KR20130120908A

KR20130120908A - 열방출이 용이한 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR20130120908A
Application number: KR1020120044141A
Authority: KR
Inventors: 박정호; 전희권; 김민석
Original assignee: 지에스칼텍스 주식회사
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-11-05
Also published as: KR101362444B1

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있도록 한 열방출이 용이한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 의하면, 수소가스와 산소 성분을 포함한 외기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택(20); 상기 연료전지 스택(20)에 공급되는 수소가스를 발생시키는 연료공급부(30); 상기 연료전지 스택(20)을 냉각하기 위한 냉각수를 수용하는 열저장 탱크부(40); 상기 외기를 연료전지 스택(20)으로 공급하는 흡기관로(50); 및 상기 연료전지 스택(20)에서 배출된 가스를 외부로 배기하는 배기관로(60);를 포함하여 이루어진 연료전지 시스템(10)에 있어서, 상기 연료전지 스택(20)을 냉각하는 스택냉각수 순환관(21)은 상기 흡기관로(50)를 통해 흡인되는 외기에 의해 공랭되도록 관로 상에 설치된 래디에이터(51)를 포함하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템이 제공된다.

Description

열방출이 용이한 연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM FOR EASY HEAT EMISSION}

본 발명은 열방출이 용이한 연료전지 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 냉각하는 스택냉각수 순환관에 흡기관로를 통해 열방출 가능한 래디에이터를 설치하고, 필요에 따라 냉각모드의 전환이 가능하도록 하여 연료전지 스택에서 발생하는 열을 보다 효과적으로 방출할 수 있도록 한 열방출이 용이한 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지 시스템은 수소를 함유한 연료와 산소를 함유한 공기를 이용하여, 수소와 산소의 전기화학반응을 유발시킴으로써 전기에너지를 발생시키는 발전장치이다.

이러한 종래의 일반적인 연료전지 시스템(110)은 도 1에 도시된 것처럼 연료전지 스택(120), 연료공급부(130), 열저장 탱크부(140), 흡기관로(150), 및 배기관로(160)를 포함하여 구성된다.

여기에서, 연료전지 스택(120)은 공기 블로워(155)의 흡인력에 의해 흡기관로(150)로 흡인되는 외기 중의 산소와 연료공급부(130)에서 공급되는 수소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성한다. 또한, 연료공급부(130)는 연료공급원에서 공급되는 연료를 연료개질기(131)에서 개질하여 수소를 발생시키는 바, 개질 반응을 위해 연료개질기(131)는 가열버너(133)에 의해 가열되며, 가열버너(133)의 가동을 위해 공기 블로워(156)의 흡인력에 의해 흡기관로(150)를 통해 외기가 흡인된다.

또한, 종래의 연료전지 시스템(110)은 연료전지 스택(120) 또는 가열버너(133)에서 발생한 폐열을 활용하기 위해 열저장 탱크부(140)를 구비하는 바, 이 열저장 탱크부(140)는 급수원으로부터 저온의 시수가 시수공급라인(141)을 통해 공급되며, 시스템냉각수 순환관(149)을 통해 순환하는 동안 가열된 배수를 배수 배출라인(143)을 통해 수요처로 공급한다.

따라서, 시스템냉각수는 시스템냉각수 순환관(149)을 따라 순환하는 동안 복수의 열교환코일(145,146,147)과의 열교환을 통해 가열되는 바, 연료전지 스택(120)을 냉각하는 스택냉각수 순환관(121)은 열교환코일(145)을 통해, 연료전지 스택(120)에서 배출된 수분을 포함한 미반응 공기를 기액분리기(125)로 전달하는 연료배출관(123)은 열교환코일(146)을 통해, 가열버너(133)에서 배출된 연소가스를 외부로 배기하는 연소배출관(135)은 열교환코일(147)을 통해 각각 보유한 열을 방출하고 냉각된다.

