KR20140051826A - 고압 수소가스 압축기 - Google Patents

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Abstract

고압 유체의 공급원, 그리고 압축될 가스를 위한 가스 흡입구, 압축된 가스를 위한 가스 배출구 및 고압 유체를 위한 유체 흡입구를 구비하는 압력용기를 포함하는 가스압축기를 개시한다. 상기 압축기는 유체 흡입구를 통해 압력용기 안으로 고압 유체를 투입하도록 배열되어 상기 압력용기 내에서 일정 용적의 가스를 압축하도록 한다.

Description

고압 수소가스 압축기{HIGH PRESSURE HYDROGEN GAS COMPRESSOR}
본 발명은, 적어도 현재의 바람직한 실시예들에 있어서는, 근사등온압축(near isothermal compression) 때문에 높은 에너지 효율을 갖는 고압 물펌프(high pressure water pump)를 이용하는 수소가스 및 기타 기체 물질의 압축에 관한 것이다.
시장에서 이용 가능한 가장 소형의 상업적 수소압축기(hydrogen compressor)의 유속은 소형 전해조(electrolyser)에 의한 가스 생산 속도보다 현저하게 더 크다. 이러한 이유로, 전해조와 압축기 사이에서의 이러한 불균형을 보상하기 위한 버퍼 탱크가 필요하다.
물펌프에 압축된 공기를 이용하는 것은 선행기술에서 잘 알려져 있다. 압축공기를 이용하는 물펌프에 관련된 공지의 선행기술에는 미국특허 제6,942,463호가 포함되는데, 여기서는 압축공기와 물을 제공함으로써 하나의 유닛 내에서 두 가지의 별개의 기능을 수행하기 위한 물펌프와 공기압축 시스템의 조합이 개시되어 있다.
미국특허 제4,478,553호는 압축공기와 물의 혼합물을 생성하기 위한 임펠러 블레이드(impeller blade)를 이용하는 등온압축장치를 기술하고 있다.
공기 압력을 증가시키기 위해 물 기둥(water column)을 사용하는 것은 종래기술에서 가스터빈 및 파워플랜트를 기초로 하는 응용분야에서 또한 알려져 있다.
미국특허 제4,797,563호는 부가적인 압축이 없이 터빈의 버너를 위한 압축공기를 생성하기 위해 물의 흐름이 이용되는 파워플랜트를 개시하고 있다.
미국특허 제5,537,813호는 흡입 가스를 압축기로 투입하기 전의 처리에 의해 압축기, 연소실 및 터빈 발전기를 구비하는 터빈 연소 시스템의 동작 성능과 효율을 향상시키는 방법을 개시하고 있는데, 이것은 흡입 공기의 수직 하강 흐름을 설정하고, 그러한 흡입 공기의 흐름에 처리수를 투입함으로써 흡입 공기의 속도보다 더 큰 하강류 속도를 생성하여 흡입 공기에 있어서 유도항력(drag-induced pressure)의 증가를 발생시키는 것에 의해 달성된다.
유압식 공기압축기(hydraulic air compressor)는 이들이 광산용으로 압축공기를 제공하기 위해 북미와 유럽 지역에 걸쳐 널리 사용되었던 대략 1890년대 이래로 존재하여 왔다.
관련 선행기술들은 또한 미국특허 번호 543410, 543411, 543412, 618243, 892772, 199819, 3643426, 3797234, 4343569, 4391552 등을 포함한다.
이러한 선행기술들의 개시는 공기 압축을 위한 그들 각각의 목적을 충족하고 있으나, 이들 발명들 중의 어느 것도 수소가스의 압축에는 적절하지 않다.
본 발명은 고압 유체의 공급원(소스), 그리고 압축될 가스를 위한 가스 흡입구, 압축된 가스를 위한 가스 배출구 및 고압 유체를 위한 유체 흡입구를 구비하는 압력용기를 포함하는 가스압축기(gas compressor)를 제공한다. 상기 압축기는 유체 흡입구를 통해 압력용기로 고압 유체를 투입하도록 배열되며, 이로써 상기 압력용기에서 일정 체적의 가스를 압축하도록 한다.
본 발명의 실시예들은 수소와 같은 폭발성 기체들의 압축을 위해 이상적인 것인 수밀(water seal) 기능의 이용으로 인해 안전하고 누출이 없는 가스압축기를 제공한다. 본 발명은 대기형 수전해조(atmospheric water electrolyser)로부터의 수소와 같은 저압 가스가 고가의 가압형 전해조(pressurised electrolyser)나 통상적인 수소압축기들보다 훨씬 더 경제적인 방식으로 가스 압력을 현저하게 증가시키는 것을 가능케 한다. 이러한 새로운 방식의 압축기는 현저히 더 낮은 숫자의 부품들을 갖게 되며, 따라서 원심형 공기압축기, 피스톤형 압축기 또는 다이어프램형(diaphragm-type) 가스 압축기에 비교해 비용을 더 낮출 수 있다. 더욱이, 본 발명은, 압축기의 유속은 물펌프의 유속에만 의존하므로 압축기의 유속이 분당 10cc에서 실제로 시간당 평균 수백 입방 미터까지의 범위에 존재할 수 있어, 수소가스의 버퍼 탱크에 대한 필요성을 제거할 수가 있다. 게다가, 본 발명은, 적어도 바람직한 실시예들에 있어서는, 더 높은 효율로 근사등온압축(near isothermal compression)으로 다단계(multiple stage) 압축을 활용함으로써 700bar까지 수소 또는 임의의 다른 가스를 생산하는 것이 가능하다.
