KR100877020B1

KR100877020B1 - 증발 장치 및 액체 흡수 부재

Info

Publication number: KR100877020B1
Application number: KR1020077010447A
Authority: KR
Inventors: 야스나리 가바사와; 다이스케 이마나카; 가오루 사이토
Original assignee: 가시오게산키 가부시키가이샤
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: WO2006103998A3; CN102060268A; WO2006103998A2; US20060220267A1; KR20080094852A; US7712729B2; TW200702600A; KR100877021B1; KR20070063581A; TWI304463B

Abstract

연료를 안정적으로 증발하는 증발 장치는, 모세관 작용의 영향하에 일측 단부 부분으로부터 타측 단부 부분으로 액체를 이동시키는 액체 흡수 부재, 상기 액체 흡수 부재의 상기 일 단부 부분과 상기 액체 흡수 부재의 상기 타측 단부 부분이 노출되도록 상기 액체 흡수 부재의 외주면을 덮으며, 상기 액체흡수부재의 외주면의 일 단부 측은 덮고 상기 액체흡수부재의 외주면의 타 단부 측은 노출시키는 밀착-오버래핑(closely overlapping) 유닛, 및 상기 액체 흡수 부재의 외주면 상의 타 단부 측면에 위치되며 상기 액체흡수부재의 타 단부 부분의 상기 측면을 가열하여 액체를 증발시키는 가열기를 포함한다.

증발 장치, 증발 흡수 부재, 가열기, 모세관 작용, 연료 전지, 내부 튜브, 외부 튜브, 가스 투과막, 배출구, 파워 발생 장치.

Description

증발 장치 및 액체 흡수 부재{VAPORIZING DEVICE AND LIQUID ABSORBING MEMBER}

본 발명은 액체를 증발시키는 증발 장치와 이 장치에 사용되는 액체 흡수 부재에 관한 것이다.

최근에, 고 에너지 효율을 실현하는 연료 전지에 대한 연구가 활발하며 많은 발전을 이루었다. 연료 전지는 연료를 대기에 함유된 산소와 전기화학적으로 반응하도록 하여, 화학 에너지로부터 직접적으로 전기 에너지를 획득한다. 이러한 연료 전지는 미래의 에너지원으로서 기대되고 있다. 연료 전지에 사용되는 연료에 대하여 수소가 사용될 수 있다. 그러나, 수소는 대기 온도에서 기체 상태로 존재하기 때문에 취급과 저장에 있어서 문제가 있다. 알코올과 가솔린 같은 액체 연료가 사용될 때, 액체 연료를 저장하는 시스템은 크기 면에서 상대적으로 작게 만들어질 수 있다. 그러나, 전기를 발생하는데 사용되는 수소 생성 반응을 위하여 연료 및 수증기는 고온에서 가열되어야만 한다.

예를 들면, 일본 특허 공개 제 2004-18357에는, 액체 연료와 물로부터 수소를 생성하기 위하여, 액체 연료와 물이 증발 장치에서 증발되고, 증발 장치로부터 공급된 액체 연료와 물의 가스 혼합물이 개질기(reformer)에서 수소로 개질되는 기 술이 개시되어 있다.

그러나, 증발 장치가 작은 크기로 만들어짐에 따라, 연료를 안정적으로 또는 다량으로 증발하는데 어려움이 있다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하며, 안정적으로 연료를 증발하는 증발장치를 제공하고자 하는 목적에서 안출되었다.

상술된 문제를 해결하기 위한 본 발명의 증발 장치는, 모세관 작용의 영향하에 일측 단부 부분으로부터 타측 단부 부분으로 액체를 이동시키는 액체 흡수 부재; 상기 액체 흡수 부재의 상기 일 단부 부분과 상기 액체 흡수 부재의 상기 타측 단부 부분이 노출되도록 상기 액체 흡수 부재의 외주면을 덮으며, 상기 액체흡수부재의 외주면의 일 단부 측은 덮고 상기 액체흡수부재의 외주면의 타 단부 측은 노출시키는 밀착-오버래핑(closely overlapping) 유닛, 및 상기 액체 흡수 부재의 외주면 상의 타 단부 측면에 위치되며 상기 액체흡수부재의 타 단부 부분의 상기 측면을 가열하여 액체를 증발시키는 가열기를 포함한다.

액체 흡수 부재는 펠트 코어(felt core), 다공성 세라믹 코어(ceramic porous core), 및 섬유 코어(fiber core) 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

밀착-오버래핑 유닛은 탄성을 갖는 것이 바람직하다.

밀착-오버래핑 유닛은 열 수축성을 갖는 것이 또한 바람직하다.

액체 흡수 부재는 0.5 W/mㆍK 이하의 열 전도성을 갖는 소재를 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 따른 또 다른 증발 장치는: 모세관 작용의 영향하에 일측 단부 부분으로부터 타측 단부 부분으로 액체를 이동하는 액체 흡수 부재; 액체 흡수 부재의 타측 단부 부분 측을 가열하여 액체를 증발하는 전기 가열 와이어; 및 액체 흡수 부재의 타측 단부 부분에 제공되는 가스 투과막을 포함한다.

가스 투과막은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 또는 폴리바이닐리딘플루오라이드(polyvinylidene-fluoride)를 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 따른 증발 장치는: 모세관 작용의 영향하에 일측 단부 부분으로부터 타측 단부 부분으로 액체를 이동하는 액체 흡수 부재; 및, 액체 흡수 부재의 일측 단부 부분 상에 공동을 남겨둔 상태로 액체 흡수 부재를 수용하는 케이스를 포함하며, 케이스에는 공동으로 안내하는 도입구가 제공되며, 공동의 단면 영역은 액체 흡수 부재의 일측 단부 부분의 단부면 영역보다 크고, 도입구의 단면 영역은 공동의 단면 영역보다 작다.

