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KR102766164B1 - 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템 - Google Patents

수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템 Download PDF

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KR102766164B1
KR102766164B1 KR1020220108129A KR20220108129A KR102766164B1 KR 102766164 B1 KR102766164 B1 KR 102766164B1 KR 1020220108129 A KR1020220108129 A KR 1020220108129A KR 20220108129 A KR20220108129 A KR 20220108129A KR 102766164 B1 KR102766164 B1 KR 102766164B1
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pressure
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한국자동차연구원
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Abstract

본 발명은 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 수소를 공급하는 수소공급유닛과, 수소공급유닛으로부터 공급되는 수소를 차량의 연료탱크에 주입하는 디스펜서유닛과, 수소공급유닛으로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성하고, 생성된 펄스 압력을 디스펜서유닛으로 전달하는 수소 충전 보조장치 및 디스펜서유닛에 잔류하는 수소를 수소 충전 보조장치로 회수하는 수소회수유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템{HYDROGEN CHARGING SUPPORT APPARATUS AND HYDROGEN CHARGING SYSTEM HAVING THEREOF}
본 발명은 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소모빌리티에 대한 충전 안전성 및 정확성을 개선할 수 있는 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 수소 자동차는 동력의 연료로서 수소를 사용하는 차량이며, 전동기 구동을 위해 내연기관의 수소를 태우거나 연료전지 내에서 수소를 산소와 반응시켜 수소의 화학 에너지를 역학적 에너지로 변환한다. 운송 연료 공급을 위해 수소를 사용하게 되는데, 수소 연료는 고압으로 빠르게 충전되는 특성으로 주유와 비교했을 때 위험성을 지니고 있고, 압축 및 줄-톰슨효과(Joule-Thomson effect)로 인한 열 발생으로 완전충전이 용이하지 않다.
이에, 2010년에 제정된 SAE(Society of Automotive Engineers) J2601의 수소충전 프로토콜(Hydrogen Fueling Protocol, HFP)에서는 열역학적 모델(thermodynamic model)에 의한 시뮬레이션을 통하여 미리 작성된 수많은 table과 계산식의 파라미터 및 계수(coefficients)를 이용하여 충전을 진행하도록 하는 방식을 채용하고 있다.
SAE J2601의 수소충전 프로토콜에 따르면 수소 충전 과정은 개시 단계, 메인 충전 단계, 셧다운 단계로 나누어 수행되며, 개시 단계에서 충전노즐과 리셉터클이 연결된 이후, 차량의 연료탱크로 200g 미만의 수소를 선주입함으로써 커넥션 펄스(connection pulse)로 정의되는 펄스 압력을 인가하도록 규정하고 있다. 수소충전소는 이러한 펄스 압력에 의한 연료탱크의 압력 변화량 등을 이용하여 차량의 연료탱크의 초기 압력값, 연료탱크의 용량 및 수소의 누출 여부를 측정하고, 이와 같은 과정은 안전한 충전을 위해 필수적으로 수행되어야하는 핵심 절차에 해당한다.
그러나 종래에는 이러한 펄스 압력 인가 시 충전소마다 공급하는 수소의 용량이 서로 상이함에 따라 정확한 차량상태 진단 및 충전결과 예상이 어렵고, 소형 모빌리티의 경우 과량의 펄스 압력에 의한 과열문제가 발생하며, 대형 모빌리티의 경우 소량의 펄스 압력에 의한 내부 정보 취득이 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0012051호(2022.02.03 공개, 발명의 명칭: 차량용 수소 충전 시스템)에 개시되어 있다.
본 발명은 수소모빌리티에 대한 충전 안전성 및 정확성을 개선할 수 있는 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 수소 충전 시스템은: 수소를 공급하는 수소공급유닛; 상기 수소공급유닛으로부터 공급되는 수소를 차량의 연료탱크에 주입하는 디스펜서유닛; 상기 수소공급유닛으로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성하고, 생성된 펄스 압력을 상기 디스펜서유닛으로 전달하는 수소 충전 보조장치; 및 상기 디스펜서유닛에 잔류하는 수소를 상기 수소 충전 보조장치로 회수하는 수소회수유닛;을 포함한다.
또한, 상기 수소 충전 보조장치는, 상기 수소공급유닛과 상기 디스펜서유닛의 사이에 구비되고, 상기 수소공급유닛으로부터 수소를 공급받아 저장하는 압력저장부; 상기 압력저장부에 대한 수소의 출입을 단속하는 출입조절부; 및 상기 압력저장부로 유입되거나 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 조절하는 압력조절부;를 포함한다.
또한, 상기 압력저장부는, 제1버퍼탱크; 및 상기 제1버퍼탱크와 이격되게 배치되고, 상기 제1버퍼탱크와 다른 저장 용량을 갖는 제2버퍼탱크;를 포함한다.
또한, 상기 출입조절부는, 상기 압력저장부의 일측에 연결되고, 상기 압력저장부로 유입되는 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 공급조절밸브; 및 상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 배출조절밸브;를 포함한다.
또한, 상기 압력조절부는, 상기 압력저장부의 일측에 연결되고, 상기 압력저장부로 유입되는 수소의 압력을 설정공급압력으로 유지시키는 공급압력조절부; 및 상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시키는 배출압력조절부;를 포함한다.
또한, 상기 배출압력조절부는, 상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 제1설정배출압력 이상으로 유지시키는 제1배출압력조절부; 및 상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 제2설정배출압력 이상으로 유지시키는 제2배출압력조절부;를 포함한다.
또한, 상기 배출조절밸브는, 상기 제1배출압력조절부와 연결되는 제1배출조절밸브; 및 상기 제2배출압력조절부와 연결되는 제2배출조절밸브;를 포함한다.
또한, 상기 출입조절부의 동작을 제어하는 개폐제어부;를 더 포함한다.
또한, 상기 제1설정배출압력은 상기 제2설정배출압력보다 크고, 상기 개폐제어부는 상기 제2배출조절밸브 및 상기 제1배출조절밸브를 순차적으로 개방한다.
또한, 상기 개폐제어부는 차량의 연료탱크의 초기 압력값에 기초하여 상기 제1배출조절밸브 및 상기 제2배출조절밸브의 개폐 동작을 제어한다.
또한, 상기 제1설정배출압력은 상기 제2설정배출압력보다 크고, 상기 개폐제어부는 상기 연료탱크의 초기 압력값이 상기 제2설정배출압력 미만인 경우 상기 제2배출조절밸브를 개방하고, 상기 연료탱크의 초기 압력값이 상기 제2설정배출압력 이상 상기 제1설정배출압력 미만인 경우 상기 제1배출조절밸브를 개방한다.
또한, 상기 수소회수유닛은, 일측이 상기 디스펜서유닛과 연결되고, 타측이 상기 수소 충전 보조장치와 연결되는 회수배관; 및 상기 회수배관에 연결되고, 상기 회수배관을 통한 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 회수밸브;를 포함한다.
또한, 상기 회수배관은 타측이 상기 공급조절밸브의 후단측에 연결된다.
또한, 상기 수소회수유닛은 상기 회수배관에 연결되고, 수소가 상기 수소 충전 보조장치로부터 상기 디스펜서유닛으로 유동되는 것을 방지하는 회수체크밸브;를 더 포함한다.
또한, 상기 수소회수유닛은 구동력을 발생시켜 상기 회수배관 내부의 수소를 상기 수소 충전 보조장치로 향해 유동시키는 회수구동부;를 더 포함한다.
본 발명에 따른 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템은 충전 개시 단계에서 연료탱크로 인가되는 펄스 압력을 충전 시작 전 미리 설정된 크기로 생성 및 저장함에 따라 기존 수소충전소마다 서로 상이한 크기를 갖는 펄스 압력을 규격화할 수 있고, 펄스 압력을 통해 측정되는 연료탱크의 초기 압력값, 용량 등과 같은 데이터의 정확성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템은 수소 충전이 완료된 이후, 디스펜서유닛에 잔류하는 수소를 수소 충전 보조장치로 회수함에 따라 잔존 수소에 의한 화재 발생 위험을 줄이고, 수소의 소비 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수소 충전 보조장치 및 이를 구비한 수소 충전 시스템의 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 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30)를 포함한다.
수소공급유닛(10)은 수소를 저장하고, 후술하는 디스펜서유닛(20) 및 수소 충전 보조장치(30)으로 저장된 수소를 공급한다.
본 실시예에 따른 수소공급유닛(10)은 저장탱크(11), 공급배관(12), 메인공급밸브(13), 공급제어부(14), 전달배관(15)을 포함한다.