본 발명은 적어도 바람직한 실시예에 있어서는 효율을 향상시키고, 자본비용을 감소하며, 정비비용을 낮추고, 매우 낮은 유속으로부터 매우 높은 유속에 이르는 매우 넓은 스펙트럼의 동작범위와 종래기술에서는 이용 가능하지 않은 광범위한 동작 압력에도 적용 가능하다.
압력용기에 있는 유체는 압축될 가스와 직접적인 접촉상태에 있을 수도 있다. 예를 들면, 물 펌프에 의해 가스와 직접적인 접촉상태에 있는 수직으로 배향된 압력용기에 물이 펌프 될 수도 있다. 방수 요소 및 상승하는 물기둥은 유압 피스톤으로서 작용한다. 이 경우, 압축기는 시스템으로부터 공기를 제거하기 위해 압력용기의 배출구까지 물이 채워질 수도 있기 때문에 공기를 제거하기 위한 질소 가스 소스를 구비하지 않을 수도 있다.
그러나, 일 실시예에 있어서, 압력용기는 그 압력용기 내의 가스로부터 고압 유체를 분리하기 위한 격막부재(barrier member)를 포함한다. 이러한 방식으로 유체는 가압된 상태의 대상 가스와는 접촉하지 않는다.
상기한 격막부재는 압력용기 내에 수용된 피스톤의 형태로 구성될 수도 있다. 압력용기는 유체가 그 압력용기의 하부에서 주입되고 가스는 압력용기의 상부에서 주입되는 방식으로 사용시 배열될 수도 있다. 이러한 방식으로 피스톤, 다른 격막부재 또는 압력용기 내의 유체의 체적은 중력의 작용하에 압력용기에서의 가스에 대해 획득 가능한 체적을 팽창시킬 수도 있다. 따라서, 압축기는 수직으로 배향된 압력용기 내부에 배치된 기계적인 피스톤을 포함할 수도 있다. 상기한 기계적 피스톤은 고압의 유체 소스에 의해 생성되는 후압력(back pressure) 때문에 상부 쪽으로 구동될 수도 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 상기 격막부재는 압력용기의 유체 흡입구에 연결된 팽창가능한 주머니(inflatable bag)의 형태이다. 상기 팽창가능한 물주머니(water bag)는 압축될 대상가스와 물 사이의 직접적인 접촉을 방지하기 위해 압력용기 내부에서는 전에는 결코 사용되지 않았었다. 상기한 팽창가능한 물주머니는, 흡입용 물 파이프 상의 절환 가능한 공기구멍(air vent)을 대기에 개방하는 동안에 가스를 압축하기 위하여, 팽창되었을 때 압력용기의 내부공간을 점유하도록 하는 크기일 수도 있다. 압력용기의 내부 형상과 부피는 팽창가능한 물주머니의 외부 형상과 부피와 실질적으로 같을 수도 있다. 상기 주머니는 강화 고무, 강화섬유 플라스틱 등과 같은 임의의 유연한 또는 합성 재료들로부터 제조될 수도 있다. 압력용기의 내부 공간을 점유하고 그리고 흡입용 물 파이프 상의 절환 가능한 공기구멍을 대기에 개방하는 동안에 압력용기에서 후속해서 가스를 압축하기 위하여, 팽창가능한 물주머니 내부로 고압으로 물이 펌프 될 수도 있는데. 이러한 조건 하에서 물은 압력용기에서의 압축된 가스와 접촉하지는 않는다.
전형적으로, 상기한 고압 유체는 액체이다. 바람직한 실시예들에 있어서, 고압 유체는 물이다. 물 대신에 임의의 비압축성 액체 또는 수압식 유체(hydraulic fluid)가 사용될 수도 있다. 본 발명의 가스압축기는 물, 물-솔벤트 혼합물, 부동액 혼합물, 높은 비등점을 갖는 다양한 솔벤트들, 유압용 오일 등과 같은 임의의 적절한 액체 매개체를 활용할 수도 있다. 압력용기는 고압 유체의 주공급원에 연결될 수도 있다. 선택적으로는, 고압 유체 공급원은 압력용기의 유체 흡입구에 유체를 펌핑하도록 배열된 펌프를 포함할 수도 있다. 고압 유체 공급원은 탱크를 포함할 수도 있으며, 이 탱크는 그 탱크로부터 압력용기의 유체 흡입구로 유체를 펌핑하도록 배열될 수도 있다.
가스압축기는 고압 유체를 위한 유체 흡입구와 가스 흡입구를 구비하는 적어도 하나의 추가적인 압력용기를 포함할 수도 있다. 상기 펌프는 제1압력용기로부터 상기한 추가적인 압력용기의 유체 흡입구로 유체를 펌핑하도록 배열될 수 있는데, 이렇게 함으로써 추가적인 압력용기 내에서 일정 부피의 가스를 압축하도록 한다. 상기 펌프는 추가적인 압력용기로부터 제1압력용기의 유체 흡입구로 유체를 펌핑하도록 후속해서 배열될 수도 있는데, 이렇게 함으로써 제1압력용기 내에서 일정 부피의 가스를 압축하도록 한다. 상기한 제1 및 추가적인 압력용기에는 각각의 펌프가 제공되도록 하는 것도 가능하나 이러한 구성은 선호되는 것은 아니다.
상기 제1압력용기 및 추가적인 압력용기는 제1압력용기로부터 상기 추가적인 압력용기로의 유체의 펌핑작용이 제1압력용기에서 압력의 강하를 야기하도록 함으로써 가스 흡입구를 통해 제1압력용기 안으로 가스를 끌어당기도록 구성될 수도 있다. 추가적인 압력용기로부터 제1압력용기로의 유체의 펌핑작용은 추가적인 압력용기에서 압력의 강하를 야기할 수도 있는데, 이로써 가스 흡입구를 통해 추가적인 압력용기 안으로 가스를 끌어당기도록 한다. 이러한 방식으로 교환 시스템이 제공된다.
