KR20150127891A

KR20150127891A - 수소 제조 장치

Info

Publication number: KR20150127891A
Application number: KR1020140054056A
Authority: KR
Inventors: 이영철; 김용철; 한정옥; 이형옥; 이승환
Original assignee: 한국가스공사; 제이엔케이히터(주)
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-18
Also published as: KR101660105B1

Abstract

수소 제조 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치는 고압의 압력으로 원료가스를 압축하는 압축기; 및 상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력될 경우 상기 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 내부 체적이 가변되면서 개질기로 공급되는 원료가스와 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함한다.

Description

수소 제조 장치{Hydrogen manufacturing apparatus}

본 발명은 수소 제조 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압의 합성가스를 공급받아 개질기로 공급되는 원료가스와 열교환이 이루어지는 열교환부의 내부 체적이 선택적으로 가변되는 수소 제조 장치에 관한 것이다.

최근 지구환경에 대한 위기감 고조로 인하여 친화적인 에너지 공급 시스템의 개발 요구에 부응하여 에너지 효율이 높고, 배출 가스가 적다는 점에서 수소연료전지자동차 등의 수소를 연료로 하는 시스템이 각광을 받고 있다.

그 중에서도 수소연료전지자동차에서의 수소 공급 방법으로는 압축 또는 액화와 같은 형태로 직접 수소를 공급하는 방법 외에, 천연가스 등의 탄화수소계 원료의 개질에 의한 수소의 생성은 기존의 연료공급 인프라를 이용할 수 있고, 종합적인 에너지 효율이 높다는 점 등에 있어서 많이 이용되고 있다.

또한 전기, 전자 기술을 비롯한 과학 기술의 발달에 따라 많은 종류의 에너지원이 개발되고 있으며 화석연료, 원자력, 수력, 풍력과 같은 에너지를 대체하기 위한 대체에너지로서 수소 연료의 사용은 무공해 대체에너지로서 지구상에 존재하는 무한한 자원의 활용으로서 그 의미가 있으며, 수소연료를 사용하는 연료전지는 수소에너지 응용기술의 핵심으로 수소 연료로부터 전기를 직접 생산하는 개념으로서 전기자동차, 가정용, 발전용등에 사용될 수 있는 대체 발전수단으로, 수소 가스와 공기를 연료로 공급하고, 한 쌍의 전극 사이에서 전기화학반응에 의하여 발전하는 수단이다.

상기 연료전지의 원료가 되는 수소 가스를 얻는 방법으로는 우선적으로 전기자동차용, 가정용 등에서 연료전지를 사용할 경우에 대비하여 현재 쉽게 공급되고 있는 메탄이 주성분인 도시가스, 천연가스로부터 개질기를 이용한 방법을 사용하여 순수한 수소를 효율적으로 생산할 수 있다.

통상의 수소 제조 장치는 원료가스에 함유된 황을 흡착하기 위한 탈황기와, 탈황기를 거친 원료가스를 개질시켜 풍부한 수소가스가 함유된 합성가스를 생성하기 위한 개질기와, 수소가 풍부한 가스로의 개질에 필요한 수증기를 얻기 위한 증기 발생기, 배기가스에서 물을 분리하는 기액분리기를 포함한다.

이와 같이 사용되는 수소 제조 장치는 수소를 원료로 하는 산업 분야에서급속 수소 충전을 위한 다양한 방법이 제안되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 제10-2004-0096977호 (공개일: 2004년 11월 17일)

본 발명의 실시 예들은 압축기에서 압축된 고압의 원료가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 상대적으로 고압의 압력 상태로 열교환부에서 열교환이 이루어질 때 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 체적인 가변 되면서 급격한 압력변동에 따른 완충을 실시하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고압의 압력으로 원료가스를 압축하는 압축기; 및 상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력될 경우 상기 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 내부 체적이 가변되면서 개질기로 공급되는 원료가스와 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함한다.

상기 압축기는 상기 탈황기에 9bar 이상의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 압축기는 상기 탈황기에 최대 20bar 이내의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력되는 열교환부; 및 상기 열교환부의 내부에 위치되고 열교환부로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부 내부의 체적을 가변 시키는 체적 가변부를 포함한다.

