KR20160044658A - 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션 - Google Patents

다용도 에너지 공급용 수소 스테이션 Download PDF

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Abstract

다용도 에너지 공급용 수소 스테이션에 대하여 개시한다.
본 발명의 실시예에 따른 수소 스테이션은 탄화수소계 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기; 상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및 상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 스테이션은 탄화수소계 연료를 1차 압축하는 1차 압축기; 상기 1차 압축된 연료를 개질하여 압축된 상태의 수소를 생성하는 개질기; 생성된 수소를 정제하는 수소 정제기; 상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 상기 1차 압축보다 높은 압력으로 2차 압축하여 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및 상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 감압한 후 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다용도 에너지 공급용 수소 스테이션 {HYDROGEN STATION FOR PROVIDING MULTIPURPOSE ENERGY}
본 발명은 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 자동차의 수소 충전, 전기 자동차 전기 공급, 건물의 전기 및 열 공급 등 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션에 관한 것이다..
최근, 연료전지 자동차, 전기 자동차 등에 대한 많은 개발이 이루어지고 있다.
연료전지 자동차의 경우, 차량 내 설치된 연료전지 스택에서 전기 에너지가 생성될 수 있도록 수소가 공급될 필요성이 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 자동차용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 연료전지 자동차용 수소 스테이션은 도시가스, 천연가스 등의 연료를 9bar 정도로 압축하는 1차 압축기(110), 압축된 연료를 가압 상태에서 개질하여 수소를 생산하는 개질기(120), 생산된 수소를 정제하는 수소 정제기(130), 정제된 수소를 350bar 혹은 700bar 정도의 고압으로 재압축하는 2차 압축기(140), 재압축된 수소를 저장하는 저장 탱크(150), 그리고 저장 탱크에 저장된 수소를 연료전지 자동차에 분배하는 분배기(160)를 포함한다.
그러나, 상기의 수소 스테이션은 연료전지 자동차에 수소 에너지를 공급하는 용도로 국한된다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1272589호(2013.06.11. 공고)에 개시된 연료전지 차량용 수소 저장 및 충전 시스템이 있다.
본 발명의 목적은 연료전지 자동차의 수소 충전, 전기 자동차 전기 공급, 건물의 전기 및 열 공급 등 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 탄화수소계 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기; 상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및 상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개질기는 상압형 개질기일 수 있다.
또한, 상기 수소 공급부는 생성된 수소를 1차 압축하는 1차 압축기와, 1차 압축된 수소를 정제하는 수소 정제기와, 정제된 수소를 상기 1차 압축기보다 높은 압력으로 2차 압축하는 2차 압축기와, 2차 압축된 수소를 저장하는 저장 탱크와, 저장된 수소를 분배하는 분배기를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 수소 정제기는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용할 수 있다.
또한, 상기 전기 공급부는 생성된 수소에 함께 포함된 CO를 제거하는 CO 제거기와, CO가 제거된 수소를 공급받아 구동하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 공급부에서 생성되는 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 공급부 구동시 발생되는 열을 공급하는 열 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 탄화수소계 연료를 1차 압축하는 1차 압축기; 상기 1차 압축된 연료를 개질하여 압축된 상태의 수소를 생성하는 개질기; 생성된 수소를 정제하는 수소 정제기; 상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 상기 1차 압축보다 높은 압력으로 2차 압축하여 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및 상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 감압한 후 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 개질기는 가압형 개질기일 수 있다.
또한, 상기 수소 정제기는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용할 수 있다.
또한, 상기 전기 공급부에서 생성되는 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 공급부 구동시 발생되는 열을 공급하는 열 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수소 스테이션에 의하면, 개질기 생성 수소를 이용하여, 연료전지 자동차 수소 충전, 전기 자동차 전기 충전, 건물의 전기 및 열 공급 등 다양한 용도에 에너지를 공급할 수 있다.
이를 토대로, 수소 스테이션 운영 모니터링 결과를 토대로 생산 수소량의 적절한 분배를 통한 시스템 운영을 자동화, 최적화할 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 자동차용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 수소 스테이션에서 수소를 생성하고 분배하는 예를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 스테이션에서 수소를 생성하고 분배하는 다른 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 개질기(210)를 통하여 수소를 생성하고, 첫째 생성된 수소를 압축, 정제 처리하여 연료전지 자동차(①)에 공급하고, 둘째 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 혹은 건물(②)에 공급할 수 있다. 본 발명에서 자동차는 순수한 의미의 자동차 뿐만 아니라, 지게차와 같은 건설기계, 트랙터와 같은 농기계 등도 이에 포함된다.
