KR102518892B1

KR102518892B1 - 기액 분리 장치

Info

Publication number: KR102518892B1
Application number: KR1020200152129A
Authority: KR
Inventors: 김숙영; 김영진; 서창우; 한바로
Original assignee: 주식회사 현대케피코
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-13
Publication date: 2023-04-06
Also published as: KR20220065525A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치는 수소 연료전지의 수소 유입구 및 수소 유출구와 연통하여, 상기 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드; 수소 유입구를 향해 수소를 공급하는 수소 공급 노즐; 수소 공급 노즐과 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저; 및 수소 유출구와 디퓨저의 유입구 사이에 배치되어, 수소 유출구로부터 배출된 재순환 유체를 선택적으로 여과하는 필터부를 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 물의 경우 입자의 크기에 따라 차압이 발생할 경우 FPS(Fuel Pressure Sensor; 연료 압력 센서) 매니폴드 내부의 벽을 따라 연료전지로 공급되는 문제가 발생할 수 있다.

종래의 기액 분리 장치는 수소 공급 시, 재순환되는 유체 중 액체가 벽면을 따라 이동하여 스택(stack)에 유입되는 경우를 회피하기 위하여 단순히 매니폴드 공간을 확장하였지만, 스택으로부터 미량 배출되는 카본(carbon) 입자 등을 거르지 못해 효율이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, FPS 매니폴드 내부의 벽(내벽면)을 따라 액체가 연료전지로 공급되는 것을 방지하고, 스택으로부터 미량 배출되는 카본 입자를 효과적으로 여과할 수 있는 기액 분리 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

필터부는 수소 유출구로부터 배출된 재순환 유체를 1차적으로 여과하는 제1 다공판; 및 제1 다공판과 이격되어, 제1 다공판으로부터 여과된 재순환 유체를 2차적으로 여과하는 제2 다공판을 포함한다.

제1, 2 다공판에는 복수의 여과 홀이 형성되되, 제2 다공판에 형성된 여과 홀은 제1 다공판에 형성된 여과 홀보다 상대적으로 직경이 작은 것이 바람직하다.

제1, 2 다공판은 FPS 매니폴드의 내벽면에 융착될 수 있다.

수소 공급 노즐은 디퓨저의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 디퓨저의 유입구 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.

FPS 매니폴드는 수소 유출구와 연통된 하단부와 수소 유입구와 연통된 상단부로 구획되며, 하단부의 폭이 상단부의 폭보다 넓은 테이퍼(taper) 형상으로 이루어질 수 있다.

FPS 매니폴드는 수소 유출구와 연통된 하단부 상측 내벽면에 내측으로 돌출된 격벽을 구비하여, 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽면을 따라 상측으로 이동하는 것을 차단한다.

FPS 매니폴드의 하단에는 수소 유출구로부터 배출된 응축수를 포집하는 챔버가 구비된다.

챔버는 수소 유출구와 가까운 상부로 갈수록 체적의 단면적이 커진다.

본 발명에 따르면, FPS 매니폴드 내부의 벽(내벽면)을 따라 액체가 연료전지로 공급되는 것을 방지하고, 스택으로부터 미량 배출되는 카본 입자를 효과적으로 여과할 수 있다.

이를 통해, 기액 분리를 효과적으로 할 수 있고 나아가 필터부를 통해 원하는 입자 크기로 공급할 수 있다.

아울러, 불순물 유입을 방지하고 연료 스택 내 반응 효율성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치 및 그 구성간 작동관계를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 도 1에 표시된 A의 부분 확대도.
도 3은 도 1에 표시된 B의 부분 확대도.
도 4는 도 3에 표시된 C-C' 단면과, D-D' 단면을 도시한 도면.
도 5는 도 1에 표시된 B의 변형 예인 B'를 나타낸 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.

일반적인 연료전지 스택은 물배출과 성능의 안정화를 위해 이론적 요구량보다 양론적으로 많은 양을 공급하여, 반응에 사용되지 않고 배출되는 연료 가스가 많아 이용률이 낮다.

반면에 케스케이드(cascade) 스택은 여러 단으로 구성되어 전 단에서 사용하고 남은 연료 가스를 다음 단에 재공급함에 따라 연료 이용률을 현격히 높일 수 있다.

하지만, 연료전지 스택에서 반응에 의해 발생한 물과 응축된 가습수가 재공급되면 연료전지 스택의 성능과 내구성에 악영향을 주는 플러딩(flooding) 현상이 발생할 수 있다. 반대로, 반응수와 응축수를 제거할 때 스택에 재공급되는 연료 가스의 가습수가 같이 제거되면 낮은 가습도로 스택에 공급되는 문제점도 있을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치(100)는 연료 가스의 가습도를 잘 유지하면서도 액화된 물만 원활하게 제거할 수 있도록 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치를 나타냄과 동시에 그 구성간 작동관계를 도시한 도면이다.

기액 분리 장치(100)는 FPS 매니폴드(110), 수소 공급 노즐(120), 디퓨저(130) 및 필터부(140)를 포함한다.

FPS 매니폴드(110)는, 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 연통된 하단부와 수소 유입구(10)와 연통된 상단부로 구획되며, 하단부의 폭이 상단부의 폭보다 넓은 테이퍼(taper) 형상으로 이루어질 수 있다.

FPS 매니폴드(110)는 수소 유출구(20)와 연통된 하단부 상측 내벽면에 내측으로 돌출된 격벽(111)을 구비하여, 수소 유출구(20)로부터 배출된 응축수가 내벽면을 따라 상측으로 이동하는 것을 차단하는 구조를 갖는다.

