KR20150038081A - 분배된 수소 추출 시스템 - Google Patents

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Abstract

수소 추출 시스템이 제공된다. 상기 추출 시스템은 수소를 포함하는 가스 혼합물을 압축하기 위한 압축기와 압축된 가스 혼합물을 수용하기 위한 탈황 유닛을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 황이 감소된 가스 혼합물을 수용하기 위한 수소 추출 장치와 추출된 수소 가스를 수용하기 위한 수소 저장 장치를 포함할 수 있다. 천연 가스 및 수소를 포함하는 가스 혼합물로부터 수소를 추출하는 방법과, 에너지 가격의 결정 방법도 역시 제공된다.

Description

분배된 수소 추출 시스템{DISTRIBUTED HYDROGEN EXTRACTION SYSTEM}
본 출원은 본원에서 참고로 전체적으로 합체된 2012년 7월 24일자 출원된 미국 가 특허출원 제 61/675,041 호의 우선권을 주장한다.
본원은 일반적으로 분배된 수소 추출을 위한 시스템에 관한 것이다.
일부 에너지원은 현재 네트워크에 의해서 분배되고, 다른 에너지원들은 대량으로 전달되고 현장에 저장된다. 예를 들어, 전기 및 일부 가스 네트워크는 주거 가정과 상업적 동작에 에너지를 공급하기 위하여 전력라인 및 파이프라인을 사용한다. 오일과 일부 다른 가스들은 트럭으로 현장 저장 설비로 전달된다. 그러나, 법령, 환경 고려사항 및 경제적 요소들의 변화는 에너지원들의 미래 분배에 영향을 미칠 것이다.
수소 가스는 통상적으로 탱커들을 사용하여 분배되고 현장에 또는 특정 분배 중심부에서 대형 탱크에 저장된다. 다른 수소 분배 시스템은 기존의 가스 네트워크를 사용하고, 여기서 수소는 기존의 네트워크를 통해서 분배하기 위하여 운송 가스에 부가된다. 네트워크에 결합된 추출 시스템은 필요한 운송 가스로부터 수소를 추출하여 운송 및 저장 비용을 감소시킬 수 있다.
하나의 제안된 방법의 수소 분배는 천연 가스(NG) 또는 합성 NG(SNG) 네트워크를 사용한다. 수소는 NG의 통상적인 소비에 상당한 영향을 미치지 않고 최대 50%까지 NG 네트워크에 부가될 수 있다. 일부 제안은 약 10% 내지 약 20%의 수소를 기존의 NG 네트워크에 부가하는 것을 포함한다. 수소는 재생가능하게 또는 화석 연료로부터 제조될 수 있고, 수소가 다수의 소비자들에게 분배될 수 있는 기존의 NG 네트워크에 부가될 수 있다. 다중 수소 추출 시스템은 기존의 네트워크에 결합되고 필요한 수소를 추출하도록 구성될 수 있다.
현재의 수소 발생 시스템은 여러 이유들로 인하여 상술한 네트워크와 함께 사용하기에 적합하지 않다. 대부분의 현재 수소 발생 시스템들은 산업적 규모의 동작을 위해 구성되고 소규모 사용을 위해서는 적합하지 않다. 이러한 시스템들은 작동하기에는 대형이고, 고비용이고, 복잡하거나 또는 확장된 유지관리를 필요로 할 수 있다.
본 발명은 기존의 수소 발생 시스템의 하나 이상의 단점들을 극복하는 것에 관한 것이다.
또한, 본원에 기술된 추출 시스템에 의해서 생성된 수소는 현장에 저장되어서, 전용 수소 분배 시스템에 공급되거나 또는 현장에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 추출된 수소는 연료 전지로 공급될 수 있고 전기를 생성하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 형태는 수소 가스 사용량을 감시하고 가격결정하는 것에 관한 것이다. 예를 들어, 수소 가스가 NG보다 가격이 비쌀 때, NG 소비량으로부터 분리적으로 수소 가스 소비량을 감시함으로써 소비된 가스의 실제 비용을 정확하게 고려하게 될 것이다. 이는 또한 혼합 연료의 가격책정에 영향을 미칠 것이다. 본 발명은 사용 관점에서 수소와 NG 소비량 모두를 감시하는 시스템 및 방법에 대해서 기술한다.