저장탱크(11)는 수소를 압축된 상태로 저장한다. 저장탱크(11)는 후술하는 메인공급밸브(13)의 개방 시 차량(V)에 구비된 연료탱크(T)와의 차압에 의해 내부에 저장된 수소를 후술하는 디스펜서유닛(20)으로 공급한다.
본 실시예에 따른 저장탱크(11)는 제1저장탱크(11a), 제2저장탱크(11b), 제3저장탱크(11c)를 포함한다. 제1저장탱크(11a), 제2저장탱크(11b), 제3저장탱크(11c)는 내부에 수소를 압축된 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 압력저장용기로 예시될 수 있다. 제1저장탱크(11a), 제2저장탱크(11b), 제3저장탱크(11c)는 서로 다른 압력으로 수소를 저장한다. 보다 구체적으로, 제2저장탱크(11b)는 제1저장탱크(11a)보다 작은 압력으로 수소를 저장하고, 제3저장탱크(11c)는 제2저장탱크(11b)보다 작은 압력으로 수소를 저장할 수 있다. 이 경우, 제1저장탱크(11a), 제2저장탱크(11b), 제3저장탱크(11c)에 저장된 수소의 구체적인 압력값은 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
공급배관(12)은 저장탱크(11)와 연결되고, 저장탱크(11)로부터 배출되는 수소의 유동을 안내한다.
본 실시예에 따른 공급배관(12)은 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)을 포함한다. 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성되고, 상호 이격되게 배치된다. 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)은 일측이 각각 제1저장탱크(11a), 제2저장탱크(11b), 제3저장탱크(11c)에 개별적으로 연결된다.
메인공급밸브(13)는 공급배관(12)에 연결되고, 공급배관(12)을 통한 수소의 유동을 단속한다.
본 실시예에 따른 메인공급밸브(13)는 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)를 포함한다. 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)는 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)에 각각 개별적으로 연결된다. 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)는 후술하는 공급제어부(14)에 의해 개폐 여부가 독립적으로 조절되며 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)을 통한 수소의 유동을 개별적으로 제한하거나 허용한다.
공급제어부(14)는 메인공급밸브(13)의 동작을 전반적으로 제어한다. 보다 구체적으로, 공급제어부(14)는 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)의 개폐 동작을 독립적으로 제어하여 전달배관(15)에 대한 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)의 연결 상태를 조절할 수 있다. 공급제어부(14)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 공급제어부(14)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
전달배관(15)은 공급배관(12)과 연결되고, 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 후술하는 디스펜서유닛(20)으로 전달한다. 본 실시예에 따른 전달배관(15)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 전달배관(15)은 일측이 공급제어부(14)를 매개로 공급배관(12)과 간접적으로 연결된다. 이와 달리 전달배관(15)은 일측이 공급배관(12)과 직접적으로 연결되는 것도 가능하다. 이 경우, 전달배관(15)은 단일하게 형성되어 일측이 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)의 타측에 동시에 연결될 수 있고, 이와 달리 복수개로 구비되어 제1공급배관(12a), 제2공급배관(12b), 제3공급배관(12c)의 타측에 개별적으로 연결되는 것도 가능하다. 전달배관(15)은 타측이 후술하는 디스펜서유닛(20)의 디스펜서본체(21)와 연결되어 디스펜서본체(21)의 내부로 수소를 전달한다.
디스펜서유닛(20)은 수소공급유닛(10) 및 수소 충전 보조장치(30)로부터 공급되는 수소를 차량(V)의 연료탱크(T)에 주입한다.
본 실시예에 따른 디스펜서유닛(20)은 디스펜서본체(21), 프리쿨러(22), 충전노즐(23), 브레이크어웨이(24), 통신모듈(25)을 포함한다.
디스펜서본체(21)는 수소공급유닛(10)의 전달배관(15) 및 수소 충전 보조장치(30)의 배출배관(130)과 연결되어 내부로 수소를 공급받는다. 디스펜서본체(21)의 내부에는 수소공급유닛(10) 및 수소 충전 보조장치(30)로부터 공급되는 수소의 유동을 안내할 수 있는 다양한 구조의 배관이 설치될 수 있다.
프리쿨러(22)는 디스펜서본체(21)로 공급된 수소를 냉각시킨다. 본 실시예에 따른 프리쿨러(22)는 냉매를 디스펜서본체(21)로 공급된 수소와 열교환시켜 수소를 냉각시킬 수 있는 다양한 종류의 열교환장치로 예시될 수 있다.
충전노즐(23)은 디스펜서본체(21)로 공급된 수소를 차량(V)의 연료탱크(T)로 주입한다. 본 실시예에 따른 충전노즐(23)은 일측이 디스펜서본체(21)와 연결되어 내부로 수소를 전달받고, 타측이 차량(V)의 리셉터클(R)에 착탈 가능하게 연결되어 연료탱크(T)로 수소를 주입하는 다양한 종류의 노즐 장치로 예시될 수 있다.
브레이크어웨이(24)는 디스펜서본체(21)와 충전노즐(23)의 사이에 구비된다. 브레이크어웨이(24)는 충전 중 차량(V)이 움직이는 경우와 같이 디스펜서본체(21)와 충전노즐(23)의 사이에 일정 크기 이상의 외력이 가해지면 디스펜서본체(21)와 충전노즐(23)을 상호 분리시켜 디스펜서본체(21) 또는 충전노즐(23)의 파손을 방지한다.
통신모듈(25)은 충전노즐(23)이 차량(V)의 리셉터클(R)과 연결됨에 따라, 차량(V)의 ECU 등과 같은 제어수단과 유선 또는 무선으로 연결되어 차량(V)으로부터 연료탱크(T)의 초기 압력값, 연료탱크(T)의 용량 등에 관한 데이터를 수신받는다. 또한, 통신모듈(25)은 공급제어부(14) 및 후술하는 개폐제어부(400)와 유선 또는 무선으로 연결되어 수신받은 정보를 공급제어부(14) 및 개폐제어부(400)로 전달한다.
수소 충전 보조장치(30)는 수소공급유닛(10)으로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성 및 저장하고, 생성된 펄스 압력을 디스펜서유닛(20)으로 전달한다. 즉, 수소 충전 보조장치(30)는 충전 개시 단계에서 디스펜서유닛(20)에 의해 차량(V)의 연료탱크(T)로 인가되는 펄스 압력을 충전 시작 전 미리 설정된 크기로 생성 및 저장하는 구성으로서 기능한다. 이에 따라 수소 충전 보조장치(30)는 기존 수소충전소마다 서로 상이한 크기를 갖는 펄스 압력을 규격화할 수 있고, 펄스 압력을 통해 측정되는 연료탱크(T)의 초기 압력값, 용량 등과 같은 데이터의 정확성을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 압력저장부(100), 출입조절부(200), 압력조절부(300), 개폐제어부(400)를 포함한다.
압력저장부(100)는 수소공급유닛(10)으로부터 수소를 공급받아 저장한다.
본 실시예에 따른 압력저장부(100)는 버퍼탱크(110), 분기배관(120), 배출배관(130)을 포함한다.
버퍼탱크(110)는 내부에 펄스 압력이 생성되도록 수소를 압축된 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 압력저장용기로 예시될 수 있다. 버퍼탱크(110)의 내부에는 버퍼탱크(110)의 내부 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 설치될 수 있다.
분기배관(120)은 수소공급유닛(10)으로부터 분기되고, 수소공급유닛(10)으로부터 버퍼탱크(110)로 유입되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 분기배관(120)는 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 분기배관(120)은 일측이 공급배관(12), 보다 구체적으로 제1공급배관(12a)에 연결되고, 타측이 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된다. 분기배관(120)은 후술하는 공급조절밸브(210)의 개방 시 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 버퍼탱크(110)로 유입시킨다. 이 경우, 분기배관(120)의 일측은 제1메인공급밸브(13a)의 전단측에 연결될 수 있다. 이에 따라 분기배관(120)은 제1메인공급밸브(13a)의 개폐 여부에 관계없이 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 버퍼탱크(110)로 유입시킬 수 있다.
배출배관(130)은 버퍼탱크(110)와 디스펜서유닛(20)의 사이에 구비되고, 버퍼탱크(110)로부터 배출되어 디스펜서유닛(20)으로 전달되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 배출배관(130)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 배출배관(130)은 일측이 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결되고, 타측이 디스펜서본체(21)와 연결된다. 배출배관(130)은 후술하는 배출조절밸브(220)의 개방 시 버퍼탱크(110)에 저장된 수소를 디스펜서본체(21)의 내부로 유입시킨다. 배출배관(130)에는 배출배관(130)을 따라 유동하는 수소가 디스펜서유닛(20)으로부터 버퍼탱크(110)로 역류하는 것을 방지하기 위한 체크밸브(131)가 설치될 수 있다.
