KR20200092355A - 기체 성분에서 적어도 하나의 액체 성분을 분리하기 위한 기액 분리 장치 - Google Patents

기체 성분에서 적어도 하나의 액체 성분을 분리하기 위한 기액 분리 장치 Download PDF

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KR20200092355A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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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 매체가 공급되는 포집 컨테이너(12)를 포함하고, 상기 포집 컨테이너(12) 내에서 적어도 매체의 액체 성분의 분리가 수행되며, 매체의 분리된 부분은 포집 컨테이너(12)로부터 배출 밸브(46)를 통해 배출된다. 이 경우, 본 발명에 따라 기액 분리 장치(2)는 재순환 펌프(9)의 하우징(11) 내에 통합된다.

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 것으로, 상기 기액 분리 장치는 재순환 펌프의 하우징 내에 통합되며, 매체의 적어도 액체 성분의 분리가 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 물과 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 형성한다. 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.
공지된 기액 분리 장치는 추가 부품으로서 연료 전지 시스템의 주변 장치 내에, 특히 유체공학적으로, 결합되어야 한다. 그에 따라, 기액 분리 장치는 추가 구성요소로서 존재하기 때문에, 고유 하우징 및 고유 라인 결합부를 필요로 한다.
유입관을 경유하여 하우징 내로 유입되는 연료 전지의 배기가스는, 하기에서 H2O로서 지칭되는 물 성분 외에 또 다른 무거운 성분, 특히 하기에서 N2로서 지칭되는 기체 질소도 함유하기 때문에, 상기 기체 질소는 H2에 추가로 다시 하우징으로부터 예컨대 유출관을 경유하여 다시 연료 전지 내로 이송된다. 그로 인해 기액 분리 장치는, 거의 순수 H2가 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.
청구항 제1항에 따라, 재순환 펌프의 하우징 내에 통합된 기액 분리 장치가 제안된다. 이러한 방식으로, 기액 분리 장치가 재순환 펌프의 하우징 내에 통합되기 때문에, 기액 분리 장치가 추가 하우징을 필요로 하지 않는다는 장점이 획득될 수 있다. 그렇게 하여 비용 절감이 달성되는데, 그 이유는 별도의 기액 분리 장치 하우징을 위한 재료 비용 및/또는 제조 비용이 절약될 수 있기 때문이다. 또한, 재순환 펌프의 하우징 내에 기액 분리 장치가 통합됨으로써, 재순환 펌프 및/또는 기액 분리 장치와 같은 구성요소 및/또는 전체 연료 전지 시스템이 장착 공간, 특히 차량 내에서의 장착 공간을 덜 요구한다는 장점이 제공되는데, 그 이유는 한편으로 별도의 기액 분리 장치 하우징의 공간 수요가 더 이상 요구되지 않고, 그리고/또는, 특히 기액 분리 장치가 재순환 펌프의 내부 유동 라인들 상에 직접 배치될 경우, 기액 분리 장치의 유체공학적 결합을 위한 공급 및 배출 라인들이 더 이상 쓸모가 없기 때문이다. 그렇게 하여, 재순환 펌프 및/또는 기액 분리 장치 및/또는 전체 연료 전지 시스템 내부에서의 유동 저항이 감소하며, 그럼으로써 효율이 증대되고 그리고/또는 운용 비용이 절감된다. 더 나아가, 더 이상 불필요한 공급 및 배출 라인들의 조립 및 재료 비용도 절약될 수 있다.
또한, 재순환 펌프의 하우징 내에 기액 분리 장치가 통합됨으로써, 기액 분리 장치 및/또는 재순환 펌프 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 냉간 시동 특성들이 개선될 수 있다는 장점이 획득된다. 기액 분리 장치가 이제 재순환 펌프의 하우징 내에 통합되어 있기 때문에, 상기 기액 분리 장치는 저온에 대해 더 우수하게 보호되는데, 이 경우 저온에서는 기액 분리 장치 내에 포집된 액체 H2O가 결빙되고, 그럼으로써 기액 분리 장치를 손상시키며, 그리고/또는 연료 전지 및/또는 차량의 냉간 시동 과정에서 연료 전지 시스템 내에서 시작되는 유동에 의해 동반 이송되는 얼음 조각들이 연료 전지 시스템의 추가 구성요소 및/또는 연료 전지 자체를 손상시킬 위험이 있다. 따라서, 재순환 펌프 및/또는 기액 분리 장치 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 고장 확률이 감소될 수 있다.
종속 청구항들은 본 발명의 더 바람직한 개선예들에 관한 것이다.
