KR102561244B1

KR102561244B1 - 과열방지 수소 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법

Info

Publication number: KR102561244B1
Application number: KR1020210097846A
Authority: KR
Inventors: 김대환; 조규백; 배승훈; 박태국; 조대원; 김선민; 김재형; 이상혁; 김상교
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2021-07-26
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2023-08-01
Also published as: KR20230016747A

Abstract

과열방지 수소 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법에서, 상기 수소 충전시스템은 수소탱크, 유체 제공부 및 수소 충전부를 포함한다. 상기 수소탱크에는 수소가 충전된다. 상기 유체 제공부는 상기 수소탱크의 일측에 연결되어, 상기 수소의 충전 전에 상기 수소탱크의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 수소 충전부는 상기 수소탱크의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 수소탱크의 내부로 상기 수소를 충전한다. 이 경우, 상기 비압축성 유체는, 상기 수소탱크의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거된다.

Description

과열방지 수소 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법{OVERHEAT PROTECTABLE HYDROGEN CHARGING SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING HYDROGEN USING THE SAME}

본 발명은 수소 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소차량의 수소탱크 또는 수소차량에 수소를 공급하기 위한 수소 충전소의 수소탱크에 수소를 충전시킴에 있어, 수소 충전 과정에서 수소탱크의 내부에서 수소 압축에 의한 온도 상승 현상을 방지하여 별도의 냉각 장치를 생략할 수 있으며, 안정적인 수소충전과 충전속도를 향상시킬 수 있는 과열방지 수소 충전시스템 및 이를 이용한 수소 충전방법에 관한 것이다.

최근 수소차량의 수요 증가 및 보급 확대에 따라, 수소차량에 수소를 공급하기 위한 수소 충전센터의 설치 및 보급이 확대되고 있는 상황이다.

이러한 수소 충전센터에서는, 수소탱크에 수소를 미리 충전하며, 이렇게 충전된 수소탱크의 수소를 수소차량으로 제공하게 되는데, 이를 위해서는 사전에 수소탱크에 수소를 미리 충전하고, 이를 다시 수소차량의 수소탱크에 충전하여야 한다.

종래 수소탱크에 수소를 충전하는 과정에서는, 도 1에 도시된 바와 같이 수소탱크(2)에 수소충전라인(3)이 연결된 상태에서 수소가 충전된다. 그러나, 이와 같이 상기 수소가 상기 수소탱크(2)로 충전되는 과정에서 상기 수소탱크(2)의 내부에서 수소가 압축되며 열이 발생하게 되는데, 이렇게 발생하는 열에 의해 수소충전 시간이 증가하고, 수소탱크의 내구성에 악영향을 주는 문제가 있다.

이에, 종래 수소차량 수소탱크의 수소 충전시에는 수소 충전과정에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치가 구비되어야 했다. 이는 대한민국 등록특허 제10-1272589호를 통해 확인될 수 있으며, 이러한 냉각장치를 통해 수소탱크를 냉각시켜 수소 충전과정에서의 충전 시간의 증가를 최소화하였다.

그러나, 이와 같은 냉각장치가 추가로 구비됨으로써, 전체적인 충전 시스템의 설계가 복잡해지거나 시스템 전체의 규모가 커지는 등의 문제가 발생하였으며, 수소 충전 과정에서 발생하는 열을 근본적으로 차단하지 못해 여전히 수소탱크 내부의 온도상승이 발생하는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1272589호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 수소 충전 과정에서 수소탱크의 내부에서 수소 압축에 의한 온도 상승을 최소화하거나 또는 온도 상승 현상을 방지하여 별도의 냉각 장치를 생략하여 시스템 설계를 단순화할 수 있으며, 안정적인 수소충전과 충전속도를 향상시킬 수 있는 과열방지 수소 충전시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 수소 충전시스템을 이용한 수소 충전방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 수소 충전시스템은 수소탱크, 유체 제공부 및 수소 충전부를 포함한다. 상기 수소탱크에는 수소가 충전된다. 상기 유체 제공부는 상기 수소탱크의 일측에 연결되어, 상기 수소의 충전 전에 상기 수소탱크의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 수소 충전부는 상기 수소탱크의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 수소탱크의 내부로 상기 수소를 충전한다. 이 경우, 상기 비압축성 유체는, 상기 수소탱크의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거된다.

일 실시예에서, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 압력 및 상기 수소탱크에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수소탱크에 미리 제공되는 비압축성 유체의 온도는 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 온도와 동일하거나 더 낮을 수 있다. 이에, 상기 수소탱크의 온도를 낮출 수 있다.

