KR20120009801A

KR20120009801A - Fuel cell system and heat exchanger of the same

Info

Publication number: KR20120009801A
Application number: KR1020100070504A
Authority: KR
Inventors: 손동언; 황상문; 정은미; 심태희
Original assignee: 주식회사 프로파워
Priority date: 2010-07-21
Filing date: 2010-07-21
Publication date: 2012-02-02
Also published as: KR101195582B1

Abstract

PURPOSE: A fuel cell system is provided to improve the durability, the power performance, and the efficiency of a fuel cell by restraining the rapid temperature rise of the fuel cell stack through a heat exchanger. CONSTITUTION: A fuel cell system(100) comprises a fuel cell stack(10) and a heat exchanger. The fuel cell stack comprises a fuel cell assembly(1) generating electric energy through the electrochemical reaction of fuel and air. The heat exchanger cools the non-reacted fuel of high temperature discharged from the anode of the fuel cell, and the water of high temperature and high humidity discharged from the cathode of the fuel cell.

Description

Fuel cell system and heat exchanger {FUEL CELL SYSTEM AND HEAT EXCHANGER OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택의 과도한 온도 상승을 억제할 수 있는 열교환장치에 관한 것이다.An exemplary embodiment of the present invention relates to a fuel cell system, and more particularly, to a heat exchanger capable of suppressing excessive temperature rise of a fuel cell stack.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.As is known, a fuel cell is a type of power generation system that directly converts hydrogen contained in a hydrocarbon-based fuel and chemical reaction energy of an oxidant into electrical energy.

이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로 구분할 수 있다.These fuel cells are divided into various types according to the components of the system and the type of fuel. The fuel cells are classified into polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) and direct methanol fuel cells (DMFC). Can be.

고분자 전해질막 연료 전지는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.The polymer electrolyte membrane fuel cell is provided with a reforming gas of a hydrogen component generated from fuel in an reformer and an oxidant such as air to generate electrical energy as an electrochemical reaction between the reforming gas and the oxidant.

여기서, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.Here, the fuel may include an alcohol liquid fuel such as methanol, ethanol, and the like, and may include a hydrocarbon-based liquefied gas mainly composed of methane, ethane, propane, butane.

그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응 등을 통해 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.The reformer generates thermal energy as an oxidation method of fuel by a catalyst, and steam reforming (SR), partial oxidation (POX: partial oxidation) or autothermal reforming (ATR: Auto) of the fuel using the thermal energy. -Thermal Reforming Reaction has a structure that generates reformed gas rich in hydrogen.

이와 같은 고분자 전해질막 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 상기한 액체 연료 또는 가스 연료 등을 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.Such a polymer electrolyte membrane fuel cell has advantages of high energy density and high output, but requires attention to handling hydrogen gas and reforms the liquid fuel or gas fuel to produce hydrogen as fuel gas. There is a problem that requires additional equipment such as a reforming device.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 상술한 바와 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.On the other hand, a direct methanol fuel cell, unlike a polymer electrolyte membrane fuel cell, is an electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel and a oxidant provided separately by directly receiving the liquid fuel as described above without using a reforming gas. Generates electrical energy.

이러한 직접 메탄올 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단하고 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다.Since the direct methanol fuel cell is operated by using liquid fuel directly, it is a new energy conversion technology that is attracting attention as a next generation mobile power generation because fuel storage, operation and maintenance of the system are relatively simple and easy.

종래 기술에서 직접 메탄올 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, 이 연료 전지 스택의 연료 전지로 액체 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, 그 연료 전지로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원을 기본적으로 구비하고 있다.In the prior art, a fuel cell system for generating electrical energy using a direct methanol fuel cell includes a fuel cell stack formed as an assembly of direct methanol fuel cells, a fuel supply source for supplying liquid fuel to the fuel cell of the fuel cell stack; An oxidant supply source for supplying an oxidant to the fuel cell is basically provided.

여기서, 상기 연료 전지 스택은 연료 전지의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는 바, 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 미반응 연료를 배출한다.Here, the fuel cell stack discharges the unreacted fuel remaining after reacting at the anode electrode of the fuel cell, and discharges the high temperature unreacted fuel due to the heat of reaction at the anode electrode.

그리고, 상기 연료 전지 스택은 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 물을 배출하는 바, 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 물과 고온 다습한 증기를 배출한다.In addition, the fuel cell stack discharges water passed from the anode electrode to the cathode electrode through the electrolyte membrane and water generated at the cathode electrode, thereby discharging hot water and high temperature and high humidity steam due to reaction heat at the cathode electrode.

이와 같은 연료 전지 시스템은 연료 전지 스택으로부터 배출되는 고온의 미반응 연료와 물의 온도를 조절함으로써 연료 전지 스택의 과도한 온도 상승을 억제하기 위한 열교환장치를 구비하고 있다.Such a fuel cell system is provided with a heat exchanger for suppressing excessive temperature rise of the fuel cell stack by adjusting the temperature of the hot unreacted fuel and water discharged from the fuel cell stack.

종래 기술에서 열교환장치는 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료를 냉각시키고 그 냉각된 미반응 연료를 연료 전지로 재공급할 수 있는 제1 열교환부와, 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온의 물을 냉각시키고 그 냉각된 물을 고농도의 연료를 희석하는데 사용할 수 있는 제2 열교환부로 구성된다.In the prior art, the heat exchanger includes a first heat exchanger capable of cooling the hot unreacted fuel discharged from the anode electrode side of the fuel cell and resupplying the cooled unreacted fuel to the fuel cell, and at the cathode electrode side of the fuel cell. And a second heat exchanger that can cool the hot water discharged and use the cooled water to dilute a high concentration of fuel.

이러한 제1 및 제2 열교환부는 별도의 패스라인을 따라 흐르는 고온의 미반응 연료와 물을 냉각 공기로서 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.The first and second heat exchangers have a structure capable of cooling high temperature unreacted fuel and water flowing along separate pass lines as cooling air.

즉, 상기 제1 열교환부는 패스라인을 따라 흐르는 고온의 미반응 연료를 냉각시키고 그 냉각된 미반응 연료를 연료 공급원으로부터 공급되는 연료와 혼합하는 혼합 탱크로 공급한다.That is, the first heat exchange part cools the high temperature unreacted fuel flowing along the pass line and supplies the cooled unreacted fuel to a mixing tank for mixing with the fuel supplied from the fuel supply source.

