KR20210106126A - 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소를 공급하도록 하는 수소공급부; 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 전원이 인가되는 애노드와 캐소드 사이의 수소이온투과막에 의해 이온화하여 투과시킴으로써, 펌핑력을 발생시키는 수소압축기; 상기 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 저장하는 고압탱크; 상기 고압탱크로부터 공급되는 수소를 냉각시키는 냉각기; 및 상기 냉각기에 의해 냉각되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하는 디스펜서;를 포함하도록 한 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압으로 충전 가능하도록 하고, 이러한 수소 충전의 효율과 충전 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 나아가서 수소압축기의 콤팩트화가 가능하도록 함으로써, 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 에너지 소모를 줄여서 경제적이도록 할 수 있다.

Description

수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템{Hydrogen charging system using hydrogen compressor}
본 발명은 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압 및 고효율로 충전하도록 하는 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지란 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)를 의미하며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다.
최근에는 연료전지가 자동차에 응용되어 많은 연구와 개발이 이루어지고 있는 상태이며, 이러한 연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이가 없지만, 연료전지 자동차는 환경친화적인 측면에서 매우 유리하고, 그 구동원을 위한 에너지원으로서 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하는 점에 차이가 있다.
연료전지에서는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는데, 공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온이 전해질 막을 통해 양극으로 넘어가게 된다.
이러한 연료전지를 사용하는 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 수소저장탱크에 미리 충전시킨 뒤, 수소저장탱크에 저장된 수소를 관련 배관을 통해 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 차량을 주행시킨다.
종래 차량용 수소 충전 시스템과 관련되는 기술로는 한국등록특허 제10-1918533호의 "차량의 수소 충전 시스템 및 충전 방법"이 제시된 바 있는데, 이는 연료의 충전 및 공급이 가능하도록 구성된 매니폴드와, 상기 매니폴드를 통해 충전된 연료를 저장하는 저장탱크와, 상기 매니폴드를 통해 공급된 연료의 압력을 조절하는 레귤레이터와, 상기 레귤레이터에서 공급된 연료를 사용하여 전기를 생산하는 스택과, 상기 매니폴드와 상기 저장탱크 사이에 설치되어 연료의 충전 및 공급을 제어하는 탱크밸브를 포함하되, 상기 탱크밸브는, 상기 매니폴드와 연결된 출입포트와, 상기 출입포트에서 상기 저장탱크까지 연장된 충전유로와, 충전 연료를 여과하는 제1필터와, 충전 연료의 유량을 조절하는 정량밸브와, 충전 연료의 역류를 방지하는 제1체크밸브와, 상기 저장탱크에서 상기 출입포트까지 연장된 공급유로와, 공급 연료를 여과하는 제2필터와, 공급 연료의 흐름을 수동으로 단속하는 수동밸브와, 공급 연료의 흐름을 단속하거나 압력을 조절하는 솔밸브와, 공급 연료의 역류를 방지하는 제2체크밸브와, 상기 제2필터와 상기 수동밸브 사이에는 상기 저장탱크에 저장된 연료의 온도가 상승할 경우 상기 저장탱크의 압력을 해소하기 위해 작동하여 연료의 흐름을 제어하는 제어장치와, 상기 솔밸브와 상기 제2체크밸브 사이에는 수소 충전 시스템의 수리 및 부품 교체 시 상기 저장탱크의 압력을 배출하기 위한 벤트를 포함하는 차량의 수소 충전 시스템에 의한 충전 방법에 있어서, 차량의 리셉터클에 외부 공급원의 충전 노즐을 접속하는 단계; 상기 충전 노즐을 통해 주입된 연료가 매니폴드를 통해 탱크밸브의 출입포트로 이송되는 단계; 상기 출입포트로 이송된 연료가 충전유로를 따라 이송되어 저장탱크에 저장되는 단계; 및, 상기 솔밸브가 작동하여 상기 공급유로를 폐쇄함으로써 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 매니폴드로 배출되는 것을 방지하는 단계를 포함하되, 상기 충전유로를 따라 연료가 이송되는 단계에서, 상기 제1필터는 연료에 포함된 이물질을 제거하고, 상기 정량 밸브는 연료가 정량으로 이송되도록 하며, 상기 제1체크밸브는 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 충전유로로 역류하는 것을 방지하고, 상기 저장탱크에 연료가 완충되면 상기 충전유로에 잔존하는 연료가 상기 매니폴드를 통해 상기 레귤레이터 측으로 배출되고, 상기 솔밸브가 상기 공급유로의 폐쇄상태를 유지하여 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 매니폴드로 배출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
