KR100830994B1 - 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 적어도 일부 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크와, 열을 발생시키는 발열유닛과, 상기 발열유닛과 상기 연료 탱크에 연결되어 상기 열을 상기 연료 탱크에 제공하는 열 전달유닛과, 상기 연료 탱크의 온도를 조절하는 온도 조절유닛을 포함한다.
연료전지, 발전부, 개질부, 발열유닛, 연료탱크, 부탄, 열전달유닛, 히트파이프, 온도조절유닛, 온도센서, 냉각팬, 컨트롤러

Description

연료 전지 시스템 및 그 구동 방법 {FUEL CELL SYSTEM AND DRIVING METHOD OF THE SAME}
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 열 전달유닛과 발열유닛의 연결 관계를 나타내 보인 사시도이다.
도 3은 도 2의 개략적인 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제5 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제6 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명>
10... 발전부 20... 발열유닛
21... 하우징 30... 개질부
50... 연료 탱크 60... 열 전달유닛
61... 히트 파이프 62... 핀
65... 방열 플레이트 90... 산화제 가스 공급부
180... 온도 조절유닛 181...온도 센서
183... 냉각 팬 185... 컨트롤러
본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부탄과 같은 액화 가스 연료를 사용하는 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 연료와 산화제 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전장치이다.
연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Membrane Fuel Cell)로 구분할 수 있다.
이 중에서 고분자 전해질형 연료 전지를 채용하는 시스템은 다수의 연료 전지들이 연속적으로 배열된 스택과, 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키는 개질기와, 연료를 개질기로 공급하는 연료 공급부와, 산화제 가스를 스택으로 공급하는 산화제 가스 공급부를 포함한다. 따라서, 연료를 개질기로 공급하게 되면, 개질기에서는 그 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스와 산화제 가스를 스택으로 공급하게 되면, 그 스택에서는 개질 가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
상기 연료 전지 시스템의 작용시 스택에서는 산화제 가스의 환원 반응에 의해 열을 발생시키고, 개질기에서는 개질 가스 중에 함유된 일산화탄소의 농도를 저감시키기 위한 선택적 산화(Preferential CO Oxydation: PROX) 반응 등에 의해 열을 발생시킨다. 이와 같은 스택 및 개질기는 공랭식 또는 수냉식의 냉각장치에 의하여 냉각됨으로써 각각의 운전에서 요구되는 고유한 운전 온도 범위를 유지하게 된다.
한편, 최근 들어서는 부탄과 같이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 액화 가스 연료를 사용하는 연료 전지 시스템이 개시된 바 있다. 이러한 가스 연료는 비점이 낮고 비교적 작은 압력에도 쉽게 액화되기 때문에, 일부 액화된 상태로 연료 탱크에 담겨져 개질기에 공급된다.
이러한 연료 전지 시스템에 있어, 연료는 연료 탱크에 액화된 상태로 저장되어 있기 때문에 연료 탱크 주위의 열을 빼앗아 기화되면서 배출된다. 이에, 연료 탱크는 기화 잠열로 인해 온도가 떨어지게 되고, 그 온도가 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어지는 경우에는 연료의 기화 능력이 떨어지면서 내부 압력도 저하된다. 또한, 추운 지방이나 겨울철에도 연료 탱크의 온도가 연료의 비점 보다 낮게 떨어질 수 있다.
