KR20090032827A

KR20090032827A - 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지용 기액분리장치및 그 운영방법

Info

Publication number: KR20090032827A
Application number: KR1020070098373A
Authority: KR
Inventors: 정영수; 조혜정
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-01
Also published as: KR101473318B1; CN101399348A; EP2043186A2; EP2043186A3; JP2009087927A; US8722261B2; US20090087703A1; JP5546751B2; EP2043186B1

Abstract

메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지인 DMFC(direct methanol fuel cell)용 기액분리장치가 개시된다. 개시된 DMFC용 분리장치는 스택에서 회수된 기액혼합물이 수용되는 하우징과, 하우징 안에 회전 가능하게 설치된 로터 및, 그 로터를 회전시키는 모터를 포함하여, 로터가 회전하면 기액혼합물 중 액체는 원심력에 의해 하우징의 외곽 측으로 몰리고 기체는 하우징의 중심 측으로 몰려서 상분리가 일어나도록 된 것을 특징으로 한다. 이러한 구조의 기액분리장치는, 강제 회전에 따른 원심력으로 기액분리 작업을 수행하므로 특정 포트를 중력방향과 일치시킬 필요가 없어서 위치가 수시로 변하는 모바일 기기에도 무난하게 채용될 수 있으며, 또한, 시간 경과에 따라 성능이 급격히 저하되는 멤브레인을 사용하지 않기 때문에 장시간 사용 시에도 원활한 기능 유지가 보장된다.

DMFC, 기액분리, 원심력

Description

메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지용 기액분리장치 및 그 운영방법{Recycler for direct methanol fuel cell and managing method thereof}

본 발명은 메탄올을 직접 연료로 사용하는 연료전지[이하 DMFC(direct methanol fuel cell)라 함]에 있어서, 스택에서 회수된 미반응 메탄올과 부산물인 H₂O를 재생하는데 사용되는 기액분리장치와 그 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 이러한 연료전지 중 DMFC는 메탄올을 직접 셀의 애노드에 연로로서 공급하여 캐소드에 공급된 산소와의 반응으로 전기를 생성시키는 장치로서, 애노드에서는 하기의 화학식 1과 같은 반응이 일어나면서 전자가 생성되며, 그 전자는 이동 경로를 따라 캐소드로 이동하여 화학식 2의 반응을 일으키게 된다. 바로 그 이동 경로에 부하를 걸면 생성된 전기를 이용한 일을 할 수 있게 되는 것이다.

CH₃OH + H₂O ↔ CO₂ + 6H⁺ + 6e^-

O₂ + 6H⁺ + 6e^-↔3H₂O

한편, 메탄올을 애노드에 공급하는 방법으로는 액체 상태의 메탄올을 펌프로 공급하는 방법도 있고, 상온에서 자연 기화되는 성질을 이용하여 기화된 메탄올이 자연스럽게 애노드로 가도록 유도하는 방법이 있는데, 후자를 수동형(passive type), 전자는 능동형(active type)이라고 부르며 여기에서 설명하는 구조는 이 능동형 DMFC에 해당된다.

도 1은 이러한 능동형 DMFC의 구조를 블록도로 도시한 것이다.

