KR20150062508A

KR20150062508A - 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법

Info

Publication number: KR20150062508A
Application number: KR1020130147236A
Authority: KR
Inventors: 조장호; 권혁률
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-08
Also published as: US20150155573A1; CN104681831A; KR101575416B1; DE102014220534A1

Abstract

본 발명은 연료전지 냉각장치 및 이를 이용한 냉각방법으로서, 연료전지의 스택 내에 설치되어 스택의 온도를 낮추는 역할을 수행하는 증발 냉각부, 증발 냉각부에서 사용할 냉각물질을 공기와 함께 분사하는 인젝터, 인젝터에 압력을 가하는 펌프, 증발 냉각부로부터 증발된 냉각물질이 연료전지의 스택의 캐소드로 이동할 수 있도록 통로를 제공하는 관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법 {Cooling Apparatus of a Fuel Cell and Method for thereof}

본 발명은 연료전지의 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고온 상압형 연료전지 냉각장치 및 냉각방법에 관한 것이다.

연료전지는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 그리고, 이러한 연료전지는 그 반응 온도와 압력에 따라서, 저온 상압형 연료전지와 고온 가압형 연료전지가 있다.

도면 6도는 저온 상압형 연료전지를 나타내는 도면이다.

이러한 저온 상압형 연료전지는 크게 수소와 산소가 반응하는 스택(Stack, 10), 스택(10)에 수소를 공급하는 수소 공급부(20), 스택(10)에 공기를 공급하는 공기 공급부(30) 및 이러한 스택(10)을 냉각시키는 냉각부(40)을 포함하여 구성된다.

스택(10)은 수소가 유입되는 애노드(Anode, 11)와 공기를 공급받는 캐소드(Cathod, 12) 및 스택의 온도를 냉각시키는 쿨링부(13)를 포함되어 구성된다.

또한, 수소 공급부(20)는 수소 공급 유로의 개방과 폐쇄를 담당하는 밸브(21), 수소를 스택(10)의 애노드(11)에 분사하는 이젝터(22), 그리고 애노드(11)에서의 잉여 성분을 배출하는 퍼지 밸브(Purge Valve, 22)를 포함하여 구성된다.

공기 공급부(30)는 스택(10)에 주입되는 공기의 이물질을 제거하는 에어 필터(31), 공기를 캐소드(12)에 공급하는 펌프(32), 펌프(32)를 통하여 캐소드(12)측으로 이동하는 공기에 수분을 제공하는 가습기(Humidifier, 33)을 포함한다.

그리고, 냉각부(40)는 냉각수를 저장하는 냉각수 리저버(Coolant Reservoir, 41), 냉각수 리저버(41)의 냉각수를 펌프하여 스택(10)의 쿨링부(13)에 공급하는 냉각수 펌프(Coolant Pump, 42), 쿨링부(13)에서 배기된 냉각수를 방열시키는 라디에이터(Radiator, 43) 및 라디에이터(43)의 방열을 돕기 위하여 공기를 유동시키는 역할을 수행하는 팬(44)를 포함한다.

이러한 저온 상압형 연료전지의 가습이 이루어지는 과정과 냉각이 이루어지는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

스택(10)의 캐소드(12)로부터 나오는 다습한 공기가 가스 대 가스(Gas to Gas) 가습기로 보내져서, 가습기(33)의 수분 공급원의 역할을 한다. 그리고, 가습기로 공급되는 건조한 공기는 이러한 가습기(33)를 거치면서 가습되어 다시 스택(10)의 캐소드(12)로 유입되게 된다. 그리고, 냉각구성은 별도의 부동액을 사용하여 스택(10)을 냉각시키게 되고 스택(10) 출구에서 나오는 뜨거워진 냉각수(Coolant)는 라디에이터(43)에서 냉각되게 된다.

이러한 저온 상압형 연료전지는 저출력 조건에서 저온운전이 가능하고, 스택에 충분한 수분 공급이 가능하다는 장점이 있다. 따라서, 저출력 조건에서는 스택 성능이 높게 유지되며, 별도의 가습을 위한 제어가 필요 없다는 장점이 있다.

그러나, 고출력시 스택(10)에서 발생하는 대량의 열을 제거하기 위해서는 라디에이터(43)의 크기가 커져야 하는 문제점이 있다. 따라서, 연료 전지 차량에 도입하기에 어려운 문제점이 있다.

