KR102145975B1 - 수소충전 스테이션 - Google Patents

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장진숙
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Abstract

본 발명은 수소가스를 저장하여 공급하기 위한 수소충전 스테이션에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션은 수소가스를 공급받아 압축하는 수소압축기와, 상기 수소압축기에서 압축된 수소가스를 저장하는 저장탱크부를 포함하는 수소충전 스테이션에 있어서, 상기 저장탱크부는 수소가스의 저장량이 감소되더라도 균일한 압력으로 수소가스를 제공하도록 형상이 가변되면서 내부에 수소가스가 저장되는 저장공간이 신축되는 가변저장튜브, 및 상기 가변저장튜브가 설치되는 저장튜브 공간과, 상기 가변저장튜브로 수소가스를 도입하거나 저장된 수소가스를 수소충전기로 공급하는 저장튜브 유출입구를 포함하는 저장케이싱을 포함하고, 상기 저장튜브공간에 유압을 발생시켜 상기 가변저장튜브가 수축되도록 상기 저장튜브공간으로 가압유체를 공급하는 가압유체 공급기를 포함한다. 따라서, 수소가를 균일한 압력으로 공급할 수 있다.

Description

수소충전 스테이션{Hydrogen gas station}
본 발명은 수소가스를 저장하여 공급하기 위한 수소충전 스테이션에 관한 것이다.
근래에는 화석연료의 고갈과 화석연료의 사용으로 인한 대기 환경오염이 대두되어 화석연료의 대체에너지로서 수소가 각광 받고 있다.
수소는 연소하면 매우 적은 양의 질소산화물만을 발생할 뿐 다른 공해물질이 생기지 않으며, 수소는 지구상에 존재하는 거의 무한한 양의 물을 원료로 만들어내며, 사용 후에는 다시 물로 재순환되기 때문에 고갈될 걱정이 없다.
이에 부흥하여 수소를 에너지원으로 하는 수소차량이 개발되었다.
수소차량은 수소를 직접적으로 연소하여 구동하거나, 수소를 공기 중의 산소와 반응하여 전기를 축전지에 충전하고, 축전지에 충전된 전기에 의해 모터를 작동하는 형태가 있다.
수소차량은 수소를 직접차량에 공급해야 하기 때문에 수소를 취급하는 수소충전소에서 충전해야 하며, 수소충전소는 한국공개특허공보 제10-2018-0138214호(2018.12.28.공개)의 "액체 수소를 갖는 수소 충전 스테이션"이 개시된 바가 있다.
상기한 종래의 수소 충전 스테이션은 액체 수소를 위한 적어도 하나의 저장 탱크, 및 액체 수소를 위한 적어도 하나의 펌프를 포함하며, 상기 저장 탱크 및 펌프는 직접적으로 상호 연결하도록 구성하였다.
이러한 구성의 종래의 수소 충전 스테이션은 초고압의 수소를 압력차에 의해 토출하여 차량에 공급할 수 있었다.
하지만, 종래의 수소 충전 스테이션은 수소를 저장하는 탱크의 크기가 정해져 있어 수소를 충전하는 만큼 수소를 다시 충전하지 않으면 충전압력이 감소되며, 펌프의 작동으로 수소를 강제적으로 공급하더라도 수소가 펌프의 내부로 유입되면서, 수소취성에 의해 펌프 내부에 고무 등과 같은 씰을 손상 또는 파손됨에 따라 고장이 발생하는 문제점이 있었다.
또한, 펌프에 의해 강제적으로 압축하여 공급하더라도 수소가스의 압축시 발생하는 열에 의해 압축성이 하락되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수소의 공급량과 비례하여 충전공간의 크기도 가변되어 균일한 압력으로 수소를 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 수소가 구동계에 직접 접촉되지 않아 수소취성에 의한 씰 또는 구동계의 손상 또는 파손을 방지할 수 있으며, 내구성과 수소가스의 압축성을 향상시킬 수 있는 수소충전 스테이션을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션은 수소가스를 공급받아 압축하는 수소압축기와, 상기 수소압축기에서 압축된 수소가스를 저장하는 저장탱크부를 포함하는 수소충전 스테이션에 있어서, 상기 저장탱크부는 수소가스의 저장량이 감소되더라도 균일한 압력으로 수소가스를 제공하도록 형상이 가변되면서 내부에 수소가스가 저장되는 저장공간이 신축되는 가변저장튜브, 및 상기 가변저장튜브가 설치되는 저장튜브 공간과, 상기 가변저장튜브로 수소가스를 도입하거나 저장된 수소가스를 수소충전기로 공급하는 저장튜브 유출입구를 포함하는 저장케이싱을 포함하고, 상기 저장튜브공간에 유압을 발생시켜 상기 가변저장튜브가 수축되도록 상기 저장튜브공간으로 가압유체를 공급하는 가압유체 공급기를 포함한다.
상기 가변저장튜브는 상기 저장공간을 내부에 형성하도록 중앙이 관통된 형상으로 형성되며 복수 개가 적층되는 금속으로 형성된 저장튜브 박판, 및 상기 복수 개의 저장튜브 박판을 적층한 상태에서 서로 인접한 저장튜브 박판끼리 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 접합한 저장튜브 접합부를 포함할 수 있다.
상기 저장튜브 박판은 가요성을 가지도록 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에 둘레를 따라 굴곡진 형상으로 형성된 탄성변형부를 포함할 수 있다.
