KR102120831B1

KR102120831B1 - 수소연료전지 시스템

Info

Publication number: KR102120831B1
Application number: KR1020180170739A
Authority: KR
Inventors: 박용구
Original assignee: 레드원테크놀러지 주식회사
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-06-09

Abstract

본 발명은 설계 및 구조 변경을 통해 유입된 공기의 순환이 최적으로 순환되도록 구성됨으로써 구조가 간단할 뿐만 아니라 공랭 효율을 개선시킬 수 있으며, 하우징 내부의 공기 순환경로 상에 가열부 뿐만 아니라 냉각부를 설치하여 유입되는 공기를 직접적으로 가열 또는 냉각시킴으로써 온도 향상성을 개선시켜 온도 적정범위 내에서 수소 및 산화의 화학반응이 이루어지도록 함에 따라 발전효율을 극대화시킬 수 있고, 연료전지스택의 온도센서를 기반으로 실시간 온도 모니터링이 가능함과 동시에 컨트롤러를 통해 온도 변화에 대응하여 가열부 또는 냉각부를 능동적으로 구동시킬 수 있으며, 냉각부로부터 수직 연결되는 냉각핀이 하우징의 내부 공간으로 돌출되게 설치됨으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있고, 하우징의 하부 플레이트에 냉각부 방열공들을 형성하되, 냉각부 방열공들 각각에 냉각부의 방열팬이 외부로 노출되게 설치함으로써 펠티어 소자에 의해 발생되는 열을 외부로 간단하고 신속하게 배출시킬 수 있는 수소연료전지 시스템에 관한 것이다.

Description

수소연료전지 시스템{System for hydrogen fuel cell}

본 발명은 수소연료전지 시스템에 관한 것으로서, 상세하게로는 유입된 공기의 이동경로 및 순환경로를 최적으로 유도함과 동시에 유입 공기의 냉각 및 가열하기 위한 수단을 구비하여 케이스 내부 온도를 최적 온도로 유지하기 위한 수소연료전지 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 연료의 산화반응에 의해 직접적으로 전기를 생산하는 발전장치이다.

특히 수소연료전지는 다양한 종류의 연료 중 수소를 연료로 하는 연료전지로서, 환경오염 물질을 배출하지 않아 친환경적일 뿐만 아니라 다른 연료전지에 비교하여 출력 특성이 우수하며, 작동 온도가 낮고, 시동 및 응답이 신속하게 이루어지는 장점으로 인해 차세대 친환경 에너지 장치로 각광받고 있다.

일반적으로 수소연료전지 시스템은 스택(Stack)이라고 불리는 연료전지본체와, 연료 탱크, 이 연료 탱크로부터 스택으로 연료를 공급하기 위한 연료 펌프로 이루어진다.

이러한 수소연료전지 시스템은 수소 및 산소의 결합인 화학반응으로 전기를 생성하기 때문에 적정 온도범위를 초과하거나 또는 미만으로 떨어지는 경우 발전 효율성이 과도하게 떨어지는 특성을 갖는다.

이에 따라 수소연료전지 시스템은 추운 겨울이나 더운 여름에도 사용 가능하도록 연료전지를 가열 및 냉각시켜 온도 향상성을 유지하기 위한 온도조절장치가 필수적으로 요구되고, 이러한 온도조절장치는 냉각방식에 따라 냉각수를 이용하여 연료전지를 냉각시키는 수냉식과, 공기를 이용하여 연료전지를 냉각시키는 공랭식으로 분류되나, 수냉식은 냉각수를 이용하기 때문에 설계가 복잡하고 관리 및 운영이 번거로운 단점을 갖는다.

즉 수소연료전지 시스템에 있어서 온도조절장치는 시스템의 성능에 직결되기 때문에 공랭식 온도조절장치 및 방법에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.

도 1은 공개특허번호 제10-2015-0042616호(발명의 명칭 : 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치)에 개시된 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.

도 1의 연료전지 시스템(이하 종래기술이라고 함)(100)은 서로에 대해 이격되며 상하로 배치된 다수의 스택(153)을 구비하는 발전부(151)와, 각 스택(153)의 상부에 밀착 설치되는 인렛매니폴드부부(155)와, 각 스택(153)의 하부에 밀착 설치되는 아웃렛매니폴드부(157)와, 임의의 아웃렛매니폴드부(157)의 내부로 외부의 보조연료를 공급하여 보조연료가 아웃렛매니폴드부(157) 내에서 연소하며 아웃렛매니폴드부와 이에 접하는 스택(153)을 가열하게 하는 보조연료공급부(미도시)를 포함한다.

