KR20130083349A - 캐스캐이드 타입 연료전지용 기액분리기 - Google Patents

캐스캐이드 타입 연료전지용 기액분리기 Download PDF

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Abstract

연료전지에 사용되는 기액분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택이 캐스캐이드 구조를 가지는 연료전지를 위한 기액분리기에 관하여 개시한다.
본 발명은 연료전지 스택의 배출 매니폴드에서 배출되는 응축수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 1차 분리챔버; 상기 1차 분리챔버의 액체 출구에서 배출되는 액체를 공급받아 저장하는 2차 저장챔버; 상기 2차 저장챔버에 저장된 액체를 가습기로 공급하기 위한 가습수 공급관; 및 상기 2차 저장챔버에서 분리된 잔류가스를 배출하기 위한 가스배출관;을 포함하는 기액분리기를 제공한다.

Description

캐스캐이드 타입 연료전지용 기액분리기{GAS-LIQUID SEPARATOR FOR CASCADE TYPE FUEL CELL}
본 발명은 연료전지에 사용되는 기액분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스택이 캐스캐이드 구조를 가지는 연료전지를 위한 기액분리기에 관한 것이다.
일반적으로 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 연료전지는 전해질을 사이에 두고 한 쌍의 전극을 배치함과 더불어 한쪽 전극의 표면에 수소(또는 수소를 함유하는 연료가스)를 접촉시키고, 다른 쪽 전극의 표면에 산소(또는 산소를 함유하는 산화가스)를 접촉시켜줌에 따라, 한 쌍의 전극 사이에서 발생하는 전기 화학반응으로 생성되는 전극간 전기에너지를 이용하는 방식이다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 다양한 방식으로 분류되며, 이중 고분자 전해질(막)형 연료전지(PEMFC ; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 타 연료전지에 비하여 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 작동하고, 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어, 자동차용의 이동 전원, 주택 및 공공건물용의 분산전원, 전자기기용의 소형 전원으로서 그 응용범위가 넓은 종류이다.
이와 같은 PEMFC에 적용되는 스택 조립체(Stack Assembly)는 통상, 수소 연료를 공급하는 연료극과 산소를 공급하는 공기극을 형성한 바이폴라 플레이트(Bipolar plate, 분리판이라 칭함)사이로, 고분자 전해질 막으로 이루어진 막-전극 조합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)가 위치되어진 단위 셀(Cell)이 다수 층으로 적층되도록 구성되어진다.
이러한 연료전지의 전기에너지의 출력은, 가스압력, 전지온도, 가스 이용율 등의 각종의 구동조건에 의해 변화하므로, 이들에 대한 구동조건을 다양한 방식으로 적절히 제어하여 연료전지의 출력을 높이게 된다.
이와 같은 연료 전지를 작동시키는 경우 스택으로 공급되는 연료가 "1" 이상(설계 값보다 큰 값임)으로 공급되어야 만, 스택의 출력이 "1(설계 값에 일치하는 값임)" 이 될 수 있는 즉, 연료 전지의 연료 공급 및 출력 간 설계 특성에 관계없이 설계 출력을 얻기 위해서는, 연료 전지로 공급되는 연료 공급량이 설계 치보다 많은 연료로 공급되어져야 한다.
이로 인해 연료 전지 장치의 연료 공급을 설계 값에 일치하면서도 동일한 설계 출력을 얻을 수 있는 방식이 개발되고 있는 추세이다.
캐스캐이드 타입의 연료전지 스택은 연료전지 스택을 복수의 단으로 분할하여, 앞 단에서 배출되는 잔류가스를 후단의 반응가스로 공급함으로써 가스의 활용 효율을 향상시키는 방식이다.
연료전지 스택이 캐스캐이드 타입인 경우, 전단에서 사용되고 남은 가스를 다음 단에 공급하여 재활용함에 있어서 기존 단에서 반응에 의해 발생한 응축수를 제거하기 위해 기액분리기의 장착은 필수적이다. 기액분리기에서 분리된 응축수는 가습기에 가습수로 공급되어 사용된 후 외부로 배출된다.
