KR20230168726A - Hydrogen liquefying apparatus having open cycle of refrigerant hydrogen and hydrogen liquefying method using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉매수소의 오픈 사이클을 가지는 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 수소액화방법은, 공급수소가스를 제1차 압축하여 냉매수소와 제품수소로 분기시키고, 상기 냉매수소를 제2차 압축하여, 제2차 압축된 냉매수소와 제1차 압축된 제품수소를, 제1열교환부에서 액화질소를 이용하여 프리쿨링(pre-cooling) 하는 단계와; 프리쿨링된 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키고, 상기 제1냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 이용하여 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키고, 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 추가냉각된 상기 제2냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 상기 제2열교환부로 유입시켜 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키는 순환사이클 방식으로 상기 제품수소를 액화시키는 단계를 구비한다.The present invention relates to a hydrogen liquefaction device having an open cycle of refrigerant hydrogen and a hydrogen liquefaction method using the same. The hydrogen liquefaction method according to the present invention first compresses supplied hydrogen gas and branches into refrigerant hydrogen and product hydrogen, performing secondary compression of the refrigerant hydrogen, and pre-cooling the secondarily compressed refrigerant hydrogen and the first compressed product hydrogen using liquefied nitrogen in a first heat exchange unit; The pre-cooled refrigerant hydrogen is branched into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen, and the low-temperature energy generated by expanding the first refrigerant hydrogen is used to store the product hydrogen passing through the second heat exchange unit and the second refrigerant hydrogen. The second refrigerant hydrogen passing through the heat exchange unit is additionally cooled, and the low-temperature energy generated by expanding the additionally cooled second refrigerant hydrogen while first passing through the second heat exchange unit is introduced into the second heat exchange unit to produce the product hydrogen and A step of firstly liquefying the product hydrogen through a circulation cycle method of additionally cooling the second refrigerant hydrogen passing through the second heat exchange unit is provided.

Figure P1020220069363
Figure P1020220069363

Description

냉매수소의 오픈 사이클을 가지는 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법{HYDROGEN LIQUEFYING APPARATUS HAVING OPEN CYCLE OF REFRIGERANT HYDROGEN AND HYDROGEN LIQUEFYING METHOD USING THE SAME}Hydrogen liquefaction device with open cycle of refrigerant hydrogen and hydrogen liquefaction method using the same {HYDROGEN LIQUEFYING APPARATUS HAVING OPEN CYCLE OF REFRIGERANT HYDROGEN AND HYDROGEN LIQUEFYING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 냉매수소의 오픈 사이클을 가지는 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 공정이 단순하고 효율이 높으면서도 경제적인 냉매수소의 오픈 사이클을 가지는 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen liquefaction device having an open cycle of refrigerant hydrogen and a hydrogen liquefaction method using the same. More specifically, the hydrogen liquefaction device has a simple process, high efficiency, and economical open cycle of refrigerant hydrogen, and a hydrogen liquefaction method using the same. It is about the liquefaction method.

화석 연료의 과다한 사용으로 인한 대기오염과 지구 온난화의 문제를 해결하기 위한 방안으로 탄화수소계가 아닌 연료를 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 예로 수소 에너지를 이용하는 방식이 있는데, 수소 에너지는 탄화수소계 에너지와 달리, 연소 시 이산화탄소의 배출 없이 물만 발생시키고, 물로부터 다시 수소를 얻을 수 있으므로 재생 가능한 에너지원으로 분류될 수 있다.As a way to solve the problems of air pollution and global warming caused by excessive use of fossil fuels, research is being actively conducted to use fuels other than hydrocarbons. A representative example is a method using hydrogen energy. Unlike hydrocarbon-based energy, hydrogen energy generates only water without emitting carbon dioxide during combustion, and hydrogen can be obtained again from water, so it can be classified as a renewable energy source.

수소 에너지는 환경 친화적이며 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 자동차 ``동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다.Hydrogen energy is environmentally friendly and has high energy density, so it can be used as a fuel for fuel cells for automobiles and portable electronic devices. The price of fuel cells is also decreasing every year, so the era of hydrogen energy is advancing.

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 storage and transportation technology for hydrogen, which is currently mainly adopted in industry, is to liquefy hydrogen and store and transport it in the form of liquefied hydrogen with the highest energy density per volume, and to compress hydrogen at high pressure to increase energy density per weight. This is the best way to store and transport high-pressure gaseous hydrogen.

기체 상태의 수소를 상압, -253℃로 냉각하면 액화되고, 그 밀도는 상압 기준 기체 상태의 수소에 비해 약 780배 높으며, 700 bar로 압축된 수소 기체에 비해서도 약 1.75배 높다. 액화수소의 저장압력은 통상 3 bar 미만으로 고압 압축가스 방식에 비해 안전성의 측면에서 유리하다.When gaseous hydrogen is cooled to -253°C at normal pressure, it is liquefied, and its density is about 780 times higher than that of gaseous hydrogen at normal pressure and about 1.75 times higher than that of hydrogen gas compressed at 700 bar. The storage pressure of liquefied hydrogen is usually less than 3 bar, which is advantageous in terms of safety compared to the high-pressure compressed gas method.

운송 방식에 있어서도, 200 bar로 압축된 고압 저장 실린더 형태로 고압 기체 수소를 운송하는 형식과, 액화수소의 운송 효율을 비교해서도 압축수소 운송 방식에 비해 액화운송 방식이 약 10배 이상 높은 것으로 알려져 있다.In terms of transportation method, when comparing the transportation efficiency of high-pressure gaseous hydrogen in the form of a high-pressure storage cylinder compressed to 200 bar and liquefied hydrogen, the liquefied transportation method is known to be about 10 times higher than the compressed hydrogen transportation method. there is.

또한, 수소를 고압으로 압축하기 위해서는 고압 압축기가 필요하며, 수소를 액화시키기 위해서는 초저온 냉동기가 필요하므로, 이들의 설치 및 운영에 따른 비용이 발생한다.In addition, a high-pressure compressor is required to compress hydrogen to high pressure, and a cryogenic refrigerator is required to liquefy hydrogen, resulting in costs associated with their installation and operation.

따라서, 생산, 저장, 운송 등 전체 벨류체인 측면에서의 경제성 분석에 따르면, 액화수소 형태로 수소를 저장 및 운송하는 것이 가장 경제적인 것으로 알려져 있다.Therefore, according to economic analysis in terms of the entire value chain, including production, storage, and transportation, storing and transporting hydrogen in the form of liquefied hydrogen is known to be the most economical.

수소를 액화하는 장치 및 방법으로는 다양한 방법이 알려져 있으나, 공정이 단순하면서도 효율이 높으면서도 경제적인 수소액화방법에 대한 요구가 있어왔다. Although various devices and methods for liquefying hydrogen are known, there has been a demand for a hydrogen liquefaction method that is simple, efficient, and economical.

대한민국 공개특허 제10-2021-0052291(2021.05.10)Republic of Korea Public Patent No. 10-2021-0052291 (2021.05.10)

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 냉매수소의 오픈 사이클을 이용한 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법을 제공하는 데 있다.Therefore, the purpose of the present invention is to provide a hydrogen liquefaction device using an open cycle of refrigerant hydrogen and a hydrogen liquefaction method using the same that can overcome the above-described conventional problems.

본 발명의 다른 목적은 공정이 단순하면서도 효율이 높으면서도 경제적인 냉매수소의 오픈 사이클을 이용한 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a hydrogen liquefaction device using an open cycle of refrigerant hydrogen that has a simple process, is highly efficient, and is economical, and a hydrogen liquefaction method using the same.

본 발명의 또 다른 목적은 액화수소에서 발생되는 자연기화가스(Boil Off Gas)를 냉매수소로 재활용할 수 있는 냉매수소의 오픈 사이클을 이용한 수소액화장치 및 이를 이용한 수소액화방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a hydrogen liquefaction device using an open cycle of refrigerant hydrogen that can recycle natural boil-off gas generated from liquefied hydrogen into refrigerant hydrogen, and a hydrogen liquefaction method using the same.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 수소액화방법은, 공급되는 공급수소가스가 제1압축부를 통해 제1압력범위로 제1차 압축되어 냉매수소와 제품수소로 분기되고, 상기 제품수소는 제1열교환부로 바로 유입되고 상기 냉매수소는 제2압축부를 통해 제2압력범위로 제2차 압축되어 상기 제1열교환부로 유입되는 제1단계와; 상기 제1열교환부에서 상기 제품수소 및 상기 냉매수소가 액체질소에 의해 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling)되는 제2단계와; 상기 제1열교환기를 통과한 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키고, 상기 제1냉매수소는 적어도 하나의 팽창터빈을 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 제2열교환부로 유입되고, 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하고, 상기 제2냉매수소는 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 제2온도범위에서 액화되고, 제1팽창밸브를 통하여 팽창 및 추가 냉각되어 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하면서 기화되어, 제1차로 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제2냉매수소에 저온에너지를 공급하고 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화시키는 제3단계와; 액화된 제품수소가 저장탱크에 저장되고, 상기 제1냉매수소는 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제2압축부 전단으로 회수되어 상기 냉매수소로 재활용되고, 상기 제2냉매수소는 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제1압축부 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되는 제4단계를 구비한다.In accordance with the specification of the present invention to achieve some of the above-described technical problems, the hydrogen liquefaction method according to the present invention is that the supplied hydrogen gas is first compressed to a first pressure range through the first compression unit to produce refrigerant hydrogen and A first stage in which the product hydrogen is branched into product hydrogen and flows directly into the first heat exchange unit, and the refrigerant hydrogen is secondarily compressed to a second pressure range through a second compression unit and flows into the first heat exchange unit; a second step in which the product hydrogen and the refrigerant hydrogen are pre-cooled to a first temperature range by liquid nitrogen in the first heat exchange unit; The refrigerant hydrogen that has passed through the first heat exchanger is branched into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen, and the first refrigerant hydrogen is expanded to a first pressure range through at least one expansion turbine and cooled to a second temperature range. flows into the second heat exchange unit, and supplies low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange while passing through the second heat exchange unit, and the second refrigerant hydrogen passes through the second heat exchange unit first. It is liquefied in the second temperature range, expanded and further cooled through the first expansion valve, and vaporized while passing through the second heat exchanger secondarily in a gas-liquid mixed state of gas and liquid, and firstly passes through the second heat exchanger. A third step of supplying low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen passing through the second refrigerant and supplying low-temperature energy to the product hydrogen passing through the second heat exchanger to liquefy it; Liquefied product hydrogen is stored in a storage tank, and the first refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy while passing through the first heat exchanger and is recovered at room temperature in front of the second compression section to be recycled as the refrigerant hydrogen. The second refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy while passing through the first heat exchanger, and is recovered at room temperature at the front of the first compression section to be recycled as supplied hydrogen gas.

상기 제품수소는 상기 제2열교환부 통과시에 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응이 수행될 수 있다.The product hydrogen may undergo an ortho-para conversion reaction when passing through the second heat exchanger.

상기 제4단계에서, 액화된 제품수소를 상기 저장탱크에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 제2팽창밸브를 통해 대기압 수준으로 팽창시키는 단계와; 상기 제2팽창밸브를 통해 팽창된 제품수소에서 기체와 액체를 분리하는 기액분리단계를 더 포함할 수 있다.In the fourth step, before storing the liquefied hydrogen product in the storage tank, expanding the liquefied hydrogen product to atmospheric pressure through a second expansion valve; It may further include a gas-liquid separation step of separating gas and liquid from the product hydrogen expanded through the second expansion valve.

상기 제4단계의 상기 액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)와 상기 기액분리단계를 통해 분리된 기체수소는, 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류되어 상기 공급수소가스로 재활용될 수 있다.The natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in the storage tank storing the liquefied product hydrogen in the fourth step and the gaseous hydrogen separated through the gas-liquid separation step pass through the second heat exchanger secondly. It can be combined with the second refrigerant hydrogen and recycled as the supply hydrogen gas.

상기 제1압력범위는 18~22bar 이고, 상기 제2압력범위는 60~70bar 이고, 상기 제1온도범위는 질소의 액화온도 부근의 온도범위이고, 상기 제2온도범위는 -220 ~ -260℃ 일 수 있다. The first pressure range is 18 to 22 bar, the second pressure range is 60 to 70 bar, the first temperature range is a temperature range around the liquefaction temperature of nitrogen, and the second temperature range is -220 to -260 ° C. It can be.

상기 제3단계에서, 상기 제1냉매수소는, 제1차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급받는 단계와; 적어도 하나의 팽창터빈을 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 제2차로 상기 제2열교환부로 공급되는 단계를 통해, 냉각된 상태에서 제2차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급할 수 있다.In the third step, the first refrigerant hydrogen is supplied with low-temperature energy while first passing through the second heat exchanger; Heat is exchanged by being expanded to a first pressure range through at least one expansion turbine, cooled to a second temperature range, and supplied secondarily to the second heat exchanger, while passing through the second heat exchanger in a cooled state. Low-temperature energy can be supplied to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen.

상기 제3단계에서, 상기 제1냉매수소는, 제1차로 상기 제2열교환부로 통과하면서 저온에너지를 공급받아 냉각되는 단계와; 제1팽창터빈을 통해 팽창 및 냉각되어 제2차로 상기 제2열교환부로 공급되는 단계와; 제2차로 상기 제2열교환부를 통해 저온에너지를 공급받아 재냉각된 상태에서 제2팽창터빈을 통해 팽창 및 냉각되어 최종적으로 제1압력범위를 가지면서 제2온도범위로 냉각되어 제3차로 제2열교환부로 공급되는 단계를 통해, 냉각된 상태에서 제3차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급할 수 있다.In the third step, the first refrigerant hydrogen is cooled by receiving low-temperature energy while first passing through the second heat exchanger; Expanding and cooling through a first expansion turbine and supplying the second heat to the second heat exchanger; In the second order, low-temperature energy is supplied through the second heat exchanger, and in a re-cooled state, it is expanded and cooled through the second expansion turbine, and is finally cooled to the second temperature range while maintaining the first pressure range, and is then cooled to the second temperature range in the third order. Through the step of supplying to the heat exchanger, low-temperature energy can be supplied to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange while passing through the second heat exchanger in a cooled state for a third time.