또한 발전부(151)를 이루는 스택(153)은 n개가 상하로 이격 배치된다.

또한 각 스택(153) 내부에는 적층된 상태의 단위셀이 내장되어 있음은 물론이다.

또한 종래기술(100)은 아웃렛매니폴드부(157)와 인렛매니폴드부부(155)가 서로 결합한 상태로 각 스택(153)을 기계적으로 고정시키고, 특히 아웃렛매니폴드부(157)는 외부로부터 공급된 보조연료에 의해 가열되어, 그 상부에 위치한 스택(153)을 가열한다.

또한 인렛매니폴드부(55)는 연료공급파이프(133) 및 공기공급파이프(147)의 단부와 접속되어 있다. 따라서 연료공급파이프(133)를 통해 공급된 연료는 개질기(145)를 통과한 상태로 인렛매니폴드부(155)를 경유하여 스택(153)내의 연료극(미도시)으로 공급되고, 공기공급파이프(147)를 통해 유입된 공기는 인렛매니폴드부(155)를 통과하여 스택(153)내의 공기극으로 전달되어, 전기화학반응에 참여한다.

또한 아울렛매니폴드부(157)는 스택(153)으로부터 배출된 반응후의 반응물(물, 미반응 수소, 공기 등)을 통과시켜 외부로 유도하는 역할을 한다.

이와 같이 구성되는 종래기술(100)은 각각의 스택(153)이 서로에 대해 이격 배치됨에 따라 스택간의 열전달이 이루어지지 않아 스택들이 서로에 대해 영향 받지 않으며, 각 스택(153)의 사이에 아웃렛매니폴드부(157) 및 인렛매니폴드부부(155)가 개재됨으로써 아울렛매니폴드부(157)를 가열원으로 사아 스택을 개별적으로 가열할 수 있으므로 스택의 온도저하가 방지되어 발전효율을 최상을 유지할 수 있는 장점을 갖는다.

그러나 종래기술(100)은 외부로부터 유입되는 공기가 연료공급파이프(133) 및 공기공급파이프(147)를 통해 이동하여 스택(153)들로 공급되도록 구성되었기 때문에 설계 및 구조가 복잡하며, 공기가 이동하는 경로인 파이프(133), (147)들은 통상적으로 내부 부피가 협소하게 이루어지기 때문에 연료 공급량에 제한을 받아 공랭 효율성이 떨어지는 문제점이 발생한다.

또한 종래기술(100)은 스택 온도 하강 시, 스택을 가열하여 온도범위를 정상범위로 유지하도록 구성되었으나, 여름 등과 같이 외부 온도가 과도하게 높아져 스택이 정상범위 이상으로 올라가는 경우, 스택을 냉각시키기 위한 별도의 수단이 기재되어 있지 않아 온도가 높은 경우 발전 효율이 떨어지는 단점을 갖는다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결과제는 설계 및 구조 변경을 통해 유입된 공기의 순환이 최적으로 순환되도록 구성됨으로써 구조가 간단할 뿐만 아니라 공랭 효율을 개선시킬 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 해결과제는 하우징 내부의 공기 순환경로 상에 가열부 뿐만 아니라 냉각부를 설치하여 유입되는 공기를 직접적으로 가열 또는 냉각시킴으로써 온도 향상성을 개선시켜 온도 적정범위 내에서 수소 및 산화의 화학반응이 이루어지도록 함에 따라 발전효율을 극대화시킬 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 연료전지스택의 온도센서를 기반으로 실시간 온도 모니터링이 가능함과 동시에 컨트롤러를 통해 온도 변화에 대응하여 가열부 또는 냉각부를 능동적으로 구동시킬 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 다른 해결과제는 냉각부로부터 수직 연결되는 냉각핀이 하우징의 내부 공간으로 돌출되게 설치됨으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 해결과제는 하우징의 하부 플레이트에 냉각부 방열공들을 형성하되, 냉각부 방열공들 각각에 냉각부의 방열팬이 외부로 노출되게 설치함으로써 펠티어 소자에 의해 발생되는 열을 외부로 간단하고 신속하게 배출시킬 수 있는 수소연료전지 시스템을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 일측에 유입구가 형성되며, 타측에 배출구가 형성되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 설치되며 복수개의 스택(Stack)들이 적층되는 발전부; 상기 발전부의 온도를 기 설정된 임계치와 비교하는 컨트롤러; 상기 하우징의 유입구를 통해 유입된 공기를 이동시키는 유입부; 상기 유입부의 전방에 배치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 상기 유입부로부터 배출되는 공기를 가열시키는 가열수단과, 상기 가열수단의 전방에 설치되어 상기 가열수단을 통과한 공기를 상하부로 분리시켜 배출시키는 차단수단을 포함하는 가열부; 상기 가열부의 직하부에 배치되게 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 상기 가열부의 하부로 배출되는 공기를 냉각시키는 냉각부; 상기 발전부와 인접한 상기 하우징의 측면에 설치되어 상기 발전부를 통과한 공기를 흡입시켜 외부로 배출시키는 배출팬들로 이루어지는 배출부를 포함하고, 상기 배출부가 설치되는 하우징의 측면을 전방이라고 할 때, 상기 유입구는 상기 하우징의 상부플레이트에 형성되고, 상기 유입부는 상기 하우징의 유입구에 설치되는 필터; 내부 공간을 갖는 육면체 형상으로 형성되며, 상기 하우징의 상부플레이트의 내면에 설치되되 상면이 상기 필터에 연통되게 형성되되, 후방을 향하는 하면에 개구부가 형성되는 수평유입부; 상기 수평유입부의 상면의 단부로부터 수직 연결되며, 각 테두리에 수직으로 테두리부들이 수직 연결되는 수평 유입부를 포함하고, 상기 하우징의 후방플레이트의 상부에는 양면을 관통하는 이동공이 형성되고, 상기 수평 유입부는 상기 하우징의 후방플레이트의 외면에 대접되게 설치되되, 상기 이동공을 밀폐시키는 것이다.

