KR20030073676A - 연료전지의 냉각 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 연료전지의 냉각 시스템은, 연료전지스택과; 연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 제1열회수부와; 제1열회수부에 찬공기를 지속적으로 공급하도록 공기공급관과 공기공급밸브를 구비하여 상기 제1열회수부의 입구에 연결하는 공기공급부와; 제1열회수부의 출구에 연결하여 더운 공기의 열을 방출하면서 배출하는 공기배출부와; 공기배출부를 감싸 그 공기배출부를 통과하는 배출가스에서 열을 흡수하는 제2열회수부와; 제2열회수부로 상수를 지속적으로 공급하도록 물공급관과 물공급밸브를 구비하는 물공급부와; 제2열회수부의 출구에 연결하여 제1열회수부의 공기를 냉각하면서 더워진 용수를 저장하도록 수위센서를 구비하는 온수저장부와; 연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와; 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하여 공기공급밸브의 개폐여부를 제어함과 아울러 수위센서에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하여 물공급밸브의 개폐여부를 제어하는 제어부로 구성함으로써, 연료전지스택이 과냉각되어 성능이 저하되는 것을 차단하여 연료전지의 효율을 높일 뿐만 아니라 냉각용수를 재활용하여 자원의 낭비를 개선할 수 있고 사용상의 편의를 높일 수 있다.

Description

연료전지의 냉각 시스템{COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것으로, 특히 스택을 항상 적정량만 냉각하여 성능 저하를 미연에 방지하고 냉각에 사용한 물을 이용하여 온수로 활용할 수 있도록 하는 연료전지의 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적인 연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환시키는 장치로서 통상 연료전지스택(full cell stack)의 내부에 고분자 전해질막을 사이에 두고 다공질인 연료극(anode)과 공기극(cathode)을 부착하여 연료극(산화전극)에는 수소 또는 수소를 함유하는 연료가스를 공급하는 반면 공기극(환원전극)에는 산소를 함유하는 산화가스를 공급한다. 이 과정에서 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 일어나고 공기극에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열을 함께 얻을 수 있다.

이러한 연료전지는 연료전지스택을 항상 적정온도로 관리를 하여야 전해질막의 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 성능 저하를 미연에 방지할 수 있음데도 불구하고 종래에는 연료전지를 운전할 때에는 연료전지스택을 연속적으로 냉각하여 오히려 연료전지스택의 성능을 떨어뜨리는 것은 물론 연료전지스택을 냉각하는데 사용한 물을 그대로 배수함으로써 전체적인 시스템의 효율을 저하시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 연료전지스택이 항상 적정온도를 유지할 수 있도록 냉각함과 아울러 연료전지스택을 냉각하고 난 물을 난방이나 온수로 활용할 수 있는 연료전지의 냉각 시스템을 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템을 보인 계통도.

도 2는 연료전지스택의 단면도.

도 3은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템에 대한 다른 실시예를 보인 계통도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 : 연료전지스택 20 : 제1열회수부

30 : 공기공급부 40 : 공기배출부

50 : 제2열회수부 60 : 물공급부

70 : 온수저장부 80 : 제어부

T,T1 : 온도센서 L : 수위센서

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과; 연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 열회수부와; 열회수부에 찬공기를 지속적으로 공급하도록 공기공급관과 공기공급밸브를 구비하여 상기 열회수부의 입구에 연결하는 공기공급부와; 열회수부의 출구에 연결하여 더운 공기의 열을 방출하면서 배출하는 공기배출부와; 연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와; 스택온도 감지부와 공기공급부의 공기공급밸브에 각각 연결하여 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하고 연료전지스택의 온도가 설정값 보다 높은 경우에만 공기공급밸브를 열어 찬 공기를 열회수부에 공급하도록 제어하는 제어부;로 구성한 연료전지의 냉각 시스템을 제공한다.

이하, 본발명 연료전지의 냉각 시스템을 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템을 보인 계통도이고, 도 2는 연료전지스택의 단면도이며, 도 3은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템에 대한 다른 실시예를보인 계통도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지의 냉각 시스템은, 연료전지스택(10)에 온도센서(T)를 구비하여 그 연료전지스택(10)에서 수소와 산소의 반응 중에 발생하는 열을 감지하도록 하는 한편, 연료전지스택(10)을 열교환기로 감싸 상기 온도센서(T)로 감지한 온도에 따라 열교환매체(예컨대, 공기)를 적절하게 공급하여 연료전지스택(10)이 항상 일정온도 범위를 유지하도록 하는 것이다.

