KR101195582B1 - 연료 전지 시스템 및 그의 열교환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 상기 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온 다습한 물의 냉각이 통합적으로 이루어질 수 있는 열교환장치를 포함한다.

Description

연료 전지 시스템 및 그의 열교환장치 {FUEL CELL SYSTEM AND HEAT EXCHANGER OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 과도한 온도 상승을 억제할 수 있는 열교환장치에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로 구분할 수 있다.

고분자 전해질막 연료 전지는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

여기서, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.

그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응 등을 통해 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 고분자 전해질막 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 상기한 액체 연료 또는 가스 연료 등을 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 상술한 바와 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

이러한 직접 메탄올 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단하고 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다.

종래 기술에서 직접 메탄올 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, 이 연료 전지 스택의 연료 전지로 액체 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, 그 연료 전지로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원을 기본적으로 구비하고 있다.

여기서, 상기 연료 전지 스택은 연료 전지의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는 바, 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 미반응 연료를 배출한다.

그리고, 상기 연료 전지 스택은 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 물을 배출하는 바, 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 물과 고온 다습한 증기를 배출한다.

이와 같은 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택으로부터 배출되는 고온의 미반응 연료와 물의 온도를 조절함으로써 연료 전지 스택의 과도한 온도 상승을 억제하기 위한 열교환장치를 구비하고 있다.

종래 기술에서 열교환장치는 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료를 냉각시키고 그 냉각된 미반응 연료를 연료 전지로 재공급할 수 있는 제1 열교환부와, 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온의 물을 냉각시키고 그 냉각된 물을 고농도의 연료를 희석하는데 사용할 수 있는 제2 열교환부로 구성된다.

이러한 제1 및 제2 열교환부는 별도의 패스라인을 따라 흐르는 고온의 미반응 연료와 물을 냉각 공기로서 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 상기 제1 열교환부는 패스라인을 따라 흐르는 고온의 미반응 연료를 냉각시키고 그 냉각된 미반응 연료를 연료 공급원으로부터 공급되는 연료와 혼합하는 혼합 탱크로 공급한다.