상기 열교환부는 합성가스가 유입되는 공간이 형성된 챔버 하우징을 포함하고, 상기 챔버 하우징은 실린더 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 챔버 하우징은 합성가스가 유입되는 공간이 형성된 제1 공간부; 상기 제1 공간부와 별도의 공간으로 구획된 제2 공간부를 포함한다.

상기 제1 공간부는 상기 제2 공간부에 비해 상대적으로 큰 면적으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 챔버 하우징은 상기 제1 공간부와 제2 공간부를 각각 구획하고 중앙에통공이 형성된 격벽을 포함하고, 상기 통공에 체적 가변부의 하단이 부분 삽입된 상태로 챔버 하우징으로 유입된 합성가스의 압력 변동 상태에 체적 가변부의 상대 이동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 체적 가변부는 상기 열교환부의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 위치되고 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 체적가변부를 원위치시키는 완충부를 포함한다.

상기 완충부는 벨로우즈 형태의 주름관이 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 체적 가변부는 상기 완충부에 상단이 연통되고 하단이 통공의 내주면과 대응되는 직경을 가지고 접촉 유지되는 것을 특징으로 한다.

상기 체적 가변부는 원추 형태 또는 원 기둥 형태 중의 어느 한 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 체적 가변부는 하단 외측 원주 방향을 따라 통공의 내주면을 향해 라운드진 라운드 부를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성 가스 상태로 입력되는 열교환부; 상기 열교환부의 내부에 위치되고 열교환부로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부 내부의 가변 시키는 체적을 체적 가변부; 및 상기 열교환부의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 일단이 연결되고 체적 가변부의 상단에 하단이 연결되어 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 체적 가변부를 원위치시키는 완충부를 포함한다.

상기 완충부는 이중관으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 챔버 하우징은 상기 제1 공간부와 제2 공간부를 각각 구획하고 중앙에 통공이 형성된 격벽을 포함한다.

상기 열교환부는 하면에 설치되고 열교환부로 공급된 고압의 합성가스가 이동되는 다수개의 통공이 형성된 플레이트 유닛을 포함한다.

상기 수소 제조 장치는 상기 열교환부의 하단에 결합되고 통공에 각각 삽입된 다수개의 열교환 관이 배치되어 개질기로 공급되는 천연가스와 열교환부로 공급된 고압의 천연가스가 상호 대향되어 열교환이 이루어지는 메인 열교환부를 포함한다.

상기 수소 제조 장치는 상기 제1 공간부와 제2 공간부의 서로 다른 압력 변동 상태를 감지하는 감지부를 포함한다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 열교환부가 장착된 고압 가스 시스템에 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 열교환부가 장착된 연료 전지 시스템에 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 충전 시스템용 수소 제조 장치에 설치될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 탈황기의 효율이 향상되고, 전반적인 수소 제조 장치의 각 구성품에 대한 사이즈가 축소되어 수소 제조 장치의 컴팩트화가 가능하며, 개질기의 개질 효율 향상과 수소 회수율이 향상된다.

본 발명의 실시 예들은 개질기 내부가 고압 상태로 유지되어 수소 생산 효율이 향상되어 다량의 수소를 필요로 하는 설비 또는 산업 분야에 다양하게 사용될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 고압의 합성가스가 열교환기 내부로 공급되는 경우에도 개질기로 공급되는 원료 가스와 안정적인 열교환을 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 구성을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 열교환부를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부의 단면 사시도.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환부의 다양한 실시 예를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 열교환부와 메인 열교환부의 결합 단면도.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 다양한 적용예를 간략히 도시한 도면.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 작동 상태도.

본 발명의 일 실시 예에 따른 수소 제조 장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 본 실시 예에 의한 수소 제조 장치는 고압의 가스와 열교환이 이루어지는 다양한 산업 분야에 적용되어 사용될 수 있으며 각각의 세부 실시 예는 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 수소 제조 장치(1)는 고압의 압력으로 원료가스를 압축하는 압축기(100)와, 상기 압축기(100)를 경유한 천연 가스가 탈황기(50)와 개질기(60)를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력될 경우 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 내부 체적이 가변되면서 개질기(60)로 공급되는 원료가스와 열교환이 이루어지는 열교환부(200)를 포함한다.

