KR950009656Y1 - 연료전지 발전시스템 - Google Patents

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안소니 샌더슨 로버트
가츠노리 사카이
다케시 구와바라
다케시 아메미야
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가부시키가이샤 도시바
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Abstract

내용 없음.

Description

연료전지 발전시스템
제 1 도는 본 고안의 1실시예에 따른 이상판정장치를 나타낸 회로도.
제 2 도는 동작온도와 전지전압의 관계를 나타낸 전지특성 그래프.
제 3 도 및 제 4 도는 종래의 연료전지의 단면도 및 상면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 셀스택 3 : 다기관
8 : 절연판 10 : 상·하단 압력판
14 : 하부탱크 15 : 지지대
18 : 냉각판 19 : 유입헤더
20 : 배출헤더 21 : 관통부
22 : 증기분리기 23 : 냉각수 배출관
[산업상의 이용분야]
본 고안은 연료전지 발전시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지에 제공되는 냉각수 공급을 위한 경보 및 보호시스템을 갖춘 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.
[종래의 기술 및 그 문제점]
최근에는 연료에너지를 전기에너지로 직접 변환하기 위한 연료전지 발전시스템이 채용되고 있다. 이 연료전지 발전시스템은, 통상 한쌍의 투과성 전극으로 구성된 연료전지와, 이들 전극 사이에 위치하는, 예컨대 상기 시스템이 이들 전극 사이에서 전기에너지를 발생하도록 한쪽 전극의 외측에 접촉하는 수소 등의 연료와 다른쪽 전극의 외측에 접촉하는 산소 등의 산화제와 같은 전해질 재료로 이루어지고, 상기 에너지는 상기 가스들의 접촉에 의한 전기화학반응에 의해 발생한다. 그리고, 이 전기에너지는 연료와 산화제가 시스템에 공급되는 한 높은 변환효율로 발생시킬 수 있게 된다.
제3도는 통상의 연료전지장치의 구성을 나타낸 수직단면도, 제4도는 상기 연료전지장치의 구성을 나타낸 상면도이다.
도시된 바와 같이, 통상의 연료전지는 복수개의 전지를 갖춘 셀스택(cel1stack;1)으로 이루어지고, 단일 전지는 모체에 전해질로서의 인산을 충만시킴으로써 형성된 전해질 층과 이 전해질층 양측에 설치된 한쌍의 투과성 전극으로 구성된다. 상기 셀스택(1)은 반응가스의 공급과 배출에 사용되는 다기관(manifold:2,3)을 포함하고 있다.
다기관(2)은 셀스택(1)의 양 반대측에 설치되어 있는 연료공급관(4)과 연료배출관(5)에 연결됨과 더불어, 상기 연료공급 및 배출관(4, 5)과 수직하게 상기 셀스택(1)의 양 반대측에 설치되어 있는 공기공급관(6)과 공기배출관(7)에 연결되어 있다.
그리고, 셀스택(1)에는 중간에 위치한 절연판(8)을 매개해서 상단 및 하단에 각각 상단 압력판(9) 및 하단압력판(10)이 설치된다. 이들 압력판(9, 10)은 셀스택(1)의 상단 및 하단의 각 끝에 고정된 막대(11)와 너트(12)로 구성된 고정부재(fastening member)를 갖추고 있다. 이 고정부재를 이용하여 복수개의 셀을 서로 견고하게 고정할 수 있게 된다.
그리고, 상술한 연료전지 본체는 지지대(15)위에 볼트(13)로 고정되어 있고, 이 지지대(15)는 하부탱크(14)위에 설치되어 있다. 탱크의 일부분인 참조부호 16과 17은 연료전지 어셈블리의 전체를 덮는다. 또한, 연료전지내에서 발생하는 열을 제거하기 위해 셀스택(1) 내부에 복수개의 냉각판(18)이 삽입되어 있다
상기 연료 셀스택(1)은 냉각판(18)에 형성된 통로를 통해 흐르는 냉각수에 의해 적당한 동작온도로 냉각된다. 지나치게 가열된 냉각수는 배출헤더(outlet header; 20)로부터 배출된다.
연료전지용의 냉각시스템으로서는, 압축수 냉각시스템(pressurized water cooling system)과 비등수 냉각시스템(bolling water cooling system)등의 2가지 형태가 널리 알려져 있다.
