KR20220022734A - Hydrogen Liquefaction System and Method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소 기체를 액화시키기 위한 수소 액화 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen liquefaction system and method for liquefying hydrogen gas.
수소 에너지는 환경 친화적인 에너지원으로서, 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다. Hydrogen energy is an environmentally friendly energy source, and it can be used as a fuel for automobile power sources and fuel cells for portable electronic devices.
현재 산업에서 주로 채택되고 있는 가장 합리적인 수소의 저장 및 운송 기술은, 수소를 액화시켜 부피당 에너지 밀도가 가장 좋은 액화수소의 형태로 저장 및 운송하는 방법과, 수소를 고압으로 압축시켜 중량당 에너지 밀도가 가장 좋은 고압 기체 수소의 형태로 저장 및 운송하는 방법이다. The most reasonable hydrogen storage and transportation technology currently employed in industry is a method of storing and transporting hydrogen in the form of liquefied hydrogen with the best energy density per volume by liquefying it, and compressing hydrogen at high pressure to increase the energy density per weight. It is the best method of storage and transportation in the form of high-pressure gaseous hydrogen.
지구상에서 가장 가벼운 원소인 수소는, 응축 온도가 대기압 조건에서 약 20K(약 -253℃) 정도로 매우 낮기 때문에, 초저온 냉동기가 필요하며 액화 에너지가 많이 소모되는 단점이 있다. Hydrogen, which is the lightest element on earth, has a disadvantage in that it requires a cryogenic refrigerator and consumes a lot of liquefaction energy because its condensation temperature is very low, about 20K (about -253℃) under atmospheric pressure conditions.
도 1에는 종래의 수소 액화 시스템이 간략하게 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 기존의 수소 액화 방법은, 역브레이튼사이클(reverse Brayton cycle)(1)에 의하여 초저온이 되는 헬륨(He) 냉매와 수소 기체(H2)를 열교환기(2)에서 열교환시켜 수소 기체를 냉각시키고, 냉각된 수소 기체는 줄-톰슨 밸브(3)를 이용하여 팽창시켜 포화 상태의 액화수소(LH2)를 생성하며, 줄-톰슨 밸브(3)에서 액화되지 않은 포화 상태의 수소 기체는 열교환기(2)에서 수소 기체의 자가 냉각에 활용하는 방법을 사용한다. 1 schematically shows a conventional hydrogen liquefaction system. Referring to Figure 1, the conventional hydrogen liquefaction method, a helium (He) refrigerant and hydrogen gas (H 2 ), which are at a very low temperature by a reverse Brayton cycle (1), are heat exchanged in a heat exchanger (2). The hydrogen gas is cooled, and the cooled hydrogen gas is expanded using the Joule-Thomson valve (3) to produce saturated liquid hydrogen (LH 2 ), and the Joule-Thomson valve (3) is in a saturated state that is not liquefied. Hydrogen gas is used for self-cooling of the hydrogen gas in the heat exchanger (2).
또한, 기존의 수소 액화 방법은, 수소 액화 시스템의 운전 효율을 높이기 위하여, 수소 기체를 열교환기(2)에서 냉각시키기 전에 예냉시키는 수소 예냉기(4)와, 헬륨 냉매를 예냉시키는 헬륨 예냉기(5)에서, 수소 기체 및 헬륨 냉매를 예냉시킨다. 이때, 예냉에 필요한 냉열원으로서는 액체 질소(LN2) 또는 액화천연가스(LNG;Liquefied Natural Gas)를 사용하였다. In addition, in the conventional hydrogen liquefaction method, in order to increase the operating efficiency of the hydrogen liquefaction system, a
수소 기체 및 냉매로 사용되는 헬륨을 예냉시키는 냉열원으로서 액체 질소를 사용하는 경우, 대량으로 산업용 액체 산소와 액체 질소를 생산하는 공기분리 플랜트가 수소 액화 시스템이 구비되는 부지의 인근에 있거나, 또는 공기분리 플랜트로부터 생산된 액체 질소를 탱크로리 등의 운반 수단을 이용하여 수소 액화 시스템이 구비되는 부지로 이송해야 한다. When liquid nitrogen is used as a cooling heat source for pre-cooling hydrogen gas and helium used as a refrigerant, an air separation plant that produces industrial liquid oxygen and liquid nitrogen in large quantities is located in the vicinity of the site where the hydrogen liquefaction system is installed, or Liquid nitrogen produced from the separation plant must be transported to a site equipped with a hydrogen liquefaction system using a transport means such as a tank lorry.
또한, 냉열원으로서 LNG가 사용되는 경우에도, 주로 해안가에 위치하는 LNG 인수기지 인근에 수소 액화 시스템이 구비되거나, 또는 LNG 인수기지에서 탱크로리 등의 운반 수단을 이용하여 수소 액화 시스템이 구비되는 부지까지 이송해야 한다. In addition, even when LNG is used as a cooling and heat source, a hydrogen liquefaction system is provided near an LNG receiving base located mainly on the coast, or from an LNG receiving base to a site where a hydrogen liquefaction system is provided using a transport means such as a tank lorry. must be transported
즉, 이와 같이 냉열원으로서 액체 질소나 LNG를 사용하는 경우, 수소 액화 시스템의 설치 부지에 대한 지역적인 한계가 있고, 냉열원의 운송 비용이 소모된다는 단점이 있다. That is, when liquid nitrogen or LNG is used as a cooling heat source as described above, there is a regional limit for the installation site of the hydrogen liquefaction system, and there is a disadvantage that the transportation cost of the cooling heat source is consumed.
한편, 기존의 수소 액화 시스템에 의하면, 수소 기체를 압축하는 수소 압축기(6)와, 헬륨을 압축하는 헬륨 압축기(7)을 구동시키는데 필요한 전력 소모량이 수소 액화 시스템 전체 전력 소모량의 대부분을 차지한다. 따라서, 획기적인 절전 성능을 가진 수소 압축기와 헬륨 압축기가 개발되거나 탁월한 냉각 성능을 발휘하는 새로운 수소 액화 공정이 개발되지 않는 한, 수소 액화 시스템의 운전 효율을 높이기 쉽지 않다는 문제점이 있다. On the other hand, according to the existing hydrogen liquefaction system, the power consumption required to drive the
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것을 목적으로 하며, 수소 액화 시스템의 부지 선정에 대한 제한을 거의 받지 않고, 자체 전력을 생산하여 높은 운전 효율을 달성할 수 있는 수소 액화 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and there is little restriction on the site selection of the hydrogen liquefaction system, and a hydrogen liquefaction system and method that can generate their own power to achieve high operating efficiency would like to provide
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 수소 기체를 액화시키는 수소 액화부; 상기 수소 기체를 냉각시키기 위한 냉매를 순환시키는 냉매 순환부; 및 액체 공기를 이용하여 수소 및 냉매에 냉열을 제공하고, 상기 냉열이 제공하면서 온도가 높아진 공기를 이용하여 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함하는, 수소 액화 시스템이 제공된다. According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a hydrogen liquefaction unit for liquefying hydrogen gas; a refrigerant circulation unit circulating a refrigerant for cooling the hydrogen gas; and an air power generation unit that provides cooling heat to hydrogen and a refrigerant by using liquid air, and generates electric power using the air whose temperature is increased while the cooling heat is provided.
