KR102531684B1 - 수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴드 및 이를 이용한 방법 - Google Patents

수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴드 및 이를 이용한 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일 실시예에 의하면, 복수의 수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴더로서, 하우징; 상기 하우징의 일 측면에 형성되는 제1 인렛포트, 하나 이상의 제1 아웃렛포트; 상기 하우징의 타 측면에 형성되는 제2 인렛포트, 하나 이상의 제2 아웃렛포트; 상기 하우징의 내부에 형성되는 제1 인렛유로; 상기 하우징의 내부에 형성되는 제2 인렛유로; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛유로 상의 일 지점 및 상기 제2 인렛유로 상의 일 지점을 연결하는 제1 혼합유로; 제2 혼합유로; 상기 제1 혼합유로 상에 배치되는 제1 솔레노이드 밸브, 제2 솔레노이드 밸브; 상기 제1 혼합유로 상에서 상기 제1 솔레노이드 밸브 및 상기 제2 솔레노이드 밸브 사이에 형성되는 일 지점 및 상기 제2 혼합유로 상의 일 지점을 연결하는 제3 혼합유로;상기 제1 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제1 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제1 압력센서; 및 상기 제2 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제2 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제2 압력센서를 포함하는, 매니폴드를 제공한다.

Description

수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴드 및 이를 이용한 방법{Manifold for Charging a Hydrogen Vehicle Including Hydrogen Tanks and Using Method Using the Same}
본 개시는 수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴드 및 이를 이용한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수소 충전 속도를 증가시키면서도, 안전성을 확보할 수 있는 수소차량의 충전용 매니폴드에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
화석 연료가 차량 내에서 연소되면, NOx, SOx 등 대기오염에 치명적인 물질이 필연적으로 배출된다. 환경오염에 대한 문제가 대두됨에 따라, 전통적으로 차량의 연료로 사용되어 오던 화석연료에 대한 규제가 증가하고, 대체 에너지에 대한 요구가 증가하고 있다.
이에, 연료 사용 후에도 H2, O2, 및 H2O가 배출되는 수소 연료 전지가 각광받고 있다. 수소 연료 전지가 적용된 수소차량의 보급이 점차 확대되면서, 수소 충전소에 대한 각종 요구 역시 증가하고 있다.
종래의 수소 충전소는, 싱글포트(single port)를 포함한다. 일반 승용차는 수소탱크 용량 6kg으로 비교적 작기 때문에, 싱글포트를 이용하여 충전하더라도 충분할 수 있다. 그러나 버스, 트럭 등 대형 차량의 경우, 수소탱크의 용량이 30kg이기 때문에, 일반 승용차에 비하여 5배 이상의 충전시간이 소요된다.
충전속도를 증가시키기 위해, 수소의 유입속도를 증가시키게 될 경우, 수소의 온도가 상승되는 문제가 있다. 이러한 경우, 수소의 부피가 팽창하면서 폭발 위험이 있을 수 있다.
또한, 현재 고압수소부품은 기 설정된 온도를 기준으로 내구성이 설계되어 있기 때문에, 저온을 유지하면서도, 유량을 증가시킴으로써 충전속도가 증가될 수 있는 기술이 절실한 실정이다.