그런데, 흡기관로(150)는 연료전지 스택(120) 및 가열버너(133)로 공급되는 외기에서 이물질을 제거하기 위해 흡기관로(150) 상에 공기필터(153)를 장착하는 바, 공기필터(153)가 흡기관로(150) 내부를 유동하는 외기에 대해 유동저항을 일으키므로 공기 블로워(155,156)의 출력을 저하시키며, 따라서 흡기관로(150)를 통한 연료전지 스택(120)이나 가열버너(133)로의 외기 공급이 원활하게 이루어지지 않아, 연료전지 시스템(110) 전체의 가동효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 열저장 탱크부(140)로부터 배수 배출라인(143)을 통해 더 이상 배수의 배출이 이루어지지 않고, 따라서 저온의 시수가 더 이상 시수 공급라인(141)을 통해 열저장 탱크부(140)로 유입되지 않을 때, 냉각팬(171)을 가동함으로써 래디에이터(172)를 통해 시스템냉각수 순환관(149)을 순환하는 시스템냉각수를 냉각하도록 되어 있다.

그런데, 위와 같이 냉각팬(171)과 래디에이터(172)를 통해 시스템냉각수 순환관(149)을 냉각하는 것은 도 2에 도시된 것처럼, 상대적으로 유량이 많고 온도가 높은 스택냉각수 순환관(121)의 스택냉각수를 상대적으로 유량이 적고 온도가 낮은 시스템냉각수 순환관(149)의 시스템냉각수를 매개로 하여 냉각팬(171)에 의해 공랭하게 되어 냉각효율이 크게 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 일실시예는 열저장 탱크로의 축열을 통해 스택을 냉각하는 수냉모드가 완료된 때, 냉각모드를 래디에이터에 의한 방열을 통해 스택을 직접 냉각하는 공랭모드로 변경할 수 있도록 함으로써, 스택 냉각의 냉각 방식을 단순화하고, 냉각 성능을 최대화하고자 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 흡기관로로 흡인되는 외기가 공기필터에 의한 유동저항에도 불구하고 연료전지 시스템 내부로 원활하게 유입되어, 연료전지 시스템 내부 특히, 연료전지 스택에서 발생하는 열을 시스템 외부로 원활하게 방출할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 수소가스와 산소 성분을 포함한 외기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택에 공급되는 수소가스를 발생시키는 연료공급부; 상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수를 수용하는 열저장 탱크부; 상기 외기를 연료전지 스택으로 공급하는 흡기관로; 및 상기 연료전지 스택에서 배출된 가스를 외부로 배기하는 배기관로;를 포함하여 이루어진 연료전지 시스템에 있어서, 상기 연료전지 스택을 냉각하는 스택냉각수 순환관은 상기 흡기관로를 통해 흡인되는 외기에 의해 공랭되도록 관로 상에 설치된 래디에이터를 포함하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템이 제공된다.

여기에서, 상기 흡기관로는 상기 외기가 상기 연료전지 시스템 외부에서 유입되는 공기일 때, 상기 공기를 여과하기 위한 공기필터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스택냉각수 순환관은, 스택 냉각수가 상기 열저장 탱크부의 시스템냉각수 순환관과 열교환하는 열교환코일을 경유하지 않도록 열교환코일 입구 측과 출구 측을 직접 연결하여 관로를 단축하는 첩수로; 및 상기 연료전지 스택과 상기 열교환코일 사이에 설치되어 상기 열교환코일 또는 상기 첩수로 중 어느 한 쪽으로만 선택적으로 관로를 개방하는 삼방밸브;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 흡기관로는, 일단이 상기 흡기관로의 입구단과 상기 공기필터 사이로 연결되고, 타단이 상기 래디에이터를 통과하여 상기 배기관로로 연결된 우회관로; 및 상기 래디에이터를 냉각하도록 상기 우회관로 상에 설치되는 송풍팬;을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 열방출이 용이한 연료전지 시스템에 의하면, 스택을 냉각하는 스택냉각수 순환관과의 열교환을 통해 스택냉각수를 냉각하는 시스템냉각수의 냉각성능이 열저장 탱크에서의 배수 정지로 인해 저하되더라도, 스택냉각수 순환관에 설치된 래디에이터와 송풍팬에 의한 공랭구조에 의해 스택냉각수를 직접적으로 냉각할 수 있으므로, 스택을 냉각하기 위한 냉각구조를 단순화시킬 수 있을 뿐 아니라, 이에 따라 냉각성능을 일층 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 흡기관로와 배기관로를 우회관로를 통해 연결하고, 이 우회관로 상에 송풍팬을 설치함으로써, 흡기관로 상에 공기필터를 설치하더라도 송풍팬을 통해 우회관로로 외기를 흡인하여 배기관로로 배기하므로, 공기필터의 유동저항에도 불구하고 외기를 효과적으로 연료전지 시스템 내부로 흡인할 수 있게 되며, 따라서 흡기관로 상에 설치된 래디에이터에 의해 스택냉각수 순환관을 순환하는 냉각수가 효과적으로 열방출할 수 있도록 하여 연료전지 스택, 더 나아가 연료전지 시스템의 방열 효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 송풍팬과 래디에이터로 이루어진 공냉구조를 배기관로와 연계시켜 일원화할 수 있으므로, 전체 장비의 컴팩트화를 구현할 수 있으며, 따라서 설치 공간의 활용성을 높일 수 있게 된다.

