KR102554368B1 - 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 수소 엔진 자동차 등 수소를 연료로 사용하는 차량에 탑재되는 수소 연료탱크에 수소를 충전하기 위한 수소 충전소에 설치되며, 수소 연료탱크로 공급할 수소를 냉각시키는 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 충전소의 수소 냉각 시스템은, 수소와 냉매를 상호 열교환시켜 수소를 냉각시키는 수소 냉각기;를 포함하고, 상기 수소 냉각기의 내부는, 상기 수소의 유동 구역이 N개로 분할되며, 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 의해 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 수소 냉각기의 운전모드를 전환하는 제어부;를 포함하여, 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역으로 냉매가 유동할 수 없더라도, 수소를 목표 온도까지 목표 시간 범위 내에 냉각시킬 수 있다.

Description

수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법 {Hydrogen Pre-cooling System and Method of Hydrogen Station}
본 발명은, 수소 엔진 자동차 등 수소를 연료로 사용하는 차량에 탑재되는 수소 연료탱크에 수소를 충전하기 위한 수소 충전소에 설치되며, 수소 연료탱크로 공급할 수소를 냉각시키는 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근, 이산화탄소 배출량을 억제하는 등 환경 문제에 대응하기 위하여, 연료전지 자동차나 수소 엔진 자동차 등 수소를 연료로 하는 수소 연료 차량의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 수소 연료 차량은 차량에 수소를 저장하는 수소 연료탱크가 설치되고, 수소 연료탱크에 충전된 수소를 연료전지 등에 공급하여 구동력을 발생시킨다.
수소 연료탱크에는 약 350 bar 또는 약 700 bar 정도의 압력으로 수소가 충전되어 있지만, 수소가 연료로서 소비됨에 따라, 수소 연료탱크의 내압이 줄어들어, 연료전지 등으로 수소를 공급할 수 없게 된다. 따라서, 수소 연료탱크에는 수소의 재충전을 할 필요가 발생한다. 따라서, 수소 연료 차량의 보급을 촉진하기 위해서는, 주유소와 같은, 수소 연료 차량에 수소를 안정적으로 충전하기 위한 수소 충전소가 필수적인 인프라 설비로 부상하고 있다.
종래에는, 수소 연료 차량에 수소 충전에 있어서, 수소 탱크를 탑재한 트레일러로 100 bar의 고압 수소를 운송하고, 수소 충전소 내 압축기로 수소를 400 bar로 압축하여 임시 저장한 후, 임시 저장된 수소를 700 bar 또는 그 이상의 압력으로 더 압축하여 수소 연료 차량에 주입하는 방법이 제안된 바 있다.
그런데, 수소 충전소의 수소 저장탱크에 저장된 고압 압축 수소를 수소 연료 차량에 탑재된 수소 연료탱크에 충전할 때, 수소가 발열하는 것으로 알려져있다. 이는 수소가 수소 연료탱크로 공급될 때, 상온 부근에서 급격하게 팽창함으로써 수소의 온도가 상승하는 수소의 특성에 의한 것이다.
수소 기체는, 천연가스와 달리, 줄-톰슨 효과의 역전 온도가 약 -80℃ 이하로, 상온 이하이므로, 상온의 압축 수소를 팽창시키면, 수소 기체가 흡열하지 않고 발열함으로써, 수소 기체의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 수소 연료탱크로 수소를 충전할 때에는, 수소 탱크 내 단열압축에 의한 발열과 수소 연료탱크보다 압력이 높은 수소 충전소의 수소 저장탱크로부터 공급된 수소가 수소 연료탱크 내에서 팽창함에 의한 발열이 동시에 일어나므로, 수소 연료탱크 내 수소 및 수소 연료탱크 자체의 온도 상승을 고려해야 한다.
즉, 수소 충전소의 수소 저장탱크로부터 수소 연료 차량의 수소 연료탱크로 충전하는 수소는, 냉각 수단을 설치하여 냉각시켜야만 한다.
수소 충전소는 수소 연료 차량으로 수소를 충전함에 있어서, 고압의 수소 기체를 냉각시키는 수소 프리쿨링(pre-cooling)과 관련한 규제를 만족시켜야 한다. 수소 프리쿨링 규제는, 수소를 약 -35℃ 내지 -40℃로 냉각시켜 수소를 수소 연료차량에 충전함으로써, 수소 및 수소 연료탱크의 온도 상승 억제와 충전 시간 단축을 목적으로 한다.
이와 관련하여 국제 표준기구에서는 수소 충전의 안전성을 확보하기 위하여, SAE(Society of Automotive Engineers)에 의해 표준 충전속도를 제시하고 있다. SAE J2601에 따르면, 수소 연료 차량의 수소 연료탱크에는, 35MPa(약 350 bar) 또는 70MPa(약 700 bar)의 압축 수소 5kg 기준으로 약 3분 내지 5분 내에 충전을 완료해야 한다.
수소 충전소에는, 이러한 규제들을 충족시키면서 수소 연료 차량으로 수소를 냉각시켜 공급할 수 있는 냉동 능력을 갖는, 대용량의 열교환기(수소 냉각기)가 설치된다. 또한, 이러한 수소 냉각기에는 고압의 수소 기체를 냉각시키기 위한 냉매가 순환하는 냉동 사이클이 연결된다.
