KR101196754B1 - 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기 - Google Patents

연료전지 시스템의 다중 기액 분리기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단에 구비되는 복수의 기액 분리기가 연료전지 시스템 내에서 차지하는 공간을 최소화하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기는, 크기가 서로 상이한 다중 기액 분리기를 포함하며, 상기 다중 기액 분리기는, 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단마다 상기 다중 기액 분리기 중 어느 하나의 분리기가 각각 연결되고, 상기 다중 기액 분리기 중에서 큰 용량의 기액 분리기 내부에 작은 용량의 기액 분리기가 설치된다.

Description

연료전지 시스템의 다중 기액 분리기{MULTIPLE GAS-LIQUID SEPARATOR FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템에 포함된 기액 분리기는, 연료전지 스택(stack)에서 발전 반응 후 배출된 잔여 수소 가스와 물을 분리하는 장치이다.
본 발명의 목적은, 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단에 구비되는 복수의 기액 분리기가 연료전지 시스템 내에서 차지하는 공간을 최소화하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 스택의 각 단의 입구 온도를 일정하게 유지하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 히터로 인한 전력 사용량을 최소화하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기를 제공하는 데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기는, 크기가 서로 상이한 다중 기액 분리기를 포함하며, 상기 다중 기액 분리기는, 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단마다 상기 다중 기액 분리기 중 어느 하나의 분리기가 각각 연결되고, 상기 다중 기액 분리기 중에서 큰 용량의 기액 분리기 내부에 작은 용량의 기액 분리기가 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다중 기액 분리기 중에서 내측에 위치한 작은 용량의 기액 분리기에 포함된 연료 가스 공급관, 연료 가스 배출관 및, 응축수 배출관은 상기 작은 용량의 기액 분리기 외측에 위치한 기액 분리기를 관통하여 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 스택은, 제1단 스택, 제2단 스택 및, 제3단 스택을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다중 기액 분리기는, 상기 제1단 스택과 상기 제2단 스택 사이에 설치된 제1 기액 분리기; 상기 제2단 스택과 상기 제3단 스택 사이에 설치된 제2 기액 분리기; 및 상기 제3단 스택의 어노드 오프 가스 배출관로에 설치된 제3 기액 분리기를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1 기액 분리기 내부에 상기 제2 기액 분리기가 설치되고, 상기 제2 기액 분리기 내부에 상기 제3 기액 분리기가 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 연료 가스 공급관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 연료 가스 공급관의 직경보다 크고, 상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 연료 가스 배출관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 연료 가스 배출관의 직경보다 크고, 상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 응축수 배출관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 응축수 배출관의 직경보다 클 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 기액 분리기에 포함된 연료 가스 배출관의 길이가 상기 기액 분리기에 포함된 연료 가스 공급관의 길이보다 길 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다중 기액 분리기 중에서 최외측에 위치한 기액 분리기의 표면과 기설정된 간격으로 이격되게 설치된 단열 용기를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 단열 용기와 상기 최외측에 위치한 기액 분리기 사이는, 진공 상태일 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다중 기액 분리기 중에서 최외측에 위치한 기액 분리기의 표면에 설치된 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 다중 기액 분리기를 수평으로 관통하고, 상기 다중 기액 분리기에 각각 포함된 응축수의 수위를 감지하는 수위 감지 센서; 상기 다중 기액 분리기에 각각 포함된 응축수 배출관에 설치되는 전자 제어 밸브; 및 상기 수위 감지 센서로부터 감지된 응축수의 수위를 근거로 상기 전자 제어 밸브의 개폐를 제어하는 전자 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
