KR102612240B1 - 액화 수소 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

액화 수소 충전 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템은, 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프, 상기 저장 탱크에서 발생하는 보일-오프 가스를 연료원으로 열을 발생시켜 상기 고압펌프 출력단에서 분기된 수소를 가열하는 촉매 연소기, 상기 촉매 연소기에서 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터, 상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함한다.

Description

액화 수소 충전 시스템{LIQUID HYDROGEN FUELING SYSTEM}
본 발명은 액화 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태로 저장된 수소를 기 설정된 조건의 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 새로운 형태의 액화 수소 충전소 시스템에 관한 것이다.
청정 에너지 기술로서 수소 연료전지 기술이 본격적으로 상용화됨에 따라 수소를 충전하기 위한 수소 충전소가 필수적인 인프라 설비로 부상하고 있다.
수소 충전소 시스템은 수소를 초저온의 액체 상태에서 이를 기체 상태로 변환하여 디스펜서를 통해 외부 탱크에 주입하는 액화 충전소 시스템과 수소를 초고압의 기체 상태로 저장한 상태에서 압력 및 온도 조건을 소정의 상태로 변환하여 외부 탱크에 주입하는 기체 충전소 시스템으로 구별된다.
액화 수소 충전소 시스템은 기체 수소 충전소 대비 1/20이하의 설비 면적만을 필요로 한다는 점, 3배 이상의 충전용량을 구현할 수 있다는 점 및 상압 수준의 공급 및 저장압력으로 안전성을 도모할 수 있다는 장점이 있어 중·장기적으로는 액화 수소 충전소 시스템의 비중이 확대될 것으로 예측된다.
다만, 액화 수소 충전소 시스템은 2~3bar의 압력 조건 및 -250℃ 온도 조건으로 탱크에 저장된 액체 상태의 수소를 700bar의 압력 조건 및 -40℃의 온도 조건의 기체 상태의 수소로 변환한 후 디스펜서를 통해 이를 외부로 공급해야 한다.
이에, 액체 상태의 수소를 기 설정된 조건의 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 새로운 형태의 액화수소 충전소 시스템에 대한 필요성이 대두되었다.
일본특허공보 2016-084940호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초저온의 액체 상태의 수소를 외부 탱크에 충전하기에 적합한 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 액화 수소 충전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템은, 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프, 상기 저장 탱크에서 발생하는 보일-오프 가스를 연료원으로 열을 발생시켜 상기 고압펌프 출력단에서 분기된 수소를 가열하는 촉매 연소기, 상기 촉매 연소기에서 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터, 상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도를 센싱하는 센싱부, 상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브, 상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브 및 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 높은 경우, 상기 제1 밸브를 개방하고 상기 제2 밸브를 폐쇄하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우, 상기 제1 밸브를 폐쇄하고 상기 제2 밸브를 개방하는 제어 신호를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고압펌프와 상기 촉매 연소기 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발전기는, 작동유체를 가압하는 펌프, 상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기, 상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈 및 상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 흐르는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템은, 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프, 상기 고압펌프와 상기 히터 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기, 상기 발전기에서 열교환을 통해 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터, 상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발전기는, 작동유체를 가압하는 펌프, 상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기, 상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈 및 상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 히터로 공급되는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상술한 액화 수소 충전소 시스템에 따르면, 수소가 1차적으로 가열된 상태로 히터에 유입되므로 수소의 온도를 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 냉각기 유입 전 상온 상태의 수소를 목표 충전 온도에 가깝게 예냉할 수 있게 되어 냉각기를 구동하는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 보일-오프 가스를 이용하여 수소를 가열하는데 필요한 열에너지를 자체적으로 생성하는바 시스템의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 히터 등의 구동을 위해 필요한 전기 에너지를 자체적으로 생산할 수 있게 되어 시스템의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 흐름 3 및 흐름 10으로 분기되는 유량을 조절하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 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.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
또한, 본 개시의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 개시에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 개시의 다양한 실시예들에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
도 1에는 본 발명의 실시예와 관련있는 구성요소들만이 도시되어 있는바, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소가 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템(100)은 저장 탱크(110), 고압펌프(120), 촉매 연소기(130), 히터(140), 버퍼 탱크(150), 냉각기(160), 디스펜서(170), 제1 밸브(180) 및 제2 밸브(190)를 포함한다.
저장 탱크(110)는 극저온의 액화 수소를 저장한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 탱크(110)는 2 ~ 3 bar의 압력 조건 및 -203℃ ~ -253℃ 온도 조건 하에서 액체 상태의 수소를 저장된다.
고압펌프(120)는 저장 탱크(110)에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공한다. 고암펌프(120)를 통과한 흐름 2에서의 수소는 약 900bar로 가압된 초임계 유체 상태로 전환되어 흐름 3 및 흐름 10으로 분기된다.
흐름 3으로 분기된 수소는 촉매 연소기(130)를 통과하며 1차적으로 가열된다.