상기 수소압축기는 내부에 수소가스를 압축하는 압축공간이 형성되며 상기 압축공간이 신축됨에 따라 상기 압축공간으로 수소가스를 도입하거나, 도입된 수소가스를 압축하여 상기 저장탱크부로 공급하는 가변압축튜브, 및 상기 가압유체 공급기 또는 별도의 상기 가압유체 공급기로부터 상기 가변압축튜브를 가압하기 위한 가압유체가 공급되며 상기 가변압축튜브가 설치되는 압축튜브 공간과, 상기 가변압축튜브로 수소가스를 유출입하는 압축튜브 유출입구를 포함하는 압축케이싱을 포함할 수 있다.
상기 가변압축튜브는 상기 압축공간을 내부에 형성하도록 중앙이 관통된 형상으로 형성되며 복수 개가 적층되는 금속으로 형성된 압축튜브 박판, 및 상기 복수 개의 압축튜브 박판을 적층한 상태에서 서로 인접한 압축튜브 박판끼리 내주와 외주를 교대로 접합하는 압축튜브 접합부를 포함할 수 있다.
상기 압축케이싱은 상기 수소가스의 압축비를 높이기 위해 상기 가변압축튜브를 최대 압축한 상태에서 상기 압축공간이 최소화되도록 상기 압축공간에 삽입되는 압축코어부를 포함할 수 있다.
상기 압축튜브 박판은 가요성을 가지도록 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에 둘레를 따라 굴곡진 형상으로 형성된 탄성변형부를 포함할 수 있다.
상기 가압유체 공급기는 상기 가변저장튜브를 냉각시켜 상기 수소가스의 저장량이 증가되도록 상기 가압유체를 냉각시키는 유체냉각부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수소가스를 저장하는 저장탱크부의 내부에 금속으로 형성되고, 형상이 가변되는 가변저장튜브에 저장되어 수소의 사용량과 비례하여 저장공간을 축소함으로써, 수소가스의 공급압력이 하락되는 것을 방지하여 균일한 압력으로 수소를 공급할 수 있다.
또한, 수소가스가 금속으로 형성된 가변저장튜브와 가변압축튜브에 의해 저장되거나, 내구성을 향상시킬 수 있으며, 수소가스가 구동부분에 직접적으로 접촉되지 않아 수소가스에 의한 씰과 구동계의 수소취성을 최소화시켜 파손 또는 고장의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 가변저장튜브와 가변압축튜브를 박판을 용접하여 구성함으로써, 금속으로 신축 가능하게 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 기계적인 작동구조를 최소화하여 고장의 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 수소탱크부로 공급되는 가압유체를 유체냉각부에 의해 냉각시켜 가변저장튜브를 냉각시킴으로써, 수소가스의 압축성을 향상시켜 수소가스의 저장량을 증대시킬 수 있으며, 수소취성을 약화시켜 가변저장튜브의 수소취성에 의한 손상을 방지할 수 있다.
또한, 수소압축기의 압축공간에 압축코어부가 삽입되어 가변압축튜브를 최대 압축시켰을 때 잔류된 압축공간을 최소화시켜 수소가스의 압축비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션을 구성하는 수소압축기의 가변압축튜브를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션을 구성하는 수소압축기의 작동상태를 나타내는 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션을 구성하는 저장탱크부의 가변저장튜브를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션을 구성하는 저장탱크부의 작동상태를 나타내는 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 수소를 연료로 사용하는 수소차량에 수소를 공급하기 위한 것으로 설명하지만, 수소를 저장하여 공급하기 위한 다양한 형태의 산업시설에 적용할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 수소압축기(110)를 포함할 수 있다.
이 수소압축기(110)는 저장할 수 있는 수소가스의 충전량을 증가시키기 위해 수소가스를 압축하여 저장탱크부(140)으로 제공할 수 있다.
수소압축기(110)는 수소운반차량으로부터 수소가스를 공급받아 압축할 수 있으며, 수소압축기(110)는 수소운반차량과 공급배관(181)에 의해 연결되어 수소운반차량에 저장된 수소가스를 수소압축기(110)로 공급할 수 있다.
공급배관(181)에는 수소운반차량에서 수소압축기(110)로만 수소가스를 제공할 수 있도록 역류를 방지하는 체크밸브가 설치될 수 있다.
수소압축기(110)는 복수 개를 설치하여 수소가스를 압축시킬 수 있다.
예를 들어 수소압축기(110)은 복수 개가 직렬로 설치되어 복수 개의 수소압축기(110)를 거치면서 수소가스를 증압하거나, 복수 개가 병렬로 설치되어 대량의 수소가스를 동시에 압축하거나, 일부는 직렬로 설치되고 일부는 병렬로 설치되어 대량의 수소가스를 증압하여 저장탱크부(140)로 공급할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 수소압축기(110)는 가변압축튜브(120)를 포함할 수 있다.
이 가변압축튜브(120)는 내부에 수소가스를 도입하여 압축하는 압축공간(121)이 형성될 수 있으며, 가변압축튜브(120)는 형상이 가변되어 내부에 형성된 압축공간(121)의 신축시키는 형태로 수소가스를 압축하여 제공할 수 있다.
예를 들어 가변압축튜브(120)는 길이가 신축가능하게 구성되어 길이가 신장될 경우, 압축공간(121)이 확장되고, 길이가 축소되는 경우, 압축공간(121)이 축소되면서 내부로 유입된 수소가스를 압축할 수 있다.
