KR102073137B1 - 안정적인 수소 충전을 위한 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템 - Google Patents

안정적인 수소 충전을 위한 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템 Download PDF

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경 택 임
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Abstract

수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템에 있어, 충전 시스템을 구성하는 각 장치 간 압력 균형을 안정적으로 제어할 수 있는 시스템이 개시된다. 본 발명은 수소 공급 장치; 상기 수소 공급 장치로부터 제1 압축기 공급 조절 밸브를 통해 공급받은 수소를 압축하는 2 이상의 압축기; 상기 압축기로부터 토출된 수소를 압축기 토출 조절 밸브 및 디스펜서 공급 조절 밸브를 통해 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전하는 수소 디스펜서; 상기 연료전지 사용 장치로 미충전된 수소를 고압용기 공급 조절 밸브를 통해 저장하고, 저장된 수소를 및 제2 압축기 공급 조절 밸브를 통해 상기 압축기로 공급하는 가스 고압용기; 및 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브, 상기 압축기 토출 조절 밸브, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브, 상기 고압용기 공급 조절 밸브, 및 제2 압축기 공급 조절 밸브의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.

Description

안정적인 수소 충전을 위한 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템{HYDROGEN CHARGING SYSTEM FOR FUEL CELLS IN HYDROGEN STATION FOR STABLE HYDROGEN CHARGING}
본 발명은 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정적인 수소 충전을 위한 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 소비되는 에너지는 대부분이 화석원료인 석유 및 석탄으로 이루어지며, 특히 자동차의 경우 휘발류, 경유와 같은 유류를 이용하는 것이 대부분이다.
그러나, 석유와 같은 화석연료는 그 매장량에 한계가 있으며, 또한 에너지를 얻기 위하여 연소시킬 때 발생하는 각종 가스나 분진 및 연소 후 잔여물질은 환경오염과 지구온난화의 주요 원인이다.
이러한 상황을 타개할 수 있는 대체 에너지로는 수소와 같은 청정 에너지원과 수력, 풍력, 태양열과 같은 자연 에너지를 들 수 있으며, 특히 자동차의 에너지원으로는 그 효율성과 출력을 감안하면 수소를 이용한 연료전지가 가장 바람직한 동력원으로 기대되고 있다.
즉, 일반 전기 자동차의 경우 충전지가 갈수록 가벼워지고 있다고는 하지만 그 무게가 무겁고 또한 충전에 걸리는 시간을 감안하면 상당한 불편함이 있다. 이에 대하여, 연료전지는 압축수소를 산소와 결합해 발생하는 물과 전기를 이용해 동력을 얻는 자동차로 소음이 적고 배기가스를 전혀 배출하지 않으며, 원료인 압축수소의 주입은 일반 가스 자동차와 같이 신속하게 이루어지므로 그 효율성 면에서는 기존 자동차와 다르지 않다.
이러한 압축수소를 사용하기 위해서는 자동차의 내부에 고압의 수소가스 저장 용기를 구비하여 충전할 수 있도록 해야 하므로, 지금의 가스 충전소와 같은 형태의 수소 스테이션이 마련되어야 한다. 다만, 수소는 기존의 LPG와는 그 성질이 상이하고, 또한 압축된 형태로 공급되어야 하므로 수소 스테이션의 충전 시스템은 기존 가스 충전소와는 다른 시스템으로 작동되어야 한다.
통상적으로, 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차는 350기압 또는 700기압의 수소 저장 용기를 하나 이상 장착하고 있다.
이러한 수소 저장 용기에 대한 수소 충전 시스템은 일반적으로 수소 공급 장치, 압축기 및 수소 디스펜서를 포함하고, 수소 스테이션의 디스펜서 또는 수소 저장 용기에 포함된 압력 센서에서 압력을 측정하여, 그 측정 압력이 목표 압력에 도달하면 충전을 종료하는 시스템으로 구성되어 있다.