그리고, 상기 제2 열교환부는 패스라인을 따라 흐르는 고온의 물을 냉각시키고 그 냉각된 물을 혼합 탱크로 공급하여 고농도의 연료를 물로서 희석할 수 있게 한다.The second heat exchanger cools the hot water flowing along the pass line and supplies the cooled water to the mixing tank to dilute a high concentration of fuel as water.

그런데, 종래 기술에서는 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 각각의 열교환부를 통해 냉각하게 되므로, 각각의 열교환부를 제어해야 하는 등 연료 전지 스택의 열관리 제어에 어려움이 있고, 전체 시스템의 구성이 복잡해지며, 시스템의 크기를 컴팩트하게 구현하지 못하게 된다는 문제점을 내포하고 있다.However, in the related art, since the high temperature unreacted fuel and water discharged from the fuel cell stack are cooled through the respective heat exchange parts, there is a difficulty in controlling the thermal management of the fuel cell stack, such as having to control each heat exchange part. This complicates the configuration and implies the inability to compactly size the system.

따라서 본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템 및 그의 열교환장치를 제공한다.Accordingly, an exemplary embodiment of the present invention has been made to improve the above problems, and provides a fuel cell system and a heat exchanger thereof capable of integrally cooling high temperature unreacted fuel and water discharged from a fuel cell stack. to provide.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)연료와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 상기 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온 다습한 물의 냉각이 통합적으로 이루어질 수 있는 열교환장치를 포함한다.To this end, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: (i) a fuel cell stack comprising an assembly of fuel cells for generating electrical energy through an electrochemical reaction of fuel and air; And a heat exchanger capable of integrally cooling the high temperature unreacted fuel discharged from the anode electrode side and the high temperature and humid water discharged from the cathode electrode side of the fuel cell.

상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지가 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.The fuel cell system may include the fuel cell as a direct methanol fuel cell (DMFC).

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은, ⅰ)고온의 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부와, 고온 다습한 물을 배출하는 제2 배출부를 포함하는 연료 전지 스택과, ⅱ)상기 연료 전지 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 공급부와, ⅲ)상기 연료 전지 스택으로 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 공기 공급부와, ⅳ)상기 제1 및 제2 배출부에 연결되게 구성되며, 상기 제1 배출부를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와 상기 제2 배출부를 통해 배출되는 고온 다습한 물을 냉각시키는 열교환장치와, ⅴ)상기 열교환장치에서 냉각된 미반응 연료와 상기 연료 공급부로부터 공급되는 연료를 믹싱하여 상기 연료 전지 스택으로 공급하는 연료 믹싱부와, ⅵ)상기 열교환장치를 통해 냉각된 물을 저장하고 그 물을 상기 연료 믹싱부로 공급하는 물 저장부를 포함한다.In addition, a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, i) a fuel cell stack comprising a first discharge portion for discharging unreacted fuel of high temperature, a second discharge portion for discharging high temperature and high humidity water; Ii) a fuel supply for supplying fuel to the fuel cell stack, iii) an air supply for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack, and iii) a connection to the first and second outlets, A heat exchanger for cooling the high temperature unreacted fuel discharged through the first discharge portion and the hot and humid water discharged through the second discharge portion, and iii) supplying the unreacted fuel cooled in the heat exchanger and the fuel supply portion; A fuel mixing unit for mixing the fuel to be supplied to the fuel cell stack, and iii) storing the water cooled through the heat exchanger and supplying the water to the fuel mixing unit. It includes parts of water saving.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되고, 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결될 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger may be connected to the first outlet through a first connection line, and may be connected to the second outlet through a second connection line.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되고, 제4 연결라인을 통해 상기 물 저장부와 연결될 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger may be connected to the fuel mixing unit through a third connection line, and may be connected to the water storage unit through a fourth connection line.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 상기 제1 연결라인을 통해 상기 제1 배출부와 연결되는 제1 유입부와, 상기 제2 연결라인을 통해 상기 제2 배출부와 연결되는 제2 유입부와, 상기 제1 유입부와 연결되며, 상기 제3 연결라인을 통해 상기 연료 믹싱부와 연결되는 제1 유출부와, 상기 제2 유입부와 연결되며, 상기 제4 연결라인 통해 상기 물 저장부와 연결되는 제2 유출부를 포함할 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger includes a first inlet connected to the first outlet through the first connection line, and a second inlet connected to the second outlet through the second connection line. And a first outlet connected to the first inlet and connected to the fuel mixing unit through the third connection line, and connected to the second inlet, and storing the water through the fourth connection line. It may include a second outlet connected to the portion.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 본체와, 상기 본체의 일측에 배치되며 상기 제1 및 제2 유입부를 구성하는 제1 챔버와, 상기 본체의 다른 일측에 배치되며 상기 제1 및 제2 유출부를 구성하는 제2 챔버와, 상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제1 유입부와 제1 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제1 패스부재와, 상기 제1 및 제2 챔버 사이에서 상기 제2 유입부와 제2 유출부를 연결하는 적어도 하나의 제2 패스부재와, 상기 본체에 장착되어 상기 제1 및 제2 패스부재로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함하여 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger includes a main body, a first chamber disposed at one side of the main body and constituting the first and second inlets, and disposed at the other side of the main body and the first and second parts. A second chamber constituting an outlet, at least one first pass member connecting the first inlet and the first outlet between the first and second chambers, and the first chamber between the first and second chambers; And at least one second pass member connecting the second inlet and the second outlet, and a cooling fan mounted to the main body to blow cooling air to the first and second pass members.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제1 챔버는 상기 제1 유입부와 연결되며 상기 고온의 미반응 연료를 수용하는 제1 공간과, 상기 제2 유입부와 연결되며 상기 고온 다습한 물을 수용하는 제2 공간을 형성할 수 있다.In the fuel cell system, the first chamber is connected to the first inlet and the first space for receiving the high temperature unreacted fuel, and connected to the second inlet to receive the high temperature and humid water The second space can be formed.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 제2 챔버는 상기 제1 유출부와 연결되며 상기 냉각된 미반응 연료를 수용하는 제3 공간과, 상기 제2 유출부와 연결되며 상기 냉각된 물을 수용하는 제4 공간을 형성할 수 있다.In the fuel cell system, the second chamber is connected to the first outlet and the third space for receiving the cooled unreacted fuel, and the second outlet is connected to the second outlet for receiving the cooled water Four spaces can be formed.

