KR20200092353A - 기체 성분에서 적어도 하나의 액체 성분을 분리하기 위한 기액 분리 장치 - Google Patents

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KR20200092353A
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미햐엘 쿠르츠
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Abstract

본 발명은 기체 성분, 특히 H2에서, 적어도 하나의 액체 성분, 특히 H2O를 분리하기 위한 기액 분리 장치(2)에 관한 것으로, 상기 기액 분리 장치는 유입구(16)를 통해 매체가 공급되는 하나 이상의 컨테이너(6)를 포함하고, 상기 하나 이상의 컨테이너(6) 내에서 매체의 적어도 액체 성분의 분리가 수행되며, 매체의 분리된 성분은 하나 이상의 컨테이너(6)로부터 배출 밸브(46)를 통해 배출되며, 매체의 잔존 기체 성분, 특히 H2는 제1 유출구(18)를 통해 유출 라인(5) 내로 재순환된다. 본 발명에 따라 액체 성분, 특히 H2O에 추가로, 기체 성분(N2)도 기액 분리 장치(2)를 통해 매체에서 분리된다.

Description

기체 성분에서 적어도 하나의 액체 성분을 분리하기 위한 기액 분리 장치
본 발명은, 특히 연료 전지 구동부를 구비한 차량의 연료 전지 시스템에서 사용하기 위한, 기체 성분에서 적어도 하나의 액체 성분을 분리하기 위한 기액 분리 장치에 관한 것이며, 상기 기액 분리 장치에는 유입구(inlet)를 통해 매체가 공급되며, 매체의 적어도 액체 성분의 분리가 하나 이상의 컨테이너 내에서 수행된다.
차량 분야에서는 향후 액체 연료 외에 기체 연료의 역할도 증대될 것이다. 특히 연료 전지 구동부를 구비한 차량의 경우, 수소 기체 흐름이 제어되어야 한다. 이 경우, 기체 흐름은, 액체 연료의 분사 시처럼 더는 불연속적으로 제어되지 않을뿐더러, 기체는 하나 이상의 고압 탱크에서 배출되어 중압 라인 시스템의 유입 라인(inlet line)을 경유하여 이젝터 유닛(ejector unit)으로 안내된다. 상기 이젝터 유닛은 저압 라인 시스템의 연결 라인을 통해 연료 전지 쪽으로 기체를 안내한다. 연료 전지로부터, 특히 미사용된 수소와 비활성 성분, 특히 물 및 질소로 구성된 배기가스가 재순환 경로를 통해 재순환된다.
DE 10 2014 220 891 A1호로부터, 연료 전지에서 배출되는 기체 성분, 특히 배기가스에서 액체 성분, 특히 물을 분리하기 위한 기액 분리 장치가 공지되어 있다. 이 경우, 상기 기액 분리 장치는 유입관(introduction tube)을 경유하여 배기가스가 공급되는 하우징을 포함한다. 하우징 내에서는 배기가스 내에 함유되어 있는 물이 배기가스에서 분리된다. 그런 후에, 하기에서 H2로서 지칭되는 수소와 같은 물질들을 함유하는 배기가스는 유출관(outlet tube)을 경유하여 연료 전지 쪽으로 재순환된다. 또한, 하우징은 배출 포트를 포함하며, 이 배출 포트를 통해서는 분리되어 저장된 물이 하우징 외부로 유출된다.
DE 10 2014 220 891 A1호로부터 공지된 기액 분리 장치는 소정의 단점을 가질 수 있다.
유입관을 경유하여 하우징 내로 유입되는 연료 전지의 배기가스는 물 성분 외에 또 다른 무거운 성분, 특히 하기에서 N2로서 지칭되는 기체 질소도 함유하기 때문에, 상기 기체 질소는 수소에 추가로 다시 하우징으로부터 예컨대 유출관을 경유하여 다시 연료 전지 내로 이송된다. 그로 인해 기액 분리 장치는, 거의 순수 수소가 다시 연료 전지 내로 이송될 뿐만 아니라, 예컨대 N2와 같은 다른 무거운 성분도 연료 전지 내로 이송된다는 단점이 있다. 그로 인해, 연료 전지의 효율 및 그에 따른 연료 전지 시스템의 효율이 감소한다. 그 대안으로, 기체 N2 성분을 배출시키기 위해, 연료 전지 시스템 내에서 예컨대 배출 밸브의 형태로 추가 구성요소가 필요할 수도 있다. 그러나 상기 유형의 배출 밸브는, 한편으로 N2의 배출 시 항상 H2의 분량도 분리되어야 한다는 단점이 있다. 다른 한편으로는, 특히 배출 밸브의 형태로 추가 부품이 연료 전지 시스템 내에 제공되어야만 한다.
