KR101307685B1 - 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈 - Google Patents

진동 완충이 가능한 연료전지 모듈 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택을 수용하는 스택 케이스, 및 스택 케이스의 하부에 구비되어 스택 케이스로 전달되는 진동을 완충하는 진동 완충부를 포함하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈에 있어서, 진동 완충부는 링 형상의 단면을 가지고 탄성을 나타내는 복수 개의 고리부를 포함하며, 복수 개의 고리부는 각각의 열(列) 내에서 서로를 마주 보도록 수평 방향으로 일렬로 늘어서는 적어도 2개의 열을 이룬다

Description

진동 완충이 가능한 연료전지 모듈 {FUEL CELL MODULE WITH VIBRATION DAMPER}
본 발명은 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 여러 방향에서 가해지는 진동이나 충격도 효과적으로 완충할 수 있는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈에 관한 것이다.
연료전지는 탄화수소 연료에 저장된 화학 에너지를 전기화학반응에 의해 전기 에너지로 직접 변환하는 장치이다. 즉, 연료전지는 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 반응으로 전기를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 산소를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택으로터의 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.
이러한 연료전지 시스템은 현재 다양한 곳에 설치되고 있다. 그러나 차량이나 선박 등과 같이 연료전지 시스템으로 다양한 진동이나 충격이 전달되는 곳에 연료전지 시스템을 설치하는 경우에는 연료전지 시스템의 보호를 위해 이러한 진동이나 충격을 완충하는 수단을 강구할 필요가 있다. 특히, 선박에 연료전지 시스템을 설치하는 경우에는 이러한 수단의 강구가 절실하다. 도 6을 참조하여 이에 대해 상술하면, 선박은 해상에서 6자유도 운동을 한다. 선박의 6자유도 운동이란 바다 수면을 항해하는 선박이 해상파에 의해 받게 되는 진동운동을 말한다. 선박에 가해지는 진동은 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 3개의 직선운동과 3개의 회전운동으로 나눌 수 있다.
첫째로, 직선운동은 전후요(surging), 좌우요(swaying), 상하요(heaving)로 나눌 수 있다. 전후요는 선박의 종방향, 즉 선수미 방향(도 6의 x축 방향 참조)의 진동운동을 말하고, 좌우요는 선박의 좌현과 우현 방향(도 6의 y축 방향 참조)의 진동운동을 말하며, 상하요는 선박의 상하 방향(도 6의 z축 방향 참조)의 진동운동을 말한다. 둘째로, 회전운동은 횡요(rolling), 종요(pitching), 선수요(yawing)로 나눌 수 있다. 횡요는 선박의 길이 방향의 축(도 6의 x축 참조)을 중심으로 회전하는 진동운동을 말하는 것으로서, 좌현(또는 우현)이 올라오고 내려가기를 반복하는 것을 의미한다. 종요는 선박의 폭 방향의 축(도 6의 y축 참조)을 중심으로 회전하는 진동운동을 말하는 것으로서, 선수미 방향으로 반복적으로 기우는 것을 의미한다. 선수요는 선박의 수직 방향의 축(도 6의 z축 참조)을 중심으로 회전하는 진동운동을 말하는 것으로서, 선수미가 좌우 방향으로 반복적으로 움직이는 것을 의미한다.
이와 같이 선박에 연료전지 시스템을 설치하는 경우에는 선박의 6자유도 운동에 따라 연료전지 시스템(또는 연료전지 시스템을 구성하는 연료전지 모듈)에 가해지는 진동이나 충격을 완충하는 것이 필요하다. 이를 위해 종래에는 통상 기계식 댐퍼나 유압식 댐퍼를 사용하여 왔다. 그러나 스프링 등을 사용하는 기계식 댐퍼의 경우에는 1축에 대해서만 완충이 가능하다는 문제가 있다. 그리고 유압식 댐퍼의 경우에는 연료전지 시스템(또는 연료전지 모듈)의 하중을 온전히 견디기 어렵다는 문제가 있다. 이에 따라 선박의 6자유도 운동에 따른 진동과 같이 여러 방향에서 가해지는 진동이나 충격을 모두 완충할 수 있으면서도, 연료전지 시스템(또는 연료전지 모듈)의 하중을 온전히 견딜 수 있는 완충 장치의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 여러 방향에서 가해지는 진동이나 충격도 효과적으로 완충할 수 있는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 스택을 수용하는 스택 케이스, 및 스택 케이스의 하부에 구비되어 스택 케이스로 전달되는 진동을 완충하는 진동 완충부를 포함하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈에 있어서, 진동 완충부는 링 형상의 단면을 가지고 탄성을 나타내는 복수 개의 고리부를 포함하며, 복수 개의 고리부는 각각의 열(列) 내에서 서로를 마주 보도록 수평 방향으로 일렬로 늘어서는 적어도 2개의 열을 이룬다.
