KR101897476B1 - 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 단위 스택을 감싸도록 별도의 온도 조절용 재킷을 설치하고 이 온도 조절용 재킷 내부에 고온의 가스를 공급함으로써, 연료전지 전체가 균일한 온도를 가질 수 있도록 해주는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지는, 산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120); 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140); 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160); 상기 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷(170); 및 상기 공기 공급관(130)으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷(170)으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관(171) 및 상기 온도 조절용 재킷(170)의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 공기 공급관(130)으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관(172);을 포함할 수 있다.

Description

온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지{FUEL CELL WITH JACKET FOR CONTROLLING TEMPRATURE}
본 발명은 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 스택을 둘러싸도록 온도 조절용 재킷을 설치하여 연료전지의 효율을 향상시킨 구조에 관한 것이다.
일반적으로 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율 또한 낮은 문제점이 있었다.
이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에 연료전지 시스템이 개발되고 있다. 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다. 즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.
연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80% 이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.
도 1은 하나의 단위 스택으로 된 연료전지 시스템의 구성을 간단히 나타낸다. 연료전지(100)는 단위 셀이 여러 층으로 적층된 단위 스택(120)으로 구성된다. 상기 단위 셀은 평판형 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)의 경우 공기(산소)를 공급하는 공기극(123)과 높은 이온전도도를 가지는 전해질(124)과 연료가스(수소)를 공급하는 연료극(125)이 적층되며, 상기 공기극(123)에는 공기가 통과하는 관통홈(122)이 형성된 분리판(121)이 접착되고 상기 연료극(125)에는 연료가스가 통과하는 관통홈(126)이 형성된 분리판(127)이 접착된다. 이와 같이 구성된 단위 셀이 복수 개로 적층되어 하나의 단위 스택(120)이 만들어지며, 이 단위 스택(120)의 상, 하 끝단에는 엔드 플레이트(110)가 연결 지지봉(115)을 매개로 일정 크기 이상의 압력으로 가압 장착되어 단위 스택(120)의 기밀성 및 구조적 안정성을 확보한다.
도 1의 A-A' 단면을 나타낸 도 2에서 보듯이, 상기 연료전지(100)는 상기 단위 스택(120)의 내부로 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140)이 형성된다. 상기 공기 공급관(130)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급된 공기는 단위 스택(120)을 구성하는 각각의 단위 셀의 공기극을 통과하는 과정에서 화학 반응에 기여하게 되고, 반응에 참여하지 못한 공기는 상기 공기 배출관(140)을 통해 외부로 배출된다.
도 1의 B-B' 단면을 나타낸 도 3에서 보듯이, 상기 연료전지(100)는 상기 단위 스택(120)의 내부로 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)이 형성된다. 상기 연료가스 공급관(150)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급된 공기는 단위 스택(120)을 구성하는 각각의 단위 셀의 연료극을 통과하는 과정에서 화학 반응에 기여하게 되고, 반응에 참여하지 못한 연료가스는 상기 연료가스 배출관(160)을 통해 외부로 배출된다.
이와 같이 구성된 연료전지(100)는 화학 반응성을 높이기 위하여 단위 스택(120) 내부로 공급되는 공기 또는 연료 가스를 고온으로 가열한다. 또한, 연료전지 내부에서 일어나는 산소와 수소가 만나 물을 생성하는 화학 반응은 발열 반응으로서 많은 열을 외부로 발산시킨다. 그 결과, 고온형 연료전지는 통상적으로 300℃ 이상의 고온에서 작동된다.
이와 같이, 고온으로 공급되는 가스의 흐름 및 발열 반응 등으로 인하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 가스의 입출구 방향, 스택의 상하 방향, 스택의 내, 외부 방향에 따라 온도 편차가 크게 발생한다. 연료전지의 작동 중에 발생하는 큰 온도 편차는 스택 구성물질의 열팽창 계수의 차이로 인해 물질 사이 또는 물질 자체에서 균열을 발생시킨다. 이러한 균열은 연료전지 스택 내의 가스의 반응성을 감소시켜 전체적으로 연료전지의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 균열이 더욱 커지면 시스템을 정지하고 스택을 교체하여야 했으며 이는 생산성을 저하시키는 중요한 원인으로 지적되어 왔다.
