KR102431612B1 - 수소충전소용 수분제거장치 - Google Patents

수소충전소용 수분제거장치 Download PDF

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Abstract

수소충전소용 수분제거장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 수소충전소용 수분제거장치는: 냉각기로 수소를 공급하는 수소공급라인에 연결되는 하우징부와, 하우징부의 내측에 위치하며 수소가 이동되는 통로를 형성하는 유로부 및 유로부와 하우징부의 사이에 위치하며 하우징부의 내측에 있는 수분을 제거하고 수소를 발생시키는 반응부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소충전소용 수분제거장치{WATER REMOVAL DEVICE FOR HYDROGEN FILLING STATION}
본 발명은 수소충전소용 수분제거장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소화합물을 구비하며 수소 공급라인 상에 교체식으로 설치되므로 저장용기에서 배출되는 수분을 용이하게 제거할 수 있는 수소충전소용 수분제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 전지 내에서 직접 전기에너지로 바꾸는 장치이이다.
이러한 연료전지에서는 전기를 생산하는 단위전지가 적층되어 있는 연료전지 셀 어셈블리 및 그 주변부품으로 구성된 연료전지스택이 연료기체인 수소와 산화제인 산소를 공급받아 전기를 생산한다.
한편, 연료전지가 장착된 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 수소탱크에 미리 충전시킨 뒤 수소탱크의 수소를 관련 배관을 통해 연료전지로 공급하여 전기를 생산한다. 이와 같이 연료전지 차량이 수소를 연료로 사용하고 있는 만큼 내연기관 자동차와 마찬가지로 수소 충전을 위한 수소충전소가 필수적이다.
그러나 수소를 저장하는 저장용기에서 수소공급라인을 따라 수소가 이동될 때 수소에 설정치 이상의 수분이 포함되는 경우 빙결 현상을 유발하여 안전사고가 발생될 수 있는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2006-0116604호(2006.11.15 공개, 발명의 명칭: 수소충전소의 연료전지 차량용 수소 누출 검사장치)에 게시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 수소화합물을 구비하며 수소 공급라인 상에 교체식으로 설치되므로 저장용기에서 배출되는 수분을 용이하게 제거할 수 있는 수소충전소용 수분제거장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 수소충전소용 수분제거장치는: 냉각기로 수소를 공급하는 수소공급라인에 연결되는 하우징부와, 하우징부의 내측에 위치하며 수소가 이동되는 통로를 형성하는 유로부 및 유로부와 하우징부의 사이에 위치하며 하우징부의 내측에 있는 수분을 제거하고 수소를 발생시키는 반응부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 하우징부는, 수소저장용기와 냉각기의 사이에 위치하는 수소공급라인에 착탈 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 하우징부는, 수소공급라인에 연결되는 연결관로부 및 연결관로부가 양측에 연결되며 유로부와 반응부를 감싸는 형상으로 설치되는 하우징몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 유로부는 복수의 공극을 구비하는 다공성 유로인 것을 특징으로 한다.
또한 반응부는 수소화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 수소화합물은 MgH2 또는 NaBH4 인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 반응부와 마주하는 하우징부의 내측에 위치하며 수소의 농도를 측정하는 수소센서부와, 수소센서부의 측정값을 전달받아 무선신호를 발생시키는 송수신부 및 송수신부의 신호를 전달받으며 알림부를 통해 반응부의 교체시기를 알리는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소충전소용 수분제거장치는, 수소충전소의 수소공급라인에 교체식으로 설치되며, 수소저장용기에서 배출되는 수분과 반응하여 수소를 발생시키므로 수소공급라인의 수분을 용이하게 제거할 수 있다.
또한 본 발명은 수소센서부와 수분센서부가 동작되어 반응부의 교체시기를 자동으로 알수 있으므로 동작신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치가 수소충전소에 설치된 상태를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 연결된 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로부의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치를 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치가 수소충전소에 설치된 상태를 도시한 블록도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에 연결된 구성을 도시한 블록도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로부의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 수소충전소(1)는 수소압축기(3)와 수소저장용기(5)와 수소충전소용 수분제거장치(10)와 냉각기(6)와 수소충전기(7)를 포함한다.
수소압축기(3)에서 발생된 수소는 수소저장용기(5)로 이동되어 저장된다. 또는 별도의 수소이송차량이 이동되어 수소저장용기(5)로 수소를 공급할 수 있다.
수소저장용기(5)는 수소충전소용 수분제거장치(10)와 연결되며, 수소충전소용 수분제거장치(10)에서 수소에 포함된 수분은 제거되며 냉각기(6)로 수소가 이동된다. 냉각기(6)는 수소공급라인(8)을 따라 이동되는 수소를 설정된 온도로 냉각시킨 후 수소충전기(7)로 전달한다.
수소저장용기(5)는 수소를 저장하기 위한 내측 공간을 구비한다. 냉각기(6)는 프리쿨러라고 하며, 수소저장용기(5)에서 수소충전기(7)로 이동되는 수소를 설정된 온도로 냉각시킨다.
수소충전기(7)는 수소전기차(9)로 수소를 공급하여 수소전기차(9)를 충전시킨다. 수소압축기(3)와 수소저장용기(5)와 냉각기(6)와 수소충전기(7)는 일반적인 수소충전소(1)에서 사용되는 공지된 구성이므로 이에 따른 상세한 설명은 생략한다.
또한 수소압축기(3)와 수소저장용기(5)와 수소충전소용 수분제거장치(10)와 냉각기(6)와 수소충전기(7)는 연결관로인 수소공급라인(8)에 의해 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수소충전소용 수분제거장치(10)는 수소공급라인(8) 상에 탈착 가능하게 설치된다. 수소충전소용 수분제거장치(10)는 수소화합물을 구비하므로, 수소저장용기(5)에서 배출되는 수분을 효과적으로 제거하고, 수소의 품질을 양질의 상태로 유지시킬 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치(10)는, 냉각기(6)로 수소를 공급하는 수소공급라인(8)에 연결되는 하우징부(20)와, 하우징부(20)의 내측에 위치하며 수소가 이동되는 통로를 형성하는 유로부(30) 및 유로부(30)와 하우징부(20)의 사이에 위치하며 하우징부(20)의 내측에 있는 수분을 제거하고 수소를 발생시키는 반응부(40)를 포함한다.
하우징부(20)는 냉각기(6)로 수소를 공급하는 수소공급라인(8)에 착탈 가능하게 연결된다. 일 실시예에 따른 하우징부(20)는, 수소저장용기(5)와 냉각기(6)의 사이에 위치하는 수소공급라인(8)에 착탈 가능하게 설치된다.
또한 하우징부(20)는 수소공급라인(8)에 연결되는 연결관로부(22) 및 연결관로부(22)가 양측에 연결되며 유로부(30)와 반응부(40)를 감싸는 형상으로 설치되는 하우징몸체(24)를 포함한다. 하우징몸체(24)의 양측에 연결관로부(22)가 연결되며, 하우징몸체(24) 보다 연결관로부(22)의 외경이 작게 형성된다.
하우징몸체(24)의 내측에는 유로부(30)와 반응부(40)가 각각 설치되어 하우징몸체(24)를 따라 이동되는 수소에 포함된 수분을 제거한다.
유로부(30)는 하우징부(20)의 내측에 위치하며, 수소가 이동되는 통로를 형성하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따른 유로부(30)는 복수의 공극을 구비하는 다공성 유로인 것을 특징으로 한다.
유로부(30)는 복수의 공극을 형성하는 물체로 이루어지며, 수소의 이동은 허용하며 수소에 포함된 수분은 반응부(40)를 향한 방향으로 안내한다. 이러한 유로부(30)는 수소가 이동되기 위한 복수의 통공을 구비하기 위한 기술사상 안에서 불규칙한 형상을 갖는 파우더를 소결하는 등 다양한 방식으로 만들어질 수 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이 유로부(31)는 복수의 부재로 이루어질 수 있다. 다른 실시예에 의한 유로부(31)는, 수소와 수분이 들어오는 입구를 포함한 하우징부(20)의 내측에 위치하며 다공성 유로를 형성하는 제1유로부(33)와, 제1유로부(33)를 통과한 수소가 이동되기 위한 통공을 구비하며 하우징몸체(24)의 내측에 설치되는 제2유로부(34)를 포함한다.
제2유로부(34)는 하우징부(20)의 출구에 설치된 연결관로부(22)를 향하여 개구된 형상을 가지고 있으며 제1유로부(33)의 내측에 위치한다. 제2유로부(34)는 불규칙한 형상을 갖는 파우더로 구성될 수 있다.
수분을 포함한 수소가 제1유로부(33)를 통과하며 수분은 반응부(40)를 향한 방향으로 안내되며 수소는 제2유로부(34)를 향한 방향으로 안내된다. 수소 보다 큰 입자를 갖는 수분은 제1유로부(33)에 걸려서 이동이 구속되며, 이러한 수분은 반응부(40)와 반응하여 수소를 생성하므로 수소에 포함된 수분은 제거된다.
그리고 제2유로부(34)는 다공성 메탈 엘리멘트(Metal element)를 포함하며 수소 입자 보다는 크고 수분의 입자 보다는 작은 공극을 복수로 구비한다. 따라서 수소만 제2유로부(34)를 통과하여 냉각기(6)로 이동될 수 있으며, 수분은 반응기와 반응됨을 유도한다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 반응부(40)는 유로부(30)와 하우징부(20)의 사이에 위치하며, 하우징부(20)의 내측에 있는 수분을 제거하고 수소를 발생시키는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 일 실시예에 따른 반응부(40)는 수소화합물을 포함하며, 이러한 수소화합물은 MgH2 또는 NaBH4 인 것을 특징으로 한다.
아래 반응식에서 보인 바와 같이,
Figure 112019019853516-pat00001
NaBH4가 물과 반응하여 수소를 생성시킨다. 따라서 냉각기(6)를 통과하는 수소에 포함된 수분을 제거한다. 이러한 수분은 수소압축기(3)에서 500bar 이상의 고압으로 압축하는 작업에서도 발생할 수 있으며, 외부에서 유입될 수 있는 등 다양한 방법에 의해 수소저장용기(5)의 내측으로 수분이 유입될 수 있다.
반응부(40)의 수소화합물은 소모성이므로, 수소화합물을 교체할 경우 수소충전소용 수분제거장치(10)를 모듈 단위로 교체한다. 이러한 수소충전소용 수분제거장치(10)를 사용하므로 수분은 제거하고 수소는 추가적으로 공급하는 구조를 갖는다.
또한 수소화합물은 수소화칼슘(CaH2)과, 수소화알루미늄리튬(LiAlH4)과, 수소화붕소나트륨(NaBH4)과, 수소화나트륨(NaH)과, 수소화칼륨(KH)중 어느 하나로 구성될 수 있다.
수소화합물인 수소화알루미늄리튬과, 수소화붕산나트륨, 수소화나트륨, 수소화칼륨 역시 수소에 포함된 수분에 알루미늄리튬, 붕산나트륨, 나트륨, 칼륨에 결합되고, 수소가 발생되며 수분이 제거된다.
수소충전소용 수분제거장치(10)는 반응부(40)와 마주하는 하우징부(20)의 내측에 위치하며 수소의 농도를 측정하는 수소센서부(50)를 포함한다. 수소센서부(50)는 반응부(40)와 마주하는 위치에 설치되므로, 반응부(40)에서 물과 반응하여 발생되는 수소의 농도를 측정하여 제어부(70)로 측정값을 전달한다.
그리고 수분센서부(55)는 출구측에 위치한 연결관로부(22)에 설치되어 하우징부(20)에서 배출되는 수소에 포함된 수분을 측정하여 제어부(70)로 측정값을 전달한다.
제어부(70)는 수소센서부(50)와 수분센서부(55)의 측정값을 전달받아 수소충전소용 수분제거장치(10)의 교체여부를 알림부(80)를 통해 작업자에게 알린다.
송수신부(60)는 수소센서부(50)의 측정값을 전달받아 무선신호를 발생시키며, 이러한 송수신부(60)의 무선신호는 제어부(70)로 전달된다. 제어부(70)는 송수신부(60)의 신호를 전달받으며, 알림부(80)를 통해 반응부(40)의 교체시기를 자동으로 알리므로 사용의 편의성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치(10)는, 기존에 설치된 수소충전소(1)에도 용이하게 적용할 수 있으며, 별도의 저장용기 교체나 퍼지 과정없이도 수분 누적으로 인한 수소품질 문제를 해결할 수 있으며, 수소충전소(1) 가동중단시간도 최소화할 수 있다.
만약 수소충전소용 수분제거장치(10)를 설치하지 않는 경우, 수소저장용기(5)에 누적된 수분이 프리쿨러인 냉각기(6)를 통과하면서 빙결될 수 있으며, 수소에 포함된 수분이 설정치를 초과하는 경우 수소충전소(1)의 운영이 정지될 수도 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소충전소용 수분제거장치(10)의 작동상태를 상세히 설명한다.
수소압축기(3)에서 압축된 고압의 수소가 수소저장용기(5)에 저장된 후 수소충전소용 수분제거장치(10)에서 수분이 제거된다. 그리고 수분제거장치를 통과한 수소는 냉각기(6)를 거쳐 수소충전기(7)로 공급된다.
수소충전소용 수분제거장치(10)로 기체가 공급되면, 유로부(30)의 다공성 유로를 통과하며 냉각기(6)를 향한 방향으로 수소가 배출된다. 수소충전소용 수분제거장치(10)로 유입된 기체에 수분이 있을 경우, 반응부(40)의 수소화합물과 결합하여 수분은 제거되고 수소가 발생된다.
유로부(30,31)는 단일부재로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 제1유로부(33)와 제2유로부(34) 등 복수의 부재로 이루어질 수도 있다.
반응부(40)에 의해 수분이 제거되고 수소가 발생될 경우, 수소센서부(50)에서 측정된 수소 농도는 높아지고 수분센서부(55)에서는 수분이 측정되지 않는다. 따라서 제어부(70)는 알림부(80)를 통해 수소충전소용 수분제거장치(10)가 정삭 작동 중이라는 표시를 한다.
한편 반응부(40)의 수명이 다하여 수분을 흡수하지 못하는 경우, 제어부(70)는 수소센서부(50)와 수분센서부(55)의 측정값을 바탕으로 반응부(40)의 교체가 필요하다는 안내를 알림부(80)를 통해 작업자에게 알린다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 수소충전소(1)의 수소공급라인(8)에 교체식으로 설치되며, 수소저장용기(5)에서 배출되는 수분과 반응하여 수소를 발생시키므로 수소공급라인(8)의 수분을 용이하게 제거할 수 있다. 또한 수소센서부(50)와 수분센서부(55)가 동작되어 반응부(40)의 교체시기를 자동으로 알수 있으므로 동작신뢰성을 향상시킬 수 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 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 수소충전소 3: 수소압축기
5: 수소저장용기 6: 냉각기
7: 수소충전기 8: 수소공급라인
9: 수소전기차 10: 수소충전소용 수분제거장치
20: 하우징부 22: 연결관로부
24: 하우징몸체 30,31: 유로부
33: 제1유로부 34: 제2유로부
40: 반응부 50: 수소센서부
55: 수분센서부 60: 송수신부
70: 제어부 80: 알림부

Claims (7)

  1. 냉각기로 수소를 공급하는 수소공급라인에 연결되는 하우징부;
    상기 하우징부의 내측에 위치하며 수소가 이동되는 통로를 형성하는 유로부;
    상기 유로부와 상기 하우징부의 사이에 위치하며, 상기 하우징부의 내측에 있는 수분을 제거하고 수소를 발생시키는 반응부;
    상기 반응부와 마주하는 상기 하우징부의 내측에 위치하며, 수소의 농도를 측정하는 수소센서부;
    상기 수소센서부의 측정값을 전달받아 무선신호를 발생시키는 송수신부; 및
    상기 송수신부의 신호를 전달받으며 알림부를 통해 상기 반응부의 교체시기를 알리는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징부는,
    수소저장용기와 상기 냉각기의 사이에 위치하는 상기 수소공급라인에 착탈 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 하우징부는,
    상기 수소공급라인에 연결되는 연결관로부; 및
    상기 연결관로부가 양측에 연결되며, 상기 유로부와 상기 반응부를 감싸는 형상으로 설치되는 하우징몸체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유로부는,
    복수의 공극을 구비하는 다공성 유로인 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 반응부는,
    수소화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 수소화합물은,
    MgH2 또는 NaBH4 인 것을 특징으로 하는 수소충전소용 수분제거장치.
  7. 삭제
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