KR101124128B1 - 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치에 관한 것으로, 스택(1)의 외부에 내부용기(2)와 외부용기(3)로 밀폐공간을 형성하고, 그 밀폐공간을 진공설비와 연결하되, 진공조절밸브(5)를 두어 상기 밀폐공간의 진공도를 조절할 수 있도록 된 것이다.

따라서, 상기 진공도에 따라 상기 밀폐공간의 단열성능을 조절할 수 있게 됨에 따라 스택의 운전상태에 따라 적절히 열방출량을 조절할 수 있게 된다.

따라서, 시스템 시동시 스택이 정상운전온도에 빨리 도달하게 되고, 스택의 열피로 누적을 방지하여 내구수명 향상을 꾀할 수 있게 된다.

스택온도조절, 스택단열, 연료전지 운전개시, 스택과열방지

Description

고온형 연료전지 스택의 온도조절장치{temperature control apparatus for high temperature fuel cell stack}

본 발명은 고온형 연료전지에 관한 것으로, 특히 스택의 운전온도를 용이하게 조절할 수 있도록 된 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치에 관한 것이다.

고온형 연료전지로는 인산형 연료전지(PAFC, 운전온도 200℃), 용융탄산염형 연료전지(MCFC, 운전온도 650℃), 고체산화물형 연료전지(SOFC, 운전온도 1000℃) 등이 있다.

이들은 스택의 운전온도가 높기 때문에 그 열을 열원으로 이용하는 열병합 발전에 주로 이용된다.

즉, 스택에서 발생되는 열을 열교환기를 통해 온수 모듈로 공급하여 급탕 및 난방에 이용하고 있다.

한편, 스택의 발전효율을 높게 유지하고 열피로 누적에 의한 내구수명의 감소를 방지하기 위해서 스택의 운전온도를 적정 수준에서 일정하게 유지해야만 할 필요가 있다.

그러나, 스택의 운전 중에는 발열반응이 지속적으로 이루어지므로 적절한 냉 각이 이루어지지 않으면 스택의 온도는 계속 상승하며, 이러한 현상은 시스템이 대형화될수록 심화된다.

또한, 겨울철과 같이 기온이 낮은 경우에는 스택의 열방출량이 과도하여 시동시 스택이 정상 운전 온도까지 도달하는데 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 스택의 운전 온도를 적정 수준으로 유지하기가 곤란한 경우가 많아서 스택과 대기와의 사이에 단열이 필요하다.

그러나, 통상적인 단열재는 그 단열의 정도를 조절할 수 없으므로 일시적 이상 작동, 과부하에 의해 스택의 온도가 과도하게 상승하는 경우와 같이 신속한 열방출이 필요한 경우에는 오히려 열방출의 방해물로서 작용하는 단점이 있었다.

이와 같이 종래의 고온형 연료전지는 스택의 온도를 용이하게 조절할 수 없음으로써 시동시간이 오래 걸리고, 스택의 발전효율 및 내구수명에 악형향을 끼치는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 단열성능의 조절이 가능하게 됨으로써 시동시에는 열방출을 억제하여 정상 운전 온도까지 신속하게 도달할 수 있게 되고, 정상 운전 및 과부하 운전시에는 온도 상태에 따라 적정온도의 유지 및 신속한 열방출이 가능하게 됨으로써 스택의 발전성능이 향상될 뿐만 아니라 열피로 누적을 방지하여 내구수명을 향상시킬 수 있도록 된 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

스택을 둘러싸는 내부용기와,

상기 내부용기와의 사이에 밀폐공간을 형성하는 외부용기와,

상기 외부용기와 진공설비를 연결하는 진공관과,

상기 진공관에 설치된 진공조절밸브

를 포함한다.

또한, 상기 진공조절밸브는 제어유니트에 의해 스택의 온도에 따라 작동이 조절되는 전자제어밸브이다.

또한, 상기 진공조절밸브는 상기 밀폐공간과 상기 진공설비 및 대기와의 연결상태를 절환하는 쓰리웨이밸브일 수 있다.

또한, 상기 스택을 지지하는 지지대가 구비되고,

상기 지지대의 내부공간이 상기 밀폐공간과 연통된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지대의 내부에 상부판과 하부판을 연결하는 지지로드가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외부용기에 방열핀이 구비된다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 상기 진공조절밸브의 개도, 개방시간 및 방향을 조절함으로써 스택을 둘러싼 밀폐공간의 진공도를 조절할 수 있게 되고, 이에 따라 상기 밀폐공간의 단열성능을 조절할 수 있게 됨으로써 스택의 열방출 정도를 조절하여 스택의 온도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.

