KR102515480B1 - 연료전지에 적용되는 백연저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배기가스를 외부로 배출시키는 배기부를 포함하는 플랜트에 결합되는 백연저감장치는 상기 배기부에 연결되고, 상기 배기가스 및 외부의 외기가 흡입되면 상기 배기가스 및 외기를 열교환 시킨 후 외부로 배출시키도록 형성되며, 백연의 발생 예상 시점에 자동으로 배기가스 및 외기를 열교환 시킨 후 외부로 배출시켜 백연의 발생을 사전에 차단시키는 장점이 있다.

Description

연료전지에 적용되는 백연저감장치{PLUME ABATEMENT SYSTEM APPLIED TO FUEL CELL}

본 명세서에 개시된 내용은 연료전지에 적용되는 백연저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지에서 발생되는 백연을 저감시키는 백연저감장치에 관한 것이다.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 식별항목에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 식별항목에 기재된다고 하여 종래기술이라고 인정되는 것은 아니다.

일반적으로 중대형 연료전지시스템은 천연가스(LNG)를 개질하여 수소가스를 생산하고, 수소가스와 공기 중의 산소를 스택(Stack)에서 반응시켜 전기와 열을 생산하며, 이 과정에서 수증기가 생성되어 배기가스와 함께 외부로 배출된다.

연료전지시스템에서 전기가 발생되면서 생성되는 온도 및 습도가 높은 배기가스는 온도가 낮은 외부환경에서 외부의 낮은 온도의 대기와 혼합되는 과정에서 과포화상태가 되어 배출공기 중에 포함된 수증기가 응축되면서 백연이 발생된다.

연료전지시스템에서 발생되는 백연은 순수한 수증기이기 때문에 대기 오염원에 해당되지 않지만, 연기와 같은 형상으로 배출되기 때문에 유해한 연기나 화재로 오인되기 용이하고, 주변 미관을 훼손하여 민원을 유발시키기 때문에 동절기의 저기압 환경인 경우에 연료전지시스템에서 발생되는 백연을 감소시키기 위한 기술이 필수적이다.

또한, 연료전지시스템 외의 수증기를 배출시키는 플랜트의 경우, 주변 민간인들의 민원을 유발시키고, 주변 미관을 훼손시키기 때문에 다양한 플랜트에서도 백연저감장치의 필요성이 증가하고 있다.

이와 관련하여 한국 등록특허공보 제10-1768673호는 연료 전지 일체형 백연 방지 냉각탑을 개시하고 있고, 한국 등록특허공보 제10-2262236호는 인산형 연료전지(PAFC)용 백연 방지장치를 개시하고 있다.

그러나 기존 발명들은 기존의 연료전지시스템이나 다른 종류의 플랜트에 용이하게 연결이 가능하고 자동으로 백연이 발생되는 시점 또는 환경에 백연저감장치를 작동시키는 기술은 개시하지 않고 있다.

한국 등록특허공보 제10-1768673호 한국 등록특허공보 제10-2262236호

외기의 온도, 외기의 습도 및 배기가스의 온도를 분석하는 제어부에 의해 백연이 발생되는 환경에서 자동으로 연료전지 또는 플랜트에서 발생되는 배기가스 및 외부의 외기를 서로 열교환 시킨 후 외부로 배출시켜 백연의 발생을 차단시키는 백연저감장치를 제공함에 있다. 또한, 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.

개시된 내용의 일 실시예에 의하면,배기가스를 외부로 배출시키는 배기부를 포함하는 연료전지에 결합되는 백연저감장치에 있어서, 상기 배기부에 연결되고, 상기 배기가스 및 외부의 외기가 흡입되면 상기 배기가스 및 외기를 열교환 시킨 후 외부로 배출시키도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배기부의 측면에 연통되게 결합되는 연돌; 상기 연돌의 내부에 배치되고 내부에 열매체가 주입되는 제1 코일; 및 상기 연돌의 측면에 연결되어 외부 및 상기 연돌의 내부를 연통시키는 관의 내부에 배치되고, 연결된 펌프를 통해 상기 열매체가 순환 이동되도록 상기 제1 코일과 연결되는 제2 코일;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배기부 및 상기 연돌 내부에 배치되고, 구동에 따라 상기 배기가스를 상기 배기부 또는 상기 연돌 방향으로 이동시키는 댐퍼부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 팬의 구동을 통해 상기 제1 및 제2 코일을 지나 상기 연돌의 내부로 유입되는 배기가스 및 외기를 상부로 배출시키는 배기유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도를 분석하여 도출되는 백연의 발생 여부에 따라 상기 배기가스를 상기 배기부 또는 연돌로 이동되도록 상기 댐퍼부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 백연저감장치는 열매체가 순환 이동되도록 서로 연결된 복수의 코일들을 통해 내부로 유입되는 배기가스 및 외기의 온도 차이를 감소시키고, 서로 혼합된 배기가스 및 외기를 외부로 배출시켜 백연의 발생을 사전에 차단시키는 장점이 있다.