그러나, 이와 같은 종래 기술은 수소를 안전하게 고압으로 충전하는데 한계를 가지고, 수소 충전의 고효율을 구현하는데 어려움이 따르며, 수소 펌프의 콤팩트화가 이루어지지 않아 시스템의 크기를 줄이는데 도움이 되지 못하는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 종래 수소의 펌핑을 위하여, 다이어프램이나 부스터를 채용한 기계적 펌프의 경우, 고압으로의 구현이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 고압으로 구현하더라도 내구성이 현저하게 저하되고, 에너지 소모가 심할 뿐만 아니라, 사이즈 역시 커지게 됨으로써, 충전 시스템의 대형화를 야기하는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압으로 충전 가능하도록 하고, 이러한 수소 충전의 효율과 충전 동작의 신뢰성을 높이며, 나아가서 수소압축기의 콤팩트화가 가능하도록 함으로써, 전체 시스템의 크기를 줄이는데 기여하고, 에너지 소모를 줄여서 경제적이도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 수소를 공급하도록 하는 수소공급부; 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 펌핑하는 수소압축기; 상기 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 저장하는 고압탱크; 상기 고압탱크로부터 공급되는 수소를 냉각시키는 냉각기; 및 상기 냉각기에 의해 냉각되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하는 디스펜서;를 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소를 공급하도록 하는 수소공급부; 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 펌핑하는 수소압축기; 및 상기 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하는 아답터;를 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템이 제공된다.
상기 수소공급부는, 물탱크로부터 물을 공급받아 전기분해에 의해 수소를 발생시키도록 하는 전기분해 수소발생장치와 수소가 저장되는 수소봄베 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 수소압축기는, 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 기계적 동작에 의해 펌핑력을 발생시키는 기계식 수소압축기와 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 전원이 인가되는 애노드와 캐소드 사이의 수소이온투과막에 의해 이온화하여 투과시킴으로써, 펌핑력을 발생시키는 전기화학적 수소압축기 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전기화학적 수소압축기는, 수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구 및 토출구가 내측의 수용공간에 연결되도록 형성되고, 구동을 위한 전원이 인가되는 케이싱; 상기 수용공간 내에 다수로 나란하게 설치되고, 중심부에 금속의 애노드링이 마련되며, 상기 애노드링의 둘레에 애노드다공디스크가 마련되고, 상기 애노드링의 중심부에 상기 토출구에 연결되기 위한 애노드홀이 형성되는 애노드; 상기 수용공간 내에 상기 애노드 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링이 마련되며, 상기 캐소드링의 내측에 캐소드다공디스크가 마련되고, 상기 캐소드다공디스크의 중심부에 상기 애노드홀과 일치하도록 캐소드홀이 형성되는 캐소드; 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이마다 개재됨으로써, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 함께 적층되고, 상기 애노드링과 상기 캐소드링이 양측에 각각 면접촉되어 기밀되게 접착되며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 상기 애노드홀과 상기 캐소드홀을 서로 연결시키도록 연결홀이 형성되는 수소이온투과막;을 포함할 수 있다.
상기 케이싱은, 상기 주입구가 마련되는 링본체; 상기 링본체의 양측을 차단함으로써 상기 링본체의 내측에 상기 수용공간이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 상기 토출구가 형성되며, 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 수소이온투과막가 다수로 적층되는 적층구조물의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부로부터 전원이 공급되는 차단판; 및 상기 차단판의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 상기 차단판이 상기 링본체의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트 및 너트;를 포함할 수 있다.
상기 애노드는, 상기 애노드링을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 상기 애노드링에 상기 애노드다공디스크가 일체를 이루도록 형성되고, 상기 캐소드는, 상기 캐소드링의 내측에 금속 파우더를 상기 캐소드홀을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 상기 캐소드링에 상기 캐소드다공디스크가 일체를 이루도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에 의하면, 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압으로 충전 가능하도록 하고, 이러한 수소 충전의 효율과 충전 동작의 신뢰성을 높일 수 있으며, 나아가서 수소압축기의 콤팩트화가 가능하도록 함으로써, 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 에너지 소모를 줄여서 경제적이도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에서 전기분해 수소발생장치를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에서 전기화학적 수소압축기를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에서 전기화학적 수소압축기를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에서 전기화학적 수소압축기를 도시한 분해도이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에서 전기화학적 수소압축기의 요부를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(10)은 수소공급부, 수소압축기, 고압탱크(320), 냉각기(330) 및 디스펜서(340)를 포함할 수 있다.
