KR20160034981A - 고압 밀봉부용 동적 감압 제어 - Google Patents

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누베라 퓨엘 셀스, 인크.
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Abstract

본 발명은 밀봉부 감압을 동적으로 제어하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이 방법은, 밀봉부의 작동과 관련되어 있는 파라미터 세트를 모니터링하는 단계로서, 상기 파라미터 세트는 밀봉부에 가해지는 최대 압력과 상기 최대 압력에서의 노출 시간을 포함하는, 모니터링 단계; 상기 최대 압력 및 노출 시간 중 적어도 하나에 기초하여 목표 압력 하강속도를 계산하는 단계; 및 상기 목표 압력 하강속도에 기초하는 감압속도에서 밀봉부 주위의 압력을 감소하는 단계를 포함한다. 시스템은 메모리 소자, 그래픽 사용자 인터페이스, 밀봉부 주위의 압력을 모니터하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 송신기, 및 프로세서를 갖는 컨트롤러를 포함하고, 상기 프로세서는 밀봉부 주위에서 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하며 밀봉부의 폭발성 감압을 방지하기 위해 검출되는 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 밀봉부 주위의 압력 하강을 제어하도록 구성된다.

Description

고압 밀봉부용 동적 감압 제어{DYNAMIC DECOMPRESSION CONTROL FOR HIGH PRESSURE SEALS}
본원은 여기에 참고로 통합되어 있는, 2013년 7월 23일자 출원된 미국 가출원 제61/857,281호의 이득을 청구한다.
본 발명은 수소 환경에서 고압에서 작용하는 밀봉부(seal)에 관한 것으로서, 특히 고압 밀봉부의 감압(decompression)을 동적으로 제어하는 것에 관한 것이다.
밀봉부는 누출을 방지하거나, 압력을 수용하거나 또는 오염을 배제함으로써 구성요소들 또는 기구들을 서로 결합하도록 설계되는 디바이스이다. 밀봉부는 다양한 구성으로 되어 있다. 예를 들어, 밀봉부는 플랜지 가스켓(flange gasket), O-링, 호스 커플링 등의 형태를 취할 수 있다. 또한, 밀봉부는 다양한 재료로 되어 있으며, 예를 들어 부틸과 같은 합성 고무, 폴리테트라플로오로에틸렌(PTFE), 폴리이소프렌, 실리콘, 또는 탄성중합체, 폴리우레탄 또는 폴리아미드와 같은 열가소성 재료로 되어 있다.
밀봉부 파손은 밀봉, 응용예, 환경 및 밀봉부와 접촉하는 유체에 의존하여 다양한 이유 때문에 발생할 수 있다. 예를 들어, 작은 분자 가스(예로서 수소)를 취급할 때 밀봉부 파손에 대한 하나의 특별한 메카니즘은 폭발성 감압으로 인한 밀봉 재료의 파손이다. 폭발성 감압은 급격한 압력 저하에 의해 초래될 수 있으며, 이는 주위 압력이 감소할 때 밀봉부 구조물 내에 포획된 가스의 급격한 팽창을 초래한다. 고체 재료(예로서, 중합체 및 탄성중합체)에서 수소에 대해 비교적 느린 확산 속도(rate)로 인하여, 주위 압력이 포획된 가스가 탈출할 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 변할 때, 가스 포켓이 재료 내부에 형성될 수 있고, 이것이 내부로부터 밖으로 재료를 파열시킬 수 있다.
폭발성 감압이 도전에 직면하는 특별한 응용예는 수소를 이용하는 고압 전기화학 전지에 있다. 보통 연료 전지 또는 전해셀(electrolysis cell)로서 분류되는 전기화학 전지는 화학 반응으로부터 전류를 발생시키는데 사용되거나, 또는 전류의 흐름을 이용하여 화학 반응을 유도하는 디바이스이다. 예를 들어, 연료 전지는 연료(예로서, 수소, 천연가스, 메탄올, 가솔린 등) 및 산화제(공기 또는 산소)의 화학 에너지를 전기 및 열과 물의 폐기물로 변환한다.
