KR102452542B1 - Heat exchange pipe and fuel cell system comprising the same - Google Patents
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Abstract
열교환 파이프는, 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 전단에 구비되는 유입관과 후단에 구비되는 배출관의 사이에서 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제1 관, 제1 관의 외측에 마련되고, 제1 관의 길이 방향을 따라 제1 관과의 사이에 중공을 형성하는 제2 관 및 냉각수와 열교환하기 위해, 중공에 충진된 PCM 축열재를 포함하고, 제1 관 및 제2 관은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성되고, 제1 관 및 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 변동됨에 따라 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열전달률이 변동된다.The heat exchange pipe includes a first pipe and a first pipe providing a flow path through which the coolant flows between an inlet pipe provided at the front end and an outlet pipe provided at the rear end based on a flow direction in which the coolant flows to be supplied to the fuel cell stack. It is provided on the outside of the first tube along the longitudinal direction of the first tube and includes a PCM heat storage material filled in the hollow for heat exchange with the second tube and the cooling water forming a hollow between the first tube and the first tube and The second tube is formed to expand in a radial direction or contract in the opposite direction due to a change in internal pressure, and the heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material is increased by the expansion or contraction of the first tube and the second tube. As it fluctuates, the heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material fluctuates.
Description
본 발명은 열교환 파이프 및 이를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat exchange pipe and a fuel cell system including the same.
연료전지는 탄화수소 또는 수소 연료에 저장된 화학 에너지를 공기와의 전기화학 반응을 통해 전기에너지로 변환하는 장치이다. 자동차 등에 이용되는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)는 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전된다. 연료전지 스택의 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.A fuel cell is a device that converts chemical energy stored in hydrocarbon or hydrogen fuel into electrical energy through an electrochemical reaction with air. Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC) used in automobiles is a fuel cell that uses a polymer as an electrolyte and is operated at 100° C. or less. Hydrogen ions produced at the anode of the fuel cell stack move to the cathode through the electrolyte, and react with oxygen at the cathode to generate water and generate electricity.
그런데 연료전지에서 전기를 발생시키는 과정은 발열반응이고, 연료전지의 작동에 따라 연료전지 스택 내부의 온도가 100℃를 초과할 수 있다. 따라서 연료전지 스택의 내부로 냉각수를 공급하여, 연료전지 스택의 온도를 100℃이하로 유지시킬 필요가 있다.However, the process of generating electricity in the fuel cell is an exothermic reaction, and the temperature inside the fuel cell stack may exceed 100°C depending on the operation of the fuel cell. Accordingly, it is necessary to supply cooling water to the inside of the fuel cell stack to maintain the temperature of the fuel cell stack at 100° C. or less.
이때 냉각수의 온도를 조절하기 위해, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 열교환기를 통과하며 열을 방출하거나 열을 공급받을 수 있는데, 이 열교환기에 PCM 축열재가 이용될 수 있다. PCM이란, 온도에 따라 상변화하는 물질로 자연계에 있는 거의 대부분의 물질이 PCM 이라고 할 수 있다.In this case, in order to control the temperature of the cooling water, the cooling water supplied to the fuel cell stack may pass through a heat exchanger to release heat or receive heat, and a PCM heat storage material may be used for the heat exchanger. PCM is a material that changes phase according to temperature, and almost all substances in nature are PCM.
PCM은 상변화할 때 많은 양의 열에너지를 흡수하거나 내 놓기 때문에, 연료전지 시스템에서 열을 축적하고 방출하는 데에 이용될 수 있다. 즉 PCM은 축열재로 이용되어, PCM 축열재에 축열된 열을 냉각수로 공급하거나, 냉각수의 열을 PCM 축열재로 축열시킬 수 있다.Because PCM absorbs or releases a large amount of thermal energy during phase change, it can be used to accumulate and release heat in fuel cell systems. That is, the PCM may be used as a heat storage material, and the heat stored in the PCM heat storage material may be supplied to the cooling water or the heat of the cooling water may be stored as the PCM heat storage material.
그런데 연료전지 시스템의 운전 중에 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도는 상황에 따라 변동될 필요가 있다. 그러나 종래의 열교환기에서는 PCM 축열재와 냉각수의 열전달량이 변동될 수 없으므로, 각 상황에 따라 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 없는 문제가 있었다.However, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack during operation of the fuel cell system needs to be changed according to circumstances. However, in the conventional heat exchanger, since the heat transfer amount between the PCM heat storage material and the coolant cannot be changed, there is a problem in that the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack cannot be adjusted according to each situation.
본 발명의 과제는 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있는 열교환 파이프를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a heat exchange pipe capable of controlling the temperature of coolant supplied to a fuel cell stack.
일 예에서, 열교환 파이프는, 연료전지 스택으로 공급되기 위한 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 전단에 구비되는 유입관과 후단에 구비되는 배출관의 사이에서 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제1 관, 제1 관의 외측에 마련되고, 제1 관의 길이 방향을 따라 제1 관과의 사이에 중공을 형성하는 제2 관 및 냉각수와 열교환하기 위해, 중공에 충진된 PCM 축열재를 포함하고, 제1 관 및 제2 관은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성되고, 제1 관 및 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 변동됨에 따라 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열전달률이 변동된다.In one example, the heat exchange pipe may include a first pipe providing a flow path through which the coolant flows between an inlet pipe provided at the front end and an outlet pipe provided at the rear end based on a flow direction in which the coolant to be supplied to the fuel cell stack flows. , A PCM heat storage material filled in the hollow is provided on the outside of the first tube, and in order to exchange heat with the second tube and the cooling water forming a hollow between the first tube and the first tube along the longitudinal direction of the first tube, The first tube and the second tube are formed to be expandable in a radial direction by a change in internal pressure or contractible in the opposite direction thereof, and between the cooling water and the PCM heat storage material by the expansion or contraction of the first tube and the second tube. The heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material changes as the heat exchange area of
다른 예에서, 제1 관 및 제2 관은, 냉각수의 유량의 증가 또는 감소에 따른 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 반대방향으로 수축 가능하게 형성될 수 있다.In another example, the first tube and the second tube may be formed to expand in a radial direction or contract in the opposite direction by a change in internal pressure according to an increase or decrease in the flow rate of the coolant.
또 다른 예에서, 열교환 파이프는, 냉각수의 유량의 증가에 따라 제1 관 및 제2 관의 내부의 압력이 상승하여 제1 관 및 제2 관이 반경방향으로 팽창하면, 제1 관을 사이에 두고 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 증가하여 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열전달률이 증가할 수 있다.In another example, in the heat exchange pipe, when the pressure inside the first tube and the second tube increases as the flow rate of the cooling water increases and the first tube and the second tube expand in the radial direction, the first tube is interposed therebetween. As the heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material increases, the heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material may increase.
