KR102432909B1 - 기액 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치는 수소 연료전지의 수소 유입구 및 유출구와 연통하여, 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드와, FPS 매니폴드와 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저와, FPS 매니폴드의 하단부에 융착되어 수소 유출구로부터 배출되는 응축수를 포집하는 챔버를 포함한다.

Description

기액 분리 장치{GAS-LIQUID SEPARATION APPARATUS}
본 발명은 기액 분리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소 연료전지의 효율을 증대하기 위해선, 수소 공급 시 재순환되는 유체로부터 불순물, 액체(물) 유입을 방지해야 한다.
여기서, 순환 유체는 기체(수소, 질소)와 액체(물)로 구성되며, 이 중 물 입자의 크기에 따라 차압이 발생할 경우에는 FPS(Fuel Processing System; 수소 공급 시스템) 매니폴드 내부의 벽을 따라 연료전지 스택(stack)으로 물이 유입되는 문제가 발생할 수 있다.
종래의 기액 분리 장치는 수소 공급 시, 재순환되는 유체 중 액체가 벽면을 따라 이동하여 스택에 유입되는 경우를 회피하기 위하여 단순히 매니폴드 공간을 확장하였지만, 스택으로부터 미량 배출되는 카본(carbon) 입자 등을 거르지 못해 효율이 저하되는 문제가 있었다.
또한, 종래의 매니폴드가 울림통 역할을 하여, 수소 공급밸브 및/또는 스택으로부터 유입되는 소음원이 증폭되는 문제가 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, FPS 매니폴드 내부의 벽(내벽면)을 따라 액체가 스택의 수소 유입구로 유입되는 것을 방지하고, 스택으로부터 미량 배출되는 카본 입자를 효과적으로 여과할 수 있는 기액 분리 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 FPS 매니폴드의 내측 3면에 굴곡진 형상('ㄴ'자 등)으로 돌출된 차단 바를 통해 소음원으로부터 소음이 증폭되는 것을 방지할 수 있는 기액 분리 장치를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치는 수소 연료전지의 수소 유입구 및 유출구와 연통하여, 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드; FPS 매니폴드와 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저; 및 FPS 매니폴드의 하단부에 융착(레이저 융착 등)되어 수소 유출구로부터 배출되는 응축수를 포집하는 챔버를 포함한다.
FPS 매니폴드는 내벽의 길이 방향으로 굴곡지게 돌출 형성되며, 폭 방향으로 기 설정된 간격을 두고 배치되어 수소 유출구로부터 배출된 응축수를 챔버로 안내하는 복수의 차단 바를 포함한다.
차단 바는 FPS 매니폴드의 내벽 3면에 일정 간격을 두고 배치된다.
차단 바는 디퓨저의 유입구와 연결되는 FPS 매니폴드의 내벽에 일체형 사출 되거나 융착된다.
상기 차단 바는 일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 갖는다.
FPS 매니폴드는 내벽 상측에 내측으로 돌출된 차단 턱을 구비하여, 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 디퓨저의 유입구로 이동하는 것을 차단한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기액 분리 장치는 수소 연료전지의 수소 유입구 및 유출구와 연통하여, 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드; 및 FPS 매니폴드와 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저를 포함한다.
FPS 매니폴드는 내벽의 길이 방향으로 굴곡지게 돌출 형성되며, 폭 방향으로 기 설정된 간격을 두고 배치되는 복수의 차단 바와, 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 디퓨저의 유입구로 이동하는 것을 차단하도록, 내벽 상측에 내측으로 돌출 형성된 차단 턱을 포함한다.
차단 바는 FPS 매니폴드의 내벽에 일체형으로 성형될 수 있다.
차단 바는 FPS 매니폴드의 내벽에 돌출 형성된 내측부와, 내측부로부터 측 방향으로 연장된 상측부를 포함한다.
이때, 내측부와 상측부는 소정의 각도를 갖는 'ㄴ'자 형상으로 이루어질 수 있다.
내측부와 상측부는 둔각을 이룰 수 있다.
차단 바는 일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 가지되, 개방된 일측부가 원호 형상으로 이루어질 수 있다.