제1압력용기의 가스 흡입구와 추가적인 압력용기의 가스 흡입구는 같은 가스공급원에 연결될 수도 있다.
상기 가스압축기는 제1압력용기의 가스 배출구에 연결된 가스 흡입구와 고압유체를 위한 유체 흡입구를 구비하는 적어도 하나의 추가적인 압력용기를 포함할 수도 있다. 상기 압축기는 유체 흡입구를 통해 상기한 추가적인 압력용기에 고압의 유체를 투입하도록 배열될 수도 있는데, 이렇게 함으로써 추가적 압력용기 안에서 일정 부피의 가스를 압축하도록 한다. 이러한 방식으로 희망하는 가스 압력이 단계적으로 달성될 수가 있다.
효율적으로는, 상기 추가적인 압력용기의 유체 흡입구는 압력용기의 유체 흡입구와 같은 고압 유체 공급원(소스)에 연결될 수도 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 (또는 각각의) 압력용기의 가스 흡입구에는 수전해조(water electrolyser)로부터 가스가 공급된다. 이러한 응용예 및 다른 것에 있어서, 상기 가스는 수소이다. 가스압축기는 압축될 가스의 공급원에 연결되거나, 아니면 전해조에 직접 연결되어 수소 및 산소 가스를 압축하도록 할 수도 있다.
상기 압력용기 및/또는 추가적인 압력용기의 유체 흡입구는 고압력 유체를 상기한 (추가적인) 압력용기 안으로 분무하기 위한 스프레이 노즐을 포함할 수도 있다. 이것은 가스에서 불순물을 흡수하기 위해 더 큰 면적의 액체가 압력용기에 있는 가스에 제공될 수도 있다는 점에 있어 유리하다.
본 발명의 일 구성에 따르면, 상기 가스압축기는 하나 또는 다수의 바닥 물탱크, 고압 물펌프, 압력용기 내에 설치된 적어도 하나의 팽창가능한 물주머니(inflatable water bag), 압력용기에 대한 가스흡입구 밸브, 압력용기로부터의 고압가스 배출구 정화 밸브, 질소가스 정화 밸브, 바닥 물탱크 상부에 배치된 스위치형 대기 배출구(switchable atmospheric vents)들, 파이프 구성 및 밸브장치, 압력, 온도, 유속 및 유체 레벨을 위한 모니터링 및 제어장치들, 고압가스 정화밸브 후단에 그리고 물펌프 배출구 후단에 설치되는 비복귀형(non-return) 밸브들, 직렬로 된 가스 센서들, 액체 응축 및 분리장치, 수소가스로부터 산소를 제거하기 위한 산소제거장치, 가스 건조장치 및 전자제어장치를 포함할 수도 있다.
질소가스 정화 밸브(nitrogen gas purging valve)는 전해조의 수소 전해액 탱크에 또는 압력용기에 연결될 수도 있다. 압축기의 동작범위는 물펌프의 출력압력과 압력용기의 체적에 따라서 다단계로 10mbar에서 700bar까지 이를 수도 있다.
배출구 가스 정화 밸브는 가스 또는 가스들의 압축 혼합체를 배출할 수도 있다.
액체 증기 응축장치, 액체 분리장치, 산소 제거장치, 가스 건조기 및 액체 흡수장치는 압력용기의 가스 배출구 정화 밸브 후단에 장착되어도 좋다.
가스 센서는 가스의 순도를 측정하고 전압 및/또는 전류 신호를 전자제어장치에 송출할 수도 있다. 압축공기는 가스의 순도가 소망하는 레벨이 아닐 경우 또는 정비작업이 필요 시 대기 중으로 배출될 수도 있다.
동작 시, 스위치형 공기 배출구가 개방되어 있을 때, 압력용기의 배출구 가스 정화 밸브 및 흡입구 가스 밸브는 페쇄되어 물의 레벨이 팽창가능한 물주머니 또는 압력용기 그 자체로부터 바닥 물탱크로 상이한 압력 하에서 하강하도록 한다.
복수의 밸브 시스템의 사용은 압력용기 또는 팽창가능한 물주머니로부터 물의 활발한 펌핑작용에 의해 바닥 물탱크로 물을 비우는 것을 수월하게 만들 수도 있다.
전형적인 동작에 있어서는, 압축될 가스는 팽창가능한 물주머니 안으로 또는 전술한 바와 같이 압력용기로 직접적으로 물을 펌핑함으로써 압축이 후속되는 빈 압력용기로 공급된다.
팽창가능한 물주머니는 팽창될 때 압력용기 내부에 기구적으로 지지될 수도 있다. 팽창가능한 물주머니 또는 공기주머니 상의 차등적인 압력은 안전한 작동압력 내에서 조절될 수도 있다.
팽창가능한 물주머니 또는 물 밀봉재에 의해 제공되는 것과 같은 가스와의 더 큰 접촉면적은 근사등온성 조건(near isothermal condition)에서의 가스의 더 빠른 냉각을 가능케 해줌으로써 통상적인 기계적인 가스압축기들보다도 더 양호한 효율을 제공한다. 압축될 가스의 유속은 분당 10 ㎤에서 시간당 평균 수백㎥까지 이르는 범위에 존재할 수도 있다. 상기 압축기는 -60℃ 내지 200℃의 범위의 동작온도를 가질 수도 있다. 액체 매개체 및 액체 펌프는 최적의 동작온도, 유속 및 동작압력에 따라서 선택된다.
본 발명은 또한 대기형 전해조와 직접 결합되는 가스압축기를 제공하는데, 여기서 de-oxo 건조기(de-oxo-drier)에 의해 수소가스에 존재하는 산소가스의 미세량을 제거한 다음 가스 건조가 후속된다.
