KR20100096814A - 연료전지 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20100096814A
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송태원
최경환
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삼성전자주식회사
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Abstract

연료전지 냉각 시스템이 개시된다. 개시된 연료전지 냉각 시스템은 연료전지 스택, 상대적으로 저온인 냉각수를 연료전지 스택에 공급하고, 연료전지 스택으로부터 상대적으로 고온인 냉각수 또는 냉각수의 증기(蒸氣)가 유입되는 열교환기, 열교환기에 냉각수를 공급하고, 열교환기로부터 냉각수의 증기가 유입되는 냉각수 공급조, 열교환기로부터 배출되어 냉각수 공급조로 유입되는 냉각수의 증기량을 제어하는 증기 배출 제어유닛, 냉각수 공급조로부터 배출되어 열교환기에 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛, 및 외부의 냉각수원(冷却水源)으로부터 냉각수 공급조로 유입되는 냉각수의 양을 제어하여 냉각수 공급조의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛을 구비하고, 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 냉각수 공급조로부터 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 체크 밸브(check valve)를 구비한다.

Description

연료전지 냉각 시스템{Cooling system of fuel cell}
연료전지의 스택(stack)을 수냉 방식으로 냉각하는 냉각 시스템이 개시된다.
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 연료전지는 애노드(anode), 캐소드(cathode), 및 애노드와 캐소드 사이에 개재된 전해질막을 구비한다. 캐소드에는 산소를 포함한 공기가 공급되고 애노드에는 수소를 함유한 연료가 공급되면, 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 발생한다. 하나의 애노드, 캐소드, 및 전해질막으로 이루어진 단위 셀(cell)에서 발생되는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 셀을 직렬로 연결한 연료전지 스택(stack)의 형태로 사용하게 된다.
한편, 연료전지는 연료전지 스택의 전기화학반응에 의해 발생되는 열을 냉각시켜주기 위한 냉각 시스템을 필요로 한다. 연료전지 냉각 시스템이 수냉 방식이고 상기 연료전지 스택 내부의 운전 온도가 100 ℃ 이상이면, 냉각수가 기체상으로의 상변화를 수반하여 냉각 시스템이 고압의 작동 환경에서 작동된다. 고압의 작동 환경은 미량이지만 지속적인 냉각수 누수를 수반하므로 냉각수를 연료전지 냉각 시스템에 보충해주어야 한다. 발전(發電)을 정지하지 않고 냉각수를 상기 시스템에 보충해주기 위해서는 냉각수의 작동 압력 이상의 수압을 형성시켜주는 펌프(pump)가 필요하나, 이러한 환경은 펌프의 과부하 운전을 유도하여 펌프의 수명을 단축시킬 수 있다.
냉각수 보충 공급을 위한 펌프를 필요로 하지 않는 연료전지 냉각 시스템이 개시된다. 또한 냉각수 보충 공급을 위하여 의도적으로 제어해야 하는 밸브의 개수를 줄일 수 있는 연료전지 냉각 시스템이 개시된다.
연료전지 스택; 발전(發電) 작동 중에 상기 연료전지 스택의 과열을 방지하기 위하여, 상대적으로 저온인 냉각수를 상기 연료전지 스택에 공급하고, 상기 연료전지 스택으로부터 상대적으로 고온인 냉각수 또는 냉각수의 증기(蒸氣)가 유입되는 열교환기; 상기 열교환기에 냉각수를 공급하고, 상기 열교환기로부터 냉각수의 증기가 유입되는 냉각수 공급조; 상기 열교환기로부터 배출되어 상기 냉각수 공급조로 유입되는 냉각수의 증기량을 제어하는 증기 배출 제어유닛; 상기 냉각수 공급조로부터 배출되어 상기 열교환기에 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛; 및, 외부의 냉각수원(冷却水源)으로부터 상기 냉각수 공급조로 유입 되는 냉각수의 양을 제어하여 상기 냉각수 공급조의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛;을 구비하고, 상기 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 상기 냉각수 공급조로부터 상기 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 체크 밸브(check valve)를 구비하는 연료전지 냉각 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 증기 배출 제어유닛은 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 열교환기 내부의 냉각수 수위(水位)를 감지하는 