차단 턱은 FPS 매니폴드 내벽 상측에 하단 방향으로 예각을 이루며 굴곡진 형태를 가질 수 있다.
기액 분리 장치는 수소 유입구를 향해 수소를 공급하는 수소 공급 노즐을 더 포함할 수 있다. 이때, 수소 공급 노즐은 디퓨저의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 디퓨저의 유입구 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 기액 분리 장치는 FPS 매니폴드 내부의 벽(내벽면)을 따라 액체가 스택의 수소 유입구로 유입되는 것을 방지하고, 스택으로부터 미량 배출되는 카본 입자를 효과적으로 여과할 수 있다.
특히, 본 발명은 FPS 매니폴드의 내측 3면에 굴곡진 형상('ㄴ'자 등)으로 돌출된 차단 바를 통해 소음원으로부터 소음이 증폭되는 것을 방지할 수 있고, NVH(Noise, Vibration, Harshness) 강성 확보가 가능하다.
아울러, 본 발명은 FPS 매니폴드의 차단 바 상단에 위치한 차단 턱을 통해 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 수소 유입구로 유입되는 것을 차단함과 동시에 챔버로 포집할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치에 있어서, FPS 매니폴드의 구조적 기능을 설명하기 위하여 도시한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 A의 부분 확대도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치에 있어서, FPS 매니폴드의 하단부 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치에 있어서, 차단 바의 기본 단면 구조와 변형 단면 구조를 도시한 도면.
도 6은 도 1에 도시된 B의 부분 확대도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 FPS 매니폴드의 구조적 기능을 설명하기 위하여 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 A의 부분 확대도이고, 도 4는 FPS 매니폴드의 하단부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 기액 분리 장치(100)는 내부 액(응축수)만 따로 분리되도록 설계되어 전해액 감소를 최소화한다. 여기서, 기액 분리 장치(100)는 연료전지 스택의 수소 유입구(10)와 수소 유출구(20) 사이에 배치되어, 재순환 기체와 액체를 분리한다.
이러한 기액 분리 장치(100)는, FPS 매니폴드(110), 디퓨저(120), 챔버(130) 및 수소 공급 노즐(140)을 포함한다.
FPS 매니폴드(110)는, 내부 구성이 잘 보이도록 일부 구간을 단면으로 표시한 형태로서, 수소 연료전지의 수소 유입구(10) 및 수소 유출구(20)와 연통하여, 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공한다. 여기서, FPS(연료 압력 센서; Fuel Pressure Sensor)는 연료 공급 파이프 라인에 설치되어 있으며, 검출된 압력은 전압 신호로 엔진의 ECU(미도시)에 입력되어 인젝터(미도시)의 연료 보정 신호로 이용된다.
센서의 출력 특성은 연료 압력의 증가에 따라 일정하게 증가된다.
고압 레귤레이터(미도시)에 의해서 비정상적으로 기준 압력에 비해 압력이 증가하거나 감소할 경우에는 엔진의 ECU에서 연료의 압력에 따른 인젝터 구동 시간을 보정한다.
엔진의 ECU는 고압 모드와 저압 모드를 연료 압력 센서의 출력값에 따라서 판정할 수 있다.
FPS 매니폴드(110)는 수소 유출구(20)와 연통하는 복수의 배관을 갖는 형태로 이루어지며, 상단부는 기본 골격 폭보다 좁으며 상단부로 갈수록 경사진 테이퍼(taper) 형상으로 이루어져 기체 유입에 유리한 구조를 갖는다.
FPS 매니폴드(110)는 차단 바(111)와, 차단 턱(112)을 포함한다.
차단 바(111)는 내벽의 길이 방향으로 굴곡지게 돌출 형성되며, 폭 방향으로 기 설정된 간격을 두고 배치된다. 여기서, 기 설정된 간격은 도 4에 도시된 것처럼 복수의 차단 바(111)간 사이 거리(L)를 의미하며, 전체 면적 대비 차단 바(111) 개수를 고려하여 설정될 수 있다. 차단 바(111)는 수소 유출구(20)로부터 배출된 응축수를 챔버(130)로 안내하는 역할도 한다.