수소 연료 전지의 기본 기술은 전기화학 수소 압축, 정제 또는 팽창과 같은 전기화학 수소 조작에 적용될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 수소 압축기(EHC)는 수소를 셀의 한 측면에서 다른 측면으로 선택적으로 이동시키는데 사용될 수 있다. 이러한 방법으로 작동하는 EHC는 종종 수소 펌프라고 한다. 축적되는 수소가 한정된 공간으로 제한될 때, 전기화학 전지는 수소를 압축한다. 일부 경우에 수소 압축기는 15,000 psi 까지 또는 이를 초과하는 압력으로 수소를 압축할 수 있다. 개별전지가 생성할 수 있는 최대 압력 또는 유량은 전지 설계에 기초할 수 있다.
전기화학 수소 조작은 수소 관리를 위해 전통적으로 사용되는 기계식 시스템에 대한 실행 가능한 대안으로 나타났다. "수소 경제(hydrogen economy)"의 에너지 캐리어 및 장기간의 지속가능성으로서 수소의 성공적인 상업화는 주로, 연료 전지, 전기분해 셀, 및 기타 수소 조작/관리 시스템(즉, EHC)의 효율, 안전성 및 비용효과에 의존한다. 기체성 수소는 보통 가압 용기(pressurized containment)에 의한 에너지 저장을 위해 편리하고 보편적인 형태이다. 유리하게는, 고압으로 수소를 저장하는 것은 고에너지 밀도를 생성한다. 따라서, 특히 고압 전기화학 전지에 대해 폭발성 감압의 문제를 해결할 필요가 있다.
고압 전기화학 전지 응용예의 폭발성 감압의 문제에 대한 한가지 제안된 해법은 수소가 재료로부터 누출할 수 있는 속도보다 더 느린 고정 속도로 전기화학 스택 또는 전지를 감압하는 것이다. 그러나 이것은 속도가 너무 낮은(conservative) 상황에서는 시스템의 잠재적 반응 시간을 제한한다.
상술한 상황을 고려하여, 본 발명은 고압 밀봉부를 위한 동적 감압 방법 및 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 밀봉부의 작동과 관련되어 있는 파라미터 세트를 모니터링하는 단계로서, 상기 파라미터 세트는 상기 밀봉부에 가해지는 최대 압력과 상기 최대 압력에서의 노출 시간을 포함하는, 상기 모니터링 단계, 상기 최대 압력 및 노출 시간 중 적어도 하나에 기초하여 목표 압력 하강속도(ramp down rate)를 계산하는 단계, 및 상기 목표 압력 하강속도에 기초하는 감압속도로 상기 밀봉부 주위의 압력을 감소하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 목표 압력 하강속도의 계산은 추가로 밀봉부의 구성재료(material of construction)에 기초한다. 다른 실시예에서, 파라미터 세트는 추가로 가스원, 상기 가스원의 수소 부분압, 온도, 습도, 및 밀봉부 수명(seal age)을 포함한다. 다른 실시예에서, 밀봉부의 적어도 일부분은 EPDM, 바이턴(Viton), 나일론, 밸록스(valox), 폴리카보네이트, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌 나프탈레이트로 형성된다. 다른 실시예에서, 밀봉부 주위의 환경은 수소를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 전기화학 스택을 위한 감압을 동적으로 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 전기화학 스택을 위한 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하는 단계, 및 전기화학 스택의 폭발성 감압을 방지하기 위하여 검출된 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 전기화학 스택의 압력 하강을 제어하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 전기화학 스택의 감압 제어 단계는 추가로 전기화학 스택의 구성재료에 기초한다. 다른 실시예에서, 전기화학 스택은 EPDM, 바이턴, 나일론, 밸록스, 폴리카보네이트, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌 나프탈레이트로 형성되는 밀봉부를 포함한다. 다른 실시예에서, 전기화학 스택 가스원은 수소이다.
본 발명의 다른 실시예는 전기화학 스택을 위한 감압을 동적으로 제어하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은, 전기화학 스택 및 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 전기화학 스택에 대한 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하며, 상기 전기화학 스택의 폭발성 감압을 방지하기 위하여 검출되는 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 전기화학 스택의 압력 하강을 제어하도록 구성되어 있다.
다른 실시예에서, 압력 하강의 제어는 추가로 전기화학 스택의 구성재료에 기초한다. 다른 실시예에서, 전기화학 스택은 약 0 psi 내지 약 15,000 psi 범위에 있는 작동 압력에서 작동하도록 구성되어 있다.
