KR20180069618A - 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20180069618A
KR20180069618A KR1020160171968A KR20160171968A KR20180069618A KR 20180069618 A KR20180069618 A KR 20180069618A KR 1020160171968 A KR1020160171968 A KR 1020160171968A KR 20160171968 A KR20160171968 A KR 20160171968A KR 20180069618 A KR20180069618 A KR 20180069618A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
medium
pipe
heat
cooling
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020160171968A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102518536B1 (ko
Inventor
이남우
권혁률
나성욱
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160171968A priority Critical patent/KR102518536B1/ko
Priority to US15/798,027 priority patent/US10818944B2/en
Publication of KR20180069618A publication Critical patent/KR20180069618A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102518536B1 publication Critical patent/KR102518536B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/021—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material and the heat-exchanging means being enclosed in one container
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/045—Humidity; Ambient humidity; Water content of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04507—Humidity; Ambient humidity; Water content of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04529—Humidity; Ambient humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04723—Temperature of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/521—

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

연료전지 냉각수용 열교환 장치는, 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 유동하는 냉각관이 내부를 관통 하는 본체 및 본체의 내부에 마련되고, 냉각수와 열교환되기 위한 PCM 축열재가 충진된 축열부를 포함하고, 본체는, 냉각관과 축열부의 사이에 마련되고, 매개재가 충진된 매개공간을 포함하고, PCM 축열재는, 매개재를 매개로 냉각수와 열교환된다.

