KR102673256B1 - 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 선체(S)에 설치되며 액화 수소를 저장하는 액화 수소 저장 탱크(100), 그리고 액화 수소를 수소 가스로 기화시켜 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 연료 공급 유닛(200)을 포함하고, 연료 공급 유닛(200)은, 액화 수소를 수소 가스로 기화시키는 기화부(210)와, 수소 가스를 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 수소 공급부(220)와, 그리고 기화부(210)를 통과한 제1 냉매의 열과 수소 연료 전지(FC)를 통과한 제2 냉매의 열을 교환하는 열 교환부(230)를 포함하는 수소 연료 공급 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로, 구체적으로는 액화 수소를 이용하여 수소 연료 전지에 수소 가스를 공급하는 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 액화 수소를 기화시켜 수소 연료 전지에 수소 가스를 안전하게 공급할 수 있으며, 수소 연료 전지에서 발생하는 열을 별도의 냉각 장치없이 냉각시킬 수 있는 액화 수소를 이용하여 수소 연료 전지에 수소 가스를 공급하는 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
최근 들어 급속한 산업화의 발달 및 인구의 증가로 인해 에너지 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 이에 따라 화석 연료의 고갈에 따른 대체 에너지 수급이 절실한 상황이다.
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 수소 연료가 꼽히고 있다. 이러한 수소 연료는 지구상에서 탄소와 질소 다음으로 가장 풍부한 원소일 뿐만 아니라, 연소시에 극히 미량의 질소 산화물만을 생성시킬 뿐 다른 공해 물질은 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 수소 연료를 이용하기 위한 가장 중요한 과제는 수소의 저장 방법이다. 수소의 저장 방법으로는 수소 기체를 압축시켜 저장하는 방법, 수소 기체를 액화시켜 저장하는 방법, 또는 수소 저장 합금을 이용한 저장 방법 등이 알려져 있다.
향후 수소 시장이 성장함에 따라 선박에 의한 수소의 대규모 운송이 이루어질 수 있으며, 상기의 방법 중 수소 기체를 액화시켜 저장하는 방법이 수소의 대규모 저장 및 장거리 운송에 적합한 기술로 인식되고 있다. 현재 액화 수소를 저장하는 액화 수소 저장 탱크에 대한 기술은 육상용 소형 탱크에 대한 것이 대부분이다.
그러나, 액화 수소는 액화 천연 가스에 비하여 더 저온의 유체이므로, 액화 천연 가스보다 기화가 더 쉽게 촉진되며, 체적당 증발률(Boil Off Rate, BOR)은 액화 천연 가스의 10 배에 달한다. 또한, 액화 수소는 저비중 특성으로 인하여 확산이 용이하고 폭발 한계가 넓어 누출 시 안정성 확보가 어렵다.
이러한 액화 수소의 특징 때문에 수소 연료 전지에 공급하기 위한 수소 연료 공급 시스템과 액화 수소를 액화 수소 저장 탱크에 공급하기 위한 벙커링 스테이션(Bunkering station)을 구현하기가 용이하지 않다.
또한, 수소 연료 전지에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 별도의 냉각 장치를 사용하는 경우, 선체 내에 별도의 공간이 필요하므로, 선체 공간의 활용도가 저하되고, 설치 비용이 추가되어 선박의 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 액화 수소를 기화시켜 수소 연료 전지에 수소 가스를 안전하게 공급할 수 있으며, 수소 연료 전지에서 발생하는 열을 별도의 냉각 장치없이 냉각시킬 수 있는 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하고자, 본 발명은, 선체(S)에 설치되며 액화 수소를 저장하는 액화 수소 저장 탱크(100); 그리고 상기 액화 수소를 수소 가스로 기화시켜 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 연료 공급 유닛(200);을 포함하고, 상기 연료 공급 유닛(200)은, 상기 액화 수소를 상기 수소 가스로 기화시키는 기화부(210)와, 상기 수소 가스를 상기 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 수소 공급부(220)와, 그리고 상기 기화부(210)를 통과한 제1 냉매의 열과 상기 수소 연료 전지(FC)를 통과한 제2 냉매의 열을 교환하는 열 교환부(230)를 포함하며, 상기 기화부(210)는, 상기 제1 냉매의 열을 이용하여 상기 액화 수소를 상기 수소 가스로 기화시키는 기화기(211)와, 상기 액화 수소 저장 탱크(100)와 상기 기화기(211)를 연결하며 상기 액화 수소를 상기 기화기(211)에 공급하는 액화 수소 공급 배관(212)과, 그리고 상기 기화기(211)에서 생성된 상기 수소 가스를 상기 액화 수소 저장 탱크(100)로 회수하여 상기 액화 수소 저장 탱크(100) 내부의 압력을 조절하는 탱크 압력 조절기(213)를 포함하고, 상기 수소 공급부(220)는, 상기 기화부(210)와 상기 수소 연료 전지(FC)를 연결하며 상기 수소 가스가 이송되는 수소 공급 배관(221)과, 상기 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 상기 수소 가스를 저장하는 수소 버퍼 탱크(222)와, 그리고 상기 수소 버퍼 탱크(222)에 설치되며 