KR100448690B1 - 연료전지의 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명 연료전지의 냉각 시스템은, 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과; 연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 열회수부와; 열회수부에 상수(上水)를 지속적으로 공급하도록 순환용 물공급관의 중간에 물공급밸브와 일정량의 물을 저장하는 물저장통 그리고 물저장통의 물을 연료전지스택으로 펌핑하는 물순환펌프를 순차적으로 구비하여 상기 순환용 물공급관을 열회수부의 입구에 연결하는 물공급부와; 열회수부의 출구와 물공급부를 연결하여 열회수부를 거친 냉각수를 다시 물공급부로 순환하는 물순환부와, 연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와; 스택온도 감지부와 물공급부의 물공급밸브에 각각 연결하여 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하고 연료전지스택의 온도가 설정값 보다 높은 경우에만 물공급밸브를 열고 물순환펌프를 동작시켜 물저장통의 물을 열회수부에 공급함으로써 연료전지스택을 냉각하도록 제어하는 제어부;로 구성함으로써, 연료전지스택이 과냉각되어 성능이 저하되는 것을 차단하여 연료전지의 효율을 높일 뿐만 아니라 냉각용수를 재활용하여 자원의 낭비를 개선할 수 있고 폐열을 이용하여 난방이나 온수로 활용함으로써 에너지를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

Description

연료전지의 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 스택을 항상 적정량만 냉각하여 성능 저하를 미연에 방지하고 냉각에 사용한 물을 이용하여 온수로 활용할 수 있도록 하는 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 통상 연료전지스택(full cell stack)의 내부에 고분자 전해질막을 사이에 두고 다공질인 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 부착하여 연료극(산화전극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 공급하는 반면 공기극(환원전극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 공급한다. 이 과정에서 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료전지는 연료전지스택을 항상 적정온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 성능 저하를 미연에 방지할 수 있음데도 불구하고 종래에는 연료전지를 운전할 때에는 연료전지스택을 연속적으로 냉각하여 오히려 연료전지스택의 성능을 떨어뜨리는 것은 물론 냉각용수를 그대로 배출하여 물의 낭비가 증가하고 연료전지스택을 냉각하면서 발생하는 폐열을 효과적으로 활용하지 못하여 에너지 손실이 야기되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지스택이 항상 적정온도를 유지할 수 있도록 냉각함과 아울러 냉각용수의 낭비를 줄이고 연료전지스택을 냉각하면서 발생하는 에너지를 효과적으로 활용할 수 있는 연료전지의 냉각 시스템을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템을 보인 계통도.

도 2는 연료전지스택의 단면도.

도 3은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템에 대한 다른 실시예를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료전지스택 20 : 열회수부

30 : 물공급부 40 : 물순환부

41 : 물순환관 42 : 공기펌프

50 : 제어부 142 : 온수용 물펌프

T,T1 : 온도센서 L : 수위센서

Q : 수질센서

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과; 연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 열회수부와; 열회수부에 상수(上水)를 지속적으로 공급하도록 순환용 물공급관의 중간에 물공급밸브와 일정량의 물을 저장하는 물저장통 그리고 물저장통의 물을 연료전지스택으로 펌핑하는 물순환펌프를 순차적으로 구비하여 상기 순환용 물공급관을 열회수부의 입구에 연결하는 물공급부와; 열회수부의 출구와 물공급부를 연결하여 열회수부를 거친 냉각수를 다시 물공급부로 순환하는 물순환부와, 연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와; 스택온도 감지부와 물공급부의 물공급밸브에 각각 연결하여 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하고 연료전지스택의 온도가 설정값 보다 높은 경우에만 물공급밸브를 열고 물순환펌프를 동작시켜 물저장통의 물을 열회수부에 공급함으로써 연료전지스택을 냉각하도록 제어하는 제어부;로 구성한 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.

이하, 본발명 연료전지의 스택 냉각 시스템을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템을 보인 계통도이고, 도 2는 연료전지스택의 단면도이며, 도 3은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템에 대한 변형예를 보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 냉각 시스템은, 연료전지스택(10)에 온도센서(T)를 구비하여 그 연료전지스택(10)에서 수소와 산소의 반응 중에 발생하는 열을 감지하도록 하는 한편 연료전지스택(10)을 열교환기로 감싸 상기 온도센서(T)로 감지한 온도에 따라 열교환매체(예컨대, 물)를 적절하게 공급하여 연료전지스택(10)이 항상 일정온도 범위를 유지하도록 한다.

또, 연료전지스택을 냉각하는데 사용한 열교환매체를 다시 순환시켜 재활용하는 것이다.

