KR102336633B1

KR102336633B1 - 충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템

Info

Publication number: KR102336633B1
Application number: KR1020200005900A
Authority: KR
Inventors: 정용우
Original assignee: 대주지앤아이(주)
Priority date: 2020-01-16
Filing date: 2020-01-16
Publication date: 2021-12-07
Also published as: KR20210094168A

Abstract

본 발명은 수소충전 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 충전 후 디스펜서에 잔류하는 수소를 배출없이 수집해서 저장탱크에 충전시키는 충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템에 관한 것으로, 가스공급원의 수소가 저장탱크에 유입되도록 배관된 제1도관; 연료 전지 자동차의 충전을 위해서 상기 저장탱크의 수소가 유입되도록 배관된 제2도관; 상기 제2도관의 수소가 유입되도록 제2도관과 연통하게 연결된 충전도관과, 상기 제2도관에 대해 충전도관을 개폐하는 제1밸브가 구성된 디스펜서; 상기 제1밸브에 의해 폐쇄된 충전도관에 잔류하는 수소가 저장탱크에 유입되도록, 충전도관과 제1도관을 연통하게 연결하는 제1벤트라인이 구성된 리텐션; 을 포함하는 것이다.

Description

충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템{HYDROGEN CHARGING SYSTEM REUSING HYDROGEN LEFT AFTER CHARGER}

본 발명은 수소충전 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 충전 후 디스펜서에 잔류하는 수소를 배출없이 수집해서 저장탱크에 충전시키는 충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템에 관한 것이다.

산업 기술의 발전과 더불어 가솔린 또는 디젤 등을 원료로 하는 내연기관 차량과 산업용 내연기관 장비(이하 '자동차')가 급증하면서, 공기 중에는 자동차로부터 배출되는 배기가스의 비중이 증가하였고, 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소(CO2), 질소산화물(NOX) 및 부유 입자상 물질(PM) 등에 의해서 지구 온난화와 대기 오염이 가속되었다.

이러한 문제를 해소하기 위해 종래에는 내연기관 자동차를 대신해서 내연기관과 전동모터를 혼용한 하이브리드 자동차 기술이 개발되었다.

그러나 하이브리드 자동차는 내연기관 자동차에 비해 고가이고 출력은 상대적으로 낮아서 운전자의 주목도가 높지 못했다. 또한 하이브리드 자동자는 내연기관을 탑재하므로, 배기가스 배출을 완전히 차단할 수 없었다.

이후 전동모터만을 사용하는 전기 자동차가 개발되었다.

하지만 전동모터 구동을 위해 전기를 공급하는 배터리는 전기 충전량에 한계가 있었고, 전동모터의 출력은 내연기관의 출력에 비해 상대적으로 낮았으며, 배터리를 충전할 수 있는 충전소 역시 충분히 보급되지 못하면서 배터리를 탑재한 전기 자동차 역시 운전자의 주목도가 높지 못했다.

전술한 문제들을 보완하기 위해서, 수소와 산소의 화학 반응을 통한 전기 에너지를 이용하여 구동하는 연료 전지 자동차(FCEV)가 착안되어 있다. 연료 전지 자동차는 이산화탄소는 물론 다른 유해 물질도 배출하지 않는다. 또한, 연료 전지 자동차는 가솔린 내연 기관형 자동차보다도 에너지 효율이 우수하는 등, 가솔린 내연 기관형 자동차에는 없는 다양한 이점을 갖고 있다.

한편, 연료 전지 자동차는, 수소 스테이션으로부터 수소 가스(이하 '수소')를 보급받는 타입과, 수소 이외의 연료를 보급받아 개질기에서 직접 수소를 제조하는 타입으로 구분되며, 공기 오염 개선과 연료 전지 자동차의 경량화 및 안정화를 고려할 때 수소 스테이션으로부터 수소를 보급받는 타입이 주목받고 있다. 따라서, 연료 전지 자동차와, 거기에 수소를 보급하기 위한 수소 스테이션의 연구, 개발이 서둘러지고 있다.

