KR100778204B1 - 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치에 관한 것으로, 스택(100)의 하부에 물 흡수가 가능한 재질로써 격자상으로 제작된 응축수기화부(400)를 설치하고, 상기 응축수기화부(400)의 양단에 스택(100)의 연료극(110)과 공기극(120)에 연결된 주배출관로(510,520)를 연결한 구성으로 이루어진다.

따라서, 냉각팬(300) 작동에 의해 상기 응축수기화부(400)에서 스택(100)으로부터 공급된 물 입자가 떨어져 나가면서 기화되어 스택(100)을 통과하는 공기의 온도가 낮아지게 됨으로써 스택(100)의 냉각성능이 향상되게 된다.

또한, 상기와 같이 냉각을 위해 물이 소비됨으로써 별도의 응축수탱크를 구비할 필요가 없게 됨에 따라 연료전지 시스템의 크기가 작아지고, 구성부품의 레이아웃 설정이 용이해지며, 특히 주기적으로 응축수탱크를 비워주어야 하는 번거로움이 해소되는 효과가 있다.

Description

공랭식 연료전지의 스택 냉각장치{a stack cooling system of air cooling type fuel cell}

도 1은 종래 공랭식 연료전지의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 스택 냉각장치가 적용된 공랭식 연료전지의 구성도,

도 3은 본 발명의 주요 구성인 응축수기화부의 확대 사시도,

도 4는 본 발명에 의한 스택 냉각작용을 설명하기 위한 도면,

도 5는 본 발명의 주요 구성인 상기 응축수기화부가 적층된 상태를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 스택 110 : 연료극

120 : 공기극 130 : 공기유로

210 : 수소공급관로 220 : 공기공급관로

300 : 냉각팬 400,400' : 응축수기화부

410 : 기화망 420,430 : 매니폴드

421,431 : 연결구 440,450 : 연결관

510,520 : 주배출관로 610,620 : 가스배출관로

700 : 가습기

본 발명은 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치에 관한 것으로, 특히 연료전지 운전시 스택에서 생성되는 물을 이용하여 스택의 냉각성능을 향상시킬 수 있도록 된 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치에 관한 것이다.

연료전지는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 연료를 개질하여 얻은 수소와 공기중의 산소를 전해질막을 사이에 둔 두 전극판에서 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 발전 시스템으로서 친환경적이고 에너지 효율이 높아 다양한 분야에서 활용되고 있다.

연료전지는 상기 전해질막과 그 양쪽의 전극판이 하나의 단위전지를 이루며, 이들이 분리판을 사이에 두고 다수 층으로 적층되어 스택(stack)을 구성하게 된다.

한편, 상기 스택에서는 전기 생산 시, 열과 물이 동시에 생성된다.

따라서, 상기 스택의 발전성능을 양호한 상태로 유지하기 위해서는 스택을 적절히 냉각해 주어야만 하고, 또한 생성된 물도 배출해 주어야만 한다. 전해질막에 흡수된 물의 양은 전해질막의 이온전달능력에 큰 영향을 주게 되는데 과도한 양의 물은 전해질막의 이온전달경로를 차단하여 발전성능을 저하시키기 때문이다.

한편, 스택을 냉각하는 방식에는 수냉식과 공랭식이 있는데, 수냉식은 각 분리판에 형성된 냉각채널을 통해 냉각수를 순환시켜 냉각이 이루어지도록 된 것이 고, 공랭식은 냉각팬을 이용하여 스택을 공기흐름 중에 노출시킴으로써 냉각이 이루어지도록 된 것이다.

도 1에는 공랭식 연료전지의 예가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 연료전지모듈의 스택(10)은 수소를 공급받는 연료극(11)과 공기를 공급받는 공기극(12)을 포함하고 있으며, 상기 공기극(12)으로의 공기공급라인에는 가습기(20)가 구비되어 있어 공급되는 공기를 적절히 가습할 수 있도록 되어 있고, 상기 스택(10)의 상부에 냉각팬(30)이 설치되어 스택(10)을 냉각할 수 있도록 되어 있다.

