KR20200127205A - 연료 전지 차량용 모바일 수소 충전기 - Google Patents

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KR20200127205A
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조지 이. 로페즈
아론 해리스
차드 니켈
저하드 슈미드트
오웬 씨. 오웬스
퍼 올슨
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에어 리키드 어드벤스드 테크놀로지스 유.에스. 엘엘씨
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Abstract

모바일 충전기가, 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위해서 사용될 수 있다. 충전기는, 오리피스 판을 이용하는, 순수한 기계적 충전 제어를 이용하고, 오리피스 판에 걸친 압력차는, 기준 압력이 차압 조절기에 의해서 제어되는 배압 조절기의 이용을 통해서 유지된다. 전기 동력을 필요로 하거나 사용하기 때문에, 모바일 충전기는, 전기 동력을 이용할 수 없거나 이용이 편리하지 않은 상황에서 이용될 수 있다.

Description

연료 전지 차량용 모바일 수소 충전기
본 발명은 모바일 가스 충전기를 이용하여 차량용 수소 탱크를 충전하는 것에 관한 것이다.
연료 전지 차량에서 사용하기 위한 수소 가스와 같은, 지속 가능한 연료의 이용을 촉진하기 위한 노력 중에, 그러한 차량에 탑재된 수소 탱크의 충전을 달성하기 위한 몇몇 기술이 제안되었거나 구현되었다. 하나의 전형적인 방법은 영구적인 충전소를 포함하고, 그러한 충전소는 상대적으로 큰 저장 탱크, 하나 이상의 압축기, 하나 이상의 버퍼 탱크, 압축 수소를 냉각하기 위한 열 교환기, 그리고 차량 탱크의 충전을 제어된 방식으로 실시하기 위한 기구 및 밸브를 포함한다.
이러한 영구적인 충전소가 매우 만족스럽게 기능하지만, 차량 탱크를 충전하기 위한 수소의 이용을 어렵게 하는 충전소와 관련된 문제가 때때로 발생될 수 있다는 것이 알려져 있다. 이는, 고객이 충전소에 도착하고 나서야 현장 기술자가 충전소의 운영을 방해하는 문제를 진단 또는 수리하는 중이라는 것을 알게 되는 결과를 초래할 수 있다. 고객이 충전소 운영의 재개까지 기다릴 수 없거나 기다리기를 꺼려하는 경우에, 고객은 운영 중인 가장 가까운 충전소로 운전해 이동할 수도 있다. 이는, 차량이 가장 가까운 충전소에 도달하기에 충분한 수소가 차량 탱크에 남아 있지 않은 경우에 문제가 된다. 차량 탱크의 수소가 고갈되기 전에 충전소까지 운전하여야 한다는 것을 운전자가 잊어버리는 경우에도, 관련 문제가 발생된다.
수소를 차량 탱크에 재충전하기 위한 기반 시설이 잘 발달되어 있지 않은 지역에서는, 충전소를 이용할 수 없는 위치에서 운전자가 그들의 탱크를 재충전할 필요가 있을 수 있다. 이러한 문제는 종종 "주행 거리 불안(range anxiety)"으로 지칭되고, 수소-연료형 연료 전지 차량의 추가적인 상업화에 방해가 될 수 있다. 충전소를 이용할 수 있는 지역에서는, 차량 탱크를 재충전하기 위해서 2개의 목적지들 간에 정해진 경로를 갑자기 변경하는 것이 불편할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 비운영 충전소까지 운전할 수 있게 하고 가장 가까운 충전소까지의 운전을 가능하게 하는 양의 수소로 차량 탱크를 부분적으로 충전하기 위해서 사용될 수 있는 모바일 연료 재공급기(mobile refueler)의 이용이 일부에서 제안된 바 있다. 예를 들어, US 6,786,245는, 멈춰버린 수소-동력형 차량의 운전을 위해서 그리고 그러한 차량을 가장 가까운 운영 충전소까지 운전할 수 있게 하는 충분한 양의 수소로 차량의 탱크를 충전하기 위해서 사용될 수 있는 모바일 연료 재공급기를 개시한다. 그러한 충전은 캐스케이드 충전 시스템(cascade filling system)을 이용하여 달성되고, 그러한 시스템은 많은 작동 밸브, 압력 및 온도 센서, 솔레노이드 밸브, 짧은 시간에 충전을 달성할 수 있도록 설계된 알고리즘으로 프로그래밍된 프로그래머블 로직 제어기(PLC)를 이용한다.
US 6,786,245에 개시된 모바일 연료 재공급기는 기계적 압축, 외부 동력, 또는 다른 외부 설비를 이용하지 않으면서 캐스케이드 충전을 달성하는 것으로 기재되어 있지만, 이러한 모바일 연료 재공급기는 제어기에 동력을 공급하기 위한 동력원을 여전히 필요로 한다. 이는, PLC-제어형 캐스케이드 충전이 계속해서 실시될 수 있도록, 모바일 연료 재공급기가, 태양전지 어레이 및 연관된 배터리 또는 수소-동력형 연료 전지와 같은, 모바일 동력원을 수반할 것을 요구한다. 이는 많은 비용, 중량 및 복잡성을 부가하고, 더 큰 풋프린트(footprint)를 요구하며, 유지보수의 빈도수 및 비용을 증가시키고, 태양전지 어레이 및 연관된 배터리의 경우에, 흐린 기상 조건에서는 PLC에 동력을 공급하기에 충분한 전압이 생성되지 않는다.
US 6,786,245에 개시된 모바일 연료 재공급기는 캐스케이드 충전 시스템을 이용하기 때문에, 이는 적어도 2개의 고압 수소 실린더가 존재할 것을 요구하고, 그러한 실린더는 상대적으로 무겁고 그러한 실린더를 손상으로부터 보호하기 위해서 가혹한 조건을 견디는 프레임을 구비하여야 한다. 결과적으로, 모바일 연료 재공급기는, 너무 무거워서, 상업용 차량(예를 들어, 3/4톤의 픽업 트럭)에 의해서 견인되어야 하거나 기차, 선박 또는 다른 트럭 장착형 시스템에 의해서 운반되어야 한다. 이와 같이 견인이나 운송 차량에 의한 운반을 필요로 하는 모바일 연료 공급기는 제조 및 운영에 상대적으로 많은 비용이 들어가고, 충전하고자 하는 차량 주변부의 작은 공간 내로 가져가기 어려울 수 있다.
US 6,786,245에 개시된 모바일 연료 재공급기는 PLC-제어형 캐스케이드 충전에 의존하기 때문에, 수많은 밸브, 센서, 제어기, 및 연관된 기구의 존재로 인해서, 장비의 고장이 상대적으로 발생하기 쉽다. 그러한 모바일 연료 공급기는, 덜 복잡하고 기계적으로 견고한 시스템에 비해서, 제조 비용이 높고, 상대적으로 잦은 빈도수로 유지보수하여야 하고, 장비 고장이 상대적으로 더 많이 발생될 수 있다.
US 6,786,245에 개시된 모바일 연료 재공급기는 그 내부에 통합된 고압 수소 실린더에 의존하기 때문에, 실린더가 비면, 실린더를 가득 채울 수 있는 중앙 집중형 재충전 보급소까지 실린더를 가져 가야 한다. 따라서, 그러한 모바일 연료 재공급기는, 재충전 필요성으로 인해서, 이동 수단이 두절된 고객이 이용하기가 더 어렵다.
연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위한 모바일 수소 충전기가 개시된다. 충전기는, 상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제1 공급 라인; 제1 공급 라인 내에 배치된 제1 오리피스 판; 제1 공급 라인의 하류 단부에 배치된 배압 조절기; 상류 단부 및 하류 단부를 갖는 전달 라인; 연료 전지 차량의 연료 탱크의 개구부와 결합되도록 조정되고 구성된, 전달 라인의 하류 단부와 유체적으로 연통되는 노즐; 상류 단부 및 하류 단부를 갖는 기준 압력 라인; 유입구 및 배출구를 갖는 차압 조절기; 및 제1 파일럿 라인(first pilot line)을 포함한다. 제1 공급 라인의 하류 단부는 수소 공급원으로부터 수소의 유동을 수용하도록 조정되고 구성된다. 배압 조절기는, 제1 오리피스 판과 배압 조절기 사이의 제1 공급 라인 내의 가스의 압력을 배압 조절기의 가변 설정점 압력 이하에서 유지하도록 조정되고 구성된, 돔-로딩형 또는 스프링-및-돔 로딩형 배압 조절기(dome-loaded or spring-and-dome loaded backpressure regulator)이다. 가변 설정점 압력은 배압 조절기의 돔 내의 압력에 의해서 설정된다. 상류 단부는 배압 조절기로부터 수소의 유동을 수용하도록 조정되고 구성된다. 전달 라인의 하류 단부는, 수용된 수소의 유동을 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크로 지향시키도록 조정되고 구성된다. 차압 조절기는 기준 압력 라인의 하류 단부의 하류와 유동 연통된다. 제1 파일럿 라인은 차압 조절기와 배압 조절기의 돔 사이에서 유동 연통된다. 차압 조절기는, 기준 압력 라인 내의 수소의 압력과 제1 파일럿 라인 내의 수소의 압력 사이에 일정한 압력차(ΔP)를 유지하도록 조정되고 구성된다.
