KR102473948B1

KR102473948B1 - 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템

Info

Publication number: KR102473948B1
Application number: KR1020180081577A
Authority: KR
Inventors: 이성재; 김재휘; 김성수; 추교식; 배재류
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2022-12-05
Also published as: KR20200007447A

Abstract

선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템이 개시된다. 본 발명은 내측에 액화수소가 저장되는 액화수소 저장탱크; 내측에 LNG가 저장되는 LNG 저장탱크; 및 액화수소 저장탱크에서 발생하는 액화수소 증발가스와 LNG 저장탱크에서 발생하는 LNG 증발가스를 처리하는 증발가스 처리장치;를 포함하고, 증발가스 처리장치는, 액화수소 증발가스와 LNG 증발가스를 공급받아 서로 열교환시키는 제1 열교환기; 및 내측에 수소흡장합금이 채워지며, 제1 열교환기를 거친 액화수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소흡장탱크;를 포함하는, 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템을 제공한다.

Description

선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템 {BOIL-OFF GAS TREATMENT SYSTEM OF LIQUID HYDROGEN STORAGE TANK FOR SHIP}

본 발명은 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 액화천연가스(이하, LNG)의 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로 사용한 후 수소흡장탱크에 저장시킴으로써, 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 효율적으로 이용하는 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템에 관한 것이다.

최근들어 급속한 산업화의 발달 및 인구의 증가로 인해 에너지 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 이에 따라 화석 연료의 고갈에 따른 대체 에너지 수급이 절실한 상황이며, 특히 우리나라의 경우에는 에너지 소비량이 세계 10위 안에 들 정도로 많은 양을 소비하고 있으면서도 사용하는 에너지의 90% 이상을 외국의 수입에 의존하고 있는 실정인 만큼 에너지 확보 대책이 시급하다.

이에 전 세계적으로 직면하고 있는 복잡한 에너지 문제들을 해결하기 위해 주목을 받고 있는 대체 에너지로 수소연료가 꼽히고 있다.

이러한 수소연료는 지구상에서 탄소와 질소 다음으로 가장 풍부한 원소일 뿐만 아니라, 연소시에 극히 미량의 질소산화물만을 생성시킬 뿐 다른 공해물질은 전혀 배출하지 않는 깨끗한 에너지원이고, 지구상에 존재하는 풍부한 양의 물을 원료로 하여 만들어낼 수 있으며, 사용후에도 다시 물로 재순환되기 때문에 고갈의 우려가 없는 최적의 대체 에너지원이라 할 수 있다.

이러한 수소연료를 이용하기 위한 가장 중요한 과제는 수소의 저장방법이다. 수소의 저장방법으로는 수소 기체를 압축시켜 저장하는 방법, 액화시켜 저장하는 방법, 또는 수소저장합금을 이용한 저장방법 등이 알려져 있다.

향후 수소 시장이 성장함에 따라 선박에 의한 수소의 대규모 운송이 이루어질 수 있으며, 상기의 방법 중 수소를 액화시켜 저장하는 방법이 수소의 대규모 저장 및 장거리 운송에 적합한 기술로 인식되고 있다.

현재 액화된 수소를 저장하는 액화수소(LH₂) 저장탱크에 대한 기술은 육상용 소형 탱크에 대한 것이 대부분이다. 선박에 의한 액화수소의 저장 및 운송기술에 대해서는 아직 실증된 사례가 없으며, 기존의 LNG 저장탱크의 구조를 그대로 채용하거나 또는 약간 변형하여 이용하는 것이 대부분이다.

그러나 액화수소는 LNG에 비하여 더 저온의 유체이므로, 기존에 알려진 LNG의 저장기술보다 더 엄격한 해결책이 필요하다.

액화수소는 액화온도가 -253℃로 극저온의 LNG(-162℃)보다 더 낮은 액화 온도를 가지는 저비점 특성을 가지므로 LNG보다 기화가 더 쉽게 촉진되며, 체적당 증발률(BOR: Boil-Off Rate)은 LNG의 10배에 달한다.

액화수소의 이러한 성질 때문에 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)에 의한 저장탱크 내 압력 증가 문제가 LNG의 경우보다 훨씬 심각하다.

