KR102386377B1 - Hydrogen station using cold energy of the liquid hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액화수소 냉열을 활용한 수소 충전소에 관한 것으로서 구체적으로는 액화수소를 이용하여 수소 충전소의 수소뱅크 스토리지를 충전하고 액화수소의 기화에 따른 냉열을 활용하여 수소연료전지 자동차로 출력되는 수소의 온도를 일정 온도 범위 내로 유지시킬 수 있는 액화수소 냉열을 활용한 수소 충전소에 관한 것이다. The present invention relates to a hydrogen charging station utilizing the cooling heat of liquid hydrogen. Specifically, liquid hydrogen is used to charge the hydrogen bank storage of the hydrogen charging station, and the cooling heat according to the vaporization of liquid hydrogen is used to generate hydrogen output to a hydrogen fuel cell vehicle. It relates to a hydrogen charging station utilizing liquid hydrogen cooling that can maintain the temperature within a certain temperature range.
수소연료전지 자동차(또는 수소 자동차, 이하, '수소연료전지 자동차'로 통칭함)는 구비된 내부 수소 탱크의 수소를 동력원으로 이용하여 이동하는 자동차이다. 수소연료전지 자동차는 수소 탱크의 수소와 외부 산소를 반응시켜 획득되는 전기를 이용해 모터를 구동하여 운행되고 내부에 연료전지 스택, 모터, 배터리 및 수소 탱크 등을 구비하고 배기가스와 오염물질을 배출하지 않는 친환경 자동차이다. A hydrogen fuel cell vehicle (or a hydrogen vehicle, hereinafter referred to as a 'hydrogen fuel cell vehicle') is a vehicle that moves by using hydrogen in an internal hydrogen tank as a power source. A hydrogen fuel cell vehicle operates by driving a motor using electricity obtained by reacting hydrogen in a hydrogen tank with external oxygen. It is an eco-friendly car.
수소연료전지 자동차의 동력원인 수소를 수소 탱크에 충전하기 위한 수소 충전소는 도로 주변 등의 필요한 위치에 설치된다. 수소 충전소는 고압의 수소 뱅크 스토리지를 다수 구비하고 수소 뱅크 스토리지에 저장된 수소를 디스펜서(충전기)의 충전건을 통해 수소연료전지 자동차의 수소 탱크에 충전한다. Hydrogen charging stations for charging hydrogen, the power source of hydrogen fuel cell vehicles, to hydrogen tanks are installed at necessary locations, such as around roads. The hydrogen charging station is equipped with a large number of high-pressure hydrogen bank storage, and the hydrogen stored in the hydrogen bank storage is charged to the hydrogen tank of the hydrogen fuel cell vehicle through the charging gun of the dispenser (charger).
안전을 고려한 고속 충전을 위해, 수소 충전소의 디스펜서는 일정한 범위 내의 저온으로 냉각된 수소를 수소연료전지 자동차로 공급한다. 국제 기준에 의한 충전 표준에 따르면, 수소 충전소는 기체 상태의 수소 뱅크 스토리지의 수소를 냉각하여 -40도에서 -33도 범위 내의 냉각된 수소를 수소연료전지 자동차의 수소 탱크에 충전하여야 한다. 국제 표준에 따른 온도 범위를 벗어나는 경우, 충전 속도가 저하되고 수소 탱크의 폭발 위험이 발생할 수 있어 수소 충전소의 운영이 규정이나 안전 제어에 따라 중단된다. For high-speed charging in consideration of safety, the dispenser of the hydrogen charging station supplies hydrogen cooled to a low temperature within a certain range to the hydrogen fuel cell vehicle. According to the charging standard according to the international standard, the hydrogen charging station should cool the hydrogen in the gaseous hydrogen bank storage and fill the hydrogen tank of the hydrogen fuel cell vehicle with the cooled hydrogen within the range of -40 to -33 degrees. If the temperature range according to international standards is exceeded, the filling speed will be reduced and there may be a risk of explosion of the hydrogen tank, so the operation of the hydrogen filling station will be stopped according to regulations or safety controls.
도 1은 기존 기체수소 충전소의 예시적인 시스템 구성을 나타낸다. 도 1에 따르면, 기체수소 충전소는 기체수소를 공급하는 튜버 트레일러, 튜버 트레일러의 기체수소를 압축하여 저장하는 수소충전 압축 패키지, 충전건을 구비하여 수소연료전지 자동차에 수소충전 압축 패키지에 압축된 기체수소를 공급하는 충전기를 포함하고, 충전건을 통해 출력되는 기체수소를 일정한 온도 범위 내로 유지하기 위한 냉매냉각기 및 열교환기를 더 포함한다.1 shows an exemplary system configuration of an existing gaseous hydrogen filling station. According to FIG. 1, the gaseous hydrogen filling station includes a tuber trailer for supplying gaseous hydrogen, a hydrogen filling compression package for compressing and storing gaseous hydrogen of the tuber trailer, and a filling gun, and gas compressed in a hydrogen filling compression package for a hydrogen fuel cell vehicle. It includes a charger for supplying hydrogen, and further includes a refrigerant cooler and a heat exchanger for maintaining gaseous hydrogen output through the charging gun within a constant temperature range.
수소충전 압축 패키지로부터 공급되는 충전기의 기체수소는 국제 기준(SAEJ2601)에 따라 -40도에서 -33도 범위(또는, 수소 충전소의 유형에 따라 다른 온도 범위) 내의 온도를 가지도록 냉각된다. 충전기로 유입되는 기체수소는 열교환기로 출력되고 열교환기 내에서 냉매와 기체수소 사이의 열교환에 따라 기체수소가 냉각되고 일정한 온도 범위 내로 냉각된 기체수소는 충전기로 재유입되어 충전건을 통해 출력된다. The gaseous hydrogen of the charger supplied from the hydrogen-filled compression package is cooled to have a temperature within the range of -40 degrees to -33 degrees (or other temperature ranges depending on the type of hydrogen filling station) according to the international standard (SAEJ2601). The gaseous hydrogen flowing into the charger is output to the heat exchanger, and the gaseous hydrogen is cooled according to the heat exchange between the refrigerant and the gaseous hydrogen in the heat exchanger.
NEO SLICONE M-2, CO2, R507A 등의 냉매는 기체수소와의 열교환에 따라 온도가 상승되고 온도 상승한 냉매는 냉매냉각기로 입력되어 재냉각후 열교환기로 순환 공급된다. 칠러(Chiller) 등으로 지칭되거나 나타내는 냉매냉각기는 냉매를 특정 온도 이하(예를 들어, -60도)로 냉각시키기 위해 많은 전력을 소비한다. Refrigerants such as NEO SLICONE M-2, CO2, and R507A increase in temperature according to the heat exchange with gaseous hydrogen, and the refrigerant that has risen in temperature is input to the refrigerant cooler, re-cooled and then circulated and supplied to the heat exchanger. A refrigerant cooler referred to or indicated as a chiller or the like consumes a lot of power to cool the refrigerant to a specific temperature or less (eg, -60 degrees Celsius).
특히, 냉매냉각기는 순환하는 냉매를 냉각하기 위해 기체수소 충전소의 전력 소비량 중 30% 이상의 전력을 소비하고 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 기체수소 충전소가 바람직하게 필요하다. In particular, the refrigerant cooler consumes 30% or more of the power consumption of the gaseous hydrogen charging station to cool the circulating refrigerant, and a gaseous hydrogen charging station that can dramatically reduce the power consumed in the refrigerant cooler is preferably required.
본 발명은, 상술한 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 저온 온도 유지를 위해 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 수소 충전소를 제공하는 데 목적이 있다. The present invention has been devised to solve the above-described problems, and the purpose of the present invention is to provide a hydrogen charging station that can dramatically reduce the power consumed in the refrigerant cooler for maintaining the low temperature temperature of gaseous hydrogen supplied to a hydrogen fuel cell vehicle. there is.
또한, 본 발명은 액화수소의 냉열을 활용하여 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소를 일정 범위 내의 온도로 유지하여 수소 충전소에서 소비되는 전력을 줄일 수 있는 수소 충전소를 제공하는 데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a hydrogen charging station that can reduce the power consumed at the hydrogen charging station by maintaining the gaseous hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell vehicle at a temperature within a certain range by utilizing the cooling heat of the liquid hydrogen.
