수소 충전 노즐의 결빙 문제 해결을 위한 특허 분석

수소 연료전지 차량은 배기가스 배출 없이 긴 주행 거리와 짧은 충전 시간으로 인해 전기차의 대안으로 주목받고 있다. 수소 연료전지 차량의 보급을 확대하기 위해서는 저온의 수소를 충전할 때 발생하는 수소 충전 노즐(nozzle)의 결빙(icing) 문제를 개선해야 한다. 수소 충전 노즐의 결빙 문제 해결 방법과 관련된 특허 동향을 분석하여 이에 대한 해결 방법을 알아보고자 한다. 


글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실

주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
안수영 (고려대학교 전기전자컴퓨터공학부 석사 과정)


목 차

1. 수소 충전소의 개요
   1-1. 수소 충전 프로토콜
2. 수소 충전 노즐
   2-1. 수소 충전 노즐의 구성
   2-2. 수소 충전 노즐의 결빙 현상
3. 수소 충전 노즐의 결빙 문제 해결 방법 관련 특허 분석
   3-1. 가열된 공기를 공급하여 노즐 및 리셉터클 결빙 방지
   3-2. 유도 가열 코일을 활용한 충전 노즐 가열
   3-3. 센서 기반의 배수구 개폐를 통한 수분 제거
   3-4. 진공 흡입을 통한 충전 노즐 습기 제거
4. 결론
5. 참고 문헌



1. 수소 충전소의 개요

수소 충전소는 수소 연료전지 차량에 수소를 충전하는 시설로 수소 충전 인프라의 핵심 요소 중 하나이다.

 

그림 1을 보면, 디스펜서(dispenser)를 통하여 수소 기체를 차량 연료 탱크에 주입하는 구조를 확인할 수 있다. 수소 연료전지 차량의 주행 거리를 늘리기 위하여, 차량 연료 탱크에 많은 양의 수소 기체를 주입해야 한다. 따라서, 디스펜서로부터 높은 압력의 수소 기체가 주입된다. 높은 압력으로 차량 연료 탱크에 수소 기체가 주입되면, 차량 연료 탱크의 온도가 상승하여 안전성을 확보하기 어려워진다. 따라서 디스펜서에서 고압의 수소 기체를 영하 40도의 저온으로 주입함으로써 안전성과 효율성을 확보할 수 있다.

1-1.    수소 충전 프로토콜

자동차 공학 학회(SAE, Society of Automotive Engineers)는 수소 연료전지 차량의 안전한 충전을 보장하면서 충전 성능을 극대화하기 위해 충전 프로토콜 J2601을 개발하였다. SAE J2601은 수소 연료전지 차량의 고압 수소 충전을 위한 프로토콜이다.
 

표 1을 통해 확인해 보면, SAE J2601 프로토콜 내에서 수소 온도, 유속, 디스펜서 압력 값에 대한 한계 범위가 설정된 것을 알 수 있다. 수소 충전 과정에서 안전성과 성능을 유지하기 위하여 프로토콜 내에서 한계 범위를 설정하고 있다. SAE J2601에 따르면 수소 충전소에서 영하 40도의 수소 기체를 차량 연료 탱크에 700bar 압력으로 주입하면, 해당 프로토콜 기반으로 충전 시간이 3분 소요된다.^[2] 

2. 수소 충전 노즐

수소 충전 노즐은 수소 연료전지 차량에 수소를 충전하는 데 사용된다. 저온의 수소를 높은 압력에서 안전하게 차량 연료 탱크로 전달한다. 

2-1. 수소 충전 노즐의 구성

그림 2(a)에 따르면 수소 충전 노즐은 수소 연료를 충전할 수 있도록 열에 민감하지 않은 소재를 사용한 가이드 부시(guide bush), 손잡이, 250도까지 회전이 가능한 스위블 조인트(swivel joint), 노즐 내부의 충전구를 개폐하기 위한 레버(lever)로 구성되어 있다.^[3] 또한, 수소 충전 노즐 내부에는 데이터 케이블과 퍼징 라인(purging line)이 배치되어 있다. 수소 충전 노즐은 데이터 케이블을 통하여 수소 충전에 필요한 데이터를 주고받을 수 있도록 설계되었다. 퍼징 라인은 노즐 내에 질소 기체를 공급함으로써 결빙이 생성되지 않도록 한다.
 

