KR20180000448A - Fuel cell with heat exchage means for controlling temprature - Google Patents

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손승길
신석재
박세진
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Abstract

The present invention provides a fuel cell equipped with temperature control heat exchange means, which is configured to ensure a uniform temperature in the entire fuel cell by installing additional temperature control heat exchange means on an upper portion, lower portion, or both portions of a unit stack of the fuel cell, and supplying hot air or a fuel gas into the temperature control heat exchange means. According to the present invention, the fuel cell comprises: a unit stack (120) in which a plurality of unit cells generating electricity through a chemical reaction of binding oxygen and hydrogen are stacked; an air supply pipe (130) and an air discharge pipe (140) which supply air containing the oxygen into the unit stack (120); a fuel gas supply pipe (150) and a fuel gas discharge pipe (160) which supply a fuel gas containing the hydrogen into the unit stack (120); and a heat exchange means (200) which is mounted on an end plate (110) installed at an upper end or lower end of the unit stack (120), and includes a space for allowing air or fluids such as fuels to pass through.

Description

온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지{FUEL CELL WITH HEAT EXCHAGE MEANS FOR CONTROLLING TEMPRATURE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a fuel cell having a heat-

본 발명은 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 스택의 상부, 하부 중 어느 일측 또는 양측에 온도 조절용 열교환 수단을 설치하여 연료전지의 효율을 향상시킨 구조에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell having a heat exchanging means for controlling temperature, and more particularly, to a structure in which the efficiency of a fuel cell is improved by providing a heat exchange means for temperature control on either or both sides of a stack of fuel cells .

일반적으로 인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석연료로부터 얻고 있다. 그러나 이러한 화석연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율 또한 낮은 문제점이 있었다.In general, most of the energy used by humans comes from fossil fuels. However, the use of such fossil fuels has serious adverse effects on the environment such as air pollution, acid rain, and global warming, and energy efficiency is low.

이러한 화석연료의 사용에 따른 문제점을 해결하기 위하여 최근에 연료전시스템이 개발되고 있다. 연료전지는 통상의 2차 전지와는 다르게 음극에 연료인 수소가스나 탄화수소를 공급하고, 양극에는 산소를 공급하여 전기를 발생시키는 구조를 갖는다. 즉, 연료전지는 명칭은 전지이지만 실제로는 전기를 발생시키는 발전장치로 볼 수 있다. 기본적으로 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 수소와 산소를 전기 화학적 반응을 일으키고, 그 반응 전후의 에너지 차이를 전기에너지로 변환하는 방법을 사용한다.Recently, a fuel cell system has been developed to overcome the problems associated with the use of such fossil fuels. Unlike a conventional secondary battery, a fuel cell has a structure that supplies hydrogen gas or hydrocarbon as a fuel to a cathode and generates electricity by supplying oxygen to the anode. That is, the fuel cell is a battery, but it can be regarded as a power generating device that actually generates electricity. Basically, a fuel cell uses an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen without burning the fuel, and converts the energy difference before and after the reaction into electric energy.

연료전지는 NOx와 SOx등 환경을 오염시키는 가스가 발생되지 않으며 소음과 진동이 없는 시스템으로서 열효율이 전기발전량과 열회수량을 합하여 80% 이상인 크린 발전 시스템이라 할 수 있다.The fuel cell is a clean power generation system in which no gas that generates pollution of the environment such as NOx and SOx is generated, and there is no noise and vibration, and thermal efficiency is 80% or more in total of electricity generation amount and heat recovery amount.

도 1은 하나의 단위 스택으로 된 연료전지 시스템의 구성을 간단히 나타낸다. 연료전지(100)는 단위 셀이 여러 층으로 적층된 단위 스택(120)으로 구성된다. 상기 단위 셀은 평판형 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)의 경우 공기(산소)를 공급하는 공기극(123)과 높은 이온전도도를 가지는 전해질(124)과 연료가스(수소)를 공급하는 연료극(125)이 적층되며, 상기 공기극(123)에는 공기가 통과하는 관통홈(122)이 형성된 분리판(121)이 접착되고 상기 연료극(125)에는 연료가스가 통과하는 관통홈(126)이 형성된 분리판(127)이 접착된다. 이와 같이 구성된 단위 셀이 복수 개로 적층되어 하나의 단위 스택(120)이 만들어지며, 이 단위 스택(120)의 상, 하 끝단에는 엔드 플레이트(110)가 연결 지지봉(115)을 매개로 일정 크기 이상의 압력으로 가압 장착되어 단위 스택(120)의 기밀성 및 구조적 안정성을 확보한다. 1 schematically shows a configuration of a fuel cell system composed of one unit stack. The fuel cell 100 includes a unit stack 120 in which unit cells are stacked in layers. The unit cell includes an air electrode 123 for supplying air (oxygen), an electrolyte 124 having a high ion conductivity, and a fuel electrode 125 for supplying a fuel gas (hydrogen) in the case of a flat plate type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) And a separation plate 121 having a through groove 122 through which air passes is attached to the air electrode 123 and a separation plate 127 having a through groove 126 through which the fuel gas passes is formed in the fuel electrode 125 . A unit stack 120 is formed by stacking a plurality of unit cells formed as described above and the end plate 110 is connected to upper and lower ends of the unit stack 120 by a connection supporting rod 115 So that airtightness and structural stability of the unit stack 120 are ensured.

도 1의 A-A' 단면을 나타낸 도 2에서 보듯이, 상기 연료전지(100)는 상기 단위 스택(120)의 내부로 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140)이 형성된다. 상기 공기 공급관(130)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급된 공기는 단위 스택(120)을 구성하는 각각의 단위 셀의 공기극을 통과하는 과정에서 화학 반응에 기여하게 되고, 반응에 참여하지 못한 공기는 상기 공기 배출관(140)을 통해 외부로 배출된다.2, the fuel cell 100 includes an air supply pipe 130 and an air discharge pipe 140 for supplying oxygen-containing air into the unit stack 120, . The air supplied into the unit stack 120 through the air supply pipe 130 contributes to a chemical reaction in the course of passing through the air electrode of each unit cell constituting the unit stack 120, And the air is discharged to the outside through the air discharge pipe 140.

도 1의 B-B' 단면을 나타낸 도 3에서 보듯이, 상기 연료전지(100)는 상기 단위 스택(120)의 내부로 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)이 형성된다. 상기 연료가스 공급관(150)을 통해 단위 스택(120) 내부로 공급된 공기는 단위 스택(120)을 구성하는 각각의 단위 셀의 연료극을 통과하는 과정에서 화학 반응에 기여하게 되고, 반응에 참여하지 못한 연료가스는 상기 연료가스 배출관(160)을 통해 외부로 배출된다. 3, the fuel cell 100 includes a fuel gas supply pipe 150 and a fuel gas discharge pipe (not shown) for supplying a fuel gas containing hydrogen into the unit stack 120, 160 are formed. The air supplied into the unit stack 120 through the fuel gas supply pipe 150 contributes to a chemical reaction in the course of passing through the fuel electrode of each unit cell constituting the unit stack 120, The fuel gas is discharged to the outside through the fuel gas discharge pipe 160.

