KR20030084321A - System for cooling fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 냉각 및 결빙 방지장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펠티에 소자를 이용한 연료전지 냉각 및 결빙 방지장치에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell cooling and freezing prevention apparatus, and more particularly, to a fuel cell cooling and freezing prevention apparatus using a Peltier element.
일반적으로, 연료전지는 산화·환원 반응을 이용하여 에너지를 얻는 장치인데, 열효율이 높고 오염물질의 배출이 거의 없어 대체 에너지원으로 각광을 받고 있다. 이와 같은 이유로 연료전지는 다양한 방면에서 연구 개발되고 있으며, 특히 자동차 등 동력을 필요로 하는 기계장치에 적용하기 위한 연구도 다양하게 진행되고 있다.In general, a fuel cell is an apparatus that obtains energy by using an oxidation / reduction reaction, and has been spotlighted as an alternative energy source due to its high thermal efficiency and almost no emission of pollutants. For this reason, fuel cells have been researched and developed in various fields, and various researches for applying them to mechanical devices that require power, such as automobiles, are also underway.
이온 전도성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 분리막 연료전지 (Polymer Membrane Fuel Cell)는 작동온도가 80℃ 정도로 현재 개발된 연료전지 중에서 작동온도가 비교적 낮은 반면에, 출력밀도는 크다는 장점이 있고, 또한 출력을 기민하게 변경할 수 있어 신속한 시동이 요구되는 자동차의 동력 공급원으로 사용되기에 적합하다. 나아가, 고분자 분리막 연료전지에 사용되는 전해질도 고체 타입이어서 취급이 용이하고 안전도가 높다는 장점이 있다.Polymer membrane fuel cells using polymer membranes having ion conductivity as electrolytes have the advantage that the operating temperature is relatively low among the fuel cells currently developed at an operating temperature of about 80 ° C., while the power density is high. Its agile output power makes it ideal for use as a power source for cars that require fast start-up. Furthermore, since the electrolyte used in the polymer membrane fuel cell is also a solid type, there is an advantage of easy handling and high safety.
연료전지는 효율이 대략 50% 정도로 출력만큼의 에너지가 열로 방출된다. 또한, 디젤 엔진과는 달리 열을 자연 방열시킬 수 있는 여지가 거의 없고, 발열량은 많은 반면에 온도는 낮기 때문에 연료전지에 있어서 냉각장치가 아주 중요한 요소가 되고 있다.Fuel cells are about 50% efficient and emit as much energy as heat. In addition, unlike a diesel engine, there is little room for natural heat dissipation, and since a large amount of heat is generated while the temperature is low, a cooling device becomes a very important factor in a fuel cell.
이러한 연료전지의 작동을 위해서는 순수한 냉각수가 일정하게 계속 순환되어야 하고, 이 냉각수로 연료전지를 냉각하는 것이 일반적이다. 냉각수를 이용하여 연료전지를 냉각하는 경우에는 냉각수만으로 연료전지에 발생하는 대부분의 열을 방열하여야 한다.Pure coolant must be constantly circulated for the operation of such a fuel cell, and it is common to cool the fuel cell with the coolant. In the case of cooling the fuel cell by using the coolant, only the coolant should dissipate most of the heat generated in the fuel cell.
도1에는 이러한 냉각수 순환을 이용한 연료전지 냉각장치가 도시되어 있으며, 도1에 도시된 바와 같이 연료전지 냉각장치는 냉각수가 순환하도록 펌핑하는 냉각수 펌프(12)와 연료전지(14)에서 발생한 열을 흡수한 냉각수로부터 열을 외부로 방열시키는 역할을 하는 라디에이터(16)를 포함한다.1 shows a fuel cell cooling apparatus using such a coolant circulation, and as shown in FIG. 1, the fuel cell cooling apparatus uses heat generated from the coolant pump 12 and the fuel cell 14 pumping the coolant to circulate. Radiator 16 which serves to radiate heat to the outside from the absorbed cooling water.
그러나, 연료전지의 발열량은 많고 온도는 낮기 때문에 효과적인 냉각이 어려우며, 특히 냉각수만을 이용하여 냉각을 하는 경우에는 냉각효율이 떨어지는 문제가 있다.However, since the heat generation amount of the fuel cell is high and the temperature is low, effective cooling is difficult, and in particular, in the case of cooling using only cooling water, there is a problem that cooling efficiency is lowered.
