KR20170026564A

KR20170026564A - 멀티 스택 전기 화학 압축기 시스템 및 동작 방법

Info

Publication number: KR20170026564A
Application number: KR1020177002726A
Authority: KR
Inventors: 케빈 베버리지; 스캇 블란쳇
Original assignee: 누베라 퓨엘 셀스, 엘엘씨
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-03-08
Also published as: JP6574248B2; US10000855B2; AU2015284015B2; US20160002795A1; CN106795638A; WO2016004288A1; CN106795638B; JP2017529460A; EP3164528A1; ES2670023T3; AU2015284015A1; CA2953829A1; EP3164528B1

Abstract

멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기(EHC) 시스템이 제공된다. EHC 시스템은 두 개 이상의 EHC 스택들을 구비하고, 각각의 EHC 스택은 적어도 하나의 전기 화학 셀 및 전원을 포함한다. EHC 시스템은 또한 각각의 EHC 스택의 전원과 연결하는 제어기를 구비할 수 있고, 제어기는 각각의 EHC 스택의 전원을 독립적으로 제어함으로써 EHC 시스템의 총 에너지 소비를 감소시키도록 구성된다.

Description

멀티 스택 전기 화학 압축기 시스템 및 동작 방법{MULTI-STACK ELECTROCHEMICAL COMPRESSOR SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING}

본 출원은 그의 전체가 참조로 통합되는 2014년 7월 2일에 출원된 미국 가출원 제 62/020,030 호의 이익을 주장한다.

본 개시는 멀티-스택 전기 화학 압축기(EHC) 시스템 및 동작 방법에 관한 것이고, 특히 전력 소비를 최적화하기 위한 멀티-스택 EHC 시스템 및 방법에 관한 것이다.

수소는 종래 전원들에 실행 가능한 대안으로서 출현했다. 수소의 에너지 캐리어로서의 성공적인 상업화 및 "수소 경제"의 장기간 유지 가능성은 수소 연료 전지들, 수소 전해 셀들, 수소 생성, 수소 조작/관리 시스템들(예를 들면, 압축기들), 및 수소 분배 시스템들의 효율 및 비용 효율성에 크게 의존한다. 기체 수소는 일반적으로 가압된 봉쇄에 의한 에너지 저장의 편리하고 효율적인 수단이다. 이롭게는, 고압에서 수소를 저장하는 것은 높은 에너지 밀도를 산출한다.

전기 화학 수소 압축기들(EHC)는 수소에 압력을 가하기 위한 조용하고, 크기 조정 가능하고, 모듈식이고, 효율적인 메커니즘들이다. EHC는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)로 형성될 수 있다. MEA는 음으로 하전된 애노드, 양으로 하전된 캐소드, 및 애노드와 캐소드를 분리하는 양자 교환 멤브레인을 포함할 수 있다. 전류는 MEA를 통해 통과될 수 있고 동시에 수소를 함유하는 기체는 음으로 하전된 애노드에 접촉할 수 있고, 애노드에서 수소 분자들은 산화될 수 있고, 반응은 두 개의 전자들 및 두 개의 양자들을 생성할 수 있다. 두 개의 양자들은 양으로 하전된 캐소드로 멤브레인을 통해 전기 화학적으로 운반될 수 있고, 그들은 두 개의 재라우팅된 전자들에 의해 재결합될 수 있고 수소 분자를 형성하기 위해 환원될 수 있다. 이러한 방식으로 동작하는 EHC들은 때때로 수소 펌프들이라고 불린다. 양으로 하전된 캐소드에서 축적된 수소가 한정된 공간으로 제한될 때, EHC는 수소에 압력을 가한다. EHC는 또한 EHC 스택이라고도 불릴 수 있다.

EHC 스택들은 더 높은 압력들로 수소의 압축을 가능하게 하는 멀티-스테이지 EHC 스택들을 형성하기 위해 직렬로 배열될 수 있다. EHC 스택들은 또한 증가된 체적 용량을 가능하게 하는 멀티-스택 EHC 시스템들을 형성하기 위해 병렬로 배열될 수 있다. 종래에 멀티-스택 EHC 시스템은 두 개 이상의 EHC 스택들을 포함할 수 있다. 멀티-스택 EHC 시스템에 대하여, 전원 전달자들은 모든 EHC 스택들에게 전력을 공급하고 시스템에 대한 총 전류는 수소의 처리량을 유지하도록 제어된다. 이러한 관계는 이하에 보여지는 수식(1)으로 표현된다.