수소공급부는 수소를 공급하도록 하는데, 일례로 본 실시례에서처럼 물탱크(310)로부터 물을 공급받아 전기분해에 의해 수소를 발생시키도록 하는 전기분해 수소발생장치(200)로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조하면, 전기분해 수소발생장치(200)는 예컨대, 알칼라인 전기분해장치일 수 있는데, 전기분해조(201)에 의해 물을 산소와 수소로 분리하고, 분리된 산소와 수소 각각으로부터 기수분리기(202)에 의해 수분을 제거하며, 기수분리기(202)로부터 수집부(203)에 의해 수분을 수집하며, 수집부(203)로부터 밸브(205)의 개방에 의해 공급되는 수분을 온도조절기(206)에 의해 온도를 조절하여 전기분해조(201)에 전기분해를 위해 공급되도록 한다. 또한 전기분해 수소발생장치(200)는 기수분리기(202) 각각으로부터 공급되는 산소와 수소를 응축기(207)에 의해 응축시키는데, 응축기(207)는 외측에 마련되는 챔버(208)가 밸브(204)의 개방에 의해 수집부(203)에 연결되어 챔버(208) 내의 물이 수집부(203)에 수집되도록 하고, 물탱크(310)로부터 물이 챔버(208)에 공급됨으로써 응축에 사용되도록 하며, 응축기(207)에 의해 응축된 산소와 수소 각각이 드라이어(209)에 의해 건조되고, 이렇게 건조된 수소의 경우 수소압축기에 공급되도록 한다. 한편, 드라이어(209)로부터 회수되는 물이 밸브(210)의 개방에 의해 챔버(208)에 회수된다.
수소압축기는 수소공급부로부터 공급되는 수소를 펌핑하도록 하는데, 예컨대, 기계식 수소압축기와 전기화학적 수소압축기(100) 중 어느 하나일 수 있다.
기계식 수소압축기는 수소공급부로부터 공급되는 수소를 기계적 동작에 의해 펌핑력을 발생시키도록 하는데, 예컨대 로터리펌프, 부스터펌프, 다이아프램펌프 등을 비롯하여, 그 밖에 기체의 압축 내지 펌핑을 위한 다양한 기계방식의 압축장치가 사용될 수 있다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 전기화학적 수소압축기(100)는 수소공급부, 예컨대 전기분해 수소발생장치(200)로부터 공급되는 수소를 전원이 인가되는 애노드(120)와 캐소드(130) 사이의 수소이온투과막(140)에 의해 이온화하여 투과시킴으로써, 펌핑력을 발생시키도록 하는데, 예컨대 케이싱(110), 애노드(120), 캐소드(130) 및 수소이온투과막(140)을 포함할 수 있다.
케이싱(110)은 수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구(111) 및 토출구(112)가 내측의 수용공간(113)에 연결되도록 형성될 수 있고, 구동을 위한 전원이 인가된다.
케이싱(110)은 주입구(111)가 마련되는 링본체(114)와, 링본체(114)의 양측을 차단함으로써 링본체(114)의 내측에 수용공간(113)이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 토출구(112)가 형성되며, 애노드(120), 캐소드(130) 및 수소이온투과막(140)이 다수로 적층되는 적층구조물(120,130,140)의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부(150)로부터 전원이 공급되는 차단판(115)과, 차단판(115)의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 차단판(115)이 링본체(114)의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트(116) 및 너트(미도시)를 포함할 수 있다.
