KR20160025589A

KR20160025589A - 수소 가스의 냉각 방법 및 수소 가스의 냉각 시스템

Info

Publication number: KR20160025589A
Application number: KR1020167002312A
Authority: KR
Inventors: 고지 노이시키; 야스타케 미와; 구니히코 시미즈; 유지 구리시로
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-03-08
Also published as: EP3029406A4; EP3029406B1; WO2015016076A1; EP3029406A1; JP2015031420A; US20160131434A1

Abstract

수소 가스의 냉각 방법은, 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 구비하는 열교환기를 준비하는 준비 공정과, 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시킴으로써 수소 가스를 냉각하는 냉각 공정을 구비하고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 흘림과 함께 상기 각 제2 유로를 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 상기 각 제2 유로에 브라인을 흘리고, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어한다.

Description

수소 가스의 냉각 방법 및 수소 가스의 냉각 시스템{HYDROGEN GAS COOLING METHOD AND HYDROGEN GAS COOLING SYSTEM}

본 발명은, 수소 가스의 냉각 방법 및 수소 가스의 냉각 시스템에 관한 것이다.

연료 전지차에 수소 가스를 공급하는 수소 스테이션에서는, 연료 전지차에의 수소 가스의 충전 효율을 높이기 위해서, 수소 가스를 충전 전에 고압으로 압축한다. 이 압축된 수소 가스를 연료 전지차의 탱크에 충전할 때, 탱크 내의 압력 상승에 수반해서 압축열이 발생한다. 이로 인해, 그 압축열에 의한 탱크의 승온을 피하기 위해서 수소 스테이션에서 고압으로 된 수소 가스를 냉각하고 나서 연료 전지차에 공급한다. 하기 특허문헌 1 및 하기 특허문헌 2에는, 이러한 연료 전지차에의 공급 전에 수소 가스를 냉각하기 위한 냉각 방법 및 냉각 시스템의 일례가 개시되어 있다.

하기 특허문헌 1에서는, 충전조를 내부에 갖는 용기와, 가스 유로와, 전열 매체 유로를 갖는 열교환기를 구비한 냉각 시스템이 사용되고 있다. 충전층에는, 금속분말을 포함하는 전열 매체가 충전되어 있다. 가스 유로 및 전열 매체 유로는, 용기의 외부로부터 충전층으로 끌어들여져 나선 형상을 이룬다. 가스 유로와 전열 매체 유로는, 서로 따르도록 근접한 상태로 배치되어 있다. 가스 유로에는, 수소 가스가 흘려진다. 전열 매체 유로에는, 충전조에 충전된 전열 매체와는 다른 저온의 전열 매체가 흘려진다. 수소 가스는, 가스 유로를 흐르면서, 전열 매체 유로를 흐르는 전열 매체와의 사이에서 직접 또는 충전조 중의 전열 매체를 개재해서 열교환함으로써 냉각된다.

또한, 하기 특허문헌 2에서는, 수소 가스와 냉매를 유통시키는 이중관을 갖는 열교환기를 구비한 냉각 시스템이 사용되고 있다. 이 냉각 시스템에서는, 전열 효율을 향상시키기 위해서, 수소 공급로의 압력과 냉매 공급로의 압력을 동일 정도로 한 이중관을 사용하고 있다. 그것에 의해, 양쪽 공급로의 경계를 구성하는 내부관의 관벽의 박육화를 실현하고 있다. 그 결과, 열교환기의 전열 저항을 저감시킴과 함께 열교환기를 소형화하고 있다.

상기 특허문헌 1에 개시된 수소 가스의 냉각 방법에서는, 충전조에 다량의 전열 매체를 충전할 필요가 있다. 이로 인해, 전열 매체의 사용량이 증대된다. 또한, 충전조에 충전된 다량의 전열 매체의 열 저항은 크기 때문에, 상기 특허문헌 1에 개시된 냉각 방법으로 수소 가스의 충분한 냉각을 행하기 위해서는, 전열 매체 유로에 흘리는 전열 매체를 보다 저온으로 할 필요가 있다. 이로 인해, 그 전열 매체의 냉각에 필요로 하는 에너지가 증대된다.

한편, 상기 특허문헌 2에 개시된 수소 가스의 냉각 방법에서는, 상기 특허문헌 1의 냉각 방법에 비하여 전열 매체로서의 냉매의 사용량은 저감시킬 수 있다. 그러나, 수소 가스의 냉각 처리량을 증가시키기 위해서는 예를 들어 이중관의 개수를 증가시킬 필요가 있다. 이중관의 개수를 증가시키는 경우에는, 열교환기가 대형화된다. 또한, 상기 특허문헌 2에서는, 전열 효율을 향상시키기 위해서, 수소 공급로의 압력과 냉매 공급로의 압력을 동일 정도로 하는 것이 나타나 있지만, 실제로는, 고압의 수소 가스를 연료 전지차에 충전할 때, 수소 가스의 압력은 시시각각 변화한다. 이로 인해, 수소 공급로에 흘리는 수소 가스의 압력 제어를 행했다고 해도, 실제로는 수소 공급로와 냉매 공급로의 차압은 커진다. 따라서, 이 커지는 차압을 고려해서 안전율을 갖는 관의 두께를 결정하는 것이 필요해진다. 이로 인해, 결국은 관의 두께를 크게 하지 않을 수 없고, 그 결과, 관의 열 저항이 커진다. 이 경우에는, 외관 내의 냉매 공급로에 흘리는 냉매를 보다 저온으로 하지 않으면, 내관 내의 수소 공급로를 흐르는 수소 가스를 충분히 냉각할 수 없게 된다. 이로 인해, 냉매의 냉각에 필요로 하는 에너지가 증대된다.

일본 특허 공개 제2010-121657호 공보 일본 특허 공개 제2011-80495호 공보

본 발명의 목적은, 열교환기의 소형화 및 수소 가스의 냉각 처리량의 확보를 양립하면서, 수소 가스의 냉각에 사용하는 전열 매체로서의 브라인의 사용량을 삭감함과 함께, 브라인의 냉각에 필요로 하는 에너지의 증대를 억제하고, 또한, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 일 국면에 따르는 수소 가스의 냉각 방법은, 비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 방법이며, 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 구비하는 열교환기를 준비하는 준비 공정과, 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 유통시킴과 함께 상기 각 제2 유로에 수소 가스보다도 저온의 브라인을 유통시켜서 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시킴으로써 수소 가스를 냉각하는 냉각 공정을 구비하고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 흘림과 함께 상기 각 제2 유로를 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 상기 각 제2 유로에 브라인을 흘리고, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어한다.