일반적으로 수소 스테이션은 수소를 저축하는 저장탱크와, 수소의 저축과 고압 유지를 위해서 수소를 압축하는 컴프레셔와, 압축된 수소를 냉각시키는 쿨러와, 연료 전지 자동차에 연결되어서 수소 공급을 제어하는 디스펜서로 크게 수성된다.

그런데 연료 전지 자동차의 충전구인 리셉터클과 직접 접촉해 연결되는 충전노즐은 충전호스를 통해 디스펜서 본체로부터 인출되고, 상기 충전호스와 연결된 디스펜서의 도관은 제어신호에 따라 개폐되므로, 연료 전지 자동차에 수소의 충전을 완료한 후에는 디스펜서에 구성된 충전노즐과 충전호스 및 도관 등에 고압의 수소가 잔류할 수 있다. 이렇게 잔류한 수소는 상대적으로 고압 상태이므로 디스펜서의 내압을 상승시키고, 유사시에는 고압의 수소가 폭발해서 수소 스테이션의 파손은 물론 인명 피해까지 일으키는 위험성이 있었다.

이러한 문제를 해소하기 위해 종래에는 디스펜서에 탈압기 또는 블리드 밸브를 장착해서 디스펜서에 잔류하는 수소를 배출시켰다.

그러나 가연성 수소를 블리드 밸브 등을 통해 외부에 그대로 배출시키는 것은 화재 유발의 위험성이 있고, 발생 화염의 확산은 수소 스테이션을 추가로 가열해서 폭발까지 일으킬 수 있었다. 물론 이러한 위험을 방지하기 위해서 종래에는 수소의 배출 위치를 제한시켰으나, 잔존하는 수소를 외부에 배출시키는 것은 상기 위험성이 여전한 것이므로, 폭발 위험에 있어 추가적인 안전장치 또는 방안을 강구해야 했다.

또한 디스펜서에 잔류하는 고순도 수소를 외부에 그대로 방류하는 것은 수소의 효율적 이용 측면에서 부정적이므로 시급한 개선이 요구되었다. 또한 차압 충전 방식의 경우에는 수소 충전 용량이 저장탱크 용량에 한정되므로, 자체적으로 저류탱크의 수소를 재충전할 수 있는 수소 스테이션 기술이 요구되었다.

선행기술문헌 1. 특허등록번호 제10-1821036호(2018.03.08 공고)

이에 본 발명은 상기의 문제를 해소하기 위한 것으로, 충전 후 디스펜서에 잔류하는 수소를 배출하지 않고 안전하게 수집해서 연료 전지 자동차의 수소 충전을 위해 저장탱크에 충전하는 수소충전 시스템의 제공을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기의 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

가스공급원의 수소가 저장탱크에 유입되도록 배관된 제1도관;

연료 전지 자동차의 충전을 위해서 상기 저장탱크의 수소가 유입되도록 배관된 제2도관;

상기 제2도관의 수소가 유입되도록 제2도관과 연통하게 연결된 충전도관과, 상기 제2도관에 대해 충전도관을 개폐하는 제1밸브가 구성된 디스펜서; 및

상기 제1밸브에 의해 폐쇄된 충전도관에 잔류하는 수소가 저장탱크에 유입되도록, 충전도관과 제1도관을 연통하게 연결하는 제1벤트라인이 구성된 리텐션;

을 포함하는 충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템이다.

