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KR-20260061841-A - Hydrogen charging tool anti-icing device

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Abstract

수소 충전구 결빙방지 장치가 개시된다. 개시된 수소 충전구 결빙방지 장치는, 일측으로는 충전플러그가 삽입될 수 있는 삽입 공간을 제공하며, 타측으로는 상기 충전플러그가 결속되는 충전리셉터클이 고정된 하우징 어셈블리; 상기 하우징 어셈블리에 구비되며, 수소 충전시 수소 가스와 대기의 온도 차를 이용하여 전압을 발생시키는 열전모듈; 및 상기 발생된 전압을 기초로 발열하여 상기 충전구에 대한 결빙을 방지하는 발열체;를 포함한다. 이에 따르면, 별도의 많은 장치 설치나 질소/건조 공기 유입 등을 위한 구조 필요 없이 자체 열전소자를 통해 복잡하지 않은 장치로 신뢰성을 제공할 수 있는 수소 충전구 결빙방지 장치를 제공할 수 있다.

Inventors

  • 이성범

Assignees

  • 세호마린솔루션즈(주)

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (20)

  1. 수소 충전구 결빙방지 장치로서, 일측으로는 충전플러그가 삽입될 수 있는 삽입 공간을 제공하며, 타측으로는 상기 충전플러그가 결속되는 충전리셉터클이 고정된 하우징 어셈블리; 상기 하우징 어셈블리에 구비되며, 수소 충전시 수소 가스와 대기의 온도 차를 이용하여 전압을 발생시키는 열전모듈; 및 상기 발생된 전압을 기초로 발열하여 상기 충전구에 대한 결빙을 방지하는 발열체;를 포함하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열전모듈은 상기 충전플러그(즉, 충전건 인입부)를 둘러싸도록 다수개 배치되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하우징 어셈블리는 베이스; 및 상기 베이스로부터 연장하여 상기 삽입 공간을 내부에 형성하는 바디;를 포함하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다수의 열전모듈들은 상기 바디에 배치되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 다수의 열전모듈들은 상기 바디의 둘레를 따라 일정한 배치 간격으로 배치되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 충전리셉터클은 상기 베이스를 관통하여 형성되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 발열체는 상기 바디에 임베디드 타입으로 구비되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발열체는 상기 바디의 일부분으로부터 상기 바디의 연장 방향을 따라 연장하여 상기 베이스를 관통하여 후방으로 인출되는 로드 형태를 갖는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 발열체는 스프링 형태의 나선형 니크롬선인, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 바디에는 상기 발열체의 내장을 위한 슬롯이 형성되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 슬롯은 다수 개로 구비되고, 상기 열전모듈들과 상기 슬롯들은 서로 번갈아서 상기 바디의 둘레를 따라 일정한 배치 간격으로 배치되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 열전모듈은 히트싱크, 써멀그리스 및 열전소자를 포함하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  13. 제3항에 있어서, 상기 바디에는 상기 삽입 공간에 삽입된 상기 충전플러그가 상기 충전리셉터클에 결속되었을 때 상기 충전플러그와 상기 삽입 공간 사이를 긴밀하게 하는 긴밀 부재의 구비를 위한 홈이 형성되는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 긴밀 부재는 오링인, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  15. 제3항에 있어서, 배터리; 및 상기 배터리에 저장된 전력이 상기 발열체에 공급되도록 제어하는 제어기;를 포함하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 상기 열전모듈들에서 발생되는 상기 전압을 직렬 내지는 병렬로 병합하여 생성된 전기적 신호에 기초하여 상기 바디 내부의 온도를 추정하고, 상기 추정된 온도에 따라 상기 배터리로부터 상기 발열체로 전력을 공급하여 상기 바디 내부에 열을 발생시키는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제어기는 일정시간 동안 상기 열전모듈들에서 전압이 발생하지 않는 제어 목표 값에 도달하면, 상기 배터리로부터 상기 발열체로 공급되는 전력을 차단하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 배터리는 충전대상에 본래 구비된 것으로서, 상기 충전대상이 운송수단인 경우 상기 운송수단에 본래 구비된 내장형 이차 전지인, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  19. 수소 충전구 결빙방지 장치로서, 수소 충전시 수소 가스와 대기의 온도 차를 이용하여 전압을 발생시키는 다수의 열전모듈들; 상기 전압을 기초로 발열하여 상기 충전구에 대한 결빙을 방지하는 발열체; 배터리에 저장된 전력이 상기 발열체에 공급되도록 제어하는 제어기;를 포함하되, 상기 제어기는 상기 열전모듈들에서 발생되는 상기 전압을 직렬 내지는 병렬로 병합하여 생성된 전기적 신호에 기초하여 상기 장치 내부의 온도를 추정하고, 상기 추정된 온도에 따라 상기 배터리로부터 상기 발열체로 전력을 공급하는, 수소 충전구 결빙방지 장치.
  20. 수소 충전구 결빙방지 장치의 동작 방법으로서, 상기 장치는 수소 충전시 수소 가스와 대기의 온도 차를 이용하여 전압을 생성하는 다수의 열전모듈들, 상기 전압을 기초로 발열하여 상기 충전구에 대한 결빙을 방지하는 발열체 및 배터리에 저장된 전력이 상기 발열체에 공급되도록 제어하는 제어기를 포함하되, 상기 열전모듈들에서 발생되는 상기 전압을 직렬 내지는 병렬로 병합하여 생성된 전기적 신호에 기초하여 상기 장치 내부의 온도를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 온도에 따라 상기 배터리로부터 상기 발열체로 전력을 공급하여 상기 장치 내부에 열을 발생시키는 단계;를 포함하는, 수소 충전구 결빙방지 장치의 동작 방법.

