KR101915624B1 - 수소 배출 시스템 - Google Patents

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KR101915624B1
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조던 크리스토퍼 피어스
매튜 캠벨 그리브즈
스테파니 마야 모로즈
앤드류 찰스 두기드
알렉산더 워너 나이트
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하이드렉시아 피티와이 리미티드
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Abstract

본 발명은 고체 수소 저장 재료를 수용하는 둘 이상의 수소 저장 용기들(1A, 1B, 1C)로부터 수소를 배출하기 위한 시스템에 관한 것이다. 시스템은 수소 저장 용기들을 수소 수요(3)에 연결하기 위한 적어도 하나의 수소 공급 라인, 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하기 위해 각각의 수소 저장 용기에 있는 수소 저장 재료에 열을 제공하기 위한 에너지 전달 시스템(6A, 6B, 6C), 및 공급 라인 또는 라인들을 수소 저장 용기들(1A, 1B, 1C)에 연결하기 위한 하나 이상의 공급 연결 배관들(4A, 4B, 4C)을 포함한다. 각각의 공급 연결 배관은 공급 라인에 있는 수소가 수소 저장 용기들(1A, 1B, 1C)로 역류되는 것을 방지하기 위한 역류 방지 장치(5A, 5B, 5C)를 가진다. 또한 수소 공급 라인의 수소 수요에 근거하여 에너지 전달 시스템(6A, 6B, 6C)의 활성화의 타이밍을 결정하기 위한 제어 시스템(7)을 포함하는 수소 공급 라인에 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템이 개시된다. 제어 시스템(7)은 수소가 수소 공급 라인의 공급 압력에서 제공되는 온도로 다음의 수소 저장 용기에 있는 재료가 가열되기에 충분한 시간을 제공하기 위해 다음의 수소 저장 유닛에 있는 에너지 전달 시스템(6A, 6B, 6C)을 활성화시킨다.

Description

수소 배출 시스템{HYDROGEN RELEASE SYSTEM}
본 발명은 수소 배출 시스템에 관한 것이며 특히 수소가 수소 저장 재료의 내에서 용기들에 저장되는 둘 이상의 수소 저장 용기들을 포함하는 수소 배출 시스템에 관한 것이다.
촉매화된 MgH2와 같은 금속 수소화물들을 이용하는 수소 저장 유닛들은 정압 탈착(positive pressure desorption)을 초래하기 위해 280℃보다 높은 온도를 필요로 한다. 통상적으로 사용되는 G 크기의 압축 가스 실린더의 치수를 가지는 가열되고 잘 절연된 솔리드 스테이트 저장 실린더로부터의 열 손실은 500 와트에 근접할 수 있다. 그러므로, 가열된 16개의 실린더의 매니폴드된 고체 상태 팩으로부터의 열 손실은 8 킬로와트에 근접할 수 있다. 이런 8 킬로와트는 MH-수소 결합들을 파괴하고 흡착에 영향을 끼치는데 요구되는 에너지에 대해 추가적인 것이다. 따라서 그 결과로 나온 이와 같은 시스템의 열 효율은 극도로 낮으며 증가된 전력 사용과 나쁜 탄소 발자국을 초래한다.
각각의 저장 용기는 수소를 탈착시키기 위해 상당한 열 입력을 필요로 하기 때문에, (1) 시동 시에 전체 가열 파워 요건을 감소시키거나 (2) 고정된 양의 가열 파워가 이용 가능할 때 수소의 탈착이 훨씬 더 빠른 속도로 일어나는 것을 가능하게 하도록 한번에 하나의 용기를 가열하는 것이 유리하다. 따라서, 본 출원인은 단지 하나의 실린더만이 한번에 탈착되는 다수의 수소 저장 용기들을 포함하는 매니폴드된 저장 시스템의 개념을 추구한다.
압축 가스 저장 유닛과 다르게, 수소 저장 재료를 수용하는 솔리드 스테이트 수소 저장 유닛은 일정한 압력 하에 비워진다. 압축 가스 유닛에서, 배출의 깊이는 실린더의 남은 가스 압력으로부터 정확하게 추정될 수 있다. 이와 대조적으로, 솔리드 스테이트 수소 저장 유닛은 작동 온도에 의해 결정되는 일정한 평형 압력에서 완전히 차 있는 것으로부터 90%보다 더 비는 것까지 배출될 것이다. 일단 저장된 가스의 체적이 요구되는 수요를 위한 유동을 공급하지 못할 정도로 너무 낮다면, 수소 저장 용기의 압력은 평형점으로부터 영으로 빠르게 저하될 것이다. 이는 일반적으로 배출의 깊이가 90%를 넘는 때이다.
일반적으로, 수소가 한번에 단지 하나의 용기로부터 탈착될 때, 일단 이런 수소 저장 용기에서 평형 압력이 떨어지기 시작한다면, 용기를 탈착 압력 및 온도에 이르게 하는 시간이 현재 거의 빈 용기의 남은 공급 용량을 더 초과하므로 연이어서 다음의 실린더의 가열을 시작하는 것은 너무 늦다. 수소의 수요를 충족시키도록 수소의 일정한 공급을 제공하기 위해, 연이어서 다음의 수소 저장 용기가 일정한 평형 압력이 떨어지기 시작하기 전에 잘 가열되기 시작하는 것이 바람직하다.
