KR101135708B1

KR101135708B1 - 가스차압 조절장치

Info

Publication number: KR101135708B1
Application number: KR1020110090389A
Authority: KR
Inventors: 김경환; 오재기
Original assignee: (주)오선텍
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2012-04-13

Abstract

본 발명은 가스차압 조절장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 가스 압력 차이에 따라 이동하는 차단핀에 의해 가스의 유입과 배출이 조절됨으로써 가스의 압력 차를 조절할 수가 있다.

Description

가스차압 조절장치{Apparatus for regulating gas pressure difference}

본 발명은 가스차압 조절장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 전해조에서 발생되는 수소 가스와 산소 가스의 압력을 일정하게 유지시킬 수 있는 가스차압 조절장치에 관한 것이다.

알칼리 수용액을 전기 분해하여 수소 가스와 산소 가스(이하 '수산 가스'라 함)를 생산하는 전기 분해 장치는 물을 수산 가스로 분해하는 전해조와, 전해조에서 생산된 수산 가스로부터 전해액 혼합물을 분리하는 기액 분리기와, 전해액이 분리된 수산 가스에 함유된 수분을 냉각/응축시켜 제거하는 가스 냉각기와, 전해조에서 발생된 폐열을 제거하는 전해액 냉각기와, 전해조에 전류를 인가하는 전기 장치와, 전기 분해시 소모된 물을 보충하는 급수 펌프와, 센서 및 기타 배관 부재로 구성된다.

전해조는 알칼리 수용액을 전기 분해하여 수산 가스를 발생시키는 것으로서 수소 가스와 산소 가스를 분리하여 배출하기 위해 가스 분리막이 구비되는데 가스 분리막의 양쪽의 압력 차이가 일정 수준을 넘어서면 가스 분리막을 통과하여 가스의 이동이 일어나는 등의 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위해 전해조 내에서 발생되는 가스의 압력을 동일하게 유지시킬 수 있는 가스 차압 조절 수단을 구비한 수산 가스 발생 장치(대한민국 등록실용신안 제20-0322666호, 이하 '종래기술'이라 함)가 제시된 바 있다.

종래기술에서는 수소 가스와 산소 가스를 다이아프램으로 구분된 서로 다른 공간으로 유입시키고 각 공간의 압력 차이로 인해 다이아프램이 팽창하면 압력이 낮은 측의 가스 배출로를 막아 압력이 높은 측의 가스만 배출되도록 함으로써 양 공간의 가스 압력을 동일하게 유지시키고 있다.

하지만 종래기술에서는 가스 압력의 차이에 따라 다이아프램이 반복적으로 양쪽의 가스 배출로에 부딪히기 때문에 다이아프램의 접촉부분이 마모되어 손상되므로 수명이 짧고, 따라서 주기적인 교체가 필요하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 내구성이 강한 차단핀이 가스 압력 차이에 따라 이동하면서 가스 유입을 차단하도록 함으로써 가스 차압을 조절해 줄 수 있는 가스차압 조절장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스차압 조절장치는, 일측으로 제1가스유입공간c이 마련되고, 상기 제1가스유입공간c을 외부와 연결하는 제1볼트결합공c과 제1가스배출로c가 각각 형성된 제1본체c; 일측으로 제2가스유입공간c이 마련되고, 상기 제2가스유입공간c을 외부와 연결하는 제2볼트결합공c과 제2가스배출로c가 각각 형성된 제2본체c; 상기 제1가스유입공간c과 외부를 연결하는 제1가스유입로c를 가지며, 상기 제1본체c의 제1볼트결합공c에 결합되는 제1가스유입볼트c; 상기 제2가스유입공간c과 외부를 연결하는 제2가스유입로c를 가지며, 상기 제2본체c의 제2볼트결합공c에 결합되는 제2가스유입볼트c; 상기 제1본체c와 제2본체c 사이에 위치하여 상기 제1본체c 및 제2본체c와 결합되고 중심에 차단핀장착공c이 형성된 차단핀지지부c; 및 상기 차단핀지지부c의 차단핀장착공c에 왕복운동이 가능한 상태로 안착되는 차단핀c;을 포함하되, 상기 차단핀c은 상기 제1가스유입볼트c의 제1가스유입로c를 통해 상기 제1가스유입공간c으로 유입되는 제1가스의 압력과 상기 제2가스유입볼트c의 제2가스유입로c를 통해 상기 제2가스유입공간c으로 유입되는 제2가스의 압력 차이에 따라 어느 한쪽으로 밀려나면서, 압력이 높은 측의 가스유입로c는 개방하여 유입되는 가스가 가스배출로c를 통해 배출될 수 있도록 하고, 압력이 낮은 측의 가스유입로c는 폐쇄하여 가스 유입을 차단함으로써, 상기 제1가스의 압력과 제2가스의 압력이 동일하도록 유지시켜준다.

여기서, 상기 차단핀c의 양측에는 걸림턱c이 형성되어 있고, 상기 차단핀c 양측 중 어느 일측의 걸림턱c과 상기 차단핀지지부c 사이를 탄성력으로 밀어내는 스프링c;을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 가스차압 조절장치에 의하면, 전해조에서 발생하는 수소 가스와 산소 가스를 서로 다른 공간에 유입시키되, 각 가스의 압력 차이에 따라 차단핀이 이동하면서 압력이 낮은 측의 가스 유입은 차단시키고, 압력이 높은 측의 가스는 유입시켜 배출이 이루어지도록 함으로써 유입되는 가스의 압력이 동일하도록 맞춰줄 수 있다. 따라서 전해조 내의 양극실과 음극실의 가스 압력을 항상 동일하게 유지시킴으로써 양극실과 음극실을 구분짓는 가스 분리막을 통해 가스가 이동하는 현상을 방지할 수가 있다.

