KR101729531B1 - 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛 및 이동형 연료전지 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이동형 연료전지 발전기에는 일산화탄소(CO)를 제거하는 프록스(10)의 방출 열에 의한 상변화로 프록스(10)의 활성화 온도를 제어하는 히트파이프(20)로 구성된 자체냉각방식 프록스 유닛(1,1-1)이 적용됨으로써 팬(80)의 구동 없이 이루어지는 프록스 온도 안정화 제어로 히트파이프(20)의 용량에 따른 보조적인 팬 구동이 가능해 팬 수량 및 용량을 크게 축소하고, 특히 프록스(10)의 신속하면서 안정적인 온도제어로 시스템 안정성이 크게 개선되는 특징을 갖는다.

Description

자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛 및 이동형 연료전지 발전기{Self Cooling type PrOx and Portable Fuel Cell Generator thereby}

본 발명은 프록스에 관한 것으로, 특히 히트파이프를 이용한 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛 및 이동형 연료전지 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 개질기에서 생성된 수소(이하,H2)는 연료전지스택 촉매 피독의 원인인 일산화탄소(이하,CO)를 함유하므로 연료로 공급되기 전 프록스(PrOx)의 선택적 산화반응을 통해 제거되거나 제한적인 농도로 낮춰진다.

그러므로, LPG 등의 연료를 사용하여 연료전지스택의 발전에 필요한 H2를 발생 시키는 개질기로 구성된 이동형 연료전지 발전기에는 개질기로 부터 나온 개질 수소에 포함 되어있는 CO를 제거하는 부품인 프록스가 포함된다.

또한, 이동형 연료전지 발전기에는 프록스 온도제어를 위한 프록스냉각제어가 더 포함되는데, 이는 프록스는 발열 반응으로 CO제거가 이루어지는 선택적 산화반응 방식임에 기인된다.

상기 프록스냉각제어는 프록스의 온도가 약 100~120℃ 이상으로 상승될 때 팬을 구동시켜줌으로써 프록스의 온도를 냉각하는 강제냉각방식으로 구현된다. 이를 위해, 상기 프록스에는 프록스 온도센서, 온도를 모니터링하고 약 100~120℃ 이상(설정 로직에 따라 다름)의 온도상승 시 제어신호를 출력하는 제어기, 제어기의 제어신호로 가동되는 고용량 팬이 포함된다.

그러므로, 개질기와 강제냉각방식 프록스를 갖춘 이동형 연료전지 발전기는 발전 시 수소의 산화반응 발생으로 개질 성능을 대폭 하락시키면서 안전에도 치명적인 영항을 미치는 프록스 온도가 200℃ 이상으로 상승되지 않도록 제어될 수 있다.

국내특허공개10-2011-0019608(2011년02월28일)

하지만, 팬을 이용한 강제냉각방식은 프록스에서 발열되는 열량이 높을수록 프록스 온도 제어에 어려움이 있고, 유속이 빠른 고 RPM(Revolution per Minute)의 팬을 적용하여야 한다.

특히, 발열되는 열량이 높은 프록스를 적정온도로 신속히 냉각하기 위해선 팬 수량도 늘어나야 함으로써 팬 소음 증가와 함께 팬 가동을 위한 소비전력도 증가된다.

그러므로, 팬을 이용한 강제적인 프록스 냉각방식은 이동형 연료전지 발전기의 시스템 편의적인 사항과 전기적 효율적인 면에서 크게 불리할 수밖에 없다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 프록스에 히트파이프를 적용함으로써 팬 구동없이도 프록스 온도 안정화 제어가 이루어지고, 특히 히트파이프의 용량에 따른 보조적인 팬 구동으로 팬 수량 및 용량도 크게 축소되는 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛 및 이동형 연료전지 발전기를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛은 선택적 산화반응에 의한 일산화탄소(CO)제거를 위해 활성화 온도로 가열되는 프록스의 활성화 온도 초과 시 상기 프록스의 방출열로 상변화되는 작동유체 순환에 의한 열 흡수가 구현되어 상기 프록스의 온도제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 작동유체 순환에 의한 열 흡수는 히트파이프로 이루어진다. 상기 히트파이프는 프록스 하우징의 한쪽으로 결합되거나 또는 프록스 하우징의 양쪽으로 결합된다. 상기 히트파이프는 내부에서 순환되는 상기 작동유체를 상기 프록스로부터 전달된 방출 열로 증기로 상변환시켜주는 증발기, 상기 증발기에서 나온 증기에서 열을 빼앗아 다시 액체로 상변환시켜주는 냉각기, 상기 증발기와 상기 냉각기를 연결하는 라인, 상기 냉각기에 형성된 방열핀으로 구성된다.

