KR100776726B1 - Cooling apparatus for fuel cell - Google Patents

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장영수
이헌주
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한국과학기술연구원
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Abstract

A cooling device for a fuel cell is provided to prevent the condensation of discharged gas, to minimize constitution, to reduce the amount of supplied power and to improve the cooling efficiency to condensed liquid and cooling liquid. A cooling device for a fuel cell comprises an aqueous solution tank(10) which is supplied with liquid fuel from a fuel tank(11); a water condensation coil(20) whose one end is extended to the inside of the aqueous solution tank and which condenses the ventilation gas flown from the cathode of a stack into the aqueous solution tank to generate condensed water; and a cooler(30) which is connected with the other end of the water condensation coil to cool the condensed liquid flowed on the inside of the water condensation coil.

Description

연료전지용 냉각 장치{COOLING APPARATUS FOR FUEL CELL}Cooling device for fuel cell {COOLING APPARATUS FOR FUEL CELL}

도 1의 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치의 개념도이고,1 is a conceptual view of a fuel cell cooling apparatus according to a first embodiment of the present invention of FIG.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치를 설명하기 위한 개념도이다.2 is a conceptual view illustrating a fuel cell cooling apparatus according to a second embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10: 수용액 탱크 11: 연료 탱크10: aqueous solution tank 11: fuel tank

20: 수응축 코일 21: 응축 펌프20: water condensing coil 21: condensation pump

30: 냉각기 31: 냉각팬30: cooler 31: cooling fan

40: 수용액 냉각코일 41: 냉각 펌프40: aqueous solution cooling coil 41: cooling pump

50: 기액분리기 60: 분사 유닛50: gas-liquid separator 60: injection unit

61: 수응축기 63: 분사 라인61: condenser 63: spray line

65: 분사 펌프65: injection pump

본 발명은 액체 연료를 사용하는 연료 전지용 냉각 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료 전지에서 배기가스의 응축 및 공급되는 수용액의 냉각을 위한 연료전지용 냉각 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a cooling device for a fuel cell using a liquid fuel, and more particularly to a cooling device for a fuel cell for cooling the aqueous solution condensed and supplied in the exhaust gas in a fuel cell for producing electricity using the liquid fuel. will be.

연료전지(Fuel Cell)는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류전류를 생산하는 전력 발생장치이다. 연료전지 기술은 천연가스, 프로판, 나프타, 메탄올 등의 다양한 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 얻을 수 있는 고효율, 고출력, 무공해, 무소음 및 모듈화의 특징을 갖는 환경 친화적 발전 기술이다. A fuel cell is a power generator that produces direct current by converting chemical energy of fuel directly into electrical energy. Fuel cell technology is an environmentally friendly power generation technology that features high efficiency, high output, pollution-free, noise-free, and modularity to simultaneously obtain power and heat from various energy sources such as natural gas, propane, naphtha, and methanol.

여러 형태의 연료전지 중 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 높은 출력밀도, 빠른 연료공급, 소형화, 경량화, 그리고 개질기를 포함한 주변 장치들을 요구하지 않는 장점을 가진다. Among the various types of fuel cells, Direct Methanol Fuel Cell has the advantage of not requiring peripheral devices including high power density, fast fuel supply, miniaturization, light weight, and reformer.

용량이 100W 이하인 IT 기기용 휴대연료전지로서 사용되는 마이크로 연료전지(Micro-Fuel Cell)는 발전 모듈인 스택(stack)과, 상기 스택을 구동시키기 위한 연료카트리지, 연료/공기 공급을 위한 펌프, 전압변환 및 각종 제어를 위한 제어보드 등을 모두 포함한 BOP(balance of plant)로 구성된다. 마이크로 연료전지의 상용화를 위해서는 이러한 BOP 부품의 경량화, 소형화가 필수적이다.Micro-Fuel Cell, which is used as a portable fuel cell for IT devices with a capacity of 100W or less, has a stack, which is a power generation module, a fuel cartridge for driving the stack, a pump for fuel / air supply, and a voltage. Consists of BOP (balance of plant) including all control boards for conversion and various controls. In order to commercialize micro fuel cells, it is necessary to reduce the weight and size of these BOP components.

직접 메탄올 연료전지의 경우, 연료인 메탄올을 고농도로 스택의 애노드에 공급할 경우 멤브레인에서의 크로스오버 현상으로 메탄올이 캐소드로 넘어가 반응하게 된다. 이러한 현상에 의해, 연료전지에서 발생되는 전력의 포텐셜이 떨어져서 발전 효율이 감소되고, 연료전지가 정상적인 작동을 할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위하여, 별도의 수용액탱크에서 3% 정도의 저농도의 메탄올 수용액을 만든 다음 이를 스택의 애노드로 순환시켜 전기를 발생시킨다. In the case of a direct methanol fuel cell, when methanol, a fuel, is supplied to the anode of the stack at a high concentration, a crossover phenomenon at the membrane causes the methanol to move to the cathode. By this phenomenon, the potential of the power generated in the fuel cell is dropped, the power generation efficiency is reduced, and the fuel cell cannot operate normally. In order to solve this problem, a low aqueous methanol solution of about 3% is made in a separate aqueous tank, and then circulated to the anode of the stack to generate electricity.