본 발명과 관련된 일 예로서, 상기 수위 감지 센서는, 상기 다중 기액 분리기에 각각 대응하는 복수의 감지부를 포함하며, 상기 다중 기액 분리기와 상기 복수의 감지부는, 나사 결합 방식으로 결합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기는, 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단에 구비되는 복수의 기액 분리기에 대해 최대 용량 기액 분리기의 내부에 나머지 모든 기액 분리기가 내장됨으로써, 기액 분리기 설치 공간이 감소하여 연료전지 시스템의 크기를 감소시키고, 타 부품들의 레이아웃이 용이해지고, 기액 분리기를 모듈화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기는, 복수의 기액 분리기를 통과하면서 연료 가스의 온도 감소량을 최소화하여 스택의 각 단의 입구 온도를 일정하게 유지함으로써, 단열 성능을 향상시키고 열 손실을 최소화시키며, 내측에 위치한 기액 분리기들은 별도의 단열 수단과 히터를 필요로 하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기는, 히터로 인한 전력 사용량을 최소화함으로써, 시스템 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액 분리기의 개략적인 정단면도 및 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액 분리기의 외관 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액 분리기의 종방향 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 단으로 이루어진 스택과 복수의 기액 분리기 간의 연결 관계를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단열 수단 및/또는 히터가 구비된 기액 분리기의 구성을 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 제어부가 구비된 기액 분리기의 구성을 나타낸 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 나타낸 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 연료전지 시스템(10)은, 연료 변환부(100), 스택(200), 전력 변환부(300), 폐열 회수부(400), 주변 장치부(500) 및, 기액 분리기(600)로 구성된다. 도 1에 도시된 연료전지 시스템(10)의 구성 요소가 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 연료전지 시스템(10)이 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 연료전지 시스템(10)이 구현될 수도 있다.
상기 연료 변환부(100)는, 탄화 수소계 연료로부터 상기 스택(200)에서 사용하는 연료 가스(일 예로, 수소 농후 가스 등 포함)를 생성한다.
상기 스택(200)은, 상기 연료 변환부(100)로부터 생성된 연료 가스를 전해질막을 통해 공기(산소)와 전기 화학 반응시켜 전기를 생산한다.
또한, 상기 스택(200)은, 복수의 단으로 구성된다. 또한, 상기 스택(200)이 복수의 단으로 구성되는 경우, 상기 복수의 단은 직렬로 배치되며, 상기 복수의 단 사이사이에는 상기 기액 분리기(600)에 포함된 복수의 기액 분리기 중 어느 하나의 기액 분리기가 각각 설치된다. 이때, 상기 복수의 단은, 전기적으로 직렬로 연결한다. 또한, 각각의 단은, 1개 ~ 수백개의 단위 셀(cell : 단위 전지)로 구성하며, 마지막 단으로 갈수록 셀의 수는 감소하게 구성한다. 또한, 각 단의 셀의 수는, 연료 가스(수소)와 산화 가스(산호)의 화학 양론비(stoichiometry)가 1.2~1.5가 유지되고, 마지막 단의 양론비는 1이 되도록 구성(또는, 조절)한다.
또한, 상기 스택(200)은, 복수의 셀이 적층되어 구성된다. 이때, 상기 셀은, 전해질막의 양측면에 연료극(미도시)과 공기극(미도시)이 각각 구비(또는, 적층)된 구조로 이루어지며, 이를 막-전극 조합체(Membrance Electrode Assembly : MEA)라 한다. 또한, 상기 막-전극 조합체의 바깥 부분, 즉 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(Gas Diffusion Layer : GDL)이 위치하고, 상기 가스 확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하는 유로(flow channel : flow field)가 형성된 분리판이 위치한다. 또한, 각 셀(또는, 각각의 막-전극 조합체)은 분리판에 의해 상호 분리된다. 여기서, 상기 분리판은, 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라 불리우는 금속 재질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 분리판의 양쪽 측면에는 각각 유로(일 예로, 연료 유로(또는, 수소 채널), 공기 유로(또는, 산소 채널) 등 포함)가 형성되며, 각각 접촉한 막-전극 조합체의 애노드 또는 캐소드에 연료 가스(수소)와 산화 가스(산소)를 공급한다.
또한, 상기 애노드(또는, 연료극)로 공급된 수소는, 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해되어, 상기 수소 이온은 상기 전해질막을 통해 상기 캐소드(또는, 공기극)쪽으로 이동하고, 상기 전자는 외부도선(또는, 상기 분리판)을 통해 상기 공기극으로 이동한다.
