KR100806582B1 - 연료 전지의 선택적 스택 단열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지의 선택적 스택 단열장치에 관한 것으로, 본 발명은 연료 전지의 스택과, 상기 스택을 감싸거나 오픈시켜 그 스택에서 발생되는 열을 외부로 방열시키거나 단열시키는 선택적 복개 유닛과, 상기 선택적 복개 유닛이 스택을 감싸거나 오픈시키도록 그 선택적 복개 유닛을 작동시키는 작동 유닛을 포함하여 구성된다. 이로 인하여, 본 발명은 연료 전지의 스택에서 발생되는 열을 선택적으로 외부로 방열시키거나 단열시켜 겨울철과 같이 온수나 난방에 사용되는 열량이 많이 필요로 할 때 스택에서 외부로 방열되는 열을 최소화함으로써 상기 스택에서 발생되는 열을 저장하는 저장 탱크의 승온 제어가 수월하게 되고 스택에서 발생되는 열을 효과적으로 활용할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료 전지의 선택적 스택 단열장치{STACK HOUSING OF FUEL CELL}

도 1은 일반적인 연료 전지의 일예를 도시한 정면도,

도 2는 상기 연료 전지를 구성하는 스택을 분해하여 도시한 사시도,

도 3은 연료 전지 시스템을 도시한 구성도,

도 4는 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치의 일실시예를 도시한 정단면도,

도 5는 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치를 구성하는 선택적 복개 유닛을 분해하여 도시한 사시도,

도 6, 7은 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치의 작동상태를 각각 도시한 정단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100; 연료 전지 스택 700; 선택적 복개 유닛

710; 제1 하우징 711,721; 방열 구멍

712; 제1 하우징의 일측벽 720; 제2 하우징

722; 제2 하우징의 일측벽 800; 작동 유닛

810; 지지 부재 820; 엑츄에이터

본 발명은 연료 전지에 관한 것으로, 특히, 연료 전지의 스택에서 발생되는 열을 선택적으로 외부로 방열시키거나 단열시켜 겨울철과 같이 온수나 난방에 사용되는 열량이 많이 필요로 할 때 스택에서 외부로 방열되는 열을 최소화할 수 있도록 한 연료 전지의 선택적 스택 단열장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 장치이다. 이와 같은 연료 전지는 환경 친화적으로 전기 에너지를 생산하게 되므로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다.

도 1은 연료 전지의 일예를 도시한 정면도로, 이에 도시한 바와 같이 연료 전지는 전기 화학적 반응이 일어나는 단위 전지가 한 개 또는 한 개 이상으로 결합된 스택(100)과, 상기 스택에 연료를 공급하는 연료 공급라인(200)과, 상기 스택(100)에 공기를 공급하는 공기 공급라인(300)과, 상기 스택(100)에서 반응 후 남은 연료가 배출되는 연료 배출라인(400)과, 상기 스택(100)에서 반응 후 남은 공기가 배출되는 공기 배출라인(500)을 포함하여 구성된다.

상기 스택(100)을 구성하는 단위 전지는, 도 2에 도시한 바와 같이, 내부에 공기 또는 연료가 유동하는 오픈된 채널(11)이 형성된 두 개의 바이폴라 플레이트(10)와, 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성되어 그 두 개의 바이폴라 플레이트(10) 사이에 위치하는 엠이에이(M.E.A; Membrame Electrode Assembly)(20)를 포함하여 구성된다. 상기 두 개의 바이폴라 플레이트(10)와 그 사이에 위치하는 엠이 에이(20)는 별도의 체결수단(30)(31)에 의해 결합된다.

상기 두 개의 바이폴라 플레이트(10)들 사이에 위치하는 엠이에이(20)의 한 쪽면과 하나의 바이폴라 플레이트(10)의 일측벽에 형성된 오픈된 채널(11)은 공기 또는 연료가 유동하는 유로를 형성하게 되고, 또한 그 엠이에이(20)의 다른 한 쪽면과 다른 하나의 바이폴라 플레이트(10)의 일측벽에 형성된 오픈된 채널(11)은 공기 또는 연료가 유동하는 유로를 형성하게 된다.

미설명 부호 12는 상기 연료 공급라인(200) 또는 공기 공급라인(300)과 연통되는 관통구멍이고, 13은 상기 연료 배출라인(400) 또는 공기 배출라인(500)과 연결되는 관통구멍이다.

상기한 바와 같은 연료 전지의 작동은 다음과 같다.

먼저, 상기 연료 공급라인(200)과 공기 공급라인(300)을 통해 연료와 공기가 스택(100)의 연료극과 공기극에 각각 공급되면 그 연료극에 공급된 연료는 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자(e-) 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 되며 이와 동시에 그 전자(e-)는 연료극을 통해 이동하게 된다.