본 발명의 주된 목적은 극도의 저비용으로 수소가스 압축기를 제조함에 있으나, 본 발명은 임의의 다른 가스들에 대해서도 또한 적용이 가능하다. 본 발명의 실시예들은 고효율의 가스압축기를 제조하기 위해 근사등온성 조건에서 동작하는 고압 물펌프와 팽창가능한 물주머니를 이용한다.
상기 압축기의 동작범위는 10mbar 게이지 압력으로부터 압력용기의 체적과 물펌프의 출력압력에 따라서는 다단계로 700bar정도의 고압력에까지 변화한다. 가스압축기의 유속은 분당 10 ㎤에서 시간당 평균 수백㎥까지의 범위에 있다.
상기 가스압축기의 동작온도는 -60℃ 내지 200℃ 범위이다.
상기 가스압축기는 수소 및 다른 폭발성 가스들이 공기 또는 임의의 다른 비연소성 가스들 대신에 압축되는 그러한 시스템으로부터 임의의 가스성 물질을 정화하기 위해 압력용기에 대한 선택적인 질소가스 공급포인트를 가질 수도 있다.
압축된 가스가 공급라인에 공급된 후, 가스압축기는 다음 압축 사이클을 위해 준비하는바, 즉 아래와 같은 순차적인 방법으로 준비를 한다.
ⅰ) 바닥 물탱크에 위치한 스위칭형 공기 배출구를 열어둔다;
ⅱ) 배출구 가스정화 밸브를 닫아둔다;
ⅲ) 닫힌 위치에서 압력용기의 흡입구 가스 밸브를 닫는다.
압력용기 내부에서의 더 높은 가스압력은 물주머니들을 오무라들게 할 것이며, 가스압축기는 상기한 순서에 따라서 복수의 밸브들을 동작시켜 바닥 물탱크로 물을 다시 펌핑함으로써 압력용기로부터 또는 팽창가능한 물주머니로부터 물을 비우도록 한다.
다음 압축 사이클을 위해 가스가 빈 압력용기에 공급되고 후속해서 팽창가능한 물주머니 안으로 또는 압력용기 안으로 직접 물의 펌핑동작이 수행된다.
본 발명은 발명의 다양한 구성요소들에 대한 개략적인 다이어그램인 도 1을 참조하여 볼 때 더 잘 이해될 것이다. 표 1에 나타낸 계산의 샘플은 압축비의 일례를 제공하지만, 같은 원리를 적용하여 본 발명의 물리적 파라미터들을 변화시킴으로써 다른 압축비가 달성될 수도 있다. 표 2는 도 1에 해당하는 밸브 컨트롤의 수순을 기술한다. 동일한 물리적 구성 및/또는 동일 구성요소들을 이용하는 다른 물리적 구성들을 이용하여 동작을 수행하는 여러 가지의 방식이 존재할 것이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스압축기의 선택적인 구성을 도시하고 있다. 표 3은 도 2에 따른 밸브 컨트롤의 수순을 기술하고 있다.
본 발명은 발명을 구현하기 위한 바람직한 방식의 측면들이 설명되는 첨부한 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 기술될 것이지만, 당해 기술분야에서의 전문가라면 본 발명의 바람직한 결과들을 여전히 달성하면서도 여기에 기술된 발명을 변형할 수도 있을 것이라는 것을 후술하는 발명의 상세한 설명의 시작에 앞서 이해하여야 할 것이다. 따라서, 후술하는 설명은 본 발명을 한정하는 것으로서가 아니라 당해 기술분야에서의 전문가에게 지향되는 광의의 교시인 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1에 가장 잘 예시된 것과 같이, 수소가스는 수소가스 공급원(소스)으로부터 연접파이프(1) 및 제1밸브(2)를 경유하여 제1압력용기(4)의 가스 흡입 포트(3) 쪽으로 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기에 공급된다. 도 1에 도시된 수소 공급원은 전해조 스택(electrolyser stack)(6)의 수소-전해액 탱크(5)이다. 수소 전해액 탱크는 질소가스 흡입 포트(7) 및 질소가스 정화 밸브(8)를 구비하고 있다
제1압력용기(4)는 무누출 포트(11)에 의해 그 압력용기 내부에 견고하게 장착된 팽창가능한(이하 "팽창형"이라 칭함) 물주머니(10)와 가스 배출 포트(9)를 구비한다. 가스와 물은 제1압력용기(40) 내에서 직접적인 접촉이 이루어지지는 않는다. 제1압력용기의 내부 압력과 온도를 모니터하기 위한 압력 센서(12) 및 온도 센서(13)가 제1압력용기 내부에 장착된다.
상기 팽창형 물주머니(10)는 강화고무, 합성물질, 강화섬유 플라스틱 백 등과 같은 유연성 물질로 이루어진다. 팽창형 물주머니의 안전한 동작압력은 대략 10-15bar이고, 설계압력은 25bar이다. 완전히 팽창한 물주머니의 내외부 압력 간의 압력차는 15bar를 결코 초과하지 않는데, 그 이유는 물주머니는 압력용기의 벽에 의해 완전히 팽창될 때 지지되기 때문이다. 물주머니의 수축으로부터 팽창까지의 물리적 부피는 20배 또는 그 이상에 달한다. 따라서, 가스는 완전히 팽창된 물주머니에 의해 20배까지 압축이 될 수가 있는데, 이것은 제1압력용기(4) 내부에서의 가스압력의 20배 증가로 귀착된다.
팽창형 물주머니는 저수위 센서(17)와 고수위 센서(18)의 두 레벨로 된 센서들을 구비하는 바닥 물탱크(16)로부터 흡입수를 받아들인다. 상기 물탱크는 그 물탱크에 견고하게 연결된 파이프(20)에 장착된 공기배출 밸브(19)를 구비한다.
