KR20230148081A - 수소처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소처리 시스템에 관한 것으로서, 제1 액화수소탱크 및 제2 액화수소탱크에 적용되는 수소처리 시스템에 있어서, 액체질소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 제1 액화수소탱크 내에 도입하여 상기 제1 액화수소탱크 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부를 포함하며, 상기 제1 액화수소탱크에서 발생한 가열된 기체수소를 산소가 제거된 제2 액화수소탱크에 도입하여 상기 제2 액화수소탱크를 가싱업하는 과정을 포함한다.

Description

수소처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{HYDROGEN TREATMENT SYSTEM AND SHIP HAVING THE SAME}

본 발명은 수소처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.

본 발명은 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제로부터 도출된 것이다. (과제번호: 20213030040460)

수소는 상온에서 기체로 존재하는 원소로써, 섭씨 -253도의 극저온에서 액화되어, 상온에서는 100% 기체 상태로만 존재한다. 연료로써 많이 사용되고 있는 액화천연가스(LNG)의 액화온도는 섭씨 -162도이고, 질소를 액화하기 위한 온도는 섭씨 -196도 이하인 것에 비하여, 수소는 -253도로서, 극저온에서 액화되는바, 액화 과정에서 더욱 기술이 필요하다.

수소를 액화시키는 이유 중 하나는 수소의 대용량 수송 및 저장을 통한 수소 공급 가격의 안정화를 위함으로, 수소를 액화시키는 방법, 액화된 수소를 저장하는 방법에 대하여 지속적으로 개발이 이루어지고 있다.

일반적으로 수소 액화를 위하여는 이너팅, 가싱업, 쿨다운의 과정을 거치게 된다. 종래에는 가싱업, 쿨다운 과정에서 천연가스(NG)나 액화천연가스(LNG)를 이용하여 가스를 치환하고 냉각시키는 기존의 액화천연가스(LNG) 탱크에서의 가스 치환 및 냉각 공정을 액화수소탱크에 적용하여 왔으나, 이 경우 액화수소의 사용량이 과다해지는 문제가 있었는바, 이를 개선하기 위한 기술 개발이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 복수개의 액화수소탱크를 구비함으로써, 제1 액화수소탱크 내에서 발생된 기체수소를 제2 액화수소탱크에 도입하여 가싱업에 활용함으로써, 기체 활용도를 최대화할 수 있는, 수소처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 수소처리 시스템은, 제1 액화수소탱크 및 제2 액화수소탱크에 적용되는 수소처리 시스템에 있어서, 액체질소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 제1 액화수소탱크 내에 도입하여 상기 제1 액화수소탱크 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부를 포함하며, 상기 제1 액화수소탱크에서 발생한 가열된 기체수소를 산소가 제거된 제2 액화수소탱크에 도입하여 상기 제2 액화수소탱크를 가싱업하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 액화수소탱크 내의 산소를 제거하기 위해 상기 액화수소탱크 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함할 수 있다.

구체적으로, 액체수소를 상기 제1 액화수소탱크 내에 도입하여 상기 제1 액화수소탱크 내를 2차 냉각시키는 2차 냉각부를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 액체질소는, 상기 1차 냉각 이후 상기 액화수소탱크에서 배출되는 기체수소를 재냉각시킬 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 수소처리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수소처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은 액화수소탱크 내 수소를 액화시키는 과정에서 액화수소의 사용량이 과다해지는 문제를 개선하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템 및 선박의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

액화천연가스(LNG) 탱크의 경우 이너팅, 가싱업, 쿨다운(냉각)의 과정을 거치며, 가싱업, 쿨다운 과정에서 천연가스(NG) 또는 액화천연가스(LNG)를 사용하여 가스를 치환하고 쿨다운을 수행한다.

액화수소탱크의 경우 상기의 액화천연가스(LNG) 탱크에서와 동일한 과정을 거쳐 가스를 치환하고 쿨다운을 진행하게 되는 경우, 이에 사용되는 액화수소의 사용량이 과다해지는 문제가 있는바, 본 발명에서는 액화수소의 사용량이 과다해지는 것을 방지하기 위하여, 액체질소를 탱크 안에 직접 분사하지 않고, 액체질소를 이용하여 기체수소를 냉각시킨 후, 냉각된 기체수소로 탱크 내부를 쿨다운 시키고자 한다.

우선, 본 발명의 수소처리 시스템은, 액화수소탱크(100) 내의 기체수소를 액화시키기 위한 것으로서, 액화수소탱크(100) 내의 산소를 제거하기 위해 상기 액화수소탱크(100) 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함하며, 그 이후에 기체질소를 기체수소로 치환하기 위하여 기체수소를 도입하는 가싱업 과정을 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10) 및 선박(20)의 구성을 도시한 도면이다.

하기에서 설명되는 본 발명인 수소처리 시스템(10) 및 이를 포함하는 선박(20)은 각각의 실시예에 따라 도 1에 도시된 구성의 일부 또는 전부를 포함할 수 있는바, 참고하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 2를 참고하면, 도 2에 도시된 (a)는 이너팅 과정에서 도입된 기체질소가 기체수소로 치환되는 가싱업 과정이며, (b)는 1차 쿨다운이 진행되는 과정에 해당된다.

