KR20180099872A - 디하이드로겐을 생성하기 위한 시스템, 및 관련 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디하이드로겐을 생성하기 위한 시스템(1)에 관한 것으로서: 물의 전기 분해를 수행하여 디옥시겐 및 디하이드로겐을 생성하기에 적합한 전해조(2);디하이드로겐 압축기(3); 디하이드로겐 냉각기(4); 상기 전해조(2)로부터의 디하이드로겐의 주 회로(10)로서, 적어도 상기 압축기(3) 및 상기 냉각기(4)가 주 회로 상에 연속적으로 배치되는, 주 회로(10); 및 상기 전해조(2)로부터의 디옥시겐 및 잔류 수증기의 보조 회로(20)를 포함하고, 상기 시스템은 상기 잔류 수증기의 응축기를 더 포함하며; 상기 냉각기(4)는 팽창기, 교환기 및 축열 모듈을 포함하고; 상기 응축기, 상기 팽창기 및 상기 교환기가 상기 보조 회로(20) 상에 연속적으로 배치되며, 상기 교환기는 상기 압축기(3)에 의해 압축된 디하이드로겐, 상기 축열 모듈 및 상기 팽창기에 의해 팽창된 디옥시겐 사이에서 열 교환을 작동시킨다.

Description

디하이드로겐을 생성하기 위한 시스템, 및 관련 방법

본 발명은 전기 분해에 의한 디하이드로겐 생성 시스템에 관한 것이다.

탈탄소화된 솔루션(decarbonised solutions)의 강력한 발전이라는 맥락에서, 즉, 낮은 이산화탄소 방출 솔루션은 이동성과 상품 및 승객 운송에 대하여, 디하이드로겐(dihydrogen)이 유망한 연료로 보인다.

연료 전지 및 자동차용 전기 모터와 관련된 이의 사용은, 화석 연료의 대안 일 수 있으며, 특히 자체가 클린 에너지, 특히 물 전기 분해로 생성되는 경우이다. 토요타(Toyota)와 같은 일부 자동차 제조업체는 이미 수소 차량을 시판하기 시작했으며 다른 업체는 2020년까지 첫번째 차량을 출시할 예정이다.

연료 전지(이의 일 예가 도　1a에 도시되어 있음)의 작동은 다음의 산화-환원 반응에 의해 제어된다:

-　애노드(anode)에서: 2H₂ → 4H⁺　+　4e^-

-　캐소드(cathode)에서: O₂　+　4H⁺　+　4e^- → 2H₂O.

따라서, 애노드에서 생성된 전자의 흐름은 캐소드로 전달되기 전에 전기 부하(electrical load)를 공급할 수 있다.

수소는 현재 주로 천연 가스(메탄, 수증기 개질 반응은 하기 식에 의해 설명됨: CH₄　+　2H₂O　+　열　→　4H₂+　CO₂)로부터 탄화수소 수증기 개질에 의해 다량으로 생산되며, 서비스 스테이션(service station)에서 200 bar의 실린더 프레임으로 트럭으로 수송되고 운반되는데, 서비스 스테이션에서의 고압 탱크에 저장되기 전에, 420 내지 880 bar의 압력까지 압축기에서 압축된다(실제로, 디하이드로겐 가스의 낮은 체적 밀도-표준 온도 및 압력 조건 하에서 1 세제곱미터의 디하이드로겐 중 89그램, 즉 3.54　kWh의 에너지-는 연료로서 사용하기에 충분한 밀도에 도달하기 위해 차량에 따라 350 bar 또는 700　bar에서 이를 압축한다는 것을 의미한다).

이 수증기 개질 제조 방법은 공업적으로 성숙되고 저렴하다는 이점을 갖는다. 그러나, 이는 다음의 다수의 결점을 가지는데: 화석 에너지를 소비하고, 이산화탄소를 높게 방출하며, 대형 단위(최대 수백 MW)의 대규모 생산에만 적합하다. 분산화된(decentralised) 수소 사용의 경우, 생성된 수소는 트럭에 의해 운송되어야만 하며, 실린더 프레임으로 운반되어야만 하며, 이로 인해 상당한 경제적 및 에너지 비용이 발생한다.

따라서, 기업가들은 대체 기술을 선택하려는 경향이 점점 커지고 있다: 물 전기 분해(water electrolysis)는 디하이드로겐을 디옥시겐(dioxygen)으로부터 분리하기 위해 화석 에너지 대신 전기를 사용하고, 작은 분산화된 단위 또는 심지어 수소가 사용되는 장소, 예를 들면 서비스 스테이션에서 제조될 수 있다. 전기 분해 원리는 다음 식으로 요약할 수 있다: 2H₂O　+　전기　→　2H₂　+　O₂.

전기 분해는 다음의 다수의 이점들을 갖는다: 전기는 탈탄소화되는 경우(예를 들면 핵 또는 재생가능한 출처) 이산화탄소를 발생시키지 않으며, 유연성이 뛰어남으로 따라서 전기 그리드용 서비스를 제공할 수 있으며, 이것은 소형 크기(1 MW 미만)일 수 있는 모듈식 기술(modular technology)이므로, 분산화된 생산에 적합하다. 반면에, 전기는 고가의 에너지를 소비하는 단점을 갖는다. 따라서, 이의 수율이 중요한 문제이다.

도　1b는 이의 작동을 위해 55　kWh의 전기 에너지를 소비하는 전해조(2)를 포함하는 공지된 설비를 나타낸다. 이러한 유형의 전해조(2)는 생성된 디하이드로겐 1몰 당 디옥시겐의 1/2 몰을 대기로 방출한다(보조 회로(20)를 통해). 디하이드로겐은 적어도 16bar, 유리하게는 적어도 30bar, 그리고 바람직하게는 약 35bar, 60℃에서 생성된 후, 35 bar 및 25℃에서 떠나기(leaving) 전에, 전해조 내부에서 정제되고 냉각된다. 그 다음, 이것은 저장 버퍼 저장조(11)로 이송되는데, 여기서 35 bar에서 저장된다.

