KR20110095560A - 공냉식 연료 전지 - Google Patents

Abstract

공냉식 연료 전지에 관한 것으로, 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 공냉 챔버를 형성하여 스택의 외부 열전달 계수를 증가시킴으로써, 스택에 대한 냉각 성능을 향상시키고, 냉각 성능 향상을 위해 부가적인 장치나 복잡한 유로를 추가하지 않고 단순한 구조를 갖도록 하여 제작을 용이하게 할 수 있고, 공냉 챔버를 통과하는 공기 유량을 조절할 수 있도록 케이싱의 유출구에 유량 조절 유닛을 장착함으로써, 사용 조건에 따라 스택의 냉각 성능을 다양하게 조절할 수 있으며 연료 전지의 작동 상태에 따라 최적 상태의 냉각 성능을 유지할 수 있는 공냉식 연료 전지를 제공한다.

Description

공냉식 연료 전지{Air Cooling Type Fuel Cell}

본 발명은 공냉식 연료 전지에 관한 것이다. 보다 상세하게는 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 공냉 챔버를 형성하여 스택의 외부 열전달 계수를 증가시킴으로써, 스택에 대한 냉각 성능을 향상시키고, 냉각 성능 향상을 위해 부가적인 장치나 복잡한 유로를 추가하지 않고 단순한 구조를 갖도록 하여 제작을 용이하게 할 수 있고, 공냉 챔버를 통과하는 공기 유량을 조절할 수 있도록 케이싱의 유출구에 유량 조절 유닛을 장착함으로써, 사용 조건에 따라 스택의 냉각 성능을 다양하게 조절할 수 있으며 연료 전지의 작동 상태에 따라 최적 상태의 냉각 성능을 유지할 수 있는 공냉식 연료 전지에 관한 것이다.

신재생 에너지원의 하나인 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기에너지로 바로 전환하므로 효율이 매우 높아 에너지 절감 효과가 크며 공해 물질을 거의 배출하지 않아 친환경적이므로 환경오염 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 차세대 대체에너지 기술로 인정되고 있다. 이러한 연료전지는 그 응용분야가 다양하여 자동차, 선박, 항공 등의 수송 부문과 발전소 등의 발전, 노트북과 같은 휴대용 기기의 전원공급장치 등으로 사용될 수 있다. 특히 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)는 저온형, 빠른 응답성 등으로 휴대용, 가정용, 수송용에 걸쳐서 넓은 범위에서 적용이 가능하다.

이러한 연료 전지는 수소와 공기 중 산소를 이용하여 전기를 발생시키며 공기의 공급방식에 따라 일반적인 압축공기형 연료 전지 시스템과 공기호흡형 연료 전지 시스템으로 구분된다. 압축공기형 연료 전지는 단위체적당 높은 전력밀도를 나타내고 있으나 압축기나 가습기 등의 부가적인 장치를 필요로 한다. 반면, 공기호흡형 연료 전지는 공기의 공급을 자연대류나 송풍팬을 이용한 강제대류에 의존하므로 상대적으로 낮은 전력밀도를 나타내지만, 대신에 시스템에서 압축기와 가습기를 제거할 수 있기 때문에 시스템의 소형화 및 경량화에 있어서 매우 효과적이며, 압축기에 소요되는 동력을 절약할 수 있어서 시스템의 효율적인 구성이 가능하다. 따라서, 최근에는 공기 호흡형 연료 전지에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 연료 전지는 기본적으로 전해질막과 전해질막의 양면에 코팅된 연료극층(anode layer) 및 공기극층(cathode layer)으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)와, 이들 전극에 연료(수소) 및 공기를 공급해주는 분리판으로 구성되며, 막-전극 접합체와 분리판 사이에는 연료 및 공기의 원활한 전달을 위해 가스 확산층(Gas Diffusion Layer)과 가스켓이 구비된다. 막-전극 접합체의 연료극에서는 수소가 수소이온으로 전환되고, 연료극에서 생성된 수소이온은 전해질 막을 통하여 공기극 쪽으로 이동되어 공기극에 공급되는 공기 중 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이 과정에서 연료극에서 생성된 전자가 외부회로를 통하여 공기극으로 전달되어 소모됨으로써 전력이 발생된다.

