KR100773595B1 - 가스 처리 장치 - Google Patents

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도시유키 곤도
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도요다 지도샤 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 목적은 가스들이 희석되도록 복수의 가스들을 서로 충분히 혼합할 수 있는 가스 처리 장치를 제공하는 것이다. 제1가스(H2) 및 제2가스(공기)를 혼합하는 가스 처리 장치는, 제2가스(공기)가 통과하는 유로(110), 상기 제1가스(H2)를 상기 유로(110) 내에서 제2가스(공기)의 유동 방향과 평행하지 않은 방향으로 도입시키는 유입구(104), 및 상기 유로(110)의 일부를 밀봉하기 위한 하우징(101)을 포함하여 이루어진다. 상기 유로(110)는 상기 제2가스(공기) 및 제1가스(H2)가 상기 하우징(101)에 의해 밀봉된 영역의 적어도 일부에서 안팎으로 통과하는 홀 구조체(111)를 포함하여 이루어진다. 이러한 구성에 따르면, 상기 홀 구조체들은 난류를 발생시키고, 이에 따라 제1가스(H2)와 제2가스(공기) 간의 혼합도가 개선될 수 있어, 가스 농도의 균일한 감소를 가능하게 한다.

Description

가스 처리 장치{GAS PROCESSING DEVICE}
본 발명은 퍼지 가스를 연료 전지로부터 희석(dilute)시키는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 퍼지 가스를 고르게 희석시키기에 적합한 구성예에 관한 것이다.
연료 전지에 있어서, 연료로서의 역할을 하는 수소는 재활용을 위해 순환된다. 연료 전지가 전기 자동차용 전원으로 사용되는 경우, 순환 시스템 내의 수소의 일부를 외부로 배출하기 위해 퍼징 작업(purging operation)이 때때로 수행되기도 한다. 예를 들면, 전압이 일시적으로 강하될 때에 연료 전지의 전압을 복원하거나 또는 차량이 정지되어 있을 때에 발생하는 연료 전지의 전극들 간의 압력차를 줄이기 위해 퍼징 작업이 필요하게 된다.
순환 시스템 내의 수소가 퍼징 작업 시에 외부로 배출될 경우에는, 희석장치(diluter)가 수소를 공기로 희석시키는 데 사용되어 수소 농도가 그 연소 한계값 밑으로 감소되도록 한다. 예컨대, 일본특허출원공보 제2003-132915호에는 퍼징된 수소 오프-가스를 탱크 내에 유지하고 점진적으로 상기 수소 오프-가스를 인접한 탱크를 통과하는 공기와 혼합시킴으로써 수소 오프-가스를 상기 농도 이하로 희석시키는 기술이 개시되어 있다(특허문헌 1).
특허문헌 1: 일본특허출원공보 제2003-132915호(도 2 등)
특허문헌 2: 일본특허출원공보 제2000-348743호(문단번호 0029, 도 2 등)
특허문헌 3: 일본특허출원공보 제2002-289237호(도 8 등)
하지만, 상술된 종래의 희석 구성예들에서는, 수소 농도를 국부화된 영역들에서 가연성 농도 이하로 충분하게 희석시키는 것이 항상 가능한 것만은 아니다. 일본특허출원공보 제2003-132915호에 개시된 희석장치 구성예에서는, 유지된 수소가 공기 측에 행해지는 경우, 수소 농도가 국부화된 영역들에서 높게 유지되어, 이러한 고농도로 수소가 배출되게 된다.
그러므로 본 발명의 목적은 복수의 가스들을 충분히 혼합 및 희석시켜 상기 문제를 해결할 수 있는 가스 처리 장치를 제공하는 것이다.
상술된 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 제1가스 및 제2가스를 혼합하기 위한 가스 처리 장치를 제공하는데, 상기 가스 처리 장치는 상기 두 가스들이 혼합되도록 상기 제1가스 및 상기 제2가스 중 하나 이상에서 난류를 발생시키기 위한 난류 발생 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성예에 따르면, 난류 발생 수단이 난류를 발생시켜 제1가스와 제2가스 간의 혼합도가 개선될 수 있어, 가스 농도의 균일한 감소를 가능하게 한다. 예컨대, 제1가스 및 제2가스 중 하나가 가연성 가스인 경우에는, 가연성 가스의 농도가 고르게 감소된 후에 외부로 배출될 수 있다.
여기서, "제1가스" 및 "제2가스"에 대해서는 아무런 제한이 없다. 예컨대, 제1가스는 수소이고 제2가스는 공기일 수도 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 장치는 제2가스가 유동하는 하우징을 포함하여 이루어진다. 상기 하우징에는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동 방향과 평행하지 않은 방향으로 도입시키기 위한 유입구가 제공된다.
상기 구성예에 따르면, 제1가스가 제2가스의 유동 방향과 평행하지 않은 방향으로, 즉 다시 말해 횡단 방향이나 대각선 방향과 같이 상이한 방향으로 도입되도록 유입구가 제공됨으로써, 상기 유입구로부터 하우징 안으로의 제1가스의 유동이 유로의 방향과 평행하지 않은 방향으로 유동하게 된다. 그 결과, 제1가스의 유동이 제2가스와 충돌하여 난류를 발생시키고, 이에 따라 두 가스들이 고르게 혼합되게 된다.
여기서, 상기 유입구는 제1가스를 상기 하우징의 축 중심으로부터의 오프셋 위치로 유동시킬 수 있도록 제공된다. 상기 구성예에 따르면, 유입구는 축 중심으로부터 오프셋되어, 상기 하우징 내에서 소용돌이치는 회전류가 제1가스 내에 생성된다. 그 결과, 홀 구조체들을 통해 하우징 안으로 누설되는 제2가스가 높은 효율도를 가지고 고르게 혼합될 수 있게 된다. 회전류는 제1가스 내에 생성되기 때문에, 수증기와 같은 비교적 질량이 큰 제1가스의 성분들이 원심력을 받게 되어, 하우징의 벽면에 들러붙게 됨으로써, 상기 수증기 성분 등이 분리될 수 있게 된다.
여기서, 제2가스가 유동하는 유로가 제공되어 하우징에 의해 적어도 부분적으로 밀봉되도록 한다. 상기 유로는 제2가스 및 제1가스가 통과하는 홀 구조체들을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 유로의 일부분은 하우징에 의해 둘러싸여 있고, 상기 홀 구조체들은 하우징에 의해 커버되는 유로의 일부분 내에 제공되어 있다. 이에 따라, 제2가스가 유로 내의 홀 구조체들을 통해 하우징 안팎으로, 상기 유로를 통하는 제2가스의 유동 방향과 상이한 방향으로 통과함으로써, 상기 하우징 내에 난류를 발생시키는 제1가스와 혼합되게 된다.
