KR20160067653A - 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기 - Google Patents

연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기 Download PDF

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Abstract

연료전지용 가습기가 개시된다. 개시된 연료전지용 가습기는 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러를 포함하며, 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고, 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.

Description

연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기 {AIR COOLER FOR FUEL CELL SYSTEM AND HUMIDIFICATION DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명의 실시예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 압축기를 통해 가습기로 공급되는 고온 건조한 공기를 쿨링하는 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킨다.
연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다. 여기서 공기 공급장치는 공기를 압축한 압축 공기를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 압축기를 구비할 수 있다.
한편, 고분자 연료전지의 경우 막-전극 어셈블리(MEA)의 이온 교환막이 원활한 역할을 하기 위해서는 적당한 수분이 필요하며, 이를 위해 연료전지 시스템의 공기 공급장치는 공기 압축기를 통해 연료전지로 공급되는 공기를 가습하기 위한 가습기를 구비하고 있다.
예를 들면, 가습기는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 공기(습윤공기) 중의 수분을 이용하여 공기 압축기를 통해 공급되는 건조한 공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급한다.
가습기로는 버블러(bubbler) 타입, 인젝션(injection) 타입, 플레이트 타입, 흡착제 타입 그리고 막 가습 타입 등 여러 가지 방식의 것이 있지만, 연료전지 차량의 경우에서는 패키지 면에서 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막 가습 방식을 적용하고 있다. 이러한 막 가습 방식의 가습기는 패키지 측면에서 뿐만 아니라, 특별한 동력을 필요로 하지 않는 이점을 가지고 있다.
막 가습 방식의 가습기(이하에서는 편의상 "막 가습기" 라고 한다)는 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 고온 다습한 배출가스와, 공기 압축기를 통해 공급되는 건조 공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식을 통해 막 가습이 이루어진다.
여기서, 상기와 같이 가습기에서 막 가습이 이루어진 가습 공기는 연료전지의 공기극으로 공급되고, 수분이 제거된 배출가스는 대기 중으로 방출된다.
예를 들면, 막 가습기는 원통 형상의 하우징 내부에 중공사막이 밀집되어 있는 막 모듈과, 그 막 모듈의 양측에 형성되는 쉘(shell) 타입의 매니폴드를 구비하고 있다.
한편, 연료전지 스택의 고출력 운전에서 공기 압축기를 통해 압축된 공기는 높은 압축비와 많은 공기량으로 인해 100~150℃ 정도의 온도로 상승하게 된다.
그러나, 압축 공기의 온도는 연료전지 스택의 정상적인 운전 온도인 60~80℃ 보다 높기 때문에, 가습기의 가습 효율 및 스택의 운전 효율에 불리한 조건으로 작용한다. 따라서 연료전지 시스템은 공기 압축기에 의해서 가습기로 공급되는 고온의 압축 공기를 냉각시킬 필요가 있다.
이를 위해 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서 에어쿨러(당 업계에서는 통상 "인터쿨러" 라고도 함)를 가습기에 설치하고 있다.
에어쿨러는 가습기의 공기 유입부 측에 설치되어 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급 공기" 라고 한다)를 쿨링하며, 온도가 저감된 공급 공기를 가습기로 공급할 수 있다.
이러한 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 지닌 냉각 플레이트들을 구비하며, 냉각 플레이트들 사이에 공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 그 공기 유로에 냉각 핀을 설치하고 있다.
그런데, 종래 기술에서는 냉각 플레이트들이 등 간격으로 배치되고, 이들 냉각 플레이트 사이의 공기 유로에 냉각 핀이 설치되어 있는 에어쿨러를 구비하고 있기 때문에, 공기 압축기로부터 공급되는 공급 공기가 에어쿨러의 중앙 부위로 집중되게 유입되며 냉각된 상태로 가습기에 공급될 수 있다.
이로 인해 종래 기술에서는 가습기의 중앙 부위로만 에어쿨러를 통해 냉각된 공급 공기가 공급됨에 따라, 가습기 내부의 중공사막을 효율적으로 사용하지 못하는 결과를 초래하게 된다.