본 발명의 한 형태는 수소 추출 시스템에 관한 것이다. 추출 시스템은 수소를 포함하는 가스 혼합물을 압축하기 위한 압축기와 압축된 가스 혼합물을 수용하기 위한 탈황 유닛을 포함할 수 있다. 이 시스템은 또한 황이 감소된 가스 혼합물을 수용하기 위한 수소 추출 장치와 추출된 수소 가스를 수용하기 위한 수소 저장 장치를 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 천연 가스 및 수소를 포함하는 가스 혼합물로부터 수소를 추출하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 상기 가스 혼합물을 압축하는 단계와 황 농후 스트림과 황이 감소된 혼합물을 형성하기 위하여 압축된 가스 혼합물에 함유된 황의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 수소 고갈 혼합물과 수소 가스를 형성하기 위하여 황이 감소된 혼합물에 함유된 수소의 적어도 일부를 제거하는 단계와 상기 수소 가스를 수소 저장 장치 또는 다른 사용처에 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 형태는 에너지 가격의 결정 방법에 관한 것이다. 본 방법은 a) 수소 가스의 질량 유량을 결정하는 단계와 b) 천연 가스의 질량 유량을 결정하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 c) 상기 수소 가스의 질량 유량을 수소 가스에 대한 팩터와 곱하는 단계, d) 상기 천연 가스의 질량 유량을 천연 가스에 대한 팩터와 곱하는 단계 그리고 e) 상기 단계 c)와 상기 단계 d)의 값들을 부가하는 단계를 포함한다.
본원의 추가 목적 및 장점들은 하기 설명에서 부분적으로 기술되고, 그리고 부분적으로 본원의 실행에 의해서 학습되거나 또는 설명으로부터 명확해질 것이다. 본원의 목적 및 장점들은 첨부된 청구범위에 특히 지시된 요소들 및 조합들에 의해서 구현되거나 또는 달성될 것이다.
상술한 일반적 설명과 하기 상세 설명은 모두 단지 예시적이고 설명적이고 청구범위에 기재된 시스템, 장치 및 방법을 제한하는 것이 아님을 이해해야 한다.
본 명세서의 일부에 합체되고 구성되는 첨부된 도면은 설명과 함께 본원의 여러 실시예들을 예시하고 본원의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 수소 분배 시스템의 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 수소 추출 시스템의 개략도이다.
도 3은 다른 예시적인 실시예에 따른 다른 수소 추출 시스템의 개략도이다.
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 도 3의 수소 추출 시스템의 개략도이다.
도 5a는 예시적인 실시예에 따른 감시 시스템의 개략도이다.
도 5b는 다른 예시적인 실시예에 따른 도 5a의 감시 시스템의 개략도이다.
도 5c는 또다른 예시적인 실시예에 따른 도 5a의 감시 시스템의 개략도이다.
지금, 본원의 예시적인 실시예에 대해서 상세하게 기술될 것이다. 그 예들은 첨부된 도면에 예시된다. 가능하다면, 도면에서 동일 또는 유사 부분에 대해서는 유사 도면부호로 사용할 것이다.
도 1은 예시적인 개시된 실시예에 따른 수소 분배 시스템(10)의 개략도이다. 수소 분배 시스템(10)은 여러 위치들에 대한 유체의 분배를 위한 네트워크(20)를 포함할 수 있다. 네트워크(20)는 여러 액체들 또는 가스들의 혼합물 또는 단일 유형의 액체 또는 가스를 운송하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 네트워크(20)는 기존의 가스 분배 시스템을 포함할 수 있다.