압축기(100)는 탈황기(50)에 9bar 이상의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는데, 최대 20bar 이내의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것이 바람직하며, 상기 압력 범위는 탈황기(50) 및 개질기(60)의 안정적인 작동을 위해 위에서 제시된 압력 범위에서 사용된다.

이와 같이 압축기(100)가 고압으로 탈황기(50)로 원료가스를 공급할 경우 원료가스에 포함된 황 성분에 대한 제거가 보다 잘 이루어져 탈황기의 효율이 향상되고, 이로 인해 수소 회수율이 상대적으로 증가된다. 또한 수소 제조 장치(1)의 배관 사이즈가 전술한 압축기(100)의 압력 범위 이하의 압력 상태일 때 보다 상대적으로 관경이 작아지면서 전체 설비의 크기가 상대적으로 작아지면서 수소 제조 장치(1)의 전체적인 장비 구성이 컴펙트해지고 설계 및 배치의 자유도 향상될 수 있다.

또한 수소 제조 장치(1)에서 생산된 수소를 공급받는 수소 충전소에 보다 빠른 시간에 다량의 수소가 공급될 수 있으므로 충전 시간이 단축될 수 있다.

즉 원료가스의 압력이 고압 상태로 탈황기(50)로 공급될 경우 보다 많은 량의 황 성분이 제거되어 개질기(60)에 충진된 개질 촉매 또는 스택과 수소 제조 장치(1)를 연결하여 사용할 경우 스택에 배치된 전극의 내구성과 성능 저하 없이 장기간 안정적으로 사용할 수 있다.

본 실시 예에서는 수소 제조 장치(1)에 1개의 압축기(100)가 설치된 것으로 도시하였으나, 전체 설비 구성이 증가될 경우 복수개가 설치되어 다수개의 개질기와 열교환기에 고압의 가스를 공급할 수 있으며 종래의 압축기 설치 개수의 1/n이내의 개수로 설치 개수를 상대적으로 감소시켜 운영이 가능해진다.

수소 제조 장치(1)는 압축기(100)에서 배출되는 원료가스의 압력이 기준치 이상일 경우 작업자가 이를 인지할 수 있도록 별도의 경보 기능을 갖는 알람부(미도시)를 포함하여 구성되며, 알람부는 시각적 또는 청각적 알람 기능이 구현되는 부저, 램프의 조합으로 구성될 수 있다.

또한 수소 제조 장치(1)는 근거리 또는 원거리에 위치된 작업자 또는 관리자에게 현재 수소 제조 장치(1)의 작동 상태를 제공하기 위한 통신 모듈(미도시)을 더 포함하고, 상기 통신 모듈은 수소 제조 장치(1)에 마련된 자체 서버(미도시)를 통해 근거리 통신망 또는 인터넷망을 경유하여 해당 정보가 전송되도록 구성된다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 본 실시 예에 의한 가장 큰 기술적 특징은 열교환부에 의해 내부 체적이 가변 되는 것을 특징으로 한다.

첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 수소 제조 장치(1)는 고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기(100)와, 상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기(50)와 개질기(60)를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력되는 열교환부(200) 및 상기 열교환부(200)의 내부에 위치되고 열교환부(200)로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부(200) 내부의 체적을 가변시키는 체적 가변부(300)를 포함한다.

열교환부(200)는 고압의 합성가스가 공급되는 공급관(70)이 상부에 설치되고, 상기 공급관(70)과 연통되어 열교환부(200)의 내부로 연결관이 설치된다.

열교환부(200)는 합성가스가 유입되는 공간이 형성된 챔버 하우징(202)을 포함하고, 챔버 하우징(202)은 실린더 형태로 이루어지는데 고압의 합성가스로 인한 파손 및 변형이 발생되지 않는 구조적인 강성이 유지되도록 제작된다.