이러한 연료 탱크의 내부 압력 감소는 일정량의 연료를 개질기에 원활하게 공급하지 못하게 되는 결과를 초래한다. 따라서, 연료 전지 업계에서는 전력의 소모 없이 연료 탱크에 열을 제공하여 일정량의 연료를 개질기에 원활하게 공급할 수 있는 연료 전지 시스템의 개발이 요원한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 스택 및 개질기에서 발생하는 열을 간단한 구조로서 냉각시키고, 그 폐열을 연료 탱크에 제공할 수 있는 연료 전지 시스템 및 그 구동 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, 연료를 적어도 일부 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크와, 열을 발생시키는 발열유닛과, 상기 발열유닛과 상기 연료 탱크에 연결되어 상기 열을 상기 연료 탱크에 제공하는 열 전달유닛과, 상기 연료 탱크의 온도를 조절하는 온도 조절유닛을 포함한다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 발열유닛이 고온부로서 구성되고, 상기 연료 탱크가 저온부로서 구성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열 전달유닛은 히트 파이프로서 구성 될 수 있다. 이 경우 상기 히트 파이프는 일측 단부에 형성되는 흡열부와, 다른 일측 단부에 형성되는 방열부, 및 상기 흡열부와 상기 방열부 사이에 형성되는 단열부로서 구성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 히트 파이프는 상기 흡열부가 상기 발열유닛에 연결되고, 상기 방열부가 상기 연료 탱크에 연결되게 설치될 수 있다. 이 경우 상기 히트 파이프의 상기 흡열부에는 핀이 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열 전달유닛은 상기 연료 탱크에 접촉되게 설치되는 방열 플레이트와, 상기 발열유닛과 상기 방열 플레이트에 연결되게 설치되는 히트 파이프를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 방열 플레이트는 상기 연료 탱크의 외형에 대응하는 형태로서 상기 연료 탱크의 외주면에 결합되는 안착면이 형성될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 온도 조절유닛은 상기 연료 탱크에 제공되는 열을 감지하는 온도 센서와, 상기 연료 탱크를 냉각시키기 위한 냉각 팬과, 상기 온도 센서의 감지 신호에 따라 상기 냉각 팬에 제어 신호를 제공하는 컨트롤러를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 온도 센서는 상기 방열 플레이트에 설치될 수도 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 발열유닛은 상기 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키는 개질부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 개질부를 내장시키는 하우징을 포함하고, 상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고 상기 연료 탱크와 연결되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 발열유닛은 상기 개질 가스와 산화제 의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전부를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 발전부를 내장시키는 하우징을 포함하고, 상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고 상기 연료 탱크와 연결되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 발열유닛은 상기 개질부와 상기 발전부를 모두 포함할 수 있다. 이 경우 상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 개질부와 상기 발전부를 내장시키는 하우징을 포함하고, 상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고 상기 연료 탱크와 연결되게 설치될 수 있다.
상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 발열유닛은 적어도 하나의 회로 소자부를 포함할 수도 있다.
상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스가 사용될 수 있다. 이 경우 상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것이 사용될 수 있다. 바람직하게, 상기 연료는 상기 프로판과 상기 부탄이 1:9~1:1의 비율로서 섞여 있는 것이 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 시스템의 가동시 발열유닛에서 발생되는 열을 히트 파이프를 통해 연료를 일부 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크에 제공하고, 상기 연료 탱크에 제공되는 열을 온도 센서를 통해 감지하며, 상기 온도 센서의 감지 신호에 따라 냉각 팬에 제어 신호를 제공하고, 상기 냉각 팬의 가동에 의해 냉각 공기를 상기 연료 탱크에 선택적 으로 제공한다.
상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 온도 센서에 의해 감지된 온도가 기준 온도 범위를 초과하는 경우, 상기 냉각 팬에 온(On) 신호를 제공할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 구동 방법은, 상기 온도 센서에 의해 감지된 온도가 기준 온도 범위의 미만인 경우, 상기 냉각 팬에 오프(Off) 신호를 제공할 수 있다.
상기 연료 전지 시스템의 구동 방법에 있어서, 상기 온도 범위는 30∼40℃ 를 만족할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 제1 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)은 연료와 산화제 가스를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성되며, 휴대가 가능한 이동용 전원 공급장치로 사용될 수 있다.
본 시스템(100)은 연료를 개질하여 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스의 산화 반응 및 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생 시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성된다. 이 시스템(100)은 이하에서 설명하는 각종 구성요소들로서 구성되는 바, 이 구성요소들은 시스템의 외관을 이루는 케이스(도면에 도시되지 않음) 내부에 모두 설치될 수 있다.
여기서, 연료는 소정의 용기에 일부 액화된 상태로 압축 저장되며, 상온에서 기체 상태로 존재하는 액화 가스를 포함할 수 있다. 이러한 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등과 같은 탄화수소 계열의 액화 가스가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 이동용 전원 공급장치로서 사용될 수 있는 포터블 연료 전지 시스템을 예로 하였기 때문에, 연료로서 부탄을 사용하는 예를 설명한다. 부탄 연료는 실온에서 기체 상태이나 용기 내부에 액화된 상태로 보관되어 시중에 판매되고 있기 때문에, 포터블 연료 전지용 연료로서 적당하다. 본 실시예에서는 프로판과 부탄이 1:9~1:1의 비율로 혼합된 부탄 연료가 사용될 수 있다. 즉, 부탄 연료가 노말부탄(n-buthane)인 경우 비점이 -0.5℃이기 때문에 겨울철 및 기온이 낮은 장소에서는 부탄 자체의 기화가 어려운 문제점이 있어, 본 실시예에서는 비점이 -11.5℃인 이소부탄(iso-buthane)과, 비점이 -42℃인 프로판이 혼합된 부탄 연료가 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 발열유닛(20)과, 연료 탱크(50)와, 산화제 가스 공급부(90)를 포함하여 구성된다.
