KR101886494B1 - 스택 인클로저의 수분 제거 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 연료전지 스택을 수용하는 보호 케이스와 상기 보호 케이스 바닥면에 설치되고, 배출되는 공기를 상기 보호 케이스의 상부로 이동시키는 복사 히터 및 상기 보호 케이스의 상부를 따라 이동하는 공기를 냉각시키며, 냉각된 공기가 상기 보호 케이스의 바닥면으로 이동하도록 가이드 하는 냉각부재를 포함한다.

Description

스택 인클로저의 수분 제거 장치{Apparatus for removing moisture of stack enclosure}
본 발명은 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스택 인클로저 내부에 응결된 수분을 저전력으로 제거할 수 있는 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 스택 인클로저(보호 케이스) 내부에 응축되는 수분은 인클로저 내에 위치하는 400V 내외의 스택 및 연료전지 시스템의 절연 수준을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 금속 부분의 부식 및 플라스틱 부품의 손상 등의 문제를 야기할 수 있다.
그에 따라, 이러한 수분을 제거하기 위하여 외부 공기를 송풍 장치를 통해 주입하거나, 외부 공기 흐름을 이용한 일정 수준의 음압을 통해 내부 공기를 배출시키는 환기 시스템, 또는 별도의 분리된 제습 장치(유닛)가 적용될 수 있다.
또한, 이와 별도로 인클로저 벽면 또는 바닥면에 냉각 파이프를 형성하고, 펌프 등과 같은 냉매 구동 장치를 활용하여 인클로저 내부에 응축된 수분을 제거할 수도 있다.
여기서, 상기와 같은 시스템은 인클로저 내부의 습공기를 환기하기 위한 송풍기를 구동해야 하며, 별도의 제습 시스템과 열교환기를 통하여 건조 공기로 만들어 다시 주입하는 공기 순환 및 냉각 장치를 쓰거나, 또는 인클로저에 형성된 냉각 유로에 냉매 순환을 위한 펌프 및 방열 모듈을 설치해야 하기 때문에, 제습을 위한 시스템 전력 사용이 크고, 그에 따라 제습 효율 또한 높지 않다.
따라서, 연료전지 작동이 지속되거나, 또는 연료전지 시스템의 오프(off) 시에도 배터리 전력 소모가 커지게 되기 때문에, 차량 또는 연료전지 시스템의 효율 저하 및 재기동 시 불안정성이 커질 수 있는 단점이 있다.
대한민국공개특허공보 제10-2012-0116747호(2012.10.23.)
본 발명의 목적은, 스택 인클로저의 내부에서 연료전지 스택 주변을 감싸는 공기의 흐름이 발생하도록 복사 히터와 냉각부재를 설치하고, 냉각부재를 통과하며 응결된 수분이 커버 트랩을 따라 포집된 후 외부로 배출되도록 함으로써, 스택 인클로저 내부에 응결된 수분을 효과적으로 제거할 수 있는 스택 인클로저의 수분 제거 장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치는 내부에 연료전지 스택을 수용하는 보호 케이스와 상기 보호 케이스 바닥면에 설치되고, 배출되는 공기를 상기 보호 케이스의 상부로 이동시키는 복사 히터 및 상기 보호 케이스의 상부를 따라 이동하는 공기를 냉각시키며, 냉각된 공기가 상기 보호 케이스의 바닥면으로 이동하도록 가이드 하는 냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 복사 히터는 상기 보호 케이스의 바닥면 일측 모서리에 설치되고, 상기 냉각부재는 상기 복사 히터와 대칭되는 상기 보호 케이스의 상면 모서리에 설치된다.
또한, 상기 보호 케이스는 하부에 위치하는 바닥면과, 상기 바닥면과 결합되는 한 쌍의 벽면 및 양단이 상기 한 쌍의 벽면의 상부와 이어지는 상면으로 구성되며, 상기 한 쌍의 벽면 중 상기 냉각부재와 연결된 벽면에는 개방 영역이 형성된다.
