KR20240054406A - 액화 수소 공급원을 갖는 수소 충전 스테이션 - Google Patents

액화 수소 공급원을 갖는 수소 충전 스테이션 Download PDF

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KR20240054406A
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레이프 카펠 페테르센
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넬 하이드로겐 에이/에스
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Abstract

본 발명은, 복수의 가열기들, 제1 이젝터 입구, 제2 이젝터 입구 및 이젝터 출구를 갖는 이젝터, 가열기들을 통해 제1 및 제2 이젝터 입구들에 유체연결될 수 있고 액체수소를 저장하도록 구성된 저장 탱크를 포함하는 수소 충전 스테이션에 관한 것이다. 밸브들은, 저장 탱크와 가열기들 사이의 도관들 내의 액체 수소 및 가열기들과 적어도 하나의 이젝터 사이의 도관들 내의 기체 수소의 흐름을 제어하도록 구성된다. 여기서, 이젝터는, 복수의 가열기들 중 적어도 제1 가열기로부터의 기체 수소를 수용하도록, 그리고 동시에, 제2 이젝터 입구를 통해 복수의 가열기들 중 적어도 제2 가열기로부터의 기체 수소를 배출하도록, 구성된다.

Description

액화 수소 공급원을 갖는 수소 충전 스테이션
본 발명은 액체 수소 공급원을 포함하는 수소 충전 스테이션(hydrogen refueling station) 및 상기 수소 충전 스테이션을 사용하여 차량에 연료를 공급하는 방법에 관한 것이다.
알려진 수소 충전 스테이션은 충전 스테이션 구성요소들 사이에서 수소를 이동시키고, 수소를 충전하고, 수소를 가압하기 위해, 대형 압축기에 크게 의존한다. 이러한 대형 압축기는 소음이 매우 심하고, 현장 에너지가 많이 필요하며, 비효율적이다. 더욱이, 알려진 수소 충전 스테이션은, 단위 중량당 에너지가 낮은, 압축 기체 수소의 공급원을 활용한다.
본 발명자들은 수소 충전 스테이션과 관련된 위에서 언급된 문제점 및 과제를 확인하고, 후속적으로 이러한 문제점을 개선할 수 있는 하기에 설명된 발명을 하였다.
본 발명은 수소 충전 스테이션에 관한 것으로, 수소 충전 스테이션은: 복수의 가열기들; 제1 이젝터 입구, 제2 이젝터 입구, 및 이젝터 출구를 포함하는 적어도 하나의 이젝터; 상기 복수의 가열기들을 통해 제1 이젝터 입구 및 제2 이젝터 입구에 유체연결가능한 수소 저장 탱크로서, 액체 수소를 저장하도록 구성된 수소 저장 탱크; 및 수소 저장 탱크와 상기 복수의 가열기들 사이의 도관들 내의 상기 액체 수소, 및 복수의 가열기들과 상기 적어도 하나의 이젝터 사이의 도관들 내의 기체 수소의 흐름을 제어하도록 구성된 밸브들;을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이젝터는, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 제1 가열기로부터 기체 수소를 수용하도록, 그리고 동시에, 상기 제2 이젝터 입구를 통해 상기 복수의 가열기들 중 적어도 제2 가열기로부터 기체 수소를 배출하도록 구성된다.
충전 스테이션에서 고압 압축기의 필요성을 줄여서 OPEX와 CAPEX를 모두 줄일 뿐만 아니라 설치 공간 및 소음도 줄이는 효과가 있다는 점에서 유리하다. 수소 충전 스테이션은 액체 수소의 공급을 활용하는 장점이 있는데, 이는 액체 수소가 압축된 기체 수소에 비해 단위 중량당 에너지가 크다는 점에서 유리하다. 이에 따라, 수소 질량당 많은 양의 에너지를 수소 충전 스테이션까지 수송할 수 있고, 또한 수소 충전 스테이션의 수소 저장 탱크에 수소 질량당 많은 양의 에너지를 저장할 수 있다. 이는 기체 수소를 저장하도록 구성된 종래의 수소 저장 장치와 비교할 때 특히 분명하다.
수소 충전 스테이션은 수소를 가열하고 그에 의해 가압하기 위한 가열기들, 및 가열기들로부터 기체 수소를 배출하기 위한 이젝터를 사용한다는 점에서 더욱 유리하다. 이는 가열 및 배출의 과정이 상대적으로 조용하고, 이에 따라, 종래의 충전 스테이션의 대형 압축기를 사용할 때 문제가 되는 높은 소음 수준으로 인하여, 예를 들면, 사람 및/또는 동물을 포함한, 주변 환경을 방해하지 않는다는 점에서 유리하다.
또한, 유리하게는 가열기들이 액체 수소 공급원으로부터 기체 수소를 생성하므로, 이에 의해 본 발명의 수소 충전 스테이션은 유리하게는 기체 수소를 수용하도록 구성된 차량 탱크에 연료를 공급하기 위해 공지된 분배기를 사용할 수 있다.
본 맥락에서, 가열기(증발기라고도 함)는 액체 수소 및/또는 기체 수소를 저장하는 데 적합하고, 또한, 액체에서 기체 수소로의 상 전이(phase shift)를 촉진하는 데 적합한 임의의 수단으로 이해되어야 한다. 가열기는, 적어도 예를 들어, 755 bar의 압력을 견딜 수 있어야 하지만, 바람직하게는 가열기가 가열기에 포함된 수소를 가열할 때 발생하는 압력 상승을 감당하기 위해, 가열기들은 더 높은 압력도 견딜 수 있어야 한다. 일부 구현예에서 가열기는, 예를 들어, 2200 bar 이상의 압력을 촉진할 수 있으므로, 이들 구현예에서 가열기는 이러한 압력과 추가 완충 압력을 감당할 수 있도록 구성되어, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 안전한 작동을 보장해야 한다. 상 전이는 주로 가열기의 가열 및 이에 의해 그 안에 저장된 수소의 가열에 의해 촉진된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 수소의 가열은 여러 방식으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 전도성 열전달, 대류 열전달, 복사(예를 들어, 전자기파), 증발(예를 들어, 하나 이상의 증발기를 사용) 등을 포함할 수 있다. 유리하게는, 수소를 가열하면 수소의 내부 에너지가 증가하는 효과가 있다. 본 발명에 따르면, 이 에너지는 차량의 차량 탱크에 연료를 공급하거나 및/또는 탱크를 수소로 채우는 데 유리하게 활용될 수 있다.
본 맥락에서, 가열기로부터 기체 수소를 배출하는 것은, 가열기로부터 도관 내로 그리고 더 나아가 이젝터 내로 기체 수소를 제거하거나 유도하는 공정으로서 이해되어야 한다.
흐름을 제어하는 것은 모든 형태의 흐름의 제어를 의미한다. 도관 내 수소의 흐름은, 예를 들어, 온/오프 밸브를 열어 해당 밸브를 통한 흐름을 가능하게 하거나, 또는 온/오프 밸브를 닫아 해당 밸브를 통한 흐름을 차단함으로써, 제어될 수 있다. 흐름은 또한, 밸브를 통해 흐르는 매체의 질량 유량을 조절할 수 있는, 흐름 조절 밸브들에 의해 제어될 수도 있다. 다른 유형의 유량 조절 밸브들은 압력 조절 밸브들을 포함할 수 있다. 또한, 가열기의 압력과 이젝터의 제2 입구 사이의 압력과 같은 도관 시스템의 압력 차이에 의해, 흐름이 제어되거나 설정될 수도 있다.
본 발명의 구현예에 따르면, 상기 복수의 가열기들은 액체 수소의 등체적 가열(isochoric heating)을 하도록 구성된다.
이는, 수소의 온도에 비례하여 압력을 높이는 효과가 있어, 열에너지를 사용하여 가열기 내에서 수소를 가압하는 과정을 효율적으로 할 수 있다는 장점이 있다.
이해되어야 하는 바와 같이, 등체적 가열(isochor heating)은 물질의 부피 변화 없이, 유체와 같은, 물질을 가열하는 것을 의미한다. 등체적 가열 공정을 용이하게 하기 위해, 가열기들은 예를 들어 내부 부피를 실질적으로 변경하지 않도록 제작될 수 있다. 이는 유리하게는 가열기에 함유된 수소가 원칙적으로 그 부피를 변화시키지 않을 수 있다는 것을 보장한다. 등체적 가열을 더 촉진하기 위해, 수소를 함유하도록 구성된, 가열기의 내부는 바람직하게는 가열이 시작되기 전에 실질적으로 수소로 완전히 채워져, 가열기 내부에 추가적인 불용 부피(dead volume)가 없도록 보장할 수 있다. 본 맥락에서, 불용 부피는 수소로 채워지지 않은 가열기 내부의 부피로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는, 상기 적어도 하나의 가열기 주변으로부터 상기 가열기로의 열전달에 기초하여 상기 수소를 가열하도록 구성된다.
유리하게도, 이는, 수소를 가열하여 가압하도록 추가 에너지를 공급할 필요가 없으며, 그에 따라 유리하게도, 수소를 가압하는 이러한 방식을 에너지 효율적으로 만들 수 있다는 효과를 갖는다.
본 맥락에서, 가열기의 주변은 가열기를 둘러싸는 주변으로 이해되어야 한다. 주변은 전형적으로 공기, 예를 들어, 대기 공기이지만, 주변은, 예를 들어, 가열기들과 같은, 다른 스테이션 구성요소들도 포함할 수 있다. 이러한 맥락에서, 열전달은, 예를 들어, 전도, 대류, 복사, 및 증발을 포함하는 열전달 메커니즘들 중 임의의 하나 이상을 지칭할 수 있다.
본 발명의 선택적(optional) 구현에서, 가열기의 주변으로부터 가열기로의 열전달은, 대류 열전달을 통해, 주변으로부터 가열기로의 직접적인 열전달을 포함할 수 있다. 본 발명의 선택적(optional) 구현에서, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는 히트 싱크를 포함할 수 있다. 유리하게는, 이는 가열기의 주변에서 가열기로의 열전달을 증가시켜, 이에 의해 가열기에 포함된 수소를 가열하는 데 걸리는 시간을 줄이는 효과를 갖는다. 가열기는, 가열기를 통과하는, 및 바람직하게는 가열기의 히트싱크를 통과하는 공기의 흐름을 증가시키도록 구성된 팬과 같은, 환기 장치(ventilator)를 더 포함할 수 있다. 유리하게는, 가열기로의 열전달을 더욱 증가시키는 효과를 갖는다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는, 상기 적어도 하나의 가열기의 주변으로부터 매체를 통해 상기 가열기로의 간접적인 열전달에 기초하여 상기 수소를 가열하도록 구성된다.
유리하게는, 이는 주변으로부터 가열기에 포함된 수소로의 간접적인 열전달이 주어진 요구 사항들, 예를 들어, 연료 공급에 필요한 가열기의 주어진 압력으로 제어될 수 있거나, 및/또는, 가열기의 가열은, 예를 들어, 주변의 온도를 고려하여 추가적으로 제어될 수 있는 효과를 가지며, 이는 유리하다. 매체를 통한 간접 가열의 또 다른 장점은, 예를 들어, 스테이션의 다른 구성요소들을 포함하는 특정 주변으로부터, 가열기로 열을 전달할 수 있다는 것이다. 이는, 예를 들어, 이전에 가열되어, 가열기보다 더 따뜻한 제2 가열기를 포함할 수 있다. 또한, 추가적인 이점은, 열이 제2 가열기로부터 가열기로 간접적으로 전달될 때 제2 가열기가 냉각된다는 점이다.
본 맥락에서, 간접적인 열전달은, 냉매일 수 있는, 매체를 통해, 물체 및/또는 유체로부터 다른 물체 및/또는 유체로의 열전달로 이해되어야 한다. 적합한 냉매는, 예를 들어, 네온, 헬륨, 질소 및 수소를 포함할 수 있다. 열은 전기 에너지, 즉 전기 가열에 의해 제공될 수도 있다는 점에 유의한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는 증발기이다.
본 발명의 예시적인 구현에서, 가열기는, 예를 들어, 플랜지형 가열기(flanged heater), 순환 가열기(circulation heater), 오버-더-사이드 가열기(over-the-side-heater), 스크류 플러그 가열기(screw plug heater)를 포함하는, 가열기 유형 중 하나일 수 있다. 또한, 본 발명의 구현에 따라, 다른 유형의 가열기들이 사용될 수 있다. 액체 수소의 저온을 감당하기 위해, 가열기들은 바람직하게는 오스테나이트계 스테인리스 스틸로 만들어질 수 있다. 이 재료는 가열기의 압력이 높아질 때 강도를 유지하는 데에도 매우 적합하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소 충전 스테이션은 제어기 및 온도 센서를 포함하는 온도 관리 시스템을 포함한다.
간단한 형태로, 온도 관리 시스템은 제어기, 온도 센서 및 팬을 포함한다. 측정된 온도를 기초로 하여, 제어기는 팬을 제어하여 가열기 / 가열기의 히트 싱크 위로 냉각 공기 흐름을 제공한다. 더 발전된 버전에서, 온도 관리 시스템은 스테이션의 모든 가열기들 사이에 냉각/가열 매체를 순환시켜, 가열해야할 부분을 가열하고 냉각해야할 부분을 냉각하는 것을 촉진시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 관리 시스템은 상기 복수의 가열기들을 열적으로 연결하여 상기 복수의 가열기들 사이의 열전달을 가능하도록 하는 도관을 더 포함한다.
언급되어야 하는 바와 같이, 열전달은 가열 또는 냉각을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 가열기로부터 열이 밖으로 전달되면 가열기의 온도가 낮아지며, 즉, 가열기가 냉각되는 반면, 가열기로 열이 전달되면 가열기의 온도가 높아진다, 즉, 가열기가 따뜻해진다. 가열기들을 상호연결하는 온도 관리 시스템은, 매우 차가운 액체 수소를 끓여서 생성된(냉각이 제거된) 열을 다른 가열기의 온도를 조절하는 데 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 이런 방식으로 수소 충전 스테이션으로부터 멀리 떨어진 곳에서 액체 수소를 만드는 데 사용되는 에너지는, 말하자면 온도 관리 시스템을 통해 재사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 관리 시스템은, 상기 적어도 하나의 가열기의 온도보다 높은 온도를 갖는 상기 복수의 가열기들 중 하나의 가열기로부터 열을 전달함으로써 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기를 가열하도록 구성된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 온도 관리 시스템은, 상기 적어도 하나의 가열기의 온도보다 낮은 온도를 갖는 상기 복수의 가열기들 중 하나의 가열기로부터 냉기를 전달함으로써 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기를 냉각하도록 구성된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 온도 관리 시스템은 상기 복수의 가열기들 중 하나의 가열기가 액체 수소로 채워지기 전에 상기 하나의 가열기를 냉각하도록 구성된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 하나의 가열기는, 액체 수소가 상기 하나의 가열기에 유입되기 전에, 미리 결정된 온도로 냉각된다.
유리하게는, 냉각된 가열기에 공급된 액체 수소의 대부분은 가열기에 들어갈 때 즉시 가스 상태로 변하는 대신, 액체 상태로 유지되는 효과를 갖는다. 이는 유리한데, 왜냐하면, 액체 형태는 기체 수소에 비해 밀도가 훨씬 높으므로 가열기 내에서 더 적은 공간을 차지하기 때문이다. 이에 따라, 가열기를 미리 결정된 문턱치로 냉각하면 가열기가 더 많은 양의 수소를 함유할 수 있으며, 이는 가열에 의해 가압될 수 있다.
미리 결정된 문턱치는 영하 200 ℃ 내지 영하 260 ℃ 범위 내에 있어야 할 것이고, 바람직하게는 영하 240 ℃이어야 할 것이다. 따라서, 냉각된 가열기 내에 함유된 수소를 가열하기 전에, 수소는 바람직하게는 영하 250 ℃ 내지 영하 240 ℃ 범위의 온도, 바람직하게는 영하 253 ℃ 이하의 온도를 가져야 할 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이젝터의 지오메트리는, 미리 결정된 이젝터 입구 압력에 대해, 상기 제1 이젝터 입구에서의 질량 흐름과 상기 이젝터의 상기 제2 이젝터 입구에서의 질량 흐름의 비율의 최적화에 기초한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이젝터의 지오메트리는 미리 결정된 이젝터 입구 압력에서 이젝터 효율에 최적화된다.
이해되어야 하는 바와 같이, 이젝터 효율은 본 명세서에서 실제 회수된 압축 에너지와, 제1 이젝터 입구로 들어가는 유체의 이용가능한 이론적 에너지 사이의 비율로서 정의될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이젝터의 지오메트리는 미리 결정된 이젝터 입구 압력에 대한 이젝터의 압축비에 최적화된다.