가변압축튜브(120)는 금속 또는 스테인리스로 형성되거나, 수소취성을 방지하도록 산화철이 제거된 금속 또는 비철 금속으로 형성될 수 있다.
여기서, 가변압축튜브(120)는 금속으로 형성되기 때문에 수소가스의 압축시 견디는 압력을 증가시킬 수 있다.
가변압축튜브(120)는 내부에 압축공간(121)을 형성할 수 있도록 중앙이 관통된 형상의 압축튜브 박판(123)을 복수 개 적층한 상태에서 인접한 압축튜브 박판(123)끼리 접합하는 하는 형태로 제작될 수 있다.
가변압축튜브(120)는 복수 개의 압축튜브 박판(123)을 적층한 상태에서 압축튜브 접합부(125)는 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 접합하는 압축튜브 접합부(125)를 형성하여 마치 주름관의 형태로 제작될 수 있다.
예를 들어, 압축튜브 접합부(125)는 복수 개의 압축튜브 박판(123) 중 어느 하나를 중심으로 상부에 위치되는 압축튜브 박판(123)과 외측 둘레를 접합한 경우, 하부에 위치되는 압축튜브 박판(123)과 내측 둘레를 접합하는 형태로 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 접합하여 형성될 수 있다.
압축튜브 접합부(125)는 용접하여 접합하거나, 금속접착제에 의해 접합하거나, 확산접합의 형태로 형성될 수 있다.
그리고, 압축튜브 박판(123)은 금속 또는 스테인리스로 형성되거나, 수소취성에 상대적으로 강한 비철 금속 예를 들어 알루미늄, 산화철을 제거한 금속으로 형성되거나, 수소취성을 방지하는 처리 또는 수소취성을 방지하는 재료로 코팅될 수 있다.
또한, 하나의 튜브박판(113)은 복수 개의 박판을 합착한 형태일 수 있으며, 서로 합착되는 복수 개의 박판 중 어느 하나는 서로 다른 재료로 형성될 수도 있다.
그리고, 가변압축튜브(120)는 일단은 밀폐되고, 타단은 개방된 형태일 수 있다.
이렇게 압축튜브 접합부(125)에 의해 접합된 복수 개의 압축튜브 박판(123)은 마치 주름관의 형태로 형성되기 때문에 중앙의 압축공간(121)으로 압축가스가 공급되면, 접합된 부분을 제외ㅎ하고 압축튜브 박판(123)의 사이가 탄성변형되어 벌어지면서 가변압축튜브(120)의 전체적인 길이가 길어져 압축공간(121)이 확장되고, 가압되면 가변압축튜브(120)의 길이가 짧아져 압축공간(121)이 축소되도록 형상이 가변될 수 있다.
여기서, 압축튜브 박판(123)의 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에는 마치 물결형상과 같이 굴곡진 형태로 휘어진 탄성변형부(123a)가 형성될 수 있다.
이 탄성변형부(123a)는 가변압축튜브(120)에 수소가스가 유입되어 길이가 늘어날 때, 압축튜브 박판(123)이 탄성력에 의해 가요성을 가져 용이하게 휘어지고, 수소가스가 배출되면 탄성력에 의해 원래 형상으로 용이하게 복귀될 수 있다.
수소압축기(110)는 압축케이싱(130)을 포함할 수 있다.
압축케이싱(130)은 내부에 압축튜브 공간(131)이 형성될 수 있으며, 압축튜브 공간(131)에는 가변압축튜브(120)가 설치될 수 있다.
한편, 압축케이싱(130)에는 압축튜브 공간(131)에 설치된 가변압축튜브(120)의 압축공간(121)으로 수소가스를 공급할 수 있도록 수소가스가 공급되는 압축튜브 유출입구(133)가 형성될 수 있다.
실시예에서는 하나의 압축튜브 유출입구(133)를 통해 수소가스가 공급 및 배출되는 것으로 설명하였지만, 수소가스가 유입되는 유입구와 수소가스가 배출되는 배출구가 별도로 설치될 수도 있다.
그리고, 압축케이싱(130)에는 가변압축튜브(120)의 압축공간(121)으로 일부 삽입되는 압축코어부(135)가 형성될 수 있으며, 압축튜브 유출입구(133)는 압축코어부(135)를 관통하여 압축공간(121)과 연통되도록 압축코어부(135)에 연장형성될 수 있다.
여기서, 압축코어부(135)에는 가변압축튜브(120)의 개방된 부분이 끼워지는 형태로 가변압축튜브(120)가 압축케이싱(130)에 설치될 수 있으며, 압축코어부(135)는 압축공간(121)의 내부에 위치되기 때문에 가변압축튜브(120)가 축소되면서 압축공간(121)의 내부가 축소되고 상대적으로 좁은 면적의 압축코어부(135)에 형성된 압축튜브 유출입구(133)를 통해 수소가스가 배출되면서 수소가스를 압축시킬 수 있다.
물론, 압축튜브 유출입구(133)에 연결된 연결배관(183)에는 체크밸브가 설치되어 체크밸브를 중심으로 가변압축튜브(120)의 압력이 저장탱크부(140)의 압력보다 높은 경우에만 개방됨에 따라 압축된 수소가스가 저장탱크부(140)으로 공급될 수 있다.