고압 물펌프(21)는 표준형 파이프 설비를 이용하여 적소에 고정적으로 장착되는 바닥 물탱크(16)에 연결되는 흡입 파이프(22)를 구비한다. 물펌프로부터의 배출 파이프(23)는 제2밸브(24) 및 비복귀형 밸브(25)를 구비한다. 비복귀형 밸브(25) 후단에는 배출 파이프(23)가 T형-접합부(26)의 일 포트에 연결된다. T형-접합부(26)의 제2포트는 연접 파이프(56) 및 제6밸브(55)를 경유해 물펌프(21)를 바이패스하는 동안 물탱크(16) 내부로의 물의 복귀 흐름을 촉진하게 된다. T형-접합부(26)의 나머지 포트는 연접 파이프(27)를 경유하여 또 하나의 다른 T형-접합부(28)에까지 물을 펌핑한다. T형-접합부(28)의 제2포트는 압력 레귤레이터(29), 저압 파이프(30) 및 제3밸브(31)을 경유해서 무누출 포트(11)를 통해 팽창형 물주머니에 연결된다.
제1 압력용기(4)는 연접 파이프(14) 및 제4밸브(15)를 경유해 제2압력용기(33)의 무누출 포트(32)에 고정적으로 연결된다.
제2압력용기(33)는 가스 배출 포트(34)를 구비하며, 팽창형 물주머니(35)가 무누출 포트(36)를 경유해 압력용기 내부에 고정적으로 장착된다. 가스 및 물은 제2압력용기(33) 내에서 직접 접촉하게 되지는 않는다. 제2압력용기(33)의 압력 및 온도를 모니터하기 위한 압력센서(37) 및 온도센서(38)가 제2압력용기 안쪽에 장착된다.
가스 배출 포트는 고압가스 공급 파이프(39), 제7밸브(40) 및 비복귀형 밸브(41)에 연결된다.
상기 제2압력용기(33)의 팽창형 물주머니(35)의 물 흡입 포트(32)는 연접 파이프(42)를 경유해 T형-접합부(28)의 나머지 포트에 연결된다. 제5밸브(43)는 파이프(42) 상에 고정적으로 장착되어 팽창형 물주머니(35) 안으로의 물의 흐름을 컨트롤한다.
가스 순도센서(44)는 비복귀형 배출 파이프(39) 상에서 밸브(41) 후단에 연결되고 또한 T형 접합부(45)에 결합된다.
공기 배출구(46)는 연접 파이프(49)에 의해 T형-접합부의 포트들 중의 하나에 연결된다. 공기 배출구 밸브(47) 및 화염억제기(flame arrestor)(48)가 상기 파이프(49) 상에 장착된다. 이 공기 배출구는 가스의 순도가 적절하지 않으면 정비 목적을 위해 가스를 안전한 장소에서 대기로 배출하기 위해 사용된다.
T형- 접합부(45)의 나머지 포트는 연접 파이프(50)에 의해 가스-물 분리기(51)로 연결된다.
de-oxo 유닛(de-oxo unit)(52)가 고순도(99.999%)의 수소를 제조하기 위해 연결된다. 건조기 조립체(53)가 매우 건조한(즉 -60℃ 이슬점까지의) 수소가스를 제조하도록 연결된다. 상기한 de-oxo 유닛(52)는 약 140℃에서 수증기를 형성하도록 하기 위한 수소 그 자체와의 수소가스에 존재하는 미량의 산소가스들 간의 반응을 돕는 팔라듐(palladium) 촉매 베드를 갖는다. 그 다음으로는 순수한 습기의 수소는 건조기(53)에서 건조된다. 상기 건조기는 매우 건조한 수소가스를 제조하기 위한 분자체 베드(molecular sieve bed)를 포함하고 있다. 비복귀형 밸브(54)는 de-oxo 건조기 후단에 장착된다.
도 2는, 가스 압축, 가스 건조, 가스 냉각 및 가스 세척의 네 가지 기능을 저비용, 고효율로 결합해서 수행하는, 본 발명에 따른 가스압축기의 일 실시예에 대한 대안적인 구성을 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 액체펌프(108)는 제1용기(101)로부터 제2용기(102)로 그리고 그 다음에는 제2용기(102)로부터 제1용기(101)로의 액체의 전후방 이동에 의해 두 개의 상호 연결된 용기들(101, 102) 사이에서 액체를 순환시킴으로써 연속적으로 동작한다. 액체의 교환성 이동은 후술하는 바와 같이 다수의 밸브들의 구성에 의해 컨트롤 된다.
공정의 초기에 제1용기(101)는 액체로 가득 차 있고, 제2용기(102)는 가스로 가득 차 있다. 제1용기(101)로부터의 액체는 제2용기(102) 내부로 펌프(108)에 의해 공급되어 제2용기(102)에 있는 가스를 압축하게 된다. 이 단계에서 펌프(108)의 입력단과 제1용기(101) 사이의 제1밸브(104)는 개방되는 반면, 펌프(108)의 출력단과 제1용기(101) 사이의 제2밸브(105)는 폐쇄된다. 마찬가지로, 펌프(108)의 출력단과 제2용기(102) 사이의 제3밸브(106)는 개방되는 반면, 펌프(108)의 입력단과 제2용기(102) 사이의 제4밸브(107)는 폐쇄된다. 제1용기(101)와 저압 전해조 스택(103) 사이의 제5밸브(111)는 개방되며, 반면에 제2용기(102)와 저압 전해조 스택(103) 사이의 제6밸브(112)는 폐쇄된다. 제1용기(101)와 고압가스 공급라인(116) 사이의 제7밸브(113)는 폐쇄된다. 제2용기(102)와 고압가스 공급라인(116) 사이의 제8밸브(114)도 또한 폐쇄된다.