출입조절부(200)는 압력저장부(100)에 대한 수소의 출입을 단속한다.
본 실시예에 따른 출입조절부(200)는 공급조절밸브(210), 배출조절밸브(220)를 포함한다.
공급조절밸브(210)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 공급조절밸브(210)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 공급조절밸브(210)는 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된 분기배관(120)에 연결된다. 공급조절밸브(210)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 동작이 조절되며 분기배관(120)을 통해 수소가 버퍼탱크(110)로 유입되는 것을 제한하거나 허용한다.
배출조절밸브(220)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 배출조절밸브(220)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 배출조절밸브(220)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 배출배관(130)에 연결된다. 배출조절밸브(220)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 동작이 제어되며 수소가 버퍼탱크(110)로부터 배출배관(130)으로 배출되는 것을 제한하거나 허용한다.
압력조절부(300)는 압력저장부(100)로 유입되거나 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력값을 조절한다.
본 실시예에 따른 압력조절부(300)는 공급압력조절부(310), 배출압력조절부(320)를 포함한다.
공급압력조절부(310)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다. 이에 따라 공급압력조절부(310)는 수소공급유닛(10)에 저장된 수소의 압력과 관계 없이 항상 일정한 압력의 수소가 압력저장부(100)로 유입되도록 할 수 있다. 본 실시예에 따른 공급압력조절부(310)는 후단측으로 배출되는 유체의 압력을 일정하게 유지시키는 다양한 종류의 레귤레이터 밸브로 예시될 수 있다. 공급압력조절부(310)는 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된 분기배관(120)에 연결된다. 공급압력조절부(310)는 전단측이 수소공급유닛(10)을 향하고, 후단측이 버퍼탱크(110)를 향하도록 배치된다. 공급압력조절부(310)에 의해 유지되는 설정공급압력은 제1저장탱크(11a)에 저장된 수소의 압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시킨다. 이에 따라 배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력이 과도하게 낮아져 펄스 압력이 연료탱크(T)로 인가되지 못하는 현상을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 배출압력조절부(320)는 전단측으로 유입되는 유체의 압력이 설정 크기를 초과하면 후단측으로 유체를 배출시키는 다양한 종류의 역압력 조절기(BPR, Back Pressure Regulator)로 예시될 수 있다. 배출압력조절부(320)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 배출배관(130)에 연결된다. 배출압력조절부(320)는 전단측이 버퍼탱크(110)를 향하고, 후단측이 디스펜서유닛(20)을 향하도록 배치된다. 배출압력조절부(320)에 의해 유지되는 설정배출압력은 설정공급압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
개폐제어부(400)는 출입조절부(200)의 동작을 전반적으로 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 공급조절밸브(210) 및 배출조절밸브(220)와 연결되어 공급조절밸브(210) 및 배출조절밸브(220)의 개폐 동작을 개별적으로 제어한다. 개폐제어부(400)는 차량(V)과의 통신을 수행하는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 데이터를 전달받을 수 있다. 개폐제어부(400)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 개폐제어부(400)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
차량(V)의 충전에 앞서 개폐제어부(400)는 배출조절밸브(220)가 폐쇄된 상태에서 공급조절밸브(210)를 개방한다.
공급조절밸브(210)가 개방됨에 따라 제1저장탱크(11a)에 저장된 수소는 분기배관(120)을 따라 유동되며 버퍼탱크(110)의 내부로 유입된다.
이 경우, 공급압력조절부(310)는 제1저장탱크(11a)의 압력값과 관계 없이 버퍼탱크(110)의 내부로 유입되는 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다.
버퍼탱크(110)의 내부로 수소가 유입됨에 따라, 버퍼탱크(110)의 내부에는 펄스 압력이 생성된다.
버퍼탱크(110)의 내부 압력이 설정공급압력과 일치됨에 따라 개폐제어부(400)는 공급조절밸브(210)를 폐쇄한다.
이후, 충전노즐(23)이 차량(V)의 리셉터클(R)과 연결됨에 따라 개폐제어부(400)는 공급조절밸브(210)가 폐쇄된 상태에서 배출조절밸브(220)를 개방한다.
배출조절밸브(220)가 개방됨에 따라 버퍼탱크(110)의 내부에 저장된 수소는 디스펜서본체(21), 충전노즐(23)을 순차적으로 거쳐 연료탱크(T)의 내부로 주입되고, 버퍼탱크(110)에 생성된 펄스 압력이 연료탱크(T)의 내부로 인가된다.
이 경우, 배출압력조절부(320)는 버퍼탱크(110)로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시킴으로써 버퍼탱크(110)에 저장된 수소가 모두 연료탱크(T)의 내부로 주입되도록 할 수 있다.
개폐제어부(400)는 버퍼탱크(110)의 내부 압력이 설정배출압력과 일치됨에 따라 배출조절밸브(220)를 폐쇄한다.
이후, 공급제어부(14)는 펄스 압력을 통해 측정된 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 정보를 바탕으로 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)의 개폐 동작을 제어하고, 디스펜서유닛(20)은 연료탱크(T)로 수소를 충전한다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30)를 포함한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 수소 충전 보조장치(30)의 세부 구성만을 달리하도록 구성되는 바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 압력저장부(100), 출입조절부(200), 압력조절부(300), 개폐제어부(400)를 포함한다.
압력저장부(100)는 수소공급유닛(10)으로부터 수소를 공급받아 저장한다.
본 실시예에 따른 압력저장부(100)는 버퍼탱크(110), 분기배관(120), 배출배관(130)을 포함한다.
버퍼탱크(110)는 내부에 펄스 압력이 생성되도록 수소를 압축된 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 압력저장용기로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 버퍼탱크(110)는 제1버퍼탱크(111), 제2버퍼탱크(112)를 포함한다. 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)는 상호 이격되게 배치된다. 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)는 동일한 압력 조건하에서 서로 다른 저장 용량을 갖도록 형성된다. 예를 들어 제2버퍼탱크(112)는 제1버퍼탱크(111)보다 작은 저장용량을 갖도록 형성될 수 있다. 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)의 내부에는 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)의 내부 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 개별적으로 설치될 수 있다.
분기배관(120)은 수소공급유닛(10)으로부터 분기되고, 수소공급유닛(10)으로부터 버퍼탱크(110)로 유입되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 분기배관(120)는 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 분기배관(120)은 일측이 공급배관(12), 보다 구체적으로 제1공급배관(12a)에 연결된다. 이 경우, 분기배관(120)의 일측은 제1메인공급밸브(13a)의 전단측에 연결될 수 있다. 이에 따라 분기배관(120)은 제1메인공급밸브(13a)의 개폐 여부에 관계없이 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)로 유입시킬 수 있다.
분기배관(120)의 타측에는 제1버퍼유입배관(120a), 제2버퍼유입배관(120b)이 형성된다. 본 실시예에 따른 제1버퍼유입배관(120a), 제2버퍼유입배관(120b)은 일측이 분기배관(120)의 타측과 연결되고, 타측이 분기배관(120)으로부터 분기되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1버퍼유입배관(120a), 제2버퍼유입배관(120b)의 타측은 각각 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)의 입구측에 연결된다. 제1버퍼유입배관(120a), 제2버퍼유입배관(120b)은 분기배관(120)을 따라 유동하는 수소를 분기시켜 각각 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)로 유입시킨다.
배출배관(130)은 버퍼탱크(110)와 디스펜서유닛(20)의 사이에 구비되고, 버퍼탱크(110)로부터 배출되어 디스펜서유닛(20)으로 전달되는 수소의 유동을 안내한다.
본 실시예에 따른 배출배관(130)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 배출배관(130)은 일측이 버퍼탱크(110)와 연결된다. 보다 구체적으로, 배출배관(130)의 일측에는 제1버퍼배출배관(130a), 제2버퍼배출배관(130b)이 형성된다. 본 실시예에 따른 제1버퍼배출배관(130a), 제2버퍼배출배관(130b)은 일측이 각각 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)의 출구측에 연결되고, 타측이 배출배관(130)의 일측으로부터 분기되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1버퍼배출배관(130a), 제2버퍼배출배관(130b)은 제1버퍼탱크(111)와 제2버퍼탱크(112)에 저장된 수소를 배출배관(130)의 일측으로 유입시킨다. 배출배관(130)은 타측이 디스펜서본체(21)와 연결된다. 배출배관(130)에는 배출배관(130)을 따라 유동하는 수소가 디스펜서유닛(20)으로부터 버퍼탱크(110)로 역류하는 것을 방지하기 위한 체크밸브(131)가 설치될 수 있다.
