KR20210048300A - 연료전지용 워터트랩장치 - Google Patents

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KR20210048300A
KR20210048300A KR1020190132415A KR20190132415A KR20210048300A KR 20210048300 A KR20210048300 A KR 20210048300A KR 1020190132415 A KR1020190132415 A KR 1020190132415A KR 20190132415 A KR20190132415 A KR 20190132415A KR 20210048300 A KR20210048300 A KR 20210048300A
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에서 배출된 가스가 연료전지 스택으로 재순환하는 재순환 라인에 마련되는 연료전지용 워터트랩장치에 관한 것으로, 제1방향을 따라 형성되며 연료전지 스택에서 배출된 가스가 유입되는 제1트랩부, 제1트랩부와 연통되며 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제2트랩부, 및 제1트랩부보다 상부에 위치하도록 제2트랩부와 연통되며 제1방향을 따라 형성되는 제3트랩부를 포함하는 워터트랩 본체; 및 제1방향에 교차하게 배치되는 제1포집위치 및 제2방향에 교차하게 배치되는 제2포집위치로 선택적으로 이동 가능하게 제2트랩부에 마련되며, 제2트랩부를 통과하는 가스에서 수분을 포집하는 제1격벽부재;를 포함하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 워터트랩장치{WATER TRAP APPARATUS FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 워터트랩장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 효과적으로 포집할 수 있는 연료전지용 워터트랩장치에 관한 것이다.
연료전지 시스템은 연속적으로 공급되는 연료의 화학적인 반응으로 전기에너지를 계속적으로 생산해 내는 시스템으로써, 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 지속적인 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지 시스템은 사용되는 전해질의 종류에 따라서 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염형연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체산화물형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류될 수 있고, 사용되는 연료의 종류와 함께 작동온도, 출력범위 등에 따라서 이동전원용, 수송용, 분산발전용 등의 다양한 응용분야에 적용될 수 있다.
이중, 고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신하도록 개발되고 있는 수소차(수소연료전지 자동차) 분야에 적용되고 있다.
수소차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다. 따라서, 수소차는 수소(H2)가 저장되는 수소탱크(H2 Tank), 수소와 산소(O2)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산해내는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack), 생성된 물을 배수하기 위한 각종 장치들뿐만 아니라 스택에서 생산된 전기를 저장하는 배터리, 생산된 전기를 변환 및 제어하는 컨트롤러, 구동력을 발생시키는 모터 등을 포함한다.
연료전지 스택은 수십 또는 수백 개의 셀을 직렬로 적층한 연료전지 본체를 의미하며, 연료전지 셀은, 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)의 양면에 분리판을 각각 배치하여 구성된다.
한편, 연료전지 스택의 애노드(연료극) 입구로 수소가 공급되면, 반응하지 않은 미반응 수소(H2+water)는 애노드의 출구로 배출되는데, 미반응 수소내에 함유된 응축수(수분)는 워터트랩(water trap)을 통과하는 중에 중력에 의하여 낙하하여 포집되고, 응축수가 제거된 수소는 다시 애노드의 입구로 재순환된다.
그러나, 기존에는 연료전지 스택으로 재순환되는 가스(미반응 수소)내에 함유된 응축수가 워터트랩을 통과하는 중에 중력에 의해서만 포집될 수 있으므로, 재순환되는 가스내에 함유된 응축수를 효과적으로 포집하기 어렵고, 응축수가 과도하게 포함된 수소가 연료전지 스택으로 재순환됨에 따라 연료전지 스택의 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하는 문제점이 있다.
더욱이, 기존에는 미반응 수소내에 함유된 응축수가 워터트랩을 통과하는 중에 오로지 중력에 의해서만 포집될 수 있으므로, 연료전지 스택의 운전 조건(예를 들어, 저출력 운전 또는 고출력 운전)에 따라 응축수 포집 효율을 조절하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 효과적으로 포집하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 효과적으로 포집할 수 있는 연료전지용 워터트랩장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 워터트랩장치의 내부를 따라 흐르는 수분(응축수)에서 비산된 액적이 워터트랩장치를 통과하는 가스의 흐름(상승 기류)을 따라 상승되어 연료전지 스택으로 유입되거나, 워터트랩장치의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름에 의해 벽면을 타고 상승하여 연료전지 스택으로 유입되는 것을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 재순환 가스의 과습도로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 억제할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 재순환 가스에 포함된 수분의 포집 효율을 극대화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택에서 배출된 가스가 연료전지 스택으로 재순환하는 재순환 라인에 마련되는 연료전지용 워터트랩장치는, 제1방향을 따라 형성되며 연료전지 스택에서 배출된 가스가 유입되는 제1트랩부, 제1트랩부와 연통되며 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제2트랩부, 및 제1트랩부보다 상부에 위치하도록 제2트랩부와 연통되며 제1방향을 따라 형성되는 제3트랩부를 포함하는 워터트랩 본체; 및 제1방향에 교차하게 배치되는 제1포집위치 및 제2방향에 교차하게 배치되는 제2포집위치로 선택적으로 이동 가능하게 제2트랩부에 마련되며, 제2트랩부를 통과하는 가스에서 수분을 포집하는 제1격벽부재;를 포함한다.