실질적으로 시스템에 적용되는 연료 전지는 이러한 막-전극 접합체와 분리판이 서로 교대로 다수개 적층되어 스택을 이루는 방식으로 구성되며, 분리판의 양면에는 막-전극 접합체의 전극에 수소 및 공기가 균일하게 공급될 수 있도록 수소 유로 및 공기 유로가 형성된다.

연료 전지에서 발생하는 전기 화학적 반응은 상당한 양의 열을 발생시키며, 발생된 전류 역시 내부 저항 등에 의해 열을 발생시킨다. 이러한 열 발생은 막-전극 접합체와 분리판이 적층되는 스택에서 더욱 심화된다. 따라서, 일반적인 연료 전지는 스택을 냉각시킬 수 있도록 냉각 시스템을 구비하고 있으며, 냉각수를 이용한 수냉식과 공기를 이용한 공냉식으로 나눌 수 있는데, 소형화 및 경량화를 위해서는 냉각수 순환 장치가 불필요한 공냉식 연료 전지가 더 유리하다 할 것이다.

일반적인 공냉식 연료 전지는 공기극에 공기를 공급하기 위한 송풍팬을 이용하여 스택에 공기 흐름을 유도함으로써, 공기가 스택에서 발생된 열을 흡수 배출하여 스택을 냉각시키는 방식으로 구성된다. 그러나 공기는 물보다 열용량이 작기 때문에, 이러한 공기 흐름을 이용한 냉각 방식은 냉각수를 이용한 냉각 방식에 비해 그 냉각 성능이 현저히 낮아 공냉식 연료 전지의 적용 범위가 크게 제한된다는 문제가 있었다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 공냉 챔버를 형성하여 스택의 외부 열전달 계수를 증가시킴으로써, 스택에 대한 냉각 성능을 향상시키고, 냉각 성능 향상을 위해 부가적인 장치나 복잡한 유로를 추가하지 않고 단순한 구조를 갖도록 하여 제작을 용이하게 할 수 있는 공냉식 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 형성된 공냉 챔버를 통과하는 공기 유량을 조절할 수 있도록 케이싱의 유출구에 유량 조절 유닛을 장착함으로써, 사용 조건에 따라 스택의 냉각 성능을 다양하게 조절할 수 있으며 연료 전지의 작동 상태에 따라 최적 상태의 냉각 성능을 유지할 수 있는 공냉식 연료 전지를 제공하는 것이다.

본 발명은, 전해질막의 양면에 연료극층과 공기극층이 형성되는 다수개의 막-전극 접합체와, 상기 연료극층과 공기극층에 연료 및 공기가 각각 공급될 수 있도록 상기 막-전극 접합체와 교번하여 적층되는 다수개의 분리판을 포함하는 스택; 상기 스택의 외측면을 감싸는 케이싱; 및 상기 케이싱의 일측에 장착되어 상기 케이싱 내부로 외부 공기를 유입 송풍시키는 송풍팬을 포함하고, 상기 케이싱의 내측면과 상기 스택의 외측면이 이격되게 배치되어 상기 케이싱의 내측면과 상기 스택의 외측면 사이에 공냉 챔버가 형성되고, 상기 송풍팬에 의한 외부 공기의 흐름이 상기 공냉 챔버로 유도되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지를 제공한다.

이때, 상기 공냉 챔버에는 상기 스택의 외측면과 접촉하는 방열핀 모듈이 장착될 수 있다.

또한, 상기 방열핀 모듈은 일측면이 상기 스택의 외측면에 접촉 결합하는 방열 플레이트; 및 상기 방열 플레이트의 타측면에 형성된 요철 주름을 포함하고, 상기 요철 주름은 상기 공냉 챔버 내에서 공기의 흐름 방향을 따라 길게 형성될 수 있다.

