KR-20260061605-A - Gas-liquid separation device and Vessel equipped with gas-liquid separation device

Abstract

개시된 발명의 일 실시예에 따른 기액 분리 장치는 수증기 및 미세 물방울 중 적어도 하나인 수분이 포함된 습윤 기체가 외부로부터 유입되는 내부 공간이 내부에 형성되고, 상기 습윤 기체가 내부 공간에서 유동함에 따라 수분의 전부 또는 일부가 제거되면서 생성되는 건조 기체를 배출하도록 구성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부 공간에 돌출되도록 상기 하우징의 상단 및 측면에 연결되는 차폐판을 포함하고, 상기 차폐판은: 상기 하우징의 내부 공간에서 유동하는 습윤 기체에 충돌하는 위치에 배치되고; 그리고 충돌한 습윤 기체로부터 수분을 제거하여 건조 기체를 생성하도록 구성될 수 있다.

Inventors

• 유상연

Assignees

• 주식회사 빈센

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (16)

1. 수증기 및 미세 물방울 중 적어도 하나인 수분이 포함된 습윤 기체가 외부로부터 유입되는 내부 공간이 내부에 형성되고, 상기 습윤 기체가 내부 공간에서 유동함에 따라 수분의 전부 또는 일부가 제거되면서 생성되는 건조 기체를 배출하도록 구성되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부 공간에 돌출되도록 상기 하우징의 상단 및 측면에 연결되는 차폐판을 포함하고, 상기 차폐판은: 상기 하우징의 내부 공간에서 유동하는 습윤 기체에 충돌하는 위치에 배치되고; 그리고 충돌한 습윤 기체로부터 수분을 제거하여 건조 기체를 생성하도록 구성되는, 기액 분리 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 하우징은: 외부로부터 상기 습윤 기체를 상기 내부 공간으로 유입하도록 구성되는 유입구가 일측에 형성되고; 그리고 상기 습윤 기체의 상기 차폐판과의 충돌에 의해 생성되는 건조 기체를 상기 내부 공간에서 외부로 배출하도록 구성되는 배출구가 타측에 형성되는, 기액 분리 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 차폐판은: 상기 습윤 기체가 충돌하여 상기 습윤 기체의 이동 방향이 변경되면, 충돌한 습윤 기체에 포함된 수분이 관성에 의해 차폐판의 표면에 부딪쳐서 차폐판의 표면에 액체 상태의 물이 맺히도록 구성되고; 그리고 차폐판의 표면에 맺힌 액체 상태의 물이 중력에 의해 차폐판의 표면을 따라 하강하여 차폐판의 하단 끝단으로 이동하고, 차폐판의 하단 끝단에서 상기 액체 상태의 물이 분리되어 낙하하도록 구성되는, 기액 분리 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 차폐판은: 복수개가 마련되고, 각각이 상기 하우징의 내부 공간에 돌출되도록 구성되고; 그리고 각각의 차폐판들이 상기 하우징의 내부 공간에서 서로 평행하도록 배열되는, 기액 분리 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 하우징은: 상기 습윤 기체가 상기 복수개의 차폐판들 사이에 형성되는 공간을 따라 이동하면서 상기 내부 공간을 유동하도록 구성되고; 그리고 복수개의 차폐판들 중에서 가장 인접한 2개의 차폐판들 사이에 상기 습윤 기체가 이동할 유로가 형성되도록 구성되는, 기액 분리 장치.
