KR20090020687A - 연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 온도 관리 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 온도 관리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 발열 구성 요소(12 내지 32)와 적어도 하나의 프로세스 공기 사용 구성 요소(12, 14, 16)를 포함하는 연료 전지 시스템(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 주변 공기(34) 공급물이 발열 구성 요소(12 내지 32)에 제공되어 발열 구성 요소(12 내지 32)에 의해 가열될 수 있고, 이러한 가열된 공기는 프로세스 공기 사용 구성 요소(12, 14, 16)에 프로세스 공기로서 공급될 수 있다. 본 발명은 또한 연료 전지 시스템의 온도를 관리하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템, 열 손실, 단열, 공기, 순환

Description

연료 전지 시스템 및 연료 전지 시스템의 온도 관리 방법{FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR INFLUENCING THE THERMAL BALANCE OF A FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 적어도 하나의 발열 구성 요소 및 적어도 하나의 프로세스 공기 사용 구성 요소를 포함하는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 연료 전지 시스템의 온도를 관리하는 방법에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 전기 에너지 및 열 에너지를 생성하는 데에 이용되는 것으로, 갈수록 중요성이 증가하고 있는 화석 연료가 1차 공급물로 이용되고 있다. 이동형 분야, 다시 말해 특히 자동차 분야에서는 자동차를 위한 통상의 연료를 이용하는 것이 선호되고 있는 반면, 비이동형 분야, 다시 말해 특히 가정용에서는 천연 가스 및 연료유(fuel oil)가 이용되고 있다.
이들 연료를 처리하는 데에는 적어도 부분적으로 강한 발열 반응인 개질 프로세스가 필요하다. 공지의 용례에서는 또한 애프터버너(afterburner)가 연료 전지의 배기 가스를 전환하거나 발열 반응에서의 1차 공급물인 연료를 전환하는 데에 이용될 수 있다. 연료 전지 시스템에서 연료 전지 자체에 의해 생성되는, 특히 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)의 경우에는 매우 많을 수 있는 폐열을 고려할 필요가 있다. 요컨대, 연료 전지 시스템에서 500 내지 1000℃ 범위의 온도가 작동 조건 및 구조에 따라 수반되고 있다.
주변 환경으로의 열전달로 인한 연료 전지 시스템으로부터의 열 손실을 감소시키기 위해, 연료 전지 시스템의 구성 요소들은 단열 수단 내에 배치된다. 그러나, 그러한 단열 수단이 열 손실을 완전히 방지할 수 없다는 점은 자명하다. 이외에도, 열 손실은 특히 예를 들면 연료 공급물, 공기 공급물 혹은 배출물, 또는 배기 가스를 비롯한 유동 매체를 공급 또는 배출하는 데에 특별히 필요한 안내구(leadthrough) 영역에서 발생할 수 있다. DC/DC 또는 DC/AC 컨버터에 의해 발생하는 폐열은 연료 전지 시스템의 출력 손실로서 간주될 수 있다.
과도한 폐열은 한편으로는 시스템의 효율을 감소시키고 다른 한편으로는 예를 들면 더운 날에 공기 조화를 위해 연료 전지 시스템을 작동시키는 경우에는 방해가 될 수도 있다.
본 발명은 열 손실을 감소시키고 온도 관리를 개선한 연료 전지 시스템을 제공하는 데에 목적이 있다.
이러한 목적은 독립 청구항의 특징부에 의해 달성된다.
본 발명의 유리한 실시예는 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명은 일반적인 연료 전지 시스템에 기초한 것으로, 주변 공기의 공급물이 발열 구성 요소에 제공되어 발열 구성 요소에 의해 가열될 수 있고, 이렇게 가열된 공기가 프로세스 공기 사용 구성 요소에 프로세스 공기로서 공급될 수 있다는 점을 특징으로 한다. 따라서, 이러한 방식에서는 주변 공기 공급물에 의해 흡수된 열은 연료 전지 시스템에서 이루어지는 화학적 및 전기화학적 프로세스를 통해 시스템 내로 돌려보내져 회수될 수 있다.
발열 구성 요소는 주변 공기가 내부로 공급될 수 있는 하우징에 수용되는 것이 적절하다. 하우징은 다수의 발열 구성 요소를 수용하고 공급된 주변 공기를 안내하여, 모든 발열 구성 요소로부터 방출된 열이 공급된 주변 공기의 가열에 기여할 수 있게 한다.
또한, 소정 발열 구성 요소는 다른 발열 구성 요소들이 수용되는 하우징의 외부에 배치하는 것도 가능하다. 예를 들면, DC/DC 또는 DC/AC 컨버터를 연료 전지 시스템에서의 실질적으로 보다 높은 온도의 다른 구성 요소들로부터 약간 떨어지게 배치하는 것이 적절할 수 있다. 따라서, 주변 공기가 공급되도록 된 하우징이 컨버터를 수용하지 않도록 하는 것이 유용할 수도 있다. 이러한 경우, 컨버터에 주변 공기를 보내는 것을 별도로 마련해야 하거나, 컨버터의 폐열을 이용하는 것은 제외시키야 할 것이다.