상기 제2단계에서, 상기 액체질소는 상기 제1열교환부에서 기화되면서 프리쿨링을 위한 저온에너지를 공급하고, 기화된 질소가스는 질소액화기를 통해 다시 액화되어 액체질소 상기 제1열교환부에 재공급되는 순환과정을 가질 수 있다.In the second step, the liquid nitrogen is vaporized in the first heat exchanger to supply low-temperature energy for free cooling, and the vaporized nitrogen gas is liquefied again through a nitrogen liquefaction unit to resupply the liquid nitrogen to the first heat exchanger. There can be a cyclical process.

상기 제1팽창밸브는 상기 제1냉매수소와 상기 제2냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행하고, 상기 제2팽창밸브는 상기 제품수소와 상기 냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행할 수 있다.The first expansion valve may perform a flow rate control function when the first refrigerant hydrogen and the second refrigerant hydrogen branch, and the second expansion valve may perform a flow rate control function when the product hydrogen and the refrigerant hydrogen branch. there is.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 수소액화장치는, 수소가스 공급부와; 상기 수소가스 공급부를 공급되는 공급수소가스를 제1압력범위로 제1차 압축하는 제1압축부와; 상기 공급수소가스를 냉매수소와 제품수소로 분기시키기 위한 제1분기부와; 상기 냉매수소를 제2압력범위로 제2차 압축하기 위한 제2압축부와; 제2차 압축된 상기 냉매수소와 제1차 압축된 상기 제품수소를 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling) 하기 위한 제1열교환부와; 상기 제1열교환부를 통과한 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키기 위한 제2분기부와; 상기 제1냉매수소를 제1압력범위로 팽창시키고 제2온도범위로 냉각시키기 위한 팽창부와; 상기 제1냉매수소, 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소 간의 열교환을 통해 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화시키기 위한 제2열교환부와; 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 제2온도범위에서 액화된 제2냉매수소를 팽창 및 추가냉각시켜 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 변환시켜 제2차로 상기 제2열교환부를 통과하도록 하기 위한 제1팽창밸브와; 상기 제1냉매수소가 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제2압축부 전단으로 회수되어 상기 냉매수소로 재활용되기 위한 제1합류부와; 상기 제2냉매수소가 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제1압축부 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되기 위한 제2합류부와; 액화된 제품수소를 저장하기 위한 저장탱크를 구비하고, 상기 제2열교환부에서는, 상기 팽창부를 거친 상기 제1냉매수소가 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하고, 상기 제2냉매수소가 제1차로 통과하면서 액화되고 제2차로 통과하면서 기화되어, 제1차로 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제2냉매수소에 저온에너지를 공급하고 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화되도록 한다.According to another embodiment of the present invention for achieving some of the above technical problems, a hydrogen liquefaction device according to the present invention includes a hydrogen gas supply unit; a first compression unit that first compresses the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply unit to a first pressure range; a first branch for branching the supplied hydrogen gas into refrigerant hydrogen and product hydrogen; a second compression unit for secondarily compressing the refrigerant hydrogen to a second pressure range; a first heat exchanger for pre-cooling the secondarily compressed refrigerant hydrogen and the firstly compressed product hydrogen to a first temperature range; a second branch unit for branching the refrigerant hydrogen that has passed through the first heat exchange unit into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen; an expansion unit for expanding the first refrigerant hydrogen to a first pressure range and cooling it to a second temperature range; a second heat exchanger for supplying low-temperature energy to the product hydrogen to liquefy it through heat exchange between the first refrigerant hydrogen, the second refrigerant hydrogen, and the product hydrogen; Expanding and further cooling the second refrigerant hydrogen liquefied in the second temperature range while passing through the second heat exchanger firstly to convert it into a gas-liquid mixed state where gas and liquid are mixed, and passing the second heat exchanger secondly. A first expansion valve for; The first refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy as it sequentially passes through the second heat exchange unit and the first heat exchange unit, and is recovered at room temperature in front of the second compression unit to be recycled as the refrigerant hydrogen. and; a second convergence unit where the second refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy as it passes through the second heat exchange unit and the first heat exchange unit, and is recovered at room temperature in front of the first compression unit to be recycled as supplied hydrogen gas; It is provided with a storage tank for storing liquefied product hydrogen, and in the second heat exchange unit, the first refrigerant hydrogen that has passed through the expansion part passes through and supplies low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange. And, the second refrigerant hydrogen is liquefied while passing through the first phase and vaporized while passing through the second phase, supplying low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen passing through the second heat exchange section and passing through the second heat exchange section. Low-temperature energy is supplied to the product hydrogen to liquefy it.

상기 제2열교환부 통과시에 상기 제품수소의 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응을 위한 오르쏘-파라(Ortho-Para) 변환촉매를 포함할 수 있다.It may include an Ortho-Para conversion catalyst for an Ortho-Para conversion reaction of the product hydrogen when passing through the second heat exchanger.

액화된 제품수소를 상기 저장탱크에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 대기압 수준으로 팽창시키는 제2팽창밸브와; 상기 제2팽창밸브를 통해 팽창된 제품수소에서 기체와 액체를 분리하는 제1기액분리기를 더 포함하며, 상기 제1기액분리기를 통해 분리된 액체수소는 상기 저장탱크에 저장되고, 상기 제1기액분리기를 통해 분리된 기체수소는 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류되도록 할 수 있다.a second expansion valve that expands the liquefied hydrogen product to atmospheric pressure before storing the liquefied hydrogen product in the storage tank; It further includes a first gas-liquid separator that separates gas and liquid from the product hydrogen expanded through the second expansion valve, and the liquid hydrogen separated through the first gas-liquid separator is stored in the storage tank, and the first gas-liquid The gaseous hydrogen separated through the separator may be allowed to join the second refrigerant hydrogen that passes through the second heat exchanger secondarily.

상기 제1팽창밸브를 거친 기액 혼합상태의 제2냉매수소를 기액분리하기 위한 제2기액분리기를 더 구비할 수 있다.A second gas-liquid separator may be further provided to separate gas-liquid from the second refrigerant hydrogen in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve.

상기 액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류될 수 있다.Natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in a storage tank storing the liquefied product hydrogen may join the second refrigerant hydrogen that passes through the second heat exchanger secondarily.

상기 팽창부는, 상기 제2분기부를 통해 분기된 상기 제1냉매수소를 팽창 및 냉각시키기 위한 제1팽창터빈을 구비할 수 있다.The expansion unit may include a first expansion turbine for expanding and cooling the first refrigerant hydrogen branched through the second branch unit.

상기 팽창부는, 상기 제2분기부를 통해 분기된 상기 제1냉매수소를 제1차로 팽창 및 냉각시켜 상기 제2열교환부로 유입되도록 하는 제1팽창터빈과; 상기 제1팽창터빈을 거친 후에 상기 제2열교환부를 통과하면서 과냉각된 상기 제1냉매수소를, 제2차로 팽창 및 냉각시켜 다시 상기 제2열교환부로 유입되도록 하기 위한 제2팽창터빈을 구비할 수 있다.The expansion unit includes a first expansion turbine that first expands and cools the first refrigerant hydrogen branched through the second branch to flow into the second heat exchange unit; A second expansion turbine may be provided to secondly expand and cool the supercooled first refrigerant hydrogen while passing through the second heat exchange unit after passing through the first expansion turbine and then flow it back into the second heat exchange unit. .

상기 제1열교환부에서 프리쿨링을 위한 에너지를 공급하고 기화된 질소가스를 액화시켜 다시 상기 제1열교환부에 유입시키기 위한 질소액화기를 더 구비할 수 있다.A nitrogen liquefaction device may be further provided to supply energy for free cooling from the first heat exchange unit, liquefy the vaporized nitrogen gas, and then introduce it back into the first heat exchange unit.

상기 제1팽창밸브는 상기 제1냉매수소와 상기 제2냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행하고, 상기 제2팽창밸브는 상기 제품수소와 상기 냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행할 수 있다.The first expansion valve may perform a flow rate control function when the first refrigerant hydrogen and the second refrigerant hydrogen branch, and the second expansion valve may perform a flow rate control function when the product hydrogen and the refrigerant hydrogen branch. there is.

상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 수소액화방법은, 공급수소가스를 제1차 압축하여 냉매수소와 제품수소로 분기시키고, 상기 냉매수소를 제2차 압축하여, 제2차 압축된 냉매수소와 제1차 압축된 제품수소를, 제1열교환부에서 액화질소를 이용하여 프리쿨링(pre-cooling) 하는 단계와; 프리쿨링된 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키고, 상기 제1냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 이용하여 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키고, 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 추가냉각된 상기 제2냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 상기 제2열교환부로 유입시켜 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키는 순환사이클 방식으로 상기 제품수소를 액화시키는 단계를 구비한다.According to another embodiment of the present invention for achieving some of the above-mentioned technical problems, the hydrogen liquefaction method according to the present invention first compresses the supply hydrogen gas and branches it into refrigerant hydrogen and product hydrogen, and the refrigerant hydrogen is Performing secondary compression and pre-cooling the secondarily compressed refrigerant hydrogen and the first compressed product hydrogen using liquefied nitrogen in the first heat exchange unit; The pre-cooled refrigerant hydrogen is branched into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen, and the low-temperature energy generated by expanding the first refrigerant hydrogen is used to store the product hydrogen passing through the second heat exchange unit and the second refrigerant hydrogen. The second refrigerant hydrogen passing through the heat exchange unit is additionally cooled, and the low-temperature energy generated by expanding the additionally cooled second refrigerant hydrogen while first passing through the second heat exchange unit is introduced into the second heat exchange unit to produce the product hydrogen and A step of firstly liquefying the product hydrogen through a circulation cycle method of additionally cooling the second refrigerant hydrogen passing through the second heat exchange unit is provided.

상기 제1냉매수소는 제1열교환부-제2열교환부-제2열교환부-제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 냉매수소로 재활용되고, 상기 제2냉매수소는 제1열교환부-제2열교환부-제2열교환부-제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 공급수소가스로 재활용되고, 액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는, 상기 제2냉매수소와 함께 상기 공급수소가스로 재활용될 수 있다.The first refrigerant hydrogen is recycled as the refrigerant hydrogen after being heat-exchanged while sequentially passing through the first heat exchange unit - the second heat exchange unit - the second heat exchange unit - the first heat exchange unit, and the second refrigerant hydrogen is recycled to the first heat exchange unit. - After heat exchange while sequentially passing through the second heat exchanger - the second heat exchanger - the first heat exchanger, it is recycled as the supply hydrogen gas, and is a naturally vaporized gas (BOG: Boil) generated in the storage tank storing the liquefied product hydrogen. Off Gas) can be recycled as the supply hydrogen gas together with the second refrigerant hydrogen.

본 발명에 따르면, 공급되는 공급수소가스를 제품수소와 냉매수소로 분기시켜, 냉매수소의 압축-냉각-팽창의 순환 사이클을 이용하여 상기 제품수소를 액화시킬 수 있으며, 순환사이클에서 이용된 냉매수소를 다시 상기 제품수소 또는 냉매수소로 재활용하는 것이 가능하며, 액화된 제품수소에서 발생되는 기액분리 가스 및 자연기화가스를 상기 제품수소 또는 냉매수소로 재활용하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 또한 냉매수소 및 제품수소의 낭비를 줄일 수 있게 되고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 오픈 사이클을 이용하여 공정이 단순하면서도 경제적인 수소액화가 가능하다는 장점이 있다. According to the present invention, the supplied hydrogen gas is branched into product hydrogen and refrigerant hydrogen, and the product hydrogen can be liquefied using the compression-cooling-expansion cycle of the refrigerant hydrogen, and the refrigerant hydrogen used in the cycle is It is possible to recycle it back into the product hydrogen or refrigerant hydrogen, and there is an advantage that it is possible to recycle the gas-liquid separation gas and natural vaporization gas generated from the liquefied product hydrogen into the product hydrogen or refrigerant hydrogen. Additionally, it has the advantage of reducing waste of refrigerant hydrogen and product hydrogen and improving energy efficiency. In addition, it has the advantage of enabling simple and economical hydrogen liquefaction using an open cycle.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소액화장치 및 수소액화방법을 위한 개략적인 흐름도들이다.1 and 2 are schematic flowcharts for a hydrogen liquefaction device and a hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, with no intention other than to provide a thorough understanding of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains.