상기 수소 버퍼 탱크(222) 내부의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 센서(223)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소 연료 공급 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 수소 공급부(220)는, 상기 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 상기 수소 버퍼 탱크(222)에서 이송되는 상기 수소 가스에서 수분을 제거하는 수분 필터(224)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열 교환부(230)는, 상기 제1 냉매와 상기 제2 냉매가 동시에 통과하는 열 교환 본체(231)와, 상기 제1 냉매가 이송되는 제1 냉매 배관(232)과, 그리고 상기 제2 냉매가 이송되는 제2 냉매 배관(233)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 교환부(230)는, 상기 제1 냉매를 순환시키는 제1 냉매 공급부(234)를 더 포함하고, 상기 제1 냉매 공급부(234)는, 상기 기화기(211)를 통과한 상기 제1 냉매를 저장하는 제1 냉매 저장 탱크(31)와, 상기 제1 냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 순환 펌프(32)와, 그리고 상기 제1 냉매를 가열하며 상기 열 교환 본체(231)의 전단에 위치하는 보조 히터(33)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 냉매 공급부(234)는, 상기 제1 냉매의 상태를 조절하는 제1 냉매 상태 조절부(34)를 더 포함하고, 상기 제1 냉매 상태 조절부(34)는, 상기 보조 히터(33)의 전단 및 후단에 설치되며 상기 제1 냉매의 온도를 측정하는 제1 냉매 온도 센서(34T)와, 상기 보조 히터(33)의 전단에 설치되며 상기 제1 냉매의 압력을 측정하는 제1 냉매 압력 센서(34P)와, 그리고 상기 제1 냉매의 설정 온도 및 설정 압력에 부합할 때까지 상기 제1 냉매를 상기 제1 냉매 저장 탱크(31)로 회수하는 회수 배관(34R)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료 공급 유닛(200)은, 상기 수소 공급 배관(221)의 잔류 가스, 또는 상기 액화 수소 저장 탱크(100) 내부에서 증발되어 생성되는 증발 수소 가스를 벤팅하는 벤트부(240)를 더 포함하고, 상기 벤트부(240)는, 외부로 상기 잔류 가스 또는 상기 증발 수소 가스를 벤팅하는 벤트 마스트(241)와, 상기 벤트 마스트(241)와 상기 수소 공급 배관(221)을 연결하며 상기 수소 공급 배관(221)에 잔류하는 상기 잔류 가스를 벤팅하는 제1 벤팅 배관(242)과, 그리고 상기 벤트 마스트(241)와 상기 액화 수소 저장 탱크(100)를 연결하며 상기 증발 수소 가스를 벤팅하는 제2 벤팅 배관(243)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 벤트부(240)는, 상기 제1 벤팅 배관(242) 상에 설치되며 벤팅 압력을 제공하는 벤팅 팬(244)을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예는, 전술한 수소 연료 공급 시스템을 포함하는 선박을 제공한다.
본 발명은 수소 연료 전지에서 발생하는 열을 냉각시키는 제2 냉매와 열교환하는 제1 냉매를 이용하여 기화기에서 액화 수소를 수소 가스로 기화시킬 수 있다. 따라서, 열 에너지의 낭비없이 효율적으로 액화 수소를 수소 가스로 기화시킨 후 수소 연료 전지에 공급할 수 있다.
또한, 수소 연료 전지에서 발생하는 열을 별도의 냉각 장치없이 냉각시킬 수 있다.
또한, 액화 수소의 벙커링 시 액화 수소의 차단성과 누설 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템을 포함하는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템의 벙커링 스테이션의 구체적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템의 벙커링 스테이션의 구체적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템을 포함하는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템을 포함하는 선박은 선체(S), 수소 연료 전지(FC), 그리고 수소 연료 전지(FC)에 수소 가스를 공급하는 수소 연료 공급 시스템(FGSS)을 포함한다.
선체(S)는 다양한 상선의 선체, 예를 들면 원유운반선, 컨테이너 선체, 액화가스 연료추진선 선체, 액화가스 운반선 선체, 수소 운반선, 수소 연료추진선 선체, 벌크 캐리어, 쌍동 선체(catamaran) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
수소 연료 전지(FC)는 수소 가스를 연료로 사용하는 고온형 연료 전지인 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)일 수 있다. 고체 산화물 연료 전지는 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지를 말한다.
수소 연료 전지(FC)는 수소의 산화 반응이 일어나는 양극부와 산소의 환원 반응이 일어나는 음극부, 및 양극부에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부로 이동하도록 양극부와 음극부를 연결하는 도선을 포함할 수 있다.