그 다음, 디하이드로겐은 주 회로(10)로부터 압축기(3)로 이송되며, 이는 350 bar 또는 700 bar에서 차량에 공급하기 위한 것인지 여부에 따라, 420 bar 또는 880 bar 정도의 압력으로 떠난다. 상기 압축기는 압축된 디하이드로겐의 킬로그램 당 4 내지 6 kWh를 소모한다(+/- 1 kWh). 압축된 디하이드로겐의 kg 당 5kWh의 평균값의 전력이 유지되었다.

디하이드로겐은 주 회로(10) 상에서, 일련의 밸브 및 상이한 센서로 주로 구성되는, 관리 장치(30)로 계속해서 순환하며, 이것은 탱크에 따라 적어도 400　bar 또는 800　bar에서 고압 저장소(31, 32)로 이의 방향을 바꾼다. 차량을 가득 채워서, 고압 탱크(31)(400　bar) 및 고압 탱크(32)(800　bar)의 압력이 임계값 아래로 감소하는 경우, 고압 탱크(31, 32)가 가득 찰 때까지 또는 버퍼 탱크(11) 내의 압력이 이의 최소 압력으로 감소할 때 등까지(여기에서 10　bar로 가정됨), 상기 압축기(3)를 가동하여 버퍼 탱크(11)로부터 디하이드로겐을 뽑아낸다(draws).

차량이 서비스 스테이션에 오는 경우, 디하이드로겐을 관리하기 위한 상기 관리 장치(30)는 고압 저장소(31, 32)로부터 디하이드로겐을 뽑아내어 상기 스테이션의 작업자의 선택에 따라 -20℃ 내지 -40℃의 온도에서 냉각되는, 냉각기(4)로 이를 이송한다.

실제로, 차량의 수소 리필(hydrogen refill)은 간단한 압력 전달에 의해 이루어지며, 스테이션에서 저장된 가스는 차량 탱크가 가득 차거나 또는 압력 균형에 도달할 때까지 차량에서 배출된다.

그러나, 이러한 전달 중에, 기계적 에너지 공급으로 인해(탱크 내의 잔류 수소는 매우 높은 압축을 겪는다), 디하이드로겐의 온도가 실질적으로 상승한다. 전달 과정이 제어되지 않는 경우, 상기 디하이드로겐 온도는 100℃ 보다 높은 값으로 이론적으로 도달할 수 있다. 그러나, 현재 자동차 산업에서 수소 관리 및 선상 저장소(onboard storage)로 사용되는 부품들은 80℃ 보다 높은 온도에서 견디지 못하는 폴리머로 만들어진다. 이것이 업계에서 널리 사용되는 리필, 프로토콜(특히 SAE J2601 표준)이 차량을 다시 채우기 전에 -20℃ 또는 심지어 -40℃에서 디하이드로겐을 냉각시킬 것을 권장하는 이유이다.

이러한 냉각은 냉각기(4)를 사용하여 이루어지는데, 이것은 전형적으로 예를 들어 냉각제로 상 변화시키는 히트 펌프 유형의 냉동기이다. 이러한 기술은 투자 및 유지 보수 측면에서 비용이 많이 들고 에너지 소비도 매우 높다: 냉각기(4)는 냉각된 디하이드로겐 킬로그램 당 약 1　kWh의 전력을 소비한다.

냉각된 디하이드로겐은 그 다음 350　bar 또는 700　bar에서 차량이 구비된 사용자인지 여부에 따라, 펌프(5)를 통해 분배된다.

이러한 장치의 에너지 수율은 다음과 같다:

r　=　PCS/Qinv　=　39.4/(55　+　5　+　1)

r　=　64.6%.

이 솔루션은 스테이션 투자 비용이 높고, 수율이 낮다는 두 가지 단점을 갖는다.

따라서, 산업에서 대규모의 수소 사용의 돌파구(breakthrough)를 가속화하기 위하여, 차량용으로 사용하기 위한 냉각된 압축 수소의 생산 및 관리와 관련된 투자 비용 및 에너지 비용을 감소시키는 것이 바람직할 것이다.

발명의 개시

본 발명은 제1 양상에 따라, 하기의 디하이드로겐을 생성하기 위한 시스템을 제공함으로써 이러한 결점들을 극복할 것을 시사한다:

- 물의 전기 분해를 수행하여 디옥시겐 및 디하이드로겐을 생성하기에 적합한 전해조;

-　디하이드로겐 압축기;

-　디하이드로겐 냉각기;

-　상기 전해조로부터의 디하이드로겐의 주 회로로서, 적어도 상기 압축기 및 상기 냉각기가 주 회로 상에 연속적으로 배치되는, 주 회로;

- 상기 전해조로부터의 디옥시겐 및 잔류 수증기의 보조 회로,

를 포함하며,

상기 시스템은:

- 상기 잔류 수증기의 응축기를 더 포함하며;

- 상기 냉각기는 팽창기, 교환기 및 축열 모듈을 포함하고;

상기 응축기, 상기 팽창기 및 상기 교환기가 상기 보조 회로 상에 연속적으로 배치되며, 상기 교환기는 상기 압축기에 의해 압축된 디하이드로겐, 상기 축열 모듈 및 상기 팽창기에 의해 팽창된 디옥시겐 사이에서 열 교환을 작동시키는(operating) 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 장치는 유리하게는 단독으로 또는 이의 기술적으로 가능한 임의의 조합에 따라 취해진 다음의 특징들에 의해 완성된다:

● 상기 응축기는, 냉각기의 교환기를 떠나는 디옥시겐으로 전해조로부터의 디옥시겐과 잔류 수증기 사이에서 열 교환을 작동시킨다;

● 상기 교환기는 상기 축열 모듈 내에 배치된다;

● 상기 팽창기는 또한 상기 축열 모듈 내에 배치된다;

● 상기 냉각기는 상기 축열 모듈을 감싸는 절연 벽(insulating wall)을 더 포함한다;

● 상기 축열 모듈은 적어도 하나의 상 변화 재료(phase change material)를 사용한다;

● 상기 축열 모듈은, 제1 용융 온도를 갖는 제1 상 변화 재료로 채워진 제1 구역과, 상기 제1 용융 온도 보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 상 변화 재료로 채워진 제2 구역을 포함한다;

● 상기 교환기는, 상기 제1 상 변화 재료 및 제2 상 변화 재료 각각과 연속적인 열 교환이 되도록 상기 제1 구역 및 제2 구역의 각각 내에서 연장한다(extends).

● 상기 팽창기에 의해 팽창된 상기 디옥시겐이 제1 상 변화 재료 및 그 다음 제2 상 변화 재료와 열 교환되며, 상기 압축기에 의해 압축된 디하이드로겐은 제2 상 변화 재료 및 그 다음 제1 상 변화 재료와 열 교환되도록, 상기 교환기는 역류(counter-current) 교환기이다.

● 상기 제1 용융 온도는 -20℃ 보다 낮고, 상기 제2 용융 온도는 0℃와 20℃ 사이이다.

● 상기 제1 용융 온도는 -40℃ 보다 낮고, 상기 응축기와 상기 팽창기 사이에 보조 회로 상에 건조기가 배치된다.

● 상기 압축기와 상기 냉각기 사이에서 상기 주 회로 상에 배치된 디하이드로겐을 관리하기 위한 관리 장치를 더 포함하고, 상기 관리 장치는 적어도 하나의 고압 탱크에 연결되고, 상기 냉각기에 간헐적으로(intermittently) 디하이드로겐을 제공하도록 구성된다.

● 상기 시스템은 또한 상기 주 회로 상에 상기 냉각기의 다운스트림(downstream)에 배치된 적어도 하나의 분배 장치를 포함하고, 상기 분배 장치가 사용되는 경우, 상기 관리 장치가 상기 냉각기에 디하이드로겐을 제공하도록 구성된다;

● 상기 고압 탱크 내의 압력이 최소 임계값(threshold)과 최대 임계값 사이에 있도록, 상기 압축기는 또한 상기 관리 장치에 간헐적으로 디하이드로겐을 제공하도록 구성된다;

● 상기 디옥시겐 및 디하이드로겐은 상기 전해조의 출구에서 적어도 13　bar, 유리하게는 적어도 30　bar의 압력을 갖는다.

제2 양상에 따라, 본 발명은 하기 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는 디하이드로겐을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다;

- 전해조에서 물을 전기분해하여(electrolysing) 디옥시겐 및 디하이드로겐을 생성하는 단계;

- 압축기에 의해 디하이드로겐을 압축하는 단계;

- 응축기에서 디옥시겐과 혼합된 잔류 수증기를 응축시키는 단계;

- 팽창기에서 디옥시겐을 팽창시키는 단계;

- 축열 모듈과의 열 교환시에 교환기를 통해 팽창된 디옥시겐과의 열 교환에 의해 압축된 디하이드로겐을 냉각시키는 단계.

본 발명의 추가의 특징, 목적 및 이점은 다음의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이며, 이는 단지 예시적이며 제한적이지 않고, 첨부된 도면과 관련하여 이해되어야만 한다:
-　도 1a는 이전에 기술된 것으로, 공지된 수소 전지의 다이어그램이다;
-　도　1b는 이전에 기술된 것으로, 공지된 디하이드로겐 생성 시스템의 다이어그램이다;
-　도　2는 본 발명에 따른 디하이드로겐 생성 시스템의 다이어그램이다;
- 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 디하이드로겐 생성 시스템의 냉각기의 2개의 특히 바람직한 실시 형태의 다이어그램이다.
다른 도면들에서, 유사한 요소들은 동일한 참조 번호를 지니며, 지시된 온도 및 압력 값은 단지 비제한적인 예에 불과하다.

상세한 설명

일반적 구조(General architecture)

도 2는 본 발명의 디하이드로겐 생성 시스템(1)을 나타낸다. 나타난 바와 같이, 이 시스템은 또한 유리하게는 특히 차량용 디하이드로겐 분배 시스템이다. 따라서 상기 시스템은 서비스 스테이션의 형태를 취할 수 있다.

임의의 경우에서, 상기 시스템(1)은 도 1b에 따른 시스템의 것과 유사한 전체 구조를 가지며, 전해조(2)(다수의 유형일 수 있음) 및 압축기(3)를 중심으로 배치된다.

상기 전해조(2)는 이의 캐소드에서 디하이드로겐을 생성하고, 이의 애노드에서 디옥시겐을 생성하며, 디옥시겐은 잔류 수증기와 혼합된다.

따라서, 설명한 바와 같이, 상기 시스템(1)은, 적어도 상기 전해조(2), 상기 압축기(3), 선택적으로 디하이드로겐을 관리하는 관리 장치(30), 상기 냉각기(4), 및 특히 차량용에서, 선택적으로 디하이드로겐을 분배하기 위한 분배 장치(5)(이후 상기 장치(5)는 분배된 체적 측정 수단 및 관련 결제 수단과 아마도 결합된 "서비스 스테이션 펌프"이다)가 주 회로 상에 연속적으로 배치되는 디하이드로겐의 주 회로(10)를 포함한다.

