KR20240028594A - 장치 - Google Patents

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KR20240028594A
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허진영
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Abstract

일 측이 공기가 유동하는 공기 라인(A)에 연결되고 타 측이 액체 수소가 유동하는 수소 라인(H)에 연결되고 상기 공기 및 상기 액체 수소가 열교환하여 액체 공기를 생산하는 열교환기; 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 열교환기와 연결되고 상기 열교환기에서 배출된 상기 액체 공기를 저장하는 공기 저장 용기; 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 공기 저장 용기와 연결되고 열교환을 통해 상기 공기 저장 용기로부터 공급된 상기 액체 공기를 기화하는 기화기; 및 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 기화기로부터 배출된 공기를 공급받아 전력을 생산하는 발전부; 를 포함하는 장치가 개시된다.

Description

장치{DEVICE}
본 발명은 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전력을 생산할 수 있는 장치에 관한 것이다.
기체 상태의 수소에 비해 액체 상태의 수소는 부피가 현저히 작아 보관 측면에서 유리하므로 수소의 운송 및 보관 과정에서 수소는 액체 상태로 저장되는 경우가 많다. 그러나, 수소를 액체 상태로 저장하기 위해서는 수소를 끓는점 이하로 낮출 필요가 있고, 이를 위해서는 수소로부터 많은 양의 열 에너지를 회수할 필요가 있는데, 이 과정에서 많은 양의 에너지가 수소를 액화시키는 데 사용된다.
한편, 수소를 연료로서 사용하기 위해서는 액화된 수소를 다시 기화할 필요가 있는데, 액화된 수소가 기화되는 과정에서 많은 양의 냉열 에너지가 버려진다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액화 수소를 기화하는 과정에서 발생하는 냉열 에너지를 활용하여 전력을 생산할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 공기가 유동하는 공기 라인(A) 및 액체 수소가 유동하는 수소 라인(H)에 각각 연결되고 상기 공기 및 상기 액체 수소가 열교환하여 액체 공기를 생산하는 열교환기; 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 열교환기와 연결되고 상기 열교환기에서 배출된 상기 액체 공기를 저장하는 공기 저장 용기; 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 공기 저장 용기와 연결되고 열교환을 통해 상기 공기 저장 용기로부터 공급된 상기 액체 공기를 기화하는 기화기; 및 상기 공기 라인(A)을 통해 상기 기화기로부터 배출된 공기를 공급받아 전력을 생산하는 발전부; 를 포함하는 장치가 제공된다.
상기 공기 라인(A) 및 상기 수소 라인(H)을 통해 상기 열교환기와 연결되고 상기 공기 내에서 적어도 일부의 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기; 를 더 포함하고, 상기 이산화탄소 분리기는, 상기 이산화탄소 분리기 내에서 상기 공기와 상기 수소가 열교환 가능하게 구비될 수 있다.
상기 공기 라인(A)을 유동하는 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 이산화탄소 분리기는 상기 열교환기보다 상류 영역에 구비될 수 있다.
상기 수소 라인(H)을 유동하는 수소의 유동 방향을 기준으로 상기 이산화탄소 분리기는 상기 열교환기보다 하류 영역에 구비될 수 있다.
상기 열교환기에서 배출되는 수소는 기체 수소일 수 있다.
상기 열교환기에 공급되는 공기는 기체 공기이고, 상기 열교환기에서 배출되는 공기는 액체 공기일 수 있다.
상기 공기 라인(A) 상에 구비되되 상기 기화기와 상기 발전부 사이에 구비되고 상기 기화기에서 배출된 공기의 압력을 소정의 범위 내로 조정한 후 상기 발전부에 공급하는 레귤레이터; 를 더 포함할 수 있다.
상기 공기 저장 용기에 저장된 상기 액체 공기의 압력을 증대시키는 액체 공기 가압부; 를 더 포함하고, 상기 액체 공기 가압부는, 상기 공기 저장 용기 내 액체 공기에 열을 제공하여 상기 액체 공기의 압력을 증대시킬 수 있다.
상기 기화기는, 상기 액체 공기를 대기와 열교환하여 상기 액체 공기를 기화할 수 있다.
상기 열교환기 내에서 상기 공기가 유동하는 방향과 상기 액체 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
상기 이산화탄소 분리기 내에서 상기 공기가 유동하는 방향과 상기 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.