또한, 고출력 지속 운전을 위해서는 고온 운전이 필수적이나, 고온 운전시에는 가습기(33)에서 수분을 제대로 공급하기가 어려워서 스택(10)의 전해질막에 공급되는 수분이 차단되어 연료전지를 지속적으로 운전하기 어렵다는 단점도 있다.

도면 7도는 고온 가압형 연료전지 시스템의 구성을 블럭으로 보여주는 도면이다.

고온 가압형 연료전지 시스템의 기본적인 구성은 도면 6도의 저온 상압형 연료전지 시스템과 기본적으로는 유사하다. 다만, 공기 공급부(30)의 배기단에 공기극인 캐소드(12)의 압력을 높일 수 있도록 배압 조절 밸브(34)가 설치되어 있는 점만 상이할 뿐이다. 또한, 저온 상압형 연료전지 시스템에서의 펌프(32)가 컴프레서로 대체되는 점만 상이할 뿐이다.

그리고, 운전압력과 운전온도가 저온 상압 시스템에 비하여 상대적으로 높다는 차이만 있을 뿐, 스택을 냉각시키는 냉각부(40)의 구성도 저온 상압 시스템과 기본적으로 유사하다.

연료전지의 스택(10)내로 수분공급이 이루어지는 가습 부분도 기본적으로는 저온 상압 시스템과 동일하다. 다만, 운전 압력과 운전온도가 상대적으로 높을 뿐이다.

이러한 고온 가압형 연료전지 시스템의 장점은 운전 압력의 상승으로 인하여 전해질막의 수분 유지에 필요한 가습량이 적다는 데에 있다. 따라서, 가습기(33)의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 운전온도가 높아 저온 상압형과 대비하여 동일 크기의 라디에이터(43)에서도 방열량이 높아서, 고출력의 지속 운전이 가능하다는 장점이 있다.

그러나, 고온 가압형 연료전지는 공기 공급기의 소비전력이 증가하고, 이로 인하여 시스템 전체의 효율이 낮아진다는 문제점이 있다. 특히, 운전온도의 상승에 의하여 전해질막에서 수분이 제거되어 스택(10)에서의 성능이 저하되는 동시에, 수소 투과량이 증가되어 시스템 전체의 효율이 저하된다는 문제점이 있다. 그리고, 가스 및 냉각수의 누수 확률이 증가하여 연료전지의 내구성 및 품질이 저하된다는 문제점이 있다. 그리고 압력 상승으로 인하여 시스템이 복잡해져서 안정성이 저하된다는 문제점도 있다.

본 발명은 종래의 저온 상압형 연료전지와 고온 가압형 연료전지의 문제점을 해결하는 동시에 장점을 동시에 취하기 위하여 안출된 것으로, 고온 운전이 가능하면서도 충분한 방열 성능 확보가 가능한 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법을 제공하고자 한다.

또한, 고온에서도 충분한 수분공급이 가능하여 스택의 성능을 유지할 수 있는 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법을 제공하고자 한다.

또한, 상압 운전이 가능하여 고출력에서의 시스템의 효율이 저하되는 것을 방비할 수 있는 연료전지 냉각장치와 이를 이용한 냉각방법을 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 연료전지의 스택 내에 설치되어 상기 스택의 온도를 낮추는 역할을 수행하는 증발 냉각부; 상기 증발 냉각부에서 사용할 냉각물질을 분사하는 인젝터; 상기 냉각물질의 분사에 필요한 압력을 상기 인젝터에 가해주는 펌프; 및 상기 증발 냉각부로부터 증발된 냉각물질이 상기 연료전지의 스택의 캐소드로 이동할 수 있도록 통로를 제공하는 관로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치를 제공한다.

또한, 상기 캐소드는 상기 관로로부터 주입받은 증발된 냉각물질을 전해질막에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치를 제공한다.

또한, 상기 캐소드로부터 상기 전해질막에 공급되고 남은 증발 상태의 냉각물질의 액화시키기 위하여 상기 냉각물질로부터 열을 외부로 방열시키는 라디에이터; 상기 라디에이터의 방열 효율을 높이고자 공기를 상기 라디에이터 측으로 유입시키는 팬; 상기 인젝터에 상기 냉각물질을 공급하는 워터펌프; 및 상기 연료전지의 스택에서 수소와 산소의 화학반응에 생기는 물과 상기 라디에이터로부터 회수된 물을 저장하는 워터 리저버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치를 제공한다.

