KR100820448B1

KR100820448B1 - 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치

Info

Publication number: KR100820448B1
Application number: KR1020060100699A
Authority: KR
Inventors: 이진호; 정욱철; 윤서욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-10

Abstract

본 발명은 모세관력을 발생시키는 위크와, 액상의 냉매가 유입되는 액상 냉매 유입구, 기상의 냉매가 배출되는 기상 냉매 배출구 및, 기상의 냉매를 위크로부터 기상 냉매 배출구까지 이송시키는 기상 냉매 이송 채널을 갖춘 증발기와; 상기 증발기에서 연료전지와의 열교환으로 증발된 기상의 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 위크의 옆쪽에 위치한 제1 영역과 상기 위크 내부에 위치한 제2 영역으로 분할되고, 냉각 기기의 전체 체적의 50% 이상의 체적을 점유하고, 냉매의 직접적인 상변화가 일어나는 상기 위크로 액상의 냉매를 안정적으로 공급하도록 내부의 포화 증기압에 의해 전체 시스템의 운전온도를 결정하는 냉매 보상 챔버 및; 상기 증발기에서 열을 받아 기화된 냉매를 상기 응축기로 이송함과 더불어, 상기 응축기에서 냉각된 액상의 냉매를 상기 증발기로 이송하고, 냉각된 액상 냉매의 상기 위크 내부로의 용이한 접근을 위해 상기 위크의 내부의 제2 영역까지 연장되는 냉매 이송관을 포함하여, 고분자 전해질 연료전지에 대한 냉각 효율을 향상시키는 모세관력 구동 열순환장치이다.

Description

고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치{capillary pumped loop heat pipe of proton exchange membrane fuel cell}

도 1은 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치의 구성을 도시한 도면.

도 2와 도 3은 도 1에 도시된 증발기의 내부 구조를 각각 도시한 도면.

본 발명은 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 고분자 전해질 연료전지의 냉각에 적용할 수 있도록 평판형 구조 및 양방향의 열을 처리할 수 있도록 하는 모세관력 구동 열순환장치에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 연료극(anode)과 공기극(cathode)에서의 산화 및 환원 반응을 통해 전력을 생산하는 에너지 전환 기기로서, 내연기관에 비해 높은 에너지 전환 효율(대략 50% 정도임) 및 오염 물질의 배출이 극히 적다는 장점을 가진다.

이러한 장점으로 인해 고분자 전해질 연료전지는 내연기관을 대치할 차세대 자동차의 에너지 발생장치로서 높은 관심을 불러일으키고 있다.

상기와 같은 고분자 전해질 연료전지의 정상적인 구동을 위한 필수조건은 연료전지가 운전되는 운전온도 범위내에서 전해질이 충분한 이온 이동성을 갖는 것이다. 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전해질은 고분자 재료로 제작된 막(Nafion)으로서 충분히 가습될 경우 이온만을 선택적으로 이동시키는 특성을 갖는다. 그러므로 이러한 고분자 전해질 연료전지의 전해질이 충분한 이온이동성을 갖기 위해서는 전해질이 물에 충분히 젖어 있어야만 한다.

그러나, 고분자 전해질 연료전지는 내연기관과는 달리 전환 효율을 제외한 약 50% 정도의 에너지가 폐열로 방출되기 때문에, 전지 운전시 운전 온도의 상승이 불가피하다. 이러한 운전 온도의 상승은 궁극적으로 전지의 운전온도를 전해질 막을 적시고 있는 물의 비등점 이상으로 상승시켜 고분자 전해질 연료전지의 전해질에 대한 드라이 아웃(Dry-out)을 초래할 수 있다. 그러므로, 고분자 전해질 연료전지의 안정적인 운전을 보장하기 위해 고분자 전해질 연료전지에 대한 냉각 또는 운전시 온도의 제어는 필수적이다.

종래 고분자 전해질 연료전지의 냉각에 사용되는 방법은 저출력의 경우 공기극으로 유입되는 공기의 온도 및 유속을 조절함으로써 냉각을 하는 방법과, 고출력의 경우 분리판 내부로 냉각수를 순환시켜 냉각을 하는 방법을 이용하고 있다.

기존에 사용되던 냉각수 순환식의 고분자 전해질 연료전지의 냉각 방식은 전지 면적에 대해 평행한 방향으로 냉각수가 흐르며 현열 교환방식의 열교환을 하기 때문에 냉각수의 흐름 방향으로 운전 온도가 불균일하게 분포된다는 단점을 가지며, 이러한 불균일한 온도분포는 전지 성능의 저하를 불러 일으킬 수 있다. 또한 냉각수를 연속적으로 순환시켜야 하므로 별도의 펌프 동력이 소모된다.

