KR20110067999A - 연료전지 시스템의 동결 방지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 시스템의 동결 방지장치에 관한 것으로, 연료전지 시스템의 외함(60) 내측에 면상발열체(70)가 장착되고, 상기 면상발열체(70)의 전력공급선에는 설계값 이하로 온도가 떨어지면 on되고 설계값을 초과하여 올라가면 off되는 바이메탈스위치(80)가 설치된다.

따라서, 연료전지 시스템의 크기가 증가되지 않고, 동결 방지장치의 구성이 간단해지며, 내부의 타 장치들에 간섭되지 않아 유지 보수 작업이 간편하게 이루어질 수 있다.

또한, 대기전력이 차단된 상태에서도 동결 방지가 가능하고, 대기전력에 의한 전력 손실이 발생하지 않는다.

연료전지, 동결방지, 면상발열체

Description

연료전지 시스템의 동결 방지장치{a preventive apparatus for freezing of fuelcell system}

본 발명은 연료전지 시스템의 동결 방지장치에 관한 것으로, 겨울철 연료전지 시스템이 동결되지 않도록 함으로써 시스템의 성능이 저하되거나 작동 불능 상태가 되는 것을 방지하고, 이를 통해 겨울철 연료전지 시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있도록 된 연료전지 시스템의 동결 방지장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 연료를 스택에서 사용할 수 있는 상태로 변환(수소농후가스의 형태로 개질)하는 연료변환기(1)와, 상기 연료변환기(1)로부터 연료가스를 공급받고 또한 외부로부터 공기를 공급받아 전해질막을 매개로 한 전기 화학 반응에 의해 전기를 생산하는 스택(2)과, 상기 스택(2)에서 생산된 전기를 사용처에서 사용할 수 있는 상태로 변환하는 전력변환장치(3)를 포함하여 구성된다.

따라서, 연료와 공기를 공급받아 전기를 생산하여 외부로 공급할 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 스택(2)에서는 전력 생산과 더불어 열이 발생한다.

상기 스택(2) 발생열을 원활히 방출하지 않으면 스택(2)이 과열되어 발전 성능이 떨어지고 내구 수명도 저하되므로 스택냉각장치(4)를 설치하여 과열을 방지하고 있다.

상기 스택냉각장치(4)는 냉각수배관(4a)이 스택(2)과 물저장통(4b)를 순환하도록 구성되고, 냉각수배관(4a)에 방열기(4c)와 순환펌프(4d)가 설치된 구성으로 이루어진다.

따라서, 냉각수의 열이 상기 방열기(4c)를 통해 방출됨으로써 스택(2)의 온도를 적절한 범위로 유지할 수 있도록 되어 있다.

한편, 겨울철에는 상기 스택(2)이나 스택냉각장치(4)에 결빙이 발생할 수 있다.

이 경우 냉각수의 순환이 불가하여 스택(2)을 냉각할 수 없게 되므로 스택(2)의 발전성능이 저하되고, 내구 수명이 저하된다.

기온이 영하일 경우라 하더라도 연료전지 시스템이 작동중이라면 상기 스택(2)에서 열이 발생되므로 냉각수배관(4a)이 얼지 않지만, 연료전지 시스템의 작동이 정지된 상태라면 자체적으로 열이 발생하지 않으므로 결빙을 방지할 수 없다.

따라서, 도시된 바와 같이 시스템의 외함(5)에 온도감지센서(6)를 설치하고, 상기 물저장통(4b)에 전열히터(7)를 설치하며, 온도에 따라 상기 전열히터(7)를 작동시키도록 시스템의 제어기(8)에 제어로직을 입력하고, 전원과 상기 전열히터(7)의 사이에 상기 제어기(8)에 의해 작동되는 릴레이스위치(9)를 설치하였다.

