KR101342157B1 - 기울임 조건에서 혼입을 감소시킨 기액분리기 - Google Patents

Abstract

고분자전해질(PEMFC) 연료전지 기액분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기울임 조건에서도 액체와 기체가 혼입되지 않도록 한 기액분리기에 관하여 개시한다.
본 발명은 생성수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 분리기몸체; 상기 분리기몸체 내부 공간을 생성수와 잔류가스를 공급받는 공급챔버와, 기체 출구와 연통되는 기체 챔버로 분할하는 상부격판; 및 상기 분리기몸체 내부 공간을 상기 공급챔버와, 액체 출구와 연통되는 액체 챔버로 분할하는 하부격판;을 포함하는 기액분리기를 제공한다.

Description

기울임 조건에서 혼입을 감소시킨 기액분리기{GAS-LIQUID SEPARATOR FOR FUEL CELL HAVING INCLINED OPERATING CONDITION}

본 발명은 고분자전해질(PEMFC) 연료전지 기액분리기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기울임 조건에서도 액체와 기체가 혼입되지 않도록 한 기액분리기에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전 효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전 기술로 평가받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전지로 각광받고 있다.

이와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어 LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에서 쉽게 생산해 낼 수 있는 수소와 공기중의 산소가 사용된다.

이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 내연기관을 대체하기 위한 동력 시스템이 개발되고 있다.

고분자전해질용 연료전지는 배출 매니폴드를 통해 생성수와 잔류가스(off gas)가 배출된다.

기액분리기는 잔류가스(기체)와 생성수(액체)의 혼합물(액체와 기체 2상 혼합 상태)을 공급받아, 생성수와 잔류가스를 분리하는 역할을 수행한다.

그런데 일반적인 기액분리기는 어느 정도 각도 이상으로 기울어지게 되면, 기체가 액체쪽으로 혼입되거나, 액체가 기체쪽으로 혼입되는 현상이 발생한다.

액체가 기체쪽으로 혼입되는 경우 잔류가스의 흐름을 방해하게 되는 문제점을 가져오고, 이는 연료전지의 성능 저하로 이어지게 된다.

기액분리기가 기울어질 경우에 발생하는 이러한 문제는 운전조건에 따라 필연적으로 기울어짐을 겪게 되는 차량이나 선박과 같은 운송수단에 탑재되는 연료전지의 경우 특히 문제가 된다.

본 발명의 목적은 기울어짐 시에도 기체와 액체가 원활하게 분리되어 혼입이 발생하지 않는 기액분리기를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 기울어짐 조건에서 기액분리기 내부의 기액경계면 측정의 오차를 감소시킨 기액분리기를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 생성수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 분리기몸체; 상기 분리기몸체 내부 공간을 생성수와 잔류가스를 공급받는 공급챔버와, 기체 출구와 연통되는 기체 챔버로 분할하는 상부격판; 및 상기 분리기몸체 내부 공간을 상기 공급챔버와, 액체 출구와 연통되는 액체 챔버로 분할하는 하부격판;을 포함하는 기액분리기를 제공한다.

상기 상부격판은, 상기 공급 챔버와 상기 기체 챔버를 소통시키는 기체 소통공을 구비하며 상기 기체 소통공에 근접할 수록 하향 경사지게 형성되고,

상기 하부격판은, 상기 공급 챔버와 상기 액체 챔버를 소통시키는 액체 소통공을 구비하며 상기 액체 소통공에 근접할수록 상향 경사지게 형성된다.

상기 기체 소통공과 상기 액체 소통공은 평면상으로 중심부에 배치되거나, 일측으로 편향된 위치에 배치될 수 있다.

상기 기체 소통공과 상기 액체 소통공은 평면상으로 서로 다른 위치에 배치될 수 있다.

상기 상부격판 및 상기 하부격판의 경사각은 30°~ 50° 범위일 수 있다.

상기 상부격판 또는 상기 하부격판은 깔때기 형상 또는 뿔대 형상을 가지거나, 서로 대향되게 배치된 한 쌍의 경사판을 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 기액분리기는 상기 공급 챔버의 수평 단면의 중심부에 수위센서를 더 포함한다.

상기 수위센서는 상기 상부격판 또는 상기 하부격판에 연결된 지지대에 고정될 수 있다.

