KR102576008B1 - 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소충전소에서 액화수소를 기화할 때 필요한 열을 수소차량의 수소연료전지로부터 발생되는 물로 활용하는 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 이는 액화수소를 저장해 두었다가 기화하여 기체 상태의 수소를 수소차량에 공급하여 충전하는 수소 충전 시스템으로서, 액화수소를 기화시키는 열교환기, 열교환기에 상기 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 공급하기 위해 물이 저장되는 충전소측 물탱크, 수소차량 내 수소연료전지 스택의 화학반응으로 인해 생성된 물이 저장되는 차량측 물탱크와 충전소측 물탱크를 연결하는 공급배관, 공급배관에 설치되고 수소차량의 충전과 동시에 동작하여 차량측 물탱크에 저장되어 있는 물을 공급배관을 통해 충전소측 물탱크로 이동시키는 공급펌프를 포함한다.

Description

차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템{HYDROGEN CHARGING SYSTEM USING WATER GENERATED FROM HYDROGEN FUEL CELL OF VEHICLE}

본 발명은 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 특히 수소충전소에서 액화수소를 기화할 때 필요한 열을 수소차량의 수소연료전지로부터 발생되는 물로 활용하는, 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템에 관한 것이다.

수소는 질량으로 보면 우주에 존재하는 모든 물질의 75%를 차지하며 지구상에 풍부하게 존재하는 물에 다량 포함되어 있다. 또한, 수소가 연소되면 부산물로 물만 발생되기 때문에, 수소는 환경오염의 측면에서 가장 환경 친화적인 에너지원으로서 각광받고 있다. 이러한 장점으로 인해, 최근 수소를 이용한 에너지의 저장, 이송, 연료전지를 이용한 발전, 수소연료 전기차 등 다양한 분야에 적용되고 있는데, 그 응용범위의 확대를 위해서는 경제적이며 효율적인 수소의 저장 및 운송기술의 확보가 필요하다.

수소는 단위 질량당 에너지 밀도가 큰 물질이기도 하지만, 단위 부피당 밀도가 매우 낮아 가솔린의 1/4에 해당된다고 한다. 이로 인해 경제적인 저장 방법의 구현이 필요한 실정이다.

가장 효율적인 수소 저장 방법으로는 기체의 수소를 액화하는 방법이다. 액화수소는 적은 부피에 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 수소 충전 시스템을 나타낸 도면이다.

수소 충전 시스템은 일반적으로 수소 충전소에 구비되어 수소차량에 수소를 충전하기 위한 공급 장치를 말한다.

수소 충전 시스템은 수소 기체를 -253℃의 액체 상태로 저장해 두었다가, 수소차량에 공급을 할 때에는 액체수소를 상온 고압의 기체수소로 변환하여 공급한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 수소 충전소(10)의 액체수소탱크(11)에는 액화된 액체수소가 저장되고, 이 액체수소는 고압펌프에 의해 고압으로 가압되고 기화기를 통해 상온 고압의 기체로 기화되어 충전기(13)에 저장된다. 수소차(20)는 수소 충전소(10)의 충전기(13)로부터 수소 기체를 수소탱크(21)에 충전하고, 연료전지 스택(23)에서 산소와 수소간 화학반응을 통해 전기를 생성하여 모터를 가동하게 된다.

이때, 연료전지 스택(23)에서 화학반응을 통해 생성된 물(화합물)은 물탱크(25)에 보관되거나 외부로 방출된다. 또한, 연료전지 스택(23)에서 생성되어 버려지는 열(잉여열)은 수소차(20)의 물탱크(25)에 보관되는 잉여물의 온도를 높여주는 역할을 한다.