상기 전자의 이동으로 전기 에너지가 발생되고, 상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 상기 연료극에서 반응을 거친 연료와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 상기 연료 배출라인(400)과 공기 배출라인(500)을 통해 각각 배출된다. 이와 같은 연료 전지는 사용되는 전해질과 연 료 등에 따라 다양한 형태로 분류된다.

한편, 상기 연료 전지가 가정용 에너지 공급원으로 적용될 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 연료 전지의 스택(100)에서 발생되는 열을 회수하여 저장 탱크(600)에 저장되는 수돗물을 가열하게 된다. 상기 저장 탱크(600)에 가열되어 저장된 수돗물은 가정에서 사용되는 온수로 공급될 뿐만 아니라 가정의 난방용수로 공급된다.

또한 상기 연료 전지의 스택(100)에서 발생되는 열이 저장 탱크(600)에 저장됨에 따라 그 스택(100)이 냉각되어 스택(100)의 성능을 향상시키게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 연료 전지는 겨울철과 같이 온수나 난방에 열을 많이 필요로 할 때 스택(100)에서 발생되는 열이 외부로 쉽게 방열되어 그 스택에서 발생되는 열을 회수하는 열량이 적게 되어 온수나 난방으로 공급하는 열량이 감소하게 되고, 또한 여름철과 같이 온수나 난방에 열을 많이 필요로 하지 않을 때 스택에서 발생되는 열이 그대로 온수나 난방으로 공급되어 그 스택에서 회수되는 열을 외부로 방열시키는 단점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 고안한 본 발명의 목적은 연료 전지의 스택에서 발생되는 열을 선택적으로 외부로 방열시키거나 단열시켜 겨울철과 같이 온수나 난방에 사용되는 열량이 많이 필요로 할 때 스택에서 외부로 방열되는 열을 최소화할 수 있도록 한 연료 전지의 선택적 스택 단열장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 연료 전지의 스택과; 상기 스택을 감싸거나 오픈시켜 그 스택에서 발생되는 열을 외부로 방열시키거나 단열시키는 선택적 복개 유닛과; 상기 선택적 복개 유닛이 스택을 감싸거나 오픈시키도록 그 선택적 복개 유닛을 작동시키는 작동 유닛을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치가 제공된다.

이하, 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 이에 도시한 바와 같이, 상가 연료 전지의 선택적 스택 단열장치는 연료 전지의 스택(100)과, 상기 스택(100)을 감싸거나 오픈시키는 선택적 복개 유닛(700)과, 상기 선택적 복개 유닛(700)이 스택(100)을 감싸거나 오픈시키도록 그 선택적 복개 유닛(700)을 작동시키는 작동 유닛(800)을 포함하여 구성된다.

상기 스택(100)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 두 개의 바이폴라 플레이트(10)들과 그 두 개의 바이폴라 플레이트(10)들 사이에 위치하는 엠이에이(20)를 포함하여 구성되는 하나의 단위 전지 또는 그 단위 전지가 복수 개 적층된 형태로 구성된다. 상기 스택(100)의 일측에 연료가 공급되는 연료 공급라인(200)과 공기가 공급되는 공기 공급라인(300)과, 스택(100)에서 반응된 연료가 배출되는 연료 배출라인(400)과, 스택(100)에서 반응된 공기가 배출되는 공기 배출라인(500)이 연결된다.

상기 선택적 복개 유닛(700)은, 도 5에 도시한 바와 같이, 다수 개의 방열 구멍(711)들이 구비되며 내부에 상기 스택(100)이 장착되는 제1 하우징(710)과, 다수 개의 방열 구멍(721)들이 구비되며 상기 제1 하우징(710)이 내부에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 제2 하우징(720)을 포함하여 구성된다.

상기 제1 하우징(710)은 일측이 개구된 육면체 형태로 형성됨이 바람직하고, 그 전체 면에 복수 개의 방열 구멍(711)들이 형성된다. 상기 방열 구멍(711)들은 일정 폭과 길이를 갖는 사각 형태로 형성되며, 그 방열 구멍(711)들은 일정 간격을 두고 그 육면체 형태의 길이 방향으로 배열된다. 그리고 상기 제1 하우징(710)의 일측벽(712)에 형성되는 방열 구멍(721)들은 세로 방향 또는 가로 방향으로 배열될 수 있다.

상기 제2 하우징(720)은 상기 제1 하우징(710)과 마찬가지로 일측이 개구된 육면체 형태로 형성되며, 그 전체 면에 복수 개의 방열 구멍(721)들이 형성된다. 상기 방열 구멍(721)들은 일정 폭과 길이를 갖는 사각 형태로 형성되며, 그 방열 구멍(721)들은 일정 간격을 두고 그 육면체 형태의 길이 방향으로 배열된다. 그리고 상기 제2 하우징(720)의 일측벽(722)에 형성되는 방열 구멍(721)들은 제1 하우징(710)과 같이 세로 방향 또는 가로 방향으로 배열되며, 이때 상기 제1 하우징(710)의 방열 구멍(711)들과 일치되지 않게 형성된다.

