KR20230096182A - Liquid hydrogen fueling system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액화 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 상태로 저장된 수소를 기 설정된 조건의 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 새로운 형태의 액화 수소 충전소 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid hydrogen charging system, and more particularly, to a new type of liquid hydrogen charging station system capable of efficiently converting hydrogen stored in a liquid state into gaseous hydrogen under a predetermined condition.
청정 에너지 기술로서 수소 연료전지 기술이 본격적으로 상용화됨에 따라 수소를 충전하기 위한 수소 충전소가 필수적인 인프라 설비로 부상하고 있다.As hydrogen fuel cell technology is commercialized in earnest as a clean energy technology, hydrogen charging stations for charging hydrogen are emerging as essential infrastructure facilities.
수소 충전소 시스템은 수소를 초저온의 액체 상태에서 이를 기체 상태로 변환하여 디스펜서를 통해 외부 탱크에 주입하는 액화 충전소 시스템과 수소를 초고압의 기체 상태로 저장한 상태에서 압력 및 온도 조건을 소정의 상태로 변환하여 외부 탱크에 주입하는 기체 충전소 시스템으로 구별된다.The hydrogen charging station system converts hydrogen from an ultra-low temperature liquid state to a gas state and injects it into an external tank through a dispenser, and converts the pressure and temperature conditions to a predetermined state while storing hydrogen in an ultra-high pressure gas state It is distinguished by a gas filling station system that injects into an external tank.
액화 수소 충전소 시스템은 기체 수소 충전소 대비 1/20이하의 설비 면적만을 필요로 한다는 점, 3배 이상의 충전용량을 구현할 수 있다는 점 및 상압 수준의 공급 및 저장압력으로 안전성을 도모할 수 있다는 장점이 있어 중·장기적으로는 액화 수소 충전소 시스템의 비중이 확대될 것으로 예측된다.The liquefied hydrogen charging station system has the advantage of requiring only 1/20 less of the facility area than gaseous hydrogen charging stations, being able to implement more than three times the charging capacity, and promoting safety with normal pressure supply and storage pressure. In the mid- to long-term, it is expected that the proportion of liquefied hydrogen filling station systems will increase.
다만, 액화 수소 충전소 시스템은 2~3bar의 압력 조건 및 -250℃ 온도 조건으로 탱크에 저장된 액체 상태의 수소를 700bar의 압력 조건 및 -40℃의 온도 조건의 기체 상태의 수소로 변환한 후 디스펜서를 통해 이를 외부로 공급해야 한다.However, the liquefied hydrogen filling station system converts liquid hydrogen stored in a tank at a pressure of 2 to 3 bar and a temperature of -250 ° C into gaseous hydrogen at a pressure of 700 bar and a temperature of -40 ° C. It has to be supplied externally.
이에, 액체 상태의 수소를 기 설정된 조건의 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 새로운 형태의 액화수소 충전소 시스템에 대한 필요성이 대두되었다.Accordingly, the need for a new type of liquefied hydrogen filling station system capable of efficiently converting liquid hydrogen into gaseous hydrogen under predetermined conditions has emerged.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 초저온의 액체 상태의 수소를 외부 탱크에 충전하기에 적합한 기체 상태의 수소로 효율적으로 변환할 수 있는 액화 수소 충전 시스템을 제공하는데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a liquefied hydrogen charging system capable of efficiently converting cryogenic liquid hydrogen into gaseous hydrogen suitable for charging an external tank. are doing
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템은, 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프, 상기 저장 탱크에서 발생하는 보일-오프 가스를 연료원으로 열을 발생시켜 상기 고압펌프 출력단에서 분기된 수소를 가열하는 촉매 연소기, 상기 촉매 연소기에서 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터, 상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함한다.A liquefied hydrogen filling system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a storage tank for storing liquid hydrogen, a high-pressure pump for providing pumping power for transferring the hydrogen stored in the storage tank, the A catalytic combustor that heats the hydrogen branched from the output end of the high-pressure pump by generating heat from the boil-off gas generated in the storage tank as a fuel source, a heater that additionally heats the hydrogen primarily heated in the catalytic combustor, and the heater A buffer tank for temporarily storing heated hydrogen, a cooler in which the hydrogen stored in the buffer tank and the hydrogen branched from the high-pressure pump are mixed at a mixing point, and a cooler for cooling the hydrogen introduced at the mixing point, and an external hydrogen tank for storing the cooled hydrogen. Includes a dispenser to inject into.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도를 센싱하는 센싱부, 상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브, 상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브 및 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a sensing unit for sensing the temperature of hydrogen mixed at the mixing point, a first valve branched from the rear end of the high pressure pump and controlling the flow rate flowing into the mixing point, and a rear end of the high pressure pump It may further include a second valve that is branched and controls flow rate flowing into the catalytic combustor, and a control unit that controls open/close states of the first valve and the second valve.