KR20140083817A - 연료전지용 기액분리장치 - Google Patents

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Abstract

연료전지용 기액분리장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기액분리장치는 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되는 유입관이 상부에 형성되고, 가스가 유출되는 유출관이 하부에 형성되는 몸체부; 몸체부의 중심을 기준으로 회전되도록 몸체부 내부에 설치되어 액적을 원심력을 통해 몸체부 내부 테두리 방향으로 이동시키는 회전팬; 몸체부의 내부 테두리를 따라 형성되어 회전팬에 의해 이동되는 액적을 가이드하는 액적 가이드유로; 및 액적 가이드유로와 연결되어 액적을 배출시키는 액적 배출구를 포함한다.

Description

연료전지용 기액분리장치{LIQUID-GAS SEPARATOR FOR FUEL CELL}
본 발명은 기액분리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 시스템에서의 미반응 수소를 재활용하기 위하여 연료전지 시스템에서 생성되는 발전 부산물을 기액분리시키는 기액분리장치에 관한 것이다.
내연기관에 연료 및 공기 공급, 냉각, 배기를 위한 장치로 구성된 엔진 운전 장치가 있듯이, 연료전지 자동차의 연료전지 발전 시스템에도 유사한 기능을 하는 연료전지 운전 장치(Balance of Plant, BOP)가 있다.
이와 같은 연료전지 자동차의 시스템 운전 장치는 크게 공기 공급시스템(APS, Air Process System), 수소 공급시스템(FPS, Fuel Process System) 및 물/열 관리시스템(TMS, Thermal Management System)으로 구분될 수 있다.
관련하여, 도 1은 종래 연료전지 자동차의 시스템 운전 장치(10)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 공기 공급시스템(12)은 연료전지 스택(11)에 수소와 반응을 할 공기(산소)를 공급하는 시스템으로 에어클리너, 공기공급기(에어블로어) 등을 포함하여 구성된다. 수소 공급시스템(13)은 연료전지 스택(11)에 수소를 공급하는 시스템으로, 연료전지 스택(11)에서 미 반응된 수소를 재순환시키는 시스템까지 포함한다. 수소 공급시스템(13)은 수소탱크, 압력조절기, 수소재순환블로어 등을 포함하여 구성된다. 물/열 관리시스템(14)은 전체 시스템에서 필요로 하는 물 균형을 유지하는 기능과 더불어, 반응 시에 연료전지 스택(11)에서 발생하는 열을 적절한 온도로 유지하는 기능을 한다. 물/열 관리시스템(14)은 라디에이터, 냉각펌프, 이온필터 등을 포함하여 구성된다. 또한, 시스템 운전 장치(10)는 연료전지 스택(11)에서 반응한 공기, 수소 및 물을 배출하는 벤트(vent) 시스템(15)을 더 포함한다. 상술한 시스템들은 본 기술분야에선 일반적인 내용이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 연료전지 스택(11)의 양극 및 음극에서는 발전 부산물로 물이 배출되는데, 단순히 물만 배출되는 것은 아니고 미반응된 수소와 함께 배출되게 된다. 미반응된 수소는 다시 연료전지 스택(11)의 전단으로 재순환시킴으로써 재활용할 수 있으므로, 상기 물 및 미반응된 수소를 서로 분리시킬 필요가 있다.
이를 위한 부품이 연료전지용 기액분리장치인데, 종래 연료전지용 기액분리장치는 중력분리(gravity separation) 기술을 이용하는 것으로, 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되면 상기 가스 및 액적의 밀도 차이를 이용하여 중력분리시킴으로써 기액분리를 수행하였다.
그러나, 중력분리를 이용한 기액분리는 기액의 분리가 효과적으로 이루어지지 않아서, 액적이 제대로 분리되지 않고 가스쪽에서도 다수의 액적이 섞이게 되는 문제점이 있었다.