여러 파이프라인들, 도관들, 통로 및 기타 유체 운송 장치와 시스템은 네트워크(20)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 네트워크(20)는 또한 유체 취급을 위하여 설계된 여러 장치들(미도시)을 포함할 수 있다. 이들 장치들은 저장 설비들, 펌핑 스테이션들, 밸브들, 필터들, 계량기들, 제어 시스템들, 감시 시스템들 또는 유체 또는 가스 운반과 연계하여 사용된 다른 설비를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 네트워크(20)는 주거 또는 상업 위치들로 천연 가스(NG)를 공급하는 천연 가스 분배 시스템을 포함할 수 있다. 천연 가스(NG)는 여러 가스 종들의 혼합물을 포함할 수 있다. 네트워크(20)는 천연 가스(NG)를 포함하는 여러 유체들을 수용하도록 구성된 파이프라인(30)을 포함할 수 있다. 또한, 수소 소스(40)는 네트워크(20)에 수소를 공급하기 위하여 파이프라인(30)에 유체 연결될 수 있다.
수소 소스(40)는 수소를 생성하도록 구성된 증기 개질기(미도시) 또는 다른 장치를 포함할 수 있다. 증기 개질기에는 파이프라인(30)으로부터 전기, 물 및 천연 가스(NG)가 공급될 수 있다. 전기는 풍력 또는 태양 에너지와 같은 종래 또는 대안 에너지 소스에 의해서 공급될 수 있다. 증기 개질기는 중심 교점부들에서 큰 유동 또는 고압 파이프라인 안으로 수소를 분사하는 대형 개질기(예를 들어, >2000 kg/day)를 포함할 수 있다. 일부 산업용 개질기들은 매일 최대 약 600 톤의 수소를 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 증기 개질기는 사용자의 가정에 위치한 소형 개질기(예를 들어, <5 kg/day)를 포함할 수 있다. 대형과 소형 사이의 임의의 규모의 다른 증기 개질기도 사용될 수 있다.
수소의 다른 소스들은 전기, 재생 전기(풍력, 태양열, 지열), 비재생 전기(석탄, 오일, 가스, 핵)를 사용하는 물의 전해, 생물학적 생성, 직접 태양열 촉매 또는 폐수 처리에 의해서 물 분해를 통해서 수소를 발생시키는데 사용된 시스템 또는 방법을 포함할 수 있다.
다중 수소 소스(40)는 네트워크(20)를 통해서 위치할 수 있고 필요한 파이프라인(30)에 수소를 공급하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 파이프라인(30) 내의 가스 혼합물(60)은 80% 천연 가스(NG)보다 크고 20% 수소보다 작을 수 있다. 가스 혼합물(60)은 또한 5% 수소보다 작고 10% 수소보다 작은 수소를 포함할 수 있다. 가스 혼합물(60)은 일부 예에서 최대 75%의 수소를 수용할 수 있다. 또한, 네트워크(20)는 약 100% 수소를 갖는 가스 혼합물(60)의 분배를 위한 전용 시스템을 포함할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 또한, 하나 이상의 수소 추출 시스템(70)은 네트워크(20)에 결합될 수 있다.
도 2는 예시적인 개시된 실시예에 따른 수소 추출 시스템(HES;70)의 개략도이다. 수소 추출 시스템(HES;70)은 가스 혼합물(60)로부터 수소를 추출하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 추출 시스템(HES;70)은 수소 가스의 분리, 정화 및/또는 압축을 위한 비용 효과적 시스템을 포함할 수 있다. 비교적 소수의 구성요소들이 주어진 상태에서, 수소 추출 시스템(HES;70)은 소 체적 및/또는 소 공간(footprint)을 점유하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 수소 추출 시스템(HES;70)은 거주 또는 소규모의 상업적 적용에 사용될 수 있다.
예를 들어, 수소 추출 시스템(HES;70)은 한 연료 전지의 전기 차량(FCEV)에 대한 약 0.5 kg/day 로 또는 2개의 FCEVs에 대한 약 1 kg/day로 수소를 공급하도록 구성될 수 있다. 수소 가스는 FCEV 내에 탑재된 저장부에 대해서 필요한 약 350 내지 약 700 바아의 압력으로 압축될 수 있다. 수소 추출 시스템(HES;70)은 2개보다 많은 FCEVs의 플릿(fleet)에 대해서 필요한 비율로 수소를 제공하도록 크기설정될 수 있다. 다른 예들에서, 수소 추출 시스템(HES;70)은 약 4 kg/day (예를 들어, 주거), 약 25 kg/day (예를 들어, 아파트 복합건물), 약 50 kg/day (예를 들어, 산업용 빌딩) 또는 약 250 kg/day (예를 들어, 대형 제조 또는 분배 중심부) 또는 약 1,500 내지 약 2,500 kg/day (예를 들어, 연료 전지 차량에 재연료공급하는 서비스 스테이션)과 같은 비유동적 전기 생산을 위한 연료 전기에 공급하도록 구성될 수 있다.