본 발명이 다른 국면에 따르는 수소 가스의 냉각 시스템은, 비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 냉각 시스템이며, 브라인을 냉각하는 냉동기와, 상기 냉동기 사이에서 브라인이 순환하도록 상기 냉동기에 접속되고, 수소 가스를 상기 냉동기로부터 공급된 브라인과의 사이에서 열교환시킴으로써 냉각하는 열교환기와, 상기 냉동기에서 냉각된 브라인을 상기 냉동기로부터 상기 열교환기로 보내는 펌프와, 브라인의 온도를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 열교환기는, 수소 가스가 도입되어 흐르는 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 브라인이 도입되어 흐르는 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 갖고 있고, 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시키고, 상기 각 제1 유로는, 수소 가스를 받아들이는 제1 입구와 수소 가스를 배출하는 제1 출구를 갖고, 상기 제1 입구와 상기 제1 출구는, 상기 제1 입구로부터 상기 제1 유로에 도입되어서 상기 제1 유로를 상기 제1 출구 측으로 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 배치되고, 상기 각 제2 유로는, 브라인을 받아들이는 제2 입구와 브라인을 배출하는 제2 출구를 갖고, 상기 제2 입구와 상기 제2 출구는, 상기 제2 입구로부터 상기 제2 유로에 도입되어 상기 제2 유로를 상기 제2 출구측으로 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 배치되고, 상기 제어부는, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록, 상기 냉동기의 작동을 제어함과 함께 상기 펌프가 송출하는 브라인의 유량을 제어한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 시스템의 전체 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 시스템에 사용하는 열교환기를 기판 적층 방향에 있어서의 일측으로부터 본 정면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 열교환기를 도 2에 있어서의 우측으로부터 본 측면도이다.
도 4는 도 3에 도시한 열교환기의 적층체의 부분적인 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시한 열교환기의 적층체에 있어서 제1 유로를 형성하는 제1 기판의 개략적인 평면도이다.
도 6은 도 3에 도시한 열교환기의 적층체에 있어서 제2 유로를 형성하는 제2 기판의 개략적인 평면도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 방법에 사용하는 냉각 시스템의 구성에 대해서 설명한다.

이 냉각 시스템은, 예를 들어 수소 스테이션에 있어서 연료 전지차(90)(도 1 참조)에 공급하는 수소 가스를 냉각하기 위해서 사용되는 것이다. 수소 스테이션에서는, 연료 전지차(90)에의 수소 가스의 충전 효율을 높이기 위해서, 수소 가스를 고압으로 압축한 다음 연료 전지차(90)에 공급한다. 이 수소 가스의 압축에 따라 압축열이 발생한다. 본 실시 형태의 냉각 시스템은, 이 압축열에 의한 수소 가스의 승온을 피하기 위해서, 압축 후의 고압의 수소 가스를 연료 전지차(90)에의 충전 전에 저온으로 냉각하는 것이다.

본 실시 형태의 냉각 시스템은, 도 1에 도시한 바와 같이, 냉동기(2)와, 탱크(4)와, 제1 펌프(6)와, 제2 펌프(8)와, 열교환기(10)와, 제어부(58)와, 제2 입구 온도 검출부(60)와, 제2 출구 온도 검출부(62)와, 제1 출구 온도 검출부(64)를 구비한다.

냉동기(2)는, 브라인을 냉각하는 장치이다. 냉동기(2)는, 브라인을 냉각하는 냉각력을 변경 가능하게 구성되어 있다. 냉동기(2)는, 후술하는 바와 같이 제어부(58)로부터 제어 신호를 수신하도록 되어 있다. 냉동기(2)는, 수신한 제어 신호에 따라서 냉각력을 변경시킨다. 즉, 냉동기(2)는, 수신한 제어 신호가 냉각력의 증가를 지시하는 것인 경우에는 그 지시에 따라서 냉각력을 증가시키는 한편, 수신한 제어 신호가 냉각력의 감소를 지시하는 것인 경우에는 그 지시에 따라서 냉각력을 감소시킨다. 브라인은, 비증발성의 부동액이다. 브라인으로서는, 예를 들어 에틸렌글리콜 물이나, 불소계의 액체 등이 사용된다.

냉동기(2)는, 도입부(2a)와, 토출부(2b)를 갖는다. 도입부(2a)는, 열교환기(10)에서 수소 가스와 열교환해서 승온한 브라인이 도입되는 부분이다. 토출부(2b)는, 냉동기(2)가 냉각된 후의 브라인을 토출하는 부분이다. 냉동기(2)는, 도입부(2a)로부터 상기 냉동기(2)에 도입된 브라인을 저온의 대체 프레온 등의 냉매와의 사이에서 열교환시킴으로써, 그 브라인을 냉각한다. 냉동기(2)는, 냉각 후의 브라인을 토출부(2b)로부터 토출한다. 냉동기(2)는, 냉매의 온도를 변경 가능하게 구성되어 있다. 냉동기(2)는, 그 냉매의 온도를 변경시킴으로써, 브라인을 냉각하기 위한 냉각력을 변경하도록 되어 있다. 즉, 냉동기(2)는, 제어부(58)로부터 수신한 제어 신호가 냉각력의 증가를 지시하는 것인 경우에는 냉매의 온도를 저하시켜서 냉각력을 증가시키고, 제어부(58)로부터 수신한 제어 신호가 냉각력의 감소를 지시하는 것인 경우에는 냉매의 온도를 상승시켜서 냉각력을 감소시킨다. 냉동기(2)에는, 예를 들어 -30℃의 브라인이 도입된다. 냉동기(2)는, 그 도입된 브라인을 예를 들어 -40℃ 이하에까지 냉각시킨다.

탱크(4)는, 브라인을 저류하기 위한 것이다. 탱크(4) 내에는, 제1 저장실(12)과, 제2 저장실(14)이 설치되어 있다. 제1 저장실(12)은, 냉동기(2)로부터 토출된 냉각 후의 브라인을 저류하는 것이다. 제2 저장실(14)은, 열교환기(10)로부터 배출된 열교환 후의 브라인을 저류하는 것이다.

제1 저장실(12)은, 배관(18)을 통해서 냉동기(2)의 토출부(2b)에 접속되어 있음과 함께, 배관(20)을 통해서 열교환기(10)의 후술하는 공급 헤더(28)에 접속되어 있다. 제2 저장실(14)은, 배관(22)을 통해서 열교환기(10)의 후술하는 배출 헤더(30)에 접속되어 있음과 함께, 배관(24)을 통해서 냉동기(2)의 도입부(2a)에 접속되어 있다.

제1 저장실(12)과 제2 저장실(14) 사이에는, 구획벽(16)이 설치되어 있다. 이 구획벽(16)에 의해, 제1 저장실(12)에 저류된 냉각 후의 브라인과 제2 저장실(14)에 저류된 열교환 후의 브라인이 혼합되는 것이 방지되도록 되어 있다. 또한, 구획벽(16)은, 고 단열성의 재료에 의해 형성되어 있다. 구획벽(16)은, 제1 저장실(12)에 저류된 브라인과 제2 저장실(14)에 저류된 브라인 사이에서 열교환이 발생하는 것을 방지한다.

제1 펌프(6)는, 제1 저장실(12)의 출구에 연결되는 배관(20)에 설치되어 있다. 제1 펌프(6)는, 제1 저장실(12)에 저류된 브라인을 흡인함과 함께 열교환기(10)로 송출하는 것이다. 이 제1 펌프(6)는, 단위 시간당 브라인을 송출하는 유량(이하, 간단히 송출 유량이라고 함)을 변경 가능하게 구성되어 있다. 제1 펌프(6)는, 후술하는 바와 같이 제어부(58)로부터 제어 신호를 수신하도록 되어 있다. 제1 펌프(6)는, 수신한 제어 신호에 따라 브라인의 송출 유량을 변경시킨다. 즉, 제1 펌프(6)는, 수신한 제어 신호가 송출 유량의 증가를 지시하는 것인 경우에는 그 지시에 따라 단위 시간당의 브라인의 송출 유량을 증가시키는 한편, 수신한 제어 신호가 송출 유량의 감소를 지시하는 것인 경우에는 그 지시에 따라서 단위 시간당의 브라인의 송출 유량을 감소시킨다.

제2 펌프(8)는, 제2 저장실(14)의 출구에 연결되는 배관(24)에 설치되어 있다. 제2 펌프(8)는, 제2 저장실(14)에 저류된 브라인을 흡인함과 함께 냉동기(2)의 도입부(2a)에 송출하는 것이다. 이 제2 펌프(8)는, 단위 시간당의 브라인의 송출 유량을 변경 가능하게 구성되어 있다.

