KR101655186B1 - Air cooler for fuel cell system and humidification device comprising the same - Google Patents

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Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 가습기는 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러를 포함하며, 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고, 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.A humidifier for a fuel cell is disclosed. The disclosed humidifier for a fuel cell is provided with membrane humidification of exhaust air discharged from an air electrode of a fuel cell stack and hot and dry supply air supplied through an air compressor and supplies humidified air to an air electrode of a fuel cell stack, A membrane module in which a plurality of bundles of hollow fiber membranes are densely packed in the housing; and (ii) an air cooler installed on the air inlet side of the membrane module that feeds the supply air from the inside of the housing and cools the supply air, A plurality of cooling plates for internally forming a cooling water flow path for flowing cooling water and a heat dissipation fin provided between the cooling plates and forming an air flow path for flowing the supply air, Air flow paths having different flow path cross-sectional areas from each other to the flow outer periphery can be formed.

Description

연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기 {AIR COOLER FOR FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE COMPRISING THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an air cooler for a fuel cell system, and a humidifier including the air cooler.

본 발명의 실시예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 압축기를 통해 가습기로 공급되는 고온 건조한 공기를 쿨링하는 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system of a fuel cell vehicle, and more particularly, to an air cooler and a humidifier including the air cooler for cooling hot and dry air supplied to a humidifier through an air compressor.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.Generally, a fuel cell system is a kind of power generation system that generates electric energy as an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxygen in the air) by a fuel cell. For example, a fuel cell system is employed in a fuel cell vehicle to operate an electric motor and drive a vehicle.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다. 여기서 공기 공급장치는 공기를 압축한 압축 공기를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 압축기를 구비할 수 있다.The fuel cell system includes a fuel cell stack, which is an electricity generating assembly of unit fuel cells made up of an air electrode and a fuel electrode, an air supply device for supplying air to the air electrode of the fuel cell, a hydrogen supply device . Wherein the air supply device may include an air compressor for supplying compressed air compressed air to the fuel cell stack.

한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 공기 압축기를 통해 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다.In the case of a polymer fuel cell, an appropriate amount of moisture is required for the ion exchange membrane of the membrane-electrode assembly (MEA) to function smoothly. For this purpose, the air supply device of the fuel cell system is provided with air supplied to the fuel cell through the air compressor And a humidifier for humidifying it.

예를 들면, 가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기(습윤공기) 중의 수분을 이용하여 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.For example, the humidifier humidifies the dry air supplied through the air compressor by using moisture in the high temperature and high humidity air (humid air) discharged from the air electrode of the fuel cell, and supplies the humidified air to the air electrode of the fuel cell .

가습기로는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 플레이트 타입, 흡착제 타입 그리고 막 가습 타입 등 여러 가지 방식의 것이 있지만, 연료전지 차량의 경우에서는 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습 방식을 적용하고 있다. 이러한 막 가습 방식의 가습기는 패키지 측면에서 뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.There are various types of humidifiers such as a bubbler type, an injection type, a plate type, an adsorbent type, and a membrane humidifying type. However, in the case of a fuel cell vehicle, Small membrane humidification method is applied. This humidifier with membrane humidification has the advantage of not requiring special power as well as in terms of package.

막 가습 방식의 가습기(이하에서는 편의상 "막 가습기" 라고 한다)는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출가스와, 공기 압축기를 통해 공급되는 건조 공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식을 통해 막 가습이 이루어진다.The humidifier of the membrane humidification type (hereinafter, referred to as a "membrane humidifier" for convenience) exchanges water and gas with the hot and humid exhaust gas discharged from the air electrode of the fuel cell and the dry air supplied through the air compressor The membrane is humidified by the method.

여기서, 상기와 같이 가습기에서 막 가습이 이루어진 가습 공기는 연료전지의 공기극으로 공급되고, 수분이 제거된 배출가스는 대기 중으로 방출된다.Here, as described above, humidified air humidified by the humidifier is supplied to the air electrode of the fuel cell, and the exhaust gas from which moisture is removed is discharged into the atmosphere.

예를 들면, 막 가습기는 원통 형상의 하우징 내부에 중공사막이 밀집되어 있는 막 모듈과, 그 막 모듈의 양측에 형성되는 쉘(shell) 타입의 매니폴드를 구비하고 있다.For example, the membrane humidifier includes a membrane module in which a hollow fiber membrane is packed in a cylindrical housing, and a shell type manifold formed on both sides of the membrane module.

한편, 연료전지 스택의 고출력 운전에서 공기 압축기를 통해 압축된 공기는 높은 압축비와 많은 공기량으로 인해 100~150℃ 정도의 온도로 상승하게 된다.On the other hand, in a high output operation of the fuel cell stack, the air compressed through the air compressor rises to a temperature of about 100 to 150 ° C due to a high compression ratio and a large amount of air.

그러나, 압축 공기의 온도는 연료전지 스택의 정상적인 운전 온도인 60~80℃ 보다 높기 때문에, 가습기의 가습 효율 및 스택의 운전 효율에 불리한 조건으로 작용한다. 따라서 연료전지 시스템은 공기 압축기에 의해서 가습기로 공급되는 고온의 압축 공기를 냉각시킬 필요가 있다.However, since the temperature of the compressed air is higher than the normal operation temperature of the fuel cell stack of 60 to 80 DEG C, it acts as a disadvantage against the humidification efficiency of the humidifier and the operation efficiency of the stack. Therefore, the fuel cell system needs to cool the hot compressed air supplied to the humidifier by the air compressor.