이젝터의 압축비는, 본 명세서에서, 이젝터 확산기(ejector diffuser)의 출구의 정적 압력을 이젝터 확산기의 제2 입구에서의 정적 압력으로 나눈 비율로서 이해될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 수소 충전 스테이션은 이젝터들의 배열을 포함한다.
본 맥락에서, 이젝터들의 배열은 적어도 2개의 이젝터들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 이젝터들의 배열의 이젝터들은 상이한 내부 지오메트리를 갖는다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이젝터는 가변 내부 지오메트리를 갖는다.
이젝터의 내부 지오메트리는 이젝터의 제2 이젝터 입구의 흡입 압력을 최적화하기 위해 자동으로 조절될 수 있다. 내부 지오메트리는, 예를 들어, 이젝터가 이젝터를 통한 수소의 질량 유량을 조절할 수 있는 효과를 갖는 가변 쓰로트(variable throat)에 의해 조절될 수 있으며, 이에 의해, 이젝터는 이젝터의 제2 이젝터 입구에서의 흡입 압력을 간접적으로 조절할 수 있고, 이에 따라 이젝터로부터 이젝터의 하류측으로의 수소의 공급을 조절할 수 있다. 이에 의해, 이젝터는 수소 충전 스테이션의 다양한 작동 시나리오, 예를 들어, 다양한 압력의 차량 탱크에 대한 연료 공급 등에 따라, 이젝터의 하류에의 수소 전달을 조정할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 가변 지오메트리를 갖는 상기 하나 이상의 이젝터들의 상기 가변 지오메트리는 상기 이젝터 출구의 하류에서 결정된 압력에 기초하여 조절된다.
가변 지오메트리는, 요구되는 연료 공급 압력에 기초하여, 및/또는 적어도 하나의 이젝터의 하류에 배치된 버퍼 탱크를 채우는 데 요구되는 압력에 기초하여 조절될 수 있다. 따라서, 이젝터의 이젝터 출구의 하류에서 결정된 압력은, 예를 들어, 충전 스테이션의 분배기에 결합된 차량의 탱크 내의 압력을 포함할 수 있거나 및/또는 버퍼 탱크 내의 압력을 더 포함할 수 있다. 상기 지오메트리는 수용 용기, 제1 가열기 및 제2 가열기, 등의 압력과 관련된 입력에 기초하여 조절될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면; 상기 적어도 하나의 이젝터의 상기 가변 지오메트리는 램프 속도 목표 압력(ramp rate target pressure)을 달성하도록 자동으로 조절된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 수소 저장 탱크는 저온 저장 탱크(cryogenic storage tank)이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 복수의 이젝터들 중 하나의 이젝터의 상기 제2 이젝터 입구는 상기 수소 저장 탱크의 상부 입구에 연결가능하다.
유리하게는, 이는 이젝터의 제2 이젝터 입구에서의 흡입 압력은 수소 저장 탱크의 상단으로부터 기체 수소를 끌어오는 데 활용될 수 있고 기체 수소를 이젝터의 하류 측에 제공할 수 있는 효과를 가지며, 여기서, 이는, 예를 들어, 분배기를 통해, 차량의 차량 탱크에 연료를 공급하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소 충전 스테이션은 수소 버퍼 탱크에 유체연결된 압축기를 포함하거나, 및/또는 수소 저장 탱크에 유체연결된 압축기를 포함하거나, 및/또는 상기 복수의 이젝터들 중 적어도 하나의 이젝터 출구에 유체연결된 압축기를 포함한다.
이는, 예를 들어, 기체 수소가 예를 들어, 하나 이상의 가열기들로부터 배출되어 수소 버퍼 탱크에 저장될 수 있다는 점에서 유리하다. 그러면, 버퍼 탱크에 저장된 기체 수소는 하나 이상의 차량들에 연료를 공급하는 데 유리하게 활용될 수 있다.
일부 구현예에서, 압축기는, 예를 들어, 저장 탱크로부터 기체 수소를 제거함으로써, 수소 저장 탱크의 압력을 낮추도록 구성될 수 있다.
유리하게는, 이는, 압축기를 이용하여, 수소 저장 탱크 상단에 배치된 출구를 통해 수소 저장 탱크의 상부의 기체 수소를 제거함으로써 수소 저장 탱크 내부의 온도를 낮출 수 있는 효과를 갖는다. 특히, 수소 저장 탱크로부터 기체 수소를 제거하면 탱크 내의 압력이 낮아져, 수소 저장 탱크 내부의 액체 수소가 끓게 하고, 이에 인해 끓는 데 요구되는 에너지로 인해 탱크 내의 수소의 온도가 낮아지게 된다. 이는, 가열기들과 이젝터들이 작동하지 않아 이젝터들에 의해 제공되는 흡입 압력을 사용할 수 없는 경우, 특히 유용할 수 있다. 이는, 예를 들어, 스테이션에서 많은 차량에 연료를 공급하지 않는, 낮은 유틸리티 기간 동안 발생할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소 충전 스테이션은 상기 복수의 이젝터들 중 적어도 하나의 이젝터 출구에 연결된 압축기를 포함한다.
유리하게는, 이는, 가열기들 및 이에 따라 이젝터들 중 어느 것도 사용가능한 연료 공급 압력을 전달할 수 없는 경우, 압축기가 요구되는 연료 공급 압력을 제공할 수 있다는 효과를 갖는다. 더욱이, 압축기는 동시에 적어도 하나의 이젝터의 하류의 압력을 낮추고, 차례로 제1 이젝터 입구를 통해 이젝터를 통과하는 질량 유량을 증가시키고, 이젝터의 제2 이젝터 입구의 흡입 압력을 증가시키며, 이는, 유리하게는, 예를 들어, 가열기 등을 비우기 위해 활용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이젝터의 상기 제1 이젝터 입구에 수용된 기체 수소, 및 상기 적어도 하나의 이젝터의 상기 제2 이젝터 입구에 수용된 기체 수소는, 상기 이젝터의 상기 이젝터 출구를 통해 상기 수소 충전 스테이션의 분배기에 연결된 차량의 수용 용기에 제공된다.
이는, 이젝터 입구에 연결된 가압된 가열기로부터의 수소, 및 제2 이젝터 입구를 통해 다른 가열기로부터 배출되는 기체 수소가, 수소 충전 스테이션의 분배기에 연결된 차량 용기에 연료를 공급하기 위해 이젝터 출구를 통해 제공될 수 있다는 효과를 갖는다는 점에서 유리하다. 이에 의해, 제2 가열기로부터 남은 기체 수소는 배기할 필요 없이 효율적으로 연료 공급에 사용할 수 있다. 언급된 2개의 이젝터 입구들 모두로부터의 수소는 이젝터에서 혼합되어 이젝터 출구에 제공된다는 것에 주목한다.
본 발명은 또한 수용 용기를 수소 가스로 충전하는 방법에 관련되며, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다: 저장 탱크로부터 제1 가열기로의 액체 수소의 흐름을 설정하는 단계; 고정된 부피 내에 액체 수소를 수용하는 단계; 상기 제1 가열기에서 액체 수소로부터 기체 수소로의 상 전이를 설정함으로써 상기 제1 가열기 내의 압력을 증가시키는 단계; 기체 상태의 수소가 상기 제1 가열기로부터 이젝터의 제1 입구로 흐르게 함으로써 상기 제1 가열기 내의 압력을 감소시키는 단계; 수소 공급원으로부터 상기 이젝터의 제2 입구로의 기체 수소의 흐름을 허용하는 단계로서, 상기 흐름은 상기 제1 입구로 들어가는 기체 수소의 흐름에 의해 생성되는, 단계; 및 상기 이젝터의 상기 제1 입구 및 상기 제2 입구로부터 혼합된, 기체 수소의 흐름을 상기 이젝터의 출구로부터 수용 용기로 안내하는 단계.
이 방법은, 영하 30 ℃ 내지 영하 40 ℃ 사이의 온도의 기체 수소를 수용 용기에 공급하는 데 필요한, 수소 충전 스테이션의 압축기 및 냉각 시스템이 필요하지 않다는 점에서 유리하다. 이로 인해, 얻어진 수소 충전 스테이션의 가격, 설치 공간, 소음, 및 운영 비용이 모두 절감된다.
이해되어야 하는 바와 같이, 상기 수소 공급원은 임의의 하나 이상의 수소 저장 탱크들로부터의 수소를 포함할 수 있지만, 이는, 예를 들어, 임의의 하나 이상의 가열기들로부터의 기체 수소를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 수용 용기의 목표 압력에 도달할 때 상기 출구로부터의 흐름을 종료하는 단계를 더 포함한다.
통상적으로, 목표 압력은 미리 결정되어 있으며, 대형 차량의 경우 350 bar, 소형 차량의 경우 750 bar이다. 그러나, 가열기들의 압력보다 낮은 임의의 목적하는 압력이 될 수 있다. 수용 용기의 압력은, 수용 용기의 압력 센서로부터, 또는 이젝터로부터 노즐까지의 흐름 경로에 배치된 압력 센서로부터, 충전을 제어하는 제어기에 제공된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 이젝터의 지오메트리를 조정함으로써 이젝터로부터 나오는 압력을 제어하는 단계를 더 포함한다.
압력 및 그에 따른 흐름은, 가열기, 버퍼 탱크, 및/또는 수용 용기의 압력과 관련된 입력에 기초하여 조절될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 사용자가 상기 제1 가열기의 압력을 감소시키는 단계를 개시하도록 하는 단계를 더 포함한다.
사용자는 바람직하게는 사용자 인터페이스의 디스플레이를 통해 수소 충전 스테이션과 통신한다. 사용자 인터페이스는 수소 충전 스테이션의 분배기의 디스플레이일 수도 있거나, 예를 들어, 중앙 서버를 통해 직접적으로 또는 간접적으로 수소 충전 스테이션과 통신하는 스마트폰에 원격으로 표시될 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 가열기로의 액체 수소의 상기 흐름은, 상기 제2 가열기가, 적어도 90% 가득 차면, 바람직하게는 적어도 95% 가득 차 면, 가장 바람직하게는 적어도 98% 가득 차면, 중단된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 가열기 및/또는 제2 가열기의 상기 고정된 부피는, 각각, 상기 제1 가열기의 부피 및/또는 상기 제2 가열기의 부피에 의해 한정되거나, 또는 각각, 상기 제1 가열기 및/또는 상기 제2 가열기의 각각의 측면 상의 도관들에 위치하는 두 밸브들 사이의 부피에 의해 한정된다.
제2 가열기(및 제1 가열기)는 액체 및/또는 기체 유체를 포함할 수 있는 고정된 내부 부피를 한정한다. 대안적으로, 가열기의 각각의 측면(상류 및 하류) 상의 도관들의 밸브들이 상기 부피를 한정할 수 있다. 이 대안에서, 도관들의 부피 중 일부는 상기 고정된 부피의 일부일 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 상 전이는 상기 제1 가열기를 가열함으로써 설정된다.
가열기(액체 가스를 포함하는 부피)는, 대부분의 경우에, 액체 수소의 온도보다 높은 대기 온도에 의해 수동적으로 가열될 수 있다. 대안적으로, 팬은 가열기를 향해 뜨거운 공기를 불어넣을 수 있고, 온도 관리 시스템은 가열기에 연결되어 이에 의해 매체를 순환시킬 수 있다. 순환되는 매체는 바람직하게는 가열기를 가열하거나 냉각하는데 사용될 수 있는 매체이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 상기 제1 가열기 및/또는 제2 가열기를 사전 냉각하는 단계를 더 포함한다.
가열기를 냉각하면 가열기와 액체 수소 사이의 온도 차이가 줄어들고 그에 의해 액체 수소의 비등 강도가 줄어드는 효과를 갖는다는 점에서 유리하다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수소 공급원은 상기 제2 가열기, 버퍼 탱크 또는 상기 수소 저장 탱크이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 기체 수소가 상기 제2 가열기를 떠나는 것과 동시에 액체 수소가 상기 제2 가열기로 흐르도록 허용하는 단계를 더 포함하고, 여기서, 상기 제2 가열기로의 액체 수소의 흐름은 상기 제2 가열기를 떠나는 기체 수소의 흐름에 의해 촉진된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 수용 용기는 차량 탱크이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 차량 탱크에는, 복수의 가열기들 중, 사용가능한 최저 연료 공급 압력을 갖는, 하나의 가열기로부터 기체 수소가 공급된다.
이는 차량 탱크가 충전의 시작시보다 목표 압력에 더 가까워지는 연료공급 단계를 위해 고압의 가열기들을 절약할 수 있다는 점에서 유리하다. 사용가능한 최저 연료 공급 압력은 차량 탱크 압력보다 5% 내지 1000%의 높은 압력으로 간주될 수 있다. 따라서, 본 발명의 특정 구현에 따라, 사용가능한 압력은 달라질 수 있다. 유리하게는, 스테이션의 분배기에 연결되어 연료가 공급되어야 하는 차량의 차량 탱크 압력보다 훨씬 높은 사용가능한 연료 공급 압력을 활용함으로써, 연료 공급 동안 더 큰 압력을 갖는 가열기들로 전환해야할 필요성이 줄어들 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 차량 탱크는 복수의 가열기들 중 제1 가열기로부터 기체 수소를 먼저 공급받을 수 있으며, 제1 가열기는 상기 복수의 가열기들의 연료 공급 압력들 중 사용가능한 최저 초기 연료 공급 압력을 가지며, 후속적으로, 상기 제1 가열기의 연료 공급 압력이, 상기 연료 공급 압력이 상기 차량 탱크에 연료를 공급하는 데 더 이상 사용할 수 없는 미리 결정된 문턱치를 초과하는 경우, 상기 차량 탱크에는, 상기 복수의 가열기들 중, 제1 가열기보다 더 높은 사용가능한 초기 연료 공급 압력을 갖는, 제2 가열기로부터 기체 수소가 공급된다.
이는 제1 가열기가 더 이상 사용가능한 연료 공급 압력을 제공하지 않을 때 차량 탱크에 제2 가열기로부터 연료를 공급할 수 있다는 점에서 유리하다.
사용가능한 초기 연료 공급 압력은, 가열기로부터 차량 탱크에 연료를 공급하는 초기에 가열기에 의해 제공되는 연료 공급 압력으로 이해되어야 하고, 여기서 사용가능한 초기 연료 공급 압력은 차량 탱크에 연료를 공급하는 데 적합하다. 연료 공급을 시작한 후에, 연료 공급 압력은 초기 연료 공급 압력에서 떨어질 것이다. 연료 공급 압력 및 사용가능한 연료 공급 압력에 대한 자세한 내용은 아래 설명에 나타내었다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 수용 용기에 수소 가스를 채우는 앞에서 설명된 방법에 따라 수소 충전 스테이션이 작동된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 방법은 다음 단계들을 더 포함한다: 저장 탱크(6)로부터 제2 가열기(2b)로의 액체 수소의 흐름을 설정하고, 상기 제2 가열기의 고정된 부피 내에 상기 액체 수소를 수용하는 단계; 연료 공급 압력이 미리 결정된 문턱치 아래로 떨어지는 경우, 상기 제1 가열기(2a)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로의 상기 흐름을 종료하는 단계; 상기 제2 가열기(2b)에 의해 상기 제2 가열기의 고정된 부피 내에 수용된 상기 액체 수소를 가열함으로써 제2 가열기(2b)의 압력을 증가시키는 단계; 기체 상태의 수소가 상기 제2 가열기(2b)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로 흐르게 함으로써 상기 제2 가열기(2b) 내의 압력을 감소시키는 단계; 상기 제1 가열기(2a)의 출구로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제2 입구(5)로 수소의 흐름을 설정함으로써 상기 제1 가열기(2a)로부터 기체 수소를 배출하는 단계로서, 상기 흐름은 상기 제2 가열기(2b)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로의 기체 수소의 상기 흐름에 의해 설정되는, 단계; 및 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4) 및 제2 입구(5)로부터 혼합된 기체 수소의 흐름을 상기 이젝터(3)의 출구(9)로부터 수용 용기로 안내하는 단계.