우선, 상기 화학식1,2가 진행되는 애노드와 캐소드의 조립체 하나로는 충분한 전기를 얻기 힘들기 때문에, 이를 다단으로 적층한 스택(20)의 형태로 사용하게 된다. 이 스택(20) 내에는 다수의 애노드와 다수의 캐소드가 각각 전해질막을 사이에 두고 단위 셀을 형성하며 적층되어 있으며, 각 단위 셀에서 생성된 전기들이 합쳐져서 큰 전기로 출력된다. 참조부호 60은 캐소드에 산소 공급원인 에어를 보내주기 위한 에어펌프를 나타낸다. 그리고, 참조부호 30은 애노드에 공급될 연료인 메탄올을 저장한 카트리지를 나타내는데, 이 카트리지(30)에는 고농도 메탄올(예를 들어 100% 메탄올)이 저장되어 있다. 또, 참조부호 70은 카트리지(30)에서 연료펌프(40)에 의해 보내진 고농도 메탄올에 물을 첨가하여 0.5~2M(몰)정도의 저 농도로 희석시킨 후 공급펌프(50)를 통해 스택(20)의 애노드에 보내주기 위한 장치를 나타낸다. 참조부호 80은 스택(20)으로부터 배출된 기액 혼합물의 온도를 낮추기 위한 열교환기를 나타낸다. 즉, 이 열교환기(80)는 스택(20)에서 나온 고온상태의 기액 혼합물의 온도를 낮추어 기체 내부의 수증기를 응축시키는 역할을 한다. 그리고, 참조부호 10은 스택(20)으로부터 전기를 생산하고 나온 미반응 메탄올 및 부산물인 H₂O를 재사용하기 위한 리사이클러를 나타낸다. 이 장치(10)는 스택(20)에서 미반응된 메탄올과 부산물인 물을 다시 회수하여 기체를 분리한 후 상기와 같은 메탄올 희석에 재사용하는 기능이 있어서 기액분리장치라고도 부른다. 물론, 기액분리장치(10)를 따로 두지 않고 카트리지(30)에 처음부터 저농도 메탄올을 저장했다가 사용할 수도 있지만, 그렇게 되면 카트리지(30)의 용량이 엄청나게 커져야 하는 문제가 생기기 때문에, 상기와 같이 고농도 메탄올을 카트리지(30)에 저장했다가 기액분리장치(10)로 조금씩 공급하며 희석시켜서 사용하는 것이다.

여기서 상기 기액분리장치(10)로서 종래에는 도 2a나 도 2b에 도시된 바와 같은 구조가 많이 채용되었다. 먼저, 도 2a는 기체와 액체를 중력을 이용하여 분리하는 방식으로서, 상대적으로 가벼운 기체는 기액분리장치 하우징(11)의 위쪽 포트(11a)로 빠져나가고, 상대적으로 무거운 액체는 하우징(11)의 아래쪽 포트(11b)를 통해 빠져나가면서 자연스럽게 분리가 이루어지게 한 것이다. 상기 액체로는 스택(20)에서 미반응된 메탄올과 부산물로 생성된 물, 그리고 카트리지(30)에서 보충되는 고농도 메탄올이 포함되며, 상기 기체로는 스택(20)에 산소 공급원으로서 공급된 에어와 애노드 반응에서 생성되는 이산화탄소 등이 포함되어 있다. 이렇게 분리된 액체는 카트리지(30)로부터 공급되는 고농도 메탄올과 적절하게 섞여 스택(20)에서의 발전에 필요한 적당한 저농도 메탄올이 되며, 전술한 바와 같이 공급펌프(50)에 의해 스택(20)으로 재 공급된다. 그런데, 이 구조는 중력을 이용하기 때문에 구조가 매우 간단한 장점은 있지만, 액체가 나가는 포트(11b)를 반드시 중력 작용 방향으로 맞춰야 하기 때문에, 고정형으로 밖에 사용할 수 없는 제한이 있다. 즉, 최근에는 각종 모바일 기기에 연료전지를 사용하려는 추세인데, 이러한 방식을 만일 모바일 기기에 채용하면 움직이는 과정에서 액체용 포트(11b)가 중력 작용의 반대방향으로 뒤집힐 수도 있기 때문에, 기액분리의 기능을 제대로 기능을 발휘할 수 없게 된다.