출입조절부(200)는 압력저장부(100)에 대한 수소의 출입을 단속한다.
본 실시예에 따른 출입조절부(200)는 공급조절밸브(210), 배출조절밸브(220)를 포함한다.
공급조절밸브(210)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 공급조절밸브(210)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 공급조절밸브(210)는 제1공급조절밸브(211), 제2공급조절밸브(212)를 포함한다.
제1공급조절밸브(211)는 제1버퍼탱크(111)의 입구측에 연결된 제1버퍼유입배관(120a)에 연결된다. 제1공급조절밸브(211)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 제1버퍼유입배관(120a)을 통해 수소가 제1버퍼탱크(111)로 유입되는 것을 제한하거나 허용한다.
제2공급조절밸브(212)는 제2버퍼탱크(112)의 입구측에 연결된 제2버퍼유입배관(120b)에 연결된다. 제2공급조절밸브(212)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 제2버퍼유입배관(120b)을 통해 수소가 제2버퍼탱크(112)로 유입되는 것을 제한하거나 허용한다.
배출조절밸브(220)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 배출조절밸브(220)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 배출조절밸브(220)는 제1배출조절밸브(221), 제2배출조절밸브(222)를 포함한다.
제1배출조절밸브(221)는 제1버퍼탱크(111)의 출구측에 연결된 제1버퍼배출배관(130a)에 연결된다. 제1배출조절밸브(221)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 수소가 제1버퍼탱크(111)로부터 배출배관(130)으로 배출되는 것을 제한하거나 허용한다.
제2배출조절밸브(222)는 제2버퍼탱크(112)의 출구측에 연결된 제2버퍼배출배관(130b)에 연결된다. 제2배출조절밸브(222)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 수소가 제2버퍼탱크(112)로부터 배출배관(130)으로 배출되는 것을 제한하거나 허용한다.
압력조절부(300)는 압력저장부(100)로 유입되거나 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력값을 조절한다.
본 실시예에 따른 압력조절부(300)는 공급압력조절부(310), 배출압력조절부(320)를 포함한다.
공급압력조절부(310)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다. 이에 따라 공급압력조절부(310)는 수소공급유닛(10)에 저장된 수소의 압력과 관계 없이 항상 일정한 압력의 수소가 압력저장부(100)로 유입되도록 할 수 있다. 본 실시예에 따른 공급압력조절부(310)는 후단측으로 배출되는 유체의 압력을 일정하게 유지시키는 다양한 종류의 레귤레이터 밸브로 예시될 수 있다. 공급압력조절부(310)는 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 입구측에 연결된 분기배관(120)에 연결된다. 공급압력조절부(310)는 전단측이 수소공급유닛(10)을 향하고, 후단측이 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)를 향하도록 배치된다. 공급압력조절부(310)에 의해 유지되는 설정공급압력은 제1저장탱크(11a)에 저장된 수소의 압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시킨다. 이에 따라 배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력이 과도하게 낮아져 펄스 압력이 연료탱크(T)로 인가되지 못하는 현상을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 배출압력조절부(320)는 전단측으로 유입되는 유체의 압력이 설정 크기를 초과하면 후단측으로 유체를 배출시키는 다양한 종류의 역압력 조절기(BPR, Back Pressure Regulator)로 예시될 수 있다. 배출압력조절부(320)는 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 출구측에 연결된 배출배관(130)에 연결된다. 배출압력조절부(320)는 전단측이 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)를 향하고, 후단측이 디스펜서유닛(20)을 향하도록 배치된다. 배출압력조절부(320)에 의해 유지되는 설정배출압력은 설정공급압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
개폐제어부(400)는 출입조절부(200)의 동작을 전반적으로 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 제1공급조절밸브(211), 제2공급조절밸브(212), 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)와 연결되어 제1공급조절밸브(211), 제2공급조절밸브(212), 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)의 개폐 동작을 개별적으로 제어한다. 개폐제어부(400)는 차량(V)과의 통신을 수행하는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 데이터를 전달받을 수 있다.
개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 연료탱크(T)의 용량에 기초하여 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)의 개폐 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 메모리에 저장된 테이블을 바탕으로 통신모듈(25)로부터 전달받은 연료탱크(T)의 용량이 제1버퍼탱크(111)에 대응되는 경우 제1배출조절밸브(221)를 개방하고, 통신모듈(25)로부터 전달받은 연료탱크(T)의 용량이 제2버퍼탱크(112)에 대응되는 경우 제2배출조절밸브(222)를 개방한다. 이에 따라 개폐제어부(400)는 펄스 압력 인가 시 연료탱크(T)의 용량에 대응되는 용량의 수소를 연료탱크(T)로 주입시킴으로써 연료탱크(T)로 정량화된 펄스 압력을 인가할 수 있고, 과도한 용량의 수소가 연료탱크(T)로 주입됨에 따라 발생되는 연료탱크(T)의 과열을 방지할 수 있다.
한편, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(222) 및 제1배출조절밸브(221)를 순차적으로 개방할 수 있다. 이에 따라 개폐제어부(400)는 상대적으로 작은 저장 용량을 갖는 제2버퍼탱크(112)에 저장된 수소를 연료탱크(T)에 우선적으로 주입시킴으로써 과도한 용량의 수소가 연료탱크(T)로 주입됨에 따라 발생되는 연료탱크(T)의 과열을 방지할 수 있다.
개폐제어부(400)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 개폐제어부(400)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 충전 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
차량(V)의 충전에 앞서 개폐제어부(400)는 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)가 폐쇄된 상태에서 제1공급조절밸브(211) 및 제2공급조절밸브(212)를 개방한다.
제1공급조절밸브(211) 및 제2공급조절밸브(212)가 개방됨에 따라 제1저장탱크(11a)을 통해 분기배관(120)으로 유입된 수소는 제1버퍼유입배관(120a) 및 제2버퍼유입배관(120b)을 통해 각각 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 내부로 유입된다.
이 경우, 공급압력조절부(310)는 제1저장탱크(11a)의 압력값과 관계 없이 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 내부로 유입되는 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다.
제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 내부로 수소가 유입됨에 따라, 제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 내부에는 펄스 압력이 생성된다.
제1버퍼탱크(111) 및 제2버퍼탱크(112)의 내부 압력이 설정공급압력과 일치됨에 따라 개폐제어부(400)는 제1공급조절밸브(211) 및 제2공급조절밸브(212)를 폐쇄한다.
이후, 충전노즐(23)이 차량(V)의 리셉터클(R)과 연결되고, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 용량에 대한 데이터를 전달받는다.
개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 전달받은 연료탱크(T)의 용량에 기초하여 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)의 개폐 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 메모리에 저장된 테이블을 바탕으로 통신모듈(25)로부터 전달받은 연료탱크(T)의 용량이 제1버퍼탱크(111)에 대응되는 경우 제1배출조절밸브(221)를 개방함과 동시에 제2배출조절밸브(222)를 폐쇄한다. 또한 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)로부터 전달받은 연료탱크(T)의 용량이 제2버퍼탱크(112)에 대응되는 경우 제2배출조절밸브(222)를 개방함과 동시에 제1배출조절밸브(221)를 폐쇄한다.
한편, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(222) 및 제1배출조절밸브(221)를 순차적으로 개방할 수 있다.
제1배출조절밸브(221) 또는 제2배출조절밸브(222)가 개방됨에 따라 제1버퍼탱크(111) 또는 제2버퍼탱크(112)의 내부에 저장된 수소는 디스펜서본체(21), 충전노즐(23)을 순차적으로 거쳐 연료탱크(T)의 내부로 주입되고, 펄스 압력이 연료탱크(T)의 내부로 인가된다.
이 경우, 배출압력조절부(320)는 제1버퍼탱크(111) 또는 제2버퍼탱크(112)로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시킴으로써 제1버퍼탱크(111) 또는 제2버퍼탱크(112)에 저장된 수소가 모두 연료탱크(T)의 내부로 주입되도록 할 수 있다.
개폐제어부(400)는 버퍼탱크(110)의 내부 압력이 설정배출압력과 일치됨에 따라 제1배출조절밸브(221) 또는 제2배출조절밸브(222)를 폐쇄한다.
이후, 공급제어부(14)는 펄스 압력을 통해 측정된 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 정보를 바탕으로 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)의 개폐 동작을 제어하고, 디스펜서유닛(20)은 연료탱크(T)로 수소를 충전한다.
이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30)를 포함한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 수소 충전 보조장치(30)의 세부 구성만을 달리하도록 구성되는 바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 압력저장부(100), 출입조절부(200), 압력조절부(300), 개폐제어부(400)를 포함한다.
