KR102817593B1 - 수소 충전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소탱크에 수소를 충전하는 수소 충전 장치에 관한 것으로, 수소탱크에 연결되며 수소탱크에 수소를 공급하는 수소공급노즐, 및 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소를 수소공급노즐을 따라 공급되는 충전 수소와 혼합하는 혼합부를 포함하는 것에 의하여, 수소탱크의 내부 온도 편차를 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

수소 충전 장치{APPARATUS FOR FILLING HYDROGEN}

본 발명은 수소 충전 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 수소탱크의 내부 온도 편차를 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수소 충전 장치에 관한 것이다.

연료전지 차량(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)은 연료전지 스택에서 산소와 수소의 전기 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하여 동력원으로 사용한다.

연료전지 차량은 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전할 수 있어, 효율이 높고 오염물질이 거의 배출되지 않는 이점으로 인해, 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.

연료전지 차량에는 복수개의 수소탱크(예를 들어, 3개의 수소탱크)가 마련되고, 수소탱크에는 수소 저장 시스템의 수소 충전 라인을 따라 수소가 저장된다. 수소탱크에 저장된 수소는 수소 공급 라인을 따라 레귤레이터를 통해 감압된 후 연료전지 스택으로 공급되어 전기에너지를 생성하는데 사용된다.

한편, 연료전지 차량에 사용되는 수소탱크로서는 TYPE 4의 압력용기가 사용될 수 있다. TYPE 4의 압력용기는 비금속 재질의 라이너, 및 라이너의 외표면에 탄소섬유 복합재료를 감아서 형성되는 탄소섬유층을 포함한다.

그런데, 기존에는 압력용기에 수소를 충전할 시, 압력용기의 내부에 잔류하는 잔류 수소(예를 들어, 상온 이상의 온도를 갖는 수소)와, 신규로 충전되는 충전 수소(예를 들어, -33℃~-40℃의 온도를 갖는 수소) 간의 온도 차이에 의한 라이너의 국부적인 온도 편차에 의해 라이너에 뒤틀림과 같은 변형 및 균열이 발생할 수 있고, 내구성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 수소 충전시 라이너의 국부적인 온도 편차를 최소화하고, 내구성 및 안전성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명에 따른 실시예는 수소 충전시 수소탱크의 내부 온도 편차를 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 수소 충전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명에 따른 실시예는 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소와 신규로 충전되는 충전 수소 간의 온도 차이에 의한 수소탱크의 국부적인 온도 편차를 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 수소탱크의 변형 및 손상을 억제하고, 내구성 및 안전성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 수소탱크에 수소가 과도한 압력으로 충전되는 것을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는 수소탱크에 유입되는 수소의 유입 속도록 균일하게 유지하고, 수소의 충전 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소탱크에 수소를 충전하는 수소 충전 장치는, 수소탱크에 연결되며 수소탱크에 수소를 공급하는 수소공급노즐, 및 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소를 수소공급노즐을 따라 공급되는 충전 수소와 혼합하는 혼합부를 포함한다.

이는, 수소탱크의 내부 온도 편차를 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.

즉, 기존에는 압력용기에 수소를 충전할 시, 압력용기의 내부에 잔류하는 잔류 수소(예를 들어, 상온 이상의 온도를 갖는 수소)와, 신규로 충전되는 충전 수소(예를 들어, -33℃~-40℃의 온도를 갖는 수소) 간의 온도 차이에 의한 라이너의 국부적인 온도 편차에 의해 라이너에 뒤틀림과 같은 변형 및 균열이 발생할 수 있고, 내구성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소와 신규로 충전되는 충전 수소가 서로 혼합된 상태로 수소탱크에 공급되도록 하는 것에 의하여, 수소탱크의 국부적인 온도 편차를 최소화하고, 수소탱크의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

수소공급노즐은 수소탱크의 내부에 수소를 공급할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 바람직하게, 수소공급노즐의 출구단은 수소탱크의 내부 공간으로 돌출되게 배치된다. 이와 같이, 수소공급노즐의 출구단이 수소탱크의 내부 공간에 돌출되도록 하는 것에 의하여, 수소공급노즐을 통해 공급되는 충전 수소를 수소탱크의 내부에 보다 효과적으로 확산(공급)시킬 수 있으므로, 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소와 충전 수소의 혼합 효율을 높이고, 잔류 수소와 충전 수소 간의 온도 편차를 완화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

혼합부는 잔류 수소와 충전 수소를 혼합할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 혼합부는, 수소공급노즐보다 확장된 단면적을 갖도록 수소공급노즐의 출구단을 감싸도록 마련되는 가이드노즐을 포함하되, 가이드노즐은, 잔류 수소가 유입되는 제1통로, 및 잔류 수소와 충전 수소가 혼합되어 분사되는 제2통로를 포함한다.

