KR102407156B1 - 무인기 연료전지용 베이퍼챔버 및 이를 구비한 연료전지 스택 - Google Patents

무인기 연료전지용 베이퍼챔버 및 이를 구비한 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

이 발명의 베이퍼챔버(200)는 밀봉되어 진공상태의 내부공간을 형성하며 인접하는 2개의 단위 셀(100)의 분리판(120)의 일측면과 면접촉하는 접촉면을 각각 갖는 외형수단(210)과, 내부공간 내의 일부 공간에 채워지는 열전달 매체와, 외형수단(210)의 일측 내측면에 일측 표면이 밀착되어 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올려 응축 및 증발이 가능하도록 하는 시트(220), 및 시트(220)의 타측 표면 및 외형수단(210)의 타측 내측면에 각각 밀착되는 메쉬부재(230)를 포함하여 구성된다.

Description

무인기 연료전지용 베이퍼챔버 및 이를 구비한 연료전지 스택{Vapor chamber for drone fuel cell and fuel cell stack equipped with them}
이 발명은 무인기 연료전지용 베이퍼챔버에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공상태에서 매체의 상변화 원리를 이용해 무인기의 연료전지에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 연료전지의 단위 셀의 사이사이에 각각 밀착하도록 배열해 효율적으로 방열할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이기도 하다.
드론(drone)은 사람이 탑승하지 않은 무인항공기를 총칭하는 용어이다. 대체로 무선전파에 의해 조종되는 드론은 처음에는 공군기, 고사포 또는 미사일의 요격 연습용으로 군사적으로 사용되었다. 점차 무선기술이 발달함에 따라 단순히 요격 연습용뿐만 아니라 군용 정찰기, 각종 무기를 장착하여 표적시설 파괴용으로 사용되기에 이르렀다.
최근에는 드론의 활용도가 보다 확대되고 있다. 소형 드론을 개발하여 레저용으로 사용하고 있고, 드론 조종 경진 대회가 열릴 정도로 드론의 대중화는 점차 확대되는 추세이다. 그리고 배송업계에서도 드론을 이용하여 주문받은 상품을 수송하는 배송 메커니즘을 계획 및 실행하고 있다.
이러한 추세에 발맞춰 세계 각국의 주요 기업들은 드론 관련 산업을 유망 신사업으로 보고 투자활동 및 기술개발에 매진하고 있다. 그런데 드론의 운용에 있어서, 가장 중요시 되는 것 중의 하나는 장시간 운용이 가능한지 여부이다. 현재 시중에서 사용되는 대부분의 드론은 비행시간이 길지 않다. 복수개의 프로펠러를 구동하여 드론을 운용해야 하는데, 프로펠러를 구동하는데 많은 전력이 소모되기 때문이다.
그렇다고 비행시간을 증가시키기 위해 부피가 큰 고용량 배터리 또는 많은 배터리를 드론에 장착하게 되면, 배터리 크기와 무게로 인해 드론의 크기와 무게가 증가하여, 오히려 비효율적인 결과를 가져올 수 있다. 특히 배송 관련 드론의 경우에는 페이로드(payload) 값도 고려해야 하므로, 드론 자체의 크기와 무게 경감은 드론 운용에 있어서 중요한 요소 중의 하나가 되어, 장시간 운용을 위해 시중의 일반적인 배터리를 증가시키는 것에는 한계가 있다. 또한, 부피가 큰 고용량 배터리 또는 많은 배터리를 드론에 무분별하게 장착하게 되면, 드론의 기동력 저하를 가져올 수 있다.