상기의 본 발명은, 연료 전지 자동차의 수소 충전 후 디스펜서에 잔류하는 수소를 배출하지 않고 안전하게 수집해서 후속 연료 전지 자동차의 수소 충전을 위해 저장탱크에 충전하므로, 배출된 가연성 수소에 의한 화재 발생 위험을 줄이고, 고순도 수소의 단순 방류로 인한 비효율성을 해소하며, 저류 수소가 부족한 저장탱크를 충전해서 수소의 소비 효율을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 일실시 행태를 도시한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 다른 실시예를 도시한 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

본 발명은 연료 전지 자동차의 수소를 충전하는 수소 스테이션에서, 연료 전지 자동차의 수소 충전 후 디스펜서에 잔류하는 고순도 수소를 단순 방류했던 비효율성과 위험성을 해소한 수소충전 시스템에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 구체적인 내용이 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 일실시 행태를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시의 수소충전 시스템은, 가스공급원(S)의 수소가 저장탱크(30)에 유입되도록 배관된 제1도관(10); 연료 전지 자동차(C)의 충전을 위해서 저장탱크(30)의 수소가 유입되도록 배관된 제2도관(40); 제2도관(40)의 수소가 유입되도록 제2도관(40)과 연통하게 연결된 충전도관(51)과, 제2도관(40)에 대해 충전도관(51)을 개폐하는 제1밸브(53)가 구성된 디스펜서(50); 제1밸브(53)에 의해 폐쇄된 충전도관(51)에 잔류하는 수소가 저장탱크(30)에 유입되도록, 충전도관(51)과 제1도관(10)을 연통하게 연결하는 제1벤트라인(61)이 구성된 리텐션(60);을 포함한다.

제1도관(10)은 일단이 가스공급원(S)과 연통하게 연결되고, 타단이 저장탱크(30)와 연통하게 연결된다. 따라서 가스공급원(S)의 수소는 제1도관(10)을 통해 저장탱크(30)로 유입된다. 참고로, 제1도관(10)과 제2도관(40)과 충전도관(51)과 제1벤트라인(61) 및 기타 하기하는 유로는 유동하는 수소의 상대적 고압을 지탱해야 하므로, 강관과 같이 내압과 강도가 우수한 금속재질이다. 본 실시에서 제1도관(10)의 수소는 대략 180bar의 기압으로 유동한다.

수소 스테이션은 주유소와 같이 연료 전지 자동차의 수소 충전을 위한 것이므로, 차량 통행이 가능한 구역 곳곳에 설치된다. 따라서 수소 스테이션의 가스공급원(S)은 수소튜브트레일러와 같은 차량이 적용되고, 가스공급원(S)과의 연결을 위해서 제1도관(10)의 일단에는 가스공급원(S)의 리셉터클과 접촉해 연결되는 커플러가 설치될 수 있다.

한편, 제1도관(10)은, 가스공급원(S)에 대해 제1도관(10)을 개폐하는 밸브(11)와, 가스공급원(S)으로부터 유입된 수소의 역류를 방지하는 체크밸브(12)와, 제1도관(10)에 설치된 제1컴프레셔(20)에 의해 고온으로 압축된 수소를 냉각하는 쿨러(13)가 설치된다. 따라서 밸브(11)가 개방되면 가스공급원(S)으로부터 수소가 제1도관(10)으로 유입되어서 제1컴프레셔(20) 및 쿨러(13)에 의해 각각 압축 및 냉각된다. 본 실시의 쿨러(13)와 하기되는 쿨러는, 냉매유가 유동하며 제1도관(10)을 감싸는 냉매관(131)과, 냉매관(131)을 따라 유입된 고온의 냉매유를 냉각하는 냉각기(132)를 구성한다.

제1컴프레셔(20)는 가스공급원(S)과 리텐션(50)으로부터 제1도관(10)에 유입된 수소를 압축한다. 제1컴프레셔(20)의 수소 압축은 제1도관(10)으로부터 유입된 수소를 저장탱크(30)의 저류조(31)에 초고압 상태로 저축시키기 위한 것이다.