또한, 본 발명은 액화수소의 열교환량을 제어하여 일정 온도 범위 내의 기체수소를 수소연료전지 자동차로 제공하면서 열교환에 따라 가변적으로 온도 상승한 액화수소의 기체수소에 대한 온도 제어로 냉각에 이용된 액화수소의 기체수소를 수소충전 압축 패키지에 동적으로 충전할 수 있는 수소 충전소를 제공하는 데 목적이 있다.In addition, the present invention provides gaseous hydrogen within a certain temperature range to a hydrogen fuel cell vehicle by controlling the amount of heat exchange of liquid hydrogen, and liquid hydrogen used for cooling by temperature control for gaseous hydrogen of liquid hydrogen whose temperature is variably increased according to heat exchange An object of the present invention is to provide a hydrogen filling station that can dynamically charge gaseous hydrogen in a hydrogen filled compression package.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the description below. will be able
본 발명의 일 양상에 따른 수소 충전소는 액화수소 저장탱크, 충전건을 구비하여 수소연료전지 자동차로 수소충전 압축 패키지로부터의 충전용 기체수소를 공급하는 충전기, 냉매와 충전용 기체수소와의 열교환을 통해 충전용 기체수소를 냉각하는 제1 열교환기 및 열교환을 통해 온도 상승된 냉매와 액화수소 저장탱크로부터 유입되는 기체수소를 열교환하여 냉매를 냉각하고 냉각된 냉매를 제1 열교환기로 배출하는 제2 열교환기를 포함하고, 열교환에 따라 제2 열교환기로부터 배출되는 기체수소는 수소충전 압축 패키지로 공급되어 수소충전 압축 패키지의 기체수소 스토리지에 저장된다.A hydrogen charging station according to an aspect of the present invention is provided with a liquid hydrogen storage tank and a charging gun to provide a charger for supplying gaseous hydrogen for charging from a hydrogen charging compression package to a hydrogen fuel cell vehicle, and heat exchange between a refrigerant and gaseous hydrogen for charging A first heat exchanger for cooling gaseous hydrogen for charging through heat exchange, and a second heat exchanger for cooling the refrigerant by exchanging heat with the refrigerant whose temperature has risen through heat exchange and gaseous hydrogen flowing in from the liquid hydrogen storage tank and discharging the cooled refrigerant to the first heat exchanger and gaseous hydrogen discharged from the second heat exchanger according to heat exchange is supplied to the hydrogen-filled compressed package and stored in the gaseous hydrogen storage of the hydrogen-filled compressed package.
상기한 수소 충전소에 있어서, 액화수소 저장탱크로부터 유입되는 액체수소를 기체수소로 기화시켜 제2 열교환기로 배출하는 기화기, 제2 열교환기로부터 유입되는 기체수소를 가열하여 배출하는 가열기 및 가열기로부터 유입되는 기체수소를 압축하고 압축된 기체수소로 배출하는 제1 압축기를 더 포함하고, 제1 압축기에서 압축된 기체수소는 수소충전 압축 패키지로 공급되어 수소충전 압축 패키지 내의 기체수소 스토리지에 충전된다. In the above-described hydrogen filling station, a vaporizer that vaporizes liquid hydrogen flowing in from the liquid hydrogen storage tank into gaseous hydrogen and discharges it to the second heat exchanger, a heater that heats and discharges gaseous hydrogen flowing in from the second heat exchanger, and the heater Further comprising a first compressor for compressing gaseous hydrogen and discharging it as compressed gaseous hydrogen, the gaseous hydrogen compressed in the first compressor is supplied to the hydrogen-filled compression package to be filled in the gaseous hydrogen storage in the hydrogen-filled compression package.
상기한 수소 충전소에 있어서, 제2 열교환기로부터 배출되는 냉각된 냉매의 유량을 수신되는 제어신호에 따라 조절하는 제1 유량조절 밸브, 제2 열교환기로 유입되는 온도 상승된 냉매의 유량을 수신되는 제어신호에 따라 조절하는 제2 유량조절 밸브 및 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 온도를 센싱하는 제1 온도계 및 제1 온도계로부터의 제1 온도 신호에 따라 제1 유량조절 밸브와 제2 유량조절 밸브를 통해 흐르는 냉매의 유량을 설정하기 위한 제어신호를 출력하는 콘트롤러를 더 포함한다. In the hydrogen charging station, the first flow rate control valve for regulating the flow rate of the cooled refrigerant discharged from the second heat exchanger according to the received control signal, and a control for receiving the flow rate of the refrigerant having increased temperature flowing into the second heat exchanger A second flow rate control valve for controlling according to a signal, a first thermometer sensing the temperature of gaseous hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell vehicle, and a first flow rate control valve and a second flow rate control according to a first temperature signal from the first thermometer It further includes a controller for outputting a control signal for setting the flow rate of the refrigerant flowing through the valve.
상기한 수소 충전소에 있어서, 가열기로부터 배출되는 기체수소의 온도를 센싱하는 제2 온도계 및 제2 온도계로부터의 제2 온도 신호에 따라 가열기로부터 배출되는 기체수소의 온도를 지정된 온도 범위 내로 설정되도록 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 콘트롤러를 더 포함한다. In the above hydrogen charging station, the second thermometer sensing the temperature of gaseous hydrogen discharged from the heater and controlling the temperature of gaseous hydrogen discharged from the heater to be set within a specified temperature range according to the second temperature signal from the second thermometer It further includes a controller for outputting a control signal for.
상기한 수소 충전소에 있어서, 제1 유량조절 밸브 및 제2 유량조절 밸브에 연결되어 제2 유량조절 밸브를 통해 제1 열교환기로부터 유입되는 온도 상승된 냉매를 냉각하여 냉각된 냉매를 제1 유량조절 밸브를 통해 제1 열교환기로 배출하는 냉매냉각기를 더 포함하고, 제1 유량조절 밸브 및 상기 제2 유량조절 밸브는 냉매냉각기, 제2 열교환기 및 제1 열교환기의 3방향의 냉매 유량을 조절할 수 있는 밸브이다. In the hydrogen charging station, the first flow rate control of the cooled refrigerant by cooling the refrigerant flowing in from the first heat exchanger through the second flow rate control valve connected to the first flow rate control valve and the second flow rate control valve Further comprising a refrigerant cooler discharged to the first heat exchanger through the valve, the first flow rate control valve and the second flow rate control valve can adjust the refrigerant flow rate in three directions of the refrigerant cooler, the second heat exchanger and the first heat exchanger there is a valve
상기와 같은 본 발명에 따른 수소 충전소는 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 저온 온도 유지를 위해 냉매냉각기에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다. The hydrogen charging station according to the present invention as described above has the effect of dramatically reducing the power consumed by the refrigerant cooler to maintain the low temperature temperature of gaseous hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell vehicle.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 수소 충전소는 액화수소의 냉열을 활용하여 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소를 일정 범위 내의 온도로 유지하여 수소 충전소에서 소비되는 전력을 줄일 수 있는 효과가 있다. In addition, the hydrogen charging station according to the present invention as described above utilizes the cooling heat of liquid hydrogen to maintain gaseous hydrogen supplied to a hydrogen fuel cell vehicle at a temperature within a certain range, thereby reducing power consumption at the hydrogen charging station.
또한, 상기와 같은 본 발명에 따른 수소 충전소는 액화수소의 열교환량을 제어하여 일정 온도 범위 내의 기체수소를 수소연료전지 자동차로 제공하면서 열교환에 따라 가변적으로 온도 상승한 액화수소의 기체수소에 대한 온도 제어로 냉각에 이용된 액화수소의 기체수소를 수소충전 압축 패키지에 동적으로 충전할 수 있는 효과가 있다. In addition, the hydrogen charging station according to the present invention as described above controls the amount of heat exchange of liquid hydrogen to provide gaseous hydrogen within a certain temperature range to the hydrogen fuel cell vehicle, while temperature control for gaseous hydrogen of liquid hydrogen whose temperature is variably increased according to heat exchange There is an effect that the gaseous hydrogen of liquid hydrogen used for furnace cooling can be dynamically charged into the hydrogen-filled compression package.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned may be clearly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은 기존 기체수소 충전소의 예시적인 시스템 구성을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 수소 충전소의 예시적인 시스템 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 수소 충전소에 액화수소를 활용하여 일정한 온도 범위내의 기체수소를 수소연료전지 자동차에 충전하는 과정을 나타내는 도면이다. 1 shows an exemplary system configuration of an existing gaseous hydrogen filling station.
