KR100962304B1 - 연료 전지용 가스 공급 장치 - Google Patents

Abstract

연료 전지용 가스 공급 장치를 개시한다. 본 발명은 하우징부;와, 하우징부내에 설치된 구동 모우터;와, 구동 모우터에 결합되어 고속 회전가능한 회전축;과, 회전축의 단부에 공히 회전가능하게 결합되며, 하우징부로부터 공급된 가스를 압축하는 임펠러;와, 회전축상에 설치된 베어링부;와, 회전축의 고속회전시 구동 모우터와 베어링이 설치된 부분을 냉각시키기 위하여 하우징부에 설치되며, 구동 모우터와 베어링을 통과한 고온의 가스가 임펠러로부터 압축시키기 위하여 상기 임펠러 부분과 연통된 냉각 수단;을 포함하는 것으로서, 구동 모우터가 설치된 부분과, 베어링이 개재된 회전축 부분에 각각의 냉각 통로부가 형성되어 있으므로, 비교적 저온의 공기를 포함한 가스는 이를 통과하면서 구동 모우터와 베어링으로부터 발생되는 열을 냉각시키게 된다. 이에 따라, 별도의 냉각 수단없이도 구동중에 이들로부터 발생되는 열을 신속하게 냉각시킬 수가 있다.

Description

연료 전지용 가스 공급 장치{Gas supplying apparatus for fuel cell}

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 가스 공급 장치를 도시한 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

10...가스 공급 장치 11...하우징부

12...구동 모우터 13...회전축

14...임펠러 15...베어링부

16...냉각 휜 21...제 1 냉각 통로부

21a...제 1 냉각 유입공 21b...제 1 냉각 배출공

22...제 2 냉각 통로부 22a...제 2 냉각 유입공

22b...통로 22c...제 2 냉각 배출공

본 발명은 가스 공급 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 냉각 장치없이 구동 모우터와 베어링을 냉각시킬 수 있도록 구조가 개선된 연료 전지용 가스 공급 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 연료 전지(fuel cell)는 수소와 산소의 화학적 결합 반응시 발 생하는 전기 에너지를 이용하는 형태의 전지로서, 전기 화학 반응에 의하여 에너지가 변환되므로 전기 화학 엔진이라고 말할 수 있다. 연료 전지 엔진을 사용하는 자동차는 축전지를 이용한 전기 자동차와는 달리 연료만 공급해주면 계속 주행을 할 수 있기 때문에 내연 기관 자동차와 같이 사용이 편리하며, 특히, 직접 수소를 연료로 사용하는 경우 완전 무공해를 이룰 수 있는 장점이 있다.

또한, 연료 전지의 에너지 변환 효율은 이론적으로 80％에 이르러 내연 기관이 30％를 못 미치는 것에 비하면 높은 효율로서, 전기 자동차의 짧은 일충전 주행 거리와 오랜 충전 시간등의 단점을 극복할 수 있으며, 내연 기관을 사용하는 하이브리드 전기 자동차에서 발생하는 배기 가스 배출 문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 제시되고 있다.

한편, 터보 압축기(turbo compressor)는 외부 공기를 고압으로 압축함으로써, 소요 장비에 고압 공기를 전달하는 역할을 한다. 터보 압축기가 적용되는 예로서, 가스 터어빈을 들 수 있는데, 가스 터어빈은 공기를 압축기로 압축해서 연소기로 보내고, 그것에 연료를 혼합하여 점화 연소시켜 고온 고압의 연소 가스를 만들어서, 이 고온 고압의 가스로 터어빈을 구동해서 출력을 얻는 원동기이다. 여기서, 유효 출력은 터어빈 발생 동력과, 압축기 구동 동력과의 차이이며, 이것을 축 출력으로 해서 발전지, 자동차등의 구동에 사용한다.

이러한 터보 압축기는 연료 전지를 이용하는 자동차에 적용가능하다. 그런데, 종래의 터보 압축기를 적용한 자동차는 고속으로 회전하는 구동 모우터나 베어링으로부터 발생하는 고열을 신속하게 냉각시키기 위하여 별도의 냉각 수단을 적용 하였다.