수용액탱크에는 스택에서 발생 되는 수증기 중 일정량이 회수되어 응축된 후 에 그에 따른 응축수가 메탄올과 섞임에 따라, 메탄올 수용액의 농도가 필요 수준으로 유지된다. 미국 특허 출원 11/191,972, 한국 특허 출원 10-2003-0037333(일본 JP-P-2002-00171520, JP-P-2003-00061872)에는 일반적인 직접 메탄올 연료전지의 BOP구성이 개시되어 있다. In the aqueous tank, a certain amount of water vapor generated in the stack is recovered and condensed, and condensed water is mixed with methanol, so that the concentration of the aqueous methanol solution is maintained at the required level. US Patent Application No. 11 / 191,972, Korean Patent Application No. 10-2003-0037333 (Japanese JP-P-2002-00171520, JP-P-2003-00061872) disclose a BOP configuration of a general direct methanol fuel cell.

상기 BOP에 있어서, 스택의 캐소드에서 배출되는 배기가스 중 수증기를 회수하기 위해 별도의 열교환기를 두어 수분을 응축시켜 수용액의 농도를 제어하게 된다. 그러나 연료전지의 공기 라인에 상대적으로 열전달 효율이 떨어지는 공기 대 공기의 열교환기가 추가됨으로 인해 시스템의 크기가 커진다. 또한, 공기 배관길이가 길어지고 열교환기에서 압력 손실이 증가하게 되므로, 캐소드에 공기를 공급하기 위해 설치된 공기펌프의 크기와 소비동력이 증가하게 되는 문제가 있다. In the BOP, a separate heat exchanger is provided to recover water vapor from the exhaust gas discharged from the cathode of the stack to condense moisture to control the concentration of the aqueous solution. However, the size of the system is increased due to the addition of air-to-air heat exchangers, which are relatively inefficient in heat transfer to the air lines of the fuel cell. In addition, since the length of the air pipe is increased and the pressure loss is increased in the heat exchanger, there is a problem that the size and consumption power of the air pump installed to supply air to the cathode are increased.

또한, 스택에서 발생하는 열이 과다하여 스택의 온도가 올라가면 연료전지 시스템이 손상될 수 있다. 미국 특허 출원 11/191,972에서 애노드에 순환되는 연료에 별도의 열교환기를 두어 냉각을 하는 내용이 개시되어 있다. 그러나, 연료전지 시스템의 외부에 구현되는 별도의 열교환기는 전체 장치의 크기를 증대시키고, 시스템을 복잡하게 하는 문제가 있다. In addition, if the heat generated in the stack is excessive and the stack temperature rises, the fuel cell system may be damaged. US patent application Ser. No. 11 / 191,972 discloses cooling by placing a separate heat exchanger on fuel circulated to the anode. However, a separate heat exchanger implemented outside of the fuel cell system has a problem of increasing the size of the entire apparatus and complicating the system.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명은 연료전지에 사용되는 응축수를 생성하기 위한 응축을 위한 구성을 소형화하면서도 응축을 위해 입력되는 동력 저감 하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to reduce the power input for condensation while miniaturizing the configuration for condensation for generating condensate used in the fuel cell.

또한, 본 발명은 연료전지의 스택에 공급되는 액체연료의 수용액을 연료탱크 에서 냉각된 채로 공급하면서도 그 냉각을 위한 구성을 소형화하고 냉각 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an aqueous solution of the liquid fuel supplied to the stack of the fuel cell while being cooled in the fuel tank while miniaturizing the structure for the cooling and improving the cooling efficiency.

또한, 본 발명은 이상의 응축 및 냉각을 위한 냉각기를 증발식으로 구현하여, 상기 냉각기의 작동 성능을 개선하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to implement a cooler for condensation and cooling in an evaporative manner, to improve the operating performance of the cooler.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 냉각장치는 연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하도록 형성되어, 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일; 및 상기 수응축 코일의 타 측이 연결되어, 상기 수응축 코일의 내부를 유동하는 응축액체를 냉각하는 냉각기를 포함한다. In order to achieve the above object, a fuel cell cooling device according to an aspect of the present invention is an aqueous solution tank receiving liquid fuel from the fuel tank; A water condensing coil is formed so that one side extends into the aqueous solution tank to condense the exhaust gas flowing into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; And a cooler connected to the other side of the water condensation coil to cool the condensed liquid flowing through the water condensation coil.

본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 냉각장치는 연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하도록 형성되어, 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일; 상기 수응축 코일의 타 측이 연결되어, 상기 수응축 코일의 내부를 유동하는 응축액체를 냉각하는 냉각기; 및 상기 냉각기의 표면에 냉각수를 분사하는 분사 유닛을 포함한다.Cooling apparatus for a fuel cell according to another aspect of the present invention is an aqueous solution tank receiving liquid fuel from the fuel tank; A water condensing coil is formed so that one side extends into the aqueous solution tank to condense the exhaust gas flowing into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; A cooler connected to the other side of the water condensation coil to cool the condensed liquid flowing through the water condensation coil; And an injection unit for injecting coolant to the surface of the cooler.

본 발명의 또 다른 측면에 다른 연료전지용 냉각장치는 연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하고 내부에는 응축액체가 유동하도록 형성되어, 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내 부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하고 내부에는 냉각액체가 유동하도록 형성되어, 상기 스택의 애노드에 공급되는 액체 연료의 수용액을 냉각하는 수용액 냉각코일; 및 상기 수응축 코일 및 수용액 냉각코일의 타측 들에 연결되어, 상기 응축액체 및 냉각액체를 냉각하는 냉각기를 포함한다. Another fuel cell cooling device according to another aspect of the present invention is an aqueous tank receiving liquid fuel from the fuel tank; A water condensing coil formed at one side of the aqueous solution tank and having a condensed liquid flowing therein to condense exhaust gas flowing into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; An aqueous solution cooling coil which extends one side into the aqueous solution tank and has a cooling liquid flowing therein to cool the aqueous solution of the liquid fuel supplied to the anode of the stack; And a cooler connected to the other sides of the water condensation coil and the aqueous solution cooling coil to cool the condensation liquid and the cooling liquid.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a fuel cell cooling apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1의 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치의 개념도이다. 1 is a conceptual view of a fuel cell cooling apparatus according to a first embodiment of the present invention.

본 도면을 참조하면, 수용액 탱크(10)의 내부에는 액체 연료의 수용액(A)이 저장된다. 상기 액체 연료는 주로 메탄올이 사용되나, 개미산 등 다른 종류의 것이 사용될 수도 있다. 연료탱크(11)는 수용액 탱크(10)에 연료펌프(13)를 개재하여 연통 된다. Referring to this figure, the aqueous solution A of the liquid fuel is stored in the aqueous solution tank 10. The liquid fuel is mainly methanol, but other kinds such as formic acid may be used. The fuel tank 11 communicates with the aqueous solution tank 10 via the fuel pump 13.

수용액 탱크(10)의 일 측에는 스택의 애노드에 액체 연료의 수용액(A)을 공급하는 수용액 공급라인(15)과 애노드에서 리턴되는 잔여 수용액 및 이산화탄소 등이 유입되는 수용액 리턴라인(17)이 직접 연결된다. 또한, 수용액 탱크(10)의 다른 일 측에는 스택의 캐소드에서 반응 후에 배출되는 배기가스가 유입되는 유입라인(19)이 형성된다. 위 배기가스에는 이산화탄소와 수증기 등이 포함된다.One side of the aqueous solution tank 10 is directly connected to an aqueous solution supply line 15 for supplying an aqueous solution A of liquid fuel to the anode of the stack and an aqueous solution return line 17 for introducing residual aqueous solution and carbon dioxide returned from the anode. do. In addition, an inlet line 19 through which the exhaust gas discharged after the reaction from the cathode of the stack is formed at the other side of the aqueous solution tank 10. The exhaust gas includes carbon dioxide and water vapor.

수응축 코일(20)은 수용액 탱크(10) 내부로 일 측이 연장하도록 배치된다. 구체적으로, 상기 일 측은 수용액(A)에 잠기지 않도록 배치된다. 수응축 코일(20)의 타 측은 냉각기(30)에 연결된다. 수응축 코일(20)에는 응축펌프(21)가 연통되 어, 수응축 코일(20)의 내부를 유동하는 액체인 응축액체를 펌핑 한다. The water condensation coil 20 is disposed so that one side thereof extends into the aqueous solution tank 10. Specifically, the one side is disposed so as not to be immersed in the aqueous solution (A). The other side of the water condensation coil 20 is connected to the cooler 30. A condensation pump 21 communicates with the water condensation coil 20 to pump a condensate liquid, which is a liquid flowing inside the water condensation coil 20.