또한, 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위한 방법이 개시된다. 그러한 방법은 이하의 단계를 포함한다. 전술한 모바일 충전기가 제공된다. 제1 공급 라인의 상류 단부는 기체 수소의 공급원의 하류와 유체 연통되게 배치된다. 전달 라인의 하류 단부는 차량 탱크의 상류와 유체 연통되게 배치된다. 수소가 공급원으로부터 모바일 충전기를 통해서 차량 탱크 내로 유동할 수 있다. 그러한 허용된 유동이 중단된다. 공급 라인의 상류 단부가 공급원과 유체 연통하지 않게 된다. 전달 라인의 하류 단부가 차량 탱크와 유체 연통하지 않게 된다.
"하류 단부와 유체 연통되는 노즐"이라는 문구에서와 같은, "유체 연통"은, 노즐 및 전달 라인의 하류 단부가, SAE(미국 자동차 기술회) Standard J2601에서 설명된 바와 같이 서로 전자 신호 연통된다는 것을 의미하지 않는다.
"상류 단부" 또는 "하류 단부"는, 수소 공급원으로부터 연료 탱크까지의 수소의 유동 방향의 맥락에서 상류(또는 하류)에 위치되는 단부를 의미한다.
전술한 모바일 충전기는 이하의 양태 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 모바일 충전기는, 상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제2 공급 라인; 제2 공급 라인의 상류 단부와 하류 단부 사이에서 제2 공급 라인 내에 배치되는 제2 오리피스 판으로서, 제2 공급 라인의 상류 단부는, 제1 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 제1 공급 라인과 제2 공급 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 조정되고 구성되며, 제2 공급 라인의 하류 단부는 제1 오리피스 판과 배압 조절기 사이의 제1 공급 라인과 유동 연통되는, 제2 오리피스 판; 및 전달 라인 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력 미만일 때 제2 공급 라인을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 전달 라인 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력 이상일 때 제2 공급 라인을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된, 제2 공급 라인 내에 배치된 유동 제어 밸브를 더 포함한다.
- 기준 압력 라인은, 제1 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 제1 공급 라인과 기준 압력 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 조정되고 구성된다.
- 기준 압력 라인은, 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 제2 공급 라인과 기준 압력 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 추가적으로 조정되고 구성된다.
- 모바일 충전기는, 상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제3 공급 라인; 제3 공급 라인의 상류 단부와 하류 단부 사이에서 제2 공급 라인 내에 배치되는 제3 오리피스 판으로서, 제3 공급 라인의 상류 단부는, 제1 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 제1 공급 라인과 제3 공급 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 조정되고 구성되며, 제3 공급 라인의 하류 단부는 제1 오리피스 판과 배압 조절기 사이의 제1 공급 라인과 유동 연통되는, 제3 오리피스 판; 및 전달 라인 내의 압력이 제2의 고정된 설정점 압력 미만일 때 제3 공급 라인을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 전달 라인 내의 압력이 제2의 고정된 설정점 압력 이상일 때 제3 공급 라인을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된, 제3 공급 라인 내에 배치된 압력 제어 밸브를 더 포함한다.
- 기준 압력 라인은, 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 제2 공급 라인과 기준 압력 라인의 압력 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 추가적으로 조정되고 구성된다.
- 모바일 충전기는 전달 라인의 하류 단부로부터 수소의 일정 질량 유량을 제공하도록 조정되고 구성된다.
- 그러한 유동의 중단은, 공급원과 차량 탱크 사이의 압력 균형에 도달할 때 자동적으로 발생된다.
본 발명의 특성 및 목적을 더욱 잘 이해하기 위하여, 첨부된 도면과 관련하여 기술된 하기 상세한 설명이 참조되어야 하며, 이러한 도면에서, 유사한 구성요소에는 동일하거나 유사한 참조 번호가 제공된다.
도 1은 본 발명의 시스템의 개략도이다.
도 2는 제2 공급 라인을 포함하는 도 1의 시스템의 변형예의 개략도이다.
도 3은 제2 및 제3 공급 라인을 포함하는 도 1의 시스템의 변형예의 개략도이다.
도 4는 APRR-제어형 충전의 그래프이다.
연료 전지 차량의 수소 탱크를 충전하기 위한 수소 충전소의 동작이 장비 고장으로 인해서 정지되어야 할 때, 일차적인 유지보수 목표는 충전소를 완전한 운영 상태로 복원하는 것이다. 이러한 목표의 달성에서, 일부 수리는 완료까지 수 시간을 필요로 하고, 드물게는, 문제의 적절한 진단을 위한 부가적인 시간을 필요로 할 수 있다. 한편, 다른 그리고 운영 가능한 충전소까지 차량을 운전하는 데 충분한 양의 수소가 차량 탱크에 남아 있지 않을 수 있는 것으로 인해서, 충전소에서의 충전을 필요로 하는 차량 운영자의 이동 수단이 두절될 수 있다. 본 발명의 모바일 수소 충전기는, 적어도, 차량 운영자가 더 완전한 충전을 위해서 근처의 충전소로 운전하기에 충분한 수소를 보유하도록, 이러한 이동 수단이 두절된 차량 운영자의 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위해서 이용될 수 있다. 본 발명의 모바일 수소 충전기는 또한, 압축기(들)에 대한 동력을 상실한 또는 압축기(들) 또는 다른 장비가 오동작하는 수소 충전소에서 연료 전지 차량의 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위해서 사용될 수 있다.
(연료 전지 차량의) 수소 탱크의 충전은, 상대적으로 높은 압력의 수소 공급원과 상대적으로 낮은 압력의 수소 탱크 사이의 압력차를 이용해 이루어진다. 탱크를 안전하게 충전하기 위해서, 일 실시예에서, 모바일 충전기는 제어된 일정한 질량 유량으로 수소를 공급한다. 다른 실시예에서 그리고 또한 주변 온도에서 탱크를 안전하게 충전하기 위해서, 탱크는, 주변 온도에 의해서 결정되는, 제어되고 상대적으로 일정한 압력 변화율(ramp rate)로 충전된다. 전술한 유형의 제어를 제공하기 위해서, 모바일 충전기는 압력 조절기 및 오리피스(들)를 포함하는 순수한 기계적 해결책을 이용한다. 또한, 모바일 충전기는 유동 제어에 있어서 사용자를 필요로 하지 않는다.
연료 전지 차량의 수소 탱크는 압력 균등화(pressure equalization)를 통해서 수소 공급원으로부터의 수소로 충전된다. 압력 균등화는, 탱크 내의 압력이 공급원의 압력과 같아질 때까지, 수소가 상대적으로 높은 압력의 수소 공급원으로부터 상대적으로 낮은 압력의 차량 탱크로 유동한다는 것을 의미한다. 따라서, 수소 공급원의 압력은 수소 탱크의 압력보다 높아야 하고, 그렇지 않은 경우에 압력-균등화 기반의 충전은 진행될 수 없다. 이러한 것을 고려하면, 수소 공급원의 압력이, 탱크가 만충될 때 실현될 수 있는 수소 탱크의 공칭적 최대 압력 미만인 경우에, 탱크의 부분적-충전만이 실현될 것이다. 수소 공급원의 압력이 만충된 최종 수소 탱크 압력보다 낮은 일부 통상적인 수소 탱크 충전 기술과 대조적으로, 시스템은, 수소 탱크의 만충을 달성하는 데 필요할 수 있는 상대적으로 높은 압력까지 수소 공급원의 압력을 상승시킬 수 있게 하는 압축기를 포함하지 않는다.
수소 공급원의 유형은 제한되지 않고, 실린더, 관 트레일러, 및 소재지 저장 탱크(onsite storage tank)와 같은 기체 수소 용기를 포함한다. 대안적으로, 수소 공급원은, 기체 수소의 유동을 충전기에 제공하기 위해서 증발기에 연결된, 액체 수소를 포함하는 소재지 저장 탱크일 수 있다. 공급원의 수소는 전형적으로 연료 전지 차량에 대한 제원을 충족하고, 미국 자동차 기술회의 SAE J2719("Hydrogen Quality Standards for Fuel Cell Vehicles")에서 설명된 품질 제원을 준수할 수 있다. 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크가 압력 균등화에 의해서 공급원으로부터의 수소로 충전될 수 있게 하기 위해서, 수소 공급원은 차량 탱크의 압력보다 높은 압력을 갖는다. 물론 수소 공급원의 압력이 더 높거나 더 낮을 수 있지만, 전형적으로 수소 공급원의 압력은 165 내지 700 바아의 범위일 것이다.
유사하게, 연료 전지 차량의 유형은 제한되지 않고, 포크리프트, 자동차 및 트럭을 포함한다. 그러한 차량은 미국 자동차 기술회의 SAE J2579("Standard for Fuel Systems in Fuel Cell and Other Hydrogen Fueled Vehicles")에서 설명된 제원을 준수할 수 있다.