발열유닛(20)은 본 시스템(100)의 운전 과정에서 열을 발생시키는 것으로서, 발전부(10)와 개질부(30)를 포함한다.
발전부(10)는 개질부(30)로부터 개질 가스를 공급받고, 산화제 가스 공급부(90)로부터 산화제 가스를 제공받아 개질 가스의 산화 반응, 및 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 다수의 단위 셀(cell)들을 구비한다. 이 발전부(10)는 통상적으로 연료 전지 스택(stack)이라 불리우며, 단위 셀(cell)들이 연속적으로 배치된 스택으로서 구성된다. 발전부(10)는 산화제 가스의 환원 반응이 진행되는 과정에서 소정 온도의 열을 발생시킨다. 본 실시예에서, 발전부(10)는 단열 소재로 이루어진 밀폐형 하우징(21)에 내장된다. 이러한 발전부(10)의 구성은 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 연료 전지 스택의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략한다.
개질부(30)는 개질 반응, 선택적 산화(Preferential CO Oxydation: PROX) 반응 등에 의해 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키기 위한 것이다. 이러한 개질부(30)는 당 업계에서 "연료 프로세서(fuel processor)"라 칭하기도 한다.
여기서, 선택적 산화 반응이라 함은 개질 가스 중에 함유되어 있는 일산화탄소, 및 산화제 가스 공급부(90)로부터 제공되는 산화제 가스의 발열 반응으로서 상기 일산화탄소의 농도를 저감시키는 반응을 의미한다.
따라서 개질부(30)에서는 상기한 발열 반응에 의해 소정 온도의 열을 발생시킨다. 이 개질부(30)는 발전부(10)와 함께 하우징(21) 내에 장착된다. 이러한 개질부(30)의 구성은 고분자 전해질형 연료 전지 방식의 시스템에 채용되는 통상적인 개질기의 구성으로 이루어지므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략한다.
연료 탱크(50)는 연료를 압축하여 일부 액화된 상태로 저장하는 원통형의 캔 용기로서 구비된다. 이 경우 연료는 연료 탱크(50)에 액화된 상태로 압축 저장되어 있으므로, 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기화되면서 그 연료 탱크(50)의 내부 기압에 의해 배출된다. 이러한 연료 탱크(50)는 시스템(100)의 외관을 이루는 케이스(도면에 도시되지 않음)에 착탈 가능하게 설치될 수 있다.
산화제 가스 공급부(90)는 산화제 가스로서 공기를 발전부(10)로 공급하기 위한 것이다. 산화제 가스 공급부(90)는 공기를 흡입하고, 이 공기를 발전부(10)로 압송시키는 통상적인 구조의 공기 펌프(91)를 구비한다.
상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(100)의 작용시, 개질부(30)는 연료 탱크(50)로부터 연료를 제공받아 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 발전부(10)로 공급한다. 이 때, 개질부(30)에서는 개질 가스에 함유된 일산화탄소, 및 산화제 가스 공급부(90)로부터 제공되는 산화제 가스의 선택적 산화 반응이 진행되면서 열을 발생시킨다. 발전부(10)는 개질부(30)로부터 개질 가스를 공급받고, 산화제 가스 공급부(90)로부터 산화제 가스를 제공받아 개질 가스 및 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 이 때, 발전부(10)에서는 산화제 가스의 환원 반응이 진행되면서 열을 발생시킨다.
이 과정에서, 연료는 연료 탱크(50)에 액화된 상태로 저장되어 있으므로, 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기화되면서 기체 상태로 배출된다. 이로 인해 연료 탱크(50)의 온도가 떨어지게 되고, 그 온도가 연료의 비점 보다 더 낮게 떨어질 경우, 연료 탱크(50)는 연료의 기화 능력이 떨어지면서 내부의 압력도 저하된다. 또한, 연료 탱크(50)는 겨울철 또는 추운 지방에서 사용되는 경우에도 연료 탱크(50)의 온도가 연료의 비점 보다 낮게 떨어질 수도 있다. 따라서 연료 탱크(50)는 내부의 압력이 저하되면서 연료를 개질부(30)로 원활하게 공급하지 못하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 열 전달유닛(60)이 제공되는 바, 이 열 전달유닛(60)은 시스템의 발열유닛(20)에서 발생되는 열을 연료 탱크(50)에 전달하는 기능을 하게 된다. 즉, 열 전달유닛(60)은 시스템의 운전 중 발전부(10) 및 개질부(30)에서 발생되는 열을 연료 탱크(50)에 제공하여 발전부(10) 및 개질부(30)를 고유한 운전 온도 범위로 냉각시킴과 동시에, 연료 탱크(50)의 내부 압력을 상승시킴으로써 연료를 개질부(30)로 원활하게 공급하기 위한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 열 전달유닛과 발열유닛의 연결 관계를 나타내 보인 사시도이고, 도 3은 도 2의 개략적인 단면 구성도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에서 열 전달유닛(60)은 발열유닛(20)에서 발생되는 열을 연료 탱크(50)에 전달하는 히트 파이프(61) 및 방열 플레이트(65)를 포함한다.