연료전지 모듈 시동 시 전기화학반응에 의해 가습수로 공급될 응축수가 생성되는 시간 동안 연료전지 스택에 공급되는 연료가스와 산화가스는 무가습 상태가 되며, 이는 연료전지의 성능 및 내구성에 좋지 않은 영향을 주게 된다.
본 발명의 목적은 캐스캐이드(cascade) 타입의 연료전지 시동 시에 기액분리기에서 즉각적으로 가습기에 가습수를 공급할 수 있도록 하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 응축수와 함께 배출될 수 있는 미량의 가스를 분리하여 제거하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기액분리기의 크기를 축소하여 기울어짐에 대한 영향을 최소화하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지 스택의 배출 매니폴드에서 배출되는 응축수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 1차 분리챔버; 상기 1차 분리챔버의 액체 출구에서 배출되는 액체를 공급받아 저장하는 2차 저장챔버; 상기 2차 저장챔버에 저장된 액체를 가습기로 공급하기 위한 가습수 공급관; 및 상기 2차 저장챔버에서 분리된 잔류가스를 배출하기 위한 가스배출관;을 포함하는 기액분리기를 제공한다.
이 때, 상기 1차 분리챔버의 액체 저장량과, 상기 2차 저장챔버의 액체 저장량의 비는 1:3 내지 1:5 범위인 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차 분리챔버의 기체 출구는 상기 연료전지 스택의 공급 매니폴드와 연결되는 가스회수관으로 연결되고,
가습기로 공급되는 액체는 2차 저장챔버와 가습기의 압력차를 이용하여 공급되고, 필요 시 상기 가습수 공급관 상에는 액체를 압송하기 위한 펌프를 구비할 수도 있다.
그리고, 상기 1차 분리챔버는 수평단면적의 제곱근으로 높이를 나눈 값인 종횡비가 3~6 범위인 것이 바람직하다.
상기 1차 분리챔버는 중앙부에 기액경계면의 높이를 측정하기 위한 수위센서를 더 포함할 수 있고,
상기 2차 저장챔버는 상기 가습기의 저면부에 구비되는 것이 바람직하며, 상기 2차 저장챔버는 외면에 충격흡수기능을 갖는 완충판을 구비하면 더욱 바람직하다.
본 발명은 저장챔버를 구비하여 시동 시에 가습기에 공급될 응축수를 충분히 저장할 수 있도록 함으로써, 연료전지 시동 시 즉시 가습기에 가습수가 공급될 수 있다.
따라서, 연료전지 시동 초기의 무가습 가스 공급을 감소시킴으로써 연료전지 스택과 가습기의 내구성 향상에 도움을 준다.
또한, 본 발명에 따른 기액분리기는 기울어짐의 영향을 적게 받으므로 운전 환경이 기울어짐을 겪게 되는 자동차나 선박에 적용되는 연료전지에 매우 적합한 효과를 가진다.
도 1은 기액분리기의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2는 종래의 기액분리기와 연료전지 스택 및 가습기의 연결관계를 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기와 연료전지 스택 및 가습기의 연결관계를 나타낸 구성도임.
이하 본 발명에 따른 캐스캐이드 타입 연료전지용 기액분리기를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 기액분리기의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
기액분리기(10)는 기체와 액체가 혼합된 2상 혼합상태의 유체를 공급받아 액체와 기체를 분리하여 배출하는 역할을 수행한다. 기체와 액체가 혼합된 상태의 유체를 정체시키면, 중력에 의하여 액체는 아래쪽으로 고이게 되고 기체는 액체의 위쪽으로 모여지게 된다.
기액분리기(10)는 유체를 수용할 수 있는 통형상을 가지고 있으며, 중앙부에서 액체와 기체가 혼합된 상태인 유체를 공급받고, 상부측으로 기체를 배출하고 하부측으로 액체를 배출하게 된다.
기액분리기(10)가 정상적으로 작동하기 위해서는, 기액분리기(10) 내부의 액체 수면(기액경계면)이 기액분리기(10)의 중앙부분에 위치해야 한다. 액체의 수면이 너무 높아지면 기체가 배출되어야 하는 상부측으로 액체가 혼입될 수 있으며, 액체의 수면이 너무 낮아지면 액체가 배출되어야 하는 하부측으로 기체가 혼입될 수 있다.
