KR20190074359A

KR20190074359A - 다중 압축식 수소 압축 시스템

Info

Publication number: KR20190074359A
Application number: KR1020170175640A
Authority: KR
Inventors: 이권재
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-28

Abstract

본 발명은 다중 압축식 수소 압축 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 로터리 구동방식의 압축기와 소형 쿨러를 이용하여 수소가스의 압축 및 냉각을 다단계로 세분화하여 진행함으로써, 압축 전 수소가스와 압축 후 수소가스의 압력 차이를 감소시켜 압축 전후의 수소가스의 압력차로 인한 맥동 및 하이드롤릭 쇽을 저감하고, 압축열에 의해 승온된 수소가스를 각 압축 단계마다 즉시 냉각하여 효율적인 냉각을 도모하고 쿨러 용량을 축소할 수 있도록 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

Description

다중 압축식 수소 압축 시스템 {Multiple hydrogen compress system}

본 발명은 다중 압축식 수소 압축 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 연료전지용 수소가스의 압축 및 냉각을 다단화하여 수소가스를 고압으로 압축하기 위한 에 관한 것이다.

수소 연료전지 자동차는 압축된 수소를 연료로서 사용하기 때문에 가솔린을 공급하는 주유소와 같이 압축수소를 공급하는 수소 스테이션이 개발되고 있으며, 이러한 수소 스테이션에서는 고압(예를 들어, 700bar 이상)으로 압축된 수소를 제공하기 위해 수소 압축 시스템이 적용된다.

종래의 수소 압축 시스템은 유압에 의해 왕복운동을 하는 피스톤을 이용하여 1단 압축을 하게 되는 피스톤식 수소 압축 시스템(도 3 참조)과 오일압에 의해 작동하는 다이아프램을 활용하여 1단 압축을 하게 되는 다이아프램식 수소 압축 시스템(도 4 참조)이 있으며, 수소가스를 고압으로 가압한 후 압축된 수소가스를 대형 쿨러와 칠러를 이용하여 냉각하는 구조(도 5 참조)로 이루어진다.

그런데, 이러한 종래의 수소 압축 시스템은 단일 압축, 단일 냉각 구조를 채택하여 수소가스를 고압으로 압축하기 때문에 압축 전과 압축 후의 수소 압력에 과도한 차이(최대 700bar)가 발생하게 되고, 이로 인해 수소 이동을 위한 관내에 하이드롤릭 쇽(hydraulic shock) 및 맥동 등이 발생하여 수소 유로의 리크 가능성이 높아지게 되며, 맥동 방지를 위한 별도의 버퍼 탱크를 사용해야 하는 문제점이 존재한다.

또한, 종래의 수소 압축 시스템은 상기 하이드롤릭 쇽이나 맥동이 장기적으로 발생하는 경우 시스템내 밸브 및 피팅 부품 등의 풀림 현상을 초래하게 되며, 상기 버퍼 탱크를 사용하지 않는 경우 맥동에 따른 유동 소음이 발생하게 된다.

아울러, 압축열에 의해 승온된 수소가스의 냉각을 위한 대형 쿨러 외에도 압축기의 오일 냉각을 위한 별도의 냉각유닛(압축기용 냉각유닛)을 필요로 하며 그에 따른 부피 상승이 발생하게 된다.

한국공개특허 제2012-0011683호

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 로터리 구동방식의 압축기와 소형 쿨러를 이용하여 수소가스의 압축 및 냉각을 다단계로 세분화하여 진행함으로써, 압축 전 수소가스와 압축 후 수소가스의 압력 차이를 감소시켜 압축 전후의 수소가스의 압력차로 인한 맥동 및 하이드롤릭 쇽을 저감하고, 압축열에 의해 승온된 수소가스를 각 압축 단계마다 즉시 냉각하여 효율적인 냉각을 도모하고 쿨러 용량을 축소할 수 있도록 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 수소가스의 압축이 이루어지는 복수의 압축룸을 가지는 로터리식 압축기; 상기 복수의 압축룸 중 하나의 압축룸에서 압축되어 토출된 수소가스를 냉각하여 다른 하나의 압축룸에 공급하는 복수의 소형 쿨러;를 포함하며, 수소가스는 상기 복수의 압축룸을 순차적으로 통과하면서 다중 압축되는 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면 상기 로터리식 압축기는, 하나의 밀폐 공간을 가지는 하우징; 상기 하우징내에 복수의 압축룸을 구획하며 회전가능하게 설치되는 로터; 상기 로터의 회전을 위한 동력을 공급하는 모터;를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 각 압축룸에는 가스인입구와 가스토출구가 구비되고 상기 로터의 회전에 의해 각 압축룸의 수소가스가 상기 가스토출구로 배출되게 된다.