청구항 제1항에 따라, 액체 성분, 특히 하기에서 H2O로서 지칭되는 물에 추가로, 기체 성분(N2)이 매체에서 분리되는 기액 분리 장치가 제안된다. 이러한 방식으로, 특히 연료 전지에서 유래하는 재순환 매체의 잔여물인, 매체의 여러 바람직하지 못한 성분이 동시에 기액 분리 장치에 의해 분리된다는 장점이 획득될 수 있다. 그렇게 하여, 연료 전지 내에서, 특히 애노드 측에서 에너지 생성을 위해 요구되는 매체의 기체 성분의 비율이 증가한다. 상기 기체 성분은 특히 기액 분리 장치를 관류한 후에 다시 연료 전지 내로 재순환되는 H2이다. 이는, 연료 전지 및/또는 연료 전지 시스템의 효율이 상승하는 한편, 연료 전지의 작동 시 부산물 및/또는 잔여물로서 발생하는 바람직하지 못한 성분이 기액 분리 장치에 의해 분리되고, 그에 따라 연료 전지 내에서 에너지 생성을 위해 요구되는 성분의 더 높은 비율이 연료 전지 내로 재이송될 수 있다는 장점을 제공한다. 또한, 청구항 제1항에 따른 기액 분리 장치의 본 발명에 따른 구성을 통해, 연료 전지 시스템 내에서 기체 N2를 배출하기 위한, 예컨대 배출 밸브 형태의 추가 구성요소가 더는 요구되지 않는데, 그 이유는 상기 기능을 기액 분리 장치가 담당하기 때문이다. 이러한 방식으로, 추가 구성요소인 배출 밸브가 더는 불필요하기 때문에 비용이 절감될 수 있는 장점이 획득될 수 있다. 또한, 연료 전지 시스템의 작동 시 H2에 대한 수요도 감소할 수 있으며, 이 역시 작동 비용 절감으로 이어진다.
종속 청구항들은 본 발명의 더 바람직한 개선예들에 관한 것이다.
매우 바람직한 한 구현예에 따라서, 기액 분리 장치의 본 발명에 따른 구성을 통해, H2O 및 N2 성분이 원심분리 원리에 의해 매체에서, 특히 매체의 H2 성분에서 분리된다. 이러한 방식으로, H2 성분에서 H2O 및 N2 성분을 분리하기 위해 추가 에너지는 공급될 필요가 없고, 그리고/또는 단지 소량의 에너지만, 특히 연료 전지 시스템으로부터 그리고/또는 차량의 상위 시스템으로부터, 공급되면 된다는 장점이 획득될 수 있다. 그 근거는, 유입구를 경유하여 하나 이상의 컨테이너 내로 공급된 매체가 이미, 원심분리 원리를 이용하여 성분을 분리하기 위해 필요한 유입 속도를 가지며, 에너지 부가를 통해 매체는 가속화되지 않아도 된다는 데 있다. 따라서, 매체 내로의 에너지, 특히 운동 에너지의 추가 도입은 더는 불필요하다. 이를 통해 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있고, 작동 비용이 절감될 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따라, 하나 이상의 컨테이너는 컨테이너 벽부, 분리 벽부, 분리 에지부, 안정화 챔버, 저장 탱크 및 유출 채널을 포함하며, 분리 벽부는 컨테이너 벽부로 향해 있는 측에 노즐 팁(nozzle tip)을 구비하고, 컨테이너 벽부는 만곡 영역을 갖는다. 이러한 방식으로, 매체에서 H2O 및 N2 성분의 거의 완전한 분리가 가능하고, 그리고/또는 매체에서 적어도 다량의 H2O 및 N2 성분이 분리되는 장점이 획득될 수 있다. 이로써, 제1 유출구를 경유하여 하나 이상의 컨테이너로부터 유출 라인을 통해 연료 전지 내로 재순환되는 매체가 거의 완전히 또는 적어도 대부분 H2 성분으로 구성되는 점이 보장될 수 있다. 그럼으로써 연료 전지의 효율이 증대되는데, 그 이유는 특히 연료 전지의 애노드 영역에서 에너지 생성을 위해 거의 오로지 H2만 요구되기 때문이다. 또한, 선택적으로 하나 이상의 컨테이너와 연료 전지 사이에 위치하고 연료 전지 쪽으로 연속적인 이송 흐름을 제공하는 재순환 펌프 및 통합된 제트 펌프(jet pump)의 효율도 증대된다. 이는, 전체 연료 전지 시스템의 능률 및/또는 효율이 개선될 수 있음으로써 작동 비용도 절감될 수 있다는 장점을 제공한다.
한 바람직한 구현예에 따라서, 매체는 안정화 챔버에서 유출되어 유동 방향(V)으로 만곡 영역 및/또는 노즐 팁을 통과할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그 질량을 기반으로 더 강하게 편향되는 방식의 편향을 거친다. 이러한 방식으로 H2O, N2 및 H2 성분이, 노즐 팁의 통과 시 가속을 통해 무거운 성분(H2O 및 N2)이 특히 원심분리 원리에 의해 가벼운 성분(H2)으로부터 더 잘 분리될 수 있도록 가속되고 편향되는 장점이 획득될 수 있다. 그렇게 하여, 기액 분리 장치의 능률 및 그에 따른 전체 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있다.