이를 위해서, 기액분리기(10)는 내부에 수용된 액체의 수면을 감지하기 위한 수위센서(12) 한 개 또는 다수를 구비한다. 또한, 기액분리기(10)는 배출되는 액체의 양을 조절하기 위한 액체유량제어밸브(24)와, 수위센서(12)에서 감지되는 수위에 따라 액체유량제어밸브(24)의 개폐를 조절하는 제어부를 포함한다.
제어부는 수위센서(12)에서 감지되는 기액분리기(10) 내부 수면이 일정한 범위를 유지하도록 액체유량제어밸브(24)의 개폐를 조절한다. 예를 들어 수면을 낮추기 위해서는 액체유량제어밸브(24)를 열어 액체를 배출하고 수위센서(12)에서 일정 수위를 감지하면 액체유량제어밸브(24)를 닫아 액체의 배출을 중지시키고 공급된 액체에 의해 다시 수면이 높아지면 액체유량제어밸브(24)를 동일한 방법으로 작동시켜 내부 수면이 일정한 범위를 유지하도록 한다.
기체유량제어밸브(22)의 구비는 필수적은 것은 아니고, 선택적인 것이다.
기체유량제어밸브(22)를 액체유량제어밸브(24)와 유사한 방식으로 제어하게 되면, 보다 신속하게 수위를 조절할 수 있다.
기액분리기(10)가 수직으로 놓여진 상태를 항상 유지한다면 혼입의 문제가 발생하지 않으나, 기액분리기(10)가 기울어지게 되면, 기액분리기(10) 내부 액체의 수면이 그에 따라 변하게 되면서, 수위센서(12)가 수위를 정확하게 감지하지 못하게 되며, 기체에 액체가 혼입되어 배출되거나, 액체에 기체가 혼입되어 배출되는 문제가 발생하게 된다.
도 2는 종래의 기액분리기와 연료전지 스택 및 가습기의 연결관계를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 기액분리기(120)는 연료전지 스택(110)과 가습기(130)의 사이에 연결된다.
기액분리기(120)는 연료전지 스택(110)의 배출 매니폴드를 통해서 배출되는 응축수와 잔여 가스(off gas)를 공급받아 연료가스와 응축수를 분리한다. 도면에서는 잔여가스를 연료가스인 것을 표시하고 있으나, 잔여가스는 연료가스일 수도 있고, 산화가스(산소 또는 산소를 포함하는 공기)일 수도 있다. 본 발명의 기액 분리기는 응축수와 함께 배출되는 가스의 종류와는 무관한 것이나, 이하에서는 잔여가스가 연료가스인 경우를 기준으로 설명한다.
분리된 연료가스는 연료가스 회수관(154)을 통해서 다시 연료전지 스택(110)의 공급 매니폴드로 되돌려 보내지고, 응축수는 응축수 공급관(156)을 통해 가습기(130)로 공급된다.
연료전지 스택의 운전 종료시 잔여 연료가스 제거를 위해 물이 생성되는 연료전지 화학반응 없이 건조가스를 공급하게 되고, 이로 인해 기액분리기 내부에 액체가 고갈된다.
이렇게 연료전지의 운전이 종료되었다가, 다시 운전을 시작하게 되면 기액분리기 내부에 응축수가 존재하지 않게 되므로, 필요량의 응축수가 발생되는 시간 동안 가습기에 응축수가 원활하게 공급되지 못한다. 따라서 낮은 가습도에서 연료전지 스택의 운전이 진행된다. 낮은 가습도에서의 운전은 연료전지 스택과 가습기 모두의 내구성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기와 연료전지 스택 및 가습기의 연결관계를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기액분리기는 연료전지 스택의 배출매니폴드로부터 응축수와 혼합된 연료가스를 공급받는 1차 분리챔버와, 상기 1차 분리챔버에서 분리된 응축수를 공급받는 2차 저장챔버를 포함한다.