따라서, 종래 기술에서는 가습기를 통해 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 충분히 가습하지 못하게 되어 연료전지 스택의 성능 및 내구에 악 영향을 끼칠 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기를 전체 쿨링 영역으로 분배하여 가습기 내부의 중공사막으로 공급되는 냉각 공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있도록 한 연료전지 시스템용 에어쿨러를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기를 전체 쿨링 영역으로 분배할 수 있는 에어쿨러를 채용하여 가습성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 연료전지용 가습기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 가습기는, 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 것으로서, ⅰ)여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈과, ⅱ)상기 하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러를 포함하며, 상기 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 상기 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 하우징의 일측에 형성되며 상기 막 모듈로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드와, 상기 하우징의 다른 일측에 형성되며 상기 막 모듈에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기에 있어서, 상기 에어쿨러는 상기 제1 매니폴드의 내부에 설치되며, 상기 공급공기의 배출부 측이 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 연결될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러는, 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하며 그 냉각된 공급공기를 가습기로 공급하도록 그 가습기의 공급공기 유입부 측에 설치되는 것으로서, ⅰ)냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하고 있는 다수 개의 냉각 플레이트들과, ⅱ)상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며, 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 공급공기의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 방열 핀을 포함하며, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 루버 핀 타입으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러에 있어서, 상기 방열 핀은 상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예는 공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 에어쿨러의 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기의 막 모듈로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러를 통해 공급공기의 고른 유동 분배를 도모함과 동시에 공급공기의 냉각 성능을 극대화시키면서 가습기의 막 모듈에 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있으므로, 막 모듈의 중공사막을 효율적으로 사용함으로써 가습기의 가습 성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템의 일 예를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예가 적용되는 연료전지 시스템(100)은 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 것으로, 예를 들면 연료전지 차량에 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 상기 연료전지 시스템(100)은 기본적으로, 연료전지 스택(10), 공기 압축기(30), 가습기(200) 그리고 수소탱크(50)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.
상기 연료전지 스택(10)은 막-전극 어셈블리(MEA)(12)를 사이에 두고 이의 양측에 세퍼레이터(당 업계에서는 통상적으로 "분리판" 또는 바이폴라 플레이트" 라고도 한다)를 포함한 공기극(13)과 연료극(15)이 배치된 단위 연료전지들(11)의 전기 발생 집합체로 이루어진다.
상기에서 연료전지들(11)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 습윤공기(이하에서는 편의 상 "배출공기" 라고 한다)를 배출하며, 연료전지들(11)의 연료극(15)에서는 미반응 수소로서의 고온 다습한 습윤수소를 배출한다.
상기 공기 압축기(30)는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공기를 공급하기 위한 것으로서, 대기 중의 공기를 흡입하고 압축하여 뒤에서 더욱 설명될 가습기(200)로 공급한다.
여기서, 상기 공기 압축기(30)는 스택(10)의 고출력 운전에서 높은 압축비로 공기를 압축하기 때문에 그 압축공기의 온도가 증가하며, 이로 인해 공기 압축기(30)는 고온 건조한 공기(이하에서는 편의 상 "공급공기" 라고 한다)를 가습기(200)로 공급하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 가습기(200)는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기의 막 가습(gas to gas 수분 교환 방식)이 이루어지고 그 가습된 공기(이하에서는 편의 상 "가습공기" 라고 한다)를 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급한다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 가습기(200)의 구성은 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
상기에서 수소탱크(50)는 연료전지들(11)의 연료극(15)으로 수소를 공급하기 위한 것으로서, 그 수소를 저장하며 연료극(15)으로 공급할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같은 스택(10), 공기 압축기(30) 및 수소탱크(50)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술이므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기와 같은 연료전지 시스템(100)은 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서 에어쿨러(300)를 포함하고 있다.
이러한 에어쿨러(300)는 당 업계에서 "인터쿨러" 라고도 하며, 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기를 냉각수를 통해 열 교환 방식으로 냉각하고, 그 냉각된 공급공기를 가습기(200)로 공급할 수 있다. 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)의 구성은 도 2 및 도 3을 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 전체 쿨링 영역으로 분배하여 가습기(200) 내부로 공급되는 공급공기(냉각 공기)의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있는 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같은 에어쿨러(300)를 포함하여 가습성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택(10)의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지 시스템용 가습기(200)를 제공한다.