한편, 도 2b는 이러한 문제를 해결할 수 있도록 제안된 기액 분리 구조인데, 도면에 도시된 것처럼 중력을 이용하는 것이 아니라, 소수성 멤브레인(12a)과 친수성 멤브레인(12b)을 하우징(12)의 각 포트에 설치해서, 소수성 멤브레인(12a)으로는 기체가 빠져나가고, 친수성 멤브레인(12b)으로는 액체가 빠져나가도록 한 것이다. 이렇게 하면 중력 작용 방향과 무관하게 기액분리가 진행될 수 있으므로, 모바일 기기에도 적용이 가능하게 된다. 그러나, 멤브레인(12a)(12b)은 시간이 경과하면 그 특성이 현저히 열화 되어 성능이 떨어지고 누설이 생기는 단점이 있어서, 제품화하기에는 어려움이 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위해서는, 기액분리 작업에 방향 의존성이 없고, 멤브레인과 같이 시간에 따라 성능이 급격히 열화 되는 부재를 사용하지 않 고도 원활한 분리작업을 진행할 수 있는 새로운 구조가 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 중력 방향과 무관하게 사용될 수 있으며, 장시간 사용 시에도 성능을 무난하게 유지할 수 있는 DMFC용 기액분리장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DMFC용 기액분리장치는, 스택에서 회수된 기액혼합물이 수용되는 하우징; 상기 하우징 안에 회전가능하게 설치된 로터; 및, 상기 로터를 회전시키는 모터;를 포함하여, 상기 로터가 회전하면 상기 기액혼합물 중 액체는 원심력에 의해 상기 하우징의 외곽측으로 몰리고 상기 기체는 상기 하우징의 중심측으로 몰려서 상분리가 일어나는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 하우징에는, 상기 기액혼합물이 유입되는 제1유입포트와, 상기 스택으로의 연료보충을 위해 고농도 메탄올을 유입하기 위한 제2유입포트와, 상기 중심측으로 몰린 기체를 배출하기 위한 기체배출포트, 상기 외곽측으로 몰린 액체를 배출하기 위한 액체배출포트가 구비될 수 있다.

상기 기체배출포트와 연결된 배출로에는 진행방향이 꺾이는 절곡 부위가 포 함되게 형성되는 것이 바람직하며, 상기 모터는 그 몸체의 일부가 상기 하우징 안으로 삽입되도록 설치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 하우징 내벽과 상기 로터 외주면 간의 간격은 0.2~1mm 수준으로 충분히 좁게 만드는 것이 바람직하다. 이는 스택으로부터 공급되는 기액 혼합물이 로터와 하우징 사이의 좁은 간격에 주입되어 상기 로터와 하우징 사이에서 마찰력에 의한 원심력을 기액 혼합물 속의 액체 성분에 효과적으로 전달하기 위함이다. 이를 통하여 기액 혼합물 속의 액체 성분이 로터의 회전 외곽 방향으로 신속하게 분리되어 하우징 중앙의 기체 포트로 역류하지 않도록 한다.

상기 로터는 그 외주면이 상기 하우징 내벽의 상, 하, 측면에 모두 대향하는 모양이 바람직하며, 이에 더하여 속이 비고 외주면에 다수의 구멍이 형성된 모양이 바람직하다.

상기 하우징은 금속재질이 바람직하다. 또한, 상기 금속 재질은 메탄올에 반응하지 않아야 한다. 더불어 하우징 두께는 0.2~0.5mm 두께로 얇을수록 바람직하다. 하우징 외부에는 냉각 효율을 높이기 위한 핀(fin)과 냉각팬을 구비할 수 있다. 이를 통하여 기액분리장치 내부의 고온 기액 혼합물의 온도를 낮추어 물회수 효율을 높일 수 있으며, 더 나아가 별도의 열교환기(80) 없이 본 발명의 기액분리장치 단독으로 기액분리 및 열교환 역할을 동시에 수행할 수 있다.

상기 하우징 내부의 액체의 수위를 측정하기 위한 레벨센서와, 상기 하우징에 대한 중력 작용 방향을 측정하기 위한 중력위치검출센서가 더 구비될 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DMFC용 기액분리장치의 운영방 법은, 스택에서 회수된 기액혼합물이 수용되는 하우징과, 상기 하우징 안에 회전가능하게 설치된 로터와, 상기 하우징에 대한 중력 작용방향을 측정하기 위한 중력위치검출센서를 포함한 기액분리장치를 준비하는 단계; 상기 중력위치검출센서로 상기 액체배출포트의 배출방향이 중력 작용방향과 일치하는지 여부를 확인하는 단계; 상기 액체배출포트의 배출방향이 중력 작용방향과 일치하지 않으면 상기 로터를 작동시켜서 원심력으로 기액분리를 진행하는 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 하우징 중심부에 마련된 기체배출포트를 개방하여 기체를 배출시키는 단계; 및, 상기 하우징 외곽부에 마련된 액체배출포트를 개방하여 액체를 배출시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기체배출포트로 빠져나간 기체를 상기 하우징 외부에 1회 이상 절곡된 배출로를 따라 배출시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 액체배출포트를 개방하기 전에 상기 하우징 내부의 액체 수위를 측정하기 위한 레벨센서로 상기 하우징 내부의 액체가 정상 운전에 가능한 수위인지를 확인하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기한 본 발명의 DMFC용 기액분리장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 강제 회전에 따른 원심력으로 기액분리 작업을 수행하므로, 특정 포트를 중력방향과 일치시킬 필요가 없어서, 위치가 수시로 변하는 모바일 기기에도 무난하게 채용할 수 있다.

