KR20200076842A

KR20200076842A - 수소충전소의 수소 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20200076842A
Application number: KR1020180165738A
Authority: KR
Inventors: 배찬효; 전재영; 최영진; 안소연
Original assignee: 주식회사 동화엔텍
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-30

Abstract

본 발명은 수소탱크에서 저장된 수소를 냉각하여 디펜서에 의해 수소연료차에 공급하기 위한 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 있어서, 상기 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어의 제2유로에 연결되는 냉매라인에서 상기 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기와 상기 열교환기 코어 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기 코어에 공급되게 하는 팽창밸브로 구성된 직접냉각회로; 상기 냉매라인에 설치되어 냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터;가 포함되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

Description

수소충전소의 수소 냉각 시스템{Cooling system in hydrogen filling-station for cooling hydorgen}

본 발명은 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 관한 것으로, 수소충전소에서 수소자동차에 수소 충전이 신속하게 이루어지도록 수소 냉각을 위한 빠른 응답속도를 제공할 수 있는 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 관한 기술이다.

수소자동차에 수소를 공급하는 수소충전소는 크게 압축설비, 저장설비, 충전설비로 구분된다.

이 중에서 충전설비는 고압으로 압축된 수소를 차량으로 공급하는 설비이다. 통상 수소충전소에 차량이 들어와 5분 내외로 충전이 완료되어야 하고, 충전요구 조건은 5kg/3min 수준이다.

이러한 충전시간을 만족하기 위해서는 저장탱크에 압축된 수소를 충전설비를 지나는 동안 냉각하여 차량에 공급하고 있으며, 수소 냉각은 수소의 부피를 감소하기 위함이다.

수소 냉각하는 방법은 열교환기(1)에서 냉각시스템(2)을 통해 생성된 냉열원과 열교환에 의해 달성할 수 있으며 도 1은 수소충전인프라 계통도이며, 수소자동차에 충전 과정을 나타내고 있다.

차량의 충전 압력이 700bar 이상으로 고압사용환경에서 컴팩트(compact)한 사이즈가 특징인 인쇄회로기판 열교환기(PCHE, Printed Circuit Heat Exchanger)를 프리쿨러(Pre Cooler) 방식으로 이용한다.

일반적으로 열교환기가 열교환을 하기 위한 정상상태에 도달하기 위해 시동준비시간이 필요하다. 그러나 수소자동차의 신속한 충전을 위해서는 시동준비 시간을 줄이기 위해 열교환기를 적절한 온도 상태로 유지하는 것이 필요하다.

KR

10-1683715

B1

KR

10-2011-0077659

A

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 수소를 냉각하기 위한 열교환기를 저온 냉열 상태를 유지하도록 하여 열교환기의 정상상태를 빠르게 도달하게 하고, 수소자동차에 수소를 신속하게 충전을 할 수 있는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 수소탱크에서 저장된 수소를 냉각하여 디펜서에 의해 수소연료차에 공급하기 위한 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 있어서, 상기 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어; 상기 열교환기 코어의 제2유로에 연결되는 냉매라인에서 상기 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기와 상기 열교환기 코어 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기 코어에 공급되게 하는 팽창밸브로 구성된 직접냉각회로; 상기 냉매라인에 설치되어 냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터;가 포함되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

상기 오일필터는, 상기 압축기와 상기 응축기 사이와, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

상기 열교환기 코어에는, 상기 열교환기 코어를 수용하며 내부에 축열재가 저장된 저장탱크가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

상기 냉매라인에는, 분기되어 상기 저장탱크 내부를 순환하여 상기 냉매에 의해 축열을 유지하게 하는 축열냉매라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

상기 냉매라인에는, 3웨이 밸브가 설치되어 상기 냉매를 축열냉매라인 또는 상기 열교환기 코어의 제2유로를 선택적으로 공급 순환 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

상기 저장탱크에는, 설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 직접냉각회로의 가동이 제어되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템을 제공한다.