일 실시예에서, 상기 유체 제공부는, 외부로부터 상기 비압축성 유체를 제공받는 외부 제공라인, 및 상기 외부 제공라인에 연결되어 상기 수소탱크의 하부공간으로 연장되는 내부 제공라인을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 내부 제공라인은, 끝단부가 상기 수소탱크의 저면에 접하도록 연장되거나, 상기 수소탱크의 저면을 향하도록 연장될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수소탱크는 지면에 대하여 소정 각도 기울어지도록 배치되며, 상기 내부 제공라인은 상기 기울어진 수소탱크의 저면을 향하도록 연장될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수소 충전부는, 외부로부터 상기 수소를 제공받는 외부 충전라인, 및 상기 외부 충전라인에 연결되어 상기 수소탱크의 상부공간으로 연장되는 상부 제공라인을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 유체 제공 상태, 상기 수소 충전 상태 및 상기 수소탱크의 상태를 센싱하는 센서부를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 센서부는, 상기 유체 제공부를 통해 제공되는 비압축성 유체의 유량을 센싱하는 유량센서, 상기 수소탱크에 채워지는 비압축성 유체의 수위를 센싱하는 수위센서, 상기 수소탱크의 내부 온도를 센싱하는 온도센서, 및 상기 수소탱크의 내부 압력을 센싱하는 압력센서를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 수소 충전부는, 밸브의 동작을 통해 상기 수소탱크에 충전된 수소를 외부로 공급하며, 상기 수소 충전부 상에는, 상기 수소에 포함되는 비압축성 유체를 제거하는 기수 분리기가 구비될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 비압축성 유체는 물(water)일 수 있다.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 수소 충전방법에서, 수소탱크의 일측에 연결된 유체 제공부를 통해 상기 수소탱크의 내부로 비압축성 유체를 제공한다. 상기 수소탱크의 압력이 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 판단한다. 상기 수소탱크의 압력이 기 설정된 압력에 도달되는 경우, 상기 수소탱크의 타측에 연결되는 수소 충전부를 통해 상기 수소탱크의 내부로 수소를 충전하고, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 비압축성 유체를 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거한다. 이 경우, 상기 수소탱크의 내부로 수소가 완충될 때까지, 상기 수소를 충전시키며 상기 비압축성 유체를 외부로 제거한다.

일 실시예에서, 상기 수소를 충전시키고 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 단계에서, 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 압력과 상기 수소탱크에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지할 수 있다. 이에, 상기 수소의 팽창 또는 압축을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 수소탱크에 비압축성 유체를 선행적으로 제공하여, 수소탱크에 비압축성 유체가 제공되고 남은 공간의 압력이 수소를 충전하기에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되는 경우, 비로소 수소탱크에 수로를 충전하기 시작하며, 나아가, 수소의 충전과 함께 채워져 있던 비압축성 유체를 외부로 제거하므로, 상기 수소의 충전과정에서 상기 수소탱크의 내부 압력은 기 설정된 압력으로 계속 유지될 수 있다.

또한, 상기 수소탱크의 내부 압력은 상기 수소탱크에 수소가 완전히 충전되고 비압축성 유체가 외부로 충분히 제거될 때까지 일정하게 유지될 수 있다.

이상과 같이 상기 수소탱크의 내부 압력이 수소 충전에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되므로, 수소의 충전과정에서 수소의 압축현상이 발생하지 않아, 수소탱크의 내부의 온도가 상승하여 과열되는 문제가 없으며, 결국 수소탱크의 냉각을 위한 별도의 냉각장치를 생략할 수 있다.

특히, 수소의 충전과정에서 압력 변화가 발생하지 않으므로, 충전되는 수소의 온도를 필요로 하는 온도로 유지하여 충전을 수행할 수 있으며, 이 경우, 비압축성 유체의 온도 역시 상기 수소의 온도와 동일하거나 더 낮게 유지되어 제공되므로, 수소의 온도 제어 또는 냉각 등을 위한 별도의 냉각장치나 온도 제어장치 없이 수소탱크 온도를 낮게 유지할 수 있다.

나아가, 충전되는 수소의 온도와 상기 비압축성 유체의 온도를 낮춤으로써, 수소 공급압력을 낮추는 효과를 가져올 수 있다.

특히, 상기 비압축성 유체를 수소를 사용하는 장치의 내구성에 영향을 미치지 않는 물질로 선정하는 경우, 상기 비압축성 유체가 수소탱크로부터 충분히 제거되지 못하고 잔류한다 하더라도, 수소를 연료로 사용하는 차량에 수소와 함께 잔류된 비압축성 유체가 제공되어도 전혀 문제가 발생하지 않으므로, 상기 비압축성 유체를 완벽하게 제거하여야 하는 설계의 어려움도 발생하지 않는다.

또한, 비압축성 유체가 혼합되는 것을 방지하기 위해, 수소 유출부에 기수 분리기를 구비시킬 수 있으므로, 비압축성 유체와 수소의 혼합으로 인한 문제를 방지할 수 있다.

나아가, 다양한 센서들을 설치함으로써, 수소탱크로 공급되는 비압축성 유체의 용량이나, 비압축성 유체 또는 수소의 온도, 비압축성 유체의 수위, 나아가 수소탱크의 내부 압력 등을 센싱하여, 비압축성 유체의 공급이나 제거 또는 수소의 공급을 제어할 수 있어, 전반적인 시스템의 안전성 향상 및 운용 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에서의 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.
도 5는 도 2의 수소 충전시스템을 이용한 수소 충전방법을 도시한 흐름도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5의 수소 충전방법에 따른 수소 충전시스템의 상태를 도시한 모식도들이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 종래기술에서의 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 종래기술에서의 수소 충전시스템(1)에서는, 수소가 충전되는 수소탱크(2)의 일 측에 수소 충전라인(3)이 연결되며, 상기 수소 충전라인(3)을 통해 수소가 상기 수소탱크(2)의 내부로 제공된다.

