KR101341949B1 - 연료 전지 시스템용 열교환장치 및 그의 매니폴더 - Google Patents

Abstract

연료 전지 시스템용 열교환장치가 개시된다. 개시된 연료 전지 시스템용 열교환장치는 ⅰ)본체와, ⅱ)본체에 설치되며, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 다수 개의 패스부재들과, ⅲ)패스부재들의 단부에 연결되며, 배출물이 유동될 수 있는 단일의 유동 경로를 형성하는 다수 개의 매니폴더들과, ⅳ)본체에 장착되며 패스부재들로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함할 수 있다.

Description

연료 전지 시스템용 열교환장치 및 그의 매니폴더 {HEAT EXCHANGER FOR FUEL CELL SYSTEM AND MANIFOLDER OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 고온의 배출물을 냉각 및 응축시키며 재사용할 수 있도록 한 열교환장치 및 그 열교환장치의 매니폴더 구조에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 산화제의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.

이러한 연료 전지는 시스템의 구성 요소와 연료의 종류에 따라 여러 타입으로 나뉘는데, 크게 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로 구분할 수 있다.

고분자 전해질막 연료 전지는 개질 장치에서 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스와, 공기와 같은 산화제를 제공받아 그 개질 가스와 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

여기서, 상기 연료라 함은 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스를 포함할 수도 있다.

그리고, 개질 장치는 촉매에 의한 연료의 산화 방식으로서 열 에너지를 발생시키고, 이 열 에너지를 이용한 연료의 수증기 개질(SR: Steam Reforming), 부분 산화(POX: Partial Oxidation) 또는 자열 개질(ATR: Auto-Thermal Reforming) 반응 등을 통해 수소가 풍부한 개질 가스를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 고분자 전해질막 연료 전지는 에너지 밀도가 크고, 출력이 높다는 장점을 가지고 있으나, 수소 가스의 취급에 주의를 요하고 연료 가스인 수소를 생산하기 위하여 상기한 액체 연료 또는 가스 연료 등을 개질하기 위한 개질 장치 등의 부대 설비를 필요로 하는 문제점이 있다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 고분자 전해질막 연료 전지와 달리, 개질 가스를 사용하지 않고 상술한 바와 같은 액체 연료를 직접적으로 제공받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도 제공되는 산화제의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시킨다.

이러한 직접 메탄올 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하여 작동되므로, 연료의 저장, 시스템의 운전 및 보수가 비교적 간단하고 용이하여 차세대 이동용 발전 전원으로 주목 받고 있는 신에너지 변환 기술이다.

종래 기술에서 직접 메탄올 연료 전지를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템은 직접 메탄올 연료 전지의 집합체로서 이루어지는 연료 전지 스택과, 이 연료 전지 스택의 연료 전지로 액체 연료를 공급하기 위한 연료 공급원과, 그 연료 전지로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급원을 기본적으로 구비하고 있다.

여기서, 상기 연료 전지 스택은 연료 전지의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는 바, 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 미반응 연료를 배출한다.

그리고, 상기 연료 전지 스택은 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 수분과, 캐소드 전극에서 생성된 수분을 배출하는 바, 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온 다습한 수증기와 물을 배출한다.

한편, 직접 메탄올 연료 전지는 희석된 용액 형태로 연료 전지 시스템 내부에서 저장 및 사용할 경우, 연료 전지 시스템 전체의 에너지 밀도(단위 부피당)가 매우 낮아서 고밀도 에너지 장치로서의 장점을 상실하게 된다.

따라서, 적정농도(0.7~1.2M)의 연료를 공급하면서도 시스템에서의 에너지 밀도를 높이기 위해서 연료를 재순환하여 사용하게 된다.

이러한 연료의 재순환은 연료 전지 스택의 애노드 전극으로부터 배출되는 미반응 연료, 캐소드 전극으로부터 생성되는 수분, 및 고농도의 연료를 믹싱하여 농도를 맞춘 다음 연료 전지 스택으로 다시 공급하여 사용하는 순환식 방법이 사용되어지고 있다.