이를 위해 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서 에어쿨러(당 업계에서는 통상 "인터쿨러" 라고도 함)를 가습기에 설치하고 있다.For this purpose, in the prior art, an air cooler (usually called an "intercooler" in the art) is installed in a humidifier as an example of cooling means for cooling the air supplied from the air compressor.

에어쿨러는 가습기의 공기 유입부 측에 설치되어 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 쿨링하며, 온도가 저감된 공급 공기를 가습기로 공급할 수 있다.The air cooler is provided on the air inlet side of the humidifier and can cool the high temperature and dry air supplied from the air compressor (hereinafter, referred to as "supply air " for convenience) and supply the reduced supply air to the humidifier.

이러한 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 지닌 냉각 플레이트들을 구비하며, 냉각 플레이트들 사이에 공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 그 공기 유로에 냉각 핀을 설치하고 있다. Such an air cooler has cooling plates having cooling water flow paths for flowing cooling water, and air flow paths for flowing air between the cooling plates are formed, and cooling pins are provided in the air flow paths.

그런데, 종래 기술에서는 냉각 플레이트들이 등 간격으로 배치되고, 이들 냉각 플레이트 사이의 공기 유로에 냉각 핀이 설치되어 있는 에어쿨러를 구비하고 있기 때문에, 공기 압축기로부터 공급되는 공급 공기가 에어쿨러의 중앙 부위로 집중되게 유입되며 냉각된 상태로 가습기에 공급될 수 있다.However, in the prior art, since the cooling plates are arranged at regular intervals and the air cooler provided with the cooling fins in the air flow path between the cooling plates is provided, the supply air supplied from the air compressor is supplied to the central portion of the air cooler And can be supplied to the humidifier in a cooled state.

이로 인해 종래 기술에서는 가습기의 중앙 부위로만 에어쿨러를 통해 냉각된 공급 공기가 공급됨에 따라, 가습기 내부의 중공사막을 효율적으로 사용하지 못하는 결과를 초래하게 된다.Therefore, in the prior art, the supply air cooled through the air cooler is supplied only to the central portion of the humidifier, resulting in a failure to efficiently use the hollow fiber membrane inside the humidifier.

따라서, 종래 기술에서는 가습기를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 충분히 가습하지 못하게 되어 연료전지 스택의 성능 및 내구에 악 영향을 끼칠 수 있다.Therefore, in the prior art, the air supplied to the fuel cell stack through the humidifier can not sufficiently humidify, which may adversely affect the performance and durability of the fuel cell stack.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.The matters described in the background section are intended to enhance the understanding of the background of the invention and may include matters not previously known to those skilled in the art.

본 발명의 실시예들은 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기를 전체 쿨링 영역으로 분배하여 가습기 내부의 중공사막으로 공급되는 냉각 공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 에어쿨러를 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide an air cooler for a fuel cell system that distributes the hot and dry air supplied from the air compressor to the entire cooling area to uniformly distribute the flow of the cooling air supplied to the hollow fiber membrane inside the humidifier do.