이를 해결하기 위하여 스택 내의 온도 편차가 크게 나지 않도록 가스의 공급 온도 및 반응시간 등 연료전지의 운전 조건을 제한하는 방식으로 운용되기도 하였으나, 이 또한 연료전지의 발전 효율을 높이는데 장애 요인이 되어왔다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 연료전지의 단위 스택을 감싸도록 별도의 온도 조절용 재킷을 설치하고 이 온도 조절용 재킷 내부에 고온의 가스를 공급함으로써 연료전지 전체가 균일한 온도를 가질 수 있도록 구성된 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지는 산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택; 상기 단위 스택의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관 및 공기 배출관; 상기 단위 스택의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관 및 연료가스 배출관; 상기 단위 스택의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷; 및 상기 공기 공급관으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관 및 상기 온도 조절용 재킷의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 공기 공급관으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관;을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지는 산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택; 상기 단위 스택의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관 및 공기 배출관; 상기 단위 스택의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관 및 연료가스 배출관; 상기 단위 스택의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷; 및 상기 연료가스 공급관으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관 및 상기 온도 조절용 재킷의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 연료가스 공급관으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관;을 포함한다.
이 때, 상기 온도 조절용 재킷은 상기 단위 스택의 외면 전체를 감싸도록 설치되거나, 상기 단위 스택의 외면 일부만을 감싸도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 온도 조절용 재킷은 고온에서 견딜 수 있도록 금속 또는 세라믹 재질일 수 있다.
또한, 상기 온도 조절용 재킷은 상기 단위 스택의 열팽창 변형을 수용할 수 있도록 신축 가능하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 온도 조절용 재킷은 상기 단위 스택과의 전기적 절연을 위하여 전기 절연부재(175)를 매개로 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 단위 스택의 외면에는 스택 보호부재가 장착될 수 있다.
또한, 상기 단위 스택이 복수 개로 적층된 경우에는 상기 온도 조절용 재킷이 상기 복수 개로 적층된 단위 스택 전체가 하나의 내부공간을 가지도록 밀폐시킬 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지에 따르면, 연료전지의 작동 중에 스택의 상,하부 또는 내,외부에 발생하던 온도 편차를 감소시켜 스택 전체가 균일한 온도 분포를 가지도록 함으로써, 스택을 구성하는 물질 사이 또는 물질 자체에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그 결과, 스택에 균열이 발생함으로써 생기는 연료전지 성능 저하, 기밀성 저하에 따른 가스 누설, 스택의 잦은 교체로 인한 유지비용 증가 등의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 스택의 온도 편차를 감소시키기 위해 연료전지의 운전 조건을 제한적으로 운용하던 종래의 방법에서 벗어나 연료전지의 제어 범위를 확장할 수 있어 안정적인 시스템 제어가 가능할 뿐만 아니라, 연료전지의 발전 성능을 향상시키는데도 기여할 수 있다.
도 1은 일반적인 평판 적층형 연료전지 구조를 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 A-A' 선에 따른 단면을 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 B-B' 선에 따른 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷이 설치된 연료전지 구조의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 도 4의 평면을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷이 설치된 연료전지 구조의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 도 6의 평면을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷이 설치된 연료전지 구조의 또 다른 실시예의 평면을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷의 일부 구성을 확대 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 전기 절연부재가 부착된 상태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 스택 보호부재가 부착된 상태를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷이 부착된 이단 스택의 연료전지 구조를 나타낸 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지를 보다 상세히 설명한다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 4 내지 도 8은 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지의 다양한 구성을 나타낸다. 연료전지(100)는 하나의 단위 스택(120)으로 구성되고, 이 단위 스택(120)은 공기(산소)를 공급하는 공기극과 높은 이온전도도를 가지는 전해질과 연료(수소)를 공급하는 연료극이 평판 형태로 결합되어 구성된 단위 셀이 복수 개로 적층되어 만들어지며, 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140)이 형성되고, 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)이 형성된다는 것은 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 바와 같다.
상기 단위 스택(120)은 주로 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)에서와 같이 공기극, 지르코니아 계열의 고체 전해질, 연료극으로 구성된 단위 전지가 하나 이상 적층되어 구성된다. 그러나, 본 발명의 기술 사상은 SOFC 타입의 연료전지에 한정되지 아니하고, 고온형 연료전지에 속하는 것이면 어느 것이든 적용 가능하다. 즉, 고온에서 운용되는 연료전지로서 단위 스택의 온도 편차 문제점이 발생하는 것이면, 어느 것이라도 본 발명에 따른 기술 사상을 적용 가능하다 할 것이다.