본 발명에서 설명되는 각각의 기체상태 또는 액체상태의 수소가 제1압력범위 또는 제2압력범위, 제1온도범위 또는 제2온도범위를 가진다는 의미는, 그 범위 안에 속하는 특정 압력값 또는 특정 온도값를 가진다는 의미로, 서로 다른 역할을 수행하는 수소들(예를 들면, 제1냉매수소(RH1), 제2냉매수소(RH2))이 가지는 압력값 또는 온도값이 그 범위 안에 속한다는 의미이지 동일한 압력범위 또는 온도범위에 있다고 하여 각각의 수소들이 서로 동일한 압력값 또는 온도값을 가진다는 의미는 아니다. 예를 들어, 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)가 제2온도범위를 가진다고 하여 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)가 제2온도범위 내의 동일한 온도값을 가지는 것이 아니라, 제2온도범위 내에 속하는 서로 다른 온도값을 가질 수 있는 것이다. 또한 상기 제1온도범위는 질소의 액화온도 또는 이의 인접온도범위를 포함할 수 있고, 상기 제2온도범위는 수소의 액화온도 또는 일정 압력을 가진 상태에서 수소의 액화가 가능한 온도범위를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2온도범위는 기체상태의 수소가 일정압력을 가진 상태에서 기체상태를 유지할 수 있는 최저의 온도를 포함할 수 있다.The meaning that each gaseous or liquid hydrogen described in the present invention has a first pressure range, a second pressure range, a first temperature range, or a second temperature range means that a specific pressure value or a specific temperature falling within that range This means that the pressure or temperature values of hydrogen performing different roles (e.g., first refrigerant hydrogen (RH1), second refrigerant hydrogen (RH2)) fall within that range. Being in the same pressure or temperature range does not mean that each hydrogen has the same pressure or temperature value. For example, assuming that the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH2) have a second temperature range, the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH2) have the same temperature within the second temperature range. It does not have a single value, but can have different temperature values within the second temperature range. In addition, the first temperature range may include the liquefaction temperature of nitrogen or a temperature range adjacent thereto, and the second temperature range may include the liquefaction temperature of hydrogen or a temperature range in which hydrogen can be liquefied at a constant pressure. there is. Additionally, the second temperature range may include the minimum temperature at which gaseous hydrogen can maintain its gaseous state at a constant pressure.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소액화장치 및 수소액화방법을 위한 개략적인 흐름도들이다. 도 1과 도 2는 팽창부(134)의 구성이 다른 점을 제외하고는 다른 구성은 동일하다.1 and 2 are schematic flowcharts for a hydrogen liquefaction device and a hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention. 1 and 2 have the same configuration except that the configuration of the expansion portion 134 is different.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소액화장치(100)는 수소가스 공급부(110), 제1압축부(C1), 제2압축부(C2), 제1분기부(112), 제1열교환부(E1), 제2분기부(132), 팽창부(134), 제2열교환부(E2), 제1팽창밸브(142), 제1합류부(114), 제2합류부(116), 저장탱크(140)를 구비하여, 냉매수소의 압축, 냉각, 팽창을 이용한 순환방식을 이용하여 제품수소에 저온에너지를 공급하여 제품수소를 액화시키게 된다. 추가적으로 제2팽창밸브(144), 제1기액 분리기(146), 제2기액 분리기(148)를 더 구비할 수 있다. As shown in FIGS. 1 and 2, the hydrogen liquefaction device 100 according to an embodiment of the present invention includes a hydrogen gas supply unit 110, a first compression unit (C1), a second compression unit (C2), and a hydrogen gas supply unit (110). First branch 112, first heat exchange part (E1), second branch part 132, expansion part 134, second heat exchange part (E2), first expansion valve 142, first confluence part ( 114), a second convergence part 116, and a storage tank 140 are provided to liquefy the product hydrogen by supplying low-temperature energy to the product hydrogen using a circulation method using compression, cooling, and expansion of the refrigerant hydrogen. Additionally, a second expansion valve 144, a first gas-liquid separator 146, and a second gas-liquid separator 148 may be further provided.

상기 수소가스 공급부(110)는 냉매로 사용되는 냉매용 수소가스와 액화를 위해 공급되어야 하는 제품용 수소가스를 공급수소가스(FH)로 하여 공급한다. 여기서 상기 냉매용 수소가스와 상기 제품용 수소가스는 별도로 구분되는 것이 아니며, 상기 공급수소가스(FH)가 상기 제1분기부(114)를 통해 분기됨에 의해 그 용도가 정해지게 된다. 상기 수소가스 공급부(110)를 통해 공급되는 공급수소가스(FH)는 대략 1.2bar 정도의 저압상태를 가진다.The hydrogen gas supply unit 110 supplies hydrogen gas for a refrigerant used as a refrigerant and hydrogen gas for a product to be supplied for liquefaction as supply hydrogen gas (FH). Here, the hydrogen gas for the refrigerant and the hydrogen gas for the product are not separated, and their purpose is determined by the supply hydrogen gas (FH) branching through the first branch 114. The supplied hydrogen gas (FH) supplied through the hydrogen gas supply unit 110 has a low pressure of approximately 1.2 bar.

상기 제1압축부(C1)는 저압 수소압축기를 구비하여 상기 수소가스 공급부(110)를 공급되는 공급수소가스(FH)를 제1압력범위로 제1차 압축한다. 상기 제1압력범위는 18~22bar 로 설정될 수 있고, 바람직하게는 대략 20bar 정도로 설정될 수 있다. The first compression unit (C1) is provided with a low-pressure hydrogen compressor to first compress the supply hydrogen gas (FH) supplied to the hydrogen gas supply unit 110 to a first pressure range. The first pressure range may be set to 18 to 22 bar, and preferably approximately 20 bar.

상기 제1분기부(112)는 상기 공급수소가스(FH)를 냉매수소(RH)와 제품수소(PH)로 분기시켜 공급한다. 상기 냉매수소(RH)와 제품수소(PH)의 분기 비율을 필요에 따라 다양하게 변경가능하며, 상기 냉매수소(RH)와 제품수소(PH)의 분기비율은 후술하는 상기 제2팽창밸브(144)에 의해 조절될 수도 있고, 별도의 유량조절밸브(미도시)를 통해 조절되는 것도 가능하다.The first branch 112 supplies the supply hydrogen gas (FH) by branching it into refrigerant hydrogen (RH) and product hydrogen (PH). The branching ratio of the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) can be varied as needed, and the branching ratio of the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) is determined by the second expansion valve (144), which will be described later. ), or it can also be controlled through a separate flow control valve (not shown).

상기 제2압축부(C2)는 고압 수소압축기를 구비하여 상기 제1분기부(112)를 통해 분기된 기체상태의 냉매수소(RH)를 제2압력범위로 제2차 압축한다. 제2압력범위는 60~70bar 로 설정될 수 있고, 바람직하게는 대략 65bar 정도로 설정될 수 있다. The second compression unit (C2) is provided with a high-pressure hydrogen compressor and secondly compresses the gaseous refrigerant hydrogen (RH) branched through the first branch unit (112) to a second pressure range. The second pressure range can be set to 60 to 70 bar, and can preferably be set to approximately 65 bar.

상기 제1열교환부(E1)는 적어도 하나의 열교환기를 구비하며, 상기 제2압축부(C2)를 통해 제2차 압축된 상기 냉매수소(RH)와 상기 제1압축부(C1)를 통해 제1차 압축된 상기 제품수소(PH)를 주 냉각재인 액체질소와의 열교환을 통해 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling)된다. 상기 제1온도범위는 질소의 액화온도인 대략 -196℃의 온도 또는 이의 인접범위인 대략 -180 ~ -196℃의 온도범위(80K부근)를 포함할 수 있다. The first heat exchange unit (E1) has at least one heat exchanger, and the refrigerant hydrogen (RH) is secondarily compressed through the second compression unit (C2) and the refrigerant hydrogen (RH) is compressed through the first compression unit (C1). The primarily compressed product hydrogen (PH) is pre-cooled to a first temperature range through heat exchange with liquid nitrogen, the main coolant. The first temperature range may include a temperature of approximately -196°C, which is the liquefaction temperature of nitrogen, or a temperature range of approximately -180 to -196°C (around 80K), which is an adjacent range thereof.

상기 액체질소는 상기 제1열교환부(E1)에서 열교환을 통해 저온에너지를 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)에 공급하고 상온의 기체질소로 전환되고, 질소 액화기(120)를 통해 다시 액화되어 상기 제1열교환부(E1)로 유입되어 상기 제1열교환부(E1)에서 저온에너지를 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)에 공급하는 방식으로 순환되는 구성을 가진다. The liquid nitrogen supplies low-temperature energy to the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) through heat exchange in the first heat exchange unit (E1) and is converted to gaseous nitrogen at room temperature, and is converted into gaseous nitrogen at room temperature through a nitrogen liquefaction unit (120). It is liquefied again and flows into the first heat exchange unit (E1), and is circulated in such a way that low-temperature energy is supplied to the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) in the first heat exchange unit (E1). .

상기 제1열교환부(E1)에서는 상기 액체질소를 주 냉각재로 하여 열교환을 통해 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)를 냉각시키지만, 추가적으로, 상기 제1합류부(114)로 합류되기 위해 상기 제1열교환부(E1)를 통과하는 제1냉매수소(RH1) 및 상기 제2합류부(116)로 합류되기 위해 상기 제1열교환부(E1)를 통과하는 제2냉매수소(RH2)를 부 냉각제로 하여 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하는 방식으로 열교환을 수행한다. In the first heat exchange unit (E1), the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) are cooled through heat exchange using the liquid nitrogen as the main coolant, but additionally, the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) are combined into the first convergence unit (114). First refrigerant hydrogen (RH1) passing through the first heat exchange unit (E1) and second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the first heat exchange unit (E1) to join the second convergence unit (116). Heat exchange is performed by supplying low-temperature energy to the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) using as a secondary coolant.

이때 상기 제1열교환부(E1)를 통과하기 전의 상기 제1냉매수소(RH1) 및 상기 제2냉매수소는 대략 제1온도범위를 가지며, 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 열교환을 하고 상온의 상태가 되어 상기 제1합류부(114) 또는 제2합류부(116)로 합류되게 된다. At this time, the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen before passing through the first heat exchange unit (E1) have approximately a first temperature range and exchange heat while passing through the first heat exchange unit (E1). It becomes at room temperature and merges into the first convergence part 114 or the second convergence part 116.

상기 제2분기부(132)는 상기 제1열교환부(E1)를 통과한 상기 냉매수소(RH)를 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기시킨다.The second branch unit 132 branches the refrigerant hydrogen (RH) that has passed through the first heat exchange unit (E1) into first refrigerant hydrogen (RH1) and second refrigerant hydrogen (RH2).

상기 제2분기부(132)는 상기 제2열교환기(E2) 전단에 구비되는 것도 가능하고, 상기 제2열교환기(E2) 내부에 구비되는 것도 가능하다. 상기 제2분기부(132)가 상기 제2열교환기(E2) 전단에 구비되면 프리쿨링된 상기 냉매수소(RH)를 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기시키게 되고, 상기 제2분기부(132)가 상기 제2열교환기(E2) 내부에 구비되면 상기 냉매수소(RH)가 프리쿨링된 이후에 상기 제2열교환기(E2)를 통과하면서 추가 냉각된 상태에서 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기되는 구성을 가지게 되어 냉매로서의 효율을 증가시킬 수 있게 된다. The second branch portion 132 may be provided at the front of the second heat exchanger (E2) or may be provided inside the second heat exchanger (E2). When the second branch 132 is provided at the front of the second heat exchanger (E2), the pre-cooled refrigerant hydrogen (RH) is branched into first refrigerant hydrogen (RH1) and second refrigerant hydrogen (RH2). , when the second branch portion 132 is provided inside the second heat exchanger (E2), the refrigerant hydrogen (RH) is pre-cooled and then passes through the second heat exchanger (E2) and is further cooled. It has a configuration that branches out into the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH2), thereby increasing the efficiency of the refrigerant.

상기 팽창부(134)는 상기 제1냉매수소(RH1)를 제1압력범위로 팽창시키고 제2온도범위로 냉각시키기 위한 것으로 적어도 하나의 팽창터빈(T11,T12,T13)을 구비할 수 있다. 상기 팽창부(134)에서는 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창에 의해 상기 제1냉매수소(RH1)의 압력이 제1압력범위로 낮아지고 온도도 제2온도범위로 낮아진다.The expansion unit 134 is used to expand the first refrigerant hydrogen (RH1) to a first pressure range and cool it to a second temperature range, and may be provided with at least one expansion turbine (T11, T12, T13). In the expansion unit 134, the pressure of the first refrigerant hydrogen (RH1) is lowered to the first pressure range and the temperature is lowered to the second temperature range due to adiabatic expansion or isentropic expansion.

상기 제2분기부(132)에서 분기된 상기 제1냉매수소(RH1)는 제1온도범위와 제2압력범위를 가지는 상태이고, 상기 팽창부(134)를 거쳐 팽창되면서, 대략적으로 제1압력범위 및 제2온도범위(예를 들면, 대략 -230℃ 부근의 온도)로 냉각된다. 상기 제1냉매수소(RH1)는 기체상태를 가지나, 기체와 액체의 혼합상태 즉 기액혼합상태를 가질 수도 있다.The first refrigerant hydrogen (RH1) branched from the second branch 132 has a first temperature range and a second pressure range, and expands through the expansion part 134 to approximately reach a first pressure. range and cooled to a second temperature range (e.g., a temperature around -230°C). The first refrigerant hydrogen (RH1) is in a gaseous state, but may also be in a gas-liquid mixed state, that is, a gas-liquid mixed state.

여기서 상기 제1압력범위는 18~22bar 로 설정될 수 있고, 바람직하게는 대략 20bar 정도로 설정될 수 있음은 이미 설명한 바 있다. 또한 상기 제2온도범위는 -220 ~ -260℃의 온도범위(대략, 40K 부근)로 설정될 수 있다. 일반적으로 수소의 액화온도는 -253℃이나 일정 압력을 가지는 경우 즉 상기 제1압력범위인 대략 20 bar 정도의 경우, 수소의 액화온도인 -253℃보다 높은 온도를 가지더라도 액화 또는 기액혼합상태가 가능하게 된다. Here, it has already been described that the first pressure range can be set to 18 to 22 bar, and preferably set to approximately 20 bar. Additionally, the second temperature range may be set to a temperature range of -220 to -260°C (approximately, around 40K). In general, the liquefaction temperature of hydrogen is -253℃, but in the case of a constant pressure, that is, in the first pressure range of approximately 20 bar, the liquefaction or gas-liquid mixed state is maintained even if the temperature is higher than the liquefaction temperature of hydrogen, -253℃. It becomes possible.

상기 팽창부(134)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 제2분기부(132)를 통해 분기된 상기 제1냉매수소(RH1)를 팽창시키기 위한 제1팽창터빈(T11,T12)을 구비할 수 있다. 이 경우, 상기 제1냉매수소(RH1)는, 제1차로 상기 제2열교환부(E2)로 통과하면서 저온에너지를 공급받아 냉각되고, 이후 상기 제1팽창터빈(T11,T12)을 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 제2차로 상기 제2열교환부로 공급되고, 제2차로 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. 여기서 상기 제1냉매수소(RH1)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로 통과시에는 저온에너지를 공급받게 되고, 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로 통과시에는 저온에너지를 공급하게 되는 구성을 가진다. As shown in FIG. 1, the expansion unit 134 is provided with first expansion turbines (T11 and T12) for expanding the first refrigerant hydrogen (RH1) branched through the second branch unit 132. can do. In this case, the first refrigerant hydrogen (RH1) is cooled by receiving low-temperature energy while first passing through the second heat exchange unit (E2), and then first refrigerant hydrogen (RH1) is cooled by receiving low-temperature energy through the first expansion turbines (T11 and T12). It is expanded to a pressure range, cooled to a second temperature range, and supplied secondarily to the second heat exchanger, and supplies low-temperature energy as it passes through the second heat exchanger (E2). Here, the first refrigerant hydrogen (RH1) receives low-temperature energy when it first passes through the second heat exchange unit (E2), and receives low-temperature energy when it passes through the second heat exchange unit (E2). It has a configuration that is supplied.