양극부로는 수소 연료 공급 시스템(FGSS)에서 공급되는 수소 가스가 연료로서 공급되고, 음극부로는 산소를 포함하는 공기가 공급될 수 있다. 이 때, 양극부와 음극부 사이는 전해질로 채워져 있으며, 양극부에서 수소의 산화 반응에 의해 생성된 수소 양이온은 전해질을 통해 음극부로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화 촉매를 추가로 사용할 수도 있다.
수소 연료 전지(FC)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 수소 연료 전지(FC)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다. 이러한 수소 연료 전지(FC)에서 생산된 전력은 각종 수요처로 공급될 수 있다.
수소 연료 공급 시스템(FGSS)은 수소 연료 전지(FC)에 수소 가스를 공급할 수 있다.
이하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템(FGSS)에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 연료 공급 시스템은 액화 수소 저장 탱크(100), 연료 공급 유닛(200), 그리고 벙커링 스테이션(300)을 포함한다.
여기서, 액화 수소 저장 탱크(100)는 선체(S)에 설치되며 액화 수소(LH2)를 저장할 수 있다. 액화 수소 저장 탱크(100)는 선체(S)의 좌현(Port)에 설치되는 좌현 탱크(110), 그리고, 선체(S)의 우현(Starboard)에 설치되는 우현 탱크(120)를 포함할 수 있다. 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120)는 독립된 압력 용기 형태를 가지는 IMO type C의 연료 저장 탱크일 수 있다. 따라서, 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120)는 용이하게 선체(S)에 설치될 수 있다. 다만, 액화 수소 저장 탱크(100)는 반드시 IMO type C에 한정되는 것은 아니며, IMO type A, 또는 IMO type C, ISO 탱크 등으로 확장 적용이 가능하다. 이하에서는 액화 수소 저장 탱크(100)로서 IMO type C를 적용한 예를 전제로 설명한다.
좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120) 내부에는 피드 펌프(도시하지 않음)가 설치되어 액화 수소 저장 탱크(100)의 액화 수소를 연료 공급 유닛(200)으로 공급할 수 있다.
좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120)에는 액화 수소(LH2)의 레벨을 측정하는 레벨 센서(L), 그리고 액화 수소(LH2)의 압력을 측정하는 액화 수소 압력 센서(P1)가 설치될 수 있다.
레벨 센서(L)는 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120) 내부의 액화 수소의 레벨(level)을 모니터링하고, 이에 따라 연로 공급 유닛(200)으로 공급되는 액화 수소를 좌현이나 우현 어느 한 쪽으로 치우치지 않도록 공급하여 선체(S)의 균형을 유지할 수 있고, 벙커링 스테이션(300)을 통해 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120)에 적정량의 액화 수소를 공급할 수 있다.
한편, 연료 공급 유닛(200)는 액화 수소(LH2)를 수소 가스(H2)로 기화시켜 수소 연료 전지(FC)에 공급할 수 있다.
연료 공급 유닛(200)는 기화부(210), 수소 공급부(220), 열 교환부(230), 그리고 벤트부(240)를 포함할 수 있다.
기화부(210)는 액화 수소를 수소 가스로 기화시킬 수 있다.
이하에서는, 기화부(210)가 액화 수소 저장 탱크(100)로부터 액화 수소를 공급받아 수소 가스로 기화시키는 것을 전제로 설명하나, 액화 수소 저장 탱크(100) 내에 발생하는 증발가스(BOG)를 기화부(210)로 공급하는 실시예도 가능하다. 이 경우 기화부(210)는 열교환기로서의 역할을 수행할 수 있다.
또한, 기화부(210)는 기화기(vaporizer)(211), 액화 수소 공급 배관(212), 그리고 탱크 압력 조절기(213)을 포함할 수 있다.
기화기(211)는 열 교환부(230)를 통과하며 가열되는 제1 냉매의 열을 이용하여 액화 수소를 수소 가스로 기화시킬 수 있다.
액화 수소 공급 배관(212)은 액화 수소 저장 탱크(100)와 기화기를 연결하며 액화 수소를 기화기(211)에 공급할 수 있다. 이러한 액화 수소 공급 배관(212)은 진공 상태로 외부와 단열시키는 진공 단열 배관(vacuum insulation pipe)일 수 있다. 따라서, 액화 수소 공급 배관(212)을 따라 이송되는 액화 수소의 온도 증가를 최소화하여 액화 수소의 증발을 방지할 수 있다.
탱크 압력 조절기(213)는 기화기(211)에서 생성된 수소 가스를 액화 수소 저장 탱크(100)로 회수하여 액화 수소 저장 탱크(100) 내부의 압력을 조절할 수 있다. 즉, 탱크 압력 조절기(213)는 액화 수소 압력 센서(P1)에 의해 측정된 액화 수소 저장 탱크(100) 내부의 압력이 기준 압력보다 낮은 경우, 액화 수소를 기화기(211)로 이송하여 기화기(211)에서 생성된 수소 가스를 다시 액화 수소 저장 탱크(100)로 회수함으로써, 액화 수소 저장 탱크(100) 내부의 압력을 보상할 수 있다.
