KR20180138213A - 고압 저장 탱크를 충전하기 위한 방법 및 디바이스 - Google Patents

고압 저장 탱크를 충전하기 위한 방법 및 디바이스 Download PDF

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KR20180138213A
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빌프리드-헨닝 리즈
토비아스 케데러
마틴 브뤼클마이어
지몬 섀퍼
마이클 베스터마이어
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린데 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법에 관한 것이며, 이 충전 스테이션은, 특히, 액체 저장소(1), 저온 펌프(2), 열 교환기(6), 가스 저장소(11) 및 혼합 지점(7)을 포함하며, 여기서 차가운 수소 스트림 및 따뜻한 수소 스트림은, 혼합 지점(7)에서의 온도가 -30 내지 -45℃에 있는 방식으로 섞인다(intermixed).

Description

고압 저장 탱크를 충전하기 위한 방법 및 디바이스
본 발명은, 특히, 액체 저장소, 저온 펌프(cryopump), 열 교환기, 가스 저장소 및 혼합 지점을 포함하는 충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.
증가하고 있는 수의 차량 제작사들은 기체 연료들, 예컨대 천연 가스, 액화된 석유 가스 또는 수소로 동작하는 자동차들을 제공한다. 이는 승용차들뿐만 아니라, 버스들, 트럭들 및 포크레인들을 포함한다. 그러나, 충전 스테이션들, 특히 수소 충전 스테이션들의 종합적인 네트워크가 아직 확립되어 있지 않다.
수소로 동작하는 차량들의 수소 충전 스테이션들 또는 충전 스테이션들의 희소함에 대한 하나의 이유는 이들의 낮은 수익성이다. 수소 충전 스테이션들은 종종 비경제적인데, 왜냐하면 수소로 동작하는 차량들의 수는 여전히 적기 때문이다.
특히, 수소 충전 스테이션은 저장 탱크를 포함하며, 저장 탱크에서, 수소는 액체 및/또는 기체 형태로 저장될 수 있다. 액체 저장이 바람직한데, 왜냐하면 저장 밀도가 더 크기 때문이다. 그러나, 액체 수소의 낮은 온도들은 이러한 경우에 불리하다. 가스 저장소를 제공하는 것이 또한 관례이며, 가스 저장소에서, 수소는 주변 온도로 저장되지만, 최대 1000bar, 특히 최대 910bar의 압력으로 압축된다.
최신 수소 차량들에는 바람직하게는 350 또는 700bar의 압력으로 기체 수소를 저장하기 위해 연료 탱크가 설비된다.
연료 탱크 내로 충전되어 있는 수소는 -33 내지 -40℃의 충전 온도를 가져야 한다.
이는, 수소의 액체 저장뿐만 아니라 그 기체 저장이 수소를 상태조절하기(conditioning) 위한 정교한 디바이스들을 요구하는데 왜냐하면 수소가 냉각되거나 가열되어야 하기 때문인 것을 의미한다.
따라서, 수소 충전 스테이션은 통상적으로 또한 적어도 하나의 펌프, 특히 액체 저장을 위한 저온 펌프, 다수의 열 교환 디바이스들, 다수의 압력 제어 밸브들, 특히, 저온 고압 스로틀 밸브들뿐만 아니라 온도, 압력 및 유동 제어기들을 포함한다. 수소 충전 스테이션은 또한, 연료 분배기를 포함하며, 이 연료 분배기에서, 연료 노즐 및 대응하는 충전 호스에는 소비자들이 접근가능하다. 연료 분배기는 통상적으로 또한, 특히, 출력을 제어하기 위한 그리고 분배된 수소를 과금하기(billing) 위한 전자 디바이스들을 포함한다.
수소 충전 스테이션이 더 많은 컴포넌트들을 요구한다면, 투자 비용들뿐만 아니라, 임의의 작동 및 유지보수 비용들이 더 높아진다.
