KR101071772B1 - 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 구조에 관한 것으로서, 하우징 내부를 통해 유체가 통과하게 되는 유체 유동 부품에서 유체가 유입되는 하우징 입구측의 유동 가이드가 하우징과 분리 구성된 별도 부품으로 제작되어 상기 하우징 내부 입구측에 마련된 안착단에 간단히 끼워 조립되는 조립형 구조로 개선됨으로써, 하우징 제작용 금형의 수정 없이 유동 가이드의 사양 변경이 가능하여 차종 변경이나 부품 사양 및 레이아웃 변경시 보다 쉽게 가이드판의 각도 등 조정이 가능하고, 이에 하우징 내 유체의 유동분포 최적화 및 균일 확산이 가능해지는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 구조에 관한 것이다.
연료전지, 유체 유동 부품, 유동 가이드, COD, 히터
Description
본 발명은 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 입구측 유동 가이드를 유체 유동 부품의 하우징과 분리 구성된 조립형으로 구성하여 가이드판의 각도 등 조정이 용이해질 수 있는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 연료전지 차량에서 스택의 냉각수가 통과하는 부품 중 하나로 냉각수를 급속 가열하기 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion) 통합 히터의 입구측 유동 가이드 장치에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 연료전지 차량에서 스택의 냉각수가 통과하는 부품 중 하나로 냉각수를 급속 가열하기 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion) 통합 히터의 입구측 유동 가이드 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성 하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.
상기한 연료전지 시스템에서는 특히 반응부산물로 열을 발생시키므로 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 및 물관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 급속 가열되어 스택에 공급됨으로써 스택을 급속 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다.
연료전지 차량에서 냉시동성 확보를 위한 종래의 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속 해빙이었다. 그러나, 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙할 뿐만 아니라 냉각수 루프가 복잡해지 고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 스택용 부동액을 냉각수로 사용하고 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다. 이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다.
또한 연료전지 차량에서는 연료전지의 시동(start up)/셧다운(shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathod Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 접속시켜 수소와 산소의 반응에 의한 전력 생성을 열에너지로 소비하게 된다.
이러한 COD는 차량의 스택 양단에 연결되어 연료전지의 시동 또는 셧다운시마다 스택 내부의 잔류 산소를 수소와 반응시켜 열로 소비시킴에 따라 스택 내부의 잔류 산소를 제거한다.
그러나, 연료전지 차량의 COD는 히터용으로 사용하는 것이 아니라 시동시나 셧다운시 스택 내부의 잔여 산소를 제거하여 스택의 내구성을 확보하는 장치로서, 상기 COD가 스택의 부하를 소모하는 주된 기능 외에 부하 소모를 위한 다수의 히터봉을 가지는 발열장치의 기능을 가짐에도, 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속히 가열하는 히터를 상기 COD와 별도로 구성한다면, 원가 상승의 문제와 더불어 레이아웃상의 공간 확보 차원에서도 많은 문제가 있게 된다.
근본적으로 히터와 COD는 모두 저항히터로서 사용시기와 용도만 다를 뿐 하 나의 히터로 통합될 수 있는 바, 본원출원인에 의해 출원된 특허출원 제2007-105369호에서는 기존의 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능과 냉시동성 확보를 위한 히터 기능을 통합한 COD 통합 히터의 구성을 제안하고 있다.
상기한 COD 통합 히터는 연료전지 차량에서 냉각수가 통과하는 유체 유동 부품으로서, 하우징 내부에 다수개의 히터봉이 삽입된 구조로 되어 있으며, 냉각수가 하우징 입구측으로 유입된 뒤 히터봉 주변을 지나 하우징 출구측을 통해 배출될 때, 상기 히터봉들이 부하 소모를 위한 저항체로서, 그리고 냉각수를 급속 가열하는 발열체로서의 역할을 하게 된다.
상기 COD 통합 히터는 그 자체의 부피가 상당히 크기 때문에 전체 TMS 부피 중에 상당 부분을 차지하지만, 스택으로부터 전력을 공급받아 자체 발열을 할 때 스택 부하를 소모하면서 이때 발생하는 열을 이용해 극저온 냉시동시 스택 자체 발열 온도까지 냉각수를 급속히 승온시키고, 연료전지 시동 및 셧다운시 산소 제거를 통해 전극의 카본 부식 방지, 애노드 플러딩(anode flooding) 방지 등에 많은 기여를 하고 있다.