여기서, 하우징의 하부에는 그 수직 방향으로 액체 배출구가 제공될 수도 있다. 이러한 구성예에 따르면, 비교적 큰 질량을 갖는, 예컨대 집성(aggregation)을 통해 얻어진 수증기와 같은 제1가스의 성분들이 배출될 수도 있다.
또한, 상기 하우징은 적어도 그 일부분 내에 가스를 교반(agitate)시키는 교반 부재를 포함할 수 있다. 이러한 구성예에 따르면, 상기 교반 부재는 상기 하우징 내에서 기류 내의 추가로 국부화된 난류를 생성하여, 제1가스 및 제2가스가 보다 고르게 혼합될 수 있도록 한다.
여기서, "교반 부재"는 기류 내에 배치됨으로써 상기 기류 내에 난류를 생성시킬 수 있는 소정의 물체, 예컨대 유리솜(glass wool)일 수도 있다. 유리솜이 교반 부재로서 사용되는 경우에는, 가스가 유동할 때에 생성되는 가스와 같은 유체의 진동 또는 상류 측으로부터의 음파들을 흡수하기 위한 소음기(silencer)로도 이용될 수 있다.
여기서, 교반 부재는 하우징을 통하는 가스 유동 방향의 하류 측에 배치될 수도 있고, 상기 하우징을 통하는 가스 유동 방향의 상류 측에는 공간이 형성될 수도 있으며, 액체 배출구가 상기 공간의 하부에 그 수직 방향으로 제공될 수도 있다. 이러한 구성예에 따르면, 집성을 통해 얻어지는 수증기와 같은 불필요한 성분들이 제1가스용 유입구 부근의 공간으로부터 배출될 수 있어, 이러한 수증기와 같은 불필요한 성분들이 교반 부재에 축적되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명은 상기 제1가스를 외부로 확산시키는 확산 구조체를 포함하여 이루어지는, 상기 제1가스가 유동하는 제1유로, 및 상기 제2가스를 상기 제1유로 주위로 유동시키도록 상기 제1유로를 둘러싸는 제2유로를 포함하도록 구성될 수도 있다.
이러한 구성예에 따르면, 제2유로가 제1유로를 둘러싸고, 이에 따라 제1가스가 제2가스 안으로 혼합된다. 그 결과, 가스 농도의 국부화된 불균일이 억제될 수 있어, 희석 성분의 개선이 예상될 수 있다. 또한, 제1유로는 제2유로에 의해 포락되기 때문에, 희석장치나 혼합장치를 위한 공간을 제공할 필요가 없게 되어, 공간 절약형 구조를 가능하게 한다. 예컨대, 제1가스가 가연성 가스이고 제2가스가 비가연성 가스인 경우에는, 혼합된 가스가 연소되지 않는 정도로 제1가스의 농도가 고르게 감소될 수 있다.
또한, 이러한 구성예에 따르면, 제2가스가 제1유로 주위로 유동하여, 수증기 등이 상기 제1유로를 통과하는 제1가스 내에 함유되어 주변 온도가 수증기 등의 어는점 이하로 떨어지는 경우에도, 제2가스의 온도가 더 높은 한 제1유로가 어는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 상술한 확산 구조체는 상기 제1유로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동 방향과 상이한 방향으로 방출하는 복수의 홀 구조체일 수도 있다. 이러한 구성예에 따르면, 상기 제1가스는 제2가스의 유동 안으로 방출되고, 따라서 상기 제1가스 및 제2가스가 충돌하게 되어 난류를 발생시킴으로써, 희석 성능의 개선을 가능하게 한다.
여기서, 홀 구조체들은 단위 면적당 전체 홀 개구 면적이 상기 제1가스의 유동 방향의 하류 측을 향해 더욱 커지도록 제공될 수도 있다. 이러한 구성예에 따르면, 제1가스 농도는 제1유로의 상류 측을 향해 보다 높고 하류 측을 향해서는 보다 낮으며, 이에 따라 홀 구조체들로부터 방출되는 제1가스가 제2가스와 혼합될 때, 상기 혼합된 가스 내의 제1가스의 농도는 모든 위치들에서 고르게 될 수 있어, 제2유로 내에서의 제1가스의 농도의 불균일성을 억제하는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 홀 구조체들은 적어도 상기 제1유로의 하부에 상기 제1유로의 수직 방향으로 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 예컨대 물과 같은 액체 성분이 제1가스 내에 함유된 경우에는, 제1유로 내부에 집성된 액체가 유로 내에 축적되지 않고 외부로 배출될 수 있다.
여기서, 상기 홀 구조체들은 적어도 상기 제1유로의 상부에 상기 제1유로의 수직 방향으로 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 상기 제1가스는 제1유로의 루프(roof) 부근에 축적되지 않고 외부로, 즉 다시 말해 제2유로 안으로 배출되어, 제2가스와 혼합될 수 있다.
여기서, 상기 확산 구조체는 상기 제1유로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동 방향과 거의 직교 방향으로 방출하는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 제1가스는 제2가스와 직교 방향으로 유동함으로써, 제2가스와 충돌하여 난류를 발생시키게 되고, 따라서 희석 성능의 개선을 가능하게 한다.
여기서, 상기 제1유로 및 상기 제2유로 중 하나 이상은 관 형태를 가지고, 상기 두 유로들은 상기 두 유로들의 축선들이 거의 평행을 이루도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 제1유로는 보통 관 형태를 갖는 제2유로 내에 수용되어, 희석장치 또는 혼합장치를 위한 공간을 제공할 필요가 없게 되어, 공간 절약형 구성예를 가능하게 한다. 특히, 전기 자동차에 적용되는 경우에는, 상기 희석장치가 기존 배기관과 유사한 부피 이내로 배치될 수 있어, 공간을 절약할 수 있게 된다.
여기서, 상기 제1유로는 상기 제2유로의 하부 및 상부 이외의 위치에 상기 제2유로의 수직 방향으로 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 제1유로는 가스 농도가 쉽게 올라가는 제2유로의 루프부와 베이스부 및 상기 가스 내에 함유된 액체 성분들이 쉽게 축적되는 베이스부를 피한다. 그 결과, 희석 성능의 개선이 예상될 수 있다.
여기서, 액체 배출구는 상기 제2유로의 하부에 상기 제2유로의 수직 방향으로 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 상기 가스 내에 함유된 액체 성분들이 집성되는 경우 등에서는, 상기 액체가 제2유로 내에 축적되지 않고 배출될 수 있다.
여기서, 상기 제1가스 및 상기 제2가스 중 하나 이상은 휨부(bent portion)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 휨부를 제공함으로써, 가스 유동 내에 난류가 생성되어, 난류의 생성을 촉진시켜 가스들의 혼합을 촉진시키게 된다.