연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 화학반응에 의해 직접 전기에너지로 바꾸는 장치로서, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어낼 수 있는 일종의 발전장치이다. 즉, 단위 셀의 환원전극(Cathode)에 산소를 포함한 공기가, 산화전극(Anode)에 연료인 수소가스가 각각 공급되면, 그 사이의 전해질막을 통해 물 전기분해의 역반응이 진행되면서 전기가 생성된다. 그런데 이러한 단위 셀 하나에서 발생하는 전기는 유용하게 사용될 만큼 그 전압이 높지 않기 때문에, 여러 개의 단위 셀을 직렬로 연결한 스택(Stack)의 형태로 사용하는 것이 일반적이다. 이러한 연료전지는 배기가스로 순수한 물을 배출하기 때문에 친환경적인 미래형 동력원으로 각광받고 있다.
연료전지는 크게 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxydation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)로 구분될 수 있다.
이하에서는 연료전지의 기본구조에 대한 설명은, 편의상 최근 각광을 받고 있는 고분자 전해질형 연료전지를 위주로 설명한다.
고분자 전해질형 연료전지는 고분자 전해질막과 전극으로 이루어진 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와, 반응에 사용되는 가스를 전극에 전달하고 반응 생성물을 배출하는 유체확산층(Fluid Distribution Layer), 및 반응가스와 냉각수를 외부로부터 공급하며 산화전극(Anode)과 환원전극(Cathode)을 분리하는 기능을 하는 분리판 등으로 구성된다.
연료전지 스택(Stack)은 이러한 막전극접합체, 유체확산층 및 분리판을 필요한 용량만큼 적층하여 구성하며, 스택은 외부에서 적절한 압력을 제공하는 장치를 통해 어긋나거나 미끄러짐 없이 일체형을 이루게 된다.
일반적으로 분리판은 막전극접합체를 기계적으로 지지함과 동시에 서로 전기적으로 접속시키는 역할을 하며, 막전극접합체와 접촉하는 부분의 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성한다. 유로는 통상적으로 분리판의 표면에 홈 형태로 형성된다.
한편, 연료전지는 화학반응을 통해 전기에너지를 생산함에 있어서, 열이 많이 발생한다. 그래서, 종래에는 대부분 수냉식으로 방열하였다. 즉, 분리판을 외부의 냉각수 공급이 가능한 구조로 구성하고, 이러한 분리판에 냉각수를 순환시키기 위한 별도의 장치와 동력을 갖도록 구성하였다. 그로 인해, 구조가 복잡해지고 중량이 증가하는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 연료전지를 드론의 배터리 대용으로 사용하는데 문제점이 있다.
공개특허 제2020-0025861호 등록특허 제1315622호
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 진공상태에서 매체의 상변화 원리를 이용해 무인기의 연료전지에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 상기와 같은 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 연료전지의 단위 셀의 사이사이에 각각 밀착하도록 배열해 효율적으로 방열할 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은 무인기의 동력원으로 이용되는 연료전지에서 발생하는 열을 방열하기 위해 인접하는 2개의 단위 셀의 분리판에 각각 접촉하여 방열하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버로서, 밀봉되어 진공상태의 내부공간을 형성하며 상기 분리판의 일측면과 각각 면접촉하는 한 쌍의 접촉면을 갖는 외형수단과, 상기 내부공간 내의 일부 공간에 채워지는 열전달 매체와, 상기 외형수단의 일측 내측면에 일측 표면이 밀착되어 상기 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올리는 시트, 및 상기 시트의 타측 표면 및 상기 외형수단의 타측 내측면에 각각 밀착되는 메쉬부재를 포함하고, 상기 외형수단은 상기 분리판의 표면에 면접촉하는 접촉부와, 상기 접촉부의 하부 쪽을 제외한 세방향 테두리를 따라 각각 형성되며 내부에 공극을 형성하도록 엠보싱 처리된 엠보싱부를 갖는 한 쌍의 외형부재를 포함하며, 상기 열전달 매체가 상기 단위 셀에서 발생한 열에 의해 증발하여 상기 엠보싱부에서 대기와 열교환하여 열을 방출하여 증기상태에서 다시 액체상태로 응축되어 상기 시트를 통해 유동하는 반복과정을 통해 단위 셀에서 발생하는 열을 방열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 외형부재는 상기 베이퍼챔버를 다수개 적층하여 볼트 및 