WO2021040272A1 - 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법 - Google Patents

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이제명
배진호
황재식
김희태
김슬기
김정현
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부산대학교 산학협력단
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the present invention relates to an insulation system for a cargo hold storing liquefied hydrogen, and more particularly, a liquefied hydrogen cargo hold constituting a cargo hold storing liquefied hydrogen by stacking a barrier made of metal and an insulating material treated to prevent hydrogen embrittlement. It relates to an insulation system and a method of manufacturing the same.
  • SOx and NOx can be sufficiently protected if natural gas is currently used, but in terms of generating carbon dioxide, intensive development is being made on hydrogen, a zero-emission energy, because they do not satisfy the environmental pollution regulations subject to global warming in the future. .
  • Hydrogen energy combines with oxygen to produce water, and electricity is generated in the process of substitution. Hydrogen is attracting attention as eco-friendly energy because by-products generated in the chemical substitution process only discharge pure water. Moreover, producing hydrogen is easy to separate water into hydrogen and oxygen by electrolyzing water with renewable energy (wind power, sea power, hydropower, etc.), and this also has the advantage of avoiding the situation of having to supply limited energy that can be obtained in a specific country. exist. However, since high technology is required to obtain hydrogen, it is essential for a country that can obtain a large amount of hydrogen to launch a hydrogen energy carrier to deliver hydrogen to other countries.
  • the technology of hydrogen energy carriers is also a matter of volume efficiency that is indispensable in the design of the cargo hold. If hydrogen is converted to a liquefied hydrogen state like a liquefied natural gas carrier, it can have an efficiency of 1/860 times the volume of gaseous hydrogen. Spatially, the Membrane Type, which is most closely adhered to the alignment of the carrier, also has higher shipping efficiency compared to the Moss Type, which emphasizes safety, and Types A, B, and C regulated by the International Maritime Organization. I can.
  • the volumetric efficiency of liquefied hydrogen compressed at high pressure is improved, but structural safety capable of withstanding a high pressure environment is required along with additional equipment used for compression.
  • Liquefied hydrogen is difficult to maintain in a perfect liquid state, so natural gaseous gas (BOG) is continuously generated, and vaporized hydrogen can cause a fatal problem of hydrogen embrittlement to the metal material of the inner wall of the insulation system of the cargo hold.
  • BOG natural gaseous gas
  • the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to sufficiently capture and protect vaporized hydrogen generated in the process of storing and transporting liquefied hydrogen, thereby preventing a decrease in mechanical strength and a decrease in thermal insulation performance due to hydrogen embrittlement. And, it is to provide a liquid hydrogen cargo hold insulation system and a manufacturing method that can prevent the risk of explosion.
  • a primary barrier made of metal coated with an anti-hydrogen embrittlement film; And an insulation module stacked on the rear of the primary barrier.
  • the insulation module plywood made of wood laminated on the rear surface of the primary barrier; A primary insulating material laminated on the rear surface of the plywood and made of an insulating resin; A secondary barrier made of a metal material laminated on the rear surface of the primary heat insulator; And a secondary heat insulating material made of an insulating resin material laminated on the rear surface of the secondary barrier.
  • the primary heat insulating material may include hydrogen storage alloy powder or activated carbon powder in the heat insulating resin.
  • a first hydrogen trapping film containing activated carbon may be coated on the surface of the primary insulating material.
  • At least the front surface of the secondary barrier may be coated with a hydrogen embrittlement preventing metal powder.
  • the secondary barrier may be made of a composite material in which a glass fiber fabric is adhered to a surface of a core plate made of a hydrogen storage alloy.
  • the secondary insulating material may have a structure in which reinforcing fibers are mixed with an insulating resin, and a second hydrogen trapping film made of a hydrogen storage alloy is coated on the surface.
  • the hydrogen embrittlement preventing metal powder may be lanthanum oxide (La2O3) powder.
  • a plywood made of wood, a secondary barrier made of metal and a secondary barrier made of metal and a second insulation material made of insulating resin may be laminated as an insulation module on the rear surface of the primary barrier.
  • the first heat insulating material may be foam-molded and then coated with a first hydrogen trapping film by applying a coating agent containing activated carbon to the surface.
  • At least the front surface of the secondary barrier may be coated with a hydrogen embrittlement preventing metal powder by a thermal spraying method.
  • the secondary barrier may be made of a composite material by bonding a glass fiber fabric to the surface of a core plate made of a hydrogen storage alloy before lamination.
  • reinforcing fibers are mixed with an insulating resin before lamination, and a second hydrogen trapping film made of a hydrogen storage alloy may be coated on the surface.
  • the primary barrier in direct contact with liquefied hydrogen is coated with a hydrogen embrittlement prevention metal powder such as lanthanum oxide (La 2 O 3 ), damage to the primary barrier due to hydrogen embrittlement is prevented, and It can prevent leakage.
  • a hydrogen embrittlement prevention metal powder such as lanthanum oxide (La 2 O 3 )
  • the hydrogen storage alloy or activated carbon powder of the primary insulation absorbs and stores hydrogen. Due to this hydrogen embrittlement, it is possible to prevent the mechanical strength from deteriorating, and to prevent the risk of explosion.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a liquefied hydrogen cargo hold insulation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a view showing an embodiment of a method of manufacturing the primary barrier of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG.
