KR102070515B1

KR102070515B1 - 기액 분리 장치

Info

Publication number: KR102070515B1
Application number: KR1020180113824A
Authority: KR
Inventors: 김두희; 박관준
Original assignee: 주식회사 두산
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-04-01

Abstract

기액 분리 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 기액 분리 장치는 연료전지 시스템에서 발생되는 혼합 유체의 기체와 액체를 안정적으로 분리시켜 사용할 수 있으며 이를 통해 연료전지 시스템의 작동 효율성을 도모할 수 있다.

Description

기액 분리 장치{Gas-liquid separator}

본 발명은 기액 분리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 시스템 작동시 발생되는 혼합 유체의 분리를 안정적으로 실시할 수 있도록 배관의 구조를 변경한 기액 분리 장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용하고 있는 석탄 또는 석유 에너지는 환경 오염 문제를 유발할 수 있어 이를 대체하기 위한 대체에너지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일 예로 수소 에너지를 이용한 연료전지는 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높고 별도의 오염 물질이 발생되지 않아 친환경적인 대체 에너지로 인식되고 있다.

연료전지는 연료가스인 수소와 산화가스인 산소(또는 공기)가 반응하면서 발생된 전기화학적 반응에 의하여 별도의 연소 과정 없이 화학에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

연료전지는 외부에서 공급되는 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 최종 생성물질로 물과 열 및 전기가 발생되는데, 질소산화물(NOx) 또는 황산화물(SOx) 와 같은 유해 물질이 최소한으로 발생되므로 대기오염으로 인한 환경 오염 문제를 최소화 할 수 있다. 또한 내연기관은 연료를 사용할 경우 효율이 연료전지에 비해 낮게 유지되므로 상기 연료전지를 이용한 고효율의 에너지 사용을 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.

이와 같이 고효율의 청정 발전 시스템인 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 150도에서 200도 부근에서 사용하는 인산형 연료전지와, 상온 내지 100도 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 직접 메탄올 연료전지와, 600도 내지 700도의 고온에서 작동하는 용융 탄산염 연료전지가 있다. 또한 1000도 에서 작동하는 고체산화물형 연료전지 등으로 크게 분류해 볼 수 있다.

전술한 다수개의 연료전지들 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고, 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며 단위 면적당 전류밀도가 높아 다른 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높은 특징을 가지고 있다.

또한 작동 온도가 낮을 뿐 아니라 설비 유지 및 보수가 간편하고 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으므로 자동차 또는 공동 주택 또는 가정용 또는 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 위한 개발이 활발히 추진되고 있다.

상기 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell)는 높은 에너지 밀도 (power density)와, 낮은 운전 온도와, 높은 효율이 유지되고, 빠른 시동(startup)이 나타난다.

또한 NOx, SOx, 및 COx와 같은 반응 부산물이 없는 것에 기인하여 다양한 분야에 사용될 수 있다.고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질 막을 중심으로 양단에 귀금속 촉매인 백금이 입혀진 다공질의 공기극과 연료극이 존재하며, 상기 전극을 지지하는 동시에 가스 통로를 형성하는 전지 프레임으로 구성된다.

연료극 쪽으로 연료인 수소가 들어가고 공기극으로 산화제인 산소 또는 공기가 유입되어 연료가스의 전기 화학적 산화와 산화제의 전기 화학적 환원에 의하여 전기 에너지가 발생한다. 즉, 공기극과 연료극에서 산소의 환원반응 및 수소의 산화반응이 각각 일어나며, 그 결과 전기와 물이 생성된다.

그리고, 전체적으로는 수소와 산소가 전지에 도입되어 전기와 열 및 물을 배출하게 된다.

상기 고분자 전해질 연료전지는 작동시 발생되는 물을 분리하기 위해 기액 분리 장치가 설치된다.

상기 기액 분리장치는 기체와 액체가 저장되는 탱크와, 상기 탱크로 상기 기체와 액체를 공급하는 유입관이 소정의 길이로 연장되고, 상기 유입관의 연장된 경로에 상기 탱크와 연결된 연결관이 구비된다.

종래의 기액 분리 장치는 탱크로 유입된 액체가 기화되거나, 온도가 상승될 경우 기체의 부피 팽창으로 인해 상기 탱크 내부의 압력이 상승할 경우, 상기 탱크와 연결된 연결관으로 압력이 가해진다.

이 경우 상기 유입관과 상기 연결관의 결합 부위로 압력이 가해지면서 상기 액체가 상기 연결관을 통해 탱크로 유입되지 못하는 문제점이 발생 되었다.