또 다른 예에서, 열교환 파이프는, 냉각수의 유량의 감소에 따라 제1 관 및 제2 관의 내부의 압력이 감소하여 제1 관 및 제2 관이 반대방향으로 수축하면, 제1 관을 사이에 두고 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 감소하여 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열전달률이 감소할 수 있다.In another example, in the heat exchange pipe, when the pressure inside the first tube and the second tube decreases as the flow rate of the cooling water decreases and the first tube and the second tube contract in opposite directions, the first tube is interposed between the first tube and the second tube. The heat transfer area between the cooling water and the PCM heat storage material may decrease, so that the heat transfer rate between the cooling water and the PCM heat storage material may decrease.
또 다른 예에서, 제1 관 및 제2 관은, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 팽창 한계에 도달할 수 있다.In another example, the first tube and the second tube expand radially as the pressure therein increases, reaching an expansion limit at which further expansion is inhibited.
또 다른 예에서, 열교환 파이프는, 제2 관의 외측으로 소정 간격 이격되게 마련되어 제2 관을 둘러싸고, 제2 관의 팽창에 따른 가압에 의해 변형되지 않는 외부케이스를 더 포함하고, 제1 관 및 제2 관이 팽창하여 제2 관이 외부 케이스에 접촉하면 외부 케이스가 제2 관의 팽창을 저지하여 팽창 한계에 도달할 수 있다.In another example, the heat exchange pipe is provided to be spaced apart from the outside of the second pipe by a predetermined distance to surround the second pipe, and further includes an outer case that is not deformed by pressure according to the expansion of the second pipe, the first pipe and When the second tube expands so that the second tube comes into contact with the outer case, the outer case may prevent the second tube from expanding and reach the expansion limit.
또 다른 예에서, 외부 케이스에는 외부와 통하는 통공이 형성되고, 외부 케이스와 제2 관의 사이의 공기는, 제1 관 및 제2 관의 팽창에 따라, 통공을 통해 외부로 이동할 수 있다.In another example, a through hole communicating with the outside is formed in the outer case, and air between the outer case and the second tube may move to the outside through the through hole according to the expansion of the first tube and the second tube.
또 다른 예에서, PCM 축열재는, 복수 개의 마이크로 캡슐에 수용된 상태로 중공에 충진되고, 복수 개의 마이크로 캡슐은 PCM 축열재가 고체 상태로 상변화되어도 중공의 내부에서 유동성을 가질 수 있다.In another example, the PCM heat storage material is filled in a hollow state accommodated in a plurality of microcapsules, and the plurality of microcapsules may have fluidity inside the hollow even when the PCM heat storage material is phase-changed to a solid state.
또 다른 예에서, 열교환 파이프는, 마이크로 캡슐 사이의 마찰에 따라 마이크로 캡슐이 파손되는 것을 방지하기 위해, 중공에 마련되어 마이크로 캡슐 사이에 개재되는 윤활재를 더 포함할 수 있다.In another example, the heat exchange pipe may further include a lubricant provided in the hollow and interposed between the microcapsules in order to prevent the microcapsules from being damaged due to friction between the microcapsules.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 연료극과 공기극을 구비하는 연료전지 스택, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 열교환되는 열교환 파이프, 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 열교환 파이프의 전단에 구비되어 열교환 파이프로 냉각수를 유입시키는 유입관 및 유동방향을 기준으로 열교환 파이프의 후단에 구비되어 열교환 파이프에서 냉각수가 배출되는 배출관을 포함하고, 열교환 파이프는, 유입관과 배출관 사이에서 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제1 관, 제1 관의 외측에 마련되고, 제1 관과의 사이에 중공을 형성하는 제2 관 및 냉각수와 열교환하기 위해, 중공에 충진된 PCM 축열재를 포함하고, 제1 관 또는 제1 관 및 제2 관은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성된다.In another example, in the fuel cell system, a fuel cell stack including an anode and an air electrode, a heat exchange pipe through which coolant supplied to the fuel cell stack exchanges heat, and a heat exchange pipe provided at a front end of the heat exchange pipe based on a flow direction in which the coolant flows to heat exchange an inlet pipe for introducing cooling water into the pipe and an outlet pipe provided at the rear end of the heat exchange pipe based on the flow direction to discharge the cooling water from the heat exchange pipe, wherein the heat exchange pipe provides a flow path through which the cooling water flows between the inlet pipe and the outlet pipe a first pipe, which is provided on the outside of the first pipe, and includes a PCM heat storage material filled in the hollow to exchange heat with a second pipe and cooling water that forms a hollow between the first pipe and the first pipe or The first tube and the second tube are formed to be expandable in a radial direction or contractible in an opposite direction thereof by a pressure change therein.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 제1 관 및 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 변동됨에 따라 냉각수와 PCM 축열재 사이의 열전달률이 변동될 수 있다.In another example, in the fuel cell system, as the heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material is changed due to expansion or contraction of the first tube and the second tube, the heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material may be changed.
또 다른 예에서, 제1 관 및 제2 관은, 냉각수의 유량의 증가 또는 감소에 따른 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 반대방향으로 수축 가능하게 형성될 수 있다.In another example, the first tube and the second tube may be formed to expand in a radial direction or contract in the opposite direction by a change in internal pressure according to an increase or decrease in the flow rate of the coolant.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 배출관의 내부에 제1 관에 근접하게 마련되고, 냉각수가 배출관으로 유동하는 것을 방해하여, 냉각수의 유량의 증가에 따라 제1 관의 내부 압력을 증가시키는 가압부를 더 포함할 수 있다.In another example, the fuel cell system is provided in the interior of the discharge pipe close to the first pipe, and prevents the cooling water from flowing into the discharge pipe, thereby increasing the internal pressure of the first pipe according to an increase in the flow rate of the cooling water. It may include more wealth.
또 다른 예에서, 가압부는, 배출관의 내부 단면적을 유동방향을 따라 점차 감소시키는 형상으로 형성될 수 있다.In another example, the pressing part may be formed in a shape that gradually decreases the internal cross-sectional area of the discharge pipe along the flow direction.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 냉각수의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 열전달률을 증가시키고자 할 때, 냉각수의 유량을 증가시키고, 열전달률을 감소시키고자 할 때, 냉각수의 유량을 감소시킬 수 있다.In another example, the fuel cell system further includes a control unit for controlling the flow rate of the cooling water, wherein the control unit increases the flow rate of the cooling water to increase the heat transfer rate and decreases the heat transfer rate, It is possible to reduce the flow rate of the coolant.
