KR20230025199A - 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템 - Google Patents

액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기화기에서 액화 수소가 기화되어 생성된 수소가스의 이동 통로가 되고, 수소가스의 공급압력이 일정 범위 이하이면 수소가스를 모두 발전부로 공급하며, 수소가스의 공급압력이 일정 범위를 초과하면 수소가스의 일정량을 연료전지로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 발전부로 공급하는 공급부 및 상기 공급부에 연결되어 수소가스를 공급받아 수소가스의 가압력에 의하여 발전하는 발전부로 구성된다.

Description

액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템 {ELECTRIC GENERATING SYSTEM USING VOLUME EXPANSION PRESSURE OF VAPORIZED HYDROGEN}
본 발명은 액화 수소의 기화 시에 생성된 부피 팽창한 고압의 수소가스를 이용하여 발전하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 장치에 관한 것이다.
액체 수소 기반 수소 충전소는 부지 및 시설비의 절감, 대용량 수소저장 및 충전을 통한 경제성 확보와 함께, 기체 및 액체 수소의 동시 활용 가능성 등 다양한 장점이 있다. 충전소 설비비용은, 200kg/day 이상 충전이 이루어지는 경우, 액체 수소 방식의 충전소의 경우가 고압 수소 방식의 충전소에 비하여 낮아지게 되며, 이 경우 수소 충전 비용도 액체 수소를 이용한 액체 수소 충전소의 경우가 더 저렴하게 된다. 액체 수소의 경우에는 영하 253℃에서 보관되어야 하며, 기화기를 통하여 수소가스로 상변이된 경우 액체 수소보다 부피가 851배 증가하여 고압의 수소가스로 된다. 따라서, 기화기로부터 공급된 고압의 수소가스를 바로 수소가스 디스펜서를 통하여 수소가스 사용처로 공급하지 못하고 기화기와 수소가스 디스펜서 사이에 고압의 수소가스를 보관할 수 있는 버퍼(Buffer) 탱크가 필요로 하게 된다. 본 발명은 이러한 버퍼 탱크 없이 안정성 있게 수소가스를 공급하고 기화기 부피 감소도 가능하도록 고안된 것이다.
대한민국 공개특허 제10-2011-0115756호 (명칭: 가스관 기압발전용 터빈 일체형 발전기, 공개일: 2011.10.24.) 미국 공개특허 제2014-0117669호 (명칭: PIPELINE TURBINE GENERATOR, 공개일: 2014.05.01.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 고압의 수소가스에서 발생한 에너지를 활용 가능한 에너지로 변환하고, 고압의 수소가스를 버퍼 탱크 없이 안정적으로 수소연료전지에 공급하기 위하여 고안된 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템은 기화기에서 액화 수소가 기화되어 생성된 수소가스의 이동 통로가 되고, 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 수소가스를 모두 발전부로 공급하며, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 수소가스의 일정량을 연료전지로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 발전부로 공급하는 공급부 및 상기 공급부에 연결되어 수소가스를 공급받아 수소가스의 부피 팽창에 의한 가압력에 의하여 발전하는 발전부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 공급부는, 상기 기화기 내부의 수소가스를 상기 발전부로 공급하는 통로인 공급 파이프, 상기 공급 파이프에 구비되어 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력을 감지하는 압력센서, 상기 압력센서에 연동되어 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력을 조절하는 컨트롤러, 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력에 따라 상기 컨트롤러의 제어에 의해 개폐가 조절되는 압력밸브 및 상기 공급 파이프에 연결되고 상기 압력밸브의 개방에 의해 수소가스의 일정량을 상기 연료전지로 바이패스하는 통로인 바이패스 파이프를 포함하고, 상기 압력밸브는 상기 바이패스 파이프에 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 컨트롤러는, 상기 압력센서로부터 전송받은 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 상기 압력 밸브를 폐쇄하여 수소가스를 모두 상기 발전부로 공급하고, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 상기 압력밸브를 개방하여 수소가스의 일정량을 상기 연료전지로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 상기 발전부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 컨트롤러는, 