따라서 상기 기액 분리장치는 탱크 내부의 압력 변동에 의한 액체와 기체의 분리 안정성이 일정하게 유지되지 않는 문제점이 발생 되었다.

대한민국등록특허 제10-1389756호

본 발명의 실시 예들은 연료 전지 시스템에 구비된 기액 분리 장치의 안정적인 작동과 불필요한 압력 상승을 최소화하기 위한 배관 구조를 제공하여 안정적인 연료 전지 시스템의 작동을 도모하고자 한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 기액 분리 장치(1)는 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100); 상기 유입관(100)의 연장된 경로에서 일단이 분기되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)과 연결된 연결관(200); 및 상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 유입관(100)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 유입관(100)에 연결된 압력 조절관(300)을 포함한다.

상기 압력 조절관(300)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측 또는 측면 중 어느 한 곳과 연결되고, 타단은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 수직으로 연장된 부분에 연결된다.

상기 압력 조절관(300)은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)이 위치된 전단 위치에서 타단이 연결된다.

상기 압력 조절관(300)은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)을 경유해서 연장된 위치에 타단이 연결된다.

상기 압력 조절관(300)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 압력 조절관(300)은 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(310); 상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(320)을 포함한다.

상기 제2 분기관(320)은 상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 복수개가 분기된다.

상기 제1,2 분기관(310, 320)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관의 직경이 상기 제2 분기관(320)의 직경보다 크게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제2 분기관(320)은 상기 유입관(100)을 향해 상향 경사지게 연장된다.

상기 압력 조절관(300)에는 내측에 구비되고, 내경과 대응되는 단위 플랩(402)이 지지축(406)을 매개로 연결되며, 상기 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 상기 플랩(402)이 개폐되는 플랩부(400)를 더 포함한다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 기액 분리 장치(1a)는 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100); 상기 유입관(100)과 연결되고, 상기 혼합 유체의 기체 또는 액체를 일차로 분리하기 위해 구비된 분리통(50); 상기 분리통(50)의 하측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)과 연결된 연결관(200); 및 상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 분리통(50)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 분리통(50)에 연결된 압력 조절관(3000)을 포함한다.

상기 압력 조절관(300)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측 또는 측면 중의 어느 한 곳과 연결되고, 타단은 상기 분리통(50)의 측면 또는 상측 중의 어느 한 곳에 연결된다.

상기 압력 조절관(3000)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

상기 압력 조절관(3000)은 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(3100); 상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 분리통(50)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(3200)을 포함한다.

상기 제2 분기관(3200)은 상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 저장통(50)을 향해 복수개가 분기된다.

상기 제1,2 분기관(3100, 3200)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관(3100)의 직경이 상기 제2 분기관(3200)의 직경보다 크게 형성된다.

상기 압력 조절관(3000)에는 내측에 구비되고, 상기 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 혼합 유체의 이동을 단속하는 플랩부(400)를 더 포함한다.

본 실시 예는 기액 분리 장치를 갖는 연료 전지 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시 예들은 기액 분리 장치에 압력 조절관을 구비하여 저장탱크 내부의 압력 변동에 상관없이 고압의 압력을 안정적으로 조절하기 위한 배관 구조를 제공함으로써 연료 전지 시스템의 작동 안정성을 일정하게 유지하고자 한다.

본 발명의 실시 예들은 혼합 유체의 급격한 증가에 상관없이 연료 전지 시스템의 전체적인 성능 유지 및 안정적인 작동을 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 기액 분리 장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 변형 실시 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 기액 분리 장치에 구비된 압력 조절관의 다른 실시 예를 도시한 도면.
도 4 내지 도 5는 도 3의 변형 실시 예를 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 기액 분리 장치에 구비된 플랩부를 도시한 도면.
도 7은 도 6의 측면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 기액 분리 장치의 구성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 기액 분리 장치에 플랩부가 구비된 상태를 도시한 도면.
도 10은 도 9의 변형 실시 예를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 제1,2 실시 예에 따른 기액 분리 장치가 설치된 상태를 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 따른 기액 분리 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명의 제1 실시 예에 의한 기액 분리 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 기액 분리 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 변형 실시 예를 도시한 도면이다.

첨부된 도 1내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 의한 기액 분리 장치(1)는 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100)과, 상기 유입관(100)의 연장된 경로에서 일단이 분기되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)과 연결된 연결관(200) 및 상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 유입관(100)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 유입관(100)에 연결된 압력 조절관(300)을 포함한다.