특히 유연한 재질인 다이아프램의 팽창을 이용한 방식이 아니고, 내구성이 강한 차단핀을 이용한 방식이기 때문에 차단핀이 빈번하게 이동을 하더라도 쉽게 손상되지 않는 장점이 있다.

또한, 종래의 방식에서는 다이아프램의 전체 면적이 반복적으로 진동함으로써 내부 공간의 가스를 유동시켜 교란을 일으키지만, 본 발명에서는 가스유입로를 막아주기 위한 차단핀만이 움직이기 때문에 가스를 유동시키는 면적이 매우 미세하다.

더불어 전해조에서 생성되는 수소 가스를 사용할 시 급격하게 수소 가스의 압력이 하강하면 수소를 공급하는 기액분리탱크의 물이 갑자기 차올라 발전장치에 큰 충격을 줄 가능성이 있는데, 본원에서는 수소 가스의 압력이 갑자기 저하될 경우 스프링에 의해 차단핀이 수소 가스의 유입을 차단하도록 하기 때문에 발전장치에 과도한 부하가 가해지는 사고를 예방할 수가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 선행 가스차압 조절장치를 설명하기 위한 사시도.
도2는 도1에 도시된 선행 가스차압 조절장치의 내부를 설명하기 위한 단면도.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 선행 가스차압 조절장치가 제1가스차압 조절장치 및 제2가스차압 조절장치와 연계하여 설치된 가스차압 조절 시스템을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 가스차압 조절장치(1)를 설명하기 위한 사시도이고, 도2는 단면도이다.

설명에 앞서 본 발명의 실시예에 따른 가스차압 조절장치(1)는 도3에 도시된 바와 같이 그 후단에 2개의 가스차압 조절장치(2,3)가 더 연결되어 가스차압 조절 시스템으로 설치/사용되는 것이 바람직하다. 따라서 후단에 설치된 제1가스차압 조절장치(2)와 제2가스차압 조절장치(3)와 구분하기 위해 도1 및 도2에 도시된 가스차압 조절장치(1)를 이하에서는 선행 가스차압 조절장치(1)라 명하도록 한다. 더불어 이하에서 설명되는 각 구성의 명칭 뒤에 기재된 'a,b,c'는 서로 다른 가스차압 조절장치(제1가스차압 조절장치(2), 제2가스차압 조절장치(3) 및 선행 가스차압 조절장치(1))에 포함된 동일한 명칭의 구성들을 구분해주기 위한 것이다.

도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 선행 가스차압 조절장치(1)는 제1본체c(110), 제2본체c(130), 제1가스유입볼트c(120), 제2가스유입볼트c(140), 차단핀지지부c(150), 차단핀c(160) 및 스프링c(190)을 포함한다.

제1본체c(110) 및 제2본체c(130)는 일측으로 가스유입공간c(S1,S2)이 마련되어 있으며, 가스유입공간c(S1,S2)을 서로 마주한 상태로 차단핀지지부c(150)를 사이에 두고 결합된다. 즉, 제1본체c(110)의 제1가스유입공간c(S1)이 차단핀지지부c(150)의 일측면에 밀착하고, 제2본체c(130)의 제2가스유입공간c(S2)이 차단핀지지부c(150)의 반대면에 밀착한 상태로 제1본체c(110), 차단핀지지부c(150) 및 제2본체c(130)가 볼트(미도시)에 의해 결합된다. 따라서 제1본체c(110)의 제1가스유입공간c(S1)과 제2본체c(130)의 제2가스유입공간c(S2)은 차단핀지지부c(150)에 의해 구분된다.

제1본체c(110)의 중심에는 외부와 연결하는 제1볼트결합공c(113)이 형성되어 있고, 마찬가지로 제2본체c(130)의 중심에는 외부와 연결하는 제2볼트결합공c(133)이 형성되어 있다. 이러한 제1볼트결합공c(113)과 제2볼트결합공c(133)에 각각 제1가스유입볼트c(120)와 제2가스유입볼트c(140)가 결합된다. 제1가스유입볼트c(120)와 제2가스유입볼트c(140)는 외주면에 형성된 나사산에 의해 제1볼트결합공c(113)과 제2볼트결합공c(133)에 결합될 수 있다. 여기서 제1가스유입볼트c(120)와 제2가스유입볼트c(140)는 나사산에 의해 제1본체c(110) 및 제2본체c(130)에 결합될 수 있기 때문에 진입되는 길이의 조절이 가능하다. 따라서 가공오차에 의해 진입 길이의 오차가 생기더라도 보정이 가능한 것이다.

제1가스유입볼트c(120)와 제2가스유입볼트c(140)의 중심에는 다른 종류의 가스가 가스유입공간(S1,S2)으로 유입될 수 있도록 가스유입로(121,141)가 형성되어 있다.