그러나, 목표 압력까지 도달하여 충전이 원활이 수행되도록 하기 위해서는 수소 공급 장치, 압축기, 수소 디스펜서 등 수소 스테이션의 충전 시스템을 구성하는 각 장치에서의 흡입 및 토출 압력이 균형을 이루어야 하며, 이러한 장치 간 압력 균형을 유기적으로 제어하는 시스템 설계가 요구되나, 아직까지 장치 간 수소 압력을 안정적으로 제어할 수 있도록 하는 시스템에 관해 명확히 제안한 문헌은 제시되지 않고 있다.
또한, 수소 스테이션의 충전 시스템을 구성하는 장비, 센서 등에 이상이 있어 장치 간 압력이 과도해지는 상황이 발생할 수 있으나, 이러한 비상 상황 발생 시 시스템적으로 해결할 수 있는 수단을 명확히 제안한 문헌은 제시되지 않고 있다.
[선행특허문헌]
- 한국등록특허 제1134386호(2012.04.02.)
- 한국등록특허 제1632859호(2016.06.16.)
- 한국등록특허 제1883584호(2018.07.24.)
- 한국등록특허 제1547047호(2015.08.18.)
본 발명은 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템에 있어, 충전 시스템을 구성하는 각 장치 간 압력 균형을 안정적으로 제어할 수 있는 시스템을 제시하고자 한다.
또한, 수소 스테이션의 충전 시스템을 구성하는 장비, 센서 등에 이상이 있어 장치 간 압력이 과도해지는 상황이 발생할 경우 이를 시스템적으로 해결할 수 있는 수단을 제시하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 수소 공급 장치; 상기 수소 공급 장치로부터 제1 압축기 공급 조절 밸브를 통해 공급받은 수소를 압축하는 2 이상의 압축기; 상기 압축기로부터 토출된 수소를 압축기 토출 조절 밸브 및 디스펜서 공급 조절 밸브를 통해 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전하는 수소 디스펜서; 상기 연료전지 사용 장치로 미충전된 수소를 고압용기 공급 조절 밸브를 통해 저장하고, 저장된 수소를 제2 압축기 공급 조절 밸브를 통해 상기 압축기로 공급하는 가스 고압용기; 및 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브, 상기 압축기 토출 조절 밸브, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브, 상기 고압용기 공급 조절 밸브 및 제2 압축기 공급 조절 밸브의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 세트 포인트가 설정된 압력 측정계로부터 측정된 수소 압력 값을 입력받아, 이와 연동된 각 조절 밸브별로 개도율을 변화시켜 상기 각 조절 밸브의 작동을 제어하되, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브는 상기 수소 공급 장치 및 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브 사이에 구비된 압축기 공급 압력 측정계와 연동되고, 상기 압축기 토출 조절 밸브는 상기 압축기 및 상기 압축기 토출 조절 밸브 사이에 구비된 압축기 토출 압력 측정계와 연동되고, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브 및 상기 고압용기 공급 조절 밸브는 상기 상기 압축기 토출 조절 밸브 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브 사이에 구비된 디스펜서 공급 압력 측정계와 연동되고, 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브는 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브 및 상기 압축기 사이에 구비된 압축기 흡입 압력 측정계와 연동되는 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제어부는 상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 압축기 공급 압력 측정계의 압력이 1~40%, 상기 압축기 토출 압력 측정계의 압력이 60~130%, 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 70~115% 및 상기 압축기 흡입 압력 측정계의 압력이 10~60% 범위일 경우 상기 충전 시스템이 정상 작동되도록 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 압력 측정계의 세트 포인트는 상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 압축기 공급 압력 측정계가 25~35%, 상기 압축기 토출 압력 측정계가 95~105%, 상기 디스펜서 공급 압력 측정계가 95~105% 및 상기 압축기 흡입 압력 측정계가 25~35%로 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브는 상기 압축기 공급 압력 측정계의 압력이 3~10% 이하일 경우 완전히 닫히고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 압축기 토출 조절 밸브는 상기 압축기 토출 압력 측정계의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 고압용기 공급 조절 밸브는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 110~115% 이상일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 10~40% 개방되고, 상기 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브는 상기 압축기 흡입 압력 측정계의 압력이 10~20% 이하일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 완전히 닫히도록 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
또한, 상기 압축기와 병렬로 연결된 라인에 구비된 압축기 비상 배기 밸브와, 상기 수소 디스펜서 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브 사이에 구비된 디스펜서 비상 배기 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래 수소 공급 장치, 압축기 및 수소 디스펜서에, 연료전지 사용 장치로 미충전된 수소를 저장하고 압축기로 공급하는 가스 고압용기 및 시스템을 구성하는 장치 간 조절 밸브의 작동을 정밀하게 제어하는 제어부를 포함하여, 충전 시스템을 구성하는 각 장치 간 압력 균형을 안정적으로 제어할 수 있는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 압축기 비상 배기 밸브 및 디스펜서 비상 배기 밸브를 구비하여 장치 간 압력이 과도해지는 상황이 발생할 경우 압력 해소가 원활히 이루어지도록 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 나타낸 구성도.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였고, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 부유식 정화장치 상에 도시된 세부 구성의 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템(10)은 수소 공급 장치(11), 압축기(12), 수소 디스펜서(13), 가스 고압용기(14) 및 제어부(15)를 포함한다.