따라서, 멀티-스택 EHC 시스템은 모든 스택들에 대해 동일한 전류를 요구하는 단일 부하상에 단일한 큰 스택의 역할을 한다. 이러한 관계는 이하에 보여지는 전류에 대한 수식들(2) 및 전력에 대한 수식(3)으로 표현될 수 있다.

동작의 이러한 방법에 대한 불리한 점들 중 하나는 불량 스택(예를 들면, 오작동 또는 열화된)이 이후 그의 안전 범위를 넘어 동작하도록 강제되어, 열화가 빠르게 가속하고 동시에 에너지 효율 또한 악화한다는 것이다. 열화의 가능성을 감소시키고 불량 스택의 안전 한계들 내에 동작하게 하기 위한 하나의 방법은 총 시스템 정격 감소(totla system derating)이다. 예를 들면, 불량 성능 셀 또는 스택의 경우, 총 시스템 전류 및 전력은 불량 셀 또는 스택 장애를 방지하기 위해 감소될 수 있다. 이러한 방법이 불량 셀 또는 스택 장애의 가능성을 감소시킬 수 있지만, 이는 에너지 효율이 여전히 악화되고 총 시스템 전류 및 전력을 감소시키는 것은 시스템 처리량을 감소시키기 때문에 최적은 아니다.

전술된 환경들을 고려해 볼 때, 본 개시는 멀티-스택 EHC 시스템을 동작시키기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다.

일 양태에서, 본 개시는 멀티-스택 전기 화학 수소 압축기(EHC) 시스템에 관한 것이다. EHC 시스템은 두 개 이상의 EHC 스택들을 포함할 수 있고, 각각의 EHC 스택은 적어도 하나의 전기 화학 셀 및 전원을 포함한다. EHC 시스템은 또한 각각의 EHC 스택의 전원과 연결하는 제어기를 포함할 수 있고, 제어기는 각각의 EHC 스택의 전원을 독립적으로 제어함으로써 EHC 시스템의 총 에너지 소비를 감소시키도록 구성된다.

다른 양태에서, 본 개시는 두 개 이상의 EHC 스택들을 갖는 멀티-스택 전기 화학 수소 압축기(EHC) 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 수소를 함유하는 가스 스트림을 두 개 이상의 EHC 스택들로 지향시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 독립적인 전원들로부터 두 개 이상의 EHC 스택들에 전력을 공급하는 단계 및 각각의 EHC 스택에 독립적으로 공급된 전력을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

본 개시의 추가의 목적들 및 이점들은 후속하는 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 상세한 설명으로부터 부분적으로 명백해질 것이거나, 또는 본 개시의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 개시의 목적들 및 이점들은 첨부된 청구항들에서 특별히 지시되는 요소들 및 조합들에 의해 실현 및 획득될 것이다.

전술한 일반적인 기술 및 다음의 상세한 설명들 모두는 단지 예시적 및 설명적이고 청구되는 본 개시를 제한하지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 명세서의 일 부분에 통합되고 그를 구성하는 첨부하는 도면들은 본 개시의 수 개의 실시예들을 도시하고, 상세한 설명과 함께 본 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.

본 발명은 멀티-스택 EHC 시스템을 동작시키기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다.

도 1은 일 예시적인 실시예에 따라 멀티-스택 전기 화학 수소 압축기(EHC) 시스템을 도시하는 도면.
도 2는 일 예시적인 실시예에 따라 멀티-스택 EHC 시스템을 도시하는 도면.
도 3은 멀티-스택 EHC 시스템을 동작시키는 일 예시적인 개시된 방법을 도시하는 플로차트.
도 4는 멀티-스택 EHC 시스템을 동작시키는 일 예시적인 개시된 방법을 도시하는 플로차트.
도 5는 멀티-스택 EHC 시스템을 작동시키는 일 예시적인 개시된 방법을 도시하는 플로차트.

본 개시의 본 예시적인 실시예들에 대한 참조가 여기서 상세히 만들어질 것이고, 그의 예들이 첨부하는 도면들에 예시된다. 가능한 모든 경우에, 동일한 참조 번호들이 동일하거나 유사한 부분들을 나타내기 위해 도면들 전체에서 사용될 것이다.