상기 수소 충전시스템(1)의 경우, 충전되는 수소의 온도를, 예를 들어 -40℃로 냉각하여 제공한다 하더라도, 상기 수소탱크(2)의 내부에서는 80℃ 이상으로 상승하게 되며, 이러한 온도 상승은 상기 수소탱크(2)의 안정적인 운용을 위해 제한되는 온도에까지 다다를 수 있다.

따라서, 상기 수소탱크(2)의 내부 온도를 냉각시키기 위한 별도의 냉각 장치가 요구되었으나, 상기 냉각 장치를 통해 상기 수소탱크 온도를 냉각시키더라도, 냉각이 완료될 때까지 추가로 수소를 충전하지 못하게 되므로, 수소 충전의 시간이 증가하는 문제가 있었다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 소정의 내부에너지(U_i)를 가지는 수소가 수소탱크(2)의 내부로 충전됨에 따라, 상기 수소탱크(2)의 내부에너지(U_t)는 하기 식 (1)과 같이 변화하게 된다.

식 (1)

즉, 식 (1)을 통해 확인되는 바와 같이, 상기 수소 충전라인(3)을 통해 수소를 공급함에 따른 상기 수소 충전라인(3)의 엔탈피(H_i)는 수소가 충전된 후의 상기 수소탱크(2)의 내부에너지(U_t)와 동일하다고 할 수 있다. 또한, 이 과정에서 상기 수소는 스스로 가진 내부에너지(U_i)외에 충전 과정에서 외부의 수소 공급장치로부터의 소정의 일(P_iV_i, P_i는 수소공급 압력, V_i는 수소탱크의 부피)을 전달받게 된다.

이와 같이, 상기 수소의 충전과정에서 상기 수소로 전달되는 일(P_iV_i)은 곧 열로 변화하게 되며, 이러한 열로 인해 상기 수소탱크(2) 내부의 온도가 상승하는 문제가 발생한다.

따라서, 본 실시예를 통해서는, 상기 수소의 충전과정에서 소요되는 일이 열로 변화하지 않도록 하여 상기 수소탱크의 내부의 온도가 상승하지 않도록 수소 충전시스템을 설계하였으며, 이에 대하여 후속되는 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 수소 충전시스템(10)은 수소탱크(100), 센서부(200), 유체 제공부(300) 및 수소 충전부(400)를 포함한다.

상기 수소탱크(100)는 내부에 후술되는 수소가 충전되는 저장소 또는 수소차량에 설치되는 수소탱크에 해당되며, 소정 부피를 가지는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 유체 제공부(300)는 상기 수소탱크(100)의 일측에 연결되며, 상기 수소탱크(100)의 내부로 비압축성 유체를 제공하거나, 상기 수소탱크(100)의 내부로부터 상기 비압축성 유체를 외부로 제거한다.

이 경우, 비압축성 유체(incompressible fluid)란 압력이나 유속이 가변되더라도 밀도가 거의 변화하지 않은 유체로서, 대표적인 비압축성 유체로서 수소 연료전지의 성능에 큰 영향을 주지 않는 물(water)이 사용될 수 있다.

상기 유체 제공부(300)는 외부 제공라인(310) 및 내부 제공라인(320)을 포함하며, 상기 외부 제공라인(310)은 외부의 별도의 비압축성 유체 저장부(미도시)와 연결되어, 상기 비압축성 유체를 상기 수소탱크(100)까지 이송시킨다.

상기 내부 제공라인(320)은 상기 외부 제공라인(310)으로부터 연장되어 상기 수소탱크(100)의 내부 공간, 즉 하부 공간(101)을 향하여 연장되며, 상기 외부 제공라인(310)을 통해 이송된 비압축성 유체는 상기 내부 제공라인(320)을 따라 상기 하부 공간(101)으로 공급된다.

물론, 상기 수소탱크(100)에 저장되던 비압축성 유체가 외부로 제거되는 경우, 1차적으로 상기 내부 제공라인(320)을 통해 비압축성 유체가 이동된 후 상기 외부 제공라인(310)을 통해 외부로 제거될 수 있다.

한편, 본 실시예의 경우, 상기 내부 제공라인(320)의 끝단부(321)는 도시된 바와 같이, 상기 수소탱크(100)의 저면과 접하도록 연장되도록 형성될 수 있다. 그리하여, 상기 비압축성 유체를 회수하는 과정에서 상기 수소탱크(100)에 잔류하는 비압축성 유체를 최소화할 수 있다.

상기 수소 충전부(400)는 상기 수소탱크(100)의 타측에 연결되며, 상기 수소탱크(100)의 내부로 수소를 공급하여, 상기 수소탱크(100)의 내부에 수소를 충전한다.

이 경우, 상기 수소 충전부(400)가 상기 수소탱크(100)의 타측에 연결되는 것을 예시하였으나, 상기 수소 충전부(400)의 연결 위치는 다양하게 가변될 수 있다.

상기 수소 충전부(400)는 외부 충전라인(410) 및 내부 충전라인(420)을 포함하며, 상기 외부 충전라인(410)은 외부의 별도의 수소 저장부(미도시)와 연결되어, 상기 수소를 상기 수소탱크(100)까지 이송시킨다.