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하는 경우, 상기 일정값을 초과하는 초과값과 매칭되는 상기 압력밸브의 개방률을 조절하여 상기 발전부로 공급되는 공급압력이 일정값 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 발전부는, 발전기 본체, 상기 발전기 본체에 구비되어 수소가스의 팽창에 의한 가압력에 의하여 회전하는 프로펠러, 상기 발전기 본체에 구비되며 상기 프로펠러에 연결되어 프로펠러와 함께 회전하는 회전자 및 상기 발전기 본체에 구비되어 상기 회전하는 회전자에 의해 유도전류를 발생시켜 상기 발전부가 발전하게 하는 고정자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 상기 프로펠러는, 상기 발전부로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소가스의 유량을 제어하는 착탈식 가변 피치 프로펠러인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 장치는, 기화기와 수소연료전지 사이에 발전기를 설치하여, 기화기를 통하여 부피가 팽창한 고압의 수소가스를 연료전지에 공급하기 전에 발전기에 구비된 프로펠러를 회전시켜 발전할 수 있게 하고, 상기 프로펠러의 피치(Pitch)를 프로펠러의 착탈에 의하여 가변적으로 운용하여 별도의 버퍼 탱크(Buffer Tank)가 없어도 안정적인 수소가스의 공급이 가능하게 하였다. 발전기에서 공급된 전력만큼 수소연료전지에 공급되는 수소가스의 양을 감소시킬 수 있게 되어 기화기의 부피를 감소시킬 수 있다. 나아가 같은 양의 수소를 소모하더라도, 발전 시스템의 발전 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 기화기에서 공급된 수소가스의 압력이 일정 범 일정 범위 이상인 경우에는 수소가스의 일정량을 발전을 위하여 공급하지 않고 연료전지로 바이패스(by-pass)하여 상기 발전기에 가해지는 충격을 최소화할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소를 기화하여 발전하고 발전 시스템에서 배출된 수소가스를 연료전지에 공급하는 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소를 기화하여 발전하고 발전 시스템에서 배출된 수소가스를 연료전지에 공급하는 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 액화 수소는 액화 수소탱크(20)에 -253℃의 온도로 저장될 수 있다. 상기 액화 수소탱크(20)에 저장된 액화 수소는 액화 수소펌프(30)에 의하여 기화기(40)로 공급될 수 있다. 기화기(40)의 온도는 -253℃ ~ 70℃ 일 수 있다. -252.87℃가 끓는 점인 수소는 -253℃ 의 상기 액화 수소탱크(20)로부터 상기 기화기(40)로 공급되면서 끓는 점 이상 가열되어 기화될 수 있다.
수소는 액화 수소에서 수소 가스로 상변이되면서 부피가 851배 증가할 수 있다. 부피가 팽창한 수소가스는 압력이 높아져서 고압의 수소가스가 될 수 있다. 부피가 팽창한 수소가스의 팽창에 의한 가압력을 이용하여 발전을 할 수 있다. 발전에 이용된 고압의 수소가스는 발전한 후에 압력이 낮아질 수 있다. 압력이 낮아진 수소가스를 연료전지(50)로 공급할 수 있다. 연료전지로 공급된 수소가스는 전기화학 반응을 활용하여 전기를 생산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 기화기(40)에서 액화 수소가 기화되어 생성된 수소가스의 이동 통로가 되고, 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 수소가스를 모두 발전부(200)로 공급하며, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 수소가스의 일정량을 연료전지(50)로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 발전부(200)로 공급하는 공급부(100) 및 상기 공급부(100)에 연결되어 수소가스를 공급받아 수소가스의 부피 팽창에 의한 가압력에 의하여 발전하는 발전부(200)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 공급부(100)는, 상기 기화기(40) 내부의 수소가스를 상기 발전부(200)로 공급하는 통로인 공급 파이프(110), 상기 공급 파이프(110)에 구비되어 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 공급압력을 감지하는 압력센서(120), 상기 압력센서(120)에 연동되어 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 공급압력을 조절하는 컨트롤러(140), 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 공급압력에 따라 상기 컨트롤러(140)의 제어에 의해 개폐가 조절되는 압력밸브(130) 및 상기 공급 파이프(110)에 연결되고 상기 압력밸브(130)의 개방에 의해 수소가스의 일정량을 상기 연료전지(50)로 바이패스하는 통로인 바이패스 파이프(150)를 포함하고, 상기 압력밸브(130)는 상기 바이패스 파이프(150)에 구비될 수 있다.