또한, 본 발명의 실시예들은 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기를 전체 쿨링 영역으로 분배할 수 있는 에어쿨러를 채용하여 가습성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.In addition, embodiments of the present invention employ an air cooler capable of distributing the hot and dry air supplied from the air compressor to the entire cooling area, thereby improving the performance of the humidification performance and further improving the performance of the fuel cell stack. Humidifier.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)상기 하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러를 포함하며, 상기 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.The humidifier for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a humidifier for humidifying humid air of exhaust air discharged from an air electrode of a fuel cell stack and hot and dry air supplied through an air compressor, Wherein the membrane module is composed of: i) a membrane module in which a plurality of bundled hollow fiber membranes are densely packed in a housing; ii) a membrane module installed on the air inlet side of the membrane module for introducing supply air in the housing, The air cooler includes a plurality of cooling plates for internally forming a cooling water flow path for flowing cooling water, and a heat dissipation fin disposed between the cooling plates and forming an air flow path for flowing the supply air Wherein the cooling plates move from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion, It has been possible to form a different air flow passage to each other.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.Further, in the humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path in which the air flow interval gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.Further, in the humidifier for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path whose cross-sectional area of the flow path is different from the inlet side to the outlet side of the supply air.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.In addition, in the humidifier for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path in which the air flow interval gradually increases from the inlet side to the outlet side of the supply air.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 상기 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.Further, in the humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the cooling plates may be radially arranged such that the inclination angle gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 하우징의 일측에 형성되며 상기 막 모듈로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드와, 상기 하우징의 다른 일측에 형성되며 상기 막 모듈에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드를 포함할 수 있다.In the humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, a humidifier for a fuel cell system may further include: a first manifold in the form of a shell formed at one side of the housing and supplying air to the membrane module; And a second manifold in the form of a shell formed on one side and discharging humidified humidified air from the membrane module.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 에어쿨러는 상기 제1 매니폴드의 내부에 설치되며, 상기 공급공기의 배출부 측이 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 연결될 수 있다.Further, in the humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the air cooler is installed inside the first manifold, and the discharge side of the supply air is located on the air inlet side of the membrane module Can be connected.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러는, 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하며 그 냉각된 공급공기를 가습기로 공급하도록 그 가습기의 공급공기 유입부 측에 설치되는 것으로서, ⅰ)냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하고 있는 다수 개의 냉각 플레이트들과, ⅱ)상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며, 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 공급공기의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 방열 핀을 포함하며, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.The air cooler for the fuel cell system according to the embodiment of the present invention is installed on the side of the supply air inflow portion of the humidifier so as to cool the high temperature dry air supplied through the air compressor and supply the cooled supply air to the humidifier A plurality of cooling plates formed therein, the cooling plate having: i) a cooling water flow path for flowing cooling water therein; ii) an air flow path provided between the cooling plates for flowing supply air, To the cooling plate, and the cooling plates can form an air flow path having different flow path cross-sectional areas from the flow center portion of the supply air toward the flow outflow portion.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.In addition, in the air cooler for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path whose air flow interval gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.Further, in the air cooler for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path whose cross-sectional area of the flow path is different from the inlet side to the outlet side of the supply air.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.Further, in the air cooler for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the cooling plates may form an air flow path in which the air flow interval gradually increases from the inlet side to the outlet side of the supply air.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.Further, in the air cooler for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the cooling plates may be arranged radially so that the inclination angle gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 루버 핀 타입으로 이루어질 수 있다.Further, in the air cooler for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the radiating fin may be a louver fin type.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비될 수 있다.Further, in the air cooler for a fuel cell system according to the embodiment of the present invention, the heat radiating fins may have different contact areas with the supply air in the air flow paths between the cooling plates.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비될 수 있다.In the air cooler for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention, the heat radiating fins may have different densities in air flow paths between the cooling plates.

본 발명의 실시예는 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 에어쿨러의 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기의 막 모듈로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있다.The embodiment of the present invention can uniformly distribute the high-temperature dry supply air supplied from the air compressor to the entire cooling area of the air cooler to uniformly distribute the flow of the supply air supplied to the membrane module of the humidifier.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러를 통해 공급공기의 고른 유동 분배를 도모함과 동시에 공급공기의 냉각 성능을 극대화시키면서 가습기의 막 모듈에 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있으므로, 막 모듈의 중공사막을 효율적으로 사용함으로써 가습기의 가습 성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, it is possible to uniformly distribute the flow of the supply air to the membrane module of the humidifier while maximizing the cooling performance of the supply air and the uniform distribution of the supply air through the air cooler, By efficiently using the hollow fiber membrane, the humidifying performance of the humidifier and further the performance of the fuel cell stack can be further improved.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically showing an example of a fuel cell system to which an embodiment of the present invention is applied.
2 is a schematic view of a humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
3 is a view schematically showing an air cooler for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the operation of an air cooler for a fuel cell system and a humidifier including the same according to an embodiment of the present invention.
5 is a schematic view showing an air cooler for a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

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.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.In the following detailed description, the names of components are categorized into the first, second, and so on in order to distinguish them from each other in the same relationship, and are not necessarily limited to the order in the following description.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.It should be noted that terms such as " ... unit ", "unit of means "," part of item ", "absence of member ", and the like denote a unit of a comprehensive constitution having at least one function or operation it means.

도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing an example of a fuel cell system to which an embodiment of the present invention is applied.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템(100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 예를 들면 연료전지 차량에 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a fuel cell system 100 to which an embodiment of the present invention is applied generates electric energy by electrochemically reacting a fuel as hydrogen with air serving as an oxidizer. For example, .

본 발명의 실시예에 의한 상기 연료전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료전지 스택(10), 공기 압축기(30), 가습기(200) 그리고 수소탱크(50)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.The fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention basically includes a fuel cell stack 10, an air compressor 30, a humidifier 200, and a hydrogen tank 50, As follows.

상기 연료전지 스택(10)은 막-전극 어셈블리(MEA)(12)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함한 공기극(13)과 연료극(15)이 배치된 단위 연료전지들(11)의 전기 발생 집합체로 이루어진다.The fuel cell stack 10 includes an air electrode 13 including a separator (commonly referred to as a "separator plate" or a bipolar plate ") on both sides of the membrane-electrode assembly (MEA) And an electricity generation aggregate of the unit fuel cells 11 in which the fuel electrode 15 is disposed.

상기에서 연료전지들(11)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤공기(이하에서는 편의 상 "배출공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료전지들(11)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 습윤수소를 배출한다.(Hereinafter referred to as "discharged air" for convenience) from the air electrode 13 of the fuel cells 11, and unreacted hydrogen Thereby discharging the humidified hydrogen of high temperature and humidity.

상기 공기 압축기(30)는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 공기를 흡입하고 압축하여 뒤에서 더욱 설명될 가습기(200)로 공급한다.The air compressor 30 is for supplying air to the air electrode 13 of the fuel cells 11 and sucks and compresses the air in the air and supplies the air to the humidifier 200 to be described later.