아울러, 이와 같은 기재된 본 발명의 효과는 발명자가 인지하는지 여부와 무관하게 기재된 내용의 구성에 의해 당연히 발휘되게 되는 것이므로 상술한 효과는 기재된 내용에 따른 몇 가지 효과일 뿐 발명자가 파악 또는 실재하는 모든 효과를 기재한 것이라 인정되어서는 안 된다.

또한, 본 발명의 효과는 명세서의 전체적인 기재에 의해서 추가로 파악되어야 할 것이며, 설사 명시적인 문장으로 기재되어 있지 않더라도 기재된 내용이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 통해 그러한 효과가 있는 것으로 인정할 수 있는 효과라면 본 명세서에 기재된 효과로 보아야 할 것이다.

도 1은 서로 다른 온도 및 습도의 기체들이 혼합되는 경우에 습공기선도 상에서 상태의 변화를 나타내는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시에 의한 백연저감장치가 포함되는 연료전지시스템의 모식도이다.
도 3은 도 2의 백연저감장치의 정면도이다.
도 4는 도 3의 백연저감장치에서 제2 코일의 타측을 절단한 일측단면도이다.
도 5는 도 2의 연료전지시스템의 백연발생여부 판단방법의 단계들을 습공기선도에 표시하여 나타낸 이미지이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 백연저감장치의 구성, 동작 및 작용효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다, 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.

도 1의 (a)를 참조하여 상태가 다른 두 기체가 만났을 때 습공기선도 상에서의 상태 변화에 대해 설명한다.

도 1의 (a)에 개략적으로 도시된 습공기선도를 참조하면, 예시적으로 A점에서 기체의 온도는 21℃이고, 기체가 가진 절대 수증기량에 대한 지표인 절대 습도가 0.008 kg/kg DA(Dry Air)라고 가정할 수 있다. 이 때 같은 온도에서 포화수증기 곡선 상의 점에 해당하는 절대 습도가 만약 0.016 kg/kg DA라면, A 지점에서 상대습도(Relative humidity: R.H.)는 50%가 된다.

A 지점의 기체를 가열하는 경우, 해당 기체의 상태는 A'를 거쳐 A'' 지점으로 이동하고, 이때 기체의 가열 정도에 따라 절대 습도는 변동이 없지만, 포화 수증기 곡선과의 간격이 점점 더 벌어지므로 기체가 포함할 수 있는 수증기의 양은 점점 더 증가함을 알 수 있다. 즉 기체가 가열됨에 따라 기체의 상대습도는 작아지게 된다.

또한, 도 1의 (a)를 참조하여 상태가 다른 두 기체가 혼합되었을 때 수증기 포화 선도 상에서의 혼합 기체의 상태를 설명할 수 있고, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 서로 다른 상태의 두 기체인 A 및 B가 서로 혼합되어 C의 상태가 되는 경우, 기체 C의 상태는 선분 AB 상의 어느 한 지점에서 결정된다.

이때, 기체 A와 기체 B가 혼합되어 상태가 결정되는 선분 상의 어느 한 지점은 기체 A의 양과 기체 B의 양의 상대적인 비율에 따라 결정될 수 있다. 만약 기체 A와 기체 B가 혼합됨에 있어 기체 A가 기체 B보다 더 양이 많은 경우, 선분 AB 사이에서 혼합 기체의 상태는 A 점에 더 치우치도록 결정되며 기체 B가 기체 A보다 더 많은 양을 가지고 혼합되는 경우, 혼합 기체의 상태는 선분 AB 상에서 B 점에 치우친 상태로 결정된다.

도 1의 (c)에는 배출되는 배기가스의 습공기선도 상에서의 상태(D) 및 이때 외기의 상태(E)가 도시되어 있고, 여기서 연료전지로부터 발생되는 배기가스는 약 30 ℃ 내지 50 ℃의 온도로 다량의 수증기를 함유하고 있는 상태이고, 외기는 대략 영하 15 ℃ 내지 영상 35 ℃이며 배기가스가 외부로 방출되는 경우, 방출되는 과정에서 외기와 혼합되어 급격한 온도 하강을 겪게 된다.

