KR20150067183A

KR20150067183A - 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법

Info

Publication number: KR20150067183A
Application number: KR1020157009014A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 바익케르트; 스테판 막스; 울리흐 뮐러; 페터 렌제; 크리스티안-안드레아스 빈클러
Original assignee: 바스프 에스이
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-06-17
Also published as: CN104704282A; WO2014057416A1; JP2015531465A; EP2906869A1; BR112015005914A2; AR092966A1; EP2906869A4

Abstract

적어도 일부가 흡착 매질(40)로 충전된 폐쇄 용기(10)를 포함하고, 차단 요소(22, 24)에 의하여 각각 폐쇄될 수 있는 흡기구(21) 및 배기구(23)를 구비하는 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법으로서, (a) 배기구 차단 요소(24)를 폐쇄하고 흡기구 차단 요소(22)를 개방하는 단계, (b) 저장하고자 하는 기체를 미리 정해진 압력 하에서 흡기구(21)을 통하여 주입하는 단계, (c) 흡기구 차단 요소(22)를 개방한 상태로 배기구 차단 요소(24)를 신속하게 개방하여, 미리 정해진 유속을 갖는 기체 유동을 용기(10) 내에 형성하는 단계, (d) 저장소에 흡착되는 기체의 흡착 속도에 따라 유속을 감소시키는 단계, 및 (e) 배기구 차단 요소(24)를 완전히 폐쇄하는 단계를 포함하는, 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법.

Description

흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법{METHOD OF CHARGING A SORPTION STORE WITH A GAS}

본 발명은 폐쇄 용기, 용기 벽 중의 흡기구를 포함하는 공급 장치 및 흡기구 차단 요소를 포함하고, 용기 벽 중의 배기구 차단 요소를 갖는 배기구를 구비하는, 기상 물질 저장용 흡수 저장소에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 적어도 일부가 흡착 매질로 충전된 폐쇄 용기를 포함하고, 차단 요소에 의하여 각각 폐쇄될 수 있는 흡기구 및 배기구를 구비하는 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법에 관한 것이다.

고정 및 이동 기기에 기체를 저장하기 위하여, 가압 기체 탱크 이외에도, 최근에는 흡수 저장소의 사용이 갈수록 증가하고 있다. 일반적으로, 흡수 저장소는 큰 내부 표면적을 가져서 그 표면에 기체가 흡착됨으로써 저장되도록 하는 흡착 매질을 포함한다. 흡수 저장소를 충전하는 도중에 흡착의 결과로서 열이 방출되어, 저장소로부터 제거되어야 한다. 유사하게, 저장소로부터 기체를 추출해내는 탈착 공정의 경우에는 열이 공급되어야 한다. 그러므로, 흡수 저장소의 설계에서 열 관리가 매우 중요하다.

미국 공개특허공보 제2008/0168776 A1호는 주위로부터 단열된 외부 용기를 포함하고 그 내부에는 흡착 매질을 포함하는 다수의 압력 용기가 배치되어 있는 수소용 흡수 저장소를 개시하고 있다. 압력 용기들 사이의 공간은 흡착 과정에서 발생한 열을 제거할 수 있도록 냉각액으로 채워진다.

국제 공개공보 제WO 2005/044454 A2호는 흡착 매질로 충전된 용기를 포함하는 기상 탄화수소 저장용 장치를 개시하고 있다. 저장될 기체를 위한 외부 관으로서 흡착시 발생한 열을 제거하기 위하여 그 내부에서 기체 스트림을 냉각시키는 외부 관이 제공된다.

공지된 흡수 저장소의 단점은 기체 충전이 매우 서서히 진행되는 것이다. 특히, 이동 기기, 예컨대 자동차의 경우에 이러한 단점이 매우 심각하다.

본 발명의 목적은 기체의 신속한 충전과 향상된 제거를 가능하게 하는 기상 물질 저장 방법을 제공하는 것이다. 장치는 구조가 단순하고 작동 중에 전기 에너지를 거의 소모하지 않아야 한다. 추가로, 본 발명의 목적은 신속하고 효율적으로 저장소를 충전하고 저장소로부터 기체를 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 본원 특허청구범위의 청구항 1에 기재되어 있는 발명에 의하여 달성된다. 본 발명의 추가의 바람직한 실시양태는 종속항에 기재되어 있다. 추가의 본 발명은 청구항 11 및 그의 종속항에 제시되어 있다.

본 발명의 방법은, 차단 요소에 의하여 각각 폐쇄될 수 있는 흡기구 및 배기구를 구비하는 폐쇄 용기를 포함하는 흡수 저장소를 사용함으로써 실시된다. 용기는 적어도 일부가 흡착 매질로 충전된다. 본 발명의 방법은 하기 단계를 포함한다:

(a) 배기구 차단 요소를 폐쇄하고 흡기구 차단 요소를 개방하는 단계,

(b) 저장하고자 하는 기체를 미리 정해진 압력 하에서 흡기구를 통하여 주입하는 단계,

(c) 흡기구 차단 요소를 개방한 상태로 배기구 차단 요소를 신속하게 개방하여, 미리 정해진 유속을 갖는 기체 유동을 용기 내에 형성하는 단계,

(d) 저장소 내에 흡착되는 기체의 흡착 속도에 따라 유속을 감소시키는 단계, 및

(e) 배기구 차단 요소를 완전히 폐쇄하는 단계.