이러한 상기 보호 케이스는 상기 개방 영역을 차폐하며 경사면으로 설치되고, 상기 냉각부재를 통과하며 분리된 수분이 상기 경사면을 따라 이동하여 내부에 포집되도록 하는 커버 트랩을 구비한다.
그리고, 상기 커버 트랩은 포집된 수분이 상기 보호 케이스의 외부로 배출되도록 하는 드레인 호스와 연결된다.
또한, 상기 냉각부재는 절연면을 가지는 냉각 플레이트와, 반도체를 경계로 상기 냉각 플레이트의 반대편에 위치하는 가열 플레이트로 형성되며, 상기 냉각 플레이트는 'S'자 형상으로 형성되고, 상기 보호 케이스의 상면 모서리에 설치되어 일단부가 상기 개방 영역과 연결되도록 설치된다.
또한, 상기 냉각부재는 열전모듈로 이루어진다.
한편, 상기 복사 히터는 공기의 이동 방향이 상기 보호케이스의 측벽을 향하도록 상기 보호 케이스 바닥면의 일측 모서리에 비스듬하게 설치된다.
그리고, 상기 보호 케이스는 상기 연료전지 스택을 바닥면에서 이격시켜 내부에서 공기의 대류 경로가 형성되도록 하는 스택 마운팅을 구비한다.
본 발명은, 스택 인클로저의 내부에서 연료전지 스택 주변을 감싸는 공기의 흐름이 발생하도록 복사 히터와 냉각부재를 설치하고, 냉각부재를 통과하며 응결된 수분이 커버 트랩을 따라 포집된 후 외부로 배출되도록 함으로써, 스택 인클로저 내부에 응결된 수분을 효과적으로 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 스택 인클로저 내부에서 수분 응결에 의해 발생될 수 있는 연료전지 시스템의 절연 수준 하락, 전기적 쇼트, 부품 부식 및 열화 등의 문제를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 제습을 위한 별도의 제습 시스템 및 열교환기를 통해 건조 공기로 만든 후 스택 인클로저의 내부로 다시 주입하기 위한 공기 순환 장치 등이 필요하지 않기 때문에, 저전력으로 응결된 수분을 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치의 구조를 보여주기 위한 분리 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 커버 트랩을 설치 상태를 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 냉각부재의 설치 상태를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 복사 히터의 설치 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치의 구조를 보여주기 위한 분리 사시도이고, 도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이며, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 커버 트랩을 설치 상태를 보여주는 도면이며,
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치는 보호 케이스(100), 복사 히터(200) 및 냉각부재(300)를 포함한다.
보호 케이스(100)는 하부에 위치하는 바닥면(110)과, 이러한 바닥면(110)과 결합되는 한 쌍의 벽면 및 양단이 한 쌍의 벽면의 상부와 이어지는 상면(120)으로 구성되며, 내부에 연료전지 스택(10)을 수용한다.
즉, 보호 케이스(110)는 연료전지 스택(10)을 밀봉하기 위한 소정의 체적을 가지는 것으로서, 일반적으로 금속 재질로 이루어지며, 이러한 보호 케이스(110)의 선정 조건은 연료전지 스택(10) 전체를 감싸며 보호하는 기능 외에도 차량의 탑재공간에 안정적으로 장착할 있는 핸들링이 우수해야 하고, 단열성, 내화학성 및 내부식성 등의 제반 특성이 우수해야 한다.
한편, 보호 케이스(110) 내부의 공기 습도는 연료전지 스택(10)을 운전하며 발전을 하는 동안 고온 다습해지며, 이로 인해 연료전지 스택(10)의 운전을 멈춘 상태에서 내부의 온도가 낮아지게 되면 응축수를 형성하게 되는데, 이러한 현상은 연료전지 스택(10)을 운전하는 동안 계속적으로 반복된다.
