KR101374048B1 - 유체 펌핑 장치, 이를 이용하는 연료전지 장치 및 연료 가스 재순환 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유체 펌핑 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 시스템 등에서 사용될 수 있는 유체 펌핑 장치에서, 펌프와 고온의 유체가 통과하는 유체의 일시적 저장부를 공간적으로 분리시킴으로써, 펌프의 내구성을 유지시키고, 교체 및 관리가 용이하며, 경량화가 가능한 유체 펌핑 장치에 관한 것이다. 또한 본 발명의 유체 펌핑 장치는 설치 장소의 제약이 없으며, 장치가 간단할 뿐만 아니라 고장 요인이 적은 효과를 가진다. 아울러 본 발명에 따른 연료전지용 유체 펌핑 장치는 별도의 냉각과정 없이도 고온 가스를 펌핑(pumping) 할 수l 있으며, 따라서 연료 사용률을 높여 연료전지 시스템의 효율 향상에 기여한다.
Description
본 발명은 유체 펌핑 장치, 이를 이용하는 연료전지 장치 및 연료 가스 재순환 방법에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 장치 특히 고온형 연료전지 장치, 고온 조건 하에서 유체 간의 믹싱 공정, 냉각 공정, 반응 공정, 고온 조건 하에서 고체와 유체의 반응 및 추출 공정, 원자로 등에서 적용될 수 있는 유체 펌핑 장치, 이를 이용하는 연료전지 장치 및 연료 가스 재순환 방법에 관한 것이다.
화석 에너지의 고갈 및 환경오염 문제로 인하여 에너지의 효율화가 더욱 절실하게 요구되는 상황이다.
관련하여, 고체 산화물 연료전지(Solid oxide fuel cell, SOFC)나 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)와 같은 고온 연료 전지 시스템의 경우, 열역학적으로 발전 효율이 높고, 높은 온도의 폐열은 활용 범위가 넓으므로, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 이러한 연료전지는 500℃ 이상의 온도에서 작동되는 고온형 연료전지들로서, 수소 이외의 다양한 탄화수소를 연료로서 사용할 수 있으며, 비금속계 전극을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
고체 산화물 연료전지나 용융 탄산염 연료전지와 같은 고온 연료전지 에너지 시스템에서, 에너지 효율을 높이는 연구가 진행되고 있다.
상술하면, 연료전지 시스템에서 연료의 사용률은 일반적으로 100%이하이다. 따라서 연료극 출구에서 배출되는 가스에는 미처 사용되지 못한 연료가 남아있게 되는데, 이를 펌프로 재순환하여 연료극 입구에 다시 공급해주면, 연료의 사용률이 향상될 수 있고, 이에 따라 연료전지 시스템의 효율도 향상될 수 있다.
또한, 상기 연료극 출구에서 배출되는 가스의 재순환을 통하여, 연료극 내 가스의 공간속도가 증가되면 연료전지 내의 온도 분포가 균일화될 수 있고, 연료극 내부로의 물질 전달이 원활해지므로 연료전지 스택의 성능 및 안정성이 동시에 향상될 수 있다.
그런데, 고온 연료전지의 출구에서 배출되는 가스 온도는 일반적으로 700℃ 이상으로서, 이러한 고온 가스는 재순환 펌프에서 이용되기에는 지나치게 높은 온도를 가지는 것이다. 따라서, 연료의 재순환을 위하여 출구에서 배출된 가스 온도를 재순환 펌프에 이용 가능한 온도 수준으로 낮춰야하고, 이후 연료전지 입구에 공급하기 위해서 다시 온도를 높여야 하므로, 냉각과 가열을 위한 별도의 전력이 필요한 문제점이 존재한다.
기존의 고온 연료전지 출구 가스의 재순환을 위한 유체 펌핑 장치는 저온 상태의 펌프와 고온 상태의 유체 저장부가 직접 연결되어 있어서 고온 유체가 펌프에 직접 공급되었다. 이에 따라 고온의 유체가 가연성이거나 유동적인 경우 펌프의 기밀성을 높게 유지하고자 실란트가 펌프에 설치되고, 또한 고온 상태의 유체로부터 펌프를 보호하기 위한 냉각 장치가 펌프 축에 설치되었다.