즉, 별도의 냉각 통로를 형성하여서 이 통로를 통하여 오일이나 물을 공급하여 구동 모우터나 베어링을 냉각시키게 되는데, 이러한 냉각 수단의 설치는 터보 압축기의 구조를 더욱 복잡하게 한다. 또한, 오일이나 물등을 공급하기 위한 장치를 설치하여야 하므로 제조 원가가 상승하게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 비교적 저온의 외부 가스를 유입하여 이를 구동 모우터와 베어링에 공급하여 냉각시키도록 구조를 개선하여 별도의 냉각 수단의 설치가 불필요한 연료 전지용 가스 공급 장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 연료 전지용 가스 공급 장치는,

하우징부;

상기 하우징부내에 설치된 구동 모우터;

상기 구동 모우터에 결합되어 고속 회전가능한 회전축;

상기 회전축의 단부에 공히 회전가능하게 결합되며, 상기 하우징부로부터 공급된 가스를 압축하는 임펠러;

상기 회전축상에 설치된 베어링부; 및

상기 회전축의 고속회전시 구동 모우터와 베어링이 설치된 부분을 냉각시키 기 위하여 상기 하우징부에 설치되며, 상기 구동 모우터와 베어링을 통과한 고온의 가스가 임펠러로부터 압축시키기 위하여 상기 임펠러 부분과 연통된 냉각 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각 수단은 상기 구동 모우터가 설치된 부분과 대응되는 부분에 형성되어서 구동 모우터를 냉각시키는 제 1 냉각 통로부와, 상기 베어링이 설치된 회전축 부분에 형성되어서 베어링과 구동 모우터의 하단부를 냉각시키는 제 2 냉각 통로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

게다가, 상기 제 1 냉각 통로부는 상기 하우징부에 설치된 제 1 냉각 유입공과, 상기 구동 모우터와 대응되는 하우징부의 내부와, 상기 임펠러와 연통되는 제 1 냉각 배출공을 구비하는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 제 2 냉각 통로부는 상기 하우징부에 설치된 제 2 냉각 유입공과, 상기 베어링부가 설치된 부분에 형성된 통로와, 상기 임펠러와 연통되는 제 2 냉각 배출공을 구비하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 구동 모우터가 설치되는 부분과 대응되는 하우징부의 외벽에는 방열 면적을 확대하기 위하여 냉각 휜이 설치된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료 전지용 가스 공급 장치를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 가스 공급 장치(10)를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 상기 가스 공급 장치(10)에는 하우징부(11)가 마련되어 있다. 상기 하우징부(11)의 내부에는 구동 모우터(12)가 마련되어 있다. 상기 구동 모우터(12)에는 이로부터 동력을 공급받아서 회전하는 회전축(13)이 회전가능하게 설치되어 있다.

상기 회전축(13)의 단부에는 이와 공히 회전하여서 흡입되는 가스를 압축하는 임펠러(14)가 설치되어 있다. 상기 임펠러(14)에는 다수개의 만곡면을 가지는 블레이드(14a)가 형성되어 있으며, 도시하지 않은 디퓨저(diffuser)와 연통되어 있다.

또한, 상기 회전축(13) 상에는 이의 회전 운동을 원할하게 하기 위하여 베어링부(15), 예컨대 에어 호일 베어링(air foil bearing)가 설치되어 있다. 주지하는 바대로, 상기 에어 호일 베어링은 고속회전 가능한 회전축(13)을 반경 방향으로 지지하는데 사용하는 것으로서, 탄성력을 가지는 호일이 상호 중첩되도록 설치되어있다. 이것은 유선형의 형상을 가지는데, 호일의 에지부가 인접하는 호일의 외면에 접촉하고 있으며, 호일의 곡률 반경은 에지부로 갈수록 줄어든다.

이때, 상기 하우징부(11)의 내부에는 냉각 수단이 형성되어 있다. 상기 냉각 수단은 상기 하우징부(11)의 내부를 따라 형성된 냉각 통로부로서, 적어도 하나 이상이 형성되어 있다.