또한 제1본체c(110) 및 제2본체c(130)에는 각각 제1가스배출로c(111)와 제2가스배출로c(131)가 형성되어 있다. 따라서 제1가스유입로c(121)를 통해 유입된 가스는 제1가스유입공간c(S1)을 경유하여 제1가스배출로c(111)를 통해 외부로 배출될 수가 있다. 마찬가지로 제2가스유입로c(141)를 통해 유입된 가스는 제2가스유입공간c(S2)을 경유하여 제2가스배출로c(131)를 통해 외부로 배출될 수가 있다.

차단핀지지부c(150)의 중심에는 차단핀장착공c(151)이 형성되어 있으며, 차단핀장착공c(151)을 관통하여 차단핀c(160)이 왕복운동 가능한 상태로 안착 결합된다.

차단핀c(160)은 양쪽의 가스유입로(121,141)를 통해 유입되는 가스의 압력 차이에 따라 왕복운동하게 되며, 양 방향으로 걸림턱c(161)이 마련되어 있다. 또한 걸림턱c(161)의 바깥쪽으로 직경이 작아지도록 테이퍼지고 그 끝단에 제1가스유입볼트c(120)와 제2가스유입볼트c(140)의 가스유입로(121,141)를 막아주는 차단돌기c(163)가 형성되어 있다.

차단핀c(160)은 가스유입공간(S1,S2)으로 유입되는 가스의 압력 차이에 따라 빈번하게 왕복운동을 하게 되는데, 이때 차단핀c(160)이 원활하게 이동하면서도 차단핀c(160)과 차단핀장착공c(151) 사이의 틈을 통해 가스가 서로 다른 가스유입공간(S1,S2)으로 이동하는 것을 방지하기 위해 차단핀장착공c(151) 양측에는 부싱c(170)이 설치된다.

한편, 가스유입볼트(120,140)와 본체(110,130)가 접하는 틈을 통해 유입된 가스가 새어나가지 않도록 가스유입볼트(120,140)의 둘레에는 오링c(181,182)이 설치되어 있으며, 또한 가스유입볼트(120,140)의 가스유입로(121,141)와 차단핀c(160)이 접하는 부분에도 오링c(183,184)이 설치되어 가스가 새어나가는 것을 방지토록 할 수 있다.

스프링c(190)은 차단핀c(160)의 양측 중 어느 일측의 걸림턱c(161)과 차단핀지지부c(150) 사이에 위치하며, 도2에서는 차단핀c(160)의 좌측에 위치한 것을 도시하였다. 스프링c(190)은 유입되는 가스가 설정 압력까지 상승할 수 있도록 차단핀c(160)을 밀어 제1가스유입로c(121)를 막고 있도록 한다. 이러한 스프링c(190)의 기능은 이하에서 다시 설명하도록 한다.

이하에서는 도2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 선행 가스차압 조절장치(1)의 작동에 대해 설명하도록 한다.

먼저 제1본체c(110)에 결합된 제1가스유입볼트c(120)의 제1가스유입로c(121)에는 제1가스가 유입되도록 배관이 연결된다. 본 실시예에서는 전해조에서 분해된 수소 가스가 제1가스유입로c(121)를 통해 제1가스유입공간c(S1)으로 유입된다고 가정한다.

또한 제2본체c(130)에 결합된 제2가스유입볼트c(140)의 제2가스유입로c(141)에는 제2가스가 유입되도록 배관이 연결된다. 본 실시예에서는 전해조에서 분해된 산소 가스가 제2가스유입로c(141)를 통해 제2가스유입공간c(S2)으로 유입된다고 가정한다.

또한 제1본체c(110)에 형성된 제1가스배출로c(111)에는 제1가스를 외부로 전달하는 배관이 연결되어 있고, 제2본체c(130)에 형성된 제2가스배출로c(131)에는 제2가스를 외부로 전달하는 배관이 연결되어 있다. 따라서 제1가스는 제1가스유입로c(121), 제1가스유입공간c(S1) 및 제1가스배출로c(111)를 통해 외부로 전달되며, 제2가스는 제2가스유입로c(141), 제2가스유입공간c(S2) 및 제2가스배출로c(131)를 통해 외부로 전달될 수 있다.

이때 차단핀지지부c(150) 중심에 결합되어 있는 차단핀c(160)의 위치에 따라 유입되는 가스 및 배출되는 가스의 양이 달라진다.

즉, 차단핀지지부c(150)는 제1가스유입공간c(S1)으로 유입되는 제1가스의 압력과 제2가스유입공간c(S2)으로 유입되는 제2가스의 압력이 차이가 있다면 어느 한쪽으로 이동하여 압력이 작은 측의 가스유입로(121,141)를 막는다.

예컨대 제1가스유입로c(121)를 통해 유입되는 수소 가스의 압력이 제2가스유입로c(141)를 통해 유입되는 산소 가스의 압력보다 높다면, 차단핀c(160)은 도2 상에서 우측으로 이동하여 차단핀c(160)의 우측 차단돌기c(163)가 제2가스유입로c(141)를 막는다. 따라서 산소 가스가 제2가스유입공간c(S2)으로 더 이상 유입되지 못하여 전해조의 음극실의 산소 가스 압력이 상승 한다. 반면 수소 가스는 제1가스유입공간c(S1)으로 지속적으로 유입되어 제1가스배출로c(111)를 통해 배출된다. 따라서 수소 가스는 제1가스유입공간c(S1)을 지나 제1가스배출로c(111)을 통해 지속적으로 배출되기 때문에 양극실의 수소 가스 압력은 낮아지게 되는 것이다. 양극실의 수소 가스 압력이 산소 가스 압력보다 낮아지면 차단핀c(160)은 다시 좌측으로 이동하여 좌측 차단돌기c(163)가 제1가스유입로c(121)를 막아 수소 가스의 유입은 차단하고 반대로 산소 가스를 유입시켜 제2가스배출로c(131)를 통해 배출될 수가 있다.