따라서, 직접 메탄올 연료 전지 타입의 연료 전지 시스템에서는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 고온의 미반응 연료 및 수증기와 물을 냉각시킴으로써 연료 전지 스택의 과도한 온도 상승을 억제하고, 상기한 배출물을 응축시켜 연료 전지 스택으로 재순환시킬 수 있는 열교환장치를 채용하고 있다.

종래 기술에서 상기 열교환장치는 연료 전지 스택의 애노드 전극 측에서 배출되는 고온의 미반응 연료를 냉각시킬 수 있는 열교환장치와, 연료 전지 스택의 캐소드 전극 측에서 배출되는 수증기와 물을 냉각시킬 수 있는 제2 열교환장치로 구성될 수 있다.

상기와 같이 직접 메탄올 연료 전지에 적용되는 열교환장치의 경우, 메탄올의 특성상 열교환장치의 재질을 부식시켜 일정 한계의 재질만을 사용해 왔으며, 현재 사용되고 있는 재질로는 SUS 계열(SUS 304, SUS 316)과 고분자 화합물(PE, PP, EPMD)의 특성을 갖는 재질을 사용하고 있다.

또한, 상기한 열교환장치는 SUS 재질로 이루어진 여러 개의 튜브 연결하여 고온의 미반응 연료와 고온 다습한 수증기(이하에서는 편의 상 “연료 전지 스택의 배출물” 이라고 한다)를 유동시키고 그 배출물을 냉각 공기로서 열교환시킬 수 있다.

그런데, 종래 기술에서는 SUS 재질의 튜브들을 연결할 때 실리콘 튜브를 이용하는 바, 실리콘 튜브를 연결하는데 번거로움이 있으며, 응축된 미반응 연료와 물이 실리콘 튜브를 통해 누출되는 현상이 발생함으로써 전체 연료 전지 시스템을 원활하게 운전하는데 어려움이 따르고 있다.

또한, 종래 기술에 따른 열교환장치는 연료 전지 스택의 배출물이 유동되는 유동 경로에 일자형의 냉각핀들을 설치하고, 냉각핀으로 냉각 공기를 송풍하여 그 냉각핀으로 전달된 열을 냉각시키고 있다.

그러나, 종래 기술에서는 연료 전지 스택의 배출물이 유동되는 유동 경로에 일자형의 냉각핀들을 설치하므로, 냉각핀들에 대한 냉각 공기의 접촉 면적이 한정적이며 이로 인해 전체 열교환장치의 열교환 성능이 저하될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 연료 전지 스택의 배출물을 유동 경로로 유통시키기 위한 공급 경로의 연결 작업이 편리하고, 응축된 미반응 연료와 물이 누출되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료 전지 시스템용 열교환장치 및 그의 매니폴더를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예들은 연료 전지 스택의 배출물이 유동되는 유동 경로 상의 냉각핀 형상을 개선함으로써 전체적인 열교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료 전지 시스템용 열교환장치 및 그의 매니폴더를 제공하고자 한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치는, ⅰ)본체와, ⅱ)상기 본체에 설치되며, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 다수 개의 패스부재들과, ⅲ)상기 패스부재들의 단부에 연결되며, 상기 배출물이 유동될 수 있는 단일의 유동 경로를 형성하는 다수 개의 매니폴더들과, ⅳ)상기 본체에 장착되며 상기 패스부재들로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 각 매니폴더는 상기 패스부재들 중 적어도 두 개의 패스부재들을 상호 연결할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 각 매니폴더는 상기 패스부재들의 양단부에 각각 연결되는 한 쌍의 연결홀들이 구비된 연결부재와, 상기 연결홀들을 연결하는 공간부가 구비되며 상기 연결부재와 결합되는 결합부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 연결부재는 상기 연결홀을 통해 상기 패스부재들의 양단부에 결합되는 연결 몸체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 연결 몸체에는 상기 연결홀과 패스부재의 양단부를 실링하는 제1 시일링이 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 결합부재는 상기 공간부로 상기 연결 몸체가 결합되며 상기 본체에 체결될 수 있는 결합 몸체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 결합 몸체에는 상기 공간부와 연결 몸체를 실링하는 제2 시일링이 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 패스부재들 중 어느 하나의 단부는 상기 연료 전지 스택과 연결되며, 상기 배출물이 유입될 수 있는 유입구로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 패스부재들 중 다른 하나의 단부는 상기 유동 경로를 거친 배출물이 유출될 수 있는 유출구로서 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 패스부재의 외측면에는 다수 개의 냉각핀들이 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치에 있어서, 상기 냉각핀들은 유선형으로 절곡되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치는, 상기 열교환장치는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 적용될 수 있다.