여기서, 상기 공기 압축기(30)는 스택(10)의 고출력 운전에서 높은 압축비로 공기를 압축하기 때문에 그 압축공기의 온도가 증가하며, 이로 인해 공기 압축기(30)는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급공기" 라고 한다)를 가습기(200)로 공급하게 된다.Here, since the air compressor 30 compresses the air with a high compression ratio in a high output operation of the stack 10, the temperature of the compressed air increases, and thus the air compressor 30 generates high temperature dry air Quot; supply air ") to the humidifier 200.

본 발명의 실시예에 따른 상기 가습기(200)는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기의 막 가습(gas to gas 수분 교환 방식)이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습공기" 라고 한다)를 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급한다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기(200)의 구성은 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.The humidifier 200 according to the embodiment of the present invention is configured to humidify the exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cells 11 and the air supplied from the air compressor 30 into a gas- (Hereinafter referred to as "humidifying air" for convenience) to the air electrode 13 of the fuel cells 11. The configuration of the humidifier 200 for the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described later in detail with reference to FIG.

상기에서 수소탱크(50)는 연료전지들(11)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 그 수소를 저장하며 연료극(15)으로 공급할 수 있다.The hydrogen tank 50 is for supplying hydrogen to the fuel electrode 15 of the fuel cells 11 and may store the hydrogen and supply the hydrogen to the fuel electrode 15.

위에서 언급한 바와 같은 스택(10), 공기 압축기(30) 및 수소탱크(50)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The configuration of the stack 10, the air compressor 30, and the hydrogen tank 50 as mentioned above is well known in the art, and therefore, a detailed description of the configuration thereof will be omitted herein.

한편, 상기와 같은 연료전지 시스템(100)은 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서 에어쿨러(300)를 포함하고 있다.The fuel cell system 100 includes the air cooler 300 as an example of cooling means for cooling the hot and dry air supplied from the air compressor 30.

이러한 에어쿨러(300)는 당 업계에서 "인터쿨러" 라고도 하며, 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기를 냉각수를 통해 열 교환 방식으로 냉각하고, 그 냉각된 공급공기를 가습기(200)로 공급할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.The air cooler 300 is also referred to as an " intercooler "in the art. The air cooler 300 can cool the supply air supplied from the air compressor 30 through the cooling water in a heat exchange manner, and supply the cooled supply air to the humidifier 200 have. The configuration of the air cooler 300 for the fuel cell system according to the embodiment of the present invention will be described in detail later with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.

본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 전체 쿨링 영역으로 분배하여 가습기(200) 내부로 공급되는 공급공기(냉각 공기)의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있는 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)를 제공한다.In the embodiment of the present invention, the high-temperature dry air supplied from the air compressor 30 is distributed to the entire cooling area, and the flow of the supply air (cooling air) supplied into the humidifier 200 is uniformly distributed. System air cooler 300 is provided.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 에어쿨러(300)를 포함하여 가습성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택(10)의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 가습기(200)를 제공한다.Also, the embodiment of the present invention provides a humidifier 200 for a fuel cell system that includes the air cooler 300 as described above and can improve the performance of the humidification performance, and further, the performance of the fuel cell stack 10.

이하에서는 상술한 바와 같은 연료전지 시스템(100)에서 본 발명의 실시예에 따른 에어쿨러(300)를 적용한 가습기(200)의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration of the humidifier 200 to which the air cooler 300 according to the embodiment of the present invention is applied in the fuel cell system 100 will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.2 is a schematic view of a humidifier for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기(200)는 위에서 언급한 바 있는 에어쿨러(300)를 일체로 구성하는 바, 기본적으로는 하우징(210)의 내부에 구성되는 막 모듈(230)을 포함하고 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the humidifier 200 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes the above-described air cooler 300 integrally. Basically, And a membrane module (230) configured in the housing.

상기 막 모듈(230)은 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기와, 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식에 의한 막 가습이 이루어지는 것이다.The membrane module 230 includes a membrane module 230 for separating the exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cells 11 and the gas by gas water gas exchange method of the supply air supplied from the air compressor 30 Humidification is done.

상기 막 모듈(230)은 배출공기와 공급공기의 수분 교환을 통해 막 가습이 이루어진 가습공기를 배출하며 그 가습공기를 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급할 수 있다.The membrane module 230 discharges the humidified air through the moisture exchange between the exhaust air and the supply air, and can supply the humidified air to the air electrode 13 of the fuel cells 11.

상기 막 모듈(230)은 여러 다발의 중공사막(231)이 내부에 밀집된 것으로, 원통 형상의 하우징(210) 내부에 중공사막(231) 다발이 내장되어 있다.The membrane module 230 has a plurality of hollow fiber membranes 231 densely packed therein and a bundle of hollow fiber membranes 231 is embedded in a cylindrical housing 210.

이러한 막 모듈(230)은 중공사막(231)의 양단을 지지하는 지지부재(232)를 포함하는 바, 상기 지지부재(232)는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징(210)의 양단에 고정된 상태로 중공사막(231) 다발의 양단부를 지지할 수 있다.The membrane module 230 includes a support member 232 for supporting both ends of the hollow fiber membrane 231. The support member 232 is made of a polymer material and is fixed to both ends of the housing 210 So that both ends of the bundle of hollow fiber membranes 231 can be supported.

한편, 상기 하우징(210)의 일측에는 막 모듈(230)로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드(251)를 형성하고 있다. 상기 하우징(210)의 다른 일측에는 막 모듈(230)에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드(252)를 형성하고 있다.A shell-shaped first manifold 251 for supplying air to the membrane module 230 is formed on one side of the housing 210. A shell-shaped second manifold 252 for discharging humidified air from the membrane module 230 is formed on the other side of the housing 210.

상기 하우징(210)에서 제1 매니폴드(251)에는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 막 모듈(230) 측으로 도입하기 위한 제1 유입구(271)를 형성하고 있다. 상기 하우징에서 제2 매니폴드(252)에는 막 모듈(230)에서 가습된 가습공기를 배출하기 위한 제1 배출구(273)를 형성하고 있다.The first manifold 251 of the housing 210 is formed with a first inlet 271 for introducing hot and dry supply air supplied through the air compressor 30 to the membrane module 230 side. In the housing, a second outlet 273 for discharging humidified air from the membrane module 230 is formed in the second manifold 252.

그리고, 상기 하우징(210)의 제2 매니폴드(252) 측에는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기를 막 모듈(230)로 도입하기 위한 제2 유입구(275)를 형성하고 있다. 상기 하우징(210)의 제1 매니폴드(251) 측에는 막 모듈(230)을 거치며 수분이 제거된 배출공기를 배출하기 위한 제2 배출구(277)를 형성하고 있다.A second inlet 275 for introducing exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cells 11 into the membrane module 230 is formed on the second manifold 252 side of the housing 210 . A second outlet 277 for discharging the moisture-removed exhaust air through the membrane module 230 is formed on the first manifold 251 side of the housing 210.

다른 한편으로, 상기와 같이 구성되는 연료전지 시스템용 가습기(200)는 하우징(210)의 내부에서 공급공기를 유입하는 막 모듈(230)의 공기 유입부 측에 설치되며 그 공급공기를 냉각하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)를 포함하고 있다. On the other hand, the humidifier 200 for a fuel cell system configured as described above is installed on the air inflow portion side of the membrane module 230 that feeds the supply air from the inside of the housing 210, And includes an air cooler 300 for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

상기 에어쿨러(300)는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각수로서 냉각하고 그 냉각된 공급공기를 가습기(200)의 막 모듈(230)로 공급하기 위한 것이다.The air cooler 300 is for cooling the hot and dry supply air supplied through the air compressor 30 as cooling water and supplying the cooled supply air to the membrane module 230 of the humidifier 200.

이러한 에어쿨러(300)는 가습기(200)의 하우징(210) 내부에 구성되는 바, 위에서 언급한 바 있는 제1 매니폴드(251)의 내부에 설치된다. 상기 에어쿨러(300)는 제1 매니폴드(251)의 제1 유입구(271)를 통해 하우징(210)의 내부로 도입되는 고온 건조한 공급공기를 유동시키며 냉각수로서 냉각하고 배출하며 막 모듈(230)로 공급할 수 있다.The air cooler 300 is installed inside the housing 210 of the humidifier 200 and is installed inside the first manifold 251 mentioned above. The air cooler 300 flows the hot and dry supply air introduced into the housing 210 through the first inlet 271 of the first manifold 251 and cools and discharges the cooling air as the cooling water, .

즉, 상기 에어쿨러(300)는 제1 매니폴드(251)의 내부에서 공급공기의 배출부(냉각된 공급공기를 배출하는 부분) 측이 막 모듈(230)의 공급공기 유입부(냉각된 공급공기를 유입하는 부분) 측에 연결되게 설치된다.That is, the air cooler 300 is arranged such that the side of the discharge portion of the supply air (the portion discharging the cooled supply air) in the first manifold 251 is connected to the supply air inflow portion Air inlet portion) side.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a view schematically showing an air cooler for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)는 기본적으로 냉각 플레이트(310)와 방열 핀(330)을 포함하고 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the air cooler 300 for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention basically includes a cooling plate 310 and a heat dissipation fin 330.

상기 냉각 플레이트(310)는 다수 개로 구비되며, 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로(311)를 내부에 형성하고 있다.A plurality of cooling plates 310 are provided, and a cooling water flow path 311 for flowing cooling water is formed therein.

그리고 상기 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이에 설치되는 바, 이들 냉각 플레이트(310) 사이에 공급공기(공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기)를 유동시키는 공기 유로(331)를 형성한다. 이러한 방열 핀(330)은 공기 유로(331)를 따라 유동하는 공급공기의 열을 냉각 플레이트들(310)로 전달하며 그 공급공기를 냉각하는 기능을 하게 된다.The heat radiating fins 330 are installed between the cooling plates 310 and form an air flow path 331 for flowing supply air (high temperature and dry air supplied from the air compressor) between the cooling plates 310 do. The heat dissipation fin 330 functions to transfer the heat of the supply air flowing along the air flow path 331 to the cooling plates 310 and to cool the supply air.