그러나, 본 발명자들의 연구 결과에 의하면, 이러한 기존의 유체 펌핑 장치에서는 고온부의 온도가 높아지는 경우 펌프 축의 길이가 길어지게 되고, 그 결과 열 변형과 진동이 심해질 수 있으며, 이는 펌프의 내구성 약화로 이어질 수 있다. 또한 펌프 축이 길어지면 펌핑 장치 자체의 크기가 커지는 문제점 또한 존재하게 된다.
본 발명의 구현예들에서는, 연료전지 장치 특히 고온형 연료전지 장치, 고온 조건 하에서 유체 간의 믹싱 공정, 냉각 공정, 반응 공정, 고온 조건 하에서 고체와 유체의 반응 및 추출 공정, 원자로 등에서 연료 가스의 재순환을 위하여 사용될 수 있는 유체 펌핑 장치로서, 펌프의 내구성을 유지할 수 있고, 교체 및 관리가 용이하며, 경량화, 소형화가 가능한 유체 펌핑 장치, 이를 이용하는 연료전지 장치 및 연료 가스 재순환 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 구현예들에서는, 유체의 흐름을 일시적으로 저장하고 배출하는 유체 일시적 저장부; 상기 유체의 일시적 저장부와 이격되도록 위치하며, 공기의 흡입과 배출을 반복하는 펌프; 상기 유체의 일시적 저장부와 펌프를 연결하여 펌프에 의한 공기를 전달하는 연결관; 및 상기 유체의 일시적 저장부의 유체 입구와 유체 출구에 각각 위치하고 펌프에 의한 공기의 흡입과 배출에 대응하여 개폐를 반복하는 제 1 및 제 2 체크 밸브;를 포함하고, 제 1 체크 밸브가 닫히면 제 2 체크 밸브가 열리고 제 1 체크 밸브가 열리면 제 2 체크 밸브가 닫히는 유체 펌핑 장치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 위치하고, 상기 펌프는 고온부 외부에 위치한다.
예시적인 구현예에서, 상기 고온부 벽은 단열재를 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연결관은 플렉시블 튜브일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연결관에는 냉각 장치가 더 구비될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 펌프는 모터; 모터의 회전 운동에 따라 왕복 운동을 수행하는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드의 일측에 부착되어 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 다이어프램(격막); 및 상기 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 격실로 이루어지고, 상기 격실의 수축과 팽창에 의하여 공기의 배출과 흡입이 이루어지는 다이어프램 펌프(diaphram pump)(격막식 펌프)일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체의 일시적 저장부에는 연결관과의 연결부에 격막이 더 설치될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체의 일시적 저장부는 복수 개가 배치되고, 복수 개의 연결관에 의하여 복수 개의 유체의 일시적 저장부가 펌프에 연결될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체의 일시적 저장부는 복수 개이고, 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하고, 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 연결관에는 유체의 일시적 저장부에 전달되는 공기를 조절함으로써 유체의 일시적 저장부에 펌핑되는 유체량을 조절하는 제어 밸브를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 체크 밸브는 볼타입 체크 밸브 또는 플레이트 타입 체크 벨브일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체는 연료전지의 연료극에서 배출되는 예컨대 700℃ 이상의 고온 출구 가스일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체 펌핑 장치는 제 1 및 제 2 유체의 일시적 저장부; 및 제 1 및 제 2 연결관을 포함하고, 상기 다이어프램 펌프는, 모터에 연결된 제 1 및 제 2 커넥팅 로드; 상기 제 1 커넥팅 로드의 일측에 부착되어 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 제 1 다이어프램; 상기 제 2 커넥팅 로드의 일측에 부착되어 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 제 2 다이어프램; 상기 제 1 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 제 1 격실; 및 상기 제 2 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 제 2 격실을 포함하고, 제 1 격실이 수축할 때 제 2 격실이 팽창하고, 제 1 격실이 팽창할 때 제 2 격실이 수축하는 것이며, 상기 제 1 격실은 제 1 연결관에 의하여 제 1 유체의 일시적 저장부에 연결되고, 상기 제 2 격실은 제 2 연결관에 의하여 제 2 유체의 일시적 저장부에 연결될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 1 연결관과의 연결부에 격막이 더 설치되고, 상기 제 2 유체의 일시적 저장부와 제 2 연결관과의 연결부에 격막이 더 설치될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체 펌핑 장치는, 제 1 유체의 일시적 저장부 및 제 2 유체의 일시적 저장부를 포함하고, 제 1 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재하고 제 2 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하며, 연결관은 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고 이로부터 배출되어 제 2 유체의 일시적 저장부로 연결될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 유체의 일시적 저장부 사이의 연결관에는 제 1 유체의 일시적 저장부로부터 제 2 유체의 일시적 저장부로 공급되는 