상기 냉각 수단은 유입되는 공기를 포함하는 외부의 가스중 일부가 상기 베어링(15)을 거치지 않고 구동 모우터(12)로 유입되는 제 1 냉각 통로부(21)와, 외부로부터 유입된 가스가 베어링부(15)를 통과하여 유출되는 제2 냉각 통로부(22)를 포함한다.

즉, 상기 제 1 냉각 통로부(21)에는 제 1 냉각 유입공(21a)이 형성되어 있다. 상기 제 1 냉각 유입공(21a)은 상기 구동 모우터(12)가 설치된 하우징부(11)의 내부(11b)와 연통되어 있다. 상기 하우징부(11)의 내부(11b)는 제 1 냉각 배출공(21b)과 연통되어 있으며, 상기 냉각 배출공(21b)을 통하여 배출되는 냉각풍은 상기 임펠러(14)로 공급가능하다.

이에 따라, 상기 제 1 냉각 통로부(21)는 제 1 냉각 유입공(21a)으로부터 유입된 가스가 상기 구동 모우터(12)가 설치된 내부(11b)를 따라 유동하면서 구동 모우터(12)를 냉각시키고, 다시 제 1 냉각 배출공(21b)을 통하여 배출되어서 임펠러(14)로 공급되는 냉각 경로를 형성하고 있다.

상기 제 2 냉각 통로부(22)에는 제 2 냉각 유입공(22a)이 형성되어 있다. 상기 제 2 냉각 유입공(22a)은 상기 회전축(13)상에 개재된 베어링부(15)를 냉각시키기 위하여 하우징부(11)의 내부(11b)와 회전축(13) 사이의 통로(22b)와 연통되어 있다. 상기 통로(22b)는 제 2 냉각 배출공(22c)을 통하여 냉각풍을 임펠러(14)로 공급가능하다.

이에 따라, 상기 제 2 냉각 통로부(22)는 제 2 냉각 유입공(22a)으로부터 유입된 가스가 상기 베어링부(15)가 설치된 통로(22b)를 따라 유동하면서 베어링(15)와 구동 모우터(12)를 냉각시키고, 다시 제 2 냉각 배출공(22c)을 통하여 배출되어서 임펠러(14)로 공급되는 냉각 경로를 형성하고 있다.

한편, 상기 하우징부(11)의 외벽, 예컨대 상기 구동 모우터(12)가 설치되는 부분과 대응되는 부분에는 구동 모우터(12)의 구동시 발생되는 열을 신속하게 배출하기 위하여 방열 면적을 넓힐 수 있는 냉각 휜(16)이 추가로 설치될 수도 있을 것 이다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 가스 공급 장치(10)의 냉각 수단의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

우선, 상기 구동 모우터(12)에 의하여 회전축(13)이 회전하게 되면, 상기 회전축(13)의 단부에 결합된 임펠러(14)가 고속으로 회전하게 된다. 상기 임펠러(14)가 고속으로 회전시, 상기 구동 모우터(12)와 베어링부(15)에는 고열이 발생하게 된다.

이때, 상기 구동 모우터(12)와 베어링부(15)로부터 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 냉각 수단으로부터 비교적 저온의 공기를 포함하는 가스를 공급하게 된다.

즉, 제 1 냉각 유입공(21a)으로부터 유입된 가스는 상기 구동 모우터(12)가 설치된 하우징부(11)의 내부(11b)를 통과하면서 상기 구동 모우터(12)를 냉각시키게 된다. 상기 구동 모우터(12)를 냉각시키면서 가열된 고온의 가스는 제 1 냉각 배출공(21b)을 통하여 배출되면서 임펠러(14)로 공급된다. 상기 임펠러(14)로 배출된 공기는 블레이드(14a)의 고속 회전에 의하여 압축되면서 디퓨저를 통하여 배출가능하다.

이와 동시에, 상기 제 2 공기 냉각 유입공(22a)으로부터 유입된 가스는 상기 하우징부(11)의 내부(11b)와 회전축(13) 사이에 개재된 베어링부(15)가 설치된 통로(22b)를 통과하면서 상기 베어링부(15)를 냉각시키게 된다.

