KR100216496B1 - 연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브는 플루오로카본 고분자 물질로 제조된 절연 튜브 내부로 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 재질로 제조된 전도성 관을 삽입시켜 절연 튜브가 전도성 관에 밀착되도록 슈링킹(shrinking)되는 방법에 의하여 제조된다. 본 발명에 사용되는 플루오로카본 고분자 물질로는 PTFE (poly-tetrafluoroethylene), FEP(fluornateded ethylene-propylene) 및 PFA(perfluorinated alkoxy tetrafluoroethylene)이 있다.

Description

연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브 및 그 제조방법.
제1도는 연료 전지 발전 시스템이 냉각단 내부에 복수개의 냉각 튜브가 삽입된 형태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
제2도는 절연 튜브의 내부의 전도성 관을 삽입시켜 열처리를 하기 전의 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
제3도는 제2도의 절연 튜브와 전도성 관을 열처리하여 절연 튜브가 수축하여 전도성 관에 밀착된 상태를 개략적으르 도시한 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 냉각단 2 : 냉각 튜브
10 : 전도성 관 11 : 절연 튜브
20 : 통로(passageway)
[발명의 분야]
본 발명은 연료 전지 발전 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 연료 전지 발전 시스템에 냉각단에 삽입되는 냉각 튜브 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
연료 전지 발전 시스템은 통상 환원제로서의 연료가 공급되는 애노드(anode)극과 산화제로서의 공기가 공급되는 캐소드(cathode)극으로 이루어진 단전지가 적층된 스택(stack)의 형태로 구성된다.
상기 단전지가 적층된 스택은 연료 전지 발전 시스템에서 발생되는 반응열에 의하여 가열된다. 이 가열되는 스택을 180∼210℃의 적정온도로 유지하여야 할 필요가 있다. 즉 가열되는 스택의 온도를 180∼210℃로 유지하기 위하여 스택을 냉각할 필요가 있다. 이러한 목적을 위하여 연료 전지 발전 시스템의 스택은 복수개의 냉각단이 설치되며, 그 냉각단을 통하여 공냉식 또는 수냉식에 의하여 스택을 냉각시킨다. 공냉식에 의한 냉각 방식은 대기중의 공기를 송풍기를 이용하여 스택의 냉각단에 강제로 송풍하는 방식으로, 이 방식에 의한 기술이 미국특허 제4,276,355호에 소개된 바 있다.
한편 수냉식에 의한 냉각 방식은 공기 대신 물을 사용하는 방식으로, 수냉식의 장점은 물이 스택의 냉각단을 통과하면서 회수한 반응열의 활용이 용이하고 냉각 장치의 규모를 소형화할 수 있는 등의 여러가지 장점이 있다.
수냉식에 의한 냉각 방식은 냉각단 내부에 복수개의 냉각 튜브가 삽입되고, 그 냉각 튜브의 통로를 통하여 물과 같은 유체를 통과시켜 냉각 효과를 달성하고 있다.
연료 전지 발전 시스템의 수냉식 냉각 시스템이 미국 특허 제3,964,930호에 개시되어 있다. 이 냉각 시스템에서는 전도성 관의 내부 또는 외부에 PTEE(polytetrafluoroethylene)와 같은 절연 물질을 코팅하여 2000 볼트에서 40,000 시간 이상 운전할 수 있는 냉각관을 개시하고 있다.
이제까지 수냉식 연료 전지의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브는 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 물질로 구성된 전도성 관에 PTFE와 같은 절연 물질을 코팅하여 제조되었다.
그러나 냉각 튜브에 완벽한 절연성을 부여하고 전해질로 인한 내부식성을 예방하는 것이 심각한 문제로 남아 있었다. 보다 구체적으로, 스택의 냉각단에 삽입되는 냉각 튜브와 스택 사이에는 고전류가 흐르고 고전압이 걸리기 때문에 냉각튜브의 완벽한 절연성이 요구된다. 또한 절연 물질로 코팅된 부분에서 핀 흘(pin hole)과 같은 흠집이 존재하는 경우에는 인산과 같은 전해질 용액에 의하여 냉각 튜브가 부식되는 결함이 있다. 따라서 냉각 튜브를 절연 물질로 코팅하는 경우에는 그 표면에 결함이 절대적으로 없어애 한다. 또한 냉각 튜브의 본래의 목적을 달성하기 위하여 효율적인 열전달이 행해져야 한다.