아울러, 흡기관로 상의 공기필터가 시스템 내부로 유입되는 외기의 양에 비해 외기로 인한 부하를 상대적으로 덜 받게 되므로, 공기필터의 내구 수명이나 여과성능을 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 연료전지 시스템의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 시스템의 스택 냉각구조를 보인 모식도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열방출이 용이한 연료전지 시스템의 구성도.
도 4는 도 3에 도시된 연료전지 시스템의 스택 냉각구조를 보인 모식도.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 열방출이 용이한 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

실시예

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은 도 3에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(20), 연료공급부(30), 열저장 탱크부(40), 흡기관로(50), 및 배기관로(60)를 포함하여 구성된다.

여기에서, 먼저 연료전지 스택(20)은 도 3에 도시된 것처럼, 연료개질기(31)에서 공급되는 수소 또는 탄화수소 가스와 공기를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 본체로서, 연료에서 추출한 수소와 공기 중의 산소가 산화환원 반응하여 전기 에너지를 발생시키는 복수의 전지 셀로 이루어지는 바, 그 상세한 구성은 이미 널리 알려진 기술로서 여기에서는 그 상세한 설명을 생략한다.

한편, 달리 도시하지 않았으나, 연료전지 스택(20)에서 발생된 직류 전기는 전력변환기에 의해 교류 전기로 변환되어 사용처에서 사용할 수 있게 된다.

또한, 연료전지 스택(20)은 전기 에너지를 발생시키는 발열반응 중 발생한 열을 냉각하기 위해 스택냉각수 순환관(21)을 통해 스택냉각수조(27)에 수용된 스택냉각수를 순환시키도록 되어 있는 바, 냉각수 순환을 위해 스택냉각수조(27)의 출구쪽에 스택냉각수 순환펌프(29)가 장착되어 있다. 이때, 스택냉각수 순환관(21)은 흡기관로(50)를 통해 흡인되는 외기에 의해 공랭되는 래디에이터(51)가 그 관로 상에 설치된다.

또한, 순환관(21) 상의 연료전지 스택(20)의 출구측과 냉각수조(27) 입구측 사이에 장착되는 열교환코일(45)은 시스템냉각수 순환관(49) 상에 노출되어 이 순환관(49)과 열교환을 통해 스택냉각수의 온도를 낮추도록 되어 있고, 냉각수조(27)의 출구측과 연료전지 스택(20)의 입구측 사이에 장착되는 래디에이터(51)는 우회관로(70)를 통해 흡기관로(50) 입구측으로 연결되어 흡기관로(50)를 통해 흡인되는 외기를 따라 열을 방출함으로써 래디에이터(51)에서 열교환되는 스택냉각수 순환관(21)의 스택냉각수 온도를 낮추도록 되어 있다. 또한, 스택냉각수 순환관(21)은 스택 냉각수가 열교환코일(45)을 경유하지 않도록 하는 첩수로(26)와 이 첩수로(26) 또는 열교환코일(45) 중 어느 한 쪽으로 이어진 관로를 선택적으로 개방하는 삼방밸브(28)를 더 포함하는 바, 삼방밸브(28)는 연료전지 스택(20)과 열교환코일(45) 사이에 설치되며, 첩수로(26)는 스택냉각수 순환관(21) 관로 상의 열교환코일(45) 입구 측과 출구 측을 직접 연결하도록 되어 있다. 따라서, 삼방밸브(28)가 첩수로(26)로 개방된 경우, 연료전지 스택(20)에서 배출된 냉각수는 첩수로(26)를 통해 열교환코일(45)을 거치지 않고 스택냉각수 순환관(21)을 순환함으로써, 래디에이터(51)와 송풍팬(71)에 의해서만 공랭에 의해 냉각될 수도 있다.

