KR101373441B1 - 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 수소 충전 시스템에 있어서, 상기 PSA기와 CO분석기 사이 PSA기 후단에 마련되어 시스템 셧다운 이후 재가동시, 임시로 저장된 수소를 개질기로 투입되게 하는 임시저장탱크가 더 구비되되, 상기 임시저장탱크에서 개질기로 수소가 투입될 수 있게 임시저장탱크와 개질기 사이에 마련된 수소공급라인과, 상기 개질기에 투입된 수소가 열에 의해 가열될 수 있도록 개질기에 장착된 연소기를 더 포함하고;
상기 개질기에 장착된 연소기를 통하여 가열된 수소에 의해 수소전환반응기 내부가 예열되고, PSA기에서 분리된 채 CO 분석기를 통과하지 못한 수소 가스와 함께 천연 가스에 잔존하는 가스들이 연소기의 연료로 재사용되는 수소 충전 시스템을 제공한다.
한편, 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법에 있어서, 임시 저장하는 단계와 CO 농도 분석하는 단계 사이에 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계가 더 포함되되, 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계는, 임시저장탱크에 연결된 수소공급라인을 통해 개질기로 수소를 투입하는 단계와, 개질기에 투입된 수소를 연소기로 가열하는 수소를 가열하는 단계와, 수성전환반응기 내부를 가열된 수소로 예열시키는 수성전환반응기 내부를 예열하는 단계를 더 포함하고,
수소를 고압 압축하는 단계와 수소를 저장하는 단계 사이에 수소용기 변경을 제어하는 단계를 더 포함하며, CO 농도를 분석하는 단계는 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도를 1ppm 이하로 측정하게 되는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법을 제공한다.
이에 의해 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법은, 시스템 셧다운 후 재가동에 소모되는 시간을 단축하고, 재가동에 소모되는 에너지를 절감할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법{The Hydrogen Charging System And The Operation Control Method Thereof}
본 발명은 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 천연가스에서 수소를 생성시키고, 생성된 이 수소를 챠량에 충전을 이루기까지의 장치들을 갖춘 수소 충전 시스템과 이 시스템의 초기 기동에 따른 운전을 제어하는 방법을 제공함으로써 시스템 재가동에 소모되는 시간 단축과 함께 소모되는 에너지 절감을 이루게 되는 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법에 관한 것이다.
종래에는, 수소 충전 시스템의 장시간 운용시, 시스템의 안전점검 및 고장 점검을 위해 일시적으로 시스템을 셧다운 하게 되면 개질기의 촉매가 오염된 상태에 있다.
따라서, 시스템 재가동시 촉매를 재생시킬 필요가 있는데, 종래에는 질소 등 환원성 가스를 공급하여 촉매를 재생시켰으나, 이를 위해서는 환원성 가스공급 탱크 등 별도의 부가설비를 필요로 하게 된다.
또한, 수소 충전 시스템을 셧다운 후 재가동시에 정상 운전에 도달하는 시간이 지연되고, 시간 지연에 의해 재가동에 소모되는 에너지의 낭비를 초래하는 실정이다.
한편, 종래에 제안된 기술을 예로 들자면, 공개특허 제10-2012-0011681호, 일본 공개특허 제2005-289704호, 일본 공개특허 제1994-191801호 등이 개재된 바 있다.
상기 공개특허 제10-2012-0011681호의 기술은 수소스테이션을 개량하여 고압의 수소로 공급 가능한 수소스테이션 기술로서, 압축기를 직렬로 연결하여 2회에 걸친 압축을 통해 고압의 수소를 필요시 저압의 수소로부터 단시간에 압축하여 수소연료전지 자동차에 공급함을 특징으로 하지만, 스테이션의 정상 운전에 도달하는 시간 단축에 대하여 설명된 바도 없고 이를 해결하기 위한 기술적 수단도 마련되지 못하여 셧다운 이후 재가동시 정상 운전에 소모되는 시간 지연 문제점이 여전하고,
또한 상기 일본 공개특허 제2005-289704호의 경우 연소 장치의 과잉한 온도 상승을 확실히 저지하기 연소가스 제조 시스템인 것을 특징으로 하고, 이 특징을 구현함에 수반되는 기술적 구성부들이 개재되어 있지만, 셧다운 이후 정상 운전에 소모되는 시간 지연 및 에너지 소모의 문제점을 해결할 순 없다.