차단판(115)은 일측면에 링본체(114)가 끼워지도록 끼움홈(115a)이 형성됨으로써 끼움홈(115a)에 링본체(114)가 끼워진 상태에서 가장자리를 따라 고정볼트(116)가 끼워져서 너트(미도시)에 체결되는데, 링본체(114)와 차단판(115) 사이에 기밀을 위한 오링(117) 등이 설치될 수 있다. 여기서, 링본체(114)는 상기의 적층구조물(120,130,140)의 가장자리 둘레로부터 내측면이 이격됨으로써 이격공간(114a)을 형성하고, 이격공간(114a)에 의해 주입구(111)를 통해 주입되는 수소가스가 적층구조물(120,130,140)의 둘레로 분산되어 애노드(120) 측으로 공급되도록 할 수 있다. 전원공급부(150)는 예컨대 애노드(120)와 캐소드(130) 한 쌍 기준으로 0.3~0.5V일 수 있고, 애노드(120)와 캐소드(130)가 다수인 경우 0.3~0.5V의 배수일 수 있다. 차단판(115)은 도전성 재질로 이루어질 수 있고, 링본체(114)는 차단판(115)을 서로 전기적으로 절연시키는 재질로 이루어질 수 있으나, 반드시에 이에 한하는 것은 아니다.
애노드(120)는 수용공간(113) 내에 다수로 나란하게 설치될 수 있고, 중심부에 금속의 애노드링(121)이 마련될 수 있으며, 애노드링(121)의 둘레에 애노드다공디스크(122)가 마련될 수 있고, 애노드링(121)의 중심부에 토출구(112)에 연결되기 위한 애노드홀(123)이 형성될 수 있다. 애노드(120)는 금형을 사용하여 애노드링(121)을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 애노드링(121)에 애노드다공디스크(122)가 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 애노드링(121)은 티타늄으로 이루어질 수 있고, 애노드다공디스크(122)의 형성을 위한 금속 파우더 역시 티타늄 파우더로 이루어질 수 있다.
캐소드(130)는 수용공간(113) 내에 애노드(120) 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링(131)이 마련되며, 캐소드링(131)의 내측에 캐소드다공디스크(132)가 마련될 수 있고, 캐소드다공디스크(132)의 중심부에 애노드홀(123)과 일치하도록 캐소드홀(133)이 형성될 수 있다.
캐소드(130)는 금형을 사용하여 캐소드링(131)의 내측에 금속 파우더를 캐소드홀(133)을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 캐소드링(131)에 캐소드다공디스크(132)가 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 캐소드링(131)은 티타늄으로 이루어질 수 있고, 캐소드다공디스크(132)의 형성을 위한 금속 파우더 역시 티타늄 파우더로 이루어질 수 있다.
수소이온투과막(140)은 애노드(120) 및 캐소드(130) 사이마다 개재됨으로써, 애노드(120) 및 캐소드(130)와 함께 적층되고, 애노드링(121)과 캐소드링(131)이 양측에 각각 면접촉된 상태에서 고압에 견디는 접착제를 사용하여 기밀되게 접착됨으로써 접착부위에 대한 수소가스 등의 누설을 차단하여, 수소가스의 압축 펌핑을 위한 경로를 형성하도록 하며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 애노드홀(123)과 캐소드홀(133)을 서로 연결시키도록 연결홀(141)이 형성될 수 있다. 수소이온투과막(140)은 예컨대, 나피온(Nafion)으로 이루어질 수 있다. 나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머의 듀퐁사의 상품명으로서, 열적으로 안정되고, 내약품성이 높으며, 양성자 전도성이 있으므로 고분자 전해질, 이온교환막으로서 이용되는 외에 강한 산성이 있으므로 산촉매작용이 있다.
수소이온투과막(140)은 산화 환원 반응의 평형을 가능하도록 하는데, 수소이온투과막(140)의 일측에 위치함과 아울러 전원공급부(150)의 양극에 걸리는 애노드(120)는 아래의 화학식 1과 같은 반응을 하게 되고, 수소이온투과막(140)의 타측에 위치함과 아울러 전원공급부(150)의 음극에 걸리는 캐소드(130)는 아래의 화학식 2와 같은 반응을 하게 된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
따라서, 주입구(111)를 통해 이격공간(114a)으로 주입되는 수소가스가 애노드다공디스크(122) 측으로 주입되어, 화학식 1에 의해 형성되는 양성자가 수소이온투과막(140)을 통과함으로써, 캐소드다공디스크(132) 측에서 화학식 2의 반응에 의해 수소가스를 형성하고, 이렇게 형성된 수소가스가 애노드홀(123), 캐소드홀(133) 및 연결홀(141)로 이루어지는 통로를 통해서 토출구(112)로 토출되는데, 애노드(120) 측에 저압을 형성하고, 캐소드(130) 측에 고압을 형성함으로써, 수소가스의 펌핑이 이루어지도록 한다.
