KR20170038104A - 하이브리드 금속 공기 시스템 및 방법 - Google Patents

하이브리드 금속 공기 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20170038104A
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데켈 치돈
아브라함 야드가
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피너지 엘티디.
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Abstract

금속-공기 전지에 의해 전기를 생산하고, 금속-공기 전지의 작동 시 방출되는 수소를 이용하여 전기, 기계적 동력 또는 열에너지의 형태로 에너지를 생산하기 위한 하이브리드 시스템. 하이브리드 시스템은 적어도 하나의 금속-공기 전지 및 적어도 하나의 수호 변환 유닛을 포함한다.

Description

하이브리드 금속 공기 시스템 및 방법{HYBRID METAL AIR SYSTEM AND METHOD}
하이브리드 금속 공기 시스템 및 방법에 관한 것이다.
알루미늄-공기 전지가 당해 기술 분야에서 알려져 있다. 이러한 알루미늄-공기 전지는 전지의 알루미늄 애노드의 부식으로 인하여 효율 손실을 겪는다. 알루미늄-공기 전지의 다른 결점인 기생 부식(parasitic corrosion)은 전지를 작동하는 동안 기체 형태로 방출되는 수소(H)의 양에 기인하는 위험이다. 이러한 과정은 전기적 에너지를 만들지 않으면서 알루미늄을 소비하고, 방출된 수소로 인한 잠재적 위험을 발생시킨다. 원하지 않는 알루미늄 애노드의 소비는 전기가 생산되지 않을 때 더 높고, 전기가 생산될 때 더 낮다.
방출된 수소의 폭발 위험은 일반적으로 공기 중의 방출된 수소의 상대량이 적을 때 낮고, 공기 중의 방출된 수소의 상대량이 100%일 때 또는 100%에 근접할 때 높다. 양 혼합 범위에서 공기 중의 수소 혼합물은 인화점에서 멀리 있다. 나머지 혼합 범위에서 혼합물은 인화성과 폭발성이 매우 강하다.
쿨롱 효율은 전기를 위해 소비되고 사용된 알루미늄의 양과 소비된 알루미늄의 총량(부식 포함) 간의 비율로 정의된다.
알루미늄-공기 전지의 작동 시 알루미늄 애노드의 이용률을 증가시키고 방출되는 수소로 인한 위험을 감소시킬 필요가 있다.
하이브리드 전기 에너지 시스템이 개시되고, 하이브리드 시스템은 전력을 생산하고, 전력 생산 시 수소를 방출하는 적어도 하나의 금속-공기 전지; 및 방출된 수소의 적어도 일부를 소비하는 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지를 포함한다. 수소 에너지 변환 전지는 연소 반응기를 포함할 수 있고, 연소 반응기는 본 발명의 어떤 실시예에 따르면 내연 기관일 수 있거나 또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
본 발명으로 간주되는 대상은 본 명세서의 결론 부분에 특히 지적되고 분명하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 구조, 작동 방법, 목적, 특징, 및 이점과 관련하여 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 어떤 실시예에 따라 구성되고 작동되는 예시적 하이브리드 전기 에너지 시스템의 개략적 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 어떤 실시예에 따른 하이브리드 금속-공기 시스템에 대한 파라미터를 선택하는 방법의 플로우차트이다.
단순하고 명료한 설명을 위하여, 도면에 도시된 구성요소는 반드시 축척에 맞게 도시된 것이 아님을 이해할 것이다. 예컨대, 구성요소 일부의 치수는 명료성을 위하여 다른 구성요소에 비해 과장되어질 수 있다. 또한, 적절한 경우, 참조 번호가 대응 또는 유사한 구성요소를 표시하기 위하여 도면에 반복될 수도 있다.