또 다른 예에서, 제1 관 및 제2 관은, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달할 수 있다.In another example, the first tube and the second tube expand radially as the pressure therein increases, reaching an expansion limit at which further expansion is required to be inhibited.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 열교환 파이프로 냉각수를 압송하는 펌프와, 제1 관의 내부를 유동하는 냉각수의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하고, 제어부는, 냉각수의 압력이 팽창 한계에 도달했을 때의 압력인 한계 압력 이하가 되도록 펌프를 제어할 수 있다.In another example, the fuel cell system further includes a pump for pumping cooling water to the heat exchange pipe, and a pressure sensor for measuring a pressure of the cooling water flowing in the first tube, wherein the controller is configured to determine whether the pressure of the cooling water is limited to the expansion limit. The pump can be controlled so that it is below the limit pressure, which is the pressure when it is reached.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 열교환 파이프로 냉각수를 압송하는 펌프를 더 포함하고, 제어부는, 펌프의 최대 RPM이, 팽창 한계에 도달했을 때의 펌프의 작동 RPM인 한계 RPM 이하에서 작동되도록 펌프를 제어할 수 있다.In another example, the fuel cell system further includes a pump for pumping cooling water to the heat exchange pipe, and the controller is configured to operate at a maximum RPM of the pump below a limit RPM that is an operating RPM of the pump when the expansion limit is reached. You can control the pump.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 배출관의 내부에 마련되고, 냉각수가 배출관으로 유동하는 것을 방해하여 제1 관의 내부 압력을 증가시키는 가압부를 더 포함하고, 가압부는, 배출관의 길이방향에 수직한 제1 위치에서 배출관을 폐쇄하거나, 배출관의 길이방향에 평행한 제2 위치에서 배출관을 개방하는 평판을 포함하며, 평판은, 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 회전하고, 제1 관 및 제2 관은, 평판의 회전 정도에 따른 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 반대방향으로 수축 가능하게 형성될 수 있다.In another example, the fuel cell system further includes a pressurizing unit provided inside the discharge pipe to increase the internal pressure of the first pipe by preventing the coolant from flowing into the discharge pipe, wherein the pressurizing unit is perpendicular to the longitudinal direction of the discharge pipe a flat plate for closing the discharge tube in a first position or opening the discharge tube at a second position parallel to the longitudinal direction of the discharge tube, the flat plate rotating between the first position and the second position, the first tube and The second tube may be formed to expand in a radial direction or contract in the opposite direction by a change in internal pressure according to the degree of rotation of the plate.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 제1 관 및 제2 관의 양측 말단에 각각 연결되는 한 쌍의 마감부재를 더 포함하고, 유입관과 배출관의 말단은 제1 관의 내부로 삽입되고, 마감부재는, 유입관이나 배출관이 밀폐되게 삽입되는 삽입구멍이 형성되어, 제1 및 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 유입관이나 배출관의 외측 표면을 따라 슬라이딩 하고, 또한 제1 관 및 제2 관과의 연결을 통해 중공을 외부로부터 밀폐할 수 있다.In another example, the fuel cell system further includes a pair of closing members respectively connected to both ends of the first pipe and the second pipe, and the ends of the inlet pipe and the outlet pipe are inserted into the first pipe, The closing member is formed with an insertion hole into which the inlet pipe or the outlet pipe is sealedly inserted, and slides along the outer surface of the inlet pipe or the outlet pipe by the expansion or contraction of the first and second pipes, and also the first pipe and the second pipe The hollow can be sealed from the outside through the connection with the tube.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 제1 관 및 제2 관이, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달하면, 마감부재가 제1 관의 중심 측으로 더 이상 이동하는 것을 저지하기 위해, 유입관이나 배출관의 표면에서 돌출되게 마련되는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.In another example, in a fuel cell system, the first tube and the second tube expand radially as the pressure therein increases. When an expansion limit at which further expansion is required is reached, the closing member is In order to prevent further movement toward the center of the first tube, it may further include a stopper provided to protrude from the surface of the inlet pipe or the outlet pipe.
또 다른 예에서, 연료전지 시스템은, 제1 관 및 제2 관의 강성을 향상시키기 위해, 제1 관 및 제2 관의 외측 표면을 둘러싸는 보강부재를 더 포함할 수 있다.In another example, the fuel cell system may further include a reinforcing member surrounding outer surfaces of the first tube and the second tube to improve the rigidity of the first tube and the second tube.
본 발명에 의하면 냉각수가 유동하는 제1 관의 내부의 압력을 조절하여 PCM 축열재와 냉각수 사이의 열전달량을 조절할 수 있으므로, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.According to the present invention, since the amount of heat transfer between the PCM heat storage material and the coolant can be adjusted by adjusting the pressure inside the first pipe through which the coolant flows, the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack can be controlled.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프를 길이방향에 수직한 방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프를 길이방향에 수직한 방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프를 길이방향으로 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프를 길이방향으로 자른 단면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환 파이프를 길이방향에 수직한 방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환 파이프를 길이방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환 파이프를 길이방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to embodiments of the present invention.
2 is a view showing a cross section of a heat exchange pipe according to
3 is a view showing a cross section of the heat exchange pipe according to the first embodiment of the present invention cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
4 is a view showing a cross-section of the heat exchange pipe according to the first embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction.
5 is a view showing a cross-section of the heat exchange pipe according to the first embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction.
6 is a view showing a cross section of a heat exchange pipe according to a second embodiment of the present invention cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
7 is a view showing a cross-section of a heat exchange pipe according to a second embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction.
