KR101683715B1 - 수소 충전기용 프리쿨러 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 프리쿨러는, 공기를 압축시키기 위한 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 사전에 설정된 범위 이내의 압력으로 제공하기 위한 서지탱크; 유입된 공기를 온기와 냉기로 분리시키는 복수 개의 볼텍스튜브가 다단으로 설치되어, 상기 서지탱크로부터 전달받은 압축공기의 일부를 기준온도 이하의 냉기로 분리하여 배출시키는 다단냉각기; 및 상기 다단냉각기로부터 배출된 냉기와, 수소탱크로부터 인출된 수소를 열교환시키는 열교환기;를 포함한다. 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 내부구성이 간단하여 내구성이 우수하고, 별도의 냉매나 액체질소가 필요 없으므로 유지비용이 저렴하며, 수소 냉각률을 자유롭게 조절할 수 있어 사용이 편리하다는 장점이 있다.

Description

수소 충전기용 프리쿨러 {Pre-cooler for hydrogen filling device}

본 발명은 수소를 탱크 내에 충전하기 이전에 상기 수소를 먼저 냉각시키기 위한 프리쿨러에 관한 것으로, 더 상세하게는 복수 개의 볼텍스튜브를 통해 발생된 저온의 공기를 이용하여 수소를 냉각시키도록 구성되는 수소 충전기용 프리쿨러에 관한 것이다.

통상적으로, 연료전지란 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.

최근에는 연료전지가 자동차에 응용되어 많은 연구와 개발이 이루어지고 있는 상태이며, 이러한 연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이는 없지만, 연료전지 자동차는 환경친화적인 측면에서 매우 유리하고, 그 구동원을 위한 에너지원으로서 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하는 점에 차이가 있다.

연료전지에서는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는데, 공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질막을 통해 양극으로 넘어가게 된다. 실제 차량에서 필요한 전위를 얻기 위해서는 단위 전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 단위 전지를 적층한 것을 연료전지 스택(fuel cell stack)이라 하며, 이러한 연료전지 스택에서 음극(애노드)으로 수소를, 양극(캐소드)으로 공기 또는 산소를 흘려주어 전기화학반응을 일으킴으로써 고효율의 전기에너지와 반응에 의한 물을 발생시키게 된다.

한편, 연료전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 수소저장탱크에 미리 충전시킨 뒤 수소저장탱크에 저장된 수소를 관련 배관을 통해 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 차량을 주행시킨다.

그러나 이러한 연료전지 차량의 상용화에 있어서 최대 걸림돌로 작용하는 것 중 하나가 수소저장시스템이다. 현재 연료전지 차량에 사용되는 고압 수소저장시스템(350bar/700bar)의 저장용량은 3.5kg으로 1회 충전시 약 300km를 운행할 수 있으나, 기존 가솔린 차량 대비 경쟁력이 부족한 것으로 알려져있다. 기존 내연기관에 상응하는 주행거리 확보를 위해서는 최소 5kg의 수소가 필요하며, 이에 제한된 공간과 무게를 만족시키는 새로운 수소저장시스템이 필요하다.

최근 수소저장합금을 이용한 수소저장기술이 개발되었으며, 이는 금속수소화물(Metal Hybrides:MH)계를 사용함으로써 수소저장용량의 증대뿐만 아니라 안전에 대한 요구를 충족시킬 수 있다. 이때, 수소 충전시에는 발열반응이 일어나고 수소 방출시에는 흡열반응이 일어나는데, 수소 충전시 발열반응이 일어나면 수소저장시스템의 충전시간이 지연된다는 문제점이 있는바, 수소 충전시 극저온 냉동기나 액체질소를 이용하여 수소를 냉각시킨 후 수소저장탱크에 충전시키는 방법이 제안된 바 있다.

그러나 극저온 냉동기는 냉동 사이클이 복잡하여 시스템 구성이 복잡해지고 이에 따라 설치비용이 높아진다는 단점이 있다. 또한, 액체질소의 기화열을 이용하여 수소를 냉각시키는 방법을 사용하는 경우에는 시스템 구성이 간단해진다는 장점은 있으나 액체질소가 지속적으로 소모되는바 유지비용이 높아진다는 단점이 있다.