본 발명의 다른 실시예는 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 메모리 소자, 그래픽 사용자 인터페이스, 밀봉부 주위의 압력을 모니터하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 송신기, 및 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 밀봉부 주위에서 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하며, 상기 밀봉부의 폭발성 감압을 방지하기 위해 검출되는 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 상기 밀봉부 주위의 압력 하강을 제어하도록 구성되어 있다.
다른 실시예에서, 압력 하강의 제어는 추가로 밀봉부의 구성재료에 기초한다. 다른 실시예에서, 밀봉부 주위의 환경은 수소를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는, 밀봉부에 대한 시간-변화 압력 레벨에서 총 노출 시간을 축적하기 위한 적분 함수(integrating function)를 실행함으로써 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법으로서, 목표 하강 속도는 압력-가중 함수에 기초하여 계산될 수 있는 방법에 관한 것이다.
상기 일반적인 설명 및 아래의 상세한 설명은 모두 단지 실례를 들어 설명한 것에 불과하고 청구한 바와 같이 개시를 제한하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
본 명세서의 일부에 통합되고 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 예시하며, 이 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는데 사용된다.
도 1은 예시적 실시예에 따라 전기화학 스택 시스템의 부분의 개략도.
도 2는 예시적 실시예에 따라 컨트롤러의 부분의 개략도.
도 3은 예시적 실시예에 따라 다양한 감압 시나리오를 도시하는, 압력 대 시간 차트.
도 4는 예시적 실시예에 따라 다양한 감압 시나리오를 도시하는, 압력 대 시간 차트.
도 5는 예시적 실시예에 따라 다양한 감압 시나리오를 도시하는, 압력 대 시간 차트.
도 6은 예시적 실시예에 따라 다양한 감압 시나리오를 도시하는, 압력 대 시간 차트.
도 7은 예시적 실시예에 따라 감압 제어 방법을 도시하는 플로우 차트.
이제 첨부 도면에 실례가 예시되어 있는, 본 발명의 현재의 예시적 실시예를 상세히 참고하기로 한다. 가능한 무엇이든지, 동일한 참고부호는 도면 전체를 통해 동일하거나 유사한 부분들을 지칭하는데 사용될 것이다. 수소를 이용하는 전기화학 전지 및 스택과 관련하여 설명되어 있지만, 본 발명의 방법 및 시스템은 가압 밀봉 시스템의 다양한 형식과 함께 채용될 수 있는 것으로 이해된다.
도 1은 예시적 실시예에 따라 전기화학 스택 시스템(100)의 일부분을 도시한다. 전기화학 스택 시스템(100)은 전기화학 스택(110) 및 전기화학 스택(110)과 통신하는 컨트롤러(120)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기화학 스택(110)은 전기화학 스택(110)을 형성하도록 서로 인접하게 적층된 다수의 전기화학 전지(111)로 구성될 수 있다. 컨트롤러(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 스택(11)으로부터 분리되도록 구성될 수 있거나 또는 다양한 다른 실시예에 따라 컨트롤러(120)는 스택(110) 내에 통합되도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 컨트롤러(120)는 다수의 전기화학 스택과 통신하며 제어하도록 구성될 수 있다.
작동 시에, 예시적 실시예에 따라, 수소 가스가 전기화학 스택(110)에 공급되어 각각의 전기화학 전지(111)에 분배될 수 있다. 전위가 인가될 수 있고, 각 전기화학 전지(111) 내의 수소가 산화되어 수소를 전자 및 양자로 분할시킬 수 있다. 양자는 전자가 주위에서 경로가 재설정되는 동안 각각의 전기화학 전지(111) 내에서 양자 교환 멤브레인(도시되지 않음)을 통해 전기화학적으로 수송될 수 있다. 반대편 측면에서, 양자 교환 멤브레인 수송 양자 및 경로 재설정 전자가 감소되어 수소를 형성한다. 반대편 측면에서 수소가 더 많이 형성됨에 따라 수소가 제한된 공간 내에서 압축(compress)되어 가압될 수 있다(pressurized).