이는 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분(응축수)을 효과적으로 포집하기 위함이다.
즉, 기존에는 연료전지 스택으로 재순환되는 가스(미반응 수소)내에 함유된 응축수가 워터트랩을 통과하는 중에 중력에 의해서만 포집될 수 있으므로, 재순환되는 가스내에 함유된 수분을 효과적으로 포집하기 어렵고, 수분이 과도하게 포함된 가스가 연료전지 스택으로 재순환됨에 따라 연료전지 스택의 내부에 플러딩 현상이 발생하는 문제점이 있다.
특히, 기존에는 워터트랩장치의 내부를 따라 흐르는 수분(응축수)에서 비산된 액적이 워터트랩장치를 통과하는 가스의 흐름(상승 기류)을 따라 상승되어 연료전지 스택으로 유입되거나, 워터트랩장치의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름에 의해 벽면을 따라 상승하여 연료전지 스택으로 유입되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 제1격벽부재가 제1포집위치와 제2포집위치로 선택적으로 이동하며 가스에 함유된 수분을 포집하도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 보다 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도 본 발명은 제2트랩부를 통과하는 가스에 함유된 응축수의 거동에 따라 제1격벽부재가 제1포집위치 또는 제2포집위치로 이동하도록 하는 것에 의하여, 워터트랩장치의 내부를 따라 흐르는 수분(응축수)에서 비산된 액적이 워터트랩장치를 통과하는 가스의 흐름(상승 기류)을 따라 상승되어 연료전지 스택으로 유입되거나, 워터트랩장치의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름에 의해 벽면을 따라 이동하여 연료전지 스택으로 유입되는 현상을 최소화하고, 재순환 가스의 과습도로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1격벽부재는, 제1포집위치에서 수직하게 배치되고, 제2포집위치에서 수평하게 배치된다.
바람직하게, 연료전지 스택의 제1출력 운전조건에서는 제1격벽부재가 상기 제1포집위치로 이동하고, 제1출력 운전조건보다 높은 연료전지 스택의 제2출력 운전조건에서는 제1격벽부재가 제2포집위치로 이동한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택의 제1출력 운전조건에서, 제1격벽부재가 제1포집위치에서 수직하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제1트랩부의 바닥에 모인 수분층이 제2트랩부의 수용공간으로 낙하하는 중에, 수분층으로부터 비산되는 액적을 제1격벽부재에 의해 차단(제1격벽부재에 부딪힌 후 아래로 낙하)할 수 있으므로, 비산된 액적이 가스와 함께 상승하는 것을 최소화하고, 연료전지 스택으로 유입되는 수분을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
반면, 연료전지 스택의 제2출력 운전조건에서, 제1격벽부재가 제2포집위치에서 수평하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제2트랩부의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름(상승 기류)에 의해 벽면을 타고 상부로 이동하는 것을 차단(제2격벽부재에 부딪힌 후 아래로 낙하)할 수 있으므로, 연료전지 스택으로 유입되는 수분을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치는, 제1트랩부에서 제3트랩부를 향해 배치되도록 제2트랩부에 마련되는 가이드부재, 및 제1격벽부재가 연결되며 가이드부재에 직선 이동 및 회전 가능하게 결합되는 이동부재를 포함하고, 제1격벽부재는 가이드부재에 대해 직선 이동 및 회전하며 선택적으로 제1포집위치 및 제2포집위치로 이동한다.