도 1은 증발 장치(1)의 사시도이고;

도 2는 증발 장치(1)의 단면도이며;

도 3은 증발 장치(1)를 사용하는 파워 발생 장치의 블럭도이고;

도 4는 증발 장치(1), 마이크로-반응기(52), 및 연료 전지(53)를 도시하는 개략도이며;

도 5는 증발 장치(1)를 사용하는 파워 발생 장치(50A)의 블럭이고;

도 6은 증발 장치(1)를 사용하는 파워 발생 장치(50B)의 블럭도이며;

도 7은 증발 장치(1)의 배출에서의 압력과 증발량과의 관계를 조사하기 위한 실험장치를 도시하는 개략도이고;

도 8은 도 7에 도시된 실험 장치에 의해 실행되는 실험의 결과를 도시하는 그래프이며;

도 9는 증발 장치(1)의 배출에서의 압력과 증발량과의 관계를 조사하기 위한 또 다른 실험장치를 도시하는 개략도이고;

도 10은 도 9에 도시된 실험 장치에 의해 실행되는 실험의 결과를 도시하는 그래프이다.

이제, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면과 함께 설명된다. 다양한 종류의 바람직한 기술적 범위가 하술될 실시예에 제시되긴 하였지만, 본 발명의 범위는 그러한 실시예들과 도면들에 의해 제한되지 않는다.

도 1은 증발 장치(1)를 도시하는 사시도이고, 도 2는 증발 장치(1)를 그 중심선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1과 2에 도시된 바와 같이, 증발 장치(1)는 내부의 액체를 흡수하는 성질을 갖는 액체 흡수 부재(2), 액체 흡수 부재(2)의 외면을 부분적으로 덮는 내부 튜브(3), 내부 튜브(3)의 외면을 덮는 외부 튜브(3), 액체가 액체 흡수 부재(2)로 흐르도록 통과시키는 인렛 니플(inlet nipple)(5), 액체 흡수 부재(2)로부터 흡수된 액체가 증발된 상태에서 흘러나가도록 통과시키는 아웃렛 니플(outlet nipple)(6), 대략 튜브-형태의 인렛 케이스(7), 아웃렛 니플(6)과 아웃렛 케이스(8) 사이에 형성된 틈을 밀봉하는 O-링(9), 습기 침투성을 갖는 가스 투과막(10), 및 액체 흡수 부재(2)에서 흡수된 액체를 증발될 정도로 가열하는 가열 코일(11)을 포함한다.

액체 흡수 부재(2)는 봉 형태, 좀 더 상세하게는 기둥 형태의 코어 소재 (core material)이다. 액체 흡수 부재(2)는 내부 튜브(3)의 외부 외면이 내부 튜브(3)의 내부 외면에 밀착되도록 유지하면서 내부 튜브(3) 속으로 삽입된다. 액체 흡수 부재(2)는 내부 튜브(3)보다 길다. 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면은 내부 튜브(3)의 일측 단부 부분과 정렬되거나 또는 내부 튜브(3)의 일측 단부 부분으로부터 돌출되며, 액체 흡수 부재(2)의 타측 단부면은 내부 튜브(3)의 타측 단부 부분으로부터 돌출된다. 가스 투과막(10)은 액체 흡수 부재(2)의 타측 단부면 상에 형성된다. 내부 튜브(3)는 액체 흡수 부재(2)를 취급할 때, 액체 흡수 부재(2)가 이탈되는 것을 방지하며, 또한 오염으로부터 보호하기 위하여 제공된다.

액체 흡수 부재(2)는 내부 튜브(3)가 외부 튜브(4)와 액체 흡수 부재(2) 사이에 끼어있는 형태의 배치로 외부 튜브(4) 속으로 삽입되며, 외부 튜브(4)는 내부 튜브(3)에 밀착되도록 유지된다. 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면은 외부 튜브(4)의 일측 단부 부분 내부에 위치하며, 액체 흡수 부재(2)의 타측 단부면은 외부 튜브(4)의 타측 단부 부분으로부터 돌출된다.

튜브형 인렛 니플(5) 일부는 인렛 니플(5)과 액체 흡수 부재(2) 사이에 틈을 남기며 외부 튜브(4)의 일측 단부 부분 속으로 압입된다. 결과적으로, 인렛 니플(5)과 액체 흡수 부재(2) 사이에 공동(cavity)(12)이 형성된다. 인렛 니플(5)의 외부 직경은, 외부 튜브(4)로 압입되는 부분을 고려하여, 삽입된 액체 흡수 부재(2)를 포함하는 내부 튜브(3)의 외부 직경에 대략 상응하며, 공동(12)의 직경(외부 튜브(4)의 내부 직경)에 또한 대략 상응한다. 액체 흡수 부재(2) 또는 내부 튜브(3) 또는 두 개의 튜브가 모두 탄성을 가지는 경우, 액체 흡수 부재(2)는 외부 튜브(4)로 용이하게 삽입될 수 있다. 공동(12)의 직경은 내부 튜브(3)의 내벽 두께에 상응하는 양만큼 액체 흡수 부재(2)보다 약간 크며, 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면과 평행하는 공동(12)의 단면 영역은 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면 보다 크다. 액체 흡수 부재(2)가 액체를 흡수할 때, 액체 흡수 부재(2)의 횡측면은 직경 방향으로 팽창하고, 그로 인해 내부 튜브(3)와 외부 튜브(4) 사이의 틈은 제거되며, 외부 튜브(4)에 대한 내부 튜브(3)의 이동이 방지된다. 그에 따라서, 액체 흡 수 부재(2)의 이동에 기인하여 공동(12)이 제거되지 않는다.

인렛 니플(5)에는 그 중심선을 따라 도입구(15)가 제공되며, 도입구(15)는 인렛 니플(5)의 전면 단부에서부터 타측 측으로 인렛 니플(5)을 관통한다. 도입구(15)의 직경은 공동(12)의 직경 보다 작으며, 액체 흡수 부재(2)의 직경 보다 또한 작다. 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면에 평행한 공동(12)의 단면 영역은 도입구(15)의 단면 영역보다 크다.