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또한 본 발명에서 상기 가열부는 상기 하우징의 후방플레이트의 이동공과 인접하게 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 열을 발생시키는 적어도 하나 이상의 가열수단; 상기 하우징의 후방플레이트의 이동공의 양측 테두리로부터 수직 연결되는 수직 차단수단들과, 상기 수직차단수단들의 단부에 연결되어 상기 가열수단으로부터 전방으로 소정 이격되게 설치되는 수평 차단수단을 포함하고, 상기 가열수단을 통과한 공기는 상기 수평 차단수단 및 상기 수직 차단수단들에 의해 가로막혀 상하부로 배출되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 냉각부는 상기 가열부의 직하부의 상기 하우징의 하부 플레이트의 내면에 설치되고, 상기 하우징의 하부 플레이트에는 냉각부 방열공들이 형성되고, 상기 냉각부는 펠티어 소자; 상기 펠티어 소자의 상부에 설치되어 상기 펠티어 소자 구동 시, 발생되는 냉기를 상부로 배출시키는 냉각팬; 상기 펠티어 소자의 하부에 설치되는 방열핀; 상기 방열핀의 하부에 설치되어 상기 펠티어 소자 구동 시, 발생되는 열기를 하부로 배출시키는 방열팬들을 포함하고, 상기 방열팬들은 상기 하우징의 하부 플레이트의 방열공들 각각에 의해 외부로 노출되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 냉각부는 상기 펠티어 소자에 연결되는 적어도 하나 이상의 방열핀을 더 포함하고, 상기 방열핀은 조립 시 상기 스택 및 상기 하우징의 후방플레이트 사이의 공간에 배치되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 하우징은 일측에 외부 전원 및 통신선과 접속하기 위한 커넥터들이 설치되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 하우징은 상기 발전부의 스택들로 수소를 공급하기 위한 주입부가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명에 따르면 설계 및 구조 변경을 통해 유입된 공기의 순환이 최적으로 순환되도록 구성됨으로써 구조가 간단할 뿐만 아니라 공랭 효율을 개선시킬 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 하우징 내부의 공기 순환경로 상에 가열부 뿐만 아니라 냉각부를 설치하여 유입되는 공기를 직접적으로 가열 또는 냉각시킴으로써 온도 향상성을 개선시켜 온도 적정범위 내에서 수소 및 산화의 화학반응이 이루어지도록 함에 따라 발전효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 연료전지스택의 온도센서를 기반으로 실시간 온도 모니터링이 가능함과 동시에 컨트롤러를 통해 온도 변화에 대응하여 가열부 또는 냉각부를 능동적으로 구동시킬 수 있다.