  • FIG. 5 is a view showing a method of manufacturing the primary insulation of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view showing an embodiment of a method of manufacturing a secondary barrier of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing another embodiment of a secondary barrier of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an embodiment of the secondary insulation of the liquefied hydrogen cargo hold insulation system shown in FIG.
  • FIG. 1 to 8 are views showing a liquefied hydrogen cargo hold insulation system and a manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • a liquefied hydrogen cargo hold insulation system includes a primary barrier 10 forming an inner wall surface of a cargo hold storing liquefied hydrogen, and 1 Insulation module including plywood 20, a primary insulation 30, a secondary barrier 40, and a secondary insulation 50 sequentially stacked on the rear of the primary barrier 10 It includes, and implements the cargo hold in the form of a membrane.
  • a hull side plywood 60 made of wood is stacked at the rear of the secondary insulation 50 to distribute the load, and the hull side plywood 60 is attached to the mastic 70 fixed to the hull 80 do.
  • the primary barrier 10 is formed with corrugations 11 in the form of a grid and is made of steel that can withstand cryogenic temperatures, constituting an inner wall surface that directly contacts liquefied hydrogen in the cargo hold. It acts to prevent leakage.
  • the first barrier 10 is coated with a hydrogen embrittlement prevention film 12 made of hydrogen embrittlement prevention metal powder at least on a surface facing the inside of the cargo hold, that is, a front surface that comes into contact with liquefied hydrogen.
  • the hydrogen embrittlement preventing metal powder is coated on the front surface of the primary barrier 10 by a metal spraying method to prevent hydrogen embrittlement.
  • a metal spraying method is possible and preferable to use a material capable of preventing hydrogen embrittlement, and, for example, lanthanum oxide; may be used (La 2 O 3 Lanthanum Oxide) powder.
  • Lanthanum oxide (La 2 O 3 ) is a rare earth material that is generated when LaNi 5 is oxidized, known as a hydrogen storage alloy, and has a property of preventing the penetration of hydrogen.
  • lanthanum oxide La 2 O 3
  • a metal spraying method that changes to a molten solution through a melting process at ultra-high temperature and collides with the substrate at high speed to form a rapid cooling and solidification film. It is desirable. Heating and melting of the material uses heat sources such as combustion flames, arcs and plasmas with high energy density.
  • the plywood 20 is made of wooden boards laminated in connection with the rear surface of the primary barrier 10, and the sloshing impact generated by the relative motion of the liquid cargo and the swing period of the ship in the membrane-type cargo hold Impact Load) is properly distributed.
  • the primary heat insulator 30 must ensure constant thermal insulation and mechanical performance, and serves to prevent liquefied hydrogen from leaking or dispersing of vaporized hydrogen from the primary barrier (10).
  • This primary insulating material 30 has high thermal insulation performance and high resistance to a certain load to maintain the cryogenic temperature (-253°C) of liquefied hydrogen, and leaks through the primary barrier 10 when the primary barrier 10 is damaged. It is made of insulating resin such as reinforced polyurethane foam that can trap hydrogen. More specifically, as shown in FIG.
  • the primary heat insulating material 30 is manufactured by adding a hydrogen storage alloy or activated carbon hydrogen trapping material powder 32 to a heat insulating resin 31 such as polyurethane foam ( 5(A)), by coating the first hydrogen trapping film 33 by applying a coating agent containing activated carbon to the surface of the primary heat insulator 30 (FIG. 5B) Reference) It can have a hydrogen trapping function along with thermal insulation properties.
  • the manufacturing method of the primary insulating material 30 shown in the drawing of FIG. 5A is pre-treated by adding a hydrogen trapping material powder 32 made of a hydrogen storage alloy or activated carbon to Neat polyurethane foam (Neat-PUF). It is a method of foam molding. Neat polyurethane foam is formed by chemical bonding of isocyanate and polyol, and can be made by finally adding Blowing Agent, an additive that can adjust the density by changing the natural foam height. In the process of manufacturing Neat polyurethane foam, a hydrogen storage alloy or activated carbon powder is added and mixed, and then foamed and molded to form the primary insulating material 30.
  • the hydrogen trapping material powder 32 made of a hydrogen storage alloy or activated carbon is added to the polyurethane foam, the hydrogen leaked through the first barrier 10 in a cryogenic environment for storing liquefied hydrogen is removed from the first heat insulator 30.
  • the fine pores of the hydrogen storage alloy powder or activated carbon powder are adsorbed to physically prevent the diffusion of hydrogen.
  • Types of hydrogen storage alloys used as reinforcing additives include palladium (Pd), lanthanum (La) and manganese (Mn)-based metals.
  • lanthanum (La)-based hydrogen storage alloys have high temperatures after storage of hydrogen gas. It does not emit even in the environment (300°C), so it has excellent shielding against hydrogen gas.
