KR20220021954A - 액체수소 충전소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체수소 충전소에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 액체수소 충전소는 저장된 액체수소를 고압의 기체수소로 기화시켜 공급하는 액체수소 충전소에 있어서, 액체수소를 저장하는 액체수소 저장탱크, 상기 액체수소 저장탱크에 저장되어 있는 액체수소를 가압하여 토출시키는 액체수소 고압펌프, 상기 액체수소 고압펌프로부터 토출된 고압의 액체수소를 기화시키는 액체수소 기화기 및 상기 기화기의 후방에 배치되어 기화된 기체수소의 냉열과 공급된 공기를 열교환하여 상기 기체수소를 승온시키는 제 1 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액체수소 충전소{LIQUID HYDROGEN STATION}
본 발명은 액체수소 충전소에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 상태로 저장된 액체수소를 기화시켜 수소를 연료로 구동하는 수소차와 연료전지 발전기 또는 수소를 운반하는 차량 등에 기체수소를 공급하는 액체수소 충전소에 관한 것이다.
액체수소 충전소는 수소를 -253℃의 액체 상태로 저장시키고 수요처(수소를 연료로 구동하는 수소차, 연료전지 발전기, 수소를 운반하는 차량 등)에 공급을 할 때에는 액체수소를 상온 고압의 기체수소로 변환하여 공급하는 충전소이다.
액체수소 충전소는 기체수소 충전소 대비 대용량의 수소를 저장하고 공급할 수 있기 때문에, 수소 경제가 활성화되면 기존의 기체수소 충전소를 대체할 것으로 전망된다.
도 1은 종래의 액체수소 충전소의 구성을 도시하는 도면이다.
액체수소 저장탱크(10)에는 액화된 액체수소가 저장되고, 액체수소 저장탱크(10) 내에 저장된 액체수소는 액체수소 고압펌프(20)에 의해 고압으로 가압되어 토출되고, 토출된 액체수소는 액체수소 기화기(30)에서 기화되어 상온 고압의 기체수소 상태로 수요처에 공급된다. 한편, 외부의 열유입에 의해 액체수소 저장탱크(10) 내에서 기화된 증발가스(Boil-Off Gas)는 액체수소 저장탱크(10) 외부의 증발가스 히터(40)에 의해 승온되고 증발가스 고압압축기(50)에 의해 압축되어 상온 고압의 상태로 수요처에 공급될 수 있다.
전술한 종래의 액체수소 충전소에서는 액체수소를 상온의 기체수소로 변환시킬 때, 액체수소 기화기(30) 및 증발가스 히터에 의한 에너지 소모량이 크고 액체수소의 냉열이 버려지는 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제2018-0138214호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액체수소 충전소에서 액체수소를 상온 고압의 기체수소로 변환하는데 사용되는 에너지를 최소화하고 변환과정에서의 냉열을 활용할 수 있는 액체수소 충전소를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 저장된 액체수소를 고압의 기체수소로 기화시켜 공급하는 액체수소 충전소에 있어서, 액체수소를 저장하는 액체수소 저장탱크; 상기 액체수소 저장탱크에 저장되어 있는 액체수소를 가압하여 토출시키는 액체수소 고압펌프; 상기 액체수소 고압펌프로부터 토출된 고압의 액체수소를 기화시키는 액체수소 기화기; 및 상기 기화기의 후방에 배치되어 기화된 기체수소의 냉열과 공급된 공기를 열교환하여 상기 기체수소를 승온시키는 제 1 열교환기를 포함하는 액체수소 충전소에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 액체수소 기화기는 상기 공기를 액화시키는데 필요한 온도로 기화된 기체수소를 가열하고, 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기는 상기 기체수소와의 열교환에 의해 액화될 수 있다.
여기서, 상기 액화된 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크; 및 상기 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기가 기화된 공기에 의해 발전을 하는 공기터빈을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 액체공기 저장탱크에 저장되어 있는 액체공기를 가압하여 토출시키는 액체공기 고압펌프; 및 상기 액체공기 고압펌프와 상기 공기터빈 사이에 배치되어 액체공기의 냉열과 상기 공기터빈을 통과하여 배출되는 공기를 열교환시키는 제 2 열교환기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 공기터빈에서 배출되어 상기 제 2 열교환기에서 냉각된 공기는 냉장, 냉동 또는 공조를 위한 시설에 공급되어 재사용될 수 있다.