한편, 배기가스와 외기가 혼합되는 상태를 표현하는 선분 DE가 포화 수증기 곡선과 만나는 F 점에 이르기까지는 선분 DE가 포화 수증기 곡선보다 위에 위치한다. 따라서, 배기가스가 외기와 혼합되어 습공기선도 상의 D 점에서 E 점으로 이동하는 동안 배기가스에 포함된 수증기는 응결된다. 이때 배기가스의 단위 무게당 응결되는 수증기의 양은 D 점에서의 포화 수증기량과 F 점에서의 포화 수증기량의 차이만큼이 된다. 응결된 수증기는 외부로 방출되면서 백연(white plume)을 형성하게 된다.

도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 연료전지시스템(100)은 연료전지(200), 배기부재(220), 배기부(300), 백연저감장치(400), 제어부(600) 및 드레인부(700)를 포함한다.

연료전지시스템(100)은 외기의 온도와 습도 및 배기가스의 온도를 자동으로 감지하고, 연료전지의 전력 발생 과정에서 유발되는 수증기를 포함하는 배기가스가 외기와 만나면서 백연으로 전환되는 환경 및 시점을 제어부(600)를 통해 자동으로 분석하여 배기가스가 백연으로 전환되는 환경 또는 시점에 배기가스를 백연저감장치(400)로 이동시켜 백연 발생을 차단시키는 시스템이다.

구체적으로, 연료전지(200)는 수소 가스와 산화제 가스를 반응시켜 전기적 에너지를 생성시키는 발전장치이고, 연료전지(200)에서 전기가 발생되면서 생성되는 온도 및 습도가 높은 배기가스는 온도가 낮은 외부환경에서 외부의 낮은 온도의 대기와 혼합되는 과정에서 과포화상태가 되어 배출공기 중에 포함된 수증기가 응축되면서 백연이 발생된다.

배기부재(220)의 일단은 사각관 형태로 형성되어 연료전지(200)에서 발생된 배기가스가 배출되는 통로와 연결되고, 타단은 일단에서 연장되어 배기부(300) 및 백연저감장치(400)와 연통되게 결합된다.

배기부(300)는 연돌(310)을 포함한다.

배기부(300)의 일단은 사각관 형태로 형성되어 배기부재(220)의 타단에 연통되게 결합되고, 타단은 일단에서 상부를 향해 소정의 거리만큼 연장되어 내부의 배기통로(320)는 상부 개구부를 통해 외부와 연결된다.

구체적으로, 연돌(310)의 일단은 상하부로 연장되는 관, 바람직하게는 사각관 형태로 형성되고, 타단은 일단에서 관, 바람직하게는 사각관 형태를 유지하면서 상부를 향해 소정의 거리만큼 연장되며, 상부 끝단에는 배기통로(320) 및 외부공간을 연결시키는 상부 개구부가 형성된다.

따라서, 연료전지(200)의 전기 발생 과정에서 유발되는 배기가스는 배기부재(220) 및 연돌(310)을 통해 외부로 이동되고, 배기가스와 외기 사이의 온도차이가 소정의 데이터 이상으로 벌어지게 되면 백연이 발생한다.

백연저감장치(400)는 연돌(410), 외기흡입덕트(415), 제1 코일(420), 제2 코일(430), 제1 펌프(440), 제1 파이프(450), 제2 파이프(460), 제3 파이프(465), 배기유닛(470) 및 가이드부(480)를 포함하고, 배기유닛(470)은 배기팬(472), 외기팬(474) 및 댐퍼부(500)를 포함한다.

백연저감장치(400)는 연료전지(200) 외에도 배기가스를 배출시키는 플랜트에 연결된 배기부에 연결되어 플랜트에서 배출되는 수증기를 포함하는 배기가스에 의한 백연을 저감시킬 수 있다.

백연저감장치(400)는 수동으로 작동되거나, 센서들에 의해 감지되는 외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도들이 제어부(600)를 통해 종합적으로 분석 및 도출되는 결과에 의해 자동으로 작동되어 내부로 유입되는 배기가스온도를 저감시킨 후 내부로 유입된 외기와 혼합시켜 외부로 배기가스 및 외기를 배출시킨다.

구체적으로, 연돌(410)의 일단은 상하부로 연장되는 관 형태로 형성되어 배기통로(320)의 하부에 해당되는 분기통로(1)의 측방향에서 연돌(310)의 측면에 연통되도록 결합되고, 타단은 일단에서 상부를 향해 사각관 형태로 소정의 거리만큼 연장되어 내부의 배기통로(411) 및 외부를 연결시키는 배기개구부가 형성된다.