Description

연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템{HEAT EXCHANGE DEVICE FOR COOLING WATER OF FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 또는 수소 연료에 저장된 화학 에너지를 공기와의 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 자동차 등에 이용되는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)는 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전된다. 연료전지 스택의 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.
그런데 연료전지에서 전기를 발생시키는 과정은 발열반응이고, 연료전지의 작동에 따라 연료전지 스택 내부의 온도가 100℃를 초과할 수 있다. 따라서 연료전지 스택의 내부로 냉각수를 공급하여, 연료전지 스택의 온도를 100℃이하로 유지시킬 필요가 있다.
이때 냉각수의 온도를 조절하기 위해, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 열교환기를 통과하며 열을 방출하거나 열을 공급받을 수 있는데, 이 열교환기에 PCM 축열재가 이용될 수 있다. PCM이란, 온도에 따라 상변화하는 물질로 자연계에 있는 거의 대부분의 물질이 PCM 이라고 할 수 있다.
PCM은 상변화할 때 많은 양의 열에너지를 흡수하거나 내 놓기 때문에, 연료전지 시스템에서 열을 축적하고 방출하는 데에 이용될 수 있다. 즉 PCM은 축열재로 이용되어, PCM 축열재에 축열된 열을 냉각수로 공급하거나, 냉각수의 열을 PCM 축열재로 축열시킬 수 있다.
그런데 PCM은 각 물질마다 상변화 온도가 정해져있고, 이를 변경시킬 수는 없다. 따라서 사용자가 적절한 상변화 에너지를 갖는 PCM을 찾았더라도, 그 PCM이 상변화 온도가 요구되는 조건과 다르다면 사용하기 어려운 문제가 있었다.
또한, 연료전지 시스템의 운전 중에 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도는 상황에 따라 변동될 필요가 있다. 그러나 종래의 열교환기에서는 PCM 축열재와 냉각수의 열전달량이 변동될 수 없으므로, 각 상황에 따라 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 없는 문제가 있었다.
본 발명의 일 과제는 원하는 온도에서 상변화하는 PCM을 축열재로 이용할 수 있는 열교환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 원하는 온도에서 상변화하는 PCM을 축열재로 이용하여, 연료전지 스택으로 공급하는 냉각수의 온도를 용이하게 조절할 수 있는 열교환 장치를 제공하는 것이다.
일 예에서, 연료전지 냉각수용 열교환 장치는, 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 유동하는 냉각관이 내부를 관통 하는 본체 및 본체의 내부에 마련되고, 냉각수와 열교환되기 위한 PCM 축열재가 충진된 축열부를 포함하고, 본체는, 냉각관과 축열부의 사이에 마련되고, 매개재가 충진된 매개공간을 포함하고, PCM 축열재는, 매개재를 매개로 냉각수와 열교환된다.
다른 예에서, PCM 축열재는, 매개재의 충진으로 인해 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화 되는 물질로 채택되고, 기준 온도는, 축열부가 냉각관에 접하게 위치하여 축열부와 냉각관 사이에 매개재가 마련되지 않았을 때 PCM 축열재에 요구되는 상변화 온도일 수 있다.
또 다른 예에서, 매개재는, 작동 온도에서 PCM 축열재가 상변화 되도록 축열부와 냉각관 사이의 열전달률에 기초하여 결정될 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 냉각수용 열교환 장치는, 축열부와 냉각관 사이의 열전달률을 조절하기 위해, 매개공간에 충진되어 있던 제2 매개재를 매개공간에서 배출시키고, 제2 매개재가 배출된 매개공간으로 제1 매개재를 공급하는 교체부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 제1 매개재를 저장하는 제1 저장탱크와, 냉각관과 별도로 마련되고 제1 저장탱크에서 매개공간으로 제1 매개재를 공급하는 제1 공급관과, 매개공간에서 배출된 제1 매개재를 제1 저장탱크로 회수시키는 제1 회수관을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 제1 매개재의 공급에 의해 공기인 제2 매개재를 매개공간에서 배출시킬 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 매개공간에서 배출된 제1 매개재를 제1 공급관으로 순환시키는 순환관을 더 포함하고, 또한 적어도 제2 매개재가 모두 배출될 때까지, 제1 공급관을 통한 제1 매개재의 공급과 순환관을 통한 제1 매개재의 순환을 계속하며, 제2 매개재는, 제1 매개재와 함께 순환관이나 제1 공급관을 유동하는 중에 외부로 배출될 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 매개공간과 본체의 외부를 통하게 하는 통기관을 더 포함하고, 또한 제1 회수관을 통해 제1 매개재를 매개공간에서 제1 저장탱크로 회수할 때에 발생하는 매개공간 내의 압력변화에 의해 본체의 외부의 공기를 통기관을 통해 매개공간으로 유입시킬 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 제2 매개재를 저장하는 제2 저장탱크와, 냉각관과 별도로 마련되고 제2 저장탱크에서 매개공간으로 제2 매개재를 공급하는 제2 공급관과, 매개공간에서 배출된 제2 매개재를 제2 저장탱크로 회수시키는 제2 회수관을 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 제2 회수관을 통해 제2 매개재를 매개공간에서 제2 저장탱크로 회수한 이후, 제1 공급관을 통해 매개공간으로 제1 매개재를 공급할 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각관 및 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 내부에서 열교환되는 열교환기를 포함하고, 열교환기는, 냉각관이 내부를 관통하는 본체와, 본체의 내부에 마련되고, 냉각수와 열교환되기 위한 PCM 축열재가 충진된 축열부를 포함하고, 본체는, 냉각관 축열부의 사이에 마련되고, 매개재가 충진된 매개공간을 포함하며, PCM 축열재는, 매개재를 매개로 냉각수와 열교환된다.