그리고, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더는, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유통시키는 다수 개의 패스부재들에 결합되며, 상기 배출물의 유동 경로를 형성하는 것으로서, ⅰ)상기 패스부재들의 양단부에 각각 연결되는 한 쌍의 연결홀들을 지닌 연결부재와, ⅱ)상기 연결홀들과 연결되는 공간부가 구비되며, 상기 연결부재와 결합되는 결합부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더는, 상기 연결부재에 설치되며 상기 연결홀과 패스부재의 양단부를 실링하는 제1 시일링과, 상기 결합 몸체에 설치되며 상기 공간부와 연결 몸체를 실링하는 제2 시일링을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더에 있어서, 상기 연결부재는 상기 연결홀을 통해 상기 패스부재들의 양단부에 결합되는 연결 몸체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더에 있어서, 상기 결합부재는 상기 공간부에 상기 연결 몸체가 결합되며 상기 연결 몸체에 체결될 수 있는 결합 몸체를 포함할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 유동 경로를 SUS 재질의 튜브와 실리콘 재질의 튜브를 이용하여 연결하는 종래 기술과 달리, 패스부재들의 양단부에 결합되는 매니폴더들을 통해 배출물의 유동 경로를 간편하게 연결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 종래 기술에서와 같은 SUS 재질의 튜브와 실리콘 재질의 튜브를 사용하지 않으므로, 패스부재들의 배출물 유동 경로를 연결하는 연결 작업이 간단해지고, 유동 경로 상에서 배출물이 누출되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 패스부재들에 설치된 냉각핀들을 유선형으로 구성함에 따라, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물의 열 교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 결합 사시도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 정면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더를 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치에 적용되는 냉각핀 부위를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 결합 사시도이고, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 정면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열교환장치(100)는 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 시스템에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 연료와 산화제의 전기 화학적인 반응은 단위 셀로서의 연료 전지를 통해 이루어지는 바, 본 발명의 실시예에서 상기 연료 전지는 액체 연료를 직접 사용하는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)로서 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 연료는 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.

예를 들면, 상기한 연료 전지 시스템은 연료 전지의 집합체로 이루어지는 연료 전지 스택과, 연료 전지 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부와, 연료 전지 스택으로 공기를 공급하는 공기 공급부을 포함하고 있다.

상기에서 연료 전지 스택은 수 개 내지 수십 개의 연료 전지들이 연속적으로 배열된 구조로 이루어지며, 연료 전지는 막-전극 어셈블리(MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되는 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 “바이폴라 플레이트” 라고도 한다)를 포함하여 이루어진다.

상기 막-전극 어셈블리는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막을 형성하는 구조로 이루어진다.

애노드 전극은 세퍼레이터의 채널을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키며, 캐소드 전극은 애노드 전극 측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터의 채널을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.

이러한 연료 전지의 구성은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 직접 메탄올 연료 전지로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기에서와 같은 연료 전지 스택은 연료 전지의 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출하는데, 그 미반응 연료는 애노드 전극에서의 반응열로 인해 고온을 유지한다.

