KR102147255B1 - 수소 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

수소 충전 장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 수소 충전 장치는 액화연료가 저장되는 연료저장부와, 연료저장부와 연결되고, 연료저장부로부터 액화연료를 공급받아 기화시켜 연료가스를 생성하는 기화부와, 기화부와 연결되며, 기화부로부터 연료가스를 공급받아 수증기와 반응시켜 수소가스를 생성하는 개질부와, 개질부와 연결되고, 개질부로부터 생성되는 수소가스를 압축시키는 수소압축부와, 수소압축부와 연결되며 수소압축부에서 압축되는 수소가스가 저장되는 압축수소저장부와, 압축수소저장부로부터 공급받은 수소가스가 저장되는 수소충전부와, 압축수소저장부와 수소충전부를 연결하는 충전유로부와, 수소압축부와 충전유로부 중 적어도 어느 하나와 연결되며, 수소압축부와 충전유로부 중 적어도 어느 하나를 냉각시키는 수소냉각부를 포함하고, 수소냉각부는, 기화부와 연결되어 액화연료의 기화 시 발생되는 냉열을 전달받아 수소압축부와 충전유로부 중 적어도 어느 하나로 방출하는 냉열전달부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 충전 장치{HYDROGEN CHARGING SYSTEM}
본 발명은 수소 충전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소가스의 저장에 소요되는 냉열을 액화연료로부터 제공받아 에너지효율을 향상시킬 수 있는 수소 충전 장치에 관한 것이다.
자동차의 배기가스에 포함되는 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOX) 및 부유 입자상 물질(PM) 등에 의한 지구 온난화 및 대기 오염이 우려되고 있다. 이로 인하여 종래의 가솔린 내연 기관형 자동차 대신에, 적재된 연료 전지에 있어서의 수소와 산소의 화학 반응에 기초하는 전기에너지를 이용하여 구동되는 연료 전지 자동차가 개발되고 있다.
연료 전지 자동차에 수소를 보급하기 위하여 수소 스테이션의 경우, 압축된 수소가 자동차에 적재되는 수소 탱크에 보급된다. 이때 공급원의 고압 상태의 기체를 공급처의 저압 상태의 기체로 이행 시 압력 차를 유지하면서 그 기체를 팽창시키는 경우 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과에 의한 온도 변화가 발생한다.
구체적으로 줄-톰슨 효과에 의한 온도 변화는 기체의 당초 온도에 의존한다. 당초 온도가 역전 온도보다 낮으면 기체의 온도가 저하되고, 당초 온도가 역전 온도보다 높으면 기체의 온도는 상승한다. 수소의 역전 온도는 215K(-58.15℃)로 다른 기체에 비해 상당히 저온이므로, 통상 수소가 저장을 위해 수소 탱크에 보급 시 급격한 온도 상승이 발생한다.