기화기(211)와 탱크 압력 조절기(213)는 서로 결합되어 일체화된 멀티 스트림 기화기(multi stream vaporizer)일 수 있다. 이와 같이, 기화기(211)와 탱크 압력 조절기(213)를 집적화하여 기화기(211)와 탱크 압력 조절기(213)가 선체(S) 내부에서 차지하는 공간을 최소화하여 선체 공간의 활용도를 향상시킬 수 있다.
수소 공급부(220)는 수소 가스를 수소 연료 전지(FC)에 공급할 수 있다.
수소 공급부(220)는 수소 공급 배관(221), 수소 버퍼 탱크(222), 산소 농도 센서(223), 그리고 수분 필터(moisture filter)(224)를 포함할 수 있다.
수소 공급 배관(221)은 기화기(211)와 수소 연료 전지(FC)를 연결하며 수소 가스가 이송될 수 있다. 이러한 수소 공급 배관(221)은 이중 벽 배관(double wall pipe)일 수 있다. 따라서, 수소 공급 배관(221)을 따라 이송되는 수소 가스의 누출을 방지할 수 있다.
도시하지는 않았으나, 수소 공급 배관(221)에는 수소 연료 전지(FC)로 공급되는 수소 가스의 압력을 만족시키도록 추가의 압축기가 더 설치될 수 있다. 이때 수소 연료 전지(FC)로 공급되는 수소 가스의 적정 압력은 6 bar 이상인 것이 바람직하고, 적어도 3 barg 이상인 것이 바람직하다.
수소 버퍼 탱크(222)는 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 기화기(211)에서 생성된 수소 가스를 저장할 수 있다.
산소 농도 센서(223)는 수소 버퍼 탱크(222)에 설치되며 수소 버퍼 탱크(222) 내부의 산소 농도를 측정할 수 있다. 수소 버퍼 탱크(222)를 수리하거나 유지 보수하는 경우 수소 버퍼 탱크(222) 내부로 산소가 유입될 수 있다. 수소 버퍼 탱크(222) 내부로 산소가 유입되는 경우 수소와 산소가 혼합되어 폭발 사고 등이 발생할 수 있으므로, 산소 농도 센서(223)를 이용하여 수소 버퍼 탱크(222) 내부의 산소 농도를 모니터링할 수 있다. 이러한 산소 농도 센서(223)는 0 내지 3%의 몰% 농도를 측정할 수 있다. 산소 농도 센서(223)에 의해 측정된 수소 버퍼 탱크(222) 내부의 산소 농도가 2.5%일 경우 경고음을 발생시키며, 3%일 경우 수소 공급부를 셧다운(shutdown)시킬 수 있다. 수소 공급부(220)가 셧다운 된 상태에서 후술하는 벤트부(240)를 통해, 산소를 벤팅할 수 있다.
또한, 수소 버퍼 탱크(222)에는 수소 온도 센서(T) 및 수소 압력 센서(P2)가 설치되어 수소의 온도 및 압력을 측정하여 모니터링할 수 있다. 그리고 수소 공급 배관(221) 상에는 복수의 가스 조절 밸브(V)가 설치되어 이송되는 수소 가스의 양을 조절할 수 있다.
또한, 선체(S)에 무선 통신 시스템(도시하지 않음)을 설치하고, 무선 통신 시스템을 산소 농도 센서(223), 수소 온도 센서(T), 수소 압력 센서(P2) 등의 센서와 복수의 가스 조절 밸브(V) 등과 연계함으로써, 선체(S)에 셧다운 상황 발생 시 긴급하게 대응할 수 있다. 또한, 무선 통신 시스템을 스마트폰 어플과 연동함으로써, 스마트폰 어플을 이용하여 연료 공급 유닛(200)을 모니터링할 수 있다.
수분 필터(224)는 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 수소 버퍼 탱크(222)로부터 이송되는 수소 가스에서 수분을 제거할 수 있다.
한편, 열 교환부(230)는 기화부(210)를 통과한 제1 냉매의 열과 수소 연료 전지(FC)를 통과한 제2 냉매의 열을 교환할 수 있다.
열 교환부(230)는 열 교환 본체(231), 제1 냉매 배관(232), 제2 냉매 배관(233), 그리고 제1 냉매 공급부(234)를 포함할 수 있다.
열 교환 본체(231)는 제1 냉매와 제2 냉매가 동시에 통과하며 열 교환이 이루어지는 장치이다. 열 교환 본체(231)는 원통 다관식 (Shell & Tube) 열교환기, 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기, 평판형 (Plate Type) 열교환기, 공냉식 냉각기(Air Cooler) 등을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 열 교환기가 적용될 수 있다.
제1 냉매 배관(232)은 제1 냉매가 이송되는 경로를 제공할 수 있다. 이때, 제1 냉매는 HC50을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 냉매가 사용될 수 있다.