여기서, 상기 액체공기 저장탱크에 저장되어 있는 액체공기를 가압하여 토출시키는 액체공기 고압펌프; 상기 액체공기 고압펌프와 상기 공기터빈 사이에 배치되어 상기 액체공기 고압펌프로부터 토출되는 액체공기의 냉열을 저장시키고, 저장된 냉열을 이용하여 공기압축기에 의해 압축되어 공급되는 공기를 냉각시키는 냉열저장장치; 및 상기 냉열저장장치에서 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성시켜 상기 액체공기 저장탱크에 공급하는 팽창밸브를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 액체공기 저장탱크와 상기 팽창밸브 사이에 형성되는 기액분리기를 더 포함하고, 상기 기액분리기에서 분리된 액체공기는 상기 액체공기 저장탱크로 공급되고, 상기 기액분리기에서 분리된 기체공기는 상기 냉열저장장치를 통과하여 상기 공기압축기로 재유입시킬 수 있다.
여기서, 상기 공기압축기로부터 압축되어 공급되는 공기는 상기 제 1 열교환기 또는 상기 냉열저장장치로 분기되어 공급될 수 있다.
여기서, 상기 공기터빈에서 배출되는 공기는 공조를 위한 시설에 공급되어 재사용될 수 있다.
여기서, 외부의 열유입에 의해 상기 액체수소 저장탱크 내에서 발생한 증발가스를 공급받아 가열하는 증발가스 히터를 더 포함하고, 상기 증발가스 히터에서 승온된 증발가스는 상기 제 1 열교환기에 유입되어 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기와 열교환을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 증발가스 히터는 상기 공기를 액화시키는데 필요한 온도로 상기 증발가스를 가열하고, 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기는 상기 증발가스와의 열교환에 의해 액화될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 열교환기에서 승온된 증발가스를 고압으로 압축시키는 증발가스 고압압축기를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 액체수소 충전소에 따르면 열교환기에 공급된 공기와의 열교환으로 기체수소를 상온까지 승온시킬 수 있으므로, 액체수소 기화기 및 증발가스 히터에 공급되는 에너지의 양을 최소화할 수 있다.
또한, 액체수소 충전소의 수소 충전 과정에서 버려지는 액체수소의 냉열을 이용하여 액체공기를 생성하여 전력 생산에 활용할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 액체공기를 이용한 전력 생산 후에 냉열 회수 과정을 통해 저온 청청 공기를 식품의 냉장 또는 냉동, 도심 상업지구 및 대규모 공공시설의 냉방 공조 등에 활용할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 액체공기를 기화시켜 전력을 생산하는 과정에서 발생하는 액체공기의 냉열을 냉열저장장치에 저장하고 저장된 냉열을 활용하여 액체공기를 생성하도록 함으로써 수소 충전에 의한 냉열을 활용할 수 없는 경우에도 액체공기를 생성할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 종래의 액체수소 충전소의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체수소 충전소의 구성도이다.
도 3은 도 2에서 액체수소 충전 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2에서 액체공기를 활용한 발전 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액체수소 충전소의 구성도이다.
도 6은 도 5에서 액체수소 충전 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 도 5에서 액체공기를 활용한 발전 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 도 5에서 냉열저장장치를 활용한 액체공기 생성 동작을 설명하는 도면이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 액체수소 충전소를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체수소 충전소의 구성도이고, 도 3은 도 2에서 액체수소 충전 동작을 설명하는 도면이고, 도 4는 도 2에서 액체공기를 활용한 발전 동작을 설명하는 도면이다.
본 발명에서 액체수소 충전소는 액체 상태로 저장되어 있는 액체수소를 기화시켜 기체수소의 형태로 수소를 연료로 구동하는 수소차와 연료전지 발전기 및 수소를 운반하는 차량 등의 수요처에 공급하는 수소 공급을 위한 충전소이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액체수소 충전소는 액체수소 저장탱크(110), 액체수소 고압펌프(120), 액체수소 기화기(130), 제 1 열교환기(160)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 액체공기 저장탱크(210) 및 액체공기 저장탱크(210)에 저장된 액체공기를 에너지원으로 활용한 발전 설비 등을 더 포함할 수 있다.