너트로 체결 고정하기 위한 다수개의 적층홀과, 다수개의 상기 베이퍼챔버 및 단위 셀의 위치 정렬을 위한 다수개의 정렬홀, 및 상기 분리판의 매니폴드와 연통하여 수소/산소의 공급 및 배출을 위한 다수개의 연통홀을 더 가질 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 다수개의 적층홀은 상기 접촉부와 근접하는 상기 엠보싱부의 테두리를 따라 형성되고, 상기 다수개의 정렬홀 및 연통홀은 상기 엠보싱부와 근접하는 상기 접촉부의 테두리를 따라 형성될 수 있다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 외형부재는 하부 양 모서리를 모따기한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명은 막전극접합체 및 상기 막전극접합체의 산화전극과 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판을 포함하는 다수개의 단위 셀과, 상기 다수개의 단위 셀 중에서 인접하는 2개의 단위 셀의 분리판에 각각 접촉하여 방열하는 상기와 같이 구성된 다수개의 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 발명에 따르면, 상기 열전달 매체는 순수이고, 상기 베이퍼챔버를 사이에 두고 위치하는 상기 분리판을 서로 간에 외부에서 전기전도도가 높은 연결부재로 용접하여 연결하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 상기 연결부재가 U자 형태로 절곡되어 양 단부 부위가 상기 베이퍼챔버를 사이에 두고 위치하는 상기 분리판의 단부 부위에 각각 용접되는 것이다.
이 발명의 무인기 연료전지용 베이퍼챔버는 진공상태에서 매체의 상변화 원리를 이용해 무인기의 연료전지에서 발생하는 열을 효율적으로 방열할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이 발명의 연료전지 스택은 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 연료전지의 단위 셀의 사이사이에 각각 밀착하도록 배열해 효율적으로 방열할 수 있는 장점이 있다.
즉, 이 발명의 베이퍼챔버는 외부의 냉각수를 공급하기 위한 별도의 구성, 장치 및 동력 없이 매체의 상변화 원리를 이용해 방열하므로, 이를 적용하는 연료전지 스택의 구조를 단순화하면서도 중량을 줄일 수가 있다.
도 1 및 도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 구비한 연료전지 스택의 분해 사시도 및 결합 사시도이고,
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 스택의 요부 분해 사시도이고,
도 4는 도 1에 도시된 무인기 연료전지용 베이퍼챔버의 분해 사시도이고,
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 베이퍼챔버의 구성관계 및 방열 개념을 각각 도시한 평면도이며,
도 7은 도 1에 도시된 연료전지 스택에서 분리판을 서로 간에 연결부재로 용접하여 연결한 상태의 개념도이다.
이하, 이 발명에 따른 무인기 연료전지용 베이퍼챔버 및 이를 구비한 연료전지 스택의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 이 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이 실시예는 이 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1 및 도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 구비한 연료전지 스택의 분해 사시도 및 결합 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시된 연료전지 스택의 요부 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 연료전지 스택(stack)은 무인기용으로 사용하기 위한 것으로서, 단위 셀(100)과 무인기 연료전지용 베이퍼챔버(200)를 차례로 적층하는 구조로 구성한 것으로서, 스택의 출력에 따라 적층하는 단위 셀(100) 및 무인기 연료전지용 베이퍼챔버(200)의 수가 결정된다. 예를 들어, 연료전지 스택은 80개의 단위 셀(100) 및 그에 대응하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버(200)를 적층하여 구성할 수 있다.
한편, 단위 셀(100)은 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)(110), 유체확산층(도시안됨) 및 한 쌍의 분리판(120)을 차례로 적층하는 구조로 구성하면 된다. 상기 연료전지 스택의 적층구조 외측에는 양쪽으로 한 쌍의 체결판(300) 및 집전판(400)이 결합된다.