도 1에서 10은 연료전지스택을 보인 것으로, 연료전지스택(10)은 도 2에서와 같이 다수 개의 싱글셀(single cell)(11)을 적층한 것으로, 각 싱글셀(11)은 전해질막(12)과, 이 전해질막(12)을 사이에 두고 양측에 적층하는 연료극(13)과 공기극(14), 그리고 이 연료극(13)과 공기극(14)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(13)과 공기극(14)에 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리기(separator)(15,16)와, 각 분리기(15,16)의 외측에 적층하여 집전전극을 형성하는 집전기(current collector)(17,18)로 이루어진다.

연료전지스택(10)의 일측에는 그 연료전지스택(10)의 온도를 감지하여 적정한 냉각이 이루어지도록 하는 온도센서(T)를 장착한다.

도 1에서 20은 제1열회수부를 보인 것으로, 제1열회수부(20)는 연료전지스택(10)을 감싸도록 관 또는 자켓(jacket) 모양으로 형성하여 그 입구는 후술할 공기공급관(31)에 연결하고 출구는 공기배출관(41)에 연결한다.

도 1에서 30은 공기공급부를 보인 것으로, 공기공급부(30)는 제1열회수부(20)의 입구에 연결하는 공기공급관(31)과, 그 공기공급관(31)의 중간에 설치하여 대기 중의 공기를 제1열회수부(20)로 공급하는 공기압축기(32)로 이루어진다.

공기압축기(32)는 상기한 온도센서(T)의 감지값에 따라 그 구동여부를 제한받도록 후술할 제어부(80)에 연결한다.

또, 공기압축기(32)의 전방측에는 대기 중의 공기를 정화하기 위한 공기필터(33)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

도 1에서 40은 공기배출부를 보인 것으로, 공기배출부(40)는 제1열회수부(20)의 출구에 연결하는 공기배출관(41)과, 연료전지스택(10)의 온도에 따라 공기배출관(41)을 통과하는 공기의 배출량을 조절하도록 그 공기배출관의 중간에 설치하는 공기배출밸브(42)로 이루어진다.

공기배출관(41)의 중간에는 그 공기배출관(41)을 통과하는 더운 공기에서 열을 흡수하도록 후술할 제2열회수부(50)를 설치한다.

도 1에서 50은 제2열회수부를 보인 것으로, 제2열회수부는(50) 공기배출관(41)의 중간을 감싸도록 관 또는 자켓 모양으로 형성하여 그 입구는 후술할 물공급관(62)과 연결하고 출구는 온수저장통(71)과 연결한다.

도 1에서 60은 물공급부를 보인 것으로, 물공급부(60)는 일반 상수를 제2열회수부(50)에 지속적으로 공급하는 물공급원(61)과, 물공급원(61)과 제2열회수부(50)를 연결하는 물공급관(62)과, 물공급관(62)의 중간에 설치하고 상기한 제어부(80)에 연결하여 상수의 공급량을 조절하는 물공급밸브(63)로 이루어진다.

도 1에서 70은 온수저장부를 보인 것으로, 온수저장부(70)는 물공급관(62)에연결하여 일정량의 온수를 저장하는 온수저장통(71)과, 온수저장통(71)의 출구에 연결하여 온수를 공급하거나 배출하는 온수공급관(72)과, 온수공급관의 중간에 설치하고 상기한 제어부(80)에 연결하여 온수공급관의 개폐를 조절하는 온수밸브(73)로 이루어진다.

온수저장통(71)의 일측에는 그 내부의 온수량을 감지하여 제어부(80)에 신호를 전달하는 수위센서(L)를 장착하는 것이 바람직하다.

도 1에서 80은 제어부를 보인 것으로, 제어부(80)는 공기압축기(32)와 공기배출밸브(42)와 물공급밸브(63) 그리고 온수밸브(73)와는 제어신호를 전달할 수 있도록 연결하는 반면, 온도센서(T)와 수위센서(L)와는 검출신호를 전달받을 수 있도록 연결한다.

상기와 같은 본 발명 연료전지의 냉각 시스템은 다음과 같이 동작한다.

즉, 제어부(80)가 온도센서(T)를 이용하여 연료전지스택(10)의 온도를 감지하고 이를 통해 연료전지스택(10)을 냉각시킬 필요가 있다고 판단하는 경우에는 공기압축기(32)를 구동하여 대기 중의 찬 공기를 흡입하여 연료전지스택(10)을 감싸는 제1열회수부(20)로 펌핑한다.

이와 동시에 제어부(80)에서는 공기배출밸브(42)를 열어 제1열회수부(20)를 통과하는 공기가 공기배출관(41)을 통해 배기되도록 한다.

또, 제어부(80)는 물공급밸브(63)를 열어 물공급부(60)의 상수가 제2열회수부(50)로 유입하여 그 내부의 공기배출관(41)을 통과하는 더운 공기에서 열을 흡수하면서 온수저장통(71)에 저장되도록 한다.