그리고, 상기 로터리식 압축기는 상기 복수의 압축룸 중 상류측 압축룸과 하류측 압축룸 사이에 연결된 냉각유로가 상기 상류측 압축룸보다 큰 부피를 갖게 되며, 그에 따라 상기 각 압축룸은 가스인입구를 통해 유입되는 수소가스량과 가스토출구를 통해 배출되는 수소가스량 간에 차이에 의해 수소가스의 압축이 이루어지게 되며, 상기 복수의 압축룸 중 최하류의 압축룸에서 토출된 수소가스를 냉각하는 소형 쿨러는 상기 수소가스를 냉각하여 로터리식 압축기 외부의 수소저장부측으로 공급하게 된다.

상기한 본 발명에 의하면, 로터리 구동방식의 압축기와 소형 쿨러를 이용하여 수소가스의 압축 및 냉각을 다단계로 세분화하여 진행함으로써, 압축 전 수소가스와 압축 후 수소가스의 압력 차이를 감소시켜 압축 전후의 수소가스의 압력차로 인한 맥동 및 하이드롤릭 쇽을 저감하고, 압축열에 의해 승온된 수소가스를 각 압축 단계마다 즉시 냉각하여 효율적인 냉각을 도모하고 쿨러 사이즈를 축소할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 압축식 수소 압축 시스템을 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 따른 로터리식 압축기의 로터 구동 구조를 나타낸 도면
도 3은 종래의 피스톤식 수소 압축 시스템을 나타낸 도면
도 4는 종래의 다이아프램식 수소 압축 시스템을 나타낸 도면
도 5는 종래 수소 스테이션의 수소 압축 시스템을 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다중 압축식 수소 압축 시스템은 크게 수소가스를 다단계에 걸쳐 압축하기 위한 로터리식 압축기(100)와, 상기 로터리식 압축기(100)에서 수소가스가 압축될 때마다 압축열에 의해 승온된 수소가스를 다음 압축 단계 전에 냉각하기 위한 복수의 소형 쿨러(150)를 포함하여 구성된다.

상기 로터리식 압축기(100)는 압축기 외부의 수소공급부에서 공급되는 수소가스를 가압하여 외부의 수소저장부로 전달할 수 있게 구성되는 것으로서, 인입된 수소가스의 압축이 이루어지는 복수의 압축룸(112)을 구비하여 수소가스의 압축을 다단화할 수 있도록 구성된다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 로터리식 압축기(100)는 하나의 단일 밀폐 공간을 가지는 하우징(110)과 상기 하우징(110)내에 복수의 압축룸(112)을 구획하며 회전가능하게 설치되는 로터(120) 및 상기 로터(120)의 회전을 위한 동력을 공급하는 모터(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 하우징(110)은 로터(120)에 의해 구획된 복수의 압축룸(112)을 로터(120)의 회전 시에도 유지할 수 있는 구조로 이루어지며, 일례로 도 1에 도시된 바와 같이 원형 공간의 챔버를 갖는 중공 구조체로서 형성될 수 있다.

상기 로터(120)는 단일 공간을 가지는 하우징(110)의 내부에 복수의 압축룸(112)을 구획할 수 있도록 설치되며, 이를 위하여 다각형의 단면을 가지는 다각체로서 적용될 수 있다.

예를 들어, 다각형의 로터(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 삼각형의 단면을 가지는 다각체로서 적용될 수 있으며, 이때 하우징(110)의 각 압축룸(112)은 하우징(110)과 로터(120) 사이의 공간, 즉 하우징(110)의 내주면과 로터(120)의 외주면으로 둘러싸인 공간으로서 구획될 수 있다.

싱기한 다각형의 로터(120)는 하우징(110)에 내장될 때 로터(120)의 각 모서리부가 하우징(110)의 내벽면에 밀착된 상태로 고속 회전(예를 들어, 3000rpm)할 수 있도록 설치되며, 그에 따라 모터(130) 동력을 이용하여 회전될 때에도 각 압축룸(112)의 기밀을 유지하며 회전할 수 있게 된다.

도 2를 보면, 로터(120)는 모터(130)의 회전축으로부터 회전 동력을 전달받아 축회전을 하게 된다.