막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(도시안됨)과 그 양쪽 면에 각각 형성되는 산화전극(anode)(도시안됨)과 환원전극(cathode)(도시안됨)으로 이루어져 있으며, 이 전극들 상에는 유체확산층이 덮여져 있다. 상기 전극들은 고분자 전해질막의 표면에 형성될 수 있으며, 유체확산층의 표면에 형성될 수도 있다.
유체확산층은 전극을 보호하고 반응에 필요한 수소 및 공기를 전극으로 공급하며 전극에서 생성된 물을 배출시키는 기능을 한다. 또한, 전극과 분리판 사이에서 전기적 연결을 해주며, 이때 적절한 압력하에서 수축되어 접촉저항을 최소로 한다. 유체확산층으로는 다공성 탄소종이나 탄소천 혹은 미세 가공된 흑연박을 사용할 수 있다. 이러한 유체확산층은 반드시 포함하여 구성할 필요는 없지만, 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.
분리판(120)은 유체확산층의 바깥쪽 면에 밀착 결합되며, 표면에 다수 개의 유로가 형성된다. 분리판(120)의 유로는 유체확산층과 결합하여 연료유로 또는 산화제유로를 형성하여 반응영역을 이루게 되며, 매니폴드(manifold)와 연결되어 스택의 외부로부터 반응가스를 공급받게 된다. 더욱 상세하게는, 수소함유연료가 유동하는 연료유로가 형성된 분리판(120)은 막전극접합체(110)의 산화전극 측에 배치되고, 산소함유기체가 유동하는 산화제유로가 형성된 분리판(120)은 막전극접합체의 환원전극 측에 배치된다.
또한, 분리판(120)은 연료전지 내에 수소와 공기가 서로 섞이지 않도록 하고, 막전극접합체(110)를 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 적층된 단위 셀(100)들을 기계적으로 지지하는 역할을 한다. 그리고 반응기체가 전극에 골고루 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하며 환원전극에서 생성되는 물을 배출시키는 기능을 한다. 분리판(120)의 소재는 흑연 또는 탄소복합재가 사용될 수 있으며, 금속판이 사용되기도 한다. 금속판이 사용될 때는 전기전도도가 낮고 부식 가능성이 있으므로 금속판의 표면에 고전도성, 내부식성 코팅을 하는 것이 바람직하다. 막전극접합체(110)에서 발생한 전기는 측정을 위해 분리판(120)을 통해 외부로 전달된다.
분리판(120)과 막전극접합체(110)의 사이에는 가스켓(도시안됨)을 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 분리판(120)과 막전극접합체(110)의 사이에 반응영역이 형성되는데, 반응영역에는 반응가스의 밀봉을 위해 가스켓을 반응영역의 외곽을 따라 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 가스켓은 구조적 역할 및 밀봉 기능을 수행하며, 소재는 탄성을 갖는 고무와 같은 재료로 이루어질 수 있다.
무인기 연료전지용 베이퍼챔버(200)는 화학반응을 통해 전기에너지를 생산하는 단위 셀(100)들에서 각각 발생하는 열을 방열하는 것으로서, 그 구체적인 구성관계에 대해서는 후술한다.
체결판(300)은 연료전지 스택에 체결압력을 가하기 위해 사용되며, 균일한 압력을 제공할 수 있도록 일정 두께 이상의 금속판 또는 강화 플라스틱판이 사용되지만, 더 바람직하게는 경량화를 위해 탄소복합재료로 구성할 수 있다. 이러한 체결판(300)은 연료전지 스택 내부로 반응가스 등을 공급 및 배출하기 위하여 다수의 연결구가 형성된다. 연결구는 수소 공급구(310), 산소 공급구(320), 수소 배출구(330) 및 산소 배출구(340)로 구성되며, 이들 연결구 각각은 연료전지 스택 내의 매니폴드와 연결된다.
