KR100943165B1 - 연료전지 냉각용 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방열 성능의 향상과 이온 용출이 되지 않도록 하는 두가지의 목적을 동시에 달성할 수 있으며, 크기 및 중량을 감소시켜 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있도록 한 연료전지 냉각용 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있으며,

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이온 용출이 되지않은 재질로 된 냉각수 통과부와; 공기 통과부로 이루어지며,

상기 냉각수 통과부는 일정한 간격을 두고 나란히 배열되는 한쌍의 헤더(20)(21)와, 상기 한쌍의 헤더(20)(21)와 서로 결합되어 열교환매체가 이동하는 통로부를 형성하는 탱크(23)(24)와, 상기 탱크(23)(24)의 통로부와 연통 가능하도록 양단이 상기 한쌍의 헤더(20)(21)에 다수개 연결 설치되어 이온화되지 않은 냉각수를 이동시키는 다수의 튜브(25)로 이루어지고,

상기 공기 통과부는 상기 냉각수 통과부의 튜브(25)들 사이에 설치되며, 상기 냉각수 통과부보다 우수한 열전달 계수를 갖는 소재로 형성된 방열핀(26)으로 된 것을 특징으로 하는 한다.

열교환기, 냉각수 통과부, 공기 통과부

Description

연료전지 냉각용 열교환기{An heat exchanger for cooling an electric cell}

도 1은 연료전지용 전기자동차의 동력발생 시스템을 나타내는 블록도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기의 정면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

20,21 : 헤더

23,24 : 탱크

25 : 튜브

26 : 방열핀

본 발명은 연료전지 냉각용 열교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열 성능의 향상과 이온 용출이 되지 않도록 하는 두가지의 목적을 동시에 달성할 수 있으며, 크기 및 중량을 감소시켜 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있도록 한 연료전지 냉각용 열교환기에 관한 것이다.

종래 자동차의 냉동시스템은 R-134a로 대표되는 HFC(Hydrofluorocarbon)계 열교환매체를 냉동시스템에 순환시켜 기체 또는 액체 상태로 상변화시켜 차실내로 공급되는 공기의 온도를 낮추어 차실내를 냉방하였다.

그런데, 이러한 HFC계의 열교환매체는 오존층을 파괴하여 지구 온난화를 일으키는 물질로 알려져 그 사용이 억제되고 점차적으로 사용이 금지될 것으로 예상되고 있다.

또한, 종래 냉동시스템은 열교환매체를 고온고압으로 압축하기 위해서는 반드시 압축기가 필요하게 되는 데, 이 압축기는 그 구조가 복잡하면서도 정밀하게 제작되므로 가격이 비싸 냉도시스템의 가격을 상승시키고, 엔진의 동력을 전달받아 회전하게 되므로 엔진출력을 소모하여 출력을 약화시키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 유류를 사용하지 않아 공해를 발생시키지 않는 무공해 연료전지용 전기자동차가 개발되고 있는데, 이러한 연료전지용 전기자동차의 동력발생 시스템은 도 1과 같이 연료전지(1)에서 산소와 수소의 산화와 환원 반응으로 전기가 발생되어 자동차를 구동시키게 되고, 상기 산소와 수소의 반응으로 생성된 물(90℃)이 펌프(2)에 의해 저장탱크(3)를 지나 기화기(4)로 공급되어, 펌프(5)에 의해 연료탱크(6)로부터 공급되는 수소추출용 액체와 혼합된다.

상기 액체연료는 고온의 물로부터 열을 전달받아 증발하여 기체상태에 상변화되어 물과 함께 개질기(7)로 공급된다. 상기 개질기(7)는 상기 연료전지(1)에서 반응후 남은 수소를 연소시켜 고온상태에서 상기 물과 액체연료를 수소와 이산화탄소로 분해시킨다.

이때의 반응으로 분해되는 물질은 이산화탄소 외에도 일산화탄소(C0)가 생성되는데, 독성의 일산화탄소를 정화기(8)가 정화시켜 이산화탄소로 산화시키고, 이때 정화에 필요한 공기를 공기펌프(9)가 공급하게 되고, 상기 정화기(8)에서 정화를 거친 순수한 수소가스는 상기 연료전지(1)로 이송되고, 또한 상기 연료전지(1)에는 공기펌프(10)에 의해 공기가 공급되어 수소가스와 공기가 산화/환원반응하여 엔진구동에 필요한 전기를 발생시키게 된다.

이때 발생되는 물은 펌프(2)에 의해 상기 기화기(4)로 다시 공급된다. 그리고 상기와 같이 연료전지(1) 내부에는 수소가스와 공기의 반응으로 열이 발생하게 되는데 이 열은 냉각수 펌프(11)와, 라이에이터 역할을 하는 열교환기(12)에 의해 제거된다.

상기와 같이 구성중 열교환기(12)는 연료전지(1)의 스택 내부에 형성되 냉각수 통로를 거치면서 냉각수에 흡열된 열을 상대적으로 온도가 낮은 공기에 의해 외부로 방열하게 된다.

이러한 열교환기는 알루미늄 또는 동과 같은 열전달 계수가 높은 비철금속을 이용하고 있다.

그런데, 상기 연료전지(1)의 스택의 냉각수로서 이온화가 안된 물을 사용해야 하나 전술한 바와 같이 열교환기를 알루미늄 또는 동과 같은 재질을 사용하게 되면, 금속의 이온이 용출하게 되어 부식을 초래하고, 심지어 냉각수는 과도하게 전도성을 띄게 되어 그 결과 냉각수의 전기분해 및 갈바닉 부식을 유발시켜서 회로의 단락을 가져올 수 있다.