이와 같이 구성된 연료전지(100)는 화학 반응성을 높이기 위하여 단위 스택(120) 내부로 공급되는 공기 또는 연료 가스를 고온으로 가열한다. 또한, 연료전지 내부에서 일어나는 산소와 수소가 만나 물을 생성하는 화학 반응은 발열 반응으로서 많은 열을 외부로 발산시킨다. 그 결과, 고온형 연료전지는 통상적으로 600 ~ 1000℃ 정도의 고온에서 작동된다. The fuel cell 100 configured as described above heats the air or the fuel gas supplied into the unit stack 120 to a high temperature in order to increase chemical reactivity. In addition, the chemical reaction in which oxygen and hydrogen generated inside the fuel cell are generated to generate water exotherms a lot of heat as an exothermic reaction. As a result, the high-temperature type fuel cell is usually operated at a high temperature of about 600 to 1000 ° C.

이와 같이, 고온으로 공급되는 가스의 흐름 및 발열 반응 등으로 인하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 스택의 상하방향에 따라 온도 편차가 크게 발생한다. 연료전지의 작동 중에 발생하는 큰 온도 편차는 스택 구성물질의 열팽창 계수의 차이로 인해 물질 사이 또는 물질 자체에서 균열을 발생시킨다. 이러한 균열은 연료전지 스택 내의 가스의 반응성을 감소시켜 전체적으로 연료전지의 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 균열이 더욱 커지면 시스템을 정지하고 스택을 교체하여야 했으며 이는 생산성을 저하시키는 중요한 원인으로 지적되어 왔다. As described above, due to the flow of gas supplied at a high temperature and the exothermic reaction, a temperature variation largely occurs in the vertical direction of the stack as shown in FIG. 2 and FIG. Large temperature deviations occurring during operation of the fuel cell cause cracks between the materials or the material itself due to the difference in the thermal expansion coefficient of the stacking material. Such a crack not only reduces the reactivity of the gas in the fuel cell stack, but also degrades the efficiency of the fuel cell as a whole, and when the crack becomes larger, the system must be stopped and the stack must be replaced, which has been pointed out as an important cause of deteriorating productivity.

이를 해결하기 위하여 스택 내의 온도 편차가 크게 나지 않도록 가스의 공급 온도 및 반응시간 등 연료전지의 운전 조건을 제한하는 방식으로 운용되기도 하였으나, 이 또한 연료전지의 발전 효율을 높이는데 장애 요인이 되어왔다. In order to solve this problem, the system has been operated in such a manner as to limit the operating conditions of the fuel cell such as the supply temperature of the gas and the reaction time so that the temperature deviation in the stack is not greatly increased. However, this has also been an obstacle to increase the efficiency of the fuel cell.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 연료전지의 단위 스택의 상부, 하부 중 어느 일측 또는 양측에 별도의 온도 조절용 열교환 수단을 설치하고, 이 온도 조절용 열교환 수단의 내부에 고온의 공기 또는 연료 가스를 공급함으로써 연료전지 전체가 균일한 온도를 가질 수 있도록 구성된 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been developed in order to solve such conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell system in which separate temperature controlling heat exchanging means is provided on either one side or both sides of a unit stack of a fuel cell, And an object of the present invention is to provide a fuel cell having a temperature-controlling heat exchanging means configured to supply an air or a fuel gas so that the entire fuel cell can have a uniform temperature.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택; 상기 단위 스택의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관 및 공기 배출관; 상기 단위 스택의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관 및 연료가스 배출관; 및 상기 단위 스택의 상단 또는 하단에 설치된 엔드 플레이트 상에 장착되고, 그 내부에 공기 또는 연료와 같은 유체가 통과할 수 있는 공간이 형성된 열교환 수단;을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a unit stack including a plurality of unit cells for generating electricity through a chemical reaction between oxygen and hydrogen. An air supply pipe and an air discharge pipe for supplying the oxygen-containing air into the unit stack; A fuel gas supply pipe and a fuel gas discharge pipe for supplying the hydrogen-containing fuel gas into the unit stack; And heat exchange means mounted on the end plate provided at the upper or lower end of the unit stack and having a space through which a fluid such as air or fuel can pass.

또한, 상기 열교환 수단은 상기 단위 스택의 상단에 설치된 엔드 프레이트 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택의 상부의 온도보다 낮은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하도록 구성될 수 있다.Further, the heat exchange means may be mounted adjacent to an end plate provided on the upper end of the unit stack, and the internal space may be configured to pass the fluid set to a temperature lower than the temperature of the upper portion of the unit stack.

상기 열교환 수단은 상기 단위 스택의 하단에 설치된 엔드 프레이트 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택의 하부의 온도보다 높은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하도록 구성될 수 있다.The heat exchanging means may be mounted adjacent to an end plate provided at a lower end of the unit stack, and the internal space may be configured to pass the fluid set to a temperature higher than the temperature of the lower portion of the unit stack.

또한, 상기 열교환 수단은 상기 단위 스택의 상단에 설치된 엔드 프레이트 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택의 상부의 온도보다 높은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하도록 구성될 수 있다.The heat exchanging means may be mounted adjacent to an end plate provided on an upper end of the unit stack, and the internal space may be configured to pass the fluid set to a temperature higher than the temperature of the upper portion of the unit stack.

또한, 상기 열교환 수단은 상기 단위 스택의 하단에 설치된 엔드 프레이트 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택의 하부의 온도보다 낮은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하도록 구성될 수 있다.The heat exchanging means may be mounted adjacent to the end plate provided at the lower end of the unit stack, and the internal space may be configured to pass the fluid set to a temperature lower than the temperature of the lower portion of the unit stack.

또한, 상기 열교환 수단은 상기 단위 스택의 상단 또는 하단에 설치된 엔드 플레이트 상에 인접하도록 형성되고, 그 형상은 사각 평판형 또는 원판형을 이루도록 구성될 수 있다.The heat exchanging means may be formed adjacent to an end plate provided at an upper end or a lower end of the unit stack, and the shape of the heat exchanging means may be a rectangular flat plate or a circular plate.

또한, 상기 열교환 수단은 공기가 그 내부 공간을 통과하게 되고, 상기 열교환 수단의 내부 공간을 통과한 공기는 상기 공기 공급관을 통해 상기 단위 스택의 내부로 공급되도록 구성될 수 있다.The heat exchange unit may be configured such that air passes through the inner space, and air that has passed through the inner space of the heat exchange unit is supplied into the unit stack through the air supply pipe.

상기 열교환 수단은 연료가 그 내부 공간을 통과하게 되고, 상기 열교환 수단의 내부 공간을 통과한 연료는 상기 연료가스 공급관을 통해 상기 단위 스택의 내부로 공급되도록 구성될 수 있다.The heat exchange means may be configured such that fuel passes through the inner space, and fuel that has passed through the inner space of the heat exchange means is supplied into the unit stack through the fuel gas supply pipe.