공기를 조절하는 제어 밸브가 설치될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 유체 펌프 장치는, 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부를 포함하고, 제 1 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재하고, 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하며, 연결관은 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고 이로부터 배출하여 3개의 관으로 분기되어 제 2 내지 제 4의 유체의 일시적 저장부로 각각 연결될 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부 사이의 각각의 연결관에는 제 1 유체의 일시적 저장부로부터 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부로 공급되는 공기를 조절하는 제어 밸브가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 연료전지; 및 상기 유체 펌핑 장치를 포함하고, 연료전지의 연료극으로부터의 출구 가스가 유체 펌핑 장치의 유체의 일시적 저장부에 공급되는 연료전지 장치를 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 연료전지의 연료극으로부터 출구 가스를 상기 유체 펌핑 장치의 유체의 일시적 저장부로 공급하는 단계를 포함하는 연료 가스 재순환 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따르면, 기존의 유체 펌핑 장치와 비교하여, 별도의 냉각 과정 없이도 고온 가스, 예컨대 연료전지의 연료극으로부터 나오는 고온의 출구 가스를 재순환을 위한 펌핑(pumping)에 사용할 수 있으며, 펌프 내구성 유지가 용이하고, 고장의 요인이 적어 교체 및 관리가 용이하며, 경량화, 소형화가 가능함에 따라 장치가 간단해 지고 설치 장소의 제약이 없게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 유체 펌핑 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 유체 펌핑 장치(추가 격막 설치)의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 유체 펌핑 장치(복동식)의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 구현예에 따른, 유체 펌핑 장치(복동식-추가 격막 설치)의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른, 연료전지용 제어 밸브를 포함한 격막식 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따른, 연료전지용 격막식 다중 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따른, 볼 타입 체크 밸브의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일구현예에 따른 유체 펌핑 장치를 사용하여 고온 가스를 펌핑한 결과를 나타낸 결과이다.
도 2는 본 발명의 제 1 구현예에 따른 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 구현예에 따른 유체 펌핑 장치(추가 격막 설치)의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 구현예에 따른 유체 펌핑 장치(복동식)의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 구현예에 따른, 유체 펌핑 장치(복동식-추가 격막 설치)의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일구현예에 따른, 연료전지용 제어 밸브를 포함한 격막식 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일구현예에 따른, 연료전지용 격막식 다중 유체 펌핑 장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일구현예에 따른, 볼 타입 체크 밸브의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일구현예에 따른 유체 펌핑 장치를 사용하여 고온 가스를 펌핑한 결과를 나타낸 결과이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 구현예를 보인 것으로서, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
우선 첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 일구현예에 따른 유체 펌핑 장치는 유체의 흐름을 일시적으로 저장하고 배출하는 유체의 일시적 저장부; 상기 유체의 일시적 저장부와 이격되도록 위치하며, 공기의 흡입과 배출을 반복하는 펌프; 상기 유체의 일시적 저장부와 펌프를 연결하여 펌프에 의한 공기를 전달하는 연결관; 및 상기 유체의 일시적 저장부의 유체 입구와 유체 출구에 각각 위치하고, 펌프에 의한 공기의 흡입과 배출에 대응하여 개폐를 반복하는 제 1 및 제 2 체크 밸브를 포함하며, 상기 제 1 체크 밸브가 닫히면 제 2 체크 밸브가 열리고, 제 1 체크 밸브가 열리면 제 2 체크 밸브가 닫히는 것을 특징으로 한다.
상기 유체의 일시적 저장부는 유체의 흐름을 일시적으로 저장하고 배출하는 부분으로서, 특별히 한정되지는 않지만 유체의 흐름에 미치는 영향을 최소화시키고, 사용 유량 및 압력에 맞게 유체 흐름을 일으킬 적정 공기가 발생되는 부피를 가질 수 있는 형태가 바람직하다. 상기 용기의 재질은 고온에서 안정적인 특성(예를 들어, 기계적 특성, 열적 특성, 내식성)이 확보된 물질이라면 제한되지 않으며, 금속이라면 SUS, Inconnel (Ni-Fe 합급), FeCrAlloy(Cr-Fe 합금) 으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 세라믹이라면 지르코니아(zirconia), 알루미나(alumina), 뮬라이트(mulite), 석영(quartz), 유리(glass)로 이루어진 군에서 선택된 것일 수 있다.