수위 감지 센서와, 상기 수위 감지 센서에 의해 파악된 수위에 따라 상기 수동 제어 밸브의 유로 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기로부터 상기 냉각수 공급조를 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허하는 체크 밸브(check valve)를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 증기 배출 제어유닛은, 상기 열교환기 내부의 냉각수 수위(水位)가 하강함에 따라 하강하는 부표(buoy)를 구비하여, 상기 부표가 하강함에 따라 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로의 개방량을 확대하는 수위 연동 밸브를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기로부터 상기 냉각수 공급조를 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허하는 체 크 밸브(check valve)를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 냉각수 공급조와 열교환기 사이의 냉각수 유로를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로의 온도를 감지하는 온도 감지 센서와, 상기 온도 감지 센서에 의해 파악된 상기 증기 유로의 온도에 따라 상기 수동 제어 밸브의 유로 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템은 냉각수 보충 공급을 위한 펌프를 필요로 하지 않으므로, 시스템을 단순화할 수 있고 펌프 고장으로 인한 연료전지의 수명 한계를 극복할 수 있다. 또한, 냉각수 보충 공급을 위하여 의도적으로 제어해야 하는 밸브의 개수를 줄일 수 있어 연료전지 냉각 시스템을 단순화할 수 있으며, 이로 인해 품질의 신뢰성을 제고할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템(100)은 연료전지의 단위 셀들을 직렬로 연결한 연료전지 스택(101)과, 열교환기(105) 와, 냉각수 공급조(108)를 구비한다. 또한, 외부의 냉각수원(冷却水源, 미도시)와 냉각수 공급조(108) 사이의 제1 냉각수 유로(111)와, 상기 냉각수 공급조(108)와 열교환기(105) 사이의 제2 냉각수 유로(113)와, 상기 열교환기(105)와 연료전지 스택(101) 사이의 제3 냉각수 유로(115)를 구비한다. 또한, 상기 연료전지 스택(101)과 열교환기(105) 사이의 제1 증기 유로(117)와, 상기 열교환기(105)와 냉각수 공급조(108) 사이의 제2 증기 유로(119)를 구비한다.
상기 열교환기(105)는 발전(發電) 작동 중에 상기 연료전지 스택(101)의 과열을 방지하기 위하여, 상대적으로 저온인 냉각수(DW)를 상기 연료전지 스택(101)에 공급하고, 상기 연료전지 스택(101) 내부를 통과하여 상대적으로 고온이 된 냉각수(DW) 또는 냉각수의 증기(蒸氣, V)가 유입된다. 냉각수(DW)가 상기 연료전지 스택(101) 내부를 통과하는 과정에서 누전(漏電)이 발생되지 않도록 상기 냉각수(DW)는 탈이온수(deionized water)일 수 있다. 상기 냉각수원은 상수도 또는 탈이온화수를 제공하는 장치일 수 있다. 상기 제3 냉각수 유로(115)가 열교환기(105)로부터 연료전지 스택(101)으로 상대적으로 저온인 냉각수(DW)를 공급하는 유로이고, 상기 제1 증기 유로(117)가 연료전지 스택(101)으로부터 열교환기(105)로 상대적으로 고온인 냉각수(DW) 또는 냉각수 증기(V)를 이동시키는 유로이다.
상기 연료전지 스택(101) 내부에서 냉각수(DW)가 증기(V)로 상변화하고, 이 증기(V)는 스택(101) 내부의 운전 조건인 150 ℃, 4 기압 이상의 고압 조건에서 유동하므로 오랜 시간 동안 작동하게 되면 냉각수(DW)의 누수를 피할 수 없다. 상기 냉각수 공급조(108)는 상기 열교환기(105)에 냉각수(DW)를 공급하고, 상기 열교환 기(105)로부터 냉각수 증기(V)가 유입된다. 상기 제2 냉각수 유로(113)가 냉각수 공급조(108)로부터 열교환기(105)로 냉각수(DW)를 공급하는 유로이고, 상기 제2 증기 유로(119)가 열교환기(105)로부터 냉각수 공급조(108)로 냉각수 증기(V)를 이동시키는 유로이다.
상기 연료전지 냉각 시스템(100)은 상기 열교환기(105)로부터 배출되어 냉각수 공급조(108)로 유입되는 냉각수 증기(V)의 양을 제어하는 증기 배출 제어유닛과, 상기 냉각수 공급조(108)로부터 배출되어 상기 열교환기(105)에 공급되는 냉각수(DW)의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛과, 상기 냉각수원(冷却水源)으로부터 상기 냉각수 공급조(108)로 유입되는 냉각수(DW)의 양을 제어하여 상기 냉각수 공급조(108)의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛을 구비한다.