상기 연료 전지 시스템에 있어서, 상기 열교환장치는 상기 냉각팬이 한 쌍으로서 이루어질 수 있다.In the fuel cell system, the heat exchanger may include the cooling fan as a pair.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치는, 연료 전지 스택에서 각각 배출되는 고온의 미반응 연료와, 고온 다습한 물을 통합적으로 냉각시키기 위한 것으로서, ⅰ)상기 고온의 미반응 연료와 고온 다습한 물의 흐름을 가능케 하는 각각의 패스를 형성하는 본체와, ⅱ)상기 본체에 장착되어 상기 패스로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함한다.In addition, the heat exchange apparatus for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention is for integrally cooling the high temperature unreacted fuel and the high temperature and high humidity water discharged from the fuel cell stack, respectively. A main body defining respective paths allowing the flow of unreacted fuel and hot and humid water; and ii) a cooling fan mounted to the main body to blow cooling air through the paths.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 고온의 미반응 연료 및 고온 다습한 물을 각각 수용하는 제1 챔버를 일측에 구성할 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the main body may be configured on one side with a first chamber for receiving the high temperature unreacted fuel and the high temperature and high humidity water, respectively.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 패스들을 통과하며 상기 냉각 팬에 의해 냉각된 미반응 연료와 물을 각각 수용하는 제2 챔버를 다른 일측에 구성할 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the main body may be configured on the other side of the second chamber passing through the passages and respectively receiving unreacted fuel and water cooled by the cooling fan.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체는 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온의 미반응 연료의 패스를 형성하는 제1 패스부재와, 상기 제1 챔버와 제2 챔버를 연결하며 상기 고온 다습한 물의 패스를 형성하는 제2 패스부재를 포함할 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the main body connects the first chamber and the second chamber and forms a first pass member for forming a path of the high temperature unreacted fuel, and the first chamber and the second chamber. And a second pass member connecting to and forming a path of the high temperature and high humidity water.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 패스부재는 파이프 형태의 관로와, 상기 관로의 길이 방향을 따라 외주면에 설치되는 적어도 하나의 플레이트를 포함하여 이루어질 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the first and second pass members may include a pipe-type pipe line and at least one plate installed on an outer circumferential surface along a length direction of the pipe line.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 본체와 상기 제1,2 패스부재는 스테인레스 스틸 소재로서 이루어질 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the main body and the first and second pass members may be made of stainless steel.

상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 냉각 팬은 상기 본체에 한 쌍으로 장착될 수 있다.In the heat exchange apparatus for the fuel cell system, the cooling fans may be mounted in pairs to the main body.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the high temperature unreacted fuel discharged from the anode electrode side of the fuel cell and the hot water discharged from the cathode electrode of the fuel cell are respectively cooled separately. Unlike the heat exchange structure, the hot unreacted fuel and water discharged from the fuel cell stack can be integratedly cooled through a single heat exchanger.

따라서, 본 실시예에서는 열교환장치를 통해 연료 전지 스택에서 발생하는 과도한 온도 상승을 억제함으로써 연료 전지의 출력 성능 및 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 전지의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, by suppressing excessive temperature rise generated in the fuel cell stack through the heat exchanger, the output performance and efficiency of the fuel cell can be improved, and the durability of the fuel cell can be further improved.

더욱이, 본 실시예서는 연료 전지 스택에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 열관리의 제어가 용이하고, 전체 시스템의 구성을 더욱 단순화시킬 수 있으며, 시스템의 제작이 간단하고, 시스템의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.Moreover, in this embodiment, since the unreacted fuel and water of the high temperature discharged from the fuel cell stack can be integrated and cooled through a single heat exchanger, the thermal management is easier to control than the prior art, and the configuration of the entire system is further improved. It can be simplified, the system is simple to manufacture, and the size of the system can be made compact.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 제1 챔버 부위를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 제2 챔버 부위를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 패스부재 부위를 도시한 단면 구성도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 and 3 are perspective views showing a heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a view schematically showing a heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 5 schematically illustrates a first chamber portion applied to a heat exchanger for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view schematically illustrating a second chamber portion applied to a heat exchanger for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a portion of a pass member applied to a heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
8 is a view for explaining the operation of the heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals designate like elements throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings, and is shown by enlarging the thickness in order to clearly express various parts and regions. It was.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 구성된다.Referring to the drawings, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is configured as a power generation system that generates electrical energy through electrochemical reaction of fuel and oxidant.

여기서, 상기 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응은 단위 셀로서의 연료 전지를 통해 이루어지는 바, 본 실시예에서 상기 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.Here, the electrochemical reaction between the fuel and the oxidant is performed through a fuel cell as a unit cell. In this embodiment, the fuel cell is configured as a direct methanol fuel cell (DMFC) using liquid fuel directly. Can be.

이 경우, 상기 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.In this case, the fuel may include an alcoholic liquid fuel such as methanol, ethanol, etc., the oxidizing agent may be oxygen gas stored in a separate storage tank, or may be natural air.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료 전지(1)의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택(10)을 포함하고 있다.The fuel cell system 100 according to the present embodiment basically includes a fuel cell stack 10 formed as an assembly of fuel cells 1.

상기 연료 전지 스택(10)은 수 개 내지 수십 개의 연료 전지들(1)이 연속적으로 배열된 구조로 이루어지며, 연료 전지(1)는 막-전극 어셈블리(MEA)와, 막-전극 어셈블리를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 “바이폴라 플레이트” 라고도 한다)를 포함하여 이루어진다.The fuel cell stack 10 has a structure in which several to several tens of fuel cells 1 are continuously arranged, and the fuel cell 1 centers a membrane-electrode assembly (MEA) and a membrane-electrode assembly. And a separator (which is commonly referred to in the art as a "bipolar plate") which is placed in close contact with both sides thereof.

상기에서, 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.In the above, the membrane-electrode assembly has an structure in which an anode electrode is formed on one surface, a cathode electrode is formed on the other surface, and an electrolyte membrane is formed between these two electrodes.

애노드 전극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.The anode electrode oxidizes the fuel supplied through the channel of the separator to separate electrons and hydrogen ions, and the electrolyte membrane moves hydrogen ions to the cathode electrode, and the cathode electrode of the electron, hydrogen ions, and separators received from the anode electrode side. Reducing the oxidant provided through the channel to function to generate water and heat.