또한, 연료공급부(30)는 연료개질기(31)와 가열버너(33)를 포함하여 이루어지는데, 여기에서 연료개질기(31)는 연료공급원으로부터 공급된 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 정제된 수소 또는 탄화수소 상태로 위 연료전지 스택(20)에 공급하는 부분으로서, 공급된 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가 주성분인 개질가스(수소리치 가스)로 개질하며, 이때 연료가스로는 연료전지스택(20)에서의 미반응 개질가스와 함께 LNG, LPG, 등유 등의 탄화수소계 연료가 사용된다.

통상적으로, 연료개질기(31)는 연료가스를 수증기와 반응시켜 수소가스를 생성하는 개질기(reformer), 생성된 수소가스가 연료전지 스택의 촉매에 피독을 일으키지 않도록 일산화탄소를 제거하는 시프트 반응기(shift converter), 및 선택적 산화 반응기(Prox reactor)를 포함하여 통칭하는 바, 이후 언급되는 연료개질기(31)는 이러한 통칭적 의미의 개질기를 가리킴을 미리 밝혀둔다.

또한, 가열버너(33)는 연료개질기(31) 내에서 흡열반응인 개질반응이 원활히 이루어지도록 적절한 온도를 유지시키기 위한 것으로, 흡기관로(50)를 통해 연료전지 시스템(10) 외부로부터 상온의 공기와 함께 버너가스를 공급받아 연소시킴으로써 연료개질기(31)에 열을 공급한다. 이때, 버너가스는 연료가스와 동일한 종류의 탄화수소계 연료가 사용되는 것이 바람직하다.

한편, 열저장 탱크부(40)는 시스템냉각수 순환관(49)을 순환하면서 열교환코일(45)을 통해 스택냉각수 순환관(21)과 열교환됨으로써 연료전지 스택(20)을 냉각하는 냉각수를 수용하기 위한 것으로서, 하단부에 시수 공급라인(41)이 연결되고, 상단부에는 열저장 탱크부(40)를 통해 시수 공급라인(41)에 연결되는 배수 배출라인(43)이 구비된다. 따라서, 열저장 탱크부(40)는 시스템냉각수 순환펌프(48)에 의해 시스템냉각수 순환관(49) 상으로 시수를 순환시켜, 복수의 열교환코일(45,46,47)을 통해 열을 회수하는 바, 열교환코일(45)은 연료전지 스택(20)을 냉각하는 스택냉각수 순환관(21)의 냉각수로부터, 열교환코일(46)은 연료전지 스택(20)에서 배출되어 기액분리기(25)로 전달되는 연료배출관(23)의 수분을 포함한 미반응 공기로부터, 그리고 열교환코일(47)은 가열버너(33)에서 배출되어 외부로 배기되는 연소배출관(35)의 연소가스로부터 각각 열을 회수하여 내부에 수용된 냉각수를 가열하도록 되어 있다.

즉, 열저장 탱크부(40)는 시스템냉각수 순환관(49) 상에 연이어 설치된 복수의 열교환코일(45,46,47)을 통해 스택냉각수 순환관(21), 미반응 공기배출관(23), 및 연소배출관(35)과 각각 열교환되는 과정에서 시스템냉각수의 온도가 상승한다. 이때, 열저장 탱크부(40)는 배수밸브(44)를 개방하여 고온의 시스템냉각수를 배출하고, 시수 공급라인(41)을 통해 저온의 시수를 공급하면 시스템냉각수의 온도를 적정하게 유지할 수 있게 되나, 배수를 가져오는 수요처에서의 온수 사용이 없어 시스템냉각수의 온도가 예를 들어, 45℃ 이상으로 상승하는 경우, 이 온도에서는 더 이상 스택냉각수와의 열교환을 통해 스택(20)의 온도를 적정온도로 낮출 수 없게 되므로, 송풍팬(71)을 가동하여 래디에이터(51)의 열방출을 가속화함으로써 공랭에 의해 스택냉각수를 직접적으로 냉각하여 스택(20)의 온도를 적정 수준으로 낮추게 된다.