상기 수소 공급 장치(11)는 고압 수소 가스 공급원으로서, 예컨대, 수소 튜브 트레일러 등일 수 있다. 현재 일반적으로 수소 튜브 트레일러에서 공급되는 고압 수소의 압력은 200bar이나, 본 발명에서 수소 튜브 트레일러에서 공급되는 고압 수소의 압력 범위가 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 압축기(12)는 상기 수소 공급 장치(11)로부터 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)를 통해 공급받은 수소를 압축하고, 압축된 수소를 라인을 통해 수소 디스펜서(13)에 공급하는 장치로서, 본 발명에서는 2 이상의 압축기(12)가 구비되어, 어느 한 압축기(12)가 가동될 경우 다른 압축기(12)는 휴지 상태로 운용되도록 하여 수소 공급이 중단되지 않도록 한다. 이하, 도 1에서 제1 압축기(12a)가 가동 상태이고, 제2 압축기(12b)가 휴지 상태일 경우를 들어 설명한다.
상기 수소 공급 장치(11)로부터 공급되는 수소는 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)를 통해 유량이 조절되어 제1 압축기 흡입 밸브(203)를 통해 제1 압축기(12a)로 흡입된다. 제1 압축기(12a)에서 압축된 수소는 제1 압축기 토출 밸브(205)를 통해 토출되어 압축기 토출 조절 밸브(210) 및 디스펜서 공급 조절 밸브(211)를 통해 유량이 조절되어 수소 디스펜서(13)로 전달된다.
상기 수소 디스펜서(13)는 상기 제1 압축기(12a)로부터 토출된 수소를 압축기 토출 조절 밸브(210) 및 디스펜서 공급 조절 밸브(211)를 통해 전달된 수소를 노즐을 통해 최종 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되도록 하는 장치이다. 현재 일반적으로 수소 디스펜서(13)로부터 충전되는 고압 수소의 압력은 700bar이나, 본 발명에서 수소 충전되는 고압 수소의 압력 범위가 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 가스 고압용기(14)는 상기 연료전지 사용 장치(16)로 미충전된 수소를 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209)를 통해 저장하고, 저장된 수소를 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)를 통해 상기 제1 압축기(12a)로 공급하는 장치로서, 가스 고압용기(14)가 없을 경우 발생할 수 있는 운용 중단 내지 효율 저하, 예컨대, 튜브 트레일러(11)의 교체 시 가동 중단, 튜브 트레일러(11)의 공급 압력 저하 등으로 고압 수소 가스 흐름의 밸런싱이 저하되어 충전 시간이 증가하는 현상, 압축기(12)로부터 토출된 수소 압력이 과도하게 증가할 경우 발생하는 설비 부하 문제 등을 해결하는 전체적인 시스템의 완충장치 역할을 한다.
상기 제어부(15)는 상기 조절 밸브들, 즉, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201), 상기 압축기 토출 조절 밸브(210), 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211), 상기 고압용기 공급 조절 밸브(208), 상기 고압용기 공급 조절 밸브(209) 및 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)의 작동을 제어함으로써, 전체 충전 시스템을 구성하는 각 장치 간 압력 균형이 안정적으로 제어되도록 한다.