그리고, 상기 제2 열교환부는 패스라인을 따라 흐르는 고온의 물을 냉각시키고 그 냉각된 물을 혼합 탱크로 공급하여 고농도의 연료를 물로서 희석할 수 있게 한다.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 각각의 열교환부를 통해 냉각하게 되므로, 각각의 열교환부를 제어해야 하는 등 연료 전지 스택의 열관리 제어에 어려움이 있고, 전체 시스템의 구성이 복잡해지며, 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 열교환장치를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 상기 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온 다습한 물의 냉각이 통합적으로 이루어질 수 있는 열교환장치를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지가 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)고온의 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부와, 고온 다습한 물을 배출하는 제2 배출부를 포함하는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급부와, ⅲ)상기 연료 전지 스택으로 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 공기 공급부와, ⅳ)상기 제1 및 제2 배출부에 연결되게 구성되며, 상기 제1 배출부를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와 상기 제2 배출부를 통해 배출되는 고온 다습한 물을 냉각시키는 열교환장치와, ⅴ)상기 열교환장치에서 냉각된 미반응 연료와 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 믹싱부와, ⅵ)상기 열교환장치를 통해 냉각된 물을 저장하고 그 물을 상기 연료 믹싱부로 공급하는 물 저장부를 포함한다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되고, 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되고, 제4 연결라인을 통해 상기 물 저장부와 연결될 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되는 제1 유입부와, 상기 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결되는 제2 유입부와, 상기 제1 유입부와 연결되며, 상기 제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되는 제1 유출부와, 상기 제2 유입부와 연결되며, 상기 제4 연결라인 통해 상기 물 저장부와 연결되는 제2 유출부를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 본체와, 상기 본체의 일측에 배치되며 상기 제1 및 제2 유입부를 구성하는 제1 챔버와, 상기 본체의 다른 일측에 배치되며 상기 제1 및 제2 유출부를 구성하는 제2 챔버와, 상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제1 유입부와 제1 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제1 패스부재와, 상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제2 유입부와 제2 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제2 패스부재와, 상기 본체에 장착되어 상기 제1 및 제2 패스부재로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 챔버는 상기 제1 유입부와 연결되며 상기 고온의 미반응 연료를 수용하는 제1 공간과, 상기 제2 유입부와 연결되며 상기 고온 다습한 물을 수용하는 제2 공간을 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 챔버는 상기 제1 유출부와 연결되며 상기 냉각된 미반응 연료를 수용하는 제3 공간과, 상기 제2 유출부와 연결되며 상기 냉각된 물을 수용하는 제4 공간을 형성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 상기 냉각팬이 한 쌍으로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치는, 연료 전지 스택에서 각각 배출되는 고온의 미반응 연료와, 고온 다습한 물을 통합적으로 냉각시키기 위한 것으로서, ⅰ)상기 고온의 미반응 연료와 고온 다습한 물의 흐름을 가능케 하는 각각의 패스를 형성하는 본체와, ⅱ)상기 본체에 장착되어 상기 패스로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함한다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 고온의 미반응 연료 및 고온 다습한 물을 각각 수용하는 제1 챔버를 일측에 구성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 패스들을 통과하며 상기 냉각 팬에 의해 냉각된 미반응 연료와 물을 각각 수용하는 제2 챔버를 다른 일측에 구성할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온의 미반응 연료의 패스를 형성하는 제1 패스부재와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온 다습한 물의 패스를 형성하는 제2 패스부재를 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패스부재는 파이프 형태의 관로와, 상기 관로의 길이 방향을 따라 외주면에 설치되는 적어도 하나의 플레이트를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체와 상기 제1,2 패스부재는 스테인레스 스틸 소재로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 냉각 팬은 상기 본체에 한 쌍으로 장착될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 열교환장치를 통해 연료 전지 스택에서 발생하는 과도한 온도 상승을 억제함으로써 연료 전지의 출력 성능 및 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 전지의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 실시예서는 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 열관리의 제어가 용이하고, 전체 시스템의 구성을 더욱 단순화시킬 수 있으며, 시스템의 제작이 간단하고, 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 제1 챔버 부위를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 제2 챔버 부위를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 패스부재 부위를 도시한 단면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

여기서, 상기 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응은 단위 셀로서의 연료 전지를 통해 이루어지는 바, 본 실시예에서 상기 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 전지(1)의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택(10)을 포함하고 있다.

상기 연료 전지 스택(10)은 수 개 내지 수십 개의 연료 전지들(1)이 연속적으로 배열된 구조로 이루어지며, 연료 전지(1)는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 “바이폴라 플레이트” 라고도 한다)를 포함하여 이루어진다.

상기에서, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

애노드 전극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

이러한 연료 전지의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 직접 메탄올 연료 전지로서 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기에서와 같은 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는데, 그 미반응 연료는 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온을 유지한다.

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 물을 배출하는데, 그 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 물과 고온 다습한 증기(이하에서는 편의상 고온의 물이라고 한다)를 배출한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(1)의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구성을 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 연료 전지 시스템(100)은 위에서 언급한 바 있는 연료 전지 스택(10), 연료 공급부(20), 공기 공급부(30), 열교환장치(200), 연료 믹싱부(80), 및 물 저장부(90)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 실시예에서, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극으로 연료를 주입하기 위한 제1 주입부(11)와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극으로 산화제로서의 공기를 주입하기 위한 제2 주입부(12)를 형성하고 있다.

또한, 상기 연료 전지 스택(10)은 위에서 언급한 바 있는 고온의 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부(13)와, 고온의 물을 배출하는 제2 배출부(14)를 형성하고 있다.