본 발명에 따르면, 산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120), 이 단위 스택(120)의 내부로 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140), 상기 단위 스택(120)의 내부로 수소를 포함한 연료가스를 공급하는 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)을 포함하는 고온형 연료전지에 있어서, 상기 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷(170)이 설치된다.
이 온도 조절용 재킷(170)에는 단위 스택(120)으로 공급 예정인 공기 또는 연료가스를 미리 온도 조절용 재킷(170)으로 공급하기 위하여 재킷 유입관(171) 및 재킷 유출관(172)이 형성된다. 이 재킷 유입관(171) 및 재킷 유출관(172)을 통해 공기가 공급되도록 구성될 수도 있고, 연료가스가 공급되도록 구성될 수도 있으며, 양자 모두가 공급되도록 구성될 수도 있다. 다만 공기와 연료가스가 모두 공급되는 경우라 하더라도 온도 조절용 재킷(170)은 각각 독립적 내부공간을 제공하도록 구성되어 공기와 연료가스가 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간에서 혼합되지는 아니한다.
도 4 및 도 5는 상기 온도 조절용 재킷(170)에 공기가 미리 순환되도록 해주는 실시예를 나타낸다. 다시 말해, 상기 공기 공급관(130)으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷(170)으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관(171) 및 상기 온도 조절용 재킷(170)의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 공기 공급관(130)으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관(172)으로 구성된다. 이 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외면 전체를 감싸도록 설치될 수 있다. 여기서, 상기 온도 조절용 재킷(170)이 단위 스택(120)의 외면 전체를 감싸도록 설치된다는 의미는 도 5와 같이 4개의 면 각각을 감싸도록 하는 것일 뿐만 아니라 4개의 면 전체를 한번에 두르는 형태로 설치된 것도 포함된다 할 것이다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따르면, 산소를 포함한 공기가 상기 재킷 유입관(171)을 통해 온도 조절용 재킷(170)의 내부로 공급되고, 이 공기는 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간 전체를 순환하는 과정에서 단위 스택(120)이 가지는 온도 편차, 즉, 가스의 입출구 방향, 스택의 상하 방향, 스택의 내, 외부 방향에 따라 발생하던 온도 편차가 어느 정도 균일하게 감소시켜준다. 그 후, 온도 조절용 재킷(170)의 내부 전체를 순환한 공기는 상기 재킷 유출관(172)과 연결 설치된 공기 공급관(130)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급되어 원래 목적인 전기 화학 반응에 사용된 다음, 공기 배출관(140)을 통해 외부로 배출된다. 도 5에서 공기 공급관(130)의 점 표시는 공기가 상승 이동함으로 의미하고, 공기 배출관(150)의 X 표시는 공기가 하강 이동함으로 의미한다. 이하에서 위 표시는 동일한 의미로 사용된다.
도 6 및 도 7은 상기 온도 조절용 재킷(170)에 연료가스가 미리 순환되도록 해주는 실시예를 나타낸다. 상기 연료가스는 LNG와 같이 탄화수소 계열의 연료가 주로 사용된다. 반응 기체로는 수소뿐만 아니라 일산화탄소도 사용 가능하므로, 일산화탄소를 함유한 반응 가스도 추가로 사용될 수 있다.
상기 연료가스 공급관(150)으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷(170)으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관(171) 및 상기 온도 조절용 재킷(170)의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 연료가스 공급관(150)으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관(172)으로 구성된다. 이 때, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외면 전체를 감싸도록 설치될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따르면, 수소를 포함한 연료가스가 상기 재킷 유입관(171)을 통해 온도 조절용 재킷(170)의 내부로 공급되고, 이 연료가스는 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간 전체를 순환하는 과정에서 단위 스택(120)이 가지는 온도 편차, 즉, 가스의 입출구 방향, 스택의 상하 방향, 스택의 내, 외부 방향에 따라 발생하던 온도 편차가 어느 정도 균일하게 감소시켜준다. 그 후, 온도 조절용 재킷(170)의 내부 전체를 순환한 연료가스는 상기 재킷 유출관(172)과 연결 설치된 연료가스 공급관(150)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급되어 원래 목적인 전기 화학 반응에 사용된 다음, 연료가스 배출관(160)을 통해 외부로 배출된다.