본 발명은 기액분리기에서 분리된 액체를 1차 분리챔버(220)와 2차 저장챔버(240)에 분할하여 저장함으로써 시동초기의 가습수 부족의 문제를 해결하고자 한 것이다. 또한, 본 발명은 기액분리기를 1차 분리챔버(220)와 2차 저장챔버로 분할함으로써 실질적인 기체와 액체의 분리가 이루어지는 1차 분리챔버의 용량을 감소시킴으로써 기울어짐에 의한 영향을 저감하는 효과도 가져온다.
본 발명은 기액분리기를 1차 분리챔버(220)와 2차 저장챔버(240)로 분할 형성하되, 1차 분리챔버(220)의 액체 저장량과, 상기 2차 저장챔버(240)의 액체 저장량의 비는 1:3 내지 1:5 범위로 하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 종래의 기액분리기에 해당하는 1차 분리챔버(220)를 소형화할 수 있으며, 이로 인해 기울임의 영향을 감소시킬 수 있고, 2차 저장챔버(240)에서의 체류 시간을 길게함으로써 미세 기포로 액체에 포함되는 잔여가스 제거 성능을 향상시킬 수 있다.
1차 분리챔버(220)와 2차 저장챔버(240)의 액체 저장량의 비가 1:3 미만이면, 2차 저장챔버(240)에 저장된 응축수가 시동초기에 가습기에 충분한 물을 공급할 수 없을 수 있으며, 1차 분리챔버(220)와 2차 저장챔버(240)의 액체 저장량의 비가 1:5 를 초과하면, 1차 분리챔버(220)의 용량이 지나치게 작아 기액분리 효율이 저하될 수 있다.
먼저, 1차 분리챔버(220)에 관하여 살펴본다.
1차 분리챔버(220)는 저장된 액체의 수면(기액경계면)을 기준으로, 위쪽 공간(222)에는 잔여가스가 저장되고, 아래쪽 공간(224)에는 응축수가 저장된다. 잔여가스는 가스회수관(254)을 통해 다시 연료전지 스택(210)의 공급 매니폴드로 배출되고 응축수는 연결관(256)을 통해 2차 저장챔버(240)로 보내진다.
1차 분리챔버(220)는 잔여가스와 응축수가 빠른 유속으로 배출되므로, 응축수에는 미세 기포 상태의 잔여가스가 포함되는 경우가 많다. 1차 분리챔버(220)는 내부에 수위센서를 구비하며, 내부에서 감지되는 수위에 따라 액체를 배출하게 된다.
2차 저장챔버(240)는 1차 분리챔버에 비하여 응축수의 체류 시간이 길어 액체에 포함된 미세한 가스를 분리할 수 있다. 응축수에 잔존 가스가 가습기에 공급되는 경우 화재의 위험성이 있는데, 본 발명은 2차 저장챔버(240)에서 응축수 체류 시간을 확보함으로써 미세 잔존 가스 제거율을 향상시키는 효과를 가져온다.
2차 저장챔버(240)는 1차 분리챔버(220)로부터 응축수를 공급받아, 응축수에 포함된 미량의 연료가스를 분리하고, 응축수를 저장하고 가습기로 공급하는 역할을 수행한다.
2차 저장챔버(240)는 미세 가스가 제거된 응축수를 가습수공급관(258)을 통해 가습기(230)로 공급한다. 이 때 응축수의 공급은 2차 저장챔버(240)와 가습기(230)간의 압력의 차이에 의하여 밸브의 개폐 방법으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 별도의 펌프를 구비하지 않아도 되나, 펌프를 추가적으로 구비하여 압송량을 제어할 수도 있다.
2차 저장챔버(240)에서 제거되는 잔류가스는 가스배출관(259)을 통해 외부로 배출된다.
2차 저장챔버(240)는 운전시 일정량의 응축수를 저장하고 있게 되며, 2차 저장챔버(240)에 저장된 응축수는 운전종료시에도 그대로 잔류하게 된다. 따라서 연료전지 시동 초기에 상술한 가습수공급관(258)에 존재하는 가습기와 기액분리기의 압력차에 의해 또는 추가로 구비되는 펌프를 작동하여 2차 저장챔버(240)에 저장된 응축수를 가습기로 공급함으로써, 시동 초기의 저가습 문제를 해결할 수 있다.
2차 저장챔버(240)에 응축수를 일정량 저장할 수 있도록 함으로써, 1차 분리챔버(220)의 크기를 축소할 수 있다.