상기 내부 충전라인(420)은 상기 외부 충전라인(410)으로부터 연장되어 상기 수소탱크(100)의 내부 공간, 즉 상부 공간(102)을 향하여 연장되며, 상기 외부 충전라인(410)을 통해 이송된 수소는 상기 내부 충전라인(420)을 따라 상기 상부 공간(102)으로 공급된다.

또한, 상기 내부 충전라인(420)은 상기 내부 제공라인(320)과 유사하게 상기 수소탱크(100)의 상면과 평행한 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 내부 충전라인(420)의 연장되는 방향은 상기 상부 공간(102)을 향한다면 다양하게 가변되어도 무방하다.

본 실시예의 경우, 상기 수소탱크(100)의 내부 공간 중, 하부 공간(101)으로는 선행적으로 비압축성 유체가 공급되어 채워지므로, 상기 내부 제공라인(320)은 상기 수소탱크(100)의 저면과 근접하도록 상기 수소탱크(100)의 내부로 위치한다. 이와 달리, 상기 수소는, 상기 비압축성 유체가 일정부분 채워진 후, 상기 수소탱크(100)의 내부 공간 중, 상부 공간(102)으로 공급되므로, 상기 내부 충전라인(420)은 상기 수소탱크(100)의 상면과 근접하도록 상기 수소탱크(100)의 내부로 위치한다.

상기 센서부(200)는 상기 수소탱크(100)의 상태나, 상기 비압축성 유체의 제공상태, 상기 수소의 충전 상태 등에 대한 센싱을 수행하는 것으로, 예를 들어, 온도센서(210), 수위센서(220), 압력센서(230) 및 유량센서(240)를 포함할 수 있다.

상기 온도센서(210)는 상기 수소탱크(100) 내부의 온도를 센싱하는 것으로, 상기 수소탱크(100)의 내부에 상기 비압축성 유체가 채워지는 경우 상기 비압축성 유체의 온도를 측정할 수 있으며, 상기 수소탱크(100)의 내부에 수소가 충전되는 경우 상기 수소의 온도를 측정할 수도 있다. 물론, 상기 비압축성 유체와 상기 수소의 온도를 개별적으로 측정할 수도 있다.

본 실시예의 경우, 후술하겠으나, 상기 수소가 상기 수소탱크(100)에 충전되는 과정에서 상기 수소의 온도가 일정하게 유지되므로, 상기 비압축성 유체의 온도를 상기 수소의 온도와 동일하게 유지시켜 제공함으로써 상기 수소의 온도를 일정하게 유지시키거나, 상기 비압축성 유체의 온도를 상기 수소의 온도보다 낮게 유지시켜 제공함으로써, 상기 수소의 온도 감소를 유도할 수 있다.

따라서, 상기 온도센서(210)를 통해 상기 비압축성 유체와 상기 수소의 온도를 모두 측정하여, 기 설정된 필요로 하는 수소의 온도가 잘 유지되는 지를 판단할 수 있다.

한편, 종래에는 수소의 공급시 -40℃로 압축하여 제공하였으나, 본 실시예의 경우, 공급되는 수소의 온도가 상승하는 문제가 발생하지 않으므로, 상기 수소의 온도를 예를 들어 30℃ 정도, 또는 상온으로 유지하여 공급할 수 있으며, 이에 따라 상기 비압축성 유체 역시 30℃ 정도, 또는 상온으로 유지되어 제공될 수 있다.

물론, 상기 충전되는 수소의 온도는 상대적으로 더 낮게 유지될 수 있으며, 이에 따라 상기 제공되는 비압축성 유체의 온도도 더 낮게 유지되어 제공될 수 있다. 한편, 상기 수소의 온도가 상온보다 낮은 온도로 제공된다면, 보다 낮은 공급 압력으로 상기 수소를 충전시키더라도 동일한 질량의 수소를 상기 수소탱크(100)로 제공할 수 있는 장점이 있다.

다만, 상기 비압축성 유체는 예를 들어, 물이므로 상기 물이 액체 상태를 유지할 수 있는 온도의 범위에서 상기 수소의 온도를 설정하여 충전하는 것이 필요하다.

한편, 상기 수위센서(220)는 상기 수소탱크(100)의 내부에 채워지는 상기 비압축성 유체의 수위를 센싱한다. 이를 통해, 상기 수소탱크(100)의 내부에 채워지는 상기 유체의 유량을 계측할 수 있으며, 나아가 상기 비압축성 유체의 수위가 상기 내부 충전라인(420)이 위치하는 수위까지 증가하지 않도록 유체의 공급을 제어할 수 있다. 또한, 최종적으로 상기 수소탱크(100)에 수소가 완충되어 비압축성 유체가 충분히 제거되었는가의 여부도 센싱할 수 있다.

이 경우, 상기 유량센서(240)를 통해 상기 수위센서(220)의 센싱 결과를 동일하게 획득할 수도 있다. 즉, 상기 유량센서(240)는 상기 유체 제공부(300) 상에 구비될 수 있는데, 이를 통해 상기 유체 제공부(300)를 통해 유동되는 비압축성 유체의 유량을 측정한다.

그리하여, 상기 수소탱크(100)의 내부로 제공된 유체의 양에 대한 정보를 획득할 수 있으며, 마찬가지로 상기 수소탱크(100)로부터 외부로 제거되는 유체의 양에 대한 정보도 획득할 수 있고, 결국 상기 수소탱크(100)의 내부에 잔류하는 비압축성 유체의 양에 대한 정보를 획득하게 된다.