이렇게 차단핀c(160)이 압력 차이에 따라 이동 가능하게 함으로써, 높은 압력을 갖는 가스는 지속적인 유입과 배출이 가능토록 하고, 낮은 압력을 갖는 가스는 유입과 배출을 일시적으로 중단시킴으로써 수소 가스와 산소 가스의 압력을 항상 동일하게 유지시킬 수가 있는 것이다. 따라서 제1가스유입로c(121)와 제2가스유입로c(141)가 연결되어 있는 전해조 내의 양극실과 음극실의 가스 압력도 항상 동일한 상태를 유지시킬 수 있으며, 이에 따라 전해조 내의 양극실과 음극실을 가로막고 있는 가스 분리막을 통해 높은 압력의 가스가 관통하는 현상을 막아줄 수가 있게 된다.

한편, 스프링c(190)은 수소 가스가 설정 압력 이상이 된 이후 유입되어 외부로 배출될 수 있도록 한 것이다. 즉, 수소 가스를 필요로 하는 곳에서는 일정한 압력, 예컨대 2 bar 이상에 도달한 수소 가스를 필요로 할 수가 있다(여기서 산소 가스의 사용에 대해서는 고려치 아니한다). 하지만 전해조에서 수소 가스가 생성되더라도 초기에는 2 bar의 압력에 도달하지 아니한다. 하지만 차단핀c(160)이 제1가스유입로c(121)를 개방한 상태라면 수소 가스가 2 bar에 도달하기 전에 모두 배출될 수가 있다. 따라서 스프링c(190)은 초기에 차단핀c(160)을 밀어 제1가스유입로c(121)를 막도록 하여 발생되는 수소 가스가 2 bar까지 상승하도록 하고, 이렇게 수소 가스가 설정 압력까지 상승하면 스프링c(190)의 탄력을 이기고 차단핀c(160)을 밀어 배출이 가능케 하는 것이고, 이후 차단핀c(160)의 왕복이동은 양쪽 가스(수소 가스 및 산소 가스)의 압력 차이에 의해 결정된다.

여기서 차단핀c(160)의 왕복이동은 빈번하게 반복될 수 있는데, 이러한 빈번한 움직임이 있더라도 내구성이 좋은 차단핀c(160)을 이용하였기 때문에 쉽게 손상이 가지 아니한다. 즉 종래의 방식에서는 다이아프램이 배출구에 빈번하게 부딪히며 쉽게 마모되어 교체가 자주 이루어져야 했지만, 본 발명에서는 가스의 유입을 개폐시키는 차단핀c(160)을 반영구적으로 사용할 수 있어서 유지비용이 절감된다.

한편, 상술한 선행 가스차압 조절장치(1)는 실질적으로 도3에 도시된 바와 같이 후단에 제1가스차압 조절장치(2)와 제2가스차압 조절장치(3)가 더 연결된 상태로 사용된다. 도3에 도시된 이러한 가스차압 조절 시스템에 대하여 제1가스차압 조절장치(2) 및 제2가스차압 조절장치(3)의 구성 설명 이후 상세히 설명하도록 한다. 또한 제1가스차압 조절장치(2)와 제2가스차압 조절장치(3)의 구성은 동일하기 때문에 이하에서는 제1가스차압 조절장치(2)를 중심으로 하여 설명할 것이다. 다만 제2가스차압 조절장치(3)에 포함되는 각 구성들인, 제1본체b(310), 제1가스유입공간b(S5), 제1볼트결합공b(313), 제1가스유입볼트b(320), 제1가스유입로b(321), 제2본체b(330), 제2가스유입로b(331), 제2가스유입공간b(S6), 제2가스배출로b(333), 차단핀지지부b(350), 차단핀장착공b(351), 차단핀b(360), 걸림턱b(361), 차단돌기b(363), 부싱b(370), 오링b(381,383,384), 스프링b(390)들은 제1가스차압 조절장치(2)에 포함된 동일한 명칭의 구성들의 설명으로부터 충분히 유추가 가능하므로 중복되는 설명은 피하도록 한다.

제1가스차압 조절장치(2)는 제1본체a(210), 제2본체a(230), 제1가스유입볼트a(220), 차단핀지지부a(250), 차단핀a(260) 및 스프링a(290)을 포함한다.

제1본체a(210) 및 제2본체a(230)는 일측으로 가스유입공간a(S3,S4)이 마련되어 있으며, 가스유입공간a(S3,S4)을 서로 마주한 상태로 차단핀지지부a(250)를 사이에 두고 결합된다. 즉, 제1본체a(210)의 제1가스유입공간a(S3)이 차단핀지지부a(250)의 일측면에 밀착하고, 제2본체a(230)의 제2가스유입공간a(S4)이 차단핀지지부a(250)의 반대면에 밀착한 상태로 제1본체a(210), 차단핀지지부a(250) 및 제2본체a(230)가 볼트(미도시)에 의해 결합된다. 따라서 제1본체a(210)의 제1가스유입공간a(S3)과 제2본체a(230)의 제2가스유입공간a(S4)은 차단핀지지부a(250)에 의해 구분된다.