도 8은 상기 온도 조절용 재킷(170)에 공기 및 연료가스가 동시에 순환되도록 해주는 실시예를 나타낸다. 다시 말해, 공기가 순환하는 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외면 일부(수평 방향 양쪽 외면)만을 감싸도록 설치되고, 연료가스가 순환하는 온도 조절용 재킷(170) 부분이 상기 단위 스택(120)의 나머지 외면 일부(수직 방향 양쪽 외면)를 감싸도록 설치된다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따르면, 공기 및 연료가스가 각각 독립적으로 상기 재킷 유입관(171)을 통해 온도 조절용 재킷(170)의 내부로 공급되고, 이 공기 및 연료가스는 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간 전체를 순환하는 과정에서 단위 스택(120)이 가지는 온도 편차, 즉, 가스의 입출구 방향, 스택의 상하 방향, 스택의 내, 외부 방향에 따라 발생하던 온도 편차가 어느 정도 균일하게 감소시켜준다. 그 후, 온도 조절용 재킷(170)의 내부 전체를 순환한 공기 및 연료가스는 상기 재킷 유출관(172)과 연결 설치된 공기 공급관(130) 및 연료가스 공급관(150)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급되어 원래 목적인 전기 화학 반응에 사용된 다음, 공기 배출관(140) 및 연료가스 배출관(160)을 통해 외부로 배출된다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지의 작용에 대해 간단히 설명한다.
상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시킨다는 점은 상기한 바와 같다. 이에 의해 생성된 상기 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간에는 외부에서 공급되는 공기 또는 연료가스가 순환하게 된다. 이 순환하는 공기 또는 연료가스는 온도 조절용 재킷(170) 내부공간의 온도를 균일하게 만들어 준다.
앞서 도 2 및 도 3을 참조로 간단히 설명한 바와 같이, 연료전지(100)가 가동되는 동안에 단위 스택(120)을 기준으로 볼 때, 스택의 하부가 저온이고, 스택의 상부는 고온이 된다. 이는 스택에 발생하는 열이 대류 또는 전도 현상에 의해 상부로 전달되기 때문이다. 또한, 스택의 중앙부가 고온이고, 스택의 가장자리부는 저온이 된다. 이는 스택의 내부에서 발생하는 수소와 산소가 결합하여 물을 생성하는 화학 반응이 발열 반응이므로 이 과정에서 많은 양의 열이 스택 내부에서 발산되기 때문이다.
이 때, 상기 재킷 유입관(171)을 통해 공급된 예열된 공기 또는 연료가스는 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간을 빠르게 순환하면서 상대적으로 온도가 낮은 스택의 하부나 스택의 가장자리부에 열을 전달한다. 그 결과, 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간 전체에 걸쳐 온도가 일정하게 유지된다. 정밀한 온도 제어를 위하여 연료전지의 운전 초기 시점과 정상 작동 시점에서 온도 조절용 재킷 유입관(171)으로 공급되는 공기 또는 연료가스의 온도를 다르게 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 연료전지 운전 초기에 단위 스택(120)의 내부 온도가 거의 상온인 때에는 온도 조절용 재킷(170) 내부로 공급되는 공기 또는 연료가스의 온도도 300 ~ 400℃로 조절하고, 연료전지가 정상 작동 중이어서 단위 스택(120)의 내부 온도가 거의 750℃ 정도가 되는 때에는 온도 조절용 재킷(170) 내부로 공급되는 공기 또는 연료가스의 온도를 700℃ 정도로 조절한다. 그 결과, 단위 스택(120)의 온도와 재킷 내부의 온도 편차가 너무 커지지 않도록 해줌으로써 온도 편차를 더욱 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간을 순환한 공기 또는 연료가스는 재킷 유출관(172)을 통해 온도 조절용 재킷(170)으로부터 배출되고 상기 공기 공급관(130) 또는 연료가스 공급관(150)을 통해 단위 스택(120) 내부로 재공급된다. 이 공기 또는 연료가스는 각각의 단위 셀을 구성하는 공기극 및 연료극을 통과하면서 전기 화학 반응을 일으킨다는 점은 상기한 바와 같다.