바람직하게는, 상기 수소 액화부는, 상기 액화시킬 수소를 압축하는 수소 압축기;를 포함하고, 상기 냉매 순환부는, 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기;를 포함하며, 상기 공기 발전부에서 생산된 전력은 상기 수소 압축기 및 냉매 압축기를 구동시키는 전력으로 사용될 수 있다.Preferably, the hydrogen liquefaction unit includes a hydrogen compressor for compressing the hydrogen to be liquefied, and the refrigerant circulation unit includes a refrigerant compressor for compressing the refrigerant, and the power generated by the air power generation unit is the It can be used as electric power to drive a hydrogen compressor and a refrigerant compressor.
바람직하게는, 상기 냉매 순환부는, 상기 냉매 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각 매체와의 열교환에 의해 냉각시키는 중간 냉각기; 및 상기 중간 냉각기에서 냉각된 냉매와 상기 액체 공기를 열교환시켜 상기 냉매를 예냉시키는 냉매 예냉기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the refrigerant circulation unit includes: an intermediate cooler for cooling the refrigerant compressed by the refrigerant compressor by heat exchange with a cooling medium; and a refrigerant precooler configured to pre-cool the refrigerant by exchanging heat with the liquid air with the refrigerant cooled in the intermediate cooler.
바람직하게는, 상기 공기 발전부는, 상기 수소 및/또는 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 공기를 가열하는 공기 과열기;를 포함하고, 상기 공기 과열기에서는, 상기 공기와, 상기 중간 냉각기에서 압축된 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 고온의 냉각 매체가 열교환하여 상기 공기를 가열시킬 수 있다.Preferably, the air power generation unit includes; an air superheater that heats the air having a higher temperature while cooling the hydrogen and/or the refrigerant, and in the air superheater, the air and the refrigerant compressed in the intermediate cooler are cooled A high-temperature cooling medium having an increased temperature while doing heat exchange can heat the air.
바람직하게는, 상기 공기 발전부는, 상기 수소 및/또는 냉매를 예냉시키면서 온도가 높아진 공기를 작동 유체로 하여 구동되는 공기 터빈; 상기 공기 터빈과 연결되어 상기 공기 터빈의 구동력으로 전력을 생산하는 발전기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the air power generation unit, an air turbine driven by using the hydrogen and/or the temperature increased air while pre-cooling the refrigerant as a working fluid; It may further include; a generator connected to the air turbine to generate electric power using the driving force of the air turbine.
바람직하게는, 상기 공기 발전부는, 상기 수소 및/또는 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 액체 공기의 냉열을 더 회수하여 상기 액체 공기를 기화시켜 상기 공기 터빈으로 공급하는 공기 열교환기; 및 상기 공기 열교환기에 의해 회수된 액체 공기의 냉열을 이용하여 공기를 액화시키는 공기 액화기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the air power generation unit, an air heat exchanger for supplying to the air turbine by further recovering the cooling heat of the liquid air having a temperature increased while cooling the hydrogen and / or the refrigerant to vaporize the liquid air; and an air liquefier for liquefying air by using the cooling heat of the liquid air recovered by the air heat exchanger.
바람직하게는, 상기 공기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기를 인근 지역 또는 건물의 환기용 공기로 공급할 수 있다.Preferably, while driving the air turbine, air with reduced pressure and temperature may be supplied as ventilation air in a neighboring area or building.
바람직하게는, 상기 공기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기를 인근 지역 또는 건물의 냉난방용 공기 또는 물과 열교환시키는 공조용 열교환기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the air-conditioning heat exchanger for heat-exchanging the air whose pressure and temperature have been lowered while driving the air turbine with air or water for heating and cooling of a nearby area or building; may further include.
바람직하게는, 상기 수소 액화부는, 상기 수소 압축기에 의해 압축된 수소와 상기 액체 공기를 열교환시켜 압축된 수소를 예냉하는 수소 예냉기; 상기 수소 예냉기에서 예냉된 수소를 상기 냉매와 열교환시켜 상기 수소를 냉각시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 냉각된 수소를 팽창시켜 액화시키는 줄-톰슨 밸브; 및 상기 줄-톰슨 밸브에 의해 액화된 액체 수소와 액화되지 않은 기체 수소를 분리하는 기액 분리기;를 더 포함하고, 상기 기액 분리기에서 분리된 기체 수소는 상기 열교환기에서 상기 수소를 냉각시키는 자가 냉매로서 공급될 수 있다.Preferably, the hydrogen liquefaction unit includes: a hydrogen precooler for pre-cooling the compressed hydrogen by exchanging the hydrogen compressed by the hydrogen compressor with the liquid air; a heat exchanger for cooling the hydrogen by exchanging the hydrogen precooled in the hydrogen precooler with the refrigerant; a Joule-Thomson valve for expanding and liquefying hydrogen cooled in the heat exchanger; and a gas-liquid separator for separating liquefied liquid hydrogen and non-liquefied gaseous hydrogen by the Joule-Thompson valve, wherein the gaseous hydrogen separated in the gas-liquid separator is a self-refrigerant for cooling the hydrogen in the heat exchanger. can be supplied.
바람직하게는, 상기 냉매 순환부는, 상기 냉매 압축기에 의해 압축된 냉매와 상기 액체 공기를 열교환시켜 상기 냉매를 예냉시키는 냉매 예냉기; 및 상기 냉매 예냉기에서 냉각된 후 상기 열교환기에서 열교환하면서 온도가 높아진 냉매를 팽창시키는 냉매 팽창기;를 더 포함하고, 상기 냉매 팽창기에 의해 팽창된 냉매는 상기 열교환기에서 냉열이 더 회수된 후 상기 냉매 예냉기에서 냉매를 냉각시키는 자가 냉매로 공급될 수 있다. Preferably, the refrigerant circulation unit comprises: a refrigerant precooler for precooling the refrigerant by exchanging heat with the liquid air and the refrigerant compressed by the refrigerant compressor; and a refrigerant expander that expands a refrigerant whose temperature has increased while performing heat exchange in the heat exchanger after being cooled in the refrigerant precooler, wherein the refrigerant expanded by the refrigerant expander is further recovered after cooling heat is further recovered in the heat exchanger A self cooling the refrigerant in the refrigerant precooler may be supplied as the refrigerant.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 공기를 액화시키고, 상기 액화된 액체 공기를 액화시킬 수소와 열교환시켜 수소를 예냉시키고, 상기 예냉된 수소를 냉매 순환부를 순환하는 냉매와 열교환시켜 냉각시키며, 상기 수소와 열교환시킬 냉매는 상기 액체 공기와 열교환시켜 예냉하고, 상기 수소 및 냉매를 예냉시키기 위한 냉열을 제공하면서 온도가 높아진 공기를 작동유체로 하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는, 수소 액화 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention for achieving the above object, the air is liquefied, the liquefied liquid air is heat-exchanged with hydrogen to be liquefied to pre-cool the hydrogen, and the pre-cooled hydrogen is used with a refrigerant circulating in the refrigerant circulation unit and It is cooled by heat exchange, and the refrigerant to be exchanged with hydrogen is pre-cooled by heat exchange with the liquid air, and while providing cooling heat for pre-cooling the hydrogen and the refrigerant, the turbine is driven using the air whose temperature is increased as a working fluid to generate electric power , a hydrogen liquefaction method is provided.