그리고, 압축코어부(135)는 가변압축튜브(120)가 최대 압축된 상태에서 압축공간(121)에 최대한 메우는 부피를 가지도록 형성되어 가변압축튜브(120)의 최대 압축 시 압축공간(121)을 최소화시켜 수소가스의 압축비를 증가시킬 수 있다.
한편, 압축케이싱(130)에는 압축튜브 공간(131)로 가압유체를 공급하는 유체공급구(137)가 형성될 수 있으며, 압축튜브 공간(131)로 공급된 가압유체가 배출되는 유체배출구(139)가 형성될 수 있다.
가압유체는 압축케이싱(130)의 유체공급구(137)로 공급되어 가변압축튜브(120)을 가압함으로써, 가변압축튜브(120)를 압축하여 수소가스를 압축하고, 수소가스의 유입으로 인해 가변압축튜브(120)가 확장되면, 유체배출구(139)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 유체공급구(137)는 압축케이싱(130)에서 가변압축튜브(120)의 밀폐된 부분과 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 유체배출구(139)는 코어부(135)가 형성된 부분에 형성되어 가압유체가 압축튜브 공간(131)을 순환할 수 있다.
여기서, 압축튜브 공간(131)에 설치되는 가변압축튜브(120)은 가압유체의 압력이 작용할 경우, 가변압축튜브(120)는 길이방향으로만 수축되기 때문에, 가압유체의 공급시 가변압축튜브(120)가 길이방향으로 수축될 수 있다.
한편, 압축케이싱(130)의 내측에는 단열재가 설치되어 온도변화에 따른 수소가스의 팽창을 최소화하며, 가압유체 공급기에서 제공되는 냉각된 가압유체의 온도가 외부와 열교환하여 상승되는 것을 방지할 수 있다.
압축케이싱(130)은 가변압축튜브(110)에서 수소가스가 누출될 경우, 수소가스를 가둬 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있으며, 압축케이싱(130)은 대략 1000bar 이상의 압력을 견딜 수 있도록 형성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 저장탱크부(140)를 포함할 수 있다.
이 저장탱크부(140)는 수소압축기(110)에서 압축된 수소가스를 공급받아 저장할 수 있으며, 저장탱크부(140)는 복수 개가 직렬 또는 병렬로 설치되어 수소압축기(110)로부터 압축된 수소가스를 제공받아 저장할 수도 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 저장탱크부(140)는 가변저장튜브(150)를 포함할 수 있다.
이 가변저장튜브(150)는 내부에 압축된 수소가스를 저장할 수 있도록 저장공간(151)이 형성될 수 있으며, 가변저장튜브(150)는 형상이 가변되어 내부에 형성된 저장공간(151)의 부피를 축소하면서 수소가스를 수소충전기(190)로 제공할 수 있다.
여기서, 수소충전기(190)는 수소차량에 수소를 충전할 수 있는 수소충전건 및 충전량을 측정할 수 있는 충전메타가 설치될 수 있으며, 수소충전기(190)는 저장탱크부(140)와 충전배관(185)에 의해 연결되어 저장된 수소가스를 충전배관(185)을 통해 전달받을 수 있다.
예컨대, 가변저장튜브(150)는 길이가 신축되도록 구성되어 길이가 신장될 경우, 저장공간(151)이 확장되면서, 수소가스를 보관하고, 길이가 축소되는 경우, 저장공간(151)이 축소되면서 내부에 유입된 수소가스를 압축할 수 있다.
여기서, 가변저장튜브(150)는 수소가스를 배출할 때, 배출하는 량만큼 저장공간(151)의 크기도 함께 감소되기 때문에 수소가스의 공급압력이 하락되는 것을 방지할 수 있다.
가변저장튜브(150)는 금속 또는 스테인리스로 형성되거나, 수소취성에 의한 손상을 방지하도록 산화철이 제거된 금속 또는 비철 금속으로 형성될 수 있다.
가변저장튜브(150)는 내부에 저장공간(151)을 형성할 수 있도록 중앙이 관통된 형상의 저장튜브 박판(153)을 복수 개 적층한 상태에서 인접한 저장튜브 박판(153)끼리 접합하는 형태로 제작될 수 있다.
가변저장튜브(150)는 복수 개로 적층된 상태에서 저장튜브 박판(153)을 접합하는 형태로 제작될 수 있으며, 가변저장튜브(150)는 저장튜브 박판(153)의 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 저장튜브 접합부(155)에 의해 접합되어 마치 주름관과 같은 형태로 제작될 수 있다.
예를 들어, 저장튜브 접합부(155)는 복수 개의 저장튜브 박판(153) 중 어느 하나를 중심으로 상부에 위치되는 저장튜브 박판(153)과 외측 둘레를 접합한 경우, 하부에 위치되는 저장튜브 박판(153)과는 내측 둘레를 접합하는 형태로 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 접합하는 형태로 형성될 수 있다.
저장튜브 접합부(155)는 용접하여 접합하거나, 금속접착제에 의해 접합하거나, 확산접합의 형태로 형성될 수 있다.
저장튜브 박판(153)은 금속 또는 스테인리스, 또는 수소취성에 상대적으로 강한 비철 금속 예를 들어 알루미늄으로 형성되거나, 산화철을 제거한 금속으로 형성되거나, 수소취성을 방지하는 처리 또는 수소취성을 방지하는 재료로 코팅될 수 있다.