(특허문헌 1) US 8,544,494 B2
(특허문헌 2) KR 10-1185059 B2
이에, 본 개시는 짧은 시간에 대형 수소차량을 충전할 수 있는 충전용 매니폴드 및 이를 이용한 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 개시는 수소 충전 속도가 증가하면서도 구조적 안정성이 유지될 수 있는 매니폴드 및 이를 이용한 방법을 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 복수의 수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴더로서, 하우징; 상기 하우징의 일 측면에 형성되는 제1 인렛포트; 상기 하우징의 타 측면에 형성되는 제2 인렛포트; 상기 하우징의 상기 일 측면에 형성되는 하나 이상의 제1 아웃렛포트; 상기 하우징의 상기 타 측면에 형성되는 하나 이상의 제2 아웃렛포트; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛포트 및 상기 하나 이상의 제1 아웃렛포트 사이를 연결하는 제1 인렛유로; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제2 인렛포트 및 상기 하나 이상의 제2 아웃렛포트 사이를 연결하는 제2 인렛유로; 상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛유로 상의 일 지점 및 상기 제2 인렛유로 상의 일 지점을 연결하는 제1 혼합유로;상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 지점 및 상기 제2 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 지점을 연결하는 제2 혼합유로;상기 제1 혼합유로 상에 배치되는 제1 솔레노이드 밸브; 상기 제1 혼합유로 상에 배치되되, 상기 제1 솔레노이드 밸브보다 상기 제2 인렛유로 상에 인접하여 배치되는 제2 솔레노이드 밸브; 상기 제1 혼합유로 상에서 상기 제1 솔레노이드 밸브 및 상기 제2 솔레노이드 밸브 사이에 형성되는 일 지점 및 상기 제2 혼합유로 상의 일 지점을 연결하는 제3 혼합유로;상기 제1 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제1 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제1 압력센서; 및 상기 제2 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제2 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제2 압력센서를 포함하는, 매니폴드를 제공한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 수소차량이 충전되는 동안, 상기 제1 압력센서로부터 센싱된 제1 압력이, 상기 제2 압력센서로부터 센싱된 제2 압력보다 크면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고, 상기 제2 솔레노이드 밸브는 개방한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 수소차량이 충전되는 동안, 상기 제1 압력센서로부터 센싱된 제1 압력이, 상기 제2 압력센서로부터 센싱된 제2 압력보다 작으면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 개방되고, 상기 제2 솔레노이드 밸브는 폐쇄된다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 수소차량의 충전이 완료되면, 상기 하나 이상의 제1 아웃렛포트로부터 유입되는 유체는 상기 제1 인렛유로, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 혼합유로를 순차적으로 유동하며, 상기 하나 이상의 제2 아웃렛포트로부터 유입되는 유체는, 상기 제2 인렛유로, 상기 제2 압력센서 및 상기 제2 혼합유로를 순차적으로 유동하고, 상기 제2 혼합유로로 유입된 유체는 상기 수소차량에 구비되는 레귤레이터를 향해 유동한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 상기 제1 솔레노이드 밸브 및 상기 제2 솔레노이드 밸브는, 노멀클로즈타입이다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드를 이용하여 수소차량을 충전하는 동안, 압력 균형을 유지하는 방법으로서, (a) 상기 제1 압력센서에 의해 상기 제1 인렛유로의 내부 유압인 제1 압력 및 상기 제2 압력센서에 의해 상기 제2 인렛유로의 내부 유압인 제2 압력이 측정되는 단계; (b) 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 기준압력과 비교되는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 상기 제2 솔레노이드 밸브가 개방되는 단계; (d) 새로운 제1 압력 및 새로운 제2 압력이 측정되고, 상기 새로운 제1 압력에서 상기 새로운 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 다시 비교되는 단계; (e) 상기 (d) 단계에서, 상기 새로운 제1 압력에서 상기 새로운 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 상기 제2 솔레노이드 밸브가 폐쇄되는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시에 따른 방법은, (f) 상기 (d) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이상인 것으로 판단되면, 상기 (c) 단계가 반복되는 단계를 더 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시에 따른 방법은, (g) 상기 (b) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 비교되는 단계; (h) 상기 (g) 단계에서, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 개방되는 단계; (i) 새로운 제1 압력 및 새로운 제2 압력이 측정되고, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 다시 비교되는 단계; (j) 상기 (i) 단계에서, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 폐쇄되는 단계를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 방법은, 상기 (g) 단계에서, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 상기 방법이 종료된다.
또한, 바람직하게는, 본 개시의 방법은, (k) 상기 (i) 단계에서, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이상인 것으로 판단되면, 상기 (h) 단계가 반복되는 단계를 더 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 매니폴드는 복수의 인렛포트를 포함함으로써, 짧은 시간에 수소차량을 충전할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 의한 매니폴드는, 충전 속도가 증가하면서도 구조적 안정성이 유지된다는 효과가 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드를 구비한 수소차량이 충전될 때를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량의 충전용 매니폴드의 정면사시도이다.
도 3은 도 2의 매니폴드를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 본 종단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량이 정상적으로 충전되는 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량 충전이 완료된 후, 전원이 인가되는 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량이 충전될 때, 복수의 아웃렛포트 간에 차압이 발생한 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드를 이용하여 수소차량을 충전하는 동안 압력 균형을 유지하는 방법이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 개시에서, 수소차량은 6개의 수소탱크(T)를 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단순한 예시에 불과하며, 차량의 제원에 따라 수소탱크(T)의 용량 및 개수는 상이해질 수 있음에 유의한다. 이에, 본 개시에 따른 매니폴드(10)의 아웃렛포트가 6개인 것으로 도시되었으나, 이 또한 차량의 제원에 따라 개수가 상이해질 수 있음에 유의한다.