한편, 연료전지 시스템에서 냉각수가 통과하는 COD 통합 히터나 기존의 냉각수 히터 등은 내부를 통해 유체가 통과하는 유체 유동 부품으로서, 이러한 유체 유동 부품은 내부에 냉각수 등 유체가 통과함을 감안하여 유체 유동의 최적화를 위한 구조들이 적용되고 있다.
즉, 해당 부품의 하우징 등에 유체의 유동상태를 최적화하기 위한 구조, 예를 들면 COD 통합 히터의 하우징에는 냉각수가 유입되는 입구측으로 유동 가이드를 구비하는데, 이를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 COD 통합 히터를 보여주는 도면으로서, 종래의 COD 통합 히터에서 하우징 내부에 구비된 입구측 유동 가이드를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 하우징(1) 내부의 입구측에는 냉각수의 균일 확산을 위해 두 개의 가이드판(3)을 설치하여 입구측 유동 가이드를 구성하였으며, 이러한 입구측 유동 가이드에 의해 하우징의 입구(2)를 통해 유입된 냉각수가 하우징 내부공간으로 고르게 확산되어 히터봉(미도시) 주변을 통과하게 된다.
기존 COD 통합 히터에서, 금속 재질로 제작된 하우징(1)은 그 무게가 전체 부품의 중량에서 상당 부분을 차지하였기에, 부품의 경량화를 위해서 하우징을 플라스틱 사출성형하여 제작하였으며, 플라스틱 재질을 사용한 경우 금속 재질을 사용한 경우에 비해 부품의 경량화는 쉽게 달성이 가능하다.
그런데, 하우징(1)의 재질로 금속을 사용한 경우에서 별도의 금형 없이 하우징 입구측에 유동 가이드를 구성하는 두 개의 가이드판(3)을 용접하여 설치하였으나, 연료전지 차종 변경, 부품 사양 변경, 부품 레이아웃 변경 등에 따라서 하우징 입구측 형상 변화를 고려한 유동분포 개선을 위해 두 개의 가이드판을 매번 각도 조절하여 하우징에 용접해야만 했다.
또한 부품 경량화를 위해 플라스틱 사출성형하여 하우징을 제작하게 되면서 용접은 더 이상 불가하게 되었고, 이에 입구측 유동 가이드의 형상을 변경하고자 할 경우 금형 수정을 필요로 하는 등 어려움이 있었다.
하우징과 유동 가이드 구조를 플라스틱으로 일체 성형하는 경우 유동 가이드 의 각도를 변경할 때마다 금형을 매번 수정해야 하기 때문에 많은 어려움이 있게 되는 것이다. 특히, 금형 수정시에는 상당한 비용이 소요된다.