또한, 하나의 저장튜브 박판(153)은 복수 개의 박판을 적층하여 접합한 형태일 수 있으며, 복수 개의 겹쳐진 박판 중 어느 하나는 다른 재료로 형성될 수 있다.
그리고, 가변저장튜브(150)는 일단은 밀폐되고, 타단은 개방된 형태일 수 있다.
이렇게 저장튜브 접합부(155)에 의해 접합된 복수 개의 저장튜브 박판(153)은 마치 주름관의 형태로 형성되기 때문에 중앙의 압축공간(121)으로 압축가스가 공급되면, 저장튜브 접합부(155)를 제외하고 저장튜브 박판(153)의 사이가 탄성변형되어 벌어지면서 가변압축튜브(120)의 길이가 길어져 저장공간(151)이 확장되고, 가압되면, 가변압축튜브(120)의 길이가 짧아져 저장공간(151)이 축소되도록 형상이 가변될 수 있다.
여기서, 저장튜브 박판(153)의 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에는 마치 물결형상과 같이 굴곡진 형태로 휘어진 탄성변형부(153a)가 형성될 수 있다.
이 탄성변형부(153a)는 가변저장튜브(150)에 수소가스가 유입되어 길이가 늘어날 때, 저장튜브 박판(153)이 탄성력에 의해 가요성을 가져 용이하게 휘어지고, 수소가스가 배출되면 탄성력에 의해 원래 형상으로 용이하게 복귀될 수 있다.
저장탱크부(140)는 저장케이싱(160)을 포함할 수 있다.
저장케이싱(160)은 내부에 저장튜브 공간(161)이 형성될 수 있으며, 저장튜브 공간(161)에는 가변저장튜브(150)가 설치될 수 있다.
한편, 저장케이싱(160)에는 저장튜브 공간(161)에 설치된 가변저장튜브(150)의 저장공간(151)으로 수소가스를 공급할 수 있도록 수소가스가 공급되는 저장튜브 유출입구(163)가 형성될 수 있다.
이때, 가변저장튜브(150)는 밀폐된 부분이 저장튜브 유출입구(163)와는 반대방향에 위치되고 개방된 부분이 저장튜브 유출입구(163)와 마주하도록 저장튜브 공간(161)에 설치될 수 있으며, 가변저장튜브(150)의 개방된 부분은 저장튜브 공간(161)의 내측에 접합되는 형태로 설치될 수 있다.
실시예에서는 하나의 저장튜브 유출입구(163)를 통해 수소가스가 공급 및 배출되는 것으로 설명하였지만, 수소가스가 유입되는 유입구와 수소가스가 배출되는 배출구가 별도로 설치될 수도 있다.
그리고, 저장케이싱(160)에는 가변저장튜브(150)의 저장공간(151)으로 삽입되는 저장코어부(165)가 형성될 수 있으며, 저장코어부(165)의 내부까지 유출입구(163)가 연장형성될 수 있다.
여기서, 저장코어부(165)에는 가변저장튜브(150)의 개방된 부분이 끼워지는 형태로 가변저장튜브(150)가 저장케이싱(160)에 설치될 수 있으며, 저장코어부(165)는 저장공간(161)의 내부에 위치되기 때문에 가변저장튜브(150)가 축소되면서 저장공간(151)의 내부가 축소되면서, 잔류된 수소가스를 최소화시켜 모두 배출할 수 있다.
그리고, 저장코어부(135)는 가변저장튜브(150)이 최대 압축된 상태에서 압축공간(111)에 최대한 메우는 부피를 가지도록 형성되어 가변저장튜브(150)의 최대 압축 시 저장공간(151)을 최소화시켜 저장된 모든 수소가스를 배출할 수 있다.
가변저장튜브(150)은 하기에 설명할 가압유체 공급기(170)에서 가압유체 유입구(165)를 통해 저장튜브 공간(161)으로 가압유체를 공급할 수 있으며, 저장튜브 공간(161)으로 유입되는 가압유체에 의해 가변저장튜브(150)가 축소되면서 저장공간(151)에 저장된 수소가스를 배출할 수 있다.
여기서, 가압유체 공급기(170)는 수소압축기(110)에 가압유체를 공급하기 위한 가압유체 공급기(170)로부터 일부의 가압유체를 제공받거나, 실시예에서와 같이 저장탱크부(140)에만 가압유체를 공급하기 위한 별도의 가압유체 공급기(170)를 통해 가압유체를 공급받을 수 있다.
한편, 저장케이싱(160)에는 압축튜브 공간(161)로 가압유체를 공급하는 유체공급구(167)가 형성될 수 있으며, 저장튜브 공간(161)로 공급된 가압유체가 배출되는 유체배출구(169)가 형성될 수 있다.
가압유체는 저장케이싱(160)의 유체공급구(167)로 공급되어 가변저장튜브(150)을 가압함으로써, 가변저장튜브(150)를 압축하여 수소가스를 배출하고, 수소가스의 유입으로 인해 가변저장튜브(150)가 확장되면, 유체배출구(169)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 유체공급구(167)는 저장케이싱(160)에서 가변저장튜브(150)의 밀폐된 부분과 대응되는 위치에 형성될 수 있으며, 유체배출구(169)는 코어부(165)가 형성된 부분에 형성되어 가압유체가 저장튜브 공간(161)을 순환할 수 있다.
한편, 가변저장튜브(150)의 저장튜브 유출입구(163)와 수소충전기(190)와 충전배관(185)에 의해 연결되어 가변저장튜브(150)에서 배출되는 수소가스를 수소충전기(190)으로 공급할 수 있다.