2 shows an exemplary system configuration of a hydrogen refueling station according to the present invention.
3 is a view showing a process of charging gaseous hydrogen within a certain temperature range to a hydrogen fuel cell vehicle by using liquid hydrogen in a hydrogen charging station according to the present invention.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술 되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. The above-described objects, features and advantages will become more clear through the detailed description that will be described later in detail with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand the technical spirit of the present invention It will be easy to implement. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 수소 충전소(100)의 예시적인 시스템 구성을 나타낸다. 2 shows an exemplary system configuration of a
도 2에 따르면, 본 발명에 따른 수소 충전소(100)는 기체수소를 내부에 저장하고 저장된 기체수소를 일정한 온도 범위(예를 들어, -33도에서 -40도 내의 온도) 내로 냉각시켜 수소연료전지 자동차로 공급할 수 있도록 구성된다. According to FIG. 2 , the
도 2에 따라, 기체수소를 이용하여 수소연료전지 자동차의 수소 탱크를 충전하는 수소 충전소(100)는 냉매를 활용하여 기체수소를 냉각시키고 냉각된 기체수소를 수소연료전지 자동차로 공급하기 위한 수소충전 압축 패키지, 충전기(131), 열교환기(105)(이하 '제1 열교환기'로 지칭함) 및 냉매냉각기(135)를 포함한다. 수소충전 압축 패키지, 충전기(131), 제1 열교환기(105) 및 냉매냉각기(135)는 기존 수소 충전소의 구조와 동일하거나 극히 유사하다. According to FIG. 2 , a
수소충전 압축 패키지는 다수의 압축기(121)와 다수의 기체수소 스토리지(125)를 포함하여 기체수소를 압축하여 저장하고 저장된 고압의 기체수소를 수소연료전지 자동차의 충전시에 배출(공급)한다. The hydrogen filling compression package includes a plurality of
수소충전 압축 패키지는 예를 들어(도 2의 예와 같이) 중압압축기(121), 파이프(159)를 통해 중압압축기(121)에 연결되는 로뱅크(LOW BANK) 기체수소 스토리지(125), 로뱅크 기체수소 스토리지(125)에 파이프(159)를 통해 연결되는 고압압축기(121) 및 고압압축기(121)에 파이프(159)를 통해 연결되는 하이뱅크(HIGH BANK) 기체수소 스토리지(125)를 포함할 수 있다. 설계 예에 따라, 수소충전 압축 패키지의 내부 구조는 다양한 형태로 달라질 수 있다.The hydrogen-filled compression package, for example (as in the example of FIG. 2), is a low bank (LOW BANK)
수소충전 압축 패키지를 간단히 살펴보면, 중압압축기(121)는 유입되는 기체수소를 지정된 중압력 레벨(범위)로 압축시켜 연결된 파이프(159)로 배출한다. 예를 들어, 중압압축기(121)는 상온의 100 바(bar) 내외의 기체수소를 450 바 내외의 압력을 가지는 기체수소로 압축시켜 연결된 파이프(159)로 배출(출력)한다. 로뱅크 기체수소 스토리지(125)는 파이프(159)를 통해 중압력으로 압축된 기체수소를 저장한다. 로뱅크 기체수소 스토리지(125)는 예를 들어 450 바 내외의 압력을 가지는 기체수소를 저장한다. Briefly looking at the hydrogen-filled compression package, the
고압압축기(121)는 파이프(159)를 통해 로뱅크 기체수소 스토리지(125)로부터 유입되는 기체수소를 지정된 고압력 레벨(범위)로 압축시켜 연결된 파이프(159)로 배출한다. 예를 들어, 고압압축기(121)는 로뱅크 기체수소 스토리지(125)로부터의 450 바 내외의 기체수소를 900 바 내외의 압력을 가지는 기체수소로 압축시켜 연결된 파이프(159)로 배출한다. 하이뱅크 기체수소 스토리지(125)는 파이프(159)를 통해 유입되는 고압력으로 압축된 기체수소를 저장한다. 하이뱅크 기체수소 스토리지(125)는 예를 들어 900 바 내외의 압력을 가지는 기체수소를 저장할 수 있다.The
압축기(121)(고압압축기(121), 중압압축기(121) 및 나아가 아래에서 살펴볼 저압압축기(121))는 다이어프램 타입의 압축기이거나 피스톤 타입의 압축기이거나 또는 알려져 있거나 알려질 다른 타입의 압축기일 수 있다.Compressor 121 (
수소충전 압축 패키지는 콘트롤러(145) 등으로부터의 제어에 따라 기체수소 스토리지(125)에 저장된 기체수소를 충전기(131)로 차압 방식 등으로 배출(공급)하도록 구성되고 동시에 내부 기체수소 스토리지(125)에 기체수소를 충전한다. The hydrogen filling compression package is configured to discharge (supply) gaseous hydrogen stored in the
충전을 위한 기체수소는 액화수소 저장탱크(101)의 액화수소로부터 기화된 기체수소이거나 튜버 트레일러에서 공급되는 기체수소일 수 있다. 수소충전 압축 패키지로 충전을 위한 기체수소는 콘트롤러(145)에 의한 제어 등에 따라 스위치 등을 통해 두 공급원 중 하나가 선택될 수 있다. 본 발명에 따른 수소 충전소(100)는 바람직하게는 튜버 트레일러에 의한 기체수소 공급 없이 액화수소 저장탱크(101)로부터의 기체수소가 수소연료전지 자동차의 충전시에 수소충전 압축 패키지에 공급된다.Gas hydrogen for filling may be gaseous hydrogen vaporized from liquid hydrogen in the liquid
충전기(131)는 충전건을 구비하고 파이프(159)를 통해 수소충전 압축 패키지로부터 유입되는 충전용 기체수소(예를 들어, 700 바의 기체수소)를 수소연료전지 자동차로 공급한다. 충전기(131)는 디스펜서(dispenser)로 지칭되거나 디스펜서를 나타내거나 포함한다. 충전기(131)는 충전건 외에 신용카드, 현금 등의 결제를 위한 결제수단을 포함하여 결제에 따른 상태 신호나 제어요청 신호를 콘트롤러(145)로 전송할 수 있다. The
충전기(131)는 지정된 온도 범위(예를 들어, -33도 ~ -40도) 내의 기체수소를 수소연료전지 자동차로 공급하기 위해 제1 열교환기(105)로 연결된 하나의 파이프(159)를 통해 수소충전 압축 패키지로부터 유입되는 냉각전 기체수소를 배출하고 제1 열교환기(105)의 연결된 다른 하나의 파이프(159)를 통해 냉각된 기체수소를 공급받아 냉각된 기체수소를 수소연료전지 자동차로 공급한다. The