여기서, 상기 방열 핀(330)은 루버 핀 타입으로 이루어지는 바, 예를 들면 삼각형의 파형을 형성하는 삼각 루버 핀 또는 사각형의 파형을 형성하는 사각 루버 핀을 포함할 수 있다.Here, the heat radiating fin 330 may be a louver fin type, for example, a triangular louver fin forming a triangular waveform or a rectangular louver fin forming a quadrangular waveform.

도면에서는 방열 핀(330)으로서 삼각 루버 핀의 예를 도시하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 방열 핀(330)으로서 사각 루버 핀 또는 삼각 루버 핀과 사각 루버 핀을 조합한 다양한 형태의 루버 핀을 포함할 수 있다.Although the heat radiating fin 330 is an example of a triangular louver fin, the present invention is not necessarily limited thereto. The heat radiating fin 330 may have various shapes such as a square louver fin or a combination of a triangular louver fin and a square louver fin Of the louver pins.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기(200) 내부로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있는 구조로 이루어진다.Meanwhile, the air cooler 300 for the fuel cell system according to the embodiment of the present invention uniformly distributes the high-temperature dry air supplied from the air compressor 30 to the entire cooling region, And a structure capable of uniformly distributing the air flow.

이를 위해 본 발명의 실시예에서 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로(331)를 형성할 수 있다.For this, in the embodiment of the present invention, the cooling plates 310 may form an air flow path 331 having a different flow path cross-sectional area from the flow center portion of the supply air to the flow outflow portion.

예를 들면, 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성할 수 있다. 즉 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성할 수 있다.For example, the cooling plates 310 may form an air flow path 331 in which the air flow interval gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion. That is, the cooling plates 310 can form an air flow path 331 having a larger cross-sectional area of the flow path from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion.

이와 같이 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 점차 커지는 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유동 간격은 그 냉각 플레이트들(310) 사이의 방열 핀(330)에 의해 구획될 수 있다.The air flow interval between the cooling plates 310, which gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outer portion, can be defined by the heat dissipation fin 330 between the cooling plates 310.

여기서, 상기 냉각 플레이트들(310) 사이에 설치되며 공기 유로(331)를 형성하는 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비될 수 있다.The heat radiating fins 330 provided between the cooling plates 310 and forming the air flow paths 331 are arranged such that the contact areas of the air flow paths 331 between the cooling plates 310 with the supply air And can be provided differently.

즉, 상기 방열 핀(330)에 대한 공급공기의 접촉 면적은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 냉각 플레이트들(310) 사이 공기 유로(331)의 유로 단면적이 점차 커지므로, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 증대된다.That is, since the cross-sectional area of the air flow path 331 between the cooling plates 310 gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion, the contact area of the supply air to the heat- It increases from the center of the flow to the outer edge of the flow.

더 나아가, 상기 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비될 수 있다. 즉 상기 방열 핀(330)은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 냉각 플레이트들(310) 사이 공기 유로(331)의 유로 단면적이 점차 커지므로, 그 유로 단면적에 상응하는 서로 다른 밀도로서 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에 구비될 수 있다.Furthermore, the heat radiating fins 330 may have different densities from each other in the air flow paths 331 between the cooling plates 310. That is, since the flow path cross-sectional area of the air flow path 331 between the cooling plates 310 gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion of the heat radiating fin 330, And may be provided in each of the air flow paths 331 between the plates 310.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 에어쿨러(300) 및 이를 포함하는 가습기(200)가 적용되는 연료전지 시스템(100)의 작용을 도 1 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the air cooler 300 according to the embodiment of the present invention and the operation of the fuel cell system 100 to which the humidifier 200 including the air cooler 300 is applied will be described in detail with reference to FIG. 1 and the accompanying drawings Explain.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the operation of an air cooler for a fuel cell system and a humidifier including the same according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 연료전지들(11)에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료전지들(11)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 배출공기를 배출한다.1 and 4, in an embodiment of the present invention, during the process of generating electrical energy as an electrochemical reaction between hydrogen and air by the fuel cells 11 of the stack 10, The high temperature and high humidity exhaust air is discharged from the air electrode (13) of the fuel tank (11).

그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기를 가습기(200)의 제2 유입구(275)를 통해 막 모듈(230)로 공급한다.Then, in the embodiment of the present invention, the exhaust air discharged from the air electrode 13 of the fuel cells 11 is supplied to the membrane module 230 through the second inlet 275 of the humidifier 200.

이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 가습기(200)의 제1 매니폴드(251)의 제1 유입구(271)를 통해 에어쿨러(300)로 공급한다. 그러면, 공급공기는 에어쿨러(300)를 통과하며 냉각된 상태로 막 모듈(230)로 공급될 수 있다.In this process, in the embodiment of the present invention, the hot and dry supply air supplied through the air compressor 30 is supplied to the air cooler 300 through the first inlet 271 of the first manifold 251 of the humidifier 200, . Then, the supply air may be supplied to the membrane module 230 in a cooled state through the air cooler 300.

