KR20240078337A - 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템 및 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템 - Google Patents

예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템 및 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템으로서, 기체수소 완충탱크를 통해 공급되는 기체수소가 액체수소로 액화되는 제1 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매(예를 들면, 헬륨)가 유동하는 제2 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매가 유동하는 제3 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기 및 제2 열교환기와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와, 상기 제2 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제3 열교환기가 구비되어, 기체수소가 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각되어, 액체수소로 액화됨으로써, 기체수소를 액화시키기 위한 예냉 과정없이, 기체수소의 온도를 단계적으로 감소시킴으로써 기체수소를 용이하게 액화시킬 수 있다.

Description

예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템 및 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템{HYDROGEN LIQUEFACTION SYSTEM WITHOUT PRE-COOLING AND INTERGRATED LOSSLESS LIQUID HYDROGEN STORAGE SYSTEM}
본 개시는 기체수소를 액화시키기 위한 예냉 과정없이, 하나 이상의 열교환기를 사용하는 폐쇄된 냉동 사이클을 구성하고, 시스템 내부에 위치한 열교환기를 통하여 냉동 사이클의 냉매(예를 들면, 헬륨)와 시스템으로 유입된 상온의 수소 기체를 열교환하여 다단계로 온도를 낮추어 액체수소를 생산하고 이를 별도의 단열된 액체수소 저장탱크에 저장하는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템 및 이 수소 액화 시스템의 냉매(예를 들면, 헬륨)를 일부 분기하여 저장탱크를 냉각하는데 사용할 수 있는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템에 관한 것이다.
기존의 수소 액화 시스템은 액체질소 또는 액화천연가스 등, 비등점이 수소보다 높은 물질을 냉매로서 추가로 사용하여 상온의 수소를 냉각한다. 이때 액체질소는 77K, 액화천연가스는 111K이다. 통상적으로 액화되는 액체수소의 양보다 많은 양의 액체질소 또는 액화천연가스가 수소 액화 시스템에 별도로 필요하게 된다. 예를 들어 일일 1 톤 단위의 액체수소를 생산하는 수소 액화 시스템의 경우 일일 7 내지 9톤 이상의 액화질소가 예냉용 냉매로 필요하게 된다. 이는 분산형 액체수소 생산 기지의 경우 수소 액화 시스템 이외에 별도의 예냉용 냉매의 생산장치가 필요하거나, 또는 대량의 예냉용 냉매가 필요하며, 이는 설비부지의 면적 증가와 설비가격의 증가, 예냉용 냉매의 접근성과 가용성 여부 등, 설비건설과 운영면에서 큰 단점으로 작용한다.
또한, 통상적인 극저온 저장탱크는 상온으로부터 유입되는 열유입을 완전히 차단할 수 없어 일부 극저온 액체가 기화하게 되며, 이로 인하여 내부 압력이 상승하여 안전성을 감소시키고, 압력강하를 위하여 기체를 대기에 유출함으로써 냉매의 손실을 피할 수 없는 단점이 있다.
본 개시는 액체질소 또는 액화천연가스를 이용하는 예냉 과정없이 하나 이상의 열교환기와 하나 이상의 터보팽창기를 구비하여 기체수소의 온도를 단계적으로 하강시킬 수 있는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 개시는 기체수소가 냉매(예를 들면, 헬륨)와 열교환하여 생산되는 액체수소를 손실없이 저장할 수 있도록, 기체수소가 유동하는 제1 배관세트가 연장되어 액체수소 저장탱크에 저장되는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 개시는 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소가 기화되는 것을 방지하기 위해, 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소의 기화열을 흡수할 수 있도록, 냉매가 유동하는 제2 배관세트가 액체수소 저장탱크로 연장될 수 있는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템에 관한 것이다.