통상적으로, 종래 기술에서 공지된 흡수 저장소는 충전을 위하여 압력관에 연결되는데, 저장소 내부의 미리 정해진 최종 압력에 도달할 때까지 저장하고자 하는 기체가 일정한 압력에서 상기 연결관으로부터 저장소 내부로 유입된다. 그러나, 본 발명의 방법에 따라 충전을 수행하는 경우에는 충전에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다.

도 1: 본 발명의 방법을 실시하기 위한, 천공 유입관을 구비한 흡수 저장소의 실시양태
도 2: 본 발명에 따른 흡수 저장소의 실시양태
도 3: 2개의 채널형 서브챔버와 복수의 천공 유입관을 구비한, 본 발명에 따른 흡수 저장소의 실시양태
도 4: 도 1 내지 3의 실시양태의 단면
도 5: 순환관을 구비한, 본 발명에 따른 흡수 저장소의 실시양태
도 6: 모의 실험의 흡착 속도
도 7: 모의 실험의 적재(loading) 및 온도 곡선
[부호의 설명]
10 - 용기
15 - 분리 요소
21 - 흡기구
22 - 흡기구 차단 요소
23 - 배기구
24 - 배기구 차단 요소
25 - 유입관
30 - 제 1 서브챔버
31 - 제 2 서브챔버
40 - 흡착 매질
50 - 순환관
51 - 압축기
52 - 열교환기

흡수 저장소에서, 기체는 흡착 매질 상의 흡착에 의해서 저장되기도 하고, 흡착 매질 중의 개별 입자들의 내부 또는 그 사이의 빈 공간이나 용기 중에서 흡착 매질이 충전되지 않은 부분에 저장되기도 한다. 본 발명의 단계 (b)에서, 최초에는 빈 공간이 기체로 채워진다. 저장소 내의 압력은 사실상 시간 지연 없이 용기로 유입되는 기체의 압력에 따른다. 충전 동작에 소요되는 시간을 최소화하기 위하여, 이 최초 단계는 충전 동작의 마지막에서의 최종 압력으로 규정된 압력에서 기체를 도입함으로써 가능한 한 신속하게 수행되어야 한다.

단계 (b)에서, 일부 기체가 흡착됨으로써 흡착 물질의 온도 상승 및 그에 따른 주위 기체의 온도 상승이 일어난다. 단계 (c)에서 흡기구 차단 요소를 계속해서 개방한 상태로 배기구 차단 요소를 신속하게 개방함으로써, 용기 내에 기체 유동이 발생하고, 이는 흡착 매질 위를 통과하여 흡착 결과로서 발생한 열이 용기로부터 이동되도록 한다. 또한, 기체 유동은 흡착 매질의 열 전도율을 증가시키는데, 이 역시 열의 더욱 신속한 제거에 기여한다.

흡착 매질 상에 더 많은 기체가 흡착될수록 더 많은 열이 방출된다. 흡착 매질의 적재가 증가하면 단위 시간당 흡착될 수 있는 기체의 양은 감소한다. 단위 시간당 흡착되는 기체의 양을 흡착 속도라고 한다. 시간에 대하여 용기 내 기체 스트림의 유속을 흡착 속도에 따라서 감소시키는 것(단계 d)이 유리하다는 것을 발견하였다. 본 발명에 따른 방법의 마지막에서 배기구 차단 요소가 폐쇄된다.

흡착 속도는 흡착 동력학(kinetics)으로부터 유도될 수 있는데, 본 발명을 위하여 상기 흡착 동력학이라는 용어는 등온 등압 조건 하에서 시간에 대한 흡착 매질 상의 기체의 흡착 과정을 지칭한다. 흡착 동력학의 측정법은 예를 들어 압력 도약 실험 또는 흡착 평형에 의하여 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다(예컨대, 자오, 리 및 린, 공업 및 공학 화학 연구, 48(22), 2009, 제10015면 내지 제10020면).

흡착 동력학 과정은 초기에는 급격한 증가를 보이다가 최종값에 수렴함에 따라 점점 평평하게 되는 지수 감쇄 함수에 의하여 근사값이 계산될 수 있다. 이러한 근사값 계산의 예는 a·(1-e^- ^bt)(여기서, a 및 b는 양의 상수)의 함수이다. 또한, 흡착 동력학은 기타 함수, 예를 들어 오목 함수, 부분적 상수 함수, 부분적 직선 함수 또는 초기값과 최종값을 연결하는 직선 함수에 의하여 근사값이 계산될 수 있다. 근사값 함수는 이러한 방식으로 흡착 속도를 결정할 수 있다

본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에서, 용기 내에서 또는 용기로부터 유동하는 기체 스트림은 유동 센서에 의하여 측정되고, 용기 내 기체의 유속은 시간에 대한 흡착 속도의 미리 정해진 배수로서 설정된다. 상기 배수는 바람직하게는 1.5 내지 100, 특히 바람직하게는 3 내지 40이다. 과도하게 작은 배수값에서는 열이 충분히 제거되지 못할 위험이 있다. 지나치게 높은 값에서는 달성될 수 있는 열 제거에 있어서 충분한 소득 없이 높은 유동을 확보하기 위하여 불필요하게 다량의 에너지만 소모하게 된다.

