KR100985142B1 - 가스희석기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 가스희석기는, 제1가스가 제2가스와 혼합되어 상기 제1가스의 농도를 줄이게 되는 희석실(1A, 1B, 1C); 상기 희석실(1A, 1B, 1C)이 직렬로 연결되는 연결통로(L11, L12); 제1가스가 희석실(1A, 1B, 1C)로 분배되는 분기통로(L2, L21, L22, L23); 제2가스가 직렬로 연결된 희석실(1A, 1B, 1C)의 일 단부에 위치하는 희석실(1A) 안으로 도입되는 도입통로(L10); 및 제1가스를 제2가스와 혼합시켜 얻어지는 가스가 직렬로 연결된 희석실(1A, 1B, 1C)의 타 단부에 위치하는 희석실(1C)로부터 배출되는 배출개구(L13)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

가스희석기{GAS DILUTER}
본 발명은 가스희석기(gas diluter)에 관한 것이다.
가스희석기는 가스의 농도를 희박하게 하기 위한 장치이다. 하지만, 가스희석기를 필요로 하는 다양한 대상들이 있는데, 예컨대 그 적용 대상으로서 연료전지를 들 수 있다.
연료전지에 있어서, 연료극(fuel electrode)의 상류측에 도입되는 수소는 상기 연료극의 표면 상에 제공되는 통로를 통과하여 하류에서 확산된다. 연료극에 있어서, 상기 수소는 프로톤(proton)과 전자로 분리되되, 상기 프로톤은 폴리머멤브레인 및 상기 극 내의 공기극(air electrode)을 향해 확산되는 한편, 상기 전자는 외부회로로부터 공기극에 도달한다. 그 후, 산소, 프로톤 및 전자들은 공기극 내의 반응으로 인해 결합되어 물을 생성하게 된다. 이러한 반응이 계속됨에 따라, 전류가 외부회로로 흐르고, 전력이 부하에 공급된다.
이 경우, 연료극으로 공급되는 수소가 완전히 소비되지는 않는 한편, 상기 수소의 일부는 연료극의 표면 상의 통로를 통과한 다음, 상기 연료극의 하류에 제공된 배출통로로부터 배출된다. 공지된 시스템은, 연료극의 하류측이 수소의 배출을 억제하기 위해 폐쇄되는 연료전지시스템이다. 또한, 공지된 또다른 연료전지는 상기 연료극의 하류측으로부터 배출되는 수소를 다시 상류측을 향해 순환시키는 순환형 연료전지이다.
어떠한 방식의 연료전지에서도, 연료전지 내의 반응의 오염물로서 생성되는 수증기, 연료극측의 통로 및 상기 연료극 내에서의 상기 공기극으로부터 상기 연료극을 향한 질소의 투과 등으로 인하여, 연료가스가 수소 이외의 불순물 비율의 계단식 증가를 가진다. 만일 연료가스 내의 불순물이 증가한다면, 연료극의 표면과 접촉하게 되는 수소의 밀도가 감소하게 되어, 프로톤의 발생량이 감소됨으로써, 충분한 전력 발생의 디스에이블 상태(disabled state)를 초래한다. 그러므로, 연료전지시스템에서는, 일반적으로 배출밸브가 연료극의 하류에 제공되어, 연료전지의 발전량, 출력전압 등의 상태를 검출하면서 소정의 시간간격으로 개폐된 다음, 수소가스가 연료극측으로 공급되고, 불순물을 함유하는 연료가스가 배출된다(이하, "퍼징(purging)"이라고 함). 이 경우에는, 배출될 연료가스 내에 함유된 수소의 밀도가 가연농도(flammability concentration)보다 낮거나 같도록 수소가 희석될 필요가 있다.
이러한 경우로는, 예컨대 일본특허공개공보 제2005-11640호에 연료전지를 퍼징하는 수소가스를 캐소드오프가스(cathode off-gas)와 혼합하여 상기 수소를 희석시키는 기술이 개시되어 있다. 또한, 또다른 공지된 기술은 연료전지를 퍼징하는 수소를 희석하기 위한 희석장치에 있어서, 배출수소량에 대응하는 희석공기가 공급되어, 희석 이후의 수소의 농도가 가연농도에 도달하지 않도록 하는 것이다(예컨대, 일본특허공개공보 제2004-127621호 참조).
하지만, 불순물의 연료전지를 퍼징하는 작업, 즉 연료극측의 오프-가스를 배출하는 것이 간헐적으로 실시되었다. 그러므로, 희석기에 의해 희석되는 오프-가스 내에 함유된 수소의 농도는 상기 희석기 안으로 유동하는 수소의 농도의 변동에 의해 크게 변동한다. 이에 따라, 최대배출량의 가정에 기초한 디자인에서는, 상기 희석기의 용량이 통상적으로 필요한 용량에 비해 매우 커지게 된다.
다른 한편으로, 배출수소량에 대응하는 희석공기의 공급을 위한 시스템은 공기의 공급을 위한 과잉량의 전력, 예컨대 에어컴프레서에서 소비되는 전력을 수반함으로써, 발전 효율의 저하를 초래하게 된다.