여기에서, 시수의 공급은 시수 공급라인(41)를 통해 이루어지는데, 고압의 시수가 열저장 탱크부(40)로 유입됨과 동시에, 시수의 공급압력에 의해 기존의 냉각수는 배수 배출라인(43)을 통해 배출된다. 한편, 데워진 상태로 열저장 탱크부(40)에 수용된 시스템냉각수는 도시되어 있지 않으나, 열저장 탱크부(40)와 별도로 설치된 배수관과의 열교환에 의해 간접적으로 배수를 가열하는 데 이용될 수도 있다.

또한, 흡기관로(50)는 연료전지 시스템(10) 외부의 공기를 연료전지 스택(20) 및 가열버너(33)로 공급하는 부분으로서, 연료전지 스택(20)과 가열버너(33) 입구측에 각각 설치된 공기 블로워(55,56)의 동작에 의해 외기를 흡인하여 연료전지 스택(20)과 가열버너(33) 각각으로 외기를 공급한다. 이때, 흡기관로(50)의 입구측에는 각각의 공기 블로워(55,56)로 분기되기 전 관로 상에 공기필터(53)가 장착되는 바, 공기 블로워(55,56)에 의해 흡인되는 공기 중의 이물질을 여과, 제거하게 된다.

한편, 흡기관로(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 우회관로(70)와 송풍팬(71)을 더 포함하는 바, 우회관로(70)는 일단이 흡기관로(50)의 입구단과 공기필터(53) 사이의 흡기관로(50) 상에 연결되고, 타단이 도 3의 화살표(A)로 표시된 것처럼, 래디에이터(51)를 통과하여 배기관로(60)로 연결되며, 송풍팬(71)은 래디에이터(51)를 냉각하도록 우회관로(70) 상에 설치된다. 따라서, 송풍팬(71)은 공기 블로워(55,56)와 함께 더욱 강력한 힘으로 흡기관로(50)를 통해 외기를 흡인하게 되며, 우회관로(70) 쪽으로 흡인된 외기는 래디에이터(51)를 냉각한 다음 곧바로 배기관로(60)를 거쳐 대기 중으로 배출된다.

또한, 배기관로(60)는 연료전지 스택(20)에서 배출되는 가스는 물론 가열버너(33)에서 배출되는 가스를 외부로 배기하는 부분으로서, 연료전지 스택(20)의 내부에서 수소와 산소의 결합에 의해 생성된 수분과 미반응 공기 및 연료 성분을 미반응 공기배출관(23)과 이 미반응 공기배출관(23) 말단에 설치된 기액분리기(25)를 거쳐 외부로 배출할 뿐 아니라, 가열버너(33)에서 가열을 위한 연소로 발생한 배기가스를 연소배출관(35)을 거쳐 외부로 배출하도록 되어 있다.

따라서, 위와 같이 구성된 본 발명의 일실시예에 따른 열방출이 용이한 연료전지 시스템에 의해 전기를 발생시키기 위해서는 먼저 도 3에 도시된 것처럼, 공기 블로워(56)를 가동하여 가열버너(33)에 의해 연료개질기(31)를 가열하는 동시에 연료개질기(31)로 연료를 공급하여 연료 개질반응을 일으켜 연료전지 스택(20)에 투입할 수소를 발생시키고, 공기 블로워(55)를 가동하여 연료전지 스택(20)으로 외기를 공급한다.

이에 따라, 연료전지 스택(20) 내에서 수소와 산소가 산화환원 반응을 일으켜 전기 에너지를 생성하게 되며, 이때 발생되는 열을 제거하기 위해 스택냉각수 순환펌프(29)가 동작하여 스택냉각수 순환관(21)을 따라 냉각수를 순환시킨다. 따라서, 스택냉각수는 연료전지 스택(20)으로부터 빼앗은 열을 열교환코일(45)을 통해 시스템냉각수 순환관(49)의 시스템냉각수로 전달하여 일차적으로 냉각되는데, 이때 가열된 시스템냉각수는 열저장 탱크(40)에서 온수로서 수요처에 공급되고, 그 만큼 급수원으로부터 공급되는 저온의 시수에 의해 보충된다. 이때, 수요처의 온수 사용 정지로 열저장탱크부(40)에서의 배수 배출과 시수 보충이 더 이상 이루어지지 않아 시스템냉각수의 온도가 적정온도를 넘더라도 즉, 열저장탱크부(40)가 축열 완료되더라도, 송풍팬(71)이 동작됨으로써 스택냉각수는 적정온도 이상으로 가열된 시스템냉각수와의 열교환 대신, 송풍팬(71)에 의한 래디에이터(51)에서의 방열을 통해 적정 온도로 냉각된다. 따라서, 도 4에 모식적으로 도시된 것처럼, 스택(20) 냉각에 사용되는 스택냉각수 순환관(21)의 스택냉각수를 송풍팬(71)에 의해 직접적으로 보다 신속하고 효과적으로 냉각할 수 있게 된다.