수소 추출 시스템(HES;70)은 공급 도관(80)을 통해서 파이프라인(30)에 유체 결합될 수 있다. 도 5a 내지 도 5c에 대해서 하기 기술된 바와 같이, 공급 도관(80)은 파이프라인(30)으로부터 수소 추출 시스템(HES;70)으로의 가스 혼합물의 유동을 감시하는 계량기(400, 도 2에는 미도시)를 포함할 수 있다. 공급 도관(80)은 유체를 압축하도록 구성된 압축기(90)에 유체 결합될 수 있다. 압축기(90)는 천연 가스와 함께 작동하기에 적합한 펌프, 송풍기 또는 다른 압축 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 압축기(90)는 유체를 단지 펌핑할 수 있고 유체를 압축할 필요는 없다. 특히, 압축기(90)는 수소 추출 시스템(HES;70)의 적어도 일부를 통해서 유체 혼합물을 펌핑하도록 구성될 수 있다. 수소 추출 시스템(HES;70)가 낮은 압력 강하를 포함한다면, 압축기(90)는 송풍기로 작동할 수 있다.
압축기(90)로부터의 출력은 탈황 유닛(100)에 공급된 유체로부터 적어도 일부의 황을 제거하도록 구성된 탈황 유닛(100) 안으로 안내된다. 다양한 유형의 탈황 유닛(100)은 수소 추출 시스템(HES;70)과 함께 작동할 수 있다. 예를 들어, 탈황 유닛(100)은 재생 열 변동 흡수(TSA) 유형을 포함할 수 있다. 재생 열 변동 흡수(TSA)는 탈황 유닛(100)을 떠나는 스트림으로부터 제거된 황이 파이프라인(30)으로 복귀하는 스트림 안으로 다시 부가되도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 예를 들어 탈황 촉매의 교체와 같은 유지관리를 거의 필요로 하지 않거나 또는 전혀 필요로 하지 않는다.
일부 실시예에서, 수소 추출 시스템(HES;70)은 압축기(90)를 포함하지 않을 수 있다. 예를 들어, 가스 혼합물(60)은 충분한 압력에서 파이프라인(30)으로부터 직접 탈황 유닛(100)으로 공급될 수 있다. 특히, 가스 혼합물(60)은 약 100 내지 약 1,000 psig에서 공급될 수 있다. 이러한 압력 또는 그 이상의 압력에서, 가스 혼합물(60)은 탈황 유닛(100) 안으로 안내되기 전에 추가 압력을 필요로 하지 않는다.
탈황 유닛(100)에 의해서 유체로부터 황의 부분적인 제거 이후에, 탈황 유닛(100)에 의해 출력된 황이 감소된 가스 혼합물의 공급은 수소를 추출하기 위하여 수소 추출 유닛(110)으로 안내된다. 수소 추출 유닛(110)에 의해서 출력된 추출 수소 가스는 하나 이상의 저장 용기들(130)에 저장될 수 있다.
일부 실시예에서, 수소 추출 유닛(110)은 수소를 분리, 정화 및/또는 압축하도록 구성된 전기 화학 적층부(EHC;120) 또는 유사 장치를 포함할 수 있다. 전기 화학 적층부(EHC;120)는 추출 유닛(110)의 일부 다른 형태보다 더욱 간단하고 비용효과적인 시스템을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전기 화학 적층부(EHC;120)은 추출 유닛(110)의 다른 형태들보다 작은 수의 구성요소들을 갖거나 또는 가동 부품들을 갖지 않을 수 있다. 또한, 전기 화학 적층부(EHC;120)는 압력 변동 흡수 시스템보다 소음이 작고 작은 공간을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 전기 화학 적층부(EHC;120)에 의해서 출력된 열은 탈황 유닛(100) 또는 수소 추출 시스템(70)의 다른 구성요소로 공급될 수 있다. 이 열은 상술한 TSA 기반 탈황 유닛(100)에 대한 열 재생 공정을 구동하는데 사용될 수 있다.