따라서, 연료전지 시스템의 시동시간이 단축되어 시스템 효율이 향상되고, 스택의 온도를 적정수준에서 유지할 수 있게 되어 발전성능이 향상되며, 스택의 과열을 방지하여 열피로 누적을 방지함으로써 내구수명의 연장을 꾀할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치의 구성도로서, 도시된 바와 같이 본 발명은, 스택(1)을 둘러싸는 내부용기(2)와, 상기 내부용기(2)를 둘러싸는 외부용기(3)와, 상기 외부용기(3)와 진공설비를 연결하는 진공관(4)과, 상기 진공관(4)에 설치된 진공조절밸브(5)를 포함한다.

상기 내부용기(2)와 외부용기(3)는 상호 이격되어 양자의 사이에 공간이 존재하며, 이 공간은 내부용기(2) 및 외부용기(3) 외측의 공간에 대해 밀폐된 공간이 다.

상기 진공설비는 통상 진공펌프와 이에 연결된 진공탱크를 포함하여 이루어져 진공탱크에 연결된 밀폐공간에 진공을 형성하는 일반적인 설비로서 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 진공조절밸브(5)는 마이크로컴퓨터와 같은 제어유니트(도시하지 않음)에 의해 작동이 제어되는 전자제어밸브이고, 상기 제어유니트는 온도센서를 통해 스택의 온도를 실시간으로 입력받으며, 입력된 제어로직에 의해 스택의 온도에 따라 상기 진공조절밸브(5)의 개도 및 개방시간을 조절한다. 이에 따라 상기 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이 밀폐공간의 진공도가 조절된다.

한편, 상기 스택(1)은 다수의 단전지가 수십~수백 개 적층되어 이루어진 고중량체로서 안정적으로 지지될 것이 요구된다.

따라서, 상기 스택(1)의 하부는 상기 내부용기(2) 및 외부용기(3)와 구별되는 별도의 지지대(6)가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 지지대(6)가 설치될 경우 상기 내부용기(2) 및 외부용기(3)의 하단은 상기 지지대(6)의 상면에 밀착 설치되고, 실링부재를 통해 대기와 그 내부 공간을 완전히 차단한다.

한편, 상기 지지대(6)가 스택(1)의 무게를 지지하기에 충분한 재질 및 구조로 이루어진 경우에도 그 내부에 빈 공간을 형성하고, 그 빈 공간을 상기 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공간과 연통시킬 수 있다.

예를 들어, 도 2와 같이, 지지대(6)의 내부에 상부판과 하부판을 연결하는 수직의 지지로드(7)를 설치하여 스택(1)의 하중을 안정적으로 지지할 수 있도록 하는 한편, 지지대(6)의 내부에 빈 공간이 형성될 수 있도록 한다.

또한, 상기 지지대(6)의 상부판에서 상기 내부용기(2)와 외부용기(3)의 사이에 위치하는 부분에는 연통홀(8)을 형성하여 내부용기(2)와 와부용기(3) 사이의 공간과 지지대(6)의 내부 공간이 서로 연결될 수 있도록 한다.

이와 같이 할 경우, 스택(1)의 하중 지지에 대한 문제를 해결하면서 스택(1) 전체를 외부와 차단된 진공 공간으로 형성할 수 있게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 외부용기(3)의 표면에는 방열핀(9)이 부착될 수 있다.

상기 방열핀(9)은 두께가 얇은 직사각판재 형상으로 이루어져 있으며, 외부용기(3)의 전후좌우 및 상측의 모든 외주면에 다수 부착된다.

이제 본 발명의 작용효과를 설명한다.

진공조절밸브(5)가 열리면 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공기가 진공관(4)을 통해 빠져나가므로 내부용기(3)와 외부용기(3) 사이의 공간은 진공상태가 된다.

진공펌프의 용량에 따라 차이가 있겠으나 상기 진공조절밸브(5)의 개도 및 개방시간을 조절함으로써 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이 공간의 진공도를 조절할 수 있게 된다.

따라서, 기본적으로 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공간은 열의 전달 매질이 존재하지 않는 진공공간으로서 단열공간으로 작용하게 되며, 상기 진공도를 조절함으로써 단열성능의 고저를 조절할 수 있게 된다.

이때, 상기 지지대(6)가 도 2의 경우처럼 내부에 빈 공간이 형성되고 연통홀(8)이 형성되어 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공간과 연결된 경우라면 지지대(6) 내부의 공간도 진공도 조절을 통해 단열성능을 조절할 수 있는 밀폐공간으로 작용하게 되므로 스택(1)과 외부 대기와의 열교환을 보다 효과적으로 차단할 수 있게 된다.