주 회로(10)의 브랜치(branch)는 전해조(2)의 출구에서 버퍼 저장조(buffer reservoir)(11)상의 일시적인 저장을 위하여 디하이드로겐을 뽑아낼 수 있다.

상기 시스템은 전해조(2)로부터의 디옥시겐 및 잔류 수증기의 보조 회로(20)를 더 포함한다.

다른 한편으로는, 설명한 바와 같이, 디하이드로겐을 관리하기 위한 상기 관리 장치(30)는 적어도 400　bar 및/또는 800　bar에서 저장을 위한 고압 탱크(31, 32)의 세트를 포함할 수 있다.

냉각

본 시스템(1)은 극저온을 이용한(cryogenic) 에너지원으로서 전해조(2)에 의해 생성된 치명적(fatal) 디옥시겐(디옥시겐 및 잔류 수증기의 보조 회로(20) 상에서의 순환)의 사용에 의해 구별된다.

이 목적에서, 디옥시겐에 함유된 압력 에너지는 이에 의해 제공된 냉각 시스템(4)에서 극저온성 에너지로 전환된다. 아래에서 알 수 있는 바와 같이, 이것은 다른 목적들 중에서도, 음의 온도까지 디옥시겐의 온도 강하를 일으키는 단열 팽창을 허용하는 팽창기(40) 및 원하는 온도까지 디하이드로겐을 냉각시키기 위해 사용되는 디옥시겐 팽창에 의해 생성되는 프리고리(frigories)에서의 열 교환기(41)를 포함한다. 상기 교환기(41)는 디하이드로겐 순도를 유지하도록 이들과 혼합하지 않고 디하이드로겐과 디옥시겐 사이에서 열 교환을 작동시킨다.

상기 팽창기(40)는 디옥시겐 팽창을 조절하고 등온 팽창에 접근하기 위해, 직렬로(in series) 연결되는 몇몇의 팽창기로 대체될 수 있으며, 이는 더 많은 프리고리가 생성될 수 있음에 주목한다.

수행된 열역학적 분석을 통해 디옥시겐 팽창(상기 팽창이 전적으로 단열되지 않은 경우, 0.34　kWh/kg 디하이드로겐, 또는 그 이상)에 의해 생성된 프리고리가 상응하는 디하이드로겐의 양(최악의 경우 0.33　kWh/kg)의 온도를 -40℃까지 더 낮추기에 충분함을 입증하는 것을 가능하게 한다. 따라서 가압된 디옥시겐은 디하이드로겐에 필요한 냉간 생산(cold production)에 적합하다.

이러한 장치의 수율은 다음과 같다:

r　=　PCS/Qinv　=　39.4/(55　+　5)

r　=　65.7%.

따라서 1.1%의 수율이 공지된 솔루션에 대해 얻어졌다. 또한, 잠재적으로 더 높은 전력 수요(20 kW 보다 높음)가 제거되어 전기 그리드 연결 비용에 대해 유리한 영향을 가질 수 있다.

그러나, 알 수 있는 바와 같이, 이 사용의 구현은 본 발명에 의해 해결되어질 두 가지 문제점에 직면한다.

첫번째는, 냉각 수요(cold demand)와 산소 생산은 동시에 일어나지 않는다.

실제로, 상기 관리 장치(30)가 간헐적으로 냉각기(4)에 디하이드로겐을 제공하도록 구성된다. 더 정확히 말하면, 디하이드로겐 수요는 분배 장치(5)에서의 수요에 상응하고(즉, 사용자가 채움), 따라서 상기 분배 장치(5)가 사용되는 경우, 상기 관리 장치(30)가 상기 냉각기(4)에 디하이드로겐을 제공하도록 구성된다.

그러나, 상기 관리 장치(30)는 그 자체가 간헐적으로 디하이드로겐을 받는다: 상기 고압 탱크(31, 32) 내의 압력이 최소 임계값과 최대 임계값 사이에 있도록, 상기 압축기(4)는 전형적으로 상기 관리 장치(30)에 디하이드로겐을 제공하도록 또한 구성된다. 2개의 저장 압력 레벨(31, 32)이 있는 경우에, 몇 가지 압력 수준(예를 들면 400/440　bar 및 800/880　bar)이 있는 경우, 최소 및 최대 임계값이 여러 개 있을 수 있다.

상기 전해조(2)는 차례로 거의 연속적으로 작동하고, 생성된 디하이드로겐은 압축기(3)가 필요에 따라 뽑아내는 10 내지 35　bar 사이의 가능한 버퍼 탱크(11)에 저장되어진다. 상기 전해조가 차례로 간헐적으로 작동할 가능성이 있지만, 어떤 경우에도, 이의 작동 기간은 정의에 의해 예측할 수 없는 사용자의 요구 기간과 일치할 수 없다.

이후에, 산소 냉각은 응축(condensation)을 일으키기 쉽고, 이것은 매우 낮은 온도에서 즉시 서리(frost)로 변하고 작동이 기술적으로 실행할 수 없게 만들 수 있다.

본 시스템은 상기 보조 회로(20) 상에 상기 팽창기(40)의 업스트림(upstream)에 배치된 상기 잔류 수증기의 응축기(21)와 상기 교환기(41)와의 열교환에서 축열 모듈(42a, 42b)(상기 냉각기(4)에 구비됨)을 결합시킴으로써 이러한 문제들을 해결할 수 있게 한다.

이 응축기는 실제로 건조 시스템이다. 실제로, 디옥시겐 온도의 감소는 디옥시겐의 수증기 상에 존재하는 물의 응축을 일으킨다. 도시된 바와 같이, 이는 상기 전해조(2) 및 상기 냉각기(4)의 시간 오프셋(time offset) 작동을 허용하면서 디하이드로겐을 무료로(free of charge) 건조시킬 수 있게 한다.

