KR102142006B1 - 기체 및 액체수소 복합 충전시스템 - Google Patents

기체 및 액체수소 복합 충전시스템 Download PDF

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Abstract

기체 및 액체수소 복합 충전시스템이 제공된다. 기체 및 액체수소 복합 충전시스템은, 일단부로 수소가스를 공급받으며 타단부에는 가스분배기가 연결된 제1공급라인, 제1공급라인의 일단부에서 분기되어 액체분배기로 연결된 제2공급라인, 제1공급라인에 배치되어 제1공급라인으로 공급된 수소가스를 저장하고 가스분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 수소가스저장탱크, 제2공급라인에 배치되어 제2공급라인으로 공급된 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성하는 액화모듈, 및 제2공급라인의 액화모듈 후단에 배치되어 액화수소를 저장하고 액체분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 액화수소저장탱크를 포함한다.

Description

기체 및 액체수소 복합 충전시스템{Gas and liquid hydrogen composite charge system}
본 발명은 수소를 공급하고 충전하는 충전시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기체 및 액체수소를 함께 공급하고 충전할 수 있는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템에 관한 것이다.
가솔린이나 디젤 등의 화석연료는 연소되며 다량의 오염물질을 배출한다. 이러한 화석연료는 발전소, 차량, 선박 등 엔진을 사용하는 다양한 장치나 시설에서 소비된다. 화석연료의 대량 사용으로 인해 환경문제가 심각해지고 있으나 종래 효율 등의 면에서 이를 대체하기는 쉽지 않았다.
그럼에도 불구하고 오염물질의 배출량이 적거나 거의 배출하지 않는 청정에너지를 사용하는 동력원의 개발도 지속적으로 이루어져 왔다. 대표적인 예는 전기에너지로 구동되는 모터로, 모터에 충분한 양의 전기를 공급할 수 있는 전력공급장치의 개발도 함께 이루어져 왔다. 이러한 기술개발의 결과로 전기모터로 구동되는 전기자동차 등이 상용화되고 있다.
전기자동차에는 전력을 공급받아 충방전되는 배터리가 탑재될 수도 있으나, 전력을 직접 공급받는 대신 수소를 산소와 반응시켜 전력을 생산하는 수소연료전지가 탑재될 수도 있다. 이러한 연료전지 차량은 부산물로 물을 배출하므로 매우 환경 친화적인 장점이 있다. 그러나, 현재 연료전지 차량에 수소연료를 공급하거나 충전할 수 있는 충전시설과 관련된 기술이 미비할 뿐만 아니라, 수소가스의 저장과 관련된 문제도 해결되지 않아 기술 개발이 시급한 실정이다.
예를 들어, 수소가스 저장의 한계로 인해 수소 충전소 등이 있다 하더라도, 다수의 연료전지 차량 등에 한꺼번에 충전하는 것은 기술적으로 매우 곤란하며 이를 위해 저장용량을 증가시키고자 하는 경우에는 설비 전체의 크기가 과도하게 커져 부지를 크게 차지하거나 실제 충전소에 적용하기는 어려운 등의 제약이 있었다. 또한, 연료전지 종류나 차량의 구조 등에 따라 액체 또는 기체 상태의 서로 다른 상의 수소가 연료로 사용될 수 있지만 그러한 부분에 대한 기술적 대안도 현재에는 이루어지고 있지 못하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1909438호, (2018. 10. 18)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 기체 및 액체수소를 함께 공급하고 충전할 수 있는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템을 제공하는 것이며, 이를 통해 수소연료의 공급과 관련된 제반 기술의 향상을 도모하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템은, 일단부로 수소가스를 공급받으며 타단부에는 가스분배기가 연결된 제1공급라인; 상기 제1공급라인의 일단부에서 분기되어 액체분배기로 연결된 제2공급라인; 상기 제1공급라인에 배치되어, 상기 제1공급라인으로 공급된 수소가스를 저장하고 상기 가스분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 수소가스저장탱크; 상기 제2공급라인에 배치되어, 상기 제2공급라인으로 공급된 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성하는 액화모듈; 및 상기 제2공급라인의 상기 액화모듈 후단에 배치되어, 상기 액화수소를 저장하고 상기 액체분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 액화수소저장탱크를 포함한다.
상기 제2공급라인의 상기 액화수소저장탱크 후단에서 분기되어 상기 제1공급라인으로 연결된 제3공급라인, 및 상기 제3공급라인 상에 배치되어, 상기 액화수소저장탱크로부터 액화수소를 공급받고 기화시켜 상기 제1공급라인으로 공급하는 기화기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3공급라인은, 상기 제1공급라인의 상기 수소가스저장탱크 전단 및 상기 가스분배기 전단 중 적어도 어느 한 지점에서 상기 제1공급라인과 합류될 수 있다.
상기 제3공급라인의 상기 기화기 전단에 배치되어 상기 제3공급라인의 압력을 상기 제1공급라인의 합류지점과 일치되는 압력으로 승압시켜 유체를 수송하는 승압모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 승압모듈은, 유체펌프, 및 일 측이 상기 수소가스저장탱크와 연결되어 상기 수소가스저장탱크에서 제공된 수소가스의 압력과 내부 압력이 평형을 이루도록 조정하는 승압용기 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기화기 및 상기 액화모듈은, 상기 기화기 및 상기 액화모듈에 각각 배치되고 서로 연결되어, 상기 기화기에서 액화수소와 열교환하여 냉각된 열매체를 상기 액화모듈로 제공하여 수소가스와 열교환시키는 열교환기의 쌍을 포함할 수 있다.
일단부로 탄화수소가 함유된 피드가스를 공급받으며 타단부는 상기 제1공급라인의 일단부와 연결된 수소가스 공급라인, 및 상기 수소가스 공급라인에 배치되어 상기 피드가스를 개질하여 수소가스를 생성하는 개질기를 더 포함할 수 있다.
상기 수소가스 공급라인의 상기 개질기 후단, 상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인의 분기점, 및 상기 제1공급라인의 상기 분기점 후단 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 개질기에서 생성된 수소가스의 압력을 조절하는 압축기를 더 포함할 수 있다.
상기 액화모듈은, 상기 제2공급라인으로 공급된 수소가스를 열교환을 통해 냉각시키는 열교환기, 및 상기 수소가스를 감압하여 팽창시키는 팽창수단을 포함할 수 있다.
상기 수소가스는 상기 제1공급라인으로 공급되어 상기 수소가스저장탱크를 충전한 후, 상기 제2공급라인으로 공급될 수 있다.
상기 피드가스는 도시가스 배관을 통해 공급되는 천연가스를 포함할 수 있다.
상기 제2공급라인, 상기 액체분배기, 상기 액화모듈, 및 상기 액화수소저장탱크는 모듈 형태로 상기 제1공급라인과 탈착될 수 있다.