이러한 상기 제어부(15)의 각 조절 밸브의 제어는 세트 포인트가 설정된 압력 측정계로부터 측정된 수소 압력 값을 입력받아, 이와 연동된 각 조절 밸브별로 개도율을 변화시켜 상기 각 조절 밸브의 작동이 제어되도록 함으로써 수행된다. 즉, 상기 제어부(15)는 입력받은 측정 수소 압력 값과 목표 압력 값(세트 포인트)을 비교하고, 피드백 제어(예컨대, PID(Proportional-Integral-Differential) 제어)에 의해 목표 압력 값과 측정 압력 값의 압력차에 따라서 조절 밸브의 개도율을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)는 상기 수소 공급 장치(11) 및 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201) 사이에 구비된 압축기 공급 압력 측정계(102)와 연동되고, 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)는 상기 압축기(12) 및 상기 압축기 토출 조절 밸브(210) 사이에 구비된 압축기 토출 압력 측정계(109)와 연동되고, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211), 상기 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209)는 상기 압축기 토출 조절 밸브(210) 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211) 사이에 구비된 디스펜서 공급 압력 측정계(110)와 연동되고, 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)는 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201) 및 상기 제1 압축기(12a) 사이에 구비된 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)와 연동되도록 설계될 수 있다.
본 발명에서는 전체 충전 시스템(10)을 구성하는 각 장치 간 압력 균형이 안정적으로 제어됨으로써 수소 디스펜서(13)로부터 중단 없이 안정적으로 원활한 충전이 수행되도록 하는 각 장치 간 고압 수소 압력의 허용 범위를 제안한다.
즉, 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 압축기 공급 압력 측정계(102)의 압력이 1~40%, 상기 압축기 토출 압력 측정계(109)의 압력이 60~130%, 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 압력이 70~115%, 상기 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 압력이 10~60% 및 제1 압축기 토출 압력 측정계(105)의 압력이 60~130% 범위일 경우 상기 충전 시스템(10)이 정상 작동되도록 설정되고, 또한, 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)는 상기 압축기 공급 압력 측정계(102)의 압력이 3~10% 이하일 경우 완전히 닫히고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)는 상기 압축기 토출 압력 측정계(109)의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211)는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고, 상기 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209)는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 압력이 110~115% 이상일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 10~40% 개방되고, 상기 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)는 상기 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 압력이 10~20% 이하일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 완전히 닫히도록 설정될 경우 전체 충전 시스템(10)이 어떠한 상황에서도 안정적으로 원활한 충전 수행이 가능할 것으로 충분히 예측됨을 확인하였다.
상기 정상 작동 범위에 있어, 상기 압축기 공급 압력 측정계(102), 상기 압축기 토출 압력 측정계(109), 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110) 및 상기 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 압력이 각 하한에 미치지 못할 경우에는 충전 효율이 현저히 저하될 뿐 아니라, 이 경우 각 장치나 이송 라인에 이상이 발생한 경우일 수 있음을 의미하므로, 전체적인 충전 시스템(100)을 중단시킬 필요가 있다. 한편, 도 1에서 부호 201은 계측기용 압력 측정계로서 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 0.5~1.5% 범위일 경우 상기 충전 시스템(100)이 정상 작동되도록 설정될 수 있다.
본 발명에서 상기 각 조절 밸브의 세트 포인트 및 개도율은 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 제1 압축기(12a)에 공급되는 튜브 트레일러(11)의 공급 압력이 바람직하게는 25~32%, 또는 26~31%, 또는 27~30%, 또는 28~29%일 경우를 상정하여 설계될 수 있다.
상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201) 제어와 관련하여, 우선 연동된 압축기 공급 압력 측정계(102)의 세트 포인트를 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 25~35% 수준으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(15)는 상기 튜브 트레일러(11)로부터 공급되는 수소의 압력이 상기 세트 포인트 범위 내에 있게 되도록 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)를 자동 제어할 수 있다. 따라서, 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)는 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되도록 설정될 수 있다. 다만, 상기 압축기 공급 압력 측정계(102)의 압력이 3~10% 이하(예컨대, 3% 이하로 설정, 5% 이하로 설정, 10% 이하로 설정)일 경우에는 완전히 닫히도록 설정되어, 제1 압축기(12a)로부터 토출되는 고압 수소와의 압력 균형을 위해 제1 압축기(12a)에 흡입되는 수소 압력이 일정 수준 이상이 된 이후부터 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)의 개도율이 증가하도록 설정될 수 있다.