게다가, 일단 활성 탈착 실린더가 비워지면, 열 손실을 최소화하기 위해 실린더를 냉각시키는 것이 바람직하다. 그러나, 수소화/탈수소화 반응은 가역 반응이기 때문에, 이런 반응은 뒤바뀔 것이며 일단 수소 저장 재료의 온도가 떨어지면 수소 저장 재료는 수소를 흡수할 것이다. 도 1은 주어진 압력에 대한 온도의 함수로서 MgH2의 흡수 속도를 보여준다. 예를 들면, 흡수 속도의 선도는 반응이 평형 온도보다 높은 온도에서 탈착 방향에 있다는 것을 가리킨다. 평형점보다 낮은 온도에 대해, 반응은 흡수 방향에 있다. 그러므로, 만약 실린더들이 공급 매니폴드에 병렬로 연결되며 연이어서 다음의 실린더가 평형 온도보다 높은 온도로 가열됨으로써 현재 수소를 공급하는 중이라면, 이전의 실린더는 평형점보다 낮게 냉각될 때 모든 이런 수소를 흡수할 것이며 이는 수소 수요를 충족시키기 위해 영의 순 수소 공급을 초래한다.
본 발명은 위의 문제들 중의 하나 이상을 처리하는 수소 저장 시스템 또는 공급 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 명세서에서 임의의 선행 기술에 대한 언급은 선행 기술이 오스트레일리아 또는 임의의 다른 관할 구역에서 통상의 상식의 일부분을 형성한다는 것이나 선행 기술이 본 기술분야에서 숙련된 사람에 의해 관련된 것으로서 확인되고, 이해되고 간주되는 것으로 합리적으로 예상될 수 있다는 인정 또는 임의의 형태의 암시가 아니며, 인정 또는 임의의 형태의 암시로서 간주되지 않아야 한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 하나 이상의 수소 저장 용기들로부터 수소를 배출하기 위한 시스템이 제공되며, 수소 저장 용기 또는 용기들은 고체 수소 저장 재료를 수용하며, 이 시스템은:
수소 수요에 연결되기 위한 수소 공급 라인;
고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하기 위해 적어도 하나의 수소 저장 용기에 있는 수소 저장 재료에 열을 제공하기 위한 에너지 전달 시스템; 및
하나 이상의 수소 저장 용기들에 공급 라인을 연결하기 위한 하나 이상의 공급 연결 배관들을 포함하며;
수소 저장 용기에 연결되는 각각의 공급 연결 배관은 고체 저장 재료가 공급 라인의 압력에서 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때 공급 라인에 있는 수소가 이 수소 저장 용기로 거꾸로 흐르는 것을 방지하거나 제한하기 위한 역류 방지 장치를 가진다.
본 발명의 모든 양상들에 따르면, 바람직하게는, 고체 저장 재료가 공급 라인의 압력에서 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때, 에너지 전달 시스템은 비활성화되며 수소 저장 용기에 열을 더 이상 제공하지 않는다.
본 발명의 바람직한 형태들에서, 역류 방지 장치는 일방향 밸브이거나 단순히 차단 밸브일 수 있다. 역류 방지 장치의 제공은 수소 공급 라인에 있는 수소가 대부분의 수소가 수소 저장 유닛으로부터 탈착되고 에너지 전달 시스템이 비활성화된 비워진 수소 저장 용기에 다시 유입되는 것을 방지하거나, 수소가 의도된 낮은 누설 속도로 비워진 수소 저장 용기로 다시 누설되도록 허용한다. 따라서, 수소 저장 재료의 온도는 떨어지고 수소 저장 반응은 수소를 흡수하는 방향으로 진행될 때, 수소 공급 라인에 있는 수소는 다시 유입되는 것이 방지되거나 단지 제한된 양만이 수소 공급 라인으로부터 비워진 수소 저장 유닛에 다시 유입되는 것이 허용된다.
냉각된 수소 저장 재료에 수소의 흡수를 유도하는 반응속도는 비워진 수소 저장 유닛에서 모든 이용 가능한 수소를 흡수할 것이며 수소 저장 용기에 부분적인 진공을 생성할 것이다. 몇몇의 예에서, 진공이 생기는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명은 아르곤, 공기 또는 질소와 같은 수소 이외의 기체들을 공급함으로써 진공을 채우는 수단을 제공할 수 있거나 보조적인 수소 공급수단으로부터 냉각 재료에 제공되는 수소를 제공할 수 있다. 수소 이외의 기체들은 냉각될 때 공급될 수 있거나 의도적으로 공기가 용기들에 누설되도록 허용될 수 있다.
보조적인 수소 공급수단은 수소 저장 용기에 대한 에너지 전달 시스템이 비활성화될 때 개개의 비워진 수소 저장 용기에 연결 가능할 수 있거나, 그 대신에, 분기 출구에서 공급수단으로 이송되고 용기들로 반송된 적은 양의 공급된 수소일 수 있다.