그리고, 상기 연료 전지 스택은 연료 전지의 애노드 전극에서 전해질막을 통해 캐소드 전극으로 넘어간 물과, 캐소드 전극에서 생성된 물을 배출하는데, 그 캐소드 전극에서의 반응열로 인해 고온의 물과 고온 다습한 수증기를 배출한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 열교환장치(100)는 연료 전지의 애노드 전극 측에서 배출되는 배출물과, 연료 전지의 캐소드 전극 측에서 배출되는 배출물을 냉각시키며 응축시킴으로써 그 응축물을 연료 전지 스택으로 재순환시키기 위한 것이다.

즉, 상기 열교환장치(100)는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물의 유동 경로를 냉각 공기와 같은 냉각 매체로 냉각시킴으로써 그 배출물을 응축시킬 수 있다.

여기서, 상기와 같이 열교환장치(100)에 의해 응축된 응축물(액체 상태의 연료와 물)은 연료 전지 시스템의 재순환유닛을 통해 고농도의 연료와 믹싱된 상태로 연료 전지 스택으로 재 공급될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)는 배출물의 유동 경로를 SUS 재질의 튜브와 실리콘 재질의 튜브를 이용하여 연결하는 종래 기술과 달리, 배출물의 유동 경로를 간단한 구성으로 연결할 수 있으며, 배출물이 누출되는 것을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물의 열 교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 상기 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)는 기본적으로, 본체(10)와, 패스부재들(30)과, 매니폴더(50)와, 냉각 팬(70)을 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에서, 상기 본체(10)는 전체 장치의 외관을 이루는 장착 프레임으로서 상하 단부가 개방되고 사방의 측면이 폐쇄된 케이스 구조로 이루어진다.

이러한 본체(10)는 하기에서 설명될 각종 구성 요소들을 지지하기 위한 것으로서, 브라켓, 지지 플레이트, 리브 등과 같은 각종 부속 요소들을 구비할 수 있다.

그러나 상기 부속 요소들은 각각의 구성 요소들을 본체(10)에 설치하기 위한 것이므로, 본 발명의 실시예에서는 예외적인 경우를 제외하고 상기한 부속 요소들을 본체(10)로 통칭하는 것을 원칙으로 한다.

상기에서, 본체(10)는 사방의 측면이 판넬로 연결된 구조로 이루어지며, 그 중에서 양 측면의 판넬에는 뒤에서 더욱 설명될 패스부재들(30)을 장착하기 위한 다수 개의 장착홀들(11)이 형성되어 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 패스부재들(30)은 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 것이다.

상기 패스부재들(30)은 원형 단면의 파이프 형태로 이루어지며, 양단부가 본체(10)의 장착홀(11)에 끼워지며 장착될 수 있다.

여기서, 상기 패스부재들(30)은 배출물의 열을 용이하게 전달 및 방출할 수 있도록 열 전도도가 우수한 금속 소재로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 매니폴더(50)는 패스부재들(30)의 양 단부에 연결되며, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 패스부재들(30)을 통해 유동시킬 수 있는 단일 유로의 유동 경로를 형성할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 매니폴더(50)의 구성은 도 3 및 도 4를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 냉각 팬(70)은 위에서 언급한 바 있는 유동 경로를 따라 배출물이 유동되는 패스부재들(30)로 냉각 공기를 송풍하여 배출물을 냉각(열교환)시키기 위한 것이다.

상기 냉각 팬(70)은 본체(10)의 상측 개방 단에 구성되는 바, 볼트와 같은 체결 수단을 통해 본체(10)의 상측 개방 단에 고정되게 장착될 수 있다.

이러한 냉각 팬(70)은 전기적인 신호에 의해 팬이 회전하며 대기 중의 공기(냉각 공기)를 송풍하는 공지 기술의 송풍 팬으로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더(50)를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더를 도시한 분해 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더(50)는 다수 개의 패스부재들(30) 중 적어도 두 개의 패스부재(30)를 상호 연결하며, 전체 패스부재들(30)의 유로를 하나의 유로(위에서 언급한 바 있는 유동 경로)로 연결할 수 있다.