상기 압축기 토출 조절 밸브(210) 제어와 관련하여서는, 연동된 압축기 토출 압력 측정계(109)의 세트 포인트를 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 95~105% 수준으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(15)는 상기 제1 압축기로(12a)부터 토출되는 수소의 압력이 상기 세트 포인트 범위 내에 있게 되도록 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)를 자동 제어할 수 있다. 여기서, 상기 제1 압축기(12a)로부터 토출되는 수소의 압력은 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 60~130% 수준일 수 있으며, 상기 수소 디스펜서(13)에 공급되는 수소 압력은 105~110% 수준이 이상적이다. 따라서, 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)는 상기 압축기 토출 압력 측정계(109)의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되도록 설정될 수 있다.
상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211) 제어와 관련하여서는, 연동된 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 세트 포인트를 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 95~105% 수준으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(15)는 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)를 통과한 수소의 압력이 최종적으로 수소 디스펜서(13)로 전달되기 직전에 상기 세트 포인트 범위 내에 있게 되도록 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211)를 자동 제어할 수 있다. 따라서, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211)는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되도록 설정될 수 있다.
상기 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209) 제어와 관련하여, 연동된 압력 측정계는 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211)와 동일하게 디스펜서 공급 압력 측정계(110)로서, 역시 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 세트 포인트를 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 95~105% 수준으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(15)는 상기 압축기 토출 조절 밸브(210)를 통과한 수소의 압력이 최종적으로 수소 디스펜서(13)로 전달되기 직전에 상기 세트 포인트 범위 내에 있게 되도록 상기 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209)를 자동 제어할 수 있다. 여기서, 상기 가스 고압용기(14)의 수소 압력은 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)의 바람직한 자동 제어 설정 범위를 고려하여 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 30~45% 수준일 수 있다. 따라서, 상기 고압용기 공급 조절 밸브(208) 및 고압용기 공급 조절 밸브(209)는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 압력이 110~115% 이상일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 10~40% 개방되도록 설정될 수 있다.
상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202) 제어와 관련하여서는, 연동된 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 세트 포인트를 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 25~35% 수준으로 설정할 수 있다. 즉, 상기 제어부(15)는 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브(201)를 통과한 수소가 상기 제1 압축기(12a)에 흡입되기 전의 압력이 상기 세트 포인트 범위 내에 있게 되도록 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)를 자동 제어할 수 있다. 따라서, 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브(202)는 상기 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 압력이 10~20% 이하일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 완전히 닫히도록 설정될 수 있다.
한편, 상기 가스 고압용기(14)의 수소 압력이 상기 설정 수준(상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 30~45%)에 미치지 못할 경우에는 상기 제1 압축기 토출 밸브(205) 및 상기 가스 고압용기(14) 사이에 구비된 고압 용기 밸브(207)를 열어 가스 고압용기(14)의 설정 수준까지 충전 공정을 진행할 수 있다. 즉, 상기 고압 용기 밸브(207)는 상기 충전 공정을 진행할 경우에는 열린 상태이나, 가스 고압용기(14)의 수소 압력이 상기 설정 수준에 있을 경우에는 닫힌 상태이다.
상기 제1 압축기(12a)에는 제1 압축기 압력 측정계(104) 및 제1 압축기 온도계(301)가 구비되어 상기 제1 압축기(12a)내의 수소 압력 및 온도를 측정할 수 있으며, 제1 압축기(12a)내 온도는 100℃ 이하를 유지할 수 있다. 또한, 수소 디스펜서(13) 공급 라인상에는 디스펜서 공급 온도계(305)가 구비될 수 있으며, 측정되는 온도는 10~20℃ 수준일 수 있다.