1차 분리챔버(220)는 수직적인 구조로 액체와 기체를 분리하는데, 종래의 경우 저장되는 액체의 유량을 증가시키기 위해서는 기액분리기 자체(종래의 기액분리기는 본 발명의 1차 분리챔버만으로 구성되어 있음)의 크기가 커질 수 밖에 없었다.
기액분리기의 크기가 커지면, 기울어짐에 대한 영향을 더욱 많이 받게 되는데, 본 발명의 경우 필요한 유량을 2차 저장챔버(240)에 저장함으로써 종래의 기액분리기에 해당하는 1차 분리챔버(220)의 크기를 축소할 수 있다.
본 발명은 1차 분리챔버(220)의 종횡비는 크게 제한되지 않으나, 종횡비가 클수록 기체와 액체의 혼입을 방지할 수 있는 효과가 크고, 따라서, 기울어짐시에도 기액 분리가 원활하게 이루어질 수 있다. 특히, 기액 분리 효율을 고려할 경우 3~6 범위인 것이 바람직하다. 종횡비가 3미만의 경우는 기액 분리효율이 저하될 수 있고, 6을 초과할 경우 기액분리기 내부에서 와류가 발생하여 액체에 기체가 섞여 배출되는 상황이 더 심해질 수 있다. 여기서 종횡비는 분리챔버의 높이를, 분리챔버 수평단면적의 제곱근으로 나눈 값을 의미한다. 예를 들어, 1차 분리챔버가 20mm*20mm*70mm 의 정사각 기둥형상을 가지는 경우, 종횡비는 3.5가 되는 것이다. 10mm*40mm*70mm 의 직사각 기둥형상을 가지는 경우도 종횡비는 3.5가 된다.
2차 저장챔버(240)의 설치 위치는 가습기(230)에 부착될 수도 있고, 가습기(230)와는 독립적인 위치에 설치될 수도 있다. 특히, 가습기(230)에 부착되는 경우에는 가습기 상부에 위치시킬 수도 있고 옆면에 위치시킬 수도 있으나 가습기 하부에 위치시킬 경우, 2차 저장챔버(240)가 가습기(230)에 가해지는 충격을 완화시키는 완충수단의 역할을 수행할 수 있어 더욱 바람직하다.
가습기(230) 하부에 2차 저장챔버(240)를 배치하는 경우, 2차 저장챔버(240)가 가습기(230)를 외부에 가해지는 충격으로부터 보호하는 충격방지체의 역할을 수행하게 된다. 이러한 효과를 배가시키기 위해서, 2차 저장챔버(240)는 외면에 완충판을 더 포함할 수 있다. 완충판은 탄성재질을 가지는 천연고무, 합성고무 또는 발포합성수지 등 재질로 제조될 수 있다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
210 : 연료전지 스택
220 : 1차 분리챔버
240 : 2차 저장챔버
230 : 가습기

Claims (8)

  1. 연료전지 스택의 배출 매니폴드에서 배출되는 응축수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 1차 분리챔버;
    상기 1차 분리챔버의 액체 출구에서 배출되는 액체를 공급받아 저장하는 2차 저장챔버;
    상기 2차 저장챔버에 저장된 액체를 가습기로 공급하기 위한 가습수 공급관; 및
    상기 2차 저장챔버에서 분리된 잔류가스를 배출하기 위한 가스배출관;을 포함하는 기액분리기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 분리챔버의 액체 저장량과,
    상기 2차 저장챔버의 액체 저장량의 비는 1:3 내지 1:5 범위인 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 분리챔버의 기체 출구는
    상기 연료전지 스택의 공급 매니폴드와 연결되는 가스회수관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가습기로 공급되는 액체는 2차 저장챔버와 가습기의 압력차를 이용하여 공급되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 분리챔버는
    수평단면적의 제곱근으로 높이를 나눈값인 종횡비가 3~6 범위인 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 분리 챔버는
    중앙부에 기액경계면의 높이를 측정하기 위한 수위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 저장챔버는
    상기 가습기의 저면부에 구비되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2차 저장챔버는
    외면에 충격흡수기능을 갖는 완충판을 구비하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
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