또한 상기 일본 공개특허 제1994-191801호의 경우에는 수소 제조 방법에 관한 것으로, 수소의 일부를 순환시켜 연료 소비량을 감소하는 점은 유사하나, 이 기술 또한 정상 운전 상태에서만 상기와 같은 효과를 갖게 되고, 셧다운 후 재가동시에 나타나는 정상 운전에 도달하는 시간 지연에 대하여 기재된 바도 없고 운전 운용 방법도 상이함을 알 수 있다.
공개특허 제10-2012-0011681호 일본 공개특허 제2005-289704호 일본 공개특허 제1994-191801호
전술된 문제점을 해소하기 위한 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법은, 시스템 초기 가동 시 지연되는 시간을 줄여 정상 운전에 도달하는 시간을 단축하고자 함에 목적이 있다.
또한, 시스템 초기 가동시 낭비되는 에너지를 줄여 정상 운전에 도달하는 에너지를 절감하고자 함에 목적이 있다.
전술된 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법에 있어서, 수소 충전 시스템은, 탈황기, 압축기, 개질기, 수성전환반응기, PSA기, CO 분석기, 고압압축기, 수소용기, 디스펜서기를 포함하고; 상기 PSA기와 CO분석기 사이 PSA기 후단에 마련되어 시스템 셧다운 이후 재가동시, 임시로 저장된 수소를 개질기로 투입되게 하는 임시저장탱크가 구비됨을 더 포함하는 수소 충전 시스템임을 특징으로 한다.
또한, 상기 임시저장탱크에서 개질기로 수소가 투입될 수 있게 임시저장탱크와 개질기 사이에 마련된 수소공급라인;
상기 개질기에 투입된 수소가 열에 의해 가열될 수 있도록 개질기에 장착된 연소기를 더 포함하고; 상기 개질기에 장착된 연소기를 통하여 가열된 수소에 의해 수소전환반응기 내부가 예열되고, PSA기에서 분리된 채 CO 분석기를 통과하지 못한 수소 가스와 함께 천연 가스에 잔존하는 가스들이 연소기의 연료로 재사용되는 수소 충전 시스템임을 특징으로 한다.
또한, 시스템 셧다운 후 재가동시, 개질기와 수성전환반응기 사이에 마련되어 임시저장탱크로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기의 입구에서 160도 내지 180도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제1 밸브를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하는 제1 온도센서;
임시저장탱크와 개질기 사이에 마련되어 제1 온도센서의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기로 투입되어 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 되는 제1 밸브;
수소전환반응기와 PSA기에 마련되어 임시저장탱크로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기의 출구에서 140 내지 160도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제2 밸브를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하는 제2 온도센서;
임시저장탱크와 전환반응기 사이에 마련되어 제2 온도센서의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기로 투입되는 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 되는 제2 밸브;
를 더 포함하여 고순도 수소의 순환을 중지하면서 시스템 정상 작동이 이루어지는 수소 충전 시스템임을 특징으로 한다.
한편, 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법은, 천연가스 탈황하는 단계, 탈황된 천연가스를 압축하는 단계, 탈황된 압축 천연가스를 개질하는 단계, 수소 생성하는 단계, 수소 및 기타 가스로 분리하는 단계, 수소를 임시 저장하는 단계, 수소 가스에 잔존하는 CO 농도를 분석하는 단계, 수소를 고압 압축하는 단계, 수소를 저장하는 단계, 연료전지 차량에 수소를 충전하는 단계를 포함하고,
임시 저장하는 단계와 CO 농도 분석하는 단계 사이에 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계가 더 포함되는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법임을 특징으로 한다.
또한, 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계는, 임시저장탱크에 연결된 수소공급라인을 통해 개질기로 수소를 투입하는 단계;
개질기에 투입된 수소를 연소기로 가열하는 수소를 가열하는 단계;
수성전환반응기 내부를 가열된 수소로 예열시키는 수성전환반응기 내부를 예열하는 단계;
를 더 포함하는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법임을 특징으로 한다.
또한, 수소를 고압 압축하는 단계와 수소를 저장하는 단계 사이에 수소용기 변경을 제어하는 단계를 더 포함하고,
CO 농도를 분석하는 단계는, 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도를 1ppm 이하로 측정하게 되는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법임을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 및 이 시스템을 이용한 운전 제어 방법은, 수소를 저장하여 공급할 수 있는 안전하고 효율적인 수소 충전 시스템을 마련하여 수소에너지 이용을 활성화하는 효과가 있다.