종래 수소 탱크로 수소 보급 시 수소의 급격한 온도 상승을 회피하기 위하여 이를 냉각시키기 위해 별도의 냉각 유닛이 요구되는데, 냉각 유닛을 구동시키기 위해 외부로부터 전력을 공급받아야 하는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1632859호(2016.06.16. 등록, 발명의 명칭: 수소 스테이션)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 액화연료의 기화 시 발생되는 냉열이 냉열전달부를 통해 전달되어 에너지효율을 향상시킬 수 있는 수소 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치는: 액화연료가 저장되는 연료저장부; 상기 연료저장부와 연결되고, 상기 연료저장부로부터 액화연료를 공급받아 기화시켜 연료가스를 생성하는 기화부; 상기 기화부와 연결되며, 상기 기화부로부터 연료가스를 공급받아 수증기와 반응시켜 수소가스를 생성하는 개질부; 상기 개질부와 연결되고, 상기 개질부로부터 생성되는 수소가스를 압축시키는 수소압축부; 상기 수소압축부와 연결되며 상기 수소압축부에서 압축되는 수소가스가 저장되는 압축수소저장부; 상기 압축수소저장부로부터 공급받은 수소가스가 저장되는 수소충전부; 상기 압축수소저장부와 상기 수소충전부를 연결하는 충전유로부; 및 상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나와 연결되며, 상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나를 냉각시키는 수소냉각부;를 포함하고, 상기 수소냉각부는, 상기 기화부와 연결되어 상기 액화연료의 기화 시 발생되는 냉열을 전달받아 상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나로 방출하는 냉열전달부;가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 수소 충전 장치는, 상기 기화부와 상기 개질부 사이에 설치되고, 상기 기화부에서 생성되는 연료가스로부터 동력을 전달받아 전기에너지를 발생시키는 에너지발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지발생부는, 상기 기화부에서 상기 개질부로 유동되는 연료가스의 압력 차이에 의해 발생되는 압력에너지가 전기에너지로 변환되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지발생부는, 내부에 배치되는 제1회전축부와, 상기 제1회전축부 상에 설치되는 회전날개부가 구비되는 회전부; 및 상기 제1회전축부와 축 결합되도록 제2회전축부가 구비되고, 상기 제1회전축부로부터 회전력을 전달받아 전기에너지를 발생시키는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에너지발생부는 상기 수소압축부와 전기적으로 연결되어 상기 수소압축부로 전기에너지를 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 수소 충전 장치는, 상기 개질부와 상기 수소압축부 사이에 설치되며, 상기 개질부에서 생성되는 수소가스를 저장하는 임시저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 수소 충전 장치는, 상기 임시저장부와 상기 수소압축부는 수소배출라인으로 연결되고, 상기 수소배출라인 상에 설치되어 상기 임시저장부에서 상기 수소압축부로 공급되는 수소가스의 배출을 제어하는 배출밸브부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치는, 수소냉각부가 별도의 전원을 공급받지 않고, 액화연료의 기화 시 방출되는 냉열을 흡수하여 수소압축부, 충전유로부를 냉각시킴으로 인하여 수소 충전 장치의 에너지효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 에너지발생부로 인하여 연료가스의 압력에너지 차이를 이용하여 전기에너지를 발생시키고, 이를 수소압축부 등에 공급함으로 인하여 수소 충전 장치의 에너지효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지발생부를 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 도시한 블록구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 수소 충전 장치의 실시예들을 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치(1)는 연료저장부(10), 기화부(20), 개질부(30), 수소압축부(40), 압축수소저장부(50), 수소충전부(60), 수소냉각부(70), 에너지발생부(80), 임시저장부(90), 배출밸브부(95)를 포함한다.
연료저장부(10)는 액화연료(L)가 저장되는 것으로, 여기서 액화연료(L)는 액화천연가스(LIQUEFIED NATURAL GAS, LNG), 액화석유가스(LIQUEFIED PETROLEUM GAS, LPG) 등을 포함한다. 액화연료(L)는 액체 상태로 저장되었다가 기화부(20)로 공급된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기화부(20)는 연료저장부(10)에 연결되는 것으로, 연료저장부(10)로부터 LNG, LPG 등의 액화연료(L)를 공급받아 기화시켜 NG, PG 등의 연료가스(G)를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 개질부(30)는 기화부(20)와 연결되는 것으로, 고온의 수증기(H20)가 공급되고, 기화부(20)로부터 연료가스(G)를 공급받아 수증기와 반응시켜 수소가스(H)를 생성한다.
구체적으로 화학식 1, 화학식 2와 같은 반응이 이루어지며 일산화탄소(CO), 이산화탄소(C02), 수소(H2)등으로 이루어진 가스가 생성된다.