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 높은 경우, 상기 제1 밸브를 개방하고 상기 제2 밸브를 폐쇄하는 제어 신호를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the control unit may generate a control signal for opening the first valve and closing the second valve when the temperature of the hydrogen mixed at the mixing point is higher than the target temperature. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우, 상기 제1 밸브를 폐쇄하고 상기 제2 밸브를 개방하는 제어 신호를 생성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the control unit may generate a control signal for closing the first valve and opening the second valve when the temperature of the hydrogen mixed at the mixing point is lower than a target temperature. .
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고압펌프와 상기 촉매 연소기 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a generator may be disposed between the high-pressure pump and the catalytic combustor to generate electric energy required to drive the heater using cold heat energy.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발전기는, 작동유체를 가압하는 펌프, 상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기, 상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈 및 상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 흐르는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the generator, a pump for pressurizing the working fluid, an evaporator for increasing the temperature and vaporizing by applying heat to the working fluid, rotating the rotor when the working fluid passes through to convert kinetic energy into electricity It may include a turbine for converting energy and a condenser for cooling the working fluid and converting the working fluid into a liquid through heat exchange between the working fluid and hydrogen branched from the pump and flowing to the catalytic combustor.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an additional heat exchanger disposed to allow heat exchange between the working fluid passing through the pump and the working fluid passing through the turbine may be further included.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템은, 액체 상태의 수소를 저장하는 저장 탱크, 상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프, 상기 고압펌프와 상기 히터 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기, 상기 발전기에서 열교환을 통해 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터, 상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함한다.A liquid hydrogen filling system according to another embodiment of the present invention includes a storage tank for storing hydrogen in a liquid state, a high-pressure pump for providing pumping power to transfer hydrogen stored in the storage tank, and a space between the high-pressure pump and the heater. A generator for generating electric energy required to drive the heater by using cold heat energy, a heater for additionally heating the hydrogen primarily heated through heat exchange in the generator, and a buffer for temporarily storing the hydrogen heated in the heater. A tank, hydrogen stored in the buffer tank and hydrogen branched from the high-pressure pump are mixed at a mixing point, a cooler for cooling the hydrogen introduced at the mixing point, and a dispenser for injecting the cooled hydrogen into an external hydrogen tank.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 발전기는, 작동유체를 가압하는 펌프, 상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기, 상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈 및 상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 히터로 공급되는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함한다.According to one embodiment of the present invention, the generator, a pump for pressurizing the working fluid, an evaporator for increasing the temperature and vaporizing by applying heat to the working fluid, rotating the rotor when the working fluid passes through to convert kinetic energy into electricity and a turbine that converts energy into energy and a condenser that cools the working fluid and converts the working fluid into a liquid through heat exchange between the working fluid and hydrogen branched from the pump and supplied to the heater.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, an additional heat exchanger disposed to allow heat exchange between the working fluid passing through the pump and the working fluid passing through the turbine may be further included.
상술한 액화 수소 충전소 시스템에 따르면, 수소가 1차적으로 가열된 상태로 히터에 유입되므로 수소의 온도를 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.According to the liquefied hydrogen filling station system described above, since hydrogen is introduced into the heater in a primarily heated state, it is possible to achieve an effect of reducing energy required to raise the temperature of hydrogen.
