KR102558108B1 - 연료전지 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 막전극 집합체의 양면에 접합된 분리판을 냉각시키기 위한 냉각유로를 분리판의 상단부 및 하단부에 별도의 관체로 구성하여 연료전지 스택의 두께를 최소화함으로써 연료전지 스택을 소형화할 수 있도록 한 연료전지 냉각 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 막전극 집합체와, 막전극 집합체의 양면에 각각 접합된 복수의 연료전지 분리판이 제공되고, 상기 분리판에는 연료 가스 공급 및 잉여 가스와 반응 생성물을 외부로 배출시킬 수 있도록 제공된 가스 유로 및 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하는 과정에서 전기 에너지와 함께 발생된 내부 반응열을 냉각시키는 냉각수가 통과하는 냉각 유로가 제공된 연료전지 스택에 있어서, 상기 가스 유로는 상기 분리판 각각의 일면에 형성되고, 상기 냉각 유로는 상기 분리판 각각의 단부에 별개의 관체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 시스템을 제공한다.

Description

연료전지 냉각 시스템{A fuel cell cooling system}

본 발명은 연료전지 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각유로를 분리판의 단부에 별도로 구성하여 연료전지 스택을 소형화할 수 있도록 한 연료전지 냉각 시스템에 관한 것이다.

화석연료는 매장량이 매우 제한되어 있어 고갈될 수밖에 없다. 특히, 지구온난화를 일으키는 온실가스의 주배출원이 화석연료이기 때문에 선진국들은 화석연료를 줄이기 위해 대체에너지나 원자력을 이용한 수소에너지 개발 등에 주력하고 있다. 대체에너지로 부각되고 있는 에너지원은 태양에너지, 풍력발전, 수소에너지, 바이오메스 등 여러 가지가 있으나, 태양열이나 풍력은 보조설비를 갖추어야 하며, 집열판이나 풍차를 설치하려면 넓은 공간이 필요하며 생태계 파괴, 소음 등의 또 다른 환경문제도 발생하는 문제가 있다.

반면에 연료전지(Fuel Cell)는 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로써, 수소, 산소와 같이 지구상에 풍부하게 존재하는 물질로부터 전기 에너지를 발생시키는 새로운 친환경적 미래형 에너지 기술이다. 연료전지는 공기극(Cathode)에 산소가 공급되고 연료극(Anode)에 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응 형태로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 및 물이 발생되어 공해를 유발하지 않으면서도 고효율로 전기에너지를 생산한다.

한편, 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. 이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다. 이때, 연료전지 스택은 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치로써, 도 1에 도시된 바와 같이, 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지(10)를 구비하며, 이러한 수 개 또는 수십 개의 단위 전지(10)들이 연속적으로 적층 배열된다.

단위 전지(10)는 막전극 접합체(11)와, 이런 막전극 접합체(11)의 양쪽 면에 접하는 연료전지 분리판(12, 13)들로 이루어진다. 연료전지 분리판(12, 13)은 그 일면에 홈과 같은 채널 형상의 반응가스 유로가 형성되어, 이런 반응가스 유로를 통해 반응가스가 유입된다. 연료전지 분리판(12, 13)은 캐소드 분리판(12)과 애노드 분리판(13)으로 구분될 수 있다. 캐소드 분리판(12)은 도 2에 도시된 바와 같이, 막전극 접합체(11)를 향하는 일면에 산화제 가스 유로(12a)를 형성하고, 이런 산화제 가스 유로(12a)로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 분리판(13)는 막전극 접합체(11)를 향하는 일면에 연료 가스 유로(13a)를 형성하고, 이런 연료 가스 유로(13a)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다. 또한, 연료 전지 분리판(12, 13)은 상기 산화제 가스 유로(12a) 및 연료 가스 유로(13a)의 반대편에 해당하는 배면에 냉각 유로(14)가 형성되어, 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 냉각시킨다다.

이러한 방식의 연료전지를 구성하는 연료전지 분리판(12, 13)의 경우 양면에 각각, 가스 유로(12a, 13a)와 더불어 냉각 유로(14)가 형성됨에 따라, 연료전지 분리판(12, 13)의 강성을 유지하기 위해 비교적 두꺼운 형상을 가지게 된다. 이러한 요인은 연료전지 스택 제작비용이 많이 들뿐 아니라 열 및 전기 전달 효율이 낮고, 연료전지 스택 소형화에 있어 제한 사항으로 작용하는 문제점이 있다.