매우 바람직한 한 구현예에 따라서, 본원의 기액 분리 장치는 유동 방향으로 재순환 펌프의 컴프레서 챔버의 하류에 위치되는 방식으로, 특히 유출구의 영역 내에 배치된다. 이러한 방식으로, 매체에서, 특히 H2에서 H2O 성분의 분리를 달성하기 위해, 기액 분리 장치를 위한 추가 에너지가 요구되지 않는다는 장점이 획득될 수 있다. 이를 위해, 재순환 펌프를 통한 매체의 가속 및/또는 압축으로도 충분히 상응하는 속도 및/또는 상응하는 압력을 매체에 부여할 수 있으며, 그럼으로써 기액 분리 장치에 의해 매체에서 H2O 성분의 분리가 수행될 수 있다. 이 경우, 특히 기액 분리 장치가 재순환 펌프의 하류에 위치하는 것이 바람직하다. 그럼으로써, 기액 분리 장치의 영역에 예컨대 펌프와 같은 추가 구성요소가 불필요하다. 그렇게 하여, 기액 분리 장치 및/또는 재순환 펌프 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있고 작동 비용이 절감될 수 있다. 그 외에도, 기액 분리 장치의 영역에서 예컨대 펌프와 같은 추가 구성요소를 위한 추가 부품 비용도 발생하지 않으며, 그럼으로써 전체 연료 전지 시스템을 위한 비용이 절감될 수 있다.
바람직한 개선예에 따라서, 본원의 기액 분리 장치는 유동 방향으로 재순환 펌프의 컴프레서 챔버에 대해 상류에 배치되는 방식으로, 특히 유입구의 영역 내에 위치된다. 이러한 방식으로, H2O가 이송될 매체와 함께 재순환 펌프를 통해, 특히 컴프레서 챔버를 통해 함께 이송되어야 하는 단점이 방지된다. 그렇게 하여, 한편으로, 재순환 펌프의 효율이 향상될 수 있고, 연료 전지 내에서 에너지 생성을 위해 요구되는 H2의 이송량이 증가함으로써, 연료 전지의 효율 및/또는 성능이 증대된다는 장점이 획득된다. 다른 한편으로는, 재순환 펌프의 컴프레서 챔버 및/또는 재순환 펌프 내로의 H2O 유입이 방지될 수 있거나, 적어도 감소할 수 있다. 재순환 펌프 내로 침투하는 H2O는 재순환 펌프의 가동 부품들 및/또는 내부식성이 없는 부품들 및/또는 전기 부품들의 손상을 야기할 수 있다. 전기 단락이 발생하는, 침투하는 H2O에 의한 재순환 펌프의 부품들의 손상 시, 마찬가지로 전체 연료 전지 시스템이 손상될 수 있다. 따라서, 기액 분리 장치의 본 발명에 따른 구성의 경우, 재순환 펌프 및/또는 전체 연료 전지 시스템의 유효수명이 증가할 수 있다. 또한, 전체 연료 전지 시스템의 고장 가능성이 감소될 수 있다.
한 바람직한 구현예에 따라서, 본원의 기액 분리 장치를 통해, 액체 성분(H2O)에 추가로 기체 성분(N2)이 매체에서 분리된다. 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 연료 전지 시스템 내에서 증가한다. 기액 분리 장치에 의해 H2O 및 N2 성분이 H2에서 분리되고 재순환 펌프의 유출 채널 외부로 안내되어, 포집 컨테이너 내로 흐른다. 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, 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. 그러므로 기액 분리 장치는 하나의 방법 단계에서 매체에서 H2O 및 N2를 분리한다. 이러한 방식으로, N2의 배출을 위한 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.
매우 바람직한 개선예에 따라서, 기액 분리 장치는 유출 채널, 분리 에지부 및 포집 컨테이너를 포함하며, 유출 채널은 유동 방향으로 우선 제1 테이퍼부(taper)를 포함하고, 그런 다음 특히 분리 에지부의 영역에 반경부를 갖는 만곡부를 포함한다. 이러한 방식으로, 매체와 이 매체의 상이한 성분은 분리 공정 동안 분리 에지부가 없는 경우의 매체의 상대적으로 더 강한 감속에 비해, 분리 에지부를 통해 더 약하게 감속된다. 따라서, 분리 에지부는, 매체의 상대적으로 더 가벼운 성분(H2)에서 무거운 성분(H2O 및 N2)의 분리 공정을 지원한다. 그렇게 하여, 포집 컨테이너 내로 H2O 및 N2의, 그리고 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 구성에 따라, 본원의 기액 분리 장치는 유입구, 분리 에지부 및 포집 컨테이너를 포함하며, 유입구는 유동 방향으로 우선 제2 테이퍼부를 포함하고, 그런 다음 특히 분리 에지부의 영역에 반경부를 갖는 만곡부를 포함한다. 이러한 방식으로, H2, H2O 및 N2로 구성되는 매체는 유입구 및 제2 테이퍼부를 관류할 때 우선 가속되고, 그런 다음 만곡부에 의해 유동 방향으로 편향될 수 있게 된다. 이 경우, 매체는, 바깥쪽에 위치한, 특히 발생하는 원심력이 매체에 가장 크게 작용하는 영역에서 분리 에지부에 부딪친다.