가스 투과막(10)이 제공되는 액체 흡수 부재(2)의 단부 부분은 튜브형 아웃렛 니플(6) 속으로 압입된다. 내부 튜브(3)의 일측 단부 부분은 아웃렛 니플(6) 속으로 또한 삽입되며, 아웃렛 니플(6)과 액체 흡수 부재(2) 사이에 배치된다. 부가하여, 아웃렛 니플(6)의 도입 부분은 외부 튜브(4)의 타측 단부 부분 속으로 삽입되며, 그로 인해 외부 튜브(4)는 액체 흡수 부재(2)를 수단으로 하여, 아웃렛 니플(6)과 인렛 니플(5)을 연결한다.

아웃렛 니플(6)에는 그 중심선을 따라 형성된 배출구(16)가 제공되며, 배출구(16)는 아웃렛 니플(6)의 전면 단부로부터 액체 흡수 부재(2)가 삽입되는 중공(hollow)으로 확장된다.

액체 흡수 부재(2)가 압입되는 아웃렛 니플(6)의 부분 상에는 가열 코일(11)이 감겨진다. 액체 흡수 부재(2)가 압입되는 아웃렛 니플(6)의 부분은 플랜지에 형성된다.

실린더형 인렛 케이스(7)는 그 중공에 외부 튜브(4), 내부 튜브(3), 및 인렛 니플(5)을 수용한다. 외부 튜브(4)의 부분은 인렛 케이스(7)와 인렛 니플(5) 사이 에 배치된다. 외부 튜브(4)와 내부 튜브(3)의 일부는 인렛 케이스(7)와 액체 흡수 부재(2) 사이에 배치된다. 중공으로 안내하는 작은 구멍이 인렛 케이스(7)의 일측 단부면에 형성되어, 그 구멍을 통하여 인렛 니플(5)의 전면 단부는 인렛 케이스(7)의 일측 단부면으로부터 돌출된다.

실린더형 아웃렛 케이스(8)는 그 중공에 외부 튜브(4), 내부 튜브(3), 액체 흡수 부재(2), 가열 코일(11) 및 인렛 케이스(7)를 수용한다. 중공으로 안내하는 작은 구멍이 아웃렛 케이스(8)의 일측 단부면에 형성되어, 그 구멍을 통하여 아웃렛 니플(6)의 전면 단부는 인렛 케이스(8)의 일측 단부면으로부터 돌출된다. 돌출된 아웃렛 니플(6) 일부는 아웃렛 케이스(8)의 일측 단부면에 밀봉하기 위하여 제공되는 O-링(9)에 삽입된다.

아웃렛 케이스(8)는 그 외면상에 고정 유닛(18)이 제공된다. 고정 유닛(18)에는 나사구멍(19)이 제공되어 나사로 고정된다.

다음으로, 내부 튜브(3), 외부 튜브(4), 인렛 니플(5), 인렛 케이스(7), 아웃렛 케이스(8), O-링(9), 가스 투과막(10), 및 가열 코일(11)의 액체 흡수 부재(2)의 소재들과 재질이 이하 설명된다.

액체 흡수 부재(2)는 내부에 미세한 구멍을 갖으며, 액체를 흡수할 수 있다.액체 흡수 부재(2)는 내부에 수용되는 액체에 대하여 적어도 액체의 비등점까지 견디는 내열성을 갖는다. 펠트 코어(felt core), 다공성 세라믹 코어(ceramic porous core), 섬유 코어 등이 액체 흡수 부재(2)의 소재로서 사용될 수 있다. 펠트 코어 소재에 대하여, 화학 섬유 펠트, 내열성 섬유 펠트, 니들(needle) 펠트, 수지 마감 펠트(resin finishing felt), 성형(formed) 펠트, 모직 펠트 등이 사용될 수 있다. 섬유 코어의 예는 무기 섬유(예를 들면, 글래스 섬유 및 석면), 또는 유기 섬유(예를 들면, 섬유로서 성형된 유기 수지)를 포함한다. 다공성 세라믹 코어에 대하여, 다공성 소재로 소결되는 비유기 파우더(예를 들면, 알루미늄 화합물, 및 실리콘 화합물), 및 결합 소재로 응고되는 비유기 파우더가 사용될 수 있다. 액체 흡수 부재(2)는 물과 에탄올과 같은 연료 액체에 대하여 친화도를 갖는 것이 바람직하다.

가열 코일(11)은 전기 가열 소재를 포함하며, 전기를 사용하여 열을 생성한다. 예를 들면, 산화물 코팅 처리가 가해진 니켈-코발트 와이어가 가열 코일(11)로서 사용될 수 있다.

액체 흡수 부재(2)는 배출 측의 타측 단부면에서 가열 코일(11)에 의하여 가열되지만, 액체 흡수 부재(2)의 전체 몸체가 아닌 액체 흡수 부재(2)의 부분만이 국부적으로 데워지는 것이 바람직하다. 이러한 구조는 방출열에 견디는 것이 바람직하다. 특히, 액체 흡수 부재(2)의 소재(벌크 소재)는 0.5 W/mㆍK 이하의 열전도성을 갖는 것이 바람직하다.

내부 튜브(3)는 고무 탄성을 갖는 것이 바람직하고, 열 수축성을 가질 수 있다. 또한, 액체 흡수 부재(2)가 내부 튜브(3) 속으로 삽입되지 않는 본래 상태의 내부 튜브(3)는 액체 흡수 부재(2)보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하고, 내부 튜브(3)의 내부 직경은 액체 흡수 부재(2)의 삽입에 의해 커진다. 내부 튜브(3)의 예로 조사 가교 탄성 폴리올레핀 수지 튜브(스미튜브(Sumitube)(A), 스미토모 일렉트릭(Sumitomo Electric)에서 제조), 폴리올레핀 튜브(HSTT, 팬듀이트 코퍼레이 션(Panduit Corp.)에서 제조), 또는 플루오르 수지 튜브(TFE-2X, TFE-2XSPSW19, TFE-2XSPSW 13, 하기테크(Hagitec)에서 제조) 이다.