상기 프록스에는 팬이 더 포함되고, 상기 팬은 상기 프록스의 활성화 온도 초과 시 제어신호를 출력하는 제어기로 제어된다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이동형 연료전지 발전기는 공급된 연료에서 수소(H2)를 발생하는 개질기; 선택적 산화반응에 의한 일산화탄소(CO)제거를 위해 활성화 온도로 가열되는 프록스, 상기 프록스의 방출 열로 작동유체의 액체 및 기체 상변화가 이루어지면서 순환되는 과정에 의한 열 흡수로 상기 프록스의 활성화 온도 초과를 낮추어주는 히트파이프로 구성된 자체냉각방식 프록스 유닛; 상기 자체냉각방식 프록스 유닛에서 일산화탄소(CO)가 제거되거나 농도를 낮춘 수소(H2)를 공급받아 발전이 이루어지는 연료전지스택;을 포함한 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은 이동형 연료전지 발전기에 적용된 프록스(PrOx)가 히트파이프를 이용한 자체냉각방식으로 온도 제어됨으로써 다음과 같은 효과가 구현된다.

첫째로 프록스 냉각용 팬 소비전력 감소를 통한 발전기 시스템 전체 효율 향상이 이루어지고, 둘째로 프록스 냉각용 팬 회전 속도 감소를 통한 팬 소음 저감과 발전기 시스템 저소음 적용 및 사용자 편의성 향상이 이루어지며, 셋째로 프록스 냉각 효율 향상을 통한 프록스 내부 선택적 산화반응 온도 안정화 및 CO 제거 성능 확보가 이루어지고, 끝으로 프록스 과열을 방지하여 발전기 시스템 안전성 향상이 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 히트파이프가 이중으로 적용된 자체냉각방식 프록스 유닛 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛에 적용된 히트파이프의 작동원리이고, 도 4는 본 발명에 따른 자체냉각방식 프록스 유닛이 적용된 이동형 연료전지 발전기 구성도이며, 도 5는 본 발명에 따른 이동형 연료전지 발전기의 발전 시 프록스의 온도제어 상태이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 단일형 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛(1)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛(1)은 프록스(10), 프록스(10)의 한쪽 부위로 장착된 히트파이프(20)로 구성된다.

또한, 도 2는 본 실시예에 따른 복합형 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛(1-1)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)은 프록스(10), 프록스(10)의 양쪽 부위로 장착된 좌,우측 히트파이프(20-1,20-2)로 구성된다.

본 실시예에서, 상기 프록스(10)는 발열 반응으로 CO제거가 이루어지는 선택적 산화반응 방식이다. 그리고, 상기 히트파이프(20)와 상기 좌측 히트파이프(20-1) 및 상기 우측 히트파이프(20-2)는 모두 동일한 구성요소로 이루어지며, 단지 도 1의 히트파이프(20)가 프록스(10)의 양쪽으로 각각 장착됨으로써 히트파이프(20)의 구분을 위해 각각 좌측 히트파이프(20-1)와 우측 히트파이프(20-2)로 구분되어 불리는 명칭 차이밖에 없다.

그러므로, 좌,우측 히트파이프(20-1,20-2)에 대한 설명은 히트파이프(20)에 대한 기술로 이해될 수 있다.

구체적으로, 상기 히트파이프(20)는 내부에서 순환되는 액체를 프록스(10)로부터 전달된 열로 증기로 상변환시켜주는 증발기(30), 증발기(30)에서 나온 증기에서 열을 빼앗아 다시 액체로 상변환시켜주는 냉각기(40), 증발기(30)에서 나온 증기를 냉각기(40)로 보내주는 기체라인(50-1), 냉각기(40)에서 나온 액체를 증발기(30)로 보내주는 액체라인(50-2)으로 구성된다. 또한, 상기 냉각기(40)에는 열 방출성능을 높이도록 방열핀(40-1)이 형성된다.

그리고, 상기 히트파이프(20)와 상기 프록스(10)의 결합은 프록스 하우징을 이용한 직접적인 장착도 가능하나, 프록스 브래킷(60)을 매개로 프록스 하우징에 결합되는 간접적인 장착방식이 바람직하다. 일례로, 프록스 브래킷(60)과 프록스(10)를 용접하도록 프록스 브래킷(60)의 한쪽면에 프록스 외관을 감싸는 구조로 하고, 프록스 브래킷(60)과 히트파이프(20)를 볼팅체결하도록 프록스 브래킷(60)의 반대쪽 면에 볼팅홀을 뚫은 구조로 할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 적용되는 히트파이프(20)의 작동원리는 도 3을 통해 예시된다. 도시된 바와 같이, 히트파이프(20)는 감압(減壓)한 파이프 내부에 물 또는 알코올 등의 액체를 넣고 한쪽을 가열하면 액체가 증기로 되어 다른 쪽으로 흐르고, 그곳에서 방열하여 액체가 되면 모세관 현상에 의해 액체가 가열부로 되돌아오며, 이러한 작용의 반복으로 열을 증발기(30)에서 냉각기(40)로 전달하는 원리를 응용한 열전도(熱傳導)방식이다.

