KR102234540B1 - 동력발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 동력발생장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치는, 액화 암모니아를 저장하는 저장탱크와, 저장탱크와 연결되며 액화 암모니아가 기화된 암모니아를 개질하여 수소와 질소를 생산하는 개질기와, 암모니아, 수소 중 적어도 하나를 이용하여 에너지를 발생시키는 동력유닛, 및 동력유닛으로부터 열을 회수하여 개질기로 제공하는 열회수부를 포함할 수 있다.

Description

동력발생장치{Power generating apparatus}
본 발명은 동력발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 암모니아를 운송하는 과정에서 발생되는 암모니아 증발가스를 개질해 연료로 사용하는 동력발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 대부분의 선박은 원유에서 분리된 중유(heavy oil)를 연료로 사용하며, 이로 인해, 중유 값의 상승은 선박의 운항 비용을 높이는 요인이 된다. 최근, 중유 값이 상승하게 되면서 선박의 운항 비용이 점차 높아지고 있는 실정이다. 이에, 선박의 운항 비용은 낮추면서 운항 효율을 높일 수 있는 에너지원 및 장치들이 활발하게 개발되고 있으며, 일례로, 대한민국 공개특허 제10-2014-0052897호는 선박의 연료에서 발생되는 증발가스를 회수하여 재사용하는 장치를 개시하고 있다.
종래에 개시된 대부분의 장치는 중유 또는 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)에서 발생된 증발가스(BOG; Boil Off Gas)를 재액화시켜 사용하는데, 증발가스를 재액화시키는 과정이 복잡하고 구동에 많은 에너지가 소비되는 문제점이 있다.
이에, 중유 또는 액화천연가스 대신에 액화석유가스(LPG; Liquefied Petroleum Gas) 및 암모니아(NH3)에서 발생된 증발가스를 간결하게 가공하여 선박의 연료로 사용하는 장치를 개발하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0052897호 (2014. 05. 07)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 암모니아를 운송하는 과정에서 발생되는 암모니아 증발가스를 개질해 연료로 사용하는 동력발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치는, 액화 암모니아를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크와 연결되며 상기 액화 암모니아가 기화된 암모니아를 개질하여 수소와 질소를 생산하는 개질기와, 상기 암모니아, 상기 수소 중 적어도 하나를 이용하여 에너지를 발생시키는 동력유닛, 및 상기 동력유닛으로부터 열을 회수하여 상기 개질기로 제공하는 열회수부를 포함한다.
상기 동력발생장치는, 상기 개질기와 상기 동력유닛 사이에 연결되어 상기 개질기에서 미개질된 상기 암모니아를 분리하는 암모니아 분리기를 더 포함하며, 상기 동력유닛은 상기 암모니아 분리기로부터 분리된 상기 암모니아를 연료로 동력을 발생시키는 암모니아엔진을 더 포함할 수 있다.
상기 동력발생장치는, 상기 개질기와 상기 동력유닛 사이에 연결되어 상기 개질기를 통과한 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소를 열매체와 열교환하여 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소의 온도를 저하시키는 열교환기를 더 포함하되, 상기 열교환기는 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소와 상기 열매체의 열교환으로 인해 생성된 열을 상기 열회수부로 전달할 수 있다.
상기 동력발생장치는, 상기 저장탱크와 상기 개질기 사이에 연결되며, 온도 변화에 따라 상기 암모니아를 흡착하거나 탈리하는 화합물을 포함하는 보조탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 보조탱크는 상기 열회수부로부터 열을 제공받아 동작할 수 있다.
상기 화합물은 MgCl2, CaCl2 및 SrCl2 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 동력발생장치는, 상기 저장탱크와 상기 개질기 사이에 연결되며, 상기 암모니아를 압축하여 액화 암모니아로 저장하는 보조탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 개질기는 상기 열회수부로부터 전달되는 열에너지 양을 조절하여 상기 암모니아의 개질비율을 조절할 수 있다.
