 등엔탈피(isenthalpic) 과정과 제2 등온 과정과 제2 등압 과정을 순차적으로 그리고 반복적으로 수행하는 수소 액화 장치에 있어서,
    상기 제1 등온 과정을 수행하도록, 수소 흐름 경로 상에 위치되는 컴퓨레셔(compressor);
    상기 제1 등압 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 컴퓨레셔에 순차적으로 연결되는 예냉기(precooler)와 열교환기(heat exchanger)와 제1 냉동기(first cryocooler);
    상기 등엔탈피 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 제1 냉동기에 연결되는 주울-톰슨 밸브(joule-thomson valve);
    상기 제2 등온 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 주울-톰슨 밸브에 연결되는 저장 탱크(storage tank); 및
    상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정 사이에서 제3 등압 과정을 수행하도록, 상기 수소 흐름 경로 상에서, 상기 저장 탱크에 연결되는 제2 냉동기를 포함하고,
    상기 제3 등압 과정은, 상기 선형도에서, 상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정 사이에서 상기 등엔탈피 과정과 상기 제2 등온 과정을 이어주도록 수행되는, 수소 액화 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 컴퓨레셔는,
    상기 제1 등온 과정의 수행시, 상기 선형도에서 가장 높은 온도를 유지하면서, 수소 내부 기체와 수소 외부 기체를 혼합 및 압축시켜 수소 순환 기체를 만들고,
    상기 수소 내부 기체는,
    상기 예냉기로부터 공급되어 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력범위를 가지고,
    상기 수소 외부 기체는,
    상기 컴퓨레셔에 외부로부터 주기적으로 공급되어 300K의 절대온도와 60bar의 압력을 갖는, 수소 액화 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 수소 순환 기체는,
    상기 컴퓨레셔의 출력단에서 300K의 절대온도와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 예냉기와 상기 열교환기와 상기 제1 냉동기는,
    상기 제1 등압 과정의 수행시, 상기 컴퓨레셔의 수소 순환 기체를 바탕으로 상기 예냉기와 상기 열교환기와 상기 제1 냉동기의 순서에 따라 상기 수소 순환 기체의 온도를 점진적으로 낮추어 제1 내지 제3 수소 저온 기체를 만드는, 수소 액화 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 예냉기는,
    상기 제1 등압 과정의 초기(初期)에 작동되어 상기 컴퓨레셔로부터 상기 수소 순환 기체를 전달받고,
    상기 수소 순환 기체와 액화 가스를 열교환시켜 상기 수소 순환 기체로부터 제1 수소 저온 기체를 만드는, 수소 액화 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 수소 저온 기체는,
    상기 예냉기의 출력단에서 77K 내지 80K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 열교환기는,
    상기 제1 등압 과정의 중기(中期)에 작동되어 상기 예냉기로부터 제1 수소 저온 기체를 전달받고,
    상기 제1 수소 저온 기체를 냉각시켜 제2 수소 저온 기체를 만드는, 수소 액화 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 수소 저온 기체는,
    상기 열교환기의 출력단에서 60K 내지 76K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  9. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 냉동기는,
    상기 제1 등압 과정의 후기(後期)에 작동되어 상기 열교환기로부터 제2 수소 저온 기체를 전달받고,
    상기 제2 수소 저온 기체를 냉각시켜 제3 수소 저온 기체를 만들고,
    상기 제3 수소 저온 기체는,
    상기 제3 수소 저온 기체에서 기체 상태를 액체 상태로 전환시키는 최대 역전 온도(maximum inversion temperature) 이하로 유지되는, 수소 액화 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제3 수소 저온 기체는,
    상기 제1 냉동기의 출력단에서 40K 내지 50K 의 절대 온도 범위와 40bar 내지 80bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 주울-톰슨 밸브는,
    상기 등엔탈피 과정의 수행시, 상기 제1 냉동기의 제3 수소 저온 기체를 전달받고,
    상기 제3 수소 저온 기체의 부피를 팽창시켜 수소 저장 기체와 수소 저장 액체를 만들어 상기 저장 탱크에 공급하고,
    상기 수소 저장 기체는,
    상기 제1 냉동기의 제3 수소 저온 기체로부터 상기 수소 저장 액체보다 더 큰 질량 비율로 만들어지는, 수소 액화 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 수소 저장 기체와 상기 수소 저장 액체는,
    상기 주울-톰슨 밸브의 출력단에서 20K 내지 30K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 냉동기는,
    상기 제3 등압 과정의 수행시, 상기 저장 탱크로부터 수소 저장 기체를 전달받고,
    상기 수소 저장 기체를 냉각시켜 제1 수소 저장 저온 기체를 만든 후 상기 제1 수소 저장 저온 기체를 상기 저장 탱크에 공급하는, 수소 액화 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 수소 저장 저온 기체는,
    상기 저장 탱크의 내부 분위기 온도를 일정하게 유지하기 위해,
    상기 제2 냉동기의 출력단에서 10K 내지 20K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지고,
    상기 수소 저장 기체의 일부와 함께, 상기 저장 탱크에서 부분적으로 액화되는, 수소 액화 장치.
  15. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 등온 과정은,
    상기 저장 탱크에서, 상기 주울-톰슨 밸브로부터 수소 저장 기체와 수소 저장 액체를 전달받아 상기 수소 저장 기체와 상기 수소 저장 액체를 수용하고,
    상기 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 상기 저장 탱크의 내부에서 상기 저장 탱크의 수소 저장 기체에 상기 제2 냉동기의 제1 수소 저장 저온 기체를 접촉시켜 상기 수소 저장 기체로부터 상기 제2 수소 저장 저온 기체를 만들어서 상기 제1 수소 저장 저온 기체와 상기 제2 수소 저장 저온 기체를 혼합하여 수소 저장 저온 기체를 형성하고,
    상기 선형도에서 볼 때, 상기 저장 탱크의 상기 내부로부터 상기 저장 탱크의 외부를 향해 상기 수소 저장 저온 기체의 흐름 동안 상기 수소 흐름 경로를 따라 가장 낮은 온도에서 수행되는, 수소 액화 장치.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 등압 과정은,
    상기 수소 흐름 경로를 따라 볼 때, 상기 열교환기와 상기 예냉기의 순서에 따라 상기 저장 탱크의 수소 저장 저온 기체를 바탕으로 상기 수소 저장 저온 기체의 온도를 점진적으로 높여 수소 가온(加溫) 기체와 수소 내부 기체를 만들도록 수행되는, 수소 액화 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 수소 가온 기체는,
    상기 열교환기에서 상기 수소 저장 저온 기체를 가열시켜 형성되고,
    상기 열교환기의 출력단에서 140K 내지 150K의 절대 온도 범위와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 수소 내부 기체는,
    상기 예냉기에서 액화 가스를 통해 상기 수소 가온 기체를 가열시켜 만들어지고,
    상기 예냉기의 출력단에서 300K의 절대온도와 2bar 내지 4bar의 압력 범위를 가지는, 수소 액화 장치.

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