본 발명은 이러한 종류의 종래의 희석기의 문제점들을 해결하고자 고안되었다. 본 발명의 목적은 가스를 간단하면서도 효율적으로 희석시키는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술된 문제점들을 해결하기 위해 다음과 같은 수단을 채택한다. 즉, 본 발명은 제1가스를 제2가스와 혼합하기 위한 가스희석기에 있어서, 상기 제1가스가 유동하는 경로를 각각 가지며, 상기 제1가스의 도입을 수용하여, 도입 이후의 상기 제1가스의 통과 시간의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로(상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간이 서로 상이한 복수의 통로); 및 상기 복수의 통로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하는 혼합수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 "통과 시간"은 예컨대 통로의 각각의 가스유입구로부터 혼합실까지 연장되는 통로를 가스가 통과하는 시간을 내포한다. 이러한 유형의 통로는, 각각의 통로를 통과하는 가스가 가스유입구로부터 혼합실에 도달할 때 타이밍의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로라고 말할 수 있다. 즉, 상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간은, 복수의 통로 간 서로 상이하게 설정된다.
상기 희석기에 있어서, 통과 시간의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로를 통과하는 제1가스는 제2가스와 혼합된다. 즉, 제1가스는 각각의 통로로 분리되어, 상기 제1가스의 분리된 유동이 상이한 타이밍으로 제2가스와 혼합되게 된다. 이에 따라, 가스를 간단하면서도 효과적으로 희석시킬 수 있게 된다.
여기서, 상기 복수의 통로는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하여 상기 제1가스의 농도를 감소시키는 복수의 희석실; 상기 복수의 희석실을 직렬로 연결시키는 연결통로; 및 상기 복수의 희석실 안으로의 분배 시에 상기 제1가스를 도입하는 분기통로를 포함할 수도 있고, 상기 혼합수단은 직렬로 연결된 상기 복수의 희석실의 일 단부에 위치한 하나의 희석실 안으로 상기 제2가스를 도입하는 도입통로; 및 직렬로 연결된 상기 복수의 희석실의 타 단부에 위치한 나머지 다른 하나의 희석실로부터 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 배출시키는 배출구를 포함할 수도 있다.
상기 희석기는, 제1가스가 각각의 희석실 안으로의 분배 시에 도입된 다음 제2가스와 혼합되는 직렬로 연결된 복수의 희석실을 구비한다. 후속해서, 직렬로 연결된 복수의 희석실에서는, 혼합가스가 타 단부에 위치한 희석실로부터 배출되므로, 상기 제1가스가 복수의 희석실 안으로 분배되어, 상이한 타이밍으로 연결통로를 통해 배출된다.
또한, 상기 복수의 통로는, 상기 제1가스를 확산시키기에 충분한 제1경로길이를 갖는 제1통로; 및 상기 제1통로로부터 분기되고 제2경로길이를 갖는 제2통로를 포함할 수도 있고, 상기 혼합수단은 상기 제2가스의 도입을 수용하는 도입통로; 상기 제1통로 또는 상기 제2통로를 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부(converging portion); 및 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함할 수도 있다. 이러한 구성에서도, 상기 제1가스는 상이한 경로길이를 갖는 두 통로 안으로 분배되어, 상이한 타이밍으로 배출되게 된다.
또한, 상기 복수의 통로는, 제1경로길이를 갖고 상기 제1가스를 확산시키는 제1통로; 및 상기 제1통로로부터 분기되고, 서로 상이한 제2경로길이들을 갖는 복수의 제2통로를 포함할 수도 있고, 상기 혼합수단은, 상기 제2가스를 도입하는 도입통로; 상기 제1통로와 상기 복수의 제2통로들 중 여하한의 것을 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부; 및 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함할 수도 있다. 이러한 구성에서도, 상기 제1가스는 상이한 경로길이를 갖는 복수의 통로 안으로 분배되어, 상이한 타이밍으로 배출되게 된다.
또한, 상기 복수의 통로는, 경로의 시점(start point) 및 상기 경로의 중도(midway)에 상기 제1가스가 도입되는 복수의 유입구가 제공되는 제1통로; 및 상기 제1통로의 유입구 각각으로의 분배 시에 상기 제1가스를 도입하는 분기통로를 포함할 수도 있고, 상기 혼합수단은 상기 제2가스를 도입하는 도입통로; 상기 제1통로를 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부; 및 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함할 수도 있다. 이러한 구성에서도, 상기 제1가스는 상이한 경로길이를 갖는 복수의 통로 안으로 분배되어, 상이한 타이밍으로 배출되게 된다.
더욱이, 상기 제1가스는 연료전지로부터 배출되는 배출가스일 수도 있고, 수소가 간헐적으로 퍼징되는 연료전지에 적용될 수도 있다.
본 발명은 가스를 간단하면서도 효율적으로 희석시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 희석기의 구성도;
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 희석기의 구성도; 및
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 희석기의 구성도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최적의 방법(이하, 일 실시예라고 함)을 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 후술하는 실시예들의 구성은 예시로서, 본 발명이 본 실시예들의 구성으로 제한되는 것은 아니다.