압력저장부(100)는 수소공급유닛(10)으로부터 수소를 공급받아 저장한다.
본 실시예에 따른 압력저장부(100)는 버퍼탱크(110), 분기배관(120), 배출배관(130)을 포함한다.
버퍼탱크(110)는 내부에 펄스 압력이 생성되도록 수소를 압축된 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 압력저장용기로 예시될 수 있다. 버퍼탱크(110)의 내부에는 버퍼탱크(110)의 내부 압력을 측정할 수 있는 압력센서가 설치될 수 있다.
분기배관(120)은 수소공급유닛(10)으로부터 분기되고, 수소공급유닛(10)으로부터 버퍼탱크(110)로 유입되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 분기배관(120)는 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 분기배관(120)은 일측이 공급배관(12), 보다 구체적으로 제1공급배관(12a)에 연결되고, 타측이 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된다. 분기배관(120)은 후술하는 공급조절밸브(210)의 개방 시 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 버퍼탱크(110)로 유입시킨다. 이 경우, 분기배관(120)의 일측은 제1메인공급밸브(13a)의 전단측에 연결될 수 있다. 이에 따라 분기배관(120)은 제1메인공급밸브(13a)의 개폐 여부에 관계없이 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 버퍼탱크(110)로 유입시킬 수 있다.
배출배관(130)은 버퍼탱크(110)와 디스펜서유닛(20)의 사이에 구비되고, 버퍼탱크(110)로부터 배출되어 디스펜서유닛(20)으로 전달되는 수소의 유동을 안내한다.
본 실시예에 따른 배출배관(130)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 배출배관(130)은 일측이 버퍼탱크(110)와 연결된다. 보다 구체적으로, 배출배관(130)의 일측에는 제1배출분기배관(130c), 제2배출분기배관(130d)이 형성된다. 본 실시예에 따른 제1배출분기배관(130c), 제2배출분기배관(130d)은 일측이 각각 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결되고, 타측이 배출배관(130)의 일측으로부터 분기되는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 제1배출분기배관(130c), 제2배출분기배관(130d)에는 제1배출분기배관(130c), 제2배출분기배관(130d)을 따라 유동하는 수소가 디스펜서유닛(20)으로부터 버퍼탱크(110)로 역류하는 것을 방지하기 위한 제1체크밸브(131a), 제2체크밸브(131b)가 설치될 수 있다. 제1배출분기배관(130c), 제2배출분기배관(130d)은 버퍼탱크(110)에 저장된 수소를 배출배관(130)의 일측으로 유입시킨다. 배출배관(130)은 타측이 디스펜서본체(21)와 연결된다.
출입조절부(200)는 압력저장부(100)에 대한 수소의 출입을 단속한다.
본 실시예에 따른 출입조절부(200)는 공급조절밸브(210), 배출조절밸브(220)를 포함한다.
공급조절밸브(210)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 공급조절밸브(210)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 공급조절밸브(210)는 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된 분기배관(120)에 연결된다. 공급조절밸브(210)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 동작이 조절되며 분기배관(120)을 통해 수소가 버퍼탱크(110)로 유입되는 것을 제한하거나 허용한다.
배출조절밸브(220)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 배출조절밸브(220)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 배출조절밸브(220)는 제1배출조절밸브(223), 제2배출조절밸브(224)를 포함한다.
제1배출조절밸브(223)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 제1배출분기배관(130c)에 연결된다. 제1배출조절밸브(223)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 수소가 버퍼탱크(110)로부터 배출배관(130)으로 배출되는 것을 제한하거나 허용한다.
제2배출조절밸브(224)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 제2배출분기배관(130d)에 연결된다. 제2배출조절밸브(222)는 후술하는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 여부가 조절되며 수소가 버퍼탱크(110)로부터 배출배관(130)으로 배출되는 것을 제한하거나 허용한다.
압력조절부(300)는 압력저장부(100)로 유입되거나 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력값을 조절한다.
본 실시예에 따른 압력조절부(300)는 공급압력조절부(310), 배출압력조절부(320)를 포함한다.
공급압력조절부(310)는 압력저장부(100)의 일측에 연결되고, 압력저장부(100)로 유입되는 수소의 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다. 이에 따라 공급압력조절부(310)는 수소공급유닛(10)에 저장된 수소의 압력과 관계 없이 항상 일정한 압력의 수소가 압력저장부(100)로 유입되도록 할 수 있다. 본 실시예에 따른 공급압력조절부(310)는 후단측으로 배출되는 유체의 압력을 일정하게 유지시키는 다양한 종류의 레귤레이터 밸브로 예시될 수 있다. 공급압력조절부(310)는 버퍼탱크(110)의 입구측에 연결된 분기배관(120)에 연결된다. 공급압력조절부(310)는 전단측이 수소공급유닛(10)을 향하고, 후단측이 버퍼탱크(110)를 향하도록 배치된다. 공급압력조절부(310)에 의해 유지되는 설정공급압력은 제1저장탱크(11a)에 저장된 수소의 압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시킨다. 이에 따라 배출압력조절부(320)는 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력이 과도하게 낮아져 펄스 압력이 연료탱크(T)로 인가되지 못하는 현상을 방지할 수 있다. 배출압력조절부(320)는 전단측으로 유입되는 유체의 압력이 설정 크기를 초과하면 후단측으로 유체를 배출시키는 다양한 종류의 역압력 조절기(BPR, Back Pressure Regulator)로 예시될 수 있다.
본 실시예에 따른 배출압력조절부(320)는 제1배출압력조절부(321), 제2배출압력조절부(322)를 포함한다.
제1배출압력조절부(321)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력을 제1설정배출압력 이상으로 유지시킨다. 본 실시예에 따른 제1배출압력조절부(321)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 제1배출분기배관(130c)에 연결된다. 제1배출압력조절부(321)는 전단측이 버퍼탱크(110)를 향하도록 배치되어 제1배출조절밸브(221)의 후단측과 연결된다. 제1배출압력조절부(321)는 후단측이 디스펜서유닛(20)을 향하도록 배치된다. 배출압력조절부(320)에 의해 유지되는 제1설정배출압력은 설정공급압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
제2배출압력조절부(322)는 압력저장부(100)의 타측에 연결되고, 압력저장부(100)로부터 배출되는 수소의 압력을 제2설정배출압력 이상으로 유지시킨다. 본 실시예에 따른 제2배출압력조절부(322)는 버퍼탱크(110)의 출구측에 연결된 제2배출분기배관(130d)에 연결된다. 제2배출압력조절부(322)는 전단측이 버퍼탱크(110)를 향하도록 배치되어 제2배출조절밸브(222)의 후단측과 연결된다. 제2배출압력조절부(322)는 후단측이 디스펜서유닛(20)을 향하도록 배치된다. 제2배출압력조절부(322)에 의해 유지되는 제2설정배출압력은 설정공급압력 및 제1설정배출압력보다 작은 범위 내에서 다양한 값으로 설계 변경이 가능하다.
개폐제어부(400)는 출입조절부(200)의 동작을 전반적으로 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 공급조절밸브(210), 제1배출조절밸브(223) 및 제2배출조절밸브(224)와 연결되어 공급조절밸브(210), 제1배출조절밸브(223) 및 제2배출조절밸브(224)의 개폐 동작을 개별적으로 제어한다. 개폐제어부(400)는 차량(V)과의 통신을 수행하는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 데이터를 전달받을 수 있다.
개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 연료탱크(T)의 초기 압력값에 기초하여 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)의 개폐 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 미만인 경우 제2배출조절밸브(224)를 개방하고, 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 이상 제1설정배출압력 미만인 경우 제1배출조절밸브(223)를 개방한다. 이에 따라 개폐제어부(400)는 연료탱크(T)의 초기 충전량이 변경되더라도 연료탱크(T)로 주입되는 수소의 압력을 항상 연료탱크(T)의 초기 압력값보다 큰 상태로 유지시킴으로써 버퍼탱크(110)에 저장된 수소가 연료탱크(T)로 주입되지 않는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(222) 및 제1배출조절밸브(221)를 순차적으로 개방할 수 있다. 이에 따라 개폐제어부(400)는 제2배출압력조절부(322)를 통해 상대적으로 낮은 설정배출압력으로 배출되는 수소를 연료탱크(T)에 우선적으로 주입시킴으로써 과도한 용량의 수소가 연료탱크(T)로 주입됨에 따라 발생되는 연료탱크(T)의 과열을 방지할 수 있다.