또한, 상기 케이싱에는 상기 송풍팬에 의해 유입된 공기가 상기 공냉 챔버를 통과하여 유출되도록 유입구 및 유출구가 서로 대향하는 면에 형성되며, 상기 유출구에는 상기 공냉 챔버를 통과하는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 별도의 유량 조절 유닛이 장착될 수 있다.

또한, 상기 유량 조절 유닛은 다공성 재질로 형성되어 상기 유출구에 탈착 가능하게 결합되는 다공성 플레이트를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 유량 조절 유닛은 회전 각도에 따라 상기 유출구의 개폐량이 조절되도록 상기 유출구에 회전 가능하게 결합되는 댐퍼 플레이트; 및 상기 댐퍼 플레이트를 회전 구동하는 액츄에이터를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 스택의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 더 포함하고, 상기 액츄에이터는 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 스택의 온도에 따라 자동으로 작동하도록 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 공냉 챔버를 형성하여 스택의 외부 열전달 계수를 증가시킴으로써, 스택에 대한 냉각 성능을 향상시키고, 냉각 성능 향상을 위해 부가적인 장치나 복잡한 유로를 추가하지 않고 단순한 구조를 갖도록 하여 제작을 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 스택의 외측면과 케이싱의 내측면 사이에 형성된 공냉 챔버를 통과하는 공기 유량을 조절할 수 있도록 케이싱의 유출구에 유량 조절 유닛을 장착함으로써, 사용 조건에 따라 스택의 냉각 성능을 다양하게 조절할 수 있으며 연료 전지의 작동 상태에 따라 최적 상태의 냉각 성능을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 스택에 대한 구성을 개략적으로 도시한 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 분리판에 대한 형상을 개략적으로 도시한 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 분리판에 대한 양측면 유로의 형상을 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 공냉 챔버에 대한 구성을 개념적으로 도시한 단면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지에 대해 외부 열전달 계수와 스택 내부의 온도 변화의 관계를 도시한 도면,
도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 공냉 챔버에 대한 구성을 개념적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 구성을 개략적으로 도시한 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 스택에 대한 구성을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 분리판에 대한 형상을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 분리판에 대한 양측면 유로의 형상을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 공냉 챔버에 대한 구성을 개념적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지에 대해 외부 열전달 계수와 스택 내부의 온도 변화의 관계를 도시한 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 스택(100)의 냉각을 위해 냉각수 대신 공기를 이용하는 방식으로, 다수개의 막-전극 접합체(110)와 분리판(120)이 교번하여 적층되는 스택(100)과, 스택(100)의 외측면을 감싸는 케이싱(200)과, 케이싱(200)의 일측에 장착되는 송풍팬(400)을 포함하여 구성된다.

스택(100)은 종래 기술에서 설명한 바와 같이 다수개의 막-전극 접합체(110)와 분리판(120)이 교번하여 적층되는 방식으로 구성되며, 적층되는 방향을 따라 양측 최외곽에는 엔드 플레이트(130)가 장착된다. 이와 같이 적층되는 방식으로 형성된 스택(100)은 별도의 결합구(미도시) 등을 통해 적층 상태로 고정 결합되는데, 이러한 고정 결합을 위해 각 분리판(120) 및 엔드 플레이트(130)에는 결합홀(131)이 형성된다.

막-전극 접합체(110)는 전해질막(111)과 전해질막(111)의 양면에 코팅된 연료극층(112) 및 공기극층(113)으로 구성되며, 분리판(120)은 이러한 연료극층(112) 및 공기극층(113)에 연료(수소) 및 공기가 공급될 수 있도록 양측면에 각각 수소 유로(123)와 공기 유로(124)가 형성된다. 이때, 막-전극 접합체(110)와 분리판(120) 사이에는 연료 및 공기의 원활한 전달을 위해 가스 확산층(미도시)과 가스켓(미도시)이 구비된다. 이와 같이 구성된 막-전극 접합체(110)의 연료극에서는 분리판(120)을 통해 공급된 수소가 수소이온으로 전환되고, 이와 같이 생성된 수소 이온은 전해질막(111)을 통해 공기극으로 이동되어 공기극에 공급되는 공기 중 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이 과정에서 연료극에서 생성된 전자가 외부회로를 통하여 공기극으로 전달되어 소모됨으로써 전력이 발생된다. 이러한 방식으로 막-전극 접합체(110)와 분리판(120)이 하나의 단위 셀을 이루며 전력을 생산하고, 막-전극 접합체(110)와 분리판(120)이 계속 적층됨으로써 다수개의 단위 셀이 직렬 연결되어 하나의 스택(100)을 이루며 유용 가능한 전력을 생산한다.