<< 제1실시예 >>
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 희석기를 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 제1실시예에 있어서, 상기 희석기는 연료전지의 연료극측으로부터 배출되는 오프-가스의 희석에 적용된다.
도 1은 제1실시예에 따른 희석기의 구성도이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 상기 희석기는 (본 발명에 따른 연결통로에 대응하는) 통로(L11, L12)를 통해 서로 3개의 희석실(1A, 1B, 1C)을 연결하는 (본 발명에 따른 복수의 통로에 대응하는) 구조를 가진다. 후술하는 설명에서는, 일반적으로 희석실(1A, 1B, 1C)을 간단히 희석실(1)이라고 한다.
제1실시예에 있어서, 희석실(1) 및 통로(L11, L12)의 재질은 특별히 제한되지 않는다. 하지만, 바람직한 재질로는 예컨대 녹에 강한(hard-to-rust) 금속(스테인리스강, 알루미늄 등), 세라믹, 자기재(porcelain materials) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 통로(L11, L12)는 수지와 같은 고분자 재료로 이루어질 수도 있다.
더욱이, 도 1은 입방체 및 직방체와 같은 직사각형의 단면을 갖는 하우징으로 구성된 희석실을 예시하고 있다. 하지만, 본 발명의 구현이 상기 희석실의 모양으로 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 희석실의 내부면 또는 외부면 상에 만곡부를 구비하여 어떠한 불편함도 야기하지 않을 수도 있다.
상기 희석실(1A, 1B, 1C)은 통로(L11, L12)를 통해 서로 연결되어 있다. 상기 통로(L11)는 예컨대 배관에 의해 형성된다. 상기 통로(L11)의 희석실(1A)측의 일 단부는 희석실(1A) 안으로 얕게 삽입된다. 다른 한편으로, 상기 통로(L11)의 희석실(1B)측의 일 단부는 희석실(1B) 안으로 (상기 희석실(1A)측의 일 단부보다) 깊게 삽입된다. 상기 통로(L12)의 희석실(1B)측의 일 단부는 희석실(1B) 안으로 얕게 삽입된다. 다른 한편으로, 상기 통로(L12)의 희석실(1C)측의 일 단부는 희석실(1C) 안으로 (상기 희석실(1B)측의 일 단부보다) 깊게 삽입된다.
또한, 직렬로 연결된 희석실(1A, 1B, 1C) 가운데, (본 발명에 따른 도입통로에 대응하는) 공기도입용 통로(L10)는 도 1의 좌측으로부터 상류에 배치된 희석실(1A)까지 연결된다. 상기 통로(L10)의 우측단부는 희석실(1A) 안으로 깊게 삽입되고, 그 어퍼처(aperture; L101)는 상기 통로(L11)의 좌측단부에 형성된 어퍼처(L111)로부터 소정의 거리로 면대면 관계(face-to-face relationship)로 이격된다.
이와 유사하게, 희석실(1B) 내에서는, 상기 통로(L11)의 우측단부에 형성된 어퍼처(L112)가 상기 통로(L12)의 좌측단부에 형성된 어퍼처(L121)로부터 소정의 거리로 면대면 관계로 이격된다. 더욱이, (본 발명에 따른 배출구에 대응하는) 배기용 통로(L13)는 가장 하류에 배치된 희석실(1C)의 우측벽부에 연결된다. 상기 통로(L13)의 좌측단부는 상기 희석실(1C) 안으로 얕게 삽입된다. 그리하여, 상기 희석실(1C) 내에서는, 상기 통로(L12)의 우측단부에 형성된 어퍼처(L122)가 배기용 통로(L13)의 좌측 상의 어퍼처(L131)로부터 소정의 거리로 면대면 관계로 이격된다. 상기 통로(L10, L13)는 본 발명에 따른 혼합수단에 대응한다.
또한, 상기 통로(L2)로부터 분기되는 분기통로(L21, L22, L23)는 각각 상기 희석실(1A, 1B, 1C)에 연결되어 있다. 상기 통로(L2) 및 분기통로(L21, L22, L23)는 조합되어 (본 발명에 따른 분기통로에 대응하는) 분기통로(L2)라고 한다. 상기 통로(L1)는 분기통로(L2)의 상류측 상의 배기밸브(2)를 통해 연결된다.
상기 통로(L1)는 예시되지 않은 연료전지의 연료극측 상의 배출부에 연결된다. 상기 통로(L1, L10, L13) 및 분기통로(L2)의 재질은 상기 통로(L11)와 동일하다.
(본 발명에 따른 제어밸브에 대응하는) 배기밸브(2)는 밸브개방상태와 밸브 폐쇄상태를 갖는 소위 컷오프밸브(cutoff valve)이다. 상기 배기밸브는 예시되지 않은 ECU(Electronic Control Unit)에 의해 소정의 시간 간격으로 개폐된다. 또한, 상기 ECU는 연료전지의 상태, 즉 상기 연료전지의 출력전압, 연료극측의 수소농도 등을 모니터링하여, 그 검출된 값이 소정 범위의 값에 도달하는 경우(출력 전압 또는 수소의 농도가 현저하게 감소하는 경우), 상기 배기밸브(2)를 개폐시킬 수도 있다.