한편, 흡기관로(50)를 통해 외기가 공급된 연료전지 스택(20)은 수소와 산소의 결합에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 미반응 공기배출관(23)을 통해 기액분리기(25)로 배출하며, 기액분리기(25)로 유입된 기액 혼합체는 기액분리기(25) 내에서 블레이드를 통해 연료가스를 포함한 공기와 물로 분리되어 기체는 배기관로(60)를 통해 외부로 배출된다. 이때에도, 미반응 공기배출관(23)을 통과하는 기체는 열교환코일(46)을 통해, 연소배출관(35)을 통과하는 연소가스는 열교환코일(47)을 통해 각각 시스템냉각수 순환관(49)과 열교환하여 냉각되며, 빼앗긴 열량만큼 시스템냉각수 순환관(49)의 시스템냉각수를 가열하게 된다.

이와 같이, 일련의 연료전지 동작을 수행하는 과정에서 연료전지 스택(20) 및 가열버너(33)로 외기를 공급하기 위해 공기블로워(55,56)가 동작하여 흡기관로(50) 상의 공기필터(53)를 거쳐 외기를 흡인하는데, 이때 송풍팬(71)도 함께 동작하여 흡기관로(50)로 흡인되는 외기의 유입량을 크게 늘려 주므로, 공기필터(53)에 의한 유동저항에도 불구하고 우회관로(70)를 통해 연료전지 시스템 내부로 많은 양의 외기를 흡인할 수 있게 된다. 따라서 래디에이터(51)에 의한 스택냉각수 순환관(21)의 열방출량을 대폭 늘려, 연료전지 스택(20)의 방열효율 및 열적 성능을 크게 높이게 된다.

10 : 연료전지 시스템
20 : 연료전지 스택
21 : 스택냉각수 순환관
23 : 미반응 공기배출관
25 : 기액분리기
26 : 첩수로
27 : 스택냉각수조
28 : 삼방밸브
30 : 연료공급부
31 : 연료개질기
33 : 가열버너
35 : 연소배출관
40 : 열저장 탱크부
45, 46, 47 : 열교환코일
49 : 시스템냉각수 순환관
50 : 흡기관로
51 : 래디에이터
53 : 공기필터
55, 56 : 공기 블로워
60 : 배기관로
70 : 우회관로
71 : 송풍팬

Claims

수소가스와 산소 성분을 포함한 외기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택에 공급되는 수소가스를 발생시키는 연료공급부;
상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수를 수용하는 열저장 탱크부;
상기 외기를 연료전지 스택으로 공급하는 흡기관로; 및
상기 연료전지 스택에서 배출된 가스를 외부로 배기하는 배기관로;를 포함하여 이루어진 연료전지 시스템에 있어서,
상기 연료전지 스택을 냉각하는 스택냉각수 순환관은 상기 흡기관로를 통해 흡인되는 외기에 의해 공랭되도록 관로 상에 설치된 래디에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 흡기관로는 상기 외기가 상기 연료전지 시스템 외부에서 유입되는 공기일 때, 상기 공기를 여과하기 위한 공기필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 스택냉각수 순환관은,
스택 냉각수가 상기 열저장 탱크부의 시스템냉각수 순환관과 열교환하는 열교환코일을 경유하지 않도록 열교환코일 입구 측과 출구 측을 직접 연결하여 관로를 단축하는 첩수로; 및
상기 연료전지 스택과 상기 열교환코일 사이에 설치되어 상기 열교환코일 또는 상기 첩수로 중 어느 한 쪽으로만 선택적으로 관로를 개방하는 삼방밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 흡기관로는,
일단이 상기 흡기관로의 입구단과 상기 공기필터 사이로 연결되고, 타단이 상기 래디에이터를 통과하여 상기 배기관로로 연결된 우회관로; 및
상기 래디에이터를 냉각하도록 상기 우회관로 상에 설치되는 송풍팬;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열방출이 용이한 연료전지 시스템.