상기 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 냉각수 공급조(108)로부터 상기 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수(DW)의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 제1 체크 밸브(check valve)(130)를 구비한다. 상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기(105)로부터 상기 냉각수 공급조(108)를 향하는 방향의, 냉각수(DW)의 역류(逆流)를 불허하는 제2 체크 밸브(135)를 구비한다. 상기 제1 및 제2 체크 밸브(130, 135)는 유체가 일 방향으로만 흐를 수 있게 기구적으로 고안된 밸브로서 원웨이(one-way) 밸브라고도 불린다. 상기 제1 냉각수 유로(111)의 냉각수원 측 압력이 상기 제1 냉각수 유로(111)의 냉각수 공급조(108) 측 압력보다 크면 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(130)를 통과하여 흐르지만, 그 역의 압력 조건인 경우에는 유체가 흐르지 않는다. 또한, 상기 제2 냉각수 유로(113)의 냉각수 공급조(108) 측 압력이 상기 제2 냉각수 유로(113)의 열교환기(105) 측 압력보다 크면 냉각수(DW)가 제2 체크 밸브(135)를 통과하여 흐르지만, 그 역의 압력 조건인 경우에는 유체가 흐르지 않는다.
상기 증기 배출 제어유닛은 상기 제2 증기 유로(119)를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 열교환기(105) 내부의 냉각수 수위(水位)를 감지하는 수위 감지 센서(142)와, 상기 수위 감지 센서(142)에 의해 파악된 수위에 따라 상기 수동 제어 밸브의 제2 증기 유로(119) 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러(143)를 구비한다. 상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)(140)일 수 있다.
이하에서, 상기 연료전지 냉각 시스템(100)의 작동 과정의 일 예를 소개한다. 계속적인 발전(發電) 과정 도중에 상기 수위 감지 센서(142)는 열교환기(105) 내부의 냉각수(DW) 수위를 지속적으로 측정한다. 상기 열교환기(105) 내부의 냉각수(DW) 수위가 소정의 기준보다 낮게 떨어지면, 상기 콘트롤러(143)가 이를 감지하여 상기 솔레노이드 밸브(140)가 유로를 개방하도록 제어한다. 그리하면, 개방된 제2 증기 유로(119)를 통하여 열교환기(105)로부터 냉각수 공급조(108)로 냉각수 증기(V)가 이동한다. 적정량의 냉각수 증기(V)의 이동이 있은 후 솔레노이드 밸브(140)를 폐쇄하면, 상기 열교환기(105)보다 온도가 낮은 냉각수 공급조(108)로 이동한 냉각수 증기(V)가 응축된다. 이로 인해, 제1 냉각수 유로(111)의 냉각수 공급조(108) 측 압력이 제1 냉각수 유로(111)의 냉각수원 측 압력보다 낮아지므로 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(130)를 통과하여 냉각수 공급조(108)에 공급된다. 또한, 이로 인해, 제2 냉각수 유로(113)의 냉각수 공급조(108) 측 압력이 제2 냉각수 유 로(113)의 열교환기(105) 측 압력보다 커지므로 냉각수(DW)가 제2 체크 밸브(135)를 통과하여 열교환기(105)에 보충된다. 솔레노이드 밸브(140)를 좀더 오랜 동안 개방하면 대량의 냉각수 증기(V)가 냉각수 공급조(108)로 공급되어 내부 압력이 상승하고, 이로 인해 냉각수 공급조(108) 내부의 냉각수(DW)는 제2 냉각수 유로(113)를 통해 상기 열교환기(105)에 공급된다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다. 이하에서, 상기 제2 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템(200)의 구성요소 가운데 제1 실시예의 연료전지 냉각 시스템(100)과 동일한 구성요소에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 2를 참조하면, 상기 연료전지 냉각 시스템(200)은 연료전지 스택(201)과, 열교환기(205)와, 냉각수 공급조(208)를 구비한다. 또한, 외부의 냉각수원(冷却水源, 미도시)와 냉각수 공급조(208) 사이의 제1 냉각수 유로(211)와, 상기 냉각수 공급조(208)와 열교환기(205) 사이의 제2 냉각수 유로(213)와, 상기 열교환기(205)와 연료전지 스택(201) 사이의 제3 냉각수 유로(215)를 구비한다. 또한, 상기 연료전지 스택(201)과 열교환기(205) 사이의 제1 증기 유로(217)와, 상기 열교환기(205)와 냉각수 공급조(208) 사이의 제2 증기 유로(219)를 구비한다.