본 발명은, 따라서, 수소를 상태조절하기 위한 방법을 개시하는 목적에 기초되며, 여기서 연료 분배기에서의 수소의 충전 온도는, 규정된 압력 변화 기울기(pressure variation gradient)를 관찰하면서, 정교한 시스템 기술의 사용 없이 미리 규정된 온도 레벨로 유지될 수 있다.
본 발명에 대해, 이러한 목적은, 차가운 수소 스트림 및 따뜻한 수소 스트림이 혼합 지점에서의 온도가 -30 내지 -45℃에 있는 방식으로 섞이는(intermixed) 점에서 달성된다. 혼합 지점에서의 온도는 특히, -33 내지 -40℃에 있다.
이는 특히, 제1 부분 스트림, 다시 말해 차가운 수소 스트림이 가스 라인을 통해 저온 펌프의 하류에서 직접적으로 혼합 지점으로 이송된다는 점에서 달성된다. 혼합 지점에서, 온도 센서는 바람직하게는 섞인(intermixed) 가스 스트림의 온도를 측정하며, 이 혼합된 가스 스트림은 부가의 가스 라인을 통해 혼합 지점으로부터 연료 분배기로 이송되고 그리고 수용기 탱크, 특히 차량의 연료 탱크 또는 가스 실린더 내로 궁극적으로 분배된다.
차가운 가스 스트림은 유리하게는 -243 내지 -203℃ 또는 -203 내지 -80℃의 온도를 갖는다.
게다가, 제2 부분 스트림은 매니폴드에서 저온 펌프의 하류에서 분기된다. 이러한 부분 스트림은 열 교환기에 의해 가열되고 그리고 마찬가지로 가스 라인을 통해 혼합 지점으로 이송된다.
열 교환기의 하류에서, 제2 부분 스트림은 따뜻한 수소 스트림으로서 지칭된다. 수소는 유리하게는 열 교환기에서 가온된다. 특별한 일 실시예에서, 열 교환기는 다수의 스테이지들을 가질 수 있다. 따뜻한 부분 스트림은 유리하게는 주변 온도, 특히 -20 내지 +40℃의 온도를 갖는다. 주변 온도는 구역의 외부 기후 조건들에 의존하며, 여기서 충전 스테이션이 위치된다.
혼합 지점에서, 따뜻한 부분 스트림의 비율은 유리하게는 차가운 부분 스트림의 비율보다 더 크다.
저온 펌프의 하류에서, 수소 스트림들은 바람직하게는 20 내지 1500bar, 특히 350 내지 1000bar, 특별히 700 내지 900bar의 압력을 갖는다.
수소 스트림들, 특히 따뜻한 수소 스트림의 압력은 가스 저장소 하류에 포지셔닝되는 압력 제어기로 조절된다.
열 교환기의 하류에서, 따뜻한 수소 스트림은 부가의 가스 라인을 통해, 선택적으로 또는 부분적으로 혼합 지점으로 이송될 수 있거나, 고압 저장소, 다시 말해 가스 저장소에 저장될 수 있다. 압력 제어기는 가스 저장소의 하류에 배열된다. 압력 제어기는, 결국, 열 교환기 내로 차가운 수소 스트림을 이송시키기 위해 가스 라인에 연결된다.
이러한 방식으로, 따뜻한 가스 스트림은 바람직하게는 열 교환기의 하류에서 혼합 지점으로 직접적으로 이송될 수 있다. 혼합 지점에서 따뜻한 수소 스트림이 요구되지 않거나 따뜻한 수소 스트림의 단지 부분이 현재 요구된다면, 나머지의 수소 스트림은 가스 저장소에 저장될 수 있다. 따뜻한 수소 스트림이 다시 한번 요구된다면, 수소 스트림은 템퍼링되고 그리고 후속하여 혼합 지점으로 이송되기 위해 압력 제어기에 의해 가스 저장소로부터 빼내어지고, 열 교환기 내로 도입된다.
수소는 유리하게는 500 내지 2000bar, 특히 800 내지 1000bar의 압력으로 가스 저장소에 저장된다. 가스 저장소에서의 압력이 예시적인 일 실시예에서 가스 라인에서보다 더 높다면, 빼내어진 수소는 압력 제어기에 의해 팽창된다. 이는 가스 스트림을 냉각시켜, 가스 스트림은 열 교환기에 의해 다시 한번 템퍼링된다.
