KR20240041402A - 수소 충전 장치 - Google Patents

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정길성
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한국자동차연구원
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Abstract

본 발명은 수소 충전 장치에 관한 것으로, 수소를 액체 상태로 저장하는 저장부와, 저장부에 저장된 수소를 공급하는 공급부 및 공급부로부터 공급되는 수소를 기화시켜 디스펜서로 전달하는 기화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 충전 장치{HYDROGEN CHARGING APPARATUS}
본 발명은 수소 충전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 충전 시 저장된 액체 수소의 기화 과정과, 충전기로 공급되는 기체 수소의 냉각 과정을 동시에 수행할 수 있는 수소 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 환경 문제에 대응하기 위한 저공해 차량으로서, 수소 가스(Hydrogen gas) 등의 가스 연료를 이용한 수소 연료 전지 자동차가 주목받고 있으며, 이러한 수소 연료 전지 자동차의 보급을 촉진하기 위해 차량에 탑재되어 있는 연료 탱크에 안정적이고 효율적으로 수소를 충전하기 위한 수소 충전소가 요구된다.
이러한 수소 충전소는 탱크 로리에 의해 운반된 액화수소를 수소 탱크에 저장하고, 기화기에 의해 수소 탱크에 저장된 액화 수소를 기화시켜 고압 탱크에 임시 저장한 후, 디스펜서에서 고압 탱크에 임시 저장된 수소를 냉각시켜 수소전기차의 연료 탱크에 주입하는 방식으로 충전 작업을 수행한다.
그러나 이와 같은 방식에 의하면 이러한 액화 수소를 기화시키는 과정과, 고압 탱크에 임시 저장된 수소를 냉각시키는 과정이 별도의 장치에 의해 서로 다른 시점에 수행됨에 따라 에너지 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0012051호(2022.02.03 공개, 발명의 명칭: 차량용 수소 충전 장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 수소 충전 시 저장된 액체 수소의 기화 과정과, 충전기로 공급되는 기체 수소의 냉각 과정을 동시에 수행할 수 있는 수소 충전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 수소 충전 장치는: 수소를 액체 상태로 저장하는 저장부; 상기 저장부에 저장된 수소를 공급하는 공급부; 및 상기 공급부로부터 공급되는 수소를 기화시켜 디스펜서로 전달하는 기화부;를 포함한다.
또한, 상기 기화부는, 상기 공급부와 연결되고, 상기 공급부로부터 공급되는 수소를 기액분리하는 챔버부; 상기 챔버부와 연결되고, 상기 챔버부에서 분리된 기체 상태의 수소에 열을 공급하는 가열부; 상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에 의해 가열된 기체 상태의 수소를 상기 챔버부로 공급된 액체 상태의 수소와 열교환시키는 기화부재; 및 상기 기화부재와 연결되고, 상기 기화부재로부터 배출되는 기체 상태의 수소를 상기 디스펜서로 전달하는 전달부;를 포함한다.
또한, 상기 가열부는 상기 챔버부에서 분리된 기체 상태의 수소를 압축하여 상기 기화부재로 전달하는 압축기;를 포함한다.
또한, 상기 기화부는 상기 챔버부와 상기 압축기의 사이에 구비되고, 상기 압축기로 공급되는 수소의 압력을 조절하는 완충부;를 더 포함한다.
또한, 상기 가열부는 상기 챔버부로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 외부로부터 공급되는 열전달매체와 열교환시키는 열공급부재;를 포함한다.
또한, 상기 기화부재는 상기 챔버부의 내부에 배치된다.
또한, 상기 기화부는 상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부로부터 배출되는 수소를 냉각시키는 서브쿨러;를 더 포함한다.
또한, 상기 서브쿨러는 상기 가열부로 유입되는 수소와 상기 가열부로부터 배출되는 수소를 상호 열교환시킨다.