또한, 냉각기 유입 전 상온 상태의 수소를 목표 충전 온도에 가깝게 예냉할 수 있게 되어 냉각기를 구동하는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, since hydrogen at room temperature can be pre-cooled close to the target charging temperature before introduction of the cooler, energy required to drive the cooler can be reduced.
또한, 보일-오프 가스를 이용하여 수소를 가열하는데 필요한 열에너지를 자체적으로 생성하는바 시스템의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, it is possible to achieve the effect of increasing the energy efficiency of the system because heat energy required for heating hydrogen is generated by itself using the boil-off gas.
또한, 히터 등의 구동을 위해 필요한 전기 에너지를 자체적으로 생산할 수 있게 되어 시스템의 에너지 효율을 증대시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, it is possible to achieve an effect that the energy efficiency of the system can be increased by self-producing electric energy necessary for driving the heater or the like.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 흐름 3 및 흐름 10으로 분기되는 유량을 조절하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.1 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen filling station system according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart for explaining a method of controlling flow rates branching to flow 3 and flow 10 according to an embodiment of the present invention.
3 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen filling station system according to another embodiment of the present invention.
4 is a diagram embodying the generator structure of the liquefied hydrogen filling station system according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram embodying a generator structure of a liquefied hydrogen filling station system according to another embodiment of the present invention.
6 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen charging system according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present disclosure, and methods of achieving them, will become clear with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the technical idea of the present disclosure is not limited to the following embodiments and can be implemented in various different forms, and only the following embodiments complete the technical idea of the present disclosure, and in the technical field to which the present disclosure belongs. It is provided to completely inform those skilled in the art of the scope of the present disclosure, and the technical spirit of the present disclosure is only defined by the scope of the claims.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been reviewed, and the fact that the present invention can be embodied in other specific forms without departing from the spirit or scope in addition to the above-described embodiments is a matter of ordinary knowledge in the art. It is self-evident to them. Therefore, the embodiments described above are to be regarded as illustrative rather than restrictive, and thus the present invention is not limited to the above description, but may vary within the scope of the appended claims and their equivalents.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In adding reference numerals to components of each drawing, it should be noted that the same components have the same numerals as much as possible even if they are displayed on different drawings. In addition, in describing the present disclosure, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present disclosure, the detailed description will be omitted.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in this specification may be used with meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. In addition, terms defined in commonly used dictionaries are not interpreted ideally or excessively unless explicitly specifically defined. Terminology used herein is for describing the embodiments and is not intended to limit the present disclosure. In this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in a phrase.
또한, 본 개시의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the components of the present disclosure, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the corresponding component is not limited by the term. When an element is described as being “connected,” “coupled to,” or “connected” to another element, that element is directly connected or connectable to the other element, but there is another element between the elements. It should be understood that elements may be “connected”, “coupled” or “connected”.
본 개시에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used in this disclosure, "comprises" and/or "comprising" means that a stated component, step, operation, and/or element is one or more other components, steps, operations, and/or elements. Existence or additions are not excluded.
이하, 본 개시의 다양한 실시예들에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.1 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen filling station system according to an embodiment of the present invention.