상기 동력유닛은 상기 수소를 전기에너지로 전환하는 연료전지와, 상기 수소를 연료로 하여 동력을 발생시키는 수소엔진을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수 개의 동력장치에서 발생되는 폐열을 회수하여 암모니아를 개질하기 위한 에너지원으로 사용함으로써, 폐열의 활용도를 높일 수 있다. 또한, 동력유닛에서 필요한 연료의 양에 따라 암모니아의 개질비율을 조절 및 공급할 수 있어 효율적인 동력 생산이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 보조탱크를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치의 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치는 기체상태의 암모니아를 개질하여 동력유닛의 구동원으로 사용하는 장치로서, 암모니아의 개질 시 동력유닛에서 발생된 폐열을 이용한다. 이러한 동력발생장치는 암모니아를 운송하는 선박, 자동차, 항공기 등에 설치되어 각종 동력기기에 동력을 제공할 수 있다.
동력발생장치는 복수 개의 동력유닛에서 발생되는 폐열을 회수하여 암모니아를 개질하기 위한 에너지원으로 사용함으로써, 폐열의 활용도를 높일 수 있다. 또한, 동력유닛에서 필요한 연료의 양에 따라 암모니아의 개질비율을 조절 및 공급할 수 있어 효율적인 동력 생산이 가능한 장점이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 동력발생장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 2는 도 1의 보조탱크를 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 동력발생장치(1)는 저장탱크(10)와, 개질기(20)와, 동력유닛(50), 및 열회수부(60)를 포함한다.
저장탱크(10)는 내부가 빈 통 형상의 부재로, 액화 암모니아가 저장될 수 있다. 저장탱크(10)는 내부온도가 -33.4℃ 미만으로 유지되어 암모니아를 액체상태로 저장할 수 있으며, 내부온도 유지를 위해 단열 구조를 이룰 수 있다. 전술한 바와 같이, 저장탱크(10)는 내부에 액화 암모니아가 저장되며, 슬로싱(sloshing) 등의 원인으로 액체 상태의 암모니아가 자연적으로 기화되어 기체 상태의 암모니아가 발생될 수 있다.
자연적으로 기화된 암모니아는 제1 배관(110)을 통해 배출될 수 있으며, 액화 암모니아는 제2 배관(120)을 통해 배출될 수 있다. 이 때, 자연적으로 기화된 암모니아의 양이 적당하거나 상대적으로 많은 경우, 제1 배관(110)을 통해 기화된 암모니아를 배출하며, 기화된 암모니아의 양이 상대적으로 적은 경우, 제2 배관(120)을 통해 액화 암모니아를 배출하여 강제로 기화시킬 수 있다. 구체적으로, 저장탱크(10)에서 기화된 암모니아는 저장탱크(10)의 상단부에 설치된 제1 배관(110)을 통해 제1 열교환유닛(11a)으로 이동하며, 제1 열교환유닛(11a)에서 가열되어 후술할 개질기(20)로 이동할 수 있다. 제1 열교환유닛(11a)이 기화된 암모니아를 가열함으로써, 개질기(20)에서 암모니아의 개질이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 즉, 제1 열교환유닛(11a)은 기화된 암모니아를 개질에 적합한 온도 또는 적합한 온도에 근접한 온도로 가열한다.
액화 암모니아는 저장탱크(10)에 설치된 제2 배관(120)을 통해 제2 열교환유닛(12)으로 이동하며, 제2 열교환유닛(12)에서 기화된 후 개질기(20)로 이동할 수 있다. 제2 열교환유닛(12)은 액화 암모니아를 가열하여 기화시키고, 기화된 암모니아를 개질에 적합한 온도 또는 적합한 온도에 근접한 온도로 가열할 수 있다. 제2 배관(120) 상에는 제2 밸브(122)가 설치되어 저장탱크(10)에서 제2 열교환유닛(12)으로 이동하는 액화 암모니아의 양을 조절할 수 있다.