구체적으로, 제2 냉매 배관(233)은 제2 냉매가 이송되는 경로를 제공할 수 있다. 제2 냉매 배관(233)은 제2 냉매를 열 교환 본체(231)로부터 수소 연료 전지(FC)까지 순환 이동시킬 수 있다. 제2 냉매는 수소 연료 전지(FC)를 통과하면서 수소 연료 전지(FC)에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다, 그리고, 수소 연료 전지(FC)에서 발생하는 열을 냉각시키면서 제2 냉매 자체의 온도는 상승하며, 온도가 상승된 제2 냉매는 열 교환 본체(231)를 통과하며 제1 냉매에 열을 전달한다. 이와 같이, 제1 냉매에 전달된 열을 이용하여 제1 냉매는 기화기(211)에서 액화 수소를 수소 가스로 기화시킬 수 있다. 따라서, 열 에너지의 낭비없이 효율적으로 액화 수소를 수소 가스로 기화시킨 후 수소 연료 전지(FC)에 공급할 수 있다.
한편, 제2 냉매는 수소 연료 전지(FC)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위해, 대략 65℃의 온도로 투입되는 것이 바람직하며, 이때 수소 연료 전지(FC)에서 발생하는 열을 냉각시킨 후 배출되는 제2 냉매의 온도는 대략 75℃ 일 수 있다.
따라서, 열 교환 본체(231)을 통해 제2 냉매와 열교환하는 제1 냉매는 제2 냉매를 대략 65℃의 온도로 낮춰주는 것이 필요하고, 이러한 제1 냉매와 제2 냉매의 온도 조건을 만족시키기 위해 후술하는 바와 같이 보조 히터(33)가 사용될 수 있다.
제1 냉매 공급부(234)는 제1 냉매를 순환시킬 수 있다. 즉, 제1 냉매 공급부(234)는 제1 냉매를 열 교환 본체(231)로부터 기화기(211)까지 순환 이동시킬 수 있다.
제1 냉매 공급부(234)는 제1 냉매 저장 탱크(31), 순환 펌프(32), 보조 히터(33), 그리고 제1 냉매 상태 조절부(34)를 포함할 수 있다.
제1 냉매 저장 탱크(31)는 기화기(211)를 통과하며 냉각된 제1 냉매를 저장할 수 있다.
순환 펌프(32)는 제1 냉매 저장 탱크(31)의 후단에 위치하며, 제1 냉매를 순환시키는 압력을 제공할 수 있다.
보조 히터(33)는 제1 냉매 저장 탱크(31)의 후단 및 열 교환 본체(231)의 전단에 위치할 수 있다. 보조 히터(33)는 기화기(211)를 통과하며 냉각된 제1 냉매를 가열할 수 있다. 또한, 보조 히터(33)는 선체(S)의 초기 기동 시 제1 냉매를 가열하는 용도로 사용될 수 있다.
제1 냉매 상태 조절부(34)는 제1 냉매의 상태를 조절할 수 있다.
제1 냉매 상태 조절부(34)는 제1 냉매 온도 센서(34T), 제1 냉매 압력 센서(34P), 그리고 회수 배관(34R)을 포함할 수 있다.
제1 냉매 온도 센서(34T)는 보조 히터(33)의 전단 및 후단에 설치되며 제1 냉매의 온도를 측정할 수 있다.
제1 냉매 압력 센서(34P)는 보조 히터(33)의 전단에 설치되며 제1 냉매의 압력을 측정할 수 있다.
회수 배관(34R)은 제1 냉매의 설정 온도 및 설정 압력에 부합할 때까지 제1 냉매를 제1 냉매 저장 탱크(31)로 회수하는 경로를 제공할 수 있다.
이와 같이, 제1 냉매 온도 센서(34T) 및 제1 냉매 압력 센서(34P)에 의해 측정된 제1 냉매의 온도 및 압력에 따라 회수 배관(34R)을 통해 제1 냉매를 순환시키며 제1 냉매를 설정 온도 및 설정 압력에 맞출 수 있다.
벤트부(240)는 수소 공급 배관(221)에 잔류하는 수소 가스나 전술한 바와 같이 수소 공급부(220)의 셧다운 시의 산소 가스, 또는 액화 수소 저장 탱크(100) 내부에서 증발되어 생성되는 증발 수소 가스를 벤팅할 수 있다.
벤트부(240)는 벤트 마스트(vent mast)(241), 제1 벤팅 배관(242), 제2 벤팅 배관(243), 그리고 벤팅 팬(244)을 포함할 수 있다.
벤트 마스트(241)는 선체(S)의 외부로 수소 가스, 산소 가스, 또는 증발 수소 가스를 벤팅할 수 있다.
제1 벤팅 배관(242)은 벤트 마스트(241)와 수소 공급 배관(221)을 연결하며 수소 공급 배관(221)에 잔류하는 수소 가스나 전술한 바와 같이 수소 공급부(220)의 셧다운 시의 산소 가스를 벤팅할 수 있다.