본 발명에 따른 수소 충전 장치는 기화부재가 가열부에 의해 가열된 기체 상태의 수소를 열전달매체로 이용하여 기존 별개의 장치에 의해 수행되던 액체 수소의 기화 과정과 기체 수소의 냉각 과정을 동시에 수행함으로써 수소 충전 시스템의 전체적인 열효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 2, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 작동도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수소 충전 장치의 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(또는 접속)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결(또는 접속)"되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(또는 구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 "포함(또는 구비)"할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다. 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 특정 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 그 부호들은 다른 도면을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 특정 도면에 참조 부호가 표시되지 않은 부분이 있더라도, 그 부분은 다른 도면들을 토대로 설명될 수 있다. 또한, 본 출원의 도면들에 포함된 세부 구성요소들의 개수, 형상, 크기 및 크기의 상대적인 차이 등은 이해의 편의를 위해 설정된 것으로서, 실시예들을 제한하지 않으며 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 계통도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치는 저장부(100), 공급부(200), 기화부(300)를 포함한다.
저장부(100)는 수소를 액체 상태로 저장한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 저장부(100)는 내부가 비어있는 저장 용기의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 저장부(100)는 내부에 극저온(약 -253℃)으로 액화된 액체 상태의 수소를 저장한다. 저장부(100)는 후술하는 공급부(200)를 매개로 탱크 로리(미도시)로부터 운반된 액체 상태의 수소를 공급받을 수 있다. 저장부(100)는 액체 상태의 수소가 액화된 상태를 지속적으로 유지할 수 있도록 단열 처리될 수 있다.
공급부(200)는 저장부(100)에 저장된 액체 상태의 수소를 후술하는 기화부(300)로 공급한다. 또한, 공급부(200)는 탱크 로리로부터 운반된 액체 상태의 수소를 저장부(100)로 공급할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공급부(200)는 외부로부터 전원을 공급받아 동작되는 다양한 종류의 유체 펌프로 예시될 수 있다. 공급부(200)는 배관 등을 매개로 저장부(100) 및 후술하는 기화부(300)와 연결될 수 있다. 공급부(200)의 입구 측은 저장부(100) 및 탱크 로리와 병렬적으로 연결되고, 솔레노이드 밸브(미도시) 등에 의해 저장부(100) 및 탱크 로리에 대한 연통 상태가 조절될 수 있다. 공급부(200)의 출구 측은 저장부(100) 및 기화부(300)와 병렬적으로 연결되고, 솔레노이드 밸브(미도시) 등에 의해 저장부(100) 및 기화부(300)에 대한 연통 상태가 조절될 수 있다. 이에 따라 공급부(200)는 솔레노이드 밸브의 개폐 동작에 의해 저장부(100)에 저장된 액체 상태의 수소를 후술하는 기화부(300)로 공급하거나, 탱크 로리로부터 운반된 액체 상태의 수소를 저장부(100)로 공급할 수 있다.
기화부(300)는 공급부(200)로부터 공급되는 수소를 기화시켜 기체 상태의 수소를 생성하고, 생성된 기체 상태의 수소를 차량(V)에 수소를 충전하기 위한 디스펜서(D)로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기화부(300)는 챔버부(310), 가열부(320), 기화부재(330), 전달부(340), 서브쿨러(350), 완충부(360)를 포함한다.
챔버부(310)는 공급부(200)와 연결되고, 공급부(200)로부터 공급되는 수소를 기액분리한다. 즉, 챔버부(310)는 공급부(200)로부터 공급되는 액체 상태의 수소가 후술하는 기화부재(330)에 의해 기체 상태의 수소로 기화되기 위한 공간을 마련하는 구성으로서 기능한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버부(310)는 내부가 비어있는 저장탱크의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 챔버부(310)는 배관 등을 매개로 공급부(200)의 출구 측과 연결되어 내부로 공급부(200)로부터 공급되는 액체 상태의 수소가 유입된다. 공급부(200)로부터 공급되는 액체 상태의 수소는 중력에 의해 챔버부(310)의 하측으로 모인다. 기화부재(330)에 의해 액체 상태의 수소로부터 기화된 기체 상태의 수소는 밀도 차이에 의해 챔버부(310)의 상측으로 모인다.
