KR20110006055A - 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온형 연료전지의 스택을 열전소자인 펠티에 소자에 의해 냉각하기 위한 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치 및 그 제어방법을 제공한다.

본 발명에 따른 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치는, 저온형 연료전지의 스택을 수용하는 케이싱과, 절연면을 가진 콜드 플레이트와 이 콜드 플레이트의 반대쪽에 위치하는 핫 플레이트를 구비하며 상기 콜드 플레이트의 절연면이 상기 케이싱에 수용된 스택에 접합되는 펠티에 소자와, 상기 스택에 부착되어 스택의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서에 의해 감지된 스택의 온도에 따라 상기 열전소자의 통전을 제어하여 상기 콜드 플레이트에 의해 스택이 냉각되도록 하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 저온형 연료전지의 운전시 연료전지 스택이 필요 이상으로 상승하는 경우에 이를 능동적으로 냉각하게 됨으로써, 스택 내부의 고분자 전해질막이나 스택 자체의 열변형이 최소화되거나 방지되어 연료전지의 내구성이 크게 향상되는 효과를 볼 수 있다.

저온형 연료전지, 스택, 냉각, 펠티에 소자, 열전소자

Description

저온형 연료전지 스택의 냉각 장치 및 그 제어방법{Cooling system for low temperature fuel cell stack and control method thereof}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 저온형 연료전지의 스택을 열전소자인 펠티에 소자에 의해 냉각하기 위한 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

현재 개발된 연료전지는 저온(70~300℃)에서 작동되는 저온형 연료전지와 고온(600~1000℃)에서 작동되는 고온형 연료전지로 대별되며, 저온형 연료전지로는 인산 전해질 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell : PAFC)와 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell : PEMFC) 및 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell : DMFC) 등이 있고, 고온형 연료전지로는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell : MCFC)와 고체산화물 연료전지(Solid Acid Oxide Fuel Cell : SOFC) 등이 개발되어 있다.

이러한 연료전지의 단위전지는 음극, 전해질, 양극, 가스를 공급하는 분리판, 밀봉재 등으로 이루어져 있으며, 사용자가 요구하는 전압과 전력을 얻기 위해서는 단위전지를 여러 개 적층하여 하나의 스택으로 완성하게 된다. 일반적으로 저온형 연료전지의 스택에 있어서, 예를 들어 고분자 전해질막의 온도에 따라 발전 효율이 영향을 받게 되는데, 상온보다 높은 온도인 70℃∼80℃에서 발전 효율이 가장 좋은 것으로 알려져 있다. 그러나, 단위전지의 적층되는 양 및 면적에 따라 전력 생성시 발생하는 열도 증가하게 되므로, 스택을 제작하여 운전할 때에는 발생하는 열을 감지하여 이를 열교환에 의해 효과적으로 냉각시킴으로써 스택 내부의 전해질막이 손상되는 것을 방지하는 것이 매우 중요하다.

