KR20070048916A - 연료전지 냉각시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지에서 스텍(Stack) 등을 냉각하기 위한 연료전지 냉각시스템에 관한 것으로, 특히, 방열 성능이 우수하여 방열기 등과 같은 방열수단들의 소형화가 가능한 연료전지 냉각시스템에 관한 것이다.

본 발명은 방열기, 가습기, 스텍 및 냉각수펌프 사이에 냉각수가 순환할 수 있는 냉각수순환라인을 형성하여, 상기 방열기에서 냉각된 냉각수로 상기 가습기를 통해 상기 스텍에 공급되는 수소와 공기를 가습함과 아울러 상기 스텍으로부터 공기와 수소 반응으로 발생되는 반응열을 방열하여 상기 스텍을 냉각하도록 이루어진 연료전지 냉각시스템에 있어서, 상기 스텍을 경유한 고온의 냉각수를 상기 스텍에 공급되는 수소와 열교환시켜 냉각할 수 있는 중간열교환기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 이와 같은 구성에 따르면, 스텍으로부터 냉각수가 흡수한 반응열을 중간열교환기와 방열기에서 두 번에 걸쳐 방열을 할 수 있으므로 시스템 용량과 용적 등에 비해 방열성능 즉 냉각성능이 매우 우수하여 연료전지의 소형화 및 경량화하는데 이바지할 수 있다.

연료전지, 수소, 산소, 스텍, 냉각, 방열, 냉각수, 열교환기

Description

연료전지 냉각시스템{COOLING SYSTEM OF FUEL CELL}

도 1은 종래 연료전지 냉각시스템이 적용된 연료전지의 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템이 적용된 연료전지의 구성도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 스텍 2 : 수소탱크

3 : 감압장치 4 : 공기압축기

5 : 가습기 20 : 냉각수펌프

21 : 제2전환밸브 22 : 방열기

23 : 냉각팬 24 : 제1전환밸브

25 : 중간열교환기

본 발명은 연료전지에서 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생 시키는 스텍 등을 냉각하기 위한 연료전지 냉각시스템에 관한 것으로, 특히, 방열 성능이 우수하여 방열기 등과 같은 방열수단들의 소형화가 가능한 연료전지 냉각시스템에 관한 것이다.

연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 연료전지는 에너지 효율이 높고 소음이 적으며 공해물질을 거의 배출하지 않는 등 여러 가지 장점을 두루 갖추고 있다. 그 중에서도 수소-산소 연료전지는 수소와 산소를 연료로 이용하는 전지로서 소형화와 경량화가 가능하여 기존 연소기관을 대체할 차세대 자동차 엔진으로 가장 활발하게 연구 개발되고 있다.

수소-산소 연료전지는 대체로 도 1에 도시된 바와 같이 산소와 수소를 화학반응시켜 전기에너지를 생성하는 스텍(Stack)(1), 상기 스텍(1)에 반응연료인 수소와 산소를 공급하기 위한 수소탱크(2)와 공기압축기(4), 그리고, 스텍(1)에 공급되는 수소와 산소에 대해 수분을 함유시키기 위한 가습기(5) 등으로 이루어진 화학반응시스템을 포함하고 있다.

이에, 수소탱크(2)와 공기압축기(4)로부터 가습기(5)를 거치면서 가습된 수소 및 공기 중에 포함된 산소를 스텍(1) 내 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극봉(도시되지 않음)으로 각각 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 공기 중의 산소와 수소를 전기화학반응시킴으로써 연속적으로 전기에너지를 생성할 수 있다.

이와 같은 수소-산소 연료전지에는, 통상, 도 1에 나타난 바와 같이 냉각수를 펌핑하여 스텍(1)과 가습기(5)를 경유하여 순환시키는 냉각수펌프(10)와, 상기 스텍(1)과 가습기(5)에서 가열된 고온의 냉각수를 냉각할 수 있는 방열기(12) 및 냉각팬(13), 그리고, 상기 냉각수펌프(10)와 방열기(12) 사이에서 냉각수를 바이패스시킬 수 있는 전환밸브(11) 등으로 이루어져, 열교환매체인 냉각수를 이용하여 스텍(1)에서 발생하는 반응열을 방열기(12)를 통해 방열시킴으로써 스텍(1)을 일정 온도 이하로 냉각하여 연료전지의 수명과 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있는 냉각시스템이 포함되어 있다.

수소-산소 연료전지는 화학반응과정에서 기존 내연기관에 비해서도 약 25% 이상 많은 반응열을 발생하는데, 여기에 포함된 냉각시스템의 냉각수 온도는 오히려 약 40℃ 이상 낮다. 따라서 화학반응과정에서 발생되는 반응열을 외부로 방출시키기 위해 기존 내연기관에 비해 방열 용량이 매우 큰 냉각시스템을 필요로 한다.