이하에서는 상술한 바와 같은 연료전지 시스템(100)에서 본 발명의 실시예에 따른 에어쿨러(300)를 적용한 가습기(200)의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 가습기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지용 가습기(200)는 위에서 언급한 바 있는 에어쿨러(300)를 일체로 구성하는 바, 기본적으로는 하우징(210)의 내부에 구성되는 막 모듈(230)을 포함하고 있다.
상기 막 모듈(230)은 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기와, 공기 압축기(30)로부터 공급되는 공급공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식에 의한 막 가습이 이루어지는 것이다.
상기 막 모듈(230)은 배출공기와 공급공기의 수분 교환을 통해 막 가습이 이루어진 가습공기를 배출하며 그 가습공기를 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급할 수 있다.
상기 막 모듈(230)은 여러 다발의 중공사막(231)이 내부에 밀집된 것으로, 원통 형상의 하우징(210) 내부에 중공사막(231) 다발이 내장되어 있다.
이러한 막 모듈(230)은 중공사막(231)의 양단을 지지하는 지지부재(232)를 포함하는 바, 상기 지지부재(232)는 고분자 소재로 이루어지며, 하우징(210)의 양단에 고정된 상태로 중공사막(231) 다발의 양단부를 지지할 수 있다.
한편, 상기 하우징(210)의 일측에는 막 모듈(230)로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드(251)를 형성하고 있다. 상기 하우징(210)의 다른 일측에는 막 모듈(230)에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드(252)를 형성하고 있다.
상기 하우징(210)에서 제1 매니폴드(251)에는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 막 모듈(230) 측으로 도입하기 위한 제1 유입구(271)를 형성하고 있다. 상기 하우징에서 제2 매니폴드(252)에는 막 모듈(230)에서 가습된 가습공기를 배출하기 위한 제1 배출구(273)를 형성하고 있다.
그리고, 상기 하우징(210)의 제2 매니폴드(252) 측에는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기를 막 모듈(230)로 도입하기 위한 제2 유입구(275)를 형성하고 있다. 상기 하우징(210)의 제1 매니폴드(251) 측에는 막 모듈(230)을 거치며 수분이 제거된 배출공기를 배출하기 위한 제2 배출구(277)를 형성하고 있다.
다른 한편으로, 상기와 같이 구성되는 연료전지 시스템용 가습기(200)는 하우징(210)의 내부에서 공급공기를 유입하는 막 모듈(230)의 공기 유입부 측에 설치되며 그 공급공기를 냉각하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)를 포함하고 있다.
상기 에어쿨러(300)는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각수로서 냉각하고 그 냉각된 공급공기를 가습기(200)의 막 모듈(230)로 공급하기 위한 것이다.
이러한 에어쿨러(300)는 가습기(200)의 하우징(210) 내부에 구성되는 바, 위에서 언급한 바 있는 제1 매니폴드(251)의 내부에 설치된다. 상기 에어쿨러(300)는 제1 매니폴드(251)의 제1 유입구(271)를 통해 하우징(210)의 내부로 도입되는 고온 건조한 공급공기를 유동시키며 냉각수로서 냉각하고 배출하며 막 모듈(230)로 공급할 수 있다.
즉, 상기 에어쿨러(300)는 제1 매니폴드(251)의 내부에서 공급공기의 배출부(냉각된 공급공기를 배출하는 부분) 측이 막 모듈(230)의 공급공기 유입부(냉각된 공급공기를 유입하는 부분) 측에 연결되게 설치된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)는 기본적으로 냉각 플레이트(310)와 방열 핀(330)을 포함하고 있다.
상기 냉각 플레이트(310)는 다수 개로 구비되며, 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로(311)를 내부에 형성하고 있다.
그리고 상기 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이에 설치되는 바, 이들 냉각 플레이트(310) 사이에 공급공기(공기 압축기로부터 공급되는 고온 건조한 공기)를 유동시키는 공기 유로(331)를 형성한다. 이러한 방열 핀(330)은 공기 유로(331)를 따라 유동하는 공급공기의 열을 냉각 플레이트들(310)로 전달하며 그 공급공기를 냉각하는 기능을 하게 된다.