열교환기(10)는, 압축기(100)에서 압축되어 고압이 된 수소 가스를 저온의 브라인과의 사이에서 열교환시켜서 냉각하는 것이다. 이 열교환기(10)는, 다수의 마이크로 채널(미세 유로)을 갖는다. 열교환기(10)는, 각 마이크로 채널에 각각 유체를 유통시키면서, 그 유체끼리 사이에서 열교환을 행하게 하는, 소위 마이크로 채널 열교환기이다.

열교환기(10)는, 다수의 유로가 내부에 설치된 적층체(26)와, 적층체(26) 내의 후술하는 제2 유로(34)에 브라인을 공급하기 위한 공급 헤더(28)와, 후술하는 제2 유로(34)로부터 브라인을 배출하기 위한 배출 헤더(30)를 갖는다.

적층체(26)는, 직육면체 형상의 외형을 갖고 있다. 적층체(26)의 내부에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 다수의 제1 유로(32)와, 다수의 제2 유로(34)가 설치되어 있다. 각 제1 유로(32) 및 각 제2 유로(34)는, 마이크로 채널(미세 유로)이다. 제1 유로(32)는, 수소 가스를 유통시키는 것이다. 제2 유로(34)는, 수소 가스를 냉각하기 위한 브라인을 유통시키는 것이다.

적층체(26)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 제1 기판(38)과, 복수의 제2 기판(40)과, 한 쌍의 단부판(42)에 의해 형성되어 있다. 구체적으로는, 제1 기판(38)과 제2 기판(40)이 교대로 반복 적층되고, 그 적층 방향의 양단에 한 쌍의 단부판(42)이 나뉘어져 적층됨으로써 적층체(26)가 형성되어 있다. 적층체(26)에서는, 제1 기판(38)의 두께 방향의 양측에 제2 기판(40)이 각각 적층되어 있다. 각 제1 기판(38)에는, 복수의 제1 유로(32)가 각각 배열되어 있다. 각 제2 기판(40)에는, 복수의 제2 유로(34)가 각각 배열되어 있다. 각 기판(38, 40)은, 예를 들어 스테인리스강 등에 의해 형성된 얇은 평판이다. 적층된 기판(38, 40)은, 그것들이 서로 접촉하는 판면끼리가 확산 접합됨으로써 일체화되어 있다. 또한, 제1 기판(38)은, 본 발명의 제1 층의 일례이다. 제2 기판(40)은, 본 발명의 제2 층의 일례이다.

각 제1 기판(38)의 두께 방향에 있어서의 한쪽의 판면(도 5 참조)에는, 복수의 제1 유로(32)를 형성하기 위한 복수의 제1 유로용 홈부(48)가 형성되어 있다. 또한, 도 5에서는, 제1 기판(38)에 형성된 복수의 제1 유로용 홈부(48) 전체의 외형을 나타내고 있다. 즉, 도 5에서는, 제1 유로용 홈부(48)의 1개씩의 도시에 대해서는 생략하고 있지만, 실제로는 도 5에 도시한 외형 내에 복수의 제1 유로용 홈부(48)가 병렬 배치되어 있다. 제1 기판(38)의 상기 한쪽의 판면에 형성된 복수의 제1 유로용 홈부(48)의 개구가, 그 판면 상에 적층된 제2 기판(40)에 의해 밀봉된다. 이 개구가 밀봉된 복수의 제1 유로용 홈부(48)에 의해, 제1 기판(38)의 한쪽의 판면 측에 배열됨과 함께 그 한쪽의 판면을 따르는 복수의 제1 유로(32)가 형성되어 있다.

적층체(26) 가운데 제1 기판(38)의 길이 방향의 일단부 근방[적층체(26)의 상단부 근방]이고 또한 제1 기판(38)의 폭 방향의 일단부 근방의 위치에는, 각 제1 유로(32)의 제1 입구(50)가 형성되어 있다. 이 제1 입구(50)는, 수소 가스를 받아들이는 부분이다. 제1 입구(50)는, 각 기판(38, 40)과 한 쌍의 단부판(42) 중 한쪽의 단부판(42)을 동일 위치에서 두께 방향으로 관통해서 연통하는 관통 구멍에 의해 형성되어 있다. 이에 의해, 제1 입구(50)는, 기판(38, 40)의 적층 방향으로 연속되고, 상기 한쪽의 단부판(42)의 표측의 판면에 있어서 개구된 구멍으로 되어 있다. 또한, 각 제1 기판(38)에 형성된 복수의 제1 유로(32)는, 모두, 이 제1 입구(50)에 연결되어 있다. 즉, 제1 입구(50)는, 적층체(26) 내에 설치된 모든 제1 유로(32)에 공통의 수소 가스의 도입구로 되어 있다.

적층체(26) 가운데 제1 기판(38)의 길이 방향 및 폭 방향에 있어서 제1 입구(50)와 반대측의 단부 근방의 위치에는, 각 제1 유로(32)의 제1 출구(52)가 형성되어 있다. 이 제1 출구(52)는, 각 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스를 배출하는 부분이다. 제1 출구(52)는, 제1 입구(50)와 마찬가지로, 각 기판(38, 40)과 상기 한쪽의 단부판(42)을 동일 위치에서 두께 방향으로 관통해서 연통하는 관통 구멍에 의해 형성되어 있다. 또한, 제1 출구(52)는, 제1 입구(50)와 마찬가지로, 적층체(26) 내에 설치된 모든 제1 유로(32)에 공통의 수소 가스의 배출구로 되어 있다.

제1 유로(32)는, 제1 입구(50)와 제1 출구(52) 사이에, 제1 기판(38)의 폭 방향의 일측으로부터 타측으로 직선적으로 연장되는 부분과, 그 부분으로부터 되접어져서 제1 기판(38)의 폭 방향의 상기 타측으로부터 상기 일측으로 직선적으로 연장되는 부분이 반복 설치된 꾸불꾸불한 형상을 갖는다.

각 제2 기판(40)의 두께 방향에 있어서의 한쪽의 판면(도 6 참조)에는, 복수의 제2 유로(34)를 형성하기 위한 복수의 제2 유로용 홈부(54)가 형성되어 있다. 또한, 도 6에서는, 도 5과 마찬가지로, 제2 기판(40)에 형성된 복수의 제2 유로용 홈부(54) 전체의 외형을 나타내고 있다. 즉, 도 6에서는, 제2 유로용 홈부(54)의 1개씩의 도시에 대해서는 생략하고 있지만, 실제로는 도 6에 나타낸 외형 내에 복수의 제2 유로용 홈부(54)가 병렬 배치되어 있다. 제2 기판(40)의 상기 한쪽의 판면에 형성된 복수의 제2 유로용 홈부(54)의 개구가, 그 판면 상에 적층된 제1 기판(38)으로 밀봉된다. 이 개구가 밀봉된 복수의 제2 유로용 홈부(54)에 의해, 제2 기판(40)의 한쪽의 판면 측에 배열됨과 함께 그 한쪽의 판면을 따르는 복수의 제2 유로(34)가 형성되어 있다.

각 제2 기판(40)에 형성된 복수의 제2 유로(34)는, 2계통으로 나뉘어져 있다. 구체적으로는, 이 복수의 제2 유로(34)는, 제2 기판(40)의 폭 방향의 중심으로부터 그 폭 방향의 일측에 배치된 한쪽 군인 제2 유로(34)와, 제2 기판(40)의 폭 방향의 중심으로부터 그 폭 방향의 타측에 배치된 다른 쪽 군인 제2 유로(34)에 의해 구성되어 있다. 상기 한쪽 군인 제2 유로(34)는, 제2 기판(40)의 폭 방향의 중심측으로부터 그 제2 기판(40)의 폭 방향의 상기 일측의 단부 테두리측으로 직선적으로 연장되는 부분과, 그 부분으로부터 되꺽여서 제2 기판(40)의 폭 방향의 중심측으로 직선적으로 연장되는 부분이 반복 설치된 꾸불꾸불한 형상을 갖는다. 또한, 상기 다른 쪽 군인 제2 유로(34)는, 상기 한쪽 군인 제2 유로(34)와 제2 기판(40)의 폭 방향의 중심에 대하여 대칭이 되는 꾸불꾸불한 형상을 갖는다.