  • the second method in Fig. 5(B) is a method of using a post-treatment of polyurethane foam, which is made of an activated carbon thin film on the surface by applying a coating agent containing activated carbon to the finished Neat polyurethane foam and heating it at a high temperature.
  • This is a method of forming the first hydrogen trapping film 33.
  • the secondary barrier 40 stacked on the rear surface of the primary insulating material 30 is based on the IGC Code (The International Code of the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk). It is constructed with the purpose of preventing liquid hydrogen from directly reaching the hull in order to anchor it to a nearby port within two weeks in the event of a leak due to a leak.
  • the secondary barrier 40 like the primary barrier 10, is a front surface or a front surface and a rear surface in contact with the primary insulating material 30 among the surfaces of a steel that can withstand cryogenic temperatures. All may have a structure coated with a hydrogen embrittlement prevention film 41 made of a hydrogen embrittlement prevention metal powder.
  • the hydrogen embrittlement preventing metal powder may be lanthanum oxide (La 2 O 3 ) powder, and may be coated on the surface of the secondary barrier 40 by a metal spraying method as described above. In this way, when using the method of coating the secondary barrier 40 with the hydrogen embrittlement prevention metal powder on the cryogenic steel material, welding to ensure airtightness with the primary insulation 30 and the secondary insulation 50 made of reinforced polyurethane foam. Will be performed.
  • La 2 O 3 lanthanum oxide
  • the secondary barrier 40 is made of a composite material in which a glass fiber fabric 43 is adhered to the surface of a core plate 42 made of a hydrogen storage alloy material through an adhesive 44. May be.
  • the secondary heat insulator 50 is stacked in contact with the rear surface of the secondary barrier 40, and unlike the primary heat insulator 30, in order to prevent heat intrusion due to room temperature (approximately 10 to 20°C) outside the ship. It is made of reinforced polyurethane foam with sufficient insulation performance. As shown in Figure 8, the secondary heat insulating material 50 is a reinforcing fiber 52 such as glass fiber is mixed with a heat insulating resin such as polyurethane foam, the second surface (front surface) made of a hydrogen storage alloy. The hydrogen trapping film 51 may have a coated structure. In more detail, the method of manufacturing the secondary insulating material 50 made of such reinforced polyurethane foam will be described in more detail.
  • a thin film made of a hydrogen storage alloy is added and foamed in the process of manufacturing Neat polyurethane foam, the process of foaming
  • the hydrogen storage alloy thin film forms a second hydrogen trapping film 51 on one surface to secure airtightness.
  • reinforcing fibers 52 such as glass fibers are added to the neat polyurethane foam and arranged at random, the mechanical performance of the secondary insulating material 50 can be improved.
  • a hull side plywood 60 made of wood is stacked on the rear surface of the secondary heat insulator 50.
  • the hull side plywood 60 serves to allow the load generated by the behavior of the hull to be properly distributed before being transmitted to the secondary insulation 50 made of reinforced polyurethane foam.
  • the hull side plywood 60 is coupled to and supported by a plurality of mastics 70 fixed to the hull 80.
  • a metal powder for preventing hydrogen embrittlement is injected into the coating spray nozzle 16, 15) by spraying on the front and/or rear surfaces of the primary barrier 10 to apply coating.
  • lanthanum oxide La 2 O 3 ; Lanthanum Oxide
  • the plywood 20 made of wood constituting the insulation module in the primary barrier 10 a primary insulation 30 made of an insulation resin material such as reinforced polyurethane foam, and a secondary barrier made of metal ( 40), a secondary heat insulating material 50 made of an insulating resin material such as reinforced polyurethane foam, and a plywood 60 on the hull side made of wood are laminated to be manufactured.
  • the primary heat insulating material 30 is foamed and molded.
  • Reinforced polyurethane foam may be used, or the first hydrogen trapping film 33 coated with the surface of Neat polyurethane foam or reinforced polyurethane foam may be coated with a coating agent containing activated carbon.
  • the secondary barrier 40 uses the front and/or rear surfaces coated with a hydrogen embrittlement prevention metal powder (see FIG. 6) by a thermal spraying method, or a hydrogen storage alloy material.
  • the glass fiber fabric 43 is adhered to the surface of the core plate 42 of the material made of a composite material (see FIG. 7) can be used.
  • the secondary heat insulating material 50 is also reinforced in which a reinforcing fiber 52 such as glass fiber is mixed with an insulating resin as shown in FIG. 8, and a second hydrogen trapping film 51 made of a hydrogen storage alloy is coated on the surface.
  • a reinforcing fiber 52 such as glass fiber
  • an insulating resin as shown in FIG. 8
  • a second hydrogen trapping film 51 made of a hydrogen storage alloy is coated on the surface.
  • Polyurethane foam can be used.
  • the primary barrier 10 in direct contact with liquefied hydrogen is coated with a hydrogen embrittlement preventing metal powder such as lanthanum oxide (La 2 O 3 ), the primary barrier according to hydrogen embrittlement ( 10) damage can be prevented.
  • a hydrogen embrittlement preventing metal powder such as lanthanum oxide (La 2 O 3 )
  • the thermal insulation system can prevent the mechanical strength from deteriorating due to hydrogen embrittlement, and prevent the risk of explosion.