제1본체a(210)의 중심에는 외부와 연결하는 제1볼트결합공a(213)이 형성되어 있다. 이러한 제1볼트결합공a(213)에 제1가스유입볼트a(220)가 결합된다. 제1가스유입볼트a(220)는 외주면에 형성된 나사산에 의해 제1볼트결합공a(213)에 결합될 수 있다. 여기서 제1가스유입볼트a(220)는 나사산에 의해 제1본체a(210)에 결합될 수 있기 때문에 진입되는 길이의 조절이 가능하다.

제1가스유입볼트a(220)의 중심에는 제1가스가 제1가스유입공간a(S3)으로 유입될 수 있도록 제1가스유입로a(221)가 형성되어 있다.

또한 제2본체a(230)에는 제2가스유입로a(231)와 제2가스배출로a(233)가 형성되어 있다. 따라서 제2가스유입로a(231)를 통해 유입된 제2가스는 제2가스유입공간a(S4)을 경유하여 제2가스배출로a(233)를 통해 외부로 배출될 수가 있다. 반면 제1가스는 제1가스유입로a(221)를 통해 제1가스유입공간a(S3)으로 유입되거나 제1가스유입로a(221)를 통해 다시 배출될 수가 있다. 제1가스 및 제2가스의 이동에 대해서는 이하에서 다시 설명하도록 한다.

차단핀지지부a(250)의 중심에는 차단핀장착공a(251)이 형성되어 있으며, 차단핀장착공a(251)을 관통하여 차단핀a(260)이 왕복운동 가능한 상태로 안착 결합된다.

차단핀a(260)은 양쪽의 가스유입로a(221,231)를 통해 유입되는 가스의 압력 차이에 따라 왕복운동하게 되며, 양 방향으로 걸림턱a(261)이 마련되어 있다. 또한 걸림턱a(261)의 바깥쪽으로 직경이 작아지도록 테이퍼지고 그 끝단에 가스유입로a(221,231)를 막아주는 차단돌기a(263)가 형성되어 있다.

차단핀a(260)은 가스유입공간a(S3,S4)으로 유입되는 가스의 압력 차이에 따라 빈번하게 왕복운동을 하게 되는데, 이때 차단핀a(260)이 원활하게 이동하면서도 차단핀a(260)과 차단핀장착공a(251) 사이의 틈을 통해 가스가 서로 다른 가스유입공간a(S3,S4)으로 이동하는 것을 방지하기 위해 차단핀장착공a(251) 양측에는 부싱a(270)이 설치된다. 물론 부싱a(270)을 대신하여, 또는 부싱a(270)과 더불어 차단핀a(260)과 차단핀장착공a(251)의 경계에 오링a(미도시)을 설치하여 틈을 통한 가스의 유출을 방지해줄 수도 있다.

한편, 제1가스유입볼트a(220)와 제1본체a(210)가 접하는 틈을 통해 유입된 가스가 새어나가지 않도록 제1가스유입볼트a(220)의 둘레에는 오링a(281)이 설치되어 있으며, 또한 제1가스유입볼트a(220)의 제1가스유입로a(221)와 차단핀a(260)이 접하는 부분 및 제2본체a(230)의 제2가스유입로a(231)와 차단핀a(260)이 접하는 부분에도 오링a(283,284)이 설치되어 가스가 새어나가는 것을 방지토록 할 수 있다.

스프링a(290)은 차단핀a(260)의 양측 중 어느 일측과 차단핀지지부a(250) 사이에 마련되며, 도3에서는 차단핀a(260)의 하측(제2가스유입로a(231)측)에 위치한 것을 도시하였다. (스프링a(290)은 가스가 유입되기 전 어느 한쪽의 가스유입로a(221,231)를 막아주기 위한 것이며, 본 실시예에서는 제2가스유입로a(231)를 초기에 막아주도록 세팅되어 있다.)

이상에서는 도2의 좌측에 도시된 제1가스차압 조절장치(2)를 위주로 설명한 것이며, 우측에 도시된 제2가스차압 조절장치(3)의 각 구성들은 동일한 명칭을 갖는 제1가스차압 조절장치(2)의 구성에 대한 설명으로부터 충분히 유추가 가능할 것으로 보인다.

이하에서는 이상에서 상세히 설명한 선행 가스차압 조절장치(1), 제1가스차압 조절장치(2) 및 제2가스차압 조절장치(3)가 배관들로 연결되어 전해조에서 발생되는 수소 가스와 산소 가스를 배출하는 동작에 대해 설명하도록 한다.

도3을 참조하면, 선행 가스차압 조절장치(1)의 제1가스유입로c(121)에는 전해조(미도시)측으로부터 수소 가스를 전달받는 제1배관(410)이 연결되어 있다. 구체적으로 제1배관(410)은 전해조에서 발생하는 수소 가스가 저장되는 기액분리탱크(미도시)와 제1가스유입로c(121)를 연결한다.

