KR20070117841A - 스택에 열교환기가 내장된 연료전지 - Google Patents

Abstract

열교환기의 구조가 공간 점유율을 낮추는데 유리하도록 개선된 연료전지가 개시된다. 개시된 연료전지는, 연료의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 반응이 진행되는 스택과, 그 에너지 변환 과정 중 발생되는 열을 식히기 위해 스택 내에 설치된 열교환기를 구비한다. 이러한 구성의 연료전지는, 열교환기가 스택 안에 설치되어 있기 때문에, 기존의 외장형 열교환기를 사용하는 구조에 비해 설치 공간을 절반 수준으로 줄일 수 있다.

Description

스택에 열교환기가 내장된 연료전지{A fuel cell providing stack which has internal heat exchanger}

도 1은 일반적인 연료전지의 발전 원리를 보인 도면,

도 2는 종래의 열교환기가 채용된 연료전지의 구조를 도시한 도면,

도 3은 도 2에 도시된 연료전지의 스택 중 단위 셀에서의 물질 순환 구조를 보인 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기 내장형 연료전지를 도시한 도면,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기 내장형 연료전지를 도시한 도면,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열교환기 내장형 연료전지를 도시한 도면.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

5...냉각판 10...단위 셀

100...스택 110...엔드플레이트

111...냉각수 저장부 112...솔레노이드 밸브

113...온도 센서 114...부냉각수 유로

120...열교환플레이트

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 열교환기의 구조가 공간 점유율을 낮추는데 유리하도록 개선된 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 도 1은 이러한 연료전지의 에너지 전환 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도면과 같이 캐소드(cathode; 1)에 산소를 포함한 공기가, 애노드(anode; 3)에 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막(2)을 통해 물의 전기분해와 역반응이 진행되면서 전기가 발생하게 된다. 그런데, 통상적으로 이러한 단위 셀(10) 하나에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 도 2와 같이 여러 개의 셀(10)을 직렬로 연결한 스택(stack;20)의 형태로 사용하게 된다. 이 스택(20)에 적층되어 있는 각 셀(10)에는 도 3에 도시된 바와 같이 바이폴라플레이트(4)의 면 유로(4a)를 포함하여 수소나 산소가 각 전극(1)(3)에 공급되고 회수되기 위한 유로가 연결되어 있다. 따라서, 도 2와 같이 스택(20)의 엔드플레이트(21)를 통해 외부로부터 수소와 산소를 공급하면, 각 셀(10)의 유로를 통해 해당 전극에 해당 물질이 경유하며 순환하게 된다. 물론, 위에서 언급한 바와 같이 수소는 화학연료의 형태로, 산소는 공기의 형태로 공급된다.

한편, 이와 같이 전기화학반응 과정에서는 전기 뿐 아니라 열도 같이 발생하기 때문에, 연료전지의 원활한 가동을 위해서는 이 열을 계속해서 식혀줄 필요가 있다. 이를 위해 연료전지에는 도 2와 같은 열교환기(30)가 함께 구비되어 있고, 스택(20)에는 열교환용 냉각수가 지나가기 위한 냉각판(5)이 5~6개 셀(10)마다 설치되어 있다. 따라서, 냉각수가 이 냉각판(5)의 유로(5a; 도 3 참조)를 통과하면서 스택(20) 내의 열을 냉각수가 흡수하고, 이렇게 열을 흡수한 냉각수는 열교환기(30) 안에서 2차 냉각수에 의해 식혀진 후 다시 스택(20)안으로 순환하게 된다. 이때 냉각수의 순환은 별도의 동력원에 의해 이루어지는 것이 아니라, 냉각수가 주변 열을 흡수하여 끓어오르면서 넘치는 자연 대류 현상에 의해 이루어진다. 그리고, 참조부호 40은 열교환기(30)로 들어오는 냉각수의 온도를 측정하는 센서를 나타내며, 참조부호 50은 열교환기(30)에서 스택(20)으로 가는 유로를 개폐하는 솔레노이드 밸브를 나타낸다. 정상운전 시에는 밸브(50)를 개방해서 냉각수가 순환하게 하고, 열교환기(30)로 들어오는 냉각수의 온도가 너무 떨어지면, 밸브(50)를 닫아서 스택(20) 내의 냉각수 온도가 어느 정도 올라가도록 기다렸다가 다시 밸브(50)를 여는 식으로 운영하게 된다. 물론, 이것은 컨트롤러(미도시)에 의해 자동으로 수행되는 작업이다.