여기서, 상기 방열 핀(330)은 루버 핀 타입으로 이루어지는 바, 예를 들면 삼각형의 파형을 형성하는 삼각 루버 핀 또는 사각형의 파형을 형성하는 사각 루버 핀을 포함할 수 있다.
도면에서는 방열 핀(330)으로서 삼각 루버 핀의 예를 도시하고 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 방열 핀(330)으로서 사각 루버 핀 또는 삼각 루버 핀과 사각 루버 핀을 조합한 다양한 형태의 루버 핀을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템용 에어쿨러(300)는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기(200) 내부로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에서 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로(331)를 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성할 수 있다. 즉 상기 냉각 플레이트들(310)은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성할 수 있다.
이와 같이 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 점차 커지는 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유동 간격은 그 냉각 플레이트들(310) 사이의 방열 핀(330)에 의해 구획될 수 있다.
여기서, 상기 냉각 플레이트들(310) 사이에 설치되며 공기 유로(331)를 형성하는 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비될 수 있다.
즉, 상기 방열 핀(330)에 대한 공급공기의 접촉 면적은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 냉각 플레이트들(310) 사이 공기 유로(331)의 유로 단면적이 점차 커지므로, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 증대된다.
더 나아가, 상기 방열 핀(330)은 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비될 수 있다. 즉 상기 방열 핀(330)은, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 냉각 플레이트들(310) 사이 공기 유로(331)의 유로 단면적이 점차 커지므로, 그 유로 단면적에 상응하는 서로 다른 밀도로서 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331) 각각에 구비될 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 에어쿨러(300) 및 이를 포함하는 가습기(200)가 적용되는 연료전지 시스템(100)의 작용을 도 1 및 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러 및 이를 포함하는 가습기의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 스택(10)의 연료전지들(11)에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 과정에, 그 연료전지들(11)의 공기극(13)에서는 고온 다습한 배출공기를 배출한다.
그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 연료전지들(11)의 공기극(13)으로부터 배출되는 배출공기를 가습기(200)의 제2 유입구(275)를 통해 막 모듈(230)로 공급한다.
이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 가습기(200)의 제1 매니폴드(251)의 제1 유입구(271)를 통해 에어쿨러(300)로 공급한다. 그러면, 공급공기는 에어쿨러(300)를 통과하며 냉각된 상태로 막 모듈(230)로 공급될 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)에서 냉각 플레이트들(310)이 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(331)를 형성하고 있기 때문에, 제1 유입구(271)를 통해 유입되는 공급공기는 냉각 플레이트들(310) 사이의 각 공기 유로(331)로 균일하게 분배되며 그 공기 유로(331)를 따라 유동하게 된다.
이에 본 발명의 실시예에서는 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)를 따라 유동하는 공급공기의 열을 방열 핀(330)으로 전달하고, 냉각 플레이트들(310)의 냉각수 유로(311)를 따라 흐르는 냉각수와 열 교환이 이루어지며 공급공기를 냉각할 수 있다.
따라서, 상기와 같이 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)를 따라 흐르며 냉각수와의 열 교환 방식으로 냉각된 공급공기는 에어쿨러(300)에서 배출됨과 동시에 상기 막 모듈(230)로 공급된다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)에서 냉각 플레이트들(310) 사이의 공기 유로(331)로 균일하게 분배되며 냉각된 공급공기의 유동을 막 모듈(230)의 중공사막(231) 전역에 균일하게 분포시킬 수 있다.
한편, 상기에서와 같이 배출공기와 공급공기를 공급받은 막 모듈(230)에서는 배출공기와 공급공기의 가스 투 가스(gas to gas) 수분 교환 방식에 의한 막 가습이 이루어진다.
이렇게 가습된 가습공기는 제2 매니폴드(252)의 제1 배출구(273)를 통해 배출되며, 연료전지들(11)의 공기극(13)으로 공급되고, 막 모듈(230)을 거치며 수분이 제거된 배출공기는 제2 배출구(277)를 통해 외부로 배출된다.