액체수소 저장탱크(110)는 극저온(-253℃)으로 액화된 액체수소를 저장한다. 액체수소 저장탱크(110)는 액체수소가 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크로 형성될 수 있다.
액체수소 고압펌프(120)는 액체수소 저장탱크(110)에 저장되어 있는 액체수소를 350 내지 700 bar 정도의 압력으로 가압시켜 토출시킨다.
액체수소 기화기(130)는 액체수소 고압펌프(120)로부터 고압으로 가압되어 토출되는 액체수소를 기화시켜 기체수소를 생성시킨다. 이때, 액체수소 기화기(130)에서는 후방에 위치하는 제 1 열교환기(160)에서의 냉열 활용에 적합한 온도로 기체수소를 가열하는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이 제 1 열교환기(160)에서는 제 1 열교환기(160)를 통과하는 기체수소의 냉열을 활용하여 제 1 열교환기(160)에 유입되는 공기를 액화시켜 액체공기를 생성한다. 따라서, 액체수소 기화기(130)에서는 제 1 열교환기(160)에서 공기액화(-193℃)에 필요한 온도로 기체수소를 가열하여 승온시키는 것이 바람직하다.
제 1 열교환기(160)에서는 액체수소 기화기(130)로부터 유입되는 기체수소와 송풍기(170)로부터 유입되는 공기 사이에 열교환을 수행한다. 열교환에 의해 제 1 열교환기(160)로 유입된 기체수소는 수요처로 공급되는 상온 고압의 수소기체로 승온되고 제 1 열교환기(160)로 유입된 공기는 기체수소의 냉열에 의해 액화되어 액체공기로 상변화될 수 있다.
또한, 단열처리에도 불구하고 외부로부터 유입된 열에 의해 액체수소 저장탱크(110) 내부에는 증발가스(Boil-Off Gas)(증발가스도 기체 상태의 수소이지만 액체수소 기화기(130)에서 기화된 기체수소와 구분하여 증발가스라고 칭함)가 발생될 수 있다. 이는 액체수소 저장탱크(110)의 내부 압력을 높이는 요소로 액체수소 저장탱크(110) 외부로 배출되어 처리되어야 한다. 증발가스 히터(140)는 액체수소 저장탱크(110) 내에서 증발된 증발가스를 공급받아 이를 가열시킨다. 이때, 상기 증발가스 히터(140)도 후방에 위치하는 제 1 열교환기(160)에서의 냉열 활용에 적합한 온도로 증발가스를 가열하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 열교환기(160)에서 공기 액화에 필요한 온도로 가열시키는 것이 바람직하다.
증발가스 히터(140)에 의해 승온된 증발가스도 제 1 열교환기(160)에 유입되어 제 1 열교환기(160)에 유입되는 공기와의 열교환으로 승온되고 상기 증발가스의 냉열은 제 1 열교환기(160)에 유입되는 공기를 액화시키는데 사용될 수가 있다.
증발가스 고압압축기(150)는 제 1 열교환기(160)에서 승온된 증발가스를 고압(350 내지 700 bar 정도의 압력)으로 압축시킨다. 증발가스 고압압축기(150)에서 고압으로 압축된 증발가스는 액체수소 기화기(130)에서 기화되어 처리된 기체수소와 함께 수요처에 공급될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 제 1 열교환기(160)로 유입되는 공기와의 열교환으로 기체수소를 승온시킬 수가 있으므로, 액체수소 기화기(130) 및 증발가스 히터(140)에 공급되는 에너지의 양을 최소화할 수가 있다.
제 1 열교환기(160)에서 열교환에 의해 생성되는 액체공기는 액체공기 저장탱크(210)에 저장되어 발전을 위한 에너지원으로 사용될 수가 있다. 액체공기를 이용하여 발전을 할 때 사용되는 공기는 입자, 수분, 이산화탄소 등이 제거되어야 하므로, 상기 송풍기(170)로부터 공급되는 공기는 별도의 전처리장치(미도시)에 의해 입자, 수분, 이산화탄소 등이 제거될 수 있다.
액체공기를 이용한 발전은 공기를 액화하여 저온 에너지의 형태로 저장하였다가 필요 시에 액체공기를 기체공기로 기화시켜 공기터빈을 돌리는 방법으로 발전을 수행한다. 액체공기를 이용한 발전은 에너지 저장매체로 대기압 상태의 고밀도 액체공기를 사용하기 때문에 친환경적이고 안전하며 대용량의 에너지 저장이 가능하다.