도 1에 가장 잘 도시된 바와 같이, 충전기는 제1 공급 라인(SL 1 )을 포함한다. 제1 공급 라인(SL 1 )의 상류 단부는 수소 공급원(S)과 유체적으로 연결되도록 조정되고 구성된다. 수소 공급원(S)을 제1 공급 라인(SL 1 )의 상류 단부와 연결하는 데 있어서 임의의 통상적인 산업적 가스 장비가 사용될 수 있지만, 전형적으로, 그러한 연결은 미국 국가표준원의 ANSI/CSA HGV 4.10-2012("Standards for Fittings for Compressed Hydrogen Gas and Hydrogen Rich Gas Mixtures")에서 설명된 제원을 준수한다. 다른 라인, 밸브, 조절기 및 노즐 연결부가 또한 ANSI/CSA HGV 4.10-2012를 준수할 수 있다.
제1 오리피스 판(OP 1 )이 제1 공급 라인(SL 1 ) 내에 배치된다. 제한 판으로도 알려져 있는 오리피스 판은, 라인을 통한 가스의 유동을 제한하기 위해서 가스 라인 내에 설치되는 잘 알려진 장치이다. 후술되는 바와 같이, 오리피스 판(OP 1 )의 상류측과 하류측 사이의 (그리고 오리피스 판(OP 1 )의 상류측과 수소 탱크 사이의) 제1 공급 라인(SL 1 ) 내에서 일정 압력차가 유지된다. 이러한 압력차가 고정적이기 때문에, 수소 공급원(S)의 압력의 임의의 감소는 오리피스 판(OP 1 )을 통한 질량 유량을 변화시키지 않을 것이다. 따라서, 일정한 질량 유량이 달성된다. 일정 질량 유량은, 질량 유량이 충전의 과정에 걸쳐 50% 초과로 변화되지 않는다는 것, 또는 더 전형적으로 충전의 과정에 걸쳐 25% 초과로 변화되지 않는다는 것을 의미한다.
제1 공급 라인(SL 1 )은 배압 조절기(BPR)의 유입구에서 종료된다. 배압 조절기는, 배압 조절기 상류의 라인 내의 압력을 설정점 압력에서 유지하기 위해서 가스 라인 내에 배치되는 잘 알려진 유형의 밸브이다. 배압 조절기 상류의 라인 내의 압력이, 배압 조절기와 관련되지 않은 이유로, 설정점 미만으로 감소될 수 있지만, 배압 조절기는 그러한 라인 내의 압력이 설정점을 초과하는 것을 방지하도록 설계된다. 배압 조절기는, 압력 조절기의 하류로 일정 압력의 가스를 공급하기 위해서 가스 라인 내에 배치되는 밸브들인 압력 조절기와 대비될 수 있다. 충전기에서 사용되는 배압 조절기(SL 1 )는 돔-로딩형 또는 스프링 및 돔 로딩형 배압 조절기이다. 돔-로딩형 또는 스프링 및 돔 로딩형 배압 조절기에서, 배압 조절기의 돔에 공급되는 기준 압력은 그 설정점을 변경하기 위해서, 그리고 그에 따라, 배압 조절기 상류의 라인 내에서 유지되는 압력을 변경하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들어, 돔에 공급되는 기준 압력이 10 바아만큼 낮아진다면, 설정점 압력이 유사하게 10 바아만큼 낮아진다.
이하에서 설명하는 바와 같이, 기준 압력은, 기준 압력 라인(RPL), 차압 조절기(DPR), 및 파일럿 라인(PL)으로, 배압 조절기(SL 1 )의 돔에 공급된다. 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소 공급원(S)으로부터의 수소 유동의 압력은 전형적으로, 제1 공급 라인(SL 1 ) 내로 수용되는 수소 공급원(S)으로부터의 수소 유동의 압력과 동일하다. 양 라인(RPL, SL 1 )이, 양 라인(RPL, SL 1 )에서 어떠한 유동 제한 장치도 가지지 않고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수소를 수용하는 경우에, 또는 양 라인(RPL, SL 1 )이, 각각의 라인 내에서 동일한 유형의 유동 제한 장치를 가지고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수용하는 경우에, 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소 유동의 압력은 제1 공급 라인(SL 1 ) 내로 수용되는 수소 유동의 압력과 동일하다. 이러한 것을 달성하기 위한 하나의 단순한 방식은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 공급 라인(SL 1 ) 내의 기준 압력 라인(RPL)의 상류 단부를 개방하는 것(tapping)이다. 대안적으로, 수소는 공급원으로부터 기준 압력 라인(RPL) 및 제1 공급 라인(SL 1 )의 각각으로 병렬로 공급될 수 있다.
유입구 및 배출구를 갖는 차압 조절기(DPR)가 기준 압력 라인(RPL)의 하류 단부에 배치된다. 파일럿 라인(PL)은 차압 조절기(DPL) 배출구로부터 배압 조절기(BPR)의 돔까지 연장된다. 이러한 방식으로, 배압 조절기(BPR)의 설정점 압력은 파일럿 라인(PL) 내의 수소의 압력에 의해서 설정/변경된다. 차압 조절기는, 일정량만큼 가스의 압력을 낮추기 위해서 가스 라인 내에 배치되는 잘 알려진 장치이다. 다시 말해서, 차압 조절기 상류의 라인 내의 가스와 차압 조절기 하류의 라인 내의 가스 사이에 일정한 압력차가 존재한다. 모바일 충전기의 차압 조절기(DPR)는 기준 압력 라인(RPL) 내의 수소와 파일럿 라인(PL) 내의 수소 사이에서 미리 결정된 압력차를 달성하도록 미리 설정된다. 압력차가 임의의 특정 값으로 설정될 필요는 없지만, 전형적으로 압력차는 5 내지 30 바아의 범위를 갖는다.
배압 조절기(BPR)의 설정점 압력은 파일럿 라인(PL) 내의 압력에 의해서 설정/변경된다. 따라서, 기준 압력 라인(RPL) 및 제1 공급 라인(SL 1 ) 내로 수용된 수소의 압력이 압력(P1)이고 차압 조절기(DPR)가 수소를 압력(P2)으로 파일럿 라인(PL)에 공급할 때, 오리피스 판(OP 1 )과 배압 조절기(BPR) 사이의 제1 공급 라인(SL 1 ) 내의 압력이 또한 압력(P2)에서 유지된다. 기준 압력 라인(RPL) 내의 수소와 파일럿 라인(PL) 내의 수소 사이의 압력차가 차압 조절기(DPR)에 의해서 일정한 값으로 유지되기 때문에, 오리피스 판(OP 1 ) 상류의 제1 공급 라인(SL 1 ) 내의 수소와 오리피스 판(OP 1 ) 하류의 제1 공급 라인(SL 1 ) 내의 수소 사이의 압력차가 그에 따라 또한 일정하다.
이러한 일정 압력차는 중요한데, 이는, 초킹되지 않는 유동 조건(non-choked flow condition) 하의 오리피스 판에 걸친 가스의 유동에서, 오리피스 판에 걸친 압력차가 일정한 경우에 질량 유량이 일정하기 때문이다. 사실상, (초킹되지 않는 유동 조건 하에서) 오리피스 판에 걸친 특정 질량 유량은 오리피스 판에 걸친 차압을 제어하는 것에 의해서 설정될 수 있다. 이는, 상류 압력(P1) 및 하류 압력(P2)이 알려져 있고 일정한 경우에, 고정된 질량 유량은, 연구에 의해서 얻어진 나머지 상수들을 이용하여, 베르누이 방정식에 따라 계산될 수 있기 때문이다:
Figure pct00001
식 중에서:
Cd = 무차원의 방출 계수
β= 무차원의, 오리피스 직경(d) 대 파이프 직경(D)의 직경 비율
ε= 무차원의 팽창성 인자
d = 내부 오리피스 직경
ρ1 = 상류 개방의 평면 내의 유체 밀도(kg/m3)
Δp = 오리피스에 걸쳐 측정된 차압(Pa)
따라서, 공급원 내의 수소의 압력이 시간에 걸쳐 감소될 수 있고 차량 탱크 내의 수소의 압력이 충전의 과정 중에 증가될 수 있다는 사실에도 불구하고, 모바일 충전기 내의 오리피스 판에 걸친 수소의 질량 유량이 일정하다.
모바일 충전기의 목적이, 반드시 압력이 압축기에 의해서 유지되는 수소 공급원으로부터의 공급원과 함께 사용하는 것이 아니라, 임의의 수소 저장장치(즉, 저장 탱크)의 공급원과 함께 사용하는 것이기 때문에, (압축기를 이용하여 압력이 일정하게 유지되지 않는) 수소 공급원의 압력은 충전의 과정에 걸쳐 감소된다.
모바일 충전기에 의해서 달성되는 일정 질량 유량이 중요한 이유는, 전자적으로 제어되는 밸브가 본 발명에 따른 충전기 내에 존재하지 않음에도 여전히, 본 발명의 충전기가, 너무 큰 유량의 수소가 차량 탱크로 전달되지 않게 하고 안전하지 않은 레벨의 과열 및/또는 과압을 유발하지 않는 합리적인 정도의 확실성을 제공할 수 있기 때문이다. 결과적으로, 본 발명에 따른 충전기는, 압력 센서 및/또는 유량계로부터 데이터를 수신하는 제어기의 명령을 받는 전자 제어 밸브를 포함하지 않는다는 사실에도 불구하고, 합리적인 안전 수준 하에서 운영될 수 있다.