FPS 매니폴드(110)의 하단에는 수소 유출구(20)로부터 배출된 응축수를 포집하는 챔버(112)가 구비되어, 효과적으로 기액 분리가 가능하다.

이때, 챔버(112)는 수소 유출구(20)와 가까운 상부로 갈수록 체적의 단면적이 커지는 것이 바람직하다.

수소 공급 노즐(120)는 수소 유입구(10)를 향해 수소를 공급한다. 이러한 수소 공급 노즐(120)은 디퓨저(130)의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 디퓨저(130)의 유입구 중앙에 위치할 수 있다.

디퓨저(130)는 수소 공급 노즐(120)과 수소 유입구(10) 사이에 배치된다.

필터부(140)는 수소 유출구(20)와 디퓨저(130)의 유입구 사이에 배치된다. 이러한 필터부(140)는 수소 유출구(20)로부터 배출된 재순환 유체를 선택적으로 여과한다.

필터부(140)는 제1 다공판(141)과, 제2 다공판(142)을 포함한다.

제1 다공판(141)은 수소 유출구(20)로부터 배출된 재순환 유체를 1차적으로 여과한다.

제2 다공판(142)은 제1 다공판(141)과 이격되어, 제1 다공판(141)으로부터 여과된 재순환 유체를 2차적으로 여과한다.

이때, 제1, 2 다공판(141, 142)의 위치는 수소 유출구(20)와 디퓨저(130)의 유입구 최단 이동경로와 수직하는 방향을 갖는다.

제1, 2 다공판(141, 142)에는 복수의 여과 홀(141a, 142a)이 형성된다.

이때, 도 4에 도시된 것처럼 제2 다공판(142)에 형성된 제2 여과 홀(142a)의 직경(d2)은 제1 다공판(141)에 형성된 제1 여과 홀(141a)의 직경(d1)보다 상대적으로 작다.

이를 통해, 수소 유출구(20)로부터 배출된 기체 중 스택의 이물질은 제1, 2 다공판(141, 142)을 거쳐 여과된다.

이러한 제1, 2 다공판(141, 142)은 FPS 매니폴드(110)의 내벽면에 융착될 수 있다. 다른 예로, 제1, 2 다공판(141, 142)은 FPS 매니폴드(110)의 내벽면에 탈착 가능한 구조로 이루어질 수도 있다.

또 다른 예로, 도 5에 도시된 것처럼 필터부(140')는 FPS 매니폴드(110)의 내벽면에 베이스 플레이트(143')가 융착된 상태에서 제1, 2 다공판(141', 142')이 베이스 플레이트(143')에 탈착되는 구조를 가질 수도 있다.

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: 격벽
112: 챔버
120: 수소 공급 노즐
130: 디퓨저
140: 필터부
141, 141': 제1 다공판
141a: 제1 여과 홀
142, 142': 제2 다공판
142a: 제2 여과 홀
143': 베이스 플레이트

Claims

수소 연료전지의 수소 유입구 및 수소 유출구와 연통하여, 상기 수소 연료전지의 수소 공급 및 재순환 경로를 제공하는 FPS 매니폴드;
상기 수소 유입구를 향해 수소를 공급하는 수소 공급 노즐;
상기 수소 공급 노즐과 상기 수소 유입구 사이에 배치되는 디퓨저; 및
상기 수소 유출구와 상기 디퓨저의 유입구 사이에 배치되어, 상기 수소 유출구로부터 배출된 재순환 유체를 선택적으로 여과하는 필터부를 포함하고,
상기 필터부는
상기 FPS 매니폴드의 내벽면에 융착되는 베이스 플레이트;
상기 수소 유출구로부터 배출된 재순환 유체를 1차적으로 여과하는 제1 다공판; 및
상기 제1 다공판과 이격되어, 상기 제1 다공판으로부터 여과된 재순환 유체를 2차적으로 여과하는 제2 다공판을 포함하고,
상기 제1, 2 다공판은 상기 베이스 플레이트에 탈착 가능한 구조로 이루어지는 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1, 2 다공판에는 복수의 여과 홀이 형성되는 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1, 2 다공판에는 복수의 여과 홀이 형성되되,
상기 제2 다공판에 형성된 여과 홀은 상기 제1 다공판에 형성된 여과 홀보다 상대적으로 직경이 작은 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1, 2 다공판은
상기 FPS 매니폴드의 내벽면상에 사선으로 위치하는 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 수소 공급 노즐은
상기 디퓨저의 유입구 측에 일부가 삽입되되, 상기 디퓨저의 유입구 중앙에 위치하는 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 FPS 매니폴드는
상기 수소 유출구와 연통된 하단부와 상기 수소 유입구와 연통된 상단부로 구획되며, 상기 하단부의 폭이 상기 상단부의 폭보다 넓은 테이퍼(taper) 형상으로 이루어지는 것인 기액 분리 장치.
제6항에 있어서,
상기 FPS 매니폴드는
상기 수소 유출구와 연통된 하단부 상측 내벽면에 내측으로 돌출된 격벽을 구비하여, 상기 수소 유출구로부터 배출된 응축수가 내벽면을 따라 상측으로 이동하는 것을 차단하는 것인 기액 분리 장치.
제1항에 있어서,
상기 FPS 매니폴드의 하단에는
상기 수소 유출구로부터 배출된 응축수를 포집하는 챔버가 구비되는 것인 기액 분리 장치.
제8항에 있어서,
상기 챔버는
상기 수소 유출구와 가까운 상부로 갈수록 체적의 단면적이 커지는 것인 기액 분리 장치.