또한, 본 개시에서, "전방(upstream)"은, 도 3에서 인렛포트로 유입된 유체가 아웃렛포트까지 유동할 때, 상대적으로 이동거리가 짧은 지점을 의미한다.
또한, 본 개시에서, "후방(downstream)"은, 도 3에서 인렛포트로 유입된 유체가 아웃렛포트까지 유동할 때, 상대적으로 이동거리가 긴 지점을 의미한다. 한편, 본 개시에서 전방 및 후방은 인접한 영역을 의미할 뿐만 아니라, 이격된 지점이라도 이동거리가 상이한 지점을 가리킬 수 있음에 유의한다.
또한, 본 개시에서, 유로의 용이한 구분을 위하여, 도 3 내지 도 6에서 각 유로를 실선, 파선, 1점 쇄선 및 2점 쇄선으로 도시되었으며, 실제 유로의 형상과는 상이할 수 있음에 유의한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드를 구비한 수소차량이 충전될 때를 개념적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 연료공급부(1)으로부터 매니폴드(10)를 거쳐, 복수의 수소탱크(T)에 수소가 유입되면서, 복수의 수소탱크(T)가 충전된다.
연료공급부(1)은 수소충전소에 구비되는 수소 주입장치를 의미한다. 연료공급부(1)은 하나 이상의 주입구를 포함하며, 주입구는 수소차량(미도시)에 체결된다.
매니폴드(10)에는 유입된 수소가 일시적으로 머무르며, 머무르던 수소는 복수의 수소탱크(T)로 분배된다. 본 개시에서, 연료공급부(1)으로부터 복수의 수소탱크(T)에 수소가 제공되는 과정을 수소충전이라고 일컫는다.
매니폴드(10)에 유입된 수소는 두 개의 유로를 통해 복수의 수소탱크(T)에 공급된다. 한편, 본 개시는 이에 한정될 것은 아니며, 인렛포트 및 아웃렛포트의 수에 따라 적절히 변경될 수 있음에 유의한다.
수소충전이 종료되면, 연료공급부(1)의 주입구는 수소차량으로부터 탈거된다. 이후에, 수소차량에 전원이 인가되면, 복수의 수소탱크(T)로부터 토출된 수소가 매니폴드(10)를 통해 연료전지(미도시)로 공급된다.
한편, 복수의 수소탱크(T)는, 개당 5 kg 이상의 용량을 수용하도록 구성되며, 도 1에서와 같이 6개의 수소탱크(T)를 포함하는 차량은, 예컨대, 수소트럭, 수소버스, 수소화물차량 등 대형 차량일 것이다.
매니폴드의 구조
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량의 충전용 매니폴드의 정면사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드(10)는 하우징(100), 하우징(100)의 일 측면에 형성되는 제1 인렛포트(111; 도 3 참조), 복수의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123; 도 3 참조) 및 제1 압력센서(161)를 포함한다.
또한, 하우징의 타 측면에 형성된 제2 인렛포트(112), 복수의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 및 제2 압력센서(162)를 포함한다.
또한, 하우징(100)에 장착되는 제1 솔레노이드 밸브(151), 제2 솔레노이드 밸브(152) 및 레귤레이터 장착부(170)를 포함한다.
제1 인렛포트(111) 및 제2 인렛포트(111)는 연료공급부(1)의 주입구가 장착되도록 구성된다. 연료공급부(1)으로부터 토출된 수소는 제1 인렛포트(111) 및 제2 인렛포트(111)를 통해 매니폴드(10)의 내부로 유입될 수 있다.
본 개시에 의한 매니폴드(10)가 두 개의 인렛포트(111, 112)를 포함하기에, 매니폴드(10)를 통해 수소탱크(T)에 유입되는 유량은 두 배가 될 수 있다. 이로 인해, 충전속도가 하나의 포트만을 구비한 경우보다 두 배 증가된다는 효과가 있다.
하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 각각에는 복수의 수소탱크(T)가 장착되도록 구성된다. 매니폴드(10)의 내부로 유입된 수소가 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)를 통해 복수의 수소탱크(T)의 내부로 유입될 수 있다.