매우 바람직한 개선예에 따라서, 매체는 만곡 영역 및/또는 노즐 팁을 통과한 후에 분리 에지부(separating edge)에 부딪치고, 가벼운 성분 H2는 유출 채널 쪽으로 향하는 유동 방향(VII)으로 편향되며, H2O 및 N2 성분은 저장 탱크 쪽으로 향하는 유동 방향(VI)으로 편향된다. 이러한 방식으로, 매체와 이 매체의 상이한 성분은 분리 과정 동안 분리 에지부가 없는 경우의 매체의 상대적으로 더 강한 감속에 비해, 분리 에지부를 통해 더 약하게 감속된다. 따라서, 분리 에지부는, 특히 원심분리 원리를 이용하는, 매체의 상대적으로 더 가벼운 성분(H2)에서 무거운 성분(H2O 및 N2)의 분리 과정을 지원한다. 그렇게 하여, 저장 탱크 내로 H2O 및 N2의, 그리고 제1 유출구 쪽으로 H2의 효율적이면서 유동 손실이 적은 유출이 가능해진다. 또한, 그곳에서부터 높은 H2 비율을 가진 매체가 유동 방향으로 계속하여 유출 라인을 통해 이동될 수 있으며, 이때, 높은 H2 비율을 가진 매체의 추가 이송을 가능하게 하기 위해, 하나 이상의 컨테이너의 영역 내에 펌프 또는 팬(fan)과 같은 추가적인 유동 촉진 요소는 불필요하다. 따라서, 하나 이상의 컨테이너의 영역 내에서, 또는 하나 이상의 컨테이너 상에서 추가 유동 촉진 요소들, 특히 전기 구동 펌프 또는 팬을 작동시키기 위한 에너지가 감소할 수 있다. 그렇게 하여, 연료 전지 시스템의 효율이 증대되고 작동 비용이 절감될 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따라, 본원 기액 분리 장치는 복수의 컨테이너를 포함하며, 제1 컨테이너는 유입구, 하나 이상의 튜브 및 안정화 챔버를 포함하고, 상기 튜브는 제1 컨테이너의 내부에 배치된다. 또한, 제2 컨테이너는 저장 탱크 및 센서 시스템을 포함하며, 이때 튜브는 제1 컨테이너의 유입구 및 제2 컨테이너의 저장 탱크와 유체 연결된다. 또한, 튜브는 튜브 벽부를 형성하며, 튜브 벽부는 멤브레인으로서, 특히 반투성 멤브레인(semipermeable membrane)으로서 형성되며, 특히 각각의 성분의 분자 크기를 기반으로 멤브레인은 매체의 H2 성분에 대해서는 투과성이고, 매체의 H2O 및 N2 성분에 대해서는 비투과성이다. 이러한 방식으로, H2O 및 N2 성분이 매체에서, 특히 H2에서 거의 완전히 분리되도록, 기액 분리 장치를 통한 분리 과정이 개선되는 장점이 획득될 수 있다. 그렇게 하여, 최대한 높은 비율의 H2가 연료 전지 쪽으로, 특히 유출 라인 및 유입 라인을 통해 환류됨으로써, 한편으로 연료 전지의 효율 및/또는 출력이 증대될 수 있는 점이 보장될 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따라, 튜브로부터 특히 튜브 벽부를 통해 안정화 챔버 내로 매체의 H2 성분의 배출이 수행된다. 그 반면, 튜브로부터 특히 튜브 벽부를 통한, 매체의 H2O 및 N2 성분의 배출은 방지된다. 이러한 방식으로, 유출 라인을 통해 재순환 펌프 쪽으로, 그리고/또는 통합된 제트 펌프 쪽으로 H2O 및 N2는 거의 전혀 흐를 수 없거나, 단지 적은 비율의 H2O 및 N2만이 흐를 수 있다는 장점이 획득될 수 있다. 그렇게 하여, 재순환 경로 내에서 부식에 민감한 부품들 및/또는 가동 부품들이 H2O 및 N2 성분에 의해 손상되는 위험이 배제될 수 있거나, 적어도 감소할 수 있다. 또한, 재순환 펌프 및/또는 통합된 제트 펌프의 전기 부품들이, 특히 전기 단락에 의한 손상의 형태로 발생함으로써 다시 전체 연료 전지 시스템이 손상될 수도 있게 하는, H2O 및 N2의 유입에 의해 손상되는 위험도 배제되거나, 적어도 감소된다. 그렇게 하여, 재순환 펌프 및/또는 통합된 제트 펌프 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 유효수명이 증가할 수 있고, 전체 연료 전지 시스템의 고장 가능성이 낮아질 수 있다.
한 바람직한 구현예에 따라서, 튜브의 안쪽 영역과 바깥쪽 영역 사이에 압력차가 존재하며, 그로 인해 튜브로부터 특히 튜브 벽부를 통해 안정화 챔버 내로의 매체의 H2 성분의 배출이 지원된다. 이러한 방식으로, H2O 및 N2 성분에서 H2의 분리를 구현하기 위해 기액 분리 장치를 위한 추가 에너지가 요구되는 점이 방지될 수 있는데, 그 이유는, 연료 전지가 작동 중인 동안, 연결 라인을 통해 유동하는 매체에 의해 압력차가 유지되기 때문이다. 그렇게 하여, 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있고, 작동 비용이 절감될 수 있다.