상기 압축수 냉각시스템은 상기 비등수 냉각시스템보다 더 많은 냉각수를 필요로 하기 때문에, 큰 보조력과 그로 인해 연료전지 발전시스템의 효율이 떨어지는 문제를 초래한다. 따라서, 연료전지는 통상 비등수 냉각시스템을 이용하는데, 이 시스템은 냉각수에 함유된 증기의 잠열(latent heat)을 사용함으로써, 냉각수의 양과 보조력을 감소시킨다.
또, 비등수 냉각시스템은 유입헤더(inlet header; 19)로부터 공급되는 냉각수가 가열되도록 고안되어 있다. 물은 냉각판(18)을 통해 흐르면서 가열된 후 액상(液相)과 기상(氣相)으로 이루어진 2상류(two-phase flow)로서 배출된다.
그리고, 2상류는 냉각판 배출관(cooling plate outlet pipes; 23)을 통해 배출헤더(20)에 모두 모아진 후, 모아진 2상류는 관통부(penetration part: 21)를 통해 배출되고, 마지막으로 셀스택(1)의 물배출관(water outlet pipe; 24)을 통해 증기분리기(steam separator; 22)로 유입된다.
이 경우, 비등수 냉각시스템을 이용하는 연료전지 본체는 각 냉각판(18)에 가해지는 냉각수의 각 압력을 갖는 바, 셀스택(1)에 수직으로 적층된 냉각판(18)이 각각의 높이를 가짐으로써 냉각수가 냉각판(18)을 통해 흐르는 한은 각각의 냉각판(18)에 각각의 냉각수 헤드를 갖기 때문에, 균일한 비등(boiling)을 받을 수 없게 된다. 따라서, 2상류의 품질이 셀스택(1)의 상단부로부터 하단부에 걸친 냉각판 배출에서 달라진다.
그러므로, 일반적으로 스택의 상단부를 통해 흐르는 냉각수의 양은 스택의 하단부를 통해 흐르는 냉각수의 양보다 적은데, 이러한 경향은 연료전지내에 흐르는 냉각수의 양이 어떤 원인에 의해 감소하거나 또는 연료전지에 가해지는 부하가 지나친 경우에 뚜렷하게 발생한다. 최악의 경우에는, 셀스택(1)의 상단에 위치한 냉각판(18)에서 냉각수가 계속해서 증발하게 되는데, 이는 냉각판(18)의 대단히 낮은 냉각효율과 전지의 온도가 인정된 상한값 이상에 도달하게 하는 바람직하지 않은 결과를 초래하게 된다.
그렇지만, 셀스택(1)의 수직길이에 걸친 냉각수 공급시스템의 이상상태를 적당히 검지하기 위한 수단이 제안되어 있지 않다. 이 때문에, 현상태에서는 이상 상태로 되더라도 연료전지가 계속 동작하여 연료전지 자체의 파괴를 초래하게 된다.
한편, 이상 상태를 감시하기 위해, 예컨대 상단셀에 더모커플(thermo couple)과 같은 온도센서를 삽입함으로써, 셀의 이상온도를 검지하는 것이 가능하다. 그렇지만, 정상적인 발전시스템에서 이용되는 연료전지는, 전지에 공급되는 전압이 높기 때문에, 상기 온도센서가 충분히 절연될 수 없게 된다. 따라서, 셀온도를 정확하게 측정하는 것이 어렵고, 더욱이 연료 셀스택내의 부식으로 인하여 온도측정을 신뢰할 수 없다는 문제가 있었다.