플라스틱 사출성형된 하우징에 별도 제작된 유동 가이드 구조를 볼트체결하는 방식이 적용 가능하나, 이 경우 볼트체결부의 부식으로 인해 연료전지 부품의 기준에 적합하지 않은 체결방식이 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, COD 통합 히터와 같이 유체(냉각수 등)가 통과하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품에서 유체가 유입되는 하우징 입구측의 유동 가이드 구조를 개선하여, 연료전지 차종 변경, 부품의 사양 및 레이아웃 변경시 상당한 비용을 필요로 하는 하우징 금형 수정 등 없이 보다 간편하고 쉽게 유동 가이드의 형상 변경 대응이 가능하면서 하우징 입구부 형상 변경에 따른 유동분포 개선이 가능해지는 방안을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 하우징 내부로 유체가 통과하게 되는 연료전지 차량용 유체 유동 부품에서 상기 하우징의 입구측에 설치되어 입구측을 통해 유입된 유체의 유동을 가이드판에 의해 안내하는 유동 가이드가 상기 하우징과는 분리 구성된 별도 조립형 부품으로 제작되어 상기 하우징의 입구측에 구비된 안착단에 끼워져 조립된 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 구조를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 유동 가이드는, 상기 하우징 내부 입구측의 안착단에 조립되는 안착판이 좌우 양측으로 배치되고 양측의 두 안착판 사이에 횡방향으로 일체 형성되어 유체 유동을 안내하는 가이드판이 상하 양측으로 배치된 구조 인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유동 가이드에서 양측의 두 가이드판은 유체 진행방향을 따라 두 가이드판이 점차 벌어지는 확산관 구조를 형성하도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 유동 가이드는 양측의 두 가이드판 사이에 중간판이 일체 형성된 구조인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 안착단은 유동 가이드의 안착판이 삽입되어 밀착 고정되는 홈을 하우징 내부 입구측의 내측면에 안착판 형상과 매칭되게 형성하여 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 안착단은 유동 가이드의 안착판이 삽입되어 고정되는 연속된 구조의 돌출벽 또는 소정 간격의 고정돌기들을 하우징 내부 입구측의 내측면에 안착판 외곽 형상을 따라 형성하여 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연료전지 차량용 유체 유동 부품이 스택 냉각수의 가열을 위한 히터인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 연료전지 차량용 유체 유동 부품이 연료전지 스택 내 잔류 산소 제거를 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion) 기능과 스택 냉각수의 가열을 위한 히터 기능을 통합한 COD 통합 히터인 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 구조에 의하면, 하우징 입구측에 설치되는 유동 가이드가 하우징과 분리 구성된 별도 부품으로 제작되어 하우징 내부 입구측의 안착단에 간단히 끼워 조립될 수 있는 조립형 구조로 개선됨으로써, 하우징 제작용 금형의 수정 없이 차종 변경이나 부품 사양 및 레이아웃 변경시에 보다 쉽게 유동 가이드의 각도 등 조정이 가능해지고, 이에 하우징 내 유체의 유동분포 최적화 및 균일 확산이 가능해지는 효과가 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 유동 가이드 구조가 적용된 유체 유동 부품의 일 예로서 연료전지 차량용 스택 냉각수 가열장치, 보다 명확히는 COD 통합 히터를 도시한 사시도이다.
또한 첨부한 도 3은 도 2의 COD 통합 히터에 적용된 입구측 유동 가이드의 바람직한 실시예를 도시한 사시도이고, 도 4은 도 3의 입구측 유동 가이드가 하우징에 조립되는 상태를 보여주는 사시도, 도 5는 평면도이다.
본 발명은 유체가 통과하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 구조에 관한 것으로서, 특히 유동 가이드를 유체 유동 부품의 하우징과 분리 구성된 별도의 부품으로 제작하여 차종이나 부품 사양에 따라 가이드판의 각도 등 조정이 용이해지도록 한 유동 가이드 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 개선된 유체 유동 가이드 구조는 연료전지 차량용 유체 유동 부품으로서 냉각수가 통과하는 스택 냉각수 가열장치에 유용하게 적용될 수 있으며, 연료전지 시스템의 냉각수 히터 또는 COD 통합 히터에 유용하게 적용될 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명이 적용되는 연료전지 차량용 유체 유동 부품으로서 COD 통합 히터의 예를 들어 상세히 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 5는 COD 통합 히터의 적용 예를 보여주는 도면으로서, 금속 재질의 하우징 입구측에 가이드판들을 용접하여 구성하였던 종래의 입구측 유동 가이드나, 플라스틱 재질의 하우징에 일체로 사출성형하여 사양 변경이 있게 되면 금형 수정이 필요했던 종래의 입구측 유동 가이드를 개선하여, 본 발명에서는 입구측 유동 가이드(20)를 하우징(10a,10b)과 별도로 제작한 뒤 쉽게 조립이 가능하도록 한다.
즉, 본 발명에서는 입구측 유동 가이드(20)를 별도 제작하여 하우징(10a,10b)에 후 조립하는 조립형 구조로 개선하는데, 이러한 조립형 유동 가이드의 구조 및 그 장착구조에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 조립형 유동 가이드(20)에서는 도면상 좌우 양측으로 하우징 내측면의 안착단(도 4의 도면부호 11임)에 안착되는 안착판(21)이 배치되고, 좌우 양측의 안착판(21) 사이에는 도면상 상하 위치에 각각 유체 유동을 안내하는 가이드판(22)이 횡으로 일체 형성된다.