본 개시는 수소에 압력을 가하는 것과 같이 특정한 적용을 위한 예시적인 실시예들을 참조하여 여기에 기술된다. 여기에 기술된 실시예들이 그로 제한되지 않는 것이 이해된다. 본 기술 분야에서 일반적인 기술을 갖고 여기에 제공된 교시들에 대한 접근하는 사람들은 모두가 본 개시의 범위에 속하는 균등물들의 추가의 변경들, 적용들, 실시예들 및 대체를 인식할 것이다. 따라서, 본 개시는 전술한 또는 후속하는 기술들로 한정되지 않는다.

도 1은 일 예시적인 실시예에 따라 멀티-스택 전기 화학 수소 압축기(EHC) 시스템(100)의 개략도이다. EHC 시스템(100)은 하나 이상의 EHC 스택들(120)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 도면에 도시된 EHC 시스템(100)은 두 개의 EHC 스택들(즉, EHC 스택(121) 및 EHC 스택(122))을 포함한다. 다른 실시예들에서, EHC 시스템(100)은 두 개보다 많은 EHC 스택들을 포함할 수 있다. 예를 들면, EHC 시스템(100)은 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25 개 이상의 EHC 스택들을 포함할 수 있다. 각각의 EHC 스택(예를 들면, 121, 122)은 하나 이상의 전기 화학 셀들을 포함할 수 있다. 각각의 EHC 스택은 오로지 하나의 전기 화학 셀 또는 예를 들면 2 개 내지 500 개 이상의 복수의 전기 화학 셀들을 포함할 수 있다. EHC 시스템(100) 내 각각의 EHC 스택을 형성하는 전기 화학 셀들의 수는 모든 EHC 스택들에 대해 동일하거나 스택들 사이에 변할 수 있다. 예를 들면, EHC 스택(121)은 250 개의 전기 화학 셀들을 가질 수 있는 반면 EHC 스택(122)은 300 개의 전기 화학 셀들을 가질 수 있다.

각각의 EHC 스택(예를 들면, 121, 122)은 전원과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들면, EHC 스택(121)은 전원(151)과 전기적으로 연결될 수 있는 반면, EHC 스택(122)은 도 1에 도시된 바와 같이 전원(152)과 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 전원(151/152)은 그의 대응하는 EHC 스택(121/122)으로 전력(P)을 공급하도록 구성될 수 있다. 각각의 전원(151/152)은 전류(I) 또는 전위(즉, 전압(V))를 조정함으로써 공급된 전력을 제어하도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 단일 전원은 복수의 EHC 스택들(예를 들면, 121, 122)로 전력을 공급하도록 구성될 수 있고, 각각의 EHC 스택에 공급된 전력을 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다.

각각의 전원(151/152)에 의해 공급된 전류(I)는, 예를 들면, 스택의 활성 영역, 셀들의 수, 및 프로세스 조건들에 기초하여 변할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 전류는 약 0 내지 400 amps 사이, 0 내지 600 amps 사이, 0 내지 800 amps 사이, 0 내지 1000 amps 사이, 또는 0 내지 1000 amps 초과 사이에서 변할 수 있다. 각각의 전원(151/152)에 의해 공급된 전압(V)은, 예를 들면, 스택의 활성 영역, 셀들의 수, 및 프로세스 조건들에 기초하여 변할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 전압은 약 15 내지 75 volts 사이, 15 내지 100 volts 사이, 15 내지 200 volts 사이, 15 내지 300 volts 사이, 15 내지 500 volts 사이, 15 내지 1000 volts 사이, 또는 15 내지 1000 volts 초과 사이에서 변할 수 있다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 전력, 전압, 및 전류 사이의 관계는 이하에 도시된 수식으로 표현될 수 있다:

따라서, 전류 및/또는 전압을 변경하는 것은 또한 전력(P)을 변하게 할 수 있다. 각각의 전원(151/152)에 의해 공급되고 각각의 EHC 스택에 의해 소비된 전력(P)은 또한, 예를 들면, 스택의 활성 영역, 셀들의 수, 및 프로세스 조건들에 기초하여 변할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 전력은 약 3500 내지 6000 watts 사이, 0 내지 7500 watts 사이, 0 내지 10000 watts 사이, 0 내지 25000 watts 사이, 0 내지 50000 watts 사이, 또는 0 내지 50000 초과 watts 사이에서 변할 수 있다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 전력(P)과 전류(I) 사이의 관계는 이하에 보여진 수식으로서 저항(R)으로 표현될 수 있다.

각각의 EHC 스택(121/122)의 저항은, 예를 들면, 스택에서 활성 영역 및 셀들의 수에 기초하여 변할 수 있다. 스택에서 각각의 개별적인 셀의 고유 저항은 또한 변할 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라, 단일 셀은 약 10 내지 200 mOhm*㎠의 고유 저항을 가질 수 있다.