매우 바람직한 한 개선예에 따라, 2개 이상의 튜브가 하나의 튜브 번들(tube bundle)로 통합되며, 튜브들은 각각 제1 컨테이너의 유입구 및 제2 컨테이너의 저장 탱크와 연결된다. 이러한 방식으로, 멤브레인의 더 큰 표면이 제공될 수 있음으로써, 한편으로 매체의 더 많은 체적이 처리될 수 있다는 장점이 획득된다. 이 경우, 멤브레인의 비교적 큰 표면 확장에 비해 더 작은 장착 공간만이 요구될 뿐이다. 또한, 멤브레인의 표면 확장을 통해, 매체의 성분들의 분리가 이미 더 작은 압력차에서 달성될 수 있다. 그렇게 하여, 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있고 작동 비용은 절감될 수 있다. 또한, 기액 분리 장치는 컴팩트하고 공간 절약적인 구조로 실현될 수 있다.
하기에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 기술한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 본원 기액 분리 장치를 구비한 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에서 도면부호 III로 표시된, 기액 분리 장치의 노즐의 단면도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 본원 기액 분리 장치를 포함하는 연료 전지 시스템의 개략도이다.
도 4는 기액 분리 장치의 멤브레인의 사시 단면도이다.
도 5는 도 3에서 도면부호 IV로 표시된, 기액 분리 장치의 튜브 번들의 사시 단면도이다.
도 1 및 도 2에 따른 도면에는, 본 발명에 따른 기액 분리 장치(2)의 제1 실시예를 구비한 연료 전지 시스템(1)이 도시되어 있으며, 기액 분리 장치(2)는 매체에서 액체 성분, 특히 H2O에 추가로 기체 성분 N2를 분리한다. 이 경우, H2O 및 N2 성분은 본 발명에 따른 기액 분리 장치(2)에 의해 원심분리 원리를 이용하여 매체에서, 특히 매체의 H2 성분에서 분리된다.
도 1에는, 연료 전지(30), 기액 분리 장치(2) 및 선택적인 재순환 펌프(9)가 라인들에 의해 상호 유체 연결되어 있는 연료 전지 시스템(1)이 도시되어 있다. 연료 전지(30)는 애노드 영역(31)과 캐소드 영역(32)을 포함하고, 특히 차량 내에서 수소(즉, H2)와 산소(즉, O2)의 반응을 이용한 에너지 생성에 이용된다. 이 경우, 에너지는 전기 에너지의 형태로 생성될 수 있다. 이 경우, 본 발명에 따른 기액 분리 장치(2)는 연결 라인(4)을 통해 애노드 영역(31)과 유체 연결된다. 이 경우, 매체, 특히 연료 전지(30)의 애노드 영역(31)에서 유래하는 재순환 매체는 재순환을 위해 기액 분리 장치(2)로 안내된다. 이 경우, 재순환 매체는, 거의 완전히, 연료 전지(30)의 내부에서 산소와 화학적으로 또는 전기적으로 반응하지 않은 미사용 H2와, 연료 전지(30)의 내부에서 에너지 생성을 위한 과정에서 발생하는 부산물(H2O 및 N2)로 구성된다. 이 경우, 매체는 애노드 측의 유동 방향(II)으로 연결 라인(4)을 통해 기액 분리 장치(2)의 유입구(16) 내로 흐른다. H2O 및 N2 성분은 대안적으로 비활성 기체 성분으로도 지칭될 수 있으며, 상기 성분은 연료 전지(30) 내의 애노드 영역(31)에서 에너지 생성을 위해 이용되지 못할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(1)의 전체 작동을 위한 효율이 재순환 경로 내의 H2O 및 N2 성분에 의해 저하되는데, 그 이유는, 상기 성분이 기액 분리 장치(2)에 의해 분리되지 않을 경우, 전체 애노드 경로를 통해, 특히 연결 라인(4), 유출 라인(5), 재순환 펌프(9), 선택적으로 제공되어 통합된 제트 펌프(10), 및 유입 라인(3)을 통해 함께 이송되어야 하기 때문이다. 따라서, 이 경우, 연료 전지(30) 내에서 에너지 생성을 위해 필요한 H2 성분의 질량 및/또는 체적이 덜 이송되고, 그리고/또는 재순환될 수도 있다.
기액 분리 장치(2)는 유입구(16) 외에도, 하나 이상의 컨테이너(6)와 하나의 제1 유출구(18)를 포함한다. 이 경우, 하나 이상의 컨테이너(6)는 컨테이너 벽부(17), 분리 벽부(8), 분리 에지부(15), 안정화 챔버(12), 저장 탱크(14) 및 유출 채널(20)을 포함하며, 분리 벽부(8)는 컨테이너 벽부(17)로 향해 있는 측에 노즐 팁(13)을 구비하고, 컨테이너 벽부(17)는 만곡 영역(23)을 가진다.
하나 이상의 컨테이너(6) 내에서 매체는 안정화 챔버(12)에서 나와 유동 방향(V)으로 만곡 영역(23) 및/또는 노즐 팁(13)을 통과할 때, H2O 및 N2 성분은 이들의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그 질량을 기반으로 더 강하게 편향되는 방식의 편향을 거친다. 그렇게 하여, 매체의 H2O 및 N2 성분은 저장 탱크(14) 내로 안내되는 반면, 매체의 H2 성분은 하나 이상의 컨테이너(6) 내 유출 채널(20)의 영역으로 안내된다.
