KR20110077659A - 수소 충전 스테이션 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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KR20110077659A
KR20110077659A KR1020090134295A KR20090134295A KR20110077659A KR 20110077659 A KR20110077659 A KR 20110077659A KR 1020090134295 A KR1020090134295 A KR 1020090134295A KR 20090134295 A KR20090134295 A KR 20090134295A KR 20110077659 A KR20110077659 A KR 20110077659A
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이중성
이영철
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홍성호
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한국가스공사연구개발원
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Abstract

본 발명은 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 자동차용 고순도 수소 생산 설비와 고압 압축·저장 및 충전 시스템을 제어하여, 수소 충전을 효율적이고 안전하게 할 수 있는 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 충전 스테이션은 천연가스(NG)에서 황성분을 제거하기 위한 필터링을 행하는 탈황기와; 필요한 적정압력으로 CH4를 공급하기 위하여 상기 천연가스를 압축하는 천연가스 압축기(NG Compressor)와; 상기 CH4와 스팀을 고온에서 개질시켜 H2를 생산하기 위한 스팀 리포머(Steam Reformer)와; 상기 스팀 리포머에서 개질된 가스를 반응시켜 H2를 생산하기 위한 전환반응기(Shift Reactor)와; 상기 전환반응기에서 생성된 가스를 H2와 그 외 가스(Tail Gas)로 분리하기 위한 PSA(Pressure Swing Adsorption)와; 생산된 가스의 CO 농도를 분석하여 저장 또는 배출 여부를 결정하기 위한 CO 분석기와; 적정압의 생산된 가스를 45 MPa 까지 압축하기 위한 고압 압축기와; 3단 캐스케이드 방식으로 H2를 저장하기 위한 H2 용기 및; H2 용기에 저장된 H2를 수소 연료전지 차량에 충전하기 위한 디스펜서(Dispenser)로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법은 수소를 저장하고 공 급할 수 있는 안전하고 효율적인 수소 충전 스테이션을 개발할 수 있으며, 이러한 수소 충전 스테이션의 제어방법을 구축함으로써, 외국 전문업체에 의존한 제어방법을 독자화함으로써 시스템의 경제성과 유지관리 및 안전성을 확보할 수 있다. 또한, 친환경적인 에너지의 사용으로 환경보호 및 지구온난화 방지에 기여할 수 있다.
수소스테이션, 리포머, 스팀, 고압 압축기, 디스펜서

Description

수소 충전 스테이션 및 이의 제어 방법{ＨＹＤＲＯＧＥＮ REFUELING STATION AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 연료전지 자동차용 고순도 수소 생산 설비와 고압 압축·저장 및 충전 시스템을 제어하여, 수소 충전을 효율적이고 안전하게 할 수 있는 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 소비되는 에너지는 대부분이 화석원료인 석유 및 석탄으로 이루어지며, 특히 자동차의 경우 휘발류 또는 경유와 같은 유류를 이용하는 것이 전부라고 해도 무방할 정도이다.
하지만 석유와 같은 화석연료는 그 매장량에 한계가 있으며, 또한 에너지를 얻기 위하여 연소시킬 때 발생하는 각종 배출가스 및 분진은 환경오염과 지구 온난화의 주범이라고 할 수 있다.
이러한 상황을 타개할 수 있는 대체 에너지로는 수소와 같은 청정에너지원과 수력, 풍력, 태양열과 같은 신·재생 에너지를 들 수 있으며, 특히 자동차의 에너지원으로는 그 효율성을 감안하면 수소를 이용한 연료전지가 가장 바람직한 동력원으로 기대되고 있다.
즉, 일반 전기 자동차의 경우 충전지가 갈수록 가벼워지고 있다고는 하지만 그 무게가 무겁고 또한 충전에 걸리는 시간을 감안하면 상당한 불편함이 있으나, 연료전지는 압축수소를 산소와 결합해 발생하는 물과 전기를 이용해 동력을 얻는 자동차로 소음이 적고 배기가스를 전혀 배출하지 않는 것을 특징으로 하며, 원료인 압축수소의 주입은 일반 가스 자동차와 같이 신속하게 이루어지므로 그 효율성 면에서는 기존 자동차와 다름없는 것이다.
