KR20240014069A - 액체 수소 연료 공급 시스템에서의 배열체 및 방법 - Google Patents

액체 수소 연료 공급 시스템에서의 배열체 및 방법 Download PDF

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KR20240014069A
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tank
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알렉산드로 스코키
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바르실라 핀랜드 오이
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Abstract

본 발명은, 가스 소모기 (8) 를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 에 연료 탱크 배열체에 관한 것으로서, 상기 시스템은:
- 탱크 (10) 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인 (11) 을 포함하고,
- 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부에 제 2 밸브 (112) 를 가지며,
- 상기 유입 라인 (11) 에는 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원 (130) 에 제어가능하게 연결되며,
- 유입 라인 (11) 에는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 이 제공되고, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결되고,
상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 제 1 플러싱을 수행하기 위해 가스성 수소를 상기 유입 라인 (11) 에 공급하기 위해 가스성 수소의 공급원 (15) 에 연결된다. 본 발명은 또한 배열체를 사용하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

액체 수소 연료 공급 시스템에서의 배열체 및 방법
본 발명은 청구항 1 의 전문에 따른 액체 수소 연료 공급 시스템의 연료 탱크 배열체에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구항 9 의 전문에 따른 액체 수소 연료 공급 시스템을 충전하는 방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 본 발명은 가스 소모기 (gas consumer) 를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템내의 연료 탱크 배열체에 관한 것으로서, 상기 시스템은:
- 탱크 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인을 포함하고,
- 상기 유입 라인은 제 1 단부에 제 1 밸브 및 탱크 단부에 제 2 밸브를 가지며,
- 상기 유입 라인에는 불활성 가스 플러시 매체 라인이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브의 하류에서 상기 유입 라인에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원에 제어가능하게 연결된다.
보다 상세하게는, 본 발명의 방법은 가스 소모기를 위한 액체 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템을 충전하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
- 유입 라인을 통하여 벙커링 스테이션으로부터 탱크로 미리 결정된 양의 액체 수소를 공급하는 단계로서, 상기 유입 라인은 제 1 단부 내에 제 1 밸브 및 탱크 단부 내에 제 2 밸브를 가지는, 상기 공급하는 단계, 및 상기 공급 후에 상기 제 1 밸브를 폐쇄하는 단계,
- 상기 제 1 밸브의 하류에서 상기 유입 라인에 제어가능하게 연결된 불활성 가스 플러시 매체 라인을 통해 불활성 가스를 공급함으로써 상기 유입 라인을 불활성화시키는 단계로서, 공급된 상기 불활성 가스는 상기 유입 라인으로부터 상기 탱크 내로 수소를 플러싱하는, 상기 불활성화시키는 단계를 포함한다.
선박, 발전소 등의 내연 기관용 연료로서의 천연 가스는, 연소 결과가 예를 들어 중유 또는 경유 연료의 연소 결과보다는 덜 유해하기 때문에 환경적인 이유로 인해 보다 일반적으로 되고 있다. 하지만, 또한 가스성 화석 연료는 일반적으로 환경에 유해하므로 대기로의 임의의 누출은 바람직하지 않다. 이는, 가스 연료를 취급 및 조절하는 모든 장비가 엄격한 안전 규제를 받게 되는 이유이다. 화석 연료로부터 재생가능한 연료로의 전환에서, 하나의 가능한 다음 단계는 수소이다. 액화 천연 가스 (LNG) 보다 비등 온도가 낮기 때문에 가스성 연료가 수소인 경우 동일하거나 훨씬 까다로운 규제가 적용된다. 수소 또한 작은 분자 크기로 인해 누출되기 쉽다.
수소는 미래의 수요에 대한 가장 잠재적인 대체 연료 중 하나이다. 수소는 내연 피스톤 기관에서 연료들의 혼합물에 사용될 수 있다. 예를 들어, LNG 를 사용하면 전체 연료 혼합물의 일정 부분까지 사용이 가능하다. 대안적으로, 수소는 연료 전지의 유일한 연료로서 사용될 수 있다. 연료 전지는 한 쌍의 산화환원 반응을 통하여 수소 및 산화제와 같은 연료의 화학 에너지를 전기로 변환하는 전기화학 전지이다. 연료 전지 시스템은 화학 반응을 유지하기 위해 연료 및 산소의 연속 공급원을 필요로 하는 점에서 대부분의 배터리와는 상이하다. 그런 점에서 수소 기반 동력 시스템의 요건은 배터리 기반 시스템보다 LNG-연료 시스템에 더 근접하다.
그러나, 다양한 이유로 액체 수소를 저장하고 취급하는데 사용되는 탱크와 탱크 연결 공간 모두 구체적인 주의가 필요하다. 첫째, 일반적으로 수소 저장 및 처리는 한편으로는 폭발 분위기를 제공하는 광범위한 혼합물 및 다른 한편으로는 수소에 전형적인 낮은 점화 에너지로 인해 높은 화재 및 폭발 위험을 의미한다. 둘째, 수소의 검출이 비교적 느리다.