다음의 발명의 상세한 설명에서, 여러 가지 구체적 설명은 본 발명을 완전히 이해하도록 하기 위하여 제시된다. 그러나, 통상의 기술자는 이러한 구체적 설명없이도 본 발명이 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 예시에서, 공지된 방법, 절차, 및 구성요소는 본 발명을 모호하게 하지 않도록 상세히 설명되지 않았다. 에너지 손실을 최소화하기 위하여, 또한 금속-공기 전지를 이용하는 시스템에서 에너지 유닛의 생산 비용을 절감하기 위하여, 방출된 수소에 포함된 잠재적 에너지가 예컨대 금속-공기 전지가 아닌 장치를 이용하여 활용될 수 있고, 따라서 안전성뿐만 아니라, 에너지 측면 또는 비용적 측정, 또는 양자 모두에서 시스템의 전체 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 어떤 실시예에 따라 구성되고 작동되는 하이브리드 전기 에너지 시스템(10)의 개략적 블록 다이어그램이 도시되어 있다. 하이브리드 시스템(10)은 적어도 하나의 금속-공기 전지(20), 예컨대 알루미늄-공기 전지(또는 전지들), 및 금속-공기 전지(20)에 의해 생산된 수소의 적어도 일부를 소비하는 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛(30)을 포함한다. 하이브리드 시스템(10)은 선택적으로 시스템(20, 30)에 의해 생산된 에너지를 받아들이고 출력부(19)에서 에너지를 제공하기 위하여 에너지 조합기/관리기 유닛(40)을 포함할 수 있다. 하이브리드 시스템(10)은 선택적으로 전지(20)에서 생산된 수소를 가압하는 가압기(60)를 포함할 수 있다. 하이브리드 시스템(10)은 적어도 금속-공기 전지(20)와 수소 변환 유닛(30)과 능동 통신할 수 있고, 하이브리드 시스템(10)의 에너지 생산을 제어하고 관리하는 에너지 조합기/매너저 유닛(40) 및 전지(20)에서 유닛(30)으로의 수소 압력 전달을 제어하는 가압기(60)와 통신할 수 있는 에너지 제어 유닛(50)을 더 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 금속-공기 전지(예컨대, Al-공기 전지, Mg-공지 전지, Zn-공기 전지, Si-공기 전지, Li-공기 전지 등)(20)는 작동시 예컨대 배출구(16)(E1)에서 제공되는 전기 에너지를 생산할 수 있다. 그러나, 금속-공기 전지(20)는 일반적으로 바람직하게 않게 부식에 의해 애노드에서 전체 소비 알루미늄의 1% 내지 20%를 소비한다. 따라서, 금속-공기 전지(20)는 어떠한 전기도 생산하지 않으면서 전력을 생산하는 동안 수소를 생산하고 방출할 수 있다. 본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 일반적인 알루미늄-공기 시스템에서 방출된 수소, 예컨대 금속-공기 전지(20)에서 나와 도관(17)에서 유동하는 수소는 에너지를 생산하기 위하여 수소 변환 유닛(30)에 의해 적어도 부분적으로 소비될 수 있다. 수소 변환 시스템(30)은 배출구(18)(E2)에서 공급되는 추가 전력을 생산하거나, 또는 예컨대 기계적 에너지를 생산하는 2행정 연소 엔지에 에너지를 공급하거나, 또는 열에너지를 생산하는 수소를 연소하는 등의 수소로 작동가능한 수소 연료 전지 또는 임의의 다른 적절한 에너지 변환 시스템과 같은 수소에 의해 에너지를 공급할 수 있는 임의의 에너지 변환 장치일 수 있다. 금속-공기 전지(20)에 의해 생산된 에너지와 수소 에너지 변환 유닛(30)에 의해 생산된 에너지는 하이브리드 시스템(10)에 의해 에너지를 제공하도록 에너지 조합기/관리기 에 의해 조합, 조정, 또는 전체적으로 관리될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 유닛(30)이 전기를 생산하는 연료 전지인 경우, 조합기(40)는 전지(20)로부터의 전기를 유닛(30)에 병렬로 조합할 수 있다. 다른 예시적 실시예에서, 유닛(30)이 연소 엔진인 경우, 조합기(40)는 금속-공기 전지에 의해 생산된 전기를 전기 소비자에게 공급하고, 연소 엔진에 의해 생산된 기계적 에너지는 기계적 에너지 소비자에게 공급할 수 있다. 대안적으로, 조합기(40)는 기계적 에너지는 전기적 에너지로 변환(예컨대, 발전기를 이용하여)할 수 있고, 양 전기적 에너지를 병렬로 더 공급할 수 있다.