상기와 같이 응축수가 보호 케이스(110)에 내부에서 발생됨에 따라 연료전지 시스템의 절연 수준 하락, 전기적 쇼트, 부품 부식 및 열화 등과 같은 문제 발생의 원인이 될 수 있기 때문에, 연료전지 스택(10)의 운전 중 상태에서 뿐만 아니라, 운전이 멈춘 상태에서도 응축수가 제거하도록 하는 것이 중요하다.
이를 위해, 복사 히터(200)는 도 2에 도시된 바와 같이 보호 케이스(100) 바닥면(110)의 일측 모서리에 설치되고, 그에 따라 고온 다습한 공기를 보호 케이스(100)의 상부로 이동시킨다.
복사 히터(200)에 의해 이동한 공기는 상면(120), 즉 보호 케이스(100)의 상면과 연료전지 스택(10) 사이의 공간을 따라 이동하게 되고, 냉각부재(300)를 통과하며 응결되도록 하여, 그에 따라 발생된 수분이 포집되도록 한다.
다시 말해, 냉각부재(300)는 열전모듈로 이루어진 것으로, 복사 히터(200)와 대칭되는 보호 케이스(100) 상면(120)의 일측 모서리에 설치되고, 보호 케이스(100)의 상부를 따라 이동하는 공기를 냉각시킨다.
여기서, 상기와 같이 냉각된 공기는 응결되어 수분을 발생시키게 되는데, 이러한 수분은 커버 트랩(130)을 통해 외부로 배출되도록 하며, 그에 따라 저습한 상태가 된 공기는 냉각부재(300)의 절연면을 따라 이동하여 보호 케이스(100)의 바닥면(110)으로 순환하게 된다.
즉, 냉각부재(300)와 접하는 고온 다습한 공기는 냉각부재(300)를 통과하며 냉각 및 제습이 이루어진 후 저습한 공기가 되는데, 이때 차량 주행 풍 또는 방열 모듈(미도시)의 팬의 구동풍으로 인해 차량 전방 방향에 설치된 커버 트랩(130) 및 그 주변의 공기는 실온에 가깝게 냉각되는데, 이는 보호 케이스(100) 내부 공기의 대류를 발생시키게 되며, 또한 냉각부재(300)를 통과하면서 응결된 수분은 커버 트랩(130)의 경사면을 따라 이동하여 포집되게 된다.
따라서, 본 실시예에서는 연료전지 스택(10)을 운전하며 발전하는 동안 고온 다습해진 공기를 복사 히터(200) 및 냉각부재(300)를 통해 공기의 대류를 발생시켜 보호 케이스(100) 내부에 수분이 응결되는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 수분 응결에 의해 발생될 수 있는 연료전지 시스템의 절연 수준 하락, 전기적 쇼트, 부품 부식 및 열화 등의 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 차량이 정차됨에 따라 연료전지 스택(10)의 운전이 중지된 상태에서도 복사 히터(200)를 통해 고온 다습한 공기를 이동시킬 수 있고, 대류 발생을 통해 냉각부재(300)를 통과하며 응축된 수분이 포집되어 제거되도록 함으로써, 저전력으로도 보호 케이스(100) 내부에 응결된 수분을 제거할 수 있다.
여기서, 본 실시예에 따른 보호 케이스(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 연료전지 스택(10)을 바닥면(110)에서 소정의 높이만큼 이격시켜 내부에서 공기의 대류 경로가 형성되도록 스택 마운팅(140)이 구비될 수 있다.
이러한 스택 마운팅(140)은 각각이 동일한 높이를 가지며 복수개로 설치되며, 연료전지 스택(10)의 바닥 모서리에 설치되어 연료전지 스택(10)의 바닥면과 보호 케이스(100)의 바닥면(110) 사이에 대류 경로가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 보호 케이스(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 상면(120)을 이루는 벽면의 개방 영역(A)을 차폐하며 경사면으로 설치되고, 냉각부재(300)를 통과하며 응축되어 분리된 수분이 경사면을 따라 이동하여 내부에 포집되도록 하는 커버 트랩(130)을 구비한다.