그렇게 하여, 특히 H2보다 더 큰 질량을 갖는 H2O 및 N2 성분은 유동 방향으로 만곡부의 외측 영역 쪽으로, 그리고 그에 따라 분리 에지부 및 포집 컨테이너 쪽으로 편향되는 반면, H2 성분은 자신의 작은 질량을 기반으로 더 약하게 만곡부의 외측 영역 쪽으로 편향되고, 그에 따라 오히려 곡선 안쪽에 위치하는 만곡부 영역에 걸쳐 더 짧은 경로를 취한다는 장점이 획득된다. 그렇게 하여, 더 높은 비율의 H2O 및 N2가 매체로부터 얻어지고, 그에 따라 유출구를 경유하여 재순환 펌프에서 유출되는 매체에 H2O 및 N2 성분이 거의 완전히 없어지도록 기액 분리 장치의 분리 과정의 효율이 증대된다는 장점이 획득된다. 그렇게 하여, 전체 연료 전지 시스템의 효율이 향상된다.
한 바람직한 개선예에 따라서, 기액 분리 장치를 통해 H2O 및 N2 성분이 원심분리 원리에 의해 매체에서 분리된다. 또한, 매체는 제1 및/또는 제2 테이퍼부를 관류할 때 유동 방향으로 가속된다. 또한, 매체는 유동 방향으로 만곡부를 관류할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 강하게 편향되고 가벼운 성분 H2는 자신의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되는 방식의 편향을 거친다. 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 환류되는 점이 보장될 수 있으며, 그럼으로써 한편으로 연료 전지의 효율 및/또는 출력이 증대될 수 있다. 또한, H2 성분에서 H2O 및 N2 성분을 분리하기 위해 추가 에너지가 공급되지 않아도 되고, 그리고/또는 단지 소량의 에너지만, 특히 연료 전지 시스템으로부터 그리고/또는 차량의 상위 시스템으로부터, 공급되면 된다는 장점이 획득될 수 있다. 그 근거는, 제1 테이퍼부 또는 제2 테이퍼부를 통해 유동하는 매체가, 특히 벤추리 노즐처럼 작용하는 각각의 테이퍼부를 통한 가속을 기반으로, 증대된 유동 속도를 갖는다는 점에 있다. 이러한 증대된 유동 속도는 바람직하게 원심분리 원리를 이용한 성분들의 분리 시 작용한다. 따라서, 원심분리 원리를 이용하여 기액 분리 장치를 통한 분리 과정의 최적의 효율을 구현할 수 있도록 하기 위해, 더 이상 매체 내로 에너지, 특히 운동 에너지를 추가로 도입할 필요가 없다. 이로써 연료 전지 시스템의 효율이 증대될 수 있고 작동 비용이 절감될 수 있다.
한 바람직한 구성에 따라서, 매체는 만곡부를 관류할 때 분리 에지부에 부딪치며, 가벼운 성분 H2는 유출구 쪽으로 향하는 유동 방향으로 편향되고, H2O 및 N2 성분은 유동 방향으로 포집 컨테이너 내로 편향되며, 이때 특히 소량의 가벼운 성분 H2가 함께 포집 컨테이너 내로 편향될 수 있다. 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, 포집 컨테이너 내로 H2O 및 N2의, 그리고 제1 유출구 쪽으로 H2의 효율적이면서 유동 손실이 적은 유출이 가능해진다. 또한, 그곳에서부터 높은 H2 비율을 가진 매체가 유동 방향으로 계속해서 유출구를 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.