또한, 상기 냉각물질은 물인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 냉각물질이 분사되는 단계; 상기 증발 냉각부에서 상기 냉각물질이 증발되는 단계; 상기 증발된 냉각물질이 공기와 함께 상기 연료전지의 캐소드로 유입되는 단계; 및 상기 연료전지의 캐소드에 유입된 상기 증발된 냉각물질을 통하여 상기 연료전지의 캐소드의 전해질막에 수분을 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법을 제공한다.

또한, 상기 연료전지의 캐소드에 유입된 상기 증발된 냉각물질을 통하여 상기 연료전지의 캐소드의 전해질막에 수분을 공급하는 단계 이후에, 상기 증발된 냉각물질이 방열되어 액화되는 단계; 상기 액화된 냉각물질을 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법을 제공한다.

또한, 상기 냉각물질은 물인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 물의 증발 잠열을 이용하여 스택을 냉각하고, 증발된 다수의 수분을 바로 공기극에 공급할 수 있는 효과가 있다. 따라서 전해질막의 건조를 막아, 고온에서도 스택 성능의 저하를 막을 수 있다.

둘째, 상압에서도 80 ~ 100 ℃의 고온 운전이 가능하여 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

셋째, 고온에서도 가습성능을 높일 수 있으므로 공기극의 전해질막에 충분한 수분을 제공할 수 있어, 고온에서 스택의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

넷째, 스택에 수분을 제공하는 가습기를 기존의 중공사막형 가습기 대신에 인젝터를 사용하여 구현함으로서 시스템의 전체 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 스택 내에 냉각수가 없어서 스택의 열용량을 감소시킬 수 있다. 따라서, 스택의 냉시동성이 향상되는 효과를 달성할 수 있다.

여섯째, 스택에 고온 건조 공기를 공급할 수 있으므로, 연료전지가 영하에서 정지되는 경우에도 멤브레인 일렉트로드 어셈블리(Membrane Electrode Assembies, MEA) 내의 물을 효과적으로 제거하여 냉간 내구성을 향상할 수 있는 효과가 있다.

도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 각 구성을 블럭으로 보여주는 도면이다.
도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템의 부하에 따른 운전온도를 보여주는 그래프이다.
도면 3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에 공급되는 냉각수의 양과 스택 내에서 발생되는 냉각수의 양 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에서, 부하량의 증가에 따른 스택의 발열량과 이에 대응하여 증발되는 냉각량을 측정한 것을 보여주는 그래프이다.
도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에서의 스택 입구 및 출구의 공기내 습도를 보여주는 그래프이다.
도면 6도는 저온 상압형 연료전지를 나타내는 도면이다.
도면 7도는 고온 가압형 연료전지 시스템의 구성을 블럭으로 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도면 1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 각 구성을 블럭으로 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지는 연료전지의 스택(100)에 공급되는 공기가 상압의 고온 공기인 점에서 고온 상압형 연료전지라고 지칭될 수 있다.

그리고, 여기서의 상압의 개념은 가압과는 상이한 개념으로서 일반적인 대기압의 범위에 속하는 압력을 지칭하는 것일 수 있다. 즉, 가압형 연료전지의 경우 공기를 고압으로 공기극에 주입하기 위하여 압축기를 사용하는데 반하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 구비된 고온 상압형 연료전지는 공기를 단순히 공기극으로 주입하는 펌프를 사용하기 때문에 그 압력이 가압형 연료전지에 비하여 현저히 낮다. 따라서, 가압형 연료전지에 대비하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 구비된 연료전지가 공기극에 공기를 주입하는 압력을 상압이라 지칭할 수 있다.