상술된 이러한 구성에 의하면, 배기밸브(2)로부터 배출되는 연료극측의 오프-가스가 통로(L2) 및 분기통로(L21, L22, L23)를 통해 유동하여, 상기 희석실(1A, 1B, 1C) 내에서 각각 확산된다.
다른 한편으로, 상기 통로(L10)로부터 도입되는 공기는 상기 통로(L10)와 통로(L11) 사이의 이격된 영역을 통과하여, 상기 통로(L11) 안으로 유입된다. 이와 유사하게, 상기 통로(L11) 안으로 유입되는 공기는 상기 통로(L11)와 통로(L12) 사이의 이격된 영역을 통과하여, 상기 통로(L12) 안으로 유입된다. 더욱이, 상기 통로(L12) 안으로 유입되는 공기는 희석실(1C) 내에서 상기 통로(L12)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역을 통과하여, 상기 통로(L13) 안으로 유입된다. 그 결과, 통상적인 상태에서, 상기 통로(L10, L11, L12, L13) 내의 가스의 많은 부분을 공기가 차지한다.
이에 따라, 배기밸브(2)로부터 배출되는 수소가 통로(L2), 분기통로(L21, L22, L23) 및 희석실(1A, 1B, 1C) 내에 지체되고, 상기 수소의 일부가 상기 통로(L10)와 통로(L11) 사이의 이격된 영역, 상기 통로(L11)와 통로(L12) 사이의 이 격된 영역 및 통로(L12)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역의 공기의 흐름과 혼합된 다음, 상기 어퍼처(L111, L121, L131)로부터 상기 통로(L11, L12, L13) 내에서 확산된다.
그리하여, 배기밸브(2)가 개방될 때의 타이밍으로, 농도가 비교적 높은 수소를 함유하는 오프-가스가 통로(L2) 안으로 배출되어, 지체하는 오프-가스는 분기통로(L21, L22, L23)로부터 희석실(1A, 1B, 1C) 안으로 배출되게 된다. 이는 희석실(1A, 1B, 1C) 내에서부터 어퍼처(L111, L121, L131)를 통과하여 상기 통로(L11, L12) 내의 가스와 혼합되는 수소의 비율의 증가를 초래한다.
그래프 G1은 상기 통로(L11) 내의 수소 농도의 변화의 일 례를 보여준다. 배기밸브(2)가 개폐됨에 따라, 상기 통로(L11) 내의 수소 농도는 급격하게 상승한 다음, 계단식으로 감소한다.
상기 그래프 G1에 도시된 것과 동일한 현상이 통로(L12, L13)에서도 발생한다. 이 경우, 상기 통로(L13)로부터 배출되는 가스에 함유된 수소의 농도는 그래프 G2에 예시되어 있다. 상기 그래프 G2에서 실선은 제1실시예에 따른 희석기에 의해 통로(L13)로부터 배출되는 가스의 수소 농도를 나타낸다.
상술된 바와 같이, 배기밸브(2)가 개방됨에 따라 유입되는 오프-가스에 의하면, 희석실(1A, 1B, 1C) 내의 오프-가스들은 실질적으로 동일한 타이밍으로 통로(L11, L12, L13) 안으로 유입된다. 이에 따라, 상기 희석실(1C)로부터 상기 통로(L13) 안으로 유입되는 오프-가스가 가장 빨리 배기된다(이는 그래프 G2의 피크 P1에 대응됨). 후속해서, 희석실(1B)로부터 통로(L12) 안으로 유입되는 오프-가스 는 통로(L13)를 통해 배기된다(이는 그래프 G2의 피크 P2에 대응됨). 마지막으로, 희석실(1A)로부터 통로(L11) 안으로 유입되는 오프-가스는 상기 통로(L12) 및 통로(L13)를 통해 배기된다(이는 그래프 G2의 피크 P3에 대응됨).
이에 따라, 희석기에 의해 희석된 오프-가스의 수소 농도에 대해서는, 수소의 최고농도점이 그래프 G2의 실선으로 표시된 바와 같이, 3개의 피크 P1, P2, P3으로 분산되어 있다.
단일 희석실로 구성된 종래의 희석기는, 그래프 G2의 점선으로 표시된 바와 같이, 수소 농도의 단일 피크 P0를 가진다. 이 경우, 희석실이 적은 용량을 갖도록 디자인된다면, 최대 배출 시, 피크 P0에서 수소 농도가 가연농도를 초과할 가능성이 발생할 수도 있다. 그러므로, 종래의 디자인은 최대 배출의 경우를 예측하도록 하기 위해 충분히 큰 희석실을 설정하게끔 되어 있다.