KR 10-1272589 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 내부구성이 간단하고, 유지비용이 저렴하며, 수소 냉각률을 자유롭게 조절할 수 있는 수소 충전기용 프리쿨러를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 프리쿨러는, 공기를 압축시키기 위한 압축기; 상기 압축기에 의해 압축된 공기를 사전에 설정된 범위 이내의 압력으로 제공하기 위한 서지탱크; 유입된 공기를 온기와 냉기로 분리시키는 복수 개의 볼텍스튜브가 다단으로 설치되어, 상기 서지탱크로부터 전달받은 압축공기의 일부를 기준온도 이하의 냉기로 분리하여 배출시키는 다단냉각기; 및 상기 다단냉각기로부터 배출된 냉기와, 수소탱크로부터 인출된 수소를 열교환시키는 열교환기;를 포함한다.

상기 다단냉각기는, 상기 서지탱크로부터 제공된 압축공기가 유입되는 제1 유입구와, 상기 제1 유입구를 통해 유입된 공기로부터 분리된 냉기와 온기가 각각 배출되는 제1 냉기배출구 및 제1 온기배출구를 구비하는 제1 볼텍스튜브; 상기 제1 볼텍스튜브로부터 배출된 냉기가 유입되는 제2 유입구와, 상기 제2 유입구를 통해 유입된 냉기로부터 분리된 극저온냉기와 온기가 각각 배출되는 제2 냉기배출구 및 제2 온기배출구를 구비하는 제2 볼텍스튜브; 상기 제2 볼텍스튜브로부터 배출된 극저온냉기가 유입되는 제3 유입구와, 상기 제3 유입구를 통해 유입된 극저온냉기로부터 분리된 초극저온냉기와 온기가 각각 배출되는 제3 냉기배출구 및 제3 온기배출구를 구비하는 제3 볼텍스튜브;를 포함한다.

사용자가 선택한 온도로 수소가 냉각되도록, 상기 압축기 및 서지탱크의 압축공기 배출유량과, 상기 수소탱크로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함한다.

상기 수소탱크로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하는 수소유량 제어밸브를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 수소유량 제어밸브의 개폐량을 조절하도록 구성된다.

상기 각 볼텍스튜브로부터 배출된 온기를 저장하였다가, 사용자의 선택에 따라 내부에 저장된 온기를 배출시키는 온기 저장탱크를 더 포함한다.

상기 열교환기에서 수소와 열교환을 한 후 상기 열교환기로부터 배출되는 냉기를 상기 압축기로 회수하는 회수라인을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 회수라인에 구비된 회수공기 제어밸브의 개폐량을 조절하여 상기 압축기로 회수되는 냉기의 유량을 제어하도록 구성된다.

본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 내부구성이 간단하여 내구성이 우수하고, 별도의 냉매나 액체질소가 필요 없으므로 유지비용이 저렴하며, 수소 냉각률을 자유롭게 조절할 수 있어 사용이 편리하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러에 포함되는 다단냉각기의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러 제2 실시예의 블록도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러에 포함되는 다단냉각기의 개략도이다.

본 발명에 의한 프리쿨러는 수소를 충전하기 이전에 상기 수소를 충분히 냉각시킴으로써 냉각효율을 극대화시키기 위한 냉각장치의 일종으로서, 별도의 냉동사이클이나 액체질소를 이용하지 아니하고서도 수소를 충분히 냉각시킬 수 있도록 구성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

즉, 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 공기를 압축시키기 위한 압축기(100)와, 상기 압축기(100)에 의해 압축된 공기를 사전에 설정된 범위 이내의 압력으로 제공하기 위한 서지탱크(200)와, 유입된 공기를 온기와 냉기로 분리시키는 복수 개의 볼텍스튜브(본 실시예에서는 제1 볼텍스튜브(310)와 제2 볼텍스튜브(320)와 제3 볼텍스튜브(330))가 다단으로 설치된 다단냉각기(300)와, 상기 다단냉각기(300)로부터 배출된 냉기와 수소탱크(400)로부터 인출된 수소를 열교환시키는 열교환기(500)를 포함하여 구성된다는 점에 구성상의 특징이 있다.