본 발명의 방법의 추가의 바람직한 실시양태에서, 기체 스트림의 온도는 용기 내부의 하나 이상의 지점에서 측정되고, 용기 내 기체의 유속은 필요한 경우에 미리 정해진 최고 온도를 초과하지 않도록 조절된다. 온도는 하나 이상의 채널형 서브챔버에서 측정되는 것이 특히 바람직하다.

유속의 조절은 배기구 차단 요소의 개방 정도를 변화시킴으로써 수행되는 것이 바람직하다. 차단 요소, 특히 배기구 차단 요소는 조절 밸브로서 구성하는 것이 특히 바람직하다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에 있어서, 유입 기체는 주입되기 전에 특히 일정한 온도로 냉각된다. 바람직한 실시양태에 있어서, 배기구로부터 방출되는 기체는 순환관 중에서 흡입구로 재순환된다. 순환관에서 기체는 압축 냉각되는 것이 바람직한데, 압축기, 펌프 및 열교환기 등의 적절한 장치가 이 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려져 있다.

흡착 매질로서 적합한 물질은 다양하다. 바람직하게는, 흡착 매질이 제올라이트, 활성탄 또는 금속 유기 구조체(framework)를 포함한다.

흡착 매질의 다공성은 0.2 이상이 바람직하다. 다공성은 용기 내 임의의 서브볼륨(subvolume)의 총 부피에 대한 공동 부피의 비율로 정의된다. 낮은 다공성에서는 흡착 매질 통과에 따른 압력 강하가 증가하는데, 이는 충전 시간에 대하여 부정적인 영향을 미친다.

본 발명의 바람직한 실시양태에 있어서, 흡착 매질은 펠릿층으로서 존재하고, 펠릿 최소 직경에 대한 펠릿 투과도의 비율은 10^-14 ㎡/m 이상이다. 충전 시 기체의 펠릿 통과 속도는 펠릿 내부 압력이 펠릿 외부 압력에 접근하는 속도에 의존한다. 압력 평형에 소요되는 시간과 펠릿의 적재(loading) 시간은 투과도가 감소함에 따라 그리고 펠릿의 직경이 증가함에 따라 증가한다. 이는 충전 및 방출의 모든 공정에 대하여 제한 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명의 방법의 바람직한 실시양태에 있어서, 용기는 2개 이상의 평행한 채널형 서브챔버를 포함하는데, 각각의 서브챔버는 적어도 일부가 흡착 매질로 채워져 있고 채널 벽은 내부에서 냉각된다.

적어도 하나의 분리 요소 또는 복수의 분리 요소, 특히 모든 분리 요소가 이중벽을 구비하여 열전달 매질이 그 내부를 통과하도록 하는 것이 바람직하다. 채널형 서브챔버의 모든 채널벽이 이중벽으로 되어서 열전달 매질이 그 내부를 통과하도록 하는 것이 역시 바람직하다. 상기 적어도 하나의 분리 요소 또는 복수의 분리 요소의 배치에 따라, 용기의 내벽 부위가 하나의 채널형 서브챔버 또는 복수의 채널형 서브챔버의 채널벽을 형성한다. 이 경우에도 용기 벽은 이중벽이 바람직하다. 특히 바람직한 실시양태에 있어서, 말단면을 포함하는 전체 용기 벽은 열전달 매질이 통과하도록 구성되고, 특히 이중벽으로 구성된다.

흡수 저장소 내의 기체의 냉각 및 가열에 적합한 온도 범위에 따라서, 다양한 열전달 매질, 예를 들어 물, 글리콜, 알코올 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 적절한 열전달 매질은 통상의 기술자에게 알려져 있다.

각 채널형 서브챔버 내의 채널벽의 간격은 2 내지 8 cm인 것이 유리하다는 것을 발견하였다. 여기서, 간격이라는 용어는 채널 축에 대하여 수직인 단면의 관찰 시, 마주보는 벽 상의 두 개의 지점 사이의 최단 거리를 지칭한다. 예를 들어 원형 단면을 갖는 채널의 경우에 간격은 직경에 해당하고, 고리형 단면의 경우에 간격은 고리의 폭에 해당하며, 직사각형 단면의 경우에 간격은 평행 면 사이의 거리 중 더 짧은 것에 해당한다. 특히, 채널벽이 냉각되거나 가열되는 경우에 상기 범위가 열전달과 흡착 매질의 충전 부피 사이를 양호하게 절충시킨다는 것을 발견하였다. 간격이 더 넓어지면, 흡착 매질과 벽 사이의 열전달이 저하되고, 간격이 좁아지는 경우에는 주어진 용기 외부 치수에서의 흡착 매질 충전 부피가 감소한다. 또한, 흡수 저장소의 중량 및 제조 비용이 증가하는데, 이는 특히 이동 기기의 경우에 불리하다.