상기와 같이, 상기 전자의 이동에 의해 전류가 생성되고, 상기 수소 이온과 상기 전자가 상기 공기극으로 공급된 산소와 결합하여 물이 생성되며, 상기 물 생성 반응 과정에서 열이 발생한다. 따라서, 상기 연료전지 스택에는, 운전 중 지속적으로 발생하는 열을 흡수 방출하여 일정한 작동 온도를 유지하도록 냉각수가 공급된다.
상기 전력 변환부(300)는, 상기 스택(200)에서 생산된 직류 전류를 교류 전류로 변환하고, 상기 변환된 교류 전류를 부하(load)에 공급한다.
상기 폐열 회수부(400)는, 상기 스택(200)과 상기 전력 변환부(300)에서 발생하는 폐열을 회수한다.
상기 주변 장치부(Balance of Plant : BOP)(500)는, 상기 연료전지 시스템(10)의 냉각, 기동, 발전 유지 및, 정지 등의 각종 제어를 수행한다.
상기 기액 분리기(600)는, 복수의 단으로 구성된 상기 스택(200)의 각 단의 사이마다 각각 설치된다.
또한, 상기 기액 분리기(600)는, 상기 스택(200)에서 전류 생성시 발생된 물을 제거한다.
또한, 상기 기액 분리기(600)는, 상기 스택(200)에 포함된 연료극에서 배출되는 어노드 오프 가스(anode-off gas)에 포함된 수분을 제거한다. 이때, 상기 연료극에서 배출되는 수분은, 상기 공기극에서 발생한 물이 상기 공기극으로 공급되는 공기에 의한 건조량보다 발생량이 많을 때 상기 전해질막을 통해 확산하여 상기 연료극쪽으로 이동한 수분일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액 분리기의 개략적인 정단면도 및 평단면도이다.
상기 기액 분리기(600)는, 복수의 기액 분리기(610, 620, 630) 중에서 상대적으로 큰 용량의 기액 분리기 내부에 작은 용량의 기액 분리기를 순차적으로 설치한다. 즉, 상기 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상대적으로 가장 큰 용량의 제1 기액 분리기(610) 내부에 제2 기액 분리기(620)가 설치되고, 상기 제2 기액 분리기(620) 내부에 제3 기액 분리기(630)가 설치된다.
상기 스택(200)이 복수의 단으로 이루어진 경우, 후반부에 구비된 단의 것일수록 스택의 용량이 감소하며, 그에 따라 그 내부에서 배출되는 반응 가스와 수분의 양도 감소하므로, 스택의 각 단 사이사이에 설치되는 기액 분리기도 전반부에 구비된 기액 분리기의 용량을 후반부에 구비된 기액 분리기의 용량보다 더 크게 구성한다. 즉, 최외각에 구비된 기액 분리기가 가장 용량이 크고, 내측으로 갈수록 기액 분리기의 용량이 점차 감소한다. 따라서, 스택이 복수의 단으로 구성된 경우 구비된 기액 분리기들은 스택 단의 진행 즉, 설치 위치에 따라서 점차 용량이 작아지게 되며, 큰 용량의 기액 분리기 내부에 작은 용량의 기액 분리기를 설치할 수 있다.
또한, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)의 상단(또는, 상부)에는, 각각의 연료 가스 공급관(또는, 공급구)(611, 621, 631)과 연료 가스 배출관(또는, 배출구)(612, 622, 632)이 각각 형성된다. 즉, 상기 제1 기액 분리기(610)의 상단에는, 상기 제1 연료 가스 공급관(611)과 제1 연료 가스 배출관(612)이 형성되고, 상기 제2 기액 분리기(620)의 상단에는, 상기 제2 연료 가스 공급관(621)과 제2 연료 가스 배출관(622)이 형성되고, 상기 제3 기액 분리기(630)의 상단에는, 상기 제3 연료 가스 공급관(631)과 제3 연료 가스 배출관(632)이 형성된다.