수소 추출 유닛(110)에 의해서 출력된 감소된 수소 유체 혼합물은 다시 탈황 유닛(100)으로 공급될 수 있다. 탈황 유닛(100) 내에서, 감소된 수소 유체 혼합물은 탈황 유닛(100)에 의해서 추출된 황과 재조합될 수 있다. 결과적 유체는 필요한 경우에 파이프라인(30) 안으로 다시 제공되거나 또는 현장에서 사용될 수 있다.
도 3은 다른 예시적인 개시된 실시예에 따른 다른 수소 추출 시스템(HES;170)의 개략도이다. 상술한 실시예와 유사한. 수소 추출 시스템(HES;170)은 압축기(190)와 탈황 유닛(200)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수소 농후 천연 가스는 압축기(190)에 의해서 압축되고 선택형 멤브레인 장치(180)로 공급될 수 있다. 선택형 멤브레인 장치(180)는 수소에 대해서 선택될 수 있고, 유체의 수소 농도를 50체적%보다 크게 증가시키는데 사용될 수 있다.
선택형 멤브레인 장치(180)는 공급 측과 침투 측 사이에서 수소 부분 압력에서의 차이에 기초하여 수소를 분리시키는데 사용될 수 있다. 선택형 멤브레인 장치(180)는 멤브레인(185)을 포함할 수 있고, 상기 멤브레인(185)은 중공 섬유 묶음, 나선형 권취부 또는 평탄한 시트를 포함하는, 다양한 형태의 조밀한 중합체 멤브레인을 포함할 수 있다. 일부 멤브레인은 공기 생성물, BOC, 또는 공기 액체와 같은 특수화된 공급물로부터 상업적으로 구매가능하다. 선택형 멤브레인 장치(180)는 또한 무기 수소 선택형 멤브레인을 포함할 수 있다.
선택형 멤브레인 장치(180)로부터 출력된 유체는 상술한 바와 같이 탈황 유닛(200)으로 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 수소 추출 시스템(HES;170)에는 탈황 유닛(200)이 결핍된다. 선택형 멤브레인 장치(180)로부터의 출력물은 압력 변동 흡수(PSA) 장치(210)로 직접 공급될 수 있다.
압력 변동 흡수(PSA) 장치(210)는 90%보다 크게, 95%보다 크게 또는 99%보다 크게 수소 순도를 증가시키기 위하여 선택형 멤브레인 장치(180)로부터 투과 스트림을 추가로 정화시키는데 사용될 수 있다. 압력 변동 흡수(PSA) 장치(210)는 다중 흡수 베드와 상기 베드들을 연결하는 배관 네트워크를 사용할 수 있다. 흡수부(미도시)는 비드 형태이거나 또는 구조화된 형태일 수 있다. 회전식 밸브, 회전식 베드들, 신속 사이클 PSA 또는 당기술에 공지된 다른 장치들도 사용될 수 있다.
도 4는 다른 예시적인 개시된 실시예에 따른 다른 수소 추출 시스템(HES;270)의 개략도이다. 상술한 실시예들과 유사한, 수소 추출 시스템(HES;270)는 압축기(290)와 탈황 유닛(300)을 포함할 수 있다. 수소 농후 유체는 압축기(290)에 의해서 압축되어서 탈황 유닛(300)으로 공급될 수 있다.