이를 위하여, 차단 바(111)는 FPS 매니폴드(110)의 내벽 3면에 일정 간격을 두고 배치된다. 여기서, 차단 바(111)는 디퓨저(120)의 유입구와 연결되는 FPS 매니폴드(110)의 내벽에 일체형으로 융착될 수 있다.
이러한 차단 바(111)를 통해 소음원으로부터 소음이 증폭되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 차단 턱(112)은 FPS 매니폴드(110) 내벽 상측에 내측으로 돌출 형성된다. 이러한 차단 턱(112)은 FPS 매니폴드(110)의 내벽 상측 전 둘레면에 형성되어, 수소 유출구(20)로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 디퓨저(120)의 유입구로 이동하는 것을 차단한다.
FPS 매니폴드(110)의 하단부 끝단(113)과, 챔버(130)의 상단부는 융착되거나, 스냅 핏(snap-fit) 체결될 수 있다. 이때, 차단 바(111)는 하단부 끝단(113)의 경계선까지 형성되고, FPS 매니폴드(110)는 외측에 복수의 리브(115)를 구비하여 내구성을 강화한다.
FPS 매니폴드(110)의 하단부 끝단(113)에는 하부로 돌출된 돌기(114)가 형성되고, 챔버(130)의 상단부는 돌기(114)와 대응하는 체결 홈(131)을 갖는다.
디퓨저(120)는 FPS 매니폴드(110)와 수소 유입구(10) 사이에 배치된다. 이러한 디퓨저(120)는 수소와 재순환 기체가 혼합되는 혼합 구간과, 혼합된 기체가 수소 유입구(10)로 향하는 확산 구간으로 구획된다.
챔버(130)는 FPS 매니폴드(110)의 하단부에 융착되어 수소 유출구(20)로부터 배출되는 응축수를 포집한다.
수소 공급 노즐(140)는 수소 유입구(10)를 향해 수소를 공급한다. 이러한 수소 공급 노즐(140)은 디퓨저(120)의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 디퓨저(120)의 유입구 중앙에 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치에 있어서, 차단 바의 기본 단면 구조와 변형 단면 구조를 도시한 도면이다.
도 5의 (a)를 참조하면, 차단 바(111)는 기본적으로 일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 갖는다. 이러한 차단 바(111)는 밑단부(111a), 내측부(111b) 및 상측부(111c)를 포함한다.
밑단부(111a)는 FPS 매니폴드(도 4의 110)의 내벽에 맞닿는 부위로서, 밑단부(111a)는 FPS 매니폴드(도 4의 110)의 내벽과 일체형으로 성형될 수 있다.
내측부(111b)는 FPS 매니폴드(도 4의 110)의 내벽에 돌출 형성된다. 상측부(111c)는 내측부(111b)로부터 측 방향으로 연장된다.
이때, 내측부(111b)와 상측부(111c)는 소정의 각도(a)를 갖는 'ㄴ'자 형상으로 이루어진다. 여기서 소정의 각도(a)는 둔각일 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, 차단 바(211)는 측 방향 밑단이 개방된 'ㄷ'자 단면을 가질 수 있다. 이러한 차단 바(211)는 밑단부(211a), 내측부(211b), 상측부(211c) 및 단턱부(211d)를 포함한다.
내측부(211b)와 상측부(211c)가 접하는 부위가 직각으로 이루어지고, 상측부(211a)의 하단부 끝단에 단턱부(211d)가 하방향으로 돌출된 형태이다. 이 경우, 응축수는 내측부(211b)와 단턱부(211d) 사이로 이동하며 챔버(도 3의 130)로 포집될 수 있다.
도 5의 (c)를 참조하면, 차단 바(311)는 일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 가지되, 개방된 일측부(내측부; 311b)가 원호 형상으로 이루어질 수 있다. 내측부(311a)가 원호로 이루어져, 응축수가 효과적으로 챔버(도 3의 130)에 안내될 수 있다.