이상과 같이, 상기 유량센서(240)는 실질적으로 상기 수위센서(220)와 동일한 결과를 획득할 수 있는 것으로, 상기 수위센서(220)와 상기 유량센서(240)는 어느 하나만 구비될 수 있으며, 이와 달리 모두 구비될 수 있다.

상기 압력센서(230)는 상기 수소탱크(100)의 내부의 압력을 센싱하는 것으로, 상기 수소탱크(100)의 내부로 상기 비압축성 유체가 제공됨에 따라, 상기 비압축성 유체가 차지하는 공간 외의 공간, 즉 수소가 충전될 공간의 압력을 측정한다.

그리하여, 상기 수소가 충전될 공간의 압력이, 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 센싱하여, 상기 수소탱크(100)로 수소를 충전하여야 하는 시기를 판단할 수 있다.

일반적으로, 상기 수소탱크(100)에 비압축성 유체가 제공되지 않는 초기상태에서 상기 수소탱크(100)의 압력은 5bar 정도일 수 있다. 그러나, 사기 수소탱크(100)에 수소가 충전되기 위해서는 상기 수소탱크(100)의 압력은 700bar 정도로 유지되는 것이 필요할 수 있다.

따라서, 상기 수소탱크(100)의 내부로 상기 비압축성 유체를 제공하여 상기 수소탱크(100)의 내부 압력을 증가시켜, 상기 수소탱크(100)의 내부 압력을 상기 수소가 충전되기 위해 필요한, 즉 기 설정된 압력에 도달시킬 필요가 있다.

이에, 상기 압력센서(230)를 통해, 상기 비압축성 유체의 공급에 따른 상기 수소탱크(100) 내부의 압력을 측정함으로써, 상기 비압축성 유체의 공급 여부를 판단할 수 있으며, 이를 통해 상기 수소탱크(100)로의 수소 충전을 시작하는 시점을 판단할 수 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수소 충전부(400)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 수소탱크(100)로 수소를 충전시키는 것은 물론, 삼방밸브를 통해 선택적으로 유출라인을 개방시켜, 상기 수소탱크(100)에 충전된 수소를 외부로 공급할 수도 있다.

즉, 상기 삼방밸브의 동작에 따라, 충전라인을 개방시켜, 상기 수소탱크(100)로 수소를 충전시킬 수 있으며, 상기 유출라인을 개방시켜 상기 수소탱크(100)에 충전된 수소를 외부로 공급할 수도 있다.

한편, 상기 수소탱크(100)의 내부공간에는, 상기 비압축성 유체가 외부로 제거되면서 수소가 충전되는 것으로, 상기 수소의 충전이 완료된 상태에서도 상기 비압축성 유체의 일부가 상기 내부공간에 잔류할 수 있다.

따라서, 상기 수소 충전부(400)를 통해 수소를 외부로 공급하는 경우, 상기 수소에 비압축성 유체가 혼합되어 공급될 수 있다. 이에, 상기 수소 충전부(400) 상에는 기수 분리기(500)가 구비될 수 있다.

그리하여, 외부로 유출되는 수소에 비압축성 유체가 포함되는 경우 상기 기수 분리기(500)를 통해 상기 비압축성 유체를 제거할 수 있으며, 이에 따라 보다 순도 높은 수소만을 외부로 공급할 수 있다.

이와 달리, 도시하지는 않았으나, 상기 수소 충전부(400)는 수소 충전만 수행하며, 별도의 수소 유출라인이 상기 수소탱크(100)와 연결되어, 수소를 외부로 유출하는 경우 상기 수소 유출라인을 통해서 유출이 수행될 수도 있다. 이 경우, 상기 기수 분리기(500)는 상기 별도로 형성되는 수소 유출라인 상에 구비될 수 있다.

일반적으로 비압축성 유체로서 물이 사용되는 경우, 물은 수소와의 용해도가 높지 않으므로, 상기 수소탱크(100)의 내부에서 수소가 충전되며 비압축성 유체가 제거되는 과정에서 수소와 물은 거의 혼합되지 않는다. 나아가, 수소를 에너지원으로 사용하는 연료전지의 경우, 연료전지를 통해 최종적으로 발생하는 부산물은 물이므로, 상기 수소와 비압축성 유체로서 물이 서로 혼합된 상태로 연료전지로 공급된다 하더라도, 상기 연료전지의 손상이나 성능 저하 등의 문제는 발생하지 않는다.

따라서, 본 실시예에서와 같이, 상기 수소탱크(100)의 내부에 미리 비압축성 유체를 제공한 상태에서, 수소의 충전에 따라 비압축성 유체를 외부로 제거한다 하더라도, 상기 수소와 상기 비압축성 유체의 혼합의 문제는 거의 발생하지 않을 수 있다.

나아가, 상기 수소와 상기 비압축성 유체가 서로 혼합되어 외부로 공급되더라도, 1차적으로 상기 기수 분리기를 통해 비압축성 유체를 최대한 제거하여 순수한 수소만을 공급할 수 있으며, 설사 일부 비압축성 유체가 수소에 혼합되어 공급되더라도 상기 비압축성 유체를 수소를 사용하는 장치의 내구성에 영향을 미치지 않은 물질로 선정하는 경우, 연료전지 등의 성능 저하나 손상 등의 문제는 발생하지 않는다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.