또한, 도 1에는, 최소한 하나의 컨테이너(6)가, H2O 및 N2 성분의 농도 및/또는 저장 탱크(14)의 영역 내 압력을 측정하고, 배출 밸브(46)와 적어도 간접적으로 연결되어 있는 센서 시스템(22)을 구비한 모습이 도시되어 있다. 센서 시스템(22)이 H2O 및 N2 성분의 농도와 관련한 특정 값 및/또는 압력을 검출하는 즉시 배출 밸브(46)의 구동이 수행되고, H2O 및 N2 성분은 배출 밸브(46)에 의해 하나 이상의 컨테이너(6)로부터, 특히 저장 탱크(14)의 영역으로부터 배출되고, 그리고/또는 외부로 안내된다. 그 대안으로, 센서 시스템(22)은 정의된 H2O 비율 및 N2 비율에서 반응하여 배출 밸브(46)를 개방한다. 이 경우, 배출 밸브(46)는 기액 분리 장치(2)의 일 실시예에 따라, 중력을 이용하여 그리고/또는 중력에 의해 지원되는 방식으로 저장 탱크(14)의 거의 완전한 배출을 보장하기 위해, 하나 이상의 컨테이너(6)의 최저 지점에 배치될 수 있다.
유출 채널(20)의 영역 내로 그리고 H2O 및 N2 성분에서 분리된, 특히 만곡 영역(23) 및 노즐 팁(13)에 의해 분리된 H2는, 유출 채널(20) 내에 도달한 후에 계속해서 적어도 하나의 컨테이너(6)의 제1 유출구(18) 쪽으로 흐르고, 그곳으로부터 유동 방향(II)으로 유출 라인(5)을 경유하여, 연료 전지 시스템(1) 내에 선택적인 부품으로서 제공될 수 있는 재순환 펌프(9) 쪽으로 계속 흐른다. 재순환 펌프(9)는 매체, 특히 H2의 이송 및/또는 압축을 위해 이용된다. 이 경우, 재순환 펌프(9)는, 특히 매체의 이송 흐름이 중단될 수도 있는 연료 전지 시스템(31)의 작동점들 및/또는 작동 상태들에서, 연료 전지(30) 내로 매체의 연속적인 이송 흐름을 보장해야 한다. 매체는 재순환 펌프(9)를 통과한 후에 노드(node)(7)에 도달하며, 노드는 예컨대 통합된 제트 펌프(10)로서(도 3 참조) 형성될 수 있으며, 매체는 노드(7)에서부터 유동 방향(II)으로, 그리고 유입 라인(3)을 통해 연료 전지(30) 쪽으로 흐르며, 이때 매체는 특히 유입 라인(3)으로부터 연료 전지(30)의 애노드 영역(31) 내로 유입된다.
도 2에는 도 1에 도시된, 기액 분리 장치(2)의 노즐(11)의 섹션(III)이 도시되어 있다. 매체는 유동 방향(V)으로 만곡 영역(23) 및/또는 분리 벽부(8)의 노즐 팁(13)을 통과한 후에 분리 에지부(15)에 부딪치며, 이때 가벼운 성분 H2는 유출 채널(20) 쪽으로 향하는 유동 방향(VII)으로 편향되고, H2O 및 N2 성분은 저장 탱크(14) 쪽으로 향하는 유동 방향(VI)으로 편향된다. 이 경우, 만곡 영역(23)은 컨테이너 벽부(17)의 부분이다. 또한, 분리 에지부(15)는, 특히 원심분리 원리를 이용한, H2 성분에서 H2O 및 N2 성분의 분리를 지원하는 뾰족한 그리고/또는 쐐기 형태의 영역을 갖는다. 이 경우, 잔여 매체에서, 특히 H2에서 H2O 및 N2 성분의 분리는 성분들의 상이한 질량을 기반으로 실행되며, H2O 및 N2 성분은 더 가벼운 성분 H2보다 더 무겁다. 이 경우, 만곡 영역(23)을 따라서 유동하고 노즐 팁(13)을 통과할 때 원심력이 상기 성분들에 작용하며, 이는 다시 특히 원심분리 원리를 이용한 더 가벼운 성분 H2에서 H2O 및 N2 성분의 분리를 촉진한다.