도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 액체질소를 이용하여, 상온에서의 기체수소를 -196도의 기체수소로 냉각시킬 수 있으며, 이용된 액체질소는 기체질소가 될 수 있다. 냉각된 -196도의 기체수소는 액화수소탱크(100) 내로 도입되어 액화수소탱크(100) 내를 1차로 쿨다운시킬 수 있다.

도 2의 (b)에는 기체수소를 냉각시키는 냉매로 액체질소를 도시하였으나, 이에 한정되는 것이 아니며, 상기 냉매는 액체질소 또는 액화천연가스(LNG)일 수 있는 것으로, 질소의 비등점 이상의 비등점을 갖는 냉매를 포함한다.

도 2의 (c)는 액체수소를 이용하여 액화수소탱크(100) 내를 2차로 쿨다운시키는 과정을 도시한 것이며, 액화수소탱크(100)를 냉각시킴으로써, 액체수소는 기체수소로 변화되어 배출될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)은, 질소의 비등점 이상의 비등점을 갖는 냉매로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부(410), 및 1차 냉각 이후, 액체수소를 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 2차 냉각시키는 2차 냉각부(420)를 포함한다.

구체적으로는, 1차 냉각부(410)에서 -196도 정도로 냉각된 기체 수소에 의하여 1차 냉각시킨 후, -253도 이하의 액체수소를 이용하여, 액화수소탱크(100)내를 2차 냉각시키는 것을 특징으로 하는 것으로, 본 발명에서는 액체수소탱크(100)를 액체수소로 바로 쿨다운하는 것이 아니며, 1차로 액체질소를 이용하여 간접적으로 쿨다운을 한 후, 2차로 액체수소를 이용하여 쿨다운하는 순서로 진행 하는 것으로, 과도한 액체수소 사용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 액체질소를 포함하는 냉매는, 1차 냉각 이후 액화수소탱크(100)에서 배출되는 기체수소를 재냉각시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서 1차 냉각에서 활용된 기체수소는 재사용이 가능한 것으로, 재사용되는 기체수소는 액체질소에 의하여 재냉각되어 액화수소탱크(100) 내로 도입되어 액화수소탱크(100) 내를 1차 쿨다운 시킬 수가 있다. 그 이후에 진행되는 2차 냉각은 도 2에서와 동일하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도 3에서 이루어지는 액화수소탱크(100)에서 배출된 기체수소가 냉매에 의하여 재냉각되는 과정은 터미널(600)에서 진행될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

상기에서 설명한 바와 같이, 1차 냉각 과정에서 기체수소를 냉각시키는 것은 기체질소만이 아니며, 질소의 비등점 이상의 비등점을 갖는 냉매로서, 액화가스연료가 이용될 수 있다.

1차 냉각 과정에서, 액화천연가스(LNG)가 기체수소를 냉각시킬 수 있으며, 이 과정에서 발생한 천연가스(NG)를 발전엔진으로 전달하여 연료로 이용할 수 있다.

도 5에는 액체질소를 도시를 하였으나, 1차 냉각 과정에서는 액화가스연료를 사용할 수 있으며, 이에 의하여 발생된 기화가스를 연료로 사용할 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)은, 액체수소와 공기를 이용하여 액체질소를 생성하는 액체질소 생성부(500)를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라서는, 수소처리 시스템(10)과 함께 액체질소 생성부(500)는 선박(20)에 배치될 수 있다.

이 경우, 선박(20) 내에 배치된 액체질소 생성부(500)를 통하여, 자체적으로 발생되는 액체질소를 이용함으로써, 이너팅, 쿨다운 과정을 수행함으로써, 별도의 액체질소의 공급원이 없이도 쿨다운 등의 과정을 수행할 수 있는 효과가 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

액체질소 생성부(500)가 선박(20) 내에 배치된 도 6에서의 실시예와는 달리, 액체질소 생성부(500)는, 터미널(600)에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박(20)은, 상기의 수소처리 시스템(10)을 포함하는 선박일 수 있다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명인 수소처리 시스템(10)은, 제1 액화수소탱크(100A) 및 제2 액화수소탱크(100B)에 적용되는 수소처리 시스템(10)에 있어서, 액체질소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 제1 액화수소탱크(100A) 내에 도입하여 제1 액화수소탱크(100A) 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부(410), 및 제1 액화수소탱크(100A)에서 발생한 가열된 기체수소를 산소가 제거된 제2 액화수소탱크(100B)에 도입하여 제2 액화수소탱크(100B)를 가싱업하는 가싱업 과정을 포함할 수 있다.

도 8에는 도시하지 않았으나 상기에서 설명한 바와 같이, 도 8에 따른 수소처리 시스템(10)에 있어서도, 제1 액화수소탱크(100A) 내의 산소를 제거하기 위해 제1 액화수소탱크(100A) 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함할 수 있다. 또한, 1차 냉각부(410)에 의한 1차 냉각 이후, 2차 냉각부(420)에 의하여 액체수소를 제1 액화수소탱크(100A) 내에 도입하여 제1 액화수소탱크(100A) 내를 2차 냉각시킬 수도 있다.