본 발명에 따른 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈은, 고리부가 링 형상의 단면을 가지고 있기 때문에 상하 방향으로 가해지는 진동이나 충격을 효과적으로 완충할 수 있고, 복수 개의 고리부가 적어도 2개의 열을 이루고 있기 때문에 전후 방향으로 가해지는 진동이나 충격을 효과적으로 완충할 수 있으며, 복수 개의 고리부가 각각의 열 내에서 서로를 마주 보도록 늘어서 있기 때문에 좌우 방향으로 가해지는 진동이나 충격을 효과적으로 완충할 수 있을 뿐만 아니라, 즉 여러 방향에서 가해지는 진동이나 충격에 대해서도 효과적으로 완충할 수 있을 뿐만 아니라, 고리부가 적절한 강성을 가지는 강선으로 이루어지기 때문에 보다 단순한 구조만으로도 연료전지 시스템의 하중을 온전히 견딜 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모듈을 도시하고 있는 사시도
도 2는 도 1의 연료전지 모듈을 도시하고 있는 정면도
도 3은 도 1의 연료전지 모듈의 고리부를 도시하고 있는 사시도
도 4는 본 실시예에 따른 연료전지 모듈에 구비되는 체결구를 도시하고 있는 사시도
도 5는 도 3의 고리부의 변형예를 도시하고 있는 사시도
도 6은 선박의 6자유도 운동을 설명하고 있는 개념도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 모듈을 도시하고 있는 사시도이고, 도 2는 도 1의 연료전지 모듈을 도시하고 있는 정면도이며, 도 3은 도 1의 연료전지 모듈의 고리부를 도시하고 있는 사시도이다. 도 1과 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 연료전지 모듈은 스택 케이스(110)와 진동 완충부(130)를 포함한다. 스택 케이스(110)는 복수 개의 단위 연료전지가 적층되어 있는 연료전지 스택(미도시)을 수용한다. 그리고 이러한 스택 케이스(110)의 하부에는 스택 케이스(110)로 전달되는 진동이나 충격을 완충하기 위한 진동 완충부(130)가 구비된다.
진동 완충부(130)는 링 형상의 단면을 가지고 탄성을 나타내는 복수 개의 고리부(132)를 포함한다. 이러한 고리부(132)는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 강선(steel wire)을 링 형상으로 감는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 고리부(132)는 복수 개의 강철 소선(134)의 꼬임으로 이루어지는 강선을 일정한 길이로 절단한 다음에 원형으로 굽히는 것에 의해 형성될 수 있다. 이때, 강선의 양 끝을 구속하여 강선이 원형을 유지할 수 있도록 하기 위해 원통형으로 구부린 강철 플레이트(136)를 강선의 양 끝에 압착할 수 있다.
이와 같이 강선이 링 형상을 가지면, 고리부(132)는 일종의 스프링과 같이 탄성을 가질 수 있다. 그리고 이와 같이 강선이 링 형상을 가지면, 링 형상(또는 원형)의 특성으로 인해 고리부(132)는 다양한 방향에서 가해지는 진동이나 충격에 대해서 완충 작용을 할 수 있다(링 형상의 고리부에 대해 중심을 향하는 다양한 방향에서 힘을 가하는 경우를 상정해 보면, 쉽게 이해될 수 있을 것이다). 그러나 링 형상의 강선만으로는 스택 케이스(110)로 가해지는 모든 진동이나 충격을 균형있게 완충하기 어렵다. 즉, 링 형상의 강선에 대해 비스듬하게 가해지는 진동이나 충격은 완충하기 어렵다.