가스 저장소는 바람직하게는 다수의 섹션들로 분할되는 고압 가스 저장소의 형태로 실현된다. 개별적인 섹션들은 유리하게는 서로 독립적으로 사용될 수 있다. 특별한 일 실시예에서, 개별적인 섹션들에서의 저장 압력들은 게다가 상이할 수 있다.
수소 충전 스테이션의 저온 펌프는 바람직하게는 왕복 운동 펌프의 형태로 실현된다. 저온 펌프에 의해 운반되는 수소의 양은 유리하게는 왕복 운동 피스톤의 빈도(frequency)에 의해 제어된다. 저온 펌프는 특히 혼합 지점에서 바람직한 온도를 조절하기 위해 요구되는 차가운 수소의 양을 정확히 전달하는 것을 가능하게 한다.
바람직한 예시적 일 실시예에서, 혼합 지점에서의 가스 스트림의 유출구 온도는 -33 내지 -40℃에 놓여야 하며 그리고 가스 스트림은 350 내지 900bar의 압력을 가져야 한다. 이러한 가스 스트림은 그 후, 연료 분배기에 의해 차량으로 분배되며, 연료 분배기에서, 압력, 온도 및 유동 센서들 또는 제어기들은 유리하게는 설치된다.
온도는 따뜻한 가스 스트림 및 차가운 가스 스트림이 혼합 지점에서 섞인다는 사실로 인해 최적으로 조절될 수 있다. 더 작은 치수들을 또한 가질 수 있는 단지 하나의 열 교환기가 요구되는데, 왜냐하면 단지 하나의 부분 스트림이 유리하게는 가열되기 때문이다. 투자 및 작동 비용들은 이에 의해 감소된다.
차가운 가스 스트림을 위한 열 교환기는 특별한 일 실시예에서 요구된다면, 이러한 열 교환기는 마찬가지로 더 작은 치수들을 가질 수 있다. 또한, 열 교환기들은 서로 독립적으로 작동될 수 있고 그리고 이에 의해 충전 스테이션의 작동 또는 용량 활용에 대해 각각 적응될 수 있다.
압력 제어기는, 저온 펌프에 의해 직접적으로 압축되는 따뜻한 가스 스트림이 차가운 가스 스트림과 동일한 압력 레벨에 있는 것을 보장하는 것, 그리고 2개의 가스 스트림들이 바람직한 온도 레벨을 달성하기 위해 정확한 비율로 혼합 지점에서 섞일 수 있는 것을 가능하게 한다. 이를 위해, 온도 센서는 유리하게는 저온 펌프의 드라이브에 연결된다. 부가의 밸브들 및 온도를 조절하기 위한 제어기들이 혼합 지점에서 그리고 저온 펌프의 하류에 있는 분배 지점과 저온 펌프 사이에 가스 라인에서 더 이상 요구되지 않는 것이 유리하다.
수소는 유리하게는 액체 형태로 충전 스테이션의 저장 탱크에 저장된다. 또한, 저장 탱크는 바람직하게는 저온 펌프에 직접적으로 연결된다.