각각의 전기화학 전지(111) 내에서 및 전기화학 스택(110) 내에서, 다수의 고압 영역 및 다수의 밀봉부가 다수의 압력 영역을 형성할 수 있다. 각각의 압력 영역에 대해 경계부로서 작용하는 구성요소들(예로서, 판, 밀봉부 등)은 가변 압력에서 수소 가스에 노출될 수 있다. 예를 들어, 전기화학 스택(110) 내의 압력은 약 0 psi 내지 약 15,000 psi 범위에 있을 수 있다.
작동 시에, 밀봉부상에 압력으로 인하여 힘을 가하는 수소 가스의 적어도 일부분은 밀봉 재료(예로서, 중합체 및 탄성중합체) 내로 확산될 수 있다. 밀봉 재료 내로 확산되는 수소량은 밀봉부상에 가해지는 수소 압력 및 노출 시간에 기초를 둘 수 있다. 밀봉부가 주어진 압력 동안 포화될 수 있고 밀봉 재료 내로의 수소의 확산이 정지되는 시간이 있을 수 있다. 이러한 포화 시간은 수소 압력에 의존할 수 있으며, tmax로서 언급될 수 있다. 다양한 실시예에 따라서, 구성재료가 포화 시간(tmax)을 결정하는데 고려될 수 있다. 덧붙여, 밀봉부 기하형태(예로서, 두께)가 포화 시간(tmax)에 영향을 줄 수 있다. 포화 시간(tmax)은 구성재료의 기하형태 및 확산 속도의 조합된 함수가 될 수 있다.
전기화학 스택(110)은 예를 들어 응용예, 부하 조건 등의 여러 인자에 의존하여 다른 주기 동안 다른 압력에서 작동할 수 있다. 전기화학 스택(110) 내의 압력은 다양한 이유로, 예를 들어 작동 파라미터의 변화 또는 운전정지(shutdown)의 일부로서 감소될 수 있다. 비상 운전 정지의 경우, 압력은 안전성 및 서비스 때문에 작동 압력에서부터 대기압까지 변할 수 있다. 정상 작동 조건하에서 전기화학 스택(110)의 출구는 저장 용기의 여러 압력 레벨에 노출될 수 있다.
수소 가스가 밀봉 재료에서부터 확산될 수 있는 속도보다 더 빠른 속도로 전기화학 스택(110) 내의 압력이 하강하면 가스 포켓이 밀봉부 구조물의 내부에 형성될 수 있다. 그 결과, 외부 수소 압력이 감소됨에 따라 가스 포켓의 체적이 증가하여 높은 내부 응력을 생성하며, 이것이 밀봉부를 변형시켜 균열시킬 수 있다(즉, 폭발성 감압).
폭발성 감압의 잠재력을 감소시키기 위해, 전기화학 전지(110) 내의 감압 속도를 제어하여 밀봉 재료의 내부에서 가스 포켓의 형성을 제한하며 낮은 내부 응력을 유지할 수 있다. 압력 하강속도를 제어하는 것은, 밀봉부 내에서의 가스 포켓 및 높은 내부 응력을 형성하지 않고 압력차의 결과로서 밀봉부로부터 밀봉 재료 내로 확산된 수소를 빠져나갈 수 있게 허용하는 충분히 낮은 속도로 전기화학 스택(110) 내에서 수소 가스의 압력을 감소시키는 것을 포함할 수 있다.
간략하게 위에서 설명한 바와 같이, 압력 하강속도는 주어진 시나리오에 기초하여 고정된 감압속도로 제어될 수 있다. 예를 들어, 고정된 감압속도는, 전기화학 스택의 최대 작동 압력 및 노출 시간(tmax)이 되는, 가장 최악의 경우의 시나리오에 기초하여 계산될 수 있다. 가장 최악의 경우의 시나리오에 기초하여 고정된 감압속도를 계산하면 작동 압력 또는 노출 시간에 관계없이 감압이 충분히 낮아질 것임을 보장할 수 있다. 그러나 가장 최악의 경우의 시나리오에 기초하여 제어하면, 전기화학 전지가 최대 작동 압력 또는 최대 노출 시간보다 작은 상태에서 작동할 때에는 너무 느린 하강 시간 때문에 비효율적이 될 수 있다.