그럼에도 불구하고 종래 연료전지의 냉각시스템들은 도 1에 나타난 바와 같이 열전달 매체인 냉각수를 방열기(12)와 스텍(1) 사이를 순환시키면서 스텍(1)에서 냉각수가 흡수한 열을 방열기(12)에서 냉각팬(13)이 강제송풍하는 공기에 대하여 단 1회만 방열할 수 있게 구성되어 있었다. 따라서, 방열효율이 매우 낮아 스텍(1)을 충분히 냉각하기 위해서는 방열기(12)와 냉각팬(13)의 용량을 상당히 크게 해야 하는 단점이 있었다. 더욱이, 외기의 온도가 높을 경우에는 방열기(12) 내 냉각수와 이 냉각수와 열교환하는 공기 사이의 온도 차이가 작아 방열 효율이 더 떨어지기 때문에 방열기(12)와 냉각팬(13)의 용량을 더욱 크게 해야 하였다.

이와 같이 종래 연료전지 냉각시스템은 방열효율이 낮아 화학반응시스템의 요구하는 냉각성능을 충족시키기 위해서는 방열기(12)와 냉각팬(13) 등의 용량을 크게 늘려야 했기 때문에 연료전지의 크기와 무게를 가중시키는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 연료전지 냉각시스템의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 스텍에서 가열된 고온 냉각수를 방열기에서 방열하기에 앞서 스텍에 공급되는 반응 전 저온의 수소와 열교환시킨 다음 다음 다시 방열기에서 방열시킬 수 있게 이루어져 방열기 등의 용량 대비 방열 효율이 높은 연료전지 냉각시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 방열기, 가습기, 스텍 및 냉각수펌프 사이에 냉각수가 순환할 수 있는 냉각수순환라인을 형성하여, 상기 방열기에서 냉각된 냉각수로 상기 가습기를 통해 상기 스텍에 공급되는 수소와 공기를 가습함과 아울러 상기 스텍으로부터 공기와 수소 반응으로 발생되는 반응열을 흡수하여 상기 스텍을 냉각하도록 이루어진 연료전지 냉각시스템에 있어서, 상기 스텍을 경유한 고온의 냉각수를 상기 스텍에 공급되는 수소와 열교환시켜 냉각할 수 있는 중간열교환기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이상의 구성에 있어서 상기 스텍과 중간열교환기 사이에는 상기 스텍을 거친 냉각수를 상기 방열기로 바이패스시킬 수 있는 제1전환밸브가 더 포함될 수 있으며, 또한, 상기 중간열교환기와 방열기 사이에는 상기 중간열교환기를 통과한 냉각 수를 상기 가습기로 바이패스시킬 수 있는 제2전환밸브가 더 설치될 수 있다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 연료전지 냉각시스템은 냉각수펌프의 펌핑으로 냉각수를 스텍과 방열기 사이를 중간열교환기를 경유하여 순환시킴으로써 가습기와 스텍을 거치면서 가열된 고온의 냉각수를 스텍에 공급되는 반응 전 저온의 수소와 열교환시킨 다음 방열기에서 공기와 열교환시킴으로써 스텍에서 발생된 반응열을 냉각수를 매개로 두 번에 걸쳐 방열할 수 있다. 이와 같은 연료전지 냉각시스템은 방열기 등의 용적과 용량에 비해 방열성능이 우수하여 방열기 등의 소형화가 가능하다. 따라서, 방열기 등의 큰 용량과 용적으로 인해 연료전지의 중량과 크기 등을 가중시켜왔던 종래 연료전지 냉각시스템의 문제점을 해소할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 냉각시스템의 구체적인 구성과 작용을 바람직한 실시예를 통해 살펴본다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템이 적용된 연료전지의 구성도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템은 화학반응장치인 스텍(1)과 이 스텍(1)에 화학반응연료인 수소 및 산소를 가습하여 공급하기 위한 수소탱크(2)와 공기압축기(4) 및 가습기(5) 등으로 이루어진 화학반응시스템이 포함된 연료전지에서, 상기 스텍(1)과 가습기(5)를 경유하는 냉각수 순환라인을 형성하여 그 냉각수 순환라인을 따라 냉각수를 강제 순환시키면서 스텍(1)에 공급되는 수소 및 산소를 가습함과 아울러 상당한 반응열을 발생하는 스텍(1)을 냉각할 수 있게 구성된 것으로서, 냉각수 순환라인을 따라 냉각수를 강제 순환시키기 위한 냉각수펌프(20), 가습기와 스텍(1)을 거친 냉각수를 수소탱크(2)에서 배출되어 감압장치(3)에 의해 감압된 수소 및 냉각팬(23)이 강제송풍하는 외기와 각각 순차로 열교환시키는 중간열교환기(25)와 방열기(22) 등으로 이루어져 있다.