매우 바람직한 한 구성에 따라서, 포집 컨테이너에서부터 흡입 연결부를 경유하여 재순환 펌프의 유입 채널 내로 H2의 재순환이 수행된다. 또한, 포집 컨테이너에서부터 흡입 연결부를 경유하여 재순환 펌프의 유입 채널 또는 유출 채널 내로 H2의 재순환이 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 분리 과정에서 불리하게 그리고 바람직하지 않은 방식으로 H2O 및 N2와 함께 포집 컨테이너 내로 유출되는 H2 성분이 포집 컨테이너의 배기 시 H2O 및 N2 성분과 함께 배출 밸브에 의해 외부로 배출되지 않는다는 장점이 획득될 수 있다. H2 성분은 오히려 다시 재순환 과정으로, 그리고 그에 따라 연료 전지 시스템 내로 재순환될 수 있고, 그곳에서 상기 성분은 연료 전지 내에서의 에너지 재생을 위해 제공된다. 그렇게 하여, 소량의 H2만이 에너지 생성을 위해 연료 전지 시스템의 외부에서, 예컨대 고압 탱크로부터 계속 이송되면 된다. 이를 통해 연료 전지 시스템 및 최종적으로 전체 차량의 작동 비용이 절감될 수 있다. 또한, 그럼으로써, 예컨대 지하 주차장에 차량이 정차되어 있는 경우와 같은 특정 상황에서 H2의 가연성으로 인해 안전성 저하를 초래할 수 있는, H2가 연료 전지 시스템 외부 영역으로 점차 더 많이 배출되어야 하는 상황이 방지될 수 있다. 또한, 연료 전지의 효율 및/또는 출력이 증대될 수 있는 장점이 획득될 수 있다.
한 바람직한 구성에 따라서, 흡입 연결부는 스로틀링 요소를 포함한다. 재순환 펌프 및 연료 전지 시스템의 유동 채널들과 포집 컨테이너를 추가로 연결하는 흡입 연결부로 인해, 소정의 전제조건에서 재순환 펌프의 효율이 악화될 수 있는데, 그 이유는, 흡입 연결부로 인해 특히 유입 채널의 영역에 위치하는 저압측과, 특히 유출 채널의 영역에 위치하는 고압측 간에 연속적인 압력 교환 및 그에 따른 압력 손실이 일어나므로, 재순환 펌프가 컴프레서 임펠러를 이용하여 컴프레서 챔버 내에서 추가 에너지를 생성해야 하기 때문이다. 이제, 포집 컨테이너의 영역과 재순환 펌프의 유동 채널들 간의 최대한 큰 스로틀링을 야기하는 스로틀링 요소가 사용됨으로써, 재순환 펌프의 효율 손실이 적게 유지될 수 있다. 따라서, 스로틀링 요소를 통해 압력 손실이 예컨대 작은 유동 지름 단면에 의해 감소한다. 그렇게 하여, 고압측과 저압측 간의 압력 손실이 적게 유지될 수 있고, 그럼으로써 재순환 펌프의 효율이 증대되며 작동 비용은 절감될 수 있다.
한 바람직한 개선예에 따라서, 포집 컨테이너와 흡입 연결부 사이의 영역에 멤브레인 챔버가 배치되며, 이 멤브레인 챔버는 특히 멤브레인 인서트를 포함한다. 또한, 멤브레인 인서트는 반투성 멤브레인으로서 형성되며, 특히 분자 크기를 기반으로 매체의 가벼운 성분(H2)은 멤브레인을 통과하여 이동될 수 있는 반면, H2O 및 N2 성분의 멤브레인 통과 이동은 불가능하다. 이러한 방식으로, 한편으로는 흡입 연결부를 통해 저압측과 고압측 간의 압력 손실이 덜 발생한다는 장점이 획득될 수 있는데, 그 이유는 멤브레인이 압력 저감 작용을 하기 때문이다. 또한, 멤브레인을 통해, H2O 및 N2 성분이 흡입 연결부를 통해 다시 재순환 펌프 및 연료 전지 시스템 내로 환류될 수 있는 점이 방지되는 장점이 획득될 수 있는데, 그 이유는 분자 크기가 멤브레인을 통과하기에 너무 크기 때문이다. 그러나 분리 과정에서 불리하게 그리고 바람직하지 못한 방식으로 H2O 및 N2와 함께 포집 컨테이너 내로 유출된 H2 성분이 멤브레인을 통해 확산될 수 있고 그에 따라 멤브레인을 통과할 수 있는데, 그 이유는 H2의 분자 크기가 H2O 및 N2의 분자 크기보다 더 작기 때문이다. 또한, H2O가 액체 상태로 존재한다면, 표면 응력으로 인해 멤브레인이 흡입 연결부를 통한 H2O의 통과를 방지한다. 그렇게 하여, 재순환 펌프 및 전체 연료 전지 시스템의 효율이 증대된다.