상기 연료전지 냉각 시스템(200)은 상기 열교환기(205)로부터 배출되어 냉각수 공급조(208)로 유입되는 냉각수 증기(V)의 양을 제어하는 증기 배출 제어유닛과, 상기 냉각수 공급조(208)로부터 배출되어 상기 열교환기(205)에 공급되는 냉각수(DW)의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛과, 상기 냉각수원(冷却水源)으로부 터 상기 냉각수 공급조(208)로 유입되는 냉각수(DW)의 양을 제어하여 상기 냉각수 공급조(208)의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛을 구비한다.
상기 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 냉각수 공급조(208)로부터 상기 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수(DW)의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 제1 체크 밸브(check valve)(230)를 구비한다. 상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기(205)로부터 상기 냉각수 공급조(208)를 향하는 방향의, 냉각수(DW)의 역류(逆流)를 불허하는 제2 체크 밸브(235)를 구비한다. 상기 제1 냉각수 유로(211)의 냉각수원 측 압력이 상기 제1 냉각수 유로(211)의 냉각수 공급조(208) 측 압력보다 크면 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(230)를 통과하여 흐르지만, 그 역의 압력 조건인 경우에는 유체가 흐르지 않는다. 또한, 상기 제2 냉각수 유로(213)의 냉각수 공급조(208) 측 압력이 상기 제2 냉각수 유로(213)의 열교환기(205) 측 압력보다 크면 냉각수(DW)가 제2 체크 밸브(235)를 통과하여 흐르지만, 그 역의 압력 조건인 경우에는 유체가 흐르지 않는다.
상기 증기 배출 제어유닛은, 열교환기(205) 내부의 냉각수 수위(水位)가 승강함에 따라 승강하는 부표(buoy, 242)를 구비하는 수위 연동 밸브(240)를 구비한다. 상기 수위 연동 밸브(240)는 부표(242)가 하강하면 제2 증기 유로(219)의 개방량을 확대하고, 반대로 상기 부표(242)가 상승하면 제2 증기 유로(219)의 개방량을 줄인다. 다만, 부표(242)의 수위 변화량에는 기계적인 한계가 있어서, 특정된 제1 한계 수위보다 냉각수 수위가 더 낮아진다 하더라도 제2 증기 유로(219)의 개방량이 최대 한계보다 크게 증가될 수는 없고, 반대로 특정된 제2 한계 수위보다 냉각 수 수위가 더 높아진다 하더라도 제2 증기 유로(219)가 완전히 폐쇄될 수 있을 뿐이다. 상기 연료전지 냉각 시스템(200)은 냉각수(DW)의 보충을 위해 의도적으로 제어해야 할 구성요소가 없다. 따라서, 상기 냉각 시스템(200)의 적어도 일부분의 구성요소를 제어하기 위한 콘트롤러를 필요로하지 않는다.
이하에서, 상기 연료전지 냉각 시스템(200)의 작동 과정의 일 예를 소개한다. 계속적인 발전(發電) 과정 도중에 열교환기(205) 내부의 냉각수(DW) 수위가 낮아지면, 상기 수위 연동 밸브(240)의 유로 개방량이 커진다. 이로 인해, 개방된 제2 증기 유로(219)를 통하여 열교환기(205)로부터 냉각수 공급조(208)로 냉각수 증기(V)가 이동한다. 상기 열교환기(205)에서 냉각수 공급조(208)로 이동한 냉각수 증기(V)로 인해 냉각수(DW)가 제2 체크 밸브(235)를 통과하여 열교환기(205)에 보충된다. 냉각수(DW)의 보충으로 열교환기(205) 내부의 수위가 높아지면 부표(242)가 상승하여 수위 연동 밸브(240)가 제2 증기 유로(219)를 폐쇄할 수 있다. 한편, 상기 제2 냉각수 유로(213)를 통한 냉각수(DW)의 유출로 냉각수 공급조(208)의 수위가 낮아지면 제1 냉각수 유로(211)의 냉각수원 측 압력이 제1 냉각수 유로(211)의 냉각수 공급조(208) 측 압력보다 커지므로 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(230)를 통과하여 냉각수 공급조(208)에 공급된다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다. 이하에서, 상기 제3 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템(300)의 구성요소 가운데 제1 실시예 또는 제2 실시예의 연료전지 냉각 시스템(100, 200)과 동일한 구성요소에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 상기 연료전지 냉각 시스템(300)은 연료전지 스택(301)과, 열교환기(305)와, 냉각수 공급조(308)를 구비한다. 또한, 외부의 냉각수원(冷却水源, 미도시)과 냉각수 공급조(308) 사이의 제1 냉각수 유로(311)와, 상기 냉각수 공급조(308)와 열교환기(305) 사이의 제2 냉각수 유로(313)와, 상기 열교환기(305)와 연료전지 스택(301) 사이의 제3 냉각수 유로(315)를 구비한다. 또한, 상기 연료전지 스택(301)과 열교환기(305) 사이의 제1 증기 유로(317)와, 상기 열교환기(305)와 냉각수 공급조(308) 사이의 제2 증기 유로(319)를 구비한다.