모바일 충전기는, 2개의 표준 압력 감소 조절기를 이용하는 것 보다 더 유리하다. P1을 설정하기 위해서 표준 압력 감소 조절기(제1 조절기)가 대신 이용되고 P2을 설정하기 위해서 별도의 조절기(제2 조절기)가 이용되는 경우에, 공급원 압력이 제1 조절기의 설정점보다 낮아지면, 충전이 중단될 것이다. 이는 또한, 저장 압력이 감소될 때 P1 압력이 변화되는 것을 허용하지 않는데, 이는 P1 압력이 고정되기 때문이다. 공급원으로부터 최대의 가스를 획득하기 위해서, 이러한 P1 조절기가 매우 낮게 설정될 필요가 있고, 그렇게 하는 것에 의해서, P1 조절기는 (매우 낮게 설정되었을 수 있기 때문에) 초기 공급원 압력에 근접하는 경우에 만족스러운 용량까지 차량 탱크를 충전하지 못할 수 있다. 본 발명의 모바일 충전기는 기준 압력을 배압 조절기에 제공하기 위해서 차압 조절기를 이용하기 때문에, 이는, 차압 조절기 및 배압 조절기가 없이 2개의 표준 압력 감소 조절기를 이용하는 것으로부터 예상될 수 있는 전술한 문제점을 방지한다.
배압 조절기(BPR)의 배출구로부터의 수소가 전달 라인(DL)의 상류 단부에 의해서 수용된다. 전달 라인의 하류 단부는, 연료 전지 차량의 수소 탱크의 개구부와 결합되도록 조정되고 구성된 노즐(N)에서 종료된다.
도 1의 실시예가 유리한데, 이는 모바일 충전기가 순수한 기계적 방식으로 운영될 수 있게 하기 때문이다.
대조적으로, 통상적인 영구적 수소 충전소는 압력 제어 밸브를 이용하여 수소 탱크에서 발생되는 압력 변화율을 일정하게 제어한다. 다시 말해서, 그러한 충전소는 시간에 걸쳐 (차량 탱크의) 압력 변화를 일정하게 유지하고자 하며, 일정하다는 것은 평균 압력 변화율(APRR)에 따른 일정함을 의미한다. 그러한 압력 제어 밸브는 PLC에 의해서 제어되고, 차량 탱크 내의 압력이 증가될 때 압력 제어 밸브를 통한 유동 통로의 횡단면을 감소시키는 것에 의해서, 기본적으로 가변 오리피스로서 작용한다. PLC-계산된 압력 변화율이 주어진 순간에 예상되는 APRR를 초과하는(또는 미만으로 감소되는) 경우에, PLC는, 압력 제어 밸브를 통한 유동 경로의 횡단면을 감소(또는 증가)시켜 APRR을 더 근접하여 따르도록 명령한다.
통상적인 제어형-가스 유동 시스템에 의해서 사용되는 다른 기술은 (스프링을 이용하는 것과 같이, 순수하게 기계적인) PLC 제어가 없는 표준 압력 제어 밸브의 이용을 포함한다. 차압 조절기 및 배압 조절기가 없는 그러한 압력 제어 밸브가 사용되는 경우에, 그러한 압력 제어 밸브는 특정 설정점으로만 설정될 수 있고, 운영자가 설정점을 변경하지 않는 한 변경될 수 없다.
대조적으로, 모바일 충전기의 오리피스 판(OP 1 ), 차압 조절기(DPR), 및 배압 조절기(BPR)의 이용은 PLC의 필요성, PLC 동력 공급의 필요성, 및 운영자 제어의 필요성을 제거한다. 이는, 오리피스 판(OP 1 )에 걸쳐 일정한 차압을 유지하기 위해서, 수소의 유동이 오리피스 판(OP 1 ), 차압 조절기(DPR), 및 배압 조절기(BPR)에 의해서 순수하게 기계적인 방식으로 제어되기 때문이다.
연료 전지 차량의 수소 탱크의 과열 및 과압을 제한하기 위한 부가적인 메커니즘으로서, 몇몇은, 압력 변화율이 미국 자동차 기술회의 SAE 표준 J2601와 같은 미리 결정된 평균 압력 변화율(APRR)로 제어되는 충전을 실시하는 것을 제안하였다. APRR은 충전에 걸친 단위 시간 당 평균 압력 증가이다. 2010년 3월의 J2601의 하나의 특정 버전은, 주변 온도 조건에서의(즉, 공급원으로부터의 수소가 온도 제어되지 않는) 충전의 안전을 위해서 결정된 APRR을 이용할 것으로 요구한다. 그러한 표준 하에서, - 30℃ 내지 40℃ 범위의 주변 온도를 기초로 하는 APRR을 특정하는 참조 표에 의해서 요구되는 APRR을 달성하도록, 충전 중의 압력 변화율이 제어된다. (누출 체크 중의 중단 등과 같이) 차량 탱크로의 수소의 유동이 중단되는 충전의 부분은 APRR의 계산을 위한 시간 성분에 포함되지 않는다는 것을 주목하여야 한다. J2601 표준 및 관련 기술은 실제 압력 변화율을 의도된 APRR 위/아래의 1 퍼센트 편차 이내에서 또는 의도된 APRR 위 및 아래의 고정된 압력 범위 이내에서 유지하고자 한다. 통상적인 시스템 및 방법은 전형적으로, 가변 압력 제어 밸브, 하나 이상의 압력 센서, 및 전기 동력형 제어기를 이용하여 이러한 압력 변화율의 제어를 달성한다.
도 1의 실시예가 수소를 일정 질량 유량으로 수소 탱크에 매우 만족스럽게 전달하지만, 이론적으로, 단위 시간 당 차량 탱크 내의 압력 상승의 일부는, 압력 증가에 따른 수소의 압축성 인자의 증가로 인해서, 주어진 그러한 일정 질량 유량에서 예상될 수 있는 것을 초과하고 넘어설 수 있다. 이러한 압축성 인자의 변화가 압력 변화율을 의도된 APRR 위/아래의 소정 범위 이내에서 유지하는 것을 더욱 어렵게 하는 경우에, 부가적인 공급 라인 및 오리피스 판 그리고 공급 라인을 통한 유동을 제어하기 위한 압력 제어 밸브를 이용하는 것에 의해서 이러한 이론적 문제를 해결하기 위해서, 도 2 및 도 3의 실시예가 이용될 수 있다.
도 2에 가장 잘 도시된 바와 같이, 충전기는 도 1의 충전기의 특징의 각각을 포함하고, 또한 상류 단부를 갖는 제2 공급 라인(SL 2 )을 포함한다. 공급원(S)으로부터 제2 공급 라인(SL 2 ) 내로 수용되는 수소의 유동의 압력은 전형적으로, 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소의 유동의 압력과 동일하다. 양 라인(RPL, SL 2 )이, 양 라인에서 어떠한 유동 제한 장치도 가지지 않고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수소를 수용하는 경우에, 또는 양 라인(RPL, SL 2 )이, 각각의 라인 내에서 동일한 유형의 유동 제한 장치를 가지고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수용하는 경우에, 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소 유동의 압력은 제2 공급 라인(SL 2 ) 내로 수용되는 수소 유동의 압력과 동일하다. 이러한 것을 달성하기 위한 하나의 단순한 방식은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 공급 라인 내에서 제2 공급 라인(SL 2 )의 상류 단부를 개방하는 것이다. 대안적으로, 수소는 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 및 제2 공급 라인(SL 2 )의 각각으로 병렬로 공급될 수 있다.
제2 오리피스 판(OP 2 )이 상류 단부와 하류 단부 사이에서 제2 공급 라인(SL 2 ) 내에 배치된다. 제1 및 제2 공급 라인(SL 1 , SL 2 ) 각각을 통한 동일한 일정 질량 유량이 달성되도록, 제1 및 제2 오리피스 판(OP 1 , OP 2 ) 그리고 제1 및 제2 공급 라인(SL 1 , SL 2 )과 연관된 치수 및 변수가 선택된다.