상기 유체의 일시적 저장부는 종래의 기술과는 달리 펌프와 이격되어 위치하는데, 하나의 구현 예로, 상기 유체의 일시적 저장부 용기는 고온의 유체가 일시적으로 저장 및 배출되는 부분으로, 고온부 내에 위치할 수 있으며, 상기 펌프는 고온부 외부에 위치할 수 있다.
상기 유체의 일시적 저장부는 연결관과의 연결부에 격막을 더 포함할 수 있다. 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 유체의 일시적 저장부에는 고온의 유체가 통과할 수 있는데, 상기 유체의 일시적 저장부를 통과하는 고온의 유체가 액체화 될 경우, 상기 액체가 유체의 일시적 저장부를 이탈하여 연결관으로 유입될 우려가 존재한다. 상기 고온의 유체가 연결관으로 유입될 경우, 상기 유체가 연결관을 통하여 펌프로 유입될 수 있으며, 이 경우 펌프의 내구성을 손상하게 된다. 따라서, 상기 유체의 일시적 저장부와 연결관과의 연결부에 격막을 위치시켜, 고온의 유체가 연결배관을 통하여 펌프로 유입되는 것을 미연에 차단하게 된다. 상기 격막은 펌프로부터 연결관을 통하여 전달되는 공기를 방해하지 않으면서, 유체가 연결배관으로 유입되는 것을 차단할 수 있는 것이면 제한되지 않는다.
또한, 상기 격막은 상기 펌프에서 발생한 공기가 상기 유체의 일시적 저장부에 전달되는 것을 저해할 경우 유체의 펌핑이 고르게 되지 않거나, 펌핑 효율이 저하될 우려가 존재하므로, 상기 격막은 바람직하게는 탈착할 수 있는 것이 좋다.
상기 유체의 일시적 저장부의 유체 입·출구에는 체크 밸브가 연결된다. 상기 체크 밸브 상기 유체의 일시적 저장부의 유체 입·출구에 위치하여 유체를 일 방향으로만 흐르게 하는 것이라면 제한되지 않는다. 상기 체크 밸브는 바람직하게는 볼타입 체크 밸브, 플레이트 타입 체크 밸브일 수 있다. 상기 볼타입 체크 밸브의 경우, 볼의 재질은 세라믹(지르코니아, 실리카), 유리 및 고온에서 안정한 플라스틱(예를 들어, 테플론)으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 볼타입 체크 밸브의 하나의 구현예를 도 8에서 도시하였다. 상기 도 8을 참조하면, 볼이 위치한 배관은 유체가 흐르는 방향으로 배관 구경이 넓어지며, 화살표 방향으로 유체가 흐를 경우 체크 밸브 내의 볼이 위쪽으로 이동하면서 배관과 볼 사이의 간격이 넓어져서 유체가 흐를 수 있다. 만약 화살표의 반대 방향(역방향)으로 유체가 흐를 경우에는, 볼이 아래쪽으로 이동하면서 배관과 볼 사이의 간격을 좁히게 되므로 유체가 흐르지 못하게 된다. 이로써, 상기 체크 밸브는 유체를 일 방향으로만 흐르게 하며, 더불어 유체의 역류를 방지하는 기능을 가지게 된다.
상기 볼타입 체크 밸브의 직경은 유량과 사용 압력에 따라 달라질 수 있다. 또한, 상기 볼타입 체크 밸브에서 사용되는 볼의 크기는 상기 체크 밸브의 직경에 따라서 바뀔 수 있는데, 특정 사용 유량에서 가스를 개폐하는 역할을 하기 위해서는 적정 무게를 가져야 한다. 상기 볼의 무게는 특정 사용 유량에서 충분히 가스를 개폐할 수 있어야하며 적정한 Kv 값을 가져서 (Kv : 밸브의 차압이 1 bar일때 5~30℃의 물이 통과하는 유량을 m3/hr로 표시한 것) 밸브에 지나친 압력이 걸리지 않게 하여야 하며, 이로 인한 에너지 손실이 크게 발생하지 않아야한다.