제1 배관(110) 상에는 분지관(130)이 분지될 수 있으며, 분지관(130)은 일단이 제1 배관(110)에 연결되고 타단이 후술할 보조탱크(70)에 연결될 수 있다. 제1 배관(110)과 분지관(130)의 연결지점에는 삼방밸브(111)가 설치될 수 있다. 삼방밸브(111)는 제1 열교환유닛(11a) 전단에 위치하여, 저장탱크(10)에서 제1 열교환유닛(11a)으로 이동하는 암모니아와 저장탱크(10)에서 보조탱크(70)로 이동하는 암모니아의 양을 조절할 수 있다. 분지관(130) 상에는 별도의 제1 열교환유닛(11b)이 설치되어 보조탱크(70)로 이동하는 암모니아를 가열할 수 있다.
제1 열교환유닛(11a, 11b)과 제2 열교환유닛(12)은 후술할 열회수부(60)로부터 열을 공급받아 암모니아를 가열하며, 제1 열교환유닛(11a)과 제2 열교환유닛(12)에서 각각 가열된 기체 상태의 암모니아는 플로우제어유닛(13)으로 공급된다.
플로우제어유닛(13)은 컨트롤 챔버 또는 컨트롤 밸브 형태로 형성되어, 제1 배관(110) 또는 제2 배관(120)을 통해 공급된 암모니아를 저장하고, 개질기(20)로 공급되는 암모니아의 양을 조절할 수 있다. 플로우제어유닛(13)은 제어부(80)와 전기적으로 연결되어 개질기(20)로 공급되는 암모니아의 양을 제어할 수 있다.
개질기(20)는 저장탱크(10)와 연결되어 액화 암모니아가 기화된 암모니아를 개질하여 수소와 질소를 생산한다. 구체적으로, 개질기(20)는 플로우제어유닛(13)으로부터 기화된 암모니아를 공급받으며, 열에너지와 촉매를 이용하여 기화된 암모니아를 개질할 수 있다. 이 때, 개질기(20)는 열회수부(60)로부터 전달되는 열에너지 양을 조절하여 암모니아의 개질비율을 조절할 수 있다.
예를 들어, 열회수부(60)로부터 전달된 열에너지의 양이 300℃ 이상 400℃ 이하인 경우, 루테늄(Ru)을 촉매로 사용하여 기화된 암모니아를 부분적으로 개질시킬 수 있다. 즉, 기화된 암모니아가 개질되어 형성하는 개질가스에 수소와 질소, 및 미개질된 암모니아가 모두 포함될 수 있다. 또한, 열회수부(60)로부터 전달된 열에너지의 양이 300℃ 미만인 경우, 암모니아의 개질이 거의 이루어지지 않으며, 열회수부(60)로부터 전달된 열에너지의 양이 600℃ 이상인 경우, 기화된 암모니아는 대부분 수소와 질소로 개질될 수 있다. 구체적으로, 개질온도 400℃에서는 개질가스에 약 10%의 암모니아가 포함될 수 있으며, 개질온도 500℃에서는 개질가스에 약 40%의 암모니아가 포함될 수 있다. 개질온도 650℃ 이상에서는 개질가스에 암모니아가 거의 포함되지 않는다. 개질기(20)가 열회수부(60)로부터 전달되는 열에너지의 양을 조절하여 암모니아의 개질비율을 조절함으로써, 조성이 서로 다른 연료를 사용하여 에너지를 발생시키는 복수 개의 동력장치에 각각 요구되는 조성의 개질가스를 제공할 수 있다. 개질기(20)는 암모니아를 개질하여 생성한 수소 또는 미개질된 암모니아 중 적어도 하나를 동력유닛(50)으로 공급한다.