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 개질기(210), 수소 공급부(220 ~ 260), 전기 공급부(270 ~ 280)를 포함한다.
개질기(210)는 개질 반응 및 수성가스전이 반응을 통하여 탄화수소계 연료를 개질하여 수소를 생성한다.
수소 공급부(220 ~ 260)는 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 연료전지 자동차에 공급한다.
전기 공급부(270 ~ 280)는 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급한다.
개질기(210)에서 생성 수소는 수소 공급부 및 전기 공급부 중 어느 하나에 선택적으로 공급될 수 있고, 또한 정해진 비율로 함께 공급될 수 있다. 이를 위해 수소 공급부 및 전기 공급부 전단에 삼방 밸브와 같은 밸브가 더 포함될 수 있다.
본 예에서, 개질기는 상압하에서 개질 반응이 이루어지고, 배출되는 수소도 상압 상태가 되는 상압형 개질기일 수 있다.
수소 공급부는 연료전지 자동차에 충전하기 위한 것으로, 생성된 수소를 대략 9bar 정도로 1차 압축하는 1차 압축기(220)와, 1차 압축된 수소를 정제하는 수소 정제기(230)와, 정제된 수소를 1차 압축기보다 높은 압력인 대략 350bar 또는 700bar 정도로 2차 압축하는 2차 압축기(240)와, 2차 압축된 수소를 저장하는 저장 탱크(250)와, 저장된 수소를 연료전지 자동차에 분배하는 분배기(260)를 포함할 수 있다.
이 경우, 수소 정제기(230)는 고순도 수소 정제가 가능하도록 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용할 수 있다.
또한, 전기 공급부는 연료전지 스택을 포함한다. 연료전지 스택에 CO가 공급되는 경우 내구성이 저하되므로 전기 공급부는 생성된 수소에 함께 포함된 CO를 예를 들어 선택적 산화(PrOx)를 통하여 제거하는 CO 제거기(270)와, CO가 제거된 수소를 공급받아 구동하여 전기를 생성하는 연료전지 스택(280)을 포함할 수 있다.
전기 공급부에서 생성된 전기는 전기 자동차 혹은 건물에 공급될 수 있다. 한편, 전기 공급부에서 잉여 전기가 생성되는 경우, 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 스택(280)을 포함하는 전기 공급부 구동시에는 열이 발생되는데, 이 열을 회수하여 열 공급부를 더 포함할 수 있다. 열은 온수의 형태로 건물에 공급될 수 있다.
도 2에 도시된 수소 스테이션의 경우, 개질기에서 생성된 수소를, 수소 공급용과 전기 공급용으로 분배함으로써 다용도 에너지 공급용으로 활용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 예에서는 개질기에서 생성 수소를 바로 분배하여 다용도로 활용할 수 있도록 한 것이라면, 도 3에 도시된 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 종래에 설치된 연료전지 자동차용 수소 스테이션의 다용도화를 위하여, 수소 정제기 출구에 추가의 전기 공급부를 형성하여 전기 자동차 혹은 건물에 전기까지 공급할 수 있도록 한 것이 특징이다.
즉, 도 3에 도시된 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션은 탄화수소계 연료를 1차 압축하는 1차 압축기(310), 1차 압축된 연료를 개질하여 압축된 상태의 수소를 생성하는 개질기(320), 생성된 수소를 정제하는 수소 정제기(330), 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 상기 1차 압축보다 높은 압력으로 2차 압축하여 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부(340 ~ 360) 및 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 감압한 후 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부(370 ~ 380)를 포함한다.
이때, 개질기(320)는 가압된 상태로 개질 반응이 수행되고 배출되는 수소도 가압된 상태가 되는 가압형 개질기일 수 있다.
또한, 수소 정제기(330)는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용할 수 있다.
도 3에 도시된 예에서 수소 정제기를 통과한 수소는 대략 1차 압축된 상태에 해당하므로, 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위해, 감압을 수행하여 수소를 상압화되도록 감압기(370)를 설치하였다.
본 예의 경우에도 전기 공급부에서 생성되는 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함할 수 있다.
또한, 전기 공급부 구동시 발생되는 열을 공급하는 열 공급부(392)를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 수소 스테이션에서 수소를 생성하고 분배하는 예를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 예의 경우, 개질기 운전을 통하여 수소를 생성하고, 우선적으로 수소를 수소 저장 탱크에 충분히 저장한 후, 밸브를 전환하여 연료전지(Fuel Cell; FC) 스택을 통하여 전기 및 열을 발생시켜 건물, 빌딩 등에 에너지를 공급한다. 이때, 잉여 전기가 발생할 경우, ESS에 충전하고, ESS에 충전된 전기를 전기 자동차에 충전할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 수소 스테이션에서 수소를 생성하고 분배하는 다른 예를 나타낸 것이다.
도 5의 경우에는 수소 스테이션 운용을 모니터링하고 분석 결과를 토대로 생산 수소량을 주기(예를 들어 요일 별, 시간대 별) 혹은 전기 자동차, 연료전지 자동차 진입 대수에 따라 수소 공급부와 전기 공급부에 개질기 생성 수소의 분배량을 조절하는 예를 나타낸 것이다.
이러한 수소 분배량 조절을 통하여 수소 혹은 전기 수요가 변화는 경우에 적절한 대응 및 모니터링이 가능하며, 나아가 이러한 수소 충전소 운영 모니터링 결과를 토대로 적절한 수소 분배가 가능하여 시스템 운영을 최적화할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
210 : 개질기(상압형) 220 : 1차 압축기
230 : 수소 정제기 240 : 2차 압축기
250 : 수소 저장 탱크 260 : 분배기
270 : CO 제거기 280 : 연료전지 스택
291 : 전기 공급 292 : 열 공급
310 : 압축기 320 : 개질기(가압형)
330 : 수소 정제기 340 : 1차 압축기
350 : 수소 저장 탱크 360 : 분배기
370 : 감압기 380 : 연료전지 스택
391 : 전기 공급 392 : 열 공급