또한, 상기 체크 밸브는 금속 플레이트 타입일 수도 있는데, 상기 금속 플레이트 타입 체크 밸브의 경우, 재질은 SUS, Ni-Fe 합금, Cr-Fe 합금으로 이뤄진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다. 다만, 상기 금속 플레이트 타입 체크 밸브의 경우 금속 플레이트의 탄성이 유지되는 온도에서 펌프가 작동되어야 한다. 상기 금속 플레이트 타입 체크 밸브의 작동 온도는 200℃이하가 적합하고, 그 이상의 온도에서 작동할 시 금속 플레이트가 탄성 한계를 벗어나 소성 변형이 될 가능성이 있다.
상기 펌프는 공기를 발생시키는 것이라면 제한되지는 않으나, 바람직하게는 다이어프램 펌프일 수 있다. 본 발명에서 다이어프램 펌프는 종래의 다이어프램과 같이 다이어프램 펌프 내 격실의 입·출구 부분에 체크 밸브가 형성되고, 유체가 격실을 통하여 전달되는 구성과는 달리, 동력을 발생시키는 모터; 상기 모터의 회전 운동에 따라 왕복 운동을 수행하는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 다이어프램(격막); 상기 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 격실을 포함하는 구성을 취한다. 따라서, 종래의 다이어프램과는 달리 유체가 다이어프램의 격실을 직접 통과하지 않는다. 상기 다이어프램은 격막의 일종이며, 하나의 다이어프램 펌프에 있어서 상기 다이어프램 막은 복수개 일 수 있으며, 따라서 격실도 복수개 일 수 있다(도 4 및 5 참조). 상기 복수개의 다이어프램 막에 의해 구분되는 복수개의 격실을 포함하는 다이어프램 펌프에 있어서, 모터는 동력을 발생시키고, 상기 동력은 커넥팅 로드에 전달되며, 상기 커넥팅 로드는 왕복 운동으로 제 1 다이어프램 및 제 2 다이어프램을 상하 운동 시킨다. 이에 따라 제 1 격실이 팽창 시 제 2 격실은 수축하게 되고, 제 1 격실이 수축 시 제 2 격실은 팽창한다. 상기 격실의 수축과 팽창은 일정한 시간을 두고 교대로 반복된다. 상기 제 1 격실 및 제 2 격실에서 발생하는 공기는 상기 제 1 격실 및 제 2 격실에 연결된 제 1 연결관 및 제 2 연결관을 통하여 제 1 유체의 일시적 저장부 및 제 2 유체의 일시적 저장부에 각각 전달된다. 이에 의하여, 상기 제 1 및 제 2의 유체의 일시적 저장부 내의 유체 펌핑은 교대로 이루어 질 수 있으며, 본 유체 펌핑 장치가 연료 전지에 적용될 경우, 유체를 연료전지에 연속적으로 공급시킬 수 있으며, 또한 일정한 양으로 공급할 수 있게 된다.
상기 연결관은 상기 펌프와 상기 유체의 일시적 저장부를 연결하며, 상기 펌프에서 발생한 공기를 유체의 일시적 저장부에 전달할 수 있는 것이라면 제한되지 않으나, 바람직하게는 플렉시블 튜브(flexible tube)일 수 있다. 상기 플렉시블 튜브는 스테인리스강, 인청동, 알루미늄 등의 가늘고 긴 벨로스 또는 고무, 나일론, 염화비닐수지 등을 주재료로 하여 바깥쪽을 탄력성이 풍부한 구리망 등으로 피복하여 보강한 것이 바람직할 수 있다. 상기 연결관의 부피 및 직경은 상기 유체의 일시적 저장부를 통과하는 유체의 유량 및 압력에 따라 달라질 수 있다.
상기 연결관 측면에는 냉각 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각 장치는 고온의 유체가 저장 및 배출되는 유체의 일시적 저장부에서 고온의 유체가 액화되어 연결배관 쪽으로 유출된 경우, 상기 유체를 냉각하여 온도를 낮추기 위한 것이면 제한되지 않는다. 바람직하게는 공랭식 또는 수냉식 냉각장치 일 수 있다. 또한, 상기 냉각 장치는 연결관 전체를 감싸는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 온도 측정 감지센서를 포함하여 상기 유체를 충분히 냉각시켜 주는 것이 좋다. 상기 냉각 장치가 없는 경우, 연료극의 출구에서 배출되는 700℃ 이상의 고온 가스가 액화되어 상기 연결관으로 유출되어 펌프에 도달할 수 있고, 펌프의 내구성을 손상시킬 수 있다.