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 공기 압축기(30)로부터 공급되는 고온 건조한 공급공기를 에어쿨러(300)의 전체 쿨링 영역으로 균일하게 분배하여 가습기(200)의 막 모듈(230)로 공급되는 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 에어쿨러(300)를 통해 공급공기의 고른 유동 분배를 도모함과 동시에 공급공기의 냉각 성능을 극대화시키면서 가습기(200)의 막 모듈(230)에 공급공기의 유동을 균일하게 분포시킬 수 있으므로, 막 모듈(230)의 중공사막(231)을 효율적으로 사용함에 따라 가습기(200)의 가습 성능 및 더 나아가서는 연료전지 스택(10)의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(400)는 전기 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 냉각 플레이트들(410)이 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로(431)를 형성할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에서 상기 냉각 플레이트들(410)은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(431)를 형성할 수 있다.
여기서, 상기 냉각 플레이트들(410)은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로(431)를 형성함에 따라, 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 냉각 플레이트들(410) 사이에 설치되며 공기 유로(431)를 형성하는 방열 핀(430)은 냉각 플레이트들(410) 사이의 공기 유로(431) 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하고, 그의 밀도 또한 서로 상이하게 구비될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템용 에어쿨러(400)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
10... 연료전지 스택 11... 연료전지
12... 막-전극 어셈블리 13... 공기극
15... 연료극 30... 공기 압축기
50... 수소탱크 100... 연료전지 시스템
200... 가습기 210... 하우징
230... 막 모듈 231... 중공사막
251... 제1 매니폴드 252... 제2 매니폴드
271... 제1 유입구 273... 제1 배출구
275... 제2 유입구 277... 제2 배출구
300, 400... 에어쿨러 310, 410... 냉각 플레이트
311... 냉각수 유로 330, 430... 방열 핀
331, 431... 공기 유로

Claims (15)

  1. 연료전지 스택의 공기극으로부터 배출되는 배출공기와 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기의 막 가습이 이루어지며, 그 가습된 공기를 상기 연료전지 스택의 공기극으로 공급하는 연료전지 시스템용 가습기로서,
    여러 다발의 중공사막이 하우징의 내부에 밀집된 막 모듈; 및
    상기 하우징의 내부에서 공급공기를 유입하는 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 설치되며 공급공기를 냉각하는 에어쿨러;
    를 포함하며,
    상기 에어쿨러는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하는 다수 개의 냉각 플레이트들과, 상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하는 방열 핀을 포함하고,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 상기 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 하우징의 일측에 형성되며, 상기 막 모듈로 공급공기를 공급하는 쉘(shell) 형태의 제1 매니폴드와,
    상기 하우징의 다른 일측에 형성되며, 상기 막 모듈에서 가습된 가습공기를 배출하는 쉘(shell) 형태의 제2 매니폴드
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 에어쿨러는,
    상기 제1 매니폴드의 내부에 설치되며, 상기 공급공기의 배출부 측이 상기 막 모듈의 공기 유입부 측에 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 가습기.
  8. 공기 압축기를 통해 공급되는 고온 건조한 공급공기를 냉각하며 그 냉각된 공급공기를 가습기로 공급하도록 그 가습기의 공급공기 유입부 측에 설치되는 연료전지 시스템용 에어쿨러로서,
    냉각수를 유동시키는 냉각수 유로를 내부에 형성하고 있는 다수 개의 냉각 플레이트들; 및
    상기 냉각 플레이트들 사이에 설치되며, 공급공기를 유동시키는 공기 유로를 형성하고, 공급공기의 열을 상기 냉각 플레이트로 전달하는 방열 핀;
    을 포함하며,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 유로 단면적이 서로 상이한 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유입부 측에서 배출부 측으로 갈수록 공기 유동 간격이 점차 커지는 공기 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트들은 공급공기의 유동 중심부에서 유동 외곽부로 갈수록 경사각도가 점차 커지는 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  13. 제8 항에 있어서,
    상기 방열 핀은 루버 핀 타입으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 방열 핀은,
    상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 공급공기와의 접촉 면적이 서로 상이하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 방열 핀은,
    상기 냉각 플레이트들 사이의 공기 유로 각각에서 밀도가 서로 상이하게 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 에어쿨러.
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