이때, 분리판(120)의 구성을 좀 더 자세히 살펴보면, 분리판(120)의 양측면에는 각각 수소 유로(123)와 공기 유로(124)가 형성되는데, 수소 유로(123)는 수소의 유동 경로가 길어지도록 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 지그재그 형태로 형성되며 수소 유로(123)의 양 끝단부에는 각각 수소 유입구(121) 및 수소 유출구(122)가 분리판(120)을 관통하도록 형성된다. 한편, 공기 유로(124)는 공기가 원활하게 유입될 수 있도록 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 송풍팬(400)에 의한 공기 흐름 방향을 따라 분리판(120)의 일면을 가로지르는 형태로 형성된다.

따라서, 송풍팬(400)이 작동하여 도 1에 도시된 방향을 기준으로 상하 방향으로 공기 흐름이 발생할 때, 분리판(120)의 공기 유로(124) 또한 상하 방향으로 형성되기 때문에 공기 유로(124) 측으로 공기의 공급이 원활하게 이루어진다. 또한, 다수개가 적층된 분리판(120) 및 막-전극 접합체(110)는 각각 사이 공간이 밀봉되도록 적층되며, 이에 따라 각각의 분리판(120)에 형성된 수소 유입구(121) 및 수소 유출구(122)는 각각 외부 공간과 독립적으로 서로 연통되어 스택(100)의 전구간에서 각각 하나의 유입 라인(미도시) 및 유출 라인(미도시)을 형성하게 된다. 즉, 각 분리판(120)에 형성된 수소 유입구(121)는 외부 공간과 밀봉된 상태로 서로 연통되어 적층 방향을 따라 스택(100) 내부에서 하나의 유입 라인을 이루게 되고, 마찬가지 방식으로 수소 유출구(122) 또한 외부 공간과 밀봉된 상태로 서로 연통되어 적층 방향을 따라 스택(100) 내부에서 하나의 유출 라인을 이루게 된다. 따라서, 각 분리판(120)에 형성된 수소 유로(123)는 이러한 유입 라인 및 유출 라인으로부터 각각 분기된 형태로 구성되며, 이를 통해 모든 분리판(120)의 수소 유로(123)에 대한 수소의 공급이 원활하게 이루어질 수 있다.

케이싱(200)은 스택(100)의 외측면을 감싸는 형태로 형성되고, 송풍팬(400)은 케이싱(200)의 일측에 장착되어 케이싱(200) 내부로 외부 공기를 유입 송풍시킨다. 이때, 송풍팬(400)에 의해 형성되는 공기 흐름은 전술한 바와 같이 분리판(120)의 공기 유로(124)와 동일한 방향으로 형성되도록 구성된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 이러한 송풍팬(400)에 의한 공기 유입을 통해 스택(100)의 외측면을 냉각시키도록 구성된다. 즉, 송풍팬(400)에 의해 케이싱(200) 내부로 유입된 공기는 분리판(120)의 공기 유로(124)에 공급되어 전력 생산을 위한 기능을 수행함과 동시에 스택(100)의 외측면을 냉각시키는 기능을 수행한다.

이러한 스택(100)의 외측면 냉각을 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 케이싱(200)의 내측면과 스택(100)의 외측면이 이격되게 배치되어 케이싱(200)의 내측면과 스택(100)의 외측면 사이에 공냉 챔버가 형성되고, 송풍팬(400)에 의한 외부 공기의 흐름이 공냉 챔버(C)로 유도되도록 구성된다.