나아가, 연료전지에는 부동액을 사용할 수 없어 겨울철 온도가 낮아지는 경우에는 냉각수 결빙의 위험이 항상 도사리고 있다.Furthermore, there is always a risk of cooling water freezing when antifreeze is not available for fuel cells and the temperature in winter decreases.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 도2에 도시된 바와 같은 냉각장치가 일반적으로 사용되는데, 이러한 냉각장치에서는 연료전지(22)에는 냉각수가 순환하고 라디에이터(24)에는 부동액이 순환한다. 물펌프(26)는 물을 펌핑하여 연료전지(22)와 열교환기를 순환하게 한다.In order to solve this problem, a cooling device as shown in FIG. 2 is generally used, in which a cooling water circulates in the fuel cell 22 and an antifreeze circulates in the radiator 24. The water pump 26 pumps water to circulate the fuel cell 22 and the heat exchanger.
연료전지(22)에서 발생하는 열은 연료전지(22) 내부를 순환하는 물에 흡수되며, 이 열은 다시 열교환기(28)에서 라디에이터(24)를 순환하는 부동액으로 전달된다.Heat generated in the fuel cell 22 is absorbed by the water circulating in the fuel cell 22, and the heat is transferred from the heat exchanger 28 to the antifreeze circulating in the radiator 24.
한편, 부동액은 부동액 펌프(30)에 의해 펌핑되어 라디에이터(24)와 열교환기(28)를 순환한다.On the other hand, the antifreeze is pumped by the antifreeze pump 30 to circulate the radiator 24 and the heat exchanger 28.
이와 같이 구성된 연료전지 냉각장치에 있어서는 두 번에 걸친 열교환이 발생하기 때문에 냉각효율이 떨어지는 문제가 있다.In the fuel cell cooling device configured as described above, since the heat exchange occurs twice, there is a problem that the cooling efficiency is lowered.
본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 연료전지를 효과적으로 냉각시킬 수 있으며, 또한 주위 온도가 지나치게 떨어지는 경우에 연료전지의 결빙을 방지할 수 있는 연료전지 냉각 및 결빙 방지장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems, and can cool the fuel cell effectively, and can also cool the fuel cell and prevent the freezing of the fuel cell when the ambient temperature drops too much. The purpose is to provide.
도1은 종래기술에 의한 연료전지 냉각장치를 보여주는 구성도이다.1 is a block diagram showing a fuel cell cooling apparatus according to the prior art.
도2는 다른 종래기술에 의한 연료전지 냉각장치를 보여주는 구성도이다.2 is a block diagram showing another fuel cell cooling apparatus according to the prior art.
도3은 본 발명에 의한 연료전지 냉각 및 결빙 방지장치를 보여주는 구성도이다.3 is a block diagram showing a fuel cell cooling and freezing prevention apparatus according to the present invention.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 냉각장치는 방열판, 열교환기 및 전류 콘트롤러를 포함한다. 방열판은 연료전지의 일측에 배치된다. 한편, 열교환기는 그 일단은 상기 연료전지에 접촉하고 타단은 상기 방열판에 접촉하도록 상기 방열판과 상기 연료전지 사이에 배치되며, 상기 양단 사이에 흐르는 전류의 방향에 따라서 양단 중 어느 하나의 단은 열을 흡수하고 다른 단은 열을 방출한다. 전류 콘트롤러는 상기 열교환기의 양단 사이에 흐르는 전류의 방향을 결정한다.The fuel cell cooling apparatus of the present invention for achieving the above object includes a heat sink, a heat exchanger and a current controller. The heat sink is disposed on one side of the fuel cell. Meanwhile, a heat exchanger is disposed between the heat sink and the fuel cell so that one end thereof contacts the fuel cell and the other end thereof contacts the heat sink, and either end of the heat exchanger is arranged in accordance with the direction of the current flowing between the both ends. Absorbs and the other stage releases heat. The current controller determines the direction of the current flowing between both ends of the heat exchanger.
