KR20110099759A - 가변 부피식 수소 저장 방법 - Google Patents

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텍사코 디벨롭먼트 코포레이션
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Abstract

본 발명에서는 이온성 액체를 사용하여 기체 수소를 저장하는 방법들이 기술되어 있다. 상기 이온성 액체는 저장 탱크 내의 부피를 변화시키기 위해 사용된다. 이온성 액체를 사용하여 저장 탱크 내의 부피를 변화시킴으로써, 저장 압력은 일정한 상태로 유지될 수 있고 “한계 가스”가 제거될 수 있다. 상기 일정한 압력으로 인해, 수소 연료공급 스테이션에 요구되는 재고량을 제공하기에 필요한 저장 탱크의 수를 줄일 수 있게 할 것이다. 또한, 상기 일정한 압력은 차량에 완전 충전 상태와 빠른 충전 속도를 제공할 것이다.

Description

가변 부피식 수소 저장 방법{VARIABLE VOLUME HYDROGEN STORAGE}
본 발명은 일반적으로 기체 수소 저장 방법에 관한 것으로서 특히 수소 연료공급 스테이션에 기체 수소를 저장할 때 이온성 액체를 사용하는 방법에 관한 것이다.
수소는 우주항공분야로부터 식료품 생산 및 오일과 가스 생산과 정제분야에까지 산업계 전반에 걸쳐 광범위하게 사용된다. 수소는 이러한 산업에서 추진 연료(propellant), 대기(atmosphere), 캐리어 가스(carrier gas), 희석 가스(diluents gas), 연소 반응을 위한 연료 성분(fuel component), 연료전지용 연료, 뿐만 아니라 다양한 화학적 반응 및 공정에서 사용되는 환원제로서 사용된다. 또한, 수소는 동력을 발생시키기 위한 대안의 연료로서 고려되고 있는데, 이는 수소가 재생가능하고, 풍부하며, 효율적이고 그 외의 다른 대안제들과는 다르게 배출물이 전혀 없기 때문이다. 수소를 광범위하게 소비하고 수소를 보다 더 많이 소비할 가능성이 있긴 하지만, 더 많은 수소 소비를 저해하는 한 단점은 수소의 광범위한 생성, 저장 및 보급을 위해 수소 산업의 인프라스트럭쳐(infrastructure)가 없다는 것이다.
이 문제점을 해결하는 한 방법은 수소 연료공급 스테이션(hydrogen fueling station)에서의 작업(operation)을 통해 구현된다. 수소 연료공급 스테이션에서, 개질기(reformer) 또는 전해장치(electrolyzer)와 같은 수소 발생기(hydrogen generator)가 하이드로카본(hydrocarbon)을 수소 농후 가스 스트림(hydrogen rich gas stream)으로 변환시키도록 사용된다. 천연 가스, LPG, 가솔린, 및 디젤과 같은 하이드로카본계 연료는 대부분의 연료 전지를 위해 연료 공급원(fuel source)으로서 사용될 수 있도록 변환 공정(conversion process)을 필요로 한다. 현재의 기술은 몇몇 세정 공정(clean-up process)과 초기 변환 공정을 조합하는 다-단계 공정을 이용한다. 대부분의 초기 공정은 종종 스팀 개질 공정(steam reforming; SR), 자열 개질 공정(autothermal reforming; ATR), 촉매적 부분 산화 공정(catalytic partial oxidation; CPOX), 또는 비촉매적 부분 산화 공정(non-catalytic partial oxidation; POX), 또는 이들의 조합이다. 세정 공정은 통상 탈류 공정(desulphurization), 고온 물-가스 전이 공정(high temperature water-gas shift), 저온 물-가스 전이 공정(low temperature water-gas shift), 선택적 일산화탄소 산화 공정(selective CO oxidation), 선택적 일산화탄소 메탄화 공정(selective CO methanation) 또는 이들의 조합을 포함한다. 정제된 수소 농후 개질유를 수용하기 위한 대안의 공정들은 수소 선택적 막 반응기 및 필터를 사용하는 단계를 포함한다.
그 뒤, 기체 수소(gaseous hydrogen)는 압축되고 재고량(inventory)을 연료 내연기관 및 연료 전지 차량들에 제공하기 위해 수소 연료공급 스테이션에서 고정식 저장 탱크 내에 저장된다. 수소의 낮은 밀도로 인해 수소 연료공급 스테이션에 기체 수소를 저장하는 공정은 비용이 매우 많이 든다. 많은 부피의 기체 수소는 충분한 재고량을 제공할 필요가 있으며 이에 따라 수소 저장을 위해 큰 공간이 필요하다. 공간이 연료공급 스테이션에서 주된 요인이기 때문에 이렇게 큰 공간은 문제가 된다.