[고안의 목적]
본 고안은 상기한 점을 감안하여 고안된 것으로, 냉각수의 배류(配流)가 2상류 냉각의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 확대됨과 더불어 유입헤더로부터 상단 냉각판으로 공급되는 냉각수의 양이 미리 정해진 한계값보다 적어진 경우, 냉각수의 온도가 소정의 온도 이상으로 되면, 상단에 적층된 셀에서 냉각수의 이상상태를 정확하게 검지할 수 있는 셀냉각수 공급을 위한 경보 및 보호시스템을 갖춘 연료전지 발전시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
[고안의 구성]
상기한 목적을 달성하기 위해 본 고안은, 연료전극과 산화제 전극 및 이들 전극 사이에 위치하는 전해질층을 갖춘 복수의 전지와, 이 전지 사이에 위치되어 상기 전지에서 발생한 열을 흡수하기 위한 복수의 냉각판과 이 냉각판을 통해 냉각수를 공급하기 위한 냉각라인을 갖춘 연료전지 본체로 구성된 셀스택을 갖춘 연료전지발전시스템에 있어서, 기준전압을 공급하기 위한 기준전압원과, 상기 전지 본체의 상단부에 위치한 적어도 1개의 셀의 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 냉각라인에서 이상상태가 발생한 것을 판정하는 이상판정수단을 구비하여 구성된 것을 특징으로 한다.
[작용]
상기와 같이 구성된 본 고안에 따른 연료전지 발전시스템은, 최상단의 냉각판과의 사이의 출력전압값과 냉각판 사이의 평균전압을 항시 측정할 수 있도록 설계되어 있다. 그러므로, 냉각수가 2상류 냉각의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 대부분 배류됨과 더불어 유입헤더로부터 상단 냉각판으로 공급되는 냉각수의 양이 미리 정해진 한계값보다 적어진 경우에, 상기 시스템이 측정된 2개의 전압값을 비교하여 상단에 적층된 셀의 온도상승으로 인해 발생한 전압상승을 검지할 수 있게 된다.
이하, 제1도를 참조하여 본 고안의 1실시예를 상세히 설명한다.
제1도에 있어서, 제3도 및 제4도에 나타낸 종래의 장치와 동일한 부분에는 동일한 참조부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
제1도에 나타낸 바와 같이 본 실시예에 따르면, 최상단 냉각판(18a)과, 두번째 냉각판(18b) 및, 최하단 냉각판(18d)은 각각 전압검지단자(31, 32, 33)를 갖추고 있다. 더욱이, 본 실시예는 전압검지단자(31, 32)간의 최상단 블럭전압을 측정하기 위한 최상단 블럭전압 검지기(34)와, 전압검지단자(31, 32)간의 총블럭전압을 측정하기 위한 총블럭전압 검지기(35)를 포함하고 있다.
여기서, 최상단 블럭전압 검지기(34)와 총블럭전압 검지기(35)는 그들의 출력을 이들 출력을 처리하는 산술 및 논리장치(36)로 공급한다. 산술 및 논리장치(36)의 출력에 근거하여 2상류 냉각시스템에 이상상태가 발생했다고 판정되면, 상기 산술 및 논리장치(36)는 시스템 동작을 위해 신호를 경보 및 보호장치(37)로 공급하게 된다.
상기와 같이 구성된 연료전지 발전시스템에서, 전압검지기(34, 35)는 각각 최상단 블럭과 모든 블럭에 인가된 전압을 검지하게 위해 제공되어, 다음과 같은 동작을 수행하는 산술 및 논리장치(36)로 검지된 전압을 공급한다.
한편, 제2도는 온도와 단일전지전압 사이의 특성의 일예를 나타낸 것이다. 횡축에 전지온도를 표시하고, 종축에 전지진압을 표시하면, 그 특성은 온도가 약 230℃에 도달할 때까지 선형적이라는 것을 제2도에 나타낸 그래프로부터 명백히 알 수 있다.
여기서, 냉각수 배류가 2상류 냉각의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 확대됨과 더불어 상단의 유입헤더로부터 공급되는 냉각수의 양이 소정의 한계값보다 적어진 경우, 상단에 적층된 셀온도의 상승에 수반하는 상단에 적층된 셀의 전압상승(△V)은 식(1)에 최상단 블럭전압(V1)과 총블럭전압(V2)을 대입함으로써 얻을 수 있다. 결과값(△V)이 허용치 이상이 되면, 2상류 냉각시스템에서 이상상태가 발생한 것으로 판정하여, 산술 및 논리장치(36)는 시스템동작을 위하여 경보 및 보호장치(37)로 신호를 공급하게 된다.
여기서, 평균동작온도가 205℃이고, 셀온도의 상단 한계값이 235℃라 하면, 셀온도 205℃로부터 235℃까지 주어진 전압상승(△V0)은 제2도에 나타낸 그래프로부터 얻을 수 있는데, 만약에 △V>△V0의 관계가 소정의 한계값보다 커지면 "이상 셀온도 상태"로서 판정될 수 있다.