이때, 제어부(80)는 온수저장통(71)에 구비한 수위센서(L)의 설정값과 비교하여 그 온수저장통(71)에 항상 필요한 양의 온수가 저장될 수 있도록 상기한 물공급밸브(63)의 개폐 여부를 조절한다.

한편, 도 3은 여름철과 같이 온수를 적게 사용하는 경우 온수저장부에 저장한 온수의 온도를 항상 점검하여 필요할 때 적정온도의 온수를 공급할 수 있도록 온수저장통에 다른 온도센서를 더 구비하는 예를 보인 계통도이다.

즉, 도 3에서 T1은 온수저장통의 온도를 점검하기 위한 온도센서이고, 74는 온수저장통의 온수 온도가 일정온도 범위 이하로 식었을 경우 온수를 버리기 위한 온수배출관이며, 75는 온수배출밸브이다.

이는, 온수저장통(71)에 저장한 온수를 일정시간이 지나도록 사용하지 않는 경우에 제어부(80)는 도 3에서와 같이 상기 온수저장통(71)에 구비한 온도센서(T1)의 실제값을 설정값과 비교하여 실제값이 설정값에 미치지 못하는 경우 온수배출밸브(75)를 열어 저장되어 있던 온수를 온수배출관(74)으로 배출하고 상기한 물공급밸브(63)를 다시 열어 더운 온수를 재공급받도록 한다.

이렇게 하여, 연료전지스택의 온도를 항상 점검하면서 냉각이 필요한 경우에만 공기를 공급하여 연료전지스택을 냉각하므로 연료전지스택이 과냉각 되어 성능이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또, 연료전지스택을 냉각하면서 더워진 용수를 온수로 활용하여 자원의 낭비를 줄이고 이 온수의 온도를 항상 적정하게 유지하여 사용상의 편의를 제공할 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지의 냉각 시스템은, 연료전지스택의 온도에 따라 냉각 여부를 결정하도록 함과 아울러 연료전지스택을 냉각하면서 더워진 용수를 온수로 활용하고 온수의 온도를 일정하게 유지하도록 구성함으로써, 연료전지스택이 과냉각되어 성능이 저하되는 것을 차단하여 연료전지의 효율을 높일 뿐만 아니라 냉각용수를 재활용하여 자원의 낭비를 개선할 수 있고 사용상의 편의를 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과;

   연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 열회수부와;

   열회수부에 찬공기를 지속적으로 공급하도록 공기공급관과 공기공급밸브를 구비하여 상기 열회수부의 입구에 연결하는 공기공급부와;

   열회수부의 출구에 연결하여 더운 공기의 열을 방출하면서 배출하는 공기배출부와;

   연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와;

   스택온도 감지부와 공기공급부의 공기공급밸브에 각각 연결하여 스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하고 연료전지스택의 온도가 설정값 보다 높은 경우에만 공기공급밸브를 열어 찬 공기를 열회수부에 공급하도록 제어하는 제어부;로 구성한 연료전지의 냉각 시스템.
2. 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 함께 발생하는 연료전지스택과;

   연료전지스택을 감싸 연료전지스택에서 발생하는 열을 흡수하는 제1열회수부와;

   제1열회수부에 찬공기를 지속적으로 공급하도록 공기공급관과 공기공급밸브를 구비하여 상기 제1열회수부의 입구에 연결하는 공기공급부와;

   제1열회수부의 출구에 연결하여 더운 공기의 열을 방출하면서 배출하는 공기배출부와;

   공기배출부를 감싸 그 공기배출부를 통과하는 배출가스에서 열을 흡수하는 제2열회수부와;

   제2열회수부로 상수를 지속적으로 공급하도록 물공급관과 물공급밸브를 구비하는 물공급부와;

   제2열회수부의 출구에 연결하여 제1열회수부의 공기를 냉각하면서 더워진 용수를 저장하도록 수위센서를 구비하는 온수저장부와;

   연료전지스택의 온도를 감지하도록 그 연료전지스택에 장착하는 스택온도 감지부와;

   스택온도 감지부에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하여 공기공급밸브의 개폐여부를 제어함과 아울러 수위센서에 의해 감지된 값을 설정값과 비교하여 물공급밸브의 개폐여부를 제어하는 제어부로 구성한 연료전지의 냉각 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   온수저장부에는 온수저장온도 감지부와 온수배출관 그리고 온수배출밸브를 더 구비하고 온수저장온도 감지부와 온수배출밸브를 제어부에 연결하여 온수저장부의 온수 온도가 설정온도 이하 일 경우에는 저장된 온수를 버리고 새로운 온수를 저장할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   공기공급부와 열회수부 또는 제1열회수부 사이에는 공기를 정화하기 위한 공기정화부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각 시스템.