8 is a view showing a cross-section of a heat exchange pipe according to a second embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction;
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해서 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to exemplary drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in the description of the embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function interferes with the understanding of the embodiment of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
실시예Example 1 One
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 연료전지 시스템을 나타내는 구성도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프의 길이방향에 수직한 방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프의 길이방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.1 is a configuration diagram illustrating a fuel cell system according to embodiments of the present invention. 2 and 3 are views showing a cross-section taken in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the heat exchange pipe according to the first embodiment of the present invention. 4 and 5 are views showing cross-sections cut in the longitudinal direction of the heat exchange pipe according to
본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택(1), 열교환 파이프(2), 유입관(3) 및 배출관(4)을 포함한다.The fuel cell system according to
연료전지 스택(1)은 연료극(미도시) 공기극(미도시)을 구비한다. 연료전지 스택(1)은 연료극으로 공급된 수소연료와 공기극으로 공급된 산소가 반응시켜 전기를 생성할 수 있다. 연료전지 스택(1)에서 전기를 생성할 때 열이 발생하고, 연료전지 스택(1)의 온도를 100℃ 이하로 유지하기 위해, 연료전지 스택(1)으로 냉각수가 공급될 수 있다.The
열교환 파이프(2)는 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수를 유동시킨다. 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수는 열교환 파이프(2)의 내부에서 열교환되어 연료전지 스택(1)으로 공급된다.The
유입관(3)은 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 열교환 파이프(2)의 전단에 구비된다. 유입관(3)은 열교환 파이프(2)로 냉각수를 유입시킨다.The
배출관(4)은 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 열교환 파이프(2)의 후단에 구비된다. 배출관(4)은 열교환 파이프(2)를 유동한 냉각수가 배출된다.The
냉각수는 유입관(3)을 통해 열교환 파이프(2)로 유입되어, 열교환 파이프(2)에서 열을 전달받거나 열을 방출한 후 배출관(4)을 통해 배출되어 연료전지 스택(1)으로 공급될 수 있다.Cooling water flows into the
이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여, 열교환 파이프(2)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the
열교환 파이프(2)는, 제1 관(10), 제2 관(20) 및 PCM 축열재(30)를 포함한다.The
제1 관(10)은 유입관(3)과 배출관(4)의 사이에서 냉각수가 유동하는 유로를 제공한다. 유입관(3)을 통해 유입된 냉각수가 제1 관(10)의 내부를 유동한 후 배출관(4)으로 배출될 수 있다.The
제2 관(20)은 제1 관(10)의 외측에 마련된다. 제2 관(20)은 제1 관(10)의 길이 방향을 따라 제1 관(10)과의 사이에서 중공(15)을 형성한다.The
PCM 축열재(30)는 제1 관(10)과 제2 관(20) 사이에 형성된 중공(15)에 충진된다. 제1 관(10)의 내부에는 냉각수가 유동하고, 제1 관(10)과 제2 관(20) 사이의 중공(15)에는 PCM 축열재(30)가 충진된다. PCM 축열재(30)는 냉각수와 열교환한다. 즉, 냉각수는 제1 관(10)의 내부를 유동하면서 PCM 축열재(30)와 열교환한 후, 연료전지 스택(1)으로 공급될 수 있다.The PCM
이때 제1 관(10) 및 제2 관(20)은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성된다. 내부의 압력이 증가하여 제1 관(10)이 반경방향으로 팽창하면, 중공(15)에 충진된 PCM 축열재(30)도 반경방향으로 압력을 받는다. PCM 축열재(30)가 제2 관(20)을 가압할 만큼 압력을 받으면, 제2 관(20)도 반경방향으로 팽창할 수 있다.At this time, the
즉, 내부의 압력이 증가하면 제1 관(10)만 반경방향으로 팽창하거나, 제1 관(10) 및 제2 관(20) 모두 반경방향으로 팽창할 수 있다. 그리고 내부의 압력이 감소하면 팽창된 제1관 또는 제1 관(10) 및 제2 관(20)은 반경방향의 반대방향으로 수축될 수 있다.That is, when the internal pressure increases, only the
이때 PCM 축열재(30)는 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창 또는 수축에 따라 유동성을 가질 필요가 있다. 그러나 일반적으로 PCM 축열재(30)는 고체 상태로 응고되면 딱딱해져 중공(15)에서 유동할 수 없게 된다.At this time, the PCM
본 발명의 실시예 1에 따른 PCM 축열재(30)는 복수 개의 마이크로 캡슐에 수용된 상태로 중공(15)에 충진되어 유동성을 가질 수 있다. PCM 축열재(30)는 마이크로 캡슐의 내부에서 상변화할 것이므로, 수 ㎛ ~ 수백 ㎛의 크기를 갖는 복수 개의 마이크로 캡슐들은 PCM 축열재(30)가 고체 상태로 상변화 되어도 중공(15)의 내부에서 유동성을 가질 수 있다.The PCM
그리고 각 마이크로 캡슐들이 유동할 때 발생하는 마찰에 따라 마이크로 캡슐이 파손될 수 있으므로, 열교환 파이프(2)는 중공(15)에 마련되어 마이크로 캡슐 사이에 개재되는 윤활재를 더 포함할 수 있다.And since the microcapsules may be damaged according to friction generated when the microcapsules flow, the
제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창 또는 수축하면, 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열교환 면적이 변동된다. 그리고 냉각수와 PCM 축열재(30)의 열교환 면적이 변동됨에 따라 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열전달률이 변동된다.When the
보다 구체적으로 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창하여 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열교환 면적이 커지면 열전달률이 커질 수 있고, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 수축하여 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열교환 면적이 작아지면 열전달률이 작아질 수 있다.More specifically, when the
즉, 내부의 압력을 조절하여 PCM 축열재(30)와 냉각수 사이의 열전달률을 조절할 수 있고, 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도도 조절할 수 있다. 따라서, 동일한 PCM 축열재(30)를 이용하면서 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.That is, the heat transfer rate between the PCM
본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 시스템은 제1 관(10)의 내부의 압력을 증가시키기 위한 가압부(40)를 더 포함할 수 있다. 가압부(40)는 배출관(4)의 내부에 제1 관(10)에 근접하게 마련되고, 냉각수가 배출관(4)으로 유동하는 것을 방해할 수 있다.The fuel cell system according to
가압부(40)는 배출관(4)의 내부 단면적을 유동방향을 따라 점차 감소시키는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어 오리피스(41)가 배출관(4)에 마련된 것일 수 있다.The
제1 관(10) 및 제2 관(20)은, 냉각수의 유량의 증가 또는 감소에 따라 내부의 압력이 변화될 수 있다. 냉각수의 유량이 증가하면 가압부(40)에 의해 배출관(4)으로 배출되지 못한 냉각수가 제1 관(10) 및 제 2관을 가압할 수 있다. 결국 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 내부의 압력이 상승할 수 있다. 반대로 냉각수의 유량이 감소하면 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 내부 압력이 감소할 수 있다.The internal pressure of the