또한, 초기 가동시 개질기의 촉매를 활성화시킴으로써, 수소 충전 시스템의 생산성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 초기 가동 시간을 단축시켜 수소 충전 시스템을 효율적으로 운용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 수소 충전 시스템을 도시한 간략도.
도 2는 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 운전 제어 방법을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명에 의한 수소 충전 시스템 운전 흐름을 도시한 플로우챠트.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 수소 충전 시스템은, 탈황기(1), 압축기(2), 개질기(3), 수성전환반응기(4), PSA기(5), CO 분석기(6), 고압압축기(7), 수소용기(8), 디스펜서기(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 탈황기(1)는 천연가스에서 황성분을 제거하기 위한 필터링을 수행하는 역할을 한다.
또한 여기서, 압축기(2)는 탈황기(1)로부터 부취성분인 황을 제거한 탈황 천연가스를 압축하는 역할을 수행한다.
여기서, 개질기(3)는 압축기(2)를 통해 탈황되어 압축된 천연가스의 주성분인 탄화수소와 수증기를 반응시켜 합성가스로 개질 전환시키는 역할을 수행한다.
또한 여기서, 수성전환반응기(4)는 개질기(3)를 통해 개질 전환된 합성가스 중 일산화탄소에 수증기를 반응시켜 수소를 생성시키는 역할을 수행한다.
여기서, PSA기(5)는 Pressure Swing Absorption의 약어로서, 상기 수성전환반응기(4)를 통해 생성된 수소 및 그 외 기타 가스를 분리시키는 역할을 수행한다.
또한 여기서, CO 분석기(6)는 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소 농도를 분석하여 압축 또는 배출 여부를 결정시키는 역할을 수행한다.
여기서, 고압압축기(7)는 상기 CO 분석기(6)를 통과한 수소 가스를 고압으로 압축하는 역할을 수행한다.
또한 여기서, 수소용기(8)는 상기 고압 압축기를 통해 압축된 수소 가스를 다단계 방식으로 저장하는 역할을 수행한다.
여기서, 디스펜서기(9)는 상기 수소용기(8)에 저장된 수소를 연료 전지 차량에 충전시키는 역할을 수행한다.
한편, PSA기(5)와 CO 분석기(6) 사이 PSA기(5) 후단에 마련되어 시스템 셧다운 이후 재가동시, 임시로 저장된 수소를 개질기(3)로 투입되게 하는 임시저장탱크(5a) 가 구비됨을 더 포함한다.
상기 임시저장탱크(5a)에서 개질기(3)로 수소가 투입될 수 있게 임시저장탱크(5a)와 개질기(3) 사이에 수소공급라인(5a)이 연결됨을 더 포함한다.
한편, 개질기(3)에는 투입된 수소가 열에 의해 가열될 수 있도록 연소기(3a)가 부가 장착됨을 더 포함한다.
상기 개질기(3)의 연소기(3a)에 의해 가열된 수소에 의해 수성전환반응기(4) 내부가 예열됨을 특징으로 한다.
상기 연소기(3a)는 PSA기(5)에서 분리된 수소 이외의 가스를 연료로 재사용함을 특징으로 한다.
따라서, 천연가스에서부터 수소 충전을 이루기까지 일렬의 시스템 작동을 좀 더 상세히 설명하기로 한다.
여기서 천연가스란, 탄화수소를 주성분으로 하는 가연성 가스를 의미하는 것으로서, 주성분인 탄화수소는 탄소와 수소로 이루어진 분자들인데 결합되는 탄소와 수소의 개수에 따라 탄화수소의 이름과 성질이 결정된다.
탄화수소는 대부분 메테인(CH4)이고, 그 밖에 미량의 이산화탄소, 산소, 질소 등을 함유하게 된다.
즉, 탈황기(1)로부터 천연가스의 황성분을 제거한다는 것은 메테인(CH4)의 황(C) 성분을 제거하는 것을 의미한다.
곧, 상기 탈황기(1)에서 탈황된 천연가스를 압축기(2)로 압축시키게 되는데, 이때의 압축기(2) 적정 압력은 0.8MPa가 바람직하다.
이어서, 압축된 천연가스를 개질기(3)로 개질 전환시키게 되는데, 이때 천연가스의 주성분인 탄화수소와 수증기를 반응시켜 합성가스로 개질 전환시킴을 의미한다.
즉 여기서 개질기(3)란 스팀 리포머(Steam Reformer)를 의미하는 것으로서 고온의 수증기를 공급하게 되는데, 약 450도의 온도로 공급됨이 바람직하다.
또한 여기서, 합성가스란 수소와 일산화탄소로 구성됨을 의미한다.