다른 실시예에 따르면, 상기 팽창부(134)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2분기부를(132) 통해 분기된 상기 제1냉매수소(RH1)를 제1차로 팽창시켜 상기 제2열교환부(E2)로 유입되도록 하는 적어도 하나의 제1팽창터빈(T11,T12)과, 상기 제1팽창터빈(T11,T12)을 거친 후에 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 과냉각된 상기 제1냉매수소(RH1)를, 제2차로 팽창시켜 다시 상기 제2열교환부(E2)로 유입되도록 하기 위한 제2팽창터빈(T13)을 구비하는 구성을 가질 수도 있다. According to another embodiment, as shown in FIG. 2, the expansion unit 134 first expands the first refrigerant hydrogen (RH1) branched through the second branch unit 132 to perform the second heat exchange. At least one first expansion turbine (T11, T12) that flows into the unit (E2), and the first expansion turbine (T11, T12) and then supercooled while passing through the second heat exchange unit (E2). It may have a configuration including a second expansion turbine (T13) to expand the first refrigerant hydrogen (RH1) to a second stage and allow it to flow back into the second heat exchange unit (E2).

이 경우 상기 제1냉매수소(RH1)는, 제1차로 상기 제2열교환부(E2)로 통과하면서 저온에너지를 공급받아 냉각되고, 이후에, 상기 제1팽창터빈(T11,T12)을 통해 팽창되고 냉각된 상태에서 제2차로 상기 제2열교환부(E2)로 공급될 수 있다. 그리고 이후에 제2차로 상기 제2열교환부(E2)로 공급되어 상기 제2열교환부(E2)를 통해 저온에너지를 공급받아 재냉각된 상태에서 제2팽창터빈(T13)을 통해 팽창되어 최종적으로 제1압력범위 및 제2온도범위의 상태로 냉각되어 제3차로 제2열교환부로 공급되는 과정을 거치게 되고, 제3차로 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 기화되면서 저온에너지를 공급하는 과정을 거칠 수 있다. 여기서 상기 제1냉매수소(RH1)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차 및 제2차로 통과시에는 저온에너지를 공급받게 되고, 상기 제2열교환부(E2)를 제3차로 통과시에는 저온에너지를 공급하게 되는 구성을 가진다. In this case, the first refrigerant hydrogen (RH1) is cooled by receiving low-temperature energy while first passing through the second heat exchange unit (E2), and then expands through the first expansion turbines (T11 and T12). and can be supplied to the second heat exchanger (E2) in a cooled state. Then, it is supplied to the second heat exchanger (E2), receives low-temperature energy through the second heat exchanger (E2), is re-cooled, and expands through the second expansion turbine (T13) to finally It is cooled to the first pressure range and the second temperature range and goes through a third process of being supplied to the second heat exchanger, and a third process of supplying low-temperature energy while passing through the second heat exchanger (E2) and being vaporized. You can go through Here, the first refrigerant hydrogen (RH1) is supplied with low-temperature energy when it passes through the second heat exchange unit (E2) in the first and second passes, and when it passes through the second heat exchange unit (E2) in the third pass. It has a configuration that supplies low-temperature energy.

여기서, 상기 제1냉매수소(RH1)가 냉매로서의 역할을 효율적으로 수행하도록 하기 위해 필요에 따라 팽창터빈은 가감될 수 있고, 상기 제1팽창터빈(T11,T12)과 상기 제2팽창터빈(T13) 사이에 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 과정이 포함되도록 할 수도 있고, 상기 제2열교환부(E2)의 통과없이 상기 제1팽창터빈(T11,T12)과 상기 제2팽창터빈(T13)을 통한 팽창공정이 연속적으로 수행되도록 하는 것도 가능하다. Here, in order for the first refrigerant hydrogen (RH1) to efficiently perform its role as a refrigerant, the expansion turbine may be added or subtracted as necessary, and the first expansion turbine (T11, T12) and the second expansion turbine (T13) ) may include a process of passing through the second heat exchanger (E2), and the first expansion turbine (T11, T12) and the second expansion turbine (T11, T12) without passing through the second heat exchanger (E2). It is also possible to allow the expansion process through T13) to be performed continuously.

결과적으로 상기 팽창부(134)를 통과한 상기 제1냉매수소(RH1)는 제1압력범위 및 제2온도범위를 가지는 기체상태 또는 기액혼합 상태를 가지게 된다. As a result, the first refrigerant hydrogen (RH1) passing through the expansion unit 134 is in a gaseous state or a gas-liquid mixture state having a first pressure range and a second temperature range.

상기 제2열교환부(E2)는 적어도 하나의 열교환기를 구비하여, 상기 제1냉매수소(RH1), 상기 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH) 간의 열교환을 통해 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 상기 제품수소(PH)를 액화시키기 위한 것이다.The second heat exchange unit (E2) has at least one heat exchanger, and heat exchanges between the first refrigerant hydrogen (RH1), the second refrigerant hydrogen (RH2), and the product hydrogen (PH) to produce the product hydrogen (PH). ) to liquefy the product hydrogen (PH) by supplying low-temperature energy to the product.

상기 제2열교환부(E2)에서는, 상기 팽창부(134)를 거쳐 냉각된 상기 제1냉매수소(RH1)가 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급한다. In the second heat exchange unit (E2), the cooled first refrigerant hydrogen (RH1) passes through the expansion unit 134, and the second refrigerant hydrogen passes through the second heat exchange unit (E2) through heat exchange. Low-temperature energy is supplied to (RH2) and the product hydrogen (PH).

그리고, 상기 제2분기부(132)를 통해 분기된 상기 제2냉매수소(RH2)가 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과하면서 상기 제1냉매수소(RH1)로부터 저온에너지를 공급받아 액화된다. 상기 제2냉매수소(RH2)는 냉각되어 액화상태를 가지게 된다. 상기 제2냉매수소(RH2)의 압력범위인 제2압력범위는 60~70bar를 가지는 상태로 고압상태의 상기 제2냉매수소(RH2)는, 상대적으로 수소의 액화온도인 -253℃ 보다 높은 온도(예를 들면, 대략 -235 ~ -250℃)에서도 쉽게 액화가 가능하다. In addition, the second refrigerant hydrogen (RH2) branched through the second branch portion 132 passes through the second heat exchange portion (E2) in the first direction (or in the forward direction) and the first refrigerant hydrogen (RH1) It is liquefied by receiving low-temperature energy from. The second refrigerant hydrogen (RH2) is cooled and is in a liquefied state. The second pressure range, which is the pressure range of the second refrigerant hydrogen (RH2), is 60 to 70 bar, and the second refrigerant hydrogen (RH2) in a high pressure state has a temperature relatively higher than -253°C, which is the liquefaction temperature of hydrogen. (For example, it can be easily liquefied at approximately -235 to -250℃).

액화된 상기 제2냉매수소(RH2)는, 다시 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 기화되어, 제1차로(또는 정방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 저온에너지를 공급하고 또한, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 액화되도록 하는 과정을 거치게 된다. The liquefied second refrigerant hydrogen (RH2) is vaporized again while passing through the second heat exchanger (E2) in the second lane (or in the reverse direction), and passes through the second heat exchanger (E2) in the first lane (or in the forward direction). ) supplies low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the second heat exchanger (E2) and also supplies low-temperature energy to the product hydrogen (PH) passing through the second heat exchange unit (E2) to liquefy it. .

결과적으로, 상기 제2열교환부(E2)에서는 압축상태의 상기 제1냉매수소(RH1)의 팽창을 통한 냉각과정 또는 냉각-팽창을 통한 냉각과정을 통해 얻어진 저온에너지와, 압축상태의 상기 제2냉매수소(RH2)의 냉각-팽창을 통해 얻어진 저온에너지를 이용하여 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 액화되도록 하는 과정을 거치게 된다.As a result, in the second heat exchange unit (E2), the low-temperature energy obtained through the cooling process through expansion of the compressed first refrigerant hydrogen (RH1) or the cooling process through cooling-expansion, and the compressed second refrigerant hydrogen (RH1) The low-temperature energy obtained through the cooling-expansion of the refrigerant hydrogen (RH2) is used to supply low-temperature energy to the product hydrogen (PH) to liquefy it.

추가적으로, 상기 제품수소(PH)가 상기 제2열교환부(E2)를 통과할 때 상기 제품수소(PH)의 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응을 위한 오르쏘-파라 변환촉매가 구비될 수 있다. 상기 제품수소(PH)의 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응은 발열반응으로, 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응시에 발생되는 열은 상기 제2열교환부(E2)에서의 열교환을 통해 해소되는 것이 가능하다.Additionally, when the product hydrogen (PH) passes through the second heat exchange unit (E2), an ortho-para conversion catalyst for the ortho-para conversion reaction of the product hydrogen (PH) may be provided. You can. The Ortho-Para conversion reaction of the product hydrogen (PH) is an exothermic reaction, and the heat generated during the Ortho-Para conversion reaction is generated in the second heat exchange unit (E2). It is possible to resolve this through heat exchange.

상기 제1팽창밸브(142)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과하면서 제2온도범위에서 액화된 제2냉매수소(RH2)를, 팽창 및 추가 냉각시켜 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 변환시켜 다시 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하도록 한다. 즉 상기 제2냉매수소(RH2)는 제1차로(또는 정방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과한 직후의 액화상태의 온도보다 낮은 온도의 기액 혼합상태로 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하게 된다. 상기 제1팽창밸브(142)를 거친 상기 제2냉매수소(RH2)는 1~3bar 정도의 압력으로 대기압에 가까운 압력범위를 가질 수 있다.The first expansion valve 142 expands and further cools the second refrigerant hydrogen (RH2) liquefied in the second temperature range while passing through the second heat exchange unit (E2) in the first direction (or in the forward direction) to gas. and converting the liquid into a gas-liquid mixed state to pass through the second heat exchanger (E2) again in the second lane (or in the reverse direction). That is, the second refrigerant hydrogen (RH2) is in a gas-liquid mixed state at a lower temperature than the temperature of the liquefied state immediately after passing through the second heat exchanger (E2) in the first lane (or in the reverse direction) in the second lane (or in the reverse direction). ) passes through the second heat exchange unit (E2). The second refrigerant hydrogen (RH2) that has passed through the first expansion valve 142 may have a pressure range of about 1 to 3 bar, which is close to atmospheric pressure.

그리고, 상기 제1팽창밸브(142)는 상기 제1냉매수소(RH1)와 상기 제2냉매수소(RH2)의 상기 제2분기부(132)를 통한 분기시 유량조절기능을 수행할 수 있다. 필요에 따라 별도의 유량조절밸브를 구비할 수도 있다. In addition, the first expansion valve 142 may perform a flow rate control function when the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH2) branch through the second branch 132. If necessary, a separate flow control valve may be provided.

상기 제2냉매수소(RH2)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과시에는 상기 제1냉매수소(RH1) 및 제2차로(또는 역방향으로) 제2열교환부(E2)를 통과하는 제2냉매수소(RH2)로부터 저온에너지를 얻어 액화되고, 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 상기 제1차로(또는 정방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하게 된다. When the second refrigerant hydrogen (RH2) passes through the second heat exchange unit (E2) in the first lane (or in the forward direction), the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second heat exchange unit (RH1) in the second lane (or in the reverse direction). It is liquefied by obtaining low-temperature energy from the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through (E2), and passes through the second heat exchanger (E2) in the second lane (or in the reverse direction) in the first lane (or in the forward direction). Low-temperature energy is supplied to the second refrigerant hydrogen (RH2) and the product hydrogen (PH) passing through the second heat exchange unit (E2).

상기 제1합류부(114)는 상기 팽창부(134)를 거친 상기 제1냉매수소(RH1)가 상기 제2열교환부(E2) 및 상기 제1열교환부(E1)를 순차적으로 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 기체상태로 상기 제2압축부(C2) 전단으로 회수되어 상기 냉매수소(RH)로 재활용되도록 하기 위한 것이다. 상기 제1합류부(114)로 합류되는 상기 제1냉매수소(RH1)는 제1압력범위의 기체상태를 가지므로, 제1압축부(C1)를 거칠 필요없이 상기 제2압축부(C2) 전단으로 합류되어 상기 냉매수소(RH)로 재활용될 수 있다. The first convergence part 114 generates low-temperature energy as the first refrigerant hydrogen (RH1), which has passed through the expansion part 134, sequentially passes through the second heat exchange part (E2) and the first heat exchange part (E1). This is to supply and recover the gaseous state at room temperature to the front of the second compression section (C2) and recycle it as the refrigerant hydrogen (RH). Since the first refrigerant hydrogen (RH1) joining the first convergence section 114 has a gaseous state in the first pressure range, the second compression section (C2) does not need to go through the first compression section (C1). It can join the front end and be recycled into the refrigerant hydrogen (RH).

상기 제2합류부(116)는 상기 제2냉매수소(RH2)가 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하고 다시 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 저온에너지를 공급하며, 이러한 열교환에 의해 상온의 기체상태로 상기 제1압축부(C1) 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되도록 하기 위한 것이다. 상기 제2합류부(116)로 합류되는 상기 제2냉매수소(RH2)는 1~3bar 정도의 압력으로 대기압에 가까운 압력범위를 가지며, 상기 수소가스 공급부(110)를 통해 공급되는 공급수소가스와 유사한 압력범위를 가지므로, 상기 제1압축부(C1) 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되게 된다.The second convergence part 116 supplies low-temperature energy as the second refrigerant hydrogen (RH2) passes through the second heat exchange part (E2) in the second direction (or in the reverse direction), and then returns to the first heat exchange part (E1). ) to supply low-temperature energy while passing through the heat exchanger, and through this heat exchange, the gaseous state at room temperature is recovered to the front of the first compression section (C1) and recycled as supplied hydrogen gas. The second refrigerant hydrogen (RH2) joining the second confluence unit 116 has a pressure range of about 1 to 3 bar, close to atmospheric pressure, and is connected to the supply hydrogen gas supplied through the hydrogen gas supply unit 110. Since it has a similar pressure range, it is recovered at the front of the first compression section (C1) and recycled as supply hydrogen gas.