따라서, 냉각수 배류가 2상류 냉각 악화의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 확대됨과 더불어 유입헤더로부터 상단 냉각판으로 공급되는 냉각수의 양이 소정의 한계값보다 적어진 경우, 상기와 같이 구성된 연료전지 발전시스템은 상단에 적층된 셀온도가 소정의 온도 이상으로 상승하는 이상상태를 신속하고도 징확하게 검지할 수있게 된다.
이하, 본 고안의 다른 실시예에 대해 설명한다.
본 고안은 상기 실시예와 다른 구성을 이용할 수도 있다. 즉, 냉각수 배류가 2상류 냉각 악화의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 확대됨과 더불어 상단 냉각판의 유입헤더로부터 공급되는 냉각수의 양이 소정의 한계값보다 적어진 경우, 본 실시예는 전지 본체의 상단에 적층된 셀의 전압값과 전지 본체의 평균셀 전압값 등과같은 기준전압값을 비교함으로써, 상단에 적층된 셀온도가 소정의 온도 이상으로 상승하는 이상상태를 검지할수 있게 된다. 여기서, 상단에 적층된 셀의 전압과 기준전압을 검지하는 방법은 적절하게 설정할 수 있다.
한편, 수십개의 블럭을 포함하도록 설계된 연료전지에 있어서는, 예컨대 수개의 상단블럭의 평균블럭전압값이 상단에 적층된 셀전압값으로 사용되더라도 본 고안의 요지를 만족할 수 있다.
더욱이, 동일한 효과를 얻기 위하여, 기준전압은 상단과 하단 끝 블럭간에서 계산된 평균블럭전압이나 어떤 분할된 셀스택중에서 계산된 평균블럭진압을 적용할 수도 있다.
[고안의 효과]
이상 설명한 바와 같이 본 고안은, 기준전압값과 셀스택의 상단부에 위치하는 단일전지 또는 전지군의 전압값을 비교하기 위해 설계된 연료전지 발전시스템을 제공한다. 이 때문에, 냉각수 배류가 2상류 냉각 악화의 결과로서 셀스택의 수직방향으로 확대됨과 더불어 유입헤더로부터 상단 냉각판으로 공급되는 냉각수의 양이 소정의 한계값보다 적어진 경우, 상기 시스템은 상단에 적층된 셀온도가 소정의 온도 이상으로 상승하는 이상상태를 신속하고도 정확하게 검지할 수 있게 된다.
또한, 본 시스템은 이상상태에서 동작이 계속될 때에 발생하는 셀의 파괴를 방지함은 물론, 연료전지와 장치 동작의 안전에 대해 큰 효과를 제공하게 된다.

Claims (4)

  1. 연료전극과 산화제 전극 및 이들 전극 사이에 위치하는 전해질층을 갖춘 복수의 전지와, 이 전지 사이에 위치되어 상기 전지에 발생한 열을 흡수하기 위한 복수의 냉각판(18)과 이 냉각판(18)을 통해 냉각수를 공급하기 위한 냉각라인을 갖춘 연료전지 본체로 구성된 셀스택(1)을 갖춘 연료전지 발전시스템에 있어서, 기준전압을 공급하기 위한 기준전압원과, 상기 전지 본체의 상단부에 위치한 적어도 1개의 셀의 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 냉각라인에서 이상상태가 발생한 것을 판정하는 이상판정수단을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이상판정수단이 적어도 1개의 전지의 출력전압과 상기 기준전압을 비교하여 상기 전지의 특성과 상기 셀스택(1)을 구성하는 전지의 특성변화를 평가하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기준전압이 상기 셀스택(1)의 출력전압과 상기 셀스택(1)에 포함된 전지의 평균출력전압을 이용하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 1개의 전지가 상기 셀스택(1)에 포함된 최하단 셀에 인접한 냉각판과 두번째로 낮은 냉각판 사이에 위치하는 하단셀 뿐만 아니라, 상기 셀스택(1)에 포함된 최상단 셀에 인접한 냉각판과 두번째로 높은 냉각판 사이에 위치하는 상단 셀을 이용하도록 된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
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