또한 선행 가스차압 조절장치(1)의 제2가스유입로c(141)에는 전해조측으로부터 산소 가스를 전달받는 제2배관(420)이 연결되어 있다. 구체적으로 제2배관(420)은 전해조에서 발생하는 산소 가스가 저장되는 기액분리탱크(미도시)와 제2가스유입로c(141)를 연결한다.

또, 제1가스차압 조절장치(2)의 제1가스유입로a(221)는 제2배관(420)에서 분기된 제3배관(430)과 연결되고, 제2가스차압 조절장치(3)의 제1가스유입로b(321)는 제1배관(410)에서 분기된 제4배관(440)과 연결된다.

또, 선행 가스차압 조절장치(1)의 제1가스배출로c(111)와 제1가스차압 조절장치(2)의 제2가스유입로a(231)는 제5배관(450)으로 연결되고, 선행 가스차압 조절장치(1)의 제2가스배출로c(131)와 제2가스차압 조절장치(3)의 제2가스유입로b(331)는 제6배관(460)으로 연결된다.

또, 제5배관(450)에서 분기되는 제7배관(470)이 수소 가스를 사용하는 장비와 연결되고, 제6배관(460)에서 분기되는 제8배관(480)이 산소 가스를 사용하는 장비와 연결된다.

또, 제1가스차압 조절장치(2)의 제2가스배출로a(233)는 제9배관(491)과 연결되어 수소 가스를 배출시키도록 하고, 제2가스차압 조절장치(3)의 제2가스배출로b(333)는 제10배관(492)과 연결되어 산소 가스를 배출시키도록 한다.

여기서 제7배관(470), 제8배관(480), 제9배관(491) 및 제10배관(492)에는 각각 밸브(미도시)가 설치되어 있다. 이러한 밸브 중 수소 가스와 산소 가스를 배출하는 제9배관(491) 및 제10배관(492)에 설치된 밸브는 항상 개방된 상태이며, 제9배관(491) 및 제10배관(492)을 통해 배출되는 수소 가스와 산소 가스는 선행 가스차압 조절장치(1), 제1가스차압 조절장치(2) 및 제2가스차압 조절장치(3)에 양 가스간 압력 차이에 따라 배출 시기가 정해진다. 반면 수소 가스를 사용하기 위한 장비에 연결된 제7배관(470)에 설치된 밸브는 사용 여부에 따라 개방 또는 폐쇄될 수 있고, 산소 가스를 사용하기 위한 장비에 연결된 제8배관(480)에 설치된 밸브는 사용 여부에 따라 개방 또는 폐쇄가 가능하지만, 본 실시예에서는 산소 가스의 사용은 고려치 아니하기 때문에 제8배관(480)에 설치된 밸브는 항상 잠겨 있다고 가정한다.

이러한 선행 가스차압 조절장치(1), 제1가스차압 조절장치(2) 및 제2가스차압 조절장치(3)와 각 배관들을 통한 각 수소 가스와 산소 가스의 이동에 대해 설명하면 다음과 같다.

<가스 생성 초기>

먼저 전해조에서 수소 가스와 산소 가스가 생성되는 초기에는 수소 가스와 산소 가스의 압력이 설정 압력보다 낮다. 또한 선행 가스차압 조절장치(1)의 스프링c(190)은 설정 압력(예컨대 2 bar) 이상일 때 압축되도록 탄성이 정해져 있다. 따라서 차단핀c(160)은 스프링c(190)의 탄성에 밀려 제1가스유입로c(121)를 막고 있어서, 생성되는 수소 가스는 제1가스유입공간c(S1) 측으로 유입되지 못한다. 따라서 제1가스배출로c(111)를 통해서 배출되는 수소 가스가 없고, 제1가스차압 조절장치(2)의 제2가스유입로a(231)를 통해 유입되는 수소 가스도 없으며, 결국엔 제7배관(470)이나 제9배관(491)으로 배출되는 수소 가스도 없게 된다.

반면 선행 가스차압 조절장치(1)의 제2가스유입로c(141)는 개방된 상태이기 때문에 전해조에서 생성된 산소 가스는 제2가스유입로c(141)을 통해 제2가스유입공간c(S2)으로 유입되고, 제2가스배출로c(131)와 제6배관(460)을 통해 제2가스차압 조절장치(3)의 제2가스유입로b(331)로 유입될 수 있을 것이다. 하지만, 전해조에서 물을 분해하여 수소 가스와 산소 가스를 생성하면, 수소 가스가 항상 더 많이 생성되어 압력이 높기 때문에 제2가스차압 조절장치(3)의 차단핀b(360)은 제1가스유입로b(321)를 통해 유입되는 수소 가스의 압력에 의해 상승하지 못하고 하강한 상태를 유지하여 제2가스유입로b(331)를 막게된다. 따라서 산소 가스도 제2가스유입공간b(S6)으로 유입되지 못하여 제10배관(492)을 통한 산소 가스의 배출도 없다. 여기서 제8배관(480)에 설치된 밸브는 항상 닫혀 있기 때문에 역시 산소 가스의 배출을 허용치 아니한다.

결국 전해조에서 수소 가스와 산소 가스를 생성하는 초기에는 수소 가스나 산소 가스 모두 배출이 되지 아니하여 각 기액분리탱크에서 모아져 압력이 상승한다.