히트 파이프(61)는 유체의 상변화 과정에 필요한 잠열을 이용하여 발열밀도가 높은 곳(고온부)에서 낮은 곳(저온부)으로 열을 전달하는 이른바 열전달장치로서 구비된다. 히트 파이프(61)는 열전도성을 지닌 파이프 형태의 몸체와, 몸체 내에 형성된 윅(wick)과, 그 몸체의 내부에 충전된 작동유체로서 구성된다. 이 히트 파이프(61)는 작동유체가 고온부 쪽에서 증발되고, 그 증기가 저온부 쪽으로 이동하여 응축되면서 잠열을 방출하고, 응축된 작동유체가 윅을 통해 고온부 쪽으로 귀환하는 원리로서 열을 고온부에서 저온부로 전달하는 작용을 하게 된다. 여기서, 고온부는 본 실시예에서 발열유닛(20)을 의미하며, 저온부는 연료 탱크(50)를 의미한다.
이러한 히트 파이프(61)는 몸체의 일측 단부에 형성되는 흡열부(61a)와, 몸체의 다른 일측 단부에 형성되는 방열부(61b), 및 흡열부(61a)와 방열부(61b) 사이에 형성되는 단열부(61c)로 구성된다. 흡열부(61a)에서는 열을 흡수하여 작동유체를 증발시키고, 단열부(61c)에서는 증발된 작동유체를 방열부(61b)로 이송시키며, 방열부(61b)에서는 상기 작동유체의 열을 방출하여 그 작동유체를 응축시킨다. 이 때, 방열부(61b)에서 응축된 작동유체는 단열부(61c)를 지나 흡열부(61a)로 귀환한다.
본 실시예에서, 히트 파이프(61)는 흡열부(61a)가 발열유닛(20)에 연결되고, 방열부(61b)가 방열 플레이트(65)에 접촉된다. 흡열부(61a)는 발전부(10)와 개질부(30)가 내장된 하우징(21)을 관통하고, 그 하우징(21)의 내부 공간에 위치한다. 이 흡열부(61a)에는 열전도성을 지닌 복수의 핀들(62)이 설치되고 있다. 핀들(62)은 하우징(21) 내부에서 발전부(10) 및 개질부(30)로부터 발생되는 열을 흡열부(61a)에 용이하게 전달하기 위한 것이다. 방열부(61b)는 실질적으로 연료 탱크(50)에 연결되는 부분으로, 뒤에서 더욱 설명하는 방열 플레이트(65)의 저면에 접촉되면서 그 저면에 고정된다.
방열 플레이트(65)는 히트 파이프(61)의 방열부(61b)로부터 방출되는 열을 제공받아 연료 탱크(50)에 전달하는 기능을 하게 된다. 방열 플레이트(65)는 열전도성을 지닌 금속 소재로 이루어지며, 연료 탱크(50)의 외주면에 접촉되게 설치된다. 방열 플레이트(65)는 연료 탱크(50)의 외형과 형태의 결합을 이루는 반원 형태를 취한다. 이 방열 플레이트(65)는 연료 탱크(50)의 외주면에 접촉되면서 그 연료 탱크(50)를 안착시키는 안착면(65a)을 형성하고 있다. 이 경우 방열 플레이트(65)의 저면에는 히트 파이프(61)의 방열부(61b)가 고정되어 있다.
상기와 같이 구성되는 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(100)에 의하면, 연료 탱크(50)에 저장된 연료는 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기화되면서 배출되고, 이 연료는 개질부(30)로 공급된다.
개질부(30)는 개질 반응, 선택적 산화 반응 등에 의해 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키고, 이 개질 가스를 발전부(10)로 공급한다. 이 때, 개질부(30)에서는 선택적 산화 반응이 진행되면서 열을 발생시킨다.