대안으로, 평균 작동 압력 및 노출 시간에 기초하여 고정된 감압속도를 계산하면 여전히 폭발성 감압이 발생할 수 있는 상황을 형성할 수 있다. 따라서 전기화학 스택의 응답 시간이 스택의 작동, 성능 및 효율에서 중요한 인자가 될 수 있기 때문에, 전기화학 스택의 감압을 실시간으로 동적으로 제어하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, 약 15,000 psi 내지 약 0 psi의 압력에서 작동하는 전기화학 스택에 대한 하강 시간은 가장 최악의 경우의 시나리오에서 고정된 하강속도에 기초하여 약 30분 제어될 수 있었다. 동적으로 압력을 제어함으로써, 약 15,000 psi에서 노출 시간이 비교적 짧은 상황에서 약 5분 미만으로 시간이 단축될 수 있다.
전기화학 스택 시스템(100)은 본 실시예에 따라 감압 전이를 개시하기 전에 전기화학 스택의 시간-이력에 기초하여 압력 하강속도를 계산함으로써 전기화학 스택(110)의 감압을 동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 컨트롤러(120)는 시간-이력 파라미터들을 모니터하고 감압 전이의 개시 시에 이 파라미터들을 사용하여 목표 압력 하강속도를 실시간으로 계산하도록 구성될 수 있다. 모니터되는 파라미터들은 최대 압력, 그 압력에서 소비되는 시간, 및 밀봉부(들)을 위한 구성재료(들)을 포함할 수 있다. 컨트롤러(120)는 하나 이상의 파라미터를 사용하여 노출 압력의 시간에 따른 합계에 노출 시간을 곱하고 가중 인자를 포함한 것에 기초하여 하강속도를 계산하도록 구성될 수 있다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 컨트롤러(120)의 개략도를 도시한다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 컨트롤러(120)는 감압을 겪는 밀봉부를 갖는 어떠한 가압된 디바이스(pressurized device)와 접속하도록 구성될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(120)는 가압된 디바이스(200)의 내부 압력을 판독하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 송신기(130) 또는 기타 대등한 디바이스를 포함할 수 있다. 덧붙여, 컨트롤러(120)는 가압된 디바이스(200)와 소통할 수 있으며, 가압된 디바이스(200)의 입구 및 출구 유동을 제어함으로써 목표 압력 하강속도에서 가압된 디바이스(200)의 감압을 실행하도록 구성될 수 있다. 유동은 밸브 또는 기타 유체 취급 구성요소(도시되지 않음)을 사용하여 제어될 수 있다.
압력 송신기(130)는 가압된 디바이스(200) 내에서 적어도 하나의 가압된 영역 내의 압력을 모니터하도록 구성된 하나 이상의 압력 송신기로 구성될 수 있다. 예를 들어, 압력 송신기(130)는 스택(110)의 전체 압력을 모니터하도록 구성될 수 있거나 또는 개별 전기화학 전지(111) 각각의 내부에 있는 압력을 모니터하도록 구성될 수 있다.
압력 송신기(130)에 부가하여, 컨트롤러(120)는 프로세서(121), 메모리 디바이스(122), 및 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(123)로 구성될 수 있다. 컨트롤러(120)는 세트 간격에서, 예로서, 1분, 30초, 15초, 5초, 1초, 0.5초 또는 0.1초마다 파라미터들을 모니터하고 기록하도록 구성될 수 있다. 덧붙여, 컨트롤러(120)는 가장 최근의 파라미터들에 기초하여 목표 하강속도를 연속적으로 계산하도록 구성될 수 있다. 예시적 실시예에 따라서, 목표 하강속도는 폭발성 감압 및 과도한 하강 시간에 대한 잠재력의 균형을 맞추도록 설계될 수 있다. GUI(123)는 사용자가 파라미터들, 예로서, 밀봉 재료, 작동 압력 범위, PID 루프 파라미터, 가스원, 밀봉부 모델, 밀봉부 기하형태, 안전율 등을 입력할 수 있도록 구성될 수 있다.
대안 실시예에서, 모니터된 파라미터에 기초하여 압력 하강속도를 계산하기 보다 컨트롤러(120)는 참조표(lookup table) 또는 데이터베이스를 이용할 수 있다. 참조표 또는 데이터베이스는 가능한 작동 압력의 전체 범위, 압력에 소비된 시간, 및 밀봉부의 구성재료에 기초하여 압력 하강속도에 대해 사전-계산된 값을 가질 수 있다.