바람직한 실시양태에 있어서, 채널형 서브챔버 내의 채널벽의 간격들의 차이는 40% 이하이고, 20% 이하가 특히 바람직하다. 이러한 구성은 용기 충전 시의 균일한 열 제거 및 용기 방출 시의 균일한 열 도입을 돕는다.

추가의 바람직한 실시양태에 있어서, 채널형 서브챔버의 단면적은 용기 충전 시에 채널형 서브챔버 내의 유속 차이가 채널 한 쌍당 20% 이하로 되도록 선택된다. 모든 채널형 서브챔버 내의 유속 차이가 20% 이하인 것이 특히 바람직하다.

바람직한 것으로 제시된, 채널형 서브챔버의 매우 균일한 벽 간격을 위한 요구 사항과 매우 균일한 단면적을 위한 요구 사항은 용기의 특정 기하학적 구조에 따라서 상반될 수도 있다. 이 경우에는 균일한 열 제거 효과가 용기 방출 시의 유동 효과보다 더 중요하기 때문에 매우 균일한 벽 간격을 갖는 구조가 우선한다.

본 발명의 방법의 저장소 충전에 있어서, 유동 효과는 매우 중요하다. 용기 내의 유속이 부분적으로 상이한 경우에, 예를 들어 복수의 채널형 서브챔버가 상이한 단면적을 갖는 경우에, 최저 유속이 주어진 시간 내에서 용기의 최대 충전을 제한하거나, 주어진 기체 충전량에서 충전의 지속 기간을 제한한다.

바람직한 실시양태에 있어서, 유입 기체는 하나의 천공 유입관 또는 복수의 천공 유입관을 통하여 흡착 매질 내로 전달된다. 이에 의하여 흡착 매질 내의 더욱 균질한 온도 분포 및 더욱 균일한 기체 유동이 형성된다.

흡수 저장소의 용기는 원통형이 바람직하고, 하나 이상의 분리 요소는 원통의 축에 대하여 본질적으로 동축 배열된다. 하나 이상의 분리 요소의 세로축이 원통의 축에 대하여 수 도 내지 최대 10도로 기울어진 실시양태는 "본질적으로" 동축이라고 간주된다. 이러한 구조에 의하여 채널 단면이 원통의 축을 따라 매우 조금만 변화하게 되어, 채널의 길이 방향에 대하여 균일한 유동이 형성된다.

설치 가능한 공간과 용기 내의 최대 허용 압력에 따라서, 원통형 용기에 대한 다양한 종류의 단면, 예를 들면, 원형, 타원형 또는 직사각형 단면이 가능하다. 예컨대, 용기가 자동차 차체의 빈 공간에 설치되어야 하는 경우에는 비정형 단면도 허용된다. 원형 및 타원형 단면이 약 100 bar 초과의 고압용으로 특히 적합하다.

추가로, 본 발명은, 폐쇄 용기, 용기 벽 중의 흡기구와 흡기구 차단 요소를 포함하는 공급 장치 및 용기 벽 중의 배기구 차단 요소를 구비하는 배기구를 포함하는 기상 물질 저장용 흡수 저장소를 제공한다. 용기는 그의 내부에 위치하여 용기의 내부가 2개 이상의 평행한 채널형 서브챔버로 분리되도록 구성된 하나 이상의 분리 요소를 포함하고, 상기 채널형 서브챔버는 적어도 일부가 흡착 매질로 충전되며 그의 채널 벽은 냉각 가능하다. 본 발명에 따르면, 단면 관찰 시, 용기의 내벽과 하나 이상의 분리 요소 또는 임의적으로 복수의 분리 요소의 윤곽이 본질적으로 등각이다.

본 명세서에서 등각은 윤곽이 동일한 형상, 예컨대 모두 원형, 모두 타원형 또는 모두 직사각형을 갖는 것을 의미한다. "본질적으로 등각"이라는 표현은 기본 형상으로부터의 미세한 변형도 여전히 "동일한 형상"에 포함된다는 것을 의미한다. 직사각형이 기본 형상인 경우에 둥근 모서리 또는 제조 허용 오차 내의 변형이 그 예이다.

이러한 구성은 매우 다량의 흡착 매질을 효율적인 열 관리와 조합하기 위한, 용기 내부 공간의 효율적인 사용을 가능하게 한다.

이중벽 분리 요소, 채널벽의 간격 및/또는 원통형 용기 내의 분리 요소의 동축 배열 등의 상기 바람직한 구조적 특징들은 본 발명의 흡수 저장소의 바람직한 실시양태를 나타낸다.