상기 기액 분리 장치(1)는 연료 전지 시스템에 구비되며, 상기 연료 전지 시스템에서 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 공급되는 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 안정적으로 기체와 액체를 각각 안정적으로 분리 배출시키기 위해 전술한 유입관(100)으로 압력 조절관(300)을 구비하여 이를 해결하고자 한다.

본 실시 예는 공급가스에 대한 화학 반응이 이루어지는 개질기(500) 또는 열교환기(600)를 경유한 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입관(100)으로 유입된 후에 기액 분리 장치를 통해 기체와 액체가 분리될 수 있다.

또한 본 실시 예는 스택(S)의 전단 또는 후단에 유입관(100)이 연결되고, 기액 분리 장치를 통해 기체와 액체가 분리될 수 있다.

상기 유입관(100)은 소정의 직경으로 형성되고, 도면에 도시된 바와 같이 소정의 길이로 연장되나, 반드시 도면에 도시된 길이 및 경로로 한정하지 않는다.

상기 연결관(200)은 워터트랩(2)과 상기 유입관(100)을 서로 연결하고, 상기 유입관(100)을 통해 유입된 혼합 유체 중 기체는 A위치에서 B위치로 이동시키고, 상기 액체는 A위치에서 저장탱크(200)의 내측인 C위치로 서로 분리되어 이동된다. 참고로 상기 워터트랩(2)은 내부에 생성된 유체는 배출하나, 기체는 배출되지 않는다.

상기 워터트랩(2)은 도면에 도시된 형태 또는 크기로 한정하지 않으며 다양하게 변경될 수 있음을 밝혀 둔다.

워터트랩(2)은 내부에 소정의 액체가 소정의 높이로 저장되고, 상기 워터트랩(2)의 하측에 배출을 위한 배출관(2a)이 구비된다. 상기 배출관(2a)은 워터트랩(2)의 내측으로 소정의 깊이로 삽입되고, 내부에 구비된 플로터(2b)가 힌지(미도시)를 매개로 결합된다.

상기 플로터(2b)는 바 형태로 연장된 플로터 바(2ba)와, 상기 플로터 바(2ba)의 연장된 단부에 내부가 중공의 플로터 볼(2bc)을 포함한다.

상기 플로터(2b)는 상기 플로터 볼(2bc)이 워터트랩(2) 내부의 액체에 의한 수위에 따라 상부 또는 하부로 이동되며, 상기 수면이 상기 플로터(2b)보다 높게 유지될 경우 상기 배출관(2a)을 통해 외부로 액체의 배출이 이루어지면서 수위가 자동으로 조절된다.

본 실시 예에 의한 압력 조절관(300)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측 또는 측면 중 어느 한 곳과 연결되고, 타단은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 수직으로 연장된 부분에 연결된다.

압력 조절관(300)은 워터트랩(2) 내부의 압력 조절을 위해 구비되며, 상기 유입관(100) 또는 연결관(200)의 직경 보다 작은 직경으로 형성된다.

압력 조절관(300)은 워터트랩(2) 내부의 압력이 수면 상부에 형성되므로 상측에 연결되나, 다른 위치에 연결되는 것도 가능할 수 있다.

압력 조절관(300)은 연장된 타단이 유입관(100)의 수직 부분과 연결되므로, 액체의 유입이 방지되거나, 최소한으로 유입되므로 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 안정적으로 조정할 수 있다.

상기 압력 조절관(300)이 유입관(100)의 수직 부분에 연결되는 이유는 액체의 유입을 방지하기 위한 목적과 함께, 워터트랩(2) 내부에서 형성된 압력을 유입관(100)으로 보다 용이하게 배출시켜 기체와 액체의 분리 효율을 향상시키기 위해서이다.

상기 압력 조절관(300)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 일 예로 튜브로 이루어질 경우 유연한 고무 또는 합성수지로 이루어진다.

일 예로 배관일 경우 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(310)과, 상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(320)으로 구성된다.

첨부된 도 2에 도시된 바와 같이 상기 압력 조절관(300)은 일 예로 워터트랩(2)의 측면에 연결되는 것도 가능하며, 이 경우 상면 바로 아래 위치에 연결된다.

상기 압력 조절관(300)은 타단이 워터트랩(2)으로 액체를 공급하는 유입관(100)의 위치와 이격되어 위치되므로, 액체의 유입이 방지되거나, 최소한으로 유입되므로 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 안정적으로 조정할 수 있다.