또한 본 발명에 의하면 냉각부로부터 수직 연결되는 냉각핀이 하우징의 내부 공간으로 돌출되게 설치됨으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 하우징의 하부 플레이트에 냉각부 방열공들을 형성하되, 냉각부 방열공들 각각에 냉각부의 방열팬이 외부로 노출되게 설치함으로써 펠티어 소자에 의해 발생되는 열을 외부로 간단하고 신속하게 배출시킬 수 있다.

도 1은 공개특허번호 제10-2015-0042616호(발명의 명칭 : 연료전지 가열장치 및 가열방법과 이를 포함하는 연료전지장치)에 개시된 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 수소연료전지 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2를 다른 각도에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 2의 분해사시도이다.
도 5는 도 2의 측단면도이다.
도 6은 도 4의 하우징의 상부플레이트 및 유입부를 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 6의 측단면도이다.
도 8은 도 4의 가열부를 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 4의 냉각부를 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 9의 냉각수단을 나타내는 정면도이다.
도 11은 도 4의 배출부를 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 공기 순환경로를 나타내는 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예인 수소연료전지 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2를 다른 각도에서 바라본 사시도이고, 도 4는 도 2의 분해사시도이고, 도 5는 도 2의 절단한 측단면도이다.

본 발명의 일실시예인 수소연료전지 시스템(1)은 연료전지스택의 온도센서를 기반으로 실시간 온도 모니터링이 가능함과 동시에 컨트롤러를 통해 온도 변화에 대응하여 가열부 또는 냉각부를 능동적으로 구동시킴으로써 온도 향상성을 개선시켜 온도 적정범위 내에서 수소 및 산화의 화학반응이 이루어지도록 함에 따라 발전효율을 극대화시키기 위한 것이다.

또한 수소연료전지 시스템(1)은 도 2 내지 5에 도시된 바와 같이, 공기 유입구(331) 및 배출구(311)가 형성되는 하우징(3)과, 하우징(3)의 내부에 설치되며 복수개의 연료전지스택들로 이루어지는 발전부(C)와, 외부로부터 유입되는 공기를 하우징(3) 내부로 이동시키는 유입부(4)와, 후술되는 컨트롤러(10)의 제어에 따라 유입부(4)를 통해 유입되는 공기를 가열시키는 가열부(5)와, 가열부(5)의 직하부에 설치되어 컨트롤러(10)의 제어에 따라 유입부(4)를 통해 유입된 공기를 냉각시키는 냉각부(6)와, 발전부(C)의 연료전지스택을 통과한 공기를 외부로 배출시키는 배출부(7)와, 내부 부품으로 전원을 공급하기 위한 단자대(8)와, 발전부(C)를 하우징(3)에 고정시키기 위한 마운트 브라켓(9)과, 구성수단(4), (5), (6), (7), (8), (9)들의 동작을 관리 및 제어하는 컨트롤러(10)로 이루어진다.

이때 도면에는 도시되지 않았지만 마운트 브라켓(9)에는 발전부(C)의 온도를 측정한 후 측정값을 후술되는 컨트롤러(10)로 전송하는 온도 센서(미도시)가 설치된다.

컨트롤러(10)는 연료전지스택의 온도 센서에 의해 측정된 온도 측정값을 기 설정된 온도 적정범위와 비교하여 현재 온도가 온도 적정범위 미만인 경우 가열부(4)를 구동시키되, 현재 온도가 온도 적정범위 이상인 경우 냉각부(6)를 구동시킴으로써 온도 변화에 능동적으로 대응이 가능하게 된다.

또한 컨트롤러(10)는 연료전지스택의 온도 센서에 의해 검출된 온도 측정값을 외부 단말기로 전송하거나 또는 HMI를 통해 디스플레이 함으로써 연료전지스택의 현재 온도에 대한 실시간 모니터링이 가능하게 된다.

발전부(C)는 하우징(3)의 내부에 설치되며, 복수개의 단위셀들이 적층되는 연료전지스택(Stack)들이 직렬, 병렬 또는 직병렬로 조합되어 구성된다.