상기 제1 볼텍스튜브(310)는, 서지탱크(200)로부터 제공된 압축공기가 유입되는 제1 유입구(312)와, 상기 제1 유입구(312)를 통해 유입된 공기로부터 분리된 냉기와 온기가 각각 배출되는 제1 냉기배출구(314) 및 제1 온기배출구(316)를 구비한다. 또한 제2 볼텍스튜브(320)는, 제1 볼텍스튜브(310)로부터 배출된 냉기가 유입되는 제2 유입구(322)와, 상기 제2 유입구(322)를 통해 유입된 냉기로부터 분리된 극저온냉기(제1 볼텍스튜브(310)에서 배출된 냉기보다 더 낮은 온도의 냉기)와 온기가 각각 배출되는 제2 냉기배출구(324) 및 제2 온기배출구(326)를 구비한다. 마찬가지로 상기 제3 볼텍스튜브(330)는, 제2 볼텍스튜브(320)로부터 배출된 극저온냉기가 유입되는 제3 유입구(332)와, 상기 제3 유입구(332)를 통해 유입된 극저온냉기로부터 분리된 초극저온냉기(제2 볼텍스튜브(320)에서 배출된 극저온냉기보다 더 낮은 온도의 냉기)와 온기가 각각 배출되는 제3 냉기배출구(334) 및 제3 온기배출구(336)를 구비한다.

따라서 서지탱크(200)를 통해 배출된 압축공기는 제1 유입구(312)를 통해 제1 볼텍스튜브(310) 내로 유입되어 냉기와 온기로 분리되어 상기 제1 냉기배출구(314)와 제2 냉기배출구(324)를 통해 배출되고, 상기 제1 볼텍스튜브(310)로부터 배출된 냉기는 제2 볼텍스튜브(320)를 지나면서 더욱 낮은 온도의 냉기 즉, 극저온냉기로 온도 강하되며, 상기 제2 볼텍스튜브(320)로부터 배출된 극저온냉기는 제3 볼텍스튜브(330)를 지나면서 더욱 낮은 온도의 냉기 즉, 초극저온냉기로 온도 강하되어 열교환기(500)로 공급된다. 이와 같이 초극저온냉기가 열교환기(500)로 공급되면, 수소탱크(400)에 저장되어 있던 수소는 열교환기(500)를 지나면서 상기 초극저온냉기와 열교환하여 사용자가 원하는 온도까지 냉각될 수 있고, 이에 따라 수소충전 효율을 기준치 이상으로 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 별도의 냉동사이클을 설치하더라도 수소를 충분히 냉각시킬 수 있으므로, 수소 충전기의 전체 구조를 단순화시킴으로서 제조비용을 절감할 수 있고, 프레온가스 등과 같은 유해 냉매를 사용하지 아니하므로 환경오염 문제를 발생시키지 아니한다는 장점이 있다. 또한 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 액체질소와 같은 고가의 냉각물질을 사용하지 아니하므로, 유지 및 운전비용이 절감된다는 장점도 기대할 수 있다.

한편, 압축공기에서 냉기를 발생시키는 상기 다단냉각기(300)는, 하나의 볼텍스튜브만으로도 충분히 낮은 온도의 냉기를 발생시킬 수 있다면 하나의 볼텍스튜브만을 구비하도록 구성될 수도 있다. 그러나 통상적으로 하나의 볼텍스튜브로는 상온의 압축공기를 수소냉각에 사용될 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도의 냉기를 발생시킬 수 없으므로, 상기 다단냉각기(300)는 본 실시예에 도시된 바와 같이 복수 개의 볼텍스튜브를 사용하여 냉기의 온도를 점진적으로 더욱 낮추도록 구성됨이 바람직하다.

이때, 본 실시예에서는 상기 다단냉각기(300)에 3개의 볼텍스튜브가 구비되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 다단냉각기(300)에 구비되는 볼텍스튜브의 개수는 2개 또는 4개 이상으로 변경될 수 있다. 즉, 상기 볼텍스튜브의 개수는 냉기발생 성능 및 요구되는 냉기의 온도 등 여러 조건에 따라 자유롭게 변경될 수 있다.