본 발명의 실시예들은 기액 분리를 효과적으로 수행하여 재순환 수소에 포함되는 액적의 포집량을 확대 가능한 연료전지용 기액분리장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되는 유입관이 상부에 형성되고, 상기 가스가 유출되는 유출관이 하부에 형성되는 몸체부; 상기 몸체부의 중심을 기준으로 회전되도록 상기 몸체부 내부에 설치되어 상기 액적을 원심력을 통해 상기 몸체부 내부 테두리 방향으로 이동시키는 회전팬; 상기 몸체부의 내부 테두리를 따라 형성되어 상기 회전팬에 의해 이동되는 액적을 가이드하는 액적 가이드유로; 및 상기 액적 가이드유로와 연결되어 상기 액적을 배출시키는 액적 배출구를 포함하는 연료전지용 기액분리장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 회전팬은 상기 몸체부 내부 바닥에 회전되도록 배치되는 바닥판; 및 상기 바닥판 상부에 설치되는 복수개의 날개편을 포함할 수 있다.
한편, 상기 액적 배출구는 상기 액적 가이드유로에 접선방향으로 연결되어 소정각도 하방으로 경사지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 몸체부 내부 바닥에는 상방향으로 돌출되어 형성된 원통형 돌출부가 형성되고, 상기 회전팬의 바닥판 하부면에는 상기 돌출부의 테두리가 삽입되는 회전홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 기액분리장치를 포함하는 연료전지 시스템이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되면 몸체부 내부에 설치된 회전팬이 회전하여 액적으로 상기 몸체부 내부 테두리로 이동시키고 상기 액적을 가이드하여 외부로 배출시키도록 구성함으로써, 재순환 수소에 포함되는 액적의 포집량을 확대 할 수 있다.
도 1은 종래 연료전지 자동차의 시스템 운전 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기액분리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 기액분리장치에서 회전팬이 몸체부에 배치되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 기액분리장치의 구동예를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기액분리장치(100, 이하 기액분리장치)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 기액분리장치(100)는 연료전지 스택(미도시, 도 1 참조)의 양극 배출구와 연결되어 설치될 수 있다. 상기 연료전지 스택의 양극 배출구에서는 연료전지 스택에서 미반응된 수소와, 수소 및 산소가 반응되어 생성되는 물이 동시에 배출된다. 즉, 상기 연료전지 스택의 양극 배출구에서는 수소 가스 및 액적(droplet)이 배출된다. 관련하여, 본 명세서에서는 상기 수소 가스 및 액적을 포함하는 유체를 혼합유체로 칭하기로 한다.
기액분리장치(100)는 상기 연료전지 스택의 양극 배출구와 직접 연결되어 있을 수 있으며, 간접적으로 연결되어 있을 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위해서 본 명세서에서는 기액분리장치(100)가 상기 연료전지 스택의 양극 배출구에 직접 연결되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다.
기액분리장치(100)는 몸체부(110)와, 몸체부(110) 내부에 배치되는 회전팬(120)과, 몸체부(110)의 내부 테두리에 형성되는 액적 가이드유로(130)와, 액적 가이드유로(130)에 연결되어 형성되는 액적 배출구(140)를 포함한다.
몸체부(110)는 기액분리장치(100)의 몸체를 이루는 것으로 그 형태는 한정되지 않는다. 예를 들면, 몸체부(110)는 도 2에 도시된 것과 같이 높이가 낮은 원통형으로 형성될 수 있다. 이 때, 몸체부(110)는 밀폐된 형태일 수 있다.
몸체부(110)의 상부면에는 혼합유체가 유입되는 유입관(111)이 형성되고, 몸체부(110)의 하부면에는 상기 혼합유체로부터 액적이 제거된 가스가 유출되는 유출관(113)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 몸체부(110)의 상부면 중앙에는 파이프 형상의 유입관(111)이 몸체부(110)와 수직방향으로 설치되고, 몸체부(110)의 하부면 중앙에는 유입관(111)과 대응하여 파이프 형상의 유출관(113)이 몸체부(110)와 수직방향으로 설치될 수 있다. 유입관(111) 및 유출관(113)의 직경 등은 한정되지 않는다.
