KR101553443B1 - 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크 - Google Patents

카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크 Download PDF

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Abstract

카트리지를 포함함으로써, 비이상적인 냉각수 부족현상 및 팽창으로 인한 냉각수가 새는 등의 문제를 사전에 방지할 수 있으며, 시스템 내부의 유지보수 포인트 감소 및 냉각수 탱크 구조의 간소화에 따른 기술력을 향상할 수 있는 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크는 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크 본체; 상기 냉각수 탱크 본체의 상면을 덮고, 원형의 홀을 구비하는 냉각수 탱크 덮개; 상기 냉각수 탱크 덮개에 형성된 원형의 홀 내에 삽입 장착되며, 상기 냉각수 탱크 본체 내의 수위를 조절하기 위해 냉각수가 저장되는 카트리지; 상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 냉각수를 연료전지스택으로 배출하기 위한 냉각수 배출구; 및 상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 연료전지스택과 열교환되어 가열된 냉각수를 상기 냉각수 탱크 본체 내로 유입시키기 위한 냉각수 유입구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크{COOLING WATER TANK FOR FUEL CELL SYSTEM INCLUDING CARTRIDGE}
본 발명은 연료전지 시스템용 냉각수 탱크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카트리지를 장착하여 냉각수 탱크의 수위변화에 따른 압력차에 의해, 카트리지 내의 냉각수가 냉각수 탱크 본체 내로 유입 또는 배출되어 냉각수 수위가 즉시 조절될 수 있는 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 탱각수 탱크에 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 연료전지스택과 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, 연료전지스택은 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 시스템의 냉각수 탱크는 수위센서를 통해 냉각수를 보충하는 구조이므로 수위 상승 시 레벨측정 및 솔레노이드 밸브장착/제어 추가 등의 장치가 복잡하며 냉각수 탱크의 수위부족 시 현상파악 후 조치하는 시간 동안 시스템이 정지되어 있어야 하는 문제점이 있었다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제2002-0071893호(2002.09.13. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지 시스템 및 그 운전방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 냉각수 탱크에 카트리지를 장착함으로써, 냉각수 탱크 본체 내의 냉각수 수위 변화에 따른 압력차에 의해 압력평형 시까지 카트리지로부터 냉각수가 유입 또는 배출되는 방법을 통해 냉각수 탱크의 수위를 조절할 수 있는 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크는 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크 본체; 상기 냉각수 탱크 본체의 상면을 덮고, 원형의 홀을 구비하는 냉각수 탱크 덮개; 상기 냉각수 탱크 덮개에 형성된 원형의 홀 내에 삽입 장착되며, 상기 냉각수 탱크 본체 내의 수위를 조절하기 위해 냉각수가 저장되는 카트리지; 상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 냉각수를 연료전지스택으로 배출하기 위한 냉각수 배출구; 및 상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 연료전지스택과 열교환되어 가열된 냉각수를 상기 냉각수 탱크 본체 내로 유입시키기 위한 냉각수 유입구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크는 카트리지를 포함함으로써, 비이상적인 냉각수 부족현상 및 팽창으로 인한 냉각수가 새는 등의 문제를 사전에 방지할 수 있으며, 시스템 내부의 유지보수 포인트 감소 및 냉각수 탱크 구조의 간소화에 따른 기술력을 향상할 수 있다.
도 1은 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수 탱크를 도시한 단면도이다.
도 3은 냉각수가 저수위일 경우 냉각수 탱크를 도시한 단면도이다.
도 4는 냉각수가 고수위일 경우 냉각수 탱크를 도시한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 도시된 연료전지 시스템(1)은 연료전지스택(10), 냉각수 탱크(100), 열교환기(40), 연료처리부(60), 공기공급부(70), 보조 보일러 모듈(80) 및 냉각 팬(90)을 포함한다.
연료전지스택(10)은 수소의 산화반응 및 산소의 환원반응이 동시에 일어나는 전기화학 반응으로 전기 에너지를 생성한다. 이때, 연료전지스택(10)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.
냉각수 순환배관(30)은 연료전지 스택(10), 열 교환기(40) 및 냉각수 탱크(100)에 각각 연결되는 폐 순환 구조를 갖는다.
냉각수 탱크(100)는 연료전지스택(10)과 이격되도록 설치되며, 내부 공간에 냉각수가 채워진다. 이러한 냉각수 탱크(100)는 상측에 형성되는 냉각수 유입구(130)와, 하측에 형성되는 냉각수 배출구(140) 및 냉각수 탱크(100)의 냉각수 수위를 일정하게 유지시키는 냉각수를 저장하는 카트리지(120)를 구비할 수 있다.
냉각수 유입구(130)로는 연료전지스택(10)에서 발생한 열을 흡수한 고온의 냉각수가 열 교환기(40)를 거친 후 냉각수 유입구(130)를 통해 유입되고, 냉각수 배출구(140)로는 냉각수 탱크(100)의 내부에 채워진 냉각수에 의해 열 교환하여 냉각된 냉각수가 연료전지스택(10)으로 배출된다.
열 교환기(40)는 냉각수 탱크(100)와 연료전지스택(10) 사이에 배치되며, 상기 연료전지스택(10)에서 발생한 폐열을 열교환시킨다.
연료처리부(60)는 연료전지스택(10)에 수소를 공급한다. 이러한 연료처리부(60)는 도면으로는 도시하지 않았지만 연료공급장치, 개질기, 버너 등을 포함할 수 있다.
