KR20070022561A - 연료전지의 동결 방지 장치 - Google Patents

연료전지의 동결 방지 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 연료전지의 동결 방지 장치는, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와, 스택부를 포함한 시스템 내부의 온도와 시스템 외부의 온도를 감지하는 온도감지부와, 온도감지부에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하이면 발열모드로 전환하여 작동하는 히터부를 포함함으로써, 연료전지가 외부의 온도변화에 따라 결빙되어 시스템 전체의 성능이 저하되거나 작동불능상태가 되는 것을 방지할 수 있고 이를 통해 연료전지의 안정성을 높일 수 있다.

Description

연료전지의 동결 방지 장치{SYSTEM FOR PROTECTING FREEZING OF FUEL CELL}
도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도,
도 2는 본 발명 동결 방지 장치를 구비한 연료전지를 보인 계통도,
도 3은 본 발명 연료전지의 동결 방지 장치를 확대하여 보인 계통도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 개질부 20 : 스택부
30 : 전기출력부 40 : 열교환부
41 : 물저장통 110 : 온도센서
120 : 히터부 130 : 제어부
S : 시스템 케이스
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 특히 연료전지에서 주위 온도변화에 의한 동결을 방지할 수 있는 연료전지의 동결 방지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(FUEL CELL SYSTEM)는 연료가 가지고 있는 에너지를 직 접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 각각 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)을 설치하고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나면서 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지를 발생되도록 하는 전지계로서 일종의 발전장치라고 할 수 있다.
도 1은 LNG, LPG, CH3OH 등의 탄화수소계(CH계열) 연료(도면은 LNG)를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H2)만을 정제하여 연료로 사용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)방식의 연료전지를 보인 계통도이다.
이에 도시한 바와 같이 종래의 연료전지는, LNG에서 수소를 정제하는 개질부(10)와, 개질부(10)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(21)과 공기를 공급받는 공기극(22)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(20)와, 스택부(20)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(30)와, 개질부(10)와 스택부(20)에 물을 공급하여 그 개질부(10)와 스택부(20)를 냉각하는 열교환부(40)와, 각 부(10)(20)(30)(40)에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(미도시)로 구성하고 있다.
열교환부(40)는 소정량의 물을 충전하는 물저장통(41)과, 스택부(20)와 물저장통(41) 사이를 순환식으로 연결하는 냉각수라인(42)과, 냉각수라인(42)의 중간에 설치하여 스택부(20)에서 물저장통(41)으로 회수되는 물을 냉각하는 방열기(43)와, 냉각수라인(42)의 중간에 설치하여 물저장통(41)의 물을 펌핑하고 그 펌핑된 물을 스택부(20) 등으로 공급하는 순환펌프(44)로 이루어져 있다.
상기와 같은 종래 연료전지는 다음과 같이 동작한다.
즉, 개질부(10)에서 탄화수소계열의 연료를 개질하여 수소를 정제하고 이 수소를 스택부(20)의 연료극(21)으로 공급하는 한편 공기를 스택부(20)의 공기극(22)으로 공급함으로써 연료극(21)에서는 산화반응이, 공기극(22)에서는 환원반응이 일어나게 한다. 이 과정에서 생성되는 전자가 연료극(21)에서 공기극(22)으로 이동하면서 전기를 발생시키고, 그 전기는 전기출력부(30)에서 교류전기로 전환시켜 각종 전기제품에 공급한다.