용기 및 분리 요소의 벽 두께 선택은 용기 내의 예상 최대 압력, 용기의 치수, 특히 용기 직경 및 사용되는 재질의 특성에 따라 달라진다. 외부 직경이 10 cm이고 최대 압력이 100 bar인 합금강 용기의 경우에는, 최소 벽 두께가 예컨대 2 mm로 추정된다(DIN 17458에 따름). 이중벽의 내부 간격은 충분히 많은 유량의 열전달 매질이 그 내부를 통과할 수 있도록 선택된다. 2 내지 10 mm, 특히 3 내지 6 mm가 바람직하다.

하나 이상의 분리 요소는 튜브로서 구성되어서 튜브의 내부 공간이 제1의 채널형 서브챔버를 형성하고 튜브의 외벽과 용기의 내벽 사이의 공간 또는 임의적으로 튜브의 외벽과 추가 분리 요소 사이의 공간이 제2의 고리형 서브 챔버를 형성하도록 하는 것이 특히 바람직하다. 단면 관찰 시, 튜브형 분리 요소의 윤곽은 용기 내벽의 윤곽과 등각이고, 이들 윤곽은 예를 들면 모두 원형이거나 모두 타원형이다. 본 발명에 따른 추가의 실시양태에 있어서, 복수의 분리 요소가 존재하고 복수의 분리 요소는 모두 다양한 직경을 갖는 튜브로서 구성되며 동축 배열된다. 단면 관찰 시, 분리 요소의 형상도 마찬가지로 용기 내벽의 형상과 등각이다.

공급 장치는 용기 벽 중의 하나 이상의 흡기구 및 하나 이상의 흡기구 차단 요소를 포함한다. 바람직한 실시양태에 있어서, 공급 장치는 유입 기체를 하나 이상의 흡기구를 통하여 모든 서브챔버 위로 일정 방식, 예컨대 굴절 요소 또는 분배 장치 방식으로 분배하는 구성요소를 포함한다. 추가의 바람직한 실시양태에 있어서, 공급 장치는 용기 벽을 관통하는 복수의 통로를 포함하는데, 이를 통하여 유입 기체가 채널형 서브챔버로 이송된다.

기체의 유입량은 기체의 개별적인 양의 서로에 대한 비율이 그 서브챔버의 단면적의 비율에 상응하도록 채널형 서브챔버 상에 분배되는 것이 특히 바람직하다.

또한, 본 발명은 본 발명에 따른 흡수 저장소로부터 기체를 인출(引出)하는 방법을 제공한다. 이 때, 채널형 서브챔버 내 기체의 온도보다 높은 온도를 갖는 열전달 매질이 채널 벽을 통과한다.

종래 기술과 비교하여, 본 발명의 흡수 저장소는 흡착 매질로부터 또는 흡착 매질에 대한 보다 신속한 열전달을 실현한다. 이는 저장소에 일정량의 기체를 충전하는 데에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킨다. 다른 방안으로서, 저장소에는 일정 시간 내에 보다 많은 양의 기체를 충전할 수 있다. 저장소로부터 기체를 인출할 때, 본 발명은 기체의 신속하고 일정한 공급을 실현한다. 이러한 목적을 위하여, 채널 벽이 가열되는데, 예를 들어 이중벽 구조의 경우에는 채널형 서브챔버 내의 기체 온도보다 더 높은 온도를 갖는 열전달 매질을 이중벽을 통과하도록 사용하여 가열한다. 본 발명의 흡수 저장소는 구성이 단순하고 소형 구조이기 때문에 이동 기기, 예컨대 자동차용으로 특히 적합하다. 이중 채널 벽을 갖는 실시양태는 냉각으로부터 가열로 전환하기 위하여 단지 열전달 매질을 바꾸거나 그의 온도를 적절히 변경시키기만 하면 되는 추가의 이점을 갖는다. 그러므로, 이 실시양태는 충전과 구동 모드 모두에서 이동용 용도로 적합하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 도면은 이론적인 설명으로 해석되어야 한다. 예컨대, 도면은 구성요소의 배열 변형 또는 특정 치수와 관련하여 본 발명을 제한하지 않는다. 명료성을 도모하기 위하여, 일반적으로 도면은 특히 길이 및 너비 비율과 관련하여 비례하지 않는다.

도 1 내지 4는 흡수 저장소를 관통하는 개략적인 단면도를 나타낸다. 도시되어 있는 흡수 저장소는 본질적으로 원통인 용기(10)을 구비한다. 도 1 내지 3 각각은 원통의 축을 관통하는 세로 방향 단면을 나타내고, 도 4는 원통의 축에 수직인 대응 단면을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 흡수 저장소의 제1의 바람직한 실시양태를 나타낸다. 용기(10)는 원통형 단면을 갖고 양쪽 말단면에 기체의 유동을 위하여 용기 벽을 관통하는 동공을 갖는다. 상부 말단면에 흡기구 차단 요소(22)에 의하여 차단될 수 있는 흡기구(21)가 존재한다. 하부 말단면에 배기구 차단 요소(24)를 갖는 배기구(23)가 존재한다. 용기(10)의 내부는 흡착 매질(40)에 의하여 완전히 충전된다. 유입관(25)이 용기 벽 중의 흡기구 말단 동공으로부터 원통의 축과 동축으로 하방 연장된다. 유입관은 하부에서 끝나고 그의 둘레 상에 천공이 형성된다. 방출 동공의 직경은 상부로부터 내려가면서 감소한다. 용기 벽은 이중벽으로 구성되어서 열전달 매질이 그 내부를 통과하도록 한다. 열전달 매질을 위한 대응 유입과 유출의 연결이 제공되지만, 도면에는 도시되지 않는다.