도 1에는 본 발명의 실시예와 관련있는 구성요소들만이 도시되어 있는바, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소가 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.1 shows only the components related to the embodiment of the present invention, other general-purpose components other than the components shown in FIG. 1 may be further included by those skilled in the art to which the present invention belongs can know
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템(100)은 저장 탱크(110), 고압펌프(120), 촉매 연소기(130), 히터(140), 버퍼 탱크(150), 냉각기(160), 디스펜서(170), 제1 밸브(180) 및 제2 밸브(190)를 포함한다.The liquefied hydrogen filling station system 100 according to an embodiment of the present invention includes a
저장 탱크(110)는 극저온의 액화 수소를 저장한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저장 탱크(110)는 2 ~ 3 bar의 압력 조건 및 -203℃ ~ -253℃ 온도 조건 하에서 액체 상태의 수소를 저장된다.The
고압펌프(120)는 저장 탱크(110)에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공한다. 고암펌프(120)를 통과한 흐름 2에서의 수소는 약 900bar로 가압된 초임계 유체 상태로 전환되어 흐름 3 및 흐름 10으로 분기된다.The high-
흐름 3으로 분기된 수소는 촉매 연소기(130)를 통과하며 1차적으로 가열된다.Hydrogen branched to flow 3 passes through the
촉매 연소기(130)는 백금 등과 같은 촉매 존재하, 수소와 산소를 반응시켜 열을 발생시키는 장치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매 연소기(130)는 연료로서 저장 탱크(110)에서 발생하는 보일-오프(boil off)를 가스 이용할 수 있다.The
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 저장 탱크(110)와 연결되어 보일-오프 가스를 배출하기 위한 흐름 라인인 흐름 12 및 상기 흐름 라인에서 촉매 연소기(130)로 분기되는 흐름 라인인 흐름 13을 더 포함될 수 있다.To this end, the liquefied hydrogen filling system 100 according to an embodiment of the present invention is connected to the
또한, 저장 탱크(110)에서 발생된 보일-오프 가스 중 촉매 연소기(130)에서 사용되지 않는 보일-오프 가스를 외기로 방출하거나 액화 수소 충전 시스템(100)을 구동하기 위해 필요한 전력을 생산하도록 연료 전지에 공급하는 흐름 라인인 14를 포함할 수 있다.In addition, among the boil-off gas generated in the
촉매 연소기(130)에서 1차적으로 가열된 수소는 히터(140)에 유입되어 추가적으로 가열된 후 버퍼 탱크(150)에 저장된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소는 버퍼 탱크(150)에 25℃ 내외의 온도 조건으로 저장된다.Hydrogen primarily heated in the
상온 상태로 버퍼 탱크(150)에 수소가 저장된 상태에서 충전 동작이 개시되면 버퍼 탱크(150)에 저장된 수소와 고압펌프(120)에서 분기된 저온·초임계 상태의 수소가 혼합지점에서 혼합된 후 냉각기(160)로 유입된다.When the charging operation starts with hydrogen stored in the
바람직하게, 상기 혼합 지점에서 혼합된 후 수소 온도는 -35℃일 수 있다.Preferably, the hydrogen temperature after mixing at the mixing point may be -35 °C.
디스펜서(170)를 통해 수소를 외부 탱크에 충전할 때 단열 압축에 의해 수소가 충전되는 외부 탱크 내부 온도가 상승하게 되는바, 탱크 내부의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해 미리 냉각한 상태로 수소를 공급한다. 따라서, 디스펜서(170)를 통해 외부에 수소를 공급하기 전 수소는 700bar의 압력 조건 및 -40℃ 온도 조건으로 변환해야 하는데, 버퍼 탱크(150)에 저장된 상온 상태의 수소를 -40℃로 냉각하기 위해서는 소정의 시간 및 에너지가 소요된다.When hydrogen is filled in the external tank through the
따라서, 버퍼 탱크(150)에 저장된 수소를 1차적으로 냉각하기 위해 고압펌프(120)에서 분기된 저온·초임계 상태의 수소와 혼합하는 것이다.Therefore, in order to primarily cool the hydrogen stored in the
상술한 과정을 통해 1차적으로 냉각된 수소는 냉각기(160)에 유입되어 최종적으로 700bar의 압력 조건 및 -40℃ 온도 조건으로 변환된 후 디스펜서(170)를 통해 외부로 공급된다.Hydrogen primarily cooled through the above-described process is introduced into the cooler 160, finally converted to a pressure condition of 700 bar and a temperature condition of -40 ° C, and then supplied to the outside through the
상술한 액화 수소 충전소 시스템(100)에 따르면, 수소가 1차적으로 가열된 상태로 히터(140)에 유입되므로 수소의 온도를 상온으로 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.According to the above-described liquefied hydrogen filling station system 100, since hydrogen flows into the
또한, 냉각기(160) 유입 전 상온 상태의 수소를 목표 충전 온도에 가깝게 예냉할 수 있게 되어, 냉각기(160)를 구동하는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, it is possible to pre-cool hydrogen at room temperature before introduction into the cooler 160 to a target charging temperature, thereby achieving an effect of reducing energy required to drive the cooler 160 .
