KR20080091633A - 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템에 관한 것으로, 원료를 제공하는 원료공급장치, 원료를 필요한 형태의 수소 가스로 개질하는 개질장치, 개질된 수소 가스를 압축하는 압축장치를 포함하는 수소 스테이션에 있어서, 압축된 수소를 차량에 공급하는 수소공급라인에는 제1유량조절밸브 및 제2솔레노이드밸브가 설치되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 기준으로 수소공급라인에는 제2유량조절밸브 및 제2솔레노이드밸브가 구비된 바이패스라인이 연결되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면 디스펜서와 연결되는 수소공급라인에 별도의 바이패스라인을 더 연결하고 필요에 따라 각각의 라인을 혼용함으로써 연료전지 차량의 수소가스 충전을 안정적이고 신속하게 진행할 수 있게 된다.
연료전지, 수소 스테이션, 디스펜서, 유량조절밸브, 솔레노이드밸브
Description
도 1은 본 발명에 의한 수소 스테이션을 보인 개략도.
도 2는 본 발명의 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템을 보인 개략도.
도 3은 본 발명에 의한 디스펜싱 시스템의 유량에 따른 무게의 변화를 보인 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 디스펜싱 시스템의 유량에 따른 압력의 변화를 보인 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
L1 ; 수소공급라인 L2 ; 바이패스라인
L3 ; 수소벤트라인 50 ; 디스펜서
51 ; 유량조절밸브 52 ; 솔레노이드밸브
53 ; 유량조절기 54 ; 제어기
58 ; 안전밸브
본 발명은 연료전지용 수소 스테이션에 관한 것으로, 특히 수소를 차량에 충전하기 위한 디스펜싱 시스템에 관한 것이다.
연료전지 자동차는 에너지원으로 연료전지를 사용하는 것으로, 연료전지(Fuel Cell)는 공기 중의 산소와 연료 중의 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생시키는 것으로 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전을 할 수 있는 시스템이다.
즉, 연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 열에너지로의 변환 없이 전지 내에서 전기화학적으로 직접 전기에너지로 바꾸기 때문에 효율이 매우 높고 공해가 거의 없는 이상적인 발전시스템이다.
이와 같이 연료전지를 구동원으로 하는 차량에서는 상기한 바의 전기생산을 위하여 차량의 수소탱크에 미리 저장시킨 수소를 연료전지에 공급해야 한다.
그런데, 고압 압축가스를 사용하는 하이브리드차, 연료 전지차 및 천연 가스차 등의 환경 친화 자동차는 연료 충전시 발생하는 단열 압축열로 인하여 저장용기 내부에 현격한 온도 편차가 발생할 수 있다. 이러한 저장용기 내부의 현격한 온도 편차의 발생은 고압가스 저장 시스템의 자동차 내 장착시 안전성의 문제를 야기할 수 있으며, 급속 충전시 충전 효율이 감소하는 요인으로 작용할 수 있다.
특히, 연료 전지차의 연료로 사용되는 수소는 고압 압축시 천연가스에 비해 요구되는 에너지량이 현저히 높아 차량의 수소저장용기에 충전시 용기 내 온도 편차가 발생할 수 있으며, 이에 따른 용기 안정성 및 충전 효율의 감소 등의 문제점이 있다.
이러한 충전 효율의 감소는 일충전 주행거리의 감소로 직결되며, 이는 연료전지 자동차의 상용화에 큰 걸림돌로 작용하게 된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료전지 차량의 수소 충전을 안정적이고 신속하게 진행할 수 있도록 한 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 본 발명의 목적은, 원료를 제공하는 원료공급장치, 원료를 필요한 형태의 수소 가스로 개질하는 개질장치, 개질된 수소 가스를 압축하는 압축장치를 포함하는 수소 스테이션에 있어서, 압축된 수소를 차량에 공급하는 수소공급라인에는 제1유량조절밸브 및 제2솔레노이드밸브가 설치되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 기준으로 수소공급라인에는 제2유량조절밸브 및 제2솔레노이드밸브가 구비된 바이패스라인이 연결되는 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템에 의해 달성된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템을 첨부 도면을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 스테이션을 보인 것으로, 수소 스테이션은 원료공급장치(10), 개질장치(20), 압축장치(30), 저장탱크(40) 및 디스펜서(50)를 포함한다.
원료공급장치(10)는 원료 가스를 개질장치(20)로 공급하는 것이다. 여기서, 원료가스는 천연 가스, LPG 등의 탄화수소 성분이나, 메탄올 등의 알콜 성분, 또는 나프타 성분 등의 탄화수소계 화합물로 예시되는 바와 같이 적어도 탄소 및 수소로부터 만들어지는 화합물을 주성분으로 포함한다.
개질장치(20)는 연료를 개질하는 개질부와, 일산화탄소를 제거하는 정제부로 구분된다. 연료전지에서의 개질이란 화석연료로부터 연료전지에 사용되는 연료인 수소를 만들어내는 반응을 의미한다.