Claims (12)

  1. 탄화수소계 연료를 개질하여 수소를 생성하는 개질기;
    상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및
    상기 개질기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는 상압형 개질기인 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 공급부는
    생성된 수소를 1차 압축하는 1차 압축기와,
    1차 압축된 수소를 정제하는 수소 정제기와,
    정제된 수소를 상기 1차 압축기보다 높은 압력으로 2차 압축하는 2차 압축기와,
    2차 압축된 수소를 저장하는 저장 탱크와,
    저장된 수소를 분배하는 분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소 정제기는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기 공급부는
    생성된 수소에 함께 포함된 CO를 제거하는 CO 제거기와,
    CO가 제거된 수소를 공급받아 구동하여 전기를 생성하는 연료전지 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 공급부에서 생성되는 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전기 공급부 구동시 발생되는 열을 공급하는 열 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  8. 탄화수소계 연료를 1차 압축하는 1차 압축기;
    상기 1차 압축된 연료를 개질하여 압축된 상태의 수소를 생성하는 개질기;
    생성된 수소를 정제하는 수소 정제기;
    상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 상기 1차 압축보다 높은 압력으로 2차 압축하여 연료전지 자동차에 공급하는 수소 공급부; 및
    상기 수소 정제기 출구와 연결되며, 생성된 수소를 감압한 후 수소를 이용하여 전기를 생산하여 전기 자동차 또는 건물에 공급하는 전기 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 개질기는 가압형 개질기인 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수소 정제기는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 또는 팔라듐(Pd) 막을 이용하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 전기 공급부에서 생성되는 잉여 전기를 충전하는 ESS(Energy Storage System)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 전기 공급부 구동시 발생되는 열을 공급하는 열 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다용도 에너지 공급용 수소 스테이션.
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KR102142006B1 (ko) * 2019-02-28 2020-08-06 (주)성일엔케어 기체 및 액체수소 복합 충전시스템
KR20240024566A (ko) 2022-08-17 2024-02-26 경남정보대학교 산학협력단 가상현실 기반 수소밸류체인 공정 시뮬레이션 체험 학습 시스템 및 그 시스템에 의한 체험 학습 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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