참고로, 공개 WO 2020/182308 A1 에서, 해양 선박의 연료 탱크 배열체가 제시되어 있고, 상기 탱크 배열체는 액체 수소 연료 탱크, 액체 수소 연료 탱크와 연통하여 배열된 탱크 연결 공간으로서, 탱크 연결 공간에는 하단부 및 상단부를 갖는 벤트 마스트 및 내부가 제공되고, 벤트 마스트의 내부는 탱크 연결 공간으로부터 가스를 배출하기 위한 환기 유출 라인을 형성하는, 상기 탱크 연결 공간, 안전 밸브 라인을 통해 연료 탱크의 가스 공간에 결합된 비상 압력 해제 밸브로서, 벤트 마스트에 제공된 제 1 수소 유출 라인은 환기 출구 라인으로부터 분리되고, 제 1 수소 유출 라인은 벤트 마스트의 하단부로부터 그의 상단부까지 연장되고 비상 압력 해제 밸브와 유동 연통하게 배열되는, 상기 비상 압력 해제 밸브를 포함한다.
공개 EP 2212186 B1 에서, LNG 연료 해양 선박을 작동하기 위한 방법이 제시되고, 해양 선박은 LNG 의 공급원이 연결되도록 배열되는 유입 파이프를 포함하는 벙커 스테이션, 벙커 스테이션에 연결되는 LNG 저장 탱크 및 LNG 연료 파워 플랜트를 포함하고, 벙커링 작동과 관련하여, 해양 선박은 벙커 스테이션의 유입 파이프를 통해 LNG 의 공급원을 해양 선박의 벙커링 라인에 연결한 후 벙커링 라인을 통해 LNG 저장 탱크에 LNG 를 공급함으로써 LNG 를 공급받는다. 벙커링 라인은, 해양 선박이 벙커링 설비에 도달하기 전에, LNG 저장 탱크의 하부에서 버커링 라인으로 그리고 다시 벙커링 라인에 의해 LNG 저장 탱크로 LNG 를 재순환시킴으로써, LNG 의 온도 레벨에 대응하는 온도 레벨로 냉각된다.
수소 기반 전력 생성 시스템을 위한 연료 공급을 위한 기본 구성은 연료 소모 유닛들 (예컨대, 다수의 상호연결된 연료 전지들) 이 외부로부터 충전될 수 있는 탱크에 연결되는 것이다. 이 시스템은 예를 들어 연료 전지가 해양 선박용 전력 공급원인 해양 적용에 될 수 있으며, 탱크는 선박 내에 있으며, 연료 충전 시스템은 항구 또는 트럭 또는 벙커링 시스템에 있다. 연료 소모 유닛들이 육지 기반의 파워 플랜트를 형성하도록 배열되고 연료는 트럭 또는 트레인에 의해 파워 플랜트로 전달되는 것이 또한 가능할 수 있다. 동일한 원리가 일반 승용차, 버스 또는 화물 자동차에도 적용될 수 있다.
고려되어야 할 양태들 중 하나는 액화된 가스성 연료의 매우 낮은 비등 온도이다. LNG 가 -163℃ 이고 LNG 연료 공급 시스템의 설계에 영향을 준다. 정상 대기 온도는 LNG 의 비등 온도를 상당히 초과하므로, 액체 연료는 비등하고 대기 온도에서 연료 공급 시스템 부품, 파이프, 밸브 등과 같은 임의의 비-극저온 구성요소와 연결될 때 매우 빠르게 가스상으로 전이됨을 의미한다. 경제적이고 실용적인 이유로, 극저온 조건은 탱크 및 탱크 연결 공간과 같은 탱크의 인접부와 같이 최소로 제한된다. 탱크는 밸브에 의해 둘러싸이므로, 탱크로 또는 탱크로부터 연료 공급 라인 등의 임의의 연결부에는 밸브가 장착된다. 탱크를 가득 충전한 후에, 연료 공급 시스템을 비활성으로 만드는 것이 필수적인 실행이다. 이러한 연료 공급 시스템은, 연료 공급 파이프라인이 수십 또는 심지어 수백 미터일 수 있는 해양 선박의 경우에 특히 길 수 있다. LNG 의 경우에, 이 불활성화는 질소로 수행된다. 질소는 -196℃ 에서 응축되고 -210℃ 에서 결빙되기 때문에 질소 가스상 온도는 이 목적에 적합하다. 이는 LNG 이후 파이프라인에 공급될 경우 질소가 가스상으로 남아있음을 의미한다. 그러나, 동일한 방법 및 물질을 수소 연료 공급 시스템에 적용할 수 없다. 액체 수소와 LNG 의 주요 차이 중 하나는 액체의 비등 온도이며, 수소의 경우 -252.87℃ 이다. 이는 질소가 액화된 수소 후에 파이프라인에 공급될 경우, 이는 응축되거나 심지어 파이프라인에 결빙되고 아마도 문제를 야기하기 시작할 것임을 의미한다.