이때, 상기 회전축(13)의 양 측에 설치된 베어링부(15)를 통과한 냉각풍은 그 사이에 위치한 상기 구동 모우터(12)의 하단부를 거쳐서 다시 베어링부(15)로 유입되며, 상기 제 2 냉각 배출공(22c)을 통하여 배출되면서 임펠러(14)로 공급된다. 상기 임펠러(14)로 배출된 공기는 블레이드(14a)의 고속 회전에 의하여 압축되면서 디퓨저를 통하여 배출가능하다.

이때, 상기 베어링부(15)는 상기 회전축(13)의 회전을 원할하게 하기 위하여 에어 호일 베어링이 설치되는 것이 바람직하다. 에어 호일 베어링은 회전축(13)의 축방향에 대하여 반경 방향으로 설치되어 있다.

따라서, 상기 회전축(13)이 회전하게 되면, 에어 호일 베어링과 회전축(13) 외주면 사이의 통로(22b)로 유입되는 고압의 가스로 인하여 에어 호일 베어링이 회전축(13)으로부터 이격되도록 탄성 변형을 하게 되고, 이에 따라, 회전축(13)이 에어 호일 베어링으로부터 부상가능하다고 할 것이다.

한편, 상기 구동 모우터(12)가 설치된 부분과 대응된 하우징부(11)의 외벽에는 냉각 휜(16)이 설치되어 있으므로, 발생된 열을 보다 신속하게 외부로 배출시킬 수가 있다.

이상의 설며에서와 같인 본 발명의 연료 전지용 가스 공급 장치는 구동 모우터가 설치된 부분과, 베어링이 개재된 회전축 부분에 각각의 냉각 통로부가 형성되어 있으므로, 비교적 저온의 공기를 포함한 가스는 이를 통과하면서 구동 모우터와 베어링으로부터 발생되는 열을 냉각시키게 된다. 이에 따라, 별도의 냉각 수단없이도 구동중에 이들로부터 발생되는 열을 신속하게 냉각시킬 수가 있다.

둘째, 구동 모우터와 베어링이 개재된 회전축 부분을 통과하여서 가열된 고온의 가스는 회전축의 단부에 결합되어 고속으로 회전하는 임펠러에 의하여 압축되면서 디퓨저로 공급가능하므로, 구조가 매우 단순화된다.

셋째, 구동 모우터가 설치된 부분과 대응되는 하우징부에 냉각 휜이 설치되어 있으므로, 방열 면적을 보다 확대시킬 수가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 하우징부;

   상기 하우징부내에 설치된 구동 모우터;

   상기 구동 모우터에 결합되어 고속 회전가능한 회전축;

   상기 회전축의 단부에 공히 회전가능하게 결합되며, 상기 하우징부로부터 공급된 가스를 압축하는 임펠러;

   상기 회전축상에 설치된 베어링부; 및

   상기 회전축의 고속회전시 구동 모우터와 베어링이 설치된 부분을 냉각시키기 위하여 상기 하우징부에 설치되며, 상기 구동 모우터와 베어링을 통과한 고온의 가스가 임펠러로부터 압축시키기 위하여 상기 임펠러 부분과 연통된 냉각 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각 수단은 상기 구동 모우터가 설치된 부분과 대응되는 부분에 형성되어서 구동 모우터를 냉각시키는 제 1 냉각 통로부와, 상기 베어링이 설치된 회전축 부분에 형성되어서 베어링과 구동 모우터의 하단부를 냉각시키는 제 2 냉각 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 냉각 통로부는 상기 하우징부에 설치된 제 1 냉각 유입공과, 상기 구동 모우터와 대응되는 하우징부의 내부와, 상기 임펠러와 연통되는 제 1 냉각 배출공을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 2 냉각 통로부는 상기 하우징부에 설치된 제 2 냉각 유입공과, 상기 베어링부가 설치된 부분에 형성된 통로와, 상기 임펠러와 연통되는 제 2 냉각 배출공을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 베어링 부재는 에어 호일 베어링인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동 모우터가 설치되는 부분과 대응되는 하우징부의 외벽에는 방열 면적을 확대하기 위하여 냉각 휜이 설치된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 가스 공급 장치.

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