챔버 하우징(202)은 직경에 비해 길이 방향 길이가 상대적으로 길게 연장되고 합성가스가 챔버 하우징(202)으로 공급될 경우 길이 방향을 따라 체적 가변부(300)가 이동되면서 열교환부(200)의 내부 체적을 가변시킬 수 있다.

이로 인해 고압의 합성가스가 챔버 하우징(202)으로 공급되어 챔버 하우징(202)의 내부가 급격한 압력 변동이 발생되는 경우에도 안정적으로 압력을 안정시킬 수 있으며 소음 발생이 최소화된 상태로 수소 제조 장치(1)의 운용이 가능해진다.

챔버 하우징(202)은 내부 공간이 체적 가변부(300)에 의해 제1 공간부(202a)와 제2 공간부(202b)로 각각 구획되는데, 상기 제1 공간부(202a)는 도면 기준으로 체적 가변부(300)의 내부와 챔버 하우징(202)의 하측 영역에 형성되고, 제2 공간부(202b)는 체적 가변부(300)의 상부에 형성된다. 제1 공간부(202a)는 고압의 합성가스가 유입되는 공간에 해당되고, 제2 공간부(202b)는 대기압 상태 또는 다른 압력 상태로 유지된다.

챔버 하우징(202)은 제1 공간부(202a)와 제2 공간부(202b)를 각각 구획하고 중앙에 통공(203a)이 형성된 격벽(203)을 포함하고, 통공(203a)에 체적 가변부(300)가 삽입된 상태로 챔버 하우징(202)으로 유입된 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 상대 이동이 이루어진다.

체적 가변부(300)는 원추 형태 또는 원 기둥 형태 중의 어느 한 형태로 이루어질 수 있으며 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해 원추 형태로 한정하여 설명한다.

체적 가변부(300)는 상부에서 하부로 갈수로 외측으로 경사진 원추 형태로 이루어지는데, 이와 같이 원추 형태로 형성하는 이유는 고압의 합성 가스가 챔버 하우징(202)의 내부 공간으로 공급된 이후에 보다 원활한 확산을 실시하기 위해서이다.

또한 합성 가스는 챔버 하우징(202)으로 이송되기 이전에는 일정한 관경을 갖는 이송관(미도시)을 통해 이동되나 체적 가변부(300)로 이동된 이후에 공간이 확장된 제1 공간부(202a)에서 압력과 이동 속도가 저하되면서 압력 변동에 따른 완충이 이루어진다.

체적 가변부(300)는 격벽(203)의 내주면을 따라 하강 또는 승강되면서 이동되는데, 격벽(203)은 링 형태로 챔버 하우징(202)에 고정되고 체적 가변부(300)가 하강 또는 승강되면서 마찰에 따른 마모가 발생되지 않도록 내주면에 코팅층이 형성되는 것이 바람직하며 이로 인해 체적 가변부(300)가 빠른 속도로 상대 이동되는 경우에도 마찰에 따른 마모 및 마찰열의 발생이 최소화된다.

격벽(203)에 형성된 통공(203a)에는 체적 가변부(300)의 하단이 부분 삽입되는데, 깊이(depth)는 도면에 도시된 깊이로 한정하지 않고 변동 가능함을 밝혀둔다.

체적 가변부(300)는 통공(203a)의 내주면과 마찰에 따른 마모가 방지되도록 코팅층이 형성되어 상대 이동에 따른 마모를 최소화시킬 수 있다. 또한, 체적 가변부(300)는 하단 외측 원주 방향을 따라 통공(203a)의 내주면을 향해 라운드 부(302)가 형성되고, 상기 라운드 부(302)에 의해 마찰 면적이 최소화된 상태로 격벽(203)의 내주면과 상대 이동이 이루어진다.

체적 가변부(300)는 열교환부(200)의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 위치되고 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 슬라이딩부를 원 위치시키는 완충부(305)를 포함한다. 완충부(305)는 고압의 환경에서 변형 및 파손되지 않아야 하며 장기간 사용시에도 내구성이 안정적으로 보장되는 것이 바람직하다.

완충부(305)는 고압의 합성가스가 제1 공간부(202a)에서 확산될 경우 길이 방향 하측을 향해 순간적으로 길이 가변이 이루어진 후에 최초의 위치로 원 위치 되면서 고압의 압력 변동에 따른 챔버 하우징(202) 내부에서의 완충을 도모한다.