EHC 시스템(100)은 또한 제어기(110)를 포함할 수 있다. 제어기(110)는 각각의 전원(151/152)과 연결하도록 구성될 수 있다. 제어기(110)는 상기에 기술되는 전류(I) 및/또는 (V)를 변경함으로써 각각의 전원(151/152)에 의해 출력된 전력(P)을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어기(110)는 제어기(110)에 의해 제어되는 각각의 전원(151/152)에 의해 출력된 전력이 각각의 EHC 스택(121/122)에 대해 실질적으로 동일하거나 그에 대해 고유하도록 구성될 수 있다.

EHC 시스템(100)은 또한, 수소를 함유하는 기체를 각각의 EHC 스택으로 지향시키고 이후 각각의 EHC 스택으로부터 가압된 수소를 수집하고, 그를 EHC 시스템(100) 외부로 지향시키도록 구성된 수소 분배 회로(170)를 포함할 수 있다. 수소 분배 회로(170)는 수소 및 가압된 수소를 함유하는 기체를 전달하도록 구성된 복수의 통로들 또는 도관들을 포함할 수 있다. EHC 시스템(100)은 또한 EHC 시스템(100)의 입구에 수소 분배 회로의 통로에 배치된 유량계(171)를 포함할 수 있다. 유량계(171)는 EHC 시스템(100)에 지향되는 수소를 함유하는 기체의 총 유량율을 나타내는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 유량계(171)는 제어기(110)로 신호를 송신하도록 구성될 수 있다.

EHC 시스템(100)은 배수 회로(130) 및 냉각제 분배 회로(140)를 또한 포함할 수 있다. 배수 회로(130)는 수류(131)(얘를 들면, 액체 및/또는 기체)를 각각의 EHC 스택에 분배하고 이후 각각의 EHC 스택으로부터 방출된 수류를 수집하고 EHC 시스템(100) 외부로 수류를 지향시키도록 구성된 복수의 통로들 또는 도관들을 포함할 수 있거나 또는 수집된 수류는 재활용될 수 있다. 수류(131)는, 예를 들면, 각각의 전기 화학 셀 내 습도를 제어하고 전해질의 도전성을 유지하기 위해 각각의 스택 내에서 사용될 수 있다.

냉각제 분배 회로(140)는 각각의 EHC 스택을 통해 냉각제를 순환시키도록 구성된 복수의 통로들 또는 도관들을 포함할 수 있다. 각각의 EHC 스택을 통한 냉각제 순환은 스택으로부터 열을 전달함으로써 각각의 스택의 온도를 조정하도록 구성될 수 있다.

EHC 시스템(100)은 또한 제 1 센서(161), 제 2 센서(162), 및 제 3 센서(163)를 포함할 수 있다. 제 1 센서(161)는 EHC 스택(212)을 나오는 냉각제의 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제 2 센서(162)는 EHC 스택(122)을 나오는 냉각제의 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성될 수 있다. 제 3 센서(163)는 EHC 스택들(121, 122)로 들어가는 냉각제의 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된다. 제어기(110)는 제 1 센서(161), 제 2 센서(162), 및 제 3 센서(163)와 연결될 수 있다. 제어기(110)는 각각의 신호를 수신하고 신호에 기초하여 EHC 스택(121) 및 EHC 스택(122) 내 냉각제의 온도 변화를 계산하도록 구성될 수 있다. 각각의 스택 내 냉각제의 온도 변화에 기초하여 제어기(110)는 각각의 스택의 온도 변화 및 전력을 이용하여 각각의 스택 내 수류 분포를 계산할 수 있다. 예를 들면, EHC 스택의 물리적 특성들이 주어지면, 차압에 의한 전기 화학 전위는 이하에 도시된 네른스트식을 사용하여 계산될 수 있다.

애노드 및 캐소드에서 수소 압력은 농도차의 소스이다. 이러한 네른스트 포텐셜은 가역적이고 스택에서 열 생성에 기여하지 않는다. 전원으로부터 총 인가된 전위로부터 가역의 전기 화학 전위를 뺌으로써, 스택으로부터 제거될 필요가 있는 열의 총량이 추정될 수 있다. 163으로부터 161 또는 162까지 스택을 통한 냉각제의 열 용량 및 온도 상승의 지식에 의해, 냉각제의 흐름률(flow rate)은 이하에 보여진 수식(7)을 사용하여 계산될 수 있다.