수소 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체는 유입관(111)으로 유입되고, 몸체부(110) 내부에서 액적이 제거된 후에, 수소 가스만 다시 유출관(113)으로 유출될 수 있다.
회전팬(120)은 몸체부(110)의 내부에 회전 가능하도록 배치된다. 회전팬(120)은 몸체부(110)의 중심을 기준으로 회전되도록 몸체부(110) 내부에 설치될 수 있다. 회전팬(120)은 몸체부(110)의 유입관(111)으로 유입된 혼합유체에 대하여 원심력을 통하여 액적을 제거하는 기능을 한다. 회전팬(120)의 회전은 혼합유체의 유속에 의하여 자동적으로 이루어질 수 있으며, 회전팬(120)과 연결되는 별도의 구동원(모터 등, 미도시)을 통하여 자동 또는 수동적으로 이루어질 수 있다.
회전팬(120)은 바닥판(121)과 바닥판(121) 상부에 설치되는 복수개의 날개편(123)을 포함할 수 있다.
바닥판(121)은 몸체부(110) 내부 바닥에 회전되도록 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 3은 도 2의 기액분리장치(100)에서 회전팬(120)이 몸체부(110)에 배치되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 몸체부(110)의 내부 바닥에는 돌출부(115)가 형성될 수 있다. 돌출부(115)의 형태는 한정되지 않으며, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이 원통형을 가질 수 있다. 한편, 회전팬(120)의 바닥판(121) 하부면에는 돌출부(115)의 테두리가 삽입될 수 있도록 회전홈(125)이 형성될 수 있다. 돌출부(115)의 테두리가 회전홈(125)에 삽입됨으로써 몸체부(110)의 내부 바닥에 회전팬(120)의 바닥판(121)이 결합할 수 있다. 이 때, 돌출부(115)의 테두리와 회전홈(125)의 내부 틈 간격이 소정 크기 존재하는 경우에, 회전팬(120)의 바닥판(121)은 돌출부(115)의 테두리를 따라서 회전할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 회전팬(120)의 날개편(123)은 바닥판(121) 상부면에 등간격으로 복수 개가 설치될 수 있다. 날개편(123)은 얇은 판이 바닥판(121)과 수직 방향으로 결합함으로써 마련될 수 있으며, 날개편(123)은 바닥판(121) 중심을 기준으로 소정 각도의 곡선을 이루도록 형성될 수 있다.
액적 가이드유로(130)는 몸체부(110)의 내부 테두리를 따라 형성될 수 있다. 예를 들어, 액적 가이드유로(130)는 도 2에 도시된 것과 같이 몸체부(110)의 내부 테두리를 따라 소정 크기의 홈을 형성함으로써 마련될 수 있다. 몸체부(110)의 유입관(111)으로 혼합유체가 유입되면, 몸체부(110) 내부에 마련된 회전팬(120)이 회전하게 되고, 회전팬(120)의 회전에 의한 원심력 작용에 의하여 상기 혼합유체 내의 액적이 몸체부(110)의 내부 테두리에 마련된 액적 가이드유로(130)로 이동하게 된다. 또한, 회전팬(120)의 지속적인 회전에 의한 원심력에 의하여 액적 가이드유로(130)에 모여진 액적들은 회전팬(120)의 회전방향과 동일한 방향으로 이동하게 된다.
액적 배출구(140)는 액적 가이드유로(130)와 연결되어 형성된다. 구체적으로, 액적 배출구(140)는 몸체부(110)의 외부 테두리 일부에 형성될 수 있으며, 액적 배출구(140)는 액적 가이드유로(130)와 연통되어 형성된다. 예를 들어, 액적 배출구(140)는 액적 가이드유로(130)에 접선방향으로 연결되어 형성될 수 있으며, 이 때, 액적 배출구(140)는 소정 각도 하방으로 경사지도록 형성될 수 있다. 액적 배출구(140)는 액적 가이드유로(130)를 흐르는 액적을 외부로 배출시키는 기능을 한다.