제2 기판(40)에 형성된 각 제2 유로(34)의 일단부는, 제2 기판(40)의 길이 방향을 따르는 적층체(26)의 길이 방향의 일측 단부면, 구체적으로는 상기 제1 출구(52)가 배치된 측의 단부면에 있어서 개구되어 있다. 이들 각 제2 유로(34)의 일단부 개구는, 브라인을 받아들이는 제2 입구(34a)로 되어 있다. 제2 입구(34a)는, 본 발명에 의한 제2 유로의 입구의 일례이다. 제2 기판(40)에 형성된 각 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)와 반대측의 단부는, 제2 기판(40)의 길이 방향을 따르는 적층체(26) 길이 방향의 타측 단부면, 구체적으로는 상기 제1 입구(50)가 배치된 측의 단부면에 있어서 개구되어 있다. 이들 각 제2 유로(34)의 반대측 단부의 개구는, 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인을 배출하는 제2 출구(34b)로 되어 있다. 제2 출구(34b)는, 본 발명에 의한 제2 유로의 출구의 일례이다.

이상과 같이 구성된 적층체(26)에 있어서, 제1 기판(38)의 한쪽의 판면 측에 배열된 복수의 제1 유로(32) 가운데 제1 기판(38)의 폭 방향으로 직선적으로 연장되는 부분의 형성 영역과, 제2 기판(40)의 한쪽의 판면 측에 배열된 복수의 제2 유로(34) 가운데 제2 기판(40)의 폭 방향으로 직선적으로 연장되는 부분의 형성 영역은, 기판(38, 40)의 적층 방향으로부터 볼 때 서로 겹쳐서 일치하고 있다. 또한, 열교환기(10)[적층체(26)]는, 제1 입구(50) 및 제2 출구(34b)가 상측에 위치함과 함께 제1 출구(52) 및 제2 입구(34a)가 하측에 위치하고, 또한, 적층체(26)의 길이 방향[각 기판(38, 40)의 길이 방향]이 상하 방향으로 일치하도록 배치된다. 즉, 열교환기(10)의 적층체(26)에서는, 각 제1 유로(32)의 제1 입구(50) 및 제1 출구(52)가, 제1 입구(50)로부터 각 제1 유로(32)에 도입되고 그 각 제1 유로(32)를 제1 출구(52) 측으로 흐르는 수소 가스가 총체적으로는 제1 기판(38) 및 제2 기판(40)의 적층 방향에 직교하는 연직 방향에 있어서 상측으로부터 하측으로 향해서 이동하도록 배치되어 있다. 또한, 각 제2 유로(34)의 제2 입구(34a) 및 제2 출구(34b)가, 제2 입구(34a)로부터 각 제2 유로(34)에 도입되고 그 각 제2 유로(34)를 제2 출구(34b)측으로 흐르는 브라인이 총체적으로는 연직 방향에 있어서 하측으로부터 상측을 향해서 이동하도록 배치되어 있다.

공급 헤더(28)는, 적층체(26) 가운데 제2 입구(34a)가 형성된 단부면에 설치되어 있다. 공급 헤더(28)에는, 배관(20)(도 1 참조)이 접속되어 있다. 제1 펌프(6)로부터 송출된 브라인이, 배관(20)을 통해서 공급 헤더(28)에 공급되도록 되어 있다. 공급 헤더(28) 내에는, 공급된 브라인이 통하는 내부 공간이 설치되어 있다. 이 내부 공간은, 공급 헤더(28)가 적층체(26)에 설치된 상태에서, 적층체(26)에 설치된 모든 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)와 연통하도록 되어 있다. 즉, 공급 헤더(28)에 공급된 브라인은, 그 공급 헤더(28)의 내부 공간으로부터 각 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)에 분배되어 도입되도록 되어 있다.

배출 헤더(30)는, 적층체(26) 가운데 제2 출구(34b)가 형성된 단부면에 설치되어 있다. 배출 헤더(30)에는, 배관(22)(도 1 참조)이 접속되어 있다. 배출 헤더(30) 내에는, 내부 공간이 설치되어 있다. 이 내부 공간은, 배출 헤더(30)가 적층체(26)에 설치된 상태에서, 적층체(26)에 설치된 모든 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)와 연통한다. 각 제2 유로(34)를 흐른 브라인은, 그들 각 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)로부터 배출 헤더(30)의 내부 공간으로 유출되고, 그 내부 공간으로부터 배관(22)에 배출되도록 되어 있다.

또한, 본 실시 형태에 의한 냉각 시스템의 열교환기(10)는, 다음 식(1)의 관계를 만족하도록, 유로(32, 34)의 형상, 사이즈 및 개수, 적층체(26)를 구성하는 기판(38, 40)의 적층 수 등의 구조가 설계되어 있다. 다음 식(1)에서는, 열교환기(10)에 요구되는 열 교환량을 Q(kW)로 하고, 열교환기(10)의 형태에 기인하는 값인 총괄 전열 계수를 U(kW/㎡·℃)로 하고, 열교환기(10) 내의 전열 면적을 A(㎡)로 하고, 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도와 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도로부터 구해지는 제2 유로(34)에서의 브라인의 대수 평균 온도를 dT(℃)로 하고 있다.

제2 입구 온도 검출부(60)(도 1 및 도 2 참조)는, 공급 헤더(28)에 접속되어 있다. 제2 입구 온도 검출부(60)는, 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)에 도입되는 브라인의 온도를 검출하는 검출기이다. 즉, 제2 입구 온도 검출부(60)는, 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도를 검출한다.

제2 출구 온도 검출부(62)(도 1 및 도 2 참조)는, 배출 헤더(30)에 접속되어 있다. 제2 출구 온도 검출부(62)는, 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)로부터 배출되는 브라인의 온도를 검출하는 검출기이다. 즉, 제2 출구 온도 검출부(62)는, 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도를 검출한다.

제1 출구 온도 검출부(64)(도 1 및 도 2 참조)는, 제1 유로(32)의 제1 출구(52)에 접속되어 있다. 제1 출구 온도 검출부(64)는, 제1 출구(52)로부터 배출되는 수소 가스의 온도를 검출하는 검출기이다. 즉, 제1 출구 온도 검출부(64)는, 제1 출구(52)에서의 수소 가스의 온도를 검출한다.

제2 입구 온도 검출부(60), 제2 출구 온도 검출부(62) 및 제1 출구 온도 검출부(64)는, 각각, 검출한 온도의 데이터를 제어부(58)에 송신하게 되어 있다. 제어부(58)는, 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인의 온도를 제어하는 것이다. 제어부(58)는, 수신한 각 검출 온도의 데이터에 기초하여, 냉동기(2)의 작동을 제어함과 함께 제1 펌프(6)가 송출하는 브라인의 유량을 제어하고, 그것에 의해서 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인의 온도를 제어한다. 제어부(58)는, 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 제1 출구(52)에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록, 냉동기(2)의 작동을 제어함과 함께 제1 펌프(6)가 송출하는 브라인의 유량을 제어한다.

이어서, 본 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 방법에 대해서 설명한다.