커버 트랩(130)는 보호 케이스(100)의 상면(120)을 이루는 벽면과의 사이에 소정의 내부 공간(B)이 형성되도록 결합되며, 그에 따라 응축된 수분이 경사면을 따라 이동하여 내부 공간(B)에 포집될 수 있도록 한다.
이러한 커버 트랩(130)은 드레인 호스(400)와 연결되며, 경사면을 따라 이동하여 내부 공간(B)에 포집된 수분이 보호 케이스(100)의 외부로 배출되도록 한다.
여기서, 수분이 포집되는 커버 트랩(130)의 내부 공간(B)은 바닥면이 드레인 호스(400)가 연결된 부분으로 갈수록 경사지게 형성되는 것이 바람직하며, 그에 따라 포집된 수분이 드레인 호스(400)를 통해 용이하게 배출되도록 할 수 있다.
이하, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 냉각부재의 설치 상태를 보여주는 도면이고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 스택 인클로저의 수분 제거 장치에 대한 복사 히터의 설치 상태를 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 냉각부재(300)는 절연면을 가지는 냉각 플레이트(310) 및 반도체(320)를 경계로 냉각 플레이트(310)의 반대편에 위치하는 가열 플레이트(미도시)로 형성된다.
즉, 냉각부재(300)는 열전모듈로 이루어진 것으로, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시킴으로써, PN 접합 쌍을 형성하는 구조이다.
다시 말해, 냉각부재(300)는 이러한 PN 접합 쌍 사이에 온도 차이를 부여하게 되면, 제벡(Seeback) 효과에 의해 전력이 발생되어 발전 장치로서 기능 할 수 있으며, 또한 PN 접합 쌍의 어느 한쪽은 냉각되고 다른 한쪽은 발열 되는 펠티어(Peltier) 효과에 의해 온도 제어 장치로서 이용될 수도 있으며, 그에 따라 냉각부재(300)는 반도체(320)의 일측에 냉각 플레이트(310)가 구비되고, 다른 일측에는 가열 플레이트가 구비되어 있어서, 전류를 통전시키면 가열 플레이트에서는 발열 작용을 하게 되는 한편, 냉각 플레이트(310)에서는 흡열에 의해 냉각 작용을 하게 된다.
여기서, 냉각 플레이트(310)는 보호 케이스(100)의 상부로 이동한 공기를 냉각시키며 보호 케이스(100)의 바닥면(110)으로의 이동을 가이드 하기 위하여 'S'자 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 이러한 냉각 플레이트(310)는 보호 케이스(100)의 상면(120) 모서리에 설치되어 일단부가 개방 영역(A)과 연결되도록 설치된다.
다시 말해, 냉각 플레이트(310)는 보호 케이스(100)의 상면(120)을 구성하는 한 쌍의 벽면 중 차량의 전방 측 벽면에 형성된 개방 영역(A)과 연결됨으로써, 차량의 주행풍 및 냉각 플레이트(310) 등에 의해 냉각되어 발생된 수분이 커버 트랩(130)을 경사면을 따라 이동하여 내부 공간(B)에 포집되도록 한다.
한편, 본 실시예에 따른 복사 히터(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 공기의 이동 방향이 보호 케이스(100)의 측벽을 향하도록 보호 케이스(100)의 바닥면(110) 일측 모서리에 비스듬하게 설치되는 것이 바람직하다.