보조적인 수소 공급수단이 제공될 때, 일정 양의 수소가 진공이 생성되는 것을 방지하기 위해 비워진 수소 저장 유닛으로 공급된다. 수소를 탈착하기 위한 작동 압력보다 낮은 압력에서, 수소를 흡수하기 위한 반응속도는 극적으로 감소된다. 누설이 수소 저장 유닛에 형성되는 것을 방지하고 공기가 유닛에 유입되는 것을 방지하도록 대기압으로 또는 대기압보다 약간 높은 압력으로 수소 저장 용기의 압력을 유지하기 위해 보조적인 수소 공급수단이 비워진 수소 저장 유닛에 수소를 공급하는 것이 바람직하다.
위에서 언급된 바와 같이, 보조적인 수소 공급수단은 공급 라인으로부터 비활성화된 적어도 수소 저장 용기까지의 보조적인 수소 배관일 수 있다. 수소 저장 배관은 바람직하게는 공급 라인의 압력보다 낮은 압력으로 그리고 바람직하게는 대기압 내지 2 bara(또는 대기압보다 약간 높은 압력)로 비활성화된 수소 저장 용기에 수소를 공급하기 위해 압력 제어 밸브를 가진다. 일 실시예에서, 압력 제어 밸브는 스텝 다운 밸브이다. 또는, 보조적인 수소 공급수단은 대기압보다 큰 압력으로 비활성화된 수소 저장 유닛의 압력을 유지하기 위해 대기압과 2 기압 사이의 압력으로 가스를 공급하는 수소 가스 실린더와 같은 제2 수소 저장 실린더일 수 있다.
냉각된 비워진 수소 저장 실린더에 재흡수된 수소의 양을 더 제한하기 위해, 수소 저장 재료의 냉각의 속도는 실린더의 수동 또는 능동 냉각 중의 어느 하나 또는 양쪽 모두에 의해 비워진 실린더의 냉각을 개선시킴으로써 증가될 수 있다. 수동 냉각은 실린더의 외부를 커버할 수 있는 임의의 외부 절연체를 제거하는 형태를 취할 수 있으며 능동 냉각은 비워진 실린더의 외부 표면의 위에 공기 송풍기의 사용 또는 수로 냉각되는 재킷의 사용을 수반할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 다음을 포함하는 수소 공급 라인에 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템이 제공된다:
고체 수소 저장 재료를 수용하는 하나 이상의 수소 저장 용기들;
적어도 하나의 수소 저장 용기에 있는 고체 수소 저장 재료에 열을 공급하기 위한 적어도 하나의 에너지 전달 시스템으로서, 열은 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하는데 충분한 에너지 전달 시스템; 및
수소 공급 라인에서 수소 수요에 근거하여 에너지 전달 시스템의 활성화의 타이밍을 제어하기 위한 제어 시스템으로서, 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 수소 저장 용기로부터 수소 공급 라인으로 공급되는 것이 필요한 시간을 예측하고, 공급 라인에서 수소 수요를 충족시키도록 수소가 수소 공급 라인의 공급 압력으로 공급될 수 있는 온도로 수소 저장 용기에 있는 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 예측된 시간보다 앞선 시간에 수소 저장 용기에서 에너지 전달 시스템을 활성화시키도록 구성되는 제어 시스템.
위의 본 발명은 에너지 전달 시스템과 제어 시스템을 가짐으로써 단일의 수소 저장 용기에 적용 가능할 수 있다. 제어 시스템은 수요를 모니터링할 것이며 수소 저장 용기로부터 나온 수소가 예측된 수소 수요를 충족시키기 위해 요구될 것이라는 것을 가리키는 변수에 응답하여 에너지 전달 시스템을 활성화시킬 것이다.
그러나, 바람직한 형태에서, 위의 시스템은 수소 저장 재료를 수용하는 둘 이상의 수소 저장 용기들을 포함하며, 제어 시스템은 제1 수소 저장 용기로부터 나온 수소 공급이 미리 결정된 수준의 아래로 떨어지는 시간을 예측하거나 결정하며, 공급 라인의 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 수소 공급 라인의 공급 압력으로 공급될 수 있는 온도로 제2 수소 저장 용기에 있는 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 예측되거나 결정된 시간보다 앞선 미리 결정된 시간에 제2 수소 저장 용기에 있는 에너지 전달 시스템을 활성화시키도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 형태에서, 제어 시스템은 공급 라인에 대한 수소 공급의 변수를 모니터링하는 센서 및 현재 수소 공급 라인에 연결된 수소 저장 용기에서 수소 공급이 미리 결정된 수준의 아래로 떨어지는지를 센서로부터 나온 신호로부터 결정할 때 다음의 연이어지는 수소 공급 용기에서 에너지 전달 시스템을 활성화시키는 프로세서를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에서, 수소 전달 시스템으로부터 수소 공급 라인으로 수소를 공급하는 방법이 제공되며, 시스템은 고체 수소 저장 재료를 수용하는 하나 이상의 수소 저장 용기들, 적어도 하나의 수소 저장 용기에 있는 고체 수소 저장 재료에 열을 공급하기 위한 적어도 하나의 에너지 전달 시스템으로서, 열은 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하기에 충분한 에너지 전달 시스템; 및 수소 공급 라인의 수소 수요에 근거하여 에너지 전달 시스템의 활성화의 타이밍을 제어하기 위한 제어 시스템을 포함한다.