한편, 한 쌍의 체결판(300) 중에서 한 쪽은 상기와 같은 연결구를 갖도록 구성되지만, 다른 쪽은 상기와 같은 연결구를 갖지 않는다. 또한, 한 쌍의 체결판(300)은 다수개의 단위 셀(100)과 베이퍼챔버(200)를 비롯하여 한 쌍의 집전판(400)을 볼트 및 너트로 체결 고정하기 위한 다수개의 구멍을 갖는다. 따라서, 단위 셀(100)에도 그에 대응하는 홈이나 구멍을 다수개 갖는 것이 바람직하다. 또한, 단위 셀(100)에는 후술할 베이퍼챔버(200)의 정렬홀(215) 및 연통홀(216)에 대응하거나 상응하는 홀(분리판(120)의 매니폴드 포함) 등을 갖는다.
집전판(400)은 막전극접합체(110)에서 발생한 전기를 외부 부하와 연결하는 역할을 하며, 저항을 줄이기 위해 구리소재 혹은 금도금한 금속소재를 사용하여 제조될 수 있다. 한편, 한 쌍의 집전판(400) 중에서 한 쪽은 상기와 같은 연결구에 대응하는 구멍을 갖지만, 다른 쪽은 그에 대응하는 구멍을 갖지 않는다. 또한, 한 쌍의 집전판(400)은 후술할 베이퍼챔버(200)의 정렬홀(215)에 대응하거나 상응하는 홀을 갖는다.
아래에서는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버(이하, "베이퍼챔버"라 함)의 구성관계에 대해 구체적으로 설명한다.
도 4는 도 1에 도시된 무인기 연료전지용 베이퍼챔버의 분해 사시도이고, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 베이퍼챔버의 구성관계 및 방열 개념을 각각 도시한 평면도이며, 도 7은 도 1에 도시된 연료전지 스택에서 분리판을 서로 간에 연결부재로 용접하여 연결한 상태의 개념도이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 베이퍼챔버(200)는 밀봉되어 진공상태의 내부공간을 형성하며 인접하는 2개의 단위 셀(100)의 분리판(120)의 일측면과 면접촉하는 접촉면을 각각 갖는 외형수단(210)과, 내부공간 내의 일부 공간에 채워지는 열전달 매체(도시안됨)와, 외형수단(210)의 일측 내측면에 일측 표면이 밀착되어 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올려 응축 및 증발이 가능하도록 하는 시트(220), 및 시트(220)의 타측 표면 및 외형수단(210)의 타측 내측면에 각각 밀착되는 메쉬부재(230)를 포함하여 구성된다.
상기 외형수단(210)은 인접하는 2개의 단위 셀(100)의 분리판(120)에 각각 면접촉하는 접촉부(212)와 진공시 함몰을 방지하기 위한 엠보싱부(213)를 각각 갖는 한 쌍의 외형부재(211)로 구성된다. 외형부재(211)의 접촉부(212)는 분리판(120)의 표면에 대응하는 크기를 가지며 완전 면접촉하도록 평판하게 형성된다. 즉, 접촉부(212)는 분리판(120)과 최대한 넓은 면적에서 접촉하도록 엠보싱이 형성되지 않는 영역으로서, 엠보싱 대신에 메쉬부재(230)가 삽입 배치되어 진공시에 함몰 방지 및 평탄도 유지가 가능하다. 이러한 접촉부(212)는 분리판(120)의 일측면에 면접촉하여 단위 셀(100)에서 발생하는 열을 빼앗아 오는 역할을 한다.