본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

먼저, 열교환기 코어에 냉매를 직접냉각방식으로 수소와 열교환 하므로 열교환 효율이 높다.

그리고, 축열에 의해 냉열원을 열교환기 코어를 예비 냉각하고 있으므로 열교환기의 응답속도를 빠르게 할 수 있어 수소자동차에 수소 충전이 신속하게 이루어진다.

도 1은 수소충전인프라 계통도이다.
도 2는 수소 간접냉각방식을 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소충전소의 수소 냉각 시스템의 계통도이다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시에에 따른 수소충전소의 수소 냉각 시스템의 계통도이다.

도 3을 참조하면, 수소탱크에서 저장된 수소를 냉각하여 디펜서에 의해 수소연료차에 공급하기 위한 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 있어서, 본 발명은 열교환기 코어(100), 냉매라인(L1)을 포함하는 직접냉각회로(200), 오일필터(300)의 구성이 포함되고, 추가적으로 축열냉매라인(L2)과 축열재가 저장된 저장탱크(400)가 포함되게 된다.

상기 열교환기 코어(100)는 상기 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어이다.

여기서, 인쇄회로기판형 열교환기 코어를 사용하는 이유는 차량의 충전 압력이 700bar 이상으로 고압사용환경에서 컴팩트한 사이즈로 사용하기 위함이며 수소 냉각을 위해서는 최적의 코어이기 때문이다.

상기 직접냉각회로(200)는 상기 열교환기 코어(100)에 냉매를 직접적으로 공급하기 위한 시스템이다.

여기서, 직접냉각회로(200)는 상기 열교환기 코어(100)의 제2유로에 순환되는 냉매라인(L1)에 압축기(210), 응축기(220), 팽창밸브(230)로 구성된다.

상기 압축기(210)는 냉매라인(L1)에서 유동되는 상기 냉매를 압축하게 된다.

상기 응축기(220)는 상기 압축기(210)에 연결되어 상기 냉매를 응축하게 된다.

상기 팽창밸브(230)는 상기 응축기(220)와 상기 열교환기 코어(100) 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기 코어(100)의 제2유로 공급되게 한다.

상기 직접냉각회로(200)는 냉매를 직접적으로 열교환기 코어(100)의 제2유로에 공급하게 되므로 냉각효율이 높아지는 이점이 있다. 즉 냉매의 증발잠열을 이용함으로써 열효율이 우수하며, 공급되는 저온의 온도 조건이 간접냉각 방식보다 우수하다. 간접냉각 방식은 도 2에서 표현하였다. 도 2를 참조하면, 압축기(10), 응축기(20), 응축밸브(30)를 냉매라인(L3) 순환하는 냉매는 열교환기 코어(10)의 제2유로에 순환되는 중간열교환이 버퍼 탱크(40)에 의해 냉매라인(L4)을 통해 열교환기 코어(60)로 간접 냉매하게 되며 통상적으로 사용하는 냉각시스템이다. 그리고 간접냉각방식은 펌프(50)를 별도로 필요하여 구동 전력이 더 발생하므로 직접냉각방식이 에너지 효율면에서도 우수하다.

한편, 직접냉각회로(200)에서 유동되는 냉매는 압축기(210)에 의해 오일이 생성되며 특히 미세유로를 가진 열교환기 코어는 오일이 과다하게 유입되면 국부적으로 오일이 얼거나, 표면을 오염시켜 성능을 저하시키는 단점이 있는데 본 발명에서는 오일필터(300)에 의해 그 문제를 해결할 수 있다.

상기 오일필터(300)는 상기 냉매라인(L1)에 설치되어 냉매에 포함된 상기 압축기(210)의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어(100)의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 한다.

여기서, 상기 오일필터(300)는 상기 압축기(210)와 상기 응축기(220) 사이와, 상기 응축기(220)와 상기 팽창밸브(230) 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 오일필터(300)가 먼저 상기 압축기(210)와 상기 응축기(220) 사이에 설치되는 경우에는 압축기(210)에 의해 발생된 오일의 유증기를 흡착하여 제거하기 위함이며, 상기 오일필터(300)가 상기 응축기(220)와 상기 팽창밸브(230) 사이에 설치되는 경우에는 오일의 유분을 제거하기 위함이다.