휴지 상태인 제2 압축기(12b)의 구조는 상기 제1 압축기(12a)와 동일하며, 제1 압축기(12a)를 휴지시키고 제2 압축기(12b)를 가동할 경우에는 제1 압축기 흡입 밸브(203)를 닫고, 제2 압축기 흡입 밸브(204) 및 제2 압축기 토출 밸브(206)를 열어 운용할 수 있다. 휴지 상태의 제2 압축기(12b)에서 제2 압축기 흡입 압력 측정계(106) 및 제2 압축기 토출 압력 측정계(108)에서 측정되는 압력은 상기 연료전지 사용 장치(16)의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로 0.01~0.3%일 수 있고, 제2 압축기(12b)내 온도는 제2 압축기 온도계(303)에서 측정되는 온도 기준으로 5~15℃ 수준을 유지할 수 있다. 한편, 도 1에서 부호 107은 제2 압축기 압력 측정계를 나타내고, 부호 302 및 304는 각각 제1 압축기(12a) 및 제2 압축기(12b)의 토출 라인에 구비된 제1 압축기 토출 온도계 및 제2 압축기 토출 온도계를 나타낸다.
본 발명에서는 장치 간 압력이 과도해지는 상황이 발생할 경우 압력 해소가 원활히 이루어지도록 하는 비상 급배기 공정을 채용할 수 있다. 즉, 상기 압축기(12)와 병렬로 연결된 라인에 압축기 비상 배기 밸브(214)가 구비되고, 상기 수소 디스펜서(13) 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브(211) 사이에 디스펜서 비상 배기 밸브(212)가 구비될 수 있다. 비상 급배기 공정을 실행할 경우 상기 압축기(12)와 병렬로 연결된 라인에서는 압축기 압력 밸브(213) 및 압축기 비상 배기 밸브(214)를 열고, 디스펜서 공급 라인에서는 디스펜서 비상 배기 밸브(312)를 열게 된다.
한편, 도 1에서는 상기 수소 튜브 트레일러(11)에서 공급되는 고압 수소의 압력이 200bar 및 수소 디스펜서(13)로부터 충전되는 고압 수소의 압력이 700bar로 설정될 경우 전체 충전 시스템(100)을 구성하는 각 장치 간 압력 균형이 안정적으로 제어되어 운용될 수 있도록 하는 압력 측정계의 정상 압력 범위, 조절 밸브의 PID 제어 설정 내용, 압축기 및 라인 온도 등의 구체적인 수치가 기재된 바람직한 실시예를 함께 나타내었다. 이때, 설정된 세트 포인트는 압축기 공급 압력 측정계(102)의 경우 200bar, 제1 압축기 흡입 압력 측정계(103)의 경우 200bar, 압축기 토출 압력 측정계(109)의 경우 700bar, 디스펜서 공급 압력 측정계(110)의 경우 700bar로 설정되었다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 수소 충전 시스템 11 : 수소 공급 장치
12 : 압축기 12a : 제1 압축기
12b : 제2 압축기 13 : 수소 디스펜서
14 : 가스 고압용기 15 : 제어부
16 : 연료전지 사용 장치 101 : 계측기용 압력 측정계
102 : 압축기 공급 압력 측정계 103 : 제1 압축기 흡입 압력 측정계
104 : 제1 압축기 압력 측정계 105 : 제1 압축기 토출 압력 측정계
106 : 제2 압축기 흡입 압력 측정계 107: 제2 압축기 압력 측정계
108 : 제2 압축기 토출 압력 측정계 109 : 압축기 토출 압력 측정계
110 : 디스펜서 공급 압력 측정계 201 : 제1 압축기 공급 조절 밸브
202 : 제2 압축기 공급 조절 밸브 203 : 제1 압축기 흡입 밸브
204 : 제2 압축기 흡입 밸브 205 : 제1 압축기 토출 밸브
206 : 제2 압축기 토출 밸브 207 : 고압 용기 밸브
208 : 고압용기 공급 조절 밸브 209 : 고압용기 공급 조절 밸브
210 : 압축기 토출 조절 밸브 211 : 디스펜서 공급 조절 밸브
212 : 디스펜서 비상 배기 밸브 213 : 압축기 압력 밸브
214 : 압축기 비상 배기 밸브 301 : 제1 압축기 온도계
302 : 제1 압축기 토출 온도계 303 : 제2 압축기 온도계
304 : 제2 압축기 토출 온도 305 : 디스펜서 공급 온도계

Claims (6)

  1. 수소 공급 장치;
    상기 수소 공급 장치로부터 제1 압축기 공급 조절 밸브를 통해 공급받은 수소를 압축하는 2 이상의 압축기;
    상기 압축기로부터 토출된 수소를 압축기 토출 조절 밸브 및 디스펜서 공급 조절 밸브를 통해 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전하는 수소 디스펜서;