온도 변화에 기초하여 수류 분배를 계산하는 것은 각각의 스택과 연관된 개별적인 유량계들의 제거를 허용함으로써 EHC 시스템(100)을 간략화할 수 있다.

도 2는 EHC 시스템(100)과 유사한 멀티-스택 EHC 시스템(200)의 개략도를 도시하지만, EHC 시스템(200)은 다섯개의 EHC 스택들을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, EHC 시스템(200)은 EHC 스택(221, 222, 223, 224, 225)을 포함한다. 각각의 EHC 스택은 전원(즉, 251, 252, 253, 254, 255)과 전기적으로 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 각각의 EHC 스택은 각각의 EHC 스택에 공급된 전력을 독립적으로 제어하도록 구성된 하나의 전원에 전기적으로 연결될 수 있다. 다시 말해서, 독립적인 전원들이 여기에 기술되고, 몇몇 실시예들에서, 이들은 다수의 부하들에 독립적으로 제어된 전력을 공급할 수 있는 하나의 전력 모듈로 대체될 수 있다.

EHC 시스템(200)은 또한 각각의 전원과 연결하는 제어기(210)를 포함할 수 있다. EHC 시스템은 또한 수소 분배 회로(270)를 포함할 수 있다. 도 2의 피처들을 쉽게 식별 가능하게 유지하기 위해서, 물 및 냉각제 분배 회로들이 도시되지 않았다. 그러나, EHC(200)는 EHC(100)와 동일한 물 및 냉각제 분배 회로들 모두를 포함할 수 있지만, 추가의 EHC 스택들(예를 들면, 253, 254, 255)을 통합하도록 확장될 수 있다.

도 2에 도시되는 EHC 시스템(200)은 세 개의 개별적인 수치 해석 시험들(즉, 시험 1, 시험 2, 시험 3)에 대해 사용된다. 세 개의 시험들에 대해 사용된 EHC 시스템(200) 내 각각의 EHC 스택은 256 개의 전기 화학 셀들로 구성되고, 각각의 셀은 약 250 ㎠의 면적을 갖는다. 각각의 시험에 대하여, 모든 스택들에 대해 균등한 작용 압력들이 가정되었다(즉, 동등한 네른스트 포텐셜들).

시험 1

시험 1은 종래의 전력 방식에 따라 동작하는 EHC 시스템(200)을 구성하고, 1250 amps의 총 전류가 공급되고 동일한 전류가 각각의 EHC 스택에 공급된다. 이러한 시나리오는 전체 시스템에 대한 하나의 전원이 각각의 스택을 공급하기 위해 사용되는 경우에만 야기되는 성능을 예시한다. 시험 1에 대하여, 각각의 스택 (즉, 221, 222, 223, 224, 및 225)에 공급된 전류는 각각의 대응하는 전원(즉, 251, 252, 253, 254, 및 255)으로부터 250 Amps이다. 표 1은 시험 1에 대하여 각각의 스택에 대한 파라미터들 및 결과들을 보여준다.

표 1에 도시된 바와 같이, 스택(251)은 0.092160 Ohms에서 가장 높은 저항을 갖지만, 스택(255)은 0.061440 Ohm에서 가장 낮은 저항을 갖는다. 상위 저항의 결과로서, 5760 watts의 전력 소비를 초래하는 250 amps의 전류가 공급된 스택(251) 대 3840 watts의 전력 소비를 초래하는 250 amps의 전류가 공급된 스택(255). 가장 높은 전력 소비에 대응하여, 스택(251)은 또한 23.04 volts에서 가장 높은 전위를 수신한다.

EHC 스택(251)은 높은 저항 및 에너지 소비에 의해 가장 나쁜 성능 스택으로 특징화될 수 있다. 높은 저항 및 에너지 소비는 다양한 문제들, 예를 들면, 스택을 갖는 하나 이상의 결함 있는 셀들, 하나 이상의 셀들 내 높은 전해질 전도성, 낮은 습도, 전해질의 이온 오염, 촉매 중독, 내부 스택 구성 요소들 사이의 불량 전기 접촉, 부적절한 가스 분배, 열적 불균형들, 등에 의해 야기될 수 있다. EHC 스택(255)은 낮은 저항 및 에너지 소비 때문에 최상의 성능 스택으로 특징화될 수 있다. EHC 스택(251)은 1920 watts 이상의 전력 소비에 동등하게 되는 EHC 스택(255)보다 50% 더 큰 저항을 나타낸다. 각각의 스택에 의해 소비된 전력의 적어도 일 부분은 열로 변환된다. 따라서, EHC 스택(251)에 의해 소비된 추가의 전력은 EHC 스택(151)이 모든 스택들보다 높은 온도에서 동작하게 한다.