상기 열교환기는 펠티에 소자인 것이 바람직하며, 상기 펠티에 소자의 일단은 비스무트이고, 타단은 안티몬인 것이 바람직하다.Preferably, the heat exchanger is a Peltier element, one end of the Peltier element is bismuth, and the other end is antimony.
바람직하게는, 본 발명의 연료전지 냉각장치는 상기 연료전지 내부의 온도를 검출하는 온도검출기를 더 포함하고, 상기 전류 콘트롤러는 상기 온도검출기에서 검출되는 연료전지 내부의 온도를 기초로 하여 상기 열교환기로 공급되는 전류의 방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the fuel cell cooling apparatus of the present invention further comprises a temperature detector for detecting a temperature inside the fuel cell, wherein the current controller is based on the temperature inside the fuel cell detected by the temperature detector to the heat exchanger. The direction of the supplied current is determined.
이때, 상기 전류 콘트롤러는 상기 연료전지 내부의 온도가 설정된 온도 이하이면 상기 열교환기의 연료전지 측에 배치되는 일단에서는 흡열, 상기 열교환기의 방열판 측에 배치되는 다른 일단에서는 발열이 일어나도록 상기 열교환기로 전류를 공급하는 것이 바람직하다.In this case, when the temperature inside the fuel cell is lower than a predetermined temperature, the current controller may absorb heat at one end of the heat exchanger and generate heat at another end of the heat exchanger. It is desirable to supply a current.
상기 설정된 온도는 0℃인 것이 바람직하다.Preferably, the set temperature is 0 ° C.
또한, 본 발명에 의한 연료전지 냉각장치는 상기 방열판과 연결되는 라디에이터; 및 냉각수가 상기 방열판과 상기 라디에이터를 순환하도록 펌핑하는 펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 냉각수는 부동액인 것이 바람직하다.In addition, the fuel cell cooling apparatus according to the present invention includes a radiator connected to the heat sink; And a pump that pumps cooling water to circulate the heat sink and the radiator. At this time, the cooling water is preferably an antifreeze.
본 발명에 의한 연료전지 냉각장치는 연료전지 내부로 물이 유동하게 하는 물펌프를 더 포함하는 것이 바람직하다.The fuel cell cooling apparatus according to the present invention preferably further includes a water pump for allowing water to flow into the fuel cell.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 냉각 및 결빙 방지장치를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a fuel cell cooling and freezing prevention apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지 냉각시스템이 도시되어 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 연료전지 냉각시스템은 연료전지(102)의 일측에 배치되는 방열판(104), 연료전지(102)와 방열판(104) 사이에 배치되는 펠티에 소자(Peltier element;106)를 포함한다.3 shows a fuel cell cooling system according to a preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the fuel cell cooling system of the present invention includes a heat sink 104 disposed on one side of the fuel cell 102, and a Peltier element disposed between the fuel cell 102 and the heat sink 104. ; 106).
방열판(104) 내부에는 부동액펌프(108)에 의해 펌핑되는 부동액이 순환하며, 이 부동액은 방열판(104)의 내부의 열을 흡수하여 라디에이터(110)를 통해 외부로 배출하게 된다.The antifreeze pumped by the antifreeze pump 108 circulates in the heat sink 104, and the antifreeze absorbs heat in the heat sink 104 and is discharged to the outside through the radiator 110.
또한, 연료전지(102) 내부에는 물펌프(112)에 의해 펌핑되는 물이 순환한다.In addition, the water pumped by the water pump 112 circulates in the fuel cell 102.
펠티에 소자(Peltier element)는 열과 전기의 상호작용으로 인한 각종의 효과를 이용하는 열전소자(Thermoelectric element)의 일종이며, 전류에 의한 열의 흡수 또는 발열을 의미하는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 열전소자이다. 즉, 펠티에 소자는 열교환기의 일종이다.Peltier element is a kind of thermoelectric element that uses various effects due to the interaction between heat and electricity, and is a thermoelectric element using the Peltier effect, which means heat absorption or heat generation by current. . In other words, the Peltier element is a kind of heat exchanger.
펠티에 효과(Peltier effect)는 접속된 두 도전체에 전류가 흐를 때 접속된 부위에서 열의 발생 또는 열의 흡수가 일어나는 현상을 말한다.The Peltier effect refers to a phenomenon in which heat is generated or heat is absorbed at a connected site when a current flows between two connected conductors.