그림 2(b)에 따르면, IR 통신 기반으로 수소 충전을 위한 통신을 수행할 수 있도록 수소 충전 노즐 내부에 IR 수신부가 배치된다. 또한, 수소 연료전지 차량 내 리셉터클과 연결되는 체결부가 포함되어 있다. 체결부 내의 클램프(jaw)는 리셉터클을 고정하도록 상부 및 하부에 배치되어 있다. 리셉터클이 연결되면 유로가 개방되고, IR 수신부를 통한 IR 통신 기반으로 수소가 수소 연료전지 차량에 주입된다. 

2-2. 수소 충전 노즐의 결빙 현상

수소 충전소에서는 고압의 수소를 영하 40도의 저온의 상태로 수소 연료전지 차량에 주입하게 된다. 충전 중 노즐과 주변의 온도 차이로 인해 공기 중의 수분이 응축되어 결빙이 발생할 수 있다. 

결빙 현상으로 인하여 노즐을 탈거하는 데 많은 시간이 소요되어 충전소의 운영 효율이 저하된다. 또한, 결빙이 발생한 상태에서 물리적인 힘으로 노즐을 탈거하게 되면 수소 연료전지 차량 내 리셉터클에도 손상이 발생한다. 이는 수소 연료전지 차량을 사용하는 고객의 불만을 가져올 수 있다. 또한 반복적인 결빙과 해빙 과정에서 노즐의 기계적 손상이 발생할 수 있으며 이는 수소 충전소의 유지 보수 비용을 증가시킨다.

3. 수소 충전 노즐의 결빙 문제 해결 방법 관련 특허 분석

수소 연료전지 차량을 생산 및 판매하고 있으며, 수소 충전 인프라 구축이 활발한 국가는 한국과 일본이다. 한국의 경우, 현대자동차에서 2018년에 수소 연료전지 자동차 넥쏘를 판매하기 시작하여, 2025년에 2세대 넥쏘를 출시할 예정이다. 일본의 경우, 도요타에서 세단형 수소 연료전지 차량인 미라이를 판매하고 있다. 그림 3은 수소 충전 관련 주요 국가들의 2023년까지 누적된 수소 충전소 구축 현황을 나타내고 있다. 주요 국가들 중에서 한국과 일본이 가장 많이 수소 충전소를 구축하였다.
 

따라서, 수소 충전소 구축 현황 및 수소 연료 전지 차량 판매 현황을 고려하여 한국 및 일본 특허를 분석 대상으로 하였다. 한국과 일본 특허 중에서 자국 출원 특허를 제외한 2개 국가 이상에도 특허를 출원한 경우인 패밀리(family) 특허만을 분석 대상으로 삼았다. 패밀리 특허는 동일한 특허가 다른 국가에도 출원된 특허로서, A라는 특허가 다른 국가에서도 활용 가능성이 높거나 특허 출원인이 A라는 특허가 중요한 기술로 판단하는 경우에 패밀리 특허를 확보하게 된다. 

이와 같은 기준으로 수소 충전 노즐의 결빙 문제 해결방법에 관한 특허를 선별하였고, 가열된 공기를 공급하는 방법, 유도 가열 코일을 활용하는 방법, 충전 노즐 수용 박스에서 배수구를 개폐하는 방법, 진공 흡입을 통하여 수분을 제거하는 방법이라는 관련 특허가 있음을 확인할 수 있었다. 

3-1. 가열된 공기를 공급하여 노즐 및 리셉터클 결빙 방지

현대-기아 자동차에서 2021년도에 출원한 특허(한국 출원 번호: 10-2021-0005734)는 수소 충전 노즐에서 결빙이 발생할 수 있는 위치에 가열된 공기를 공급하는 내용을 포함한다. 
 