보다 구체적으로, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 또는 수축되지 않은 상태에서 냉각수의 유량을 증가시켜 내부의 압력이 일정 압력 이상이 되면 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창하고, 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열교환 면적이 증가하여 열전달률이 증가할 수 있다.More specifically, when the internal pressure of the
그리고 다시 냉각수의 유량을 감소시켜 내부의 압력이 일정 압력 이하가 되면 제1 관(10) 및 제2 관(20)은 다시 수축하고, 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열교환 면적이 감소하여 열전달률이 감소할 수 있다.And when the flow rate of the cooling water is reduced again and the internal pressure is below a certain pressure, the
그러나 제1 관(10) 및 제2 관(20)은, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되거나, 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달할 수 있다. 팽창 한계가 설정되지 않으면 제1 관(10) 또는 제2 관(20)의 강성이 팽창에 따른 압력을 이기지 못하고, 제1 관(10) 또는 제2 관(20)이 파손될 수 있다. 따라서 팽창 한계에 도달했을 때 더 이상의 팽창을 저지할 필요가 있다.However, the
예를 들어, 본 발명의 실시예 1에 따른 열교환 파이프(2)는 외부 케이스(50)를 더 포함하고, 외부 케이스(50)가 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창을 저지할 수 있다.For example, the
외부 케이스(50)는 제2 관(20)의 외측으로 소정 간격 이격되게 마련되어 제2 관(20)을 둘러싸고, 제2 관(20)의 팽창에 따른 가압에 의해 변형되지 않아 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창을 저지할 수 있다.The
제1 관(10) 및 제2 관(20)이 내부의 압력 증가에 따라 반경방향으로 팽창하다, 외부 케이스(50)에 접촉하면 외부 케이스(50)가 제2 관(20)의 팽창을 저지하고, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 한계에 도달할 수 있다.The
그리고 외부 케이스(50)에는 외부와 통하는 통공(55)이 형성될 수 있고, 외부 케이스(50)와 제2 관(20) 사이의 공기는 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창에 따라 통공(55)을 통해 외부로 이동할 수 있다. 통공(55)이 형성되어 있어 제2 관(20)의 팽창에 따라 외부 케이스(50)와 제2 관(20) 사이의 공기가 외부 케이스(50)를 가압하는 압력을 제거할 수 있다.And a through
이와 같은 구성을 통해, 냉각수의 유량을 변경시키는 것만으로, 냉각수와 PCM 축열재(30) 사이의 열전달률을 조절할 수 있고, 따라서 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.Through this configuration, only by changing the flow rate of the coolant, the heat transfer rate between the coolant and the PCM
실시예Example 2 2
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환 파이프를 길이방향에 수직한 방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예 2에 따른 열교환 파이프를 길이방향으로 자른 단면을 나타내는 도면이다. 이하에서는 도 6 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템에 대해 설명한다.6 is a view showing a cross-section of a heat exchange pipe according to a second embodiment of the present invention cut in a direction perpendicular to the longitudinal direction. 7 and 8 are views showing cross-sections of a heat exchange pipe according to a second embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction. Hereinafter, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 8 .
실시예 2에 따른 연료전지 시스템은 외부 케이스(50)의 유무, 열교환 파이프(2')의 형상 및 가압부(40')의 형상에 있어서 실시예 1에 따른 연료전지 시스템과 차이가 있다.The fuel cell system according to the second embodiment is different from the fuel cell system according to the first embodiment in the presence or absence of the
먼저, 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은, 유입관(3)과 배출관(4)의 말단이 제1 관(10)의 내부로 삽입될 수 있다. 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이, 제1 관(10)이 유입관(3)과 배출관(4)의 말단을 둘러싸고 있는 형상일 수 있다.First, in the fuel cell system according to
그리고, 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 양측 말단에 각각 연결되는 한 쌍의 마감부재(60)를 더 포함할 수 있다. 이때 외부 케이스(50)는 마련되어 있지 않을 수 있다.And, it may further include a pair of closing
마감부재(60)는 유입관(3)이나 배출관(4)이 밀폐되게 삽입되는 삽입구멍(미도시)이 형성되어 있을 수 있다. 삽입구멍을 통해 유입관(3) 또는 배출관(4)에 삽입되고, 삽입구멍의 내면과 유입관(3)의 외면 또는 삽입구멍의 내면과 배출관(4)의 내면 사이가 밀폐될 수 있다.The closing
또한, 제1 관(10) 및 제2 관(20)과의 연결을 통해 제1 관(10)과 제2 관(20) 사이의 중공(15)을 외부로부터 밀폐할 수 있고, 제1 관(10)과 유입관(3) 또는 제1 관(10)과 배출관(4) 사이의 공간도 외부로부터 밀폐할 수 있다.In addition, it is possible to seal the hollow 15 between the
마감부재(60)는 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창 또는 수축에 따라 유입관(3)이나 배출관(4)의 외측 표면을 따라 슬라이딩 할 수 있다. 슬라이딩 방식에는 특별한 제한이 없다.The closing
또한 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 외측 표면에는 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 강성을 향상시키기 위한 보강부재(14, 24)가 둘러싸고 있을 수 있다. 예를 들어, 매쉬형태의 보강재가 제1 관(10) 및 제2 관(20)을 둘러싸고 있을 수 있다. 보강부재(14, 24)에 의해 제1 관(10) 및 제2 관(20)은 보강부재(14, 24)가 없을 때보다 반경방향으로 더 많이 팽창될 수 있다. 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 반경방향으로 팽창됨에 따라 중공(15)의 전체 부피는 일정하기 때문에, 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 말단은 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 중심 측으로 이동될 수 있다.In addition, the outer surfaces of the
본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은, 스토퍼(70)를 더 포함할 수 있다. 스토퍼(70)는 제1 관(10)이 슬라이딩 하다가 제1 관(10)의 중심 측으로 더 이상 이동하는 것을 저지할 수 있다.The fuel cell system according to
보다 구체적으로 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다가 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달하면, 마감부재(60)가 스토퍼(70)에 의해 이동이 저지될 수 있다(도 8 참조).More specifically, when the
즉, 스토퍼(70)의 형성 위치가 팽창 한계를 조절할 수 있다. 스토퍼는 유입관이나 배출관의 표면에서 돌출되게 마련될 수 있다. 예를 들어 스토퍼(70)는 유입관(3)이나 배출관(4)의 외측면을 둘러싼 고리 형상으로 형성되어 유입관(3)이나 배출관(4)의 외측면에 결합되어 고정될 수 있다.That is, the formation position of the
다음으로, 본 발명의 실시예 2에 따른 가압부(40')는, 배출관(4)의 길이방향에 수직한 제1 위치에서 배출관(4)을 폐쇄하거나, 배출관(4)의 길이방향에 평행한 제2 위치에서 배출관(4)을 개방하는 평판(43)을 포함할 수 있다.Next, the pressing part 40' according to the second embodiment of the present invention closes the