이러한 압축수소를 사용하기 위하여 자동차의 내부에는 고압의 수소가스 저장용기를 두고 충전할 수 있도록 현재 주유소와 같은 형태로 수소충전소가 건설되어야하는 것이다.
이때 수소는 기존의 LPG 및 LNG와는 그 특성이 상이하고 또한 압축된 형태로 공급되어야 하므로 기존 LPG 및 LNG와는 다른 공정 및 제어방법이 필요하다.
그러나, 국내에 설치 운영되고 있는 수소 스테이션의 제어방법은 외국 전문 업체의 기술에 의존한 상태이며, 제어방법에 대한 전문적인 기술이 전무한 상태이다.
특히, 제어방법의 전문적인 기술의 부재로 인하여 각 공정에 안전사고 발생시 신속한 대처가 어려운 문제점이 있으며, 동시에 제어방법의 관리 및 보수의 문제점이 있어 이를 해결하고자 한다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 주된 목적은, 수소 충전 스테이션의 제어 방법을 구축함으로 수소 충전 스테이션의 구동시 각각의 공정에 따라 발생할 수 있는 안전사고를 미연에 방지하고 각 공정별 구동을 효율적으로 관리할 수 있는 수소 충전 스테이션 및 이의 제어방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 수소 충전 스테이션은 천연가스(NG)에서 황성분을 제거하기 위한 필터링을 행하는 탈황기와; 필요한 적정압력으로 CH4를 공급하기 위하여 상기 천연가스를 압축하는 천연가스 압축기(NG Compressor)와; 상기 CH4와 스팀을 고온에서 개질시켜 H2를 생산하기 위한 스팀 리포머(Steam Reformer)와; 상기 스팀 리포머에서 개질된 가스를 반응시켜 H2를 생산하기 위한 전환반응기(Shift Reactor)와; 상기 전환반응기에서 생성된 가스를 H2와 그 외 가스(Tail Gas)로 분리하기 위한 PSA(Pressure Swing Absortion)와; 생산된 가스의 CO 농도를 분석하여 저장 또는 배출 여부를 결정하기 위한 CO 분석기와; 적정압의 생산된 가스를 45 MPa 까지 압 축하기 위한 고압 압축기와; 3단 캐스케이드 방식으로 H2를 저장하기 위한 H2 용기 및; H2 용기에 저장된 H2를 수소 연료전지 차량에 충전하기 위한 디스펜서(Dispenser)로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 수소 충전 스테이션의 설비 내부를 3회에 걸쳐 세정하는 단계(S101) 및; 세정된 설비 내부를 점검하여 가동 여부를 결정하는 단계(S102)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 천연가스를 투입하고 버너(Burner)를 점화시키는 단계(S201) 및; 상기 버너의 온도가 정상인지를 결정하는 단계(S202)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 가스 순환기를 가동시키는 단계(S301)와; 가스 순환기가 가동된 후에, 리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결정하는 단계(S302)와; 리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었다면, 가스 순환기를 정지(OFF)시키고 천연가스 압축기를 가동시키는 단계(S303) 및; 전환반응기(5)의 출구 온도가 약 350 ℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결정하는 단계(304)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 PSA를 가동시키는 단계(S401) 및; PSA 출구 CO 농도가 1ppm 이하인 지의 여부를 결정하는 단계(S402)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 고압 압축기를 가동시키는 단계(S501)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법은 H2 용기가 가득찼는 지의 여부를 결정하는 단계(S601)와; H2 용기가 가득찼다면, 고압 압축기를 정지시키는 단계(S602)와; 설비를 정지시키는 단계(S603)와, 천연가스 투입을 중단하고, 천연가스 압축기를 정지시키며, 설비 내부에 N2를 투입하여 세정하는 단계(S604) 및; N2를 투입하여 세정하는 것을 중단하고 PSA를 정지시키는 단계(S605)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션 및 이의 제어 방법은 수소를 저장하고 공급할 수 있는 안전하고 효율적인 수소 충전 스테이션을 개발할 수 있으며, 이러한 수소 충전 스테이션의 제어방법을 구축함으로써, 외국 전문업체에 의존한 제어방법을 독자화하여 경제성과 유지관리 및 안전성을 확보할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 친환경적인 에너지의 사용으로 환경보호 및 지구온난화를 방지하는데 기여할 수 있다는 이점이 있다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션 및 이의 제어 방법을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 고객이나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 개략적 구성도이며, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도이며, 도 4는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 5는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도이며, 도 