본 개시의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 형태에 따르면, 예냉을 사용하지 않는 냉동 사이클 기반의 수소 액화 시스템으로서, 기체수소 완충탱크를 통해 공급되는 기체수소가 액체수소로 액화되는 제1 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매(예를 들면, 헬륨)가 유동하는 제2 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매가 유동하는 제3 배관세트와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기 및 제2 열교환기와, 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와, 상기 제2 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제3 열교환기가 구비되어, 기체수소가 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각되어, 액체수소로 액화되는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기는, 상기 제1 배관세트에서 기체수소가 유동하는 방향으로 순차적으로 구비되는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트는, 폐쇄된 루프의 냉동 사이클을 형성하는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배관세트에 구비되며, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에 위치하는 제1 터보팽창기와, 상기 제2 배관세트의 일측과 상기 제3 배관세트의 일측에 구비된 냉매 압축기와, 상기 제2 배관세트의 타측과 상기 제3 배관세트의 타측에 구비된 제2 터보팽창기를 포함하는 예냉을 사용하지 않는 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 열교환기는, 상기 기체수소 완충탱크에서 유입되어 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와, 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매를 열교환하여 기체수소를 냉각시키는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 열교환기는, 상기 제1 열교환기를 통과하며 냉각된 기체수소와, 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매와 열교환시켜 기체수소를 냉각시키는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 열교환기는, 상기 제2 열교환기를 통과하며 냉각된 기체수소와, 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매와 열교환시켜 기체수소를 냉각시키는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 개시의 다른 형태에 따르면, 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템으로서, 전술한 수소 액화 시스템의 상기 제1 배관세트로부터 공급되는 액화된 액체수소를 저장하기 위한 액체수소 저장탱크를 포함하며, 상기 수소 액화 시스템의 상기 제2 배관세트의 연장부가 분기하여 상기 액체수소 저장탱크로 연장되며, 상기 제2 배관세트의 상기 연장부를 통해 유동하는 냉매가 상기 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소와 열교환하여 상기 액체수소의 기화열을 흡수하는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템이 제공된다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배관세트의 상기 연장부를 통해 유동하는 냉매가 상기 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소와 열교환하여 상기 액체수소의 기화열을 흡수한 이후에, 상기 냉매가 상기 수소 액화 시스템으로 회수되는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템이 제공될 수 있다.
본 개시에서는, 종래의 통상적인 수소 액화 장치에서 예냉용으로 사용되는 액체질소 또는 액화천연가스를 사용하지 않으므로 별도의 장치 또는 별도의 예냉용 냉매의 운송 및 이송이 필요없다.
또한, 본 개시에서는, 수소 액화 시스템과 액화수소 저장 시스템을 통합하여 액화수소저장탱크에서 추가의 적극적인 냉각을 실행하여 통상적으로 극저온 저장 탱크 내부에서 발생하는 극저온 냉매의 기화현상을 억제하여 안전성을 확보하고 저장기간을 대폭 증가할 수 있다.
또한, 본 개시에서는, 본 기술은 액화사이클의 냉매 일부를 저장탱크에 공급하여 저장탱크의 온도를 액화온도로 유지할 수 있어, 종래의 재액화기술과 같이 증발 기체가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템을 예시하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템의 콜드 박스 내부 및 이러한 수소 액화 시스템과 연결되는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템을 예시하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템의 냉매(예를 들면, 헬륨)의 온도 변화를 설명하는 도면이다.
본 개시의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시는 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 개시의 개시가 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시는 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 개시의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 개시의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템을 예시하는 도면이고, 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템의 콜드 박스 내부 및 이러한 수소 액화 시스템과 연결되는 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템을 예시하는 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템의 냉매(예를 들면, 헬륨)의 온도 변화를 설명하는 도면이다.
도 1 내지 도 3b를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템(100)은 제1 배관세트(110), 제2 배관세트(120), 제3 배관세트(130), 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230), 냉매 압축기(240), 제1 터보팽창기(250), 제2 터보팽창기(260), 기체수소 완충탱크(310), 액체수소 저장탱크(320) 등을 포함할 수 있다.
제1 배관세트(110)는 기체수소 완충탱크(310)를 통해 공급되는 기체수소(GH2)가 유동하는 파이프관 등으로, 기체수소(GH2)가 제1 배관세트(110)를 "H201" -> "H202" -> "H203" -> "H204"의 순서로 유동하면서 액체수소(LH2)로 액화될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 배관세트(110)는 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230)가 구비될 수 있다. 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)는 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220) 및 제3 열교환기(230)에 의해 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매(예를 들면, 헬륨)와 열교환할 수 있다. 즉, 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)는 냉매와 열교환함으로써, 기체수소(GH2)의 온도가 하강할 수 있다. 또한, 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매는 "H201" -> "H202" -> "H203" -> "H204" -> "H205" -> "H206" -> "H207" -> "H208"의 순서로 기체수소(GH2)와 열교환할 수 있다. 즉, 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매(예를 들면, 헬륨)는 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와 섞이지 않는 독립적인 냉동 사이클을 구성하여, 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220) 및 제3 열교환기(230)를 통해 제1 배관세트(110) 내의 기체수소(GH2)의 온도를 단계적으로 감소시킨다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 배관세트(110)는 액체수소 저장탱크(320)와 결합될 수 있다. 이에 따라, 제1 배관세트(110)를 유동하여 액화된 액체수소(LH2)는 액체수소 저장탱크(320)에 저장될 수 있다.