외부 튜브(4)는 고무 탄성을 갖는다. 여기서, 내부 튜브(3) 안에 수용되어 있는 액체 흡수 부재(2)는 외부 튜브(4) 속으로 삽입된다. 그러나, 액체 흡수 부재(2)는 또한 내부 튜브(3)를 사용하지 않고 외부 튜브(4)로 직접 삽입될 수도 있다. 이 경우, 외부 튜브(4)는 열 수축성을 갖는 것이 바람직하다.

인렛 니플(5)은 수지, 금속, 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다.

가열 코일(11)로부터 액체 흡수 부재(2)로 열을 용이하게 전도하기 위하여, 아웃렛 니플(6)은 100 W/mㆍK 이상의 열전도성을 갖는 금속으로 만들어지는 것이 바람직하다. 아웃렛 니플(6)의 소재에 대하여, 예를 들면, 구리(순수 구리의 경우, 열 전도성은 380 W/mㆍK이다), 구리 합금(황동의 경우, 열 전도성은 146 W/mㆍK이다), 그리고 알루미늄 합금(알루미늄의 경우, 열 전도성은 230 W/mㆍK이다)이 사용될 수 있다. 아웃렛 니플(6) 표면에는 니켈 도금처리가 가해질 수 있다.

인렛 케이스(7)와 아웃렛 케이스(8)는 가열 코일(11)로부터 발생된 열이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위하여, 낮은 열전도성과 내열성을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 열전도성은 0.5 W/mㆍK 이하인 것이 바람직하다. 인렛 케이스(7)와 아웃렛 케이스(8) 소재의 예로서, PPS(폴리페닐렌 설파이드:polyphenylene sulfide), PEEK(폴리에테르에테르케톤:polyetheretherketone), PES(폴리에테르설폰:Polyethersulfone), PBI(폴리벤즈이미다졸:Polybenzimidazole)등이 있다. 내열 온도( 로드 1.82 MPa 하에서 변형 온도)와 PPS, PEEK, PES 및 PBI의 열전도성은 다 음의 표(1)에 주어진다.

소재	내열 온도 (로드 1.82 MPa(℃) 하에서 변형 온도)	열전도성(W/mㆍK )
PPS	108	0.33
PEEK	140	0.25
PES	203	0.18
PBI	435	0.40

가스 투과막(10)은 그 표면상에 소수성(hydrophobic) 특성을 갖으며, 내부에 미세한 구멍을 포함하고, 그로 인하여, 막(10)은 액체는 투과하지 못하고 기체는 투과할 수 있는 특성을 갖게 된다. 가스 투과막(10)에 사용되는 소재의 예로, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌:Polytetrafluoroethylene)와 PVDF(폴리비닐리딘플루오라이드:polyvinylidenefluoride)가 사용될 수 있다. 가스 투과막(10)이 PTFE로 만들어지는 경우, PTFE 막은 막의 두께가 200 ㎛ 이고, 평균 미세 구멍의 직경이 5㎛일 때, 가스(증기)를 투과시키는 것이 실험을 통해 확인되었다. 한편, 135 ㎛의 두께와 1.2 ㎛의 평균 미세 구멍 직경을 갖는 PTFE 박막은 가스를 투과시키지 않는다. 부가하여, 172 ㎛의 두께와 3 ㎛의 평균 미세 구멍 직경을 갖는 PTFE 박막 역시 가스를 투과시키지 않는다. 따라서, 가스 투과막(10)의 평균 미세 구멍 직경은 5 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

다음으로, 증발 장치(1)의 동작이 설명된다.

전압이 가열 코일(11)에 인가될 때, 가열 코일(11)은 열을 발생한다. 이러한 상태에서 액체가 도입구(15)로 공급되는 경우, 액체는 공동(12)에 고이며, 일측 단부면을 통해 액체 흡수 부재(2)에 흡수된다. 일측 단부면을 통해 흡수된 액체는 모세관 작용(capillary action)에 의하여 타측 단부면을 향해 흡입되며, 가열 코일(11)의 열에 의해 증발된다.

액체 흡수 부재(2) 배출 측 단부 부분에서 증발된 가스는 가스 투과막(10)을 통과하여, 배출구(16)를 통해 외부로 배출된다. 공급된 액체의 압력이 배출된 가스의 압력과 동일하게 될 경우, 단위 시간당 증발되는 액체의 양은 증가되며, 액체의 압력 또는 가스의 압력이 변화되는 경우에도, 단위 시간당 증발될 액체의 양은 거의 일정하게 유지된다. 따라서, 배출되는 가스의 압력과 공급되는 액체의 압력을 측정하고, 배출된 가스의 압력이 공급된 액체의 압력과 동일하게 유지되도록, 측정되는 값에 따라서 흐름 속도 제어 유닛에 의해 배출되는 가스와 공급된 액체의 압력을 조정하는 것이 바람직하다.

도입구(15)를 통해 공급된 액체에 기포가 포함되어 있을 수 있다. 그러나, 도입구(15)와 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면 사이에 형성된 중공(12)의 단면 영역은 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면의 영역보다 크기 때문에, 기포는 중공(12) 내부로 확산된다. 따라서, 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면은 기포로 완전히 덮이지 않으며, 액체 흡수 부재(2)의 액체 흡수는 방해받지 않는다.

중공(12)에 누적되는 기포는 액체만큼 빠르게 액체 흡수 부재(2) 속으로 흡수되지 않기 때문에, 기포는 중공(12)에서 터지거나, 또는 액체 흡수 부재(2) 속으로 서서히 흡수되어, 대향측에 제공된 배출구(16)로부터 배출된다. 중공(12)은 기포를 임시적으로 저장하기 위한 완충부로서 제공된다. 도입구(15)의 단면 영역은 중공(12)의 단면 영역보다 작기 때문에, 기포가 중공(12)에 저장되는 속도는 기포가 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면을 통해 부재(2)로 흡수되는 속도보다 낮다. 따라서, 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면은 기포로 완전히 덮히지 않고, 그에 따라서, 기포가 일측 단부면에 의해 흡입되는 경우에도, 액체 흡수 부재(2)의 액체 흡수는 방해받지 않는다. 결과적으로, 액체 흡수 부재(2)가 액체 증발을 중단하는 것이 방지된다.