본 발명은, 수소 충전소의 수소 냉각기가 고장나거나 유지보수를 위해 가동시킬 수 없는 경우에도, 별도의 리던던시를 보유하지 않더라도, 수소 충전 규제를 만족시키면서 수소 연료차량으로 수소 충전을 실시할 수 있는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소와 냉매를 상호 열교환시켜 수소를 냉각시키는 수소 냉각기;를 포함하고, 상기 수소 냉각기의 내부는, 상기 수소의 유동 구역이 N개로 분할되며, 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 의해 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 수소 냉각기의 운전모드를 전환하는 제어부;를 포함하여, 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역으로 냉매가 유동할 수 없더라도, 수소를 목표 온도까지 목표 시간 범위 내에 냉각시킬 수 있는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 운전모드는, 사용가능한 구역으로 정상 운전 범위의 유량으로 고압 기체수소를 공급하고, 정상 운전 범위의 유량 및 온도로 냉매를 공급하는 정상 운전 모드; 및 상기 정상 운전 모드 보다, 사용가능한 구역으로 공급하는 고압 기체수소 및 냉매의 유량 중 어느 하나 이상을 증가시키거나, 더 낮은 온도의 냉매를 공급하는 피크 운전 모드;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 감지부를 통해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 사용할 수 없음을 감지하면, 사용할 수 없는 구역의 수소 및 냉매 유로를 차단하고, 피크 운전 모드로 전환할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는, 상기 감지부를 통해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 사용할 수 없음을 감지하면, 사용할 수 없는 구역의 냉매 유로를 차단하고, 피크 운전 모드로 전환할 수 있다.
바람직하게는, 상기 감지부는, 상기 냉매 유로의 압력을 측정하는 압력 측정기; 상기 냉매 유로의 온도를 측정하는 냉매 온도 측정기; 상기 수소 유로의 온도를 측정하는 수소 온도 측정기; 및 상기 냉매를 압축하는 압축기의 운전 전류량을 측정하는 전류 측정기; 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 수소와 냉매를 상호 열교환시켜 수소를 냉각시키는 수소 냉각기의 내부는, 상기 수소의 유동 구역을 N개로 분할하고, 상기 N개의 구역으로 냉매를 각각 순환시키며, 수소의 온도, 냉매의 온도 및 냉매의 압력 중 어느 하나 이상을 측정하여, 측정값에 의해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 수소 냉각기의 운전을 정지하지 않고, 상기 N개의 구역으로 분배하는 수소의 유량, 냉매의 유량 및 냉매의 온도 중 어느 하나 이상을 제어하여, 수소를 목표 온도까지 목표 시간 범위 내에 냉각시킬 수 있는, 수소 충전소의 수소 냉각 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 열교환에 사용할 수 없는 구역과 연결된 냉매 유로를 분리하고, 사용 가능한 나머지 구역에서 수소를 냉각시키는 동안, 유지보수를 완료한 후, 상기 냉매 유로를 상기 수소 냉각기와 다시 연결하여, N개의 구역을 모두 사용하여 수소를 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따른 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 방법은, 수소 냉각기의 내부 구역을 분할하여 운용함으로써, 고장이나 유지보수 등을 위해 가동을 멈추는 일 없이, 충전 규격을 충족시키면서 수소 연료 차량으로 수소를 충전시킬 수 있다.
또한, 수소 냉각기의 리던던시를 보유하지 않아도 되므로, 설치 및 부지에 따른 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 냉각기를 포함하는 수소 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 냉각기를 포함하는 수소 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 냉각기를 포함하는 수소 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 냉각기를 포함하는 수소 냉각 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전소의 수소 냉각 시스템 및 수소 냉각 방법을 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전소의 수소 냉각 시스템은, 고압으로 압축된 기체 수소(H2)를 저장하는 고압수소 탱크부(미도시); 고압수소 탱크부에 저장된 고압의 수소를 외부 충전 대상체, 즉 수소 연료 차량(미도시)에 구비된 수소 연료탱크(미도시)와 같은 수소 수요처에 충전하는 고압수소 주입부(미도시); 및 고압수소 탱크부로부터 고압수소 주입부로 공급하는 수소를 냉각시키는 수소 냉각기(32);를 포함한다. 고압수소 탱크부에 저장된 고압의 수소는 약 350 bar 또는 약 700 bar 또는 그 이상의 압력으로 수소 연료 차량으로 공급될 수 있다.
본 실시예의 고압수소 탱크부에는, 초고압 상태의 기체 수소가 저장된다. 고압수소 탱크부는, 고압 기체 상태의 수소가 다수로 독립된 저장공간인 압축수소 저장탱크에 동일한 압력으로 나뉘어 저장되도록, 용량이 동일한 다수개의 고압 수소탱크들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 고압수소 탱크부는, 독립된 밀폐형 저장공간을 갖는 6개의 고압 수소탱크로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, 수소 충전소의 규모나 설치 환경 등에 따라 유동적일 수 있다.
또한, 고압 수소탱크는, 내부 탱크와 외부 탱크 사이 공간을 단열재로 충전한 이중 탱크 형태 또는 수소 연료차량에 탑재되는 경량 고압탱크로 구성될 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)에는 고압수소 탱크부로부터 고압수소 주입부로 수소가 유동하는 수소 유로(L2); 및 수소 유로(L2)를 따라 유동하는 수소를 냉각시키기 위한 냉매가 유동하는 냉매 유로(L11, L12, L13, L14);가 연결된다.
수소 냉각기(32)에서 수소를 냉각시키는 냉매로서는, 후술하는 냉동기(C1, C2, C3, C4)를 순환하는 냉매를 사용할 수 있다.
수소 충전소에서 수소를 저장하는 방법으로는 일반적으로, 수소를 액체상태로 저장하거나, 고압으로 압축한 기체상태로 저장하는 방법이 있다. 수소를 액체상태로 저장하는 경우, 액체수소 저장탱크에 극저온의 액체상태로 저장된 수소를, 초임계 상태로 압축하고, 기화시킨 후 곧바로 수소 연료 차량으로 공급하거나 기화시킨 기체수소를 임시 저장탱크에 저장한 뒤 더 압축하여 수소 연료 차량으로 공급할 수도 있다.