이를 고온 가압 시스템과 비교하여 설명하자면, 통상의 고온 가압 시스템은 공기 출구 쪽에 장착된 배압 조절 밸브를 이용하여 80 ℃ 이상의 온도에서 스택 공기 출구 압력을 0.4 바게이지(barg; bar gauge) 이상 올려 운전하는 경우가 대부분이나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치는 스택 공기 출구 압력이 대기압인 0.0 바게이지로 운전될 수 있고, 따라서 본 발명에서 지칭하는 상압이라 함은 0.0 바게이지를 지칭하는 것일 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지는 스택(100), 스택(100)의 애노드(110)에 수소를 주입하는 수소 공급부(200), 스택(100)의 증발 냉각부(130)를 통하여 스택(100)의 캐소드(120)에 공기를 공급하는 공기 공급부(300), 그리고 이러한 연료전지의 스택(100)을 방열시키는 냉각순환계를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 수소 공급부(200)는 수소 공급로의 개방과 폐쇄를 담당하는 밸브(210), 스택(100)의 애노드(110)에 수소를 분사하는데 사용되는 이젝터(220), 그리고 스택(100)의 애노드(110)에서 발생하는 잉여 성분을 외부로 효과적으로 배출시키기 위하여 퍼지 제어를 통하여 온/오프를 반복하는 퍼지 밸브(230)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예의 연료전지의 공기 공급부(300)는 연료전지의 순환냉각계로부터 물을 주입받아 이를 함께 스택(100)의 증발 냉각부(130)에 공급하였다가, 가열된 공기를 증발된 수분과 함께 스택(100)의 캐소드(120)에 공급하는 것을 특징으로 한다. 즉, 연료전지의 공기 공급부(300)와 냉각부가 유기적으로 혼합되어 작동되는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 공기 공급부(300)는 공기 공급로 상에 설치되어 외부로부터 유입되는 공기의 오염물질을 제거하는 에어 필터(310), 에어 필터(310)를 거쳐 정화된 공기를 스택(100)에 불어넣기 위한 펌프(320), 그리고 펌프(320)로부터 주입되는 공기와 냉각물질을 함께 혼합하여 스택(100)의 증발 냉각부(130)로 분사하는 인젝터(330)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지를 고온 상압형이라 지칭하는 이유는 바로 스택(100)에 공기를 주입하는 단계에서 가압을 주기 위하여 컴프레서를 사용하는 것이 아니라, 단순히 팬과 같은 역할을 하는 펌프(320)를 사용하여 공기를 스택(100)에 공급하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지는 고온 상압형이기 때문에 고온 가압형과 같이 고출력에서 효율이 낮아지는 문제점을 극복할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 순환 냉각계를 살펴보면 다음과 같다.

앞에서도 언급한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 순환 냉각계는 공기 공급부(300)와 유기적으로 결합되어 스택(100)의 캐소드에 수분을 공급하는 동시에 스택(100)의 온도를 냉각시킬 수 있다.

냉각수 리저버(410)에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지에서 사용될 냉각물질이 저장될 수 있다. 그리고, 이러한 냉각물질은 물이 될 수 있고, 이러한 물은 냉각수로 지칭될 수도 있다. 하지만 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각물질은 냉각수에 한정되는 것은 아니다. 하지만, 설명의 편의상 이하 냉각물질은 물인 것으로 가정하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 스택(100)의 냉각방법에 대하여 설명하고자 한다.

냉각수 리저버(410)에 저장된 냉각수는 냉각수 펌프(420)에 의해 흡입되어 공기 공급로 상의 인젝터(330)에 주입될 수 있다. 인젝터(330) 상에서 냉각수는 에어 필터(310)를 거쳐서 정화된 공기와 혼합되어 스택(100)의 증발 냉각부(130)에 공급될 수 있다.

연료전지의 스택(100)의 증발 냉각부(130)에 분사된 냉각수는 스택(100)의 발열로 인하여 곧바로 증발하게 되며, 이러한 증발을 통하여 스택(100)의 온도를 내리게 된다. 그리고, 이러한 냉각수의 증발과정은 스택(100)이 고온인 점에 비추어, 인젝터(330)에서 스택(100)의 증발 냉각부(130)에 냉각수를 분사하자마자 곧바로 이루어질 수 있다.

스택(100)의 증발 냉각부(130)에서 냉각수가 증발되어 형성된 수증기는 스택(100)의 공기극인 캐소드(120)에 공기와 함께 유입될 수 있다. 이를 위하여, 스택(100)의 증발 냉각부(130)와 캐소드(120)사이에는 공기와 증발된 수증기가 이동할 수 있도록 관로가 형성될 수 있다.

스택(100)의 캐소드(120)에 유입된 수분은 스택(100)의 캐소드(120)와 애노드(110) 사이의 전해질막(미도시)의 성능을 유지하는데 필요한 수분을 공급할 수 있다.

이렇게 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 상압형 연료전지는 공기 공급부(300)와 냉각 순환 시스템을 서로 유기적으로 연결하여, 연료전지의 스택(100)의 온도를 떨어뜨림과 동시에 연료전지의 전해질막에 필요한 수분을 공기극을 통하여 공급할 수 있는 효과가 있다.

