KR20230119969A - 에어 쿨러 및 연료전지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 에어 쿨러는, 제1영역 및 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체, 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제1냉각유로, 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재, 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제2냉각유로, 및 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재와 개별적으로 제2냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재를 포함하는 것에 의하여, 구조를 간소화하고 연료전지 스택의 워터 밸런스를 최적화하는 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 구조를 간소화하고 연료전지 스택의 워터 밸런스를 최적화할 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 스택이 정상적으로 동작하기 위해서는 연료전지 스택의 운전 모드(운전 조건)에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스(water balance)가 최적화될 수 있어야 한다.

즉, 연료전지 스택으로부터 배출되는 수분(물의 양)보다 연료전지 스택에 공급되는 수분(물의 양)이 많으면, 연료전지 스택의 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생하여 연료전지 스택의 성능 및 작동 효율이 저하될 수 있다.

이와 반대로, 연료전지 스택으로부터 배출되는 수분(물의 양)보다 연료전지 스택에 공급되는 수분(물의 양)이 적으면, 연료전지 스택의 내부에 건조(drying) 현상이 발생하여 연료전지 스택의 작동 효율 및 성능이 저하될 수 있으므로, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스가 최적화될 수 있어야 한다.

연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절하기 위한 방안으로서, 가습기의 상류(up-stream)에 마련되는 에어 쿨러를 이용하여, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 가습기(연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기)에 공급되는 공기의 온도를 조절하는 방안이 제시된 바 있다.

그러나, 기존에는 에어 쿨러 외부에 별도의 바이패스 배관을 마련하고, 공기가 에어 쿨러를 거쳐 열교환(냉각)된 후 가습기로 공급되거나, 에어 쿨러를 거치지 않고 에어 쿨러 외부의 바이패스 배관을 통해 가습기에 곧바로 공급되도록 하여, 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절해야 하므로, 구조가 복잡하고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있으며, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절하기 어려운 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 최적화하면서, 구조를 간소화하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 구조를 간소화하고 연료전지 스택의 워터 밸런스를 최적화할 수 있는 에어 쿨러 및 연료전지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 에어 쿨러와 공기의 열교환 면적을 선택적으로 가변시켜 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 가습기로 공급되는 공기의 차압 증가를 최소화하고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키고, 장치의 소형화에 기여할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 에어 쿨러의 외부에 별도의 바이패스 유로를 마련하지 않고도 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 공기의 온도 조절 응답성을 높이고, 안정성 및 신뢰성을 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, 에어 쿨러는, 제1영역 및 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체, 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제1냉각유로, 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재, 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제2냉각유로, 및 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재와 개별적으로 제2냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재를 포함한다.

이는, 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절하기 위한 구조를 간소화하고, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절하기 위함이다.

즉, 기존에는 에어 쿨러 외부에 별도의 바이패스 배관을 마련하고, 공기가 에어 쿨러를 거쳐 열교환(냉각)된 후 가습기로 공급되거나, 에어 쿨러를 거치지 않고 에어 쿨러 외부의 바이패스 배관을 통해 가습기에 곧바로 공급되도록 하여, 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절해야 하므로, 구조가 복잡하고, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되는 문제점이 있으며, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절하기 어려운 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 에어 쿨러에 유입되는 공기에 유량에 대응하여 에어 쿨러의 내부에 구획된 복수개의 냉각유로가 복수개의 밸브부재에 의해 개별적으로 개폐되도록 하는 것에 의하여, 가습기로 공급되는 공기의 냉각 정도(공기의 온도)를 가변시켜 공기의 가습량을 조절할 수 있으므로, 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 밸브부재를 작동시키기 위한 별도의 구동원 및 동력전달부재를 마련하지 않고, 에어 쿨러에 유입되는 공기에 유량에 대응하여 밸브부재가 작동하도록 하는 것에 의하여, 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 에어 쿨러의 내부에 구획된 복수개의 냉각유로를 개별적으로 개폐하여 에어 쿨러에 의한 열교환 면적(공기의 냉각 면적)을 조절하는 것에 의하여, 에어 쿨러의 외부에 공기를 바이패스시키기 위한 별도의 바이패스 배관을 추가적으로 마련하지 않아도 되므로, 구조를 간소화하고 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따르면, 에어 쿨러에서 냉각(열교환)되지 않은 공기가 복잡한 구조의 바이패스 배관(예를 들어, 곡선 형태로 절곡된 배관)을 거치지 않아도 되므로, 가습기로 공급되는 공기의 차압 증가를 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 쿨러 본체에 공기가 제1유량(first flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재는 제1냉각유로를 단독적으로 개방하고, 쿨러 본체에 공기가 제1유량보다 높은 제2유량(second flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재가 제1냉각유로를 개방함과 동시에 제2밸브부재는 제2냉각유로를 개방할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 쿨러 본체에 연결되며 공기가 유입되는 유입포트를 포함하되, 제1냉각유로는 제2냉각유로보다 유입포트에 인접하게 제공될 수 있다.

제1냉각유로 및 제2냉각유로는 공기를 냉각 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 제1영역에 마련되며 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제1-1배관부재, 및 제1-1배관부재와 이격되게 제1영역에 마련되며 냉각수가 순환하는 제1-2배관부재를 포함할 수 있고, 제1냉각유로는 제1-1배관부재 및 제1-2배관부재의 사이에 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 제2영역에 마련되며 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제2-1배관부재, 및 제2-1배관부재와 이격되게 제2영역에 마련되며 냉각수가 순환하는 제2-2배관부재를 포함할 수 있고, 제2냉각유로는 제2-1배관부재 및 제2-2배관부재의 사이에 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 쿨러 본체에 유입된 공기와 열교환 가능하게 제1냉각유로에 제공되는 제1열교환핀, 및 쿨러 본체에 유입된 공기와 열교환 가능하게 제2냉각유로에 제공되는 제2열교환핀을 포함할 수 있다.

일 예로, 제1열교환핀은 제2열교환핀과 서로 다른 단위 면적당 핀밀도를 갖도록 제공될 수 있다.

제1밸브부재는 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로를 개폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브부재는, 제1냉각유로의 입구에 인접하게 마련되는 제1밸브샤프트, 및 제1밸브샤프트에 연결되며 제1냉각유로를 차단하는 제1차단위치에서 제1냉각유로를 개방하는 제1개방위치로 제1밸브샤프트를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제1밸브디스크를 포함할 수 있다.

제2밸브부재는 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제2냉각유로를 개폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브부재는, 제2냉각유로의 입구에 인접하게 마련되는 제2밸브샤프트, 및 제1밸브디스크와 다른 중량을 갖도록 마련되어 제2밸브샤프트에 연결되며 제2냉각유로를 차단하는 제2차단위치에서 제2냉각유로를 개방하는 제2개방위치로 제2밸브샤프트를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제2밸브디스크를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제1밸브디스크는 제1중량을 갖도록 제공되고, 제2밸브디스크는 제1중량보다 무거운 제2중량을 갖도록 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브디스크에서 공기가 접촉하는 제1접촉면은 직선 형태 또는 곡선 형태로 정의되고, 제2밸브디스크에서 공기가 접촉하는 제2접촉면은 직선 형태 또는 곡선 형태로 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브디스크의 단부에는 제1밸브디스크의 회전 반경을 따라 제1원호부가 마련되고, 제2밸브디스크의 단부에는 제2밸브디스크의 회전 반경을 따라 제1원호부보다 긴 길이를 갖는 제2원호부가 마련될 수 있다.

이와 같이, 제2밸브디스크의 제2원호부의 길이를 제1밸브디스크의 제1원호부보다 길게 형성하는 것에 의하여, 쿨러 본체에 공기가 제1유량으로 유입될 시, 제2밸브디스크에 작용하는 가압력에 의해 제2밸브디스크가 일부 구간 회전하더라도, 제2밸브디스크에 의한 제2냉각유로의 차단 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 제1밸브디스크가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제1복원부를 포함할 수 있다.

제1복원부는 제1밸브디스크가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 복원력을 제공할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

일 예로, 제1복원부는, 제1밸브디스크가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제1스프링부재, 및 제1밸브디스크가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제1자성체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제1복원부는 공기에 의해 제1밸브디스크에 인가되는 제1가압력보다 작은 제1복원력을 제1밸브디스크에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1복원부에 의한 복원력에 의해 제1밸브디스크가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제1밸브디스크의 비정상적인 회전(제1냉각유로의 비정상적인 개폐)을 최소화하고, 제1냉각유로의 개폐 정밀도를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 제2밸브디스크가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제2복원부를 포함할 수 있다.

제2복원부는 제1밸브디스크가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 복원력을 제공할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

일 예로, 제2복원부는, 제2밸브디스크가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제2스프링부재, 및 제2밸브디스크가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제2자성체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제2복원부는 공기에 의해 제2밸브디스크에 인가되는 제2가압력보다 작은 제2복원력을 제2밸브디스크에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제2복원부에 의한 복원력에 의해 제2밸브디스크가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제2밸브디스크의 비정상적인 회전(제2냉각유로의 비정상적인 개폐)을 최소화하고, 제2냉각유로의 개폐 정밀도를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 에어 쿨러는, 제1냉각유로 및 제2냉각유로의 하류(down-stream)에 위치하도록 쿨러 본체에 마련되며, 제1냉각유로 및 제2냉각유로를 통과한 공기를 혼합하는 공기 가이드를 포함할 수 있다.

이와 같이, 제1냉각유로, 제2냉각유로의 하류에 공기 가이드(150)를 마련하고, 각 냉각유로를 통과한 공기가 공기 가이드에 의해 혼합되도록 하는 것에 의하여, 가습기로 공급되는 공기의 온도를 전체적으로 균일하게 형성할 수 있으므로, 공기의 가습 정도를 보다 정확하게 제어하는 것이 가능하다.

공기 가이드는 각 냉각유로(예를 들어, 제1냉각유로, 제2냉각유로)통과한 공기를 혼합할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.

일 예로, 공기 가이드는, 쿨러 본체에 마련되며 제1경사안내면이 형성된 제1가이드부재, 및 제1가이드부재를 마주하도록 쿨러 본체에 마련되며 제2경사안내면이 형성된 제2가이드부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 분야에 따르면, 연료전지 시스템은, 연료전지 스택; 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기; 및 가습기로 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하는 에어 쿨러;를 포함하되, 에어 쿨러는, 제1영역 및 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체; 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역에 마련되며, 공기를 냉각하는 제1냉각유로; 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재; 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역에 마련되며, 공기를 냉각하는 제2냉각유로; 및 쿨러 본체에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재와 개별적으로 제2냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재;를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조를 간소화하고 연료전지 스택의 워터 밸런스를 최적화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 에어 쿨러와 공기의 열교환 면적을 선택적으로 가변시켜 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 가습기로 공급되는 공기의 차압 증가를 최소화하고, 에너지 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 정확하게 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키고, 장치의 소형화에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 에어 쿨러의 외부에 별도의 바이패스 유로를 마련하지 않고도 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 연료전지 스택의 워터 밸런스를 조절하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 공기의 온도 조절 응답성을 높이고, 안정성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 에어 쿨러를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 냉각유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 밸브부재를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 공기의 유동 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 복원부를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템으로서, 공기 가이드를 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 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 에어 쿨러(100)는, 제1영역 및 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체(110), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제1냉각유로(120), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로(120)를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재(210), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제2냉각유로(130), 및 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재(210)와 개별적으로 제2냉각유로(130)를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재(220)를 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에 따른 에어 쿨러(100)는, 피대상체로 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하기 위해 사용될 수 있으며, 에어 쿨러(100)가 적용되는 피대상체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 에어 쿨러(100)가 차량, 선박, 항공 등과 같은 모빌리티(mobility)에 적용되는 연료전지 시스템(10)에 적용된 예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 연료전지 스택(20), 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기(30), 및 가습기(30)로 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하는 에어 쿨러(100);를 포함하되, 에어 쿨러(100)는, 제1영역 및 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체(110), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제1냉각유로(120), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로(120)를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재(210), 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역에 마련되며 공기를 냉각하는 제2냉각유로(130), 및 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재(210)와 개별적으로 제2냉각유로(130)를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재(220)를 포함한다.

참고로, 연료전지 스택(20)은, 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 일종의 발전 장치로서, 수십 또는 수백 개의 연료전지 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.

연료전지 셀은 연료(예를 들어, 수소)와 산화제(예를 들어, 공기)의 산화환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 연료전지 셀은, 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 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 연료전지 셀에서 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.

한편, 연료전지 스택(20)이 정상적으로 동작하기 위해서는, 막전극접합체의 전해질막이 일정 습도 이상으로 유지되는 것이 필요하다.

이를 위해, 공기공급라인(미도시)을 따라 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기는 가습기(30)를 경유할 수 있고, 공기공급라인을 따라 공급되는 공기는 가습기(30)를 통과하는 중에 가습될 수 있다. 여기서, 공기를 가습한다 함은 공기의 습도를 높이는 공정으로 정의된다.

일 예로, 가습기(30)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기(건조공기)를 가습하도록 구성될 수 있다.

가습기(30)는 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 공기(습윤공기)를 이용하여 건조공기를 가습할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가습기(30)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 가습기(30)는 공기압축기(40)와 연료전지 스택(20)의 사이에 마련되되, 가습기(30)에는 유입가스(건조 공기)가 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)가 마련될 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 응축수)는, 습윤공기 공급포트로 공급되어 가습기(30)의 내부에서 유입가스를 가습시킨 후 습윤공기 배출포트를 통해 외부로 배출될 수 있다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 에어 쿨러(100)는 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기를 선택적으로 냉각하도록 마련된다.

즉, 연료전지 스택(20)에 공급되는 공기는, 연료전지 스택(20)의 내부 유로를 통과할 수 있는 충분한 압력을 가질 수 있도록 공기압축기(40)에 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, 공기압축기(40)에 의해 압축된 공기는 연료전지 스택(20)으로 공급되기 전에 에어 쿨러(100)에 의해 냉각될 수 있다.

이와 더불어, 에어 쿨러(100)는 가습기(30)로 공급되는 공기의 냉각 정도(공기의 온도)를 조절함으로써, 가습기(30)를 통과하는 공기의 가습량(습도)을 조절할 수 있다.

이는, 가습기(30)에 의한 공기의 가습량(가습 정도)이 가습기(30)에 공급되는 공기의 온도에 기초하여 가변된다는 것에 기인한 것이다.

예를 들어, 가습기(30)에 공급되는 공기의 온도가 낮아질수록 가습기(30)를 통과하는 공기의 습도가 증가할 수 있고, 이와 반대로, 가습기(30)로 공급되는 공기의 온도가 높아질수록 가습기(30)를 통과하는 공기의 습도가 감소할 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 쿨러(100)를 가습기의 외부에 개별적으로 마련하는 것도 가능하다.

보다 구체적으로, 에어 쿨러(100)는, 쿨러 본체(110), 쿨러 본체(110)의 내부에 구획되는 복수개의 냉각유로, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 복수개의 냉각유로를 개별적으로 개폐하는 복수개의 밸브부제를 포함한다.

이하에서는, 에어 쿨러(100)가, 제1냉각유로(120), 제1냉각유로(120)를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재(210), 제2냉각유로(130), 제2냉각유로(130)를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재(220), 제3냉각유로(140), 및 제3냉각유로(140)를 선택적으로 개폐하는 제3밸브부재(230)를 포함하는 예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 에어 쿨러(100)가 2개의 냉각유로 및 2개의 밸브부재를 포함하거나, 4개 이상의 냉각유로 및 4개 이상의 밸브부재를 포함하는 것도 가능하다.

쿨러 본체(110)는 내부에 소정 공간을 갖는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 쿨러 본체(110)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 쿨러 본체(110)는 대략 사각 박스 형태로 형성될 수 있다.

쿨러 본체(110)의 일측(도 2를 기준으로 우측단)에는 공기가 유입되는 유입포트(112)가 마련될 수 있고, 쿨러 본체(110)의 내부 공간은 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역으로 구획될 수 있다.

여기서, 쿨러 본체(110)의 내부 공간이 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역으로 구획된다 함은, 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역이 공간적으로 분리되어 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역 간의 상호 공기 유동이 차단되는 것으로 정의된다. 일 예로, 제1영역(Z1)과 제2영역(Z2)은 배관부재 또는 격벽(미도시)에 의해 구획될 수 있고, 제2영역(Z2)과 제3영역은 배관부재 또는 격벽(미도시)에 의해 구획될 수 있다.

쿨러 본체(110)의 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 위치 및 사이즈로 정의될 수 있으며, 제1영역(Z1), 제2영역(Z2) 및 제3영역의 위치 및 사이즈에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1영역(Z1)은 유입포트(112)에 가장 인접한 영역(예를 들어, 쿨러 본체의 대략 중앙부 영역)에 정의될 수 있고, 제1영역(Z1)의 상부 공간 및 하부 공간은 제2영역(Z2)으로 정의될 수 있으며, 제2영역(Z2)의 상부 공간 및 하부 공간은 제3영역으로 정의될 수 있다. 이때, 제1영역은 제2영역 및 제3영역보다 작은 사이즈(예를 들어, 체적)로 정의될 수 있다.

제1냉각유로(120)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제1영역(Z1)에 마련되며, 제1영역(Z1)을 통과하는 공기를 냉각한다.

제1냉각유로(120)는 공기를 냉각 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제1냉각유로(120)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 에어 쿨러(100)는, 제1영역(Z1)에 마련되며 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제1-1배관부재(122), 및 제1-1배관부재(122)와 이격(예를 들어, 상부 또는 하부에 이격)되게 제1영역(Z1)에 마련되며 냉각수가 순환하는 제1-2배관부재(124)를 포함할 수 있고, 제1냉각유로(120)는 제1-1배관부재(122) 및 제1-2배관부재(124)의 사이에 정의될 수 있다.

예를 들어, 제1-1배관부재(122)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제1-1배관부재(122)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제1냉각수유로(122a)가 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제1-2배관부재(124)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제1-2배관부재(124)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제2냉각수유로(124a)가 형성될 수 있다. 제1냉각유로(120)는 제1-1배관부재(122)의 외면과 제1-2배관부재(124)의 외면의 사이에 정의될 수 있다.

제1-1배관부재(122)와 제1-2배관부재(124)는 상하 방향(도 4 기준)을 따라 반복적으로 배치될 수 있으며, 제1-1배관부재(122)와 제1-2배관부재(124)의 일단은 냉각수(도 3의 CW 참조)가 유입되는 입구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있고, 제1-1배관부재(122)와 제1-2배관부재(124)의 다른 일단은 냉각수(CW)가 배출되는 출구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있다. 일 예로, 복수개의 제1-1배관부재(122)와 제1-2배관부재(124)는 상호 협조적으로 대략 'U'자 형태의 연속적인 냉각수유로를 형성할 수 있다.

참고로, 쿨러 본체(110)의 내부(예를 들어, 제1영역)를 경유하는 냉각수는, 차량의 전원을 에너지원으로 사용하는 전장부품(power electronic parts)을 경유하도록 구성될 수 있다.

제1냉각유로(120)는 서로 인접한 배관부재(예를 들어, 제1-1배관부재와 제1-2배관부재)의 사이에 각각 정의될 수 있고, 냉각유로의 개수 및 높이(도 4를 기준으로 상하 방향을 따른 높이)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서는, 제1냉각유로(120)가 직선 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1냉각유로(120)를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

제2냉각유로(130)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제2영역(Z2)에 마련되며, 제2영역(Z2)을 통과하는 공기를 냉각한다.

제2냉각유로(130)는 공기를 냉각 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제2냉각유로(130)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 에어 쿨러(100)는, 제2영역(Z2)에 마련되며 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제2-1배관부재(132), 및 제2-1배관부재(132)와 이격(예를 들어, 상부 또는 하부에 이격)되게 제2영역(Z2)에 마련되며 냉각수가 순환하는 제2-2배관부재(134)를 포함할 수 있고, 제2냉각유로(130)는 제2-1배관부재(132) 및 제2-2배관부재(134)의 사이에 정의될 수 있다.

예를 들어, 제2-1배관부재(132)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제2-1배관부재(132)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제2냉각수유로(미도시)가 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제2-2배관부재(134)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제2-2배관부재(134)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제2냉각수유로(미도시)가 형성될 수 있다. 제2냉각유로(130)는 제2-1배관부재(132)의 외면과 제2-2배관부재(134)의 외면의 사이에 정의될 수 있다.

제2-1배관부재(132)와 제2-2배관부재(134)는 상하 방향(도 4 기준)을 따라 반복적으로 배치될 수 있으며, 제2-1배관부재(132)와 제2-2배관부재(134)의 일단은 냉각수(도 3의 CW 참조)가 유입되는 입구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있고, 제2-1배관부재(132)와 제2-2배관부재(134)의 다른 일단은 냉각수(CW)가 배출되는 출구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있다. 일 예로, 복수개의 제2-1배관부재(132)와 제2-2배관부재(134)는 상호 협조적으로 대략 'U'자 형태의 연속적인 냉각수유로를 형성할 수 있다.

제2냉각유로(130)는 서로 인접한 배관부재(예를 들어, 제2-1배관부재와 제2-2배관부재)의 사이에 각각 정의될 수 있고, 냉각유로의 개수 및 높이(도 4를 기준으로 상하 방향을 따른 높이)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서는, 제2냉각유로(130)가 직선 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2냉각유로(130)를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

제3냉각유로(140)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기가 통과 가능하게 제3영역(Z3)에 마련되며, 제3영역(Z3)을 통과하는 공기를 냉각한다.

제3냉각유로(140)는 공기를 냉각 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 제3냉각유로(140)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 에어 쿨러(100)는, 제3영역(Z3)에 마련되며 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제3-1배관부재(142), 및 제3-1배관부재(142)와 이격(예를 들어, 상부 또는 하부에 이격)되게 제3영역(Z3)에 마련되며 냉각수가 순환하는 제3-2배관부재(144)를 포함할 수 있고, 제3냉각유로(140)는 제3-1배관부재(142) 및 제3-2배관부재(144)의 사이에 정의될 수 있다.

예를 들어, 제3-1배관부재(142)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제3-1배관부재(142)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제3냉각수유로(미도시)가 형성될 수 있다. 마찬가지로, 제3-2배관부재(144)는 직선 형태의 납작한 튜브로 형성될 수 있고, 제3-2배관부재(144)의 내부를 따라서는 냉각수(예를 들어, 물)가 순환하는 제3냉각수유로(미도시)가 형성될 수 있다. 제3냉각유로(140)는 제3-1배관부재(142)의 외면과 제3-2배관부재(144)의 외면의 사이에 정의될 수 있다.

제3-1배관부재(142)와 제3-2배관부재(144)는 상하 방향(도 4 기준)을 따라 반복적으로 배치될 수 있으며, 제3-1배관부재(142)와 제3-2배관부재(144)의 일단은 냉각수(도 3의 CW 참조)가 유입되는 입구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있고, 제3-1배관부재(142)와 제3-2배관부재(144)의 다른 일단은 냉각수(CW)가 배출되는 출구 매니폴드(미도시)에 연통될 수 있다. 일 예로, 복수개의 제3-1배관부재(142)와 제3-2배관부재(144)는 상호 협조적으로 대략 'U'자 형태의 연속적인 냉각수유로를 형성할 수 있다.

제3냉각유로(140)는 서로 인접한 배관부재(예를 들어, 제3-1배관부재와 제3-2배관부재)의 사이에 각각 정의될 수 있고, 냉각유로의 개수 및 높이(도 4를 기준으로 상하 방향을 따른 높이)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

참고로, 본 발명의 실시예에서는, 제3냉각유로(140)가 직선 형태로 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제3냉각유로(140)를 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 쿨러 본체(110)에 유입된 공기와 열교환 가능하게 제1냉각유로(120)에 제공되는 제1열교환핀(126), 쿨러 본체(110)에 유입된 공기와 열교환 가능하게 제2냉각유로(130)에 제공되는 제2열교환핀(136), 및 쿨러 본체(110)에 유입된 공기와 열교환 가능하게 제3냉각유로(140)에 제공되는 제3열교환핀(146)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1열교환핀(126)은, 제1냉각유로(120)를 통과하는 공기와 상호 열교환 가능하게 제1-1배관부재(122) 및 제1-2배관부재(124)의 외면에 마련될 수 있다.

같은 방식으로, 제2열교환핀(136)은, 제2냉각유로(130)를 통과하는 공기와 상호 열교환 가능하게 제2-1배관부재(132) 및 제2-2배관부재(134)의 외면에 마련될 수 있고, 제3열교환핀(146)은, 제3냉각유로(140)를 통과하는 공기와 상호 열교환 가능하게 제3-1배관부재(142) 및 제3-2배관부재(144)의 외면에 마련될 수 있다.

제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)은 각 냉각유로(제1냉각유로, 제2냉각유로, 제3냉각유로)를 통과하는 공기에 노출 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)은 대략 직선 판 형태로 형성될 수 있고, 대응하는 배관부재(제1-1배관부재, 제1-2배관부재, 제2-1배관부재, 제2-2배관부재, 제3-1배관부재, 제3-2배관부재)의 외면을 따라 이격되게 복수개가 마련될 수 있다.

이와 같이, 각 배관부재의 외면에 제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)을 마련하는 것에 의하여, 각 배관부재를 따라 순환하는 냉각수와 냉각유로를 통과하는 공기와의 열교환 효율(공기의 냉각 효과)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)으로서, 사각형 단면 형태를 갖는 열교환부재(예를 들어, rectangular fin), 삼각형 단면 형태를 갖는 열교환부재(예를 들어, triangular fin), 물결 모양으로 절곡된 형태를 갖는 열교환부재(예를 들어, wavy fin)를 사용하는 것도 가능하다. 다르게는, 제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)으로서, 스트립 형태를 갖는 열교환부재(예를 들어, offset strip fin), 복수개의 구멍이 형성된 열교환부재(예를 들어, perforated fin), 복수개의 창살이 형성된 열교환부재(예를 들어, louvered fin)를 사용하는 것도 가능하다.

제1열교환핀(126), 제2열교환핀(136) 및 제3열교환핀(146)의 단위 면적당 핀밀도는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

일 예로, 제1열교환핀(126)은 제2열교환핀(136)(또는 제3열교환핀)과 서로 다른 단위 면적당 핀밀도를 갖도록 제공될 수 있다.

바람직하게, 제1열교환핀(126)은 제2열교환핀(136)(또는 제3열교환핀)보다 낮은 단위 면적당 핀밀도를 갖도록 제공될 수 있다.

여기서, 제1열교환핀(126)이 제2열교환핀(136)(또는 제3열교환핀)보다 낮은 단위 면적당 핀밀도를 갖는다 함은, 단위 면적당 제1열교환핀(126)의 개수가 단위 면적당 제2열교환핀(136)(또는 제3열교환핀)의 개수보다 작은 것으로 이해될 수 있다.

이와 같이, 제1열교환핀(126)이 제2열교환핀(136)(또는 제3열교환핀)보다 낮은 단위 면적당 핀밀도를 갖도록 하는 것에 의하여, 제1냉각유로(120)를 통과하는 공기의 냉각 효과(열교환 성능)는 낮출 수 있고, 제2냉각유로(130)(또는 제3냉각유로)를 통과하는 공기의 냉각 효과를 높일 수 있다.

도 4 내지 도 9를 참조하면, 제1밸브부재(210)는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로(120)를 선택적으로 개폐하도록 마련된다.

제1밸브부재(210)가 제1냉각유로(120)를 선택적으로 개폐한다 함은, 제1냉각유로(120)를 통과하는 공기의 흐름을 단속(on/off)하거나, 제1냉각유로(120)를 통과하는 공기의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.

예를 들어, 제1냉각유로(120)를 통과하는 공기의 유량 조절은, 제1냉각유로(120)의 입구 단면적(제1냉각유로의 공기 통과 면적)을 가변함으로써 행해질 수 있다.

제1밸브부재(210)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로(120)를 개폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1밸브부재(210)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

여기서, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1냉각유로(120)를 개폐한다 함은, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량 변화(예를 들어, 유량 증가 또는 유량 감소)에 대응하여 제1밸브부재(210)가 제1냉각유로(120)를 개폐하는 것으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제1밸브부재(210)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기에 의한 가압력(도 5의 P 참조)에 의해 작동하며 제1냉각유로(120)를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량(first flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재(210)는 제1냉각유로(120)를 개방할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1밸브부재(210)는, 제1냉각유로(120)의 입구에 인접하게 마련되는 제2밸브샤프트(222), 및 제2밸브샤프트(222)에 연결되며 제1냉각유로(120)를 차단하는 제1차단위치에서 제1냉각유로(120)를 개방하는 제1개방위치로 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제2밸브디스크(224)를 포함할 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224)의 제1접촉면(214a)(유입포트를 따라 유입된 공기가 접촉하는 면)에는 일정 이상의 가압력(풍압)이 인가됨에 따라, 제2밸브디스크(224)는 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 회전(예를 들어, 시계 방향으로 회전)하며 제1냉각유로(120)를 개방하는 제1개방위치로 이동할 수 있다.

반면, 제2밸브디스크(224)의 제1접촉면(214a)에 인가되는 가압력(공기에 의한 가압력)이 해제되면, 제2밸브디스크(224)는 자중에 의해 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 반대 방향으로 회전(예를 들어, 반시계 방향으로 회전)하며 다시 제1냉각유로(120)를 차단하는 제1차단위치로 복귀(이동)할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1밸브부재(210)를 구동시키기 위한 별도의 구동원 및 동력전달부재를 마련하지 않고도, 제2밸브디스크(224)의 제1접촉면(214a)에 일정 이상의 가압력(예를 들어, 제1가압력)이 작용하면, 제2밸브디스크(224)가 회전하며 제1냉각유로(120)가 개방되도록 하는 것에 의하여, 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감할 수 있으며, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제1밸브부재(210)를 능동적으로 작동(제1냉각유로를 개폐)시키는 것이 가능하다.

제2밸브디스크(224)는 공기와 접촉 가능한 제1접촉면(214a)을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2밸브디스크(224)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.

일 예로, 제2밸브디스크(224)는 대략 삼각형 단면 형태를 갖도록 제공될 수 있고, 제2밸브디스크(224)의 일면에는 대략 직선 형태의 제1접촉면(214a)이 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1접촉면(214a)을 곡선 형태로 형성하거나, 직선 형태와 곡선 형태를 조합한 구조로 구현하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브디스크(224)의 단부(도 4를 기준으로 하단부)에는 제2밸브디스크(224)의 회전 반경을 따라 제1원호부(214b)가 마련될 수 있고, 제1원호부(214b)를 포함하는 제2밸브디스크(224)는 대략 부채꼴 형태를 이루도록 제공될 수 있다.

도 4 내지 도 9를 참조하면, 제2밸브부재(220)는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제2냉각유로(130)를 선택적으로 개폐하도록 마련된다.

제2밸브부재(220)가 제2냉각유로(130)를 선택적으로 개폐한다 함은, 제2냉각유로(130)를 통과하는 공기의 흐름을 단속(on/off)하거나, 제2냉각유로(130)를 통과하는 공기의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.

예를 들어, 제2냉각유로(130)를 통과하는 공기의 유량 조절은, 제2냉각유로(130)의 입구 단면적(제2냉각유로의 공기 통과 면적)을 가변함으로써 행해질 수 있다.

제2밸브부재(220)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제2냉각유로(130)를 개폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2밸브부재(220)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

여기서, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제2냉각유로(130)를 개폐한다 함은, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량 변화(예를 들어, 유량 증가 또는 유량 감소)에 대응하여 제2밸브부재(220)가 제2냉각유로(130)를 개폐하는 것으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제2밸브부재(220)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기에 의한 가압력에 의해 작동하며 제2냉각유로(130)를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량보다 높은 제2유량(second flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재(210)가 제1냉각유로(120)를 개방함과 동시에 제2밸브부재(220)는 제2냉각유로(130)를 개방할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브부재(220)는, 제2냉각유로(130)의 입구에 인접하게 마련되는 제2밸브샤프트(222), 및 제2밸브디스크(224)와 다른 중량을 갖도록 마련되어 제2밸브샤프트(222)에 연결되며 제2냉각유로(130)를 차단하는 제2차단위치에서 제2냉각유로(130)를 개방하는 제2개방위치로 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제2밸브디스크(224)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제2밸브디스크(224)는 제1중량을 갖도록 제공될 수 있고, 제2밸브디스크(224)는 제1중량보다 무거운 제2중량을 갖도록 제공될 수 있다.

제2밸브디스크(224)는 제1중량보다 무거운 제2중량을 가지므로, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224)만이 제1냉각유로(120)를 개방하는 제1개방위치로 이동할 수 있고, 제2밸브디스크(224)는 제2냉각유로(130)를 차단하는 상태(제2차단위치에 배치된 상태)를 유지할 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량보다 높은 제2유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224)의 제2접촉면(224a)(유입포트를 따라 유입된 공기가 접촉하는 면)에는 일정 이상의 가압력(풍압)이 인가됨에 따라, 제2밸브디스크(224)는 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 회전(예를 들어, 시계 방향으로 회전)하며 제2냉각유로(130)를 개방하는 제2개방위치로 이동할 수 있다.

반면, 제2밸브디스크(224)의 제2접촉면(224a)에 인가되는 가압력(공기에 의한 가압력)이 해제되면, 제2밸브디스크(224)는 자중에 의해 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 반대 방향으로 회전(예를 들어, 반시계 방향으로 회전)하며 다시 제2냉각유로(130)를 차단하는 제2차단위치로 복귀(이동)할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제2밸브부재(220)를 구동시키기 위한 별도의 구동원 및 동력전달부재를 마련하지 않고도, 제2밸브디스크(224)의 제2접촉면(224a)에 일정 이상의 가압력(예를 들어, 제2가압력)이 작용하면, 제2밸브디스크(224)가 회전하며 제2냉각유로(130)가 개방되도록 하는 것에 의하여, 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감할 수 있으며, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제2밸브부재(220)를 능동적으로 작동(제2냉각유로를 개폐)시키는 것이 가능하다.

제2밸브디스크(224)는 공기와 접촉 가능한 제2접촉면(224a)을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2밸브디스크(224)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.

일 예로, 제2밸브디스크(224)는 대략 삼각형 단면 형태를 갖도록 제공될 수 있고, 제2밸브디스크(224)의 일면에는 대략 직선 형태의 제2접촉면(224a)이 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2접촉면(224a)을 곡선 형태로 형성하거나, 직선 형태와 곡선 형태를 조합한 구조로 구현하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2밸브디스크(224)의 단부(도 4를 기준으로 하단부)에는 제2밸브디스크(224)의 회전 반경을 따라 제2원호부(224b)가 마련될 수 있고, 제2원호부(224b)를 포함하는 제2밸브디스크(224)는 대략 부채꼴 형태를 이루도록 제공될 수 있다.

도 4 내지 도 9를 참조하면, 제3밸브부재(230)는 연료전지 스택의 운전 모드에 따라 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제3냉각유로(140)를 선택적으로 개폐하도록 마련된다.

제3밸브부재(230)가 제3냉각유로(140)를 선택적으로 개폐한다 함은, 제3냉각유로(140)를 통과하는 공기의 흐름을 단속(on/off)하거나, 제3냉각유로(140)를 통과하는 공기의 유량을 조절하는 것을 모두 포함하는 것으로 정의된다.

예를 들어, 제3냉각유로(140)를 통과하는 공기의 유량 조절은, 제3냉각유로(140)의 입구 단면적(제3냉각유로의 공기 통과 면적)을 가변함으로써 행해질 수 있다.

제3밸브부재(230)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제3냉각유로(140)를 개폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제3밸브부재(230)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

여기서, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제3냉각유로(140)를 개폐한다 함은, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량 변화(예를 들어, 유량 증가 또는 유량 감소)에 대응하여 제3밸브부재(230)가 제3냉각유로(140)를 개폐하는 것으로 정의될 수 있다.

일 예로, 제3밸브부재(230)는 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기에 의한 가압력에 의해 작동하며 제3냉각유로(140)를 개폐할 수 있다. 예를 들어, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량보다 높은 제3유량(third flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재(210) 및 제2밸브부재(220)가 제1냉각유로(120) 및 제2냉각유로(130)를 개방함과 동시에 제3밸브부재(230)는 제3냉각유로(140)를 개방할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3밸브부재(230)는, 제3냉각유로(140)의 입구에 인접하게 마련되는 제3밸브샤프트(232), 및 제2밸브디스크(224)와 다른 중량을 갖도록 마련되어 제3밸브샤프트(232)에 연결되며 제3냉각유로(140)를 차단하는 제3차단위치에서 제3냉각유로(140)를 개방하는 제3개방위치로 제3밸브샤프트(232)를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제3밸브디스크(234)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 제2밸브디스크(224)는 제2중량을 갖도록 제공될 수 있고, 제3밸브디스크(234)는 제2중량보다 무거운 제3중량을 갖도록 제공될 수 있다.

제3밸브디스크(234)는 제2중량보다 무거운 제3중량을 가지므로, 쿨러 본체(110)에 공기가 제2유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224)와 제2밸브디스크(224)만이 제1냉각유로(120) 및 제2냉각유로(130)를 개방하도록 이동할 수 있고, 제3밸브디스크(234)는 제3냉각유로(140)를 차단하는 상태(제3차단위치에 배치된 상태)를 유지할 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제2유량보다 높은 제3유량으로 유입되면, 제3밸브디스크(234)의 제3접촉면(234a)(유입포트를 따라 유입된 공기가 접촉하는 면)에는 일정 이상의 가압력(풍압)이 인가됨에 따라, 제3밸브디스크(234)는 제3밸브샤프트(232)를 중심으로 회전(예를 들어, 시계 방향으로 회전)하며 제3냉각유로(140)를 개방하는 제3개방위치로 이동할 수 있다.

반면, 제3밸브디스크(234)의 제3접촉면(234a)에 인가되는 가압력(공기에 의한 가압력)이 해제되면, 제3밸브디스크(234)는 자중에 의해 제3밸브샤프트(232)를 중심으로 반대 방향으로 회전(예를 들어, 반시계 방향으로 회전)하며 다시 제3냉각유로(140)를 차단하는 제3차단위치로 복귀(이동)할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제3밸브부재(230)를 구동시키기 위한 별도의 구동원 및 동력전달부재를 마련하지 않고도, 제3밸브디스크(234)의 제3접촉면(234a)에 일정 이상의 가압력(예를 들어, 제3가압력)이 작용하면, 제3밸브디스크(234)가 회전하며 제3냉각유로(140)가 개방되도록 하는 것에 의하여, 구조 및 작동 구조를 간소화하고, 원가를 절감할 수 있으며, 쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량에 대응하여 제3밸브부재(230)를 능동적으로 작동(제3냉각유로를 개폐)시키는 것이 가능하다.

제3밸브디스크(234)는 공기와 접촉 가능한 제3접촉면(234a)을 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제3밸브디스크(234)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것을 아니다.

일 예로, 제3밸브디스크(234)는 대략 삼각형 단면 형태를 갖도록 제공될 수 있고, 제3밸브디스크(234)의 일면에는 대략 직선 형태의 제3접촉면(234a)이 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제3접촉면(234a)을 곡선 형태로 형성하거나, 직선 형태와 곡선 형태를 조합한 구조로 구현하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제3밸브디스크(234)의 단부(도 4를 기준으로 하단부)에는 제3밸브디스크(234)의 회전 반경을 따라 제3원호부(234b)가 마련될 수 있고, 제3원호부(234b)를 포함하는 제3밸브디스크(234)는 대략 부채꼴 형태를 이루도록 제공될 수 있다.

바람직하게, 제2원호부(224b)는 제2밸브디스크(224)의 회전 반경을 따라 제2밸브디스크(224)의 제1원호부(214b)보다 긴 길이를 갖도록 제공될 수 있다.

이와 같이, 제2밸브디스크(224)의 제2원호부(224b)의 길이를 제2밸브디스크(224)의 제1원호부(214b)보다 길게 형성하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량으로 유입될 시, 제2밸브디스크(224)에 작용하는 가압력(예를 들어, 제1가압력)에 의해 제2밸브디스크(224)가 소정 구간 회전하더라도(도 6 참조), 제2밸브디스크(224)에 의한 제2냉각유로(130)의 차단 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같은 방식으로, 제3원호부(234b)는 제3밸브디스크(234)의 회전 반경을 따라 제2밸브디스크(224)의 제2원호부(224b)보다 긴 길이를 갖도록 제공될 수 있다.

이와 같이, 제3밸브디스크(234)의 제3원호부(234b)의 길이를 제2밸브디스크(224)의 제2원호부(224b)보다 길게 형성하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에 공기가 제2유량으로 유입될 시, 제3밸브디스크(234)에 작용하는 가압력(예를 들어, 제2가압력)에 의해 제3밸브디스크(234)가 소정 구간 회전하더라도, 제3밸브디스크(234)에 의한 제3냉각유로(140)의 차단 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 연료전지 스택의 운전 모드(쿨러 본체(110)에 유입되는 공기의 유량)에 대응하여 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)를 선택적으로 개폐하는 것에 의하여, 가습기(30)로 공급되는 공기의 냉각 정도(공기의 온도)를 조절함으로써, 연료전지 스택(20)의 운전 모드에 따라 연료전지 스택(20)의 워터 밸런스를 정확하게 조절할 수 있다.

일 예로, 연료전지 스택(20)의 저출력 운전 모드에서는, 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 수분(물의 양)보다 연료전지 스택(20)에 공급되는 수분(물의 양)이 많아지게 되므로, 연료전지 스택(20)의 내부에 플러딩(flooding) 현상이 발생할 수 있다.

도 7을 참조하면, 연료전지 스택(20)의 제1운전조건(예를 들어, 저출력 운전 모드)에서는, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량으로 유입될 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224), 제2밸브디스크(224) 및 제3밸브디스크(234) 중에서 가장 작은 중량(제1중량)을 갖는 제2밸브디스크(224)가 제2밸브샤프트(222)를 중심으로 회전하며 제1냉각유로(120)를 개방되지만, 제2밸브디스크(224) 및 제3밸브디스크(234)는 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)를 차단하는 상태를 유지할 수 있다.

이와 같이, 연료전지 스택(20)의 저출력 운전 모드에서는, 제1냉각유로(120)만을 단독적으로 개방하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에 유입된 공기(AG)는 제1냉각유로(120)를 통해서만 유동될 수 있고, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1)는 비교적 높은 온도 상태를 유지할 수 있다.

따라서, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1)는 높은 온도 상태를 유지하게 되므로, 가습기(30)를 경유한 공기의 습도가 감소할 수 있고, 최종적으로 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기의 수분을 낮게 유지할 수 있다.

반면, 연료전지 스택(20)의 중출력 운전 모드 또는 고출력 운전 모드에서는, 연료전지 스택(20)에 공급되는 수분(물의 양)보다 연료전지 스택(20)으로부터 배출되는 수분(물의 양)이 많아지게 되므로, 연료전지 스택(20)의 내부에 건조(drying) 현상이 발생할 수 있다.

도 8을 참조하면, 연료전지 스택(20)의 제2운전조건(예를 들어, 중출력 운전 모드)에서는, 쿨러 본체(110)에 공기가 제1유량보다 큰 제2유량으로 유입될 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제2유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224)와 제2밸브디스크(224)가 회전하며 제1냉각유로(120) 및 제2냉각유로(130)가 개방되지만, 제3밸브디스크(234)는 제3냉각유로(140)를 차단하는 상태를 유지할 수 있다.

이와 같이, 연료전지 스택(20)의 중출력 운전 모드에서는, 제1냉각유로(120)와 제2냉각유로(130)가 함께 개방되도록 하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에 유입된 공기(AG)는 제1냉각유로(120) 및 제2냉각유로(130)를 따라 유동되며 냉각될 수 있으므로, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1,AG2)는 비교적 낮은 온도 상태를 유지할 수 있다.

따라서, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1, AG2)는 비교적 낮은 온도 상태(냉각된 상태)를 유지할 수 있으므로, 가습기(30)를 경유한 공기의 습도가 증가할 수 있고, 최종적으로 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기의 수분을 높게 유지할 수 있다.

도 9를 참조하면, 연료전지 스택(20)의 제3운전조건(예를 들어, 고출력 운전 모드)에서는, 쿨러 본체(110)에 공기가 제2유량보다 큰 제3유량으로 유입될 수 있다.

쿨러 본체(110)에 공기가 제3유량으로 유입되면, 제2밸브디스크(224), 제2밸브디스크(224) 및 제3밸브디스크(234)가 모두 회전함으로써, 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)가 모두 개방될 수 있다.

이와 같이, 연료전지 스택(20)의 고출력 운전 모드에서는, 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)가 모두 개방되도록 하는 것에 의하여, 쿨러 본체(110)에 유입된 공기(AG)는 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)를 따라 유동되며 냉각될 수 있으므로, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1,AG2,AG3)는 보다 낮은 온도 상태를 유지할 수 있다.

따라서, 에어 쿨러(100)를 거쳐 가습기(30)로 공급되는 공기(AG1,AG2,AG3)는 보다 낮은 온도 상태(보다 냉각된 상태)를 유지할 수 있으므로, 가습기(30)를 경유한 공기의 습도가 보다 증가할 수 있고, 최종적으로 연료전지 스택(20)으로 공급되는 공기의 수분을 더욱 높게 유지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제2밸브디스크(224)가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제1복원부(310)를 포함할 수 있다.

제1복원부(310)는 제2밸브디스크(224)가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 복원력을 제공할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1복원부(310)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 도 10을 참조하면, 제1복원부(310)는, 제2밸브디스크(224)가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제1스프링부재(312)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1스프링부재(312)의 일단은 제2밸브디스크(224)에 연결되고, 제1스프링부재(312)의 다른 일단은 쿨러 본체(110)(예를 들어, 쿨러 본체에 지지되는 제2밸브샤프트)에 연결될 수 있으며, 제2밸브디스크(224)가 제1차단위치에 배치된 상태는 제1스프링부재(312)의 탄성력에 의해 탄성적으로 지지될 수 있다.

다른 일 예로, 도 11을 참조하면, 제1복원부(310)는, 제2밸브디스크(224)가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제1자성체(314)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제1자성체(314)는 스틸 소재로 이루어진 제2밸브디스크(224)와 상호 인력(attractive force)을 형성할 수 있는 소재(예를 들어, 영구자석 또는 전자석)로 형성되어, 제2밸브디스크(224)에 인접하게 쿨러 본체(110)의 내부(예를 들어, 제2밸브샤프트)에 마련될 수 있다.

바람직하게, 제1복원부(310)는 공기에 의해 제2밸브디스크(224)에 인가되는 제1가압력(P1)보다 작은 제1복원력(RF1)을 제2밸브디스크(224)에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1복원부(310)에 의한 복원력(탄성력 또는 자기력)에 의해 제2밸브디스크(224)가 제1개방위치에서 제1차단위치로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제2밸브디스크(224)의 비정상적인 회전(제1냉각유로(120)의 비정상적인 개폐)을 최소화하고, 제1냉각유로(120)의 개폐 정밀도를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제2밸브디스크(224)가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제2복원부(320)를 포함할 수 있다.

제2복원부(320)는 제2밸브디스크(224)가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 복원력을 제공할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2복원부(320)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 도 10을 참조하면, 제2복원부(320)는, 제2밸브디스크(224)가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제2스프링부재(322)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제2스프링부재(322)의 일단은 제2밸브디스크(224)에 연결되고, 제2스프링부재(322)의 다른 일단은 쿨러 본체(110)(예를 들어, 쿨러 본체에 지지되는 제2밸브샤프트)에 연결될 수 있으며, 제2밸브디스크(224)가 제2차단위치에 배치된 상태는 제2스프링부재(322)의 탄성력에 의해 탄성적으로 지지될 수 있다.

다른 일 예로, 도 11을 참조하면, 제2복원부(320)는, 제2밸브디스크(224)가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제2자성체(324)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 제2자성체(324)는 스틸 소재로 이루어진 제2밸브디스크(224)와 상호 인력(attractive force)을 형성할 수 있는 소재(예를 들어, 영구자석 또는 전자석)로 형성되어, 제2밸브디스크(224)에 인접하게 쿨러 본체(110)의 내부(예를 들어, 제2밸브샤프트)에 마련될 수 있다.

바람직하게, 제2복원부(320)는 공기에 의해 제2밸브디스크(224)에 인가되는 제2가압력(P2)보다 작은 제2복원력(RF2)을 제2밸브디스크(224)에 인가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제2복원부(320)에 의한 복원력(탄성력 또는 자기력)에 의해 제2밸브디스크(224)가 제2개방위치에서 제2차단위치로 이동하도록 하는 것에 의하여, 제2밸브디스크(224)의 비정상적인 회전(제2냉각유로(130)의 비정상적인 개폐)을 최소화하고, 제2냉각유로(130)의 개폐 정밀도를 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제3밸브디스크(234)가 제3개방위치에서 제3차단위치로 이동하도록 복원력(예를 들어, 탄성력 또는 자기력)을 제공하는 제3복원부(미도시)를 포함할 수 있고, 제3복원부로서는 스프링부재 또는 자성체가 사용될 수 있다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연료전지 시스템(10)은, 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)의 하류(down-stream)에 위치하도록 쿨러 본체(110)에 마련되며, 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)를 통과한 공기를 혼합하는 공기 가이드(150)를 포함할 수 있다.

이와 같이, 제1냉각유로(120), 제2냉각유로(130) 및 제3냉각유로(140)의 하류에 공기 가이드(150)를 마련하고, 각 냉각유로(예를 들어, 제1냉각유로, 제2냉각유로 및 제3냉각유로)통과한 공기(예를 들어, AG1,AG2,AG3)가 공기 가이드(150)에 의해 혼합되도록 하는 것에 의하여, 가습기(30)로 공급되는 공기(예를 들어, AG1,AG2,AG3)의 온도를 전체적으로 균일하게 형성할 수 있으므로, 공기의 가습 정도를 보다 정확하게 제어하는 것이 가능하다.

공기 가이드(150)는 각 냉각유로(예를 들어, 제1냉각유로, 제2냉각유로 및 제3냉각유로)통과한 공기(예를 들어, AG1,AG2,AG3)를 혼합할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 공기 가이드(150)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 공기 가이드(150)는, 쿨러 본체(110)에 마련되며 제1경사안내면(152a)이 형성된 제1가이드부재(152), 및 제1가이드부재(152)를 마주하도록 쿨러 본체(110)에 마련되며 제2경사안내면(154a)이 형성된 제2가이드부재(154)를 포함할 수 있다.

제1가이드부재(152)와 제2가이드부재(154)는 상호 협조적으로 일단(입구)에서 타단(출구)으로 갈수록 점진적으로 축소된 단면적을 갖는 출구 포트를 형성할 수 있으며, 각 냉각유로(예를 들어, 제1냉각유로, 제2냉각유로 및 제3냉각유로)통과한 공기(AG1,AG2,AG3)는 제1가이드부재(152)와 제2가이드부재(154)를 따라 이동하면서 균일하게 혼합될 수 있다.

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 : 공기압축기
100 : 에어 쿨러
110 : 쿨러 본체
112 : 유입포트
120 : 제1냉각유로
122 : 제1-1배관부재
124 : 제1-2배관부재
126 : 제1열교환핀
130 : 제2냉각유로
132 : 제2-1배관부재
134 : 제2-2배관부재
136 : 제2열교환핀
140 : 제3냉각유로
142 : 제3-1배관부재
144 : 제3-2배관부재
146 : 제3열교환핀
150 : 공기가이드
152 : 제1가이드부재
152a : 제1경사안내면
154 : 제2가이드부재
154a : 제2경사안내면
210 : 제1밸브부재
212 : 제1밸브샤프트
214 : 제1밸브디스크
214a : 제1접촉면
214b : 제1원호부
220 : 제2밸브부재
222 : 제2밸브샤프트
224 : 제2밸브디스크
224a : 제2접촉면
224b : 제2원호부
230 : 제3밸브부재
232 : 제3밸브샤프트
234 : 제3밸브디스크
234a : 제3접촉면
234b : 제3원호부
310 : 제1복원부
312 : 제1스프링부재
314 : 제1자성체
320 : 제2복원부
322 : 제2스프링부재
324 : 제2자성체

Claims (20)

1. 제1영역 및 상기 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체;
   상기 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 상기 제1영역에 마련되며, 상기 공기를 냉각하는 제1냉각유로;
   상기 쿨러 본체에 유입되는 상기 공기의 유량에 대응하여 상기 제1냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재;
   상기 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 상기 제2영역에 마련되며, 상기 공기를 냉각하는 제2냉각유로; 및
   상기 쿨러 본체에 유입되는 상기 공기의 유량에 대응하여 상기 제1밸브부재와 개별적으로 상기 제2냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재;
   를 포함하는 에어 쿨러.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 쿨러 본체에 상기 공기가 제1유량(first flow rate)으로 유입되면, 상기 제1밸브부재는 상기 제1냉각유로를 단독적으로 개방하고,
   상기 쿨러 본체에 상기 공기가 상기 제1유량보다 높은 제2유량(second flow rate)으로 유입되면, 제1밸브부재가 상기 제1냉각유로를 개방함과 동시에 상기 제2밸브부재는 상기 제2냉각유로를 개방하는 에어 쿨러.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1밸브부재는,
   상기 제1냉각유로의 입구에 인접하게 마련되는 제1밸브샤프트; 및
   상기 제1밸브샤프트에 연결되며, 상기 제1냉각유로를 차단하는 제1차단위치에서 상기 제1냉각유로를 개방하는 제1개방위치로 상기 제1밸브샤프트를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제1밸브디스크;를 포함하고,
   상기 제2밸브부재는,
   상기 제2냉각유로의 입구에 인접하게 마련되는 제2밸브샤프트; 및
   상기 제1밸브디스크와 다른 중량을 갖도록 마련되어 상기 제2밸브샤프트에 연결되며, 상기 제2냉각유로를 차단하는 제2차단위치에서 상기 제2냉각유로를 개방하는 제2개방위치로 상기 제2밸브샤프트를 중심으로 회전 가능하게 마련되는 제2밸브디스크;를 포함하는 에어 쿨러.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1밸브디스크는 제1중량을 갖도록 제공되고, 상기 제2밸브디스크는 상기 제1중량보다 무거운 제2중량을 갖도록 제공되는 에어 쿨러.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1밸브디스크에서 상기 공기가 접촉하는 제1접촉면은 직선 형태 또는 곡선 형태로 정의되고,
   상기 제2밸브디스크에서 상기 공기가 접촉하는 제2접촉면은 직선 형태 또는 곡선 형태로 정의되는 에어 쿨러.
   
6. 제3항에 있어서,
   제1밸브디스크의 단부에는 상기 제1밸브디스크의 회전 반경을 따라 제1원호부가 마련되고,
   상기 제2밸브디스크의 단부에는 상기 제2밸브디스크의 회전 반경을 따라 상기 제1원호부보다 긴 길이를 갖는 제2원호부가 마련되는 에어 쿨러.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1영역에 마련되며, 상기 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제1-1배관부재; 및
   상기 제1-1배관부재와 이격되게 상기 제1영역에 마련되며, 상기 냉각수가 순환하는 제1-2배관부재;를 포함하고,
   상기 제1냉각유로는 상기 제1-1배관부재 및 상기 제1-2배관부재의 사이에 정의되는 에어 쿨러.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2영역에 마련되며, 상기 공기와 상호 열교환되는 냉각수가 순환하는 제2-1배관부재; 및
   상기 제2-1배관부재와 이격되게 상기 제2영역에 마련되며, 상기 냉각수가 순환하는 제2-2배관부재;를 포함하고,
   상기 제2냉각유로는 상기 제2-1배관부재 및 상기 제2-2배관부재의 사이에 정의되는 에어 쿨러.
   
9. 제3항에 있어서,
   상기 제1밸브디스크가 상기 제1개방위치에서 상기 제1차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제1복원부를 포함하는 에어 쿨러.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1복원부는,
    상기 제1밸브디스크가 상기 제1개방위치에서 상기 제1차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제1스프링부재, 및 상기 제1밸브디스크가 상기 제1개방위치에서 상기 제1차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제1자성체 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에어 쿨러.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 제1복원부는 상기 공기에 의해 상기 제1밸브디스크에 인가되는 제1가압력보다 작은 제1복원력을 상기 제1밸브디스크에 인가하도록 제공되는 에어 쿨러.
    
12. 제3항에 있어서,
    상기 제2밸브디스크가 상기 제2개방위치에서 상기 제2차단위치로 이동하도록 복원력을 제공하는 제2복원부를 포함하는 에어 쿨러.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 제2복원부는,
    상기 제2밸브디스크가 상기 제2개방위치에서 상기 제2차단위치로 이동하도록 탄성력을 제공하는 제2스프링부재, 및 상기 제2밸브디스크가 상기 제2개방위치에서 상기 제2차단위치로 이동하도록 자기력을 제공하는 제2자성체 중 적어도 어느 하나를 포함하는 에어 쿨러.
    
14. 제12항에 있어서,
    상기 제2복원부는 상기 공기에 의해 상기 제2밸브디스크에 인가되는 제2가압력보다 작은 제2복원력을 상기 제2밸브디스크에 인가하도록 마련되는 에어 쿨러.
    
15. 제1항에 있어서,
    상기 쿨러 본체에 연결되며, 상기 공기가 유입되는 유입포트를 포함하되,
    상기 제1냉각유로는 상기 제2냉각유로보다 상기 유입포트에 인접하게 제공되는 에어 쿨러.
    
16. 제1항에 있어서,
    상기 제1냉각유로 및 상기 제2냉각유로의 하류(down-stream)에 위치하도록 상기 쿨러 본체에 마련되며, 상기 제1냉각유로 및 상기 제2냉각유로를 통과한 상기 공기를 혼합하는 공기 가이드를 포함하는 에어 쿨러.
    
17. 제16항에 있어서,
    상기 공기 가이드는,
    상기 쿨러 본체에 마련되며, 제1경사안내면이 형성된 제1가이드부재; 및
    상기 제1가이드부재를 마주하도록 상기 쿨러 본체에 마련되며, 제2경사안내면이 형성된 제2가이드부재;
    를 포함하는 에어 쿨러.
    
18. 제1항에 있어서,
    상기 공기와 열교환 가능하게 상기 제1냉각유로에 제공되는 제1열교환핀; 및
    상기 공기와 열교환 가능하게 상기 제2냉각유로에 제공되는 제2열교환핀;
    을 포함하는 에어 쿨러.
    
19. 제18항에 있어서,
    상기 제1열교환핀 및 상기 제2열교환핀은 서로 다른 단위 면적당 핀밀도를 갖도록 제공되는 에어 쿨러.
    
20. 연료전지 스택;
    상기 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 가습하는 가습기; 및
    상기 가습기로 공급되는 상기 공기를 선택적으로 냉각하는 에어 쿨러;를 포함하되,
    상기 에어 쿨러는,
    제1영역 및 상기 제1영역과 구획되게 제2영역이 정의된 쿨러 본체;
    상기 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 상기 제1영역에 마련되며, 상기 공기를 냉각하는 제1냉각유로;
    상기 쿨러 본체에 유입되는 상기 공기의 유량에 대응하여 상기 제1냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제1밸브부재;
    상기 쿨러 본체에 유입되는 공기가 통과 가능하게 상기 제2영역에 마련되며, 상기 공기를 냉각하는 제2냉각유로; 및
    상기 쿨러 본체에 유입되는 상기 공기의 유량에 대응하여 상기 제1밸브부재와 개별적으로 상기 제2냉각유로를 선택적으로 개폐하는 제2밸브부재;
    를 포함하는 연료전지 시스템.
    

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