압력 제어 밸브(PCV 2 )가 제2 오리피스 판(OP 2 )과 제2 공급 라인(SL 2 )의 하류 단부 사이에서 제2 공급 라인(SL 2 ) 내에 배치된다. 이러한 압력 제어 밸브(PCV 2 )는, 전달 라인(DL) 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮을 때 제2 공급 라인(SL 2 )을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 전달 라인(DL) 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력 이상일 때 제2 공급 라인(SL 2 )을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된다. 따라서, 이러한 압력 제어 밸브(PCV 2 )는, 완전 개방형이거나 완전 폐쇄형이라는 점에서, 가변 압력 밸브는 아니다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 충전기는 도 2의 충전기의 특징의 각각을 포함하고, 또한 상류 단부를 갖는 제3 공급 라인(SL 3 )을 포함한다. 수소 공급원(S)으로부터 제3 공급 라인(SL 3 ) 내로 수용되는 수소의 유동의 압력은 전형적으로, 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소의 유동의 압력과 동일하다. 양 라인(SL 3 , RPL)이, 양 라인에서 어떠한 유동 제한 장치도 가지지 않고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수소를 수용하는 경우에, 또는 양 라인(SL 3 , RPL)이, 각각의 라인(SL 3 , RPL) 내에서 동일한 유형의 유동 제한 장치를 가지고, 공급원(S)으로부터 직접적으로 수용하는 경우에, 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 내로 수용되는 수소 유동의 압력은 제3 공급 라인(SL 3 ) 내로 수용되는 수소 유동의 압력과 동일하다. 이러한 것을 달성하기 위한 하나의 단순한 방식은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 공급 라인(SL 1 ) 내에서 제3 공급 라인(SL 3 )의 상류 단부를 개방하는 것이다. 대안적으로, 수소는 공급원(S)으로부터 기준 압력 라인(RPL) 및 제3 공급 라인(SL 3 )의 각각으로 병렬로 공급될 수 있다.
제3 오리피스 판(OP 3 )이 상류 단부와 하류 단부 사이에서 제3 공급 라인(SL 3 ) 내에 배치된다. 제1, 제2, 및 제3 공급 라인(SL 1 , SL 2 , SL 3 )의 내경이 동일한 것으로 가정하고 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 )에 걸친 압력차가 동일한 것으로 가정하는 경우에, 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 각각에 형성된 오리피스가 동일하지만, 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 내에 형성된 오리피스의 횡단면 면적의 상대적인 값들을 알고 있기만 한다면, 그러한 오리피스들이 동일할 필요는 없다. 그에 따라, 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 각각에 대한 Cd 및 β의 값들이 동일하다. 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 내에 형성된 오리피스들의 내부 오리피스 직경들이 동일한 경우에, 그러한 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 )에 걸친 질량 유량은 따름 정리(corollary rule)에 의해서 또한 동일하다. 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 내에 형성된 오리피스들의 내부 오리피스 직경들 중 하나 이상이 동일하지 않으나 그 각각의 상대적인 값들을 아는 경우에, 그러한 판 오리피스(OP 1 , OP 2 , OP 3 ) 각각에 걸친 질량 유량에 대한 상대적인 값을 유사하게 알 수 있다. 일 예로서, 제1 오리피스 판(OP 1 ) 내에 형성된 오리피스의 내경(d)이 제2 및 제3 오리피스 판(OP 2 , OP 3 ) 내에 형성된 오리피스의 내경의 배수이다.
압력 제어 밸브(PCV 3 )가 제3 오리피스 판(OP 3 )과 제3 공급 라인(SL 3 )의 하류 단부 사이에서 제3 공급 라인(SL 3 ) 내에 배치된다. 이러한 유동 제어 밸브(PCV 3 )는, 전달 라인(DL) 내의 압력이 제2의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮을 때 제3 공급 라인(SL 3 )을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 전달 라인(DL) 내의 압력이 제2의 미리 결정된 설정점 압력 이상일 때 제3 공급 라인(SL 3 )을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된다. 따라서, 이러한 압력 제어 밸브(PCV 3 )는, 전체적으로 개방되거나 전체적으로 폐쇄된다는 점에서, 가변 압력 밸브는 아니다. 제3 공급 라인(SL 3 )의 의해서 수용되는 수소의 유동과 동일한 압력으로, 수소의 연관된 유동을 공급원(S)으로부터 수용하도록 기준 압력 라인(RPL)이 추가적으로 조정되고 구성된다는 것을 주목하여야 한다. 대안적으로, 하기의 2개의 압력들 사이의 압력차가 일정하기만 하다면, 연관된 수소의 유동을 제3 공급 라인(SL 3 )에 의해서 수용된 수소의 유동의 압력과 상이한 압력으로 공급원(S)으로부터 수용하도록, 기준 압력 라인(RPL)이 추가적으로 조정되고 구성된다.
전술한 바와 같이, 제2 공급 라인(SL 2 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 2 )는, 압력이 전달 라인(DL) 내의 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮을 때, 수소가 제2 공급 라인(SL 2 )을 통해서 그리고 전달 라인(DL) 내로 유동할 수 있게 한다. 제3 공급 라인(SL 3 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 3 )는 유사하게, 압력이 전달 라인(DL) 내의 제2의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮을 때, 수소가 제3 공급 라인(SL 2 )을 통해서 그리고 전달 라인(DL) 내로 유동할 수 있게 한다. 제2의 미리 결정된 설정점 압력은 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮고, 제1의 미리 결정된 설정점 압력은 다시 충전의 완료시에 차량 탱크 내에서 실현되는 것으로 일반적으로 예상되는 압력보다 낮도록 선택된다.
도 2의 실시예와 관련하여, (차량 탱크 내의 압력을 반영하는) 전달 라인(DL) 내의 압력은 충전의 시작에서 상대적으로 낮고 일반적으로 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮다. 충전 중의 이러한 지점에서, 수소는 제1 및 제2 공급 라인(SL 1 , SL 2 )의 각각을 통해서 그리고 전달 라인(DL)을 경유하여 차량 내로, 제1 및 제2 오리피스 판(OP 1 , OP 2 )을 통한 질량 유량의 합과 동일한 질량 유량으로 유동한다. 수소가 차량 탱크 내로 유동하고 차량 탱크가 제1의 미리 결정된 설정점 압력을 향해서 증가하나 아직 그러한 압력에 도달하지 않았을 때, 압력 변화율은 일정하게 유지되지 않고 상승하는데, 이는, 주로, 탱크 내의 수소의 압력을 탱크의 고정된 부피 내의 수소 가스의 질량 축적으로부터 예상되는 것보다 높게 그리고 그러한 것을 넘어서 증가시키는, 수소 탱크 내의 온도의 영향 및 압축성 인자의 증가 때문이다. 전달 라인(DL) 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력까지 그리고 그보다 높게 상승될 때, 제2 공급 라인(SL 2 )을 통해서 전달 라인(DL) 내로 수소가 유동하는 것을 방지하기 위해서, 제2 공급 라인(SL 2 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 2 )가 폐쇄된다. 따라서, 차량 탱크 내로의 수소의 질량 유량은 이어서 제1 오리피스 판(OP 1 )만을 통한 수소의 질량 유량으로 감소된다.
도 2의 실시예에서, 충전의 시작에서 전달 라인 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 높은 경우에, 차량 탱크가 제1 공급 라인(SL 1 )으로부터만 충전된다는 것을 주목하여야 한다. 그러한 경우에, 차량 탱크 내로의 질량 유량은 물론 제1 오리피스 판을 통한 질량 유량과 동일하다.
도 3의 실시예와 관련하여, (차량 탱크 내의 압력을 반영하는) 전달 라인(DL) 내의 압력은 충전의 시작에서 상대적으로 낮고 일반적으로 제2의 미리 결정된 설정점 압력보다 낮다. 충전 중의 이러한 지점에서, 수소는 제1, 제2, 및 제3 공급 라인(SL 1 , SL 2 , SL 3 )의 각각을 통해서 그리고 전달 라인(DL)을 경유하여 차량 내로, 제1, 제2, 및 제3 오리피스 판(OP 1 , OP 2 , OP 3 )을 통한 질량 유량의 합과 동일한 질량 유량으로 유동한다. 차량 탱크 내로의 수소 유동이 제2의 미리 결정된 설정점 압력을 향해서 증가하나 아직 그러한 압력에 도달하지 않았을 때, 압력 변화율은 일정하게 유지되지 않고 상승하는데, 이는, 주로, 탱크 내의 수소의 압력을 탱크의 고정된 부피 내의 수소 가스의 질량 축적으로부터 예상되는 것보다 높게 그리고 그러한 것을 넘어서 증가시키는, 수소 탱크 내의 온도의 영향 및 압축성 인자의 증가 때문이다. 전달 라인(DL) 내의 압력이 제2의 미리 결정된 설정점 압력까지 그리고 그보다 높게 상승될 때, 제3 공급 라인(SL 3 )을 통해서 전달 라인(DL) 내로 수소가 유동하는 것을 방지하기 위해서, 제3 공급 라인(SL 3 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 3 )가 폐쇄된다. 따라서, 차량 내로 유동하는 수소의 질량 유량은 제1 및 제2 오리피스 판(OP 1 , OP 2 )을 통한 수소의 질량 유량의 합으로 감소된다. 차량 탱크 내로의 수소 유동의 압력이 재차 제1의 미리 결정된 설정점 압력을 향해서 계속 증가하나 아직 그러한 압력에 도달하지 않았을 때, 압력 변화율은 유사하게 일정하게 유지되지 않고 상승하는데, 이는, 주로, 탱크의 고정된 부피 내의 수소 가스의 질량 축적으로부터 예상되는 것 이상으로 그리고 그러한 것을 넘어서 탱크 내의 가스가 팽창되게 하는, 수소 탱크 내의 온도의 영향 및 압축성 인자의 증가 때문이다. 전달 라인(DL) 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력까지 그리고 그보다 높게 상승될 때, 제2 공급 라인(SL 2 )을 통해서 전달 라인(DL) 내로 수소가 유동하는 것을 방지하기 위해서, 제2 공급 라인(SL 2 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 2 )가 폐쇄된다. 따라서, 차량 탱크 내로의 수소의 질량 유량은 물론 제1 오리피스 판(OP 1 )만을 통한 질량 유량으로 감소된다.
도 3의 실시예에서, 충전의 시작에서 전달 라인(DL) 내의 압력이 제2의 미리 결정된 설정점 압력보다 높은 경우에, 차량 탱크가 제1 및 제2 공급 라인(SL 1 , SL 2 )으로부터만 충전된다는 것을 주목하여야 한다. 그러한 경우에, 차량 탱크 내로의 질량 유량은 물론 제1 및 제2 오리피스 판(OP 1 , OP 2 )을 통해서 유동하는 수소의 질량 유량의 합과 동일하다. 유사하게, 충전의 시작에서 전달 라인(DL) 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력보다 높은 경우에, 차량 탱크가 제1 공급 라인(SL 1 )으로부터만 충전된다는 것을 주목하여야 한다. 그러한 경우에, 차량 탱크 내로의 질량 유량은 물론 제1 오리피스 판(OP 1 )만을 통해서 유동하는 수소의 질량 유량과 동일하다.
도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 도 3의 실시예의 성능은 APRR과 유사한 압력 변화율의 유지에 접근한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 차량 탱크 압력은 초기에 125 바아 미만이고, 제2 및 제3 공급 라인(SL 2 , SL 3 )의 각각의 내의 압력 제어 밸브(PCV 2 , PCV 3 )가 개방되어, 1.10 g/s의 전달 라인(DL)을 통한 차량 탱크로의 질량 유량을 초래한다. 제3 공급 라인(SL 3 )의 압력 제어 밸브는 125 바아의 제2의 미리 결정된 설정점을 갖는다. (차량 탱크 내의 압력을 대신하는 것인) 전달 라인(DL) 내의 압력이 125 바아에 도달함에 따라, 제3 공급 라인(SL 3 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 3 )가 폐쇄되고, 제3 공급 라인(SL 3 )을 통한 전달 라인(SL)으로의 수소의 유동을 방지한다. 이제 수소가 제1 및 제2 공급 라인(SL 1 , SL 2 )만을 통해서 유동하기 때문에, 전달 라인(SL)을 통한 차량 탱크로의 질량 유량은 1.02 g/s가 된다. 제2 공급 라인(SL 2 )의 압력 제어 밸브(PCV 2 )는 250 바아의 제2의 미리 결정된 설정점을 갖는다. 전달 라인(DL) 내의 압력이 250에 도달할 때, 제2 공급 라인(SL 2 ) 내의 압력 제어 밸브(PCV 2 )가 폐쇄되고, 제2 공급 라인(SL 2 )을 통해서 전달 라인(DL)으로 수소가 유동하는 것을 방지한다. 이제 수소가 제1 공급 라인(SL 1 )만을 통해서 유동하기 때문에, 전달 라인(DL)을 통한 차량 탱크로의 질량 유량은 0.95 g/s가 된다. 공급원 압력 및 차량 탱크 압력이 같아질 때까지, 충전이 계속된다.
당업자는, 압력 변화율의 제어가 도 2 및 도 3의 실시예로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 제1, 제2, 또는 제3 공급 라인의 오리피스 판 및 압력 제어 밸브와 유사하거나 동일한 연관된 오리피스 판 및 압력 제어 밸브를 각각 가지는 추가적인 공급 라인이 오히려 존재할 수 있다. 따라서, 압력 변화율-제어형 충전이 (도 2의 실시예에서와 같이) 2개의 단계로, (도 3의 실시예에서와 같이) 3개의 단계로, 또는 3개 초과의 단계로 달성될 수 있다. 단계의 수와 관계없이, 초기 수소 탱크 압력은, 얼마나 많은 압력 제어 밸브가 충전의 시작 시에 개방되는지를 결정할 것이다. 미리 결정된 APRR에 접근하도록, 각각의 오리피스 판 및 연관된 압력 제어 밸브의 크기 및 설정이 각각 결정될 것이다. 예를 들어, 35C 주변 온도에서의 주변 온도 충전에 대한 2010년 3월의 SAE J2601 표준은 0.7 MPa/분의 APRR을 위한 충전을 실시할 것을 요구한다. 그러한 특정의 예에서, 대략적으로 0.7 MPa/분의 APRR을 갖는 충전이 달성되도록, 오리피스 판의 크기가 결정되고 연관된 압력 제어 밸브가 설정된다. 전형적으로, 모바일 충전기가 - 30C 내지 40C 범위의 주변 온도에서의 동작을 요구하는 2010년 3월에 따른 주변 온도 표를 실시하게 조정되고 구성되도록, 오리피스 판의 크기가 결정되고 압력 제어 밸브가 설정된다.
도 2 및 도 3의 실시예가 특히 유리한데, 이는 그러한 실시예가, 도 1의 실시예에 비해서, 더 안전하고 신속한 충전을 가능하게 하기 때문이다. 도 1의 실시예가, 수소를 일정 질량 유량으로 전달하는 것으로 인해서, 상당한 예측 가능성을 제공하지만, 그러한 기구의 오리피스 판은, 차량 탱크의 압력이 너무 빨리 상승하는 것을 방지하기 위한 적절한 크기를 가져야 한다. 오리피스 판이 상대적으로 큰 크기를 갖는 경우에, 이는 더 큰 질량 유량 및 결과적인 더 빠른 충전을 가능하게 한다. 그러나, 증가된 압력에서의 수소의 팽창성 인자의 변화로 인해서, 차량 탱크 내의 온도가, 열이 차량 탱크 내의 수소로부터 주변 분위기로 전달될 수 있는 속도를 초과하는 속도로 증가될 수 있다. 이러한 것이 발생되는 경우에, 차량 탱크가 과열될 수 있고, 그에 의해서 제어되지 않은 수소 방출의 위험을 높일 수 있다. 물론, 충전의 종료 시에 차량 탱크의 과열을 유발하지 않는 질량 유량을 생성하기 위해서 상대적으로 작은 오리피스 판을 이용하는 것에 의해서 그러한 결과를 개선할 수 있지만, 그러한 오리피스 판은 전체 충전에 걸쳐 상대적으로 작은 유량을 생성할 것이고, 그에 따라 충전 시간을 연장시킬 것이다.
대조적으로, 도 2 및 도 3의 실시예는, 추후에 과열 방지를 위한 충전에서 상대적으로 작은 오리피스 판이 이용되기 전에, 상대적으로 더 큰 질량 유량이 달성될 수 있도록 충전의 초반에서 상대적으로 더 큰 오리피스를 사용할 수 있다. 이러한 방식으로, 충전의 종료에서 차량 탱크의 과열을 방지하도록 설계된 적절한 크기의 오리피스 판을 갖는 도 1의 실시예에 비해서, 전체 충전 시간이 상당히 더 짧아진다.
APRR이 제어되는지의 여부와 관계없이, 방법 및 시스템은, 전기 공급부의 이용을 필요로 하는 전자-제어되는 구성요소를 포함하지 않는다. 순수한 기계적 특성으로 인해서, 이는 전기 공급부가 없는 수소 공급원을 이용할 수 있다. 모바일 충전기는 또한 유동 제어에 있어서 사용자를 필요로 하지 않고, 일부 실시예에서, 2010년 3월의 J2601 기본 표준과 같은, 주변 연료 공급 프로토콜을 준수하는 지속적인 유동 출력을 생성할 수 있다.
모바일 충전기는 긴 충전소 중단 중의 초기 몇 시간 동안 사용하기 위한 것이다. 전형적으로, 모바일 충전기는, 48시간보다 길게 지속되는 중단과 같이, 장시간의 수소 충전소 중단에 대해서는 사용되지 않는다.
모바일 충전기는 또한, 영구적인 충전소 이외의 위치에서 재충전의 편의를 희망하는 운전자를 위한, 또는 아직 탱크 내에 남아 있는 수소 가스의 양에 의해서 가능한 운전 반경 이내에 충전소가 없는 위치에서 재충전을 필요로 하는 운전자를 위한, 도로변 연료 재공급을 위해서 사용하기 위한 것이다.
모바일 충전기는 크기가 상대적으로 작다. 모바일 충전기는 또한, 전형적으로 중량이 50 kg 미만, 25 kg 미만, 그리고 일부 경우에, 심지어 15 kg 미만인, 휴대용이다. 종종, 모바일 충전기는 승용차의 뒤쪽에 피팅될 수 있고 1명 또는 2명 정도의 적은 인수로도 하역될 수 있을 정도로 충분히 작고, 그에 따라 매우 다양한 적용예에서 1명의 사용자 또는 2명의 사용자에 의한 이용을 위한 유연성을 제공한다.
모바일 충전기는 또한, 비제한적으로: a) 200 내지 450 바아의 전형적인 압력 범위를 갖는 영구적인 수소 충전소를 위한 기존의 지면 저장장치, b) 약 165 바아 또는 450 바아의 전형적인 압력 범위를 갖는 수소 관 트레일러, c) 일반적으로 약 165 바아의 압력으로 충전된 수소 실린더, d) 수소 관 트레일러로부터 압력 균등화된 그리고 그에 따라 전형적으로 200 바아 내지 450 바아의 압력 범위를 갖는 통상적인 기체 수소 저장 탱크, 및 e) 증발기와 커플링된 액체 수소 저장 탱크를 포함하는, 매우 다양한 공급원 중 임의의 공급원으로부터 기체 수소를 수용할 수 있는 능력을 갖도록 설계될 것이다. 차량 탱크가 적어도 부분적으로 충전되게 하기 위해서, 차량 탱크 내의 압력은 공급원의 압력보다 낮아야 한다. 따라서, 모바일 충전기는 공급원 압력까지만 차량 탱크를 충전할 수 있는데, 이는 압축기를 포함하도록 의도되지 않았기 때문이다.
이는, 차량과 충전기 사이의 통신 또는 수소의 냉각을 필요로 하지 않고, 일반적인 주변 온도에서 동작되도록 의도된다.
안전을 이유로, 차량 운영자는 모바일 충전기를 이용한 충전을 실행하기 위한 훈련받은 운영자를 필요로 할 수 있다.
모바일 충전기 및 사용 방법이 통상적인 영구적 수소 충전소와 구분될 수 있다. 전술한 바와 같이, 모바일 충전기는 PLC를 필요로 하지 않고, PLC에 동력을 공급하는 것을 필요로 하지 않으며, 충전 중에 압력 제어 밸브 설정점의 운영자 제어를 필요로 하지 않는다. 통상적인 수소 충전소에 의해서 이용되는 상류 수소 압력은 전형적으로 일정한데, 이는, 그러한 것을 포함하는 저장 용기가 압축기에 의해서 항상 재충진되기 때문이다. 모바일 충전기의 경우에, 동작되는 압축기가 전형적으로 존재하지 않기 때문에, 모바일 충전기에 공급되는 수소의 공급원의 압력은, 차량 탱크가 충전됨에 따라 시간에 걸쳐 감소될 것이다. 차압 조절기에 의한 배압 조절기 제어가 구현되지 않는다면, 오리피스 판에 걸친 일정한 압력차가 달성되지 않을 것이다. 따라서, 일정한 질량 유량이 달성되지 않을 것이다. 또한, 모바일 장치는 (모바일 장치가 유량계를 포함하지 않음에 따라) 차량 탱크 내로 전달되는 수소의 양을 측정하지 않을 것이고, 판매 시점에 충전 비용을 고객에게 제공하지 않을 것이다. 이는, 동력이 없을 때 또는 충전을 필요로 하는 차량이 동력을 용이하게 이용할 수 없는 원격 위치에 있을 때, 모바일 충전기가 영구적인 수소 충전소에 대한 대체물로서 사용될 수 있게 한다.
모바일 충전기는, 이하와 같이 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위해서 사용될 수 있다.
제1 공급 라인의 상류 단부는 기체 수소의 공급원의 하류와 유체 연통되게 배치된다. 전달 라인의 하류 단부는 차량 탱크의 상류와 유체 연통되게 배치된다. 공급원으로부터, 모바일 충전기를 통한, 그리고 차량 탱크 내로의 수소의 유동이 개시된다. 적어도 제1 공급 라인 및 전달 라인을 통해서, 그리고 차량 탱크 내로. 전형적으로, 유동은, 공급원에서 하나 이상의 밸브를 개방하여 수소가 모바일 충전기 내로 유동할 수 있게 하는 것에 의해서 개시된다. 수소의 유동이 중단되고, 공급 라인의 상류 단부가 공급원과 유체 연통하지 않게 되고, 전달 라인의 하류 단부가 차량 탱크와 유체 연통하지 않게 된다.
유동의 중단은 이하의 비제한적인 이벤트의 목록 중 하나 이상이 발생될 때를 조건으로 할 수 있다: 미리 결정된 지속 시간의 경과, 공급원으로부터 탱크로의 미리 결정된 양의 수소의 통과가 이루어진 것, 차량 탱크의 압력이 미리 결정된 압력에 도달하는 것, 그리고 공급원과 차량 탱크 사이에서 압력 균형이 달성되는 것. 바람직하게, 유동은, 공급원과 차량 탱크 사이의 압력 균형에 도달할 때 자동적으로 중단된다. 압력 균형이 0의 유량을 초래할 것이기 때문에, 이는 전달 라인 내에 설치된 유량계의 이용을 통해서 관찰될 수 있다.
본 발명의 몇몇 구체적인 실시예와 함께 본 발명을 설명하였지만, 전술한 설명을 고려할 때 많은 대안예, 수정예 및 변경예가 당업자에게 명확해질 것이 분명하다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구항의 사상 및 넓은 범위 내에 포함되는 그러한 대안예, 수정예, 및 변경예 모두를 포함할 것이다. 본 발명은 개시된 요소를 적절하게 포함하거나, 그러한 요소로 이루어지거나 그러한 요소로 본질적으로 이루어질 수 있고, 개시되지 않은 요소 없이도 실시될 수 있다. 또한, 제1 및 제2와 같이 순서를 지칭하는 언어가 있는 경우에, 이는 예시적인 의미로서 이해되어야 하고 제한적인 의미로 이해되지 않아야 한다. 예를 들어, 당업자는, 특정 단계들이 단일 단계로 조합될 수 있다는 것을 인식할 수 있다. 문맥에서 달리 명백하게 기재되어 있지 않는 한, 단수 형태("a", "an", 및 "the")가 복수의 대상을 포함한다.
청구항 내의 "포함한다"는 개방형 전이적 용어(open transitional term)이며, 이는, 후속하여 식별되는 청구항의 요소가 비배타적인 나열이라는 것, 즉 임의의 다른 것이 부가적으로 포함될 수 있고 "포함한다"의 범위 내에서 유지될 수 있다는 것을 의미한다.
"포함한다"는 본원에서 더 제한된 전이적 용어인 "본질적으로 ~으로 이루어진" 및 "~으로 이루어진"을 필수적으로 포함하는 것으로 정의되고; "포함한다"는 그에 따라 "본질적으로 ~으로 이루어진" 또는 "~으로 이루어진"에 의해서 대체될 수 있고, 명백하게 정의된 "포함한다"의 범위 내에서 유지된다.
청구항 내의 "제공한다"는 구비한다, 공급한다, 이용 가능하게 한다, 또는 무언가를 준비한다는 것을 의미하는 것으로 정의된다. 단계는 청구항에서 달리 명백하게 반대되는 기재가 없는 경우에 임의 행위에 의해서 실시될 수 있다.
선택적인 또는 선택적으로는, 후속 설명되는 이벤트 또는 상황이 발생되거나 발생되지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 상세한 설명은, 이벤트 또는 상황이 발생되는 경우 및 그러한 것이 발생되지 않는 경우를 포함한다.
범위는 본원에 대략적으로 하나의 특정 값으로부터, 및/또는 대략적으로 다른 특정 값까지인 것으로 표현될 수 있다. 그러한 범위가 표현되었을 때, 다른 실시예가, 그러한 범위 내의 모든 조합과 함께, 하나의 특별한 값으로부터 및/또는 다른 특별한 값까지라는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그에 의해서, 본원에 기재된 모든 언급 각각은 그 전체가, 그리고 그 각각이 인용된 구체적인 정보를 위해서, 본원에 참조로 포함된다.

Claims (5)

  1. 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위한 모바일 수소 충전기로서,
    상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제1 공급 라인으로서, 상기 제1 공급 라인의 상류 단부는 수소 공급원으로부터 수소의 유동을 수용하도록 조정되고 구성되는, 제1 공급 라인;
    상기 제1 공급 라인 내에 배치된 제1 오리피스 판;
    상기 제1 공급 라인의 하류 단부에 배치된 배압 조절기로서, 상기 배압 조절기는, 상기 제1 오리피스 판과 상기 배압 조절기 사이의 상기 제1 공급 라인 내의 가스의 압력을 상기 배압 조절기의 가변 설정점 압력 이하에서 유지하도록 조정되고 구성된, 돔-로딩형 또는 스프링-및-돔 로딩형 배압 조절기이고, 상기 가변 설정점 압력은 상기 배압 조절기의 돔 내의 압력에 의해서 설정되는, 배압 조절기;
    상류 단부 및 하류 단부를 갖는 전달 라인으로서, 상기 상류 단부는 상기 배압 조절기로부터 수소의 유동을 수용하도록 조정되고 구성되며, 상기 전달 라인의 하류 단부는, 수용된 수소의 유동을 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크로 지향시키도록 조정되고 구성되는, 전달 라인;
    상기 연료 전지 차량의 연료 탱크의 개구부와 결합되도록 조정되고 구성된, 상기 전달 라인의 하류 단부와 유체적으로 연통되는 노즐;
    상류 단부 및 하류 단부를 갖는 기준 압력 라인으로서, 상기 기준 압력 라인의 상류 단부가 상기 수소 공급원으로부터 수소의 유동을 수용하도록 조정되고 구성되는, 기준 압력 라인;
    유입구 및 배출구를 갖는 차압 조절기로서, 상기 차압 조절기의 유입구는 상기 기준 압력 라인의 하류 단부의 하류와 유동 연통되는, 차압 조절기; 및
    상기 차압 조절기와 상기 배압 조절기의 돔 사이에서 유동 연통되는 제1 파일럿 라인으로서, 상기 차압 조절기는, 상기 기준 압력 라인 내의 수소의 압력과 상기 제1 파일럿 라인 내의 수소의 압력 사이에 일정한 압력차(ΔP)를 유지하도록 조정되고 구성되는, 제1 파일럿 라인을 포함하는, 모바일 충전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제2 공급 라인;
    상기 제2 공급 라인의 상류 단부와 하류 단부 사이에서 상기 제2 공급 라인 내에 배치되는 제2 오리피스 판으로서, 상기 제2 공급 라인의 상류 단부는, 상기 제1 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 상기 제1 공급 라인과 제2 공급 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 상기 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 조정되고 구성되며, 상기 제2 공급 라인의 하류 단부는 상기 제1 오리피스 판과 상기 배압 조절기 사이의 상기 제1 공급 라인과 유동 연통되는, 제2 오리피스 판; 및
    상기 전달 라인 내의 압력이 제1의 미리 결정된 설정점 압력 미만일 때 상기 제2 공급 라인을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 상기 전달 라인 내의 압력이 상기 제1의 미리 결정된 설정점 압력 이상일 때 상기 제2 공급 라인을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된, 상기 제2 공급 라인 내에 배치된 유동 제어 밸브로서, 상기 기준 압력 라인은, 상기 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 상기 제2 공급 라인과 상기 기준 압력 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 상기 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 추가적으로 조정되고 구성되는, 유동 제어 밸브를 더 포함하는, 모바일 충전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상류 단부 및 하류 단부를 갖는 제3 공급 라인;
    상기 제2 공급 라인의 상류 단부와 하류 단부 사이에서 상기 제2 공급 라인 내에 배치되는 제3 오리피스 판으로서, 상기 제3 공급 라인의 상류 단부는, 상기 제1 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 상기 제1 공급 라인과 제3 공급 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 상기 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 조정되고 구성되며, 상기 제3 공급 라인의 하류 단부는 상기 제1 오리피스 판과 상기 배압 조절기 사이의 상기 제1 공급 라인과 유동 연통되는, 제3 오리피스 판; 및
    상기 전달 라인 내의 압력이 제2의 고정된 설정점 압력 미만일 때 상기 제3 공급 라인을 통한 수소의 유동을 허용하도록, 그리고 상기 전달 라인 내의 압력이 상기 제2의 고정된 설정점 압력 이상일 때 상기 제3 공급 라인을 통한 수소의 유동을 방지하도록 조정되고 구성된, 상기 제3 공급 라인 내에 배치된 압력 제어 밸브로서, 상기 기준 압력 라인은, 상기 제2 공급 라인의 압력과 동일한 압력으로 또는 상기 제2 공급 라인과 상기 기준 압력 라인 사이에 일정한 압력차가 존재하도록 하는 압력으로, 상기 공급원으로부터 연관 수소 유동을 수용하도록 추가적으로 조정되고 구성되는, 압력 제어 밸브를 더 포함하는, 모바일 충전기.
  4. 연료 전지-동력형 차량의 수소 탱크를 적어도 부분적으로 충전하기 위한 방법으로서,
    제1항의 모바일 충전기를 제공하는 단계;
    상기 제1 공급 라인의 상류 단부를 기체 수소의 공급원의 하류와 유체 연통되게 배치하는 단계;
    상기 전달 라인의 하류 단부를 상기 차량 탱크의 상류와 유체 연통되게 배치하는 단계;
    수소가 상기 공급원으로부터 상기 모바일 충전기를 통해서 상기 차량 탱크 내로 유동하게 허용하는 단계;
    상기 허용된 유동을 중단시키는 단계;
    상기 공급 라인의 상류 단부가 상기 공급원과 유체 연통하지 않게 되는 단계; 및
    상기 전달 라인의 하류 단부가 상기 차량 탱크와 유체 연통하지 않게 되는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유동의 중단은, 상기 공급원과 상기 차량 탱크 사이의 압력 균형에 도달할 때 자동적으로 발생되는, 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023056255A1 (en) * 2021-09-28 2023-04-06 Plug Power Inc. Hydrogen transport and storage system

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3088701B1 (fr) * 2018-11-15 2020-10-23 Air Liquide Installation et procede de remplissage de reservoirs de gaz sous pression
CA3185964A1 (en) * 2020-07-13 2022-01-20 Darryl E. POLLICA Hydrogen fueling systems and methods
EP4116621A1 (en) * 2021-07-07 2023-01-11 TotalEnergies OneTech Flow control solenoid valve block, associated compressing unit, dispensing system and method
WO2023055976A1 (en) * 2021-10-01 2023-04-06 FirstElement Fuel, Inc. Gaseous hydrogen fueling methods
KR102599151B1 (ko) * 2021-10-19 2023-11-09 한국철도기술연구원 내부열교환기를 갖는 히트펌프를 이용한 액화수소 기화장치
IT202100028586A1 (it) * 2021-11-10 2023-05-10 Bosch Gmbh Robert Gruppo di alimentazione per alimentare idrogeno ad un sistema di propulsione ad idrogeno

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3507302A (en) * 1967-11-21 1970-04-21 Universal Oil Prod Co Control system
WO1996001391A1 (en) * 1994-07-01 1996-01-18 Chicago Bridge & Iron Technical Services Company Method and apparatus for fueling vehicles with liquefied cryogenic fuel
US20040163731A1 (en) * 2003-02-21 2004-08-26 Eichelberger Donald Paul Self-contained mobile fueling station
JP2017137926A (ja) * 2016-02-03 2017-08-10 ヤマト・Ｈ２Ｅｎｅｒｇｙ Ｊａｐａｎ株式会社 移動式水素ステーション

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4275752A (en) * 1978-09-22 1981-06-30 Collier Nigel A Fluid flow apparatus and method
US5771946A (en) * 1992-12-07 1998-06-30 Chicago Bridge & Iron Technical Services Company Method and apparatus for fueling vehicles with liquefied cryogenic fuel
US7168465B2 (en) 2002-01-22 2007-01-30 Proton Energy Systems, Inc. Electrochemical cell system, hydrogen dispensing apparatus, and method for dispensing hydrogen
JP2004079262A (ja) * 2002-08-13 2004-03-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素供給システム及び移動式水素製造装置
US6755225B1 (en) * 2003-01-24 2004-06-29 Quantum Fuel Systems Technologies Worldwide, Inc. Transportable hydrogen refueling station
US6786254B1 (en) 2003-05-05 2004-09-07 Delphi Technologies, Inc. Retractable air supply connector system for a fuel cell assembly
US20070079892A1 (en) * 2005-10-10 2007-04-12 Cohen Joseph P Gas filling system
US7921883B2 (en) 2006-06-07 2011-04-12 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen dispenser with user-selectable hydrogen dispensing rate algorithms
US8020589B2 (en) * 2007-01-04 2011-09-20 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen dispensing station and method of operating the same
KR101047412B1 (ko) * 2008-04-28 2011-07-08 기아자동차주식회사 연료전지용 수소 공급 장치 및 그 제어 방법
GB0817898D0 (en) * 2008-09-30 2008-11-05 Cpi Innovation Services Ltd Mobile hydrogen filling trailer
CA2773651C (en) * 2012-04-05 2013-04-09 Westport Power Inc. Method and apparatus for controlling fuel pressure in a gaseous fuelled internal combustion engine
US9146007B2 (en) * 2012-11-27 2015-09-29 Lam Research Ag Apparatus for liquid treatment of work pieces and flow control system for use in same
JP5821976B2 (ja) * 2014-01-21 2015-11-24 株式会社タツノ ガス充填装置
KR101619586B1 (ko) * 2014-04-23 2016-05-11 현대자동차주식회사 연료전지 정비용 잔존수소 제거 장치
US10240721B2 (en) 2015-10-08 2019-03-26 Oneh2, Inc. Method, apparatus, and system for refueling hydrogen vehicles
US10394256B2 (en) * 2015-11-25 2019-08-27 Critical Systems, Inc Gas management system and controller
CN107388031B (zh) * 2017-08-09 2023-07-07 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种增压移动式加氢车及运行方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3507302A (en) * 1967-11-21 1970-04-21 Universal Oil Prod Co Control system
WO1996001391A1 (en) * 1994-07-01 1996-01-18 Chicago Bridge & Iron Technical Services Company Method and apparatus for fueling vehicles with liquefied cryogenic fuel
US20040163731A1 (en) * 2003-02-21 2004-08-26 Eichelberger Donald Paul Self-contained mobile fueling station
JP2017137926A (ja) * 2016-02-03 2017-08-10 ヤマト・Ｈ２Ｅｎｅｒｇｙ Ｊａｐａｎ株式会社 移動式水素ステーション

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023056255A1 (en) * 2021-09-28 2023-04-06 Plug Power Inc. Hydrogen transport and storage system

Also Published As

Publication number Publication date
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