이러한 가스 처리 장치는 상기 제1가스를 공급하도록 구성된 제1가스 공급 수단 및 상기 제2가스를 공급하도록 구성된 제2가스 공급 수단을 더 포함한다. 상기 제2가스 공급 수단은, 상기 제1가스가 상기 제1가스 공급 수단으로부터 공급되는 타이밍에 따라 상기 제2가스를 공급한다. 이러한 구성예에 따르면, 혼합될 제2가스의 양이 제1가스가 공급되는 타이밍에 따라 증가될 수 있고, 이에 따라 희석되어 혼합된 가스의 혼합비가 고르게 될 수 있어, 혼합 성능의 개선을 가능하게 한다.
이러한 가스 처리 장치가 연료 전지 시스템에 사용되면, 제1가스가 연료 전지 시스템으로부터 배출되는 수소 가스일 수도 있고, 제2가스는 상기 수소 가스를 희석시키는 공기일 수도 있다. 여기서, 제2유로의 부피는 상기 연료 전지의 저부하 작동 시에 생성되는 퍼지 가스량보다 적게 설정되는 것이 바람직하다. 이러한 구성예에 따르면, 퍼징 작업 동안에 도입되는 수소 가스는 제2유로 내부에 축적될 수 없고, 따라서 수소 가스가 항상 희석 후에 외부로 배출되어, 혼합 성능의 개선을 가능하게 한다.
상술된 본 발명에 따르면, 제1가스와 제2가스 사이에 난류가 생성되어 두 가스들이 혼합되도록 하고, 이에 따라 가스 농도의 국부화된 불균일없이 제1가스가 제2가스로 고르게 희석될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 가스들 중 하나를 위한 유로가 다른 가스의 유동에 의해 둘러싸여져, 얼 수도 있는 액체 성분이 상기 유로를 통과하는 가스 내에 함유되어 있는 경우에도, 상기 다른 가스의 존재에 의하여 상기 유로 내의 액체 성분이 어는 것을 억제하게 된다.
도 1은 제1실시예에 따른 가스 처리 장치의 투영 사시도;
도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 제1실시예에 따른 가스 처리 장치의 측면도 및 측단면도;
도 3은 제1실시예에 따른 가스 처리 장치의 축 방향으로 수직면을 따라 절단한 측면도로서, 도 3의 (a)는 도 2의 A-A 선을 따라 절단한 단면도이고, 도 3의 (b)는 도 2의 B-B 선을 따라 절단한 단면도;
도 4는 제1실시예에 따른 가스 처리 장치의 동작들을 예시한 도면으로서, 도 4의 (a)는 측면에서의 난류 발생을 예시한 개략도이고, 도 4의 (b)는 정면에서의 회전류 발생을 예시한 개략도;
도 5는 상기 실시예의 가스 처리 장치가 적용되는 연료 전지 시스템의 시스템도;
도 6은 제2실시예에 따른 가스 처리 장치의 측면도;
도 7은 제2실시예에 따른 가스 처리 장치의 수정예;
도 8은 제3실시예에 따른 가스 처리 장치를 예시한 도면으로서, 도 8의 (a)는 투영 사시도이고, 도 8의 (b)는 차단 밸브로부터의 가스공급을 예시한 시스템도;
도 9는 제3실시예에 따른 가스 처리 장치를 예시한 도면으로서, 도 9의 (a)는 투영 사시도이고, 도 9의 (b)는 단면도;
도 10은 제3실시예에 따른 가스 처리 장치의 수정예의 투영 평면도; 및
도 11은 제3실시예에 따른 가스 처리 장치의 또다른 수정예를 예시한 단면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 바람직한 실시예들을 도면들을 참조하여 설명한다.
(제1실시예)
본 발명의 제1실시예에서, 본 발명의 가스 처리 장치는 전기 자동차에 설치되는 연료 전지 시스템에서 사용하기에 적합한 희석장치에 적용된다. 본 발명의 제1실시예는 특히 공기를 공급하기 위한 공급관의 원주부 주위에 난류를 발생시켜 수소 가스 희석 매체로서의 역할을 하는 공기를 희석될 수소 가스와 혼합시키는 가스 처리 장치에 관한 것이다. 다음의 실시예는 단지 본 발명의 일 실시형태일 뿐이고, 본 발명은 이러한 실시예에 국한되지는 아니한다. 설명의 편의를 위하여, 본 발명의 제1가스는 수소 가스를 예로 들고, 제2가스는 공기를 예로 든다.
도 5는 연료 전지 시스템의 시스템도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 실시예의 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택(203) 주위에 구성되어 있다. 상기 연료 전지 스택(203)은 복수의 적층 전지(laminated cells)로 구성된 스택 구조체를 구비하는데, 그 각각은 수소 가스, 공기 및 냉각수용 통로들을 구비한 분리기(separator) 및 한 쌍의 분리기들 사이에 끼워져 있는 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 포함하여 이루어진다. 상기 MEA는 두 전극들 사이에 끼워진 폴리머 전해질막, 연료 전극(애노드) 및 공기 전극(캐소드)을 포함하여 이루어진다. 연료 전 극에는 다공성 지지부 형태의 연료 전극 촉매층이 제공되고, 공기 전극에는 다공성 지지부 형태의 공기 전극 촉매층이 제공된다. 이렇게 구성된 연료 전지 스택(203)에 연료로서의 역할을 하는 수소를 공급하기 위한 시스템이 연료 전극 시스템이고, 공기를 공급하기 위한 시스템이 공기 전극 시스템이다. 본 발명에 따른 발열 반응을 수행하는 연료 전지 스택(203)을 냉각시키는 냉각 시스템 및 배기 시스템도 제공된다.
연료 전극 시스템에서, 수소 탱크(200)로부터의 순수(pure) 수소는 압력 저감 밸브(201)를 통해 공급되고, 수소 순환 시스템이 차단 밸브(202), 연료 전지 스택(203)의 연료 전극, 차단 밸브(204), 가스-액체 분리장치(205), 차단 밸브(206), 펌프(207) 등에 의해 형성된다.
공기 전극 시스템에서는, 공기가 에어 클리너(220), 압축기(221) 및 습도 조절 장치(222)를 통해 연료 전지 스택(203)의 공기 전극 측에 공급된다.
냉각 시스템에서, 냉각수는 방열기(230), 팬(231) 및 냉각 펌프(232)를 통해 연료 전지 스택(203)으로 순환된다.
배기 시스템의 경우에는, 수소(수소 오프-가스)가 퍼징 작업 시에 수소 순환 시스템으로부터 차단 밸브(209)를 통해 배출된 다음, 수소 유동관(240)을 통해 본 발명에 따른 희석장치(100)로 공급된다. 한편, 공기 전극 시스템으로부터의 배기 가스(공기 오프-가스)는 습도 조절 장치(222)를 통과한 다음, 압력 제어 밸브(223)에 의해 제어되는 유량으로 배기 가스 유동관(250)을 통해 희석장치(100)로 공급된다. 상기 희석장치(100)의 액체 배출구(105)(도 1 참조)로부터 배출되는 액체 및 가스는 액체-가스 분리장치(210) 및 차단 밸브(211)를 통해 배출된다.
