KR100926325B1

KR100926325B1 - 연료전지스택 냉각장치

Info

Publication number: KR100926325B1
Application number: KR1020090017588A
Authority: KR
Inventors: 김홍근
Original assignee: 현대산업트라이던트(주); 김홍근
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-11-12

Abstract

본 발명에 의하면, 제1원 냉매를 압축하는 압축기, 상기 압축된 제1원 냉매를 응축하는 응축기, 상기 응축된 제1원 냉매를 팽창시키는 팽창기, 상기 팽창기를 통과한 제1원 냉매가 연료전지스택을 순환하는 제2원 냉매의 열을 흡수하는 열교환이 발생하도록 하는 열교환기 및 상기 제2원 냉매가 연료전지스택의 열을 흡수하도록 제2원 냉매를 열교환기로부터 연료전지스택에 순환되도록 하는 펌프를 포함하는 연료전지스택 냉각장치에 있어서, 상기 열교환기는, 상기 제2원 냉매가 완전히 충진되는 메인탱크; 상기 메인탱크로부터 연료전지스택에 연결되는 제1 냉매유도관; 상기 연료전지스택으로부터 메인탱크에 연결되는 제2 냉매유도관; 상기 메인탱크에 기포가 제거된 제2원 냉매를 유입시키는 보조탱크; 및 상기 메인탱크로부터 보조탱크로 기포를 포함하는 제2원 냉매가 유입되도록 하는 기포유도관을 포함하는 연료전지스택 냉각장치가 제공된다.

하이브리드, 전기, 자동차, 차량, 연료전지, 스택, 냉각, 열교환, 탱크, 냉매

Description

연료전지스택 냉각장치{Cooling unit for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지스택 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지 자동차 등에 이용되는 연료전지스택의 냉각에 있어서 고온의 연료전지스택을 경유하여 열교환기로 순환된 고온 상태의 냉매 냉각시 상기 냉매로부터 발생되는 기포를 제거하여 연료전지스택의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 기존의 발전방식과 비교할 때 발전효율이 높을 뿐만 아니라 발전에 따른 공해 물질의 배출이 전혀 없어서 미래의 발전기술로 평가받고 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있어 미래의 전기로 개발되고 있다.

상기와 같은 연료전지는 수소 등의 활성을 갖는 물질, 예를 들어, LNG, LPG, 메탄올 등을 전기화학 반응을 통해 산화시켜 그 과정에서 방출되는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로, 주로 천연가스에 의해 쉽게 생산할 수 있는 수소와 공중의 산소가 사용된다.

이러한 연료전지의 개발에 따라 에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구 온난화 문제 등을 해결하기 위하여 기존의 내연기관을 대체 하는 자동차의 동력원으로 적용되고 있다.

한편, 상기와 같은 연료전지를 동력으로 사용하는 자동차에 있어서, 연료전지는 통상 작동온도가 60 ℃ 내지 80 ℃ 정도로 낮기 때문에 상기 연료전지스택에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하는 것이 연료전지의 성능 확보에 있어 필수적이므로, 이를 위하여 연료전지스택 냉각장치가 개시되었다.

도 1은 종래의 연료전지스택 냉각장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 연료전지스택 냉각장치는, 이산화탄소의 상변화를 이용하여 연료전지스택을 냉각시키기 위하여, 이산화탄소를 압축하는 압축기(10), 압축기(10)에 의해 압축된 기상의 이산화탄소를 냉각시키는 냉각기(20), 냉각기(20)에 의해 냉각된 기상의 이산화탄소를 팽창시키는 팽창밸브(30), 팽창밸브(30)를 통과한 이산화탄소가 연료전지스택(S)을 순환하는 연료전지스택 냉각용 냉매와 열교환되도록 하는 열교환기(40) 및 상기 냉매가 유로(50)를 통해 연료전지스택(S)의 열을 흡수한 후 열교환기(40)의 탱크(미도시)에 순환되도록 하는 펌프(60)를 포함한다.

즉, 상기와 같은 종래의 연료전지스택 냉각장치는 열교환기(40)에 의해 저온 상태의 이산화탄소와 열교환된 저온 상태의 냉매가 유로(50)를 통해 연료전지스택(S)에 전달되어 연료전지스택(S)의 발열을 흡수하게 되고, 상기 냉매는 연료전지스택(S)의 발열 흡수시 고온 상태를 유지하면서 다시 열교환기(40)의 탱크에 순환되게 된다.

