KR101900133B1 - 냉각 수소 공급 스테이션 및 수소 냉각 장치 - Google Patents

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신와 콘트롤즈 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 냉각 수소 공급 스테이션은, 제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로와, 제1 냉매로의 일부에 대해서 마련되고, 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛과, 제2의 냉매가 통류되는 제2 냉매로와, 제1 냉매로의 다른 일부와 제2 냉매로의 일부와의 사이에서 제1의 냉매에 의해서 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기와, 수소가 저장된 수소 저장부와, 수소 저장부에 저장된 수소가 반송되는 수소 유로와, 제2 냉매로의 다른 일부와 수소 유로의 일부와의 사이에서 제2의 냉매에 의해서 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기를 구비한다. 수소는 제2 열교환기에 의해서 -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내까지 냉각되도록 되어 있고, 수소 냉각 능력은 수소를 -40℃로 냉각할 때 13.5kW 내지 16.5kW이다.

Description

냉각 수소 공급 스테이션 및 수소 냉각 장치{COOLED-HYDROGEN SUPPLY STATION AND HYDROGEN COOLING APPARATUS}
본 발명은, 냉각 수소를 연료 전지차 등에 공급하기 위한 냉각 수소 공급 스테이션, 및, 상기 냉각 수소 공급 스테이션에 이용되는 수소 냉각 장치에 관한 것이다.
수소를 연료로 하는 연료 전지차는, 배기 가스를 배출하지 않기 때문에, 환경면에 있어서 우수하다. 따라서, 이러한 연료 전지차를 널리 보급시키기 위해서, 최근, 여러 가지의 개발이 진행되고 있다. 연료 전지차의 보급에는, 차량 자체의 개발도 중요하지만, 수소를 연료 전지차에 공급하기 위한 수소 공급 스테이션의 개발도 중요하다.
수소 공급 스테이션에 관해서는, 종래로부터 여러 가지의 기술이 제안되고 있다(예를 들면, 일본 특허 공보 제4492064호 참조).
수소 공급 스테이션에 있어서 연료 전지차에 수소를 공급하는 경우, 많은 대수의 연료 전지차에 가능한한 연속적으로 수소를 공급할 수 있는 것이 바람직하다. 이것을 달성하기 위한 하나의 수법으로서, 압축 상태의 수소를 냉각하여 연료 전지차에 공급하는 수법이 알려져 있다.
이러한 수법에 있어서, 수소를 소망의 온도로 고효율로, 즉, 에너지 절약하면서 냉각할 수 있는 것이 요망된다. 또한, 상기 고효율의 수소의 냉각은, 안정적으로 수소를 공급하기 위해서 고정밀도로 실현되는 것이 바람직하다.
그러나, 본 출원의 시점에 있어서, 충분한 고효율의 냉각을, 바람직하게는 고정밀도로 실현하는 것이 가능한 냉각 수소 공급 스테이션은, 아직 존재하고 있지 않다.
본 발명은, 이상의 지견(知見)에 근거하여 창안된 것이다. 본 발명의 목적은, 수소에 대한 충분한 고효율의 냉각을, 바람직하게는 고정밀도로 실현할 수 있는 냉각 수소 공급 스테이션, 및, 상기 냉각 수소 공급 스테이션에 이용되는 수소 냉각 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로와, 상기 제1 냉매로의 일부에 대해서 마련되고, 상기 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛과, 제2의 냉매가 통류되는 제2 냉매로와, 상기 제1 냉매로의 다른 일부와 상기 제2 냉매로의 일부와의 사이에서 상기 제1의 냉매에 의해서 상기 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기와, 수소가 저장된 수소 저장부와, 상기 수소 저장부에 저장된 수소가 반송되는 수소 유로와, 상기 제2 냉매로의 다른 일부와 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 상기 제2의 냉매에 의해서 상기 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기를 구비하고, 상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내까지 냉각되도록 되어 있고, 수소 냉각 능력은, 수소를 -40℃로 냉각할 때에 13.5kW 내지 16.5kW인 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션이다.
본건 발명자에 의해 개발된 상기 냉각 수소 공급 스테이션에 의하면, 수소 냉각 능력으로서, 수소를 -40℃로 냉각할 때에 13.5kW 내지 16.5kW인 것(13.5kW @ -40℃ 내지 16.5kW @ -40℃)을 실현할 수 있었다는 것에 의해, 수소의 냉각을 고효율로, 즉, 극히 높은 에너지 절약을 실현할 수 있다.
바람직하게는, 상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서 +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내로 냉각되도록 되어 있다.
즉, 본건 발명자에 의해 개발된 상기 냉각 수소 공급 스테이션에 의하면, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서 +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내에서의 냉각 정밀도를 실현할 수 있었다는 것에 의해, 수소에 대한 충분한 고효율의 냉각을, 고정밀도로 실현할 수 있다.
