KR101338701B1 - 동결 방지 효과가 우수한 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

극지방이나 동절기 등 극한의 환경에서의 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동결 방지 효과가 우수한 연료전지 시스템에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크; 상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기; 상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관; 상기 물 탱크와 열 교환기를 상호 연결하며, 상기 물 탱크의 내부에 채워진 상수와 열 교환하는 냉매 순환배관; 및 상기 냉매 순환배관과 연통하도록 형성되어, 상기 냉매 순환배관으로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하며, 상기 냉매 순환배관은 상기 물 탱크의 내부에서 코일 형태로 형성되어, 상기 물 탱크의 내부에 채워지는 상수와 독립적으로 냉매가 순환하는 것을 특징으로 한다.

Description

동결 방지 효과가 우수한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM WITH EXCELLENT PREVENTION EFFECT ON FREEZE}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극지방이나 동절기 등 극한의 환경에서도 구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 동결 방지 효과가 우수한 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지(fuel cell)는 전기화학 반응에 의하여 연료가 갖고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 따라서, 원리상 열기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않기 때문에 종래의 발전장치보다 발전 효율이 높고 무공해, 무소음으로 환경문제가 거의 없다. 또한, 연료전지는 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력 수요지 내에 설치가 용이하여 송변전 설비의 초기 투자비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
이러한 연료전지를 이용한 연료전지 시스템은 전기를 생산하는 연료전지 스택과 연료인 LNG, 석탄가스, 메탄올 등을 수소로 개질하여 수소가 많은 연료가스로 만드는 개질기(reformer), 발전된 DC 전력을 AC 전력으로 변환시키는 전력 변환기 및 제어기 등으로 구성된다. 이때, 연료전지 스택은 적층된 수백 장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다. 기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
그러나, 종래의 연료전지 시스템은 극지방이나 동절기 등 열악한 환경에서 사용할 경우, 냉각수 순환배관의 내부를 순환하는 냉각수가 얼어버릴 수 있다. 이 경우, 연료전지 스택의 열 효율 및 전기 변환 효율이 급격히 열화되는 문제가 있었다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0634606호가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 시스템 및 연료전지 스택 냉각장치에 대하여 개시하고 있을 뿐, 냉각수가 어는 데 기인한 연료전지 스택의 열 효율 및 전기 변환 효율의 열화 문제를 해결하고자 하는 기술에 대하여 개시하는 바가 없다.
본 발명의 목적은 극지방이나 동절기 등 열악한 환경에서 냉각수가 얼어버리는 데 기인하여 연료전지 스택의 열 효율 및 전기 변환 효율이 열화되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 동결 방지 효과가 우수한 연료전지 시스템은 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크; 상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기; 상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관; 상기 물 탱크와 열 교환기를 상호 연결하며, 상기 물 탱크의 내부에 채워진 상수와 열 교환하는 냉매 순환배관; 및 상기 냉매 순환배관과 연통하도록 형성되어, 상기 냉매 순환배관으로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하며, 상기 냉매 순환배관은 상기 물 탱크의 내부에서 코일 형태로 형성되어, 상기 물 탱크의 내부에 채워지는 상수와 독립적으로 냉매가 순환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 물 탱크의 내부에 채워지는 상수와 섞이지 않도록 독립적으로 냉매가 순환하도록 설계하고, 대기의 온도가 영하로 떨어질 경우에는 냉매 순환배관으로 냉매가 선택적으로 공급되도록 함으로써 극지방이나 동절기 등 열악한 환경에서도 연료전지 스택이 열화되는 것을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 온수의 흐름과 냉각수의 흐름이 물 탱크의 상측과 하측에서 각각 제어될 수 있으므로 물 탱크 내부의 온도를 조절하는 것이 용이해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 온수 재사용 시간을 단축시킬 수 있으며, 냉각수 주입구를 통하여 공급되는 냉각수의 온도 상승을 지연시킴으로써 온수 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 물 탱크를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 냉매 공급부를 구체적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 물 탱크를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도시된 연료전지 시스템(100)은 연료전지 스택(110), 물 탱크(120), 냉각수 순환배관(130), 냉매 순환배관(135), 열교환기(140) 및 냉매 공급부(150)를 포함한다. 또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 연료처리부(160), 산소공급부(170), 보조 보일러 모듈(180) 및 냉각 팬(190)을 더 포함할 수 있다.
연료전지 스택(110)은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이때, 연료전지 스택(110)은 적층된 수백장의 셀(cell)들로 구성되어 있으며, 물, 연료, 공기 등이 각 셀로 공급되도록 설계되어 있다.