따라서, 온도감지센서(6)에서 측정된 온도값이 설정된 온도보다 낮으면 상기 제어기(8)가 릴레이스위치(9)를 on시켜서 전열히터(7)에 전력을 공급하여 발열시킴으로써 물저장통(4b) 내부의 냉각수를 가열하여 물저장통(4b) 뿐만 아니라 냉각수배관(4a) 전체의 결빙을 방지할 수 있도록 하고 있다.

그런데, 상기와 같이 전자제어방식으로 작동되는 동결 방지장치는, 온도감지센서와 제어기 및 릴레이스위치 등 필요한 부품 및 장치 수가 많고 제어기에 반드시 제어로직이 입력되어야만 하므로 장치의 구성이 복잡하다는 문제점이 있었다.

또한, 상기 전열히터는 배관이나 물저장통에 전기저항코일을 감아 구성한 것이므로 배관 및 물저장통의 부피가 증가하여 시스템의 크기 증가를 초래하는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 이유에 의하여 배관이나 물저장통의 유지 보수 작업시에는 어쩔 수 없이 상기 전열히터를 먼저 제거해야만 하므로 작업이 번거롭고 시간이 많이 걸리는 문제점이 있었다.

또한, 전원 차단 상태에서는 상기 전열히터가 작동 불가하므로 결빙을 방지할 수 없으며, 이에 항상 대기전력이 공급된 상태로 유지되어야만 하므로 대기전력에 의한 전력손실이 발생하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 부품수가 감소되어 장치 구성이 간단하고, 제어로직이 필요 없으며, 시스템의 크기 증가를 초래하지 않고, 배관 및 물저장통의 유지 보수 작업에 방해 요소로 작용하지 않으며, 대기전력에 의한 전력 손실이 발생하지 않도록 된 연료전지 시스템의 동결 방지장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

연료전지 시스템의 외함과;

상기 외함에 장착된 면상발열체와;

상기 면상발열체와 전원을 연결하는 전력공급선에 설치된 스위치;

를 포함한다.

또한, 상기 면상발열체는 상기 외함의 내측면 전체에 장착된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스위치는 온도가 설계값 이하로 떨어졌을 때 접점을 연결하는 바이메탈스위치인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외함의 내측면에 단열재가 부착되고, 상기 단열재의 표면에 상기 면상발열체가 부착된 것을 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면,

온도감지센서와 제어기 및 릴레이스위치 등의 부품을 사용하지 않고 동결 방지장치를 구성할 수 있게 되므로 장치 구성이 간단해진다.

또한, 전자제어방식이 아니기 때문에 상기 제어기에 입력되는 제어로직이 필요 없다.

또한, 상기 면상발열체가 외함 내부의 여러 다른 장치들에 간섭되거나 그들을 감싸는 형식으로 설치되는 것이 아니어서 연료전지 시스템의 유지 보수시 작업에 방해가 되지 않는다.

또한, 상기 면상발열체는 시스템 외함의 내측면에 부착되는 것으로 시스템의 크기 증가를 유발하지 않는다.

또한, 바이메탈스위치가 온도에 직접 반응하여 결빙 방지장치의 작동이 이루어지므로 장치에 전원공급이 차단된 상태(대기전력이 공급되지 않은 상태)에서도 결빙 방지가 가능하다.

또한, 대기전력이 필요없으므로 전력 손실량이 감소되는 효과가 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 동결 방지장치의 구성도로서, 본 발명은 연료전지 시스템의 외함(60)과, 상기 외함(60)에 장착된 면상발열체(70)와, 상기 면상발열체(70)와 전원을 연결하는 전력공급선에 설치된 스위치를 포함한다.

연료전지 시스템은 상기 외함(60)의 내부에 설치된 연료변환기(10)와, 스택(20)과, 전력변환장치(30)와, 스택냉각장치(40)를 포함한다.

상기 연료변환기(10)는 탄화수소계 연료를 개질반응, 쉬프트반응, 선택적산화반응을 통해 일산화탄소가 10ppm 이하로 제거된 수소가스를 생성한다.