그리고 본 발명은, 생성수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 분리기몸체; 상기 분리기몸체 내부 공간을 생성수와 잔류가스를 공급받는 공급챔버와, 기체 출구와 연통되는 기체 챔버로 분할하는 상부격판; 상기 분리기몸체 내부 공간을 상기 공급챔버와, 액체 출구와 연통되는 액체 챔버로 분할하는 하부격판; 상기 공급 챔버의 수평 중심부에 배치되는 수위센서; 상기 기체 출구에서 배출되는 잔류가스의 유량을 제어하는 기체유량제어밸브; 및 상기 액체 출구에서 배출되는 생성수의 유량을 제어하는 액체유량제어밸브;를 포함한다.

여기서, 상기 수위센서에서 감지된 수위정보를 입력받아, 상기 기체유량제어밸브와 상기 액체유량제어밸브를 조절하는 제어부를 더 포함한다.

상기 제어부는 수위가 일정범위를 유지하도록 상기 기체유량제어밸브와 상기 액체유량제어밸브를 단속한다.

본 발명에 따른 기액분리기는 기울임 환경을 겪게되는 운송수단에 설치되는 연료전지에서 생성수가 반응가스와 혼입되어 다음단 스택으로 넘어가는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 기액분리기는 격판의 경사각도를 조절하여 기울임 허용각도를 높일 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 연료가스 또는 산화가스가 생성수 측으로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 기액분리기는 수위센서를 중앙부에 배치시켜 기울어짐시에도 기액분리기 내부의 액체 수면(기액경계면)을 비교적 정확하게 측정할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1은 기액분리기의 기본 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 다른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도임.

이하 본 발명에 따른 기울임 조건에서 혼입을 감소시킨 기액 분리기를 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)를 구비한다. 또한, 기액분리기(10)는 배출되는 액체의 유량을 조절하기 위한 액체유량제어밸브(24)와, 배출되는 기체의 유량을 조절하기 위한 기체유량제어밸브(22)와, 수위센서(12)에서 감지되는 수위에 따라 액체유량제어밸브(24)와 기체유량제어밸브(22)의 개방량을 조절하는 제어부를 포함한다.

제어부는 수위센서(12)에서 감지되는 기액분리기(10) 내부 수면이 일정한 범위를 유지하도록 액체유량제어밸브(24)와 기체유량제어밸브(22)의 개방량을 조절한다. 예를 들어 수면을 낮추기 위해서는 액체의 배출량을 늘이거나, 기체의 배출량을 감소시키게 되며, 반대로 수면을 높이기 위해서는 액체의 배출량을 감소시키거나 기체의 배출량을 증가시키도록 작동한다.

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 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 기액분리기(100)는 연료전지에 적용되는 것으로 스택에서 배출되는 생성수와 혼합된 잔류가스를 공급받는 혼합액공급관(150)과, 하부에 구비되는 액체배출관(152)과, 상부에 구비되는 기체배출관(154)을 구비하는 통형상의 분리기몸체(110)와, 분리기 몸체 내부 공간을 분할하는 상부격판(120) 및 하부격판(130)을 포함한다.

분리기몸체(110) 내부 공간은 상부격판(120) 위쪽인 기체 챔버와, 하부격판(130) 아래쪽인 액체 챔버와, 상부격판(120) 및 하부격판(130) 사이 공간인 공급챔버로 분할된다.

혼합액공급관(150)은 상기 공급 챔버에 연결되며, 액체배출관(152)은 액체 챔버에 연결되고, 기체배출관(154)은 기체 챔버에 연결된다.

상부격판(120)은 기체배출관(154)으로 액체가 혼입되는 것을 방지하기 위한 것으로, 하부를 향하여 볼록한 깔때기 형상을 가지고 있다. 상부격판(120)은 중심부에 기체 소통공(122)을 구비하고 있으며, 기체 소통공(122)에 근접할수록 하향 경사진 형태를 가지고 있다. 상부격판(120)의 하향 경사각은 30°~ 50°범위인 것이 바람직하다. 기액분리기의 정상작동이 요구되는 기울어짐 각도는 최대 45°내외인데, 이러한 기울어짐 각도를 만족하기 위해서는 상부격판의 하향 경사각이 상기 범위인 것이 바람직하다.

상부격판(120)의 이러한 형태는 분리기몸체(110)가 어느 방향으로 기울어지더라도, 액체가 기체배출관(154)측으로 넘어가지 못하게 차단하는 역할을 수행하게 된다.