6은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도이며, 도 7은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 8 내지 도 도 10은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도이며, 도 11은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도이며, 도 12는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 13은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도이며, 도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 16은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도이며, 도 17 내지 도 19는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도이며, 도 20 내지 도 22는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압충전 공정 도식도이며, 도 23은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 GCP(Gas Conrtrol Panel) 및 저장 공정 도식도이며, 도 24는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압충전 공정 도식도이며, 도 25는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도이며, 도 26은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 27은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도이며, 도 28은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도이며, 도 29는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압충전 공정 도식도이며, 도 30 및 도 31은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도이며, 도 32는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도이며, 도 33은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도이며, 도 34는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 로직 도식도이며, 도 35는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 로직 도식도이며, 도 36은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 로직 도식도이며, 도 37은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 로직 도식도이며, 도 38은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압충 전 공정 로직 도식도이며, 도 39는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 GCP 및 저장 공정 로직 도식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션은 도 1에 도시된 바와 같이, 천연가스(NG. Natural Gas)로 CH4가 제공되며, 이 CH4에 첨가되어진 부취 성분(황 성분)을 제거하기 위해 탈황기(1)와, 상기 탈황기(1)에서 부취 성분이 제거된 천연가스를 제조공정상 필요한 적정압력으로 압축하기 위한 천연가스 압축기(NG Compressor, 2)와, 상기 천연가스 압축기(2)에서 압축된 천연가스를 개질시키기 위해 고온의 스팀을 공급하기 위한 스팀 리포머(Steam Reformer, 3)와, 상기 스팀 리포머(3)에서 개질된 합성가스(Syngas) 중 CO와 H2O를 반응시키기 위한 전환반응기(4)와, 상기 전환반응기(4)에서 생성된 합성가스를 H2와 그 외 가스로 분리하기 위한 PSA(Pressure Swing Adsorption, 5)와, 상기 PSA(5)에서 분리된 가스의 CO 농도를 분석하여 압축 또는 배출 여부를 결정하기 위한 CO 분석기(6)와, 상기 CO 분석기(6)를 통과한 적정압력의 생성된 가스를 압축하기 위한 고압 압축기(7)와, 3단 캐스케이드 방식으로 H2를 저장하기 위한 H2 용기(8) 및, 상기 H2 용기(8)에 저장된 H2를 수소 연료전지 차량에 충전하기 위한 디스펜서(Dispenser, 9)로 구성된다.
여기서, 상기 천연가스 압축기(2)에서 압축된 천연가스 적정압력은 제조공정상 필요한 적정압력으로 약 0.8 MPa이며, 상기 스팀 리포머(3)에서 공급되는 스팀의 온도는 약 900℃이며, 상기 PSA(5)에서 분리된 H2의 순도는 약 99.995% 이상이 고 그 외 가스는 버너의 연료로 재사용되며, 상기 CO 분석기(6)를 통과한 가스의 CO 농도는 1ppm 이하이며, 상기 고압 압축기(7)에서 압축된 압력은 45 MPa이고 2단 격막을 사용하며, 상기 3단 캐스케이드 방식의 H2 용기(8)에 H2를 저장하거나 충전할 시에 저장되거나 충전되는 용기의 변경은 GCP(Gas Control Panel, 도시되지 않음)에서 제어되며, 상기 디스펜서(9)를 이용하여 상기 H2 용기(8)에 저장된 H2를 수소 연료전지 차량(도식되지 않음)에 충전시 충전압력은 약 35 MPa이며, 통신 및 비통신 방식으로 충전된다.