수소를 액체상태로 저장하는 방법이나 고압 기체상태로 저장하는 방법이나, 수소 저장탱크로부터 수소 연료탱크로 수소를 충전해주기 위해서는, 수소가 고압의 수소 저장탱크로부터 저압의 수소 연료탱크로 주입되면서 온도가 상승하는 특성 때문에, 고압 기체수소를 냉각시키는 냉각 시스템 및 방법이 동일하게 적용될 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는, 수소 충전소에 수소가 고압의 기체상태로 저장되고, 수소 냉각기(32)에서 냉각된 후 수소 연료 차량으로 충전되는 것을 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 냉각기(32) 및 수소 냉각 시스템은, 액체상태로 수소를 저장하는 수소 충전소에도 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 냉각 시스템은, 수소 냉각기(32)로, 고압 기체수소를 냉각시키기 위한 냉매를 순환시키는 냉동기(chiller)(C1, C2, C3, C4);를 포함한다. 본 실시예에서, 수소 냉각기(32)와 냉동기(C1, C2, C3, C4)는 냉동 사이클을 형성하는 구성요소가 되며, 즉, 수소 냉각기(32)와 냉동기(C1, C2, C3, C4)는 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)에 의해 연결되어 냉동 사이클을 형성한다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)는 다수개의 열교환 구역으로 분할되는 것을 특징으로 하며, 분할된 각 구역은 냉동기가 각각 연결되어, 냉동기로부터 냉매가 각각 순환되는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, G1, G2, G3 및 G4 등 4개의 구역으로 분할된 것을 예로 들어 도시하였다. 수소 냉각기(32)의 내부 구조를 분할함에 따른 구역의 수는 특별히 한정하지는 않으며, 2 이상의 N개의 구역으로 분할될 수 있다.
또한, N개의 열교환 구역은 N개의 냉동기(C1, C2, C3, C4)가 각각 연결되며, 따라서, 본 실시예의 수소 냉각 시스템은, N개의 냉동 사이클이 형성되고, N개의 냉동 사이클은 수소 냉각기(32)를 통과한다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)의 각 구역을 순환하는 냉동 사이클이 각각 형성되더라도, 각 구역을 순환하는 냉매는 동일한 냉매일 수 있다. 다만, 그 온도 및 유량 등은 다르게 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 냉매는 R507, R508B, CO2 등을 포함하는 군에서 선택되는 어느 1종의 단일냉매, 또는 2종 이상의 냉매를 소정의 비율로 혼합한 혼합냉매일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)를 통해 수소 냉각기(32)로 저온의 냉매가 유동하면서, 고압 기체수소와 냉매가 직접 열교환하는 것을 예로 들어 설명하지만, 2차 냉매에 의해 냉각된 열전달 매체가 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)를 통해 수소 냉각기(32)로 순환되면서, 고압 기체수소와 냉매가 간접 열교환하도록 구성될 수도 있을 것이다.
이때, 2차 냉매는, CO2, 프로필렌글리콜, 알코올 등을 포함하는 군에서 선택되는 어느 1종의 단일냉매, 또는 2종 이상의 냉매를 소정의 비율로 혼합한 혼합냉매일 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각 시스템에서 수소 유로와 냉매 유로는 1:N의 비율을 가진다. 즉, 수소 냉각기(32)로 공급되는 수소의 유로와 냉매의 유로는 1:N으로 형성되는데, 다만, 수소 냉각기(32) 내부에서 수소는 N개의 흐름으로 분할되어 N개의 구역으로 각각 분할되어 공급될 수 있다.
그러나, 수소 냉각기(32) 내부에서 수소의 흐름이 반드시 분할된 열교환 구역의 개수인 N과 동일하게 분할되는 것은 아니다. 즉, N개의 열교환 구역 중에서 어느 하나의 열교환 구역으로 수소를 공급하지 않을 수 있다,
예를 들어, 수소를 4개의 열교환 구역으로 모두 균등하게 분할 공급하여 수소를 냉각시키거나, 수소를 4개의 열교환 구역 중 어느 하나의 구역을 제외한 나머지 구역인 3개의 열교환 구역으로만 균등하게 분할 공급하여 수소를 냉각시킬 수도 있다. 수소를 4개의 열교환 구역으로 분할 공급하는 경우나, 3개의 열교환 구역으로 분할 공급하는 경우, 수소 냉각기(32)로 공급되는 수소의 유량은 동일할 수 있으며, 따라서, 3개의 열교환 구역응로 수소를 분할 공급하는 경우에는, 4개의 열교환 구역으로 분할 공급하는 경우와 비교하여, 각 구역으로 공급되는 수소의 유량이 증가할 수 있다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 수소를 N개의 열교환 구역으로 분할 공급하여 냉각시키는 경우나, N개의 열교환 구역 중 어느 하나의 구역을 제외한 나머지 열교환 구역으로 분할 공급하여 냉각시키는 경우 모두, 수소를 목표 온도까지 냉각시킬 수 있으며, 목표 시간 내에 수소를 냉각시켜 수소 연료차량으로 공급할 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 실시예의 수소 냉각 시스템에 따르면, 수소 냉각기(32)의 N개의 구역 모두의 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)로 냉매를 공급하여, 설정 시간 범위 내에 수소를 목표 온도까지 냉각시킬 수 있음은 물론이고, N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 사용할 수 없을 때에도 설정 시간 범위 내에 수소를 목표 온도까지 냉각시킬 수 있도록 하는 수의 N개로 분할될 수 있다.
본 명세서에서 '목표 온도'라 함은, 수소 냉각기에서 열교환에 의해 달성하고자 하는 고압 기체수소의 냉각 온도를 의미할 수 있다. 또한, '목표 시간' 또는 '목표 시간 범위'라 함은, 고압 기체수소를 냉각시켜 수소 연료 차량으로 충전시키고자 할 때 고압 기체수소의 냉각시키고 수소 연료 차량으로 주입하기까지 소요되는 시간 또는 고압 기체수소를 냉각시키는데 소요되는 시간을 의미할 수 있다.