상기 압력 조절관(300)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)이 위치된 전단 위치에서 타단이 연결된다.

상기 압력 조절관(300)은 연결관(200)의 전단 위치에 위치될 경우 워터트랩(2)의 압력 변동에 따라 기체를 상기 유입관(100)의 내측 중 도면에 도시된 A위치 하측으로 공급하므로 혼합 유체가 유입관(100)으로 유입될 때 별다른 영향을 유발하지 않는다.

또한 압력 조절관(300)이 도면에 도시된 위치에 연결될 경우 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 조절을 위한 연장 경로가 최단 길이로 유지되므로 신속하게 압력 변동을 조정할 수 있어 안정성이 향상된다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 실시 예에 의한 압력 조절관(300)은 전술한 실시 예와 다르게 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)을 경유해서 연장된 위치에 타단이 연결된다.

이 경우 상기 압력 조절관(300)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 측면과 연결되고, 타단은 연결관(200)을 경유한 유입관(100)의 좌측(도면 기준)에 연결된다.

또한 제1 분기관(310)은 도1 에서와 같이 유입관(100)을 향해 수직하게 연장되지 않고 수평하게 연장되고, 제2 분기관(320)은 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 유입관(100)을 향해 수직하게 연장된다.

상기 압력 조절관(300)이 이와 같이 연결되는 이유는 상기 워터트랩(2) 주변의 레이 아웃 또는 다른 구성품(미도시)에 의해 워터트랩(2) 주변의 공간이 협소할 경우 도면에 도시된 바와 같이 압력 조절관(300)이 위치된다.

첨부된 도 3을 참조하면, 제2 분기관(320)은 상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 복수개가 분기된다. 상기 제2 분기관(320)이 이와 같이 복수개로 분기될 경우 워터트랩(2) 내부에서 급격하게 압력 변동이 발생될 경우에도 상기 압력 조절관(300)으로 공급되는 통로 면적이 증가되므로 기체가 용이하게 이동될 수 있다. 따라서 워터트랩(2)은 내부 압력이 증가되지 않고 정상적으로 기체와 액체의 분리가 이루어진다.

첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 제1,2 분기관(310, 320)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관(310)의 직경이 상기 제2 분기관(320)의 직경보다 크게 형성된다. 상기 제1 분기관(310)은 워터트랩(2) 내부의 압력 변동에 따라 신속하게 제2 분기관(320)으로 기체를 이동시켜 배출하는 것이 안정적인 기체와 액체의 분리를 도모하므로 상기 제1 분기관(310)의 직경이 제2 분기관(320)의 직경보다 크게 형성된다.

상기 제1 분기관(310)과 제2 분기관(320)의 직경비는 특별히 정의하지 않으며, 안정적인 압력 배출을 위해 실험을 통해 조절된다.

첨부된 도 5를 참조하면, 본 실시 예에 의한 제2 분기관(320)은 상기 유입관(100)을 향해 상향 경사지게 연장된다. 이와 같이 연장되는 이유는 상기 제1 분기관(310)으로 기체만 유입되는 것이 가장 유리하나, 경우에 따라 액체가 유입되는 경우를 고려하여 상향 경사지게 연결된다.

이 경우 액체가 제2 분기관(320)으로 유입되는 경우에도 중력에 의해 상기 제1 분기관(310)으로 다시 드레인되므로 상기 유입관(100)으로는 액체를 제외한 기체만 안정적으로 배출된다.

첨부된 도 3 또는 도 6을 참조하면, 본 실시 예에 의한 압력 조절관(300)에는 내측에 구비되고, 내경과 대응되는 단위 플랩(402)이 지지축(406)을 매개로 연결되며, 상기 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 상기 플랩(402)이 개폐되는 플랩부(400)를 더 포함한다. 참고로 단위 플랩(402)은 압력 조절관(300)의 내경과 대응되는 것이 바람직하나, 상대적으로 작은 직경으로 구성될 수 있다.

상기 플랩부(400)는 워터트랩(2) 내부의 압력이 특정 압력 이상일 경우에만 상기 플랩(402)이 작동되면서 워터트랩(2)의 내부 압력을 일정하게 조절할 수 있다.

상기 플랩(402)은 연질의 고무가 사용되거나, 플라스틱이 사용되는 것도 가능하다. 상기 플랩부(400)는 상기 압력 조절관(300)의 내측에 삽입되지 않고, 별도의 구성품으로 구비되며, 상기 제1 분기관(310)의 연장된 경로에 결합되도록 외형을 이루는 플랩 하우징(404)을 포함한다.