상기 연결배관 상에는 제어밸브가 배치될 수 있다(도 6 및 도 7 참조). 상기 제어밸브는 상기 펌프에서 발생한 공기가 상기 연결배관을 통하여 유체의 일시적 저장부에 전달되는 공기의 양을 조절함으로써, 유체의 일시적 저장부에서 펌핑되는 유체량을 조절하는 것이면 제한되지 않는다. 상기 제어 밸브를 포함하는 유체 펌핑 장치를 연료전지에 적용하게 되면, 연료전지의 연료극 입구에 공급되는, 고온 출구 가스의 공급량을 임의로 조절할 수 있게 된다.
상기 유체는 제한되지 않으나, 바람직하게는 연료전지의 연료극 출구에서 배출되는 출구 가스일 수 있다. 상기 가스는 약 700 내지 1000℃온도 범위 내일 수 있다. 이는 상기 연료극 출구에서 배출되는 가스에는 연료전지에서 사용되지 못한 연료가 남아있을 수 있고, 이를 재순환하여 다시 연료전지에 공급할 경우 연료의 사용률이 높아진다. 따라서 상기 연료전지의 연료극 출구 가스를 본 발명의 유체의 일시적 저장부를 통하여 다시 연료전지의 연료극 입구에 주입할 경우 연료전지 시스템의 에너지 효율 향상을 기대할 수 있다.
하나의 구현예에서 상기 유체 펌핑 장치는 복수 개의 유체의 일시적 저장부를 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하고, 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재할 수 있다(도 6 참조). 특히, 연결관이 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고, 이로부터 배출되어 제 2 유체의 일시적 저장부로 연결할 수 있다. 상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 유체의 일시적 저장부 사이의 연결관에는 제 1 유체의 일시적 저장부로부터 제 2 유체의 일시적 저장부로 공급되는 공기를 조절하는 제어 밸브를 더 포함한다. 상기 제 1 유체의 일시적 저장부에서는 상온의 유체가 펌핑되며, 상기 제 2 유체의 일시적 저장부에서는 고온의 유체가 펌핑된다.
하나의 구현예에서 본 발명의 유체 펌핑 장치는 제 1 유체의 일시적 저장부로 공기를 전달하고, 상기 전달된 공기는, 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부로 전달된다. 특히 제 1 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재할 수 있으며, 연결관은 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고, 이로부터 배출되어 3개의 연결관으로 분기되며, 상기 분기된 3개의 연결관은 각각 제 2 내지 제 4 의 유체의 일시적 저장부와 연결되어, 각각 공기를 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부로 전달하게 된다. 상기 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부는 각각 고온부에 위치한다. 특히, 상기 세 개의 연결관 각각에는 제어밸브가 배치되며, 상기 유체의 일시적 저장부 내에서 유체가 펌핑 되는 양은 유체의 일시적 저장부 별로 임의 조절이 가능하다(도 7 참조).
이하, 본 발명에 따른 유체 펌핑 장치를 사용하여 고온의 유체를 펌핑한 구체적인 실험예를 제시한다. 이는 본 발명에 있어서 하나의 구현예에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 아래의 실험예로 제한되는 것은 아니다.
실험예
상기의 유체 펌핑 장치의 성능을 측정하고자 다음과 같이 실험하였다.
다이어프램 펌프와 유체의 일시적 저장부를 이격하여 배치하고, 상기 다이어프램 펌프와 상기 유체의 일시적 저장부는 플렉시블 튜브(flexible tube) 로 연결하였다. 또한 상기 유체의 일시적 저장부의 입·출구에는 체크 밸브를 배치하였다.
상기 다이어프램 펌프는 KAMOER사 제품 (모델 번호; KVP8DUDC24)을 사용하였다. 펌프의 다이어프레임은 Polyphenylensulfid (PPS) Diaphragms을 사용하였다.
상기 체크 밸브는 Parker사에 제작된 기성 1/4인치 체크 밸브을 사용하였다. 체크 세기는 1/3 psi이고, 체크는 판형형태로 내부에 스프링과 오링이 포함되어 있다.