좀 더 자세히 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이 케이싱(200)의 상측에 송풍팬(400)이 장착되고, 송풍팬(400)이 장착된 부위에는 송풍팬(400)에 의해 외부 공기가 케이싱(200) 내부로 유입되도록 유입구(210)가 형성된다. 이때, 케이싱(200)의 내측면은 스택(100)의 외측면과 일정 간격 이격되게 형성되며, 이에 따라 송풍팬(400)에 의해 케이싱(200) 내부로 유입된 외부 공기 중 일부는 하향 공기 흐름을 나타내며 분리판(120)의 공기 유로(124) 측으로 유입되고, 다른 일부는 스택(100)의 상부면 및 양측면을 따라, 즉 스택(100)의 외측면 및 케이싱(200)의 내측면 사이 공간인 공냉 챔버(C)로 흘러가게 된다. 한편, 유입구(210)과 대향되는 케이싱(200)의 하부면에는 이와 같이 유동하는 공기가 케이싱(200) 외부로 배출될 수 있도록 유출구(220)가 형성될 수 있는데, 이러한 유출구(220)의 형성 위치는 케이싱(200)의 하부 이외에도 다양한 위치에 형성될 수 있으며, 이는 필요한 냉각 성능에 따라 다양하게 변경 가능하다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 스택(100)의 외측면이 공기에 의해 냉각되도록 형성되어 스택(100) 내부의 온도 증가를 완화시킬 수 있고, 특히 별도의 부가적인 장치 없이 구조가 단순하다는 점에서 제작이 용이한 구조이다. 즉, 종래 기술에 의한 일반적인 공냉식 연료 전지는 스택(100)의 내부 온도를 낮추기 위해 일반적으로 스택(100)의 내부에 공기 유로를 추가 형성하거나 별도의 장치를 부가하는 등의 방식으로 냉각 성능 향상 방안이 연구되고 있으나, 이러한 방안은 제작 및 설계가 용이하지 못하고 냉각 성능 또한 크게 향상되지 못하였다. 본 발명에 따른 공냉식 연료 전지는 위와 같은 단순한 구조를 통해 효율적으로 냉각 성능을 향상시킴과 동시에 제작이 용이하다는 점에서 매우 유리하다 할 것이다.

도 6은 스택(100)의 외부 열전달 계수 변화에 따른 스택(100) 내부의 온도 변화 상태를 도시한 것으로, 가로축은 스택(100)을 이루는 다수개의 막-전극 접합체(110)이고 세로축은 각각의 막-전극 접합체(110)에서 측정된 온도를 나타낸다. 이러한 그래프에서 알 수 있듯이, 스택(100)에 대한 외부 열전달 계수(h)가 25,50,75로 변화함에 따라 스택(100) 내부의 온도가 현저히 변화되고 있으므로, 스택(100)의 외측면에 형성되는 공냉 챔버(C)의 크기 및 형상 등을 조절하여 스택(100)에 대한 다양한 냉각 성능을 구현할 수 있을 것이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 공냉 챔버(C)에 별도의 방열핀 모듈(300)을 장착할 수 있는데, 방열핀 모듈(300)은 열을 방출하기 쉬운 형태로 일단이 스택(100)의 외측면에 접촉하고 타단이 공냉 챔버(C)에 배치되는 방식으로 구성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이 일측면이 스택(100)의 외측면에 접촉 결합하는 방열 플레이트(310)와, 방열 플레이트(310)의 타측면에 형성된 요철 주름(320)을 포함하여 구성될 수 있다. 요철 주름(320)은 공기와 방열핀 모듈(300)과의 접촉 면적을 증가시켜 방열 성능을 향상시키는 것으로, 다양한 형태로 형성될 수 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이 공냉 챔버(C) 내에서 공기의 흐름 방향을 따라 길게 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 공냉 챔버(C) 내에서의 공기 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다.