냉각기

보다 상세하게 후술되어질 2개의 바람직한 실시 형태를 나타내는 도　3a 및 도 3b에 대한 참조로서, 상기 응축기(21)는 유리하게는 냉각기(4)의 교환기(41)를 떠나는 디옥시겐으로 열 교환에 의해 에너지가 공급되는 교환기이다. 다시 말하면, 상기 팽창기(40)에 의해 팽창되고 상기 교환기(41)에서 이의 프리고리를 부여한 건조 디옥시겐은 여전히 낮은 에너지 수준(나타낸 바와 같이, 상기 축열 모듈(42a, 42b)의 최대 온도)이며, 전형적으로 약 0℃이다.

이 신선한(fresh) 디옥시겐으로 열 교환에 의해, 상기 전해조(2)로부터의 잔류 수증기와 혼합된 고압의 디옥시겐은 수분 응축이 일어나도록 충분히 낮게 냉각된다.

상기 교환기(41)는 상기 축열 모듈(42a, 42b) 내에, 즉 직접 열 교환으로 배치되는 것이 유리하다. 이는 상기 축열 모듈(42a, 42b)이 히트 버퍼(heat buffer)로서 작용하도록 하며: 디옥시겐에 의해 "과도하게" 공급되는 상기 프리고리는 이 모듈(42a, 42b)에 의해 선택되고(picked), 상기 펌프(5)에 높은 수요가 있는 경우 방출된다(released).

보다 정확하게는, 상기 냉각기(4)는 유리하게는 상기 축열 모듈(42a, 42b)을 감싸는 절연 벽(42)을 포함하는 실질적으로 단열성 장치이며, 상기 교환기(41) 및 선택적으로 팽창기(40)를 그 자체로 감싸서 가능한 한 다량의 에너지를 회수한다. 팽창기(40)가 외부에 있을 가능성이 매우 높은 것에 주목한다.

상기 축열 모듈에 대한 다수의 기술이 존재하는데, 먼저 높은 열용량 물질(세라믹스(ceramics), 냉매 겔 또는 액체에서의 실질적으로 저온 저장, 후자는 열 교환을 개선시킴)의 사용이 바람직하지만, 상기 축열 모듈(42a, 42b) 적어도 하나의 상 변화 재료를 사용한다. 상 변화 재료-또는 PCM-는 제한된 온도 범위, 즉 이를 특징짓는 용융 온도로 지칭되는 미리 정해진 기준 온도에 대하여 물리적인 상을 변화시킬 수 있는 임의의 재료를 의미한다.

상 변화 재료는 잠열에 의한 열 전달을 구현한다. 그것은 항온, 즉 상 변화(즉, 용융 온도)를 유지하면서, 단순한 상 변화에 의해 에너지를 저장하거나 줄 수있다. 용융 온도보다 낮은 온도에서 매체(medium)와의 열 교환에서, 상기 상 변화 재료는 상기 매체의 온도를 증가시킴으로써 응고되고; 용융 온도 이상의 온도를 갖는 매체와의 열 교환에서, 상기 매체의 온도를 감소시킴으로써 상 변화 물질을 액화시킨다.

보다 정확하게는, 과량의 디옥시겐의 경우(디하이드로겐은 모든 프리고리가 흡수될 수 있는 유속(flow rate)을 갖지 않기 때문에 상기 교환기(41)에서 저온임); 이들 프리고리는 상 변화 재료를 응고시킴으로써 저장되며, 디옥시겐 부족의 경우(디하이드로겐은 디하이드로겐을 충분하게 냉각시키지 않으면서 모든 프리고리를 흡수하는 높은 유속을 갖기 때문에 상기 교환기(41)에서 고온임), 프리고리는 상 변화 재료를 액화시킴으로써 방출된다.

이 경우에, 농도를 변화시킴으로써 조정될 수 있는 낮은 용융 온도(-10℃ 보다 낮음)를 갖는 염수 또는 글리콜레이트 수용액을 선택할 수 있다.

바람직하게는, 상기 축열 모듈(42a, 42b)은 제1 용융 온도를 갖는 제1 상 변화 재료로 채워진 제1 구역(42a)과, 상기 제1 용융 온도 보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 상 변화 재료로 채워진 제2 구역(42b)을 포함한다.

이는 상기 교환기(41)가 상기 제1 상 변화 재료 및 제2 상 변화 재료 각각과 연속적인 열 교환이 되도록 상기 제1 구역 및 제2 구역(42a, 42b)의 각각 내에서 연장할 수 있게 한다.

특히, 상기 팽창기(40)에 의해 팽창된 상기 디옥시겐이 제1 상 변화 재료 및 그 다음 제1 상 변화 재료와 열 교환되며, 상기 압축기(3)에 의해 압축된 디하이드로겐은 제2 상 변화 재료 및 그 다음 제1 상 변화 재료와 열 교환되도록, 상기 교환기(41)는 역류 교환기이다.

이것은 팽창된 디옥시겐의 점진적 가열 및 디하이드로겐의 점진적 냉각에 해당한다.

도　3a 및 도 3b의 바람직한 실시 형태 양자 모두에서 사용된 이러한 매우 유리한 특성은 2 단계(two-level) 열 저장을 가능하게 하여, 분배된 디하이드로겐을 보다 쉽게 도달시키는데 필요한 저온을 가능하게 하면서, 외부 에너지 소비를 가능한 한 제한한다.

상기 제1 용융 온도는 유리하게는 -20℃ 보다 낮고(또는 심지어 -40℃ 보다 낮음), 상기 제2 용융 온도는 유리하게는 0℃와 20℃ 사이이다.