본 실시예에 의한 수소 충전시스템(20)의 경우, 유체 제공부(301)의 내부 제공라인(330)의 연장 형태를 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 상기 수소 충전시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

즉, 도 3을 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 수소 충전시스템(20)에서는, 상기 유체 제공부(301)가 포함하는 상기 내부 제공라인(330)의 끝단부(331)가 상기 수소탱크(100)의 저면을 향하도록 연장된다.

도 2를 참조하여 설명한 상기 수소 충전시스템(10)에서는, 상기 내부 제공라인(320)의 끝단부(321)가 상기 수소탱크(100)의 저면에 접하도록 연장되므로, 상기 수소탱크(100)로의 비압축성 유체의 공급은 안정적으로 수행될 수 있다.

다만, 상기 수소탱크(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 특히 제거되어야 할 비압축성 유체의 수위가 매우 낮은 경우 상기 끝단부(321)의 높이에 따라 상기 비압축성 유체가 충분히 제거되지 않고 상기 수소탱크(100)의 저면에 잔류할 가능성이 높다.

이에, 도 3에서와 같이, 상기 내부 제공라인(330)의 끝단부(331)를 상기 수소탱크(100)의 저면을 향하는 방향으로 연장함으로써, 상기 수소탱크(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 상기 수소탱크(100)의 저면에 잔류하는 비압축성 유체의 양을 최소화하며 보다 효과적으로 비압축성 유체를 외부로 제거할 수 있다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 수소 충전시스템을 도시한 모식도이다.

본 실시예에 의한 수소 충전시스템(30)의 경우, 수소 탱크부(100)의 자세 및 유체 제공부(302)의 내부 제공라인(340)의 연장 형태를 제외하고는 도 2를 참조하여 설명한 상기 수소 충전시스템(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 수소 충전시스템(30)에서는, 상기 수소탱크(100)는 지면에 대하여 소정 각도(θ)로 기울어지도록 위치할 수 있다.

이상과 같이, 상기 수소탱크(100)가 소정 각도만큼 기울어지도록 위치한다면, 상기 수소탱크(100)로부터 상기 비압축성 유체를 제거하는 경우, 특히 제거되어야 할 비압축성 유체의 수위가 매우 낮은 경우 상기 비압축성 유체는 도 4에서 상기 수소탱크(100)의 우측 저면부에 잔류할 가능성이 높다.

이에, 상기 유체 제공부(302)의 내부 제공라인(340)을 상기 수소탱크(100)의 우측 저면부를 향하는 방향으로 연장되도록 형성한다면, 상대적으로 상기 내부 제공라인(340)의 길이를 짧게 형성하면서도, 효과적으로 상기 수소탱크(100)의 비압축 유체를 외부로 제거할 수 있다.

그리하여, 최종적으로 상기 수소탱크(100)에 잔류하는 비압축성 유체의 양을 최소화할 수 있다.

나아가, 도시하지는 않았으나, 상기 수소탱크(100)의 자세를, 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 경우에만, 도 4에 도시된 바와 같이 소정 각도(θ)로 기울어지도록 위치시킬 수도 있다. 이 경우, 상기 수소탱크(100)의 자세를 가변시키기 위한 별도의 가변 구조체(미도시)가 추가로 구비될 수도 있다.

이하에서는, 도 2의 수소 충전시스템(10)을 이용한 수소 충전방법에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 도 3의 수소 충전시스템(20)을 이용한 수소 충전방법과 도 4의 수소 충전시스템(30)을 이용한 수소 충전방법은 실질적으로 도 2의 수소 충전시스템(10)을 이용한 수소 충전방법과 동일하므로, 중복되는 설명은 생략한다.

도 5는 도 2의 수소 충전시스템을 이용한 수소 충전방법을 도시한 흐름도이다. 도 6a 내지 도 6d는 도 5의 수소 충전방법에 따른 수소 충전시스템의 상태를 도시한 모식도들이다.

우선, 도 5 및 도 6a를 참조하면, 상기 수소 충전방법에서는, 상기 수소탱크(100)의 일 측에 연결된 상기 유체 제공부(300)를 통해 상기 수소탱크(100)의 내부로 비압축성 유체(305)를 제공한다(단계 S10).

상기 수소탱크(100)로 제공되는 비압축성 유체(305)는 상기 수소탱크(100)의 하부공간(101)을 향해 제공되는 것으로, 상기 수소탱크(100)의 하부공간(101)으로부터 수위가 높아지며 상기 수소탱크(100)에 채워진다.

한편, 상기 수소탱크(100)의 경우, 예를 들어, 초기상태의 내부 압력이 5bar 정도일 수 있는데, 상기 비압축성 유체(305)가 채워짐에 따라 상기 수소탱크(100) 내부의 압력(P₁)은 증가하게 된다.

그리하여, 도 5 및 도 6b를 참조하면, 상기 수소탱크(100)의 내부의 압력(P₁)이 기 설정된 압력, 예를 들어 700bar에 도달하는 거의 여부를 판단하여(단계 S20), 상기 수소탱크(100)의 내부의 압력(P₁)이 상기 기 설정된 압력에 도달할 때까지 상기 비압축성 유체(305)를 상기 수소탱크(100)의 내부로 채운다.