완충부(305)는 벨로우즈 형태의 주름관이 사용되나 길이 방향으로 길이 가변이 가능한 다른 구성으로 변경되는 것도 가능함을 밝혀둔다.

본 발명의 다른 실시 예에 의한 수소 제조 장치의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1 또는 도 4를 참조하면, 수소 제조 장치(1)는 고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기(100)와, 상기 압축기(100)를 경유한 천연 가스가 탈황기(50)와 개질기(60)를 경유하여 고압의 합성 가스 상태로 입력되는 열교환부(200) 및 상기 열교환부(200)의 내부에 위치되고 열교환부(200)로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부(200) 내부의 체적을 가변시키는 체적 가변부(300)와, 열교환부(200)의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 일단이 연결되고 체적 가변부(300)의 상단에 하단이 연결되어 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 체적 가변부(300)를 원위치시키는 완충부(305)를 포함한다.

압축기(100)는 탈황기(50)에 9bar 이상 20bar이내의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는데, 최대 20bar 이내의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것이 바람직하며, 상기 압력 범위는 탈황기(50) 및 개질기(60)의 안정적인 작동을 위해 위에서 제시된 압력 범위에서 사용된다.

이와 같이 압축기(100)가 고압으로 탈황기로 연료가스를 공급할 경우 원료가스에 포함된 황 성분에 대한 제거가 보다 잘 이루어져 탈황기의 효율이 증가되고, 수소 회수율이 상대적으로 증가되며, 수소 제조 장치의 전체적인 장비 구성이 작아지는 효과가 유발된다.

열교환부(200)는 합성가스가 유입되는 공간이 형성된 챔버 하우징(202)을 포함하고, 상기 챔버 하우징(202)은 실린더 형태로 이루어지는데 고압의 합성가스로 인한 파손 및 변형이 발생되지 않도록 구조적인 강성이 유지되도록 제작된다.

챔버 하우징(202)은 직경에 비해 길이 방향 길이가 상대적으로 길게 연장되고 체적 가변부(300)가 챔버 하우징(202)의 내측에서 상하 방향으로 이동 가능하게 배치되며 합성가스가 챔버 하우징(202)으로 공급될 경우 길이 방향을 따라 이동되면서 열교환부(200)의 내부 체적을 가변시킬 수 있다.

첨부된 도 5를 참조하면, 열교환부(200)는 하면에 플레이트 유닛(204)이 설치되는데, 플레이트 유닛(204)은 열교환부(200)로 공급된 고압의 합성가스가 이동되는 다수개의 통공(204a)이 형성된다.

열교환부(200)는 하단에 메인 열교환부(200)가 설치되며, 플레이트 유닛(204)에 형성된 통공(204a)에 다수개의 열교환 관(410)이 삽입된다.

열교환 관(410)은 메인 열교환부(200)에 다수개가 도면에 도시된 상태로 배치되어 열교환부(200)로 공급된 고압의 천연가스가 상호 대향되어 열교환이 이루어진 후에 개질기(60)로 재공급된다.

메인 열교환부(200)는 열교환이 이루어지지 않은 천연가스가 공급되는 유입관(401)과 열교환이 이루어진 이후에 개질기(60)와 연결된 연결관과 연결되는 배출관(402)을 포함한다.

수소 제조 장치(1)는 제1 공간부(202a)와 제2 공간부(202b)의 서로 다른 압력 변동 상태를 감지하는 감지부(500)를 포함하고, 감지부(500)(도 3 참조)는 통상의 압력 센서가 사용된다.

첨부된 도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 열교환부(200)는 체적 가변부(300)의 형태가 도면에 도시된 바와 같이 다양하게 변경될 수 있으며, 격벽(203)을 따라 이동될 ? 최대한 응력 집중이 발생되지 않도록 라운드진 형태로 이루어진다. 일 예로 도 6에 도시된 바와 같이 반구 형태의 구성으로 이루어질 수 있으며 이 경우 응력이 특정 위치에 집중되는 경우에도 분산되어 이동에 따른 파손이 최소화된다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 따른 열교환부(200)는 고압 가스 시스템의 열교환기로 사용되거나, 첨부된 도 9에 도시된 바와 같이 연료 전지 시스템의 열교환부로 사용되거나, 첨부된 도 10에 도시된 바와 같이 수소 제조 장치를 포함하는 충전 시스템용 수소 제조 장치에 사용될 수 있다.

