한국가스공사와 한화파워시스템이 공동제작하고있는 터보팽창형 정압기의 설계점은 유량 28.8 ton/h, 입구압력 60 barg, 토출압력 8.5 barg이다. 터보팽창형 정압기의 탈설계점 고려 시, 최소 유량이 14 ton/h 이상이고 입구압력은 55-61 barg일 때 경제적인 운영이 가능하다⁶⁾.

공급관리소 내부에는 터보팽창형 정압설비, 터보팽창형 정압설비 가동을 위한 부대설비, 연료전지 2기가 설치되며 공급관리소 외부에는 PSA, 압축기, 수소 탱크, 수소차·전기차 충전소, 관제센터, CHP, 흡수식 냉동기, 태양광, ESS 설비실이 설치된다. Table 1은 각 장비 별 설치 장소 및 요구 면적으로 공급관리소 내부는 200 py, 외부는 400 py이 필요하다⁷⁾.

또한 터보팽창형 정압기는 기존 정압기와 근접하게 위치되어야 기존 가스 공급 라인과 간섭이 생기지 않고 배관 공사를 최소화할 수 있다.

연료전지에서 생산되는 배열을 터보팽창형 정압설비 온도 보상 열원으로 활용하는 터보팽창형 정압설비-연료전지 복합발전을 공정해석 프로그램(HYSYS)으로 진행하고 생산된 가스 조성을 기반으로 가스정제 및 응축과정, 압축과정을 통하여 충전탱크 저장까지 공정해석을 실시하였다. 터보팽창형 정압설비는 총 2단으로 구성되어 있으며, 각 단에서 가스가 감압하여 팽창되는 과정에서 등엔트로피공정을 거쳐 가스 온도가 급격히 낮아지게 된다. 이를 방지하기 위해 각 단 가스 주입 전 pre-heating 과정이 필수적인데 1단의 경우 5℃에서 55℃, 2단의 경우 5℃에서 70℃로 승온시킨다. 최종적으로 수요처에는 5℃, 8.5 barg로 공급한다. 터보팽창하여 정압설비 각 단의 압력, 온도는 Table 2에 정리하였다.

연료전지는 2기가 설치되는데, 발전용 연료전지(PAFC, 440 kW 발전)와 수소생산형 연료전지(trigen phosphoric acid fuel cell, 350 kW 발전)이며 각 연료전지로부터 생산되는 배열량은 각각의 발전량과 같은 440 kW, 350 kW이다. 수소생산형 연료전지는 연료전지 내부에 장착된 개질기를 통해 440 kW 발전에 필요한 수소를 생산하지만 스택을 통한 전력생산을 350 kW로 운전하며 사용하지 않는 미반응 수소는 버너로 회수되는 일부를 제외하고 모두 PSA 정제와 응축과정을 통해 탱크에 저장 후 수소자동차 충전을 위해 활용된다. 또한 문헌에 발표되었던 수소 개질기 및 인산형 연료전지 HSYS 모델들을 바탕으로, 기 개발된 TEG HYSYS 모델과 통합하는 연구를 진행하여 복합에너지 허브시스템 통합과 작동조건 최적화 연구를 수행할 예정이다⁸⁾.

일반적인 수소충전소의 구성은 Fig. 1과 같이 수소공급설비, 압축설비, 저장설비, 충전설비, 운전설비로 구성된다.

Fig. 1. 
A diagram of H₂ charging station

상기 설비들을 별도로 설치할 경우, 설비 간의 안전거리 확보를 위해 많은 부지가 필요하므로 본 연구에서는 압축설비, 저장설비, 제어설비를 패키지에 모듈화하여 수소충전시스템을 설계하였다.

본 연구의 수소충전소 process diagram은 Fig. 2에 도시화하였으며 연료전지로부터 생산된 저농도의 부생수소를 PSA를 통해 고농도로 정제하고 수소패키지에 압축 및 저장하여 디스펜서를 이용하여 수소를 충전한다.

Fig. 2. 
Process diagram of H₂ charging station

1.5 MW 급 터보팽창형 정압기의 각 단에서 요구되는 열량은 1단에서 1,063 kW, 2단에서 1,223 kW 이며 2대의 연료전지에서 발생하는 배열 790 kW로는 열량을 충족시키지 못해 추가 가열장치로 1단에는 부족한 열량을, 2단에는 필요열량을 공급해야 한다. 추가 필요열량은 HSYS 해석을 통해 구하였으며 Table 3에 정리하였다.

수소충전을 위해 PSA 공정 후 수소 순도는 99.997% 이상이 되어야 한다. 연료전지 후단 부생수소의 순도는 50%이며 이때의 유량은 370 Nm³/h이다. 이 중 87.9 Nm³/h는 연료전지 내 버너로 회수되고 남은 부생수소는 PSA를 거쳐 110 Nm³/h, 순도 99.997%의 수소가 생산된다. 각 단의 해석 결과는 Table 4와 같다.

터보팽창형 정압설비의 추가 보조 열원으로 가스보일러와 2기의 열교환기를 선정하였으며 온수가열장치(가스보일러), 열교환기, 온수순환펌프, 팽창탱크 등으로 구성된다.

공급관리소 정압설비의 천연가스 공급 흐름을 보면 기존 가스히터 후단(35℃)의 고압 천연가스가 열교환기에서 1차 가열(55℃) 후 터보팽창형 정압설비 1단에 공급되어 1단 감압 및 전기를 생산하고 1단 후단(4℃)의 천연가스는 열교환기를 통해 가열(69℃) 되어 2단 감압 및 전기를 생산하고 저압의 천연가스로 수요처에 공급된다. 이때 천연가스를 가열하는 열교환기의 열원은 90℃ 고온의 물로써 이것은 온수가열장치(가스보일러)에 의해 가열되며 순환펌프(pump)에 의해 열교환기를 경유하여 다시 70℃의 온수가 가열장치(가스보일러)로 회수되는 순환 과정으로 구성된다. 추가적으로 보일러로 회수되는 배관에 T자 분기관을 구성하여 약 70℃ 순환수의 일부를 연료전지의 배기가스열교환기로 순환되도록 하고 다시 여기서 가열된 약 90℃ 온수를 보일러 출구의 배관에 연결하여 보일러 가열수와 혼합하여 열교환기로 순환되도록 하는 by-pass관을 구성한다.

연료전지에서 생성된 수소를 cooler로 수분을 제거하고 가압, 분류를 통해 고순도의 수소를 생산하기 위해 압력 9.9 barg, 온도 80℃, 유량 330 Nm³/h의 설계조건으로 4개의 PSA 탱크를 설계하였으며 설계한 PSA의 사양과 외형도는 Table 5와 Fig. 3에 도시하였다.

Fig. 3. 
Outline of PSA

PSA에서 정제된 수소를 압축 및 저장하기 위한 패키지형 설비로 1차 저장탱크용 다이아프램 압축기, 수소차충전용 다이아프램 압축기, 1차 저장용 저장탱크 3개, 2차 저장 및 공급용 저장탱크 2개로 구성하였다. 압축기의 상세 스펙 및 수소패키지 외형도는 Table 6, Fig. 4와 같다.

Fig. 4. 
Outline of H₂ fueling package system