또한, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)의 하단(또는, 하부)에는, 응축수 배출관(613, 623, 633)이 각각 형성된다. 즉, 상기 제1 기액 분리기(610)의 하단에는 제1 응축수 배출관(613)이 형성되고, 상기 제2 기액 분리기(620)의 하단에는 제2 응축수 배출관(623)이 형성되고, 상기 제3 기액 분리기(630)의 하단에는 제3 응축수 배출관(633)이 형성된다.
또한, 상기 도 2a에 도시된 바와 같이, 내측에 위치한 기액 분리기들의 연료 가스 공급관, 연료 가스 배출관 및, 응축수 배출관은, 해당 기액 분리기의 외측에 설치된 기액 분리기를 관통하여 설치된다. 즉, 상기 제2 기액 분리기(620)에 포함된 상기 제2 연료 가스 공급관(621), 상기 제2 연료 가스 배출관(622) 및, 상기 제2 응축수 배출관(623)은, 상기 제2 기액 분리기(620)의 외측에 설치된 제1 기액 분리기(610)를 관통하여 설치된다. 또한, 상기 제3 기액 분리기(630)에 포함된 상기 제3 연료 가스 공급관(631), 상기 제3 연료 가스 배출관(632) 및, 상기 제3 응축수 배출관(633)은, 상기 제3 기액 분리기(630)의 외측에 설치된 제1 기액 분리기(610)와 제2 기액 분리기(620)를 관통하여 설치된다.
도 3과 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기액 분리기의 외관 사시도 및 종방향 절개 사시도이다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 각 기액 분리기는, 원통형의 밀폐 용기로 이루어진다. 상기 기액 분리기의 형태는, 원통형 이외에도 벌집형, 사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 도 4에 도시된 바와 같이, 가장 큰 용량의 제1 기액 분리기(610)의 내부에 제2 기액 분리기(620)가 설치되고, 상기 제2 기액 분리기(620)의 내부에 제3 기액 분리기(630)가 설치된다.
또한, 각 기액 분리기들(610, 620, 630)은, 횡방향(반경 방향) 및 종방향으로 상호 이격되게 설치된다.
즉, 내부의 기액 분리기(620, 630)는, 그 외측의 기액 분리기(610, 620)의 내부 공간에 떠있는 상태로 배치된다. 이때, 내측 기액 분리기는, 외측 기액 분리기에 고인 물에 의해 부상되는 것이 아니며, 상기 제2 및 제3 연료 가스 공급관(621, 631), 제2 및 제3 연료 가스 배출관(622, 632) 및, 제2 및 제3 응축수 배출관(623, 633)들이 각 기액 분리기(610, 620, 630)들의 상면 또는 하면의 관통부에 용접되어 있기 때문에, 상기 관들에 의해 내측에 위치한 기액 분리기(620, 630)의 설치 위치가 유지된다.
또한, 상기 복수의 연료 가스 공급관(611, 621, 631), 상기 복수의 연료 가스 배출관(612, 622, 632) 및, 상기 복수의 응축수 배출관(613, 623, 633)들은, 설계자의 설계를 근거로 통과 유량(연료 가스 또는 응축수)에 적합한 내경을 가지도록 구성한다.
즉, 통과 유량이 많은 상기 제1 기액 분리기(610)의 상기 제1 연료 가스 공급관(611), 상기 제1 연료 가스 배출관(612) 및, 상기 제1 응축수 배출관(613)의 내경이 가장 크고, 이후 상기 제2 기액 분리기(620)의 상기 제2 연료 가스 공급관(621), 상기 제2 연료 가스 배출관(622) 및, 상기 제2 응축수 배출관(623)의 내경이 그 다음으로 크고, 이후 상기 제3 기액 분리기(630)의 상기 제3 연료 가스 공급관(631), 상기 제3 연료 가스 배출관(632) 및, 상기 제3 응축수 배출관(633)의 내경이 그 다음의 크기를 가지도록 구성한다. 이와 같이, 외부에서 내부로의 관로 순으로 감소하는 내경을 가진다.