이 경우, 추가로, 분리 벽부(8)와 컨테이너 벽부(17) 사이, 특히 노즐 팁(13)과 만곡 영역(23) 사이의 유동 채널이 유동 방향(V)으로 갈수록 좁아지고, 그리고/또는 분리 벽부(8)와 컨테이너 벽부(17) 사이의 간격이 유동 방향(V)으로 갈수록 더 좁아지는 점이 바람직하게 작용한다. 그럼으로써, 상기 시점에 여전히 모든 성분(H2O, N2 및 H2)을 함유하는 매체의 유동 속도가 증가할 수 있고, 그로 인해 원심력 효과가 확대되며, 그에 따라 분리가 촉진된다. 또한, 유동 방향(V)으로부터 한편으로 저장 탱크(14)를 향하는 유동 방향(VI)으로의 무거운 성분(H2O 및 N2)과, 다른 한편으로 유출 채널(20)을 향하는 유동 방향(VII)으로의 가벼운 성분(H2)의 매체 분할을 촉진하는 분리 에지부(15)의 배치도 분리 과정에 바람직하게 작용한다. 또한, 이 경우, 그에 추가로 바람직하게는, 기액 분리 장치(2) 및/또는 하나 이상의 컨테이너(6) 및/또는 노즐(11)은, 매체의 유동 방향(V) 및/또는 H2O 및 N2 성분의 유동 방향(VI)이 적어도 거의 중력 작용 방향으로 연장되는 방식으로 정렬된다. 이 경우, H2 성분의 유동 방향(VII)은, 특히 분리 에지부(15)의 통과 후에, 적어도 거의 중력 작용 방향의 반대 방향으로 연장된다. 그렇게 하여, 원심분리 원리를 이용한 더 무거운 성분과 더 가벼운 성분의 분리가 추가로 중력 작용에 의해 지원될 수 있고, 그에 따라 더 효율적인 분리가 달성될 수 있다.
도 3에는, 제2 실시예에 따른 본원 기액 분리 장치(2)를 포함하는 연료 전지 시스템(1)의 개략도가 도시되어 있다. 여기서는, 연료 전지(30)가 애노드 영역(31)과 캐소드 영역(32)을 포함하는 점이 도시되어 있다. 캐소드 영역(32)에는 흡입 시스템(29)에 의해 캐소드 측의 유동 방향(IV)으로 공기, 특히 O2가 공급된다. 도 3에는, 매체, 특히 연료 전지(30)의 애노드 영역(31)에서 유출되는 재순환 매체가 애노드 영역(31)으로부터 유동 방향(II)으로 연결 라인(4)을 경유하여 기액 분리 장치(2)로 안내되는 점이 도시되어 있다. 이 경우, 기액 분리 장치(2)는 복수의 컨테이너(6a, 6b)를 포함하며, 제1 컨테이너(6a)는 유입구(16), 하나 이상의 튜브(35) 및 안정화 챔버(12)를 포함하고, 튜브(35)는 제1 컨테이너(6a)의 내부에 배치되며, 제2 컨테이너(6b)는 저장 탱크(14)와 센서 시스템(22)을 포함하고, 튜브(35)는 제1 컨테이너(6a)의 유입구(16) 및 제2 컨테이너(6b)의 저장 탱크(14)와 유체 연결된다. 기액 분리 장치(2)의 또 다른 실시예에서는 2개 이상의 튜브(35)가 하나의 튜브 번들(37)로 통합될 수 있으며, 이 경우 튜브들(35)은 각각 제1 컨테이너(6a)의 유입구(16) 및 제2 컨테이너(6b)의 저장 탱크(14)와 유체 연결된다. 또한, 센서 시스템(22)은 제2 컨테이너(6b) 내의 H2O 및 N2 비율을 연속으로 측정하며, H2O 및 N2 성분의 농도와 관련한 특정 값 및/또는 압력이 초과되는 즉시 배출 밸브(46)의 구동이 수행되고, H2O 및 N2 성분은 배출 밸브(46)에 의해 제2 컨테이너(6b)로부터, 특히 저장 탱크(14)의 영역으로부터 배출되며, 그리고/또는 외부로 안내된다. H2O 및 N2 성분이 배출 밸브(46)에 의해 제2 컨테이너(6b) 외부로 안내된 후에, 상기 성분은 재순환 라인(19)을 경유하여 연료 전지 시스템(1)의 흡입 시스템(29) 내에 도달한다. 그곳으로부터 상기 H2O 및 N2 성분은 유동 방향(IV)으로 흡입 시스템(29)을 통해 계속해서 캐소드 영역(32) 내로 흐른다.
도 3에는, 매체가 연료 전지(30)의 애노드 영역(31)에서 나와서 유입구(16)를 경유하여 제1 컨테이너(6a) 내로 유입되고, 매체는 기액 분리 장치(2)의 하나 이상의 튜브(35) 내로 또는 튜브 번들(37) 내로 유입되는 점이 도시되어 있다. 튜브(35) 또는 튜브 번들(37)을 통해 이제 잔여 매체에서, 특히 H2에서 H2O 및 N2 성분의 분리가 실시된다. 이는, 튜브(35) 또는 튜브 번들(37)의 튜브 벽부(36)의 투과성에 의해 구현되며, 이때 H2 성분은 특히 H2O 및 N2 성분에 비해 더 작은 분자 크기로 인해 튜브 벽부(36)를 통해 안정화 챔버(12) 내로 확산될 수 있다. H2O 및 N2 성분은, 특히 H2 성분에 비해 더 큰 분자 크기로 인해 튜브 벽부(36)를 통과하여 확산될 수 없으며, 그로 인해 튜브(35) 또는 튜브 번들(37)의 전체 길이를 통해 제2 유출구(24)를 경유하여 제2 컨테이너(6b) 내로 안내되어 그곳에 포집된다. 기액 분리 장치(2)의 한 가능한 실시형태에서, 제2 유출구(24)는 제2 컨테이너(6b)로부터 제2 유출구(24)를 경유하여 튜브(35) 또는 튜브 번들(37) 내로 H2O 및 N2 성분의 역류가 방지되는 방식으로 형성된다.