그런데, 이러한 기존의 구조에서는, 스택(20)과 열교환기(30)가 각각 별개로 구성되어 있기 때문에, 전체 장치의 크기가 커져서 공간 점유율이 높아지게 된다. 즉, 스택(20)과 열교환기(30)가 각각 독자적으로 분리된 상태로 공간을 차지하고 있기 때문에, 연료전지를 설치하기 위한 공간이 그만큼 많이 필요하게 된다. 이것 은 연료전지의 사용처를 제한하는 주요한 단점이 되고 있다. 뿐만 아니라, 냉각수가 돌아다니는 유로의 길이도 그만큼 길어지기 때문에 열손실이 일어날 가능성도 높아지게 된다.

따라서, 이러한 단점들을 극복하기 위해서는, 보다 컴팩트한 구조로 발전과 냉각을 수행할 수 있는 새로운 형태의 연료전지가 요구되고 있다.

본 발명은 상기의 필요성을 감안하여 창출된 것으로서, 보다 간결한 구조를 가지면서도 발전과 냉각의 기능을 무난하게 진행할 수 있도록 개선된 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 반응이 진행되는 스택과, 상기 스택 내에서의 에너지 변환 과정 중 발생되는 열을 식히기 위한 열교환기를 구비하는 연료전지에 있어서, 상기 열교환기가 상기 스택에 설치되는 플레이트들 중 적어도 어느 한 플레이트의 내부에 설치된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 열교환기는 상기 스택의 양측 가장자리에 있는 한 쌍의 엔드플레이트 중 적어도 한 쪽의 내부에 설치될 수 있는데, 이때 상기 열교환기는, 상기 스택을 통과하는 냉각수가 일시 수용될 수 있도록 상기 엔드플레이트에 마련된 냉각수 저장부와, 상기 냉각수 저장부를 경유하며 그 내부에는 상기 냉각수와의 열교환을 위한 부냉각수가 지나는 부냉각수 유로를 포함할 수 있다.

또한, 상기 열교환기는 상기 한 쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되는 열교환플레이트에도 내장될 수 있는데, 이때의 열교환기는 상기 스택을 통과하는 냉각수가 일시 수용될 수 있도록 상기 열교환플레이트에 마련된 냉각수 저장부와, 상기 냉각수 저장부를 경유하며 그 내부에는 상기 냉각수와의 열교환을 위한 부냉각수가 지나는 부냉각수 유로를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 상기 냉각수 저장부는 상기 부냉각수 유로와 접촉되는 제1저장부와, 상기 부냉각수 유로와 접촉되면서 냉각된 냉각수를 수용하는 제2저장부 및, 상기 제1,2저장부를 연결하는 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브를 구비할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이 본 실시예의 연료전지도, 연료의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 반응이 일어나는 단위 셀(10) 여러 개가 직렬로 연결된 스택(100)을 구비하고 있다. 이 스택(100)의 곳곳에는 냉각수가 통과하는 유로를 가진 냉각판(5)이 설치되어 있어서, 에너지 변환 과정에서 발생되는 열을 냉각수가 흡수하면서 식혀주게 된다. 냉각판(5)은 단위 셀(10) 마다 설치할 수도 있지만, 통상 5~6개의 셀(10)마다 한 매씩 설치된다. 그리고, 이와 같은 흡열 상태의 냉각수를 식혀서 다시 냉각판(5)으로 순환시키기 위한 열교환기(200)는, 종래처럼 스택(100) 외부에 있는 것이 아니라, 스택(100)의 양측 가장자리에 배치된 엔드플레이트(110) 내에 설치되어 있다. 그 세부구조는 다음과 같다.

우선, 냉각판(5)의 유로(5a)와 연통되는 냉각수 저장부(111)가 엔드플레이트(110)에 마련되어 있다. 이 냉각수 저장부(111)는 엔드플레이트(110)의 일면에 홈을 형성하여 마련된 수용 공간으로서, 흡열 상태의 냉각수가 부냉각수의 유로(114)와 만나서 식혀지는 제1저장부(111a)와, 그 식혀진 냉각수가 수용되는 제2저장부(111b)로 구성되어 있다. 그리고, 이 제1,2저장부(111a)(111b) 사이는 솔레노이드 밸브(112)가 연결하고 있어서, 밸브(112)를 열면 제1저장부(111a)의 냉각수가 제2저장부(111b)로 보내진 후 스택(100) 내의 냉각판(5)으로 순환하게 되며, 밸브(112)를 닫으면 순환이 일시 정지되도록 구성되어 있다.