실례 1
도 3은 전기화학 스택(110)에 대한 다양한 감압 시나리오들을 예시하는 압력 대 시간의 차트를 도시한다. 시나리오들은 2개의 다른 압력 레벨(PA 및 PB)들로 분리될 수 있다. 압력 레벨(PB)은 점선으로 도시되어 있고, 압력 레벨(PA)은 실선으로 도시되어 있다. 도 3은 하강속도(r)가 최대 작동 압력 및 최대 작동 압력에서의 노출 시간에 기초하여 어떻게 변화할 수 있는지 예시하고 있다. 도 3에 도시된 시나리오들에 대해, 밀봉부의 구성재료는 모든 시나리오에 대해 동일한 것으로 가정한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학 스택(110) 내의 압력은 다른 압력 기울기(PA 및 PB)로 도시된 바와 같이 다른 속도로 하강할 수 있다. PA 및 PB 양쪽에 대한 압력은 압력이 안정될 때까지 상승한다. 도 3에 도시된 바와 같이, PB에 대한 압력은 PA보다 크다.
압력이 안정된 후, 3개의 다른 하강 시나리오가 PA에 대하여 도시되어 있다. 제1 하강 시나리오는 하강속도 r1에서 t1의 기간 후에 하강이 시작할 때 발생하고, 제2 하강 시나리오는 하강속도 r2에서 t2의 기간 후에 하강이 시작할 때 발생하고, 제3 하강 시나리오는 하강속도 r3에서 t3의 기간 후에 하강이 시작할 때 발생한다. 하강속도는 하강 라인의 기울기(ΔP/Δt)와 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 노출 시간(t3)은 노출 시간(t2)보다 크고, 노출 시간(t2)은 노출 시간(t1)보다 크다. 따라서 각 시나리오에 대해 최대 압력이 동일하기 때문에, 하강속도는 노출 시간에 기초하여 변할 수 있다. 그러므로 t1이 가장 짧은 노출 기간이기 때문에 최소량의 수소가 밀봉 재료로 확산되었을 것이며, 이 경우 하강속도(r1)는 하강속도(r2)보다 클 수 있고, 하강속도(r2)는 하강속도(r3)보다 클 수 있다.
유사하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 압력 레벨(PB)에 대해서, 노출 시간(t5)은 노출 시간(t4)보다 크다. 따라서 하강속도(r4)는 하강속도(r5)보다 클 수 있다. 덧붙여, PB가 PA보다 크기 때문에, t5가 t4와 동일하면 그때 r3는 r5보다 크거나 또는 이와 동일할 수 있다. 대체로, 감압 속도는 최대 압력에서 소비된 시간에 반비례하고, 최대 노출된 압력 레벨에 반비례한다. 노출된 압력 레벨에 대한 비례성은 비선형이 될 수 있다고 생각된다.
실례 2
도 4는 전기화학 스택(110)에 대한 3가지 감압 시나리오들을 예시하는 압력 대 시간의 차트를 도시한다. 도 4는 도 3과 유사하며, 다만, 도 4는 단지 압력 레벨 PA만을 도시하며, 도 4에서 t2 및 t3는 포화 시간(tmax)을 초과하는 것이 다르다.
따라서 구성재료가 동일하다고 가정하면 r2 및 r3는 동일하며, 왜냐하면 포화 시간이 양쪽에 대해 노출 시간으로서 사용되고 최대 압력이 동일하기 때문이다.
실례 3
대조적으로, 도 5는 전기화학 스택(110)을 위한 구성재료가 다른 경우 2가지 감압 시나리오를 예시하는 압력 대 시간의 차트를 도시한다. 양쪽 시나리오에서 최대 압력에서의 노출 시간은 t1과 동일하고, t1은 포화 시간(tmax)보다 크다. 덧붙여, 최대 압력은 양쪽 시나리오에 대해 동일하다. 따라서 2가지 시나리오 사이의 차이는 경계 구성요소들의 구성재료가 될 수 있다. 시나리오 1은 기울기(r1)를 갖는 실선 하강 라인으로 표현될 수 있다. 시나리오 2는 기울기(r2)를 갖는 점선 하강 라인으로 표현될 수 있다. 도 5에 기초하여, 시나리오 1에 대한 전기화학 스택(110)의 재료는 밀봉부로부터의 수소 확산 속도가 시나리오 2에 대한 전기화학 스택(110)의 밀봉부보다 더 크다. 시나리오 1에 대해 더 높은 수소 확산 속도 때문에 하강속도(r1)는 r2보다 클 수 있고, 그 결과 응답 시간이 도 5에 도시된 바와 같이 더 짧을 수 있다.