상기 희석기에는, 가스가 가스유입구(예컨대, 배기밸브(2)의 위치)로부터 위치, 즉 수소가 공기와 혼합되는 희석실(예컨대, 도 1의 경우에는 제3희석실(1C))에 도달하는 시간 주기의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로가 제공된다. 도 1의 경우에는, 제1통로가 배기밸브(2)로부터 통로(L2, L23)를 통해 희석실(1C)까지 연장되는 통로이다. 또한, 제2통로는 배기밸브(2)로부터 통로(L2, L22)와 희석실(1B)을 통해 희석실(1C)까지 연장되는 통로이다. 또한, 제3통로는 배기밸브(2)로부터 통로(L2, L21)와 희석실(1A, 1B)을 통해 희석실(1C)까지 연장되는 통로이다. 3가지 통로는, 각각의 통로를 통과하는 가스가 가스유입구로부터 혼합실에 도달하는 타이밍의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로라고 말할 수 있다. 상술된 농도는 수소 농 도의 피크를 분산시키므로, 상기 희석기가 종래 기술에 의한 것보다 적은 용량을 가지고 가연농도보다 낮은 수소 농도의 농도까지 상기 수소를 희석시킬 수 있게 된다.
상기 3개의 희석실(1A, 1B, 1C)은 제1실시예에 제공된다는 점을 유의한다. 하지만, 본 발명의 구현에 있어서, 희석실의 수가 "3"으로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 2개의 희석실이 제공될 수도 있고, 4이상의 희석실이 제공될 수도 있다.
<< 제2실시예 >>
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 희석기를 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 상기 제1실시예는 복수의 희석실(1A 등)을 통로(L11 등)를 통해 직렬로 연결시키는 방식으로 배출될 가스의 수소 농도의 피크를 분산시키는 희석기를 예시하였다.
제2실시예에서는, 상이한 경로길이를 갖는 복수의 통로들이 하나의 희석실 내에 제공된다. 그리하여, 오프-가스가 분기하여 이들 통로를 통과함으로써, 상기 수소의 농도의 피크를 분산시키는 희석기를 예시하게 될 것이다. 여타의 구성과 동작들은 제1실시예에서와 동일하다. 여기서는, 제1실시예에서와 동일한 구성요소들을 동일한 부호와 도면번호들로 표시하고, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 제2실시예의 희석기의 개념도를 예시하고 있다. 도 2에서와 같이, 희석기는 단일 희석실(1)을 구비한다. 희석실(1) 내에서는, 벽부재(W)(W는 W1 ~ W4의 일반적인 부호임)를 통해 상기 통로가 복수의 통로(F1, F2, F3)로 분기된다.
도 2는 상기 희석실(1)의 병렬로 배치된 측벽들의 내부면(지면 위에서 볼 때 상부면과 하부면)에 고정되도록 도면의 지면 위에서 볼 때 벽부재(W)가 수직방향으로 직립된 희석실(1)의 단면도를 보여준다. 이에 따라, 상기 벽부재(W)는 희석실(1)을 통로(F1, F2, F3)의 공간들로 분할한다.
도 2에서와 같이, (본 발명에 따른 제1통로에 대응하는) 통로(F1)는 통로(L10)와 실질적으로 평행하게 평탄한 벽부재(W1)를 따라 형성된다. 또한, 평행한 두 벽부재(W1, W2) 사이에 개재된 (본 발명에 따른 제2통로에 대응하는) 통로(F2)는 상기 벽부재(W1, W2)로부터 빗과 같은 모양으로 번갈아 돌출되는 돌출된 벽(W3)을 따라 지그재그로 형성된다. 상기 통로(F1, F2)는 본 발명에 따른 복수의 통로에 대응한다. 그러므로, 통로(F2)는 그 경로길이가 통로(F1)보다 길다. 더욱이, 통로(L10)와 실질적으로 평행한 벽부재(W2)와 희석실의 측벽(W5)의 내부면 사이에 개재된 (본 발명에 따른 복수의 제2통로에 대응하는) 통로(F3)는 상기 벽부재(W2)로부터 그리고 상기 측벽(W5)의 내부면으로부터 빗과 같은 모양으로 번갈아 돌출되는 돌출된 벽(W4)을 따라 지그재그로 형성된다. 그리하여, 돌출된 벽(W4)들간의 간격은 돌출된 벽(W3)들간의 간격보다 짧다. 이에 따라, 상기 통로(F3)는 그 경로길이가 통로(F2)보다 훨씬 더 길다.
공기는 통로(L10) 내에서 유동한다. 상기 통로(L10)의 일 단부는 배기측의 통로(L13)의 일 단부를 향하되, 소정의 이격된 영역이 희석실(1) 내에서 그 사이에 개재되어 있다.
이러한 구성에 있어서는, 배기밸브(2)로부터 배출되는 오프-가스가 각각 통 로(F1, F2, F3) 안으로 분기되어, 희석실(1) 내에서 확산되게 된다. 그리하여, 상기 통로(F1, F2, F3)는, (본 발명에 따른 합류부에 대응하는) 통로(L10)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역 부근의 일부분에서 서로 상이한 경로길이를 통해 합류한다. 또한, 상기 통로(L1, L13)와 이격된 영역에 인접한 부분은 본 발명에 따른 혼합수단에 대응한다. 그러므로, 상기 배기밸브(2)로부터 배출되는 오프-가스가 상기 통로(F1, F2, F3)를 통해 상이한 타이밍으로 통로(L10)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역에 도달하게 된다. 결과적으로, 제2실시예에 따른 희석기에서는, 개방된 배기밸브(2)로부터 유동하고 있는 고농도의 수소를 함유하는 오프-가스가 상기 통로(F1, F2, F3)에서 분기된 다음에, 공기가 유동하는 통로(L10)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역에 상이한 타이밍으로 도달하므로, 상기 공기의 유동과 혼합되게 된다.