그리고, 상기 하우징(110)에는 각 압축룸(112)에 수소가스를 출입시키기 위한 가스인입구(114)와 가스토출구(116)가 구비되며, 상기 가스인입구(114)를 통해 수소가스가 압축룸(112)으로 공급되고 상기 가스토출구(116)를 통해 수소가스가 압축룸(112)에서 배출된다.

이때, 수소가스의 유동방향을 기준으로, 최상류의 압축룸(112a)에 구비된 가스인입구(114a)는 압축기(100) 외부의 수소공급부와 연결되어 상기 수소공급부의 수소가스가 최상류의 압축룸(112a)에 공급될 수 있도록 하고, 최하류의 압축룸(112c)에 구비된 가스토출구(116c)는 압축기(100) 외부의 수소저장부와 연결되어 상기 최하류의 압축룸(112c)에서 압축된 수소가스가 압축기(100) 외부의 수소저장부로 배출될 수 있도록 한다.

또한, 상기 하우징(110)에는 가스인입구(114) 및 가스토출구(116)를 통해 각 압축룸(112)과 연통되는 복수의 냉각유로(140)가 연결 설치된다.

상기 냉각유로(140)는 하우징(110)내 복수의 압축룸(112) 중 이웃하는 2개의 압축룸 사이에 수소 이동가능하게 연결되며, 다시 말해 수소가스의 유동방향을 기준으로 상류측 압축룸과 하류측 압축룸 사이에 연통가능하게 구비된다.

그리고, 각 냉각유로(140)의 중간에는 해당 냉각유로(140)의 입구측에 연결된 압축룸(112)에서 가압되어 배출되는 수소가스의 압축열을 냉각하기 위한 소형 쿨러(150)가 설치되며, 상기 소형 쿨러(150)는 냉매 순환에 따른 열교환에 의해 수소가스의 압축열을 냉각할 수 있도록 구성된다.

이에 따라, 상기 소형 쿨러(150)는 하우징(110)내 복수의 압축룸(112) 중 하나의 압축룸에서 가압되어 토출되는 수소가스를 냉각하여 다른 하나의 압축룸에 공급할 수 있게 되며, 예를 들어 어느 하나의 압축룸에서 토출된 수소가스는 해당 압축룸에 이웃하고 있는 다른 하나의 압축룸에 공급되기 전에 냉각 단계를 거치게 된다.

한편, 상기 각 압축룸(112)은 로터(120)의 회전에 의해 압축룸(112)의 수소가스가 가스토출구(116)를 통해 냉각유로(140)측으로 밀리면서 배출되는데, 이때 상류측 압축룸과 하류측 압축룸 사이에 연결된 냉각유로(140)가 상기 상류측 압축룸보다 큰 부피를 갖도록 구성됨으로써 압축룸(112)의 수소가스 중 일부만 냉각유로(140)로 배출되고, 결과적으로 압축룸(112)에서 가스토출구(116)를 통해 배출되는 수소가스가 가압 토출되게 된다.

부연하면, 로터리식 압축기(100)의 각 압축룸(112)은 상류측 압축룸과 하류측 압축룸 사이의 냉각유로(140)가 상기 상류측 압축룸보다 큰 부피를 갖도록 구성됨으로써 상류측 압축룸의 가스인입구(114)를 통해 유입되는 수소가스량과 상기 상류측 압축룸의 가스토출구(116)를 통해 배출되는 수소가스량 간에 차이가 발생하게 되고, 그에 따라 상류측 압축룸에서 수소가스의 압축이 이루어지게 된다.

다시 말해, 로터리식 압축기(100)의 각 압축룸(112)과 해당 압축룸(112)에 직결된 냉각유로(140) 간에 부피 차 및 냉각유로(140)의 직경이 한정되는 등의 이유로 인해, 가스인입구(114)를 통해 압축룸(112)으로 유입되는 수소가스량과, 로터(120) 회전에 의해 가스토출구(116)를 통해 압축룸(112)에서 냉각유로(140)로 배출되는 수소가스량 간에 차이가 존재하게 되고, 그에 따라 각 압축룸(112)에서 수소가스의 압축이 가능하게 된다.