가열부(320)는 챔버부(310)와 연결되고, 챔버부(310)에서 분리된 기체 상태의 수소에 열을 공급한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가열부(320)는 압축기(321), 열공급부재(322)를 포함한다. 이하에서는 가열부(320)가 압축기(321) 및 열공급부재(322)를 모두 포함하는 것을 예로 들어 설명하겠으나, 가열부(320)는 이에 한정되는 것은 아니고, 압축기(321) 및 열공급부재(322) 중 어느 하나만을 포함하여 구성되는 것도 가능하다.
압축기(321)는 챔버부(310)와 연결되고, 챔버부(310)에서 분리된 기체 상태의 수소를 고온, 고압 상태로 압축한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기(321)는 외부로부터 전원을 공급받아 챔버부(310)에서 분리된 기체 상태의 수소의 압력을 약 900bar로 승압시킬 수 있는 다양한 종류의 압축 장치로 예시될 수 있다. 압축기(321)는 입구측 및 출구측이 배관 등을 매개로 각각 챔버부(310) 및 기화부재(330)와 연결된다. 압축기(321)의 입구측으로 유입된 기체 상태의 수소는 압축기(321)에 의해 단열 압축되며 온도가 상승된 상태로 출구측으로 토출된다.
열공급부재(322)는 챔버부(310)와 연결되고, 챔버부(310)로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 외부로부터 공급되는 열전달매체와 열교환시킨다. 여기서 열교환매체는 열교환 작용에 의해 열에너지를 운반할 수 있는 다양한 종류의 매체로서, 냉각수, 액체 냉매, 기체 냉매, 외부 공기등으로 예시될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열공급부재(322)는 외부로부터 공급되는 열전달매체에 의해 수송되는 열을 챔버부(310)에서 분리된 기체 상태의 수소로 전달하여 수소의 온도를 상승시킬 수 있는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 이 경우, 열전달매체의 온도는 챔버부(310)에서 분리된 기체 상태의 수소의 온도보다 높은 온도를 갖는다. 열공급부재(322)는 입구측 및 출구측이 배관 등을 매개로 각각 챔버부(310) 및 기화부재(330)와 연결된다. 이하에서는 열공급부재(322)가 압축기(321)의 출구측에 설치되는 것을 예로 들어 설명하겠으나, 열공급부재(322)는 이러한 사항에 한정되는 것은 아니고, 압축기(321)의 입구측에 설치되는 것도 가능하다.
기화부재(330)는 가열부(320)와 연결되고, 가열부(320)에 의해 가열된 기체 상태의 수소를 챔버부(310)로 공급된 액체 상태의 수소와 열교환시킨다. 보다 구체적으로, 기화부재(330)는 가열부(320)에 의해 가열된 기체 상태의 수소를 열전달매체로 이용하여 챔버부(310) 내에서 액체 상태의 수소의 기화 작용을 발생시킴과 동시에 후술하는 전달부(340)로 전달되는 기체 상태의 수소를 냉각시키는 구성으로서 기능한다. 이에 따라 기화부재(330)는 기존 별개의 장치에 의해 수행되던 액체 수소의 기화 과정과 기체 수소의 냉각 과정을 단일화함으로써 수소 충전 시스템의 전체적인 열효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 기화부재(330)는 가열부(320)를 통과한 기체 상태의 수소에 의해 수송되는 열을 챔버부(310)로 공급된 액체 상태의 수소에 전달할 수 있는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 기화부재(330)는 가열부(320)에 의해 가열된 기체 상태의 수소와 챔버부(310)로 공급된 액체 상태의 수소의 열교환효율이 향상될 수 있도록 챔버부(310)의 내부에 배치될 수 있다. 기화부재(330)는 입구측과 출구측이 각각 배관 등을 매개로 가열부(320)의 출구측과 후술하는 전달부(340)의 입구측에 연결된다. 기화부재(330)로 유입되어 챔버부(310) 내부의 액체 상태의 수소와 열교환된 기체 상태의 수소는 약 -40℃의 온도로 배출될 수 있다.