이러한 연료 전지의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 직접 메탄올 연료 전지로서 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the configuration of such a fuel cell is made of a direct methanol fuel cell of a known technique well known in the art, a detailed description thereof will be omitted.

한편, 상기에서와 같은 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는데, 그 미반응 연료는 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온을 유지한다.On the other hand, the fuel cell stack 10 as described above discharges the unreacted fuel remaining after reacting at the anode electrode of the fuel cell 1, the unreacted fuel maintains a high temperature due to the heat of reaction at the anode electrode.

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 물을 배출하는데, 그 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 물과 고온 다습한 증기(이하에서는 편의상 고온의 물이라고 한다)를 배출한다.In addition, the fuel cell stack 10 discharges the water passed from the anode electrode of the fuel cell 1 to the cathode electrode through the electrolyte membrane and the water generated at the cathode electrode, due to the heat of reaction at the cathode electrode. High temperature and high humidity steam (hereinafter referred to as hot water for convenience) is discharged.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(1)의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.The fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes a high temperature unreacted fuel discharged from the anode electrode side of the fuel cell 1 and high temperature water discharged from the cathode electrode of the fuel cell 1. Unlike the heat exchanger structure of the prior art which cools each separately, it consists of a structure capable of integrally cooling the high temperature unreacted fuel and water discharged from the fuel cell stack 10.

이를 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 구성을 더욱 구체적으로 설명하면, 상기 연료 전지 시스템(100)은 위에서 언급한 바 있는 연료 전지 스택(10), 연료 공급부(20), 공기 공급부(30), 열교환장치(200), 연료 믹싱부(80), 및 물 저장부(90)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.To more specifically describe the configuration of the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention for this purpose, the fuel cell system 100 is the fuel cell stack 10, the fuel supply unit 20 as mentioned above ), An air supply unit 30, a heat exchanger 200, a fuel mixing unit 80, and a water storage unit 90, are described as follows.

본 실시예에서, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극으로 연료를 주입하기 위한 제1 주입부(11)와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극으로 산화제로서의 공기를 주입하기 위한 제2 주입부(12)를 형성하고 있다.In the present embodiment, the fuel cell stack 10 includes a first injection unit 11 for injecting fuel into the anode electrode of the fuel cell 1 and an air as an oxidant into the cathode electrode of the fuel cell 1. A second injection portion 12 for forming is formed.

또한, 상기 연료 전지 스택(10)은 위에서 언급한 바 있는 고온의 미반응 연료를 배출하는 제1 배출부(13)와, 고온의 물을 배출하는 제2 배출부(14)를 형성하고 있다.In addition, the fuel cell stack 10 has a first discharge part 13 for discharging the unreacted fuel of high temperature and the second discharge part 14 for discharging the high temperature water.

상기 연료 공급부(20)는 연료 전지 스택(10)으로 연료를 실질적으로 공급하기 위한 것이다.The fuel supply unit 20 is for substantially supplying fuel to the fuel cell stack 10.

이러한 연료 공급부(20)는 알코올류의 순수한 액체 연료를 저장하는 연료 탱크(21)와, 그 연료 탱크(21)에 저장된 연료를 펌핑 압력으로서 배출하는 연료 펌프(22)를 포함하여 이루어진다.The fuel supply unit 20 includes a fuel tank 21 for storing pure liquid fuel of alcohols and a fuel pump 22 for discharging the fuel stored in the fuel tank 21 as a pumping pressure.

상기 공기 공급부(30)는 연료 전지 스택(10)으로 산화제로서의 공기를 공급하기 위한 것으로, 공기를 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(12)로 주입할 수 있는 블로워(31)를 포함한다.The air supply unit 30 supplies air as an oxidant to the fuel cell stack 10 and includes a blower 31 for injecting air into the second injection unit 12 of the fuel cell stack 10. do.

그러나, 본 발명에서는 공기 공급부(30)가 블로워(31)로서 이루어지는 것에 특별히 한정되지 않고, 당 업계에서 널리 사용되는 공지 기술의 공기 펌프를 포함할 수도 있다.However, in the present invention, the air supply unit 30 is not particularly limited to the blower 31, and may include an air pump of a well-known technique widely used in the art.

본 실시예에서, 상기 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와, 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물을 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.In the present embodiment, the heat exchanger 200 is a high temperature unreacted fuel discharged through the first discharge portion 13 of the fuel cell stack 10 and a high temperature discharged through the second discharge portion 14. It consists of a structure that can cool the water integrally.

즉, 상기 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 반응열로 인해 애노드 전극 측으로부터 고온으로 배출되는 미반응 연료와, 캐소드 전극 측으로부터 배출되는 고온의 물을 단일의 장치로서 통합적으로 냉각시킬 수 있는 구성으로 이루어진다.That is, the heat exchanger 200 may cool unreacted fuel discharged from the anode electrode side to high temperature due to the reaction heat of the fuel cell stack 10 and the high temperature water discharged from the cathode electrode side as a single device. It is made up of possible configurations.

이러한 열교환장치(200)의 구성은 도 2 내지 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.The configuration of the heat exchanger 200 will be described in more detail later with reference to FIGS. 2 to 4.

상기에서, 연료 믹싱부(80)는 본 실시예에 의한 열교환장치(200)에서 냉각된 미반응 연료와 연료 공급부(20)로부터 별도 공급되는 연료를 믹싱하여 연료 전지 스택(10)의 제1 주입부(11)를 통해 연료 전지(1)의 애노드 전극으로 공급할 수 있는 구조로 이루어진다.In the above, the fuel mixing unit 80 mixes the unreacted fuel cooled in the heat exchanger 200 according to the present embodiment and the fuel separately supplied from the fuel supply unit 20 to thereby inject the first injection of the fuel cell stack 10. It is made of a structure that can be supplied to the anode electrode of the fuel cell 1 through the portion (11).

상기에서, 물 저장부(90)는 열교환장치(200)를 통해 냉각된 물을 저장하고 그 물을 연료 믹싱부(80)로 공급할 수 있는 물 탱크로서 이루어진다.In the above, the water storage unit 90 is formed as a water tank that can store the water cooled through the heat exchanger 200 and supply the water to the fuel mixing unit 80.