상기 미국특허 제3,964,930호에 개시되어 있는 바와 같이, 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 물질로 구성된 전도성 관에 PTFE와 같은 절연 믈질을 코팅하는 방법은 절연 물질을 코팅하는 과정에서 핀 홀(pin hole)과 같은 결함이 그 코팅표면에 존재하기 때문에 절연성과 부식성 문제에 치명적인 결과를 초래할 수 있다. 따라서 이 경우에는 고도의 코팅 기술과 함께 완벽한 검사가 요구된다. 또한 PTFE와 같은 절연물질을 전도성 관에 코팅하기 위해서는 상당히 비싼 비용이 소요된다.
본 발명자들은 연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 종래의 냉각튜브의 단점들을 개선할 수 있는 본 발명의 냉각 튜브를 개발하기에 이른 것이다.
[발명의 목적]
본 발명의 목적은 연료 전지 시스템의 냉각단에 삽입되는 냉각 튜브를 고전류 및 고전압으로부터 보호할 수 있도록 완벽한 절연성을 갖는 냉각튜브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 연료전지의 스택내에서 인산과 같은 전해질 용액에 의하여 냉각 튜브가 부식되는 것을 완벽하게 방지할 수 있는 냉각 튜브를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 전도성 관에 절연 물질을 코팅하지 않고 절연 물질로 만든 절연 튜브 내에 전도성 관을 삽입시킨 후 열처리 과정을 통하여 절연 튜브가 전도성 관에 밀착되도록 함으로써 완벽한 절연성과 내부식성을 갖고 제조 비용이 저렴한 냉각 튜브를 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 발명의 목적 및 기타의 다른 목적들이 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
[발명의 요약]
본 발명의 연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브는 플루오로카본 고분자 물질로 제조된 절연 튜브 내부로 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 재질로 제조된 전도성 관을 삽입시켜 절연 튜브가 전도성 관에 밀착 되도록 슈링킹(shrinking)되는 방법에 의하여 제조된다.
본 발명에 사용되는 플루오로카본 고분자 물질로는 PTFE (poly-tetrafluoroethylene), FEP (fluorinated ethylene-propylene) 및 PFA (perfluo-rinated alkoxy tetrafluoroethylene)이 있다.
PTFE절연 튜브를 사용하는 경우에는 320∼370℃의 온도에서 1∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서의 PTFE층의 두꼐가 0.05∼0.2 mm가 되도록 한다.
FEP 절연 튜브를 사용하는 경우에는 170∼270 ℃의 온도에서 1∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서의 PFA층의 두께가 0.05∼0.2 mm가 되도록 한다.
FEP 절연 튜브를 사용하는 경우에는 250∼310 ℃의 온도에서 1∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서의 PFA층의 두께가 0.05∼0.2 mm가 되도록 한다.
이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.
[발명의 구체적예에 대한 상세한 설명]
제1도는 연료 전지 발전 시스템의 냉각단 내부에 복수개의 냉각 튜브가 삽입된 형태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
통상의 연료 전지 발전 시스템은 스택을 중심으로 구성되며, 그 스택 내부에 복수 개의 냉각단(1)을 포함한다. 냉각단(1)에는 그 내부를 관통하도록 복수개의 냉각 튜브(2)가 설치된다. 냉각 튜브(2)의 내부에는 통로(20)가 형성되어, 이 통로(20)를 통하여 물과 같은 유체를 흐르게 할 수 있다. 연료 전지 발전 시스템에서의 이러한 냉각단(l) 및 냉각 튜브(2)는 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이해될 수 있다.
미국 특허 제3,964,930호에 개시된 바와 같이, 냉각 튜브(2)는 구리 또는 스테인레스 재질로 제조된 전도성 관의 외부 또는 내부 표면에 PTFE와 같은 플루오로카본 고분자 물질을 종래의 코팅 방법에 의하여 코팅하여 제조되었다.