상기 저장탱크(140)는 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 공급받아 액화된 제품수소(PH)를 저장하기 위한 것이다. The storage tank 140 is for storing product hydrogen (PH) liquefied by receiving low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2).

상기 제2팽창밸브(144)는 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 액화된 제품수소(PH)를 상기 저장탱크(140)에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 대기압 수준 또는 대기압에 가까운 수준인 1~3bar 수준으로 팽창시키기 위한 것이다. 그리고, 상기 제2팽창밸브(144)는 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(RH2)의 상기 제1분기부(112)를 통한 분기시 유량조절기능을 수행할 수 있다. 필요에 따라 별도의 유량조절밸브를 구비할 수도 있다. Before storing the liquefied product hydrogen (PH) in the storage tank 140 while passing through the second heat exchange unit (E2), the second expansion valve 144 stores the liquefied product hydrogen at atmospheric pressure level or close to atmospheric pressure. This is to expand it to the level of 1 to 3 bar. In addition, the second expansion valve 144 may perform a flow rate control function when the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (RH2) branch through the first branch 112. If necessary, a separate flow control valve may be provided.

상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 액화된 제품수소(PH)는 제1압력범위를 가지며, 압력이 높은 액화수소를 저장하기 위한 저장탱크는 가격이 비싸고 고압의 액화수소는 관리가 어렵기 때문에, 액화된 제품수소(PH)를 상기 저장탱크(140)에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 대기압 수준 또는 대기압에 가까운 수준인 1~3bar 수준으로 팽창시키는 것이 필요하게 된다. 상기 제2팽창밸브(144)를 통해 팽창된 제품수소(PH)는 팽창과정에서 일부 액화수소가 기화하기 때문에 기액분리가 필요하게 된다.Product hydrogen (PH) liquefied while passing through the second heat exchange unit (E2) has a first pressure range, and storage tanks for storing high-pressure liquefied hydrogen are expensive and high-pressure liquefied hydrogen is difficult to manage. Therefore, before storing the liquefied hydrogen product (PH) in the storage tank 140, it is necessary to expand the liquefied hydrogen product to a level of 1 to 3 bar, which is at or close to atmospheric pressure. Product hydrogen (PH) expanded through the second expansion valve 144 requires gas-liquid separation because some of the liquefied hydrogen vaporizes during the expansion process.

상기 제1기액분리기(146)는 상기 제2팽창밸브(144)를 통해 팽창된 제품수소(PH)에서 기체와 액체를 분리하며, 분리된 액체수소는 상기 저장탱크(140)로 공급하고, 분리된 기체수소는 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 제3합류부(138)를 통해 합류되어 상기 제2냉매수소(RH2)와 함께 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. 상기 제3합류부(138)는 상기 제2냉매수소(RH2)가 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환기(E2)에 유입되기 전단에 구비될 수도 있고, 상기 제2냉매수소(RH2)가 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환기(E2)에 유입된 직후의 라인 상에 구비되는 것도 가능하다.The first gas-liquid separator 146 separates gas and liquid from the product hydrogen (PH) expanded through the second expansion valve 144, and the separated liquid hydrogen is supplied to the storage tank 140 and separated. The gaseous hydrogen is joined to the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the second heat exchange unit (E2) in the second direction (or in the reverse direction) through the third confluence section (138) to form the second refrigerant hydrogen (RH2). ) and supplies low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction). The third confluence portion 138 may be provided before the second refrigerant hydrogen (RH2) flows into the second heat exchanger (E2) in the second lane (or in the reverse direction), and the second refrigerant hydrogen ( It is also possible that RH2) is provided on the line immediately after flowing into the second heat exchanger (E2) in the second lane (or in the reverse direction).

그리고, 상기 액화된 제품수소(PH)를 저장한 저장탱크(140)에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2냉매수소(RH2)와 함께 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. In addition, natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in the storage tank 140 storing the liquefied product hydrogen (PH) passes through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction). It joins the second refrigerant hydrogen (RH2) and supplies low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction) together with the second refrigerant hydrogen (RH2).

이에따라, 액화된 제품수소(PH)에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas) 및 상기 제1기액분리기(146)를 분리된 제품수소(PH)의 기체수소가, 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 공급하면서 제품수소(PH)의 액화에 기여하게 된다.Accordingly, the natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated from the liquefied product hydrogen (PH) and the gaseous hydrogen of the product hydrogen (PH) separated from the first gas-liquid separator 146 are the second refrigerant hydrogen ( RH2) and passes through the second heat exchange unit (E2), supplying low-temperature energy and contributing to the liquefaction of product hydrogen (PH).

추가적으로 상기 제2기액 분리기(148)는 상기 제1팽창밸브(142)를 거친 기액 혼합상태의 제2냉매수소(RH2)를 기액분리하기 위한 것으로, 분리된 액체와 기체는 별도의 라인을 통해 상기 제3합류부(138)에서 합류되어 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. 상기 제2기액분리기(148)는 액체와 기체를 분리하여 이송하게 되면 열분배 효율이 우수해지는 특성을 이용하기 위한 것으로, 필요에 따라 구비되지 않을 수도 있다. 상기 제2기액 분리기(148)가 구비되지 않는 경우 상기 제1팽창밸브(142)를 거친 기액 혼합상태의 제2냉매수소(RH2)는 바로 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다.Additionally, the second gas-liquid separator 148 is for gas-liquid separation of the second refrigerant hydrogen (RH2) in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve 142, and the separated liquid and gas are passed through a separate line. They join at the third convergence part 138 and supply low-temperature energy while passing through the second heat exchange part E2 in the second direction (or in the reverse direction). The second gas-liquid separator 148 is intended to take advantage of the characteristic that heat distribution efficiency is improved when liquid and gas are separated and transported, and may not be provided as needed. If the second gas-liquid separator 148 is not provided, the second refrigerant hydrogen (RH2) in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve 142 is directly transferred to the second heat exchange unit (E2) as a second lane (or As it passes in the reverse direction, low-temperature energy is supplied.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 수소액화장치를 이용한 수소액화과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. The hydrogen liquefaction process using the hydrogen liquefaction device having the above-described configuration will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as follows.

수소액화과정은 크게 상기 제1열교환부(E1)를 통한 프리쿨링(pre-cooling)과정과, 상기 제2열교환부(E2)를 통한 제품수소의 액화과정으로 나눌수 있다. The hydrogen liquefaction process can be largely divided into a pre-cooling process through the first heat exchanger (E1) and a liquefaction process of product hydrogen through the second heat exchanger (E2).

상기 프리쿨링과정은 공급수소가스(FH)를 제1차 압축하여 냉매수소(RH)와 제품수소(PH)로 분기시키고, 상기 냉매수소(RH)를 제2차 압축하여, 제2차 압축된 냉매수소(RH)와 제1차 압축된 제품수소(PH)를, 제1열교환부(E1)에서 액화질소(LN)를 이용하여 프리쿨링(pre-cooling) 하는 과정이다.In the precooling process, the supply hydrogen gas (FH) is first compressed to branch into refrigerant hydrogen (RH) and product hydrogen (PH), and the refrigerant hydrogen (RH) is secondarily compressed to produce a second compressed gas. This is a process of pre-cooling refrigerant hydrogen (RH) and first compressed product hydrogen (PH) using liquefied nitrogen (LN) in the first heat exchange unit (E1).

또한, 액화과정은, 프리쿨링된 상기 냉매수소(RH)를 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기시키고, 상기 제1냉매수소(RH1)를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 이용하여 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제품수소(PH)와 제1차로(또는 정방향으로) 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소(RH2)를 추가 냉각시키고, 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과하면서 추가냉각된 상기 제2냉매수소(RH2)를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 상기 제2열교환부(E2)로 유입시켜 상기 제품수소(PH)와 제1차로(또는 정방향으로) 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소(RH1)를 추가 냉각시키는 순환사이클 방식으로 상기 제품수소(PH)를 액화시키는 과정이다. 이때, 상기 제1냉매수소(RH1)는 제1열교환부(E1)-제2열교환부(E2)-제2열교환부(E2)-제1열교환부(E1)를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 냉매수소(RH)로 재활용되고, 상기 제2냉매수소(RH2)는 제1열교환부(E1)-제2열교환부(E2)-제2열교환부(E2)-제1열교환부(E1)를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 공급수소가스(FH)로 재활용되고, 액화된 제품수소(PH)에서 발생된 자연기화가스 또한 상기 제2냉매수소(RH2)와 함께 상기 공급수소가스(FH)로 재활용되는 과정을 거치게 된다.In addition, the liquefaction process branches the pre-cooled refrigerant hydrogen (RH) into first refrigerant hydrogen (RH1) and second refrigerant hydrogen (RH2), and expands the first refrigerant hydrogen (RH1) to generate low-temperature energy. The product hydrogen (PH) passing through the second heat exchange unit (E2) and the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the second heat exchange unit in the first direction (or in the forward direction) are further cooled using The low-temperature energy generated by expanding the additionally cooled second refrigerant hydrogen (RH2) while passing through the unit (E2) in the first lane (or in the forward direction) flows into the second heat exchange unit (E2) to produce the product hydrogen (PH ) and the second refrigerant hydrogen (RH1) passing through the first lane (or forward direction) second heat exchanger is a process of liquefying the product hydrogen (PH) through a circulation cycle that further cools the second refrigerant hydrogen (RH1). At this time, the first refrigerant hydrogen (RH1) is heat exchanged while sequentially passing through the first heat exchange unit (E1) - the second heat exchange unit (E2) - the second heat exchange unit (E2) - the first heat exchange unit (E1). It is recycled as the refrigerant hydrogen (RH), and the second refrigerant hydrogen (RH2) is divided into the first heat exchange part (E1) - the second heat exchange part (E2) - the second heat exchange part (E2) - the first heat exchange part (E1) ) is recycled as the supply hydrogen gas (FH) after heat exchange while sequentially passing through the supply hydrogen gas (FH), and the natural vaporization gas generated from the liquefied product hydrogen (PH) is also supplied with the supply hydrogen gas (RH2) together with the second refrigerant hydrogen (RH2) FH) goes through a recycling process.

좀더 자세히 살펴보면, 우선, 상기 수소가스공급부(110)를 통해 공급되는 공급수소가스(FH)는 상기 제1압축부(C1)를 통해 제1압력범위로 제1차 압축되어 기체상태(가스상태)의 냉매수소(RH)와 기체상태의 제품수소(PH)로 분기된다. 그리고 기체상태의 상기 제품수소(PH)는 상기 제1열교환부(E1)로 바로 유입되고, 기체상태의 상기 냉매수소(RH)는 상기 제2압축부(C2)를 통해 제2압력범위로 제2차 압축되어 상기 제1열교환부(E1)로 유입되게 된다.Looking in more detail, first, the supply hydrogen gas (FH) supplied through the hydrogen gas supply unit 110 is first compressed to a first pressure range through the first compression unit (C1) and is in a gaseous state (gas state). It branches into refrigerant hydrogen (RH) and gaseous product hydrogen (PH). And the gaseous product hydrogen (PH) flows directly into the first heat exchange unit (E1), and the gaseous refrigerant hydrogen (RH) is adjusted to the second pressure range through the second compression unit (C2). It is secondarily compressed and flows into the first heat exchange unit (E1).

상기 제1열교환부(E1)에서는 상기 제2압축부(C2)를 통해 제2차 압축된 상기 냉매수소(RH)와 상기 제1압축부(C1)를 통해 제1차 압축된 상기 제품수소(PH)를 주 냉각재인 액체질소와의 열교환을 통해 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling)한다. 여기서, 상기 제1열교환부(E1)에서는 상기 액체질소를 주 냉각재로 하여 열교환을 통해 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)를 냉각시키지만, 추가적으로, 상기 제1합류부(114)로 합류되기 위해 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 회수되는 제1냉매수소(RH1) 및 상기 제2합류부(116)로 합류되기 위해 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 회수되는 제2냉매수소(RH2)를 부 냉각제로 하여 상기 냉매수소(RH)와 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하는 방식으로 냉각시키는 열교환을 수행한다. In the first heat exchange part (E1), the refrigerant hydrogen (RH) secondarily compressed through the second compression part (C2) and the product hydrogen (RH) first compressed through the first compression part (C1) PH) is pre-cooled to the first temperature range through heat exchange with liquid nitrogen, the main coolant. Here, the first heat exchange unit (E1) cools the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH) through heat exchange using liquid nitrogen as the main coolant, but additionally, the first convergence unit (114) The first refrigerant hydrogen (RH1) recovered while passing through the first heat exchange unit (E1) to join and the refrigerant hydrogen (RH1) recovered while passing through the first heat exchange unit (E1) to join the second confluence unit (116). 2. Cooling heat exchange is performed by using refrigerant hydrogen (RH2) as a secondary coolant and supplying low-temperature energy to the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen (PH).

상기 제1열교환부(E1)를 통과하여 제1온도범위로 프리쿨링된 기체상태의 제품수소(PH)는, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 상기 제1냉매수소(RH1) 및 상기 제2냉매수소(RH2)로부터 저온에너지를 공급받아 액화되게 된다. 또한 상기 제품수소(PH)는 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응을 수행하고 이 과정에서 발생되는 열은 상기 제2열교환부(E2)의 저온에너지에 의해 상쇄되게 된다. The gaseous product hydrogen (PH) pre-cooled to the first temperature range through the first heat exchange unit (E1) passes through the second heat exchange unit (E2) and is converted into the first refrigerant hydrogen (RH1) and the It is liquefied by receiving low-temperature energy from the second refrigerant hydrogen (RH2). In addition, the product hydrogen (PH) undergoes an ortho-para conversion reaction while passing through the second heat exchange unit (E2), and the heat generated in this process is generated at a low temperature of the second heat exchange unit (E2). It is offset by energy.