이상에서 상술한 본 발명의 수소 충전 스테이션을 도면과 관련하여 각각의 작동 공정을 살펴보면 다음과 같다.
특히, 상기 수소 충전 스테이션의 공정은 6가지로 나눠지고 이에 따라 각 공정의 제어 방법도 각각 다르며, 각 공정에 따른 제어방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 천연가스로부터 수소를 생산하는 공정에 앞서, 전처리 공정으로 탈황기를 사용하여, 상기 천연가스로부터 황 성분을 제거한다.
◆ 천연가스 압축 공정(제조공정상 필요한 적정압력으로 CH4를 공급하기 위하여 천연가스를 압축함, 도 2, 도 3, 도 6, 도 11, 도 28, 도 33 및 도 34 참조)
도 34에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 천연가스 압축공정은 다음과 같다.
먼저, 수소 충전 스테이션의 설비 내부를 3회에 걸쳐 세정하는 단계(S101) 와, 세정된 설비 내부를 점검하여 가동 여부를 결정하는 단계(S102)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 각 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
1) 단계(S101)에선, 천연가스 원료가 공급되지 못하게 밸브(XV100)가 닫히고 밸브(XV202)가 열린 상태에서, 냉각수, 탈이온수, 냉각수가 순서대로 공급되어, 수소 충전 스테이션 설비 내부의 세정이 이루어진다.
2) 단계(S102)에선, 세정된 설비 내부의 점검결과가 미흡하면, 시스템을 정지(Shut Down)시킨다. 이때, 세정된 설비 내부의 점검결과가 양호하면, 설비를 가동시킨다.
◆ 리포머 섹션 공정(도 4, 도 7, 도 12, 도 14, 도 15, 도 26, 도 30, 도 31 및 도 35 참조)
도 35에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정은 다음과 같다.
가동이 결정되면, 천연가스를 투입하고 버너를 점화시키는 단계(S201)와, 상기 버너의 온도가 정상인지를 결정하는 단계(S202)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 각 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
1) 단계(S201)에선, 밸브(XV107)가 열리고, 밸브(FCV103) 및 밸브(FCV104)가 각각 50% 정도로 동등하게 열려 공정용 압축공기(Plant Air)가 공급된다.
2) 단계(S202)에선, 버너의 온도가 정상이 아니면, 버너를 재점화시켜 버너의 온도를 정상화시킨다.
◆ 보일러 공정(도 5, 도 8 내지 도 10, 도 13, 도 16, 도 27 및 도 36 참 조)
도 36에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정은 다음과 같다.
버너의 온도가 정상이면, 가스 순환기를 가동시키는 단계(S301)와,
가스 순환기가 가동된 후에, 리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결정하는 단계(S302)와, 리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었다면, 가스 순환기를 정지시키고 천연가스 압축기를 가동시키는 단계(S303) 및, 전환반응기(5)의 출구 온도가 약 350 ℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결정하는 단계(304)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
- 단계(S301) 내지 단계(S304)에선,
1) 공정용 압축공기가 공급된 후, 약 10분 후에 가스 순환기(C2)가 가동된다
2) 가스 순환기(C2)가 가동된 후, 외부 수소탱크에서 리포머(R1)의 공급/배출 교환기(E1)로 공급되어 반응을 일으킨 후, 스팀 발생기(B1)에서 열교환을 한 후 응축물 분리기(V2)로 이동하여 순환을 하게 된다.
3) 천연가스 압축기 공정에선, 천연가스 원료가 리포머(R1)로 공급된다.
