KR20230028783A - 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스, 이를 구비한 충전소 및 저장 탱크를 충전하는 방법 - Google Patents

저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스, 이를 구비한 충전소 및 저장 탱크를 충전하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 저장 용기, 특히 차량의 저장 용기를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스(100)로서, 압축될 수소를 압축하기 위한 압축 장치(1), 압축 수소를 중간에 저장하는 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10) 및 압축될 수소가 압축 장치(1)에 공급될 때 거칠 수 있는 라인 시스템(20)을 포함하고, 압축 장치(1)에서 압축된 수소는 이 후 고압 저장 탱크(10)에 공급될 수 있고, 그리고 고압 저장 탱크로부터 충전될 저장 용기로 공급될 수 있으며, 압축 장치(1)는 압력 용기(2)를 포함하고, 압력 용기 내로 압축 액체(3)가 유입될 수 있고, 그리고 압축될 수소가 가스 상태로 유입될 수 있으며, 압력 용기(2) 내에서 압축 액체(3)의 액체 체적을 확대시킴으로써 미리결정된 압력(P1)까지 압축될 수 있는, 충전 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 충전 장치(100)를 구비하는 충전소 및 적어도 하나의 저장 용기, 특히 차량의 저장 용기를 압축 수소로 충전하는 방법에 관한 것이다.

Description

저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스, 이를 구비한 충전소 및 저장 탱크를 충전하는 방법
본 발명은 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 설명된 유형의 충전 디바이스를 구비하는 충전소, 특히 수소 충전소에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법에 관한 것이다.
차량에 가솔린 및 디젤을 주유하는 역할을 하는 종래의 주유소는 잘 알려져 있다. 또한, 소위 천연 가스 차량에 400 bar 내지 1000 bar의 압력으로 존재하는 압축 천연 가스를 주입하는 충전소가 알려져 있다. 본 명세서에서, 천연 가스는 대부분 최대 1000 bar의 압력으로 지하 저장 탱크에 저장되어 연료주입될 차량에 공급된다.
또한, 최근에는 이에 상응하는 개조 차량 또는 현대식 연료 전지 차량에 가스 수소 및/또는 액체 수소가 주입될 수 있는 수소 충전소가 점점 더 많이 실현되고 있다. 이하 수소 충전소로 언급되는 이러한 충전소에서는, 가스 수소 및/또는 액체 수소가 적절한 연료주입 커플링에 의해 연료주입될 차량으로 전달된다.
점점 더 많은 차량 제조 업체가 천연 가스, LPG 또는 수소와 같은 가스 연료로 움직이는 자동차를 선보이고 있다. 여기에는 승용차뿐만 아니라, 버스, 트럭, 지게차도 포함된다. 압축 가스로 운행되는 차량이 증가하는 것과 병행하여, 충전소의 수도 증가하고 있으며, 특히 수소 충전소의 수가 증가하고 있다. 수소 충전소는 개인 고객이 더 자주 이용한다. 천연 가스나 LPG에 비해 수소의 압력이 높고 온도가 낮기 때문에, 특히 수소로 연료주입하기 위한 연료주입 방법 및 기타 디바이스에 대한 새로운 개발이 필요하다. 그러나, 다른 연료에 비해 수용성을 높이기 위해서는 수소에 대한 비용을 가능한 낮게 유지해야 할 필요도 있다. 이는 충전소에 대한 투자 비용도 낮게 유지해야 한다는 뜻이다.
최대 700 bar의 압력으로 차량에 가스 수소를 주입하는 수소 충전소는 이미 존재한다. 여러 대의 차량을 연속적으로 그리고/또는 동시에 연료주입할 수 있도록, 일반적으로 다량의 가압 가스 수소를 대응하는 압력 버퍼에 일시적으로 저장하는 연료주입 방법이 사용된다. 또한, 제공될 압축기 시스템은 요구되는 체적 흐름이 보장될 수 있도록 치수화되거나 설계되어야 한다.
가스 산업에서는 다양한 유형의 피스톤 또는 다이어프램 압축기가 알려져 있다. 특히, 피스톤 구동식 압축기는, 피스톤의 움직임을 따르고 이에 상응하여 높은 응력을 받는 시일 또는 이중 시일을 구비하는 문제가 있다. 시일이 누출되는 즉시, 압축기가 더 이상 작동하지 않게 되므로 정비해야 한다. 또한, 누설이 확인되지 않을 경우, 환경에 위험을 초래할 수 있는 누출 가능성을 감지할 필요가 있다. 다이어프램 압축기는 피스톤 대신 큰 다이어프램을 사용한다. 다이어프램 압축기는 매우 낮은 압력에서만 시동될 수 있으며 작은 진동이나 스트로크만 발생할 수 있다. 다이어프램의 미세 균열은 감지하기 어려우며, 이로 인해 누출이 발생할 수 있다. 두 시스템 모두 시일링 용액이 빠르게 이동하는 문제가 있으며, 이로 인해 시일이 극심한 응력을 받게 된다. 압축기가 가스(수소)와 접촉하기 때문에, 이러한 압축기를 수리하는 것은 시간이 많이 걸린다.
또한, 피스톤 압축기는 일반적으로 압축 공기 또는 유압 오일에 의해 구동된다. 압축기 내부의 열팽창으로 인해, 압축될 가스, 특히 수소가 가열되어 냉각되어야 하는데, 이는 극히 에너지 집약적이다.