그런데, 종래 수소 충전 시스템은 액체수소를 상온의 기체수소로 변환시킬 때 필요한 열을 외부에서 주입하고, 주입한 열은 다시 공기 중으로 버려지기 때문에 에너지 효율성이 매우 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2021-0122390호(2021. 10. 12공개)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 수소차량의 수소연료전지로부터 생성된 중고온의 물을 수소충전소 내 물저장소로 환원하여, 수소 충전소에서 액화수소를 기화할 때 필요한 외부 열로 활용함으로써 에너지 절약을 도모할 수 있는, 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 의한 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템은, 수소 충전소에서 액화수소를 저장해 두었다가 기화하여 기체 상태의 수소를 수소차량으로 공급하여 충전하는 수소 충전 시스템으로서, 상기 수소충전소에 구비되고 상기 수소충전소의 액화수소를 기화시키는 열교환기; 상기 열교환기에 상기 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 공급하기 위해 물이 저장되는 충전소측 물탱크; 상기 수소차량 내 수소연료전지 스택의 화학반응으로 인해 생성된 열과 물이 저장 되는 차량측 물탱크와 상기 충전소측 물탱크를 연결하여 상기 차량측 물탱크에 저장되어 있는 잉여물을 공급하는 공급배관; 상기 공급배관에 설치되고, 상기 차량측 물탱크에 저장되어 있는 잉여물을 흡입하여 상기 공급배관을 통해 상기 충전소측 물탱 크로 이동시키는 공급펌프; 상기 공급배관에 설치되고, 상기 공급배관이 상기 수소차량으로부터 탈착 시 상기 공급배관을 통해 물이 흐르는 것을 방지하도록 잠그는 잠금밸브;를 포함한다. 이때, 상기 수소차량의 충전 시, 상기 수소 충전소의 충기와 상기 수소차량이 충전 케이블을 통해 연결되고, 상기 충전소측 물탱크에 연결되어 있는 공급배관은 상기 수소차량의 상기 차량측 물탱크와 연결되며, 상기 공급펌프는 상기 수소차량의 충전 시작과 동시에 자동 동작하도록 제어함으로써, 상기 충전 케이블을 통해 상기 수소충전소의 수소기체를 수소차량으로 공급하여 충전하는 동시에, 상기 공급배관을 통해 상기 수소차량의 잉여물을 수소충전소로 공급하며, 상기 충전이 완료되면 상기 잠금밸브를 통해 상기 수소차량이 연결되는 공급배관을 차단하고 상기 공급배관을 상기 수소차량으로부터 탈착시킬 수 있다. 한편, 상기 수소차량이 충전하기 이전에는, 상기 수소차량이 상기 수소충전소의 충전기로부터 공급받은 수소 기체를 이용하여 전기 에너지를 생성하고, 전기 에너지 생성 과정에서 화확반응에 의해 발생된 잉여열과 잉여물을 상기 차량측 물탱크에 임시 보관해 둘 수 있다.

삭제

본 발명의 실시예에 의한 수소 충전 시스템은, 상기 수소 충전소의 충전기 측에 장착되어 상기 수소차량의 충전 여부를 감지하는 감지수단;을 더 포함하며, 상기 공급펌프는 상기 감지수단을 통해 상기 수소차량의 충전이 감지되면 자동 동작되도록 설정된다.

삭제

또한, 본 발명의 실시예에 의한 수소 충전 시스템에서, 상기 차량측 물탱크는, 상기 잉여물의 온도가 유지 또는 상승하도록 상기 수소연료전지 스택에 장착된 라디에이터의 냉각수를 공급하는 냉각수관이 설치된다.

이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 통상 수소차량에서 수소연료전지 스택의 전기화학반응에 의해 생성된 잉여물은 외부로 배출되는데, 이를 수소 충전소에 저장해 두었다가 액화수소를 기화할 때 필요한 기화열로 공급하여 재활용함으로써, 열 공급에 투입되는 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 수소 충전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템에서 잉여물을 활용하여 액화수소의 기화열을 공급 지원하는 동작 흐름을 나타낸 개념도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소 충전소(100)에 마련되는 액화수소 탱크(110), 충전기(130), 충전소측 물탱크(150), 열교환기(170), 공급배관(180), 공급펌프(181), 잠금밸브(183)를 포함하여 구성된다. 그리고, 수소차량(200)에 냉각수관(270)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

수소 충전소(100)는 주유소나 도로 주변에 설치되어 수소차량(200)에 수소를 충전하기 위한 공급 장치이다.