바람직하게, 제1포집위치에서 제1격벽부재는 제1트랩부의 출구단으로부터 이격되게 배치된다. 이와 같이, 제1포집위치에서 제1격벽부재가 제1트랩부의 출구단으로부터 이격되게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제1격벽부재에 의한 저항 증가를 최소화하고, 워터트랩 본체의 차압(워터트랩 본체의 입구와 출구의 압력차) 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2포집위치에서 제1격벽부재의 일단은 제2트랩부의 벽면에 밀착된다. 이와 같이, 제2포집위치에서 제1격벽부재의 일단을 제2트랩부의 벽면에 밀착시키는 것에 의하여, 제2트랩부의 벽면에 달라붙은 액적이 상부 방향으로 이동하는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치는, 제1격벽부재와 직교하게 이동부재에 연결되며, 제1포집위치에서 수평하게 배치되고, 제2포집위치에서 수직하게 배치되는 제2격벽부재를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1포집위치에서 제2격벽부재가 제1트랩부의 내부에 수평하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 제1출력 운전조건에서, 제1트랩부의 바닥에 모인 수분층이 제2트랩부의 수용공간으로 낙하하는 중에, 수분층으로부터 전방(수평 방향을 따른 전방)으로 비산되는 액적이 제1격벽부재에 의해 차단됨과 동시에, 수분층으로부터 상부 방향으로 비산되는 액적이 제2격벽부재에 의해 차단될 수 있으므로, 비산된 액적이 가스와 함께 상승하는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2포집위치에서 제2격벽부재가 제2트랩부의 내부에 수직하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택의 제2출력 운전조건에서, 제2트랩부의 벽면을 맞고 튀어나온 액적 및 제2트랩부의 벽면에 달라붙은 액적을 제2트랩부를 따라 상승하는 가스의 흐름과 분리(차단)할 수 있으므로, 액적이 가스와 함께 상승하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제2격벽부재는 가스가 통과 가능한 다공성 구조체로 형성된다. 이와 같이, 제2격벽부재를 다공성 구조체로 형성하는 것에 의하여, 제2격벽부재에 의한 저항 증가를 최소화하고, 워터트랩 본체의 차압 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2격벽부재는 제2트랩부의 폭 길이보다 작은 길이를 갖도록 형성된다. 이와 같이, 제2격벽부재의 길이를 제2트랩부의 폭 길이보다 작게 형성하는 것에 의하여, 제2트랩부의 내부에서 제2격벽부재의 회전이 허용될 수 있다.
더욱 바람직하게, 제2포집위치에서 제2격벽부재는, 제2트랩부를 통과하는 가스의 유동 영역 중, 가스의 유동 흐름이 상대적으로 작은 저유동 영역에 배치된다. 보다 구체적으로, 제2트랩부를 통과하는 가스의 유동 영역 중 저유동 영역은 제1트랩부의 출구단을 마주하는 제2트랩부의 벽면에 인접하게 형성된다.
이와 같이, 제2포집위치에서 제2격벽부재가 가스의 유동 흐름이 상대적으로 작은 저유동 영역에 배치되도록 하는 것에 의하여, 제2격벽부재에 의한 가스의 유동 흐름 저하 및 차압 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치는, 제2트랩부에 마련되며 가이드부재를 선택적으로 상하 방향을 따라 이동 가능하게 지지하는 지지부재를 포함한다.
바람직하게, 연료전지 스택의 출력이 증가하면, 가이드부재는 지지부재를 따라 상부 방향으로 이동하고, 연료전지 스택의 출력이 감소하면, 가이드부재는 지지부재를 따라 하부 방향으로 이동한다.