본 발명은, 도 1에서 개략적으로 예시되는 예시적인 일 실시예를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 방법의 바람직한 일 실시예를 도시한다. 수소는 액체 저장소(1)에 액체 형태로 저장된다. 액체 수소는 저온 펌프(2)에 의해 액체 저장소(1)로부터 빼내어지고 그리고 각각의 요건들에 따라 단지 운반되거나 또한 압축된다. 저온 펌프(2)로부터의 가스 스트림은 매니폴드(3)에서 가스 라인(4) 및/또는 가스 라인(5) 내로 분할된다. 가스 라인(4)은 가스 스트림을 저온 펌프(2)로부터 혼합 지점(7)으로 직접적으로 이송한다. 저온 펌프(2)를 나오는 가스 스트림은 -223 내지 -210℃의 온도 및 900bar의 압력을 갖는다. 가스 라인(5)은 열 교환기(6) 및 가스 라인(8)을 통해 혼합 지점(7)으로 이어진다. 가스 라인(5)으로부터 시작하여, 열 교환기 하류에서 가스 라인(9)과 가스 라인(8)으로 분기한다. 가스 라인(9)은 차단(shut-off) 밸브(10)를 통해 가스 저장소(11)로 이어진다. 가스 저장소(11)는 고압 저장소이며, 이 고압 저장소는 서로로부터 분리될 수 있는 다수의 저장 컨테이너들 내로 분할된다. 열 교환기(6)에 의해 가열되는 수소 가스는 500 내지 1000바의 압력으로 그리고 -20 내지 40℃의 온도로 가스 저장소(11)에 저장된다. 가스는 압력 제어기(12)에 의해 가스 라인(5) 내로 다시 한번 이송될 수 있고 그리고 마찬가지로 열 교환기(6) 및 가스 라인(8)을 통해 혼합 지점(7)으로 이송된다. 혼합 지점(7)에서의 온도는 온도 센서(T)에 의해 측정된다. 온도 센서(T)는 데이터 링크(data link)를 통해 저온 펌프(2)의 드라이브 유닛(drive unit)(M)에 연결된다. 혼합 지점(7)에서 측정되는 온도는 온도를 특정하며, 이 온도에서, 수소는 차량의 저장 탱크 내로 분배된다. 이러한 온도는 -33 내지 -40℃에 놓여야 한다. 이러한 온도를 조절하기 위해, 저온 펌프로부터 직접적으로 유래하고 그리고 가스 라인(4)을 통해 전달되는 차가운 스트림은 혼합 지점에서 가스 라인(8)으로부터의 더 따뜻한 스트림과 혼합된다. 가스 라인(13)은 혼합 지점(7)으로부터 연료 분배기(14) 및 충전 호스(15) 내로 이어지며, 이 연료 분배기 및 충전 호스에 의해, 차량의 저장 탱크가 수소로 채워진다.
1 액체 저장소
2 저온 펌프
3 매니폴드
4 가스 라인
5 가스 라인
6 열 교환기
7 혼합 지점
8 가스 라인
9 가스 라인
10 차단 밸브
11 가스 저장소
12 압력 제어기
13 가스 라인
14 연료 분배기
15 충전 호스

Claims (9)

  1. 충전 스테이션(filling station)에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법으로서,
    상기 충전 스테이션은, 특히, 액체 저장소(1), 저온 펌프(2), 열 교환기(6), 가스 저장소(11) 및 혼합 지점(7)을 포함하며,
    차가운 수소 스트림 및 따뜻한 수소 스트림은, 상기 혼합 지점(7)에서의 온도가 -30 내지 -45℃에 있는 방식으로 혼합되는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 혼합 지점(7)에서의 온도는 -33 내지 -40℃에 있는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 차가운 가스 스트림은 -243 내지 -203℃, 또는 -203 내지 -80℃의 온도를 가지는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 따뜻한 가스 스트림은 주변 온도, 특히, -20 내지 +40℃의 온도를 가지는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 스트림들은 상기 저온 펌프(2)의 하류에서 20 내지 1500bar, 특히, 350 내지 1000bar, 특별히, 700 내지 900bar의 압력을 가지는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 수소 스트림들, 특히 상기 따뜻한 수소 스트림의 압력은, 상기 가스 저장소(11)의 하류에 포지셔닝되는(positioned) 압력 제어기(12)로 조절되는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소는 500 내지 2000bar, 특히 800 내지 1000bar의 압력으로 상기 가스 저장소(11)에 저장되는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저온 펌프(2)에 의해 운반되는 상기 수소의 양은 왕복운동 피스톤의 빈도(frequency)에 의해 제어되는,
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소는 열 교환기에서 가온되는(warmed up),
    충전 스테이션에서 수소 유출구 온도를 조절하기 위한 방법.
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