상기 연료 공급부(20)는 연료 전지 스택(10)으로 연료를 실질적으로 공급하기 위한 것이다.

이러한 연료 공급부(20)는 알코올류의 순수한 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(21)와, 그 연료 탱크(21)에 저장된 연료를 펌핑 압력으로서 배출하는 연료 펌프(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 공기 공급부(30)는 연료 전지 스택(10)으로 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 것으로, 공기를 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(12)로 주입할 수 있는 블로워(31)를 포함한다.

그러나, 본 발명에서는 공기 공급부(30)가 블로워(31)로서 이루어지는 것에 특별히 한정되지 않고, 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술의 공기 펌프를 포함할 수도 있다.

본 실시예에서, 상기 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와, 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 상기 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 반응열로 인해 애노드 전극 측으로부터 고온으로 배출되는 미반응 연료와, 캐소드 전극 측으로부터 배출되는 고온의 물을 단일의 장치로서 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구성으로 이루어진다.

이러한 열교환장치(200)의 구성은 도 2 내지 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

상기에서, 연료 믹싱부(80)는 본 실시예에 의한 열교환장치(200)에서 냉각된 미반응 연료와 연료 공급부(20)로부터 별도 공급되는 연료를 믹싱하여 연료 전지 스택(10)의 제1 주입부(11)를 통해 연료 전지(1)의 애노드 전극으로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.

상기에서, 물 저장부(90)는 열교환장치(200)를 통해 냉각된 물을 저장하고 그 물을 연료 믹싱부(80)로 공급할 수 있는 물 탱크로서 이루어진다.

상기 물 저장부(90)에 저장된 물은 연료 믹싱부(80)에서 연료 공급부(20)로부터 별도 공급되는 연료 및 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 미반응 연료와 함께 혼합되며, 이를 통해 얻어지는 희석 연료의 농도는 메탄올 센서(미도시)에 의해 측정되고 적절히 조절될 수 있다.

이하, 앞서 개시한 도 1 및 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(200)의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)에 연결되게 구성될 수 있다.

즉, 상기 열교환장치(200)는 제1 연결라인(L1)을 통해 제1 배출부(13)와 연결되고, 제2 연결라인(L2)을 통해 제2 배출부(14)와 연결되며, 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)와 연결되고, 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)와 연결된다.

이러한 열교환장치(200)는 기본적으로, 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)를 통해 각각 배출되는 고온의 미반응 연료 및 물의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하는 본체(110)와, 고온의 미반응 연료 및 물을 냉각시키기 위해 본체(110)에 장착되며 상기한 패스로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬(610)을 포함하여 이루어진다.

본 실시예에서, 상기 본체(110)는 도면을 기준할 때, 전후면이 개방된 사각 형상의 함체로서 이루어지며, 일측에 제1 챔버(210)를 구성하고, 다른 일측에 제2 챔버(310)를 구성하고 있다.

상기 제1 챔버(210)는 제1 연결라인(L1)을 통해 제1 배출부(13)와 연결되는 제1 유입부(211)와, 제2 연결라인(L2)을 통해 제2 배출부(14)와 연결되는 제2 유입부(212)를 구성한다.

그리고, 상기 제2 챔버(310)는 제1 유입부(211)와 연결되며 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)와 연결되는 제1 유출부(311)와, 제2 유입부(212)와 연결되며 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)와 연결는 제2 유출부(312)를 구성한다.

여기서, 상기 제1 챔버(210)는 도 5에서와 같이, 제1 유입부(211)와 연결되며 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료를 수용하는 제1 공간(221)과, 제2 유입부(212)와 연결되며 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물을 수용하는 제2 공간(222)을 형성하고 있다.

즉, 상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료는 제1 연결라인(L1) 및 제1 유입부(211)를 통해 제1 챔버(210)의 제1 공간(221)으로 수용된다.