이와 같이, 연료전지 스택의 출력이 증가하면, 가이드부재가 지지부재를 따라 상부 방향으로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제2포집위치에서 제1격벽부재를 보다 위쪽(제2트랩부의 상단부)에 배치시킬 수 있으므로, 제1격벽부재의 상부에서 제2트랩부의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름(상승 기류)에 의해 제3트랩부로 이동하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료전지 스택으로 재순환되는 가스에서 수분을 효과적으로 포집하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명에 따르면 워터트랩장치의 내부를 따라 흐르는 수분(응축수)에서 비산된 액적이 워터트랩장치를 통과하는 가스의 흐름(상승 기류)을 따라 상승되어 연료전지 스택으로 유입되거나, 워터트랩장치의 벽면에 달라붙은 액적이 가스의 흐름에 의해 벽면을 타고 상승하여 연료전지 스택으로 유입되는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 재순환 가스의 과습도로 인한 연료전지 스택 내 플러딩 현상을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연료전지 스택의 운전 조건에 따라 재순환 가스에 포함된 수분의 포집 효율을 극대화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 워터트랩장치가 적용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제1격벽부재 및 제2격벽부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제1출력 운전조건에서 제1격벽부재 및 제2격벽부재의 배치 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제2출력 운전조건에서 제1격벽부재 및 제2격벽부재의 배치 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 지지부재를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 워터트랩장치가 적용된 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제1격벽부재 및 제2격벽부재를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제1출력 운전조건에서 제1격벽부재 및 제2격벽부재의 배치 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 제2출력 운전조건에서 제1격벽부재 및 제2격벽부재의 배치 상태를 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 연료전지용 워터트랩장치로서, 지지부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 워터트랩장치(100)는, 연료전지 스택(20)에서 배출된 가스가 연료전지 스택(20)으로 재순환하는 재순환 라인(102)에 마련되되, 제1방향을 따라 형성되며 연료전지 스택(20)에서 배출된 가스가 유입되는 제1트랩부(110), 제1트랩부(110)와 연통되며 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제2트랩부(120), 및 제1트랩부(110)보다 상부에 위치하도록 제2트랩부(120)와 연통되며 제1방향을 따라 형성되는 제3트랩부(130)를 포함하는 워터트랩 본체(105); 및 제1방향에 교차하게 배치되는 제1포집위치 및 제2방향에 교차하게 배치되는 제2포집위치로 선택적으로 이동 가능하게 제2트랩부(120)에 마련되며, 제2트랩부(120)를 통과하는 가스에서 수분을 포집하는 제1격벽부재(140);를 포함한다.
참고로, 본 발명에 따른 워터트랩장치(100)는 연료전지 시스템(10)에서 연료전지 스택(20)으로 재순환하는 가스(수소)에 함유된 수분(응축수)을 제거하기 위해 사용된다.
일 예로, 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20), 공기를 압축시켜 연료전지 스택(20)으로 공급하는 압축기(30), 연료전지 스택(20)에 수소를 공급하는 수소공급부(50)를 포함하며, 압축기(30)에 의해 압축된 공기는 공기공급라인(32)을 따라 연료전지 스택(20)의 캐소드(24)로 공급될 수 있고, 수소공급부(50)에 저장된 수소는 수소공급라인(52)을 따라 연료전지 스택(20)의 애노드(22)로 공급될 수 있다.
연료전지 스택(20)은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 연료전지 스택(20)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 연료전지 스택(20)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(20)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)(22)와 캐소드(cathode)(24)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드(22)로 공급되고, 공기는 캐소드(24)로 공급된다.
애노드(22)로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드(24)로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드(24)로 전달된다.
캐소드(24)에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드(24)로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
또한, 공기공급라인(32)에는 압축기(30)를 통과한 공기가 연료전지 스택(20)으로 유입되기 전에 공기를 선택적으로 가습하기 위한 가습기(40)가 마련될 수 있다. 여기서, 공기를 가습한다 함은 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의된다.
공기의 가습 정도는 연료전지 스택(20)의 내부 습도에 따라 조절될 수 있으며, 연료전지 스택(20)의 내부 습도가 충분한 경우에는, 공기공급라인(32)을 따라 공급되는 공기 중 일부만이 가습기(40)를 통과하여 가습되고, 나머지 공기는 바아패스유로(미도시)를 통해 가습기(40)를 거치지 않고 곧바로 연료전지 스택(20)으로 공급될 수 있다.
워터트랩 본체(105)는 연료전지 스택(20)에서 배출된 가스가 연료전지 스택(20)으로 재순환하는 재순환 라인(102)에 마련되며, 연료전지 스택(20)으로 재순환하는 가스(수소)에서 수분(응축수)을 제거한다.
보다 구체적으로, 워터트랩 본체(105)는, 제1방향을 따라 형성되며 연료전지 스택(20)에서 배출된 가스가 유입되는 제1트랩부(110), 제1트랩부(110)와 연통되며 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제2트랩부(120), 및 제1트랩부(110)보다 상부에 위치하도록 제2트랩부(120)와 연통되며 제1방향을 따라 형성되는 제3트랩부(130)를 포함한다.
바람직하게, 제1방향은 수평 방향을 따라 정의되고, 제2방향은 수직 방향을 따라 정의된다.