제2용기(102) 내의 가스는 고압의 액체펌프(108)에 의한 액체의 점진적인 충진에 의해 단일 단계로는 대기압력으로부터 700bar 또는 그 이상까지 압축된다. 이러한 펌프들은 고압세척 분야, 해양 시추산업 및 워터-제트 절삭공구 분야들에서 공통적으로 이용되며, 2000bar 이상의 사출압력을 만들어낼 수 있다. 따라서, 이러한 구성은 고압 유압펌프의 성능에만 의존하기 때문에 어떠한 상한이 없이 단일한 스테이지로써 필요한 압축비를 제공하게 된다.
다음으로, 압축된 가스는 제3밸브(106)와 제6밸브(112)를 닫힌 상태로 유지하는 동안 제8밸브(114)를 개방함으로써 고압가스 공급라인(116)으로 방출된다. 출력 밸브(109)가 개방되어 고압가스를 공급하거나 저장용 버퍼탱크를 충전한다.
제1용기(101)의 가스흡입은 수소 및 산소 가스 또는 임의의 다른 가스들을 생산하는 전해조 셀(103)에 연결되는 제5밸브(111)에 의해 제어된다. 전해조 셀(103)은 영국특허 GB2469265에 기술된 것일 수도 있다. 제2용기(102)에서의 압축공정 중, 액체 레벨의 점진적인 하강으로 인해 제1용기(101) 내에서 진공이 생성된다. 제1용기(101)는 따라서 전해조(103)로부터의 가스로써 채워진다. 이러한 진공상태는 전해조 셀(103)로부터 나오는 기포들을 더 효율적으로 끌어당기는데 도움이 된다. 전해조 셀들로부터의 기포들의 효과적이고 더 신속한 제거는 셀의 이온 전도성을 개선함으로써 셀 효율을 현저하게 향상시킨다. 이것은 기포들과 전극 표면 사이에 작용하는 표면장력으로 인해 가스가 전극 표면에 달라붙게 되는 현재의 대기성 전해조(atmospheric olectrolyser)에서의 주요한 문제점을 극복한다. 제2용기(102)로부터 고압가스를 방출한 다음, 액체는 제2용기(102)에서 제1용기(101)로 거꾸로 펌프 된다. 이 단계에서 펌프(108)의 입력단과 제1용기(101) 사이의 제1밸브(104)는 폐쇄되는 반면에 펌프(108)의 출력단과 제1용기(101) 사이의 제2밸브(105)는 개방된다. 마찬가지로, 펌프(108)의 출력단과 제2용기(102) 사이의 제3밸브(106)는 폐쇄되는 반면에 펌프(108)의 입력단과 제2용기(102) 사이의 제4밸브(107)는 개방된다. 또한, 제1용기(101)와 저압 전해조 스택(103) 사이의 제5밸브(111)는 폐쇄되는 반면에 제2용기(102)와 저압 전해조 스택(103) 사이의 제6밸브(112)는 개방된다. 제1용기(101)와 고압가스 공급라인(116) 사이의 제7밸브(113)는 폐쇄된다. 제2용기(102)와 고압가스 공급라인(116) 사이의 제8밸브(114)는 또한 개방된다.
제1용기(101)에는 고압가스가 생성되는 반면, 제2용기(102)는 생성된 진공으로 인해 전해조(103)로부터 새로운 가스를 끌어당긴다. 그 다음에, 압축된 가스는 제1밸브(105) 및 제5밸브(111)를 폐쇄상태로 유지하면서 고압가스 공급라인(116)으로의 제7밸브(113)를 개방함으로써 제1용기(101)로부터 방출된다. 고압가스를 전달하거나 저장용 버퍼탱크를 충전하기 위해 출력 밸브(109)가 개방된다.
전술한 과정은 각각의 용기(101, 102)를 연속적으로 충전하고 방출하도록 반복된다. 표 3은 양자의 용기들(101, 102)에서의 가스 압축과 가스 방출 도중의 밸브들의 위치를 보여주고 있다.
도 2의 실시예는 가스 건조 기능을 제공한다. 제1용기(101) 및 제2용기(102) 내에서의 압축 중에 습기 및 기타 불순물들이 응축되어 자연적으로 낙하하여 고압의 건조가스를 생성하는데, 이로써 압축기 전단에 가스건조기를 설치할 필요를 없애게 된다. 통상적인 피스톤을 이용하는 압축기들은 압축기의 전단에 가스 건조기를 필요로 한다.
도 2의 실시예는 가스 냉각 기능을 제공한다. 고압의 액체는 제1용기(101) 및 제2용기(102) 내에서 저압에서 먼저 팽창하는데, 이것은 압축 중 근사등온(isothermally)으로 온도를 조절하는 냉각효과를 제공한다. 압력용기의 표면으로부터 약간의 열이 소비될 것이다. 이러한 압축중의 선냉각은 통상적인 냉각회로에 대한 필요성을 제거하게 되고, 이로써 비용이 절감되며 압축기를 더 에너지 효율이 있도록 만든다.
도 2의 실시예는 가스 정화(gas cleaning) 기능을 또한 제공한다. 상기한 액체는 물, 물에 혼합된 다양한 화학물질들, 가성용액(caustic solutions), 수산화나트륨(sodium hydroxide), 수산화칼륨(potassium hydroxide), 황산제이철용액(ferric sulphate solution), 산성수(acidic water) 등과 같은 임의의 유체일 수도 있다. 액체의 선택은 압축 중 그 액체에 의해 정화되는 흡입 가스에 존재하는 불순물들에 의존한다. 상기 액체는 물리적 흡수에 의해 또는 화학적 반응에 의해 여러 가지의 불순물들을 스크럽(scrub)하도록 압력용기들(101, 102) 내에서 노즐들(110, 115)에 의해 스프레이 된다. 예를 들면, 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 용액이 압축중의 바이오가스로부터 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위해 이용된다. 황산제이철용액으로 스크럽함으로써 또는 생가스(raw gas)를 물로 워싱(washing)함으로써 황화수소(H2S)가 제거된다. 타르, 오일, 탄화수소, 미세먼지(particulate) 및 기타 불순물들의 제거는 적절한 액체 용액으로써 다양한 스크럽(scrubbing) 기법에 의해 수행된다.