제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)는 유로를 개폐하도록 구성된다. 한편, 제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)의 작동과 관련하여, 도 6 내지 도 7에서 상세히 설명하도록 한다.
제1 압력센서(161) 및 제2 압력센서(162)는 유로의 내부압력을 센싱하도록 구성된다. 제1 압력센서(161) 및 제2 압력센서(162)의 배치와 관련하여, 도 3에서 상세히 설명하도록 한다.
레귤레이터 장착부(170)는 하우징(100)의 일 면에 형성되며, 본 개시에 따르면 하우징(100)의 상면에 형성되는 것으로 도시되었다. 그러나, 본 개시는 반드시 이에 한정되지 아니하며, 측면 또는 하면에도 형성될 수 있음에 유의한다.
레귤레이터 장착부(170)는, 제2 혼합유로(142, 도 3 참조)와 유체연통하도록 구성된다.
레귤레이터 장착부(170)에는 레귤레이터(2, 도 5 참조)가 장착된다. 복수의 수소탱크(T)로부터 토출된 수소는, 매니폴드(10)를 통해 레귤레이터(2)에 공급된다. 레귤레이터(2)는 유입되는 유체의 압력을 강하시키도록 구성되며, 레귤레이터(2)의 상세한 구조 및 기능은 공지된 것인바, 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 도 2의 매니폴드를 Ⅱ-Ⅱ'를 따라 본 종단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 의한 매니폴드(10)는, 제1 인렛유로(131), 제2 인렛유로(132), 제1 혼합유로(141), 제2 혼합유로(142) 및 제3 혼합유로(143)를 더 포함한다.
제1 인렛포트(111)의 내부에는 제1 체크밸브(111a)가 배치될 수 있다. 이로 인해, 제1 인렛포트(111)로 유입되는 수소는 역류하지 않고, 매니폴드(10)의 내부로 안정적으로 제공될 수 있다.
또한, 제2 인렛포트(111)의 내부에는 제2 체크밸브(112a)가 배치될 수 있다. 이로 인해, 제2 인렛포트(111)로 유입되는 수소는 역류하지 않고, 매니폴드(10)의 내부로 안정적으로 제공될 수 있다.
제1 인렛유로(131)는 하우징(100)의 내부에 형성되며, 제1 인렛포트(111) 및 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123)의 사이를 연결한다.
제1 인렛유로(131)는 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123)의 개수에 따라 형상이 상이해질 수 있다. 만약, 하우징(100)에 형성된 제1 아웃렛포트(121)가 하나라면, 제1 인렛유로(131)는 분기되지 않는 형상일 것이다. 또는, 제1 아웃렛포트(121, 122)가 두 개라면, 제2 인렛유로(132)는 두 개의 유로를 향해 분기되는 형상일 것이다.
제2 인렛유로(132)는 하우징(100)의 내부에 형성되며, 제2 인렛포트(111) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)의 사이를 연결한다.
제2 인렛포트(111)의 형상에 관한 설명은 제1 인렛포트(111)에 관한 설명으로 갈음한다.
제1 혼합유로(141)는 하우징(100)의 내부에 형성되며, 제1 인렛유로(131) 상의 일 지점 및 제2 인렛유로(132) 상의 일 지점을 연결한다. 이때, 제1 혼합유로(141)에 의해 형성되는 제1 인렛유로(131) 상의 일 지점은, 하나 이상의 제1 인렛포트(111)의 전방에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 제1 혼합유로(141)에 의해 형성되는 제2 인렛유로(132) 상의 일 지점 역시, 하나 이상의 제2 인렛포트(111)의 전방에 배치되는 것이 바람직하다.
제1 혼합유로(141) 상에는 제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)가 배치된다.
제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)는, 제1 혼합유로(141)를 개폐하도록 구성된다.
제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)는, 바람직하게는 노멀클로즈타입(normal close type)일 수 있다. 이로 인해, 제1 솔레노이드 밸브(151) 또는 제2 솔레노이드 밸브(152)에 전원이 인가되지 않은 상태에서, 제1 혼합유로(141)를 폐쇄된다. 한편, 제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152)에 전원이 인가되면 제1 혼합유로(141)는 개방된다. 한편, 본 개시에 의한 솔레노이드 밸브들(151, 152)는 반드시 노멀클로즈타입일 필요는 없으며, 요구되는 사양에 따라 노멀오픈타입(normal open type)일 수 있음에 유의한다.