바람직하게는, 상기 수소 및 냉매는 예냉시키기 전에 압축하고, 상기 공기를 이용하여 생산한 전력은 상기 수소 및 냉매를 압축하는데 사용할 수 있다. Preferably, the hydrogen and the refrigerant are compressed before pre-cooling, and electric power generated using the air may be used to compress the hydrogen and the refrigerant.
바람직하게는, 상기 압축된 냉매는 저온의 냉각 매체와 열교환시켜 냉각시키고, 상기 압축된 냉매를 냉각시키면서 온도가 상승한 고온의 냉각 매체와 상기 터빈으로 공급하는 공기를 열교환시켜 상기 공기를 가열할 수 있다.Preferably, the compressed refrigerant is cooled by heat exchange with a low-temperature cooling medium, and the air is heated by exchanging heat with the high-temperature cooling medium whose temperature is increased while cooling the compressed refrigerant and the air supplied to the turbine. .
바람직하게는, 상기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기는 인근 지역 또는 건물의 환기용 공기로 공급하거나, 또는 냉난방용 공기 또는 물과 열교환시켜 열에너지를 회수할 수 있다. Preferably, the air, the pressure and temperature of which is lowered while driving the turbine, may be supplied as ventilation air in a nearby area or building, or heat energy may be recovered by heat exchange with air or water for heating and cooling.
본 발명에 따른 수소 액화 시스템 및 방법은, 부지 선정에 대한 제한을 거의 받지 않으면서도, 수소 및 냉매를 예냉하기 위한 냉열원의 운송 비용을 절감할 수 있다. The hydrogen liquefaction system and method according to the present invention can reduce the transportation cost of a cooling heat source for pre-cooling hydrogen and refrigerant, while receiving almost no restrictions on site selection.
또한, 액화 공기 시스템을 적용하여 수소 및 냉매를 예냉시키는 것과 동시에 자체 전력을 생산하여 사용할 수 있으므로 운전 효율을 높이고, 청정 공기를 이용하여 전력을 생산할 수 있어 친환경 발전이 가능하다. In addition, by applying a liquefied air system, hydrogen and refrigerant can be pre-cooled, and at the same time, it can generate and use its own electric power, thereby increasing operating efficiency and generating electric power using clean air, thereby enabling eco-friendly power generation.
또한, 발전에 사용된 청정 공기를 이용하여 인근 지역이나 건물의 냉방이나 난방 및 환기 등 공조 시스템에 활용할 수 있으므로, 지역 사회의 친환경 공조를 도모할 수 있다. In addition, since the clean air used for power generation can be used in an air conditioning system such as cooling, heating, and ventilation of a nearby area or building, it is possible to promote eco-friendly air conditioning in the local community.
도 1은 기존의 수소 액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a conventional hydrogen liquefaction system.
2 is a schematic diagram illustrating a hydrogen liquefaction system according to a first embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a hydrogen liquefaction system according to a second embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating a hydrogen liquefaction system according to a third embodiment of the present invention.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. Hereinafter, the configuration and operation of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that only the same components are marked with the same reference numerals as much as possible even though they are displayed on different drawings.
하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예들에 따른 수소 액화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. Hereinafter, a hydrogen liquefaction system and method according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4 .
먼저, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화 시스템 및 방법을 설명한다. First, with reference to FIG. 2, a hydrogen liquefaction system and method according to a first embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 제1 실시예에 따른 수소 액화 시스템은, 수소 기체를 액화시키는 수소 액화부; 수소 기체를 액화시키기 위한 냉매를 순환시키는 냉매 순환부; 및 액화 공기를 이용하여 수소 기체와 냉매를 예냉시키고 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함한다. A hydrogen liquefaction system according to a first embodiment of the present invention includes: a hydrogen liquefaction unit for liquefying hydrogen gas; a refrigerant circulation unit circulating a refrigerant for liquefying hydrogen gas; and an air power generation unit that pre-cools hydrogen gas and a refrigerant using liquefied air and generates electric power.
본 실시예의 수소 액화부는, 액화시킬 수소 기체를 압축하는 수소 압축기(101); 수소 압축기(101)에 의해 압축된 압축 수소 기체를 냉매 순환부를 순환하는 냉매와의 열교환에 의해 냉각시키는 열교환기(103, 104, 105); 수소 압축기(101)에 의해 압축된 압축 수소 기체를 열교환기(103, 104, 105)로 공급하기 전에 공기 발전부로부터 이송된 액체 공기와의 열교환에 의해 예냉시키는 수소 예냉기(102); 및 열교환기(103, 104, 105)에서 열교환에 의해 냉각된 수소를 팽창시켜 포화상태로 만드는 줄-톰슨 밸브(106);를 포함한다. The hydrogen liquefaction unit of this embodiment, the
수소 압축기(101)로 공급되는 액화시킬 수소는, 외부에서 공급되는 수소이거나, 또는 수소 액화 시스템이 구비되는 부지 내에서 생산된 수소일 수 있다.The hydrogen to be liquefied supplied to the
외부에서 공급되는 수소는 예를 들어 타 공정에서 생성된 부생수소일 수 있다. 이 경우 부생수소는 타 공정 플랜트와 연결된 배관을 통해 수소 액화 시스템으로 이송되거나 또는 운송 수단에 의해 이송될 수 있다. The hydrogen supplied from the outside may be, for example, by-product hydrogen generated in another process. In this case, the by-product hydrogen may be transferred to the hydrogen liquefaction system through a pipe connected to another process plant, or may be transferred by means of transport.
수소 액화 시스템이 구비되는 부지 내에서 생산된 수소는, 예를 들어, 스팀-메탄 개질 방법에 의해 생산된 수소이거나, 또는 수전해에 의해 생산된 수소일 수 있으며, 이 경우 수소 액화 시스템이 구비되는 부지 내에는 개질 시스템 또는 수전해 시스템이 함께 구비될 수 있다. Hydrogen produced in the site where the hydrogen liquefaction system is provided may be, for example, hydrogen produced by a steam-methane reforming method, or hydrogen produced by water electrolysis, in which case the hydrogen liquefaction system is provided. A reforming system or a water electrolysis system may be provided in the site.