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 제2 실시예에 따른 기액 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 제3 실시예에 따른 기액 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 제4 실시예에 따른 기액 분리 장치의 개략도이다.
도 1에 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 일 실시예에서 액체 성분(H2O)에 추가로 기체 성분(N2)을 매체에서 분리하며, 특히 기체 성분(N2)은 성분(H2)보다 더 큰 질량을 갖는다.
도 1은, 기액 분리 장치(2)를 구비한 재순환 펌프(9)가 도시되어 있는 연료 전지 시스템(1)을 보여주며, 상기 기액 분리 장치(2)는 재순환 펌프(9)의 하우징(11) 내에 통합되어 있다. 또한, 연료 전지 시스템(1)이 연료 전지(30)와 통합된 제트 펌프(jet pump)(10)를 포함하는 점도 도시되어 있다. 이 경우, 구성요소들인, 기액 분리 장치(2)를 구비한 재순환 펌프(9), 통합된 제트 펌프(10) 및 연료 전지(30)는 라인들에 의해 상호 유체 연결된다. 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) 및/또는 재순환 펌프(9)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 재순환 펌프(9)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 재순환 펌프(9)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.
또한, 도 1에는, 매체가 유입구(16)를 경유하여 유동 방향(II)으로 제2 테이퍼부(21)를 통해 재순환 펌프(9)의 유입 채널(7) 내로 흐르는 점도 도시되어 있다. 이 경우, 매체는 유입 채널(7)을 통해 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26) 내로 유입되기 전에 제2 테이퍼부(21)의 감소하는 지름으로 인해 가속된다. 이 경우, 재순환 펌프(9)는 하우징(11) 내부에 컴프레서 임펠러(13)를 포함하고, 이 컴프레서 임펠러(13)는 컴프레서 챔버(26) 내에 배치되며, 컴프레서 임펠러(13)는 회전 방향(35)으로 회전을 수행한다. 외주연에 블레이드들(37)이 배치되어 있는 컴프레서 임펠러(13)의 회전을 통해, 유입 채널(7)의 영역으로부터 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26) 내 유출 채널(20)의 영역 쪽으로의 회전 방향(35)으로 기체 매체의 가속 및/또는 압축이 수행된다. 컴프레서 임펠러(37)를 통한 기체 매체의 가속 및/또는 압축이 수행된 후에, 상기 기체 매체는 유출 채널(20)에서부터 제1 테이퍼부(15)를 통해 만곡부(19)의 영역 내로 유동되고, 이때 만곡부(19)는 반경부(17)를 가지며, 만곡부(19)의 영역 내에서는 기체 매체의 편향 및/또는 유동 안내가 수행된다. 이 경우, 매체가 유동 방향(II)으로 만곡부(19)를 관류할 때, H2O 및 N2 성분은 원심분리 원리에 의해 매체에서 분리된다. 이 경우, 매체는 제1 테이퍼부(15)를 관류할 때 유동 방향(II)으로 가속되며, 그런 다음 매체는 유동 방향(II)으로 만곡부(19)를 관류할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 강하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되는 방식의 편향을 거친다. 이 경우, 무거운 성분(H2O 및 N2)은 유동 방향(VI)으로 포집 컨테이너(12) 내로 유입되어 그에 따라 매체에서 분리되고, 거의 완전히 H2인 매체는 유동 방향(VII)으로 계속해서 재순환 펌프(9)의 유출구(18) 쪽으로 흐른다. 이때, 포집 컨테이너(12)는 만곡부(19)의 외부 반경부(17) 상에 배치된다. 그러나 H2 성분이 분리 과정에서 바람직하지 않은 방식으로 H2O 및 N2와 함께 포집 컨테이너(12) 내로 유출될 수도 있다. 이러한 H2가 연료 전지 시스템(1) 내에서의 추가 에너지 생성 과정을 위해 소실되지 않도록 하기 위해, 포집 컨테이너(12)로부터 흡입 연결부(9)를 경유하여 재순환 펌프(9)의 유입 채널(7) 내로 H2의 재순환이 제공된다.