제2 혼합유로(142)는 하우징(100)의 내부에 형성되며, 제1 인렛유로(131) 상의 다른 지점 및 제2 인렛유로(132) 상의 다른 지점을 연결한다. 여기서, 제1 인렛유로(131) 상의 다른 지점은, 제1 혼합유로(141)에 의해 형성되는 제1 인렛유로(131) 상의 일 지점보다 후방에 형성된다.
또한, 제2 인렛유로(132) 상의 다른 지점은, 제1 혼합유로(141)에 의해 형성되는 제2 인렛유로(132) 상의 일 지점보다 후방에 형성된다.
한편, 제1 인렛유로(131) 상의 다른 지점에는, 제1 압력센서(161)가 배치될 수 있다. 제1 압력센서(161)에 의해, 제1 인렛유로(131) 내부에서 유동하며, 제1 인렛포트(111)로 유입되어 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123)로 유동하는 수소의 압력이 측정될 수 있다. 이때, 제1 압력센서(161)는 제1 인렛유로(131)가 분기되는 지점보다 전방인 지점일 것이다. 이로 인해, 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123)에 공급되는 수소의 총 압력을 알 수 있다.
제1 압력센서(161)가 제1 인렛유로(131) 상에 장착되는 부분에는, 제3 체크밸브(161a)가 배치된다. 제3 체크밸브(161a)는 제1 인렛유로(131)에 유동하는 수소의, 제2 혼합유로(142)로의 유동을 허용하고, 반대 방향의 유동은 차단하도록 구성된다.
또한, 제2 인렛유로(132) 상의 다른 지점에는, 제2 압력센서(162)가 배치될 수 있다. 제2 압력센서(162)에 의해, 제2 인렛유로(132) 내부에서 유동하며, 제2 인렛포트(111)로 유입되어 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)로 유동하는 수소의 압력이 측정될 수 있다. 이때, 제2 압력센서(162)는 제2 인렛유로(132)가 분기되는 지점보다 전방인 지점일 것이다. 이로 인해, 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)에 공급되는 수소의 총 압력을 알 수 있다.
제2 압력센서(162)가 제2 인렛유로(132) 상에 장착되는 부분에는, 제4 체크밸브(162a)가 배치된다. 제4 체크밸브(162a)는 제2 인렛유로(132)에 유동하는 수소의, 제2 혼합유로(142)로의 유동을 허용하고, 반대 방향의 유동은 차단하도록 구성된다.
제3 혼합유로(143)는 하우징(100)의 내부에 형성되며, 제1 혼합유로(141) 상의 일 지점 및 제2 혼합유로(142) 상의 일 지점을 연결한다.
이때, 제1 혼합유로(141) 상의 일 지점은, 제1 솔레노이드 밸브(151) 및 제2 솔레노이드 밸브(152) 사이에 형성된다.
매니폴드를 이용한 충전 및 방전방법
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량이 정상적으로 충전되는 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
도 4를 참조하여, 수소차량이 정상적으로 충전되는 경우를 설명한다.
제1 인렛포트(111)로 유입된 수소는, 제1 인렛유로(131)를 통해 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 측으로 유동한다. 한편, 정상 충전 시에는, 제1 솔레노이드 밸브(151)가 폐쇄되어 있는바, 제1 인렛유로(131) 및 제1 혼합유로(141)의 유체소통은 단절된다.
이때, 제1 압력센서(161)는, 제1 인렛유로(131)의 내부를 유동하는 수소의 압력을 센싱한다. 제1 압력센서(161)에 의해 센싱된 제1 압력은, 수소차량의 내부에 구비되는 ECU(electrical control unit, 미도시)에 전기적 신호로 전달될 수 있다.
제2 인렛포트(111)로 유입된 수소는, 제2 인렛유로(132)를 통해 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 측으로 유동한다. 한편, 정상 충전 시에는, 제2 솔레노이드 밸브(152)가 폐쇄되어 있는바, 제2 인렛유로(132) 및 제1 혼합유로(141)의 유체소통은 단절된다.