어떤 실시예에서, 시스템(10)은 금속-공기 전지(20)에서 생산된 수소를 가압하기 위한 가압기 유닛(60)을 더 포함할 수 있다. 가압기(60)는 전지(20)에서 생산된 수소의 압력을 유닛(30)에 의해 요구되는 레벨까지 증가시킬 수 있다. 가압기(60)는 금속-공기 전지(20)에서 수소 변환 유닛(30)으로의 수소 공급을 조절하기 위한 압축기와 밸브를 포함할 수 있다. 가압기(60)는 발생된 수소를 위한 버퍼의 역할을 하는 헤더 탱크(header tank)(미도시)에 연결될 수 있다. 이것은 수소 에너지 변환 유닛(30)에서 수소의 사용을 위한 올바른 조건을 생성하도록 해줄수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 에너지원은, 본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 예컨대 화살표(12)로 표시된 바와 같이 알루미늄이 완전히 소모될 때까지 하나의 벌크로서 금속-공기 전지(20)에 공급되는 알루미늄일 수 있다. 하이브리드 시스템(10)에 주변 공기로부터의 산소, 또는 산소 농축 공기가 더 공급될 수 있고, 이것은 금속-공기 전지(20)와 수소 변환 유닛(30) 모두에서 요구된다.
어떤 실시예에서, 수소 에너지 변환 전지(30)는 실질적으로 금속-공기 전지(20)에 의해 생산되어 방출된 모든 수소를 소비할 수 있고, 따라서 수소 폭발점 아래로, 즉 4 부피%의 수소 아래로 공기 내 방출된 수소 농도를 낮출 수 있다. 수소 유닛(30)은 주어진 금속-공기 전지(20)로부터 방출된 것으로 계산된 수소의 양으로 작동하도록, 바람직하게는 임의의 주어진 작동 시간 또는 임의의 주어진 작동점에서 방출된 수소의 양의 전체 범위에 걸쳐 제대로 작동할 수 있도록 선택 또는 설계될 수 있다. 주어진 금속-공기 전지의 개수에 대하여, 비례하는 개수의 수소 에너지 변환 전지(30)가 선택되어, 금속-공기 전지(20)와 같은 금속-공기 전지로부터 실제로 방출된 양의 수소에 의해 연료공급되도록 수소 변환 유닛(수소 변환 유닛(30)과 같은)의 광범위한 작업가능성을 허용할 수 있다. 어떤 실시예에서, 수소 에너지 변환 전지(30)는 방출된 수소를 소비가능한 전력으로 변환하도록 구성될 수 있다. 수소 에너지 변환 전지(30)는 에너지를 전기, 열, 및 기계적 에너지 형태 중 적어도 한 가지로 생산하도록 채택될 수 있다. 예컨대, 수소 에너지 변환 전지(30)는 전기를 생산하는 수소 연료 전지, 기계적 에너지 또는 열을 생산하는 연소 반응기(예컨대, 연소 수소 엔진), 및/또는 임의이 다른 수소로 작동가능한 에너지 변환 장치일 수 있다.
금속-공기 전지 어레인의 작동 시 방출되는 수소의 양(즉, 알루미늄-공기 전지의 쿨롱 비효율)은 소비된 전류의 크기, 전지의 온도 등과 같은 다양한 파라미터에 의존한다. 금속-공기 전지의 작동 파라미터의 선택과 수소 에너지 변환 유닛의 유형과 전기용량 및 작동 파라미터의 선택은 본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 가능한 가장 우수한 에너지 효율, 즉 금속-공기 전지에서 소비된 알루미늄에 있는 이론적 이용가능한 에너지로부터 생산된 가장 많은 에너지의 양(EO)을 위해 변할 수 있다. 가장 우수한 에너지 효율을 얻기 위하여 본 발명의 어떤 실시예에 따른 에너지 시스템을 작동하는 것은 가능한 가장 우수한 에너지 효율을 제공하지만 매우 높은 에너지 비용을 발생시키는 조건에서 작동을 지시할 수 있다는 것을 유의할 것이다. 예컨대, 제1 에너지 유닛에서, 99.999%의 레벨까지 정제된 알루미늄 Al(5N)을 이용하는 것은 99.99%로 정제된 알루미늄 Al(4N)의 생산 비용의 2배에 대해 추가적인 5%의 에너지 효율을 제공할 수 있는데, 그 이유는 덜 정제된 알루미늄을 이용하여 더 많은 양의 부식이 발생하고 더 많은 양의 수소가 방출되기 때문이다.