본 실시예에서 '목표 온도' 및 '목표 시간'은, SAE J2601에 의해 정의되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 즉, 본 실시예에서 '목표 온도'는 약 -30℃ 내지 -40℃일 수 있고, '목표 시간'은, 약 3분 내지 5분일 수 있으며, 이는 약 350 bar, 약 700 bar 또는 그 이상의 압력을 갖는 고압 기체수소 5kg을 기준으로 한다.
그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 이와 같이, 본 발명을 실시하는 데 있어서, '목표 온도' 및 '목표 시간'은, SAE J2601에서 규제하고 있는 온도 및 시간과 같이 해당 기술 분야에서 통상의 기술자들이 인지할 수 있는 수치일 수 이며, 목표 온도 및 목표 시간에 따라 분할되는 열교환 구역의 개수 등을 변형하여 적용할 수 있을 것이다.
또한, 본 명세서에서 열교환 구역을 '사용할 수 없다'는 것의 의미는, 해당 열교환 구역으로 냉매와 고압 기체수소 중 어느 하나 이상을 공급할 수 없다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 사용할 수 없는 열교환 구역으로는, 냉매와 고압 기체수소가 모두 공급되지 않을 수도 있고, 냉매는 공급되지 않고 고압 기체수소만 공급될 수도 있다. 다만, 사용할 수 없는 열교환 구역으로 고압 기체수소만 공급되더라도, 열교환은 일어나지 않는다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)는, 내부 구조가 3개 내지 5개의 구역으로 분할될 수 있는데, 수소 냉각기(32)의 분할된 각 구역에는 각각의 냉동 사이클이 순환하므로, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서는, 본 실시예에서의 목표 온도(-30℃ 내지 -40℃) 및 목표 시간(3분 내지 5분)을 충족시키기 위한 운영비용과 설치면적 및 열교환의 효율을 고려하여, 4개의 구역으로 분할된 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
본 실시예의 냉동기(C1, C2, C3, C4)는, 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)를 따라 유동하는 냉매를 압축하는 압축기(미도시); 압축된 냉매를 응축시키는 응축기(미도시); 및 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창수단(미도시);을 포함할 수 있다. 팽창수단을 통과한 냉매는 수소 냉각기(32)로 공급되며, 수소 냉각기(32)의 각 구역은 냉매를 증발시키는 수단으로서, 냉동기(C1, C2, C3, C4)와 수소 냉각기(32)의 하나의 구역은 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)에 의해 하나의 냉동 사이클을 형성한다. 수소 냉각기(32)의 분할된 각 열교환 구역에서 고압 기체수소와 열교환하여 온도가 상승한(또는 증발된) 냉매는 압축기로 재순환된다.
또한, 본 실시예의 수소 냉각기(32) 내에서 수소 유로(L2)와 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)는 상호 향류 방향으로 유동하면서 열교환한다.
즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고압 기체수소는 수소 냉각기(32)의 하부로 유입되어 상부로 배출되고, 냉매는 수소 냉각기(32)의 상부로 유입되어 하부로 배출될 수 있고, 냉매는 수소 냉각기(32)의 상부로 유입되어 하부로 배출될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다.
수소 냉각기(32)에는, 수소 유로(L2)와 연결되며, 냉각시킬 고압 기체수소가 700 bar 또는 그 이상의 압력으로 수소 냉각기(32) 내부로 유입되도록 하는 수소 유입 포트(HI); 및 수소 냉각기(32)에서 냉각된 고압의 수소 기체가 수소 냉각기(32)로부터 배출되도록 하는 수소 배출 포트(HO);가 각각 하나씩 설치된다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 G1, G2, G3 및 G4 등 4개의 구역으로 내부 구조가 분할된 수소 냉각기(32)는, G1 구역을 순환하는 냉매의 입구인 제1 냉매 유입 포트(I1); G1 구역을 순환하는 냉매의 출구인 제1 냉매 배출 포트(O1); G2 구역을 순환하는 냉매의 입구인 제2 냉매 유입 포트(I2); G2 구역을 순환하는 냉매의 출구인 제2 냉매 배출 포트(O2); G3 구역을 순환하는 냉매의 입구인 제3 냉매 유입 포트(I3); G3 구역을 순환하는 냉매의 출구인 제3 냉매 배출 포트(O3); G4 구역을 순환하는 냉매의 입구인 제4 냉매 유입 포트(I4); 및 G4 구역을 순환하는 냉매의 출구인 제4 냉매 배출 포트(O4);를 포함한다.
또한, 수소 냉각기(32)는, G1 구역과 제1 냉동기(C1)를 연결하는 냉동 사이클을 형성하는 제1 냉매유로(L11); G2 구역과 제2 냉동기(C2)를 연결하는 냉동 사이클을 형성하는 제2 냉매유로(L12); G3 구역과 제3 냉동기(C3)를 연결하는 냉동 사이클을 형성하는 제3 냉매유로(L13); 및 G4 구역과 제4 냉동기(C4)를 연결하는 냉동 사이클을 형성하는 제4 냉매유로(L14);가 연결된다.
제1 냉매유로(L11)는, 제1 냉매 유입 포트(I1), 제1 냉동기(C1) 및 제1 냉매 배출포트(O1)를 연결하며, 제2 냉매유로(L12)는, 제2 냉매 유입 포트(I2), 제2 냉동기(C2) 및 제2 냉매 배출포트(O2)를 연결하고, 제3 냉매유로(L13)는, 제3 냉매 유입 포트(I3), 제3 냉동기(C3) 및 제3 냉매 배출포트(O3)를 연결하며, 제4 냉매유로(L14)는, 제4 냉매 유입 포트(I4), 제4 냉동기(C4) 및 제4 냉매 배출포트(O4)를 연결한다.