외기흡입덕트(415)의 일단은 양측으로 연장되는 사각관 형태로 형성되어 배기통로(411)의 상부에 해당되는 혼합공간(5)의 일측에서 연돌(410)의 일측에 혼합공간(5)과 연통되게 결합되고, 타단은 일단에서 외측을 향해 소정의 거리만큼 연장되어 외부공간과 연통되게 형성된다.

제1 코일(420)의 일단은 배기통로(411)의 하부에 해당되는 위치에서 양측으로 연장되는 파이프 형태로 형성되어 연돌(410)의 외부에 배치되는 제1 파이프(450)의 일단과 연통되게 결합되고, 타단은 일단에서 후방을 향해 U자 또는 지그재그 형태로 연장되어 제2 파이프(460)의 일단과 연통되게 결합된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 코일(420)들이 상하부로 배치된 상태에서 서로 연통되게 배치될 수 있고, 이 경우, 제1 파이프(450)는 상대적으로 하부에 해당되는 제1 코일(420)에 연결되고, 제2 파이프(460)는 상대적으로 상부에 해당되는 제1 코일(420)에 연결된다.

제2 코일(430)의 일단은 외기흡입덕트(415)의 내부에서 상하부로 연장되는 파이프 형태로 형성되어 외기흡입덕트(415)의 외부에서 외기흡입덕트(415)를 관통하여 외기흡입덕트(415)의 내부로 삽입되는 제2 파이프(460)의 타단과 연통되게 결합되고, 타단은 일단에서 후방을 향해 지그재그 형태로 연장되어 제3 파이프(465)의 일단과 연통되게 결합된다.

제1 펌프(440)는 연돌(410)의 측 방향 외부에 배치되고, 구동에 따라 연결된 제1 파이프(450)의 내부를 이동하는 열매체를 제1 코일(420)을 향해 이동시켜 제1 및 제2 코일(420, 430)들 내부에 유입된 열매체를 순환시킨다.

제1 파이프(450)의 일단은 연돌(410)의 하부 일측에 해당되는 위치에서 제1 펌프(440)의 전방에 연결되고, 타단은 연돌(410)을 관통하며 배기통로(411)로 삽입되며 제1 코일(420)의 일단과 연통되도록 결합된다.

제2 파이프(460)의 일단은 제1 파이프(450)의 타단 후방에 해당되는 위치에서 연돌(410)을 관통하며 배기통로(411)로 삽입되어 제1 코일(420)의 타단과 연통되도록 결합되고, 타단은 전방 및 상부를 향해 경사지게 연장되어 외기흡입덕트(415)를 관통한 후 외기흡입덕트(415)의 내부로 연장되어 제2 코일(430)의 일단과 연통되게 결합된다.

제3 파이프(465)의 일단은 외기흡입덕트(415)를 관통하며 외기흡입덕트(415)의 내부로 연장되어 제2 코일(430)의 타단과 연통되게 결합되고, 타단은 일단에서 하부를 향해 연장되어 제1 펌프(440)의 후방에 결합된다.

제1 및 제2 코일(420, 430)의 내부에는 액체 형태의 열매체가 주입되고, 열매체는 제1 펌프(440)의 구동에 따라 제1 파이프(450), 제1 코일(420), 제2 파이프(460), 제2 코일(430) 및 제3 파이프(465)의 순서대로 이동되며, 제1 펌프(440)의 구동에 따라서 반대 방향으로 순환 이동될 수 있다.

외기흡입덕트(415)로 유입되는 상대적으로 온도가 낮은 외기는 제2 코일(430)을 통과하면서 제2 코일(430) 내부에 유입된 열매체의 온도를 감소시키고, 외기는 열매체 및 제2 코일(430)에 의해 온도가 높아진 상태로 혼합공간(5)으로 유입되며, 외기에 의해 온도가 낮아진 제1 열매체는 외기팬(474) 및 가이드부(480)를 통해 혼합공간(5)으로 이동된다.

제2 코일(430)에서 온도가 상대적으로 낮아진 제1 열매체는 제3 파이프(465) 및 제1 펌프(440)를 통해 제1 코일(420)로 이동되고, 배기부재(220) 및 분기통로(1)를 지나 배기통로(411)의 내부로 유입되는 상대적으로 높은 온도의 배기가스는 상기 제1 열매체에 의해 냉각된 제1 코일(420)을 통해 온도 및 절대습도가 낮아진 상태로 혼합공간(5)으로 이동된다.