상기 기화기(40)로부터 공급된 수소가스의 공급압력이 일정 범위 이상이 되면 상기 발전부(200)에 충격을 줄 수 있다. 따라서 수소가스의 압력이 일정 범위 이상인 경우에는 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 압력을 낮춰주어야 상기 발전부(200)가 정상적으로 작동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 컨트롤러(140)는, 상기 압력센서(120)로부터 전송받은 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 상기 압력 밸브(130)를 폐쇄하여 수소가스를 모두 상기 발전부(200)로 공급하고, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 상기 압력밸브(130)를 개방하여 수소가스의 일정량을 상기 연료전지(50)로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 상기 발전부(200)로 공급할 수 있다.
상기 컨트롤러(140)는, 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하는 경우, 상기 일정값을 초과하는 초과값과 매칭되는 상기 압력밸브(130)의 개방률을 조절하여 상기 발전부(200)로 공급되는 공급압력이 일정값 이내가 되도록 할 수 있다.
예를 들면, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하고 초과된 공급압력이 상기 일정값의 25% 이내인 제 1범위인 경우에는 상기 압력밸브(130)는 1/3의 개방률로 개방될 수 있다. 또한, 수소가스의 공급압력이 상기 일정값의 25% 초과 및 50% 이하인 제 2범위인 경우에는 상기 압력밸브(130)는 1/2의 개방률로 개방될 수 있다. 또한, 수소가스의 공급압력이 상기 일정값의 50% 초과 및 75% 이하인 제 3범위인 경우에는 상기 압력밸브(130)는 2/3의 개방률로 개방될 수 있다. 또한, 수소가스의 공급압력이 상기 일정값의 75% 초과인 제 4범위인 경우에는 상기 압력밸브(130)는 완전 개방될 수 있다.
상기 압력밸브(130)의 개방에 의해 상기 바이패스 파이프(150)로 공급된 수소가스는 상기 연료전지(50)로 바이패스(by-pass)되고 나머지 수소가스는 상기 발전부(200)로 공급될수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전부의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면 상기 발전부(200)는, 발전기 본체(210), 상기 발전기 본체(210)에 구비되어 수소가스의 팽창에 의한 가압력에 의하여 회전하는 프로펠러(220), 상기 발전기 본체(210)에 구비되며 상기 프로펠러(220)에 연결되어 프로펠러(220)와 함께 회전하는 회전자(240) 및 상기 발전기 본체(210)에 구비되어 상기 회전하는 회전자(240)에 의해 유도전류를 발생시켜 상기 발전부(200)가 발전하게 하는 고정자(230)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 프로펠러(220)는, 상기 발전부(200)로부터 배출되는 수소가스의 유량을 제어하는 가변 피치(Pitch) 프로펠러(220)일 수 있다. 기존의 액화 수소를 기화시켜 얻은 수소가스를 연료전지에 공급하는 방식은 고압의 수소가스가 상기 연료전지에 충격을 주는 것을 줄이기 위하여 별도의 버퍼 탱크(Buffer Tank)를 상기 연료전지 전단에 구비 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 고압의 수소가스가 상기 프로펠러(220)를 거치면서 압력이 줄어들 수 있다. 상기 프로펠러(220)는, 서로 다른 피치(Pitch)의 프로펠러(220)로 교체하여 상기 발전부(200)로부터 상기 연료전지(50)로 공급되는 수소가스의 유량을 제어하는 착탈식 가변 피치 프로펠러(220)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 발전부(200)는, 상기 발전부(200) 전단 또는 후단에 고압의 수소가스를 완충하는 버퍼 탱크(Buffer Tank)를 별도로 구비하지 않을 수 있다. 상기 발전부(200)의 전단에서는 상기 공급부(100)에 구비된 상기 압력밸브(130)를 제어하여 상기 발전부(200)로 공급되는 수소가스의 공급압력을 조절할 수 있다. 상기 발전부(200)의 후단에서는 상기 발전부(200)에 구비된 상기 프로펠러(220)의 피치를 제어하여 상기 발전부(200)로부터 배출되는 수소가스의 공급압력의 조절할 수 있다. 따라서, 고압의 수소가스를 완충시키기 위한 버퍼 탱크는 별도로 구비하지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 상기 연료전지(50)는 연료전지(50) 내부에 축전지(55)를 구비할 수 있다. 상기 발전부(200)에서 발전한 전기가 상기 축전지(55)에 저장될 수 있다. 상기 축전지(55)에 저장된 전력만큼 상기 연료전지(50)에서 발전하는 전력 발생량을 감소할 수 있다. 상기 연료전지(50)에서 발전하는 전력 발생량이 감소하는 만큼 수소가스의 공급량을 감소할 수 있다. 