또한, 상기 열교환 수단은 금속 또는 세라믹으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 열교환 수단은 상기 금속 또는 세라믹 중에서 고온 부식방지용 금속 또는 세라믹으로 이루어질 수 있고, 상기 금속 또는 세라믹 중에서 고온 부식용 금속 또는 세라믹으로표면 코팅 처리가 될 수도 있다.The heat exchanging means may be made of metal or ceramic. At this time, the heat exchanging means may be made of the metal or ceramic for high temperature corrosion prevention among the metal or ceramics, and may be surface-coated with the high temperature corrosion-resistant metal or ceramics in the metal or ceramic.

상기 열교환 수단은 열전도도를 높이기 위해 열전도율이 높은 물질을 매개로 상기 엔드 플레이트에 인접하도록 장착될 수 있다.The heat exchanging means may be mounted adjacent to the end plate via a material having a high thermal conductivity to increase the thermal conductivity.

또한, 상기 열교환 수단은 상기 단위 스택과의 열교환 효율을 높이기 위하여 그 내부 공간에 지그재그 형태로 배플이 설치될 수 있다. 이 때, 상기 배플은 상기 유체의 흐름이 상하방향으로 지그재그 형태가 되도록 유도하기 위하여 상기 열교환 수단의 내부에 상하방향으로 연장되도록 설치되거나, 상기 유체의 흐름이 좌우방향으로 지그재그 형태가 되도록 유도하기 위하여 상기 열교환 수단의 내부에 좌우방향으로 연장되도록 설치될 수도 있다.In addition, the heat exchanging means may be provided with a baffle in a zigzag form in its inner space in order to increase the heat exchange efficiency with the unit stack. At this time, the baffle is installed to extend in the up-and-down direction in the heat exchange means to induce the flow of the fluid to be zigzag in the up-down direction, or to induce the flow of the fluid to be zigzag in the left- And may be installed to extend in the left-right direction inside the heat exchange unit.

또한, 상기 배플에 의한 상기 유체의 압력 강하는 20kPa 이하로 조절될 수 있다. Further, the pressure drop of the fluid by the baffle can be adjusted to 20 kPa or less.

상기와 같이 구성된 본 발명의 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지에 따르면, 연료전지의 작동 중에 스택의 상, 하부에 발생하던 온도 편차를 감소시켜 스택 전체가 균일한 온도 분포를 가지도록 함으로써, 스택을 구성하는 물질 사이 또는 물질 자체에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.According to the fuel cell provided with the temperature-controlling heat exchanging means of the present invention configured as described above, temperature variations occurring on the top and bottom of the stack during operation of the fuel cell are reduced to have a uniform temperature distribution throughout the stack, It is possible to prevent the occurrence of cracks between the materials constituting the substrate or the material itself.

그 결과, 스택에 균열이 발생함으로써 생기는 연료전지 성능 저하, 기밀성 저하에 따른 가스 누설, 스택의 잦은 교체로 인한 유지비용 증가 등의 문제점을 해결할 수 있다. As a result, it is possible to solve problems such as deterioration of fuel cell performance caused by cracks in the stack, gas leakage due to a decrease in airtightness, increase in maintenance cost due to frequent replacement of stacks, and the like.

또한, 스택의 온도 편차를 감소시키기 위해 연료전지의 운전 조건을 제한적으로 운용하던 종래의 방법에서 벗어나 연료전지의 제어 범위를 확장할 수 있어 안정적인 시스템 제어가 가능할 뿐만 아니라, 연료전지의 발전 성능을 향상시키는데도 기여할 수 있다.  Further, it is possible to extend the control range of the fuel cell by deviating from the conventional method of limiting the operation condition of the fuel cell in order to reduce the temperature deviation of the stack, thereby enabling stable system control and improving the power generation performance of the fuel cell It can also contribute.

도 1은 일반적인 평판 적층형 연료전지 구조를 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 A-A' 선에 따른 단면을 나타낸 도면.
도 3은 도 1의 B-B' 선에 따른 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 열교환 수단이 설치된 연료전지를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 열교환 수단이 설치된 연료전지를 나타낸 또 다른 도면.
도 6은 본 발명에 따른 열교환 수단의 유체 흐름을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 열교환 수단의 공기 흐름을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 열교환 수단의 연료 흐름을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 열교환 수단이 단위 스택의 상단 및 하단에 설치된 형태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 열교환 수단이 열전도성 물질을 매개로 설치된 형태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 열교환 수단에 배플이 설치된 형태를 나타낸 도면.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a general planar stacked type fuel cell structure. FIG.
2 is a cross-sectional view taken along the line AA 'in Fig. 1;
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB 'of FIG. 1; FIG.
4 is a view showing a fuel cell equipped with heat exchange means according to the present invention.
5 is a view showing another embodiment of a fuel cell in which the heat exchanging means according to the present invention is installed.
6 is a view showing a fluid flow of heat exchange means according to the present invention.
7 is a view showing an air flow of heat exchange means according to the present invention.
8 is a view showing the fuel flow of the heat exchange means according to the present invention.
9 is a view showing a state in which the heat exchanging means according to the present invention is installed at the upper and lower ends of the unit stack.
10 is a view showing a form in which a heat exchanging means according to the present invention is installed through a thermally conductive material.
11 is a view showing a configuration in which a baffle is installed in the heat exchanging means according to the present invention.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지를 보다 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a fuel cell having a heat exchange unit for temperature control according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 참고로, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.However, it should be understood that the present invention is not limited to the embodiments disclosed herein but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지의 2 가지 실시예를 나타낸다. Fig. 4 and Fig. 5 show two embodiments of the fuel cell provided with the heat exchange means for temperature control according to the present invention.

본 실시예에서 연료전지(100)는 하나의 단위 스택(120)으로 구성되고, 이 단위 스택(120)은 공기(산소)를 공급하는 공기극과 높은 이온전도도를 가지는 전해질과 연료(수소)를 공급하는 연료극이 평판 형태로 결합되어 구성된 단위 셀이 복수 개로 적층되어 만들어지며, 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140)이 형성되고, 상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)이 형성된다는 것은 도 1 내지 도 3을 참조로 설명한 바와 같다. In this embodiment, the fuel cell 100 is constituted by one unit stack 120, and the unit stack 120 includes an air electrode for supplying air (oxygen), an electrolyte having a high ion conductivity, and a fuel An air supply pipe 130 and an air discharge pipe 140 for supplying the oxygen-containing air into the unit stack 120 are formed in the unit stack 120, And a fuel gas supply pipe 150 and a fuel gas discharge pipe 160 for supplying fuel gas containing hydrogen to the inside of the unit stack 120 are formed as described with reference to FIGS.