동력유닛(50)은 암모니아와 수소 중 적어도 하나를 에너지원으로 이용하여 에너지를 발생시키는 장치로, 연료전지(51), 수소엔진(52), 암모니아엔진(53)을 포함한다.
연료전지(51)는 수소를 전기에너지로 전환하는 것으로, 수소와, 산소를 포함하는 공기를 화학적으로 반응시켜 전기를 생성한다. 여기서, 공기라 함은 일반적으로 자연 상태에서 얻을 수 있는 약 80%의 질소와 약 20%의 산소로 구성된 일반적인 공기에 한정될 것은 아니며, 산소의 농도가 일반적인 공기보다 높거나 낮을 수 있으며, 일반적인 공기의 조성물질과 다른 물질이 일부 포함될 수도 있다. 즉, 공기라 함은, 연료전지(51)에서 필요한 산소를 포함하고 있는 기체를 통칭할 수 있다. 수소엔진(52)은 수소를 연소하여 동력을 발생시키는 장치를 통칭하며, 암모니아엔진(53)은 암모니아를 연료로 동력을 발생시키는 장치를 통칭한다. 연료전지(51), 수소엔진(52), 암모니아엔진(53)은 이미 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다. 한편, 개질기(20)에서 암모니아의 개질로 인해 생성된 수소는 질소를 포함할 수 있으나, 질소는 별도로 분리하여 동력유닛(50)의 에너지원으로 사용하지 않는다.
동력유닛(50)에 포함되는 다양한 동력장치들은 서로 다른 연료를 사용하며 독립적으로 구동될 수 있다. 따라서, 어느 하나의 연료가 부족하여 특정 동력장치의 구동이 불가하더라도 다른 연료를 통해 특정 동력장치에 대응하는 동력장치가 구동되어 복수 개의 동력장치들이 상호 보완적으로 구동될 수 있다. 그러나, 동력유닛(50)이 연료전지(51), 수소엔진(52), 암모니아엔진(53)을 포함하는 것으로 한정될 것은 아니며, 수소, 기화된 암모니아 또는 액화 암모니아를 연료로 하는 터빈, 발전기 등으로 형성될 수도 있다.
동력유닛(50)은 연료전지(51), 수소엔진(52), 암모니아엔진(53)을 통해 에너지를 발생시키는 과정에서 열을 함께 발생시키며, 동력 생성 과정에서 발생된 열은 열회수부(60)에 회수된다.
열회수부(60)는 동력유닛(50)으로부터 열을 회수하여 개질기(20)로 공급하는 것으로, 동력유닛(50), 즉, 연료전지(51), 수소엔진(52), 암모니아엔진(53) 과 각각 연결되어 열을 회수할 수 있다. 열회수부(60)는 내부에 수용된 열전달유체를 순환시켜 동력유닛(50)에서 회수된 열을 개질기(20) 또는 전술한 제1 열교환유닛(11a, 11b) 또는 제2 열교환유닛(12) 또는 보조탱크(70)로 공급한다. 열회수부(60)가 회수된 열을 각 기관으로 공급하여 사용함으로써, 폐열의 활용도를 높일 수 있다. 열회수부(60)와 개질기(20) 사이에는 개질기밸브(201)가 설치되어, 개질기(20)로 공급되는 열에너지의 양을 조절할 수 있다. 또한, 열회수부(60)와 보조탱크(70) 사이에는 보조탱크밸브(701)가 설치되어, 보조탱크(70)로 공급되는 열에너지의 양을 조절할 수 있다.