제1 열교환기(105)는 냉매와 충전기(131)로부터 유입되고 수소연료전지 자동차의 충전을 위한 기체수소를 열교환하여 기체수소를 냉각하고 충전기(131)로 배출한다. 또한, 제1 열교환기(105)는 열교환에 따라 온도 상승된 냉매를 냉매냉각기(135) 또는 다른 열교환기(105)로 배출한다. 제1 열교환기(105)는 예를 들어 내부에 냉매를 유입 및 배출하기 위한 지그재그형 파이프와 기체수소를 유입 및 배출하기 위한 지그재그형 파이프를 포함하고 내부 냉매의 파이프와 기체수소의 파이프 사이의 접촉이나 근접에 따라 냉매와 기체수소 사이의 열교환을 수행한다. 냉매는 NEO SLICONE M-2, CO2, R507A 등의 냉매일 수 있다.The
냉매냉각기(135)는 유입되는 온도 상승된 냉매를 냉각하여 냉각된 냉매를 제1 열교환기(105)로 배출한다. 냉매냉각기(135)는 칠러(chiller)로 지칭되거나 칠러를 나타내거나 포함할 수 있다. The
냉매냉각기(135)는 제1 열교환기(105)와 연결된 하나의 파이프(159)를 통해 열교환에 따라 온도 상승된 냉매를 유입받고 유입된 냉매를 전기 에너지(전력)를 이용하여 냉각시켜 냉각된 냉매를 제1 열교환기(105)와 연결된 다른 하나의 파이프(159)를 통해 배출한다. 설계 예에 따라, 냉매냉각기(135)는 -60도 또는 그 이하로 냉각된 냉매를 제1 열교환기(105)로 배출할 수 있다.The
본 발명에 따른, 수소 충전소(100)는 냉매냉각기(135)를 포함하여 구성되거나 생략하여 구성될 수 있다. 생략하여 구성되는 경우 이하에서 살펴볼 기체수소의 냉열을 이용하는 다른 열교환기(105)가 온도 상승된 냉매를 일정 온도 이하로 냉각시켜 제1 열교환기(105)로 배출할 수 있다. 이에 따라, 냉매의 냉각을 위해 냉매냉각기(135)에 소비되는 전력을 없앨 수 있다. According to the present invention, the
수소 충전소(100)가 냉매냉각기(135)를 포함하는 경우, 냉매냉각기(135)와 함께 기체수소의 냉열을 이용하는 다른 열교환기(105)가 온도 상승된 냉매를 일정 온도 이하로 냉각시킬 수 있다. 이에 따라, 냉매의 냉각을 위해 냉매냉각기(135)에서 소비되는 전력을 획기적으로 줄일 수 있고 충전용 기체수소의 수소연료전지 장치로의 공급량의 동적 변화에도 충전용 기체수소를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.When the
본 발명에 따른 수소 충전소(100)는 액화수소의 냉열을 이용하여 냉매를 냉각시키고 나아가 수소충전 압축 패키지에 충전용 기체수소를 공급하기 위한 추가적인 구성을 더 포함한다. 기체수소를 저장하고 저장된 기체수소를 충전용 수소로 이용하는 수소 충전소(100)는 액화수소 저장탱크(101), 기화기(111), 열교환기(105)(이하 '제2 열교환기라 함'), 가열기(115) 및 압축기(121)(저압압축기(121), 이하 '제1 압축기'라고도 함)와, 추가적인 구성의 상태 모니터링 및 제어를 위한 공급밸브(155), 하나 이상의 유량조절 밸브(151), 온도계(141) 및 콘트롤러(145)를 포함하고 설계 예에 따라 압력계(도면 미도시)를 더 포함한다. The
액화수소의 냉열을 이용하기 위한 기체 수소 충전소(100)의 구성을 살펴보면, 액화수소 저장탱크(101)는 액화수소를 저장한다. 액화수소 저장탱크(101)는 특정 저장용량의 액화수소를 저장하고 예를 들어, 1.2 톤에서 2.7 톤 사이의 액화수소를 저장 가능하다. Looking at the configuration of the gaseous
기화기(111)는 액화수소 저장탱크(101)에 연결된 파이프(159)를 통해 유입되는 액체수소를 기화시켜 배출한다. 기화기(111)는 유입되는 액체수소를 파이프(159)를 통해 연결되는 제2 열교환기(105)로 배출한다. 기화기(111)는 바람직하게는 대기식 기화기이다. The
기화기(111)는 유입된 액화수소와 열교환하여 액화수소를 기화시키고 기화된 액화수소를 배출한다. 설계 용량에 따라, 기화기(111)는 예를 들어 -130도의 20 바(bar) 압력을 가지는 기체수소를 제2 열교환기(105)로 배출할 수 있다. The
제2 열교환기(105)는 제1 열교환기(105)(및/또는 냉매냉각기(135))와 연결되는 하나의 파이프(159)를 통해 제1 열교환기(105)로부터 유입되는 온도 상승된 냉매와 기화기(111)와 연결되는 파이프(159)를 통해 유입되는 기화된 기체수소를 열교환하여 냉각된 냉매를 제1 열교환기(105)(및/또는 냉매냉각기(135))와 연결되는 다른 하나의 파이프(159)를 통해 배출한다. The
또한, 제2 열교환기(105)는 냉매와의 열교환에 따라 온도 상승된 기체수소를 파이프(159)를 통해 배출한다. 열교환에 따라 온도 상승하여 배출되는 기체수소는 수소충전 압축 패키지로 공급되어 수소충전 압축 패키지의 기체수소 스토리지(125)에 충전되어 저장된다. In addition, the
설계 예에 따라, 제2 열교환기(105)는 기화기(111)로부터 -130도의 20 바 압력을 가지는 기체수소를 공급받고 임의 온도로 상승한 냉매(예를 들어, -10도 등)와의 열교환에 따라 온도 상승한 기체수소(예를 들어, -50도의 25 바 압력의 기체수소)를 후단의 가열기(115)로 파이프(159)를 통해 배출하고 냉각된 냉매(예를 들어, -60도 등)를 제1 열교환기(105)로 파이프(159)를 통해 배출한다. 제2 열교환기(105)의 내부 용량 및 그 설계에 따라 배출되는 기체수소의 온도 및 압력과 냉매의 온도는 달라질 수 있다. According to the design example, the
제2 열교환기(105)는 예를 들어 내부에 냉매를 유입 및 배출하기 위한 지그재그 형 파이프와 기체수소를 유입 및 배출하기 위한 지그재그형 파이프를 포함하고 냉매의 파이프와 기체수소의 파이프 사이의 접촉이나 근접에 따라 냉매와 기체수소 사이의 열교환을 수행한다.The
제2 열교환기(105) 및/또는 제1 열교환기(105)는 PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 타입이나 PFHE(Plate-Fin Heat Exchanger) 타입 또는 알려져 있거나 알려질 다른 타입의 열교환기이다. The
가열기(115)는 파이프(159)를 통해 제2 열교환기(105)로부터 유입되는 기체수소를 가열하여 배출한다. 가열기(115)는 수신되는 제어신호에 따라 내부 히팅 코일, 열선 등의 히팅 소자를 제어하여 유입되는 기체수소의 온도를 상승(가열)시켜 외부로 배출할 수 있다. 가열기(115)는 전기나 가스를 이용하여 내부 히팅 소자를 구동하고 콘트롤러(145)로부터 수신되는 제어신호에 따라 전기나 가스를 통해 내부 히팅 소자를 구동하여 유입되는 기체수소의 온도와 나아가 압력을 제어신호에 대응하여 상승시킬 수 있다. The
가열기(115)는 예를 들어 제2 열교환기(105)로부터 유입되는 -50도의 25 압력의 기체수소를 콘트롤러(145)의 제어에 따라 설정된 온도(예를 들어, 20도)와 나아가 설정된 압력(예를 들어, 40 바)의 기체수소로 가열 및/또는 가압하여 배출한다. The
제1 압축기(121)는 파이프(159)를 통해 가열기(115)에 연결되어 가열기(115)로부터 유입되는 기체수소를 압축하고 압축된 기체수소를 파이프(159)를 통해 수소충전 압축 패키지로 배출한다. The
제1 압축기(121)는 가열기(115)로부터 유입되는 기체수소를 내부 구비된 피스톤 타입 또는 다이어프램 타입의 압축을 통해 수소충전 압축 패키지에서 요구되는 지정된 압력 레벨로 압축하여 배출한다. 예를 들어, 제1 압축기(121)는 (20 도의) 40 바 압력을 가지는 기체를 100 바의 압력을 가지는 기체수소로 압축하여 수소충전 압축 패키지로 배출할 수 있다. The
이와 같이, 액화수소 저장탱크(101)를 통해 공급되는 액화수소의 냉열의 교환에 따라 제1 압축기(121)에서 압축된 기체수소는 수소충전 압축 패키지로 공급되어 수소충전 압축 패키지 내의 기체수소 스토리지(125)에 충전된다.In this way, the gaseous hydrogen compressed in the