본 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 방법에서는, 상기의 냉각 시스템을 준비한다. 그리고, 냉동기(2)(도 1 참조)가 브라인을 저온의 냉매와의 사이에서 열교환시킴으로써 냉각한다. 냉각 후의 브라인은, 토출부(2b)로부터 배관(18)을 통해서 탱크(4)의 제1 저장실(12)에 보내진다. 제1 저장실(12)에 도입된 브라인은, 그 제1 저장실(12)에 있어서 일시적으로 저류됨과 함께, 제1 펌프(6)의 흡인력에 의해 배관(20)에 배출된다. 배관(20)에 배출된 브라인은, 제1 펌프(6)에 의해 열교환기(10)에 보내지고, 공급 헤더(28)(도 2 및 도 3 참조)의 내부 공간을 통해서 적층체(26) 내의 각 제2 유로(34)(도 6 참조)에 그들의 제2 입구(34a)로부터 도입된다.

제어부(58)는, 제2 입구 온도 검출부(60)로부터 수신하는 검출 온도의 데이터에 기초하여, 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도가 -40℃가 되도록, 브라인을 냉각하는 냉동기(2)의 작동(냉각력)을 제어한다. 구체적으로는, 제어부(58)는, 제2 입구 온도 검출부(60)의 검출 온도가 -40℃가 되도록 냉동기(2)에 냉매의 온도를 조절시켜서 그 냉동기(2)의 냉각력을 제어한다. 상세하게는, 제어부(58)는, 제2 입구 온도 검출부(60)의 검출 온도가 -40℃보다도 높은 경우에는, 냉동기(2)에 냉각력의 증대를 지시하는 제어 신호를 보내고, 그 제어 신호를 수신한 냉동기(2)가 그 제어 신호에 따라서 냉각력을 증대시킨다. 그 결과, 제2 입구 온도 검출부(60)에 의해 검출되는 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도가 -40℃에 근접하도록 저하된다. 한편, 제어부(58)는, 제2 입구 온도 검출부(60)의 검출 온도가 -40℃보다도 낮은 경우에는, 냉동기(2)에 냉각력의 저하를 지시하는 제어 신호를 보내고, 그 제어 신호를 수신한 냉동기(2)가 그 제어 신호에 따라서 냉각력을 저하시킨다. 그 결과, 제2 입구 온도 검출부(60)에 의해 검출되는 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도가 -40℃에 근접하도록 상승한다.

각 제2 유로(34)에 도입된 브라인은, 제2 입구(34a)로부터 제2 출구(34b) 측을 향해서 그 제2 유로(34)를 흐른다. 이 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인은, 전체적으로는, 적층체(26)의 기판(38, 40)의 적층 방향에 직교하는 연직 방향에 있어서 하측으로부터 상측을 향해서 이동한다.

한편, 압축기(100)(도 1 참조)에서는, 수소 가스가 압축된다. 그 압축 후의 고압의 수소 가스는, 압축기(100)로부터 열교환기(10)의 제1 입구(50)에 도입된다. 이 제1 입구(50)에 도입되는 수소 가스는, 압축기(100)에서의 압축 후, 냉각수에 의해 냉각되어 그 온도가 40℃로 되어 있다. 그리고, 제1 입구(50)에 도입된 수소 가스는, 적층체(26) 내의 각 제1 유로(32)(도 5 참조)로 분배되어서 공급된다. 각 제1 유로(32)에 공급된 수소 가스는, 제1 입구(50)측으로부터 제1 출구(52) 측을 향해서 그 제1 유로(32)를 흘러, 전체적으로는, 연직 방향에 있어서 상측으로부터 하측을 향해서 이동한다. 이 과정에 있어서, 각 제1 유로(32)(도 4 참조)를 흐르는 수소 가스와 그 제1 유로(32)에 대하여 인접하는 제2 유로(34)(도 4 참조)를 흐르는 브라인 사이에서, 적층체(26) 중 그 양쪽 유로(32, 34) 사이에 위치하는 부분을 통해서 열교환이 행해진다. 이에 의해, 수소 가스가 냉각된다. 이때, 수소 가스는, 각 제1 유로(32)의 하류측[제1 출구(52)측]으로의 흐름에 따라서 점차 강온된다. 그 결과, 제1 출구(52)에 있어서의 수소 가스의 온도는 -37℃가 된다.

한편, 브라인은, 각 제2 유로(34)의 하류측[제2 출구(34b)측]으로 흐름에 따라서 점차 승온한다. 이때의 브라인 승온 정도는, 제2 유로(34)에 도입되는 브라인의 온도 및 유량에 의해 상이하다. 본 실시 형태에서는, 제어부(58)가, 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 제1 출구(52)에서의 수소 가스의 온도(-37℃)보다도 높아지고, 또한, 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도(-40℃)보다도 10℃ 이상 높아지도록, 각 제2 유로(34)에 도입하는 브라인의 유량, 즉 제1 펌프(6)의 브라인 송출 유량을 제어한다. 구체적으로는, 제어부(58)는, 제1 펌프(6)에 의한 브라인의 송출 유량을, 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 -30℃로 되는 유량으로 제어한다.

이때, 제어부(58)는, 제1 출구 온도 검출부(64)로부터 수신하는 검출 온도의 데이터와, 제2 입구 온도 검출부(60)로부터 수신하는 검출 온도의 데이터와, 제2 출구 온도 검출부(62)로부터 수신하는 검출 온도의 데이터에 기초하여, 제1 펌프(6)의 브라인 송출 유량을 제어한다.

구체적으로, 제어부(58)는, 제1 출구 온도 검출부(64)의 검출 온도와 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도를 비교하여, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 제1 출구 온도 검출부(64)의 검출 온도 이하인 경우에는, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 제1 출구 온도 검출부(64)의 검출 온도보다도 높아질 때까지 제1 펌프(6)에 브라인의 송출 유량을 감소시킨다. 이때, 제어부(58)는, 제1 펌프(6)로 송출 유량의 감소를 지시하는 제어 신호를 보내고, 제1 펌프(6)는, 수신한 제어 신호에 따라서 브라인의 송출 유량을 감소시킨다.

또한, 제어부(58)는, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 제2 입구 온도 검출부(60)의 검출 온도보다도 높고, 또한, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도와 제2 입구 온도 검출부(60)의 검출 온도의 온도 차가 10℃ 보다도 작은 경우에는, 그 온도 차가 10℃ 이상이 될 때까지 제1 펌프(6)에 브라인의 송출 유량을 감소시킨다. 이때도, 제어부(58)는, 제1 펌프(6)에 송출 유량의 감소를 지시하는 제어 신호를 보냄으로써, 제1 펌프(6)에 브라인의 송출 유량을 감소시킨다.

또한, 이때, 제어부(58)는, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 -30℃로 되도록 제1 펌프(6)의 브라인 송출 유량을 제어한다. 즉, 제어부(58)는, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 -30℃보다도 낮은 경우에는, 제1 펌프(6)에 송출 유량의 감소를 지시하는 제어 신호를 보내고, 제1 펌프(6)는, 수신한 제어 신호에 따라서 브라인의 송출 유량을 감소시킨다. 또한, 제어부(58)는, 제2 출구 온도 검출부(62)의 검출 온도가 -30℃보다도 높은 경우에는, 제1 펌프(6)에 송출 유량의 증가를 지시하는 제어 신호를 보내고, 제1 펌프(6)는, 수신한 제어 신호에 따라서 브라인의 송출 유량을 증가시킨다.