배기가스에 의해 온도가 높아진 제1 코일(420) 내부의 제2 열매체는 제1 펌프(440)의 구동에 의해 제2 파이프(460)를 통해 제2 코일(430)로 이동되어 제2 코일(430) 및 외기의 온도를 높인다.

제1 및 제2 코일(420, 430)들을 통해 혼합공간(5)으로 유입되는 배기가스 및 외기는 혼합공간(5)으로 유입되기 전보다 상대적으로 서로간의 온도차이가 낮아지기 때문에 백연의 발생이 차단되고, 가이드부(480)를 통해 혼합공간(5)의 상부로 이동되도록 유도되는 외기와 함께 연돌(410)의 외부로 배출된다.

따라서, 백연저감장치(400)는 배기가스 가열을 위한 별도의 지속적인 에너지 투입없이 연료전지시스템(100)에 추가 설치하는 것만으로 배기가스에 의한 백연 발생을 방지하기 때문에 에너지가 절약되고 시설 유지비가 절감되는 장점이 있다.

배기유닛(470)은 배기팬(472) 및 외기팬(474)들을 포함한다.

배기유닛(470)은 연돌(410) 및 외기흡입덕트(415)의 내부에 배치되고, 제1 및 외기팬(472, 473)들의 구동을 통해 외기 및 배기가스를 혼합공간(5)으로 유입시킨다.

구체적으로, 배기팬(472)은 제1 코일(420)의 상부에 해당되는 배기통로(411)에 배치되고, 구동에 따라 제1 코일(420)을 통과하여 상승되는 배기가스를 혼합공간(5)으로 이동시킨다.

외기팬(474)은 제2 코일(430) 및 혼합공간(5)의 사이에서 외기흡입덕트(415)의 내부에 배치되고, 구동에 따라 제2 코일(430)을 통과하여 유입되는 외기를 혼합공간(5)으로 이동시킨다.

가이드부(480)는 가이드프레임(482) 및 블레이드(484)들을 포함한다.

가이드부(480)는 각각이 타측에 위치되는 혼합공간(5)의 상부를 향해 연장되고, 서로 이격되게 배치되는 복수의 블레이드(484)들이 형성되며, 외측면은 외기흡입덕트(415)의 내측면에 결합된다.

가이드부(480)는 복수의 블레이드(484)들 사이를 통과하는 외기가 혼합공간(5)의 상부를 향해 이동되도록 가이드하여 혼합공간(5)에서 배기가스와 혼합되는 외기가 연돌(410)의 상부 개구부로 이동되도록 가이드한다.

구체적으로, 가이드프레임(482)은 외기흡입덕트(415)의 내부공간 및 혼합공간(5)을 연결시키는 안쪽공간을 둘러싸는 사각프레임 형태로 형성되고, 외측면은 제2 코일(430) 및 혼합공간(5) 사이에서 외기흡입덕트(415)의 내측면에 결합된다.

블레이드(484)들 각각은 외기흡입덕트(415)에서 혼합공간(5)의 상부를 향해 경사지게 연장되는 단면 구조를 가지고, 전후방으로 연장되는 날개 형태로 형성되며, 상하부로 동일한 거리를 사이에 두고 이격된 상태에서 전방 및 후방 일부분이 가이드프레임(482)의 내측면에 각도 조절 또는 고정이 가능하도록 결합된다.

따라서, 제2 코일(430) 및 외기팬(474)을 통과하는 외기는 블레이드(484)들 사이의 공간을 통과하면서 블레이드(484)들 각각의 상부면에 반사된 후 혼합공간(5)의 상부를 향해 경사지게 이동된다.

제1 및 제2 코일(420, 430)들을 통해 혼합공간(5)으로 유입되는 배기가스 및 외기는 제1 및 제2 코일(420, 430)들을 통과하기 전보다 상대적으로 서로 간의 온도 차이가 낮아지기 때문에 백연의 발생이 차단되고, 배기가스 및 외기는 가이드부(480)를 통해 혼합공간(5)의 상부로 이동되도록 유도되는 외기와 함께 연돌(410)의 외부로 배출된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 댐퍼부(500)는 댐퍼모터(510), 제1 댐퍼(520) 및 제2 댐퍼(530)를 포함한다.

댐퍼부(500)는 배기부(300) 및 연돌(410)이 서로 연결되는 위치에서 배기부(300) 및 연돌(410)의 내부에 형성되고, 구동에 따라 배기부재(220)에서 배출되는 배기가스가 배기부나 연돌(310, 410)들 중 어느 하나의 내부로만 이동되도록 제어한다.