냉각기(30)에 인접해서는 냉각팬(31)이 배치된다. 냉각팬(31)은 냉각기(30)를 거쳐서 흐르는 공기의 유동을 만들어 내어, 수응축 코일(20)의 내부를 흐르는 액체의 냉각을 촉진한다.Adjacent to the cooler 30 is a cooling fan 31. The cooling fan 31 creates a flow of air flowing through the cooler 30 to promote the cooling of the liquid flowing inside the water condensation coil 20.

수용액 냉각코일(40)은 수응축 코일(20)과 유사하게 냉각펌프(41)를 개재한 채로 수용액 탱크(10) 및 냉각기(30)에 걸쳐서 배치된다. 수용액 냉각코일(40)의 내부에는 액체인 냉각액체가 유동한다. 앞선 응축액체와 냉각액체는 모두 2차 유체인 것이 이들이 겨울철 등 저온 환경에서도 원활히 작동하기 위하여 바람직하다. 또한, 수용액 탱크(10)에 배치되는 수용액 냉각코일(40)의 일 측은 수용액(A)에 잠기도록 배치되어, 수용액(A)을 직접 냉각하는 것이 바람직하다. The aqueous solution cooling coil 40 is disposed over the aqueous solution tank 10 and the cooler 30 via the cooling pump 41 similarly to the water condensation coil 20. The cooling liquid which is a liquid flows inside the aqueous solution cooling coil 40. It is preferable that both the condensate liquid and the coolant liquid are secondary fluids so that they can operate smoothly even in a low temperature environment such as winter. In addition, one side of the aqueous solution cooling coil 40 disposed in the aqueous solution tank 10 is disposed to be immersed in the aqueous solution (A), it is preferable to directly cool the aqueous solution (A).

기액분리기(50)는 수용액 탱크(10)에 직접 연통되게 설치된다. 기액분리기(50)의 배출관의 배출구(51)는 냉각기(30)의 출구 측에 배치된다. Gas-liquid separator 50 is installed in direct communication with the aqueous solution tank (10). The outlet 51 of the discharge pipe of the gas-liquid separator 50 is disposed at the outlet side of the cooler 30.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치의 작동 방식에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell cooling apparatus according to the first embodiment of the present invention configured as described above are as follows.

연료펌프(13)의 작동에 의해 연료탱크(11) 내의 액체 연료가 수용액 탱크(10) 내로 공급된다. 공급된 액체 연료는 농도가 높기에, 물을 첨가하여 그 농도를 낮추어야 한다. By operation of the fuel pump 13, the liquid fuel in the fuel tank 11 is supplied into the aqueous solution tank 10. Since the liquid fuel supplied is of high concentration, water must be added to lower the concentration.

이러한 물은, 수응축 코일(20)에 의해서 응축수의 형태로서 공급된다. 구체적으로는, 스택의 캐소드에서 배출되어 유입라인(19)을 통해 수용액 탱크(10) 내로 유입되는 배기가스는 수응축 코일(20)과 만나게 된다. 수응축 코일(20)의 내부에서 유동하는 응축액체는 냉각기(30)에 의해 냉각된 채로 응축펌프(21)에 의한 지속적으로 순환된다. 냉각된 응축액체와 배기가스가 수응축 코일(20)을 통해서 열교환을 하여, 배기가스가 냉각됨에 따라 응축되어 상기 응축수가 생성된다. 이러한 응축수는 액체 연료와 섞여 저 농도의 액체 연료의 수용액(A)을 만들게 된다. 또한, 배기가스 중의 기체는 기액분리기(50)를 통해 외부로 배출된다. This water is supplied in the form of condensed water by the water condensation coil 20. Specifically, the exhaust gas discharged from the cathode of the stack and introduced into the aqueous solution tank 10 through the inlet line 19 is met with the water condensation coil 20. The condensed liquid flowing inside the water condensed coil 20 is continuously circulated by the condensation pump 21 while being cooled by the cooler 30. The cooled condensate liquid and the exhaust gas are heat-exchanged through the water condensation coil 20, and condensed as the exhaust gas is cooled to generate the condensed water. This condensate is mixed with the liquid fuel to form an aqueous solution (A) of low concentration liquid fuel. In addition, the gas in the exhaust gas is discharged to the outside through the gas-liquid separator (50).