본 발명에서는 전도성 관에 절연 물질을 종래의 코팅 방법에 의하여 코팅하는 방법을 사용하지 않는다. 본 발명의 연료 전지 발전 시스템의 냉각단(1)에 사용되는 냉각 튜브(2)는 플루오로카본 고분자 물질로 제조된 절연 튜브(l1) 내부로 구리 또는 스테인레스 스틸과 같은 재질로 제조된 전도성 관(10)을 삽입시켜 절연 튜브(11)가 전도성 관(1O)에 밀착·되도록 슈링킹(shrinking)되도록 함으로써 제조된다.
제2도는 절연 튜브(11)의 내부에 전도셩 관(l0)를 삽입시켜 열처리를 하기 전의 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
전도성 관(10)은 종래에 사용되고 있는 관을 사용할 수 있다. 그 전도성관(10)의 외경 및 두게는 매우 다양하며, 이는 이 분야의 통상의 지식을 가진자에 의하여 용이하게 실시될 수 있다.
절연 튜브(11)는 플루오로카본 고분자 물질로 제조되며, 플루오로카본 고분자 물질의 대표적인 예로는 PTFE, FEP 및 PFA가 있다. 절연 튜브(11)의 내경은 전도성 관(10)이 삽입될 수 있도록 전도셩 관(l0)의 외경보다 약간 큰 것을 사용하며, 이는 이 분야의 당업자에 의하여 용이하게 실시할 수 있다. 절연 튜브(11)의 두께는 열처리 한 후 수축되어 밀착된 두께가 약 0.05∼0.2㎜의 범위가 되도록 선택될 수 있다. 절연 튜브(11)를 열처리하면 그 두께는 약간 감소되기 때문에 0.05∼0.2 ㎜의 열처리 후의 두께를 얻기 위해서는 열처리 전의 두께가 0.07∼0.22 ㎜의 범위인 것이 바람직하다.
PTFE 절연 튜브를 사용하는 경우에는 320∼370℃의 온도에서 l∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서의 PTPE 층의 두께가 0.05∼0.2 ㎜가 되도록 한다.
PTFE 절연 튜브인 경우에 열처리 온도가 370℃ 이상이면 튜브가 용융되기 시작하고, 320℃ 이하이면 완전히 수축이 되지 않는 현상이 발생한다.
FEP 절연 튜브를 사용하는 경우에는 l70∼270。C의 온도에서 l∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서 PTPE층의 두께가 0.05∼0.2 ㎜가 되도록 한다.
FEP 절연 튜브인 경우에 열처리 온도가 270℃ 이상이면 튜브가 용융되기 시작하고, l70 ℃ 이하이면 완전히 수축이 되지 않는 현상이 발생한다.
PFA 절연 튜브를 사용하는 경우에는 250∼310℃의 온도에서 1∼3 시간동안 열처리하여 최종 냉각 튜브에서 PTPE층의 두꼐가 0.05∼0.2 ㎜가 되도록 한다.
PFA 절연 튜브인 경우에 열처리 온도.가 310。C 이상이면 튜브가 용융되기 시작하고, 250 ℃ 이하이면 완전히 수축이 되지 않는 현상이 발생한다.
본 발명에서의 열처리는 종래의 오븐에서 행할 수 있다.
제3도는 제2도의 절연 튜브(l1)와 전도성 관(l0)을 열처리하여 절연 튜브(11)가 수축하여 전도성 관(10)에 밀착된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
상기와 같은 방법에 따라 절연 튜브(11)와 그 내부에 삽입된 전도성 관(10)을 열처리함으로써 절연 튜브(11)가 전도성 관(10)의 의부에 코팅된 효과를 나타낸다. 그러나 종래의 방법과 같이 전도성관(10)의 외부에 절연 물질을 직접 코팅하는 경우에는 그 코팅 표면에 핀 흘과 같은 결함이 발생하여 절연성이나 전도성 관(11)의 부식성에 심각한 문제를 야기시키지만, 본 발명에서는 이미 제조된 절연 튜브(11)를 이용하여 열처리하기 때문에 결함이 전혀 발생하지 않는 완벽한 냉각 튜브(2)를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 냉각튜브(2)는 종래의 코팅 방법보다 현저히 제조 원가를 절감할 수 있다.