일 예로, 제1트랩부(110)는 중공의 관 형태로 형성될 수 있으며, 수평 방향을 따라 배치되어 워터트랩 본체(105)의 입구부를 형성한다.
제2트랩부(120)는 제1트랩부(110)의 출구단에 연통되게 수직 방향을 따라 형성된다.
바람직하게, 제2트랩부(120)의 저면(바닥)은 제1트랩부(110)의 저면(바닥)보다 낮은 높이를 갖도록 형성되며, 제2트랩부(120)의 하부에는 가스에서 분리(포집)된 응축수가 수용되는 수용공간(122)이 형성된다.
또한, 제2트랩부(120)의 하부에는 수용공간(122)에 저장되는 응축수를 외부로 배출하는 배출라인(미도시)이 연결될 수 있다.
제3트랩부(130)는 제1트랩부(110)보다 상부에 위치하도록(제1트랩부의 출구단보다 높은 높이에 입구단을 갖도록) 제2트랩부(120)의 출구단에 연통되게 수평 방향을 따라 배치되며, 워터트랩 본체(105)의 출구부를 형성한다.
연료전지 스택(20)에서 배출된 가스는 제1트랩부(110), 제2트랩부(120) 및 제3트랩부(130)를 순차적으로 통과한 후, 재순환 라인(102)을 따라 다시 연료전지 스택(20)의 애노드(22)로 공급된다.
가스가 제1트랩부(110)를 통과하는 중에, 가스에 포함된 수분 중 일부는 제1트랩부(110)의 벽면에 접촉되거나 중력(자중)에 의해 낙하하여 제1트랩부(110)의 바닥에 모이고, 제1트랩부(110)를 통과하는 가스의 흐름에 따라 제1트랩부(110)의 바닥에 모인 수분층(응축수 층)(WL)은 제1트랩부(110)의 바닥을 타고 이동하여 제2트랩부(120)의 수용공간(122)에 수용된다.
가스가 제2트랩부(120)를 통과(상승)하는 중에, 가스에 포함된 수분 중 다른 일부는 제2트랩부(120)의 벽면에 접촉되거나 중력(자중)에 의해 낙하하여 제2트랩부(120)의 바닥(수용공간)에 포집된다.
제2트랩부(120)를 통과한 가스는 최종적으로 제3트랩부(130)를 거쳐 연료전지 스택(20)의 애노드(22)로 공급된다. 마찬가지로, 가스가 제3트랩부(130)를 통과하는 중에도, 가스에 포함된 수분 중 또 다른 일부는 제3트랩부(130)의 벽면에 접촉되거나 중력(자중)에 의해 낙하함으로써 제3트랩부(130)에 포집될 수 있다.
제1격벽부재(140)는 제1방향에 교차하게 배치되는 제1포집위치(도 4 및 도 5 참조), 및 제2방향에 교차하게 배치되는 제2포집위치(도 6 및 도 7 참조)로 선택적으로 이동 가능하게 제2트랩부(120)에 마련된다.
바람직하게, 제1격벽부재(140)는, 제1포집위치에서 수직하게 배치되고, 제2포집위치에서 수평하게 배치된다.
이는, 연료전지 스택(20)의 운전 조건에 따른 응축수(수분)의 거동에 따라, 가스에 포함된 수분을 보다 효과적으로 포집하기 위함이다.
즉, 연료전지 스택(20)의 저출력 운전조건(예를 들어, 제1출력 운전조건)에서는, 워터트랩 본체(105)를 통과하는 가스의 유속이 낮으므로, 가스가 제1트랩부(110)를 통과하는 중에, 가스에 포함된 수분은 제1트랩부(110)의 벽면에 접촉되거나 중력(자중)에 의해 낙하하여 제1트랩부(110)의 바닥에 모이고, 제1트랩부(110)를 통과하는 가스의 흐름에 따라 제1트랩부(110)의 바닥에 모인 수분층(응축수 층)(WL)은 제1트랩부(110)의 바닥을 타고 이동한다. 그런데, 제1트랩부(110)의 바닥에 모인 수분층(WL)이 제2트랩부(120)의 수용공간(122)으로 낙하하는 중에, 수분층(WL)으로부터 액적(WD)이 비산되며 제2트랩부(120)를 따라 상승하는 가스와 함께 상승하여 연료전지 스택(20)으로 유입되는 문제점이 있다.