충전배관(185)에는 수소가스의 역류를 방지하기 위한 체크밸브가 설치될 수 있으며, 수소충전기(190) 측의 압력이 가변저장튜브(150) 측의 압력보다 낮은 경우, 가변저장튜브(150)로부터 충전배관(185)을 통해 수소충전기(190)으로 수소가스가 공급될 수 있다.
여기서, 저장튜브 공간(161)에 설치되는 가변저장튜브(150)는 가압유체의 압력이 작용할 경우, 가변저장튜브(150)는 길이방향으로만 수축되기 때문에, 가압유체의 공급시 가변저장튜브(150)가 길이방향으로 수축될 수 있다.
한편, 저장케이싱(160)의 내측에는 단열재가 설치되어 온도상승에 따른 수소가스의 팽창을 최소화하며, 가압유체 공급기(170)에서 제공되는 냉각된 가압유체의 온도가 외부와 열교환하여 상승되는 것을 방지할 수 있다.
저장케이싱(160)은 저장압축튜브(150)에서 수소가스가 누출될 경우, 수소가스를 가둬 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있으며, 저장케이싱(160)은 대략 1000bar 이상의 압력을 견딜 수 있도록 형성될 수 있다.
도 1, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 가압유체 공급기(170)를 포함할 수 있다.
가압유체 공급기(170)는 수소압축기(110) 또는 저장탱크부(140)에 가압유체를 공급하여 수소압축기(110)의 가변압축튜브(120)를 가압하여 압축공간(121)을 축소하거나, 저장탱크부(140)의 가변저장튜브(150)를 가압하여 저장공간(151)을 축소시킬 수 있다.
실시예에서 가압유체 공급기(170)은 수소압축기(110)와 저장탱크부(140)에 각각 설치된 것으로 설명하지만, 하나의 가압유체 공급기(170)를 통해 수소압축(110)와 저장탱크부(140)로 가압유체를 공급할 수도 있다.
한편, 가압유체 공급기(170)는 수소압축기(110)의 유체공급구(135)와 저장탱크부(140)의 유체공급구(165)를 통해 가압유체를 각각 공급할 수 있다.
가압유체 공급기(170)는 유체저장탱크(173)에 저장된 가압유체를 공급펌프(171)에 의해 흡입하여 수소압축기(110) 또는 저장탱크부(140)로 공급할 수 있다.
그리고, 가압유체 공급기(170)은 유체냉각부(175)를 포함할 수 있다.
이 유체냉각부(175)는 수소압축기(110) 또는 저장탱크부(140)로 공급되는 가압유체를 냉각시켜 공급할 수 있다.
유체냉각부(175)는 가압유체를 냉각함으로써, 수소압축기(110)에서 수소가스를 압축할 때의 발생하는 열을 냉각시켜 압축성을 향상시킬 수 있으며, 저장탱크부(140)의 온도를 낮춰 수소가스의 저장량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 가변저장튜브(130) 또는 저장탱크부(140)의 온도를 낮춰 수소취성의 위험정도를 낮출 수 있다.
유체냉각부(175)에서 냉각된 가압유체는 수소압축기(110)의 가변압축튜브(120) 및 저장탱크부(140)의 가변저장튜브(130)와 열교환하는 형태로 냉각시킬 수 있다.
유체냉각부(175)는 가압유체가 지나면서 열교환하는 열교환기(176)과 열교환기의 냉매를 공급하여 열교환기(176)의 온도를 낮추는 냉각기(177)를 포함하여 구성될 수 있으며, 유체냉각부(175)는 순환펌프(178)에 의해 수소압축기(110)의 압축케이싱(130)과 저장탱크부(140)의 저장케이싱(160)으로 공급된 저장유체를 계속적으로 순환시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 각 구성 간의 작용과 효과를 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 수소운반차량으로부터 수소가스가 공급배관(181)을 통해 수소압축기(110)로 공급되면, 가변압축튜브(120)가 팽창한 상태에서 더 팽창하며 가변압축튜브(120)의 압축공간(121)으로 수소가스가 유입된다.
그리고, 압축공간(121)에 수소가스가 유입되면, 가압유체 공급기(170)에서 유체배관을 통해 수소압축기(110)의 압축튜브 공간(131)으로 가압유체를 공급하고, 압축튜브 공간(131)으로 유입된 가압유체는 가변압축튜브(120)를 가압하여 유압에 의해 팽창된 가변압축튜브(120)를 수축시킨다.
여기서, 가압유체는 압축튜브 공간(131)로 공급되기 이전에 유체냉각부(175)의 열교환기(176)를 거치면서 냉각기(177)에 의해 냉각된 냉매와 열교환기(176)에서 열교환하여 냉각되고, 냉각된 가압유체는 순환펌프(178)을 통해 압축튜브 공간(131)으로 공급된다.
가변압축튜브(120)가 수축되면, 가변압축튜브(120)의 압축공간(121)이 수축되면서 압축공간에 수용된 수소가스를 압축시키고, 수소가스의 압력이 저장탱크부(140)의 압력보다 높아지면 연결배관(183)을 통해 저장탱크부(140)로 공급된다.