하지만, 공기를 액화하는데 많은 에너지가 들어가기 때문에 액체공기를 이용한 에너지 저장 설비의 충방전 효율이 낮은 문제점이 있다. 따라서, 공기 액화에 들어가는 에너지 비용을 낮추는 것이 필요한데, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 제 1 열교환기(160)에서 기체수소 또는 증발가스의 냉열을 활용하여 액체공기를 생성할 수 있다.
액체공기 저장탱크(210)는 제 1 열교환기(160)에서 기체수소 또는 증발가스의 냉열과 열교환되어 액화된 액체공기를 저장한다. 액체공기 저장탱크(210)는 액체공기가 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크로 형성될 수 있다.
액체공기 고압펌프(220)는 액체공기 저장탱크(210)에 저장되어 있는 액체공기를 고압으로 가압하여 토출시킨다. 토출된 액체공기는 공기히터(240)에 의해 가열되어 기화되고, 기화된 기체공기는 공기터빈(250)으로 공급되어 발전을 하게 된다.
이때, 본 발명에서는 액체공기 고압펌프(220) 후방에 제 2 열교환기(230)가 배치될 수 있는데, 제 2 열교환기(230)에서는 액체공기 고압펌프(220)에서 토출되는 고압의 액체공기가 가지고 있는 냉열을 공기터빈(250)을 거친 공기가 열교환에 의해 회수하도록 한다. 따라서, 제 2 열교환기(230)에서 냉열을 회수한 차가운 청정 공기는 식품의 냉동 또는 냉장, 도심 상업지구 또는 대형 공공시설의 공조를 위한 냉열로 재사용될 수가 있다.
도 3에서는 액체수소 충전 동작을 굵은 화살표로 도시하고 있다. 액체수소 저장탱크(110)에 저장되어 있는 액체수소는 액체수소 고압펌프(120)에 의해 고압으로 가압되어 토출되고 액체수소 기화기(130)에 의해 가열되어 기체수소 상태로 제 1 열교환기(160)에 공급된다.
또한, 외부의 열유입에 의해 액체수소 저장탱크(110) 내에서 증발된 증발가스는 증발가스 히터(140)에 의해 가열되어 제 1 열교환기(160)에 공급된다.
이때, 액체수소 기화기(130) 및 증발가스 히터(140)에 의해 가열되는 기체수소 및 증발가스는 제 1 열교환기(160)에 유입되는 공기를 액화시키는데 필요한 온도로 승온시키는 것이 바람직하다.
제 1 열교환기(160)를 거친 기체수소는 상온 고압의 기체수소로 수요처에 공급될 수가 있다. 한편, 증발가스는 제 1 열교환기(160) 후방의 증발가스 고압압축기(150)에 의해 가압되어 수요처에 공급될 수 있다.
제 1 열교환기(160)로 유입되는 공기는 기체수소와 증발가스의 냉열에 의해 액화되어 액체공기로 변환되고, 상기 액체공기는 액체공기 저장탱크(210)에 저장될 수가 있다. 이와 같이, 제 1 열교환기(160)에서 공기와의 열교환에 의해 기체수소 및 증발가스에 열에너지를 가하도록 함으로써, 액체수소 기화기(130) 및 증발가스 히터(140)에 공급되는 열에너지의 양을 최소화할 수가 있다. 또한, 제 1 열교환기(160)에서 열교환으로 발전을 위한 에너지 저장매체인 액체공기를 생성할 수가 있어서, 액체수소를 기체수소로 변화시키는 과정에서 발생하는 냉열을 활용할 수가 있다.
도 4에서는 액체공기를 활용한 발전 동작을 굵은 화살표로 도시하고 있다.
액체공기 고압펌프(220)는 액체공기 저장탱크(210) 내의 액체공기를 고압으로 가압하여 토출시킨다. 토출된 액체공기는 공기히터(240)에 의해 가열되어 기화되고, 기화된 공기는 공기터빈(250)을 돌려서 발전을 하게 된다.