여기서, 스택부(20)에서는 전기와 함께 열이 발생하므로 열교환부(40)의 순환펌프(43)를 동작시켜 물저장통(41)에 채워져 있는 물을 상기한 냉각수라인(42)으로 스택부(20)에 공급하였다가 회수하는 일련의 과정을 반복하면서 스택부(20) 등을 냉각시키는 것이었다.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지에 있어서는, 개질부(10)와 스택부(20) 그리고 열교환부(40) 등을 관으로 연결하고 연료와 공기도 습윤 상태로 이동하도록 구성될 뿐만 아니라 물저장통(41)에는 많은 양의 물이 저장됨에 따라 시스템의 주변 온도가 낮은 경우에는 상기한 관로가 결빙되어 막히면서 시스템 전체가 작동불능 상태에 빠질 우려가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 주변의 온도가 설정온도 이하로 냉각되더라도 자체적으로 가열장치를 작동시켜 시스템이 동결되는 것을 미연에 방지할 수 있는 연료전지의 동결 방지 장치를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와, 스택부를 포함한 시스템 내부의 온도와 시스템 외부의 온도 중에서 적어도 어느 한쪽을 감지하는 온도감지부와, 온도감지부에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하이면 발열모드로 전환하여 작동하는 히터부를 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치를 제공한다.
이하, 본 발명에 의한 연료전지의 동결 방지 장치를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 동결 방지 장치를 구비한 연료전지를 보인 계통도이고, 도 3은 본 발명 연료전지의 동결 방지 장치를 확대하여 보인 계통도이다.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지는, LNG에서 수소를 정제하는 개질부(10)와, 개질부(10)에 연결하여 정제된 수소를 공급받는 연료극(21)과 공기를 공급받는 공기극(22)을 구비하여 수소와 공기의 전기화학적 반응으로 전기와 열을 생산하는 스택부(20)와, 스택부(20)의 출력측에 연결하여 전기를 부하에 공급하는 전기출력부(30)와, 개질부(10)와 스택부(20)에 물을 공급하여 그 개질부(10) 와 스택부(20)를 냉각하는 열교환부(40)와, 개질부(10)와 스택부(20) 그리고 전기출력부(30) 등을 수용하는 시스템 케이스(S)의 내부와 외부에 설치하여 그 시스템 케이스(S)의 내부온도와 외부온도 중에서 적어도 어느 한쪽을 검출하는 온도감지부(110)와, 온도감지부(110)에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하일 경우 발열하여 해당 부위의 결빙을 방지하는 히터부(120)와, 각 부(10)(20)(30)(40)(110)(120)에 전기적으로 연결하여 제어하는 제어부(130)로 구성한다.
스택부(20)는 전해질막(미도시)을 사이에 두고 연료극(21)과 공기극(22)을 배치하고 그 연료극(21)과 공기극(22)의 바깥면에 각각 연료유로와 공기유로를 구비한 분리판(미도시)을 설치하여 단위셀을 형성하며 이 단위셀을 겹겹이 적층하여 이루어진다.
전기출력부(30)는 스택부(20)에서 생성되는 DC를 AC로 변환하여 AC전원용 전기제품에 공급하거나 또는 DC를 그대로 DC전원용 전기제품에 공급하도록 이루어진다.
열교환부(40)는 내열성이 높은 재질로 이루어져 소정량의 물을 충전하는 물저장통(41)과, 스택부(20)와 물저장통(41) 사이를 순환식으로 연결하는 냉각수라인(42)과, 냉각수라인(42)의 중간에 설치하여 스택부(20)에서 물저장통(41)으로 회수되는 물을 냉각하는 방열기(43)와, 냉각수라인(42)의 중간에 설치하여 물저장통(41)의 물을 펌핑하고 그 펌핑된 물을 스택부(20) 등으로 공급하는 순환펌프(44)로 이루어진다.
온도감지부(110)는 시스템의 내부온도와 외부온도를 감지할 수 있도록 시스 템 케이스(S)의 내측면 또는 외측면 등에 온도센서를 고정 설치하거나 또는 각 부에 독립적으로 온도센서를 고정 설치하고, 각 온도센서(온도감지부와 동일한 부호를 부여함)(110)를 상기한 제어부(130)에 전기적으로 연결하여 이루어진다.