탈황 유닛(300)은 가스 혼합물이 선택형 멤브레인 장치(280) 안으로 공급되기 전에 가스 혼합물 스트림으로부터 황 종들을 적어도 부분적으로 제거하도록 구성된 다중 베드 탈황기를 포함할 수 있다. 탈황 유닛(300) 내의 일부 베드들은 흡수 모드에서 작동하고 다른 베드들은 재생 모드에서 작동할 수 있다. 흡수된 황 종들은 상술한 것과 유사한 선택형 멤브레인 장치(280) 및/또는 압력 변동 흡수(PSA) 장치(310)로부터의 가스 출력물의 일부를 사용하여 파이프라인(30)으로 다시 운반될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 선택형 멤브레인 장치(280)로부터 출력된 유체는 압력 변동 흡수(PSA) 장치(310)로 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 수소 추출 시스템(HES;70,170,270)의 여러 구성요소들은 다른 구성요소들로부터 유체를 수용하거나 또는 다른 구성요소들로 유체를 공급하도록 다르게 구성될 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 임의의 예시적인 실시예들에 따른 감시 시스템(390)의 여러 구성을 도시한다. 감시 시스템(390)은 수소 가스 혼합물의 유동을 감시하도록 구성될 수 있다. 여러 전자 구성요소들(미도시)은 예를 들어, 프로세서, 메모리, 통신 시스템 등과 같은 시스템(390)과 연계될 수 있다. 감시 시스템(390)은 또한 파이프라인(30)과 유체 결합되고 파이프라인(30)으로부터의 가스 혼합물의 공급을 받도록 구성된 계량기(400)를 추가로 포함할 수 있다. 계량기(400)는 또한 수소 추출 시스템(HES;470)에 결합될 수 있다.
계량기(400)는 도 5a 내지 도 5c에 도시되지만, 여러 다른 장치들 또는 방법들이 유량을 결정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 계량기(400)는 종래의 유량계 또는 가산기(totalizer)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 수소 추출 시스템(HES;470)은 수소 추출 시스템(HES;470)로부터의 입력 또는 출력된 하나 이상의 가스들의 유량을 감시하는데 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 수소 추출 시스템(HES;470)로부터 추출된 수소는 현장에 저장되거나 또는 수소를 연료 전기(410) 또는 수소 분배 네트워크(미도시)에 공급하는데 사용될 수 있다. 수소 추출 시스템(HES;470)로부터 출력된 수소 고갈 천연 가스는 천연 가스(NG) 유닛(420)에 공급될 수 있다. 천연 가스(NG) 유닛(420)은 예를 들어 열원과 같은 천연 가스(NG)와 함께 작동하도록 구성된 다양한 주거 또는 상업용 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수소 추출 시스템(HES;470)으로부터 출력된 수소 또는 천연 가스(NG)는 파이프라인(30)에 복귀될 수 있다. 다른 실시예에서, 전기 화학 적층부(EHC;120)는 수소 유동을 결정하는데 사용될 수 있다.
수소는 수소를 운송하는데 사용된 천연 가스(NG)보다 더욱 귀하다. 따라서, 사용자는 그들이 그 일부를 단지 소비한다면 그들이 전체 가스 혼합물을 지불하는 것보다 얼마나 많은 수소 또는 천연 가스(NG)를 소비하는 가에 따라서 요금이 부과되는 것이 바람직하다. 에너지 소비를 위한 다른 가격들은 천연 가스(NG) 또는 수소의 사용자 소비량에 따라서 결정될 수 있다.
도 5a는 소비자가 파이프라인(30)에 의해서 공급된 가스 혼합물로부터 천연 가스(NG) 및 수소 가스 모두를 추출하는 시나리오를 도시한다. 예를 들어, 천연 가스(NG)는 천연 가스(NG) 유닛(420)으로 공급되고 수소 가스는 연료 전지(410)로 공급될 수 있다. 통화 값(monetary value)은 입력 유동 및 출력 유동과 같은 여러 유체 유동을 분석하는 것에 기초하여 결정될 수 있다. 하기 목록의 계산은 또한 하나 이상의 유동들의 여러 순열(permutation)을 포함하도록 변형될 수 있다.
도 5a에 도시된 시나리오에 대해서 소비자에게 부가된 가격은 2개 이상의 계산 또는 동등 결정의 총합일 수 있다. 예를 들어, 각 계산은 에너지 형태에 대한 에너지 소비 횟수의 시장값에 비례할 수 있다. 하기 수학식(수학식 1)이 에너지 가격을 결정하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00001
여기서,
Figure pct00002
는 수소 가스에 대한 시장값 팩터를 나타내고,
Figure pct00003
는 수소 가스의 질량 유량을 나타내고,
Figure pct00004
는 천연 가스(NG)에 대한 시장값을 나타내고,
Figure pct00005
는 계량기(400)로부터의 전체 질량 유동 판독값을 나타낸다.