촉매 연소기(130)는 백금 등과 같은 촉매 존재하, 수소와 산소를 반응시켜 열을 발생시키는 장치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기(130)는 연료로서 저장 탱크(110)에서 발생하는 보일-오프(boil off)를 가스 이용할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 저장 탱크(110)와 연결되어 보일-오프 가스를 배출하기 위한 흐름 라인인 흐름 12 및 상기 흐름 라인에서 촉매 연소기(130)로 분기되는 흐름 라인인 흐름 13을 더 포함될 수 있다.
또한, 저장 탱크(110)에서 발생된 보일-오프 가스 중 촉매 연소기(130)에서 사용되지 않는 보일-오프 가스를 외기로 방출하거나 액화 수소 충전 시스템(100)을 구동하기 위해 필요한 전력을 생산하도록 연료 전지에 공급하는 흐름 라인인 14를 포함할 수 있다.
촉매 연소기(130)에서 1차적으로 가열된 수소는 히터(140)에 유입되어 추가적으로 가열된 후 버퍼 탱크(150)에 저장된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소는 버퍼 탱크(150)에 25℃ 내외의 온도 조건으로 저장된다.
상온 상태로 버퍼 탱크(150)에 수소가 저장된 상태에서 충전 동작이 개시되면 버퍼 탱크(150)에 저장된 수소와 고압펌프(120)에서 분기된 저온·초임계 상태의 수소가 혼합지점에서 혼합된 후 냉각기(160)로 유입된다.
바람직하게, 상기 혼합 지점에서 혼합된 후 수소 온도는 -35℃일 수 있다.
디스펜서(170)를 통해 수소를 외부 탱크에 충전할 때 단열 압축에 의해 수소가 충전되는 외부 탱크 내부 온도가 상승하게 되는바, 탱크 내부의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해 미리 냉각한 상태로 수소를 공급한다. 따라서, 디스펜서(170)를 통해 외부에 수소를 공급하기 전 수소는 700bar의 압력 조건 및 -40℃ 온도 조건으로 변환해야 하는데, 버퍼 탱크(150)에 저장된 상온 상태의 수소를 -40℃로 냉각하기 위해서는 소정의 시간 및 에너지가 소요된다.
따라서, 버퍼 탱크(150)에 저장된 수소를 1차적으로 냉각하기 위해 고압펌프(120)에서 분기된 저온·초임계 상태의 수소와 혼합하는 것이다.
상술한 과정을 통해 1차적으로 냉각된 수소는 냉각기(160)에 유입되어 최종적으로 700bar의 압력 조건 및 -40℃ 온도 조건으로 변환된 후 디스펜서(170)를 통해 외부로 공급된다.
상술한 액화 수소 충전소 시스템(100)에 따르면, 수소가 1차적으로 가열된 상태로 히터(140)에 유입되므로 수소의 온도를 상온으로 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 냉각기(160) 유입 전 상온 상태의 수소를 목표 충전 온도에 가깝게 예냉할 수 있게 되어, 냉각기(160)를 구동하는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 흐름 3 및 흐름 10으로 분기되는 유량을 조절하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 혼합지점을 통과한 수소의 온도를 센싱하는 센싱부(미도시), 고압펌프(120) 후단에서 분기되어 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브(180)와 고압펌프(120) 후단에서 분기되어 촉매 연소기(130)로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브(190)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
버퍼 탱크(150)에 저장된 수소와 흐름 라인을 통과하는 수소는 외기의 온도에 따라 온도가 변화할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 냉각기(160)에 유입되기 전 흐름 7을 통과하는 수소의 온도가 타겟 온도로 냉각되도록 제1 밸브(180) 및 제2 밸브(190)의 개폐 상태를 제어할 수 있다.
충전 동작이 시작되면 제어부는 혼합지점 후단의 흐름 7에서의 온도 정보를 수신한다(S210). 흐름 7에서의 수소 온도와 타겟 온도를 비교하여(S220), 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도와 일치하면 그대로 충전을 진행한다(S260). 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 온도는 -35℃일 수 있다.
흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도와 일치하지 않는 경우, 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 높은지를 판단한다(S230). 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 높은 경우 이를 충전 온도인 -40℃도 까지 낮추는데 소정의 시간이 소요될 뿐만 아니라 냉각기(160)를 구동시키기 위한 부가적인 에너지가 소비된다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 고압펌프(120)에서 혼합지점으로 분기되는 수소 유량이 증가하도록 제1 밸브(180)를 개방하고 고압펌프(120)에서 촉매 연소기(130)로 분기되는 수소 유량이 감소하도록 제2 밸브(190)를 폐쇄하는 제어 신호를 생성한다. 상기 제어 동작에 따라 혼합지점을 통과한 수소 온도가 저하되어 타겟 온도에 도달하면(S220), 충전 동작을 진행한다.
반면, 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우 충전 온도가 -40℃보다 낮아지는 경우가 발생할 수 있으므로 제어부는 이 경우 제1 밸브(180)를 폐쇄하고 제2 밸브(190)를 개방하는 제어 신호를 생성한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 극저온의 액화수소를 단시간에 타겟 온도로 상승시키고, 에너지 효율을 극대화하기 위한 다른 구성을 포함할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 고압펌프(120)와 히터(140) 사이에 배치되는 발전기(200)를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 냉열 에너지를 회수 및 활용하여 전기 에너지를 생성하고 이를 히터(140)에 공급하여 수소를 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 상온까지 가열하는데 사용할 수 있다.