개폐제어부(400)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 개폐제어부(400)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 충전 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
차량(V)의 충전에 앞서 개폐제어부(400)는 제1배출조절밸브(223) 및 제2배출조절밸브(224)가 폐쇄된 상태에서 공급조절밸브(210)를 개방한다.
공급조절밸브(210)가 개방됨에 따라 제1저장탱크(11a)을 통해 분기배관(120)으로 유입된 수소는 버퍼탱크(110)의 내부로 유입된다.
이 경우, 공급압력조절부(310)는 제1저장탱크(11a)의 압력값과 관계 없이 버퍼탱크(110)의 내부로 유입되는 압력을 설정공급압력으로 유지시킨다.
버퍼탱크(110)의 내부로 수소가 유입됨에 따라, 버퍼탱크(110)의 내부에는 펄스 압력이 생성된다.
버퍼탱크(110)의 내부 압력이 설정공급압력과 일치됨에 따라 개폐제어부(400)는 공급조절밸브(210)를 폐쇄한다.
이후, 충전노즐(23)이 차량(V)의 리셉터클(R)과 연결되고, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값에 대한 데이터를 전달받는다. 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 개폐제어부(400)는 전달받은 연료탱크(T)의 초기 압력값에 기초하여 제1배출조절밸브(221) 및 제2배출조절밸브(222)의 개폐 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(400)는 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 미만인 경우 제2배출조절밸브(224)를 개방함과 동시에 제1배출조절밸브(223)를 폐쇄한다. 또한, 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 이상 제1설정배출압력 미만인 경우 제1배출조절밸브(223)를 개방함과 동시에 제2배출조절밸브(224)를 폐쇄한다.
한편, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(222) 및 제1배출조절밸브(221)를 순차적으로 개방할 수 있다.
제1배출조절밸브(221) 또는 제2배출조절밸브(222)가 개방됨에 따라 버퍼탱크(110)의 내부에 저장된 수소는 디스펜서본체(21), 충전노즐(23)을 순차적으로 거쳐 연료탱크(T)의 내부로 주입되고, 펄스 압력이 연료탱크(T)의 내부로 인가된다.
개폐제어부(400)는 버퍼탱크(110)의 내부 압력이 제1설정배출압력 또는 제2설정배출압력과 일치됨에 따라 제1배출조절밸브(221) 또는 제2배출조절밸브(222)를 폐쇄한다.
이후, 공급제어부(14)는 펄스 압력을 통해 측정된 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 정보를 바탕으로 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)의 개폐 동작을 제어하고, 디스펜서유닛(20)은 연료탱크(T)로 수소를 충전한다.
이하에서는 본 발명의 제4실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30)를 포함한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 수소 충전 보조장치(30)의 세부 구성만을 달리하도록 구성되는 바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 제1 수소 충전 보조장치(31), 제2 수소 충전 보조장치(32), 개폐제어부(33)를 포함한다.
제1 수소 충전 보조장치(31)는 제1저장탱크(11a)와 연결되어 제1저장탱크(11a)로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성 및 저장하고, 생성된 펄스 압력을 디스펜서유닛(20)으로 전달한다.
본 실시예에 따른 제1 수소 충전 보조장치(31)는 제1버퍼탱크(1110), 제1분기배관(1120), 제1배출배관(1130), 제1공급조절밸브(1210), 제1배출조절밸브(1220), 제1공급압력조절부(1310), 제1배출압력조절부(1320)를 포함한다.
본 실시예에 따른 제1버퍼탱크(1110), 제1분기배관(1120), 제1배출배관(1130), 제1공급조절밸브(1210), 제1배출조절밸브(1220)는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 버퍼탱크(110), 분기배관(120), 배출배관(130), 공급조절밸브(210), 배출조절밸브(220)와 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 제1공급압력조절부(1310)는 제1버퍼탱크(1110)로 유입되는 수소의 압력을 제1설정공급압력으로 유지시키고, 제1배출압력조절부(1320)는 제1버퍼탱크(1110)로부터 배출되는 수소의 압력을 제1설정배출압력 이상으로 유지시킨다는 점을 제외하고, 본 발명의 제1실시예에 따른 공급압력조절부(310), 배출압력조절부(320)와 동일하게 구성될 수 있다.
제2 수소 충전 보조장치(32)는 제2저장탱크(11b)와 연결되어 제2저장탱크(11b)로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성 및 저장하고, 생성된 펄스 압력을 디스펜서유닛(20)으로 전달한다.
본 실시예에 따른 제2 수소 충전 보조장치(32)는 제2버퍼탱크(2110), 제2분기배관(2120), 제2배출배관(2130), 제2공급조절밸브(2210), 제2배출조절밸브(2220), 제2공급압력조절부(2310), 제2배출압력조절부(2320)를 포함한다.
본 실시예에 따른 제2버퍼탱크(2110), 제2배출배관(2130), 제2공급조절밸브(2210), 제2배출조절밸브(2220)는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 버퍼탱크(110), 분기배관(120), 배출배관(130), 공급조절밸브(210), 배출조절밸브(220)와 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 제2분기배관(2120)은 제2공급배관(12b)에 연결된다는 점을 제외하고 본 발명의 제1실시예에 따른 분기배관(120)과 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 제2공급압력조절부(2310)는 2버퍼탱크(2110)로 유입되는 수소의 압력을 제2설정공급압력으로 유지시키고, 제2배출압력조절부(2320)는 제2버퍼탱크(2110)로부터 배출되는 수소의 압력을 제2설정배출압력 이상으로 유지시킨다는 점을 제외하고, 본 발명의 제1실시예에 따른 공급압력조절부(310), 배출압력조절부(320)와 동일하게 구성될 수 있다. 여기서, 제2설정공급압력과 제2설정배출압력은 각각 제1설정공급압력과 제1설정배출압력보다 작은 값을 가질 수 있다.
개폐제어부(33)는 제1공급조절밸브(1210), 제1배출조절밸브(1220), 제2공급조절밸브(2210) 및 제2배출조절밸브(2220)와 연결되어 제1공급조절밸브(1210), 제1배출조절밸브(1220), 제2공급조절밸브(2210) 및 제2배출조절밸브(2220)의 개폐 동작을 개별적으로 제어한다. 개폐제어부(400)는 차량(V)과의 통신을 수행하는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 데이터를 전달받을 수 있다.
개폐제어부(33)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 연료탱크(T)의 초기 압력값에 기초하여 제1배출조절밸브(1220) 및 제2배출조절밸브(2220)의 개폐 동작을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(33)는 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 미만인 경우 제2배출조절밸브(2220)를 개방하고, 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 이상 제1설정배출압력 미만인 경우 제1배출조절밸브(1220)를 개방한다. 이에 따라 개폐제어부(33)는 연료탱크(T)의 초기 충전량이 변경되더라도 연료탱크(T)로 주입되는 수소의 압력을 항상 연료탱크(T)의 초기 압력값보다 큰 상태로 유지시킴으로써 펄스 압력 인가 시 수소가 연료탱크(T)로 주입되지 않는 현상을 방지할 수 있다.
한편, 개폐제어부(33)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(2220) 및 제1배출조절밸브(1220)를 순차적으로 개방할 수 있다. 이에 따라 개폐제어부(33)는 제2배출압력조절부(2320)를 통해 상대적으로 낮은 설정배출압력으로 배출되는 수소를 연료탱크(T)에 우선적으로 주입시킴으로써 과도한 용량의 수소가 연료탱크(T)로 주입됨에 따라 발생되는 연료탱크(T)의 과열을 방지할 수 있다.
개폐제어부(33)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 개폐제어부(33)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4실시예에 따른 수소 충전 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
차량(V)의 충전에 앞서 개폐제어부(33)는 제1배출조절밸브(1220) 및 제2배출조절밸브(2220)가 폐쇄된 상태에서 제1공급조절밸브(1210) 및 제2공급조절밸브(2210)를 개방한다.
제1공급조절밸브(1210) 및 제2공급조절밸브(2210)가 개방됨에 따라 제1저장탱크(11a)을 통해 제1분기배관(1120)으로 유입된 수소는 제1버퍼탱크(1110)의 내부로 유입되고, 제2저장탱크(11b)를 통해 제2분기배관(2120)으로 유입된 수소는 제1버퍼탱크(2110)의 내부로 유입된다.
이 경우, 제1공급압력조절부(1310) 및 제2공급압력조절부(2310)는 제1저장탱크(11a) 및 제2저장탱크(11b)의 압력값과 관계 없이 제1버퍼탱크(1110) 및 제2버퍼탱크(2110)의 내부로 유입되는 압력을 각각 제1설정공급압력 및 제2설정공급압력으로 유지시킨다.