냉각 후의 수소 가스는, 각 제1 유로(32)의 제1 출구(52)(도 2 및 도 5 참조)를 통해서 배출되어, 연료 전지차(90)(도 1 참조)에 공급된다. 한편, 열교환 후의 브라인은, 각 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)로부터 배출 헤더(30)의 내부 공간을 통해서 배관(22)(도 1 참조)으로 배출됨과 함께, 그 배관(22)을 통해서 탱크(4)의 제2 저장실(14)에 도입되어 저류된다. 제2 저장실(14)에 저류된 열교환 후의 브라인은, 제2 펌프(8)에 의해 배관(24)을 통해서 흡인됨과 함께 냉동기(2)에 보내지고, 그 도입부(2a)로부터 냉동기(2)에 도입된다. 냉동기(2)에 도입된 열교환 후의 브라인은, 다시 냉각되어서 냉동기(2)로부터 열교환기(10)에 공급된다.

이상과 같이 해서 본 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 방법이 실시된다.

본 실시 형태에서는, 열교환기(10)의 적층체(26) 내에서 마이크로 채널인 각 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스와 마이크로 채널인 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인 사이에서의 열교환에 의해 수소 가스가 냉각된다. 이로 인해, 브라인의 단위 체적당에서의 수소 가스와의 열교환 효율을 높여 수소 가스의 냉각 효율을 높일 수 있다.

또한, 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스는 하류 측을 향함에 따라서 강온하고, 제2 유로(34)를 흐르는 브라인은 하류측, 즉 제1 유로(32)의 제1 입구(50) 측을 향함에 따라서 승온한다. 본 실시 형태에서는, 각 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스가 전체적으로 상측으로부터 하측으로 향해서 이동함과 함께 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인이 전체적으로 하측으로부터 상측을 향해서 이동하기 때문에, 수소 가스는, 제1 유로(32)의 하류측으로 흐름에 따라서 제2 유로(34)의 상류측의 보다 저온의 브라인과의 사이에서 열교환할 수 있다. 이로 인해, 수소 가스의 냉각 효율을 보다 높일 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 제1 유로(32)의 제1 출구(52)에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 각 제2 유로(34)에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어한다. 이로 인해, 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 제1 유로(32)의 제1 출구(52)에서의 수소 가스의 온도 이하가 되는 경우에 비하여 열교환기(10)에서 브라인으로부터 수소 가스에 부여되는 브라인 유량(단위 체적)당의 냉열이 커져, 수소 가스를 보다유효하게 냉각할 수 있다.

이상과 같이, 본 실시 형태에서는, 수소 가스의 냉각 효율을 높일 수 있기 때문에, 브라인의 사용량을 삭감했다고 해도, 또한, 브라인을 과잉으로 저온까지 냉각하지 않아도, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 열교환기(10)의 적층체(26) 내에 마이크로 채널인 다수의 제1 유로(32)와 마이크로 채널인 다수의 제2 유로(34)를 집적할 수 있다. 이로 인해, 열교환기(10)의 소형화를 도모하면서 수소 가스의 냉각 처리량을 충분히 확보할 수 있다.

따라서, 본 실시 형태에서는, 열교환기(10)의 소형화 및 수소 가스의 냉각 처리량의 확보를 양립하면서, 수소 가스의 냉각에 사용하는 브라인의 사용량을 삭감시킴과 함께, 냉동기(2)에서 브라인의 냉각에 필요로 하는 에너지(냉매의 냉각에 필요로 하는 에너지)의 증대를 억제할 수 있고, 또한, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 브라인의 사용량을 삭감할 수 있음으로써, 냉동기(2)와 열교환기(10) 사이에서 브라인을 순환시키기 위한 제1 펌프(6) 및 제2 펌프(8)의 구동에 필요로 하는 에너지를 삭감할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 각 제1 유로(32)와 각 제2 유로(34)가 꾸불꾸불한 형상으로 형성되어 있다. 이로 인해, 예를 들어 그들의 유로가 직선상으로 형성되어 있는 경우에 비하여 각 기판(38, 40) 1장당 설치되는 유로(32, 34)의 개수는 적어지지만 각 유로(32, 34)의 길이를 크게 할 수 있다. 그 결과, 적층체(26)에 있어서의 제1 유로(32)와 제2 유로(34)의 전열 면적을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 각 기판(38, 40) 1장당 설치되는 유로(32, 34)의 개수가 적어짐에 따라, 그들의 유로(32, 34)에 흘리는 유체의 총 유량이 동일한 경우라도 각 유로(32, 34)를 각각 흐르는 유체의 유속을 올릴 수 있다. 일반적으로, 유로를 흐르는 유체의 유속이 올라가면, 그 유로 내에서의 유체의 난류가 커지고, 그 결과, 전열 성능이 향상된다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 제1 유로(32)와 제2 유로(34)의 전열 면적을 충분히 확보하면서, 각 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스의 유속과 각 제2 유로(34)를 흐르는 브라인의 유속을 올려서 그들의 수소 가스와 브라인 사이에서의 전열 성능을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 수소 가스를 보다 유효하게 냉각할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 유로(34)의 제2 출구(34b)에서의 브라인의 온도가 그 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도보다도 10℃ 이상 높아지도록 각 제2 유로(34)에 도입하는 브라인의 유량을 제어한다. 이로 인해, 열교환기(10)에 있어서 제2 유로(34)를 흐르는 브라인으로부터 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스에 부여되는 냉열을 충분히 크게 할 수 있다. 그 결과, 수소 가스의 냉각 효율을 보다 높일 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 제2 유로(34)의 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도가 -40℃로 되도록 각 제2 유로(34)에 도입하는 브라인의 온도를 제어한다. 이로 인해, 열교환기(10)의 적층체(26)의 수소 취화를 억제하면서, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다. 구체적으로, 적층체(26)를 구성하는 각 기판(38, 40)의 재료인 스테인리스강은 -40℃보다도 저온으로 냉각된 상태에서 수소 가스와 접촉하고 있으면 수소 취화가 현저해지는 것이 알려져 있다. 이로 인해, 본 실시 형태와 같이 제2 입구(34a)에서의 브라인의 온도가 -40℃로 되도록 각 제2 유로(34)에 도입하는 브라인의 온도를 제어함으로써, 적층체(26)는 -40℃ 이상의 온도가 되고, 수소 취화를 억제할 수 있다. 그리고, 제2 입구(34a)에 -40℃의 브라인을 도입함으로써, 적층체(26)의 수소 취화를 억제하면서 제1 유로(32)를 흐르는 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

또한, 금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니며 청구범위에 의해 나타나고, 또한, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.

예를 들어, 제1 유로 및 제2 유로의 형상으로서는, 상기 이외의 다양한 형상을 적용할 수 있다. 예를 들어, 제1 유로 및 제2 유로는, 상기와 같은 되꺽음을 반복하는 사행 형상을 이루는 것에 한정되지 않고, 예를 들어 직선상으로 연장되는 것이어도 된다.

또한, 1장의 제1 기판에 형성되는 제1 유로의 수 및 1장의 제2 기판에 형성되는 제2 유로의 수는, 자유롭게 설정 가능하다. 또한, 각 제1 유로의 폭 및 단면 형상과, 각 제2 유로의 폭 및 단면 형상에 대해서도 자유롭게 설정 가능하다.

또한, 상기 실시 형태에서는, 제1 유로가 배열된 제1 기판과 제2 유로가 배열된 제2 기판이 교대로 적층되어 있지만, 적층의 형태는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 수소 가스를 유통시키는 제1 유로가 배열된 1장의 제1 기판에 대하여, 브라인을 유통시키는 제2 유로가 배열된 2장 이상의 제2 기판이 적층되어도 된다.