발전부(10)는 산화제 가스 공급부(90)로부터 산화제 가스를 제공받아 개질 가스 및 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다. 이 때, 발전부(10)에서는 산화제 가스의 환원 반응이 진행되면서 열을 발생시킨다.
이러한 과정을 거치는 동안, 연료 탱크(50)는 연료를 액화된 상태로 저장하고, 그 연료가 연료 탱크(50) 주위의 열을 빼앗아 기화되면서 배출되기 때문에, 온도가 떨어지게 되고, 연료의 기화 능력이 떨어지면서 내부의 압력도 저하된다. 이로 인해 연료 탱크(50)는 연료를 개질부(30)로 원활하게 공급하지 못하게 된다. 발전부(10) 및 개질부(30)에서 발생되는 열은, 발전부(10)와 개질부(30)가 단열성을 지닌 하우징(21)에 내장되어 있기 때문에 그 하우징(21) 내에 머무르게 된다.
상기에서, 하우징(21) 내에 머무르는 열은 핀들(62)을 통해 히트 파이프(61)의 흡열부(61a)에 흡수되고, 히트 파이프(61)의 고유한 작용에 의해 방열 플레이트(65)에 전달된다. 여기서, 히트 파이프(61)의 구체적인 작용은 앞서 설명한 바 있으며, 당 업자에게 이미 알려진 기술이므로 본 명세서에서 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서 방열 플레이트(65)에 전달된 열은, 그 방열 플레이트(65)에 연료 탱크(50)가 접촉되고 있기 때문에, 방열 플레이트(65)를 통해 연료 탱크(50)에 제공된다.
이로써, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 발전부(10) 및 개질부(30)에서 발생하는 열을 연료 탱크(50)에 제공함에 따라, 연료 탱크(50)의 온도가 상승하게 되고, 연료 탱크(50)의 내부 압력 또한 일정 수준으로 상승하게 된다. 이로 인해 연료는 기화 능력이 향상되면서 개질부(30)로 원활하게 공급될 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에서는 발전부(10) 및 개질부(30)에서 발생하는 열의 일부를 연료 탱크(50)에 제공함에 따라, 발전부(10) 및 개질부(30)를 고유한 운전 온도 범위로 냉각시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 예시적인 제2 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)은 전기 제1 실시 예의 구조를 기본으로 하면서, 연료 탱크(150)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절유닛(180)을 더욱 포함한다.
이러한 온도 조절유닛(180)은 열 전달유닛(160)을 통해 발열유닛(120)으로부터 연료 탱크(150)에 제공되는 열이 과도한 경우, 이를 감지하여 연료 탱크(150)를 냉각시킬 수 있는 구성으로 이루어진다. 이는 연료 탱크(150)에 기준 온도 범위 이상의 과도한 열이 가해지는 경우, 연료 탱크(150)의 폭발 위험성이 있기 때문에 이를 방지하기 위한 것이다.
본 실시예에서, 온도 조절유닛(180)은 온도 센서(181)와, 냉각 팬(183)과, 컨트롤러(185)를 포함한다.
온도 센서(181)는 열 전달유닛(160)을 통해 발열유닛(120)으로부터 연료 탱크(150)에 제공되는 열을 감지하기 위한 것이다. 온도 센서(181)는 열 전달유닛(160)의 방열 플레이트(165)에 설치된다. 이 온도 센서(181)는 방열 플레이트(165)의 온도를 감지하고, 그 감지 신호를 컨트롤러(185)에 제공하는 통상적인 구조의 온도 센서로서 구비된다.
냉각 팬(183)은 연료 탱크(150)에 대하여 냉각 공기를 송풍시키는 통상적인 구조의 팬으로서 구비된다. 냉각 팬(183)은 방열 플레이트(165)의 아래쪽에 위치하면서 그 방열 플레이트(165)로 냉각 공기를 송풍한다. 그러나 본 발명에서는 반드시 이에 한정되지 않고, 연료 탱크(150)의 윗쪽 등 여러 위치에 배치될 수도 있다. 이러한 냉각 팬(183)은 컨트롤러(185)와 전기적으로 연결되면서 컨트롤러(185)로부터 제공되는 제어 신호에 따라 선택적으로 작동될 수 있다.
컨트롤러(185)는 냉각 팬(183)의 작동을 제어하기 위한 것으로서, 냉각 팬(183)에 대하여 온(On) 신호 및 오프(Off) 신호와 같은 제어 신호를 인가한다.