둘째, 시간 경과에 따라 성능이 급격히 저하되는 멤브레인을 사용하지 않기 때문에, 장시간 사용 시에도 원활한 기능 유지를 보장할 수 있다.

셋째, 기체배출포트와 연결된 배출로를 절곡시킴으로써 뜻하지 않은 액체의 누설을 억제할 수 있다.

넷째, 중력위치감지센서를 장착하여 액체배출포트와 중력위치가 일치할 경우에는 강제 회전을 정지시키고 중력으로 기액분리를 진행하도록 구성할 수 있어서, 절전효과도 얻을 수 있다.

다섯째, 기액혼합물이 분리되고 난 후의 액체를 저장하기 위한 별도의 저장공간을 구비하지 않고 기액분리 하우징 자체가 저장공간의 역할을 동시에 할 수 있어 시스템 부피를 줄일 수 있으며 구조를 간단하게 할 수 있다.

여섯째, 카트리지의 고농도 메탄올을 기액분리 장치 내부에 주입하여 회전하는 로터에 의하여 신속하게 섞을 수 있어 시스템으로 균일한 농도의 메탄올을 공급할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 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.

도 3은 본 발명에 따른 DMFC용 기액분리장치의 구조를 이해하기 쉽도록 개략적인 도시한 것이고, 도 4a 및 도 4b는 실제 제품에 적용되는 구조를 분리상태와 결합상태로 각각 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 DMFC용 기액분리장치(100)는, 하우징(110)과, 하우징(110) 안에 회전가능하게 설치된 로터(120), 그리고 로터(120)를 회전시키기 위한 모터(130) 등을 구비하고 있다. 즉, 본 발명의 기액분리장치(100)는 중력이나 멤브레인이 아닌, 로터(120)의 강제 회전으로 발생되는 원심력을 이용하여 기체와 액체로 상분리시키는 원리로 구성되어 있다. 여기서, 모터(130)는 몸체 일부가 하우징(110) 안으로 들어가 있는데, 이렇게 하면 전체 장치의 부피를 줄일 수 있다.

먼저, 상기 하우징(110)에는 스택(20;도 1 참조)에서 회수된 기액혼합물이 유입되는 제1유입포트(111)와, 스택으로 보낼 연료를 보충하기 위해 카트리지(30;도 1참조)로부터 공급되는 고농도 메탄올(예를 들어 100% 메탄올)이 유입되는 제2유입포트(112), 그리고, 기액혼합물에서 분리된 기체가 빠져나가는 기체배출포트(114) 및, 액체가 빠져나가는 액체배출포트(113)가 각각 마련되어 있다. 따라서, 제1,2유입포트(111)(112)를 통해 스택으로부터의 기액혼합물과 카트리지로부터의 고농도 메탄올이 유입되며, 로터(120)의 회전으로 원심 분리된 액체는 액체배출포트(113)로, 기체는 기체배출포트(114)로 각각 빠져나가게 되는 것이다.

여기서, 상기 로터(120)와 하우징(110) 내벽 간의 간격(d)는 0.2~1mm 정도로 충분히 좁게 만들며, 로터(120)는 하우징(110) 내벽의 상면, 측면, 하면과 모두 대향하는 모양을 갖는다. 간격(d)을 좁게 만듦으로써 기체배출포트(114)로의 액체 역류를 막고 액체에 신속하게 원심력을 작용하기 위함이다. 즉, 스택(20)으로부터 공급되는 기액 혼합물이 로터(120)와 하우징(110) 사이의 좁은 간격에 주입되어 상기 로터(120)와 하우징(110) 사이에서 로터의 회전에 의한 원심력을 기액 혼합물 속의 액체 성분에 효과적으로 전달하기 위함이다. 이를 통하여 기액 혼합물 속의 액체 성분이 로터(120)의 회전 외곽 방향으로 신속하게 분리되어 하우징(110) 중앙의 기체배출포트(114)로 역류하지 않게 된다.