알루미늄-공기 전지는 일반적으로 0.9-1.3V의 전압 레벨에서 작동한다. 주어진 온도에 대해, 증가하는 전류 유입은 전지 전압을 감소시키며 부식을 증가시키고, 감소하는 전류 유입은 전압을 증가시키며 부식을 증가시킨다. 주어진 순간에서 전체 금속-공기 전지 효율은 다음과 같이 주어진다:
(1) eff 1 = (쿨롱 효율) × (전지 전압/2.71)
여기에서, 2.71은 알루미늄-공기 전지의 이론적 전압이다(알루미늄이 아닌 금속에 대해서는 다른 이론적 전압이 사용될 수 있음). 알루미늄-공기 전지로부터 방출되는 수소를 소비하는 수소 연료 전지를 사용할 때, 전체 하이브리드 전기 에너지 시스템 효율은 다음과 같이 주어진다:
(2) eff 2 = (쿨롱 효율) × (전지 전압/2.71) + (1 - 쿨롱 효율) × (수소 변환 유닛 효율)
따라서, 수소 변환 유닛을 추가하는 것은 알루미늄-공기 전지와 같은 금속-공기 전지를 덜 효율적인 조건(예컨대, 더 높은 전압, 더 많은 부식)에서 운영하고, 전체 하이브리드 전기 에너지 시스템의 효율이 증가되도록 추가 수소를 이용하는 것이 더 효율적일 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 제어 유닛(50)과 같은 제어키는 금전적인 전체 하이브리드 전기 에너지 효율을 계산하고, 따라서 예컨대 금속-공기 전지의 유입된 전류 또는 온도를 제어/변화시킴으로써 금속-공기 전지의 작동 파라미터를 변화시킬 수 있다. 작동 파라미터의 일부는 제어기(50)에 의해 제어될 수 있다. 어떤 실시예에서, 제어가능한 파라미터는 유입된 전류, 금속-공기 전지의 전해질의 온도, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 전체 전압 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 제어 유닛(50)은 예컨대 가압기(60)를 제어함으로써 수소 에너지 변환 유닛으로 전달된 수소 가스의 압력을 제어할 수 있다.
어떤 작동 파라미터, 예컨대 금속-공기 전지에 포함된 금속 전극 순도는 제어 유닛(50)에 의해 제어되지 않을 수 있다. 예컨대, 금속-공기 전지(20)는 99.999% 이하의 순도를 가진 금속 전극, 예컨대 99.0% - 99.99% 순도의 알루미늄을 소비할 수 있는 반면, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 효율은 생산된 수소의 적절한 활용으로 인해 높게 유지될 것이다.
어떤 실시예에서, 시스템(10)에 포함된 적어도 하나의 금속-공기 전지(20)와 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지(30)의 작동 파라미터는 금속-공기 전지 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮으면서, 하이브리드 전기 에너지 시스템 효율은 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 될 수 있다. 미리 정해진 최적 효율은 금속-공기 전지가 최적 조건(예컨대, 주어진 조건에서 금속-공기 전지의 가능한 가장 높은 효율)에서 작동될 때 금속-공기 전지에 대해 계산된 효율로서 정의될 수 있다. 최적 효율(예컨대, 에너지 효율)은 부식과 수소 생산으로 인한 에너지 손실이 가능한 한 낮도록 금속-공기 전지가 높은 순도의 금속 애노드(예컨대, 적어도 99.999% 알루미늄), 최적 전압 및/또는 최적 온도를 이용하여 작동될 때 계산될 수 있다. 가능한 한 가장 높은 효율을 가지도록 금속-공기 전지를 작동하기 위한 최적 파라미터를 찾는 방법은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있다. 최적이 아닌 비효율적인 조건에서 금속-공기 전지를 작동하는 것은 낮은 전기 생산과 원하지 않은 수소의 높은 생산으로 이어질 것이다. 본 발명의 실시예는 더 높은 하이브리드 전기 에너지 시스템(10)의 효율을 가지도록 의도적으로 최적이 아닌 비효율적인 조건에서 시스템(10)에 포함된 금속-공기 전지(20)를 작동하는 것에 관한 것이다. 하이브리드 전기 에너지 시스템 효율은 미리 정해진 최적 효율(금속-공기 전지에 대해 계산됨)보다 더 높을 수 있다.