상기 스택(20)은 상기 연료변환기(10)로부터 수소를 공급받고 외부로부터 별도로 공기를 공급받아 전기 화학 반응을 통해 물 생성과 더불어 전기를 생산한다.

상기 전력변환장치(30)는 상기 스택(20)에서 생산된 직류전류(DC)를 교류전류(AC)로 변환하는 역할을 한다.

상기 스택냉각장치(40)는 스택(20) 경유하는 폐순환라인을 구성하는 냉각수 배관(41)과, 상기 냉각수배관(41)에 설치된 물저장통(42)과, 상기 냉각수배관(41)에서 스택 냉각수 배출측 라인에 설치되는 열교환기(43)와, 스택 냉각수 유입측 라인에 설치되는 순환펌프(44)를 포함한다.

상기 열교환기(43)는 상기 외함(60)의 외부로 연결되는 난방 및 급탕배관(51)이 경유하도록 되어 있고, 상기 난방 및 급탕배관(51)에도 순환펌프(52)가 구비된다.

따라서, 스택(20)에서 배출된 고온수와 난방 및 급탕배관(51)의 저온수가 열교환하여 스택 냉각수는 감온되고 난방 및 급탕수는 승온되는 작용이 이루어지며, 이에 따라 스택(20)의 열을 지속적으로 방출하여 적절한 운전온도를 유지할 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 본 발명은 상기와 같은 연료전지 시스템의 각 구성 장치들을 내장하고 있는 상기 외함(60)의 내측면 전체에 걸쳐 상기 면상발열체(70)가 장착된다.

상기 면상발열체(70)는 두께가 1mm 정도의 박판 형태로 이루어진 것으로, 금속박판을 이용한 것, 발열도료(카본블랙)를 이용한 것, 탄소섬유(탄소 나노 면상발열체)를 이용한 것 등이 있으며, 전류를 공급받으면 발열체의 면 전체에서 고르게 발열이 이루어진다.

따라서, 상기 외함(60)의 내측면에 부착되었을 때 공간을 거의 차지하지 않기 때문에 연료전지 시스템의 크기를 증가시키지 않게 된다.

또한, 상기 면상발열체(70)에 의해 외함(60)의 내측면 전체에 걸쳐 고르게 발열이 이루어짐으로써 보다 신속하게 외함(60) 내부 온도를 상승시킬 수 있게 되므로 보다 효과적으로 연료전지 시스템의 동결을 방지할 수 있다.

또한, 상기 면상발열체(70)는 상기 외함(60)의 내측면에 부착되어 있을 뿐 다른 장치들에 간섭되지 않기 때문에 냉각수배관(41) 및 물저장통(42) 등의 유지 보수 작업시 전혀 방해가 되지 않는다.

따라서, 냉각수배관(41) 및 물저장통(42)의 유지 보수 작업을 보다 간편하고 신속하게 실시할 수 있게 된다.

한편, 상기 면상발열체(70)와 외함(60) 외부에 위치한 전원을 연결하는 전력공급선에 설치되는 스위치는 바이메탈스위치(80)이다.

상기 바이메탈스위치(80)는 외함(60) 내부 온도가 설계값(냉각수 및 스택 내부의 응축수 결빙 방지를 위한 것이므로 통상 5℃ 이하 이다.)까지 내려가면 on되고, 설계값을 초과하여 상승되면 off되는 방식(통상 15℃ 이상)으로 작동된다.

일반적으로 바이메탈스위치는 서로 열팽창률이 다른 2종의 금속편을 맞붙여 놓은 것으로 열팽창률이 작은 금속 쪽으로 휘는 성질을 이용하여 접점을 on/off할 수 있도록 된 것이다.

따라서, 상기 바이메탈스위치(80)는 상기 설계값 이하로 내려갈 때 접점이 붙은 상태로 유지되고, 그 이상의 온도에서는 접점이 이격되는 상태로 변형되도록 설계 제작될 수 있다.

