KR20140028879A

KR20140028879A - 질소 가스 생성 시스템

Info

Publication number: KR20140028879A
Application number: KR1020120096216A
Authority: KR
Inventors: 박근배; 도현선; 장민석; 조택현
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2014-03-10
Also published as: KR101430156B1

Abstract

질소 생성 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 생성 시스템은, 선박의 질소 가스 생성 시스템으로서, 선박에 포함된 저장 탱크; 선박에 설치되며 연료를 공급 받아서 전력을 생산하는 연료전지 장치; 연료전지 장치에서 배출되는 배기가스로부터 질소 가스를 추출하는 질소 추출 장치; 및 질소 추출 장치로부터 추출된 질소 가스를 저장 탱크로 공급하는 질소 공급 장치를 포함한다.

Description

질소 가스 생성 시스템{NITROGEN GAS GENERATING SYSTEM}

본 발명은 질소 가스 생성 시스템에 관한 것이다.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다.

연료전지는 연료공급기(MBOP), 연료전지스택(Stack) 및 전력변환기(EBOP)로 구성된다.

연료공급기(MBOP)는 연료전지에 공기와 연료를 연료전지스택에 공급하며, 연료전지스택 내부에서는 공급된 공기 중의 산소와 연료로 공급된 수소 혹은 연료의 개질을 통하여 발생한 수소가 화학반응을 거쳐 전기, 물, 열을 발생시킨다.

이 때, 발생된 전기는 전력변환기(EBOP)를 통하여 외부로 공급된다.

이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.

그 중에서도, 용융 탄산염형(MCFC) 연료전지는, 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 주 연료로 하여 개질 반응을 거쳐서 수소를 공급할 수 있으므로, 선박에 탑재하여 전력을 공급하는 보조전원으로 가장 적합한 것으로 평가되고 있다.

한편, 액화 천연 가스 저장 탱크는 누설, 폭발 방지 및 탱크 청소 등을 위하여 질소 가스와 같은 비활성 기체의 공급이 필요하며, 이에 따라, 액화 천연 가스 저장 탱크를 구비한 선박에서는 별도의 비활성 기체 생성 및 공급 장치가 설치되어야 한다.

이를 위하여, 일반적으로 선박용 디젤유를 직접 연소시켜서 불활성 기체를 생성하는 방법을 많이 사용하고 있다.

본 발명의 일 실시예는 연료전지 장치에서 발생하는 배기가스를 이용하여 질소 가스를 생성할 수 있는 질소 가스 생성 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 연료전지 장치에서 발생하는 배기가스로부터 추출된 질소 가스를 액체 화물 저장 탱크로 공급할 수 있는 질소 가스 생성 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 질소 가스 생성 시스템으로서, 상기 선박에 포함된 저장 탱크; 상기 선박에 설치되며 연료를 공급 받아서 전력을 생산하는 연료전지 장치; 상기 연료전지 장치에서 배출되는 배기가스로부터 질소 가스를 추출하는 질소 추출 장치; 및 상기 질소 추출 장치로부터 추출된 상기 질소 가스를 상기 저장 탱크로 공급하는 질소 공급 장치를 포함하는, 질소 가스 생성 시스템이 제공된다.

이 때, 상기 질소 추출 장치는 상기 배기가스에서 산소를 제거하는 탈산소기를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 질소 추출 장치는, 상기 배기가스를 냉각시키는 응축기; 및 상기 배기가스로부터 수분을 제거하는 수분 제거기를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 질소 공급 장치는, 상기 질소 가스를 저장하는 질소 저장고; 및 상기 질소 저장고에 저장된 질소 가스를 상기 저장 탱크로 주입시키는 블로어를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 저장 탱크는 복수 개로 구성되며, 상기 질소 공급 장치는, 상기 상기 질소 저장고에서 상기 복수 개의 저장 탱크로 분기되는 분기 라인; 및 상기 분기 라인에 설치되는 밸브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 장치의 배기가스로부터 질소 가스를 추출함으로써, 별도의 장치 없이 친환경적으로 질소 가스를 생성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 장치의 배기가스로부터 질소 가스를 추출함으로써, 별도의 질소 가스 생성 장치 없이 액체 화물 저장 탱크에 질소 가스를 공급할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템이 포함되는 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

이 때, 도 1 및 도 2에서 실선의 화살표는 질소 가스의 흐름을 나타내고, 파선의 화살표는 배기가스에서 질소를 제외한 성분의 흐름을 나타낸다. 또한, 도 2에서 일점 쇄선의 화살표는 연료의 흐름을 나타내며, 이점 쇄선의 화살표는 전기의 흐름을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)은 선박(10)에 구비되며, 저장 탱크(120), 연료전지 장치(140), 질소 추출 장치(160) 및 질소 공급 장치(180)를 포함한다.