그림 4를 보면, 공기 공급 장치(800)을 통하여 가열된 공기가 수소 충전 노즐(600) 안으로 공급되어 유로를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 수소 충전 노즐과 리셉터클(100)이 연결되는 상태를 유지할 수 있도록 그립부(620)가 리셉터클을 고정하고 있다. 공기 공급 장치를 통하여 수소 충전 노즐 내부로 들어오면서 제1 유로(710)를 통과하게 된다. 그립부를 기준으로 제1 유로를 지나가는 가열된 공기가 제2 유로(720) 및 제3 유로(730)에서 분산된다. 제1 유로 - 제2 유로 및 제1 유로 - 제3 유로를 통하여 리셉터클의 여러 부위에서 발생할 수 있는 결빙을 방지할 수 있다.

제2 유로 및 제3 유로를 지나서 제4 유로(740)를 통하여 가열된 공기가 외부로 배출된다. 노즐 내의 가열된 공기가 효율적으로 유로를 형성할 수 있도록 제1 유로가 형성되는 부분에서 충전 노즐은 감싸는 커버(700)로 덮여진다. 이러한 구조를 통하여 가열된 공기가 누설되는 것을 방지할 수 있다.

3-2. 유도 가열 코일을 활용한 충전 노즐 가열

현대-기아 자동차에서 2021년도에 출원한 특허(한국 출원 번호: 10-2021-0167570)는 충전구를 덮는 가열 커버에 유도 가열부를 적용하여 충전구에 열을 공급하여 결빙이 발생하지 않도록 설계된 수소 충전 노즐 구조 관련 내용을 포함한다.
 

그림 5는 수소 충전 노즐을 둘레 방향으로 감싸고 있는 유도 가열부(720)가 일정한 간격으로 배치되는 것을 보여준다. 유도 가열부는 나선 형태로 수소 충전 노즐을 감싸고 있는 유도 가열 코일(722)을 포함하고 있다. 유도 가열 코일에 전원이 인가되면, 유도 가열 코일에 흐르는 교류 전류로 인하여 시간에 따라 자기장의 변화가 발생하여 노즐에 와전류가 흐르게 된다. 

와전류에 의해 노즐이 유도 가열되면 노즐과 리셉터클의 결빙을 억제하는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 노즐 주위에 뜨거운 팩을 감싸 노즐의 결빙을 제거하는 방식과 비교하였을 때 결빙을 제거하는 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 와전류 발생으로 유도 가열 코일이 직접 가열되지 않으므로, 고객이 직접 손으로 유도 가열 코일에 인접한 커버에 접촉하더라도 과열에 의한 화상을 방지할 수 있다.

3-3. 센서 기반의 배수구 개폐를 통한 수분 제거

도요타에서 2021년도에 출원한 특허(일본 출원 번호: 2021-103901)는 충전 노즐이 노즐 수용 박스에서 벗어나 있을 때 노즐 수용 박스 내 수분을 제거하기 위하여 배수구를 개방하는 구조 관련 내용을 포함하고 있다.

고객이 수소 충전을 위하여 충전 노즐을 들었을 때, 충전 노즐의 수용 여부를 감지하는 센서를 통하여 충전 노즐이 수용 박스에서 벗어난 것을 감지한다. 감지된 결과에 따른 센서의 신호 전송으로 제어부는 액추에이터(actuator)를 통하여 배수구를 개방하도록 제어한다.

 

그림 6과 같이 제어부로부터 배수구 개방을 위한 제어 신호를 전달받은 액추에이터(26)는 가동 벽(28)을 회전시켜 배수구(23)를 개방한다. 충전 노즐(30)이 노즐 수용 박스(20)에서 벗어나면, 상부가 개방된 노즐 수용 박스 내에, 빗물(50) 등의 수분이 고일 수 있다. 가동 벽이 닫혀 있고 노즐 수용 박스 내에 빗물이 들어간 상태에서 충전 노즐이 노즐 수용 박스에 장착되었을 때, 노즐 수용 박스에 고인 빗물 등의 수분이 충전 노즐에 결착하면서 결빙이 생성된다. 