상기 플랩 하우징(404)은 원통 형태로 형성되고, 내부 중앙에 상기 플랩(402)이 위치된다. 상기 플랩(402)은 서로 마주보는 한 쌍으로 이루어지고, 서로 마주보는 플랩(402) 사이에 지지축(406)이 구비되므로, 상기 플랩(402)은 상기 지지축(406)을 기준으로 상측 또는 하측을 향해 회전된다.

상기 지지축(406)에는 코일 형태의 탄성부재(408)가 삽입되고, 상기 탄성부재(408)의 양단부가 상기 한 쌍의 플랩(402)의 상면에 탄지 된다.

탄성부재(408)는 지지축(406)에 삽입된 부분은 코일 형태로 다수회 권취되어 연장되고, 양측 단부는 플랩(402)이 언폴딩 상태(실선 상태)가 유지되도록 탄지한다. 여기서 언폴딩 상태는 플랩 하우징(404)의 내측에서 수평으로 유지되는 상태를 의미하고, 폴딩 상태(점선 상태)는 상기 플랩(402)이 서로 마주보며 접힌 상태를 의미한다.

일 예로 상기 플랩(402)은 워터트랩(2)의 압력이 증가될 경우 하측으로 가해진 압력에 의해 수평의 언폴딩 상태에서 서로 마주보는 폴딩 상태로 상기 탄성부재(408)를 탄성 변형시키면서 작동된다.

이 경우 워터트랩(2)의 내부에 생성된 압력은 상기 제1 분기관(310)을 통해 제2 분기관(320)을 경유하여 유입관(100)으로 배출되므로 안정적으로 해소된다.

상기 플랩(402)은 워터트랩(2)을 경유하여 제1 분기관(310)으로 압력이 더 이상 공급되지 않을 경우 상기 탄성부재(408)에 의해 최초 언폴딩 상태로 작동된다.

따라서 본 실시 예는 워터트랩(2)의 내부 압력이 특정 압력 이상일 경우에만 플랩(402)이 작동되면서 압력 배출이 이루어진다.

본 발명의 제2 실시 예에 의한 기액 분리 장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 8 내지 도 9를 참조하면, 본 실시 예에 의한 기액 분리 장치(1a)는 전술한 제1 실시 예와 다르게 분리통(50)이 구비되어 워터트랩(2)으로 혼합 유체가 곧바로 유입되지 않고 상기 분리통(50)을 경유하여 유입되는 차이점이 있다.

본 실시 예는 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100)과, 상기 유입관(100)과 연결되고, 상기 혼합 유체의 기체 또는 액체를 일차로 분리하기 위해 구비된 분리통(50)이 구비된다.

그리고 상기 분리통(50)의 하측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)와 연결된 연결관(200) 및 상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 분리통(50)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 분리통(50)에 연결된 압력 조절관(3000)을 포함한다.

상기 기액 분리 장치(1a)는 연료 전지 시스템에 구비되며, 상기 연료 전지 시스템에서 기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 공급되는 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 안정적으로 기체와 액체를 각각 안정적으로 분리 배출시키고자 한다.

상기 연결관(200)은 분리통(50)의 하측에 일단이 연결되므로 상기 분리통(50)으로 이동된 액체를 상기 워터트랩(2)으로 공급한다.

상기 분리통(50)은 워터트랩(2)의 내부에 압력이 상기 유입관(100)의 내부 압력 보다 증가되는 것을 방지하기 위해 구비된다. 워터트랩(2)

혼합 유체는 기체와 액체가 혼합된 상태이므로 상기 분리통(50)을 경유한 기체는 유입관(100)을 통해 이동되고, 액체만 분리통(50)을 경유하여 워터트랩(2)으로 유입되는 것이 분리 효율성이 향상된다.

본 실시 예는 상기 분리통(50)을 이용하여 워터트랩(2) 내부의 압력이 증가되는 것을 최소화 하고자 하나, 경우에 따라 상기 워터트랩(2) 내부의 압력이 상승될 경우 상기 압력 조절관(3000)을 이용하여 증가된 압력을 해소할 수 있다.

상기 플로터(2b)는 바 형태로 연장된 플로터 바(2ba)와, 상기 플로터 바(2ba)의 연장된 단부에 내부가 중공의 플로터 볼(2bc)를 포함한다.

본 실시 예에 의한 압력 조절관(3000)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측과 연결되고, 타단은 상기 분리통(50)의 측면에 연결된다.