본 발명에 의하면, 기체 및 액체 상태의 서로 다른 상의 수소를 각각을 필요로 하는 수요처에 적합하게 제공할 수 있으며, 필요에 따라 어느 한 상의 수소 공급량이나 저장량을 신속하게 증감하는 것도 가능하다. 즉 액상 또는 가스 상으로 수소를 손쉽게 변환할 수 있고 이를 통해 수소가스의 저장과 관련된 문제도 효과적으로 해결할 수 있으며, 수소연료를 서로 다른 수요처로 동시에 대량 공급하는 것도 가능하다. 또한 외부에서 압축된 수소가스를 대량 공급받고 저장하였다가 소량으로 나누어 제공하는 것도 가능하며, 외부에서 액화수소를 공급받아 저장하였다가 소량으로 나누어 제공하는 것도 가능하다. 따라서 연료전지 차량에 수소연료를 공급하는 설비 등에 본 발명을 적용하여 수소연료 공급의 효율성을 극대화시킬 수 있고, 또한 연료전지 차량이 아니더라도 수소를 필요로 하는 다른 수요처에도 매우 효율적인 방식으로 수소를 공급해 줄 수 있다. 또한 서로 다른 상의 수소는 심야시간 대의 전력을 이용하여 변환시켜 두었다가 사용하거나 공급할 수 있어 실질적인 설비의 운영비용이나 생산비도 크게 절약할 수 있으며, 종래 설비를 폐기하거나 제거하지 않고도 본 발명을 설비에 편리하게 적용하거나 설치할 수 있어 자원 활용도도 향상시킬 수 있다. 특히, 소규모의 설비로도 대량의 수소를 보유하였다가 한꺼번에 공급해 줄 수 있고 또한 지속적으로 수소를 생성하고 공급하는 것이 가능하므로 수소 충전소와 같은 설비를 소형화하여 효율적으로 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 한꺼번에 많은 연료전지 차량을 충전하거나, 단절 없이 24시간 연속적으로 수소연료를 제공하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 작동과정을 예시한 작동도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이다.
도 6은 도 5의 승압모듈을 보다 상세히 도시한 승압모듈의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 명세서에서 단수 형태는 문맥이 분명히 다르게 지시하지 않는 한 복수 인용을 포함할 수 있다. 예를 들어, '가스'에 대한 언급은 단수 또는 복수의 그러한 물질에 대한 언급을 포함할 수 있으며, '변환' 등에 대한 언급은 단수 또는 복수의 그러한 단계들을 지시할 수 있다. 또한, 명시적으로 다르게 서술하지 않는 한 단계들은 순차적 및/또는 병렬로 수행될 수 있다.
또한, 확인된 특징이나 상황 등과 관련한 서술로 '실질적으로'는 확인된 특징 또는 상황을 측정 가능하게 빗나가지 않는 충분히 작은 편차 정도를 의미할 수 있다. 허용되는 편차의 정확한 정도는 특정 경우에 따라 다를 수 있다.
또한, '라인'은 유체의 유동경로 및/또는 해당 유동경로를 따라 형성된 유체 흐름을 의미할 수 있다. 예를 들어, 각 라인은 유체의 유동경로를 형성하는 배관이나 배관들의 집합을 의미할 수도 있으나, 필요에 따라 그 배관을 따라 유동하는 유체(또는 유체흐름)자체를 의미할 수도 있다.
또한, '전단' 및 '후단'은 유체의 흐름방향을 기준으로 정의될 수 있으며 예를 들어, 하나의 구성에 대해 유체가 유입되는 측을 '전단', 유체가 배출되는 측을 '후단'으로 정의할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)은 기체상태의 수소가스를 공급하는 제1공급라인(30)과 액체상태의 액화수소를 공급하는 제2공급라인(40)을 갖추고 있으며, 각각의 서로 다른 라인을 통해서 기체 및 액체수소를 적합한 수요처에 제공하는 것이 가능하다. 또한, 액화수소는 수소가스를 공급하는 라인으로부터 기체상태의 수소가스를 공급받아 액체상태로 변환시켜 생성할 수 있으므로, 별도로 액체수소를 외부에서 직접 공급받지 않고도 수소가스와 액화수소를 모두 공급 가능한 상태로 유지할 수 있다. 또한, 필요에 따라 액화수소를 공급하는 라인으로부터 제3공급라인(50)을 통해 액화수소를 다시 수소가스로 상변화시켜 공급하는 것이 가능하여, 액화수소 또는 수소가스 양 측의 수요가 변동하는 경우에도 필요한 수요에 즉각 대응할 수 있다. 특히 수소를 단순히 가스 상으로만 저장하는 것이 아니라, 액화시켜 부피당 저장밀도가 높은 액체상태로 저장하였다가 기화시켜 가스로 전환하여 공급하는 것이 가능하므로 수소 저장용량을 크게 증가시킬 수 있고, 수소가스 수요가 크게 증가하더라도 매우 원활한 대응이 가능하다. 이하, 이러한 특징을 갖는 본 발명의 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)에 대해 본 발명의 일 실시예를 통해 좀더 상세히 설명한다. 이하 설명을 통해 본 발명의 다른 특징들도 보다 명확히 파악될 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)은 구체적으로 다음과 같이 구성된다. 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)은, 일단부로 수소가스를 공급받으며 타단부에는 가스분배기(32)가 연결된 제1공급라인(30), 제1공급라인(30)의 일단부에서 분기되어 액체분배기(43)로 연결된 제2공급라인(40), 제1공급라인(30)에 배치되어, 제1공급라인(30)으로 공급된 수소가스를 저장하고 가스분배기(32)를 통해 외부 수요처로 제공하는 수소가스저장탱크(31), 제2공급라인(40)에 배치되어, 제2공급라인(40)으로 공급된 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성하는 액화모듈(41), 및 제2공급라인(40)의 액화모듈(41) 후단에 배치되어, 액화수소를 저장하고 액체분배기(43)를 통해 외부 수요처로 제공하는 액화수소저장탱크(42)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 기체 및 액화수소 복합 충전시스템(1)은 제2공급라인(40)의 액화수소저장탱크(42) 후단에서 분기되어 제1공급라인(30)으로 연결된 제3공급라인(50), 및 제3공급라인(50) 상에 배치되어, 액화수소저장탱크(42)로부터 액화수소를 공급받고 기화시켜 제1공급라인(30)으로 공급하는 기화기(52)를 더 포함할 수 있다. 이하, 각각의 구성과 작용효과 등을 각 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
제1공급라인(30)은 일단부로 수소가스를 공급받고 수소가스저장탱크(31)에 저장하였다가 외부로 수소가스를 공급한다. 제1공급라인(30)으로는 여러 가지 다양한 방식으로 수소가스가 공급될 수 있으며 이는 수소가스를 공급받을 수 있는 한 특별히 한정될 필요는 없다. 즉 본 발명의 일 실시예에서, 수소가스 공급라인(20)은 후술하는 수소가스 공급방식의 다양한 양태를 설명하기 위해 개념적으로 도시된 것으로서 특별한 예나 형태로 한정될 필요는 없다. 예를 들면, 제1공급라인(30)은 수소가스 배관을 통해 수소가스를 직접 공급받을 수도 있으며 또한, 수소운반차량 등과 직 간접적으로 연결되어 운반된 수소를 공급받을 수도 있다. 그러한 경우 수소운반차량은 수소튜브를 적재하여 운반하는 수소튜브트레일러 등일 수 있고, 공급되는 수소의 압력은 대략 200bar 내외이거나, 또는 400~800bar 내외일 수 있다. 또한, 이러한 방식 외에도 물을 전기 분해하여 생성한 수소를 제1공급라인(30)으로 공급받을 수도 있다. 여러 가지 다양한 방식으로 제1공급라인(30)의 일단부로 수소가스를 공급해 줄 수 있다. 바람직하게는, 제1공급라인(30)으로 공급되는 수소가스의 압력은 대략 400bar(40Mpa) 또는 800bar(80Mpa)일 수 있으며 이러한 압력은 해당 압력으로 압축된 수소가스를 공급받거나 필요에 따라 제1공급라인(30) 전단에서 압축기 등을 사용하여 맞추어 줄 수 있다.