시험 2

여기에 기술되는, 시험 1은 각각의 EHC 스택이 동일한 전력량(예를 들면, 250 amps)이 공급되는 종래의 전력 방식을 설명한다. 시험 2에서, 동일한 전류량을 각각의 스택에 공급하기보다는, 각각의 스택은 각각의 대응하는 전원에 의해 동일한 전위 또는 전압(즉, 18.72 volts)을 공급한다. 표 2는 시험 2의 각각의 스택에 대한 파라미터들 및 결과들을 보여준다.

도 2에 보여지는 바와 같이, 각각의 스택의 저항은 시험 1로부터 변경되지 않는다. 시험 2에서, 각각의 스택에 공급된 전위(즉, 전압)는 각각의 EHC 스택에 따라 매칭되고, 반면에 각각의 스택에 대한 개별적인 전류는 EHC 스택들 사이에 변경된다. 각각의 스택에 대한 개별적인 전류는 시험 2에 대해 변경되지만, 총 전류는 시험 1과 동일하게 유지되도록 제어된다(즉, 1250 amps).

전류보다는 각각의 스택의 전압을 매칭하는 것은 소비된 총 전압이 시험 1에 대해 소비된 총 전압에 비교할 때 감소되게 할 수 있다. 총 전력에서 감소는 최상의 성능 스택(예를 들면, 255) 최악의 성능 스택(예를 들면, 251)의 감소된 이용에 기인한다. 이러한 분배는 각각의 EHC 스택과 연관된 개별적인 전원들 때문에 달성될 수 있다.

EHC 스택(255)의 증가된 이용 및 EHC 스택(251)의 감소된 이용은 EHC 스택들에 대해 인가된 전류차의 결과이다. 표 2에 도시된 바와 같이, 203.12 amps가 EHC 스택(251)에 인가되지만, 304.69 amps가 EHC 스택(255)에 인가된다. 결과로서, 시험 2에 대하여 EHC 스택(251)은 가장 적은 전력(즉, 3803 watts)을 소비했고, 반면에 여기서 EHC 스택(255)은 가장 큰 전력(즉, 5704)을 소비했다. 따라서, 최악의 성능 스택(예를 들면, 251)이 최고 온도에서 구동하고 있는 시험 1과 대조적으로, 최상의 성능 스택(예를 들면, 255)은 여기서 최고 온도에서 구동하는 스택이다.

시험 2에 대하여, 소비된 총 전력은 시험 1에 대해 소비된 전력보다 408 watts 적은 23400 watts이다. 따라서, 총 전류를 동일하게(예를 들면, 1250 amps) 유지하면서 EHC 스택들의 전위(예를 들면, 18.72 volts)를 매칭하면, 소비된 전력은 약 1.71%만큼 감소된다. 이러한 전력 방식의 관계는 이하에 보여지는 수식(8, 9)로 표현될 수 있다.

시험 3

시험 3에서, 전위를 매칭하기보다는, 총 전류는 1250 amps로 유지하면서 전압은 각각의 EHC 스택의 소비된 전력(P)이 매칭되도록 변경된다. 이러한 관계는 이하에 보여진 수식(10)으로 나타내질 수 있다.

표 2는 이하에 시험 3 동안 각각의 스택에 대한 파라미터들 및 결과들을 보여준다.

표 3에 도시된 바와 같이, 각각의 스택의 저항은 시험 1 및 시험 2로부터 변경되지 않는다. 각각의 EHC 스택에 대해 결과의 소비된 전력값은 총 전력 23,501.72 watts를 만드는 약 4,700.34 watts이고, 이는 시험 1의 소비된 전력보다 1.29% 절약된다. 시험 3의 절약이 시험 2보다 적지만, 각각의 EHC 스택의 소비된 전력을 매칭하는 것은 등가의 열 부하를 유지하고, 그에 의해 개선된 총 시스템 내구성 및 수명으로 귀착될 수 있다.