공기극인 캐소드(120)에서 전해질막에 수분을 공급하고 남은 수증기는 공기와 함께 라디에이터(430)로 이동할 수 있다. 라디에이터(430)에서 수증기는 방열되고 다시 액상의 냉각수가 되어 회수될 수 있다. 그리고, 이러한 방열 반응을 촉진하기 위하여 라디에이터(430)의 인접 부분에는 라디에이터(430)와 공기와의 접촉을 더 늘리기 위하여, 라디에이터(430)쪽으로 공기를 불어 넣는 팬(440)이 설치될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지의 라디에이터(430)에서 냉각되어 다시 회수된 냉각수는 다음 순환단계를 거치기 위하여 다시 냉각수 리저버(410)에 저장될 수 있다. 그리고, 이러한 냉각수 리저버(410)에는 연료전지의 스택(100)의 애노드(110)에서 수소와 산소가 반응하여 형성된 물이 유입되어 저장될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치 및 냉각방법을 적용하여 연료전지를 운전하여 열 및 물질수지(Heat & Mass Balance)을 계산해 본 결과, 다음과 같은 결과치를 얻을 수 있었다.

90 ℃에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 연료전지 시스템을 구동한 결과 물이 증발냉각을 통하여 충분히 스택을 냉각시키는 것을 확인할 수 있었으며, 스택(100)의 캐소드(120)에 공급되는 공기의 습도(상대습도, 이하, 습도는 상대습도를 뜻하는 것으로 한다)도 47 ％나 되는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 저온 상압 시스템의 경우에는 90 ℃ 에서는 구동이 불가능하고, 고온 가압 시스템의 연료전지의 경우에는 80 ℃ 이상의 온도에서 운전이 가능하지만, 스택에 공급되는 공기의 습도는 약 30 ％ 수준에 불과하였다.

77.5 ℃에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 연료전지 시스템을 구동한 결과를 통해서도 역시, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 상압 연료전지의 경우에는 물의 증발냉각을 통하여 스택(100)을 충분히 냉각시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 스택(100)의 공기극에 전달되는 공기의 습도도 76 %의 높은 값을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 저온 상압 시스템의 연료전지의 경우는 77.5 ℃에서도 운전이 불가능 하였고, 고온 가압 연료전지 시스템의 경우에는 약 30 ％ 의 습도를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 열 및 물질 수지를 수행해 본 결과, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압 연료전지 시스템이 저온 상압이나 고온 가압 연료전지 시스템보다 훨씬 넓은 부하 범위에서 가동할 수 있었고, 충분한 수분을 연료전지의 스택(100)에 공급할 수 있어서 그 효율 면에서도 기존 시스템에 비하여 향상된 효과를 달성하였음을 확인할 수 있었다.

도면 2도 내지 6도는 상기 개략적으로 측정된 결과를 보다 구체적으로 보여주는 결과 그래프들이다.

도면 2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템의 부하에 따른 운전온도를 보여주는 그래프이다.

도면 2도를 통하여 부하량이 늘어나는 것에 대응하여 연료전지의 운전온도를 높이는 결과, 냉각수를 스택(100)내에 공급하는 물 인젝션 량도 늘어나고 있음을 확인할 수 있다. 그리고, 운전온도가 높아짐에서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 연료전지 시스템의 출력 전류값도 계속 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 상압형 연료전지 시스템의 경우 운전온도가 높아져도 스택(100)에 계속적으로 수분을 공급할 수 있어서 연료전지의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있는 것을 확인할 수 있다.

도면 3도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에 공급되는 냉각수의 양과 스택(100) 내에서 발생되는 발생수의 양 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.

연료전지의 운전과정 중에 발생되는 열을 제거하기 위하여 스택에 공급되는 물의 양이 증가하는 경우에 발생 되는 물의 양도 전류밀도에 따라서 선형적으로 증가 되는 것을 도면 3도를 통하여 확인할 수 있다.

이 그림을 통해 증발 냉각을 통해 스택을 냉각시키기 위해서는 수소와 산소의 반응으로 생성된 발생수보다 많은 양의 물이 공급되어야 함을 알 수 있다.

도면 4도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에서, 부하량의 증가에 따른 스택(100)의 발열량과 이에 대응하여 증발되는 냉각량을 측정한 것을 보여주는 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에서는 스택(100)의 발열량이 증가함에 따라 증발량도 늘어나고 있음을 도면 4도를 통하여 확인할 수 있다. 따라서, 스택(100)에서 발생되는 열을 효율적으로 스택(100)내의 증발 냉각부(130)에 분사된 냉각수가 제거하고 있음을 도면을 통하여 확인할 수 있다.