본 발명에서는 상기 열교환기 코어(100)를 내부로 수용하며 내부에 축열재가 저장된 저장탱크(400)가 구비되는 것을 특징으로 하며 축열냉매라인(L2)에 의해 냉열원이 지나가며, 이러한 축열냉매라인(L2)은 상기 냉매라인(L1)에서 분기되어 상기 저장탱크(400) 내부를 순환하여 상기 냉매에 의해 축열을 유지하게 한다.

그리고, 상기 냉매라인(L1)에는 3웨이(3-way) 밸브(240,250)가 설치되어 상기 냉매를 축열냉매라인(L2) 또는 상기 열교환기 코어(100)의 제2유로를 선택적으로 공급 순환 가능하게 한다.

상기 저장탱크(400)에는 설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 직접냉각회로(200)의 가동이 제어되게 하며 설정된 온도는 약 -25℃ 내지 -30℃가 되도록 압축기(210)를 운전되게 하여 저장탱크(400)의 내부를 냉각하게 한다. 그리고 압축기(210)가 냉매를 열교환기 코어(100)에 공급하기 위한 적정 온도가 약 -45℃ 내지 -50℃로 수소 냉각을 위해 지속적인 가동을 하는 것보다 부하를 줄여주게 되는 것이다.

그리고, 상기 저장탱크(400)는 상기 열교환기 코어(100)를 수용하여 밀폐되게 하며, 수소 누설 탐지기를 설치하여 수소가 누설되는지 여부를 확인할 수 있다.

작동 과정을 보면, 먼저 수소 충전시에는 냉매라인(L1)을 통해 상기 열교환기 코어(100)의 제2유로에 공급하게 되고, 수소 충전 전과 후에는 상기 축열냉매라인(L2)를 통해 저장탱크(400)를 축열하여 상기 열교환기 코어(100)를 예냉시켜 수소 충전시 빠른 응답속도를 제공할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 열교환기 코어
200: 직접냉각회로
210: 압축기
220: 응축기
230: 팽창밸브
300: 오일필터
400: 저장탱크

Claims

수소탱크에서 저장된 수소를 냉각하여 디펜서에 의해 수소연료차에 공급하기 위한 수소충전소의 수소 냉각 시스템에 있어서,
상기 수소가 유동되는 제1유로와 냉매가 유동되는 제2유로가 형성된 인쇄회로기판형 열교환기 코어;
상기 열교환기 코어의 제2유로에 연결되는 냉매라인에서 상기 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 상기 냉매를 응축하는 응축기와, 상기 응축기와 상기 열교환기 코어 사이에 연결되어 상기 냉매를 감압하여 상기 열교환기 코어에 공급되게 하는 팽창밸브로 구성된 직접냉각회로;
상기 냉매라인에 설치되어 냉매에 포함된 상기 압축기의 오일을 제거하여 상기 열교환기 코어의 제2유로에 직접 냉매를 순환 가능케 하는 오일필터;가 포함되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 오일필터는,
상기 압축기와 상기 응축기 사이와, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 열교환기 코어에는,
상기 열교환기 코어를 수용하며 내부에 축열재가 저장된 저장탱크가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.
제3항에 있어서,
상기 냉매라인에는,
분기되어 상기 저장탱크 내부를 순환하여 상기 냉매에 의해 축열을 유지하게 하는 축열냉매라인이 형성되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.
제4항에 있어서,
상기 냉매라인에는,
3웨이 밸브가 설치되어 상기 냉매를 축열냉매라인 또는 상기 열교환기 코어의 제2유로를 선택적으로 공급 순환 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.
제3항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 저장탱크에는,
설정된 온도가 유지되도록 제어기에 의해 상기 직접냉각회로의 가동이 제어되는 것을 특징으로 하는 수소충전소의 수소 냉각 시스템.