이는, 보호 케이스(100)의 상면(120)을 구성하는 차량 후방 측 벽면에 응결이 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로, 차량 후방 측 벽면은 연료전지 스택(10)의 보다 상대적으로 온도가 낮기 때문에, 온도 차에 의해 차량 후방 측 벽면에 응결이 발생하게 될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예에서는 복사 히터(200)를 차량 후방 측 벽면을 향하도록 비스듬하게 설치하여 고온 다습한 공기가 측벽을 따라 보호 케이스(100)의 상부로 이동하게 함으로써, 보호 케이스(100)의 차량 후방 측 벽면에 응결이 발생되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명은, 스택 인클로저의 내부에서 연료전지 스택 주변을 감싸는 공기의 흐름이 발생하도록 복사 히터와 냉각부재를 설치하고, 냉각부재를 통과하며 응결된 수분이 커버 트랩을 따라 포집된 후 외부로 배출되도록 함으로써, 스택 인클로저 내부에 응결된 수분을 효과적으로 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
그에 따라, 본 발명은 스택 인클로저 내부에서 수분 응결에 의해 발생될 수 있는 연료전지 시스템의 절연 수준 하락, 전기적 쇼트, 부품 부식 및 열화 등의 문제를 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 제습을 위한 별도의 제습 시스템 및 열교환기를 통해 건조 공기로 만든 후 스택 인클로저의 내부로 다시 주입하기 위한 공기 순환 장치 등이 필요하지 않기 때문에, 저전력으로 응결된 수분을 제거할 수 있는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
10 : 연료전지 스택 100 : 보호 케이스
110 : 바닥면 120 : 상면
130 : 커버 트랩 140 : 스택 마운팅
200 : 복사 히터 300 : 냉각부재
310 : 냉각 플레이트 320 : 반도체
400 : 드레인 호스 A : 개방 영역
B : 내부 영역

Claims (9)

  1. 내부에 연료전지 스택을 수용하는 보호 케이스;
    상기 보호 케이스 바닥면에 설치되고, 배출되는 공기를 상기 보호 케이스의 상부로 이동시키는 복사 히터; 및
    상기 보호 케이스의 상부를 따라 이동하는 공기를 냉각시키며, 냉각된 공기가 상기 보호 케이스의 바닥면으로 이동하도록 가이드 하는 냉각부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복사 히터는,
    상기 보호 케이스의 바닥면 일측 모서리에 설치되고,
    상기 냉각부재는, 상기 복사 히터와 대칭되는 상기 보호 케이스의 상면 모서리에 설치되는 것을 특징으로 하는 스택 인클러저의 수분 제거 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 케이스는,
    하부에 위치하는 바닥면과, 상기 바닥면과 결합되는 한 쌍의 벽면 및 양단이 상기 한 쌍의 벽면의 상부와 이어지는 상면으로 구성되며,
    상기 한 쌍의 벽면 중 상기 냉각부재와 연결된 벽면에는, 개방 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보호 케이스는,
    상기 개방 영역을 차폐하며 경사면으로 설치되고, 상기 냉각부재를 통과하며 분리된 수분이 상기 경사면을 따라 이동하여 내부에 포집되도록 하는 커버 트랩을 구비하는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 커버 트랩은,
    포집된 수분이 상기 보호 케이스의 외부로 배출되도록 하는 드레인 호스와 연결되는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각부재는,
    절연면을 가지는 냉각 플레이트와, 반도체를 경계로 상기 냉각 플레이트의 반대편에 위치하는 가열 플레이트로 형성되며,
    상기 냉각 플레이트는, 'S'자 형상으로 형성되고, 상기 보호 케이스의 상면 모서리에 설치되어 일단부가 상기 개방 영역과 연결되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부재는,
    열전모듈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 복사 히터는,
    공기의 이동 방향이 상기 보호 케이스의 측벽을 향하도록 상기 보호 케이스 바닥면의 일측 모서리에 비스듬하게 설치되는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 케이스는,
    상기 연료전지 스택을 바닥면에서 이격시켜 내부에서 공기의 대류 경로가 형성되도록 하는 스택 마운팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 스택 인클로저의 수분 제거 장치.
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