또한 상하 위치의 두 가이드판(22) 사이에는 중간판(23)이 횡으로 일체 형성 되어 유동 가이드(20)가 구성된다.
이러한 유동 가이드(20)는 하우징(10a,10b) 내부 입구측에 설치되어 입구를 통해 유입된 냉각수를 안내하고 하우징(10a,10b) 내부로 균일하게 확산시키는 역할을 하게 되는데, 입구로 유입된 냉각수를 하우징 내부로 균일 확산시키기 위해 상기 가이드판(22)은 냉각수 진행방향을 따라 점차 벌어지는 구조, 즉 확산관 구조가 되도록 소정 각도로 경사지게 형성된다.
또한 안착판(21)은 하우징(10a,10b) 내측면에 형성된 안착단(11)에 밀착되어 고정되는 부분으로, 하우징(10a,10b) 내측면과 이에 안착 고정되는 좌우 양측의 두 안착판(21) 역시 냉각수 진행방향을 따라 점차 벌어지는 구조가 되게 경사지게 형성된다.
이러한 구조의 유동 가이드(20)가 하우징(10a,10b) 내부 입구측에 안착되어 고정될 경우 하우징 입구로 유입된 냉각수가 유동 가이드의 각 판에 의해 안내되어 하우징 내부로 균일하게 확산될 수 있게 된다.
상기 유동 가이드(20)에서 중간판(23)은 하우징 입구에 연결된 배관의 형상에 관계 없이 냉각수가 어느 한쪽으로 치우쳐 편향되게 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.
예컨대, 도 2 및 도 4, 도 5의 하우징(10a,10b)에 유동 가이드(20)가 조립된 상태에서 냉각수를 공급하는 배관 호스(미도시)가 어느 한 방향으로부터 벤딩되어 하우징 입구에 연결되었을 경우, 상기 중간판(23)이 없다면 배관 호스를 통해 하우징 입구로 유입된 냉각수가 어느 한쪽으로 치우쳐 흐를 수 있다.
그러나, 본 발명에서와 같이 중간판(23)이 설치될 경우, 냉각수가 중간판(23)을 사이에 두고 양측으로 고르게 분배되어 안내될 수 있으며, 하우징(10a,10b) 내부로 안정적으로 균일 확산될 수 있는 것이다.
이와 같이 중간판(23)은 하우징 입구를 통해 유입된 냉각수가 유동 가이드(20)의 내측을 통과하게 될 때 도면상 좌측 또는 우측의 어느 한쪽으로 편향되는 냉각수의 흐름을 차단하고, 이를 통해 냉각수가 어느 한쪽으로 치우침 없이 고르게 분배될 수 있도록 한다.
도 4에 도시한 실시예에서는 중간판(23)이 좌우측의 두 안착판(21) 정중앙 위치에 좌측 또는 우측의 어느 한쪽으로 기울어짐 없이 형성되어 있으나, 하우징 입구에 연결되는 배관 호스의 벤딩 방향 및 각도, 하우징 내에서의 유체 유동방향 및 분배량 등 여러 조건들을 고려하여 중간판의 위치를 조절하거나 중간판을 비스듬히 기울어지게 형성하는 등 다양하게 변경 실시하는 것이 가능하다.
한편, 도 4를 참조하면, 하우징(10b) 내부 입구측에 삽입된 유동 가이드(20)를 고정하기 위한 구조를 보여주고 있는데, 도시된 바와 같이 유동 가이드를 고정하기 위한 구조로서 하우징(10b)의 내측면에 유동 가이드(20)의 안착판(21)이 안착 고정되는 안착단(11)이 형성된다.