또한, 도 1에는, 포집 컨테이너(12)가 자신의 하부 영역에 배출 밸브(46)를 포함하고, 이 배출 밸브(46)가 센서 시스템(22)과 연결되어 있는 모습이 도시되어 있다. 이 경우, 센서 시스템(22)은 포집 컨테이너(12) 내의 H2O 및 N2 비율과 경우에 따라 H2 비율 및/또는 포집 컨테이너 내 압력을 연속으로 검출하며, H2O 및 N2 성분의 농도와 관련한 특정 값 및 압력이 초과되는 즉시 배출 밸브(46)의 구동이 수행되고, H2O 및 N2 성분은 배출 밸브(46)에 의해 포집 컨테이너(12)로부터, 특히 하부 영역으로부터 배출되며, 그리고/또는 외부로 안내된다. 연료 전지 시스템(1)의 한 가능한 구성예에서, H2O 및 N2 성분이 배출 밸브(46)에 의해 선택적인 재순환 라인을 경유하여 연료 전지 시스템(1)의 흡입 시스템에 도달한다. 그곳으로부터 H2O 및 N2 성분은, 흡입 시스템을 통해 계속해서 연료 전지(30)의 캐소드 영역(32) 내로 흐른다. 한 실시예에서, 포집 컨테이너(12)로부터 다시 유입 채널(7) 내로 H2를 안내하는 데 이용될 수 있는 흡입 연결부(29)가 제공되며, 그럼으로써 H2가 연료 전지 회로의 외부로 안내되지 않게 된다.
도 1에서 알 수 있는 것처럼, 제1 실시예에 따른 기액 분리 장치(2)는 유동 방향(II)으로 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26)의 하류에 배치되며, 기액 분리 장치(2)는 특히 유출구(18)의 영역 내에 배치된다.
매체가 재순환 펌프(9)를 관류하여 유출구(18)를 통해 배출된 후에, 특히 거의 전부 H2인 매체는 계속해서 유동 방향(II)으로 유출 라인(5)을 경유하여 통합된 제트 펌프(10) 내로 흐른다. 제트 펌프(10) 내부에서는 소위 제트 펌프 효과가 일어난다. 이를 위해, 예컨대 제트 펌프(10)의 외부로부터 탱크 라인(33)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, 새로 생성된, 특히 거의 완전히 H2인 매체는 유입 라인(3)을 통해 연료 전지(30) 쪽으로, 특히 애노드 영역(31) 쪽으로 흐른다.
도 2에서 제2 실시예에 따른 기액 분리 장치(2)의 개략도에는, 유출 채널(20)이 만곡부(19)의 영역에 분리 에지부(8)를 구비한 모습이 도시되어 있다. 이 경우, 매체는 만곡부(19)를 관류할 때 분리 에지부(8)에 부딪치며, 이때 가벼운 성분 H2는 유출구(18) 쪽으로 향하는 유동 방향(VII)으로 편향되고, H2O 및 N2 성분은 유동 방향(VI)으로 포집 컨테이너(12) 내로 편향되며, 특히 적은 비율의 가벼운 성분 H2가 함께 포집 컨테이너(12) 내로 편향될 수 있다. 이 경우, 분리 에지부(8)가 분리 과정에 유리하게 작용하는데, 그 이유는 유동 방향(VII)으로 포집 컨테이너(12)를 향하는 무거운 성분(H2O 및 N2)과, 다른 한편으로 유동 방향(VII)으로 유출구(18)를 향하는 가벼운 성분(H2)으로의 매체 분할이 촉진되기 때문이다. 이 경우, 매체는, 만곡부(19)를 관류할 때, 만곡부(19)의 바깥쪽 영역에, 특히 곡선 외측 영역에 배치된 분리 에지부(8)에 부딪친다. 또한, 분리 에지부(8)는, 특히 원심분리 원리를 이용한, H2 성분에서 H2O 및 N2 성분의 분리를 지원하는 뾰족하고 그리고/또는 쐐기 형태의 영역을 갖는다. 이 경우, 만곡부(19)를 관류할 때 매체의 성분에 원심력이 작용하며, 이는 다시 특히 원심분리 원리를 이용한, 더 가벼운 성분 H2에서 H2O 및 N2 성분의 분리를 촉진한다.
이 경우, 추가로, 유출 채널(20)이 제1 테이퍼부(15)에 의해 유동 방향(II)으로 갈수록 좁아지는 것이 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, 이 경우, 추가로, 분리 에지부(8)가 유출 채널(20) 및/또는 만곡부(19)의 최저 지점에 위치하고, 그에 따라 중력 작용 방향으로 향해 있는 측에 위치하도록, 분리 에지부(8)는 유출 채널(20) 내에서 만곡부(19)의 영역 내에 배치된다. 그렇게 하여, 원심분리 원리에 의한 더 무거운 성분과 더 가벼운 성분의 분리는 추가로 중력 작용을 통해 지원될 수 있고, 그에 따라 더 효율적인 분리가 달성될 수 있다.