이는, 제2 가열기를 가짐으로써, 제1 가열기에 의해 전달된 압력이 미리 결정된 문턱치를 초과하는 경우, 수소 충전 스테이션에 연결된 용기의 연료 공급은 제2 가열기를 사용하여 계속될 수 있다는 점에서 유리하다. 미리 결정된 문턱치는 사용가능한 연료 공급 압력과 같은, 연료 공급 압력을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 연료 공급 압력이 용기 내 압력 아래로 떨어지면, 가열기를 사용하여 용기에 연료 공급을 할 수 없으므로, 연료 공급 압력은 더 이상 사용할 수 없다. 사용가능한 압력은 용기 내 압력보다 높은 압력으로서 정의될 수 있다. 연료 공급 압력과 관련된 다른 미리 결정된 문턱치는 상세 설명의 다른 부분에 설명되어 있다.
또한, 제2 가열기를 갖는, 본 발명에 따른 수소 스테이션은, 제2 가열기가 제1 이젝터로부터 기체 수소를 배출하는데 활용될 수 있고, 이에 의해 제1 이젝터가 추가 액체 수소로 채워질 수 있다는 점에서 유리하다. 또한, 유리하게는, 제1 가열기는 유사하게 일부 구현예에서 제2 가열기로부터 기체 수소를 배출하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예들 및 본 발명의 다양한 선택적(optional) 특징이 도면과 관련하여 설명되었다. 이해되어야 하는 바와 같이, 설명된 구현예 중 어느 것의 임의의 특징 및 임의의 선택적(optional) 특징은 본 발명의 주어진 구현에 따라 유리하게 결합될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 4와 관련하여 설명된 구현예와 같은 본 발명의 더 발전된 구현예들은, 예를 들어, 도 1과 관련하여 설명된 구현예로 구현될 수 있다. 예를 들어, 압축기(18), 역류 라인(backflow line)(17), 및 버퍼 탱크(20)는 예를 들어, 도 1, 등과 관련하여 설명된 구현예로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 구현예들은 다음의 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 2개의 가열기 및 1개의 이젝터를 포함하는 수소 충전 스테이션을 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 충전 스테이션을 사용하는 차량의 차량 탱크에 연료를 공급하기 전 및 충전 동안 가열기의 압력 변화를 그래프 도면으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 2개의 가열기들 및 2개의 이젝터들을 포함하는 수소 충전 스테이션을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 2개의 가열기들 및 이젝터들의 배열을 포함하는 수소 충전 스테이션을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 가변 지오메트리를 갖는 이젝터를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 방법의 단계들을 시각적 표현으로 도시한다.
모든 도면들의 지시 번호가 지정되어 있지 않더라도, 도면들의 유사한 요소들은 유사한 단어로 지칭될 수 있음에 유의해야 한다.
다음에서, 본 발명의 다양한 구현예들이 도면들을 참조하여 설명된다.
특정 방법 및 시스템 구조와 같은 세부사항은, 본 발명의 구현예들에 대한 이해를 돕기 위해 제공된다. 불필요한 세부사항으로 본 발명의 설명을 모호하게 하지 않기 위해, 공지의 시스템, 장치, 회로, 도관, 및 방법에 대한 상세한 설명은 생략되었음에 유의해야 한다. 이해되어야 하는 바와 같이, 본 발명은 아래에 설명된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 당해 기술분야의 통상의 기술자는 또한 이러한 특정 세부사항 없이 다른 구현예들로 본 발명을 구현할 수 있다. 따라서, 본 발명은 청구범위에 명시된 본 발명의 범위 내에서 다양한 변형으로 설계되고 변경될 수 있다.
본 발명은 수소 충전 스테이션에 관한 것으로, 공급망 형태의 수소 공급원, 외부 수소 저장소, 내부 수소 저장소 또는 임시 수소 저장소로부터, 차량의 수용 용기에 수소를 공급하는 것을 주목적으로 하는 것이다. 본 발명에 따르면, 공급원은 액체 수소 공급원이다.
예를 들어 경량 연료전지 차량(light duty fuel cell vehicle)에 수소를 충전하기 위한 SAE J2601 표준과 같은, 현행 표준을 준수하기 위해, 수소 압력, 온도, 흐름, 시간 등을 조절하기 위해, 수소 충전 스테이션은 제어 및 모니터링 시스템, 및 수용 용기에 (적어도 간접적으로) 연결될 수 있는 노즐을 갖는 분배기를 포함한다. 또한, 충전 스테이션은 압축기, 냉각 시스템, 필터, 밸브, 전기 부품, 등을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 수소 충전 스테이션은 또한, 다른 표준 또는 프로토콜에 따라 수용 용기들을 채울 수도 있다. 이는 수용 용기가 대형 차량, 기차, 선박, 비행기, 등인 경우 특히 그렇다. 따라서, 수용 용기 또는 차량의 탱크를 채우는 것은, 본 발명을 단지 연료전지 경량 차량의 탱크를 채우는 것으로 제한해서는 안된다.
충전 공정(refueling peocess)은, 일반적인 용어로, 사용자가 충전을 요청할 때 "준비 완료 상태(ready state)"로부터 "사전 충전 상태(pre-refueling state)"로 이동하는 것을 포함할 수 있는 여러 상태들을 포함한다. 사용자가 노즐을 들어올려 차량에 부착한 경우, 사용자는, 차량의 용기의 개시 압력이 결정되는 "충전 개시 상태"를 시작할 수 있다. 개시 압력 및 다른 초기 파라미터들을 결정하면, 차량의 용기를 채울 목적으로 수소가 차량 용기에 제공되는 "주 충전 상태(Main Refueling State)"가 수행된다. 충전이 완료되면, 호스와 노즐에서 수소를 비우는 것과 같은, 준비 상태로 복귀하기 위한 준비를 하는 "충전 정지 상태"로 들어간다.
충전 절차의 제어 및 이러한 충전 절차의 준비는, 바람직하게는 안전 제어기 및 공정 제어기를 포함하는, 제어 및 모니터링 시스템에 의해 제어된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 충전 스테이션(1)을 개략적으로 도시한다. 이 예시적인 구현예에서, 수소 충전 스테이션(1)은 제1 가열기(2a)와 제2 가열기(2b), 제1 이젝터 입구(4)를 갖는 이젝터(3), 제2 이젝터 입구(5) 및 이젝터 출구(9), 액체 수소를 저장하는 수소 저장 탱크(6), 및 밸브들(8a 내지 8f)을 포함한다. 도관 내의 밸브들(8a 내지 8f)의 정확한 위치는 도 1에 도시된 구현예와 다를 수 있다. 수소 저장 탱크(6)는 가열기들(2a, 2b)을 통해 이젝터(3)의 제1 이젝터 입구(4)와 제2 이젝터 입구(5)에 유체연결 가능하고, 언급된 구성요소들을 연결하는 도관 내의 수소의 흐름은 제어기(23)를 통해 밸브들(8a 내지 8f)에 의해 제어된다. 이 실시예에서, 밸브들은 때때로 온/오프 밸브라고도 지칭되는 차단 밸브이다. 그러나, 본 발명의 다른 구현들은 선택적으로(optionally) 다른 유형의 밸브들, 예를 들어, 압력 제어 밸브 및/또는 흐름 제어 밸브를 포함할 수 있다. 추가적으로, 예를 들어, 액체 수소와 같은 저온을 감당하기 위해, 저온이 되어야 하는 도관들 중 적어도 일부는 오스테나이트 강 또는 이와 유사한 것을 포함하거나/ 이것들로 제조될 수 있으며, 이는, 예를 들어, 액체 수소(수소는 영하 252.87 ℃ 미만의 온도에서 액체 상태로 존재함)의 매우 낮은 온도에서도 도관의 형상 및/또는 성질을 실질적으로 일정하게 유지하는 것이 유리하다. 또한, 도관 중 적어도 일부는 격리된다.
이 실시예에서, 제1 가열기(2a)는 저장탱크(6)로부터 가열기(2a)의 입구 상류에 배치된 밸브(8e)를 열고, 가열기(2a)의 출구 하류에 배치된 밸브(8a, 8b) 및 제2 가열기(2b)의 상류에 배치된 밸브(8f)를 잠금으로써 액체 수소로 채워진다. 밸브들(8e, 8a, 8b)은 밸브들의 예이고, 밸브들의 수는 더 높거나 더 낮을 수 있으며, 바람직하게는 가열기(2)의 상류 및 하류 상에 각각에 있는 적어도 하나의 밸브가 가열기들(2)의 일부로서 위치한다(가열기들에 통합될 수도 있음). 전형적으로, 가열기의 출구의 하류, 즉 이젝터 쪽은 물리적으로 가열기의 입구의 상류보다 더 높게 위치한다. 이는 가장 따뜻한 기체 수소를 먼저 꺼내고 액체 수소가 도관(25) 내로 계속 유입되는 위험을 줄이는 것을 보장하기 위한 것이다.
이 실시예에서, 수소 저장 탱크(6)는 지면에 대해 가열기들(2a, 2b)보다 위에 배치되며, 이에 따라, 수소 저장 탱크(6)로부터 제1 가열기(2a)로의 액체 수소의 흐름은 중력의 힘에 의해 적어도 부분적으로 설정될 수 있다. 제1 가열기(2a)가 수소로 채워지면, 제1 가열기(2a)는 밸브(8e, 및 8a 내지 8b)를 폐쇄함으로써 유체적으로 격리될 수 있다. 그러면 제1 가열기가 가열되어 수소를 가압한다. 이 가열은 가열기 내부의 수소를 등체적 가열(isochoric heating)하여 수행된다. 이것이 의미하는 바와 같이, 가열기 내부의 수소의 부피가 거의 실질적으로 일정하게 유지되고, 이에 따라, 가열기 내부의 압력이 크게 증가된다. 온도 증가에 비례하여 수소 분자들의 평균 운동 에너지가 증가하기 때문에 압력이 증가하고, 이에 따라, 가열하는 동안, 더 빠르게 움직이는 입자들이 더 자주 더 큰 힘으로 가열기의 벽들과 충돌한다. 이로 인해 벽에 가해지는 힘이 증가하고 압력이 증가한다.
적합한 가열기들(2)은 전형적으로 단지 하나의 챔버를 포함할 것이다. 이 챔버가 액체 수소로 채워질 수 있는 100%에 가까울수록, 챔버 내 기체 수소의 최종 압력이 더 높아질 수 있다. 설명되는 바와 같이, 액체 수소에서 기체 수소로의 상 전이가 챔버 내에서 발생하고 챔버 내의 압력이 증가할 것이다. 상 전이는 단순히 챔버의 온도와 그에 따른 수소의 상(phase)을 제어함으로써 촉진될 수 있다. 초기 액체 상태에서 온도를 16 K(켈빈)로 높이면, 수소는 소위 초임계 상태에 도달할 것이다. 이 시점에서, 수소의 가열이 계속된다면, 챔버 내의 압력은 더 높아질 수 있다. 단지 예로서, 챔버 내의 최대 압력은 최대 2000 bar이다. 그럼에도 불구하고, 가열기 내부의 수소를 더 가열함으로써 압력을 더 높이는 것이 가능하다. 그러나, 저렴하고 깨끗한 에너지원 및/또는 높은 주위 온도가 가열 공정에 사용가능하거나 활용할 수 없다면, 2200 bar를 훨씬 넘는 압력을 달성하기 위해 가열기 내의 수소를 가열하는 데 필요한 에너지 양은, 전형적으로 가열을 통해 압력을 높은 압력으로 높이는 공정을 실행불가능하게 만들 수 있다. 그러나, 연료 공급을 위해 스테이션에 차량이 연결되지 않는 한, 예를 들어, 가열기 내에 함유된 수소의 온도가 주위 온도와 실질적으로 동일한 온도가 될 때까지, 가열은 계속될 수 있다.
온도 제어는 가열기/챔버에 통합되거나 결부된 열 교환기 및 도관들을 갖는 냉각/가열 시스템에 의해 촉진될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 냉각/가열 시스템은 가열기의 냉각/가열 핀들을 향해 뜨거운/차가운 공기를 불어넣는 팬을 포함할 수 있다. 따라서, 다양한 유형의 냉각/가열 시스템들을 사용하여 온도를 제어할 수 있다. 바람직하게는, 냉각/가열 시스템이 냉매 또는 냉각/가열 매체를 순환시키는 경우, 이 매체는 액체 수소의 온도에서 순환될 수 있어야 한다.
가열기들의 온도는 전형적으로 가열기의 충전 시작 시에 주위 온도에 가깝거나 이와 동일하다(즉, 액체 수소보다 더 따뜻함)는 사실로 인해, 액체 수소의 가열은 전형적으로 액체 수소가 가열기에 들어갈 때 시작될 것이라는 것을 유의한다. 또한, 아래에 설명되는 바와 같이, 가열기들(2)은 가열기의 온도를 제어하는데 사용될 수 있는 열 제어 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 액체 수소와 가열기들 사이의 온도 차이는 제어될 수 있으며, 이에 의해, 예를 들어 가열기에서 압력이 상승하는 속도가 제어될 수 있고, 예를 들어 가열기들의 내부에서 상 전이가 일어나는 속도가 제어될 수 있다.
열 제어 시스템은 가열기 내부의 기체 수소의 특정 가열기 목표 압력에 도달하도록 제어될 수 있다. 아래 예에서, 이 가열기 목표 압력은 2200 bar이지만 원칙적으로 예를 들어 10 bar 단위로 100 bar 내지 3000 bar(또는, 심지어 더 낮거나 더 높은)의 임의의 값이 될 수 있을 것이다. 가열기 목표 압력은 이젝터(3)의 지오메트리에 최적화될 수 있어서, 그 결과, 수소가 가열기에 의해 전달된 압력에서 이젝터를 통해 흐를 때, 이젝터(3)는 제2 이젝터 입구(5)에서 최적화된 흡입 압력을 제공할 수 있다. 그 다음, 이젝터/이젝터 배열은, 특정 수용 용기(대부분의 경우, 연료전지 차량의 탱크임)에 대해 요구되는 램프 속도 목표 압력을 준수하도록 이젝터/이젝터 배열의 압력을 제어한다. 약 200 bar 이상의 가열기 목표 압력이 유용한 것으로 간주되지만, 수소 충전 스테이션을 만족스럽게 작동하는 것이 가능하려면, 주 압축기를 생략하기 위해 200 bar 이상의 압력이 필요하다.
이 특정 실시예에서, 제1 가열기(2a)의 압력이 2200 bar의 가열기 목표 압력 예시 문턱치에 도달하면, 열 제어 시스템에 의해 제공되는 가열이 중지된다. 차량 용기가 스테이션의 분배기에 연결되지 않은 경우, 열 제어 시스템은 가열기의 압력을 예시된 2200 bar 수준(문턱치)으로 유지할 수 있다. 사용자가 차량의 차량 용기에 연료를 공급하기 위해 차량을 스테이션의 분배기에 연결할 때, 가열기에 함유된 가압된 수소는 연료 공급을 위해 활용될 수 있다. 차량 탱크의 연료 공급은, 밸브(8a)를 여는 제어기(23)에 의해 시작되어, 가열되고 가압된 수소가 가열기로부터 이젝터 입구(4)로, 이젝터(3)를 거쳐 이젝터 출구를 통해 차량의 수용 용기로 흐르도록 한다. 수소의 흐름은 제1 가열기(2a) 내의 압력과, 이젝터(3) 및 수용 용기를 포함하는, 제1 가열기의 하류측의 압력 사이의 압력 차이에 의해 구동된다. 이젝터(3) 내에서, 이젝터 내부의 유체 통로의 단면적이 점차 좁아짐에 따라 기체 수소의 속도가 증가하고, 이젝터 내의 이 위치에서 압력 강하가 발생한다. 후속적으로, 이젝터(3)의 출구로 갈수록, 유체 통로의 단면적이 점차 증가하여, 이젝터 출구에서의 속도는 감소하고 압력은 회복된다. 중요하게도, 이젝터의 압력 강하는 이젝터(3)의 제2 이젝터 입구(5)에서 흡입을 유발한다. 제2 가열기(2b)와, 이젝터(3)의 제2 이젝터 입구(5) 사이에 배치된 밸브(8d)를 개방함으로써, 흡입은 제2 이젝터 입구(5)를 통해 제2 가열기(2b)로부터, 수소, 예를 들어, 기체 수소를 배출하는데 활용된다. 밸브(8f)도 개방되면, 흡입은 수소 저장 탱크(6)로부터의 수소를 제2 가열기(2b)에 채우기 위해 사용될 수도 있다. 배출된 수소, 예를 들어, 기체 수소는, 제1 가열기(2a)로부터 공급된 수소와 혼합되어 이젝터 출구(9)를 통해 이젝터를 떠난다. 이젝터 출구(9)를 떠나는 수소는 유리하게는 이젝터 출구(9)에 유체연결된 분배기(미도시)에 결합된 차량에 연료를 공급하기 위해, 및/또는 대안적으로 저장 탱크를 채우기 위해, 사용될 수 있으며, 이는, 그 다음, 예를 들어, 분배기에 공급하고 그에 따라 수용 용기를 채우거나, 및/또는 압력 강화(pressure consolidation), 등을 수행하는 데 사용될 수 있다.
