KR-20260060766-A - A COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템은, 제1 연료전지의 내부를 순환하는 제1 냉각수가 지나며, 제1 연료전지의 외부에 구비된 수요처를 지나도록 형성되는 제1 순환 라인을 포함하고, 제1 냉각수는, 제1 연료전지 내부에서 열 교환을 통해 승온되어 제1 순환 라인을 따라 인출되고, 수요처에서 열원으로 사용됨에 따라 온도가 하강하여 제1 순환 라인을 따라 제1 연료전지로 다시 인입되며, 별도의 방열 장치를 구비하지 않고도 제1 연료전지의 구동 온도를 유지 가능하다.

Inventors

한민기

Assignees

삼성중공업 주식회사

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (14)

제1 연료전지 및 상기 제1 연료전지의 냉각 시스템에 있어서, 상기 제1 연료전지의 내부를 순환하는 제1 냉각수가 지나며, 상기 제1 연료전지의 외부에 구비된 수요처를 지나도록 형성되는 제1 순환 라인을 포함하고, 상기 제1 냉각수는, 상기 제1 연료전지 내부에서 열 교환을 통해 승온되어 제1 순환 라인을 따라 인출되고, 상기 수요처에서 열원으로 사용됨에 따라 온도가 하강하여 상기 제1 순환 라인을 따라 상기 제1 연료전지로 다시 인입되며, 별도의 방열 장치를 구비하지 않고도 상기 제1 연료전지의 구동 온도를 유지 가능한 연료전지용 냉각 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 제2 연료전지의 내부를 순환하는 제2 냉각수가 지나는 제2 순환 라인; 및 상기 수요처를 지나온 상기 제1 순환 라인 상에서, 상기 제2 순환 라인과 교차되는 지점에 구비되는 열 교환기를 더 포함하고, 상기 제1 순환 라인은, 상기 제1 연료전지와 상기 수요처 사이를 연결하는 제1 구간 라인, 상기 수요처와 상기 열 교환기 사이를 연결하는 제2 구간 라인 및 상기 열 교환기와 상기 제1 연료전지 사이를 연결하는 제3 구간 라인으로 이루어지며, 상기 제2 순환 라인은, 상기 제2 연료전지와 상기 열 교환기 사이를 연결하는 제4 구간 라인 및 상기 열 교환기와 상기 제2 연료전지를 연결하는 제5 구간 라인으로 이루어지고, 상기 제1 냉각수와 상기 제2 냉각수는 상기 열 교환기에서 교차되며 상호 보완적인 열 교환이 이루어져 동일한 온도 조건을 형성함에 따라 상기 제1 연료전지와 상기 제2 연료전지가 열 밸런싱을 이루는 연료전지용 냉각 시스템.
제2 항에 있어서, 상기 제2 순환 라인에 구비되어, 상기 제2 냉각수를 순환시키는 냉각 펌프를 더 포함하고, 상기 냉각 펌프는, 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 상기 제2 냉각수의 유속을 조절하여 상기 열 교환기 내부에서 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수 사이의 열 교환 정도를 제어함으로써, 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수의 온도를 기 설정된 범위 내에서 용이하게 유지 가능한 연료전지용 냉각 시스템.
제2 항에 있어서, 상기 제2 순환 라인에서 분기되어 상기 수요처를 지나고 다시 상기 제2 순환 라인과 합쳐지는 제3 순환 라인을 더 포함하는 연료전지용 냉각 시스템.
제4 항에 있어서, 상기 제1 순환 라인, 상기 제2 순환 라인 및 상기 제3 순환 라인 상에 구비되어, 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수의 온도를 감지하는 감지 센서; 및 상기 제2 순환 라인 및 상기 제3 순환 라인 상에 각각 구비되는 제1 밸브 및 제2 밸브의 개폐 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 제1 냉각수의 온도 및 상기 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개방 정도를 각각 제어함에 따라, 상기 제2 순환 라인과 상기 제3 순환 라인 내부의 유량을 조절하여, 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수의 인입 온도를 기 설정된 온도 범위 내에서 유지시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제5 항에 있어서, 상기 제3 순환 라인은, 일단이 상기 제2 순환 라인의 상기 제4 구간 라인에서 분기되어 타단이 상기 수요처로 연결되는 제6 구간 라인; 및 일단이 