또 다른 예에서, PCM 축열재는, 매개재의 충진으로 인해, 축열부가 냉각관에 접하게 위치하여 축열부와 냉각관 사이에 매개재가 마련되지 않았을 때, PCM 축열재에 요구되는 상변화 온도인 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화 되는 물질로 채택될 수 있다.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 매개공간에 충진되어 있던 제2 매개재를 매개공간에서 배출시키고, 제2 매개재가 배출된 매개공간으로 제1 매개재를 공급하는 교체부와, 축열부와 냉각관 사이의 열전달률을 조절하기 위해 교체부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 교체부의 제어에 의한 열전달률의 조절을 통해 열교환기에서 배출되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 연료전지 스택 내의 수분 상황에 기초해서 교체부를 제어할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 수분 상황이 저수분 상황으로 판단되면, 제1 및 제2 매개재 중에 열전도도가 큰 매개재가 매개공간에 충진되도록, 그리고 수분 상황이 고수분 상황으로 판단되면, 제1 및 제2 매개재 중에 열전도도가 작은 매개재가 매개공간에 충진되도록 교체부를 제어할 수 있다.
또 다른 예에서, 제어부는, 교체부의 제어에 의한 열전달률의 조절을 통해 액상의 PCM 축열재가 응고되는 시간을 조절할 수 있다.
또 다른 예에서, 교체부는, 냉각수를 제1 매개재로 사용하기 위해, 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 일부를 공급받아 별도로 저장하는 저장탱크를 구비할 수 있다.
본 발명에 의하면 PCM이 충진된 축열부와 냉각수가 유동하는 냉각관 사이에 매개재를 충진 시킴으로써, 원하는 온도에서 상변화하는 PCM을 축열재로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 축열부와 냉각관 사이의 매개재가 변경 가능하여, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 냉각수용 열교환 장치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 이용되는 열교환기를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 이용되는 열교환기를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 이용되는 열교환기를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 냉각수용 열교환 장치를 나타내는 평면도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템을 설명한다.
본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(1), 냉각관(2) 및 열교환기(3)를 포함한다.
연료전지 스택(1)은 연료극(미도시)과 공기극(미도시)을 구비한다. 냉각관(2)은 연료전지 스택(1)으로 냉각수를 공급한다. 이때 펌프(4)를 통해 냉각수를 흡입하여 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.
열교환기(3)의 내부에서는 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수가 열교환된다. 열교환기(3)의 내부에서 열교환된 냉각수가 연료전지 스택(1)으로 공급되어 연료전지 스택의 온도를 조절할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여, 열교환기(연료전지 냉각수용 열교환장치)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
연료전지 냉각수용 열교환 장치는, 본체)(10)와, 본체(10)의 내부에 마련된 축열부(30)를 포함한다.
본체(10)의 내부에는 냉각수가 유동하는 냉각관(20)이 관통한다. 냉각관(20)에는 냉각수가 유입되는 입구(21)와 냉각수가 배출되는 출구(29)가 형성되어 있다. 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 입구(21)를 통해 냉각관(20)으로 유입되어, 냉각관(20)을 유동한 후 출구(29)를 통해 배출된다.
축열부(30)에는 PCM 축열재(35)가 충진되어 있고, PCM 축열재(35)는 냉각관(20)을 유동하는 냉각수와 열교환된다. 이때 본체(10)는 축열부(30)와 냉각관(20) 사이에 마련된 매개공간(25)을 포함하고, 매개공간(25)에는 매개재(26)가 충진된다. PCM 축열재(35)는 매개공간(25)에 충진된 매개재(26)를 매개로 냉각수와 열교환된다.
이하에서는 이해의 편의를 위해, 본체(10)의 내부에서 매개공간(25)이 마련되는 영역을 제1 영역(I), 축열부(30)가 마련되는 영역을 제2 영역(II)이라고 정의하여 설명한다.
축열부(30)는 제1 부재(41)와 복수 개의 제2 부재(42)들을 포함하는 열전달 부재(40)를 더 포함할 수 있다. 열전달 부재(40)는 매개재(26)를 매개로 냉각수로부터 전달받은 열을 PCM 축열재(35)로 전달하거나, 또는 매개재(26)를 매개로 냉각수로 전달할 열을 PCM 축열재(35)로부터 전달받을 수 있다.