다이어프램 압축기의 경우, 다이어프램이 제공되는 헤드가 매우 무거운데, 이는 유지보수에 많은 시간이 소요되고 다이어프램 압축기에 많은 공간이 필요하다는 것을 의미한다. 특정 박스 솔루션을 제공해야 하며, 유지보수를 위해 필요하므로 압축기 위 공간을 사용할 수 없다. 다이어프램 압축기는 민감하기 때문에 하루에 몇 번만 작동하거나 시동해야 하므로(하루에 3 내지 5회 미만), 다이어프램 압축기의 제어는 극히 유연하지 못하다. 이는 충전소가 다양한 연료주입 주기를 갖는 경우에는 불가능하다. 다이어프램 압축기가 극히 드물게 시동되는 경우, 즉 연속적으로 작동하는 경우, 사용 수명이 길어진다. 따라서, 다이어프램 압축기는 압축기가 일반적으로 하루 24시간 일주일 내내 작동하는 산업에서 사용된다.
따라서, 현재 알려진 피스톤 및 다이어프램 압축기는 충전소, 특히 수소 충전소에서 다양하고 짧은 연료주입 주기로 제한적으로만 사용될 수 있다.
또한, 차량에 수소를 주입하기 위해 특별히 제공되는 공지의 충전소는 많은 냉각 에너지를 필요로 한다. 예를 들어, 승용차의 연료주입을 위해서는 펌프 내 가스(수소)를 -40 ℃까지 사전 냉각해야 한다. -40 ℃에서, 차량의 탱크 시스템을 과열시키지 않고, 약 5분 이내에 약 5 kg에 이르는 양의 수소가 차량에 주입될 수 있다.
차량은 일반적으로 압축기에 의해 직접 연료주입되거나, 주변 온도를 갖는 고압 번들을 형성한다. 수소를 더 많이 필요로 하는 산업용 트럭의 경우, 예를 들어 승용차에서 일반적으로 사용되는 60 그램/초로부터 120 그램/초 또는 심지어 180 그램/초까지 연료주입 유량을 증가시켜야 한다. 그러나, 이는 가스나 수소가 더 냉각되어야 하고 더 많은 냉각 에너지가 필요하다는 것을 의미한다.
간략하게 전술된 바와 같이, 압축 장치(압축기)의 기밀성(tightness)은 가스를 압축할 때, 특히 수소를 압축할 때에 큰 문제가 된다. 수소는 지구상에서 발견되는 분자 중 가장 작은 분자로 압축 장치와 수소 충전소 전체의 기밀성을 보장하기가 어렵다. 시스템, 특히 압축 장치가 기밀하지 않다면, 누출 시 큰 위험이 있다. 수소는 피스톤 또는 다이어프램 압축기에 의한 공지된 압축 중에, 매우 뜨거워지며, 이는 압축 가스(수소)를 냉각하는 냉각기가 제공되어야 하는 이유이다.
가스(수소)의 압축 후 필요한 냉각으로 인해, 공지된 수소 충전소의 에너지 소비량은 극히 높다. 종래의 수소 압축에서, 압축 수소를 냉각하기 위해 투여된 에너지는 대략 수소의 실제 압축에 필요한 에너지만큼 높다.
압축 수소의 가용성, 특히 연료주입 유량의 증가와 관련하여 전술한 새로운 요건을 충족하기 위해, DE 10 2009 039 645 A1은 예를 들어, a) 수소를 액체 상태 및/또는 가스 상태로 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 저장 용기, b) 저장 용기에 저장된 수소를 압축하는 역할을 하는 적어도 하나의 극저온 펌프 및/또는 적어도 하나의 압축기, c) 압축 수소를 일시적으로 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 고압 저장 탱크 및 d) 저장 탱크 및/또는 고압 저장 탱크로부터의 수소가 충전될 저장 탱크에 공급될 때 거치게 되는 배관 시스템―냉각 및/또는 가열용 수단이 고압 저장 탱크에 할당됨―을 포함하는, 압축 수소로 저장 탱크를 충전하기 위한 배열체를 제안한다.
역시나 수소 충전소를 교시하고 있는 DE 10 2016 009 672 A1에서 설명되는 바와 같이, 액체 수소를 저장하는 경우에 증발 가스(boil-off gas)가 발생하는 문제점이 있다. DE 10 2016 009 672 A1은 저장 탱크의 증발 가스를 배출하여, 이를 파이프라인을 냉각하는데 사용하는 것이 제안되어 있다. 액체 수소의 생산은 극히 에너지 집약적이며, 이러한 수소 충전소의 효율은 그에 상응하여 증발 효과에 의해 크게 손상된다. 또한, 수소 충전소로의 액체 수소의 수송은 수소의 낮은 온도로 인해 극히 복잡하다.
차량에의 연료주입을 위해 충전소에서 압축 수소를 압축 및 공급함에 있어서 전술한 문제를 고려하여, 본 발명의 하나의 목적은, 한편으로는 공급 및 연료주입에 필요한 에너지 입력을 줄이고 다른 한편으로는 유지 보수 노력과 운영 비용을 최소화할 수 있는, 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스, 설명된 유형의 충전 디바이스를 구비한 충전소 및 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법을 제공하는 것이다.