곧, 상기 개질기(3)에서 획득된 합성가스의 일산화탄소를 수성전환반응기(4)에서 공급되는 수증기와 반응시켜 수소 생성을 얻게 된다.
이어서, 상기 개질기(3)와 수성전환반응기(4)에서 얻어진 수소와 그 외 가스를 PSA기(5)로 분리하게 된다.
이때, 분리된 수소의 순도는 99.995% 이상이 바람직하고, 그 외 가스는 상기 개질기(3)에 부가 장착된 연소기(3a)의 연료로 재사용된다.
곧, PSA기(5)에서 분리된 수소 가스를 CO 분석기(6)로 분석하게 되는데, 이때 CO 분석기(6)는 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도를 측정하는 것으로서, 일산화탄소의 농도는 1ppm 이하이어야만 한다.
즉, 일산화탄소의 농도가 1ppm 이하일 경우에는 고압압축기(7)로 수소 가스를 압축하도록 결정하고, 농도가 1ppm을 초과할 경우에는 수소 가스를 배출하도록 결정한다.
곧, 일산화탄소의 농도가 1ppm 이하로 통과된 수소 가스는 고압압축기(7)를 통하여 압축되는데, 이때의 압축 압력은 45Mp이고, 2단 격막을 사용한다.
이어서, 고압축된 수소 가스는 다단으로 저장할 수 있는 수소용기(8)로 저장시킨다. 이때, 수소용기(8)는 다단으로 구성되어 각각의 용기마다 고압축된 수소 가스를 저장하게 된다.
곧, 수소용기(8)에 저장된 수소 가스를 디스펜서기(9)로 연료 전지 차량에 충전시키게 되는데 이때의 충전방식은 통신 및 비통신 방식으로 충전될 수 있고, 충전압력으로는 약 35MPa가 바람직하다.
한편, 시스템을 셧다운 후 재가동시, 임시저장탱크(5a)와 개질기(3)를 연결한 수소공급라인(5a)의 밸브를 열어 임시저장탱크(5a)에 저장된 수소를 수소공급라인(5a)을 통해 개질기(3)로 투입시킨다.
여기서, 임시저장탱크(5a)에서 수소를 개질기(3)로 투입함은, 시스템의 정상 작동이 이뤄지지 못하여 고순도 수소 가스를 생성하지 못하기 때문이다. 즉, 시스템 셧다운 이전에 획득된 고순도 수소를 임시저장탱크(5a)로부터 개질기(3)로 투입하여 개질기(3)의 촉매 활성화와 함께 수성전환반응기(4) 내부를 예열함으로써 정상 운전에 소모되는 시간을 단축시킨다.
다시 말해, 시스템 셧다운 이후 재가동시, 시스템의 정상 운전에 도달하기까지 임시저장탱크(5a)로부터 유출된 고순도 수소 가스를 개질기(3)에서부터 수성전환반응기(4)에 이르기까지 순환하는 방식을 적용하다가, 수성전환반응기(4)의 입구 온도 및 출구 온도가 적정 범위의 온도에 이르는 시점에서 고순도 수소 가스의 순환을 중지하면서 시스템의 정상 운전을 이루게 된다.
이러한 고순도 수소 가스의 순환이 적정 온도 범위에 이를 시, 순환이 중지되며 시스템 정상 운전을 구현함은 하기에서 설명하기로 한다.
시스템 셧다운 후 재가동시, 개질기(3)와 수성전환반응기(4) 사이 라인에 제1 온도센서(S1)가 마련되어 임시저장탱크(5a)로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기(4)의 입구에서 160도 내지 180도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제1 밸브(V1)를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하게 된다.
또한, 임시저장탱크(5a)와 개질기(3) 사이 라인에 제1 밸브(V1)가 마련되어 상기 제1 온도센서(S1)의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기(3)로 투입되어 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 된다.
또한, 수성전환반응기(4)와 PSA기(5)에 사이 라인에 제2 온도센서(S2)가 마련되어 임시저장탱크(5a)로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기(4)의 출구에서 140 내지 160도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제2 밸브(V2)를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하게 된다.
또한, 임시저장탱크(5a)와 수성전환반응기(4) 사이 라인에 제2 밸브(V2)가 마련되어 제2 온도센서(S2)의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기(3)로 투입되는 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 된다.