그러므로, 도 1,2를 통해 기술된 히트파이프(20)는 열 이송을 위해 밀폐된 용기(단일 또는 환형 파이프)인 증발기(30)내에 작동 유체로 물 또는 알콜을 주입한 후 진공상태를 형성함으로써 프록스(10)에서 전달되는 열로 가열되고, 가열을 통해 증발기(30)의 내부에 충진된 작동유체가 기화됨에 따른 압력 차로 기체라인(50-1)을 이용해 냉각기(40)로 빠져나감으로써 방열핀(40-1)의 냉각촉진을 통해 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 액체로 상변환되고, 이어 액체라인(50-2)을 통해 다시 증발기(30)로 귀환됨으로써 프록스(10)가 냉각될 수 있다. 특히, 상기 히트파이프(20)는 작동유체의 귀환 방법에 따라 메쉬와 그루브 등의 윅에 의한 모세관력을 이용한 방식이나 또는 증발기가 응축기 보다 아래쪽에 위치된 중력을 이용한 열싸이펀 방식을 적용할 수 있고, 히트 파이프 형태에 따라 단일형이나 환형 고리 형태의 루프형이 적용될 수 있다. 또한, 상기 히트파이프(20)는 인공위성, 발전기 등 대형 장비에서 소형 전자 기기 냉각, 태양열, 지열, 폐열회수등에 적용되는 모든 종류의 히트파이프가 적용될 수 있다.

한편, 도 4는 본 실시예에 따른 자체냉각방식 프록스 유닛(1)이 적용된 이동형 연료전지 발전기 구성을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 이동형 연료전지 발전기는 히트파이프 작동유체가 상변환되어 순환하는 자체냉각방식 프록스 유닛(1), 팬(80), 제어기(90), 개질기(100), 연료전지스택(200)을 포함한다. 이 경우 상기 자체냉각방식 프록스 유닛(1)은 단일형으로 구성되었으나, 이동형 연료전지 발전기는 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)으로 구성됨으로써 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)을 포함할 수 있다.

그러므로, 상기 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛(1)이나 상기 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)은 도 1내지 도 3을 통해 기술된 바와 동일하게 구성된다.

상기 팬(80)은 공급된 전원으로 회전됨으로써 프록스(10)쪽에서 끌어들인 바람을 방열핀(40-1)쪽으로 빼내주는 작용을 하고, 상기 제어기(90)는 프록스(10)의 온도 제어 효율을 향상하도록 프록스 온도 조건에 따라 팬(80)의 가동을 위한 제어신호를 출력한다. 그러므로, 상기 단일형 이중 자체냉각방식 프록스 유닛(1)나 상기 복합형 이중 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)은 팬(80) 및 제어기(90)와 함께 구성됨으로써 프록스(10)의 온도 제어 시 제어기(90)에 의한 팬(80)의 구동으로 온도제어성능을 보다 개선할 수 있다. 이러한 온도제어효율향상은 프록스 온도 제어를 위한 보조수단으로 팬 구동이 이루어짐으로써 저용량 팬 적용이 가능하면서 동시에 팬 수량도 축소되는 효과로 구현된다.

상기 개질기(100)는 개질기연소부(100-1)와 개질기촉매부(100-2)를 포함하고, LPG 등의 연료를 사용하여 연료전지스택(200)의 발전에 필요한 H2를 발생 시킨다. 하지만, 사용연료에 제한되지 않고 H2 생성이 가능한 모드 종류의 연료를 사용한다.

상기 연료전지스택(200)은 개질기(100)에서 생성된 H2에서 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛(1)이나 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)을 통해 CO제거된 H2를 연료로 공급받음으로써 CO에 의한 촉매 피독영향이 최소화된 상태로 발전을 수행한다.

한편, 본 실시예에 따른 이동형 연료전지 발전기는 프록스(10)의 온도제어를 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛(1)이나 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛(1-1)을 통해 모두 구현하며, 이하 설명은 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛(1)을 예로 설명된다.