실례 4
다른 실시예에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 하강은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 완만한 점차적인 감소이기보다 다수의 단계로 실행될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 압력이 하강하고 다음에 다시 압력이 하강하기 전에 실질적으로 안정된다. 다수의 단계적 하강(step down)에 대한 전체 감압 속도는 변동없는 하강에 대한 전체 감압 속도와 실질적으로 동일할 수 있다.
다른 실시예에서, 하강속도는 비선형(예로서, 지수, 대수, 다항)이 될 수 있다. 예를 들어, 하강속도는 더 높은 압력에서 더 느려질 수 있고, 압력이 감소함에 따라 하강속도는 지수적으로 증가할 수 있다.
다양한 실시예에서, 추가 파라미터들이 모니터되어 하강속도의 계산에 고려될 수 있다. 예를 들어, 가스원, 가스원에서의 수소 분압, 온도, 습도, 및 밀봉부 수명이다.
다양한 다른 실시예에서, 하강속도가 재계산될 수 있고, 하강속도가 감압 개시뿐만 아니라 감압 전체를 통해 조정될 수 있다고 생각된다.
도 7은 예시적 실시예에 따라서 고압 밀봉부에 대한 감압을 동적으로 제어하는 방법의 여러 단계를 예시하는 흐름도이다. 이 방법은 밀봉부의 작동과 관련되어 있는 파라미터 세트를 모니터하는 것을 포함한다. 파라미터 세트는 밀봉부에 좌우되는 최대 압력과, 최대 압력에서의 노출 시간을 포함할 수 있다. 감압 전이가 개시되면, 최대 압력 및 노출 시간 중 적어도 하나에 기초하여 목표 압력 하강속도의 계산이 실행될 수 있다. 다음에 감압(즉, 압력 감소)이 목표 하강속도에 기초하여 결정되는 감압 속도에서 개시될 수 있다. 다양한 실시예에 따라서 감압 속도는 목표 하강속도와 동일할 수 있거나 또는 감압 속도는 목표 하강속도로부터 예를 들어 약 ±1%, 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 또는 50% 초과만큼 변할 수 있다.
다양한 실시예에 따라서 감압 도중에 파라미터들이 연속적으로 모니터될 수 있고, 목표 하강속도가 피드백 루프 제어를 제공하도록 업데이트될 수 있다.
다른 실시예에서, 컨트롤러(120)는 적분 함수를 실시하도록 구성될 수 있다. 이 함수는 시간-변화 압력 레벨에서 총 노출 시간을 축적할 수 있다. 하강속도는 압력 가중 함수에 기초하여 계산될 수 있다. 예를 들어, 하강속도는 P*d(t)의 적분이 될 수 있다. 아직 다른 실시예에서, 컨트롤러(120)의 하강 제어는 특정한 압력 임계값보다 높은 값에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(120)는 전기화학 전지 내의 압력이 약 100 psi, 500 psi, 1,000 psi, 5,000 psi, 10,000 psi 또는 15,000 psi보다 높은 압력으로 상승할 때 하강속도를 계산하는 것으로 시작할 수 있다.
다양한 실시예에 따라, 하강속도를 제어하는 것은 고압 디바이스의 밀봉부에 대한 "폭발성 감압(explosive decompression)"을 실질적으로 제한하거나 방지할 수 있다. 하나의 특별한 실시예는, 스택의 밀봉부가 폭발성 감압으로부터 손상을 받기 쉬운 전기화학 스택에 대해 하강속도를 제어하는 것이다. 전기화학 스택을 위한 밀봉부는 어떠한 탄성중합체 또는 중합체 재료로 형성될 수 있으며, 이러한 재료는 EPDM, 바이턴, 나일론, 밸록스, 폴리카보네이트, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 및 폴리에틸렌 나트팔레이트를 포함하며, 이들로 제한하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예는 여기 본 발명의 명세서 및 실시를 고려하는 숙련자에게는 명백할 것이다. 명세서 및 실례들은 아래 청구범위에 의해 지적되어 있는 본 발명의 진정한 범위 및 정신을 가지고 단지 실례로서만 고려하도록 의도되어 있다.