수소 냉각기(32)에 분할되는 구역 G1, G2, G3 및 G4는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수소의 유로를 기준으로, 병렬로 구획될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니고, 직렬로 구획될 수도 있을 것이다.
수소 유입 포트(HI)를 통해 수소 냉각기(32) 내부로 유입된 고압 기체수소는, 열교환이 가능한 구역으로 균등하게 분배될 수 있고, 각 구역으로 분배된 고압 기체수소는, 각 구역의 냉매 유입포트(I1, I2, I3, I4)를 통해 유입된 냉매와의 열교환에 의해 목표 온도까지 냉각되고, 냉매는 온도가 상승하며 냉매의 일부 또는 전부는 증발될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 수소 유입 포트(HI)를 통해 수소 냉각기(32) 내부로 유입된 고압 기체수소가 각 구역으로 균등하게 분배될 수 있도록, 분배수단(미도시);이 설치될 수 있다.
분배수단은, 예를 들어, 분배판일 수 있고, 또는, 수소 유입 포트(HI)가 구비되는 수소 유입부로부터 각 구역으로 통하는 공간을 구획하면서 각각 밀봉되도록 구성될 수 있다.
또한, 수소 유입 포트(HI)와 각 구역이 연통되는 공간 또는 수소 배출 포트(HO)와 각 구역이 연통되는 공간에는 유로를 개폐할 수 있는 개폐수단(미도시);이 설치될 수도 있다.
개폐수단은, 수소 냉각기(32)의 분할된 4개의 구역 중에서 어느 하나의 구역을 사용할 수 없는 경우, 제어부에 의해 또는 자동제어에 의해 폐쇄되며, 수소가 해당 구역으로 공급되지 않도록 하거나, 또는 해당 구역 내 수소가 외부로 배출되거나 다른 구역으로 유출되지 않도록 할 수 있다.
수소 기체는 수소 냉각기(32)의 수소 유입 포트(HI)를 통해 유입되며, 각 구역으로 분배되어 공급되고, 각 구역에 형성된 수소 열교환관(또는 튜브 또는 관로)을 따라 유동하며, 각 구역으로 유입되어 냉매 열교환관(또는 튜브 또는 관로)을 따라 유동하는 냉매와 열교환하여, 수소 배출 포트(HO)를 통해 배출된다.
수소 냉각기(32)로 유입된 고압 기체수소는, 수소 냉각기(32)의 분할된 어느 하나의 구역을 사용하지 않아도 수소 기체를 목표 시간 내에 목표 온도까지 냉각시킬 수 있다.
예를 들어, 본 실시예의 4개의 구역으로 분할된 수소 냉각기(32)는, 고압의 수소 기체 5kg 기준, 약 -30 내지 -40℃까지, 3분 내지 5분 이내에 냉각시킬 수 있으며, 4개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없을 때에도, 고압의 기체 수소 5kg 기준, 약 -30 내지 -40℃까지, 3분 내지 5분 이내에 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각 시스템은, '정상 운전' 모드와 '피크 운전'모드로 운전될 수 있다.
정상 운전 모드는, 사용 가능한 가스 냉각기(32)의 각 분할 구역(G1, G2, G3, G4)으로 공급되는 수소의 유량이, 최대 유량의 약 60 내지 80%, 또는 약 70 내지 80%로서 일정하고, 가동중인 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 냉각 부하, 즉, 각 구역으로 공급되는 냉매의 유량이나 냉매의 온도가 일정하게 유지되며, 이때 냉동기는 최대 성능의 약 60 내지 80% 또는 약 70 내지 80%로 운전된다.
즉, 정상 운전 모드에는, 가스 냉각기(32)의 각 열교환 구역 및 다수의 냉각기에 과부하가 걸리지 않는다.
정상 운전 모드의 일 실시예로서, 제1 냉동기(C1), 제 2 냉동기(C2), 제3 냉동기(C3) 및 제4 냉동기(C4)를 모두 가동시켜, 제1 냉매유로(L11), 제2 냉매유로(L12), 제3 냉매유로(L13) 및 제4 냉매유로(L14) 모두를 통해 냉매를 순환시키면서 고압 기체수소를 냉각시키는 경우, 약 5kg의 고압 기체수소는 약 3분 이내에 -30 내지 -40℃까지 냉각시킬 수 있다.
피크 운전 모드는, 사용 가능한 가스 냉각기(32)의 각 분할 구역(G1, G2, G3, G4)으로 공급되는 수소의 유량을 정상 운전 모드에 비해 증가시키거나, 가동중인 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 냉각 부하, 즉 각 구역으로 공급되는 냉매의 유량을 정상 운전 모드에 비해 증가시키거나, 냉매의 온도를 정상 운전 모드에 비해 낮게하는 것으로, 수소의 유량 최대 유량의 약 80 내지 100% 또는 약 80 내지 90% 까지 증가시킬 수 있으며, 냉동기는 최대 성능의 약 80 내지 100% 또는 약 80 내지 90%까지 증가시켜 운전할 수 있다.
피크 운전 모드의 일 실시예로서, 수소 냉각기(32)의 4개의 구역 중 어느 하나의 구역, 예를 들어, G1 구역을 순환하는 제1 냉매 유로(L11)의 세척이나 냉매 교체와 같은 유지보수 또는 G1 구역과 연결되는 제1 냉동기(C1)의 고장 등으로 제1 냉매 유로(L11)로 냉매를 순환시킬 수 없을 때에, 제1 냉동기(C1)의 가동을 중단시키고, 제1 냉매 유로(L11)를 차단하고, 수소 유입 포트(HI)로 유입된 수소가 G1 구역으로 공급되는 입구의 개폐밸브 또는 G1 구역으로부터 수소 배출 포트(HO)를 향해 배출되는 출구의 개폐밸브를 폐쇄하는 경우 피크 운전 모드로 운전될 수 있다.