수소탱크(400)에서 인출된 수소가 열교환기(500)를 지나면서 냉각될 때, 상기 수소의 냉각온도는 열교환기(500)로 유입되는 초극저온냉기의 온도에 따라 달라질 수 있다. 그러나 일반적으로 볼텍스튜브를 통해 배출되는 냉기의 온도는 어느 정도 일정 수준으로 결정되어 있는바, 수소의 냉각온도를 조절하고자 하는 경우 열교환기(500)로 유입되는 초극저온냉기와 수소의 유량을 조절함이 바람직하다.

예를 들어 수소를 보다 낮은 온도로 냉각시키고자 하는 경우에는 열교환기(500)로 유입되는 초극저온냉기의 유량을 증가시키거나 열교환기(500)로 유입되는 수소의 유량을 감소시키고, 반대로 수소의 냉각온도를 어느 정도 높이고자 하는 경우에는 열교환기(500)로 유입되는 초극저온냉기의 유량을 감소시키거나 열교환기(500)로 유입되는 수소의 유량을 증가시킴이 바람직하다.

본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는 상기와 같이 초극저온냉기의 유량과 수소의 유량을 보다 용이하게 조절할 수 있도록, 상기 압축기(100) 및 서지탱크(200)의 압축공기 배출유량과, 상기 수소탱크(400)로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하는 제어부(600)를 추가로 구비할 수 있다.

또한, 수소탱크(400)로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하는 수소유량 제어밸브(410)가 추가로 구비되는 경우, 상기 제어부(600)는 상기 수소유량 제어밸브(410)의 개폐량을 조절하도록 구성됨이 바람직하다.

한편, 각 볼텍스튜브에서 배출된 냉기는 수소 냉각을 위해 열교환기(500)로 유입되는데, 상기 각 볼텍스튜브로부터 배출된 온기는 열교환기(500)로 유입되지 아니하고 외부로 배출된다. 이때, 각 볼텍스튜브로부터 배출된 온기를 그대로 외부로 버리지 아니하고 성에제거용이나 난방용 등으로 재활용될 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 각 볼텍스튜브로부터 배출된 온기를 저장하는 온기 저장탱크(700)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 온기 저장탱크(700)는 내부에 저장되어 있던 온기가 필요 시에만 외부로 인출되도록 구성되는바, 사용자는 성에 제거나 난방 등이 필요한 경우에만 선택적으로 저장태크 내의 온기를 활용할 수 있게 된다.

한편, 제1 볼텍스튜브(310)에서 배출되는 온기와 제2 볼텍스튜브(320)에서 배출되는 온기와 제3 볼텍스튜브(330)에서 배출되는 온기는 모두 온도가 상이하므로 다른 용도로 활용될 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 본 실시예에 도시된 바와 같이 제1 볼텍스튜브(310)에서 배출되는 온기와 제2 볼텍스튜브(320)에서 배출되는 온기와 제3 볼텍스튜브(330)에서 배출되는 온기가 모두 하나의 온기 저장탱크(700)에 저장되도록 구성될 수도 있고, 제1 볼텍스튜브(310)에서 배출되는 온기를 저장하기 위한 저장탱크와 제2 볼텍스튜브(320)에서 배출되는 온기를 저장하기 위한 저장탱크와 제3 볼텍스튜브(330)에서 배출되는 온기를 저장하기 위한 저장탱크가 각각 별도로 마련될 수도 있다.

도 3은 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러 제2 실시예의 블록도이다.

열교환기(500)로 제공되는 초극저온냉기의 온도를 더욱 낮추기 위해서는 제1 볼텍스튜브(310)로 유입되는 공기의 온도를 낮춤이 바람직한데, 도 1에 도시된 바와 같이 압축기(100)가 상온의 공기를 압축시켜 제1 볼텍스튜브(310)로 제공하도록 구성되면 제3 볼텍스튜브(330)로부터 배출되는 초극저온냉기의 온도를 낮추는데 한계가 있다.

이때, 열교환기(500)를 지난 초극저온냉기는 열교환기(500)로 유입되기 이전보다는 온도가 높아지지만 상온에 비해서는 여전히 낮은 온도를 유지하는바, 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는 상기 열교환기(500)로부터 배출되는 냉기를 압축기(100)로 회수시킴으로써, 상기 제1 볼텍스튜브(310)로 보다 낮은 온도의 압축공기를 제공하도록 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 의한 수소 충전기용 프리쿨러는, 상기 열교환기(500)에서 수소와 열교환을 한 후 열교환기(500)로부터 배출되는 냉기를 상기 압축기(100)로 회수하는 회수라인을 추가로 구비하고, 상기 제어부(600)가 회수라인에 구비된 회수공기 제어밸브(510)의 개폐량을 조절하여 상기 압축기(100)로 회수되는 냉기의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다.