상기 연료전지 냉각 시스템(300)은 상기 열교환기(305)로부터 배출되어 냉각수 공급조(308)로 유입되는 냉각수 증기(V)의 양을 제어하는 증기 배출 제어유닛과, 상기 냉각수 공급조(308)로부터 배출되어 상기 열교환기(305)에 공급되는 냉각수(DW)의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛과, 상기 냉각수원(冷却水源)으로부터 상기 냉각수 공급조(308)로 유입되는 냉각수(DW)의 양을 제어하여 상기 냉각수 공급조(308)의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛을 구비한다.
상기 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 냉각수 공급조(308)로부터 상기 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수(DW)의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 제1 체크 밸브(check valve)(330)를 구비한다. 상기 제1 냉각수 유로(311)의 냉각수원 측 압력이 상기 제1 냉각수 유로(311)의 냉각수 공급조(308) 측 압력보다 크면 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(330)를 통과하여 흐르지만, 그 역의 압력 조건인 경우에는 유체가 흐르지 않는다.
상기 증기 배출 제어유닛은, 열교환기(305) 내부의 냉각수 수위(水位)가 승 강함에 따라 승강하는 부표(buoy, 342)를 구비하는 수위 연동 밸브(340)를 구비한다. 상기 수위 연동 밸브(340)는 부표(342)가 하강하면 제2 증기 유로(319)의 개방량을 확대하고, 반대로 상기 부표(342)가 상승하면 제2 증기 유로(319)의 개방량을 줄인다. 다만, 부표(342)의 수위 변화량에는 기계적인 한계가 있어서, 특정된 제1 한계 수위보다 냉각수 수위가 더 낮아진다 하더라도 제2 증기 유로(319)의 개방량이 최대 한계보다 크게 증가될 수는 없고, 반대로 특정된 제2 한계 수위보다 냉각수 수위가 더 높아진다 하더라도 제2 증기 유로(319)가 완전히 폐쇄될 수 있을 뿐이다.
상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 제2 냉각수 유로(313)를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 제2 증기 유로(319)의 온도를 감지하는 온도 감지 센서(337)와, 상기 온도 감지 센서(337)에 의해 파악된 상기 유로(319)의 온도에 따라 상기 수동 제어 밸브의 제2 냉각수 유로(313)의 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러(338)를 구비한다. 상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)(335)일 수 있다. 상기 온도 감지 센서(37)는 상기 제2 증기 유로(319)에 설치된 열전대(thermocouple)을 구비할 수 있다.
이하에서, 상기 연료전지 냉각 시스템(300)의 작동 과정의 일 예를 소개한다. 계속적인 발전(發電) 과정 도중에 열교환기(305) 내부의 냉각수(DW) 수위가 낮아지면, 상기 수위 연동 밸브(340)의 유로 개방량이 커진다. 이로 인해, 개방된 제2 증기 유로(319)를 통하여 열교환기(305)로부터 냉각수 공급조(308)로 냉각수 증기(V)가 이동한다. 상기 열교환기(305)에서 냉각수 공급조(308)로 이동한 냉각수 증기(V)로 인해 냉각수(DW)가 제2 체크 밸브(235)를 통과하여 열교환기(205)에 공급된다. 고온 고압의 냉각수 증기(V)가 제2 증기 유로(319)를 통하여 이동하므로, 상기 온도 감지 센서(337)가 감지하는 제2 증기 유로(319)의 온도는 상승한다. 감지된 온도로부터 상기 콘트롤러(338)는 열교환기(305) 내부의 수위를 추정할 수 있다. 즉, 감지된 온도가 높으면 상기 제2 증기 유로(319)의 개방량이 크다는 의미이고, 이는 곧 열교환기(305) 내부의 수위가 낮다는 의미로 해석될 수 있다.
