KR20060095630A - 연료전지의 연료를 냉매로 이용한 냉각시스템 - Google Patents

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Abstract

연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템이 개시된다. 개시된 냉각시스템은 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생하는 연료전지스택에 사용되는 연료를 저장하는 연료카트리지와 전자기기들로부터 발생된 열을 연료로 흡수시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 열회수부와, 전자기기들에서 빼앗은 열을 연료로부터 방열시키는 방열부를 구비하여, 연료카트리지에 저장된 연료를 열회수부, 방열부 및 연료카트리지를 따라 순환시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮춘다.

Description

연료전지의 연료를 냉매로 이용한 냉각시스템{Cooling system using fuel of fuel cell as refrigerant}
도 1은 종래의 연료전지의 구성을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템을 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110,210...연료전지스택 120,220...연료카트리지
121,221...펌프 122,222,223...분배밸브
130,230...열회수부 140,240...방열부
250...냉각부 251,252...온도감지부
260...제어부
본 발명은 연료전지의 연료를 냉매로 이용하여 전자기기를 냉각시키는 냉각 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지(Fuel cell)는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 전환 장치를 말한다.
연료전지는 일반배터리와는 달리 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전시스템입니다. 연료전지는 전해질(electrolyte)과 애노드(anode) 및 캐소드의 두개의 전극(electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기, 열 그리고 물이 만들어집니다. 연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료개질기(fuel reformer)를 이용해 수소로 개질하여 사용할 수 있다.
연료전지의 가장 큰 장점은 높은 에너지 변환효율과 환경 친화성을 들 수 있다. 화학에너지를 바로 전기에너지로 전환하기 때문에 여러 에너지변화장치를 거치는 기존의 발전방식에 비해 높은 효율을 나타낸다. 또한 NOx나 SOx 등의 공해물질을 거의 배출하지 않기 때문에 환경문제가 크게 부각되고 있는 현시점에서 차세대 발전방식으로 크게 각광 받고 있다.
현재 연료전지 중 실용화에 가장 근접한 분야로는 소규모 발전용(가정 및 상업용) 및 휴대기기 전원용을 들 수 있다. 이중에서도 마이크로 연료전지(일반적으로 출력 50와트 미만)로 불리는 휴대기기 전원용은 급속한 기술발전에 따라 실용화가 가장 빨리 진전되어 제품화를 눈앞에 두고 있다.
특히, 소형화에 적합한 것으로 알려진 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)기술의 급속한 발전은 마이크로 연료전지의 채용 전망을 한층 밝게 해주고 있다.
직접 메탄올 연료전지는 메탄올과 산소의 전기 화학적 반응으로부터 전기를 생산하며, 단위 전지 즉, 셀(cell)은 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드(2)와 캐소드(3) 사이에 수소이온교환막(1)이 개재되어 있는 구조를 가진다.
각 애노드 전극(2)과 캐소드 전극(3)은 연료의 공급 및 확산을 위한 연료확산층(diffusion layer, 22, 32)과 연료의 산화/환원 반응이 일어나는 촉매층(21, 31) 그리고 전극 지지체(23, 33)를 구비한다.
이들 애노드(2), 캐소드(3) 및 수소이온교환막(1)은 멤브레인 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly:MEA)를 구성한다. 수소 이온 교환막(1)은 고체 고분자 전해질로 되어 있다.
애노드(2)에서는 공급된 메탄올 등과 물의 반응에 의하여 수소이온, 전자 및 이산화탄소가 발생(산화반응)이 되며, 생성된 수소이온은 수소이온교환막을 거쳐 캐소드(3)로 전달된다. 캐소드(3)에서는 수소이온과 산소가 반응하여 물을 생성한다(환원반응).
위와 같은 반응은 다음의 세 개의 반응식으로 나타낼 수 있는데, 아래의 반응식1 및 2는 애노드와 캐소드에서의 반응을 나타내 보이며, 반응식 3은 단위셀 전체의 반응식을 나타낸다.
Figure 112005010550831-PAT00001
Figure 112005010550831-PAT00002
Figure 112005010550831-PAT00003
직접 메탄올 연료전지의 단위 셀에서 발생되는 전압은 이론적으로는 1.2V 정도이지만, 상온 및 상압 조건에서 개회로 전압(open circuit voltage)은 1V 이하가 되며, 실제 작동전압은 활성화 과전압및 저항 과전압에 의한 전압강하가 일어나기 때문에 0.4 ~ 0.6 V 정도가 된다. 따라서 원하는 용량의 전압을 얻기 위해서는 여러 장의 단위 셀을 직렬로 연결하여야 한다.
