KR20210122393A - 수소 액화시스템 - Google Patents

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KR20210122393A
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Abstract

본 발명은 기체 수소를 냉동기 및 팽창밸브를 통해 액화하여 저장탱크에 저장하도록 하는 수소 액화시스템을 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 기체 수소 공급관(10)을 통해 고압으로 공급되는 기체 수소를 냉동기(20)를 통해 냉각시키고 냉각된 고압의 기체 수소를 팽창밸브(30)를 통해 압력 및 온도를 감소시켜 액화 상태로 저장탱크에 저장하는 수소 액화시스템을 개시한다.
본 발명은 상압 이상의 기체 수소를 그대로 활용하므로 수소 액화 효율을 크게 증대시켜 소모에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.

Description

수소 액화시스템{HYDROGEN LIQUEFACTION SYSTEM}
본 발명은 수소 액화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 액화시스템으로 공급되는 기체 수소(Gaseous Hydrogen)의 압력을 높여 기체 수소를 냉각하고 냉각된 기체 수소를 팽창밸브에서 감압을 통해 기체 수소 중 일부를 액화 시키고 또한 액화 과정에서 남은 기체 수소를 액화 시킬 수 있도록 하는 수소 액화시스템에 관한 것이다.
오늘날 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 수소연료전지차가 차세대 친환경 자동차로 주목을 받고 있다.
이러한 수소연료전지차는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소연료탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재되어 있다.
즉, 수소연료전지차는 수소연료탱크에서 공급되는 기체 또는 액체 상태의 수소 연료를 공기 중 산소와 반응시켜 전기에너지를 생성하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)을 동력원으로 사용하기 때문에 배기가스 및 공해물질을 거의 배출되지 않아 환경오염이 적으며, 적은 연료로도 먼거리를 주행할 수 있다.
일반적으로 수소연료전지차는 승차공간과 충분한 주행거리 확보를 위해 수소스테이션에서 수소를 수소연료탱크에 700bar 정도의 고압으로 충전하여 사용하고 있다.
이를테면, 탱크로리로 운송한 100기압의 수소를 수소스테이션 내의 저장탱크에 압축기를 사용하여 400기압으로 가압하여 임시 저장하고, 이를 수소연료전지차에 700기압으로 주입하기 위하여 압축기로 다시 가압하여 충전하는 방법을 사용하고 있다.
한편, 액체수소(liquid hydrogen)는 극저온 상태(대기압 기준 -253℃)로 냉각해 액화된 수소이며, 기체수소의 부피를 약 1/800로 감소시킬 수 있어 동일 압력에서 기체수소 대비 800배의 체적에너지 밀도를 가지고 있다.
아울러 대기압에서 대용량 저장이 가능해 저장용기의 안전성 부분에서 장점을 가지고 있으며, 낮은 온도로 고압의 기체수소에 비해 폭발 위험성이 낮다.
따라서 고압의 기체수소에 비하여 밀도가 약 1.5~2배 높은 액체수소를 사용하면 동일 수소연료탱크 내에 많은 양의 수소를 낮은 압력으로 저장하여, 즉 충전량을 높여 1회 주행거리를 최대화할 수 있지만, 기체수소를 극저온 상태로 액화하는 공정의 에너지 비용 증가에 따른 경제성 문제를 해결하기 위한 고효율화가 필요하다.
한편, 수소 액화시스템에서 기체 수소를 공급하기 위한 방법으로는 Tube trailer, Steam methane reforming, 수전해 등의 방법이 있으며 대부분 대기압 이상으로 압축된 기체 수소의 공급이 가능하도록 되어 있다.
하지만, 종래의 수소 액화시스템은 주로 상압 상태의 기체 수소 공급만을 고려하여 압축된 기체 수소가 가지고 있는 에너지를 사용할 수 있는 방법이 포함되어 있지 않는 문제점이 있고, 또한 고압 상태 그대로 액체 수소를 저장하는 구성으로 이루어져 수소 액화시스템의 구성에 있어 고압에 견딜 수 있는 시스템 구성으로 설계함에 따라 액화시스템이 무거워지는 문제점이 있어왔다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
KR 10-1756181 B1(2017.07.04) US 20140069116 A1(2014.03.13) KR 10-2019-0135698 A(2019.12.09) KR 10-1987885 B1(2019.06.04) KR 10-2018-0070523 A(2018.06.26)