특히 도 10에 도시된 바와 같이 수소 제조 장치(1)는 다수대의 연료전지 차량(FCV)에 급속 충전을 위해 사용되며 이 경우 다수대의 연료전지 차량에 대한 충전이 신속하게 이루어질 수 있으므로 연료전지 차량이 수소 충전을 위해 대기하지 않고 편리하게 충전을 실시할 수 있어 사용자의 편리성과 충전 효율이 향상된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시 예에 의한 수소 제조 장치의 작동 상태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1 또는 도 11 내지 도 12를 참조하면, 천연 가스는 압축기에서 9bar 이상 20bar 이내의 압력 범위 이내에서 압축된 후에 탈황기(50)로 공급되고, 탈황기(50)에서 천연 가스에 포함된 황 성분이 제거되는데, 상기 탈황기(50)로 공급된 천연 가스의 압력이 고압 상태로 공급되므로 상대적으로 많은 량의 황 성분이 제거된 후에 개질기(60)로 공급된다.

원료가스는 탈황기(50)를 경유하여 개질기(60)의 내부로 이동되어 합성가스인 수소가 생산되고, 합성가스는 고압 상태로 체적 가변부(300)에서 확산되면서 제1 공간부(202a)에 다량의 합성 가스가 공급된다.

제1 공간부(202a)는 고압의 합성가스가 공급되기 이전에는 S1의 면적이 유지되다가, 체적 가변부(300)로 고압의 합성가스가 공급된 이후에는 S1+E의 면적으로 확장되어 압력 변동에 따른 팽창이 이루어진다.

즉 체적 가변부(300)는 고압의 합성가스에 의해 최초의 위치에서 반발력에 의해 순간적으로 통공(204)의 길이 방향 상측으로 이동되면서 고압의 합성 가스의 공급으로 인한 압력 변동을 안정적으로 유지시킨다.

첨부된 도 13을 참조하면, 합성가스는 제1 공간부(202a)에서 열교환 관(410)을 따라 메인 열교환부(200)로 이동되고 유입관(401)을 통해 유입된 천연가스는 다수개의 열교환 관(410)과 열교환이 이루어진 후에 별도의 배출 라인을 통해 배출되고, 열교환된 천연가스는 배출관(4102)을 통해 개질기(60)로 공급된다.

체적 가변부(300)는 고압의 천연가스의 공급이 중단될 경우 최초의 위치로 완충부(305)의 탄성 복원력에 의해 원 위치되며, 이와 같은 방법으로 합성가스의 공급 상태에 따라 메인 열교환부(200)로 합성가스의 안정적인 이동을 도모한다.

따라서 고압의 합성가스가 열교환부(200)로 유입되는 경우에도 내부 체적이 가변적으로 변화되면서 이를 안정적으로 처리할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

50 : 탈황기
60 : 개질기
100 : 압축기
200 : 열교환부
202:챔버 하우징
202a:제1공간부
202b:제2공간부
204 : 격벽
204a: 통공
300 : 체적 가변부
302: 라운드 부
305 : 완충부
400 : 메인 열교환부
401; 유입관
402 : 배출관
500 : 감지부