또한, 연료 가스 공급관에 비해 연료 가스 배출관의 길이를 더 길게 구성한다. 즉, 상기 제1 연료 가스 배출관(612)의 길이가 상기 제1 연료 가스 공급관(611)의 길이보다 길고, 상기 제2 연료 가스 배출관(622)의 길이가 상기 제2 연료 가스 공급관(621)의 길이보다 길고, 상기 제3 연료 가스 배출관(632)의 길이가 상기 제3 연료 가스 공급관(631)의 길이보다 길게 구성한다.
따라서, 복수의 기액 분리기의 내부에서 응축수와 분리된 연료 가스(수소 잔여 가스)가 재배출될 때, 연료 가스와 배출관 내주면의 접촉 면적이 증가하여, 배출되는 연료 가스 내 수분이 배출관의 내주면에 응출될 수 있는 기회가 더 제공되어, 가능한 많은 양의 수분을 제거할 수 있다. 즉, 배출되는 연료 가스에 포함된 수분이 배출관의 내주면에 응축되어 하방으로 흘러 떨어진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 단으로 이루어진 스택과 복수의 기액 분리기 간의 연결 관계를 나타낸 도이다.
제1단 스택(제1 스택 또는, 1단 스택)(S1)으로 공급된 연료 가스는, 상기 제1 단 스택(S1)으로부터 배출되어 차례로 제2단 스택(제2 스택 또는, 2단 스택)(S2)과 제3단 스택(제3 스택 또는, 3단 스택)(S3)으로 공급되어 스택(200)의 연료극에 수소를 공급한다.
이때, 각 단의 스택(S1, S2, S3)에서 배출된 연료 가스는, 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)를 각각 통과한다.
상기 복수의 스택(S1, S2, S3)은, 발전 작동 중 발열하므로, 상기 복수의 스택(S1, S2, S3)을 각각 통과한 연료 가스의 온도는 상승하나, 각 스택의 외부에 위치한 기액 분리기를 통과하면서 연료 가스의 온도는 하강한다.
상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630) 중에서, 상기 제1 기액 분리기(610) 내부에 위치한 제2 기액 분리기(620)와 제3 기액 분리기(630)는, 상기 제1 기액 분리기(610)에 의해 보온되어 열 손실량이 감소한다.
이와 같이, 복수의 기액 분리기를 통과하여도 연료 가스의 온도 강하량이 크기 않기 때문에, 각 스택 단의 입구 온도를 일정한 값으로 유지할 수 있다.
즉, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1단 스택(S1)의 입구 온도가 60℃이고, 이후의 상기 제2단 스택(S2)과 상기 제3단 스택(S3)의 입구 온도가 모두 58℃로, 모든 스택의 입구 온도를 유사한 수준(또는, 일정한 수준)으로 유지할 수 있다.
따라서, 연료 가스의 스택 입구 온도를 적정 수준으로 유지하여, 각 스택에서의 반응이 활성화되며, 이에 따라 스택의 발전 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 이와 같이, 작은 용량의 기액 분리기들이 큰 용량의 기액 분리기 내부에 설치되므로, 가장 큰 용량의 기액 분리기가 차지하는 공간 이외에는 기액 분리기 설치를 위한 공간이 추가로 필요 없게 된다.
또한, 이와 같이, 내측에 설치되는 기액 분리기에는 별도의 단열재 및/또는 히터를 설치하지 않아도 되므로, 상기 단열재 및/또는 히터의 설치에 따른 공간 차지도 발생하지 않는다.
또한, 이와 같이, 연료전지 시스템에서 기액 분리기가 차지하는 공간이 최소화되므로, 타 부품들의 레이아웃 설정이 용이해지고, 연료전지 시스템을 컴팩트한 모듈로 제작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단열 수단 및/또는 히터가 구비된 기액 분리기의 구성을 나타낸 도이다.