안정화 챔버(12) 내에 포집된 매체, 특히 H2 성분은 마침내 유동 방향(II)으로 유출 라인(5)을 통해 재순환 펌프(9) 쪽으로 흐르며, 재순환 펌프(9)를 통해 매체가 거치는 압축 및 가속 프로세스는 도 1의 설명에 더 상세히 기술되어 있다. 특히 거의 전부 H2인 매체는 재순환 펌프(9)로부터 계속해서 통합된 제트 펌프(10) 내로 흐른다. 제트 펌프(10) 내부에서는 소위 제트 펌프 효과가 일어난다. 이를 위해, 제트 펌프(10)의 외부로부터 탱크 라인(21)을 통해 탱크(27), 특히 고압 탱크(27)로부터 기체 구동 매체, 특히 H2가 제트 펌프(10) 내로 유입된다. 또한, 재순환 매체는 재순환 펌프(9)에 의해 제트 펌프(10)의 흡입 영역 내로 이송된다. 구동 매체는 이제 고압 하에서 흡입 영역 내로 유입된다. 이 경우, 기체 구동 매체는 유동 방향(II)의 방향으로 흐른다. 고압 탱크(27)로부터 제트 펌프(10)의 흡입 영역 내로 흐르면서 구동 매체로서 이용되는 H2는 흡입 영역 내로 유입되는 재순환 매체에 대해 압력차를 가지며, 이 경우 구동 매체는 특히 적어도 10바아의 상대적으로 높은 압력을 갖는다. 제트 펌프 효과가 나타나도록 하기 위해, 재순환 매체는 낮은 압력 및 낮은 질량 흐름으로 제트 펌프(10)의 흡입 영역 내로 이송된다. 이 경우, 구동 매체는 기술한 압력차 및 특히 음속에 가까운 높은 속도로 흡입 영역 내로 유입된다. 이 경우, 구동 매체는 이미 흡입 영역 내에 있는 재순환 매체에 부딪친다. 높은 속도 및/또는 구동 매체와 재순환 매체 간의 압력차를 기반으로, 매체들 간에 내부 마찰 및 난류가 발생한다. 이 경우, 빠른 구동 매체와 훨씬 더 느린 재순환 매체 간의 경계층에서 전단 응력이 발생한다. 이런 응력은 운동량 전달(momentum transfer)을 야기하며, 이때 재순환 매체가 가속되어 휩쓸려간다. 혼합은 운동량 보존의 원리에 따라서 수행된다. 이 경우, 재순환 매체는 유동 방향(II)으로 가속되고, 재순환 매체에 대해서도 압력 강하가 발생하며, 그럼으로써 흡입 효과가 시작되고, 그에 따라 재순환 펌프(9)의 영역으로부터 추가 재순환 매체가 계속 이송된다.
재순환 매체가 제트 펌프(10) 내에서 구동 매체에 의해 가속되어 두 매체가 혼합된 후에, 상기 혼합 매체는 유입 라인(3)을 통해 연료 전지(30) 쪽으로, 특히 애노드 영역(31) 쪽으로 흐른다.
도 4에는, 튜브 벽부(36)의 멤브레인(34)이 도시되어 있으며, 멤브레인(34)은 단면 사시도로서 도시되어 있다. 여기서 멤브레인(34)은 반투성 멤브레인(34)으로서 형성되어 있고, 이때 멤브레인(34)은, 도 4에 도시된 것처럼, 특히 각각의 성분의 분자 크기를 기반으로 매체의 H2 성분에 대해서는 투과성이고, 매체의 H2O 및 N2 성분에 대해서는 멤브레인(34)이 비투과성이다. 이 경우, 매체의 H2O 및 N2 성분은 멤브레인(34)의 구조, 특히 격자 구조를 통해 확산시키기에 너무 큰 반면, 매체의 H2 성분은 멤브레인(34)의 구조를 통해 확산시키기에 충분히 작다.
도 5에는, 튜브(35)가 튜브 벽부(36)를 형성하고, 튜브 벽부(36)는 멤브레인(34)으로서 형성되며, 특히 각각의 성분의 분자 크기를 기반으로 멤브레인(34)이 매체의 H2 성분에 대해서는 투과성이고, 멤브레인(34)이 매체의 H2O 및 N2 성분에 대해서는 비투과성인 점이 도시되어 있다. 이 경우, 도 5에는, 복수의 튜브(35)가 튜브 번들(37)로 통합될 수 있고, 튜브들(35)은 기액 분리 장치(2)의 한 가능한 실시형태에서 상호 평행하게 연장되는 점이 도시되어 있다. 여기서는, 각각의 튜브(35)로부터 특히 튜브 벽부(36)를 통해 안정화 챔버(12) 내로 매체의 H2 성분의 배출이 수행되는 반면, 튜브(35)로부터 특히 튜브 벽부(36)를 통해 매체의 H2O 및 N2 성분의 배출은 방지되는 점이 도시되어 있다. 그러므로 H2O 및 N2 성분은 제2 유출구(24)의 방향으로만 계속 유동될 수 있으며, 이 경우 H2O 및 N2 성분은 제2 유출구(24)를 통해 제2 컨테이너(6b) 내로 계속 흐른다(도 3에 도시됨). 기액 분리 장치(2)의 한 바람직한 실시형태에서, 튜브(35) 또는 튜브 번들(37)의 내측 영역과 외측 영역 간에 압력차가 존재하고, 그럼으로써 튜브(35) 또는 튜브 번들(37)로부터 특히 튜브 벽부(36)를 통해 안정화 챔버(12) 내로 매체의 H2 성분의 배출이 지원된다.