저장탱크(30)는, 초고압 상태의 수소를 저축하는 저류조(31)와, 제1컴프레셔에 대한 저류조(31)를 개폐하는 제3밸브(32)와, 제2도관(40)에 대한 저류조(31)를 개폐하는 제4밸브(33)와, 저류조(31)로부터 유입된 수소의 역류를 방지하는 체크밸브(34)를 포함한다. 따라서 제3밸브(32)의 개방에 의해 제1도관(10)으로부터 저류조(31)에 유입된 수소는 제4밸브(33)의 개방에 의해 제2도관(40)으로 유출된다.

제2도관(40)은 연료 전지 자동차(C)의 충전을 위해서 저장탱크(30)의 수소가 유입되도록 배관된다. 제2도관(40)은 저장탱크(30)와 디스펜서(50)를 연통하게 연결하는 유로이며, 제4밸브(33)의 개폐를 따라 저장탱크(30)의 수소가 디스펜서(50)에 유입된다.

제2도관(40)은, 저장탱크(30)로부터 제2도관(40)에 유입된 수소를 필터링하는 필터(41)와, 제2도관(40)의 수소를 압축하는 제2컴프레셔(42)와, 제2컴프레셔(42)에 의해 고온으로 압축된 수소를 냉각하는 쿨러(43)가 설치된다. 필터(41)는 연료 전지 자동차(C)에 고순도 수소를 공급하기 위한 이물질 제거 기구이다. 제2컴프레셔(42)는 연료 전지 자동차(C)의 수소 충전을 위해서 지정된 압력으로 수소를 압축하며, 쿨러(43)는 제2컴프레셔(42)의 압축에 의해 고온 상태인 수소를 냉각한다. 참고로, 연료 전지 자동차(C)에 충전된 수소 기압은 대략 70MPar이다. 따라서 디스펜서(50)는 연료 전지 자동차(C)의 충전 기압 이상의 기압으로 수소를 토출해야 한다. 이를 위해 제2컴프레셔(42)는 지정된 압력, 즉 연료 전지 자동차(C)의 충전 기압 이상으로 수소를 압축한다.

쿨러(43)의 구성과 구조는 제1도관(10)의 쿨러(13)에서 이미 설명한 바 있으므로, 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.

디스펜서(50)는, 제2도관(40)의 수소가 유입되도록 제2도관(40)과 연통하게 연결된 충전도관(51)과, 제2도관(40)에 대해 충전도관(51)을 개폐하는 제1밸브(53)가 구성된다. 충전도관(51)은 연료 전지 자동차(C)의 리셉터클과 직접 접촉해 연결되는 충전노즐(57)과 충전호스(56)에 의해 연통하게 연결된다. 한편, 제1밸브(53)는 제2도관(40)에 대해 충전도관(51)을 개폐하므로, 사용자가 제1밸브(53)를 제어해서 충전도관(51)을 개방하면, 제2도관(40)의 수소는 충전도관(51)으로 유입되어서 충전호스(56) 및 충전노즐(57)을 통해 연료 전지 자동차(C)에 주입된다.

또한 디스펜서(50)는, 제2도관(40)으로부터 유입된 수소 양을 계측하는 계량기(52)와, 제2도관(40)으로부터 유입된 고온의 압축 수소를 냉각하는 쿨러(54)와, 지정된 수소 양으로 연료 전지 자동차(C)에 충전되면 충전노즐(57)을 폐쇄하는 차단밸브(55)를 더 포함한다. 계량기(52)는 충전도관(51)으로 유입된 수소의 흐름을 체크해서 수소 양을 계측하는 통상의 기기이며, 쿨러(54)는 전술한 바 있으므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.

한편, 제1밸브(53)는 제2도관(40)으로부터 충전도관(51)으로 유입되는 수소를 단속하고, 차단밸브(55)는 충전호스(56)를 통해 충전도관(51)으로부터 방출되는 수소를 단속한다. 따라서 연료 전지 자동차(C)의 충전이 완료하면 제1밸브(53)와 차단밸브(55)가 충전도관(51)을 폐쇄하면서 충전도관(51)에는 수소가 잔류한다. 이렇게 잔류하는 수소를 방류함 없이 활용하도록 본 발명의 수소충전 시스템은 리텐션(60)을 더 포함한다.

