KR20110075542A

KR20110075542A - 연료전지 시스템의 워터트랩 장치

Info

Publication number: KR20110075542A
Application number: KR1020090132021A
Authority: KR
Inventors: 황남선; 최동민
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2011-07-06

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 워터트랩 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 몸체(110)와, 상기 몸체 내에 유입되는 가스와 응축수를 분리하도록 상기 몸체 내에 구비된 다공성 메탈폼(120)과, 상기 다공성 메탈폼에 접촉하여 가스에서 전달되는 열을 외부로 유도하는 한편 다공성 메탈폼을 고정시키는 역할을 하는 내부 냉각핀(130)과, 상기 몸체 내의 축적된 응축수를 배출시키도록 상기 몸체의 하측에 구비된 밸브(140)를 포함하는 구성으로 된다. 이와 같은 구성에 의하면, 스택 및 부품에 수분이 유입되는 것을 방지할 뿐만 아니라 배관 내에 잔여 응축수를 감소시켜 부품의 손상을 방지하고 배관 내 가스의 맥동에 의한 성능 저하를 최소화하는 효과가 있다.

Description

연료전지 시스템의 워터트랩 장치{water-trap apparatus of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 워터트랩 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다공성 메탈폼을 이용한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치에 관한 것이다.

도시가스 등을 연료로 하는 개질기, 스택, 열교환기, 온수저장조 등으로 구성된 연료전지 시스템에서 개질기 혹은 스택을 통과한 고온 고습 상태의 가스가 열교환기를 지나면서 응축이 일어난다.

종래 열교환과 응축수처리 통합시스템은, 도1의 (a)에 도시한 바와 같이 습기를 포함하는 고온 기체와 저온 유체가 열교환되어 발생된 응축수를 분리 및 배출하는 컨덴서(12)와, 상기 응축수를 트랩하여 일정량이 축적되면 배출하는 워터트랩(14)을 연결하여 구성하거나, 도1의 (b)에 도시한 바와 같이 습기를 포함하는 고온 기체와 저온 유체가 열교환되는 열교환기(22), 발생된 응축수를 고온의 기체와 분리하는 기액분리기(24)와, 분리된 물을 트랩하여 일정량이 축적되면 배출하는 워터트랩(26)을 연결하여 구성한다.

열교환기를 지나면서 발생된 응축수는 스택 혹은 버너, 유체기계 등에 유입 되는 경우 성능을 감소시키거나, 내구성을 감소시키는 원인이 된다. 이를 방지하기 위해 도1의 (a)에 도시한 시스템에서는 열교환기(컨덴서, 12)를 통과한 응축수를 워터트랩(14)에서 걸러낸 후 일정 수위가 되면 전자식 혹은 기계식 밸브를 이용하여 장치 외부로 배출시킨다. 그리고, 도1의 (b)에 도시한 시스템에서는 열교환기(22)를 통과한 응축수를 기체와 분리하는 기액분리기(24)를 통과시켜 분리하고 응축수가 일정한 수위가 되면 전자식 혹은 기계식 밸브를 이용하여 장치 외부로 배출시킨다.

그런데, 종래 워터트랩 장치는 응축수를 걸러내는(트랩, trap) 효율이 70~80%로, 배관 및 부품에 응축수가 유입되어 부품의 내구성을 떨어뜨리거나 배관 내 압력 손실이나 맥동을 유발하고, 연료전지 스택에 유입되는 경우 전해질 막의 내구성을 떨어뜨리는 요인이 된다는 문제점이 있었다..