제1버퍼탱크(1110) 및 제2버퍼탱크(2110)의 내부로 수소가 유입됨에 따라, 제1버퍼탱크(1110) 및 제2버퍼탱크(2110)의 내부에는 펄스 압력이 생성된다.
제1버퍼탱크(1110) 및 제2버퍼탱크(2110)의 내부 압력이 각각 제1설정공급압력 및 제2설정공급압력과 일치됨에 따라 개폐제어부(33)는 제1공급조절밸브(1210) 및 제2공급조절밸브(2210)를 폐쇄한다.
이후, 충전노즐(23)이 차량(V)의 리셉터클(R)과 연결되고, 개폐제어부(33)는 통신모듈(25)을 통해 연료탱크(T)의 초기 압력값에 대한 데이터를 전달받는다. 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활한 경우, 개폐제어부(33)는 전달받은 연료탱크(T)의 초기 압력값에 기초하여 제1배출조절밸브(1220) 및 제2배출조절밸브(2220)의 개폐 동작을 제어한다. 보다 구체적으로, 개폐제어부(33)는 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 미만인 경우 제2배출조절밸브(2220)를 개방함과 동시에 제1배출조절밸브(1220)를 폐쇄한다. 또한, 연료탱크(T)의 초기 압력값이 제2설정배출압력 이상 제1설정배출압력 미만인 경우 제1배출조절밸브(1220)를 개방함과 동시에 제2배출조절밸브(2220)를 폐쇄한다.
한편, 개폐제어부(400)는 통신모듈(25)과 차량(V)의 통신 상태가 원활하지 않은 경우, 제2배출조절밸브(2220) 및 제1배출조절밸브(1220)를 순차적으로 개방할 수 있다.
제1배출조절밸브(1220) 또는 제2배출조절밸브(2220)가 개방됨에 따라 제1버퍼탱크(1110) 또는 제2버퍼탱크(2110)의 내부에 저장된 수소는 디스펜서본체(21), 충전노즐(23)을 순차적으로 거쳐 연료탱크(T)의 내부로 주입되고, 펄스 압력이 연료탱크(T)의 내부로 인가된다.
개폐제어부(33)는 제1버퍼탱크(1110) 또는 제2버퍼탱크(2110)의 내부 압력이 제1설정배출압력 또는 제2설정배출압력과 일치됨에 따라 제1배출조절밸브(1220) 또는 제2배출조절밸브(2220)를 폐쇄한다.
이후, 공급제어부(14)는 펄스 압력을 통해 측정된 연료탱크(T)의 초기 압력값 및 연료탱크(T)의 용량에 대한 정보를 바탕으로 제1메인공급밸브(13a), 제2메인공급밸브(13b), 제3메인공급밸브(13c)의 개폐 동작을 제어하고, 디스펜서유닛(20)은 연료탱크(T)로 수소를 충전한다.
이하에서는 본 발명의 제5실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30)를 포함한다.
본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 수소공급유닛(10)의 세부 구성만을 달리하도록 구성되는 바, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 시스템과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 수소공급유닛(10)은 저장탱크(11), 공급배관(12), 메인공급밸브(13), 공급제어부(14), 전달배관(15), 압축기(16)를 포함한다.
저장탱크(11)는 수소를 압축된 상태로 저장한다. 저장탱크(11)는 후술하는 메인공급밸브(13)의 개방 시 차량(V)에 구비된 연료탱크(T)와의 차압에 의해 내부에 저장된 수소를 후술하는 디스펜서유닛(20)으로 공급한다. 본 실시예에 따른 저장탱크(11)는 내부에 수소를 압축된 상태로 저장할 수 있는 다양한 종류의 압력저장용기로 예시될 수 있다.
공급배관(12)은 저장탱크(11)와 연결되고, 저장탱크(11) 및 후술하는 압축기(16)로부터 배출되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 공급배관(12)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성되고, 일측이 분기되어 각각 저장탱크(11) 및 압축기(16)에 연결된다.
메인공급밸브(13)는 공급배관(12)에 연결되고, 공급배관(12)을 통한 수소의 유동을 단속한다. 본 실시예에 따른 메인공급밸브(13)는 공급배관(12)에 연결되고,공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 메인공급밸브(13)는 후술하는 공급제어부(14)에 의해 개폐 동작이 제어되며 공급배관(12)을 통한 수소의 유동을 제한하거나 허용한다.
공급제어부(14)는 메인공급밸브(13)의 동작을 전반적으로 제어한다. 공급제어부(14)는 전자 제어 유닛(ECU: Electronic Control Unit), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit), 프로세서(Processor) 또는 SoC(System on Chip)를 포함하여 구성될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 공급제어부(14)는 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.
전달배관(15)은 공급배관(12)과 연결되고, 공급배관(12)을 따라 유동하는 수소를 후술하는 디스펜서유닛(20)으로 전달한다. 본 실시예에 따른 전달배관(15)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 전달배관(15)은 일측이 공급제어부(14)를 매개로 공급배관(12)과 간접적으로 연결된다. 이와 달리 전달배관(15)은 일측이 공급배관(12)과 직접적으로 연결되는 것도 가능하다. 전달배관(15)은 타측이 디스펜서본체(21)와 연결되어 디스펜서본체(21)의 내부로 수소를 전달한다.
압축기(16)는 수소를 압축하고, 압축된 수소를 디스펜서유닛(20)으로 직접 공급한다. 본 실시예에 따른 압축기(16)는 입구측으로 유입된 수소를 압축하고, 출구측으로 압축된 수소를 배출할 수 있는 다양한 종류의 압축 장치로 예시될 수 있다. 예를 들어 압축기(16)는 수소를 약 900bar로 압축시킬 수 있다. 압축기(16)는 출구측이 공급배관(12)의 일측과 연결된다.
이하에서는 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 충전 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 충전 시스템은 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20), 수소 충전 보조장치(30), 수소회수유닛(40)을 포함한다.
본 실시예에 따른 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20)은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소공급유닛(10), 디스펜서유닛(20)과 동일하게 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 본 발명의 제1실시예, 제2실시예 및 제3실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30) 중 어느 하나와 동일하게 구성될 수 있다. 즉, 도 6에서는 본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)가 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)와 동일하게 구성되는 것을 예로 들어 도시하고 있으나, 본 실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30)는 이러한 사항에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 수소 충전 보조장치(30) 중 어느 하나와 동일하게 구성되는 것도 가능하다.
수소회수유닛(40)은 연료탱크(T)로의 수소 충전이 완료된 이후, 디스펜서유닛(20)에 잔류하는 수소를 수소 충전 보조장치(30)로 회수한다. 이에 따라 수소회수유닛(40)은 충전 후 디스펜서유닛(20)에 잔존하는 수소에 의한 화재 발생 위험을 줄이고, 수소의 소비 효율을 향상시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 수소회수유닛(40)은 회수배관(41), 회수밸브(42), 회수구동부(43), 회수체크밸브(44)를 포함한다.
회수배관(41)은 디스펜서유닛(20)과 수소 충전 보조장치(30)의 사이에 구비되고, 디스펜서유닛(20)으로부터 수소 충전 보조장치(30)로 회수되는 수소의 유동을 안내한다. 본 실시예에 따른 회수배관(41)은 내부가 비어있는 관의 형태를 갖도록 형성된다. 회수배관(41)은 일측이 디스펜서유닛(20)과 연결된다. 보다 구체적으로, 회수배관(41)은 일측이 디스펜서본체(21)와 연결된 배출배관(130)과 연결되어 디스펜서유닛(20)과 간접적으로 연결될 수 있다. 회수배관(41)은 타측이 수소 충전 보조장치(30)와 연결된다. 보다 구체적으로, 회수배관(41)은 타측이 공급조절밸브(210)의 후단측, 즉 공급조절밸브(210)와 버퍼탱크(110)의 사이에 연결된다. 이에 따라 회수배관(41)은 공급조절밸브(210)의 개폐 여부와 관계 없이 디스펜서유닛(20)으로부터 회수되는 수소를 버퍼탱크(110)의 내부로 유입시킬 수 있다.
회수밸브(42)는 회수배관(41)에 연결되고, 회수배관(41)을 통한 수소의 유동을 제한하거나 허용한다. 본 실시예에 따른 회수밸브(42)는 공압에 의해 개폐 상태가 조절되는 다양한 종류의 공압밸브로 예시될 수 있다. 회수밸브(42)는 개폐제어부(400)에 의해 개폐 동작이 제어되며 회수배관(41)을 통해 수소가 버퍼탱크(110)로 유입되는 것을 제한하거나 허용한다.