상기 물 저장부(90)에 저장된 물은 연료 믹싱부(80)에서 연료 공급부(20)로부터 별도 공급되는 연료 및 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 미반응 연료와 함께 혼합되며, 이를 통해 얻어지는 희석 연료의 농도는 메탄올 센서(미도시)에 의해 측정되고 적절히 조절될 수 있다.The water stored in the water storage unit 90 is mixed with the fuel supplied separately from the fuel supply unit 20 in the fuel mixing unit 80 and the unreacted fuel discharged from the fuel cell stack 10, and the dilution obtained through this The concentration of fuel can be measured by a methanol sensor (not shown) and adjusted appropriately.

이하, 앞서 개시한 도 1 및 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(200)의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a configuration of a heat exchange apparatus 200 for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 and the accompanying drawings.

도 2 및 도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 개략적으로 도시한 도면이다.2 and 3 are perspective views illustrating a heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 4 schematically illustrates a heat exchange device for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention. Drawing.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(200)는 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)에 연결되게 구성될 수 있다.Referring to the drawings, the heat exchange apparatus 200 for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention may be configured to be connected to the first and second discharge parts 13 and 14 of the fuel cell stack 10. .

즉, 상기 열교환장치(200)는 제1 연결라인(L1)을 통해 제1 배출부(13)와 연결되고, 제2 연결라인(L2)을 통해 제2 배출부(14)와 연결되며, 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)와 연결되고, 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)와 연결된다.That is, the heat exchanger 200 is connected to the first discharge unit 13 through the first connection line (L1), is connected to the second discharge unit 14 through the second connection line (L2), It is connected to the fuel mixing unit 80 through the third connection line (L3), and is connected to the water storage unit 90 through the fourth connection line (L4).

이러한 열교환장치(200)는 기본적으로, 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)를 통해 각각 배출되는 고온의 미반응 연료 및 물의 흐름을 가능케 하는 패스를 형성하는 본체(110)와, 고온의 미반응 연료 및 물을 냉각시키기 위해 본체(110)에 장착되며 상기한 패스로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬(610)을 포함하여 이루어진다.The heat exchanger 200 basically includes a main body that forms a path for allowing the flow of unreacted fuel and water of high temperature discharged through the first and second discharge parts 13 and 14 of the fuel cell stack 10, respectively. And a cooling fan 610 mounted to the main body 110 to cool the hot unreacted fuel and water and blowing the cooling air in the above-described path.

본 실시예에서, 상기 본체(110)는 도면을 기준할 때, 전후면이 개방된 사각 형상의 함체로서 이루어지며, 일측에 제1 챔버(210)를 구성하고, 다른 일측에 제2 챔버(310)를 구성하고 있다.In the present embodiment, the main body 110 is made of a rectangular enclosure having an open front and rear surfaces when referring to the drawings, and constitutes the first chamber 210 on one side, and the second chamber 310 on the other side. ).

상기 제1 챔버(210)는 제1 연결라인(L1)을 통해 제1 배출부(13)와 연결되는 제1 유입부(211)와, 제2 연결라인(L2)을 통해 제2 배출부(14)와 연결되는 제2 유입부(212)를 구성한다.The first chamber 210 may include a first inlet 211 connected to the first outlet 13 through a first connection line L1 and a second outlet through a second connection line L2. A second inlet 212 is connected to the 14).

그리고, 상기 제2 챔버(310)는 제1 유입부(211)와 연결되며 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)와 연결되는 제1 유출부(311)와, 제2 유입부(212)와 연결되며 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)와 연결는 제2 유출부(312)를 구성한다.In addition, the second chamber 310 is connected to the first inlet 211 and the first outlet 311 and the second inlet connected to the fuel mixing unit 80 through the third connection line L3. It is connected to the part 212 and the connection with the water storage unit 90 through the fourth connection line (L4) constitutes the second outlet (312).

여기서, 상기 제1 챔버(210)는 도 5에서와 같이, 제1 유입부(211)와 연결되며 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료를 수용하는 제1 공간(221)과, 제2 유입부(212)와 연결되며 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물을 수용하는 제2 공간(222)을 형성하고 있다.Here, as shown in FIG. 5, the first chamber 210 is connected to the first inlet 211 and receives high temperature unreacted fuel discharged through the first outlet 13 of the fuel cell stack 10. A second space 222 connected to the first space 221 to accommodate the second inlet 212 and receiving the hot water discharged through the second discharge unit 14 of the fuel cell stack 10; To form.

즉, 상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료는 제1 연결라인(L1) 및 제1 유입부(211)를 통해 제1 챔버(210)의 제1 공간(221)으로 수용된다.That is, the unreacted fuel of high temperature discharged through the first discharge part 13 of the fuel cell stack 10 is first chamber 210 through the first connection line L1 and the first inlet part 211. Is accommodated in the first space 221.

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 제2 연결라인(L2) 및 제2 유입부(212)를 통해 제1 챔버(210)의 제2 공간(222)으로 수용된다.In addition, the hot water discharged through the second discharge unit 14 of the fuel cell stack 10 is formed in the first chamber 210 through the second connection line L2 and the second inlet unit 212. It is accommodated in two spaces (222).

한편, 상기 제2 챔버(310)는 도 6에서와 같이, 제1 유출부(311)와 연결되며 뒤에서 더욱 설명될 냉각 팬(610)에 의해 냉각된 미반응 연료를 수용하는 제3 공간(323)과, 제2 유출부(312)와 연결되며 냉각 팬(610)에 의해 냉각된 물을 수용하는 제4 공간(324)을 형성하고 있다.Meanwhile, as shown in FIG. 6, the second chamber 310 is connected to the first outlet 311 and includes a third space 323 for receiving unreacted fuel cooled by the cooling fan 610 which will be described later. ) And a fourth space 324 connected to the second outlet 312 to receive the water cooled by the cooling fan 610.

즉, 상기 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)에 수용된 미반응 연료는 언급한 바 있는 제3 연결라인(L3)을 통해 연료 믹싱부(80)로 공급되며, 제4 공간(324)에 수용된 물은 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)로 공급될 수 있다.That is, the unreacted fuel contained in the third space 323 of the second chamber 310 is supplied to the fuel mixing unit 80 through the third connection line L3 mentioned above, and the fourth space 324. The water accommodated in) may be supplied to the water storage unit 90 through the fourth connection line (L4).