상기 이산화탄소 분리기는, 상기 공기 라인(A)과 연결되고 상기 공기가 유동하는 경로를 제공하는 유로가 형성되는 증착관; 을 포함하고, 상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 수소의 온도는 상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 공기 내 이산화탄소의 어는점보다 낮을 수 있다.
상기 공기 라인(A)에 구비되고 상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 공기를 가압하는 압축기; 를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기는, 상기 공기 내 이산화탄소를 삼중점 압력 이상의 압력으로 가압할 수 있다.
본 발명에 따르면, 액화 수소를 기화하는 과정에서 발생하는 냉열 에너지를 활용하여 전력을 생산할 수 있으므로 액체 수소의 냉열 에너지를 회수할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명에 따른 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 장치(10)는 전력을 생산하기 위한 구성일 뿐만 아니라, 후술할 바와 같이 액체 수소가 기화하는 과정에서 발생하는 냉열 에너지를 회수하여 전력을 생산함으로써 수소를 액화할 때 소비된 에너지 중 적어도 일부를 회수할 수 있다.
한편, 본 명세서에서 언급되는 수소의 냉열 에너지는 저온 상태의 수소가 상온 상태의 대기와 열교환하여 열평형에 도달하는 과정에서 얻을 수 있는 유용 일(available work), 즉, 엑서지(exergy)의 개념으로 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치(10)에는 공기와 수소가 유동할 수 있다. 특히, 후술할 바와 같이 본 발명에 따르면, 공기와 수소 간의 열교환을 통해 수소의 냉열 에너지가 공기에 전달될 수 있고, 수소로부터 냉열 에너지를 회수한 공기는 전력을 생산하기 위한 매체로 사용될 수 있다. 본 명세서에서는 공기가 유동하는 유로를 공기 라인(A)이라 명명하고, 수소가 유동하는 유로를 수소 라인(H)이라고 명명한다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 공기가 유동하는 공기 라인(A) 및 액체 수소가 유동하는 수소 라인(H)에 각각 연결되는 열교환기(200)를 포함할 수 있다. 열교환기(200)에서는 공기와 액체 수소가 열교환할 수 있다. 보다 상세하게, 열교환기(200) 내에서 공기와 액체 수소가 열교환함으로써 기체 공기로부터 액체 공기가 생산될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 공기 라인(A)을 통해 열교환기(200)에 공급되는 공기는 기체 공기일 수 있고, 공기 라인(A)을 통해 열교환기(200)에서 배출되는 공기는 액체 공기일 수 있다. 한편, 열교환기(200)에서 공기와 열교환한 액체 수소는 기화된 후 수소 라인(H)을 통해 열교환기(200)로부터 배출될 수 있다. 즉, 열교환기(200)에서 배출되는 수소는 기체 수소일 수 있다.
일 예로, 열교환기(200)는 대향 유동(counterflow) 열교환기일 수 있다. 즉, 열교환기(200) 내에서 공기가 유동하는 방향과 액체 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향일 수 있다. 이 경우, 공기와 액체 수소 간의 열교환 효율이 극대화될 수 있으므로, 효과적으로 액체 공기를 생산할 수 있다. 대항 유동 열교환기의 세부 구성에 대한 내용은 종래에 개시된 내용으로 갈음한다.
계속해서 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 공기 라인(A) 및 수소 라인(H)을 통해 열교환기(200)와 연결되고 공기 내에서 적어도 일부의 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기(100)를 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 이산화탄소 분리기(100)는, 이산화탄소 분리기(100) 내에서 공기와 수소가 열교환 가능하게 구비될 수 있다. 즉, 이산화탄소 분리기(100) 내에서 수소와 공기가 열교환하는 과정에서 공기가 냉각되고, 그 과정에서 공기 내의 이산화탄소가 고체화되면서 이산화탄소 분리기(100) 내에 증착될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 라인(A)을 유동하는 공기의 유동 방향을 기준으로 이산화탄소 분리기(100)는 열교환기(200)보다 상류 영역에 구비될 수 있다. 따라서, 공기 라인(A)을 통해 외부에서 유입된 공기는 이산화탄소 분리기(100)를 거쳐 열교환기(200)에 공급될 수 있다.
반면, 수소 라인(H)을 유동하는 수소의 유동 방향을 기준으로 이산화탄소 분리기(100)는 열교환기(200)보다 하류 영역에 구비될 수 있다. 따라서, 수소 라인(H)을 유동하는 수소는 열교환기(200)를 거쳐 이산화탄소 분리기(100)에 공급될 수 있다.