한편, 액체공기 고압펌프(220) 후방에는 제 2 열교환기(230)가 배치될 수 있는데, 액체공기 고압펌프(220)로부터 토출되어 제 2 열교환기(230)로 유입되는 액체공기와 공기터빈(250)을 거친 공기는 열교환을 수행하게 된다. 따라서, 상기 열교환에 의해 액체공기 공기펌프(220)로부터 토출되는 액체공기는 기화될 수가 있고, 공기터빈(250)을 거친 공기는 냉열을 회수하여 냉각됨으로써 식품의 냉동 또는 냉장, 도심 상업지구 또는 대형 공공시설의 공조를 위한 냉열로 재사용될 수가 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조로 본 발명의 다른 실시예에 따른 액체수소 충전소에 대하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 액체수소 충전소의 구성도이고, 도 6은 도 5에서 액체수소 충전 동작을 설명하는 도면이고, 도 7은 도 5에서 액체공기를 활용한 발전 동작을 설명하는 도면이고, 도 8은 도 5에서 냉열저장장치를 활용한 액체공기 생성 동작을 설명하는 도면이다.
이하의 설명에서는 도 2 내지 도 4를 참조로 전술한 실시예와 비교하여 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.
본 실시예에서 액체수소 저장탱크(110), 액체수소 고압펌프(120), 액체수소 기화기(130), 증발가스 히터(140), 제 1 열교환기(160) 및 증발가스 고압압축기(150)를 이용하여 액체수소를 기체수소로 변환시켜 수요처에 기체수소를 공급시키는 구성 및 제 1 열교환기(160)에 유입되는 공기가 제 1 열교환기(160)에 공급되는 기체수소와 증발가스의 냉열에 의해 냉각되어 액화되는 구성은 전술한 실시예와 동일하다.
냉열저장장치(260)는 액체공기를 이용한 발전 동작 시 액체공기 고압펌프(220)를 통해 고압으로 토출되는 액체공기가 통과할 때 액체공기의 냉열을 저장한다. 냉열저장장치(260) 및 냉열저장장치(260) 후방의 공기히터(240)에 의해 액체공기는 기화될 수 있으며 고압으로 기화된 공기는 공기터빈(250)을 돌려 발전을 하게 된다.
이때, 본 실시예에서는 공기터빈(250)을 거친 상온 또는 상온보다 약간 낮은 온도의 청정 공기는 도심의 상업지구 또는 대형 공공시설의 공조를 위해 재사용될 수가 있다.
냉열저장장치(260)에 저장된 냉열은 액체공기의 충전시 재사용될 수가 있다. 본 실시예에서는 액체수소의 충전 과정이 정지되거나 액체수소가 소진되어 제 1 열교환기(160)를 통해 액체공기를 생성할 수 없는 경우에도 냉열저장장치(260)에 저장된 냉열을 이용하여 액체공기를 생성할 수가 있다.
공기압축기(175)로부터 고압으로 압축된 공기는 냉열저장장치(260)에 유입된다. 이때, 공기압축기(175)로부터 압축된 공기는 제 1 열교환기(160) 또는 냉열저장장치(260)로 분기되어 공급될 수 있다. 각각의 연결 배관에는 밸브(292, 294)를 구성하여 액체수소 저장탱크(110)에 저장된 액체수소를 기체수소로 변환시켜 수요처에 공급할 때에는 제 1 열교환기(160)에 압축된 공기가 공급될 수 있도록 밸브(292, 294)를 제어하고, 제 1 열교환기(160)의 동작과 별도로 냉열저장장치(260)를 이용하여 액체공기를 생성시키는 경우에는 냉열저장장치(260)에 압축된 공기가 공급될 수 있도록 밸브(292, 294)를 제어할 수 있다.
공기압축기(175)에 의해 고압으로 압축된 공기는 냉열저장장치(260)에 유입되고, 액체공기를 이용한 발전 과정에서 미리 저장된 냉열저장장치(260)의 냉열을 이용하여 냉각될 수가 있다.
냉열저장장치(260)에서 냉각된 공기는 팽창밸브(270)를 거쳐 액화되어 액체공기를 생성하게 되고, 생성된 액체공기는 액체공기 저장탱크(210)에 저장될 수 있다.
한편, 액체공기 저장탱크(210)와 냉열저장장치(260) 사이에는 기액분리기(280)가 배치될 수 있다. 팽창밸브(270)를 통해 액화되지 못한 고압의 기체공기는 기액분리기(280)를 통해 분리되어 다시 냉열저장장치(260)를 통과하여 공기압축기(175)로 재유입시켜 다시 액화를 시도하게 된다.