다른 한편으로, 상기 본체(110)는 언급한 바 있듯이 연료 전지 스택(10)의 제1 및 제2 배출부(13, 14)를 통해 각각 배출되는 고온의 미반응 연료 및 물의 흐름을 가능케 하는 패스를 각각 형성하는 바, 이를 위해 적어도 하나의 제1 패스부재(410) 및 제2 패스부재(510)를 포함하고 있다.On the other hand, the body 110, as mentioned, passes that enable the flow of hot unreacted fuel and water discharged through the first and second outlets 13, 14 of the fuel cell stack 10, respectively. Each of the bars is formed to include at least one first pass member 410 and a second pass member 510.

상기 제1 패스부재(410)는 제1 및 제2 챔버(210, 310) 사이에서 제1 챔버(210)의 제1 유입부(211)와 제2 챔버(310)의 제1 유출부(311)를 실질적으로 연결하는 파이프 라인으로서 이루어진다.The first pass member 410 has a first inlet 211 of the first chamber 210 and a first outlet 311 of the second chamber 310 between the first and second chambers 210 and 310. ) Is made as a pipeline to substantially connect.

이 경우, 상기 제1 패스부재(410)는 복수 개로서 구비되며, 제1 챔버(210)의 제1 공간(221)과 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)을 상호 연결한다.In this case, the first pass member 410 is provided as a plurality, and the first space 221 of the first chamber 210 and the third space 323 of the second chamber 310 are interconnected.

그리고, 상기 제2 패스부재(510)는 제1 및 제2 챔버(210, 310) 사이에서 제1 챔버(210)의 제2 유입부(212)와 제2 챔버(310)의 제2 유출부(312)를 실질적으로 연결하는 파이프 라인으로서 이루어진다.In addition, the second pass member 510 may include a second inlet 212 of the first chamber 210 and a second outlet of the second chamber 310 between the first and second chambers 210 and 310. It is made as a pipeline that substantially connects 312.

여기서, 상기 제2 패스부재(510)는 복수 개로서 구비되며, 제1 챔버(210)의 제2 공간(222)과 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)을 상호 연결한다.Here, the second pass member 510 is provided as a plurality, and connects the second space 222 of the first chamber 210 and the fourth space 324 of the second chamber 310 to each other.

한편, 본 실시예에서 상기와 같은 제1 및 제2 패스부재(410, 510)는 도 7에서와 같이, 파이프 형태의 관로(411, 511) 외주면에 길이 방향을 따라 플레이트(413, 513)가 장착되는데, 이 플레이트(413, 513)는 관로(411, 511)의 외주면에 대하여 상하 좌우 측에 용접 접합될 수 있다.Meanwhile, in the present exemplary embodiment, the first and second pass members 410 and 510 as described above may have plates 413 and 513 along the longitudinal direction on the outer circumferential surface of the pipe 411 and 511 as shown in FIG. 7. The plates 413 and 513 may be welded to the upper, lower, left, and right sides with respect to the outer circumferential surfaces of the conduits 411 and 511.

이러한 플레이트(413, 513)는 관로(411, 511)에 대하여 뒤에서 더욱 설명될 냉각 팬(610)에 의해 송풍되는 냉각 공기의 접촉 면적을 증대시키기 위함이다.These plates 413 and 513 are for increasing the contact area of the cooling air blown by the cooling fan 610 which will be described later with respect to the conduits 411 and 511.

다른 한편으로, 상기 제1 및 제2 챔버(210, 310)를 포함하는 본체(110), 및 제1,2 패스부재(410, 510)는 연료와 물에 의해 부식되지 않는 스테인레스 스틸 소재로서 이루어지는 것이 바람직하다.On the other hand, the body 110 including the first and second chambers 210 and 310, and the first and second pass members 410 and 510 are made of a stainless steel material which is not corroded by fuel and water. It is preferable.

본 실시예에서, 상기 냉각 팬(610)은 제1 챔버(210)에서 제1 및 제2 패스부재(410, 510)를 통해 제2 챔버(310)로 유동하는 고온의 미반응 연료 및 물을 냉각시키기 위한 것이다.In the present embodiment, the cooling fan 610 is a high temperature unreacted fuel and water flowing from the first chamber 210 to the second chamber 310 through the first and second pass members 410 and 510. It is for cooling.

상기 냉각 팬(610)은 냉각 공기를 제1 및 제2 패스부재(410, 510)로 송풍할 수 있는 송풍 팬으로서 이루어진다.The cooling fan 610 is configured as a blowing fan capable of blowing cooling air to the first and second pass members 410 and 510.

상기 냉각 팬(610)은 본체(110)에 있어 일측 개방단에 장착되는 바, 볼트와 같은 체결 수단을 통해 본체(110)에 고정되게 설치되며, 바람직하게는 한 쌍으로서 구비된다.The cooling fan 610 is mounted to one open end of the main body 110, is fixedly installed to the main body 110 through a fastening means such as a bolt, preferably provided as a pair.

이러한 냉각 팬(610)은 전기적인 신호에 의해 팬이 회전하며 대기 중의 공기(냉각 공기)를 송풍하는 공지 기술의 송풍 팬으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the cooling fan 610 is made of a blowing fan of a known technique in which the fan rotates by an electrical signal and blows air (cooling air) in the atmosphere, a more detailed description of the configuration will be omitted herein.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)의 작용을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 우선 본 실시예에서 연료 전지 시스템(100)의 작동 시, 연료 믹싱부(80)에 저장된 연료(희석 연료)는 연료 전지 스택(10)의 제1 주입부(11)를 통해 연료 전지(1)의 애노드 전극 측으로 공급된다.Referring to FIG. 1, first, when the fuel cell system 100 is operated in this embodiment, the fuel (diluted fuel) stored in the fuel mixing unit 80 may be connected to the first injection unit 11 of the fuel cell stack 10. It is supplied to the anode electrode side of the fuel cell 1 via.

이 때, 상기 연료 믹싱부(80)는 연료 공급부(20)를 통해 공급되는 순수한 메탄올의 액체 연료와, 뒤에서 더욱 설명될 열교환장치(200)를 통해 공급되는 미반응 연료와, 물 저장부(90)로부터 공급되는 물이 혼합된 희석 연료를 저장하고 있다.At this time, the fuel mixing unit 80 is a liquid fuel of pure methanol supplied through the fuel supply unit 20, unreacted fuel supplied through the heat exchanger 200 to be described later, and the water storage unit 90 The dilution fuel mixed with water from the stock is stored.