단지 하나의 상 변화 재료만을 사용할 수 있다. 이 경우, 디옥시겐의 열장(heat field)의 단지 한 부분만 회수될 것이고, 적응형 팽창 프로파일(adapted expansion profile)이 선택되는 경우, 이의 양은 충분할 수 있다. 또한, 2개 이상의 상 변화 재료를 사용할 수 있다.

디하이드로겐 서비스 스테이션 어플리케이션용 프리고리 저장 솔루션으로서 상 변화 재료를 사용하는 것이 유일한 솔루션은 아니지만(설명한 바와 같이, 냉각(cold)은 세라믹스 또는 다른 것들에 실질적으로 저장될 수 있음), 이 애플리케이션의 범위 내에서 몇 가지 장점을 가지는데, 주로 중요 저장 질량 밀도 및 냉각 시스템에 대한 제한된 작동 온도 범위로(-170℃/0℃ 대신 -30℃/+10℃), 이는 열 손실을 제한하고 작동 안정성을 보장한다는 것에 주목해야 한다. 실질적으로 저온을 저장하는 냉매 액체의 사용의 경우, 전체 에너지 필드(entire energy field)를 회수하기 위해(그리고 복수의 상 변화 재료를 재생하기 위해) 상기 냉각기(4)에 온도 구배가 생성될 수 있다.

또한 매우 다른 기록(note)에서, 상기 축열 모듈은 가압된(전형적으로 35 bar) 디옥시겐 저장 탱크로 구성될 수 있음에 또한 주목할 것이다. 이 경우, 실제로 열 에너지가 저장되는 것이 아니라 디옥시겐의 기계적 에너지이다. 그 다음 냉간 생산(Cold production)은 수요에 따라 발생한다: 디하이드로겐 수요가 발생할 때 디옥시겐은 팽창되고 이 디옥시겐의 생성 동안에는 팽창되지 않는다.

그러나, 디옥시겐을 저장하는 것은 고가이고 많은 공간(100　kg 디하이드로겐의 1일 소비를 위해 16　m³의 누적된 체적(cumulated volume)을 갖는 하나 이상의 저장조)을 차지하기 때문에, 저온의 물리적 저장소(cold physical storage)을 사용하는 것이 바람직하다.

임의의 경우에, 상기 냉각기(4)는 일반적 작동에서 사용되지 않을 다른 종래의 냉각기(열 펌프)에 결합될 수 있지만, 제안된 솔루션의 냉간 생산이 불충분할 수 있는 경우 백업(backup)으로서만 결합될 수 있다. 이 경우에, 종래의 냉동 장치는 종래 기술(도 1b)보다 훨씬 작을 수 있으며, 투자 비용을 절감할 수 있다.

제1 바람직한 실시 형태

도 3a를 참조하면, 약 -30℃의 제1 용융 온도를 갖는 제1 상 변화 재료를 구비한 상기 시스템(1)의 제1의 바람직한 실시 형태가 도시되어있다. 상기 제2 상 변화 재료는 약 +10℃의 제2 용융 온도를 갖는다.

디옥시겐은 35 bar에서 먼저 상기 응축기(21)를 통해 도입하는데, 여기서 팽창된 디옥시겐에 의해 10℃에서 미리 냉각된다. 수집된 응축물의 양은 24　g/kg H2로 평가된다. 10℃에서, 12　mBar 증기 부분 압력은 디옥시겐 중에, 즉 1.5　g/kg　H2로 남아있다. 35 bar에서 1 bar로 팽창한 후, 이 분압은 단지 1.5 mBar에 불과할 것이고, 이는 -32℃의 응축 온도에 해당한다.

따라서, 상기 디옥시겐 온도는 응축을 일으키지 않고, 즉, 서리의 위험 없이, 이 온도까지 떨어질 수 있다.

그 다음, 디옥시겐은 응축기(21)를 떠나서 냉각기(4)로 전달된다. 먼저 팽창기(40)를 통과하여 이의 압력을 35 bar에서 1 bar로 떨어뜨리고 이의 온도를 이론적으로 -170℃에 도달할 수 있는 음의 값까지 떨어뜨리지만(단열 팽창), 제1 구역(42a)의 제1 상 변화 재료와의 동시적인 열 교환에 의해 최소 냉각기 온도(제1 용융 온도, 본원에서는 -30 ℃)에 가까운 온도로 유지될 가능성이 매우 높다(등온 팽창).

디옥시겐은 상기 팽창기(40)를 떠나 그 다음 제1 상 변화 재료로 채워진, 제1 구역(42a)과의 열 교환을 용이하게 하는 첫번째 교환기(41)에서 순환한다. 이것은 예를 들어 이의 용융 온도가 대략 -30℃인 것을 특징으로 하는 식염수 용액(salted water solution) 일 수 있다. 디옥시겐은 이의 온도가 -40℃의 값에 도달할 때 까지, 이 제1 상 변화 재료로 프리고리를 교환한다. 상기 제1 상 변화 재료는 열 전달 작용 하에서 응고되며, 따라서 프리고리를 저장한다.

그 다음, 디옥시겐은 약 +10℃의 제2 용융 온도에 의해 특징지어지는, 제2 상 변화 재료로 채워진 제2 구역(42b)으로 이송되고(교환기(41)에 이어짐), 디옥시겐이 약 0℃의 온도에 도달할 때까지 이 제2 상 변화 재료를 응고시킴으로써 추가의 프리고리를 저장한다.

그 다음, 디옥시겐은 응축기(21)로 이송되는데, 여기서 최종 사용 가능한 프리고리가 가압된 디옥시겐을 예비-냉각하는데 사용된다. 그 다음, 이것은 약 55℃의 온도에서 응축기(21)를 떠나서 주위 공기로 방출된다.