또한, 도시되어 있는 것과 같이 제 1 열교환기(160)를 통해 유입되는 액체공기도 기액분리기(280)를 거치도록 하여 액화되지 않는 공기는 공기압축기(175)로 재유입시킬 수가 있다.
도 6에서는 본 실시예와 관련하여 액체수소 충전 동작을 굵은 화살표로 도시하고 있다.
액체수소 저장탱크(110)에 저장된 액체수소를 기체수소로 변환시키는 과정에서 냉열을 활용하여 제 1 열교환기(160)에서 액체공기를 생성하는 동작은 도 3을 참조로 전술한 내용과 동일하다.
액체수소의 충전 과정에서 공기압축기(175)에서 가압되어 압축된 공기가 제 1 열교환기(160)에 공급되고 제 1 열교환기(160)에서 생성된 액체공기를 액체공기 저장탱크(210)에 저장되므로, 공기압축기(175)와 제 1 열교환기(160) 사이 및 제 1 열교환기(160)와 액체공기 저장탱크(210) 사이에 배치되는 밸브(292, 296)는 열리고, 공기압축기(175)와 냉열저장장치(260) 사이에 배치되는 밸브(294)는 닫히게 된다.
제 1 열교환기(160)에서 생성된 액체공기는 기액분리기(280)를 통과하게 되는데, 제 1 열교환기(160)에서 액화되지 않은 기체공기는 기액분리기(280)에서 분리되어 냉열저장장치(260)를 통과한 후 공기압축기(175)를 통해 제 1 열교환기(160)로 재유입될 수가 있다.
한편, 기액분리기(280)에서 분리된 액체공기는 액체공기 저장탱크(210)에 저장된다.
도 7에서는 액체공기를 활용한 발전 동작을 굵은 화살표로 도시하고 있다.
액체공기 고압펌프(220)는 액체공기 저장탱크(210) 내의 액체공기를 고압으로 가압하여 토출시킨다. 토출된 액체공기는 냉열저장장치(260)를 통과하며 냉열저장장치(260)에는 액체공기의 냉열을 저장하게 된다.
냉열저장장치(260)를 통과한 공기는 공기히터(240)에 의해 추가로 가열되고, 가열된 기체공기는 공기터빈(250)을 돌려서 발전을 하게 된다.
공기터빈(250)을 통해 배출되는 상온 또는 상온보다 약간 낮은 온도의 청정 공기는 도심 상업지구 또는 대형 공공시설의 공조를 위해 재사용될 수 있다.
도 8에서는 냉열저장장치(260)를 이용하여 액체공기 생성 동작을 굵은 화살표로 도시하고 있다.
본 실시예에서는 액체수소의 충전 과정이 정지되거나 액체수소가 소진되어 제 1 열교환기(160)를 통해 액체공기를 생성할 수 없는 경우에도 냉열저장장치(260)에 저장된 냉열을 이용하여 액체공기를 생성시킬 수 있다.
이때, 도 6과 반대로 공기압축기(175)와 제 1 열교환기(160) 사이 및 제 1 열교환기(160)와 액체공기 저장탱크(210) 사이에 배치되는 밸브(292, 296)는 닫히고, 공기압축기(175)와 냉열저장장치(260) 사이에 배치되는 밸브(294)는 열리게 된다.
공기압축기(175)에서 가압되어 압축된 공기는 액체공기를 이용한 발전과정에서 냉열저장장치(260)에 미리 저장된 냉열을 이용하여 냉각된다. 냉열저장장치(260)에서 냉각된 공기는 팽창밸브(270)를 통해 감압 팽창되어 액화될 수 있다.
기액분리기(280)에서는 팽창밸브(270)를 통해 액화된 액체공기와 일부 액화되지 않은 기체공기를 분리시키고, 분리된 액체공기는 액체공기 저장탱크(210)에 저장된다. 한편, 기액분리기(280)에서 분리된 기체공기는 다시 냉열저장장치(260)를 통과하여 공기압축기(175)로 재유입되어 다시 액화를 시도하게 된다.