상기 수요처와 연결되고 타단이 상기 제4 구간 라인과 다시 합쳐지는 제7 구간 라인을 포함하고, 상기 제3 순환 라인을 따라 이동되는 상기 제2 냉각수는, 상기 제2 연료전지에서 인출되어 상기 수요처와 상기 열 교환기를 차례로 지나 상기 제2 연료전지로 회수되는 연료전지용 냉각 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 제1 구간 라인의 상기 제1 냉각수와 상기 제4 구간 라인의 상기 제2 냉각수의 온도의 합이 기 설정된 온도 값을 초과하는 경우, 상기 제어기는, 상기 제2 밸브를 개방하여 제3 순환 라인을 가동시켜 상기 제2 냉각수의 일부가 상기 제3 순환 라인을 따라 이동되도록 제어하고, 상기 제2 냉각수의 일부가 상기 수요처에서 열원으로 사용된 후 온도가 하강된 상태로 상기 열 교환기에 유입되어 상기 제1 냉각수와의 열 교환 효율을 향상시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 제1 구간 라인의 상기 제1 냉각수와 상기 제4 구간 라인의 상기 제2 냉각수의 온도의 합이 기 설정된 온도 값 미만인 경우, 상기 제어기는, 상기 제2 밸브를 폐쇄하여 상기 제3 순환 라인의 가동을 비활성화시켜 상기 제2 냉각수가 모두 상기 제2 순환 라인을 따라 이동되도록 제어하고, 상기 열 교환기 내부에서 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수가 열 교환됨에 따라, 기 설정된 인입 온도를 충족시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 제1 구간 라인의 상기 제1 냉각수와 상기 제4 구간 라인의 상기 제2 냉각수의 온도의 합이 기 설정된 온도 값을 충족하는 경우, 상기 제어기는, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 현재 개방 상태를 유지시킴으로써, 상기 제3 구간 라인과 상기 제5 구간 라인에서의 상기 제1 냉각수와 상기 제2 냉각수의 온도를 유지시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제6 항에 있어서, 상기 제3 순환 라인은, 일단이 상기 제2 순환 라인의 상기 제4 구간 라인에서 분기되어 타단이 상기 수요처로 연결되는 제6 구간 라인; 및 일단이 상기 수요처와 연결되고 타단이 상기 제5 구간 라인과 다시 합쳐지는 제7 구간 라인을 포함하고, 상기 제3 순환 라인을 따라 이동되는 상기 제2 냉각수는, 상기 제2 연료전지에서 인출되어 상기 수요처를 지나되 상기 열 교환기는 통과하지 않고 상기 제2 연료전지로 회수되는 연료전지용 냉각 시스템.
제10 항에 있어서, 상기 제2 구간 라인의 상기 제1 냉각수의 온도가 기 설정된 온도 값 미만인 경우, 상기 제어기는, 상기 제1 냉각수의 온도와 상기 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 상기 제4 구간 라인에서 상기 열 교환기로 인입되는 제2 냉각수의 필요 유량을 설정하고, 상기 필요 유량에 기초하여, 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브의 개방 비율을 조절함으로써, 상기 열 교환기 내부에서 상기 제1 냉각수 및 상기 제2 냉각수를 열 교환시킴에 따라 기 설정된 인입 온도를 충족시키며, 상기 제6 구간 라인을 따라 이동되는 상기 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 상기 수요처에서 사용되는 열용량을 제어함으로써, 상기 제7 구간 라인에서 기 설정된 인입 온도를 충족시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제10 항에 있어서, 상기 제2 구간 라인의 제1 냉각수의 온도가 기 설정된 온도 값을 충족하는 경우, 상기 제어기는, 상기 제1 냉각수와 상기 제2 냉각수의 열 교환이 일어나지 않도록, 상기 제1 밸브를 폐쇄하여 상기 제2 냉각수의 전체를 상기 제3 순환 라인을 따라 이동시키고, 상기 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 상기 수요처에서 사용되는 열용량을 제어함으로써, 상기 제7 구간 라인에서 기 설정된 인입 온도를 충족시키는 연료전지용 냉각 시스템.
제1 항에 있어서, 상기 수요처는, 냉방기, 난방기, 공기청정기 및 환풍기 중 적어도 하나를 포함하는 공조 장치인 연료전지용 냉각 시스템.
제1 항의 연료전지용 냉각 시스템을 구비하는 연료전지 추진 선박.