저장 탱크(120)는 선박(10)의 일측에 구비되며 액체 화물이 저장된 저장 공간이다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장 탱크(120)는 복수 개로 구성될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저장 탱크(120)에 저장된 액체 화물은 LNG일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 탄화 수소계의 액화 가스라면 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 탱크(120)에 저장된 액체 화물에 포함될 수 있다.

이에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장 탱크(120)에 저장된 액체 화물은 후술할 연료전지 장치(140)에 수소를 공급하는 연료로써 사용될 수도 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 장치(140)는 연료를 공급받아서 전력을 생산하는 장치이다.

이에 따라, 연료전지 장치(140)는 연료전지 장치(140)가 설치된 선박(10)의 동력원이나 전력 공급원으로 이용될 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 연료전지 장치(140)는 연료 탱크(110)로부터 연료를 공급받을 수 있다.

이 때, 연료 탱크(110)는 연료전지 장치(140)에 사용되는 수소를 공급하기 위한 연료가 저장되어 있는 장소로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 탱크(110)에 저장되어 있는 연료는 LNG, NG 또는 디젤유일 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 수소가 포함되어 있는 탄화수소계 연료라면 모두 이에 포함될 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 전술하였듯이 저장 탱크(120)로부터 연료전지 장치(140)에 연료가 공급될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 연료전지 장치(140)는, 저장 탱크(120) 및 연료 탱크(110)로부터 연료전지 장치(140)로 연결되는 각 공급라인에 설치된 밸브의 조작을 통하여, 저장 탱크(120) 및 연료 탱크(110) 중 적어도 어느 하나로부터 연료를 공급받을 수 있다.

한편, 저장 탱크(120) 및 연료 탱크(110)에 저장되어 있는 화물 또는 연료가 동일한 물질인 경우, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료 탱크(110)는 저장 탱크(120)로 이루어질 수 있으며, 이 때에는 별도의 연료 탱크(110)가 구비되지 않을 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 연료 탱크(110)는 저장 탱크(120)에서 증발된 기화 가스가 저장되는 장소일 수 있으며, 이 때에는 저장 탱크(120)에서 배출된 연료가 연료 탱크(110)를 거쳐 연료전지 장치(140)로 공급될 수 있다.

한편, 도 2를 참조하면, 연료전지 장치(140)는 연료공급기(141, MBOP), 연료전지스택(145) 및 전력변환기(149, EBOP)를 포함한다.

이 때, 연료공급기(141)는 연료전지스택(145)으로 연료를 공급하는 기기를 모두 포함하는 의미로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈황기(142) 및 개질기(143)을 포함할 수 있다.

이 때, 탈황기(142)는 연료 내의 황(S) 성분을 제거하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡착제를 사용하여 황 성분이 포함된 황화합물을 제거할 수 있다.

이는, 연료 내에 황화합물이 포함되어 있을 경우, 황화합물이 연료전지 장치(140)를 구성하는 여러 기기들에 흡착되어 기기의 성능을 저하시키는 문제가 발생하기 때문이다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지 장치(140)에 필요한 연료가 저장 탱크(120) 또는 연료 탱크(110)로부터 공급될 수 있는데, 이 때, 공급되는 연료는 LNG일 수 있으며, 이 때, LNG에는 황화합물인 부취제가 포함되어 있으므로, 탈황기(142)는 공급된 LNG로부터 부취제를 제거할 수 있다.

한편, 탈황기(142)를 통과한 연료는 개질기(143)를 거치게 되는데, 개질기(143)는 액체 화물을 메탄 또는 수소로 변환시키는 장치이다.

즉, 연료전지 장치(140)는 최종적으로 수소를 필요로 하므로, 저장 탱크(120)로부터 공급된 액체 화물, 즉 탄화 수소계의 연료를 수소로 변환시킬 필요가 있는데, 이를 담당하는 수단이 개질기(143)이다.

도 2를 참조하면, 전술한 개질기(143)를 통과한 연료, 즉 수소는 연료전지스택(145)으로 공급되어, 도면에 도시되지 않았지만, 외부에서 공급된 산소와 함께 화학 반응을 거쳐서 전기를 생산하고, 생산된 전기는 전력변환기(149)를 통해서 외부로 공급될 수 있다.