상기 유체의 일시적 저장부는 Hylok사의 1/4인치 Tee 유니언을 사용하였다. Tee 유니언은 내부 부피가 2.5㎤이고 재질은 SUS 316로 구성되어 있다.
상기 다이어프램 펌프와 상기 유체의 일시적 저장부를 연결하는 플렉시블 튜브(flexible tube)의 재질은 테프론이며, 관경은 1/8인치, 길이는 40 cm이다.
상기 체크 밸브 및 유체의 일시적 저장부는 연료전지의 연료극 출구와 연결하여 연료극의 출구 가스가 상기 유체의 일시적 저장부의 입구에 연결된 체크 밸브에 유입되도록 하였으며, 상기 체크 밸브의 반대편에 위치한 유체의 일시적 저장부의 출구와 연결된 체크 밸브는 연료전지의 연료극 입구로 연결하였다. 또한, 상기 다이어프램 펌프와 상기 유체의 일시적 저장부 사이에는 단열재를 설치하여, 펌프와 유체의 일시적 저장부를 공간적으로 분리하였다. 또한, 상기 플렉시블 튜브 상에는 펌프에서 발생한 공기를 상기 유체의 일시적 저장부로 전달시 그 양을 조절할 수 있게 한 제어밸브를 배치하였다. 상기와 같이 구성한 유체 펌핑 장치에서, 상기 펌프를 100 시간 작동시키고 연료전지의 연료극 출구에서 배출된 고온의 출구 가스를 연료전지 연료극 입구에 재공급하였다.
상기 실험에서 공급되는 고온 가스의 공급 속도가 일정하게 유지되는 결과가 도출되었다(도 9 참조). 본 실험예에서는 200℃ 범위 내의 가스를 공급하였으나, 유체의 일시적 저장부, 체크 밸브의 종류 및 재질을 변경할 경우 700℃이상의 고온 가스도 동일한 결과를 도출할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 유체 펌핑 장치를 통하여 연료전지는 고온의 연료극 출구 가스를 별도의 냉각 과정 없이도 펌프의 내구성에 무리를 주지 않고 다시 연료전지에 재공급할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
10 : 다이어프램 펌프
11 : 모터
12 : 커넥팅 로드(12a : 제 1 커넥팅 로드, 12b : 제 2 커넥팅 로드)
13 : 다이어프램(13a : 제 1 다이어프램, 13b : 제 2 다이어프램)
14 : 격실(14a : 제 1 격실, 14b : 제 2 격실)
50 : 체크 밸브(50a : 제 1 체크 밸브, 50b : 제 2 체크 밸브)
20 : 연결관(20a : 제 1 연결관, 20b : 제 2 연결관)
30 : 단열재 33 : 고온부
40 : 유체의 일시적 저장부
40a : 제 1 유체의 일시적 저장부
40b : 제 2 유체의 일시적 저장부
40c : 제 3 유체의 일시적 저장부
40d : 제 4 유체의 일시적 저장부
60 : 격막
70 : 제어 밸브
100 : 유체 펌핑 장치
11 : 모터
12 : 커넥팅 로드(12a : 제 1 커넥팅 로드, 12b : 제 2 커넥팅 로드)
13 : 다이어프램(13a : 제 1 다이어프램, 13b : 제 2 다이어프램)
14 : 격실(14a : 제 1 격실, 14b : 제 2 격실)
50 : 체크 밸브(50a : 제 1 체크 밸브, 50b : 제 2 체크 밸브)
20 : 연결관(20a : 제 1 연결관, 20b : 제 2 연결관)
30 : 단열재 33 : 고온부
40 : 유체의 일시적 저장부
40a : 제 1 유체의 일시적 저장부
40b : 제 2 유체의 일시적 저장부
40c : 제 3 유체의 일시적 저장부
40d : 제 4 유체의 일시적 저장부
60 : 격막
70 : 제어 밸브
100 : 유체 펌핑 장치
Claims (20)
- 유체의 흐름을 일시적으로 저장하고 배출하는 하나 이상의 유체의 일시적 저장부;
상기 유체의 일시적 저장부와 이격되도록 위치하며, 공기의 흡입과 배출을 반복하는 펌프;
상기 유체의 일시적 저장부와 펌프를 연결하여 펌프에 의한 공기를 전달하는 연결관; 및
상기 유체의 일시적 저장부의 유체 입구와 유체 출구에 각각 위치하고, 펌프에 의한 공기의 흡입과 배출에 대응하여 개폐를 반복하는 제 1 및 제 2 체크 밸브를 포함하는 유체 펌핑 장치로서,
상기 제 1 체크 밸브가 닫히면 제 2 체크 밸브가 열리고, 제 1 체크 밸브가 열리면 제 2 체크 밸브가 닫히며,
상기 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 위치하고, 상기 펌프는 고온부 외부에 위치하여 서로 공간적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 고온부는 벽면에 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 연결관은 플렉시블 튜브인 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 연결관은 측면에 냉각 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 펌프는 모터;
상기 모터의 회전 운동에 따라 왕복 운동을 수행하는 커넥팅 로드;
상기 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 다이어프램(격막); 및