즉, 상기 수소탱크(100)에 상기 비압축성 유체(305)가 채워져, 수위가 높아짐에 따라 상기 수소탱크(100)의 내부공간(유체가 채워지고 남는 공간)의 압력(P₁)은 상승하게 되며, 최종적으로 기 설정된 압력, 예를 들어, 700bar에 도달하는 경우, 상기 비압축성 유체(305)의 공급은 중단된다.

이 과정에서, 상기 수위센서(220) 및 상기 유량센서(240)를 통해 상기 수소탱크(100)의 내부로 공급되는 상기 비압축성 유체의 수위나 공급량 등이 센싱되며, 마찬가지로 상기 압력센서(230) 및 상기 온도센서(210)를 통해서는 상기 수소탱크(100) 내부의 압력 및 온도를 센싱하게 된다.

한편, 상기 수소탱크(100)의 내부의 압력(P₁)이 상기 기 설정된 압력에 도달하면, 상기 수소탱크(100)에 채워진 상기 비압축성 유체의 압력(P_f) 역시 상기 기 설정된 압력과 동일하게 유지된다.

이 후, 도 5 및 도 6c를 참조하면, 상기 수소탱크(100)에 연결되는 상기 수소 충전부(400)를 통해, 상기 수소탱크(100)의 내부로 수소(405)를 충전한다(단계 S30).

이와 같이, 상기 수소탱크(100)의 내부로 수소(405)가 충전됨에 따라, 상기 수소탱크(100)에 기 채워지던 상기 비압축성 유체(305)는 상기 유체 제공부(300)를 통해 외부로 제거되며, 이에 따라 상기 수소탱크(100)의 상기 비압축성 유체(305)의 수위도 낮아지게 된다.

한편, 상기 유체 제공부(300)는, 상기 수소(405)의 충전에 따라 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 제거될 수 있도록, 개방(open)된 상태로 유지되며, 상기 수소(405)의 충전에 따른 압력이 상기 비압축성 유체(305)에 제공되면 상기 수소(405)의 충전량과 동일한 양의 비압축성 유체(305)가 압력을 유지한 상태로 외부로 방출될 수 있도록 유체의 유동을 제어하도록 설계된다.

도 1을 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 상기 수소(405)는 상기 수소탱크(100)의 내부로 충전되는 과정에서 소정의 일(P_iV_i)을 외부의 수소 공급장치로부터 전달받게 되는데, 본 실시예의 경우, 상기 전달받는 일(P_iV_i)은 상기 비압축성 유체(305)로 전달되어, 결과적으로 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 방출된다.

또한, 상기 비압축성 유체(305)가 상기 유체 제공부(300)의 외부 제공라인(310)을 통해 외부로 방출될 때, 상대적으로 높은 압력(P_iV)을 가지게 되므로, 상기 외부 제공라인(310)에 별도의 시스템을 연결하여, 상기 비압축성 유체(305)가 전달하는 일(P_iV_i)을 활용할 수도 있다.

결국, 도 1에서와 같이, 상기 수소가 충전되는 과정에서 상기 비압축성 유체(305)로 전달되는 일이 상기 수소탱크(100)의 내부에 잔류하여 열로 변화하는 문제는 발생하지 않으며, 그대로 방출되어 나가는 상기 비압축성 유체(305)에 전달되어, 상기 비압축성 유체(305)로 전달되는 일이 상기 수소탱크(100)의 내부에 열에너지 형태로 잔류하는 문제는 발생하지 않는다.

이에 따라, 본 실시예의 경우, 상기 수소(405)의 충전에 따른 상기 수소탱크(100) 내부의 열에너지 증가 및 이로 인한 온도 상승의 문제는 발생하지 않는다.

그리하여, 상기 수소탱크(100)의 내부로 상기 수소(405)가 충전되는 과정에서, 상기 수소(405)의 온도는 물론 상기 비압축성 유체(305)의 온도도 일정하게 유지되며, 상기 비압축성 유체(305)만 외부로 제거되어 수위가 감소하게 된다.

또한, 상기 수소(405)가 충전되는 과정에서, 상기 수소탱크(100) 내부의 수소 충전 압력(P₂)은 상기 기 설정된 압력, 예를 들어 700bar가 그대로 유지되며, 마찬가지로 상기 비압축성 유체(305)의 압력(P_f)도 동일하게 유지된다.

이 후, 도 5 및 도 6d를 참조하면, 상기 수소탱크(100)의 내부에 수소(405)가 완전히 충전되었는가를 판단하여(단계 S40), 상기 수소탱크(100)의 내부에 수소(405)가 완전히 충전되고 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 충분히 제거될 때까지 상기 수소(405)의 충전은 계속된다.

그리하여, 상기 수소탱크(100)의 내부에는 상부공간(102)은 물론 하부공간(101)에도, 상기 수소(405)가 모두 충전되며, 상기 비압축성 유체(305)는 충분히 외부로 제거된다. 이 때, 상기 비압축성 유체(305)가 외부로 충분히 제거되면 상기 유체 제공부(300)는 차단(close)되어 비압축성 유체의 유동을 차단한다.

이 경우, 상기 수소탱크(100)의 내부에 충전되는 수소(405)의 압력(P₃)은 기 설정된 압력과 동일하게 유지됨은 자명하다.