언급한 목적은 청구항 1에 따른 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스, 청구항 12에 따른 충전소, 특히 수소 충전소 및 청구항 16에 따른 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법에 의해 해결된다.
적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법에 충전소의 주제(subject matter)뿐만 아니라 충전 디바이스의 주제가 사용될 수 있고, 그 반대의 경우도 가능한, 본 발명의 바람직한 추가 개발예가 종속 청구항에 개시되어 있다.
여기서, 본 발명의 기본 사상 중 하나는, 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스에, 수소를 압축하기 위해 압축될 수소가 유입될 수 있는 압력 용기를 갖는 압축 장치가 설치되고, 여기서 수소는 바람직하게는 밸브에 의해 이러한 압력 용기에 밀폐될 수 있고, 수소는 압력 용기 내로 유입될 수 있는 압축 액체, 특히 물의 액체 체적을 증가시킴으로써 압축될 수 있다는 것이다.
이러한 방식으로, 압축 중에 수소와 직접 접촉하게 되는 전술된 종래의 피스톤 또는 다이어프램 압축기는 불필요하게 될 수 있으며, 그 결과 전술된 누설에 대한 높은 민감성 및 이와 관련된 높은 유지보수 노력의 문제를 제거할 수 있다. 또한, 압축 액체로서 물을 사용하는 경우, 수소의 오염(이물 원자의 확산)을 배제할 수 있다. 더욱이, 설명된 수소 압축 방식의 경우, 수소의 온도는 단지 약간 증가할 뿐이며, 이는 피스톤 또는 다이어프램 압축기에 의한 압축 후 종래와 같은 수소의 재냉각이 불필요하며, 그 결과 압축 공정 및 이에 따른 완전한 충전 공정의 에너지 효율이 현저하게 증가할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스는: 압축될 수소를 압축하기 위한 압축 장치, 압축 수소를 일시적으로 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 고압 저장 탱크, 및 압축될 수소가 압축 장치에 공급될 때 거칠 수 있는 배관 시스템을 구비하고, 압축 장치에서 압축된 수소는 그 후 고압 저장 탱크에 공급될 수 있고, 그리고 고압 저장 탱크로부터 충전될 저장 탱크로 공급될 수 있으며, 압축 장치는 압력 용기를 구비하고, 압력 용기 내로 압축 액체, 특히 물이 유입될 수 있고, 그리고 압축될 수소가 가스 상태로 유입될 수 있으며, 압력 용기 내에서 압축 액체의 액체 체적을 증가시킴으로써 미리결정된 압력(P1)까지 압축될 수 있다.
다시 말해, 압축될 수소를 위해 압력 용기 내에서 이용 가능한 저장 용량은 압력 용기 내로 압축 액체를 유입함으로써 감소될 수 있으며, 여기서 압축 액체의 일부는 압력 용기 내에 이미 존재할 수 있으므로 수소가 미리결정된 압력 또는 원하는 압력까지 압축될 수 있다. 따라서, 압력 용기 내로 유입되는 압축 액체의 양은 압축될 수소를 위해 이용 가능한 저장 용량의 체적 변화 및 이에 따른 수소의 압축 또는 압력의 증가를 결정한다. 압축 액체를 유입함으로써 압력 용기 내의 수소를 압축할 수 있도록 하기 위해서는, 수소를 밸브에 의해 압력 용기 내에 밀폐시키는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 압축 장치는 특히, 압축 액체가 압력 용기에 유입되거나 공급되기 전에, 미리결정된 온도(T1), 특히 1 ℃ 내지 5 ℃의 범위, 바람직하게는 1 ℃의 온도까지 압축 액체를 냉각하도록 구성되는 냉각 디바이스를 갖는 것이 유리할 수 있다.
이러한 방식으로, 압축될 수소는 냉각된 압축 액체와의 접촉에 의해 압축 공정 동안 수동적으로 냉각될 수 있다.
또한, 압축 장치는 압축 액체가 압력 용기에, 특히 아래로부터 공급될 때 거칠 수 있는 공급관을 갖는 것이 유리하다.
또한, 압축 장치는 압축 액체, 특히 물이 일시적으로 저장될 수 있는 저장 탱크를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 이미 냉각된 압축 액체를 재사용할 수 있으며, 그 결과 압축 액체를 냉각하기 위해 투입되는 에너지가 감소될 수 있다.
또한, 본 발명의 맥락에서, 이하에서 사용되는 것과 같은 용어 "차량" 또는 "교통 수단" 또는 이와 유사한 다른 용어는 스포츠 유틸리티 차량(SUV)을 포함한 승용차, 버스, 트럭, 각종 상용 차량, 각종 보트 및 선박을 포함한 수상 차량, 항공기, 공중 드론 등과 같은 일반 자동차, 하이브리드 차량, 전기 차량, 플러그인 하이브리드 전기 차량, 수소 차량 및 기타 대체 차량을 포함한다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 하이브리드 차량은 둘 이상의 에너지원을 갖는 차량으로서, 예를 들어, 가솔린 구동과 동시에 전기적으로 구동되는 차량이다.
추가적인 실시예에 따르면, 압축 장치는 압축 액체가 최대 1000 bar의 작동 압력(P2)으로 압축 장치에서 이용 가능할 수 있도록 구성되는, 특히 압축 액체를 최대 1000 bar의 압력으로 압력 용기에 공급하도록 구성되는 압축 디바이스, 특히 고압 펌프를 구비한다.