제2 배관세트(120)는 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와 열교환하도록 냉매가 유동하는 파이프관 등이다. 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 배관세트(120)에는 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220)가 구비될 수 있다. 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매는 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220)에 의해 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와 열교환할 수 있다. 즉, 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매는 기체수소(GH2)와 열교환함으로써, 냉매의 온도는 상승할 수 있다. 또한, 제1 배관세트를 유동하는 기체수소(GH2)는 냉매와 열교환함으로써, 기체수소(GH2)의 온도가 하강할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 배관세트(120)는 타측에 제2 터보팽창기(260)가 구비될 수 있으며, 제1 열교환기(210)와 제2 열교환기(220) 사이에 제1 터보팽창기(250)가 구비될 수 있다. 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매는 제1 터보팽창기(250) 및 제2 터보팽창기(260)에 의해 팽창할 수 있다. 즉, 냉매는 제1 터보팽창기(250) 및 제2 터보팽창기(260)를 통과하며 팽창함으로써, 냉매의 온도가 감소될 수 있다.
또한, 제2 배관세트(120)의 연장부(120-1)는 액체수소 저장탱크(320)로 연장될 수 있다. 즉, 제2 배관세트(120)의 연장부(120-1)는 액체수소 저장탱크(320)의 외부면과 소정 거리 이격되거나, 액체수소 저장탱크(320)의 외부면에 직접 접하도록 구비될 수 있다. 연장부(120-1)를 갖는 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매는 액체수소 저장탱크(320)에 저장된 액체수소(LH2)와 열교환함으로써 액체수소(LH2)의 기화열을 흡수할 수 있다. 이에 따라, 액체수소 저장탱크(320)에 저장된 액체수소(LH2)가 기화되는 것을 방지할 수 있다.
액체수소 저장탱크(320)로 이동하여 기화열을 흡수한 차가운 냉매(예를 들면, 헬륨(He))는 도 2의 화살표들로 표시된 바와 같이, 다시 냉매 사이클 내 제2 배관세트(120) 또는 제3 배관세트(130)로 회귀될 수 있다. 이와 같은, 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매가 액체수소 저장탱크(320)의 액체수소(LH2)와 열교환하여 기화열을 흡수하고, 이러한 기화열을 흡수한 차가운 냉매가 다시 냉매 사이클 내 제2 배관세트(120) 또는 제3 배관세트(130)로 회귀되는 방식을 채택한 시스템을 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템이라 한다.
제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매가 제2 배관세트(120)의 연장부(120-1)를 통해 액체수소 저장탱크(320)로 분기되는 비율, Y는 다음과 같다:
액체수소 저장탱크(320)로 분기되는 유량에 따라 비율 Y는 0 ~ 1 사이의 값으로 표시할 수 있다.
Y = 0일 경우, 수소 액화 시스템(100)은 액화기 역할만 하게 되고, Y = 1일 경우, 수소 액화 시스템(100)은 액체수소 저장탱크(320)를 냉각하는 냉각기 역할만 할 수 있다.
또한, Y가 1에 가까워질수록, 제2 터보팽창기(260) 후단의 온도는 보다 더 낮아질 수 있다.
도 2에서, "IRAS"는 "Integrated Refrigeration and Storage"의 약자이며, "VJ"는 "Vacuum Jacketed"의 약자이다.
제3 배관세트(130)는 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와 열교환하도록 냉매가 유동하는 파이프관 등이다. 본 개시의 일 실시예에 따른 제3 배관세트(130)에는 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230)가 구비될 수 있다. 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매는 순차적으로 제3 열교환기(230), 제2 열교환기(220) 및 제1 열교환기(210)에 의해 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와 열교환할 수 있다. 즉, 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매는 기체수소(GH2)와 열교환함으로써, 냉매의 온도는 상승할 수 있다. 또한, 제1 배관세트를 유동하는 기체수소(GH2)는 냉매와 열교환함으로써, 기체수소(GH2)의 온도가 하강할 수 있다. 한편, 도 2 중의 410 및 420은 정제 용기(purifier vessel)이며, 수소 또는 냉매에 있는 불순물을 제거하는 역할을 한다.