4) 리포머 섹션 공정에선, 공급되어진 천연가스 원료가 공정용 압축공기와 혼합되어 리포머(R1)에서 점화 발열되어, 상기 리포머(R1)의 내부 온도를 약 900℃ 정도의 적정 개질 온도까지 상승시킨다. 또한, 공정용 압축공기의 양은 점차로 리포머(R1)의 적정 공연비에 부합되게, 밸브(FCV103) 및 밸브(FCV104)가 조절된다.
5) 공급 물 펌프(P1)는 B2의 내부 수위를 약 5.4 인치에 맞추어 조절되어 운전된다.
6) LT103A 및 LT103B가 2.0 인치 이하일 때, 설비가 정지된다.
7) 밸브(XV101A)는 V2의 내부 수위가 LSL104에 미치지 못하면 열리게 되어, 탈이온수가 공급된다.
8) LSLL104가 감지되면 설비가 정지된다.
9) B2의 밸브(XV103)은 약 1시간에 1회씩 열려 드레인 및 가스 분석기로 이송된다.
10) 리포머(R1)에서 나온 배기가스(Flue Gas)가 B2에서 열교환을 일으킨 후 탈이온수 예열기(E2)를 거쳐 배출된다.
11) B2에서 열교환되어 스팀이 발생하여 일정 압력까지 발생하게 된다.
12) B2의 후단의 정압밸브에서 스팀의 압력이 일정 압력에 도달하면 정압밸브가 열려 스팀이 리포머(R1)로 공급된다.
13) 스팀이 공급되면 공급중인 외부 수소를 차단하기 위해 가스 순환기(C2)를 정지시키며, 밸브(XV106), 밸브(XV105) 및 밸브(XV110)가 닫히게 된다.
14) 천연가스 압축기 공정에선, 스팀이 공급된 후 천연가스 공급 탈황 설비(DES-1, DES-2, DES-3)에서 탈황을 1, 2 단계로 필터링을 한다. 또한, 상기 필터링된 원료 가스는 천연가스 압축기(C-1A, C-1B)를 통해 0.8 MPa으로 압축하여 원료 가스를 리포머(R1)로 공급한다.
15) 리포머 섹션 공정에선, 공급된 스팀과 탈황된 원료 가스가 리포머(R1)에 서 개질된 혼합가스중 CO와 H2O를 반응시켜 수소를 생산한다. 또한, 생산된 수소는 스팀 발생기(B2)에서 열 교환을 한다. 또한, 전환반응기(R2)의 TE104E가 약 450℃ 이상일 때 설비 정지된다.
16) 생산된 수소는 스팀 발생기(B2)에서 열 교환을 하고 V2와 PCV107을 거쳐 배출된다.
17) 리포머 섹션 공정에선, 탈황된 원료 가스, FT102의 유량이 8.0 NCMH 이상 10분동안 유지될 때, 수용 셋포인트(Capacity Setpoint)가 90%로 유지된다. 또한, 전환반응기(R2)에서 반응을 일으켜 나온 수소의 온도(TEL104E)가 약 350℃ 이상일 때, PSA가 96%의 속도로 가동된다.
18) PSA 단계에서 생산된 수소는 일부(FCV107)는 PSA로, 일부(PCV107)는 배출된다.
◆ PSA 공정(도 17 내지 도 19, 도 25, 도 32 및 도 37 참조)
도 37에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정은 다음과 같다.
PSA를 가동시키는 단계(S401) 및, PSA 출구 CO 농도가 1ppm 이하인 지의 여부를 결정하는 단계(S402)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
- 단계(S401) 및 단계(S402)에선,
1) PSA가 가동한 후 약 15분 동안 밸브(FCV107)가 100%까지 열리게 된다.
2) PSA가 약 15분 동안 가동 후 PSA 속도가 54%로 떨어지고, 밸브(FCV107)는 100%로 열린다.
3) 생산된 수소중 그 외 가스는 밸브(FCV109)를 통해 리포머(R1)로 공급되어 연료로 재사용된다.