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 흐름 3 및 흐름 10으로 분기되는 유량을 조절하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart for explaining a method of controlling flow rates branching to flow 3 and flow 10 according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 혼합지점을 통과한 수소의 온도를 센싱하는 센싱부(미도시), 고압펌프(120) 후단에서 분기되어 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브(180)와 고압펌프(120) 후단에서 분기되어 촉매 연소기(130)로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브(190)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.The liquefied hydrogen filling system 100 according to an embodiment of the present invention is a sensing unit (not shown) for sensing the temperature of hydrogen passing through the mixing point, branched from the rear end of the high-
버퍼 탱크(150)에 저장된 수소와 흐름 라인을 통과하는 수소는 외기의 온도에 따라 온도가 변화할 수 있다. 이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 냉각기(160)에 유입되기 전 흐름 7을 통과하는 수소의 온도가 타겟 온도로 냉각되도록 제1 밸브(180) 및 제2 밸브(190)의 개폐 상태를 제어할 수 있다.The temperature of the hydrogen stored in the
충전 동작이 시작되면 제어부는 혼합지점 후단의 흐름 7에서의 온도 정보를 수신한다(S210). 흐름 7에서의 수소 온도와 타겟 온도를 비교하여(S220), 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도와 일치하면 그대로 충전을 진행한다(S260). 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 타겟 온도는 -35℃일 수 있다.When the charging operation starts, the control unit receives the temperature information in the flow 7 after the mixing point (S210). The hydrogen temperature in flow 7 is compared with the target temperature (S220), and if the hydrogen temperature in flow 7 matches the target temperature, charging proceeds as it is (S260). Preferably, the target temperature according to an embodiment of the present invention may be -35 °C.
흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도와 일치하지 않는 경우, 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 높은지를 판단한다(S230). 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 높은 경우 이를 충전 온도인 -40℃도 까지 낮추는데 소정의 시간이 소요될 뿐만 아니라 냉각기(160)를 구동시키기 위한 부가적인 에너지가 소비된다.If the hydrogen temperature of flow 7 does not match the target temperature, it is determined whether the hydrogen temperature of flow 7 is higher than the target temperature (S230). When the hydrogen temperature of flow 7 is higher than the target temperature, it takes a predetermined amount of time to lower it to the charging temperature of −40° C., and additional energy is consumed to drive the cooler 160 .
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부는 고압펌프(120)에서 혼합지점으로 분기되는 수소 유량이 증가하도록 제1 밸브(180)를 개방하고 고압펌프(120)에서 촉매 연소기(130)로 분기되는 수소 유량이 감소하도록 제2 밸브(190)를 폐쇄하는 제어 신호를 생성한다. 상기 제어 동작에 따라 혼합지점을 통과한 수소 온도가 저하되어 타겟 온도에 도달하면(S220), 충전 동작을 진행한다.Accordingly, the control unit according to an embodiment of the present invention opens the
반면, 흐름 7의 수소 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우 충전 온도가 -40℃보다 낮아지는 경우가 발생할 수 있으므로 제어부는 이 경우 제1 밸브(180)를 폐쇄하고 제2 밸브(190)를 개방하는 제어 신호를 생성한다.On the other hand, if the hydrogen temperature of flow 7 is lower than the target temperature, the charging temperature may be lower than -40 ° C. In this case, the control unit closes the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 극저온의 액화수소를 단시간에 타겟 온도로 상승시키고, 에너지 효율을 극대화하기 위한 다른 구성을 포함할 수도 있다.On the other hand, the liquefied hydrogen charging system 100 according to an embodiment of the present invention may include other configurations for raising cryogenic liquefied hydrogen to a target temperature in a short time and maximizing energy efficiency.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.3 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen filling station system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 고압펌프(120)와 히터(140) 사이에 배치되는 발전기(200)를 더 포함한다. The liquefied hydrogen charging system 100 according to an embodiment of the present invention further includes a
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 냉열 에너지를 회수 및 활용하여 전기 에너지를 생성하고 이를 히터(140)에 공급하여 수소를 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 상온까지 가열하는데 사용할 수 있다.The