본 발명은 본원에 기술된 실시예들 및 이 실시예들에서 강조되는 양태들로만 제한되지 않는다. 오히려, 청구범위를 통해 명시된 범위 내에서 다수의 변형이 가능하다.

Claims (11)

  1. 기체 성분, 특히 H2에서 적어도 하나의 액체 성분, 특히 H2O를 분리하기 위한 기액 분리 장치(2)로서, 상기 기액 분리 장치는 유입구(16)를 통해 매체가 공급되는 하나 이상의 컨테이너(6)를 포함하고, 상기 하나 이상의 컨테이너(6) 내에서 적어도 매체의 액체 성분의 분리가 수행되며, 매체의 분리된 성분은 하나 이상의 컨테이너(6)로부터 배출 밸브(46)를 통해 배출되며, 매체의 잔존 기체 성분, 특히 H2가 제1 유출구(18)를 통해 유출 라인(5) 내로 재순환되는, 기액 분리 장치에 있어서,
    액체 성분, 특히 H2O에 추가로, 기체 성분(N2)도 기액 분리 장치(2)를 통해 매체에서 분리되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 H2O 및 N2 성분은 원심분리 원리에 의해 매체에서, 특히 상기 매체의 H2 성분에서 분리되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 컨테이너(6)는 컨테이너 벽부(17), 분리 벽부(8), 분리 에지부(15), 안정화 챔버(12), 저장 탱크(14) 및 유출 채널(20)을 포함하며, 분리 벽부(8)는 컨테이너 벽부(17)로 향해 있는 측에 노즐 팁(13)을 구비하고, 컨테이너 벽부(17)는 만곡 영역(23)을 갖는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  4. 제3항에 있어서, 상기 매체는 안정화 챔버(12)에서 유출되어 유동 방향(V)으로 만곡 영역(23) 및/또는 노즐 팁(13)을 통과할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그 질량을 기반으로 더 강하게 편향되는 방식의 편향을 거치는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  5. 제4항에 있어서, 상기 매체는 만곡 영역(23) 및/또는 노즐 팁(13)을 통과한 후에 분리 에지부(15)에 부딪치며, 가벼운 성분 H2는 유출 채널(20) 쪽으로 향하는 유동 방향(VII)으로 편향되고, H2O 및 N2 성분은 저장 탱크(14) 쪽으로 향하는 유동 방향(VI)으로 편향되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  6. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리 장치는 복수의 컨테이너(6a, 6b)를 포함하며, 제1 컨테이너(6a)는 유입구(16), 하나 이상의 튜브(35) 및 안정화 챔버(12)를 포함하고, 상기 튜브(35)는 제1 컨테이너(6a)의 내부에 배치되며, 제2 컨테이너(6b)는 저장 탱크(14) 및 센서 시스템(22)을 포함하고, 상기 튜브(35)는 제1 컨테이너(6a)의 유입구(16) 및 제2 컨테이너(6b)의 저장 탱크(14)와 유체 연결되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  7. 제6항에 있어서, 튜브(35)는 튜브 벽부(36)를 형성하고, 튜브 벽부(36)는 멤브레인(34)으로서, 특히 반투성 멤브레인(34)으로서 형성되며, 특히 각각의 성분의 분자 크기를 기반으로, 멤브레인(34)이 매체의 H2 성분에 대해서는 투과성이고, 상기 멤브레인(34)이 매체의 H2O 및 N2 성분에 대해서는 비투과성인 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  8. 제7항에 있어서, 튜브(35)로부터 특히 튜브 벽부(36)를 통해 안정화 챔버(12) 내로 매체의 H2 성분의 배출이 수행되는 반면, 튜브(35)로부터, 특히 튜브 벽부(36)를 통한, 매체의 H2O 및 N2 성분의 배출은 방지되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  9. 제8항에 있어서, 튜브(35)의 내측 영역과 외측 영역 간에 압력차가 존재하며, 그로 인해 튜브(35)로부터 특히 튜브 벽부(36)를 통해 안정화 챔버(12) 내로의 상기 매체의 H2 성분의 배출이 지원되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 2개 이상의 튜브(35)가 하나의 튜브 번들(37)로 통합되며, 튜브들(35)은 각각 제1 컨테이너(6a)의 유입구(16) 및 제2 컨테이너(6b)의 저장 탱크(14)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  11. 연료 전지(30) 쪽으로의 수소 공급 및/또는 연료 전지(30)로부터의 수소 배출을 제어하기 위한, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 기액 분리 장치(2)를 포함하는 연료 전지 어셈블리.
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