그리고 평판(43)은 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 회전할 수 있다. 예를 들어 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이 배출관(4)의 내부에 마련된 회전축(45)에 결합되어 제1 위치와 제2 위치의 사이에서 회전될 수 있다.And the
제1 관(10) 및 제2 관(20)은 평판(43)의 회전 정도에 따라 반경방향으로 팽창하거나 반대 방향으로 수축 가능하게 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 평판(43)이 제1 위치에 있을 경우, 배출관(4)의 내부의 단면적이 좁아 냉각수가 배출관(4)으로 유동하는 것이 방해될 수 있다. 따라서 배출관(4)으로 배출되지 못한 냉각수가 제1 관(10) 및 제2 관(20)을 가압할 것이고, 이에 따라 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창할 수 있다.The
그러나 평판(43)이 제2 위치에 있을 경우 배출관(4)의 내부의 단면적이 넓어질 것이고, 냉각수가 배출관(4)으로 유동하는 것이 크게 방해되지 않아 제1 관(10) 및 제2 관(20)을 가압하는 냉각수의 양이 적어질 것이다. 이에 따라 제1 관(10) 및 제2 관(20)은 반대방향으로 수축할 수 있다.However, when the
이와 같이 제1 위치와 제2 위치에서 회전 가능한 평판(43)을 포함함으로써, 냉각수의 유량을 조절하지 않더라도 제1 관(10) 및 제2 관(20)의 팽창 또는 수축을 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예 2에 따른 연료전지 시스템은 가압부(40')를 조절하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 제어부에 의한 가압부(40')의 제어를 통해 PCM 축열재(30)와 냉각수 사이의 열전달률을 조절하여, 연료전지 스택(1)으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절할 수 있다.As such, by including the rotatable
실시예Example 3 3
본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템은, 실시예 1에 따른 연료전지 시스템과, 제1 관(10) 및 제2 관(20)을 팽창 한계에 도달하게 하는 구성에 차이가 있다.The fuel cell system according to the third embodiment of the present invention is different from the fuel cell system according to the first embodiment in the configuration of allowing the
본 발명의 실시예 3에 따른 연료전지 시스템은, 펌프(5), 압력센서(미도시) 및 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system according to
펌프(5)는 열교환 파이프(2)로 냉각수를 압송할 수 있다. 압력 센서는 제1 관(10)의 내부를 유동하는 냉각수의 압력을 측정할 수 있다. The
제어부는 펌프(5)의 작동을 제어할 수 있다. 제어부는 펌프(5)를 제어하여 냉각수의 유량을 제어할 수 있다. 열전달률을 증가시키고자 할 때 냉각수의 유량을 증가시키고, 열전달률을 감소시키고자 할 때 냉각수의 유량을 감소시킬 수 있다.The control unit may control the operation of the
그리고 압력 센서에 의해 측정된 냉각수의 압력이 한계 압력 이하가 되도록 펌프(5)를 제어할 수 있다. 한계 압력이란, 제1 관(10)의 내부를 유동하는 냉각수의 압력이, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 한계에 도달할 때의 압력이 됐을 때의 압력을 말한다. 제어부가 펌프(5)의 압력이 한계 압력 이하가 되도록 펌프(5)를 제어함으로써, 제1 관(10) 및 제2 관(20)은 팽창 한계에 도달하지 않거나, 도달하더라도 팽창 한계에서 더 이상의 팽창이 저지되도록 제어될 수 있다.In addition, the
이때 한계 압력의 기준이 반드시 냉각수의 압력일 필요는 없고, 제1 관(10)의 내부의 압력 또는 제1 관과 제2 관(20) 사이의 중공(15)의 압력일 수도 있다.At this time, the reference of the limit pressure is not necessarily the pressure of the coolant, and may be the pressure inside the
또는 제어부는 펌프(5)의 작동 RPM이 한계 RPM 이하에서 작동되도록 펌프(5)를 제어하여, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 한계보다 더 팽창되는 것을 저지할 수 있다. 여기서 한계 RPM이란, 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 한계에 도달했을 때 펌프(5)의 작동 RPM을 말한다.Alternatively, the control unit may control the
제어부는 펌프(5)의 최대 RPM이 한계 RPM 이하에서 작동되도록 펌프(5)를 제어함으로써 제1 관(10) 및 제2 관(20)이 팽창 한계에 도달하지 않거나, 도달하더라도 팽창 한계에서 더 이상의 팽창이 저지되도록 제어할 수 있다. 펌프(5)의 최대 RPM이 한계 RPM 이하에서 작동하도록 제어하는 경우, 냉각수의 압력을 모니터링 할 필요가 없고 압력센서도 필요가 없어 제어가 훨씬 간편해질 수 있다.The control unit controls the
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
1: 연료전지 스택
2, 2': 열교환 파이프
3: 유입관
4: 배출관
5: 펌프
10: 제1 관
14: 보강부재
15: 중공
20: 제2 관
24: 보강부재
30: PCM 축열재
40, 40': 가압부
41: 오리피스
43: 평판
45: 회전축
50: 외부 케이스
55: 통공
60: 마감부재1: fuel cell stack
2, 2': heat exchange pipe
3: Inlet pipe
4: discharge pipe
5: Pump
10:
14: reinforcing member
15: hollow
20:
24: reinforcing member
30: PCM heat storage material
40, 40': pressing part
41: orifice
43: Reputation
45: axis of rotation
50: outer case
55: through hole
60: finishing member
Claims (22)
상기 제1 관의 외측에 마련되고, 상기 제1 관의 길이 방향을 따라 상기 제1 관과의 사이에 중공을 형성하는 제2 관; 및
상기 냉각수와 열교환하기 위해, 상기 중공에 충진된 PCM 축열재를 포함하고,
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성되고,
상기 제1 관 및 상기 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 변동됨에 따라 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열전달률이 변동되는, 열교환 파이프.a first pipe providing a flow path through which the coolant flows between an inlet pipe provided at the front end and an outlet pipe provided at the rear end based on a flow direction in which the coolant to be supplied to the fuel cell stack flows;
a second pipe provided on the outside of the first pipe and forming a hollow between the first pipe and the first pipe along the longitudinal direction of the first pipe; and
In order to exchange heat with the cooling water, it comprises a PCM heat storage material filled in the hollow,
The first tube and the second tube are formed to expand in a radial direction by a change in internal pressure or to be contractible in the opposite direction thereof,
A heat exchange pipe in which a heat transfer rate between the cooling water and the PCM heat storage material is changed as a heat exchange area between the cooling water and the PCM heat storage material is changed due to expansion or contraction of the first tube and the second tube.
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 상기 냉각수의 유량의 증가 또는 감소에 따른 내부의 압력 변화에 의해 상기 반경방향으로 팽창하거나 또는 상기 반대방향으로 수축 가능하게 형성되는, 열교환 파이프.The method according to claim 1,
The first pipe and the second pipe are formed to be expandable in the radial direction or contractible in the opposite direction by a change in internal pressure according to an increase or decrease in the flow rate of the cooling water.