도 5는 프록스 온도 제어상태로서, 이는 프록스(10)의 온도가 원하는 온도 이상으로 과열되어 있어 프록스(10)에서 발생된 열이 프록스 브래킷(60)을 거쳐 히트파이프(20)로 전달된 상태이다. 그러면, 프록스(10)의 방출 열은 히트파이프(20)의 증발기(30)로 전도되고, 증발기(30)내 히프파이프 작동유체는 열전도로 액체에서 기체(또는 증기)로 상변환됨으로써 열을 흡수하며, 기체(증기)는 기체라인(50-1)을 거쳐 냉각기(40)로 흘러감으로써 방열핀(40-1)의 상승작용으로 증기 열을 방출한 후 액체로 상변환되며, 액체는 액체라인(50-2)을 거쳐 증발기(30)로 다시 유입되는 순환을 통해 흡수된다. 또한, 제어기(90)는 팬(80)을 가동시킴으로써 원하는 프록스 온도가 보다 신속하게 제어될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이동형 연료전지 발전기에는 일산화탄소(CO)를 제거하는 프록스(10)의 방출 열에 의한 상변화로 프록스(10)의 활성화 온도를 제어하는 히트파이프(20)로 구성된 자체냉각방식 프록스 유닛(1,1-1)이 적용됨으로써 팬(80)의 구동 없이 이루어지는 프록스 온도 안정화 제어로 히트파이프(20)의 용량에 따른 보조적인 팬 구동이 가능해 팬 수량 및 용량을 크게 축소하고, 특히 프록스(10)의 신속하면서 안정적인 온도제어로 시스템 안정성이 크게 개선된다.

1 : 단일형 자체냉각방식 프록스 유닛
1-1 : 복합형 자체냉각방식 프록스 유닛
10 : 프록스(PrOx) 20 : 히트파이프
20-1,20-2 : 좌,우측 히트파이프
30 : 증발기 40 : 냉각기
50-1 : 기체라인 50-2 : 액체라인
60 : 프록스 브래킷 80 : 팬
90 : 제어기
100 : 개질기 100-1 : 개질기연소부
100-2 : 개질기촉매부
200 : 연료전지스택

Claims (8)

1. 선택적 산화반응에 의한 일산화탄소(CO)제거를 위해 활성화 온도로 가열되는 프록스의 활성화 온도 초과 시 상기 프록스의 방출열로 상변화되는 작동유체 순환에 의한 열 흡수로 상기 프록스의 온도제어가 이루어지며;
   상기 작동유체 순환에 의한 열 흡수는 히트파이프로 이루어지고, 상기 히트파이프는 내부에서 순환되는 상기 작동유체를 상기 프록스로부터 전달된 방출 열로 증기로 상변환시켜주는 증발기, 상기 증발기에서 나온 증기에서 열을 빼앗아 다시 액체로 상 변환시켜주는 냉각기, 상기 증발기와 상기 냉각기를 연결하는 라인, 상기 냉각기에 형성된 방열핀으로 구성되고;
   상기 히트파이프는 프록스 브래킷을 매개로 상기 프록스의 프록스 하우징에 결합되고, 상기 프록스 브래킷은 상기 프록스와 용접되도록 상기 프록스 하우징의 외관을 감싸면서 상기 히트파이프와 볼팅 체결되도록 볼팅홀을 뚫어주고;
   상기 프록스에는 팬이 더 포함되고, 상기 팬은 상기 프록스의 활성화 온도 초과 시 제어신호를 출력하는 제어기로 제어되며, 상기 팬은 상기 방열핀의 측면에 위치된 상태에서 상기 제어기에 의한 가동 시 상기 프록스로부터 상기 방열핀쪽으로 바람을 끌어들임으로써 냉각풍 흐름이 상기 프록스에서 상기 프록스 브래킷을 거쳐 상기 증발기로 전도되는 상기 프록스의 열 전달 흐름과 일치되는
   것을 특징으로 하는 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 프록스에는 상기 히트파이프가 프록스 하우징의 한쪽으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 프록스에는 상기 히트파이프가 프록스 하우징의 양쪽으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자체냉각방식이 적용된 프록스 유닛.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 공급된 연료에서 수소(H2)를 발생하는 개질기;
   청구항 1과 청구항 3 및 청구항 4 중 어느 한 항에 의한 자체냉각방식 프록스 유닛;
   상기 자체냉각방식 프록스 유닛에서 일산화탄소(CO)가 제거되거나 농도를 낮춘 수소(H2)를 공급받아 발전이 이루어지는 연료전지스택;
   이 포함된 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 발전기.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 연료는 LPG를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동형 연료전지 발전기.

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