기본적으로 각 셀은 전해질(electrolyte)에 의하여 분리된 연료극(anode)과 공기극(cathode)의 두 전극으로 구성되며, 각 셀은 분리판(separator)에 의하여 분리된다.
물 탱크(120)는 연료전지 스택(110)과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워진다. 상기 물 탱크(120)는 내부에 빈 공간을 구비하는 용기 형태를 가질 수 있다. 이때, 물 탱크(120)는 설계의 용이성을 고려해 볼 때, 육면체 형상을 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니며 원통 형상 등 다양한 형태가 적용될 수 있다.
이러한 물 탱크(120)는 상측에 각각 형성되는 냉매 주입구(P1) 및 온수 배출구(P2)와, 하측에 각각 형성되는 냉각수 주입구(P3) 및 냉매 배출구(P4)를 구비할 수 있다.
냉매 주입구(P1)로는 연료전지 스택(110)에서 발생한 폐열과 냉매 순환배관(135)을 순환하는 냉매를 연료전지 스택(110)의 폐열과 열 교환시킨 후, 회수되는 고온의 냉매가 주입되고, 온수 배출구(P2)로는 냉매 주입구(P1)로 주입되는 고온의 냉매와 물탱크(120)내에 채워지는 상수와의 열 교환에 의하여 데워진 온수가 배출된다. 그리고, 냉각수 주입구(P3)로는 냉각수, 즉 상수가 공급되고, 상기 냉매 배출구(P4)로는 물 탱크의 내부에 채워진 상수에 열 교환하여 냉각된 냉매가 배출된다.
이와 같이, 냉매 주입구(P1) 및 온수 배출구(P2)를 물 탱크(120)의 상측에 형성하고, 냉각수 주입구(P3) 및 냉매 배출구(P4)를 물 탱크(120)의 하측에 형성할 경우, 온수의 흐름과 냉각수의 흐름이 물 탱크(120)의 상측과 하측에서 각각 제어될 수 있으므로 물 탱크(120) 내부의 온도를 조절하는 것이 용이해질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 온수 재사용 시간을 단축시킬 수 있으며, 냉각수 주입구(P3)를 통하여 공급되는 냉각수의 온도 상승을 지연시킴으로써 온수 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.
냉각수 순환배관(130)은 연료전지 스택(110)과 열 교환기(140)를 상호 연결한다. 이러한 냉각수 순환배관(130)의 내부로는 냉각수가 순환하게 된다. 이때, 냉각수는, 도면으로 도시하지는 않았지만, 별도의 냉각수 저장탱크(미도시)로부터 공급받도록 설정되어 있을 수 있다.
냉매 순환배관(135)은 물 탱크(120)와 열 교환기(140)를 상호 연결하며, 상기 물 탱크(120)의 내부에 채워진 상수와 열 교환한다. 냉매 순환배관(135)은 물 탱크(120)의 내부에서 코일 형태(coil type)로 형성되어, 상기 물 탱크(120)의 내부에 채워지는 상수와 섞이지 않도록 독립적으로 냉매가 순환하도록 설계된다.
이와 같이, 냉매 순환배관(135)을 코일 형태로 형성할 경우, 물 탱크(120)의 내부에 삽입 배치되는 냉매 순환배관(135)의 내부를 통과하는 냉매의 유동 경로가 확장되는 효과로 물 탱크(120)에 채워진 상수와의 열 교환 시간을 충분히 확보할 수 있는 이점이 있다.
열 교환기(140)는 물 탱크(120)와 연료전지 스택(110) 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택(110)에서 발생한 폐열을 열교환시킨다.
냉매 공급부(150)는 냉매 순환배관(135)과 연통하도록 설치된다. 이러한 냉매 공급부(150)는 냉매 순환배관(135)으로 냉매를 선택적으로 공급 또는 차단하는 역할을 한다.
상기 냉매는 냉각수, 부동액 및 이들의 혼합 용액 중에서 선택된 것이 이용될 수 있다. 특히, 냉매는 대기 온도에 따라 선택적으로 사용할 수 있으며, 일 예로 대략 5 ~ 40℃의 온도에서는 냉각수 또는 냉각수와 부동액의 혼합 용액을 이용할 수 있고, -1℃ 이하의 온도에서는 부동액을 이용하도록 설정되어 있을 수 있다.