수소 충전소(100)에 설치되는 파이프(159)는 수소 충전소(100)의 한 구성 요소로부터 배출되는 액화수소, 기체수소 또는 냉매를 다른 구성 요소로 공급한다. 파이프(159)는 금속재 파이프일 수 있고 대기에 접촉하거나 대기로부터 분리되는 파이프일 수 있다. The
이상으로 액화수소의 냉열을 활용하기 위한 수소 충전소(100)의 물리적 구조에 대해서 살펴보았다. 또한, 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 적정 온도를 유지하고 냉매와의 냉열 교환에 따라 가변 온도의 기체수소를 수소충전 압축 패키지에 적합한 기체수소로 변환하기 위한 제어를 위해, 수소 충전소(100)는 공급밸브(155), 하나 이상의 유량조절 밸브(151), 하나 이상의 온도계(141) 및 콘트롤러(145)를 포함하고 설계 예에 따라 압력계를 더 포함한다. As described above, the physical structure of the
공급밸브(155)는 액화수소 저장탱크(101)와 기화기(111) 사이의 파이프(159)에 설치되어 콘트롤러(145)로부터의 제어신호(예를 들어, 온/오프 제어신호)에 따라 액화수소 저장탱크(101)의 액화수소를 기화기(111)로 제공하거나 차단한다. The
제1 열교환기(105)와 제2 열교환기(105) 사이의 파이프(159)에는 적어도 두 개의 유량조절 밸브(151)가 설치되어 제1 열교환기(105)와 제2 열교환기(105) 나아가 냉매냉각기(135) 사이에 흐르는 냉매 유량을 조절한다.At least two
두 개의 유량조절 밸브(151) 중 하나의 유량조절 밸브(151)(이하 '제1 유량조절 밸브'라 함)는 제2 열교환기(105)로부터 나아가 냉매냉각기(135)로부터 배출되는 냉각된 냉매의 파이프(159)에 설치되어 제1 열교환기(105)로 흐르는 냉각된 냉매의 유량을 콘트롤러(145)로부터 수신되는 제어신호에 따라 조절한다. 제1 유량조절 밸브(151)는 수신되는 제어신호에 따라 제1 열교환기(105)로 공급되는 냉각된 냉매의 파이프(159)의 통로의 크기를 크게 또는 작게 조절할 수 있다. One flow control valve 151 (hereinafter referred to as a 'first flow control valve') of the two
두 개의 유량조절 밸브(151) 중 다른 하나의 유량조절 밸브(151)(이하 '제2 유량조절 밸브'라 함)는 제2 열교환기(105) 나아가 냉매냉각기(135)로 유입되는 온도 상승된 냉매의 파이프(159)에 설치되어 온도 상승된 냉매의 제2 열교환기(105)로 나아가 냉매냉각기(135)로 흐르는 유량을 콘트롤러(145)로부터 수신되는 제어신호에 따라 조절한다. 제2 유량조절 밸브(151)는 수신되는 제어신호에 따라 제2 열교환기(105) 나아가 냉매냉각기(135)로 공급되는 온도 상승된 냉매의 파이프(159)의 통로의 크기를 크게 또는 작게 조절할 수 있다. The other of the two
여기서, 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)는 냉매냉각기(135), 제2 열교환기(105) 및 제1 열교환기(105)의 3방향의 냉각된 냉매와 온도 상승된 냉매의 유량을 조절할 수 있는 밸브(3상 밸브)일 수 있다. 또는, 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)는 제2 열교환기(105) 및 제1 열교환기(105) 사이에서 냉각된 냉매와 온도 상승된 냉매의 유량을 조절할 수 있는 밸브(2상 밸브)일 수 있다.Here, the first flow
수소 충전소(100)가 냉매냉각기(135)를 포함하는 경우, 냉매냉각기(135)는 제1 유량조절 밸브(151) 및 제2 유량조절 밸브(151)에 연결되어 제2 유량조절밸브를 통해 제1 열교환기(105)로부터 유입되는 온도 상승된 냉매를 냉각하여 냉각된 냉매를 제1 유량조절 밸브(151)를 통해 제1 열교환기(105)로 배출한다. When the
이러한 구성을 통해 냉매냉각기(135)의 전력 소비를 줄이고 냉매냉각기(135)의 처리 용량을 넘어서는 경우라도 기체수소 스토리지(125)의 충전에 이용되는 액화수소의 냉열을 활용하여 적정 온도로 유지할 수 있도록 한다. 설계 변형에 따라서는 앞서 살펴본 바와 같이 냉매냉각기(135)가 생략하여 수소 충전소(100)가 구성될 수 있다. Through this configuration, the power consumption of the
본 발명에 따른 수소 충전소(100)는 두 개 이상의 온도계(141)를 포함할 수 있고 하나의 온도계(141)(이하 '제1 온도계'라 함)는 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 온도를 센싱한다. 제1 온도계(141)는 충전기(131) 내부에 또는 충전건에 설치되어 냉매를 통해 냉각된 충전용 기체수소의 온도를 센싱한다. 제1 온도계(141)는 온도 센서와 온도 신호를 전송하는 트랜스미터를 포함하여 센싱된 온도 신호(이하 '제1 온도 신호'라 함)를 유선 라인이나 무선 통신을 통해 콘트롤러(145)로 전송한다. The
다른 하나의 온도계(141)(이하 '제2 온도계'라 함)는 제1 압축기(121)와 가열기(115) 사이의 파이프(159)에 설치되어 가열기(115)로부터 배출되는 기체수소의 온도를 센싱한다. 제2 온도계(141)는 온도 센서와 온도 신호를 전송하는 트랜스미터를 포함하여 센싱된 온도 신호(이하 '제2 온도 신호'라 함)를 유선 라인이나 무선 통신을 통해 콘트롤러(145)로 전송한다. Another thermometer 141 (hereinafter referred to as 'second thermometer') is installed in the
제2 온도계(141)는 온도 센서 외에 가열기(115)로부터 배출되는 기체수소의 압력을 센싱하는 압력 센서를 더 포함하여 센싱된 압력 신호를 유선 라인이나 무선 통신을 통해 콘트롤러(145)로 더 전송할 수 있다. 대안으로 제1 압축기(121)와 가열기(115) 사이의 파이프(159)에 압력 센서를 포함하는 압력계가 설치되어 압력 신호를 유선 라인이나 무선 통신을 통해 콘트롤러(145)로 전송할 수도 있다.The
콘트롤러(145)는 수소 충전소(100)의 구성요소를 제어할 수 있고 적어도 온도계(141)(의 온도 센서 및/또는 압력 센서) 및/또는 압력계로부터 수신되는 상태 신호와 충전기(131)로부터 수신되는 상태 신호나 제어요청 신호에 따라 공급밸브(155), 하나 이상의 유량조절 밸브(151) 및 가열기(115)와 나아가 제1 압축기(121)를 더 제어하여 충전용 기체수소를 일정한 온도 범위(예를 들어, -33도 ~ -40도)로 유지시키고 수소충전 압축 패키지로 공급되는 기체수소를 수소충전 압축 패키지에서 요구되는 압력과 온도 범위로 동적으로 유지시킬 수 있다. The
콘트롤러(145)는 수소 충전소(100) 내에 설치되고 예를 들어 수소 충전소(100)를 제어하는 관제실에 설치될 수 있다. 또는, 콘트롤러(145)는 수소 충전소(100) 내의 특정 하나의 구성요소(예를 들어, 충전기(131)이나 가열기(115) 등)나 특정 복수의 구성요소에 산재하여 설치될 수 있다. 콘트롤러(145)는 프로그램 명령어를 수행할 수 있는 프로세서, 마이컴, CPU, MPU 등을 포함하여 저장된 프로그램을 통해 수소 충전소(100)를 제어 가능하다. 그 외 콘트롤러(145)는 프로그램의 수행 대신에 하드웨어 로직(FPGA, ASIC 등)으로 구현될 수도 있다. The
콘트롤러(145)는 적어도 수소연료전지 자동차로 공급되는 충전용 기체수소의 온도를 유지하도록 수소 충전소(100)를 제어하고 충전용 기체수소의 온도 유지에 따라 온도 변화하는 기체수소를 일정 온도를 유지하도록 수소 충전소(100)를 제어한다. The