여기서, 상기 수소전환반응기의 입구 온도 160도 내지 180도 범위와 수소전환반응기(4)의 출구 온도 140 내지 160도 범위의 온도를 규정함은, 이 범위의 온도 미만으로 떨어지면 수소 충전 시스템의 정상 운전을 이루지 못하고, 이 범위의 온도를 초과 상승하면 수소 충전 시스템의 정상 운전에 과부화를 야기할 수 있기 때문이다. 즉, 수소 충전 시스템의 정상 운전이 상기 온도 범위에서 최적화되기 때문에 이 온도 범위 내로 규정될 수 있다.
따라서, 재가동 이후, 임시저장탱크(5a)로부터 유출된 고순도 수소 가스가 개질기(3)와 수성전환반응기(4)를 순환하다 수성전환반응기(4)의 입구 온도와 출구 온도가 정상 운전이 가능한 온도 범위에 이르게 될 경우, 제1 온도센서(S1) 및 제2 온도센서(S2)가 이 온도 범위를 측정하여 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)를 차단하는 제어부에 기준값으로 제공하게 되면서 제어부에 의한 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2) 폐쇄로 고순도 수소 가스의 순환이 중지되면서 시스템의 정상 운전이 시작된다.
즉, 시스템 정상 운전에 의해서 천연가스로부터 고순도 수소를 다시 생성하며 얻게 된다.
이와 같이, 시스템 재가동시, 정상 운전에 도달하기까지 임시저장탱크(5a)로부터 고순도 수소 가스를 개질기(3)에 투입함에 따라 투입된 고순도 수소 가스에 의해 개질기(3)의 촉매 활성화가 이루어지고, 개질기(3)에 투입된 고순도 수소 가스는 개질기(3)에 부가 장착된 연소기(3a)로부터 열을 공급받아 가열된 상태로 수성전환반응기(4)로 유입되어 수성전환반응기(4) 내부를 예열함으로써 촉매 반응에 필요한 온도까지의 승온에 걸리는 시간이 단축되고, 빠른 시간 내에 정상운전에 도달할 수 있다.
한편, 임시저장탱크(5a)로부터 유출된 고순도 수소 가스가 개질기(3)와 수성전환반응기(4)를 순환할 때, 순환 라인에 마련된 압력센서(PS)는 순환하는 고순도 수소 가스의 압력을 체크한다. 이때의 압력은 21 KPa 정도가 바람직하다.
하기에서는 본 발명에 의한 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법을 도 2를 참고로 설명하기로 한다. 설명에 앞서, 서두에서 천연가스에 대하여 명명하였기 때문에 부가적 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 천연가스 탈황하는 단계(S10)를 수행한다.
천연가스에 존재하는 황성분은 탈황기(1)에서 탈황 처리된다.
다음으로, 탈황된 천연가스를 압축하는 단계(S20)를 수행한다.
전 단계(S10)에서 황이 제거된 천연가스를 압축기(2)로 압축시킨다. 이때의 압축기(2) 적정 압력은 0.8MPa가 바람직하다.
다음으로, 탈황된 압축 천연가스를 개질하는 단계(S30)을 수행한다.
전 단계(S10, S20)에서 탈황된 압축 천연가스를 개질기(3)로 개질 전환시킨다.
즉, 천연가스의 주성분인 탄화수소에 수증기를 반응시켜 합성가스로 개질 전환시키고, 상기 수증기는 고온으로 공급됨에 있어, 약 450도의 온도로 공급됨이 바람직하며, 여기서 합성가스는 수소와 일산화탄소로 구성된다.
다음으로, 수소 생성하는 단계(S40)를 수행한다.
상기 전 단계(S30)에서 개질된 합성가스를 수성전환반응기(4)로 수증기와 반응시켜 수소 생성을 이루게 한다.
즉, 상기 합성가스 중 일산화탄소에 수증기를 반응시켜 수소를 얻게 된다.
다음으로, 수소 및 기타 가스로 분리하는 단계(S50)을 수행한다.
상기 전 단계(S30, S40)에서 얻어진 수소와 그 외 기타 가스를 PSA기에서 각각 분리시킨다.
즉, 이때 분리된 수소의 순도는 99.995% 이상이 바람직하고, 그 외 가스는 상기 개질기(3)에 부가 장착된 연소기(3a)의 연료로 재사용된다.
다음으로, 임시 저장하는 단계(S60)를 수행한다.
전 단계(S50)에서 분리된 수소를 임시저장탱크(5a) 에 저장시킨다.
다음으로, CO 농도를 분석하는 단계(S70)를 수행한다.