이 때, 공기 또는 연료가스가 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간을 순환하는 동안에 온도가 낮아지는 것을 고려하여 공기 공급관(130) 또는 연료가스 공급관(150)으로 처음 공급되는 공기 또는 연료가스의 온도를 통상적인 경우보다 높게 제어할 수 있고, 상기 재킷 유출관(172) 상에 재가열장치(미도시)를 추가로 설치하여 순환 과정에서 온도가 낮아진 공기 또는 연료가스를 다시 가열하여 공급하도록 구성할 수도 있다. 단위 스택(120)의 내부 온도가 상대적으로 낮은 경우에는 공기 또는 연료가스를 다시 냉각시켜 공급하도록 구성될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 온도 조절용 재킷(170)은 고온에서 견딜 수 있도록 금속 또는 세라믹 재질로 만들어질 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 기술 사상은 300℃ 이상의 고온에서 운전되는 고온형 연료전지에 적용되기 때문에 고온의 가스에 의한 변형이나 부식 등의 문제점이 발생하지 않도록 내열성이 우수한 금속 소재를 사용하거나 고온에서 견딜 수 있는 세라믹 재질로 만드는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷의 다른 실시예를 나타낸다. 이에 따르면, 상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 열팽창 변형을 수용할 수 있도록 주름판 형태로 신축 연결될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 300℃ 이상에서 운전되는 고온형 연료전지에 적용되기 때문에 단위 스택(120)에 고온의 열이 전달되고, 단위 스택(120)을 구성하는 물질은 열팽창 변형된다. 이 때, 온도 조절용 재킷(170)이 단위 스택(120)의 열팽창 변형을 수용할 수 있을 정도로 변형 가능한 형태로 구성되지 않으면, 온도 조절용 재킷(170)과 단위 스택(120)의 고정 부위가 이격되거나 분리될 수 있다.
그 결과, 온도 조절용 재킷(170)의 기밀성이 저하되고 단위 스택(120)의 온도를 균일하게 만드는 기능이 떨어지고, 심한 경우에는 온도 조절용 재킷(170)을 교체해야 하는 문제점이 있었다. 본 실시예에 따르면, 온도 조절용 재킷(170)을 주름판 형태로 제작하여 열팽창 변형되는 단위 스택(120)과의 결합 부위를 신축 가능하게 만들어 줌으로써 상기한 문제를 해결해준다. 다만, 본 실시예는 온도 조절용 재킷(170)을 주름판 형태로 구성하였으나, 이는 하나의 예시에 불과하며 단위 스택(120)과의 결합 부위가 신축 가능한 것이면 어느 것이든 채용 가능하다 할 것이다.
도 10은 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에 따르면, 상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)과의 전기적 절연을 위하여 전기 절연부재(175)를 매개로 연결 설치될 수 있다. 단위 스택(120)에는 높은 전압의 전류가 흐르기 때문에 쇼트 방지를 위하여 온도 조절용 재킷(170)과 전기적으로 절연될 필요가 있다. 예를 들어 도 10에서 엔드 플레이트(110)는 통상적으로 단위 스택(120)과 전기적으로 절연되어 있으나, 경우에 따라서 완전히 절연되지 않은 경우도 있다. 이 때 엔드 플레이트(110)와 접촉되는 온도 조절용 재킷(170)의 소재가 금속인 경우에는 온도 조절용 재킷(170)으로 통전되어 전기적으로 쇼트가 발생될 우려가 있다. 이를 해결하기 위해 엔드 플레이트(110)와 온도 조절용 재킷(170)을 전기 절연부재(175)를 매개로 연결 설치한 것이다. 온도 조절용 재킷(170)과 전기적으로 절연되어야 할 부분은 엔드 플레이트(110)에 한정되지 아니하며, 연료전지(100)의 통전되는 부분과 연결 설치시에는 전기 절연부재(175)가 사용되는 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에 따르면, 상기 단위 스택(120)의 외면에는 스택 보호부재(180)가 장착된다. 상기 온도 조절용 재킷(170)은 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되고, 이 온도 조절용 재킷(170)에 산소를 포함한 반응 가스 또는 수소를 포함한 연료가스가 공급된다는 점은 이미 상술한 바와 같다.
이 때, 단위 스택(120)의 표면에는 높은 전압의 전류가 흐르게 된다. 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간으로 공급되는 반응 가스에는 여러 가지 불순물이 함유되어 있을 수 있다. 따라서, 이 불순물이 높은 전압의 전류가 흐르는 단위 스택(120)의 표면에 부착되면 심한 경우에 전기적 쇼트(Short)가 발생할 수도 있다. 본 실시예에서는 이러한 문제점을 미연에 방지하기 위하여 단위 스택(120)의 외면에 절연재인 스택 보호부재(180)을 장착한 것이다. 또한, 상기 스택 보호부재(180)는 단위 스택(120)을 밀봉시켜 가스의 유출을 방지하는 역할도 아울러 수행한다. 이 스택 보호부재(180)의 재질로서 유리가 사용될 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 온도 조절용 재킷의 또 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시에 따르면, 단위 스택(120)의 2개가 적층된다. 단위 스택(120)은 하나 이상이 상하로 적층되어 대용량의 연료전지를 구성할 수 있음은 이미 상기한 바와 같다. 이와 같이 복수 개의 단위 스택(120)이 적층된 경우에 상기 온도 조절용 재킷(170)은 각각의 단위 스택(120) 별로 독립적으로 내부공간을 가지도록 설치되는 것이 아니라, 복수 개로 적층된 단위 스택(120) 전체가 하나의 내부공간을 가지면서 밀폐되도록 구성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 복수 개의 단위 스택(120)이 하나의 온도 조절용 재킷(170)에 의해 밀폐되도록 구성하면, 도 11에서 보듯이 하나의 재킷 유입관(171)과 재킷 유출관(172)을 설치하면 되므로 구성이 간단할 뿐만 아니라, 전체 단위 스택(120)을 균일한 온도로 제어할 수 있기 때문에 시스템 안전 운전 범위를 더욱 확대할 수 있다.