다시 말해, 상기 희석기는, 가스유입구(예컨대, 배기밸브(2)의 위치)로부터 (예컨대 도 2의 경우에 있어서, 통로(L10)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역에 인접한 부분인) 희석실의 수소가 공기와 혼합되는 위치까지 연장되는 경로에 있어 가스통과시간의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로를 포함한다. 이들 통로 또한 가스가 가스유입구로부터 각각의 통로를 통해 혼합실로 유동하는 타이밍의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로라고 말할 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 제2실시예에 따른 희석기는, 제1실시예의 희석기에 의한 것과 동일한 방식으로, 수소 농도의 피크의 발생을 상이한 타이밍으로 분산시킴으로써, 상기 피크 농도를 감소시킬 수 있게 된다.
상기 제2실시예는 통로(F1, F2, F3)를 구비한 희석실을 예시하였다는 점에 유의한다. 하지만, 본 발명의 구현이 이들 통로의 개수로 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 희석실은 오프-가스가 2개의 분기통로를 통해 유동하도록 구성될 수도 있고, 4이상의 분기통로를 포함하도록 구성될 수도 있다.
더욱이, 이용가능한 또다른 기법은, 제1실시예에 따른 희석기의 경우에서와 같이, 제2실시예에 예시된 분기통로를 포함하는 복수의 희석실(1)을 직렬로 연결시켜 희석기를 구성하는 것이다. 즉, 제2실시예에 기술된 희석실(1) 또한 제1실시예에 따른 희석기에 제공된 희석실(1A, 1B, 1C)로서 각각 이용될 수도 있다.
<< 제3실시예 >>
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 희석기를 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 상기 제1실시예는, 배출되는 가스의 수소 농도의 피크가 통로(L11 등)를 통해 복수의 희석실(1A 등)을 직렬로 연결시켜 분산되는 희석기를 예시하였다. 또한, 상기 제2실시예는, 그 경로길이의 관점에서 상이한 복수의 통로가 단일 희석실 내에 제공되고, 수소 농도의 피크의 발생 타이밍이 분산되는 희석기를 예시하였다. 본 실시예에서는, 단일 통로가 하나의 희석실 내에 제공되고, 가스유입구가 상기 통로 상의 상이한 위치에 제공된다. 그리하여, 연료극측으로부터 배출되는 오프-가스가 분기되어, 각각의 가스유입구 안으로 도입된다. 각각의 가스유입구로부터 통로의 터미널까지 연장되는 경로길이가 상이하므로, 상기 통로의 터미널에 도달하는 타이밍이 각각의 가스유입구 안으로 도입되는 모든 가스에 대해 상이하게 된다. 이러한 구성에 의하면, 수소 농도의 피크가 분산되게 된다. 여타의 구성과 동작들은 제1 및 제2실시예에서와 동일하다. 이 경우에도, 제1 및 제2실시예에서와 동일한 구성요소들은 동일한 부호와 도면번호들로 표시하고, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 제3실시예에 따른 희석기의 개념도를 보여준다. 도 3에서와 같이, 희석기는 희석실(1)을 구비한다. 상기 희석실(1)에서는, 통로(F10)가 벽부재(W)를 따라 형성된다. 도 3에서와 같이, 상기 벽부재(W)는 희석실의 좌우측벽(W10, W11)의 내부면으로부터 교대로 돌출되고, 서로를 향하는 대향하는 측벽의 내부면에 근접한 위치까지 연장된다. 따라서, 상기 벽부재(W)는 희석실(1) 내에서 지그재그로 연장되는 (본 발명에 따른 제1통로에 대응하는) 통로(F10)를 형성한다.
상기 희석실(1)의 좌측벽(W10)에는 어퍼처(F111, F121, F131)가 형성된다. 그리고, 상기 측벽(W10)의 배기밸브(2)에 근접한 어퍼처(F111) 부근으로부터 벽부재(W)를 따라 전방으로 연장되고, 면대면 관계로 대향하는 벽(W11)의 내부면 부근에서 그 방향을 선회하여, 상기 측벽(W10)의 내부면에 인접한 위치로 되돌아가는 통로를 통로(F11)라 한다. 또한, 상기 측벽(W10)의 어퍼처(F121) 부근으로부터 벽부재(W)를 따라 전방으로 연장되고, 면대면 관계로 대향하는 벽(W11)의 내부면 부근에서 그 방향을 선회하여, 상기 측벽(W10)의 내부면에 인접한 위치로 되돌아가는 통로를 통로(F12)라 한다. 또한, 상기 측벽(W10)의 배기밸브(2)로부터 가장 멀리 배치된 어퍼처(F131) 부근으로부터 통로(L10)를 따라 전방으로 연장된 통로를 통로(F13)라 한다. 상기 통로(F10)는 부분적인 통로(F11, F12, F13)가 직렬로 연결된 구성을 취한다.