공기공급부(70)는 연료전지스택(10)으로 공기를 공급한다. 이러한 공기공급부(70)에는 컴프레서(compressor) 또는 블로워(blower) 등이 장착되고, 상기 컴프레서 또는 블로워를 이용하여 연료전지스택(10)으로 공기를 공급할 수 있다.
온수저장 탱크(85)는 연료전지스택(10)과 이격되어, 열교환기(40)에 의해 온도가 상승한 온수를 저장한다.
보조 보일러 모듈(80)은 온수저장 탱크(85)로부터 온수를 사용할 시, 사용자가 원하는 원도로 승온시켜 주는 역할을 한다.
냉각 팬(90)은 온수저장 탱크(85)로부터 배출된 온수를 일정 온도 이하로 낮추어주어 냉각된 냉각수가 열교환기(40)로 이동할 수 있도록 해준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각수 탱크를 도시한 단면도이고, 도 3은 냉각수가 저수위일 경우 냉각수 탱크를 도시한 단면도이며, 도 4는 냉각수가 고수위일 경우 냉각수 탱크를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 냉각수 탱크(100)는 냉각수 탱크 본체(110), 카트리지(120), 냉각수 배출구(140) 및 냉각수 유입구(130)를 포함할 수 있다.
냉각수 탱크 본체(110)는 내부에 냉각수가 저장될 수 있는 빈공간을 구비하는 용기형태를 가지며, 냉각수의 온도를 유지하기 위해 외부로부터의 열을 차단할 수 있는 단열소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 냉각수 탱크 본체(110)의 상면을 덮는 냉각수 탱크 덮개(115)를 더 포함할 수 있다. 냉각수 탱크 덮개(115)에 형성된 홀(미도시)에는 후술할 카트리지(120)가 삽입 장착된다. 장착된 카트리지(120)는 냉각수 탱크 덮개(115)의 홀에 고무링 또는 기타 실링제로 밀봉되어 체결되는 것이 바람직하다.
냉각수 탱크 본체(110)의 일측 상부에 냉각수 유입구(130)가 형성되고, 그 하부에 냉각수 배출구(140)가 형성되는 것이 바람직하다. 냉각수 배출구(140)를 통해 배출된 냉각수는 연료전지스택의 내부를 순환하며 열을 흡수한 후, 냉각수 유입구(130)를 통해 냉각수 탱크 본체(110)로 다시 유입되고, 냉각수 탱크 본체(110)는 연료전지스택을 순환하며 온도가 상승한 냉각수를 다시 냉각시켜주는 역할도 할 수 있다.
냉각수 유입구(130) 및 냉각수 배출구(140)는 냉각수 탱크 본체(110)의 일측에 형성되며, 상기 냉각수 유입구 또는 배출구(130, 140)를 통해 연료전지스택 내로 냉각수가 유입되거나 배출될 수 있다. 이때, 냉각수 흐름은 냉각수 탱크 본체(110)의 냉각수 배출구(140)와 이격되어 설치된 구동모터(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
카트리지(120)는 카트리지 덮개(122), 개폐밸브(124), 다이어프램(126) 및 냉각수 포트(128)를 포함하며, 내부에 냉각수가 저장될 수 있는 빈공간을 구비하는 용기 형태를 가진다. 또한, 카트리지(120)는 상술한 냉각수 탱크 덮개(115)에 구비된 원형의 홀(미도시)에 삽입 장착되되, 냉각수 탱크 본체(110)의 저면으로부터 이격되어 위치하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 카트리지 덮개(122)는 카트리지(120) 상면을 덮는 구조로 형성되며, 상기 카트리지 덮개(122)는 카트리지(120) 상면에 고무링 또는 기타 실링제를 통해 밀봉되어 체결되는 것이 보다 바람직하다.
냉각수 포트(128)는 카트리지(120)의 하부에 형성되어 냉각수 탱크 본체(110) 내의 냉각수의 수위에 따른 압력차에 의해 카트리지(120)에서 냉각수 탱크 본체(110)로 냉각수를 배출 또는 유입시킴으로써, 냉각수 탱크 본체(110) 내의 냉각수 수위가 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
냉각수 탱크 본체(110) 내의 냉각수가 저수위 상태일 경우에는 냉각수 탱크 본체(110) 내의 압력이 낮아지고 이에 따라, 카트리지(120)에 저장된 냉각수가 냉각수 포트(128)를 통해 냉각수 탱크 본체(110) 내로 흘러 들어가 냉각수가 보충될 수 있다. 반대로, 냉각수 탱크 본체(110) 내의 냉각수가 고수위 상태일 경우에는 냉각수 탱크 본체(110) 내의 압력이 높아지고 이에 따라, 냉각수 탱크 본체(110) 내의 냉각수가 냉각수 포트(128)를 통해 카트리지(120)로 흘러 들어가 냉각수의 수위를 일정하게 유지할 수 있다.
이때, 카트리지(120)의 상면을 덮는 카트리지 덮개(122)의 중앙부에 개폐밸브(124)를 형성하여, 카트리지(120) 내의 압력을 조절하는 것이 바람직하다. 개폐밸브(124)는 카트리지 덮개(122) 바로 아래 위치하는 다이어프램(126)에 의해 카트리지(120) 내의 압력을 조절할 수 있다.
다이어프램(126)은 금속 또는 고분자 박막으로 이루어져 탄성 및 유연성을 가지며, 카트리지(120) 내의 압력차에 의해 상하방향으로 변위할 수 있다. 보다 상세하게는, 철상(凸狀) 형태로 이루어지는 다이어프램(126)의 양단은 카트리지 덮개(122)에 고정되어 있고, 중앙부는 카트리지(120) 내의 압력 변화에 따라 상하로 휘도록 변위될 수 있다.
따라서, 카트리지(120) 내의 압력변화에 의해 다이어프램(126)이 변위하게 되고 이에 따라, 상기 다이어프램(126)의 돌출부에 부착된 개폐밸브(124)도 함께 변위하게 된다.
그 결과 다이어프램(126)의 변위에 의해 개폐밸브(124)의 개방도가 조절됨으로써, 카트리지(120)에 공기가 유입되거나 배출될 수 있어 카트리지(120) 내의 압력을 조정할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크는 냉각수 탱크 내에 별도의 카트리지를 포함함으로써, 카트리지와 냉각수 탱크 본체의 압력차에 의해 냉각수 수위가 일정하게 유지될 수 있어 종래의 수위조절을 위한 복잡한 장치를 단순화 할 수 있으며, 비이상적인 냉각수 부족현상 및 팽창으로 인한 냉각수가 새는 등의 문제를 사전에 방지할 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 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.
1 : 연료전지 시스템 10 : 연료전지스택
30 : 냉각수 순환배관 40 : 열 교환기
60 : 연료처리부 70 : 공기공급부
80 : 보조 보일러 모듈 85 : 온수저장 탱크
90 : 냉각 팬
100 : 냉각수 탱크 110 : 냉각수 탱크 본체
115 : 냉각수 탱크 덮개 120 : 카트리지
122 : 카트리지 덮개 124 : 개폐밸브
126 : 다이어프램 128 : 냉각수 포트
130 : 냉각수 유입구 140 : 냉각수 배출구