또한, 고압 저장 탱크는 최대 1000 bar의 압력의 압축 수소를 일시적으로 저장하도록 구성되는 것이 바람직하며, 그리고/또는 압축 장치는 최대 1000 bar의 압력까지 수소를 압축하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 적어도 하나의 고압 저장 탱크는 바람직하게는 서로 독립적으로 충전되거나 그리고/또는 비워질 수 있는 복수의 저장 세그먼트로 분할되는 것이 바람직하며, 그리고/또는 바람직하게는 서로 독립적으로 충전되거나 그리고/또는 비워질 수 있는 복수의 고압 저장 탱크가 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 충전 디바이스, 특히 제어 디바이스는 저장 탱크를 충전할 때, 각각의 저장 세그먼트 및/또는 각각의 고압 저장 탱크의 온도가 -20 ℃ 내지 -40 ℃, 바람직하게는 -25 ℃ 내지 -35 ℃ 범위에 있는 미리결정된 임계값(Tmin)까지 감소될 때까지만, 저장 세그먼트 중 하나 및/또는 고압 저장 탱크 중 하나로부터 일시적으로 저장된 수소를 내보내도록 구성된다면 유리하다. 현재 수소가 내보내지고 있는 저장 세그먼트 및/또는 고압 저장 탱크의 온도가 미리결정된 임계값에 도달하면, 각각의 저장 세그먼트 및/또는 고압 저장 탱크가 과냉 또는 결빙되는 것을 방지하기 위해 다른 저장 세그먼트 및/또는 다른 고압 저장 탱크로 전환하는 것이 가능하다.
여기서, 유리하게는, 적어도 하나의 고압 저장 탱크는 바람직하게는 단열인 냉각 챔버에 제공될 수 있고, 냉각 챔버 내에서 미리결정된 온도(Tcooling-chamber)까지 냉각되거나 이 온도로 유지될 수 있으며, 냉각 챔버의 미리결정된 온도(Tcooling-chamber)는 -40 ℃ 내지 10 ℃, 바람직하게는 -20 ℃ 내지 5 ℃의 범위, 특히 바람직하게는 1 ℃일 수 있다.
또한, 충전 디바이스는 바람직하게는 온도 제어 디바이스(50)가 제공되는 분배 디바이스(디스펜서(dispenser))를 구비할 수 있고, 분배 디바이스에 의해 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 적어도 하나의 저장 탱크에 공급되는 수소는 개별적으로 존재하는 프레임워크 조건에 따라 컨디셔닝될 수 있으며, 수소는 바람직하게는 350 bar 내지 700 bar의 압력 및 -33 ℃ 내지 -40 ℃의 온도로 저장 탱크에 공급된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 충전 디바이스는 퀵 커플링을 추가로 구비하고, 퀵 커플링에 의해 이동식 수소 저장 유닛이 유체 전도 방식으로 충전 디바이스와 연결될 수 있고, 압축 수소로 충전될 수 있다.
또한, 본 발명은 압축 수소를 차량에 주입하기 위한 충전소, 특히 수소 충전소로서, 바람직하게는 연료주입될 차량에 제공되는 대응 수신 디바이스에 대응하도록 구성되는 적어도 하나의 연료주입 디바이스, 및 적어도 하나의 저장 탱크를 충전하기 위한 전술한 충전 디바이스를 구비하는 충전소에 관한 것이다.
또한, 충전소는 수소 저장 유닛 및/또는 퀵 커플링을 추가로 구비하고, 퀵 커플링에 의해 이동식 수소 저장 유닛이 유체 전도 방식으로 충전 디바이스와 연결될 수 있고, 가스 수소가 1 bar 내지 500 bar의 압력으로 수소 저장 유닛 및/또는 이동식 수소 저장 유닛에 저장될 수 있고, 고압 저장 탱크에서의 일시적인 저장을 위해 충전 디바이스의 압축 장치에 의해 최대 1000 bar의 압력까지 압축될 수 있다면 유리하다.
또한, 충전소, 특히 제어 디바이스는 클라우드 기반의 서버 및/또는 모바일 앱을 통해 고객, 특히 연료주입될 차량과 연료주입량, 연료주입 온도, 연료주입 압력, 연료주입 속도(그램/초), 연료주입 시간 등과 같은 연료주입 요건에 대한 정보를 교환하고, 이에 따라 교환된 정보에 기초하여, 적어도 하나의 연료주입 프로파일 및/또는 연료주입 예측을 결정 또는 생성하도록 구성된다면 유리하다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법으로서, a) 압축될 수소, 특히 가스 수소를 압축 액체가 유입될 수 있는 압력 용기 내로 유입시키는 단계, 및 b) 압축 액체를 압력 용기 내로 유입시킴으로써, 또는 압력 용기 내 압축 액체의 액체 체적을 증가시킴으로써 압축될 수소를 미리결정된 압력(P1)까지 압축하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
또한, 압력 용기 내로 유입되는 압축 액체는 유입 또는 공급되기 전에 특히 1 ℃ 내지 5 ℃의 범위 내 온도, 특히 1 ℃의 온도까지 냉각되어, 압축될 수소의 압축 동안, 수소를 압축 액체와의 접촉에 의해 수동적으로 냉각시킨다면 바람직하다.