디하이드로겐은 상기 관리 장치(30)로부터 냉각기(4)로 이송되는데, 여기서 이것은 제2 구역 및 제1 구역(42a, 42b)을 연속적으로 통과한다(즉, 제2 상 변화 재료, 그 다음 제1 상 변화 재료와 접촉함). 이들 상 변화 재료는 액상으로 전환하여 축냉(stored cold)을 방출하고, 상기 디하이드로겐은 적어도 -20℃까지 냉각된다.

전체 축열 모듈(42a, 42b)은 70°K 까지 실내와 실외 사이의 온도차에 대하여, 열 절연에 대한 이의 적합성을 특징으로 하는, 절연 벽(43)을 사용하여 환경으로부터 절연처리 된다.

제2 실시 형태

도　3b를 참조하면, 본원에서 약 -50℃의 제1 용융 온도를 갖는 제1 상 변화 재료를 구비한 상기 시스템(1)의 제2의 바람직한 실시 형태가 도시되어있다. 상기 제2 상 변화 재료는 약 +10℃의 제2 용융 온도를 또한 갖는다.

이 구성은 적어도 -40℃에서의 냉각에 적합하다. 이는 구조적으로 제1 실시 형태와 동일하지만, 그러나 팽창기(40) 이전에 추가 구성 요소가 부가되는데, 이것은 디옥시겐 건조기(22)이다. 실제로, 상기 응축기(21)에서 예비-냉각된 건조는 -30℃ 보다 낮은 온도에서 응축을 피하기 위한 충분한 건조를 보장하지 못한다.

따라서, 팽창기(40)의 다운스트림에, 서리가 발생할 수 있는 물방울(water droplets)이 형성되어 추가의 유지 요구 사항을 일으킬 수 있는 위험이 있다. 따라서, 예를 들어 흡습 물질(예컨대 실리카겔 또는 알루미나)로 구성되는 건조기(22)를 부가하는 것이 제안된다. 예를 들면, 멤브레인(membranes)과 같은 다른 기술도 가능하다.

상기 예비-건조기(응축기(21))의 존재로 인하여, 상기 건조기(22)로 배출되는 수증기의 잔량은 제한된다. 이것은 1　g/kg H2에서 평가한다. 따라서, 1일 당 100kg의 디하이드로겐을 운반하는 서비스 스테이션의 경우, 상기 건조기(22)는 하루에 100g의 수분을 흡수할 수 있어야만 한다. 이러한 건조기(22)는 공지되어 있고, 예를 들어 매일, 예를 들어 응축기(21)(55℃ 및 1　bar)를 떠나는, 낮은 고온이며 건조된 디옥시겐의 유속을 사용하여, 그 다음 기계적으로 재생될 수 있다.

따라서, 상기 건조기(22)는 임의의 전기적 접속 또는 추가적인 전기 소비를 모두 필요로 하지 않으며, 본 시스템(1)을 사용하여 달성되는 산출 이득(yield gain)에 영향을 미치지 않는다.

도 4는 도　3b에 따른 냉각 시스템에 구현된 에너지 평형(열역학적 관점에서)의 핀치 분석(pinch analysis)을 나타낸다. 두 가지의 상 변화 재료를 가정할 때의 이점을 쉽게 이해할 수 있다.

더욱이, 도 3b는 -40℃에서의 냉각의 경우를 예시하고 있지만, 응축의 부존재를 보장하기 위하여, -20℃에서의 냉각(도　3a의 경우)을 위한 동일한 건조기(22)를 사용하는 것으로 결정될 수 있다.

본원에서 기술된 개념은 SAE 표준(예를 들면 -30℃)에 의해 현재 권장되거나 또는 이에 후속적으로 추가될 가능성이 있는, 임의의 다른 음의 온도(특히 -10℃ 또는 0℃)에 적용될 수 있음에 주목해야 한다. 상기 상 변화 재료(들)의 온도를 적절하게 선택하고, 추가의 건조기(22)가 요구되는지 여부를 확인하는 것만으로 충분하다.

방법

제2 양상에 따라, 본 발명은 또한 본 발명의 제1 양상에 따른 상기 시스템(1)에 의해 구현되는 디하이드로겐 생성 방법에 관한 것이다.

이 방법은 하기 단계들을 포함한다:

- 전해조(2)에서 물을 전기분해하여(electrolysing) 디옥시겐 및 디하이드로겐을 생성하는 단계;

- 압축기(3)에 의해 디하이드로겐을 압축하는 단계;

- 선택적으로, 관리 장치(30)에 의해 압축된 디하이드로겐을 저장/ 방출하는 단계;

- 응축기(21)에서 디옥시겐과 혼합된 잔류 수증기를 응축시키는 단계;

- 팽창기(40)에서 디옥시겐을 팽창시키는 단계;

- 축열 모듈(42a, 42b)과의 열 교환시에 교환기(41)(특히 역류 교환기)를 통해 팽창된 디옥시겐과의 열 교환에 의해 압축된 디하이드로겐을 냉각시키는 단계 (-20℃/-40℃에서)(특히 팽창된 디옥시겐에 대한 2번의 가열 단계(heating levels)에 상응하는 디하이드로겐에 대한 2번의 냉각 단계(cooling levels)를 정의하도록, 2개의 상 변화 재료들에서 연속적으로 통과됨);

- 선택적으로, 여전히 신선한 디옥시겐을 재순환시키고, 무료로 에너지를 이에 공급하도록, 상기 교환기(41)에서 응축기(21)로 떠나는(leaving) 단계;

- 그리고 선택적으로 전형적으로 서비스 스테이션에서 사용을 위해, 분배 장치에 의해 냉각된 디하이드로겐을 분배하는 단계(-20 ℃/-40℃에서).