예를 들어, 콘트롤러(145)는 제1 온도계(141)로부터 수신되는 제1 온도 신호에 따라 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)를 통해 흐르는 냉각된 냉매와 온도 상승된 냉매의 유량을 설정하기 위한 제어신호를 생성하여 유선 라인이나 무선 통신을 통해 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)로 출력한다. For example, the
여기서, 제1 유량조절 밸브(151)의 제어신호와 제2 유량조절 밸브(151)의 제어신호는 동일하거나 다를 수 있다. 바람직하게는 제1 유량조절 밸브(151)의 제어신호와 제2 유량조절 밸브(151)의 제어신호는 동일하다. 즉, 제1 유량조절 밸브(151)를 통해 흐르는 냉각된 냉매의 조절된 유량과 제2 유량조절 밸브(151)를 통해 온도 상승된 냉매의 조절된 유량을 동일한 유량으로 조정하여 제1 열교환기(105)와 제2 열교환기(105) 나아가 냉매냉각기(135) 사이의 유량 밸런스를 맞출 수 있다. Here, the control signal of the first
제1 유량조절 밸브(151)의 제어신호와 제2 유량조절 밸브(151)의 제어신호는 제1 열교환기(105)로 유입되거나 배출되는 냉매의 유량을 조절하도록 구성된다. 대안으로, 제1 유량조절 밸브(151)의 제어신호와 제2 유량조절 밸브(151)의 제어신호는 냉매냉각기(135)와 제2 열교환기(105) 각각으로 유입되거나 배출되는 냉매 유량을 조절할 수 있다. 이 경우, 제1 유량조절 밸브(151)의 제어신호와 제2 유량조절 밸브(151)의 제어신호는 냉매냉각기(135)와 제2 열교환기(105) 각각의 유량을 달리 설정하도록 구성된다.The control signal of the first flow
또한, 콘트롤러(145)는 제2 온도계(141)로부터 수신되는 제2 온도 신호에 따라 가열기(115)로부터 배출되는 기체수소의 온도를 지정된 온도 범위 내로 설정되도록 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 가열기(115)로 출력한다. In addition, the
수소 충전과 관련된 콘트롤러(145)에서 이루어지는 구체적인 제어 흐름은 도 3을 통해 좀 더 상세히 살펴보도록 한다. A detailed control flow performed in the
도 3은 본 발명에 따른 기체수소 충전소(100)에 액화수소를 활용하여 일정한 온도 범위내의 기체수소를 수소연료전지 자동차에 충전하는 과정을 나타내는 도면이다.3 is a view showing a process of charging gaseous hydrogen within a certain temperature range to a hydrogen fuel cell vehicle by using liquid hydrogen in the gaseous
먼저, 수소연료전지 자동차가 수소 충전소(100)에 진입하고 결제와 충전 요청을 충전기(131)가 인식하고 충전기(131)는 결제에 따른 상태 신호나 제어요청 신호를 콘트롤러(145)를 전송(① 참조)한다. First, the hydrogen fuel cell vehicle enters the
충전 시작을 요청하는 제어요청 신호의 수신에 따라, 콘트롤러(145)는 수소충전 압축 패키지를 제어하여 기체수소 스토리지(125)(예를 들어, 하이뱅크 기체수소 스토리지(125)) 내의 기체수소를 충전기(131)로 공급하고 동시에 액화수소 저장탱크(101)의 액화수소를 기화기(111)로 공급하도록 공급밸브(155)로 제어신호를 전송한다. 이에 따라, 수소충전 압축 패키지는 충전기(131)로 저장된 기체수소를 배출하고 공급밸브(155)는 수신되는 온 제어신호에 따라 액화수소를 기화기(111)로 제공(② 참조)한다. Upon receipt of the control request signal requesting the start of charging, the
충전기(131)로 공급된 기체수소는 제1 열교환기(105)를 통해 지정된 온도 범위 내로 냉각(③)되어 수소연료전지 자동차로 공급된다. 제1 열교환기(105)는 냉매와 충전기(131)로부터의 기체수소의 열교환을 통해 기체수소를 냉각시켜 충전기(131)로 배출하고 온도 상승된 냉매를 냉매냉각기(135) 및/또는 제2 열교환기(105)로 배출한다. The gaseous hydrogen supplied to the
수소 충전소(100)에 포함 또는 생략 가능한 냉매냉각기(135)는 전기 등으로부터의 전력을 이용하여 온도 상승된 냉매를 일정 온도 이하의(예를 들어, -60도 이하의) 냉매로 냉각(④ 참조)시키고 이를 제1 열교환기(105)로 공급한다. The
냉매를 활용한 기체수소의 냉각과 동시에, 공급밸브(155)를 통해 액화수소를 공급받는 기화기(111)는 액화수소를 기화시키고(⑤ 참조) 기화된 수소를 제2 열교환기(105)로 배출한다. Simultaneously with the cooling of gaseous hydrogen using the refrigerant, the
제2 열교환기(105)는 기화기(111)를 통해 기화된 기체수소와 열교환에 따라 온도 상승된 냉매 사이의 열교환을 통해 냉매를 재차 냉각시켜 제1 열교환기(105)로 배출(공급)하고 가열기(115)로 열교환에 따라 온도 상승된 기체수소를 공급(⑥ 참조)한다. The
또한, 콘트롤러(145)는 충전기(131)를 통해 공급되는 기체수소의 온도를 일정 온도 범위 내가 되도록 유량조절 밸브(151)를 제어(⑦ 참조)한다. In addition, the
콘트롤러(145)는 제1 온도계(141)를 통해 제1 온도 신호를 수신하고 제1 온도 신호에 대응하는 측정 온도와 기준 온도(예를 들어, -33도에서 -40도 사이의 중간 온도 또는 지정된 온도) 사이의 차이에 따라 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)를 통해 흐르는 냉매의 유량을 설정하기 위한 제어신호를 생성하여 출력한다. The
예를 들어, 측정 온도가 기준 온도보다 낮은 경우 콘트롤러(145)는 현재 설정된 냉매 유량보다 적은 냉매 유량으로 설정하기 위한 제어신호를 생성하여 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)로 출력한다. 이에 따라 제1 열교환기(105)로 공급되는 냉매량이 줄어 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 온도를 기준 온도에 근접하도록 높일 수 있다. For example, when the measured temperature is lower than the reference temperature, the
측정 온도가 기준 온도보다 높은 경우 콘트롤러(145)는 현재 설정된 냉매 유량보다 많은 냉매 유량으로 설정하기 위한 제어신호를 생성하여 제1 유량조절 밸브(151)와 제2 유량조절 밸브(151)로 출력한다. 이에 따라 제1 열교환기(105)로 공급되는 냉매량이 늘어 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 온도를 기준 온도에 근접하도록 낮출 수 있다. When the measured temperature is higher than the reference temperature, the
콘트롤러(145)는 측정 온도와 기준 온도의 차이에 따라 현재 설정된 유량으로부터 설정될 유량 사이의 유량차를 달리 설정하여 제어신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 측정 온도와 기준 온도의 차에 따라 현재 측정 온도가 설정된 온도 범위를 벗어나는 경우, 설정된 온도 범위 내로 기체수소의 온도를 빠르게 설정하기 위해 높은 유량차를 가지는 제어신호를 콘트롤러(145)가 출력한다. 반면, 측정 온도와 기준 온도의 차가 상대적으로 작은 경우, 상대적으로 작은 유량차를 가지는 제어신호를 콘트롤러(145)가 생성하여 출력한다.The