저장탱크 내 압력 증가를 방치하면 폭발의 위험으로 이어질 수 있기 때문에, 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 처리해줄 필요가 있다. 이러한 해결 방법으로 증발가스를 재액화시키거나 천연가스를 연료로 사용하는 엔진의 연료로 소모시키는 방법을 생각해볼 수 있을 것이다.

그러나 수소는 비점이 낮아 LNG보다 재액화시키는 것이 어렵고, 발생하는 증발가스의 양이 엔진에서 요구하는 양에 비하여 훨씬 방대하므로, 많은 양의 증발가스가 폐기될 수 밖에 없으며, 이는 수소 에너지원의 막대한 손실을 야기한다.

한편, 수소흡장합금을 이용하여 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 저장하는 방법이 제안되기는 하였으나, 수소흡장합금의 경우 저온에서의 수소 흡장율이 나쁘기 때문에 극저온의 액화수소 증발가스를 효율적으로 흡장하는데 한계가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 무의미하게 폐기하지 않고 효율적으로 활용 및 저장하는 것이 가능한 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내측에 액화수소가 저장되는 액화수소 저장탱크; 내측에 LNG가 저장되는 LNG 저장탱크; 및 상기 액화수소 저장탱크에서 발생하는 액화수소 증발가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 LNG 증발가스를 처리하는 증발가스 처리장치;를 포함하고, 상기 증발가스 처리장치는, 상기 액화수소 증발가스와 상기 LNG 증발가스를 공급받아 서로 열교환시키는 제1 열교환기; 및 내측에 수소흡장합금이 채워지며, 상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소흡장탱크;를 포함하는, 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템을 제공한다.

상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스는 상기 수소흡장탱크에 저장되거나, 또는 선박 내에서 수소를 필요로 하는 수요처로 공급되어 소모되며, 상기 수요처는, 증발가스를 연료로 공급받아 구동되는 엔진 및 수소 연료전지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 엔진은, DFDG(Dual Fuel Diesel Generator), DFDE(Dual Fual Diesel Electric) 및 ME-GI 엔진 중 어느 하나일 수 있다.

상기 증발가스 처리장치는, 고압용기로 마련되어 상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스를 저장하는 압축탱크;를 더 포함하고, 상기 액화수소 저장탱크에서 발생하는 상기 액화수소 증발가스가, 상기 수소흡장탱크의 용량과 상기 수요처에서 필요로 하는 양을 초과하는 경우, 초과분의 상기 액화수소 증발가스를 상기 압축탱크에 저장할 수 있다.

상기 증발가스 처리장치는, 상기 압축탱크의 전단에 마련되어 상기 압축탱크로 공급되는 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기;를 더 포함할 수 있다.

상기 증발가스 처리장치는, 상기 수소흡장탱크의 전단에 설치되는 제2 열교환기;를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기를 거친 액화수소 증발가스는, 상기 수소흡장탱크에 저장되기 전에 상기 제2 열교환기를 거치면서 선박에 구비되는 발전기, 선실 공조기 및 연료전지 중 적어도 하나 이상을 냉각시키는 냉열원으로 사용될 수 있다.

상기 액화수소 저장탱크는, 내측에 액화수소가 저장되기 위한 공간이 형성되는 내벽; 상기 내벽과의 사이에 공간을 형성하면서 상기 내벽을 둘러싸는 외벽; 및 상기 내벽과 상기 외벽 사이의 공간에 설치되어 열전달을 차단하는 단열부;를 포함하고, 상기 단열부는, 1 내지 50nm 크기의 나노입자로 이루어진 에어로겔(aerogel) 또는 실리카 에어로겔(silica aerogel)로 이루어지는 에어로겔 박막층과, 상기 에어로겔 박막층과 상기 외벽 사이에 형성되는 진공층을 포함하는 이중 단열구조로 마련될 수 있다.

본 발명은 선박에 액화수소 저장탱크와 LNG 저장탱크를 각각 구비하여 함께 운용하되, 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로 사용한 후, 수소흡장탱크, 압축탱크 등에 저장하거나 각종 수요처에서 소비되도록 함으로써, 액화수소 증발가스를 효율적으로 활용 및 저장하는 것이 가능하고, 이에 따라 버려지는 액화수소 증발가스의 양을 현저하게 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 액화수소 저장탱크에서 발생하는 증발가스는 LNG 증발가스와의 열교환에 온도가 상승된 후 수소흡장탱크에 저장되므로, 수소흡장탱크의 수소 흡장율을 향상시키는 효과가 있다.

