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소형 수소액화기 설계 및 운전에 관한 연구
Design and Operation of a Small-Scale Hydrogen Liquefier 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.26 no.2, 2015년, pp.105 - 113  

백종훈 ,  강상우 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단) ,  강형묵 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단) ,  나다니엘 갈소 (하이리움산업(주)) ,  김서영 (하이리움산업(주)) ,  오인환 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to accelerate hydrogen society in current big renewable energy trend, it is very important that hydrogen can be transported and stored as a fuel in efficient and economical fashion. In this perspective, liquid hydrogen can be considered as one of the most prospective storage methods that ca...

주제어

#액체수소   #액화기   #극저온공학   #단열  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 위에서 예상되는 냉동용량을 달성하기 위한 GM 냉동기는 보통 무부하에서 약 10K까지 도달이 가능하고 목표액화온도 20K에서 유한한 냉동용량을 보유하고 있기 때문에 팽창밸브를 통한 액화방법을 쓰지 않더라도 GM 냉동기의 자체 냉각성능만으로 대기압에서 끓는점이 20K 인 수소의 액화가 가능하다고 본다. 따라서 기체수소를 GM 냉동기의 저온부와 열교환하여 상온(300K)으로부터 20K 이하로 낮추어 시간당 1L의 액화율로 액화시키는 것을 목표로 하여, 상용제품 중 AL325 GM 극저온냉동기(Cryomech사)를 액화기의 냉동기로 선정하였다. AL325는 20K에서 약 70W 이상의 냉열을 공급할 수 있는 1단형 GM 극저온 냉동기로서, 단일냉동기로서는 AL325가 거의 유일하게 목표하는 수소액화율에 가장 근접한 냉동기로 판단되었다.
  • 본 연구에서는 수소액화시스템의 원천기술을 확보하기 위하여 충분한 냉각용량을 가진 GM 냉동기만을 이용한 액화율 1L/hr의 수소액화기를 개발하고자 하였다. 이는 GM-JT 액화사이클보다 구성이 간단하고 저가이며 유지보수가 간편한 직접냉각방식의 액화방법으로 소형 수소액화기에 적합한 방법이다.
  • 수소의 현열과 잠열, O-P 수소 변환열, 액체질소(LN2)의 예냉기 역할을 고려하면 충분한 양의 액체질소가 77K에서 사용될 경우 2,905kJ/kg의 수소현열과 516kJ/kg의 O-P 수소 변화열을 담당할 수 있다. 즉, 77K에서 작동하는 LN2를 이용한 예냉기는 LN2의 우수한 비등열전달을 이용하여 300K와 77K 사이 수소현열의 83%를 제거할 뿐만 아니라 77K에서 O-P 수소 변환열의 상당한 양을 제거할 목적으로 채택하였다. O-P 수소변환용 촉매는 대개 산화철 종류 (Fe(OH)3)가 많이 사용되며 진공에서 섭씨 120도 이상에서 활성화시켜 사용한다.

가설 설정

  • ∙ 다양한 단열물질의 적용이 가능한 구조일 것
  • ∙ 상온/저온 기체 및 극저온액체 유동이 가능한 구조일 것
  • ∙ 상온으로부터의 열유입을 최소화 할 것
  • ∙ 수소액화율이 최소 1L/hr 이상일 것
  • ∙ 제작이 간단할 것
  • ∙ 최소인원으로 작동이 가능한 전 자동/반자동 시스템일 것
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주개발 분야에서 액체수소는 주로 어디에 사용되고 있는가? 그 중 액체수소 저장방식은 질량당 저장 에너지의 크기가 가장 우수하다고 알려져 있다. 1950년대부터 미국의 우주개발 역사와 함께 시작된 액체수소는 대형 위성발사용 로켓의 추진체로 주로 사용되고 있다[1]. 선진국들의 치열한 우주개발 경쟁속에서 우리나라가 뒤쳐지지 않기 위해서는 로켓 추진체의 핵심기술이라 할 수 있는 액체수소 제조 및 저장기술의 개발이 필수적이지만, 2000년대 초 기초연구가 수행된 이후에 수소액화시스템에 대한 연구개발이 전무할 실정이다[2].
수소의 저장방법에는 무엇이 있는가? 수소의 저장방법은 크게 고압기체압축, 금속수소화물(metal hydride), 액체수소로 나눌 수 있다. 그 중 액체수소 저장방식은 질량당 저장 에너지의 크기가 가장 우수하다고 알려져 있다.
본 논문에서 수소액화기의 설계를 성공적으로 수행하기 위하여 설정한 설계목표는? ∙ 수소액화율이 최소 1L/hr 이상일 것 ∙ 상온으로부터의 열유입을 최소화 할 것 ∙ 제작이 간단할 것 ∙ 다양한 단열물질의 적용이 가능한 구조일 것 ∙ 상온/저온 기체 및 극저온액체 유동이 가능한 구조일 것 ∙ 최소인원으로 작동이 가능한 전 자동/반자동 시스템일 것 ∙ 안전할 것
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참고문헌 (9)

  1. S. Krasae-in, J. H. Stang and P. Neksa, "Development of large-scale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 10, 2010, pp. 4524-4533. 

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  2. B. H. Kang and S. Y. Kim, "Liquid hydrogen storage technology," J. of the Korean Hydrogen Energy Society, Vol. 12, No. 2, 2001, pp. 87-102. 

  3. T. M. Flynn, "Cryogenic Engineering", 2nd ed., CRC Press, Boca Raton, 2005. 

  4. NIST webbook, http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/(accessed 2015.01.31). 

  5. R. T. Jacobsen, S. G. Penoncello and E. W. Lemmon, "Thermodynamic properties of cryogenic fluids", Plenum Press, New York, 1997. 

  6. J. E. Fesmire, B. E. Coffman, B. J. Meneghelli and K. W. Heckle, "Spray-on foam insulations for launch vehicle cryogenic tanks", Cryogenics, Vol. 52, No. 4-6, 2012, pp. 251-261. 

    상세보기 crossref

  7. J. B. Heaney, "Efficiency of aluminized mylar insulation at cryogenic temperatures", SPIE Conference on Cryogenic Optical Systems and Instruments VIII, San Diego, Vol. 3435, 1998, pp. 150-157. 

  8. N. M. Garceau, J. H. Baik, S. Y. Kim, I.-H. Oh, and S. W. Karng, "Development of a 1 L/hr Scale Liquid Hydrogen System", Int. J. Air-Conditioning and Refrigeration, Vol. 40, No. 1, pp. 1550009-1-7. 

  9. I. W. Na, J. H. Kim, T. Das, S.-C. Kwon and I.-H. Oh, "A study of the ortho-para hydrogen conversion characteristics of liquefied hydrogen by perovskite catalysts", Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 26, No. 1, 2015, pp 15-20. 

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