상기 어퍼처(F111, F121, F131)는 (본 발명에 따른 분기통로에 대응하는) 분 기통로(L2)를 통해 배기밸브(2)에 각각 연결되고 상기 통로(F10)의 중점에 제공된다.
상기 제2실시예에서와 동일한 방식으로, 공기는 통로(L10)를 통해 유동한다. 상기 통로(L10)의 어퍼처(L101)는, 상기 희석실(1) 내의 통로(F10)의 터미널 부근에서, 소정의 이격된 영역을 통해 배기용 통로(L13)의 단부의 어퍼처(L131)를 향한다.
어퍼처(F111)로부터 통로(F10)의 터미널까지 연장되는 경로길이는 부분적인 통로(F11, F12, F13)들간의 각각의 연결 길이이다. 또한, 어퍼처(F121)로부터 통로(F10)의 터미널까지 연장되는 경로길이는 부분적인 통로(F12, F13)들간의 연결 길이이다. 또한, 어퍼처(F131)로부터 통로(F10)의 터미널까지 연장되는 경로길이는 부분적인 통로(F13)의 길이이다.
그러므로, 배기밸브(2)로부터 배출되는 오프-가스가 분기되어 분기통로(L2)를 통해 어퍼처(F111, F121, F131) 안으로 도입되면, 상기 오프-가스가 각각의 어퍼처로부터 통로(F10)의 터미널에 도달하는 타이밍이 상이하게 된다. 다시 말해, 상기 어퍼처(F131) 안으로 도입되는 오프-가스는 우선 통로(F10)의 터미널에 도달하여, 상기 통로(F10)와 통로(L12)들 사이의 이격된 영역으로부터 공기의 유동과 혼합하게 된다.
그런 다음, 오프-가스가 통로(F12)에서 퍼지는 시간 지연에 의하여, 상기 어퍼처(F121) 안으로 도입되는 오프-가스가 상기 통로(F10)와 통로(L12)들 사이의 이격된 영역으로부터 공기의 유동과 혼합하게 된다.
최종적으로, 오프-가스가 통로(F11, F12)에서 퍼지는 시간 지연에 의하여, 상기 어퍼처(F111) 안으로 도입되는 오프-가스가 상기 통로(F10)와 통로(L12)들 사이의 이격된 영역으로부터 공기의 유동과 혼합하게 된다.
즉, 상기 희석기에는, 가스유입구(예컨대, 배기밸브(2)의 위치)로부터 (예컨대, 도 3의 경우에는 통로(L10)와 통로(L13) 사이의 이격된 영역에 인접한 부분인) 희석실의 수소가 공기와 혼합되는 위치까지 연장되는 경로에서의 가스통과시간의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로가 제공된다. 이들 통로는, 가스가 가스유입구로부터 각각의 통로를 통해 혼합실로 유동하는 타이밍의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로라고 말할 수도 있다.
따라서, 제3실시예의 희석기는, 제2실시예에서와 동일한 방식으로, 배기밸브(2)의 개방과 함께 수소 농도의 피크의 발생을 상이한 타이밍으로 분산시킬 수 있으며, 상기 피크 농도를 줄일 수도 있다.
상기 제3실시예는, 3개의 통로로 분기되는 분기통로(L12)에 그리고 상기 분기통로에 연결된 부분적인 통로(F11, F12, F13)를 구비한 희석실을 예시하였다는 점에 유의한다. 본 발명의 구현은 이들 분기 개수로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 2개의 통로로 분기되는 구성을 취할 수도 있으며, 4이상의 통로로 분기되는 구성을 취할 수도 있다.
더욱이, 제3실시예에 예시된 바와 같이 분기되는 통로를 포함하는 복수의 희석실(1)을 연결시킴으로써, 상기 제1실시예에 따른 희석기의 경우에서와 같은 구성을 취할 수도 있다. 다시 말해, 제1실시예에 따른 희석기에 제공된 희석실(1A, 1B, 1C)로서 제3실시예에 기술된 희석실(1)이 사용될 수도 있다.
<< 기타 수정예 >>
제1실시예 내지 제3실시예에서는, 예컨대 (도 2 및 도 3과 동일한) 도 1에 예시된 바와 같이, 통로(L10)의 우측단부가 희석실(1A) 안으로 깊게 삽입되고, 어퍼처(L101)가 통로(L11)의 좌측단부에서 어퍼처(L111)로부터 소정의 거리로 이격되도록 희석실이 구성되어 있다. 이는 도 1의 희석실(1B, 1C)과 동일하다. 본 발명의 구현이 이들 희석실의 구성으로 제한되지는 않는다. 예를 들어, 이용가능한 구성은 상기 통로(L10 등)가 희석실(1A 등)의 좌측벽 부근에서 희석실(1) 안으로 직접 개방되는 것이다. 다시 말해, 본 발명의 구현은, 제1실시예 내지 제4실시예에 예시된 바와 같이, 복수의 희석실을 제공하거나(제1실시예) 또는 (주)통로를 복수의 통로로 분기시킴으로써(제2 및 제3실시예), 시간의 관점에서 수소의 배출을 나누는 특성을 갖지만, 예컨대 통로(L10)가 희석실(1A 등) 안으로 얼마나 깊게 삽입되는 정도와 같이, 공기가 유동하는 통로(L10 등)를 제공하는 구성으로 제한되는 것은 아니다.