  • the present invention can be applied to a cargo hold of a liquefied hydrogen carrier carrying liquefied hydrogen or an insulation system of a liquefied hydrogen storage tank storing liquefied hydrogen.

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Abstract

본 발명은 수소취화를 방지할 수 있도록 처리된 금속 재질의 방벽과 단열재가 적층되어 액화수소를 저장하는 화물창을 구성하는 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 액화수소 화물창 단열시스템은, 액화수소를 저장하는 화물창의 내벽면을 이루며, 적어도 화물창의 내부를 향하여 액화수소와 접촉하는 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 된 수소취화방지막으로 코팅된 금속 재질의 1차 방벽(Primary Barrier); 상기 1차 방벽의 후방면에 적층되는 목재 재질의 플라이우드; 상기 플라이우드의 후방면에 적층되며, 단열성 수지로 이루어진 1차 단열재; 상기 1차 단열재의 후방면에 적층되는 금속 재질의 2차 방벽(Secondary Barrier); 및, 상기 2차 방벽의 후방면에 적층되는 단열성 수지 재질의 2차 단열재;를 포함할 수 있다.

Description

액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법
본 발명은 액화수소를 저장하는 화물창의 단열시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소취화를 방지할 수 있도록 처리된 금속 재질의 방벽과 단열재가 적층되어 액화수소를 저장하는 화물창을 구성하는 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
급속도로 전개되는 친환경 에너지의 개발은 지상의 에너지저장용기의 개발과 함께 해양의 운반선의 기술 개발로 이어진다. 에너지 개발은 석탄 및 석유와 같은 탄화에너지가 주된 자원이었으나, 각 국의 환경오염 규제가 강화되어 탈탄화에너지인 천연가스가 주요한 에너지자원으로 대체되고 있다. 일반적으로 천연가스 운반선은 공급국가에서 수요국가로 운반하게 될 때 최단거리로 운항하고자 한정된 폭을 가지고 있어서 에너지를 저장하는 화물창의 부피는 고정될 수밖에 없다. 이에 따라서 천연가스의 부피를 효율적으로 줄이고자 액화천연가스 상태로 운반하며 기체상태의 천연가스 대비 1/600 배의 부피를 절감시킬 수 있다. 다만, 액화점이 -163℃이므로 화물창은 단열시스템을 필수적으로 사용하여 설계되고 있다.
앞서 서술한 환경오염 규제는 미세먼지 및 초미세먼지를 발생시키는 황산화물(SOx) 및 질소산화물(NOx)를 대상으로 하였으나, 이후의 규제는 지구온난화를 대비하기 위한 이산화탄소(CO 2)에 주목하고 있다. SOx 및 NOx는 현재 천연가스를 사용하게 되면 충분한 방비가 가능하지만 이산화탄소를 발생시킨다는 점에서는 향후 지구온난화 대상 환경오염 규제를 만족시키지 못하기 때문에 zero-emission 에너지인 수소에 대해 집중적인 개발이 이루어지고 있다.
수소에너지는 산소와 결합하여 물을 생성하며, 치환 과정에서 전기를 생성한다. 화학적 치환 과정에서 발생하는 부산물들은 순수한 물만을 배출하므로 친환경 에너지로 수소가 주목되고 있다. 게다가 수소를 생산하는 것은 재생에너지(풍력, 해력, 수력 등)로 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분리하기 용이하며, 이는 특정 국가에서 얻을 수 있는 한정된 에너지를 수급하여야만 한다는 상황 자체를 탈피하는 이점도 존재한다. 하지만 수소를 얻기 위해서는 높은 기술력이 요구되므로 대량의 수소를 얻을 수 있는 국가가 타국에 수소를 전달하기 위한 수소에너지 운반선의 출범은 필수적인 상황이다
수소에너지 운반선의 기술 역시 화물창의 설계에서 빼놓을 수 없는 것이 부피효율에 대한 문제이다. 액화천연가스 운반선과 동일하게 수소 또한 액화수소 상태로 변환하게 되면 기체수소 대비 부피 1/860배의 효율을 가질 수 있다. 공간적으로 운반선의 선형과 가장 밀착된 멤브레인 형태(Membrane Type) 역시 안전성이 부각되는 모스 형태(Moss Type) 및 국제해사기구(International Maritime Organization)에서 규정한 Type A, B, C 대비 높은 선적 효율을 가질 수 있다.
그런데 설계적으로 공간 효율을 향상시키기 위한 멤브레인 형태 및 액화수소로의 이송 방법에서 치명적으로 작용하는 것은 액화수소의 -253℃에 달하는 극저온과 함께 수소취화에 따른 단열시스템의 단열 성능 저하와 기체수소에 대한 폭발 위험성이다.