제1공급라인(30)의 타단부에는 가스분배기(32)가 연결된다. 제1공급라인(30)은 압축된 수소가스의 압력에 충분히 견딜 수 있는 고압가스배관으로 형성될 수 있으며 복수 배관의 집합으로 형성될 수 있다. 제1공급라인(30)의 말단에는 가스분배기(32)가 연결되며 가스분배기(32)를 통해서 외부 수요처로 수소가스를 제공해 줄 수 있다. 가스분배기(32)는 유체의 유량조절기능을 갖추고 배관에 연결되어 수요처에 수소가스를 적량 제공할 수 있도록 형성된 다양한 형태의 장치를 포함할 수 있다. 가스분배기(32)는 수소가스를 원하는 양만큼 분배하여 외부로 공급할 수 있는 기능을 갖춘 다양한 장치를 의미하는 것으로, 그러한 한도 내에서 특별히 한정될 필요는 없다. 예를 들어, 가스분배기(32)는 차량 등에 수소가스를 주입할 수 있는 가스주입기를 포함할 수 있으며, 차량이 아닌 다른 형태의 수요처에 수소가스를 공급하기 위한 밸브, 압력조절장치 등 유체 조절이 가능한 여러 가지 구조를 포함하는 또 다른 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이때 수요처는 예를 들어, 연료전지 차량일 수 있으나, 그와 같이 한정될 필요는 없으며 수소가스를 사용하는 다른 장치나 설비 등도 포함할 수 있다. 제1공급라인(30)은 다른 설비나 구조물, 가스분배기(32)의 위치 등에 대응하여 필요에 따라 다양한 경로로 형성될 수 있다. 따라서 도시된 바와 같은 제1공급라인(30)의 구조는 예시적인 것이므로 이를 한정적으로 해석할 필요는 없다.
수소가스저장탱크(31)는 제1공급라인(30)에 배치된다. 수소가스저장탱크(31)는 도시된 바와 같이 가스분배기(32) 전단의 제1공급라인(30)상에 적절한 위치에 배치될 수 있다. 수소가스저장탱크(31)는 제1공급라인(30)으로 공급된 수소가스를 저장하며 가스분배기(32)를 통해서 저장된 수소가스를 외부 수요처로 제공할 수 있다. 수소가스저장탱크(31) 역시 고압 수소가스의 압력을 견딜 수 있는 고압 압력용기 등으로 형성될 수 있으며 용기는 하나 또는 복수 개로 다양하게 형성될 수 있다. 이러한 제1공급라인(30)과 관련된 구성을 이용하여 수소가스를 공급받고, 수소가스저장탱크(31)에 저장하였다가, 가스분배기(32)를 통해 수요처에 제공하는 것이 가능하다. 수소가스저장탱크(31)의 압력은 예를 들어, 제1공급라인(30)으로 공급된 수소가스의 압력(예, 40Mpa 또는 80Mpa)과 동일할 수 있으며 가스분배기(32)는 이를 감압하여 수요처로 제공할 수 있다. 가스분배기(32)에서 외부 수요처로 공급되는 수소가스의 공급압력은 예를 들어, 35Mpa 또는 70Mpa일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이므로 그와 같이 한정될 필요는 없으며 필요에 따라 상기 압력들은 적절히 조정될 수 있다.
제2공급라인(40)은 수소가스가 공급되는 제1공급라인(30)의 일단부에서 분기되어 액체분배기(43)로 연결된다. 제2공급라인(40)은 고압 수소가스뿐만 아니라 이로부터 액화된 액화수소도 유동하는 라인으로, 필요에 따라 허용압력이 서로 다른 복수 배관으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 액화수소가 유동하는 액화모듈(41) 후단의 제2공급라인(40)은 고압 수소가스를 공급받는 액화모듈(41) 전단의 제2공급라인(40)보다는 허용압력이 낮은 배관으로 형성되는 것도 가능하다. 제2공급라인(40) 역시 복수 배관의 집합으로 형성될 수 있으며 제1공급라인(30)과 마찬가지로 다른 설비나 구조물, 액체분배기(43)의 위치 등에 대응하여 필요에 따라 다양한 경로를 가질 수 있다. 따라서 도시된 바와 같은 제2공급라인(40)의 구조 역시 예시적인 것이므로 이를 한정적으로 해석할 필요는 없다. 액체분배기(43)는 유체(특히 액체)의 유량조절기능을 갖추고 배관에 연결되어 수요처에 액화수소를 적량 제공할 수 있도록 형성된 다양한 형태의 장치를 포함할 수 있다. 액체분배기(43) 역시 액화수소를 원하는 양만큼 분배하여 외부로 공급할 수 있는 기능을 갖춘 다양한 장치를 의미하는 것으로, 그러한 한도 내에서 특별히 한정될 필요는 없다. 예를 들어, 액체분배기(43)는 차량 등에 액화수소를 주입할 수 있는 액화수소 주입기를 포함할 수 있으며, 차량이 아닌 다른 형태의 수요처에 액화수소를 공급하기 위한 밸브, 압력조절장치 등 유체 조절이 가능한 여러 가지 구조를 포함하는 또 다른 다양한 형태로 형성될 수 있다. 이때 수요처는 예를 들어, 액체상태의 수소를 연료로 사용하는 연료전지 차량일 수 있으나, 그와 같이 한정될 필요는 없으며 액체수소를 사용하는 다른 장치나 설비 등도 포함할 수 있다.