또한, 발전기(200)에서 저온의 수소와 발전기(200) 내부를 순환하는 작동유체간에 열교환이 이루어져 발전기(200) 통과 후 수소의 온도를 상승키실 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, in the
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)의 내부 구조 및 발전 사이클을 보다 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the internal structure and power generation cycle of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.4 is a diagram embodying the generator structure of the liquefied hydrogen filling station system according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 펌프(201), 증발기(202), 터빈(203) 및 응축기(204)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)는 작동유체를 순환시켜 터빈(203)을 회전시키고, 터빈(203)의 축동력을 전기에너지로 변환할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기(200)의 작동유체는 프레온 계열의 냉매 또는 프로판 계열의 탄화수수계 등의 유기 화합물이 사용될 수 있다.Preferably, an organic compound such as a Freon-based refrigerant or a propane-based hydrocarbon may be used as the working fluid of the
펌프(201)는 저온·저압의 작동유체를 가압하여 저온·고압의 상태로 변환한다. 펌프(201)에서 가압된 작동유체는 증발기(202)로 유입된다. 증발기(202)는 외부로부터 열에너지를 공급받아 이를 작동 유체에 공급하는 역할을 하며 통상적으로 판형의 열교환기 형태를 가질 수 있다.The
증발기(202)에서 작동유체는 열교환을 통해 저온·고압의 상태에서 고온·고압의 기체 상태로 변화한다. 고온·고압의 기체 상태로 변화된 작동유체는 터빈(203)으로 유입되어 터빈(203)의 로터를 빠르게 회전시키며 통과한다. 이때, 터빈(203)의 운동 에너지는 전기 에너지로 변환된다.In the
본 발명의 일 실시예에 다른 터빈(203)은 스크류 타입, 스크롤 타입, 베인 타입, 피스톤 타입 등 다양한 형태로 구현될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. The
터빈(203)을 통과한 작동유체는 고온·저압의 상태로 변환되어 응축기(204)로 유입된다.The working fluid passing through the
응축기(204)에서는 고온·저압의 상태로 변환된 작동유체가 흐름 4를 흐르는 저온의 수소와 열교환을 통해 저온·저압의 상태의 액체로 변화한다. 또한, 흐름 4의 수소는 작동유체의 열을 흡수하여 온도가 상승한다.In the
저온·저압의 상태의 액체로 변화된 작동 유체는 다시 펌프(201)로 유입되어 상술한 사이클을 반복한다.The working fluid changed to a low-temperature and low-pressure liquid is introduced into the
상술한 발전기(200)에 따르면 저온의 열원에서도 전기 에너지를 생성하고 이를 히터(140)에 공급하는바 에너지 효율을 높일 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.According to the
또한, 발전기(200)와의 열교환을 통해 흐름 4의 수소 온도가 상승하므로 저온의 수소를 상온으로 변환하여 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 온도 상승에 필요한 시간 및 에너지를 절감할 수 있게 된다는 효과를 달성할 수 있다.In addition, since the temperature of hydrogen in flow 4 rises through heat exchange with the
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전소 시스템의 발전기 구조를 구체화한 도면이다.5 is a diagram embodying a generator structure of a liquefied hydrogen filling station system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전기(200)는 추가 열교환기(205)를 더 포함할 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 다른 추가 열교환기(205)는 펌프(201)를 통과한 저온·고압의 작동유체와 터빈(203)을 통과한 고온·저압의 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치된다.In one embodiment of the present invention, the
상술한 추가 열교환기에 의해 증발기(202)로 유입되기 전의 작동유체의 온도는 보다 상승하고, 응축기(224)로 유입되기 전에 작동유체의 온도는 보다 하강하므로 열효율을 보다 상승시킬 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.Since the temperature of the working fluid before flowing into the
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템을 설명하기 위한 시스템도이다.6 is a system diagram for explaining a liquefied hydrogen charging system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 수소 충전 시스템(100)은 고압펌프(120)에서 히터(140) 방향으로 분기되는 공급라인에 배치되는 발전기(200) 및 촉매 연소기(130)를 포함할 수 있다.The liquefied hydrogen charging system 100 according to an embodiment of the present invention may include a
상술한 바와 같이 발전기(200)는 내부를 순환하는 작동유체에 의해 전기 에너지를 생산하고, 수소와 작동유체 간의 열교환을 통해 수소의 온도를 상승시킨다. 이때, 발전기(200)에서 발생된 전기 에너지는 수소의 온도를 상온까지 상승시키기 위한 히터(140)를 구동하는데 사용된다.As described above, the
촉매 연소기(130)는 저장 탱크(110)에서 발생된 보일-오프 가스를 이용하여 열에너지를 생성하고 이를 수소의 온도를 상승시키는데 사용한다.The
따라서, 수소를 버퍼 탱크(150)에 저장하기 전 수소의 온도를 상온까지 상승시키는데 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있게 되는바 액화 수소 충전 시스템(100)의 에너지 효율을 높일 수 있게 된다.Therefore, it is possible to reduce the energy required to raise the temperature of the hydrogen to room temperature before storing the hydrogen in the