한편 도시하지 않았지만, 액체수소 충전과정에서 제 1 열교환기(160)에서의 액체공기 생성과 냉열저장장치(260)를 이용한 액체공기 생성이 동시에 이루어질 수도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 액체수소 저장탱크
120: 액체수소 고압펌프
130: 액체수소 기화기
140: 증발가스 히터
150: 증발가스 고압압축기
160: 제 1 열교환기
170: 송풍기
175: 공기압축기
210: 액체공기 저장탱크
220: 액체공기 고압펌프
230: 제 2 열교환기
240: 공기히터
250: 공기터빈
260: 냉열저장장치
270: 팽창밸브
280: 기액분리기
292, 294, 296: 밸브

Claims (12)

  1. 저장된 액체수소를 고압의 기체수소로 기화시켜 공급하는 액체수소 충전소에 있어서,
    액체수소를 저장하는 액체수소 저장탱크;
    상기 액체수소 저장탱크에 저장되어 있는 액체수소를 가압하여 토출시키는 액체수소 고압펌프;
    상기 액체수소 고압펌프로부터 토출된 고압의 액체수소를 기화시키는 액체수소 기화기; 및
    상기 기화기의 후방에 배치되어 기화된 기체수소의 냉열과 공급된 공기를 열교환하여 상기 기체수소를 승온시키는 제 1 열교환기를 포함하는 액체수소 충전소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액체수소 기화기는 상기 공기를 액화시키는데 필요한 온도로 기화된 기체수소를 가열하고, 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기는 상기 기체수소와의 열교환에 의해 액화되는 액체수소 충전소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 액화된 액체공기를 저장하는 액체공기 저장탱크; 및
    상기 액체공기 저장탱크에 저장된 액체공기가 기화된 공기에 의해 발전을 하는 공기터빈을 더 포함하는 액체수소 충전소.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 액체공기 저장탱크에 저장되어 있는 액체공기를 가압하여 토출시키는 액체공기 고압펌프; 및
    상기 액체공기 고압펌프와 상기 공기터빈 사이에 배치되어 액체공기의 냉열과 상기 공기터빈을 통과하여 배출되는 공기를 열교환시키는 제 2 열교환기를 더 포함하는 액체수소 충전소.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공기터빈에서 배출되어 상기 제 2 열교환기에서 냉각된 공기는 냉장, 냉동 또는 공조를 위한 시설에 공급되어 재사용되는 액체수소 충전소.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 액체공기 저장탱크에 저장되어 있는 액체공기를 가압하여 토출시키는 액체공기 고압펌프;
    상기 액체공기 고압펌프와 상기 공기터빈 사이에 배치되어 상기 액체공기 고압펌프로부터 토출되는 액체공기의 냉열을 저장시키고, 저장된 냉열을 이용하여 공기압축기에 의해 압축되어 공급되는 공기를 냉각시키는 냉열저장장치; 및
    상기 냉열저장장치에서 냉각된 공기를 팽창시켜 액체공기를 생성시켜 상기 액체공기 저장탱크에 공급하는 팽창밸브를 더 포함하는 액체수소 충전소.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 액체공기 저장탱크와 상기 팽창밸브 사이에 형성되는 기액분리기를 더 포함하고,
    상기 기액분리기에서 분리된 액체공기는 상기 액체공기 저장탱크로 공급되고, 상기 기액분리기에서 분리된 기체공기는 상기 냉열저장장치를 통과하여 상기 공기압축기로 재유입시키는 액체수소 충전소.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기압축기로부터 압축되어 공급되는 공기는 상기 제 1 열교환기 또는 상기 냉열저장장치로 분기되어 공급되는 액체수소 충전소.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 공기터빈에서 배출되는 공기는 공조를 위한 시설에 공급되어 재사용되는 액체수소 충전소.
  10. 제 1 항에 있어서,
    외부의 열유입에 의해 상기 액체수소 저장탱크 내에서 발생한 증발가스를 공급받아 가열하는 증발가스 히터를 더 포함하고,
    상기 증발가스 히터에서 승온된 증발가스는 상기 제 1 열교환기에 유입되어 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기와 열교환을 수행하는 액체수소 충전소.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 증발가스 히터는 상기 공기를 액화시키는데 필요한 온도로 상기 증발가스를 가열하고, 상기 제 1 열교환기에 공급된 공기는 상기 증발가스와의 열교환에 의해 액화되는 액체수소 충전소.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기에서 승온된 증발가스를 고압으로 압축시키는 증발가스 고압압축기를 더 포함하는 액체수소 충전소.
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