액화모듈(41)은 제2공급라인(40)에 배치되어, 제2공급라인(40)으로 공급된 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성한다. 즉 제1공급라인(30)에서 분기되어 제2공급라인(40)으로 공급된 수소가스는 제2공급라인(40) 상에서 액상으로 상변화될 수 있다. 이와 같이 수소가스를 액화수소로 변환시킴으로써 부피를 축소하고 압력도 낮추어 저장 및 공급 모두에 매우 유리한 구조를 구현할 수 있다. 액화모듈(41)은 수소가스를 액체 상태로 변환시킬 수 있는 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 이로써 제한될 필요는 없으나, 예를 들면, 제2공급라인(40)으로 공급된 수소가스를 열교환을 통해 냉각시키는 열교환기(미도시) 및 수소가스를 감압하여 팽창시키는 팽창수단(미도시)을 포함할 수 있다. 열교환기는 예를 들어, 팽창수단의 전단에서 수소가스를 예냉시키는 기관으로 사용할 수 있으며, 예냉된 수소가스(부분 액화될 수 있다)를 팽창수단으로 감압하고 팽창시켜 냉각할 수 있다. 이때 팽창수단은 예를 들어, 줄-톰슨밸브 등을 포함할 수 있다. 특히 액화온도가 매우 낮은(대기압, -253℃) 수소가스의 성질을 고려하여 이와 같은 형태로 액화모듈(41)을 구성할 수 있다. 그러나 이로써 한정될 필요는 없으며, 필요에 따라 수소가스의 액화가 용이한 다른 형태로도 액화모듈(41)을 구현하는 것이 가능하다.
액화모듈(41)의 다른 구현 예로는, 외부의 저온유체를 유입하여 열교환시킨 후 기체로 배출하는 열교환라인 등을 포함하는 형태일 수 있으며 그러한 경우 외부 저온유체는 액화질소, 액화수소, 액화천연가스(LNG), 액화산소, 액화아르곤, 액화헬륨 등을 포함할 수 있다. 또한 오르토수소(ortho-hydrogen)를 파라수소(para-hydrogen)로 변환하는 변환수단이나 필터를 포함하는 형태로 형성될 수도 있으며, 후술하는 바와 같이 제3공급라인(50)의 기화기(52)에서 열교환하여 냉각된 열매체를 액화모듈(41)에서 다시 열교환시키는 등의 방식으로 구현될 수도 있다. 액화모듈(41) 역시 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성할 수 있는 한 다양한 형태로 구현이 가능하므로 특정 형태로 한정하여 이해할 필요는 없다.
액화수소저장탱크(42)는 제2공급라인(40)의 액화모듈(41) 후단에 배치된다. 따라서 액화모듈(41)에서 생성된 액화수소를 공급받아 저장할 수 있으며 저장된 액화수소를 액체분배기(43)를 통해 외부 수요처로 제공할 수 있다. 액화수소저장탱크(42)는 수소가스저장탱크(31)의 압력보다는 낮은 압력으로 유지가 가능하며, 액화수소의 증발을 막기 위해 단열성능을 강화하여 형성할 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 단열구조가 형성된 방벽 등을 갖는 극저온 용기 등으로 액화수소저장탱크(42)를 형성할 수 있다. 액화수소저장탱크(42) 역시 하나 또는 그 이상으로 형성될 수 있으며 이는 수요량에 따라 적절히 변경이 가능하다. 이때 수요량은 액체수소 또는 수소가스 양측의 수요 모두를 의미할 수 있다. 이러한 제2공급라인(40)과 관련된 구성을 이용하여 탄화수소가 함유된 피드가스로부터 수소가스를 생성하고, 이를 상변화시켜 액화수소로 변환하여 액화수소저장탱크(42)에 저장하였다가, 액체분배기(43)를 통해 수요처에 제공하는 것이 가능하다.
액화수소저장탱크(42) 전단에는 필요에 따라 외부로부터 액화수소를 제2공급라인(40)으로 직접 주입하는 액화수소 공급라인(40a)이 형성될 수도 있다. 즉, 필요에 따라 액화모듈(41)에서 액화수소를 생성하지 않고도 외부에서 액화수소를 직접 공급받아 액화수소저장탱크(42)에 저장하였다가 외부 수요처로 제공하는 것도 얼마든지 가능하다. 액화수소의 수요량이 급격하게 증가하는 등의 경우에, 이러한 구성이 보다 유용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 이와 같이 설명하지만 반드시 그와 같이 한정될 필요는 없으며 다른 실시예에서 액화수소 공급라인(40a)은 필요에 따라 설치되지 않을 수도 있다.
한편, 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40) 사이에는 제2공급라인(40)에서 생성된 액화수소를 다시 가스 상으로 재변화시켜 공급하는 제3공급라인(50)이 형성될 수 있다. 제3공급라인(50)은 제2공급라인(40)의 액화수소저장탱크(42) 후단에서 분기되어 제1공급라인(30)으로 연결되며, 제3공급라인(50) 상에는 액화수소저장탱크(42)로부터 액화수소를 공급받고 기화시켜 제1공급라인(30)으로 공급하는 기화기(52)가 형성될 수 있다. 또한 제3공급라인(50)의 기화기(52) 전단에는, 제3공급라인(50)의 압력을 제1공급라인(30)의 합류지점과 일치되는 압력으로 승압시켜 유체를 수송하는 승압모듈(51)이 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 승압모듈(51)은 유체펌프로 예시되었으나, 다른 실시예서는 또 다른 형태로 변형될 수도 있다. 그에 대해서는 본 발명의 제2실시예에서 보다 상세히 설명한다. 제3공급라인(50)은, 제1공급라인(30)의 수소가스저장탱크(31) 전단 및 가스분배기(32) 전단 중 적어도 어느 한 지점에서 제1공급라인(30)과 합류될 수 있으며 이를 통해 기화된 수소가스를 수소가스저장탱크(31) 및/또는 가스분배기(32) 측에 원하는 대로 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서 제3공급라인(50)은 수소가스저장탱크(31) 전단과 가스분배기(32) 전단의 양측으로 분기되어 각 지점에서 제1공급라인(30)과 합류된 형태로 도시되었으며 이러한 경우 제3공급라인(50)이 분기된 지점이나 그 주변에 밸브(미도시)를 설치하여 수소가스의 공급량이나 공급방향을 제어할 수 있다. 그러나 이와 같이 한정될 필요는 없으며 제3공급라인(50)은 상황에 따라 수소가스저장탱크(31) 전단에서 제1공급라인(30)과 합류되거나, 가스분배기(32) 전단에서 제1공급라인(30)과 합류되는 또 다른 형태로도 구현될 수 있다.