수소 연료공급 스테이션에서 기체 수소의 저장을 위해 필요한 공간을 둘러싼 문제 외에도, 차량에 수소를 완전히 충전하는 작업이 수소 연료공급 스테이션에서의 작업에 있어서 또 다른 문제이다. 저장된 가스를 차량 내에 압축시키는 공정은 요구되는 연료공급 속도(fueling rate)를 구현하기 위하여 엄청나게 큰 대형 압축기를 필요로 할 수도 있다. 압력 균일화 공정(Pressure equalization)이 차량의 온-보드 저장 탱크(on-board storage tank)에 연료를 공급하도록 사용된다. 연료공급 공정을 수행하기 위해 차량과 수소 연료공급 스테이션에서의 저장 탱크 간의 압력차이가 사용된다. “완전한” 충전 밀도를 구현하기 위하여 높은 압력이 요구된다. 상기 높은 압력은 이에 상응하는 “낮은” 압력 가스의 재고량을 필요로 한다. 구체적으로, 350bar 초과 1kg의 가스를 얻기 위해, 350bar 미만의 5kg 이상의 가스가 필요하다. 이에 따라 저장 탱크 내에는 “한계 가스(stranded gas)”가 생성된다. 한계 가스는 연료 공급(dispensing)을 위해 사용가능한 고압 가스 부피를 가지기 위해 필요한 저압의 가스이다.
도 1은 한 실례(demonstration)의 수소 연료공급 스테이션 데이터로부터 나온 차량 충전 백분율(vehicle percentage full) 대 저장 재고량(storage inventory)을 비교한 도면이다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 저장 탱크 내의 수소 재고량이 75% 미만일 때 차량은 “완전 충전” 상태를 수용하지 않을 것이다. 저장 탱크 내의 재고량이 75% 초과 충전상태일 때 차량은 “완전 충전” 상태이다.
차량을 완전히 충전시키는 공정에 대한 문제점 외에도, 충전 속도(fill rate)는 수소 연료공급 스테이션에서의 작업에 있어서 또 다른 문제이다. 저장 탱크로부터 차량에 기체 수소를 공급하기 위해 압력차이가 이용된다. 따라서, 차량이 충전되는 속도는 저장 압력에 좌우된다. 높은 압력차이는 빠른 유속과 짧은 연료공급 시간에 상응한다. 낮은 압력차이는 느린 유속과 상대적으로 긴 연료공급 시간에 상응한다. 미국 에너지국(Department of Energy; DOE)은 목표 평균 충전 속도를 제공해 왔다. 현재의 목표 평균 충전 속도는 1kg/분이다(2006년 기준). 추후의 목표 평균 충전 속도는 1.67kg/분이다(2010년 기준).
저장 압력은 저장 탱크 내에 있는 재고량에 관련이 있다. 도 2는 두 실례의 수소 연료공급 스테이션으로부터 나온 충전 속도 대 저장 재고량을 비교한 데이터를 보여주고 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 평균 유속은 저장 탱크가 완전히 채워지지 않을 때 감속될 수 있다. 저장 탱크가 85% 미만으로 채워질 때 충전 속도는 1kg/분인 목표 충전 속도 밑으로 떨어질 수 있다.
본 발명은 수소 연료공급 스테이션에서 수소 저장 탱크의 크기와 그에 따른 비용 모두를 줄이는 필요성을 제안하고 있다. 또한, 본 발명은 완전 충전 상태와 빠른 충전 속도를 제공하기 위한 필요성도 제안하고 있다
본 발명은 기체 수소 저장 방법에 관한 것으로서, 특히 수소 연료공급 스테이션에 기체 수소를 저장할 때 이온성 액체를 사용하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 이온성 액체(ionic liquid)를 사용하여 기체 수소를 저장하기 위한 방법들에 대해 기술하고 있다. 이온성 액체는 저장 탱크 내의 부피를 변화시키도록(displace) 사용된다. 이온성 액체를 사용하여 저장 탱크 내의 부피를 변화시킴으로써, 저장 압력은 일정한 상태를 유지할 수 있고 “한계 가스(stranded gas)”가 제거될 수 있다. 또한, 상기 일정한 압력은 수소 연료공급 스테이션에서 필요한 재고량을 제공하기 위해 요구되는 저장 탱크의 수를 줄일 수 있게 한다. 그 외에도, 상기 일정한 압력은 차량에 완전 충전 상태와 빠른 충전 속도를 제공할 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 기술될 것이다.