또한, 압축될 수소의 압축 동안, 압축 액체의 충전 레벨은 최소 충전 레벨(Hmin)로부터 미리결정된 충전 레벨(HSetpoint)까지 상승되어, 수소의 압력을 미리결정된 목표값까지 상승시킨다면 유리하다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 방법은 c) 압축 수소를 적어도 하나의 고압 저장 탱크에 공급하여 일시적으로 저장하는 단계, d) 압력 용기 내 압축 액체의 충전 레벨을 특히, 다시 최소 충전 레벨(Hmin)까지 낮추는 단계, e) 배출된 압축 액체를 저장 탱크에 일시적으로 저장하는 단계를 추가로 포함한다.
또한, 방법이 f) 압축 액체를 바람직하게는, 고압 펌프에 의해 최대 1000 bar의 작동 압력(P2)까지 가압하는 단계, g) 작동 압력(P2)하에 있는 압축 액체를 재냉각하는 단계, 및 h) 작동 압력하에 있는 압축 액체를 압력 용기에 공급하여, 단계 a)에서 압력 용기 내로 유입된 수소를 미리결정된 압력(P1)까지 압축함으로써 적어도 하나의 고압 저장 탱크에서의 일시적인 저장에 대비하고, 그 결과 공정 주기가 종료되고, 새로운 주기가 개시될 수 있는 단계를 추가로 포함한다면 바람직하다.
적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하기 위한 충전 디바이스는 충전소, 특히 수소 충전소에 통합될 수 있다. 또한, 설명된 충전 디바이스는 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법에 사용될 수 있다. 따라서, 충전 디바이스에 대한 전술한 내용과 관련하여 개시되는 추가적인 특징은 충전소, 특히 수소 충전소 및 적어도 하나의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법에도 적용될 수 있다. 방법뿐만 아니라 충전소에 대해서도 역으로 동일하게 적용된다.
디바이스, 용도 및/또는 방법의 추가 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조하여 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다. 이들 도면은 다음과 같은 사항을 도시한다:
도 1은 종래 기술에 따른 공지된 연료주입 디바이스를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 충전 디바이스의 일 실시예를 간략하게 도시한다.
도 3은 이동식 수소 저장 유닛을 구비한 본 발명에 따른 충전소의 일 실시예를 간략하게 도시한다.
서로 다른 도면에 주어진 동일한 참조 번호는 동일하거나 대응하거나 기능적으로 유사한 요소를 나타낸다.
도 1에는 종래 기술에 따른 공지된 연료주입 디바이스가 개략적으로 도시된다. 도 1은 수소의 저장 용량이 10 내지 200 m³인 액화 수소용 저장 용기(S)를 도시한다. 이러한 액화 수소용 저장 탱크는 종래 기술로부터 충분히 공지되어 있다. 수소 충전소의 맥락에서, 이들은 지하에 위치하는 것이 바람직하며, 연료주입될 차량에 의해 운영될 수 있다.
극저온 펌프(V)와 압축기(V')도 제공된다. 극저온 펌프(V)에는 파이프(1)를 통해 저장 용기(S)로부터 액체 수소가 공급되며, 이는 진공 절연되도록 구성되는 것이 바람직하다. 실제로 사용되는 극저온 펌프(V)는 차량에 연료주입 시 제시되는 요건을 충족하도록 특별히 설계된다. 극저온 펌프는 액체 수소를 약 1 bar로부터 최대 900 bar까지 2단 압축 공정으로 압축할 수 있는 가능성을 제공한다. 파이프(1')를 통해 저장 용기(S)로부터 가스 수소가 인출되어 압축기 또는 압축 유닛(V')에 의해 100 내지 700 bar의 압력까지 압축될 수 있다.
저장 용기(S)에 추가하여, 다수의 고압 저장 탱크(A 및 B)가 제공된다. 실제로 이들 고압 저장 탱크는 일반적으로 적어도 세 가지 다른 압력 범위를 포함하는 저장 뱅크로 결합된다. 예를 들어, 고압 저장 탱크(A)는 400 내지 700 bar의 저장 압력용으로 설계되는 반면, 고압 저장 탱크(B)는 300 내지 500 bar의 저장 압력용으로 설계된다. 일반적으로, 예를 들어, 50 내지 400 bar의 저장 압력용으로 설계된 추가 저장 탱크가 제공된다. 그러나, 1 내지 2개의 저장 뱅크 또는 심지어 1 내지 2개의 고압 저장 탱크만을 제공하는 방법도 실현될 수 있다.
도 2에는 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 가스 수소로 충전하기 위한 본 발명에 따른 충전 디바이스(100)의 일 실시예를 간략하게 도시한다. 도 2로부터 알 수 있듯이, 이를 위한 충전 디바이스(100)는 수소를 압축하기 위한 압축 장치(1)를 구비한다. 도시된 실시예에서는 압축될 수소는 예를 들어 30 bar의 압력의 액체 및/또는 가스 형태로 수소가 저장되는 지하에 설치된 예를 들어 저장 탱크(도시하지 않음)로부터 수소 공급관(21)을 통해 압축 장치(1)로 공급된다. 수소를 압축하기 위해, 압축 장치는 압축 액체(3)가 유입될 수 있는 압력 용기(2)를 구비하고, 특히 압력하에서 압력 용기(2) 내로 유입될 수 있다. 유입 단계에서, 가스 수소가 수소 공급관(21)을 통해 가압되지 않은 압력 용기(2) 내로 유입되면, 압축 액체는 Hmin으로 표시된 충전 레벨이 된다. 다시 말해, 압력 용기(2)는 거의 비어 있고, 압축될 수소를 받을 준비가 되어 있다.