제1 부재(41)는 냉각관(20)의 길이방향으로 형성되어 제1 영역(I)과 제2 영역(II)을 구분지을 수 있다. 복수 개의 제2 부재(42)들은 제1 부재(41)에서, 냉각관(20)에서 멀어지는 방향으로 연장되고, 냉각관(20)의 길이방향으로 서로 이격될 수 있다. 복수 개의 제2 부재(42)들은 냉각관(20)의 길이방향을 따라 동일한 간격으로 이격되어 PCM 축열재(35)에 전체적으로 균등하게 열을 전달할 수 있다.
PCM 축열재(35)는 제2 영역(II)의 내에서 제1 부재(41)와 제2 부재(42)들에 의해 정의되는 공간 내에 충진될 수 있다. 이와 같이 열전달 부재(40)가 PCM 축열재(35)의 적어도 일부를 둘러쌈으로써 PCM 축열재(35)와 효율적으로 열을 주고받을 수 있다.
열전달 부재(40)는 PCM 축열재(35)와 보다 효과적으로 열을 주고받기 위해, 열전도도가 높은 방열핀이 이용될 수 있다. 이때 PCM 축열재(35)는 매개공간(25)으로 이탈되지 않도록 축열부(30) 내에 밀봉되어 있을 수 있다.
이때 PCM 축열재(35)와 냉각수 사이의 열전달률(q")은 하기의 식에 따라 정의될 수 있다.
Figure pat00001
k는 매개공간(25)에 충진된 매개재(26)의 열전도도, A는 열전달면적, TH는 냉각관(20)과 축열부(30)에서 상대적으로 고온인 부분의 온도, TL은 냉각관(20)과 축열부(30)에서 상대적으로 저온인 부분의 온도, L은 냉각관(20)과 축열부(30)의 이격 간격을 의미한다.
이때, 열전달면적(A)과 냉각관(20)과 축열부(30)의 이격 간격(L)은 일정한 것으로 가정한다. 냉각관(20)은 그 내부의 열전도도가 커서 전체적으로 동일한 온도를 가지는 것으로 가정한다. 축열부(30)는 열전달 부재(40)에 의해 축열부(30) 전체가 동일한 온도를 가지는 것으로 볼 수 있다.
따라서, PCM 축열재(35)와 냉각수 사이의 열전달률(q")은 축열부(30)와 냉각관(20) 사이의 매개공간(25)에 충진된 매개재(26)의 열전도도(k)에 비례한다. PCM 축열재(35)는 매개재(26)의 충진으로 인해, 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화되는 물질로 채택될 수 있다. 기준 온도란 축열부(30)가 냉각관(20)에 접하게 위치하여 축열부(30)와 냉각관(20) 사이에 매개재(26)가 마련되지 않았을 때, PCM 축열재(35)에 요구되는 상변화 온도를 말한다.
냉각관(20)과 축열부(30) 사이에 매개재(26)가 마련되어 있지 않을 때 기준 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35)와 냉각수 사이의 열전달률이, 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화되고 매개재(26)를 매개로 냉각수와 열교환하는 PCM 축열재(35)와 냉각수 사이의 열전달률과 동일한 수준이라면, 축열부(30)와 냉각관(20) 사이에 매개재(26)를 마련함으로써 기준 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 대신하여 작동 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 사용할 수 있다. 따라서 PCM 축열재(35)의 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
예를 들어, 70℃로 유동하는 냉각수를 50℃로 냉각하고 싶은 경우, 냉각수가 유동하는 냉각관(20)에 50℃에서 상변화 하는 PCM 축열재를 접하게 위치시키는 것이 바람직할 수 있다. 이렇게 하면 냉각수의 열이 PCM 축열재로 전달되면서 PCM 축열재는 50℃에서 상변화할 것이고, 이때의 잠열을 이용하여 냉각수의 열을 PCM 축열재로 충분히 전달할 수 있다. 그리고 냉각수는 열평형에 의해 50℃로 냉각될 수 있다. 이때 50℃를 기준 온도라고 한다.
그런데 기준 온도보다 낮은 작동 온도 40℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)가 충진된 축열부(30)와 냉각관(20) 사이에 매개재(26)를 충진함으로써 동일한 효과를 가져올 수 있다.
냉각수가 PCM 축열재(35)와 접한 상태로 40℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)와 열교환 되는 경우, 50℃에서 상변화되는 PCM 축열재와 열교환 하는 경우보다 열전달률이 더 클 것이다. 그러나 두 경우의 열전달률이 동일한 수준이 되도록, 냉각관(20)과 축열부(30) 사이에 매개재(26)가 마련됨으로써, 40℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 이용해서 50℃에서 상변화되는 PCM 축열재를 대신할 수 있다. 즉, 여러 가지 사정에 의해 50℃에서 상변화 하는 PCM 축열재를 사용하는 것이 용이하지 않은 경우, 40℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 이용할 수 있다.
이때 매개재(26)는, 작동 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35)가 충진된 축열부(30)와 냉각관(20) 사이의 열전달률에 기초하여 결정될 수 있다. 선택된 PCM 축열재(35)의 작동 온도에 따라 적절한 열전도도(k)를 갖는 매개재(26)를 충진하면, 원하는 작동 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 선택하여 이용할 수 있다.
예를 들어, 30℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 이용하는 경우, 40℃에서 상변화되는 PCM 축열재(35)를 이용하는 경우보다 열전도도(k)가 작은 매개재(26)를 사용하면 동일한 효과를 가져올 수 있다.
이와 같이 다양한 온도에서 상변화되는 PCM 축열재(35) 중에서 사용이 용이한 PCM 축열재(35)를 선택하고, 선택된 축열재에 따라 적당한 열전도도(k)를 갖는 매개재(26)를 충진함으로써, PCM 축열재(35)의 선택 폭이 넓어질 수 있다.
실시예 2
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 이용되는 열교환기를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환기(연료전지 냉각수용 열교환 장치)는 매개재(26)가 연료전지의 운전 중에 교체될 수 있다는 점에서 실시예 1과 차이가 있다.