다른 일 예로, 혼합부는 수소공급노즐의 벽면에 관통 형성되며 잔류 수소가 유입되는 유입홀을 포함할 수 있다.

바람직하게, 유입홀은 수소공급노즐의 길이 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성될 수 있다. 이와 같이, 수소공급노즐의 길이 방향을 따라 이격되게 복수개의 유입홀을 형성하는 것에 의하여, 수소공급노즐의 내부로 유입되는 잔류 수소의 유입량을 증가시킬 수 있으므로, 라이너의 내부에 충전 수소가 충전됨에 따른 라이너의 국부적인 온도 변화를 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 유입홀은 수소공급노즐의 입구단에서 출구단을 향해 경사지게 형성된다. 이와 같이, 유입홀을 경사지게 형성하는 것에 의하여, 수소공급노즐의 내부에 잔류 수소가 유입됨에 따른 충전 가스의 유속 저하를 최소화하고, 충전 가스의 충전 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 유입홀을 경사지게 형성하는 것에 의하여, 유입홀을 통해 수소공급노즐의 내부에 유입된 잔류 수소가 소용돌이 형태의 와류를 강제적으로 형성할 수 있으므로, 잔류 수소와 충전 수소를 충분하게 혼합한 상태로 수소탱크의 내부에 공급할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 유입홀은 수소공급노즐의 둘레를 나선형(spiral)으로 감싸도록 형성되는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소 공급 장치는, 수소공급노즐에 마련되며 수소공급노즐을 따라 수소탱크로 공급되는 충전 수소를 선택적으로 차단하는 차단부를 포함할 수 있다.

이는, 충전소의 기기 오류 및 고장 등으로 인해 수소탱크의 충전 압력이 과도하게 높아지는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같이, 수소공급노즐을 따라 수소탱크에 공급되는 충전 수소의 공급 압력이 기설정된 압력보다 높으면, 차단부에 의해 수소공급노즐이 차단되도록 하는 것에 의하여, 수소탱크의 압력이 과도하게 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 수소의 과다 충전에 따른 고압수소밸브(수소탱크의 압력을 유지시켜 주는 밸브)의 기밀 성능 약화 및 수소 누설 위험성 증가를 억제하고, 고압수소밸브의 채터링 현상에 의한 작동 소음의 발생을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

차단부는 수소공급노즐을 따라 수소탱크로 공급되는 충전 수소를 선택적으로 차단할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있다.

바람직하게, 차단부는 수소공급노즐을 따라 공급되는 충전 수소의 공급 압력(또는 유속)이 기설정된 압력보다 높으면 수소공급노즐을 차단하도록 구성된다.

일 예로, 차단부는, 수소공급노즐의 내부에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 다공성 탄성 구조체, 및 수소공급노즐의 내부에 마련되며 충전 수소의 공급 압력에 따라 선택적으로 다공성 탄성 구조체를 가압하는 가압부재를 포함하고, 가압부재에 의해 압축되는 다공성 탄성 구조체의 압축률이 기설정된 범위에 도달하면, 다공성 탄성 구조체에 의해 수소공급노즐이 차단된다.

바람직하게, 다공성 탄성 구조체는 형상 기억 합금 재질로 형성된다. 이와 같이, 다공성 탄성 구조체를 형상 기억 합금 재질로 형성하는 것에 의하여, 다공성 탄성 구조체가 압축된 상태에서 초기 상태로 돌아오는 복원성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

가압부재는 수소공급노즐의 내부를 따라 직선 이동 가능하게 배치되고, 가압부재에는 충전 수소가 통과 가능한 관통홀이 형성된다.