본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)에서 냉각 플레이트들(310)이 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성하고 있기 때문에, 제1 유입구(271)를 통해 유입되는 공급공기는 냉각 플레이트들(310) 사이의 각 공기 유로(331)로 균일하게 분배되며 그 공기 유로(331)를 따라 유동하게 된다.In the embodiment of the present invention, since the cooling plates 310 in the air cooler 300 form the air flow path 331 in which the air flow interval gradually increases from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion, 271 are uniformly distributed to the respective air flow paths 331 between the cooling plates 310 and flow along the air flow paths 331. [

이에 본 발명의 실시예에서는 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)를 따라 유동하는 공급공기의 열을 방열 핀(330)으로 전달하고, 냉각 플레이트들(310)의 냉각수 유로(311)를 따라 흐르는 냉각수와 열 교환이 이루어지며 공급공기를 냉각할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the heat of the supply air flowing along the air flow path 331 between the cooling plates 310 is transmitted to the heat dissipation fin 330, and the cooling water flow path 311 of the cooling plates 310, So that the supply air can be cooled.

따라서, 상기와 같이 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)를 따라 흐르며 냉각수와의 열 교환 방식으로 냉각된 공급공기는 에어쿨러(300)에서 배출됨과 동시에 상기 막 모듈(230)로 공급된다.Thus, the supply air, which flows along the air flow path 331 between the cooling plates 310 and is cooled in a heat exchange manner with the cooling water, is discharged from the air cooler 300 and supplied to the membrane module 230 do.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)에서 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)로 균일하게 분배되며 냉각된 공급공기의 유동을 막 모듈(230)의 중공사막(231) 전역에 균일하게 분포시킬 수 있다.Thus, in the embodiment of the present invention, the air cooler 300 uniformly distributes the air to the air flow path 331 between the cooling plates 310, and flows the cooled supply air through the hollow fiber membrane 231 of the membrane module 230, It can be uniformly distributed throughout the whole area.

한편, 상기에서와 같이 배출공기와 공급공기를 공급받은 막 모듈(230)에서는 배출공기와 공급공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식에 의한 막 가습이 이루어진다.Meanwhile, in the membrane module 230 supplied with the exhaust air and the supply air as described above, the membrane is humidified by the gas to gas water exchange method of the exhaust air and the supply air.

이렇게 가습된 가습공기는 제2 매니폴드(252)의 제1 배출구(273)를 통해 배출되며, 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급되고, 막 모듈(230)을 거치며 수분이 제거된 배출공기는 제2 배출구(277)를 통해 외부로 배출된다.The humidified humidified air is discharged through the first outlet 273 of the second manifold 252 and is supplied to the air electrode 13 of the fuel cells 11 to remove moisture through the membrane module 230 Is discharged to the outside through the second discharge port (277).

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 에어쿨러(300)의 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기(200)의 막 모듈(230)로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있다.As described above, in the embodiment of the present invention, the high-temperature dry supply air supplied from the air compressor 30 is uniformly distributed to the entire cooling region of the air cooler 300 and supplied to the membrane module 230 of the humidifier 200 It is possible to uniformly distribute the flow of the supplied air.

이로써, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)를 통해 공급공기의 고른 유동 분배를 도모함과 동시에 공급공기의 냉각 성능을 극대화시키면서 가습기(200)의 막 모듈(230)에 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있으므로, 막 모듈(230)의 중공사막(231)을 효율적으로 사용함에 따라 가습기(200)의 가습 성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택(10)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.Thus, in the embodiment of the present invention, the flow of the supply air is uniformly distributed to the membrane module 230 of the humidifier 200 while maximizing the cooling air of the supply air through the air cooler 300, The humidifying performance of the humidifier 200 and further the performance of the fuel cell stack 10 can be further improved by efficiently using the hollow fiber membrane 231 of the membrane module 230.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.5 is a schematic view showing an air cooler for a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(400)는 전기 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 냉각 플레이트들(410)이 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로(431)를 형성할 수 있다.Referring to FIG. 5, the air cooler 400 for a fuel cell system according to another embodiment of the present invention basically has the structure of the electric embodiment, while the cooling plates 410 are disposed on the inflow side of the supply air toward the discharge side It is possible to form the air flow path 431 having different flow path cross-sectional areas from each other.

예를 들면, 본 발명의 실시예에서 상기 냉각 플레이트들(410)은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(431)를 형성할 수 있다.For example, in the embodiment of the present invention, the cooling plates 410 may form an air flow path 431 having a gradually increasing air flow interval from the inlet side to the outlet side of the supply air.

여기서, 상기 냉각 플레이트들(410)은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(431)를 형성함에 따라, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.Here, the cooling plates 410 form an air flow path 431 having a gradually increasing air flow interval from the inflow side to the discharge side of the supply air, so that the inclination angle from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion becomes Can be arranged radially increasingly.

이 경우, 상기 냉각 플레이트들(410) 사이에 설치되며 공기 유로(431)를 형성하는 방열 핀(430)은 냉각 플레이트들(410) 사이의 공기 유로(431) 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하고, 그의 밀도 또한 서로 상이하게 구비될 수 있다.In this case, the heat radiating fins 430, which are provided between the cooling plates 410 and form the air flow path 431, have a contact area with the supply air in the air flow paths 431 between the cooling plates 410 They may be different from each other, and their densities may also be different from each other.

상기한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(400)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The rest of the configuration and operation of the air cooler 400 for a fuel cell system according to another embodiment of the present invention are the same as those of the first embodiment, and thus a detailed description thereof will be omitted.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, Other embodiments may easily be suggested by adding, changing, deleting, adding, or the like of elements, but this also falls within the scope of the present invention.