도면 4도를 통하여, 스택(100)의 발열량의 약 70 %의 발열 에너지가 증발 냉각부(130)에 분사된 냉각수가 증발되면서 제거되는 것을 확인할 수 있다. 스택(100)의 나머지 발열량은 상기 도면 3도에서 보았던 공기극인 캐소드(120)에서 발생된 발생수의 증발로 제거된다.

도면 5도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 고온 상압형 연료전지 시스템에서의 스택(100) 입구 및 출구의 공기내 습도를 보여주는 그래프이다.

도면 5도 상에서 '●'점을 연결한 선은 스택(100) 입구에서의 공기 습도를 나타내는 그래프이고, '■'을 연결한 선은 스택(100) 출구에서의 공기 습도를 나타내는 그래프이며, 약 90 ℃에서 연료전지를 운전한 결과도 같이 도시되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 상압형 연료전지 시스템에서 스택(100) 입구의 공기의 습도는 약 70 ~ 78 % 의 습도를 보였으며, 스택(100) 출구의 공기의 습도는 약 98 %의 상대 습도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각장치가 적용된 연료전지 시스템은 고온에서도 충분한 수분을 전해질에 제공할 수 있는 것을 확인할 수 있는 동시에, 연료전지의 스택(100)에서 배출되는 수분의 양도 높은 값을 유지하는 것을 통하여 수소와 산소간의 반응이 정상적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 스택
11 : 애노드
12 : 캐소드
13 : 쿨링부
20 : 수소 공급부
21 : 밸브
22 : 이젝터
23 : 퍼지 밸브
30 : 공기 공급부
31 : 에어 필터
32 : 펌프
33 : 가습기
34 : 배압 조절 밸브
40 : 냉각부
41 : 냉각수 리저버
42 : 냉각수 펌프
43 : 라디에이터
44 : 팬
100 : 스택
110 : 애노드
120 : 캐소드
130 : 증발 냉각부
200 : 수소 공급부
210 : 밸브
220 : 이젝터
230 : 퍼지 밸브
300 : 공기 공급부
310 : 에어 필터
320 : 펌프
330 : 인젝터
410 : 냉각수 리저버
420 : 냉각수 펌프
430 : 라디에이터
440 : 팬

Claims

연료전지의 스택 내에 설치되어 상기 스택의 온도를 낮추는 역할을 수행하는 증발 냉각부;
상기 증발 냉각부에서 사용할 냉각물질을 분사하는 인젝터;
상기 냉각물질의 분사에 필요한 압력을 상기 인젝터에 가해주는 펌프; 및
상기 증발 냉각부로부터 증발된 냉각물질이 상기 연료전지의 스택의 캐소드로 이동할 수 있도록 통로를 제공하는 관로;를
포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 캐소드는 상기 관로로부터 주입받은 증발된 냉각물질을 전해질막에 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치.
제2항에 있어서,
상기 캐소드로부터 상기 전해질막에 공급되고 남은 증발 상태의 냉각물질의 액화시키기 위하여 상기 냉각물질로부터 열을 외부로 방열시키는 라디에이터;
상기 라디에이터의 방열 효율을 높이고자 공기를 상기 라디에이터 측으로 유입시키는 팬;
상기 인젝터에 상기 냉각물질을 공급하는 워터펌프; 및
상기 연료전지의 스택에서 수소와 산소의 화학반응에 생기는 물과 상기 라디에이터로부터 회수된 물을 저장하는 워터 리저버;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각물질은 물인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각장치.
냉각물질이 분사되는 단계;
상기 증발 냉각부에서 상기 냉각물질이 증발되는 단계;
상기 증발된 냉각물질이 공기와 함께 상기 연료전지의 캐소드로 유입되는 단계; 및
상기 연료전지의 캐소드에 유입된 상기 증발된 냉각물질을 통하여 상기 연료전지의 캐소드의 전해질막에 수분을 공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법.
제5항에 있어서,
상기 연료전지의 캐소드에 유입된 상기 증발된 냉각물질을 통하여 상기 연료전지의 캐소드의 전해질막에 수분을 공급하는 단계 이후에,
상기 증발된 냉각물질이 방열되어 액화되는 단계;
상기 액화된 냉각물질을 저장하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법.
제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각물질은 물인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각방법.