상기 압력 제어 밸브(223)는 배기 가스 유동관(250)의 개방 정도를 수정할 수 있는 개방 조절 밸브, 또는 배기 가스 유동관(250)과 평행하게 우회 통로 상에 제공된 개폐 밸브로 대체될 수도 있음에 유의한다. 다시 말해, 배기 가스 유동관(250)의 하류에 배치된 희석장치(100) 안으로 유동하는 가스의 유량(압력)을 수정할 수 있는 여하한의 밸브 구성예도 압력 제어 밸브(223) 대신에 적절하게 사용될 수 있다.
제어 유닛(300)은 ECU(Electric Control Unit)와 같은 공지된 컴퓨터 시스템이고, 전체 연료 전지 시스템을 제어할 수 있다. 더욱 상세하게는, 각각의 밸브는 도면에 도시되지 않은 다양한 센서들로부터의 검출 신호 등을 토대로 개폐를 제어할 수 있다. 특히, 상기 실시예에서는, 제어 유닛(300)이 수소 오프-가스가 개방된 차단 밸브(209)를 통해 공급되는 타이밍에 따라 압력 제어 밸브(223)를 추가로 개방하고, 압축기(221)의 회전 속도를 높이거나 또는 이러한 작업 양자 모두를 병렬적으로 수행함으로써 공기 오프-가스의 유량을 증가시키도록 제어할 수 있게 프로그래밍된다.
다음으로, 상기 연료 전지 시스템의 동작들을 설명한다. 연료 전지는 물의 전기 분해의 역반응을 발생시켜, 수소를 함유하고 있는 수소 가스가 애노드인 연료 전지 쪽으로 공급되고, 산소를 함유하고 있는 가스(본 실시예에서는 공기)는 캐소드인 공기 전극 쪽으로 공급된다. 수학식 1에 도시된 것과 같은 반응은 연료 전극 측에서 발생하고, 수학식 2에 도시된 것과 같은 반응은 공기 전극 측에서 발생하는 데, 여기서는 전자들이 순환하여 전류가 흐르게 된다. 전체로서, 상기 시스템은 수학식 3에 도시된 바와 같이 물의 전기 분해의 역반응을 발생시킨다.
H2 → 2H + 2e-
2H+ + 2e- + (1/2)O2 → H2O
H2 + (1/2)O2 → H2O
수학식 1의 반응을 만들기 위하여, 수소 탱크(200)는 그 내부에 수소 흡수 합금(hydrogen absorbing alloy)을 포함하여 이루어진다. 상기 수소 흡수 합금은 가열 시에 수소가 흡열 반응을 통해 배출되도록 하고, 냉각 시에 수소가 열분해 반응을 통해 흡수되도록 하는 성질들을 가진다. 수소 탱크(200)는 도면에는 도시되지 않은 열교환 시스템을 이용하여 원하는 양의 수소를 배출하도록 제어될 수 있다.
작업 시, 수소 탱크(200)를 가열하여 생성되는 수소 가스는 압력 저감 밸브(201)에 의해 감압된 다음, 개방된 차단 밸브(202)를 통해 연료 전지 스택(203)에 공급된다. 연료 전지 스택(203)의 연료 전극에 있어서는, 전자들을 방출하기 위해 수학식 1에 도시된 것과 같은 반응을 생성하여 전력 발생이 수행된다. 연료 전지 스택(203)으로부터 배출되는 수소 가스는 오프-가스로서 알려져 있고, 수증기 및 기타 불순물들을 함유하고 있다. 액체-가스 분리장치(205)에서는, 수증기 및 기타 불순물들이 수소 오프-가스로부터 제거되어 차단 밸브(206)를 통해 외부로 배출된다. 일단 수증기 등이 제거되면, 수소 가스는 펌프(207)에 의해 가압되어 수소 탱크(200)로부터 메인 유동으로 복귀한다. 상기 펌프(207)는 연료 전지 시스템에 의해 발생되는 전력량에 따라 출력되는 전기 에너지 및 전압을 안정화시키기 위하여 수소 오프-가스 공급율을 변경시킨다. 이러한 단일 사이클이 순환 시스템을 구성한다. 차단 밸브(209)가 제어 수단에 의해 개방되면, 순환 시스템 내의 수소 오프-가스의 일부가 수소 유동관(제1유로)(240)을 통해 본 발명에 따른 희석장치(100)로 공급된다. 시동 등을 하는 동안에 수소 탱크(200)의 온도가 낮고 수소 가스가 충분히 방출되지 않으면, 차단 밸브(209)는 폐쇄되고 차단 밸브(202, 204)들은 개방되어, 수소 가스가 수소 탱크(200)로부터 흡입되게 된다는 것에 유의한다.
상기 실시예에서 수소 흡수 탱크(200) 대신에, 수소 흡수 기능을 포함하지 않는 고압 수소 탱크, 개조된 가스를 이용하는 수소 공급 기구 또는 액체 수소 탱크로부터 수소가 공급될 수 있다는 사실도 유의한다.
한편, 수학식 2의 반응을 생성하기 위해서는, 압축기(221)가 에어 클리너(220)로부터 공기를 흡입하도록 구동된다. 에어 클리너(220)에 의해 클리닝되고 압축기(221) 안으로 흡입되면, 공기가 습도 조절 장치(222)에 의해 적절한 습도로 상승되어 연료 전지 스택(203)의 공기 전극으로 공급되는데, 여기서 수학식 2의 전기 화학적 반응은 물을 생성하기 위해 이루어진다. 공기 전극에서, 에어 클리 너(220)로부터 흡입된 공기의 산소 성분 및 연료 전극으로부터 공급된 수소 이온들은 전자들과 결합되어 물을 생성하게 된다. 그 후, 연료 전지 스택(203)을 통과한 공기는 공기 오프-가스로서 습도 조절 장치(222)를 통과하고, 압력 제어 밸브(223)에 의해 제어되는 유량으로 공기 유동관(제2유로)(250)을 통해 본 발명에 따른 희석장치(100)로 공급된다.
다음으로, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 희석장치(100)를 설명한다. 도 1은 희석장치(100)의 투영 사시도이고, 도 2의 (a) 및 도 2의 (b)는 각각 희석장치의 측면도 및 측단면도이다. 도 3은 축 방향으로 수직면을 따라 절단한 희석장치의 단면도로서, 도 3의 (a)는 도 2의 A-A 선을 따른 단면도이고, 도 3의 (b)는 도 2의 B-B 선을 따른 단면도이다.