이 경우, 제2 실시예에 따른 기액 분리 장치(2)는 포집 컨테이너(12)와 예컨대 재순환 펌프(9)의 유입 채널(7) 간의 흡입 연결부(29)를 형성하지 않는다. 그럼으로써 유출 채널(20)과 유입 채널(7) 간의 압력 강하가 방지될 수 있다.
도 3에는, 제3 실시예에 따른 기액 분리 장치(2)의 개략도가 도시되어 있다. 여기서는, 흡입 연결부(29)가 스로틀링 요소(14)를 포함하는 모습이 도시되어 있다. 그에 추가로, 포집 컨테이너(12)와 흡입 연결부(29) 사이의 영역에 멤브레인 챔버(23)가 위치하고, 멤브레인 챔버(23)는 특히 멤브레인 인서트(25)를 포함하는 점도 도시되어 있다. 이 경우, 멤브레인 인서트(25)는 반투성 멤브레인(34)으로서 형성되며, 특히 분자 크기를 기반으로 매체의 가벼운 성분(H2)은 멤브레인(34)을 통과하여 이동될 수 있는 반면, H2O 및 N2 성분의 멤브레인(34) 통과 이동은 불가능하다. 이 경우, 흡입 연결부(29)는 포집 컨테이너(12)의 적어도 거의 최고 지점에, 그리고 그에 따라 중력 작용 방향의 반대 방향으로 향하는 포집 컨테이너(12)의 측에 위치하는 반면, 배출 밸브(46)는 포집 컨테이너(12)의 최저 지점에, 그리고 그에 따라 중력 작용 방향으로 향해 있는 포집 컨테이너(12)의 측에 위치한다. 그럼으로써, 더 무거운 성분(H2O 및 N2)은 이들의 큰 질량을 기반으로 포집 컨테이너(12) 내에서 배출 밸브(46)의 방향으로 흐르고, 그에 따라 중력 작용 방향으로 향해 있는 포집 컨테이너(12)의 하부 체적부를 채운다는 장점이 획득될 수 있다. 그와 반대로, 더 가벼운 성분(H2)은 자신의 작은 질량을 기반으로 포집 컨테이너(12) 내에서 배출 밸브(46)의 방향으로 흐르고, 그에 따라 중력 작용 방향의 반대 방향으로 향해 있는 포집 컨테이너(12)의 상부 체적부를 채운다. 그렇게 하여, 포집 컨테이너(12) 내에서 중력을 이용한 성분들의 성층(stratification)을 통해, 높은 비율의 H2O 및 N2 성분이 배출 밸브(46)를 통해 배출될 수 있는 반면, 배출 밸브(46)를 통한 H2의 배출은 거의 완전히 방지되는 점이 보장되는 장점이 획득될 수 있다. 또한, 포집 컨테이너(12) 내에서 중력을 이용한 성분들의 성층을 통해, 높은 비율의 H2 성분은 흡입 연결부(29)를 통해 다시 재순환 펌프 내로 재순환될 수 있는 점이 보장된다.
이 경우, H2 성분은 목표한 바대로 흡입 영역(29)을 통해, 제2 테이퍼부(21)의 영역 하류에 위치하는 유입구(16) 및/또는 유입 채널(7)의 영역 내로 안내되며, 이 경우 특히 상기 영역에서 제트 펌프 효과가 형성된다.
도 4에는, 기액 분리 장치(2)가 유동 방향(II)으로 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26)의 상류에 위치하도록, 특히 유입구(16)의 영역 내에 배치된 모습이 도시되어 있다. 이 경우, 재순환 펌프(9)는 유입구(16), 분리 에지부(8) 및 포집 컨테이너(12)를 포함하고, 유입구(16)는 유동 방향(II)으로 우선 제2 테이퍼부(21)를 포함하며, 그런 다음 특히 분리 에지부(8)의 영역에 반경부(17)를 갖는 만곡부(19)를 포함한다. 매체는 제2 테이퍼부(21)를 관류할 때 유동 방향(II)으로 가속된다. 또한, 매체는 유동 방향(II)으로 만곡부(19)를 관류할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 강하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그의 질량을 기반으로 더 약하게 편향되는 방식의 편향을 거친다. 이 경우, H2O 및 N2 성분, 그리고 부분적으로 H2 성분도 분리 에지부(8)에 의해 포집 컨테이너(12) 내로 편향된다. 이 경우, 포집 컨테이너(12)로부터 H2의 재순환은 흡입 연결부(29)를 통해 재순환 펌프(9)의 유출 채널(20) 내로 수행된다.