한편, 전술한 열교환기(200)와 유사하게 이산화탄소 분리기(100) 역시 대향 유동 방식으로 공기와 수소가 열교환을 할 수 있다. 즉, 이산화탄소 분리기(100) 내에서 공기가 유동하는 방향과 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향일 수 있다. 이 경우, 공기와 기체 수소 간의 열교환 효율이 극대화될 수 있으므로, 공기 내에서 이산화탄소를 보다 효과적으로 분리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 열교환기(200)에서 액체 수소와 열교환한 공기는 액화될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 장치(10)는 공기 라인(A)을 통해 열교환기(200)와 연결되고 열교환기(200)에서 배출된 액체 공기를 저장하는 공기 저장 용기(300), 공기 라인(A)을 통해 공기 저장 용기(300)와 연결되고 열교환을 통해 공기 저장 용기(300)로부터 공급된 액체 공기를 기화하는 기화기(400) 및 공기 라인(A)을 통해 기화기(400)로부터 배출된 공기를 공급받아 전력을 생산하는 발전부(600)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 공기 라인(A)을 유동하는 공기는 열교환기(200)에서 액화된 후 공기 저장 용기(300)에 공급될 수 있고, 공기 저장 용기(300)에서 배출된 액체 공기는 기화기(400)에서 다시 기화될 수 있으며, 기화기(400)에서 배출된 기체 공기는 발전부(600)에 공급됨으로써 전력이 생산될 수 있다.
계속해서 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 공기 라인(A) 상에 구비되되 기화기(400)와 발전부(600) 사이에 구비되고 기화기(400)에서 배출된 공기의 압력을 소정의 범위 내로 조정한 후 발전부(600)에 공급하는 레귤레이터(regulator, 500)를 더 포함할 수 있다.
원활한 전력 생산을 위해 발전부(600)에서 요구하는 공기의 압력은 소정의 범위 내일 수 있다. 반면, 기화기(400)에서 배출되는 기체 공기의 압력은 기화기(400)에서 공기와 열교환하는 대기의 상태 또는 기화기(400)에 유입되는 공기의 유량 등에 따라 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 기화기(400)에서 배출되는 공기가 발전부(600)에 공급되기 전에 레귤레이터(500)에서 공기의 압력이 소정의 범위 내로 조정됨으로써 발전부(600)에서 요구하는 압력 조건을 충족할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 장치(10)는 공기 저장 용기(300)에 저장된 액체 공기의 압력을 증대시키는 액체 공기 가압부(350)를 더 포함할 수 있다. 보다 상세하게, 액체 공기 가압부(350)는 공기 저장 용기(300) 내에 저장된 액체 공기에 열을 제공하여 액체 공기의 압력을 증대시킬 수 있다. 일 예로, 액체 공기 가압부(350)는 소정의 유체가 순환하는 배관 라인 및 배관 라인을 유동하는 유체의 유동을 제어하는 밸브를 포함할 수 있고, 액체 공기 가압부(350)는 배관 라인을 통해 공기 저장 용기(300) 내에 유체를 공급하여 유체와 액체 공기 간의 열교환을 통해 액체 공기에 열을 제공하는 방식으로 구동될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 기화기(400)는 열교환을 통해 액체 공기로부터 기체 공기를 만들어내는 구성일 수 있다. 이때, 기화기(400)는 액체 공기를 대기와 열교환하여 액체 공기를 기화시킬 수 있다. 일 예로, 기화기(400)에는 대기에 노출된 하나 이상의 핀 부재를 포함할 수 있고, 핀 부재를 통해 기화기(400) 내 액체 공기와 대기가 간접적으로 열교환을 할 수 있다.
한편, 이산화탄소 분리기(100)는 공기 라인(A)과 연결되고 공기가 유동하는 경로를 제공하는 유로가 형성되는 증착관(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 증착관을 유동하는 공기는 증착관을 통해 저온 상태의 수소와 간접적으로 열교환할 수 있고, 공기 내의 이산화탄소가 이산화탄소의 어는점보다 낮아지게 되면 고체 이산화탄소가 생성되어 증착관에 부착될 수 있게 된다. 이를 위해, 본 발명에 따르면, 이산화탄소 분리기(100)에 유입되는 기체 수소의 온도는 이산화탄소 분리기(100)에 유입되는 공기 내 이산화탄소의 어는점보다 낮을 수 있다.