용기(2)에 압축될 수소가 완전히 충전되면, 압력 용기(2)는 차단 밸브(24)를 통해 차단되는데, 이는 유입되는 압축될 수소가 빠져나갈 수 없다는 의미이다. 그 후 압축 디바이스(6), 특히 고압 펌프가 공급관(7)을 통해 미리결정된 압력으로 압축 액체를 아래로부터 압력 용기 내로 유입하고, 그 결과 압력 용기(2) 내의 압축 액체(3)의 충전 레벨이 서서히 상승하여, 압력 용기 내에 갇힌 수소가 압축된다. 압력 용기 내 압축 액체의 충전 레벨이 목표 충전 레벨(HSetpoint)에 도달하면, 압축 공정이 완료되어 수소가 원하는 압력까지 압축되었다.
이러한 맥락에서, 탄소 섬유 재료, 특히 타입 IV로 이루어진 종래의 축압기를 압력 용기로 사용하는 것이 특히 유리할 수 있다. 또한, 압력 용기, 특히 축압기에는 물이 유입되는 유입구가 압축 수소가 배출되는 유출구보다 큰 직경을 갖는 OTV(온 탱크 밸브(on-tank valve))가 제공된다면 이러한 맥락에서 유리할 수 있다.
도시된 압축 장치(1)에는 압축 액체(3)를 능동적으로 냉각하기 위해, 예를 들어 바람직하게는 물인 압축 액체(3)를 약 1 ℃의 온도까지 냉각할 수 있는 냉각 디바이스(4)가 제공되고; 이와 같이 수소의 압축 동안, 수소는 압축 액체(3)와의 접촉에 의해 냉각되며, 이로써 사용되지 않는 수소를 하류에서 재냉각하거나 최소한 단순화시킨다.
또한, 도시된 압축 장치는, 압력 용기(2)가 비워진 후 그리고 새로운 압축 공정 전에 냉각 디바이스에 의해 냉각된 압축 액체(3)가 일시적으로 저장될 수 있는 저장 탱크(5)를 구비함으로써, 냉각 디바이스(4)의 냉각 작업을 저감할 수 있다. 또한, 냉각 디바이스(4)의 하류에는 압력 센서(PT) 및 온도 센서(TT)가 접속되어 있고, 이들 센서는 제어 디바이스(60)에 연결되어 제어 디바이스(60)가 압축 디바이스(6) 및 냉각 디바이스(4)를 압축 액체(3)가 원하는 온도 및 원하는 압력에서 압력 용기(2) 내로 유입될 수 있도록 하는 방식으로 제어할 수 있다.
압축 공정이 완료된 후, 차단 밸브(24)의 유출구 밸브가 개방되고, 압축 가스가 연료주입관(23)을 통해 충전될 차량에 전도될 때까지 압축 수소가 유체관(22)을 통해 압축(가스) 수소가 최대 1000 bar의 압력으로 일시적으로 저장될 수 있는 고압 저장 탱크(10)에 전도된다. 본 명세서에 도시된 고압 저장 탱크(10)는 서로 독립적으로 압축 수소로 충전될 수 있는 복수의 저장 세그먼트(10A 내지 10C)를 구비한다. 고압 하에서 이들 저장 세그먼트에 저장된 수소는 또한 이들 저장 세그먼트(10A 내지 10C)로부터 개별적으로 내보내 질 수 있으며; 이러한 방식으로, 수소의 대량 인출의 경우, 예를 들어 트럭의 충전/연료주입 시에, 개별 저장 세그먼트(10A 내지 10C)가 지나치게 냉각되지 않도록 보장할 수 있다.
도 3에는 추가로, 이동식 수소 저장 유닛(230)을 구비한 본 발명에 따른 충전소(200)의 일 실시예가 간략하게 도시되어 있다. 도 3의 좌측에는 본 발명에 따른 충전 디바이스(100)가 개략적으로만 도시되어 있으며; 이 디바이스는 예를 들어 수소가 생산되는 위치, 예를 들어 풍력 발전소에 설치될 수 있다. 예를 들어, 풍력 발전에 의해 그곳에서 생산된 전기는 특히 전력망에 전기가 과잉될 때 수소를 생산하는 데 효율적으로 사용될 수 있다. 거기서 발생한 수소는, 본 발명에 따른 충전 디바이스(100)에 의해, 예를 들어 700 bar 내지 1000 bar의 원하는 압력까지 압축되어 이동식 수소 저장부(210)에 일시적으로 저장될 수 있으며, 이동식 수소 저장부는 예를 들어 트럭 본체에 일체화되거나 트럭에 의해 상호 교환적으로 수용될 수 있다. 이어서, 트럭은 이동식 수소 저장 유닛(210)을 충전소(200)로 이송할 수 있으며, 퀵 커플링(220)을 통해 충전소의 연료주입 시스템에 연결될 수 있다.