상기 단위 스택(120)은 주로 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)에서와 같이 공기극, 지르코니아 계열의 고체 전해질, 연료극으로 구성된 단위 전지가 하나 이상 적층되어 구성된다. 그러나, 본 발명의 기술 사상은 SOFC 타입의 연료전지에 한정되지 아니하고, 고온형 연료전지에 속하는 것이면 어느 것이든 적용 가능하다. 즉, 고온에서 운용되는 연료전지로서 단위 스택의 온도 편차 문제점이 발생하는 것이면, 어느 것이라도 본 발명에 따른 기술 사상을 적용 가능하다 할 것이다.The unit stack 120 is formed by stacking at least one unit cell composed of an air electrode, a zirconia-based solid electrolyte and a fuel electrode as in a solid oxide fuel cell (SOFC). However, the technical idea of the present invention is not limited to a SOFC type fuel cell, and any type of fuel cell belonging to a high temperature type fuel cell is applicable. That is, if the problem of temperature deviation of the unit stack occurs as a fuel cell operated at a high temperature, the technical idea according to the present invention can be applied to any of them.

본 발명에 따르면, 산소와 수소가 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120), 이 단위 스택(120)의 내부로 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140), 상기 단위 스택(120)의 내부로 수소를 포함한 연료가스를 공급하는 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160)을 포함하는 고온형 연료전지에 있어서, 상기 단위 스택(120)의 상단 또는 하단에 설치된 엔드 플레이트(110) 상에 장착되고, 그 내부에 냉각 또는 가열을 위한 유체가 통과할 수 있는 공간이 형성된 열교환 수단(200);을 포함한다. According to the present invention, there are provided a unit stack 120 having a plurality of unit cells that generate electricity through a chemical reaction in which oxygen and hydrogen are bonded to each other, an air supply unit 120 for supplying air containing oxygen into the unit stack 120, A high temperature type fuel cell comprising a supply pipe (130), an air discharge pipe (140), a fuel gas supply pipe (150) for supplying fuel gas containing hydrogen into the unit stack (120), and a fuel gas discharge pipe And a heat exchange unit 200 mounted on the end plate 110 installed at the upper or lower end of the unit stack 120 and having a space through which fluid for cooling or heating can pass.

도 4는 상기 열교환 수단(200)이 사각 평판형으로 구성되어 상기 엔드 플레이트(110)에 밀착된 단위 스택(120)의 면적과 동일한 크기를 가지도록 설치된 예를 나타내고, 도 5는 상기 열교환 수단(200)이 원판형으로 구성되어 상기 단위 스택(120)과 동일하거나 더 넓은 면적을 가지도록 설치된 예를 나타낸다. 도 4 및 도 5는 상기 열교환 수단(200)이 상기 단위 스택(120)의 상단에만 설치된 형태를 도시하고 있으나, 본 발명의 기술사상은 이에 한정되지 아니하고 단위 스택(120)의 하단에 설치된 형태도 포함한다 할 것이다. 이에 대해서는 도 9를 참조로 상세히 후술하기로 한다. 4 shows an example in which the heat exchanging means 200 is formed in a rectangular plate shape and has the same size as the area of the unit stack 120 adhered to the end plate 110. FIG 5 is a cross- 200 are formed in a circular plate shape and have the same or larger area than the unit stack 120. 4 and 5 show a state in which the heat exchanging unit 200 is installed only at the upper end of the unit stack 120. However, the present invention is not limited to this, Will include. This will be described later in detail with reference to FIG.

상기 열교환 수단(200)은 내부에 유체가 통과할 수 있도록 공간이 형성된 하우징과, 이 하우징의 일측에 냉각 또는 가열 매체로서 작용하는 유체가 유입되는 유체 유입관(210)과 내부 공간을 통과한 유체가 외부로 배출되는 유체 배출관(220)이 각각 형성된다. The heat exchanging means 200 includes a housing having a space for allowing a fluid to pass therethrough, a fluid inlet pipe 210 through which a fluid serving as a cooling or heating medium is introduced into one side of the housing, A fluid discharge pipe 220 is formed.

앞서 설명한 바와 같이, 연료전지(100)의 단위 스택(120)은 발열 반응 과정에서 발생한 열이 위로 발산되기 때문에 통상적으로 상부가 하부보다 더 온도가 높게 된다. 따라서, 상기 열교환 수단(200)이 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110) 상에 장착된 경우에는 그 내부로 낮은 온도를 갖는 냉각 유체가 통과하도록 하여 단위 스택(120)의 상부를 냉각시키도록 구성될 수 있고, 상기 열교환 수단(200)이 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 플레이트(110) 상에 장착된 경우에는 그 내부로 높은 온도를 갖는 가열 유체가 통과하도록 하여 단위 스택(120)의 하부를 가열시키도록 구성될 수 있다. 그 결과, 단위 스택(120)의 상하방향으로의 온도 편차가 감소되어 연료전지(100)의 운전 제어범위를 더욱 자유롭게 조절할 수 있게 된다. As described above, in the unit stack 120 of the fuel cell 100, since the heat generated in the exothermic reaction is radiated upward, the temperature of the upper portion is generally higher than that of the lower portion. Accordingly, when the heat exchanging unit 200 is mounted on the end plate 110 installed at the upper end of the unit stack 120, the cooling fluid having a low temperature passes through the unit plate 120, When the heat exchanging means 200 is mounted on the end plate 110 provided at the lower end of the unit stack 120, the heating fluid having a high temperature is allowed to pass through the unit stack 120, (Not shown). As a result, the temperature deviation in the vertical direction of the unit stack 120 is reduced, and the operation control range of the fuel cell 100 can be freely adjusted.

그러나, 연료전지(100)의 운전 중에 과잉 냉각이나 과잉 가열로 인해 단위 스택(120)의 상부가 필요 이상으로 온도가 떨어질 수도 있고, 단위 스택(120)의 하부가 필요 이상으로 온도가 올라갈 수도 있다. 따라서, 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 장착된 열교환 수단(200)이라고 하여 반드시 냉각 유체만 통과시키는 것이 아니라 필요에 따라 가열 유체도 통과할 수 있도록 구성하는 바람직하다. 같은 원리로, 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 장착된 열교환 수단(200)에도 가열 유체뿐만 아니라 냉각 유체가 통과하도록 구성하는 것이 바람직하다. However, during the operation of the fuel cell 100, the temperature of the upper part of the unit stack 120 may drop more than necessary due to excessive cooling or overheating, and the temperature of the lower part of the unit stack 120 may rise more than necessary . Therefore, it is preferable that the heat exchanging means 200 mounted on the end plate 110 provided at the upper end of the unit stack 120 does not necessarily allow only the cooling fluid to pass therethrough, but can also pass the heating fluid if necessary. It is preferable that not only the heating fluid but also the cooling fluid pass through the heat exchanging means 200 mounted on the end plate 110 provided at the lower end of the unit stack 120 on the same principle.

한편, 상기 열교환 수단(200)은 고온의 유체가 통과할 수 있기 때문에 부식 방지를 위하여 금속 또는 세라믹 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 금속은 크롬, 니켈, 텅스텐 또는 이들의 합금 금속 등으로 이루어진 고온 부식방지용 금속을 사용할 수 있다. The heat exchange unit 200 may be made of metal or ceramic to prevent corrosion because a high-temperature fluid can pass through the heat exchange unit 200. In particular, the metal may be a high-temperature corrosion-resistant metal made of chromium, nickel, tungsten, or an alloy metal thereof.