예를 들어, 기체는 액체에 비해 상대적으로 열전도도(k)가 작으므로, 냉각수와 PCM 축열재(35) 사이에 열전달률을 줄이기 위해 매개공간(25)에 기체 상태의 매개재(26)를 공급할 수 있다. 즉, 연료전지의 작동 중에 축열부(30)와 냉각관(20) 사이의 열전달률을 조절할 수 있다.
매개재(26)의 교체를 위해, 열교환 장치는 교체부(100)를 더 포함할 수 있다. 교체부(100)는 매개공간(25)에 충진되어 있던 제2 매개재(26)를 매개공간(25)에서 배출시키고, 제2 매개재(26)가 배출된 매개공간(25)으로 제1 매개재(27)를 공급할 수 있다.
보다 구체적으로, 교체부(100)는 제1 저장탱크(110), 제1 공급관(112), 제1 회수관(114) 및 순환관(116)을 포함할 수 있다. 제1 매개재(27)는 제1 저장탱크(110)에 저장되고, 제1 공급관(112)은 냉각관(20)과 별도로 마련되어 제1 저장탱크(110)에서 매개공간(25)으로 제1 매개재(27)를 공급할 수 있다.
제1 매개재(27)는 제1 공급관(112)에 의해 매개공간(25)으로 공급된 후, 매개공간(25)에서 배출되어 제1 회수관(114)을 통해 제1 저장탱크(110)로 회수되거나, 순환관(116)을 통해 제1 공급관(112)으로 순환될 수 있다.
그리고 제1 공급관(112)에는 제1 공급관(112)의 개폐를 조절하는 제1 공급밸브(113), 제1 회수관(114)에는 제1 회수관(114)의 개폐를 조절하는 제1 회수밸브(115), 순환관(116)에는 순환관(116)의 개폐를 조절하는 순환밸브(117)가 구비될 수 있다. 또한, 제1 공급관(112)에는 제1 저장탱크(110)에서 제1 매개재(27)를 흡입하기 위한 제1 공급펌프(111)가 마련될 수 있고, 제1 회수관(114)에는 제1 매개공간(25)에서 제1 매개재(27)를 흡입하기 위한 제1 회수펌프(119)가 마련될 수 있다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여, 기체 상태의 제2 매개재(26)를 매개공간(25)에서 배출시키고, 액체 상태인 제1 매개재(27)를 매개공간(25)으로 공급하여, 제2 매개재(26)를 제1 매개재(27)로 교체하는 경우에 대해 설명한다.
예를 들어 매개공간(25)에 공기가 충진되어 있는데, 연료전지 스택(1)을 냉각하기 위한 냉각수의 일부를 제1 매개재(27)로 이용하는 경우에 대해 설명한다. 교체부(100)는 냉각수를 제1 매개재(27)로 사용하기 위해, 연료전지 스택(1)을 냉각하기 위한 냉각수의 일부를 공급받아 별도로 저장하는 저장탱크(미도시)를 구비할 수 있다. 교체하고자 하는 매개재(26)가 냉각수뿐이라면 제1 저장탱크(110)가 냉각수가 저장된 저장탱크일 수도 있다.
먼저 도 3을 참조하면, 교체부(100)는 제1 공급밸브(113)가 개방되고 제1 공급펌프(111)가 작동되어, 제1 매개재(27)를 매개공간(25)으로 공급시킬 수 있다. 제1 매개재(27)가 매개공간(25)으로 공급되는 압력에 의해 제2 매개재(26)는 매개공간(25)의 외부로 배출될 수 있다. 즉, 제1 매개재(27)의 공급에 의해 제2 매개재(26)를 매개공간(25)으로 배출시킬 수 있다.
그리고 교체부(100)는, 제1 매개재(27)를 매개공간(25)에 충분히 충진시키기 위해 매개공간(25)에서 배출된 제1 매개재(27)를 순환관(116)을 통해 제1 공급관(112)으로 순환시킬 수 있다. 순환밸브(117)는 개방되고, 제1 공급펌프(111)의 흡입 압력에 의해 제1 매개재(27)가 제1 공급관(112)으로 순환될 수 있다.
교체부(100)는 적어도 제2 매개재(26)가 모두 배출될 때까지, 제1 공급관(112)을 통한 제1 매개재(27)의 공급과 순환관(116)을 통한 제1 매개재(27)의 순환을 계속할 수 있다. 제2 매개재(26)는 제1 매개재(27)와 함께 순환관(116)이나 제1 공급관(112)을 유동하는 중에 외부로 배출될 수 있다.
예를 들어 순환관(116)이나 제1 공급관(112)의 상측으로 개방된 통공(미도시)이 형성되고, 제2 매개재(26)는 순환관(116)이나 제1 공급관(112)을 유동하면서 통공을 통해 외부로 배출될 수 있다.
교체부(100)는 제2 매개재(26)가 모두 외부로 배출된 이후에도, 제1 매개재(27)가 매개공간(25)에 충분히 충진될 때까지 제1 매개재(27)를 공급 및 순환시킬 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 기체 상태인 제2 매개재(26)는 매개공간(25)에서 모두 배출될 수 있고, 제2 매개재(26)가 배출된 매개공간(25)으로 액체 상태의 제1 매개재(27)가 충진될 수 있다.
다음으로, 매개공간(25)에 충진된 제1 매개재(27)를 다시 매개공간(25)에서 배출시키고 공기를 매개공간(25)에 충진하는 과정에 대해 설명한다.
도 4를 참조하면, 제1 매개재(27)는 제1 회수관(114)을 통해 제1 저장탱크(110)로 회수될 수 있다. 이때 제1 회수밸브(115)는 개방되고 제1 회수펌프(119)가 작동될 수 있다.
교체부(100)는 매개공간(25)과 본체(10)의 외부를 통하게 하는 통기관(131)을 더 포함할 수 있다. 통기관(131)은 제1 공급관(112)과 별도의 구성이다. 통기관(131)에는 통기관(131)을 개폐하는 통기밸브(132)가 마련될 수 있다. 제1 회수관(114)을 통해 제1 매개재(27)를 매개공간(25)에서 제1 저장탱크(110)로 회수시킬 때, 통기밸브(132)는 개방되고, 통기관(131)은 외부의 공기가 매개공간(25)으로 유입되는 통로를 제공할 수 있다.
제1 회수관(114)을 통해 제1 매개재(27)가 회수될 때 매개공간(25) 내에 압력변화가 발생하고, 매개공간(25) 내의 압력변화에 의해, 본체(10)의 외부의 공기가 통기관(131)을 통해 매개공간(25)으로 유입되게 할 수 있다.
또한, 제1 매개재(27)가 제1 저장탱크(110)로 회수될 때, 제1 회수펌프(119)의 작동에 의해 매개공간(25)의 압력이 저하되어 본체(10)가 찌그러질 수 있는데, 통기관(131)이 형성되어 외부의 공기가 매개공간(25)으로 유입될 수 있기 때문에, 본체(10)의 손상을 방지하는 효과도 있을 수 있다.