요약하면, 본 발명은 주로 고압 물펌프를 이용하는 수소가스 및 다른 가스성 물질의 압축에 관한 것이다. 본 발명은 수밀성의 이용으로 인해 안전하고 누출이 없는, 수소와 같은 폭발성 가스의 압축에 이상적인 가스압축기를 제공한다. 본 발명은 대기성 수전해조(atmospheric water electrolyser)에서 나오는 것과 같은 저압가스가 고가의 고압전해조 또는 통상적인 수소압축기들보다 훨씬 더 경제적인 방식으로 가스압력을 현저하게 상승시키는 것을 가능하게 해준다. 시장에서 이용 가능한 가장 소형의 상업용 수소압축기의 유속은 소형 전해조들에 의한 가스 생산율보다 현저하게 크다. 이러한 이유로 전해조와 압축기 사이에서의 이러한 불균형을 보상하기 위한 버퍼 탱크가 필요하다. 그러나, 본 발명은 압축기의 유속이 물펌프의 유속에 따라서 분당 10cc에서 시간당 평균 수백 입방미터의 범위에 이르기 때문에 수소가스의 버퍼 탱크에 대한 필요성을 제거하여 준다. 이러한 새로운 형태의 압축기는 현저히 적은 수의 부품들을 가지며, 이에 따라서 원심 공기압축기, 피스톤형 또는 격막형 가스압축기에 비교해 낮은 비용으로 제조된다. 본 발명은 공기, 산소, 질소, 이산화탄소, 천연가스 등과 같은 기타의 가스들에도 적용이 가능하다. 본 발명은 근사등온성 압축 덕분에 고효율의 에너지 효율성을 갖는 가스압축기를 제공한다.
이상 본 발명은 도 1 및 표 1에 도시된 것과 같은 물펌프 및 기타 구성요소들을 가지고 또한 표 2에 도시된 것과 같은 해당 밸브 시퀀스를 따라서 팽창형 물주머니 또는 에어백 또는 임의의 기타 팽창형 장치를 이용하여 본 발명의 주요한 특징들을 총괄하도록 광의로 기술되었으나, 본 발명은 도 1 또는 도 2의 구성에만 한정되는 것은 아니라는 점을 이해할 것이다. 본 발명은 도 1 및/또는 도 2의 구성요소들을 다른 방식으로 재구성함으로써 여러 가지의 상이한 구성으로 구현될 수도 있다. 또한 본 발명을 기술하기 위해 사용된 용어 및 문구들은 더 넓은 발명의 범위를 제공하기 위해서는 재구성될 수도 있다는 점을 이해하여야 할 것이다.
본 발명의 실시예들은 매우 낮은 비용으로 제조가능한 새로운 방식의 수소압축기를 제공한다. 이러한 압축기는 제조시의 공학적인 공차에 민감하지 않으며, 본 발명은 어떤 가스들에도 또한 적용이 가능하다. 가스압축기는 고압 유체 공급원과 압축될 가스를 위한 가스흡입구, 압축된 가스를 위한 가스배출구, 및 고압 유체를 위한 유체흡입구를 갖는 압력용기를 포함하고 있다. 상기한 압축기는 유체흡입구를 경유해 압력용기 내부로 고압의 유체를 투입하도록 배열됨으로써 압력용기 내에서 일정 부피의 가스를 압축하게 된다.
도 1에 상응하는 계산 예
압축 설명 값
1단계:
빈도: 1분당 1압축사이클		 -제1압력용기 내부체적
-물주머니의 수축된 외부체적
-수소가스 초기 체적
-초기압력
-5KW 전해조 스택으로부터의 수소 유속
-물주머니의 팽창된 외부체적
-수소의 새로운 용적
-1단계 압축된 수소		 20 lt
2 lt
18 lt
1bar
1bar, 분당 18 lt
18.5 lt
1.5lt
12bar
1단계 압축 후의 수소 유속 12bar에서 1.5 lt
2단계:
빈도: 매12분당 1압축사이클		 -제2압력용기 체적
-물주머니의 수축된 외부체적
-수소가스 초기 체적
-초기압력
-물주머니의 팽창된 외부체적
-수소의 새로운 용적
-2단계 압축된 수소		 20 lt
2 lt
18 lt
12bar
18.5 lt
1.5 lt
144bar
2단계 압축 후의 수소 유속 144bar에서 분당 0.125 lt
도 1에 상응하는 밸브 제어 시퀀스

기능		 솔레노이드 밸브 번호
제1물주머니
(10)
제1
압력
용기
(4)
제2압력용기
(33)
제2물주머니
(35)
가스 공급
밸브 1(2) 밸브 2(24) 밸브 3(31) 밸브 4(15) 밸브 5(43) 밸브 6(55) 밸브 7(40) 공기배출
(19)		 물펌프
(21)
질소정화 개방 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 개방 개방 스위치오프 수축 질소
충진		 질소 충진 수축 질소 배출
1bar에서 수소공급 개방 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치오프 수축 수소-
질소
혼합
충진		 수소-질소 혼합
충진		 수축 원하는 가스순도까지 배출
1단계 압축 폐쇄 개방 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치온 팽창 수소압력,12bar 수소
충진,
1bar		 수축 무방출
압력 균등화 폐쇄 개방 개방 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치온 팽창 압력, 6bar 압력, 6bar 수축 무방출
바닥 물탱트로 배수 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 개방 스위치오프 수축 수소압력,1bar 수소
압력
6bar		 수축 무방출
1bar에서 수소공급 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치오프 수축 수소압력,1bar 수소
압력
6bar		 수축 무방출
공정 반복 폐쇄 개방 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치온 팽창 수소압력,12bar 수소
충진,
6bar		 수축 무방출
압력균등화 폐쇄 개방 개방 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 스위치온 팽창 수소압력,12bar까지 수소
압력
12bar까지		 수축 무방출
2단계 압축 폐쇄 개방 개방 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 개방 스위치온 팽창 수소압력,12bar까지 수소
압력