일례에서, 99.999%의 레벨까지 정제된 알루미늄으로 작동하는 금속-공기 전지는 95%의 쿨롱 효율 및 1V의 전지 전압을 가진다. 동일한 금속 공기가 65%의 쿨롱 효율 및 1.4V의 전지 전압으로 작동될 수 있다. 첫번째의 경우 금속-공기 전지 에너지 효율은 대략 35%이고, 두번째의 경우 금속-공기 전지 에너지 효율은 대략 34%이다. 따라서, 제1 세트의 작동 파라미터에서 알루미늄-공기 전지를 작동하는 것이 더 효율적이고, 미리 정해진 최적 에너지 효율은 대략 35%로 설정될 수 있다. 그러나, 금속-공기 전지가 시스템(10)과 같은 하이브리드 전기 에너지 시스템에 포함될 때, 부식으로 인해 손실된 에너지의 50%가 수소 변환 유닛에서 회수될 수 있다. 따라서, 하이브리드 전기 에너지 시스템 효율은 첫번째 경우에 대략 38%이고, 두번째 경우에는 대략 51%이다. 따라서, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 전체 성능을 개선하고 금속-공기 전지 단독에 비해 더 높은 하이브리드 전기 에너지 효율을 얻기 위하여, 미리 정해진 최적 에너지 효율인 대략 35%보다 낮게 되도록(예컨대, 대략 34%), 차선의 조건에서 금속-공기 전지를 작동하는 것, 즉 작동 파라미터를 설정하는 것이 유리하다. 따라서, 제어기(50)는 대략 51%의 하이브리드 전기 에너지 효율을 얻기 위하여 1.4V의 전압에서 작업하도록 금속-공기 전지(20)의 작동을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속-공기 전지의 작동 포인트 및 작동 파라미터의 선택과 수소 에너지 변환 유닛 및 작동 조건의 선택은 비용 측면에서(즉, 비용 효율) 가장 우수한 에너지 변환율을 얻도록 행해질 수 있다. 어떤 실시예에서, 적어도 하나의 금속-공기 전지의 작동 파라미터와 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지의 작동 파라미터는 금속-공기 전지 비용 효율이 미리 정해진 최적 비용 효율보다 낮고, 하이브리드 시스템의 비용 효율은 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 될 수 있다. 이것은 주요한 고려사항이 시스템의 출력에서(EO) 하나의 에너지 유닛의 생산의 전체 비용일 것이라는 것을 의미한다.
미리 정해진 최적 비용 효율은 금속-공기 전기가 식(3)에 주어진 바와 같이, 가장 우수한 에너지의 유닛당 가격을 부여하도록 최적 조건(최적 작동 파라미터)에서 작동될 때 금속-공기 전지(20)에 대해 계산될 수 있다. 비용 효율이 높을수록 생산된 에너지의 가격이 낮아진다. 예컨대, 미리 정해진 최적 비용 효율은 금속-공기 전지가 높은 순도의 금소과 높은 쿨롱 효율을 이용하여 작동될 때 계산될 수 있다. 본 발명의 실시예는 더 높은 하이브리도 전기 에너지 시스템(10)의 비용 효율을 가지도록, 최적이 아닌 비효율적인 조건에서 시스템(10)에 포함된 금속-공기 전지(20)를 의도적으로 작동하는 것에 관한 것이고, 이것은 금속-공기 전지(20)가 최적이 아닌 비효율적인 조건에서 작동할 때 하이브리드 시스템(10)에서의 에너지 생산의 전체 가격이, 금속-공기 전지(20)가 단독으로 최적의 효율적인 파라미터에서 작동될 때 금속-공기 전지(20)에서의 에너지 생산의 가격보다 낮다는 것을 의미한다. 전술한 바와 같이, 이러한 정의에서 덜 정제된 알루미늄, 예컨대 99.9%(3N) 순도 알루미늄 또는 99%(2N) 순도 알루미늄까지도 금속-공기 전지에 사용될 수 있고, 이것은 금속-공기 전지에서 생산된 수소의 상대적으로 큰 양으로 이어질 수 있다. 생산된 수소는 상대적으로 더 낮은 알루미늄 비용으로 수소 변환 유닛에서 전기적 또는 기계적 에너지를 생산하는데 사용될 수 있어서, 하나의 에너지 유닛의 전체 생산 비용은 더 높은 순도의 알루미늄이 사용될 때 발생하는 것보다 더 낮을 것이다.