압력 조절관(3000)은 워터트랩(2) 내부의 압력 조절을 위해 구비되며, 상기 유입관(100) 또는 연결관(200)의 직경 보다 작은 직경으로 형성된다.

압력 조절관(3000)은 워터트랩(2) 내부의 압력이 수면 상부에 형성되므로 상측에 연결되나, 다른 위치에 연결되는 것도 가능할 수 있다.

상기 압력 조절관(3000)은 타단이 분리통(50)의 측면과 연결되므로, 액체의 유입이 방지되거나, 최소한으로 유입되므로 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 안정적으로 조정할 수 있다.

상기 압력 조절관(3000)이 분리통(50)의 측면 중 수직 부분에 연결되는 이유는 액체의 유입을 방지하기 위한 목적과 함께, 워터트랩(2) 내부에서 형성된 압력을 분리통(50)으로 보다 용이하게 배출시켜 기체와 액체의 분리 효율을 향상시키기 위해서이다.

상기 압력 조절관(3000)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진다. 일 예로 튜브로 이루어질 경우 유연한 고무 또는 합성수지로 이루어진다.

일 예로 배관일 경우 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(3100)과, 상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 분리통(50)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(3200)으로 구성된다.

상기 플랩부(400)는 전술한 제1 실시 예에서 설명한 바와 같이 워터트랩(2) 내부의 압력이 특정 압력 이상일 경우에만 플랩(402)이 작동되면서 워터트랩(2)의 내부 압력을 일정하게 조절할 수 있다.

첨부된 도 10을 참조하면, 제2 분기관(3200)은 상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 분리통(50)을 향해 복수개가 분기된다. 상기 제2 분기관(3200)이 이와 같이 복수개로 분기될 경우 워터트랩(2) 내부에서 급격하게 압력 변동이 발생될 경우에도 상기 압력 조절관(3000)을 통해 기체가 용이하게 이동되므로 정상적으로 기체와 액체의 분리가 이루어진다.

상기 제1,2 분기관(3100, 3200)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관(3100)의 직경이 상기 제2 분기관(3200)의 직경보다 크게 형성된다. 상기 제1 분기관(3100)은 워터트랩(2) 내부의 압력 변동에 따라 신속하게 기체의 배출이 이루어지는 것이 안정적인 기체와 액체의 분리를 도모하므로 상기 제1 분기관(3100)의 직경이 제2 분기관(3200)의 직경보다 크게 형성된다.

상기 제1 분기관(3100)과 제2 분기관(3200)의 직경비는 특별히 정의하지 않으며, 안정적인 압력 배출을 위해 실험을 통해 조절된다.

참고로 플랩부(400)는 전술한 제1 실시 예에서 이미 설명하였으므로 상세한 설명은 생략한다.

첨부된 도 11을 참조하면, 본 실시 예에 의한 기액 분리 장치(1, 1a)는 혼합 유체에 대한 분리를 위해 도면에 도시된 위치에 각각 설치된다.

연료 전지 시스템은 스택(S)을 포함하는 주변 구성품들의 조합으로 구성되고, 이에 대해 구체적으로 설명하면 개질기(500)는 공급된 액화천연가스에 포함된 황성분의 부취제를 제거하는 제1 반응기(510)와, 상기 제1 반응기(510)를 경유한 가스와 수증기에 대한 반응이 이루어지는 제2 반응기(520)와, 상기 제2 반응기(520)를 경유한 가스에 일산화탄소를 반응시키는 제3 반응기(530)와, 일산화 탄소와 산소를 반응시켜 선택적 산화 반응을 유도하는 제4반응기(540)를 포함한다.

제1 반응기(510)는 LNG를 사용하는 도시가스에 포함된 황성분의 부취제를 제거하기 위해 구비된다.

상기 제2 반응기(520)는 스팀 리포밍 반응기로서 메탄과 물을 반응시켜 수소와 일산화탄소로 분리시킨다. 상기 제3 반응기(530)는 상기 제1 반응기에서 생성된 일산화 탄소에 물을 반응시켜 이산화 탄소와 수소를 생성하기 위해 구비된다. 상기 제4 반응기(540)는 일산화 탄소와 산소를 반응시켜 이산화 탄소를 생성하며, 상기 제4 반응기(540)를 경유한 가스는 스택( S)으로 공급된다.