도 5의 (d)를 참조하면, 차단 바(411)는 도 5의 (b)에 도시된 차단 바(211)와 형태가 유사하지만, 내측부(411b)와 상측부(411c)를 잇는 내측면은 챔퍼링(chamfering)된 형태로 도 5의 (b)에 도시된 차단 바(211)와 상이하다. 이 경우, 응축수는 내측부(411b)와 상측부(411c) 사이로 미끄러지듯 이동이 가능하여 챔버(도 3의 130)로 포집될 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 B의 부분 확대도이다.
도 6을 참조하면, 차단 턱(112)은 FPS 매니폴드(110) 내벽 상측에 하단 방향으로 예각을 이루며 굴곡진 형태를 갖는다. 이를 통해, 차단 턱(112)은 수소 유출구(도 1, 2의 20)로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 디퓨저(도 1, 2의 120)의 유입구로 이동하는 것을 미연에 차단한다.
본 발명은 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10: 수소 유입구
20: 수소 유출구
100: 기액 분리 장치
110: FPS 매니폴드
111, 211, 311, 411: 차단 바
111a, 211a, 311a, 411a: 밑단부
111b, 211b, 311b, 411b: 내측부
111c, 211c, 411c: 상측부
112: 차단 턱
113: 하단부 끝단
114: 돌기
115: 리브
120: 디퓨저
130: 챔버
131: 체결 홈
140: 수소 공급 노즐
211d, 411d: 단턱부

Claims (12)

  1. 수소 연료전지의 수소 유입구 및 유출구와 연통하여, 상기 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드;
    상기 FPS 매니폴드와 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저; 및
    상기 FPS 매니폴드의 하단부에 융착되어 상기 수소 유출구로부터 배출되는 응축수를 포집하는 챔버를 포함하고,
    상기 FPS 매니폴드는
    내벽의 길이 방향으로 굴곡지게 돌출 형성되며, 폭 방향으로 기 설정된 간격을 두고 배치되어 상기 수소 유출구로부터 배출된 응축수를 상기 챔버로 안내하는 복수의 차단 바를 포함하는 것인 기액 분리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차단 바는
    상기 FPS 매니폴드의 내벽 3면에 일정 간격을 두고 배치되는 것인 기액 분리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차단 바는
    상기 디퓨저의 유입구와 연결되는 상기 FPS 매니폴드의 내벽에 융착되는 것인 기액 분리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차단 바는
    일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 갖는 것인 기액 분리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 FPS 매니폴드는
    내벽 상측에 내측으로 돌출된 차단 턱을 구비하여, 상기 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 상기 디퓨저의 유입구로 이동하는 것을 차단하는 것인 기액 분리 장치.
  6. 수소 연료전지의 수소 유입구 및 유출구와 연통하여, 상기 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드; 및
    상기 FPS 매니폴드와 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저를 포함하고,
    상기 FPS 매니폴드는
    내벽의 길이 방향으로 굴곡지게 돌출 형성되며, 폭 방향으로 기 설정된 간격을 두고 배치되는 복수의 차단 바와,
    상기 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽을 따라 상기 디퓨저의 유입구로 이동하는 것을 차단하도록, 내벽 상측에 내측으로 돌출 형성된 차단 턱을 포함하는 것인 기액 분리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 차단 바는
    상기 FPS 매니폴드의 내벽에 일체형으로 성형되는 것인 기액 분리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 차단 바는
    상기 FPS 매니폴드의 내벽에 돌출 형성된 내측부와, 상기 내측부로부터 측 방향으로 연장된 상측부를 포함하며,
    상기 내측부와 상측부는 소정의 각도를 갖는 'ㄴ'자 형상으로 이루어지는 것인 기액 분리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내측부와 상측부는 둔각을 이루는 것인 기액 분리 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 차단 바는
    일측이 개방된 'ㄴ'자 단면을 가지되,
    개방된 일측부가 원호 형상으로 이루어지는 것인 기액 분리 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 차단 턱은
    상기 FPS 매니폴드 내벽 상측에 하단 방향으로 예각을 이루며 굴곡진 형태를 갖는 것인 기액 분리 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 수소 유입구를 향해 수소를 공급하는 수소 공급 노즐을 더 포함하고,
    상기 수소 공급 노즐은
    상기 디퓨저의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 상기 디퓨저의 유입구 중앙에 위치하는 것인 기액 분리 장치.
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