참조부호 114는 상기와 같이 제1저장부(111a)의 냉각수와 열교환을 위한 부냉각수의 유로를 나타낸다. 부냉각수는 이 유로(114)를 지나면서 제1저장부(111a)의 냉각수와 접촉하여 열교환을 수행하게 된다.

이와 같은 엔드플레이트(110) 내장형 열교환기(200)를 구비한 연료전지를 가동하게 되면, 스택(100) 내의 각 셀(10)에서는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 반응이 진행된다. 이때 냉각판(5)을 통해서는 냉각수가 순환하면서 에너지 변환 반응 시 발생되는 열을 흡수하여 식히게 된다. 그리고, 이 흡열 상태의 냉각수는 엔드플레이트(110)에 마련된 냉각수 저장부(111) 중 제1저장부(111a)로 유입되어 상기 부냉각수와 접촉하면서 다시 식혀지게 된다. 밸브(112)가 오픈 상태라면 식혀진 냉각수는 제2저장부(111b)로 들어간 다음 계속해서 스택(100)의 냉각판(5)으로 순환하게 된다. 그러나, 제1저장부(111a)로 들어오는 냉각수의 온도가 너무 낮은 것으로 센서(113)에서 감지되면, 컨트롤러(미도시)는 밸브(112)를 닫아서 냉각수의 순환을 일시 보류시킨다. 그러면 스택(100)내의 온도가 올라가면서 유입 냉각수의 온도도 상승하게 되며, 이때 다시 밸브(112)를 열어서 냉각수를 순환시키게 된다.

이상과 같은 구성의 연료전지는, 열교환기(200)가 별도의 구성품으로 만들어진 것이 아니라 스택(100) 내의 엔드플레이트(110)에 내장되는 형태이기 때문에, 기존에 비해 장치가 차지하는 공간을 대폭 줄일 수 있다. 통상, 스택의 규모와 열교환기의 규모가 거의 비슷했던 점을 감안한다면, 상기와 같은 스택 내장형 구조를 구현함으로써 거의 50% 수준으로 점유 공간을 줄일 수 있게 된다. 또한, 열교환 능력에 있어서도 기존의 외장형 열교환기에 비해서 별다른 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 하기의 표 1은 기존의 외장형 열교환기(30;도 2 참조)와 본 실시예에 따른 내장형 열교환기(200)를 채용했을 때의 냉각수 온도와 전기발생량 및 열회수량 등을 비교 측정해 본 결과이다.

구 분	기존(외장형 열교환기)	본 발명(내장형 열교환기)
냉각수의 열교환기 입구 온도(℃)	151.3	150.7
냉각수의 열교환기 출구 온도(℃)	147.5	60.8
부냉각수의 열교환기 입구 온도(℃)	22.8	23.2
부냉각수의 열교환기 출구 온도(℃)	63.2	68.7
부냉각수 유량(lpm)	0.17	0.18
전기발생량(W)	605	605
열회수량(W)	480.76	573.3
열손실량(W)	124.24	31.7

위의 표 1에 나타난 바와 같이, 동일한 전기발생량(605 W)을 얻는 조건으로 운전했을 때 열회수량과 열손실량을 비교해보면 내장형 열교환기(200)를 구현한 본 발명의 경우가 더 우수한 열교환 능력을 보이고 있음을 알 수 있다. 이것은 열교환기가 바로 스택(100) 안에 설치됨에 따라 유로가 짧아져서 열손실이 발생될 가능성이 그만큼 줄어든 데 기인한 것으로 판단된다.

따라서, 부피가 줄뿐만 아니라 열교환 능력에 있어서도 우수한 연료전지가 구현된 것이다.

한편, 여기서는 스택(100)의 양측 가장자리에 있는 한 쌍의 엔드플레이트(110) 중 어느 한 쪽에 열교환기(200)가 설치되는 것을 예시하고 있으나, 양쪽 모두에 설치할 수도 있음은 물론이다. 그리고, 본 실시예처럼 엔드플레이트(110)의 일면에 홈을 형성해서 냉각수 저장부(111)로 사용할 수도 있고, 반대로 타면에 홈을 형성해서 저장부(111)로 사용할 수도 있다. 이들은 모두 본 발명의 기술적 사상에 속하는 설계 변경 사항이 된다.

