KR101192885B1 - 수소 압축-저장 시스템 및 수소 압축-저장 방법 - Google Patents

Abstract

수소를 압축하는 압축기; 상기 압축된 수소를 저장하는 복수의 수소저장탱크; 상기 수소저장탱크로부터 상기 저장된 수소를 수소 연료전지 자동차에 충전하는 수소충전기; 상기 수소저장탱크의 압력을 측정하는 압력 측정장치; 상기 수소저장탱크로부터 상기 압축기로 수소가 이동하는 재압축라인; 및 상기 압력 측정장치로부터 상기 수소저장탱크의 압력 정보를 수신하여 상기 수소저장탱크의 압력이 기준압력 이하인 수소저장탱크의 수소가 압축기로 이동하여 재압축되어 저장되도록 제어하는 제어부를 포함하는 수소 압축-저장 시스템은 수소 생산장치를 가동하지 않고도 수소저장탱크 내부를 고압상태로 유지할 수 있어,운전비용을 절감할 수 있고, 수소 재고 관리를 원활하게 할 수 있다.

Description

수소 압축-저장 시스템 및 수소 압축-저장 방법 {system of hydrogen compression-reservation and method of hydrogen compression-reservation}

본 발명은 수소 생산장치를 가동하지 않고도 수소저장탱크 내부를 고압상태로 유지할 수 있는 수소스테이션의 수소 압축-저장 시스템에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 소비되는 에너지는 대부분이 화석원료인 석유 및 석탄으로 이루어지며, 특히 자동차의 경우 휘발유 또는 경유와 같은 유류를 이용하는 것이 전부라고 해도 무방할 정도이다.

하지만 석유와 같은 화석연료는 그 매장량에 한계가 있으며, 또한 에너지를 얻기 위하여 연소시킬 때 발생하는 각종 가스, 분진 및 연소 후 잔여물질은 환경오염의 주범이 되고 있으며, 요즘 가장 이슈가 되고 있는 지구온난화의 주범이라고 할 수 있다.

이러한 상황을 타개할 수 있는 대체에너지로는 수소와 같은 청정에너지원과 수력, 풍력, 태양열과 같은 자연에너지를 들 수 있으며, 특히 자동차의 에너지원으로는 그 효율성과 출력을 감안하면 수소를 이용한 연료전지가 가장 바람직한 동력원으로 기대되고 있다.

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.

즉, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 열에너지로의 변환 없이 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸기 때문에 효율이 매우 높고 공해가 거의 없는 이상적인 발전시스템이다.

최근에는 이런 연료전지를 이용한 수소 연료전지 자동차가 개발되고 있으며, 수소 연료전지 자동차는 압축된 수소를 연료로서 사용하기 때문에 가솔린을 공급하는 주유소와 같은 형태의 압축수소를 공급하는 수소 스테이션이 수소 연료전지 자동차의 상용화를 위해 개발되고 있다.

본 발명은 수소 생산장치를 가동하지 않고도 수소저장탱크 내부를 고압상태로 유지할 수 있는 수소스테이션의 수소 압축-저장 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일측면에 따른 수소 압축-저장 시스템은 수소를 압축하는 압축기; 상기 압축된 수소를 저장하는 복수의 수소저장탱크; 상기 수소저장탱크로부터 상기 저장된 수소를 수소 연료전지 자동차에 충전하는 수소충전기; 상기 수소저장탱크의 압력을 측정하는 압력 측정장치; 상기 수소저장탱크로부터 상기 압축기로 수소가 이동하는 재압축라인; 및 상기 압력 측정장치로부터 상기 수소저장탱크의 압력 정보를 수신하여 상기 수소저장탱크의 압력이 기준압력 이하인 수소저장탱크의 수소가 압축기로 이동하여 재압축되어 저장되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 재압축라인의 중간에 상기 수소를 일시적으로 저장하는 수소홀더를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 재압축라인의 중간에 상기 재압축라인에 공급되는 수소의 압력을 조절하는 압력 레귤레이터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 수소 압축-저장 방법은 복수의 수소저장탱크에 저장된 수소의 압력을 측정하는 단계; 상기 수소의 압력이 기준압력 이하인 수소저장탱크의 수소를 재압축라인을 통해 압축기로 이동시키는 단계; 상기 이동된 수소를 압축기로 재압축하는 단계; 및 상기 재압축된 수소를 상기 기준압력 이하의 압력을 가진 수소저장탱크 이외의 수소저장탱크에 저장하는 단계를 포함한다.

이때, 상기 재압축라인으로 배출된 수소는 일시적으로 상기 재압축라인 중간에 위치하는 수소홀더에 저장되어 상기 재압축에 의한 압력차를 완충할 수 있다.