[화학식 1]
CH4(g) + H20(g) -> CO(g) +3H2
[화학식 2]
CO(g) + H20(g) -> CO2(g) +H2(g)
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소압축부(40)는 개질부(30)와 연결되는 것으로, 개질부(30)로부터 생성되는 수소가스(H)를 압축시킨다. 수소압축부(40)에서는 수소가스(H)가 고압으로 압축되며, 이에 따라 수소가스(H)의 온도도 상승한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압축수소저장부(50)는 수소압축부(40)와 연결되는 것으로 수소압축부(40)에서 압축되는 수소가스(H)가 저장된다.
압축수소저장부(50)의 재질은 고압에서 내구성이 우수하고, 열전도도가 높은 알루미늄 또는 그에 상응하는 재질을 사용한다.
압축수소저장부(50)는 외벽과 내벽을 갖는 이중벽으로 형성될 수 있고, 압축수소저장부(50)의 외벽과 내벽 사이는 진공으로 형성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전부(60)는 압축수소저장부(50)로부터 공급받은 수소가스(H)가 저장되는 것으로, 수소가스(H)가 최종적으로 저장되도록 연료 전지 차량 등에 설치되는 저장탱크 등을 포함한다.
수소충전부(60)의 재질은 고압, 저온에서 내구성이 우수하고, 열전도도가 높은 알루미늄 또는 그에 상응하는 재질을 사용한다.
수소충전부(60)는 외벽과 내벽을 갖는 이중벽으로 형성될 수 있고, 수소충전부(60)의 외벽과 내벽 사이는 진공으로 형성될 수 있다.
수소충전부(60)의 내부에는 유입된 수소가스(H)가 저장되도록 탄소 계열의 수소저장물질이 내장될 수 있다. 수소저장물질은 탄소 나노튜브(CARBON NANOTUBE, CNT) 또는 MOF(METAL ORGANIC FRAMEWORKS) 또는 불순물(도펀트) 금속을 포함한다.
이러한 수소저장물질은 극저온에서 저장이 잘되는 특성을 가지며, 고체 표면에 물리적 흡착에 의해 체적 에너지 밀도가 크게 증가되는 특성이 있다.
고압, 저온 조건에서 반데르발스 힘(VAN DER WAALS FORCE)DP 의해 물리적 흡착이 일어나며, 물리적 결합이므로 결합 에너지가 작아 약간의 감압 또는 승온에 의해 수소 탈착이 용이한 효과가 있다.
충전유로부(55)는 압축수소저장부(50)와 수소충전부(60)를 연결하는 것으로 배관 등으로 형성될 수 있고, 충전유로부(55)는 열전도도가 우수한 고압 동관 또는 알루미늄 배관으로 형성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소냉각부(70)는 수소압축부(40)와 충전유로부(55) 중 적어도 어느 하나와 직간접적으로 연결되는 것으로, 수소압축부(40)와 충전유로부(55) 구체적으로, 압축수소저장부(50)로부터 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H) 중 적어도 어느 하나와의 열교환을 통해 수소가스(H)를 냉각시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소냉각부(70)는 기화부(20)와 연결되어 액화연료(L)의 기화 시 발생되는 냉열(2)을 흡수하여 수소압축부(40) 또는 압축수소저장부(50)로 방출한다.
기화부(20)에서는 액화연료(L)가 기화되어 연료가스(G)로 되는 흡열 반응이 일어나고, 이러한 흡열 반응에서 액화연료(L)가 열을 흡수하는 것은 열역학적 관점에서 냉열(2)을 방출하는 것으로 볼 수 있다.
액화연료(L)가 열을 흡수하며 연료가스(G)가 되고, 방출되는 냉열(2)은 냉열전달부(71)를 통해 수소압축부(40), 압축수소저장부(50)로 유동된다.
본 발명의 일 실예에 따른 냉열전달부(71)는 배관 형상으로 형성되어 기화부(20)와 수소압축부(40) 또는 압축수소저장부(50) 사이에 설치될 수 있고, 냉열전달부(71)의 내부에는 PCM(PHASE CHANGE MATERIAL)이 충진될 수 있다.