한편, 엠보싱부(213)는 하부 쪽을 제외한 접촉부(212)의 세방향 테두리를 따라 각각 형성되어 진공시 함몰을 방지한다. 또한, 엠보싱부(213)는 단위 셀(100)의 분리판(120)을 거쳐 접촉부(212)로 전달되는 열을 엠보싱 사이의 공극을 통한 열전달 매체의 원활한 확산을 통해 효율적으로 방열하는 역할을 한다. 즉, 엠보싱부(213)는 단위 셀(100)의 분리판(120)과 접촉하지 않는 영역에 형성되어, 단위 셀(100)에서 발생하는 열을 넓은 면적으로 확산시켜 효율적으로 방열한다. 이러한 엠보싱부(213)의 엠보싱은 진공시에 함몰이 적게 발생하면서 열전달 매체의 확산공간을 최대한으로 확보하는 간격으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 외형부재(211)는 다수개의 베이퍼챔버(200)를 좌우로 적층하여 도 1과 같이 볼트 및 너트로 체결 고정하기 위한 다수개의 적층홀(214)과, 베이퍼챔버(200), 분리판(120) 및 막전극접합체(110)의 위치 정렬을 위한 다수개의 정렬홀(215), 및 분리판(120)의 매니폴드와 연통하여 수소/산소의 공급 및 배출을 위한 다수개의 연통홀(216)을 갖는다. 여기서, 다수개의 적층홀(214)은 접촉부(212)와 근접하는 엠보싱부(213)의 테두리를 따라 형성되고, 다수개의 정렬홀(215) 및 연통홀(216)은 엠보싱부(213)와 근접하는 접촉부(212)의 테두리를 따라 형성된다.
한편, 외형부재(211)는 하부 양 모서리를 모따기한 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 모따기는 도 6에서와 같이 열로 인하여 확산된 열전달 매체가 중앙 부분의 발열부로 원활하게 복귀할 수 있도록 하기 위함이다.
한편, 한 쌍의 외형부재(211)는 스테인리스 재질로 각각 구성되어 테두리를 따라 서로 간에 용접함으로써 일체화된다. 여기서, 용접방법으로는 아르곤 용접, 레이저 용접 또는 플라즈마 용접을 이용할 수 있다.
시트(220)는 외형수단(210)의 일측 내측면에 일측 표면이 밀착되어 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올려 응축 및 증발이 가능하도록 하는 것으로서, 접촉부(212)의 내측면 전부를 덮을 수 있는 너비를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 시트(220)는 열전달 매체에 대한 고흡수성, 열전달 매체와 반응하지 않는 내화학성, 및 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올리는 모세관력을 가져야 한다.
또한, 시트(220)는 보다 효율적인 모세관력을 가지도록 다수의 구멍을 갖는 것이 바람직하다. 한편, 이 실시예에서 시트(220)는 열전달 매체에 대한 흡수성 및 모세관력의 우수성이 확인된 무기물, 유기물 또는 무기물과 유기물의 혼합 시트를 이용할 수 있다. 한편, 시트(220)에는 다수개의 정렬홀(215) 및 연통홀(216)에 대응하는 다수개의 구멍이 형성된다.
메쉬부재(230)는 시트(220)의 타측 표면 및 외형수단(210)의 타측 내측면에 각각 밀착되어 시트(220)를 고정함과 더불어, 외부로 열을 방출함에 따라 외형부재(211)의 엠보싱부(213)에서 응축된 열전달 매체가 시트(220)를 따라 열원(단위 셀(100))의 증발부 쪽으로 원활하게 이동할 수 있도록 하는 통로를 제공하는 역할을 한다. 따라서, 메쉬부재(230)는 시트(220)와 동일한 너비로 구성된다. 이러한 메쉬부재(230)는 그물망 구조이면서 고강도, 내부식성이 우수한 STS 304 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 한편, 메쉬부재(230)에는 다수개의 정렬홀(215) 및 연통홀(216)에 대응하는 다수개의 구멍이 형성된다.