이때, 상기 기준압력은 저장압력의 85%내지 95%로 할 수 있다.

본 발명의 수소 압축-저장 시스템은 수소 생산장치를 가동하지 않고도 수소저장탱크 내부를 고압상태로 유지할 수 있어,운전비용을 절감할 수 있고, 수소 재고 관리를 원활하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 압축-저장 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 압축-저장 방법을 나타낸 순서도.

이하에서는 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 수소 압축-저장 시스템을 나타낸 구성도로서, 수소 생산장치(10), 압축기(20), 수소저장탱크(31,32,33), 압력 측정장치(36,37,38), 제어부(40), 수소충전기(45), 재압축라인(50), 압력 레귤레이터(51) 및 수소홀더(55)가 도시되어 있다.

수소 생산장치(10)는 개질반응을 통해 수소를 생산하는 장치로서, 일반적으로 메탄과 물을 촉매하에 반응시켜 수소를 얻어낸다.

압축기(20)는 수소 생산장치(10)로부터 생산된 수소를 압축하는 장치로서, 생성된 수소를 저장하기 위해서 부피를 최소화할 필요가 있으며, 수소 연료전지 자동차에 충전시에도 압축된 수소를 공급하기 위해 압축한다. 이때 압축 압력은 수소 연료전지 자동차에 충전시 요구되는 압력에 상응하도록 압축하는 것이 바람직하다.

수소저장탱크(31,32,33)는 압축기(20)를 통해 압축된 수소가 저장되는 탱크로서 압력을 일정하게 유지할 수 있고, 기체를 보관하기 때문에 일정한 온도 유지장치를 포함한다. 수소 연료전지 자동차에 수소를 공급할 때 압력을 유지하기 위해서는 한 개의 수소저장탱크 보다 도 1에 도시된 바와 같이 복수개의 수소저장탱크(31,32,33)를 이용하는 것이 유리하다.

수소충전기(45)는 수소저장탱크(31,32,33)로부터 상기 저장된 수소를 수소 연료전지 자동차에 충전하는 장치이다. 다만, 수소가 수소 연료전지 자동차로 충전이 되면 수소저장탱크(31,32,33) 내부의 수소 량이 줄게 됨에 따라 압력이 저하되어 수소의 압력이 처음 저장시 수소의 압력보다 낮아지게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 새로 수소를 생성하여 압축 저장할 수도 있으나 수소 생산장치(10)를 다시 가동해야하므로 비용적인 측면에서 효율성이 떨어진다.

본 발명에서는 수소 생산장치(10)를 가동하지 않고도 수소저장탱크(31,32,33)의 압력을 일정하게 유지할 수 있는 수소 압축-저장 시스템 및 그 방법을 제공한다.

압력 측정장치(36,37,38)는 수소저장탱크(31,32,33)의 압력을 측정하여 수소저장탱크(31,32,33) 내부의 수소 압력이 일정하게 유지되는지 여부를 감시한다.

재압축라인(50)은 수소저장탱크(31,32,33)로부터 압축기(20)에 연결되어 수소저장탱크(31,32,33)의 압력이 낮아진 수소를 다시 압축할 수 있도록 재순환 경로를 제공한다.

제어부(40)는 압력 측정장치(36,37,38)로부터 상기 수소저장탱크(31,32,33)의 압력 정보를 수신하여 일정 수준 이하로 떨어진 수소저장탱크(31,32,33)가 감지되면 압력을 다시 높이기 위해 재압축라인(50)으로 수소를 배출한다. 또한 제어부(40)는 재압축라인(50)으로 수소가 배출되면 압축기(20)의 작동시켜 수소를 재압축하고, 수소를 다른 저장탱크로

수소홀더(55)는 재압축라인(50) 중간에 일정량의 수소를 일시적으로 저장할 수 있는 저장장소로서 이 수소홀더(55)는 재압축라인(50)을 통해 압축기(20)로 수소가 이동되는 과정에서 압력의 차이가 있으므로 이를 중간에서 제어하는 버퍼역할을 한다.

압력 레귤레이터(51)는 재압축라인(50) 상에 설치될 수 있으며, 일정한 압력으로 재압축라인(50)상에서 수소가 이동할 수 있도록 제어하는 장치이다.

다음으로 도 2는 본 발명의 다른 측면에 따른 수소 압축-저장 방법을 나타낸 순서도로서, 전술한 시스템을 활용하여 수소를 압축-저장 하는 방법에 대해 이하에서 구체적으로 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 복수의 수소저장탱크(31,32,33)에 저장된 수소의 압력을 측정한다(S100). 압력 측정장치(36,37,38)을 이용해 연속적으로 압력을 측정하여 기준압력보다 낮은 수소저장탱크(31,32,33)가 있는지 제어부(40)는 모니터링을 한다(S200).