Description

수소 충전구 결빙방지 장치{Hydrogen charging tool anti-icing device} 본 발명은 수소 충전구 결빙방지 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열전소자를 포함하는 수소 충전구 결빙방지 장치에 관한 것이다. 본 발명은 연구과제(과제관리(전문)기관명: (재)울산테크노파크, 연구사업명: 울산시-한국동서발전㈜ 2024년도 기업자율형 창업프로그램, 연구과제명: 수소 선박 충전용 충전구 결빙방지를 위한 열전소자 활용 장치 특허 출원, 과제수행기관명: 세호마린솔루션즈㈜, 연구기간: 2024.05.01. ~ 2024.10.31.)의 결과물이다. 노즐 결빙(nozzle icing) 현상은 기체수소가 평균 영하 37~40℃사이에서 순간 냉각되면서 디스펜서의 충전 건을 통해 차량에 충전되는 과정에서, 충전호스와 충전건이 대기에 노출되면서 결빙 현상을 일으키는 것을 말한다. 온도차로 생긴 얼음은 충전건에 고착되어 차량 내 가스주입구에서 충전건이 탈착되지 않는 문제를 발생시킨다. 예를 들어, 충전 디스펜서를 통과한 수소는 충전건을 거쳐 수소차량의 가스주입구에 투입되며, 보통 3~6분 이내에 수소는 완충되는데 이때 결빙 문제가 발생하는 것이다. 대기 중 수분과 충전건 내부의 온도차에 의해 충전건 주변에 성에가 발생하고, 충전시간 동안 늘어난 성에는 결국 충전건과 가스주입구 연결 부위에 얼음결정체로 결속되는 것이다. 이러한 노즐 결빙 현상이 발생하였을 때에 일부 충전소에서는 충전건을 분리하기 위해 찜질팩, 온수, 고온 공기를 사용하기도 하지만 이는 번거롭고, 강제로 분리할 경우 차량 충전구의 손상을 야기할 수도 있다. 특히 노즐 결빙은 습도가 높은 여름철과 비오는 날, 안개지역에서 주로 발생하므로, 이러한 지역에서는 노즐 결빙에 대한 해결책이 더욱 절실하다. 한편, 해양 선박의 대기오염 규제가 엄격해지면서 수소연료를 사용하는 선박이 늘고 있다. 그린쉽-K라는 한국형 실증 프로젝트도 진행되고 있다. 이러한 선박들에도 상술한 충전구 결빙방지를 위한 해법이 다양한 환경에서 안정적으로 운용될 수 있어야 한다. 해군 함정, 연안 감시선, 구조선, 관공선 등 국가 차원에서 사용되는 수소연료 선박 뿐만 아니라, 요트, 크루즈선 등 레저용 선박도 최근 친환경적인 여행 옵션을 선호하는 시장 수요 증가에 따라 결빙방지 해법의 필요성이 증대되고 있다. 또한, 수소 충전 스테이션 및 이와 연결된 인프라 또한 마찬가지이다. 이와 같이 차량, 선박, 인프라 등 다양한 분야에서 기업들은 노즐 결빙 현상을 막을 수 있는 충전 기술에 대한 연구를 수행하고 있으나, 아직은 많은 애로사항이 존재한다. 관련된 기존 연구 중 하나로는, 이슬점이 낮은 건조한 질소를 노즐커버 내부에 분사하여 질소막을 만들어, 원천적으로 결빙이 생기지 않게 하는 방식이 제안된 바 있다. 이른 바 질소 퍼징 기능이라고도 알려져 있는 이 기술은 사용상 운영비가 많이 발생하며 사용 비용을 소비자가 부담하기 때문에 상용화에 어려움을 겪고 있다. 수소 충전시 에어 히터로 데운 80~90℃의 압축 공기를 주입구에 연결하여 충전건 내부로 주입하여 사용자가 밸브 레버를 재량껏 개방하여 쓰는 히팅 방식도 존재한다. 다만 이 기능은 사용시 70dB 정도의 소음이 발생하며, 공기압축기, 수분필터, 압력조절장치, 에어히터(방폭형) 등 복잡한 설비의 설치가 요구되며, 사용자가 압축 공기 주입량을 직접 조절해야 하는 불편함이 수반되는 문제점 등을 갖는다. 또한, 연료 공급 노즐에 부동액 기술을 사용하여 결빙 현상을 해결할 수 있는 방식이 제안된 바 있다. 