특정방향으로 더 큰 기울임 각이 요구되는 경우 소통공의 위치를 중심부가 아닌 일측에 편향되게 배치함으로써, 특정 방향의 요구 기울임 각을 조절할 수 있다.

기체배출관(154)으로 배출되는 기체의 유속이 빠를 경우, 액체가 직접 기체배출관(154)으로 흘러 들어가지 않더라도, 기체의 흐름에 액체가 딸려 갈 수 있는데, 상부격판(120)은 액체의 수면과 기체배출관(154) 사이를 차단함으로써 액체가 기체에 딸려가는 것을 방지하게 된다.

하부격판(130)은 액체배출관(152)으로 기체가 혼입되는 것을 방지하는 역할을 수행한다. 하부격판(130) 중앙부에 액체 소통공(132)을 구비하고 있으며, 액체 소통공(132)에 근접할수록 상향 경사진 형태를 가지고 있다. 다시말해, 하부격판은 상부를 향하여 볼록한 깔때기 형상을 가지고 있다. 하부격판(130)의 상향 경사각은 30~50°범위인 것이 바람직하다. 기액분리기의 정상작동이 요구되는 최대 기울어짐 각도는 45°내외인데, 이러한 기울어짐 각도를 만족하기 위해서는 하부격판의 상향 경사각이 상기 범위인 것이 바람직하다.

도시한 실시예의 경우 액체 소통공(132)과, 기체 소통공(122)이 중심부에 배치되어, 평면상으로 동일한 위치에 형성되어 있으나, 액체 소통공(132)과 기체 소통공(122)은 중심부가 아닌 일측으로 편향된 위치에 배치될 수 있다. 이렇게 일측으로 편향되게 배치되는 경우 상부격판(120)과 하부격판(130)은 부분적으로 다른 경사각도를 가지는 비대칭적인 깔때기 형상을 가지게 된다.

또한, 상기 공급 챔버 내부에는 분리기몸체(110) 내부에 수용된 액체의 수면을 감지하기 위한 수위센서(140)가 구비된다.

수위센서(140)는 분리기몸체(110)의 수평단면의 중심부에 배치되는 것이 바람직하다. 수위센서(140)가 분리기몸체(110) 수평단면의 가장자리부에 배치되면 기울어짐에 따라 수위측정에서 큰 오차가 발생하게 되나, 수평단면의 중심부에 배치되면 기울어짐에 따른 수위측정의 오차가 작아지게 된다.

본 발명의 기액분리기(100)는 내부에 상부격판(120)과 하부격판(130)을 구비하고 있으므로, 이들에 지지대(142)를 연결하고 지지대(142)에 수위센서(140)를 고정하는 방법으로, 분리기몸체(110) 중앙에 수위센서(140)를 안정적으로 고정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 다른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 다른 기액분리기의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 4와 도 5는 기액분리기 몸체와 상,하부격판의 다양한 형태를 보여주기 위한 것으로, 도시의 편의를 위하여 혼합액공급관, 액체배출관, 기체배출관을 생략하였다.

앞선 실시예의 경우 분리기 몸체가 원통형상으로 형성되고, 상부격판과 하부격판이 깔때기 형상(보다 구체적으로는 원뿔대 형상)을 가지고 있었다. 그러나 이러한 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 4의 실시예는 기액분리기(300)가 사각통 형상을 가지고 있으며, 상부격판(320)과 하부격판(330)은 그에 대응하여 사각뿔대의 형태를 가지고 있다. 이러한 형태도 분리기 몸체(310)가 기울어질 경우, 액체배출관 측으로 기체가 유입되는 것을 방지하는 효과와, 기체배출관 측으로 액체가 유입되는 것을 방지하는 효과를 동일하게 얻을 수 있다.

즉, 기액분리기(300)가 다각기둥 형상으로 형성될 경우, 상부격판(320)과 하부격판(330)을 그에 대응하는 다각뿔대 형태로 형성함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 5의 실시예는 기액분리기가 특정방향으로만 기울어짐이 발생하는 환경에서 적합한 형태이다.

차량이나, 선박의 경우 주행방향(전후방향)에 대해서는 경사각이 크게 발생하게 되나, 주행방향과 수직인 측면 방향(좌우방향)으로 큰 경사각이 발생하지 않는다. 도 5의 실시예는 이러한 환경에 더욱 적합한 구조를 가지고 있다.