상기 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 격실을 포함하고, 상기 격실의 수축과 팽창에 의하여 공기의 배출과 흡입이 이루어지는 다이어프램 펌프인 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유체의 일시적 저장부는 연결관과의 연결부에 격막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유체의 일시적 저장부는 복수 개가 배치되고, 복수 개의 연결관에 의하여 상기 복수 개의 유체의 일시적 저장부가 상기 펌프에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 복수 개의 유체의 일시적 저장부 중 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하고, 적어도 하나의 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 연결관에는 유체의 일시적 저장부에 전달되는 공기를 조절함으로써, 유체의 일시적 저장부에서 펌핑되는 유체량을 조절하는 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 체크 밸브는 볼타입 체크 밸브 또는 플레이트 타입 체크 밸브인 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유체는 연료전지의 연료극에서 배출되는 700℃ 이상의 고온 출구 가스인 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 유체 펌핑 장치는 제 1 및 제 2 유체의 일시적 저장부; 및 제 1 및 제 2 연결관을 포함하고,
상기 펌프는, 모터에 연결된 제 1 및 제 2 커넥팅 로드; 상기 제 1 커넥팅 로드의 일측에 부착되어 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 제 1 다이어프램; 상기 제 2 커넥팅 로드의 일측에 부착되어 커넥팅 로드의 왕복 운동에 따라 상하 운동을 하는 제 2 다이어프램; 상기 제 1 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 제 1 격실; 및 상기 제 2 다이어프램의 상하 운동에 의하여 수축과 팽창을 반복하는 제 2 격실을 포함하고, 제 1 격실이 수축할 때 제 2 격실이 팽창하고, 제 1 격실이 팽창할 때 제 2 격실이 수축하는 것이며, 상기 제 1 격실은 제 1 연결관에 의하여 제 1 유체의 일시적 저장부에 연결되고, 상기 제 2 격실은 제 2 연결관에 의하여 제 2 유체의 일시적 저장부에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 유체의 일시적 저장부는 제 1 및 제 2 연결관과의 연결부에 각각 격막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 유체 펌핑 장치는, 제 1 유체의 일시적 저장부 및 제 2 유체의 일시적 저장부를 포함하고, 제 1 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재하고, 제 2 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하며,
상기 연결관은 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고, 이로부터 배출되어 제 2 유체의 일시적 저장부로 연결하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 유체의 일시적 저장부 사이의 연결관에는 제 1 유체의 일시적 저장부로부터 제 2 유체의 일시적 저장부로 공급되는 공기를 조절하는 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 유체 펌핑 장치는, 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부를 포함하고, 제 1 유체의 일시적 저장부는 고온부 외부에 존재하고, 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부는 고온부 내에 존재하며, 연결관은 펌프로부터 제 1 유체의 일시적 저장부를 연결하고, 이로부터 배출되어 3개의 관으로 분기되어, 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부로 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 유체의 일시적 저장부와 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부 사이의 각각의 연결관에는, 제 1 유체의 일시적 저장부로부터 제 2 내지 제 4 유체의 일시적 저장부로 공급되는 공기를 조절하는 제어 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌핑 장치. - 연료전지; 및
제 1 항 및 제 3 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 유체 펌핑 장치를 포함하는 연료전지 장치로서,
상기 연료전지의 연료극에서 배출된 출구 가스가 상기 유체의 일시적 저장부에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치. - 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 유체 펌핑 장치의 유체의 일시적 저장부에, 연료전지의 연료극에서 배출된 출구 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 연료 가스 재순환 방법.
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| US20130336826A1 (en) | 2013-12-19 |
| KR20130140342A (ko) | 2013-12-24 |
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