구체적으로, 예를 들면, 상기 냉각 수소 공급 스테이션은, 상기 제1 냉매로 내에서의 상기 제1의 냉매의 순환량을 제어하는 밸브와, 상기 제2 냉매로 내에서의 상기 제2의 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 밸브를 제어하는 온도 피드백 제어부를 더 구비한다. 이 경우, 간편한 온도 피드백 제어에 의해서, 제2의 냉매를 소망의 온도로 고정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 상기 냉각 수소 공급 스테이션은, 상기 수소 유로에, 상기 제2 열교환기에 의해서 냉각된 후의 수소를 배출하는 배출구가 마련되어 있고, 상기 배출구로부터 배출되는 수소의 양이, 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min인 것으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 수소 공급량으로 함에 의해, 적어도 1대 분의 연료 전지차에의 수소 공급을 3분에 실시할 수 있다(현재의 통상의 연료 전지차의 수소 용량은 5kg이다). 또한, 본건 발명자에 의해 개발된 냉각 수소 공급 스테이션에 의하면, 1대의 연료 전지차에 3분에 4.5kg 내지 5.5kg의 수소를 공급한 후에는, 7분간의 인터벌을 두게 되면, 다시 다음 1대의 연료 전지차에 3분에 4.5kg 내지 5.5kg의 수소를 공급할 수 있다.
상기 냉각 수소 공급 스테이션에서는, 상기 제1의 냉매가 프레온이며, 상기 제2의 냉매가 포름산 칼륨 수용액, 구체적으로는 쇼와 가부시키가이샤(Showa Water Industries Co., Ltd.)제품인 콜드브라인인 것으로, 상술의 각 성능을 실현할 수 있다는 것을, 본건 발명자는 확인하고 있다.
또한, 상기 냉각 수소 공급 스테이션은, 제1 운전 모드와 제2 운전 모드의 어느 한 쪽이 선택되어서 운전되도록 되어 있고, 제1 운전 모드에 있어서는, 상기 수소가 -20℃로 냉각되고, 제2 운전 모드에 있어서는, 상기 수소가 -40℃로 냉각되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 수소 공급의 필요성에 대응하여, 필요성이 낮은 경우에는 아이들 운전 상태에 대응하는 제1 운전 모드가 선택되고, 필요성이 높은 경우에는 스탠바이 상태에 대응하는 제2 운전 모드가 선택됨에 의해, 냉각에 관한 에너지 소비를 효과적으로 억제할 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 운전 모드 또는 상기 제2 운전 모드의 선택은, 시간대에 대응하여 자동적으로 행해지도록 되어 있어도 좋다. 이 경우, 예를 들면, 수소 공급의 필요성이 낮은 야간 시간대(예를 들면 영업 시간 외)에서는 제1 운전 모드가 선택되고, 수소 공급의 필요성이 높은 낮 시간대(예를 들면 영업 시간 내)에서는 제2 운전 모드가 선택됨에 의해, 수소 공급의 필요성이 낮은 야간 시간대에 있어서 냉각에 관한 에너지 소비를 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 냉각 수소 공급 스테이션에서는, 상기 제2 냉매로는, 상기 제1 열교환기에 의해서 상기 제1 냉매로의 다른 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 일부를 포함하는 전반(前半) 통류로(通流路)와, 상기 제2 열교환기에 의해서 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 다른 일부를 포함하는 후반 통류로와, 상기 전반 통류로와 상기 후반 통류로를 접속하는 탱크부를 가지고 있고, 상기 탱크부에는, 상기 탱크부 내에 있어서의 상기 제2의 냉매의 액면을 소정 범위로 유지하기 위한 냉매량 조정 기구가 접속되어 있어도 좋다.
이 경우, 탱크부 내에 있어서의 제2의 냉매의 액면이 소정 범위로 유지됨에 의해서, 제2의 냉매에 부식성이 높은 액화 냉매가 이용되고, 상기 제2의 냉매가 온도 변화에 수반하여 팽창 수축한다고 해도, 상기 제2의 냉매의 액면의 승강에 기인하는 탱크부 내벽의 부식의 발생 및 석출물의 부착을 방지할 수 있다.
또한, 이 경우, 상기 제2 냉매로의 상기 후반 통류로에 있어서의 상기 제2의 냉매의 통류량은, 0.3 MPa의 통류 압력에서 135 L/min 내지 165 L/min인 것이 바람직하다. 본건 발명자는, 상기 제2 냉매로의 상기 후반 통류로에 있어서의 상기 제2의 냉매의 통류량이, 0.3 MPa의 통류 압력에서 135 L/min 내지 165 L/min인 것으로, 수소에 대한 충분한 고효율의 냉각을 실현할 수 있다는 것을 확인하고 있다.