본 실시예의 열교환기(103, 104, 105)는, 수소 예냉기(102)에서 예냉된 수소 기체를 1차로 냉각시키는 제1 열교환기(103); 제1 열교환기(103)에서 1차 냉각된 수소 기체를 2차로 냉각시키는 제2 열교환기(104); 및 제2 열교환기(105)에서 2차 냉각된 수소 기체를 3차로 냉각시키는 제3 열교환기(105);를 포함할 수 있다. The
본 실시예의 제1 열교환기(103), 제2 열교환기(104) 및 제3 열교환기(105)는 도 2에 도시된 바와 같이 직렬로 연결되어 3단계에 걸쳐 압축 수소 기체를 냉각시킬 수 있다. 본 실시예에서는 3개의 열교환기를 포함하여 3단 열교환에 의해 압축 수소 기체를 냉각시키는 것을 예로 들어 설명하나, 열교환 단수는 이에 한정하는 것은 아니다. The
또한, 본 실시예에 따르면 제3 열교환기(105)에서 냉매와의 열교환에 의해 초저온으로 냉각된 수소 기체는, 줄-톰슨 밸브(106)에 의해 팽창되면서 압력 및 온도가 낮아져 포화상태가 되며, 포화 액체 상태와 포화 기체 상태가 공존하는 2상(2-phase)의 수소가 된다.In addition, according to the present embodiment, the hydrogen gas cooled to a very low temperature by heat exchange with the refrigerant in the
본 실시예에 따르면, 줄-톰슨 밸브(106)에 의해 생성된 액체 상태의 액화수소를, 액화되지 않은 포화 수소 기체로부터 분리하는 기액 분리기(107);를 더 포함할 수 있다. According to this embodiment, a gas-
기액 분리기(107)에서 기액 분리된 액체 상태의 액화수소는 수소 저장탱크 또는 수소 수요처로 공급되고, 기액 분리기(107)에서 기액분리된 기체 상태의 포화 수소는 열교환기(103, 104, 105)로 공급되어 압축 수소 기체를 냉각시키는 냉매로 활용될 수 있다. Liquid hydrogen in the gas-liquid state separated by the gas-
즉, 본 실시예의 기액 분리기(107)에서 기액 분리된 기체 상태의 포화 수소는 압축 수소를 자가 냉각시키는 자가 냉매로 활용될 수 있다. That is, the gas-liquid saturated hydrogen separated in the gas-
도 2에 도시된 바와 같이, 기액 분리기(107)에서 기액 분리된 기체 상태의 수소는, 제3 열교환기(105)에서 압축 수소 기체를 냉각시키면서 1차로 냉열이 회수되고, 제2 열교환기(104)에서 2차로 냉열이 회수되며, 제1 열교환기(103)에서 3차로 냉열이 회수된 후, 수소 압축기(101)로 공급되는 수소 기체 흐름에 합류될 수 있다. As shown in FIG. 2 , the gas-liquid hydrogen separated in the gas-
또한, 제1 열교환기(103)에서 3차로 냉열이 회수된 수소 기체는 수소 예냉기(102)에서 냉열이 더 회수된 후 수소 압축기(101)로 재순환될 수 있다. In addition, the hydrogen gas from which cooling heat is recovered tertiarily in the
즉, 본 실시예의 제1 열교환기(103), 제2 열교환기(104) 및 제3 열교환기(105)는 압축 수소 기체와, 냉매와, 기액분리기(107)에서 분리된 포화 수소 기체가 열교환하여, 냉매와 포화 수소 기체는 냉열이 회수되고, 압축 수소 기체는 냉매와 포화 수소 기체의 냉열에 의해 냉각되는, 적어도 3개 이상의 흐름이 열교환하는 3 스트림 또는 4 스트림 열교환기일 수 있다.That is, in the
또한, 본 실시예의 수소 예냉기(102)는, 압축 수소 기체와, 공기 발전부로부터 이송된 액체 공기와, 기액분리기(107)에서 분리되고 제3 열교환기(105), 제2 열교환기(104) 및 제1 열교환기(103)에서 순차적으로 열교환하면서 온도가 높아진 수소 기체가 열교환하여 압축 수소 기체가 냉각되는 3 스트림 열교환기일 수 있다. In addition, in the
본 실시예에 따르면, 수소 기체는, 수소 라인(HL)을 따라 수소 압축기(101), 수소 예냉기(102), 제1 열교환기(103), 제2 열교환기(104), 제3 열교환기(105) 및 줄-톰슨 밸브(106)를 순차적으로 거쳐 액화된 후, 기액분리기(107)로 공급된다. 또한, 기액분리기(107)에서 분리된 액체 수소는 수소 저장소 또는 수소 수요처로 공급되고, 분리된 기체 수소는 수소 회수라인(GL)을 따라 제3 열교환기(105), 제2 열교환기(104), 제1 열교환기(103) 및 수소 예냉기(102)를 순차적으로 거치면서 수소 라인(HL)을 따라 유동하는 수소 기체를 자가 냉각시킨 후, 수소 압축기(101) 상류에서 수소 라인(HL)으로 합류된다. According to this embodiment, the hydrogen gas is a
한편, 본 실시예의 냉매 순환부는, 냉매를 압축하는 냉매 압축기(122); 압축 냉매를 액체 공기와의 열교환에 의해 예냉시키는 냉매 예냉기(121); 및 팽창에 의해 압축 냉매의 압력 및 온도를 낮추는 냉매 팽창기(123, 124);를 포함한다.On the other hand, the refrigerant circulation unit of the present embodiment, the
본 실시예에서 냉매 순환부를 순환하는 냉매는 헬륨(He)일 수 있다. In this embodiment, the refrigerant circulating in the refrigerant circulation unit may be helium (He).