상기 냉각수의 유량의 증가에 따라 상기 제1 관 및 상기 제2 관의 내부의 압력이 상승하여 상기 제1 관 및 상기 제2 관이 상기 반경방향으로 팽창하면, 상기 제1 관을 사이에 두고 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 증가하여 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열전달률이 증가하는, 열교환 파이프.3. The method according to claim 2,
When the pressure inside the first tube and the second tube increases as the flow rate of the coolant increases and the first tube and the second tube expand in the radial direction, the first tube and the second tube are interposed therebetween. A heat exchange pipe, wherein a heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material increases to increase a heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material.
상기 냉각수의 유량의 감소에 따라 상기 제1 관 및 상기 제2 관의 내부의 압력이 감소하여 상기 제1 관 및 상기 제2 관이 상기 반대방향으로 수축하면, 상기 제1 관을 사이에 두고 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 감소하여 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열전달률이 감소하는, 열교환 파이프.3. The method according to claim 2,
When the pressure inside the first tube and the second tube decreases according to the decrease in the flow rate of the cooling water, and the first tube and the second tube contract in the opposite directions, the first tube and the second tube are interposed therebetween. A heat exchange pipe, wherein a heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material is reduced, so that a heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material is reduced.
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 팽창 한계에 도달하는, 열교환 파이프.The method according to claim 1,
wherein the first tube and the second tube expand radially as the internal pressure increases, reaching an expansion limit at which further expansion is prevented.
상기 제2 관의 외측으로 소정 간격 이격되게 마련되어 상기 제2 관을 둘러싸고, 상기 제2 관의 팽창에 따른 가압에 의해 변형되지 않는 외부케이스를 더 포함하고,
상기 제1 관 및 상기 제2 관이 팽창하여 상기 제2 관이 상기 외부 케이스에 접촉하면 상기 외부 케이스가 상기 제2 관의 팽창을 저지하여 상기 팽창 한계에 도달하는, 열교환 파이프.6. The method of claim 5,
It is provided to be spaced apart from the outside of the second tube by a predetermined distance and surrounds the second tube, further comprising an outer case that is not deformed by the pressure according to the expansion of the second tube,
When the first tube and the second tube expand so that the second tube contacts the outer case, the outer case prevents the second tube from expanding to reach the expansion limit.
상기 외부 케이스에는 외부와 통하는 통공이 형성되고,
상기 외부 케이스와 상기 제2 관의 사이의 공기는, 상기 제1 관 및 상기 제2 관의 팽창에 따라, 상기 통공을 통해 외부로 이동하는, 열교환 파이프.7. The method of claim 6,
A through hole communicating with the outside is formed in the outer case,
The air between the outer case and the second tube, according to the expansion of the first tube and the second tube, moves to the outside through the through hole, a heat exchange pipe.
상기 PCM 축열재는, 복수 개의 마이크로 캡슐에 수용된 상태로 상기 중공에 충진되고,
상기 복수 개의 마이크로 캡슐은 상기 PCM 축열재가 고체 상태로 상변화되어도 상기 중공의 내부에서 유동성을 가지는, 열교환 파이프.The method according to claim 1,
The PCM heat storage material is filled in the hollow in a state accommodated in a plurality of microcapsules,
The plurality of microcapsules have fluidity inside the hollow even when the PCM heat storage material is phase-changed to a solid state, the heat exchange pipe.
상기 마이크로 캡슐 사이의 마찰에 따라 상기 마이크로 캡슐이 파손되는 것을 방지하기 위해, 상기 중공에 마련되어 상기 마이크로 캡슐 사이에 개재되는 윤활재를 더 포함하는, 열교환 파이프.9. The method of claim 8,
In order to prevent the microcapsules from being damaged by friction between the microcapsules, the heat exchange pipe further includes a lubricant provided in the hollow and interposed between the microcapsules.
상기 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수가 열교환되는 열교환 파이프;
상기 냉각수가 유동하는 유동방향을 기준으로 상기 열교환 파이프의 전단에 구비되어 상기 열교환 파이프로 상기 냉각수를 유입시키는 유입관; 및
상기 유동방향을 기준으로 상기 열교환 파이프의 후단에 구비되어 상기 열교환 파이프에서 상기 냉각수가 배출되는 배출관을 포함하고,
상기 열교환 파이프는, 상기 유입관과 상기 배출관 사이에서 상기 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제1 관, 상기 제1 관의 외측에 마련되고, 상기 제1 관과의 사이에 중공을 형성하는 제2 관 및 상기 냉각수와 열교환하기 위해, 상기 중공에 충진된 PCM 축열재를 포함하고,
상기 제1 관 또는 상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 내부의 압력 변화에 의해 반경방향으로 팽창하거나 또는 이의 반대방향으로 수축 가능하게 형성되는, 연료전지 시스템.a fuel cell stack including an anode and a cathode;
a heat exchange pipe through which the coolant supplied to the fuel cell stack exchanges heat;
an inlet pipe provided at a front end of the heat exchange pipe based on a flow direction in which the coolant flows and for introducing the coolant into the heat exchange pipe; and
and a discharge pipe provided at the rear end of the heat exchange pipe based on the flow direction to discharge the cooling water from the heat exchange pipe,
The heat exchange pipe may include a first pipe providing a flow path through which the cooling water flows between the inlet pipe and the outlet pipe, a second pipe provided outside the first pipe, and forming a hollow between the first pipe and the first pipe In order to exchange heat with the tube and the cooling water, it comprises a PCM heat storage material filled in the hollow,
The first tube or the first tube and the second tube are formed to be expandable in a radial direction by a change in internal pressure or contractible in the opposite direction thereof.
상기 제1 관 및 상기 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열교환 면적이 변동됨에 따라 상기 냉각수와 상기 PCM 축열재 사이의 열전달률이 변동되는, 연료전지 시스템.11. The method of claim 10,
The heat transfer rate between the coolant and the PCM heat storage material is changed as a heat exchange area between the coolant and the PCM heat storage material is changed due to expansion or contraction of the first tube and the second tube.
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 상기 냉각수의 유량의 증가 또는 감소에 따른 내부의 압력 변화에 의해 상기 반경방향으로 팽창하거나 또는 상기 반대방향으로 수축 가능하게 형성되는, 연료전지 시스템.12. The method of claim 11,
The first pipe and the second pipe are formed to be expandable in the radial direction or contractible in the opposite direction by a change in internal pressure according to an increase or decrease in the flow rate of the coolant.