한편, 상기 단위 스택(120)은 초기에 아무리 잘 제작된다 하더라도, 밀봉재의 탈락이나 사용 중의 열팽창 변형 등으로 인해 기밀성이 저하되고, 그 결과 단위 스택(120)의 내부로 공급되던 산소를 포함한 반응 가스 또는 연료를 포함한 반응 가스가 단위 스택(120)의 외부로 누설되기도 하였다. 종래에는 이 단위 스택(120)의 외부로 누설된 반응 가스는 발전에 사용되지 못하고 그대로 낭비되었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 반응 가스가 누설되더라도 단위 스택(120)을 감싸듯이 설치된 온도 조절용 재킷(170)의 내부공간으로 유출되고, 이 유출된 반응 가스는 재킷 유출관(172)을 통해 단위 스택(120) 내부로 재공급되어 발전에 다시 사용될 수 있다. 그 결과, 연료가스 절감 및 에너지 발전 효율 향상이라는 기술적 효과를 동시에 달성할 수 있다.
마지막으로, 도 4 내지 도 12에서는 평판 적층형 연료전지를 예시하고 있으나, 본 발명의 기술사상은 이에 한정되지 아니하고, 튜브형 연료전지도 고온형이라면 적용 가능하다 할 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 연료 전지 110: 엔드 플레이트
115: 지지봉 120: 단위 스택
130: 공기 공급관 140: 공기 배출관
150: 연료가스 공급관 160: 연료가스 배출관
170: 온도 조절용 재킷 171: 재킷 유입관
172: 재킷 유출관 175: 전기 절연부재
180: 스택 보호부재

Claims (9)

  1. 산소와 수소가 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120);
    상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140);
    상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160);
    상기 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷(170);및
    상기 공기 공급관(130)으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷(170)으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관(171) 및 상기 온도 조절용 재킷(170)의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 공기 공급관(130)으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관(172);을 포함하며,
    상기 단위 스택(120)의 외면에는 스택 보호부재(180)가 장착되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  2. 산소와 수소가 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120);
    상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140);
    상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160);
    상기 단위 스택(120)의 외부를 일정한 내부공간을 형성하면서 밀폐시키도록 설치되는 온도 조절용 재킷(170);및
    상기 연료가스 공급관(150)으로 공급될 공기가 상기 온도 조절용 재킷(170)으로 먼저 유입되도록 해주는 재킷 유입관(171) 및 상기 온도 조절용 재킷(170)의 상기 내부공간을 순환한 공기가 배출된 후 다시 상기 연료가스 공급관(150)으로 공급되도록 해주는 재킷 유출관(172);을 포함하며,
    상기 단위 스택(120)의 외면에는 스택 보호부재(180)가 장착되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외면 전체를 감싸도록 설치되거나, 상기 단위 스택(120)의 외면 일부만을 감싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 외면 전체를 감싸도록 설치되거나, 상기 단위 스택(120)의 외면 일부만을 감싸도록 설치된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 조절용 재킷(170)은 고온에서 견딜 수 있도록 금속 또는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)의 열팽창 변형을 수용할 수 있도록 신축 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도 조절용 재킷(170)은 상기 단위 스택(120)과의 전기적 절연을 위하여 전기 절연부재(175)를 매개로 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.
  8. 삭제
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단위 스택(120)이 복수 개로 적층된 경우에는 상기 온도 조절용 재킷(170)이 상기 복수 개로 적층된 단위 스택(120) 전체가 하나의 내부공간을 가지도록 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 재킷을 구비한 연료전지.


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