이와 같은 구성으로 액화수소저장탱크(42)에 저장되어 있는 액상의 수소를 다시 가스 상으로 변환시켜, 제1공급라인(30)으로 제공하고 제1공급라인(30)에 연결된 가스분배기(32)를 통해 수소가스 수요처로 편리하게 제공할 수 있다. 수소가스는 기화기(52)에서 기화되며 부피가 증가되므로 수소를 가스 상으로 저장하는 것보다 저장용량 면에서 현저한 이득을 얻을 수 있으며, 따라서 수소가스의 수요량이 급증하는 경우에도 원활하게 대응할 수 있다. 또한, 액화수소 및 수소가스 양자의 수요가 변동되는 경우에도, 그에 알맞게 액화수소의 저장량, 수소가스의 저장량, 액화수소로부터 변환된 수소가스의 생성량을 상호 조정하며 변동하는 수요에 대응할 수 있다. 제3공급라인(50) 역시 복수 배관의 집합으로 형성될 수 있으며 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 배치에 대응하여 경로 등은 적절히 변경해 줄 수 있다. 기화기(52)는 이로써 한정될 필요는 없으나, 예를 들면, 열교환을 통해 액화수소를 기화시키는 열교환기를 포함하여 형성될 수 있다. 특히 후술하여 설명하는 바와 같이, 기화기(52) 및 전술한 액화모듈(41)은, 기화기(52) 및 액화모듈(41)에 각각 배치되고 서로 연결되어, 기화기(52)에서 액화수소와 열교환하여 냉각된 열매체를 액화모듈(41)로 제공하여 수소가스와 열교환시키는 열교환기의 쌍을 포함할 수 있다. 이러한 구성으로 시스템 전체의 에너지 효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이하 도 2 내지 도 4를 참조하여, 이러한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)의 작동과정에 대해 좀더 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 작동과정을 예시한 작동도들이다.
기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1)은 먼저 제1공급라인(30)으로 수소가스를 공급받고 이를 다시 제1공급라인(30) 및 이와 분기된 제2공급라인(40)으로 분배하여 공급한다[제1공급라인(30) 및 제2공급라인(40)의 점선 도시된 화살표 참조]. 공급된 수소가스는 전술한 바와 같이 가압된 것일 수 있으며 예를 들어, 대략 40Mpa(400bar) 또는 80Mpa(800bar) 정도의 고압으로 압축된 것일 수 있다. 이러한 수소가스는 예를 들어, 제1공급라인(30)으로 공급되어 수소가스저장탱크(31)를 충전한 후, 제2공급라인(40)으로 공급될 수 있다. 즉 제1공급라인(30)으로 공급된 수소가스는 수소가스저장탱크(31)를 먼저 충전하고 후속하여 생성될 때마다 제2공급라인(40)으로 공급되어 액화수소로 변환되는 과정을 거칠 수 있다. 이를 통해 바로 공급이 가능한 수소가스의 저장량의 먼저 확보하여 긴급한 수요에 대응하고 나머지는 부피를 축소하여 액화시켜 저장하는 것이 가능하다. 도시되지 않았지만, 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 분기점 또는 그와 인접한 지점 등에 유량을 조절할 수 있는 밸브를 설치하여 제1공급라인(30) 또는 제2공급라인(40) 측으로 공급되는 수소가스의 공급량을 보다 용이하게 조절하거나 유지하도록 구성할 수 있다.
수소가스저장탱크(31)에 저장된 수소가스는 도 3에 도시된 바와 같이 가스분배기(32)를 통해서 수요처에 제공된다. 수요처는 수소가스를 연료로 사용하는 연료전지 차량일 수 있으나, 그로써 한정될 필요는 없으며 수소가스를 필요로 하는 여러 가지 다른 설비나 장치 등도 포함할 수 있다. 가스분배기(32)는 수소가스저장탱크(31)에 저장된 수소가스를 필요한 양만큼 분배하여 수요처로 제공할 수 있으며, 이로 인한 감소분은 다시 제1공급라인(30)으로 제공된 수소가스를 공급받아 채울 수 있다. 이러한 방식으로 수소가스를 제1공급라인(30)의 수소가스저장탱크(31)에 저장하였다가 수요처로 공급해 줄 수 있다.
한편, 제2공급라인(40)에서는 액화모듈(41)로 공급된 고압 수소가스가 액화모듈(41)을 통과하며 저압상태의 액화수소로 변환된다. 액화수소는 액화모듈(41) 후단의 액화수소저장탱크(42)에 저장되며 도 3에 도시된 바와 같이 액체분배기(43)를 통해서 수요처에 제공된다[제2공급라인(40)의 일점쇄선 도시된 화살표 참조]. 필요에 따라, 전술한 바와 같은 액화수소 공급라인(40a)을 통해 외부로부터 직접 액화수소를 공급받고 액화수소저장탱크(42)에 함께 저장하는 것도 가능하며 이를 통해 수요처의 액화수소 수요량에 보다 신속하게 대응할 수 있다. 이때, 수요처는 액체수소를 연료로 사용하는 액체수소 연료전지 차량일 수 있으나, 그로써 한정될 필요는 없다. 액체수소를 필요로 하는 다른 설비나 장치 등도 수요처에 포함될 수 있다. 액체분배기(43) 역시 액화수소저장탱크(42)에 저장된 액화수소를 필요한 양만큼 분배하여 수요처로 제공할 수 있으며, 이로 인한 감소분은 액화모듈(41)에서 생성된 액화수소를 공급받아 채울 수 있다. 이러한 방식으로, 액화수소를 제2공급라인(40)의 액화수소저장탱크(42)에 저장하였다가 필요한 수요처로 공급해 줄 수 있다. 가스분배기(32) 및 액체분배기(43)는 고압상태인 수소가스와 저압 저온인 액체수소의 상태를 고려하여 각각 그에 알맞게 유체를 제어하고 공급할 수 있는 구조로 되어 있을 수 있다.
또한, 액화수소는 도 4에 도시된 바와 같이 제2공급라인(40)으로부터 제3공급라인(50)으로 공급될 수도 있다. 즉, 필요에 따라 액화수소저장탱크(42)에 저장된 액화수소를 제3공급라인(50)의 기화기(52)로 통과시켜 가스 상으로 변환시킨 후 다시 제1공급라인(30)에 연결된 가스분배기(32)를 통해 수요처로 제공하는 것이 가능하다. 이를 통해, 수소가스저장탱크(31)에 잔여량이 크게 감소한 경우 등에도 문제없이 수소가스를 공급해 줄 수 있다. 액화수소는 예를 들어, 수소가스저장탱크(31)의 충전량에 따라서 제2공급라인(40)으로부터 제3공급라인(50)으로 공급될 수 있으며 예를 들어 제2공급라인(40) 및/또는 제3공급라인(50)에 유량조절이 가능한 밸브(미도시) 등을 형성하여 적절한 시점에 제3공급라인(50)으로 액체수소가 공급되도록 조절해 줄 수 있다. 특히, 전력 사용량이 적은 심야 시간대에 전술한 액화모듈(41)을 이용하여 충분한 양의 액화수소를 생성하고 저장하였다가, 낮 시간 등 수요량이 급증하는 경우 이를 액체수소의 수요처에 직접 제공하거나, 또는 수소가스로 변환시켜 수소가스 수요처로 제공함으로써 변동하는 수요 등에도 원활하게 대응할 수 있다.