바람직하게, 수소공급노즐의 내부에는 가압부재의 이동을 선택적으로 구속하는 제1스토퍼, 및 제1스토퍼와 이격되게 수소공급노즐의 내부에 배치되어 다공성 탄성 구조체의 이동을 선택적으로 구속하는 제2스토퍼가 마련된다.

이와 같이, 제1스토퍼와 제2스토퍼를 마련하는 것에 의하여, 다공성 탄성 구조체가 가압부재에 의해 가압될 시에는, 다공성 탄성 구조체가 제2스토퍼에 의해 지지될 수 있으므로, 다공성 탄성 구조체의 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

반대로, 압축되었던 다공성 탄성 구조체가 초기 상태로 복원(팽창)됨에 따라 가압부재가 초기 위치(다공성 탄성 구조체를 가압하기 전의 위치)로 이동할 시에는, 가압부재의 과도한 이동이 제1스토퍼에 의해 구속될 수 있으므로, 가압부재의 이탈을 억제하고 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 수소 충전시 수소탱크의 내부 온도 편차를 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소와 신규로 충전되는 충전 수소 간의 온도 차이에 의한 수소탱크의 국부적인 온도 편차를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 수소탱크의 변형 및 손상을 억제하고, 내구성 및 안전성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 수소탱크에 수소가 과도한 압력으로 충전되는 것을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 수소탱크에 유입되는 수소의 유입 속도록 균일하게 유지하고, 충전 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 혼합부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 혼합부에 의한 수소의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 혼합부의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 차단부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 차단부의 작동 구조를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 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 등으로 한정되지 않는다.

그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.

또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 수소 충전 장치는, 수소탱크(200)에 수소를 충전하기 위해 마련되며, 수소탱크(200)에 연결되며 수소탱크(200)에 수소를 공급하는 수소공급노즐(710), 및 수소탱크(200)의 내부에 잔류하는 잔류 수소를 수소공급노즐(710)을 따라 공급되는 충전 수소와 혼합하는 혼합부(720)를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치는, 연료전지 차량(20)(예를 들어, 승용차 또는 상용차)에 수소를 충전하기 위한 수소 충전 시스템(10)을 구성할 수 있으며, 수소 충전 장치가 적용되는 대상 및 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

연료전지 차량(20)에는 수소를 공급하는 충전노즐(102)이 연결되는 리셉터클(100)이 마련될 수 있다.

리셉터클(100)로서는 충전노즐(102)과 통상의 결합 구조(예를 들어, 암수 결합 구조)으로 연결(결합)될 수 있는 다양한 리셉터클(100)이 사용될 수 있으며, 리셉터클(100)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

또한, 연료전지 차량(20)에는 수소가 저장되는 복수개의 수소탱크(200)가 마련되고, 매니폴드(300)는 수소탱크(200)에 공통적으로 연결된다.

일 예로, 연료전지 차량(20)에는 3개의 수소탱크(200)가 마련될 수 있으며, 매니폴드(300)는 복수개의 수소탱크(200)와 공통적으로 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 연료전지 차량(20)에 4개 이상 또는 2개 이하의 수소탱크(200)가 마련될 수 있으며, 수소탱크(200)의 개수 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

수소탱크(200)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 수소탱크(200)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 도 2를 참조하면, 수소탱크(200)는, 라이너(210), 라이너(210)의 외표면을 감싸도록 형성되는 탄소섬유층(220)을 포함한다.

라이너(210)는 내부에 저장 공간을 갖는 중공의 구조체로 형성되며, 저장 공간에는 고압(예를 들어, 350bar 또는 700bar)의 수소 가스가 저장될 수 있다.

라이너(210)의 일단에는 수소가 유입되는 입구 포트(미도시)가 형성될 수 있고, 라이너(210)의 다른 일단에는 수소가 배출되는 출구 포트(미도시)가 형성될 수 있다.

라이너(210)의 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 라이너(210)의 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 라이너(210)는 복원력이 뛰어나며 피로도가 우수한 고밀도 플라스틱과 같은 비금속 재질로 형성될 수 있다.