다시 말해서, 고압으로 압축된 액화수소는 부피효율이 개선되나, 압축을 위해 사용되는 부가적인 장비와 함께 고압환경에 견딜 수 있는 구조안전성이 요구된다. 액화수소는 완벽한 액체 상태를 유지시키기가 어려워 자연기화가스(BOG)가 지속적으로 생성되며, 기화된 수소는 수소취화라는 치명적인 문제를 화물창의 단열시스템의 내벽 금속재료에 야기시킬 수 있다. 수소취화가 일어날 경우 내벽 금속재료의 기계적 강도가 저하되고, 강도가 저하된 내벽은 유체 슬로싱의 충격을 견디지 못해 유출 및 수소 폭발이 발생할 수 있는 재해를 일으켜서 수소운반선의 구조 안전성 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 액화수소를 저장하여 운송하는 과정에서 발생하는 기화한 수소를 충분히 포집 및 방비하여 수소취화로 인한 기계적 강도 저하 및 단열 성능 저하를 방지하고, 폭발의 위험성을 방지할 수 있는 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 액화수소 화물창 단열시스템은, 액화수소를 저장하는 화물창의 내벽면을 이루며, 적어도 화물창의 내부를 향하여 액화수소와 접촉하는 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 된 수소취화방지막으로 코팅된 금속 재질의 1차 방벽(Primary Barrier); 및, 상기 1차 방벽의 후방에 적층되는 단열모듈;을 포함할 수 있다.
상기 단열모듈은, 상기 1차 방벽의 후방면에 적층되는 목재 재질의 플라이우드; 상기 플라이우드의 후방면에 적층되며, 단열성 수지로 이루어진 1차 단열재; 상기 1차 단열재의 후방면에 적층되는 금속 재질의 2차 방벽(Secondary Barrier); 및, 상기 2차 방벽의 후방면에 적층되는 단열성 수지 재질의 2차 단열재;를 포함할 수 있다.
상기 1차 단열재는 단열성 수지에 수소저장합금 분말 또는 활성탄 분말이 포함될 수 있다.
또한 상기 1차 단열재의 표면에는 활성탄이 포함된 제1수소포집막이 코팅될 수 있다.
상기 2차 방벽은 적어도 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 코팅될 수 있다.
또는 상기 2차 방벽은 수소저장합금 재질의 코어플레이트의 표면에 유리섬유직물이 접착된 복합소재로 구성될 수 있다.
상기 2차 단열재는 단열성 수지에 보강섬유가 혼합되고, 표면에 수소저장합금으로 된 제2수소포집막이 코팅된 구조를 가질 수 있다.
상기 수소취화 방지 금속 분말은 산화란탄(La2O3; Lanthanum Oxide) 분말을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 액화수소 화물창 단열시스템을 제조하는 방법은,
(S1) 수소취화 방지 금속 분말을 코팅용사노즐에 주입한 뒤 초고온 용사 건으로 분사하여 1차 방벽의 전방면에 수소취화 방지 금속 분말을 코팅하는 단계;
(S2) 상기 수소취화 방지 금속 분말로 코팅된 1차 방벽의 후방면에 단열모듈을 적층하는 단계;
를 포함할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 단열성 수지에 수소저장합금 분말 또는 활성탄 분말을 첨가하여 발포 성형하여 단열모듈을 구성하는 1차 단열재를 제조하고,
상기 (S2) 단계에서 상기 1차 방벽의 후방면에 단열모듈로서 목재 재질의 플라이우드와 상기 1차 단열재와 금속 재질의 2차 방벽(Secondary Barrier)과 단열성 수지 재질의 2차 단열재를 적층할 수 있다.
상기 1차 단열재는 발포 성형된 후 표면에 활성탄이 포함된 코팅제를 도포하여 제1수소포집막을 코팅할 수 있다.
상기 2차 방벽은 적층 전에 적어도 전방면이 용사법에 의해 수소취화 방지 금속 분말로 코팅될 수 있다.
상기 2차 방벽은 적층 전에 수소저장합금 재질의 코어플레이트의 표면에 유리섬유직물이 접착되어 복합소재로 제조될 수 있다.
상기 2차 단열재는 적층 전에 단열성 수지에 보강섬유가 혼합되고, 표면에 수소저장합금으로 된 제2수소포집막이 코팅될 수 있다.
본 발명에 따르면, 액화수소와 직접 접촉하는 1차 방벽이 산화란탄(La 2O 3)과 같은 수소취화 방지 금속 분말로 코팅되어 있으므로 수소취화에 따른 1차 방벽의 손상을 방지하고, 액화수소의 누출을 방지할 수 있다.
또한 액화수소의 운반 과정에서 슬로싱 등에 의해 1차 방벽에 손상이 발생하여 수소가 1차 방벽을 통해 누출되더라도 1차 단열재의 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 분말이 수소를 흡착하여 저장하게 되므로 단열시스템이 수소취화로 인해 기계적 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 화물창 단열시스템을 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 1차 방벽을 제조하는 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 1차 단열재를 제조하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 2차 방벽을 제조하는 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 2차 방벽의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 1에 도시한 액화수소 화물창 단열시스템의 2차 단열재의 일 실시예를 나타낸 단면도이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법을 후술된 실시예에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 화물창 단열시스템 및 그 제조 방법을 나타낸 도면이다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화수소 화물창 단열시스템은, 액화수소를 저장하는 화물창의 내벽면을 이루는 1차 방벽(Primary Barrier)(10)과, 상기 1차 방벽(10)의 후방에 순차적으로 적층되는 플라이우드(plywood)(20)와 1차 단열재(30)와 2차 방벽(Secondary Barrier)(40)과 2차 단열재(50)를 포함하는 단열모듈을 포함하며, 화물창을 멤브레인 형태로 구현한다.