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려하면서 기체 수소를 액화 시켜 저장할 수 있는 기존의 시스템이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상으로, 기체 수소를 공급할 수 있도록 하는 새로운 수소 액화시스템을 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하여 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 상압 이상으로 공급되는 기체 수소를 감압 없이 냉각하고 냉각된 기체 수소를 팽창밸브를 통해 감압하여 자연적으로 액화 시킬 있고 또한 액화 과정에서 발생된 기체 수소를 액화 시킬 수 있도록 하는 수소 액화시스템을 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 기술적 목적을 달성하기 위함은 물론 종래기술의 문제점 내지 기술적 과제를 해결하고자 하는 본 발명의 구체적 수단은, 수소 액화시스템에 있어 기체 수소 공급관을 통해 상압 이상으로 공급되는 기체 수소를 그대로 냉동기를 통해 냉각시키고 냉각된 기체 수소를 팽창밸브를 통해 압력 및 온도를 감소시켜 액화 하여 저장탱크에 저장하는 수소 액화시스템을 제시한다.
또한, 상기 기체 수소 공급관에 기체 수소의 압력을 증가시켜 상기 냉동기로 공급하도록 압축기를 제시한다.
또한, 상기 기체 수소 공급관에 상기 냉동기 공급전 미리 냉각시켜 공급하도록 예냉기를 제시한다.
또한, 상기 저장탱크에 액체 수소의 저장과정에서 기화 상태로 잔존하는 기체 수소를 액화시키도록 하는 2차 냉동기 및 기체 수소와 상기 2차 냉동기의 열교환을 촉진시키기 위한 열교환기를 제시한다.
상기 열교환기는, 전열면적 또는 열교환량을 증가시키기 위해 핀이 부착된 열교환기, 히팅 파이프(heating pipe) 등이 적용될 수 있다.
이로써 본 발명은 기체 수소를 액화하여 공급할 수 있고, 공급 중 발생되는 기체 수소를 액화할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명은, 상압 이상으로 공급되는 기체 수소를 냉각하고 냉각된 기체 수소를 팽창밸브를 통해 감압하여 자연적으로 액화 시킬 수 있고 또한 액화 과정에서 발생된 기체 수소를 액화 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상압 이상의 기체 수소를 그대로 또는 압축기 등으로 가압된 기체 수소를 활용하므로 수소 액화 효율이 크게 증가하여 소모에너지를 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 압축기 등을 이용해 기체 수소의 밀도가 증가되도록 함에 따라 유속 및 체적이 감소되어 액화 시스템 전체 규모를 축소시킬 수 있고 이를통해 액화 시스템의 제작 및 설치에 따른 비용을 크게 절감시키는 장점이 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 수소 액화시스템을 개략적으로 나타낸 제1실시예의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 수소 액화시스템를 개략적으로 나타낸 제2실시예의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 수소 액화시스템을 개략적으로 나타낸 제3실시예의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 수소 액화시스템을 개략적으로 나타낸 제4실시예의 구성도이다.
도 5는 도 4의 다른 예를 개략적으로 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 하며, 본 발명을 설명하기에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
즉, 본 명세서에서 설시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
아울러 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이외에도 "부" 및 "유닛"의 용어에 대한 의미는 시스템에서 목적하는 적어도 하나의 기능이나 어느 일정한 동작을 처리하는 단위 또는 역할을 하는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합 등을 통한 수단이나 독립적인 동작을 수행할 수 있는 디바이스 또는 어셈블리 등으로 구현할 수 있다.
그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수소 액화시스템은 크게 압축 상태의 기체 수소를 공급하는 기체 수소 공급관(10)과, 상기 기체 수소 공급관(10)을 통해 유입되는 기체 수소를 냉각시키는 냉동기(20)와, 상기 냉동기(20)를 통해 냉각된 고압의 기체 수소를 감압시키는 팽창밸브(30)와, 상기 팽창밸브(30)를 통해 압력이 감소되어 액화 상태로 된 액화 가스를 저장하는 저장탱크(40)로 구성되어 있다.
기체 수소 공급관(10)은, 고압에 견딜수 있는 튜브(Tube) 형태의 관이며, 상온에서 기체 상태로 생산 또는 저장된 기체 수소를 저장탱크(40)에 저장되도록 안내하는 역할을 하게 된다.
냉동기(20)는, 공지와 같이 냉각 기능을 수행하게 되는 것이며, 상기 기체 수소 공급관(10)을 통해 유입되는 기체 수소를 빠르게 냉각시켜 공급하게 된다.
상기 냉동기(20)는 상기 기체 소수 공급관(10)에 냉각 효율성 확보를 위해 하나 또는 복수개 순차적으로 설치될 수 있다.
팽창밸브(30)는, 압축된 기체의 압력을 감소시키고 팽창하여서 온도를 낮추기 위한 공지의 밸브가 적용된 것이며, 상기 냉동기(20)를 통해 냉각된 기체 수소에 대해 압력을 감소시켜 액화 상태로 공급하도록 하게 된다.