여기서, 부동액으로는 에틸알코올(ethyl alcohol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 염화칼슘 수용액(calcium chloride aqueous solution), 염화마그네슘 수용액(magnesium chloride aqueous solution) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
만일, 냉매로 부동액을 이용할 경우, 극지방이나 동절기 등 극한의 온도, 대략 -1℃ 이하의 온도에서도 냉매 순환배관(135)의 내부를 순환하는 냉매가 동결될 염려가 없게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템(100)은 극지방이나 동절기 등 열악한 환경에서도 연료전지 스택(110)의 열 효율 및 전기 변환 효율이 열화되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 3은 도 1의 냉매 공급부를 구체적으로 나타낸 도면으로, 이를 참조하여 냉매 공급부에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 냉매 공급부(150)는 솔레노이드 밸브(151), 냉매 공급배관(152), 냉매 공급 탱크(154) 및 밸브 제어기(156)를 포함한다. 또한, 상기 냉매 공급부(150)는 외부온도 측정센서(158)를 더 포함할 수 있다.
냉매 공급배관(152)은 냉매 순환배관(135)과 연통하도록 설치되는 솔레노이드 밸브(151)를 구비한다. 이러한 냉매 공급배관(152)은 솔레노이드 밸브(151)에 의해 냉매 순환배관(135)과 연결되거나, 또는 분리될 수 있다.
냉매 공급 탱크(154)는 냉매 공급배관(152)으로 공급되는 냉매를 저장하는 역할을 한다. 이때, 냉매는 냉각수, 부동액 및 이들의 혼합 용액 중에서 선택된 하나가 이용될 수 있다. 이 경우, 냉매 공급 탱크(154)에는, 도면으로 도시하지는 않았지만, 냉각수 저장조(미도시)와 부동액 저장조(미도시)가 구비될 수 있다. 또한, 냉매 공급 탱크(154)에는 냉매를 선택적으로 교체하기 위한 냉매 회수 펌프(미도시)가 설치되어 있을 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 냉매 순환배관(130)을 순환하는 냉매, 즉 냉각수, 부동액 및 이들의 혼합 용액 중 어느 하나를 필요에 따라 선택적으로 사용할 수 있게 된다.
밸브 제어기(156)는 후술할 외부온도 측정센서(156)로부터의 동작 신호에 응답하여 솔레노이드 밸드(151)의 온(on) 및 오프(off)를 제어한다. 이러한 솔레노이드 밸드(151)의 온(on) 및 오프(off)에 따라 냉매 순환배관(135)으로 공급되는 냉매의 공급 및 차단이 제어될 수 있게 된다.
외부온도 측정센서(158)는 냉매 공급 탱크의 주변에 설치되며, 외부 온도가 설정 값 이하로 측정될 경우, 상기 밸브 제어기(156)로 동작 신호를 출력하도록 설정되어 있을 수 있다. 이러한 외부온도 측정센서(158)는 냉매로 냉각수와 부동액을 함께 썩어 사용할 경우에 한해서 선택적으로 장착될 수 있다. 따라서, 외부온도 측정센서(158)는 냉매로 부동액만을 사용할 경우에는 장착하지 않아도 무방하다.
이때, 냉매로 냉각수와 부동액을 함께 썩어 사용할 경우, 예를 들어 설정 값은 -1℃ 이하가 될 수 있다. 이와 같이, -1℃ 이하의 온도에서만 냉매 순환배관(135)으로 냉각수와 부동액의 혼합 용액이 유입되도록 설정함으로써, 연료전지 스택의 열 효율 및 전기 변환 효율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
한편, 도 1 및 도 2를 다시 참조하면, 연료처리부(160)는 연료를 개질하여 연료전지 스택(110)에 수소(H2)를 공급한다. 이러한 연료처리부(160)는, 도면으로 도시하지는 않았지만, 연료공급장치, 개질기, 버너 등을 포함할 수 있다.
산소공급부(170)는 연료전지 스택(110)으로 산소(O2)를 공급한다. 이러한 산소공급부(170)에는 컴프레서(compressor) 또는 송풍기 등이 장착되고, 컴프레서 또는 송풍기를 이용하여 연료전지 스택(110)으로 산소를 공급하게 된다.
보조 보일러 모듈(180)은 물 탱크(120)로부터 배출되는 온수를 임시 저장하는 역할을 한다. 이때, 물 탱크(180)에 채워진 온수는 온수 배출구(P2)와 연결되는 온수배출배관(182)을 통하여 보조 보일러 모듈(180)로 배출된다. 이러한 보조 보일러 모듈(180)은 물 탱크(120)로부터의 온수를 공급받은 후, 용도에 알맞은 온도로 상승 또는 유지하는 역할을 한다. 도면으로 제시하지는 않았지만, 상기 보조 보일러 모듈(180)과 물 탱크(120)의 사이에는 보조 보일러 모듈(180)로의 온수 배출이 원활히 이루어지도록 유도하기 위한 온수 배출 펌프(미도시)가 더 배치될 수도 있다.