더불어, 본 발명에 따르면, LNG 저장탱크에서 발생하는 증발가스는 액화수소 증발가스와의 열교환에 의해 재액화될 수 있으므로, LNG 증발가스의 재액화를 위한 별도의 장치가 필요없다.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화수소 저장탱크의 단열구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템은, 내측에 액화수소(LH₂)가 저장되는 액화수소 저장탱크(100); 내측에 LNG가 저장되는 LNG 저장탱크(200); 및 액화수소 저장탱크(100)와 LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스를 처리하는 증발가스 처리장치(300);를 포함한다.

본 발명은 액화수소와 LNG의 비점이 서로 다른 특징을 이용하는 것으로, 선박에 액화수소 저장탱크(100)와 LNG 저장탱크(200)를 각각 구비하고, 액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스를 LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로 이용하는 것을 특징으로 한다.

증발가스 처리장치(300)는, 액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스와 LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스를 열교환시키는 열교환기(310); 및 열교환기(310)에서 열교환을 마친 액화수소 증발가스가 저장되는 수소흡장탱크(320);를 포함한다.

액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스(이하, '액화수소 증발가스')는 제1 라인(L1)을 통해 열교환기(310)로 공급되고, LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스(이하, 'LNG 증발가스')는 제2 라인(L2)을 통해 열교환기(310)로 공급된다.

액화수소 증발가스가 LNG 증발가스보다 상대적으로 더 저온이므로, LNG 증발가스는 액화수소 증발가스와의 열교환에 의해 냉각되어 재액화된다.

열교환기(310)에서 액화수소 증발가스와의 열교환에 의해 재액화된 LNG 증발가스는 제2 라인(L2)을 통해 다시 LNG 저장탱크(100)로 복귀한다.

열교환기(310)를 거친 액화수소 증발가스는 수소흡장탱크(320)에 저장되거나 또는 선박 내에서 수소를 필요로 하는 각종 수요처(400)로 공급될 수 있다.

수소흡장탱크(320)의 내측에는 수소흡장합금(hydrogen absorbing alloy) 또는 탄소계 수소흡장재료가 채워질 수 있다. 수소흡장합금은 수소를 가역적으로 신속하게 흡수하여 저장하며, 일반적으로 실온 부근에서 발열을 수반하여 수소를 흡수하고 가열하면 방출한다. 대표적으로는 LaNi₅, LaNi₄Al, TiFe, Mg₂Ni 등이 있다.

상술한 바와 같이 수소흡장합금은 저온에서의 수소 흡장율이 좋지 않다. 그런데 액화수소 저장탱크(100)에서 막 발생한 액화수소 증발가스는 여전히 비점(沸點) 근처의 극저온의 온도를 가지고 있으므로, 이를 바로 수소흡장합금에 흡장시키는 것은 효율이 매우 떨어진다.

따라서 본 발명에서는 액화수소 저장탱크(100)에서 발생한 액화수소 증발가스를, 1차적으로 LNG 저장탱크(200)에서 발생한 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로 사용하여 액화수소 증발가스의 온도를 상승시킨 이후에, 이를 수소흡장탱크(320)에 공급하여 저장함으로써 수소의 흡장 효율을 향상시키는 것이다.

액화수소 증발가스의 흡장률을 더욱 향상시키기 위해 수소흡장탱크(320)의 전단에 별도의 히터 또는 열교환기가 더 설치될 수도 있다. 상술한 열교환기(310)와 구분하기 위하여 별도로 설치되는 열교환기를 제2 열교환기(미도시)라 한다.

열교환기(310)를 거친 액화수소 증발가스는, 수소흡장탱크(320)에 저장되기 전에 제2 열교환기(미도시)를 거치면서 선박에 구비되는 발전기, 선실 공조기 또는 연료전지 등을 냉각시키는 냉열원으로 사용될 수 있으며, 이에 따라 온도가 추가적으로 상승된 후 수소흡장탱크(320)로 공급될 수 있다.