방법은 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 수소 저장 용기로부터 수소 공급 라인으로 공급되는 것이 필요한 시간을 예측하거나 결정하는 단계, 및 공급 라인에서 수소 수요를 충족시키도록 수소가 수소 공급 라인의 공급 압력으로 공급될 수 있는 온도로 수소 저장 용기에 있는 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 예측된 시간보다 앞선 시간에 수소 저장 용기에 있는 에너지 전달 시스템을 활성화하는 단계를 포함한다.
여기에서 사용되는 바와 같이, 문맥이 다르게 요구하는 경우를 제외하고, "포함한다(comprise)" 라는 용어 및 "포함하는(comprising)", "포함한다(comprises)", 및 "포함되는(comprised)" 과 같은 이런 용어의 변형들은 다른 첨가물들, 구성요소들, 정수들 또는 단계들을 배제하기 위한 것이 아니다.
도 1은 금속 수소화물 재료의 수소 흡수에 대한 일반적인 반응 속도 대 온도 곡선의 그래프이다. 주어진 압력에 대한 흡수와 탈착 사이의 평형점들은 x축의 교차점에 의해 한정된다.
도 2는 디지털 질량 유량계 적산에 근거하여 매니폴드된 금속 수소화물 실린더들의 순차적인 탈착에 대한 순서도이다.
도 3은 히터 파워 적산에 근거하여 매니폴드된 금속 수소화물 실린더들의 순차적인 탈착에 대한 순서도이다.
도 4는 수동 가스 밸브들의 구성을 보여주는 공정 및 계장도이다.
도 5는 1.1 bara 하에서 냉각되는 실린더의 온도 프로필의 FEA 시뮬레이션이다.
도 6은 1.1 bara 하에서 냉각되는 실린더의 농도 프로필의 FEA 시뮬레이션이다.
도 4를 참조하면, 수소 저장 용기들(1A, 1B, 1C)의 연결이 개략적으로 도시된다. 수소 저장 용기들은 미리 결정된 온도 및 압력보다 높은 온도 및 압력에서 수소를 흡수하고 온도가 탈착 온도보다 높게 상승될 때 수소를 탈착하는 MgH2와 같은 적당한 수소 저장 재료 또는 다른 수소화물 형성 합금으로 채워진다. 용기들은 수소 공급 라인(3)에 대해 공용의 탈착 가스 매니폴드(2)에 의해 병렬로 연결된다. 공급 라인(3)은 일반적으로 수소 저장 용기들이 현장에서 수소 수요를 충족하기 위해 운반되는 현장에 있다.
수소 배관(4A, 4B, 4C)은 각각 이런 용기로부터 배출되는 수소 가스를 받아들이기 위해 수소 저장 용기들(1A, 1B, 1C)에 연결 가능하다. 마그네슘 수소화물과 같은 수소 저장 재료를 수용하는 수소 저장 용기는 흡수 온도로 가열될 때 일정한 압력 하에 수소를 배출시킨다. 수소 저장 용기가 배출 압력이 극적으로 떨어지는 어떤 시간에 대체로 비워질 때까지 수소는 계속해서 배출된다.
수소 탈착 매니폴드에 연결되는 수소 배출 배관들(4A, 4B, 4C)은 바람직하게는 매니폴드에 있는 수소 가스가 배출/소비/고갈된 수소 저장 용기(1A, 1B, 1C) 각각으로 반송되는 것을 방지하는 일방향 밸브들과 같은 역류 방지 장치들(5A, 5B, 5C)이 구비된다. 수소 저장 용기로부터 배출 압력의 감소가 수소 저장 용기가 전체적으로 고갈되는 점에 가깝게 일어날 때, 수소를 공급하는 다음의 수소 저장 용기가 압력이 거의 고갈된 수소 저장 용기에서 저하되기 시작하는 시간까지 요구되는 탈착 온도로 가열되는 것이 수소 공급 라인에 대한 수소의 끊임없는 공급을 위해 필수적이다.