도 1은 한 실례의 수소 연료공급 스테이션 데이터로부터 나온 차량 충전 백분율 대 저장 재고량을 비교한 도면.
도 2는 두 실례의 수소 연료공급 스테이션으로부터 나온 충전 속도 대 저장 재고량을 비교한 데이터를 도시한 도면.
도 3은 기체 수소를 저장할 때 이온성 액체를 사용하는 본 발명의 방법들의 한 구체예를 도시한 도면.
본 발명은 수소 연료공급 스테이션(hydrogen fueling station)에 기체 수소(gaseous hydrogen)를 저장하기 위한 방법들을 기술하고 있다. 본 발명의 방법들은 저장 탱크 내의 부피를 변화(displace)시키기 위해 이온성 액체(ionic liquid)를 사용한다. 수소 저장 탱크 내의 부피를 변화시키기 위해 이온성 액체를 사용함으로써, 저장 탱크의 부피가 변경되게 할 수 있다. 부피를 변경시킴으로써, 수소 저장 탱크 내의 압력은 탱크 내의 질량이 변화하는 동안 일정한 상태로 유지될 수 있다.
이온성 액체들은 100℃ 미만의 용융점을 가진 염(salt)들의 한 종류를 나타낸다. 이온성 액체들은 양으로 하전된 이온(양이온)들과 음으로 하전된 이온(음이온)들을 포함한다. 이온성 액체들은 무시할 만한 증기 압력, 열 안정성(thermal stability), 난연성(nonflammability), 고이온전도성(high ionic conductivity), 및 매우 우수한 용해 성질을 포함하는(이 성질들에만 제한되는 것은 아님) 성질 범위에 의해 구분된다. 이온성 액체들은 Merck Chemicals사와 같은 회사들로부터 구매가능하다.
본 발명에서, 연료공급 동안 수소 저장 탱크 내의 부피를 변화시키기 위해 이온성 액체가 사용된다. 위에서 언급한 성질들 외에도, 이온성 액체는 낮은 증기 압력 때문에 고순도 수소(high purity hydrogen)를 오염시키지 않을 것이다. (이온성 액체 내의) 낮은 용해성(solubility)으로 인해 이온성 액체 내에는 수소 보존력(retention)이 최소가 될 수 있으며 수소와 이온성 액체가 분리될 것이다. 본 발명을 위해 선택된 이온성 액체는 낮은 증기 압력을 가질 것이지만, 당업자들은 이 목적을 위해 반드시 모든 이온성 액체가 적합하지는 않을 것이라는 사실을 이해할 것이다.
도 3을 보면, 도 3은 본 발명의 방법들의 한 구체예를 도시하고 있다. 한 차량(301)이 연료공급을 위해 수소 연료공급 스테이션(302)을 방문한다. 기체 수소가 디스펜서(303)를 거쳐 이 차량(301)에 제공될 것이다. 압축기(304)가 수소 저장 탱크(305) 내의 기체 수소 압력을 약 6250psig로 증가시킬 것이다. 그 뒤, 수소 저장 탱크(305)와 차량(301) 사이의 압력차이로 인해 차량(301)에 연료가 공급될 것이다. 이와 동시에, 펌프(306)가 이온성 액체를 이온성 액체 저장 탱크(307)로부터 수소 저장 탱크(305)로 퍼 올리도록 사용될 것이다. 상기 펌프(306)는 수소 저장 탱크(305) 부피를 변화시키고(displacing) 이온성 액체로 수소 저장 탱크(305)를 채움으로써 연료공급 동안 수소 저장 탱크(305)의 압력을 유지할 것이다. 압축기(304)가 수소 발생기(도시되지 않음)로부터 기체 수소 저장 탱크(305) 내에 있는 기체 수소의 재고량(inventory)을 보충함에 따라, 이온성 액체의 부피가 변화된다(displaced). 본 발명의 방법들을 이용하면, 수소 가스(hydrogen gas)를 압축하는 데 대해 이온성 액체를 퍼 올리는 데 있어 동력(horsepower)을 절약할 것이다.