수요처(400)는 증발가스를 연료로 공급받아 구동되는 엔진일 수 있다. 이러한 엔진은 DFDG(Dual Fuel Diesel Generator), DFDE(Dual Fual Diesel Electric)과 같은 이중연료엔진(DF 엔진), 또는 고압가스 분사엔진인 ME-GI 엔진일 수 있다. 즉, 본 발명은 메인 추진장치로서 DF 엔진 또는 ME-GI 엔진을 구비하는 선박에 바람직하게 적용될 수 있다.

액화수소 증발가스는 상기의 엔진으로 공급되기 전에 압축기(compressor) 등에 의해 엔진이 요구하는 압력으로 가압될 수 있다.

또한, 수요처(400)는 수소를 연료로 사용하는 수소 연료전지(hydrogen fuel cell)를 포함할 수 있다. 이때 액화수소 증발가스는 연료전지의 애노드(anode)로 공급되어 연료전지의 연료로 소모된다.

증발가스 처리장치(300)는, 열교환기(310)에서 열교환을 마친 액화수소 증발가스가 저장되는 압축탱크(330);를 더 포함할 수 있다.

액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스가, 수소흡장탱크(320)의 용량과 수요처(400)에서 필요로 하는 양을 초과하는 경우, 초과분을 어큐뮬레이터(accumulator) 또는 압축기(311)로 압축하여 압축탱크(330)에 저장시킬 수 있다. 압축탱크(330)는 고압용기로 제작될 수 있다.

수소흡장탱크(320) 및 압축탱크(330)에 저장된 수소는, 필요시 상술한 선박 내 각종 수요처(400)로 공급되어 사용될 수 있다.

본 발명에서 액화수소 저장탱크(100)는 내측에 저장되는 액화수소의 내부압력이 고르게 분포될 수 있도록 구형 또는 실린더형 타입으로 마련되는 것이 바람직하다. 액화수소 저장탱크(100)는 액화수소의 저비점 특성으로 인하여 높은 압력에도 견딜 수 있도록 설계되어야 하기 때문이다.

이렇게 액화수소 저장탱크(100)가 구형 또는 실린더형 타입으로 마련되면, 탱크의 형태에 의하여 액화수소 저장탱크(100)와 선체의 바닥면 사이에 빈 공간이 형성된다.

본 발명에서는 이러한 빈 공간에 상술한 열교환기(310), 수소흡장탱크(320) 및 압축탱크(330) 등의 구성을 배치하여 공간 활용도를 높일 수 있다.

한편, 액화수소 저장탱크(100)는 액화수소의 저비점 특성때문에 LNG 저장탱크(200)보다 더 엄격한 단열성능을 요한다. 이를 위하여 본 발명은 단열성능이 더 향상된 액화수소 저장탱크(100)를 제공하며, 이러한 액화수소 저장탱크(100)의 단열구조가 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 액화수소 저장탱크(100)는, 내부에 저장되는 액화수소의 극저온 상태를 유지하기 위하여 내벽(110)과 이를 둘러싸는 외벽(120)을 포함하는 이중 구조임을 알 수 있으며, 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 공간에 설치되어 열전달을 차단하는 단열부(130);를 포함한다.

내벽(110)은 내측에 액화수소가 저장되기 위한 공간이 형성된다.

내벽(110)은 액화수소와 직접 접촉하므로 액화수소의 극저온을 견딜 수 있는 저온 특성이 우수한 금속 재질로 이루어져야 한다. 바람직하게는 내벽(110)은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금 소재로 제작될 수 있다.

외벽(120)은 내벽(110)에 가해지는 내부압력을 분담함으로써 내벽(110)의 내부압력을 고르게 지지하는 역할을 한다.

외벽(120)은 내벽(110)의 내측으로부터 전달되는 응력 또는 하중을 견디기 위하여 강(steel) 소재로 제작될 수 있다. 외벽(120)은 액화수소를 직접 밀봉하는 내벽(110)과는 달리 일반 강으로 마련되어도 충분하다. 이는 후술하는 바와 같이 내벽(110)과 외벽(120) 사이에 마련되는 단열부(130)에 의하여 액화수소의 극저온이 미치는 영향이 내벽(110)보다는 미미하고, 액화수소가 누출되더라도 스플래시 쉴드(splash shield, 131)에 의해 누출된 액화수소가 선행 차단되기 때문이다.