제1 가열기(2a)로부터 이젝터 입구(4)로 수소가 공급됨에 따라, 제1 가열기 (2a) 내의 압력은 지속적으로 강하되고, 제1 가열기와, 제1 가열기의 하류측 사이의 압력 차이가 미리 지정된 문턱치에 도달할 때 및/또는 대안적으로, 제1 가열기의 압력이 미리 지정된 문턱치에 도달할 때, 밸브(8a 및 8d)가 닫힌다. 미리 지정된 문턱치는, 예를 들어, 차량의 차량 탱크의 연료공급이 더 이상 가능하지 않게 되거나 또는 미리 지정된 연료공급 속도 아래로 느려지게 되는 압력으로서 결정될 수 있다. 미리 지정된 문턱치는, 예를 들어, SAE J2601-1에 따라 지정될 수도 있다. 본 발명의 일부 구현에서, 미리 지정된 문턱치는, 예를 들어, SAE J2601-1에 따른 연료 공급 램프 속도(fueling ramp rate)일 수 있다. 따라서, 사전 지정된 문턱치는 1.2 MPa/분으로 설정될 수 있다. 그러나, 연료 공급 램프 속도 허용치는 1.2 MPA/분 내지 28.5 MPa/분 사이일 수 있다. 따라서, 미리 지정된 문턱치는 이 범위 내에서 결정될 수 있다. 필요한 경우, 예를 들어, 연료 효율을 개선하기 위해, 사전 지정된 문턱치는 이 범위보다 낮게 설정하거나, 심지어 더 높게 설정될 수 있다.
위에서, 수용 용기를 채우는 제1 단계가 설명되었다. 즉, 제1 가열기(2a)는 이젝터(3)의 제1 이젝터 입구(4)에 수소를 공급하고, 제2 가열기(2b)로부터 수소가 배출되었다. 밸브(8f)가 개방되어 있다면, 제2 가열기(2b)에는 저장 탱크(6)로부터 액체수소가 공급되었을 것이고, 액체 수소는, 상을, 예를 들어, 기체 수소로 변경하고, 가열기(2b)에서 추가적으로 가열될 수 있으며, 이에 의해, 예를 들어, 2000 bar 및/또는 2200 bar의 최대/문턱 압력으로 가압되고, 가능하게는, 예를 들어, 앞서 언급된 초임계 상태에 도달할 수 있다.
가열기에 함유된 수소를 가열하는 데는 일정 시간이 걸리기 때문에, 재구성 단계(reconfiguration step)는 선택적으로(optionally) 구현될 수 있다. 재구성 단계는 1 단계와 2 단계(제2 단계라고도 함) 사이의 기간에 발생한다. 1 단계에서, 앞에서 설명된 바와 같이 가압된 수소를 제1 이젝터 입구에 제공하기 위해 제1 가열기가 이용되고, 2 단계에서는 이젝터에 가압된 수소를 제공하기 위해 제2 가열기가 이용된다. 등체적 가열에 의해 가열기 내의 액체 수소를 가압하는 과정은, 전형적으로 연료를 공급하는 것보다 시간이 오래 걸리기 때문에, 1 단계와 2 단계 사이에 잠복 기간(latent period)이 발생할 수 있으며, 여기서, 2개의 가열기들 중 어느 것도 수소를 충분히 가압할 시간을 갖지 못했고, 이에 따라 수소 스테이션은 이 잠복 기간에 용기에 연료를 공급할 수 없을 수 있다.
앞에서 설명된 바와 같이, 2개의 가열기들 모두 가압된 수소를 제공할 수 없는 잠복 기간을 피하기 위해, 더 많은 추가 가열기들이 선택적으로(optionally) 구현될 수 있다. 예를 들어, 3개의 가열기들, 예를 들어, 4개의 가열기들, 예를 들어, 5개의 가열기들, 예를 들어, 5개 이상의 가열기들이 구현되어 잠복 기간을 최소화하고, 이에 의해 수소 충전 스테이션의 연료 공급 용량을 유리하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 제1 가열기가, 예를 들어, 제2 가열기로부터 기체 수소를 배출하기 위해 활용되고, 제2 가열기가 여전히 수소를 가압하고 있는 경우, 제1 가열기를 활용하여 연료 공급이 수행되는 기간에 가열된 제3 가열기를 통해 연료 공급이 수행될 수 있다. 그런 다음, 제3 가열기를 이용하여 연료 공급이 수행되면, 제1 가열기는 수소가 사용가능한 연료 공급 압력까지 가압되는 재구성 기간을 거쳐, 이에 의해 제1 가열기가 연료 공급에 사용될 수 있다. 유리하게는, 이러한 연료 공급 및 가열기들의 재구성의 사이클은, 수소 충전 스테이션이 잠복 기간 없이 연료를 공급할 수 있도록 계속될 수 있다. 가열기들의 개수와 크기는 목적하는 연료 공급 용량에 따라 최적화될 수 있다.
선택적으로(optionally), 재구성 기간에, 연료 공급은 하나 이상의 압축기들을 통해 직접 충전으로 수행될 수 있다. 수소 충전 스테이션의 적어도 하나 이상의 분배기에 연결된다.
선택적으로(optionally), 기체 수소를 포함하는 버퍼 탱크로부터의 캐스케이드 충전(cascade refueling)이 구현될 수 있다. 캐스케이드 충전은, 예를 들어, 재구성 단계 동안 및/또는 잠복 기간 동안 용기에 연료를 공급하는 데 유리하게 활용될 수 있다.
이제 수용 용기를 채우는 제2 단계가 실행될 수 있을 것이다. 이제 제2 가열기(2b)로부터 가압된 수소를 이젝터 입구(4)에 계속 공급하려면, 따라서, 제2 가열기(2b)와 이젝터 입구(4) 사이에 배치된 밸브(8c)는 개방되고, 제2 가열기(2b)의 출구와 제2 이젝터 입구(5) 사이에 배치된 밸브(8d)는 폐쇄된다. 이에 의해 제2 가열기(2b)로부터 가열되고 가압된 수소는 이젝터 입구(4)와 출구(5)를 통해 이젝터(3)를 거쳐 흐르고, 가압된 수소는 차량의 연료 공급에 활용되거나, 또는 선택적으로(optionally), 수소 충전 스테이션의 분배기에 연결된 차량이 없는 경우, 대신에 수소는, 이젝터 출구(9)의 하류에 선택적으로(optionally) 구현되고 배치될 수 있고 버퍼 탱크로의 흐름을 제어하도록 배치된 밸브의 차단을 갖춘 선택적(optional) 버퍼 탱크를 채우는 데 사용될 수 있다. 다시, 제1 이젝터 입구(4)를 거쳐 이젝터를 통해 흐르는 수소의 속도가 증가함에 따라 제2 이젝터 입구(5)에서 흡입이 생성되어, 이젝터 출구(5)에서 속도가 감소하기 전에 이젝터 내부의 압력 강하를 야기한다. 이제 흡입은, 밸브(8f)를 닫힌 상태로 유지하면서, 밸브들(8b)을 열어, 제1 가열기로부터 수소, 예를 들어, 기체 수소를 배출하고 제1 가열기를 채우는 데 활용된다.
밸브(8e)가 개방되어 제1 가열기(2a)를 채우는 경우, 액체 수소가 제1 가열기(2a)에 유입되도록 허용함으로써, 사이클이 계속될 수 있다는 점에 유의해야 한다. 앞에서 설명된 두 단계에서 밸브들(8e 및 8f)을 열면, 액체 수소가 가열기들로 흐르고, 앞에서 설명된 바와 같이, 수용 용기의 지속적인 공급을 위해 새로운 수소, 예를 들어, 기체 수소가 생성되는 것이 보장된다.
선택적으로(optionally), 이젝터의 제2 이젝터 입구에서의 흡입 압력은 또한 기체 및/또는 액체 수소를 함유하는 선택적(optional) 버퍼 탱크로부터 기체 수소를 끌어내는 데 사용될 수 있다. 이는, 예를 들어, 충전 스테이션의 모든 가열기들이, 가열되고 가압된 수소를 함유하는 경우, 유리할 수 있다. 이로 인해, 흡입 압력이 차량에 연료를 공급하는 데 활용될 수 있으며, 버퍼 탱크에 함유된 기체 수소를 활용할 수 있다. 따라서, 이젝터 입구는 선택적으로(optionally) 버퍼 탱크에 연결될 수 있다. 또한, 선택적으로(optionally), 이젝터 출구는, 이젝터 출구를 통해 가열기로부터 공급된 기체 수소로, 버퍼 탱크 및/또는 하나 이상의 추가 버퍼 탱크들을 채울 수 있도록, 동일한 버퍼 탱크 및/또는 하나 이상의 추가 버퍼 탱크들에 연결될 수 있다.
추가 선택(optional)으로, 차량 탱크의 연료 공급은 제어기(23)에 의해 개시될 수 있으며, 이는 밸브(8a 및 8e)(또는, 유사하게 제2 가열기의 경우 밸브들(8c, 8e) 및/또는 추가 가열기들을 포함하는 유사한 구현예들)를 개방하며, 가열기에 의해 함유된, 가열되고 가압된 수소가 가열기로부터 이젝터 입구(4)로, 이젝터(3)를 통해, 그리고 이젝터 출구를 통해 차량의 수용 용기로 흐르도록 한다. 동시에, 제2 이젝터 입구(5)에서 생성된 흡입 압력은, 기체 수소가 가열기로부터 밸브(8b)를 통해 이젝터(3)의 제2 이젝터 입구(5)로 흐르게 한다. 수소의 이 흐름들은 모두, 이젝터(3)에서 혼합되어 이젝터 출구를 통해 출력된다. 유리하게도, 이는, 그로부터 수소를 흡인하기 위한 제2 이젝터 및/또는 버퍼 탱크가 필요하지 않고도, 제2 이젝터 입구의 흡입 압력은 차량에 연료를 공급하는 데 활용할 수 있다는 효과를 갖는다. 설명된 선택적(optional) 특징은, 다른 구현예에 따라, 임의의 하나 이상의 이젝터들로 구현될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
본 발명의 상기 예시된 구현에서, 가열의 과정은, 가열기들을 둘러싼 환경(주위 온도)과, 수소 저장 탱크(6)로부터 가열기들(2a, 2b)에 제공되는 액체 수소 사이의 온도 차이를 적어도 부분적으로 활용한다. 이는, 수소 저장 탱크로부터 가열기들로 공급되는 수소가 주변보다 실질적으로 더 차갑고, 특히, 예를 들어, 영하 254 ℃까지 차가울 수 있기 때문에, 가능하다. 이러한 유형의 가열 과정은, 예를 들어, 대류 열전달을 통한 직접 가열을 활용할 수 있으며, 여기서 가열기들은 주변, 예를 들어, 공기(액체 수소보다 따뜻한 공기)와 접촉하도록 배열된 히트 싱크를 포함할 수 있다. 히트 싱크는 유리하게는 가열기의 표면적을 증가시켜, 주변과 가열기 사이의 열전달을 향상시킨다. 이에 따라, 본 발명의 구현에서, 가열기의 온도는 주로 대류에 기초하여 상승된다. 이 구현에서, 가열기들은 열전도성 재료로 만들어지며, 그에 의해, 가열기의 온도가 상승함에 따라, 열전도성 재료를 통해, 가열기에 포함된 수소로 열이 전달된다. 열전도성 재료는 열전도성 금속이다. 위에서 언급된 바와 같이, 가열은 열 제어 또는 열 관리 시스템에 의해 적어도 부분적으로 설정될 수도 있으며, 이에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.
본 발명의 선택적(optional) 구현예에서, 가열기는, 증발기의 작동 온도들 내에서 고체 상태로 전환되지 않는 적합한 열 전달 매체를 사용하여, 증발기에 의해 포함된 수소를 가열하도록 구성된 증발기이다. 그러한 적합한 열 전달 매체의 예는 헬륨, 또는 수소이다. 그러나, 유사한 특성을 갖는 다른 열 전달 매체가 본 발명의 구현예들에서 선택적으로(optionally) 적용될 수 있다. 예를 들어, 대안적으로, 네온 또는 질소가, 예들 들어 고유량 온도 관리 시스템에서, 사용될 수 있다. 네온 및 질소는 불연성이라는 점에서 유리하다.
선택적으로(optionally), 앞에서 설명된 바와 같이, 도시되지 않은 버퍼 탱크가 이젝터 출구(9) 하류에 제공될 수 있다. 그에 따라, 수소 충전 스테이션이 차량에 활발하게 연료공급하지 않는 기간에는, 버퍼 탱크는 수소 저장 탱크(6)로부터 공급되는 기체 수소로 채워질 수 있다. 유리하게도, 이는, 버퍼 탱크에 저장된 기체 수소가, 요구될 때, 차량의 연료공급을 위해 활용될 수 있다는 효과를 갖는다. 버퍼 탱크는, 예를 들어 두 가열기들 모두의 압력이 차량에 연료공급하기에 충분히 높지 않거나 및/또는 미리 결정된 유량으로 차량에 연료공급하기에 충분히 높지 않은 상황들에서, 차량에 연료공급하는 데 특히 유용할 수 있다.
본 발명의 추가적인 선택적(optional) 구현예에서, 가열기들은, 가열기들로부터 수소를 배출하기 위해 가열기들의 하류 측에 있는 밸브들이 개방되기 전에, 압력을 1500 내지 2500 bar 범위 내의 압력까지, 바람직하게는 가열기 목표 압력까지, 즉 가능한 한 높게, 증가시킬 수 있다. 가열기 내부의 수소와 주변 환경(주위 온도) 사이의 온도 평형이 도달될 때, 가열이 중단될 수 있다. 가열기 내부의 수소 온도가 주위 온도에 가까워지면 수소의 가열이 느려지므로, 예를 들어, 특정 목표 압력에서, 및/또는 주위 온도보다 낮은 가열기에 함유된 수소의 온도에서, 차량에 연료공급을 하기 위해, 가열기 하류의 밸브들이 개방될 수 있다. 이는, 주위 온도와 가열기 온도 사이의 특정 온도 차이에서 발생하는 느린 온도 램프 속도(slow temperature ramp rate)를 방지함으로써, 가열기들의 시간-효율적 가열 공정을 보장하는 효과를 갖는다. 이러한 온도 차이는, 언급된 온도 평형의 50% 내지 99% 범위 내에, 예를 들어 온도 평형의 90%에, 놓일 수 있다. 또한, 가열기 내의 압력이 수소 충전 스테이션의 분배기 노즐(미도시)에 연결된 차량에 충분한 램프 속도에서 연료공급하기에 충분히 높은 경우, 가열기 내 수소의 미리 결정된 목표 압력 및/또는 온도가 도달되지 않더라도, 가열기 하류의 밸브들이 개방될 수 있다.
전형적으로, 가열기에 함유된 수소의 가열은, 평형이 도달되기 전 단계에서 차량의 연료공급이 갑자기 요구되지 않는 한, 주위 온도와의 평형이 도달될 때까지 계속된다.
주위 온도보다 높은 온도까지 수소를 가열하려면 추가적인 에너지 공급이 필요하다. 이전에 언급된 바와 같이, 이는 전형적으로는 실행가능하지 않지만, 본 발명의 선택적(optional) 구현예들은, 가열기들을 주위 온도 위로 가열할 수 있는 온도 관리 시스템을 포함할 수 있다. 가열기 목표 압력은 온도 관리 시스템에 의해 제어될 수 있다. 가열기들의 그러한 가열은, 예를 들어, 추운 환경에서 수소 충전 스테이션을 구현할 때 유리할 수 있다.
바람직하게는, 앞에서 설명된 밸브들(8a 내지 8f)의 개방 및 폐쇄는, 압력 센서 및/또는 온도 센서로부터 제어기에 의해 수신된 압력 측정 및/또는 온도 측정에 응답하여 제어기(23)에 의해 제어된다. 압력 및/또는 온도 측정은 바람직하게는, 가열기들(2)과 이젝터들(3) 사이에 배치된 압력 및/또는 온도 센서들에 의해 수행된다. 대안적으로, 또는 추가적으로, 센서들은 이젝터(3) 하류에 위치될 수 있다. 시스템 내 센서들의 정확한 위치는, 서비스/판독을 가능하게 하도록, 설계 및/또는 공간에 따라 선택된다. 언급되어야 하는 바와 같이, 제어기는 차량의 센서들로부터 입력을 수신할 수도 있다.