이러한 문제를 해소하기 위해 링 형상의 강선으로 이루어지는 고리부(132)는 복수 개가 적어도 2개의 열을 이루는 것이 바람직하다. 복수 개의 고리부(132)가 2개 이상의 열을 이루고 있으면(도 1 참조), 고리부(132)에 대해 비스듬하게 가해지는 진동이나 충격도 2개 이상의 고리부(132)의 열에서 분담하여 완충할 수 있다. 이러한 고리부(132)의 열은, 연료전지 모듈(또는 스택 케이스)의 하중을 균등하게 분담할 수 있다면, 2개 이상 여러 개이어도 무방하다. 예를 들어, 중앙에 하나의 열, 그리고 중앙의 열을 기준으로 양쪽에 대칭으로 배치되는 2개의 열 등과 같이 고리부(132)가 3개의 열을 이루고 있어도 무방하다. 이러한 열의 개수는 연료전지 모듈의 하중이나 고리부(132)의 소재, 또는 고리부(132)의 개수 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다.
그리고 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 각각의 열(列) 내에서는 복수 개의 고리부(132)가 서로를 마주 보도록 수평 방향으로 일렬로 늘어서는 것이 바람직하다. 즉, 각각의 고리부(132)가 바라보는 방향과 복수 개의 고리부(132)가 늘어서는 방향은 서로 동일한 것(즉, 도 1을 기준으로 각각의 고리부가 전후 방향을 바라보고 있는 것)이 바람직하다. 이와 같이 고리부(132)가 배치되면, 횡 방향(도 1을 기준으로 좌우 방향, 즉 고리부가 늘어서는 방향과 수직한 방향)으로 가해지는 진동이나 충격에 대해서도 보다 효과적으로 완충할 수 있다(각각의 고리부가 바라보는 방향과 복수 개의 고리부가 늘어서는 방향이 서로 직교하는 경우, 다시 말해, 도 1을 기준으로 각각의 고리부가 좌우 방향을 바라보고 있는 경우와 비교해 보면, 쉽게 이해될 수 있을 것이다). 다만, 하나의 열 내에서 고리부(132)가 서로 너무 인접하게 배치되면, 즉 하나의 열 내에 고리부(132)가 너무 많으면, 전후 방향(즉, 복수 개의 고리부가 늘어서는 방향)으로의 움직임에 따라 고리부(132) 사이에서 충돌이 일어날 수 있으므로, 하나의 열 내의 고리부(132)의 개수는 적절하게 조절될 필요가 있다.
결국, 본 실시예에 따른 진동 완충부(130)는 여러 방향에서 가해지는 진동이나 충격에 대해서도 매우 효과적이다. 즉, 상하 방향으로 가해지는 진동이나 충격은 링 형상의 단면을 가지는 고리부(132)에 의해 보다 효과적으로 완충될 수 있고, 전후 방향(즉, 복수 개의 고리부가 늘어서는 방향)으로 가해지는 진동이나 충격은 적어도 2개의 열을 이루고 있는 고리부(132)에 의해 보다 효과적으로 완충될 수 있으며, 좌우 방향(즉, 복수 개의 고리부가 늘어서는 방향과 수직한 방향)으로 가해지는 진동이나 충격은 각각의 열 내에서 서로 마주 보도록 늘어서는 고리부(132)에 의해 보다 효과적으로 완충될 수 있다.
그리고 진동 완충부(130)의 고리부(132)는 연료전지 모듈(또는 스택 케이스)의 하중을 견딜 수 있어야 하기 때문에, 고리부(132)를 구성하는 강선은 적절한 강성을 가지는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 강선의 재료는 stainless steel 304, 304L, 316, 316L인 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는 강선의 재료가 AISI 316 Marine Grade Stainless Steel인 것이 좋다. 이와 같이 본 실시예에 따른 완충부는 고리부(132)가 적절한 강성을 가지는 강선으로 이루어지기 때문에, 보다 단순한 구조만으로도 연료전지 모듈(또는 스택 케이스)의 하중을 온전히 견딜 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 연료전지 모듈은 고리부(132)를 체결하기 위해 스택 케이스(110)의 하부에 체결구(150, 도 4 참조)를 구비한다. 도 4는 본 실시예에 따른 연료전지 모듈에 구비되는 체결구를 도시하고 있는 사시도이다. 본 실시예에 따른 체결구(150)는 나사 결합을 통해 스택 케이스(110)와 결합되고 관통 구멍(152)을 통해 고리부(132)와 결합된다(도 2 참조). 즉, 체결구(150)의 볼트부(154)를 스택 케이스(110)의 내부에서 너트(156)와 결합시키면 체결구(150)가 스택 케이스(110)의 하부에 결합될 수 있고, 체결구(150)의 관통 구멍(152)에 고리부(132)를 관통시키면 고리부(132)가 체결구(150)에 결합될 수 있다. 이러한 체결구(150)는 고리부(132)를 단단히 고정하고 있어야 하기 때문에, 적절한 강성을 가지는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 체결구(150)의 재료는 stainless steel 316, 316L인 것이 바람직하다. 전술한 것과 같이 체결구(150)가 구비되면, 고리부(132)가 미끄러지지 않고 스택 케이스(110)의 하부에 안정적으로 고정될 수 있을 뿐만 아니라, 연료전지 모듈의 하중도 효과적으로 고리부(132)에 전달될 수 있다.