액체는 미세 구멍이 제공되는 액체 흡수 부재(2) 내부에서 증발되기 때문에, 액체의 갑작스런 비등은 억제될 수 있다. 특히, 액체 흡수 부재(2) 배출 측 타측 단부 부분이 가열 코일(11)에 의하여 가열되며, 액체 흡수 부재(2)는 낮은 열전도성을 갖기 때문에, 액체 흡수 부재(2) 도입 측 중앙 부분 또는 일측 단부 부분 어느 곳에서도 액체는 증발되지 않고, 액체 흡수 부재(2) 배출 측 타측 단부 부분에서만 증발이 일어난다. 액체 흡수 부재(2) 도입 측 중앙 부분 또는 일측 단부 부분에서 가스가 발생될 경우, 발생된 가스의 압력은 액체 흡수 부재(2)의 모세관 작용에 의한 액체 흡수력을 감소할 수 있다. 그러나, 이러한 문제는 방지될 수 있다.

부가하여, 가열 코일(11)은 액체 흡수 부재(2)에 직접 접촉하지 않으며, 아웃렛 니플(6)은 가열 코일(11)과 액체 흡수 부재(2) 사이에 제공된다. 이에 따라서, 액체 흡수 부재(2)는 국부적으로 가열되지 않으며, 가열에 의한 액체 흡수 부재(2)의 국부적인 손상이 방지된다.

액체 흡수 부재(2)가 내부 튜브(3) 속으로 삽입되고, 내부 튜브(3)는 액체 흡수 부재(2)와 밀착되도록 유지되기 때문에, 액체 흡수 부재(2) 내부에서 발생된 가스는 액체 흡수 부재(2)의 외면으로부터 폭발하지(burst out) 않는다. 따라서, 가스가 액체 흡수 부재(2)의 외면과 내부 튜브(3) 사이의 틈을 통하여, 액체 흡수 부재(2)의 일측 단부면을 향해 폭발하는 것이 방지된다.

또한, 액체 흡수 부재(2)가 내부 튜브(3) 속으로 삽입되기 때문에, 액체는 액체 흡수 부재(2)의 후방측 일측 단부면에서만 부재(2)와 직접적으로 접촉하고, 액체 흡수 부재(2)의 액체 흡수력은 후방측 일측 단부면에서 증가된다. 부가하여, 액체 흡수 부재(2) 배출 측(배출구(16)) 타측 단부면에서 발생되는 가스가 도입측(도입구(15))으로 복귀되는 것이 방지된다. 내부 튜브(3)는 액체 흡수 부재(2)의 양 단부 부분이 노출되는 것을 허용하며, 액체 흡수 부재(2)를 밀착하여 덮기 때문에, 액체 흡수 부재(2) 외면과 내부 튜브(3) 사이에는 모세관 작용이 발생될 수 있는 틈이 잔존하지 않는다. 따라서, 액체 흡수 부재(2) 내부의 가스가 액체 흡수 부재(2)의 외면을 향해 이동하여 틈을 따라 도입측으로 복귀하는 것이 방지되며, 틈에 잔존하는 것 역시 방지된다. 결과적으로, 액체 흡수 부재(2) 내부의 가스는 모세관 작용의 영향하에서 이동하는 액체에 의하여, 도입구로부터 배출구로 압출된다. 특히, 내부 튜브(3)는 열 수축성을 갖기 때문에, 액체 흡수 부재(2)에 대한 내부 튜브(3)의 점착은 가열 코일(11)의 가열에 의하여 증대되며, 그로 인하여, 상술된 배치는 더욱 탁월한 이점을 갖게 된다.

부가하여, 외부 튜브(4)가 인렛 케이스(7)와 액체 흡수 부재(2) 사이에 배치되기 때문에, 인렛 케이스(7)의 기밀도와 수밀도는 외부 튜브(4)에 의하여 보장된다. 인렛 니플(5)과 아웃렛 니플(6)은 외부 튜브(4)의 양 단부 부분으로 각각 압입된다. 그에 따라서, 인렛 케이스(7)와 아웃렛 케이스(8)가 없는 경우에도, 도입구(15)로부터 공급된 액체는 증발될 수 있고, 가스는 배출구(16)를 통해 배출될 수 있다. 그러나, 인렛 케이스(7)와 아웃렛 케이스(8)가 있음으로 하여, 기밀도와 수밀도가 좀 더 개선되며, 가열 손실 또한 감소된다. 특히, 인렛 케이스(7)와 아웃렛 케이스(8)는 낮은 열전도성과 내열성을 갖는 소재로 만들어지기 때문에, 가열 손실이 억제될 수 있다.

또한, 가스 투과막(10)이 액체 흡수 부재(2) 배출구 측 타측 단부면 상에 형성되기 때문에, 가스 투과막(10)으로부터 배출구(16)를 향하여 액체가 새어나오지 않으며, 갑작스런 비등에 기인한 액체의 분산(scattering)이 특히 방지된다.

증발 장치(1)의 적용 예가 도 3과 4를 참조하여 이하 설명된다.

도 3은 증발 장치(1)를 사용하는 파워 발생 장치(50)를 도시하는 블럭도이다. 도 4는 증발 장치(1), 마이크로-반응기(52), 및 연료 전지(53)를 도시하는 개략도이다.

파워 발생 장치(50)는 연료 보유기(51), 마이크로-반응기(52), 연료 전지(53), 및 증발 장치(1)와 부가적인 유체 장비(60)를 포함한다.