하우징의 안착단(11)은 유동 가이드(20)의 안착판(21)이 끼워져 움직이지 않고 고정될 수 있는 구조라면 본 발명에서 제한됨 없이 다양한 형태로 실시 가능한데, 예컨대 하우징 내측면에 유동 가이드의 안착판이 삽입되어 밀착 고정될 수 있는 홈을 안착판 형상과 매칭되는 형상으로 형성하여 구비하거나, 도 4에서와 같이 안착판(21)이 끼워져 움직이지 않고 고정되는 연속된 구조의 돌출벽(12)을 하우징(10b) 내측면에 안착판의 외곽 형상을 따라 형성하여 구비하는 것이 실시 가능하다.
물론, 도 4에서와 같은 연속된 구조의 돌출벽(12) 대신 안착판 외곽 형상을 따라 소정 간격으로 배치되는 고정돌기들을 형성하고, 이 고정돌기들의 내측으로 유동 가이드(20)의 안착판(21)을 끼워 조립함으로써 유동 가이드 전체가 하우징 내측면에서 고정되도록 하는 것도 실시 가능하다.
상기 홈이나 돌출벽, 고정돌기들은 플라스틱을 사출성형하여 하우징을 제작할 때 그 형상을 금형에 반영한 뒤 하우징과 일체로 성형하는 것이 가능하다.
도 5를 참조하면, COD 통합 히터의 하우징은 두 개의 서브 하우징(10a,10b)으로 구성되는데, 상기 두 개의 서브 하우징(10a,10b)은 냉각수가 유입되는 입구측의 내측면에 각각 안착단(도 4에서 도면부호 11임)이 형성되어 제작되며, 어느 한쪽 서브 하우징의 내측으로 먼저 유동 가이드를 삽입하여 조립한 뒤 반대쪽 서브 하우징을 덮어 조립해주면 양측 서브 하우징(10a,10b)의 내측으로 유동 가이드(20)가 고정되면서 조립이 완료된다.
물론, 도 2에 나타낸 바와 같이 서브 하우징(10a,10b) 내측으로는 유동 가이드(20)와 더불어 다수개의 히터봉(냉각수 가열체)(30)이 조립되며, 이때 유동 가이드는 각 안착판이 해당 서브 하우징의 안착단 내측으로 각각 끼워져 고정되게 된다.
상기 히터봉(30)과 유동 가이드(20)가 넣어진 상태에서 두 서브 하우 징(10a,10b) 간의 결합은 상호 간 결합면에 가스켓을 개재한 뒤 볼팅하여 이루어지는데, 도 2에는 두 서브 하우징(10a,10b) 간의 결합을 위해 체결홀에 체결되는 볼트(14)를 도시하였으며, 도 4를 참조하면 서브 하우징(10a,10b)의 결합면에 체결홀(13)이 형성됨을 볼 수 있다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 유동 가이드(20)를 하우징(10a,10b)에 삽입 장착이 가능한 조립형으로 구성하여 유동 가이드의 고정을 위한 별도의 용접이나 볼트 체결 없이 하우징을 조립할 때 간단히 끼우는 방식으로 유동 가이드의 고정 및 조립이 가능하다.
특히, 연료전지 차종이나 부품 사양 및 레이아웃, 하우징 입구측 형상 등에 따라 가이드판(22)의 경사각이나 중간판(23)의 위치 및 각도 등을 달리한 여러 사양의 유동 가이드(20)를 제작하고, 이를 부품에 따라 사용하게 되면 해당 부품에서의 유동분포를 쉽게 최적화시킬 수 있게 된다.
상기 유동 가이드(20)는 플라스틱을 금형에 사출하여 성형 제작하거나 금형의 이용 및 수정 없이 다양한 사양의 유동 가이드를 제작하기 위해 금속 재질(예, SUS316L 등)로 별도 제작하여 사용하는 것이 모두 가능하다.
또한 유체 가이드 각도를 변경하고자 할 경우 하우징의 안착단은 그대로 두고 부품 사양에 맞는 가이드판과 중간판을 갖는 유동 가이드를 사용할 수 있고, 이에 하우징 제작용 금형의 수정 없이 차종이나 부품 사양에 맞게 각도 조정이 가능해진다.