즉, 종래 워터트랩 장치는 장치 내에서 응축을 유도하여 물을 걸러낼 수 없어 장치를 통과한 가스의 상대 습도가 100%이기 때문에, 장치를 통과한 후 배관 및 부품에서의 열 손실에 의해 가스의 온도가 낮아지면서 필연적으로 응축수가 다시 발생할 수밖에 없다. 이렇게 발생한 응축수는 배관 및 부품에 응축수가 유입되어 부품 손상, 배관 내 압력손실 유발, 맥동 유발, 연료전지 스택의 전해질 막 손상으로 내구성을 떨어뜨리게 된다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 스택 및 부품에 수분이 유입되는 것을 방지할 뿐만 아니라 배관 내에 잔여 응축수를 감소시켜 부품의 손상을 방지하고 배관 내 가스의 맥동에 의한 성능 저하를 최소화하는 연료전지 시스템의 워터트랩 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치는, 몸체와, 상기 몸체 내에 유입되는 가스와 응축수를 분리하도록 상기 몸체 내에 구비된 다공성 메탈폼과, 상기 다공성 메탈폼에 접촉하여 가스에서 전달되는 열을 외부로 유도하는 한편 다 공성 메탈폼을 고정시키는 역할을 하는 내부 냉각핀과, 상기 몸체 내에 축적된 응축수를 배출시키도록 상기 몸체의 하측에 구비된 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다공성 메탈폼 및 몸체 외벽의 열을 용이하게 방출하는 한편 몸체 내의 가스의 온도를 조절하도록 상기 몸체의 외부에 설치된 외부 냉각핀을 구비한다.

상기 밸브는 응축수가 일정수위가 되면 열리어 응축수가 배출되는 부유식 밸브로 되어 있다.

상기 다공성 메탈폼의 중간에는 가스가 배출되는 가스 배출관이 관통하여 설치되고, 상기 가스 배출관의 하측 외면에는 상기 다공성 메탈폼을 고정시키는 고정판이 구비된다.

본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치에 의하면, 스택 및 부품에 수분이 유입되는 것을 방지할 뿐만 아니라 배관 내에 잔여 응축수를 감소시켜 부품의 손상을 방지하고 배관 내 가스의 맥동에 의한 성능 저하를 최소화하는 효과가 있다.

구체적으로는, 다공성 메탈폼을 통해 기액 분리기능을 갖게 되어 응축수의 유입으로 인한 부품 손상 및 성능 저하를 감소시키고, 다공성 메탈폼에 접촉되게 설치된 내부 냉각핀과 몸체 외부에 설치된 외부 냉각핀을 통해 열이 방출되게 함으로써 열교환기를 통과한 가스의 토출 온도 조절을 보조하며, 다공성 메탈폼에 접촉하는 내부 냉각핀에 의해 응축효과를 높여 배관 및 스택 내 수분 유입을 최소화하 여 부품 손상 및 성능 저하를 방지하며, 가스 배출관의 하측 외면에 구비된 고정판은 메탈폼을 고정시킬 뿐만 아니라 가스 배출관을 타고 흐르는 응축수가 가스 배출관 출구를 통해 유입되지 않게 하여 기액분리효과를 높인다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명이 적용된 연료전지 시스템의 워터트랩장치를 나타내는 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 워터트랩장치(100)는 몸체(110)와, 상기 몸체 (110)내에 유입되는 가스와 응축수를 분리하도록 상기 몸체(110) 내 상측에 구비된 다공성 메탈폼(120, metallic foam)과, 상기 다공성 메탈폼(120)에 접촉하여 가스에서 전달되는 열을 외부로 유도하는 한편 다공성 메탈폼(120)을 고정시키는 역할을 하는 내부 냉각핀(130)과, 상기 몸체 내에 축적된 응축수를 배출시키도록 상기 몸체의 하측에 구비된 밸브(140)를 구비한다.

상기 몸체(110)는 원통, 사각통 등의 통형태로 되어 있으며, 몸체(110) 상측에는 수분이 포함된 가스가 몸체(110) 내로 유입되는 유입관(111)이 구비되고, 몸체(110) 하측에는 일정량 축적된 응축수를 배출시키도록 유출관(112)이 구비된다. 상기 몸체(110)의 상단 외면에는 상기 다공성 메탈폼(120) 및 몸체(110) 외벽의 열을 용이하게 방출하는 한편 몸체(110) 내의 가스의 온도를 조절하도록 상기 몸체의 외부에 설치된 외부 냉각핀(150)이 설치된다.

상기 다공성 메탈폼(120)은 몸체(110)의 내부 상측에 설치되며, 상기 다공성 메탈폼(120)의 중앙에는 몸체(110) 내부와 외부를 연통시키는 가스 배출관(160)이 관통하여 설치된다.