이상에서, 본 개시의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시의 기술적 사상이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.In the above, even though all the components constituting the embodiments of the present disclosure have been described as being combined or operated as one, the technical idea of the present disclosure is not necessarily limited to these embodiments. That is, within the scope of the purpose of the present disclosure, all of the components may be selectively combined with one or more to operate.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들을 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 개시가 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the embodiments of the present disclosure have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art may implement the present disclosure in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. can understand that there is Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. The protection scope of the present disclosure should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of rights of the technical ideas defined by the present disclosure.
Claims (10)
상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프;
상기 저장 탱크에서 발생하는 보일-오프 가스를 연료원으로 열을 발생시켜 상기 고압펌프 출력단에서 분기된 수소를 가열하는 촉매 연소기;
상기 촉매 연소기에서 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터;
상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크;
상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기; 및
냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함하는 액화 수소 충전 시스템.a storage tank for storing liquid hydrogen;
a high-pressure pump providing a pumping force for transporting the hydrogen stored in the storage tank;
a catalytic combustor that heats the hydrogen diverged from the output terminal of the high-pressure pump by generating heat using boil-off gas generated in the storage tank as a fuel source;
a heater for additionally heating the hydrogen primarily heated in the catalytic combustor;
a buffer tank for temporarily storing the hydrogen heated by the heater;
a cooler for mixing hydrogen stored in the buffer tank with hydrogen branched from the high-pressure pump at a mixing point and cooling the hydrogen introduced at the mixing point; and
A liquid hydrogen filling system including a dispenser for injecting cooled hydrogen into an external hydrogen tank.
상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도를 센싱하는 센싱부;
상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 혼합지점으로 유입되는 유량을 조절하는 제1 밸브;
상기 고압펌프 후단에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 유입되는 유량을 조절하는 제2 밸브; 및
상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개폐 상태를 제어하는 제어부를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 1,
a sensing unit for sensing the temperature of the hydrogen mixed at the mixing point;
a first valve branched from the rear end of the high-pressure pump and controlling a flow rate flowing into the mixing point;
a second valve branched from the rear end of the high-pressure pump and controlling a flow rate flowing into the catalytic combustor; and
The liquefied hydrogen charging system further comprises a control unit for controlling the opening and closing of the first valve and the second valve.
상기 제어부는,
상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 높은 경우, 상기 제1 밸브를 개방하고 상기 제2 밸브를 폐쇄하는 제어 신호를 생성하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 2,
The control unit,
When the temperature of the hydrogen mixed at the mixing point is higher than the target temperature, a control signal for opening the first valve and closing the second valve is generated.
상기 제어부는,
상기 혼합지점에서 혼합된 수소의 온도가 타겟 온도보다 낮은 경우, 상기 제1 밸브를 폐쇄하고 상기 제2 밸브를 개방하는 제어 신호를 생성하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 2,
The control unit,
When the temperature of the hydrogen mixed at the mixing point is lower than the target temperature, generating a control signal for closing the first valve and opening the second valve.