여기서 말하는 PCM은 상변화물질로서 물질의 상변화과정을 통하여 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장된 열에너지를 방출하는 것으로, 구체적으로 기화부(20)에서 액화연료(L)가 연료가스(G)로 기화하는 과정에서 방출되는 냉열(2)을 흡수한다.
냉열전달부(71)는 기화부(20)에서 흡수한 냉열(2)을 수소압축부(40) 또는 압축수소저장부(50)로 방출하여 수소압축부(40), 압축수소저장부(50)에서 충전유로부(55)를 통해 수소충전부(60)로 공급되는 고온의 수소가스(H)를 냉각시켜 온도를 저하시킨다.
이로 인하여 고온, 고압의 수소가스(H)로 인한 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서는 냉열전달부(71)에 PCM이 충진되어 기화부(20)에서 수소압축부(40), 압축수소저장부(50)로 방출되는 냉열(2)을 흡수하고, 흡수한 냉열(2)을 수소압축부(40), 압축수소저장부(50)에서 충전유로부(55)를 통해 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H)에 방출한다.
다시 말해 냉열전달부(71)는 수소압축부(40)에서 발생되는 열, 압축수소저장부(50)에서 수소충전부(60)로 유동되는 고온의 수소가스(H)에서 방생되는 열을 흡수하여 수소압축부(40) 및 충전유로부(55), 구체적으로 압축수소저장부(50)에서 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H)를 냉각시키는 효과가 있다.
수소냉각부(70), 구체적으로 냉열전달부(71)로 인하여 수소 충전 장치(1)에서 수소압축부(40), 압축수소저장부(50)에서 고온, 고압의 상태로 저장되어 충전유로부(55)를 통해 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H)를 냉각시키기 위한 별도의 냉각설비가 요구되지 않는 효과가 있다.
액화연료(L)의 기화 시 방출되는 냉열(2)을 회수하여 수소압축부(40) 또는 충전유로부(55), 구체적으로 압축수소저장부(50)에서 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H)에 방출함으로 인하여 고온의 수소압축부(40), 수소가스(H)를 냉각시켜 고온의 수소가스(H)로 인한 폭발을 방지할 수 있는 효과가 있다.
냉열전달부(71)에는 배관이 형성되어 냉매가 충진되고, 배관 내부에서 냉매가 순환되며 수소압축부(40), 충전유로부(55)로 유동되는 수소가스(H)와의 열교환을 통해 수소압축부(40), 수소가스(H)를 냉각시키는 등 다양한 변형실시가 가능하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지발생부(80)는 기화부(20)와 개질부(30) 사이에 설치되는 것으로, 기화부(20)에서 생성되는 연료가스(G)로부터 동력을 전달받아 전기에너지(E)를 발생시킨다. 에너지발생부(80)는 회전부(81), 발전부(82)를 포함한다.
도 1, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전부(81)는 제1회전축부(811), 회전날개부(813)를 포함한다. 제1회전축부(811)는 내부에 회전가능하게 설치되고, 회전날개부(813)는 제1회전축부(811) 상에 결합되어 제1회전축부(811)와 함께 회전한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전부(82)는 제1회전축부(811)로부터 회전력을 전달받아 전기에너지(E)를 발생시키는 것으로, 제2회전축부(821)를 포함한다.
발전부(82)는 교류 또는 직류발전기로 형성될 수 있다. 발전부(82)의 출력 전압은 발전부(82)를 구동하는 회전력에 비례하므로, 회전력을 증가시키기 위해 증속기(도면 미 도시) 등이 설치될 수 있다.
제2회전축부(821)는 제1회전축부(811)와 축 결합되며, 제1회전축부(811)가 회전됨에 따라 함께 회전한다. 이로 인하여 회전부(81), 구체적으로 제1회전축부(811)로부터 회전력을 전달받아 회전에너지를 전기에너지(E)로 변환시킬 수 있는 효과가 있다.