또한, 본 발명은, 수소 유로내에서 반송되는 수소를 냉각하는 수소 냉각 장치로서, 제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로와, 상기 제1 냉매로의 일부에 대해서 마련되고, 상기 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛과, 제2의 냉매가 통류되는 제2 냉매로와, 상기 제1 냉매로의 다른 일부와 상기 제2 냉매로의 일부와의 사이에서 상기 제1의 냉매에 의해서 상기 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기와, 상기 제2 냉매로의 다른 일부와 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 상기 제2의 냉매에 의해서 상기 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기를 구비하고, 상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내까지 냉각되도록 되어 있고, 수소 냉각 능력은, 수소를 -40℃로 냉각할 때에 13.5kW 내지 16.5kW인 것을 특징으로 하는 수소 냉각 장치이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션에 있어서의 수소 냉각 장치의 개략 사시도이다.
이하에, 첨부의 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션(1)의 계통도이며, 도 2는, 상기 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 있어서의 수소 냉각 장치(20)의 개략 사시도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 냉각 수소 공급 스테이션(1)은, 수소가 저장된 수소 저장부(11)와, 상기 수소 저장부(11)에 저장된 수소가 반송되는 수소 유로(12)를 가지고 있다. 수소 유로(12)의 하류측 단부(端部)가 배출구(13)로 되어 있고, 상기 배출구(13)로부터 수소가 연료 전지차의 연료 공급구에 공급되도록 되어 있다. 수소 공급시에는, 배출구(13)와 연료 전지차의 연료 공급구는, 기밀(氣密)하게 접속되도록 되어 있다.
본 실시 형태의 수소 저장부(11)에는, 압축 상태의 수소가 저장되어 있다. 따라서, 수소 유로(12) 내에는, 압축 상태의 수소가 공급되도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 배출구(13)로부터 배출되는(연료 전지차에 공급되는) 수소의 양이 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min, 특히 5.0kg/3min로 되는, 압축 상태가 채용되어 있다.
또한, 냉각 수소 공급 스테이션(1)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로(21)와, 제1 냉매로(21)의 일부에 대해서 마련되고 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛(22)과, 제2의 냉매가 통류되는 제2 냉매로(23)와, 제1 냉매로(21)의 다른 일부(수냉식 냉동기 유닛(22)에 의해서 냉각되는 부분과는 다른 부분)와 제2 냉매로(23)의 일부와의 사이에서 제1의 냉매에 의해서 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기(24)를 구비하고 있다.
제1 냉매로(21)에 있어서의 제1의 냉매의 순환의 방향은, 도 1의 화살표로 나타내는 바와 같이 되어 있다. 즉, 수냉식 냉동기 유닛(22)에 의해서 냉각되고, 그 후에 제1 열교환기(24)를 통과하고, 다시 수냉식 냉동기 유닛(22)으로 돌아오도록 되어 있다. 이러한 방향으로 제1의 냉매를 순환시키기 위해서, 수냉식 냉동기 유닛(22)으로부터 제1 열교환기(24)에 이르는 제1 냉매로(21)의 부분에, 모터 밸브(25)가 마련되어 있다. 상기 모터 밸브(25)는, 제1의 냉매를 순환시키기 위한 구동 모터(미도시)와, 제1의 냉매의 순환량을 조정하기 위한 유량 조정 밸브(미도시)를 가지고 있다.
또한, 제2 냉매로(23)의 다른 일부(제1 열교환기(24)에 의해서 냉각되는 부분과는 다른 부분)와 수소 유로(12)의 일부와의 사이에, 제2의 냉매에 의해서 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기(30)가 마련되어 있다. 상기 제2 열교환기(30)는, 수소 유로(12) 내에 있어서 배출구(13)에 도달하기 전의 수소를 냉각하도록 되어 있다.
본 실시 형태에서는, 제2 냉매로(23)가, 제1 열교환기(24)에 의해서 제1 냉매로(21)의 상기 다른 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 제2 냉매로(23)의 일부를 포함하는 전반 통류로(23A)와, 제2 열교환기(30)에 의해서 수소 유로(12)의 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 제2 냉매로(23)의 상기 다른 일부를 포함하는 후반 통류로(23B)와, 전반 통류로(23A)와 후반 통류로(23B)를 접속하는 탱크부(23T)를 가지고 있다.