이와 같은 과정을 통해 매개공간(25)에서 다시 제1 매개재(27)를 배출시키고 공기를 공급하여 매개공간(25) 내의 매개재를 교체시킬 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 액체 상태의 제2 매개재(26)를 매개공간(25)에서 배출시키고, 액체 상태인 제1 매개재(27)를 매개공간(25)으로 공급하여, 제2 매개재(26)를 제1 매개재(27)로 교체하는 경우를 예로 들어 설명한다.
제2 매개재(26)가 기체 상태인 경우, 액체 상태인 제1 매개재(27)가 공급되는 압력에 의해 제2 매개재(26)가 매개공간(25)의 외부로 배출될 수 있었다. 그러나 제2 매개재(26)가 액체 상태인 경우, 제1 매개재(27)의 공급에 의해 제1 매개재(27)와 제2 매개재(26)가 혼합될 우려가 있으므로, 제2 매개재(26)를 먼저 회수한 후 제1 매개재(27)를 공급할 필요가 있다.
이를 위해 교체부(100)는, 제2 저장탱크(120), 제2 공급관(122) 및 제2 회수관(124)을 더 포함할 수 있다. 제2 매개재(26)를 배출시키고 제1 매개재(27)를 공급하기 위해서는 제2 공급관(122)이 사용될 필요가 없으나, 반대의 경우를 위해 제2 공급관, 제2 공급밸브(123) 및 제2 공급펌프(121)도 마련되어 있을 수 있다.
제2 회수관(124)에는 제2 회수관(124)의 개폐를 조절하는 제2 회수밸브(125)가 구비될 수 있다. 또한, 제2 회수관(124)에는 제2 매개공간(25)에서 제2 매개재(26)를 흡입하기 위한 제2 회수펌프(129)가 마련될 수 있다.
먼저, 교체부(100)는 제2 회수관(124)을 통해 제2 매개재(26)를 제2 저장탱크(120)로 회수시킬 수 있다. 제2 회수밸브(125)가 개방되고 제2 회수펌프(129)가 작동되면, 교체부(100)는 제2 회수관(124)을 통해서 제2 매개재(26)를 매개공간(25)에서 제2 저장탱크(120)로 회수할 수 있다.
이때도 마찬가지로 통기관(131)을 통해 외부의 공기가 매개공간(25)으로 충진될 수 있다. 즉, 제2 매개재(26)가 제2 저장탱크(120)로 회수되는 경우, 통기관(131)을 통해 매개공간(25)에는 외부의 공기가 충진될 것이다.
제2 매개재(26)가 매개공간(25)에서 배출된 후, 제1 공급관(112)을 통해 제1 매개재(27)를 매개공간(25)으로 공급하면 제2 매개재(26)를 제1 매개재(27)로 교체시킬 수 있다. 제1 매개재(27)가 공급될 때, 매개공간(25)의 공기는 외부로 배출될 것이다.
이와 같은 과정을 통해, 액체 상태의 제2 매개재(26)를 매개공간(25)에서 배출시키고, 다른 액체 상태의 제1 매개재(27)를 매개공간(25)에 충진시킬 수 있다.
한편, 연료전지 시스템은 교체부(100)를 제어하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 교체부(100)의 제어에 의한 열전달률의 조절을 통해, 열교환기(3)에서 배출되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부는 연료전지 스택(1) 내의 수분 상황에 기초해서 교체부(100)를 제어할 수 있다. 연료전지 스택(1)의 연료극과 공기극에는 적정량의 수분이 존재하는 것이 바람직하다.
연료전지의 전해질 막은 충분히 수화된 상태에서만 이온 전도성을 갖기 때문에, 수분이 부족하면 전기의 생성이 용이하게 이루어지지 않을 수 있다. 그러나 수분이 지나치게 많은 경우, 연료전지 스택(1) 내의 수분이 외부로 배출되지 못하고, 연료나 산소의 이동을 방해하는 플러딩 현상이 발생할 수 있다.
따라서 제어부는 연료전지 스택(1) 내의 수분 상황에 기초하여, 연료전지 스택(1)이 내부에 적정량의 수분을 함유하도록 하기 위해, 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.
연료전지 스택(1) 내의 수분 상황이 저수분 상황으로 판단된다면, 제1 및 제2 매개재 중에 열전도도(k)가 큰 매개재가 매개공간(25)에 충진되도록 교체부(100)를 제어할 수 있다. 연료전지 스택(1)으로 낮은 온도의 냉각수를 공급하여 수분의 증발을 방지할 수 있다.
또는 연료전지 스택(1) 내의 수분 상황이 고수분 상황으로 판단된다면, 제1 및 제2 매개재 중의 열전도도(k)가 작은 매개재가 매개공간(25)에 충진되도록 교체부(100)를 제어할 수 있다. 연료전지 스택(1)으로 높은 온도의 냉각수를 공급하여 수분의 증발을 촉진시킬 수 있다.
이와 같이 연료전지의 운전 중에 연료전지 스택(1)의 상황에 따라 적절한 온도를 갖는 냉각수를 공급할 수 있으므로, 연료전지 시스템의 열효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 제어부는 교체부(100)의 제어에 의한 열전달률의 조절을 통해, 액상의 PCM 축열재(35)가 응고되는 시간을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상온에서 고체 상태인 PCM 축열재(35)가 열을 받아 액체 상태로 융해되어 있는데, 빠른 시간내에 PCM 축열재(35)를 응고시키고자 하는 경우, 열전도도가 큰 매개재를 매개공간(25)에 충진하여, PCM 축열재(35)로부터 냉각수로 많은 양의 열이 전달되도록 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 연료전지 스택
2: 냉각관
3: 열교환기
4: 펌프
10: 본체
20: 냉각관
21: 입구
25: 매개공간
29: 출구
30: 축열부
35: PCM 축열재
40: 열전달 부재
41: 제1 부재
42: 제2 부재
100: 교체부
110: 제1 저장탱크
111: 제1 공급펌프
112: 제1 공급관
113: 제1 공급밸브
114: 제1 회수관
115: 제1 회수밸브
116: 순환관
117: 순환밸브
119: 제1 회수펌프
120: 제2 저장탱크
121: 제2 공급펌프
122: 제2 공급관
123: 제2 공급밸브
124: 제2 회수관
125: 제2 회수밸브
129: 제2 회수펌프
131: 통기관
132: 통기밸브
I: 제1 영역
II: 제2 영역