리텐션(60)은, 제1밸브(53)에 의해 폐쇄된 충전도관(51)에 잔류하는 수소가 저장탱크(30)에 유입되도록, 충전도관(51)과 제1도관(10)을 연통하게 연결하는 제1벤트라인(61)이 구성된다. 제1벤트라인(61)은 일단이 충전도관(51)과 연통하게 연결되고, 타단이 제1도관(10)과 연통하게 연결된다. 따라서 충전도관(51)이 폐쇄되면, 잔류하는 수소는 제1벤트라인(61)에 유입되어서 제1도관(10)으로 흐른다.

리텐션(60)의 구성을 좀 더 구체적으로 설명하면, 제1벤트라인(61)을 따라 제1저류탱크(63)와 부스터 펌프(64)와 제2저류탱크(65)와 제2밸브(66)가 순차로 설치된다. 따라서 충전도관(51)으로부터 유입된 수소는 1차로 제1저류탱크(63)에 저축되고, 제1저류탱크(63)에 저축된 수소는 부스터 펌프(64)의 펌핑에 의해 제2저류탱크(65)로 이동해 저축된다. 또한 제2저류탱크(65)의 기압이 기준치 이상이면 제2저류탱크(65)를 개방해서, 제2저류냉크(65)의 수소가 제1도관(10)으로 유입된다.

제1저류탱크(63)는 충전도관(51)에 잔류하는 고압의 수소를 흡입하기 위해서 상대적으로 저압 상태를 유지한다. 따라서 충전도관(51)의 수소는 상대적으로 낮은 기압의 제1저류탱크(63)로 유입되고, 이렇게 유입된 수소는 제1저류탱크(63)에 저축된다. 참고로, 충전도관(51)에 대한 제1저류탱크(63)의 개방이 유지되면, 충전 중인 충전도관(51)의 수소가 제1벤트라인(61)으로 유입된다. 이 경우, 충전도관(51)의 기압이 저하되어서 연료 전지 자동차(C)의 충전 기압에 부족할 수 있다. 이를 위해 리텐션(60)은 충전도관(51)에 대한 제1벤트라인(61)를 개폐하는 밸브(미도시함)를 더 구성할 수 있고, 상기 밸브는 디스펜서(50)의 제1밸브(53) 및 차단밸브(55)에 의해 충전도관(51)이 폐쇄되면 제1벤트라인(61)을 개방하도록 제어된다.

리텐션(60)의 체크밸브(62)는 제1벤트라인(61)으로 유입된 수소가 충전도관(51)으로 역류하지 않도록 차단한다.

부스터 펌프(64)는 제1저류탱크(63)가 저압 상태를 유지하도록 제1저류탱크(63)의 기압이 제1기준압 이상이면 강제 펌핑한다. 이렇게 펌핑된 수소는 제2저류탱크(63)에 유입된다.

제2저류탱크(63)가 제2기준압 이상이거나 저장탱크(30)의 저류조(31)가 제3기준압 이하이면 제2밸브(66)를 개방하고, 이를 통해 제2저류탱크(63)의 수소는 제1도관(10)으로 유입된다. 이때, 제1도관(10)의 수소가 제1밴트라인(61)으로 역류하지 않도록 제1도관(10)과의 합류 구간에 체크밸브(67)가 설치된다.

도 2는 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 저장탱크(30)는, 제1도관(10)과 병렬로 연통하게 연결되고 제1컴프레셔(20)로부터 유입된 수소를 저축하는 중압탱크(31a) 및 고압탱크(31b)와, 제1컴프레셔(20)에 대한 중압탱크(31a)와 고압탱크(31b)를 개폐하는 제3밸브(32a, 32b)와, 제2도관(40)에 대한 중압탱크(31a)와 고압탱크(31b)를 개폐하는 제4밸브(33a, 33b)가 구성된다.