다른 특히 바람직한 실시예에서, 하우징은 어떠한 경우에도 마련되는 바와 같은 연료 전지 시스템의 발열 구성 요소를 둘러싸는 단열 수단이거나, 어떠한 경우에도 마련되는 바와 같은 단열 수단을 둘러싸는 추가적인 단열 수단일 수 있다. 후자의 경우, 공기 흐름은 통상의 단열 수단과 추가적인 단열 수단 사이에서 안내된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 적어도 하나의 발열 구성 요소는 개질기, 애프터버너, 연료 전지 스택, 매체 도관, DC/DC 컨버터 중 하나 이상일 수 있다.
주변 공기의 공급물은 제1 온도의 제1 발열 구성 요소로 공급되고 이어서 제1 온도보다 높은 제2 온도의 후속 발열 구성 요소로 공급되도록 하는 것이 적절하다. 열 전달률이 관련 매체들 간의 온도차에 좌우되기 때문에, 저온의 주변 공기를 먼저 보다 낮은 온도의 구성 요소에 공급하여 여기에서 온도차가 비교적 크도록 하는 것이 유리하다. 이미 가열된 공기는 이어서 보다 높은 온도의 구성 요소에 공급하여 여기에서도 마찬가지로 큰 온도차가 존재하게 한다. 이러한 식으로, 모든 구성 요소들이 연료 전지 시스템의 온도를 관리하는 데에 포함될 수 있다.
특히 유리하게는 주변 공기가 프로세스 공기 사용 구성 요소에 할당된 송풍기의 급송에 의해 공급될 수 있어 시스템 안으로 주변 공기를 도입하는 데에 추가적인 송풍기를 필요로 하지 않는다.
프로세스 공기 사용 구성 요소는 개질기, 애프터버너 및 연료 전지 스택 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 온도를 관리하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 특히 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 종래의 연료 전지 시스템의 개략도이며,
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시예의 개략도이고,
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제2 실시예의 개략도이다.
도면에 대한 후술하는 설명에서 도면 부호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1을 참조하면, 종래의 연료 전지 시스템의 개략도가 도시되어 있다. 이러한 통상의 연료 전지 시스템(10)은 부분적으로 단열 수단(38) 내에 배치된 복수의 구성 요소를 포함한다. 매체 유통 도관에 의해 서로 연결된 개질기(12), 연료 전지 스택(14) 및 애프터버너(16)가 마련되어 있다. 따라서, 개질기(12)는 연료 펌프(42)에 의해 급송되는 연료 공급물과 송풍기(40)에 의해 급송되는 공기를 연료 공급기(18)를 통해 제공된다. 개질기(12)에서 생성되는 수소 농후 개질유(reformate)는 개질유 도관(26)을 통해 연료 전지 스택(14)의 애노드 단에 유입될 수 있으며, 이 연료 전지 스택(14)에은 또한 캐소드 공급 공기 도관(22) 및 관련 송풍기(44)를 통해 공기 공급물이 제공될 수 있다. 연료 전지 스택(14)의 애노드 배기 가스는 애노드 배기 가스 도관(28)을 통해 애프터버너(16)로 보내지며, 이 애프터버너(16)에는 또한 공기 공급 도관(24) 및 관련 송풍기(46)를 통해 공기 공급물이 제공된다. 애프터 버너(16)에서 생성된 배기 가스는 배기 가스 도관(30)을 통해 연료 전지 시스템(10)을 떠난다. 연료 전지 스택(14)에 의해 생성된 전기는 예를 들면 DC/DC 또는 DC/AC 컨버터와 같은 컨버터(32)에 공급된다. 전술한 바와 같은 연료 전지 시스템(10)은 수많은 변형예에서 예를 들면 배기 가스를 애프터버너(16)로부터 재순환시킬 수 있으며, 또한 연료 전지 스택(14)에서 캐소드를 떠 나는 공기를 애프터버터(16)에 공급할 수도 있다. 또한, 수많은 변형예에서 다양한 매체 흐름들 간의 열교환을 달성하는 열교환기가 마련될 수도 있다.
이러한 연료 전지 시스템(10)에서의 문제점은 한편으로는 당연한 바와 같이 단열 수단(38)을 통해 화살표(48, 50)로 나타낸 바와 같이 초래되고, 다른 한편으로는 특히 단열 수단(38)을 통과하는 안내구 영역, 예를 들면 매체 공급기의 영역에서 화살표(52)로 나타낸 바와 같이 초래되는 열 손실이다. 추가적인 열 손실은 화살표(54)로 나타낸 바와 같이 컨버터(32)에서 발생한다.