이를 위해, 도 1에서 10은 연료전지스택을 보인 것으로, 연료전지스택(10)은 도 2에서와 같이 다수 개의 싱글셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 싱글셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리기(separator)(15,16)와, 각 분리기(15,16)의 외측에 적층하여 집전전극을 형성하는 집전기(current collector)(17,18)로 이루어진다.

연료전지스택(10)의 일측에는 그 연료전지스택(10)의 온도를 감지하여 적정한 냉각이 이루어지도록 하는 제1 온도센서(T1)를 장착한다.

도 1에서 20은 열회수부를 보인 것으로, 열회수부(20)는 연료전지스택(10)을 감싸도록 관 또는 자켓(jacket) 모양으로 형성하여 그 입구는 후술할 순환용 물공급관(32)에 연결하고 출구는 물순환관(41)에 연결한다.

도 1에서 30은 물공급부를 보인 것으로, 물공급부(30)는 일반 상수(上水)를 열회수부(20)에 지속적으로 공급하기 위한 물공급원(31)과, 물공급원(31)과 열회수부(20)를 연결하는 순환용 물공급관(32)과, 순환용 물공급관(32)의 중간에 설치하고 후술할 제어부(50)에 연결하여 상수의 공급량을 조절하는 물공급밸브(33)와, 순환용 물공급관(32)으로 연결하여 열회수부(20)의 앞단에 구비하고 일정량의 물을 저장하는 물저장통(34)으로 이루어진다.

또, 물공급원(31)과 물공급밸브(33) 사이에는 상수를 정수하기 위한 정수필터(35)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 또, 물저장통(34)과 열회수부(20) 사이의 순환용 물공급관(32)에는 상수를 열회수부(20)로 펌핑하기 위한 물순환펌프(36)를 설치한다.

물저장통(34)에는 후술할 제어부(50)에 각각 연결하고 그 내부의 냉각수 온도를 감지하는 제2온도센서(T2)와 수량을 감지하는 수위센서(L)와 수질을 감지하는 수질센서(Q)를 장착한다. 또, 물저장통(34)의 바닥측에는 상기한 각 센서(T2)(L)(Q)의 감지값을 제어부(50)의 설정값과 비교하여 적정 범위를 벗어날 경우 배출하기 위한 물배수관(37)과 물배수밸브(38)를 설치한다.

도 1에서 40은 물순환부를 보인 것으로, 물순환부(40)는 열회수부(20)의 출구에 연결하고 물저장통(34)의 일측에 연결하는 물순환관(41)과, 물순환관(41)의 일측에 설치하는 공기펌프(42)와, 공기펌프(42)의 출구에 연결하고 물순환관(41)을 감싸도록 형성하여 그 물순환관(41)을 통과하는 물과 열교환한 공기를 난방으로 사용하거나 배기시키는 난방/배기안내관(43)으로 이루어진다.

난방/배기안내관에는 상기한 더운 공기를 난방이나 배기측으로 유도하기 위한 3방밸브(44)를 설치한다.

도 1에서 50은 제어부를 보인 것으로, 제어부(50)는 물공급밸브(33)와 물배출밸브(38)와 공기펌프(42) 그리고 3방밸브(44)와는 제어신호를 전달할 수 있도록 연결하는 반면, 온도센서(T1)(T2)와 수위센서(L) 그리고 수위센서와는 검출신호를 전달받을 수 있도록 연결한다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템은 다음과 같이 동작한다.

즉, 제어부(80)가 제1온도센서(T1)를 이용하여 연료전지스택(10)의 온도를 감지하고 이를 통해 연료전지스택(10)을 냉각시킬 필요가 있다고 판단하는 경우에는 물공급밸브(33)를 열고 물순환펌프(36)를 구동하여 물공급원(31)의 물을 열회수부(20)로 펌핑한다. 이때 물은 정수필터(32)를 거치면서 정화되어 물저장통(34)에 저장되었다가 열회수부(20)로 공급된다.

이 열회수부(20)를 통과하는 냉각수는 연료전지스택(10)에서 발생하는 열을 흡수한 상태에서 물순환관(41)을 거쳐 물저장통(34)으로 순환되었다가 물순환펌프(36)에 의해 열회수부(10)로 다시 공급된다.

이때, 물저장통(34)에 설치한 제2온도센서(T2)와 수위센서(L) 그리고 수질센서(Q)에 의해 물저장통(34)에 저장한 물의 상태를 점검하고, 이를 바탕으로 물저장통(34)의 물을 버릴 필요가 있다고 판단되는 경우에는 제어부(50)의 지령에 의해 물배수밸브(38)가 열려 물이 물배수관(37)을 통해 외부로 배출된다.