전 단계(S60)에서 저장된 수소 가스에 잔존하는 CO 농도를 CO 분석기로 분석하여 측정한다. 즉, 일산화탄소의 농도는 1ppm 이하이어야만 하고, 일산화탄소의 농도가 1ppm 이하일 경우에는 고압압축기(7)로 수소 가스를 압축하도록 결정하고, 농도가 1ppm을 초과할 경우에는 수소 가스를 배출하도록 결정한다.
다음으로, 수소를 고압 압축하는 단계(S80)를 수행한다.
전 단계(S70)에서 일산화탄소 농도가 1ppm 이하로 통과된 수소 가스를 고압 압축기()로 압축시킨다. 이때의 압축 압력은 45Mp이고, 2단 격막을 사용한다.
다음으로, 수소를 저장하는 단계(S90)을 수행한다.
전 단계(S80)에서 고압축된 수소 가스를 다단 방식으로 구성된 수소용기(8)에 저장시킨다.
다음으로, 연료전지 차량에 수소를 충전하는 단계(S100)를 수행한다.
전 단계(S90)에서 저장된 수소 가스를 디스펜서기(9)로 연료 전지 차량에 충전시킨다. 이때의 충전방식은 통신 및 비통신 방식으로 충전될 수 있고, 충전압력으로는 약 35MPa가 바람직하다.
한편, 상기 임시 저장하는 단계(S60)와 CO 농도 분석하는 단계(S70) 사이에 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계(S61)를 더 포함한다.
여기서 시스템을 셧다운시켜 재가동하는 단계(S61)는, 개질기(3)로 수소를 투입하는 단계(S62)와, 수소를 가열하는 단계(S62)와, 수성전환반응기(4) 내부를 예열하는 단계(S63)를 더 포함한다.
즉, 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계(S61)는, 시스템 설비가 안전한지를 판단하거나 고장 점검을 위해 일시적인 셧다운을 수행하게 되는데, 시스템 설비의 안전을 판단하고 고장 점검을 이룬 후에, 재가동시에 소모되는 시간 지연과 재가동시에 소모되는 에너지 절감을 이루기 위함이다.
따라서, 시스템 재가동시, 개질기(3)로 수소를 투입하는 단계(S62)에서는, 임시저장탱크(5a)()에 저장된 수소를 수소공급라인(5a)을 통해 개질기(3)로 투입시켜 개질기(3)의 촉매 활성화를 이루게 한다.
곧, 개질기(3)로 수소를 투입하는 단계(S62)에서는, 개질기(3)에 투입된 수소를 연소기(3a)로 가열시킨다. 이때 연소기(3a)의 연료로는 PSA기(5)에서 분리된 기타 가스와 CO 분석기(6)를 통과하지 못한 가스를 이용함으로써 재가동에 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.
이어서, 수성전환반응기(4) 내부를 예열하는 단계(S63)에서는, 연소기(3a)에 의해 가열된 수소가 수성전환반응기(4)로 투입되어 수성전환반응기(4) 내부를 예열시킨다.
이로써, 촉매 반응에 필요한 온도까지의 승온에 걸리는 시간이 단축되고, 빠른 시간 내에 정상운전에 도달할 수 있게 된다.
한편, 수소를 고압 압축하는 단계(S80)와 수소를 저장하는 단계(S90) 사이에 수소용기(8) 변경을 제어하는 단계(S81)가 더 포함된다.
여기서 수소용기(8) 변경을 제어하는 단계(S81)에서는, GCP(gas Control Panel)를 통해 제어된다.
즉, 수소용기(8) 다단으로 구성되어 있기 때문에 용기에 수소 가스의 잔존 유무를 판단하여, 수소 가스가 잔존된 용기가 있을 경우, 곧바로 디스펜서기(9)를 통하여 수소 가스를 연료 전지 차량에 충전토록 지시하고, 수소 가스가 잔존된 용기가 없을 경우, 수소용기(8)에 수소가스를 채우도록 지시한다.
한편, CO 농도를 분석하는 단계(S70)는, 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도를 CO 분석기(6)로 측정하게 되는데, 이때 일산화탄소의 농도가 1ppm 이하로 검출될 때, 수소 가스를 고압압축기(7)로 압축하도록 결정하고, 일산화탄소의 농도가 1ppm 초과로 검출될 때, 불통과된 가스로 판단하여 불통과된 가스를 개질기(3)로 보내어 개질기(3)에 부가 장착된 연소기(3a)의 연소 연료로 사용되도록 결정한다.
하기에서는 도 3을 참고로 하여 본 발명에 의한 수소 충전 시스템의 운전 제어 흐름을 상세히 설명하기로 한다.