도면들에 도시된 바와 같이, 상기 희석장치(100)는 공기 오프-가스의 유동 방향과 평행하지 않은 방향으로 공기 유동관(250)의 일부를 밀봉하는 하우징(101) 안으로 수소 오프-가스를 도입시키는 유입구(104)를 포함하여 이루어진다. 상기 유입구(104)는 하우징(101)의 축 중심으로부터 오프셋 위치에 수소 오프-가스를 도입시킬 수 있도록 제공된다. 상기 수소 유동관(240)은 유입구(104)와 연통되어 있다. 수많은 홀 구조체(111)들이 하우징(101) 내부에 밀봉되어 있는 공기 유동관(250)의 영역에 제공되어, 공기 유동관(250)을 통과하는 공기 및 유입구(104)를 통해 도입되는 수소 가스가 하우징과 공기 유동관(250) 사이를 통과할 수 있도록 한다.
이 경우의 하우징(101)의 부피는 연료 전지 시스템의 저부하 작동(아이들링 등) 시에 생성되는 퍼지 가스량보다 작은 것이 바람직하다. 퍼징 시에 생성되는 수 소 오프-가스의 양보다 적은 부피를 만듦으로써, 유속이 항상 퍼징 동안에 희석장치(100) 내부에 생성되어, 수소 오프-가스의 축적들이 방지될 수 있게 된다.
본 발명의 교반 부재에 상응하는 유리솜(103)은 공기 유동관(250)을 통과하는 공기의 유동 방향으로 하우징(101)의 하류 측 내에 충전된다. 유리솜은 섬유로 이루어질 때까지 고온의 노(furnace)에서 유리 원료를 녹이고, 상기 섬유들을 접착제로 분사한 다음, 상기 섬유들을 가열 몰딩함으로써 형성되는 펠트형 물질이다. 유리솜은 미세한 필라멘트 번들(bundle)로 형성되기 때문에, 복수의 가스들이 효율적으로 교반될 수 있다. 더욱이, 유리솜은 우수한 소리 흡수 성능을 나타내므로, 희석장치(100)가 소음기(머플러)로서의 역할도 하는 경우들에 이점이 있다. 하지만, 교반 부재는 공기 및 수소 가스가 교반될 수 있는 한 유리솜으로 국한되는 것은 아님에 유의한다. 유리솜을 하우징(101) 안에 충전하는 방법에는 어떠한 제한도 없지만, 가스가 통과하도록 하는 밀도로 충전하는 것이 바람직하다. 그 이유는 가스가 펠트형 섬유들 사이를 통과할 때에 교반 및 난류가 생성되도록 하는 것이 바람직하기 때문이다.
유리솜(103)은 공기 유동 방향으로 하류 측에 배치되므로, 공기 유동 방향으로 하우징(101)의 상류 측에 공간(102)이 형성된다. 수소 가스를 도입하기 위한 상술된 유입구(104)뿐만 아니라, 공간(102)은 수직 방향으로 상기 공간(102)의 하부에 액체 배출구(105)를 포함하여 이루어진다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 희석장치(100)의 동작들을 설명한다. 도 4의 (a)는 측면에서의 난류 발생을 예시한 개략도이고, 도 4의 (b)는 정면에서의 회전 류 발생을 예시한 개략도이다.
상기 실시예에 따르면, 각각의 개별적인 구성예는 희석장치(100)가 공기 오프-가스 및 수소 오프-가스를 서로 혼합하도록 난류를 발생시키기 위한 난류 발생 수단으로서의 기능을 하도록 유기적으로 작용한다. 우선, 도 5의 연료 전지 시스템에서, 차단 밸브(209)는 펌프(207)에 의해 순환되는 수소 시스템 내의 수소 가스의 불순물 농도가 상승하거나 상승할 것이 예측되는 경우에 제어 유닛(300)의 제어에 의해 개방된다. 이러한 작업의 결과, 불순물들을 함유하는 수소 가스(수소 오프-가스)는 순환 시스템으로부터 수소 유동관(240)으로 배출된다. 발생 효율성이 저하되는 것을 막기 위하여, 불순물을 함유하는 배출되는 수소 가스는 배출되는 순수하지 않은 수소 가스의 양에 상응하는 양으로 수소 탱크(200)로부터 공급되는 순수 수소 가스로 교체된다.
이 때 배출되는 수소 오프-가스는 수소 유동관(240)을 통과하고, 희석장치(100)의 유입구(104)를 통해 하우징(101)으로 들어간다. 수소 오프-가스가 들어가는 유입구(104)는 하우징(101)의 축 중심으로부터 오프셋 위치에 제공되므로, 상기 유입구(104)로부터 하우징(101) 안으로 유동하는 수소 오프-가스는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 공기 유동관 주위에 회전류 T를 발생시킨다.
한편, 도 5의 연료 전지 시스템의 공기 전극 시스템으로부터 배출되는 공기 오프-가스는 공기 유동관(250)을 통과하고, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 도면의 좌측으로부터 우측 방향으로 유동한다. 특히, 제어 유닛(300)은, 개방된 차단 밸브(209)를 통해 수소 오프-가스가 퍼징되는 타이밍에 따라 공기 오프-가스의 유 량을 제어하는 압력 제어 밸브(223)를 추가로 개방하고, 압축기(221)의 회전 속도를 높임으로써 또는 이들 공정 양자 모두를 병렬로 수행함으로써, 공기 오프-가스의 유량을 증가시킨다. 그 결과, 대량의 공기 오프-가스가 희석장치(100)로 공급된다.
희석장치(100)의 하우징(101)의 내부 영역에는 홀 구조체(111)들이 제공되어, 상기 홀 구조체(111)들을 통과하여 하우징(101) 안으로 흐르는 기류 t1이 발생된다. 여기서, 수소 오프-가스의 회전류 T는 하우징(101) 내부에 생성되므로, 상기 회전류 T는 공기 유동관(250)의 홀 구조체(111)들을 통과하는 기류 t1과 충돌하여 수소 오프-가스 및 공기 오프-가스 사이에 난류를 생성하게 된다. 두 가스들은 이러한 난류에 의해 효율적으로 동질화되어 희석된다. 혼합된 가스, 즉 다시 말해 공기 오프-가스로 희석된 수소 오프-가스는, 홀 구조체(111)들을 통해 공기 유동관(250) 안으로 복귀하는 반송류 t2를 형성하므로, 공기의 메인 유동과 함께 배출된다. 이러한 작용에 의하면, 수소 오프-가스 농도가 소정의 농도(예컨대, 4%)보다 높지 않도록 희석된 다음 외부로 배출된다.
여기서, 하우징(101)의 부피는 퍼지 가스의 양보다 적게 설정되므로, 유속이 항상 퍼징 시에 희석장치(100) 내부에 발생됨으로써, 희석장치 내부에 수소 오프-가스가 축적되는 것을 방지하게 된다.
2가지 오프-가스들의 희석은 수소 오프-가스의 퍼징과 동기화되어 압력 제어 밸브(223)를 추가로 개방하고, 압축기(221)의 회전 속도를 높이거나 또는 이들 공정 두 가지 모두를 병렬로 수행하는 제어 유닛(300)을 구비하여 공기 오프-가스의 유량을 증가시킴으로써 촉진된다.