한편, 개질기(20)와 동력유닛(50) 사이에는 암모니아 분리기(40)가 설치될 수 있다. 암모니아 분리기(40)는 개질기(20)에서 미개질된 암모니아를 분리하는 것으로, 물리적 또는 화학적 방법으로 미개질된 암모니아를 분리할 수 있다. 미개질된 암모니아는 산소와 반응하여 장치를 부식시키므로, 장치에 공급하기 전 개질가스로부터 미개질된 암모니아를 분리할 필요가 있다. 예를 들어, 암모니아 분리기(40)는 복수 개의 멤브레인 필터(membrane filter)로 형성될 수 있으며, 각각의 멤브레인 필터는 미세한 구멍이 균일하게 형성되어 수소 및 질소로부터 미개질된 암모니아를 분리할 수 있다. 즉, 분자크기가 상대적으로 작은 수소와 질소는 멤브레인 필터를 통과하고, 분자크기가 상대적으로 큰 암모니아는 멤브레인 필터를 통과하지 못하고 걸러진다. 그러나, 암모니아 분리기(40)가 복수 개의 멤브레인 필터로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 암모니아 분리기(40)는 고체화합물로 형성되어 미개질된 암모니아를 흡착시켜 분리하거나, 사이클론으로 형성되거나, 물에 용해시켜 미개질된 암모니아를 분리할 수도 있다. 이러한 암모니아 분리기(40)는 미개질된 암모니아를 분리하여 암모니아엔진(53)으로 공급하며, 수소는 연료전지(51) 또는 수소엔진(52)으로 공급한다.
개질기(20)와 동력유닛(50) 사이, 특히, 개질기(20)와 암모니아 분리기(40) 사이에는 열교환기(30)가 설치될 수 있다. 열교환기(30)는 일종의 쿨러(cooler)로, 개질기(20)를 통과한 암모니아, 수소, 및 질소를 열매체와 열교환하여 암모니아, 수소, 질소의 온도를 저하시킬 수 있다. 열매체는 물 또는 스팀 등을 사용할 수 있으며, 열을 회수할 수 있는 특징을 가진 매개체면 가능한 것으로, 특정 물질로 한정하지 않는다. 열교환기(30)가 개질기(20)를 통과한 암모니아, 수소, 질소의 온도를 저하시킴으로써, 전술한 암모니아 분리기(40)에서 암모니아의 분리가 원활하게 이루어질 수 있다. 열교환기(30)는 암모니아, 수소, 및 질소와 열매체와의 열교환으로 인해 생성된 열을 열회수부(60)로 전달할 수 있다.
보조탱크(70)는 자연적으로 기화된 암모니아의 양이 과도하게 많은 경우 암모니아를 저장하는 탱크로서, 저장탱크(10)와 개질기(20) 사이에 연결될 수 있다. 도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 보조탱크(70)는 제1 배관(110)으로부터 분지된 분지관(130)을 통해 저장탱크(10)로부터 기화된 암모니아를 공급받으며, 온도 변화에 따라 암모니아를 흡착하거나 탈리하는 화합물(70a)을 포함할 수 있다. 화합물(70a)은 염화마그네슘(MgCl2), 염화칼슘(CaCl2), 염화스트론튬(SrCl2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보조탱크(70)는 화합물(70a)에 암모니아를 부착시켜 저장하며, 열회수부(60)로부터 열을 제공받아 화합물(70a)에 부착된 암모니아를 다시 탈리시킬 수 있다.
예를 들어, 보조탱크(70) 내부에 염화마그네슘이 설치된 경우, 열회수부(60)로부터 약 140~400℃의 열을 공급받아 염화마그네슘에 부착된 암모니아를 탈리시킬 수 있다. 또한, 보조탱크(70) 내부에 염화칼슘이 설치된 경우, 열회수부(60)로부터 약 30~230℃의 열을 공급받아 염화칼슘에 부착된 암모니아를 탈리시킬 수 있다. 또한, 보조탱크(70) 내부에 염화스트론튬이 설치된 경우, 열회수부(60)로부터 약 20~150℃의 열을 공급받아 염화스트론튬에 부착된 암모니아를 탈리시킬 수 있다. 화합물(70a)로부터 탈리된 암모니아는 플로우제어유닛(13)으로 공급된다.