이 컨트롤러(185)는 발열유닛(120)으로부터 발생되는 열이 히트 파이프(161) 및 방열 플레이트(165)를 통해 연료 탱크(150)에 제공되는 과정에서, 온도 센서(181)로부터 감지 신호를 제공받아 그 감지 신호를 판단하여 냉각 팬(183)에 제어 신호를 제공한다. 컨트롤러(185)는 온도 센서(181)의 감지 신호를 판단하여 방열 플레이트(165)의 온도를 연산하고, 그 측정 온도와 미리 설정된 방열 플레이트(165)의 기준 온도 범위, 바람직하게는 30∼40℃의 온도 범위를 비교하여 측정 온도가 기준 온도 범위를 초과하는 경우, 냉각 팬(183)에 온(On) 신호를 제공한다. 또한, 컨트롤러(185)는 측정 온도가 기준 온도 범위 미만인 경우, 냉각 팬(183)에 오프(Off) 신호를 제공한다.
여기서, 기준 온도 범위는 부탄이 주성분인 연료가 저장된 일반적인 연료 탱크(150)의 사용 안전 온도를 의미하며, 그 기준 온도 범위를 30∼40℃로 설정한 임계적 이유는 방열 플레이트(165)를 통해 상기 온도 범위를 초과하는 열이 연료 탱크(150)에 제공되면 연료 탱크(150)의 폭발 위험성이 있기 때문이다.
본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(200)의 나머지 구성은 전기 제1 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
이하, 상기와 같이 구성되는 연료 전지 시스템(200)의 구동 방법에 의하면, 시스템의 작용시 발열유닛(120)의 발전부(110) 및 개질부(130)에서는 열을 발생시킨다. 이 때, 상기 열은 전기 제1 실시예의 작용에서와 같이 히트 파이프(161)를 통해 방열 플레이트(165)에 전달되면서 연료 탱크(150)에 제공된다.
이 과정에서, 온도 센서(181)는 방열 플레이트(165)에 제공되는 열을 감지하고, 그 감지 신호를 컨트롤러(185)에 제공한다. 그러면, 컨트롤러(185)는 온도 센서(181)의 감지 신호를 판단하여 방열 플레이트(165)의 온도를 연산하고, 그 측정 온도와 미리 설정된 방열 플레이트(165)의 기준 온도 범위를 비교한다.
그 결과, 방열 플레이트(165)의 측정 온도가 기준 온도 범위를 초과하게 되면, 컨트롤러(185)는 냉각 팬(183)에 온(On) 신호를 제공한다. 따라서, 냉각 팬(183)은 컨트롤러(185)에 의해 구동되면서 냉각 공기를 방열 플레이트(165)에 송풍시킨다.
이러는 과정을 거치면서, 방열 플레이트(165)의 측정 온도가 기준 온도 범위 미만으로 떨어지게 되면, 컨트롤러(185)는 이에 상응하는 감지 신호를 온도 센서(181)로부터 제공받아 상술한 바와 같은 판단, 연산 및 비교 과정을 거쳐 오프(Off) 신호를 냉각 팬(183)에 제공한다. 그러면, 냉각 팬(183)은 컨트롤러(185)에 의해 구동이 정지된다.
따라서, 본 실시예에서는 이와 같은 과정을 반복하면서 발열유닛(120)으로부터 발생되는 열을 연료 탱크(150)에 제공하여 연료 탱크(150)의 내부 압력을 일정 수준으로 유지시키고, 연료 탱크(150)에 열이 과도하게 전달되는 경우에는 냉각 팬(183)을 이용하여 연료 탱크(150)를 냉각시킬 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 예시적인 제3 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(300)은 발전부(210)에서 발생되는 열을 연료 탱크(250)에 제공하는 열 전달유닛(260)과, 그 발전부(210)가 제1 하우징(221)에 내장된 발열유닛(220)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서, 열 전달유닛(260)은 제1 하우징(221)과 방열 플레이트(265)에 연결되게 설치된다. 즉, 히트 파이프(261)의 흡열부(261a)는 제1 하우징(221)을 관통하여 내부 공간에 배치되고, 방열부(261b)는 방열 플레이트(265)에 접촉된다.
대안으로서, 히트 파이프(261)의 흡열부(261a)는 도면에 점선으로 도시한 바와 같이 발전부(210)에 직접적으로 접촉되게 설치될 수도 있다.
한편, 개질부(230)는 하우징에 내장되지 않고, 시스템의 외관을 이루는 케이스(도면에 도시되지 않음) 내에 설치되어 별개의 냉각장치에 의해 냉각될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 발전부(210)에서 발생되는 열을 열 전달유닛(260)을 통해 연료 탱크(250)에 제공할 수 있게 된다.