여기서, 제1 온도계(141)로부터 수신되는 제1 온도 신호는 아날로그 신호이거나 디지털 신호이다. 예를 들어, 제1 온도 신호는 신호의 전압량이나 전류량의 크기에 따라 대응하는 온도를 나타내는 아날로그 신호이거나 약속된 디지털 통신 프로토콜(예를 들어, UART, I2C, RS232C 등)에 따라 측정된 온도 데이터를 인코딩한 디지털 신호일 수 있다.Here, the first temperature signal received from the
또한, 유량조절 밸브(151)로 출력되는 제어신호는 아날로그 신호이거나 디지털 신호일 수 있다. 예를 들어, 제어신호는 신호의 전압량 또는 전류량의 크기에 따라 유량을 조절할 수 있는 아날로그 신호이거나 약속된 디지털 통신 프로토콜(예를 들어, UART, I2C, RS232C 등)에 따라 유량 조절을 위한 제어 데이터를 인코딩한 디지털 신호일 수 있다. In addition, the control signal output to the
콘트롤러(145)는 가변적인 냉매 유량의 동적인 제어로 충전기(131)에서 공급되는 기체수소의 온도를 일정한 범위 내로(바람직하게는 기준 온도로) 유지시킬 수 있다.The
제2 열교환기(105)와 유량조절 밸브(151) 등을 통한 기체수소의 온도 제어에 따라 제2 열교환기(105)는 액화수소 저장탱크(101)의 액화수소로부터 기화되고 후속하여 냉매와 열교환된 기체수소를 가열기(115)로 배출한다.According to the temperature control of gaseous hydrogen through the
가열기(115)는 파이프(159)를 통해 제2 열교환기(105)로부터 유입되는 기체수소를 가열(⑧ 참조)하고 가열된 기체수소를 제1 압축기(121)로 배출한다. 제1 압축기(121)는 가열기(115)로부터의 기체수소를 지정된 압력 레벨(예를 들어, 100 바 등)로 압축(⑨ 참조)하여 수소충전 압축 패키지로 공급한다. 수소충전 압축 패키지는 충전기(131)로 기체수소를 공급하고 동시에 액화수소를 통해 기화되고 수소충전 압축 패키지의 공급 조건(공급되는 기체수소의 압력과 나아가 온도)을 만족하도록 구성된 기체수소를 공급받아 실시간으로 내부 기체수소 스토리지(125)를 재충전(⑪ 참조)한다. The
여기서, 가열기(115)로 배출되는 기체수소는 제1 열교환기(105), 제2 열교환기(105) 및 유량조절 밸브(151)의 제어에 따라 가변하는 온도를 가지는 기체수소이다. 예를 들어, 유량조절 밸브(151)를 통해 냉매가 적게 제2 열교환기(105)로 유입되는 경우 가열기(115)로 배출되는 기체수소는 상대적으로 낮은 온도의 기체수소이다. 반면에 유량조절 밸브(151)를 통해 냉매가 많게 제2 열교환기(105)로 유입되는 경우 가열기(115)로 배출되는 기체수소는 열교환에 따라 상대적으로 높은 온도의 기체수소이다. Here, the gaseous hydrogen discharged to the
수소충전 압축 패키지로 공급 조건을 만족하는 기체수소를 제공하기 위해, 콘트롤러(145)는 가열기(115)와 제1 압축기(121) 사이의 파이프(159)의 기체수소 온도를 측정하는 제2 온도계(141)로부터 제2 온도 신호를 수신한다. A second thermometer ( 141) receives a second temperature signal.
콘트롤러(145)는 제2 온도 신호에 대응하는 측정 온도와 설정 온도(예를 들어, 20도 등)를 비교하고 측정 온도가 설정 온도에 근접하도록 하는 제어신호를 생성하여 가열기(115)로 출력(⑩ 참조)한다. The
예를 들어, 제2 온도 신호의 측정 온도가 설정 온도보다 낮은 경우 콘트롤러(145)는 가열기(115)의 히팅 소자를 더 구동하여 배출되는 기체수소의 온도를 높이기 위한 제어신호를 가열기(115)로 출력한다. 측정 온도가 설정 온도보다 높은 경우 콘트롤러(145)는 가열기(115)의 히팅 소자를 덜 구동하여 배출되는 기체수소의 온도를 낮추기 위한 제어신호를 가열기(115)로 출력한다. For example, when the measurement temperature of the second temperature signal is lower than the set temperature, the
콘트롤러(145)는 제2 온도계(141)(및/또는 압력계)로부터 압력 신호를 더 수신하고 압력 신호에 대응하는 측정 압력과 설정 압력을 비교하고 측정 압력이 설정 압력에 근접하도록 하는 제어신호를 생성하여 가열기(115)로 또는 후속하는 제1 압축기(121)로 더 출력할 수 있다.The
여기서, 제2 온도계(141)로부터 수신되는 제2 온도 신호는 아날로그 신호이거나 디지털 신호이다. 예를 들어, 제2 온도 신호는 신호의 전압량이나 전류량의 크기에 따라 대응하는 온도를 나타내는 아날로그 신호이거나 약속된 디지털 통신 프로토콜(예를 들어, UART, I2C, RS232C 등)에 따라 측정된 온도 데이터를 인코딩한 디지털 신호일 수 있다.Here, the second temperature signal received from the
또한, 가열기(115)로 출력되는 제어신호는 아날로그 신호이거나 디지털 신호일 수 있다. 예를 들어, 제어신호는 신호의 전압량 또는 전류량의 크기에 따라 가열량을 조절할 수 있는 아날로그 신호이거나 약속된 디지털 통신 프로토콜(예를 들어, UART, I2C, RS232C 등)에 따라 가열 조절을 위한 제어 데이터를 인코딩한 디지털 신호일 수 있다.In addition, the control signal output to the
콘트롤러(145)에 의한 온도 및/또는 압력의 센싱과 가열기(115)에 대한 동적인 제어로 비록 충전기(131)를 통한 기체수소의 소비량이 달라지거나 외부 환경 변화에 따라 일정 온도 유지를 위해 냉매 유량이 변화하고 그에 따라 액화수소로부터 공급되는 기체수소의 온도가 변화하는 경우에도 동적으로 적정 온도를 준수하여 안정적으로 수소충전 압축 패키지로 기체수소를 공급하고 재충전(⑪ 참조) 가능하다. With the sensing of temperature and/or pressure by the
설명의 이해를 도 3의 ① 내지 ⑪의 과정을 순차적으로 설명하였으나 도 3의 ① 내지 ⑪의 과정은 각각의 구성 요소에 의해 독립적이고 병렬적으로 수행된다. 각각의 구성 요소는 다른 구성 요소에 의한 제어나 수행에 따라 영향을 받아 그 동작이 달라질 수 있다.Although the processes of ① to ⑪ of FIG. 3 were sequentially described for understanding of the description, the processes of ① to ⑪ of FIG. 3 are independently and parallelly performed by each component. Each component may be affected by control or execution by other components, and thus its operation may vary.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. The present invention described above, for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains, various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It is not limited by the drawings.