또한, 발전기(200)에서 저온의 수소와 발전기(200) 내부를 순환하는 작동유체간에 열교환이 이루어져 발전기(200) 통과 후 수소의 온도를 상승키실 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)의 내부 구조 및 발전 사이클을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 펌프(201), 증발기(202), 터빈(203) 및 응축기(204)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 작동유체를 순환시켜 터빈(203)을 회전시키고, 터빈(203)의 축동력을 전기에너지로 변환할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)의 작동유체는 프레온 계열의 냉매 또는 프로판 계열의 탄화수수계 등의 유기 화합물이 사용될 수 있다.
펌프(201)는 저온·저압의 작동유체를 가압하여 저온·고압의 상태로 변환한다. 펌프(201)에서 가압된 작동유체는 증발기(202)로 유입된다. 증발기(202)는 외부로부터 열에너지를 공급받아 이를 작동 유체에 공급하는 역할을 하며 통상적으로 판형의 열교환기 형태를 가질 수 있다.
증발기(202)에서 작동유체는 열교환을 통해 저온·고압의 상태에서 고온·고압의 기체 상태로 변화한다. 고온·고압의 기체 상태로 변화된 작동유체는 터빈(203)으로 유입되어 터빈(203)의 로터를 빠르게 회전시키며 통과한다. 이때, 터빈(203)의 운동 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
본 발명의 일 실시예에 다른 터빈(203)은 스크류 타입, 스크롤 타입, 베인 타입, 피스톤 타입 등 다양한 형태로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
터빈(203)을 통과한 작동유체는 고온·저압의 상태로 변환되어 응축기(204)로 유입된다.
응축기(204)에서는 고온·저압의 상태로 변환된 작동유체가 흐름 4를 흐르는 저온의 수소와 열교환을 통해 저온·저압의 상태의 액체로 변화한다. 또한, 흐름 4의 수소는 작동유체의 열을 흡수하여 온도가 상승한다.
저온·저압의 상태의 액체로 변화된 작동 유체는 다시 펌프(201)로 유입되어 상술한 사이클을 반복한다.
상술한 발전기(200)에 따르면 저온의 열원에서도 전기 에너지를 생성하고 이를 히터(140)에 공급하는바 에너지 효율을 높일 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.
또한, 발전기(200)와의 열교환을 통해 흐름 4의 수소 온도가 상승하므로 저온의 수소를 상온으로 변환하여 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 온도 상승에 필요한 시간 및 에너지를 절감할 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전기(200)는 추가 열교환기(205)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 다른 추가 열교환기(205)는 펌프(201)를 통과한 저온·고압의 작동유체와 터빈(203)을 통과한 고온·저압의 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치된다.
상술한 추가 열교환기에 의해 증발기(202)로 유입되기 전의 작동유체의 온도는 보다 상승하고, 응축기(224)로 유입되기 전에 작동유체의 온도는 보다 하강하므로 열효율을 보다 상승시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 고압펌프(120)에서 히터(140) 방향으로 분기되는 공급라인에 배치되는 발전기(200) 및 촉매 연소기(130)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 발전기(200)는 내부를 순환하는 작동유체에 의해 전기 에너지를 생산하고, 수소와 작동유체 간의 열교환을 통해 수소의 온도를 상승시킨다. 이때, 발전기(200)에서 발생된 전기 에너지는 수소의 온도를 상온까지 상승시키기 위한 히터(140)를 구동하는데 사용된다.
촉매 연소기(130)는 저장 탱크(110)에서 발생된 보일-오프 가스를 이용하여 열에너지를 생성하고 이를 수소의 온도를 상승시키는데 사용한다.
따라서, 수소를 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 수소의 온도를 상온까지 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 되는바 액화 수소 충전 시스템(100)의 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.
이상에서, 본 개시의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시의 기술적 사상이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들을 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 개시가 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크;
    상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프;
    상기 저장 탱크에서 발생하는 보일-오프 가스를 연료원으로 열을 발생시켜 상기 고압펌프 출력단에서 분기된 수소를 가열하는 촉매 연소기;
    상기 촉매 연소기에서 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터;
    상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크;
    상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기;
    상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도를 센싱하는 센싱부;
    상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브;
    상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브; 및
    상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 제어부는,
    상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 높은 경우, 상기 제1 밸브를 개방하고 상기 제2 밸브를 폐쇄하는 제어 신호를 생성하고
    상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우, 상기 제1 밸브를 폐쇄하고 상기 제2 밸브를 개방하는 제어 신호를 생성하는 액화 수소 충전 시스템.
  2. 삭제
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  5. 제1항에 있어서,
    상기 고압펌프와 상기 촉매 연소기 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발전기는,
    작동유체를 가압하는 펌프;
    상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기;
    상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈; 및
    상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 흐르는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함하는 액화 수소 충전 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.
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