파선 화살표는 용기 내부에서의 기체 유동을 나타낸다. 흡기구(21)를 통과하여 유입된 기체는 유입관(25) 중의 동공으로부터 흡착 매질(40) 내부로 방출되어, 용기 벽을 향하여 방사상으로, 배기구(23) 방향의 하방으로 유동한다. 일부 기체는 흡착 매질(40) 상에 흡착되고 나머지는 배기구(23)을 통하여 용기(10)를 이탈한다. 상부로부터 하방으로의 용기 내부의 미변형 유동에 비하여, 천공 유입관(25)은 더 균일한 유동과 더 균질한 온도 분포를 형성한다.

본 발명에 따른 흡수 저장소의 바람직한 실시양태는 도 2에 제시되어 있다. 용기(10)는 원형 단면을 갖고 양쪽 말단면에 용기를 관통하는 동공을 갖는다. 상부 말단면에는 흡기구 차단 요소(22)에 의하여 차단될 수 있는 흡기구(21)가 있다. 하부 말단면에는 배기구 차단 요소(24)를 구비한 배기구(23)가 있다. 용기(10)의 내부에는 원형 단면을 갖고 원통의 축과 동축 배열된 튜브로 구성된 분리 요소(15)가 있다. 튜브의 내부 공간이 제1의 채널형 서브챔버(30)를 형성한다. 튜브의 회벽과 용기의 내벽 사이 공간이 제2의 고리형 서브챔버(31)를 형성한다. 분리 요소(15)는 양 말단부로부터 이격된 공간을 갖는다. 도시된 예시에서, 2개의 서브챔버(30, 31)는 흡착 매질(40)로 완전히 충전된다. 흡기구(21)를 향하는 말단 상에서 용기의 단면 전체를 덮는 덮개판에 의하여 서브챔버(30, 31)의 경계가 형성된다. 도시된 예시에서, 덮개판에는 서브챔버 내로 기체를 통과시키는 5개의 동공이 존재한다. 덮개판은 서브챔버(30, 31) 내로의 기체 유입을 균일하게 하는 유동 균형기(equalizer)로서의 기능을 한다. 도시된 동공은 구체예일 뿐이고 상이한 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 고리형 또는 단절 고리형 동공이 덮개판의 고리형 외부 영역에 존재할 수 있다.

파선 화살표는 용기 내부의 기체 유동을 나타낸다. 먼저, 유입 기체는 용기 벽의 상부 관통구와 덮개판 사이에 흡착 매질이 충전되어 있지 않은 공간으로 유입되어 그곳에서 균일하게 분산된다. 기체는 덮개판의 동공을 통과하여 서브챔버(30, 31)로 유입되는데, 서브챔버에서 기체가 흡착 매질에 흡착된다. 흡착 매질과 주위 기체는 흡착의 결과로서 가열된다. 용기 벽 및 분리 요소(15)는 이중벽으로 구성되고 냉각 효과를 위하여 그 내부에 열전달 매질이 통과하여 채널형 서브챔버의 중간부와 그 주변 사이에 방사상의 온도 구배가 형성된다. 충전시 용기(10)를 통과하는 본 발명에 따른 유체로 인하여 흡착에 의해 발생한 열이 제거되고 그에 따라 흡착 매질 중의 최대 온도가 낮아진다.

도 3은 본 발명에 따른 흡수 저장소의 추가의 바람직한 실시양태를 도시한다. 저장소의 구성은 도 2에 도시된 저장소에, 천공 유입관(25)이 덮개판의 동공으로부터 하방으로 원통축과 동축 연장되도록 변형을 가한 것이다. 도 1의 실시양태와 마찬가지로, 용기 내부의 유동을 더 균일하게 하고 흡착 매질 내의 온도 분포를 더 균질하게 하는 효과를 나타낸다.

도 4는 원통축에 수직인 단면을 도시한다. 위의 도면은 도 1의 흡수 저장소를 관통하는 단면이고, 아래 도면은 도 2 및 3의 흡수 저장소를 관통하는 단면을 도시한다.

도 5는 순환관(50)과 결합된 도 1의 흡수 저장소의 실시양태를 도시한다. 배기구(23)는 배기구 차단 요소(23)을 경유하여 압축기(51)의 흡입부에 연결된다. 압축기의 압력부는 차례대로 열교환기(52)를 경유하여 용기(10)의 흡기구(21)에 연결된다. 흡수 저장소를 통과한 본 발명에 따른 유체는 순환관에 의하여 보존된다. 오직 흡착 매질에 흡착된 양만큼의 기체가 외부관(21)을 통하여 공급된다. 이동용, 예컨대 자동차에서, 이러한 실시양태는 유동을 유지하기 위하여 외부 기체 네트워크가 사용될 필요가 없게 되는 이점을 갖는다. 그 결과로서, 예컨대 충전소 파이프 시스템의 오염을 피하기 위하여 충전소에서 제공되어야 했던 복잡한 여과 장치를 생략할 수 있게 된다.