도 5를 참조하면, 상부격판 또는 하부격판은 전후 방향에 대해서 일정한 경사각을 가지는 평판의 형태로 구성될 수 있고, 구체예로, 서로 대향되게 배치된 한 쌍의 경사판을 포함할 수 있다. 이때 액체 소통홀(432)과 기체 소통홀(422)은 슬롯 형태로 형성될 수 있다.

상부격판(420)는 전면에서 중앙부로 향할수록 하향 경사진 평판과, 후면에서 중앙부로 향할수록 하향 경사진 평판으로 이루어진다. 이러한 상부격판(420)은 전후방향의 기울어짐에 대하여 액체의 수면(기액 경계면)이 기체 출구로 근접하는 것을 막아준다.

하부격판(430)은 한 쌍의 평판 형태로 이루어지고, 하부격판(430)은 중앙부로 갈수록 상향 경사진 평판으로 이루어진다. 하부격판(430)은 전후방향의 기울어짐에 대하여, 액체의 수면(기액 경계면)이 액체 출구로 근접하는 것을 막아준다.

도 5의 실시예는 소통홀을 크게 형성할 수 있으며, 전후방향의 기울어짐에 대하여 기체와 액체의 혼입을 효과적으로 차단할 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.

100, 300, 400 : 기액분리기
110, 310, 410 : 분리기몸체
120, 320, 420 : 상부격판
130, 330, 430 : 하부격판
140 : 수위센서

Claims (12)

1. 생성수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 분리기몸체;
   상기 분리기몸체 내부 공간을 생성수와 잔류가스를 공급받는 공급챔버와, 기체 출구와 연통되는 기체 챔버로 분할하는 상부격판; 및
   상기 분리기몸체 내부 공간을 상기 공급챔버와, 액체 출구와 연통되는 액체 챔버로 분할하는 하부격판;을 포함하며,
   상기 상부격판은, 상기 공급 챔버와 상기 기체 챔버를 소통시키는 기체 소통공을 구비하며 상기 기체 소통공에 근접할수록 하향 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 하부격판은, 상기 공급 챔버와 상기 액체 챔버를 소통시키는 액체 소통공을 구비하며 상기 액체 소통공에 근접할수록 상향 경사지게 형성된 것을 특징으로하는 기액분리기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 기체 소통공과 상기 액체 소통공은 평면상으로 중심부에 배치되거나, 일측으로 편향된 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 기체 소통공과 상기 액체 소통공은 평면상으로 서로 다른 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 상부격판 및 상기 하부격판의 경사각은 30°~ 50° 범위인 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 상부격판 또는 상기 하부격판은 깔때기 형상 또는 뿔대 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 상부격판 또는 상기 하부격판은 서로 대향되게 배치된 한 쌍의 경사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 공급 챔버의 수평 단면의 중심부에 수위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 수위센서는
   상기 상부격판 또는 상기 하부격판에 연결된 지지대에 고정되는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
   
10. 생성수와 혼합된 잔류가스를 중앙부로 공급받아 상하부에 각각 구비되는 기체 출구와 액체 출구로 기체와 액체를 분리 배출하는 분리기몸체;
    상기 분리기몸체 내부 공간을 생성수와 잔류가스를 공급받는 공급챔버와, 기체 출구와 연통되는 기체 챔버로 분할하며, 상기 공급 챔버와 상기 기체 챔버를 소통시키는 기체 소통공을 구비하며 상기 기체 소통공에 근접할수록 하향 경사지게 형성되는 상부격판;
    상기 분리기몸체 내부 공간을 상기 공급챔버와, 액체 출구와 연통되는 액체 챔버로 분할하는 하부격판;
    상기 공급 챔버의 수평 중심부에 배치되는 수위센서;
    상기 기체 출구에서 배출되는 잔류가스의 유량을 제어하는 기체유량제어밸브; 및
    상기 액체 출구에서 배출되는 생성수의 유량을 제어하는 액체유량제어밸브;를 포함하는 기액분리기.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 수위센서에서 감지된 수위정보를 입력받아,
    상기 기체유량제어밸브와 상기 액체유량제어밸브를 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는
    수위가 일정범위를 유지하도록 상기 기체유량제어밸브와 상기 액체유량제어밸브를 단속하는 것을 특징으로 하는 기액분리기.

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