공정 제어기(7)는 배출되는 수소 저장 용기의 탈착 공정을 모니터링하며 공급의 연속을 보장하기 위해 압력 저하보다 앞선 적당한 시간에 다음의 수소 저장 용기를 가열하기 시작한다. 이는 적당한 시간에 가열 요소(6A, 6B, 6C)를 활성화함으로써 행해진다. 제어기의 작동은 다음에 더 상세하게 설명될 것이다. 가열 요소들은 수소 저장 용기들의 내부 또는 외부에 위치되는 전기 가열 요소들일 수 있다. 가열의 효과를 향상시키기 위해, 절연된 가열 재킷이 가열 및 탈착 작동 중에 제공될 수 있다. 일단 수소 저장 용기(1A, 1B, 1C)가 수소를 배출하는 것을 완료하면, 수소 저장 용기의 가열 요소에 대한 에너지 발생원은 비활성화되며 수소 저장 재료는 냉각되도록 허용된다. 이상적으로 임의의 절연된 재킷은 가열 요소들이 비활성화될 때 제거될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 일단 수소 저장 재료가 평형 온도의 아래로(화살표(T)의 방향으로) 냉각되면, 흡수/탈착 반응에 대한 반응속도는 수소의 흡수에 유리하다. 따라서 수소 저장 재료에 대해 이용 가능한 모든 수소는 흡수되며 수소 저장 용기에서 잠재적으로 부의 압력(즉 대기압보다 낮은 압력, 1 bar의 절대값)을 생성한다.
만약 수소 저장 용기에서 압력이 대기압보다 낮게 떨어지는 것을 방지하는 것이 바람직하다면, 보조적인 공급원이 적어도 냉각 중에 비워진 수소 저장 용기와 연통된다. 보조적인 공급원은 일방향 밸브와 같은 역류 방지 장치(9A, 9B, 9C)를 통해 공급 배관(8A, 8B, 8C)에 제공될 수 있다. 보조적인 공급원은 밸브(12)를 통과하는 가스 실린더와 같은 별도의 수소 공급수단(11)일 수 있거나 이는 흡수 가스 매니폴드로부터 나온 분기 라인(8)일 수 있다. 분기 라인(8)은 흡수 매니폴드 공급 압력으로부터 대기압보다 약간 높은, 즉, 바람직하게는 1 내지 2 bar 절대값의 범위에 있는 압력으로 압력을 강하시키기 위해 압력 제어 밸브가 구비된다. 흡수/탈착 반응은 수소 저장 재료의 냉각 단계 중에 흡수 사이클에 있지만, 반응속도는 이런 압력에서 매우 늦으며 그러므로 단지 작은 체적의 수소만이 실제로 흡수된다.
진공이 수소 저장 용기에 생기는 것을 허용하는 것이 받아들여질 수 있으며 그러므로 보조적인 발생원이 제공될 필요가 없다. 또는, 진공은 별도로 공급되는 아르곤, 질소 또는 공기와 같은 다른 기체로 채워질 수 있거나, 공기가 의도적으로 누설되고 진공을 채우도록 허용될 수 있다.
냉각된 비워진 수소 저장 실린더에 재흡수된 수소의 양을 더 제한하기 위해, 수소 저장 재료의 냉각의 속도는 수동 또는 능동 냉각 중의 어느 하나 또는 양쪽 모두에 의해 비워진 실린더의 냉각을 개선함으로써 증가될 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 수소 저장 재료에 흡수되는 수소의 반응 속도를 저하시킬 수 있다. 수동 냉각은 실린더의 외부를 커버할 수 있는 임의의 외부 절연체를 제거하는 형태를 취할 수 있으며, 능동 냉각은 비워진 실린더의 외부 표면의 위에 공기 송풍기의 사용 또는 수에 의해 냉각된 재킷의 사용을 수반할 수 있다.
공정 제어기의 작동이 지금 설명될 것이다. 각각의 압력 실린더의 개별적인 제어 및 순차적인 탈착은 단지 하나의 실린더만이 능동적으로 탈착되는 것을 보장함으로써 열 손실을 최소화시킨다. 추가적인 실린더는 일단 활성 실린더가 비워지면 수소의 공급을 끊임없이 이어받기 위해 적당한 시간에 미리 가열된다. 남아 있는 실린더들은 필요할 때까지 실온에서 저장된다.
시스템의 작동은 다음과 같이 단순화될 수 있다.
1. 실린더(A) 탈착
2. 실린더(A)는 80%의 깊이의 배출에 도달하며 실린더(B)의 예열을 시작한다(15분 걸림).
3. 실린더(B)는 일정한 온도에 도달하자마자 자동으로 탈착하기 시작한다. 이 단계에서 실린더(A)는 여전히 100%로 비워지지 않는다. 실린더(A)는 실린더(B)와 동시에 천천히 계속해서 탈착한다.
4. 실린더(B)는 20%의 깊이의 배출에 도달하며 실린더(A)의 냉각을 시작한다.
그러므로, 임의의 시점에서 고온의 실린더들의 수는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112012067304939-pct00001
일정한 유동 속도의 수소를 가정하면, 임의의 시점에서 가열된 실린더들의 평균 개수는 다음과 같이 추정될 수 있다.
Figure 112012067304939-pct00002
시퀀서 제어기는 순차적으로 다음의 실린더의 예비 가열 및 비워진 실린더의 냉각을 관리하기 위해 각각의 실린더로부터 탈착된 수소의 체적을 계속해서 추적한다. 시퀀서 제어기는 프로그래밍 가능한 로직 제어기(PLC), 개인용 컴퓨터(PC), 또는 통신 기능을 가지는 임의의 마이크로프로세서 기반의 내장된 제어기일 수 있다. 도 2는 실린더들의 순서를 관리하기 위해 PLC의 실행에 대한 예시적인 소프트웨어 흐름도를 도시한다.