전달부(340)는 기화부재(330)와 연결되고, 기화부재(330)로부터 배출되는 기체 상태의 수소를 디스펜서(D)로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전달부(340)는 양단부가 각각 기화부재(330)의 출구측과 디스펜서(D)의 입구측과 연결되는 배관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
서브쿨러(350)는 가열부(320)와 연결되고, 가열부(320)로부터 배출되는 수소를 냉각시킨다. 보다 구체적으로, 서브쿨러(350)는 가열부(320)의 입구측 및 출구측과 연결되어 가열부(320)로 유입되는 기체 상태의 수소와 가열부(320)로부터 배출되는 수소를 상호 열교환시키는 구성으로서 기능한다. 이에 따라 서브쿨러(350)는 가열부(320)의 압축기(321)로 유입되는 기체 상태의 수소의 압력을 상승시킴으로써 압축기(321)의 압축비를 낮추고, 압축기(321)의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 서브쿨러(350)는 기화부재(330)로 전달되는 기체 상태의 수소를 기화부재(330)와 함께 다단으로 냉각시킴으로써 기체 상태의 수소의 냉각 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 서브쿨러(350)는 가열부(320)로부터 배출되는 기체 상태의 수소에 의해 수송되는 열을 가열부(320)로 유입되는 기체 상태의 수소에 전달할 수 있는 다양한 종류의 열교환기로 예시될 수 있다. 서브쿨러(350)는 1차측 유로 및 2차측 유로가 각각 배관 등을 매개로 가열부(320)의 입구측과 출구측에 연결된다.
완충부(360)는 챔버부(310)와 압축기(321)의 사이에 구비되고, 압축기(321)로 공급되는 수소의 압력을 조절한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 완충부(360)는 내부가 비어있는 저장 용기의 형태를 갖는 버퍼탱크로 예시될 수 있다. 완충부(360)는 일측이 챔버부(310)의 상단부와 연결되어 챔버부(310)로부터 기화된 기체 상태의 수소를 일시적으로 저장한다. 완충부(360)는 타측이 압축기(321)의 입구측에 연결되어 압축기(321)의 구동 시 내부에 저장된 기체 상태의 수소를 압축기(321)로 공급한다. 이에 따라 완충부(360)는 압축기(321)의 출력 변경 등에 의한 급격한 압력의 변동을 완충시켜 압축기(321)의 손상을 방지하고, 전체적인 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치의 작동 과정을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 충전 장치의 작동 과정을 개략적으로 나타내는 작동도이다.
도 2, 도 3을 참조하면, 솔레노이드 밸브에 의해 공급부(200)의 출구측과 기화부(300)의 연통이 차단된 상태에서 탱크 로리로부터 운반된 액체 상태의 수소는 공급부(200)의 입구측으로 유입된다.
이후, 공급부(200)가 동작됨에 따라, 공급부(200)의 출구측으로 배출되는 액체 상태의 수소는 저장부(100)로 공급되어 저장된다.
차량(V)으로 수소를 충전하고자 하는 경우, 공급부(200)는 솔레노이드 밸브에 의해 출구측과 기화부(300)의 연통이 허용되고, 출구측과 저장부(100)의 연통이 차단된 상태에서 동작되며 저장부(100)에 저장된 액체 상태의 수소를 챔버부(310)의 내부로 공급한다.
이 경우, 챔버부(310)의 내부에는 공급부(200)로부터 공급된 액체 상태의 수소 이외에도, 이전 충전 과정에서 잔존하거나, 액체 상태의 수소가 챔버부(310)의 내부로 공급되는 과정에서 일부 기화된 기체 상태의 수소가 함께 존재할 수 있다.
이러한 액체 상태의 수소와, 기체 상태의 수소는 챔버부(310)의 내부에서 중력과 밀도차에 의해 상하로 분리된다.