이러한 소모 동력의 증가는 곧 전지 용량의 확대를 요구하고, 이는 바로 비용의 증가로 이어져 연료 전지 차량의 상용화를 가로막는 걸림돌이 되고 있다. 그 외에도, 냉각수 순환 방식의 경우 물을 냉매로 이용하기 때문에 겨울철 결빙에 의한 전지 파손의 우려 또한 갖고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 차량용 고분자 전해질 연료전지의 냉각을 위해 평판형이면서 모세관력에 의해 냉매의 순환이 이루어지도록 하는 냉각기기를 적용함으로써, 고분자 전해질 연료전지에 대한 냉각 효율을 향상시킴과 더불어, 별도의 동력 소모를 배제할 수 있도록 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모세관력을 발생시키는 위크와, 액상의 냉매가 유입되는 액상 냉매 유입구, 기상의 냉매가 배출되는 기상 냉매 배출구 및, 기상의 냉매를 위크로부터 기상 냉매 배출구까지 이송시키는 기상 냉매 이송 채널을 갖춘 증발기와;

상기 증발기에서 연료전지와의 열교환으로 증발된 기상의 냉매를 응축시키는 응축기;

상기 위크의 옆쪽에 위치한 제1 영역과 상기 위크 내부에 위치한 제2 영역으로 분할되고, 냉각 기기의 전체 체적의 50% 이상의 체적을 점유하고, 냉매의 직접적인 상변화가 일어나는 상기 위크로 액상의 냉매를 안정적으로 공급하도록 내부의 포화 증기압에 의해 전체 시스템의 운전온도를 결정하는 냉매 보상 챔버 및;

상기 증발기에서 열을 받아 기화된 냉매를 상기 응축기로 이송함과 더불어, 상기 응축기에서 냉각된 액상의 냉매를 상기 증발기로 이송하고, 냉각된 액상 냉매의 상기 위크 내부로의 용이한 접근을 위해 상기 위크의 내부의 제2 영역까지 연장되는 냉매 이송관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 모세관력 구동 열순환장치는 고분자 전해질 연료전지에 적용되는 일종의 냉각 기기인 바, 본 발명의 냉각 기기가 가지는 구성적 특징은 다음과 같다.

고분자 전해질 연료전지에 응용될 수 있도록 평판형의 구조를 가진다. 고분자 전해질 연료전지의 균일한 냉각을 위해 분리판과 같은 형태(직사각형)를 가진다. 차량용 고분자 전해질 연료전지에의 적용을 위해 전열 면적이 중력방향과 평행하도록 설치됨을 전제로 한다. 고분자 전해질 연료전지에의 적용을 위해 금속 재료의 다공물질을 위크로 사용한다.

이를 위한 세부 구성으로는 증발기와, 응축기, 냉매 보상 챔버 및, 냉매 이송관 등으로 구성된다.

본 발명의 냉각 기기는 평행한 액상 및 기상의 냉매 순환방향을 가지며, 증발기로의 유입(액상) 및 증발기로부터 배출(기상) 시 순환 방향의 제어를 위해 기상 냉매의 배출이 액상 냉매의 유입보다 높은 위치에서 이루어지도록 높이차를 둔다.

본 발명의 냉각기기는 평판형의 구조적 특성을 지니기 위해 한 쪽면으로 내부가 뚫린 육면체 형상의 미세 다공물질을 모세관력 발생부로 사용한다.

이하에서 상기와 같은 본 발명의 냉각 기기에 대한 보다 구체적인 구성을 첨부된 예시도면을 참조로 설명하기로 한다.

먼저, 증발기(100)는 액상의 냉매가 열을 흡수하여 기상의 냉매로 전환되는 영역인 바, 상기 증발기(100)는 모세관력을 발생시키는 위크(110)(미세 다공물질)와, 액상의 냉매가 유입되는 액상 냉매 유입구(120), 기상의 냉매가 배출되는 기상 냉매 배출구(130) 및, 기상의 냉매를 위크(110)로부터 기상 냉매 배출구(130)까지 이송시키는 기상 냉매 이송 채널(140)로 구성된다.