연료 전지 발전 시스템에 사용되는 냉각 튜브는 열전달 효과가 양호하여야 한다. 양호한 열전달 효과를 나타내기 위해서는 수축된 절연 튜브(11)의 두께가 얇을수록 좋다. 그러나 수축된 절연 튜브(11)의 두께를 너무 얇게 하면, 열처리 과정중에 과도한 수축이 발생하여 절연 튜브가 파손되는 경우가 있다. 따라서 수축된 절연 튜브(11)의 두꼐는 내부식성, 절연성 그리고 열전도도를 고려하여 0.05∼0.2㎜의 범위가 바람직하다. 본 발명에서 사용되는 절연 물질 중에서, PTFE의 열전도도가 가장 높고, PFA의 열전도도가 가장 낮다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예 본 발명의 예시 목적으로 기재될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
[실시예]
하기 실시예 1∼18(표)은 각각의 전도성관에 각각의 절열 튜브를 삽입시켜 각각의 열처리 조건하에서 처리하였다. 수축 후의 절연 튜브의 두께를 측정하여 하기 표에 나타내었다.
[표]
Figure kpo00002
상기 표에서 보듯이 열처리를 완료하면 절연 튜브는 수축되어 그 두께가 약간씩 감소함을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 본 발명의 영역에 해당될 수 있으며, 본 발명의 보호범위는 첨부하는 특허청구범위에 의해 구체적으로 정해질 것이다.

Claims (14)

  1. 전도성 관(10),및 플루오로카본 고분자 물질로 제조된 절연 튜브(11) 내부에 상기 전도성 관을 삽입시켜 열처리함으로써 상기 전도성 관의 외부에 수축되어 밀착된 0.05∼0.2 ㎜의 두께를 갖는 절연 튜브(11), 로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 냉각단(1)에 사용되는 냉각 튜브(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 관(10)이 구리 또는 스테인레스 스틸로 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2).
  3. 제1항에 있어서, 상기 플루오로카본 고분자 물질이 PTFE, FEP, 및 PFA로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2).
  4. 전도성관(10)의 외경보다 절연 튜브(11)의 내경이 더 큰 절연 튜브를 선택하고,상기 전도성 관(10)을 상기 절연 튜브(l1) 내부에 삽입시키고, 0그리고 상기 절연 튜브 내부에 삽입된 상기 전도성 관을 열처리하고, 그럼으로써 상기 절연 튜브(11)가 전도성 관(10)의 외부에 수축하여 밀착되는, 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 발전 시스템의 냉각단(1)에 사용되는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전도성 관(10)이 구리 또는 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)외 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 플루오로카본 고분자 물질이 PTFE인 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열처리 공정이 320∼340。C의 온도에서 1∼3 시간동안 행해지는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 플루오로카본 고분자 물질이 FEP인 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열처리 공정이 210∼230℃의 온도에서 1∼3 시간동안 행해지는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 상기 플루오로카본 고분자 물질이 PFA인 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 열처리 공정이 280∼295。C의 온도에서 1∼3 시간동안 행해지는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  12. 제4항에 있어서, 상기 절연 튜브(11)가 수축된 후에 0.05∼0.2㎜의 두께를 갖도록 열처리되는 것을 특징으로 하는 냉각 튜브(2)의 제조방법.
  13. 플루오로카본 고분자 물질로 제조되고 그 내경이 전도성 관(l0)의 외경보다 더 커서 상기 전도성 관(10)이 삽입될 수 있고 열처리 공정을 통하여 수축 되어 전도성 관(10)의 외부에 0.05∼0.2 mm의 두께를 갖도록 하여 연료 전지 발전 시스템의 냉각단에 사용되는 냉각 튜브(2)를 제조하기 위한 절연 튜브(11)의 용도.
  14. 제13항에 있어서, 상기 플루오로카본 고분자 물질이 PTFE, FEP 및 PFA로 이루어진 군으로 제조되는 것을 특징으로 하는 절연 튜브(l1)의 용도.
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