언급되어야 하는 바와 같이, 액체 수소를 가열할 때, 가열기에 함유된 수소의 온도는 전형적으로 주위 온도를 초과하지 않는다. 따라서, 연료공급 동안, 수소의 온도는, 예를 들어 85 ℃보다, 훨씬 낮은 수준으로 유지된다. 이에 따라, 온도는 유리하게는, 예를 들어 차량의 차량 용기에의 연료공급 동안, 온도 안전 문턱치보다 훨씬 낮게 유지된다.
도 2는, 본 발명에 따른 수소 스테이션의 가열기에서의 시간에 따른 압력 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 특히, 가열기에서의 수소의 가열 동안의, 그리고 가열기로 가열 및 가압된 수소를 사용한, 본 발명의 수소 충전 스테이션의 분배기에 연결된 차량 탱크와 같은, 수용 용기에의 연료공급 동안의, 액체 수소를 사용한 가열기의 초기 충전으로부터의 압력 변화가 도시된다.
시간 T0에서, 제1 가열기(2a)의 입구에 있는 입구 밸브(도 1의 8e, 8f)가 개방되어, 수소 저장 탱크(6)로부터 제1 가열기(2a)로의 액체 수소의 흐름이 설정되고, 가열기의 출구에 배치된 밸브가 개방된다. 이러한 시간 T0에서, 가열기 내의 압력 P0는, 예를 들어 가열기에 연결된 제2 이젝터 입구로부터의 흡입을 활용함으로써, 수소가 가열기로부터 방금 배출되었기 때문에, 대략 1.01325 bar(~1 Atm)이다. 흡입은, 앞에서 설명된 바와 같이, 가압된 수소를 이젝터로 전달하는 제2 가열기(2b)에 의해 설정된다. 주목되는 바와 같이, 제2 가열기에 의해 발생되는 흡입력에 따라, 압력은 더 높을 수 있거나, 또는 가능하게는 심지어 더 낮을 수도 있다. 그러나, 이 특정 예에서, 압력은 대략 1 bar이다.
차가운 액체 수소가 상당한 질량 및 상응하는 열 관성을 가진 채 따뜻한 가열기에 들어갈 때 상당한 비등을 방지하기 위해, 온도 관리 시스템은, 액체 수소가 가열기에 들어가기 전에, 가열기의 냉각을 촉진할 수 있다. 최적으로는, 충전하기 전에, 가열기는 대략 섭씨 영하 254도, 즉, 액체 수소의 온도 근처까지 냉각되지만, 이 온도에 가까울수록 더 좋고, 섭씨 영하 200도 미만의 온도가 바람직하다. 여기서도, 이는, 유리하게도 가열기의 냉각이 가열기에 유입되는 액체 수소의 끓는점을 크게 최소화하며, 그에 따라, 수소의 기체 비등이 가열기 내부 부피의 대부분을 채우지 않도록 보장하기 때문이다.
탱크(6)와 제1 가열기(2a) 사이의 밸브를 개방하면, 예를 들어, 중력, 저장 탱크(6)로부터 가열기(2)까지의 압력 강하, 펌프, 등을 활용함으로써, 탱크(6)로부터 제1 가열기(2a)로의 액체 수소의 흐름이 가능하게 된다. 예를 들어, 냉각된 제1 가열기에 들어가는 액체 수소 사이의 온도 차이로 인해, 가열기 내의 압력은, 실질적으로 1 bar인 초기 압력 P0로부터, (온도 차이에 좌우되어) 느린 속도로, 가열기/(예를 들어, 증발기)가 수소로 채워질 때까지 증가한다.
그 다음, 시간 T1에서, 제1 가열기(2a)의 입구(8e)의 밸브가 닫혀, 수소가 제1 가열기(2a) 내부에 격리된다. 이때 수소는 주로 액체 상태이지만, 이미 발생한 비등으로 인해, 가열기는 또한 전형적으로, 기체 상태의 다소의 수소를 포함한다. 일 구현예에서, 제1 가열기(2a)의 충전을 완료한 후(예를 들어, 이 구현예에서는 가열기의 충전이 시작된 지 5 내지 15 분 후), 가열기는 시간 T1에서 먼저 가열기(2a) 내부의 수소를 가열하기 시작한다. 만약 가열이 가열기의 충전을 완료하면, 가열로 인해 기체 수소가 생성되어 공간을 차지하게 되며, 그에 따라 가열기 내의 액체 수소의 양을 감소시키게 될 것이다. 이상적으로는, 가열기의 주변으로부터의 열이 이 공정(주위 가열이라고도 함)에 활용되어, 유리하게는 가열 공정을 에너지 효율적으로 만든다. 가열은, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 온도/열 관리 시스템을 이용하여 수행된다. 등체적 가열 공정(isochor heating process)은, 시간 T1에서의 예를 들어 3 bar P1으로부터 시간 T2에서의 예를 들어 2000 bar P3까지, 가열기 내의 압력을 증가시킨다. 주위 온도에 따라 예를 들어 1 내지 2 시간 후에, T2에서의 압력이 2000 bar(미리 결정될 수 있는 값)에 도달하면, 제1 가열기(2a) 출구의 밸브(8a)가 열리고, 가열 및 가압된 수소는 이젝터(3)에 도달하고, 이젝터(3)를 통해 높은 압력이 활용되어, 밸브(8d)를 통해 이젝터(5)의 제2 입구에 연결된 제2 가열기(2b)로부터 기체 수소가 배출되며, 이때 밸브(8d)는 열리고, 동시에 밸브(8b 및 8c)는 닫힌 상태로 유지된다.
이 예에서, 이 공정은 전형적으로 (시간 T2로부터 시간 T3까지) 10 내지 15 분 소요된다. 두 가열기들(2a, 2b)로부터의 기체 수소의 혼합물은, 언급된 바와 같이, 스테이션의 분배기들에 연결된 하나 이상의 차량들의 하나 이상의 차량 탱크들에 연료공급하는 데 사용될 수 있거나, 또는 수용 버퍼 탱크들, 또는 이젝터의 출구에 연결된 다른 용기들을 충전하는 데 사용될 수 있다. 수소가 가열기를 빠져나감에 따라, 그 내부의 압력이 P3로부터 P2로 점차 감소하게 되어, 시간 T3(이때, 이 예에서는, 가열기 내의 압력이 150 내지 200 bar의 범위 내에 놓이게 됨)에서는 연료공급이 실행불가능해지게 되고, 이에 따라 제1 연료공급 단계가 종료된다.
따라서, 이러한 시간 T3에서, (이 예에서는) 이제 150 내지 200 bar의 압력을 갖는 가열기의 출구는 이젝터(3)의 제2 입구(5)에 연결된다. 그 다음, 이젝터는, 예를 들어 제2 가열기(2b)(더 높은 압력을 가짐)로부터, 그것의 제1 입구(4)에서 수소를 공급받고, 그 다음, 이러한 제2 이젝터 입구(5)에 제공된 흡입은 150 bar 내지 200 bar 범위 내의 압력을 갖는 제1 가열기(2a)로부터 수소를 배출하는 데 활용되며, 그에 따라, 시간 T4에서, 제1 가열기(2a) 내의 압력이 대략 1 bar P0까지 떨어지게 된다. 압력 P0는, 이젝터(5)에 의해 제공되는 앞에서 설명된 흡입에 따라, 훨씬 더 낮을 수 있으며, 예를 들어, 대략 0 bar에 이를 수 있다. 낮은 압력은 유리하게는, 가열기의 충전 전에, 저장 탱크(6)와 가열기 사이의 압력 강하를 증가시키며, 그에 따라, 가열기가 액체 수소로 채워지는 속도를 증가시킬 수 있다.
이젝터(3)의 제2 이젝터 입구(5)로부터의 흡입 압력을 활용하여 제1 가열기(2a)로부터의 남은 기체 수소를 배출시킨 후, 제1 가열기(2a)는 액체 수소로 채워질 준비가 되며, 앞에서 설명된 공정이 반복될 수 있다.
선택적으로(optionally), 펌프를 활용하여, 액체 수소를 저장 탱크로부터 가열기 내로 펌핑함으로써, 가열기에 액체 수소를 채우는 데 필요한 시간을 줄일 수 있다.
선택적으로(optionally), 액체 수소로 가열기를 채우기 전에 가열기를 냉각하는 것은, 질소를 냉매로서 활용하는 냉각 시스템을 사용하여 수행될 수 있다. 유리하게도, 질소는 대기 중에 풍부하게 존재하고, 가격이 저렴하며, 예를 들어 현장(onsite)에서 발생되거나, 또는 외부 생산 현장으로부터 제공될 수 있다. 질소는 가열기를 대략 섭씨 영하 196 도까지 냉각시킬 수 있다. 그 후, 수소를 활용함으로써, 섭씨 영하 196 도 미만의 온도를 달성하기 위한 추가 냉각을 제공하는 동시에, 질소를 사용한 초기 냉각으로 인한 수소를 여전히 최소화할 수 있다. 질소로 가열기를 냉각시킨 후, 질소를 주변으로 간단히 벤트시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 충전 스테이션의 개략도를 보여준다. 추가 이젝터(그에 따라, 3a 및 3b 총 2개가 됨), 가열기들(2a, 2b)의 하류 측을, 수소 저장 탱크(6)에, 수소 저장 탱크(6)의 상부 부분에 대한 제2 연결부를 통해, 연결하는 역류 라인(backflow line)(17), 및 수소 저장 탱크(6) 출구에 배치된 펌프(10)를 포함함으로써, 도 3에 도시된 구현예는 도 1에 도시된 구현예를 확장한다. 추가적으로, 2개의 가열기들(2a, 2b)은, 2개의 이젝터들(3a, 3b) 둘 다의 제1 이젝터 입구(4) 및 제2 이젝터 입구(5) 둘 다에, 그리고 역류 라인(17)을 통해 저장 탱크(6)의 제2 입구에, 유체연결된다. 이러한 추가 유체 경로들에서의 수소의 흐름은, 제어기(23)에 의해 제어되는 추가 세트의 밸브들(8g, 8h, 8i, 8j, 8k, 14)에 의해 제어된다. 제어기(23)는, 무선으로 또는 유선으로, 밸브들 및 도시되지 않은 압력 센서들과 통신한다.
따라서, 도 3의 구현예는 이젝터들(3a, 3b)의 하류 측에 배치된 분배기(21)에 가압된 기체 수소를 공급할 수 있고, 분배기(21)는 2개의 이젝터들(3a, 3b) 중 어느 하나를 통해 차량의 차량 탱크(22)에 연료공급하는 데 활용될 수 있으며, 2개의 이젝터들(3a, 3b)은 2개의 가열기들(2a, 2b) 중 어느 하나로부터 가압된 수소를 공급받을 수 있다.
도 3에 도시된 본 발명의 구현예의 이젝터들은 하나 이상의 이젝터 성능 파라미터들에 따라 최적화되어, 이젝터 입구들에서의 다양한 이젝터 입구 압력들 및/또는 질량 흐름에서 가장 효율적으로 작동한다. 이러한 압력을 최적 이젝터 작동 압력이라고 한다. 따라서, 이러한 예시적 구현예에서, 제1 이젝터(3a)는 200 bar 내지 500 bar 범위의 이젝터 입구 압력에 최적화되고, 제2 이젝터(3b)는 500 bar 내지 800 bar 범위의 이젝터 입구(4) 압력에 최적화된다. 더욱 구체적으로, 제1 이젝터(3a)의 지오메트리는, 이젝터 입구(4)에서의 200 bar 내지 500 bar의 압력 범위에 걸친 평균 연행비 성능 파라미터(mean entrainment ratio performance parameter)에 기초하여 최적화되며, 반면에, 제2 이젝터(3b)의 지오메트리는 이젝터 입구(4)에서의 500 bar 내지 800 bar의 압력 범위에 걸친 평균 연행비 성능 파라미터에 따라 최적화된다.
본 발명의 다른 구현예들은 최적화된 이젝터들을 가질 수 있으며, 여기서 특히, 이젝터들의 지오메트리는 다양한 이젝터 입구 압력 범위들에 최적화된다. 이젝터들은 또한, 예를 들어 압축비 및/또는 이젝터 효율을 포함하는, 다른 이젝터 성능 파라미터들에 기초하여 최적화될 수 있다. 이젝터들은 이젝터 성능 파라미터들의 조합에 기초하여 추가적으로 최적화될 수 있다.
도 3에 도시된 예에서, 분배기(21)는 차량 탱크(22)에 유체연결되고, 제1 가열기(2a)는, 800 bar의 압력에서, 가열된 액체/기체 수소를 포함한다. 이상적으로는, 가열기에서의 가열의 시작 시에, 가열기는 액체 수소로 완전히 채워진다. 그러나, 이해되어야 하는 바와 같이, 이는 이상적인 예시적 사례이고, 따라서, 완전히 채워진다는 것은, 예를 들어, 99% 채워짐, 예를 들어, 95% 채워짐, 예를 들어, 90% 채워짐, 예를 들어, 80% 내지 99.9% 채워짐을 의미할 수도 있다. 차량 탱크(22)를 충전하기 위해서, 밸브(8k)가 열려서(및 8a는 닫힘), 가압된 수소가 제1 가열기(2a)로부터 제2 이젝터(3b)의 제1 입구로 공급된다. 앞에서 설명된 바와 같이, 이 실시예에서는 제1 가열기(2a)에 의해 전달되는 800 bar의 압력에서 두 개의 이젝터들(3a, 3b) 중 제2 이젝터 입구에서 가장 큰 흡입 압력을 제공하도록 최적화되기 때문에, 제2 이젝터(3b)가 선택된다.
수소는 기체 수소로서 제1 가열기(2a)를 떠나서, 제2 이젝터(3b)로 유입되고, 제2 이젝터(3b)의 이젝터 출구(9)에서 배출된다. 이에 따라, 제2 이젝터(3b)의 제2 입구(5)에서 흡입이 발생되고, 밸브들(8j, 8h)이 열려서(8g는 닫힘), 흡입 압력의 활용에 의해 제2 가열기(2b)로부터 기체 수소가 배출된다. 제2 이젝터(3b)에서는, 예를 들어, 2개의 이젝터 입구들(4, 5)로부터의 기체 수소가 혼합되고, 제2 이젝터(3b)의 이젝터 출구(9)에서 압력이 회복되며, 가압된 기체 수소는 분배기(21)를 통해 차량 탱크(22)에 공급된다.
차량 탱크(22)에의 연료공급이 계속됨에 따라, 제2 이젝터(3b)의 이젝터 입구(4)에서의 압력은 점차 감소한다. 압력이 제2 이젝터(3b)의 최적 이젝터 작동 압력인 500 bar 미만으로 떨어지면, 밸브들(8k, 8j, 및 8h)은 닫히는 반면, 밸브(8a)는 열려서, 제1 가열기(2a)로부터 제1 이젝터(3a)의 이젝터 입구(4)로의 기체 수소의 흐름이 설정된다. 또한, 밸브(8d)가 열려서 제1 이젝터(3a)의 제2 입구(5)를 제2 가열기(2b)에 유체연결함으로써, 제2 가열기(2b)로부터의 기체 수소의 배출, 및 제1 이젝터(3a)에 의한 차량 탱크(22)에의 연료공급이 가능하게 된다.
선택적으로(optionally), 도 3의 수소 충전 스테이션은 하나 이상의 추가 이젝터들을 갖도록 확장될 수 있다. 이러한 추가 이젝터들은 다양한 압력 범위들에 최적화될 수 있으며, 각각의 범위는 전형적으로 300 bar의 범위를 포괄한다. 이는 유리하게는, 수소 충전 스테이션이 최적으로 작동할 수 있는 압력 범위(가열기들에 의해 제공되는 압력들)를 확장한다.
선택적으로(optionally), 이젝터 입구 및/또는 이젝터 출구는 분배기에 연결된 차량 탱크(22)에 연료공급하는데 필요한 압력에 기초하여 자동으로 조절될 수 있다. 따라서, 가열기에 의해 제공되는 압력이 차량 탱크에 연료공급하는 데 사용될 수 있는 최대 압력을 초과하는 경우, 이젝터를 통과하는 유체 경로의 단면적을 감소시켜 압력을 감소시킬 수 있다. 이는, 이젝터 입구 및/또는 이젝터 출구에서 유체 경로를 제한함으로써 달성될 수 있다. 유사하게, 이젝터를 통과하는 유체 경로의 단면적을 증가시킴으로써, 이젝터를 통한 흐름이 증가될 수 있다. 선택적(optional) 구현예에서, 흐름 및/또는 압력 조절은, 가열기를 이젝터에 연결하는 도관에 배치된 흐름 조절 밸브들 및/또는 압력 제어 밸브들을 사용함으로써, 및/또는 이젝터 출구를 분배기와 연결하는 도관에 이러한 밸브들을 위치시킴으로써, 달성될 수 있다. 고정된 지오메트리 이젝터들 대신에, 특정 유형들의 조절가능한 이젝터들이 선택된 경우, 이젝터의 지오메트리의 조절이 가능할 수 있다.