하우징의 안착단에 끼워 고정할 수 있는 구조라면 가이드판(22)과 중간 판(23) 등의 형상을 유동분포의 최적화를 고려한 다양한 형상으로 조정하여 유동 가이드(20)의 제작이 가능하며, 유동 가이드의 형상을 첨부 도면에 예시되어 있는 형상으로부터 다양하게 조정 및 변경하는 경우 하우징(10a,10b) 내 유체의 유동분포를 개선할 수 있는 큰 이점이 있게 된다.
첨부한 도 6은 본 발명의 입구측 유동 가이드가 사용된 COD 통합 히터에서 플라스틱 하우징을 적용하였을 때 전체 어셈블리의 유동 해석 모델을 나타낸 것으로, 스택의 전압이 인가되고 하우징 내부의 유체 유동이 정체 없이 잘 냉각시켜주면 히터봉의 표면 온도는 90 ~ 110 ℃ 사이를 유지하게 된다.
첨부한 도 7은 본 발명의 입구측 유동 가이드 구조가 적용된 COD 통합 히터의 유동 해석 결과를 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 유동 가이드를 적용하였을 때 히터봉의 표면 온도가 90 ~ 100 ℃ 정도로 유지됨을 볼 수 있는 바, 내부 유체 유동에 의해 히터봉의 표면이 잘 냉각됨을 알 수 있다. 이러한 사실은 히터 내부의 입구측 유동 가이드에 의해 하우징 내부의 유동분포가 최적화됨을 보여주는 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 COD 통합 히터를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 입구측 유동 가이드 구조가 적용된 유체 유동 부품의 일 예로서 COD 통합 히터를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 입구측 유동 가이드를 도시한 사시도,
도 4은 도 3의 입구측 유동 가이드가 하우징에 조립되는 상태를 보여주는 사시도,
도 5는 도 3의 입구측 유동 가이드가 하우징에 조립되는 상태를 보여주는 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 입구측 유동 가이드 구조가 사용된 COD 통합 히터에서 플라스틱 하우징을 적용하였을 때 전체 어셈블리의 유동 해석 모델을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 입구측 유동 가이드 구조가 적용된 COD 통합 히터의 유동 해석 결과를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.
10a, 10b : 서브 하우징 11 : 안착단
12 : 돌출벽 13 : 체결홀
14 : 볼트 20 : 유동 가이드
21 : 안착판 22 : 가이드판
23 : 중간판 30 : 히터봉
Claims (8)
- 하우징 내부로 유체가 통과하게 되는 연료전지 차량용 유체 유동 부품에서 상기 하우징의 입구측에 설치되어 입구측을 통해 유입된 유체의 유동을 가이드판에 의해 안내하는 유동 가이드가 상기 하우징과는 분리 구성된 별도 조립형 부품으로 제작되어 상기 하우징의 입구측에 구비된 안착단에 끼워져 조립된 구조로 된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 유동 가이드는,상기 하우징 내부 입구측의 안착단에 조립되는 안착판이 좌우 양측으로 배치되고 양측의 두 안착판 사이에 횡방향으로 일체 형성되어 유체 유동을 안내하는 가이드판이 상하 양측으로 배치된 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 유동 가이드에서 양측의 두 가이드판은 유체 진행방향을 따라 두 가이드판이 점차 벌어지는 확산관 구조를 형성하도록 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 유동 가이드는 양측의 두 가이드판 사이에 중간판이 일체 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 2에 있어서,상기 안착단은 유동 가이드의 안착판이 삽입되어 밀착 고정되는 홈을 하우징 내부 입구측의 내측면에 안착판 형상과 매칭되게 형성하여 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,상기 안착단은 유동 가이드의 안착판이 삽입되어 고정되는 연속된 구조의 돌출벽 또는 소정 간격의 고정돌기들을 하우징 내부 입구측의 내측면에 안착판 외곽 형상을 따라 형성하여 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 연료전지 차량용 유체 유동 부품이 스택 냉각수의 가열을 위한 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유체 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
- 청구항 7에 있어서,상기 연료전지 차량용 유체 유동 부품이 연료전지 스택 내 잔류 산소 제거를 위한 COD(Cathod Oxygen Depletion) 기능과 스택 냉각수의 가열을 위한 히터 기능을 통합한 COD 통합 히터인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 유동 부품의 입구측 유동 가이드 장치.
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