이때, 압축튜브 공간(131)로 공급된 가압유체는 냉각된 상태이기 때문에 가변압축튜브(120)가 수축하며 수소가스를 압축할 때 발생하는 열을 감소시켜 수소가스의 압축성을 향상시킬 수 있으며, 가변압축튜브(120)의 압축공간(121)에는 압축코어부(135)가 위치되어 가변압축튜브(120)의 최대 압축시 압축공간(121)을 최소화시켜 수소가스의 압축비를 증가시킬 수 있다.
가변압축튜브(120)가 최대 압축되면, 가스공급차량의 공급배관(181)을 통해 다시 수소가스가 압축튜브 유출입구(133)를 통해 유입되고, 유입되는 수소가스에 의해 축소되었던 가변압축튜브(120)가 다시 팽창한다.
가변압축튜브(120)이 팽창하면, 압축튜브 공간(131)에 공급되었던 가압유체는 압축케이싱(130)의 유체배출구(139)를 통해 배출되면서, 유체저장탱크(173)로 배출한다.
이때, 배출되는 일부의 가압유체는 순환펌프(178)에 의해 열교환기(176)를 거치면서 냉각되어 다시 압축케이싱(130)의 유체공급구(137)을 통해 다시 압축튜브 공간(131)으로 유입되면서, 유입되는 가변압축튜브(120)를 냉각시켜 유입되는 수소가스의 온도를 낮춰 많은 량의 수소가스를 유입시킬 수 있다.
이와 같이 수소압축기(110)은 가압유체 공급기(170)에서 공급되는 작동유체와, 가변압축튜브(120)의 탄성 복원력 및 수소공급차량에서 공급되는 수소가스에 의해 가변압축튜브(120)가 압축과 수축을 반복하며 수소가스를 압축하여 연결배관(183)을 통해 저장탱크부(140)로 공급한다.
저장탱크부(140)로 공급되는 수소가스는 가변저장튜브(150)이 팽창된 상태에서 저장튜브 유출입구(13)를 통해 저장공간(151)으로 유입되고, 유입되는 수소가스는 가변저장튜브(150)를 더 팽창시켜 저장공간(151)에 저장된다.
가변저장튜브(150)의 저장공간(151)에 저장되면, 저장탱크부(140)에 연결된 가압유체 공급기(170)의 순환펌프(178)가 작동하여 내부에 저장케이싱(160)에 공급된 가압유체를 열교환기(176)를 거쳐 냉각시킨 후 다시 저장케이싱(160)으로 공급되도록 순환시켜 온도상승에 따른 수소가스의 부피가 팽창하는 것을 방지한다.
한편, 수소충전기(190)로부터 수소가스의 충전이 요구되면, 저장탱크부(140)에 연결된 가압유체 공급기(170)의 공급펌프(171)가 작동하여 유체공급구(167)를 통해 저장튜브 공간(161)으로 가압유체를 공급한다.
가압유체가 저장튜브 공간(161)로 공급되면, 가압유체는 가변저장튜브(150)를 가압하여 수축시키고, 수축되는 가변저장튜브(150)의 저장공간에 저장된 수소가스가 저장탱크부(140)의 저장튜브 유출입구(163)로 배출되면서, 충전배관(185)의 체크밸브를 개방하여 충전배관을 통해 수소충전기(190)로 공급되어 수소차량에 수소가스를 충전한다.
여기서, 가변저장튜브(150)가 최대 수축하는 경우, 가변저장튜브(150)의 내부에 저장코어부(165)가 위치되어 가변저장튜브(150)에 저장된 잔류된 수소가스를 최소화하여 모든 수소가스를 수소충전기(190)로 공급할 수 있다.
그리고, 수소가스의 공급 시 배출되는 수소량만큼 가변저장튜브(150)가 축소되면서 저장공간(151)도 함께 축소되기 때문에 수소가스의 압력의 변화를 최소화시켜 균일한 압력에 의해 수소가스를 수소충전기로 제공할 수 있다.
수소저장부(140)는 수소공급기(190)를 통해 소모되는 수소량만큼 수소압축기(110)를 통해 충전되거나, 수소가스가 모두 소모된 경우, 수소압축기(110)로부터 수소가스를 공급받아 충전할 수 있으며, 저장탱크부(140)는 복수 개로 구성되어 수소압축기(110)로부터 공급되는 수소가스를 복수 개의 저장탱크부(140)에 나눠 저장할 수도 있다.
한편, 가변저장튜브(150)가 축소된 상태에서 수소압축기(110)로부터 수소가스가 가변저장튜브(150)로 공급되면, 가변저장튜브(150)가 다시 팽창되고, 저장케이싱(169)에 공급되는 가압유체가 유체배출구(169)로 배출되면서, 일부는 유체저장탱크(173)로 리턴되고, 일부는 순환펌프(178)에 의해 열교환기(176)를 거쳐 다시 냉각되어 저장케이싱(161)의 내부로 공급됨으로써, 저장탱크부(140)의 온도를 낮춰 온도에 따른 수소가스의 팽창을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수소충전 스테이션(100)은 저장탱크부(140)에 저장공간(151)이 가변되는 가변저장튜브(150)가 설치되어 수소가스가 소모되는 량에 비례하여 저장공간(151)도 축소하기 때문에 수소가스의 공급압력의 하락 없이 균일한 압력으로 수소가스를 공급할 수 있다.