또한, 냉매 압축기(122)와 냉매 예냉기(121) 사이에는, 냉매 압축기(122)에서 압축에 의해 온도가 높아진 압축 냉매를 냉각시키는 중간 냉각기(131);를 더 포함할 수 있고, 중간 냉각기(131)에 의해 냉각된 냉매는 냉매 라인(ML)을 따라 냉매 예냉기(121)로 공급될 수 있다. In addition, between the
본 실시예에 따르면, 냉매 압축기(122)에 의해 압축된 헬륨은 중간 냉각기(131)에서 저온 냉각 매체와의 열교환에 의해 상온까지 냉각될 수 있다. According to this embodiment, the helium compressed by the
본 실시예의 중간 냉각기(131)에서 압축 냉매를 냉각시키는 저온 냉각 매체는 저온 냉각수(CW; Cooling Water)일 수 있다. The low-temperature cooling medium for cooling the compressed refrigerant in the
중간 냉각기(131)에서 냉각된 헬륨은, 냉매 예냉기(121)에서 공기 발전부로부터 이송된 액체 공기와의 열교환에 의해 예냉된다.The helium cooled by the
냉매 예냉기(121)에서 액체 공기와의 열교환에 의해 냉각된 헬륨은 열교환기(103, 104, 105)로 공급되어 압축 수소 기체와의 열교환에 의해 압축 수소 기체를 냉각시키면서 냉열이 회수된다.The helium cooled by heat exchange with liquid air in the
열교환기(103, 104, 105)에서 냉열이 회수되면서 온도가 높아진 헬륨은 냉매 팽창기(123, 124)에 의해 팽창되면서 압력 및 온도가 낮아지고, 냉매 팽창기(123, 124)에 의해 팽창되면서 압력 및 온도가 낮아진 저온의 헬륨은 열교환기(103, 104, 105)에서 냉열이 더 회수된다. Helium, which has increased in temperature as the cooling heat is recovered from the
열교환기(103, 104, 105)에서 냉열이 회수된 헬륨은 압축 헬륨을 냉각시키기 위한 자가 냉매로서 냉매 예냉기(121)로 공급되어 나머지 냉열이 더 회수된 후, 냉매 압축기(122)로 재순환되는 사이클을 형성할 수 있다. The helium from which the cooling heat is recovered in the
즉, 본 실시예에서 열교환기(103, 104, 105)는, 압축 수소 기체와, 냉매 예냉기(121)에서 예냉된 냉매와, 냉매 팽창기(123, 124)에서 팽창된 냉매와, 기액분리기(107)에서 분리된 포화 수소 기체가 열교환하여, 냉매 및 포화 수소 기체는 냉열이 회수되고, 압축 수소 기체는 냉매와 포화 수소 기체의 냉열에 의해 냉각되는 3 스트림 열교환기 또는 4 스트림 열교환기일 수 있다. That is, in the present embodiment, the
본 실시예의 냉매 팽창기(123, 124)는, 냉매 예냉기(121)에서 예냉되고 제1 열교환기(103)에서 열교환 후 온도가 상승한 헬륨을 팽창시키는 제1 냉매 팽창기(123); 및 제1 냉매 팽창기(123)에서 팽창된 후 제2 열교환기(104)에서 열교환하면서 온도가 상승한 헬륨을 팽창시키는 제2 냉매 팽창기(124);를 포함할 수 있다. The
즉, 본 실시예에서 냉매 예냉기(121)에서 액체 공기의 냉열에 의해 냉각된 헬륨은, 제1 열교환기(103)로 공급되어 냉열이 회수된 후, 제1 냉매 팽창기(123)로 공급되어 1차로 팽창된다. 제1 냉매 팽창기(123)에서 팽창된 1차 팽창 헬륨은 제2 열교환기(104)로 공급되어 냉열이 회수된 후, 제2 냉매 팽창기(124)로 공급되어 2차로 팽창된다. 제2 냉매 팽창기(124)에서 팽창된 초저온의 2차 팽창 헬륨은 제3 열교환기(105)로 공급되어 냉열이 회수된 후, 제2 열교환기(104) 및 제1 열교환기(103)를 순차적으로 통과하면서 냉열이 더 회수된다. 제1 열교환기(103)로 부터 배출되는 2차 팽창 헬륨은 헬륨 예냉기(121)에서 냉열이 더 회수된 후 냉매 압축기(122)로 재순환된다. That is, in the present embodiment, the helium cooled by the cooling heat of liquid air in the
본 실시예의 냉매 예냉기(121)는, 액체 공기와, 2차 팽창 헬륨과, 압축 헬륨이 열교환하여, 압축 헬륨을 냉각시키는 3 스트림 열교환기일 수 있다. The
본 실시예의 제1 열교환기(103)에서는, 수소 예냉기(102)에서 액체 수소와의 열교환에 의해 예냉된 예냉 수소; 기액 분리기(107)에서 분리된 후 제3 열교환기(105) 및 제2 열교환기(104)에서 순차적으로 냉열이 회수된 포화 기체 수소; 냉매 예냉기(121)에서 액체 공기와의 열교환에 의해 예냉된 예냉 헬륨; 및 제2 냉매 팽창기(124)에서 팽창된 후 제3 열교환기(105) 및 제2 열교환기(104)에서 순차적으로 냉열이 회수된 2차 팽창 헬륨;이 열교환하여, 예냉 수소를 냉각시킨다. In the
본 실시예의 제2 열교환기(104)에서는, 제1 열교환기(103)에서 1차로 냉각된 1차 냉각 수소; 기액분리기(107)에서 분리된 후 제3 열교환기(105)에서 1차로 냉열이 회수된 포화 기체 수소; 제1 냉매 팽창기(123)에서 팽창된 1차 팽창 헬륨; 및 제2 냉매 팽창기(124)에서 2차로 팽창된 후 제3 열교환기(105)에서 1차로 냉열이 회수된 2차 팽창 헬륨;이 열교환하여, 1차 냉각 수소를 냉각시킨다. In the
또한, 본 실시예의 제3 열교환기(105)에서는, 제2 열교환기(104)에서 2차로 냉각된 2차 냉각 수소; 기액분리기(107)에서 분리된 포화 기체 수소; 및 제2 냉매 팽창기(124)에서 2차로 팽창된 2차 팽창 헬륨;이 열교환하여, 2차 냉각 수소를 초저온으로 냉각시킨다. In addition, in the
본 실시예에 따르면, 냉매 순환부를 순환하는 냉매, 즉 본 실시예에서 헬륨은, 냉매 라인(ML)을 따라 유동하며, 냉매 압축기(122)에서 압축되고, 중간 냉각기(131)에서 냉각된 후, 냉매 예냉기(121)에서 예냉되고, 제1 열교환기(103)에서 냉열이 회수되며, 제1 냉매 팽창기(123)에서 팽창된 후 제2 열교환기(104)에서 냉열이 회수되고, 제2 냉매 팽창기(124)에서 팽창된 후 제3 열교환기(105), 제2 열교환기(104) 및 제1 열교환기(103)에서 순차적으로 냉열이 회수되며, 그 후 냉매 예냉기(121)에서 헬륨을 자가 냉각시킨 후 다시 냉매 압축기(122)로 재순환된다. According to this embodiment, the refrigerant circulating in the refrigerant circulation unit, that is, helium in this embodiment, flows along the refrigerant line ML, is compressed in the
본 실시예의 공기 액화 및 발전부는, 공기를 액화시키는 공기 액화기(201); 공기 액화기(201)에 의해 액화된 액체 공기를 저장하는 액체공기 저장소(202); 액체공기 저장소(202)에 저장된 액체 공기를 수소 예냉기(102) 및 냉매 예냉기(121) 중 어느 하나 이상의 냉매로서 공급하는 펌프(203); 및 수소 예냉기(102) 및 냉매 예냉기(121) 중 어느 하나 이상에서 냉열이 회수되어 온도가 상승한 공기를 작동유체로 사용하여 구동되는 공기 터빈(206); 및 공기 터빈(206)에 연결되어 공기 터빈(206)의 구동력으로 전력을 생산하는 발전기(207);를 포함한다. Air liquefaction and power generation unit of this embodiment, the
또한, 본 실시예의 펌프(203)와 공기 터빈(206) 사이에는, 수소 예냉기(102) 및 냉매 예냉기(121) 중 어느 하나 이상에서 냉열이 회수되어 온도가 상승한 액체 공기의 냉열을 더 회수하는 공기 열교환기(205);를 더 포함할 수 있다. 이때, 공기 열교환기(205)에서 냉열이 회수되면서 온도가 상승한 공기가 공기 터빈(206)으로 공급될 수 있다. In addition, between the