그리고, 탱크부(23T)에는 제2의 냉매가 대략 만탱크 상태로 저류되어 있고, 전반 통류로(23A) 및 후반 통류로(23B)의 각각에 마련된 펌프(미도시)에 의해서, 도 1의 화살표로 나타내는 바와 같이, 탱크부(23T)로부터 전반 통류로(23A)에 공급된 제2의 냉매는, 제1 열교환기(24)를 통과하여 제1의 냉매에 의해서 냉각된 후에 탱크부(23T)로 돌아옴과 아울러, 탱크부(23T)로부터 후반 통류로(23B)에 공급된 제2의 냉매는, 제2의 열교환기(30)를 통과하여 수소를 냉각한 후에(제2의 냉매에 있어서는 온도 상승된 후에) 탱크부(23T)로 돌아오도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 후반 통류로(23B)에 있어서의 제2의 냉매의 통류량이, 135 L/min @ 0.3 MPa 내지 165 L/min @ 0.3 MPa(즉, 0.3 MPa의 통류 압력에서 135 L/min 내지 165 L/min), 특히, 150 L/min @ 0.3 MPa(즉, 0.3 MPa의 통류 압력에서 150 L/min)로 되도록, 상기 각 펌프(미도시)의 운전이 제어되도록 되어 있다. 구체적으로는, 상기 각 펌프(미도시)의 운전이, 적절하게 마련된 유량 센서(미도시)에 의해서 검출된 유량값(검출 결과)에 근거하여, 피드백 제어되도록 되어 있다.
또한, 탱크부(23T) 내에는, 제2의 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서(26)가 마련되어 있다. 그리고, 온도 센서(26)에 의해서 검출된 온도값(검출 결과)이, 소정의 제어 프로그램에 근거하여 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25)를 제어하는 온도 피드백 제어부(40)로 출력되도록 되어 있다. 즉, 온도 피드백 제어부(40)는, 온도 센서(26)의 검출 결과에 근거하여, 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25)를 소정의 제어 프로그램에 따라서 제어하도록 되어 있다.
이에 의해, 제1 열교환기(24)에 있어서의 제1의 냉매의 냉각 능력이 조정되어서, 제2의 열교환기(30)를 통류하는 제2의 냉매의 온도를 희망하는 바로 조정할 수 있다.
그리고, 제2의 열교환기(30)를 통류하는 제2의 냉매의 온도가 상술한 바와 같이 조정됨에 의해서, 제2 열교환기(30)를 개재하여, 수소 유로(12) 내의 수소가 -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내에서 설정되는 설정 온도로 조정되도록 되어 있다.
본 실시 형태에서는, 제1 냉매로(21) 내를 순환하는 1의 냉매로서 프레온이 이용되고 있고, 구체적으로는, 미츠이 듀폰 플루오르 케미컬 카부시키가이샤(Du Pont-Mitsui Fluorochemicals Co., Ltd.)제품인 HFC계 혼합 냉매 R-404A가 이용되고 있다. 또한, 제2 냉매로(23) 내를 통류하는 제2의 냉매로서, 쇼와 가부시키가이샤 제품인 콜드브라인 FP-40(포름산 칼륨 수용액)이 이용되고 있다.
제2의 냉매인 콜드브라인 FP-40은 액화 냉매이며, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위에 있어서 유동성을 유지할 수 있다. 또한, 제2의 냉매인 콜드브라인 FP-40은, 그 온도에 대응하여 팽창 수축될 수 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 팽창 수축이 생겨도, 탱크부(23T)에 있어서의 제2의 냉매의 액면이 승강하여 부식을 발생시키지 않도록, 탱크부(23T)에 상기 탱크부(23T) 내에 있어서의 제2의 냉매의 액면을 소정 범위(바람직하게는 일정한 액면 높이)로 유지하기 위한 냉매량 조정 기구(27)가 접속되어 있다. 냉매량 조정 기구(27)는, 탱크부(23T)에 접속되는 조정용 탱크(27A)와 체크 밸브(27B)를 가지고 있다. 냉매량 조정 기구(27)는, 제2의 냉매가 냉각되어서 압축된 경우에, 조정용 탱크(27A)로부터 제2의 냉매를 탱크부(23T) 내에 보충함으로써, 제2의 냉매의 액면을 소정 범위로 유지하도록 되어 있다. 한편, 냉매량 조정 기구(27)는, 제2의 냉매가 온도 상승하여 팽창한 경우에, 탱크부(23T)로부터 체크 밸브(27B)를 통하여 제2의 냉매를 외부로 배출시킴으로써, 제2의 냉매의 액면을 소정 범위로 유지하도록 되어 있다.
여기서, 도 1에 있어서, 수소 저장부(11) 및 제2 열교환기(30)를 통하는 수소 유로(12)가, 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 있어서의 수소 공급 디스펜서(10)를 구성하고 있다. 한편, 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 있어서의 수소 저장부(11) 및 수소 유로(12)를 제외한 부분은, 수소 냉각 장치(20)로서 이해할 수 있다. 냉각 수소 공급 스테이션(1)은, 수소 공급 디스펜서(10)와 수소 냉각 장치(20)를 제2 열교환기(30)를 개재하여 결합하는 것으로 구성되어 있다고 말할 수 있다.