[실시예]

OpenFOAM 프로그램(ENGYS 제공)을 사용하여 실시한 모의 계산의 결과가 아래에 제시되어 있다. 이 계산은 하기 가정에 기초하였다.

- 펠릿층은 다공성 매질 및 기상과 별도의 균질상으로 간주될 수 있다. 따라서, 각각의 펠릿이 수치적으로 계산될 필요가 없다.

- 모든 펠릿은 크기, 투과성, 밀도, 열용량, 전도성, 흡착 엔탈피 및 흡착 동력학에 관한 특성이 동일하다.

- 층의 열전도에 관한 유동 효과는 공지의 상관관계(예컨대, VDI-Warmeatlas, 제10판, Springer-Verlag, Heidelberg 2006, section Mh3)에 의하여 설명될 수 있다.

상기 계산은 단면이 원형이고 내부 길이가 100 cm이며 내부 직경이 17 cm인 원통형 용기에 기초하였다. 도 2의 실시양태와 유사한 방식으로, 용기 내부에 단면이 원형인 튜브를 분리 요소로서 원통축과 동축으로 설치하였다. 분리 요소는 이중벽이고 내부 직경이 5 cm이었다. 벽 두께는 총 1 cm이고 이중벽의 벽 사이 간격은 3 mm이었다. 이렇게 해서 용기 내부는 한 쌍의 채널 내에서 두 개의 평행한 채널형 서브챔버로 분리되었다. 채널 벽의 간격은 두 채널 모두에서 5 cm이었다. 튜브 말단과 용기 각 말단면의 내부 표면 사이의 간격은 1 cm이었다. 용기 벽도 마찬가지로 벽의 총 두께가 1 cm인 이중벽이었고, 이중벽의 벽 사이 간격은 3 mm이었다.

용기는 충전 부피가 19 리터이고 177 타입의 금속 구조체(MOF) 펠릿이 흡착 매질로서 충전되었다. MOF 177 타입은 유기 연결 분자인 1,3,5-트리스(4-카복시페닐)벤젠에 의하여 결합된 아연 클러스터를 포함하였다. MOF의 비표면적(랭뮤어; Langmuir)은 4000 내지 5000 ㎡/g의 범위 내이었다. 이 타입에 대한 추가 정보는 미국 특허 제7,652,132 B2호에서 입수할 수 있다. 펠릿은 길이 3 mm, 직경 3 mm의 원통형 모양이었다. 펠릿의 투과율은 3·10^-16 ㎡이었다. 따라서, 최소 펠릿 직경에 대한 투과율의 비율은 10^-13 ㎡/m이다. 층의 다공도는 0.47이었다.

순수 메탄을 27℃의 온도에서 주입하여 용기를 충전하는 실험을 실시하였다. 예정된 최종 압력은 절대기압 90 bar이었다. 열전달 매질을 용기 벽과 각각의 분리 요소에 통과시켜 벽의 온도가 27℃로 일정하게 되도록 하였다. 이러한 조건 하에서, 용기는 최대 2 kg의 메탄으로 충전될 수 있었다.

도 6은 90 bar의 압력 및 27℃의 온도에서 모의실험된 흡착 매질에 대한 메탄의 흡착 속도를 도시한다. 이 곡선은 MOF, 제올라이트 또는 활성탄 등의 바람직한 흡착 매질에 대한 전형적인 모습이다.

도 7은 세 가지 실험의 결과를 나타낸다. 비교 실험(실선 곡선)에서, 기체를 90 bar의 정압에서 시작점으로부터 앞서 설명한 용기 내부로 주입하였다. 배기구 차단 요소를 충전 시간 내내 폐쇄된 상태로 유지하였고, 용기 통과 유동은 형성되지 않았다. 펠릿층의 온도는 약 8분 후에 약 342 K의 최대 온도에 도달하였다.

본 발명에 따른 제 1 실험(파선 곡선)에서, 상기 비교 실험과 동일한 용기 구성을 기본적으로 사용하였다. 그러나, 배기구 차단 요소를 최초 압력 증가 후에 신속하게 개방하여, 용기 통과 유동을 형성하였다. 충전 기간 전체에 걸쳐서 유속을 측정하여 흡착 속도의 5배로 조절하였다. 도 7의 위 그래프로부터 알 수 있듯이, 흡착 매질이 상기 비교 실험에 비하여 현저하게 빠른 속도록 적재되었다. 층 내의 최고 온도는 약 7분 후에 도달되었고 이 때 최고 온도는 상기 비교 실험에 비하여 현저하게 낮은 약 332 K이었다(도 7의 아래 그래프 참조).