단열부(130)는 내벽(110)의 외측을 둘러싸는 스플래시 쉴드(131), 스플래시 쉴드(131)의 외측을 둘러싸는 에어로겔 박막층(132), 에어로겔 박막층(132)와 외벽(120) 사이에 형성되는 진공층(133)을 포함한다. 즉, 스플래시 쉴드(131), 에어로겔 박막층(132) 및 진공층(133)이 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 공간에 순차적으로 형성된다.

스플래시 쉴드(131)는 내벽(110)의 균열에 의해 액화수소가 누출시 외벽(120)을 보호하는 역할을 한다.

스플래시 쉴드(131)는 내벽(110)으로부터 액화수소가 누출될 시 이를 1차적으로 차단하는 것으로서, 저온에 강도 및 취성이 강한 금속, 예를 들어 스테인리스 강(stainless steel), 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등의 재질로 이루어질 수 있다.

스플래시 쉴드(131)는 단면이 파형을 이루도록 연속된 주름부를 포함할 수 있다. 스플래시 쉴드(131)에 형성되는 주름부는 액화수소의 극저온에 의하여 신축함으로써 응력이 집중되는 것을 방지한다. 또한, 주름부는 내벽(110)으로부터 누출된 액화수소가 일시적으로 수용될 수 있는 공간을 제공함으로써, 액화수소의 누출시에도 상당 기간 동안 액화수소의 저장 및 운송이 안정적으로 이루어질 수 있다.

한편, 스플래시 쉴드(131)에서 후술하는 내벽 지지수단(140)에 의해 지지되는 부분은 안정적으로 지지되기 위하여 평편하게 마련될 수도 있다.

에어로겔 박막층(132)은 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 열전달을 차단한다.

에어로겔 박막층(132)은 1 ~ 50㎚ 크기의 나노입자로 이루어진 고다공성 나노구조체인 에어로겔(aerogel)을 박막으로 형성한 것으로써 단열성능이 매우 우수하다. 도 2에는 발명의 설명을 돕기 위해 과장되게 표현하였지만, 에어로겔 박막층(132)은 얇은 두께로 형성되는 것이며, 박막층의 두께는 저장탱크의 용량 등 설치 환경에 따라 적절한 두께로 설계될 수 있다. 또한, 단열성능을 더욱 극대화하기 위하여 탄소를 첨가한 실리카 에어로겔(silica aerogel)로 박막층을 형성할 수도 있다.

진공층(133)은 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 전도와 대류에 의한 열전달을 차단한다.

진공층(133)에는 심재(core material)로써 펄라이트(perlite)가 충전될 수 있다. 진공층(133)에 펄라이트(perlite)를 충전한 상태에서 진공 배기시켜 진공 분위기를 형성하며, 이때 진공도는 약 10-⁴ Torr로 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 액화수소 저장탱크(100)와 선체 바닥면 사이에 형성되는 빈 공간에는, 진공층(133)을 진공 상태로 형성하고 이를 유지하기 위해 진공펌프(P) 및 진공 모니터링 수단(미도시)이 배치될 수 있다.

본 발명은 에어로겔 박막층(132)과 진공층(133)에 의해 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 열전달을 이중으로 차단함으로써 종래의 LNG 저장탱크에 비하여 단열효과가 매우 향상된다. 따라서 액화수소 저장탱크(100)의 온도 손실을 최대한 줄이고 액화수소의 증발률을 최대한 감소시킬 수 있다.

내벽 지지수단(140)은 내벽(110)과 외벽(120)의 이중구조 사이에 설치되어, 내벽(110)과 외벽(120) 사이의 이격을 유지시키고 내벽(110)의 하중을 지지한다. 내벽 지지수단(140)은 내벽(110)의 저면을 지지하도록 액화수소 저장탱크(100)의 하측에 설치될 수 있다.

이때 저장탱크의 내벽(110)과 외벽(120) 사이를 지지하는 내벽 지지수단(140)에 의해 내벽(110)과 외벽(120) 사이에 열전달이 일어나 저장탱크의 단열성능을 해치는 요인이 될 수 있다.