일반적으로 전자기기는 사용되면서 열을 발생하는데, 이 열은 전자기기의 성능을 저하시키는 요인이다. 그러므로, 발생된 열을 냉각시킬 수 있는 시스템이 필요하며, 공기를 이용하는 자연냉각방법도 있으나 냉각효율이 만족스럽지 못하므로 보다 냉각효율이 좋으면서 간편한 냉각시스템이 필요하다.
본 발명은 상기 문제점을 감안한 것으로, 연료전지의 연료의 일부를 전자기기들을 지나가도록 순환시킴으로써 연료가 전자기기들로부터 발생되는 열을 빼앗아 전자기기들의 온도를 적정온도로 유지시킬 수 있는 연료전지의 연료를 냉매로 이용 하는 냉각시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템은 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생하는 연료전지스택에 사용되는 연료를 저장하는 연료카트리지;
전자기기들로부터 발생된 열을 연료로 흡수시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 열회수부와;
전자기기들에서 빼앗은 열을 연료로부터 방열시키는 방열부;를 구비하여,
상기 연료카트리지에 저장된 연료를 열회수부, 방열부 및 연료카트리지를 따라 순환시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮춘다.
본 발명에 따르면, 상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택과 상기 열회수부로 지속적으로 분배하는 분배밸브를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택에 공급하며 그리고 상기 열회수부로 공급하는 펌프를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생하는 연료전지스택에 사용되는 연료를 저장하는 연료카트리지;
전자기기들로부터 발생된 열을 연료로 흡수시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 열회수부와;
전자기기들에서 빼앗은 열을 연료로부터 방열시키는 방열부;
상기 열회수부의 감지온도값과 설정값과 비교하여 열회수부가 적정온도를 유 지하도록 연료의 유량을 제어하는 제어부;를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택과 상기 열회수부로 지속적으로 분배하는 분배밸브를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택에 공급하며 그리고 상기 열회수부로 공급하는 펌프를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 열회수부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 연료전지스택으로부터 열을 빼앗음으로써 상기 연료전지스택의 온도를 낮추는 냉각부를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 열회수부 전에 연료를 상기 냉각부로 분배시키는 분배밸브를 더 구비한다.
본 발명에 따르면, 상기 냉각부로부터 유출된 연료는 상기 방열부에 들어간다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지의 연료를 냉매로 사용하는 냉각시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따르 연료전지의 연료를 냉매로 사용하는 냉각시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각시스템(100)은 연료카트 리지(120), 펌프(121), 분배밸브(122), 열회수부(130) 및 방열부(140)를 구비한다.
상기 연료카트리지(120)는 상기 연료전지스택(110)에 사용되는 연료를 저장하는 것으로, 카트리지 형태로 이루어져 있어 연료가 다 소모된 경우에는 연료가 충만된 새 카트리지로 교환이 가능하다. 상기 연료카트리지(120)의 저장용량은 적용되는 시스템에 따라 다르지만 소형 또는 휴대형 전자기기에 사용되는 것을 감안하면 수십 ml 내지 300ml 정도의 용량인 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에서 연료는 전자기기의 열을 빼앗는 냉매로도 사용되므로 냉매유체의 저장탱크 역할도 같이 겸용한다.
여기서, 상기 연료전지스택(110)은 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기와 열을 발생할 수 있도록 단위 셀(Cell)이 복수개 조합되어 이루어진다. 상기 연료전지스택(110)에 사용되는 연료는 소형 또는 휴대형 전자기기에 전기를 공급하는 것으로 적합한 직접 메탄올 연료전지의 연료인 메탄올이 바람직하다. 메탄올은 30%정도로 희석된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열회수부(130)는 전자기기들(미도시)로부터 발생된 열을 연료로 흡열함으로써 전자기기들의 온도를 낮춘다. 상기 열회수부(130)는 마이크로 채널(micro channel),충돌제트 또는 스프레이방식등과 같이 종래에 공지되어 있는 것들 중 어느 하나를 적용하더라도 무방하다.
상기 방열부(140)는 상기 열회수부(130)를 통과하면서 전자기기들(미도시)로부터 빼앗은 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 연료가 통과하는 다수의 관과 관 주변의 공기유로와 핀구조로 구성될 수 있으며, 열방출효율을 증가시키기 위해 팬 이 사용될 수 있다.
상기 펌프(121)는 상기 연료카트리지(120)에 저장된 연료를 상기 연료전지스택(110)에 공급하는 동시에 상기 열회수부(130) 및 방열부(140)를 통하여 이동할 수 있도록 하는 것으로, 원심펌프, 다이아후렘펌프 등 다양한 형태의 유체펌프가 사용될 수 있다. 특히, 연료의 물리/화학적인 특성을 이용한 electrokinetic 방식이나 electromagnetic 방식도 가능하다.