본 실시예의 공기 액화부(201)는, 대기 중의 공기를 여과시켜 불순물을 제거하는 여과부(미도시); 여과부에서 여과된 공기를 압축하는 압축부(미도시); 압축부에 의해 압축된 압축 공기를 냉각시키는 냉각부(미도시); 및 냉각부에 의해 냉각된 압축 공기를 팽창시키는 팽창부(미도시);를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 공기를 액화시키는 공정에 따라 그 구성은 달라질 수 있다. The
한편, 본 실시예의 공기 액화부(201)에서 공기를 액화시키는데 필요한 전력은, 계내, 예를 들어 발전기(207)에서 생성된 후 전력 수요처에서 사용하고 남은 잉여 전력 또는 재생 에너지를 이용하여 생성한 친환경 에너지를 사용한다. On the other hand, the electric power required to liquefy the air in the
공기 액화기(201)에 의해 생성된 액체 공기는 공기 라인(AL)을 따라 액체 공기 저장소(202)로 이송되며 액체 공기 저장소(202)에 저장된다. 본 실시예의 액체 공기 저장소(202)에 저장되는 액체 공기의 온도는 약 79K일 수 있고, 압력은 약 0.1 MPa(1기압)일 수 있다. The liquid air produced by the
액체 공기 저장소(202)로부터 공기 라인(AL)을 따라 배출되는 액체 공기는 펌프(203)에 의해 압축되며, 수소 예냉기(102) 및 냉매 예냉기(121)로 각각 냉매로서 공급된다. Liquid air discharged from the
본 실시예에 따르면, 공기 라인(AL)은 펌프(203)의 하류에서 수소 예냉기(102)로 연결되는 제1 공기라인(AL1); 및 냉매 예냉기(121)로 연결되는 제2 공기라인(AL2);으로 분기되며, 펌프(203)에 의해 압축된 액체 공기는 제1 공기라인(AL1)과 제2 공기라인(AL2)으로 각각 분기되어 이송된다. According to this embodiment, the air line AL is downstream of the
수소 예냉기(102)에서 수소를 예냉시키면서 냉열이 회수된 공기는 제1 공기라인(AL1)을 따라 공기 열교환기(205)로 이송된다. Air recovered from cooling heat while precooling hydrogen in the
또한, 냉매 예냉기(121)에서 냉매를 예냉시키면서 냉열이 회수된 공기는 제2 공기라인(AL2)을 따라 공기 열교환기(205)로 이송된다. In addition, the air recovered from cooling heat while pre-cooling the refrigerant in the
본 실시예에 따르면, 제1 공기라인(AL1)과 제2 공기라인(AL1)은 공기 열교환기(205)의 상류에서 하나의 공기 라인(AL)으로 합쳐질 수 있다. According to this embodiment, the first air line AL1 and the second air line AL1 may be combined into one air line AL upstream of the
본 실시예의 공기 열교환기(205)는 수소 예냉기(102) 및 냉매 예냉기(121)에서 냉열이 회수된 액체 공기의 냉열을 더 회수하여 액체 공기를 기화시킨다. The
본 실시예에 따른 공기 발전부는 공기 열교환기(205)에서 액체 공기를 기화시키면서 회수한 냉열을 저장하는 냉열 저장소(204);를 더 포함한다. The air power generation unit according to the present embodiment further includes; a
냉열 저장소(204)에 저장된 냉열은 공기 액화기(201)에서 공기를 액화시키는데 필요한 냉열로 사용된다. 즉, 본 실시예에 따른 공기 발전부에서는 기체 공기를 자가 냉열에 의해 액화시킴으로써, 공기 액화에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. The cooling heat stored in the
공기 열교환기(205)에서 기화된 공기는 공기 라인(AL)을 따라 공기 터빈(206)으로 공급되며, 전력을 생산하는 발전원으로 사용될 수 있다. Air vaporized in the
본 실시예의 발전기(207)는 공기 터빈(206)의 구동력을 전력으로 변환시키는데, 발전기(207)에서 생산된 전력은 수소 압축기(101) 및/또는 냉매 압축기(122)에서 필요로 하는 전력으로 사용된다. The
수소 액화 시스템의 운전 효율은 수소 1kg을 액화시키는데 소비되는 전력의 양(kWh)로 정의된다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 발전기(207)에서 전력을 생산하고, 생산된 전력을 수소 액화에 활용함으로써 전체 소비 전력을 절감시킬 수 있으므로, 수소 액화 시스템의 운전 효율을 높일 수 있다. The operating efficiency of a hydrogen liquefaction system is defined as the amount of power (kWh) consumed to liquefy 1 kg of hydrogen. Therefore, according to the present embodiment, since the electric power is generated by the
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 액화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. Next, with reference to FIG. 3, a hydrogen liquefaction system and method according to a second embodiment of the present invention will be described.
본 실시예에 따른 수소 액화 시스템은, 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 공기 과열기(211)를 더 포함한다는 점에서 제1 실시예와 차이가 있다. 이하, 제1 실시예와의 차이점을 중점적으로 설명하기로 하며, 나머지 동일한 구성요소에 대해서는 그 설명을 생략하고 제1 실시예가 동일하게 적용될 수 있다. The hydrogen liquefaction system according to the present embodiment is different from the first embodiment in that it further includes an
본 실시예에 따른 공기 발전부는, 공기 열교환기(205)에서 냉열이 회수된 공기를 더 가열하는 공기 과열기(211);를 더 포함한다. The air power generation unit according to the present embodiment further includes an
본 실시예에 따르면, 공기 열교환기(205)에서 기화된 공기는 공기 라인(AL)을 따라 공기 과열기(211)로 공급되며, 공기 과열기(211)에서 가열된 공기는 공기 라인(AL)을 따라 공기 터빈(206)으로 공급된다. According to this embodiment, the air vaporized in the
이와 같이 공기 터빈(206)으로 공급되는 공기를 공기 과열기(211)에서 더 가열시켜 공급함으로써 공기 터빈(206)의 효율을 높일 수 있다. As described above, the efficiency of the
본 실시예의 공기 과열기(211)에서 공기를 가열하는 열원은, 냉매 순환부의 중간 냉각기(131)에서 압축된 냉매를 냉각시키면서 온도가 상승한 고온의 냉각 매체, 즉 본 실시예에서 고온 냉각수(HW; Hot water)일 수 있다. The heat source for heating the air in the
공기 과열기(211)에서는, 공기 열교환기(205)로부터 이송된 공기와 중간 냉각기(131)에서 헬륨에 의해 가열된 고온 냉각수(HW)가 열교환하여 공기는 상온 이상으로 가열되고, 고온 냉각수(HW)는 냉각된다. In the
다음으로, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 액화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다. Next, with reference to FIG. 4, a hydrogen liquefaction system and method according to a third embodiment of the present invention will be described.