이를 방지하기 위하여, 본 발명은 내벽(110)과 외벽(120) 사이를 지지하는 내벽 지지수단(140)이 자체적으로도 단열성능을 갖추도록 마련함으로써, 내벽 지지수단(140)을 통하여 저장탱크 내측으로 열이 유입되는 것을 효율적으로 차단하고자 한다.

내벽 지지수단(140)은 강도가 높고 열전도율이 낮은 플라이우드(plywood)로 이루어지는 프레임(141)과, 프레임(141)의 내부 공간에 마련되는 단열부재(142)를 포함한다.

프레임(141)을 이루는 플라이우드는 강도가 높아 내벽(110)에 저장되는 액화수소의 하중을 지지할 수 있고, 열전도율이 낮아 외부의 열이 내벽(110)로 전달되는 것을 상당 수준 저감시킬 수 있다. 프레임(141)은 단열부재(142)의 외측에 접착제에 의해 접착 고정될 수 있다.

단열부재(142)는 프레임(141)의 내부 공간에서 상측에 배치되는 상부 단열부재(142a)와, 프레임(141)의 내부 공간에서 하측에 배치되는 하부 단열부재(142b)를 포함하는 2단 구성으로 마련될 수 있다.

상부 단열부재(142a)는 경질 발포체로 이루어질 수 있으며, 하부 단열부재(142b)재는 내부에 진공단열패널(VIP: Vacuum Insulation Panel)을 포함하는 비발포성 수지로 이루어질 수 있다.

단열재의 소재로 가장 쉽게 사용할 수 있는 것은 폴리우레탄(polyurethane)이므로, 본 발명에서 상부 단열부재(142b)는 경질 폴리우레탄폼(PUF), 하부 단열부재(142b)는 비발포성 폴리우레탄(PU)으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 폴리우레탄 이외에도 적합한 단열성능을 갖는 다양한 단열재가 적용될 수 있다.

하부 단열부재(142b)의 내부에 포함되는 진공단열패널(VIP)은 경질 폴리우레탄폼보다 약 2배 이상의 단열성능을 가지므로, 본 발명과 같이 단열부재(142) 내부에 진공단열패널(VIP)을 포함하도록 구성하면, 단열부재(142)를 경질 폴리우레탄폼으로만 구성하는 것보다 단열성능이 뛰어나다.

또한, 하부 단열부재(142b)에 포함되는 진공단열패널(VIP)에 의해, 내벽 지지부재(140)가 설치되는 부위에서도 진공층(133)에 의한 진공단열효과가 중단되지 않고 그대로 이어질 수 있다.

경질 폴리우레탄폼으로 이루어지는 상부 단열부재(142a)와 달리 하부 단열부재(142b)를 비발포성 폴리우레탄으로 구성하는 것은, 하부 단열부재(142b)가 내부에 진공단열패널(VIP)을 포함하고 있기 때문이다. 비발포성 폴리우레탄은 설계온도가 발포폼보다는 높지만 진공단열패널(VIP)의 진공도를 반영구적으로 유지시킬 수 있다.

내벽 지지수단(140)은 외벽(120)과 접하는 하단면에 설치되는 탄성부재(143)를 더 포함할 수 있다.

액화수소가 저장되는 내벽(110)은 액화수소의 적하역에 따라 내부의 온도 변화가 크기 때문에 열수축 및 열팽창에 의한 변형이 발생할 수 있다.

이때 내벽 지지수단(140)이 내벽(110)과 외벽(120)에 고정되어 있다면, 내벽(110)의 수축 또는 팽창에 의해 응력이 발생하여 내벽(110)과 외벽(120) 또는 내벽 지지수단(140)에 크랙(crack)이 발생하거나 파손될 위험이 있다.

탄성부재(143)는 이러한 액화수소의 적하역에 따른 내벽(110)의 신축을 보상한다. 즉, 탄성부재(143)는 내벽(110)의 신축에 따라 압축 및 이완되면서 내벽(110)과 외벽(120)이 서로 안정적으로 지지되도록 한다.