특히, 이와 같이 액상 및 가스 상으로 수소를 변환시켜 저장하였다가 공급하는 방식으로, 전체 저장공간을 축소하여 설비의 소형화를 이룰 수 있고 이로 인해 수소 충전소 등을 상대적으로 작은 공간에 컴팩트하게 설치할 수 있다. 또한, 이와 같이 소형화된 설비로도 한꺼번에 대량의 수소가스를 생성하여 연료전지 차량 등에 공급할 수 있으므로, 다수의 차량도 동시에 충전할 수 있으며, 24시간 특별한 단절 없이 지속적으로 수소가스를 공급하여 수소연료로 운행하여야 하는 차량 등의 수요에도 매우 효과적으로 부응할 수 있다. 또한, 이를 통해 추가적으로 설비의 운영율을 증가시키는 등 다양한 효과를 얻을 수 있다.
액화수소는 제3공급라인(50)을 통과할 때 기화기(52)에서 열매체와의 열교환을 통해 기화될 수 있다. 전술한 바와 같이 기화기(52) 및 액화모듈(41)은 모두 열교환기를 포함하는 형태로 형성될 수 있으며, 이들은 상호 연결되어 열매체를 교환할 수 있다. 열매체는 기화기(52)에서 액화수소와 열교환하여 냉각된 후, 액화모듈(41)로 제공되어 액화모듈(41)에 공급된 수소가스를 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 구체적으로 도시되지 않았지만, 기화기(52)와 액화모듈(41)의 사이에는 기화기(52)를 통과한 열매체를 액화모듈(41)로 수송하는 열매체 수송라인(미도시)이 다양한 형태로 연결될 수 있고 이러한 수송라인을 통해 열매체가 이동될 수 있다. 이와 같은 구성으로 기화기(52)로부터 액화모듈(41)로 열매체를 제공하며 반복적으로 열교환시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 그 외에도, 액화모듈(41)로는 외부로부터 전술한 다른 냉각유체들을 제공하여 수소가스를 냉각시키는 것이 가능하며 이를 통해 액화수소의 생산 효율을 높일 수 있다. 수소가스의 공급량, 액화수소의 생성량, 수요처의 수요량 등을 고려하여 액화모듈(41)의 성능 등은 적절히 조절할 수 있다.
특히 제3공급라인(50)에서 기화되어 생성된 수소가스는 전술한 승압모듈(51)에 의해 승압되어 제1공급라인(30)의 합류지점과 일치되는 압력으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 제3공급라인(50)으로부터 가스분배기(32)의 전단으로 수소가스를 공급하여 가스분배기(32)를 통해 바로 수요처에 수소가스를 공급하는 경우에는 제3공급라인(50)을 통과하며 생성된 수소가스는 가스분배기(32)의 공급압력과 일치하는 압력으로 조절되어 공급될 수 있다. 따라서 이를 감압하는 등의 과정 없이 가스분배기(32)를 통해 바로 수소가스 수요처로 제공할 수 있다. 또한 예를 들어, 제3공급라인(50)으로부터 수소가스저장탱크(31)의 전단으로 수소가스를 공급하여 저장하고자 하는 경우에는 수소가스를 수소가스저장탱크(31)의 압력과 동일한 압력으로 조절하여 공급해 줄 수 있다. 즉, 합류점에 대응하는 압력으로 생성된 수소가스의 압력을 조절하여 제공함으로써 보다 신속하고 효율적으로 수소가스를 사용하거나 저장하는 것이 가능하다. 승압모듈(51)은 예를 들어, 유체펌프로 형성되어 상황에 따라 필요한 압력으로 제3공급라인(50)의 압력을 조절하도록 제어될 수 있다.
이와 같은 방식으로, 액체 상으로 수소를 저장하였다가 가스 상으로 재변환시키며, 변동하는 수요나 동시점에 급증하는 수소가스의 수요에도 매우 원활하게 대응할 수 있다. 또한, 상술한 제2공급라인(40), 액체분배기(43), 액화모듈(41), 액화수소저장탱크(42)는 모듈 형태로 제1공급라인(30)과 탈착되도록 형성될 수 있어 실질적으로 제1공급라인(30)에 수소가스 공급설비와 같은 대응하는 설비가 이미 형성되어 있는 경우에도 이를 활용하여 매우 효율적으로 본 발명의 시스템을 구현하는 것이 가능하다. 이는 제3공급라인(50), 기화기(52), 승압모듈(51)의 경우에도 마찬가지이며, 따라서 모듈 형태로 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40) 사이에 이러한 구성을 탈착식으로 형성하여 본 발명의 충전시스템을 매우 편리하고 효율적으로 구현할 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 의한 기체 및 액체 복합 충전시스템에 대해 상세히 설명한다. 설명이 간결하고 명확하도록 전술한 실시예와 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명하고 별도로 언급되지 않는 부분에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이고, 도 6은 도 5의 승압모듈을 보다 상세히 도시한 승압모듈의 구성도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 기체 및 액체 복합 충전시스템(1-1)은 제3공급라인(50)의 승압모듈(51a)이 다음과 같은 다른 형태로 구성된다. 승압모듈(51a)은 일 측이 수소가스저장탱크(31)와 연결되어 수소가스저장탱크(31)에서 제공된 수소가스의 압력과 내부 압력이 평형을 이루도록 조정하는 승압용기(511)를 포함하여 형성될 수 있다. 수소가스저장탱크(31)와 승압모듈(51a)은 압력조절관(31a)을 통해 연결될 수 있으며 압력조절관(31a)으로 수소가스를 공급받고 제3공급라인(50)의 공급압력을 조절할 수 있다. 그 외 다른 부분은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 반복설명은 생략한다.
