KR101057329B1 - 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치에 관한 것으로, 온수저장탱크(20)에 전력변환장치장착부재(60)가 삽입 장착되고, 상기 전력변환장치장착부재(60)에 전력변환장치(10)가 밀착 상태로 장착된다.

따라서, 전력변환장치(10)의 열이 전력변환장치장착부재(60)의 방열핀(61)을 통해 온수저장탱크(20)의 저장수로 방출된다.

상기 온수저장탱크(20)내 저장수는 스택 냉각수보다 낮은 온도이므로 전력변환장치(10)의 냉각 성능과 폐열 회수 성능이 향상된다.

연료전지, 전력변환장치, 냉각, 폐열회수

Description

연료전지용 전력변환장치의 냉각장치{cooling apparatus for power conditioning system of fuel cell system}

본 발명은 연료전지 시스템에서 전력변환장치를 냉각하고 그로부터 발생되는 폐열을 회수할 수 있도록 된 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치에 관한 것이다.

연료전지 스택은 수소와 산소를 공급받아 이를 전기 화학 반응시켜 전기를 생성하고, 동시에 물과 열을 발생시킨다.

상기 스택에서 생성된 전기는 직류로서 전력변환장치(PCS ; Power conditioning system)를 통해 교류로 변환된 뒤 전력계통 또는 사용 부하에 공급된다.

상기 스택에서 발생된 열은 폐순환 냉각수와 열교환기를 매개로 온수저장탱크에 저장되었다가 난방수 또는 급탕수로 공급된다.

한편, 연료전지 시스템 작동 중 상기 전력변환장치에서도 다량의 열이 발생하는데, 전력변환장치를 공랭 또는 수냉의 방법으로 냉각하여 과열을 방지하고 있다.

그런데 공랭식의 경우, 팬(fan)의 사용에 의해 소요 비용이 증가되고, 외부 공기가 유입되므로 오염에 취약한 단점이 있었다.

또한, 수냉식은 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(1) 냉각수 관로(2)가 전력변환장치(3)를 경유토록 한 것으로, 스택 냉각수의 열교환기(4)를 통해 전력변환장치(3)의 열을 방출함으로써 냉각이 이루어지도록 되어 있다.

그러나, 상기 수냉식의 경우, 스택의 고온으로 인해 전력변환장치로 유입되는 냉각수의 온도가 높아 전력변환장치의 냉각성능이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한, 전력변환장치(3)에서 냉각수가 통과하는 부분의 방열성과 시일(seal)성을 고려하여 특수한 가공을 하여야 하므로 비용이 증가되고, 스택 냉각수 관로의 길이가 길어져서 물의 흐름 저항이 증가되므로 순환펌프의 전력소모가 증가되어 시스템 효율이 떨어지며, 냉각수 라인의 분리 및 연결 작업이 필요하므로 전력변환장치의 수리 및 교체가 어렵다는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전력변환장치가 상대적으로 고온인 스택 냉각수와 열교환하지 않게 되어 냉각 성능이 향상되고, 방열 및 시일을 위한 가공이 단순하고 용이하여 비용 소모가 감소됨은 물론 전력변환장치의 분해 조립이 용이하여 수리 및 교체가 용이하며, 냉각수 관로의 냉각수 흐름에 저항으로 작용하지 않게 되어 순환펌프의 소비전력을 증가시키지 않고, 이에 연료전지 시스템 전체 관점에서 제어 및 장치 구성이 용이하도록 된 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

스택 냉각수와 열교환한 순환수가 저장되고, 측면에 개구홀이 형성된 온수저장탱크와,

상기 개구홀을 통해 온수저장탱크의 내측으로 삽입 장착된 전력변환장치장착부재와,

상기 전력변환장치장착부재에 밀착되어 장착되는 전력변환장치를 포함한다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재의 상기 온수저장탱크 내측의 면에는 다수의 방열핀이 형성된다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재가 직육면체 형상의 박스 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재가 사각형상의 정면판과, 상기 정면판의 상단과 하단에 직각으로 형성되는 호형 판재 형상의 상부판과 하부판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온수저장탱크의 개구홀과 상기 전력변환장치장착부재는 상호 용접된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력변환장치는 발열소자들이 상기 전력변화장치장착부재와 맞닿는 위치에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재와 상기 전력변환장치의 접촉면 사이에 열전달 콤파운드가 충진된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,

전력변환장치가 스택 냉각수보다 온도가 낮은 온수저장탱크의 저장수와 열교환함으로써 냉각 성능과 폐열 회수 성능이 향상되는 효과가 있다.

또한, 전력변환장치에 방열 및 방수를 위한 특수 가공을 할 필요 없이 단지 전력변환장치장착부재에 밀착 상태로 장착하기만 하면 되므로 전력변환장치의 구성이 용이하고 소요 비용이 감소된다.