또한, 열교환기(적층체)의 배치의 방향은, 상기와 같이 기판의 길이 방향이 상하 방향으로 일치하는 방향에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판의 길이 방향이 수평 방향으로 일치하는 방향이나, 그 밖의 기울기 등에 적합한 것 등으로 열교환기(적층체)를 배치해도 된다.

[실시 형태의 개요]

상기 실시 형태를 정리하면, 이하와 같다.

상기 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 방법은, 비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 방법이며, 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 구비하는 열교환기를 준비하는 준비 공정과, 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 유통시킴과 함께 상기 각 제2 유로에 수소 가스보다도 저온의 브라인을 유통시켜서 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환 시킴으로써 수소 가스를 냉각하는 냉각 공정을 구비하고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 흘림과 함께 상기 각 제2 유로를 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 상기 각 제2 유로에 브라인을 흘리고, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어한다.

이 수소 가스의 냉각 방법에서는, 열교환기의 적층체 내에 있어서 미세 유로인 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 미세 유로인 각 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서의 열교환에 의해 수소 가스가 냉각된다. 이로 인해, 종래의 충전조에 충전된 전열 매체를 개재한 열교환에 의한 수소 가스의 냉각 방법이나 종래의 이중관 내에서의 냉매와 수소 가스 사이에서의 열교환에 의한 수소 가스의 냉각 방법에 비하여, 브라인의 단위 체적당에서의 수소 가스와의 열교환 효율이 높아진다. 그 결과, 브라인의 단위 체적당에서의 수소 가스의 냉각 효율을 높일 수 있다.

또한, 제1 유로를 흐르는 수소 가스는 하류 측으로 향함에 따라서 강온하고, 제2 유로를 흐르는 브라인은 하류측, 즉 제1 유로의 수소 가스의 입구 측으로 향함에 따라서 승온한다. 이 수소 가스의 냉각 방법에서는, 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스가 적층체의 각 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동함과 함께 각 제2 유로를 흐르는 브라인이 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 각 제1 유로에 수소 가스를 도입함과 함께 각 제2 유로에 브라인을 도입한다. 이로 인해, 수소 가스는, 제1 유로가 하류측으로 흐름에 따라, 제2 유로의 상류측의 보다 저온의 브라인과의 사이에서 열교환할 수 있다. 이로 인해, 수소 가스의 냉각 효율을 보다 높일 수 있다.

또한, 이 수소 가스의 냉각 방법에서는, 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어한다. 이로 인해, 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도 이하로 되는 경우에 비하여 브라인으로부터 수소 가스에 부여되는 브라인 유량(단위 체적)당의 냉열이 커진다. 그 결과, 수소 가스를 보다 유효하게 냉각할 수 있다.

이상과 같이, 본 냉각 방법에서는, 수소 가스의 냉각 효율을 높일 수 있기 때문에, 브라인의 사용량을 삭감했다고 해도, 또한, 브라인을 과잉으로 저온까지 냉각하지 않아도, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

또한, 본 냉각 방법에서는, 열교환기의 적층체 내에 미세 유로인 복수의 제1 유로와 미세 유로인 복수의 제2 유로를 집적할 수 있다. 이로 인해, 열교환기의 소형화를 도모하면서 수소 가스의 냉각 처리량을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 본 냉각 방법에서는, 열교환기의 소형화 및 수소 가스의 냉각 처리량의 확보를 양립하면서, 수소 가스의 냉각에 사용하는 브라인의 사용량을 삭감함과 함께, 브라인의 냉각에 필요로 하는 에너지의 증대를 억제할 수 있고, 또한, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 방법에 있어서, 상기 준비 공정에서는, 상기 열교환기로서, 상기 각 제1 유로와 상기 각 제2 유로가 각각 꾸불꾸불한 형상으로 내부에 형성된 적층체를 상기 적층체로서 구비하는 열교환기를 준비하고, 상기 냉각 공정에서는, 수소 가스를 상기 각 제1 유로의 꾸불꾸불한 형상을 따라서 그 각 제1 유로에 유통시키고, 브라인을 상기 각 제2 유로의 꾸불꾸불한 형상을 따라서 그 각 제2 유로에 유통시키는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 예를 들어 유로가 직선상으로 형성되어 있는 경우에 비하여 1층당 설치되는 유로 개수는 적어지지만 각 유로의 길이를 크게 할 수 있다. 이로 인해, 적층체에 있어서의 제1 유로와 제2 유로의 전열 면적을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 1층당에 설치되는 유로 개수가 적어짐에 따라, 그들의 유로에 흘리는 유체의 총 유량이 동일한 경우에서도 각 유로를 각각 흐르는 유체의 유속을 올릴 수 있다. 일반적으로, 유로를 흐르는 유체의 유속이 올라가면, 그 유로 내에서의 유체의 난류가 커지고, 그 결과, 전열 성능이 향상된다. 따라서, 이 구성에서는, 제1 유로와 제2 유로의 전열 면적을 충분히 확보하면서, 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스의 유속과 각 제2 유로를 흐르는 브라인의 유속을 올려서 그들의 수소 가스와 브라인 사이에서의 전열 성능을 향상시킬 수 있고, 수소 가스를 보다 유효하게 냉각할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 방법에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 그 제2 유로의 입구에서의 브라인의 온도보다도 10℃ 이상 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 열교환기의 적층체 내에 있어서 제2 유로를 흐르는 브라인으로부터 제1 유로를 흐르는 수소 가스에 부여되는 냉열을 충분히 크게 하는 것이 가능한 각 제2 유로에의 브라인의 도입 유량의 구체적인 조건을 설정할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 방법에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 제2 유로의 입구에서의 브라인의 온도가 -40℃가 되도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도를 제어하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 열교환기의 적층체의 수소 취화를 억제하면서, 수소 가스를 유효하게 냉각 가능한 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 조건을 설정할 수 있다.

상기 실시 형태에 의한 수소 가스의 냉각 시스템은, 비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 냉각 시스템이며, 브라인을 냉각하는 냉동기와, 상기 냉동기 사이에서 브라인이 순환하도록 상기 냉동기에 접속되고, 수소 가스를 상기 냉동기로부터 공급된 브라인과의 사이에서 열교환 시킴으로써 냉각하는 열교환기와, 상기 냉동기에서 냉각된 브라인을 상기 냉동기로부터 상기 열교환기에 보내는 펌프와, 브라인의 온도를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 열교환기는, 수소 가스가 도입되어서 흐르는 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 브라인이 도입되어서 흐르는 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 갖고 있고, 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시키고, 상기 각 제1 유로는, 수소 가스를 받아들이는 제1 입구와 수소 가스를 배출하는 제1 출구를 갖고, 상기 제1 입구와 상기 제1 출구는, 상기 제1 입구로부터 상기 제1 유로에 도입되어서 상기 제1 유로를 상기 제1 출구측으로 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 배치되고, 상기 각 제2 유로는, 브라인을 받아들이는 제2 입구와 브라인을 배출하는 제2 출구를 갖고, 상기 제2 입구와 상기 제2 출구는, 상기 제2 입구로부터 상기 제2 유로에 도입되어서 상기 제2 유로를 상기 제2 출구측으로 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 배치되고, 상기 제어부는, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록, 상기 냉동기의 작동을 제어함과 함께 상기 펌프가 송출하는 브라인의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.

이 수소 가스의 냉각 시스템에서는, 상기 수소 가스의 냉각 방법과 동일한 이유에 의해, 열교환기의 소형화 및 수소 가스의 냉각 처리량의 확보를 양립하면서, 수소 가스의 냉각에 사용하는 브라인의 사용량을 삭감함과 함께, 브라인의 냉각에 필요로 하는 에너지의 증대를 억제할 수 있고, 또한, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 시스템은, 상기 제1 출구에서의 수소 가스의 온도를 검출하는 제1 출구 온도 검출부와, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도를 검출하는 제2 출구 온도 검출부를 더 구비하고, 상기 제어부는, 상기 제1 출구 온도 검출부에 의해 검출된 온도와 상기 제2 출구 온도 검출부에 의해 검출된 온도에 기초하여, 상기 펌프가 송출하는 브라인의 유량을 제어하는 것이 바람직하다.