상기 냉각수펌프(20), 방열기(22), 중간열교환기(25) 등은 가습기(5) 및 스텍(1)과 더불어 냉각수가 순환할 수 있는 폐쇄 순환라인을 이루는데, 상기 스텍(1)과 중간열교환기(25) 사이에는 스텍(1)를 거친 냉각수를 냉각수펌프(20)로 바이패스시킬 수 있는 제1전환밸브(24)가 설치되고, 냉각수펌프(20)와 방열기(22) 사이에는 냉각수펌프(20)가 펌핑한 냉각수가 방열기(22)를 우회하여 바로 가습기(5)쪽으로 보낼 수 있는 제2전환밸브(21)가 설치된다.

위 구성 중 냉각수를 외기와 열교환시키기 위한 방열기(22)와 냉각팬(23) 등은 화학반응시스템의 요구 냉각성능에 따라 냉각시스템의 구성에서 배제될 수도 있다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템은 연료전지가 가동되는 경우 냉각수펌프(20)의 펌핑으로 냉각수를 가습기(5), 스텍(1), 중간열교환기(25), 방열기(22) 순으로 순환시킨다. 그리고 그 과정에서 가습기(5)와 스텍(1)을 거치면서 반응열을 흡수한 고온의 냉각수를 중간열교환기(25)로부터 스텍(1)에 공급되는 반응전 수소 즉, 수소탱크(2)에서 배출되어 감압장치(3)에 의해 감압된 저온 수소와 열교환시킨 다음 다시 방열기(22)에서 냉각 팬(23)이 송풍하는 공기와 열교환시킴으로써, 냉각수가 순환하면서 스텍(1)으로부터 흡수하는 반응열을 반응전 수소 및 대기 중으로 2 회에 걸쳐 방열하여 스텍(1)을 냉각할 수 있다. 또한, 스텍(1)이 정상가동온도에 이르지 못한 시동초기 등과 같이 화학반응시스템이 요구하는 냉각성능에 따라 제1전환밸브(24) 또는 제2전환밸브(21)가 냉각수의 온도에 따라 선택적으로 동작하여 냉각수를 중간열교환기(25) 또는 방열기(22)를 바이패스하여 순환시킴으로써 냉각성능에 변화를 줄 수도 있다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템은 상술한 바와 같이 냉각수가 흡수한 반응열을 중간열교환기(25) 및 방열기(22)에 의해 저온 수소 및 공기에 대하여 적어도 두 번에 걸쳐 방열할 수 있으므로 시스템 용량과 용적 등에 비해 방열성능 즉 냉각성능이 매우 우수하다.

뿐만 아니라, 냉각수의 온도에 따라 제1전환밸브(24) 또는 제2전환밸브(21)를 선택적으로 동작시켜 냉각수를 중간열교환기(25) 또는 방열기(22)를 바이패스시켜 방열 효율에 변화를 줄 수 있으므로 화학반응시스템의 요구에 따라 신축성 있게 냉각성능을 가변시킬 수 있다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 냉각시스템은 냉각수가 흡수한 반응열을 중간열교환기와 방열기에서 두 번에 걸쳐 방열을 할 수 있으므로 시스템 용량과 용적 등에 비해 방열성능 즉 냉각성능이 매우 우수하다. 따라서, 내연기관에 비해 발열량이 많으면서 냉각수 온도는 오히려 낮아 방열기 등 의 용적이 클 수밖에 없었던 연료전지 냉각시스템의 문제점을 해소하여 연료전지의 소형화 및 경량화 하는데 크게 이바지할 수 있다.

뿐만 아니라, 냉각수의 온도에 따라 냉각수를 중간열교환기 또는 방열기를 선택적으로 바이패스시켜 냉각성능을 신축성 있게 가변시킬 수 있으므로 연료전지의 성능 개선에도 상당한 기여를 할 수 있다.

Claims (3)

1. 방열기(22), 가습기(5), 스텍(1) 및 냉각수펌프(20) 사이에 냉각수가 순환할 수 있는 냉각수순환라인을 형성하여, 상기 방열기(22)에서 냉각된 냉각수로 상기 가습기(5)를 통해 상기 스텍에 공급되는 수소와 공기를 가습함과 아울러 상기 스텍으로부터 공기와 수소 반응으로 발생되는 반응열을 방열하여 상기 스텍(1)을 냉각하도록 이루어진 연료전지 냉각시스템에 있어서,

   상기 스텍(1)을 경유한 고온의 냉각수를 상기 스텍에 공급되는 수소와 열교환시켜 냉각할 수 있는 중간열교환기(25)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스텍(1)과 중간열교환기(25) 사이에 상기 스텍(1)을 경유한 냉각수를 상기 냉각수펌프(20)로 바이패스시킬 수 있는 제1전환밸브(24)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 중간열교환기(25)와 방열기(22) 사이에 상기 중간열교환기(25)를 통과한 냉각수를 상기 가습기(5)로 바이패스시킬 수 있는 제2전환밸브(21)을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각시스템.

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