냉각 팬(190)은 냉매 순환배관(135)에 장착되어 물 탱크(120)의 내부를 통과하면서 냉각된 냉매의 온도를 일정 온도 이하로 낮추는 역할을 한다.
또한, 상기 연료전지 시스템(100)은 물 탱크(120)와 연결되어 상수를 보충하는 상수 공급배관(132)이 더 설치될 수 있다. 이때, 상수 공급배관(132)에는 물 탱크(120)로 상수가 공급되는 것을 제어하기 위한 상수 공급 제어밸브(134)가 더 구비되어 있을 수 있다.
전술한 구성을 갖는 연료전지 시스템은 물 탱크의 내부에 채워지는 상수와 섞이지 않도록 독립적으로 냉매가 순환하도록 설계하고, 대기의 온도가 영하로 떨어질 경우에는 냉매 순환배관으로 냉매가 선택적으로 공급되도록 함으로써 극지방이나 동절기 등 열악한 환경에서도 연료전지 스택이 열화되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 온수의 흐름과 냉각수의 흐름이 물 탱크의 상측과 하측에서 각각 제어될 수 있으므로 물 탱크 내부의 온도를 조절하는 것이 용이해질 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 온수 재사용 시간을 단축시킬 수 있으며, 냉각수 주입구를 통하여 공급되는 냉각수의 온도 상승을 지연시킴으로써 온수 사용 편의성을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 연료전지 시스템 110 : 연료전지 스택
120 : 물 탱크 130 : 냉각수 순환배관
132 : 상수 공급배관 134 : 상수 공급 제어밸브
135 : 냉매 순환배관 140 : 열 교환기
150 : 냉매 공급부 151 : 솔레노이드 밸브
152 : 냉매 공급배관 154 : 냉매 공급탱크
156 : 밸브 제어기 158 : 외부온도 측정센서
160 : 연료처리부 170 : 산소공급부
180 : 보조 보일러 모듈 182 : 온수 배출배관
190 : 냉각 팬 P1 : 냉매 주입구
P2 : 온수 배출구 P3 : 냉각수 주입구
P4 : 냉매 배출구

Claims (8)

  1. 전기화학반응으로 전기 에너지를 생성하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 상수가 채워지는 물 탱크;
    상기 물 탱크와 연료전지 스택 사이에 배치되며, 상기 연료전지 스택에서 발생한 폐열을 열교환시키는 열 교환기;
    상기 연료전지 스택과 열 교환기를 상호 연결하며, 내부로 냉각수가 순환하는 냉각수 순환배관;
    상기 물 탱크와 열 교환기를 상호 연결하며, 상기 물 탱크의 내부에 채워진 상수와 열 교환하는 냉매 순환배관; 및
    상기 냉매 순환배관과 연통하도록 형성되어, 상기 냉매 순환배관으로 냉매를 공급하는 냉매 공급부;를 포함하며,
    상기 냉매 순환배관은 상기 물 탱크의 내부에서 코일 형태로 형성되어, 상기 물 탱크의 내부에 채워지는 상수와 독립적으로 냉매가 순환하는 것을 특징으로 하고,
    상기 냉매 공급부는 상기 냉매 순환배관과 연통하는 솔레노이드 밸브를 구비하는 냉매 공급배관과, 상기 냉매 공급배관으로 공급되는 냉매가 저장되는 냉매 공급 탱크와, 동작 신호에 응답하여 상기 솔레노이드 밸드를 개방시켜 상기 냉매 순환배관으로 냉매가 공급되도록 제어하는 밸브 제어기와, 상기 냉매 공급 탱크의 주변에 설치되며, 외부 온도가 설정 값 이하로 측정될 경우, 상기 밸브 제어기로 동작 신호를 출력하는 외부온도 측정센서를 포함하되,
    상기 냉매는 냉각수 및 부동액의 혼합 용액이 이용되며, 상기 부동액은 에틸알코올(ethyl alcohol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 염화칼슘 수용액(calcium chloride aqueous solution) 및 염화마그네슘 수용액(magnesium chloride aqueous solution) 중 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은
    상기 물 탱크로부터 배출되는 온수를 임시 저장하기 위한 보조 보일러 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 물 탱크는
    상측에 각각 형성된 냉매 주입구 및 온수 배출구와,
    하측에 각각 형성되는 냉각수 주입구 및 냉매 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 시스템은
    상기 냉매 순환배관에 장착되어 상기 물 탱크의 내부를 통과하면서 냉각된 냉매의 온도를 낮추는 냉각 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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