이때, 제2 압력센서(162)는, 제2 인렛유로(132)의 내부를 유동하는 수소의 압력을 센싱한다. 제2 압력센서(162)에 의해 센싱된 제2 압력은, ECU에 전기적 신호로 전달될 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량 충전이 완료된 후, 전원이 인가되는 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하여, 수소차량의 충전이 완료된 후, 수소탱크(T)로부터 레귤레이터(2)를 향해 수소가 방전될 때의, 매니폴드(10)의 내부에서 수소 유동을 설명한다.
수소 충전이 완료되고, 수소차량에 전원이 인가되면, 수소탱크(T)의 내부에 저장된 수소가 수소차량의 연료전지(미도시)에 전달된다. 이때, 수소는 고압의 유체이므로, 바람직하게는, 레귤레이터(2)를 통해 감압된 채로 연료전지에 전달된다.
구체적으로, 하나 이상의 제1 인렛포트(111)를 통해 유입된 수소는, 제1 인렛유로(131)로 유입된다.
또한, 하나 이상의 제2 인렛포트(111)를 통해 유입된 수소는, 제2 인렛유로(132)로 유입된다.
하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)로부터 유입된 수소는, 제2 혼합유로(142)로 유입된다. 제2 혼합유로(142)로 유입된 수소는 레귤레이터(2)에 공급된다.
한편, 본 개시에서는 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)를 통해 유입된 수소가 레귤레이터(2)에 제공되는 예시를 설명하였다. 그러나, 본 개시는 반드시 이에 한정되지 아니하고, 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 및 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 중 어느 한 쪽으로부터만 수소가 공급되는 예시도 가능할 것이다.
매니폴드를 이용한 충전 시, 압력평형을 유지하는 방법
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 수소차량이 충전될 때, 복수의 아웃렛포트 간에 차압이 발생한 경우, 수소차량의 충전용 매니폴드 내부의 유동을 나타낸 것이다.
본 개시에서 차압이 발생한 경우는, 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123)에 연결된 수소탱크(T)의 내부 유압의 합이 500 bar이고, 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126)에 연결된 수소탱크(T)의 내부 유압의 합이 400 bar인 것을 상정하여 설명한다. 즉, 제1 압력센서(161)에 의해 센싱된 제1 압력이 500 bar이고, 제2 압력센서(162)에 의해 센싱된 제2 압력이 400 bar인 경우이다.
제1 압력이 제2 압력보다 큰 것으로 판단되면, 제1 솔레노이드 밸브(151)는 폐쇄된다. 이때, 제3 체크밸브(161a)는, 제1 인렛유로(131)로부터 제2 혼합유로(142)에의 유체소통을 허용한다. 한편, 반대 방향의 유체소통은 제3 체크밸브(161a)에 의해 차단된다.
또한, 제2 솔레노이드 밸브(152)는 개방된다. 이때, 제4 체크밸브(162a)는, 제2 인렛유로(132)로부터 제2 혼합유로(142)에의 유체소통을 허용한다. 한편, 반대 방향의 유체소통은 제3 체크밸브(161a)에 의해 차단된다.
이로 인해, 제1 인렛포트(111)로 유입된 수소의 적어도 일부는, 제2 혼합유로(142), 제3 혼합유로(143) 및 제1 혼합유로(141)를 순차적으로 유동하여, 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 측으로 유입된다.
따라서, 하나 이상의 제1 아웃렛포트(121, 122, 123) 측의 수소탱크(T)의 압력 합과 하나 이상의 제2 아웃렛포트(124, 125, 126) 측의 수소탱크(T)의 압력 합은 압력평형에 의해 동일해질 수 있다.
한편, 상기한 수치는 설명의 편의를 위함이며, 상기한 수치들은 달라질 수 있음에 유의한다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 매니폴드를 이용하여 수소차량을 충전하는 동안 압력 균형을 유지하는 방법이다.
도 7을 참조하여, 매니폴드(10)를 이용하여 압력 균형이 유지되는 과정에 관해 설명한다.
충전이 개시된 후, 제1 압력센서(161)에 의해 제1 압력이 측정되고, 제2 압력센서(162)에 의해 제2 압력이 측정된다(S700).
제1 압력 및 제2 압력에 관한 정보는 수소차량에 구비되는 ECU(미도시)에 전기적 신호로 전달되고, ECU에 의해 제1 압력 및 제2 압력의 값이 비교된다. 구체적으로, 제1 압력에서 제2 압력을 뺀 값과 기준압력이 비교된다(S710). 이때, 기준 압력은 제조자 또는 사용자에 의해 입력된 값이며, 차량의 제원에 따라 변경될 수 있는 값에 해당한다.