<수소 가스가 설정 압력에 도달 / 수소 가스 미사용>

전해조에서 생성되는 수소 가스 및 산소 가스가 가스차압 조절 시스템을 통해 배출되지 아니하고 지속적인 가스 생성으로 압력이 높아져, 결국엔 수소 가스가 설정 압력인 2 bar 까지 높아지면, 제1배관(410)을 통해 유입되는 수소 가스의 압력으로 차단핀c(160)을 밀어낼 수 있다. 이때 차단핀c(160)은 제1가스유입로c(141)와의 간격을 더 멀리할 뿐이지, 제2가스유입로c(141)를 완전히 막는 상태까지 밀어내진 아니한다. 따라서 산소 가스는 여전히 제2가스유입로c(141)를 통해 유입될 수가 있다.

제1배관(410)과 제1가스유입로c(121) 및 제1가스유입공간c(S1)으로 유입된 수소 가스는 제1가스배출로c(111)와 제5배관(450)을 통해 제1가스차압 조절장치(2)의 제2가스유입로a(231)로 유입된다. 여기서 사용 장비에서 수소 가스를 사용하고자 하는 상태가 아니기 때문에 제7배관(470)에 설치된 밸브는 잠금 상태이다. 또한 제1가스차압 조절장치(2)의 제2가스유입로a(231)를 통해 유입되는 수소 가스의 압력이 제1가스유입로a(221)을 통해 유입되는 산소 가스의 압력보다 높기 때문에 차단핀a(260)은 상승하여 제2가스유입로a(231)를 개방한 상태이다. 따라서 제2가스유입로a(231)를 통해 수소 가스가 유입되고, 이는 제9배관(491)을 통해 배출될 수 있다.

또한 제2배관(420)과 제2가스유입로c(141)를 통해 선행 가스차압 조절장치의 제2가스유입공간c(S2)으로 유입된 산소 가스는 제2가스배출로c(131)를 통해 배출되어 제6배관(460)을 따라 제2가스차압 조절장치(3)의 제2가스유입로b(331)로 유입될 수 있다. 이때 제8배관(480)에 설치된 밸브는 항상 잠금 상태이다. 또한 수소 가스는 미사용 상태이기 때문에 제1배관(410)에서 분기되어 제4배관(440)을 타고 제2가스차압 조절장치(3)의 제1가스유입로b(321)로 유입되는 수소 가스의 압력은 제2가스유입로b(331)를 통해 유입되는 산소 가스의 압력보다 높다. 따라서 하강 상태인 차단핀b(360)에 의해 제2가스유입로b(331)는 막혀 있는 상태여서 산소 가스는 제10배관(492)을 통해 배출되지 못한다.

수소 가스를 사용하지 않는 상태에서 제1가스차압 조절장치(2)의 제9배관(491)을 통해 수소 가스가 배출된다 하더라도, 생성되는 수소 가스의 압력을 낮춰줄만큼의 수소 가스가 배출되는 것은 아니다. 따라서 전해조 측의 수소 가스 압력은 지속적으로 상승하고, 결국엔 기액분리탱크에 큰 압력이 걸려 위험한 상황이 발생할 수 있다. 따라서 별도의 제어부(미도시)는 수소 가스가 설정 압력 이상이 되었음에도 사용처로 공급되지 아니할 시에는 전해조의 작동을 중단시킨다.

<수소 가스가 설정 압력에 도달 / 수소 가스 사용>

앞서 설명했던 대로 수소 가스가 설정 압력보다 높아진 상태에서 수소 가스를 사용하고자 제7배관(470)에 설치된 밸브를 열어준다면, 선행 가스차압 조절장치(1)의 제1가스유입공간c(S1)으로 유입된 수소 가스는 제1가스배출로c(111), 제5배관(450) 및 제7배관(470)을 통해 사용처로 배출된다.

수소 가스가 제7배관(470)을 통해 배출되는 동안 여전히 수소 가스의 압력이 산소 가스의 압력보다 높다면, 산소 가스는 제2가스차압 조절장치(3)를 통해 배출되지 못한다(차단핀b(360)이 하강 상태이기 때문에). 하지만 수소 가스의 사용이 지속되어 수소 가스의 압력이 산소 가스의 압력보다 낮아지게 되면, 제2가스차압 조절장치(3)의 차단핀b(360)이 상승하여 제2가스유입로b(331)를 개방하게 되고, 비로소 제6배관(460)을 통해 유입되는 산소 가스는 제2가스유입로b(331)와 제2가스유입공간b(S6)을 거쳐 제2가스배출로b(333)와 제10배관(492)을 통해 배출될 수가 있다.

물론 산소 가스의 압력이 더 높은 상황에서는 선행 가스차압 조절장치(1)의 차단핀c(160)도 제1가스유입로c(121)를 차단하여 산소 가스가 선행 가스차압 조절장치(1)로 유입되는 것을 막아주며, 제1가스차압 조절장치(2)에서도 차단핀a(260)이 하강하여 수소 가스가 제2가스유입로a(231)로 유입되는 것이 차단된다.

이렇게 차단핀(160,260,360)들이 산소 가스와 수소 가스의 압력 차이에 따라 왕복하면서 수소 가스 또는 산소 가스를 순차적으로 배출시키면서 서로간의 압력이 같아 지도록 함으로써, 전해조 측에서 산소 가스와 수소 가스의 압력 차이에 따라 발생할 수 있는 피해를 막아줄 수가 있는 것이다.