히터부(120)는 시스템 케이스(S)의 내주면을 고르게 감아 시스템 전체를 일괄적으로 가열할 수도 있고, 또는 개질부(10)와 스택부(20) 또는 열교환부(40) 등을 상호 연결하는 연결관 등 각각의 관로를 독립적으로 감싸 필요한 부위를 선택적으로 가열하도록 구성할 수 있다. 특히 도 3에서와 같이 열교환부(40)를 기존의 보일러(B), 즉 일반 가정이나 사무실 등에서 LNG 등의 연료를 직접 연소시켜 열을 발생하는 보일러(B)의 난방 또는 온수시스템에 연결하는 경우에는 상기 물저장통(41)의 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 상기한 물저장통(41)의 주면에 세라믹히터 또는 코일히터 등의 가열장치를 감아 형성할 수 있다.
또, 히터부(120)는 시스템이 가동 중인 경우에는 그 시스템에서 생성되는 전기를 활용하는 반면 시스템이 정지인 경우에는 상용전원을 활용할 수 있도록 전기적으로 전환 가능하게 연결하는 것이 바람직하다.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.
상기와 같은 본 발명 연료전지의 동결 방지 장치가 가지는 작용효과는 다음과 같다.
즉, 제어부(130)가 지령하여 스택부(20)가 반응을 하면, 그 스택부(20)에서 전기와 함께 열이 발생하여 전기는 전기출력부를 통해 가정이나 사무실 등에서 필요로 하는 전기에너지로 활용되는 반면 열은 축열장치로 저장되거나 방열된다. 이 과정에서 순환펌프(44)가 구동하여 물저장통(41)의 물을 냉각수라인(42)으로 펌핑한 후 개질부(10)나 스택부(20)에 순환 공급하여 개질부(10)나 스택부(20)의 과열을 방지한다.
이때, 연료전지의 주변 온도가 지나치게 낮아지는 경우에는 각 부를 연결하는 관로 또는 각 부에서의 관로 등에서 연료와 공기가 습윤 상태로 이동하게 되므로 이 연료와 공기가 외부의 차가운 온도에 의해 결빙될 우려가 있을 뿐만 아니라 특히 물저장통(41)에 충전하는 물이 쉽게 결빙될 우려가 있으나, 본 발명에서와 같이 시스템의 내외부에 각각 온도센서(110)를 구비하고 이 온도센서(110)에 제어부(130)를 통해 전기적으로 연결하는 히터부(120)를 각 부에 설치하는 경우에는 외부의 온도변화에 대응하여 설정온도 이하로 저하되면 상기한 히터부(120)가 발열을 하면서 개질부(10)나 스택부(20) 또는 열교환부(40)가 결빙되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
한편, 히터부(120)의 전원은 연료전지가 운전을 하는 동안에는 그 연료전지에서 생산되는 전기를 사용하는 반면 연료전지가 정지하거나 생산된 전력량이 부족한 경우에는 상용전원을 이용하여 구동되도록 함으로써 안정적으로 작동될 수 있다.
이렇게 하여, 연료전지가 외부의 온도변화에 따라 주요 부품이 결빙되는 것을 막아 시스템 전체의 성능이 저하되거나 작동불능상태가 되는 것을 방지함으로써 연료전지의 안정성을 높일 수 있다.
본 발명에 의한 연료전지의 동결 방지 장치는, 시스템 주변의 온도를 체크하여 그 온도가 설정온도 이하가 되면 발열할 수 있도록 히터를 설치함으로써, 연료전지가 외부의 온도변화에 따라 결빙되어 시스템 전체의 성능이 저하되거나 작동불능상태가 되는 것을 방지할 수 있고 이를 통해 연료전지의 안정성을 높일 수 있다.

Claims (6)

  1. 연료극과 공기극을 구비하여 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생성하는 스택부와,
    스택부를 포함한 시스템 내부의 온도와 시스템 외부의 온도 중에서 적어도 어느 한쪽을 감지하는 온도감지부와,
    온도감지부에 의해 감지된 온도가 설정온도 이하이면 발열모드로 전환하여 작동하는 히터부를 포함한 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    히터부는 각 부를 독립적으로 가열할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    히터부는 시스템 전체를 일괄 가열할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    스택부를 포함한 시스템과 열교환 가능하게 결합하여 냉각수를 순환 공급하도록 물저장통을 포함한 열교환부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    물저장통에 히터부를 결합하여 그 물저장통에 채워지는 물이 결빙되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    물저장통은 건물에 설치하여 연료를 직접 연소하면서 열을 발생하는 보일러의 난방 또는 온수시스템과 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 동결 방지 장치.
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