도 4는 도 2의 기액분리장치(100)의 구동예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 몸체부(110)의 상부면에 형성된 유입관(111)은 연료전지 스택의 양극 배출구와 연결되고, 상기 양극 배출구로부터 배출되는 혼합유체(3)가 유입관(111)을 통하여 몸체부(110)로 유입된다. 이 때, 자동 또는 수동으로 몸체부(110) 내부에 배치된 회전팬(120)이 회전하게 된다. 예를 들어, 회전팬(120)이 몸체부(110)의 중앙을 기준으로 시계 방향으로 회전할 수 있다.
상기 혼합유체(3)에는 수소 가스(1)와 액적(2)이 포함되어 있는데, 이 때 가벼운 수소 가스(1)는 회전팬(120)의 회전에 의한 영향을 받지 않고 몸체부(110)의 하부면에 형성된 유출관(113)으로 빠져나가게 된다. 한편, 액적(2)은 회전팬(120)의 회전에 따른 원심력에 의해 유출관(113)으로 빠져나가지 않고(물론, 액적의 극히 일부는 유출관(113)으로 수소 가스와 함께 빠져나갈수도 있다), 몸체부(110)의 내부 테두리에 마련된 액적 가이드유로(130)를 따라 이동하게 된다.
액적 가이드유로(130)의 일부는 액적 배출구(140)와 연통되어 있으므로, 액적 가이드유로(130)를 따라 이동되는 액적(2)들은 액적 배출구(140)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 따라서, 기액분리장치(100)로 유입된 혼합유체(3)가 수소 가스(1)와 액적(2)으로 서로 분리되어 각각 배출될 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 실시예들은 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되면 몸체부 내부에 설치된 회전팬이 회전하여 액적으로 상기 몸체부 내부 테두리로 이동시키고 상기 액적을 가이드하여 외부로 배출시키도록 구성함으로써, 재순환 수소에 포함되는 액적의 포집량을 확대 할 수 있다.
본 발명은 상술한 연료전지용 기액분리장치를 포함하는 연료전지 시스템을 추가적으로 제공할 수 있다.
상기 연료전지 시스템은 자동차의 발전장치를 비롯한 각종 발전장치에 활용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 종래 연료전지 자동차의 시스템 운전 장치
11: 연료전지 스택 12: 공기 공급시스템
13: 수소 공급시스템 14: 물/열 관리시스템
15: 벤트 시스템 100: 연료전지용 기액분리장치
110: 몸체부 111: 유입관
113: 유출관 115: 돌출부
120: 회전팬 121: 바닥판
123: 날개편 125: 회전홈
130: 액적 가이드유로 140: 액적 배출구
1: 수소 가스 2: 액적
3: 혼합유체

Claims (5)

  1. 가스 및 액적을 포함하는 혼합유체가 유입되는 유입관이 상부에 형성되고, 상기 가스가 유출되는 유출관이 하부에 형성되는 몸체부;
    상기 몸체부의 중심을 기준으로 회전되도록 상기 몸체부 내부에 설치되어 상기 액적을 원심력을 통해 상기 몸체부 내부 테두리 방향으로 이동시키는 회전팬;
    상기 몸체부의 내부 테두리를 따라 형성되어 상기 회전팬에 의해 이동되는 액적을 가이드하는 액적 가이드유로; 및
    상기 액적 가이드유로와 연결되어 상기 액적을 배출시키는 액적 배출구를 포함하는 연료전지용 기액분리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전팬은 상기 몸체부 내부 바닥에 회전되도록 배치되는 바닥판; 및
    상기 바닥판 상부에 설치되는 복수개의 날개편을 포함하는 연료전지용 기액분리장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 액적 배출구는 상기 액적 가이드유로에 접선방향으로 연결되어 소정각도 하방으로 경사지도록 형성되는 연료전지용 기액분리장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 몸체부 내부 바닥에는 상방향으로 돌출되어 형성된 원통형 돌출부가 형성되고,
    상기 회전팬의 바닥판 하부면에는 상기 돌출부의 테두리가 삽입되는 회전홈이 형성되는 연료전지용 기액분리장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 기액분리장치를 포함하는 연료전지 시스템.
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