100 : 수소 충전소
101 : 액화수소 저장탱크
105 : 열교환기
111 : 기화기
115 : 가열기
121 : 압축기
125 : 기체수소 스토리지
131 : 충전기
135 : 냉매냉각기
141 : 온도계
145 : 콘트롤러
151 : 유량조절 밸브
155 : 공급밸브
159 : 파이프 100: hydrogen filling station
101: liquid hydrogen storage tank
105: heat exchanger
111: carburetor
115: heater
121 compressor
125: gas hydrogen storage
131: charger
135: refrigerant cooler
141: thermometer
145: controller
151: flow control valve
155: supply valve
159: pipe
Claims (5)
충전건을 구비하여 수소연료전지 자동차로 수소충전 압축 패키지로부터의 충전용 기체수소를 공급하는 충전기;
냉매와 상기 충전용 기체수소와의 열교환을 통해 상기 충전용 기체수소를 냉각하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기에 의해 온도 상승된 상기 냉매를 냉각하고 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환기로 배출하는 냉매냉각기;
상기 제1 열교환기에 의해 온도 상승된 상기 냉매와 상기 액화수소 저장탱크로부터 유입되는 기체수소를 열교환하여 상기 냉매를 냉각하고 냉각된 냉매를 상기 제1 열교환기로 배출하는 제2 열교환기;
상기 제2 열교환기 및 상기 냉매냉각기로부터 상기 제1 열교환기로 배출되는 냉각된 냉매의 유량을 수신되는 제1 제어신호에 따라 조절하는 3방향의 제1 유량조절 밸브;
상기 충전기를 통해 상기 수소연료전지 자동차로 공급되는 기체수소의 온도를 센싱하는 제1 온도계;
수신되는 제2 제어신호에 따라 상기 제2 열교환기로부터 유입되는 기체수소를 가열하여 배출하는 가열기;
상기 가열기로부터 배출되는 기체수소의 온도를 센싱하는 제2 온도계; 및
상기 제1 온도계로부터의 제1 온도 신호에 따라 상기 제1 유량조절 밸브를 통해 상기 제2 열교환기 및 상기 냉매냉각기와 상기 제1 열교환기 사이에 흐르는 냉매의 유량을 설정하기 위한 제1 제어신호와 상기 제2 온도계로부터의 제2 온도 신호에 따라 상기 가열기로부터 배출되는 기체수소의 온도를 지정된 온도 범위 내로 설정되도록 제어하기 위한 제2 제어신호를 상기 가열기로 출력하는 콘트롤러;를 포함하고,
상기 가열기를 통해 배출되는 기체수소는 상기 수소충전 압축 패키지로 공급되어 상기 수소충전 압축 패키지의 기체수소 스토리지에 저장되는,
수소 충전소.liquid hydrogen storage tank;
a charger having a charging gun to supply gaseous hydrogen for charging from a hydrogen charging compression package to a hydrogen fuel cell vehicle;
a first heat exchanger for cooling the gaseous hydrogen for charging through heat exchange between the refrigerant and the gaseous hydrogen for charging;
a refrigerant cooler for cooling the refrigerant having a temperature increased by the first heat exchanger and discharging the cooled refrigerant to the first heat exchanger;
a second heat exchanger for exchanging heat with the refrigerant having a temperature increased by the first heat exchanger and gaseous hydrogen flowing in from the liquid hydrogen storage tank to cool the refrigerant and discharging the cooled refrigerant to the first heat exchanger;
a first three-way flow control valve for controlling a flow rate of the cooled refrigerant discharged from the second heat exchanger and the refrigerant cooler to the first heat exchanger according to a received first control signal;
a first thermometer sensing the temperature of gaseous hydrogen supplied to the hydrogen fuel cell vehicle through the charger;
a heater for heating and discharging gaseous hydrogen flowing in from the second heat exchanger according to the received second control signal;
a second thermometer sensing the temperature of gaseous hydrogen discharged from the heater; and
A first control signal for setting the flow rate of the refrigerant flowing between the second heat exchanger and the refrigerant cooler and the first heat exchanger through the first flow rate control valve according to the first temperature signal from the first thermometer; A controller that outputs a second control signal to the heater for controlling the temperature of gaseous hydrogen discharged from the heater to be set within a specified temperature range according to the second temperature signal from the second thermometer;
The gaseous hydrogen discharged through the heater is supplied to the hydrogen-filled compression package and is stored in the gaseous hydrogen storage of the hydrogen-filled compressed package,
hydrogen refueling station.
상기 액화수소 저장탱크로부터 유입되는 액체수소를 기체수소로 기화시켜 상기 제2 열교환기로 배출하는 기화기; 및
상기 가열기로부터 유입되는 기체수소를 압축하고 압축된 기체수소로 배출하는 제1 압축기;를 더 포함하는,
수소 충전소. The method of claim 1,
a vaporizer for vaporizing liquid hydrogen flowing in from the liquid hydrogen storage tank into gaseous hydrogen and discharging it to the second heat exchanger; and
Further comprising; a first compressor for compressing the gaseous hydrogen flowing in from the heater and discharging the compressed gaseous hydrogen;
hydrogen refueling station.
상기 제1 열교환기로부터 상기 제2 열교환기 및 상기 냉매냉각기로 유입되는 온도 상승된 냉매의 유량을 수신되는 상기 제1 제어신호에 따라 조절하는 3방향의 제2 유량조절 밸브;를 더 포함하고,
상기 콘트롤러는 상기 제1 온도 신호에 대응하는 측정 온도가 기준 온도보다 낮은 경우 상기 제1 유량조절 밸브 및 상기 제2 유량조절 밸브에서의 현재 설정된 냉매 유량보다 적은 냉매 유량으로 설정하기 위한 상기 제1 제어신호를 생성하고 상기 측정 온도가 상기 기준 온도보다 높은 경우 상기 제1 유량조절 밸브 및 상기 제2 유량조절 밸브에서의 상기 현재 설정된 냉매 유량보다 많은 냉매 유량으로 설정하기 위한 상기 제1 제어신호를 생성하는,
수소 충전소.The method of claim 1,
A second flow rate control valve in three directions for controlling the flow rate of the refrigerant flowing from the first heat exchanger to the second heat exchanger and the refrigerant cooler according to the received first control signal; further comprising,
When the measured temperature corresponding to the first temperature signal is lower than the reference temperature, the controller is the first control for setting a refrigerant flow rate lower than the refrigerant flow rate currently set in the first flow rate control valve and the second flow rate control valve generating a signal and generating the first control signal for setting a refrigerant flow rate greater than the currently set refrigerant flow rate in the first flow rate control valve and the second flow rate control valve when the measured temperature is higher than the reference temperature ,
hydrogen refueling station.
히팅 소자를 포함하는 상기 가열기는 상기 콘트롤러로부터 수신되는 상기 제2 제어신호에 따라 상기 히팅 소자를 구동하여 가열된 기체수소를 배출하고,
상기 콘트롤러는, 상기 제1 온도 신호에 대응하는 측정 온도가 기준 온도보다 낮은 경우 상기 제1 유량조절 밸브에서의 현재 설정된 냉매 유량보다 적은 냉매 유량으로 설정하기 위한 상기 제1 제어신호를 생성하고 상기 측정 온도가 상기 기준 온도보다 높은 경우 상기 제1 유량조절 밸브에서의 상기 현재 설정된 냉매 유량보다 많은 냉매 유량으로 설정하기 위한 상기 제1 제어신호를 생성하고, 상기 제2 온도 신호에 대응하는 측정 온도가 상기 가열기에 대해 설정되는 설정 온도보다 낮은 경우 상기 히팅 소자를 통해 배출되는 기체수소의 온도를 높이기 위한 상기 제2 제어신호를 생성하고 상기 측정 온도가 상기 설정 온도보다 높은 경우 상기 히팅 소자를 통해 배출되는 기체수소의 온도를 낮추기 위한 상기 제2 제어신호를 생성하는,
수소 충전소.According to claim 1,
The heater including a heating element drives the heating element according to the second control signal received from the controller to discharge heated gaseous hydrogen,
When the measured temperature corresponding to the first temperature signal is lower than the reference temperature, the controller generates the first control signal for setting a refrigerant flow rate lower than the refrigerant flow rate currently set in the first flow control valve, and the measurement When the temperature is higher than the reference temperature, the first control signal is generated for setting the refrigerant flow rate higher than the currently set refrigerant flow rate in the first flow rate control valve, and the measured temperature corresponding to the second temperature signal is the When it is lower than the set temperature set for the heater, the second control signal for increasing the temperature of gaseous hydrogen discharged through the heating element is generated, and when the measured temperature is higher than the set temperature, the gas discharged through the heating element generating the second control signal for lowering the temperature of hydrogen,
hydrogen refueling station.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210077111A KR102386377B1 (en) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | Hydrogen station using cold energy of the liquid hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020210077111A KR102386377B1 (en) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | Hydrogen station using cold energy of the liquid hydrogen |
Publications (1)
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| KR102386377B1 true KR102386377B1 (en) | 2022-04-14 |
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ID=81211279
Family Applications (1)
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| KR1020210077111A KR102386377B1 (en) | 2021-06-15 | 2021-06-15 | Hydrogen station using cold energy of the liquid hydrogen |
Country Status (1)
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| KR (1) | KR102386377B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102555606B1 (en) * | 2023-02-15 | 2023-07-17 | 주식회사 동화엔텍 | hydrogen station using heat exchager for recovering cold energy |
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2021
- 2021-06-15 KR KR1020210077111A patent/KR102386377B1/en active IP Right Grant
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