이 때, 전술한 과정을 통하여 전기를 생산한 연료전지 장치(140)로부터 질소 가스 등이 포함된 배기가스가 배출되는데, 이하, 배기가스로부터 질소 가스를 생성하고, 생성된 질소 가스를 선박(10) 내에 공급하는, 질소 추출 장치(160) 및 질소 공급 장치(180)를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)에서 질소 추출 장치(160)는 연료전지 장치(140)에서 배출되는 배기가스로부터 질소 가스를 추출하기 위한 구성이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 연료전지 장치(140)에서 배출되는 배기가스는 질소 가스와 그 외 성분을 포함하는데, 배기가스가 질소 추출 장치(160)를 통과함으로써 질소 가스와 그 외 성분으로 분리될 수 있다.

이 때, 질소 가스를 제외한, 배기가스에 포함되어 있는 그 외 성분은 산소, 수증기 및 소량의 이산화탄소이다.

이 때, 분리된 질소 가스는 후술할 질소 공급 장치(180)로 이동되고, 그 외 성분은 질소 가스 생성 시스템(100)의 외부로 배출된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 질소 추출 장치(160)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 탈산소기(162), 응축기(164) 및 수분 제거기(166)를 포함할 수 있다.

이 때, 탈산소기(162)는 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스에서 산소 성분을 제거하기 위한 구성이다.

전술하였듯이, 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스에는 산소가 포함되어 있으므로, 불활성 기체인 질소 가스를 추출하기 위해서는 산소 성분을 제거할 필요가 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탈산소기(162)는 투과막을 이용한 여과 방식으로 구성되거나, 산소와 반응하는 탈산소제를 사용한 방식으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 산소 성분을 제거할 수 있는 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

한편, 응축기(164)는 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스를 냉각시키기 위한 구성이다.

이는, 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스는 400도 이상의 고온이므로, 선박(10)에서 사용될 질소 가스의 추출을 위하여 냉각 수단이 필요하기 때문이다.

이 때, 도 2에서 응축기(164)는 전술한 탈산소기(162)의 하류에 배치되어 있지만, 본 발명이 탈산소기(162)와 응축기(164)를 순차적으로 통과하는 구성에 한정되는 것은 아니다.

한편, 응축기(164)를 통과하여 냉각된 배기가스는 수분 제거기(166)를 통과하여 수분이 제거될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수분 제거기(166)는 배기가스에 포함된 수증기를 제거할 수 있으며, 데미스터(demister)와 같이 수분을 제거할 수 있는 다양한 수단으로 구성될 수 있다.

이 때, 수분 제거기(166)는 응축기(164)의 하류에 배치됨으로써, 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스로부터 효율적으로 수분, 즉 수증기를 제거할 수 있다.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 질소 추출 장치(160)는 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스로부터 비활성 기체 성분 또는 질소 가스를 제외한 다른 성분을 효율적으로 제거하기 위한 다양한 필터 장치를 포함할 수 있다.

전술한 질소 추출 장치(160)를 통하여 추출된 질소 가스는 질소 공급 장치(180)를 통하여 저장 탱크(120)로 공급될 수 있다.

이 때, 질소 추출 장치(160)를 통하여 추출된 질소 가스에는 소량의 이산화탄소가 포함되어 있을 수 있다.

이 때, 이산화탄소는 질소 가스와 유사하게 불활성 기체에 해당되나, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)에는 순수한 질소 가스만을 생성하기 위하여 이산화탄소 성분을 분리하는 수단이 추가적으로 구비될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 질소 공급 장치(180)는 질소 추출 장치(160)를 통하여 추출된 질소 가스를 선박(10)에 구비된 저장 탱크(120)에 공급하기 위한 구성으로서, 질소 저장고(182), 블로어(184), 분기 라인(186) 및 밸브(188)를 포함할 수 있다.

이 때, 질소 저장고(182)는 질소 추출 장치(160)를 통하여 추출된 질소 가스를 저장하기 위한 공간이다.

이는, 질소 가스가 공급되는 저장 탱크(120)에서 필요로 하는 질소 가스는 필요에 따라 공급 시기나 공급량이 달라질 수 있기 때문에, 추출된 질소 가스를 일정 장소에 보관하고 필요에 따라 저장 탱크(120)로 적절한 양의 질소 가스를 공급하기 위함이다.

한편, 질소 저장고(182)를 나온 질소 가스는 블로어(184)를 통하여 저장 탱크(120)로 공급될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 블로어(184)는 압력차를 이용하여 기체를 이동시키는 압송 수단으로써, 날개의 회전으로 작동되는 송풍기뿐 만 아니라, 기체를 토출하는 압송 수단을 모두 포함한다.