구체적으로, 댐퍼모터(510)는 분기통로(1)에 해당되는 위치에서 연돌(310, 410)들의 내부 또는 외부에 배치되고, 구동에 따라 연돌(310, 410)들 각각의 내부에 회동되게 배치되는 제1 및 제2 댐퍼(520, 530)들을 구동시킨다.

제1 댐퍼(520)는 복수개의 사각 플레이트 형성되어 연돌(310)의 일단 내부에서 회동에 따라 연돌(310)의 일단 내부로 유입되는 배기가스가 연돌(310)의 타단 내부에 해당되는 배기통로(320)로 이동되는 것을 차단시키거나 배기통로(320)로 배기가스를 가이드하도록 형성된다.

제2 댐퍼(530)는 복수개의 사각 플레이트 형태로 형성되어 연돌(410)의 일단 내부에 해당되는 배기통로(411)에서 회동에 따라 배기통로(411)로 유입되는 배기가스가 배기통로(411)로 이동되는 것을 차단시키거나 배기통로(411)로 배기가스를 가이드하도록 형성된다.

댐퍼모터(510)는 외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도를 감지하고 상기 수치들을 종합적으로 분석하는 제어부(600)를 통해 자동으로 작동되고, 제어부(600)가 배기부(300)를 통해 배기가스를 외부로 배출시키는 경우 백연이 발생된다고 판단되면, 제1 및 제2 댐퍼(520, 530)를 구동시켜 배기통로(320)를 분기통로(1)와 차단시키고, 분기통로(1)를 배기통로(411)와 연통시킨다.

반대로, 제어부(600)가 배기부(300)를 통해 배기가스를 외부로 배출시키는 경우 백연이 발생되지 않는다고 판단하게 되면, 제1 및 제2 댐퍼(520, 530)를 구동시켜 배기통로(320) 및 분기통로(1)를 서로 연통시키고, 분기통로(1) 및 배기통로(411)는 서로 차단시킨다.

제어부(600)는 백연저감장치(400) 및 댐퍼부(500)와 전기적으로 연결되고, 외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도 데이터를 통해 배기가스가 외부로 배출될 경우 백연의 발생 여부를 분석하고, 백연이 발생될 환경에서는 백연저감장치(400)로 배기가스를 이동시킨다.

도 4(a) 및 4(b)에 도시된 바와 같이, 연료전지(200)에서 발생되는 배기가스온도가 30 ℃이고 배기가스의 상대습도가 100%(고정값) 이며, 외기온도는 20 ℃이며 외기의 상대습도는 60%에 해당되는 경우를 예를 들어 외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도에 따라 제어부(600)의 백연발생여부를 판단방법을 설명한다.

도 4(b)에 도시된 바와 같이, 배기가스온도 30 ℃(상대습도는 100% 고정)에 접하는 접선에 대한 식은 하기에 첨부된 바와 같고, Y는 절대습도이며, x는 배기가스온도이며, a는 접선의 기울기이며, b는 Y 절편에 해당된다.

[수학식 1]

,

,

,

상기 수학식 1에서 a에 해당되는 기울기 데이터는 하기에 첨부된 바와 같이 (배기가스온도 30 ℃에 해당되는 절대습도(Y)-배기가스온도 29.9 ℃에 해당되는 절대습도(Y))/(30(t)-29.9(t))의 수학식 2의 산출을 통해 도출된다.

[수학식 2]

,

배기가스온도 30 ℃ 및 29.9 ℃에 해당되는 절대습도(Y)들 각각의 산출식은 아래에 첨부된 바와 같이 수학식 3으로 각각 산출되고, Pw는 수증기 분압이며, P는 대기압으로서 101.325 kPa로 고정된다.

[수학식 3]

수증기 분압(Pw)은 아래에 첨부된 수학식 4를 통해 계산되고, Pws는 포화수증기 압력이며

은 배기가스의 상대습도이며 100%로 고정된다.

[수학식 4]

수학식 4에서 필요한 포화수증기 압력(Pws)은 아래에 첨부된 수학식 5-1 및 5-2에서 배기가스온도 30 ℃ 또는 29.9 ℃ 의 절대온도(K)를 T에 입력하고, ln Pws 및 포화수증기 압력(Pws)을 순서대로 도출시키며, 아래의 T의 경우 배기가스온도 30 ℃ 또는 29.9 ℃ 각각에 해당되는 절대온도(K)를 의미하며, 수학식 5-1은 배기가스온도가 0 ℃ < T < 200 ℃ 에 해당되는 경우에 사용되며, 배기가스온도가 -100 ℃ < T < 0 ℃ 에 해당되는 경우에는 하기에 첨부되는 수학식 6-1 및 6-2를 통해서 포화수증기 압력(Pws)이 계산된다.