에너지발생부(80)는 기화부(20)에서 개질부(30)로 유동되는 연료가스(G)의 압력 차이에 의해 발생되는 압력에너지가 전기에너지(E)로 변환된다.
구체적으로, 기화부(20)에서 공급되는 연료가스(G)는 고압 상태로 에너지발생부(80)로 유입되고, 유입되는 연료가스(G)는 회전부(81)를 구동시키면서 압력이 강하된다.
에너지발생부(80)로 공급되는 연료가스(G)에 비해 에너지발생부(80)로부터 방출되는 연료가스(G)는 압력이 상대적으로 낮게 형성되며 개질부(30)로 유입된다.
에너지발생부(80)로 인하여 연료가스(G)의 압력에너지의 변화를 전기에너지(E)로 변환하여 생산된 전기에너지(E)를 수소압축부(40) 등에 공급할 수 있어 수소 충전 장치(1)의 에너지효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 임시저장부(90)는 개질부(30)와 수소압축부(40) 사이에 설치되는 것으로, 개질부(30)에서 생성되는 수소가스(H)를 저장한다.
이로 인하여 상시 작동되어야 하는 개질부(30)에서 지속적으로 생성되는 수소가스(H)가 소정 압력 값 또는 소정 용량에 도달할 때까지 임시적으로 저장하고, 수소압축부(40)에 소모되는 에너지를 절감시키는 효과가 있다.
도 2, 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 임시저장부(90)에는 감지부(91)가 설치되고, 감지부(91)는 임시저장부(90) 내 수소가스(H)의 압력, 용량 등을 측정하여 이를 전기적 신호로 변환하여 제어부(93)에 전달한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(93)는 감지부(91)와 전기적으로 연결되는 것으로, 배출밸브부(95)의 구동을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출밸브부(95)는 임시저장부(90)와 수소압축부(40) 사이, 구체적으로 수소배출라인(5) 상에 설치되어 임시저장부(90)에서 수소압축부(40)로 공급되는 수소가스(H)의 배출을 제어한다.
이로 인하여 임시저장부(90)에 저장되는 수소가스(H)가 소정 압력 값 또는 소정 용량에 도달 시 배출밸브부(95)를 개방하여 수소압축부(40)에 공급하도록 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치(1)의 작동원리 및 효과를 설명한다.
도 1을 참조하면, 연료저장부(10)에는 LNG, LPG 등의 액화연료(L)가 저장되고, 액화연료(L)는 기화부(20)로 공급되어 흡열 반응을 통해 고압의 NG, PG 등의 연료가스(G)로 기화된다.
고온, 고압 상태의 연료가스(G)는 개질부(30)로 공급되며, 기화부(20)와 개질부(30) 사이에 설치되는 에너지발생부(80)를 통과한다. 고압 상태의 연료가스(G)는 에너지발생부(80)를 통과하며 회전날개부(813), 제1회전축부(811)를 회전시킨다.
제1회전부(81)는 제1회전축부(811)와 축 결합되는 제2회전축부(821)로 회전력을 전달하고, 제2회전축부(821)가 구비되는 발전부(82)는 회전력을 전기에너지(E)로 변환 생산한다.
에너지발생부(80)에서 전기에너지(E)가 생성됨으로 인하여 이를 수소압축부(40) 등의 전원으로 공급할 수 있고, 수소 충전 장치(1)의 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.
이에 더하여 기화부(20)로부터 고압의 연료가스(G)가 에너지발생부(80)를 통과하면서 압력이 저하되면서 기화부(20)에서 배출되는 연료가스(G)에 비해 상대적으로 저압 상태로 개질부(30)로 공급된다.
이로 인하여 개질부(30)에서 일어나는 개질 반응의 효율이 증가되는 효과가 있다.
개질부(30)릍 통과하면서 화학 반응을 통해 수소가스(H)가 생성되고, 생성된 수소가스(H)는 수소압축부(40)로 공급된다. 수소압축부(40)에서 수소가스(H)를 저장가능하게 고압 상태로 압축한다.