6. 제5항에 있어서, 복수개의 상기 차폐판은: 상기 하우징의 상단 및 하우징의 일측 측면에 연결되어 상기 하우징의 내부 공간에서 상기 하우징의 타측 측면을 향해 돌출되는 복수개의 제1 차폐판; 및 상기 하우징의 상단 및 하우징의 타측 측면에 연결되어 상기 하우징의 내부 공간에서 상기 하우징의 일측 측면을 향해 돌출되는 복수개의 제2 차폐판을 포함하는, 기액 분리 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 하우징은, 상기 습윤 기체가 어느 한 제1 차폐판의 표면을 따라 이동한 후 상기 제1 차폐판의 측면 끝단과 상기 하우징의 타측 측면 사이의 공간을 통과하도록 유로가 형성되고; 제1 차폐판의 측면 끝단과 상기 하우징의 타측 측면 사이의 공간을 통과한 습윤 기체가 상기 제2 차폐판의 표면을 따라 이동하면서 상기 제1 차폐판 및 상기 제2 차폐판 사이의 공간을 통과하도록 유로가 형성되고; 그리고 상기 제1 차폐판 및 상기 제2 차폐판 사이의 공간을 통과한 습윤 기체가 상기 제2 차폐판의 측면 끝단과 상기 하우징의 일측 측면 사이의 공간을 통과하도록 유로가 형성되는, 기액 분리 장치.
8. 제5항에 있어서, 복수개의 상기 차폐판은: 상기 내부 공간에 위치하여 상기 내부 공간에 상기 습윤 기체가 유동하는 유로를 형성하도록 구성되는 제1 영역 판; 및 상기 하우징의 외부에 위치하여 상기 하우징의 상단 및 상기 하우징의 측면에서 상기 하우징의 외부를 향해 돌출되도록 구성되는 제2 영역 판을 포함하는, 기액 분리 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 하우징은: 복수개의 차폐판들이 하나씩 관통 가능하도록 구성되는 복수개의 슬릿이 상단 및 측면에 형성되도록 구성되고, 복수개의 상기 차폐판은, 각각 상기 슬릿에 하나씩 끼워지거나 분리되는 방식으로 상기 하우징에 탈부착 가능하도록 구성되는, 기액 분리 장치.
10. 제9항에 있어서, 복수개의 상기 차폐판은: 각각 상기 슬릿에 끼워지는 위치가 변경 가능하도록 구성되고; 그리고 상기 슬릿에 끼워지는 위치에 따라 상기 제1 영역 판의 면적과 형상 및 상기 제2 영역 판의 면적과 형상이 달라지도록 구성되는, 기액 분리 장치.
11. 제10항에 있어서, 건조 기체를 상기 내부 공간에서 외부로 배출하도록 구성되는 배출구에 마련되어 건조 기체의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서; 및 복수개의 상기 차폐판에 연결되어, 복수개의 차폐판이 각각 상기 슬릿에 끼워지는 위치가 변경되도록 복수개의 상기 차폐판의 위치를 이동시키도록 구성되는 구동 모듈; 및 상기 건조 기체의 온도를 기초로, 상기 차폐판의 이동 위치를 결정하고, 결정된 이동 위치로 상기 차폐판을 이동시키도록 상기 구동 모듈을 제어하는 프로세서를 더 포함하는 기액 분리 장치.
12. 제8항에 있어서, 복수개의 상기 차폐판은, 측면으로 돌출되는 끝단 돌출부가 상기 제2 영역 판의 하단 끝단에 형성되고, 상기 끝단 돌출부는, 2개의 차폐판 사이의 공간에서 이동하는 습윤 기체가 하단 방향으로 이동하는 것을 제한하도록, 차폐판들에 대한 하방의 내부 공간과 2개의 차폐판 사이의 공간을 연통하는 틈을 일부 막도록 구성되는, 기액 분리 장치.
13. 제8항에 있어서, 상기 제2 영역 판을 냉각하여 상기 차폐판의 온도를 하강하도록 구성되는 냉각 모듈을 더 포함하고, 상기 차폐판은, 상기 내부 공간에서 유동하는 습윤 기체의 온도를 하강시켜 습윤 기체에 포함된 수분을 응결시키도록 구성되는, 기액 분리 장치.
14. 제13항에 있어서, 상기 냉각 모듈은, 구동 모듈이 제공하는 힘에 의해 회전하면서 상기 제2 영역 판을 냉각하도록 구성되는 냉각 팬을 포함하는, 기액 분리 장치.
15. 제14항에 있어서, 건조 기체를 상기 내부 공간에서 외부로 배출하도록 구성되는 배출구에 마련되어 건조 기체의 온도를 측정하도록 구성되는 온도 센서; 및 상기 건조 기체의 온도를 기초로, 상기 냉각 팬의 회전 속도를 결정하도록 구성되는 프로세서를 더 포함하고, 상기 프로세서는, 결정된 상기 회전 속도로 상기 냉각 팬이 회전하도록 상기 구동 모듈을 제어하는, 기액 분리 장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 기액 분리 장치; 및 상기 기액 분리 장치로 습윤 기체를 전달하고, 상기 기액 분리 장치로부터 배출되는 건조 기체를 공급받도록 구성되는 연료전지를 포함하는 선박.