도 1을 참조하면, 고압탱크(320)는 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 고압으로 저장하도록 하는데, 예컨대 850~900bar, 일례로 870bar의 압력에 견디는 재질 및 구조를 가질 수 있다.
냉각기(330)는 고압탱크(320)로부터 공급되는 수소를 냉각시키도록 하는데, 고압 충전으로 인해 발생되는 열을 냉각시키도록 한다. 냉각기(330)는 통과하는 수소와의 열교환을 통해 냉각을 수행하는 냉매가 냉동사이클에 의해 냉각 및 순환 공급되는 방식이거나, 냉매가 냉수로 공급되는 방식이거나, 에어에 의해 수소를 냉각시키는 방식이거나, 그 밖에 다양한 방식에 의해 수소에 대한 냉각을 수행하도록 구성될 수 있다.
디스펜서(340)는 냉각기(330)에 의해 냉각되는 수소를 수소 충전 대상, 예컨대 수소를 연료로서 사용하는 자동차, 드론, 지게차 등을 비롯하여, 수소를 연료로 사용하는 다양한 대상이 해당될 수 있다. 디스펜서(340)는 수소 충전 대상의 연료주입구에 장착되는 주유기 등에 해당하는 아답터가 마련될 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(10)은 재생에너지의 전기를 이용한 에너지 저장개념을 포함하고 있고, On-site 방식의 수소 충전소에 적용이 가능하며, 알칼리 전기분해조에서 나오는 수분과 온도를 이용하여 효율이 높아진다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(20)은 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(10)에서와 마찬가지로, 수소공급부와, 수소압축기와, 고압탱크(320), 냉각기(330) 및 디스펜서(340)를 포함할 수 있는데, 수소공급부를 제외하고는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(10)과 동일하며, 동일한 명칭의 구성에 대해서 이미 상세히 설명하였므로, 그 차이점 위주로 설명하기로 한다. 또한, 수소압축기는 앞서 설명한 바와 같이, 기계식 수소압축기 또는 전기화학적 수소압축기(100) 중 어느 하나일 수 있다.
수소공급부는 수소가 저장되는 수소봄베(350)로 이루어질 수 있다. 수소봄베(350)는 내측에 저장된 수소를 수소압축기에 공급하도록 한다.
이와 같이, 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(20)은 이러한 구성으로 인해, 튜브트레일러 방식의 Off-site 방식의 수소 충전소에 적용이 가능하도록 한다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(30)은 수소공급부와, 수소압축기와, 아답터(360)를 포함할 수 있다. 여기서, 수소공급부는 본 발명의 제 1 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(10)에서와 마찬가지로, 물탱크(310)로부터 물을 공급받아 전기분해에 의해 수소를 공급하도록 하는 전기분해 수소발생장치(200)일 수 있다. 여기서 수소압축기는 앞서 설명한 바와 같이, 기계식 수소압축기 또는 전기화학적 수소압축기(100) 중 어느 하나일 수 있다.
아답터(360)는 이전 실시례에서의 고압탱크(320), 냉각기(330) 및 디스펜서(340)를 대체하는데, 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하고, 이를 위해 주유기를 비롯하여 이를 만족시키도록 하는 다양한 장치가 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(30)은 이러한 구성으로 인해, 긴 충전 시간에 구애받지 않는 저속 수소충전에 적합하며, 가정용 또는 소형시스템에 적용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템을 도시한 구성도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 4 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(40)은 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(30)과 마찬가지로, 수소공급부와, 수소압축기와, 아답터(360)를 포함할 수 있는데, 수소공급부를 제외하고는 본 발명의 제 3 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(30)과 동일하며, 그 차이점 위주로 설명하기로 한다.