한편, 이산화탄소 분리기(100)를 통해 이산화탄소를 고체화시켜 공기로부터 분리하는 것은 아래와 같이 두 가지 측면에서 이점이 있다. 첫번째로는, 기후 변화의 주된 요인인 이산화탄소를 공기 중으로부터 포집할 수 있으므로 환경적인 측면에서 이점이 있다. 두번째로는, 극저온 상태인 액체 수소와 열교환이 이루어지는 열교환기(200)에 공기를 공급하기 전에 이산화탄소를 먼저 제거함으로써 상대적으로 어는점이 높은 이산화탄소가 열교환기(200)에서 고체화되는 경우에 발생할 수 있는 유로의 막힘 문제 등을 사전에 차단할 수 있다는 점에서 이점이 있다.
한편, 이산화탄소 분리기(100)의 증착관에 부착된 고체 상태의 이산화탄소를 증착관으로부터 이탈시켜 외부로 배출시키기 위해 이산화탄소 분리기(100)에는 증착관을 진동시키기 위한 별도의 장치가 추가로 구비될 수 있다.
또한, 전술한 바와 달리 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이산화탄소 분리기(100)에 유입되는 공기를 가압하는 압축기를 더 포함할 수 있다. 전술한 압축기는 공기 라인(A) 상에 구비되되, 공기 라인(A)을 유동하는 공기의 유동 방향을 기준으로 이산화탄소 분리기(100)의 상류 영역에 구비될 수 있다.
전술한 압축기는 이산화탄소 분리기(100)에서 공기로부터 이산화탄소를 분리할 때 이산화탄소가 액체 상태에서 분리되도록 하기 위한 구성일 수 있다. 즉, 대기압에서 이산화탄소는 기체 상태 또는 고체 상태로만 존재할 수 있고, 액체 상태로는 존재하지 않는다. 따라서, 대기압 상태에서는 액체 상태의 이산화탄소를 분리할 수가 없다.
그러나, 이산화탄소 분리기(100)의 상류 영역에 압축기가 구비되는 경우에, 이산화탄소 분리기(100)에 공급된 공기의 압력은 대기압보다 높으므로 공기와 수소 간의 열교환 과정에서 이산화탄소는 액화될 수 있다. 그러나, 이 경우에도 이산화탄소의 압력은 액체 상태로 존재할 수 있는 범위 내에 있어야 함은 물론이다. 일 예로, 압축기는 공기 내 이산화탄소를 삼중점(triple point) 압력 이상으로 가압할 수 있다.
한편, 발전부(600)는 레귤레이터(500)에서 공급된 공기를 이용하여 구동되는 터빈(610) 및 터빈(610)의 회전축에 결합되어 회전축의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(620)를 포함할 수 있다.
한편, 도 1에는 기화기(400), 레귤레이터(500) 및 발전부(600)가 각각 하나씩 구비된 모습이 도시되어 있으나, 이와 달리 본 발명에 따르면, 기화기(400), 레귤레이터(500) 및 발전부(600)는 각각 복수로 구비되되 공기 라인(A)을 따라 직렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 기화기(400), 레귤레이터(500) 및 발전부(600)가 각각 두 개씩 구비되는 경우에, 기화기 - 레귤레이터 - 발전부 - 기화기 - 레귤레이터 - 발전부 순서대로 배치될 수 있다. 이 경우, 공기 라인(A)을 따라 공기를 이용하여 전력을 두 차례 이상 생산할 수 있으므로, 에너지의 회수율이 보다 높다는 이점이 있다. 그러나, 이 경우 서로 다른 두 레귤레이터에서 배출되는 공기의 압력 및 발전부에서 요구하는 공기의 압력 조건은 서로 다른 것이 바람직할 것이다.
본 발명에 따른 장치(10)는 극저온 상태인 액체 수소로부터 냉열 에너지를 회수하여 전력을 생산할 수 있으므로, 엑서지 관점에서 바라본 에너지 효율이 향상될 수 있을 뿐 아니라 별도의 냉매가 없이 대기 중에 무한정 존재하는 공기를 이용하여 냉열 에너지를 회수한 후 전력을 생산한다는 점에서 장치의 간소화 측면에서도 현저한 이점이 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능함은 물론이다.