그러나, 보조탱크(70)가 화합물(70a)을 포함하여 암모니아를 흡착하거나 탈리하는 것으로 한정될 것은 아니며, 암모니아를 저장할 수 있는 다양한 형태로 변형될 수 있다. 예를 들어, 보조탱크(70)는 기화된 암모니아를 약 9bar 정도로 압축 및 냉각하여 액화 암모니아로 저장할 수도 있다. 보조탱크(70)가 기화된 암모니아를 압축 및 냉각하여 액화 암모니아로 저장하는 경우, 분지관(130) 상에는 적어도 하나의 압축기가 설치될 수 있으며, 저장탱크(70)와 플로우제어유닛(13)을 연결하는 배관 상에는 액화 암모니아를 감압하여 다시 기화시키는 감압기가 설치될 수 있다.
전술한 삼방밸브(111)와, 개질기밸브(201), 및 보조탱크밸브(701)는 제어부(80)에 의해 제어될 수 있다. 제어부(80)는 동력유닛(50)과 전기적으로 연결되어 동력유닛(50)의 구동에 필요한 연료량을 추산하며, 필요한 연료량에 대응하여 삼방밸브(111)와, 개질기밸브(201), 보조탱크밸브(701)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 동력유닛(50)의 연료전지(51)나 수소엔진(52)에서 요구되는 연료량이 많은 경우, 삼방밸브(111)를 제어하여 저장탱크(10)에서 개질기(20)로 이동하는 암모니아의 양을 증가시킬 수 있다. 또한, 개질기밸브(201)도 제어하여 열회수부(60)에서 개질기(20)로 공급되는 열에너지의 양을 증가시킬 수 있다. 열회수부(60)에서 개질기(20)로 공급되는 열에너지의 양이 증가하면, 개질비율이 높아져 기화된 암모니아가 대부분 수소와 질소로 개질된다. 반대로, 암모니아엔진(53)에서 요구되는 연료량이 많은 경우, 개질기밸브(201)를 제어하여 열회수부(60)에서 개질기(20)로 공급되는 열에너지의 양을 감소시킬 수 있다. 열회수부(60)에서 개질기로 공급되는 열에너지의 양이 감소하면, 개질비율이 낮아져 개질가스 중 암모니아의 비율이 높아진다. 또한, 제어부(80)는 보조탱크밸브(701)를 제어하여, 열회수부(60)에서 보조탱크(70)로 전달되는 열에너지의 양을 조절할 수 있으며, 이로 인해, 보조탱크(70)에서 화합물(70a)에 부착된 암모니아가 탈리되는 양이 조절될 수 있다.
이러한 제어부(80)는 동력유닛(50)의 구동에 필요한 연료량을 추산하는 동력측정유닛(80a)과, 동력측정유닛(80a)에서 추산된 값을 바탕으로 각종 장치 및 밸브의 작동을 제어하는 제어유닛(80b)을 포함할 수 있다. 동력측정유닛(80a)과 제어유닛(80b)은 예를 들어, 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU: Micro Controller Unit)으로 형성될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 동력발생장치(1)의 동작에 관해 좀 더상세히 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치의 작동도이다.
본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치(1)는 복수 개의 동력유닛(50)에서 발생되는 폐열을 회수하여 암모니아를 개질하기 위한 에너지원으로 사용함으로써, 폐열의 활용도를 높일 수 있다. 또한, 동력유닛(50)에서 필요한 연료의 양에 따라 암모니아의 개질비율을 조절 및 공급할 수 있어 효율적인 동력 생산이 가능한 장점이 있다.