또한, 같은 이유에서 전력변환장치와 물 순환라인의 직접적인 연결이 이루어지지 않으므로 전력변환장치의 탈거 및 장착이 용이하여 수리 및 교체 작업을 보다 용이하게 실시할 수 있게 된다.

또한, 전력변환장치가 스택 냉각수 흐름에 저항으로 작용하지 않게 되므로 순환펌프 가동량이 감소하여 전력소비량이 줄어듦으로써 시스템 효율이 증가하는 장점이 있다.

또한, 같은 이유에 의하여 연료전지 시스템 전체 관점에서 스택 냉각수의 흐름과 저항, 그에 따른 순환펌프 구동의 제어, 그에 수반한 스택의 온도 등 관련 제어 항목이 감소하게 되므로 연료전지 시스템의 제어 및 장치 구성이 용이해지는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치 구성도이다.

본 발명은 전력변환장치(10)가 온수저장탱크(20)의 저장수와 열교환하도록 온수저장탱크(20)에 장착된 것을 특징으로 한다.

스택(30)과 온수저장탱크(20)는 각각 폐회로인 냉각수관로(31)와 온수관로(21)를 구비한다.

상기 냉각수관로(31)와 온수관로(21)는 열교환기(40)를 통과하면서 상호 열교환한다.

따라서, 스택(30)의 방출열이 냉각수를 매개로 온수관로(21) 내부의 순환수로 전달되어 스택(30)의 냉각이 이루어짐과 더불어, 그 열이 온수저장탱크(20)에 온수로서 저장된다.

상기 온수저장탱크(20)내 저장수는 보조보일러모듈(50)을 통해 사용자가 원하는 온도로 추가 가열될 수 있으며, 이후 난방용 온수나 주방 또는 화장실의 급탕 용으로 공급된다.

그리고, 상기 온수저장탱크(20)는 사용된 물의 보충을 위해 시수를 공급받는다.(상수도에 연결된다.)

한편, 스택(30)에서 발생된 전기는 상기 전력변환장치(10)에서 교류로 변환되어 전력 계통이나 사용 부하에 공급된다.

본 발명은 전술한 바와 같이, 상기 전력변환장치(10)가 상기 온수저장탱크(20)에 장착되어 온수저장탱크(20)내 저장수와 열교환하는 것을 특징으로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 온수저장탱크(20)에는 전력변환장치(10)를 장착할 수 있도록 전력변환장치장착부재(60)가 설치된다.

상기 전력변환장치장착부재(60)는 일측면이 개구된 직육면체 형상의 박스 형상으로 제작되어 온수저장탱크(20)의 내부로 삽입 설치된다. 이때 온수저장탱크(20)의 외주면에 형성된 사각형상의 개구홀과 전력변환장치장착부재(60) 사이의 접촉부위는 용접을 실시하여 전력변환장치장착부재(60)를 온수저장탱크(10)에 완전히 고정하고, 양자 사이로 저장수가 누출되지 않도록 실링한다.

따라서, 전력변환장치장착부재(60)의 내부로 전력변환장치(10)를 삽입 고정함으로써 전력변환장치장착부재(60)를 매개로 전력변환장치(10)와 온수저장탱크(20) 내 저장수 사이의 열교환이 이루어지게 된다.

이때 상기 전력변환장치장착부재(60)의 온수저장탱크(20) 내측의 면에는 다수의 방열핀(61)이 형성된다.

따라서, 상기 방열핀(61)에 의해 열교환 면적이 증가하므로 전력변환장 치(10)의 열이 온수저장탱크(20)의 저장수로 보다 용이하게 전달될 수 있게 된다.

도 4는 상기 전력변환장치장착부재의 또 다른 실시예이다.

상기 실시예는 온수저장탱크(20)의 내부 공간이 전력변환장치(10)에 의해 침범되는 양을 축소한 것으로 온수저장탱크(20)의 저장 용량 감소를 회피하였다.

도 3에서 전력변환장치장착부재(60)가 박스형상으로 형성된 것과는 달리, 원통형 온수저장탱크(20)의 외주측 부분 일부가 소정 깊이의 평면으로 절개되었을 때, 그 때 형성된 사각의 개구홀을 막는 형상으로 형성된다.

즉, 도 4의 실시예의 전력변환장치장착부재(70)는 사각형상의 정면판(70a)과, 상기 정면판(70a)의 상단과 하단에 직각으로 형성된 호형 판재인 상부판(70b) 및 하부판(70c)으로 이루어진다.(도 5참조)

또한, 상기 전력변환장치장착부재(70)의 배면 즉, 온수저장탱크(20) 내측의 면에도 활발한 열 방출을 위한 방열핀(71)이 다수 형성되어 있음은 물론이다.

이 경우에도 전력변환장치장착부재(70)의 테두리는 온수저장탱크(20)에 형성된 상기 개구홀의 테두리에 용접(용접비드 :W)되어 전력변환장치장착부재(70)의 고정과 실링을 이룬다.