Claims (3)

  1. 냉각수를 저장하는 냉각수 탱크 본체;
    상기 냉각수 탱크 본체의 상면을 덮고, 원형의 홀을 구비하는 냉각수 탱크 덮개;
    상기 냉각수 탱크 덮개에 형성된 원형의 홀 내에 삽입 장착되며, 상기 냉각수 탱크 본체 내의 수위를 조절하기 위해 냉각수가 저장되는 카트리지;
    상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 냉각수를 연료전지스택으로 배출하기 위한 냉각수 배출구; 및
    상기 냉각수 탱크 본체의 일측에 형성되며, 상기 연료전지스택과 열교환되어 가열된 냉각수를 상기 냉각수 탱크 본체 내로 유입시키기 위한 냉각수 유입구;를 포함하며,
    상기 카트리지는 상기 카트리지 상면을 덮는 카트리지 덮개와, 상기 카트리지의 하부에 형성되며, 상기 냉각수 탱크 본체로 냉각수를 배출 및 유입시키는 냉각수 포트와, 상기 카트리지 덮개에 양단이 고정되어, 카트리지 내의 압력변화에 의해 상하로 변위하는 다이어프램과, 상기 카트리지 덮개 중앙부에 형성되어, 상기 다이어프램의 일측에 부착된 개폐밸브를 포함하고,
    상기 카트리지는 상기 냉각수 탱크 덮개에 형성된 원형의 홀 내에 삽입되어, 상기 냉각수 탱크 본체의 내부에 배치되되, 상기 카트리지의 외부 바닥면이 상기 냉각수 탱크 본체의 내부 바닥면과 일정 간격으로 이격 배치되며,
    상기 냉각수 탱크 본체 내의 냉각수가 절반 미만으로 채워지는 저수위 상태일 경우에는 상기 냉각수 탱크 본체 내의 압력이 낮아짐에 따라 상기 카트리지에 저장된 냉각수가 냉각수 포트를 통해 냉각수 탱크 본체 내로 유입되어 보충되고, 상기 냉각수 탱크 본체 내의 냉각수가 절반 이상으로 채워지는 고수위 상태일 경우에는 상기 냉각수 탱크 본체 내의 압력이 높아짐에 따라 냉각수 탱크 본체 내의 냉각수가 냉각수 포트를 통해 카트리지의 내부로 유입되어 냉각수의 수위가 조절되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이어프램은
    철상(凸狀) 형태의 박판인 것을 특징으로 하는 카트리지를 구비하는 연료전지 시스템용 냉각수 탱크.
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