배출의 깊이는 질량 유동의 적분으로부터 계산될 수 있으며 도 2에 도시된 바와 같이 실행될 수 있다. 또는, 히터 파워는 또한 수소의 질량 유동의 근사치를 계산하는데 사용될 수 있으며 그에 따라 배출의 깊이를 추정할 수 있다.
수소의 유동 속도는 다음의 방정식에 의해 히터 파워와 관련된다.
Figure 112012067304939-pct00003
반응의 엔탈피(
Figure 112012067304939-pct00004
)는 수소화물의 화학적 특성이다. MgH2에 대해,
Figure 112012067304939-pct00005
배출의 깊이는 저장 유닛의 용량으로부터 적분 값을 뺌으로써 유동 속도로부터 쉽게 계산될 수 있다.
Figure 112012067304939-pct00006
이를 정확하게 하기 위해, 순간적인 손실의 양호한 추정이 필요하다. 손실은 저장 시스템의 특성일 것이지만 또한 주변 온도에 의해 좌우될 것이다. 손실을 추정하는 하나의 가능한 방법은 주변 온도를 샘플링하는 것이다. 또는, 실린더들의 예열 시간은 손실의 함수일 것이며 또한 사용될 수 있다.
도 3은 히터 에너지에 근거하여 실린더들의 순서를 관리하기 위해 PLC의 실행에 대한 예시적인 소프트웨어 흐름도를 도시한다.
또는, 배출의 깊이는 금속 수소화물 온도 및 탈착 압력의 관찰을 통해 근사치가 계산될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 솔리드 스테이트 실린더들의 냉각은 각각의 실린더에 대해 두 개의 일방향 가스 밸브들(9A, 9B, 9C, 5A, 5B, 5C) 및 탈착 매니폴드와 흡수 매니폴드 사이에 있는 압력 제어 밸브의 포함에 의해 관리된다.
●실린더의 탈착 측에 있는 일방향 밸브는 냉각되는 실린더와 탈착 매니폴드 사이에 분리 수단을 제공한다. 그러므로, 만약 실린더(1A)가 냉각되면, 수소는 공용의 탈착 매니폴드(2)로부터 실린더(1A)로 역류될 수 없다. 따라서, 실린더는 실린더(1B)로부터 공급되는 수소를 재흡수할 수 없다. 그러나, 실린더(1A)는 실린더 자체 내에서 이용 가능한 모든 자유 기체를 흡수함으로써 진공을 여전히 유도할 수 있다.
●실린더(1A)를 정압 하에 유지하기 위해, 탈착 매니폴드와 흡수 매니폴드 사이에 있는 압력 제어 밸브(13)가 추가되었다. 수소가 정압을 제공하는 경우에, 밸브는 대기압, 예를 들면 1.1 bara와 매우 가까운 압력에서 탈착 매니폴드로부터 실린더로 다시 수소를 공급한다. 냉각 실린더에 대한 이런 압력에서 흡수 속도는 대략 영이며 그에 따라 단지 무시할 수 있는 양의 수소만이 냉각 중에 재흡수된다. 일단 재료가 실온으로 냉각되면 흡수 속도는 영이 된다.
●실린더(1A)가 진공을 생성하여 수소가 제공되지 않도록 허용하는 것이나 냉각되는 저장 재료에 의해 생성되는 실린더에서의 압력의 평형을 유지하기 위해 아르곤, 질소 또는 공기와 같은 다른 가스 발생원을 사용하는 것이 받아들여질 수 있다.
본 명세서에서 개시되고 한정된 본 발명은 언급되거나 본문 또는 도면들로부터 분명한 둘 이상의 개별적인 특징들의 모든 대체 조합들로 확장된다는 것이 이해될 것이다. 모든 이런 상이한 조합들은 본 발명의 다양한 대체 양상들을 구성한다.