저장탱크(40)는, 비교적 큰 내부공간을 가지며 내부 공간에 액화 상태의 수소를 안전 조건에 맞추어 저장하게 된다.
이에따라 기체 수소 공급관(10)을 통해 기체 수소가 공급되도록 하면 공급되는 기체 수소가 냉동기(20)로 유입되게 되고, 이때 냉동기(20)로 유입되는 기체 수소는 냉동기(20)에 의해 냉각되어 액화 상태로 저장탱크(40)에 저장된다.
한편, 상기 저장탱크(40)에는 냉각을 위한 2차 냉동기(70) 및 열교환기(80)가 설치될 수 있으며, 상기 2차 냉동기(70)에서 생성된 냉열은 2차 냉동기(70)에 부착된 열교환기(80)로 전달된다. 이때, 액화 수소의 저장 과정에서 생성되는 기화 상태의 기체 수소는 열교환기(80) 표면과 접촉하여 냉각된 후 재액화되어 다시 액화 상태로 상기 저장탱크(40)의 내부 공간에 저장 된다.
다른 예로서 도 2에 도시된 바와같이 기체 수소가 공급되는 기체 수소 공급관(10)에 압축기(50)를 더 설치하여 고밀도의 기체 수소를 공급할 수 있다.
압축기(50)는, 공급되는 기체 수소를 압축시켜 밀도가 증가된 고압의 기체 수소로 공급될 수 있도록 하는 것으로, 상기 기체 수소 공급관(10)의 관로 상에 설치되어 공급되는 기체 수소를 압축시켜 밀도를 증가되도록 한 후 상기 냉동기(20)로 기체 수소를 공급하게 된다.
즉, 기체 수소를 압축기(50)를 통해 상압 이상으로 압축시킨 상태에서 상기 냉동기(20)로 공급되도록 하게 된다.
또 다른 예로서, 도 3에 도시된 바와같이 기체 수소 공급관(10)에 미리 냉각시킬 수 있는 예냉기(60)를 설치할 수 있다.
예냉기(precooler, 60)는, 별도의 냉동기 등을 통해 미리 기체 수소를 냉각시키기 위한 것으로, 상기 기체 수소 공급관(10)을 통해 유입되는 기체 가스를 상기 냉동기(20)로의 공급전 미리 냉각시키는 역할을 하게 된다.
이에따라, 상기 기체 수소 공급관(10)을 통해 유입되는 기체 수소가 적정 온도 이상으로 공급되는 경우 예냉기(60)를 동작시킨다. 그러면 예냉기(60)가 기체 수소를 적정 온도로 냉각시킨 상태에서 냉동기(20)로 공급하게 된다.
다른 예로서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와같이 기체 수소 공급관(10)에 압축기(50)와 예냉기(60)를 순차적으로 설치할 수 있다.
이에따라 기체 수소 공급관(10)을 통해 기체 수소가 공급되면 압력을 체크하여 압력이 낮은 경우 압축기(50)를 동작시켜 기체 수소를 고압으로 압축시킨 다음 기체 수소 공급관(10)을 통해 냉동기(20)로 공급하게 된다.
이와동시에 기체 수소는 기 장착되어 있는 예냉기(60)를 통하여 적정온도로 냉각된 후 냉동기(20)로 공급되게 된다.
상기와 같이 압축기(50)와 예냉기(60)를 설치된 상태에서 기체 수소가 공급되면 냉동기(20)로의 공급전 최적의 기체 수소를 공급할 수 있어 냉동기(20)를 통한 냉각시 안정된 액화 상태로 저장탱크(40)에 저장할 수 있게 된다.
여기서 본 발명의 수소 액화시스템과 관련한 구성요소 중 상술한 실시 예와 동일 또는 유사한 작용효과를 갖는 구성요소는 상술한 실시 예와 동일한 참조부호를 사용하며, 그에 대한 반복적이고 구체적인 설명은 생략하였다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
10: 기체 수소 공급관
20: 냉동기
30: 팽창밸브
40: 저장탱크
50: 압축기
60: 예냉기
70: 2차 냉동기
80: 열교환기

Claims (7)

  1. 수소 액화시스템에 있어서,
    기체 수소 공급관을 통해 고압으로 공급되는 기체 수소를 적어도 하나 이상의 냉동기를 통해 냉각시키고 냉각된 고압의 기체 수소를 팽창밸브를 통해 압력을 감소시켜 액화 상태로 저장탱크에 저장하는 수소 액화시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장탱크에 액체 수소의 저장과정에서 기화 상태로 잔존하는 기체 수소를 액화시키도록 하는 2차 냉동기를 포함하는 수소 액화시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장탱크에서 생성되는 기체 수소를 상기 2차 냉동기로 전달하는 열교환기를 구비하는 수소 액화시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저장탱크에 상기 2차 냉동기가 적어도 2개 이상 설치되는 수소 액화시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급관에 기체 수소의 밀도를 증가시켜 상기 냉동기로 공급하도록 압축기를 구비하는 수소 액화시스템.
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급관에 상기 냉동기 공급전 미리 냉각시켜 공급하도록 예냉기를 구비하는 수소 액화시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기체 수소 공급관에 상기 냉동기가 적어도 2개 이상 설치되는 수소 액화 시스템.
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