비용 효율은 다음과 같이 정의될 수 있다:
(3) eff cost = 1/에너지 단위당 비용(예컨대, kWh/$)
예컨대, 알루미늄 공기 전지는 5N 알루미늄(99.999% 순도의 알루미늄)과 같은 고순도의 알루미늄을 사용하고, 전지로부터 유입되는 전기의 0.5% 내지 3%에 해당하는 수소 발생률을 얻을 수 있다. 5N 알루미늄을 90% 더 값싼 2N 알루미늄으로 대체하는 것은 수소 발생을 전지로부터 유입된 전기의 10% 내지 35%에 해당하도록 증가시킬 것이고, 따라서 에너지 손실, 안전 위험, 및 가능한 오작동을 발생시킬 것이다. 따라서, 5N 알루미늄 전극에 의해 작동되는 알루미늄-공기 전지는 2N 알루미늄 전극에 의해 작동되는 전지보다 4배 더 비용 효율적일 수 있다. 하이브리드 시스템에서, 수소는 적어도 에너지의 30% 내지 50%를 회수하도록 수소 에너지 변환기에서 사용되면서, 수소를 소비하고 수소의 방출을 안전 위험까지 감소시킨다. 2N 알루미늄 전극에 의해 작동되는 금속-공기 전지를 포함하는 하이브리드 전기 에너지 시스템의 전체 비용 효율은 5N 알루미늄 전극에 의해 작동되는 알루미늄-공기 전지의 비용 효율보다 적어도 2배가지 높을 수 있다. 따라서, 고순도 알루미늄을 더 낮은 등급의 알루미늄으로 교체함으로써, 에너지 생산 비용이 3 내지 10배까지 감소될 수 있다.
어떤 실시예에서, 제어 유닛(50)은 제어 유닛(50)과 관련된 메모리에 저장된 이력 데이터에 기초하여 작동 파라미터를 선택하도록 추가 구성될 수 있다. 예컨대, 이력 작동 파라미터, 대응하는 계산된 효율 및/또는 에너지 소비 패턴이 매일/매주/매달/매년 메모리에 저장될 수 있고, 하이브리드 시스템(10)의 가장 우수한 전체 효율(예컨대, 에너지 효율 또는 비용 효율)을 나타내는 작동 파라미터를 선택하기 위하여 제어 유닛(50)에 의해 추가 사용될 수 있다. 제어기(50)는 이력 데이터에 기초하여 제어가능한 파라미터 및 제어불가능한 파라미터를 선택할 수 있다. 예컨대, 제어기(50)는 과거에 수집된 데이터에 기초하여 비용 효율을 개선하기 위하여, 금속-공기 전지의 금속 애노드를 더 낮은 순도의 금속으로 교체하도록 사용자에게 추천할 수 있다. 사용자는 제어 유닛(50)과 관련된 디스플레이 상의 추천을 수신할 수 있다. 예컨대, 디스플레이는 제어 유닛(50)과 원격 통신(예컨대, 무선)할 수 있는 차량의 멀티미디어 시스템에 있는 스크린 또는 사용자와 관련된 모바일 장치일 수 있다. 또 다른 일례에서, 제어 유닛(50)은 과거에 수집된 데이터에 기초하여 하이브리드 시스템(10)의 에너지 효율을 개선하기 위하여, 전지(20)의 온도 및/또는 유닛(30)으로의 수소 압력 공급(예컨대, 가압기(60)를 사용하여)을 변화시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 어떤 실시예에 따른 하이브리드 전기 에너지 시스템을 작동하는 방법의 플로우차트가 도시되어 있다. 박스(210)에서, 본 방법은 하이브리드 전기 에너지 시스템(예컨대, 시스템(10)에 포함된 금속-공기 전지(예컨대, 전지(20))에 대한 제1 그룹의 작동 파라미터를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 금속-공기 전지를 작동하기 위한 파라미터는 금속-공기 전기가 비효율적으로 작동될 수 있도록 선택될 수 있다. 예컨대, 작동 파라미터는 금속 애노드 부식 시 전기를 생산하지 않으면서 과도한 수소가 생산될 수 있도록 선택될 수 있다. 그러한 조건은 금속-공기 전지의 에너지 효율 및/또는 비용 효율을 미리 결정된 최적 에너지 효율 또는 최적 비용 효율 레벨 아래로 감속시킬 수 있다. 최적 에너지 효율은 식(1)에 따라 계산되는 주어진 조건에서 주어진 전지에 대해 가능한 가장 높은 에너지 효율로서 정의될 수 있다. 주어진 전지에 대한 최적 비용 효율은 주어진 전지의 주어진 가격당 생산된 가장 높은 에너지의 양(예컨대, kWh/$)으로 정의될 수 있다.