이와 동시에, 공기 공급부(30)는 연료 전지 스택(10)의 제2 주입부(12)로 공기를 공급하는 바, 그 공기는 연료 전지(1)의 캐소드 전극 측으로 공급된다.At the same time, the air supply unit 30 supplies air to the second injection unit 12 of the fuel cell stack 10, and the air is supplied to the cathode electrode side of the fuel cell 1.

그러면, 상기 연료 전지 스택(10)의 연료 전지(1)에서는 연료와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는데, 연료 전지(1)의 애노드 전극은 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시킨다.Then, the fuel cell 1 of the fuel cell stack 10 generates electrical energy through an electrochemical reaction between fuel and oxygen. The anode electrode of the fuel cell 1 oxidizes fuel to react with electrons and hydrogen ions. The electrolyte membrane moves hydrogen ions to the cathode electrode.

연료 전지(1)의 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성한다.The cathode electrode of the fuel cell 1 reduces the reaction of electrons received from the anode electrode side, hydrogen ions, and an oxidant provided through a channel of the separator to generate water and heat.

따라서, 상기 연료 전지(1)는 애노드 전극으로부터 캐소드 전극으로 이동하는 전자에 의해 소정의 전기 에너지를 발생시키게 된다.Therefore, the fuel cell 1 generates predetermined electric energy by electrons moving from the anode electrode to the cathode electrode.

상기 과정에서, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 반응하고 남은 고온의 미반응 연료를 제1 배출부(13)를 통해 배출한다.In the above process, the fuel cell stack 10 discharges the high temperature unreacted fuel remaining after reacting at the anode electrode of the fuel cell 1 through the first discharge part 13.

그리고, 연료 전지 스택(10)은 연료 전지(1)의 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 고온의 물을 제2 배출부(14)를 통해 배출한다.In addition, the fuel cell stack 10 discharges the water passed from the anode electrode of the fuel cell 1 to the cathode electrode through the electrolyte membrane and the hot water generated at the cathode electrode through the second discharge part 14.

상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료와, 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 각각 제1 및 제2 연결라인(L1, L2)을 통해 열교환장치(200)로 공급된다.The high temperature unreacted fuel discharged through the first discharge unit 13 of the fuel cell stack 10 and the high temperature water discharged through the second discharge unit 14 are respectively connected to the first and second connection lines ( It is supplied to the heat exchanger 200 through L1 and L2.

즉, 상기 연료 전지 스택(10)의 제1 배출부(13)를 통해 배출되는 고온의 미반응 연료는 제1 챔버(210)의 제1 유입부(211)를 통해 그 챔버(210)의 제1 공간(221)으로 수용된다(도 5 참조).That is, the high temperature unreacted fuel discharged through the first discharge part 13 of the fuel cell stack 10 may be formed through the first inlet part 211 of the first chamber 210. It is accommodated in one space 221 (refer FIG. 5).

그리고, 상기 연료 전지 스택(10)의 제2 배출부(14)를 통해 배출되는 고온의 물은 제1 챔버(210)의 제2 유입부(212)를 통해 그 챔버(210)의 제2 공간(222)으로 수용된다(도 6 참조).In addition, the hot water discharged through the second discharge unit 14 of the fuel cell stack 10 passes through the second inlet unit 212 of the first chamber 210 to the second space of the chamber 210. 222 (see FIG. 6).

이와 같은 상태에서, 도 8에서와 같이 상기 고온의 미반응 연료는 제1 패스부재(410)를 통해 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)으로 흘러가고, 고온의 물은 제2 패스부재(510)를 통해 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)으로 흘러간다.In this state, as shown in FIG. 8, the high temperature unreacted fuel flows through the first pass member 410 into the third space 323 of the second chamber 310, and the high temperature water passes through the second pass. It flows into the fourth space 324 of the second chamber 310 through the member 510.

상기 과정에서, 냉각 팬(610)은 제어부(미도시)로부터 전기적인 신호를 인가받아 작동하게 되며, 대기 중의 냉각 공기를 제1 및 제2 패스부재(410, 510)로 송풍한다.In the above process, the cooling fan 610 is operated by receiving an electrical signal from a controller (not shown), and blows cooling air in the atmosphere to the first and second pass members 410 and 510.

이로써, 상기 제1 패스부재(410)를 따라 흐르는 고온의 미반응 연료는 냉각 공기에 의해 냉각된 상태로 제2 챔버(310)의 제3 공간(323)에 수용되고, 제2 패스부재(510)를 따라 흐르는 고온의 물은 냉각 공기에 의해 냉각된 상태로 제2 챔버(310)의 제4 공간(324)에 수용된다.As a result, the high temperature unreacted fuel flowing along the first pass member 410 is accommodated in the third space 323 of the second chamber 310 while being cooled by the cooling air, and the second pass member 510. The hot water flowing along the) is received in the fourth space 324 of the second chamber 310 in a state of being cooled by the cooling air.

그리고 나서, 상기 제3 공간(323)의 냉각된 미반응 연료는 제3 연결라인(L3)을 통해 위에서 언급한 바 있는 연료 믹싱부(80)로 공급되며, 제4 공간(324)의 냉각된 물은 제4 연결라인(L4)을 통해 물 저장부(90)로 공급된다.Then, the cooled unreacted fuel in the third space 323 is supplied to the fuel mixing unit 80 as mentioned above through the third connection line L3, and the cooled unreacted fuel in the fourth space 324 is cooled. Water is supplied to the water storage unit 90 through the fourth connection line (L4).

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템(100)은 연료 전지(1)의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료와, 연료 전지(1)의 캐소드 전극에서 배출되는 고온의 물을 각각 별개로서 냉각시키는 종래 기술의 열교환 구조와 달리, 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치(200)를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있다.As described so far, the fuel cell system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention is characterized by the high temperature unreacted fuel discharged from the anode electrode side of the fuel cell 1 and the cathode electrode of the fuel cell 1. Unlike the heat exchanger structure of the prior art, which cools the hot water discharged separately, respectively, the hot unreacted fuel and the water discharged from the fuel cell stack 10 can be integrally cooled through the single heat exchanger 200. have.