또한 동일한 구조의 체결구(150)를 통해 고리부(132)를 고리부(132)의 하부에 구비되는 하부 지지부(170)에 결합시킬 수 있다. 도 1, 2에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 연료전지 모듈은 하부에서 스택 케이스(110)와 진동 완충부(130)를 안정적으로 지지하기 위해 진동 완충부(130)의 하부에 하부 지지부(170)를 더 구비할 수 있다. 이와 같이 하부 지지부(170)가 구비되는 경우에도 전술한 체결구(150)를 통해 고리부(132)와 하부 지지부(170)를 체결시킬 수 있다. 즉, 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이 체결구(150)의 볼트부(154)를 하부 지지부(170)의 하측에서 너트(156)와 결합시키면 체결구(150)가 하부 지지부(170)의 상부에 결합될 수 있고, 체결구(150)의 관통 구멍(152)에 고리부(132)를 관통시키면 고리부(132)가 체결구(150)에 결합될 수 있다. 이와 같이 체결구(150)가 구비되면, 고리부(132)가 미끄러지지 않고 하부 지지부(170)의 상부에 안정적으로 고정되어 있을 수 있다.
한편, 앞에서는 강선을 링 형상으로 감아서 이루어지는 고리부(132)에 대해 설명했다. 그러나 고리부의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 고리부(232)는 강선을 고리부(232)가 늘어선 방향을 따라 나선형으로 감는 것에 의해 형성될 수도 있다. 도 5는 도 3의 고리부의 변형예를 도시하고 있는 사시도이다. 다시 말해, 고리부(232)는 복수 개의 강철 소선의 꼬임으로 이루어지는 강선을 일정한 길이로 절단한 다음에 나선형으로 연속적으로 굽히는 것에 의해 형성될 수도 있다. 이러한 경우 고리부(232)는 스프링과 유사한 형상을 가질 것이다. 이와 같이 고리부(232)가 나선형을 가지면, 여러 방향의 진동이나 충격을 보다 효과적으로 완충할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110: 스택 케이스 130: 진동 완충부
132: 고리부 134: 소선
150: 체결구 152: 관통 구멍
154: 볼트부 156: 너트
170: 하부 지지부

Claims (5)

  1. 연료전지 스택을 수용하는 스택 케이스, 및 상기 스택 케이스의 하부에 구비되어 상기 스택 케이스로 전달되는 진동을 완충하는 진동 완충부를 포함하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈에 있어서,
    상기 진동 완충부는 링 형상의 단면을 가지고 탄성을 나타내는 복수 개의 고리부를 포함하며, 상기 복수 개의 고리부는 각각의 열(列) 내에서 서로를 마주 보도록 수평 방향으로 일렬로 늘어서는 적어도 2개의 열을 이루며, 상기 고리부는 복수 개의 강철 소선의 꼬임으로 이루어지는 강선(steel wire)을 상기 고리부가 늘어선 방향을 따라 나선형으로 감아서 형성되는 것을 특징으로 하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스택 케이스의 하부에는 상기 고리부를 체결하기 위해 상기 고리부가 관통하는 관통 구멍을 가지는 체결구가 결합되는 것을 특징으로 하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 진동 완충부의 하부에 구비되는 하부 지지부를 더 포함하고, 상기 하부 지지부의 상부에는 상기 고리부를 체결하기 위해 상기 고리부가 관통하는 관통 구멍을 가지는 체결구가 결합되는 것을 특징으로 하는 진동 완충이 가능한 연료전지 모듈.
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