상기 2차 단열재(50)의 후방에는 하중 분산을 위해 목재로 된 선체측 플라이우드(60)가 적층되고, 상기 선체측 플라이우드(60)는 선체(80)에 고정되는 마스틱(70)에 부착된다.
상기 1차 방벽(10)은 격자 형태로 주름(11)이 형성되어 있으며 극저온에서 견딜 수 있는 강재로 이루어져 화물창에서 액화수소와 직접 접촉하게 되는 내벽면을 구성하는 것으로, 화물창 내에 저장되는 액화수소의 누출을 방지하는 작용을 한다. 상기 1차 방벽(10)은 적어도 화물창의 내부를 향한 표면, 즉 액화수소와 접촉하게 되는 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 된 수소취화방지막(12)이 코팅되어 있다.
도 4a에 도시한 것과 같이, 상기 수소취화 방지 금속 분말은 금속용사법에 의해 1차 방벽(10)의 전방면에 코팅되어 수소취화를 방지한다. 수소취화 방지 금속 분말로는 금속용사법이 가능하며, 수소취화를 방지할 수 있는 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 산화란탄(La 2O 3; Lanthanum Oxide) 분말을 사용할 수 있다. 산화란탄(La 2O 3)은 수소저장합금으로 알려진 LaNi 5가 산화시 생성되는 희토류계 물질로서, 수소의 침투를 방지하는 성질을 가진다. 산화란탄(La 2O 3)을 극저온 강재인 1차 방벽(10)의 표면에 코팅하기 위해서는 초고온에서 용융과정을 통해 용융액으로 변화시켜 고속으로 기재에 충돌시켜 급냉응고 피막을 형성시키는 금속용사법을 적용하는 것이 바람직하다. 재료의 가열 및 용융을 진행하는 것은 에너지 밀도가 높은 연소화염, 아크 및 플라즈마 등의 열원을 사용한다.
플라이우드(20)는 상기 1차 방벽(10)의 후방면에 연접하게 적층되는 목재 판재로 이루어져, 멤브레인 형태의 화물창에서 선박의 요동주기와 액체화물의 상대 운동으로 인하여 발생하는 슬로싱 충격(Sloshing Impact Load)을 적절히 분산시키는 작용을 한다.
상기 1차 단열재(30)는 일정한 단열·기계적 성능이 확보되어야 하며, 상기 1차 방벽(10)으로부터 액화수소가 누출되거나, 기화수소가 분산되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이러한 1차 단열재(30)는 액화수소의 극저온(-253℃)을 유지하기 위해 단열성능이 높고 일정 하중에 저항성이 크며 1차 방벽(10)의 파손 시 1차 방벽(10)을 통해 누출되는 수소를 포집할 수 있는 역할을 하는 강화 폴리우레탄폼과 같은 단열성 수지로 만들어진다. 좀 더 구체적으로, 도 5에 도시한 것과 같이 1차 단열재(30)는 폴리우레탄폼과 같은 단열성 수지(31)에 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말(32)을 첨가하여 제작되거나(도 5의 (A) 도면 참조), 1차 단열재(30)의 표면에 활성탄이 포함된 코팅제를 도포하여 제1수소포집막(33)을 코팅한 구조를 가짐으로써(도 5의 (B) 도면 참조) 단열성과 함께 수소 포집 기능을 가질 수 있다.
도 5의 (A) 도면에 제시된 1차 단열재(30)의 제조 방법은, Neat 폴리우레탄폼(Neat-PUF)에 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말(32)을 첨가하여 전처리한 후 발포 성형하는 방법이다. Neat 폴리우레탄폼은 이소시아네이트(isocyanate) 및 폴리올(polyol)의 화학적 결합으로 형성되며 자연 발포 높이를 변화시켜 밀도를 조절할 수 있는 첨가제인 Blowing Agent를 마지막으로 첨가함으로써 만들어질 수 있다. 이와 같이 Neat 폴리우레탄폼을 제작하는 과정에서 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 분말을 첨가하여 혼합한 후 발포 성형하면 1차 단열재(30)가 만들어지게 된다.
폴리우레탄폼에 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말(32)이 첨가되면, 액화수소를 저장하는 극저온의 환경에서 1차 방벽(10)을 통해 누출된 수소를 1차 단열재(30)의 수소저장합금 분말 또는 활성탄 분말의 미세한 기공이 흡착하여 물리적으로 수소의 확산을 방지하는 작용을 할 수 있다. 강화 첨가제로 사용하는 수소저장합금의 종류로는 팔라듐(Pd), 란탄(La) 그리고 망간(Mn) 계열의 금속들이 있으며, 특히 란탄(La) 계열의 수소저장합금은 수소가스의 저장 이후에 고온의 환경(300℃)에서도 방출하지 않아 수소 가스에 대한 차폐성이 뛰어나다.