제1 압력에서 제2 압력을 뺀 값이, 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 제2 솔레노이드 밸브가 개방된다(S711).
이후에, 제1 압력센서(161)에 의해 새로운 제1 압력이 측정되고, 제2 압력센서(162)에 의해 새로운 제2 압력이 측정된다. 이후, ECU에 의해 새로운 제1 압력에서 새로운 제2 압력을 뺀 값과 기준압력이 다시 비교된다(S712).
새로운 제1 압력에서 새로운 제2 압력을 뺀 값이, 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 제2 솔레노이드 밸브(152)는 폐쇄된다(S713).
한편, S712 단계에서, 새로운 제1 압력에서 새로운 제2 압력을 뺀 값이, 기준압력 이상인 것으로 판단되면, S711의 단계가 반복된다.
한편, 상기한 S710 내지 S713 단계에서 제1 솔레노이드 밸브(151)는 폐쇄된 상태이다.
S710 단계에서, 제1 압력에서 제2 압력을 뺀 값이 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 제2 압력에서 제1 압력의 값을 뺀 값이 기준압력과 비교된다(S720).
제2 압력에서 제1 압력을 뺀 값이 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 제1 솔레노이드 밸브(151)는 개방된다(S721).
S720 단계에서, 제2 압력에서 제1 압력을 뺀 값이 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 본 개시에 의한 압력 평형 유지 방법은 종료된다. 즉, 제1 압력 및 제2 압력의 차이가 기준압력 이내인 것으로 판단되어, 압력 평형을 유지할 필요가 없다고 판단되기에, 압력 평형 유지 방법이 종료되는 것이다.
S721 단계 이후에, 제1 압력센서(161)에 의해 새로운 제1 압력이 측정되고, 제2 압력센서(162)에 의해 새로운 제2 압력이 측정된다. 이후, ECU에 의해 새로운 제2 압력에서 새로운 제1 압력을 뺀 값과 기준압력이 다시 비교된다 (S722).
새로운 제2 압력에서 새로운 제1 압력을 뺀 값이, 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 제1 솔레노이드 밸브(151)는 폐쇄된다 (S723).
한편, S722 단계에서 새로운 제2 압력에서 새로운 제1 압력을 뺀 값이 기준압력 이상인 것으로 판단되면, S721 단계가 반복된다.
한편, 상기한 S720 내지 S723 단계에서 제2 솔레노이드 밸브(152)는 폐쇄된 상태이다.
본 개시에 의한 매니폴드(10)는, 충전되는 수소탱크(T)들 간에 차압이 발생하는 경우, 압력평형이 유지될 수 있기에, 충전 속도가 증가하면서도 안전하다는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 연료공급부
2: 레귤레이터
10: 매니폴드
100: 하우징
111: 제1 인렛포트
112: 제2 인렛포트
121, 122, 123: 제1 아웃렛포트
124, 125, 126: 제2 아웃렛포트
131: 제1 인렛유로
132: 제2 인렛유로
141: 제1 혼합유로
142: 제2 혼합유로
143: 제3 혼합유로
151: 제1 솔레노이드 밸브
152: 제2 솔레노이드 밸브
161: 제1 압력센서
162: 제2 압력센서
170: 레귤레이터 장착부

Claims (10)

  1. 복수의 수소탱크를 포함하는 수소차량의 충전용 매니폴더로서,
    하우징;
    상기 하우징의 일 측면에 형성되는 제1 인렛포트;
    상기 하우징의 타 측면에 형성되는 제2 인렛포트;
    상기 하우징의 상기 일 측면에 형성되는 하나 이상의 제1 아웃렛포트;
    상기 하우징의 상기 타 측면에 형성되는 하나 이상의 제2 아웃렛포트;
    상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛포트 및 상기 하나 이상의 제1 아웃렛포트 사이를 연결하는 제1 인렛유로;
    상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제2 인렛포트 및 상기 하나 이상의 제2 아웃렛포트 사이를 연결하는 제2 인렛유로;
    상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛유로 상의 일 지점 및 상기 제2 인렛유로 상의 일 지점을 연결하는 제1 혼합유로;
    상기 하우징의 내부에 형성되며, 상기 제1 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 지점 및 상기 제2 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 지점을 연결하는 제2 혼합유로;
    상기 제1 혼합유로 상에 배치되는 제1 솔레노이드 밸브;
    상기 제1 혼합유로 상에 배치되되, 상기 제1 솔레노이드 밸브보다 상기 제2 인렛유로 상에 인접하여 배치되는 제2 솔레노이드 밸브;
    상기 제1 혼합유로 상에서 상기 제1 솔레노이드 밸브 및 상기 제2 솔레노이드 밸브 사이에 형성되는 일 지점 및 상기 제2 혼합유로 상의 일 지점을 연결하는 제3 혼합유로;