개질부에서는 촉매반응에 의해 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환하는 역할을 하며, 정제부에서는 수성 전환과 선택적 산화 방법과 같은 촉매 반응, 분리막을 이용한 수소의 정제 등과 같은 방법으로 개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하게 된다.
한편, 탄화수소를 연료로 한 개질장치에 적용되는 수소제조방법에는 크게 수증기 개질, 오토써멀 그리고 부분 산화 방법이 있다.
각각의 방법에는 반응열을 공급하는 방식, 초기가동 및 부하변동에 대한 응 답특성, 수소생산 효율에 있어서 큰 차이가 있으며 초기시동 및 부하변동에 따른 빠른 응답 특성이 요구될 경우 부분 산화 또는 오토써멀 방식이 유리하다.
반면에 수증기 개질방법의 경우, 초기시동 및 부하변동에 대한 응답특성이 타 공정기술에 비해 늦다는 단점이 있지만 수소 생산효율 측면에서 가장 경제적이므로 수소 스테이션의 수소생산 기술로 보편적으로 채택되고 있다.
이 중에서, 수증기 개질반응을 이용하는 개질장치(20)는 탄화수소 연료에 포함된 황 성분을 제거하기 위한 탈황공정 그리고 탄화수소와 수증기를 반응시키기 위한 개질공정, 일산화탄소와 물의 반응을 통하여 일산화탄소의 농도를 낮추기 위한 고온 및 저온 전환반응공정을 진행하게 되며, ppm 수준으로 일산화탄소의 농도를 낮추기 위하여 선택적 산화반응(PROX) 공정이 적용되기도 한다.
즉, 연료전지에 공급하는 수소 가스 중에 일산화탄소가 포함되면, 연료 전지의 기능 저하를 야기하기 때문에, 일산화탄소 농도가 낮은 가스를 생성할 필요가 있다.
이 때문에, 개질 가스 중의 일산화탄소를 저감시키거나 선택적으로 산화시키는 정제부가 개질장치에 마련되는 것이 바람직하다. 이렇게 하는 것으로, 일산화탄소가 저감된 수소 가스와 산소를 포함하는 산화제를 이용하여, 연료전지는 안정적으로 발전하는 것이 가능해진다.
압축장치(30)는 생성된 수소를 압축하여, 그 일측에 설치되는 저장탱크(40)로 수소가 저장된다. 압축장치(30)로서는, 수소 압축 펌프가 일반적으로 이용되지 만, 수소를 압축할 수 있는 장치이면 어떠한 것을 이용하는 것도 가능하다.
압축장치(30) 출구의 수소가스 압력은, 용적효율의 관점에서 높게 하는 것이 좋으며, 상한(上限)에 대하여는 특히 한정되지 않지만 실용상 50기압(5㎫) 이상 1000기압(100㎫) 이하가 바람직하다.
저장탱크(40)는 압축 공정을 거친 수소를 저장하기 위한 것으로, 압축된 수소를 견디는 것이면 특별히 그 형태가 한정되는 것은 아니므로 공지의 것을 적용하는 것이 가능하며, 고압의 수소가스를 그대로 저장하는 고압수소 저장탱크가 적용되는 것이 바람직하다.
한편, 이 저장탱크(40)는 수소가스를 디스펜서(50)로 공급하기 위해 저장하는 것으로서, 저장탱크(40)를 통하지 않고 직접 압축장치의 출구 가스를 디스펜서(50)로 제공할 수도 있다. 이 경우에는, 압축장치(30)와 디스펜서(50)를 접속하는 배관을 마련해야 한다.
디스펜서(50)는 수소를 연료로 하는 연료전지 자동차의 수소저장용기(차량에 탑재된 상태 또는 차량으로부터 분리된 상태에 상관없음)에 수소가스를 공급하는 것으로, 개질 반응에 의해 얻어진 수소 가스 주체의 개질 가스를 수소공급라인을 통하여 외부의 차량으로 공급한다. 주어진 기간 내에 생성된 수소량은 당업계에 공지된 다양한 방법으로 결정되고, 천연가스 소비, 수소 생성, 저장 압력 및 변화율 등을 포함한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 의한 수소 디스펜싱 시스템이 도시되어 있으며, 이에 따르면 개질된 수소가스는 수소공급라인(L1)을 따라 디스펜서(50)에 근접된 차량의 수소저장용기(도시 생략)로 주입되고, 잉여가스는 수소벤트라인(L3)을 통해 대기로 배출된다.
저장탱크(40)(저장탱크가 구비되지 않은 경우에는 압축기)와 연료전지를 연결하는 수소공급라인(L1) 상에는 유량조절밸브(51), 솔레노이드밸브(52) 및 유량조절기(53)(Mass Flow Meter)가 설치된다.
즉, 저장탱크(40)로부터 공급된 수소는 유량조절밸브(51)의 설정된 개방값에 의해 필요한 가스의 유량을 정밀하게 조절한 후, 유량조절기(53)에 의해 원하는 유량으로 조절된 다음 차량으로 공급된다.