상기 제1 하우징(710)이 상기 제2 하우징(720)의 내부에 삽입된 상태에서 그 제1 하우징(710)의 일측벽(712)이 상기 제2 하우징(720)의 일측벽(722)과 접면시 그 제1 하우징(710)의 방열 구멍(711)들과 상기 제2 하우징(720)의 방열 구멍(721)들이 서로 일치하도록 상기 제1 하우징(710)과 제2 하우징(720)에 방열 구 멍(711)(721)들을 배열시키는 것이 바람직하다.

상기 스택(100)은 상기 제1 하우징(710) 내부에 고정 결합되며, 이때 별도의 고정 수단(미도시)에 의해 상기 스택(100)이 제1 하우징(710) 내부에 고정 결합된다. 상기 고정 수단은 나사 또는 용접 등에 다양하게 구현될 수 있다.

그리고 상기 제1 하우징(710)의 하면 또는 스택(100)의 하면에 받침 수단(40)이 구비됨이 바람직하며 그 받침 수단(40)은 다양한 형태로 구현될 수 있다.

상기 작동 유닛(800)은 상기 제2 하우징(720)에 관통되어 돌출되도록 상기 제1 하우징(710)에 결합되는 지지 부재(810)와, 상기 지지 부재(810)에 장착되어 상기 제2 하우징(720)을 슬라이딩시키는 엑츄에이터(820)를 포함하여 구성된다.

상기 제2 하우징(720)의 일측벽(722)에 상기 지지 부재(810)가 관통되는 관통구멍이 형성된다. 상기 지지 부재(810)는 일정 길이를 갖도록 형성되며 그 지지 부재(810)의 일측이 상기 제1 하우징(710)의 일측벽(712)에 고정 결합되며 그 지지 부재(810)의 타측이 상기 제1 하우징(710)의 관통구멍에 관통되어 외부로 돌출된다.

상기 엑츄에이터(820)는 상기 지지 부재(810)의 돌출된 부분에 장착되며 그 엑츄에이터(820)의 작동 축(821)은 작동시 상기 제2 하우징(720)을 슬라이딩시키도록 상기 제2 하우징(720)의 일측벽(722)에 연결된다.

상기 작동 유닛(800)은 상기 스택(100)에서 발생되는 열을 회수하여 저장하는 저장 탱크의 온도에 따라 상기 선택적 복개 유닛(700)을 작동시키는 것이 바람직하다. 상기 저장 탱크에 온도 센서를 장착하여 그 온도 센서의 감지에 의해 상기 저장 탱크의 온도를 측정할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로 상기 실시예에서 작동 유닛을 배제하여 구성될 수 있다. 이때 사용자가 그 선택적 복개 유닛을 직접 움직여 그 스택을 복개하거나 오픈시키게 된다.

이하, 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 연료 공급라인(200)과 공기 공급라인(300)을 통해 연료와 공기가 스택(100)의 연료극과 공기극에 각각 공급되면 그 연료극에 공급된 연료의 수소와 공기극으로 공급된 공기 중의 산소가 전기 화학적 산화와 환원 반응을 일으키면서 전기 에너지와 반응열을 발생시키게 된다. 상기 스택(100)에서 반응하고 남은 연료는 연료 배출라인(400)으로 배출되고 반응하고 남은 공기와 부산물 등은 공기 배출라인(500)을 통해 배출된다.

그리고 상기 스택(100)에서 발생되는 전기 에너지는 가정의 전기 기기 등에 공급되고 상기 스택(100)에서 발생되는 반응열은 별도의 수단에 의해 회수되어 저장 탱크에 저장된다. 상기 스택(100)에서 발생되는 열이 회수되어 저장 탱크에 저장되면서 그 저장 탱크에 저장되는 수돗물을 가열하여 가정에 온수나 난방수로 공급된다.

한편, 겨울철과 같이 가정에서 사용하는 온수의 양이 많을 뿐만 아니라 난방으로 사용되는 난방수의 양이 많을 경우, 스택(100)에서 발생되는 열이 외부로 방열되는 것을 최소화시켜 되고, 여름철과 같이 가정에서 사용하는 온수의 양 및 난 방수의 양이 적을 경우 그 스택(100)에서 발생되는 열의 일부를 외부로 방열시키게 된다. 이때, 상기 저장 탱크에 저장되는 물의 온도에 따라 상기 스택(100)을 감싸거나 오픈시키는 것이 바람직하다.