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 제2 연결라인(L2) 및 제2 유입부(212)를 통해 제1 챔버(210)의 제2 공간(222)으로 수용된다.

한편, 상기 제2 챔버(310)는 도 6에서와 같이, 제1 유출부(311)와 연결되며 뒤에서 더욱 설명될 냉각 팬(610)에 의해 냉각된 미반응 연료를 수용하는 제3 공간(323)과, 제2 유출부(312)와 연결되며 냉각 팬(610)에 의해 냉각된 물을 수용하는 제4 공간(324)을 형성하고 있다.

즉, 상기 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)에 수용된 미반응 연료는 언급한 바 있는 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)로 공급되며, 제4 공간(324)에 수용된 물은 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)로 공급될 수 있다.

다른 한편으로, 상기 본체(110)는 언급한 바 있듯이 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)를 통해 각각 배출되는 고온의 미반응 연료 및 물의 흐름을 가능케 하는 패스를 각각 형성하는 바, 이를 위해 적어도 하나의 제1 패스부재(410) 및 제2 패스부재(510)를 포함하고 있다.

상기 제1 패스부재(410)는 제1 및 제2 챔버(210, 310) 사이에서 제1 챔버(210)의 제1 유입부(211)와 제2 챔버(310)의 제1 유출부(311)를 실질적으로 연결하는 파이프 라인으로서 이루어진다.

이 경우, 상기 제1 패스부재(410)는 복수 개로서 구비되며, 제1 챔버(210)의 제1 공간(221)과 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)을 상호 연결한다.

그리고, 상기 제2 패스부재(510)는 제1 및 제2 챔버(210, 310) 사이에서 제1 챔버(210)의 제2 유입부(212)와 제2 챔버(310)의 제2 유출부(312)를 실질적으로 연결하는 파이프 라인으로서 이루어진다.

여기서, 상기 제2 패스부재(510)는 복수 개로서 구비되며, 제1 챔버(210)의 제2 공간(222)과 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)을 상호 연결한다.

한편, 본 실시예에서 상기와 같은 제1 및 제2 패스부재(410, 510)는 도 7에서와 같이, 파이프 형태의 관로(411, 511) 외주면에 길이 방향을 따라 플레이트(413, 513)가 장착되는데, 이 플레이트(413, 513)는 관로(411, 511)의 외주면에 대하여 상하 좌우 측에 용접 접합될 수 있다.

이러한 플레이트(413, 513)는 관로(411, 511)에 대하여 뒤에서 더욱 설명될 냉각 팬(610)에 의해 송풍되는 냉각 공기의 접촉 면적을 증대시키기 위함이다.

다른 한편으로, 상기 제1 및 제2 챔버(210, 310)를 포함하는 본체(110), 및 제1,2 패스부재(410, 510)는 연료와 물에 의해 부식되지 않는 스테인레스 스틸 소재로서 이루어지는 것이 바람직하다.

본 실시예에서, 상기 냉각 팬(610)은 제1 챔버(210)에서 제1 및 제2 패스부재(410, 510)를 통해 제2 챔버(310)로 유동하는 고온의 미반응 연료 및 물을 냉각시키기 위한 것이다.

상기 냉각 팬(610)은 냉각 공기를 제1 및 제2 패스부재(410, 510)로 송풍할 수 있는 송풍 팬으로서 이루어진다.

상기 냉각 팬(610)은 본체(110)에 있어 일측 개방단에 장착되는 바, 볼트와 같은 체결 수단을 통해 본체(110)에 고정되게 설치되며, 바람직하게는 한 쌍으로서 구비된다.

이러한 냉각 팬(610)은 전기적인 신호에 의해 팬이 회전하며 대기 중의 공기(냉각 공기)를 송풍하는 공지 기술의 송풍 팬으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 우선 본 실시예에서 연료 전지 시스템(100)의 작동 시, 연료 믹싱부(80)에 저장된 연료(희석 연료)는 연료 전지 스택(10)의 제1 주입부(11)를 통해 연료 전지(1)의 애노드 전극 측으로 공급된다.