또한, 연료전지 운전시 상기 스택(10)의 연료극(11)과 공기극(12)에서 생성된 물은 각각에 연결된 배출관로(51,52)를 통해 미반응 가스(수소 및 공기)와 함께 응축수탱크(40)로 흐르도록 되어 있다.

그런데, 상기와 같은 공랭식 연료전지 시스템은 이동식 전원으로 사용되는 경우가 많은데, 이와 같은 경우 상기 응축수탱크(40)로 인해 장치의 크기가 커질 뿐만 아니라 이동식 시스템에 맞게 각 부품의 레이아웃을 구성하는 것이 용이하지 않았다.

또한, 운전시간이 누적됨에 따라 응축수탱크(40)내의 물의 양이 증가하게 되므로 일정 시간마다 응축수탱크(40)를 비워 주어야만 하였다.

또한, 상기와 같이 단순히 냉각팬(30)에 의한 공기의 강제 유동만으로 스택(10)을 충분히 냉각하기 위해서 고용량의 냉각팬을 사용해야만 하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 응축수탱크를 구비할 필요가 없게 되어 장치의 크기가 작아지고 레이아웃 구성이 용이해지며, 일정 시간마다 응축수탱크를 비워주어야 하는 번거로움이 해소되고, 작은 용량의 냉각팬을 사용하여도 충분한 냉각성능을 확보할 수 있도록 된 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

연료극과 공기극을 구비한 스택;

상기 연료극과 공기극에 각각 연결되는 수소공급관로와 공기공급관로;

상기 스택의 상부에 설치된 냉각팬;

물을 흡수하는 재질로써 격자상으로 제작되어 상기 스택의 하부에 설치되는 응축수기화부;

상기 연료극과 공기극에 각각 일단이 연결되고 타단은 상기 응축수기화부의 양단에 연결되는 주배출관로;

상기 주배출관로에서 상방으로 분지되는 가스배출관로를 포함하여 구성된다.

따라서, 상기 연료극과 공기극에서 발생된 물이 주배출관로를 통해 상기 응축수기화부로 공급되며, 상기 응축수기화부에서는 냉각팬의 작용으로 물 입자가 떨어져 나가 주변으로부터 열을 흡수하여 기화됨으로써 보다 활발하게 스택의 냉각이 이루어지게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치 구성도이다.

스택(100)은 연료극(110)과 공기극(120)을 구비하고 있으며, 이들 연료극(110)과 공기극(120)은 각각 수소공급관로(210)와 공기공급관로(220)에 연결되어 수소와 공기(더 자세하게는 공기중에 포함된 산소를 이용하는 것이다.)를 공급받도록 되어 있다.

상기 스택(100)의 상부에는 냉각팬(300)이 구비되어 있어, 연료전지 운전시 스택(100)에서 발생되는 열을 냉각할 수 있도록 되어 있다.

또한, 연료전지 운전시 발생되는 미반응가스와 물의 배출을 위하여 상기 연료극(110)과 공기극(120)에는 각각의 주배출관로(510,520)가 연결되어 있으며, 이 양쪽 주배출관로(510,520)들은 상기 스택(100)의 하부에 위치한 응축수기화부(400)에 각각 연결된다.

또한, 상기 주배출관로(510,520) 각각에는 가스배출관로(610,620)가 분지되어 상방으로 연장된다.

또한, 상기 공기공급관로(220)와 상기 주배출관로(520)에 연계되어 가습기(700)가 설치된다. 상기 가습기(700)는 종래와 동일한 구성으로서, 주배출관로(520)를 통해 배출되는 물을 이용하여 공기공급관로(220)를 통해 공기극(120)으로 공급되는 공기를 가습해 줄 수 있도록 된 것이다.

한편, 상기 응축수기화부(400)는 도 3에 도시된 바와 같이, 물을 흡수하는 재질로써 격자상으로 제작된 기화망(410)과, 상기 기화망(410)의 양단에 연결되어 응축수기화부(400)의 프레임역할을 함과 더불어 상기 기화망(410)에 물을 공급해주는 분배 관로 역할을 하는 매니폴드(420,430)로 이루어진다.