따라서, 이온용출이 되지 않는 스테인레스 스틸과 같은 소재를 사용해야 하나 소재의 열전달 계수가 알루미늄이나 구리에 비해 약 4배정도 나빠지기 때문에 성능저하가 있어 이를 보상하기 위해서 열교환기 크기를 크게 해야 하며, 결국 장착 공간 제약 및 무게증대로 가격 경쟁력에서 뒤떨어지게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 방열 성능의 향상과 이온 용출이 되지 않도록 하는 두가지의 목적을 동시에 달성할 수 있으며, 크기 및 중량을 감소시켜 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있도록 한 연료전지 냉각용 열교환기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이온 용출이 되지않은 재질로 된 냉각수 통과부와; 공기 통과부로 이루어지며, 상기 냉각수 통과부는 일정한 간격을 두고 나란히 배열되는 한쌍의 헤더와, 상기 한쌍의 헤더와 서로 결합되어 열교환매체가 이동하는 통로부를 형성하는 탱크와, 상기 탱크의 통로부와 연통 가능하도록 양단이 상기 한쌍의 헤더에 다수개 연결 설치되어 이온화되지 않은 냉각수를 이동시키는 다수의 튜브로 이루어지고, 상기 공기 통과부는 상기 냉각수 통과부의 튜브들 사이에 설치되며, 상기 냉각수 통과부보다 우수한 열전달 계수를 갖는 소재로 형성된 방열핀으로 된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 열교환기의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기의 외관을 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열교환기의 정면도이다.

본 발명의 열교환기는 이온 용출이 되지 않은 재질로 된 냉각수 통과부와, 상기 냉각수 통과부에 연결 설치되어 냉각수 통과부보다 우수한 열전달 계수를 갖는 소재로 형성된 공기 통과부로 이루어진다.

이와 같이 구성되는 열교환기의 바람직한 일실시예를 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 냉각수 통과부는 일정한 간격을 두고 나란히 배열되는 한쌍의 헤더(20)(21)와; 상기 한쌍의 헤더(20)(21)와 브레이징에 의해 서로 결합되어 열교환매체가 이동하는 통로부를 형성하는 탱크(23)(24)와; 상기 탱크(23)(24)의 통로부와 연통 가능하도록 양단이 상기 한쌍의 헤더(20)(21)에 다수개 연결 설치되어 이온화되지 않은 냉각수를 이동시키는 다수의 튜브(25)로 이루어진다.

그리고, 상기 공기 통과부는 튜브(25)들 사이에 설치되는 코루게이트 형상의 방열핀(26)으로 이루어진다.

그리고, 본 발명의 열교환기의 다른 실시예를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 냉각수 통과부는 일정한 간격을 두고 나란히 배열되는 한쌍의 헤더(30)(31)와; 상기 한쌍의 헤더(30)(31)와 브레이징에 의해 서로 결합되어 열교환매체가 이동하는 통로부를 형성하는 탱크(32)(33)와; 상기 탱크(32)(33)의 통로부와 연통 가능하도록 양단이 상기 한쌍의 헤더(30)(31)에 다수개 연결 설치되어 냉각수를 이동시키는 다수의 튜브(35)로 이루어진다.

그리고, 상기 공기 통과부는 상기 한쌍의 헤더(30)(31) 사이에 서로 일정 간 극을 두고 적층된 상태로 다수개 배치되고, 상기 튜브(35)가 관통 설치되며, 판형상으로 된 방열핀(36)으로 이루어진다.

여기서, 도 3에 도시된 열교환기는 브레이징에 의해 결합되는 도 2에 도시된 열교환기와는 달리 기계적으로 조립되는 구조이다.

상기와 같은 본 발명의 2가지 실시예에서 상기 냉각수 통과부의 재질은 스테인레스 스틸로 함이 바람직하다.

그리고, 상기 냉각수 통과부의 재질은 합성수지인 플라스틱으로 할수 있다.

한편, 상기 공기 통과부의 재질은 알루미늄으로 함이 바람직하다.

그리고, 상기 공기 통과부의 재질은 구리로도 할수 있다.

미설명 부호 27,28은 냉각수 입구이고, 37,38은 냉각수 출구이다.

한편, 본 발명의 냉각수 통과부에서 헤더,탱크, 튜브는 스테인레스 스틸, 합성수지중의 어느 하나를 선택적으로 사용할수 있으며, 모두 동일한 재질을 사용할 수 도 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 냉각용 열교환기에 따르면, 방열 성능의 향상과 이온 용출이 되지 않도록 하는 두가지의 목적을 동시에 달성할 수 있으며, 크기 및 중량을 감소시켜 제품의 가격 경쟁력을 가질 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 이온 용출이 되지않은 재질로 된 냉각수 통과부와;

   공기 통과부로 이루어지며,

   상기 냉각수 통과부는 일정한 간격을 두고 나란히 배열되는 한쌍의 헤더(20)(21)와, 상기 한쌍의 헤더(20)(21)와 서로 결합되어 열교환매체가 이동하는 통로부를 형성하는 탱크(23)(24)와, 상기 탱크(23)(24)의 통로부와 연통 가능하도록 양단이 상기 한쌍의 헤더(20)(21)에 다수개 연결 설치되어 이온화되지 않은 냉각수를 이동시키는 다수의 튜브(25)로 이루어지고,

   상기 공기 통과부는 상기 냉각수 통과부의 튜브(25)들 사이에 설치되며, 상기 냉각수 통과부보다 우수한 열전달 계수를 갖는 소재로 형성된 방열핀(26)으로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각용 열교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각수 통과부의 재질은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각용 열교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각수 통과부의 재질은 플라스틱인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각용 열교환기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 공기 통과부의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각용 열교환기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 공기 통과부의 재질은 구리인 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각용 열교환기.

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