액체질소는, 1차 냉각 이후 제1 액화수소탱크(100A)에서 배출되는 기체수소를 재냉각시킬 수 있고, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 선박(20)은, 상기의 수소처리 시스템(10)을 포함하는 선박일 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템(10)을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명인 수소처리 시스템(10)은, 액화수소탱크(100) 내에서 발생한 증발가스(BOG, boil of gas)인 기체수소를 저장하는 압축용기(700), 및 액화수소탱크(100)의 기체수소를 수요처로 공급하는 연료 공급부(800)를 포함할 수 있다.

도 9에 도시하지는 않았으나, 상기에서 설명한 바와 같이, 도 9에 따른 수소처리 시스템(10)에 있어서도, 액화수소탱크(100) 내의 산소를 제거하기 위해 액화수소탱크(100) 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함할 수 있으며, 냉매를 이용하여 액화수소탱크(100) 내를 냉각시키는 냉각부(400)를 포함할 수 있다.

실시예에 따라서는, 냉각부(400)는, 액체질소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부(410), 및 액체수소를 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 2차 냉각시키는 2차 냉각부(420)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수소처리 시스템(10)에 있어서, 연료 공급부(800)는, 기체수소에 기체수소 외의 연료를 혼합하는 혼합부(810)를 더 포함할 수 있으며, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 선박(20)은, 상기의 수소처리 시스템(10)을 포함하는 선박일 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소처리 시스템을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명인 수소처리 시스템(10)은, 질소의 비등점 이상의 온도를 갖는 기체수소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부(410)(도 10의 (a) 참고), 1차 냉각 시 발생한 기체질소 및 액체질소를 배출하는 배출부(900)(도 10의 (b) 참고), 및 액체수소를 액화수소탱크(100) 내에 도입하여 액화수소탱크(100) 내를 2차 냉각시키는 2차 냉각부(420)(도 10의 (c) 참고)를 포함할 수 있다.

본 발명에서의 배출부(900)는, 기체질소를 배출하는 제1 배관(910), 및 액체질소를 배출하는 제2 배관(920)을 포함할 수 있고, 실시예에 따라서는 배출부(900)는, 액화수소탱크(100)의 하단에 배치될 수 있다.

상기에서 설명한 바와 같이, 도 10에 따른 수소처리 시스템(10)에 있어서도, 액화수소탱크(100) 내의 산소를 제거하기 위해 제1 액화수소탱크(100) 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함할 수 있으며, 이너팅 과정 이후에, 액화수소탱크(100)에 채워져 있는 기체질소를 기체수소로 가싱업하는 과정에서, 냉각된 기체수소에 의하여 기체질소가 일부가 액화될 가능성이 있는바, 본 발명에서는 배출부(900)를 통하여 액화된 질소를 빠르게 배출시킴으로써, 액화질소에 따라 발생될 문제를 방지할 수 있다.

도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 기체질소는 기체수소보다 질량이 크기 때문에 액체수소탱크(100) 하단으로 모이는 경향이 있는바, 액체수소탱크(100)의 하단에 배치된 제1 배관(910)을 통하여 배출할 수 있다. 일 예로, 제1 배관(910)은 하단에 파이프 형태일 수 있다. 또한, 액체질소도 하단의 제2 배관(920)을 통하여 배출시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 기체수소로 가압하거나 별도의 펌프를 통하여 배출시킬 수도 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 선박(20)은, 상기의 수소처리 시스템(10)을 포함하는 선박일 수 있다.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예들로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10: 수소처리 시스템
20: 선박
100: 액화수소탱크
100A: 제1 액화수소탱크
100B: 제2 액화수소탱크
400: 냉각부
410: 제1 냉각부
420: 제2 냉각부
500: 액체질소 생성부
600: 터미널
700: 압축용기
800: 연료공급부
810: 혼합부
900: 배출부
910: 제1 배관
920: 제2 배관

Claims (5)

1. 제1 액화수소탱크 및 제2 액화수소탱크에 적용되는 수소처리 시스템에 있어서,
   액체질소로 냉각시킨 기체수소를 산소가 제거된 제1 액화수소탱크 내에 도입하여 상기 제1 액화수소탱크 내를 1차 냉각시키는 1차 냉각부를 포함하며,
   상기 제1 액화수소탱크에서 발생한 가열된 기체수소를 산소가 제거된 제2 액화수소탱크에 도입하여 상기 제2 액화수소탱크를 가싱업하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소처리 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 액화수소탱크 내의 산소를 제거하기 위해 상기 제1 액화수소탱크 내에 기체질소를 도입하는 이너팅 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소처리 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   액체수소를 상기 제1 액화수소탱크 내에 도입하여 상기 제1 액화수소탱크 내를 2차 냉각시키는 2차 냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수소처리 시스템.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 액체질소는, 상기 1차 냉각 이후 상기 제1 액화수소탱크에서 배출되는 기체수소를 재냉각시키는 것을 특징으로 하는, 수소처리 시스템.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 수소처리 시스템을 포함하는 선박.

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