반면, 연료전지 스택(20)의 고출력 운전조건(예를 들어, 제1출력 운전조건보다 높은 출력의 제2출력 운전조건)에서는, 워터트랩 본체(105)를 통과하는 가스의 유속이 높으므로, 제1트랩부(110)를 거쳐 제2트랩부(120)의 벽면에 달라붙은 액적(WD)이 가스의 흐름(상승 기류)(GF)에 의해 벽면을 타고 상부로 이동하여 연료전지 스택(20)으로 유입되는 문제점이 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명은 연료전지 스택(20)의 제1출력 운전조건(저출력 운전조건)에서, 제1격벽부재(140)가 제1포집위치에서 수직하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제1트랩부(110)의 바닥에 모인 수분층(WL)이 제2트랩부(120)의 수용공간(122)으로 낙하하는 중에, 수분층(WL)으로부터 비산되는 액적(WD)을 제1격벽부재(140)에 의해 차단(제1격벽부재에 부딪힌 후 낙하)할 수 있으므로, 비산된 액적(WD)이 가스와 함께 상승하는 것을 최소화하고, 연료전지 스택(20)으로 유입되는 수분을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명은 연료전지 스택(20)의 제2출력 운전조건(고출력 운전조건)에서, 제1격벽부재(140)가 제2포집위치에서 수평하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제2트랩부(120)의 벽면에 달라붙은 액적(WD)이 가스의 흐름(상승 기류)(GF)에 의해 벽면을 타고 상부로 이동하는 것을 차단(제2격벽부재에 부딪힌 후 낙하)할 수 있으므로, 연료전지 스택(20)으로 유입되는 수분을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
참고로, 본 발명에서, 제1격벽부재(140)가 제1포집위치에서 제2포집위치로 이동한다 함은, 제1격벽부재(140)가 제1포집위치에서 제2포집위치(또는 제2포집위치에서 제1포집위치)로 직선 이동 및 회전하거나 곡선 이동하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
일 예로, 제1격벽부재(140)는 좌우 방향(도 2 기준)을 따라 제1포집위치에서 제2포집위치로 직선 이동함과 동시에 회전하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1격벽부재가 원호형 곡선 경로를 따라 제1포집위치에서 제2포집위치로 이동하도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치(100)는, 제1트랩부(110)에서 제3트랩부(130)를 향해 배치되도록 제2트랩부(120)에 마련되는 가이드부재(160), 및 제1격벽부재(140)가 연결되며 가이드부재(160)에 직선 이동 및 회전 가능하게 결합되는 이동부재(170)를 포함하고, 제1격벽부재(140)는 가이드부재(160)에 대해 직선 이동 및 회전하며 선택적으로 제1포집위치 및 제2포집위치로 이동한다.
일 예로, 가이드부재(160)는 제1트랩부(110)에서 제3트랩부(130)를 향해 상향 경사지게 직선 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 가이드부재가 'L'자 형태로 절곡된 이동 경로를 형성하는 것도 가능하다.
이동부재(170)는 가이드부재(160)를 따라 직선 이동함과 동시에 가이드부재(160)에 대해 회전하도록 구성되며, 이동부재(170)에 연결된 제1격벽부재(140)는 가이드부재(160)에 대한 이동부재(170)의 이동(직선 이동 및 회전)에 따라 선택적으로 제1포집위치에서 제2포집위치로 이동할 수 있다.
바람직하게, 제1포집위치에서 제1격벽부재(140)는 제1트랩부(110)의 출구단으로부터 이격되게 배치된다. 이와 같이, 제1포집위치에서 제1격벽부재(140)가 제1트랩부(110)의 출구단으로부터 이격되게 배치되도록 하는 것에 의하여, 제1격벽부재(140)에 의한 저항 증가를 최소화하고, 워터트랩 본체(105)의 차압(워터트랩 본체의 입구와 출구의 압력차) 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2포집위치에서 제1격벽부재(140)의 일단은 제2트랩부(120)의 벽면에 밀착된다. 이와 같이, 제2포집위치에서 제1격벽부재(140)의 일단을 제2트랩부(120)의 벽면에 밀착시키는 것에 의하여, 제2트랩부(120)의 벽면에 달라붙은 액적(WD)이 상부 방향으로 이동하는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1격벽부재(140)는 제1포집위치 및 제2포집위치로 선택적으로 이동 가능한 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 제1격벽부재(140)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 3을 참조하면, 제1격벽부재(140)는 소정 폭 및 길이를 갖는 평판 형태로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치(100)는, 제1격벽부재(140)와 직교하게 이동부재(170)에 연결되며, 제1포집위치에서 수평하게 배치되고, 제2포집위치에서 수직하게 배치되는 제2격벽부재(150)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2격벽부재(150)는 제1격벽부재(140)와 상호 협조적으로 'L'자 형태를 이루도록 형성된다.