도 3에 도시된 충전소(200)는 분배 디바이스(40)(디스펜서)를 구비하며, 분배 디바이스(40)에는 온도 제어 디바이스(50), 특히 냉각 디바이스가 제공된다. 이러한 방식으로, 수소는 차량, 본 경우에는 예를 들어 버스 또는 승용차의 저장 탱크의 충전 중에 컨디셔닝될 수 있다. 다시 말해, 차량에 공급되는 수소의 압력뿐만 아니라 온도도 수소의 매개변수가 차량의 요건을 충족하도록 조정되고 완화된다. 충전소(200)에는 본 발명에 따른 충전 디바이스(100)가 선택적으로 제공될 수도 있으며, 필요에 따라서는 충전 디바이스에 의해 이동식 수소 저장 유닛(230)으로부터 내보내진 수소가 다시 압축할 수도 있다.
상이한 실시예에서 설명된 개별 특징이 구조적으로 호환되지 않는 한, 단일 실시예에서도 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 마찬가지로, 단일 실시예의 맥락에서 설명되는 다양한 특징 또한 여러 실시예에서 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공될 수 있다.
1 압축 디바이스
2 압력 용기
3 압축 액체
4 냉각 디바이스
5 저장 탱크
6 압축 디바이스
7 공급관
10 고압 저장 탱크
10A, 10B, 10C 저장 세그먼트
20 배관 시스템
21 수소 공급관
22 유체관
23 연료주입관
24 차단 밸브
30 냉각 챔버
40 분배 디바이스(디스펜서)
50 온도 제어 디바이스
60 제어 디바이스
100 충전 디바이스
200 충전소
210 수소 저장 유닛
220 퀵 커플링
230 이동식 수소 저장 유닛

Claims (20)

  1. 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 충전 디바이스(100)로서,
    압축될 수소를 압축하기 위한 압축 장치(1),
    압축 수소를 일시적으로 저장하는 역할을 하는 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10), 및
    압축될 수소가 상기 압축 장치(1)에 공급될 때 거칠 수 있는 배관 시스템(20)을 포함하고,
    상기 압축 장치(1)에서 압축된 수소는 상기 고압 저장 탱크(10)에 공급될 수 있고, 그리고 상기 고압 저장 탱크로부터 충전될 저장 탱크로 공급될 수 있으며,
    상기 압축 장치(1)는 압력 용기(2)를 포함하고, 상기 압력 용기 내로 압축 액체(3), 특히 물이 유입될 수 있고, 그리고 압축될 수소가 가스 상태로 유입될 수 있으며, 상기 압력 용기(2) 내에서 상기 압축 액체(3)의 액체 체적을 증가시킴으로써 미리결정된 압력(P1)까지 압축될 수 있는, 충전 디바이스(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압축 장치(1)는 특히, 상기 압축 액체가 상기 압력 용기(2) 내로 유입되기 전에, 상기 압축 액체(3)를 미리결정된 온도(T1), 특히 1 ℃ 내지 5 ℃의 범위의 온도, 바람직하게는 1 ℃까지 냉각하도록 구성되는 냉각 디바이스(4)를 추가로 구비하는, 충전 디바이스(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압축 액체(3)가 상기 압력 용기(2)에 특히, 아래로부터 공급될 때 거칠 수 있는 공급관(21)을 추가로 포함하는, 충전 디바이스(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 장치(1)는 상기 압축 액체(3), 특히 물이 일시적으로 저장될 수 있는 저장 탱크(5)를 추가로 포함하는, 충전 디바이스(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축 장치(1)는 상기 압축 액체가 최대 1000 bar의 작동 압력(P2)으로 상기 압축 장치(1)에서 이용 가능할 수 있도록 구성되는, 특히 압축 액체를 최대 1000 bar의 압력으로 상기 압력 용기(2)에 공급하도록 구성되는 압축 디바이스(6), 특히 고압 펌프를 추가로 구비하는, 충전 디바이스(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 저장 탱크(10)는 최대 1000 bar의 압력의 압축 수소를 일시적으로 저장하도록 구성되고, 그리고/또는
    상기 압축 장치(1)는 수소를 최대 1000 bar의 압력까지 압축하도록 구성되는, 충전 디바이스(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10)는 바람직하게는 서로 독립적으로 충전되거나 그리고/또는 비워질 수 있는 복수의 저장 세그먼트(10A, 10B, 10C)로 분할되고, 그리고/또는
    바람직하게는 서로 독립적으로 충전되거나 그리고/또는 비워질 수 있는 복수의 고압 저장 탱크(10)를 구비하는, 충전 디바이스(100).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 충전 디바이스(100), 특히 제어 디바이스(60)는 저장 탱크를 충전할 때, 각각의 저장 세그먼트 및/또는 고압 저장 탱크의 온도가 -20 ℃ 내지 -40 ℃, 바람직하게는 -25 ℃ 내지 -35 ℃ 범위에 있는 미리결정된 임계값(Tmin)까지 감소될 때까지만, 상기 저장 세그먼트(10A, 10B, 10C) 중 하나 및/또는 상기 고압 저장 탱크(10) 중 하나로부터 상기 일시적으로 저장된 수소를 내보내도록 구성되는, 충전 디바이스(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10)는 바람직하게는 단열인 냉각 챔버(30)에 제공되어, 상기 냉각 챔버 내에서 미리결정된 온도(Tcooling-chamber)까지 냉각되거나 이 온도로 유지될 수 있으며, 상기 냉각 챔버(30)의 상기 미리결정된 온도(Tcooling-chamber)는 -40 ℃ 내지 10 ℃, 바람직하게는 -20 ℃ 내지 5 ℃의 범위, 특히 바람직하게는 1 ℃인, 충전 디바이스(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람직하게는 온도 제어 디바이스(50)가 제공되는 분배 디바이스(40)(디스펜서(dispenser))를 추가로 구비하고, 상기 분배 디바이스에 의해 상기 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 적어도 하나의 저장 탱크에 공급되는 수소는 개별적으로 존재하는 프레임워크 조건에 따라 컨디셔닝될 수 있으며, 상기 수소는 바람직하게는 350 bar 내지 700 bar의 압력 및 -33 ℃ 내지 -40 ℃의 온도로 상기 저장 탱크에 공급되는, 충전 디바이스(100).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    퀵 커플링(220)을 추가로 구비하고, 상기 퀵 커플링에 의해 이동식 수소 저장 유닛(230)이 유체 전도 방식으로 상기 충전 디바이스(100)와 연결될 수 있고, 압축 수소로 충전될 수 있는, 충전 디바이스(100).