이러한 매니폴더(50)는 연결부재(61)와 결합부재(62)를 포함하는 바, 상기 연결부재(61)는 패스부재들(30)의 양 단부에 각각 연결되는 한 쌍의 연결홀(63)을 지닌 연결 몸체(64)를 포함하고 있다.

상기 연결 몸체(64)는 소정 폭과 길이를 지닌 플레이트 형태로 이루어지며, 한 쌍의 연결홀(63)이 독립적으로 이격되게 형성되어 있고, 그 한 쌍의 연결홀(63)을 통해 패스부재들(30)의 양단부에 결합될 수 있다.

여기서, 상기 연결 몸체(64)에는 연결홀(63)과 패스부재(30)의 양단부를 실링하는 제1 시일링(81)이 설치될 수 있다.

그리고, 상기 결합부재(62)는 연결 몸체(64)의 연결홀들(63)을 연결하며, 그 연결 몸체(64)와 결합되는 결합 몸체(66)를 포함하고 있다.

상기 결합 몸체(66)는 연결 몸체(64)에 대응하여 외측면으로 볼록하게 튀어 나온 공간부(67)를 형성하는 바, 그 공간부(67)는 연결 몸체(64)의 연결홀들(63)을 상호 연결할 수 있다.

즉, 상기 결합 몸체(66)는 공간부(67)의 개방단 내측으로 연결 몸체(64)가 결합되는 바, 그 연결 몸체(64)의 연결홀들(63)과 공간부(67)를 상호 연결할 수 있다.

이러한 결합 몸체(66)는 공간부(67)의 개방단 내측으로 연결 몸체(64)가 결합된 상태에서 본체(10)의 양측면에 볼트와 같은 체결 수단을 통해 체결될 수 있다.

여기서, 상기 결합 몸체(66)에는 공간부(67)의 개방단 내측과 연결 몸체(64)의 결합단을 실링하는 제2 시일링(82)이 설치될 수 있다.

한편, 상기 패스부재들(30)의 양단부는 매니폴더(50)에 연결되는 바, 패스부재들(30) 중 어느 하나는 연료 전지 스택의 미반응 연료를 배출하는 배출부 또는 고온의 물과 고온 다습한 수증기를 배출하는 배출부와 연결될 수 있다.

즉, 상기 패스부재들(30) 중 어느 하나의 단부는 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물이 유입될 있는 유입구(31)로서 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 패스부재들(30) 중 다른 하나는 위에서 언급한 바 있는 재순환유닛과 연결될 수 있으며, 그 다른 하나의 단부는 유동 경로를 거친 배출물이 유출될 수 있는 유출구(32)로서 이루어질 수 있다.

다른 한편으로, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 패스부재들(30)에는 배출물의 열을 방출하기 위한 다수 개의 냉각핀들(91)이 설치될 수 있다.

상기 냉각핀들(91)은 패스부재들(30)의 외측면에 고정되게 설치되는 바, 도 5에서와 같이 배출물의 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 유선형(파형)으로 절곡되게 형성될 수 있다.

상기한 냉각핀들(91)은 패스부재들(30)의 외주연을 따라 돌출되게 설치되는 데 그 패스부재(30)의 외주연 방향을 따라 유선형으로 굴곡지게 형성될 수 있다.

이와 같이 냉각핀들(91)을 유선형으로 형성한 이유는 패스부재(30)로 전달된 열의 방열 면적을 증대시키고, 냉각핀들(91)에 대하여 냉각 팬(70)을 통해 송풍되는 냉각 공기의 접촉 면적을 증대시키기 위함이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)의 조립 과정 및 작용을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 파이프 형태로 이루어진 패스부재들(30)의 양단부를 본체(10)의 장착홀(11)에 장착한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시예에 의한 매니폴더(50)를 패스부재들(30)의 양단부에 결합하는데, 연결부재(61)의 연결 몸체(64)를 한 쌍의 연결홀(63)을 통해 패스부재들(30)의 양단부에 결합한다.