이 경우, 상기 기상 냉매 이송 채널(140)은 전지 분리판(160)으로 사용될 수 있도록 다수의 요철(凹凸)형태의 채널로 구성되어 있으며, 요(凹)면과 철(凸)면의 경우 전체 면적이 동일하도록 한다.

또한, 상기 기상 냉매 이송 채널(140)의 전체적인 크기는 위크(110)(미세 다공물질)로부터 기화되어 나오는 냉매를 배출할 수 있도록 한다.

상기 증발기(100) 내부에 위치한 분리턱(150)은 액상의 냉매가 기상 냉매 배출구(130)로 직접 이동하는 것을 방지하며, 상기 위크(110)의 위치를 고정시키는 역할을 한다.

그리고, 냉매 보상 챔버(300)는 냉매의 직접적인 상변화가 일어나는 위크(110)로 액상의 냉매를 안정적으로 공급해주는 기능을 가지며, 상기 냉매 보상 챔버(300)내의 포화 증기압에 의해 전체 시스템의 운전온도가 결정된다.

본 발명의 냉각 기기에서 상기 냉매 보상 챔버(300)는 상기 위크(110)의 옆쪽에 위치한 제1 영역(310)과 상기 위크(110) 내부에 위치한 제2 영역(320)으로 나뉜다.

상기 냉매 보상 챔버(300)의 체적은 시스템 전체 체적의 50% 이상이 되도록 하며, 주입되는 냉매는 액상의 냉매가 상기 냉매 보상 챔버(300)를 제외한 시스템 전 부분과, 상기 냉매 보상 챔버(300)에 일정량이 채워질 수 있도록 주입량을 조절한다.

또한, 본 발명의 냉각 기기에서 상기 위크(110)는 냉매 순환의 구동력인 모세관력을 발생시키는 기능을 가진다.

즉, 본 발명의 냉각 기기에서 사용된 상기 위크(110)는 연료전지 분리판(160)에 사용될 수 있도록 금속 재질의 다공성 물질을 사용한다. 본 발명의 냉각 기기에서 사용된 상기 위크(110)는 냉매 순환에 필요한 충분한 모세관력을 얻기 위해 기공 크기가 매우 작은 다공물질(대략 2㎛ 정도임)을 사용한다. 상기 위크(110)의 형상은 평판형 구조에 적합하도록 평판형의 형상을 지니고 있으며, 중심부로 액상의 냉매 이송을 용이하게 하기 위해, 상기 냉매 보상 챔버(300)의 제1 영역(310)으로 입구가 나도록 하여 중앙부를 공간(냉매 보상 챔버(300)의 제2 영역(320))이 되도록 가공한다. 이 경우, 상기 위크(110)의 크기는 전열면적과 동일하도록 한다.

또한, 본 발명의 냉각 기기에서 냉매 이송관(400)은 상기 증발기(100)에서 열을 받아 기화된 냉매가 응축기(200)로 이송하는 부분과, 상기 응축기(200)에서 냉각된 액상의 냉매가 상기 증발기(100)로 이송되는 부분을 칭한다.

냉각된 액상 냉매의 상기 위크(110) 내부로의 용이한 접근을 위해 상기 액상 냉매 이송관(400)은 상기 위크(110)의 내부, 즉 냉매 보상 챔버(300)의 제2 영역(320))까지 연장된다.

상기 액상의 냉매 이송관(400)과 기상의 냉매 이송관(400')을 증발기(100)로의 연결시, 냉매의 안정적인 순환을 돕기 위해, 기상의 냉매 이송관(400')이 액상의 냉매 이송관(400) 보다 높은 위치에서 상기 증발기(100)에 연결되도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치의 작동을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 냉각 기기의 정상적인 구동을 위해서는 다음의 조건이 충족되어야 한다.

- 모세관력 한계에 대한 조건

본 발명의 냉각 기기가 안정적인 순환을 하며 냉각을 하기 위해서는 위크(110)에서 발생된 최대 모세관력이 냉매가 위크(110)를 제외한 시스템 전체를 순환할 때 발생하는 압력 강하량과 액상의 냉매가 위크(110)를 통과할 때 생기는 압력 강하량의 합보다 커야만 한다.

- 작동 유체의 선정에 대한 조건

냉매의 안정적인 순환을 위해서는 액상과 기상의 냉매의 포화 온도의 차이에 해당하는 증기압이 위크(110)를 제외한 영역에서의 냉매 순환에 필요한 압력 강하량과 같아야 한다. 즉, 운전 온도 범위 내에서 포화 온도에 대한 포화 압력의 구배가 큰 작동 유체를 선정하여야 한다.