펠티에 소자는 두 금속 플레이트가 접합된 것이며, 일반적으로 비스무트(Bi)와 안티몬(Sb)을 접속한 펠티에 소자가 사용된다.The Peltier element is a joining of two metal plates, and in general, a Peltier element connected with bismuth (Bi) and antimony (Sb) is used.
이러한 펠티에 소자에 공급되는 전류의 방향에 따라 일측에서는 흡열이 일어나고 타측에서는 발열이 일어난다. 따라서, 이러한 펠티에 소자는 전류의 방향에따라 일측에서 타측으로 열을 전달하는 열펌프의 기능을 수행하게 되는 것이다.According to the direction of the current supplied to the Peltier element endothermic occurs on one side and heat generation occurs on the other side. Therefore, such a Peltier device is to perform the function of a heat pump to transfer heat from one side to the other side in accordance with the direction of the current.
이러한 펠티에 효과는 이종(異種) 금속의 전자 퍼텐셜 에너지(Potential energy)에 차에 기인하는 것이다. 즉, 퍼텐셜 에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자를 운반하는 경우에는 외부로부터 에너지를 얻어야 할 필요가 있으므로 주위의 열을 흡수하고, 반대의 경우에는 열에너지를 방출하기 때문이다.This Peltier effect is due to the difference in the electron potential energy of the dissimilar metal. In other words, when electrons are transported from the metal in the low state to the metal in the high state, it is necessary to obtain energy from the outside, so it absorbs the surrounding heat and vice versa.
도3에 도시된 바와 같이, 펠티에 소자(106)는 제1금속플레이트(114)와 제2금속플레이트(116)가 접합되어 이루어진다.As shown in FIG. 3, the Peltier element 106 is formed by bonding the first metal plate 114 and the second metal plate 116 to each other.
펠티에 소자(106)에 전류를 공급하는 전류 콘트롤러(118)의 두 단자가 각각 펠티에 소자(106)의 제1금속플레이트(114)와 제2금속플레이트(116)에 연결된다.Two terminals of the current controller 118 for supplying current to the Peltier element 106 are connected to the first metal plate 114 and the second metal plate 116 of the Peltier element 106, respectively.
제1금속플레이트(114)와 제2금속플레이(116)는 각각 비스무트와 안티몬인 것이 바람직하다.The first metal plate 114 and the second metal plate 116 are preferably bismuth and antimony, respectively.
한편, 본 발명의 연료전지 냉각장치는 연료전지(102) 내부의 온도를 검출하는 온도센서(120)를 포함하며, 상기 온도센서(120)는 전류 컨트롤러(118)에 연결된다. 즉, 온도센서(120)는 연료전지(102) 내부의 온도를 검출하여 해당하는 신호를 전류 컨트롤러(118)로 공급하는 것이다.On the other hand, the fuel cell cooling apparatus of the present invention includes a temperature sensor 120 for detecting a temperature inside the fuel cell 102, the temperature sensor 120 is connected to the current controller 118. That is, the temperature sensor 120 detects a temperature inside the fuel cell 102 and supplies a corresponding signal to the current controller 118.
전류 컨트롤러(118)는 온도센서(120)로부터 공급되는 연료전지(102) 내부의 온도를 이용하여 펠티에 소자(106)로 공급하는 전류의 방향을 결정하여 전류를 공급한다.The current controller 118 determines the direction of the current supplied to the Peltier element 106 using the temperature inside the fuel cell 102 supplied from the temperature sensor 120 to supply the current.