이러한 방열핀 모듈(300)은 방열 효과가 증가할 수 있도록 스택(100)의 외측면을 최대로 감싸도록 크게 형성되는 것이 유리하지만, 그 크기가 너무 증가하는 경우 공기의 흐름을 방해할 수 있으므로, 사용 조건에 따라 적정하게 유지하는 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지의 공냉 챔버에 대한 구성을 개념적으로 도시한 단면도이다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 공냉식 연료 전지는 케이싱(200)의 유출구(220)에 공냉 챔버(C)를 통과하는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 별도의 유량 조절 유닛(500)이 장착된다. 이러한 유량 조절 유닛(500)은 연료 전지의 사용 조건에 따라 사용자가 조작할 수 있도록 구성되어 공기의 유량을 조절할 수 있도록 구성되는데, 개폐 밸브 또는 탈착 가능한 다공성 물질 등 다양한 형태로 구성될 수 있다. 따라서, 유량 조절 유닛(500)을 통해 공냉 챔버(C)를 통과하는 공기 유량을 조절하여 공기와 스택(100) 외측면과의 접촉 시간을 변화시킴으로써, 냉각 성능을 조절할 수 있다.

유량 조절 유닛(500)은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 다공성 재질로 형성되어 케이싱(200)의 유출구(220)에 탈착 가능하게 결합되는 다공성 플레이트(510)를 포함하여 구성될 수 있다. 즉, 다공성 플레이트(510)는 별도의 고정 프레임(520)을 통해 고정되도록 구성되며, 케이싱(200)의 유출구(220)에는 이러한 다공성 플레이트(510) 및 고정 프레임(520)이 삽입 결합될 수 있도록 고정홈이 형성되는 방식으로 구성된다. 이때, 고정홈과 고정 프레임(520)은 억지 끼워 맞춤 방식으로 결합될 수도 있고, 고정홈이 일측 방향으로 길게 형성되어 고정 프레임(520)이 고정홈에 슬라이드 방식으로 삽입 결합될 수도 있으며, 별도의 결합 볼트를 통해 결합될 수도 있는 등 탈부착이 가능한 형태로 다양하게 구성될 수 있다.

이러한 다공성 플레이트(510)는 탄소 섬유 페이퍼(carbon fiber paper)로 제작될 수 있으며, 다공성 물질의 특성에 따라 유출구(220)를 통과하는 공기의 유량이 조절될 수 있다. 또한, 다공성 플레이트(510)가 케이싱(200)의 유출구(220)에 탈부착 가능하게 결합됨에 따라 연료 전지의 사용 조건에 따라 다양한 종류의 다공성 플레이트(510)를 유출구(220)에 부착할 수 있으므로, 스택(100)에 대한 냉각 성능을 용이하게 조절할 수 있다.

한편, 유량 조절 유닛(500)은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따라 도 8에 도시된 바와 같이 회전 각도에 따라 유출구(220)의 개폐량이 조절되도록 유출구(220)에 회전 가능하게 결합되는 댐퍼 플레이트(530)와, 댐퍼 플레이트(530)를 회전 구동하는 액츄에이터(540)를 포함하여 구성될 수 있다.

댐퍼 플레이트(530)는 유출구(220)를 폐쇄할 수 있는 평판형으로 그 중심부에는 별도의 회전축(531)이 형성되며, 이러한 회전축(531)이 케이싱(200)의 유출구(220) 부위에 회전 가능하게 장착되어 댐퍼 플레이트(530)가 회전축(531)을 중심으로 회전하며 유출구(220)를 개폐하도록 구성된다. 이러한 회전축(531)의 외주면에는 댐퍼 플레이트(530)가 단속적으로 회전하도록 별도의 디텐트부(미도시)가 형성되어 사용자에 의해 댐퍼 플레이트(530)의 회전 각도를 조절하도록 구성될 수도 있으나, 도 8에 도시된 바와 같이 별도의 액츄에이터(540)를 통해 자동으로 댐퍼 플레이트(530)가 회전 구동하도록 구성될 수도 있다.