열전달 매체는 외형수단(210)의 내부공간의 일부 공간에 삽입되는 것으로서, 열원(단위 셀(100))의 증발부에서 발생되는 열을 흡수하여 증발되어, 외부 공기와 접촉하는 외형부재(211)의 엠보싱부(213)에서 대기와 열교환하여 열을 방출하고, 증기상태에서 다시 액체상태로 응축되어 증발부로 이동한다. 따라서, 열전달 매체는 상기와 같은 조건을 만족하는 매체를 이용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 열전달 매체로 순수를 이용할 수 있는데, 이 경우 베이퍼챔버(200)의 전기전도도가 감소하여 집진판(300)으로의 전기전달이 원활하지 못할 수 있다.
이를 보완하기 위해 도 3 및 도 7에서와 같이 베이퍼챔버(200)를 사이에 두고 위치하는 분리판(120)을 서로 간에 외부에서 전기전도도가 높은 소재의 연결부재(500)로 용접하여 연결함으로써, 집진판(300)으로의 원활한 전기전달이 가능하다. 여기서, 연결부재(500)는 U자 형태로 절곡되어 일 단부가 단위 셀(100)의 분리판(120)에 용접되고 타측 단부가 자유단 형태를 갖다가, 다수개의 단위 셀(100) 및 베이퍼챔버(200)를 적층하여 고정할 때에, 인접하는 단위 셀(100)의 분리판(120)에 자유단의 타측 단부를 용접함으로써, 베이퍼챔버(200)를 사이에 두고 위치하는 2개의 분리판(120)을 서로 간에 연결한다. 이러한 연결부재(500)는 볼트 및 너트 고정을 위한 볼트의 삽입홈(510)이 다수개 형성된다. 한편, 연결부재(500)는 최외측의 분리판(120)과 집전판(400)을 서로 간에 연결하도록 배치할 수도 있다.
한편, 외형수단(210)의 내부공간의 일부 공간에 열전달 매체를 삽입함에 있어서는, 외형부재(211)의 일측에 구멍을 천공하고, 이 천공구멍을 통해 열전달 매체를 주입하면 된다. 그리고, 이렇게 열전달 매체가 주입되면, 열전달 매체를 냉각시킨 후 천공구멍을 통해 진공을 가한 후 천공구멍을 밀봉하고 상온에서 공냉시킴으로써, 그 내부가 일정 진공도를 갖게 된다.
상기와 같이 구성된 이 실시예의 베이퍼챔버(200)의 방열 메커니즘은 단위 셀(100)의 분리판(120)과 밀착하는 외형부재(211)의 접촉부(212)가 주요 증발부가 되고 외부 공기와 접촉하는 엠보싱부(213)가 응축부가 된다. 즉, 증발부에서 열이 유입되면 내부가 진공상태로 이루어져 있어 열전달 매체가 일정 온도에서 증발하여 증기상태로 변하여 포화상태에 도달하면, 증기가 엠보싱부(213)의 공극에 의해 형성된 유동통로를 따라 상부로 이동하여 대기와 열교환하여 열을 방출하고 증기상태에서 다시 액체상태로 응축된다. 응축된 열전달 매체는 시트(220)로 흡수된다. 한편, 시트(220)로 흡수된 열전달 매체는 증발부가 위치하는 시트(220)를 따라 하부 쪽으로 이동한 후, 상술한 동일 과정의 반복을 통해 열을 외부로 방출한다.
이 실시예의 베이퍼챔버(200)는 내부공간이 진공상태를 가짐에 따라 열전달 매체가 낮은 온도에서 증발과 응축을 반복하여 단위 셀(100)에서 생성되는 열을 보다 효율적으로 방출할 수가 있다.
또한, 이 실시예의 베이퍼챔버(200)는 열전달 매체의 상변화 원리를 이용해 방열하는 것이다. 또한, 상변화에 따른 기압차에 의해 발생하는 대류를 통해 열확산이 발생하여 보다 빠른 속도로 단위 셀(100)에서 발생하는 열을 빼앗아 효율적인 방열이 가능하다.