예를 들어, 제1 압축룸(112a)에서 가스인입구(114a)를 통해 유입되는 수소가스량이 가스토출구(116a)를 통해 배출되는 수소가스량보다 설정가스량 이상 많아짐으로써 상기 제1 압축룸(112a)의 수소가스가 가압되게 된다. 이때, 상기 설정가스량은 사전 실험 및 평가 등을 통해 도출될 수 있으며, 수소가스량의 차이로 인해 수소가스의 압축이 이루어질 수 있는 값으로서 설정될 수 있다.

또한 일례로서, 상기 로터리식 압축기(100)는, 압축룸(112) 중 수소공급부에서 수소가스를 공급받는 최상류의 제1 압축룸(112a)이 수소공급부에서 단위시간당 공급되는 수소가스 중 일부(수소공급부의 가스 공급량 중 50%)만 가스토출구(116a)를 통해 냉각유로(140a)측으로 배출하게 됨으로써 수소가스의 1차 압축이 이루어지고, 상기 제1 압축룸(112a)과 연통되는 하류측의 압축룸(112b)이 단위시간당 상기 냉각유로(최상류의 냉각유로)(140a)측으로부터 유입되는 수소가스 중 일부(수소공급부의 가스 공급량의 25%)만 가스토출구(116b)를 통해 냉각유로(140b)측으로 배출하게 됨으로써 수소가스의 2차 압축이 이루어지고, 이러한 방식으로 수소가스의 다중 압축이 순차적으로 수행됨으로써 수소가스를 원하는 고압 수준까지 압축할 수 있게 된다.

한편, 상기 로터리식 압축기(100)의 압축룸(112) 중 최하류에 배치된 압축룸(112c)에서 토출된 수소가스를 냉각하는 소형 쿨러(150c)는 상기 수소가스의 압축열을 냉각하여 로터리식 압축기(100) 외부의 수소저장부측으로 배출 공급하게 된다.

상기와 같이 구성되는 다중 압축식 수소 압축 시스템은 수소공급부로부터 공급되는 수소가스가 복수의 압축룸(112)을 순차적으로 통과하면서 단계적으로 다중 압축되도록 하며, 이때 어느 하나의 압축룸에서 가압된 수소가스를 다른 하나의 압축룸에서 2차 가압하기 전에 소형 쿨러(150)를 통해 냉각하는 방식으로 압축 및 냉각 단계를 다단화함으로써, 하나의 압축룸(112)에 유입되는 수소가스와 배출되는 수소가스 간에 압력차가 저감되어 수소가스의 압력차로 인해 발생하는 맥동 및 하이드롤릭 쇽 등을 최소화할 수 있게 되고, 압축된 수소가스를 다음 압축이 일어나기 전에 즉시 냉각시켜 줌으로써 효율적인 수소 냉각과 더불어 쿨러 사이즈를 축소시킬 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

100 : 로터리식 압축기
110 : 하우징
112, 112a, 112b, 112c : 압축룸
114, 114a, 114b, 114c : 가스인입구
116, 116a, 116b, 116c : 가스토출구
120 : 로터
130 : 모터
140, 140a, 140b, 140c : 냉각유로
150, 150a, 150b, 150c : 소형 쿨러

Claims

수소가스의 압축이 이루어지는 복수의 압축룸을 가지는 로터리식 압축기;
상기 복수의 압축룸 중 하나의 압축룸에서 압축되어 토출된 수소가스를 냉각하여 다른 하나의 압축룸에 공급하는 복수의 소형 쿨러;
를 포함하며, 수소가스는 상기 복수의 압축룸을 순차적으로 통과하면서 다중 압축되는 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 로터리식 압축기는, 하나의 밀폐 공간을 가지는 하우징;
상기 하우징내에 복수의 압축룸을 구획하며 회전가능하게 설치되는 로터;
상기 로터의 회전을 위한 동력을 공급하는 모터;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 압축룸 중 상류측 압축룸과 하류측 압축룸 사이에 연결된 냉각유로가 상기 상류측 압축룸보다 큰 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 각 압축룸에는 가스인입구와 가스토출구가 구비되며, 상기 로터 회전에 의해 압축룸의 수소가스가 가스토출구로 배출되도록 된 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 각 압축룸은 압축룸에 유입되는 수소가스량과 압축룸에서 배출되는 수소가스량 간에 차이에 의해 수소가스의 압축이 이루어지게 된 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 복수의 압축룸 중 최하류의 압축룸에서 토출된 수소가스를 냉각하는 소형 쿨러는 상기 수소가스를 냉각하여 로터리식 압축기 외부의 수소저장부측으로 공급하게 되는 것을 특징으로 하는 다중 압축식 수소 압축 시스템.