천연가스를 탈황(S110) 처리한다.
여기서, 천연가스는 탈황기(1)를 통하여 황 성분이 제거된다.
곧, 탈황된 천연가스를 압축(S120) 시킨다.
여기서, 탈황된 천연가스는 압축기(2)를 통하여 압축된다.
곧, 탈황된 압축 천연가스를 개질(S130) 시킨다.
여기서, 탈황된 압축 천연가스는 개질기(3)를 통하여 합성가스로 전환되며 개질된다. 즉 합성가스는 천연가스의 주성분인 탄화수소에 수증기를 반응시켜 합성가스 생성을 이루게 하고, 합성가스는 수소와 일산화탄소로 이루어진다.
곧, 수소를 생성(S140) 시킨다.
여기서, 수소 생성은 수성전환반응기(4)를 통하여 얻어진다. 즉, 합성가스의 일산화탄소에 수증기를 반응시켜 수소 생성을 얻게 된다.
곧, 수소 및 기타 가스를 분리(S150) 시킨다.
여기서, 상기 개질기(3)와 수성전환반응기(4)를 통해 얻어진 수소와 그 밖의 미량으로 잔존하는 가스를 각각 분리되도록 한다.
곧, 임시로 수소 및 그 밖의 잔존 가스를 저장(S160) 시킨다.
여기서, 수소 및 그 밖의 잔존 가스를 각각 임시저장탱크(5a)에 저장되도록 한다.
곧, 시스템의 안전점검 및 고장 진단을 위해 시스템을 셧다운 시켜 재가동 여부(S170)를 묻게 된다.
이때, 시스템 재가동이 필요 없을 경우, 임시저장탱크(5a)에 저장된 수소 가스를 CO 분석기(6)로 보낸다.
곧, CO 농도분석시, 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도값을 분석(S180) 한다.
여기서, 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도값이 1ppm을 이하일 경우를 측정하게 된다.
곧 수소 고압축 저장(S190)을 수행한다.
여기서, 일산화탄소의 농도값이 1ppm 이하로 검출된 수소 가스만을 고압압축기(7)에 저장된다.
곧, 수소 저장(S210)을 수행한다.
여기서, 고압축된 수소를 다단으로 구성된 수소용기(8)에 저장시킨다.
곧, 연료 전지 차량에 수소 충전(S220)을 수행한다.
여기서, 수소용기(8)에 저장된 수소 가스를 디스펜서기(9)기로 연료 전지 차량에 충전시킴으로써 완료된다.
한편, 상기 시스템을 셧다운 시켜 재가동 여부(S170)를 묻는 과정에서 시스템 재가동이 필요할 경우 임시저장탱크(5a)()에 저장된 수소를 수소공급라인(5a)을 통해 개질기(3)로 투입시켜 개질기(3)의 촉매 활성화를 이루도록 한다. 즉, 탈황된 압축 천연가스를 개질(S130)하는 과정에서 수행되도록 한다.
또한, CO 농도 분석하는(S180) 과정에서 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도가 CO 분석기(6)를 통하여 1ppm을 초과하여 검출될 경우 개질기(3)의 연소기(3a)로 보내어 연소기(3a) 연료로 사용되도록 한다. 즉, 탈황된 압축 천연가스를 개질(S130)하는 과정에서 수행되도록 한다.
따라서, 시스템 셧다운 이후 재가동시, 개질기(3)로 투입된 수소에 의해 개질기(3)의 촉매 활성화가 이루어지고, CO 분석기(6)를 불통과한 불량 수소 가스 및 그 밖의 미량 가스를 개질기(3)에 부가장착된 연소기(3a)로 보내어 연소기(3a)의 연소 연료로 사용된다.
한편, 수소 용기 변경 제어함에 있어, GCP(gas Control Panel)를 통해 제어하게 되는데, 이때 수소용기(8)에 수소 가스 잔존 여부를 판단시, 수소용기(8)에 수소 가스가 잔존하지 않으면, 곧바로 수소를 수소 고압축 저장(S190)에서 연료 전지 차량에 수소 충전(S220)으로 수행되도록 한다.
반대로, 수소가스가 수소용기(8)에 잔존할 경우, 수소 고압축 저장(S190)에서 수소 저장(S210)으로 수행되도록 한다.