탄소섬유층(220)은 수소탱크(200)가 고압에서 잘 견딜 수 있도록 마련되며, 라이너(210)의 외면을 전체적으로 감싸도록 형성된다.

일 예로, 탄소섬유층(220)은 탄소섬유 필라멘트에 에폭시와 열경화성 수지 등을 함침시킨 탄소섬유 복합재료를 라이너(210)의 외면에 와인딩함으로써 형성될 수 있다.

탄소섬유 복합재료의 와인딩 구조 및 와인딩 방식은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 탄소섬유 복합재료의 와인딩 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 탄소섬유층(220)은 라이너(210)의 외표면에 탄소섬유 복합재료를 다양한 패턴(예를 들어, 시계 방향 와인딩, 반시계 방향 와인딩, 사선 방향 와이딩 등)으로 여러겹 와인딩하여 형성될 수 있다.

라이너(210)의 외표면에 권선된 탄소섬유 복합재료는 후속 열처리 공정을 거쳐 경화됨으로써 탄소섬유층(220)을 형성하게 된다. 일 예로, 라이너(210)의 외표면에 권선된 탄소섬유 복합재료는 150도 이상의 온도로 기설정된 시간동안 열처리됨으로써 경화될 수 있다. 경우에 따라서는 탄소섬유층의 외표면에 외부 충격(예를 들어, 스크레치) 및 부식 등에 의한 수소탱크(200)의 손상을 방지하기 위한 유리섬유층을 형성하는 것도 가능하다.

매니폴드(300)는 수소의 유동 경로를 분기 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 매니폴드(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 매니폴드(300)에는 수소공급라인(24)과 연결되는 제1포트(미도시), 복수개의 수소탱크(200)와 연결되는 제2포트(미도시) 내지 제4포트(미도시), 및 수소충전라인(22)과 연결되는 제5포트(미도시)가 형성될 수 있다.

수소 공급 시스템(10)은, 리셉터클(100)과 매니폴드(300)를 연결하는 수소충전라인(22)을 포함할 수 있다. 충전노즐(102)을 통해 리셉터클(100)에 공급된 수소는 수소충전라인(22)과 매니폴드(300)를 거쳐 각 수소탱크(200)에 충전된다.

또한, 수소 공급 시스템(10)은, 연료전지 차량(20)에 구비되는 연료전지 스택(600)과 매니폴드(300)를 연결하는 수소공급라인(24)을 포함한다.

수소공급라인(24)은 수소탱크(200)에 저장된 수소를 연료전지 스택(600)으로 공급하기 위해 마련된다.

보다 구체적으로, 수소공급라인(24)은 연료전지 차량(20)에 구비되는 연료전지 스택(600)과 매니폴드(300)를 연결하도록 구성되며, 수소탱크(200)에 저장된 수소는 매니폴드(300) 및 수소공급라인(24)을 거쳐 연료전지 스택(600)에 공급된다.

참고로, 연료전지 스택(600)은, 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 연료전지 스택(600)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.

보다 구체적으로, 연료전지 스택(600)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.

애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

또한, 수소공급라인(24) 상에는 연료전지 스택(600)으로 공급되는 수소를 감압하는 레귤레이터(400), 및 연료전지 스택(600)으로 공급되는 수소의 공급량을 조절하는 수소공급장치(FPS : Fuel Processing System)(500)가 마련된다.

보다 구체적으로, 레귤레이터(400)는 매니폴드(300)와 연료전지 스택(600)의 사이에 배치되도록 수소공급라인(24)에 연결되고, 수소공급라인(24)을 따라 공급되는 고압(예를 들어, 700bar)의 수소는 레귤레이터(400)를 통과함에 따라 감압(예를 들어, 16bar)된 상태로 연료전지 스택(600)으로 공급될 수 있다.

수소공급장치(500)는 레귤레이터(400)와 연료전지 스택(600)의 사이에 배치되도록 수소공급라인(24)에 연결되고, 연료전지 스택(600)으로 공급되는 수소의 공급량을 조절한다. 또한, 연료전지 스택(600)으로의 수소 공급은 수소공급장치(500)에 의해 선택적으로 허용 또는 차단될 수 있다.

수소공급노즐(710)은 수소탱크(200)에 수소를 공급하기 위해 수소탱크(200)에 연결된다.