이온성 액체를 사용하지 않으면, 350bar 초과의 가스 1kg을 얻기 위하여 350bar 미만의 가스 5kg이 필요하다. 상기 저압의 가스는 “한계 가스(stranded gas)”이다. 이온성 액체를 사용하여 “한계 가스”를 제거하고 수소 저장 탱크(305) 내에 일정 압력을 유지함으로써, 수소 연료공급 스테이션(302)을 위해 필요한 재고량을 유지하도록 요구되는 저장 탱크(305)의 수를 줄일 수 있게 할 것이다. 이에 따라 저장 탱크의 수를 감소시켜 수소 연료공급 스테이션에서 공간과 경비를 절감할 수 있게 하고 따라서 추가 저장 탱크의 비용이 없어질 뿐만 아니라 이 추가 저장 탱크가 차지하는 공간도 필요없게 될 것이다. 본 발명의 방법들을 사용하면, 수소 연료공급 스테이션은 항상 6250psig에 있는 단일 저장 탱크를 사용하여 작동될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 방법들로 인해 “사용가용한” 수소의 양을 증가시킴으로써 비용도 절약하게 될 것이다.
상기 구체예에서는 하나의 수소 저장 탱크(305)가 도시되어 있다. 당업자가 이해할 수 있듯이 하나 또는 그 이상의 수소 저장 탱크가 수소 연료공급 스테이션에서 사용될 수 있다. 이 수소 저장 탱크들은 하나의 대형 탱크로서 배열될 수 있거나 또는 단계적인 형태로(in cascade format) 배열될 수 있다. 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 것과 같이, 용어 “수소 저장 탱크(hydrogen storage tank)”는 용어 “수소 저장 탱크들(hydrogen storage tanks)”과 서로 교환하여 사용될 수 있으며 이 두 용어 모두 하나 또는 그 이상의 수소 저장 탱크를 의미한다.
수소 저장 탱크(305) 내에 일정 압력을 유지시킴으로써, 차량(301)은 수소 저장 탱크(305) 내에 있는 압력에 좌우되는 완전 충전 상태와 빠른 충전 속도 둘 다 구현할 수 있다. 차량(301)은 자동차, 트럭, SUV(Sports Utility Vehicle) 및 버스를 포함하는(이들에만 제한되지는 않음) 연료전지 차량 또는 임의의 수소 내연기관 차량들을 포함할 수 있다.
상기 구체예에서, 압축기는 수소 저장 탱크 내에 있는 기체 수소의 압력을 약 6250psig로 증가시켰다. 위에서 기술된 구체예에서, 6250psig는 한 예로서 사용된다. 당업자는 본 발명의 방법들이 기체 수소의 압력을 약 6250psig로 증가시키는 것에만 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 수소 저장 탱크는 공급 압력(dispensing pressure)에 가까운 압력에 유지될 수 있으며 공급 공정은 여전히 지속될 수 있다.
본 발명의 방법들이 바람직한 구체예 또는 예시적인 구체예들에 대해서 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변형예들이 본 명세서에 기술된 공정에 제공될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자에게 자명한 이러한 모든 유사한 대안예들과 변경예들은 하기 청구항들에서 설명되는 것과 같이 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (14)

  1. 기체 수소를 저장하기 위한 방법에 있어서,
    상기 기체 수소 저장 방법은:
    - 수소 저장 탱크 내에 기체 수소를 저장하는 단계:
    - 이온성 액체 저장 탱크 내에 이온성 액체를 저장하는 단계
    - 압축기에 의해 기체 수소의 압력을 증가시키는 단계;
    - 기체 수소를 차량(vehicle)에 공급하는 단계(dispensing); 및
    - 기체 수소가 차량에 공급되는 동안 펌프에 의해 상기 이온성 액체 저장 탱크로부터 이온성 액체를 사용하여 수소 저장 탱크 내의 부피를 변화시키는 단계(displacing)를 포함하는 기체 수소 저장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 수소는 수소 연료공급 스테이션에 저장되는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 수소는 수소 연료공급 스테이션에서 생성되는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 수소 저장 탱크 내에 있는 기체 수소의 압력을 약 6250psig로 증가시키는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는 상기 수소 저장 탱크 내에 있는 기체 수소의 압력을 약 1200psig로 증가시키는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 수소는 압력차이에 의해 차량에 공급되는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 수소 저장 방법은 이온성 액체의 부피를 변화시키는 동안 상기 압축기에 의해 상기 수소 저장 탱크 내에 있는 기체 수소의 재고량(inventory)을 보충하는 단계(replenishing)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온성 액체는 낮은 증기 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    수소는 이온성 액체 내에서 낮은 용해성을 가지는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 저장 탱크는 단일의 수소 저장 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 저장 탱크는 단일의 탱크로서 형성된 수소 저장 탱크들의 그룹을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량은 자동차를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 차량은 버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 수소는 압력차이에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 기체 수소 저장 방법.
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