이상으로 설명한 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 있어서는, 수냉식 냉동기 유닛(22)을 채용하고, 모터 밸브 내지 펌프를 포함하는 복수의 냉매로 및 이들을 순환하는 냉매의 선정 등에 의해서, 수소 냉각 능력으로서, 수소를 -40℃로 냉각할 때에 13.5kW 내지 16.5kW인 것(13.5kW @ -40℃ 내지 16.5kW @ -40℃)을 실현하고 있다. 즉, 수소를 -40℃로 유지하는 냉각 능력으로서, 13.5kW 내지 16.5kW를 실현하고 있다. 또한, 수소의 냉각 정밀도로서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서, +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내에서의 냉각을 실현하고 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션(1)은, 제1 운전 모드와 제2 운전 모드 중 어느 한 쪽이 선택되어서 운전되도록 되어 있고, 제1 운전 모드에 있어서는, 수소가 -20℃로 냉각되고, 제2 운전 모드에 있어서는, 수소가 -40℃로 냉각되도록 되어 있다. 제1 운전 모드 또는 제2 운전 모드의 선택은, 시간대에 대응하여 자동적으로 행해지도록 되어 있는데, 일례로서 본 실시 형태에서는, 오후 5시부터 오전 9시까지의 사이는, 제1 운전 모드로 되도록 설정되고, 오후 5시부터 오전 9시 이외의 시간대는, 제2 운전 모드로 되도록 설정되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제1 운전 모드가 선택되는 시간대 및 제2 운전 모드가 선택되는 시간대의 설정을, 수동으로 변경할 수 있도록 되어 있다. 구체적으로는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 수소 냉각 장치(20)의 하우징체(20C) 상에 터치 패널(20D)이 마련되어 있고, 상기 터치 패널(20D)에 대해서 작업자가 수동 조작을 행할 수 있도록 되어 있다.
또한, 터치 패널(20D)에 있어서, 제1 운전 모드와 제2 운전 모드와의 선택 자체를 수동으로 행할 수 있도록 되어 있어도 좋다. 또한, 제1 운전 모드 또는 제2 운전 모드의 선택은, 바깥 공기 온도에 대응하여 자동적으로 행해지도록 되어 있어도 좋다.
다음으로, 본 실시 형태에 의한 수소 공급 스테이션(1)의 작용에 대해서 설명한다
본 실시 형태에 의한 수소 공급 스테이션(1)은, 수소가 -20℃로 냉각되는 제1 운전 모드 또는 수소가 -40℃로 냉각되는 제2 운전 모드가 선택되어서 운전되도록 되어 있다.
우선, 제1 운전 모드에 있어서의 수소 공급 스테이션(1)의 동작에 대해서 설명한다. 제1 운전 모드에서의 운전이 개시되면, 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25)가 구동되고, 제1 냉매로(21)에서의 제1의 냉매의 도 1의 화살표 방향으로의 순환이 개시된다. 또한, 제2 냉매로(23)의 전반 통류로(23A)에 있어서의 펌프가 구동되고, 전반 통류로(23A)에서의 제2 냉매의 도 1의 화살표 방향으로의 순환이 개시된다. 이에 의해, 제1 냉매로(21)를 순환하는 제1의 냉매가 제1 열교환기(24)를 통과함과 아울러, 전반 통류로(23A)를 순환하는 제2의 냉매가 제1 열교환기(24)를 통과한다. 이때, 제2의 냉매가, 제1 열교환기(24)를 개재하여 제1의 냉매에 의해서 냉각된다.
제1 열교환기(24)를 통과하여 탱크부(23T) 내로 돌아온 제2의 냉매의 온도는, 탱크부(23T) 내의 온도 센서(26)에 의해서 검출된다. 그리고, 온도 피드백 제어부(40)는, 온도 센서(26)에 의해서 검출된 제2의 냉매의 온도와 -20℃와의 차분(差分)에 대응하여, 제1의 냉매로(21)의 모터 밸브(25)를 제어한다. 모터 밸브(25)는, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매가 -20℃로 되도록 제1 냉매로(21) 내에서의 제1의 냉매의 순환량을 제어한다. 이상에 의해, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매의 온도가 -20℃로 제어된다.
탱크부(23T) 내의 제2의 냉매가 -20℃로 될 때에는, 제2 냉매로(23)의 후반 통류로(23B)에 있어서의 펌프가 구동되고, 후반 통류로(23B)에서의 제2의 냉매의 순환이 개시된다. 이에 의해, -20℃로 냉각된 제2의 냉매가 제2 열교환기(30)를 통과한다. 이때, 수소 유로(12) 내의 수소가, 제2 열교환기(30)를 개재하여 제2의 냉매에 의해서 -20℃까지 냉각된다.