복수의 기액 분리기(610, 620, 630) 중, 최외측에 구성된 제1 기액 분리기(610)의 외부를 감싸도록 단열 수단이 설치된다. 이때, 상기 단열 수단은, 통상적인 재질(일 예로, 유리 섬유 등)의 단열재일 수 있다.
또한, 상기 제1 기액 분리기(610)의 외측에 단열 용기(700)가 설치될 수 있다.
상기 단열 용기(700)는, 상기 복수의 기액 분리기들(610, 620, 630)과 동일한 재질과 형상의 밀폐 용기로 구성하며, 상기 단열 용기(700)의 크기는 상기 제1 기액 분리기(610)보다 더 크게 구성하여, 상기 단열 용기(700)의 내부에 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)를 설치한다.
이와 같이, 상기 제1 기액 분리기(610)의 외주 표면이 대기와 차단된 소정의 공간으로 둘러싸임으로써, 상기 제1 기액 분리기(610) 표면으로부터 대기로의 열 전달량이 최소화되어 상기 제1 기액 분리기(610)의 열 손실량이 감소한다.
또한, 상기 단열 용기(700)와 상기 제1 기액 분리기(610) 사이 공간을 진공 상태로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630) 중, 최외측에 구성된 상기 제1 기액 분리기(610)의 외주 표면에 히터(800)를 설치할 수도 있다.
상기 히터(800)는, 상기 제1 기액 분리기(610)의 외주 표면 전체를 동시에 고르게 가열하기 위해서 상기 제1 기액 분리기(610)의 외주 표면에 감긴 코일형 전열 히터를 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 복수의 기액 분리기 중 최외측에 구성된 기액 분리기의 표면에 히터를 구성함으로써, 기액 분리기의 온도가 기설정된 온도 이하로 내려갈 때, 상기 히터를 작동시켜 온도 손실을 보상할 수 있다.
또한, 상기 복수의 기액 분리기 중 최외측에 구성된 기액 분리기에 대해서만 히터가 설치됨으로, 각각의 기액 분리기마다 히터를 설치할 필요가 없어 히터의 설치 수를 줄일 수 있고, 히터의 가동 시간을 줄임으로써 히터로 인한 연료전지 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 제어부가 구비된 기액 분리기의 구성을 나타낸 도이다.
이에 도시된 바와 같이, 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)는, 수위 감지 센서부(640), 전자 제어 밸브(650) 및, 전자 제어부(660)를 더 포함한다.
상기 수위 감지 센서부(640)는, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630) 각각을 수평으로 관통하여 설치한다. 즉, 상기 수위 감지 센서부(640)는, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)의 수와 동일한 복수의 수위 감지 센서(641, 642, 643)를 포함한다. 이때, 상기 복수의 수위 감지 센서(641, 642, 643)는, 각 기액 분리기(610, 620, 630)들에 형성된 관통공과 상호 나사 결합 방식으로 결합하여 수밀(水密)을 이룰 수 있다. 또한, 상기 수밀 상태를 유지하기 위해, 관통 나사공 주변에 실러(sealer)를 도포할 수도 있다.
이와 같이, 상기 수위 감지 센서부(640)는, 하나의 몸체에 다수의 수위 감지 센서(641, 642, 643)를 일체형으로 형성함으로써, 센서의 조립 및 분해 점검이 용이할 수 있다.
또한, 상기 수위 감지 센서부(640)는, 수평 상태로 설치되어, 상기 각 수위 감지 센서(641, 642, 643)는 동일한 높이의 수위를 감지한다.
상기 전자 제어 밸브(650)는, 기액 분리기에 포함된 응축수 배출관의 일면(또는, 일단)에 설치된다. 즉, 상기 전자 제어 밸브(650)는, 상기 복수의 기액 분리기(610, 620, 630)에 각각 포함된 복수의 응축수 배출관(613, 623, 633)에 각각 대응하는 복수의 밸브(651, 652, 653)를 포함한다.