도 3은 동력유닛에서 필요로 하는 연료량만큼 저장탱크에서 암모니아가 기화되었을 때의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 저장탱크(10)에 저장된 액화 암모니아는 자연적으로 기화되며, 기화된 암모니아는 제1 배관(110)을 통해 유동한다. 이 때, 제1 배관(110)과 분지관(130) 사이에 설치된 삼방밸브(111)는 분지관(130) 측이 폐쇄될 수 있다. 제1 배관(110)을 통해 제1 열교환유닛(11a)으로 이동한 암모니아는 제1 열교환유닛(11a)에서 가열된 후 플로우제어유닛(13)을 통과하여 개질기(20)로 이동한다. 제1 열교환유닛(11a)은 열회수부(60)로부터 열에너지를 공급받아 암모니아를 개질에 적합한 온도로 가열할 수 있다.
개질기(20)는 기화된 암모니아를 개질하여 수소와 질소를 생산하는데, 기화된 암모니아 중 일부는 개질되지 않고 미개질된 상태로 배출될 수도 있다. 즉, 개질기(20)는 열회수부(60)로부터 공급되는 열에너지의 양을 조절하여 암모니아의 개질비율을 조절할 수 있다. 예를 들어, 열회수부(60)로부터 공급되는 열에너지의 양이 400℃일 경우, 기화된 암모니아가 개질되어 형성된 개질가스에는 약 90%의 수소와 질소가 포함되고, 약 10%의 미개질된 암모니아가 포함될 수 있다. 또한, 열회수부(60)로부터 공급되는 열에너지의 양이 500℃일 경우, 개질가스에는 약 60%의 수소와 질소가 포함되고, 약 40%의 미개질된 암모니아가 포함 될 수 있다. 또한, 열회수부(60)로부터 공급되는 열에너지의 양이 약 600℃일 경우, 개질가스에는 수소와 질소만 포함될 수 있다.
개질기(20)에서 생산된 수소와 질소, 및 미개질된 암모니아는 열교환기(30)로 이동하며, 열교환기(30)는 수소와 질소, 및 미개질된 암모니아를 열매체와 열교환하여 암모니아, 수소, 및 질소의 온도를 저하시킬 수 있다. 열교환기(30)에서 열교환에 의해 생성된 열은 열회수부(60)에 회수된다. 열교환기(30)를 통과한 수소와 질소, 및 미개질된 암모니아는 암모니아 분리기(40)로 이동하며, 암모니아 분리기(40)는 수소와 질소로부터 미개질된 암모니아를 분리한다. 암모니아 분리기(40)에서 분리된 수소는 연료전지(51) 또는 수소엔진(52)으로 공급되며, 암모니아는 암모니아엔진(53)으로 공급된다. 연료전지(51)와 수소엔진(52), 및 암모니아엔진(53)은 에너지를 발생시키는 과정에서 열을 발생시키는데, 발생된 열은 열회수부(60)로 회수된다.
한편, 제어부(80)는 연료전지(51)와 수소엔진(52), 및 암모니아엔진(53)의 구동에 필요한 연료량을 추산하고, 추산된 값에 대응하여 각종 밸브의 작동을 제어한다. 제어부(80)가 각종 밸브를 제어함으로써, 요구되는 연료량에 대응하여 암모니아를 개질시킬 수 있으며, 이로 인해, 장치 효율이 향상될 수 있다.
도 4는 동력유닛에서 필요로 하는 연료량보다 저장탱크에서 암모니아가 많이 기화되었을 때의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 저장탱크(10)에서 기화된 암모니아는 일부가 제1 배관(110)을 통해 제1 열교환유닛(11a)으로 이동하고, 나머지 일부는 분지관(130)을 통해 제1 열교환유닛(11b)을 통과한 후 보조탱크(70)로 이동한다.
보조탱크(70)로 이동한 암모니아는 화합물(70a)에 흡착되며, 화합물(70a)은 염화마그네슘(MgCl2), 염화칼슘(CaCl2) 및 염화스트론튬(SrCl2) 중 적어도 어느 하나로 형성되어 암모니아를 흡착하여 보관할 수 있다. 화합물(70a)에 흡착된 암모니아는 저장탱크(10)에서 기화된 암모니아의 양이 동력유닛(50)에서 필요한 연료량보다 적은 경우, 화합물(70a)로부터 탈리되어 플로우제어유닛(13)으로 공급되는데, 이 때, 암모니아의 탈리는 열회수부(60)로부터 전달되는 열에너지에 의해 이루어질 수 있다.