상기 분배밸브(122)는 연료를 상기 연료전지스택(110)과 열회수부(130)로 분배하여 연료 또는 냉매로 사용되는 연료의 양을 조절하는 3 way valve 인 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일실시예에 따른 냉각시스템의 동작을 설명한다.
상기 연료카트리지(120)에 저장된 연료는 상기 펌프(121)에 의하여 동작되어 흐르면서 상기 분배밸브(122)를 거치면서 일부는 상기 연료전지스택(110)으로 들어가서 상기 연료전지스택(110)의 연료로 사용되며, 나머지는 상기 열회수부(130)로 들어간다.
상기 열회수부(130)에 들어간 연료는 전자기기들(미도시)로부터 열을 빼앗아 전자기기들(미도시)의 온도를 낮추고, 열을 흡수하여 온도가 상승된 연료는 상기 방열부(140)를 통과하면서 열을 외부로 방출하고 원래의 온도로 낮아진 다음 상기 연료카트리지(120)로 다시 회수된 후 상기한 바와 같은 동일한 동작을 반복한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각시스템(200)은 연료카 트리지(220), 펌프(221), 복수의 분배밸브(222,223), 열회수부(230), 방열부(240), 냉각부(250), 복수의 온도감지부(251,252) 및 제어부(260)를 구비한다.
상기 연료카트리지(220)는 상기 연료전지스택(210)에 사용되는 연료를 저장하는 것으로, 카트리지 형태로 이루어져 있어 연료가 다 소모된 경우에는 연료가 충만된 새 카트리지로 교환이 가능하다. 상기 연료카트리지(220)의 저장용량은 적용되는 시스템에 따라 다르지만 소형 또는 휴대형 전자기기에 사용되는 것을 감안하면 수십 ml 내지 300ml 정도의 용량인 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에서 연료는 전자기기의 열을 빼앗는 냉매로도 사용되므로 냉매유체의 저장탱크 역할도 같이 겸용한다.
여기서, 상기 연료전지스택(210)은 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기와 열을 발생할 수 있도록 단위 셀(Cell)이 복수개 조합되어 이루어진다. 상기 연료전지스택(210)에 사용되는 연료는 소형 또는 휴대형 전자기기에 전기를 공급하는 것으로 적합한 직접 메탄올 연료전지의 연료인 메탄올이 바람직하다. 메탄올은 30%정도로 희석된 것을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열회수부(230)는 전자기기들(미도시)로부터 발생된 열을 연료로 흡열함으로써 전자기기들의 온도를 낮춘다. 상기 열회수부(230)는 마이크로 채널(micro channel),충돌제트 또는 스프레이방식등과 같이 종래에 공지되어 있는 것들 중 어느 하나를 적용하더라도 무방하다.
상기 냉각부(250)는 상기 연료전지스택(210)이 전기화학적 반응으로 전기와 함께 발생하는 열을 흡열하여 상기 연료전지스택(210)의 온도를 낮추기 위한 것으 로, 스택사이에 채널형태의 유로를 가진 다수의 냉각판(cooling plate)을 추가하거나 또는 외부의 케이스를 냉각자켓(cooling jacket)의 형태로 구성하여 연료가 통과하면서 상기 연료전지스택(210)으로부터 발생된 열을 흡열하는 구조로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 냉각부(250)는 분배밸브(223)로부터 연료의 일부를 공급받으며, 상기 연료전지스택(210)으로부터 열을 흡수한 연료는 상기 방열부(240)로 들어간다.
상기 방열부(240)는 상기 열회수부(230)를 통과하면서 전자기기들(미도시)로부터 빼앗은 열과 상기 냉각부(250)를 거치면서 상기 연료전지스택(210)으로부터 흡수된 열을 외부로 방출하기 위한 것으로, 연료가 통과하는 다수의 관과 관 주변의 공기유로와 핀구조로 구성될 수 있으며 열방출효율을 증가시키기 위해 팬(fan)이 사용될 수 있다.
상기 펌프(221)는 상기 연료카트리지(220)에 저장된 연료를 상기 연료전지스택(210)에 공급하는 동시에 상기 열회수부(230),방열부(240) 및 냉각부(250)를 통하여 이동할 수 있도록 하는 것으로, 원심펌프, 다이아후렘펌프 등 다양한 형태의 유체펌프가 사용될 수 있다. 특히, 연료의 물리/화학적인 특성을 이용한 electrokinetic 방식이나 electromagnetic 방식도 가능하다.