상기 고압펌프와 상기 촉매 연소기 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 1,
The liquefied hydrogen charging system further comprises a generator disposed between the high-pressure pump and the catalytic combustor to generate electric energy required to drive the heater using cold heat energy.
상기 발전기는,
작동유체를 가압하는 펌프;
상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기;
상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈; 및
상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 촉매 연소기로 흐르는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 5,
the generator,
a pump that pressurizes the working fluid;
An evaporator that heats the working fluid to raise its temperature and vaporizes it;
A turbine converting kinetic energy into electrical energy by rotating a rotor when the working fluid passes therethrough; and
and a condenser cooling the working fluid and converting the working fluid into a liquid through heat exchange between the working fluid and hydrogen branched from the pump and flowing into the catalytic combustor.
상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 6,
The liquefied hydrogen charging system further comprises an additional heat exchanger arranged to perform heat exchange between the working fluid that has passed through the pump and the working fluid that has passed through the turbine.
상기 저장 탱크에 저장된 수소를 이송하기 위한 펌핑력을 제공하는 고압펌프;
상기 고압펌프와 상기 히터 사이에 배치되어 냉열 에너지를 이용하여 상기 히터를 구동하는데 필요한 전기 에너지를 생성하는 발전기;
상기 발전기에서 열교환을 통해 1차적으로 가열된 수소를 추가적으로 가열하는 히터;
상기 히터에서 가열된 수소를 임시 저장하는 버퍼 탱크;
상기 버퍼 탱크에 저장된 수소와 상기 고압펌프에서 분기된 수소가 혼합 지점에서 혼합되고, 상기 혼합지점에서 유입된 수소를 냉각하는 냉각기; 및
냉각된 수소를 외부 수소 탱크에 주입하는 디스펜서를 포함하는 액화 수소 충전 시스템.a storage tank for storing liquid hydrogen;
a high-pressure pump providing a pumping force for transporting the hydrogen stored in the storage tank;
a generator disposed between the high-pressure pump and the heater to generate electric energy required to drive the heater using cold heat energy;
a heater for additionally heating the hydrogen primarily heated through heat exchange in the generator;
a buffer tank for temporarily storing the hydrogen heated by the heater;
a cooler for mixing hydrogen stored in the buffer tank with hydrogen branched from the high-pressure pump at a mixing point and cooling the hydrogen introduced at the mixing point; and
A liquid hydrogen filling system including a dispenser for injecting cooled hydrogen into an external hydrogen tank.
상기 발전기는,
작동유체를 가압하는 펌프;
상기 작동유체에 열을 가하여 온도를 상승시키고 기화시키는 증발기;
상기 작동유체가 통과할 때 로터를 회전시켜 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 터빈; 및
상기 작동유체와 상기 펌프에서 분기되어 상기 히터로 공급되는 수소와의 열교환을 통해 상기 작동유체를 냉각시키고 상기 작동유체를 액체로 변환시키는 응축기를 포함하는 액화 수소 충전 시스템.According to claim 8,
the generator,
a pump that pressurizes the working fluid;
An evaporator that heats the working fluid to raise its temperature and vaporizes it;
A turbine converting kinetic energy into electrical energy by rotating a rotor when the working fluid passes therethrough; and
and a condenser cooling the working fluid and converting the working fluid into a liquid through heat exchange between the working fluid and hydrogen branched from the pump and supplied to the heater.
상기 펌프를 통과한 작동 유체와 상기 터빈을 통과한 작동유체간에 열교환이 이루어지도록 배치되는 추가 열교환기를 더 포함하는 액화 수소 충전 시스템.
According to claim 9,
The liquefied hydrogen charging system further comprises an additional heat exchanger arranged to perform heat exchange between the working fluid that has passed through the pump and the working fluid that has passed through the turbine.
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KR1020210184823A KR102612240B1 (en) | 2021-12-22 | 2021-12-22 | Liquid hydrogen fueling system |
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2021
- 2021-12-22 KR KR1020210184823A patent/KR102612240B1/en active IP Right Grant
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