한편, 도 2를 참조하면, 질소 저장고(182)로부터 저장 탱크(120)로 공급되는 질소 가스가 이동하는 배관은 분기 라인(186)을 포함할 수 있다.

이는, 전술하였듯이 본 발명의 일 실시예에 따르면 저장 탱크(120)는 복수 개로 구성될 수 있으므로, 질소 저장고(182)에서 복수 개의 저장 탱크(120)로 공급되는 질소 가스는 각각의 저장 탱크(120)로 공급될 수 있어야 하며, 이에 따라 질소 가스는 저장 탱크(120)의 수만큼 분기된 라인을 통하여 복수 개의 저장 탱크(120)로 공급될 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 분기 라인(186)에는 밸브(188)가 설치될 수 있다.

이에 따라, 전술한 블로어(184)와 함께, 저장 탱크(120)로 공급되는 질소 가스를 제어할 수 있다.

이 때, 도면에 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)은, 저장 탱크(120)의 상태를 감지하는 센서와 연결된 제어 장치가 블로어(184) 및 밸브(188)의 작동을 제어할 수 있도록 구성될 수 있다.

한편, 질소 공급 장치(180)를 통하여 저장 탱크(120)로 공급된 질소 가스는, 저장 탱크(120)와 선박(10)의 선체 사이의 공간, 액체 화물이 이동하는 파이프 내부 등에 공급되어, 잔류 액체 화물을 제거할 수 있다.

또한, 질소 공급 장치(180)를 통하여 저장 탱크(120)로 공급된 질소 가스는 저장 탱크(120)의 정비나 청소를 위해 저장 탱크(120)의 내부로 주입되어 저장 탱크(120) 내부에 잔류하는 액체 화물을 제거할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)은 연료전지 장치(140)에서 배출되는 배기가스로부터 불활성 기체인 질소 가스를 추출함으로써, 별도의 질소 생성 장치 없이 선박(10)에 필요한 질소 가스를 생성할 수 있다.

또한, 생성된 질소 가스는 선박(10)에 구비된 저장 탱크(120)로 공급됨으로써, 저장 탱크(120)에 필요한 불활성 기체로써 용이하게 사용될 수 있으며, 질소 가스 생성을 위하여 선박(10)에 설치된 연료전지 장치(140)를 그대로 활용할 수 있어서, 저장 탱크(120)에 필요한 불활성 기체를 생성하기 위하여 별도의 질소 생성 장치를 설치할 필요가 없게 된다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 질소 가스 생성 시스템(100)의 질소 추출 장치(160)를 통하여 생성된 질소 가스는 연료의 연소를 통하여 생성된 것이 아니므로 친환경적이며, 선박(10)의 동력원이나 전력원으로 사용되는 연료전지 장치(140)에서 배출된 배기가스를 재활용할 수 있으므로 에너지 측면에서도 효율적이다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 선박 100 질소 가스 생성 시스템
110 연료 탱크 120 저장 탱크
140 연료전지 장치 141 연료공급기(MBOP)
142 탈황기 143 개질기
145 연료전지스택 149 전력변환기(EBOP)
160 질소 추출 장치 162 탈산소기
164 응축기 166 수분 제거기
180 질소 공급 장치 182 질소 저장고
184 블로어 186 분기 라인
188 밸브

Claims

선박의 질소 가스 생성 시스템으로서,
상기 선박에 포함된 저장 탱크;
상기 선박에 설치되며 연료를 공급 받아서 전력을 생산하는 연료전지 장치;
상기 연료전지 장치에서 배출되는 배기가스로부터 질소 가스를 추출하는 질소 추출 장치; 및
상기 질소 추출 장치로부터 추출된 상기 질소 가스를 상기 저장 탱크로 공급하는 질소 공급 장치를 포함하는, 질소 가스 생성 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 질소 추출 장치는 상기 배기가스에서 산소를 제거하는 탈산소기를 포함하는, 질소 가스 생성 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 질소 추출 장치는,
상기 배기가스를 냉각시키는 응축기; 및 상기 배기가스로부터 수분을 제거하는 수분 제거기를 더 포함하는, 질소 가스 생성 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 질소 공급 장치는,
상기 질소 가스를 저장하는 질소 저장고; 및
상기 질소 저장고에 저장된 질소 가스를 상기 저장 탱크로 주입시키는 블로어를 포함하는, 질소 가스 생성 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 저장 탱크는 복수 개로 구성되며,
상기 질소 공급 장치는,
상기 상기 질소 저장고에서 상기 복수 개의 저장 탱크로 분기되는 분기 라인; 및 상기 분기 라인에 설치되는 밸브를 더 포함하는, 질소 가스 생성 시스템.