또한, 상기 전자 제어 밸브(650)는, 상기 전자 제어부(660)에 의해 생성된 제어 신호를 근거로 상기 전자 제어 밸브(650)에 포함된 복수의 밸브(651, 652, 653)의 개폐를 제어한다.
일 예로, 제1 밸브(651)는, 상기 전자 제어부(660)에 의해 생성된 제어 신호를 근거로 상기 제1 밸브(651)를 개방하여, 상기 제1 기액 분리기(610) 내의 응축수를 외부로 배출한다.
상기 전자 제어부(660)는, 상기 수위 감지 센서부(640)에 의해 감지된 응축수의 수위에 대한 정보를 근거로 상기 전자 제어 밸브(650)에 포함된 하나 이상의 밸브의 개폐를 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 연료전지 시스템 100: 연료 변환부
200: 스택 300: 전력 변환부
400: 폐열 회수부 500: 주변 장치부
600, 610, 620, 630: 기액 분리기 611, 621, 631: 연료 가스 공급관
612, 622, 632: 연료 가스 배출관 613, 623, 633: 응축수 배출관
640: 수위 감지 센서부 641, 642, 643: 수위 감지 센서
650: 전자 제어 밸브 651, 652, 653: 밸브
660: 전자 제어부 700: 단열 용기
800: 히터

Claims (12)

  1. 크기가 서로 상이한 다중 기액 분리기를 포함하며,
    상기 다중 기액 분리기는, 복수의 단으로 구성되는 스택의 각 단마다 상기 다중 기액 분리기 중 어느 하나의 분리기가 각각 연결되고,
    상기 다중 기액 분리기 중에서 큰 용량의 기액 분리기 내부에 작은 용량의 기액 분리기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다중 기액 분리기 중에서 내측에 위치한 작은 용량의 기액 분리기에 포함된 연료 가스 공급관, 연료 가스 배출관 및, 응축수 배출관은 상기 작은 용량의 기액 분리기 외측에 위치한 기액 분리기를 관통하여 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스택은, 제1단 스택, 제2단 스택 및, 제3단 스택을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 다중 기액 분리기는,
    상기 제1단 스택과 상기 제2단 스택 사이에 설치된 제1 기액 분리기;
    상기 제2단 스택과 상기 제3단 스택 사이에 설치된 제2 기액 분리기; 및
    상기 제3단 스택의 어노드 오프 가스 배출관로에 설치된 제3 기액 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기액 분리기 내부에 상기 제2 기액 분리기가 설치되고,
    상기 제2 기액 분리기 내부에 상기 제3 기액 분리기가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 연료 가스 공급관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 연료 가스 공급관의 직경보다 크고,
    상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 연료 가스 배출관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 연료 가스 배출관의 직경보다 크고,
    상기 제1 기액 분리기에 포함된 제1 응축수 배출관의 직경이 상기 제2 기액 분리기에 포함된 제2 응축수 배출관의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리기에 포함된 연료 가스 배출관의 길이가 상기 기액 분리기에 포함된 연료 가스 공급관의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다중 기액 분리기 중에서 최외측에 위치한 기액 분리기의 표면과 기설정된 간격으로 이격되게 설치된 단열 용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단열 용기와 상기 최외측에 위치한 기액 분리기 사이는, 진공 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 다중 기액 분리기 중에서 최외측에 위치한 기액 분리기의 표면에 설치된 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 다중 기액 분리기를 수평으로 관통하고, 상기 다중 기액 분리기에 각각 포함된 응축수의 수위를 감지하는 수위 감지 센서; 상기 다중 기액 분리기에 각각 포함된 응축수 배출관에 설치되는 전자 제어 밸브; 및
    상기 수위 감지 센서로부터 감지된 응축수의 수위를 근거로 상기 전자 제어 밸브의 개폐를 제어하는 전자 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수위 감지 센서는, 상기 다중 기액 분리기에 각각 대응하는 복수의 감지부를 포함하며, 상기 다중 기액 분리기와 상기 복수의 감지부는, 나사 결합 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 다중 기액 분리기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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