상기 분배밸브(222)는 연료를 상기 연료전지스택(210)과 분배밸브(223)로 각각 분배하여 연료 또는 냉매로 사용되는 연료의 양을 조절하는 3 way valve 인 것이 바람직하다. 상기 분배밸브(223)도 연료를 상기 열회수부(230)와 냉각부(230)로 각각 분배하여 연료의 양을 조절하는 3 way valve 인 것이 바람직하다.
상기 온도감지부(251,252)는 상기 연료전지스택(210)과 열회수부(230)에 부착되어 상기 연료전지스택(210)과 열회수부(230)의 온도를 각각 검지하는 것으로, 검지된 온도는 상기 제어부(260)에 전달된다.
상기 제어부(260)는 상기 펌프(221) 및 분배밸브(222,223)에 연결되어 상기 온도감지부(251,252)에 의하여 검지된 온도검지값과 설정값을 비교하여 상기 연료전지스택(210)과 열회수부(230)의 온도가 적정온도를 유지하도록 하기 위한 것이다. 상기 제어부(260)는 상기 펌프(221)의 유량과 상기 분배밸브(222.223)의 스위칭조작을 통하여 연료의 유량을 조절함으로써 상기 연료전지스택(210)과 열회수부(230)의 온도가 적정온도를 유지하도록 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각시스템의 동작을 설명한다.
상기 연료카트리지(220)에 저장된 연료는 상기 펌프(221)에 의하여 동작되어 흐르면서 상기 분배밸브(222)를 거치면서 일부는 상기 연료전지스택(210)으로 들어가서 상기 연료전지스택(210)의 연료로 사용되며, 나머지는 상기 분배밸브(223)로 들어간다.
상기 분배밸브(223)로 들어간 연료는 일부는 상기 냉각부(250)로 들어가서 상기 연료전지스택(210)으로 열을 빼앗는 냉매로 사용되고 나머지는 상기 열회수부(230)로 들어가서 전자기기들(미도시)로부터 열을 빼앗는 냉매로 사용된다.
상기 열회수부(130)에 들어가 전자기기들(미도시)로부터 열을 빼앗은 연료와 상기 냉각부(250)에 들어가 상기 연료전지스택(210)으로부터 열을 빼앗은 연료는 같이 상기 방열부(240)를 통과하면서 열을 외부로 방출하고 원래의 온도로 낮아진 다음 상기 연료카트리지(220)로 다시 회수된 후 상기한 바와 같은 동일한 동작을 반복한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 연료를 냉매로 사용하는 냉각시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연료를 냉매로 사용함으로써 별도의 냉각유체 없이 높은 방열성능을 가지며,
둘째, 연료전지에서 발생하는 열과 전자기기등에서 발생하는 열을 동시에 방열할 수 있으며,
셋째, 연료전지의 전원공급기능과 냉각기능을 하나로 통합함으로써 전체시스템을 간단하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생하는 연료전지스택에 사용되는 연료를 저장하는 연료카트리지;
    전자기기들로부터 발생된 열을 연료로 흡수시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 열회수부와;
    전자기기들에서 빼앗은 열을 연료로부터 방열시키는 방열부;를 구비하여,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 열회수부, 방열부 및 연료카트리지를 따라 순환시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택과 상기 열회수부로 지속적으로 분배하는 분배밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택에 공급하며 그리고 상기 열회수부로 공급하는 펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  4. 수소를 포함한 연료와 산소의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 발생하는 연료전지스택에 사용되는 연료를 저장하는 연료카트리지;
    전자기기들로부터 발생된 열을 연료로 흡수시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 열회수부와;
    전자기기들에서 빼앗은 열을 연료로부터 방열시키는 방열부;
    상기 열회수부의 감지온도값과 설정값과 비교하여 열회수부가 적정온도를 유지하도록 연료의 유량을 제어하는 제어부;를 구비하여,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 열회수부, 방열부 및 연료카트리지를 따라 순환시킴으로써 전자기기들의 온도를 낮추는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택과 상기 열회수부로 지속적으로 분배하는 분배밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 연료카트리지에 저장된 연료를 상기 연료전지스택에 공급하며 그리고 상기 열회수부로 공급하는 펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연 료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  7. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 열회수부의 온도를 감지하는 온도감지부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 연료전지스택으로부터 열을 빼앗음으로써 상기 연료전지스택의 온도를 낮추는 냉각부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 열회수부 전에 연료를 상기 냉각부로 분배시키는 분배밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 냉각부로부터 유출된 연료는 상기 방열부에 들어가는 것을 특징으로 하는 연료전지의 연료를 냉매로 이용하는 냉각시스템.
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