제2 벤팅 배관(243)은 벤트 마스트(241)와 액화 수소 저장 탱크(100)를 연결하며 증발 수소 가스를 벤팅할 수 있다. 제2 벤팅 배관(243)은 액화 수소 저장 탱크(100)의 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120)와 각각 연결될 수 있다. 이와 같이, 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120) 내부에서 발생하는 증발 수소 가스를 벤트 마스트(241) 및 제2 벤팅 배관(243)을 통해 벤팅함으로써, 증발 수소 가스에 의해 좌현 탱크(110) 및 우현 탱크(120) 내부의 압력이 높아지는 것을 방지할 수 있다.
벤팅 팬(244)은 제1 벤팅 배관(242) 상에 설치되며 수소 가스를 벤팅하는 압력을 제공할 수 있다.
벙커링 스테이션(300)은 외부로부터 공급받은 액화 수소를 액화 수소 저장 탱크(100)에 공급할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 연료 공급 시스템의 벙커링 스테이션의 구체적인 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 벙커링 스테이션(300)은 벙커링 본체(310), 액화 수소 벙커링부(320), 질소 퍼지부(330), 그리고 드립 트레이(340)를 포함할 수 있다.
벙커링 본체(310)는 선체(S)에 설치될 수 있다. 벙커링 본체(310)는 선체(S)의 어퍼데크(upper deck)에 설치될 수 있으며, 바람직하게는 어퍼데크 상측에 설치될 수 있다. 또한, 벙커링 본체(310)는 선체(S)의 양측면부에 설치될 수 있으며, 바람직하게는 파일롯 스테이션 해치(pilot station hatch) 내에 설치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
액화 수소 벙커링부(320)는 벙커링 본체(310)에 설치되며 터미널, 차량 또는 선박 등의 외부 공급원(EX)으로부터 공급되는 액화 수소를 선체(S)에 설치된 액화 수소 저장 탱크(100)에 공급할 수 있다.
액화 수소 벙커링부(320)는 액화 수소 벙커링 배관(321), 밸브 매니폴드(322), 압력 트랜스미터(323), 온도 트랜스미터(324), 화재 감지기(325), 누출 검출기(326), 소방 설비(327), 그리고 제어부(328)을 포함할 수 있다.
액화 수소 벙커링 배관(321)은 액화 수소가 이송하는 경로를 제공할 수 있다. 이러한 액화 수소 벙커링 배관(321)은 외부 공급원(EX)과 커플링되는 커플러를 포함하며, 이때 커플링은 Johnston coupling 일 수 있다.
이러한 액화 수소 벙커링 배관(321)은 진공 상태로 외부와 단열시키는 진공 단열 배관(vacuum insulation pipe)일 수 있다. 따라서, 액화 수소 벙커링 배관(321)을 따라 이송되는 액화 수소의 온도 증가를 최소화하여 액화 수소의 증발을 방지할 수 있다.
밸브 매니폴드(322)는 액화 수소 벙커링 배관(321)에 설치되며 액화 수소의 이송량을 조절할 수 있으며, 이러한 밸브 매니폴드(322)도 진공 단열 구조를 가질 수 있다. 바람직하게는, 밸브 매니폴드(322)는 진공 자켓 밸브 매니폴드(Vacuum jacket Valve Manifold)일 수 있다.
압력 트랜스미터(323)는, 밸브 매니폴드(322)의 전단 및 후단에 있어, 액화 수소 벙커링 배관(321)에 설치되며 액화 수소 벙커링 배관(321) 및 밸브 매니폴드(322)를 통해 이송되는 액화 수소의 압력을 측정할 수 있다.
온도 트랜스미터(324)는, 밸브 매니폴드(322)의 전단 또는 후단에 있어, 액화 수소 벙커링 배관(321)에 설치되며 액화 수소 벙커링 배관(321) 및 밸브 매니폴드(322)를 통해 이송되는 액화 수소의 온도를 측정할 수 있다.
압력 트랜스미터(323)와 온도 트랜스미터(324)는 액화 수소 벙커링 배관(321) 및/또는 밸브 매니폴드(322)를 통해 이송되는 액화 수소의 압력과 온도를 검출하여 제어부(328)로 송신할 수 있다.
화재 감지기(325)는 벙커링 본체(310)에 설치되며 벙커링 본체(310) 내부 또는 외부에서 발생하는 화재를 감지할 수 있다. 화재 감지기(325)는 불꽃 감지기 또는 가연성 가스 감지기일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 화재에 관련된 감지기라면 다양한 구조가 가능하다.
누출 검출기(326)는 벙커링 본체(310)에 설치되며 액화 수소 벙커링 배관(321)에서 누출되는 액화 수소를 검출할 수 있다.
누출 검출기(326)는 액화 수소 벙커링 배관(321)에서 누출되는 액화 수소를 검출하여 검출 신호를 제어부(328)로 송신할 수 있다.