일실시예에서, 제1 그룹의 작동 파라미터는 금속-공기 전지의 금속 애노드의 순도를 포함할 수 있고, 예컨대 금속-공기 전지(20)는 99.999% 미만의 순도의 금속을 가진 금속 애노드로 조립(또는 포함)될 수 있어서, 금속-공기 전지의 비용 효율이 미리 정해진 비용 효율 레벨 아래일 수 있다. 따른 실시예에서, 제1 그룹의 작동 파라미터는 금속-공기 전지에 포함된 전해질의 온도를 포함할 수 있고, 예컨대 전해질의 온도는 70 내지 80℃로 설정될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 그룹의 작동 파라미터는 금속-공기 전지의 전압, 예컨대 1.4V를 포함할 수 있다. 그러한 파라미터는 금속-공기 전지가 비효율적으로 작동하도록 만들 수 있다.
어떤 실시예에서, 제1 그룹의 작동 파라미터가 금속-공기 전지 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮도록 선택될 수 있지만, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 전체 효율은 미리 정해진 최적 효율보다 높다. 적어도 생산된 수소의 일부가 에너지 변환 유닛(예컨대, 유닛(30)에서 에너지로 변환되기 때문에, 금속-공기 전지와 에너지 변환 유닛 양자의 전체 효율(예컨대, 에너지 효율 또는 비용 효율)은 미리 정해진 최적 효율보다 더 높다.
박스(220)에서, 본 방법은 하이브리드 전기 에너지 시스템에 포함된 수소 에너지 변환 유닛(예컨대, 전지(30))에 대한 제2 그룹의 작동 파라미터를 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 제2 그룹은 수소 에너지 변환 전기자 적어도 수소 연료 전지와 연소 반응기 중 적어도 하나가 되도록 선택하는 것을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 제2 그룹은 수소 에너지 변환 전지의 더욱 상세한 작동 조건을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 그룹은 수소가 수소 에너지 변환 전지에 공급되고 있는 압력(예컨대, 가압기(60)에 의해), 수소의 연소율, 연소 챔버의 크기 및 유형, 변환 유닛으로의 공기 또는 산소의 유동률 및 압력, 유닛의 작동 온도를 포함할 수 있다.
본 발명의 어떤 실시예에 따르면, 전술한 바와 같이 방출된 수소로 인한 위험의 문제는, 가능한 가장 우수한 에너지 효율을 위해 계획되고 작동되거나 가능한 가장 우순한 경제적 효율을 위해 계획되고 작동되든지 상관없이 본 발명의 실시예에 따르 만들어지고 작동되는 에너지 시스템에서 해결된다. 제1 에너지 유닛에서 방출된 수소는 제2 에너지 유닛에서 소비최도 에너지로 변환될 수 있고, 그 양의 안전 레벨까지 감소시킬 수 있다. 제1 및 제2 에너지 유닛은 누설 방치 수단에 의해 서로 연결될 수 있어서, 수소가 시스템으로부터 방출되지 않도록 보장하고, 따라서 하이브리드 시스템의 전체 에너지에 에너지 기여하든 기여하지 않든 제1 에너지 유닛의 공정에서 방출되는 모든 수소가 제2 에너지 유닛에서 소비된다.
본 발명이 어떤 특징은 본 명세서에서 예시되고 설명되었지만, 통상의 기술자는 많은 수정, 대체, 변경, 균등물이 일어날 것이라는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 내에 포함되는 그러한 모든 수정 및 변경을 커버하는 것을 의도한다는 것이 이해된다.