본 개시의 일 실시예에 따른 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)는 폐쇄된 루프(Closed Loop)로 형성될 수 있다. 즉, 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)의 각 말단부가 연결되어 하나의 고리 형태로 형성됨으로써, 냉매는 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)의 내부를 연속적으로 유동할 수 있다. 또한, 냉매는 연결된 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)의 내부를 유동하면서, 1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230)에 의해, 기체수소(GH2)와 열교환할 수 있다. 이에 따라, 기체수소(GH2)의 온도는 단계적으로 감소함으로써 기체수소(GH2)는 액체수소(LH2)로 액화될 수 있다. 즉, 본 개시의 일 실시예에 따라 제2 배관세트(120)를 유동하는 동안, 제1 터보팽창기(250)와 제2 터보팽창기(260)를 통과하면서, 냉매의 온도가 감소하게 되며, 제3 배관세트(130)를 유동하는 동안, 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230)와 냉매헬륨 압축기(240)를 통과하면서 냉매의 온도가 증가할 수 있다. 위와 같은 냉매의 과정을 순환적으로 반복할 수 있다.
도 3a, 도 3b 및 다음의 표 1을 참조하면, 제2 배관세트(120) 및 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매(예를 들면, 헬륨(He))의 온도, 엔트로피 등의 변화와 제1 배관세트(110)를 유동하는 수소(H2)의 온도, 압력 등의 변화를 확인할 수 있다. 도 3a는 제1 내지 제3 열교환기(210, 220, 230)와 제1 및 제2 터보팽창기(250, 260)의 작동과 관련하여 냉매의 온도 변화를 나타낸 도면이며, 도 3b는 냉매의 온도 변화를 엔트로피를 기준으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b를 도 1과 함께 참조하면, 제2 배관세트(120) 및 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매(예를 들면, 헬륨(He))의 온도, 엔트로피 등의 변화를 확인할 수 있다. 1~2의 과정은, 냉매 압축기(240)에 의해 냉매가 압축되는 과정이다. 냉매 압축기(240)에 의해 압축된 냉매는 애프터쿨러(241)를 거치면서 온도가 더욱 낮아질 수 있다. 2~3의 과정 및 8~1의 과정은, 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)가, 제1 열교환기(210)에 의해 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매와 열교환하는 과정이다. 3~4의 과정은, 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매가 제1 터보팽창기(250)에 의해 팽창하는 과정이다. 4~5의 과정 및 7~8의 과정은, 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)가, 제2 열교환기(220)에 의해 제2 배관세트(120)와 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매와 열교환하는 과정이다. 5~6의 과정은, 제2 배관세트(120)를 유동하는 냉매가 제2 터보팽창기(260)에 의해 팽창하는 과정이다. 6~7의 과정은, 제3 배관세트(130)를 유동하는 기체수소(GH2)가, 제3 열교환기(230)에 의해 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매와 열교환하는 과정이다.
또한, 아래의 표 1을 참조하면, 제1 배관세트(110)를 유동하는 수소(H2)의 온도, 압력 등의 변화를 확인할 수 있다. 약 300K의 온도로 제1 배관세트(110)에 유입되는 기체수소(GH2)는 제1 배관세트(110)를 유동하면서 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220) 및 제3 열교환기(230)에 의해 냉매와 열교환할 수 있다. 즉, 기체수소(GH2)는 제1 열교환기를 통과하면서 온도가 약 300K에서 약 94K로 하강될 수 있다. 또한, 기체수소(GH2)는 제2 열교환기(220)를 통과하면서 온도가 약 94K에서 25K로 하강할 수 있다. 또한, 기체수소(GH2)는 제3 열교환기(230)를 통과하면서 온도가 약 25K에서 약 20K로 하강할 수 있다. 기체수소(GH2)가 액체수소(LH2)로 액화되는 온도는 약 21K인 바, 약 300K의 온도로 제1 배관세트(110)에 유입된 기체수소(GH2)는 그 온도가 약 20K로 단계적으로 하강함으로써, 액체수소(LH2)로 액화될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220), 제3 열교환기(230), 제1 터보팽창기(250), 제2 터보팽창기(260) 등은 콜드 박스(Cold Box)(200)에 수용될 수 있다. 콜드 박스(200)는 내부가 상온 이하의 진공 상태로 유지되는 하우징이다. 콜드 박스(200)는, 내부에 수용된 구성을 외부 환경 요인들과 격리시킴으로써, 내부에 수용된 구성이 외부의 온도, 압력 등의 환경에 영향을 받지 않고, 기능을 수행할 수 있다. 이에 따라, 콜드 박스(200) 내부에서, 제1 열교환기(210), 제2 열교환기(220)는 기체수소(GH2)와 냉매의 열교환을 수행할 수 있고, 제1 터보팽창기(250), 제2 터보팽창기(260)는 냉매를 팽창시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템(100)의 제1 배관세트(110), 제2 배관세트(120), 제3 배관세트(130)에 하나 이상의 PT(Pressure Transmitter)와 하나 이상의 TT(Temperature Transmitter)가 구비될 수 있다. 이에 따라, 제1 배관세트(110)를 유동하는 기체수소(GH2)와, 제2 배관세트(120) 및 제3 배관세트(130)를 유동하는 냉매의 압력, 온도가 배관세트들의 구간별로 측정될 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템(100)은 제1 배관세트(110) 상의 열교환기(210, 220, 230) 내에, 또는 열교환기(210, 220, 230)와 팽창기(250, 260) 사이의 임의의 부분에 OP(Ortho-Para) 변환 촉매를 배치하는 것으로 구성될 수도 있다.