수소가스의 공급량이 감소한 만큼 상기 기화기(40)에서 기화될 액화 수소의 양은 감소할 수 있다. 상기 기화기(40)에서 기화될 액화 수소의 양이 감소함에 따라 상기 기화기(40)의 크기를 줄일 수 있다. 상기 발전부(200)에서 발생된 전기는 필요 부하에 직접 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 장치는, 기화기와 수소연료전지 사이에 발전기를 설치하여, 기화기를 통하여 부피가 팽창한 고압의 수소가스를 연료전지에 공급하기 전에 발전기에 구비된 프로펠러를 회전시켜 발전할 수 있게 하고, 상기 프로펠러의 피치(Pitch)를 프로펠러의 착탈에 의하여 가변적으로 운용하여 별도의 버퍼 탱크(Buffer Tank)가 없어도 안정적인 수소가스의 공급이 가능하게 하였다. 발전기에서 공급된 전력만큼 수소연료전지에 공급되는 수소가스의 양을 감소시킬 수 있게 되어 기화기 부피를 기존의 90%로 줄일 수 있다. 또한 기화기에서 공급된 수소가스의 압력이 일정 범 일정 범위 이상인 경우에는 수소가스의 일정량을 발전을 위하여 공급하지 않고 연료전지로 바이패스(by-pass)하여 상기 발전기에 가해지는 충격을 최소화할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100 : 공급부
110 : 공급 파이프
120 : 압력센서
130 : 압력밸브
140 : 컨트롤러
150 : 바이패스 파이프
200 : 발전부
210 : 발전기 본체
220 : 프로펠러
230 : 고정자
240 : 회전자
10 : 발전 시스템
20 : 액화 수소탱크
30 : 액화 수소펌프
40 : 기화기
50 : 연료전지
55 : 축전지

Claims (6)

  1. 기화기에서 액화 수소가 기화되어 생성된 수소가스의 이동 통로가 되고, 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 수소가스를 모두 발전부로 공급하며, 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 수소가스의 일정량을 연료전지로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 발전부로 공급하는 공급부; 및
    상기 공급부에 연결되어 수소가스를 공급받아 수소가스의 부피 팽창에 의한 가압력에 의하여 발전하는 발전부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 기화기 내부의 수소가스를 상기 발전부로 공급하는 통로인 공급 파이프;
    상기 공급 파이프에 구비되어 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력을 감지하는 압력센서;
    상기 압력센서에 연동되어 상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력을 조절하는 컨트롤러;
    상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력에 따라 상기 컨트롤러의 제어에 의해 개폐가 조절되는 압력밸브; 및
    상기 공급 파이프에 연결되고 상기 압력밸브의 개방에 의해 수소가스의 일정량을 상기 연료전지로 바이패스하는 통로인 바이패스 파이프;를 포함하고,
    상기 압력밸브는 상기 바이패스 파이프에 구비된 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 압력센서로부터 전송받은 수소가스의 공급압력이 일정값 이하이면 상기 압력 밸브를 폐쇄하여 수소가스를 모두 상기 발전부로 공급하고,
    수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하면 상기 압력밸브를 개방하여 수소가스의 일정량을 상기 연료전지로 바이패스(by-pass)하고 나머지 수소가스를 상기 발전부로 공급하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 컨트롤러는,
    상기 발전부로 공급되는 수소가스의 공급압력이 일정값을 초과하는 경우, 상기 일정값을 초과하는 초과값과 매칭되는 상기 압력밸브의 개방률을 조절하여 상기 발전부로 공급되는 공급압력이 일정값 이내가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 발전부는,
    발전기 본체;
    상기 발전기 본체에 구비되어 수소가스의 팽창에 의한 가압력에 의하여 회전하는 프로펠러;
    상기 발전기 본체에 구비되며 상기 프로펠러에 연결되어 프로펠러와 함께 회전하는 회전자; 및
    상기 발전기 본체에 구비되어 상기 회전하는 회전자에 의해 유도전류를 발생시켜 상기 발전부가 발전하게 하는 고정자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 프로펠러는,
    상기 발전부로부터 상기 연료전지로 공급되는 수소가스의 유량을 제어하는 착탈식 가변 피치 프로펠러인 것을 특징으로 하는 액화 수소 기화 시의 부피 팽창에 의한 가압력을 이용한 발전 시스템.
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미국 공개특허 제2014-0117669호 (명칭: PIPELINE TURBINE GENERATOR, 공개일: 2014.05.01.)

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