10 : 장치
100 : 이산화탄소 분리기
200 : 열교환기
300 : 공기 저장 용기
350 : 액체 공기 가압부
400 : 기화기
500 : 레귤레이터
600 : 발전부
610 : 터빈
620 : 발전기
A : 공기 라인
H : 수소 라인

Claims (14)

  1. 공기가 유동하는 공기 라인(A) 및 액체 수소가 유동하는 수소 라인(H)에 각각 연결되고 상기 공기 및 상기 액체 수소가 열교환하여 액체 공기를 생산하는 열교환기;
    상기 공기 라인(A)을 통해 상기 열교환기와 연결되고 상기 열교환기에서 배출된 상기 액체 공기를 저장하는 공기 저장 용기;
    상기 공기 라인(A)을 통해 상기 공기 저장 용기와 연결되고 열교환을 통해 상기 공기 저장 용기로부터 공급된 상기 액체 공기를 기화하는 기화기; 및
    상기 공기 라인(A)을 통해 상기 기화기로부터 배출된 공기를 공급받아 전력을 생산하는 발전부; 를 포함하는 장치.
  2. 청구항 1에서,
    상기 공기 라인(A) 및 상기 수소 라인(H)을 통해 상기 열교환기와 연결되고 상기 공기 내에서 적어도 일부의 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기; 를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 분리기는,
    상기 이산화탄소 분리기 내에서 상기 공기와 상기 수소가 열교환 가능하게 구비되는 장치.
  3. 청구항 2에서,
    상기 공기 라인(A)을 유동하는 공기의 유동 방향을 기준으로 상기 이산화탄소 분리기는 상기 열교환기보다 상류 영역에 구비되는 장치.
  4. 청구항 2에서,
    상기 수소 라인(H)을 유동하는 수소의 유동 방향을 기준으로 상기 이산화탄소 분리기는 상기 열교환기보다 하류 영역에 구비되는 장치.
  5. 청구항 1에서,
    상기 열교환기에서 배출되는 수소는 기체 수소인 장치.
  6. 청구항 1에서,
    상기 열교환기에 공급되는 공기는 기체 공기이고,
    상기 열교환기에서 배출되는 공기는 액체 공기인 장치.
  7. 청구항 1에서,
    상기 공기 라인(A) 상에 구비되되 상기 기화기와 상기 발전부 사이에 구비되고 상기 기화기에서 배출된 공기의 압력을 소정의 범위 내로 조정한 후 상기 발전부에 공급하는 레귤레이터; 를 더 포함하는 장치.
  8. 청구항 1에서,
    상기 공기 저장 용기에 저장된 상기 액체 공기의 압력을 증대시키는 액체 공기 가압부; 를 더 포함하고,
    상기 액체 공기 가압부는,
    상기 공기 저장 용기 내 액체 공기에 열을 제공하여 상기 액체 공기의 압력을 증대시키는 장치.
  9. 청구항 1에서,
    상기 기화기는,
    상기 액체 공기를 대기와 열교환하여 상기 액체 공기를 기화하는 장치.
  10. 청구항 1에서,
    상기 열교환기 내에서 상기 공기가 유동하는 방향과 상기 액체 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향인 장치.
  11. 청구항 2에서,
    상기 이산화탄소 분리기 내에서 상기 공기가 유동하는 방향과 상기 수소가 유동하는 방향은 서로 반대 방향인 장치.
  12. 청구항 2에서,
    상기 이산화탄소 분리기는,
    상기 공기 라인(A)과 연결되고 상기 공기가 유동하는 경로를 제공하는 유로가 형성되는 증착관; 을 포함하고,
    상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 수소의 온도는 상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 공기 내 이산화탄소의 어는점보다 낮은 장치.
  13. 청구항 2에서,
    상기 공기 라인(A)에 구비되고 상기 이산화탄소 분리기에 유입되는 상기 공기를 가압하는 압축기; 를 더 포함하는 장치.
  14. 청구항 13에서,
    상기 압축기는,
    상기 공기 내 이산화탄소를 삼중점 압력 이상의 압력으로 가압하는 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4782655A (en) * 1986-12-05 1988-11-08 Sundstrand Corporation Air liquification system for combustors or the like
DE10052856A1 (de) * 2000-10-24 2002-04-25 Linde Ag Speicherbehälter für kryogene Medien
JP4317732B2 (ja) * 2003-10-28 2009-08-19 三菱重工業株式会社 液体水素の冷熱エネルギーを利用した燃料電池発電設備
CN103162512B (zh) * 2013-01-27 2015-06-10 南京瑞柯徕姆环保科技有限公司 一种等压分离制取氧氮的空分装置
JP6897777B2 (ja) * 2017-08-14 2021-07-07 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの暖機方法

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