이후, 가열부(320)는 챔버부(310)의 내부에서 분리된 기체 상태의 수소에 열을 공급한다.
보다 구체적으로, 압축기(321)가 동작됨에 따라 챔버부(310)의 내부에서 분리된 기체 상태의 수소는 완충부(360)를 거쳐 압축기(321)로 유입된다.
이 경우, 완충부(360)에는 기체 상태의 수소가 설정된 압력으로 미리 저장되어 압축기(321)의 동작에 따른 압력 변동을 완충시킬 수 있다.
압축기(321)는 내부로 유입된 기체 상태의 수소를 설정된 압력비로 압축시켜 기체 상태의 수소의 온도를 상승시킨다.
열공급부재(322)는 압축기(321)로부터 배출된 기체 상태의 수소를 외부로부터 공급되는 열전달매체와 열교환시켜 기체 상태의 수소 온도를 상승시킨다.
압축기(321) 및 열공급부재(322)에 의해 온도가 상승된 기체 상태의 수소는 서브쿨러(350)로 유입되고, 압축기(321)로 유입되는 기체 상태의 수소와 열교환되며 1차적으로 냉각된다.
이후, 서브쿨러(350)를 통과한 기체 상태의 수소는 기화부재(330)로 유입된다.
기화부재(330)로 유입된 기체 상태의 수소는 챔버부(310)의 내부로 공급된 액체 상태의 수소와 열교환되며 2차적으로 냉각된다. 이 경우, 기화부재(330)를 통과한 기체 상태의 수소는 약 -40℃의 온도로 냉각될 수 있다.
또한, 챔버부(310) 내부의 액체 상태의 수소는 기화부재(330)로 유입된 기체 상태의 수소와의 열교환 작용에 의해 기화되어 기체 상태의 수소로 상변화되고, 상변화된 기체 상태의 수소는 압축기(321)로 유입되며 상술한 과정을 반복적으로 수행한다.
이후, 기화부재(330)를 통과하며 냉각된 기체 상태의 수소는 전달부(340)를 통해 디스펜서(D)로 전달되고, 차량(V)의 연료탱크로 충전된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 저장부 200 : 공급부
300 : 기화부 310 : 챔버부
320 : 가열부 321 : 압축기
322 : 열공급부재 330 : 기화부재
340 : 전달부 350 : 서브쿨러
360 : 완충부 D : 디스펜서
V : 차량

Claims (8)

  1. 수소를 액체 상태로 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 저장된 수소를 공급하는 공급부; 및
    상기 공급부로부터 공급되는 수소를 기화시켜 디스펜서로 전달하는 기화부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기화부는,
    상기 공급부와 연결되고, 상기 공급부로부터 공급되는 수소를 기액분리하는 챔버부;
    상기 챔버부와 연결되고, 상기 챔버부에서 분리된 기체 상태의 수소에 열을 공급하는 가열부;
    상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부에 의해 가열된 기체 상태의 수소를 상기 챔버부로 공급된 액체 상태의 수소와 열교환시키는 기화부재; 및
    상기 기화부재와 연결되고, 상기 기화부재로부터 배출되는 기체 상태의 수소를 상기 디스펜서로 전달하는 전달부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 챔버부에서 분리된 기체 상태의 수소를 압축하여 상기 기화부재로 전달하는 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 기화부는 상기 챔버부와 상기 압축기의 사이에 구비되고, 상기 압축기로 공급되는 수소의 압력을 조절하는 완충부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 가열부는 상기 챔버부로부터 공급되는 기체 상태의 수소를 외부로부터 공급되는 열전달매체와 열교환시키는 열공급부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 기화부재는 상기 챔버부의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 기화부는 상기 가열부와 연결되고, 상기 가열부로부터 배출되는 수소를 냉각시키는 서브쿨러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 서브쿨러는 상기 가열부로 유입되는 수소와 상기 가열부로부터 배출되는 수소를 상호 열교환시키는 것을 특징으로 하는 수소 충전 장치.
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