이하, 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제1 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 도 1과 관련하여 설명한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 주변 공기(34)의 유입을 위한 적어도 하나의 공기 입구 포트(58)를 구비하는 하는 하우징(36)을 마련하는 것을 제안하고 있다. 또한, 송풍기(40)의 공기 유입측에 연결된 공기 출구 포트(58)를 마련하고 있다. 하우징(36)에는 연료 전지 시스템(10)의 발열 구성 요소가 수용된다. 송풍기(40)가 작동 중인 경우, 주변 공기(34)는 단열 수단(38) 및 이 단열 수단(38)의 외부에 배치된 컨버터(32)를 각각 에워싸는 하우징(36) 내로 흡입된다. 저온의 주변 공기(34)는 열을 흡수하여 가열된 상태로 공기 출구 포트(58)를 통해 하우징(36)을 빠져나간다. 이어서, 가열된 주변 공기는 프로세스 공기로서 송풍기(40)를 통해 개질기(12)로 돌려보내진다. 이에 대해 대안으로 또는 추가적으로, 가열된 공기는 또한 연료 전지 스택(14) 및 애프터버너(16)에 각각 공급될 수도 있다.
전술한 양태에 의해, 흡입된 주변 공기(34)가 단열 수단(38)을 둘러싸고 지 속적으로 새로운 것으로 교체되는 소위 제2의 막을 형성하고 이 막에 전달된 열 에너지가 프로세스 공기를 통해 연료 전지 시스템(10)으로 돌려보내지기 때문에, 전체 연료 전지 시스템에서 방출되는 열, 즉 하우징(36)으로부터 나오는 열을 감소시킬 수 있다.
이하, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 시스템의 제2 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 단열 수단(38) 자체가 공기 입구 포트(56) 및 공기 출구 포트(58)를 구비하여, 저온의 주변 공기가 발열 구성 요소, 예를 들면 애프터버너(16), 연료 전지 스택(14) 및 개질기(12)를 직접 에워싸 가열되고, 가열된 상태로 공기 출구 포트(58)를 떠난 후에 프로세스 공기로서 송풍기(40)를 통해 개질기(12)로 돌려보내지도록 되어 있다. 이러한 식으로 시스템을 구성하면, 외부에 추가적으로 하우징(36)(도 2 참조)을 마련할 필요가 없다. 컨버터(32)로부터 방출되는 열 에너지도 마찬가지로 회수하기 위해서는 고온의 공기를 돌려보내기 위한 별도의 수단이 필요할 것이다.
전술한 상세한 설명, 첨부 도면, 및 청구 범위에 개시한 바와 같은 본 발명의 특징들은 그 자체만으로든 임의의 조합으로든 본 발명을 달성하는 데에 필수적일 수 있다는 것을 이해할 것이다.
<도면 부호>
10 : 연료 전지 시스템 12 : 개질기
14 : 연료 전지 스택 16 : 애프터버너
18 : 연료 공급기 20 : 공기 공급기
22 : 캐소드 공급 공기 도관 24 : 공급 공기 도관
26 : 개질유 도관 28 : 애노드 배기 가스 도관
30 : 배기 가스 도관 32 : 컨버터
34 : 주변 공기 36 : 하우징
38 : 단열 수단 40, 44, 46 : 송풍기
42 : 연료 펌프 48, 50, 52, 54 : 화살표
56 : 공기 입구 포트 58 : 공기 출구 포트

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 발열 구성 요소(12 내지 32)와 적어도 하나의 프로세스 공기 사용 구성 요소(12, 14, 16)를 포함하는 연료 전지 시스템(10)에 있어서,
    주변 공기(34) 공급물이 상기 발열 구성 요소(12 내지 32)에 제공되어 발열 구성 요소(12 내지 32)에 의해 가열될 수 있고, 이렇게 가열된 공기가 프로세스 공기 사용 구성 요소(12, 14, 16)에 프로세스 공기로서 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 것인 연료 전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열 구성 요소는 주변 공기가 내부에 공급될 수 있는 하우징(36, 38)에 수용되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발열 구성 요소(32)는 다른 발열 구성 요소(12 내지 30)가 수용되는 하우징(38)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하우징은 단열 수단(38)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 발열 구성 요소는 개질기(12), 애프터버너(16), 연료 전지 스택(14), 매체 도관(18 내지 30) 및 DC/DC 컨버터(32) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주변 공기(34) 공급물은 제1 온도의 제1 발열 구성 요소에 공급되고, 이어서 제1 온도보다 높은 제2 온도의 후속 발열 구성 요소로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주변 공기(34)는 프로세스 공기 사용 구성 요소에 할당된 송풍기(40)의 급송에 의해 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세스 공기 사용 구성 요소는 개질기(12), 애프터버너(16) 및 연료 전지 스택(14) 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 연료 전지 시스템(10)의 온도를 관리하는 방법.
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