Claims (16)

1. 디하이드로겐(dihydrogen)을 생성하기 위한 시스템(1)으로서,
   - 물의 전기 분해를 수행하여 디옥시겐(dioxygen) 및 디하이드로겐을 생성하기에 적합한 전해조(2);
   -　디하이드로겐 압축기(3);
   -　디하이드로겐 냉각기(4);
   -　상기 전해조(2)로부터의 디하이드로겐의 주 회로(10)로서, 적어도 상기 압축기(3) 및 상기 냉각기(4)가 주 회로 상에 연속적으로 배치되는, 주 회로(10);
   - 상기 전해조(2)로부터의 디옥시겐 및 잔류 수증기의 보조 회로(20),
   를 포함하며,
   상기 시스템은:
   - 상기 잔류 수증기의 응축기(21)를 더 포함하며;
   - 상기 냉각기(4)는 팽창기(40), 교환기(41) 및 축열 모듈(42a, 42b)을 포함하고;
   상기 응축기(21), 상기 팽창기(40) 및 상기 교환기(41)가 상기 보조 회로(20) 상에 연속적으로 배치되며, 상기 교환기(41)는 상기 압축기(3)에 의해 압축된 디하이드로겐, 상기 축열 모듈(42a, 42b) 및 상기 팽창기(40)에 의해 팽창된 디옥시겐 사이에서 열 교환을 작동시키는(operating) 것을 특징으로 하는, 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 응축기(21)는, 냉각기(4)의 교환기(41)를 떠나는(leaving) 디옥시겐으로 전해조(2)로부터의 디옥시겐과 잔류 수증기 사이에서 열 교환을 작동시키는 것인, 시스템.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 교환기(41)는 상기 축열 모듈(42a, 42b) 내에 배치되는 것인, 시스템.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 팽창기(40)는 또한 상기 축열 모듈(42a, 42b) 내에 배치되는 것인, 시스템.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 냉각기(4)는 상기 축열 모듈(42a, 42b)을 감싸는 절연 벽(insulating wall)(43)을 더 포함하는 것인, 시스템.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축열 모듈(42a, 42b)은 적어도 하나의 상 변화 재료(phase change material)를 사용하는 것인, 시스템.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 축열 모듈(42a, 42b)은, 제1 용융 온도를 갖는 제1 상 변화 재료로 채워진 제1 구역(42a)과, 상기 제1 용융 온도 보다 높은 제2 용융 온도를 갖는 제2 상 변화 재료로 채워진 제2 구역(42b)을 포함하는 것인, 시스템.
8. 청구항 3 내지 청구항 5 및 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교환기(41)는, 상기 제1 상 변화 재료 및 제2 상 변화 재료 각각과 연속적인 열 교환이 되도록 상기 제1 구역 및 제2 구역(42a, 42b)의 각각 내에서 연장하는(extends) 것인, 시스템.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 팽창기(40)에 의해 팽창된 상기 디옥시겐이 제1 상 변화 재료 및 그 다음 제2 상 변화 재료와 열 교환되며, 상기 압축기(3)에 의해 압축된 디하이드로겐은 제2 상 변화 재료 및 그 다음 제1 상 변화 재료와 열 교환되도록, 상기 교환기(41)는 역류(counter-current) 교환기인 것인, 시스템.
10. 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 용융 온도는 -20 ℃ 보다 낮고, 상기 제2 용융 온도는 0℃와 20℃ 사이인 것인, 시스템.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 용융 온도는 -40℃ 보다 낮고, 상기 응축기(21)와 상기 팽창기(40) 사이에 보조 회로(20) 상에 건조기(22)가 배치되는 것인, 시스템.
12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압축기(3)와 상기 냉각기(4) 사이에서 상기 주 회로(10) 상에 배치된 디하이드로겐을 관리하기 위한 관리 장치(30)를 더 포함하고, 상기 관리 장치(30)는 적어도 하나의 고압 탱크(31, 32)에 연결되고, 상기 냉각기(4)에 간헐적으로(intermittently) 디하이드로겐을 제공하도록 구성되는 것인, 시스템.
13. 청구항 12에 있어서, 상기 주 회로(10) 상에 상기 냉각기(4)의 다운스트림(downstream)에 배치된 적어도 하나의 분배 장치(5)를 포함하고, 상기 분배 장치(5)가 사용되는 경우, 상기 관리 장치(30)가 상기 냉각기(4)에 디하이드로겐을 제공하도록 구성되는 것인, 시스템.
14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 고압 탱크(31, 32) 내의 압력이 최소 임계값(threshold)과 최대 임계값 사이에 있도록, 상기 압축기(4)는 또한 상기 관리 장치(30)에 간헐적으로 디하이드로겐을 제공하도록 구성되는 것인, 시스템.
15. 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디옥시겐 및 디하이드로겐은 상기 전해조(2)의 출구에서 적어도 13　bar, 유리하게는 적어도 30　bar의 압력을 갖는 것인, 시스템.
16. 하기 단계들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디하이드로겐을 생성하기 위한 방법:
    - 전해조(2)에서 물을 전기분해하여(electrolysing) 디옥시겐 및 디하이드로겐을 생성하는 단계;
    - 압축기(3)에 의해 디하이드로겐을 압축하는 단계;
    - 응축기(21)에서 디옥시겐과 혼합된 잔류 수증기를 응축시키는 단계;
    - 팽창기(40)에서 디옥시겐을 팽창시키는 단계;
    - 축열 모듈(42a, 42b)과의 열 교환시에 교환기(41)를 통해 팽창된 디옥시겐과의 열 교환에 의해 압축된 디하이드로겐을 냉각시키는 단계.

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