상기 응축 과정에서는, 수응축 코일(20)은 공기 대 공기의 작동 방식이 아니라, 공기 대 액체 사이의 열교환에 의해 배기가스를 응축하기에 그 작동 효율이 높고 응축을 위한 구성의 크기를 소형화할 수 있는 이점이 있다. 이는 공기 대 공기의 냉각(응축) 방식이 수응축 코일(20)과 같은 액체 대 공기의 냉각 방식에 비하여 거의 10배에 이르는 장치의 크기 및 그에 상당하는 동력을 필요로 하기 때문이다. 또한, 배기가스의 유입라인(19)에 열교환기가 배치되지 않기에, 상기 유입라인(19)을 통한 배기가스의 유동을 위한 펌핑에 소요되는 동력의 크기가 적어진다. 수응축 코일(20)의 상당 부분이 수용액 탱크(10) 내로 수용됨에 따라, 수용액 탱크(10)의 외부에 설치되는 구성들이 단순화되어 전체적인 크기의 소형화가 가능하다.In the condensation process, the water condensation coil 20 is not an air-to-air operation but condenses exhaust gas by heat-exchange between air and liquid, and thus has a high operating efficiency and can reduce the size of the condensation structure. There is an advantage to that. This is because the air-to-air cooling (condensation) method requires almost 10 times the size and corresponding power of the liquid-to-air cooling method such as the water condensation coil 20. In addition, since the heat exchanger is not disposed in the inlet line 19 of the exhaust gas, the amount of power required for pumping for the flow of the exhaust gas through the inlet line 19 is reduced. As a substantial portion of the water condensation coil 20 is accommodated in the aqueous solution tank 10, the components installed outside the aqueous solution tank 10 can be simplified, thereby miniaturizing the overall size.

기액분리기(50)를 통해 배출되는 기체는 스택의 작동 온도와 비슷하여 고온 고습한 상태이다. 이러한 기체는 냉각기(30)의 출구 측에 배치되는 배출구(51)를 통해 배출됨에 따라, 냉각기(30)의 출구 측 공기에 의해 온도가 낮아지며 상대습도 또한 낮아진다. 그에 따라, 배출구(51)에서 배출되는 기체의 고온에 의해 사용자가 영향을 받거나 상기 기체가 응축되어 흰 연기가 발생하는 일이 없어진다.The gas discharged through the gas-liquid separator 50 is in a state of high temperature and high humidity because it is similar to the operating temperature of the stack. As the gas is discharged through the outlet 51 disposed at the outlet side of the cooler 30, the temperature is lowered by the air at the outlet side of the cooler 30 and the relative humidity is also lowered. As a result, the user is not affected by the high temperature of the gas discharged from the discharge port 51 or the gas is condensed so that white smoke is not generated.

앞서 언급한 액체 연료의 수용액(A)은 수용액 공급라인(15)을 통하여 스택의 애노드에 공급된다. 애노드에서 반응하지 못한 액체 연료의 수용액(A)이나 반응 후 산물인 이산화탄소 등은 수용액 리턴 라인(17)을 통해 수용액 탱크(10) 내로 유입된다. 이 중에서 이산화탄소 등의 기체는 기액분리기(50)를 통해 외부로 배출된다. The aqueous solution A of the aforementioned liquid fuel is supplied to the anode of the stack via the aqueous solution supply line 15. The aqueous solution A of the liquid fuel that has not reacted at the anode, or carbon dioxide, which is a product after the reaction, is introduced into the aqueous solution tank 10 through the aqueous solution return line 17. Among them, gas such as carbon dioxide is discharged to the outside through the gas-liquid separator 50.

상기 수용액 공급라인(15)을 통한 수용액(A)의 공급 과정에서, 수용액 냉각코일(40)에 의해 수용액(A)이 사전에 냉각된 채로 스택의 애노드에 공급된다. 그에 따라, 스택의 애노드 측에 냉각을 위한 장치가 부가되어 스택이 복잡해지는 일이 없어진다. 나아가, 수용액 냉각코일(40)은 수응축 코일(20)과 함께 하나의 냉각기(30)를 통해, 그 내부를 유동하는 냉각액체가 냉각되게 된다. 수용액 냉각코일(40)은 수응축 코일(20)과 별도의 라인으로 형성되고 응축펌프(21)와 별도로 냉각펌프(41)를 구비함에 따라, 수응축 코일(20)과 독립적으로 제어될 수 있다. In the process of supplying the aqueous solution A through the aqueous solution supply line 15, the aqueous solution A is supplied to the anode of the stack by cooling the aqueous solution cooling coil 40 in advance. As a result, a device for cooling is added to the anode side of the stack so that the stack is not complicated. Furthermore, the aqueous solution cooling coil 40 is cooled with the cooling liquid flowing therein through one cooler 30 together with the water condensation coil 20. As the aqueous solution cooling coil 40 is formed in a separate line from the water condensation coil 20 and includes a cooling pump 41 separately from the condensation pump 21, it can be controlled independently of the water condensation coil 20. .

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 냉각장치를 설명하기 위한 개념도이다. 본 도면에서는 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하고, 그에 대한 구체적인 설명은 앞선 설명으로 갈음한다.2 is a conceptual view illustrating a fuel cell cooling apparatus according to a second embodiment of the present invention. In the drawings, the same components as in FIG. 1 are given the same reference numerals, and detailed description thereof will be replaced with the foregoing description.