상기 희석장치(100)에는 또한 액체 배출구(105)도 제공된다. 상기 수소 오프-가스는 수증기를 함유하지만, 유입구(104)로부터 하우징(101) 안으로 유동하는 수소 오프-가스는 회전류 T를 형성하기 때문에, 비교적 질량이 큰 수소 오프-가스 내에 함유된 수증기는 원심력에 의하여 하우징(101)의 벽면에 들러붙게 된다. 들러붙은 수증기는 수직 방향으로 하우징(101)의 하부에 집성되고, 이 영역에 제공된 액체 배출구(105)를 통해 배출된다. 수증기는 또한 가스-액체 분리장치(210)에서 분리되어 차단 밸브(211)의 개폐에 따라 배출된다. 더욱 상세하게는, 액체 배출구(105)가 유리솜(103) 정면에 있는 공간 내에 제공되므로, 원치않는 수증기가 교반 부재로서의 역할을 하는 유리솜 내에 축적되는 것을 방지할 수 있게 되어, 교반 성능 및 무소음 성능에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
제1실시예에서는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 홀 구조체(111)들을 포함하여 이루어지는 공기 유동관(250)이 하우징 내에 제공되고, 유리솜(103)이 하우징 안에 충전되는 예시가 설명되었음에 유의한다. 하지만, 이러한 부재들이 반드시 필요한 핵심 구성요소들은 아니다.
다시 말해, 하우징(101) 내부의 공기 유동관(250) 또는(및) 유리솜(103)은 생략될 수도 있다. 공기 유동관(250)과 연통되어 있는 하우징(101) 및 수소 오프-가스를 하우징(101) 내로 도입시키는 유입구(104)만 제공하는 것도 충분하다.
또한, 홀 구조체(111)들의 개구 형태가 원형에 국한되는 것도 아니다. 다시 말해, 홀 개구들은 길거나 다각형일 수도 있다. 길이 방향을 갖는 홀들의 경우, 상 기 길이 방향은 유로 방향과 평행하거나 평행하지 않게 배치될 수도 있다.
홀 구조체들 대신에, 난류를 생성하기 위한 난류 부재 또는 소정의 방향으로 가스 유동을 정류하도록 구성된 정류 부재가 제공될 수도 있다. 대안적으로는, 이러한 부재들이 적절하게 조합되거나 또는 부분적으로 생략될 수도 있다.
요약하면, 상기 홀 구조체들의 형태, 개수 및 배치 방식은, 공기 유동관(250)으로부터 하우징(101) 내의 공간(102) 안으로 공기 오프-가스가 유동할 때에 난류의 발생을 촉진시키고, 반대로 상기 공간(102)으로부터 공기 유동관(250) 안으로의 주성분 수소 오프-가스로서 구비한 가스의 유입을 축진시키는 한, 다양한 방식으로 선택적으로 수정될 수도 있다.
(제2실시예)
본 발명의 제2실시예는 제1실시예의 희석장치에서의 가스들의 혼합 및 희석을 더욱 촉진시키기 위한 유로 구성예의 수정된 예시에 관한 것이다. 도 6은 제2실시예에 따른 희석장치의 측면도를 보여준다. 도 6에 도시된 바와 같이, 희석장치(100b)는 하우징(101) 내부에 유로의 일부에 휨부(112)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 여타의 모든 구성예들은 제1실시예와 동일하다.
이러한 구성예에 의하면, 유로(110)를 통과하는 공기 오프-가스의 유동 방향이 휨부(112)에서의 커브들에 의해 강제적으로 수정되어 난류를 생성하게 된다. 그 결과, 상기 유로의 휨부(112) 주위에 제공되는 홀 구조체(111)들로부터의 공기 오프-가스의 유동의 세기가 증가한다. 더욱이, 상기 휨부(112)는 그 원주부 주위에 유동하는 수소 오프-가스의 회전류 T에 대한 배리어를 형성하여, 수소 오프-가스가 상기 휨부(112)에 제공되는 홀 구조체(111)들 안으로 보다 쉽게 유동하게 된다. 상기 가스들의 희석 및 혼합을 촉진시키기 위해서는, 곡률각이 가스 유동을 억제하기에 충분히 샤프하지 않게, 예컨대 45°보다 작지 않게 샤프한 것이 바람직하다.
제2실시예에 따르면, 메인 공기 오프-가스 내에 생성된 난류는 유로(110)를 통과하고, 두 가스들이 홀 구조체(111)들을 통과하는 강도는 두 가스들의 혼합 및 희석을 더욱 촉진시키도록 연계하여 작용한다.
유로(110)에서의 커브들은 하우징(101) 내부에 있을 필요는 없다는 점에 유의한다. 예컨대, 도 7에 도시된 희석장치(100c)에서는, 휨부(113)가 하우징(101)의 하류에서 유로(110) 내에 제공될 수도 있다. 공기 오프-가스 및 수소 오프-가스가 하우징(101) 내에 충분하게 희석되지 않더라도, 난류는 하우징의 하류 상기 유로(110)의 휨부(113)에서 다시 생성되어, 수소 오프-가스의 농도의 불균일이 보정될 수 있고, 따라서 균일한 희석을 촉진시키게 된다.
(제3실시예)
제1실시예에서, 수소 오프-가스는 공기 오프-가스 유로를 둘러싸는 하우징 안으로 도입되고, 상기 유로의 원주부로부터 공급된다. 본 발명의 제3실시예에서는, 수소 오프-가스의 유로가 공기 오프-가스의 유로 내부에 배치된다.
이하, 제3실시예의 희석장치 구성예를 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다. 도 8의 (a)는 상기 희석장치의 구성예의 투영 사시도이고, 도 8의 (b)는 차단 밸브로부터의 가스 공급을 예시하는 시스템도이다. 도 9의 (a)는 희석장치의 투영 평면도이고, 도 9의 (b)는 그 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 제3실시예의 희석장치(100d)는 제1실시예에 기술된 공기 유동관(250) 내부에 수용되어 있는데, 여기서는 수소 유동관(240)이 공기 오프-가스의 유동 방향과 거의 평행하게 상기 공기 유동관(250)의 내부벽 상에 배치되어 있다. 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 수소 유동관(240)은 차단 밸브(209)의 하류에 공기 유동관(250) 안으로 삽입되어, 상기 관의 축 방향이 공기 유동관(250)의 축 방향과 거의 정렬되어 있다. 복수의 홀 구조체(241)들은, 공기 오프-가스의 유동 방향과 상이한 방향으로 공기 유동관(250) 안으로 수소 오프-가스가 유동하도록 하기 위한 확산 구조체로서 상기 수소 공급관(240) 내에 제공된다. 상기 홀 구조체(241)들은, 단위 면적당 홀 개구 전체 면적이 수소 오프-가스의 유동 방향의 하류 측을 향해 증가하도록 제공된다. 홀 개구 전체 면적을 증가시키기 위해서는, 단위 면적당 홀들의 개수가 도면에 도시된 바와 같이 증가될 수도 있고 또는 상기 홀들의 개구 직경이 홀들의 개수를 증가시키지 않고도 증가될 수도 있다. 또한, 상기 홀 구조체(241)들은 수소 유동관(240)의 하부에 수직 방향으로 그리고 수소 공급관(240)의 상부에 수직 방향으로 제공된다.