상기 언급한 바와 같이 회수라인이 추가로 구비되면, 제1 볼텍스튜브(310)로 제공하는 압축공기의 온도를 낮출 수 있고, 이에 따라 제3 볼텍스튜브(330)를 통해 배출되는 초극저온냉기의 온도가 더욱 낮아지는바, 결과적으로 수소를 더욱 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다는 효과를 기대할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100 : 압축기 200 : 서지탱크
300 : 다단냉각기 310 : 제1 볼텍스튜브
312 : 제1 유입구 314 : 제1 냉기배출구
316 : 제1 냉기배출구 320 : 제2 볼텍스튜브
322 : 제2 유입구 324 : 제2 냉기배출구
326 : 제2 냉기배출구 330 : 제3 볼텍스튜브
332 : 제3 유입구 334 : 제3 냉기배출구
336 : 제3 냉기배출구 400 : 수소탱크
410 : 수소유량 제어밸브 500 : 열교환기
510 : 회수공기 제어밸브 600 : 제어부
700 : 온기 저장탱크

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 공기를 압축시키기 위한 압축기;
   상기 압축기에 의해 압축된 공기를 사전에 설정된 범위 이내의 압력으로 제공하기 위한 서지탱크;
   유입된 공기를 온기와 냉기로 분리시키는 제1 볼텍스튜브와 제2 볼텍스튜브와 제3 볼텍스튜브가 다단으로 설치되어, 상기 서지탱크로부터 전달받은 압축공기의 일부를 기준온도 이하의 냉기로 분리하여 배출시키는 다단냉각기;
   상기 다단냉각기로부터 배출된 냉기와, 수소탱크로부터 인출된 수소를 열교환시키는 열교환기;
   상기 열교환기에서 수소와 열교환을 한 후 상기 열교환기로부터 배출되는 냉기를 상기 압축기로 회수하는 회수라인;
   상기 각 볼텍스튜브로부터 배출된 온기를 저장하였다가, 사용자의 선택에 따라 내부에 저장된 온기를 배출시키는 온기 저장탱크;
   사용자가 선택한 온도로 수소가 냉각되도록, 상기 압축기 및 서지탱크의 압축공기 배출유량과 상기 수소탱크로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하고, 상기 회수라인에 구비된 회수공기 제어밸브의 개폐량을 조절하여 상기 압축기로 회수되는 냉기의 유량을 제어하는 제어부;
   를 포함하되,
   상기 제1 볼텍스튜브는, 상기 서지탱크로부터 제공된 압축공기가 유입되는 제1 유입구와, 상기 제1 유입구를 통해 유입된 공기로부터 분리된 냉기와 온기가 각각 배출되는 제1 냉기배출구 및 제1 온기배출구를 구비하고,
   상기 제2 볼텍스튜브는, 상기 제1 볼텍스튜브로부터 배출된 냉기가 유입되는 제2 유입구와, 상기 제2 유입구를 통해 유입된 냉기로부터 분리되며 상기 제1 볼텍스튜브로부터 배출된 냉기보다 더 낮은 온도의 극저온냉기와 온기가 각각 배출되는 제2 냉기배출구 및 제2 온기배출구를 구비하며,
   상기 제3 볼텍스튜브는, 상기 제2 볼텍스튜브로부터 배출된 극저온냉기가 유입되는 제3 유입구와, 상기 제3 유입구를 통해 유입된 극저온냉기로부터 분리되며 상기 제2 볼텍스튜브로부터 배출된 극저온냉기보다 더 낮은 온도의 초극저온냉기와 온기가 각각 배출되는 제3 냉기배출구 및 제3 온기배출구를 구비하고,
   상기 수소탱크로부터 인출되는 수소의 유량을 제어하는 수소유량 제어밸브를 더 포함하고,
   상기 제어부는 상기 수소유량 제어밸브의 개폐량을 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수소 충전기용 프리쿨러.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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