그리고 상기 로터(120)의 형상은 기액분리장치의 방향에 상관없이 균일한 기액분리 성능을 달성하기 위함이다. 즉, 기액분리장치의 방향에 상관없이 액체가 중력에 의하여 하우징 내벽에 접촉하면 이와 동시에 로터(120)의 회전력을 전달받아 로터(120)의 회전 외곽 방향으로 액체가 이동하게 된다. 또한, 로터(120)는 도 4a와 같이 속이 비고 외주면에 구멍이 많이 형성된 구조로 이루어져 있는데, 이렇게 하면 하우징(110) 안의 액체 수용 용량을 더 늘일 수 있다.

그리고, 상기 하우징(110)은 열전도율이 우수한 금속재질로 만드는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 스택에서 유입되는 기액혼합물은 통상 60~65℃ 정도의 온도가 되는데, 온도가 높으면 기체 속에 액체가 함유되기 쉬워서 기체와 함께 기체배출포트(114)로 나가버리는 액체 즉, 연료가 많아질 수 있기 때문이다. 따라서, 하우징(110)을 금속재질로 만들어서 쉽게 방열이 이루어지게 하면, 기액혼합물의 온 도도 낮아지므로 기체 속에 액체가 함유되는 양도 줄어들게 되고, 따라서 기체와 함께 제거되는 연료량도 줄일 수 있게 된다. 또한, 상기 금속 재질은 메탄올에 반응하지 않아야 한다. 더불어 하우징 두께는 0.2~0.5mm 두께로 얇을수록 바람직하다. 하우징 외부에는 냉각 효율을 높이기 위한 핀(fin)과 냉각팬을 구비할 수 있다. 이를 통하여 기액분리장치 내부의 고온 기액 혼합물의 온도를 낮추어 물회수 효율을 높일 수 있으며, 더 나아가 별도의 열교환기(80) 없이 본 발명의 기액분리장치 단독으로 기액분리 및 열교환 역할을 동시에 수행할 수 있다.

참조부호 140은 하우징(110) 내의 액체 수위를 측정하기 위한 레벨센서를 나타낸다. 이 레벨센서(140)는 중력방향으로 배치된 것이 아니라 로터(120)의 반경방향으로 배치되어 있다. 즉, 액체는 원심력에 의해 하우징(110)의 외곽 측에서부터 채워져 들어오기 때문에, 액체 수위가 낮을 경우는 레벨센서(140)의 외곽 측에만 액체가 감지되고, 수위가 높아지면 중심 측에서도 액체가 감지된다.

참조부호 150은 중력 작용방향을 감지하기 위한 중력위치검출센서를 나타낸다. 이것은 절전기능을 위해 구비된 것인데, 그 자세한 사용방법에 대해서는 후술하기로 한다.

이와 같은 구성의 기액분리장치(100)를 가동하게 되면, 상기 제1,2유입포트(111)(112)를 통해 스택으로부터의 기액혼합물과 카트리지로부터의 고농도 메탄올이 하우징(110)으로 유입되며, 동시에 로터(120)는 모터(130)에 의해 회전하기 시작한다. 그러면, 유체가 로터(120)의 회전을 따라 돌기 시작하며, 원심력에 의해 상대적으로 무거운 액체는 하우징(110)의 외곽 측으로, 상대적으로 가벼운 기체 는 하우징(110)의 중심 측으로 몰리게 된다. 이 상태에서 공급펌프(50)를 가동하게 되면, 기체와 분리된 액체 즉, 메탄올과 물이 적절히 혼합된 저농도 메탄올이 액체배출포트(113)를 통해 스택(20)으로 보내지게 되며, 액체와 분리된 기체는 기체배출포트(114)를 통해 하우징(110) 밖으로 빠져나가게 된다. 이러한 분리작업은 로터(120)의 강제 회전에 의한 원심력을 이용하는 것이므로, 하우징(110)의 위치가 뒤집히거나 세워지는 등 위치변화가 생기더라도 이상 없이 진행될 수 있다.