제2 열교환기(30)를 통과한 제2의 냉매는, 온도 상승한 상태로 되어서, 탱크부(23T)로 돌아온다. 이에 의해, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매의 온도는 -20℃로부터 변동될 수 있다. 그러나, 상기 제2의 냉매의 온도는 온도 센서(26)에 의해서 검출되고, 상기 온도에 근거하여 온도 피드백 제어부(40)에 의해서 모터 밸브(25)가 제어되기 때문에, 후반 통류로(23B)를 순환하는 제2 냉매의 온도는, -20℃로 안정적으로 유지될 수 있다.
다음으로, 제2 운전 모드에 있어서의 수소 공급 스테이션(1)의 동작에 대해서 설명한다. 제2 운전 모드에서의 운전이 개시되면, 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25)가 구동되고, 제1 냉매로(21)에서의 제1의 냉매의 도 1의 화살표 방향으로의 순환이 개시된다. 또한, 제2 냉매로(23)의 전반 통류로(23A)에 있어서의 펌프가 구동되고, 전반 통류로(23A)에서의 제2 냉매의 도 1의 화살표 방향으로의 순환이 개시된다. 이에 의해, 제1 냉매로(21)를 순환하는 제1의 냉매가 제1 열교환기(24)를 통과함과 아울러, 전반 통류로(23A)를 순환하는 제2의 냉매가 제1 열교환기(24)를 통과한다. 이때, 제2의 냉매가, 제1 열교환기(24)를 개재하여 제1의 냉매에 의해서 냉각된다.
제1 열교환기(24)를 통과하여 탱크부(23T) 내로 돌아온 제2의 냉매의 온도는, 탱크부(23T) 내의 온도 센서(26)에 의해서 검출된다. 그리고, 온도 피드백 제어부(40)는, 온도 센서(26)에 의해서 검출된 제2의 냉매의 온도와 -40℃와의 차분에 대응하여, 제1의 냉매로(21)의 모터 밸브(25)를 제어한다. 모터 밸브(25)는, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매가 -40℃로 되도록 제1 냉매로(21) 내에서의 제1의 냉매의 순환량을 제어한다. 이상에 의해, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매의 온도가 -40℃로 제어된다.
탱크부(23T) 내의 제2의 냉매가 -40℃로 될 때에는, 제2 냉매로(23)의 후반 통류로(23B)에 있어서의 펌프가 구동되고, 후반 통류로(23B)에서의 제2의 냉매의 순환이 개시된다. 이에 의해, -40℃로 냉각된 제2의 냉매가 제2 열교환기(30)를 통과한다. 이때, 수소 유로(12) 내의 수소가, 제2 열교환기(30)를 개재하여 제2의 냉매에 의해서 -40℃까지 냉각된다. 이때, 제2의 냉매의 통류량이, 135 L/min @ 0.3 MPa 내지 165 L/min @ 0.3 MPa, 특히, 150 L/min @ 0.3 MPa로 되어 있다.
제2 열교환기(30)를 통과한 제2의 냉매는, 온도 상승한 상태로 되어서, 탱크부(23T)로 돌아온다. 이에 의해, 탱크부(23T) 내의 제2의 냉매의 온도는 -40℃로부터 변동될 수 있다. 그러나, 상기 제2의 냉매의 온도는 온도 센서(26)에 의해서 검출되고, 상기 온도에 근거하여 온도 피드백 제어부(40)에 의해서 모터 밸브(25)가 제어되기 때문에, 후반 통류로(23B)를 순환하는 제2 냉매의 온도는, -40℃로 안정적으로 유지될 수 있다.
실제로, 본건 발명자에 의해 개발된 상기 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 의하면, +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내에 제2의 냉매의 온도를 고정밀도로 냉각할 수 있다. 이에 의해, 상기 제2의 냉매에 의해서 냉각되는 수소에 대해서도, +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내에 고정밀도로 냉각할 수 있다.
본 실시 형태의 제2 운전 모드에 의하면, 예를 들면 외계(外界) 온도 +40℃의 상태로부터 단번에 제2의 냉매를 -40℃로 냉각할 때까지는, 120 min이다. 또한, 제1 운전 모드에 의해서 -20℃로 냉각되어 있던 상태로부터 제2의 냉매를 -40℃로 냉각할 때까지는, 불과 30 min이다.
본 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션(1)은, 이상과 같이 고정밀도로 냉각된 수소를, 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min, 특히 5.Okg/3min라는 유량으로 연료 전지차에 공급할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 의한 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 의하면, 1대의 연료 전지차에 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min, 특히 5.0kg/3min로 수소를 공급한 후에는, 7min의 인터벌을 두게 되면, 다시 다음 1대의 연료 전지차에 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min, 특히 5.0kg/3min로 수소를 공급할 수 있다.