또한, 가변저장튜브(150)와 가변압축튜브(120)가 가압유체에 의해 팽창과 수축을 반복하면서, 수소가스를 공급 또는 압축하기 때문에 수소가스가 구동계에 직접적으로 접촉되지 않아 수소취성에 의해 손상 또는 고장이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 기계적인 작동구조를 최소화하여 고장의 발생을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 가변저장튜브(150)를 금속의 저장튜브 박판(153)을 접합하는 형태로 구성하여 내구성을 향상시킬 수 있으며, 수소가스의 유출을 최소화할 수 있다.
또한, 수소압축기(110)가 가압유체에 의해 팽창과 수축을 반복하면서 수소가스를 압축하기 때문에 기계적인 작동구조를 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 가압유체 공급기(170)에 유체냉각부(175)가 설치되어 가압유체를 냉각시켜 공급함으로써, 수소압축기(110)에서 수소가스를 압축 시 열의 발생을 감소시켜 압축성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 저장탱크부(140)의 온도를 낮춰 수소를 안정적으로 보관할 수 있으며, 수소취성의 위험정도를 하락시켜 수소취성에 따른 손상을 최소화할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 수소충전 스테이션 110: 수소압축기
120: 가변압축튜브 121: 압축공간
123: 압축튜브 박판 123a,153a: 탄성변형부
125: 압축튜브 접합부 130: 압축케이싱
131: 압축튜브 공간 133: 압축튜브 유출입구
135: 압축코어부 137,167: 유체공급구
139,169: 유체배출구 140: 저장탱크부
150: 가변저장튜브 151: 저장공간
153: 저장튜브 박판 155: 저장튜브 접합부
160: 저장케이싱 161: 저장튜브 공간
163: 저장튜브 유출입구 165: 저장코어부
170: 가압유체 공급기 171: 공급펌프
173: 유체저장탱크 175: 유체냉각부
176: 열교환기 177: 냉각기
178: 순환펌프 181: 공급배관
183: 연결배관 185: 충전배관
187: 유체배관 190: 수소충전기

Claims (8)

  1. 수소가스를 공급받아 압축하는 수소압축기와, 상기 수소압축기에서 압축된 수소가스를 저장하는 저장탱크부를 포함하는 수소충전 스테이션에 있어서,
    상기 저장탱크부는
    수소가스의 저장량이 감소되더라도 균일한 압력으로 수소가스를 제공하도록 형상이 가변되면서 내부에 수소가스가 저장되는 저장공간이 신축되는 가변저장튜브, 및
    상기 가변저장튜브가 설치되는 저장튜브 공간과, 상기 가변저장튜브로 수소가스를 도입하거나 저장된 수소가스를 수소충전기로 공급하는 저장튜브 유출입구를 포함하는 저장케이싱을 포함하고,
    상기 저장튜브공간에 유압을 발생시켜 상기 가변저장튜브가 수축되도록 상기 저장튜브공간으로 가압유체를 공급하는 가압유체 공급기를 포함하며,
    상기 수소압축기는 내부에 수소가스를 압축하는 압축공간이 형성되며 상기 압축공간이 신축됨에 따라 상기 압축공간으로 수소가스를 도입하거나, 도입된 수소가스를 압축하여 상기 저장탱크부로 공급하는 가변압축튜브, 및 상기 가압유체 공급기 또는 별도의 상기 가압유체 공급기로부터 상기 가변압축튜브를 가압하기 위한 가압유체가 공급되며 상기 가변압축튜브가 설치되는 압축튜브 공간과, 상기 가변압축튜브로 수소가스를 유출입하는 압축튜브 유출입구를 포함하는 압축케이싱을 포함하고,
    상기 압축케이싱은 상기 수소가스의 압축비를 높이기 위해 상기 가변압축튜브를 최대 압축한 상태에서 상기 압축공간이 최소화되도록 상기 압축공간에 삽입되는 압축코어부를 포함하며,
    상기 압축코어부는 상기 가변압축튜브가 최대 압축된 상태에서 상기 압축공간을 메우는 부피를 갖고,
    상기 압축튜브 유출입구는 상기 압축코어부를 관통하여 상기 압축공간과 연통되는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변저장튜브는
    상기 저장공간을 내부에 형성하도록 중앙이 관통된 형상으로 형성되며 복수 개가 적층되는 금속으로 형성된 저장튜브 박판, 및
    상기 복수 개의 저장튜브 박판을 적층한 상태에서 서로 인접한 저장튜브 박판끼리 내측 둘레와 외측 둘레를 교대로 접합한 저장튜브 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장튜브 박판은
    가요성을 가지도록 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에 둘레를 따라 굴곡진 형상으로 형성된 탄성변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가변압축튜브는
    상기 압축공간을 내부에 형성하도록 중앙이 관통된 형상으로 형성되며 복수 개가 적층되는 금속으로 형성된 압축튜브 박판, 및
    상기 복수 개의 압축튜브 박판을 적층한 상태에서 서로 인접한 압축튜브 박판끼리 내주와 외주를 교대로 접합하는 압축튜브 접합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 압축튜브 박판은
    가요성을 가지도록 내측 둘레와 외측 둘레의 사이에 둘레를 따라 굴곡진 형상으로 형성된 탄성변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가압유체 공급기는
    상기 가변저장튜브를 냉각시켜 상기 수소가스의 저장량이 증가되도록 상기 가압유체를 냉각시키는 유체냉각부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전 스테이션.
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KR102487016B1 (ko) * 2022-04-29 2023-01-11 에너진(주) 용적 가변베셀을 갖는 수소용기 또는 수소압축기

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