Description

기액 분리 장치 및 기액 분리 장치가 마련된 선박{Gas-liquid separation device and Vessel equipped with gas-liquid separation device} 본 발명은 연료 전지가 배출한 기체에서 수분을 제거하여 다시 연료 전지로 제공하는 기액 분리 장치에 관한 것이다. 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 수소와 산소를 사용하여 전기와 물을 생성한다. 이 과정에서 발생하는 전기 에너지는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 전지가 탑재된 선박은 연료 전지를 이용하여 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생성하고, 이를 통해 선박의 추진 시스템을 구동한다. 이러한 선박은 배출가스를 거의 발생시키지 않아 환경 친화적이며, 주로 해상 교통의 탈탄소화와 지속 가능성을 위해 개발되고 있다. 도 1은 측면에서 바라본 기액 분리 장치의 단면을 도시한 도면이다. 도 2는 상방에서 바라본 기액 분리 장치의 단면을 도시한 도면이다. 도 3은 측면에서 바라본 기액 분리 장치에서의 기체의 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 상방에서 바라본 기액 분리 장치에서의 기체의 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 끝단의 형상이 다른 차폐판이 마련된 기액 분리 장치를 도시한 도면이다. 도 6은 일 실시예에 따른 차폐판의 일부 영역은 하우징의 내부에 위치하고 다른 영역은 하우징의 외부에 위치하는 것을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 일 실시예에 따른 차폐판이 하우징에 탈부착 가능한 기액 분리 장치를 도시한 도면이다. 도 8은 일 실시예에 따른 기액 분리 장치의 제어 블록도이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다. 본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 개시된 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 '~모듈' 및 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. '~모듈' 및 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소에 의해 분리되어 수행되거나, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다. 본 명세서의 '~모듈' 및 '~부'는 반드시 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되지 않으며, 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고, 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 실시예들에 따라 복수의 '~모듈' 및 '~부'가 하나의 구성요소로 구현되거나, 하나의 '~모듈' 및 '~부'가 복수의 구성요소들을 포함하는 것도 가능하다. 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 전술된 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 각 단계들에 있어 식별부호는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 이하 첨부된 도면들을 참고하여 개시된 발명의 작용 원리 및 실시예들에 대해 설명한다. 도 1은 측면에서 바라본 기액 분리 장치의 단면을 도시한 도면이며, 도 2는 상방에서 바라본 기액 분리 장치의 단면을 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 기액 분리 장치(100)는 하우징(110), 차폐판(120) 및 냉각 모듈(130)을 포함할 수 있다. 기액 분리 장치(100)는 연료전지시스템에서 미반응 수소에 포함된 수분을 제거하거나 배출되는 공기에 포함된 수분을 제거하는 장치일 수 있다. 연료전지에서는 전기 화학 반응을 통해 전력을 생산하는 과정에서 물이 생성되며, 이 물이 연료전지 내부에 축적되면 연료 공급이나 산소 공급에 방해가 될 수 있다. 따라서 연료전지의 효율을 유지하고 안정적인 작동을 위해 기체와 수분을 적절하게 분리하는 것이 필요하다. 기액 분리 장치(100)는 연료전지 내부에서 발생하는 물과 반응 가스를 분리하여 물은 배출하고 가스는 다시 순환시키거나 배출할 수 있다. 기액 분리 장치(100)는 물이 전기화학 반응 구역에 축적되지 않도록 하여 반응을 방해하지 않게 하여 연료전지 효율을 유지시킬 수 있다. 또한, 기액 분리 장치(100)는 수분이 연료전지 시스템의 다른 부품에 손상을 줄 수 있는 경우를 방지하여 부품을 보호할 수 있다. 기액 분리 장치(100)는 선박에 마련될 수 있다. 이때, 선박은 기액 분리 장치(100)로부터 배출되는 건조 기체를 공급받도록 구성되는 연료전지를 포함하는 선박일 수 있다. 연료전지는 기액 분리 장치(100)로 습윤 기체를 전달하고, 기액 분리 장치(100)로부터 배출되는 건조 기체를 공급받을 수 있다. 