또한 도 5의 (B) 도면에 두 번째 방법은 폴리우레탄폼의 후처리를 이용하는 방법으로, 제작이 완료된 Neat 폴리우레탄폼에 활성탄이 포함된 코팅제를 도포 후 고온에서 가열하여 표면에 활성탄 박막으로 이루어진 제1수소포집막(33)을 형성하는 방법이다.
다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 1차 단열재(30)의 후방면에 적층되는 2차 방벽(40)은 IGC Code(The International Code of the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk)에 의한 누출 상황에서 2주 내에 인근 항구로 정박하기 위해 액화수소가 선체까지 직접적으로 닿지 못하도록 방지하는 목적으로 구성된 것이다. 도 6에 도시한 것과 같이, 상기 2차 방벽(40)은 1차 방벽(10)과 마찬가지로 극저온에도 견딜 수 있는 강재의 표면 중 상기 1차 단열재(30)와 접하는 전방면 또는 전방면과 후방면 모두가 수소취화 방지 금속 분말로 된 수소취화방지막(41)이 코팅된 구조를 가질 수 있다. 상기 수소취화 방지 금속 분말은 산화란탄(La 2O 3) 분말일 수 있으며, 전술한 것과 같은 금속용사법으로 2차 방벽(40)의 표면에 코팅될 수 있다. 이와 같이 2차 방벽(40)을 극저온 강재에 수소취화 방지 금속 분말로 코팅하는 방법을 사용할 경우 강화 폴리우레탄폼으로 된 1차 단열재(30) 및 2차 단열재(50)와의 기밀성을 보장하기 위해서 용접을 수행하게 된다.
또는 도 7에 도시한 것과 같이, 상기 2차 방벽(40)은 수소저장합금 재질의 코어플레이트(42)의 표면에 유리섬유직물(43)이 접착제(44)를 매개로 접착된 복합소재로 이루어질 수도 있다.
상기 2차 단열재(50)는 2차 방벽(40)의 후방면에 맞닿게 적층되며, 1차 단열재(30)와는 달리 선박 외부의 상온(약 10~20℃)에 의한 열침입을 방지하기 위해 충분한 단열 성능을 가진 강화 폴리우레탄폼으로 만들어진다. 도 8에 도시한 것과 같이, 상기 2차 단열재(50)는 폴리우레탄폼과 같은 단열성 수지에 유리섬유와 같은 보강섬유(52)가 혼합되고, 표면(전방면)에는 수소저장합금으로 된 제2수소포집막(51)이 코팅된 구조를 가질 수 있다. 이러한 강화 폴리우레탄폼으로 이루어진 2차 단열재(50)를 제조하는 방법을 좀 더 구체적으로 설명하면, Neat 폴리우레탄폼을 제작하는 과정에서 수소저장합금으로 된 박막을 첨가하여 발포 성형하면, 발포하는 과정에서 한 쪽 표면에 수소저장합금 박막이 제2수소포집막(51)을 형성하여 기밀성을 확보하게 된다. 이 때 Neat 폴리우레탄폼에 유리섬유와 같은 보강섬유(52)을 첨가하여 무작위로 배치하면 2차 단열재(50)의 기계적 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 2차 단열재(50)의 후방면에는 목재로 된 선체측 플라이우드(60)가 적층된다. 상기 선체측 플라이우드(60)는 선체의 거동에 의해 발생하는 하중이 강화 폴리우레탄폼으로 된 2차 단열재(50)에 전달되기 전에 적절히 분산될 수 있게 하는 작용을 한다.
상기 선체측 플라이우드(60)는 선체(80)에 고정되는 복수의 마스틱(70)에 결합되어 지지된다.
이하 상술한 구성을 갖는 액화수소 화물창 단열시스템을 제조하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 4a에 도시한 것과 같이 액화수소와 맞닿는 1차 방벽(10)의 수소취화(Hydrogen Embrittlement)를 방지하기 위해서, 수소취화 방지 금속 분말을 코팅용사노즐(16)에 주입한 뒤 초고온 용사 건(15)으로 1차 방벽(10)의 전방면 및/또는 후방면에 분사하여 코팅을 한다. 이 때 전술한 것처럼 코팅에 사용하는 수소취화 방지 금속 분말로는 산화란탄(La 2O 3; Lanthanum Oxide) 분말을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 1차 방벽(10)에 단열모듈을 구성하는 목재 재질의 플라이우드(20)와, 강화 폴리우레탄폼과 같은 단열성 수지 재질로 된 1차 단열재(30), 금속 재질의 2차 방벽(40), 강화 폴리우레탄폼과 같은 단열성 수지 재질로 된 2차 단열재(50), 목재 재질의 선체측 플라이우드(60)를 적층하여 제조한다.
