Fig. 2는 액체 수소 생산 및 이송을 위한 장비 구성을 나타낸다. 생산된 액체 수소를 저장 및 이송하기 위한 시스템은 액화기, 전자저울, 저장 용기, 기화기 및 데이터 수집 PC 등으로 이루어져 있다. 본 연구에서는 액체 수소 생산 이후 이송할 때 이중 배관을 활용하였으며 가압 방식을 적용하여 액체 수소를 생산 용기에서 저장 용기로 이송하였다. 저장 용기 아래에 전자저울을 설치하여 액체 수소의 이송에 따라 질량의 변화를 직접 확인하였다. 따라서 매우 신뢰도가 높은 액체 수소 이송 데이터를 직접 확보하였으며 액체 수소의 이송 및 저장 시 용기 냉각을 위하여 소비되는 액체 수소량을 분석하였다.

Fig. 2. 
Experimental setup for storage and transportation of LH₂

Fig. 3은 액체 수소 이송에 따른 실험 데이터 결과를 나타낸다. 본 연구에서는 액체 수소 이송에 따라 액체 수소가 생산되는 응축형 수소 액화기의 레벨 미터의 변화를 측정하였으며 저장 용기에서 발생하는 BOG의 온도 변화를 분석하였다. 액체 수소 이송 전 레벨 미터는 약 20.5%였으나 액체 수소 이송 후 레벨 미터는 약 4.4%로 측정되는 것을 알 수 있다. 액체 수소 레벨 미터의 경우 명확한 보정 절차를 거치진 않았지만 액체 수소가 이송되는 경향의 파악은 가능함을 알 수 있다. 또한 이송된 액체 수소에 의하여 용기가 냉각된 후 BOG가 발생하게 되므로 용기 냉각 이후 토출되는 BOG 온도를 측정하였다. 저장탱크에서 발생하는 BOG 온도는 급격하게 감소하였다가 증가하며 기화기를 이용하여 발생한 BOG는 최종적으로 상온까지 증가한 것을 볼 수 있다. 따라서 액체 수소가 이송할 때 용기가 냉각되므로 BOG가 급격하게 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. 
Experimental results for transportation of LH₂

Fig. 4는 전자저울을 사용하여 액체 수소 이송에 따른 최종 액체 수소 저장량을 측정한 것이다. 본 연구에서는 액체 수소 저장 용기의 이송 전과 이송 후의 질량을 측정하여 총 이송량을 계산하였다. 액체 수소 저장 용기의 이송 전과 이송 후 측정된 질량은 각각 127.4 kg과 130.2 kg으로 측정되었으며 액체 수소 저장량은 총 2.8 kg으로 대기압 기준 총 39 L가 저장되었음을 알 수 있다. 이는 액체 수소의 온도가 20 K, 밀도가 70.99 g/L라고 적용하여 계산하였다. SUS316일 때 내조 용기가 40 kg이라고 가정하고 200 K에서 용기 냉각을 위해 소비된 액체 수소량을 계산하면 약 17.25 L가 된다. 따라서 본 연구에서 측정한 39 L의 액체 수소가 저장 용기를 냉각하기 충분한 양을 이송하였음을 확인할 수 있었다.

Fig. 4. 
Transportation rate of LH₂

Fig. 5는 액체 질소를 활용하여 공급 유량에 따른 기화기의 성능 평가를 수행한 모습을 나타낸다. 기화기를 이용하여 액체 수소를 기화하기 전에 안전성 검증을 위하여 기초 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 진공 배기 시스템과 액체 질소를 활용하여 주입량 및 시간에 따른 입구 및 출구의 온도와 압력을 측정하였다. 액체 질소의 이동에 따라 이송 배관 라인, 기화기 상부 영역, 입구 온도 및 압력 측정 부분 및 하부 영역 등에서 서리가 발생하며 이에 따라 기화기의 성능이 영향을 받음을 알 수 있다. 자세한 실험 모습은 Fig. 6에 나와 있다. 따라서 적절한 액체 질소의 주입에 따라 기화기의 입구 및 출구의 온도와 압력을 측정하여 기화기의 성능을 시험하였다.