4) PT108이 0.8 MPa 이상이고, FT108평균이 30 이하일 때 밸브(XV117)가 열리고 배출된다.
5) AE01이 1ppm 이하일 때, 밸브(XV108)가 열리고 수소가 저장탱크로 이송준비가 된다.
◆ 수소 고압압축 공정(도 20 내지 도 22, 도 24, 도 29 및 도 38 참조)
도 38에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압압축 공정은 다음과 같다.
고압 압축기를 가동시키는 단계(S501)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
- 단계(S501)에선,
1) 생성된 수소를 용기에 충전하기 위해 고압 압축기(C-3)를 작동시켜 수소를 45 MPa까지 압축한다.
2) 고압 압축기(C-3)를 작동시켜 무부하로 약 10분 동안 가동시킨다.
3) 고압 압축기(C-3)를 작동시켜 무부하로 약 10분 동안 가동시킨 후, 생산된 수소가 XV503C 저압, XV503B 중압, XV503A 고압 순으로 저장된다.
◆ GCP(Gas Control Panel) 및 저장 공정(도 23 및 도 39 참조)
도 39에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 GCP 및 저장 공정은 다음과 같다.
H2 용기가 가득찼는 지의 여부를 결정하는 단계(S601)와, H2 용기가 가득찼다면, 고압 압축기를 정지시키는 단계(S602)와, 설비를 스톱시키는 단계(S603)와, 천연가스 투입을 중단하고, 천연가스 압축기를 정지시키며, 설비 내부에 N2를 투입하여 세정하는 단계(S604) 및, N2를 투입하여 세정하는 것을 중단하고 PSA를 정지시키는 단계(S605)로 이루어진다.
상술된 바와 같은 단계를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
- 단계(S601) 및 단계(S605)에선,
1) 탱크(A, B, C)에 3단 캐스케이드 방식으로 수소를 저장한다.
2) 수소 고압충전 공정에선, 상기 탱크에 수소가 모두 충전되면 고압 압축기(C-3)가 정지한다.
3) 모든 밸브가 닫히고 PSA 속도가 95%로 유지되며 용량 셋포인트가 0%로 변한다.
4) 리포머 섹션 공정에선, REF1 공정에서 공정용 압축 공기와 스팀만이 공급된다.
5) 밸브(XV101B)가 열리고 잔여 가스가 배출된다.
6) 보일러 공정에선, REF2 공정에서 밸브(PCV107)가 열린 상태에서 잔여가스가 배출된다.
7) 보일러 공정에선, REF1 공정에서 나온 배기 가스는 여전히 B2에서 열 교환 후 배출된다.
8) 천연가스 압축기 공정에선, 탈황공정에서 모든 밸브와 컴프레서가 정지한다.
9) 천연가스 압축기 공정에선, 밸브(XV202)가 열리고 잔여가스가 배출된다.
10) 수소 고압충전 공정에선, 용기 저장 공정에서 밸브(XV434, XV435)만이 열려 내부 가스가 배출된다.
11) 리포머 섹션 공정에선, 스팀 스톱 약 10분 후 밸브(XV111)가 열리며 질소가 공급되어 세정공정이 시작된다.
12) 리포머 섹션 공정에선, 질소가 리포머와, R2, B2를 거쳐 PSA 전 단계 라인까지 세정작업이 이루어진다.
13) 리포머 섹션 공정에선, 질소 공급 약 10분 후 밸브(XV111)가 닫히며 질소공급이 정지된다.
14) PSA 공정에선, 질소 공급이 정지됨과 동시에, PSA 속도가 0%로 되며 PSA 가동이 정지한다.
15) 모든 공정이 정지된다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 개략적 구성도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도.
도 4는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 5는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도.
도 6은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도.
도 7은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 8 내지 도 도 10은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도.
도 11은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도.
도 12는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 13은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도.
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 16은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도.
도 17 내지 도 19는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도.