도 3에 도시된 구현예에서, 펌프(10)는, 저장 탱크(6)로부터, 이 예시적인 구현예에서는 증발기인 가열기들(2a, 2b)까지, 액체 수소를 펌핑한다. 주목되는 바와 같이, 이 구현예에서, 그리고 본 발명의 임의의 구현예에서, 다른 유형들의 가열기들이 선택적으로(optionally) 활용될 수 있다. 펌프는, 예를 들어 저온펌프(cryopump)와 같은, 액체 수소의 온도 요구 사항을 준수할 수 있는 모든 유체 펌프일 수 있다. 펌프는 유리하게는 증발기의 충전 속도를 증가시킬 수 있으며, 더욱이, 수소 저장 탱크(6)가 중력의 방향을 기준으로 하여 가열기들의 아래에 배치되는 상황에서는, 가열기들을 채우기 위해 펌프(10)가 필요하다. 또한, 이젝터의 제2 입구로부터의 흡입이 이용가능하지 않거나 및/또는 가열기를 채우기에 충분하지 않은 상황에서도, 펌프가 필요할 수 있다. 이것이 발생될 수 있는 경우는, 예를 들어, 다른 목적들을 위해, 예를 들어, 역류 라인(17)을 통해 수소 저장 탱크(6)로부터, 또는 기체 수소(미도시)를 포함하는, 예를 들어 역류 라인에 연결된, 선택적(optional) 추가 저장 탱크들로부터, 기체 수소를 끌어내기 위해, 흡입이 우선시되는 경우이다.
또한, 역류 라인은, 수소(예를 들어, 기체 수소)를, 하나 이상의 가열기들로부터, 다시 수소 저장 탱크로, 및/또는 역류 라인에 연결된 제2 저장 탱크로, 선택적으로(optionally) 역류 라인 어딘가에 배치된 압축기를 사용하여, 복귀시키는 것을 가능하게 한다.
선택적으로(optionally), 압축기는 이젝터 출구(미도시)의 하류에 배치될 수 있다. 이는, 제2 이젝터 입구에서 생성될 수 있는 흡입 압력을 증가시킬 뿐만 아니라, 이젝터 출구와 이젝터에 유체연결된 증발기 사이의 압력차를 증가시키는 효과를 갖는다. 이러한 압력 차이는 이젝터를 통한 수소의 질량 유량을 증가시키고, 이에 따라 압축기는 수소 충전 스테이션의 연료공급 용량을 증가시킬 수 있으며, 이는 유리하다. 하나 이상의 이젝터들의 출구의 하류에서 압축기를 활용하는 것의 또 다른 이점은, 가열기들에서 액체 수소를 가열하여 발생된 200 bar 정도로 낮은 압력을 활용하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 가열기 내의 압력이 이러한 최소 압력 문턱치인 200 bar에 도달하면, 가열기의 출구에 있는, 그리고 가열기와 이젝터 사이에 있는, 밸브들이 열린다. 이는 가열기로부터 2차 이젝터 입구로의 수소의 흐름을 가능하게 하고, 그에 따라 추가적인 수소가 가열기로부터 배출된다.
제2 이젝터 입구들로부터의 흡입 압력을 활용하여 어떤 가열기를 비워야 하는지 우선순위를 정하는 경우, 또는 수소 저장 탱크의 상단으로부터 기체 수소를 끌어내기 위해 흡입 압력이 활용되어야 하는 경우, 밸브들의 위치의 제어는 제어기(23)에 의해 제어된다. 제어기는, 예를 들어, 로직 제어기일 수 있는데, 이는 또한, 하나 이상의 이젝터들의 하류에서 시스템의 요구되는 램프 속도 목표 압력을 제어하고, 압력 및 온도 센서, 유량 센서, 등으로부터 입력을 수신하여, 수소 충전 스테이션의, 예를 들어, 밸브들, 이젝터들, 펌프들, 등의 요구되는 제어를 용이하게 할 수 있다. 제어는, 도시되지 않은 압력 및/또는 온도 센서들로부터의 입력에 기초하여 이루어질 수 있다. 이러한 센서들은, 가열기/증발기들 및 용기들의 내부에, 그리고 도관 시스템에, 위치될 수 있다.
이젝터들의 지오메트리는, 우수한 성능을 달성하기 위해서는, 스테이션의 작동 동안 발생하는 압력 조건에 맞게 맞춤조절(tailored)되어야 한다. 따라서, 이젝터의 지오메트리는 선택적으로(optionally), 가압된 수소를 이젝터에 공급하는 하나 이상의 가열기들에 의해 전달되는 압력에 따라 최적화될 수 있다.
하나 이상의 가열기들로부터 전달된 압력, 및 이젝터에서의 공급 압력, 흡입 압력 및 혼합 압력은 모두 시간이 지남에 따라 달라질 수 있으므로, 더 넓은 범위의 압력 조건들 및/또는 스테이션 작동 조건들에서의 향상된 이젝터 성능을 달성하기 위해, 어떤 위치에 있는 이젝터는 아래에서 설명되는 바와 같이, 그리고 도 4에 도시된 바와 같이, 일 배열의 이젝터들로 교체될 수 있다. 선택적으로(optionally), 아래에 설명되고 도 5에 예시된 바와 같이, 유사한 효과를 달성하기 위해 가변 지오메트리를 갖는 이젝터가 구현될 수 있으며, 이는 유리하다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 충전 스테이션의 개략도를 보여준다. 도 4에 도시된 구현예는, 압축기(18) 및 압축기 입구 밸브(19)를 통해 역류 라인(17)에 연결된 제2 저장 탱크(20)를 포함함으로써, 또한 2개의 추가 이젝터들을 더 포함함으로써, 도 3에 도시된 구현예를 확장한다. 따라서, 이 구현예는, 총 4개의 이젝터들을 포함하는 이젝터 배열(13)을 포함하고, 여기서 이 이젝터들 중 어느 하나의 이젝터 입구 및 이젝터 출구 둘 다는, 도 4에 예시된 추가 흐름 경로를 통해, 가열기들(2a, 2b)의 출구들 중 어느 하나에 유체연결가능하다. 이러한 추가 유체 경로들에서 수소의 흐름은, 두 개의 밸브 패널들(12a 및 12b)에 배열된 추가 세트의 밸브들에 의해 제어되며, 이 추가 세트의 밸브들은 제어기(제어기(23)와 유사함)에 의해 제어된다.
배열(13)의 이젝터들은, 이젝터 입구(동력 흐름(motive flow)) 및 제2 입구에서의, 뿐만 아니라 이젝터 출구에서의, 특정 입구 압력들에서 그리고 입구 흐름들에서, 최적으로 작동하도록 구성된다. 연료공급은 다양한 수준들에서의 압력들을 필요로 하므로, 그리고 가열기들은 이젝터의 이젝터 입구에서 어느 범위의 다양한 압력들을 전달하도록 구성될 수 있으므로, 오직 하나의 이젝터 만을 갖는 스테이션의 이젝터는, 항상 그것의 최적 상태 내에서 작동할 필요는 없다. 더욱이, 고정된 지오메트리를 갖는 이젝터를 통과하는 유체 경로는 고정된 단면적을 가지며, 그에 따라, 고정된 지오메트리 이젝터는, 주어진 입구 및 출구 압력들에 대해 그것을 통해 흐르는 질량 흐름을 조절할 능력이 없다. 따라서, 다양한 압력들 및/또는 압력 범위들에서 효율적으로 작동하도록 맞춤조절된 다양한 지오메트리들을 갖는 복수의 이젝터들을 가짐으로써, 주어진 압력 조건들에서, 가장 최적으로 기능하는 이젝터 배열의 특정 이젝터를 활용하는 유연성이 제공된다. 또한, 가열기로부터 이젝터를 거쳐 이젝터 배열(13)의 하류 측으로 전달되는 기체 수소의 흐름은, 이젝터 배열 하류의 특정 유량 또는 압력을 달성하기 위해, 이젝터 배열의 특정 이젝터를 선택함으로써 조절될 수 있다.
이 예에서, 이젝터 배열(13)의 출구는 하나의 분배기(미도시)에 연결된다. 유리하게도, 이는, 가열기의 출구를, 이젝터 하류에 필요한 압력을 제공하도록 구성된 특정 이젝터의 이젝터 입구에 연결함으로써, 분배기에서 전달되는 질량 흐름 및/또는 압력이 조절될 수 있다는 장점을 갖는다. 이젝터 배열의 입구에 유체연결된 가열기에 의해 전달되는 압력이 연료공급 작업 동안 떨어지면서, 밸브 패널들(12a 및 12b)의 밸브들은, 초기에 활용된 이젝터로부터, 현재 압력 조건들 및/또는 이젝터 배열 하류에서의 압력 및/또는 질량 흐름 요구 사항들과 가장 잘 매칭되는 지오메트리를 갖는 이젝터 배열(13)의 다른 이젝터까지, 가압된 기체 수소를 안내하도록 유리하게 작동될 수 있다. 이는 또한, 특정 압력 조건이 주어졌을 때 가장 효과적으로 작동하는 이젝터가 선택될 수 있도록 보장한다. 이젝터들의 선택은, 스테이션 및/또는 차량의 센서들로부터 입력을 수신할 수 있는 제어기(도 1 및 3의 제어기(23)와 유사함)에 의해 제어된다. 센서들은, 예를 들어, 압력, 흐름, 온도 센서들을 포함할 수 있다.
선택적으로(optionally), 본 발명에 따른 수소 스테이션은, 각각 추가 분배기들에 유체연결될 수 있는 추가 이젝터들/이젝터 배열들로 확장될 수 있다(여기서, 분배기는 적어도 호스(hose) 및 노즐에 의해 한정된다). 유리하게도, 이는, 수소 충전 스테이션이 복수의 차량 탱크들에 동시에 연료공급하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 이젝터 배열(13)의 4개의 이젝터들 모두의 이젝터 출구는, 예를 들어, 3개의 분배기들 중 임의의 것에 연결될 수 있다. 유리하게도, 이는, 복수의 차량 탱크들을, 예를 들어 3개의 차량 탱크들을, 동시에 충전하기 위해 이젝터들이 활용될 수 있다는 효과를 갖는다. 주어진 연료공급 상황에서 활용되는 이젝터의 선택은 추가적으로, 이전에 설명된 바와 같이, 이젝터 입구에서의 압력에, 및/또는, 이젝터 하류에서의 및/또는 제2 이젝터 입구에서의 압력과 같은, 다른 압력들에 기초할 수 있다. 4개의 이젝터들을 갖는 경우, 제1 이젝터는, 예를 들어 200 내지 500 bar의, 낮은 입구 압력에서, 제2 이젝터는, 예를 들어 500 내지 900 bar의, 중간 입구 압력에서, 제3 이젝터는, 예를 들어 900 내지 1400 bar의, 더 높은 입구 압력에서, 제4 이젝터는, 예를 들어 1400 내지 2000 bar의, 훨씬 더 높은 압력에서, 효율적으로 작동하도록 최적화될 수 있다. 예를 들어, 이 예에서는 가열기가 2000 bar의 압력을 제공하는 연료공급 작업의 개시 시에 이젝터에 대한 입구 압력이 높기 때문에, 낮은 탱크 압력을 갖는 차량 탱크는 초기에 제4 이젝터를 활용할 수 있으며, 이어서, 연료공급 동안 차량 탱크 압력이 증가하고 이젝터에 대한 입구 압력이 감소하기 때문에, 입구 압력이 1400 bar 미만으로 떨어질 때, 이 차량 탱크에 연료공급하기 위해 제3 이젝터가 활용된다. 그러는 동안, 제2 차량 탱크는 다른 이젝터를 활용하여 연료공급을 개시할 수 있으며, 여기서도 이 이젝터는 가열기에 의해 전달되는 이젝터 입구 압력에 기초하여 활용되도록 선택된다. 예를 들어 두 대의 차량들에 동시에 연료공급될 때 동일한 이젝터 입구 압력 범위들에 최적화된 두 개의 이젝터들을 활용하는 유연성을 제공하기 위해, 동일한 입구 압력 범위들에 최적화된 다수의 이젝터들이 구현될 수 있다. 따라서, 유리하게는, 본 발명의 일 구현예에서, 이젝터 배열이 수소 충전 스테이션의 분배기마다 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명에서 사용할 수 있는 이젝터의 원리를 도시한 것이다. 이 이젝터는, 둘 다 이젝터 내부의 혼합 챔버에 유체연결되는 제1 입구(4) 및 제2 입구(5)를 포함한다. 혼합 챔버는 이젝터의 일정한 부분(constant part)에 유체연결되고, 이는 또한 확산기(diffuser)를 포함하는 이젝터 출구(9)에 유체연결되며, 예를 들어 수소, 특히 기체 수소와 같은, 유체를 배출하도록 구성된다. 이젝터 입구(4)에 진입하면, 제1 및/또는 제2 가열기로부터의 가압된 수소 가스가 가속되며, 그에 따라 수소 가스의 압력 및 온도가 감소한다. 가속된 수소 가스는 제2 이젝터 입구(5)에서 흡입 효과(흡입 압력)를 생성하며, 그에 따라, 저압이, 하나 이상의 가열기들(2a, 2b)로부터 수소 가스를 배출하기 위해, 및/또는 후속적으로 하나 이상의 가열기들을 수소 저장소(6)로부터의 수소로 채우기 위해, 활용될 수 있다. 선택적으로(optionally), 제2 입구에서 생성된 흡입 효과는, 유체연결을 통해 수소 저장 탱크(6)의 상부 부분까지 기체 수소(11)를 끌어들이는 데에도 사용될 수 있다. 그것의 기원에 관계없이, 제2 이젝터 입구(5)를 통해 흡입 효과에 의해 이젝터(3) 내로 흡인된 수소는, 제1 이젝터 입구(4)를 통해 이젝터(3)로 유입되는 동력 유체(motive fluid)와 혼합된다. 이 예에서, 동력 유체는 복수의 가열기들(2a, 2b) 중 적어도 하나에 의해 가압된 수소이다. 혼합은, 혼합 챔버에서, 및 이젝터의 일정한 부분(constant parts)에서, 이루어진다. 확산기는 압력을 회복하는 데 사용된다.
저장 탱크(6)의 상부 부분은 전형적으로, 액체 상태의 다소의 수소를 항상 포함할 것이다. 이는, 적어도 저장 탱크(6)에 냉각이 제공되지 않는 경우에 발생하는, 온도 상승으로 인한 것일 수 있다. 이 기체 수소는 또한, 이젝터들로부터 제2 입구의 흡입원이 될 수도 있다.
이젝터 출구(9)는, 지오메트리 조절기(16)(점선으로 표시됨), 및 제1 이젝터 입구 조절기(15)를 포함할 수 있다. 지오메트리 조절기(16) 및 제1 이젝터 입구 조절기(15) 둘 다 제어기에 의해 조절될 수 있다. 그러한 지오메트리 조절기(16)의 효과는, 이젝터 출구(9)(예를 들어, 이젝터(3)의 확산기 부분)의 지오메트리가 다양한 흐름 및 압력 관계에 적합화될 수 있다는 것이다. 수소 흐름의 속도가 조절될 수 있는데, 속도가 감소될 때, 압력이 증가되며, 그에 따라, 지오메트리 조절기(16)의 제어는 이젝터(3)의 하류 측(이는, 하나 이상의 수소 분배기들 및/또는 하나 이상의 수소 저장 탱크들을 포함할 수 있음)에 대한 수소의 압력을 조절하기 위한 제어 파라미터인 것으로 간주될 수 있다. 조절기들(15, 16)은, 예를 들어, 흐름, 압력, 및 온도 센서들과 같은, 센서들로부터의 입력에 기초하여 도 3 및 1에 도시된 제어기(23)와 같은 제어기에 의해 제어될 수 있다.