마이크로-반응기(52)는 개질기(54), 일산화 탄소 제거기(55), 및 내장된 연소기(56)를 포함한다. 증발 장치(1)가 마이크로-반응기(52)에 적재될 때, 아웃렛 니플(6)은 개질기(54)에 도달한다. 연료 보유기(51)에서는, 물과 액체 연료(예를 들면, 메탄올과 에탄올 같은 알코올, 또는 가솔린)가 분리되어 저장된다. 연료 보유기(51)에는 공기 필터(81)가 제공된다. 후술의 설명은 메탄올이 연료로서 사용되는 가정하에 기술된다.

유체 장치(60)는 펌프(61, 64, 68), 온-오프 밸브(62, 65), 제어 밸브(69, 71), 및 흐름 센서(63, 66, 70, 72, 73)를 포함한다. 또한, 유체 장치(60)에는 연료 보유기(51)의 물 배수 아웃렛에 연결된 도입 파이프(74)와 연료 보유기(51)의 연료 배수 아웃렛에 연결된 도입 파이프(75)가 제공된다. 펌프(61)는 연료 보유기(51)로부터 물을 흡입하여, 증발 장치(1)로 공급한다. 온-오프 밸브(62)는 물 흐름의 중단 및/또는 시작을 제어하고, 흐름 센서(63)는 물의 흐름 속도를 측정한다. 펌프(64)는 연료 보유기(51)로부터 액체 연료를 흡입하여 증발 장치(1)로 공급한다. 온-오프 밸브(65)는 물 흐름의 중단 및/또는 시작을 제어하고, 흐름 센서(66)는 물의 흐름 속도를 측정한다. 증발 장치(1)에는 혼합된 상태의 물과 액체 연료가 제공된다. 펌프(68)는 공기 필터(81)를 통하여 외부로부터 공기를 흡입하기 위하여 제공되며, 공기를 연소기(56), 일산화탄소 제거기(55), 그리고 연료 전지(53)의 공기 전극(58)으로 공급한다. 연소기(56)에 공급되는 공기의 흐름 속도는 흐름 센서(70)에 의해 측정되며 제어 밸브(69)에 의해 제어된다. 일산화탄소 제거기(55)로 공급되는 공기의 흐름 속도는 흐름 센서(72)에 의해 측정되며, 제어 밸브(71)에 의해 제어된다. 연료 전지(53)로 공급되는 공기의 흐름 속도는 흐름 센서(73)에 의해 측정된다. 온-오프 밸브(67)는 연소기(56)으로부터의 방출 흐름의 중단 및/또는 시작을 제어하기 위하여 제공된다.

연료 액체와 물의 액체 혼합물은 증발 장치(1)에 공급되며, 증발 장치(1)의 액체 흡수 부재(2)에서 증발된다. 증발된 액체 연료와 물의 가스 혼합물은 개질기(54)로 공급된다. 고열전도성의 아웃렛 니플(6)은 가열 코일(11)에 의하여 가열되며, 아웃렛 니플(6)은 개질기(54)에 도달한다. 그에 따라서, 증발된 액체와 물의 가스 혼합물은 개질기(54)로 공급되기 이전에 액체 상태로 복귀되는 것이 방지된다. 여기서, 인렛 니플(5)이 개질기(54)에 도달하고, 액체 흡수 부재(2) 배출 측 타측 단부 부분을 가열하기 위하여 개질기(54)로부터 인렛 니플(5)로 열이 전도되기 때문에, 가열 코일(11)은 생략될 수 있다.

개질기(54)에서, 화학식 (1)과 (2)에 도시된 바와 같이, 증발 장치(1)로부터 공급된 액체와 물의 가스 혼합물은 촉매 작용에 의하여 수소로 개질된다. 개질기(54)에서 발생된 가스 혼합물 생산물은 일산화탄소 제거기(55)로 공급되며, 공기 또한 펌프(68)로부터 일산화탄소 제거기(55)로 공급된다. 일산화탄소 제거기(55)에서는, 가스 혼합물에 있는 일산화탄소가 화학식(3)에 도시된 바와 같이, 촉매 작용에 의하여 선택적으로 산화된다. 마이크로-반응기(52)에는 전열 소재로 만들어진 박막 가열기(82)가 제공된다. 개질기(54)와 일산화탄소 제거기(55)는 박막 가열기(82)에 의하여 가열된다.

연료 전지(53)에는 촉매 입자를 함유하고 있는 연료 전극(fuel pole)(57), 촉매 입자를 함유하고 있는 공기 전극(air pole)(58), 그리고 연료 전극(57)과 공기 전극(58) 사이에 끼어있는 고분자 전해질막이 제공된다. 연료 전극(57)에는 일산화탄소 제거기(55)로부터 가스 혼합물이 공급된다. 공기 전극(58)에는 펌프(68)로부터 공기가 공급된다. 연료 전극(57)에서는, 화학식(4)에 도시된 바와 같이, 가스 혼합물에 있는 수소가 촉매 입자의 촉매 작용에 의하여 수소 이온과 전자로 분리된다. 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 산소 전극(58)으로 전도되며, 연료 전극(57)으로부터 전자가 방출된다. 산소 전극(58)에서는, 전자, 산소 이온, 그리고 수소 이온이 화학식(5)에 도시된 바와 같이 반응하여 물을 생산한다. 결과적으로, 연료 전지(53)에 의하여 전기 에너지가 발생된다. 여기서, 물이 펌프(61)로부터 연료 전극(57)과 산소 전극(58)에 공급될 수 있다.

연료 전극(57)에서 반응에 참여하지 않은 수소를 담고 있는 오프-가스(off-gas)는 연소기(56)로 공급된다. 연소기(56)에서는, 펌프(68)로부터 공급된 공기에 함유된 산소와 반응에 참여하지 않았던 수소가 촉매 작용에 의하여 반응하여 연소열을 발생한다. 연소열은 개질기(54)와 일산화탄소 제거기(55)에서의 반응을 돕기 위해 사용된다. 연소기(56)의 배출가스는 온-오프 밸프(67)을 통해 외부로 배출된다.