상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 제1온도범위로 프리쿨링된 기체상태의 상기 냉매수소(RH)는 상기 제2분기부(132)에서 상기 제1냉매수소(RH1)와 상기 제2냉매수소(RH2)로 분기된다. 상기 제2분기부(132)가 상기 제2열교환기(E2) 내부에 구비되거나 상기 제2열교환기(E2) 전단에 구비될 수 있음은 이미 설명한 바 있다. 상기 제2분기부(132)가 상기 제2열교환기(E2) 내부에 구비되면 상기 냉매수소(RH)가 프리쿨링된 이후에 상기 제2열교환기(E2)를 통과하면서 추가 냉각된 상태에서 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기되는 구성을 가지게 되어 냉매로서의 효율을 증가시킬 수 있게 된다. The gaseous refrigerant hydrogen (RH) pre-cooled to a first temperature range while passing through the first heat exchange unit (E1) is divided into the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH1) in the second branch portion (132). It branches off into refrigerant hydrogen (RH2). It has already been described that the second branch portion 132 may be provided inside the second heat exchanger (E2) or may be provided at the front of the second heat exchanger (E2). When the second branch 132 is provided inside the second heat exchanger (E2), the refrigerant hydrogen (RH) is pre-cooled and then passes through the second heat exchanger (E2) in an additional cooled state. It has a configuration that branches into the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second refrigerant hydrogen (RH2), thereby increasing the efficiency of the refrigerant.

분기된 상기 제1냉매수소(RH1)는 상기 팽창부(134)를 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 기체상태 또는 기액혼합상태가 되어 제2열교환부(E2)로 유입되고, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 상기 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하게 된다. 상기 제2열교환부(E2)를 통과한 이후에 상기 제1냉매수소(RH1)는 기체상태의 제1압력범위 및 제1온도범위를 가지게 된다. The branched first refrigerant hydrogen (RH1) is expanded to the first pressure range through the expansion unit 134, cooled to the second temperature range, becomes a gas state or a gas-liquid mixture state, and flows into the second heat exchanger (E2). And, while passing through the second heat exchange unit (E2), low-temperature energy is supplied to the second refrigerant hydrogen (RH2) and the product hydrogen (PH). After passing through the second heat exchange unit (E2), the first refrigerant hydrogen (RH1) has a first pressure range and a first temperature range in a gaseous state.

분기된 상기 제2냉매수소(RH2)는 제2압력범위 및 제1온도범위를 가지는 기체상태로, 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과하면서 제2압력범위 및 제2온도범위를 가지면서 액화된다. 이때 상기 제2냉매수소(RH2)는 상기 팽창부(134)를 거쳐 액화되어 상기 제2열교환부(E2)로 유입된 상기 제1냉매수소(RH1)로부터 저온에너지를 공급받고, 또한, 기액혼합상태로 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)로부터도 저온에너지를 공급받아 액화된다. The branched second refrigerant hydrogen (RH2) is in a gaseous state having a second pressure range and a first temperature range, and passes through the second heat exchange unit (E2) in the first lane (or in the forward direction) to reach the second pressure range and It is liquefied in the second temperature range. At this time, the second refrigerant hydrogen (RH2) receives low-temperature energy from the first refrigerant hydrogen (RH1), which is liquefied through the expansion unit 134 and flows into the second heat exchange unit (E2), and also undergoes gas-liquid mixing. It is liquefied by receiving low-temperature energy from the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the second heat exchanger (E2) in the second lane (or in the reverse direction).

상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과하면서 제2온도범위에서 액화된 제2냉매수소(RH2)는 상기 제1팽창밸브(142)를 통해 팽창 및 추가 냉각되어 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 변환되고, 다시 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하도록 한다. 상기 제1팽창밸브(142)를 거친 상기 제2냉매수소(RH2)는 1~3bar 정도의 압력으로 대기압에 가까운 압력범위를 가지며 제2온도범위를 가질 수 있다.The second refrigerant hydrogen (RH2) liquefied in the second temperature range while passing through the second heat exchange unit (E2) in the first direction (or in the forward direction) is expanded and further cooled through the first expansion valve 142 to become gas. And the liquid is converted into a gas-liquid mixed state, and is allowed to pass through the second heat exchanger (E2) again in a second direction (or in the reverse direction). The second refrigerant hydrogen (RH2) that has passed through the first expansion valve 142 has a pressure range of about 1 to 3 bar, which is close to atmospheric pressure, and may have a second temperature range.

상기 제1팽창밸브(142)를 거친 기액혼합상태의 상기 제2냉매수소(RH2)는, 다시 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 기화되어, 제1차로(또는 정방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 저온에너지를 공급하고 또한, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 상기 제품수소(PH)가 액화되도록 한다. 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과한 이후에 상기 제2냉매수소(RH2)는 기체상태의 대기압에 가까운 압력범위 및 제1온도범위를 가지게 된다. The second refrigerant hydrogen (RH2) in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve 142 is vaporized while passing through the second heat exchanger (E2) again in the second lane (or in the reverse direction), and then in the first lane. (or in the forward direction) supplies low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen (RH2) passing through the second heat exchange unit (E2) and also to the product hydrogen (PH) passing through the second heat exchange unit (E2). Low-temperature energy is supplied to liquefy the product hydrogen (PH). After passing through the second heat exchange unit (E2) in the second direction (or in the reverse direction), the second refrigerant hydrogen (RH2) has a pressure range and a first temperature range close to atmospheric pressure in the gaseous state.

상기 제2냉매수소(RH2)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(또는 정방향으로) 통과시에는 상기 제1냉매수소(RH1) 및 제2차로(또는 역방향으로) 제2열교환부(E2)를 통과하는 기액혼합상태의 제2냉매수소(RH2)로부터 저온에너지를 얻어 액화되고, 제2차로(또는 역방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 상기 제1차로(또는 정방향으로) 상기 제2열교환부(E2)를 통과하는 기체상태의 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 액화시키게 된다. When the second refrigerant hydrogen (RH2) passes through the second heat exchange unit (E2) in the first lane (or in the forward direction), the first refrigerant hydrogen (RH1) and the second heat exchange unit (RH1) in the second lane (or in the reverse direction). It is liquefied by obtaining low-temperature energy from the second refrigerant hydrogen (RH2) in a gas-liquid mixed state passing through (E2), and passes through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction) in the first lane (or In the forward direction), low-temperature energy is supplied to the gaseous second refrigerant hydrogen (RH2) and the product hydrogen (PH) passing through the second heat exchange unit (E2) to liquefy them.

결과적으로, 상기 제2열교환부(E2)에서는 압축상태의 상기 제1냉매수소(RH1)의 팽창을 통한 냉각과정 또는 냉각-팽창을 통한 냉각과정을 통해 얻어진 저온에너지와, 압축상태의 상기 제2냉매수소(RH2)의 냉각-팽창을 통해 얻어진 저온에너지를 이용하여 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 액화되도록 하는 과정을 거치게 된다.As a result, in the second heat exchange unit (E2), the low-temperature energy obtained through the cooling process through expansion of the compressed first refrigerant hydrogen (RH1) or the cooling process through cooling-expansion, and the compressed second refrigerant hydrogen (RH1) The low-temperature energy obtained through the cooling-expansion of the refrigerant hydrogen (RH2) is used to supply low-temperature energy to the product hydrogen (PH) to liquefy it.

한편, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 상기 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여 기체상태의 제1압력범위 및 제1온도범위를 가지는 상기 제1냉매수소(RH1)는, 상기 제1열교환부(E1)를 역방향으로 통과하면서 부냉각제로 기능하여, 상기 제1열교환부(E1)을 정방향으로 통과하는 상기 냉매수소(RH) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하고, 상온의 기체상태 및 제1압력범위로 상기 제2압축부(C2) 전단인 상기 제1합류부(114)로 회수되어 상기 냉매수소(RH)로 재활용되게 된다. Meanwhile, while passing through the second heat exchange unit (E2), low-temperature energy is supplied to the second refrigerant hydrogen (RH2) and the product hydrogen (PH), so that the refrigerant has a first pressure range and a first temperature range in a gaseous state. 1 Refrigerant hydrogen (RH1) functions as a sub-coolant while passing through the first heat exchange unit (E1) in the reverse direction, and the refrigerant hydrogen (RH) and the product hydrogen pass through the first heat exchange unit (E1) in the forward direction. Low-temperature energy is supplied to (PH), and recovered in the gaseous state at room temperature and in the first pressure range to the first convergence section 114, which is the front end of the second compression section C2, to be recycled as the refrigerant hydrogen (RH). do.

상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 상기 제2냉매수소(RH2) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하여, 기체상태의 대기압에 가까운 압력범위 및 제1온도범위를 가지게 되는 상기 제2냉매수소(RH2)는, 상기 제1열교환부(E1)를 역방향으로 통과하면서 상기 제1열교환부(E1)을 정방향으로 통과하는 상기 냉매수소(RH) 및 상기 제품수소(PH)에 저온에너지를 공급하고, 상온의 기체상태의 대기압에 가까운 압력범위를 가지는 상태로 상기 제1압축부(C1) 전단인 상기 제2합류부(116)로 합류되어 상기 공급수소가스(FH)로 재활용되게 된다.While passing through the second heat exchanger (E2) in the second direction (or in the reverse direction), low-temperature energy is supplied to the second refrigerant hydrogen (RH2) and the product hydrogen (PH), thereby maintaining a pressure range close to atmospheric pressure in the gaseous state and The second refrigerant hydrogen (RH2), which has a first temperature range, passes through the first heat exchange unit (E1) in the reverse direction and the refrigerant hydrogen (RH) which passes through the first heat exchange unit (E1) in the forward direction, and Low-temperature energy is supplied to the product hydrogen (PH), and it is supplied to the second convergence section 116, which is the front end of the first compression section C1, in a pressure range close to atmospheric pressure in the gaseous state at room temperature. It is recycled as hydrogen gas (FH).

상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 액화된 제품수소(PH)는 상기 저장탱크(140)에 저장되며, 상기 저장탱크(140)에 저장하기 전에, 상기 제2팽창밸브(144)를 이용하여 액화된 제품수소를 대기압 수준 또는 대기압에 가까운 수준인 1~3bar 수준으로 팽창시키는 과정이 필요할 수 있다. 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 액화된 제품수소(PH)는 제1압력범위를 가지며, 압력이 높은 액화수소를 저장하기 위한 저장탱크는 가격이 비싸고 고압의 액화수소는 관리가 어렵기 때문에, 액화된 제품수소(PH)를 상기 저장탱크(140)에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 대기압 수준 또는 대기압에 가까운 수준인 1~3bar 수준으로 팽창시키는 것이 필요할 수 있다. The product hydrogen (PH) liquefied while passing through the second heat exchange unit (E2) is stored in the storage tank 140, and before storing it in the storage tank 140, the second expansion valve 144 is used. Therefore, it may be necessary to expand the liquefied product hydrogen to a level of 1 to 3 bar, which is at or close to atmospheric pressure. Product hydrogen (PH) liquefied while passing through the second heat exchange unit (E2) has a first pressure range, and storage tanks for storing high-pressure liquefied hydrogen are expensive and high-pressure liquefied hydrogen is difficult to manage. Therefore, before storing the liquefied product hydrogen (PH) in the storage tank 140, it may be necessary to expand the liquefied product hydrogen to a level of 1 to 3 bar, which is at or close to atmospheric pressure.

그리고, 상기 제2팽창밸브(144)를 통해 팽창된 제품수소(PH)는 팽창과정에서 일부 액화수소가 기화하기 때문에 기액분리가 필요하게 되며, 상기 제1기액분리기(146)를 통해 기체와 액체를 분리하며, 분리된 액체수소는 상기 저장탱크(140)로 공급하고, 분리된 기체수소(또는 가스수소)는 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2냉매수소(RH2)와 함께 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. In addition, the product hydrogen (PH) expanded through the second expansion valve 144 requires gas-liquid separation because some of the liquefied hydrogen vaporizes during the expansion process, and gas and liquid are separated through the first gas-liquid separator 146. is separated, the separated liquid hydrogen is supplied to the storage tank 140, and the separated gaseous hydrogen (or gaseous hydrogen) passes through the second heat exchanger (E2) in the second direction (or in the reverse direction). It joins the second refrigerant hydrogen (RH2) and supplies low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction) together with the second refrigerant hydrogen (RH2).

그리고, 상기 액화된 제품수소(PH)를 저장한 저장탱크(140)에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하는 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2냉매수소(RH2)와 함께 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(또는 역방향으로) 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. In addition, natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in the storage tank 140 storing the liquefied product hydrogen (PH) passes through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction). It joins the second refrigerant hydrogen (RH2) and supplies low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2) in the second lane (or in the reverse direction) together with the second refrigerant hydrogen (RH2).

이에따라, 액화된 제품수소(PH)에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas) 및 상기 제1기액분리기(146)를 분리된 제품수소(PH)의 기화가스가, 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 공급하면서 제품수소(PH)의 액화에 기여하게 된다.Accordingly, the natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated from the liquefied product hydrogen (PH) and the vaporization gas of the product hydrogen (PH) separated from the first gas-liquid separator 146, the second refrigerant hydrogen ( RH2) and passes through the second heat exchange unit (E2), supplying low-temperature energy and contributing to the liquefaction of product hydrogen (PH).

추가적으로 상기 제1팽창밸브(142)를 거친 기액 혼합상태의 제2냉매수소(RH2)를 상기 제2기액분리기(148)를 통해 기액분리하는 과정이 필요할 수 있으며, 상기 제2기액 분리기(148)를 통해 분리된 액체와 기체는 별도의 라인을 통해 이송되어 상기 제3합류부(138)에서 상기 제2냉매수소(RH2)에 합류되어 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 공급하게 된다. Additionally, a process of separating the second refrigerant hydrogen (RH2) in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve 142 through the second gas-liquid separator 148 may be necessary, and the second gas-liquid separator 148 The liquid and gas separated through are transferred through a separate line, join the second refrigerant hydrogen (RH2) in the third convergence part (138), and supply low-temperature energy while passing through the second heat exchange part (E2). I do it.