이상에서 이 발명의 무인기 연료전지용 베이퍼챔버 및 이를 구비한 연료전지 스택에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이다. 따라서, 이 발명이 상기에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 이 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그러한 변형예 또는 수정예들 또한 이 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
100 : 단위 셀 110 : 막전극접합체
120 : 분리판 200 : 베이퍼챔버
210 : 외형수단 211 : 외형부재
212 : 접촉부 213 : 엠보싱부
214 : 적층홀 215 : 정렬홀
216 : 연통홀 220 : 시트
230 : 메쉬부재 300 : 체결판
310 : 수소 공급구 320 : 산소 공급구
330 : 수소 배출구 340 : 산소 배출구
400 : 집전판 500 : 연결부재
510 : 삽입홈

Claims (7)

  1. 무인기의 동력원으로 이용되는 연료전지에서 발생하는 열을 방열하기 위해 인접하는 2개의 단위 셀의 분리판에 각각 접촉하여 방열하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버로서,
    밀봉되어 진공상태의 내부공간을 형성하며 상기 분리판의 일측면과 각각 면접촉하는 한 쌍의 접촉면을 갖는 외형수단과,
    상기 내부공간 내의 일부 공간에 채워지는 열전달 매체와,
    상기 외형수단의 일측 내측면에 일측 표면이 밀착되어 상기 열전달 매체를 하부에서부터 상부까지 끌어올리는 시트, 및
    상기 시트의 타측 표면 및 상기 외형수단의 타측 내측면에 각각 밀착되는 메쉬부재를 포함하고,
    상기 외형수단은 상기 분리판의 표면에 대응하는 크기를 가지며 상기 분리판의 표면에 면접촉하도록 평판하게 형성된 접촉부와, 상기 접촉부의 하부 쪽을 제외한 세방향 테두리를 따라 각각 형성되며 내부에 공극을 형성하도록 엠보싱 처리된 엠보싱부를 갖는 한 쌍의 외형부재를 포함하며,
    상기 외형부재는 하부 양 모서리를 모따기한 형태를 가지며,
    상기 열전달 매체가 상기 단위 셀에서 발생한 열에 의해 증발하여 상기 엠보싱부에서 대기와 열교환하여 열을 방출하여 증기상태에서 다시 액체상태로 응축되어 상기 시트를 통해 유동하는 반복과정을 통해 단위 셀에서 발생하는 열을 방열하는 것을 특징으로 하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외형부재는 상기 베이퍼챔버를 다수개 적층하여 볼트 및 너트로 체결 고정하기 위한 다수개의 적층홀과, 다수개의 상기 베이퍼챔버 및 단위 셀의 위치 정렬을 위한 다수개의 정렬홀, 및 상기 분리판의 매니폴드와 연통하여 수소/산소의 공급 및 배출을 위한 다수개의 연통홀을 더 갖는 것을 특징으로 하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 다수개의 적층홀은 상기 접촉부와 근접하는 상기 엠보싱부의 테두리를 따라 형성되고, 상기 다수개의 정렬홀 및 연통홀은 상기 엠보싱부와 근접하는 상기 접촉부의 테두리를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 무인기 연료전지용 베이퍼챔버.
  4. 삭제
  5. 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly) 및 상기 막전극접합체의 산화전극과 환원전극에 각각 대면하고 수소함유연료 또는 산소함유기체가 유동하는 유로를 각각 갖는 한 쌍의 분리판을 포함하는 다수개의 단위 셀과, 상기 다수개의 단위 셀 중에서 인접하는 2개의 단위 셀의 분리판에 각각 접촉하여 방열하는 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 다수개의 무인기 연료전지용 베이퍼챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전달 매체는 순수이고,
    상기 베이퍼챔버를 사이에 두고 위치하는 상기 분리판을 서로 간에 외부에서 전기전도도가 높은 연결부재로 용접하여 연결하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 연결부재는 U자 형태로 절곡되어 양 단부 부위가 상기 베이퍼챔버를 사이에 두고 위치하는 상기 분리판의 단부 부위에 각각 용접되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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