이 때, 상기 연료 믹싱부(80)는 연료 공급부(20)를 통해 공급되는 순수한 메탄올의 액체 연료와, 뒤에서 더욱 설명될 열교환장치(200)를 통해 공급되는 미반응 연료와, 물 저장부(90)로부터 공급되는 물이 혼합된 희석 연료를 저장하고 있다.

이와 동시에, 공기 공급부(30)는 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(12)로 공기를 공급하는 바, 그 공기는 연료 전지(1)의 캐소드 전극 측으로 공급된다.

그러면, 상기 연료 전지 스택(10)의 연료 전지(1)에서는 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는데, 연료 전지(1)의 애노드 전극은 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시킨다.

연료 전지(1)의 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성한다.

따라서, 상기 연료 전지(1)는 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하는 전자에 의해 소정의 전기 에너지를 발생시키게 된다.

상기 과정에서, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 고온의 미반응 연료를 제1 배출부(13)를 통해 배출한다.

그리고, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 고온의 물을 제2 배출부(14)를 통해 배출한다.

상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와, 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 각각 제1 및 제2 연결라인(L1, L2)을 통해 열교환장치(200)로 공급된다.

즉, 상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료는 제1 챔버(210)의 제1 유입부(211)를 통해 그 챔버(210)의 제1 공간(221)으로 수용된다(도 5 참조).

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 제1 챔버(210)의 제2 유입부(212)를 통해 그 챔버(210)의 제2 공간(222)으로 수용된다(도 6 참조).

이와 같은 상태에서, 도 8에서와 같이 상기 고온의 미반응 연료는 제1 패스부재(410)를 통해 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)으로 흘러가고, 고온의 물은 제2 패스부재(510)를 통해 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)으로 흘러간다.

상기 과정에서, 냉각 팬(610)은 제어부(미도시)로부터 전기적인 신호를 인가받아 작동하게 되며, 대기 중의 냉각 공기를 제1 및 제2 패스부재(410, 510)로 송풍한다.

이로써, 상기 제1 패스부재(410)를 따라 흐르는 고온의 미반응 연료는 냉각 공기에 의해 냉각된 상태로 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)에 수용되고, 제2 패스부재(510)를 따라 흐르는 고온의 물은 냉각 공기에 의해 냉각된 상태로 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)에 수용된다.

그리고 나서, 상기 제3 공간(323)의 냉각된 미반응 연료는 제3 연결라인(L3)을 통해 위에서 언급한 바 있는 연료 믹싱부(80)로 공급되며, 제4 공간(324)의 냉각된 물은 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)로 공급된다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(1)의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치(200)를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 열교환장치(200)를 통해 연료 전지 스택(10)에서 발생하는 과도한 온도 상승을 억제함으로써 연료 전지(1)의 출력 성능 및 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 전지(1)의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 실시예서는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치(200)를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 열관리의 제어가 용이하고, 전체 시스템(100)의 구성을 더욱 단순화시킬 수 있으며, 시스템(100)의 제작이 간단하고, 시스템(100)의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.

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.

1... 연료 전지 10... 연료 전지 스택
11... 제1 주입부 12... 제2 주입부
13... 제1 배출부 14... 제2 배출부
20... 연료 공급부 30... 공기 공급부
80... 연료 믹싱부 90... 물 저장부
110... 본체 210... 제1 챔버
211... 제1 유입부 212... 제2 유입부
221... 제1 공간 222... 제2 공간
310... 제2 챔버 311... 제1 유출부
323... 제3 공간 324... 제4 공간
312... 제2 유출부 410... 제1 패스부재
510... 제2 패스부재 610... 냉각 팬
200... 열교환장치

Claims (15)