Claims (18)

  1. 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 유동하는 냉각관이 내부를 관통 하는 본체; 및
    상기 본체의 내부에 마련되고, 상기 냉각수와 열교환되기 위한 PCM 축열재가 충진된 축열부를 포함하고,
    상기 본체는, 상기 냉각관과 상기 축열부의 사이에 마련되고, 매개재가 충진된 매개공간을 포함하고,
    상기 PCM 축열재는, 상기 매개재를 매개로 상기 냉각수와 열교환되는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 PCM 축열재는, 상기 매개재의 충진으로 인해 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화 되는 물질로 채택되고,
    상기 기준 온도는, 상기 축열부가 상기 냉각관에 접하게 위치하여 상기 축열부와 상기 냉각관 사이에 매개재가 마련되지 않았을 때 PCM 축열재에 요구되는 상변화 온도인, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 매개재는, 상기 작동 온도에서 상기 PCM 축열재가 상변화 되도록 상기 축열부와 상기 냉각관 사이의 열전달률에 기초하여 결정되는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 축열부와 상기 냉각관 사이의 열전달률을 조절하기 위해, 상기 매개공간에 충진되어 있던 제2 매개재를 상기 매개공간에서 배출시키고, 상기 제2 매개재가 배출된 상기 매개공간으로 제1 매개재를 공급하는 교체부를 더 포함하는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 제1 매개재를 저장하는 제1 저장탱크와, 상기 냉각관과 별도로 마련되고 상기 제1 저장탱크에서 상기 매개공간으로 상기 제1 매개재를 공급하는 제1 공급관과, 상기 매개공간에서 배출된 상기 제1 매개재를 상기 제1 저장탱크로 회수시키는 제1 회수관을 포함하는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 제1 매개재의 공급에 의해 공기인 상기 제2 매개재를 상기 매개공간에서 배출시키는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 매개공간에서 배출된 상기 제1 매개재를 상기 제1 공급관으로 순환시키는 순환관을 더 포함하고, 또한 적어도 상기 제2 매개재가 모두 배출될 때까지, 상기 제1 공급관을 통한 제1 매개재의 공급과 상기 순환관을 통한 제1 매개재의 순환을 계속하며,
    상기 제2 매개재는, 상기 제1 매개재와 함께 상기 순환관이나 상기 제1 공급관을 유동하는 중에 외부로 배출되는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 매개공간과 상기 본체의 외부를 통하게 하는 통기관을 더 포함하고, 또한 상기 제1 회수관을 통해 상기 제1 매개재를 상기 매개공간에서 상기 제1 저장탱크로 회수할 때에 발생하는 상기 매개공간 내의 압력변화에 의해 상기 본체의 외부의 공기를 상기 통기관을 통해 상기 매개공간으로 유입시키는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 제2 매개재를 저장하는 제2 저장탱크와, 상기 냉각관과 별도로 마련되고 상기 제2 저장탱크에서 상기 매개공간으로 상기 제2 매개재를 공급하는 제2 공급관과, 상기 매개공간에서 배출된 상기 제2 매개재를 상기 제2 저장탱크로 회수시키는 제2 회수관을 더 포함하는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 제2 회수관을 통해 상기 제2 매개재를 상기 매개공간에서 상기 제2 저장탱크로 회수한 이후, 상기 제1 공급관을 통해 상기 매개공간으로 상기 제1 매개재를 공급하는, 연료전지 냉각수용 열교환 장치.
  11. 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로 냉각수를 공급하는 냉각관; 및
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 내부에서 열교환되는 열교환기를 포함하고,
    상기 열교환기는, 상기 냉각관이 내부를 관통하는 본체와, 상기 본체의 내부에 마련되고, 상기 냉각수와 열교환되기 위한 PCM 축열재가 충진된 축열부를 포함하고,
    상기 본체는, 상기 냉각관 상기 축열부의 사이에 마련되고, 매개재가 충진된 매개공간을 포함하며,
    상기 PCM 축열재는, 상기 매개재를 매개로 상기 냉각수와 열교환되는, 연료전지 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 PCM 축열재는, 상기 매개재의 충진으로 인해, 상기 축열부가 상기 냉각관에 접하게 위치하여 상기 축열부와 상기 냉각관 사이에 매개재가 마련되지 않았을 때, PCM 축열재에 요구되는 상변화 온도인 기준 온도보다 낮은 작동 온도에서 상변화 되는 물질로 채택되는, 연료전지 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 매개공간에 충진되어 있던 제2 매개재를 상기 매개공간에서 배출시키고, 상기 제2 매개재가 배출된 상기 매개공간으로 제1 매개재를 공급하는 교체부와, 상기 축열부와 상기 냉각관 사이의 열전달률을 조절하기 위해 상기 교체부를 제어하는 제어부를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 교체부의 제어에 의한 상기 열전달률의 조절을 통해 상기 열교환기에서 배출되는 냉각수의 온도를 조절하는, 연료전지 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 연료전지 스택 내의 수분 상황에 기초해서 상기 교체부를 제어하는, 연료전지 시스템.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 수분 상황이 저수분 상황으로 판단되면, 상기 제1 및 제2 매개재 중에 열전도도가 큰 매개재가 상기 매개공간에 충진되도록, 그리고 상기 수분 상황이 고수분 상황으로 판단되면, 상기 제1 및 제2 매개재 중에 열전도도가 작은 매개재가 상기 매개공간에 충진되도록 상기 교체부를 제어하는, 연료전지 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 교체부의 제어에 의한 상기 열전달률의 조절을 통해 액상의 상기 PCM 축열재가 응고되는 시간을 조절하는, 연료전지 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 교체부는, 상기 냉각수를 상기 제1 매개재로 사용하기 위해, 상기 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각수의 일부를 공급받아 별도로 저장하는 저장탱크를 구비하는, 연료전지 시스템.
KR1020160171968A 2016-12-15 2016-12-15 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 KR102518536B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160171968A KR102518536B1 (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
US15/798,027 US10818944B2 (en) 2016-12-15 2017-10-30 Heat exchange device for cooling water of fuel cell and fuel cell system comprising the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160171968A KR102518536B1 (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180069618A true KR20180069618A (ko) 2018-06-25
KR102518536B1 KR102518536B1 (ko) 2023-04-07

