KR102458987B1 - 수소 충전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 충전 장치 및 방법에 관한 것으로, 수소연료가 저장되는 저장탱크부와, 저장탱크부와 연결되고 수소연료를 분배하는 분배부와, 분배부와 연결되고 수소연료를 냉각시키는 냉각부와, 분배부와 냉각부에 연결되고 분배부와 냉각부를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하여 온도를 조절하는 혼합조절부와, 혼합조절부와 연결되고 각각의 차량과 연결되어 수소연료를 충전하는 충전부;를 포함하여, 충전 과정에서 고열에 의한 폭발 사고를 방지할 수 있다.

Description

수소 충전 장치 및 방법{CHARGING DEVICE AND METHOD OF HYDROGEN}
본 발명은 수소 충전 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수의 차량에 수소를 충전하는 과정에서, 고압의 수소 충전에 따른 고열로 인해 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있는 수소 충전 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량에서 에너지 생성은 수소와 공기의 반응에 의한 역전기분해 현상에 의해 전류가 흐름으로써 전기 에너지가 생성된다. 이때 수소는 수소 충전 시스템의 충전 라인을 따라 저장탱크에 저장된다. 저장탱크에 저장된 수소는 전기 에너지 생성을 위해 공급 라인을 따라 레귤레이터를 걸쳐 감압된 후 스택으로 공급된다.
종래에는 고압의 수소가 차량의 저장탱크에 충전되는 과정에서 고열이 발생하므로, 다수의 차량에 수소를 동시에 충전하는 과정에서 열에 의한 폭발이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1918533호(2018.11.08. 등록, 발명의 명칭 : 차량의 수소 충전 시스템 및 충전 방법)에 게시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 다수의 차량에 수소를 충전하는 과정에서, 고압의 수소 충전에 따른 고열로 인해 폭발이 발생하는 것을 방지할 수 있는 수소 충전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치는: 수소연료가 저장되는 저장탱크부; 상기 저장탱크부와 연결되고 수소연료를 분배하는 분배부; 상기 분배부와 연결되고, 수소연료를 냉각시키는 냉각부; 상기 분배부와 상기 냉각부에 연결되고, 상기 분배부와 상기 냉각부를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하여 온도를 조절하는 혼합조절부; 및 상기 혼합조절부와 연결되고, 각각의 차량과 연결되어 수소연료를 충전하는 충전부;를 포함한다.
상기 저장탱크부는 압력이 상이한 수소연료가 분리 저장되도록 복수개가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합조절부는 복수개의 상기 충전부와 각각 연결 가능하도록 구획되는 것을 특징으로 한다.
상기 충전부에 형성되고, 차량의 충전 상태를 감지하는 감지부; 상기 감지부의 감지신호를 수신하고, 상기 혼합조절부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 충전 방법은: 충전부가 각각의 차량과 접속하는 단계; 감지부가 차량의 충전 상태를 감지하는 단계; 분배부가 저장탱크부에 저장된 수소연료를 냉각부와 혼합조절부로 분배하는 단계; 상기 혼합조절부가 상기 저장탱크부에서 공급되는 수소연료와, 상기 냉각부에서 공급되는 저온의 수소연료를 혼합하여 수소연료를 설정 온도로 변경하는 단계; 및 상기 충전부가 각 차량에 설정된 온도의 수소연료를 차량에 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합조절부는 복수개의 상기 충전부 각각에 설정 온도의 수소연료를 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 감지부는 각 차량의 수소연료 저장 상태와, 수소연료 충전량을 감지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치 및 방법은 저장탱크부에서 제공되는 수소연료 중 일부가 분배부를 통해 냉각부를 통과하여 냉각된 후 혼합조절부에서 혼합되어 설정된 온도 조절이 가능할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치 및 방법은 각 차량 충전 상태에 따라 수소연료의 온도 또는 압력을 조절하여 공급함으로써, 충전시 고열에 의한 차량 폭발을 방지하고, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수소 충전 장치 및 방법의 실시예를 설명한다. 이러한 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 수소 충전 장치를 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치(1)는 저장탱크부(10)와, 분배부(20)와, 냉각부(30)와, 혼합조절부(40)와, 충전부(50)를 포함한다.
저장탱크부(10)에는 수소연료가 저장된다. 일 예로, 저장탱크부(10)는 지하에 매설될 수 있으며, 필요에 따라 옥외에 설치될 수 있다.
분배부(20)는 저장탱크부(10)와 연결되고 수소연료를 분배한다. 일 예로, 분배부(20)는 분배몸체부(21)와, 분배몸체부(21)와 저장탱크부(10)를 연결하여 수소연료를 안내하는 분배공급부(22)와, 분배몸체부(21)에 연결되어 분배된 수소연료를 안내하는 제1,제2분배라인부(23,24)를 포함할 수 있다. 이때, 분배공급부(22)는 저장탱크부(10)에 저장된 수소연료를 필요한 양만큼 압축하여 분배몸체부(21)에 공급할 수 있다.
냉각부(30)는 분배부(20)와 연결되고, 수소연료를 냉각시킨다. 일 예로, 냉각부(30)는 냉매를 냉각시키는 냉각구동부(31)와, 냉각구동부(31)에 연결되고 저온의 냉매를 순환시키는 냉각관부(32)와, 냉각관부(32)와 열교환되는 냉각열교환부(33)를 포함할 수 있다. 한편, 제1분배라인부(23)는 냉각열교환부(33)를 통과하고, 제1분배라인부(23)를 따라 이동되는 수소연료는 냉각열교환부(33)를 통과하면서 설정온도로 냉각될 수 있다.
혼합조절부(40)는 분배부(20)와 냉각부(30)에 연결되고, 분배부(20)와 냉각부(30)를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하여 온도를 조절한다. 일 예로, 혼합조절부(40)는 냉각열교환부(33)를 통과한 제1분배라인부(23) 및 제2분배라인부(24)와 연결되고, 제1분배라인부(23)와 제2분배라인부(24)에서 공급되는 수소연료를 이용하여 수소연료 자체 온도를 조절할 수 있다.
충전부(50)는 혼합조절부(40)와 연결되고, 각각의 차량(100)과 연결되어 수소연료를 충전한다. 일 예로, 충전부(50)는 사용자의 충전양 등을 조작하고 계산할 수 있는 충전조작부(51)와, 충전조작부(51)에 거치되고, 혼합조절부(40)와 연결되어 수소연료를 차량(100)에 공급하는 충전노즐부(52)를 포함할 수 있다.
한편, 저장탱크부(10)는 압력이 상이한 수소연료가 분리 저장되도록 복수개가 형성된다. 일 예로, 저장탱크부(10)는 900bar 상당의 수소연료가 저장된 고압탱크부(11)와, 400bar 내지 500bar 상당의 수소연료가 저장된 중압탱크부(12)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라 압력을 세분화하여 탱크가 추가될 수 있다. 저장탱크부(10)가 복수개로 구분되면, 각 저장탱크부(10)와 대응되는 개수의 분배부(20)가 연결되어 시스템을 구성할 수 있다. 그 외, 각 저장탱크부(10)가 하나의 분배부(20)에 연결되어 시스템을 구성할 수 있다.
혼합조절부(40)는 복수개의 충전부(50)와 각각 연결 가능하도록 구획된다. 보다 구체적으로, 혼합조절부(40)는 수소연료를 설정온도로 만들기 위해 분배부(20)와 냉각부(30)를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하는 혼합부(41)와, 혼합부에 연결되고, 차량(100)에 공급될 수소연료를 저장하는 보관부(42)를 포함할 수 있다. 이때, 보관부(42)는 복수개가 구비되어 다수 차량(100)에 대한 수소연료 공급이 가능할 수 있으며, 보관부(42)는 각각의 충전노즐부(52)와 연결되어 수소연료를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치(1)는 감지부(60)와 제어부(70)를 더 포함할 수 있다.
감지부(60)는 충전부(50)에 형성되고, 차량(100)의 충전 상태를 감지한다. 일 예로, 감지부(60)는 충전노즐부(52)에 형성되고, 차량(100)과 접속되어 차량(100)의 연료탱크에 저장되어 있는 수소연료 잔량과 온도, 압력 등을 감지할 수 있다.
제어부(70)는 감지부(60)의 감지신호를 수신하고, 혼합조절부(40)를 제어한다. 일 예로, 제어부(70)는 감지부(60)의 감지신호와 충전조작부(51)의 조작신호를 수신하고, 사용자가 원하는 수소연료 충전량을 차량(100)에 공급하도록 제어할 수 있다. 이때, 제어부(70)의 제어로 혼합조절부(40)가 대상 차량(100)에 적합한 온도의 수소연료를 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 방법을 개략적으로 나타내는 흐름도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 수소 충전 과정을 설명하면 다음과 같다.
사용자가 충전부(50)를 차량(100)과 접속하면(S10), 감지부(60)가 차량(100)의 충전 상태를 감지한다(S20). 즉, 충전노즐부(52)가 차량(100)과 연결되면, 감지부(60)는 각 차량(100)의 수소연료 저장 상태와, 수소연료 충전량을 조작하는 충전조작부(51)의 조작신호를 제어부(70)로 전송하고, 각종 신호를 수신한 제어부(70)는 분배부(20)와 혼합조절부(40)를 각각 제어한다.
즉, 분배부(20)는 저장탱크부(10)에 저장된 수소연료를 냉각부(30)와 혼합조절부(40)로 분배한다(S40). 이로 인해, 저장탱크부(10)에서 제공되는 수소연료 중 일부는 냉각부(30)에서 냉각된 후 혼합조절부(40)로 이동되고, 저장탱크부(10)에서 제공되는 수소연료 중 나머지는 온도 변화 없이 혼합조절부(40)로 직행한다.
분배부(20)에서 이동경로가 분배되는 수소연료는 혼합조절부(40)에 도달하고, 혼합조절부(40)는 저장탱크부(10)에서 공급되는 수소연료와, 냉각부(30)에서 공급되는 저온의 수소연료를 혼합하여 수소연료를 설정 온도로 변경한다(S40). 즉, 혼합조절부(40)는 복수개의 충전부(50) 각각에 설정 온도의 수소연료를 공급한다. 보다 구체적으로, 분배부(20)와 냉각부(30)를 통해 공급되는 수소연료는 혼합부(41)에서 혼합되고, 각 차량(100)에 연결되는 충전노즐부(52)에 수소연료를 공급하는 보관부(42)에 구획되어 분배될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치 및 방법은 저장탱크부(10)에서 제공되는 수소연료 중 일부가 분배부(20)를 통해 냉각부(30)를 통과하여 냉각된 후 혼합조절부(40)에서 재합류하여 혼합되므로, 냉각부(30) 구동을 줄이면서 수소연료를 설정된 온도로 조절하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치 및 방법은 각 차량 충전 상태에 따라 수소연료의 온도 또는 압력을 조절하여 공급함으로써, 충전시 고열에 의한 차량 폭발을 방지하고, 에너지를 효율적으로 사용할 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.
10 : 저장탱크부 20 : 분배부
30 : 냉각부 40 : 혼합조절부
50 : 충전부 60 : 감지부
70 : 제어부

Claims (7)

  1. 수소연료가 저장되는 저장탱크부;
    상기 저장탱크부와 연결되고 수소연료를 분배하는 분배부;
    상기 분배부와 연결되고, 수소연료를 냉각시키는 냉각부;
    상기 분배부와 상기 냉각부에 연결되고, 상기 분배부와 상기 냉각부를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하여 온도를 조절하는 혼합조절부;
    상기 혼합조절부와 연결되고, 각각의 차량과 연결되어 수소연료를 충전하는 충전부;
    상기 충전부에 형성되고, 차량의 충전 상태를 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부의 감지신호를 수신하고, 상기 혼합조절부를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 저장탱크부는
    고압의 수소연료가 저장되는 고압탱크부; 및
    중압의 수소연료가 저장되는 중압탱크부를 포함하여, 압력이 상이한 수소연료가 분리 저장되며,
    상기 혼합조절부는
    상기 분배부와 상기 냉각부를 통해 공급되는 수소연료를 혼합하는 혼합부; 및
    상기 혼합부에 연결되고, 차량에 공급될 수소연료를 저장하는 복수개의 보관부;를 포함하고,
    상기 충전부는
    사용자의 충전양을 조작하고 계산할 수 있는 충전조작부; 및
    상기 충전조작부에 거치되고, 상기 혼합조절부와 연결되어 수소연료를 차량에 공급하는 충전노즐부;를 포함하며,
    복수개의 상기 보관부는 상기 충전노즐부와 각각 연결되어 수소연료를 제공하고,
    상기 충전조작부의 조작신호는 상기 제어부로 전송되고, 상기 제어부는 상기 분배부와 상기 혼합조절부를 각각 제어하며,
    상기 분배부와 상기 냉각부를 통해 공급되는 수소연료는 상기 혼합부에서 혼합되고, 각 차량에 연결되는 상기 충전노즐부에 수소연료를 공급하는 복수개의 상기 보관부에 구획되어 분배되는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
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  5. 충전부가 각각의 차량과 접속하는 단계;
    감지부가 차량의 충전 상태를 감지하는 단계;
    분배부가 저장탱크부에 저장된 수소연료를 냉각부와, 혼합부와 보관부를 구비하는 혼합조절부로 분배하는 단계;
    상기 혼합부가 상기 저장탱크부에서 공급되는 수소연료와, 상기 냉각부에서 공급되는 저온의 수소연료를 혼합하여 수소연료를 설정 온도로 변경하고, 상기 혼합부에 연결된 복수개의 상기 보관부가 차량에 공급되는 수소연료를 보관하는 단계; 및
    상기 보관부에 연결되는 상기 충전부가 각 차량에 설정된 온도의 수소연료를 차량에 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 저장탱크부는
    고압의 수소연료가 저장되는 고압탱크부; 및
    중압의 수소연료가 저장되는 중압탱크부;를 포함하여, 압력이 상이한 수소연료가 분리 저장되며,
    상기 감지부는 각 차량의 수소연료 저장 상태와, 수소연료 충전량을 감지하고,
    상기 충전부는
    사용자의 충전양을 조작하고 계산할 수 있는 충전조작부; 및
    상기 충전조작부에 거치되고, 상기 혼합조절부와 연결되어 수소연료를 차량에 공급하는 충전노즐부;를 포함하며,
    복수개의 상기 보관부는 상기 충전노즐부와 각각 연결되어 수소연료를 제공하고,
    상기 충전조작부의 조작신호는 제어부로 전송되고, 상기 제어부는 상기 분배부와 상기 혼합조절부를 각각 제어하며,
    상기 분배부와 상기 냉각부를 통해 공급되는 수소연료는 상기 혼합부에서 혼합되고, 각 차량에 연결되는 상기 충전노즐부에 수소연료를 공급하는 복수개의 상기 보관부에 구획되어 분배되는 것을 특징으로 하는 수소 충전 방법.
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