Claims (20)

  1. 하이브리드 전기 에너지 시스템으로서,
    전력을 생산하고, 전력 생산 시 수소를 방출하는 적어도 하나의 금속-공기 전지; 및
    방출된 수소의 적어도 일부를 소비하는 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛은 연소 반응기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지의 작동 파라미터 또는 상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지의 작동 파라미터는, 상기 금속-공기 전지의 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮고, 상기 하이브리드 시스템의 효율은 상기 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 되어 있는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  2. 하이브리드 전기 에너지 시스템으로서,
    전력을 생산하고, 전력 생산 시 수소를 방출하는 적어도 하나의 금속-공기 전지; 및
    방출된 수소의 적어도 일부를 소비하는 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛은 연소 반응기를 포함하고, 상기 연소 반응기는 내연 기관이고,
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지의 작동 파라미터 또는 상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지의 작동 파라미터는, 상기 금속-공기 전지의 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮고, 상기 하이브리드 시스템의 효율은 상기 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 되어 있는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  3. 하이브리드 전기 에너지 시스템으로서,
    전력을 생산하고, 전력 생산 시 수소를 방출하는 적어도 하나의 금속-공기 전지;
    방출된 수소의 적어도 일부를 소비하는 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛; 및
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지에 의해 생산된 에너지와 상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지에 의해 생산된 에너지를 조합하기 위한 에너지 조합기 관리기를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지의 작동 파라미터 또는 상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지의 작동 파라미터는, 상기 금속-공기 전지의 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮고, 상기 하이브리드 시스템의 효율은 상기 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 되어 있는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛은 방출된 수소를 소비가능한 동력으로 변환하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은 상기 적어도 하나의 금속-공기 전지 및 상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 전지의 제어가능한 파라미터를 제어하도록 구성되는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어가능한 파라미터는, 상기 금속-공기 전지의 전해질의 온도, 상기 수소 에너지 변환 전지의 수소 가스의 압력, 및 상기 하이브리드 에너지 시스템의 전체 전압 중 적어도 하나를 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적 효율, 상기 금속-공기 전지의 효율, 및 상기 하이브리드 시스템의 효율은 에너지 효율인, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 최적 효율, 상기 금속-공기 전지의 효율, 및 상기 하이브리드 시스템의 효율은 비용 효율인, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지는 99.999% 미만의 순도의 금속을 가진 금속 전극을 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 금속-공기 전지는 99.9% 미만의 순도의 금속을 가진 금속 전극을 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하이브리드 시스템은 열과 전기 중 적어도 하나의 형태로 에너지를 생산하도록 구성되는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 수소 에너지 변환 유닛은 실질적으로 방출된 수소 전부를 소비함으로써, 수소 폭발점 아래로 공기 내 수소 농도를 감소시키는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    수소를 가압하기 위한 시스템; 및
    상기 수소 에너지 변환 전지에 전달된 수소 압력을 제어하도록 구성된 제어 유닛을 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템.
  14. 하이브리드 전기 에너지 시스템을 작동하는 방법으로서,
    상기 하이브리드 전기 에너지 시스템에 포함된 금속-공기 전지에 대한 제1 그룹의 작동 파라미터를 선택하는 단계; 및
    상기 하이브리드 전기 에너지 시스템에 포함된 수소 에너지 변환 전지에 대한 제2 그룹의 작동 파라미터를 선택하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 그룹의 작동 파라미터는, 상기 금속-공기 전지의 효율이 미리 정해진 최적 효율보다 낮고, 상기 하이브리드 전기 에너지 시스템의 전체 효율이 상기 미리 정해진 최적 효율보다 높도록 선택되는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 최적 효율, 상기 금속-공기 전지의 효율, 및 상기 하이브리드 시스템의 효율은 에너지 효율 또는 비용 효율인, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 작동 파라미터는 상기 금속-공기 전지의 금속 애노드의 순도를 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 작동 파라미터는 99.999% 미만의 순도의 금속을 가진 금속 애노드를 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  18. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 작동 파라미터는 상기 금속-공기 전지에 포함된 전해질의 온도를 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  19. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제1 그룹의 작동 파라미터는 상기 금속-공기 전지의 전압을 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
  20. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 제2 그룹의 작동 파라미터는 상기 수소 에너지 변환 전지를 수소 연료 전지와 연소 반응기 중 적어도 하나로 선택하는 것을 포함하는, 하이브리드 전기 에너지 시스템의 작동 방법.
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