본 실시예에 따른 수소 액화 시스템은, 상술한 제2 실시예의 변형예로서, 공기 터빈(206)에서 팽창된 공기를 인근 건물(222)의 공조용으로 사용한다는 점에서 제2 실시예와 차이가 있다. 이하, 제2 실시예와의 차이점을 중점적으로 설명하기로 하며, 나머지 동일한 구성요소에 대해서는 그 설명을 생략하고 제2 실시예가 동일하게 적용될 수 있다. The hydrogen liquefaction system according to this embodiment is a modified example of the second embodiment described above, and is different from the second embodiment in that the air expanded by the
본 실시예에 따른 수소 액화 시스템은, 공기 터빈(206)을 구동시키면서 온도 및 압력이 낮아진 청정 공기를 지역 냉방이나 지역 난방과 같은 건물(222)의 공조를 위해 사용되는 공조용 열교환기(221)에서 냉난방용 열원을 제공하는 용도로 사용할 수 있다. 또는, 환기용 공기로서 건물(222)로 직접 공급될 수 있다. The hydrogen liquefaction system according to the present embodiment is an air-
본 실시예의 공기 터빈(206)을 구동시킨 후 배출되는 공기의 온도는 약 265K 내지 325K일 수 있다.The temperature of the air discharged after driving the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 액화 시스템 및 방법은, 수소 및 냉매의 예냉을 위하여 액체 공기를 사용함으로써 종래의 예냉 방법에 비해 수소 액화 시스템의 설치 부지에 대한 지역적인 제한을 거의 받지 않을 수 있다.As described above, the hydrogen liquefaction system and method according to the present invention use liquid air for pre-cooling of hydrogen and refrigerant, so that there are few regional restrictions on the installation site of the hydrogen liquefaction system compared to the conventional pre-cooling method. there is.
또한, 예냉에 사용된 공기를 이용하여 전기를 생산하여 수소 압축기 및 냉매 압축기를 구동시키는데 사용함으로써, 수소 액화 시스템의 운전 효율을 높일 수 있다.In addition, by using the air used for pre-cooling to generate electricity and use it to drive a hydrogen compressor and a refrigerant compressor, it is possible to increase the operating efficiency of the hydrogen liquefaction system.
또한, 발전에 사용된 청정 공기는 지역 냉방이나 난방 및 환기와 같은 수소 액화 시스템 인근의 건물 또는 지역을 위한 친환경적인 공조에 활용될 수 있다. In addition, the clean air used for power generation can be utilized for environmentally friendly air conditioning for buildings or areas near the hydrogen liquefaction system, such as district cooling or heating and ventilation.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent to those of ordinary skill in the art that various modifications or variations can be implemented without departing from the technical gist of the present invention. did it
101 : 수소 압축기 102 : 수소 예냉기
103 : 제1 열교환기 104 : 제2 열교환기
105 : 제3 열교환기 106 : 줄-톰슨 밸브
107 : 기액 분리기
121 : 냉매 예냉기 122 : 냉매 압축기
123 : 제1 냉매 팽창기 124 : 제2 냉매 팽창기
131 : 중간 냉각기
201 : 공기 액화기 202 : 액체 공기 저장소
203 : 펌프 204 : 냉열저장소
205 : 공기 열교환기 206 : 공기 터빈
207 : 발전기 211 : 공기과열기
221 : 공조용 열교환기 222 : 건물101: hydrogen compressor 102: hydrogen precooler
103: first heat exchanger 104: second heat exchanger
105: third heat exchanger 106: Joule-Thompson valve
107: gas-liquid separator
121: refrigerant precooler 122: refrigerant compressor
123: first refrigerant expander 124: second refrigerant expander
131: intermediate cooler
201
203: pump 204: cold storage
205: air heat exchanger 206: air turbine
207: generator 211: air superheater
221: heat exchanger for air conditioning 222: building
Claims (14)
상기 수소 기체를 냉각시키기 위한 냉매를 순환시키는 냉매 순환부; 및
액체 공기를 이용하여 수소 및 냉매에 냉열을 제공하고, 상기 냉열이 제공하면서 온도가 높아진 공기를 이용하여 전력을 생산하는 공기 발전부;를 포함하는, 수소 액화 시스템. a hydrogen liquefaction unit for liquefying hydrogen gas;
a refrigerant circulation unit circulating a refrigerant for cooling the hydrogen gas; and
A hydrogen liquefaction system comprising a; providing cooling heat to hydrogen and a refrigerant by using liquid air, and generating electric power using the air whose temperature is increased while the cooling heat is provided.
상기 수소 액화부는,
상기 액화시킬 수소를 압축하는 수소 압축기;를 포함하고,
상기 냉매 순환부는,
상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기;를 포함하며,
상기 공기 발전부에서 생산된 전력은 상기 수소 압축기 및 냉매 압축기를 구동시키는 전력으로 사용되는, 수소 액화 시스템. The method according to claim 1,
The hydrogen liquefaction unit,
Including; a hydrogen compressor for compressing the hydrogen to be liquefied;
The refrigerant circulation unit,
Including; a refrigerant compressor for compressing the refrigerant;
Power generated by the air power generation unit is used as power to drive the hydrogen compressor and the refrigerant compressor, hydrogen liquefaction system.
상기 냉매 순환부는,
상기 냉매 압축기에 의해 압축된 냉매를 냉각 매체와의 열교환에 의해 냉각시키는 중간 냉각기; 및
상기 중간 냉각기에서 냉각된 냉매와 상기 액체 공기를 열교환시켜 상기 냉매를 예냉시키는 냉매 예냉기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. 3. The method according to claim 2,
The refrigerant circulation unit,
an intermediate cooler for cooling the refrigerant compressed by the refrigerant compressor by heat exchange with a cooling medium; and
The hydrogen liquefaction system further comprising a; refrigerant precooler for pre-cooling the refrigerant by exchanging the liquid air with the refrigerant cooled in the intermediate cooler.
상기 공기 발전부는,
상기 수소 및/또는 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 공기를 가열하는 공기 과열기;를 포함하고,
상기 공기 과열기에서는,
상기 공기와, 상기 중간 냉각기에서 압축된 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 고온의 냉각 매체가 열교환하여 상기 공기를 가열시키는, 수소 액화 시스템. 4. The method according to claim 3,
The air power generation unit,
Including a;
In the air superheater,
A hydrogen liquefaction system for heating the air by heat exchange between the air and a high-temperature cooling medium whose temperature is increased while cooling the refrigerant compressed in the intermediate cooler.