이때, 수소가스의 공급, 솔레노이드밸브의 제어 및 유량조절밸브의 제어 등과 같은 본 발명의 실시예에서 작동되는 제어단계를 결정하기 위해 제어기(54)가 더 구비된다.
한편, 수소공급라인(L1)은 1/2인치에서 3/8인치의 비교적 큰 직경을 가지므로 버스 등과 같은 대형차에 수소가스를 충전시킬 때는 많은 양의 수소가스를 신속하게 충전시킬 수 있으나, 승용차와 같은 소형 차량에 수소 가스를 충전시킬 경우 과도한 양의 수소 가스가 공급될 수 있으며, 이 경우 압력이 설정치 이상으로 상승하여 구성 부품에 이상이 발생할 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 수소공급라인(L1)의 일단에 바이패스라인(L2)이 더 연결 설치된다. 즉, 본 실시예에서는 제1솔레노이드밸브(52)를 기준으로 수소공급라인(L1)에 그보다 작은 1/4인치의 직경을 가진 바이패스라인(L2)을 연결하고, 이 바이패스라인(L2)에도 제2유량조절밸브(51') 및 제2솔레노이드밸브(52')를 설치한 것이다.
이에 따라, 제1유량조절밸브(51) 및 제2유량조절밸브(51')를 적절하게 개방한 상태에서, 소형차에 수소가스를 충전시키고자 할 때에는 수소공급라인(L1)의 제1솔레노이드밸브(52)는 폐쇄하고, 바이패스라인(L2)의 제2솔레노이드밸브(52')를 개방하여 설정된 압력과 온도를 벗어나지 않는 범위 내에서 안정적으로 수소가스의 디스펜싱이 가능하게 된다.
반대로, 대형차에 수소가스를 충전시킬 때에는 수소공급라인(L1)의 제1솔레노이드밸브(52)를 개방하여 디스펜싱하거나, 더불어 바이패스라인(L2)의 제2솔레노이드밸브(52') 역시 개방하여 그 디스펜싱 속도를 조금 더 높일 수도 있는 것이다.
이와 같이, 수소의 디스펜싱 작업을 진행할 경우 실험 데이터를 아래의 [표 1]에 기재하였다. 그리고 [표 1]의 데이터를 기초로 '유량에 따른 무게의 변화' 및 '유량에 따른 압력의 변화'에 대한 결과를 각각 도 3 및 도 4에 그래프로 나타내었다.
이에 따르면, 바이패스라인(L2)을 통해 수소의 디스펜싱 작업을 진행할 경우 수소 가스의 무게나 압력 변화 그리고 충전시간에 안정적인 대응이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 2에서 미설명 부호 (55)는 수소가스가 누출되는 것을 감지하는 누출감지기, (56)은 공급되는 수소가스의 온도를 측정하는 온도센서, (57)은 공급되는 수소가스의 압력을 측정하는 압력센서이다. 그리고 (58)은 안전밸브로서, 이는 차량에 충전되는 수소가스의 압력이 설정치 이상으로 증가할 경우 개방됨으로써 공급되던 수소가스를 강제적으로 배출할 수 있도록 한 것이다.
한편, 본 실시예에서는 하나의 바이패스라인이 구비된 것을 일예로 들었으나, 필요에 따라서는 바이패스라인을 더 증가시킬 수도 있으며, 각각의 바이패스라인에는 유량조절밸브 및 솔레노이드밸브가 구비되는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 디스펜서와 연결되는 수소공급라인에 별도의 바이패스라인을 더 연결하고 필요에 따라 각각의 라인을 혼용함으로써 연료전지 차량의 수소가스 충전을 안정적이고 신속하게 진행할 수 있게 된다.
Claims (3)
- 원료를 제공하는 원료공급장치, 원료를 필요한 형태의 수소 가스로 개질하는 개질장치, 개질된 수소 가스를 압축하는 압축장치 및 수소공급라인과 수소벤트라인이 연결된 디스펜서를 포함하는 수소 스테이션에 있어서,압축된 수소를 차량에 공급하는 수소공급라인에는 제1유량조절밸브 및 제1솔레노이드밸브가 설치되고, 상기 제1솔레노이드밸브를 기준으로 수소공급라인에는 제2유량조절밸브 및 제2솔레노이드밸브가 구비된 바이패스라인이 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 각각의 유량조절밸브는 니들 밸브 또는 매터링 밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템.
- 청구항 1에 있어서,상기 수소벤트라인에는 차량에 공급되는 수소가스의 압력이 허용치 이상일 경우 강제 배출시킬 수 있도록 안전밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 스테이션의 디스펜싱 시스템.
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2007
- 2007-04-09 KR KR1020070034727A patent/KR20080091633A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102302059B1 (ko) * | 2021-06-09 | 2021-09-15 | 주식회사 헥사 | 액화수소 저장용기에 충진되는 실시간 액화수소량 측정 장치 및 방법 |
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