144bar까지		 팽창 무방출
가스 공급 폐쇄 개방 개방 폐쇄 개방 폐쇄 개방 개방 스위치온 팽창 수소압력,12bar까지 수소
압력
144bar까지		 팽창 144bar로 가스
방출
바닥물탱크로 배수 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 개방 개방 폐쇄 개방 스위치오프 수축 수소압력,1bar 수소
압력
12bar		 수축 무방출
기능
 도 2에 상응하는 밸브의 번호
104 105 106 107 111 112 113 114 109
제2용기가스압력 개방 폐쇄 개방 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 폐쇄
제2용기로부터의 가스방출 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 개방 개방
제1용기
가스압력		 폐쇄 개방 폐쇄 개방 폐쇄 개방 폐쇄 폐쇄 폐쇄
제1용기로부터의 가스방출 폐쇄 폐쇄 폐쇄 개방 폐쇄 개방 개방 폐쇄 개방

Claims (17)

  1. 가스압축기에 있어서,
    고압 유체의 공급원; 및
    압축될 가스를 위한 가스 흡입구, 압축된 가스를 위한 가스 배출구 및 고압 유체를 위한 유체 흡입구를 구비하는 압력용기를 포함하되,
    상기 가스압축기는 상기 유체 흡입구를 통해 상기 압력용기 안으로 고압 유체를 투입하도록 배열되어 상기 압력용기 내의 일정 용적의 가스를 압축하도록 하는 가스압축기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압력용기는 그 압력용기 내의 가스로부터 고압 유체를 분리하기 위한 격막부재(barrier member)를 포함하는 가스압축기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 격막부재는 상기 압력용기 내에 수납된 피스톤의 형태로 된 것인 가스압축기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 압력용기는 유체가 압력용기의 바닥에서 투입되고 가스는 압력용기의 상부에서 투입되도록 사용시 배열되는 가스압축기.
  5. 제2항에 있어서, 상기 격막부재는 상기 압력용기의 유체 흡입구에 연결된 팽창 가능한 주머니의 형태인 가스압축기.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고압 유체는 액체인 가스압축기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고압 유체는 물인 가스압축기.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 고압 유체 공급원은 압력용기의 유체 흡입구에 유체를 펌프하도록 배열된 펌프를 포함하는 가스압축기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 고압 유체 공급원은 탱크를 포함하고, 상기 펌프는 탱크로부터 상기 압력용기의 유체 흡입구에 유체를 펌프하도록 배열되는 가스압축기.
  10. 제8항에 있어서, 고압 유체를 위한 가스 흡입구와 유체 흡입구를 구비하는 적어도 하나의 추가적인 압력용기를 포함하되,
    상기 펌프는 제1압력용기로부터 상기 추가적인 압력용기의 유체 흡입구로 유체를 펌프하도록 배열됨으로써 상기 추가적인 압력용기 내에서 일정 용적의 가스를 압축하고, 그리고
    상기 펌프는 상기 추가적인 압력용기로부터 상기 제1압력용기의 유체 흡입구로 유체를 펌프하도록 후속하여 배열됨으로써 상기 제1압력용기 내에서 일정 용적의 가스를 압축하도록 구성되는 가스압축기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1압력용기 및 추가적인 압력용기는,
    상기 제1압력용기로부터 추가적인 압력용기로의 유체의 펌핑 작용이 제1압력용기에서의 압력강하를 야기함으로써 가스 흡입구를 통해 제1압력용기로 가스를 흡입하도록 하고, 그리고
    상기 추가적인 압력용기로부터 제1압력용기로의 유체의 펌핑 작용이 추가적인 압력용기에서의 압력강하를 야기함으로써 가스 흡입구를 통해 추가적인 압력용기로 가스를 흡입하도록 하는 가스압축기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 제1압력용기의 가스 흡입구와 상기 추가적인 압력용기의 가스 흡입구는 동일한 가스공급원에 연결되는 가스압축기.
  13. 제1항 내지 제12항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1압력용기의 가스 배출구에 연결된 가스 흡입구와 고압 유체를 위한 유체 흡입구를 구비하는 적어도 하나의 추가적인 압력용기를 포함하되,
    상기 압축기는 유체 흡입구를 통해 상기 추가적인 압력용기에 고압 유체를 투입함으로써 상기 추가적인 압력용기에서 일정 용적의 가스를 더 압축하도록 구성되는 가스압축기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 추가적인 압력용기의 유체 흡입구는 상기 제1압력용기의 유체 흡입구와 동일한 고압 유체의 공급원에 연결되는 가스압축기.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압력용기의 가스 흡입구는 수전해조로부터 온 가스로 공급되는 가스압축기.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가스는 수소인 가스압축기.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압력용기 및/또는 추가적인 압력용기의 유체 흡입구는 상기 압력용기 및/또는 추가적인 압력용기 안으로 고압 액체를 분무하기 위한 스프레이 노즐을 포함하는 가스압축기.
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