제1 배관(110)을 통해 제1 열교환유닛(11a)으로 이동한 암모니아는 플로우제어유닛(13)을 통과하여 개질기(20)로 이동하며, 개질기(20)에서 개질된 후, 열교환기(30), 암모니아 분리기(40)를 차례로 통과하여 동력유닛(50)의 에너지원으로 사용된다.
즉, 도 4의 과정은 저장탱크(10)에서 기화된 암모니아 중 일부가 분지관(130)을 통해 보조탱크(70)로 이동하는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 3의 과정과 실질적으로 동일하다.
도 5는 동력유닛에서 필요로 하는 연료량보다 저장탱크에서 암모니아가 적게 기화되었을 때의 작동상태를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 저장탱크(10)에서 기화된 암모니아는 제1 배관(110)을 통해 제1 열교환유닛(11a)으로 이동하며, 액화 암모니아 중 일부는 제2 배관(120)을 통해 제2 열교환유닛(12)으로 이동한다. 제2 열교환유닛(12)으로 이동한 암모니아는 가열되어 기화된 후 플로우제어유닛(13)을 통과하여 개질기(20)로 이동한다.
즉, 도 5의 과정은 저장탱크(10)에 저장된 액화 암모니아 중 일부가 제2 배관(120)을 통해 제2 열교환유닛(12)으로 이동하여 강제로 기화되는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 3의 과정과 실질적으로 동일하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 동력발생장치 10: 저장탱크
11: 제1 열교환유닛 12: 제2 열교환유닛
110: 제1 배관 111: 삼방밸브
120: 제2 배관 122: 제2 밸브
130: 분지관 13: 플로우제어유닛
20: 개질기 201: 개질기밸브
30: 열교환기 40: 암모니아 분리기
50: 동력유닛 51: 연료전지
52: 수소엔진 53: 암모니아엔진
60: 열회수부 70: 보조탱크
70a: 화합물 701: 보조탱크밸브
80: 제어부 80a: 동력측정유닛
80b: 제어유닛

Claims (9)

  1. 액화 암모니아를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크와 연결되며 상기 액화 암모니아가 기화된 암모니아를 개질하여 수소와 질소를 생산하는 개질기;
    상기 암모니아, 상기 수소 중 적어도 하나를 이용하여 에너지를 발생시키는 동력유닛;
    상기 동력유닛으로부터 열을 회수하여 상기 개질기로 제공하는 열회수부;
    상기 개질기와 상기 동력유닛 사이에 연결되어 상기 개질기에서 미개질된 상기 암모니아를 분리하는 암모니아 분리기, 및
    상기 저장탱크와 상기 개질기 사이에 연결되어 상기 암모니아를 저장하는 보조탱크를 포함하며,
    상기 동력유닛은 상기 암모니아 분리기로부터 분리된 상기 암모니아를 연료로 동력을 발생시키는 암모니아엔진을 포함하고,
    상기 보조탱크는, 온도변화에 따라 상기 암모니아를 흡착하거나 탈리하는 화합물을 포함하거나, 상기 암모니아를 압축하여 액화 암모니아로 저장하는 동력발생장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 화합물은 MgCl2, CaCl2, 및 SrCl2 중 적어도 하나를 포함하는 동력발생장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 개질기와 상기 동력유닛 사이에 연결되어 상기 개질기를 통과한 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소를 열매체와 열교환하여 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소의 온도를 저하시키는 열교환기를 더 포함하되, 상기 열교환기는 상기 암모니아, 상기 수소, 및 상기 질소와 상기 열매체의 열교환으로 인해 생성된 열을 상기 열회수부로 전달하는 동력발생장치.
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