Description

연료전지용 냉각 시스템{A COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL} 본 발명은 연료전지용 냉각 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 연료전지로부터 배출되는 냉각수를 수요처로 공급 및 회수하는 순환 라인을 형성함으로써, 수요처에서 냉각수를 열원으로 사용 가능함과 동시에 가열된 냉각수의 온도를 용이하게 저하시키는 것이 가능한 연료전지용 냉각 시스템에 관한 것이다. 연료전지의 냉각수란 연료전지 시스템 내에서 열을 제거하고 전지를 안정적으로 작동시키기 위해 사용되는 물 또는 다른 유체다. 연료전지는 화학 반응을 이용하여 연료(일반적으로 수소)를 산소와 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로, 상기 화학 반응 과정에서 열이 발생한다. 이러한 열은 전지 내부에서 높은 온도를 유발할 수 있으며, 이는 전지의 성능을 저하시키거나 손상시킬 수 있으므로, 연료전지의 안정성과 효율성을 유지하기 위해 효과적으로 제거되어야 한다. 냉각수는 이러한 열을 흡수하고 외부로 방출하여 전지가 적정 온도에서 작동하도록 유도하기 때문에 연료전지에 있어서는 필수적인 요소이다. 또한, 냉각수는 연료전지가 과열되는 것을 방지하고 안정적인 온도를 유지함으로써 전지의 안전한 운영을 보장하며 전지의 수명과 성능을 향상시킬 수 있다. 연료전지에는 다양한 냉각 시스템을 사용할 수 있다. 냉각수를 이용한 수냉, 공기를 이용한 공냉, 히트파이프를 이용하는 방식, 기름을 이용하는 유냉 등 다양한 방법을 통해 연료전지를 냉각 할 수 있다. 물은 공기, 기름과 같은 물질보다 상대적으로 높은 비열을 갖는 물질로써, 다른 냉각제에 비해 매우 효율적인 냉각이 가능하며, 일상생활 어디에서든 찾아볼 수 있는, 높은 접근성을 가진 물질이기 때문에 연료전지의 냉각 방식으로는 물, 즉 냉각수를 이용한 수냉이 각광받고 있다. 하지만, 오히려 비싸기 때문에 재활용을 하는 구조를 갖는 유냉, 히트파이프 방식이나, 무한정으로 순환하는 공기를 사용하는 공냉에 비해서 냉각수를 사용하는 수냉은 냉각에 사용된 냉각수가 그대로 버려진다는 단점을 갖고 있다. 특히, 연료전지의 뜨거운 열에너지를 흡수하여 온도가 높아진 냉각수를 그대로 버리는 것은 환경을 오염시키는 원인으로 작용할 수도 있으며, 뜨거워진 냉각수는 그 자체로 훌륭한 에너지 자원이기 때문에 이를 그대로 방출하는 것은 막대한 에너지 자원을 낭비하는 일이다. 이에, 사용 후 온도가 높아진 냉각수가 가지는 에너지를 사용할 수 있는 방안과 이러한 냉각수를 활용한 연료전지의 보다 효율적인 냉각 기술의 개발 필요성이 제기되었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 순환 라인을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 순환 라인을 나타낸 도면이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제3 순환 라인을 나타낸 도면이다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, “또는”, “적어도 하나” 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예들에 있어서, 각 구성들의 크기, 두께 및 형상은 설명의 편의를 위해 과장되게 도시되었으며, 실제 연료전지용 냉각 시스템에서는 이와 다른 크기와 형상을 가질 수 있다. 또한, 도시된 배선의 연결 구조는 편의를 위해 간략하게 도시된 것으로써, 이와 다른 연결 형태가 적용될 수 있으며, 소정 구성 요소를 기준으로 하여 상부, 하부, 측부 등을 표시하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 장치의 회전이나 배치에 따라 지칭한 방향과 다른 방향으로 해석될 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템(100)은, 제1 연료전지(110)와 제1 순환 라인(L1)을 포함할 수 있다. 먼저, 제1 연료전지(110)는 화학 반응을 이용하여 연료를 산소와 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 일반적으로 연료 탱크로부터 수소 가스를 공급받고, 외부 또는 환기장치로부터 공기를 공급받아, 수소와 공기 중의 산소를 화학적으로 반응시킴으로써 전기를 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 전기는 선박 내 추진기(미도시)로 공급되어 추진기를 동작시키는 데 사용될 수 있다. 이 때, 상기 화학 반응 과정에서 열이 발생하게 되는데 이러한 열은 전지 내부에서 성능을 저하시키거나 전지를 손상시킬 우려가 있다. 따라서, 전지가 적정 온도를 유지할 수 있도록 연료전지 반응 시 생성되는 열을 제거하는 과정이 필수적으로 요구되며, 이를 위해 본 발명은 냉각수를 활용한 연료전지 냉각 시스템을 채택하였다. 이러한 냉각 시스템은 제1 연료전지(110)의 내부를 순환하는 제1 냉각수가 지나는 제1 순환 라인(L1)을 포함할 수 있으며, 이 때 제1 순환 라인(L1)은 제1 연료전지(110)의 외부에 구비된 수요처(S)를 지나도록 형성될 수 있다. 