기준압력이란, 수소저장탱크(31,32,33)에 저장된 수소의 압력이 최초 충전시에 비해 낮아져서 수소 연료전지 자동차에 안정적인 충전이 어려워지는 압력을 의미한다.

기준압력은 사용자의 설정에 따라 다르게 할 수 있고 최초 저장시 압력의 85%내지 95% 정도로 설정하면 최초 저장시 압력의 85% 이상의 압력을 유지할 수 있다. 즉, 350bar로 수소저장탱크(31,32,33)에 저장한 경우에는 320bar를 기준압력으로 설정할 수 있다.

수소의 압력이 기준압력 보다 큰 경우에는 계속적으로 수소저장탱크(31,32,33) 내부의 압력을 측정하여 모니터링 하나, 기준압력 이하인 수소저장탱크(31,32,33)의 수소는 재압축라인(50)으로 배출한다(S300). 재압축라인(50)은 압축기(20)와 연결되어 있으며 압축기(20)에서 압력이 저하된 수소를 재압축한다(S400).

복수의 수소저장탱크(31,32,33) 중 하나 이상이 기준압력 이하인 경우 제어부(40)에 의해 재압축라인(50)으로의 배출 및 압축기(20)의 작동이 제어되며, 재압축에 의한 압력차를 완충하기 위해 재압축라인(50)으로 배출된 수소는 일시적으로 수소홀더(55)에 저장할 수 있다.

재압축된 수소는 상기 기준 이하의 압력을 가진 수소저장탱크(31) 이외의 다른 수소저장탱크(32,33)에 저장된다(S500). 저압의 수소를 고압으로 압축하였으므로 부피가 줄어들게 된다. 따라서 이를 다시 재압축라인(50)으로 수소를 배출한 수소저장탱크(31)로 다시 주입하면 압축한 수소의 압력이 다시 낮아지게 되므로 다른 수소저장탱크(32,33)에 압축한 고압의 수소를 주입한다.

상술한 방법을 통해 압력이 떨어진 수소저장탱크의 수소를 채우기 위해 수소 생산장치를 다시 재가동할 필요가 없어 운전비용을 절감할 수 있고, 수소저장탱크 내 수소의 활용도를 개선함으로서 수소재고 관리를 원활히 할 수 있다.

또한, 수소 생산장치가 고장으로 작동할 수 없을 때 임시적으로 이러한 재압축 방법을 이용하여 수소 연료전지 자동차이 수소를 공급할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 수소 생산장치 20: 압축기
31,32,33: 수소저장탱크 36,37,38: 압력 측정장치
40: 제어부 45: 수소 충전기
50: 재압축라인 51: 압력 레귤레이터
55: 수소홀더

Claims (6)

1. 수소를 압축하는 압축기;
   상기 압축된 수소를 저장하는 복수의 수소저장탱크;
   상기 수소저장탱크로부터 상기 저장된 수소를 수소 연료전지 자동차에 충전하는 수소충전기;
   상기 수소저장탱크의 압력을 측정하는 압력 측정장치;
   상기 수소저장탱크로부터 상기 압축기로 수소가 이동하는 재압축라인;
   상기 압력 측정장치로부터 상기 수소저장탱크의 압력 정보를 수신하여 상기 수소저장탱크의 압력이 기준압력 이하인 수소저장탱크의 수소가 압축기로 이동하여 재압축되어 저장되도록 제어하는 제어부; 및
   상기 재압축라인의 중간에 상기 수소를 일시적으로 저장하는 수소홀더를 더 포함하는 수소 압축-저장 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 재압축라인의 중간에
   상기 재압축라인에 공급되는 수소의 압력을 조절하는 압력 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 압축-저장 시스템.
   
4. 복수의 수소저장탱크에 저장된 수소의 압력을 측정하는 단계;
   상기 수소의 압력이 기준압력 이하인 수소저장탱크의 수소를 재압축라인을 통해 압축기로 이동시키는 단계;
   상기 이동된 수소를 압축기로 재압축하는 단계; 및
   상기 재압축된 수소를 상기 기준압력 이하의 압력을 가진 수소저장탱크 이외의 수소저장탱크에 저장하는 단계를 포함하며,
   상기 재압축라인으로 배출된 수소는 일시적으로 상기 재압축라인 중간에 위치하는 수소홀더에 저장되어 상기 재압축에 의한 압력차를 완충하는 것을 특징으로 하는 수소 압축-저장 방법.
   
5. 삭제
6. 제4항에 있어서,
   상기 기준압력은 저장압력의 85%내지 95%인 것을 특징으로 하는 수소 압축-저장 방법.

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