도 5b는 소비자가 파이프라인(30)에 의해서 공급된 가스 혼합물로부터 단지 수소 가스만을 추출하고 모든 천연 가스(NG)를 파이프라인(30)으로 복귀하는 시나리오를 도시한다. 상술한 바와 같이, 소비자에게 부가된 가격은 2개의 이상의 계산의 총합일 수 있다. 제 1 계산은 수소의 에너지 소비 횟수의 시장값에 비례할 수 있다. 제 2 계산은 파이프라인(30)으로의 천연 가스(NG)의 복귀로 인한 에너지 값 고갈에 비례할 수 있다. 다음 수학식(수학식 2)은 에너지 가격을 결정하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00006
여기서,
Figure pct00007
는 수소 가스의 소비자 추출에 의해서 천연 가스(NG) 네트워크로부터 고갈된 값을 고려하는 팩터를 나타내고 다른 값들은 수학식 1에 대해서 상술한 것과 같다.
도 5c는 소비자가 파이프라인(30)에 의해서 공급된 가스 혼합물로부터 단지 천연 가스(NG)만을 추출하고 모든 수소 가스를 파이프라인(30)으로 복귀하는 시나리오를 도시한다. 소비자에게 부가된 가격은 2개 계산들 사이의 차이일 수 있다. 제 1 계산은 천연 가스(NG)에 대한 에너지 소비 횟수의 시장값에 비례할 수 있다. 제 2 계산은 파이프라인(30)으로의 수소 가스의 복귀로 인한 에너지 값 추가에 비례할 수 있다. 다음 수학식(수학식 3)은 에너지 가격을 결정하는데 사용될 수 있다:
Figure pct00008
여기서,
Figure pct00009
는 수소 가스의 소비자 복귀에 의해서 천연 가스(NG) 네트워크로 부가된 값을 고려하는 팩터를 나타내고 다른 값들은 수학식 1에 대해서 상술한 것과 같다.
본원의 다른 실시예들은 당업자가 본 명세서를 고려하고 본원에 개시된 개념을 실행할 때 명확해질 것이다. 예를 들어, 천연 가스(NG)와 다른 유형의 가스 또는 유체가 상술한 개시와 함께 사용될 수 있다. 또한, 상술한 시스템의 하나 이상의 기능 또는 구성요소들은 단일 유닛으로 조합될 수 있다. 추가로, 상술한 것과 다른 파라미터를 사용하지만, 유사 개념 또는 원리를 사용하는 다른 수학식 또는 알고리즘이 사용될 수 있다. 본 명세서 및 예들은 단지 예시적인 것이고, 본원의 정신 및 진정한 범주는 하기 청구범위에 의해서 표시되는 것으로 의도된다.

Claims (21)

  1. 수소 추출 시스템으로서,
    수소를 포함하는 가스 혼합물을 압축하기 위한 압축기;
    압축된 가스 혼합물을 수용하기 위한 탈황 유닛;
    황이 감소된 가스 혼합물을 수용하기 위한 수소 추출 장치; 및
    추출된 수소 가스를 수용하기 위한 수소 저장 장치를 포함하는, 수소 추출 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈황 유닛은 상기 압축된 가스 혼합물에 함유된 황의 적어도 일부를 제거하고 상기 황이 감소된 가스 혼합물을 발생시키는, 수소 추출 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 추출 장치는 상기 황이 감소된 가스 혼합물에 함유된 수소의 적어도 일부를 제거하고 상기 추출된 수소 가스를 발생시키는, 수소 추출 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 추출 시스템은 천연 가스와 수소 가스를 포함하는 가스 혼합물을 공급하는 네트워크에 유체 결합되는, 수소 추출 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탈황 유닛은 상기 황이 감소된 가스 혼합물로부터 수소의 적어도 일부를 제거한 다음에 상기 수소 추출 장치로부터 황이 감소된 가스 혼합물의 공급을 추가로 수용하고, 상기 압축된 가스 혼합물로부터 제거된 황과 황이 감소된 가스 혼합물의 공급을 조합하고, 상기 조합된 가스 혼합물을 상기 네트워크로 복귀시키는, 수소 추출 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 추출 장치는 압력 변동 흡수 장치를 포함하는, 수소 추출 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 압축기로부터 출력된 상기 압축된 가스 혼합물을 수용하기 위한 선택형 멤브레인 장치를 추가로 포함하고, 상기 선택형 멤브레인 장치는 상기 압축된 가스 혼합물의 수소 농도를 증가시키는 수소 선택형 멤브레인을 포함하는, 수소 추출 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 선택형 멤브레인 장치는 수소 농후 유체를 상기 탈황 유닛으로 공급하는, 수소 추출 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 추출 장치는 전기화학 적층부를 포함하는, 수소 추출 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전기화학 적층부는 상기 추출된 수소 가스를 적어도 부분적으로 정화하고 압축하도록 구성되는, 수소 추출 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출된 수소 가스를 수용하고 전기를 발생시키기 위한 연료 전지를 추가로 포함하는, 수소 추출 시스템.