또한 발전부(C)는 공급되는 수소 및 산소의 결합반을 통해 전력을 생산하고, 이동하는 산소에 의해 전력을 생산하고, 이러한 발전부(C) 및 연료전지스택은 연료전지에 있어서 통상적으로 사용되는 기술이기 때문에 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2와 3을 참조하여 하우징(3)을 살펴보면, 하우징(3)은 직육면체 형상으로 조립되는 사각형 플레이트(31), (32), (33), (34), (35), (36)들로 이루어지며, 하부에는 하우징(3)을 지면에 지지하기 위한 지지부(30)들이 설치된다. 이하 도 2에 도시된 바와 같이, X축을 전방으로 하되, Y축을 상부로 하여 하우징(3)을 설명하기로 한다.

하우징(3)의 전방플레이트(311)에는 양면을 관통하는 배출구(311)들이 형성된다. 이때 배출구(311)들에는 후술되는 도 11의 배출부(7)의 배출팬(71)들이 외부로 노출되게 설치된다.

또한 하우징(3)의 상부플레이트(33)에는 외부로부터 공기가 유입되는 소정 면적을 갖는 사각형상의 유입구(331)가 형성된다. 이때 하우징(3)의 상부플레이트(33)의 유입구(331)에는 유입부(4)의 필터(41)가 설치된다.

또한 하우징(3)의 후방플레이트(32)의 상부에는 양면을 관통하는 이동공(321)이 형성되고, 이동공(321)은 조립 시 유입부(4)에 의해 밀폐된다.

또한 하우징(3)의 우측플레이트(36)에는 연료인 수소가 유입되는 주입구(361)가 설치된다.

또한 하우징(3)의 좌측플레이트(35)에는 외부의 전원 및 통신 케이블과 접속하기 위한 커넥터(350)들이 설치된다.

또한 하우징(3)의 하부 플레이트(34)에는 냉각부 방열공(341)들이 형성되고, 냉각부 방열공(341)들에는 냉각부(6)가 설치되어 외부로 노출되게 된다. 즉 하우징(3)의 하부 플레이트(34)의 냉각부 방열공(341)들을 통해 냉각부(6)의 냉각 시 발생되는 열이 외부로 용이하게 배출되게 된다.

도 6은 도 4의 하우징의 상부플레이트 및 유입부를 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 6의 측단면도이다.

도 6과 7에 도시된 바와 같이, 하우징(3)의 상부플레이트(33)는 사각형상의 판재로 형성되며, 후방과 인접한 위치에 사각 형상의 유입구(331)가 형성된다.

이때 유입구(331)에는 유입부(4)의 필터(41)가 설치된다.

유입부(4)는 하우징(3)의 상부플레이트(33)의 유입구(331)에 설치되어 유입되는 공기를 필터링 하는 필터(4)와, 하우징(3)의 상부플레이트(33)의 유입구(331)의 직하부에 유입구(331)와 연통되게 설치되어 필터(4)를 통과한 공기의 이동경로를 제공하는 수평 유입부(43)와, 수평 유입부(43)의 단부에 수직으로 연결되는 수직 유입부(45)로 이루어진다.

수평 유입부(43)는 직육면체 형상으로 형성되되, 상면에 필터(41)와 연통되는 연통부가 형성되되, 대향되는 단부의 하면에 개구부가 형성된다.

수직 유입부(45)는 판재로 형성되어 수평 유입부(43)의 상면의 단부에 수직되게 설치되고, 수직유입부(45)의 모서리에는 테두리부(451), (452), (453)들이 수직 연결된다.

또한 수직 유입부(45)는 조립 시, 하우징(3)의 후방플레이트(32)의 이동공(321)을 밀폐시키듯이 설치된다.

이때 수직 유입부(45)의 양측부의 테두리부(451), (452)들은 수평 유입부(43)의 양측부에 연결된다.

즉 유입부(4)는 필터(41)를 통과한 공기를 하우징(3)의 후방플레이트(32)의 이동공(321)을 통해 하우징(3)의 내부로 이동시키는 경로를 제공한다.

도 8은 도 4의 가열부를 나타내는 사시도이다.

가열부(5)는 도 8에 도시된 바와 같이, 이동공(321)이 형성되는 후방플레이트(32)의 내면에 결합되는 결합프레임(51), (51‘)들과, 양단부가 각 결합프레임(51), (51‘)에 연결되어 서로 높이 방향으로 이격되게 설치되며 열을 발생시키는 가열수단(53), (53’)들과, 차단수단(55)으로 이루어진다.

이때 차단수단(55)은 판재로 형성되어 결합프레임(51), (51‘)들 각각에 수직 연결되는 수직 차단수단(553), (553’)들과, 판재로 형성되어 양측부가 수직 차단수단(553), (553‘)들에 연결되는 수평 차단수단(551)으로 이루어진다.