연료전지의 스택을 냉각하기 위한 종래의 방법으로는, 스택의 외부에 냉각 팬을 설치하여 스택을 냉각시키는 공랭식과, 스택의 내부에 유로를 구성하고 냉각수를 통과시켜 냉각시키는 수냉식이 있다. 또한, 직접 메탄올 연료전지의 경우에는, 연료전지의 농도를 낮추거나 순환 연료와 생성수를 냉각시켜 재공급함으로써 스택 자체의 온도를 낮추는 방법 등이 사용되고 있다. 그런데, 이러한 종래의 냉각 방법들은 스택의 발생열 온도에 따라 능동적으로 대처하여 스택을 냉각시키는 것이 곤란하기 때문에, 냉각 효율이 저하되는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 개발된 것으로서, 그 목적은, 저온형 연료전지의 운전시 연료전지 스택의 발생열을 능동적으로 냉각할 수 있는 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치 및 그 제어방법을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 저온형 연료전지의 스택을 수용하는 케이싱과, 절연면을 가진 콜드 플레이트와 이 콜드 플레이트의 반대쪽에 위치하는 핫 플레이트를 구비하며 상기 콜드 플레이트의 절연면이 상기 케이싱에 수용된 스택에 접합되는 펠티에 소자와, 상기 스택에 부착되어 스택의 온도를 검출하는 온도센서와, 상기 온도센서에 의해 감지된 스택의 온도에 따라 상기 열전소자의 통전을 제어하여 상기 콜드 플레이트에 의해 스택이 냉각되도록 하는 제어부를 포함하여 이루어진 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치를 제공한다. 특히, 상기 스택의 냉각 효율을 고려하여 상기 펠티에 소자는 스택의 모든 면에 하나씩 구비되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 부가하여, 상기 열전소자의 핫 플레이트에 쿨링 팬이 더 설치되거나, 상기 펠티에 소자의 핫 플레이트에 냉각수가 통과하는 방열판이 더 설치됨으로써, 냉각 효율이 더욱 향상된 냉각 장치가 제공될 수 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 열전소자를 이용한 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치에 대하여, 상기 온도센서에 의해 감지된 상기 스택의 온도가 최대 운전 가능 온도를 초과하는 경우에 상기 제어부는 상기 콜드 플레이트가 상기 스택을 냉각시키도록 상기 열전소자에 통전이 되게 하고, 상기 스택의 온도가 최소 운전 가능 온도 미만일 경우에는 상기 제어부가 상기 열전소자의 통전을 차단하는 구성을 포함하여 이루어진 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치에 대한 제어방법을 제공한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 저온형 연료전지의 운전시 연료전지 스택이 필요 이상으로 상승하는 경우에 이를 능동적으로 냉각하게 됨으로써, 스택 내부의 고분자 전해질막이나 스택 자체의 열변형이 최소화되거나 방지되어 연료전지의 내구성이 크게 향상되는 효과를 볼 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

열전소자(thermoelectric element)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각 종 효과를 이용한 소자로서, 전기저항의 온도 변화를 이용한 서미스터(thermistor), 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제베크 효과(Seebeck effect)를 이용한 제베크 소자, 그리고 전류에 따라 열의 흡수 또는 발생이 일어나는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 펠티에 소자 등이 잘 알려져 있다.

상기 펠티에 효과는, 2종류의 금속 양끝을 접속하여 전류를 흘리면 전류의 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열을 하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상으로서, 2종류의 금속 대신 전기전도 방식이 다른 비스무트나 텔루륨 등의 반도체를 사용하면 효율성이 높은 흡열 및 발열 작용을 하는 펠티에 소자를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 이러한 펠티에 소자를 이용한 냉각 장치를 개시하게 되는데, 도 1은 본 발명에 적용되는 열전소자인 펠티에 소자를 예시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 펠티에 소자(10)는 반도체(11)의 일측에 콜드 플레이트(12)가 구비되고, 다른 일측에는 핫 플레이트(13)가 구비되어 있어서, 전류를 통전시키면 콜드 플레이트(12)에서는 흡열에 의해 냉각 작용을 하는 한편 핫 플레이트(13)에서는 발열 작용을 하게 된다.

이와 같이 펠티에 소자(10)를 열전소자로 하여 구성된 본 발명에 따른 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치에 대한 실시예가 도 2 및 도 3에 예시되어 있으며, 도 4는 본 발명의 냉각 장치가 적용된 연료전지 시스템을 개략적으로 나타내고 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명 실시예의 냉각 장치는 그 구성 요소로서 펠티에 소자(10)와 케이싱(20)과 온도센서(30) 및 제어부(40)를 구비하고 있으 며, 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 펠티에 소자(10)는 콜드 플레이트(12)와 핫 플레이트(13)를 구비하고 있으며, 펠티에 소자(10)에 전류를 공급하여 펠티에 소자(10)를 동작시키는 전원공급수단(도시되지 않음)의 전원선(14)이 연결되어 있다. 특히, 콜드 플레이트(12)의 한쪽면은 전기 절연된 절연면(12a)으로 되어 있고, 핫 플레이트(12)는 상기 반도체(11)를 기준으로 콜드 플레이트(12)의 반대쪽에 위치하게 된다. 콜드 플레이트(12)의 절연면(12a)은 저온형 연료전지의 스택(100)에 접합되어 스택(100)을 냉각할 수 있게 된다. 특히, 펠티에 소자(10)는 연료전지 스택(100)의 모든 면에 하나씩 구비되어 각 면을 커버하도록 설치되는 것이 연료전지 스택(100)의 냉각 효율 향상에 유리하다. 즉, 연료전지 스택(100)이 직육면체 형태이므로, 스택(100)의 여섯 면에 펠티에 소자(10)가 하나씩 구비되며, 각각의 펠티에 소자(10)에 연결된 전원선(14)들은 하나로 결속되어 케이싱(20) 외부로 인출된다.