상기 콘트롤러(338)는 상기 솔레노이드 밸브(335)를 제어하여 상기 제2 냉각수 유로(313)를 개방하고, 냉각수 증기(V)의 유입 및 응축으로 제2 냉각수 유로(313)의 냉각수 공급조(308) 측 압력이 제2 냉각수 유로(313)의 열교환기(305) 측 압력보다 커지므로 냉각수(DW)가 솔레노이드 밸브(335)를 통과하여 열교환기(305)에 보충된다. 냉각수(DW)의 보충으로 열교환기(305) 내부의 수위가 높아지면 부표(342)가 상승하여 수위 연동 밸브(340)가 제2 증기 유로(319)를 폐쇄할 수 있으며, 제2 증기 유로(319)의 온도는 낮아진다. 한편, 상기 제2 냉각수 유로(313)를 통한 냉각수(DW)의 유출로 냉각수 공급조(308)의 수위가 낮아지면 제1 냉각수 유로(311)의 냉각수원 측 압력이 제1 냉각수 유로(311)의 냉각수 공급조(308) 측 압력보다 커지므로 냉각수(DW)가 제1 체크 밸브(330)를 통과하여 냉각수 공급조(308)에 공급된다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보 호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 냉각 시스템을 도시한 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 ...연료전지 냉각 시스템 101 ...연료전지 스택
105 ...열교환기 108 ...냉각수 공급조
130, 135 ...체크 밸브 140 ...솔레노이드 밸브
142 ...수위 감지 센서 143 ...콘트롤러

Claims (8)

  1. 연료전지 스택; 발전(發電) 작동 중에 상기 연료전지 스택의 과열을 방지하기 위하여, 상대적으로 저온인 냉각수를 상기 연료전지 스택에 공급하고, 상기 연료전지 스택으로부터 상대적으로 고온인 냉각수 또는 냉각수의 증기(蒸氣)가 유입되는 열교환기; 상기 열교환기에 냉각수를 공급하고, 상기 열교환기로부터 냉각수의 증기가 유입되는 냉각수 공급조; 상기 열교환기로부터 배출되어 상기 냉각수 공급조로 유입되는 냉각수의 증기량을 제어하는 증기 배출 제어유닛; 상기 냉각수 공급조로부터 배출되어 상기 열교환기에 공급되는 냉각수의 양을 제어하는 냉각수 공급 제어유닛; 및, 외부의 냉각수원(冷却水源)으로부터 상기 냉각수 공급조로 유입되는 냉각수의 양을 제어하여 상기 냉각수 공급조의 수위(水位)를 제어하는 냉각수 공급조 수위 제어유닛;을 구비하고,
    상기 냉각수 공급조 수위 제어유닛은 상기 냉각수 공급조로부터 상기 냉각수원을 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허(不許)하는 체크 밸브(check valve)를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 증기 배출 제어유닛은 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 열교환기 내부의 냉각수 수위(水位)를 감지하는 수위 감지 센서와, 상기 수위 감지 센서에 의해 파악된 수위에 따라 상기 수 동 제어 밸브의 유로 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)인 연료전지 냉각 시스템.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기로부터 상기 냉각수 공급조를 향하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허하는 체크 밸브(check valve)를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 증기 배출 제어유닛은, 상기 열교환기 내부의 냉각수 수위(水位)가 하강함에 따라 하강하는 부표(buoy)를 구비하여, 상기 부표가 하강함에 따라 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로의 개방량을 확대하는 수위 연동 밸브를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 열교환기로부터 상기 냉각수 공급조를 향 하는 방향의, 냉각수의 역류(逆流)를 불허하는 체크 밸브(check valve)를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급 제어유닛은 상기 냉각수 공급조와 열교환기 사이의 냉각수 유로를 개폐하는 수동 제어 밸브와, 상기 열교환기와 냉각수 공급조 사이의 증기 유로의 온도를 감지하는 온도 감지 센서와, 상기 온도 감지 센서에 의해 파악된 상기 증기 유로의 온도에 따라 상기 수동 제어 밸브의 유로 개폐 정도를 조절하는 콘트롤러를 구비하는 연료전지 냉각 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 수동 제어 밸브는 솔레노이드 밸브인 연료전지 냉각 시스템.
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