  12. 차량에 압축 수소를 주입하기 위한 충전소(refueling station)(200), 특히 수소 충전소로서,
    바람직하게는 연료주입될 차량에 제공되는 대응 수신 디바이스에 대응하도록 구성되는 적어도 하나의 연료주입 디바이스, 및
    제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 저장 탱크를 충전하기 위한 충전 디바이스(100)
    를 포함하는, 충전소(200).
  13. 제12항에 있어서,
    수소 저장 유닛(210) 및/또는
    퀵 커플링(220)
    을 추가로 포함하고,
    상기 퀵 커플링에 의해 이동식 수소 저장 유닛(230)이 유체 전도 방식으로 상기 충전 디바이스(100)와 연결될 수 있고, 가스 수소가 1 bar 내지 500 bar의 압력으로 상기 수소 저장 유닛(210) 및/또는 상기 이동식 수소 저장 유닛(230)에 저장될 수 있고, 상기 고압 저장 탱크(10)에서의 일시적인 저장을 위해 상기 충전 디바이스(100)의 상기 압축 장치(1)에 의해 최대 1000 bar의 압력까지 압축될 수 있는, 충전소(200).
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 충전소(200), 특히 제어 디바이스(60)는 클라우드 기반의 서버 및/또는 모바일 앱을 통해 고객, 특히 연료주입될 차량과 연료주입량, 연료주입 온도, 연료주입 압력, 연료주입 속도(그램/초), 연료주입 시간 등과 같은 연료주입 요건에 대한 정보를 교환하고, 이에 따라 적어도 하나의 연료주입 프로파일 및/또는 연료주입 예측을 결정하도록 구성되는, 충전소(200).
  15. 제14항에 있어서,
    상기 충전소(200), 특히 제어 디바이스(60)는 상기 적어도 하나의 연료주입 프로파일 및/또는 연료주입 예측에 기초하여, 상기 충전 디바이스(100)를 제어 및/또는 조절, 특히 상기 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10)에 일시적으로 저장된 수소의 상태 매개변수, 특히 저장된 수소량, 저장된 수소의 압력 및 수소 온도를 제어 및/또는 조절하도록 구성되는, 충전소(200).
  16. 적어도 하나의 저장 탱크, 특히 차량의 저장 탱크를 압축 수소로 충전하는 방법으로서,
    a) 압축될 수소, 특히 가스 수소를 압축 액체(3)가 유입될 수 있는 압력 용기(2) 내로 유입시키는 단계, 및
    b) 상기 압축 액체(3)를 상기 압력 용기(2) 내로 유입시킴으로써, 또는 상기 압력 용기(2) 내의 상기 압축 액체(3)의 액체 체적을 증가시킴으로써, 압축될 수소를 미리결정된 압력(P1)까지 압축하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    추가로, 상기 압력 용기(2) 내로 유입되는 상기 압축 액체는 유입 또는 공급되기 전에 특히 1 ℃ 내지 5 ℃의 범위의 온도, 특히 1 ℃의 온도까지 냉각되어, 압축될 수소의 압축 동안, 상기 수소를 상기 압축 액체와의 접촉에 의해 냉각시키는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    압축될 수소의 압축 동안, 상기 압축 액체(3)의 충전 레벨은 최소 충전 레벨(Hmin)로부터 미리결정된 충전 레벨(HSetpoint)까지 상승되어, 상기 수소의 압력을 미리결정된 목표값까지 상승시키는, 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    c) 상기 압축 수소를 적어도 하나의 고압 저장 탱크(10)에 공급하여 일시적으로 저장하는 단계,
    d) 상기 압력 용기(2) 내 상기 압축 액체(3)의 충전 레벨을 특히, 다시 최소 충전 레벨(Hmin)까지 낮추는 단계,
    e) 배출된 압축 액체(3)를 저장 탱크(5)에 일시적으로 저장하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  20. 제16항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    f) 상기 압축 액체를 바람직하게는, 고압 펌프에 의해 최대 1000 bar의 작동 압력(P2)까지 가압하는 단계,
    g) 작동 압력(P2)하에 있는 상기 압축 액체를 재냉각하는 단계, 및
    h) 작동 압력하에 있는 상기 압축 액체를 상기 압력 용기(2)에 공급하여, 단계 a)에서 상기 압력 용기(2) 내로 유입되는 수소를 상기 미리결정된 압력(P1)까지 압축하는 단계
    를 추가로 포함하는, 방법.
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