이와 같은 과정을 상세하게 설명하면, 상기 저장 탱크의 내부 물의 온도가 설정된 기준치 이하가 되면, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 작동 유닛(800)을 정방향으로 작동시켜 상기 선택적 복개 유닛(700)의 제2 하우징(720)을 설정된 거리만큼 이동시키게 됨으로써 그 제2 하우징(720)의 방열 구멍(721)들과 제1 하우징(710)의 방열 구멍(711)들이 서로 일치하지 않도록 위치시킨다. 상기 제1 하우징(710)의 방열 구멍(711)들과 제2 하우징(720)의 방열 구멍(721)들이 서로 일치하지 않게 됨에 따라 상기 제1 하우징(710)과 제2 하우징(720)에 의해 스택(100)이 복개된다. 이때 제1 하우징(710)의 일측벽(712)과 제2 하우징(720)의 일측벽(722)이 서로 접촉된 상태가 되고 그 제1 하우징(710)의 일측벽(712)에 형성된 방열 구멍(711)들과 제2 하우징(720)의 일측벽(722)에 형성된 방열 구멍(721)들이 서로 일치하지 않게 되어 그 제1,2 하우징(710)(720)의 일측벽(712)(722)이 막힌 상태가 된다. 상기 스택(100)이 제1 하우징(710)과 제2 하우징(720)에 의해 복개됨에 따라 그 스택(100)에서 발생되는 열이 외부로 방출되는 것을 최소화시키게 된다.

그리고 상기 저장 탱크의 내부 물의 온도가 설정된 기준치 이상이 되면, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 작동 유닛(800)을 역방향으로 작동시켜 상기 선택적 복개 유닛(700)의 제2 하우징(720)을 도 6에 도시된 방향과 반대편 방향으로 이동시키게 됨으로써 그 제2 하우징(720)의 방열 구멍(721)들과 제1 하우징(710)의 방 열 구멍(711)들이 서로 일치되도록 위치시킨다. 이때, 상기 제1 하우징(710)의 일측벽(712)과 제2 하우징(720)의 일측벽(722)이 서로 일정 간격을 이루게 되어 그 제1 하우징(710)의 일측벽(712)에 형성된 방열 구멍(711)들과 제2 하우징(720)의 일측벽(722)에 형성된 방열 구멍(721)들이 오픈된 상태가 된다. 상기 제1 하우징(710)의 방열 구멍(711)들과 제2 하우징(720)의 방열 구멍(721)들이 서로 일치됨에 따라 상기 스택(100)에서 발생되는 열이 그 일치된 제1 하우징(710)과 제2 하우징(720)의 방열 구멍(711)(721)들을 통해 외부로 방출된다.

이와 같이 본 발명은 스택(100)에서 발생되는 열을 저장하는 저장 탱크의 내부 온도에 따라 선택적 복개 유닛(700)으로 스택(100)을 감싸거나 오픈시켜 그 스택(100)에서 발생되는 열이 외부로 방출시키거나 단열시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료 전지의 선택적 스택 단열장치는 연료 전지의 스택에서 발생되는 열을 선택적으로 외부로 방열시키거나 단열시켜 겨울철과 같이 온수나 난방에 사용되는 열량이 많이 필요로 할 때 스택에서 외부로 방열되는 열을 최소화하게 됨으로써 상기 저장 탱크의 승온 제어가 수월하게 되고 스택에서 발생되는 열을 효과적으로 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 연료 전지의 스택과;

   상기 스택을 감싸거나 오픈시켜 그 스택에서 발생되는 열을 외부로 방열시키거나 단열시키는 선택적 복개 유닛과;

   상기 선택적 복개 유닛이 스택을 감싸거나 오픈시키도록 그 선택적 복개 유닛을 작동시키는 작동 유닛을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 유닛은 상기 스택에서 발생되는 열을 회수하여 저장하는 저장 탱크의 온도에 따라 상기 선택적 복개 유닛을 작동시키는 것을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 선택적 복개 유닛은 다수 개의 방열 구멍들이 구비되며 내부에 상기 스택이 장착되는 제1 하우징과, 다수 개의 방열 구멍들이 구비되며 상기 제1 하우징이 내부에 슬라이딩 가능하도록 삽입되는 제2 하우징을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1,2 하우징은 일측이 개구된 육면체 형태로 형성되며, 그 전체 면에 상기 방열 구멍들이 형성된 것을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 작동 유닛은 상기 선택적 복개 유닛의 일측에 돌출되도록 결합되는 지지부재와, 상기 지지 부재에 장착되어 상기 선택적 복개 유닛의 일부를 슬라이딩시키는 엑츄에이터를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료 전지의 선택적 스택 단열장치.

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