중압탱크(31a)는 제1도관(10)으로부터 유입된 수소를 480bar의 기압으로 저축하고, 고압탱크(31b)는 제1도관(10)으로부터 유입된 수소를 870bar의 기압으로 저축한다. 수소를 기압에 따라 분류해서 저축하면, 연료 전지 자동차(C)의 충전 시 요구되는 충전압에 맞춰서 수소를 공급할 수 있다. 즉, 상대적 저압으로도 충전이 가능한 충전 초기에는 중압탱크(31a)로부터 수소를 공급받고, 상대적 고압이 요구되는 충전 말기에는 고압탱크(31b)로부터 수소를 공급받는 것이다. 따라서 수소 충전 중에 충전 환경에 맞춰서 수소충전 시스템의 컴프레셔가 압축력을 긴급하게 변화하지 않아도 필요한 기압의 수소를 공급받아 공급하므로, 상기 컴프레셔가 받는 부하를 줄이고, 컴프레셔 구동을 위한 전력이 효율적으로 운용되는 효과가 있다.

제2컴프레셔(20)와 저장탱크(30)의 운용 실시 예를 설명한다.

제1도관(10)에 설치된 제2컴프레셔(20)는 컨트롤러(미도시함)의 제어에 따라 수소 압축을 위한 압축력을 조정한다. 즉, 중압탱크(31a)에 수소를 축적하기 위해서는 수소를 480bar까지 압축해서 중압탱크(31a)에 공급하고, 고압탱크(31b)에 수소를 축적하기 위해서는 수소를 870bar까지 압축해서 고압탱크(31b)에 공급하는 것이다. 제2컴프레셔(20)에 대한 중압탱크(31a)와 고압탱크(31b)의 선별적 개방은 제3밸브(32a, 32b)에 의해 이루어지므로, 상기 컨트롤러는 제2컴프레셔(20)의 압축력에 맞춰서 중압탱크(31a)의 제3밸브(32a) 또는 고압탱크(31b)의 제3밸브(32b)를 개방한다.

중압탱크(31a)와 고압탱크(31b)는 수소를 기압별로 분류해 저축하며, 연료 전지 자동차(C)의 충전이 시도되면 상기 컨트롤러에 의해 제2도관(40)에 대한 중압탱크(31a)와 고압탱크(31b)를 개폐하는 제4밸브(33a, 33b)가 구동한다. 따라서 연료 전지 자동차(C)의 충전 초기에는 제2도관(40)에 대한 중압탱크(31a)를 개폐하는 제4밸브(33a)를 개방해서 중압탱크(31a)의 수소를 제2도관(40)에 유입하고, 충전 말기에는 제2도관(40)에 대한 고압탱크(31b)를 개폐하는 제4밸브(33b)를 개방해서 고압탱크(31b)의 수소를 제2도관(40)에 유입한다.

한편, 중압탱크(31a)와 제2도관(40)을 연통하는 제1유로(L1)와, 고압탱크(31b)와 제2도관(40)을 연통하는 제2유로(L2)에는 각각 체크밸브(34a, 34b)가 별도 설치되어서, 제1유로(L1)의 수소와 제2유로(L2)에 유입되거나, 제2유로(L2)의 수소가 제1유로(L1)로 유입되는 것을 차단한다.

본 실시의 저장탱크(30)는, 중압탱크(31a)와 제2도관(40)을 연통하게 연결하는 제1유로(L1)의 잔류 수소가 제1도관(10)에 유입되도록 제1유로(L1)와 제1도관(10)을 연통하게 연결하는 제2벤트라인(35)이 구성된다.