상기 공기 발전부는,
상기 수소 및/또는 냉매를 예냉시키면서 온도가 높아진 공기를 작동 유체로 하여 구동되는 공기 터빈;
상기 공기 터빈과 연결되어 상기 공기 터빈의 구동력으로 전력을 생산하는 발전기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. 3. The method according to claim 2,
The air power generation unit,
an air turbine driven by using, as a working fluid, air having a temperature increased while pre-cooling the hydrogen and/or the refrigerant;
A generator connected to the air turbine to generate electric power by driving force of the air turbine; further comprising, a hydrogen liquefaction system.
상기 공기 발전부는,
상기 수소 및/또는 냉매를 냉각시키면서 온도가 높아진 액체 공기의 냉열을 더 회수하여 상기 액체 공기를 기화시켜 상기 공기 터빈으로 공급하는 공기 열교환기; 및
상기 공기 열교환기에 의해 회수된 액체 공기의 냉열을 이용하여 공기를 액화시키는 공기 액화기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. 6. The method of claim 5,
The air power generation unit,
an air heat exchanger that further recovers cooling heat of liquid air whose temperature has increased while cooling the hydrogen and/or refrigerant, vaporizes the liquid air, and supplies it to the air turbine; and
The hydrogen liquefaction system further comprising a; air liquefier for liquefying air using the cooling heat of the liquid air recovered by the air heat exchanger.
상기 공기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기를 인근 지역 또는 건물의 환기용 공기로 공급하는, 수소 액화 시스템. 6. The method of claim 5,
A hydrogen liquefaction system for supplying air with reduced pressure and temperature as air for ventilation of a nearby area or building while driving the air turbine.
상기 공기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기를 인근 지역 또는 건물의 냉난방용 공기 또는 물과 열교환시키는 공조용 열교환기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. 6. The method of claim 5,
The hydrogen liquefaction system further comprising a; air-conditioning heat exchanger for exchanging the air whose pressure and temperature have been lowered while driving the air turbine with air or water for heating and cooling of a nearby area or building.
상기 수소 액화부는,
상기 수소 압축기에 의해 압축된 수소와 상기 액체 공기를 열교환시켜 압축된 수소를 예냉하는 수소 예냉기;
상기 수소 예냉기에서 예냉된 수소를 상기 냉매와 열교환시켜 상기 수소를 냉각시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 냉각된 수소를 팽창시켜 액화시키는 줄-톰슨 밸브; 및
상기 줄-톰슨 밸브에 의해 액화된 액체 수소와 액화되지 않은 기체 수소를 분리하는 기액 분리기;를 더 포함하고,
상기 기액 분리기에서 분리된 기체 수소는 상기 열교환기에서 상기 수소를 냉각시키는 자가 냉매로서 공급되는, 수소 액화 시스템. 3. The method according to claim 2,
The hydrogen liquefaction unit,
a hydrogen precooler for precooling the compressed hydrogen by exchanging heat with the liquid air with hydrogen compressed by the hydrogen compressor;
a heat exchanger configured to heat the hydrogen precooled in the hydrogen precooler with the refrigerant to cool the hydrogen;
a Joule-Thomson valve for expanding and liquefying hydrogen cooled in the heat exchanger; and
A gas-liquid separator for separating liquefied liquid hydrogen and non-liquefied gaseous hydrogen by the Joule-Thomson valve; further comprising,
The gaseous hydrogen separated in the gas-liquid separator is supplied as a self-refrigerant for cooling the hydrogen in the heat exchanger.
상기 냉매 순환부는,
상기 냉매 압축기에 의해 압축된 냉매와 상기 액체 공기를 열교환시켜 상기 냉매를 예냉시키는 냉매 예냉기; 및
상기 냉매 예냉기에서 냉각된 후 상기 열교환기에서 열교환하면서 온도가 높아진 냉매를 팽창시키는 냉매 팽창기;를 더 포함하고,
상기 냉매 팽창기에 의해 팽창된 냉매는 상기 열교환기에서 냉열이 더 회수된 후 상기 냉매 예냉기에서 냉매를 냉각시키는 자가 냉매로 공급되는, 수소 액화 시스템. 10. The method of claim 9,
The refrigerant circulation unit,
a refrigerant precooler for precooling the refrigerant by exchanging heat with the liquid air and the refrigerant compressed by the refrigerant compressor; and
Further comprising; a refrigerant expander that expands the refrigerant whose temperature has risen while exchanging heat in the heat exchanger after being cooled in the refrigerant precooler;
The refrigerant expanded by the refrigerant expander is supplied as a self refrigerant that cools the refrigerant in the refrigerant precooler after cooling heat is further recovered from the heat exchanger.
상기 액화된 액체 공기를 액화시킬 수소와 열교환시켜 수소를 예냉시키고,
상기 예냉된 수소를 냉매 순환부를 순환하는 냉매와 열교환시켜 냉각시키며,
상기 수소와 열교환시킬 냉매는 상기 액체 공기와 열교환시켜 예냉하고,
상기 수소 및 냉매를 예냉시키기 위한 냉열을 제공하면서 온도가 높아진 공기를 작동유체로 하여 터빈을 구동시켜 전력을 생산하는, 수소 액화 방법. liquefy air,
Pre-cooling the hydrogen by heat-exchanging the liquefied liquid air with hydrogen to be liquefied,
Cooling the pre-cooled hydrogen by heat exchange with the refrigerant circulating in the refrigerant circulation unit,
The refrigerant to exchange heat with the hydrogen is pre-cooled by heat exchange with the liquid air,
A hydrogen liquefaction method for generating electric power by driving a turbine using air having a higher temperature as a working fluid while providing cooling heat for pre-cooling the hydrogen and the refrigerant.
상기 수소 및 냉매는 예냉시키기 전에 압축하고,
상기 공기를 이용하여 생산한 전력은 상기 수소 및 냉매를 압축하는데 사용하는, 수소 액화 방법. 12. The method of claim 11,
The hydrogen and the refrigerant are compressed before pre-cooling,
Power generated by using the air is used to compress the hydrogen and the refrigerant, hydrogen liquefaction method.
상기 압축된 냉매는 저온의 냉각 매체와 열교환시켜 냉각시키고,
상기 압축된 냉매를 냉각시키면서 온도가 상승한 고온의 냉각 매체와 상기 터빈으로 공급하는 공기를 열교환시켜 상기 공기를 가열하는, 수소 액화 방법. 13. The method of claim 12,
The compressed refrigerant is cooled by heat exchange with a low-temperature cooling medium,
A hydrogen liquefaction method for heating the air by exchanging heat with a high-temperature cooling medium whose temperature has risen while cooling the compressed refrigerant and air supplied to the turbine.
상기 터빈을 구동시키면서 압력 및 온도가 낮아진 공기는 인근 지역 또는 건물의 환기용 공기로 공급하거나, 또는 냉난방용 공기 또는 물과 열교환시켜 열에너지를 회수하는, 수소 액화 방법.
12. The method of claim 11,
A method for liquefying hydrogen, wherein the air whose pressure and temperature is lowered while driving the turbine is supplied as ventilation air in a nearby area or building, or heat-exchanged with air or water for heating and cooling to recover thermal energy.
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