수소공급부는 본 발명의 제 2 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(20)에서와 마찬가지로 수소가 저장되는 수소봄베(350)로 이루어질 수 있다. 수소봄베(350)는 내측에 저장된 수소를 수소압축기에 공급하도록 한다. 또한 수소압축기는 앞서 설명한 바와 같이, 기계식 수소압축기 또는 전기화학적 수소압축기(100) 중 어느 하나일 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 4 실시례에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템(40)은 이러한 구성으로 인해, 긴 충전 시간에 구애받지 않는 저속 수소충전에 적합하며, 가정용 또는 소형시스템에 적용할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템에 따르면, 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압으로 충전 가능하도록 하고, 이러한 수소 충전의 효율과 충전 동작의 신뢰성을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 수소압축기의 콤팩트화가 가능하도록 함으로써, 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 에너지 소모를 줄여서 경제적이도록 할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 전기화학적 수소압축기 110 : 케이싱
111 : 주입구 112 : 토출구
113 : 수용공간 114 : 링본체
114a : 이격공간 115 : 차단판
115a : 끼움홈 116 : 고정볼트
117 : 오링 120 : 애노드
121 : 애노드링 122 : 애노드다공디스크
123 : 애노드홀 130 : 캐소드
131 : 캐소드링 132 : 캐소드다공디스크
133 : 캐소드홀 140 : 수소이온투과막
141 : 연결홀 150 : 전원공급부
200 : 전기분해 수소발생장치 201 : 전기분해조
202 : 기수분리기 203 : 수집부
204 : 밸브 205 : 밸브
206 : 온도조절기 207 : 응축기
208 : 챔버 209 : 드라이어
210 : 밸브 310 : 물탱크
320 : 고압탱크 330 : 냉각기
340 : 디스펜서 350 : 수소봄베
360 : 아답터

Claims (7)

  1. 수소를 공급하도록 하는 수소공급부;
    상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 펌핑하는 수소압축기;
    상기 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 저장하는 고압탱크;
    상기 고압탱크로부터 공급되는 수소를 냉각시키는 냉각기; 및
    상기 냉각기에 의해 냉각되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하는 디스펜서;
    를 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  2. 수소를 공급하도록 하는 수소공급부;
    상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 펌핑하는 수소압축기; 및
    상기 수소압축기에 의해 펌핑되는 수소를 수소 충전 대상에 주유하도록 하는 아답터;
    를 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수소공급부는,
    물탱크로부터 물을 공급받아 전기분해에 의해 수소를 발생시키도록 하는 전기분해 수소발생장치와 수소가 저장되는 수소봄베 중 어느 하나로 이루어지는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 수소압축기는,
    상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 기계적 동작에 의해 펌핑력을 발생시키는 기계식 수소압축기와 상기 수소공급부로부터 공급되는 수소를 전원이 인가되는 애노드와 캐소드 사이의 수소이온투과막에 의해 이온화하여 투과시킴으로써, 펌핑력을 발생시키는 전기화학적 수소압축기 중 어느 하나인, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전기화학적 수소압축기는,
    수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구 및 토출구가 내측의 수용공간에 연결되도록 형성되고, 구동을 위한 전원이 인가되는 케이싱;
    상기 수용공간 내에 다수로 나란하게 설치되고, 중심부에 금속의 애노드링이 마련되며, 상기 애노드링의 둘레에 애노드다공디스크가 마련되고, 상기 애노드링의 중심부에 상기 토출구에 연결되기 위한 애노드홀이 형성되는 애노드;
    상기 수용공간 내에 상기 애노드 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링이 마련되며, 상기 캐소드링의 내측에 캐소드다공디스크가 마련되고, 상기 캐소드다공디스크의 중심부에 상기 애노드홀과 일치하도록 캐소드홀이 형성되는 캐소드; 및
    상기 애노드 및 상기 캐소드 사이마다 개재됨으로써, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 함께 적층되고, 상기 애노드링과 상기 캐소드링이 양측에 각각 면접촉되어 기밀되게 접착되며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 상기 애노드홀과 상기 캐소드홀을 서로 연결시키도록 연결홀이 형성되는 수소이온투과막;
    을 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 케이싱은,
    상기 주입구가 마련되는 링본체;
    상기 링본체의 양측을 차단함으로써 상기 링본체의 내측에 상기 수용공간이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 상기 토출구가 형성되며, 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 수소이온투과막가 다수로 적층되는 적층구조물의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부로부터 전원이 공급되는 차단판; 및
    상기 차단판의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 상기 차단판이 상기 링본체의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트 및 너트;
    를 포함하는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 애노드는,
    상기 애노드링을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 상기 애노드링에 상기 애노드다공디스크가 일체를 이루도록 형성되고,
    상기 캐소드는,
    상기 캐소드링의 내측에 금속 파우더를 상기 캐소드홀을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 상기 캐소드링에 상기 캐소드다공디스크가 일체를 이루도록 형성되는, 수소압축기를 이용한 수소 충전 시스템.
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