도 20 내지 도 22는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압 압축기 공정 도식도.
도 23은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 GCP 및 저장 공정 도식도.
도 24는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압 압축기 공정 도식도.
도 25는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도.
도 26은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 27은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 도식도.
도 28은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도.
도 29는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압충전 공정 도식도.
도 30 및 도 31은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 도식도.
도 32는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 도식도.
도 33은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 도식도.
도 34는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 NG 압축기 공정 로직 도식도.
도 35는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 리포머 섹션 공정 로직 도식도.
도 36은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 보일러 공정 로직 도식도.
도 37은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 PSA 공정 로직 도식도.
도 38은 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 수소 고압 압축기 공정 로직 도식도.
도 39는 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션의 제어방법 중 GCP 및 저장 공정 로직 도식도.
* 도면 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1: 탈황기 2: 천연가스 압축기
3: 스팀 리포머 4: 전환반응기
5: PSA 6: CO 분석기
7: 고압 압축기 8: H2 용기
9: 디스펜서

Claims (7)

  1. 천연가스(NG)에서 황성분을 제거하기 위한 필터링을 행하는 탈황기와;
    필요한 적정압력으로 CH4를 공급하기 위하여 상기 천연가스를 압축하는 천연가스 압축기(NG Compressor)와;
    상기 CH4와 스팀을 고온에서 개질시켜 H2를 생성하기 위한 스팀 리포머(Steam Reformer)와;
    상기 스팀 리포머에서 개질된 가스를 반응시켜 H2를 생성하기 위한 전환반응기(Shift Reactor)와;
    상기 전환반응기에서 생성된 가스를 H2와 그 외 가스(Tail Gas)로 분리하기 위한 PSA(Pressure Swing Adsorption)와;
    생성된 가스의 CO 농도를 분석하여 압축 또는 배출 여부를 결정하기 위한 CO 분석기와;
    적정압의 생성된 가스를 45 MPa까지 압축하기 위한 고압 압축기와;
    3단 캐스케이드 방식으로 H2를 저장하기 위한 H2 용기 및;
    H2 용기에 저장된 H2를 수소 연료전지 차량에 충전하기 위한 디스펜서(Dispenser)로 구성된 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션.
  2. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    수소 충전 스테이션의 설비 내부를 3회에 걸쳐 세정하는 단계(S101) 및;
    세정된 설비 내부를 점검하여 가동 여부를 결정하는 단계(S102)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
  3. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    천연가스를 투입하고 버너를 점화시키는 단계(S201) 및;
    상기 버너의 온도가 정상인지를 결정하는 단계(S202)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
  4. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    가스 순환기를 가동(ON)시키는 단계(S301)와;
    가스 순환기가 가동된 후에, 리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결정하는 단계(S302)와;
    리포머(R1) 내부 온도 및 스팀온도가 약 900℃ 정도로 상승되었다면, 가스 순환기를 정지(OFF)시키고 천연가스 압축기를 가동시키는 단계(S303) 및;
    전환반응기(5)의 출구 온도가 약 350 ℃ 정도로 상승되었는 지의 여부를 결 정하는 단계(304)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
  5. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    PSA를 가동시키는 단계(S401) 및;
    PSA 출구 CO 농도가 1ppm 이하인 지의 여부를 결정하는 단계(S402)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
  6. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    고압 압축기를 가동시키는 단계(S501)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
  7. 수소 충전 스테이션의 제어방법으로서,
    H2 용기가 가득찼는 지의 여부를 결정하는 단계(S601)와;
    H2 용기가 가득찼다면, 고압 압축기를 정지시키는 단계(S602)와;
    설비를 정지시키는 단계(S603)와, 천연가스 투입을 중단하고, 천연가스 압축기를 정지시키며, 설비 내부에 N2를 투입하여 세정하는 단계(S604) 및;
    N2를 투입하여 세정하는 것을 중단하고 PSA를 정지시키는 단계(S605)로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 충전 스테이션의 제어방법.
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