본 실시 예에 의한 열교환기(600)는 축열조(80)에 저장된 온수를 펌핑하는 제3 펌프(30)로부터 온수를 공급받고 제 3 반응기(530)에서 발생한 연료가스의 열을 회수하기 위해 구비된 제1 열교환기(610)와, 상기 제1 열교환기(610)를 경유하고 제4 반응기(540)로 공급되는 공급 가스의 온도를 안정화 시키기 위해 구비된 제2 열교환기(620)와, 스택(S)의 공기측에서 생성된 물과 열을 회수하기 위해 구비된 제3 열교환기(630)와, 버너(60)에서 생성된 배기가스의 열을 회수하기 위해 구비된 제4 열교환기(640)와, 상기 스택(S)의 수소측 미사용 가스에 포함되어 있는 열을 회수하기 위한 제5 열교환기(650)와, 제4 반응기(540)을 경유하고 스택(S)을 공급되는 유체의 열을 회수하기 위해 물탱크(10)에서 공급된 유체와 열교환 되는 제6 열교환기(660)를 포함한다.

기액 분리 장치(1, 1a)는 제6 열교환기(660)를 경유한 혼합 유체에 포함된 유체와 기체에 대한 분리를 위해 설치된다.

버너(60)는 제2 반응기(520)의 승온을 위해 필요하며 외부에서 공급되는 연료가스와 스택에서 반응하고 남은 연료인 오프 가스(off gas)를 연소한다. 상기 버너(60)는 1개 또는 복수개로 구성될 수 있다. 상기 버너(60)에서 생성된 배기가스는 제4 열교환기(640)로 공급된 후에 외부로 배출된다. 상기 오프 가스는 작동 중 퍼지되면서 발생되고, 수소가 포함되어 있어 공기 희석법과 촉매 연소법과 같은 방법으로 처리하고 있다. 상기 촉매 연소법은 백금 촉매를 사용하여 고온에서 연소시키는 방법이 사용된다.

상기 제1 열교환기(610)는 순수에 대한 예열을 위해 구비된다. 제2 열교환기(620)는 상기 제1 열교환기(610)를 경유한 연료가스가 공급되고 제4 반응기(540)로 공급되는 연료가스 온도의 안정화를 위해 구비된다. 예를 들면 수소 가스의 온도를 소정의 온도로 냉각시켜 제4 반응기(540)의 촉매가 젖는 현상을 예방할 수 있다. 이를 통해 일산화 탄소의 안정적인 제거를 도모할 수 있다.

제3 열교환기(630)는 스택(S)에서 수소와 산소의 산화 반응으로 생성된 물과 열을 회수하기 위해 구비된다.

제4열교환기(640)는 전술한 버너(60)에서 발생한 배기가스의 열을 회수하기 위해 구비되고, 상기 제3 열교환기(620)를 경유한 축열조에서 공급되는 온수를 공급받아 열을 회수한다.

제5 열교환기(650)는 일 예로 상기 스택(S)에서 수소를 75% 사용하고 나머지 25%는 버너(60)에서 연소되는데 이 때 미사용 가스에 포함된 열을 회수하고 이 때 발생하는 응축수를 회수하기 위해 구비된다. 이 경우 수분이 제거된 가스가 버너로 공급되므로 버너 연소 효율이 향상됨에 따라 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.

기액 분리 장치(1, 1a)는 버너(60)를 경유하고 상기 제5 열교환기(660)로 공급되는 혼합 유체에 포함된 유체와 기체에 대한 분리를 위해 설치된다.

또한 기액 분리 장치(1, 1a)는 제2 열교환기(620) 또는 제3 열교환기(630)를 경유한 혼합 유체에 포함된 유체와 기체에 대한 분리를 위해 설치된다.

상기 열교환기(600)를 경유하면서 열교환된 냉각수가 온수로 저장되는 축열조(80)가 구비되는데, 상기 축열조(80)는 일 예로 주택에서는 온수가 저장되는 온수 저장고의 역할을 할 수 있다. 이 경우 사용자는 축열조(80)에 저장된 온수를 손쉽게 이용할 수 있다.

본 실시 예는 상기 제2 반응기(520)의 승온을 위해 버너(60)가 구비되는데, 상기 버너(60)는 복수개로 구성될 수 있어 1개가 에러로 인해 작동이 중지되는 경우에도 안정적으로 사용할 수 있다.

상기 버너(60)에서 승온된 연소용 공기를 통해 스팀을 발생하고, 발생된 스팀을 상기 제2 반응기(520)로 공급되는 가스로 공급하기 위한 스팀 발생기(70)가 구비된다.