결과적으로, 상기 제품수소(PH) 관련하여 보면, 상기 수소가스공급부(110)에서 공급된 공급수소가스(FH)가 제품수소(PH)와 냉매수소(RH)로 분기되고, 상기 제품수소(PH)는 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 저온에너지를 받아 프리쿨링되고, 상기 제2열교환부(E2)를 통과하면서 저온에너지를 받아 액화되며, 액화된 제품수소(PH)는 상기 저장탱크(140)에 저장되어 활용되고, 액화된 상태에서 기액분리를 통해 발생되는 기화가스 및 상기 저장탱크(140)에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)가 상기 공급수소가스(FH)로 재활용되는 순환과정을 거치게 된다. 이에 따라, 기화로 인해 발생될 수 있는 수소의 낭비를 줄일 수 있고, 기액분리를 통해 발생되는 기화가스 및 상기 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는 제2온도범위를 가져 상기 제2열교환부(E2)를 통해 저온에너지를 공급하게 되므로, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. As a result, in relation to the product hydrogen (PH), the supply hydrogen gas (FH) supplied from the hydrogen gas supply unit 110 is divided into product hydrogen (PH) and refrigerant hydrogen (RH), and the product hydrogen (PH ) is pre-cooled by receiving low-temperature energy while passing through the first heat exchanger (E1), and is liquefied by receiving low-temperature energy while passing through the second heat exchanger (E2), and the liquefied product hydrogen (PH) is stored in the storage tank. It is stored and utilized in (140), and vaporized gas generated through gas-liquid separation in a liquefied state and natural vaporized gas (BOG: Boil Off Gas) generated in the storage tank 140 are converted into the supplied hydrogen gas (FH). It goes through a recycling cycle. Accordingly, the waste of hydrogen that may occur due to vaporization can be reduced, and the vaporized gas and the natural vaporized gas (BOG: Boil Off Gas) generated through gas-liquid separation have a second temperature range in the second heat exchanger. Since low-temperature energy is supplied through (E2), energy efficiency can be improved.

또한, 상기 제1냉매수소(RH1) 관련하여 보면, 상기 수소가스공급부(110)에서 공급된 공급수소가스(FH)가 제품수소(PH)와 냉매수소(RH)로 분기되고, 상기 냉매수소(RH)는 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 저온에너지를 받아 프리쿨링되고, 프리쿨링된 상기 냉매수소(RH)는 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기되며, 상기 제1냉매수소(RH1)는 상기 팽창부(134)를 통해 팽창되면서 냉각되어 상기 제2열교환부(E2) 및 상기 제1열교환부(E1)를 순차적으로 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상기 제1합류부(114)로 회수되어 상기 냉매수소(RH)로 재활용되는 순환과정을 거치게 된다. 이에 따라 냉매수소(RH)의 낭비를 줄일 수 있게 되고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.In addition, in relation to the first refrigerant hydrogen (RH1), the supply hydrogen gas (FH) supplied from the hydrogen gas supply unit 110 is divided into product hydrogen (PH) and refrigerant hydrogen (RH), and the refrigerant hydrogen ( RH) receives low-temperature energy while passing through the first heat exchange unit (E1) and is pre-cooled, and the pre-cooled refrigerant hydrogen (RH) branches into first refrigerant hydrogen (RH1) and second refrigerant hydrogen (RH2). , the first refrigerant hydrogen (RH1) is cooled while expanding through the expansion part 134, and supplies low-temperature energy while sequentially passing through the second heat exchange part (E2) and the first heat exchange part (E1). It is recovered to the first confluence section 114 and goes through a circulation process in which it is recycled as the refrigerant hydrogen (RH). Accordingly, waste of refrigerant hydrogen (RH) can be reduced and energy efficiency can be improved.

또한, 상기 제2냉매수소(RH2) 관련하여 보면, 상기 수소가스공급부(110)에서 공급된 공급수소가스(FH)가 제품수소(PH)와 냉매수소(RH)로 분기되고, 상기 냉매수소(RH)는 상기 제1열교환부(E1)를 통과하면서 저온에너지를 받아 프리쿨링되고, 프리쿨링된 상기 냉매수소(RH)는 제1냉매수소(RH1)와 제2냉매수소(RH2)로 분기되며, 상기 제2냉매수소(RH1)는 상기 제2열교환부(E2)를 제1차로(정방향으로) 통과하면서 저온에너지를 받아 액화되며, 상기 제1팽창밸브(142)를 통해 팽창되어 기액 혼합상태로 되고, 상기 제2열교환부(E2)를 제2차로(역방향으로) 통과하면서 열교환을 통해 저온에너지를 공급하고, 또한 상기 제1열교환부(E1)를 역방향으로 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상기 제2합류부(116)로 합류되어 상기 공급수소가스(FH)로 재활용되는 순환과정을 거치게 된다. 이에 따라, 냉매수소(RH)의 낭비를 줄일 수 있게 되고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다.In addition, in relation to the second refrigerant hydrogen (RH2), the supply hydrogen gas (FH) supplied from the hydrogen gas supply unit 110 is divided into product hydrogen (PH) and refrigerant hydrogen (RH), and the refrigerant hydrogen ( RH) receives low-temperature energy while passing through the first heat exchange unit (E1) and is pre-cooled, and the pre-cooled refrigerant hydrogen (RH) branches into first refrigerant hydrogen (RH1) and second refrigerant hydrogen (RH2). , the second refrigerant hydrogen (RH1) is liquefied by receiving low-temperature energy while passing through the second heat exchange unit (E2) in the first direction (forward direction), and is expanded through the first expansion valve 142 to enter a gas-liquid mixed state. , supplying low-temperature energy through heat exchange while passing through the second heat exchange unit (E2) in the second direction (in the reverse direction), and supplying low-temperature energy while passing through the first heat exchange unit (E1) in the reverse direction. It joins the second confluence section 116 and goes through a circulation process in which it is recycled as the supply hydrogen gas (FH). Accordingly, waste of refrigerant hydrogen (RH) can be reduced and energy efficiency can be improved.

본 발명에 따르면, 공급되는 공급수소가스를 제품수소와 냉매수소로 분기시켜, 냉매수소의 압축-냉각-팽창의 순환 사이클을 이용하여 상기 제품수소를 액화시킬 수 있으며, 순환 사이클에서 이용된 냉매수소를 다시 상기 제품수소 또는 냉매수소로 재활용하는 것이 가능하며, 액화된 제품수소에서 발생되는 기액분리 가스 및 자연기화가스를 상기 제품수소 또는 냉매수소로 재활용하는 것이 가능하다는 장점이 있다. 또한 냉매수소 및 제품수소의 낭비를 줄일 수 있게 되고 에너지 효율성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 또한 폐쇄 사이클이 아닌 오픈 사이클을 이용하여 공정이 단순하면서도 경제적인 수소액화가 가능하다는 장점이 있다. According to the present invention, the supplied hydrogen gas is branched into product hydrogen and refrigerant hydrogen, and the product hydrogen can be liquefied using the cycle cycle of compression-cooling-expansion of the refrigerant hydrogen, and the refrigerant hydrogen used in the cycle is It is possible to recycle it back into the product hydrogen or refrigerant hydrogen, and there is an advantage that it is possible to recycle the gas-liquid separation gas and natural vaporization gas generated from the liquefied product hydrogen into the product hydrogen or refrigerant hydrogen. Additionally, it has the advantage of reducing waste of refrigerant hydrogen and product hydrogen and improving energy efficiency. In addition, it has the advantage of enabling simple and economical hydrogen liquefaction by using an open cycle rather than a closed cycle.

상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다. The description of the above-described embodiment is merely an example with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the present invention. In addition, it will be clear to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the basic principles of the present invention.

110 : 수소가스 공급부 112 : 제1분기부
114 : 제1합류부 116 : 제2합류부
120 : 질소액화기 132 : 제2분기부
134 : 팽창부 138 ; 제3합류부
140 : 저장탱크 142 : 제1팽창밸브
144 : 제2팽창밸브 146 : 제1기액분리기
148 : 제2기액분리기 C1 : 제1압축부
C2 : 제2압축부 E1 : 제1열교환부
E2 : 제2열교환부
110: Hydrogen gas supply section 112: First branch section
114: first confluence section 116: second confluence section
120: Nitrogen liquefaction device 132: Second branch section
134: expansion part 138; 3rd confluence
140: storage tank 142: first expansion valve
144: second expansion valve 146: first gas-liquid separator
148: Second gas-liquid separator C1: First compression unit
C2: Second compression section E1: First heat exchange section
E2: 2nd heat exchange unit

Claims (20)