Family

ID=62562598

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160171968A KR102518536B1 (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10818944B2 (ko)
KR (1) KR102518536B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10818944B2 (en) 2016-12-15 2020-10-27 Hyundai Motor Company Heat exchange device for cooling water of fuel cell and fuel cell system comprising the same
US11476474B2 (en) 2016-12-14 2022-10-18 Hyundai Motor Company Heat exchange apparatus for cooling water of fuel cell and fuel cell system including the same

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA3071984A1 (en) * 2019-02-11 2020-08-11 Comcast Cable Communications, Llc Power control and retransmission
CN109888332B (zh) * 2019-02-28 2020-09-22 吉利汽车研究院（宁波）有限公司 一种燃料电池热管理系统及热管理方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4193441A (en) * 1977-12-30 1980-03-18 Scaringe Robert P Variable capacity thermal storage system employing thermal switching
JPS61173085A (ja) * 1985-01-25 1986-08-04 Matsushita Electric Works Ltd 潜熱蓄熱装置
US20030138688A1 (en) * 2001-12-27 2003-07-24 Nobuki Hattori Fuel cell power generation system

Family Cites Families (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4127161A (en) * 1977-03-02 1978-11-28 Energy Recycling Company Energy storage unit and system
US5239839A (en) * 1991-06-17 1993-08-31 James Timothy W Thermal energy storage apparatus enabling use of aqueous or corrosive thermal storage media
US5524453A (en) * 1994-08-01 1996-06-11 James; Timothy W. Thermal energy storage apparatus for chilled water air-conditioning systems
US5680898A (en) * 1994-08-02 1997-10-28 Store Heat And Produce Energy, Inc. Heat pump and air conditioning system incorporating thermal storage
US5687706A (en) * 1995-04-25 1997-11-18 University Of Florida Phase change material storage heater
JPH10246584A (ja) 1997-03-05 1998-09-14 Mitsubishi Cable Ind Ltd 蓄熱装置
US7147071B2 (en) * 2004-02-04 2006-12-12 Battelle Energy Alliance, Llc Thermal management systems and methods
JP2001317887A (ja) 2000-05-10 2001-11-16 Central Res Inst Of Electric Power Ind 蓄熱カプセル
KR20030041891A (ko) 2003-03-21 2003-05-27 이효진 잠열저장물질을 함유한 고분자수지
KR200351509Y1 (ko) 2004-03-04 2004-05-24 한화택 공기주머니가 내장된 빙축열용기
JP4844797B2 (ja) 2004-12-27 2011-12-28 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタックの暖機装置
JP4908086B2 (ja) 2006-07-10 2012-04-04 大成建設株式会社 建築物の構成部材
KR101318620B1 (ko) 2007-09-04 2013-10-16 한라비스테온공조 주식회사 축냉 열교환기
US7735461B2 (en) 2008-02-19 2010-06-15 Aqwest Llc Engine cooling system with overload handling capability
US7854131B2 (en) * 2008-04-16 2010-12-21 The Boeing Company Thermal buffer system
JP2009275518A (ja) 2008-05-12 2009-11-26 Honda Motor Co Ltd 車両用暖機システム
JP2009298190A (ja) 2008-06-10 2009-12-24 Toyota Motor Corp 蓄電手段の暖機装置
JP2010127121A (ja) 2008-11-25 2010-06-10 Toyota Motor Corp 蓄熱装置及び内燃機関
GB0911562D0 (en) 2009-07-03 2009-08-12 Basf Se Foam composition
US20120168111A1 (en) * 2009-09-25 2012-07-05 Dow Global Technologies Inc. Heat transfer system utilizing thermal energy storage materials
JP2011075192A (ja) 2009-09-30 2011-04-14 Toyoda Gosei Co Ltd 蓄熱器
US8720224B2 (en) * 2010-02-12 2014-05-13 REJ Enterprises, LLP Gravity flooded evaporator and system for use therewith
JP5182347B2 (ja) 2010-10-01 2013-04-17 パナソニック株式会社 蓄熱装置及び該蓄熱装置を備えた空気調和機
EP2492119A3 (de) * 2011-02-22 2013-10-09 Handtmann Systemtechnik GmbH & Co. KG Latentwärmespeicher
CN103890322B (zh) * 2011-02-24 2017-03-22 蓝瑚科技有限公司 用于潜热相变的蓄热和相关的热传输和交换的装置及方法
KR101102333B1 (ko) 2011-03-02 2012-01-04 케이디피시엠 주식회사 멀티 냉각방식 p.c.m 축냉 시스템
KR101157860B1 (ko) 2011-03-16 2012-06-22 한국과학기술원 Ｐｃｍ과 고무 박막을 이용한 열제어 스위치
DE102011083145A1 (de) 2011-09-21 2013-03-21 Siemens Aktiengesellschaft Wärmespeichervorrichtung
KR101285199B1 (ko) 2011-10-17 2013-07-18 (주)에이스써모 브라인(brine)순환 멀티 냉각방식 P.C.M 축냉 시스템
KR101305199B1 (ko) 2011-12-09 2013-09-12 한양대학교 에리카산학협력단 차량의 축열장치
JP2013181692A (ja) 2012-03-01 2013-09-12 Dainippon Printing Co Ltd 蓄熱装置、空調システム
ES2480765B1 (es) * 2012-12-27 2015-05-08 Universitat Politècnica De Catalunya Sistema de almacenamiento de energía térmica combinando material sólido de calor sensible y material de cambio de fase
JP2014178100A (ja) 2013-03-15 2014-09-25 Sharp Corp 蓄熱体及び蓄熱装置
CZ2013278A3 (cs) 2013-04-11 2014-10-22 Halla Visteon Climate Control Corporation Výměník tepla
KR101426284B1 (ko) 2013-06-13 2014-08-06 금오공과대학교 산학협력단 열전소자와 ｐｃｍ을 이용한 냉방장치
KR20150024624A (ko) 2013-08-27 2015-03-09 한국생산기술연구원 비등간극의 메쉬메탈 구조를 갖는 축냉모듈, 다수 축냉모듈을 장착한 냉동 컨테이너, 그리고 냉동 컨테이너 차량
KR102452542B1 (ko) 2016-12-14 2022-10-07 현대자동차주식회사 열교환 파이프 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
KR102518536B1 (ko) 2016-12-15 2023-04-07 현대자동차주식회사 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4193441A (en) * 1977-12-30 1980-03-18 Scaringe Robert P Variable capacity thermal storage system employing thermal switching
JPS61173085A (ja) * 1985-01-25 1986-08-04 Matsushita Electric Works Ltd 潜熱蓄熱装置
US20030138688A1 (en) * 2001-12-27 2003-07-24 Nobuki Hattori Fuel cell power generation system

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11476474B2 (en) 2016-12-14 2022-10-18 Hyundai Motor Company Heat exchange apparatus for cooling water of fuel cell and fuel cell system including the same
US11777112B2 (en) 2016-12-14 2023-10-03 Hyundai Motor Company Heat exchange apparatus for cooling water of fuel cell and fuel cell system including the same
US10818944B2 (en) 2016-12-15 2020-10-27 Hyundai Motor Company Heat exchange device for cooling water of fuel cell and fuel cell system comprising the same

Also Published As

Publication number Publication date
US10818944B2 (en) 2020-10-27
US20180175420A1 (en) 2018-06-21
KR102518536B1 (ko) 2023-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rashidi et al. Progress and challenges on the thermal management of electrochemical energy conversion and storage technologies: Fuel cells, electrolysers, and supercapacitors
US7919204B2 (en) Thermal control of a flow cell battery
KR20180069618A (ko) 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
EP2954583B1 (en) Water recapture/recycle system in electrochemical cells
US20030039872A1 (en) Freeze tolerant fuel cell power plant
JP2010257644A (ja) 燃料電池システムの制御方法
US6528194B1 (en) Freeze tolerant fuel cell power plant
KR20120016547A (ko) 연료전지를 이용한 휴대용 냉장고 및 그의 운전방법
JP2007509461A (ja) Ｐｅｍ燃料電池の内部水管理
JP2008041505A (ja) 燃料電池システム、燃料電池の水分量推定装置及び方法
KR20060095630A (ko) 연료전지의 연료를 냉매로 이용한 냉각시스템
KR101910126B1 (ko) 연료전지 시스템
JP6573149B2 (ja) 燃料電池発電装置と方法
JP3705182B2 (ja) 水循環装置
JP5283556B2 (ja) 燃料電池システムの制御プログラム
JP2009508308A (ja) 燃料電池内の冷却剤の受動的再循環
KR102506851B1 (ko) 연료전지 냉각수용 열교환 장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
JP2008147121A (ja) 燃料電池評価装置
JP2008121910A (ja) 湿度交換型加湿器およびそれを用いた燃料電池発電システム
KR102051584B1 (ko) 연료 전지 발전 시스템
KR20100132956A (ko) 향상된 작동 효율을 가진 연료전지 발전기
KR101200689B1 (ko) 연료 전지의 열 회수 장치
JP2010092789A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
Jung Modeling and control of two-phase flow in direct methanol fuel cells
US12011389B2 (en) Heating using electrochemical power source

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant