KR20220151947A - 에어 쿨러 및 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 프레임부재에 안착된 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각하는 에어 쿨러에 관한 것으로, 공기를 냉각하는 쿨러 본체, 및 쿨러 본체와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체에 연결되며 쿨러 본체에서 발생한 열을 프레임부재로 전달하는 열전달부를 포함하는 것에 의하여, 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

에어 쿨러 및 연료전지 시스템{AIR COOLER AND FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 에어 쿨러 및 연료전지 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 에어 쿨러 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지 차량(예를 들어, 수소연료전지 자동차)는 연료(수소)와 공기(산소)의 화학반응을 통해 자체 전기를 생산하고 모터를 구동하여 주행하도록 구성된다.
일반적으로, 연료전지 차량은, 수소와 산소의 산화환원반응을 통해 전기를 생산하는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack), 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택 및 차량의 전장부품에서 발생된 열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택 및 전장부품의 온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System) 등을 포함할 수 있다.
한편, 연료전지 스택에 공급되는 공기는, 연료전지 스택의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기압축기에 의해 압축된 상태로 공급되어야 하는데, 공기가 공기압축기에 의해 압축되는 과정에서 열이 발생함에 따라, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도가 일정 이상 상승하면, 연료전지 스택이 과열되어 성능이 저하될 수 있으므로, 공기압축기에 의해 압축된 공기는 연료전지 스택으로 공급되기 전에 에어 쿨러에 의해 냉각될 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 에어 쿨러를 냉각하는 냉각라인(공기를 냉각시키는 냉각라인)이 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 전장부품(power electronic parts)을 경유함에 따라, 전장부품 및 에어 쿨러의 냉각 성능을 모두 확보하기 위해서는 냉각라인에 마련되는 펌프 및 라디에이터의 용량을 일정 이상 저감시키기 어렵고, 에너지 효율을 향상시키기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 냉각 성능을 보장하면서, 구조를 간소화하고, 에너지 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 에어 쿨러 및 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 연료전지 스택의 작동 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택을 안착시키기 위해 마련되는 프레임부재를 방열부재로 활용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 방열부재를 추가적으로 마련하지 않고도 열의 방출 면적을 증가시키고, 방열 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 냉각라인에 마련되는 냉각부품(예를 들어, 펌프 및 라디에이터)의 용량을 증가시키지 않고도 냉각라인에 의한 냉각 성능을 보장하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 프레임부재에 안착된 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각하는 에어 쿨러는, 공기를 냉각하는 쿨러 본체, 및 쿨러 본체와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체에 연결되며 쿨러 본체에서 발생한 열을 프레임부재로 전달하는 열전달부를 포함한다.
이는, 에어 쿨러의 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 기존에는 에어 쿨러를 통과하는 냉각라인(공기를 냉각시키는 냉각라인)이 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 전장부품(power electronic parts)을 경유함에 따라, 전장부품 및 에어 쿨러의 냉각 성능을 모두 확보하기 위해서는 냉각라인에 마련되는 펌프 및 라디에이터의 용량을 일정 이상 저감시키기 어렵고, 에너지 효율을 향상시키기 어려운 문제점이 있다.
또한, 에어 쿨러에서 발생된 열을 방출하기 위한 별도의 방열부재를 마련하는 것도 가능하지만, 별도의 방열부재를 마련함에 따라 구조가 복잡해지고 공간활용성 및 설계자유도가 저하되는 문제점이 있으며, 원가가 상승하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 열전달부를 매개로 쿨러 본체에서 발생한 열이 프레임부재로 전달되도록 하는 것에 의하여, 에어 쿨러의 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택을 안착시키기 위해 마련된 프레임부재를 일종의 방열부재(열방출매체)로 활용하는 것에 의하여, 에어 쿨러를 냉각시키기 위한 방열부재를 추가적으로 마련하지 않고도 방열면적을 증가시키고, 방열 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 에어 쿨러의 방열 성능을 높임으로써, 에어 쿨러의 냉각을 위해 냉각라인에 마련되는 냉각부품(예를 들어, 냉각수를 펌핑하는 펌프 및 냉각수를 냉각시키는 라디에이터)의 용량을 저감시키는 것이 가능하므로, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 프레임부재에는 브라켓부재가 마련될 수 있고, 가습기는 브라켓부재를 매개로 프레임부재에 지지될 수 있으며, 열전달부는 쿨러 본체에서 발생한 열을 브라켓부재로 전달할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 열전달부와 프레임부재의 사이에 개재되는 열전달매체를 포함하고, 쿨러 본체에서 발생한 열은 열전달매체를 매개로 프레임부재로 전달될 수 있다.
이와 같이, 열전달부와 프레임부재의 사이에 열전도 성능이 높은 열전달매체를 마련하는 것에 의하여, 쿨러 본체에서 프레임부재로 전달되는 열의 열전달 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
열전달매체로서는 요구되는 조건 및 사양에 따라 다양한 매체가 사용될 수 있다. 일 예로, 열전달매체는 써멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 열전달부에 마련되는 포켓부를 포함하고, 열전달매체는 포켓부에 수용될 수 있다.
이와 같이, 열전달부에 포켓부를 형성하는 것에 의하여, 열전달매체의 충진 상태(열전달부와 프레임부재의 사이에 충진된 상태)를 안정적으로 유지(저장)하고, 열전달매체의 비산을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 에어 쿨러는, 포켓부에 마련되며 열전달매체의 이탈을 구속하는 트랩부재를 포함할 수 있다.
트랩부재는 열전달매체의 이탈을 구속 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 트랩부재는 열전달매체가 통과 가능한 복수개의 관통홀을 갖는 다공성 구조체(porous structural unit)로 형성될 수 있다.
이와 같이, 포켓부의 내부에 다공성 구조체로 이루어진 트랩부재를 마련하는 것에 의하여, 열전달매체의 안정적인 도포를 유도할 수 있다. 또한, 포켓부의 내부에 트랩부재를 마련하는 것에 의하여, 열전달매체가 접촉되는 접촉 면적을 증가시킬 수 있으므로, 열전달매체의 이탈을 억제하고 열전달매체의 충진 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 열전달부에 마련되며, 열전달부와 프레임부재의 사이에 열전달매체가 충진되는 충진공간을 정의하는 스페이서부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 열전달부에 스페이서부를 마련하는 것에 의하여, 프레임부재의 변형(예를 들어, 용접에 의한 변형)에 의한 공차 또는 조립 공차 등에 의해 프레임부재가 열전달부에 최대한 접근된다 하더라도, 열전달부와 프레임부재의 사이에는 열전달매체가 충진되는 충진공간이 확보될 수 있으므로, 열전달매체의 충진 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
스페이서부는 충진 공간을 정의할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다. 일 예로, 스페이서부는 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 스페이서 돌기를 포함할 수 있고, 충진공간은 서로 인접한 스페이서 돌기의 사이에 정의될 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택이 안착되는 프레임부재; 및 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각하는 쿨러 본체, 및 쿨러 본체와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체에 연결되며 쿨러 본체에서 발생한 열을 프레임부재로 전달하는 열전달부를 포함하는 에어 쿨러;를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 열전달부와 프레임부재의 사이에 개재되는 열전달매체를 포함하고, 쿨러 본체에서 발생한 열은 열전달매체를 매개로 프레임부재로 전달될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 열전달부에 마련되는 포켓부를 포함하고, 열전달매체는 포켓부에 수용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 포켓부에 마련되며, 열전달매체의 이탈을 구속하는 트랩부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 열전달부에 마련되며, 열전달부와 프레임부재의 사이에 열전달매체가 충진되는 충진공간을 정의하는 스페이서부를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 열전달부의 둘레를 감싸도록 프레임부재에 형성되는 커버부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 열전달부의 둘레를 감싸도록 커버부를 마련하는 것에 의하여, 열전달부에 도포된 열전달매체(예를 들어, 써멀 그리스)의 오염 및 변형(예를 들어, 수분에 의한 변형)을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 프레임부재와 열전달 가능하게 프레임부재에 연결되며, 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기를 지지하는 브라켓부재를 포함할 수 있고, 열전달부는 쿨러 본체에서 발생한 열을 브라켓부재로 전달할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템은, 열전달부의 둘레를 감싸도록 브라켓부재에 형성되는 커버부를 포함하는 것도 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 열방출 성능을 향상시키고 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 열을 효과적으로 방출할 수 있으며, 연료전지 스택의 작동 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택을 안착시키기 위해 마련되는 프레임부재를 방열부재로 활용할 수 있다. 따라서, 방열부재를 추가적으로 마련하지 않고도 열의 방출 면적을 증가시키고, 방열 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 냉각라인에 마련되는 냉각부품(예를 들어, 펌프 및 라디에이터)의 용량을 증가시키지 않고도 냉각라인에 의한 냉각 성능을 보장하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조 및 제작 공정을 간소화하고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 에어 쿨러를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 스페이서부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 커버부를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)이 안착되는 프레임부재(40); 및 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 냉각하는 쿨러 본체(110), 및 쿨러 본체(110)와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체(110)에 연결되며 쿨러 본체(110)에서 발생한 열을 프레임부재(40)로 전달하는 열전달부(120)를 포함하는 에어 쿨러(100);를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 에어 쿨러(100)가 적용된 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)을 적용 가능한 다양한 차량(예를 들어, 승용차 또는 상용차) 또는 선박, 항공 등의 모빌리티에 적용될 수 있으며, 연료전지 시스템(10)이 적용되는 피대상체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
연료전지 스택(20)은, 수소공급부(미도시)에서 공급되는 수소와 공기공급라인을 따라 공급되는 공기의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 연료전지 스택(20)은, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(미도시), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(미도시), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구(미도시), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)(미도시)을 포함한다.
보다 구체적으로, 연료전지 스택(20)에서 연료인 수소와 산화제인 공기(산소)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드로 공급되고, 공기는 캐소드로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton)과 전자(electron)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
연료전지 스택(20)에는 공기공급라인(미도시)이 연결될 수 있고, 공기공급라인을 따라 공기가 공급될 수 있다.
공기공급라인은 연료전지 스택(20)으로 공기를 공급할 수 있는 다양한 구조로 제공될수 있으며, 공기공급라인의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 공기공급라인에는 공기압축기(미도시)가 마련되며, 공기공급라인을 따라 공급되는 공기는 공기압축기에 의해 압축된 상태로 연료전지 스택(20)에 공급될 수 있다.
보다 구체적으로, 공기압축기는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기가 연료전지 스택(20)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기를 압축할 수 있다.
공기압축기로서는 공기를 압축할 수 있는 다양한 공기압축기가 사용될 수 있으며, 공기압축기의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 공기압축기는 로터(미도시)의 회전에 의한 원심력을 이용하여 공기를 압축시켜 공급하도록 구성될 수 있다.
한편, 연료전지 스택(20)이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기(30)를 포함한다.
일 예로, 프레임부재(40)의 하부에는 브라켓부재(42)가 마련될 수 있고, 가습기(30)는 브라켓부재(42)를 매개로 프레임부재(40)의 하부에 지지(결합)될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가습기(30)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 유입가스(건조공기)를 가습하도록 구성될 수 있다.
가습기(30)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 습윤공기를 이용하여 유입가스를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(30)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 가습기(30)에는 유입가스가 유입(공급)되는 유입가스 공급포트(미도시), 가습기(30)의 내부를 통과한(가습 처리된) 유입가스가 배출되는 유입가스 배출포트(미도시), 연료전지 스택(20)으로부터 배출된 습윤공기가 공급되는 습윤공기 공급포트(미도시), 유입가스를 가습시킨 습윤공기를 외부로 배출하는 습윤공기 배출포트(미도시)를 포함할 수 있다.
유입가스 공급포트를 통해 공급된 유입가스는, 가습기(30)의 내부에 마련된 가습막(예를 들어, 중공 사막)(미도시)을 통과하는 중에 습윤공기에 의해 가습 처리된 후, 유입가스 배출포트를 통해 연료전지 스택(20)으로 공급될 수 있다.
아울러, 연료전지 스택(20)에서 배출되는 습윤공기(또는 생성수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(30)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 가습기(30)의 외부로 배출될 수 있다.
프레임부재(40)는 피대상체 상에 연료전지 스택(20)을 지지하도록 마련된다.
프레임부재(40)는 연료전지 스택(20)을 지지할 수 있는 다양한 구조로 제공될수 있으며, 프레임부재(40)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 프레임부재(40)로서는 열전도성 금속(예를 들어, 철판)으로 이루어지며 대략 사각 플레이트 구조를 갖는 크로스 멤버(cross member)가 사용될 수 있으며, 프레임부재(40)의 상부(도 1 기준)에는 연료전지 스택(20)이 안착될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 에어 쿨러(100)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 냉각하도록 마련된다.
즉, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기는, 연료전지 스택(20)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기압축기에 의해 압축된 상태로 공급되는데, 공기를 압축하는 과정에서 열이 발생하게 되며, 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기의 온도가 일정 이상 상승하면, 연료전지 스택(20)이 과열되어 성능이 저하될 수 있으므로, 공기압축기에 의해 압축된 공기는 연료전지 스택(20)으로 공급되기 전에 에어 쿨러(100)에 의해 냉각될 수 있다.
일 예로, 에어 쿨러(100)는 가습기(30)의 내부에 마련될 수 있고, 유입가스 공급포트에 유입된 공기는 에어 쿨러(100)를 거쳐 연료전지 스택(20)으로 공급될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 에어 쿨러를 가습기의 외부에 마련하는 것도 가능하다.
보다 구체적으로, 에어 쿨러(100)는, 공기를 냉각하는 쿨러 본체(110), 및 쿨러 본체(110)와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체(110)에 마련되며 쿨러 본체(110)에서 발생한 열을 프레임부재(40)로 전달하는 열전달부(120)를 포함한다.
일 예로, 쿨러 본체(110)는 공기압축기를 거쳐 가습기(30)의 유입가스 공급포트에 유입된 공기를 냉각하도록 가습기(30)의 내부에 마련될 수 있다.
쿨러 본체(110)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 냉각할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 쿨러 본체(110)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 쿨러 본체(110)는 대략 사각 박스 형태를 갖도록 열전도성 소재(예를 들어, 열전도성 금속 또는 열전도성 플라스틱)로 형성될 수 있고, 쿨러 본체(110)의 내부에는 냉각수가 유동하는 냉각라인(미도시), 및 냉각수와 상호 열교환 가능하게 복수개의 방열부재(미도시)가 마련될 수 있다.
또한, 냉각라인은 쿨러 본체(110)의 내부를 경유함과 아울러, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 전장부품(power electronic parts)을 경유하도록 구성될 수 있다.
열전달부(120)는 쿨러 본체(110)와 상호 열전달 가능하게 쿨러 본체(110)에 연결되며, 쿨러 본체(110)에서 발생한 열을 프레임부재(40)로 전달하도록 마련된다.
여기서, 열전달부(120)가 쿨러 본체(110)에 연결된다 함은, 열전단부가 쿨러 본체(110)에 일체로 형성(예를 들어, 일체로 사출 성형)되거나, 별도로 제작된 후 결합(부착)되는 것을 모두 포함하는 개념으로 정의된다.
열전달부(120)는 쿨러 본체(110) 및 프레임부재(40)와 상호 열전달 가능한 열전도성 소재(예를 들어, 열전도성 금속 또는 열전도성 플라스틱)로 형성될 수 있으며, 열전달부(120)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
열전달부(120)는 쿨러 본체(110)와 프레임부재(40)를 상호 열전달 가능하게 연결할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 열전달부(120)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 쿨러 본체(110)의 상단부(도 4 기준)에는 대략 "L"자 단면 형상의 연장부(112)가 일체로 마련될 수 있고, 열전달부(120)는 연장부(112)의 최상단에 돌출되게 형성될 수 있다.
예를 들어, 열전달부(120)는 원형 단면을 갖는 원통 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 열전달부를 띠 형태, 사각 박스 형태 또는 여타 다른 구조로 형성하는 것도 가능하다. 다르게는, 연장부를 배제하고 쿨러 본체의 외면에 열전달부를 직접 형성하는 것도 가능하다.
열전달부(120)는 프레임부재(40)에 접촉함으로써 쿨러 본체(110)에서 발생한 열(공기를 냉각시키면서 발생한 열)을 프레임부재(40)로 전달할 수 있다.
이하에서는 열전달부(120)가 브라켓부재(42)에 접촉 가능하게 마련되고, 쿨러 본체(110)에서 발생한 열이 브라켓부재(42)로 전달(Q1)된 후, 다시 브라켓부재(42)에서 프레임부재(40)로 전달(Q2)되는 예를 들어 설명하기로 한다.
이와 같이, 쿨러 본체(110)에서 발생한 열 중 일부가 열전달부(120)를 매개로 프레임부재(40)에 전달되도록 하는 것에 의하여, 열의 방출 시간을 단축하고 방열 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택(20)을 안착시키기 위해 마련된 프레임부재(40)를 일종의 방열부재(열방출매체)로 활용하는 것에 의하여, 에어 쿨러(100)를 냉각시키기 위한 방열부재를 추가적으로 마련하지 않고도 방열면적을 증가시키고, 방열 성능을 향상(열의 방출 시간을 단축)시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 에어 쿨러(100)의 방열 성능을 높임으로써, 에어 쿨러(100)의 냉각을 위해 냉각라인에 마련되는 냉각부품(예를 들어, 냉각수를 펌핑하는 펌프 및 냉각수를 냉각시키는 라디에이터)의 용량을 저감시키는 것이 가능하므로, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 열전달부(120)와 프레임부재(40)의 사이에 개재되는 열전달매체(150)를 포함하고, 쿨러 본체(110)에서 발생한 열은 열전달매체(150)를 매개로 프레임부재(40)로 전달될 수 있다.
이와 같이, 열전달부(120)와 프레임부재(40)의 사이(예를 들어, 열전달부와 브라켓부재의 사이)에 열전도 성능이 높은 열전달매체(150)를 마련하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에서 프레임부재(40)로 전달되는 열의 열전달 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
열전달매체(150)로서는 요구되는 조건 및 사양에 따라 다양한 매체가 사용될 수 있으며, 열전달매체(150)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 바람직하게, 열전달매체(150)는 열절단부 또는 프레임부재(40)보다 높은 열전도성을 갖는 재질로 형성될 수 있다.
일 예로, 열전달매체(150)는 써멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 열전달부(120)에 마련되는 포켓부(122)를 포함하고, 열전달매체(150)는 포켓부(122)에 수용될 수 있다.
보다 구체적으로, 프레임부재(40)(브라켓부재)의 저면을 마주하는 열전달부(120)의 상면에는 함몰된 홈 형태의 포켓부(122)가 형성될 수 있고, 열전달매체(150)는 포켓부(122)의 내부에 충진(수용)될 수 있다.
이와 같이, 열전달부(120)에 포켓부(122)를 형성하는 것에 의하여, 열전달매체(150)의 충진 상태(열전달부와 프레임부재의 사이에 충진된 상태)를 안정적으로 유지(저장)하고, 열전달매체(150)의 비산을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 연료전제 시스템은, 포켓부(122)에 마련되며 열전달매체(150)의 이탈을 구속하는 트랩부재(130)를 포함할 수 있다.
트랩부재(130)는 열전달매체(150)의 이탈을 구속 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 트랩부재(130)는 열전달매체(150)가 통과 가능한 복수개의 관통홀(132)을 갖는 다공성 구조체(porous structural unit)(또는 메쉬 구조체)로 형성될 수 있다.
이와 같이, 포켓부(122)의 내부에 다공성 구조체로 이루어진 트랩부재(130)를 마련하는 것에 의하여, 열전달매체(150)(예를 들어, 써멀 그리스)의 안정적인 도포를 유도할 수 있다. 또한, 포켓부(122)의 내부에 트랩부재(130)를 마련하는 것에 의하여, 열전달매체(150)(예를 들어, 써멀 그리스)가 접촉되는 접촉 면적을 증가시킬 수 있으므로, 열전달매체(150)의 이탈을 억제하고 열전달매체(150)의 충진 상태를 보다 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 열전달부(120)에 마련되며, 열전달부(120)와 프레임부재(40)의 사이에 열전달매체(150)가 충진되는 충진공간(140a)을 정의하는 스페이서부(140)를 포함할 수 있다.
스페이서부(140)는 열전달부(120)와 프레임부재(40)(또는 브라켓부재)의 사이에 배치되며, 열전달부(120)와 프레임부재(40)의 사이에 프레임부재(40)가 충진되는 충진공간(140a)을 형성하기 위해 마련된다.
여기서, 충진공간(140a)이라 함은, 열전달매체(150)가 충진(도포)된 상태를 유지할 수 있는 공간(또는 간극)으로 정의될 수 있다.
이는, 프레임부재(40)의 변형(예를 들어, 용접에 의한 변형)에 의한 공차 또는 조립 공차 등에 의해 프레임부재(40)가 열전달부(120)에 접근(밀착)될 시, 열전달매체(150)가 열전달부(120)의 외부로 이탈되는 것을 억제하기 위함이다.
즉, 프레임부재(40)에 변형이 발생함에 따라 프레임부재(40)가 열전달부(120)에 밀착되면, 프레임부재(40)와 열전달부(120)의 사이에 충진된 열전달매체(150)가 외부로 이탈되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 프레임부재(40)를 마주하는 열전달부(120)의 상면에 스페이서부(140)를 마련하는 것에 의하여, 도 6과 같이, 프레임부재(40)가 열전달부(120)에 최대한 접근된다 하더라도, 열전달부(120)와 프레임부재(40)의 사이에는 열전달매체(150)가 충진되는 충진공간(140a)이 확보될 수 있으므로, 열전달매체(150)의 충진 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
스페이서부(140)는 충진 공간을 정의할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 스페이서부(140)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 스페이서부(140)는 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 스페이서 돌기(142)를 포함할 수 있고, 충진공간(140a)은 서로 인접한 스페이서 돌기(142)의 사이에 정의될 수 있다.
예를 들어, 복수개의 스페이서 돌기(142)는 열전달부(120)의 원주 방향을 따라 이격되게 형성될 수 있다. 스페이서 돌기(142)의 개수, 이격 간격 및 사이즈는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 열전달부의 반경 방향 또는 여타 다른 방향을 따라 이격되게 복수개의 스페이서 돌기를 마련하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 열전달부(120)의 둘레를 감싸도록 프레임부재(40)(또는 브라켓부재)에 형성되는 커버부(44)를 포함할 수 있다.
이하에서는 브라켓부재(42)의 저면에 커버부(44)가 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.
일 예로, 커버부(44)는 열전달부(120)의 외경보다 확장된 내경(또는 단면적)을 갖는 컵 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이, 열전달부(120)의 둘레를 감싸도록 커버부(44)를 마련하는 것에 의하여, 열전달부(120)에 도포된 열전달매체(150)(예를 들어, 써멀 그리스)의 오염 및 변형(예를 들어, 수분에 의한 변형)을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, 커버부(44)는 프레임부재(40)와 별도로 제작된 후 프레임부재(40)에 부착(예를 들어, 용접) 또는 체결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 7과 같이, 브라켓부재(42)(또는 프레임부재)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 브라켓부재(42)에 일체로 커버부(44')를 형성하는 것도 가능하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 쿨러 본체(110)에서 발생한 열이 브라켓부재(42)를 거쳐 프레임부재(40)로 전달되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 8과 같이, 열전달부(120)를 프레임부재(40)에 직접 연결(접촉)하고, 쿨러 본체(110)에서 발생한 열이 열전달부(120)를 매개로 프레임부재(40)에 직접 전달되도록 구성하는 것도 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 연료전지 시스템
20 : 연료전지 스택
30 : 가습기
40 : 프레임부재
42 : 브라켓부재
44,44' : 커버부
100 : 에어 쿨러
110 : 쿨러 본체
112 : 연장부
120 : 열전달부
122 : 포켓부
130 : 트랩부재
132 : 관통홀
140 : 스페이서부
140a : 충진공간
142 : 스페이서 돌기
150 : 열전달매체

Claims (17)

  1. 프레임부재에 안착된 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각하는 에어 쿨러로서,
    상기 공기를 냉각하는 쿨러 본체; 및
    상기 쿨러 본체와 상호 열전달 가능하게 상기 쿨러 본체에 마련되며, 상기 쿨러 본체에서 발생한 열을 프레임부재로 전달하는 열전달부;
    를 포함하는 에어 쿨러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전달부와 상기 프레임부재의 사이에 개재되는 열전달매체를 포함하고,
    상기 쿨러 본체에서 발생한 열은 상기 열전달매체를 매개로 상기 프레임부재로 전달되는 에어 쿨러.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열전달부에 마련되는 포켓부를 포함하고,
    상기 열전달매체는 상기 포켓부에 수용되는 에어 쿨러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 포켓부에 마련되며, 상기 열전달매체의 이탈을 구속하는 트랩부재를 포함하는 에어 쿨러.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트랩부재는 상기 열전달매체가 통과 가능한 복수개의 관통홀을 갖는 다공성 구조체(porous structural unit)로 형성되는 에어 쿨러.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 열전달부에 마련되며, 상기 열전달부와 상기 프레임부재의 사이에 상기 열전달매체가 충진되는 충진공간을 정의하는 스페이서부를 포함하는 에어 쿨러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스페이서부는 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 스페이서 돌기를 포함하고,
    상기 충진공간은 서로 인접한 상기 스페이서 돌기의 사이에 정의되는 에어 쿨러.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 열전달매체는 써멀 그리스(thermal grease)를 포함하는 에어 쿨러.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프레임부재와 상호 열전달 가능하게 상기 프레임부재에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 공기를 가습하는 가습기를 지지하는 브라켓부재를 포함하고,
    상기 열전달부는 상기 쿨러 본체에서 발생한 열을 상기 브라켓부재로 전달하는 에어 쿨러.
  10. 연료전지 스택이 안착되는 프레임부재; 및
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 냉각하는 쿨러 본체, 및 상기 쿨러 본체와 상호 열전달 가능하게 상기 쿨러 본체에 마련되며 상기 쿨러 본체에서 발생한 열을 상기 프레임부재로 전달하는 열전달부를 포함하는 에어 쿨러;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열전달부와 상기 프레임부재의 사이에 개재되는 열전달매체를 포함하고,
    상기 쿨러 본체에서 발생한 열은 상기 열전달매체를 매개로 상기 프레임부재로 전달되는 연료전지 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열전달부에 마련되는 포켓부를 포함하고,
    상기 열전달매체는 상기 포켓부에 수용되는 연료전지 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 포켓부에 마련되며, 상기 열전달매체의 이탈을 구속하는 트랩부재를 포함하는 연료전지 시스템.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 열전달부에 마련되며, 상기 열전달부와 상기 프레임부재의 사이에 상기 열전달매체가 충진되는 충진공간을 정의하는 스페이서부를 포함하는 연료전지 시스템.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 열전달부의 둘레를 감싸도록 상기 프레임부재에 형성되는 커버부를 포함하는 연료전지 시스템.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 프레임부재와 상호 열전달 가능하게 상기 프레임부재에 연결되며, 상기 연료전지 스택으로 공급되는 상기 공기를 가습하는 가습기를 지지하는 브라켓부재를 포함하고,
    상기 열전달부는 상기 쿨러 본체에서 발생한 열을 상기 브라켓부재로 전달하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열전달부의 둘레를 감싸도록 상기 브라켓부재에 형성되는 커버부를 포함하는 연료전지 시스템.
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