또한, 열교환 수단(200)의 본체 하우징은 일반 강재를 사용하여 제작하고, 고온 부식을 방지하기 위하여 니켈 등과 같은 고온 부식방지용 금속으로 표면을 코팅할 수도 있다. 니켈은 화학 반응성이 비교적 작고 녹는점이 높아 그 자체로도 철보다 더 안정하나, 가열하면 공기 중의 산소 또는 수증기와 반응하여 산화물 보호 피막을 형성함으로써 더욱 효과적으로 고온 부식을 방지해준다. 한편, 상기 고온 부식방지용 세라믹으로 표면을 코팅할 수도 있다. In addition, the body housing of the heat exchange unit 200 may be manufactured using general steel, and the surface may be coated with a high-temperature corrosion-resistant metal such as nickel to prevent high temperature corrosion. Nickel is relatively less chemically reactive and has a higher melting point, which in itself is more stable than iron, but when heated it reacts with oxygen or water vapor in the air to form oxide protective coatings, thereby effectively preventing high temperature corrosion. On the other hand, the surface may be coated with the high-temperature corrosion-resistant ceramics.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 상기 열교환 수단(200)이 단위 스택(120)의 상부에 설치된 형태를 나타낸 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating a state in which the heat exchanging unit 200 is installed on the unit stack 120 according to an embodiment of the present invention.

중온형 SOFC 타입의 연료전지는 최적 운전을 위한 온도 범위가 650 ~ 750 ℃ 이다. 이 SOFC 타입의 연료전지가 운전을 시작하고 일정 시간이 경과하면 단위 스택(120)의 하부는 약 700 ~ 750 ℃의 온도로서 정상 운전범위에 속하지만, 단위 스택(120)의 상부는 발열 반응으로 인해 약 800℃ 이상의 온도를 나타내게 된다. 온도가 너무 높아지면 단위 스택(120)을 구성하는 물질, 특히 실링재에 균열이 발생하게 되고, 이는 연료전지 성능 저하, 기밀성 저하에 따른 가스 누설, 스택의 잦은 교체로 인한 유지비용 증가 등의 문제점을 발생시킨다. A mesophilic SOFC type fuel cell has a temperature range of 650 to 750 ° C for optimum operation. When the SOFC type fuel cell starts operating and a certain time has elapsed, the lower part of the unit stack 120 is in a normal operation range at a temperature of about 700 to 750 ° C., but the upper part of the unit stack 120 is subjected to an exothermic reaction Resulting in a temperature of about 800 ° C or higher. If the temperature is too high, cracks will occur in the material constituting the unit stack 120, especially the sealing material. This causes problems such as deterioration of the fuel cell performance, gas leakage due to a decrease in airtightness, .

종래에는 이러한 과열에 따른 문제점을 해결하기 위하여 공기 및 연료의 공급온도, 공급량 또는 반응 시간 등을 조절하여 발열 반응에 따른 가열 현상을 조절하였으나, 이는 연료전지의 운전 범위를 제한하여 발전 효율을 감소시키는 원인으로 지적되어 왔다. 본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연료전지(100)의 일측에 냉각 또는 가열이 가능한 열교환 수단(200)을 추가로 설치함으로써 상기한 종래의 문제점을 해결한 것이다. Conventionally, in order to solve such a problem due to the overheating, the heating phenomenon according to the exothermic reaction is controlled by controlling the supply temperature of the air and the fuel, the supply amount or the reaction time. However, It has been pointed out as a cause. In order to solve such a conventional problem, the present invention solves the above-mentioned conventional problems by additionally providing a heat exchange unit 200 capable of cooling or heating on one side of the fuel cell 100. [

즉, 본 실시예에 따르면, 상기 열교환 수단(200)이 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착되고, 이 열교환 수단(200)의 내부로 낮은 온도의 유체가 통과함으로써 단위 스택(120)의 상부의 높은 온도를 냉각시켜준다. 여기서, 상기 열교환 수단(200)이 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착된다는 의미는 열교환 수단(200)이 엔드 플레이트(110)에 완전히 밀착되거나, 열전달이 효과적으로 이루어질 수 있는 간격만큼 가까이 설치된다는 것을 의미한다. That is, according to the present embodiment, the heat exchanging unit 200 is mounted adjacent to the end plate 110 installed at the upper end of the unit stack 120, and a low temperature fluid passes through the heat exchanging unit 200 Thereby cooling the upper portion of the unit stack 120 at a high temperature. Here, the heat exchange means 200 is mounted adjacent to the end plate 110 to mean that the heat exchange means 200 is closely attached to the end plate 110 or is installed as close as possible to the heat transfer do.

보다 상세하게 설명하면, 정상 운전 중에 800℃ 이상으로 가열되는 단위 스택(120)의 상부를 냉각시키기 위하여 상기 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 열교환 수단(200)을 장착하고, 여기에 연료전지 시스템에 사용되는 낮은 온도의 공기 또는 연료를 통과시킨다. 그 결과, 단위 스택(120)의 상단 부분은 상기 열교환 수단(200)과의 사이에 열교환이 일어나, 단위 스택(120)의 하단의 온도 범위인 700 ~ 750℃ 정도까지 냉각됨으로써 단위 스택(120)의 상하방향으로의 온도 편차가 감소되는 것이다.More specifically, in order to cool the upper portion of the unit stack 120 heated to 800 ° C. or higher during normal operation, the heat exchanger 200 is mounted on the end plate 110 provided at the upper end of the unit stack 120 , Through which low temperature air or fuel used in the fuel cell system is passed. As a result, the upper part of the unit stack 120 undergoes heat exchange with the heat exchanging unit 200 and is cooled to about 700 to 750 ° C., which is the lower end temperature of the unit stack 120, The temperature deviation in the up and down direction is reduced.

상기 열교환 수단(200)을 통과하는 과정에서 온도가 높아진 공기 또는 연료는 그대로 버려지는 것이 아니라, 연료전지 내에 설치된 버너로 공급되어 고온의 연소가스를 만드는데 재활용될 수 있다. The air or the fuel whose temperature has increased during the course of passing through the heat exchanging means 200 is not discarded as it is but can be supplied to a burner installed in the fuel cell and recycled to produce a high temperature combustion gas.

물론, 도 6과 같이 단위 스택(120)의 상부에 설치된 열교환 수단(200)이라 하더라도 단위 스택(120)의 상부가 과잉 냉각된 경우에 온도를 높이기 위하여 가열 유체인 높은 온도의 공기 또는 연료를 통과시키도록 구성될 수도 있음은 상기한 바와 같다.6, when the upper part of the unit stack 120 is excessively cooled, even if the heat exchanging unit 200 is installed on the unit stack 120, a high temperature air or fuel, which is a heating fluid, As described above.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸다. 도 7은 도 4의 A-A' 방향 단면도로서, 상기 단위 스택(120)의 상부에 설치된 열교환 수단(200) 내부로 공기가 통과되고, 통과된 공기가 단위 스택(120)의 공기 공급관(130)으로 이송되는 형태를 나타낸다. 도 8은 도 4의 B-B' 방향 단면도로서, 상기 단위 스택(120)의 상부에 설치된 열교환 수단(200)의 내부로 연료가 통과되고, 통과된 연료가 단위 스택(120)의 연료 공급관(150)으로 이송되는 형태를 나타낸다. 7 and 8 show another embodiment according to the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line AA 'of FIG. 4, in which air is passed into the heat exchanging means 200 installed on the unit stack 120, and the air is passed through the air supply pipe 130 of the unit stack 120 It indicates the form to be transported. 4 is a sectional view taken along the line BB 'in FIG. 4, in which the fuel is passed into the heat exchange unit 200 installed on the unit stack 120, and the fuel is passed through the fuel supply pipe 150 of the unit stack 120, As shown in FIG.