상기 내부 냉각핀(130)은 상기 다공성 메탈폼(120)의 상면에 접촉하여 상기 몸체(110)의 상단 내면 사이에 설치되어 있다.

상기 밸브(140)는 상기 몸체(110) 내 저면에 상기 유출관(112)의 위치에 설치된다. 상기 밸브(140)는 응축수가 일정 수위로 되면 열리어 응축수가 배출되는 부유식 밸브로 되어 있으며, 작동면으로 볼 때 전기식 또는 기계식로 작동되는 전자식 밸브 또는 기계식 밸브이다.

상기 외부 냉각핀(150)은 상기 몸체(110)의 상단 외면에 접촉하여 설치되며, 외부 냉각핀(150)은 설치갯수에 따라 설계가능한 범위에서 가스의 온도를 조절한다.

상기 가스 배출관(160)은 상기 다공성 메탈폼(120)과 내부 냉각핀(130)과 몸체(110)의 상측 및 외부 냉각핀(150)을 관통하여 설치된다. 그리고 상기 가스 배출관(160)의 하측 외면에는 상기 다공성 메탈폼(120)의 저면에 접촉하여 다공성 메탈폼을 고정시키는 한편 가스 배출관(160)을 타고 흐르는 응축수가 가스 배출관(160) 출구를 통해 유입되지 않게 하는 고정판(170)이 끼워져 설치된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치(100)에서, 도3에 표시한 바와 같이, 포화 또는 과포화된 수증기를 포함하는 가스 혹은 공기 등이 유입관(111)을 통해 몸체(110)내에 유입되면, 단열팽창이 일어나 일차적으로 수분의 응축이 발생하고, 가스에 포화된 응축수는 다공성 메탈폼(120)을 거치면서 기액분리되어, 응축수는 하측으로 떨어져 몸체(110)의 내부 하측에 모이고(화살 표 B방향), 가스는 가스 배출관(160)을 통해 외부로 배출된다(화살표 C방향). 이때, 다공성 메탈폼(120)과 접촉하고 있는 내부 냉각핀(130)은 가스에서 전달된 열을 외부로 방출할 수 있게 유도하고, 열은 몸체(110)의 상단벽과 외부 냉각핀(150)을 통해 외부로 용이하게 방출된다(화살표 E 방향).

그리고, 상기 몸체(110)의 내부 하측에 축적되는 응축수(W)의 수위가 일정량 이상이 되면 밸브(140)가 열리어 유출관(112)을 통해 응축수가 유출된다.

도1의 (a) 및 (b)는 종래 열교환과 응축수처리 통합시스템의 예를 나타내는 도면,

도2는 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치의 구성도,

도3은 본 발명에 의한 연료전지 시스템의 워터트랩 장치의 작용 상태도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 몸체 120 : 다공성 메탈폼

130 : 내부 냉각핀 140 : 밸브

150 : 외부 냉각핀 160 : 가스 배출관

170 : 고정판

Claims

몸체와,

상기 몸체 내에 유입되는 가스와 응축수를 분리하도록 상기 몸체 내에 구비된 다공성 메탈폼과,

상기 다공성 메탈폼에 접촉하여 가스에서 전달되는 열을 외부로 유도하는 한편 다공성 메탈폼을 고정시키는 역할을 하는 내부 냉각핀과,

상기 몸체 내에 축적된 응축수를 배출시키도록 상기 몸체의 하측에 구비된 밸브를 포함하는 것을 특징으로 연료전지 시스템의 워터트랩 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 다공성 메탈폼 및 몸체 외벽의 열을 용이하게 방출하는 한편 몸체 내의 가스의 온도를 조절하도록 상기 몸체의 외부에 설치된 외부 냉각핀을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 밸브는 응축수가 일정수위가 되면 열리어 응축수가 배출되는 부유식 밸브로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 다공성 메탈폼의 중간에는 가스가 배출되는 가스 배출관이 관통하여 설치되고, 상기 가스 배출관의 하측 외면에는 상기 다공성 메탈폼을 고정시키는 고정판이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 워터트랩 장치.