이 후, 고온 상태의 냉매는 열교환기(40)에 전달되는 저온 상태의 이산화탄 소와 열교환되어 다시 저온 상태를 가지게 되는데, 이때, 상기 냉매의 끓는점의 온도는 일반적으로 76 ℃ 정도이므로, 고온 상태의 연료전지스택(S)의 열 흡수시 냉매의 부피는 최대화되게 된다. 이 상태에서 상기 냉매가 열교환기(40)에 의해 저온 상태의 이산화탄소와 열교환되어 저온 상태를 가지게 되면, 이때, 냉매의 부피는 최소화되게 되어 상기 온도 상태와 부피의 변화에 따라 열교환기(40)의 탱크에는 기포가 발생하게 되는 문제점이 있다.

또한, 상기와 같이, 고온에서 저온으로 냉매의 열교환시 열교환기(40)의 탱크에 순환 저장되는 냉매에 기포가 발생되는 경우 열교환기(40)로부터 유로(50)를 통하여 연료전지스택(S)에 냉매를 경유시키는 펌프(60)의 기능이 저하되고, 이로 인하여 연료전지스택(S)의 냉각이 정상적으로 진행되지 않을 경우 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 연료전지스택의 열을 흡수한 고온 상태의 냉매를 저온 상태로 열교환시 냉매의 기포를 제거할 수 있는 연료전지스택 냉각장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연료전지스택으로부터 열교환기에 순환되는 냉매의 기포를 제거하여 펌프의 기능을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 냉각장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 연료전지스택으로부터 열교환기에 냉매를 순환시키는 펌프의 기능 향상을 통하여 연료전지스택의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 연료전지스택 냉각장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 간단한 구조를 통하여 연료전지스택으로부터 열교환기에 순환되는 냉매의 기포를 제거할 수 있는 연료전지스택 냉각장치를 제공하는 것이다.

한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

여기서, 상기 메인탱크로부터 기포유도관에 유입된 기포를 가지는 제2원 냉매는 상온의 온도에서 열교환되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 메인탱크 내의 냉매는 완전 충진되며 보조탱크 내의 냉매는 부분 충진되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기포유도관은 상기 메인탱크로부터 보조탱크의 상측부에 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 기포유도관의 보조탱크의 연결은 기포유도관이 보조탱크의 냉매가 액상으로 충진되지 않은 부분에 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보조탱크는 메인탱크의 상측부에 위치하는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명에 의하면 고온 상태에서 저온 상태로의 열교환기에 순환되는 냉매의 온도 변화시 연료전지스택으로부터 열교환기에 유입된 기포를 포함한 냉매를 열교환기의 메인탱크로부터 연장된 기포유도관을 통하여 보조탱크로 유입되도록 하는 과정 중 상기 냉매가 상기 기포유도관에 의해 상온에서 열교환되어 상기 냉매 중의 기포가 제거되도록 함으로써, 상기 메인탱크로부터 연료전지스택에 냉매를 공급하는 순환펌프의 기능을 향상시키고 이를 통하여 연료전지스택의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 메인탱크와 보조탱크 사이에 기포유도관을 연장하고 상기 기포유도관을 통하여 기포가 포함된 냉매가 상기 기포유도관을 따라 보조탱크로 유입되는 과정에서 열교환되도록 함으로써, 간단한 구성을 통하여 상기 냉매에 포함된 기포 를 제거할 수 있다.

한편, 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지스택 냉각장치를 타나낸 구성도이고, 도 3은 도 2의 연료전지스택 냉각장치에 있어서 교환기의 메인탱크와 보조탱크 사이의 연결을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 3의 열교환기의 메인탱크와 보조탱크 사이의 열교환에 의한 냉매의 기포가 제거되는 과정을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지스택 냉각장치는, 제1원 냉매, 예를 들면, CFC나 He의 냉매를 고온/고압의 기체로 압축하는 압축기(110), 상기 압축된 고온/고압의 기체를 저온/고압의 액체로 응축하는 응축기(120), 상기 응축된 저온/고압의 액체를 저온/저압의 기체로 팽창시키는 팽창기(130), 팽창기(130)를 통과한 제1원 냉매가 연료전지스택(S)을 순환하는 연료전지스택 냉각용 제2원 냉매의 열을 흡수하는 열교환이 발생하도록 하는 열교환기(140) 및 상기 제2원 냉매가 연료전지스택(S)의 열을 흡수하도록 제2원 냉매를 열교환기(140)로부터 연료전지스택(S)에 순환되도록 하는 펌프(150)를 포함하며, 여기서, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 열교환기(140)는, 메인탱크(141)로부터 연료전지스택(S)에 연결되는 제1 냉매유도관(142), 연료전지스택(S)으로부터 메인탱크(141)에 연결되는 제2 냉매유도관(143) 및 제2 냉매유도관(143)을 통해 유입된 제2원 냉매가 제1원 냉매에 의해 열교환될 때 발생되는 기포를 포함하는 제2원 냉매를 보조탱크(144)에 유입시킴과 동시에 상기 유입과정에서 상온과 상기 기포를 포함하는 제2원 냉매를 열교환시켜 상기 제2원 냉매의 온도를 높여 기포를 제거하는 기포유도관(145)을 포함한다.