이러한 댐퍼 플레이트(530)의 개폐 동작은 스택(100) 내부의 온도에 따라 자동으로 수행되도록 구성될 수도 있는데, 이를 위해 스택(100)의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서(550)가 스택(100) 내부에 삽입 장착되고, 온도 센서(550)에 의해 측정된 스택(100)의 온도에 따라 액츄에이터(540)가 자동으로 작동하여 댐퍼 플레이트(530)의 회전 각도를 조절하도록 구성된다. 이러한 액츄에이터(540)의 자동 동작은 온도 센서(550)의 측정값을 인가받는 별도의 콘트롤러(미도시)를 통해 수행되도록 구성될 수 있다.

이와 같이 스택(100) 내부의 온도에 따라 댐퍼 플레이트(530)가 자동으로 회전 조절되며 유출구(220)의 개폐량이 조절되면, 연료 전지의 작동 초기에는 유출구(220)의 개폐량이 감소하도록 하고, 연료 전지의 작동이 진행되어 스택(100) 내부의 온도가 상승함에 따라 유출구(220)의 개폐량이 증가하도록 자동으로 조절될 수 있으며, 이를 통해 연료 전지의 작동 상태에 따라 최적의 냉각 성능을 유지할 수 있을 것이다.

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.

100: 스택 110: 막-전극 접합체
120: 분리판 123: 수소 유로
124: 공기 유로 200: 케이싱
210: 유입구 220: 유출구
300: 방열핀 모듈 400: 송풍팬
500: 유량 조절 유닛 510: 다공성 플레이트
530: 댐퍼 플레이트 540: 액츄에이터
C: 공냉 챔버

Claims (7)

1. 전해질막의 양면에 연료극층과 공기극층이 형성되는 다수개의 막-전극 접합체와, 상기 연료극층과 공기극층에 연료 및 공기가 각각 공급될 수 있도록 상기 막-전극 접합체와 교번하여 적층되는 다수개의 분리판을 포함하는 스택;
   상기 스택의 외측면을 감싸는 케이싱; 및
   상기 케이싱의 일측에 장착되어 상기 케이싱 내부로 외부 공기를 유입 송풍시키는 송풍팬
   을 포함하고, 상기 케이싱의 내측면과 상기 스택의 외측면이 이격되게 배치되어 상기 케이싱의 내측면과 상기 스택의 외측면 사이에 공냉 챔버가 형성되고, 상기 송풍팬에 의한 외부 공기의 흐름이 상기 공냉 챔버로 유도되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공냉 챔버에는 상기 스택의 외측면과 접촉하는 방열핀 모듈이 장착되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 방열핀 모듈은
   일측면이 상기 스택의 외측면에 접촉 결합하는 방열 플레이트; 및
   상기 방열 플레이트의 타측면에 형성된 요철 주름
   을 포함하고, 상기 요철 주름은 상기 공냉 챔버 내에서 공기의 흐름 방향을 따라 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 케이싱에는 상기 송풍팬에 의해 유입된 공기가 상기 공냉 챔버를 통과하여 유출되도록 유입구 및 유출구가 서로 대향하는 면에 형성되며, 상기 유출구에는 상기 공냉 챔버를 통과하는 공기의 유량을 조절할 수 있도록 별도의 유량 조절 유닛이 장착되는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 유량 조절 유닛은 다공성 재질로 형성되어 상기 유출구에 탈착 가능하게 결합되는 다공성 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 유량 조절 유닛은
   회전 각도에 따라 상기 유출구의 개폐량이 조절되도록 상기 유출구에 회전 가능하게 결합되는 댐퍼 플레이트; 및
   상기 댐퍼 플레이트를 회전 구동하는 액츄에이터
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스택의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 더 포함하고,
   상기 액츄에이터는 상기 온도 센서에 의해 측정된 상기 스택의 온도에 따라 자동으로 작동하는 것을 특징으로 하는 공냉식 연료 전지.
   

Images