연료 전지 자동차(C)의 충전 초기에 개방된 제4밸브(33a)는 충전 말기가 되면 폐쇄되고, 제2도관(40)과 연통하게 연결되는 제1유로(L1) 구간에는 중압 수소가 잔류한다. 따라서 제1유로(L1)의 잔류 수소를 재압축하기 위해서 제2벤트라인(35)는 제1유로(L1)와 제1도관(10)을 연통하게 연결한다. 결국 제1유로(L1)의 잔류 수소는 제2벤트라인(35)을 따라 유동해서 제1도관(10)에 유입된다. 제2벤트라인(35)과 제1도관(10)의 합류점은 제1컴프레셔(20) 직전이고, 제2벤트라인(35)으로부터 유입된 잔류 수소는 제1컴프레셔(20)로 유입되어서 필요한 충전압으로 압축된다. 본 실시에서 제2벤트라인(35)으로부터 제1도관(10)에 유입된 수소의 기압은 480 ~ 600bar이다. 본 실시의 제2벤트라인(35)은 제1유로(L1)에서 유입된 수소의 역류 방지를 위해서 체크밸브(35b)가 설치되고, 제1도관(10)에 대한 제2벤트라인(35)을 개폐하는 밸브(35a)가 설치된다.

도 3은 본 발명에 따른 수소충전 시스템의 바람직한 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1과 도 3을 참조하면, 본 실시의 수소충전 시스템은, 저장탱크(30)로부터 유입된 수소를 저축하도록 제2도관(40)에 설치된 축압조(71, 71')와, 축압조(71, 71')의 기압을 측정하는 압력계(P1, P2)와, 압력계(P1, P2)의 측정 기압이 제1설정압 미만이면 저장탱크(30)에 대해 축압조(71, 71')를 개방하는 제5밸브(72, 72')와, 압력계(P1, P2)의 측정 기압이 제2설정압 이상이면 제2도관(40)에 대해 축압조(71, 71')를 개방하는 제6밸브(73, 73')가 구성된 기압유지장치(70)를 더 포함한다.

기압유지장치(70)는 수소충전 시스템의 도관, 특히 제2도관(40)이 일정 기압의 수소로 충전된 상태를 유지하게 해서, 연료 전지 자동차(C)의 수소 충전 시 제2도관(40)의 수소가 디스펜서(50)의 충전도관(51)에 곧바로 유입되도록 한다. 즉, 수소 충전을 위해 저장탱크(30)로부터 지정 기압의 수소를 디스펜서(50)에 공급하는 것이 아니고, 디스펜서(50)의 제1밸브(53) 개방과 동시에 제2도관(40)으로부터 지정 기압의 수소가 곧바로 유입되어서 연료 전지 자동차(C)에 토출되도록 한 것이다.

이를 위해서 기압유지장치(70)는 저장탱크(30)로부터 수소를 지속적으로 공급받아 축압조(71, 71')에 저축한다. 압력계(P1, P2)는 축압조(71, 71')의 기압을 실시간으로 측정하고, 상기 컨트롤러는 축압조(71, 71')의 측정 기압을 확인해서, 상기 측정 기압이 제1설정압 미만이면 제5밸브(72, 72')를 개방해서 저장탱크(30)의 수소를 축압조(71, 71')에 유입시킨다. 이후 축압조(71, 71')의 기압이 제2설정압 이상이면 상기 컨트롤러는 제6밸브(73, 73')를 개방해서 축압조(71, 71')의 수소를 제2도관(40)에 유입시킨다. 결국, 제2설정압을 유지하는 수소는 제2도관(40)에 저류하며 대기하고, 디스펜서(50)의 제1밸브(53)가 개방됨과 동시에 상기 제2설정압의 수소가 충전도관(51)에 유입되어서 연료 전지 자동차(C)의 수소 충전을 시작한다.