[수학식 5-1]

[0 ℃ < T < 200 ℃]

where

[수학식 5-2]

[수학식 6-1]

[-100 ℃ < T < 0 ℃]

where

[수학식 6-2]

따라서, 제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제1 단계로써, 배기가스온도가 30 ℃이므로 제어부(600)는 수학식 5-1 및 5-2를 사용하게 되고, 온도 30 ℃에 해당되는 절대습도(Y)를 구하기 위해 수학식 5-1 및 5-2를 통해 ln Pw 및 포화수증기 압력(Pws)이 각각 순서대로 산출되며, 온도 29.9 ℃에 해당되는 절대습도(Y)를 구하기 위해 ln Pw 및 포화수증기 압력(Pws)이 각각 순서대로 산출된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제2 단계로써, 배기가스온도 30 ℃ 및 29.9 ℃ 각각에 해당되는 산출된 포화수증기 압력(Pws)들 각각을 수학식 3에 도입하여 배기가스온도 30 ℃ 및 29.9 ℃ 각각에 해당되는 절대습도(Y)가 산출된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제3 단계로써, 제2 단계에서 산출된 배기가스온도 30 ℃ 및 29.9 ℃ 각각에 해당되는 절대습도(Y)들과 배기가스온도 30 ℃ 및 29.9 ℃들 각각이 수학식 2에 입력되면 접선의 기울기(a)가 산출된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제4 단계로써, 제3 단계에서 산출된 접선의 기울기(a)가 수학식 1에 입력되고, 수학식 1에 배기가스온도(x) 30 ℃이 입력되며, 제2 단계에서 산출된 배기가스온도(x) 30 ℃에 해당되는 절대습도(Y)가 입력되면서, 나머지 Y절편(b)이 산출되며, 도 4(a) 및 4(b)에 해당되는 순서까지 완료된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제5 단계로써, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 센서에 의해 감지된 외기온도 20 ℃의 데이터가 상기 제1 내지 제4 단계들을 통해 산출된 접선의 기울기(a) 및 Y절편(b)이 적용된 수학식 1에 입력되고, 외기온도 20 ℃에 해당되는 접선에 연결된 제1 절대습도(Y)(0.01095 kg_w/kg_da)가 산출된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제5 단계로써, 외기온도 20 ℃의 수치를 절대온도(K)로 변환시킨 후 수학식 5-1 및 5-2(외기온도가 0 ℃ < T < 200 ℃에 해당되므로)를 통해 포화수증기 압력(Pws)이 산출되고, 수학식 4에 외기온도 20 ℃에 해당되는 포화수증기 압력(Pws)이 입력되며, 외기의 상대습도 60%를 수학식 4의

에 입력시켜 외기온도 20 ℃에 해당되는 수증기 분압(Pw)이 산출된다.

제어부(600)의 백연발생여부 판단방법의 제6 단계로써, 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 제5 단계에서 산출된 외기온도 20 ℃에 해당되는 수증기 분압(Pw)이 수학식 3에 입력되고, 대기압(P)은 101.325 kPa로 고정 입력되며, 외기온도 20 ℃ 및 외기의 상대습도 60%에 해당되는 제2 절대습도(Y)(0.00873 kg_w/kg_da)가 산출된다.

제어부(600)는 제5 및 제6 단계(도 4(d) 참조)에서 산출된 외기온도 20 ℃ 및 외기의 상대습도 60%에 해당되는 제2 절대습도(Y)의 데이터(0.00873 kg_w/kg_da)가 제5 단계(도 4(c) 참조)에서 산출된 제1 절대습도(Y)의 데이터(0.01095 kg_w/kg_da)보다 상대적으로 낮으므로, 배기가스가 배기부(300)를 통해 외부로 배출될 경우 백연의 발생이 없다고 판단하게 되고, 제1 댐퍼(520)를 작동시켜 분기통로(1) 및 배기통로(320)를 연결시키며, 제2 댐퍼(530)를 작동시켜 분기통로(1) 및 배기통로(411)를 서로 차단시킨다.