이상에서 예시한 실시예에서는 기존에 있던 엔드플레이트(110)를 열교환기(200)의 하우징으로 활용한 것인데, 이와 달리 별도의 열교환플레이트(120)를 스택(100) 내에 새롭게 설치해서 열교환기를 구성할 수도 있다.

예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 스택(100)의 단위 셀(10)들이 정렬된 한 가운데 위치에 냉각수 저장부(121)인 제1,2저장부(121a)(121b)와 유로 연결용 밸브(122)가 마련된 열교환플레이트(120)를 설치해서, 스택(100)의 열을 흡수한 냉각수가 이 열교환플레이트(120)의 냉각수 저장부(121)로 순환되면서 부냉각수 유로(123)와 열교환이 되도록 구성할 수 있다. 이 경우에도 전술한 실시예에 비해서는 별도의 열교환플레이트(120)를 추가하긴 했지만, 열교환기를 내장형으로 구비하고 있기 때문에, 설치 공간을 줄이는 효과는 거의 동일하게 얻을 수 있다.

물론, 이외에도 도 6a와 같이 열교환플레이트(120)를 엔드플레이트(110)와 인접한 가장자리 부근에 배치할 수도 있고, 도 6b와 같이 한 쌍으로 양측에 배치할 수도 있다. 모두, 스택(100) 내에 열교환기를 장착한 열교환기 내장형 연료전지의 실시예들로서, 이들의 구조를 적절히 채용하면 공간 점유율도 줄일 수 있고 발전과 냉각 기능에도 전혀 문제가 없는 연료전지를 구현할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명의 연료전지는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 기존의 외장형 열교환기를 사용하는 타입에 비해 부피가 절반 정도로 줄기 때문에 설치 공간을 줄일 수 있다.

둘째, 냉각수가 순환하는 유로가 단축되므로 단열이 쉬워지고 열손실도 줄어든다.

셋째, 구조가 간소화되므로 제작 및 조립 작업도 쉬워진다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

1. 연료의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 반응이 진행되는 스택과, 상기 스택 내에서의 에너지 변환 과정 중 발생되는 열을 식히기 위한 열교환기를 구비하는 연료전지에 있어서,

   상기 열교환기는 상기 스택에 설치되는 플레이트들 중 적어도 어느 한 플레이트의 내부에 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열교환기가 내장되는 플레이트는 상기 스택의 양측 가장자리에 있는 한 쌍의 엔드플레이트 중 적어도 한 쪽인 것을 특징으로 하는 연료전지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 열교환기가 내장된 엔드플레이트에는,

   상기 스택을 통과하는 냉각수가 일시 수용될 수 있도록 마련된 냉각수 저장부와,

   상기 냉각수 저장부를 경유하며 그 내부에는 상기 냉각수와의 열교환을 위한 부냉각수가 지나는 부냉각수 유로를 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지.
4. 제3항에 있어서,

   상기 냉각수 저장부는 상기 부냉각수 유로와 접촉되는 제1저장부와,

   상기 부냉각수 유로와 접촉되면서 냉각된 냉각수를 수용하는 제2저장부 및,

   상기 제1,2저장부를 연결하는 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
5. 제1항에 있어서,

   상기 열교환기가 내장되는 플레이트는 상기 스택의 양측 엔드플레이트 사이에 설치되는 열교환플레이트인 것을 특징으로 하는 연료전지.
6. 제5항에 있어서,

   상기 열교환플레이트에는,

   상기 스택을 통과하는 냉각수가 일시 수용될 수 있도록 마련된 냉각수 저장부와,

   상기 냉각수 저장부를 경유하며 그 내부에 상기 냉각수와의 열교환을 위한 부냉각수가 지나는 부냉각수 유로가 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지.
7. 제6항에 있어서,

   상기 냉각수 저장부는 상기 부냉각수 유로와 접촉되는 제1저장부와,

   상기 부냉각수 유로와 접촉되면서 냉각된 냉각수를 수용하는 제2저장부 및,

   상기 제1,2저장부를 연결하는 유로를 선택적으로 개폐하는 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.

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