대한민국 등록번호 제10-0921568호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 분리판의 면상에는 가스 유로만 형성하고, 냉각 유로는 분리판의 단부에 별도의 관체로 구성하여 분리판의 두께를 최소화함으로써, 연료전지 스택을 소형화시킬 수 있도록 한 연료전지 냉각 시스템을 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 막전극 집합체와, 막전극 집합체의 양면에 각각 접합된 복수의 연료전지 분리판이 제공되고, 상기 분리판에는 연료 가스 공급 및 잉여 가스와 반응 생성물을 외부로 배출시킬 수 있도록 제공된 가스 유로 및 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하는 과정에서 전기 에너지와 함께 발생된 내부 반응열을 냉각시키는 냉각수가 통과하는 냉각 유로가 제공된 연료전지 스택에 있어서, 상기 가스 유로는 상기 분리판 각각의 일면에 형성되고, 상기 냉각 유로는 상기 분리판 각각의 단부에 별개의 관체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 시스템을 제공한다.

이때, 상기 냉각 유로는, 상기 분리판의 상단부 및 하단부에 마련된 냉각관; 모든 분리판의 냉각관에 연결될 수 있도록 설치되며, 냉각관으로 냉각유체를 공급할 수 있도록 설치된 공급관 및 냉각관을 통해 열교환된 냉각유체를 배출시킬 수 있도록 설치된 배출관을 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 냉각관의 일단부와 타단부는 상기 분리판의 너비 방향으로 관통되고, 상기 공급관 및 배출관 각각의 일단부는 개방되고, 각각의 타단부는 폐쇄된 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각관으로부터 배출된 냉각유체를 열교환시키는 열교환기; 상기 열교환기를 통해 열교환된 냉각유체가 회수될 수 있도록 제공된 저장탱크; 상기 저장탱크의 냉각유체를 냉각 유로에 공급할 수 있도록 제공된 펌프를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료전지 냉각 시스템은 분리판의 냉각유로를 분리판의 상단부 및 하단부에 별도의 관체로 구성함으로써, 분리판에는 가스유로만 형성되므로 분리판의 두께를 최소화할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 연료전지 스택을 소형화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 음극분리판 및 양극분리판 요부를 단면하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템의 연료전지 스택을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템의 음극분리판과 양극분리판을 분리하여 나타낸 요부 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템의 연료전지 스택 요부를 측면에서 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템의 음극(양극)분리판 냉각유체 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템에 대하여 설명하도록 한다.

연료전지 냉각 시스템은 연료전지 스택을 통해 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하는 과정에서 발생된 반응열을 냉각시키는 냉각유체의 유로를 음극분리판 및 양극분리판 각각의 단부에 별도로 구성하여 분리판 두께를 최소화할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 본 발명은 연료전지 스택을 소형화할 수 있다.

연료전지 냉각 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 연료전지 스택(100)과, 열교환기(200)와, 저장탱크(300)와, 펌프(400)를 포함한다.

연료전지 스택(100)은 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 구성요소로써, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 단위전지인 막전극 집합체(110)와, 막전극 집합체(110)의 양면에 각각 접하는 분리판(120)과, 냉각 유로(130)를 포함한다. 막전극 집합체(110)는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하며, 공지된 기술이 적용될 수 있다. 분리판(120)은 막전극 집합체(110)의 해당하는 면에 반응가스인 연료 가스 또는 산화제 가스를 공급하면서 잉여 가스와 반응 생성물을 외부로 배출시킨다. 이때, 분리판(120)은 캐소드분리판(121) 및 애노드분리판(122)으로 구성되며, 막전극 집합체(110)를 사이에 두고 복수로 중첩되어 제공된다. 이때, 막전극 집합체(110)를 향해 대향된 캐소드분리판(121)의 일면 및 애노드분리판(122)의 일면에는 도 5에 도시된 바와 같이 가스 유로(123)가 형성된다.

연료전지 스택(100)의 냉각 유로(130)는 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하는 과정에서 발생된 반응열을 냉각시키기 위한 냉각유체가 지나는 관로를 제공하며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 분리판(120)의 상단부 및 하단부에 각각 마련된 냉각관(131)과, 냉각관(131)의 양측에 연결된 공급관(132) 및 배출관(133)을 포함한다. 냉각관(131)은 분리판(120)의 너비 방향으로 분리판(120)의 상단부 및 하단부에 각각 마련되며, 양측이 관통되도록 형성된다. 즉, 냉각관(131)은 도 6에 도시된 바와 같이 중공(中空)의 관체로 제공되며, 사각 또는 원형의 단면을 갖도록 형성된다. 도 7에 도시된 바와 같이 냉각유체가 냉각관(131)의 일측에서 타측을 통과함에 따라 분리판(120)에서 발생한 반응열은 냉각유체와 열교환될 수 있게 된다. 공급관(132)은 저장탱크(300)의 냉각유체가 펌프(400)를 통해 냉각관(131)으로 공급되는 관로를 제공하며, 배출관(133)은 냉각관(131)에서 열교환된 냉각유체를 배출하는 관로를 제공한다. 공급관(132) 및 배출관(133)은 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각관(131)의 양단부에 각각 설치된다. 공급관(132) 및 배출관(133)에는 모든 냉각관(131)의 양단부에 통하게 형성된 복수의 통공(H)이 형성되며, 통공(H)은 공급관(132) 및 배출관(133)의 길이 방향으로 형성된다. 또한, 공급관(132) 및 배출관(133)은 중공(中空)의 관체로 이루어지되, 일단부는 개방되고 타단부는 폐쇄된 상태로 이루어진다. 즉, 공급관(132)의 개방된 일단부는 냉각유체가 유입되는 유입구(132a)를 형성하고, 배출관(133)의 개방된 일단부는 열교환된 냉각유체가 토출되는 토출구(133a)를 형성하는 것이다.