수소공급노즐(710)은 수소탱크(200)의 내부에 수소를 공급할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 수소공급노즐(710)의 형태 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 수소공급노즐(710)은 원형 단면 형태를 갖도록 형성되어 수소탱크(200)의 일단에 연결될 수 있다. 경우에 따라서는 수소공급노즐(710)이 다각형 단면 형태 또는 타원 단면 형태 등을 갖도록 형성되는 것도 가능하다.

바람직하게, 수소공급노즐(710)의 출구단은 수소탱크(200)의 내부 공간으로 돌출되게 배치된다.

이와 같이, 수소공급노즐(710)의 출구단이 수소탱크(200)의 내부 공간에 돌출되도록 하는 것에 의하여, 수소공급노즐(710)을 통해 공급되는 충전 수소를 수소탱크(200)의 내부(예를 들어, 수소탱크의 다른 일단에 인접한 지점)에 보다 효과적으로 확산(공급)시킬 수 있으므로, 수소탱크(200)의 내부에 잔류하는 잔류 수소(앞서 충전된 수소)와 충전 수소의 혼합 효율을 높이고, 잔류 수소와 충전 수소 간의 온도 편차를 완화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

혼합부(720)는 수소탱크(200)의 내부에 잔류하는 잔류 수소를 수소공급노즐(710)을 따라 공급되는 충전 수소와 혼합하기 위해 마련된다.

즉, 압력용기에 수소를 충전할 시, 압력용기의 내부에 잔류하는 잔류 수소(예를 들어, 상온 이상의 온도를 갖는 수소)와, 신규로 충전되는 충전 수소(예를 들어, -33℃~-40℃의 온도를 갖는 수소) 간의 온도 차이에 의한 라이너의 국부적인 온도 편차에 의해 라이너에 뒤틀림과 같은 변형 및 균열이 발생할 수 있고, 내구성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 수소탱크(200)의 내부에 잔류하는 잔류 수소와 신규로 충전되는 충전 수소가 서로 혼합된 상태로 수소탱크(200)에 공급되도록 하는 것에 의하여, 수소탱크(200)의 국부적인 온도 편차를 최소화하고, 수소탱크(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

혼합부(720)는 잔류 수소와 충전 수소를 혼합할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 혼합부(720)의 구조 및 혼합 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.

일 예로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 혼합부(720)는, 수소공급노즐(710)보다 확장된 단면적을 갖도록 수소공급노즐(710)의 출구단을 감싸도록 마련되는 가이드노즐(730)을 포함하되, 가이드노즐(730)은, 잔류 수소가 유입되는 제1통로(732), 및 잔류 수소와 충전 수소가 혼합되어 분사되는 제2통로(734)를 포함한다.

바람직하게, 제1통로(732)는 수소공급노즐(710)의 외주면과 가이드노즐(730)의 내주면 사이에 형성된다.

더욱 바람직하게, 제1통로(732)는 수소공급노즐(710)의 둘레를 따라 연속적인 링 형상의 통로로 형성된다. 이와 같이, 수소공급노즐(710)의 둘레를 따라 연속적인 링 형상의 제1통로(732)를 형성하는 것에 의하여, 제1통로(732)로 유입되는 잔류 수소의 유입 효율을 높이고, 충전 수소와 잔류 수소를 보다 균일하게 혼합하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

제1통로(732)를 통해 가이드노즐(730)의 내부에 유입된 잔류 수소는 수소공급노즐(710)을 통해 가이드노즐(730)의 내부에 공급되는 충전 수소와 혼합된 후, 제2통로(734)를 통해 수소탱크(200)의 내부 공간으로 분사될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 저온(예를 들어, -33℃~-40℃)의 충전 수소가 혼합부(720)를 통해 잔류 수소와 혼합된 상태로 수소탱크(200)의 내부에 충전되도록 하는 것에 의하여, 라이너의 내부에 충전 수소가 충전됨에 따른 라이너의 국부적인 온도 변화를 최소화할 수 있으므로, 온도 편차에 의한 라이너의 변형 및 균열을 억제하고, 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 혼합부(720)는 수소공급노즐(710)의 벽면에 관통 형성되며 잔류 수소가 유입되는 유입홀(740)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4를 참조하면, 수소공급노즐(710)의 벽면에는 유입홀(740)이 관통 형성될 수 있으며, 수소탱크(200)의 내부에 잔류하는 잔류 수소는 유입홀(740)을 통해 수소공급노즐(710)의 내부로 유입되어 충전 수소와 혼합된 상태로 수소탱크(200)의 내부에 분사될 수 있다.