또한, -40℃로 냉각된 제2의 냉매를, 상기 -40℃로 안정적으로 유지해 두는 경우의 냉각 능력은, 13.5kW @ -40℃ 내지 16.5kW @ -40℃, 특히, 15.0kW @ -40℃이다.
아울러, 제1 운전 모드로부터 제2 운전 모드로 전환될 때에는, 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25) 및 전반 통류로(23A)에 있어서의 펌프는, 제1 운전 모드로부터 계속해서 구동되어도 좋다. 마찬가지로, 제2 운전 모드로부터 제1 운전 모드로 전환될 때에는, 제1 냉매로(21)의 모터 밸브(25) 및 전반 통류로(23A)에 있어서의 펌프는, 제2 운전 모드로부터 계속해서 구동되어도 좋다.
또한, 제1 운전 모드에 있어서도 제2 운전 모드에 있어서도, 제2의 냉매인 콜드브라인 FP-40은, 그 온도에 대응하여 팽창 수축될 수 있다. 본 실시 형태에서는, 이러한 팽창 수축이 생겨도, 탱크부(23T)에 있어서의 제2의 냉매의 액면이 승강하여 부식 등을 발생시키지 않도록, 탱크부(23T)에 상기 탱크부(23T) 내에 있어서의 제2의 냉매의 액면을 소정 범위(바람직하게는 일정한 액면 높이)로 유지하도록 냉매량 조정 기구(27)가 기능한다. 냉매량 조정 기구(27)는, 제2의 냉매가 냉각되어서 압축된 경우에, 조정용 탱크(27A)로부터 제2의 냉매를 탱크부(23T) 내에 보충함으로써, 제2의 냉매의 액면을 소정 범위로 유지한다. 한편, 냉매량 조정 기구(27)는, 제2의 냉매가 온도 상승하여 팽창한 경우에, 탱크부(23T)로부터 체크 밸브(27B)를 통하여 제2의 냉매를 외부에 배출시키는 것으로, 제2의 냉매의 액면을 소정 범위로 유지한다
이상과 같이 본 실시 형태의 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 의하면, 수소 냉각 능력으로서, 13.5kW @ -40℃ 내지 16.5kW @ -40℃를 실현할 수 있었다는 것에 의해, 수소의 냉각을 고효율로, 즉, 극히 높은 에너지 절약을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서 +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내에서의 냉각 정밀도를 실현할 수 있었다는 것에 의해, 수소에 대한 충분한 고효율의 냉각을, 고정밀도로 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 냉각 수소 공급 스테이션(1)에 의하면, 제1 운전 모드와 제2 운전 모드 중 어느 한 쪽이 선택되어서 운전되도록 되어 있고, 제1 운전 모드에 있어서는, 수소가 -20℃로 냉각되고, 제2 운전 모드에 있어서는, 수소가 -40℃로 냉각된다. 이에 의해, 수소 공급의 필요성에 대응하여, 필요성이 낮은 경우에는 아이들 운전 상태에 대응하는 제1 운전 모드가 선택되고, 필요성이 높은 경우에는 스탠바이 상태에 대응하는 제2 운전 모드가 선택됨에 의해, 냉각에 관한 에너지 소비를 효과적으로 억제할 수 있다.
구체적으로, 본 실시 형태에서는, 제1 운전 모드 또는 제2 운전 모드의 선택이, 시간대에 대응하여 자동적으로 행해지도록 되어 있다. 그리고, 수소 공급의 필요성이 낮은 야간 시간대(예를 들면 영업 시간 외)에서는 제1 운전 모드가 선택되고, 수소 공급의 필요성이 높은 낮 시간대(예를 들면 영업 시간 내)에서는 제2 운전 모드가 선택됨에 의해, 수소 공급의 필요성이 낮은 야간 시간대에 있어서 냉각에 관한 에너지 소비를 효과적으로 억제할 수 있다.