본 발명에 따른 제 2 실험(점선 곡선)에서는 유속이 흡착 속도의 20배로 조절되도록 본 발명에 따른 제 1 실험을 변경하였다. 도 7의 2개의 그래프로부터 알 수 있듯이, 이 실험은 적재 시간을 더욱 현저하게 단축하였고, 조기에 현저하게 낮은 최고 온도, 즉 약 311 K를 달성하였다.

상기 모의 실험 결과는, 본 발명에 따른 작동 방식에 의하여 흡착열이 효율적으로 제거되고, 이것이 흡착 매질 내의 최고 온도 감소 및 저장 기체의 신속한 적재로 이어진다는 것을 보여준다.

Claims

적어도 일부가 흡착 매질(40)로 충전된 폐쇄 용기(10)를 포함하고, 차단 요소(shut-off element)(22, 24)에 의하여 각각 폐쇄될 수 있는 흡기구(inlet)(21) 및 배기구(outlet)(23)를 구비하는 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법으로서,
(a) 배기구 차단 요소(24)를 폐쇄하고 흡기구 차단 요소(22)를 개방하는 단계,
(b) 저장하고자 하는 기체를 미리 정해진 압력 하에서 흡기구(21)을 통하여 주입하는 단계,
(c) 흡기구 차단 요소(22)를 개방한 상태로 배기구 차단 요소(24)를 신속하게 개방하여, 미리 정해진 유속을 갖는 기체 유동을 용기(10) 내에 형성하는 단계,
(d) 저장소에 흡착되는 기체의 흡착 속도에 따라 유속을 감소시키는 단계, 및
(e) 배기구 차단 요소(24)를 완전히 폐쇄하는 단계
를 포함하는, 흡수 저장소에 기체를 충전하는 방법.
제 1 항에 있어서,
용기는 2개 이상의 평행한 채널형 서브챔버(30, 31)를 구비하고, 각각의 서브챔버는 적어도 일부가 흡착 매질(40)로 충전되고, 채널 벽은 내부에서 냉각되는, 방법.
제 2 항에 있어서,
채널형 서브챔버(30, 31)의 채널 벽은 이중벽으로 구성되어 열교환 매질이 이중벽을 통과하는, 방법
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
각각의 채널형 서브챔버(30, 31)에서 채널 벽의 간격은 2 내지 8 cm인, 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
용기 내부로 유입되거나 용기 외부로 방출되는 기체 스트림은 유동 센서에 의하여 측정되고, 용기 내 기체 유속은 시간에 대한 흡착 속도의 미리 정해진 배수로서 설정되는, 방법.
제 5 항에 있어서,
미리 정해진 배수는 1.5 내지 100, 바람직하게는 3 내지 40인, 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
기체 스트림의 온도는 용기 내부, 특히 하나 이상의 채널형 서브챔버(30, 31) 내의 하나 이상의 지점에서 측정되고, 필요 시 미리 정해진 최고 온도를 초과하지 않은 방식으로 용기 내 기체의 유속에 매칭(matching)되는, 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
흡착 매질(40)의 다공성은 0.2 이상인, 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
흡착 매질(40)은 펠릿층으로 존재하고, 최소 펠릿 직경에 대한 펠릿 투과성의 비율은 10^-14 ㎡/m 이상인, 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
흡착 매질(40)은 제올라이트, 활성탄 또는 금속 유기 구조체(framework)를 포함하는, 방법.
폐쇄 용기(10), 용기 벽 중의 흡기구(21)와 흡기구 차단 요소(22)를 포함하는 공급 장치, 및 용기 벽 중의 배기구 차단 요소(24)를 갖는 배기구(23)을 포함하는 기상 물질 저장용 흡수 저장소로서, 상기 용기는, 용기 내부에 위치하여 용기 내부가 2개 이상의 평행한 채널형 서브챔버(30, 31)로 나누어지도록 배치되는 하나 이상의 분리 요소(15)를 구비하고, 서브챔버는 적어도 일부가 흡착 매질(40)로 충전되고 그의 채널벽은 냉각 가능하며, 단면 관측 시 용기 내벽의 윤곽 및 적어도 하나의 분리 요소(15) 및 임의적으로 복수의 분리 요소의 윤곽이 본질적으로 등각(conformal)인, 기상 물질 저장용 흡수 저장소.
제 11 항에 있어서,
용기(10)는 원통형이고, 적어도 하나의 분리 요소(15)는 원통의 축에 대하여 본질적으로 동축 정렬된, 흡수 저장소.
제 12 항에 있어서,
적어도 하나의 분리 요소(15)는 튜브(tube)로 구성되어 튜브 내부가 제1의 채널형 서브챔버(30)를 형성하고, 상기 튜브의 외벽과 상기 용기의 내벽 사이의 공간 또는 임의적으로 상기 튜브의 외벽과 추가의 분리 요소 사이의 공간이 제2의 환상 채널형 서브챔버(31)를 형성하는, 흡수 저장소.
제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 흡수 저장소로부터 기체를 인출하는 방법으로서, 채널형 서브챔버 중의 기체 온도를 초과하는 온도를 갖는 열전달 매질을 채널 벽에 통과시키는, 기체 인출 방법.