여기서, 보조탱크(144)는 메인탱크(141)의 상측에 구비되는 것이 바람직하며, 열교환에 의해 기포가 포함된 제2원 냉매가 메인탱크(141)로부터 기포유도관(145)을 경유하여 보조탱크(144)에 유입되는 과정은 대류에 의해 이루어지거나 별도의 순환펌프 등과 같은 펌핑수단에 의해 이루어질 수 있다.

한편, 상기 기포유도관(145)은 보조탱크(144)의 상측부에 연결되는 것이 바람직하다.

이때, 보조탱크(144) 내에는 냉매가 부분적으로 채워져 상부는 기상의 냉매수용 공간을 가지며 하부는 액상의 냉매수용 공간을 가지게 된다.

따라서 기포유도관(145)에 있는 존재하는 기포는 보조탱크(144)로 유입되면서 보조탱크(144)의 상부에 머무르게 되어 하부의 액상 냉매로 혼입되지 않게 되며 그에 따라 보조탱크(144)와 메인탱크(141) 사이에 연결된 연결관(146)을 통해 기포가 보조탱크(144)에서 분리 제거된 냉매만이 메인탱크(141)로 유입하게 된다.

여기서, 기포유도관(145)은 실온의 상태를 가지기 때문에 메인탱크(141)로부터 기포가 포함된 제2원 냉매가 유입되게 되면 상기 제2원 냉매가 상기 실온의 온 도에 의해 열교환되어 예를 들면, -80℃의 저온 상태에서 -10℃정도의 상대적으로 높은 저온 상태를 가지게 되어 상기 제2원 냉매에 포함된 기포는 일부 제거되게 된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(S)의 열을 흡수한 고온 상태의 제2원 냉매가 열교환기(140)의 메인탱크(141)에 순환된 후 제1원 냉매에 의해 열교환되게 되면, 예를 들면, +150 ℃에서 -80 ℃로 환경 변화시 펌프(150)에 의해 제1 냉매유도관(142)을 통하여 메인탱크(141)로부터 연료전지스택(S)에 경유되어 제2 냉매유도관(143)을 통하여 열교환기(140)에 순환되는 제2원 냉매는, 일반적으로 끓는점의 온도가 76℃이고 또한, 상기 제2 냉매유도관(143) 또는 열교환기(140)의 메인탱크(141)가 고온의 온도를 유지한 상태이기 때문에, 상기 제2원 냉매는 고온의 연료전지스택(S)의 열 흡수시 부피가 최대화 된 상태에서 갑자기 저온의 제1원 냉매에 의해 부피가 최소화 되어 발생되는 기포를 포함하게 된다.

따라서 상기와 같은 연료전지스택 냉각장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2원 냉매에 발생되는 기포를 제거하기 위하여, 상기 기포가 발생된 제2원 냉매가 메인탱크(141)로부터 기포유도관(145)을 경유하여 보조탱크(144)로 유입되도록 하고 이 과정에서 상기 기포를 포함하는 제2원 냉매가 기포유도관(145)을 통해 상온의 온도에서 열교환되어 상기 제2원 냉매의 온도가 상승하게 되고 이에 따라 제2원 냉매에 포함된 기포를 제거할 수 있다.

여기서, 연료전지스택(S)으로부터 메인탱크(141)에 유입된 제2원 냉매와 상기 제2원 냉매에 포함된 기포는 상기 기포의 비중이 상기 제2원 냉매의 비중보다 가볍기 때문에 상기 기포가 제2원 냉매의 상부에 위치하게 되어 메인탱크(141)의 상측에 연장되는 기포유도관(145)에는 기포가 포함된 제2원 냉매 즉, 메인탱크(141)의 상측부에 위치된 제2원 냉매가 보조탱크(144)의 상측부에 대류되게 된다.

따라서 기포가 제거된 상태로 보조탱크(144)에 유입된 제2원 냉매가 자유낙하에 의해 메인탱크(141)로 유입되어 펌프(150)를 통하여 기포가 제거된 제2원 냉매가 제1 냉매유도관(142)을 따라 연료전지스택(S)에 공급되게 된다.