본 발명은 선박에 액화수소 저장탱크(100)와 LNG 저장탱크(200)를 각각 구비하여 함께 운용하되, 액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스를 LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스를 재액화시키는 냉열원으로 사용한 후, 이를 수소흡장탱크(320), 압축탱크(330) 등에 저장하거나 각종 수요처(400)에서 소비되도록 함으로써, 액화수소 증발가스를 효율적으로 활용 및 저장하는 것이 가능하고, 이에 따라 버려지는 액화수소 증발가스의 양을 현저하게 줄이는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 액화수소 저장탱크(100)에서 발생하는 증발가스는 LNG 증발가스와의 열교환에 온도가 상승된 후 수소흡장탱크(320)에 저장되므로, 수소흡장탱크(320)의 수소 흡장율을 향상시키는 효과가 있다.

더불어, 본 발명에 따르면, LNG 저장탱크(200)에서 발생하는 증발가스는 액화수소 증발가스와의 열교환에 의해 재액화될 수 있으므로, LNG 증발가스의 재액화를 위한 별도의 장치가 필요없다.

이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 액화수소 저장탱크 110 : 내벽
120 : 외벽 130 : 단열부
131 : 스플래시 쉴드 132 : 에어로겔 박막층
133 : 진공층 140 : 내벽 지지수단
141 : 프레임 142 : 단열부재
142a : 상부 단열부재 142b : 하부 단열부재
143 : 탄성부재
200 : LNG 저장탱크
300 : 증발가스 처리장치 310 : 열교환기
320 : 수소흡장탱크 330 : 압축탱크
331 : 압축기
400 : 수요처

Claims

내측에 액화수소가 저장되는 액화수소 저장탱크;
내측에 LNG가 저장되는 LNG 저장탱크; 및
상기 액화수소 저장탱크에서 발생하는 액화수소 증발가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생하는 LNG 증발가스를 처리하는 증발가스 처리장치;를 포함하고,
상기 증발가스 처리장치는,
상기 액화수소 증발가스와 상기 LNG 증발가스를 공급받아 서로 열교환시키는 제1 열교환기;
내측에 수소흡장합금이 채워지며, 상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스를 공급받아 저장하는 수소흡장탱크; 및
상기 수소흡장탱크의 전단에 설치되는 제2 열교환기;를 포함하며,
상기 제1 열교환기를 거친 액화수소 증발가스는 상기 수소흡장탱크에 저장되기 전에 상기 제2 열교환기를 거치면서 선박에 구비되는 발전기, 선실 공조기 및 연료전지 중 적어도 하나 이상을 냉각시키는 냉열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스는 상기 수소흡장탱크에 저장되거나, 또는 선박 내에서 수소를 필요로 하는 수요처로 공급되어 소모되며,
상기 수요처는, 증발가스를 연료로 공급받아 구동되는 엔진 및 수소 연료전지 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 엔진은, DFDG(Dual Fuel Diesel Generator), DFDE(Dual Fual Diesel Electric) 및 ME-GI 엔진 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 증발가스 처리장치는,
고압용기로 마련되어 상기 제1 열교환기를 거친 상기 액화수소 증발가스를 저장하는 압축탱크;를 더 포함하고,
상기 액화수소 저장탱크에서 발생하는 상기 액화수소 증발가스가, 상기 수소흡장탱크의 용량과 상기 수요처에서 필요로 하는 양을 초과하는 경우, 초과분의 상기 액화수소 증발가스를 상기 압축탱크에 저장하는 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 증발가스 처리장치는,
상기 압축탱크의 전단에 마련되어 상기 압축탱크로 공급되는 상기 액화수소 증발가스를 압축시키는 압축기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.
삭제
청구항 2에 있어서,
상기 액화수소 저장탱크는,
내측에 액화수소가 저장되기 위한 공간이 형성되는 내벽;
상기 내벽과의 사이에 공간을 형성하면서 상기 내벽을 둘러싸는 외벽; 및
상기 내벽과 상기 외벽 사이의 공간에 설치되어 열전달을 차단하는 단열부;를 포함하고,
상기 단열부는, 1 내지 50nm 크기의 나노입자로 이루어진 에어로겔(aerogel) 또는 실리카 에어로겔(silica aerogel)로 이루어지는 에어로겔 박막층과, 상기 에어로겔 박막층과 상기 외벽 사이에 형성되는 진공층을 포함하는 이중 단열구조로 마련되는 것을 특징으로 하는,
선박용 액화수소 저장탱크의 증발가스 처리시스템.