상기 수소 가스의 냉각 시스템에 있어서, 상기 각 제1 유로와 상기 각 제2 유로는, 각각 꾸불꾸불한 형상으로 상기 적층체 내에 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 예를 들어 유로가 직선상으로 형성되어 있는 경우에 비하여 1층당 설치되는 유로 개수는 적어지지만 각 유로의 길이를 크게 할 수 있고, 적층체에 있어서의 제1 유로와 제2 유로의 전열 면적을 충분히 확보할 수 있다. 또한, 1층당 설치되는 유로 개수가 적어짐에 따라, 그들의 유로에 흘리는 유체의 총 유량이 동일한 경우에서도 각 유로를 각각 흐르는 유체의 유속을 올릴 수 있다. 일반적으로, 유로를 흐르는 유체의 유속이 올라가면, 그 유로 내에서의 유체의 난류가 커지고, 그 결과, 전열 성능이 향상된다. 따라서, 이 구성에서는, 제1 유로와 제2 유로의 전열 면적을 충분히 확보하면서, 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스의 유속과 각 제2 유로를 흐르는 브라인의 유속을 올려서 그들의 수소 가스와 브라인 사이에서의 전열 성능을 향상시킬 수 있고, 수소 가스를 보다 유효하게 냉각할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제2 입구에서의 브라인의 온도보다도 10℃ 이상 높아지는 유량으로 브라인이 상기 각 제2 유로를 흐르도록 상기 펌프에 브라인을 송출시키는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 열교환기의 적층체 내에 있어서 제2 유로를 흐르는 브라인으로부터 제1 유로를 흐르는 수소 가스에 부여되는 냉열을 충분히 크게 하는 것이 가능한 펌프의 브라인 송출 유량을 구체적으로 설정할 수 있다.

상기 수소 가스의 냉각 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 유로의 입구에서의 브라인의 온도가 -40℃로 되도록 상기 냉동기의 냉각력을 제어하는 것이 바람직하다.

이 구성에 의하면, 열교환기의 적층체의 수소 취화를 억제하면서, 수소 가스를 유효하게 냉각 가능한 냉동기의 브라인의 냉각 온도를 구체적으로 설정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 실시 형태에 따르면, 열교환기의 소형화 및 수소 가스의 냉각 처리량의 확보를 양립하면서, 수소 가스의 냉각에 사용하는 브라인의 사용량을 삭감함과 함께, 브라인의 냉각에 필요로 하는 에너지의 증대를 억제할 수 있고, 또한, 수소 가스를 충분히 냉각할 수 있다.

Claims

비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 방법이며,
미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 구비하는 열교환기를 준비하는 준비 공정과,
상기 각 제1 유로에 수소 가스를 유통시킴과 함께 상기 각 제2 유로에 수소 가스보다도 저온의 브라인을 유통시켜서 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시킴으로써 수소 가스를 냉각하는 냉각 공정을 구비하고,
상기 냉각 공정에서는, 상기 각 제1 유로를 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 상기 각 제1 유로에 수소 가스를 흘림과 함께 상기 각 제2 유로를 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 상기 각 제2 유로에 브라인을 흘리고, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 유로의 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 온도 및 유량을 제어하는, 수소 가스의 냉각 방법.
제1항에 있어서, 상기 준비 공정에서는, 상기 열교환기로서, 상기 각 제1 유로와 상기 각 제2 유로가 각각 꾸불꾸불한 형상으로 내부에 형성된 적층체를 상기 적층체로서 구비하는 열교환기를 준비하고,
상기 냉각 공정에서는, 수소 가스를 상기 각 제1 유로의 꾸불꾸불한 형상을 따라서 그 각 제1 유로에 유통시키고, 브라인을 상기 각 제2 유로의 꾸불꾸불한 형상을 따라서 그 각 제2 유로에 유통시키는, 수소 가스의 냉각 방법.
제1항에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 제2 유로의 출구에서의 브라인의 온도가 그 제2 유로의 입구에서의 브라인의 온도보다도 10℃ 이상 높아지도록 상기 각 제2 유로에 도입하는 브라인의 유량을 제어하는, 수소 가스의 냉각 방법.
비증발성의 부동액인 브라인을 사용해서 수소 가스를 냉각하는 냉각 시스템이며,
브라인을 냉각하는 냉동기와,
상기 냉동기와의 사이에서 브라인이 순환하도록 상기 냉동기에 접속되고, 수소 가스를 상기 냉동기로부터 공급된 브라인과의 사이에서 열교환 시킴으로써 냉각하는 열교환기와,
상기 냉동기에서 냉각된 브라인을 상기 냉동기로부터 상기 열교환기에 보내는 펌프와,
브라인의 온도를 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 열교환기는, 수소 가스가 도입되어서 흐르는 미세 유로인 복수의 제1 유로가 배열된 제1 층과 브라인이 도입되어서 흐르는 미세 유로인 복수의 제2 유로가 배열된 제2 층이 적층된 적층체를 갖고 있고, 상기 제1 유로를 흐르는 수소 가스와 상기 제2 유로를 흐르는 브라인 사이에서 열교환시키고,
상기 각 제1 유로는, 수소 가스를 받아들이는 제1 입구와 수소 가스를 배출하는 제1 출구를 갖고, 상기 제1 입구와 상기 제1 출구는, 상기 제1 입구로부터 상기 제1 유로에 도입되어서 상기 제1 유로를 상기 제1 출구측으로 흐르는 수소 가스가 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 방향에 직교하는 특정 방향에 있어서 일측으로부터 타측을 향해서 이동하도록 배치되고,
상기 각 제2 유로는, 브라인을 받아들이는 제2 입구와 브라인을 배출하는 제2 출구를 갖고, 상기 제2 입구와 상기 제2 출구는, 상기 제2 입구로부터 상기 제2 유로에 도입되어서 상기 제2 유로를 상기 제2 출구측으로 흐르는 브라인이 상기 특정 방향에 있어서 상기 타측으로부터 상기 일측을 향해서 이동하도록 배치되고,
상기 제어부는, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제1 출구에서의 수소 가스의 온도보다도 높아지도록, 상기 냉동기의 작동을 제어함과 함께 상기 펌프가 송출하는 브라인의 유량을 제어하는, 수소 가스의 냉각 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제1 출구에서의 수소 가스의 온도를 검출하는 제1 출구 온도 검출부와,
상기 제2 출구에서의 브라인의 온도를 검출하는 제2 출구 온도 검출부를 더 구비하고,
상기 제어부는, 상기 제1 출구 온도 검출부에 의해 검출된 온도와 상기 제2 출구 온도 검출부에 의해 검출된 온도에 기초하여, 상기 펌프가 송출하는 브라인의 유량을 제어하는, 수소 가스의 냉각 시스템.
제4항에 있어서, 상기 각 제1 유로와 상기 각 제2 유로는, 각각 꾸불꾸불한 형상으로 상기 적층체 내에 형성되어 있는, 수소 가스의 냉각 시스템.
제4항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 출구에서의 브라인의 온도가 상기 제2 입구에서의 브라인의 온도보다도 10℃ 이상 높아지는 유량으로 브라인이 상기 각 제2 유로를 흐르도록 상기 펌프에 브라인을 송출시키는, 수소 가스의 냉각 시스템.