도 2를 참조하면, 수용액 탱크(10)와 수응축 코일(20) 및 수용액 냉각코일(40) 등으로 이루어진 냉각장치에 분사 유닛(60)이 추가로 구비된다. 2, the injection unit 60 is further provided in the cooling device consisting of the aqueous solution tank 10, the water condensation coil 20, the aqueous solution cooling coil 40 and the like.

분사 유닛(60)은 냉각기(30)의 표면에 냉각수를 분사하여 냉각기(30)의 작동 효율을 향상시키기 위한 유닛으로서, 수응축기(61) 및 분사라인(63)을 포함한다. The injection unit 60 is a unit for improving the operating efficiency of the cooler 30 by injecting coolant to the surface of the cooler 30, and includes a water condenser 61 and a spray line 63.

수응축기(61)는 유입라인(19)과 연통되게 설치되어, 스택의 캐소드에서 유입되는 배기가스를 공급받는다. 수응축기(61)에 공급된 배기가스는 수응축기(61)의 외부 공기와의 열교환 방식 등에 의해 응축된다. 이러한 응축의 효율을 향상시키기 위하여, 수응축기(61)의 외부에는 응축팬(67)이 구비된다. The condenser 61 is installed in communication with the inlet line 19 to receive the exhaust gas flowing from the cathode of the stack. The exhaust gas supplied to the water condenser 61 is condensed by heat exchange with the outside air of the water condenser 61 or the like. In order to improve the efficiency of such condensation, a condensation fan 67 is provided outside the water condenser 61.

수응축기(61)에서 응축된 응축수는 분사라인(63)을 통해 냉각기(30)를 냉각하기 위한 냉각수로서 공급된다. 분사라인(63)의 단부에는 분사노즐(64)이 구비되어, 냉각수가 냉각기(30)의 표면에 골고루 분사될 수 있게 한다. 또한, 분사라인(63)에는 분사펌프(65)가 구비되어, 응축수의 분사량을 조절할 수 있게 한다. The condensed water condensed in the water condenser 61 is supplied as cooling water for cooling the cooler 30 through the injection line 63. An injection nozzle 64 is provided at the end of the injection line 63 to allow the coolant to be evenly sprayed on the surface of the cooler 30. In addition, the injection line 63 is provided with an injection pump 65, it is possible to adjust the injection amount of the condensate.

이때, 수응축기(61)에서 응축된 응축수 중 나머지 및 기체는 수용액 탱크(10)에 유입된다. 수용액 탱크(10)에 유입된 응축수는 연료탱크(10)에서 공급되는 액체 연료와 섞이게 되고, 기체는 기액분리기(50)를 통해 외부로 배출된다. 수응축기(61)가 가동되지 않는다면, 배기가스는 바로 수용액 탱크(10)로 유입되고 수응축 코일(20)에 의해 응축될 것이다. 살피건대, 수응축기(61)에서의 응축량은 응축팬(67)에 작동 정도에 의해 제어되고, 냉각기(30)에 대한 응축수의 분사량은 분사펌프(65)의 작동 정도에 의해 제어된다.At this time, the remaining of the condensed water condensed in the water condenser 61 and the gas flows into the aqueous solution tank (10). The condensed water introduced into the aqueous solution tank 10 is mixed with the liquid fuel supplied from the fuel tank 10, and the gas is discharged to the outside through the gas-liquid separator 50. If the condenser 61 is not running, the exhaust gas will flow directly into the aqueous solution tank 10 and will be condensed by the condensation coil 20. It is to be noted that the amount of condensation in the water condenser 61 is controlled by the degree of operation of the condenser fan 67, and the amount of injection of the condensed water to the cooler 30 is controlled by the degree of operation of the injection pump 65.

상기와 같은 구성에 의하면, 별도의 냉각수에 의하지 않고서 캐소드의 배기가스에서 추출되는 응축수를 냉각기(30)에 대한 냉각수로 공급할 수 있게 된다. 냉각기(30)에 대한 응축수의 공급에 의해 응축수가 증발하면서 냉각기(30) 자체가 냉각되기에, 수응축코일(20) 및 수용액 냉각코일(40)의 내부에서 작동하며 냉각기(30)를 거치는 응축액체 및 냉각액체에 대한 냉각 효율 또한 개선된다.According to the configuration as described above, it is possible to supply the condensed water extracted from the exhaust gas of the cathode as the cooling water for the cooler 30 without using a separate cooling water. As the condensate evaporates by the supply of condensate to the cooler 30, the cooler 30 itself is cooled, so that the condenser passes through the cooler 30 while operating inside the water condensation coil 20 and the aqueous solution cooling coil 40. Cooling efficiency for liquids and cooling liquids is also improved.