1. 삭제
2. 삭제
3. 고온의 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부와, 고온의 물을 배출하는 제2 배출부를 포함하는 연료 전지 스택;
   상기 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급부;
   상기 연료 전지 스택으로 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 공기 공급부;
   상기 제1 및 제2 배출부에 연결되게 구성되며, 상기 제1 배출부를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와 상기 제2 배출부를 통해 배출되는 고온의 물을 냉각시키는 열교환장치;
   상기 열교환장치에서 냉각된 미반응 연료와 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 믹싱부; 및
   상기 열교환장치를 통해 냉각된 물을 저장하고 그 물을 상기 연료 믹싱부로 공급하는 물 저장부
   를 포함하며,
   상기 열교환장치는,
   제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되고, 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결되며,
   제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되고, 제4 연결라인을 통해 상기 물 저장부와 연결되는 연료 전지 시스템.
4. 삭제
5. 제3 항에 있어서,
   상기 열교환장치는,
   상기 제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되는 제1 유입부와,
   상기 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결되는 제2 유입부와,
   상기 제1 유입부와 연결되며, 상기 제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되는 제1 유출부와,
   상기 제2 유입부와 연결되며, 상기 제4 연결라인 통해 상기 물 저장부와 연결되는 제2 유출부
   를 포함하는 연료 전지 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 열교환장치는,
   본체와,
   상기 본체의 일측에 배치되며, 상기 제1 및 제2 유입부를 구성하는 제1 챔버;
   상기 본체의 다른 일측에 배치되며, 상기 제1 및 제2 유출부를 구성하는 제2 챔버;
   상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제1 유입부와 제1 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제1 패스부재;
   상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제2 유입부와 제2 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제2 패스부재; 및
   상기 본체에 장착되어 상기 제1 및 제2 패스부재로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬
   을 포함하여 이루어지는 연료 전지 시스템.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 챔버는,
   상기 제1 유입부와 연결되며, 상기 고온의 미반응 연료를 수용하는 제1 공간과,
   상기 제2 유입부와 연결되며, 상기 고온의 물을 수용하는 제2 공간을 형성하는 연료 전지 시스템.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 제2 챔버는,
   상기 제1 유출부와 연결되며, 상기 냉각된 미반응 연료를 수용하는 제3 공간과,
   상기 제2 유출부와 연결되며, 상기 냉각된 물을 수용하는 제4 공간을 형성하는 연료 전지 시스템.
9. 제6 항에 있어서,
   상기 열교환장치는 상기 냉각팬이 한 쌍으로서 이루어지는 연료 전지 시스템.
10. 연료 전지 스택에서 각각 배출되는 고온의 미반응 연료와, 고온의 물을 냉각시킬 수 있는 연료 전지 시스템용 열교환장치로서,
    상기 고온의 미반응 연료와 고온의 물의 흐름을 가능케 하는 각각의 패스를 형성하는 본체; 및
    상기 본체에 장착되어 상기 패스로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬
    을 포함하며,
    상기 본체는,
    상기 고온의 미반응 연료 및 고온의 물을 각각 수용하는 제1 챔버를 일측에 구성하고,
    상기 패스들을 통과하며 상기 냉각 팬에 의해 냉각된 미반응 연료와 물을 각각 수용하는 제2 챔버를 다른 일측에 구성하고,
    상기 본체는,
    상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온의 미반응 연료의 패스를 형성하는 제1 패스부재와,
    상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온의 물의 패스를 형성하는 제2 패스부재를 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 패스부재는 파이프 형태의 관로와, 상기 관로의 길이 방향을 따라 외주면에 설치되는 적어도 하나의 플레이트를 포함하여 이루어지는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
14. 제10 항에 있어서,
    상기 본체와 상기 제1,2 패스부재가 스테인레스 스틸 소재로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
15. 제10 항에 있어서,
    상기 냉각 팬은 상기 본체에 한 쌍으로 장착되는 연료 전지 시스템용 열교환장치.

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