따라서, 본 실시예에서는 열교환장치(200)를 통해 연료 전지 스택(10)에서 발생하는 과도한 온도 상승을 억제함으로써 연료 전지(1)의 출력 성능 및 효율을 향상시킬 수 있으며, 연료 전지(1)의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the output performance and efficiency of the fuel cell 1 can be improved by suppressing excessive temperature rise that occurs in the fuel cell stack 10 through the heat exchanger 200. Durability can be further improved.

더욱이, 본 실시예서는 연료 전지 스택(10)에서 배출되는 고온의 미반응 연료와 물을 단일의 열교환장치(200)를 통하여 통합적으로 냉각시킬 수 있으므로, 종래 기술과 달리 열관리의 제어가 용이하고, 전체 시스템(100)의 구성을 더욱 단순화시킬 수 있으며, 시스템(100)의 제작이 간단하고, 시스템(100)의 크기를 컴팩트 하게 구현할 수 있다.Furthermore, in the present embodiment, since the unreacted fuel and water of the high temperature discharged from the fuel cell stack 10 can be integrally cooled through a single heat exchanger 200, it is easy to control thermal management unlike the prior art. The configuration of the entire system 100 can be further simplified, the production of the system 100 is simple, and the size of the system 100 can be compactly implemented.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims and the detailed description of the invention and the accompanying drawings. Naturally, it belongs to the scope of the invention.

1... 연료 전지 10... 연료 전지 스택
11... 제1 주입부 12... 제2 주입부
13... 제1 배출부 14... 제2 배출부
20... 연료 공급부 30... 공기 공급부
80... 연료 믹싱부 90... 물 저장부
110... 본체 210... 제1 챔버
211... 제1 유입부 212... 제2 유입부
221... 제1 공간 222... 제2 공간
310... 제2 챔버 311... 제1 유출부
323... 제3 공간 324... 제4 공간
312... 제2 유출부 410... 제1 패스부재
510... 제2 패스부재 610... 냉각 팬
200... 열교환장치1 ... fuel cell 10 ... fuel cell stack
11 ... first injection part 12 ... second injection part
13 ... 1st outlet 14 ... 2nd outlet
20 ... fuel supply 30 ... air supply
80 ... Fuel Mixer 90 ... Water Reservoir
110. Main body 210 ... First chamber
211 ... first inlet 212 ... second inlet
221 ... First space 222 ... Second space
310 ... Second chamber 311 ... First outlet
323 ... the third space 324 ... the fourth space
312 ... 2nd outlet part 410 ... 1st pass member
510 ... second pass member 610 ... cooling fan
200 ... Heat Exchanger

Claims

A fuel cell stack comprising an assembly of fuel cells that generate electrical energy through an electrochemical reaction of fuel and air; And
A heat exchanger device in which the high temperature unreacted fuel discharged from the anode electrode side of the fuel cell and the high temperature and humid water discharged from the cathode electrode side of the fuel cell can be integrally formed.
Fuel cell system comprising a.

The method according to claim 1,
A fuel cell system comprising the fuel cell as a direct methanol fuel cell (DMFC).

A fuel cell stack comprising a first discharge part for discharging high temperature unreacted fuel and a second discharge part for discharging high temperature and high humidity water;
A fuel supply unit for supplying fuel to the fuel cell stack;
An air supply for supplying air as an oxidant to the fuel cell stack;
A heat exchanger configured to be connected to the first and second discharge parts and to cool the hot unreacted fuel discharged through the first discharge part and the hot and humid water discharged through the second discharge part;
A fuel mixing unit which mixes the unreacted fuel cooled by the heat exchanger and the fuel supplied from the fuel supply unit and supplies the mixed fuel to the fuel cell stack; And
Water storage unit for storing the water cooled through the heat exchanger and supplying the water to the fuel mixing unit
Fuel cell system comprising a.

The method of claim 3,
The heat exchanger,
Connected to the first outlet through a first connection line, and connected to the second outlet through a second connection line,
A fuel cell system connected to the fuel mixing unit through a third connection line, and connected to the water storage unit through a fourth connection line.

The method of claim 4, wherein
The heat exchanger,
A first inlet connected to the first outlet through the first connection line;
A second inlet connected to the second outlet through the second connection line;
A first outlet connected to the first inlet and connected to the fuel mixing unit through the third connection line;
A second outlet connected to the second inlet and connected to the water storage through the fourth connection line;
Fuel cell system comprising a.

The method of claim 5,
The heat exchanger,
With the body,
A first chamber disposed at one side of the main body and configured to form the first and second inlets;
A second chamber disposed at the other side of the main body and constituting the first and second outlets;
At least one first pass member connecting the first inlet and the first outlet between the first and second chambers;
At least one second pass member connecting the second inlet and the second outlet between the first and second chambers; And
A cooling fan mounted to the main body to blow cooling air to the first and second pass members;
Fuel cell system comprising a.

The method of claim 6,
The first chamber,
A first space connected to the first inlet and accommodating the high temperature unreacted fuel;
And a second space connected to the second inlet and configured to receive the high temperature and high humidity water.

The method of claim 7, wherein
The second chamber,
A third space connected to the first outlet and containing the cooled unreacted fuel;
And a fourth space connected to the second outlet and configured to receive the cooled water.

The method of claim 6,
And the heat exchange device comprises the cooling fan as a pair.

A heat exchanger for a fuel cell system capable of integrally cooling hot unreacted fuel and hot and humid water discharged from a fuel cell stack,
A main body defining respective paths for allowing the flow of the hot unreacted fuel and the hot and humid water; And
A cooling fan mounted to the main body to blow cooling air through the path;
Heat exchanger for a fuel cell system comprising a.

The method of claim 10,
The main body,
The first chamber which accommodates the said high temperature unreacted fuel and high temperature and humid water, respectively is comprised in one side,
And a second chamber on the other side, the second chamber passing through the passes and containing unreacted fuel and water cooled by the cooling fan, respectively.

The method of claim 11, wherein
The main body,
A first pass member connecting the first chamber and the second chamber to form a path of the high temperature unreacted fuel;
And a second pass member connecting the first chamber and the second chamber to form a path of the high temperature and high humidity water.

The method of claim 12,
The first and second pass members include a pipe-shaped pipe line and at least one plate installed on an outer circumferential surface along a length direction of the pipe line.

The method of claim 12,
A heat exchange device for a fuel cell system in which the main body and the first and second pass members are made of stainless steel.

The method of claim 10,
The cooling fan is a heat exchange device for a fuel cell system mounted to the body in pairs.