도 6에 도시된 바와 같이 승압모듈(51a)은, 서로 다른 관로를 통해 액화수소저장탱크(42) 및 수소가스저장탱크(31)에 연결된 승압용기(511)를 포함할 수 있다. 액화수소저장탱크(42)와 승압용기(511) 사이에 연결된 관로는 제3공급라인(50)에 해당할 수 있으며 수소가스저장탱크(31)와 승압용기(511) 사이에 연결된 관로는 전술한 압력조절관(31a)에 해당할 수 있다. 필요에 따라 승압용기(511)후단에는 승압된 유체를 저장하고 기화기(52)로 공급되는 유체의 양을 조절하기 위한 버퍼탱크(512) 등도 형성될 수 있다. 승압용기(511)는 예를 들어, 일 측에 액화수소저장탱크(42)로부터 액화수소를 공급받는 유체공급포트(511b), 상단부에 수소가스저장탱크(31)로부터 수소가스를 공급받는 기체입력포트(511a), 하단부에 버퍼탱크(512) 측으로 연결된 배출포트(511d), 및 상단부에 내부 압력을 조절하기 위한 배기포트(511c) 등을 포함하는 형태로 형성될 수 있다. 각각의 포트에 연결된 관로에는 밸브가 형성될 수 있으며 이러한 밸브를 개폐하여 압력을 조절할 수 있다. 압력조절 과정을 예시하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 유체공급포트(511b) 측의 밸브를 열어 유체공급포트(511b)를 개방하고 나머지 포트들은 밸브를 닫아 모두 폐쇄시킨다. 이러한 상태로 승압용기(511) 내 상대적으로 저압상태인 액화수소를 주입할 수 있다. 이후, 밸브를 닫아 유체공급포트(511b)는 폐쇄하고 기체입력포트(511a) 측의 밸브를 열어 기체입력포트(511a)를 개방한다. 이에 따라 수소가스저장탱크(31)로부터 고압 수소가스가 승압용기(511)내 공급되며 용기 내 압력이 증가하게 된다. 수소가스가 충분히 공급되어 승압용기(511) 내부가 압력평형 상태로 되고 수소가스의 압력과 동등한 압력이 되면 배출포트(511d) 측의 밸브를 열어 배출포트(511d)를 개방하고 가압된 액화수소를 배출한다. 액화수소는 압력 평형에 의해 수소가스의 압력과 동등한 압력으로 조정되어 기화기(52) 측으로 제공된다. 이와 같은 과정을 통해 액화수소를 적절한 압력(예, 80Mpa)으로 승압시켜 기화기(52) 및 그 후단의 제1공급라인(30)까지 수송할 수 있다. 필요에 따라 용기 내부의 압력을 조정하거나 액화수소가 감소하여 압력을 낮출 필요가 있는 경우에는 배기포트(511c) 측의 밸브를 열어 배기포트(511c)를 개방하고, 나머지 밸브는 닫아 다른 포트들은 폐쇄한 상태로 용기 내 압력을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 과정을 반복하여 유체를 승압시키며 기화기(52) 및 후단의 제1공급라인(30)까지 지속적으로 공급해 줄 수 있다.
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기체 및 액체 복합 충전시스템에 대해 상세히 설명한다. 설명이 간결하고 명확하도록 전술한 실시예와 차이나는 부분에 대해 중점적으로 설명하고 별도로 언급되지 않는 부분에 대한 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템의 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1-2)은 탄화수소가 함유된 피드가스로부터 수소가스를 생성하여 제1공급라인(30)으로 공급하도록 구성된다. 즉 외부에서 수소가스를 직접 공급받지 않고도, 탄화수소가 함유된 화석연료 등으로부터 수소가스를 생성하여 시스템에 공급하면서 전술한 수소가스 및 액화수소의 저장과 공급이 가능하게 형성할 수 있다. 탄화수소가 함유된 피드가스는 예를 들어, 도시가스 배관 등으로부터 공급된 천연가스를 포함할 수 있으며 따라서, 종래 보급되어 있는 도시가스 배관을 통해 천연가스를 공급받고 매우 편리하게 수소가스를 생성하여 공급할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1-2)은 다음과 같은 구성을 더 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 기체 및 액체수소 복합 충전시스템(1-2)은, 일단부로 탄화수소가 함유된 피드가스를 공급받으며 타단부는 제1공급라인(30)의 일단부와 연결된 수소가스 공급라인(20a), 수소가스 공급라인(20a)에 배치되어 피드가스를 개질하여 수소가스를 생성하는 개질기(11), 및 수소가스 공급라인(20a)의 개질기(11) 후단, 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 분기점, 및 제1공급라인(30)의 상기 분기점 후단 중 적어도 어느 하나에 배치되어 개질기(11)에서 생성된 수소가스의 압력을 조절하는 압축기(21)를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성으로 피드가스를 개질하여 수소가스를 생성할 수 있고 생성된 수소가스를 지속적으로 시스템에 제공하면서 전술한 바와 같은 수소가스 및 액화수소의 저장과 공급이 가능하다. 그 외 다른 부분은 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 그에 대한 반복 설명은 생략한다.
개질기(11)는 피드가스 공급라인(10)으로부터 피드가스를 공급받아 수소가스를 생성한다. 피드가스는 탄화수소가 함유된 것일 수 있으며 이를 개질하여 수소가스를 생성할 수 있다. 개질기(11)는 피드가스 공급라인(10)과 연결되는 수소가스 공급라인(20a)의 시작부분에 배치될 수 있다. 특히 피드가스는 도시가스 배관을 통해 공급되는 기체 상태의 천연가스를 포함할 수 있으며, 이러한 천연가스를 개질기(11)로 개질하여 바로 수소가스를 생성할 수 있다. 개질기(11)는 이로써 한정될 필요는 없으나, 예를 들면, 수증기 개질 및/또는 부분산화방식 등을 이용하여 천연가스를 개질하고 수소를 생산할 수 있다. 피드가스가 도시가스 배관을 통해 공급되는 천연가스인 경우, 피드가스 공급라인(10)은 이러한 도시가스 배관의 일부이거나 도시가스 배관과 연결된 것일 수 있다. 아울러, 피드가스는 LNG 터미널 등 극저온 상태의 액화천연가스(LNG: Liquefied natural gas)를 공급하는 공급설비로부터 액화천연가스를 공급받고, 시스템 상에서 기화시켜 천연가스 상태로 전환하여 공급하는 것일 수도 있다. 예를 들면, 액화천연가스를 전술한 바와 같은 액화모듈(41)의 열교환기나 열교환라인 등으로 먼저 제공하여 수소가스를 액화시키는 냉매로 사용하고, 이에 따라 열교환에 의해 기화된 기체 상태의 천연가스를 피드가스 공급라인(10)을 통해 상기한 피드가스로서 공급하는 것도 얼마든지 가능하다.
개질기(11)에서 생성된 수소가스는 압축기(21)에서 압축된다. 압축기(21)는 개질기(11)에서 생성된 수소가스의 압력을 조절할 수 있는 적절한 위치에 배치될 수 있으며, 이러한 위치는 전술한 바와 같이, 수소가스 공급라인(20a)의 개질기(11) 후단, 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 분기점, 및 제1공급라인(30)의 상기 분기점 후단 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 해당 지점에 하나 또는 하나 이상의 압축기를 설치하여 수소가스의 압력을 적절히 조정해 줄 수 있다. 따라서 본 실시예에서 개질기(11) 후단에 압축기(21)가 배치된 예가 도시되었으나, 그와 같이 한정하여 이해할 필요는 없으며, 상황에 따라 압축기(21)는 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 분기점이나 제1공급라인(30)의 상기 분기점 후단 등에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 압축기(21)가 제1공급라인(30)과 제2공급라인(40)의 분기점에 배치되는 경우, 압축기(21)를 다단 방식으로 구현하여 다단 압축구간 중 어느 한 구간에서 수소가스를 분기하여 제2공급라인(40)으로 공급하고, 제1공급라인(30)으로는 다단 압축구간 전체를 통과하여 보다 상승된 압력으로 수소가스를 공급하는 것도 가능하다. 이와 같은 다양한 방식으로 압축기(21)를 배치할 수 있다. 이하에서는, 이 중 압축기(21)가 개질기(11) 후단에 배치된 예를 기준으로 설명한다.