따라서, 연료전시 시스템 시동시에는 상기 진공조절밸브(5)를 개방하여 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공간에 고진공을 형성하면 스택(1)으로부터 발생된 열이 대기중으로 방출되는 것이 차단되어(이때 복사에 의한 열전달은 논외로 한다. 본 발명은 전도에 의한 열전달 차단을 그 대상으로 하고 있다.), 스택(1)의 온도가 보다 신속하게 정상운전온도로 상승할 수 있게 됨으로써 연료전지 시스템의 효율이 향상된다.

또한, 상기 진공도를 적절한 수준으로 조절하면 내부용기(2)와 외부용기(3) 사이에 존재하는 공기가 전달물질로 작용하여 스택(1)에서 발생된 열이 대기중으로 방출될 수 있게 된다.

따라서, 상기 진공도를 조절함으로써 스택(1)을 둘러싼 밀폐공간의 단열성능을 조절할 수 있게 됨으로써 스택(1)의 열방출량을 조절할 수 있게 된다.

따라서, 정상운전조건에서는 스택의 온도를 정상운전온도 범위로 안정적으로유지함으로써 스택의 발전성능 향상을 도모할 수 있다.

또한, 순간적인 이상 작동이나 과부하 운전에 의해 스택(1)의 온도가 과도하 게 상승할 경우에는 상기 밀폐공간(내부용기(2)와 외부용기(3) 사이의 공간, 지지대(6)의 내부가 상기 밀폐공간과 연통된 빈공간일 경우에는 그 공간도 포함)에 진공을 형성하지 않음으로써 내부에 다량의 공기가 존재하도록 하여 보다 활발한 열방출을 통해 스택의 과열을 방지한다. 따라서, 열피로 누적에 의한 스택의 내구수명 감소를 방지할 수 있게 된다.

이때 상기 진공조절밸브(5)로서 쓰리웨이밸브를 사용할 수 있다. 이 경우 밸브의 절환작용을 통해 대기와 상기 밀폐공간을 보다 신속하게 연통시켜줌으로써 밀폐공간의 진공을 해제하고 공기를 보다 신속하게 진입시킬 수 있게 되어 보다 신속한 반응을 이끌어낼 수 있다.

또한, 상기 쓰리웨이밸브의 대기측 연결구에 에어컴프레서를 연결하여 상기 밀폐공간에 보다 많은 용량의 공기를 주입하여 열전달매질의 양을 증가시킴으로써 스택의 열방출 성능을 증가시킬 수도 있다.

한편, 상기와 같이 스택의 열을 대기중으로 방출시키고자 할 때는, 상기 외부용기(3)의 외측 표면에 부착되어 있는 방열핀(9)들이 대기와의 열교환 면적을 증대시켜 보다 원활한 활발한 열교환을 가능케 함으로써 열방출 성능이 증대된다.

상기와 같이 본 발명에 따르면 스택을 둘러싼 밀폐공간의 진공도 조절을 통해 스택의 열방출 정도를 조절함으로써 스택의 온도를 용이하게 조절할 수 있게 된다.

따라서, 연료전지 시스템의 시동시간이 단축되어 시스템 효율이 향상되고, 스택의 정상운전온도를 안정적으로 유지하여 발전성능을 향상시키며, 스택의 과열 을 방지하여 열피로 누적을 방지함으로써 내구수명의 연장을 꾀할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 고온형 연료전지 스택의 온도조절장치의 개략 구성도,

도 2는 별도의 지지대가 구비된 실시예,

도 3은 방열핀이 구비된 실시예이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 스택 2 : 내부용기

3 : 외부용기 4 : 진공관

5 : 진공조절밸브 6 : 지지대

7 : 지지로드 8 : 연통홀

9 : 방열핀

Claims (6)

1. 스택을 둘러싸는 내부용기와,

   상기 내부용기와의 사이에 밀폐공간을 형성하는 외부용기와,

   상기 외부용기와 진공설비를 연결하는 진공관과,

   상기 진공관에 설치된 진공조절밸브와,

   상기 스택을 지지하는 지지대를 포함하고,

   상기 지지대의 내부공간이 상기 밀폐공간과 연통된 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 스택의 온도조절장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 진공조절밸브는 제어유니트에 의해 스택의 온도에 따라 작동이 조절되는 전자제어밸브인 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 스택의 온도조절장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 진공조절밸브는 상기 밀폐공간과 상기 진공설비 및 대기와의 연결상태를 절환하는 쓰리웨이밸브인 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 스택의 온도조절장치.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지대의 내부에 상기 지지대의 상부판과 하부판을 연결하는 지지로드가 구비된 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 스택의 온도조절장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 외부용기에 방열핀이 설치된 것을 특징으로 하는 고온용 연료전지 스택의 온도조절장치.

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