상기한 바와 같이, 연료전지는 공기(산소)와 연료(수소)가 만나 물을 생성하는 화학 반응 과정에서 전기를 생산하는 장치이므로, 단위 스택(120)의 하부로 공기와 연료가 공급된다. 이 때, 화학 반응성을 높이기 위하여 낮은 온도로 공급되는 공기와 연료를 일정 온도 이상으로 가열하여야 하고, 이를 위해 연료전지 시스템 내에 여러 가지 열교환 장치가 추가로 설치된다. As described above, since the fuel cell is an apparatus that produces electricity in a chemical reaction process in which air (oxygen) and fuel (hydrogen) meet and produce water, air and fuel are supplied to the lower portion of the unit stack 120. At this time, in order to increase the chemical reactivity, the air and the fuel supplied at a low temperature must be heated to a certain temperature or higher, and various heat exchange devices are additionally installed in the fuel cell system.

본 실시예에 따르면, 연료전지 시스템 내로 공급되는 공기 또는 연료가 화학 반응을 위하여 단위 스택(120)의 내부로 공급되기 이전에 상기 열교환 수단(200)을 먼저 통과하도록 함으로써, 공기 또는 연료를 예열시키는 효과를 얻을 수 있다. According to this embodiment, air or fuel supplied into the fuel cell system is passed through the heat exchanging means 200 before being fed into the unit stack 120 for chemical reaction, thereby preheating the air or fuel Effect can be obtained.

다시 말해, 낮은 온도의 공기 또는 연료가 높은 온도를 갖는 단위 스택(120)의 상부에 설치된 엔드 플레이트(110)에 장착된 열교환 수단(200)의 내부를 통과하는 과정에서, 상대적으로 높은 온도를 갖는 단위 스택(120)의 상부는 열교환을 통해 온도가 낮아지는 반면, 상대적으로 낮은 온도를 가진 공기 또는 연료는 열교환을 통해 온도가 높아지게 된다. 이에 따라, 종래에 공기 또는 연료를 예열시키기 위해 설치되었던 다른 열교환 장치를 생략하거나 감소시킬 수 있어 더욱 컴팩트하고 생산성이 높은 연료전지 시스템을 구성할 수 있다. In other words, in the process of passing the low temperature air or the fuel through the inside of the heat exchange means 200 mounted on the end plate 110 installed on the upper part of the unit stack 120 having a high temperature, The upper part of the unit stack 120 is lowered in temperature through heat exchange, while the air or fuel having a relatively lower temperature becomes higher in temperature through heat exchange. Accordingly, it is possible to omit or reduce the conventional heat exchanger which has been installed to preheat the air or the fuel, thereby making it possible to construct a more compact and highly productive fuel cell system.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 열교환 수단(200)이 단위 스택(120)의 상부 및 하부에 함께 설치된 형태를 나타낸다. 9 shows another embodiment of the present invention in which the heat exchanging means 200 is installed at the top and bottom of the unit stack 120 together.

산소와 수소가 만나 물을 생성하는 화학 반응은 발열 반응이고, 이 과정에서 발생한 열은 위로 상승하기 때문에 통상적으로 단위 스택(120)의 상부는 온도가 높고 단위 스택(120)의 하부는 온도가 낮게 된다. 이 때, 단위 스택(120)의 전체를 최적 운전을 위한 온도 범위로 제어하기 위하여 단위 스택(120)의 상부는 냉각을 하고, 단위 스택(120)의 하부는 가열을 해야 할 필요가 있을 때에는 본 실시예와 같이 설치할 수 있다.Generally, the temperature of the upper portion of the unit stack 120 is higher and the temperature of the lower portion of the unit stack 120 is lower than the temperature of the lower portion of the unit stack 120 because the heat generated in the process is raised. do. At this time, in order to control the entire unit stack 120 to a temperature range for optimum operation, the upper part of the unit stack 120 is cooled, and when the lower part of the unit stack 120 needs to be heated, It can be installed as in the embodiment.

다시 말해, 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착된 상부 열교환 수단(250)에는 단위 스택(120)의 상부의 온도보다 낮은 온도의 공기 또는 연료를 통과시켜 단위 스택(120)의 상부를 냉각시킬 수 있도록 하고, 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착된 하부 열교환 수단(260)에는 단위 스택(120)의 하부의 온도보다 높은 온도의 공기 또는 연료를 통과시켜 단위 스택(120)의 하부를 가열할 수 있도록 구성할 수 있다.In other words, the upper heat exchanging means 250 mounted adjacent to the end plate 110 installed at the upper end of the unit stack 120 is configured to pass air or fuel at a temperature lower than the temperature of the upper portion of the unit stack 120, The unit stack 120 can be cooled and the lower heat exchanging unit 260 installed adjacent to the end plate 110 installed at the lower end of the unit stack 120 can be cooled at a temperature higher than the lower temperature of the unit stack 120 The unit stack 120 can be heated by passing air or fuel through the unit stack 120. [

다만, 연료전지(100)의 운전 중에 과잉 냉각이나 과잉 가열 등으로 인해 단위 스택(120)의 상부가 필요 이상으로 온도가 떨어질 수도 있고, 단위 스택(120)의 하부가 필요 이상으로 온도가 올라갈 수도 있음은 상기한 바와 같다. 이를 대비하여, 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착된 상부 열교환 수단(250)에 단위 스택(120)의 상부의 온도보다 높은 온도의 공기 또는 연료를 통과시켜 단위 스택(120)의 상부를 가열시킬 수 있도록 하고, 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착된 하부 열교환 수단(260)에는 단위 스택(120)의 하부의 온도보다 낮은 온도의 공기 또는 연료를 통과시켜 단위 스택(120)의 하부를 냉각시킬 수 있도록 구성할 수 있다.However, the temperature of the upper portion of the unit stack 120 may drop more than necessary due to excessive cooling or overheating during operation of the fuel cell 100, and the temperature of the lower portion of the unit stack 120 may rise more than necessary As described above. In order to solve this problem, air or fuel having a temperature higher than the upper temperature of the unit stack 120 is passed through the upper heat exchanging means 250 mounted adjacent to the end plate 110 installed at the upper end of the unit stack 120, The temperature of the lower part of the unit stack 120 is lower than the temperature of the lower part of the unit stack 120. The temperature of the upper part of the unit stack 120 is lower than the temperature of the lower part of the unit stack 120, And the lower portion of the unit stack 120 can be cooled by passing air or fuel at a temperature.