본 실시 예는 기액 분리 장치를 갖는 연료 전지 시스템을 제공하는데, 연료 전지 작동시 발생되는 액체를 안정적으로 분리하기 위해 사용될 수 있으므로 기체와 액체의 분리 효율성이 향상된다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

2 : 워터트랩
30 : 제3 펌프
50 : 분리통
60 : 버너
70 : 스팀 발생기
80 : 축열조
S : 스택
100 : 유입관
200 : 연결관
300, 3000 : 압력 조절관
310, 3100 : 제1 분기관
320, 3200 : 제2 분기관
400 : 플랩부
500 : 개질기
510 : 제1 반응기
520 : 제2 반응기
530 : 제3 반응기
540 : 제4 반응기
600 : 열교환기
610 : 제1 열교환기
620 : 제2 열교환기
630 : 제3 열교환기
640 : 제4 열교환기

Claims

기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100);
상기 유입관(100)의 연장된 경로에서 일단이 분기되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)과 연결된 연결관(200); 및
상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 유입관(100)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 유입관(100)에 연결된 압력 조절관(300)을 포함하는 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측 또는 측면 중 어느 한 곳과 연결되고, 타단은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 수직으로 연장된 부분에 연결된 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)이 위치된 전단 위치에서 타단이 연결된 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)은 상기 유입관(100)의 연장된 구간 중 상기 연결관(200)을 경유해서 연장된 위치에 타단이 연결된 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)은 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(310);
상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(320)을 포함하는 기액 분리 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제2 분기관(320)은 상기 제1 분기관(310)의 연장된 단부에서 상기 유입관(100)을 향해 복수개가 분기된 기액 분리 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1,2 분기관(310, 320)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관의 직경이 상기 제2 분기관(320)의 직경보다 크게 형성된 것을 특징으로 하는 기액 분리 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제2 분기관(320)은 상기 유입관(100)을 향해 상향 경사지게 연장된 기액 분리 장치.
제1 항에 있어서,
상기 압력 조절관(300)에는 내측에 구비되고, 내경과 대응되는 단위 플랩(402)이 지지축(406)을 매개로 연결되며, 상기 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 상기 플랩(402)이 개폐되는 플랩부(400)를 더 포함하는 기액 분리 장치.
기체와 액체가 혼합된 혼합 유체가 유입되는 유입관(100);
상기 유입관(100)과 연결되고, 상기 혼합 유체의 기체 또는 액체를 일차로 분리하기 위해 구비된 분리통(50);
상기 분리통(50)의 하측에 일단이 연결되고, 타단이 상기 혼합 유체가 유입되는 워터트랩(2)과 연결된 연결관(200); 및
상기 워터트랩(2)의 내부로 유입된 혼합 유체의 부피 팽창으로 상기 워터트랩(2)의 내부 압력이 상승할 경우 상기 분리통(50)으로 상기 기체를 이동시켜 상기 워터트랩(2) 내부의 압력 변동을 조절하기 위해 일단이 상기 워터트랩(2)에 연결되고, 타단이 상기 분리통(50)에 연결된 압력 조절관(3000)을 포함하는 기액 분리 장치.
제11 항에 있어서,
상기 압력 조절관(3000)은 일단이 상기 워터트랩(2)의 상측 또는 측면 중의 어느 한 곳과 연결되고, 타단은 상기 분리통(50)의 측면 또는 상측 중의 어느 한 곳에 연결된 기액 분리 장치.
제11 항에 있어서,
상기 압력 조절관(3000)은 튜브(tube) 또는 배관 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기액 분리 장치.
제11 항에 있어서,
상기 압력 조절관(3000)은 상기 워터트랩(2)에서 외측을 향해 수직하게 연장된 제1 분기관(3100);
상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 분리통(50)을 향해 수평하게 연장되어 연결된 제2 분기관(3200)을 포함하는 기액 분리 장치.
제14 항에 있어서,
상기 제2 분기관(3200)은 상기 제1 분기관(3100)의 연장된 단부에서 상기 분리통(50)을 향해 복수개가 분기된 기액 분리 장치.
제14 항에 있어서,
상기 제1,2 분기관(3100, 3200)은 동일 직경으로 형성되거나, 상기 제1 분기관(3100)의 직경이 상기 제2 분기관(3200)의 직경보다 크게 형성된 기액 분리 장치.
제11 항에 있어서,
상기 압력 조절관(3000)에는 내측에 구비되고, 상기 워터트랩(2)의 내부 압력 변동에 따라 혼합 유체의 이동을 단속하는 플랩부(400)를 더 포함하는 기액 분리 장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 따른 기액 분리 장치를 갖는 연료 전지 시스템.