한편, 전력변환장치(10)와 전력변환장치장착부재(70)의 결합은 볼트(80)에 의해 이루어질 수 있다.

도면에는 볼트 장착구조가 모식적으로 도시되어 있는데, 도시된 바와 같이 볼트(80)가 반드시 전력변환장치의 배면판과 전력변환장치장착부재(70)의 정면판(70a)을 결합할 필요는 없으며, 단지 전력변환장치(10)를 전력변환장치장착부 재(70)에 밀착된 상태로 고정할 수 있으면 족하다.

따라서, 전력변환장치(10)중 전력변환장치장착부재(70)의 내부로 삽입되지 않는 부위를 온수저장탱크(20) 외벽에 마련된 별도의 마운팅브라켓(도시하지 않음) 등에 볼트 체결하여도 무방하다.

또한, 볼트 이외에도 착탈이 용이한 클램프 등의 체결수단을 적용할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 전력변환장치(10)내 부품 레이아웃에 있어서 전력변환장치(10)를 구성하는 여러 장치 중에서 발열소자(11)들을 상기 전력변환장치장착부재(70)와 맞닿는 위치에 장착하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 발열소자(11)를 배치함으로써 발열소자(11)에서 발생된 열이 최단 경로를 통해 보다 신속하고 효과적으로 전력변환장치장착부재(70)로 전달되고, 상기 방열핀(71)을 통해 온수저장탱크(20)내 저장수로 방출될 수 있기 때문이다.

따라서, 전력변환장치장착부재(70)를 온수저장탱크(20)의 내부로 깊게 삽입하는 형태로 장착하지 않아도 즉, 전력변환장치(10)로부터 온수저장탱크(20)의 저장수로 충분한 양의 열전달량을 확보할 수 있게 되며, 이로써 전력변환장치(10)의 냉각과 폐열회수가 원활히 이루어질 수 있다.

한편, 상기 전력변환장치장착부재(70)는 온수저장탱크(20)에 있어서 시수 유입부 근처에 설치되는 것이 좋다.

시수의 온도가 저장수의 온도보다 낮기 때문에 전력변환장치(10)의 냉각에 보다 효과적이기 때문이다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재(60,70)와 전력변환장치(10)의 접촉면은 들뜸 없이 밀착되어야만 하고, 양자의 사이에 이물질이 끼이지 않도록 하는 것이 중요하다.

또한, 상기 전력변환장치장착부재(60,70)와 전력변환장치(10)의 접촉면 사이에는 열전달 콤파운드가 뿌려진다.

즉, 장착완료 상태에서 양자의 접촉면 사이 공간은 상기 열전달 콤파운드에 의해 충진되어 빈 공간이 형성되지 않게 되며, 이로써 빈 공간에 의한 단열효과가 상실되어 전력변환장치(10)로부터 전력변환장치장착부재(60,70)로 보다 원활한 열전달이 이루어질 수 있게 된다.

도 1은 종래 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치 구성 예시도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치 구성 예시도,

도 3은 전력변환장치장착부재가 설치된 온수저장탱크와 전력변환장치의 조립 전 상태도,

도 4는 온수저장탱크에 또 다른 형태의 전력변환장치장착부재가 설치된 상태의 사시도,

도 5는 도 4의 A-A선 단면도로서, 전력변환장치장착부재와 전력변환장치의 조립 전 측단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 전력변환장치 11 : 발열소자

20 : 온수저장탱크 21 : 온수관로

30 : 스택 31 : 냉각수관로

40 : 열교환기 50 : 보조보일러모듈

60,70 : 전력변환장치장착부재 61,71 : 방열핀

70a : 정면판 70b : 상부판

70c : 하부판 80 : 볼트

W : 용접비드

Claims (7)

1. 스택 냉각수와 열교환한 순환수가 저장되고, 측면에 개구홀이 형성된 온수저장탱크와,

   상기 개구홀을 통해 온수저장탱크의 내측으로 삽입 장착된 전력변환장치장착부재와,

   상기 전력변환장치장착부재에 밀착되어 장착되는 전력변환장치

   를 포함하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력변환장치장착부재의 상기 온수저장탱크 내측의 면에는 다수의 방열핀이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력변환장치장착부재가 직육면체 형상의 박스 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력변환장치장착부재가 사각형상의 정면판과, 상기 정면판의 상단과 하단에 직각으로 형성되는 호형 판재 형상의 상부판과 하부판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 온수저장탱크의 개구홀과 상기 전력변환장치장착부재는 상호 용접된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력변환장치는 발열소자들이 상기 전력변화장치장착부재와 맞닿는 위치에 장착되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 전력변환장치장착부재와 상기 전력변환장치의 접촉면 사이에 열전달 콤파운드가 충진된 것을 특징으로 하는 연료전지용 전력변환장치의 냉각장치.

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