상기 배출관의 내부에 상기 제1 관에 근접하게 마련되고, 상기 냉각수가 상기 배출관으로 유동하는 것을 방해하여, 상기 냉각수의 유량의 증가에 따라 상기 제1 관의 내부 압력을 증가시키는 가압부를 더 포함하는, 연료전지 시스템.13. The method of claim 12,
It is provided in the interior of the discharge pipe close to the first pipe, and prevents the cooling water from flowing into the discharge pipe, further comprising a pressurizing part that increases the internal pressure of the first pipe according to an increase in the flow rate of the cooling water , fuel cell systems.
상기 가압부는, 상기 배출관의 내부 단면적을 상기 유동방향을 따라 점차 감소시키는 형상으로 형성되는, 연료전지 시스템.14. The method of claim 13,
The pressurizing portion is formed in a shape to gradually decrease the internal cross-sectional area of the discharge pipe along the flow direction, the fuel cell system.
상기 냉각수의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 열전달률을 증가시키고자 할 때, 상기 냉각수의 유량을 증가시키고, 상기 열전달률을 감소시키고자 할 때, 상기 냉각수의 유량을 감소시키는, 연료전지 시스템.13. The method of claim 12,
Further comprising a control unit for controlling the flow rate of the cooling water,
The control unit increases the flow rate of the cooling water when increasing the heat transfer rate and decreases the flow rate of the coolant when decreasing the heat transfer rate.
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달하는, 연료전지 시스템.16. The method of claim 15,
The first tube and the second tube expand radially as the internal pressure increases, reaching an expansion limit at which further expansion is inhibited.
상기 열교환 파이프로 상기 냉각수를 압송하는 펌프와, 상기 제1 관의 내부를 유동하는 상기 냉각수의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 냉각수의 압력이 상기 팽창 한계에 도달했을 때의 압력인 한계 압력 이하가 되도록 상기 펌프를 제어하는, 연료전지 시스템.17. The method of claim 16,
a pump for pressurizing the cooling water to the heat exchange pipe; and a pressure sensor for measuring the pressure of the cooling water flowing in the first pipe;
wherein the control unit controls the pump so that the pressure of the coolant becomes equal to or less than a limit pressure, which is a pressure when the pressure of the coolant reaches the expansion limit.
상기 열교환 파이프로 상기 냉각수를 압송하는 펌프를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 펌프의 최대 RPM이, 상기 팽창 한계에 도달했을 때의 상기 펌프의 작동 RPM인 한계 RPM 이하에서 작동되도록 상기 펌프를 제어하는, 연료전지 시스템.17. The method of claim 16,
Further comprising a pump for pressurizing the cooling water to the heat exchange pipe,
The control unit controls the pump so that the maximum RPM of the pump operates below a limit RPM that is an operating RPM of the pump when the expansion limit is reached.
상기 배출관의 내부에 마련되고, 상기 냉각수가 상기 배출관으로 유동하는 것을 방해하여 상기 제1 관의 내부 압력을 증가시키는 가압부를 더 포함하고,
상기 가압부는, 상기 배출관의 길이방향에 수직한 제1 위치에서 상기 배출관을 폐쇄하거나, 상기 배출관의 길이방향에 평행한 제2 위치에서 상기 배출관을 개방하는 평판을 포함하며,
상기 평판은, 상기 제1 위치와 상기 제2 위치의 사이에서 회전하고,
상기 제1 관 및 상기 제2 관은, 상기 평판의 회전 정도에 따른 내부의 압력 변화에 의해 상기 반경방향으로 팽창하거나 또는 상기 반대방향으로 수축 가능하게 형성되는, 연료전지 시스템. 12. The method of claim 11,
It is provided inside the discharge pipe, further comprising a pressurizing part for increasing the internal pressure of the first pipe by preventing the cooling water from flowing to the discharge pipe,
The pressing unit includes a flat plate that closes the discharge pipe at a first position perpendicular to the longitudinal direction of the discharge pipe, or opens the discharge pipe at a second position parallel to the longitudinal direction of the discharge pipe,
The flat plate rotates between the first position and the second position,
The first tube and the second tube are formed to be expandable in the radial direction or contractible in the opposite direction by a change in internal pressure according to the degree of rotation of the flat plate.
상기 제1 관 및 상기 제2 관의 양측 말단에 각각 연결되는 한 쌍의 마감부재를 더 포함하고,
상기 유입관과 상기 배출관의 말단은 상기 제1 관의 내부로 삽입되고,
상기 마감부재는, 상기 유입관이나 상기 배출관이 밀폐되게 삽입되는 삽입구멍이 형성되어, 상기 제1 및 제2 관의 팽창 또는 수축에 의해 상기 유입관이나 상기 배출관의 외측 표면을 따라 슬라이딩 하고, 또한 상기 제1 관 및 상기 제2 관과의 연결을 통해 상기 중공을 외부로부터 밀폐하는, 연료전지 시스템. 12. The method of claim 11,
Further comprising a pair of closing members respectively connected to both ends of the first tube and the second tube,
Ends of the inlet pipe and the outlet pipe are inserted into the first pipe,
The closing member is formed with an insertion hole into which the inlet pipe or the outlet pipe is sealedly inserted, and slides along the outer surface of the inlet pipe or the outlet pipe by expansion or contraction of the first and second pipes, and A fuel cell system that seals the hollow from the outside through a connection with the first pipe and the second pipe.
상기 제1 관 및 상기 제2 관이, 내부의 압력이 증가함에 따라 반경방향으로 팽창하다, 더 이상의 팽창이 저지되는 것이 요구되는 팽창 한계에 도달하면, 상기 마감부재가 상기 제1 관의 중심 측으로 더 이상 이동하는 것을 저지하기 위해, 상기 유입관이나 상기 배출관의 표면에서 돌출되게 마련되는 스토퍼를 더 포함하는, 연료전지 시스템.21. The method of claim 20,
The first tube and the second tube expand radially as the internal pressure increases. When the expansion limit at which further expansion is inhibited is reached, the closing member moves toward the center of the first tube. In order to prevent further movement, the fuel cell system further comprises a stopper provided to protrude from the surface of the inlet pipe or the discharge pipe.
상기 제1 관 및 제2 관의 강성을 향상시키기 위해, 상기 제1 관 및 제2 관의 외측 표면을 둘러싸는 보강부재를 더 포함하는, 연료전지 시스템.
22. The method of claim 21,
In order to improve the rigidity of the first tube and the second tube, the fuel cell system further comprising a reinforcing member surrounding outer surfaces of the first tube and the second tube.
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