공급되는 공급수소가스가 제1압축부를 통해 제1압력범위로 제1차 압축되어 냉매수소와 제품수소로 분기되고, 상기 제품수소는 제1열교환부로 바로 유입되고 상기 냉매수소는 제2압축부를 통해 제2압력범위로 제2차 압축되어 상기 제1열교환부로 유입되는 제1단계와;
상기 제1열교환부에서 상기 제품수소 및 상기 냉매수소가 액체질소에 의해 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling)되는 제2단계와;
상기 제1열교환기를 통과한 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키고, 상기 제1냉매수소는 적어도 하나의 팽창터빈을 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 제2열교환부로 유입되고, 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하고,
상기 제2냉매수소는 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 제2온도범위에서 액화되고, 제1팽창밸브를 통하여 팽창 및 추가 냉각되어 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하면서 기화되어, 제1차로 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제2냉매수소에 저온에너지를 공급하고 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화시키는 제3단계와;
액화된 제품수소가 저장탱크에 저장되고, 상기 제1냉매수소는 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제2압축부 전단으로 회수되어 상기 냉매수소로 재활용되고, 상기 제2냉매수소는 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제1압축부 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되는 제4단계를 구비함을 특징으로 하는 수소액화방법.
The supplied hydrogen gas is first compressed to a first pressure range through the first compression unit and splits into refrigerant hydrogen and product hydrogen, the product hydrogen flows directly into the first heat exchange unit, and the refrigerant hydrogen flows through the second compression unit. A first stage in which secondary compression is performed to a second pressure range and flows into the first heat exchanger;
a second step in which the product hydrogen and the refrigerant hydrogen are pre-cooled to a first temperature range by liquid nitrogen in the first heat exchange unit;
The refrigerant hydrogen that has passed through the first heat exchanger is branched into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen, and the first refrigerant hydrogen is expanded to a first pressure range through at least one expansion turbine and cooled to a second temperature range. flows into the second heat exchanger, and supplies low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange while passing through the second heat exchanger,
The second refrigerant hydrogen is liquefied in a second temperature range while first passing through the second heat exchanger, and is expanded and further cooled through the first expansion valve to form a gas-liquid mixed state of the second heat exchanger. A third step of supplying low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen passing through the second heat exchanger, which is vaporized while passing through the second heat exchanger, and supplying low-temperature energy to the product hydrogen passing through the second heat exchanger to liquefy it. and;
Liquefied product hydrogen is stored in a storage tank, and the first refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy while passing through the first heat exchanger and is recovered at room temperature in front of the second compression section to be recycled as the refrigerant hydrogen. A hydrogen liquefaction method characterized by a fourth step in which the second refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy while passing through the first heat exchange unit, is recovered at room temperature at the front of the first compression unit, and is recycled as supplied hydrogen gas.
청구항 1에 있어서,
상기 제품수소는 상기 제2열교환부 통과시에 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응이 수행됨을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
A hydrogen liquefaction method, characterized in that the product hydrogen undergoes an ortho-para conversion reaction when passing through the second heat exchanger.
청구항 1에 있어서,
상기 제4단계에서, 액화된 제품수소를 상기 저장탱크에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 제2팽창밸브를 통해 대기압 수준으로 팽창시키는 단계와;
상기 제2팽창밸브를 통해 팽창된 제품수소에서 기체와 액체를 분리하는 기액분리단계를 더 포함함을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
In the fourth step, before storing the liquefied hydrogen product in the storage tank, expanding the liquefied hydrogen product to atmospheric pressure through a second expansion valve;
A hydrogen liquefaction method further comprising a gas-liquid separation step of separating gas and liquid from the product hydrogen expanded through the second expansion valve.
청구항 3에 있어서,
상기 제4단계의 상기 액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)와 상기 기액분리단계를 통해 분리된 기체수소는, 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류되어 상기 공급수소가스로 재활용됨을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 3,
The natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in the storage tank storing the liquefied product hydrogen in the fourth step and the gaseous hydrogen separated through the gas-liquid separation step pass through the second heat exchanger secondly. A method of liquefying hydrogen, characterized in that it is combined with the second refrigerant hydrogen and recycled as the supply hydrogen gas.
청구항 1에 있어서,
상기 제1압력범위는 18~22bar 이고, 상기 제2압력범위는 60~70bar 이고, 상기 제1온도범위는 질소의 액화온도 부근의 온도범위이고, 상기 제2온도범위는 -220 ~ -260℃ 임을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
The first pressure range is 18 to 22 bar, the second pressure range is 60 to 70 bar, the first temperature range is a temperature range around the liquefaction temperature of nitrogen, and the second temperature range is -220 to -260 ° C. A hydrogen liquefaction method characterized by:
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 제1냉매수소는,
제1차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급받는 단계와;
적어도 하나의 팽창터빈을 통해 제1압력범위로 팽창되고 제2온도범위로 냉각되어 제2차로 상기 제2열교환부로 공급되는 단계를 통해,
냉각된 상태에서 제2차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급함을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
In the third step, the first refrigerant hydrogen is,
receiving low-temperature energy while first passing through the second heat exchanger;
Through the step of being expanded to a first pressure range through at least one expansion turbine, cooled to a second temperature range, and secondly supplied to the second heat exchanger,
A hydrogen liquefaction method characterized by supplying low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange while passing through the second heat exchanger in a cooled state.
청구항 1에 있어서,
상기 제3단계에서, 상기 제1냉매수소는,
제1차로 상기 제2열교환부로 통과하면서 저온에너지를 공급받아 냉각되는 단계와;
제1팽창터빈을 통해 팽창 및 냉각되어 제2차로 상기 제2열교환부로 공급되는 단계와;
제2차로 상기 제2열교환부를 통해 저온에너지를 공급받아 재냉각된 상태에서 제2팽창터빈을 통해 팽창 및 냉각되어 최종적으로 제1압력범위를 가지면서 제2온도범위로 냉각되어 제3차로 제2열교환부로 공급되는 단계를 통해,
냉각된 상태에서 제3차로 상기 제2열교환부를 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급함을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
In the third step, the first refrigerant hydrogen is,
Cooling by first passing through the second heat exchanger and receiving low-temperature energy;
Expanding and cooling through a first expansion turbine and supplying the second heat to the second heat exchanger;
In the second order, low-temperature energy is supplied through the second heat exchanger, and in a re-cooled state, it is expanded and cooled through the second expansion turbine, and is finally cooled to the second temperature range while maintaining the first pressure range, and is then cooled to the second temperature range in the third order. Through the stage of supply to the heat exchanger,
A hydrogen liquefaction method characterized by supplying low-temperature energy to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange while passing through the second heat exchanger in a third stage in a cooled state .
청구항 1에 있어서,
상기 제2단계에서, 상기 액체질소는 상기 제1열교환부에서 기화되면서 프리쿨링을 위한 저온에너지를 공급하고, 기화된 질소가스는 질소액화기를 통해 다시 액화되어 액체질소 상기 제1열교환부에 재공급되는 순환과정을 가짐을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 1,
In the second step, the liquid nitrogen is vaporized in the first heat exchanger to supply low-temperature energy for free cooling, and the vaporized nitrogen gas is liquefied again through a nitrogen liquefaction unit to resupply the liquid nitrogen to the first heat exchanger. A hydrogen liquefaction method characterized by having a circulation process.
청구항 3에 있어서,
상기 제1팽창밸브는 상기 제1냉매수소와 상기 제2냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행하고, 상기 제2팽창밸브는 상기 제품수소와 상기 냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행함을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 3,
The first expansion valve performs a flow rate control function when the first refrigerant hydrogen and the second refrigerant hydrogen diverge, and the second expansion valve performs a flow rate control function when the product hydrogen and the refrigerant hydrogen diverge. Hydrogen liquefaction method.
수소액화장치에 있어서:
수소가스 공급부와;
상기 수소가스 공급부를 공급되는 공급수소가스를 제1압력범위로 제1차 압축하는 제1압축부와;
상기 공급수소가스를 냉매수소와 제품수소로 분기시키기 위한 제1분기부와;
상기 냉매수소를 제2압력범위로 제2차 압축하기 위한 제2압축부와;
제2차 압축된 상기 냉매수소와 제1차 압축된 상기 제품수소를 제1온도범위로 프리쿨링(pre-cooling) 하기 위한 제1열교환부와;
상기 제1열교환부를 통과한 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키기 위한 제2분기부와;
상기 제1냉매수소를 제1압력범위로 팽창시키고 제2온도범위로 냉각시키기 위한 팽창부와;
상기 제1냉매수소, 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소 간의 열교환을 통해 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화시키기 위한 제2열교환부와;
상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 제2온도범위에서 액화된 제2냉매수소를 팽창 및 추가냉각시켜 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합상태로 변환시켜 제2차로 상기 제2열교환부를 통과하도록 하기 위한 제1팽창밸브와;
상기 제1냉매수소가 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제2압축부 전단으로 회수되어 상기 냉매수소로 재활용되기 위한 제1합류부와;
상기 제2냉매수소가 상기 제2열교환부 및 상기 제1열교환부를 통과하면서 저온에너지를 공급하고 상온의 상태로 상기 제1압축부 전단으로 회수되어 공급수소가스로 재활용되기 위한 제2합류부와;
액화된 제품수소를 저장하기 위한 저장탱크를 구비하고,
상기 제2열교환부에서는,
상기 팽창부를 거친 상기 제1냉매수소가 통과하면서 열교환을 통해 상기 제2냉매수소 및 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하고,
상기 제2냉매수소가 열교환을 통해 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 액화되고 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하면서 기화되어, 제1차로 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제2냉매수소에 저온에너지를 공급하고 상기 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소에 저온에너지를 공급하여 액화되도록 함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In the hydrogen liquefaction device:
Hydrogen gas supply department;
a first compression unit that first compresses the hydrogen gas supplied from the hydrogen gas supply unit to a first pressure range;
a first branch for branching the supplied hydrogen gas into refrigerant hydrogen and product hydrogen;
a second compression unit for secondarily compressing the refrigerant hydrogen to a second pressure range;
a first heat exchanger for pre-cooling the secondarily compressed refrigerant hydrogen and the firstly compressed product hydrogen to a first temperature range;
a second branch unit for branching the refrigerant hydrogen that has passed through the first heat exchange unit into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen;
an expansion unit for expanding the first refrigerant hydrogen to a first pressure range and cooling it to a second temperature range;
a second heat exchanger for supplying low-temperature energy to the product hydrogen to liquefy it through heat exchange between the first refrigerant hydrogen, the second refrigerant hydrogen, and the product hydrogen;
Expanding and further cooling the second refrigerant hydrogen liquefied in the second temperature range while passing through the second heat exchanger firstly to convert it into a gas-liquid mixed state where gas and liquid are mixed, and passing the second heat exchanger secondly. A first expansion valve for;
The first refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy as it sequentially passes through the second heat exchange unit and the first heat exchange unit, and is recovered at room temperature in front of the second compression unit to be recycled as the refrigerant hydrogen. and;
a second convergence unit where the second refrigerant hydrogen supplies low-temperature energy as it passes through the second heat exchange unit and the first heat exchange unit, and is recovered at room temperature in front of the first compression unit to be recycled as supplied hydrogen gas;
Equipped with a storage tank to store liquefied product hydrogen,
In the second heat exchange unit,
As the first refrigerant hydrogen passes through the expansion unit, low-temperature energy is supplied to the second refrigerant hydrogen and the product hydrogen through heat exchange,
The second refrigerant hydrogen is liquefied while first passing through the second heat exchanger through heat exchange and vaporized while passing through the second heat exchanger secondarily, and is then converted into the second refrigerant hydrogen first passing through the second heat exchanger. A hydrogen liquefaction device characterized by supplying low-temperature energy and supplying low-temperature energy to the product hydrogen passing through the second heat exchange unit to liquefy it.
청구항 10에 있어서,
상기 제2열교환부 통과시에 상기 제품수소의 오르쏘-파라(Ortho-Para) 전환 반응을 위한 오르쏘-파라(Ortho-Para) 변환촉매를 포함함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
A hydrogen liquefaction device comprising an Ortho-Para conversion catalyst for an Ortho-Para conversion reaction of the product hydrogen when passing through the second heat exchanger.
청구항 10에 있어서,
액화된 제품수소를 상기 저장탱크에 저장하기 전에, 액화된 제품수소를 대기압 수준으로 팽창시키는 제2팽창밸브와;
상기 제2팽창밸브를 통해 팽창된 제품수소에서 기체와 액체를 분리하는 제1기액분리기를 더 포함하며,
상기 제1기액분리기를 통해 분리된 액체수소는 상기 저장탱크에 저장되고, 상기 제1기액분리기를 통해 분리된 기체수소는 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류되도록 함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
a second expansion valve that expands the liquefied hydrogen product to atmospheric pressure before storing the liquefied hydrogen product in the storage tank;
It further includes a first gas-liquid separator that separates gas and liquid from the product hydrogen expanded through the second expansion valve,
The liquid hydrogen separated through the first gas-liquid separator is stored in the storage tank, and the gaseous hydrogen separated through the first gas-liquid separator joins the second refrigerant hydrogen that passes through the second heat exchanger secondarily. A hydrogen liquefaction device characterized by a.
청구항 12에 있어서,
상기 제1팽창밸브를 거친 기액 혼합상태의 제2냉매수소를 기액분리하기 위한 제2기액분리기를 더 구비함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 12,
A hydrogen liquefaction device further comprising a second gas-liquid separator for separating gas-liquid second refrigerant hydrogen in a gas-liquid mixed state that has passed through the first expansion valve.
청구항 12에 있어서,
상기 액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는 상기 제2열교환부를 제2차로 통과하는 상기 제2냉매수소에 합류됨을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 12,
A hydrogen liquefaction device, characterized in that natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in a storage tank storing the liquefied product hydrogen joins the second refrigerant hydrogen that passes through the second heat exchanger secondarily.
청구항 10에 있어서,
상기 팽창부는,
상기 제2분기부를 통해 분기된 상기 제1냉매수소를 팽창 및 냉각시키기 위한 제1팽창터빈을 구비함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
The expansion part,
A hydrogen liquefaction device comprising a first expansion turbine for expanding and cooling the first refrigerant hydrogen branched through the second branch.
청구항 10에 있어서,
상기 팽창부는,
상기 제2분기부를 통해 분기된 상기 제1냉매수소를 제1차로 팽창 및 냉각시켜 상기 제2열교환부로 유입되도록 하는 제1팽창터빈과;
상기 제1팽창터빈을 거친 후에 상기 제2열교환부를 통과하면서 과냉각된 상기 제1냉매수소를, 제2차로 팽창 및 냉각시켜 다시 상기 제2열교환부로 유입되도록 하기 위한 제2팽창터빈을 구비함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
The expansion part,
a first expansion turbine that first expands and cools the first refrigerant hydrogen branched through the second branch to flow into the second heat exchanger;
Characterized by a second expansion turbine for secondly expanding and cooling the supercooled first refrigerant hydrogen while passing through the second heat exchange unit after passing through the first expansion turbine and flowing it back into the second heat exchange unit. Hydrogen liquefaction device.
청구항 10에 있어서,
상기 제1열교환부에서 프리쿨링을 위한 에너지를 공급하고 기화된 질소가스를 액화시켜 다시 상기 제1열교환부에 유입시키기 위한 질소액화기를 더 구비함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
A hydrogen liquefaction device further comprising a nitrogen liquefaction unit for supplying energy for precooling from the first heat exchange unit, liquefying the vaporized nitrogen gas, and supplying the vaporized nitrogen gas back to the first heat exchange unit.
청구항 10에 있어서,
상기 제1팽창밸브는 상기 제1냉매수소와 상기 제2냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행하고, 상기 제2팽창밸브는 상기 제품수소와 상기 냉매수소의 분기시 유량조절기능을 수행함을 특징으로 하는 수소액화장치.
In claim 10,
The first expansion valve performs a flow rate control function when the first refrigerant hydrogen and the second refrigerant hydrogen diverge, and the second expansion valve performs a flow rate control function when the product hydrogen and the refrigerant hydrogen diverge. Hydrogen liquefaction device.
수소액화방법에 있어서:
공급수소가스를 제1차 압축하여 냉매수소와 제품수소로 분기시키고, 상기 냉매수소를 제2차 압축하여, 제2차 압축된 냉매수소와 제1차 압축된 제품수소를, 제1열교환부에서 액화질소를 이용하여 프리쿨링(pre-cooling) 하는 단계와;
프리쿨링된 상기 냉매수소를 제1냉매수소와 제2냉매수소로 분기시키고, 상기 제1냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 이용하여 제2열교환부를 통과하는 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키고, 상기 제2열교환부를 제1차로 통과하면서 추가냉각된 상기 제2냉매수소를 팽창시켜 생성된 저온에너지를 상기 제2열교환부로 유입시켜 상기 제품수소와 제1차로 제2열교환부를 통과하는 제2냉매수소를 추가 냉각시키는 순환사이클 방식으로 상기 제품수소를 액화시키는 단계를 구비함을 특징으로 하는 수소액화방법.
In the hydrogen liquefaction method:
The supplied hydrogen gas is first compressed to branch into refrigerant hydrogen and product hydrogen, and the refrigerant hydrogen is secondarily compressed to produce the second compressed refrigerant hydrogen and the first compressed product hydrogen in the first heat exchange unit. Pre-cooling using liquid nitrogen;
The pre-cooled refrigerant hydrogen is branched into first refrigerant hydrogen and second refrigerant hydrogen, and the low-temperature energy generated by expanding the first refrigerant hydrogen is used to store the product hydrogen passing through the second heat exchange unit and the second refrigerant hydrogen. The second refrigerant hydrogen passing through the heat exchange unit is additionally cooled, and the low-temperature energy generated by expanding the additionally cooled second refrigerant hydrogen while first passing through the second heat exchange unit is introduced into the second heat exchange unit to produce the product hydrogen and A hydrogen liquefaction method comprising the step of liquefying the product hydrogen through a circulation cycle method of additionally cooling the second refrigerant hydrogen passing through the second heat exchange unit in the first stage.
청구항 19에 있어서,
상기 제1냉매수소는 제1열교환부-제2열교환부-제2열교환부-제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 냉매수소로 재활용되고,
상기 제2냉매수소는 제1열교환부-제2열교환부-제2열교환부-제1열교환부를 순차적으로 통과하면서 열교환된 이후에 상기 공급수소가스로 재활용되고,
액화된 제품수소를 저장한 저장탱크에서 발생되는 자연기화가스(BOG:Boil Off Gas)는, 상기 제2냉매수소와 함께 상기 공급수소가스로 재활용됨을 특징으로 하는 수소액화방법.
In claim 19,
The first refrigerant hydrogen is recycled as the refrigerant hydrogen after heat exchange while sequentially passing through the first heat exchange unit, second heat exchange unit, second heat exchange unit, and first heat exchange unit,
The second refrigerant hydrogen is recycled as the supply hydrogen gas after being heat-exchanged while sequentially passing through the first heat exchanger, second heat exchanger, second heat exchanger, and first heat exchanger,
A hydrogen liquefaction method characterized in that natural vaporization gas (BOG: Boil Off Gas) generated in a storage tank storing liquefied product hydrogen is recycled as the supply hydrogen gas together with the second refrigerant hydrogen.
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