수소 유동관(240)의 단부가 폐쇄되어 있다는 점에 유의한다. 가스들은 단부를 폐쇄하지 않고 혼합될 수 있지만, 상기 단부를 폐쇄함으로써, 공기 유동관(250) 안으로의 홀 구조체들을 통하는 수소 오프-가스의 유동이 강화되어, 수소 오프-가스 및 공기 오프-가스가 보다 격렬하게 충돌하게 됨으로써, 난류가 생성되고 희석이 촉진되게 된다.
도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 수소 유동관(240)은 지지 구 조체(242) 등에 의해 수직 방향으로 공기 유동관의 하부 및 상부 이외의 상기 공기 유동관(250)의 벽면상에 지지된다. 보다 상세하게는, 수소 유동관(240)은 공기 유동관(250)의 내부 벽의 측면 상의 오프셋 위치에서 지지 구조체에 의해 지지된다. 하지만, 수소 유동관이 큰 강성을 가지거나 희석장치(100d)의 길이가 제한되는 경우에는, 상기 지지 구조체가 제공될 필요가 없음에 유의한다.
공기 유동관(250) 내에 함유된 수소 유동관(240)의 부피는 연료 전지의 저부하 작동 시에 생성되는 퍼지 가스량보다 적게 설정된다.
제1실시예와 유사한 이러한 구성예에서, 제어 유닛(300)(도 5 참조)이 퍼징 작업 시에 수소 오프-가스를 공급하도록 차단 밸브(209)를 개방하는 경우, 공기 전극 시스템에서의 압력 제어 밸브(223)는 공기유량을 증가시키기 위한 퍼징 작업의 타이밍에 따라 제어된다. 희석장치(100d)에서는, 차단 밸브(209)로부터 공급되는 수소 유동 T1이 도 8에 도시된 바와 같이 수소 유동관(240) 안으로 유동한다. 홀 구조체(241)들은 이 경우에 수소 유동관(240) 내에 제공되므로, 수소 유동 T1은 전체 길이의 수소 유동관(240)에 걸쳐 홀 구조체(241)들을 통해 점진적으로 분기되고, 공기 유동관(250)을 통과하는 기류 t3와 상이한 방향으로, 바람직하게는 기류 t3와 거의 직각인 방향으로 수소 분기류 T2의 형태로 유동한다.
한편, 공기 오프-가스의 기류 t3는 수소 유동관(240) 주위에서 유동하므로, 상기 수소 유동관(240) 주위에서 방출된 수소 분기류 T2와 충돌하게 되어 난류를 발생시키게 된다. 상기 수소 오프-가스 및 공기 오프-가스는 이러한 난류에 의해 혼합 및 희석된다.
제1실시예와 유사한 이러한 실시예에서는, 액체 배출구가 공기 유동관(250) 내부에 제공되는 것이 바람직하다. 액체 배출구를 제공함으로써, 집성되는 가스 내에 함유된 액체 성분 등이 공기 유동관(250) 내부에 축적되지 않고 배출될 수 있다.
또한, 제2실시예와 유사한 상기 실시예에서는, 휨부가 전체 수소 유동관(240) 또는 공기 유동관(250) 내에 제공되는 것이 바람직하다. 휨부를 제공함으로써, 가스 유동 내에 소요(disturbance)가 생성될 수 있어, 난류의 발생을 촉진시키고 가스들의 혼합을 촉진시키게 된다.
상술된 제3실시예에 따르면, 수소 유동관(240)을 둘러싸고 있는 공기 유동관(250)이 제공되고, 두 관들이 서로 거의 평행하게 배치되어 있다. 그 결과, 수소 오프-가스가 수소 농도의 국부화된 불균일성이 억제될 수 있는 방식으로 공기 오프-가스와 혼합되어, 희석 성능의 개선을 가능하게 한다.
하나의 관이 다른 것에 의해 둘러싸여진 구조로 인하여, 수소 유동관(240)의 길이가 소정 정도로 고정되는 경우에 공기 유동관(250) 내에서 긴 영역에 걸쳐 수소가 희석될 수 있다. 그 결과, 단위 길이당 수소 오프-가스의 양이 종래의 장치들보다 크게 감소될 수 있는데, 이는 안정성의 관점에서 바람직하다.
또한, 수소 유동관(240)은 공기 유동관(250)의 내부에 수용되기 때문에, 희석장치 또는 혼합장치를 위한 별도의 공간을 제공할 필요가 없게 되어, 공간을 절약할 수 있게 된다.
또한, 이러한 구성예에 따르면, 자연적으로 수증기를 함유하는 수소 오프-가 스는 공기 유동관(250) 내에 포락된 수소 유동관(240)을 통과한다. 공기 오프-가스는 소정의 반응 열량을 수용하고, 이러한 공기 오프-가스 내의 열은 수소 유동관(240) 내에 함유된 수증기가 어는 것을 막을 수 있다. 그 결과, 수증기가 얼어 유동관이 차단되는 것과 같은 상황들을 피할 수 있게 되는데, 이는 안정성의 관점에서도 바람직하다.
또한, 이러한 구성예에 따르면, 수소 유동관(240)을 통해 확산되는 가스 유동의 소리가 큰 경우에도, 수소 유동관(240)의 외부는 공기 유동관(250)의 관 벽에 의해 커버되어, 바람직한 소음 방지 효과가 성취된다.
또한, 상기 구성예에 따르면, 수소 유동관(240)을 통과하는 수소 오프-가스의 농도가 높다. 하지만, 수소 유동관(240)의 외부는 공기 유동관(250)의 관 벽에 의해 커버되어, 수소 오프-가스가 점화되더라도 안정성이 보장될 수 있게 된다.
또한, 확산 구조체로서 역할을 하는 홀 구조체(241)들이 개방되어 수소 오프-가스가 공기 오프-가스의 유동 방향과 거의 직교 방향으로 유동하도록 한다. 그 결과, 수소 오프-가스가 공기 오프-가스와 직교하여 유동하므로, 상기 공기 오프-가스와 충돌하여 난류를 발생시키게 되고, 이에 따라 희석 성능의 개선이 예상될 수 있다.
더욱이, 상기 홀 구조체(241)는 단위 면적당 홀 개방 전체 면적이 수소 오프-가스 유동 방향의 하류 측을 향해 증가하도록 제공되므로, 수소 오프-가스의 농도가 수소 유동관(240)의 상류 측을 향해 증가하고, 하류 측을 향해 감소하게 된다. 따라서, 홀 구조체(241)들로부터 수소 오프-가스가 밖으로 유동할 때, 혼합된 가스 의 수소 오프-가스의 농도는 모든 장소에서 균일하게 될 수 있어, 공기 유동관(250) 내의 수소 오프-가스 농도의 불균일성을 억제하게 되는데, 이는 수소를 취급할 때에 안정성의 관점에서 바람직하다.