이상의 설명에서는 본 개시의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 개시가 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
예를 들어, 본 개시에서 설명된 열교환기, 냉매 압축기, 터보팽창기의 개수는 바람직한 일 예를 나타내는 것이며, 당업자라면 열교환기, 냉매 압축기, 터보팽창기가 본 개시의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 임의의 하나 이상의 개수를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 개시에서 설명된 열교환기, 냉매 압축기, 터보팽창기의 병렬 배치 또는 직렬 배치는 바람직한 일 예를 나타내는 것이며, 당업자라면 열교환기, 냉매 압축기, 터보팽창기가 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위 내에서 임의의 다른 병렬 배치 또는 직렬 배치를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 개시에서 설명된 냉매의 액체수소 기화열 냉각 기능은 일 예를 나타내는 것이며, 당업자라면 냉매가 "증발된 기체의 응축열 냉각"에도 기여할 수 있고, 액체수소를 더 낮은 온도로 "과냉"하는 데에도 기여할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
100: 수소 액화 시스템 110: 제1 배관세트
120: 제2 배관세트 130: 제3 배관세트
210: 제1 열교환기 220: 제2 열교환기
230: 제3 열교환기 240: 냉매 압축기
241: 애프터쿨러 250: 제1 터보팽창기
260: 제2 터보팽창기 310: 기체수소 완충탱크
320: 액체수소 저장탱크

Claims (9)

  1. 예냉을 사용하지 않는 냉동 사이클 기반의 수소 액화 시스템으로서,
    기체수소 완충탱크를 통해 공급되는 기체수소가 액체수소로 액화되는 제1 배관세트와,
    상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매가 유동하는 제2 배관세트와,
    상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 열교환하도록 냉매가 유동하는 제3 배관세트와,
    상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기 및 제2 열교환기와,
    상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와, 상기 제2 배관세트를 유동하는 냉매 간의 열교환을 수행하는 제3 열교환기가 구비되어,
    기체수소가 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기에 의해 냉각되어, 액체수소로 액화되는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기는,
    상기 제1 배관세트에서 기체수소가 유동하는 방향으로 순차적으로 구비되는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트는, 폐쇄된 루프의 냉동 사이클을 형성하는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 배관세트에 구비되며, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에 위치하는 제1 터보팽창기와,
    상기 제2 배관세트의 일측과 상기 제3 배관세트의 일측에 구비된 냉매 압축기와,
    상기 제2 배관세트의 타측과 상기 제3 배관세트의 타측에 구비된 제2 터보팽창기
    를 포함하는 예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는,
    상기 기체수소 완충탱크에서 유입되어 상기 제1 배관세트를 유동하는 기체수소와, 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매를 열교환하여 기체수소를 냉각시키는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는,
    상기 제1 열교환기를 통과하며 냉각된 기체수소와, 상기 제2 배관세트 및 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매와 열교환시켜 기체수소를 냉각시키는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는,
    상기 제2 열교환기를 통과하며 냉각된 기체수소와, 상기 제3 배관세트를 유동하는 냉매와 열교환시켜 기체수소를 냉각시키는
    예냉을 사용하지 않는 수소 액화 시스템.
  8. 통합형 무손실 액체수소 저장 시스템으로서,
    제1항에 따른 상기 수소 액화 시스템의 상기 제1 배관세트로부터 공급되는 액화된 액체수소를 저장하기 위한 액체수소 저장탱크를 포함하며,
    상기 수소 액화 시스템의 상기 제2 배관세트의 연장부가 분기하여 상기 액체수소 저장탱크로 연장되고, 상기 제2 배관세트의 상기 연장부를 통해 유동하는 냉매가 상기 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소와 열교환하여 상기 액체수소의 기화열을 흡수하는
    통합형 무손실 액체수소 저장 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 배관세트의 상기 연장부를 통해 유동하는 냉매가 상기 액체수소 저장탱크에 저장된 액체수소와 열교환하여 상기 액체수소의 기화열을 흡수한 이후에, 상기 냉매가 상기 수소 액화 시스템으로 회수되는
    통합형 무손실 액체수소 저장 시스템.
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