본 실시예에서 압축기(21)는 수소가스 공급라인(20a)의 개질기(11) 후단에 배치되어 수소가스를 공급받고 압축시켜 고압상태의 수소가스로 전환시킬 수 있다. 본 실시예에서 수소가스 공급라인(20a)은 피드가스 공급라인(10)과 제1공급라인(30)의 사이에 연결된 배관으로 형성될 수 있으며 압축기(21)는 수소가스 공급라인(20a)의 제1공급라인(30)과 연결되는 부분에 배치될 수 있다. 압축기(21)에서 압축된 수소가스는 예를 들어, 40Mpa 또는 80Mpa등의 압력을 가질 수 있으며 이러한 수소가스를 압축기(21) 후단에 연결된 제1공급라인(30)을 통해 공급해 줄 수 있다. 압축기(21)는 압축단이 단일 또는 복수로 구성될 수 있으며 하나 또는 그 이상을 배치하는 것도 가능하다. 압축기(21)는 예를 들어, 실린더 내 로터나 임펠러 등 회전구조를 이용하여 압축하는 회전식 또는 원심식 등의 압축기일 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 피스톤으로 압축하는 왕복동식 압축기(reciprocating compressor)일 수도 있다. 또한 그 밖에도 다이어프램 압축기, 유압실린더 압축기, 축류 압축기 등 여러 형태의 압축기를 활용 가능하다. 압축기(21)는 수소가스를 원활하게 압축할 수 있는 한 특별히 제한될 필요는 없다.
이와 같은 구성을 통해 피드가스로부터 수소가스를 생성하고 적절한 압력으로 가압하여 제1공급라인(30)으로 공급할 수 있다. 공급된 수소가스는 전술한 바와 같이 제1공급라인(30)을 따라 수소가스저장탱크(31)에 저장되었다가 외부 수요처로 제공될 수 있으며, 제2공급라인(40)을 따라 액상으로 변환된 후 액화수소저장탱크(42)에 저장되었다가 외부 수요처로 제공될 수도 있다. 또한, 제3공급라인(50)을 통해 액화수소를 다시 수소가스로 상변화시켜 수요처로 제공할 수도 있어 전술한 바와 같이 수요변화 등에 효과적으로 대응할 수 있다. 이와 같은 방식으로 기체 및 액체수소를 역시 편리하고 효율적으로 제공할 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 1-1, 1-2: 기체 및 액체수소 복합 충전시스템
10: 피드가스 공급라인 11: 개질기
20, 20a: 수소가스 공급라인 21: 압축기
30: 제1공급라인 31: 수소가스저장탱크
31a: 압력조절관 32: 가스분배기
40: 제2공급라인 40a: 액화수소 공급라인
41: 액화모듈 42: 액화수소저장탱크
43: 액체분배기 50: 제3공급라인
51, 51a: 승압모듈 52: 기화기
511: 승압용기 511a: 기체입력포트
511b: 유체공급포트 511c: 배기포트
511d: 배출포트 512: 버퍼탱크

Claims (12)

  1. 일단부로 수소가스를 공급받으며 타단부에는 가스분배기가 연결된 제1공급라인;
    상기 제1공급라인의 일단부에서 분기되어 액체분배기로 연결된 제2공급라인;
    상기 제1공급라인에 배치되어, 상기 제1공급라인으로 공급된 수소가스를 저장하고 상기 가스분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 수소가스저장탱크;
    상기 제2공급라인에 배치되어, 상기 제2공급라인으로 공급된 수소가스를 액화시켜 액화수소를 생성하는 액화모듈;
    상기 제2공급라인의 상기 액화모듈 후단에 배치되어, 상기 액화수소를 저장하고 상기 액체분배기를 통해 외부 수요처로 제공하는 액화수소저장탱크;
    상기 제2공급라인의 상기 액화수소저장탱크 후단에서 분기되어 상기 제1공급라인으로 연결된 제3공급라인, 및
    상기 제3공급라인 상에 배치되어, 상기 액화수소저장탱크로부터 액화수소를 공급받고 기화시켜 상기 제1공급라인으로 공급하는 기화기를 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3공급라인은, 상기 제1공급라인의 상기 수소가스저장탱크 전단 및 상기 가스분배기 전단 중 적어도 어느 한 지점에서 상기 제1공급라인과 합류되는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3공급라인의 상기 기화기 전단에 배치되어 상기 제3공급라인의 압력을 상기 제1공급라인의 합류지점과 일치되는 압력으로 승압시켜 유체를 수송하는 승압모듈을 더 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 승압모듈은, 유체펌프, 및
    일 측이 상기 수소가스저장탱크와 연결되어 상기 수소가스저장탱크에서 제공된 수소가스의 압력과 내부 압력이 평형을 이루도록 조정하는 승압용기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기화기 및 상기 액화모듈은, 상기 기화기 및 상기 액화모듈에 각각 배치되고 서로 연결되어, 상기 기화기에서 액화수소와 열교환하여 냉각된 열매체를 상기 액화모듈로 제공하여 수소가스와 열교환시키는 열교환기의 쌍을 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    일단부로 탄화수소가 함유된 피드가스를 공급받으며 타단부는 상기 제1공급라인의 일단부와 연결된 수소가스 공급라인, 및
    상기 수소가스 공급라인에 배치되어 상기 피드가스를 개질하여 수소가스를 생성하는 개질기를 더 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수소가스 공급라인의 상기 개질기 후단, 상기 제1공급라인과 상기 제2공급라인의 분기점, 및 상기 제1공급라인의 상기 분기점 후단 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 개질기에서 생성된 수소가스의 압력을 조절하는 압축기를 더 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 액화모듈은, 상기 제2공급라인으로 공급된 수소가스를 열교환을 통해 냉각시키는 열교환기, 및 상기 수소가스를 감압하여 팽창시키는 팽창수단을 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소가스는 상기 제1공급라인으로 공급되어 상기 수소가스저장탱크를 충전한 후, 상기 제2공급라인으로 공급되는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 피드가스는 도시가스 배관을 통해 공급되는 천연가스를 포함하는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2공급라인, 상기 액체분배기, 상기 액화모듈, 및 상기 액화수소저장탱크는 모듈 형태로 상기 제1공급라인과 탈착되는 기체 및 액체수소 복합 충전시스템.
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