회수구동부(43)는 구동력을 발생시켜 회수배관(41) 내부의 수소를 수소 충전 보조장치(30)로 향해 유동시킨다. 본 실시예에 따른 회수구동부(43)는 회수배관(41)과 연결되고, 외부로부터 전원을 인가받아 회수배관(41) 내부의 수소에 유동력을 인가하는 다양한 종류의 펌프로 예시될 수 있다. 회수구동부(43)는 회수배관(41) 내부의 수소에 디스펜서유닛(20)으로부터 수소 충전 보조장치(30)를 향하는 방향으로 유동력을 인가한다. 이에 따라 회수구동부(43)는 버퍼탱크(110)와 디스펜서본체(21)의 내부 압력 차이가 크지 않거나, 버퍼탱크(110)의 내부 압력이 디스펜서본체(21)의 내부 압력보다 큰 경우, 수소에 직접적인 외력을 부가함으로써 수소가 회수배관(41)을 따라 버퍼탱크(110)로 원활하게 회수되도록 유도할 수 있다. 회수구동부(43)는 개폐제어부(400)에 의해 구동력의 발생 여부가 제어될 수 있다.
회수체크밸브(44)는 회수배관(41)에 연결되고, 수소가 수소 충전 보조장치(30)로부터 디스펜서유닛(20)으로 유동되는 것을 방지한다. 즉, 회수체크밸브(44)는 회수배관(41) 내의 수소가 역류하는 것을 방지하는 구성으로서 기능하다. 본 실시예에 따른 회수체크밸브(44)는 회수배관(41)에 연결 가능한 다양한 종류의 체크밸브로 예시될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제6실시예에 따른 수소 충전 시스템의 동작을 상세하게 설명하도록 한다.
충전 완료 이후, 공급제어부(14)는 메인공급밸브(13)를 모두 폐쇄하여 디스펜서유닛(20)으로의 수소 공급을 중단하고, 충전노즐(23)과 리셉터클(R)은 상호 분리된다.
이 경우, 디스펜서본체(21)의 내부에는 배관의 길이 등에 의해 일정량의 수소가 잔존하게 된다.
이후, 개폐제어부(400)는 회수밸브(42)를 개방한다.
회수밸브(42)가 개방됨에 따라, 버퍼탱크(110)와 디스펜서본체(21)의 차압에 의해 디스펜서본체(21)에 잔존하는 수소는 회수배관(41)을 통해 버퍼탱크(110)로 회수된다.
한편, 버퍼탱크(110)와 디스펜서본체(21)의 내부 압력 차이가 크지 않거나, 버퍼탱크(110)의 내부 압력이 디스펜서본체(21)의 내부 압력보다 큰 경우, 개폐제어부(400)는 회수구동부(43)를 동작시킨다.
회수배관(41) 내부의 수소는 회수구동부(43)에 의해 가해지는 유동력에 의해 버퍼탱크(110)로 회수된다.
이후, 디스펜서본체(21)의 내부에 잔존하는 수소가 모두 회수됨에 따라 개폐제어부(400)는 회수밸브(42)를 폐쇄한다.
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.
10 : 수소공급유닛 11 : 저장탱크
11a : 제1저장탱크 11b : 제2저장탱크
11c : 제3저장탱크 12 : 공급배관
12a : 제1공급배관 12b : 제2공급배관
12c : 제3공급배관 13 : 메인공급밸브
13a : 제1메인공급밸브 13b : 제2메인공급밸브
13c : 제3메인공급밸브 14 : 공급제어부
15 : 전달배관 20 : 디스펜서유닛
21 : 디스펜서본체 22 : 프리쿨러
23 : 충전노즐 24 : 브레이크어웨이
25 : 통신모듈 30 : 수소 충전 보조장치
31 : 제1 수소 충전 보조장치 32 : 제2 수소 충전 보조장치
40 : 수소회수유닛 41 : 회수배관
42 : 회수밸브 43 : 회수구동부
44 : 회수체크밸브
100 : 압력저장부 110 : 버퍼탱크
111, 1110 : 제1버퍼탱크 112, 2110 : 제2버퍼탱크
120 : 분기배관 1120 : 제1분기배관
2120 : 제2분기배관 120a : 제1버퍼공급배관
120b : 제2버퍼공급배관 130 : 배출배관
1130 : 제1배출배관 2130 : 제2배출배관
130a : 제1버퍼배출배관 130b : 제2버퍼배출배관
131 : 체크밸브 131a : 제1체크밸브
131b : 제2체크밸브 200 : 출입조절부
210 : 공급조절밸브 211, 1210 : 제1공급조절밸브
212, 2210 : 제2공급조절밸브 220 : 배출조절밸브
221, 223, 1220 : 제1배출조절밸브 222, 224, 2220 : 제2배출조절밸브
300 : 압력조절부 310 : 공급압력조절부
1310 : 제1공급압력조절부 2310 : 제2공급압력조절부
320 : 배출압력조절부 321, 1320 : 제1배출압력조절부
322, 2320 : 제2배출압력조절부 400, 33 : 개폐제어부
V : 차량 T : 연료탱크
R : 리셉터클

Claims (15)

  1. 수소를 공급하는 수소공급유닛;
    상기 수소공급유닛으로부터 공급되는 수소를 차량의 연료탱크에 주입하는 디스펜서유닛; 및
    상기 수소공급유닛으로부터 수소를 공급받아 펄스 압력을 생성하고, 생성된 펄스 압력을 상기 디스펜서유닛으로 전달하는 수소 충전 보조장치; 및
    상기 디스펜서유닛에 잔류하는 수소를 상기 수소 충전 보조장치로 회수하는 수소회수유닛;을 포함하고,
    상기 수소 충전 보조장치는,
    상기 수소공급유닛과 상기 디스펜서유닛의 사이에 구비되고, 상기 수소공급유닛으로부터 수소를 공급받아 저장하는 압력저장부;
    상기 압력저장부에 대한 수소의 출입을 단속하는 출입조절부; 및
    상기 압력저장부로 유입되거나 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 조절하는 압력조절부;를 포함하고,
    상기 출입조절부는, 상기 압력저장부의 일측에 연결되고, 상기 압력저장부로 유입되는 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 공급조절밸브; 및
    상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 배출조절밸브;를 포함하고,
    상기 압력조절부는, 상기 압력저장부의 일측에 연결되고, 상기 압력저장부로 유입되는 수소의 압력을 설정공급압력으로 유지시키는 공급압력조절부; 및
    상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 설정배출압력 이상으로 유지시키는 배출압력조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 압력저장부는,
    제1버퍼탱크; 및
    상기 제1버퍼탱크와 이격되게 배치되고, 상기 제1버퍼탱크와 다른 저장 용량을 갖는 제2버퍼탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 배출압력조절부는,
    상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 제1설정배출압력 이상으로 유지시키는 제1배출압력조절부; 및
    상기 압력저장부의 타측에 연결되고, 상기 압력저장부로부터 배출되는 수소의 압력을 제2설정배출압력 이상으로 유지시키는 제2배출압력조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 배출조절밸브는,
    상기 제1배출압력조절부와 연결되는 제1배출조절밸브; 및
    상기 제2배출압력조절부와 연결되는 제2배출조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 출입조절부의 동작을 제어하는 개폐제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1설정배출압력은 상기 제2설정배출압력보다 크고,
    상기 개폐제어부는 상기 제2배출조절밸브 및 상기 제1배출조절밸브를 순차적으로 개방하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 개폐제어부는 차량의 연료탱크의 초기 압력값에 기초하여 상기 제1배출조절밸브 및 상기 제2배출조절밸브의 개폐 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1설정배출압력은 상기 제2설정배출압력보다 크고,
    상기 개폐제어부는 상기 연료탱크의 초기 압력값이 상기 제2설정배출압력 미만인 경우 상기 제2배출조절밸브를 개방하고, 상기 연료탱크의 초기 압력값이 상기 제2설정배출압력 이상 상기 제1설정배출압력 미만인 경우 상기 제1배출조절밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 수소회수유닛은,
    일측이 상기 디스펜서유닛과 연결되고, 타측이 상기 수소 충전 보조장치와 연결되는 회수배관; 및
    상기 회수배관에 연결되고, 상기 회수배관을 통한 수소의 유동을 제한하거나 허용하는 회수밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 회수배관은 타측이 상기 공급조절밸브의 후단측에 연결되는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 수소회수유닛은 상기 회수배관에 연결되고, 수소가 상기 수소 충전 보조장치로부터 상기 디스펜서유닛으로 유동되는 것을 방지하는 회수체크밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 수소회수유닛은 구동력을 발생시켜 상기 회수배관 내부의 수소를 상기 수소 충전 보조장치로 향해 유동시키는 회수구동부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 충전 시스템.
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