도 3은 멀티-스택 EHC 시스템에 의해 수행된 일 예시적인 프로세스를 도시한다. 여기에 기술된 프로세스들은 EHC 시스템(100) 및/또는 EHC 시스템(200), 뿐만 아니라 다른 실시예들에 대응할 수 있다. 여기에 기술되는 EHC 시스템(100/200)은 수소를 함유하는 가스 스트림이 단계(302)에서 두 개 이상의 EHC 스택들로 지향될 수 있도록 구성될 수 있다. 제어기(110/210)는 전력이 단계(304)에서 EHC 시스템(100/200) 내 각각의 EHC 스택의 저항의 결정을 가능하게 하는 각각의 EHC 스택에 인가될 수 있도록 구성될 수 있다.

단계(306)에서, 제어기(110/210)는 원하는 수소 처리량에 기초하여 EHC 시스템(100)에 공급될 총 전류(I)를 결정할 수 있다. 제어기(110/210)는 예를 들면, 흐름 센서(171/271)로부터 원하는 수소 처리량을 수용할 수 있거나 사용자의 프로그래밍된 입력일 수 있다. 총 전류는 EHC 시스템(100)에 공급된 수소를 함유하는 가스 스트림의 압력 및 유속에 기초하여 변할 수 있다. 단계(308)에서, 제어기(110/210)는 각각의 EHC에 인가된 전위를 매칭하고 EHC 스택들 중에 전력 분배를 최적화하면서 총 전류 값을 달성함으로써 시험 2에 기술되는 바와 같이 동작할 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 프로세스와 유사한 멀티-스택 EHC 시스템(100)에 의해 수행된 일 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 4에 도시된 단계들(402, 404, 406)은 도 3에 도시된 단계들(302, 304, 306)과 동일할 수 있다. 도 4에 도시된 단계(408)는 단계(308)와 상이할 수 있다. 단계(408)에서, 제어기(110/210)는 각각의 EHC 스택의 전력을 매칭하면서 동시에 EHC 스택들 사이에 전류 분배를 최적화하면서 총 전류값을 달성함으로써 시험 3에 기술되는 바와 같이 동작할 수 있다.

도 5는 도 4에 도시되는 프로세스와 유사한 멀티-스택 EHC 시스템(100)에 의해 수행된 일 예시적인 프로세스를 도시한다. 도 5에 도시된 단계들(502, 506)은 도 4에 도시된 단계들(402, 406)과 동일할 수 있다. 도 5에 도시된 단계들(504, 508)은 단계들(404, 408)과 상이할 수 있다. 제어기(110/210)는 전력이 단계(504)에서 EHC 시스템(100/200) 내 각각의 EHC 스택에 걸쳐 온도 상승(예를 들면, 차이)의 결정을 가능하게 하는 각각의 EHC 스택에 인가될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 온도 상승은 EHC를 통해 물 온도 또는 냉각제 온도의 상승 또는 오로지 EHC 스택의 물리적 구조에서 상승에 기초하여 계산될 수 있다. 단계(508)에서, 제어기(110/210)는 각각의 EHC 스택의 전위 또는 전력을 매칭하고 동시에 EHC 스택들 사이의 전류 분배를 최적화하고 동시에 총 전류 값을 달성함으로써 시험 2 또는 시험 3에서 기술되는 바와 같이 동작할 수 있다. 각각의 셀의 온도 상승은 각각의 셀에 대한 전력 분배를 설정할 때 제어기(110/210)에 의해 이용될 수 있다.

다양한 변경들 및 변동들이 개시된 시스템 및 방법에 대해 행해질 수 있다는 것이 당업자들에게 명백할 것이다. 다른 실시예들은 개시된 시스템 및 방법의 규격 및 실시의 고려로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 규격 및 예들이 단지 예시적으로서 고려되는 것이 의도되고, 정확한 범위는 다음의 청구항들 및 그들의 등가물들에 의해 나타내진다.