즉, 수소 유입 포트(HI)를 통해 수소 냉각기(32)로 유입된 수소는 G2, G3 및 G4 구역으로 균등하게 분배되며, 각 구역으로 유입되는 수소의 유량은 정상 운전 모드일 때보다 증가하게 된다. 따라서, 고압 기체수소를 목표 시간 내에 목표 온도까지 냉각시키기 위해서는, 각 구역으로 공급하는 냉매의 유량을 증가시키거나, 각 구역으로 공급하는 냉매의 온도를 낮게 해야 하므로, 냉동기(C2, C3, C4)의 부하를 증가시킨다.
따라서, 본 실시예에 따르면, G1 구역을 사용하지 않는 경우에도, G2, G3 및 G4 구역에서의 열교환에 의해, 약 5kg의 고압 기체수소를 약 5분 이내에 -30 내지 -40℃까지 냉각시킬 수 있다.
피크 운전 모드의 또 다른 예로서, 제1 냉동기(C1)의 이상 문제가 발생하여, 4개의 열교환 구역 중에서, G1 구역으로 냉매를 공급할 수 없을 때, 수소 유입 포트(H1)는 4개의 열교환 구역으로 균등하게 분배 공급하고, 냉매는 G2, G3 및 G4 구역으로만 공급할 수 있다. 이 경우, G2, G3, G4 구역으로 공급하는 냉매의 유량을 G1 구역으로 수소를 공급하지 않을 때에 비해 더 증가시켜 운전하거나, G2, G3, G4 구역으로 공급하는 냉매의 온도를 G1 구역으로 수소를 공급하지 않을 때에 비해 더 낮은 온도로 공급할 수 있다.
따라서, G1 구역에서 수소가 열교환을 하지 않고, 즉 냉각되지 않고 통과하더라도, 정상 운전 모드로 수소를 냉각시킬 때, 또는 G1 구역으로는 수소가 통과하지 않고 G2, G3 및 G4 구역으로의 수소 유량을 늘려 피크 운전 모드로 수소를 냉각시킬 때에 비해, G2, G3 및 G4 구역을 통과하면서 냉각되는 수소의 온도를 더 낮게 함으로써, 수소 배출 포트(HO)를 통해 배출되는 수소의 온도는 목표 온도가 될 수 있다.
즉, 어느 하나의 구역을 사용하지 않더라도, 피크운전으로 모드를 전환하여, 나머지 구역에서 충분히 고압 기체수소에 냉열을 제공하여 목표시간 내에 목표온도까지 고압 기체수소를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각 시스템은, '정상운전' 및 '피크운전' 모드로 운전될 수 있다. 정상운전과 피크운전의 차이는 각 구역으로 공급되는 수소의 유량, 각 구역으로 공급되는 냉매의 유량, 유속 및 온도, 각 냉동기의 팽창수단에서의 팽창 정도 등의 차이일 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각 시스템은, 정상운전 모드로 운전되고, 수소 냉각기(32)의 4개의 구역 모두를 열교환에 사용하는 경우, 목표 시간 범위의 최단시간 내, 예를 들어, 3분 이내에 5kg의 고압 기체수소를 목표 온도, 예를 들어 약 -30 내지 -40℃까지 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 수소 냉각 시스템은, 정상 운전 모드 즉, 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 성능을 70 내지 80%로 운전하되, 수소 냉각기(32)의 3개의 구역만을 열교환에 사용하는 경우, 목표 시간 범위의 최장시간 내, 예를 들어, 5분 이내에 5kg의 고압 기체수소를 목표 온도, 예를 들어 약 -30 내지 -40℃까지 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 수소 냉각 시스템은, 피크 운전 모드로 운전되고, 수소 냉각기(32)의 3개의 구역만을 열교환에 사용하는 경우, 목표 시간 범위의 최단시간 내, 예를 들어, 3분 이내에 5kg의 고압 기체수소를 목표 온도, 예를 들어 약 -30 내지 -40℃까지 냉각시킬 수 있다.
피크 운전 모드는, 냉동기(C1, C2, C3, C4)나 수소 냉각기(32)의 부하 과다로, 고장 및 마모 등의 우려가 높기 때문에, 수소 냉각기(32)의 어느 하나의 구역을 사용하지 않고도, 최단 시간 내에 수소를 냉각시키거나 수소 연료 차량으로 충전해야하는 특별한 경우를 제외하고는, 사용을 자제하는 것이 바람직하다.