Fig. 5. 
Experimental setup for evaporator

Fig. 6. 
Experimental test for evaporator

Fig. 7은 액체 질소의 주입에 따른 기화기 입구 및 출구에서의 압력 및 온도 성능을 보여준다. 액체 질소의 주입에 따라 기화기의 입출구 압력은 크게 변화하지만 일정 시간 이후 대기압을 유지한다. 이후 출구 온도의 영향을 받아 압력의 변동이 발생함을 알 수 있다. 기화기의 입구 온도는 액체 질소의 주입에 의해 약 77 K까지 매우 급격하게 감소하며 이후 77 K의 온도를 유지한다. 기화기의 출구 온도는 입구에 비해 늦게 온도가 떨어지기 시작하며 기화기 성능에 따라 온도의 변동이 약간 발생함을 알 수 있다. 따라서 기화기 내부에서 효과적으로 열교환이 이루어지고 있음을 보여준다.

Fig. 7. 
Experimental results for evaporator performance

이러한 압력 및 온도 안정화 결과는 기화기의 성능이 매우 우수하다는 것을 보여주며 극저온 특성인 액체 수소 환경에서도 동일한 원리로 활용이 가능하다. 특히 액체 수소는 매우 낮은 온도에서 기화가 필요한데 본 시스템의 빠르고 안정적인 열교환 특성은 액체 수소의 효율적 기화와 안정적 공급에 적합하다고 평가할 수 있다.

Fig. 8은 기체 수소를 압축하여 저장하는 공정 실험 모습을 보여준다. 본 연구에서는 액체 수소를 기화하여 압축하고자 하였으나 수소 취성 및 안정성 문제 등을 고려하여 기체 수소를 압축 및 저장하는 공정만 고려하였다. 해당 실험 장비는 기화기, 가스 부스터, 고압 수소 가스 저장 용기, 에어 컴프레셔, 데이터 측정 PC 등으로 구성되어 있다. 시스템 구축 후 헬륨 리크 디텍터를 통해 부위별 리크를 검사하였으며 질소 가스와 진공 배기를 통해 퍼지 작업을 사전에 수행하였다.

Fig. 8. 
Experimental setup for storage of compressed hydrogen gas

Fig. 9는 수소 가스를 활용하여 가스 부스터를 이용해 10 bar까지 압축한 결과를 나타낸다. 1단 가스 부스터를 통해 2 bar의 기체 수소를 10 bar까지 압축하였다. 2단 가스 부스터를 사용할 경우 최대 200 bar 까지 압축이 가능하지만 고압 법에 따른 안전을 고려하여 본 연구에서는 10 bar까지만 압축을 수행하였다. 1단 가스 부스터만 사용 시 최대 48 bar까지 압축이 가능하며 압축 성능 표에 따라 공기 1.5 bar 및 기체 수소 2 bar 조건에서 최대 12 bar까지 압축이 가능하였다. 가스 부스터 구동 조건에 따라 압축 성능을 분석하였으며 수소 가스의 압력 및 구동 힘으로 작용하는 공기의 압력 등에 의해 최종 압축 압력을 결정하였다. 기체 수소의 압축이 시작되자 약 10분 만에 10 bar까지 수소 압력이 증가하는 것을 볼 수 있다. 또한 기화기 출구 압력과 1단 가스 부스터의 공기 압력은 일정하게 유지하였다. 따라서 기체 수소의 압축 및 저장이 성공적으로 이루어졌으며 이를 통해 액체 수소에서 기체 수소로의 전환 공정에서 파일럿 플랜트에서의 저장 원리와 같이 기체 수소를 고압으로 저장하게 될 것이다.