연료전지가 탑재된 선박은 연료 전지를 이용하여 수소와 산소의 화학 반응으로 전기를 생성하고, 이를 통해 선박의 추진 시스템을 구동할 수 있다. 연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로, 수소와 산소를 사용하여 전기와 물을 생성할 수 있다. 하우징(110)은 내부 공간(111)이 내부에 형성될 수 있다. 하우징(110)의 내부 공간(111)은 습윤 기체가 외부로부터 유입되는 공간일 수 있다. 습윤 기체는 수증기 및 미세 물방울 중 적어도 하나인 수분이 포함된 기체일 수 있다. 하우징(110)은 건조 기체를 배출하도록 구성될 수 있다. 건조 기체는 습윤 기체가 하우징(110)의 내부 공간(111)에서 유동함에 따라 수분의 전부 또는 일부가 제거되면서 생성될 수 있다. 차폐판(120)은 하우징(110)의 상단 및 측면에 연결될 수 있다. 차폐판(120)은 하우징(110)의 내부 공간(111)을 향해서 돌출될 수 있다. 차폐판(120)의 재질은 금속일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 차폐판(120)은 하우징(110)의 내부 공간(111)에서 유동하는 습윤 기체에 충돌하는 위치에 배치될 수 있다. 차폐판(120)은 충돌한 습윤 기체로부터 수분을 제거하여 건조 기체를 생성할 수 있다. 하우징(110)은 일측에 유입구(112)가 형성되고, 타측에 배출구(113)가 형성될 수 있다. 유입구(112)는 외부로부터 상기 습윤 기체를 상기 내부 공간(111)으로 유입하도록 구성될 수 있다. 배출구(113)는 습윤 기체와 차폐판(120) 간의 충돌에 의해 생성되는 건조 기체를 내부 공간(111)에서 외부로 배출하도록 구성될 수 있다. 도 3은 측면에서 바라본 기액 분리 장치에서의 기체의 이동을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 상방에서 바라본 기액 분리 장치에서의 기체의 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 기액 분리 창치는 압력손실이 상대적으로 낮고 넓은 유속 범위에서도 효율이 높은 방식인 차폐판(120)을 이용하는 방식으로 수분을 제거할 수 있다. 기액 분리 창치는 하우징(110)의 내부에 마련된 차폐판(120)에 물방울을 부딪치게 하여 부딪친 물방울이 속도를 잃고 기수분리기 하부로 떨어지게 함으로써 물을 분리시킬 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 수증기나 미세한 물방울을 포함한 습윤 기체가 빠른 속도로 이동하다가 차폐판(120)에 부딪히거나 유속이 느려지면 물방울이 부딪친 차폐판(120)의 표면에 맺히면서 기체로부터 수분이 분리될 수 있다. 이 과정은 응결(Condensation)이나 관성 충돌(Impaction)과 같은 물리적 현상으로 발생될 수 있다. 빠르게 이동하는 기체 내의 물방울은 관성에 의해 경로를 따라가려는 성질이 있습니다. 하지만 기체가 갑자기 방향을 바꾸거나 유속이 느려지면, 물방울이 기체의 흐름을 따라가지 못하고 주변 구조물이나 표면에 부딪힐 수 있다. 이러한 관성 충돌(Impaction)에 의해, 물방울이 표면에 부딪치면 표면에 맺히게 되고, 그 결과 기체로부터 물방울이 분리될 수 있다. 또한, 기체 속에 포함된 수증기는 기체의 온도가 낮아지거나 유속이 감소할 때, 포화 상태에 도달하여 수증기가 물방울로 변하는 응결 현상이 발생할 수 있다. 이러한 응결(Condensation) 현상에 의해 수증기 상태의 수분이 물방울로 응결되면, 물방울이 표면에 맺히게 되어 기체로부터 수분이 분리될 수 있다. 습윤 가스가 In 포트로 하우징(110)의 내부로 공급이 되면 여러 차폐판(120) 부딪히면서 속도록 잃게 되면서 수분은 아래로 떨어지며 Out 포트로 건조 가스가 배출될 수 있다. 습윤 가스는 차폐판(120)에 의한 냉각으로 습윤가스의 온도가 높을 경우 수분이 응결이 되도록 하여 수분의 분리 효과를 높일 수 있다. 기수분리기에 물이 차이면 물 높이를 감지하여 일정 높이가 되면 프로세서(150)는 드레인의 구동을 제어하여 물을 배출할 수 있다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 차폐판(120)에 습윤 기체가 충돌하여 습윤 기체의 이동 방향이 변경되면, 충돌한 습윤 기체에 포함된 수분이 관성에 의해 차폐판(120)의 표면에 부딪쳐서 차폐판(120)의 표면에 액체 상태의 물이 맺힐 수 있다. 차폐판(120)의 표면에 맺힌 액체 상태의 물은 중력에 의해 차폐판(120)의 표면을 따라 하강하여 차폐판(120)의 하단 끝단으로 이동할 수 있다. 차폐판(120)은 하단 끝단에서 액체 상태의 물이 분리되어 낙하하도록 구성될 수 있다. 기액 분리 장치(100)에는 차폐판(120)이 복수개가 마련될 수 있다. 복수개의 차폐판(120)들 각각은 하우징(110)의 내부 공간(111)에 돌출되도록 구성될 수 있다. 각각의 차폐판(120)들은 하우징(110)의 내부 공간(111)에서 서로 평행하게 배열될 수 있다. 하우징(110)은 습윤 기체가 복수개의 차폐판(120)들 사이에 형성되는 공간을 따라 이동하면서 내부 공간(111)을 유동하도록 구성될 수 있다. 하우징(110)은 복수개의 차폐판(120)들 중에서 가장 인접한 2개의 차폐판(120)들 사이에 습윤 기체가 이동할 유로가 형