개질부(30)와 수소압축부(40) 사이에는 임시저장부(90)가 설치되고, 개질부(30)를 통해 생성되는 수소가스(H)가 소정 압력, 용량에 도달할 때까지 수소가스(H)를 임시적으로 저장하여 수소압축부(40)의 불필요한 구동을 억제하고, 수소 충전 장치(1)의 효율을 향상시킬 수 있다.
임시저장부(90)와 수소압축부(40)는 수소배출라인(5)으로 연결되고, 수소배출라인(5) 상에 설치되는 배출밸브부(95)가 제어부(93)에 의해 개폐되며 수소가스(H)를 전달한다.
수소압축부(40)는 수소가스(H)를 고압 상태로 압축하는 것으로, 이 과정에서 많은 열이 발생되며, 수소가스(H)는 고압, 고온 상태로 압축되어 저장된다.
수소압축부(40)에서 압축되는 수소가스(H)는 압축수소저장부(50)에 저장되고, 이는 충전유로부(55)를 통해 수소충전부(60)에 공급되며 최종적으로 수소충전부(60)에 저장된다.
수소충전부(60)는 연료 전지 차량 등에 설치되는 수소탱크 등을 포함하고, 수소충전부(60)에 저장되는 수소가스(H)는 압축수소저장부(50)에 저장되는 수소가스(H)에 비해 온도가 낮도록 냉각 처리가 요구된다.
수소냉각부(70)는 수소압축부(40)와 충전유로부(55) 중 적어도 어느 하나와 연결되는 것으로, 수소압축부(40)와, 충전유로부(55) 구체적으로 압축수소저장부(50)로부터 수소충전부(60)로 유동되는 수소가스(H)를 냉각시킨다.
수소냉각부(70), 구체적으로 냉열전달부(71)는 기화부(20)와 연결되어 액화연료(L)의 기화 시 발생되는 냉열(2)을 전달받아 수소압축부(40) 또는 압축수소저장부(50)로 방출한다.
이로 인하여 수소가스(H) 압축 시 많은 열이 발생되는 수소압축부(40)를 냉각하는 효과가 있다.
이에 더하여 충전유로부(55)를 냉각, 즉 수소충전부(60)로 공급되는 수소가스(H)를 냉각시켜, 고온의 수소가스(H)로 인해 수소충전 시 발생될 위험이 있는 폭발을 방지하는 효과가 있다.
수소냉각부(70), 구체적으로 냉열전달부(71)는 별도의 전원을 공급받지 않고 액화연료(L)의 기화 시 방출되는 냉열(2)을 이용하여 수소압축부(40), 충전유로부(55)를 냉각시켜 수소 충전 장치(1)의 에너지효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 수소 충전 장치 2: 냉열
L: 액화연료 G: 연료가스
H: 수소가스 E: 전기에너지
5: 수소배출라인 10: 가스저장부
20: 기화부 30: 개질부
40: 수소압축부 50: 압축수소저장부
55: 충전유로부 60: 수소충전부
70: 수소냉각부 71: 냉열전달부
80: 에너지발생부 81: 회전부
811: 제1회전축부 813: 회전날개부
82: 발전부 821: 제2회전축부
90: 임시저장부 91: 감지부
93: 제어부 95: 배출밸브부

Claims (7)

  1. 액화연료가 저장되는 연료저장부;
    상기 연료저장부와 연결되고, 상기 연료저장부로부터 액화연료를 공급받아 기화시켜 연료가스를 생성하는 기화부;
    상기 기화부와 연결되며, 상기 기화부로부터 연료가스를 공급받아 수증기와 반응시켜 수소가스를 생성하는 개질부;
    상기 개질부와 연결되고, 상기 개질부로부터 생성되는 수소가스를 압축시키는 수소압축부;
    상기 수소압축부와 연결되며 상기 수소압축부에서 압축되는 수소가스가 저장되는 압축수소저장부;
    상기 압축수소저장부로부터 공급받은 수소가스가 저장되는 수소충전부;
    상기 압축수소저장부와 상기 수소충전부를 연결하는 충전유로부;
    상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나와 연결되며, 상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나를 냉각시키는 수소냉각부; 및
    상기 기화부와 상기 개질부 사이에 설치되고, 상기 기화부에서 생성되는 연료가스로부터 동력을 전달받아 전기에너지를 발생시키는 에너지발생부;를 포함하고,
    상기 수소냉각부는, 상기 기화부와 연결되어 상기 액화연료의 기화 시 발생되는 냉열을 전달받아 상기 수소압축부와 상기 충전유로부 중 적어도 어느 하나로 방출하는 냉열전달부;가 구비되고,