1: 냉각 수소 공급 스테이션
10: 수소 공급 장치
11: 수소 저장부
12: 수소 유로
13: 배출구
20: 수소 냉각 장치
21: 제1 냉매로
22: 수냉식 냉동기 유닛
23: 제2 냉매로
23A: 전반 통류로
23B: 후반 통류로
23T: 탱크부
24: 제1 열교환기
25: 모터 밸브
26: 온도 센서
27: 냉매량 조정 탱크
30: 제2 열교환기
40: 온도 피드백 제어부

Claims (6)

  1. 제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로와,
    상기 제1 냉매로의 일부에 대해서 마련되고, 상기 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛과,
    제2의 냉매가 통류(通流)되는 제2 냉매로와,
    상기 제1 냉매로의 다른 일부와 상기 제2 냉매로의 일부와의 사이에서 상기 제1의 냉매에 의해서 상기 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기와,
    수소가 저장된 수소 저장부와,
    상기 수소 저장부에 저장된 수소가 반송되는 수소 유로와,
    상기 제2 냉매로의 다른 일부와 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 상기 제2의 냉매에 의해서 상기 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기를 구비하고,
    상기 제1의 냉매는, 프레온이며,
    상기 제2의 냉매는, 포름산 칼륨 수용액이며,
    상기 제2 냉매로는,
    상기 제1 열교환기에 의해서 상기 제1 냉매로의 다른 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 일부를 포함하는 전반 통류로(前半通流路)와,
    상기 제2 열교환기에 의해서 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 다른 일부를 포함하는 후반 통류로(後半通流路)를 가지고 있고,
    상기 제2 냉매로의 상기 후반 통류로에 있어서의 상기 제2의 냉매의 통류량은, 0.3 MPa의 통류 압력에서 135 L/min 내지 165 L/min이며,
    상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내까지 냉각되도록 되어 있고,
    상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서 +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내로 냉각되도록 되어 있고,
    수소 냉각 능력은, 수소를 -40℃로 냉각할 때, 13.5kW 내지 16.5kW이며,
    상기 수소 유로에는, 상기 제2 열교환기에 의해서 냉각된 후의 수소를 배출하는 배출구가 마련되어 있고,
    상기 배출구로부터 배출되는 수소의 양은, 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min인 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 냉매로 내에서의 상기 제1의 냉매의 순환량을 제어하는 밸브와,
    상기 제2 냉매로 내에서의 상기 제2의 냉매의 온도를 검출하는 온도 센서와,
    상기 온도 센서의 검출 결과에 근거하여 상기 밸브를 제어하는 온도 피드백 제어부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션.
  3. 제 1 항에 있어서, 제1 운전 모드와 제2 운전 모드의 어느 한 쪽이 선택되어서 운전되도록 되어 있고,
    제1 운전 모드에 있어서는, 상기 수소가 -20℃로 냉각되고,
    제2 운전 모드에 있어서는, 상기 수소가 -40℃로 냉각되는 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1 운전 모드 또는 상기 제2 운전 모드의 선택은, 시간대에 대응하여 자동적으로 행해지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 냉매로는, 상기 전반 통류로와 상기 후반 통류로를 접속하는 탱크부를 더 가지고 있고,
    상기 탱크부에는, 상기 탱크부 내에 있어서의 상기 제2의 냉매의 액면(液面)을 소정 범위로 유지하기 위한 냉매량 조정 기구가 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 수소 공급 스테이션.
  6. 수소 유로내에서 반송되는 수소를 냉각하는 수소 냉각 장치로서,
    제1의 냉매가 순환되는 제1 냉매로와,
    상기 제1 냉매로의 일부에 대해서 마련되고, 상기 제1의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 수냉식 냉동기 유닛과,
    제2의 냉매가 통류되는 제2 냉매로와,
    상기 제1 냉매로의 다른 일부와 상기 제2 냉매로의 일부와의 사이에서 상기 제1의 냉매에 의해서 상기 제2의 냉매의 냉각을 가능하게 하는 제1 열교환기와,
    상기 제2 냉매로의 다른 일부와 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 상기 제2의 냉매에 의해서 상기 수소의 냉각을 가능하게 하는 제2 열교환기를 구비하고,
    상기 제1의 냉매는, 프레온이며,
    상기 제2의 냉매는, 포름산 칼륨 수용액이며,
    상기 제2 냉매로는,
    상기 제1 열교환기에 의해서 상기 제1 냉매로의 다른 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 일부를 포함하는 전반 통류로와,
    상기 제2 열교환기에 의해서 상기 수소 유로의 일부와의 사이에서 열교환이 행해지는 상기 제2 냉매로의 다른 일부를 포함하는 후반 통류로를 가지고 있고,
    상기 제2 냉매로의 상기 후반 통류로에 있어서의 상기 제2의 냉매의 통류량은, 0.3 MPa의 통류 압력에서 135 L/min 내지 165 L/min이며,
    상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내까지 냉각되도록 되어 있고,
    상기 수소는, 상기 제2 열교환기에 의해서, -43℃ 내지 -20℃의 온도 범위 내의 설정 온도에 대해서 +2℃ 내지 -3℃의 오차 범위 내로 냉각되도록 되어 있고,
    수소 냉각 능력은, 수소를 -40℃로 냉각할 때 13.5kW 내지 16.5kW이며,
    상기 수소 유로에는, 상기 제2 열교환기에 의해서 냉각된 후의 수소를 배출하는 배출구가 마련되어 있고,
    상기 배출구로부터 배출되는 수소의 양은, 4.5kg/3min 내지 5.5kg/3min인 것을 특징으로 하는 수소 냉각 장치.
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