Fig. 9. 
Experimental results for storage of compressed hydrogen gas

Fig. 10은 액체 질소를 기화 및 압축하여 저장하는 공정 실험 모습을 보여준다. 본 연구에서는 수소 취성 및 안정성 문제 등을 고려하여 액체 수소로 기화, 압축 및 저장하는 것이 어렵기 때문에 이를 대체하기 위하여 액체 질소를 활용하였다. 액체 질소를 기화기에 공급하여 기화기의 전단 및 후단 온도 변화를 분석하였으며 앞의 기체 수소의 압축 및 저장 공정과 유사하게 액체 질소로부터 기화된 기체 질소를 압축 및 저장하는 실험을 수행하였다. 실험 과정에서 기화기를 통해 기화된 극저온 가스의 부패 팽창으로 인해 기화기 내부의 압력이 급상승하여 가스 부스터 허용 범위 초과 시 안전상 외부로 토출될 수 있도록 안전장치를 구축하였다. 기화기에 주입된 극저온 냉매의 기화에 따른 문제점을 발견하여 개선 사항 등을 고려하였다.

Fig. 10. 
Experimental setup for process of vaporization, compression and storage of liquid nitrogen

Fig. 11은 액체 질소를 기화 및 압축하여 저장하는 공정 실험 결과를 보여준다. 기화기를 통해 77 K의 액체 질소가 상온의 가스로 기화가 되는 것을 확인할 수 있다. 액체 질소를 통해 진행된 기화기의 입구 온도와 출구 온도가 각각 약 95 K와 292 K로 측정됨을 알 수 있다. 액체 질소의 퍼징을 통해 기화기의 입구 온도를 냉각한 이후 기화되는 질소 가스의 압축을 시작하였다. 기화되는 질소 가스를 안전밸브와 매뉴얼밸브 등을 사용하여 일부 토출하면서 가스 부스터에 공급되는 질수 가스의 압력을 2 bar로 유지하였다. 가스 부스터를 통해 2 bar의 질소 가스를 10 bar까지 압축하였으며 액체 수소에서도 이와 같은 파일럿 플랜트에서의 저장 원리와 같이 기체 수소를 고압으로 저장하게 될 것이다.

Fig. 11. 
Experimental results for process of vaporization, compression and storage of liquid nitrogen

본 연구에서는 기화기 및 압축기 등을 활용한 충전 공정에서 여러 문제점 및 개선 방안 등을 고찰하였다. 먼저 가스 압축을 위하여 구동 힘으로 공급되는 공압의 공급 부족 문제가 존재하였다. 가스 부스터는 전기 공급 없이 공급되는 공기의 힘으로 구동되며 본 연구에서는 1단 가스 부스터만 사용하였음에도 불구하고 공급되는 공기의 양이 부족하였다. 따라서 구동 힘의 공급을 원활하게 하기 위한 에어 컴프레셔의 사양 업그레이드가 필요하다. 추후 탱크의 용량이나 공기의 생산량을 증가하여 추가 연구를 수행하고자 한다. 또한 극저온 냉매가 기화기를 통해 기화기 가스 부스터의 능력보다 많은 양의 가스가 공급되었다. 극저온의 냉매가 상온의 온도까지 기화 시 부피 팽창이 매우 크며 이로 인하여 기화기의 압력이 급격하게 상승하게 된다. 본 연구에서는 가스 부스터의 능력보다 많은 가스가 발생하여 안전밸브와 매뉴얼밸브 등을 활용하여 안전을 위해 강제로 외부 방출하였다. 액체 수소의 경우 액체 질소와 비교하여 훨씬 더 많은 압력이 증가할 것으로 예상된다. 따라서 기화기와 압축기 사이에 버퍼 탱크를 삽입하여 기화된 가스를 1차로 저장하고 버퍼 탱크에 레귤레이터를 통해 압축기로 가스 공급하게 되면 이를 예방할 수 있을 것으로 판단된다.