그러나 이 기술은 노즐 외부에 부동액이 공급되고, 공압 호스를 사용하여 질소 및 건조 공기가 배수구로 유입되며, 수집된 응축수는 배수구를 통해 제거되는 장치로, 상당히 복잡하고, 별도의 유입되는 부동액, 질소 및 건조 공기 유입 시설을 설치해야 하는 문제점이 존재한다. 본 발명의 연구자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 오랫동안 연구한 결과 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 도 1은 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 전체적인 구성을 도시하는 도면. 도 2는 도 1의 수소 충전구 결빙방지 장치에 대한 확대도를 도시하는 도면. 도 3은 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치를 보다 상세하게 도시하는 도면. 도 4는 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 열전모듈들과 발열체를 위한 슬롯들간의 위치 관계를 상세하게 도시하는 도면. 5는 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 내부 구조를 도시하는 도면. 도 6은 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 동작 방법의 전체적인 흐름을 도시하는 순서도. 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다. 이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예가 설명된다. 도면에 있어서, 두께와 간격은 설명의 편의를 위하여 표현된 것이며, 실제 물리적 두께에 비해 과장되어 도시될 수 있다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지와 무관한 공지의 구성은 생략될 수 있다. 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 수소 충전구 결빙방지 장치는 고압과 저온에서 수소를 안전하게 전달하기 위해 필수적인 기술 요소를 갖추어야 한다. 상세하게, 수소는 고압 상태에서 충전되기 때문에, 수소 충전구 결빙방지 장치는 고압 하에서도 기능을 유지할 수 있어야 하며, 이를 위해 충전구의 기밀성과 내구성을 보장하는 설계가 필수적이다. 또한, 결빙으로 인해 충전구의 밀폐성이 손상될 경우 수소 가스가 누출될 위험이 있으므로, 충전구와 그 주변 장치의 밀폐성을 유지하기 위한 밀폐 기술 또한 필수적이다. 그리고, 고온에서도 산화되지 않고 내구성이 높은 소재를 사용하여 안정적으로 열을 전달하는 것이 중요하며, 수소가 충전구를 통과할 때 발생하는 온도 변화를 일정하게 유지하고, 필요에 따라 추가적인 가열 요소를 사용하여 일정한 온도를 유지하는 기술이 요구된다. 또한, 상술한 여러 적용 분야에서 수소는 극저온 상태에서 저장 및 충전되기 때문에, 결빙방지 장치는 극저온 환경에서도 안정적인 작동을 유지해야 하며, 이를 위해 본 발명에서는 열전소자의 효율적인 활용과 온도 제어 기술을 제안하고자 한다. 그리고, 충전 과정에서 지속적으로 저온으로 인한 결빙을 방지하기 위해 결빙방지 장치는 연속적으로 작동할 수 있어야 하며, 이때 전력 소모를 최소화하는 위한 솔루션도 함께 제시한다. 도 1은 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 전체적인 구성을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 수소 충전구 결빙방지 장치에 대한 확대도를 도시한다. 