본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(300)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 본 발명의 예시적인 제4 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(400)은 개질부(330)에서 발생되는 열을 연료 탱크(350)에 제공하는 열 전달유닛(360)과, 그 개질부(330)가 제2 하우징(321)에 내장된 발열유닛(320)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서, 열 전달유닛(360)은 제2 하우징(321)과 방열 플레이트(365) 에 연결되게 설치된다. 즉, 히트 파이프(361)의 흡열부(361a)는 제2 하우징(321)을 관통하여 내부 공간에 배치되고, 방열부(361b)는 방열 플레이트(365)에 접촉된다.
대안으로서, 히트 파이프(361)의 흡열부(361a)는 도면에 점선으로 도시한 바와 같이 개질부(330)에 직접적으로 접촉되게 설치될 수도 있다.
한편, 발전부(310)는 하우징에 내장되지 않고, 시스템의 외관을 이루는 케이스(도면에 도시되지 않음) 내에 설치되어 별개의 냉각장치에 의해 냉각될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 개질부(330)에서 발생되는 열을 열 전달유닛(360)을 통해 연료 탱크(350)에 제공할 수 있게 된다.
본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(400)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 예시적인 제5 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(500)은 발전부(410)와 개질부(430) 각각에서 발생되는 열을 연료 탱크(450)에 제공하는 열 전달유닛(460)과, 그 발전부(410) 및 개질부(430)가 별개의 제1 하우징(421a)와 제2 하우징(421b)에 각각 내장된 발열유닛(420)을 구성할 수 있다.
본 실시예에서, 열 전달유닛(460)은 제1 하우징(421a) 및 제2 하우징(421b)과, 방열 플레이트(465)에 연결되게 설치된다. 즉, 열 전달유닛(460)은 제1 하우징(421a)과 방열 플레이트(465) 사이에 연결된 제1 히트 파이프(461)와, 제2 하우징(421b)과 방열 플레이트(465) 사이에 연결된 제2 히트 파이프(463)를 구비한다.
이 경우, 제1 히트 파이프(461)의 흡열부(461a)는 제1 하우징(421a)을 관통하여 내부 공간에 배치되고, 방열부(461b)는 방열 플레이트(465)에 접촉된다. 제2 히트 파이프(463)의 흡열부(463a)는 제2 하우징(421b)을 관통하여 내부 공간에 배치되고, 방열부(463b)는 방열 플레이트(465)에 접촉된다.
대안으로서, 제1 히트 파이프(461)의 흡열부(461a)는 도면에 점선으로 도시한 바와 같이 발전부(410)에 직접적으로 접촉되게 설치될 수도 있고, 제2 히트 파이프(463)의 흡열부(463a)는 도면에 점선으로 도시한 바와 같이 개질부(430)에 직접적으로 접촉되게 설치될 수도 있다.
따라서 본 실시예에서는 발전부(410) 및 개질부(430) 각각에서 발생되는 열을 각각의 제1 히트 파이프(461) 및 제2 히트 파이프(463)을 통해 연료 탱크(450)에 제공할 수 있게 된다.
본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(500)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 자세한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 제6 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 연료 전지 시스템(600)은 발열유닛(520)으로서 적어도 하나의 회로 소자부(521)를 포함하고, 그 회로 소자부(521)에서 발생되는 열을 연료 탱크(550)에 제공하는 열 전달유닛(560)을 구비한다.
여기서, 회로 소자부(521)는 시스템의 전반적인 구동을 제어하기 위한 것으로서, 전류 또는 전기적인 신호를 다루면서 열을 발생시키는 회로 부품을 의미한 다.
본 실시예에서, 열 전달유닛(560)은 회로 소자부(521)와 방열 플레이트(565) 사이에 연결된 히트 파이프(561)를 구비한다. 이 경우 히트 파이프(561)의 흡열부(561a)는 회로 소자부(521)에 직접적으로 접촉되고, 방열부(561b)는 방열 플레이트(565)에 접촉된다.