    상기 에너지발생부는 상기 수소압축부와 전기적으로 연결되어, 상기 수소압축부로 전기에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에너지발생부는, 상기 기화부에서 상기 개질부로 유동되는 연료가스의 압력 차이에 의해 발생되는 압력에너지가 전기에너지로 변환되는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지발생부는,
    내부에 배치되는 제1회전축부와, 상기 제1회전축부 상에 설치되는 회전날개부가 구비되는 회전부; 및
    상기 제1회전축부와 축 결합되도록 제2회전축부가 구비되고, 상기 제1회전축부로부터 회전력을 전달받아 전기에너지를 발생시키는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개질부와 상기 수소압축부 사이에 설치되며, 상기 개질부에서 생성되는 수소가스를 저장하는 임시저장부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 임시저장부와 상기 수소압축부는 수소배출라인으로 연결되고,
    상기 수소배출라인 상에 설치되어 상기 임시저장부에서 상기 수소압축부로 공급되는 수소가스의 배출을 제어하는 배출밸브부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220077299A (ko) 2020-12-01 2022-06-09 범한산업 주식회사 복합형 다단 액화수소 펌프 조립체
KR20230096181A (ko) * 2021-12-22 2023-06-30 주식회사 한국가스기술공사 액화 수소 충전 시스템

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102207454B1 (ko) 2019-05-20 2021-01-26 하이리움산업㈜ 이동식 기체 및 액체 수소 충전 장치
KR102395254B1 (ko) 2020-02-25 2022-05-04 박경수 이동식 수소 충전 시스템
KR102467179B1 (ko) * 2021-12-14 2022-11-17 (주)제아이엔지 액화수소 기화 장치 및 이를 포함하는 수소 충전소

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008202619A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Hitachi Plant Technologies Ltd 水素ステーション
KR101169748B1 (ko) * 2009-10-29 2012-07-30 서울과학기술대학교 산학협력단 Ｌｎｇ 냉열을 이용한 초저온 가압식 수소 저장 시스템

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070076094A (ko) * 2006-01-17 2007-07-24 삼성에스디아이 주식회사 연료공급장치 및 이를 채용한 연료전지 시스템
KR20140086205A (ko) * 2012-12-28 2014-07-08 대우조선해양 주식회사 고압연료를 이용하여 추가 발전이 가능한 선박용 연료전지 발전 시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008202619A (ja) * 2007-02-16 2008-09-04 Hitachi Plant Technologies Ltd 水素ステーション
KR101169748B1 (ko) * 2009-10-29 2012-07-30 서울과학기술대학교 산학협력단 Ｌｎｇ 냉열을 이용한 초저온 가압식 수소 저장 시스템

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220077299A (ko) 2020-12-01 2022-06-09 범한산업 주식회사 복합형 다단 액화수소 펌프 조립체
KR20230096181A (ko) * 2021-12-22 2023-06-30 주식회사 한국가스기술공사 액화 수소 충전 시스템
KR102571937B1 (ko) 2021-12-22 2023-08-30 주식회사 한국가스기술공사 액화 수소 충전 시스템

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