즉, 상기 패스부재들(30)의 양단부를 한 쌍의 연결홀(63)에 끼우면서 연결 몸체(64)를 패스부재들(30)의 양단부에 결합한다.

이 경우, 상기 연결 몸체(64)는 패스부재들(30) 중 연료 전지 스택의 미반응 연료를 배출하는 배출부 또는 고온의 물과 고온 다습한 수증기를 배출하는 배출부와 연결되는 어느 하나의 단부와, 재순환유닛과 연결되는 다른 하나의 단부를 제외한 패스부재들(30)의 양단부에 결합될 수 있다.

즉, 상기 연결 몸체(64)는 다수 개의 패스부재들(30) 중 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물이 유입되는 유입구(31), 및 배출물이 유출될 수 있는 유출구(32)를 제외한 양측 단부에 결합될 수 있다.

이 때, 상기 연결 몸체(64)의 연결홀(63)과 패스부재(30)의 양단부에 사이에 제1 시일링(81)을 설치하여 그 연결홀(63)과 패스부재(30) 사이를 실링할 수 있다.

이어서, 본 발명의 실시예에서는 연결 몸체(64)의 가장자리 부분에 결합부재(62)의 결합 몸체(66)를 결합한다.

여기서, 상기 연결 몸체(64)는 결합 몸체(66)에 있어 공간부(67)의 개방단 내측으로 결합되며, 그 연결 몸체(64)의 연결홀들(63)은 결합 몸체(66)의 공간부(67)와 상호 연결될 수 있다.

이 때, 상기 공간부(67)의 개방단 내측과 연결 몸체(64)의 결합단 사이에 제2 시일링(82)을 설치하여 그 공간부(67)의 개방단 내측과 연결 몸체(64)의 결합단 사이를 실링할 수 잇다.

그리고, 상기와 같이 결합부재(62)의 결합 몸체(66)가 연결 몸체(64)에 결합된 상태에서, 본 발명의 실시예에서는 볼트와 같은 체결 수단을 이용하여 결합 몸체(66)를 본체(10)의 양측면에 체결한다.

그러면, 상기 패스부재들(30)은 유입구(31)와 유출구(32)를 제외하고 이의 양단부에 본 발명의 실시예에 의한 매니폴더(50)가 결합되므로, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물이 유동될 수 있는 단일의 유동 경로를 형성할 수 있다.

마지막으로, 상기 본체(10)의 상측 개방 단에 볼트와 같은 체결 수단을 통하여 냉각 팬(70)을 설치하게 되면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열교환장치(100)의 조립이 완료된다.

따라서, 상기와 같이 조립된 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)에 의하면, 연료 전지 스택의 애노드 전극 측에서 배출되는 미반응 연료의 배출물 또는 캐소드 전극 측에서 배출되는 고온의 물과 수증기의 배출물을 패스부재들(30) 중 어느 하나의 유입구(31)로 공급한다.

그러면, 상기 배출물은 패스부재들(30)의 양단부에 매니폴더들(50)이 결합되며 형성된 단일의 유동 경로를 따라 유동하게 되고, 이 과정에 냉각 팬(70)은 대기 중의 공기(냉각 공기)를 패스부재들(30)로 송풍한다.

이로써, 상기 유동 경로를 따라 흐르는 배출물의 열이 패스부재들(30)을 통해 냉각핀들(91)로 전달되고 그 냉각핀들(91)을 통해 방출되면서 냉각 공기에 의해 냉각될 수 있다.