따라서, 상기 바이메탈스위치(80)가 상기 면상발열체(70)의 전력공급선에 설치되면 겨울철 온도가 떨어져 연료전지 시스템의 외함(60) 내부 온도가 설계값 이 하로 떨어지면 자동으로 접점이 붙어(on) 전원으로부터 면상발열체(70)로 전력이 공급된다.

따라서, 면상발열체(70)에서 발열이 이루어지고, 발생된 열은 외함(60)의 내부 온도를 상승시키게 되며, 그 상승된 온도는 상기 바이메탈스위치(70)에 작용하여 바이메탈스위치(70)를 역으로 변형시켜 접점이 분리된다.

상기와 같은 바이메탈스위치(70)의 on/off 작동에 의해 외함(60) 내부의 온도 변화에 따라 면상발열체(70)의 발열 여부가 자동 제어된다.

따라서, 별도의 온도감지센서나 제어기 및 릴레이스위치 등의 부품을 사용하지 않고도 동결 방지장치를 구성할 수 있고, 또한 장치의 동작을 위한 별도의 제어로직이 필요 없으므로 장치 구성이 매우 간단해지는 장점이 있다. 이러한 간단한 구성은 장치의 고장 빈도를 현저히 낮추고 내구성을 향상시키는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 온도에 직접 반응하는 바이메탈스위치(70)를 이용하므로 제어기를 사용할 필요가 없음으로써 제어기를 항상 on 상태로 유지하기 위한 대기전력이 필요 없으며, 따라서 대기전력 손실이 발생하지 않는 장점이 있다.

또한, 상기와 같이 대기전력이 공급되지 않은 상태 즉, 장치에 전원이 공급되지 않은 전원차단상태에서도 바이메탈스위치(70)가 온도에 따라 자동 작동되어 장치에 전력을 공급하게 되므로 전원차단상태에서도 연료전지 시스템의 결빙 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 외함(60)의 내측면에 보온을 위한 단열재(90)가 부착될 수 있다.

상기 단열재(90) 역시 외함(60)의 내측면 전체에 걸쳐 부착되는 것으로, 이와 같이 단열재(90)가 부착될 경우에 상기 면상발열체(70)는 단열재(90)의 표면에 부착된다.

즉, 외함(60)의 내측면에 상기 단열재(90)가 먼저 부착되고, 이어 상기 단열재(90)의 위로 면상발열체(70)가 부착되는 것이다.

상기와 같이 단열재(90)가 구비됨으로써 외함(60) 내부의 열이 외부로 방출되는 것이 차단되고, 외부의 냉기가 외함(60) 내부로 침투되는 것이 방지됨으로써 연료전지 시스템의 동결 방지 성능이 향상된다.

또한, 상기와 같이 외함(60) 내부의 열이 효과적으로 유지됨으로써 면상발열체(70)의 사용량이 감소되어 전력 소비량이 감소되는 장점이 있다.

도 1은 종래 연료전지 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 연료변환기 20 : 스택

30 : 전력변환장치 40 : 스택냉각장치

41 : 냉각수배관 42 : 물저장통

43 : 열교환기 44 : 순환펌프

51 : 난방 및 급탕배관 52 : 순환펌프

60 : 외함 70 : 면상발열체

80 : 바이메탈스위치 90 : 단열재

Claims (4)

1. 연료전지 시스템의 외함과;

   상기 외함에 장착된 면상발열체와;

   상기 면상발열체와 전원을 연결하는 전력공급선에 설치된 스위치;

   를 포함하는 연료전지 시스템의 동결 방지장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 면상발열체는 상기 외함의 내측면 전체에 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 동결 방지장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 스위치는 온도가 설계값 이하로 떨어졌을 때 접점을 연결하는 바이메탈스위치인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 동결 방지장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 외함의 내측면에 단열재가 부착되고,

   상기 단열재의 표면에 상기 면상발열체가 부착된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템의 동결 방지장치.

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