바람직하게, 도 5를 참조하면, 유입홀(740)은 수소공급노즐(710)의 길이 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성될 수 있다. 이와 같이, 수소공급노즐(710)의 길이 방향을 따라 이격되게 복수개의 유입홀(740)을 형성하는 것에 의하여, 수소공급노즐(710)의 내부로 유입되는 잔류 수소의 유입량을 증가시킬 수 있으므로, 라이너의 내부에 충전 수소가 충전됨에 따른 라이너의 국부적인 온도 변화를 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게, 유입홀(740)은 수소공급노즐(710)의 입구단에서 출구단을 향해 경사지게 형성된다. 이와 같이, 유입홀(740)을 경사지게 형성하는 것에 의하여, 수소공급노즐(710)의 내부에 잔류 수소가 유입됨에 따른 충전 가스의 유속 저하를 최소화하고, 충전 가스의 충전 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 유입홀(740)을 경사지게 형성하는 것에 의하여, 유입홀(740)을 통해 수소공급노즐(710)의 내부에 유입된 잔류 수소가 소용돌이 형태의 와류를 강제적으로 형성할 수 있으므로, 잔류 수소와 충전 수소를 충분하게 혼합한 상태로 수소탱크(200)의 내부에 공급할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 5와 같이, 유입홀(740')은 수소공급노즐(710)의 둘레를 나선형(spiral)으로 감싸도록 형성될 수 있다. 다르게는, 유입홀(740)을 교차하는 형태(예를 들어, 십자로 교차된 형태)로 형성하거나 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 차단부를 설명하기 위한 도면이고, 도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 수소 충전 장치로서, 차단부의 작동 구조를 설명하기 위한 도면이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 수소 공급 장치는, 수소공급노즐(710)에 마련되며 수소공급노즐(710)을 따라 수소탱크(200)로 공급되는 충전 수소를 선택적으로 차단하는 차단부(800)를 포함할 수 있다.

이는, 충전소의 기기 오류 및 고장 등으로 인해 수소탱크(200)의 충전 압력이 과도하게 높아지는 것을 방지하기 위함이다.

이와 같이, 수소공급노즐(710)을 따라 수소탱크(200)에 공급되는 충전 수소의 공급 압력이 기설정된 압력보다 높으면, 차단부(800)에 의해 수소공급노즐(710)이 차단되도록 하는 것에 의하여, 수소탱크(200)의 압력이 과도하게 높아지는 것을 억제할 수 있으므로, 수소의 과다 충전에 따른 고압수소밸브(수소탱크의 압력을 유지시켜 주는 밸브)의 기밀 성능 약화 및 수소 누설 위험성 증가를 억제하고, 고압수소밸브의 채터링 현상에 의한 작동 소음의 발생을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

차단부(800)는 수소공급노즐(710)을 따라 수소탱크(200)로 공급되는 충전 수소를 선택적으로 차단할 수 있는 다양한 구조로 마련될 수 있으며, 차단부(800)의 구조 및 차단 방식에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 차단부(800)는 수소공급노즐(710)을 따라 공급되는 충전 수소의 공급 압력(또는 유속)이 기설정된 압력보다 높으면 수소공급노즐(710)을 차단하도록 구성된다.

일 예로, 차단부(800)는, 수소공급노즐(710)의 내부에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 다공성 탄성 구조체(810), 및 수소공급노즐(710)의 내부에 마련되며 충전 수소의 공급 압력에 따라 선택적으로 다공성 탄성 구조체(810)를 가압하는 가압부재(820)를 포함하고, 가압부재(820)에 의해 압축되는 다공성 탄성 구조체(810)의 압축률이 기설정된 범위에 도달하면, 다공성 탄성 구조체(810)에 의해 수소공급노즐(710)이 차단된다.