선택적으로(optionally), 이젝터(3)의 다양한 부품들 및/또는 부분들의 지오메트리는 가변적일 수 있으며, 이에 따라, 이젝터는 가변 및/또는 반가변(semi-variable) 이젝터인 것으로 간주될 수 있다. 이젝터의 가변 부품들 및/또는 부분들의 전부 또는 일부는 제어기에 의해 제어될 수 있으며, 이에 의해, 예를 들어 이젝터의 하류 및/또는 상류의 다양한 흐름 및 압력 관계 및 요구 사항에 적합화될 수 있다는, 효과를 유리하게 달성할 수 있다. 따라서, 이젝터는, 조절가능한 쓰로트(adjustable throat), 조절가능한 라발 오리피스(adjustable laval orifice), 조절가능한 에어로스파이크, 조절가능한 천음속 확산기(adjustable transonic diffuser), 조절가능한 아음속 확산기 등과 같은, 가변 부품들 및/또는 부분들 중 하나 이상을 선택적으로(optionally) 포함할 수 있다.
가변 또는 반가변 이젝터는, 예를 들어 제1 이젝터 입구 및/또는 제2 이젝터 입구 및/또는 이젝터 출구에서의 다양한 압력들의 측정에 기초하여, 예를 들어 제어기에 의해 제어되는, 액츄에이터들에 의한 언급된 가변 부품들 및/또는 부분들의 조절로부터, 수소 충전 스테이션의 임의의 작동 상태에 따라 최적의 지오메트리를 수용할 수 있다. 이 제어는 추가적으로, 예를 들어, 흐름 센서, 압력 센서, 온도 센서를 포함하는 센서들로부터의 센서 입력들에 기초할 수 있다. 여기서 작동 상태는, 수소 충전 스테이션이 표준 작동 모드(예를 들어, 하나 이상의 차량들에 연료공급하는 모드)에 있는 상태를, 스테이션의 높은 활용 상태를, 스테이션이 차량 등에 연료공급하지 않는 낮은 활용 상태를, 그리고 또한, 스테이션의 서비스 등과 관련된 추가 작동 상태를, 지칭할 수 있다.
다양한 방식으로 조절가능한 이젝터의 다양한 가변 지오메트리들이 도 5와 관련된 예시로서 설명되었다. 단순화를 위해, 가변 이젝터들의 가능한 모든 변형들이 예시되어 있지는 않다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따르면, 가변 이젝터들의 이러한 다양한 변형들은 확실히, 이젝터의 조정가능성과 관련하여 언급된 특징들 중 임의의 하나, 둘, 셋 또는 모두를 포함하는 가변 이젝터 내로 조합될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 가변 이젝터는, 조절가능한 쓰로트, 조절가능한 라발 오리피스, 조절가능한 에어로스파이크, 조절가능한 천음속 확산기, 조절가능한 아음속 확산기의 특징들 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
가변 이젝터는, 예를 들어 다음과 같은 것들의 크기 및/또는 형상을 포함하는, 이젝터 지오메트리를 포함하는, 이젝터의 다양한 파라미터들을 변화시키는 능력을 가질 수 있다: 운동 중심(motional center), 아음속 확산기, 라발 오리피스, 에어로스파이크, 천음속 확산기, 이젝터 쓰로트, 등.
반가변 이젝터(semi-variable ejectors)는, 하나의 가변 파라미터(예를 들어, "운동 중심(motional center)")을 갖는 이젝터로서, 이 이젝터의 다른 파라미터들은 고정되어 조절가능하지 않은 이젝터를 포함한다. 다양한 고정 파라미터들을 갖는 반가변 이젝터들은 유리하게는, 이젝터 배열의 하류에 공급될 수 있는 수소의 질량 흐름에 관련된 유연성, 다양한 서로 다른 이젝터들의 제2 이젝터 입구들에서 달성될 수 있는 다양한 흡입 압력들과 관련된 유연성, 및 또한 상기 배열의 이젝터들의 하류에서의 압력에 관련된 유연성을 달성하기 위해, 일 배열의 이젝터들로 조합될 수 있다.
본 발명은 하나의 가변 이젝터를 사용하여 구현될 수 있다. 그러나, 앞에서 설명된 바와 같이, 특히 도 3 및 도 4에 도시된 구현예들과 관련하여, 2개의 이젝터들 및 심지어 일 배열의 이젝터들을 구현하는 것이 유리할 수 있다. 그러한 구현들은 유리하게는, 하나 이상의 가변 이젝터들을 포함할 수 있다. 유리하게도, 이는, 이젝터 배열 또는 2-이젝터 구성의 하류 및/또는 상류에서의 다양한 흐름 및 압력 관계 및 요구 사항들에 맞게, 상기 이젝터 배열 또는 2-이젝터 구성을 조절하는 것과 관련된 추가적인 유연성을 제공한다는 효과를 갖는다. 하나보다 많은 가변 및/또는 반가변 이젝터를 갖는 것의 추가적인 이점은, 분배기가 이러한 이젝터들 중 하나와 별도로 공급될 수 있다는 것이다. 이에 따라, 연료공급 작업은 항상, 가열기로부터 전달되는 압력 및 차량 탱크 압력에 따라 최적화된 분배기를 사용하여, 수행될 수 있다. 또한, 하나 이상의 가변 이젝터들을 가짐으로써, 더욱 무단계인 흐름 조절(more stepless regulation of flow)을 제공한다는 추가적인 이점을 가질 수 있다.
일 구현예에 따른 수소 충전 스테이션이 충전을 수행할 수 있도록 하기 위해, 액체 수소가 저장소(6)로부터 가열기(2a)로 공급된다. 액체 수소의 부피는, 가열기에서, 또는 적어도 밸브(8e)와 밸브들(8a/8b) 사이에서, 격리된다. 이러한 방식으로, 액체 수소의 부피 제한 가열에 의해 가열기에서 압력이 발생된다. 충전에서 도 6에 도시된 초기 단계(S1)는 "준비완료(ready)"라고 지칭될 수 있다.
그 다음, 사용자는 제어기(23)를 활성화하고, 노즐을 차량에 연결하고, 예를 들어 지불하고 시작 버튼을 활성화함으로써, 충전을 시작할 수 있다. 이 단계(S2)는 "사전 충전(pre-refueling)"이라고 지칭될 수 있다.
일단 시작되면, 밸브(8a 및 8d)를 여는 것에 의해 수소의 흐름이 시작된다. 그 다음, 가열기(2a) 내의 과잉 압력은 이젝터(3)를 통해 활용되어, 이젝터(3)의 2차 입구(5)에 흡입을 제공한다. 그 다음, 이러한 흡입은, 밸브(8d)를 통해 이웃하는 가열기(2b)의 잔류 수소 가스를 배출하는 데 사용된다. 이 단계(S3)는 "충전(refueling)"이라고 지칭될 수 있다.
건조된 이웃하는 가열기(2b)로부터, 수소 가스가, 액체 저장소(6)로부터 가열기(2b)로의 액체 수소의 전달을 가능하게 하는 압력까지 배기되면, 이젝터(3)로부터의 흡입이 가열기(2b)에 대해 유지되어, 가열기(2b)를 액체 수소로 채운다. 제1 가열기(2a) 내의 수소 가스의 양이 너무 많으면, 이는, 버퍼 저장소에 또는 저장소(6)의 상단부에, 유입될 수 있다. 저장소(6) 내의 기체 수소는, 나중에, 압축기가 존재하는 경우, 압축되어 수용 용기에 연료공급하는 데 사용될 수 있다. 이 절차는, 압력이 가장 낮은 건식 가열기(dry heater)에 대해, 또는 액체 저장소의 증기 측에 대해, 흡입 우선순위를 둔 채, 계속된다. 이 단계(S4)는 "가열기 채움(filling heater)"이라고 지칭될 수 있다.
전형적으로, 가열기(2a) 내의 압력은, 차량 탱크(22)의 충전을 완료하기에 충분하다. 그러나, 그렇지 않은 경우, 그리고 가열기(2b)가 액체 수소로 채워지는 경우, 차량 탱크(22)는 가득 차지 않는다. 그 다음, 단지 이 번에는, 가열기(2b)로부터의 1차 흐름 및 가열기(2a)로부터의 흡입과 함께, 이 공정이 반복된다.
언급되어야 하는 바와 같이, 가열기들(2a, 2b)의 가능한 높은 압력으로 인해, 이들 가열기들 중 하나로부터의 직접 연료공급이 가능할 수 있다. 또한, 언급되어야 하는 바와 같이, 버퍼 탱크 내에 압력이 설정되어 있는 경우, 버퍼 탱크를 원천으로서 사용하여 연료공급하는 것이 가능할 수도 있다. 후자는, 앞에서 설명된 이젝터를 통해 또는 압축기를 통해, 직접적으로 가능할 수 있다. 따라서, 이젝터의 제2 이젝터 입구에서 생성된 흡입은 선택적으로(optionally), 수소(예를 들어, 기체 수소)를 흡인하고, 버퍼 탱크를 형성하고, 이를 이젝터 출구를 통한 연료공급에 활용하는 데 사용될 수 있다. 이는, 밸브들을 통해 제2 이젝터 입구를 버퍼 탱크에 연결함으로써, 달성된다. 제어기는 이 작업을 제어할 수 있다. 이는, 예를 들어 수소가 이미 가열기로부터 배출되었기 때문에 그러한 다른 가열기가 비어 있는 것으로 인해, 예를 들어 다른 가열기들이 제2 이젝터 입구를 통한 연료공급을 위해 수소를 제공할 수 없는 상황에서, 용기의 효율적인 연료공급을 제공한다는 점에서, 유리하다.
연료 전지 차량의 탱크와 같은 수용 용기를 채울 때, 수용 용기 내의 압력 증가는 전형적으로, 상한 및 하한 내에서 소위 램프 속도(ramp rate)를 따르도록 제어된다. 목표 램프 속도 압력을 따르는 것은, 이젝터들의 개수 및 유형들에 따라 제어기에 의해 수행된다. 자명하게도, 고정된 지오메트리를 갖는 단 하나의 이젝터를 사용하면, 여러 개의 고정 지오메트리 이젝터들 또는 가변 지오메트리 이젝터들이 배치된 경우만큼, 이 제어가 정확할 수는 없다. 이젝터가 하나만 사용가능한 경우, 그것은 용량/압력을 조절할 수 있도록 가변 유형인 것이 바람직하다.
제어기(23)는, 예를 들어, 이젝터 하류의 압력 센서들, 1차(제1 입구에 연결됨) 및 2차(제2 입구에 연결됨) 가열기들 내의 압력 정보를 제공하는 압력 센서들로부터의 입력에 기초하여 이젝터의 지오메트리를 조절하고 있다. 1차 가열기 내의 압력이 더 높고 램프 속도 목표 압력이 더 낮을수록, 2차 가열기로부터 더 많은 기체 수소가 흡입될 수 있다. 이러한 압력들이 감소하고, 각각 증가하면, 램프 속도 목표 압력을 유지하기 위해, 2차 가열기로부터의 흡입이 감소될 수 있다. 대안적으로, 1차 가열기로부터 이젝터 내로의 1차 압력이 증가될 수 있다.
필요한 경우, 이젝터는 압력 조절 밸브의 역할을 할 수 있으며, 이에 따라 이젝터들 외부의 1차 가열기로부터의 압력을 제어하여, 램프 속도 목표 압력을 따를 수 있게 된다. 1차 압력이 램프 속도 목표 압력에 가까워지면, 제어기(23)는 1차 공급원(즉, 제어 밸브들)을 변화시키되, 바람직하게는 그것의 가열기 목표 압력에 있는 또 다른 가열기가 1차 가열기가 되고, 이전 1차 가열기는 2차 가열기가 되어, 기체 수소를 비우고, 다시 액체 수소로 채울 수 있도록, 변화시킬 것이다.
다음에서는, 열 제어/관리 시스템에 대해 설명한다. 가열기들의 주요 임무는, 그 안에 포함된 수소를 지속적으로 가열하고 냉각하는 것이다. 상당한 압력이 설정되었으므로, 가열기들은 압력을 함유하기에 충분한 질량의 탱크/튜브 벽을 함유할 것이다.
가열기로부터 일 회분의 수소(a batch of hydrogen)가 증발되고, 이젝터들에 의해 압력이 감소되어, 대략 섭씨 영하 253 도의 액체 수소의 새로운 충전이 가능하게 되면, 탱크 및/또는 튜브의 질량(mass)은 상당히 더 따뜻해져서, 최대 대략 250 K 더 따뜻해지며, 원칙적으로 주위 온도만큼 따뜻해진다. 이 온도 차이로 인해, 액체 수소가 도입될 때, 많은 양의 수소가 즉시 비등하게 될 것이며, 그에 따라, 닫힌 증발기의 압력이 바람직한 수준에 도달하는 것을 방해하거나, 또는 액체 저장소 내의 원하지 않는 압력 증가를 유발할 것이다.
이에 대응하기 위해, 열 관리 시스템이 도입된다. 일 구현예에서, 이 시스템은 예열(warming up) 단계에서 수소를 함유하는 가열기들을 연결하는데, 이를 위해, 채워질 가열기를 위한 냉각을 제공하고, 채워질 가열기에 냉각을 공급하는 예열 단계에서 가장 차가운 가열기에서 끝나도록, 가장 따뜻한 가열기로부터 냉각제를 순환시킨다. 이에 따라, 채워질 가열기는 냉각되어, 가열기 내로 채워질 때 액체 수소의 비등을 덜 제공한다. 가열기들을 연결하는 도관들을 포함하는 열 관리 시스템에서 순환하기에 적합한 냉각 매체는, 예를 들어, 헬륨, 수소, 네온, 또는 질소이다. 바람직하게는, 냉각 매체는, 가장 따뜻한 증발기에 도입되기 전에, 팽창된 표면에 의해 주위로부터 가열되어야 한다. 주목되는 바와 같이, 냉각 매체 및 냉각 시스템도 가열기를 가열할 수 있어야 하는 것이 바람직하다.
가열기들을 채울 필요가 없는 경우, 가열기들은 직렬로 연결되며, 여기서 가장 따뜻한 증발기는 두 번째로 따뜻한 증발기 등등에 가열을 제공한다. 따라서, 두 가열기들 중 가장 따뜻한 가열기로부터 더 차가운 가열기로 열이 전달됨으로써, 가장 따뜻한 가열기는 냉각되고, 가장 차가운 가열기는 가열된다. 본 발명의 일부 구현예들에서, 이 원리는, 수소가 이미 가열되어 배출된 더 따뜻한 가열기로부터 전달된 열로 가장 차가운 가열기에서 수소를 가열하는 데, 유리하게 활용될 수 있다.
앞에서 설명된 구현예들 각각에서, 가열기들은, 가열기들 내로 채워지는 액체 수소의 수준 및 사용가능한 최종 온도(사용가능한 온도가 높을수록 허용되는 압력도 높아짐)에 따라, 최대 1500 내지 2500 Bar의 압력을 생성할 수 있다. 특정 가열기 내의 액체 저장소의 압력을 낮게 유지하기에 이젝터들의 흡입이 부적절하거나, 또는 가열기가 비어 있어 수소가 배출될 수 없는 경우, 이젝터들의 하류에 고압 압축기를 도입함으로써, 이젝터들의 배출 압력을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 이젝터 흡입 능력을 향상시킬 수 있다. 그러한 압축기는 바람직하게는, 증발기의 증발 및 가열이 느린 경우에 연료공급 차량에 수소의 흐름을 제공하기 위해, 고압 저장소에 연결된다.
또한, 활용도가 낮은 기간 동안, 즉, 충전이 이루어지지 않는 기간 동안, 비등물의 배출을 보장하기 위해, 가열기의 액체 저장소로부터의 비등물을 압축할 수 있는 소형 압축기가 도입될 수 있다.
본 발명은, 방법들 및 구현예들의 특정 예들을 참조하여, 제한이 아니라 설명의 목적으로, 앞에서 예시되었다.
주목되어야 하는 바와 같이, 본 발명에 따르면, 앞에서 설명된 본 발명의 구현예들 중 어느 하나 이상이 조합될 수 있다. 예를 들어, 일 배열의 이젝터들 및 2개의 가열기들을 포함하는 도 4의 구현예는, 도 5와 관련하여 설명된 가변 이젝터와 조합될 수 있다. 또한, 복수의 분배기들을 포함하는 대형 충전 스테이션들에서, 가열기들로의 액체 수소의 공급 및 가열기로부터 이젝터들로의 기체 수소의 공급에 기초하여 가압된 기체 수소의 추가 공급을 제공할 수 있는 추가적인 가열기들 및 이젝터들을 추가함으로써, 수소 충전 스테이션의 충전 용량이 증가될 수 있다. 예를 들어, 수소 충전 스테이션은 선택적으로(optionally), 각각의 분배기를 위한 이젝터 및/또는 이젝터 배열을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않은 요소들은, 다양한 도시된 및 도시되지 않은 구현예들과 조합될 수도 있다.