상기와 같은 조건이 충족되면 이하의 과정을 통한 운전이 이루어지게 된다.

① 고분자 전해질 연료전지의 운전 시 전해질에서 반응열 발생.

② 반응열에 의해 증발기(100) 내부의 냉매(액상) 온도 상승.

③ 시스템 전체의 압력 증가 및 액상 냉매의 과열.

④ 기상 냉매 배출구(130)에서의 액상 냉매 기화 및 배출.

⑤ 위크(110) 표면에서 액상의 냉매 기화 및 모세관력 발생.

⑥ 냉매의 순환 시작.

⑦ 기상 냉매의 응축기(200)로의 이송 및 응축.

⑧ 응축된 냉매의 증발기(100)로의 이송 및 냉매 보상 챔버(300)로의 유입.

⑨ 위크(110) 표면에서 유입된 액상의 냉매 증발.

⑩ 연속적 순환

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치에 의하면, 고분자 전해질 연료전지의 냉각을 위한 냉매의 순환이 평판형이면서 모세관력을 구현하는 냉각 기기에 의해 이루어지므로, 운전 온도가 균일하게 지속되며, 이로 인해 연료전지의 안정된 성능의 구현이 가능하게 된다.

또한, 냉매의 순환이 모세관력을 이용하는 것이므로, 냉매에 순환에 별도의 동력을 소모하지 않게 되고, 이로 인해 불필요한 연료전지의 용량 증대를 배제할 수 있게 된다.

Claims

모세관력을 발생시키는 위크와, 액상의 냉매가 유입되는 액상 냉매 유입구, 기상의 냉매가 배출되는 기상 냉매 배출구 및, 기상의 냉매를 위크로부터 기상 냉매 배출구까지 이송시키는 기상 냉매 이송 채널을 갖춘 증발기와;

상기 증발기에서 연료전지와의 열교환으로 증발된 기상의 냉매를 응축시키는 응축기;

상기 위크의 옆쪽에 위치한 제1 영역과 상기 위크 내부에 위치한 제2 영역으로 분할되고, 냉각 기기의 전체 체적의 50% 이상의 체적을 점유하고, 냉매의 직접적인 상변화가 일어나는 상기 위크로 액상의 냉매를 안정적으로 공급하도록 내부의 포화 증기압에 의해 전체 시스템의 운전온도를 결정하는 냉매 보상 챔버 및;

상기 증발기에서 열을 받아 기화된 냉매를 상기 응축기로 이송함과 더불어, 상기 응축기에서 냉각된 액상의 냉매를 상기 증발기로 이송하고, 냉각된 액상 냉매의 상기 위크 내부로의 용이한 접근을 위해 상기 위크의 내부의 제2 영역까지 연장되는 냉매 이송관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 기상 냉매 이송 채널은 전지 분리판으로 사용될 수 있도록 다수의 요철 형태의 채널을 형성하고, 요(凹)면과 철(凸)면은 각각 동일한 크기의 면적을 형성 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 2에 있어서,

상기 기상 냉매 이송 채널은 전체 크기가 상기 위크로부터 기화되어 나오는 냉매를 배출할 수 있도록 설정되고, 상기 위크는 상기 증발기 내부에 위치한 분리턱에 의해 그 위치가 고정되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 냉매 보상 챔버에 주입되는 냉매의 양은 상기 냉매 보상 챔버를 제외한 냉각 기기의 전 부분에 채워지는 액상의 냉매와, 상기 냉매 보상 챔버에 채워지는 일정량의 냉매에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 위크는 냉매 순환에 필요한 충분한 모세관력을 얻기 위해 기공의 크기가 2㎛인 미세한 기공을 가지는 금속 재질의 다공성 물질인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 5에 있어서,

상기 위크는 중심부로 액상의 냉매 이송을 용이하게 하기 위해, 상기 냉매 보상 챔버의 제1 영역으로 입구가 형성되고, 중앙부가 상기 냉매 보상 챔버의 제2 영역이 되도록 형성되며, 크기는 전열면적과 동일하도록 설정된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.
청구항 1에 있어서,

상기 냉매 이송관은 상기 액상의 냉매 이송관과 기상의 냉매 이송관이 상기 증발기와의 연결시 냉매의 안정적인 순환을 돕기 위해, 기상의 냉매 이송관이 액상의 냉매 이송관보다 높은 위치에서 상기 증발기에 연결되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 모세관력 구동 열순환장치.