    상기 제1 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제1 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제1 압력센서; 및
    상기 제2 인렛유로 상의 상기 일 지점의 후방에 형성된 상기 지점에 배치되며, 상기 제2 인렛유로의 내부 유압을 센싱하도록 구성된 제2 압력센서를 포함하는,
    매니폴드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소차량이 충전되는 동안,
    상기 제1 압력센서로부터 센싱된 제1 압력이, 상기 제2 압력센서로부터 센싱된 제2 압력보다 크면,
    상기 제1 솔레노이드 밸브가 폐쇄되고,
    상기 제2 솔레노이드 밸브는 개방되는,
    매니폴드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소차량이 충전되는 동안,
    상기 제1 압력센서로부터 센싱된 제1 압력이, 상기 제2 압력센서로부터 센싱된 제2 압력보다 작으면,
    상기 제1 솔레노이드 밸브가 개방되고,
    상기 제2 솔레노이드 밸브는 폐쇄되는,
    매니폴드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수소차량의 충전이 완료되면,
    상기 하나 이상의 제1 아웃렛포트로부터 유입되는 유체는 상기 제1 인렛유로, 상기 제1 압력센서 및 상기 제2 혼합유로를 순차적으로 유동하며,
    상기 하나 이상의 제2 아웃렛포트로부터 유입되는 유체는, 상기 제2 인렛유로, 상기 제2 압력센서 및 상기 제2 혼합유로를 순차적으로 유동하고,
    상기 제2 혼합유로로 유입된 유체는 상기 수소차량에 구비되는 레귤레이터를 향해 유동하는,
    매니폴드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 솔레노이드 밸브 및 상기 제2 솔레노이드 밸브는, 노멀클로즈타입인 것을 특징으로 하는,
    매니폴드.
  6. 제1항에 따른 매니폴드를 이용하여 수소차량을 충전하는 동안 압력 균형을 유지하는 방법으로서,
    (a) 상기 제1 압력센서에 의해 상기 제1 인렛유로의 내부 유압인 제1 압력 및 상기 제2 압력센서에 의해 상기 제2 인렛유로의 내부 유압인 제2 압력이 측정되는 단계;
    (b) 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 기준압력과 비교되는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 상기 제2 솔레노이드 밸브가 개방되는 단계;
    (d) 새로운 제1 압력 및 새로운 제2 압력이 측정되고, 상기 새로운 제1 압력에서 상기 새로운 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 다시 비교되는 단계;
    (e) 상기 (d) 단계에서, 상기 새로운 제1 압력에서 상기 새로운 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 상기 제2 솔레노이드 밸브가 폐쇄되는 단계를 포함하는,
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    (f) 상기 (d) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이상인 것으로 판단되면, 상기 (c) 단계가 반복되는 단계를 더 포함하는,
    방법.
  8. 제6항에 있어서,
    (g) 상기 (b) 단계에서, 상기 제1 압력에서 상기 제2 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 비교되는 단계;
    (h) 상기 (g) 단계에서, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 큰 것으로 판단되면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 개방되는 단계;
    (i) 새로운 제1 압력 및 새로운 제2 압력이 측정되고, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력과 다시 비교되는 단계;
    (j) 상기 (i) 단계에서, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력보다 작은 것으로 판단되면, 상기 제1 솔레노이드 밸브가 폐쇄되는 단계를 포함하는,
    방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 상기 제2 압력에서 상기 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이하인 것으로 판단되면, 상기 방법이 종료되는,
    방법.
  10. 제8항에 있어서,
    (k) 상기 (i) 단계에서, 상기 새로운 제2 압력에서 상기 새로운 제1 압력을 뺀 값이 상기 기준압력 이상인 것으로 판단되면, 상기 (h) 단계가 반복되는 단계를 더 포함하는,
    방법.
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