가열수단(53), (53‘)들은 양단부가 결합프레임(51), (51’)들 각각에 연결되되, 서로 높이 방향으로 이격되게 설치되며, 하우징(3)의 후방플레이트(32)의 이동공(321)을 가로지르듯이 설치된다.

또한 가열수단(53), (53‘)들은 컨트롤러(10)의 제어에 따라 구동되며, 상세하게로는 연료전지스택의 온도 센서에 의해 측정된 온도가 온도 적정범위 미만인 경우, 컨트롤러(10)의 제어에 따라 구동된다.

즉 가열수단(53), (53‘)들은 후방플레이트(32)의 이동공(321)을 통해 유입되는 공기를 가열시킴으로써 연료전지스택의 수소 및 산소의 결합반응이 온도 적정범위에서 이루어지게 된다.

다시 말하면, 가열부(5)는 겨울 등과 같이 외부 온도가 떨어져 발전부(C)의 온도가 적정범위 미만으로 떨어지는 경우, 동작하여 발전부(C)의 연료전지스택들로 이동하는 공기를 가열시킴으로써 내부 온도를 적정범위로 향상 및 유지할 수 있게 된다.

차단수단(55)은 수평 차단수단(551)이 가열수단(53), (53‘)들의 전방에 이격되게 설치됨과 동시에 수직 차단수단(553), (553’)들이 가열수단(53), (53‘)들의 양측을 차단시킴으로써 가열수단(53), (53’)들을 통과한 공기는 차단수단(55)에 의해 상하부로 이동하게 된다.

도 9는 도 4의 냉각부를 나타내는 사시도이고, 도 10은 도 9의 냉각수단을 나타내는 정면도이다.

냉각부(6)는 도 9와 10에 도시된 바와 같이, 하우징(3)의 하부 플레이트(34)와 수평하되 하부 플레이트(34)로부터 상향 이격되게 설치되어 후술되는 냉각수단(61)을 지지하는 수평플레이트(63)와, 수평플레이트(63)의 선단부로부터 수직 하향 연결되어 하단부가 하우징(3)의 하부 플레이트(34)에 연결되는 수직플레이트(65)와, 하우징(3)의 하부플레이트(34)에 안착되게 설치되되 하부가 하우징(3)의 하부 플레이트(34)의 냉각부 방열공(341)의 직상부에 설치되는 냉각수단(61)들로 이루어진다.

냉각수단(61)은 후술되는 펠티어 소자(613)에 의해 생성된 냉기를 상부로 배출시키는 냉각팬(611)과, 냉각팬(611)의 하부에 설치되어 펠티어 소자(613)에 의해 생성된 냉기를 전달하는 냉각판(612)과, 수평 플레이트(63)의 삽입공(미도시)으로 삽입되게 설치되며 상면은 냉각되고 하면은 열을 발생시키는 펠티어 소자(613)와, 펠티어 소자(613)의 하부에 설치되는 단열재(614)와, 단열재(614)에 하부에 설치되어 열을 전달하는 방열판(615)과, 방열판(615)의 하부에 설치되어 열기를 하부로 배출시키는 방열팬(616)으로 이루어진다.

이때 방열팬(616)은 하우징(3)의 하부 플레이트(34)의 냉각부 방열공(341)에 의해 외부로 노출되게 설치됨으로써 방열팬(616)을 통해 펠티어 소자(613)에 의해 발생된 열이 외부로 용이하게 배출될 수 있게 된다.

또한 단열재(614)에는 복수개의 냉각핀(620)들이 설치되고, 냉각핀(620)들은 소정의 길이로 형성되어 하우징(3)의 내부 공간에 배치됨으로써 하우징(3)의 내부 온도를 신속하게 냉각시킨다.

도 11은 도 4의 배출부를 나타내는 사시도이다.

도 11의 배출부(7)는 발전부(C)의 전면에 대접되게 설치됨과 동시에 배출팬(71)들이 하우징(3)의 전방플레이트(31)의 배출구(311)에 노출되게 설치됨으로써 발전부(C)를 통과한 공기를 배출팬(71)을 통해 외부로 용이하게 배출시킨다.

또한 배출부(7)는 사각 테두리 형상으로 형성되어 후단부가 발전부(C)의 전면에 배치되게 설치되는 지지프레임(73)과, 지지프레임(73)의 내측에 설치되는 배출팬(71)들로 이루어진다.