이 때, 상기 1차 단열재(30)를 단열성 수지 재료(Neat 폴리우레탄폼을 생성하기 위한 이소시아네이트 성분 및 폴리올 성분)에 수소저장합금 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말(32)을 첨가하여 발포 성형함으로써 강화 폴리우레탄폼으로 된 것을 사용하거나, 혹은 Neat 폴리우레탄폼 또는 강화 폴리우레탄폼의 표면이 활성탄이 포함된 코팅제로 도포되어 제1수소포집막(33)이 코팅된 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 2차 방벽(40)은 1차 방벽(10)과 마찬가지로 전방면 및/또는 후방면이 용사법에 의해 수소취화 방지 금속 분말로 코팅된 것(도 6 참조)을 사용하거나, 수소저장합금 재질의 코어플레이트(42)의 표면에 유리섬유직물(43)이 접착되어 복합소재로 제조된 것(도 7 참조)을 사용할 수 있다.
상기 2차 단열재(50) 역시 도 8에 도시한 것과 같이 단열성 수지에 유리섬유와 같은 보강섬유(52)가 혼합되고, 표면에 수소저장합금으로 된 제2수소포집막(51)이 코팅된 강화 폴리우레탄폼으로 된 것을 사용할 수 있다.
상술한 것과 같이 본 발명의 단열시스템은 액화수소와 직접 접촉하는 1차 방벽(10)이 산화란탄(La 2O 3)과 같은 수소취화 방지 금속 분말로 코팅되어 있으므로 수소취화에 따른 1차 방벽(10)의 손상을 방지할 수 있다.
또한 액화수소의 운반 과정에서 슬로싱 등에 의해 1차 방벽(10)에 손상이 발생하여 수소가 1차 방벽(10)을 통해 누출되더라도 1차 단열재(30)의 수소포집재 분말(32)이 수소를 흡착하여 저장하게 되므로 단열시스템이 수소취화로 인해 기계적 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 폭발의 위험성을 방지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 액화수소를 운반하는 액화수소 운반선의 화물창 또는 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크의 단열시스템에 적용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 액화수소를 저장하는 화물창의 내벽면을 이루며, 적어도 화물창의 내부를 향하여 액화수소와 접촉하는 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 된 수소취화방지막으로 코팅된 금속 재질의 1차 방벽(Primary Barrier); 및,
    상기 1차 방벽의 후방에 적층되는 단열모듈;
    을 포함하는 액화수소 화물창 단열시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단열모듈은,
    상기 1차 방벽의 후방면에 적층되는 목재 재질의 플라이우드;
    상기 플라이우드의 후방면에 적층되며, 단열성 수지로 이루어진 1차 단열재;
    상기 1차 단열재의 후방면에 적층되는 금속 재질의 2차 방벽(Secondary Barrier); 및,
    상기 2차 방벽의 후방면에 적층되는 단열성 수지 재질의 2차 단열재;
    를 포함하는 액화수소 화물창 단열시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 1차 단열재는 단열성 수지에 수소저장합금 분말 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말이 포함된 액화수소 화물창 단열시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 1차 단열재의 표면에는 활성탄이 포함된 제1수소포집막이 코팅된 액화수소 화물창 단열시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 2차 방벽은 적어도 전방면이 수소취화 방지 금속 분말로 코팅된 액화수소 화물창 단열시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 2차 방벽은 수소저장합금 재질의 코어플레이트의 표면에 유리섬유직물이 접착된 복합소재로 된 액화수소 화물창 단열시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 2차 단열재는 단열성 수지에 보강섬유가 혼합되고, 표면에 수소저장합금으로 된 제2수소포집막이 코팅된 액화수소 화물창 단열시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수소취화 방지 금속 분말은 산화란탄(La2O3; Lanthanum Oxide) 분말인 액화수소 화물창 단열시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 액화수소 화물창 단열시스템을 제조하는 방법으로,
    (S1) 수소취화 방지 금속 분말을 코팅용사노즐에 주입한 뒤 초고온 용사 건으로 분사하여 1차 방벽의 전방면에 수소취화 방지 금속 분말을 코팅하는 단계; 및,
    (S2) 상기 수소취화 방지 금속 분말로 코팅된 1차 방벽의 후방면에 단열모듈을 적층하는 단계;
    를 포함하는 액화수소 화물창 단열시스템의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    단열성 수지에 수소저장합금 분말 또는 활성탄으로 된 수소포집재 분말을 첨가하여 발포 성형하여 단열모듈을 구성하는 1차 단열재를 제조하고,
    상기 (S2) 단계에서 상기 1차 방벽의 후방면에 단열모듈로서 목재 재질의 플라이우드와 상기 1차 단열재와 금속 재질의 2차 방벽(Secondary Barrier)과 단열성 수지 재질의 2차 단열재를 적층하는 액화수소 화물창 단열시스템의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 1차 단열재는 발포 성형된 후 표면에 활성탄이 포함된 코팅제가 도포되어 제1수소포집막이 코팅되며, 상기 2차 방벽은 적층 전에 적어도 전방면이 용사법에 의해 수소취화 방지 금속 분말로 코팅되고, 상기 2차 단열재는 적층 전에 단열성 수지에 보강섬유가 혼합되고 그 표면에 수소저장합금으로 된 제2수소포집막이 코팅된 액화수소 화물창 단열시스템의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 2차 방벽은 적층 전에 수소저장합금 재질의 코어플레이트의 표면에 유리섬유직물이 접착되어 복합소재로 제조된 액화수소 화물창 단열시스템의 제조 방법.
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