이를 해결하기 위하여 그림 6과 같이 충전 노즐이 충전 수용 박스로부터 벗어났을 때, 가동 벽이 작동되고 배수구가 개방되어 빗물이 노즐 수용 박스에 모이지 않고 배출될 수 있도록 설계한다. 이를 통하여 수소 충전이 완료되고 충전 노즐과 노즐 수용 박스에 다시 장착될 때 빗물 등의 수분으로 인한 결빙을 방지할 수 있다. 또한 가동 벽은 밀봉면(29s)가 아래쪽을 향할 때까지 액추에이터를 통하여 제어된다. 즉, 가동 벽은 노즐 수용 박스 본체(22)의 하단과의 각도(T1)가 둔각이 될 때까지 동작한다. 이로 인해 빗물 등의 수분이 밀봉 면에 고여 있는 상태로 가동 벽이 닫혔을 때 밀봉 면에서 결빙이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

3-4. 진공 흡입을 통한 충전 노즐 습기 제거

도요타에서 2014년도에 출원한 특허(일본 출원 번호: 2014-140983)는 진공 챔버를 이용하여 수소 충전 노즐 내부에 생성된 수분을 흡입하기 위한 구조 관련 내용을 포함하고 있다.

 

그림 7은 흡입용 노즐(100)이 충전 노즐(300)의 내측에 존재하는 수분을 흡입하는 구조를 보여준다. 미리 진공화해 둔 진공 챔버를 이용하여 충전 노즐의 내측을 흡입하면, 충전 노즐의 내측에 부착된 수분이 흡입된다. 충전구 외관(310)의 내주면(314) 또는 잠금 핀(330)에 부착되어 있는 수분을 포함하여, 외관 내의 공간(316) 및 흡입용 노즐의 외주면(105)과 외관의 내주면 사이에 생성된 수분이 흡입된다.

흡입구(125, 135)로부터 흡입된 수분은 흡입 장치로 흐르게 된다. 노즐 내 수분을 흡입하기 위하여 흡입용 노즐과 충전 노즐이 수평 방향으로 결합된다. 흡입용 노즐을 수평보다도 상향으로 하면, 공급 호스가 구부러져 부하가 걸리는 문제가 발생한다. 따라서 공급 호스에 부하가 걸리지 않도록 진공 흡입 시에 흡입용 노즐이 수평 방향으로 배치된다.

4. 결론

지구 온난화 등의 이상 기후에 대응하기 위하여 수소 연료전지 차량의 보급 확대 및 수소 충전 인프라 확대가 진행되고 있다. 수소 충전 인프라가 확충되어도 수소 충전 노즐의 결빙으로 수소 충전에 많은 시간이 소요되면 수소 연료전지 차량의 보급은 늦어질 수 있다.

수소 연료전지 자동차를 개발하고 있는 한국과 일본의 자동차 회사는 결빙 해결 방법 관련 특허를 출원하면서 수소 충전 시간 단축에 앞장서고 있다. 수소 충전 시간의 단축을 위하여 수소 충전 노즐의 결빙 해결을 위한 기술 개발 및 특허 확보는 앞으로도 더욱 치열해질 것으로 전망된다.


5. 참고 문헌

[1] Choi JA, Jang JS, Ji SW. A development of a surface frost prediction model for hydrogen fueling nozzle. International Journal of Hydrogen Energy. 2024;77:1416-24.
[2] Reddi K, Elgowainy A, Rustagi N, Gupta E. Impact of hydrogen SAE J2601 fueling methods on fueling time of light-duty fuel cell electric vehicles. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42(26):16675-85.
[3] 김주현, 조계용, 지상원. 수소충전소용 수소 충전 노즐의 고장 유형 및 영향분석. 한국수소및신에너지학회논문집. 2023;34(6):682-8.
[4] H2KOREA. 주요국 수소 충전소 구축 현황: 수소경제 종합정보포털  (http://www.h2hub.or.kr/)
[5] 현대자동차(주) | 기아(주). 유체 충전 시스템 및 노즐 장치와 리셉터클 장치. Korea Patent 10-2021-0005734. 2021-01-15.
[6] 현대자동차(주) | 기아(주). 노즐 가열 장치 및 유체 충전 시스템. Korea Patent 10-2021-0167570. 2021-11-09.
[7] TOYOTA MOTOR. Gas supply device and hydrogen refuelling station with the same. Japan Patent 2021-103901. 2021-06-03.
[8] TOYOTA MOTOR | IWATANI CORPORATION. SUCTION DEVICE AND SUCTION METHOD. Japan Patent 2014-140983. 2014-07-09.