이와 같이 구성되는 배출부(7)는 배출팬(71)들에 의해 발전부(C)를 통과한 공기들을 흡입하여 외부로 용이하게 배출시킨다.

또한 배출부(7)의 배출팬(71)들에 의한 흡입력에 의해 유입부(4)의 필터(41)를 통해 외부 공기가 하우징(3)의 내부로 유입되게 된다.

또한 배출부(7)의 배출팬(71)들은 컨트롤러(10)의 제어에 따라 회전속도가 결정된다. 이때 컨트롤러(10)는 예를 들어 소비전력이 많은 경우 팬 구동속도를 빠르게 제어하여 유입부(4)를 통해 유입되는 공기의 유입량을 늘릴 수 있다.

도 12는 본 발명의 공기 순환경로를 나타내는 예시도이다.

본 발명의 일실시예인 수소연료전지 시스템(1)은 도 12에 도시된 바와 같이, 배출부(7)의 배출팬(71)들이 구동되면, 배출팬(71)들의 흡입력에 의해 유입부(4)의 필터(41)를 통해 공기가 유입되고, 필터(41)를 통해 유입된 공기는 유입부(4)를 통해 후방으로 이동한 후 유입부(4)의 수직 유입부(45)를 통해 하우징(3)의 내부를 향해 이동하게 된다.

이때 컨트롤러(3)는 발전부(C)의 온도가 기 설정된 임계치를 벗어나는 경우, 가열부(5) 또는 냉각부(6)를 구동시키게 된다.

만약 가열부(5)가 구동된다고 가정하면, 유입부(4)의 수직 유입부(45)를 통해 유입된 공기는 가열수단(53)들에 의해 가열된 후, 가열부(5)의 차단수단(55)에 의해 상하부로 배출되게 되고, 만약 가열부(5)가 구동되지 않는다고 가정하면, 유입부(4)의 수직 유입부(45)를 통해 유입된 공기는 가열수단(53)을 통과한 후, 차단수단(55)에 의해 상하부로 배출되게 된다.

또한 만약 냉각부(6)가 구동된다고 가정하면, 냉각부(6)의 냉각팬(611)에 의해 방출된 냉기에 의해 차단수단(55)의 하부로 배출되는 공기가 냉각됨과 동시에 냉각부(6)의 냉각핀(620)에 의해 하우징(3)의 내부 온도가 냉각됨으로써 발전부(C)로 이동하는 공기를 간단하게 냉각시킬 수 있게 된다.

즉 가열부(5) 또는 냉각부(6)에 의해 가열 또는 냉각된 공기는 발전부(C)의 연료전지스택으로 유입되어 주입된 수소와 온도 적정범위에서 반응함으로써 발전 효율을 높일 수 있고, 발전부(C)에 의해 화학 반응한 공기는 배출팬(71)을 통해 하우징(3)의 외부로 간단 신속하게 배출될 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 일실시예인 수소연료전지 시스템(1)은 하우징 내부의 공기 순환경로 상에 가열부 뿐만 아니라 냉각부를 설치하여 유입되는 공기를 직접적으로 가열 또는 냉각시킴으로써 온도 향상성을 개선시켜 온도 적정범위 내에서 수소 및 산화의 화학반응이 이루어지도록 함에 따라 발전효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명의 수소연료전지 시스템(1)은 연료전지스택의 온도센서를 기반으로 실시간 온도 모니터링이 가능함과 동시에 컨트롤러를 통해 온도 변화에 대응하여 가열부 또는 냉각부를 능동적으로 구동시킬 수 있다.

또한 본 발명의 수소연료전지 시스템(1)은 냉각부로부터 수직 연결되는 냉각핀이 하우징의 내부 공간으로 돌출되게 설치됨으로써 냉각 효율을 더욱 높일 수 있게 된다.

또한 본 발명의 수소연료전지 시스템(1)은 하우징의 하부 플레이트에 냉각부 방열공들을 형성하되, 냉각부 방열공들 각각에 냉각부의 방열팬이 외부로 노출되게 설치함으로써 펠티어 소자에 의해 발생되는 열을 외부로 간단하고 신속하게 배출시킬 수 있다.