한편, 발전부(510)와 개질부(530)는 하우징에 내장되지 않고, 시스템의 외관을 이루는 케이스(도면에 도시되지 않음) 내에 설치되어 별개의 냉각장치에 의해 냉각될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 회로 소자부(521)에서 발생되는 열을 열 전달유닛(560)을 통해 연료 탱크(550)에 제공함과 동시에, 그 회로 소자부(521)를 적정한 온도로 냉각시킬 수 있게 된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 시스템의 작용시 발전부 및 개질부에서 발생하는 열을 열 전달유닛을 통해 연료 탱크에 제공하므로, 연료 탱크의 내부 압력을 일정하게 유지시켜 일정량의 연료를 개질부로 원활하게 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의하면, 열 전달유닛을 이용하여 발전부 및 개질부에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있으므로, 전체 시스템의 운전 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (23)

  1. 연료를 적어도 일부 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크;
    열을 발생시키는 발열유닛;
    상기 발열유닛과 상기 연료 탱크에 연결되어 상기 열을 상기 연료 탱크에 제공하는 열 전달유닛; 및
    상기 연료 탱크의 온도를 조절하는 온도 조절유닛
    을 포함하는 연료 전지 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발열유닛이 고온부로 구성되고, 상기 연료 탱크가 저온부로 구성되는 연료 전지 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열 전달유닛이 히트 파이프인 연료 전지 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 일측 단부에 형성된 흡열부와, 다른 일측 단부에 형성된 방열부, 및 상기 흡열부와 상기 방열부 사이에 형성된 단열부로 구성되는 연료 전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 흡열부가 상기 발열유닛에 연결되고, 상기 방열부가 상기 연료 탱크에 연결된 연료 전지 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 히트 파이프는 상기 흡열부에 핀이 설치된 연료 전지 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 열 전달유닛은,
    상기 연료 탱크에 접촉되게 설치된 방열 플레이트와,
    상기 발열유닛과 상기 방열 플레이트에 연결된 히트 파이프
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 방열 플레이트는 상기 연료 탱크의 외형에 대응하는 형태로서 상기 연료 탱크의 외주면에 결합되는 안착면이 형성된 연료 전지 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 온도 조절유닛은,
    상기 연료 탱크에 제공되는 열을 감지하는 온도 센서와,
    상기 연료 탱크를 냉각시키기 위한 냉각 팬과,
    상기 온도 센서의 감지 신호에 따라 상기 냉각 팬에 제어 신호를 제공하는 컨트롤러
    를 포함하는 연료 전지 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 열 전달유닛은 상기 연료 탱크에 접촉되게 설치된 방열 플레이트와, 상기 발열유닛과 상기 방열 플레이트에 연결된 히트 파이프를 포함하며,
    상기 온도 센서가 상기 방열 플레이트에 설치된 연료 전지 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 상기 연료를 개질하여 개질 가스를 발생시키는 개질부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 개질부를 내장시키는 하우징을 포함하며,
    상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고, 상기 연료 탱크와 연결된 연료 전지 시스템.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 상기 개질 가스와 산화제의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 발전부를 내장시키는 하우징을 포함하며,
    상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고, 상기 연료 탱크와 연결된 연료 전지 시스템.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 단열성을 지니며 상기 개질부와 상기 발전부를 내장시키는 하우징을 포함하며,
    상기 열 전달유닛은 상기 하우징을 관통하여 설치되고, 상기 연료 탱크와 연결된 연료 전지 시스템.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 발열유닛은 적어도 하나의 회로 소자부를 포함하는 연료 전지 시스템.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 연료로서 상온에서 기체 상태인 액화 가스를 사용하는 연료 전지 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 연료는 메탄, 에탄, 프로판, 및 부탄으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 주성분으로 하는 것인 연료 전지 시스템.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 연료는 상기 프로판과 상기 부탄이 1:9~1:1의 비율로서 섞여 있는 것인 연료 전지 시스템.
  20. 연료를 일부 액화된 상태로 저장하는 연료 탱크를 포함하는 연료 전지 시스템의 구동 방법에 있어서,
    시스템의 가동시 발열유닛에서 발생되는 열을 히트 파이프를 통해 상기 연료 탱크에 제공하고;
    상기 연료 탱크에 제공되는 열을 온도 센서를 통해 감지하고;
    상기 온도 센서의 감지 신호에 따라 냉각 팬에 제어 신호를 제공하고; 및
    상기 냉각 팬의 가동에 의해 냉각 공기를 상기 연료 탱크에 선택적으로 제공하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 온도 센서에 의해 감지된 온도가 기준 온도 범위를 초과하는 경우, 상기 냉각 팬에 온(On) 신호를 제공하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 온도 센서에 의해 감지된 온도가 기준 온도 범위의 미만인 경우, 상기 냉각 팬에 오프(Off) 신호를 제공하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
  23. 제21 항에 있어서,
    상기 온도 범위가 30∼40℃를 만족하는 연료 전지 시스템의 구동 방법.
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