도 5는 파워 발생 장치(50A)를 도시하는 블럭도이다. 도 5에서, 도 3의 파워 발생 장치(50)와 동일한 파워 발생 장치(50A) 요소는 동일한 참조 번호가 부여된다.

파워 발생 장치(50A)에서는, 압력 센서(91)가 증발 장치(1)의 인렛 니플(5)과 연결되어 증발 장치(1)의 인렛 니플로 공급되는 액체 혼합물의 압력을 측정하고, 압력 센서(92)가 연소기(56)와 온-오프 밸브(67) 사이에 제공되어 연소기(56)로부터 배출되는 가스의 압력을 측정한다. 증발 장치(1)의 아웃렛 니플(6)과 압력 센서(92)는 연소기(56), 연료 전지(53)의 연료 전극(57), 일산화탄소 제거기(55)의 및 개질기(54)를 통해 연결된다. 그에 따라서, 압력 센서(92)는 실제적으로 증발 장치(1)의 아웃렛 니플(6)로부터 배출되는 가스 혼합물의 압력을 측정하기 위하여 제공된다.

압력 센서(91)와 압력 센서(92)는 압력을 감지하기 위하여, 내장된 다이어프램(diaphragm)의 이동을 전압 소자 또는 정전 용량을 사용하여 전기적 신호로 각각 변환한다.

파워 발생 장치(50A)에는 펌프들(61,64)을 제어하는 제어 회로가 제공된다. 제어 회로와 펌프들(61,64)에 의해 제어함으로써 물과 액체 연료의 액체 흐름 속도를 조절할 수 있으며, 그로 인해, 증발 장치(1)에 공급될 액체 혼합물의 압력을 조절한다. 여기서, 제어 회로는 증발 장치(1)에 대한 제어 회로로서도 또한 제공된 다. 펌프들(61,64)은 증발 장치(1)의 공급부로서 제공되며, 압력 센서(92)는 증발 장치(1)의 측정부로서 제공된다.

압력 센서들(91, 92)에 의해 측정되는 압력 신호는 제어 회로로 피드백된다. 제어 회로는 피드백된 압력 신호에 기초하여 펌프들(61,64)에 의한 액체 혼합물의 압력을 측정하여, 증발 장치(1)로 공급된 액체 혼합물의 압력이 증발 장치(1)로부터 개질기(54)로 공급된 가스 혼합물의 압력과 동일하도록 한다. 특히, 제어 회로는 압력 센서(91)에 의해 측정된 압력이 압력 센서(92)에 의해 측정된 압력보다 크거나 또는 초과하는 경우에, 흐름 속도를 감소하기 위하여 펌프들(61,64)을 제어한다. 반면, 압력 센서(91)에 의해 측정된 압력이 압력 센서(92)에 의해 측정된 압력보다 작은 경우에, 제어 회로는 흐름 속도를 증가하기 위하여 펌프들(61,64)을 제어한다.

도 6은 파워 발생 장치(50B)의 블럭도이다. 도 6에서, 도 5의 파워 발생 장치(50A)와 동일한 파워 발생 장치(50B)의 요소는 동일한 참조 번호가 부여된다.

파워 발생 장치(50B)에는 온-오프 밸브들(62, 65)을 대신하여 제어 밸브들(62B, 65B)이 제공된다.

펌프들(61,64)은 파워 발생 장치(50B)에 구비되지 않는다. 대신, 공기는 펌프(68)에 의하여 배압 파이프(76)를 통해 연료 보유기(51)에 제공된 물 탱크와 연료 탱크로 공급된다. 공급되는 공기량을 제어함으로써, 물은 연료 물 보유기(51)로부터 제어 밸브(62B)를 통해 증발 장치(1)로 공급되며, 액체 연료는 연료 보유기(51)로부터 제어 밸브(65B)를 통해 증발 장치(1)로 공급되고, 압력 센서(91)에서 측정된 압력은 제어된다. 제어 밸브(62B)는 증발 장치(1)로 공급되는 물의 전체 액체량을 조절하기 위하여 제공되며, 제어 밸브(65B)는 증발 장치(1)로 공급되는 액체 연료의 전체 액체량을 조절하기 위하여 제공된다.

파워 발생 장치(50B)의 제어 회로는 압력 센서들(91,92)로부터 피드백되는 압력 신호에 기초하여 제어 밸브들(62B, 65B)을 제어한다. 증발 장치(1)로 공급되는 액체 혼합물의 압력이 개질기(54)로 공급되는 가스 혼합물의 압력과 동일해지도록 또는 두 개의 압력이 일정하게 유지되도록, 제어 회로는 제어 밸브들(62B, 65B)을 제어한다. 여기서, 압력 센서(92)는 증발 장치(1)와 개질기(54) 사이 또는 일산화탄소 제거기(55)와 연소기(56) 사이에 구비될 수 있다.

압력차를 방지하기 위한 제어가 실행되지 않을 경우, 압력 센서(91)에 의해 측정된 압력 또는 압력 센서(92)에 의해 측정된 압력 중 적어도 어느 하나가 변경될 경우, 액체 흡수 부재(2)에 있는 액체의 압출력은 이러한 압력 변화로 발생되는 압력차에 기인하여 변경된다. 그에 따라서, 액체 흡수 부재(2)에서의 증발량은 일정하지 않게 된다. 부가하여, 액체 흡수 부재(2)에서 모세관 작용의 영향으로 인한 액체 장력에 대향되는 방향으로 부하 파워(load power)가 연료 보유기(51)에서 작동하며, 모세관 작용의 영향으로 인한 액체 장력을 억제한다. 그에 따라서, 액체 흡수 부재(2)의 증발량은 일정하지 않게 된다.