상기 케이싱(20)은 스택(100)과 펠티에 소자(10)를 수용함으로써 본 발명의 냉각 장치가 구비된 연료전지의 보관 및 운반이 용이하게 되는데, 다수의 단위전지들이 적층된 연료전지 스택(100)이 직육면체 형태를 이루고 있으므로, 케이싱(20)의 외관은 연료전지 스택(100)을 그 형태대로 수용할 수 있는 직육면체 형태로 되어 있다. 케이싱(20)에는 연료공급부(200)로부터 연료전지 스택(100)으로 연료(예:수소)를 공급하기 위한 연료공급라인(310)과, 공기공급부(400)로부터 연료전지 스택(100)으로 공기를 공급하기 위한 공기공급라인(320) 및, 연료전지 스택(100)으로부터 잔여 연료 또는 폐가스를 배출하기 위한 배출라인(330)이 연결되어 있다.

상기 온도센서(30)는 연료전지 스택(100)에 부착되어 스택(100)의 온도를 검출하게 된다. 이 온도센서(30)는 연료전지 스택(100)의 최소 운전 가능 온도(예를 들면, 50℃)와 최대 운전 가능 온도(예를 들면, 80℃)를 감지할 수 있게 된다.

상기 제어부(40)는 온도센서(30)에 의해 감지된 스택(100)의 온도에 따라 펠티에 소자(10)의 통전을 제어함으로써, 펠티에 소자(10)의 콜드 플레이트(12)에 의해 스택(100)이 냉각되도록 하게 된다. 또한, 이 제어부(40)는 연료전지 스택(100)에 연료와 공기를 공급하는 상기 연료공급부(200)와 공기공급부(400)를 제어하는 기능을 함께 수행하게 된다.

한편, 상기 구성에 부가하여, 펠티에 소자(10)의 핫 플레이트(13)에 상기 제어부(40)의 제어에 따라 작동하는 쿨링 팬과 같은 보조방열수단(50)이 설치됨으로써 공냉식에 의해 본 발명에 따른 냉각 장치의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또는, 핫 플레이트(13)에 냉각수가 통과하는 방열판과 같은 보조방열수단(50')이 설치됨으로써 수냉식에 의해 냉각 장치의 효율을 더 향상시킬 수도 있다.

또, 상기 제어부(40)는 펠티에 소자(10)에 통전되는 전류량을 제어함으로써 콜드 플레이트(12)와 핫 플레이트(13)에서의 흡열량 및 발열량을 조절하여 연료전지 스택(100)의 냉각 정도를 가변할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 냉각 장치에 대한 제어방법을 나타낸 순서도로서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치는 다음과 같이 작동이 제어될 수 있다.

즉, 저온형 연료전지를 운전함에 따라 화학반응에 의해 전력이 생성되면서 열이 발생하게 되고, 이렇게 발생된 열로 인해 연료전지 스택(100)의 온도가 상승하게 되는데, 이를 스택(100)에 부착된 온도센서(30)가 감지하게 된다.

온도센서(30)에 의해 감지된 연료전지 스택(100)의 온도가 최대 운전 가능 온도(예를 들면, 80℃)를 초과하는 경우, 상기 제어부(40)가 펠티에 소자(10)에 통전이 되도록 전원공급수단(도시되지 않음)을 제어하게 된다. 이에 따라 펠티에 소자(10)가 작동하여 콜드 플레이트(12)가 흡열 작용을 하게 됨으로써, 콜드 플레이트(12)의 전기 절연된 절연면(12a)과 접하고 있는 연료전지 스택(100)의 해당 부분이 냉각된다. 이때, 펠티에 소자(10)의 핫 플레이트(13)는 발열 작용을 하게 되는데, 이를 상기 보조방열수단(50,50')이 냉각하게 됨으로써, 연료전지 스택(100)의 온도 상승을 방지하게 된다. 이와 아울러, 제어부(40)의 제어에 따라 쿨링 팬 또는 방열판과 같은 보조방열수단(50,50')이 가동되어 펠티에 소자(10)의 핫 플레이트(13)를 냉각함으로써, 연료전지 스택(100)의 냉각 효율을 더욱 향상시키게 된다.