1:수소연료전지 시스템 3:하우징 4:유입부
5:가열부 6:냉각부 7:배출부
9:마운트 브라켓 10:컨트롤러 31:전방플레이트
32:후방플레이트 33:상부플레이트 34:하부 플레이트
35:하우징 좌측면 36:하우징 우측면 41:필터
43:수평유입부 45:수직유입부 51:결합프레임
53:가열수단 55:차단수단 61:냉각수단
63:수평플레이트 65:수직플레이트 71:배출팬
73:지지프레임 611:냉각팬 612:냉각판
613:펠티어 소자 614:단열재 615:방열판
616:방열팬

Claims

일측에 유입구가 형성되며, 타측에 배출구가 형성되는 하우징;
상기 하우징의 내부에 설치되며 복수개의 스택(Stack)들이 적층되는 발전부;
상기 발전부의 온도를 기 설정된 임계치와 비교하는 컨트롤러;
상기 하우징의 유입구를 통해 유입된 공기를 이동시키는 유입부;
상기 유입부의 전방에 배치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 상기 유입부로부터 배출되는 공기를 가열시키는 가열수단과, 상기 가열수단의 전방에 설치되어 상기 가열수단을 통과한 공기를 상하부로 분리시켜 배출시키는 차단수단을 포함하는 가열부;
상기 가열부의 직하부에 배치되게 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 상기 가열부의 하부로 배출되는 공기를 냉각시키는 냉각부;
상기 발전부와 인접한 상기 하우징의 측면에 설치되어 상기 발전부를 통과한 공기를 흡입시켜 외부로 배출시키는 배출팬들로 이루어지는 배출부를 포함하고,
상기 배출부가 설치되는 하우징의 측면을 전방이라고 할 때, 상기 유입구는 상기 하우징의 상부플레이트에 형성되고,
상기 유입부는
상기 하우징의 유입구에 설치되는 필터;
내부 공간을 갖는 육면체 형상으로 형성되며, 상기 하우징의 상부플레이트의 내면에 설치되되 상면이 상기 필터에 연통되게 형성되되, 후방을 향하는 하면에 개구부가 형성되는 수평유입부;
상기 수평유입부의 상면의 단부로부터 수직 연결되며, 각 테두리에 수직으로 테두리부들이 수직 연결되는 수평 유입부를 포함하고,
상기 하우징의 후방플레이트의 상부에는 양면을 관통하는 이동공이 형성되고,
상기 수평 유입부는 상기 하우징의 후방플레이트의 외면에 대접되게 설치되되, 상기 이동공을 밀폐시키는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
삭제
청구항 제1항에 있어서, 상기 가열부는
상기 하우징의 후방플레이트의 이동공과 인접하게 설치되어 상기 컨트롤러의 제어에 따라 열을 발생시키는 적어도 하나 이상의 가열수단;
상기 하우징의 후방플레이트의 이동공의 양측 테두리로부터 수직 연결되는 수직 차단수단들과, 상기 수직차단수단들의 단부에 연결되어 상기 가열수단으로부터 전방으로 소정 이격되게 설치되는 수평 차단수단을 포함하고,
상기 가열수단을 통과한 공기는 상기 수평 차단수단 및 상기 수직 차단수단들에 의해 가로막혀 상하부로 배출되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
청구항 제3항에 있어서, 상기 냉각부는 상기 가열부의 직하부의 상기 하우징의 하부 플레이트의 내면에 설치되고,
상기 하우징의 하부 플레이트에는 냉각부 방열공들이 형성되고,
상기 냉각부는
펠티어 소자;
상기 펠티어 소자의 상부에 설치되어 상기 펠티어 소자 구동 시, 발생되는 냉기를 상부로 배출시키는 냉각팬;
상기 펠티어 소자의 하부에 설치되는 방열핀;
상기 방열핀의 하부에 설치되어 상기 펠티어 소자 구동 시, 발생되는 열기를 하부로 배출시키는 방열팬들을 포함하고,
상기 방열팬들은 상기 하우징의 하부 플레이트의 방열공들 각각에 의해 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
청구항 제4항에 있어서, 상기 냉각부는 상기 펠티어 소자에 연결되는 적어도 하나 이상의 방열핀을 더 포함하고.
상기 방열핀은 조립 시 상기 스택 및 상기 하우징의 후방플레이트 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
청구항 제5항에 있어서, 상기 하우징은 일측에 외부 전원 및 통신선과 접속하기 위한 커넥터들이 설치되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.
청구항 제5항에 있어서, 상기 하우징은 상기 발전부의 스택들로 수소를 공급하기 위한 주입부가 설치되는 것을 특징으로 하는 수소연료전지 시스템.