본 발명의 실시예에 따른 수소 충전소(100)는 수소를 액체 상태로 저장해 두었다가 수소차량(200)에 공급할 때에는 기체 상태로 변환하여 공급하는 방식을 적용한다.

이를 위해 수소 충전소(100)의 액화수소 탱크(110)는 액체 상태의 수소(이하, 액화수소)가 저장된다. 액화수소는 냉매를 압축하여 고온에서 냉각하고, 이를 팽창시킨 다음 온도를 -253℃ 이하로 낮춘 상태에서 냉각시키는 냉각장치에 의해 만들어진다. 액화수소 탱크(110)는 액체수소가 액체 상태를 유지할 수 있도록 단열 처리된 탱크로 형성될 수 있다.

충전기(130)는 수소차량(200)에 충전할 수소 기체가 충진된다.

이러한 충전기(130)과 액화수소 탱크(110) 사이에는 열교환기(170)가 구비되고, 열교환기(170)는 액화수소 탱크(110)에 저장되었다가 고압펌프에 의해 배출되는 액화수소를 상온 고압의 기체 상태로 다시 기화시킨 후 충전기(130)로 공급한다.

이때, 열교환기(400)는 액화수소를 기화시키기 위해 열이 필요한데, 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템에서는 충전소측 물탱크(150)에 저장되어 있는 잉여물(잉여 H2O)을 활용하여 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 공급한다.

잉여물은 도 2에 나타난 바와 같이 수소차량(200)으로부터 공급받는다.

구체적으로, 공급배관(180)은 수소차량(200)의 차량측 물탱크(250)와 수소 충전소(100)의 충전소측 물탱크(150)를 연결하여, 차량측 물탱크(250)로부터 잉여물을 제공받는다. 공급배관(180)의 끝단은 수소차량(200) 측과 체결이 용이한 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 나사 형태로 형성되어 나사조임으로 체결되거나, 홈 끼움 구조로 형성될 수 있다.

공급펌프(181)는 공급배관(180)에 설치되고 특히 수소 충전소(100)의 입구측에 설치된다. 공급펌프(181)는 수소차량(200)의 충전 시작과 동시에 동작하여 차량측 물탱크(250)에 저장되어 있는 잉여물을 공급배관(180)을 통해 충전소측 물탱크(150)로 이동시킨다.

잠금밸브(183)는 공급배관(180)에 설치되고 특히 공급배관(180)의 끝단측에 설치되어 공급배관(180)을 수소차량(200)으로부터 탈착 시 공급배관(180)을 차단하는 기능을 수행한다. 즉, 수소차량(200)의 충전이 완료되면 공급배관(180)을 통해 물이 흐르는 것을 방지하도록 잠근다.

냉각수관(270)은 차량측 물탱크(250)에 저장되는 잉여물의 온도가 유지 또는 상승하도록 수소연료전지 스택(230)에 장착된 라디에이터의 냉각수를 차량측 물탱크(250)에 공급하기 위한 것이다. 냉각수관(270)은 수소연료전지 스택(230)에 장착된 라디에이터의 냉각수관을 차량측 물탱크(250)로 확장하여 설치하는 것으로 용이하게 적용할 수 있을 것이다.

수소차량(200)의 수소탱크(210)는 수소연료전지 스택(230)으로 공급할 수소를 저장한다. 수소탱크(210)는 충전 케이블을 통해 수소 충전소(100)의 충전기(130)와 연결되어 이로부터 수소를 공급받아 저장한다.

수소연료전지 스택(230)은 수소탱크(210)의 수소와 공기(산소)를 각각 공급받아 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 수소연료전지 스택(230)은 수백 볼트 급의 전기 에너지를 발생시키기 위하여 수백 개의 셀이 적층되어 형성된다. 수소연료전지 스택(230)에서 발생된 전기 에너지는 차량의 모터로 공급되어 차량을 구동한다. 이처럼, 수소연료전지 스택(230)에서 발생된 전기 에너지는 모터로 직접 공급되어 소모되기도 하지만, 잔여 에너지는 배터리에 저장되며 배터리에 저장된 전기 에너지가 수소연료전지 스택(230)을 보조하여 모터로 공급된다.