다공성 탄성 구조체(810)로서는 탄성적으로 압축 및 팽창 가능한 다양한 다공성 구조체가 사용될 수 있다. 다공성 탄성 구조체(810)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 다공성 탄성 구조체(810)로서는 구 형태를 갖는 메쉬 구조체가 사용될 수 있다.

다공성 탄성 구조체(810)가 팽창된 상태(초기 상태)에서는 충전 가스는 다공성 탄성 구조체(810)를 통과할 수 있고, 다공성 탄성 구조체(810)가 일정 이상 압축된 상태(압축률이 기설정된 범위에 도달한 상태)에서는 충전 가스가 다공성 탄성 구조체(810)를 통과하지 못하므로 수소공급노즐(710)이 차단될 수 있다.

바람직하게, 다공성 탄성 구조체(810)는 형상 기억 합금 재질로 형성된다.

형상 기억 합금 재질로 형성된 다공성 탄성 구조체(810)는 압축된 상태에서 주변 온도가 상승함에 따라 초기 상태로 복원될 수 있다.

형상 기억 합금으로서는 형상기억 특성을 갖는 다양한 합금(예를 들어, 니켈-티타늄 합금, 구리-아연-알루미늄 합금)이 사용될 수 있으며, 형상 기억 합금의 종류에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 다공성 탄성 구조체(810)를 형상 기억 합금 재질로 형성하는 것에 의하여, 다공성 탄성 구조체(810)가 압축된 상태에서 초기 상태로 돌아오는 복원성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

가압부재(820)는 수소공급노즐(710)의 내부를 따라 직선 이동 가능하게 배치되며, 충전 수소의 공급 압력에 따라 이동하며 다공성 탄성 구조체(810)를 선택적으로 가압하도록 마련된다.

일 예로, 가압부재(820)는 수소공급노즐(710)에 대응하는 단면적을 갖는 블럭 또는 플레이트 구조로 형성될 수 있으며, 가압부재(820)에는 충전 수소가 통과 가능한 관통홀(822)이 형성된다.

바람직하게, 수소공급노즐(710)의 내부에는 가압부재(820)의 이동을 선택적으로 구속하는 제1스토퍼(832), 및 제1스토퍼(832)와 이격되게 수소공급노즐(710)의 내부에 배치되어 다공성 탄성 구조체(810)의 이동을 선택적으로 구속하는 제2스토퍼(834)가 마련될 수 있으며, 가압부재(820)와 다공성 탄성 구조체(810)는 제1스토퍼(832)와 제2스토퍼(834)의 사이에 배치된다.

이와 같이, 제1스토퍼(832)와 제2스토퍼(834)를 마련하는 것에 의하여, 다공성 탄성 구조체(810)가 가압부재(820)에 의해 가압될 시에는, 다공성 탄성 구조체(810)가 제2스토퍼(834)에 의해 지지될 수 있으므로, 다공성 탄성 구조체(810)의 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

반대로, 압축되었던 다공성 탄성 구조체(810)가 초기 상태로 복원(팽창)됨에 따라 가압부재(820)가 초기 위치(다공성 탄성 구조체를 가압하기 전의 위치)로 이동할 시에는, 가압부재(820)의 과도한 이동이 제1스토퍼(832)에 의해 구속될 수 있으므로, 가압부재(820)의 이탈을 억제하고 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

도 8을 참조하면, 정상적인 수소 충전시(충전 수소의 공급 압력이 정상 범위인 상태), 다공성 탄성 구조체(810)는 작은 압축률(충전 수소가 통과 가능할 정도의 작은 압축률)로 압축될 수 있고, 수소공급노즐(710)을 따라 공급되는 충전 수소는 다공성 탄성 구조체(810)를 통과하여 수소탱크(200)에 충전될 수 있다. 경우에 따라서는 정상적인 수소 충전시에 다공성 탄성 구조체(810)가 압축되지 않는 초기 상태(완전하게 팽창된 상태)를 유지하는 것도 가능하다.