또, 연료전지 스택(100)의 온도가 최소 운전 가능 온도(예를 들면, 50℃) 미만일 경우에는, 상기 제어부(40)가 펠티에 소자(10)의 통전을 차단함으로써, 펠티에 소자(10)의 작동을 정지시키게 된다. 이에 따라, 연료전지 스택(100)이 펠티에 소자(10)에 의해 냉각되지 않도록 함으로써, 연료전지가 정상적인 작동을 하도록 하게 된다. 이때, 상기 보조방열수단(50,50') 역시 가동이 정지된다.

또한, 제어부(40)에 의해 펠티에 소자(10)에 통전되는 전류량이 제어됨에 따 라 콜드 플레이트(12)와 핫 플레이트(13)에서의 흡열량 및 발열량이 조절됨으로써 연료전지 스택(100)의 냉각 정도를 가변시킬 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 냉각 장치는 열전소자인 펠티에 소자(10)와 이를 작동하기 위한 온도센서(30) 및 제어부(40)의 구성에 의해 연료전지 스택(100)을 능동적으로 냉각시킬 수가 있다. 따라서, 연료전지의 작동시 스택(100)의 온도가 필요 이상으로 상승하게 되면 본 발명의 냉각 장치에 의해 연료전지 스택(100)이 적절한 온도로 냉각됨으로써, 스택(100) 내부의 고분자 전해질막이나 스택(100) 자체의 열변형이 최소화되거나 방지되어 연료전지의 내구성이 크게 향상된다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명에 적용되는 열전소자인 펠티에 소자를 예시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 장치가 연료전지 스택에 설치되는 모습을 나타낸 분리 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 냉각 장치가 적용된 연료전지 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 냉각 장치에 대한 제어방법을 나타낸 순서도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 펠티에 소자 11 : 반도체

12 : 콜드 플레이트 12a : 절연면

13 : 핫 플레이트 14 : 전원선

20 : 케이싱 30 : 온도센서

40 : 제어부 50,50' : 보조방열수단

100 : 연료전지 스택 200 : 연료공급부

310 : 연료공급라인 320 : 공기공급라인

330 : 배출라인 400 : 공기공급부

Claims (5)

1. 저온형 연료전지의 스택을 수용하는 케이싱;

   절연면을 가진 콜드 플레이트와 이 콜드 플레이트의 반대쪽에 위치하는 핫 플레이트를 구비하며, 상기 콜드 플레이트의 절연면이 상기 케이싱에 수용된 스택에 접합되는 펠티에 소자;

   상기 스택에 부착되어 스택의 온도를 검출하는 온도센서;

   상기 온도센서에 의해 감지된 스택의 온도에 따라 상기 열전소자의 통전을 제어하여, 상기 콜드 플레이트에 의해 스택이 냉각되도록 하는 제어부를 포함하여 이루어진 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 펠티에 소자는 상기 스택의 모든 면에 하나씩 구비되는 것을 특징으로 하는 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 펠티에 소자의 핫 플레이트에 쿨링 팬이 설치된 것을 특징으로 하는 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 펠티에 소자의 핫 플레이트에 냉각수가 통과하는 방열판이 설치된 것을 특징으로 하는 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치.
5. 제1항 내지 제4항에 기재된 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치에 대하여,

   상기 온도센서에 의해 감지된 상기 스택의 온도가 최대 운전 가능 온도를 초과하는 경우에 상기 제어부는 상기 콜드 플레이트가 상기 스택을 냉각시키도록 상기 펠티에 소자에 통전이 되게 하고, 상기 스택의 온도가 최소 운전 가능 온도 미만일 경우에는 상기 제어부가 상기 펠티에 소자의 통전을 차단하는 구성을 포함하여 이루어진 저온형 연료전지 스택의 냉각 장치에 대한 제어방법.

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