소방 설비(327)는 화재 감지기(325)에 의해 감지된 화재를 진압할 수 있다. 소방 설비(327)는 소화재를 저장하는 소화재 저장 탱크(51), 소화재가 이송되는 소화 배관(52), 그리고 소화재를 분사하여 화재를 진압하는 분사기(53)를 포함할 수 있다. 소화재란 화재를 진압하기 위한 원재를 말하며, 분말, 폼(foam), 불활성 기체 등 공지의 다양한 소화 원재가 사용될 수 있고, 앞서 열거한 것에 한정되지 않는다. 소화재 저장 탱크(51)는 벙커링 본체(310)의 내부 또는 외부에 설치될 수 있다.
제어부(328)는 화재 감지기(325), 누출 검출기(326), 압력 트랜스미터(323, 333), 온도 트랜스미터(324)로부터 감지 신호를 수신하고, 수신된 감지 신호에 따라 소방 설비(327) 및 밸브 매니폴드(322)를 제어할 수 있다. 이러한 제어부(328)는 PLC(Programable logic controller)를 포함할 수 있다.
제어부(328)의 데이터는 HMI(Human Machine Interface) PC(800)와 DCS(Distributed Control System, 900)로 송신될 수 있으며, 관리자는 HMI PC(800)의 HMI 화면(810) 또는 DCS(900)를 통해 제어부(328)에서 수신한 검출값 또는 검출신호를 분석하여 벙커링 스테이션(300) 내의 상태를 모니터링하고 제어할 수 있다. 따라서, 제어부(328)는 소방 설비(327)의 가동 또는 밸브 매니폴드(322)의 개폐 또는 개도를 제어할 수 있다.
이러한 제어부(328)를 스마트폰 어플과 연동함으로써, 스마트폰 어플을 이용하여 벙커링 스테이션(300)을 모니터링하고, 제어할 수 있다.
질소 퍼지부(330)는 액화 수소 벙커링 배관(321)에 질소 가스를 주입하여 퍼지할 수 있다.
질소 퍼지부(330)는 질소 퍼지 배관(331), 질소 버퍼 탱크(332), 그리고 질소 압력 트랜스미터(333)를 포함할 수 있다.
질소 퍼지 배관(331)은 질소 가스가 이송하는 경로를 제공할 수 있으며, 질소 버퍼 탱크(332)와 밸브 매니폴드(322), 또는 질소 버퍼 탱크(332)와 액화 수소 벙커링 배관(321)을 연결할 수 있다.
질소 버퍼 탱크(332)는 질소 퍼지 배관(331) 상에 설치되며 소정 압력, 예컨대 6 bar의 질소 가스를 저장할 수 있다. 따라서, 질소 버퍼 탱크(332)는 긴급 상황 시 즉각적으로 소정 압력의 질소 가스를 이용하여 밸브 매니폴드(322), 또는 액화 수소 벙커링 배관(321) 내부의 수소 가스를 외부로 벤트할 수 있다.
이러한 질소 버퍼 탱크(332)는 선체(S)에 마련된 질소 발생기(N2 Generator)와 연결되어 질소를 상시 소정압력으로 저장하는 스탠바이 상태를 유지할 수 있다.
드립 트레이(340)는 액화 수소 벙커링부(320) 하부에 설치되며 벙커링 과정이나 액화 수소의 이송 시 극저온의 액화 수소로 인해 액화 수소 벙커링 배관(321)에 맺히는 물 또는 누출되는 액화 수소를 수집할 수 있다. 따라서, 트립 트레이(340)는 선체(S)에 액화 수소 또는 물이 떨어지는 것을 방지하여 선체(S)의 손상을 방지할 수 있다.
벙커링 스테이션(300)은 모듈화(패키지화, 스키드화)가 되어, 신조 선박은 물론 개조 선박에도 용이하게 장착 및 적용할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 액화 수소 저장 탱크 200: 연료 공급 유닛
210: 기화부 220: 수소 공급부
230: 열 교환부 240: 벤트부
300: 벙커링 스테이션 310: 벙커링 본체
320: 액화 수소 벙커링부 330: 질소 퍼지부
340: 드립 트레이
210: 기화부 220: 수소 공급부
230: 열 교환부 240: 벤트부
300: 벙커링 스테이션 310: 벙커링 본체
320: 액화 수소 벙커링부 330: 질소 퍼지부
340: 드립 트레이
Claims (8)
- 선체(S)에 설치되며 액화 수소를 저장하는 액화 수소 저장 탱크(100); 그리고
상기 액화 수소를 수소 가스로 기화시켜 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 연료 공급 유닛(200);을 포함하고,
상기 연료 공급 유닛(200)은,
상기 액화 수소를 상기 수소 가스로 기화시키는 기화부(210)와,
상기 수소 가스를 상기 수소 연료 전지(FC)에 공급하는 수소 공급부(220)와, 그리고
상기 기화부(210)를 통과한 제1 냉매의 열과 상기 수소 연료 전지(FC)를 통과한 제2 냉매의 열을 교환하는 열 교환부(230)를 포함하며,
상기 기화부(210)는,
상기 제1 냉매의 열을 이용하여 상기 액화 수소를 상기 수소 가스로 기화시키는 기화기(211)와,
상기 액화 수소 저장 탱크(100)와 상기 기화기(211)를 연결하며 상기 액화 수소를 상기 기화기(211)에 공급하는 액화 수소 공급 배관(212)과, 그리고
상기 기화기(211)에서 생성된 상기 수소 가스를 상기 액화 수소 저장 탱크(100)로 회수하여 상기 액화 수소 저장 탱크(100) 내부의 압력을 조절하는 탱크 압력 조절기(213)를 포함하고,
상기 수소 공급부(220)는,
상기 기화부(210)와 상기 수소 연료 전지(FC)를 연결하며 상기 수소 가스가 이송되는 수소 공급 배관(221)과,
상기 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 상기 수소 가스를 저장하는 수소 버퍼 탱크(222)와, 그리고