이로써, 개질기(3)로 투입된 수소는, 개질기(3)의 촉매를 재생시키는 한편, 개질기(3)의 연소기(3a)로부터 공급되는 열에 의해 수소가 가열되고, 이 가열된 수소가 수성전환반응기(4) 내부로 투입되어 수성전환반응기(4)를 예열하며, GCP(gas Control Panel)을 통해 과정을 생략가능함으로써 촉매 반응에 필요한 온도까지의 승온에 걸리는 시간을 단축함과 아울러 운전하는 과정의 생략으로 인하여 신속한 정상 운전을 이룰 수 있고, 시스템 재가동에 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1 : 탈황기 2 : 압축기
3 : 개질기 3a: 연소기
4 : 수소전환반응기 5 : PSA기
5a: 임시저장탱크(5a) 5b: 수소공급라인
6 : CO 분석기 7 : 고압 압축기
8 : 수소용기 9 : 디스펜서기
S1 : 제1 온도센서 S2 : 제2 온도센서
V1: 제1 밸브 V2: 제2 밸브
PS : 압력센서

Claims (6)

  1. 탈황기, 압축기, 개질기, 수성전환반응기, PSA기, CO 분석기, 고압압축기, 수소용기, 디스펜서기를 포함하고,
    상기 PSA기와 CO분석기 사이 PSA기 후단에 마련되어 시스템 셧다운 이후 재가동시, 임시로 저장된 수소를 개질기로 투입되게 하는 임시저장탱크가 구비됨을 더 포함하는 수소 충전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 임시저장탱크에서 개질기로 수소가 투입될 수 있게 임시저장탱크와 개질기 사이에 마련된 수소공급라인;
    상기 개질기에 투입된 수소가 열에 의해 가열될 수 있도록 개질기에 장착된 연소기를 더 포함하고;
    상기 개질기에 장착된 연소기를 통하여 가열된 수소에 의해 수소전환반응기 내부가 예열되고, PSA기에서 분리된 채 CO 분석기를 통과하지 못한 수소 가스와 함께 천연 가스에 잔존하는 가스들이 연소기의 연료로 재사용됨을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    시스템 셧다운 후 재가동시, 개질기와 수성전환반응기 사이에 마련되어 임시저장탱크로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기의 입구에서 160도 내지 180도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제1 밸브를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하는 제1 온도센서;
    임시저장탱크와 개질기 사이에 마련되어 제1 온도센서의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기로 투입되어 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 되는 제1 밸브;
    수소전환반응기와 PSA기에 마련되어 임시저장탱크로부터 유출되는 고순도 수소 가스가 수소전환반응기의 출구에서 140 내지 160도 범위의 온도에 이를 때, 이 온도 범위의 측정값을 제2 밸브를 차단하는 제어부의 기준값으로 제공하는 제2 온도센서;
    임시저장탱크와 전환반응기 사이에 마련되어 제2 온도센서의 온도 범위 측정값을 기준으로 제어부에 의해 개질기로 투입되는 순환되는 고순도 수소 가스의 유입을 차단하게 되는 제2 밸브;
    를 더 포함하여 고순도 수소의 순환을 중지하면서 시스템 정상 작동이 이루어짐을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  4. 천연가스 탈황하는 단계, 탈황된 천연가스를 압축하는 단계, 탈황된 압축 천연가스를 개질하는 단계, 수소 생성하는 단계, 수소 및 기타 가스로 분리하는 단계, 수소를 임시 저장하는 단계, 수소 가스에 잔존하는 CO 농도를 분석하는 단계, 수소를 고압 압축하는 단계, 수소를 저장하는 단계, 연료전지 차량에 수소를 충전하는 단계를 포함하고,
    임시 저장하는 단계와 CO 농도 분석하는 단계 사이에 시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계가 더 포함됨을 특징으로 하는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    시스템을 셧다운 시켜 재가동하는 단계는, 임시저장탱크에 연결된 수소공급라인을 통해 개질기로 수소를 투입하는 단계;
    개질기에 투입된 수소를 연소기로 가열하는 수소를 가열하는 단계;
    수성전환반응기 내부를 가열된 수소로 예열시키는 수성전환반응기 내부를 예열하는 단계;
    를 더 포함함을 특징으로 하는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법.
  6. 제4 항에 있어서,
    수소를 고압 압축하는 단계와 수소를 저장하는 단계 사이에 수소용기 변경을 제어하는 단계를 더 포함하고,
    CO 농도를 분석하는 단계는, 수소 가스에 잔존하는 일산화탄소의 농도를 1ppm 이하로 측정하게 됨을 특징으로 하는 수소 충전 시스템의 운전 제어 방법.
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