이상의 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 냉매의 기포 제거를 위한 열교환기(140)를 제외한 구성은 다른 냉각싸이클 수단으로 대체될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

또한, 열교환기(140)에 의해 열교환된 저온/저압의 기체는 상기 열교환을 통하여 고온/저압의 기체로 다시 압축기(110)에 공급되는 냉각순환싸이클을 가지며, 상기 압축기(110)는 상기 냉매의 압축시 액체와 기체를 분리하기 위한 기액분리기(160)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지스택 냉각장치는, 고온 상태에서 저온 상태로의 열교환기(140)에 순환되는 제2원 냉매의 환경 변화시 연료전지스택(S)으로부터 열교환기(140)에 유입된 제2원 냉매에 발생되는 기포를 메인탱크(141)와 보조탱크(144) 사이에 연결된 기포유도관(145)을 통하여 상온의 온도에서 제2원 냉매가 열교환되게 함으로써, 상기 제2원 냉매의 기포를 제거할 수 있으며, 이때 일부 제거되지 않은 기포는 상대적으로 보조탱크(144)의 상 부에 머무르게 되며, 그에 따라 보조탱크(144)의 하부에 있는 제2원 냉매는 자연적으로 기포가 제거된 상태로 되어 이후 메인탱크(141)로 유입되게 된다.

따라서 상기와 같이 연료전지스택(S)으로 제2원 냉매를 유입시키는 펌프(150)로 기포가 주입되지 않음으로써, 메인탱크(141)로부터 연료전지스택(S)에 상기 제2원 냉매를 공급하는 펌프(150)의 기능을 향상시키고 이를 통하여 연료전지스택(S)의 냉각효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기와 같이 기포를 제거하는 과정에 있어서, 기포유도관(145)이 메인탱크(141)로부터 보조탱크(144)의 상측부 즉, 냉매가 채워지지 않은 공간부로 유입되도록 함으로써, 기포가 보조탱크(144)의 상측에 기포가 제거된 냉매와 분리되도록 할 수 있다.

따라서 기포가 제거된 냉매만이 보조탱크(144)에서 메인탱크(141)로 유입될 수 있다.

또한, 메인탱크(141)와 보조탱크(144) 사이에 기포유도관(145)을 연장하고 상기 기포유도관(145)을 통하여 기포가 포함된 제2원 냉매가 상기 기포유도관(145)을 따라 보조탱크(144)로 유입되는 과정에서 열교환이 이루어지도록 함으로써, 간단한 구성을 통하여 상기 제2원 냉매에 포함된 기포를 제거할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 종래의 연료전지스택 냉각장치를 개략적으로 나타낸 구성도;

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지스택 냉각장치를 타나낸 구성도;

도 3은 도 2의 연료전지스택 냉각장치에 있어서 교환기의 메인탱크와 보조탱크 사이의 연결을 나타낸 도면; 및

도 4는 도 3의 열교환기의 메인탱크와 보조탱크 사이의 열교환에 의한 냉매의 기포가 제거되는 과정을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 압축기 120 : 응축기

130 : 팽창기 140 : 열교환기

141 : 메인탱크 142 : 제1 냉매유도관

143 : 제2 냉매유도관 144 : 보조탱크

145 : 기포유도관 150 : 펌프

S : 연료전지스택

Claims

제1원 냉매를 압축하는 압축기(110), 상기 압축된 제1원 냉매를 응축하는 응축기(120), 상기 응축된 제1원 냉매를 팽창시키는 팽창기(130), 팽창기(130)를 통과한 제1원 냉매가 연료전지스택(S)을 순환하는 제2원 냉매의 열을 흡수하는 열교환이 발생하도록 하는 열교환기(140) 및 상기 제2원 냉매가 연료전지스택(S)의 열을 흡수하도록 제2원 냉매를 열교환기(140)로부터 연료전지스택(S)에 순환되도록 하는 펌프(150)를 포함하는 연료전지스택 냉각장치에 있어서,

열교환기(140)는,

제2원 냉매가 완전히 충진되는 메인탱크(141);

메인탱크(141)로부터 연료전지스택(S)에 연결되는 제1 냉매유도관(142);

연료전지스택(S)으로부터 메인탱크(141)에 연결되는 제2 냉매유도관(143);

메인탱크(141)에 기포가 제거된 제2원 냉매를 유입시키는 보조탱크(144); 및

메인탱크(141)로부터 보조탱크(144)로 기포를 포함하는 제2원 냉매가 유입되도록 하는 기포유도관(145)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.
제1항에 있어서, 메인탱크(141)로부터 기포유도관(145)에 유입된 기포를 가지는 제2원 냉매는 상온의 온도에서 열교환되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.
제1항에 있어서, 메인탱크(141) 내의 냉매는 완전 충진되며 보조탱크(144) 내의 냉매는 부분 충진되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.
제1항에 있어서, 기포유도관(145)은 메인탱크(141)로부터 보조탱크(144)의 상측부에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.
제4항에 있어서, 기포유도관(145)의 보조탱크(144)의 연결은 기포유도관(145)이 보조탱크(144)의 냉매가 액상으로 충진되지 않은 부분에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.
제1항에 있어서, 보조탱크(144)는 메인탱크(141)의 상측부에 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각장치.