이와 같이, 제1포집위치에서 제2격벽부재(150)가 제1트랩부(110)의 내부에 수평하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20)의 제1출력 운전조건에서, 제1트랩부(110)의 바닥에 모인 수분층(WL)이 제2트랩부(120)의 수용공간(122)으로 낙하하는 중에, 수분층(WL)으로부터 전방(수평 방향을 따른 전방)으로 비산되는 액적(WD)이 제1격벽부재(140)에 의해 차단됨과 동시에, 수분층(WL)으로부터 상부 방향으로 비산되는 액적(WD)이 제2격벽부재(150)에 의해 차단될 수 있으므로, 비산된 액적(WD)이 가스와 함께 상승하는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2포집위치에서 제2격벽부재(150)가 제2트랩부(120)의 내부에 수직하게 배치되도록 하는 것에 의하여, 연료전지 스택(20)의 제2출력 운전조건에서, 제2트랩부(120)의 벽면을 맞고 튀어나온 액적(WD) 및 제2트랩부(120)의 벽면에 달라붙은 액적(WD)을 제2트랩부(120)를 따라 상승하는 가스의 흐름(GF)과 분리(차단)할 수 있으므로, 액적(WD)이 가스와 함께 상승하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제2격벽부재(150)는 가스가 통과 가능한 다공성 구조체로 형성된다. 일 예로, 제2격벽부재(150)는 복수개의 관통홀이 형성된 다공성 플레이트로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제2격벽부재(150)를 다공성 구조체로 형성하는 것에 의하여, 제2격벽부재(150)에 의한 저항 증가를 최소화하고, 워터트랩 본체(105)의 차압(워터트랩 본체의 입구와 출구의 압력차) 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2격벽부재(150)는 제2트랩부(120)의 폭 길이(L1)보다 작은 길이(L2)를 갖도록 형성된다. 이와 같이, 제2격벽부재(150)의 길이(L2)를 제2트랩부(120)의 폭 길이(L1)보다 작게 형성하는 것에 의하여, 제2트랩부(120)의 내부에서 제2격벽부재(150)의 회전이 허용될 수 있다.
더욱 바람직하게, 제2포집위치에서 제2격벽부재(150)는, 제2트랩부(120)를 통과하는 가스의 유동 영역 중, 가스의 유동 흐름(GF)이 상대적으로 작은 저유동 영역에 배치된다.
보다 구체적으로, 제2트랩부(120)를 통과하는 가스의 유동 영역 중 저유동 영역은 제1트랩부(110)의 출구단을 마주하는 제2트랩부(120)의 벽면에 인접하게 형성된다.
이와 같이, 제2포집위치에서 제2격벽부재(150)가 가스의 유동 흐름(GF)이 상대적으로 작은 저유동 영역에 배치되도록 하는 것에 의하여, 제2격벽부재(150)에 의한 가스의 유동 흐름 저하 및 차압 증가를 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지용 워터트랩장치(100)는, 제2트랩부(120)에 마련되며 가이드부재(160)를 선택적으로 상하 방향을 따라 이동 가능하게 지지하는 지지부재(180)를 포함한다.
가이드부재(160)는 지지부재(180)를 따라 선택적으로 상하 방향으로 이동하도록 구성된다.
바람직하게, 연료전지 스택(20)의 출력이 증가(예를 들어, 초고출력 운전조건)하면, 가이드부재(160)는 지지부재(180)를 따라 상부 방향으로 이동하고, 연료전지 스택(20)의 출력이 감소(예를 들어, 저출력 운전조건)하면, 가이드부재(160)는 지지부재(180)를 따라 하부 방향으로 이동한다.