한편, 하우징(110)의 위치가 이리저리 바뀌다 보면, 액체배출포트(113)의 배출방향이 중력 작용방향과 일치하는 경우가 생길 수 있다. 이때에는 굳이 로터(120)를 돌리지 않더라도 도 2a의 구조와 같이 중력에 의한 자연스런 상분리가 진행될 수 있다. 따라서, 이때 로터(120)를 정지시키면 그만큼 전력 소모를 줄일 수 있으므로 절전기능이 구현된다. 상기한 중력위치검출센서(150)는 바로 이 기능을 위해 중력 작용방향이 액체배출포트(113)의 배출방향과 일치하는지 여부를 알아보는데 사용되는 것이다. 이 중력위치검출센서(150)를 이용한 절전기능은 도 5에 도시된 순서도와 같이 진행될 수 있다.

우선, 상기와 같이 하우징(110) 내에서 로터(120)의 원심력으로 기액분리를 수행하며 중력위치검출센서(150)가 장착된 기액분리장치를 준비한다(S1). 그리고 본격적인 기액분리 작업에 들어가기 전에, 로터(120)를 회전시키면서 상기 레벨센서(140)로 하우징(110) 내부의 액체 수위를 먼저 측정한다(S2). 왜냐하면, 하우징(110)의 액체 수위가 너무 낮은 상태에서 스택(20)으로 향하는 액체배출포트(113)를 열면 스택(20)의 기능에 악영향을 미치는 기체가 다량으로 들어갈 수 있 기 때문에, 이를 방지하기 위해서이다. 따라서, 수위를 측정해서 정상 운전이 가능한 수위인지를 먼저 확인해보고(S3), 만일 그렇지 않으면 로터(120)를 정지시키고(S4) 수위부족 경고등을 on 시킨다(S5).

만일, 상기 S3단계에서 수위가 정상 운전이 가능한 것으로 확인되면, 다음으로 상기 중력위치검출센서(150)로 현재 중력 작용방향이 액체배출포트(113)의 배출방향과 일치하는지를 측정한다(S6). 이때의 일치 여부는 정확하게 일치되는 경우뿐 아니라, 예컨대 30°이내의 차이면 일치하는 것으로 보도록 설정할 수 있다.

측정 결과 중력 작용방향과 액체배출포트(113)의 배출방향이 일치하지 않으면 중력을 이용한 기액분리는 기대할 수 없으므로 전술한 바와 같이 로터(120)를 회전시키면 원심력으로 기체와 액체를 분리시킨다(S7).

그러나, 측정 결과 중력 작용방향과 액체배출포트(113)의 배출방향이 일치하면, 로터(120)를 회전시키지 않고 중력에 의한 상분리가 일어나도록 한다(S8). 이때에는 모터(130)의 가동이 정지되므로 기액분리장치에서의 전력 소모는 없게 된다. 따라서, 그만큼 전력 소모를 줄일 수 있다.

모바일 기기의 경우는 하우징(110)의 위치가 수시로 변할 수 있으므로, 이후에도 중력 작용방향을 계속 측정하여 로터(120)를 회전시킬지 여부를 결정하면 된다.

한편, 상기와 같이 로터(120)를 회전시키지 않고 중력으로 상분리를 진행하다가 갑자기 하우징(110) 위치가 바뀌게 되면, 중력위치감지센서(150)가 그 변화를 감지하여 로터(120)를 회전시킬 때까지 걸리는 시간 동안 자칫 기체배출포트(114) 로 다량의 액체가 흘러나갈 위험이 있다. 따라서, 이를 억제하기 위해서는 기체배출포트(114)와 연결된 배출로(115)를 도 6과 같이 하우징(110) 주변을 일주하도록 절곡하여 배출방향이 적어도 한번은 90도 이상 꺾이게 구성하는 것이 좋다. 즉, 배출 진행방향이 직선이 아니라 90도 이상 꺾이게 구성하면 갑작스런 위치 변경 시에도 다량의 액체가 한꺼번에 흘러나가는 것은 막을 수 있다. 또한, 장치가 정지된 상태에서 사용자에 의해 이동 및 운동될 경우 장치의 방향이 자유롭게 변할 수 있기 때문에, 이때 기체배출포트(114)로 다량의 액체가 흘러나갈 위험을 방지하기 위해서도 도 6과 같이 절곡된 배출로(115)가 필요하다.