온도센서(120)로부터 연료전지(102) 내부의 온도를 나타내는 신호가 입력되면, 전류 콘트롤러(118)는 현재 연료전지(102) 내부의 온도가 기설정된 온도 이상인지를 판단한다. 연료전지(102) 내부의 온도가 기설정된 온도 이상인 경우에, 전류 콘트롤러(118)는 펠티에 소자(106)의 제2금속플레이트(116)에서는 흡열이 일어나고 제1금속플레이트(114)에서는 발열이 일어나도록 상기 펠티에 소자(106)로 전류를 공급한다. 즉, 연료전지(102)에서 방열판(104)으로 열이 전달되도록 전류를 공급한다. 이때, 펠티에 소자(106)는 연료전지(102)의 열을 방열판(104)으로 펌핑하는 열펌프의 역할을 수행한다.When a signal indicating the temperature inside the fuel cell 102 is input from the temperature sensor 120, the current controller 118 determines whether the temperature inside the fuel cell 102 is greater than or equal to a preset temperature. When the temperature inside the fuel cell 102 is higher than or equal to a predetermined temperature, the current controller 118 generates heat at the second metal plate 116 of the Peltier element 106 and generates heat at the first metal plate 114. The current is supplied to the Peltier element 106 so as to. That is, a current is supplied so that heat is transferred from the fuel cell 102 to the heat sink 104. At this time, the Peltier element 106 serves as a heat pump for pumping heat from the fuel cell 102 to the heat sink 104.
반대로, 연료전지(102) 내부의 온도가 기설정된 온도 보다 낮은 경우에는 이와 반대 방향으로 전류를 공급하여 방열판(104)에서 연료전지(102)로 열이 전달되도록 펠티에 소자(106)에 전류를 공급한다. 이때, 펠티에 소자(106)는 연료전지 (102)로 열을 공급하는 열펌프 역할을 수행한다.On the contrary, when the temperature inside the fuel cell 102 is lower than the preset temperature, the current is supplied in the opposite direction to supply the current to the Peltier element 106 so that heat is transferred from the heat sink 104 to the fuel cell 102. do. At this time, the Peltier element 106 serves as a heat pump for supplying heat to the fuel cell 102.
상기 기설정된 온도는 0℃로 하는 것이 바람직한데, 이는 연료전지(102) 내부를 순환하는 물의 빙점을 고려한 것이다.The predetermined temperature is preferably 0 ° C., which takes into account the freezing point of water circulating in the fuel cell 102.
즉, 연료전지(102) 내부의 온도가 물의 빙점인 0℃ 이상인 경우에는 연료전지(102)의 냉각을 위해 연료전지(102)에서 발생하는 열을 방열판(104)으로 전달되도록 하고, 연료전지(102) 내부의 온도가 물의 빙점인 0℃ 미만이 되는 경우에는 연료전지(102) 내부를 순환하는 물이 결빙되는 것을 방지하기 위하여 연료전지 (102)로 열을 공급하는 것이다.That is, when the temperature inside the fuel cell 102 is 0 ° C. or more, which is the freezing point of water, the heat generated from the fuel cell 102 is transferred to the heat sink 104 to cool the fuel cell 102, and the fuel cell ( 102, when the temperature inside the water becomes below 0 ° C, which is the freezing point of water, heat is supplied to the fuel cell 102 to prevent freezing of water circulating in the fuel cell 102.
상기의 구성을 갖는 본 발명에 따른 연료전지의 작용을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the fuel cell according to the present invention having the above configuration is as follows.
연료전지(102) 내부의 온도가 0℃ 이상이면 연료전지(102)의 냉각을 위해 연료전지(102)의 열을 방열판(104)으로 전달하여 그 열이 결국 라디에이터(110)를 통해서 외부로 방출되게 하여 연료전지(102)를 냉각시키고, 반대로 연료전지(102) 내부의 온도가 0℃ 미만이면 연료전지(102) 내부를 순환하는 물의 결빙을 방지하기 위하여 연료전지(102)로 열을 공급한다.If the temperature inside the fuel cell 102 is 0 ° C. or higher, the heat of the fuel cell 102 is transferred to the heat sink 104 to cool the fuel cell 102, and the heat is eventually released to the outside through the radiator 110. When the temperature inside the fuel cell 102 is less than 0 ° C., the heat is supplied to the fuel cell 102 to prevent freezing of water circulating in the fuel cell 102. .
상기와 같은 본 발명에 따른 연료전지 냉각장치에 의하면, 연료전지 내부를 순환하는 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 연료전지에서 발생하는 열을 효과적으로 배출할 수 있게 된다.According to the fuel cell cooling apparatus according to the present invention as described above, not only the water circulating in the fuel cell can be prevented from freezing, but also the heat generated from the fuel cell can be effectively discharged.
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