KR100818310B1 - Alternating system for reformer of hydrogen station - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 의한 수소 스테이션을 보인 개략도.1 is a schematic view showing a hydrogen station according to the present invention;
도 2는 본 발명의 개질기 대체시스템을 보인 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing a reformer replacement system of the present invention.
도 3은 본 발명의 개질기 대체 동작을 보인 흐름도.3 is a flow chart showing the reformer replacement operation of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 ; 원료공급기 20 ; 개질기10;
21; 수소카트리지 22 ; 고압수소탱크21;
23 ; 액화수소탱크 30 ; 압축기23;
40 ; 저장탱크 50 ; 디스펜서40;
본 발명은 연료전지를 공급하기 위한 수소 스테이션에 관한 것으로, 특히 개 질기의 이상 발견시 개질기를 대체할 수 있도록 한 개질기 대체시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen station for supplying a fuel cell, and more particularly to a reformer replacement system that can replace the reformer in the event of abnormality detection of the reformer.
연료전지 자동차는 에너지원으로 연료전지를 사용하는 것으로, 연료전지(Fuel Cell)는 공기 중의 산소와 연료 중의 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생시키는 것으로 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전을 할 수 있는 시스템이다.Fuel Cell Vehicles use fuel cells as energy sources. Fuel cells generate electricity electrochemically using oxygen in the air and hydrogen in fuel. It is a system that can continue to develop regardless.
즉, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 열에너지로의 변환 없이 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸기 때문에 효율이 매우 높고 공해가 거의 없는 이상적인 발전시스템이다.In other words, the fuel cell is an ideal power generation system with very high efficiency and almost no pollution since the fuel cell converts the chemical energy of the fuel into electrochemical energy directly in the cell without conversion into thermal energy.
이와 같은 연료전지 시스템은, 수소가스를 차량에 충전하기 위해서는 원료공급기로부터 원료를 제공받아 수소가스를 생성하는 개질기, 생성된 수소가스를 압축하는 압축기, 압축된 수소가스를 저장하는 저장탱크 및 수소가스를 차량에 충전시켜 주는 디스펜서 등이 구비된다.In order to charge hydrogen gas in a vehicle, such a fuel cell system includes a reformer that receives raw materials from a raw material supplier and generates hydrogen gas, a compressor that compresses the generated hydrogen gas, a storage tank for storing the compressed hydrogen gas, and hydrogen gas. And a dispenser for charging the vehicle.
그런데, 종래에는 원료의 공급에 이상이 발생하거나 또는 개질기에 오류가 발생하여 디스펜서로 수소가스의 공급이 원활하지 못할 경우 이를 대체할 만한 수단이 존재하지 않았기 때문에 비상시 문제점을 유발할 수 있다.However, in the related art, when an abnormality occurs in the supply of raw materials or an error occurs in the reformer, and thus the supply of hydrogen gas is not smooth to the dispenser, there is no means to replace it, which may cause a problem in an emergency.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개질기로부터의 수소 공 급에 이상이 발생할 경우 개질기를 대체하여 수소를 공급할 수 있도록 한 수소 스테이션의 개질기 대체시스템을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention is to solve this problem, it is an object of the present invention to provide a reformer replacement system of a hydrogen station to supply hydrogen by replacing the reformer when abnormality in the hydrogen supply from the reformer.
상술한 본 발명의 목적은, 개질기로부터 생성된 수소를 압축기로 공급하는 수소 스테이션에 있어서, 상기 개질기의 일측에 압축기와 각각 제2라인, 제3라인 및 제4라인으로 연결되는 수소카트리지, 고압수소탱크 및 액화수소탱크; 개질기의 출구 수소 압력이 설정 압력 이하일 경우 제1솔레노이드밸브를 폐쇄하여 개질기로부터의 수소공급을 중단하고, 수소카트리지, 고압수소탱크 또는 액화수소탱크 중 어느 하나로부터 수소 공급이 진행되도록 제2솔레노이드밸브, 제3솔레노이드밸브 또는 제4솔레노이드밸브 중 어느 하나를 개방하도록 제어하는 제어부를 포함하는 수소 스테이션의 개질기 대체시스템에 의해 달성된다.An object of the present invention described above, in the hydrogen station for supplying hydrogen generated from the reformer to the compressor, the hydrogen cartridge, high-pressure hydrogen connected to the compressor, the second line, the third line and the fourth line, respectively, on one side of the reformer Tanks and liquefied hydrogen tanks; When the outlet hydrogen pressure of the reformer is less than the set pressure, the first solenoid valve is closed to stop the supply of hydrogen from the reformer, and the second solenoid valve to supply hydrogen from any one of a hydrogen cartridge, a high pressure hydrogen tank, or a liquefied hydrogen tank. A reformer replacement system for a hydrogen station includes a control for controlling to open either the third solenoid valve or the fourth solenoid valve.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 스테이션의 개질기 대체시스템을 첨부 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a reformer replacement system for a hydrogen station according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 스테이션을 보인 것으로, 수소 스테이션은 원료공급기(10), 개질기(20), 압축기(30), 저장탱크(40) 및 디스펜서(50)를 포함한다.Figure 1 shows a hydrogen station according to an embodiment of the present invention, the hydrogen station includes a
원료공급기(10)는 원료 가스를 개질기(20)로 공급하는 것이다. 여기서, 원료 가스는 천연 가스, LPG 등의 탄화수소 성분이나, 메탄올 등의 알콜 성분, 또는 나프타 성분 등의 탄화수소계 화합물로 예시되는 바와 같이 적어도 탄소 및 수소로부터 만들어지는 화합물을 주성분으로 포함한다.The
개질기(20)는 연료를 개질하는 개질부와, 일산화탄소를 제거하는 정제부로 구분된다. 연료전지에서의 개질이란 화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 의미한다.The
개질부에서는 촉매반응에 의해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하는 역할을 하며, 정제부에서는 수성 전환과 선택적 산화 방법과 같은 촉매 반응, 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하게 된다.The reforming unit converts the fuel into hydrogen-rich reforming gas by catalytic reaction, and the purification unit converts the carbon monoxide from the reforming gas into a catalytic reaction such as aqueous conversion and selective oxidation, and purification of hydrogen using a separator. Will be removed.
한편, 탄화수소를 연료로 한 개질기에 적용되는 수소제조방법에는 크게 수증기 개질, 오토써멀 그리고 부분 산화 방법이 있다.On the other hand, hydrogen production methods applied to hydrocarbon-based reformers include steam reforming, autothermal, and partial oxidation.
각각의 방법에는 반응열을 공급하는 방식, 초기가동 및 부하변동에 대한 응답특성, 수소생산 효율에 있어서 큰 차이가 있으며 초기시동 및 부하변동에 따른 빠른 응답 특성이 요구될 경우 부분 산화 또는 오토써멀 방식이 유리하다.Each method has a large difference in the method of supplying the reaction heat, the response characteristics to the initial operation and the load variation, and the hydrogen production efficiency, and the partial oxidation or the auto thermal method is required when the rapid response characteristics are required for the initial startup and the load variation. It is advantageous.
반면에 수증기 개질방법의 경우, 초기시동 및 부하변동에 대한 응답특성이 타 공정기술에 비해 늦다는 단점이 있지만 수소 생산효율 측면에서 가장 경제적이므로 수소 스테이션의 수소생산 기술로 보편적으로 채택되고 있다.On the other hand, the steam reforming method has a disadvantage in that the response characteristics for initial start-up and load fluctuation are slower than other process technologies, but it is the most economical in terms of hydrogen production efficiency.
이 중에서, 수증기 개질반응을 이용하는 개질기(20)는 탄화수소 연료에 포함 된 황 성분을 제거하기 위한 탈황공정 그리고 탄화수소와 수증기를 반응시키기 위한 개질공정, 일산화탄소와 물의 반응을 통하여 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 고온 및 저온 전환반응공정을 진행하게 되며, ppm 수준으로 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 선택적 산화반응(PROX) 공정이 적용되기도 한다.Among these, the
즉, 연료전지에 공급하는 수소 가스 중에 일산화탄소가 포함되면, 연료 전지의 기능 저하를 야기하기 때문에, 일산화탄소 농도가 낮은 가스를 생성할 필요가 있다.That is, when carbon monoxide is contained in the hydrogen gas supplied to a fuel cell, since the function of a fuel cell will fall, it is necessary to produce the gas with low carbon monoxide concentration.
이 때문에, 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시키거나 선택적으로 산화시키는 정제부가 개질기에 마련되는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 것으로, 일산화탄소가 저감된 수소 가스와 산소를 포함하는 산화제를 이용하여, 연료전지는 안정적으로 발전하는 것이 가능해진다.For this reason, it is preferable that a refiner is provided in the reformer to reduce or selectively oxidize carbon monoxide in the reformed gas. By doing so, the fuel cell can be stably generated using an oxidant containing hydrogen gas and oxygen with reduced carbon monoxide.
압축기(30)는 생성된 수소를 압축하여, 그 일측에 설치되는 저장탱크(40)로 수소가 저장된다. 압축기(30)로서는, 수소 압축 펌프가 일반적으로 이용되지만, 수소를 압축할 수 있는 장치이면 어떠한 것을 이용하는 것도 가능하다.The
압축기(30) 출구의 수소가스 압력은, 용적효율의 관점에서 높게 하는 것이 좋으며, 상한(上限)에 대하여는 특히 한정되지 않지만 실용상 50기압(5㎫) 이상 1000기압(100㎫) 이하가 바람직하다.The hydrogen gas pressure at the outlet of the
저장탱크(40)는 압축 공정을 거친 수소를 저장하기 위한 것으로, 압축된 수 소를 견디는 것이면 특별히 그 형태가 한정되는 것은 아니므로 공지의 것을 적용하는 것이 가능하며, 고압의 수소가스를 그대로 저장하는 고압수소 저장탱크가 적용되는 것이 바람직하다.The
한편, 이 저장탱크(40)는 수소가스를 디스펜서(50)로 공급하기 위해 저장하는 것으로서, 저장탱크(40)를 통하지 않고 직접 압축기의 출구 가스를 디스펜서(50)로 제공할 수도 있다. 이 경우에는, 압축기(30)와 디스펜서(50)를 접속하는 배관을 마련해야 한다.Meanwhile, the
디스펜서(50)는 수소를 연료로 하는 연료전지 자동차의 수소저장용기(차량에 탑재된 상태 또는 차량으로부터 분리된 상태에 상관없음)에 수소가스를 공급하는 것으로, 개질 반응에 의해 얻어진 수소 가스 주체의 개질 가스를 수소공급라인을 통하여 외부의 차량으로 공급한다. 주어진 기간 내에 생성된 수소량은 당업계에 공지된 다양한 방법으로 결정되고, 천연가스 소비, 수소 생성, 저장 압력 및 변화율 등을 포함한다.The
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 개질기 대체시스템을 도시한 것으로, 경우에 따라서 원료공급기(10)로부터 개질기(20)로의 원료공급에 오류가 발생하거나, 또는 기타 이유 등으로 인해 개질기(20)로부터 압축기(30)로 원활한 수소가스의 공급이 이루어지지 않을 수 있으며, 이때 개질기(20)를 대체하여 압축기(30)로 수소가스를 공급할 수 있도록 해야 한다.2 illustrates a reformer replacement system according to an embodiment of the present invention. In some cases, an error occurs in the supply of raw materials from the
본 실시예에서는 개질기(20)의 일측에 적어도 하나 이상의 개질기 대체수단이 구비되는데, 기체인 수소가 누출되어 공기와 섞이면 폭발할 가능성이 있기 때문에 대체수단은 수소 연료를 안전하게 저장할 수 있도록 구성되어야 한다.In this embodiment, at least one reformer replacement means is provided on one side of the
이에 따라, 대체수단은 수소카트리지(21), 고압수소탱크(22) 또는 액화수소탱크(23) 중 하나 이상이 될 수 있다.Accordingly, the alternative means may be one or more of the
수소카트리지(21)는 다수개의 튜브를 하나로 묶어 놓은 것으로, 통상 180kg/cm2의 압력으로 2000m3 정도의 수소가 들어가며, 이 수소카트리지(21)는 제2라인(L2)에 의해 수소공급라인(L)과 연결된다. 제2라인(L2)에는 제2압력센서(P2) 및 제2솔레노이드밸브(V2)가 설치된다.
고압수소탱크(22)는 수소 누출 방지 역할을 담당하는 라이너(탱크 가장 안쪽 층)에 강도가 높고 수소 투과 방지 성능이 뛰어난 나일론계 수지를 채용한 것과, 탱크의 외측을 탄소 섬유로 감싼 복합재료로 만들어 경량화와 함께 고강도를 실현한 것이 있다. 이 고압수소탱크(22)는 제3압력센서(P3)와 제3솔레노이드밸브(V3)가 설치된 제3라인(L3)에 의해 수소공급라인(L)과 연결된다.The high-
액화수소탱크(23)는 상온에서도 압력변화로 상태변화를 일으킬 수 있도록 고압으로 압축한 것이다. 이 액화수소탱크(23)는 제4압력센서(P4)와 제3솔레노이드밸브(V4)가 설치된 제4라인(L4)에 의해 수소공급라인(L)과 연결된다. 이때, 대체수단으로서 액화수소탱크(23)를 사용할 경우에는 액화수소를 기화시켜서 디스펜싱할 수 있는 기화기(도시 생략)가 더 필요하다.The liquefied
즉, 각각의 대체수단은 수소공급라인(L)을 통해 압축기(30)와 연결되도록 구성되며, 이때 각 수소공급라인(L)에는 압력센서(P1)(P2)(P3)(P4) 및 솔레노이드밸브(V1)(V2)(V3)(V4)가 설치된다.That is, each alternative means is configured to be connected to the
이 각각의 압력센서(P1)(P2)(P3)(P4)와 솔레노이드밸브(V1)(V2)(V3)(V4)는 제어기(60)에 의해 그 작동이 조절된다.Each of these pressure sensors P1, P2, P3, P4 and solenoid valves V1, V2, V3, V4 is controlled by the
도 3은 본 발명의 개질기 대체시스템의 동작 흐름을 보인 것으로, 평상시에는 개질기(20)에 의해 생성된 수소 가스가 제1라인(L1)을 통해 압축기(30)로 공급된다.3 shows the operation flow of the reformer replacement system of the present invention, in which hydrogen gas generated by the
그러나, 여러 가지 원인에 의해 개질기(20)로부터의 수소 공급이 원활하지 못할 경우 즉, 개질기(20)의 출구 수소 압력을 측정하여 설정 압력(본 실시예에서는 10∼20bar) 이하일 경우 제어기는 제1라인(L1)의 제1솔레노이드밸브(V1)를 닫고, 제2라인(L2)의 제2솔레노이드밸브(V2)를 열도록 신호를 전송한다. 따라서, 수소카트리지(21)에 저장된 수소 가스가 압축기(30)로 공급되어 결과적으로 디스펜서(50)에 의해 차량으로 충전되도록 한다.However, when the hydrogen supply from the
또한, 수소카트리지(21)의 수소 가스 잔량이 기준치 미달일 경우 즉, 제2라인(L2)의 제2압력센서(P2)로부터 감지된 출구 수소 압력이 설정 압력 이하일 경우, 제어기(60)는 제2라인(L2)의 제2솔레노이드밸브(V2)를 닫고 제3라인(L3)의 제3솔레노이드밸브(V3)를 열도록 제어하여 고압수소탱크(22)에서 수소 공급이 진행되도록 한다.In addition, when the residual amount of hydrogen gas of the
마찬가지로, 고압수소탱크(22)의 수소 가스 잔량이 기준치 미달일 경우 즉, 제3라인(L3)의 제3압력센서(P3)로부터 감지된 출구 수소 압력이 설정 압력 이하일 경우, 제어기(60)는 제3라인(L3)의 제3솔레노이드밸브(V3)를 닫고 제4라인(L4)의 제4솔레노이드밸브(V4)를 열도록 제어하여 액화수소탱크(23)에서 수소 공급이 진행되도록 한다.Similarly, when the residual amount of hydrogen gas in the high-
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 개질기를 대체할 수 있는 수단을 다수 마련함으로써 개질기로부터의 수소 공급이 원활하지 못할 경우 각 대체수단으로부터 수소 가스를 공급하도록 함으로써 항상 원활한 수소 공급이 이루어질 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by providing a plurality of means for replacing the reformer, when the hydrogen supply from the reformer is not smooth, by supplying hydrogen gas from each of the alternative means, smooth hydrogen supply can always be achieved. .
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