이상에서는 본 발명에 따른 연료전지용 냉각 장치를 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이 루어질 수 있다. The fuel cell cooling apparatus according to the present invention has been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the embodiments and drawings disclosed in the present specification, and those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. Various modifications can be made by this.

본 명세서에서는 수응축 코일(20)과 수용액 냉각코일(40)을 각각 별도의 라인으로 형성하고 각각에 별도의 펌프(21 및 41)를 구비하는 것으로 설명하였으나, 상기 두 라인들을 연결하여 하나의 라인으로 구성하고 펌프도 하나만 배치하여 구성하는 것도 가능하다.In this specification, the water-condensing coil 20 and the aqueous solution cooling coil 40 are formed as separate lines, respectively, and have been described as having separate pumps 21 and 41, respectively. It is also possible to configure by configuring only one pump.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 냉각장치는 수응축 코일 및 수용액 냉각코일에 냉각액체가 유동하는 방식에 의해 응축 및 냉각을 구현함에 따라, 그를 위한 구성의 소형화가 가능하며 작동을 위해 입력되는 동력의 크기 또한 줄일 수 있게 한다. As described above, the fuel cell cooling apparatus according to the present invention implements condensation and cooling by the flow of the cooling liquid in the water condensation coil and the aqueous solution cooling coil, so that the configuration thereof can be miniaturized and operated. The amount of power input can also be reduced.

또한, 본 발명은 수응축 코일과 수용액 냉각코일을 별도의 라인으로 형성하고 별도의 펌프를 구비함에 따라서, 응축수량과 냉각량에 대한 독립적인 제어를 가능하게 한다.In addition, according to the present invention, the water condensing coil and the aqueous solution cooling coil are formed in separate lines and have separate pumps, thereby enabling independent control of the amount of condensate and the amount of cooling.

또한, 본 발명은 기액분리기에서 배출되는 기체를 냉각기 측으로 유도함에 따라, 상기 배출되는 기체의 응축을 방지할 수 있다.In addition, the present invention can guide the gas discharged from the gas-liquid separator to the cooler side, it is possible to prevent the condensation of the discharged gas.

나아가, 본 발명은 배기가스를 응축하는 수응축기를 채용함에 따라서, 그에 의해 응축된 물을 냉각기에 분사하여 응축액체 및 냉각액체에 대한 냉각 효율이 개선되게 한다.Furthermore, the present invention employs a water condenser that condenses exhaust gas, thereby causing the condensed water to be injected into the cooler to improve the cooling efficiency for the condensed liquid and the cooled liquid.

Claims (14)