이러한 제1 냉각수는, 제1 연료전지(110) 내부에서 열 교환을 통해 승온되어 제1 순환 라인(L1)을 따라 인출되고, 수요처(S)에서 열원으로 사용됨에 따라 온도가 하강하여 제1 순환 라인(L1)을 따라 제1 연료전지(110)로 다시 인입되게 된다. 일 예로서, 본 발명의 수요처(S)는, 냉방기, 난방기, 공기청정기 및 환풍기 중 적어도 하나를 포함하는 공조 장치일 수 있으며, 이러한 공조 장치는 제1 순환 라인(L1)을 따라 인입되는 제1 냉각수의 열을 흡수하여 열원으로 사용하여 구동될 수 있다. 또한, 수요처(S)는 도면 상에서 하나로 마련되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수요처(S)의 개수가 다수 개로 제공될 수 있으며, 그 종류가 각각 상이하게 마련될 수도 있을 것이다. 상기 공조 장치는 수요처(S)의 일 예를 설명한 것으로 본 발명의 수요처(S)가 이에 한정되는 것은 아니며, 열 에너지를 필요로 하는 모든 장치 및 설비를 포함하는 의미로 사용되었다. 본 발명의 연료전지용 냉각 시스템(100)이 이러한 구성을 채택함에 따라, 연료전지 시스템 내에 발생되는 열을 낮추기 위해 별도의 방열 장치를 구비하지 않고도 연료전지의 구동 온도를 자동적으로 유지 가능한 이점을 가진다. 이에 따라, 방열 설비 구축에 소모되는 비용을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 연료전지 내부에서 생성되는 열을 폐기하지 않고 또 다른 에너지원으로 재사용이 가능해짐에 따라, 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있게 된다. 여기서, 종래와 같이 연료전지 내부에서 생성된 열을 자연적으로 방출하는 데에는 많은 비용이 소모되며, 열 에너지가 외부에서 그대로 소실된다는 한계점이 있다. 하지만, 본 발명의 냉각 시스템을 적용하는 경우, 이러한 폐열을 냉각수가 흡입하여 냉각 순환 라인을 따라 순환하다가 에너지를 필요로 하는 각종 수요처(S)에서 열원으로 재사용이 가능함에 따라, 친환경적인 연료전지 운용이 가능해진다. 이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템의 구성에 대해 살펴보았다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템은 아래와 같이 다양한 형태로 제공될 수도 있다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 순환 라인을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템(100)은, 제2 연료전지(120), 제2 순환 라인(L2) 및 열 교환기(130)의 구성을 더 포함할 수 있다. 제2 순환 라인(L2)은 제2 연료전지(120)의 내부를 순환하는 제2 냉각수가 지나도록 형성될 수 있으며, 열 교환기(130)는 수요처(S)를 지나온 제1 순환 라인(L1) 상에서, 제2 순환 라인(L2)과 교차되는 지점에 구비될 수 있다. 여기서, 제1 순환 라인(L1)은, 제1 연료전지(110)와 수요처(S) 사이를 연결하는 제1 구간 라인(P1), 수요처(S)와 열 교환기(130) 사이를 연결하는 제2 구간 라인(P2) 및 열 교환기(130)와 제1 연료전지(110) 사이를 연결하는 제3 구간 라인(P3)으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 순환 라인(L2)은, 제2 연료전지(120)와 열 교환기(130) 사이를 연결하는 제4 구간 라인(P4) 및 열 교환기(130)와 제2 연료전지(120)를 연결하는 제5 구간 라인(P5)으로 이루어질 수 있다. 즉, 제1 냉각수와 제2 냉각수는 제2 구간 라인(P2) 및 제4 구간 라인(P4)이 열 교환기(130)에서 교차되며 상호 보완적인 열 교환이 이루어져, 제3 구간 라인(P3)과 제5 구간 라인(P5)이 동일한 온도 조건을 형성하여 제1 연료전지(110)와 제2 연료전지(120)가 열 밸런싱을 이루게 된다. 더하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 냉각 시스템(100)은, 제2 순환 라인(L2)에 구비되어 제2 냉각수를 순환시키는 냉각 펌프를 더 포함할 수 있다. 냉각 펌프는 제1 냉각수 및 제2 냉각수의 온도에 기초하여, 제2 냉각수의 유속을 조절하여 열 교환기(130) 내부에서 제1 냉각수 및 제2 냉각수 사이의 열 교환 정도를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 이러한 냉각 펌프를 활용하면 제1 냉각수 및 제2 냉각수의 온도를 기 설정된 범위 내에서 용이하게 유지 가능한 효과가 있다. 이러한 냉각 펌프는 제1 연료전지(110) 내부에도 구비될 수 있으며, 필요에 따라, 각각의 연료전지 내부의 냉각 펌프를 구동시켜 유속을 개별적으로 선택 조절 가능하도록 마련될 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 상술한 제2 순환 라인(L2)과 냉각 펌프의 구성을 적용하여, 냉각