선택적으로(optionally), 수소 충전 스테이션은 가열기들의 배열을 포함할 수 있다. 가열기들은, 다양한 압력 수준들에서 하나 이상의 하류 이젝터들에 기체 수소를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 연료 공급 질량 유량 및/또는 연료 공급 압력은, 연료 공급을 위한 가압된 수소를 제공하는 가열기들 중 어느 것을 선택하는지에 기초하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 충분한 연료공급 램프 속도를 달성할 수 있는 최저 압력을 갖는 가열기가 먼저 활용될 수 있으며, 연료공급되는 차량 탱크의 탱크 압력이 증가함에 따라, 더 높은 압력을 전달하는 가열기가 선택된다. 필요한 경우, 훨씬 더 많은 압력을 제공하는 제3 가열기 등등이 선택될 수도 있다. 이는, 가장 높은 압력이 필요한 연료공급 단계들을 위해 가장 높게 가압된 수소를 갖는 가열기들을 확보해 둔 채, 차량 탱크 압력이 낮은 연료공급 단계들에서는 일부 가열기들의 낮은 압력을 활용한다는 효과를 갖는다는 점에서, 유리하다.
주목되는 바와 같이, 하나 이상의 이젝터들의 출력은 하나 이상의 분배기들에 연결될 수 있으며, 즉, 차량 탱크와 같은 수용 용기에 연료공급하기 위해 동시에 또는 개별적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 선택적(optional) 구현예에서, 2개 이상의 이젝터들이 병렬로 동시에 활용될 수 있다. 2개 이상의 이젝터들이 동일한 가열기에 의해 수소를 공급받을 수 있으며, 이에 따라, 하나의 가열기를 활용하여, 복수의 이젝터들을 통해, 복수의 분배기들에 가압된 수소를 공급할 수 있다.
선택적으로(optionally), 연료공급을 위해 하나 이상의 이젝터들이 사용될 수 있는 한편, 이젝터 하류에 배치된 버퍼 탱크에 가압된 기체 수소를 공급하기 위해 하나 이상의 다른 이젝터들이 활용될 수 있다. 유리하게는, 그에 따라, 수소 충전 스테이션은 복수의 이젝터들 및 상기 이젝터들에 연결된 복수의 가열기들로 구성될 수 있으며, 그에 따라, 수소 충전 스테이션은 하나 이상의 버퍼 탱크들을 기체 수소로 채울 수 있으며, 동시에, 가열기들에 대한 액체 수소의 공급에 기초하여, 하나 이상의 차량들의 하나 이상의 차량 탱크들에 연료공급을 할 수 있다.
밸브들의 흡입 및 제어의 우선순위는 도 1 및 도 3에 도시된 제어기(23)와 같은 제어기에 의해 제어되고, 적어도 부분적으로, 예를 들어, 흐름 센서, 온도 센서, 압력 센서와 같은 센서로부터의, 센서 입력에 기초하여 제어된다. 제어기(23)는, 예를 들어, 프로그래밍가능한 논리 제어기(PLC) 또는 임의의 다른 유형의 산업용 제어기/컴퓨터일 수 있으며, 이는, 예를 들어, 가열기 목표 압력, 이젝터 하류의 시스템의 필요한 램프 속도 목표 압력, 및 수소 충전 스테이션 내의 다른 것들을 제어할 수 있다. 다른 유형의 제어기들 및 하나보다 많은 제어기가, 본 발명의 특정 구현예에 따라, 적용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 선택적(optional) 구현예들에서, 수소 충전 스테이션은 수소 버퍼 탱크에 유체연결된 압축기를 포함한다. 이는, 예를 들어, 기체 수소가, 예를 들어 하나 이상의 가열기들로부터, 배출되어, 수소 버퍼 탱크에 저장될 수 있다는 점에서, 유리하다. 그러면, 버퍼 탱크에 저장된 기체 수소는, 하나 이상의 차량들에 연료공급하는 데 유리하게 활용될 수 있다. 본 발명의 다른 선택적(optional) 구현예에서, 수소 충전 스테이션은 수소 저장 탱크에 유체연결된 압축기를 포함한다. 본 발명의 선택적(optional) 구현예에서, 압축기는, 예를 들어 저장 탱크로부터 기체 수소를 제거함으로써, 수소 저장 탱크의 압력을 낮추도록 구성될 수 있다. 유리하게는, 이는, 압축기를 사용하여, 수소 저장 탱크의 상부 단부에 배치된 출구를 통해 수소 저장 탱크의 상부 부분으로부터 기체 수소를 제거함으로써, 수소 저장 탱크 내의 온도를 낮출 수 있다는 효과를 갖는다. 특히, 수소 저장 탱크로부터 기체 수소를 제거하면, 탱크 내의 압력이 낮아져서, 수소 저장 탱크 내부의 액체 수소가 비등하게 되고, 그에 따라, 비등하는 데 필요한 에너지로 인해 탱크 내의 수소의 온도가 낮아지게 된다. 이는, 가열기들 및 이젝터들이 작동 상태가 아니어서 이젝터들에 의해 제공되는 흡입 압력이 이를 위해 활용될 수 없는 경우, 특히 유용할 수 있다. 이는, 예를 들어 스테이션이 많은 차량들에 연료공급하지 않는 낮은 활용도 기간 동안, 발생할 수 있다.
1 --- 수소 충전 스테이션
2a, 2b --- 가열기들
3 --- 이젝터
4 --- 제1 입구
5 --- 제2 입구
6 --- 수소 저장 탱크
7 --- 액체 수소
8a 내지 8k --- 밸브들
9 --- 이젝터 출구
10 --- 펌프
11 --- 기체 수소
12a, 12b --- 밸브 패널
13 --- 이젝터 배열
14a, 14b --- 역류 밸브
15 --- 제1 이젝터 입구 조절기
16 --- 지오메트리 조절기
17 --- 역류 라인
18 --- 압축기
19 --- 압축기 입구 밸브
20 --- 제2 저장 탱크
21 --- 분배기
22 --- 차량 탱크
23 --- 제어기
24 --- 도관들
25a, 25b --- 도관들

Claims (36)

  1. 수소 충전 스테이션(hydrogen refueling station)(1)으로서, 상기 수소 충전 스테이션(1)은:
    복수의 가열기들(2a, 2b);
    제1 이젝터 입구(4), 제2 이젝터 입구(5), 및 이젝터 출구(9)를 포함하는 적어도 하나의 이젝터(3);
    상기 복수의 가열기들(2a, 2b)을 통해 상기 제1 이젝터 입구(4) 및 상기 제2 이젝터 입구(5)에 유체연결가능한 수소 저장 탱크(6)로서, 액체 수소(7)를 저장하도록 구성된 수소 저장 탱크(6); 및
    상기 수소 저장 탱크(6)와 상기 복수의 가열기들(2a, 2b) 사이의 도관들(24) 내의 상기 액체 수소 및 상기 복수의 가열기들(2a, 2b)과 상기 적어도 하나의 이젝터(3) 사이의 도관들(25) 내의 기체 수소의 흐름을 제어하도록 구성된 밸브들(8);을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 이젝터(3)는, 상기 제1 이젝터 입구(4)를 통해 상기 복수의 가열기들(2a, 2b) 중 적어도 제1 가열기로부터 기체 수소를 수용하도록, 그리고 동시에, 상기 제2 이젝터 입구(5)를 통해 상기 복수의 가열기들(2a, 2b) 중 적어도 제2 가열기로부터 기체 수소를 배출하도록 구성된,
    수소 충전 스테이션.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 가열기들은 액체 수소를 등체적 가열(isochoric heating)하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는, 상기 적어도 하나의 가열기의 주변으로부터 상기 가열기까지의 열 전달에 기초하여 상기 수소를 가열하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는, 매체를 통해 상기 적어도 하나의 가열기의 주변으로부터 상기 가열기까지의 간접 열 전달에 기초하여 상기 수소를 가열하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기는 증발기인, 수소 충전 스테이션.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 충전 스테이션은, 제어기 및 온도 센서를 포함하는 온도 관리 시스템을 포함하는, 수소 충전 스테이션.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 관리 시스템은, 상기 복수의 가열기들을 열적으로 연결하여 상기 복수의 가열기들 사이의 열 전달을 가능하게 하는 도관들을 더 포함하는, 수소 충전 스테이션.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 관리 시스템은 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기를 가열하도록 구성되되, 상기 복수의 가열기들 중, 상기 적어도 하나의 가열기의 온도보다 더 높은 온도를 갖는 가열기로부터 열을 전달함으로써 상기 적어도 하나의 가열기를 가열하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 관리 시스템은 상기 복수의 가열기들 중 적어도 하나의 가열기를 냉각하도록 구성되되, 상기 복수의 가열기들 중, 상기 적어도 하나의 가열기의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 가열기로부터 냉기를 전달함으로써 상기 적어도 하나의 가열기를 냉각하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 관리 시스템은 상기 복수의 가열기들 중 하나의 가열기를 냉각하도록 구성되되, 상기 하나의 가열기가 액체 수소로 채워지기 전에 상기 하나의 가열기를 냉각하도록 구성된, 수소 충전 스테이션.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 가열기는, 액체 수소가 상기 하나의 가열기에 유입되도록 허용되기 전에, 미리 결정된 온도까지 냉각되는, 수소 충전 스테이션.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이젝터(3)의 지오메트리는, 미리 결정된 이젝터 입구 압력에서의 이젝터 효율에 최적화된, 수소 충전 스테이션.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이젝터(3)의 지오메트리는, 미리 결정된 이젝터 입구 압력에 대한 상기 이젝터의 압축비에 최적화된, 수소 충전 스테이션.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 충전 스테이션은 일 배열의 이젝터들(13)을 포함하는, 수소 충전 스테이션.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배열의 이젝터들의 상기 이젝터들은 다른 내부 지오메트리를 갖는, 수소 충전 스테이션.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이젝터는 가변 내부 지오메트리를 갖는, 수소 충전 스테이션.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 가변 지오메트리를 갖는 상기 하나 이상의 이젝터들의 상기 가변 지오메트리는, 상기 이젝터 출구(9)의 하류에서 결정되는 압력에 기초하여 조절되는, 수소 충전 스테이션.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이젝터의 상기 가변 지오메트리는 램프 속도 목표 압력(ramp rate target pressure)을 달성하도록 자동으로 조절되는, 수소 충전 스테이션.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 저장 탱크(6)는 저온 저장 탱크(cryogenic storage tank)인, 수소 충전 스테이션.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 이젝터들 중 하나의 이젝터(3)의 상기 제2 이젝터 입구(4)는 상기 수소 저장 탱크(6)의 상부 입구에 연결가능한, 수소 충전 스테이션.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 충전 스테이션은 수소 버퍼 탱크에 유체연결된 압축기를 포함하고, 및/또는 상기 수소 저장 탱크(6)에 유체연결된 압축기를 포함하고, 및/또는 상기 복수의 이젝터들 중 적어도 하나의 이젝터 출구에 유체연결된 압축기를 포함하는, 수소 충전 스테이션.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 이젝터(3)의 상기 제1 이젝터 입구(4)에서 수용된 기체 수소 및 상기 적어도 하나의 이젝터(3)의 상기 제2 이젝터 입구(5)에서 수용된 기체 수소는, 상기 이젝터(3)의 상기 이젝터 출구(9)를 통해 상기 수소 충전 스테이션(1)의 분배기(dispenser)에 연결된 차량의 수용 용기에 제공되는, 수소 충전 스테이션.
  23. 수용 용기를 수소 가스로 충전하는 방법으로서, 다음 단계들을 포함하는 방법:
    - 저장 탱크(6)로부터 제1 가열기(2a)로의 액체 수소의 흐름을 설정하고, 고정된 부피 내에 상기 액체 수소를 수용하는 단계;
    - 상기 제1 가열기(2a)에서 액체 수소로부터 기체 수소로의 상 전이를 설정함으로써 상기 제1 가열기(2a) 내의 압력을 증가시키는 단계;
    - 기체 상태의 수소가 상기 제1 가열기(2a)로부터 이젝터(3)의 제1 입구(4)로 흐르게 함으로써 상기 제1 가열기(2a) 내의 압력을 감소시키는 단계;
    - 수소 공급원으로부터 상기 이젝터(3)의 제2 입구(5)로의 기체 수소의 흐름을 허용하는 단계로서, 상기 흐름은 상기 제1 입구(4)로 들어가는 기체 수소의 흐름에 의해 생성되는, 단계; 및
    - 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4) 및 상기 제2 입구(5)로부터 혼합된 기체 수소의 상기 흐름을 상기 이젝터(3)의 출구(9)로부터 수용 용기로 안내하는 단계.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 수용 용기 내의 목표 압력이 도달될 때, 상기 출구(9)로부터의 흐름을 종료하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 방법은, 이젝터(9)의 지오메트리를 조절함으로써, 상기 이젝터(9)로부터의 압력을 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  26. 제 23 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 사용자가 상기 제1 가열기(2a)의 압력을 감소시키는 단계를 개시하도록 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 제 23 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 다음 단계들을 더 포함하는, 방법:
    저장 탱크(6)로부터 제2 가열기(2b)로의 액체 수소의 흐름을 설정하여, 상기 제2 가열기의 고정된 부피 내에 상기 액체 수소를 수용하는 단계;
    연료 공급 압력(fueling pressure)이 미리 결정된 문턱치 아래로 떨어질 때, 상기 제1 가열기(2a)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로의 상기 흐름을 종료하는 단계;
    제2 가열기(2b)에 의해 상기 제2 가열기의 고정된 부피 내에 수용된 상기 액체 수소를 가열함으로써 상기 제2 가열기(2b) 내의 압력을 증가시키는 단계;
    기체 상태의 수소가 상기 제2 가열기(2b)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로 흐르도록 함으로써 상기 제2 가열기(2b) 내의 압력을 감소시키는 단계;
    상기 제1 가열기(2a)의 출구로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제2 입구(5)로의 수소의 흐름을 설정함으로써 상기 제1 가열기(2a)로부터 기체 수소를 배출하는 단계로서, 상기 흐름은 상기 제2 가열기(2b)로부터 상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4)로의 기체 수소의 상기 흐름에 의해 설정되는, 단계; 및
    상기 이젝터(3)의 상기 제1 입구(4) 및 상기 제2 입구(5)로부터 혼합된 기체 수소의 상기 흐름을 상기 이젝터(3)의 출구(9)로부터 수용 용기로 안내하는 단계.
  28. 제 23 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 가열기(2b)가 적어도 90% 충전되었을 때, 바람직하게는 적어도 95% 충전되었을 때, 가장 바람직하게는 적어도 98% 충전되었을 때, 상기 제2 가열기(2b)로의 액체 수소 흐름이 중단되는, 방법.
  29. 제 23 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가열기(2a)의 및/또는 제2 가열기(2b)의 상기 고정된 부피는, 각각 상기 제1 가열기(2a)의 부피에 의해 및/또는 상기 제2 가열기(2b)의 부피에 의해, 또는 각각 상기 제1 가열기(2a) 및/또는 상기 제2 가열기(2b)의 각각의 측면 상의 도관들에 위치된 두 밸브들 사이의 부피에 의해, 한정되는, 방법.
  30. 제 23 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상 전이는 상기 제1 가열기(2a)를 가열함으로써 설정되는, 방법.
  31. 제 23 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 상기 제1 가열기(2a) 및/또는 상기 제2 가열기(2b)를 사전 냉각하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  32. 제 23 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 공급원은 상기 제2 가열기(2b), 버퍼 탱크 또는 상기 수소 저장 탱크(6)인, 방법.
  33. 제 23 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은, 기체 수소가 상기 제2 가열기(2b)를 떠나는 것과 동시에 액체 수소가 상기 제2 가열기(2b)로 흐르도록 허용하는 단계를 더 포함하고, 상기 제2 가열기(2b)로의 액체 수소의 상기 흐름은 상기 제2 가열기(2b)를 떠나는 기체 수소의 상기 흐름에 의해 촉진되는, 방법.
  34. 제 23 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수용 용기는 차량 탱크(22)인, 방법.
  35. 제 23 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차량 탱크(22)에는, 복수의 가열기들 중, 사용가능한 최저 연료 공급 압력을 갖는 가열기로부터의 기체 수소가 공급되는, 방법.
  36. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수소 충전 스테이션은 제 23 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 작동되는, 수소 충전 스테이션.
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