Claims

멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기(EHC) 시스템에 있어서,
두 개 이상의 EHC 스택들로서, 각각의 EHC 스택은:
적어도 하나의 전기 화학 셀, 및
전원을 포함하는, 상기 두 개 이상의 EHC 스택들; 및
각각의 EHC 스택의 전원과 연결되는 제어기로서, 각각의 EHC 스택의 전원을 독립적으로 제어함으로써 상기 EHC 시스템의 총 에너지 소비를 감소시키도록 구성되는, 상기 제어기를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각각의 EHC 스택의 전원을 제어하는 것은 각각의 스택의 전원을 매칭하고, 동시에 원하는 수소 처리량에 기초하여 상기 시스템에 대한 총 전류 흐름을 유지하는 것을 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 각각의 EHC 스택의 전원을 제어하는 것은 각각의 스택에 의한 열 생성을 실질적으로 매칭하는 것을 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 각각의 EHC 스택의 전원을 제어하는 것은 각각의 EHC 스택에 인가된 전위를 실질적으로 매칭하고 동시에 상기 각각의 EHC 스택에 인가된 상기 전류 분배를 최적화함으로써 상기 시스템에 의해 소비된 총 전력을 감소시키는 것을 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 4 항에 있어서,
최상으로 실행하는 EHC 스택은 최고 온도 스택이 되도록 구성되고, 최악으로 실행하는 EHC 스택은 최저 온도 스택이 되도록 구성되는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 제어기는 또한 각각의 스택의 열 부하가 실질적으로 동일하도록 전력을 제어함으로써 스택 내구성을 증가시키도록 구성되는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 1 항에 있어서,
각각의 EHC 스택을 통해 물을 순환시키도록 구성된 배수 회로;
각각의 EHC 스택을 통해 냉각제를 순환시키도록 구성된 냉각제 분배 회로; 및
두 개 이상의 센서들로서, 적어도 하나의 센서는 각각의 스택의 출구에 상기 냉각제 분배 회로에 배치되고 상기 스택의 상기 출구에서 상기 냉각제 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성되고, 적어도 하나의 센서는 상기 냉각제 분배 회로에 배치되고, 각각의 스택의 입구에서 상기 냉각제 온도를 나타내는 신호를 생성하도록 구성되는, 상기 두 개 이상의 센서들을 추가로 포함하고,
상기 EHC 시스템은 각각의 스택을 통한 수류 분배가 각각의 스택을 통한 상기 냉각제의 온도차에 기초하여 결정되도록 구성되는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
제 1 항에 있어서,
각각의 EHC 스택을 가로질러 온도차를 나타내는 신호를 생성하도록 구성된 적어도 두 개의 센서들을 추가로 포함하고,
상기 제어기는 각각의 스택의 온도차가 상기 전원들의 전력 분배를 결정할 때 이용되도록 구성되는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템.
두 개 이상의 EHC 스택들을 구비하는 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기(EHC) 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
수소를 함유하는 가스 스트림을 상기 두 개 이상의 EHC 스택들로 지향시키는 단계;
독립적인 전원들로부터 상기 두 개 이상의 EHC 스택들에 전력을 공급하는 단계; 및
각각의 EHC 스택에 독립적으로 공급된 전력을 제어하는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 상기 EHC 시스템의 총 에너지 소비를 감소시키는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 수소의 원하는 처리량을 충족시키기에 충분한 상기 시스템에 대한 총 전류를 유지하면서 각각의 EHC 스택의 전력을 매칭하는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 각각의 EHC 스택으로부터 열 부하를 실질적으로 매칭하는 단계를 추가로 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 각각의 EHC 스택에 인가된 전류 분배를 최적화하면서 각각의 EHC 스택에 인가된 전위를 실질적으로 매칭함으로써 상기 시스템에 의해 소비된 총 전력을 감소시키는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 최고 온도 스택이 되도록 상기 시스템의 최상으로 수행하는 EHC 스택에 가장 많은 전류를 공급하고, 동시에 최저 온도 스택이 되도록 상기 시스템의 최악으로 수행하는 EHC 스택에 가장 적은 전류를 공급하는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 전력을 제어하는 단계는 스택 내구성을 증가시키기 위해 모든 스택들의 열 부하에 실질적으로 균형을 유지하는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
각각의 EHC 스택을 통해 물을 순환시키는 단계;
각각의 EHC 스택을 통해 냉각제를 순환시키는 단계;
각각의 스택을 나오는 상기 냉각제의 온도를 검출하는 단계;
각각의 스택에 들어가는 상기 냉각제의 온도를 검출하는 단계;
각각의 스택을 통해 상기 냉각제의 온도차를 계산하는 단계; 및
각각의 스택을 통해 상기 냉각제의 온도차에 기초하여 각각의 스택을 통해 수류 분배를 결정하는 단계를 추가로 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.
제 9 항에 있어서,
각각의 EHC 스택을 가로질러 온도차를 검출하는 단계를 추가로 포함하고,
상기 전력을 독립적으로 제어하는 단계는 상기 독립적인 전원들로부터의 전력 분배를 결정할 때 각각의 스택의 온도차를 이용하는 단계를 포함하는, 멀티-스택 전기 화학적 수소 압축기 시스템을 제어하는 방법.