    상기 연료전지 사용 장치로 미충전된 수소를 고압용기 공급 조절 밸브를 통해 저장하고, 저장된 수소를 제2 압축기 공급 조절 밸브를 통해 상기 압축기로 공급하는 가스 고압용기; 및
    상기 제1 압축기 공급 조절 밸브, 상기 압축기 토출 조절 밸브, 상기 디스펜서 공급 조절 밸브, 상기 고압용기 공급 조절 밸브 및 제2 압축기 공급 조절 밸브의 작동을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템으로서,
    상기 제어부는 세트 포인트가 설정된 압력 측정계로부터 측정된 수소 압력 값을 입력받아, 이와 연동된 각 조절 밸브별로 개도율을 변화시켜 상기 각 조절 밸브의 작동을 제어하되,
    상기 제1 압축기 공급 조절 밸브는 상기 수소 공급 장치 및 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브 사이에 구비된 압축기 공급 압력 측정계와 연동되고,
    상기 압축기 토출 조절 밸브는 상기 압축기 및 상기 압축기 토출 조절 밸브 사이에 구비된 압축기 토출 압력 측정계와 연동되고,
    상기 디스펜서 공급 조절 밸브 및 상기 고압용기 공급 조절 밸브는 상기 압축기 토출 조절 밸브 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브 사이에 구비된 디스펜서 공급 압력 측정계와 연동되고,
    상기 제2 압축기 공급 조절 밸브는 상기 제1 압축기 공급 조절 밸브 및 상기 압축기 사이에 구비된 압축기 흡입 압력 측정계와 연동되고,
    상기 제어부는 상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 압축기 공급 압력 측정계의 압력이 1~40%, 상기 압축기 토출 압력 측정계의 압력이 60~130%, 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 70~115% 및 상기 압축기 흡입 압력 측정계의 압력이 10~60% 범위일 경우 상기 충전 시스템이 정상 작동되도록 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력 측정계의 세트 포인트는 상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로, 상기 압축기 공급 압력 측정계가 25~35%, 상기 압축기 토출 압력 측정계가 95~105%, 상기 디스펜서 공급 압력 측정계가 95~105% 및 상기 압축기 흡입 압력 측정계가 25~35%로 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연료전지 사용 장치의 수소 저장 용기에 충전되는 수소 압력 100% 기준으로,
    상기 제1 압축기 공급 조절 밸브는 상기 압축기 공급 압력 측정계의 압력이 3~10% 이하일 경우 완전히 닫히고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고,
    상기 압축기 토출 조절 밸브는 상기 압축기 토출 압력 측정계의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고,
    상기 디스펜서 공급 조절 밸브는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 110% 이상일 경우 5~30% 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 증가하여 상기 세트 포인트에서 완전 개방되고,
    상기 고압용기 공급 조절 밸브는 상기 디스펜서 공급 압력 측정계의 압력이 110~115% 이상일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 10~40% 개방되고,
    상기 상기 제2 압축기 공급 조절 밸브는 상기 압축기 흡입 압력 측정계의 압력이 10~20% 이하일 경우 완전 개방되고, 상기 세트 포인트에 근접할수록 개도율이 감소하여 상기 세트 포인트에서 완전히 닫히도록 설정된 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압축기와 병렬로 연결된 라인에 구비된 압축기 비상 배기 밸브와, 상기 수소 디스펜서 및 상기 디스펜서 공급 조절 밸브 사이에 구비된 디스펜서 비상 배기 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 스테이션에서의 연료전지용 수소 충전 시스템.
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