여기서 배출되는 산소 가스의 양은 수소 가스의 1/2이다. 즉, 수소 가스의 사용을 위해 전해조에서 수소 가스와 산소 가스가 생성되는데, 이때 수소 가스는 산소 가스의 2배가 생성된다. 따라서 양쪽 기액분리탱크의 압력을 동일하게 유지시키기 위해서는 수소 가스의 배출량의 1/2만큼 산소 가스가 배출되어야 하는 것이다.

한편, 수소 가스가 설정 압력 이후까지 올라간 상태에서 수소를 갑자기 많이 사용하려 한다면, 수소 가스의 압력이 급격히 하강하여 수소를 공급하는 기액분리탱크의 물이 갑자기 차올라 발전장치에 큰 충격을 줄 가능성이 있다. 하지만 본 발명에서는 수소 가스의 압력이 갑자기 저하될 경우, 수소 가스의 압력이 설정 압력 이상일 때만 압축되어 수소 가스를 유입시키도록 장력이 설정된 스프링c(190)가 수소 가스의 급격한 압력 저하에 따라 펼쳐지면서(수소 가스의 압력보다 스프링c(190)의 장력이 크기 때문에) 즉시 차단핀c(160)을 밀어 수소 가스의 유입을 차단해 줌으로써, 발전 장치에 과도한 부하가 가해지는 사고를 예방할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 선행 가스차압 조절장치
110 : 제1본체c
111 : 제1가스배출로c
S1 : 제1가스유입공간c
113 : 제1볼트결합공c
120 : 제1가스유입볼트c
121 : 제1가스유입로c
130 : 제2본체c
131 : 제2가스배출로c
S2 : 제2가스유입공간c
133 : 제2볼트결합공c
140 : 제2가스유입볼트c
141 : 제2가스유입로c
150 : 차단핀지지부c
151 : 차단핀장착공c
160 : 차단핀c
161 : 걸림턱c
163 : 차단돌기c
170 : 부싱c
181,182 : 오링c
183,184 : 오링c
190 : 스프링c
2 : 제1가스차압 조절장치
210 : 제1본체a
S3 : 제1가스유입공간a
213 : 제1볼트결합공a
220 : 제1가스유입볼트a
221 : 제1가스유입로a
230 : 제2본체a
231 : 제2가스유입로a
S4 : 제2가스유입공간a
233 : 제2가스배출로a
250 : 차단핀지지부a
251 : 차단핀장착공a
260 : 차단핀a
261 : 걸림턱a
263 : 차단돌기a
270 : 부싱a
281 : 오링a
283,284 : 오링a
290 : 스프링a
3 : 제2가스차압 조절장치
310 : 제1본체b
S5 : 제1가스유입공간b
313 : 제1볼트결합공b
320 : 제1가스유입볼트b
321 : 제1가스유입로b
330 : 제2본체b
331 : 제2가스유입로b
S6 : 제2가스유입공간b
333 : 제2가스배출로b
350 : 차단핀지지부b
351 : 차단핀장착공b
360 : 차단핀b
361 : 걸림턱b
363 : 차단돌기b
370 : 부싱b
381 : 오링b
383,384 : 오링b
390 : 스프링b
410,420,430,440,450,460,470,480,491,492 : 제1~10가스배관

Claims

일측으로 제1가스유입공간c이 마련되고, 상기 제1가스유입공간c을 외부와 연결하는 제1볼트결합공c과 제1가스배출로c가 각각 형성된 제1본체c;
일측으로 제2가스유입공간c이 마련되고, 상기 제2가스유입공간c을 외부와 연결하는 제2볼트결합공c과 제2가스배출로c가 각각 형성된 제2본체c;
상기 제1가스유입공간c과 외부를 연결하는 제1가스유입로c를 가지며, 상기 제1본체c의 제1볼트결합공c에 결합되는 제1가스유입볼트c;
상기 제2가스유입공간c과 외부를 연결하는 제2가스유입로c를 가지며, 상기 제2본체c의 제2볼트결합공c에 결합되는 제2가스유입볼트c;
상기 제1본체c와 제2본체c 사이에 위치하여 상기 제1본체c 및 제2본체c와 결합되고 중심에 차단핀장착공c이 형성된 차단핀지지부c; 및
상기 차단핀지지부c의 차단핀장착공c에 왕복운동이 가능한 상태로 안착되는 차단핀c을 포함하되,
상기 차단핀c은 상기 제1가스유입볼트c의 제1가스유입로c를 통해 상기 제1가스유입공간c으로 유입되는 제1가스의 압력과 상기 제2가스유입볼트c의 제2가스유입로c를 통해 상기 제2가스유입공간c으로 유입되는 제2가스의 압력 차이에 따라 어느 한쪽으로 밀려나면서, 압력이 높은 측의 가스유입로c는 개방하여 유입되는 가스가 가스배출로c를 통해 배출될 수 있도록 하고, 압력이 낮은 측의 가스유입로c는 폐쇄하여 가스 유입을 차단함으로써, 상기 제1가스의 압력과 제2가스의 압력이 동일하도록 유지시켜주며,
상기 차단핀c의 양측에는 걸림턱c이 형성되어 있고,
상기 차단핀c 양측 중 어느 일측의 걸림턱c과 상기 차단핀지지부c 사이를 탄성력으로 밀어내는 스프링c을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스차압 조절장치.
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