10... 연료전지 스택 11... 연료전지
12... 막-전극 어셈블리 13... 공기극
15... 연료극 30... 공기 압축기
50... 수소탱크 100... 연료전지 시스템
200... 가습기 210... 하우징
230... 막 모듈 231... 중공사막
251... 제1 매니폴드 252... 제2 매니폴드
271... 제1 유입구 273... 제1 배출구
275... 제2 유입구 277... 제2 배출구
300, 400... 에어쿨러 310, 410... 냉각 플레이트
311... 냉각수 유로 330, 430... 방열 핀
331, 431... 공기 유로 10 ... Fuel cell stack 11 ... Fuel cell
12 ... membrane-electrode assembly 13 ... air electrode
15 ... fuel electrode 30 ... air compressor
50 ... hydrogen tank 100 ... fuel cell system
200 ... humidifier 210 ... housing
230 ... membrane module 231 ... hollow fiber membrane
251 ... first manifold 252 ... second manifold
271 ... first inlet 273 ... first outlet
275 ... second inlet 277 ... second outlet
300, 400 ... air cooler 310, 410 ... cooling plate
311 ... cooling water flow path 330, 430 ... heat dissipation pin
331, 431 ... air flow

Claims (15)

연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 연료전지 시스템용 가습기로서,
여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈; 및
상기 하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러;
를 포함하며,
상기 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고,
상기 냉각 플레이트들은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이하고, 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하되, 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하며, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.A humidifier for a fuel cell system that performs membrane humidification of exhaust air discharged from an air electrode of a fuel cell stack and high-temperature dry air supplied through an air compressor, and supplies humidified air to an air electrode of the fuel cell stack,
A membrane module in which a plurality of bundles of hollow fiber membranes are densely packed in a housing; And
An air cooler installed on an air inflow portion side of the membrane module for introducing supply air from the inside of the housing to cool supply air;
/ RTI >
Wherein the air cooler includes a plurality of cooling plates for forming a cooling water flow path for flowing cooling water therein and a heat dissipation fin provided between the cooling plates and forming an air flow path for flowing supply air,
Wherein the cooling plates are formed such that the cross-sectional areas of the flow paths are different from each other in the flow center portion of the supply air to the flow outer portion, and the flow path cross-sectional areas of the supply air are different from each other, Wherein the air flow path is formed in such a manner that the air flow path is gradually increased from the flow center of the supply air toward the outlet side and the inclination angle gradually increases from the flow center of the supply air to the flow outline. 제1 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.The method according to claim 1,
Wherein the cooling plates form an air flow path that gradually increases in air flow interval from the flow center portion of the supply air to the flow outline portion. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 막 모듈로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드와,
상기 하우징의 다른 일측에 형성되며, 상기 막 모듈에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.The method according to claim 1,
A shell-shaped first manifold formed at one side of the housing for supplying air to the membrane module,
A shell-shaped second manifold formed on the other side of the housing for discharging humidified humidified air from the membrane module,
And a humidifier for the fuel cell system. 제6 항에 있어서,
상기 에어쿨러는,
상기 제1 매니폴드의 내부에 설치되며, 상기 공급공기의 배출부 측이 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.The method according to claim 6,
In the air cooler,
And the outlet side of the supply air is connected to the air inflow portion side of the membrane module. 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하며 그 냉각된 공급공기를 가습기로 공급하도록 그 가습기의 공급공기 유입부 측에 설치되는 연료전지 시스템용 에어쿨러로서,
냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하고 있는 다수 개의 냉각 플레이트들; 및
상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며, 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 공급공기의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 방열 핀;
을 포함하며,
상기 냉각 플레이트들은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이하고, 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하되, 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하며, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.An air cooler for a fuel cell system provided on a supply air inflow portion side of the humidifier so as to cool high temperature dry supply air supplied through an air compressor and supply the cooled supply air to a humidifier,
A plurality of cooling plates having therein a cooling water flow path for flowing cooling water therein; And
A heat dissipation fin installed between the cooling plates, the heat dissipation fin forming an air flow path for flowing the supply air and delivering the heat of the supply air to the cooling plate;
/ RTI >
Wherein the cooling plates are formed such that the cross-sectional areas of the flow paths are different from each other in the flow central portion of the supply air toward the flow outer portion, and the flow path cross- Wherein the air flow path is formed in such a manner that the air flow path is gradually increased in the air flow direction toward the discharge part side, and the inclination angle gradually increases from the flow center part of the supply air toward the flow outer part. 제8 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.9. The method of claim 8,
Wherein the cooling plates form an air flow path having a gradually increasing air flow interval from the flow center portion of the supply air toward the flow outline portion. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제8 항에 있어서,
상기 방열 핀은 루버 핀 타입으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.9. The method of claim 8,
Wherein the heat dissipation fins are of a louver fin type. 제13 항에 있어서,
상기 방열 핀은,
상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.14. The method of claim 13,
The heat-
And the air flow paths between the cooling plates are different from each other in contact area with the supply air. 제13 항에 있어서,
상기 방열 핀은,
상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.14. The method of claim 13,
The heat-
Wherein air densities of the air channels between the cooling plates are different from each other.
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