여기서, 상기 배출물이 냉각되면서 응축된 응축물은 유동 경로를 따라 유동하며 패스부재들(30) 중 다른 하나의 유출구(32)를 통해 배출되고, 별도의 연결 라인을 통해 재순환유닛으로 공급될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템용 열교환장치(100)에 의하면, 종래 기술과 같이 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 유동 경로를 SUS 재질의 튜브와 실리콘 재질의 튜브를 이용하여 연결하지 않고, 패스부재들(30)에 결합되는 매니폴더들(50)을 통해 유동 경로를 연결할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 SUS 재질의 튜브와 실리콘 재질의 튜브를 사용하지 않으므로, 패스부재들(30)의 배출물 유동 경로를 연결하는 연결 작업이 간단하며 편리해지고, 유동 경로 상에서 배출물이 누출되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 패스부재들(30)에 설치된 냉각핀들(91)을 유선형으로 구성함으로, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물의 열 교환 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10... 본체 11... 장착홀
30... 패스부재 31... 유입구
32... 유출구 50... 매니폴더
61... 연결부재 62... 결합부재
63... 연결홀 64... 연결 몸체
66... 결합 몸체 67... 공간부
70... 냉각 팬 81... 제1 시일링
82... 제2 시일링 91... 냉각핀

Claims (13)

1. 본체;
   상기 본체에 설치되며, 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유동시키기 위한 다수 개의 패스부재들;
   상기 패스부재들의 단부에 연결되며, 상기 배출물이 유동될 수 있는 단일의 유동 경로를 형성하는 다수 개의 매니폴더들; 및
   상기 본체에 장착되며 상기 패스부재들로 냉각 공기를 송풍하는 냉각 팬을 포함하되,
   상기 각 매니폴더는,
   상기 패스부재들의 양단부에 각각 연결되는 한 쌍의 연결홀들이 구비된 연결부재와,
   상기 연결홀들을 연결하는 공간부가 구비되며, 상기 연결부재와 결합되는 결합부재
   를 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 각 매니폴더는,
   상기 패스부재들 중 적어도 두 개의 패스부재들을 상호 연결하는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 연결홀을 통해 상기 패스부재들의 양단부에 결합되는 연결 몸체를 포함하고,
   상기 연결 몸체에는 상기 연결홀과 패스부재의 양단부를 실링하는 제1 시일링이 설치되는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 결합부재는,
   상기 공간부로 상기 연결 몸체가 결합되며, 상기 본체에 체결될 수 있는 결합 몸체를 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 결합 몸체에는 상기 공간부와 연결 몸체를 실링하는 제2 시일링이 설치되는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 패스부재들 중 어느 하나의 단부는,
   상기 연료 전지 스택과 연결되며, 상기 배출물이 유입될 수 있는 유입구로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 패스부재들 중 다른 하나의 단부는,
   상기 유동 경로를 거친 배출물이 유출될 수 있는 유출구로서 이루어지는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 패스부재의 외측면에는 다수 개의 냉각핀들이 설치되고, 상기 냉각핀들은 유선형으로 절곡되게 형성되는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 열교환장치는 직접 메탄올 연료 전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)에 적용되는 연료 전지 시스템용 열교환장치.
11. 연료 전지 스택으로부터 배출되는 배출물을 유통시키는 다수 개의 패스부재들에 결합되며, 상기 배출물의 유동 경로를 형성하는 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더로서,
    상기 패스부재들의 양단부에 각각 연결되는 한 쌍의 연결홀들을 지닌 연결부재; 및
    상기 연결홀들과 연결되는 공간부가 구비되며, 상기 연결부재와 결합되는 결합부재
    를 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 연결부재에 설치되며 상기 연결홀과 패스부재의 양단부를 실링하는 제1 시일링과,
    상기 결합 몸체에 설치되며 상기 공간부와 연결 몸체를 실링하는 제2 시일링
    을 더 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더.
13. 제11 항에 있어서,
    상기 연결부재는 상기 연결홀을 통해 상기 패스부재들의 양단부에 결합되는 연결 몸체를 포함하고,
    상기 결합부재는 상기 공간부에 상기 연결 몸체가 결합되며 상기 연결 몸체에 체결될 수 있는 결합 몸체를 포함하는 연료 전지 시스템용 열교환장치의 매니폴더.

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