열교환기(200)는 분리판(120)의 반응열과 열교환되고 배출된 냉각유체를 열교환시키는 역할을 한다. 냉각관(131) 및 배출관(133)을 통해 배출된 냉각유체의 온도는 상승된 상태이므로, 열교환기(200)를 통해 냉각유체의 온도를 낮추어 줄 수 있도록 한 것이다. 열교환기(200)는 공지된 기술이 적용될 수 있다.

저장탱크(300)는 열교환기(200)를 통해 열교환된 냉각유체를 회수하는 역할을 한다.

펌프(400)는 저장탱크(300)의 냉각유체를 연료전지 스택(100)의 냉각유로(130)로 공급하는 역할을 한다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 연료전지 냉각 시스템의 작용에 대하여 살펴보도록 한다.

펌프(400)의 동작을 통해 저장탱크(300)의 냉각유체는 연료전지 스택(100)의 냉각유로(130)로 공급된다. 이대, 냉각유체는 유입구(132a)를 통해 공급관(132)으로 유입되다가 통공(H)을 통해 방향을 변환하여 분리판(120)의 상,하부에 마련된 각 냉각관(131)으로 유입된다.

냉각관(131)에 지속적으로 유입된 냉각유체는 분리판(120)의 반응열과 열교환하면서 분리판(120)을 냉각시키며, 배출관(133)을 통해 배출된다. 이때, 배출관(133)을 통해 배출된 냉각유체는 온도가 상승된 상태이며, 열교환기(200)를 통해 열교환된 후 저장탱크(300)에 회수되었다가 펌프(400)의 동작에 의해 연료전지 스택으로 공급된다.

냉각유체는 이와 같은 순환 사이클을 반복 수행하면서 연료전지 스택(100)을 냉각시킨다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 냉각 시스템은 냉각유로(130)를 분리판(120)의 상단부 및 하단부에 별도로 구성함으로써, 분리판(120)의 두께를 최소화할 수 있도록 하였다. 이에 따라, 본 발명은 연료전지 스택(100)을 소형화할 수 있는 이점이 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 연료전지 스택 110 : 막전극 집합체
120 : 분리판 121 : 캐소드 분리판
122 : 애노드 분리판 123 : 가스 유로
130 : 냉각 유로 131 : 냉각관
132 : 공급관 132a : 유입구
133 : 배출관 133a : 토출구
200 : 열교환기 300 : 저장탱크
400 : 펌프 H : 통공

Claims (4)

1. 막전극 집합체와, 막전극 집합체의 양면에 각각 접합된 복수의 연료전지 분리판이 제공되고, 상기 분리판에는 연료 가스 공급 및 잉여 가스와 반응 생성물을 외부로 배출시킬 수 있도록 제공된 가스 유로 및 수소와 산소가 전기 화학적으로 반응하는 과정에서 전기 에너지와 함께 발생된 내부 반응열을 냉각시키는 냉각수가 통과하는 냉각 유로가 제공된 연료전지 스택에 있어서,
   상기 가스 유로는 상기 분리판 각각의 일면에 형성되고,
   상기 냉각 유로는 상기 분리판 각각의 단부에 별개의 관체로 형성되며,
   상기 냉각 유로는,
   상기 분리판의 상단부 및 하단부에 마련된 냉각관;
   모든 분리판의 냉각관에 연결될 수 있도록 설치되며, 냉각관으로 냉각유체를 공급할 수 있도록 설치된 공급관 및 냉각관을 통해 열교환된 냉각유체를 배출시킬 수 있도록 설치된 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각관의 일단부와 타단부는 상기 분리판의 너비 방향으로 관통되고,
   상기 공급관 및 배출관 각각의 일단부는 개방되고, 각각의 타단부는 폐쇄된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 냉각관으로부터 배출된 냉각유체를 열교환시키는 열교환기;
   상기 열교환기를 통해 열교환된 냉각유체가 회수될 수 있도록 제공된 저장탱크;
   상기 저장탱크의 냉각유체를 냉각 유로에 공급할 수 있도록 제공된 펌프를 포함하는 연료전지 냉각 시스템.