상기 수소 버퍼 탱크(222)에 설치되며 상기 수소 버퍼 탱크(222) 내부의 산소 농도를 측정하는 산소 농도 센서(223)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소 공급부(220)는,
상기 수소 공급 배관(221) 상에 설치되며 상기 수소 버퍼 탱크(222)에서 이송되는 상기 수소 가스에서 수분을 제거하는 수분 필터(224)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 열 교환부(230)는,
상기 제1 냉매와 상기 제2 냉매가 동시에 통과하는 열 교환 본체(231)와,
상기 제1 냉매가 이송되는 제1 냉매 배관(232)과, 그리고
상기 제2 냉매가 이송되는 제2 냉매 배관(233)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 열 교환부(230)는,
상기 제1 냉매를 순환시키는 제1 냉매 공급부(234)를 더 포함하고,
상기 제1 냉매 공급부(234)는,
상기 기화기(211)를 통과한 상기 제1 냉매를 저장하는 제1 냉매 저장 탱크(31)와,
상기 제1 냉매를 순환시키는 압력을 제공하는 순환 펌프(32)와, 그리고
상기 제1 냉매를 가열하며 상기 열 교환 본체(231)의 전단에 위치하는 보조 히터(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 제1 냉매 공급부(234)는,
상기 제1 냉매의 상태를 조절하는 제1 냉매 상태 조절부(34)를 더 포함하고,
상기 제1 냉매 상태 조절부(34)는,
상기 보조 히터(33)의 전단 및 후단에 설치되며 상기 제1 냉매의 온도를 측정하는 제1 냉매 온도 센서(34T)와,
상기 보조 히터(33)의 전단에 설치되며 상기 제1 냉매의 압력을 측정하는 제1 냉매 압력 센서(34P)와, 그리고
상기 제1 냉매의 설정 온도 및 설정 압력에 부합할 때까지 상기 제1 냉매를 상기 제1 냉매 저장 탱크(31)로 회수하는 회수 배관(34R)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 연료 공급 유닛(200)은,
상기 수소 공급 배관(221)의 잔류 가스, 또는 상기 액화 수소 저장 탱크(100) 내부에서 증발되어 생성되는 증발 수소 가스를 벤팅하는 벤트부(240)를 더 포함하고,
상기 벤트부(240)는,
외부로 상기 잔류 가스 또는 상기 증발 수소 가스를 벤팅하는 벤트 마스트(241)와,
상기 벤트 마스트(241)와 상기 수소 공급 배관(221)을 연결하며 상기 수소 공급 배관(221)에 잔류하는 상기 잔류 가스를 벤팅하는 제1 벤팅 배관(242)과, 그리고
상기 벤트 마스트(241)와 상기 액화 수소 저장 탱크(100)를 연결하며 상기 증발 수소 가스를 벤팅하는 제2 벤팅 배관(243)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 벤트부(240)는,
상기 제1 벤팅 배관(242) 상에 설치되며 벤팅 압력을 제공하는 벤팅 팬(244)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
수소 연료 공급 시스템. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 수소 연료 공급 시스템을 포함하는 선박.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230108837A KR102673256B1 (ko) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230108837A KR102673256B1 (ko) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102673256B1 true KR102673256B1 (ko) | 2024-06-12 |
Family
ID=91469761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230108837A KR102673256B1 (ko) | 2023-08-21 | 2023-08-21 | 수소 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102673256B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120136073A (ko) * | 2011-06-08 | 2012-12-18 | 대우조선해양 주식회사 | Ｌｎｇ를 이용한 액화가스 재액화장치 및 이를 가지는 액화가스운반선 |
| KR102122023B1 (ko) | 2019-02-22 | 2020-06-12 | 부산대학교 산학협력단 | 액화수소 연료전지 추진 선박의 연료공급 시스템 및 그 작동 방법 |
| KR20210055822A (ko) * | 2019-11-07 | 2021-05-18 | 삼성중공업 주식회사 | 선박 |
| KR20220138548A (ko) | 2021-04-05 | 2022-10-13 | 현대중공업 주식회사 | 벙커링 선박 |
-
2023
- 2023-08-21 KR KR1020230108837A patent/KR102673256B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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