<< 기타 실시형태 >>
또한, 상기 실시예들은 다음과 같은 실시형태들을 포함한다.
(실시형태 1)
제1가스가 가스통로를 통해 가스유입구로부터 도입되고, 상기 제1가스의 농도는 희석 공간 내에서 제1가스를 제2가스와 혼합시켜 감소되도록 희석기가 구성되되, 상기 가스통로는 상기 제1가스가 가스유입구로부터 희석실에 도달하는 타이밍 의 관점에서 서로 상이한 복수의 통로를 가지는 것을 특징으로 한다.
(실시형태 2)
상기 희석기는 복수의 희석실을 더 구비하되, 복수의 통로 각각은 희석실에 연결되고, 각각의 희석실은 제2가스가 유동하는 연통로를 통해 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 2종 이상의 가스가 혼합되는 일반적인 산업분야에 적용가능하다. 예를 들어, 본 발명은 수소가스와 같은 연료가스가 공기에 의해 가연농도 이하로 희석되는 산업분야에 적용가능하다.

Claims (9)

  1. 연료전지로부터 배출되는 수소를 포함하는 배출가스인 제1가스를, 상기 제1가스를 희석시키는 제2가스와 혼합하여 희석하기 위한 가스희석기에 있어서,
    상기 제1가스가 유동하는 경로를 각각 가지며, 상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간이 서로 상이한 복수의 통로; 및
    상기 복수의 통로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하는 혼합수단을 포함하되,
    상기 복수의 통로는,
    상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하여 상기 제1가스의 농도를 감소시키는 복수의 희석실;
    상기 복수의 희석실을 직렬로 연결시키는 연결통로; 및
    상기 제1가스의 수소를 희석할 때 상기 제1가스를 상기 복수의 희석실 안으로 분배하여 도입하는 분기통로를 포함하고,
    상기 혼합수단은,
    상기 제2가스를 직렬로 연결된 상기 복수의 희석실 중 일 단부에 위치한 하나의 희석실 안으로 도입하는 도입통로;
    직렬로 연결된 상기 복수의 희석실의 타 단부에 위치한 나머지 다른 하나의 희석실로부터 상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 배출시키는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분기통로 안으로의 상기 제1가스의 유입을 제어하는 제어밸브를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  4. 제1가스를 제2가스와 혼합하기 위한 가스희석기에 있어서,
    상기 제1가스가 유동하는 경로를 각각 가지며, 상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간이 서로 상이한 복수의 통로; 및
    상기 복수의 통로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하는 혼합수단을 포함하여 이루어지고,
    상기 복수의 통로는,
    상기 제1가스를 확산시키기에 충분한 제1경로길이를 갖는 제1통로; 및
    상기 제1통로로부터 분기되고 제2경로길이를 갖는 제2통로를 포함하고,
    상기 혼합수단은,
    상기 제2가스의 도입을 수용하는 도입통로;
    상기 제1통로 또는 상기 제2통로를 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부; 및
    상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  5. 제1가스를 제2가스와 혼합하기 위한 가스희석기에 있어서,
    상기 제1가스가 유동하는 경로를 각각 가지며, 상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간이 서로 상이한 복수의 통로; 및
    상기 복수의 통로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하는 혼합수단을 포함하여 이루어지고,
    상기 복수의 통로는,
    제1경로길이를 갖고, 상기 제1가스를 확산시키는 제1통로; 및
    상기 제1통로로부터 분기되고, 서로 상이한 제2경로길이들을 갖는 복수의 제2통로들을 포함하고,
    상기 혼합수단은,
    상기 제2가스를 도입하는 도입통로;
    상기 제1통로와 상기 복수의 제2통로들 중 어느 하나를 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부; 및
    상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 제1통로 안으로의 상기 제1가스의 유입을 제어하는 제어밸브를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  7. 제1가스를 제2가스와 혼합하기 위한 가스희석기에 있어서,
    상기 제1가스가 유동하는 경로를 각각 가지며, 상기 제1가스가 상기 각각의 경로 내에서 유동하는 시간이 서로 상이한 복수의 통로; 및
    상기 복수의 통로를 통과하는 상기 제1가스를 상기 제2가스와 혼합하는 혼합수단을 포함하여 이루어지고,
    상기 복수의 통로는,
    경로의 시점과 경로의 중도에 제공되며, 상기 제1가스가 도입되는 복수의 유입구를 구비한 제1통로; 및
    상기 제1통로의 유입구 각각으로 상기 제1가스를 분배하여 도입하는 분기통로를 포함하고,
    상기 혼합수단은,
    상기 제2가스를 도입하는 도입통로;
    상기 제1통로를 통과하는 상기 제1가스가 상기 도입통로로부터 도입되는 상기 제2가스와 합류하는 합류부; 및
    상기 제1가스와 상기 제2가스의 혼합가스를 상기 합류부로부터 배출시키는 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분기통로 안으로의 상기 제1가스의 유입을 제어하는 제어밸브를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스희석기.
  9. 삭제
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