Claims

고압의 압력으로 원료가스를 압축하는 압축기; 및
상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력될 경우 상기 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 내부 체적이 가변되면서 개질기로 공급되는 원료가스와 열교환이 이루어지는 열교환부를 포함하는 수소 제조 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압축기는,
상기 탈황기에 9bar 이상의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압축기는,
상기 탈황기에 최대 20bar 이내의 압력으로 천연 가스를 압축하여 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성가스 상태로 입력되는 열교환부; 및
상기 열교환부의 내부에 위치되고 열교환부로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부 내부의 체적을 가변시키는 체적 가변부를 포함하는 수소 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 열교환부는,
합성가스가 유입되는 공간이 형성된 챔버 하우징을 포함하고, 상기 챔버 하우징은 실린더 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제5 항에 있어서,
상기 챔버 하우징은,
합성가스가 유입되는 공간이 형성된 제1 공간부;
상기 제1 공간부와 별도의 공간으로 구획된 제2 공간부를 포함하는 수소 제조 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1 공간부는,
상기 제2 공간부에 비해 상대적으로 큰 면적으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제6 항에 있어서,
상기 챔버 하우징은,
상기 제1 공간부와 제2 공간부를 각각 구획하고 중앙에 통공이 형성된 격벽을 포함하고, 상기 통공에 체적 가변부가 부분적으로 삽입된 상태로 챔버 하우징으로 유입된 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 상대 이동이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 체적 가변부는,
상기 열교환부의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 위치되고 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 원 위치되기 위한 완충부를 포함하는 수소 제조 장치.
제9 항에 있어서,
상기 완충부는,
벨로우즈 형태의 주름관이 사용되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제9 항에 있어서,
상기 체적 가변부는,
상기 완충부에 상단이 연통되고 하단이 통공의 내주면과 대응되는 직경을 가지고 접촉 유지되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 체적 가변부는,
원추 형태 또는 원 기둥 형태 중의 어느 한 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제11 항에 있어서,
상기 체적 가변부는,
하단 외측 원주 방향을 따라 통공의 내주면을 향해 라운드진 라운드 부를 포함하는 수소 제조 장치.
고압의 압력으로 천연 가스를 압축하는 압축기;
상기 압축기를 경유한 천연 가스가 탈황기와 개질기를 경유하여 고압의 합성 가스 상태로 입력되는 열교환부;
상기 열교환부의 내부에 위치되고 열교환부로 공급된 합성가스의 압력에 의해 열교환부 내부의 체적을 가변시키는 체적 가변부; 및
상기 열교환부의 내측으로 연장된 연결관의 단부에 일단이 연결되고 체적 가변부의 상단에 하단이 연결되어 합성가스의 압력 변동 상태에 따라 길이 방향으로 길이가 가변된 후에 체적 가변부를 원위치시키는 완충부를 포함하는 수소 제조 장치.
제14 항에 있어서,
상기 완충부는,
벨로우즈 형태의 주름관이 사용되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제14 항에 있어서,
상기 완충부는,
이중관으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제14 항에 있어서,
상기 열교환부는,
합성가스가 유입되는 공간이 형성된 챔버 하우징을 포함하고, 상기 챔버 하우징은 실린더 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
제17 항에 있어서,
상기 챔버 하우징은,
합성가스가 유입되는 공간이 형성된 제1 공간부;
상기 제1 공간부와 별도의 공간으로 구획된 제2 공간부를 포함하는 수소 제조 장치.
제18 항에 있어서,
상기 챔버 하우징은,
상기 제1 공간부와 제2 공간부를 각각 구획하고 중앙에 통공이 형성된 격벽을 포함하는 수소 제조 장치.
제14 항에 있어서,
상기 열교환부는,통공
하면에 설치되고 열교환부로 공급된 고압의 합성가스가 이동되는 다수개의 통공이 형성된 플레이트 유닛을 포함하는 수소 제조 장치.
제14 항에 있어서,
상기 수소 제조 장치는,
상기 열교환부의 하단에 결합되고 통공에 각각 삽입된 다수개의 열교환 관이 배치되어 개질기로 공급되는 천연가스와 열교환부로 공급된 고압의 천연가스가 상호 대향되어 열교환이 이루어지는 메인 열교환부를 포함하는 수소 제조 장치.
제18 항에 있어서,
상기 수소 제조 장치는,
상기 제1 공간부와 제2 공간부의 서로 다른 압력 변동 상태를 감지하는 감지부를 포함하는 수소 제조 장치.
제1 항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 열교환부가 장착된 고압 가스 시스템.
제1 항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 열교환부가 장착된 연료 전지 시스템.
제1 항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 수소 제조 장치를 포함하는 충전 시스템용 수소 제조 장치.