반대로, 제어부(600)는 배기가스온도 30 ℃의 데이터, 외기온도 10 ℃의 데이터 및 외기의 상대습도 60%의 데이터들이 센서들을 통해 감지되고, 상기 제1 내지 제6단계들에 개시된 백연발생여부 분석방법을 통해 상기 제1 절대습도(Y)(-0.00531 kg_w/kg_da) 및 제2 절대습도(Y)(0.00456 kg_w/kg_da)들이 산출되며, 산출된 제2 절대습도(Y)의 데이터(0.00456 kg_w/kg_da)가 제1 절대습도(Y)의 데이터(-0.00531 kg_w/kg_da)보다 상대적으로 높으므로, 배기가스가 배기부(300)를 통해 외부로 배출될 경우 백연이 발생된다고 판단하게 되며, 제1 댐퍼(520)를 구동시켜 배기통로(320) 및 분기통로(1)를 서로 차단시키고, 제2 댐퍼(530)를 구동시켜 분기통로(1) 및 배기통로(411)를 연통시켜 배기가스가 백연저감장치(400)의 내부로 유입된 후 혼합공간(5)을 지나 외부로 배출되도록 한다.

따라서, 제어부(600)는 배기가스온도, 외기온도 및 외기의 상대습도가 센서들을 통해 입력되면, 상기 백연발생여부 분석방법을 통해 상기 제1 절대습도 및 제2 절대습도를 자동으로 산출시키고, 제1 절대습도 및 제2 절대습도의 데이터 비교를 통해 백연발생 여부를 판단하여 배기가스를 배기부(300) 또는 백연저감장치(400) 중 어느 하나로 이동시켜 백연의 발생을 원천 차단시킨다.

드레인부(700)는 제1 코일(420)의 하부에 해당되는 연돌(410)의 하부에 형성되고, 혼합공간(5) 또는 제1 코일(420)에서 발생되는 응축수를 자동으로 외부로 배출시키는 기능을 가진다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 연료전지시스템
200: 연료전지
300: 배기부
400: 백연저감장치
600: 제어부
700: 드레인부

Claims (5)

1. 배기가스를 외부로 배출시키는 배기부를 포함하는 연료전지에 결합되는 백연저감장치에 있어서,
   상기 배기부의 측면에 연통되게 결합되는 연돌;
   상기 연돌의 내부에서 혼합공간의 하부에 배치되고 내부에 열매체가 주입되는 제1 코일;
   상기 연돌의 측면에 연결되어 외부 및 상기 혼합공간을 연통시키는 관의 내부에 배치되고, 연결된 펌프를 통해 상기 열매체가 순환 이동되도록 상기 제1 코일과 연결되는 제2 코일;
   상기 제1 코일의 상부에서 상기 혼합공간의 하부에 배치되어 구동에 따라 상기 배기가스를 상기 혼합공간으로 이동시키는 배기팬 및 상기 관에서 상기 제2 코일 및 혼합공간의 사이에 배치되어 구동에 따라 외기를 상기 혼합공간으로 이동시키는 외기팬을 구비하는 배기유닛; 및
   상기 배기부 및 상기 연돌 내부에 배치되고, 구동에 따라 상기 배기가스를 상기 배기부 또는 상기 연돌 방향으로 이동시키는 댐퍼부;를 포함하고,
   외기가 상기 연돌의 내부로 흡입되면, 외기는 상기 제2 코일을 통과하고 상기 제2 코일 내부의 열매체의 온도를 감소시키면서 온도가 높아진 상태로 상기 혼합공간으로 유입되며,
   온도가 낮아진 상기 열매체는 상기 제1 코일로 이동되어 상기 제1 코일을 지나 상기 혼합공간으로 유입되는 배기가스의 온도를 감소시키며, 서로의 온도차이가 감소된 상태로 혼합된 배기가스 및 외기는 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 백연저감장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 댐퍼부는,
   상기 배기부의 내부에 형성되고 회동에 따라 유입되는 배기가스를 외부로 배출시키거나 외부배출을 차단시키는 제1 댐퍼 및 상기 제1 코일의 하부에서 상기 연돌의 내부에 배치되고 회동에 따라 상기 혼합공간으로 이동시키거나 차단시키는 제2 댐퍼를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 댐퍼들의 구동에 따라 상기 배기가스는 상기 배기부의 내부 또는 상기 혼합공간으로 이동되는 것을 특징으로 하는 백연저감장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   외기온도, 외기의 상대습도 및 배기가스온도를 분석하여 도출되는 백연의 발생 여부에 따라 상기 배기가스를 상기 배기부 또는 연돌로 이동되도록 상기 댐퍼부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백연저감장치.

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