본 실시예에서는, 압력 센서(91)에 의해 측정되는 압력 또는 압력 센서(92)에 의해 측정된 압력 중 적어도 어느 하나가 증가 또는 감소되는 경우, 또는 부하 파워가 연료 보유기(51)에서 작동하는 경우에도, 액체 흡수 부재(2) 도입 측과 배 출 측 압력은 그러한 현상을 상쇄하도록 일정하게 유지된다. 따라서, 증발량은 모세관 작용의 영향으로 인한 액체 장력에 의하여 일정하게 유지된다. 여기서, 액체 흡수 부재(2) 도입 측과 배출 측의 압력은 항상 동일할 필요는 없으며, 이러한 압력이 일정하게 유지되는 한도에서, 증발량은 일정하게 유지될 수 있다.

배출 측의 압력과 증발 장치(1)의 증발량 사이의 관계는 실험에 의하여 얻어진다. 도 7은 비교를 목적으로, 압력차가 발생하도록 준비된 실험 장비를 도시하는 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연료 탱크(101)는 튜브를 통해 질량 유량계(mass flow meter)(102)로 연결되며, 질량 유량계(102)는 증발 장치(1)의 인렛 니플(5)에 연결되고, 증발 장치(1)의 아웃렛 니플(6)은 플라스크(103)에 연결된다. 한편, 주입기(105)가 밸브(104)를 통해 플라스크(103)에 연결되며, 압력 게이지(106)는 플라스크(103)에 연결된다. 60 중량% 메탄올 용액이 연료 탱크(101)에 공급되고, 모세관 작용의 영향하에 증발 장치(1)의 액체 흡수 부재(2)에 의하여 흡수된다. 연료 탱크(101)는 공기에 연통되도록 놓여지며 대기압을 유지하게 하여, 증발 장치(1) 배출 측의 압력과 도입 측의 압력의 차이가 증발이 진행됨에 따라 변화하도록 한다.

이러한 외부 장비에서, 증발 장치(1) 배출 측의 압력은 주입기(105)로 조절되며, 압력은 압력 게이지(106)로 측정되고, 메탄올 용액의 흐름 속도는 질량 유량계(102)로 측정되었다. 측정 결과는 도 8에 도시된다. 도 8에서 확인되는 바와 같이, 증발 장치(1) 배출 측의 압력이 증가함에 따라, 즉, 증발 장치(1) 배출 측의 압력이 증발의 진행에 따라서 도입 측의 압력을 초과함에 따라, 메탄올 용액의 흐 름 속도는 감소하고, 그로 인해, 단위 시간당 메탄올 용액의 증발량은 감소한다.

한편, 도 9에 도시된 실험 장비에서는, 연료 탱크(101)가 기밀하게 유지된다. 연료 탱크(101)가 튜브를 통해 플라스크(103)에 연결되기 때문에, 증발 장치(1) 배출 측의 압력은 도입 측의 압력에 동일하게 유지된다. 이러한 실험 장비에서, 증발 장치(1) 배출 측 압력은 주입기(105)에 의해 조절되며, 압력은 압력 게이지(106)에 의해 조절되고, 메탄올 용액의 흐름 속도는 질량 유량계(102)로 측정된다. 실험 결과는 도 10에 도시된다. 도 10에서 확인되는 바와 같이, 증발 장치(1) 배출 측의 압력이 변경되는 경우에도, 증발 장치(1)의 배출 측의 압력은 도입 측의 압력과 동일하게 유지되고, 그로 인해, 메탄올 용액의 흐름 속도는 변경되지 않으며, 단위 시간당 메탄올 용액의 증발량은 고 레벨에서 일정하게 유지된다.

상술된 두 개의 실험에서, 가열 코일(11)은 동일한 가열량을 발생한다.

본 출원은 2005년 3월 29일 선출원된 일본 특허 출원들, 선출원 제 2005-093931호, 선출원 제 2005-093937호, 및 선출원 제 2005-093938을 기반으로 그 우선권의 이익을 청구하며, 선출원들의 전체 내용은 본 출원에 병합되었다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 증발 장치 및 액체 흡수 부재는 액체를 안정적으로 증발할 수 있는 이점을 갖으며, 연료 전지용으로 사용될 수 있다.

본 발명은 상술된 실시예에 국한되지 않으며, 다양한 개선과 설계 변형이 본 발명의 요지를 벗어남 없이 만들어질 수 있다.

Claims

모세관 작용의 영향하에 일측 단부 부분으로부터 타측 단부 부분으로 액체를 이동시키는 액체 흡수 부재;

상기 액체 흡수 부재의 상기 일 단부 부분과 상기 액체 흡수 부재의 상기 타측 단부 부분이 노출되도록 상기 액체 흡수 부재의 외주면을 덮으며, 상기 액체흡수부재의 외주면의 일 단부 측은 덮고 상기 액체흡수부재의 외주면의 타 단부 측은 노출시키는 밀착-오버래핑(closely overlapping) 유닛, 및

상기 액체 흡수 부재의 외주면 상의 타 단부 측면에 위치되며 상기 액체흡수부재의 타 단부 부분의 상기 측면을 가열하여 액체를 증발시키는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액체 흡수 부재는 펠트 코어(felt core), 다공성 세라믹 코어(ceramic porous core), 및 섬유 코어(fiber core) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 밀착-오버래핑 유닛은 탄성을 갖는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 밀착-오버래핑 유닛은 열 수축성을 갖는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액체 흡수 부재는 0.5 W/mㆍK 이하의 열 전도성을 갖는 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액체 흡수 부재의 상기 타측 단부 부분에 제공되는 가스 투과막을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 가스 투과막은 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 또는 폴리바이닐리딘플루오라이드(polyvinylidene-fluoride)를 포함하는 것을 특징으로 하는 증발 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 액체 흡수 부재의 상기 일측 단부 부분 상에 공동을 남겨둔 상태로, 상기 액체 흡수 부재를 수용하는 케이스를 포함하며,

상기 케이스에는 상기 공동으로 안내하는 도입구가 제공되며, 상기 공동의 단부면 영역은 상기 액체 흡수 부재의 상기 일측 단부 부분의 단부면 영역보다 크고, 상기 도입구의 단부면 영역은 상기 공동의 단부면 영역보다 작은 것을 특징으로 하는 증발 장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제