이때, 수소연료전지 스택(230)은 수소와 공기간 전기 화학 반응을 통하여 물(화합물)을 생성하며, 생성된 물(화합물)은 차량측 물탱크(250)에 임시 보관된다. 이렇게 생성된 물(화합물)은 상온 이상의 고온 상태로 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 대체할 수 있을 정도이다. 이를 잉여물이라 할 수 있다.

도 3은 이러한 잉여물을 활용하여 액화수소의 기화열을 공급 지원하는 동작 흐름을 보여주고 있다.

도 3을 참조하면, 일반적으로 충전 케이블을 통해 수소 충전소(100)의 충전기(130)와 수소차량(200)이 연결되고, 수소차량(200)의 충전이 시작되면 수소차량(200)은 수소 충전소(100)의 충전기(130)로부터 기체 상태의 수소(H2)를 공급받아 수소탱크(210)에 저장한다. 저장된 수소는 수소연료전지 스택(도 2의 230)으로 전달되고, 수소연료전지 스택(도 2의 230)은 전달받은 수소와 산소간 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성한다. 이와 동시에 수소연료전지 스택(도 2의 230)은 전기 생성 과정에서 화학반응으로 인해 중/고온의 잉여물을 생성하게 되고, 이는 차량측 물탱크(250)에 임시 저장된다.

차량측 물탱크(250)에 임시 저장되어 있는 잉여물은 탱크에 저장되는 동안 냉각수관(270)에 의해 물의 온도가 유지하거나 더 상승될 수 있다. 또는, 수소연료전지 스택(230)에서 생성되어 버려지는 열(잉여열)을 활용하여 잉여물의 온도를 높여주는데 지원할 수 있다.

한편, 잉여물 공급을 위해 수소 충전소(100)는 수소차량(200)의 차량측 물탱크(250)와 공급배관을 통해 연결되고, 수소차량(200)의 충전 시작과 동시에 공급펌프(181)가 동작하여, 차량측 물탱크(250)에 기저장되어 있는 중고온의 잉여물을 흡입한다. 즉, 공급펌프(181)가 수소차량(200) 측의 잉여물을 공급배관을 통해 충전소측 물탱크(도 2의 150)로 이동시킨다. 이동 과정 중에, 열교환기(170)로 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 공급하는데 지원할 수 있다.

이때, 수소 충전소(100)의 충전기(130) 측에 수소차량(200)의 충전 여부를 감지하는 감지수단을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 수소 충전소(100)의 공급펌프(181)는 감지수단을 통해 수소차량의 충전이 감지되면 자동 동작되도록 설정된다.

감지수단은 충전기에서 수소 기체가 토출되는지 여부를 감지하는 온도센서 또는 가스감지센서, 기구적으로 충전케이블(또는 충전플러그)의 연결 유무를 감지하는 센서, 사용자의 입력 조작을 감지하는 센서 등 수소차량의 충전 시작을 감지할 수 있는 센서라면 다양하게 적용 가능할 것이다.

수소차량(200)의 충전이 완료되면, 공급배관을 수소차량(200)으로부터 탈착하기 전에 잠금밸브를 통해 공급배관을 차단하여, 공급배관을 통해 물이 새는 것을 방지할 수 있다.