다수개의 냉동기는 각각 다른 모드로 제어될 수 있다. 예를 들어, G1 구역을 사용하지 않는 경우, 제2 냉동기(C2), 제3 냉동기(C3) 및 제4 냉동기(C4) 중 어느 하나 이상을 피크운전 모드로 운전하며, G1 구역으로 냉매가 공급되지 않아, G1 구역을 통과할 때는 수소가 냉각되지 않더라도, G2, G3 및 G4 구역에서 정상운전 모드일 때 보다 더 낮은 온도로 수소에 냉열을 제공함으로써 목표 시간 내에 목표 온도로 수소를 냉각시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 가스 냉각기(32)의 분할된 구역 중에서, 문제가 발생하여 사용할 수 없는, 수리나 유지보수가 필요한 구역을 감지하는 감지부; 및 감지부에 의해 가스 냉각기(32)의 사용할 수 없는 구역이나 사용할 수 없는 냉동기(C1, C2, C3, C4)가 감지되면, 가스 냉각기(32)의 해당 구역의 유로를 폐쇄하거나 해당 냉동기의 가동을 중단시키는 제어부(미도시);를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 감지부는, N개의 냉동기(C1, C2, C3, C4)에 각각 포함되는 압축기의 전단 및 후단의 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)에 설치되며, 압축기로 유입되는 또는 압축기에서 압축된 냉매의 압력을 측정하는 압력 측정기(미도시); 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)에 설치되며, 가스 냉각기(32)로 공급되는 또는 가스냉각기(32)로부터 냉동기(C1, C2, C3, C4)로 재순환되는 냉매의 온도를 측정하는 냉매 온도 측정기(미도시); 수소 유로(L2)에 설치되며, 수소 냉각기(32)로부터 열교환 후 배출되는 고압 기체수소의 온도를 측정하는 수소 온도 측정기(미도시); 및 N개의 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 각 압축기에 설치되며, 압축기의 운전전류를 측정하는 전류 측정기(미도시); 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
감지부에 의해, 수소 냉각기(32)의 어느 하나의 구역이 사용불가함이 감지되면, 해당 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 작동을 정지시키며, 해당 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)를 폐쇄하고, 해당 냉동기(C1, C2, C3, C4)와 연결되는 수소 냉각기(32)의 해당 구역은, 해당 냉동기(C1, C2, C3, C4)가 복구될 때까지 열교환에 사용하지 않을 수 있다. 또한, 해당 냉동기(C1, C2, C3, C4)와 연결되는 수소 냉각기(32)의 해당 구역의 수소 연통 입구 또는 출구도 폐쇄할 수도 있다.
이 때, 수소 냉각기(32)의 사용가능한 나머지 구역은, 피크운전 모드로 운전될 수 있다.
이와 같이, 수소 냉각기(32)의 해당 구역의 수소 및 냉매 유로가 폐쇄되고, 해당 냉각기가 운전 정지되면, 해당 구역의 냉매를 모두 배출시키고, 수소 냉각기(32)의 냉매 유입 포트 및 냉매 배출 포트와의 연결을 해제하고, 수리 또는 유지보수를 완료한 후 다시 연결하여 사용할 수 있다.
이 때, 수소 냉각기(32)는 다시 4개의 구역을 모두 사용하여, 정상운전 모드로 운전될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 압력 측정기를 이용하여 각 위치에서의 냉매의 압력을 측정하고, 압력 측정값이 설정 범위를 벗어나면, 고장을 인지하여 해당 냉동기(C1, C2, C3, C4)의 운전을 자동 또는 수동으로 정지시킬 수 있다.
압축기의 후단으로부터 응축기를 거쳐 팽창수단의 전단으로 연결되는 냉매 유로는, 냉매가 고압의 상태로 유동하는 고압부이고, 팽창수단의 후단으로부터 수소 냉각기(32)를 거쳐 압축기의 전단으로 연결되는 냉매 유로는, 냉매가 저압의 상태로 유동하는 저압부라 할 수 있다.
즉, 압축기 전단의 압력 측정기로 저압부의 압력을 측정하고, 압축기 후단의 압력 측정기로 고압부의 압력을 측정하여, 저압부 및 고압부 중 어느 하나 이상의 압력 측정값이, 설정값, 즉, 정상 압력 범위를 벗어나게 되면, 고장을 인지하게 된다.
또한, 냉매의 온도 또는 수소의 온도가 정상범위를 이탈하거나, 전류가 정상범위를 이탈하면, 이를 감지하여 고장을 인지할 수도 있다.
상술한 바와 같은 방법으로, 어느 하나의 냉동기, 예를 들어 제1 냉동기(C1)의 고장이 인지되어 제1 냉동기(C1)의 운전이 정지되면, 제1 냉매 유로(L11)에 주입된 냉매를 전량 회수하며, 수소 냉각기(32)와 제1 냉매 유로(L11)와의 연결부, 즉 제1 냉매 유입 포트(I1) 및 제1 냉매 배출 포트(O2)의 연결을 해제한다. 수소 냉각기(32)와 분리된 제1 냉동기(C1)의 유지보수를 실시한 후, 다시 수소 냉각기(32)와 연결하여, 진공 작업 및 냉매 충전 등을 거쳐 다시 운전을 개시할 수 있다.
이와 같이, 냉동기의 고장으로 수소 냉각을 실시할 수 없는 경우가 발생하더라도, 본 실시예에 따르면, 수소 냉각기(32)가 다수의 구역으로 분할되어 있으므로, 냉동기를 수리 또는 유지보수하는 동안에도 수소 냉각을 멈추지 않고, 계속해서 실시할 수 있다. 따라서, 리던던시를 보유하지 않고도 휴지기없이 수소를 냉각시키고 수소 연료 차량으로 충전할 수 있다.
본 실시예의 수소 냉각기(32)는, 도 1에 도시된 바와 같이, PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger) 타입의 열교환기일 수 있다, 수소 냉각기(32)에서 냉각시킬 고압 기체수소의 압력은 약 350 bar 또는 약 700 bar의 고압인데, PCHE 타입의 열교환기는 고압 유체를 열교환시키는데 용이하다.
수소 냉각기(32)가 PCHE인 경우에는, 고압의 수소가 하나의 수소 유입 포트(HI)를 통해 유입됨에 따라, 그 압력과 속도에 의해 가운데 구역, 예를 들어 G2 및 G3 구역으로 많은 양의 고압 기체수소 한꺼번에 유입되고, 사이드 구역, 예를 들어 G1 및 G4 구역으로는 고압 기체수소가 잘 유입되지 않는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제가 발생하면, 가운데 구역으로 과부하게 걸리게 되어 열교환 성능이 떨어지게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 수소 유입 포트(HI)와 각 구역 사이에 분배수단에 의해 수소 유입 포트(HI)를 통해 유입된 수소가 G1, G2, G3 및 G4 구역으로 골고루 유입되도록 유도할 수 있다.