이상에서 설명한 바와 같은 구성에 의하면, 중력 방향과 무관하게 사용될 수 있으며, 장시간 사용 시에도 성능을 무난하게 유지할 수 있는 DMFC용 기액분리장치가 구현된다.

본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 일반적인 DMFC의 구조를 도시한 도면,

도 2a 및 도 2b는 도 1의 DMFC에 구비된 기액분리장치의 기존 예를 보인 도면,

도 3은 본 발명에 따른 기액분리장치의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 기액분리장치의 제품 적용 구조를 분리상태로 결합상태로 각각 도시한 도면,

도 5는 도 3의 기액분리장치의 운영예를 보인 플로우챠트,

도 6은 도 3에 도시된 기액분리장치 중 기체 배출로의 구성예를 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...기액분리장치 110...하우징

111,112...제1,2유입포트 113...액체배출포트

114...기체배출포트 115...기체 배출로

120...로터 130...모터

140...레벨센서 150...중력위치감지센서

Claims

스택에서 회수된 기액혼합물이 수용되는 하우징;

상기 하우징 안에 회전가능하게 설치된 로터; 및,

상기 로터를 회전시키는 모터;를 포함하여,

상기 로터가 회전하면 상기 기액혼합물 중 액체는 원심력에 의해 상기 하우징의 외곽측으로 몰리고 상기 기체는 상기 하우징의 중심측으로 몰려서 상분리가 일어나는 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징에는, 상기 기액혼합물이 유입되는 제1유입포트와, 상기 스택으로의 연료보충을 위해 고농도 메탄올을 유입하기 위한 제2유입포트와, 상기 중심측으로 몰린 기체를 배출하기 위한 기체배출포트, 상기 외곽측으로 몰린 액체를 배출하기 위한 액체배출포트가 구비된 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제2항에 있어서,

상기 기체배출포트와 연결된 배출로에는 진행방향이 꺾이는 절곡 부위가 포함되게 형성된 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 모터의 일부가 상기 하우징 안으로 삽입되도록 설치된 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징 내벽과 상기 로터 외주면 간의 간격은 0.2~1mm 인 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 로터는 그 외주면이 상기 하우징 내벽의 상, 하, 측면에 모두 대향하는 모양인 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 로터는 속이 비어 있고 그 외주면에 다수의 구멍이 형성된 모양인 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징은 금속재질인 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징의 두께는 0.2~0.5mm인 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장 치.
제1항에 있어서,

상기 하우징 내부에 상기 액체의 수위를 측정하기 위한 레벨센서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
제1항에 있어서,

상기 하우징에 대한 중력 작용 방향을 측정하기 위한 중력위치검출센서가 더 구비된 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치.
스택에서 회수된 기액혼합물이 수용되는 하우징과, 상기 하우징 안에 회전가능하게 설치된 로터와, 상기 하우징에 대한 중력 작용방향을 측정하기 위한 중력위치검출센서를 포함한 기액분리장치를 준비하는 단계;

상기 중력위치검출센서로 상기 액체배출포트의 배출방향이 중력 작용방향과 일치하는지 여부를 확인하는 단계;

상기 액체배출포트의 배출방향이 중력 작용방향과 일치하지 않으면 상기 로터를 작동시켜서 원심력으로 기액분리를 진행하는 단계;를 포함하는 DMFC용 기액분리장치 운영방법.
제12항에 있어서,

상기 하우징 중심부에 마련된 기체배출포트를 개방하여 기체를 배출시키는 단계; 및,

상기 하우징 외곽부에 마련된 액체배출포트를 개방하여 액체를 배출시키는 단계;를 더 포함하는 DMFC용 기액분리장치 운영방법.
제13항에 있어서,

상기 기체배출포트로 빠져나간 기체를 상기 하우징 외부에 1회 이상 절곡된 배출로를 따라 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치 운영방법.
제13항에 있어서,

상기 액체배출포트를 개방하기 전에 상기 하우징 내부의 액체 수위를 측정하기 위한 레벨센서로 상기 하우징 내부의 액체가 정상 운전에 가능한 수위인지를 확인하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DMFC용 기액분리장치 운영방법.