기압유지장치(70)의 축압조(71, 71')는 제2도관(40)에 병렬로 연결되어서, 저장탱크(30)의 수소가 다수의 축압조(71, 71')에 분할해 유입되고, 축압조(71, 71') 각각에는 제5밸브(72, 72')와 제6밸브(73, 73')가 구성된다. 따라서 충전 중에 축압조(71, 71')의 수소를 순차적으로 소비해서 충전을 위한 다량의 수소 소비를 지원하고, 상기 제2설정압이 상실된 축압조(71, 71')는 제5밸브(72, 72')를 개방하고 제6밸브(73, 73')를 폐쇄해서 저장탱크(30)로부터 수소를 유입한다.

한편, 기압유지장치(70)는 제2도관(40)의 수소가 역류하지 않도록 체크밸브(74)를 구성하고, 제2도관(40)은, 기압유지장치(70)로부터 제2도관(40)에 유입된 수소를 압축하는 컴프레셔(44)와, 컴프레셔(44)에 의해 압축된 고온의 수소를 냉각하는 쿨러(45)가 추가 설치될 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조해 설명했지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10; 제1도관 11; 밸브 12; 체크밸브
13; 쿨러 131; 냉매관 132; 냉각기
20; 제1컴프레셔 30; 저장탱크 31; 저류조
32, 32a, 32b; 제3밸브 33, 33a, 33b; 제4밸브 34, 34a, 34b; 체크밸브
35; 제2벤트라인 35a; 밸브 35b; 체크밸브
40; 제2도관 41; 필터 42; 제2컴프레셔
43; 쿨러 44; 컴프레셔 45; 쿨러
50; 디스펜서 51; 충전도관 52; 계량기
53; 제1밸브 54; 쿨러 55; 차단밸브
56; 충전호스 57; 충전노즐 60; 리텐션
61; 제1벤트라인 62; 체크밸브 63; 제1저류탱크
64; 부스터 펌프 65; 제2저류탱크 66; 제2밸브
67; 체크밸브 70; 기압유지장치 71, 71'; 축압조
72, 72'; 제5밸브 73, 73'; 제6밸브 74; 체크밸브
C; 연료 전지 자동차 S; 가스공급원

Claims

가스공급원의 수소가 저장탱크에 유입되도록 배관된 제1도관; 연료 전지 자동차의 충전을 위해서 상기 저장탱크의 수소가 유입되도록 배관된 제2도관; 상기 제2도관의 수소가 유입되도록 제2도관과 연통하게 연결된 충전도관과, 상기 제2도관에 대해 충전도관을 개폐하는 제1밸브가 구성된 디스펜서; 상기 제1밸브에 의해 폐쇄된 충전도관에 잔류하는 수소가 저장탱크에 유입되도록, 충전도관과 제1도관을 연통하게 연결하는 제1벤트라인이 구성된 리텐션;을 포함하는 수소충전 시스템에 있어서,
상기 가스공급원과 리텐션으로부터 제1도관에 유입된 수소를 압축하는 제1컴프레셔가 더 포함되고;
상기 저장탱크는, 상기 제1도관과 병렬로 연통하게 연결되고 제1컴프레셔로부터 유입된 수소를 기압별로 분류해 저축하는 중압탱크 및 고압탱크와, 상기 제1컴프레셔에 대한 중압탱크와 고압탱크를 각각 개별적으로 개폐하는 제3밸브와, 상기 중압탱크와 제2도관을 연통하게 연결하는 제1유로와 고압탱크와 제2도관을 연통하게 연결하는 제2유로 각각에 구성되어서 중압탱크와 고압탱크를 개폐하는 제4밸브와, 상기 제4밸브를 통한 수소의 역류방지를 위해 제1유로와 제2유로에 각각 구성되는 체크밸브와, 상기 제1유로에서 일단이 제4밸브와 체크밸브 사이에 연통하게연결되고 타단이 제1컴프레셔 직전의 제1도관과 연통하게 연결되는 제2벤트라인으로 구성된 것;
을 특징으로 하는 충전 후 잔류 수소의 재이용이 가능한 수소충전 시스템.
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