도 10은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 상기 열교환 수단(200)은 열전도도를 높이기 위해 열전도율이 높은 물질을 매개로 상기 엔드 플레이트(110)에 밀착되도록 장착된 형태를 나타낸다. 상기 열전도성 물질로서 서멀 그리스(thermal grease) 등이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 냉각 또는 가열 유체는 열교환 수단(200)의 하우징과 엔드 플레이트(110)라는 이중 벽체를 통과하여 단위 스택(120)과 열교환이 이루어지므로, 열교환 수단(200)의 하우징과 엔드 플레이트(110)가 밀착되지 아니하면 열교환 효율이 감소될 수 있다. 상기 서멀 그리스는 상기 열교환 수단(200)의 하우징 표면과 엔드 플레이트(110) 사이의 미세한 공간을 메워서 열교환이 더 잘 이루어질 수 있도록 해준다. 상기 서멀 그리스 이 외에도 서멀 패드(Thermal Pad)나 서멀 테이프(Thermal Tape) 등이 사용될 수도 있다. 10 illustrates another embodiment of the present invention in which the heat exchanging unit 200 is installed in close contact with the end plate 110 via a material having a high thermal conductivity to increase thermal conductivity. As the thermally conductive material, a thermal grease or the like may be used. The cooling or heating fluid passes through the housing of the heat exchange unit 200 and the double wall member called the end plate 110 and is heat-exchanged with the unit stack 120. Thus, the housing of the heat exchange unit 200 and the end plate 110 are not in close contact with each other, heat exchange efficiency may be reduced. The thermal grease fills up a minute space between the housing surface of the heat exchange unit 200 and the end plate 110, so that heat exchange can be performed more easily. In addition to the thermal grease, a thermal pad or a thermal tape may be used.

도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 상기 열교환 수단(200)과 단위 스택(120)과의 열교환 효율을 높이기 위하여 열교환 수단(200)의 내부 공간에 2가지 종류의 배플(230,240)이 설치된 형태를 나타낸다. 이 배플(230,240)은 기본적으로 열교환 수단(200)을 통과하는 냉각 또는 가열 유체의 통과 속도를 늦추어 줌으로써, 단위 스택(120)과의 열교환이 충분히 이루어질 수 있도록 해준다.11 shows another embodiment according to the present invention in which two types of baffles 230 and 240 are provided in the inner space of the heat exchanging means 200 in order to increase the heat exchange efficiency between the heat exchanging means 200 and the unit stack 120 Indicates the installed type. The baffles 230 and 240 basically slow down the passing speed of the cooling or heating fluid passing through the heat exchanging means 200 so that heat exchange with the unit stack 120 can be sufficiently performed.

도 11의 (a)에 도시된 바와 같이, 상하방향 배플(230)은 상기 유체의 흐름이 상하방향으로 지그재그 형태가 되도록 유도하기 위하여 상기 열교환 수단(200)의 내부에 상하방향으로 연장되도록 설치될 수 있다. 열교환 수단(200)은 냉각 또는 가열 매체의 열 전도가 엔드 플레이트(110)와 인접한 상하방향으로 더 잘 일어나도록 하기 위해 높이가 낮고 너비가 넒은 형태로 제작된다. As shown in FIG. 11 (a), the vertical baffle 230 is installed so as to extend in the vertical direction inside the heat exchange unit 200 to guide the flow of the fluid into a zigzag shape in the vertical direction . The heat exchanging means 200 is manufactured in a low-height and wide-width shape so that the heat conduction of the cooling or heating medium can be better performed in the vertical direction adjacent to the end plate 110.

따라서, 상기 상하방향 배플(230)을 설치하게 되면, 유체가 낮은 높이를 갖는 열교환 수단(200)의 하우징 내부를 상하로 사행하면서 이동하게 되므로, 사행거리가 비교적 짧아 상대적으로 빠르게 통과하게 된다. 이 상하방향 배플(230)은 냉각 또는 가열 유체와 단위 스택과의 온도 차이가 커서 짧은 시간에도 충분한 열교환이 일어날 수 있는 경우에 사용될 수 있다. Therefore, when the vertical baffle 230 is installed, the fluid flows through the inside of the housing of the heat exchange unit 200 having a low height in a vertical direction, so that the meandering distance is comparatively short and relatively fast. This vertical baffle 230 can be used when the temperature difference between the cooling or heating fluid and the unit stack is large and sufficient heat exchange can occur in a short time.

한편, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이, 좌우방향 배플(240)은 상기 유체의 흐름이 좌우방향으로 지그재그 형태가 되도록 하기 위하여 상기 열교환 수단(200)의 내부에 좌우방향으로 연장되도록 설치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 열교환 수단(200)은 냉각 또는 가열 매체의 열 전도가 엔드 플레이트(110)와 인접한 상하방향으로 더 잘 일어나도록 하기 위해 높이가 낮고 너비가 넒은 형태로 제작된다. 11 (b), the left and right baffles 240 are installed so as to extend in the left-right direction inside the heat exchanging means 200 in order to make the flow of the fluid zigzag in the left-right direction . As described above, the heat exchanging unit 200 is formed in a low-height and wide-width shape so that the heat conduction of the cooling or heating medium can be better performed in the vertical direction adjacent to the end plate 110.

따라서, 좌우방향 배플(240)을 설치하게 되면, 유체가 넓은 면적을 갖는 열교환 수단(200)의 하우징 내부를 좌우로 사행하면서 이동하게 되므로, 사행거리가 비교적 길어 상대적으로 느리게 통과하게 된다. 이 좌우방향 배플(240)은 냉각 또는 가열 유체와 단위 스택과의 온도 차이가 작아서 긴 시간 동안 열교환이 일어날 수 있도록 해야 하는 경우에 사용될 수 있다. Therefore, when the left and right baffles 240 are installed, the fluid flows in the housing of the heat exchanging means 200 having a large area in a lateral direction, so that the meandering distance is comparatively long and relatively slow. This lateral baffle 240 can be used when the temperature difference between the cooling or heating fluid and the unit stack is small so that heat exchange can take place over a long period of time.