  12. 천연 가스 및 수소를 포함하는 가스 혼합물로부터 수소를 추출하는 방법에 있어서,
    상기 가스 혼합물을 압축하는 단계;
    황 농후 스트림과 황이 감소된 혼합물을 형성하기 위하여 압축된 가스 혼합물에 함유된 황의 적어도 일부를 제거하는 단계;
    수소 고갈 혼합물과 수소 가스를 형성하기 위하여 상기 황이 감소된 혼합물에 함유된 수소의 적어도 일부를 제거하는 단계; 그리고
    상기 수소 가스를 수소 저장 장치에 공급하는 단계를 포함하는, 수소 추출 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    네트워크로부터 상기 가스 혼합물을 수용하는 단계;
    재가황 혼합물(resulfurized mixture)을 형성하기 위하여 상기 수소 고갈 혼합물을 상기 황 농후 스트림과 혼합시키는 단계; 그리고
    상기 재가황된 혼합물을 상기 네트워크에 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 추출 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 네트워크는 기존의 천연 가스 네트워크를 포함하는, 수소 추출 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    수소 가스 농도를 증가시키시 위하여 멤브레인을 통해서 수소를 선택적으로 통과시키게 하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 추출 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    전기를 생성하기 위하여 저장된 수소 가스를 연료 전지에 공급하는 단계를 추가로 포함하는, 수소 추출 방법.
  17. 에너지 가격의 결정 방법에 있어서,
    a) 수소 가스의 질량 유량을 결정하는 단계;
    b) 천연 가스의 질량 유량을 결정하는 단계;
    c) 상기 수소 가스의 질량 유량을 수소 가스에 대한 팩터와 곱하는 단계;
    d) 상기 천연 가스의 질량 유량을 천연 가스에 대한 팩터와 곱하는 단계; 그리고
    e) 상기 단계 c)와 상기 단계 d)의 값들을 부가하는 단계를 포함하는, 에너지 가격의 결정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 천연 가스의 질량 유량은 수소 가스 및 천연 가스를 포함하는 가스 혼합물의 유량로부터 상기 수소 가스의 질량 유량을 차감함으로써 결정되는, 에너지 가격의 결정 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    수소 가스에 대한 상기 팩터는 수소 가스에 대한 시장값 팩터(market value factor)를 포함하고 천연 가스에 대한 상기 팩터는 천연 가스에 대한 시장값 팩터를 포함하는, 에너지 가격의 결정 방법.
  20. 제 17 항에 있어서,
    수소 가스에 대한 상기 양은 네트워크로의 수소 가스의 복귀에 의해서 상기 네트워크에 부가된 값을 고려하는 팩터를 포함하고 천연 가스에 대한 상기 팩터는 상기 네트워크로부터 수소 가스의 추출에 의해서 상기 네트워크로부터 고갈된 값을 고려하는 팩터를 포함하는, 에너지 가격의 결정 방법.
  21. 수소 추출 시스템으로서,
    수소를 포함하는 가스 혼합물을 수용하는 압축기;
    상기 압축기로부터 상기 가스 혼합물을 수용하기 위한 수소 추출 장치; 및
    추출된 수소 가스를 수용하기 위한 수소 저장 장치를 포함하는, 수소 추출 시스템.
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