물론, 상기 수소탱크(100)의 내부에 상기 비압축성 유체(305)가 일부 잔류할 수는 있으며, 외부로 공급되는 수소에 혼합될 수는 있으나, 문제가 발생하지 않음은 앞서 설명한 바와 같다.

이 후, 필요에 따라, 상기 수소탱크(100)에 충전된 수소(405)는 앞서 설명한 바와 같이 밸브의 동작을 통해 상기 수소 충전부(400)를 통해 수소를 에너지원으로 사용하는 차량 등으로 공급될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 수소탱크에 비압축성 유체를 선행적으로 제공하여, 수소탱크에 비압축성 유체가 제공되고 남은 공간의 압력이 수소를 충전하기에 적합한 기 설정된 압력으로 유지되는 경우, 비로소 수소탱크에 수로를 충전하기 시작하며, 나아가, 수소의 충전과 함께 채워져 있던 비압축성 유체를 외부로 제거하므로, 상기 수소의 충전과정에서 상기 수소탱크의 내부 압력은 기 설정된 압력으로 계속 유지될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10, 20, 30 : 수소 충전시스템 100 : 수소탱크
101 : 하부공간 102 : 상부공간
200 : 센서부 300, 301, 302 : 유체 제공부
305 : 비압축성 유체 320, 330, 340 : 내부제공라인
321, 331 : 끝단부 400 : 수소 충전부
405 : 수소 420 : 내부 충전라인
500 : 기수 분리기

Claims

수소가 충전되는 수소탱크;
상기 수소탱크의 일측에 연결되어, 상기 수소의 충전 전에 상기 수소탱크의 내부로 비압축성 유체를 제공하는 유체 제공부; 및
상기 수소탱크의 타측에 연결되어, 상기 비압축성 유체가 제공된 상기 수소탱크의 내부로 상기 수소를 충전하는 수소 충전부를 포함하며,
상기 비압축성 유체는, 상기 수소탱크의 내부 압력이 기 설정된 압력에 도달할 때까지 제공되며, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거되되,
상기 수소탱크의 내부로 상기 수소가 완충될 때까지, 상기 수소를 충전시키며 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 수소가 충전됨에 따라 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 압력 및 상기 수소탱크에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 수소탱크에 미리 제공되는 비압축성 유체의 온도는 상기 수소탱크에 충전되는 수소의 온도와 동일하거나 더 낮은 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서, 상기 유체 제공부는,
외부로부터 상기 비압축성 유체를 제공받는 외부 제공라인; 및
상기 외부 제공라인에 연결되어 상기 수소탱크의 하부공간으로 연장되는 내부 제공라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제4항에 있어서, 상기 내부 제공라인은,
끝단부가 상기 수소탱크의 저면에 접하도록 연장되거나, 상기 수소탱크의 저면을 향하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제4항에 있어서,
상기 수소탱크는 지면에 대하여 소정 각도 기울어지도록 배치되며,
상기 내부 제공라인은 상기 기울어진 수소탱크의 저면을 향하도록 연장되는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서, 상기 수소 충전부는,
외부로부터 상기 수소를 제공받는 외부 충전라인; 및
상기 외부 충전라인에 연결되어 상기 수소탱크의 상부공간으로 연장되는 상부 제공라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 유체의 제공 상태, 상기 수소의 충전 상태 및 상기 수소탱크의 상태를 센싱하는 센서부를 더 포함하는 수소 충전시스템.
제8항에 있어서, 상기 센서부는,
상기 유체 제공부를 통해 제공되는 비압축성 유체의 유량을 센싱하는 유량센서;
상기 수소탱크에 채워지는 비압축성 유체의 수위를 센싱하는 수위센서;
상기 수소탱크의 내부 온도를 센싱하는 온도센서; 및
상기 수소탱크의 내부 압력을 센싱하는 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항에 있어서,
상기 수소 충전부는, 밸브의 동작을 통해 상기 수소탱크에 충전된 수소를 외부로 공급하며,
상기 수소 충전부 상에는, 상기 수소에 포함되는 비압축성 유체를 제거하는 기수 분리기가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비압축성 유체는 물(water)인 것을 특징으로 하는 수소 충전시스템.
수소탱크의 일측에 연결된 유체 제공부를 통해 상기 수소탱크의 내부로 비압축성 유체를 제공하는 단계;
상기 수소탱크의 압력이 기 설정된 압력에 도달하는 가의 여부를 판단하는 단계; 및
상기 수소탱크의 압력이 기 설정된 압력에 도달되는 경우, 상기 수소탱크의 타측에 연결되는 수소 충전부를 통해 상기 수소탱크의 내부로 수소를 충전하고, 상기 수소가 충전됨에 따라 상기 비압축성 유체를 상기 유체 제공부를 통해 외부로 제거하는 단계를 포함하고,
상기 수소탱크의 내부로 수소가 완충될 때까지, 상기 수소를 충전시키며 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 것을 특징으로 하는 수소 충전방법.
제12항에 있어서, 상기 수소를 충전시키고 상기 비압축성 유체를 외부로 제거하는 단계에서,
상기 수소탱크에 충전되는 수소의 압력과 상기 수소탱크에 잔류하는 비압축성 유체의 압력은 모두 상기 기 설정된 압력을 유지하는 것을 특징으로 하는 수소 충전방법.