본 발명의 목적은 시스템에 액체 수소를 제공하기 위해 벙커링 스테이션에 연결가능한 액체 수소 연료 공급 시스템에 배열체를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 시스템에 액체 수소를 제공하기 위해 벙커링 스테이션에 연결가능한 액체 수소 연료 공급 시스템에서의 방법울 제공하는 것이다. 배열체 및 방법 둘 다에서, 성능은 선행 기술의 해결책에 비교하여 상당히 개선된다.
본 발명의 목적들은 독립항들에서 그리고 본 발명의 상이한 실시형태들의 보다 상세들을 설명하는 다른 청구항들에 개시된 바와 같이 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가스 소모기를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템에 연료 탱크 배열체가 제공되고, 상기 시스템은:
- 탱크 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인을 포함하고,
- 상기 유입 라인은 제 1 단부에 제 1 밸브 및 탱크 단부에 제 2 밸브를 가지며,
- 상기 유입 라인에는 불활성 가스 플러시 매체 라인이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브의 하류에서 상기 유입 라인에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원에 제어가능하게 연결되며,
상기 시스템에 있어서, 추가로:
- 상기 유입 라인에는 연료 가스 플러시 매체 라인이 제공되고, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브의 하류의 상기 유입 라인에 제어가능하게 연결되고,
상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인의 제 1 플러싱을 수행하기 위해 가스성 수소를 상기 유입 라인에 공급하기 위해 가스성 수소의 공급원에 연결된다.
이는 성능이 상당히 개선되고 불활성화 작동이 효율적이고 안전하게 이루어질 수 있는 배열체를 제공한다. 매우 까다로운 이러한 저온 극저온 조건에 적합한 구성요소의 특별한 배열체를 요구한다. 그러나, 배열체는 다른 목적을 위해 이미 요구되는 특징들을 큰 정도로 활용하고, 추가적인 요소들의 수는 비교적 작다.
일 실시형태에 따르면, 가스 소모기를 위한 액체 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템을 충전하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은:
- 유입 라인을 통하여 벙커링 스테이션으로부터 탱크로 미리 결정된 양의 액체 수소를 공급하는 단계로서, 상기 유입 라인은 제 1 단부 내에 제 1 밸브 및 탱크 단부 내에 제 2 밸브를 가지는, 상기 공급하는 단계, 및 상기 공급 후에 상기 제 1 밸브를 폐쇄하는 단계,
- 상기 제 1 밸브의 하류에서 상기 유입 라인에 제어가능하게 연결된 불활성 가스 플러시 매체 라인을 통해 불활성 가스를 공급함으로써 상기 유입 라인을 불활성화시키는 단계로서, 공급된 상기 불활성 가스는 상기 유입 라인으로부터 상기 탱크 내로 수소를 플러싱하는, 상기 불활성화시키는 단계를 포함하고,
- 상기 공급하는 단계와 상기 불활성화시키는 단계 사이에, 가스성 수소의 공급원으로부터 상기 제 1 밸브의 하류에서 상기 유입 라인에 연결된 연료 가스 플러시 매체 라인을 통해 상기 유입 라인으로 가스성 수소가 공급되고, 상기 가스성 수소가 상기 유입 라인을 플러싱함과 동시에 상기 유입 라인을 워밍업하는 연료 가스 플러싱 단계를 수행한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 가스성 수소의 공급원은 가스성 수소의 압력 및 온도를 증가시키기 위한 디바이스이며, 이는 탱크 내의 가스성 또는 액체 수소에 연결되거나 또는 그에 의해 공급된다. 그리하여, 소모를 위해 충전된 동일한 연료가 플러싱용 매체이며 이는 먼저 탱크로부터 압력 및 온도를 증가시키는 디바이스로 가져와 플러싱을 위해 유도되고 유입 라인을 워밍업시킨다. 플러싱 가스는 탱크의 가스 공간으로부터 취해질 수 있다. 탱크 내의 액체 수소의 일부가 비등하여 이른바 비등 가스를 형성하게 된다. 이는 이미 가스상으로 있고 액체를 가스상으로 기화시키기 위한 단계가 방지될 수 있다. 플러싱 작동에서, 워밍업된 가스는 탱크로 다시 복귀될 것이다. 연료 가스 플러싱 작동을 위해 증발되고 가열된 액체 수소를 사용하고, 이를 탱크내로 가스로서 재도입하면, 플러싱 작동을 위해 탱크로부터 가열된 비등된 가스를 사용하는 것보다 탱크 내의 압력을 증가시킨다. 따라서, 액체 수소를 증발시키는 단계가 방지되기 때문에, 비등 가스를 사용한 후 가열된 가스를 탱크 내로 단지 재도입하는 것이 더 경제적인 대안이다. 그러나, 플러싱을 위해 플러싱 가스의 압력은 어쨌든 적절한 수단에 의해 상승될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 유입 라인 및 연료 가스 플러시 매체 라인 둘 다의 압력은 동일할 것이고 플러싱이 발생하지 않을 것이다.
수소의 압력 및 온도 증가에 대한 두 가지 대안과 플러싱 작동을 위해 사용되는 히터/증발기가 있다. 하나는 가스성 수소의 공급원이 탱크 비등 가스 또는 액체상 수소를 사용하는 탱크 배열체의 메인 가스 증발기인 것이다. 메인 가스 증발기는 탱크 배열체로부터의 연료가 가스 소모기에 의해 사용될 때 정상 작동을 위해 액체 가스를 증발 및 가열하는데 사용된다. 다른 대안으로서는 가압된 가스성 수소의 공급원이 압력 형성 증발기라는 것이다. 압력 형성 증발기는, 작동 중인 가스 소모기를 위해 탱크 내의 충분한 압력을 증가 및 유지하기 위해, 펌프 작동식 탱크 배열체에 대한 옵션인 가압된 탱크 배열체에 사용된다. 플러싱 작동을 위한 수소의 또 다른 가능한 공급원은 펌프, 압력 축압기 또는 이와 유사한 압력 증가 디바이스이다. 가스성 수소의 이러한 선택 공급원은, 시스템의 실제 구성에 의존하며, 많은 구성들이 가능하다.
본 방법의 일 실시형태에 따르면, 유입 라인 안전 절차는 2 단계 절차이다. 먼저, 연료 가스 플러시는 임의의 나머지 액체 수소를 탱크로 밀고, 액체 수소의 가능한 작은 잔류량을 증발시키고 유입 라인을 워밍업한다. 다음 단계는, 연료 가스를 탱크로 밀어냄으로써 유입 라인 내의 연료 가스를 대체하는 불활성 가스 플러시이다. 두 단계 모두에 대해, 적절한 플러시 부피 및 압력은 실제 구성에 의해, 유입 라인 직경 및 길이에 의해 선택된다. 플러시 압력 및 유동 속도는 플러시 매체의 전방에서 매체를 이동시키기에 적절할 필요가 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 유입 라인에는 유입 라인의 온도를 결정하기 위한 온도 센서 (또는 다수의 센서들) 가 제공된다. 이러한 특징은 유입 라인의 온도 모니터링을 가능하게 한다. 연료 가스 플러싱을 위해, 소정량의 액체 수소가 비등되거나 가스상으로 증발되고 Tn 이상의 미리 정해진 온도까지 워밍업되고, Tn 은 불활성 가스의 응축 온도이다. 연료 가스 플러시 동안, 유입 라인의 온도가 모니터링되고, 유입 라인의 온도가 Tn 초과인 것으로 결정된 후에, 연료 가스 플러시 매체 라인은 폐쇄되고, 불활성 가스를 이용한 플러시가 개시될 수 있다. 불활성 가스가 응축되거나 결빙될 정도로 유입 라인 온도가 낮은지 조작자가 아는 것이 유용하다. 즉, 연료 가스 플러싱은, 유입 라인 온도가 먼저 불활성 가스의 결빙 온도 위로 상승하고 이어서 불활성 가스의 응축 온도 위로 상승할 때까지 유리하게 계속된다. 그 후에야만, 불활성 가스를 유입 라인으로 유도하고 불활성 상태로 이를 플러시하여, 유입 라인이 인화성 또는 폭발성 연료 잔량을 함유할 위험성이 없도록 한다. 불활성 가스 플러시의 완료는, 예를 들어 유입 라인의 탱크 단부 내의 불활성 가스의 농도를 측정함으로써 결정될 수 있다. 불활성화 단계의 완료는 또한 특정 양의 체적 교환이 수행되었음을 고려함으로써 확인될 수 있으며, 예를 들어 플러싱에 사용되는 질소의 양은 예를 들어 유입 라인의 체적의 5 배이며, 이는 충분한 플러싱이 수행됨을 의미하고 라인은 불활성화된 것으로 간주될 수 있다. 가장 적합하게는, 불활성 가스는 다른 불활성 가스보다 더 싸기 때문에 질소이고 , 따라서 전력 생성 시스템 조작자에 대한 작동 비용이 낮게 유지된다. 아르곤 또는 헬륨과 같은 일부 다른 대안들이 또한 고려될 수 있다.
본 특허 출원에 개시된 본 발명의 예시적인 실시형태들은 첨부된 청구범위의 적용가능성을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 동사 "포함하기 위한" 은 또한 인용되지 않은 특징들의 존재를 배재하지 않도록 개방된 제한으로서 본 특허 출원에 사용된다. 종속항들에 인용된 특징들은 달리 명시하지 않는 한 상호 자유롭게 조합가능하다. 본 발명의 특징으로서 고려되는 새로운 특징들은 특히 첨부된 청구항들에 개시된다.
이하에서, 첨부된 예시적인 개략적인 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료 공급 시스템을 도시한다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 다른 연료 공급 시스템을 도시한다.
도 1 은, 가스 소모기 (8) 를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 에 연료 탱크 배열체를 개략적으로 도시하고, 상기 시스템은:
- 탱크 (10) 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인 (11) 을 포함하고,
- 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부에 제 2 밸브 (112) 를 가지며,
- 상기 유입 라인 (11) 에는 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원 (130) 에 제어가능하게 연결되며,
- 상기 시스템에 있어서 추가로:
- 상기 유입 라인 (11) 에는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 이 제공되고, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인에 제어가능하게 연결되고,
상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 제 1 플러싱을 수행하기 위해 가스성 수소를 상기 유입 라인 (11) 에 공급하기 위해 가스성 수소의 공급원 (15) 에 연결된다.
일 실시형태에 따르면, 배열체는 가스 소모기 (8) 를 위한 액체 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법에 의해 활용되고, 상기 방법은:
- 유입 라인 (11) 을 통하여, 벙커링 연결부 (B) 에 연결된, 벙커링 스테이션 (비도시) 으로부터 탱크 (10) 로 미리 결정된 양의 액체 수소를 공급하는 단계로서, 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부 내에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부 내에 제 2 밸브 (112) 를 가지는, 상기 공급하는 단계, 및 상기 공급 후에 상기 제 1 밸브 (111) 를 폐쇄하는 단계,
- 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결된 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 을 통해 불활성 가스를 공급함으로써 상기 유입 라인 (11) 을 불활성화시키는 단계로서, 공급된 상기 불활성 가스는 상기 유입 라인 (11) 으로부터 상기 탱크 (10) 내로 수소를 플러싱하는, 상기 불활성화시키는 단계를 포함하고,
- 상기 공급하는 단계와 상기 불활성화시키는 단계 사이에, 가스성 수소의 공급원 (15) 으로부터 상기 제 1 밸브 (11) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결된 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 을 통해 상기 유입 라인 (11) 으로 가스성 수소가 공급되고, 상기 가스성 수소가 상기 유입 라인 (11) 을 플러싱함과 동시에 상기 유입 라인 (11) 을 워밍업하는 연료 가스 플러싱 단계를 수행한다.
도 1 에서, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 은, 가스성 수소의 공급원 (15) 이 가스성 수소의 압력 및 온도를 증가시키기 위한 디바이스이고 탱크 (10) 내의 가스성 또는 액체 수소에 연결되거나 이에 의해 공급되도록 연결되도록 배열된다. 가스성 수소의 공급원 (15) 과 관련하여, 숫자 15 는 도 1 에서 개략적으로 실제 디바이스들 유출구가 연결될 수 있는 연료 가스 플러시 라인 (14) 의 초기 지점을 지칭한다. 도 1 에서와 같이, 숫자 15 는 양쪽 옵션인 소정량의 수소를 증발시키는 메인 가스 증발기 (151) 또는 압력 형성 증발기 (152) 가 선택적으로 연결될 수 있는 교차점을 가리킨다. 상기 증발기 디바이스들을 사용하여, 소정량의 액체 수소가 가스상으로 증발되고, Tn 초과의 미리 결정된 온도로 워밍업되고 (또는 수소가 이미 가스상에 있는 경우에만 워밍업됨), Tn 은 불활성 가스의 응축 온도이다. 증발 및 후속 가열은, 예를 들어 가열 유체 열 입력 (H_in) 및 열 출력 (H_out) 을 참조하여 도 1 에 도시된 바와 같이 가스 소모기 냉각 시스템과 같은 외부 열원에 의해 통전될 수 있다. 또한 이러한 목적을 위해 전기 가열을 사용할 수 있다. 전기 히터는 증발기에 직접 열을 제공하는 증발기 내에, 또는 증발기에 진입하기 전에 유체 내에 추가적인 가열을 제공하는 가열 유체 회로 내에 통합될 수 있다. 이에 의해, 추가된 전기 히터는, 벙커링 작업이 완료되는 순간에 가열 유체에서 충분한 열을 얻을 수 없고, 연료 라인을 플러싱하여 불활성화시켜야 하는 문제를 해결한다.
연료 가스 플러싱 단계에서, 제 1 밸브 (111) 의 하류에 유입 라인 (11) 에 따뜻한 가스성 수소가 공급되며, 상기 가스성 수소는 유입 라인 (11) 을 플러싱함과 동시에 유입 라인 (11) 을 워밍업시킨다. 연료 가스 플러시는 유입 라인 (11) 내의 임의의 나머지 액체 수소를 탱크 (10) 로 밀어내고, 액체 수소의 가능한 작은 잔류물을 증발시킨다. 시스템의 조작자는 적절한 밸브들 (11a1, 11b1) 을 개방 및 폐쇄함으로써 가스 공간 (11a) 또는 액체 공간 (11b) 으로의 유입 라인 (11) 단부를 선택할 수 있다. 연료 가스 플러싱을 위해, 유입 라인 (11) 내의 나머지 액체 수소를 탱크 (10) 로 밀어내기 위해, 밸브 (111) 와 밸브 (112) 사이의 파이프의 일부가 플러싱되는 것과 관련된다. 플러싱될 매체는 액체상 및 가스상 둘 다의 수소로 구성되기 때문에, 밸브 (11a1) 만을 개방하는 것이 제안된다. 탱크 (11b) 내의 액체 부분으로 이어지는 이러한 플러싱을 행하는 것이 편리하지 않고, 오히려 탱크 (11a) 의 가스성 부분으로 이어지는 라인을 향해 플러싱되는 것이 편리하다. 이 단계의 단부에서, 유입 라인 온도는 불활성 가스의 응축 온도 (Tn) 초과이고, 이는 연료 가스, 가스성 수소로 충전된다. 유입 라인 (11) 에는 유입 라인 (11) 의 온도를 결정하기 위해 유입 라인 (11) 을 따라 온도 센서 (116) 또는 다수의 온도 센서들이 제공된다. 유리하게는 또한 연료 가스 플러시 라인 (14) 은 온도 센서 (116) 를 구비한다. 온도 정보에 의해, 안전한 조건에 있고 불활성 가스 플러싱인 다음 공정 단계를 위한 준비가 되면, 유입 라인 (11) 의 상태를 결정하는 것이 가능하다. 유입 라인 (11) 의 온도가 모니터링되고, 유입 라인 (11) 의 온도가 Tn 초과인 것으로 결정된 후에, 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 은 폐쇄되고, 불활성 가스를 이용한 플러시가 개시될 수 있다.
불활성 가스 플러시에서, 유입 라인 (11) 에는 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결된 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 을 통해 불활성 가스가 공급되고, 공급된 불활성 가스는 유입 라인 (11) 으로부터 멀리 탱크 (10) 내로 수소를 플러시한다. 여기서, 불활성 가스 플러시는 연료 가스를 탱크 (10) 로 밀어냄으로써 유입 라인 (11) 내의 연료 가스를 대체한다. 따라서, 플러싱이 일어날 수 있도록 불활성 가스의 압력 및 유량을 선택할 필요가 있다.
도 1 에서, 가스 소모기 (8) 에 대한 수소를 저장하고 제공하기 위한 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 의 일 실시형태가 제시된다. 시스템의 정상 작동 중에, 가스는 단열 탱크 (10) 로부터 유출 라인 (12) 을 통해 증발기들 중 하나로, 압력 형성 증발기 (151) 로 그리고 다시 탱크 (10) 로, 또는 메인 가스 증발기 (152) 로, 그리고 그 후 추가로 엔진, 연료 전지 등과 같은 가스 소모기 (8) 로 제공된다. 압력 형성 증발기는 시스템 작동에 충분히 높은 탱크 내 압력을 유지하기 위해 액화 가스를 증발시켜 탱크로 다시 공급하는데 사용된다. 압력 형성 증발기는 탱크 내의 압력을 증가시키기 위한 필요에 기반하여 작동 중이다.
도 1 에 따른 시스템에서, 연료 플러시 가스의 생성은 몇몇 방식으로 이루어질 수 있으며, 여기서 특별한 선호 순서 없이 설명된다. 제 1 옵션은 압력 형성 증발기를 사용하는 것이다. 이 옵션에 따르면, 탱크 (10) 로부터의 유출 라인 (12) 밸브 (121) 가 개방되고, 메인 가스 증발기 (152) 로 이어지는 라인용 밸브 (122) 가 폐쇄된다. 가열 유체는 압력 형성 증발기 (151) 를 통해 유동하도록 배열된다. 밸브들 (123 및 127) 은 액체 수소를 증발시키는 압력 형성 증발기 (151) 를 통한 순환을 가능하게 하도록 개방된다. 밸브들 (128, 125 및 126) 이 폐쇄되고 밸브들 (124 및 141) 이 개방되면, 증발 가스는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 으로 유동한다. 밸브들 (141, 112) 이 개방되고 밸브 (111) 가 폐쇄됨으로써, 연료 플러시 가스는 유입 라인 (11) 을 탱크를 향해 플러싱한다. 제 2 옵션은 탱크 (10) 로부터의 액체 수소와 함께 메인 가스 증발기 (152) 를 사용하는 것이다. 옵션 1 과의 차이점으로서, 메인 가스 증발기 (152) 로 이어지는 라인에 대한 밸브 (122) 는 개방되는 반면, 압력 형성 증발기 (151) 를 통한 순환을 가능하게 하는 밸브 (123) 는 폐쇄된다. 가열 유체는 이제 메인 가스 증발기 (152) 를 통해 유동하도록 배열된다. 가스 소모기들 (8) 로 이어지는 밸브 (81) 가 폐쇄되고 밸브들 (125 및 124) 이 개방되고 밸브 (127) 가 폐쇄된 상태에서, 연료 플러시 가스는 옵션 1 에서와 동일한 방식으로 라인 (11) 으로 유도되도록 생성된다. 제 3 옵션은 가스성 수소, 소위 탱크 (10) 로부터의 비등 가스를 사용하는 것이다. 밸브들 (126 및 128) 을 개방하고 밸브들 (121, 123 및 127) 을 폐쇄함으로써, 압력 및 온도 증가를 위해 가스성 수소가 메인 가스 증발기 (152) 로 유도된다. 가스 소모기들 (8) 로 이어지는 밸브 (81) 가 폐쇄되고 밸브들 (125 및 124) 이 개방되고 밸브 (127) 가 폐쇄된 상태에서, 연료 플러시 가스는 옵션 1 및 옵션 2 에서와 동일한 방식으로 라인 (11) 으로 유도되도록 생성된다.
당업자에게는, 도 1 의 실시형태의 일부 경우에, 형성 증발기 (151) 및 메인 가스 증발기 (152) 둘 다가 연료 플러시 가스를 생성하기 위한 병렬 증발기들로서 사용될 수 있다는 것이 명백하다.
도 1 의 연료 탱크 배열체에는 탱크 (10) 에의 그리고 탱크 (10) 로부터 연결부들을 비교하기 위한 탱크 연결 공간 (100) 이 제공된다. 연료 공급 시스템에는 도 1 및 도 2 의 밸브들에 대한 표준 기호로 도시된 다수의 제어 밸브들 (121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128, 81) 이 장착된다. 당업자는 어느 밸브가 폐쇄될 필요가 있는지 및 어느 밸브가 시스템의 기능을 수행하기 위해 개방 또는 조절될 필요가 있는지를 이해해야 한다.
도 2 에서, 가스 소모기 (8) 를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 에 연료 탱크 배열체를 제공하고, 상기 시스템은:
- 탱크 (10) 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인 (11) 을 포함하고,
- 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부에 제 2 밸브 (112) 를 가지며,
- 상기 유입 라인 (11) 에는 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원 (130) 에 제어가능하게 연결되며,
- 유입 라인 (11) 에는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 이 제공되고, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류의 상기 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결되고,
상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 제 1 플러싱을 수행하기 위해 가스성 수소를 상기 유입 라인 (11) 에 공급하기 위해 가스성 수소의 공급원 (15) 에 연결된다. 시스템 (1) 의 본 실시형태는 도 1 에서 상술한 것과 상이하여 연료 공급 시스템 (1) 은 메인 가스 증발기 (152) 를 위해 연료를 가압하기 위해 연료 펌프 (153) 를 이용하고, 이에 따라서 배관은 압력 형성 증발기가 없기 때문에 도 1 과 비교하여 약간 상이하다. 그렇지 않으면, 특징들 및 기능은 도 1 과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일하게 유지된다.
도 2 에 따른 시스템에서, 연료 플러시 가스의 생성은 다음의 방식으로 이루어질 수 있다. 첫째로, 탱크 (10) 로부터의 유출 라인 (12) 밸브 (121) 가 개방되고, 밸브 (126) 가 폐쇄되며, 연료 펌프 (153) 는 연료를 개방된 밸브 (122) 를 향해 그리고 메인 가스 증발기 (152) 로 이어지는 라인으로 유도하기 위해 이용된다. 가열 유체는 액체 수소를 증발시키고 가열하는 메인 가스 증발기 (152) 를 통해 유동하도록 배열된다. 가스 소모기들 (8) 에 이어지는 밸브 (81) 가 폐쇄되고 밸브들 (124 및 141) 이 개방되면, 증발 가스는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 으로 유동한다. 밸브들 (141, 112) 이 개방되고 밸브 (111) 가 폐쇄됨으로써, 연료 플러시 가스는 유입 라인 (11) 을 탱크 (10) 를 향해 플러싱한다. 또한, 도 2 의 실시형태에 의하면, 탱크로부터 비등 가스를 사용할 수 있다. 그 후, 밸브들 (126, 122) 은 개방되는 반면, 밸브 (121) 는 폐쇄되며, 연료 펌프 (153) 는 이용되지 않는다. 그렇지 않으면, 특징들 및 기능은 도 1 과 관련하여 위에서 설명된 것과 동일하게 유지된다.
본 발명은 본원에서 현재 가장 바람직한 실시형태들로 고려되는 것과 관련하여 실시예의 방식으로 설명되었지만, 본 발명은 개시된 실시형태들에 제한되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에서 규정된 바와 같이, 본원의 특징들의 다양한 조합들 또는 변경들, 그리고 본 발명의 범위 내에 포함된 여러 개의 다른 적용들을 포함하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 임의의 실시형태와 관련하여 언급된 상세한 설명들은 이런 조합들이 기술적으로 실현가능하다면 또 다른 실시형태와 관련하여 사용될 수도 있다.
1 : 연료 공급 시스템
10 : 탱크
100 : 탱크 연결 공간
11: 유입 라인
11a : 가스 공간으로의 유입 라인
11a1 : 밸브
11b : 액체 공간으로의 유입 라인
11b1 : 밸브
111 : 제 1 밸브
112 : 제 2 밸브
116 : 온도 센서
12 : 유출 라인
121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128 : 밸브
13 : 불활성 가스 플러시 매체 라인
130 : 불활성 가스의 공급원
14 : 연료 가스 플러시 매체 라인
15 : 가스성 수소의 공급원
151 : 압력 형성 증발기
152 : 메인 가스 증발기
153 : 연료 펌프
8 : 가스 소모기
Tn : 불활성 가스의 응축 온도
B : 벙커링 스테이션 연결부

Claims (15)

  1. 가스 소모기 (8) 를 위한 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체로서,
    상기 액체 수소 연료 공급 시스템은,
    - 탱크 (10) 내에 연료를 제공하기 위한 유입 라인 (11) 을 포함하고,
    - 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부에 제 2 밸브 (112) 를 가지며,
    - 상기 유입 라인 (11) 에는 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 이 제공되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결되고, 상기 불활성 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 불활성 가스 플러싱을 수행하기 위하여 불활성 가스의 공급원 (130) 에 제어가능하게 연결되며,
    상기 시스템에 있어서, 추가로,
    - 상기 유입 라인 (11) 에는 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 이 제공되고, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 1 단부는 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결되고,
    상기 연료 가스 플러시 매체 라인의 제 2 단부는 상기 유입 라인 (11) 의 제 1 플러싱을 수행하기 위해 가스성 수소를 상기 유입 라인 (11) 에 공급하기 위해 가스성 수소의 공급원 (15) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 연료 탱크 배열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스성 수소의 공급원 (15) 은 가스성 수소의 압력 및 온도를 증가시키기 위한 디바이스이고, 상기 탱크 (10) 내의 가스성 또는 액체 수소에 연결되거나 이에 의해 공급받는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스성 수소의 공급원 (15) 은 메인 가스 증발기 (152) 인 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스성 수소의 공급원 (15) 은 압력 형성 증발기 (151) 인 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 라인 (11) 에는 상기 유입 라인 (11) 의 온도를 결정하기 위한 온도 센서 (116) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 탱크 배열체에는 상기 탱크 (10) 에의 그리고 상기 탱크 (10) 로부터의 연결부들을 구획하기 위한 탱크 연결 공간 (100) 이 제공되는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 탱크 배열체는 펌프, 압력 축압기 또는 이와 유사한 것인 압력 증가 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 내의 연료 탱크 배열체.
  9. 가스 소모기 (8) 를 위한 액체 수소를 저장하고 제공하는 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 유입 라인 (11) 을 통하여, 벙커링 스테이션 연결부 (B) 로부터 탱크 (10) 로 미리 결정된 양의 액체 수소를 공급하는 단계로서, 상기 유입 라인 (11) 은 제 1 단부 내에 제 1 밸브 (111) 및 탱크 단부 내에 제 2 밸브 (112) 를 가지는, 상기 공급하는 단계, 및 상기 공급 후에 상기 제 1 밸브 (111) 를 폐쇄하는 단계,
    - 상기 제 1 밸브 (111) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 제어가능하게 연결된 불활성 가스 플러시 매체 라인 (13) 을 통해 불활성 가스를 공급함으로써 상기 유입 라인 (11) 을 불활성화시키는 단계로서, 공급된 상기 불활성 가스는 상기 유입 라인 (11) 으로부터 상기 탱크 (10) 내로 수소를 플러싱하는, 상기 불활성화시키는 단계를 포함하고,
    상기 방법에 있어서 추가로,
    - 상기 공급하는 단계와 상기 불활성화시키는 단계 사이에, 가스성 수소의 공급원 (15) 으로부터 상기 제 1 밸브 (11) 의 하류에서 상기 유입 라인 (11) 에 연결된 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 을 통해 상기 유입 라인 (11) 으로 가스성 수소가 공급되고, 상기 가스성 수소가 상기 유입 라인 (11) 을 플러싱함과 동시에 상기 유입 라인 (11) 을 워밍업하는 연료 가스 플러싱 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  10. 제 9 항 또는 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 가스 플러싱을 위해, 소정량의 액체 수소는 가스상으로 증발되고, Tn 보다 높은 미리 결정된 온도까지 워밍업되며, Tn 은 상기 불활성 가스의 응축 온도인 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  11. 제 9 항 또는 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입 라인 (11) 의 온도가 모니터링되고, 상기 유입 라인 (11) 의 온도가 Tn 초과인 것으로 결정된 후에, 상기 연료 가스 플러시 매체 라인 (14) 이 폐쇄되고 불활성 가스로 플러싱이 개시될 수 있는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  12. 제 9 항 또는 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    불활성 가스 플러시의 완료는 상기 유입 라인 (11) 의 탱크 단부에서 상기 불활성 가스의 농도를 측정함으로써 결정되는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  13. 제 9 항 또는 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스성 수소의 공급원 (15) 은, 상기 탱크 (10), 소정량의 수소를 증발시키는 메인 가스 증발기 (152) 또는 압력 형성 증발기 (151) 인 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  14. 제 9 항 또는 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 가스 플러시는 상기 유입 라인 (11) 내의 임의의 잔류하는 액체 수소를 상기 탱크 (10) 로 밀어내고 액체 수소의 가능한 작은 잔류물을 증발시키는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
  15. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    불활성 가스 플러시는 상기 연료 가스를 상기 탱크 (10) 로 밀어냄으로써 상기 유입 라인 (11) 내의 상기 연료 가스를 대체하는 것을 특징으로 하는, 액체 수소 연료 공급 시스템 (1) 을 충전하는 방법.
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