이와 같이, 연료전지 스택(20)의 출력이 증가하면, 가이드부재(160)가 지지부재(180)를 따라 상부 방향으로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제2포집위치에서 제1격벽부재(140)를 보다 위쪽(제2트랩부의 상단부)에 배치시킬 수 있으므로, 제1격벽부재(140)의 상부에서 제2트랩부(120)의 벽면에 달라붙은 액적(WD)이 가스의 흐름(상승 기류)(GF)에 의해 제3트랩부(130)로 이동하는 것을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 연료전지 시스템
20 : 연료전지 스택
22 : 애노드
24 : 캐소드
30 : 압축기
32 : 공기공급라인
40 : 가습기
50 : 수소공급부
52 : 수소공급라인
100 : 워터트랩장치
102 : 재순환 라인
105 : 워터트랩 본체
110 : 제1트랩부
120 : 제2트랩부
122 : 수용공간
130 : 제3트랩부
140 : 제1격벽부재
150 : 제2격벽부재
160 : 가이드부재
170 : 이동부재
180 : 지지부재

Claims (13)

  1. 연료전지 스택에서 배출된 가스가 상기 연료전지 스택으로 재순환하는 재순환 라인에 마련되는 연료전지용 워터트랩장치로서,
    제1방향을 따라 형성되며 상기 연료전지 스택에서 배출된 가스가 유입되는 제1트랩부, 상기 제1트랩부와 연통되며 상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 형성되는 제2트랩부, 및 상기 제1트랩부보다 상부에 위치하도록 상기 제2트랩부와 연통되며 상기 제1방향을 따라 형성되는 제3트랩부를 포함하는 워터트랩 본체; 및
    상기 제1방향에 교차하게 배치되는 제1포집위치, 및 상기 제2방향에 교차하게 배치되는 제2포집위치로 선택적으로 이동 가능하게 상기 제2트랩부에 마련되며, 상기 제2트랩부를 통과하는 상기 가스에서 수분을 포집하는 제1격벽부재;
    를 포함하는 연료전지용 워터트랩장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1방향은 수평 방향을 따라 정의되고, 상기 제2방향은 수직 방향을 따라 정의되되,
    상기 제1격벽부재는, 상기 제1포집위치에서 수직하게 배치되고, 상기 제2포집위치에서 수평하게 배치되는 연료전지용 워터트랩장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1포집위치에서 상기 제1격벽부재는 상기 제1트랩부의 출구단으로부터 이격되게 배치되는 연료전지용 워터트랩장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2포집위치에서 상기 제1격벽부재의 일단은 제2트랩부의 벽면에 밀착되는 연료전지용 워터트랩장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1트랩부에서 상기 제3트랩부를 향해 상기 제2트랩부에 마련되는 가이드부재; 및
    상기 제1격벽부재가 연결되며, 상기 가이드부재에 직선 이동 및 회전 가능하게 결합되는 이동부재;를 포함하고,
    상기 제1격벽부재는 상기 가이드부재에 대해 직선 이동 및 회전하며 선택적으로 상기 제1포집위치 및 상기 제2포집위치로 이동하는 연료전지용 워터트랩장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2트랩부에 마련되며, 상기 가이드부재를 선택적으로 상하 방향을 따라 이동 가능하게 지지하는 지지부재를 포함하는 연료전지용 워터트랩장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 출력이 증가하면, 상기 가이드부재는 상기 지지부재를 따라 상부 방향으로 이동하고,
    상기 연료전지 스택의 출력이 감소하면, 상기 가이드부재는 상기 지지부재를 따라 하부 방향으로 이동하는 연료전지용 워터트랩장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제1격벽부재와 직교하게 상기 이동부재에 연결되며, 상기 제1포집위치에서 수평하게 배치되고, 상기 제2포집위치에서 수직하게 배치되는 제2격벽부재를 포함하는 연료전지용 워터트랩장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2격벽부재는 상기 가스가 통과 가능한 다공성 구조체로 형성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2격벽부재는 상기 제2트랩부의 폭 길이보다 작은 길이를 갖도록 형성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제2포집위치에서 상기 제2격벽부재는, 상기 제2트랩부를 통과하는 상기 가스의 유동 영역 중, 상기 가스의 유동 흐름이 상대적으로 작은 저유동 영역에 배치되는 연료전지용 워터트랩장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 저유동 영역은 상기 제1트랩부의 출구단을 마주하는 상기 제2트랩부의 벽면에 인접하게 형성되는 연료전지용 워터트랩장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 제1출력 운전조건에서는 상기 제1격벽부재가 상기 제1포집위치로 이동하고,
    상기 제1출력 운전조건보다 높은 상기 연료전지 스택의 제2출력 운전조건에서는 상기 제1격벽부재가 상기 제2포집위치로 이동하는 연료전지용 워터트랩장치.
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