또한, 홀 구조체(241)들이 수직 방향으로 수소 유동관(240)의 하부에 제공되므로, 수소 유동관(240) 내에 집성되는 액체가 상기 수소 유동관(240) 내에 축적되지 않고 외부로 배출될 수 있게 된다.
상기 홀 구조체(241)들은 또한 수직 방향으로 수소 유동관(240)의 상부에 제공되므로, 수소 오프-가스가 외부로, 즉 다시 말해 공기 유동관(250) 안으로 배출될 수 있고, 상기 수소 유동관(240)의 루프 부근에 축적되지 않고도 공기 오프-가스와 혼합될 수 있다.
상기 수소 유동관(240)은 지지 구조체(242)에 의해 공기 유동관(250) 내에 지지되므로, 공기 유동관(250)의 하부 및 상부 이외의 위치들을 수직 방향으로 피하게 된다. 그 결과, 수소 유동관(240)이 가스 농도가 쉽게 상승하는 공기 유동관(250)의 루프부와 베이스부 및 상기 가스 내에 함유된 액체 성분들이 손쉽게 축적되는 베이스부를 피하여, 가스 희석 성능의 개선을 가능하게 한다.
더욱이, 공기 유동관(250) 내부에 제공되는 수소 유동관(240)의 부피는 연료 전지의 저부하 작동 시에 생성되는 퍼지 가스량보다 적게 설정되므로, 퍼징 작업 시에 도입되는 수소 오프-가스가 공기 유동관(250) 내부에 축적되지 않을 수 있다. 그 결과, 수소 오프-가스는 항상 희석 후에 외부로 배출될 수 있고, 혼합 성능이 개선될 수 있다.
또한, 제어 유닛(300)은 수소 오프-가스가 공급되는 타이밍에 따라 혼합될 공기 오프-가스의 유량을 증가시킬 수 있으므로, 희석되어 혼합된 가스의 혼합비가 고르게 이루어질 수 있어, 혼합 성능의 개선을 가능하게 한다.
제3실시예의 수정된 예시로서, 도 10에 측면도로 도시된 바와 같이, 홀 구조체(241)들의 열(row)보다는 오히려 분산된 홀 구조체(243)들을 포함하여 이루어지는 희석장치(100e)가 제공될 수 있다는 점에 유의한다. 이 경우에도 마찬가지로, 홀 구조체들은 단위 면적당 전체 개구 면적이 하류 측을 향해 증가하도록 형성되는 것이 바람직하다.
또다른 수정된 예시로서, 도 11에 단면도로 도시되어 있는 바와 같이, 지지 구조체를 이용하여 공기 유동관(250)의 중앙부 내에서 수소 유동관(240)이 지지될 수도 있다. 이러한 구조에 의하면, 공기 오프-가스의 유속이 최고인 벽으로부터 먼 중앙부 안으로 상기 오프-가스의 유동 방향과 거의 직각인 방향으로 수소 오프-가스가 배출된다. 그 결과, 두 가스들이 격렬하게 충돌하므로, 상기 가스들의 혼합 및 희석이 촉진될 수 있다.

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 제1가스 및 제2가스를 혼합하기 위한 가스 처리 장치에 있어서,
    상기 제1가스가 유동하는 제1유로; 및
    상기 제2가스가 유동하는 제2유로를 포함하되, 상기 제2유로는 상기 제1유로의 일부분을 둘러싸서 상기 제2가스가 상기 제1유로 주위에서 유동하도록 하며,
    상기 제2유로에 의해 둘러싸인 상기 제1유로의 상기 일부분 또는 전부에는, 상기 제1가스를 외부로 확산시키는 확산 구조체가 제공되고, 상기 확산 구조체는 상기 제2유로에 의해 둘러싸인 상기 제1유로의 상기 일부분의 전체 길이에 걸쳐 제공되고,
    상기 제2유로에는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동 방향과 평행하지 않은 방향으로 도입시키는 유입구가 제공되되, 상기 유입구는 상기 제1가스를 상기 제2유로의 축 중심으로부터 오프셋 위치로 유동시킬 수 있도록 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 확산 구조체는 상기 제1유로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동방향과 상이한 방향으로 방출하는 복수의 홀 구조체인 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제2유로의 하부에는 상기 제2유로의 수직 방향으로 액체 배출구가 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2유로는 상기 가스들을 교반시키는 교반 부재를 상기 제2유로의 일부 또는 전부에 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교반 부재는 상기 제2유로를 통하는 가스 유동 방향의 하류 측에 배치되고, 상기 제2유로를 통하는 가스 유동 방향의 상류 측에 공간이 형성되며,
    상기 액체 배출구는 상기 공간의 하부에 상기 공간의 수직 방향으로 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 교반 부재는 유리솜(glass wool)인 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제3항에 있어서,
    상기 홀 구조체들은, 단위 면적당 전체 홀 개구 면적이 상기 제1가스의 유동 방향의 하류 측을 향해 더욱 커지도록 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  12. 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 홀 구조체들은 적어도 상기 제1유로의 하부에 상기 제1유로의 수직 방향으로 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  13. 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 홀 구조체들은 적어도 상기 제1유로의 상부에 상기 제1유로의 수직 방향으로 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  14. 제2항, 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 확산 구조체는 상기 제1유로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스의 유동 방향과 거의 직교 방향으로 방출하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  15. 제2항, 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1유로 및 상기 제2유로 중 하나 이상은 관 형태를 가지고, 두 유로들은 상기 두 유로들의 축선들이 거의 평행을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  16. 제2항, 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1유로는 상기 제2유로의 하부 및 상부 이외의 위치에 상기 제2유로의 수직 방향으로 제공되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  17. 삭제
  18. 제2항, 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1유로 및 상기 제2유로 중 하나 이상은 휨부(bent portion)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  19. 제2항, 제3항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1가스를 공급하도록 구성된 제1가스 공급 수단 및 상기 제2가스를 공급하도록 구성된 제2가스 공급 수단을 더 포함하고,
    상기 제2가스 공급 수단은, 상기 제1가스가 상기 제1가스 공급 수단으로부터 공급되는 타이밍에 따라 상기 제2가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
  20. 연료 전지 시스템에 사용하기 위한 제19항에 따른 가스 처리 장치에 있어서,
    상기 제1가스는 상기 연료 전지 시스템으로부터 배출되는 수소 가스이고, 상기 제2가스는 상기 수소 가스를 희석시키는 공기이며,
    상기 제2유로의 부피는 상기 연료 전지의 저부하 작동 시에 생성되는 퍼지 가스량보다 적게 설정되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 장치.
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