여기서, 냉각수가 물순환관(41)을 통과하는 중에 공기펌프(42)가 작동하여 외부의공기를 물순환관(41)으로 불어주고, 그 물순환관(41)을 흐르는 냉각수를 냉각하면서 더워진 공기는 난방/배기안내관(43)과 3방밸브(44)에 의해 난방으로 활용되거나 대기 중으로 배기된다.

한편, 도 3에서와 같이 물순환관(41)을 수냉식으로 냉각하는 경우에는 물순환관(또는, 열교환기)(41)의 일측에 온수용 물펌프(142)를 설치하고, 그 온수용 물펌프(142)의 출구에는 상기한 물순환관(41)을 감싸 그 물순환관(41)을 통과하는 물에서 열을 흡수하도록 난방/배수공급관(143)을 연결한다.

온수용 물펌프(142)는 상기한 제어부(50)에 물순환펌프(36)와 함께 연결하고, 물저장통(34)과 병렬로 배치하여 순환용 물공급관(32)에서 분관한 온수용 물공급관(132)에 연결하되 온수용 물공급관(132)은 정수필터(35)의 앞단에서 분관하는 것이 바람직하다.

난방/배수공급관(143)에는 역시 3방밸브(144)를 설치하여 온수용 물공급관(132)을 통해 물순환관(41)과 열교환한 물을 난방쪽으로 유도하거나 배수쪽으로 유도하도록 한다.

이렇게 하여, 연료전지스택의 온도를 항상 점검하면서 냉각이 필요한 경우에만 공기를 공급하여 연료전지스택을 냉각하므로 연료전지스택이 과냉각 되어 성능이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 연료전지스택을 냉각하면서 더워진 용수를 공랭식 또는 수냉식으로 냉각하여 재활용함으로써 자원의 낭비를 줄일 수 있다.

또, 냉각수를 냉각하는 과정에서 발생하는 폐열을 이용하여 난방이나 온수로 활용함으로써 에너지를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 냉각 시스템은, 연료전지스택의 온도에 따라 냉각 여부를 결정하도록 함과 아울러 연료전지스택을 냉각하면서 더워진 용수를 온수로 활용하고 온수의 온도를 일정하게 유지하도록 구성함으로써, 연료전지스택이 과냉각되어 성능이 저하되는 것을 차단하여 연료전지의 효율을 높일 뿐만 아니라 냉각용수를 재활용하여 자원의 낭비를 개선할 수 있고 폐열을 이용하여 난방이나 온수로 활용함으로써 에너지를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

Claims (6)

1. 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과;

   연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 열회수부와;

   열회수부에 상수(上水)를 지속적으로 공급하도록 순환용 물공급관의 중간에 물공급밸브와 일정량의 물을 저장하는 물저장통 그리고 물저장통의 물을 연료전지스택으로 펌핑하는 물순환펌프를 순차적으로 구비하여 상기 순환용 물공급관을 열회수부의 입구에 연결하는 물공급부와;

   열회수부의 출구와 물공급부를 연결하여 열회수부를 거친 냉각수를 다시 물공급부로 순환하는 물순환부와,

   연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와;

   스택온도 감지부와 물공급부의 물공급밸브에 각각 연결하여 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하고 연료전지스택의 온도가 설정값 보다 높은 경우에만 물공급밸브를 열고 물순환펌프를 동작시켜 물저장통의 물을 열회수부에 공급함으로써 연료전지스택을 냉각하도록 제어하는 제어부;로 구성한 연료전지의 냉각 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   물순환부는 그 일측에 물순환부를 통과하는 물을 찬 공기로 냉각하기 위한 공기펌프를 설치하고, 공기펌프는 물순환부와 접촉한 공기를 난방으로 활용하거나 배기하기 위한 난방/배기안내관을 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   물순환부는 그 일측에 물순환부를 통과하는 물을 상수(上水)로 냉각하기 위한 온수용 물펌프를 설치하고, 온수용 물펌프는 물순환부와 접촉한 물을 난방이나 온수로 활용하기 위한 난방/온수공급관을 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   온수용 물펌프는 상기한 물공급부에 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.
5. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,

   물저장통에는 온도센서와 수위센서 그리고 수질센서를 제어부에 연결 설치하여 각 센서들의 감지값이 각각의 설정값을 벗어나는 경우 물순환부의 냉각정도를 제어하거나 물공급밸브를 제어하거나 배수하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   물공급원과 물저장통 사이에는 상수를 정수하기 위한 물정수부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.