상기 기화망(410)은 예를 들어 천연 또는 인공 섬유로 제작되어 상기 매니폴드(420,430)의 내부로 연결되어 있으며, 따라서 매니폴드(420,430) 내부의 물이 섬유조직 사이로 흡수되어 전체적으로 젖어들게 되고 그 표면으로 수분이 노출되도록 된 것이다.

이제, 본 발명의 작용 효과를 설명한다.

연료전지가 운전되면, 스택(100)의 연료극(110)과 공기극(120)에서는 각각 물이 생성된다.

또한, 연료극(110)과 공기극(120)으로 각각 공급된 수소와 공기 중 발전에 사용되지 않은 미반응가스가 존재하게 된다.

따라서, 상기 물과 미반응가스가 각각에 연결된 주배출관로(510,520)를 통해 스택(100)으로부터 배출된다.

상기 물은 포화상태의 수증기와 응축된 물의 두 가지 상태로 존재하게 되는데, 스택(100)을 빠져나오면서 스택(100) 내/외부의 온도차에 따라 포화 수증기도 응축되어, 응축수가 주배출관로(510,520)를 따라 흘러 하측의 응축수기화부(400)의 양쪽 매니폴드(420,430)로 모여든다.

이때, 스택(100)으로부터 배출된 미반응 가스 성분(수소 및 공기)은 주배출관로(510,520)의 분기지점에서 각각의 가스배출관로(610,620)를 통해 상방으로 배출된다.

상기 양쪽 매니폴드(420,430)내의 물은 기화망(410)의 양쪽으로부터 중앙방향으로 흡수(상호 카운터플로우 방식으로 흘러 보다 신속하고 효율적으로 기화망 전체에 흡수된다.)되어 기화망(410)의 표면에서 공기에 노출된다.

이때 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 냉각팬(300)에 의해 상기 응축수기화부(400)와 스택(100)과 냉각팬(300)을 관통하여 강제적인 공기유동이 발생하게 되는데, 이 공기흐름의 흡입력에 의하여 상기 기화망(410)의 각 격자 표면으로부터 물 입자가 공기중으로 떨어져 나가게 되고, 그 물 입자는 주변으로부터 열을 흡수하여 기화된다.(상기 스택(100)에는 각 단위전지(C)의 사이에 공기 유동을 위한 공기유로(130)가 관통 형성된다.)

따라서, 스택(100)을 통과하는 공기흐름의 온도가 낮아지게 되며, 이 찬 공기가 스택(100)으로부터 보다 많은 양의 열을 흡수하여 배출됨으로써 스택(100)의 냉각이 보다 활발하게 이루어지게 된다.

따라서, 종래에 냉각팬에 의한 공기의 강제유동만으로 스택을 냉각할 때에 비하여 보다 작은 용량의 냉각팬을 사용하여도 동일한 정도의 스택 냉각성능을 확보할 수 있게 되므로 종래에 비하여 상대적으로 소형의 냉각팬을 사용할 수 있게 되며, 이에 따라 장치의 크기 감소, 레이 아웃 설정 용이, 비용 감소 등의 효과가 있게 된다.

한편, 본 발명은 스택(100)에서 생성되는 물이 상기 응축수기화부(400)를 통해 공기중으로 기화되어 소비되므로 생성된 물을 모아두기 위한 응축수탱크를 별도로 구비할 필요가 없게 된다. 따라서, 일정 시간 마다 상기 응축수탱크를 비워주어 야만 하는 번거로움이 해소된다.

또한, 상기 응축수탱크는 모여든 물을 비워주는 횟수가 과도하게 증가하는 것을 방지하기 위하여 소정량 이상의 크기로 제작되게 되는데, 본 발명의 상기 응축수기화부(400)는 흡수된 물이 지속적으로 소비되므로 두께가 얇은 판상으로 제작할 수 있어 상기 응축수탱크에 비하여 그 크기가 크게 줄어들게 되며, 이 역시 연료전지 시스템의 전체 크기를 감소시키고, 레이아웃 설정을 용이하게 하는 요인이 된다.