연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크;An aqueous tank receiving liquid fuel from the fuel tank; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하도록 형성되어, 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일; 및A water condensing coil is formed so that one side extends into the aqueous solution tank to condense the exhaust gas flowing into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; And 상기 수응축 코일의 타 측이 연결되어, 상기 수응축 코일의 내부를 유동하는 응축액체를 냉각하는 냉각기를 포함하는 연료전지용 냉각 장치.And a cooler connected to the other side of the water condensation coil to cool the condensed liquid flowing through the water condensation coil. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 수용액 탱크에 연통되게 형성되어, 상기 응축에 의해 발생된 기체를 외부로 배출하는 기액분리기를 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.And a gas-liquid separator formed in communication with the aqueous solution tank and discharging the gas generated by the condensation to the outside. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 기액분리기의 기체를 배출하는 배출구는 상기 냉각기의 출구 측에 배치되어, 상기 기체가 상기 냉각기를 통과한 공기와 혼합되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각 장치.The outlet for discharging the gas of the gas-liquid separator is disposed on the outlet side of the cooler, it is formed so that the gas is mixed with the air passing through the cooler. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 냉각기의 입구 측에서 상기 출구 측으로의 공기의 유동을 조절하도록 상기 냉각기의 출구 측에 배치되어, 상기 응축액체의 냉각량을 제어하는 냉각팬을 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.And a cooling fan disposed at an outlet side of the cooler to control a flow of air from an inlet side of the cooler to the outlet side, and controlling a cooling amount of the condensed liquid. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 일 측은 상기 수용액 탱크의 내부에 배치되고 타 측은 상기 냉각기에 연결되며 내부에는 냉각액체가 유동하도록 형성되어, 상기 스택의 애노드에 공급되는 액체 연료의 수용액을 냉각하는 수용액 냉각코일을 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.One side is disposed in the aqueous solution tank and the other side is connected to the cooler and formed inside the cooling liquid flows, the fuel cell further comprises an aqueous solution cooling coil for cooling the aqueous solution of the liquid fuel supplied to the anode of the stack Cooling system. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 수응축 코일 및 수용액 냉각코일에 각각 연결되어,상기 수용액 탱크에 대한 상기 응축액체 및 냉각액체의 공급을 독립적으로 제어 가능한 응축펌프 및 냉각펌프를 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치. And a condensation pump and a cooling pump connected to the water condensing coil and the aqueous solution cooling coil, respectively, to independently control the supply of the condensate liquid and the cooling liquid to the aqueous solution tank. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 응축액체 및 냉각액체는 2차 유체인 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각 장치.The condensation liquid and the cooling liquid is a fuel cell cooling device, characterized in that the secondary fluid. 연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크;An aqueous tank receiving liquid fuel from the fuel tank; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하도록 형성되어, 스택의 캐소드에 서 상기 수용액 탱크의 내부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일; A water condensing coil is formed so that one side extends into the aqueous solution tank to condense the exhaust gas flowing into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; 상기 수응축 코일의 타 측이 연결되어, 상기 수응축 코일의 내부를 유동하는 응축액체를 냉각하는 냉각기; 및A cooler connected to the other side of the water condensation coil to cool the condensed liquid flowing through the water condensation coil; And 상기 냉각기의 표면에 냉각수를 분사하는 분사 유닛을 포함하는 연료전지용 냉각 장치.Cooling device for a fuel cell comprising an injection unit for injecting coolant to the surface of the cooler. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 일 측은 상기 수용액 탱크의 내부에 배치되고 타 측은 상기 냉각기에 연결되며 내부에는 냉각액체가 유동하도록 형성되어, 상기 스택의 애노드에 공급되는 액체 연료의 수용액을 냉각하는 수용액 냉각코일을 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.One side is disposed in the aqueous solution tank and the other side is connected to the cooler and formed inside the cooling liquid flows, the fuel cell further comprises an aqueous solution cooling coil for cooling the aqueous solution of the liquid fuel supplied to the anode of the stack Cooling system. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 분사 유닛은,The injection unit, 상기 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내부로 상기 배기가스를 유입시키는 유입라인에 연통 되게 배치되어, 상기 배기가스를 응축시키는 수응축기; 및A water condenser disposed in communication with an inlet line for introducing the exhaust gas from the cathode of the stack into the aqueous solution tank, the condenser condensing the exhaust gas; And 상기 수응축기에 연통되어, 상기 수응축기에서 응축된 응축수를 상기 냉각기의 표면에 분사하는 분사라인을 포함하는 연료전지용 냉각 장치.And a spraying line communicating with the water condenser and spraying the condensed water condensed in the water condenser on the surface of the cooler. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 수응축기에 대한 공기의 유동 정도를 조절하여 상기 배기 가스의 응축량을 제어하는 응축팬을 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.Cooling device for a fuel cell further comprises a condensation fan for controlling the condensation amount of the exhaust gas by adjusting the flow rate of air to the water condenser. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 분사라인에 설치되어, 상기 분사되는 응축수의 양을 제어하는 분사펌프를 더 포함하는 연료전지용 냉각 장치.The fuel cell cooling device further comprises an injection pump installed in the injection line to control the amount of condensed water injected. 연료탱크로부터 액체 연료를 공급받는 수용액 탱크;An aqueous tank receiving liquid fuel from the fuel tank; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하고 내부에는 응축액체가 유동하도록 형성되어, 스택의 캐소드에서 상기 수용액 탱크의 내부로 유입되는 배기가스를 응축시켜 응축수를 발생시키는 수응축 코일;A water condensing coil formed at one side of the aqueous solution tank and having a condensed liquid flowing therein to condense exhaust gas introduced into the aqueous solution tank from the cathode of the stack to generate condensed water; 상기 수용액 탱크의 내부로 일 측이 연장하고 내부에는 냉각액체가 유동하도록 형성되어, 상기 스택의 애노드에 공급되는 액체 연료의 수용액을 냉각하는 수용액 냉각코일; 및An aqueous solution cooling coil which extends one side into the aqueous solution tank and has a cooling liquid flowing therein to cool the aqueous solution of the liquid fuel supplied to the anode of the stack; And 상기 수응축 코일 및 수용액 냉각코일의 타측 들에 연결되어, 상기 응축액체 및 냉각액체를 냉각하는 냉각기를 포함하는 연료전지용 냉각 장치. And a cooler connected to the other sides of the water condensing coil and the aqueous solution cooling coil to cool the condensation liquid and the cooling liquid. 제13항에 있어서,The method of claim 13, 상기 수응축 코일은 상기 액체 연료의 수용액에 잠기지 않도록 배치되고,The water condensing coil is disposed so as not to be submerged in the aqueous solution of the liquid fuel, 상기 수용액 냉각코일은 상기 액체 연료의 수용액에 잠기도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 냉각 장치.And the aqueous solution cooling coil is disposed to be immersed in the aqueous solution of the liquid fuel.
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