마지막으로, 상기 배플(230,240)에 의한 유체의 압력 강하는 20kPa 이하가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 유체의 압력 강하가 20kPa을 초과하게 되면 충분한 열교환 효율을 달성하기 위하여 유체의 이송 압력을 높이거나 유체의 공급량을 감소시켜야 하는 등 운전 제어가 어렵기 때문이다. Finally, it is preferable that the pressure drop of the fluid by the baffles 230 and 240 is controlled to be 20 kPa or less. This is because, if the pressure drop of the fluid exceeds 20 kPa, it is difficult to control the operation such as increasing the transfer pressure of the fluid or reducing the supply amount of the fluid in order to achieve sufficient heat exchange efficiency.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징들이 변경되지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것으로 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, . Therefore, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

100: 연료 전지 110: 엔드 플레이트
115: 지지봉 120: 단위 스택
130: 공기 공급관 140: 공기 배출관
150: 연료가스 공급관 160: 연료가스 배출관
200: 열교환 수단 210: 유체 공급관
220: 유체 배출관 230: 상하방향 배플
240: 좌우방향 배플 250: 상부 열교환 수단
260: 하부 열교환 수단100: fuel cell 110: end plate
115: support bar 120: unit stack
130: air supply pipe 140: air discharge pipe
150: fuel gas supply pipe 160: fuel gas discharge pipe
200: heat exchange means 210: fluid supply pipe
220: fluid discharge pipe 230: vertical baffle
240: lateral baffle 250: upper heat exchange means
260: Lower heat exchange means

Claims (16)

산소와 수소와 결합하는 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 단위 셀이 복수 개로 적층되어 구성된 단위 스택(120);
상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 산소를 포함한 공기를 공급하기 위한 공기 공급관(130) 및 공기 배출관(140);
상기 단위 스택(120)의 내부로 상기 수소를 포함한 연료가스를 공급하기 위한 연료가스 공급관(150) 및 연료가스 배출관(160); 및
상기 단위 스택(120)의 상단 또는 하단에 설치된 엔드 플레이트(110) 상에 장착되고, 그 내부에 공기 또는 연료와 같은 유체가 통과할 수 있는 공간이 형성된 열교환 수단(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.A unit stack (120) in which a plurality of unit cells for generating electricity through a chemical reaction combining oxygen and hydrogen are stacked;
An air supply pipe (130) and an air discharge pipe (140) for supplying the oxygen-containing air into the unit stack (120);
A fuel gas supply pipe (150) and a fuel gas discharge pipe (160) for supplying the fuel gas containing hydrogen into the unit stack (120); And
And a heat exchange unit 200 mounted on the end plate 110 installed at the upper or lower end of the unit stack 120 and having a space through which a fluid such as air or fuel can pass, And a heat exchange unit for controlling the temperature of the fuel cell. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 프레이트(110) 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택(120)의 상부의 온도보다 낮은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The heat exchanger 200 is mounted adjacent to an end plate 110 provided at an upper end of the unit stack 120 and has an inner space in which the fluid Wherein the temperature control heat exchanging means is a heat exchanging means. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 프레이트(110) 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택(120)의 하부의 온도보다 높은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The heat exchanging unit 200 is mounted adjacent to the end plate 110 provided at the lower end of the unit stack 120 and is connected to the heat exchanging unit 200. The heat exchanging unit 200 is disposed adjacent to the end plate 110, Wherein the temperature control heat exchanging means is a heat exchanging means. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)의 상단에 설치된 엔드 프레이트(110) 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택(120)의 상부의 온도보다 높은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The heat exchanging unit 200 is installed adjacent to the end plate 110 provided at the upper end of the unit stack 120 and is connected to the inner space of the unit stack 120, Wherein the temperature control heat exchanging means is a heat exchanging means. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)의 하단에 설치된 엔드 프레이트(110) 상에 인접하도록 장착되고, 그 내부 공간으로 상기 단위 스택(120)의 하부의 온도보다 낮은 온도로 설정된 상기 유체가 통과하는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The heat exchanger 200 is installed adjacent to the end plate 110 provided at the lower end of the unit stack 120 and is connected to the inner space of the unit stack 120, Wherein the temperature control heat exchanging means is a heat exchanging means. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)의 상단 또는 하단에 설치된 엔드 플레이트(110) 상에 인접하도록 형성되고, 그 형상은 사각 평판형 또는 원판형으로 된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
Characterized in that the heat exchanging means (200) is formed adjacent to an end plate (110) provided at an upper end or a lower end of the unit stack (120) and has a rectangular plate shape or a circular plate shape . 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 공기가 그 내부 공간을 통과하게 되고, 상기 열교환 수단(200)의 내부 공간을 통과한 공기는 상기 공기 공급관(130)을 통해 상기 단위 스택(120)의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The air passing through the inner space of the heat exchange unit 200 is supplied to the interior of the unit stack 120 through the air supply pipe 130 Wherein the heat exchanging means is a heat exchanger for temperature control. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 연료가 그 내부 공간을 통과하게 되고, 상기 열교환 수단(200)의 내부 공간을 통과한 연료는 상기 연료가스 공급관(150)을 통해 상기 단위 스택(120)의 내부로 공급되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
The heat exchanging unit 200 allows the fuel to pass through the inner space of the heat exchanging unit 200 and the fuel that has passed through the inner space of the heat exchanging unit 200 is supplied into the unit stack 120 through the fuel gas supplying pipe 150 Wherein the heat exchanging means is a heat exchanger for temperature control. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 금속 또는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanging means (200) is made of metal or ceramic. 청구항 9에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 금속 또는 세라믹 중에서 고온 부식방지용 금속 또는 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method of claim 9,
Wherein the heat exchanging means (200) is made of a metal or ceramic for preventing high temperature corrosion in the metal or ceramic. 청구항 9에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 금속 또는 세라믹 재료 중에서 고온 부식방지용 금속 또는 세라믹으로 표면 코팅 처리가 된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method of claim 9,
Wherein the heat exchanging means (200) is surface-coated with a metal or ceramic for preventing corrosion at high temperatures in the metal or ceramic material. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 열전도도를 높이기 위해 열전도율이 높은 물질을 매개로 상기 엔드 플레이트(110)에 인접하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchange unit (200) is mounted adjacent to the end plate (110) through a material having a high thermal conductivity to increase the thermal conductivity. 청구항 1에 있어서,
상기 열교환 수단(200)은 상기 단위 스택(120)과의 열교환 효율을 높이기 위하여 그 내부 공간에 지그재그 형태로 배플이 설치된 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanging means (200) is provided with a baffle in a zigzag shape in its inner space to enhance heat exchange efficiency with the unit stack (120). 청구항 13에 있어서,
상기 배플은 상기 유체의 흐름이 상하방향으로 지그재그 형태가 되도록 유도하기 위하여 상기 열교환 수단(200)의 내부에 상하방향으로 연장되도록 설치된 상하방향 배플(230)인 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.14. The method of claim 13,
Wherein the baffle is a vertical baffle (230) arranged to extend vertically inside the heat exchanging means (200) to guide the flow of the fluid into a zigzag shape in the vertical direction One fuel cell. 청구항 13에 있어서,
상기 배플은 상기 유체의 흐름이 좌우방향으로 지그재그 형태가 되도록 하기 위하여 상기 열교환 수단(200)의 내부에 좌우방향으로 연장되도록 설치된 좌우방향 배플(240)인 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.14. The method of claim 13,
Wherein the baffle is a left-right baffle (240) provided to extend in the left-right direction inside the heat exchanging means (200) in order to make the flow of the fluid zigzag in the left-right direction Fuel cell. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 청구항에 있어서,
상기 배플(230,240)에 의한 상기 유체의 압력 강하는 20kPa 이하인 것을 특징으로 하는 온도 조절용 열교환 수단을 구비한 연료전지.
The method according to any one of claims 13 to 15,
Wherein the pressure drop of the fluid by the baffle (230, 240) is 20 kPa or less.
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