한편, 상기 기화망(410)의 표면적 즉, 기화면적을 증가시키기 위해 상기 기화망(410)의 두께(t)를 증가시킬 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 응축수기화부(400)의 하측에 동일한 구성의 또 다른 응축수기화부(400')를 설치할 수 있다. 즉, 본 발명은 필요에 따라 다수의 응축수기화부를 적층하여 사용할 수 있는 바, 사용되는 응축수기화부의 수가 증가하면 기화망의 수분 기화량이 증가하므로 주변으로부터 보다 많은 양의 잠열을 흡수하게 되어 스택 냉각이 보다 활발히 이루어지게 된다.

이때 각 응축수기화부간의 연결을 위해 응축수기화부에는 도 3과 같이 양쪽 매니폴드(420,430)의 단부에 원통형의 연결구(421,431)가 돌출 성형되며, 도 5와 같이 연결관(440,450)을 매개로 상호 연결된다.

이때, 상기 연결구(421,431)는 매니폴드(420,430)의 단부면에서 상단부에 형성되어, 상측에 설치된 응축수기화부(400)의 수용 능력이상으로 물이 공급되면 하측의 응축수기화부(400')로 물이 흘러 공급되도록 되어 있다.

한편, 상기와 같은 응축수기화부의 작용에 의해 스택(100)과 냉각팬(300)을 통하여 연료전지 시스템으로부터 배출되는 공기흐름에는 다량의 수분이 포함되어 있으므로 별도의 동력이나 유체의 공급없이 연료전지 시스템이 사용되고 있는 실내 공간을 가습할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 연료전지 자체에서 생성되는 물을 기화시켜 스택을 냉각하므로써 동일 용량의 냉각팬 사용시 상대적으로 냉각성능이 향상되며, 따라서 동일한 정도의 냉각성능을 확보하기 위하여 보다 작은 용량의 냉각팬을 사용할 수 있게 됨으로써 장치의 크기가 감소되고, 레이아웃 구성이 용이해지며, 비용을 절감할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 냉각을 위해 스택에서 생성된 물이 소비되므로 별도의 응축수탱크를 구비할 필요가 없게 됨에 따라 역시 장치의 크기가 감소되고, 레이아웃 구성이 용이해지며, 특히 일정 시간마다 응축수탱크를 비워주어야 하는 번거로움이 해소된다.

또한, 연료전지 시스템이 설치된 공간의 가습장치로서 활용할 수 있다는 장점도 있다.

Claims (5)

1. 연료극(110)과 공기극(120)을 구비한 스택(100);

   상기 연료극(110)과 공기극(120)에 각각 연결되는 수소공급관로(210)와 공기공급관로(220);

   상기 스택(100)의 상부에 설치된 냉각팬(300);

   물을 흡수하는 재질로써 격자상으로 제작되어 상기 스택(100)의 하부에 설치되는 응축수기화부(400);

   상기 연료극(110)과 공기극(120)에 각각 일단이 연결되고 타단은 상기 응축수기화부(400)의 양단에 연결되는 주배출관로(510,520);

   상기 주배출관로(510,520)에서 상방으로 분지되는 가스배출관로(610,620)를 포함하여 구성된 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 응축수기화부(400)는 물 흡수가능한 재질로써 격자상으로 제작된 기화망(410)과, 상기 기화망(410)의 양단에 연결된 매니폴드(420,430)으로 이루어지며, 상기 기화망(410)의 양단부는 상기 매니폴드(420,430)의 내부로 연결되고, 상기 매니폴드(420,430)은 상기 주배출관로(510,520)에 연결된 것을 특징으로 하는 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 매니폴드(420,430)의 단부에 원형의 연결구(421,431) 가 돌출형성되어, 또 다른 응축수기화부(400')의 연결구와 상기 연결구(421,431)를 연결관(440,450)을 매개로 연결하는 방식으로 다수의 응축수기화부를 적층설치할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연결구(421,431)는 매니폴드(420,430)의 단부면에서 상단부에 형성되는 것을 특징으로 하는 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 스택(100)에는 각 단위전지(C) 의 사이에 공기 유동을 위한 공기유로(130)가 형성된 것을 특징으로 하는 공랭식 연료전지의 스택 냉각장치.

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