도 3은 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치를 보다 상세하게 도시하는 도면이다. 도 4는 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 열전모듈들과 발열체를 위한 슬롯들간의 위치 관계를 상세하게 도시하는 도면이다. 그리고, 도 5는 일 실시예에 따른 수소 충전구 결빙방지 장치의 내부 구조를 도시하는 도면이다. 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 수소 충전구 결빙방지 장치(100)(이하, 간단히 '결빙방지 장치' 또는 더욱 간단히 '장치'라고도 함)는 충전건(200)과 연결되어 충전건(200)이 충전대상(OB)으로 충전할 때에 내기와 외기의 온도차에 의해 발생할 수 있는 결빙을 방지한다. 결빙방지의 여러 메커니즘 중 일 실시예에 따른 결빙방지 장치(100)는 발열 시스템을 통한 결빙방지 방식을 채택한다. 도면에 도시되지는 아니하였으나, 결빙방지 장치(100)는 독립형 또는 일체형으로 충전대상(OB)에 구현될 수 있으며, 독립형인 경우에는 기존 충전대상에 결합되어 사용될 수 있고, 일체형인 경우에는 충전대상 제조시에 함께 설계되어 사용될 수 있다. 일 실시예에 따른 결빙방지 장치(100)는 독립형 또는 일체형 모두로 적용될 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위해, 독립형인 실시예를 중심으로 설명하기로 한다. 충전건(200)은 플러그(202)를 포함하고, 결빙방지 장치(100)를 통하여 내지는 경유하여 충전리셉터클(RE)에 결속되며, 이로써 충전대상(OB)을 충전할 수 있다. 이때, 결빙방지 장치(100)는 결빙방지 기능을 수행한다. 충전대상(OB)은 수소 선박, 수소차와 같은 수소를 연료로 하는 운송수단(즉, 모빌리티)뿐만 아니라, 수소 충전소와 같은 수소 충전 인프라 등 수소의 충전을 위한 충전구가 적용되는 곳은 모두 그 대상으로 할 수 있다. 또한 본 발명에서 용어 '충전구'는 충전에 사용되는 다양한 기구들, 예를 들어, 충전건(200) 등을 포함하는 개념으로 넓게 사용될 수 있으며, 좁게는 충전건(200)의 플러그(202)를 가리키는 개념으로 사용될 수 있다. 일 실시예에 따른 결빙방지 장치(100)는 하우징 어셈블리(110), 열전모듈(120) 및 발열체(130)를 포함한다. 먼저, 일 실시예에 따른 하우징 어셈블리(110)는 일측으로는 충전플러그(202)가 삽입될 수 있는 삽입 공간(S)을 제공하며, 타측으로는 충전플러그(202)가 결속되는 충전리셉터클(RE)을 보유한다. 충전리셉터클(RE)은 카운터파트인 충전플러그(202)와 결속될 수 있는 구조를 갖는다. 충전리셉터클(RE)은 충전대상(OB)에 구비되는 것으로서, 충전리셉터클(RE)은 결빙방지 장치(100)가 독립형인 경우에는 결빙방지 장치(100)와는 완전히 별개의 요소로서 충전대상(OB)에 구비되는 것만으로 족하고, 결빙방지 장치(100)가 일체형인 경우에는 결빙방지 장치(100)와 하나의 조립체로 구성되는 것으로서 충전대상(OB)에 구비되는 동시에 결빙방지 장치(100)에도 구비되는 것으로 볼 수 있다. 전자의 경우, 하우징 어셈블리(110)는 충전리셉터클이 임베디드될 수 있는 구조를 갖는 방식으로 충전리셉터클을 보유하면 될 것이고(예를 들어, 충전리셉터클을 보유할 수 있도록 하는 충전리셉터클 전용 관통홀 등과 같이), 후자의 경우, 하우징 어셈블리(110)는 충전리셉터클과 하나의 부품처럼 결합하는 방식으로 충전리셉터클을 보유하면 될