도 9를 참조하면, 충전 수소의 공급 압력이 정상 범위보다 커지면, 가압부재(820)에 인가되는 압력(P)에 의해 가압부재(820)가 다공성 탄성 구조체(810)를 가압하는 방향으로 이동함에 따라 다공성 탄성 구조체(810)가 압축될 수 있다. 다공성 탄성 구조체(810)의 압축률이 기설정된 범위에 도달하면, 충전 가스는 다공성 탄성 구조체(810)를 통과할 수 없게 되므로, 수소탱크(200)로의 충전 수소 공급이 차단될 수 있다.

충전 수소의 공급된 완료된 후에는, 도 10과 같이, 압축되었던 다공성 탄성 구조체(810)가 자체의 탄성복원력(RF) 및 수소탱크(200)의 내부 온도 변화(압력 상승에 따른 온도 상승)에 따른 형상기억 특성에 의해 초기 상태로 복원(팽창)될 수 있으며, 가압부재(820)는 다시 초기 위치로 이동할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

710 : 수소공급노즐
720 : 혼합부
730 : 가이드노즐
732 : 제1통로
734 : 제2통로
740,740' : 유입홀
800 : 차단부
810 : 다공성 탄성 구조체
820 : 가압부재
822 : 관통홀
832 : 제1스토퍼
834 : 제2스토퍼

Claims (13)

1. 수소탱크에 수소를 충전하는 수소 충전 장치로서,
   상기 수소탱크에 연결되며, 상기 수소탱크에 수소를 공급하는 수소공급노즐; 및
   상기 수소탱크의 내부에 잔류하는 잔류 수소를 상기 수소공급노즐을 따라 공급되는 충전 수소와 혼합하는 혼합부; 및
   상기 수소공급노즐에 마련되며, 상기 수소공급노즐을 따라 상기 수소탱크로 공급되는 상기 충전 수소를 선택적으로 차단하는 차단부;
   를 포함하고,
   상기 차단부는,
   상기 수소공급노즐의 내부에 탄성적으로 압축 및 팽창 가능하게 마련되는 다공성 탄성 구조체; 및
   상기 수소공급노즐의 내부에 마련되며, 상기 충전 수소의 공급 압력에 따라 선택적으로 상기 다공성 탄성 구조체를 가압하는 가압부재;를 포함하고,
   상기 가압부재에 의해 압축되는 상기 다공성 탄성 구조체의 압축률이 기설정된 범위에 도달하면, 상기 다공성 탄성 구조체에 의해 상기 수소공급노즐이 차단되는 수소 충전 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수소공급노즐의 출구단은 상기 수소탱크의 내부 공간으로 돌출되게 배치되는 수소 충전 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 혼합부는,
   상기 수소공급노즐보다 확장된 단면적을 갖도록 상기 수소공급노즐의 출구단을 감싸도록 마련되는 가이드노즐을 포함하되,
   상기 가이드노즐은, 상기 잔류 수소가 유입되는 제1통로, 및 상기 잔류 수소와 상기 충전 수소가 혼합되어 분사되는 제2통로를 포함하는 수소 충전 장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 혼합부는,
   상기 수소공급노즐의 벽면에 관통 형성되며 상기 잔류 수소가 유입되는 유입홀을 포함하는 수소 충전 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 유입홀은 상기 수소공급노즐의 길이 방향을 따라 이격되게 복수개가 형성되는 수소 충전 장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 유입홀은 상기 수소공급노즐의 입구단에서 출구단을 향해 경사지게 형성되는 수소 충전 장치.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 유입홀은 상기 수소공급노즐의 둘레를 나선형(spiral)으로 감싸도록 형성되는 수소 충전 장치.
   
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에 있어서,
    상기 가압부재는 상기 수소공급노즐을 따라 이동 가능하게 마련되고,
    상기 가압부재에는 상기 충전 수소가 통과 가능한 관통홀이 형성되는 수소 충전 장치.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 수소공급노즐의 내부에 마련되며, 상기 가압부재의 이동을 선택적으로 구속하는 제1스토퍼; 및
    상기 제1스토퍼와 이격되게 상기 수소공급노즐의 내부에 마련되며, 상기 다공성 탄성 구조체의 이동을 선택적으로 구속하는 제2스토퍼;
    를 포함하는 수소 충전 장치.
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 탄성 구조체는 형상 기억 합금 재질로 형성되는 수소 충전 장치.

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