Claims (18)

  1. 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법으로서,
    밀봉부의 작동과 관련되어 있는 파라미터 세트를 모니터링하는 단계로서, 상기 파라미터 세트는 상기 밀봉부에 가해지는 최대 압력과 상기 최대 압력에서의 노출 시간을 포함하는, 상기 모니터링 단계;
    상기 최대 압력 및 노출 시간 중 적어도 하나에 기초하여 목표 압력 하강속도를 계산하는 단계; 및
    상기 목표 압력 하강속도에 기초하는 감압속도에서 상기 밀봉부 주위의 압력을 감소시키는 단계를 포함하는 밀봉부 감압 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 감압속도는 상기 목표 압력 하강속도의 ±50% 내에 있는, 밀봉부 감압 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 목표 압력 하강속도의 계산은 추가로 밀봉부의 구성재료에 기초하는, 밀봉부 감압 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 파라미터 세트는 추가로 가스원, 상기 가스원의 수소 부분압, 온도, 습도, 밀봉부 두께, 밀봉부 기하형태, 및 밀봉부 수명을 포함하는, 밀봉부 감압 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 밀봉부의 적어도 일부분은 EPDM, 바이턴(Viton), 나일론, 밸록스, 폴리카보네이트, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트로 형성되는, 밀봉부 감압 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부 주위의 환경은 수소를 포함하는, 밀봉부 감압 제어 방법.
  7. 전기화학 스택을 위한 감압을 동적으로 제어하는 방법으로서,
    전기화학 스택을 위한 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하는 단계; 및
    전기화학 스택의 폭발성 감압을 방지하기 위하여, 상기 검출된 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 상기 전기화학 스택의 압력 하강을 제어하는 단계;를 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기화학 스택의 감압 제어 단계는 추가로 전기화학 스택의 구성재료에 기초하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기화학 스택은 EPDM, 바이턴, 나일론, 밸록스, 폴리카보네이트, 실리콘, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리우레탄, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 또는 폴리에틸렌 나프탈레이트로 형성되는 밀봉부를 포함하는, 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 전기화학 스택의 가스원은 수소인, 방법.
  11. 전기화학 스택을 위한 감압을 동적으로 제어하는 시스템으로서,
    전기화학 스택; 및
    컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 전기화학 스택을 위한 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하며, 상기 전기화학 스택의 폭발성 감압을 방지하기 위하여, 상기 검출된 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 상기 전기화학 스택의 압력 하강을 제어하도록 구성되는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 압력 하강의 제어는 추가로 전기화학 스택의 구성재료에 기초하는, 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전기화학 스택은 약 0 psi 내지 약 15,000 psi 범위에 있는 작동 압력에서 작동하도록 구성되는, 시스템.
  14. 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 시스템으로서,
    컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는,
    메모리 소자, 그래픽 사용자 인터페이스, 밀봉부 주위의 압력을 모니터하도록 구성되는 적어도 하나의 압력 송신기, 및 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 밀봉부 주위에서 최대 노출 압력 및 최대 압력에서의 노출 시간을 검출하며, 상기 밀봉부의 폭발성 감압을 방지하기 위해 검출되는 상기 최대 노출 압력 및 노출 시간에 기초하여 상기 밀봉부 주위의 압력 하강을 제어하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 압력 하강의 제어는 추가로 상기 밀봉부의 구성재료에 기초하는, 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 밀봉부 주위의 환경은 수소를 포함하는, 시스템.
  17. 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법으로서,
    상기 밀봉부에 대한 시간-변화 압력 레벨에서 총 노출 시간을 축적하기 위한 적분 함수를 실행하는 단계를 포함하고, 목표 하강 속도는 압력-가중 함수에 기초하여 계산되는, 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 목표 압력 하강속도에 기초하는 감압속도에서 상기 밀봉부 주위의 압력을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 밀봉부 감압을 동적으로 제어하는 방법,
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