앞서의 설명처럼, 수소차량의 충전을 위해 수소 충전소의 수소 기체를 수소차량으로 공급하는 과정과, 잉여물 공급을 위해 수소차량의 잉여물을 수소 충전소로 공급하는 과정은 충전 시작과 동시에 수행될 수 있지만, 이때의 잉여물은 전적으로 충전이 시작됨과 동시에 발생되는 잉여물로 볼 수 없다. 대부분의 잉여물은 이전 충전 과정에서 생성된 것으로 해석할 수 있으며, 차량측 물탱크에 저장(보관)되더라도 냉각수관에 의해 잉여물의 온도를 유지될 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소차량에서 버려지는 잉여물을 수소 충전소로 환원하여 임시 저장해 두었다가, 액화수소를 기화할 때 필요한 기화열로 공급하여 재활용함으로써, 열 공급에 투입되는 에너지를 줄일 수 있을 것이다.

이에 따라, 에너지 소모를 줄이고 열효율을 증가할 수 있다.

이상에서 본 발명들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 수소 충전소 200: 수소차량
110: 액화수소 탱크 130: 충전기
150: 충전소측 물탱크 170: 열교환기
180: 공급배관 181: 공급펌프
183: 잠금밸브 210: 수소탱크
230: 연료전지 스택 250: 차량측 물탱크
270: 냉각수관

Claims (5)

1. 수소 충전소에서 액화수소를 저장해 두었다가 기화하여 기체 상태의 수소를 수소차량으로 공급하여 충전하는 수소 충전 시스템으로서,
   상기 수소충전소에 구비되고 상기 수소충전소의 액화수소를 기화시키는 열교환기;
   상기 열교환기에 상기 액화수소를 기화하는데 필요한 열을 공급하기 위해 물 이 저장되는 충전소측 물탱크;
   상기 수소차량 내 수소연료전지 스택의 화학반응으로 인해 생성된 열과 물이 저장되는 차량측 물탱크와 상기 충전소측 물탱크를 연결하여 상기 차량측 물탱크에 저장되어 있는 잉여물을 공급하는 공급배관;
   상기 공급배관에 설치되고, 상기 차량측 물탱크에 저장되어 있는 잉여물을 흡입하여 상기 공급배관을 통해 상기 충전소측 물탱 크로 이동시키는 공급펌프;
   상기 공급배관에 설치되고, 상기 공급배관이 상기 수소차량으로부터 탈착 시 상기 공급배관을 통해 물이 흐르는 것을 방지하도록 잠그는 잠금밸브;를 포함하며,
   상기 수소차량의 충전 시,
   상기 수소 충전소의 충전기와 상기 수소차량이 충전 케이블을 통해 연결되고,
   상기 충전소측 물탱크에 연결되어 있는 공급배관은 상기 수소차량의 상기 차량측 물탱크와 연결되며,
   상기 공급펌프는 상기 수소차량의 충전 시작과 동시에 자동 동작하도록 제어하여,
   상기 충전 케이블을 통해 상기 수소충전소의 수소기체를 수소차량으로 공급하여 충전하는 동시에, 상기 공급배관을 통해 상기 수소차량의 잉여물을 수소충전소로 공급하며,
   상기 충전이 완료되면 상기 잠금밸브를 통해 상기 수소차량이 연결되는 공급배관을 차단하고 상기 공급배관을 상기 수소차량으로부터 탈착시키는 한편,
   상기 수소차량이 충전하기 이전에는,
   상기 수소차량이 상기 수소충전소의 충전기로부터 공급받은 수소 기체를 이용하여 전기 에너지를 생성하고, 전기 에너지 생성 과정에서 화학반응에 의해 발생된 잉여열과 잉여물을 상기 차량측 물탱크에 임시 보관해 두는 것을 특징으로 하는, 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 수소 충전소의 충전기 측에 장착되어 상기 수소차량의 충전 여부를 감지하는 감지수단;을 더 포함하며,
   상기 공급펌프는 상기 감지수단을 통해 상기 수소차량의 충전이 감지되면 자동 동작되는 것을 특징으로 하는, 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 차량측 물탱크는,
   상기 잉여물의 온도가 유지 또는 상승하도록 상기 수소연료전지 스택에 장착된 라디에이터의 냉각수를 공급하는 냉각수관이 설치되는 것을 특징으로 하는, 차량의 수소연료전지로부터 생성된 물을 활용한 수소 충전 시스템.

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