Claims (26)

  1. 하나 이상의 수소 저장 용기들로부터 수소를 배출하기 위한 시스템으로서, 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들은 고체 수소 저장 재료를 수용하는 상기 시스템에 있어서,
    상기 시스템은:
    수소 수요에 연결되기 위한 수소 공급 라인;
    상기 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하도록 상기 수소 공급 라인의 압력으로 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들 내 상기 고체 수소 저장 재료에 열을 제공하도록 활성화되고, 상기 고체 수소 저장 재료가 상기 수소 공급 라인의 압력으로 더 이상 수소를 탈착할 수 없을 때, 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들에 더 이상 열을 공급하지 않도록 비활성화되는 에너지 전달 시스템;
    상기 하나 이상의 수소 저장 용기들로부터 탈착 공정을 모니터링하고, 시퀀서 제어기를 이용하여 탈착된 수소의 체적에 근거하여 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들 내 남은 수소 내용물을 추적하고, 상기 에너지 전달 시스템으로부터 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들로 수소 수요를 만족하도록 에너지의 전달을 조절하는 공정 제어 시스템; 및
    상기 공급 라인을 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들에 연결하기 위한 하나 이상의 공급 연결 배관들을 포함하며;
    상기 하나 이상의 수소 저장 용기들에 연결되는 각각의 공급 연결 배관은 상기 고체 수소 저장 재료가 상기 공급 라인의 압력에서 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때, 상기 수소 공급 라인에 있는 수소가 상기 수소 저장 용기로 역류되는 것을 방지하거나 제한하기 위한 역류 방지 장치를 가지는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    고갈된 수소 저장 용기 내의 상기 고체 수소 저장 재료가 상기 공급 라인의 압력에서 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때, 상기 에너지 전달 시스템은 상기 하나 이상의 수소 저장 용기들 중 상기 고갈된 수소 저장 용기에 열을 더 이상 제공하지 않도록 비활성화되는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 역류 방지 장치는 일방향 밸브 또는 차단 밸브인, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    일단 상기 에너지 전달 시스템이 비활성화되면 보조적인 수소 공급 시스템이 상기 고갈된 수소 저장 용기에 수소를 공급하기 위해 제공되는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조적인 수소 공급 시스템은 상기 공급 라인으로부터 적어도 비활성화된 상기 고갈된 수소 저장 용기까지의 보조적인 수소 배관인, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 보조적인 수소 배관은 상기 공급 라인의 압력보다 낮은 압력으로 상기 고갈된 수소 저장 용기에 수소를 공급하기 위해 압력 제어 밸브를 가지는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브는 대기압보다 높은 압력으로 상기 고갈된 수소 저장 용기에 수소를 공급하는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브는 스텝 다운 밸브인, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 보조적인 수소 공급 시스템은 제2 수소 저장 실린더인, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 수소 저장 실린더는 대기압보다 높은 압력으로 상기 고갈된 수소 저장 용기의 압력을 유지하기 위해 가스를 공급하는, 수소를 배출하기 위한 시스템.
  11. 공급 압력으로 수소 수요를 만족하기 위해 수소 공급 라인에 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템으로서,
    고체 수소 저장 재료를 수용하는 2 이상의 수소 저장 용기들로서, 수소는 상기 2 이상의 수소 저장 용기들로부터 순차적으로 전달되고, 상기 수소 저장 용기는 수소 공급 라인으로 수소를 공급하고, 상기 수소 저장 용기가 상기 공급 라인의 압력으로 수소를 더 이상 탈착하지 않을 때 다음 수소 저장 용기가 수소를 공급하는상기 2 이상의 수소 저장 용기들;
    각 수소 저장 용기에 있는 상기 고체 수소 저장 재료에 열을 공급하도록 활성화되는 적어도 하나의 에너지 전달 시스템으로서, 상기 열은 상기 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하기에 충분하게 공급되고, 상기 수소 저장 용기가 상기 공급 라인의 압력으로 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때 상기 수소 저장 용기 각각에 열을 더 이상 공급하지 않도록 비활성화되는 상기 에너지 전달 시스템; 및
    상기 수소 공급 라인의 수소 수요에 근거하여 상기 에너지 전달 시스템의 활성화를 제어하기 위한 제어 시스템으로서, 시퀀서 제어기를 이용하여 탈착된 수소의 체적에 근거하여 각 용기 내 남아 있는 수소 내용물을 추적하고, 상기 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 다음 수소 저장 용기로부터 상기 수소 공급 라인으로 공급되는 것이 필요한 예상 시간을 결정하고, 상기 공급 라인에서 상기 수소 수요를 충족시키도록 수소가 상기 수소 공급 라인의 공급 압력으로 공급될 수 있는 온도로 상기 다음 수소 저장 용기에 있는 상기 고체 수소 저장 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 상기 예측된 시간보다 앞선 시간에 상기 다음 수소 저장 용기에서 상기 에너지 전달 시스템을 활성화시키도록 구성되는 상기 제어 시스템을 포함하는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    고체 수소 저장 재료를 수용하는 2 이상의 수소 저장 용기들을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 제1 수소 저장 용기로부터 나온 수소 공급이 미리 결정된 수준의 아래로 떨어지는 시간을 예측하거나 결정하고, 상기 공급 라인의 상기 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 상기 수소 공급 라인의 공급 압력으로 공급될 수 있는 온도로 제2 수소 저장 용기에 있는 상기 고체 수소 저장 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 예측되거나 결정된 시간보다 앞선 미리 결정된 시간에 상기 제2 수소 저장 용기에 있는 상기 에너지 전달 시스템을 활성화시키도록 구성되는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제어 시스템은:
    각 용기 내 수소 내용물을 모니터링하는 센서, 및
    상기 수소 저장 용기 내 수소 내용물이 미리 결정된 수준의 아래로 떨어지는지를 결정할 때 다음의 상기 수소 저장 용기에 있는 상기 에너지 전달 시스템을 활성화시키는 프로세서를 포함하는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 수소 저장 용기 내 상기 고체 수소 저장 재료로부터 탈착된 수소의 압력이 상기 수소 공급 라인의 압력의 아래로 떨어질 때, 상기 수소 저장 용기들의 상기 에너지 전달 시스템을 비활성화시키는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  15. 수소 전달 시스템으로부터 수소 공급 라인으로 공급 압력으로 수소를 공급하는 방법으로서,
    상기 수소 전달 시스템은 고체 수소 저장 재료를 수용하는 2 이상의 수소 저장 용기들을 포함하며,
    수소는 상기 2 이상의 수소 저장 용기들로부터 순차적으로 전달되고, 공급 수소 저장 용기는 상기 수소 공급 라인으로 수소를 공급하고, 상기 수소 공급라인의 압력으로 상기 공급 수소 저장 용기가 더 이상 수소를 탈착하지 않을 때, 다음의 수소 저장 용기가 수소를 공급하고,
    각 수소 저장 용기에 있는 상기 고체 수소 저장 재료에 열을 공급하도록 활성화되는 적어도 하나의 에너지 전달 시스템으로서, 상기 열은 상기 고체 수소 저장 재료로부터 수소를 탈착하기에 충분하게 공급되고, 상기 고체 수소 저장 재료가 상기 공급 라인의 압력으로 더 이상 수소를 탈착할 수 없을 때 상기 수소 저장 용기에 열을 더 이상 공급하지 않도록 비활성화되는 상기 에너지 전달 시스템; 및
    수소 공급 라인의 수소 수요에 근거하여 상기 에너지 전달 시스템의 활성화를 제어하기 위한 제어 시스템을 포함하는 상기 방법에 있어서,
    상기 방법은:
    시퀀서 제어기를 이용하여 탈착된 수소의 체적에 근거하여 각 용기 내 수소 내용물을 추적하고, 상기 수소 수요를 충족시키기 위해 수소가 다음의 상기 수소 저장 용기로부터 상기 수소 공급 라인으로 공급되는 것이 필요한 예상 시간을 결정하는 단계, 및
    상기 공급 라인의 상기 수소 수요를 충족시키도록 수소가 상기 수소 공급 라인의 공급 압력에서 공급될 수 있는 온도로 상기 다음의 수소 저장 용기에 있는 상기 고체 수소 저장 재료가 가열되는 것을 허용하기 위해 상기 예측된 시간보다 앞선 시간에 상기 수소 저장 용기에 있는 상기 에너지 전달 시스템을 활성화시키는 단계를 포함하는, 수소를 공급하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수소 전달 시스템은 고체 수소 저장 재료를 함유하는 2 이상의 수소 저장 용기들을 포함하고,
    상기 방법은, 제1 수소 저장 용기로부터 공급된 수소가 미리 결정된 수준 아래로 떨어지는 예상 시간을 예측하거나 결정하고, 예측 또는 결정된 시간보다 먼저 미리 결정된 시간에 다음의 제2 수소 저장 용기 내에 상기 에너지 전달 시스템을 활성화하는 제어 시스템의 단계를 포함하여, 상기 공급 라인 내 수소 수요를 충족하도록 상기 수소 공급 라인의 공급 압력으로 수소가 공급되는 온도로 제2 수소 저장 용기 내 상기 고체 수소 저장 재료에 열을 가하도록 하는, 수소를 공급하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어 시스템은:
    각 저장 용기 내 상기 수소 내용물을 모니터링하는 센서, 및
    상기 공급 수소 저장 용기 내 상기 수소 공급 내용물이 미리 결정된 수준 아래로 떨어지는 것을 결정할 때 상기 수소 저장 용기 내 상기 에너지 전달 시스템을 활성화하는 프로세서를 포함하는, 수소를 공급하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 공급 수소 저장 용기 내 상기 고체 수소 저장 재료로부터 탈착되는 수소의 압력이 상기 수소 공급 라인 내 압력보다 아래로 떨어질 때, 상기 공급 수소 저장 용기들의 상기 에너지 전달 시스템을 비활성화하는 프로세서의 단계를 포함하는, 수소를 공급하는 방법.
  19. 삭제
  20. 제11항에 있어서,
    보조 수소 공급 시스템은, 한번 상기 에너지 전달 시스템이 비활성화되면 비활성화되는 다음의 수소 저장 용기에 수소를 공급하도록 구성되는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 보조 수소 공급 시스템은 상기 공급 라인으로부터, 비활성화된 적어도 상기 수소 저장 용기로의 보조 수소 배관인, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 보조 수소 배관은, 상기 공급 라인 내 압력보다 낮은 압력으로 상기 비활성화된 수소 저장 용기에 수소를 공급하기 위한 압력 제어 밸브를 갖는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브는, 대기압보다 높은 압력으로 상기 비활성화된 수소 저장 용기에 수소를 공급하는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 압력 제어 밸브는 스텝 다운 밸브인, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 보조 수소 공급 시스템은 제2 수소 저장 실린더인, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 제2 수소 저장 실린더는 대기압보다 높은 압력으로 상기 비활성화된 수소 저장 용기 내 압력을 유지하도록 하는 압력으로 가스를 공급하는, 수소의 공급을 전달하기 위한 시스템.
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