본 발명은 본원에 기술된 실시예들 및 이 실시예들에서 강조되는 양태들로만 제한되지 않는다. 오히려, 청구범위를 통해 명시된 범위 내에서 다수의 변형이 가능하다.

Claims (14)

  1. 기체 성분, 특히 H2에서 적어도 하나의 액체 성분, 특히 H2O를 분리하기 위한 기액 분리 장치(2)로서, 상기 기액 분리 장치는 매체가 공급되는 포집 컨테이너(12)를 포함하고, 상기 포집 컨테이너(12) 내에서 적어도 매체의 액체 성분의 분리가 수행되며, 매체의 분리된 부분은 배출 밸브(46)를 통해 포집 컨테이너(12)로부터 배출되는, 기액 분리 장치에 있어서,
    기액 분리 장치(2)는 재순환 펌프(9)의 하우징(11) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리 장치는 유동 방향(II)으로 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26)의 하류에 위치되는 방식으로, 특히 유출구(18)의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  3. 제1항에 있어서, 상기 기액 분리 장치는 유동 방향(II)으로 재순환 펌프(9)의 컴프레서 챔버(26)의 상류에 위치되는 방식으로, 특히 유입구(16)의 영역 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 성분(H2O)에 추가로 기체 성분(N2)이 매체에서 기액 분리 장치(2)를 통해 분리되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  5. 제2항에 있어서, 상기 기액 분리 장치는 유출 채널(20), 분리 에지부(8) 및 포집 컨테이너(12)를 포함하며, 유출 채널(20)은 유동 방향(II)으로 우선 제1 테이퍼부(15)를 포함하고, 그런 다음 특히 분리 에지부(8)의 영역에 반경부(17)를 갖는 만곡부(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  6. 제3항에 있어서, 상기 기액 분리 장치는 유입구(16), 분리 에지부(8) 및 포집 컨테이너(12)를 포함하며, 유입구(16)는 유동 방향(II)으로 우선 제2 테이퍼부(21)를 포함하고, 그런 다음 특히 분리 에지부(8)의 영역에 반경부(17)를 갖는 만곡부(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  7. 제4항에 있어서, 상기 H2O 및 N2 성분은 원심분리 원리에 의해 매체에서 분리되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  8. 제5항 내지 제7항에 있어서, 상기 매체는 제1 및/또는 제2 테이퍼부(15, 21)를 관류할 때 유동 방향(II)으로 가속되며, 상기 매체는 유동 방향(II)으로 만곡부(19)를 관류할 때, H2O 및 N2 성분이 이들의 질량을 기반으로 더 강하게 편향되고, 가벼운 성분 H2는 그 질량을 기반으로 더 약하게 편향되는 방식의 편향을 거치는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  9. 제8항에 있어서, 상기 매체는 만곡부(19)를 관류할 때 분리 에지부(8)에 부딪치며, 가벼운 성분 H2는 유출구(18) 쪽으로 향하는 유동 방향(VII)으로 편향되고, H2O 및 N2 성분은 유동 방향(VI)으로 포집 컨테이너(12) 내로 편향되며, 이때 특히 적은 비율의 가벼운 성분 H2가 함께 포집 컨테이너(12) 내로 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  10. 제2항 및 제9항에 있어서, 포집 컨테이너(12)로부터 흡입 연결부(29)를 경유하여 재순환 펌프(9)의 유입 채널(7) 내로 H2의 재순환이 수행되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  11. 제3항 및 제9항에 있어서, 포집 컨테이너(12)로부터 흡입 연결부(29)를 경유하여 재순환 펌프(9)의 유입 채널(7) 또는 유출 채널(20) 내로 H2의 재순환이 수행되는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 흡입 연결부(29)는 스로틀링 요소(14)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 포집 컨테이너(12)와 흡입 연결부(29) 사이의 영역에 멤브레인 챔버(23)가 배치되며, 이 멤브레인 챔버(23)는 특히 멤브레인 인서트(25)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
  14. 제13항에 있어서, 멤브레인 인서트(25)는 반투성 멤브레인(34)으로서 형성되며, 특히 분자 크기를 기반으로, 매체의 가벼운 성분(H2)은 멤브레인(34)을 통과하여 이동될 수 있는 반면, H2O 및 N2 성분의 멤브레인(34) 통과 이동은 불가능한 것을 특징으로 하는, 기액 분리 장치(2).
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