또한, 본 실시예의 수소 냉각기(32)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 2개의 열교환 파이프, 즉 수소 유로(L2)와 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)를 상호 연결하는 블록(321);을 포함하는 열전도 방식의 열교환기 구조일 수 있다.
수소 냉각기(32) 내부에 배치되는 열교환관, 즉 수소 유로(L2) 및 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)는, 내압성과 열전도성이 우수한 금속재질의 튜브를 관형 커플러로 단순히 직선 또는 곡선상으로 연결시킨 구성일 수 있다. 또한, 블록(331)은 열전도성이 우수한 금속, 예컨대 구리 또는 알루미늄 재질로 된 각형 단면의 전도체로서, 부착 개수를 조절하여 두 관 사이의 열전달 양과 출구 온도를 조절할 수 있도록 수소 유로(L2) 및 냉매 유로(L11, L12, L13, L14)에 착탈 가능한 구조로 이루어질 수 있다.
블록(321)은 휘어지지 않을 정도의 두께를 가지면서 적절한 열전달 면적을 제공할 수 있도록, 그 길이는 열교환관의 유효 열전달 길이의 1/10 내지 1/5 사이로 결정될 수 있으며, 높이는 열교환관 직경의 15 ~ 2배 크기가 바람직하다. 그리고 2개의 열교환관 사이의 거리는 50 ~ 100mm 사이가 적당하며, 하나의 블록(321)은 3개 이상의 체결부재(미도시)로 단단히 결합될 수 있다
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 수소 냉각기(32)의 내부 구조를 분할하지 않고, 수소 냉각기(32)의 용량의 1/N에 해당하는 소용량의 수소 냉각기를 N개 구비하고, N개의 소용량 수소 냉각기와 N개의 냉동기를 각각 연결하며, 수소는 N개의 수소 냉각기를 병렬 또는 직렬로 유동할 수 있다.
그러나, 이와 같이 소용량의 수소 냉각기(32)를 N개 구비하는 것 보다는, 상술한 바와 같이, 수소 냉각기(32)의 내부 구조를 N개로 분할하는 것이, 구조적으로 단순하고 간단하며, 공간도 덜 차지하고, 운영에 있어서도 용이하다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
32 : 수소 냉각기
G1, G2, G3, G4 : 수소 냉각기의 분할 구역
L11, L12, L13, L14 : 냉매 유로
L2 : 수소 유로
C1, C2, C3, C4 : 냉동기
HI : 수소 유입 포트
HO : 수소 배출 포트
I1, I2, I3, I4 : 냉매 유입 포트
O1, O2, O3, O4 : 냉매 배출 포트
321 : 블록

Claims (7)

  1. 수소와 냉매를 상호 열교환시켜 수소를 냉각시키는 수소 냉각기;를 포함하고,
    상기 수소 냉각기의 내부는, 상기 수소의 유동 구역이 N개로 분할되며,
    상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부에 의해 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 수소 냉각기의 운전모드를 전환하는 제어부;를 포함하여,
    상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역으로 냉매가 유동할 수 없더라도, 수소를 목표 온도까지 목표 시간 범위 내에 냉각시킬 수 있고,
    상기 제어부는,
    상기 감지부를 통해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 사용할 수 없음을 감지하면, 사용할 수 없는 구역의 수소 유로를 차단하고 운전모드를 전환하는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 운전모드는,
    사용가능한 구역으로 정상 운전 범위의 유량으로 고압 기체수소를 공급하고, 정상 운전 범위의 유량 및 온도로 냉매를 공급하는 정상 운전 모드; 및
    상기 정상 운전 모드 보다, 사용가능한 구역으로 공급하는 고압 기체수소 및 냉매의 유량 중 어느 하나 이상을 증가시키거나, 더 낮은 온도의 냉매를 공급하는 피크 운전 모드;를 포함하는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 감지부를 통해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 사용할 수 없음을 감지하면,
    사용할 수 없는 구역의 냉매 유로를 차단하고, 피크 운전 모드로 전환하는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 감지부는,
    냉매 유로의 압력을 측정하는 압력 측정기;
    상기 냉매 유로의 온도를 측정하는 냉매 온도 측정기;
    수소 유로의 온도를 측정하는 수소 온도 측정기; 및
    상기 냉매를 압축하는 압축기의 운전 전류량을 측정하는 전류 측정기; 중 어느 하나 이상을 포함하는, 수소 충전소의 수소 냉각 시스템.
  6. 수소와 냉매를 상호 열교환시켜 수소를 냉각시키는 수소 냉각기의 내부는, 상기 수소의 유동 구역을 N개로 분할하고, 상기 N개의 구역으로 냉매를 각각 순환시키며,
    수소의 온도, 냉매의 온도 및 냉매의 압력 중 어느 하나 이상을 측정하여, 측정값에 의해 상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면,
    상기 수소 냉각기의 운전을 정지하지 않고, 상기 N개의 구역으로 분배하는 수소의 유량, 냉매의 유량 및 냉매의 온도 중 어느 하나 이상을 제어하여, 수소를 목표 온도까지 목표 시간 범위 내에 냉각시킬 수 있으며.
    상기 N개의 구역 중 어느 하나의 구역을 열교환에 사용할 수 없음을 감지하면, 상기 열교환에 사용할 수 없는 구역과 연결된 냉매 유로를 분리하고, 사용 가능한 나머지 구역에서 수소를 냉각시키는 동안, 유지보수를 완료한 후, 상기 냉매 유로를 상기 수소 냉각기와 다시 연결하여, N개의 구역을 모두 사용하여 수소를 냉각시키는, 수소 충전소의 수소 냉각 방법.
  7. 삭제
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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