JP2022098410A - 燃料電池モビリティ統合熱管理システム - Google Patents

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【課題】燃料電池システムが適用されたモビリティの特性とモビリティ内部の冷媒圧縮システムの特徴を融合して効率的にモビリティの内部環境を制御することができる熱管理システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタックに供給する高圧の水素が保存される水素保存タンクと、水素保存タンクから吐き出される水素の圧力によって回転する第１タービンと、冷媒が循環し、圧縮機、コンデンサー、膨張バルブ及び蒸発器を備える冷媒循環ラインと、圧縮機によって吐き出される高圧の冷媒によって回転する第２タービンと、第１タービン又は第２タービン又は電動モーターの回転力を受けて外気を圧縮して室内空調部又は燃料電池スタックに供給するブロワーとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池によって駆動されるモビリティの燃料電池の冷却、乗客室の冷暖房など、モビリティの内部環境を制御するための統合熱管理システムに関するものである。
モビリティはヒト又は貨物を運送することができる全ての手段を指称する。既存のモビリティは内燃機関と化石燃料を使って運行された。モビリティの運行の際、モビリティ運転者又はモビリティ乗客のためのモビリティの内部環境の制御が必要であり、内燃機関を使う場合には排出ガスの温度が高いので廃熱を用いて室内温度の調節が可能であった。
内燃機関と化石燃料で発生する温室ガスなどが地球の温度上昇、環境破壊につながるから、燃料電池と水素を用いて駆動可能なモビリティに対する関心が集中された。
ところが、燃料電池を用いるモビリティの場合、内燃機関を用いるモビリティと根本的に駆動方式が違い、廃熱の熱量が違い、所要システムも違うから、環境制御のために多くの変形が要求される。
特に、燃料電池は外部から空気を導入して加湿し、水素と酸素の反応によって電気を得るから、燃料電池に流入する空気の圧縮が必要である。
ここで、別途の空気を圧縮するためのブロワーが独立的に適用されれば、モビリティの重さ、体積、及び消耗電力の増大を引き起こすという問題がある。
前記背景技術として説明した事項は本発明の背景に対する理解増進のためのものであるだけで、当該技術分野で通常の知識を有する者に既に知られた従来技術に相当することを認めるものと受け入れてはいけないであろう。
韓国特許公開第１０－２０１９－００６４７３９Ａ公報
本発明はこのような問題点を解決するために提案されたものであり、燃料電池システムが適用されたモビリティの特性とモビリティ内部の冷媒圧縮システムの特徴を融合して効率的にモビリティの内部環境を制御することができる熱管理システムを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するための本発明による燃料電池モビリティ統合熱管理システムは、燃料電池スタックに供給する高圧の水素が保存される水素保存タンクと、水素保存タンクから吐き出される水素の圧力によって回転する第１タービンと、冷媒が循環し、圧縮機、コンデンサー、膨張バルブ及び蒸発器を備える冷媒循環ラインと、圧縮機によって吐き出される高圧の冷媒によって回転する第２タービンと、第１タービン又は第２タービン又は電動モーターの回転力を受けて外気を圧縮して室内空調部又は燃料電池スタックに供給するブロワーとを含む。
圧縮された外気は外気供給ラインを通して流動し、外気供給ラインは燃料電池ラインと空気調和ラインとに分岐され、圧縮された外気は燃料電池ラインを通して燃料電池スタックに供給され、空気調和ラインを通して室内空調部に供給されることができる。
ブロワーによって吐き出された圧縮外気は、レギュレーターによって室内空調部又は燃料電池スタックに供給されるそれぞれの外気の流量が制御されることができる。
ブロワーは燃料電池スタックの発電の際に第１タービンによって回転して外気を圧縮して室内空調部及び燃料電池スタックに供給し、外気の圧縮力が不足な場合に電動モーターをさらに駆動して圧縮力を上昇させることができる。
ブロワーは、室内冷却の際、第２タービンによって回転して外気を圧縮し、蒸発器を通して室内空間に排出させることができる。
蒸発器は室内空調部の内部に備えられ、ブロワーは室内空調部に圧縮外気を供給することができる。
室内空調部の内部にヒーターコアを備え、ヒーターコアは燃料電池スタックの冷却水出口と連結されることができる。
ウォーターポンプによって燃料電池スタックを循環する冷却水循環ラインをさらに含み、冷却水循環ラインの冷却水は燃料電池スタックを通過した後、制御バルブを通してヒーターコア及びラジエーターを通過してから合流し、制御バルブは燃料電池スタックの可動状態及び室内暖房の必要有無によって開度が制御されることができる。
室内空調部の内部に電気ヒーターを備え、電気ヒーターはヒーターコアの温度が充分に高くない場合に稼動されることができる。
本発明の燃料電池モビリティ統合熱管理システムによれば、モビリティの内部乗客室に供給される外気の与圧生成のために必要なブロワーの台数、体積及び消耗動力を減らすことができ、これによりモビリティの運行距離を増大することができる。
本発明の一実施例によるモビリティ統合熱管理システムの回路図である。 本発明の一実施例によるモビリティ統合熱管理システムのブロワーを示す図である。
以下、上述した目的を達成し問題点を解決するための本発明の一実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。一方、本発明の説明において、同一分野の公知の技術についての詳細な説明が発明の核心内容を理解するのに役立たない場合、その説明を省略する。本発明の技術的思想はこの詳細な説明に限定されず、通常の技術者によって変更されて多様に実施可能である。
図１は本発明の一実施例によるモビリティ統合熱管理システムの回路図、図２は本発明の一実施例によるモビリティ統合熱管理システムのブロワーを示す図である。
前記の目的を達成するための本発明による燃料電池モビリティ統合熱管理システムは、燃料電池スタックＡに供給する高圧の水素を保存する水素保存タンクＢと、水素保存タンクから吐き出される水素の圧力によって回転する第１タービン１００と、冷媒が循環し、圧縮機５１０、コンデンサー５２０、膨張バルブ５３０及び蒸発器５４０が設けられる冷媒循環ライン５００と、圧縮機によって吐き出される高圧冷媒によって回転する第２タービン２００と、第１タービン１００又は第２タービン２００又は電動モーター３００の回転力を受けて外気を圧縮して室内空調部又は燃料電池スタックＡに供給するブロワー４００とを含む。
具体的に、モビリティの内部には継続的に新鮮な空気を提供するために与圧が形成されなければならなく、このために外気を圧縮するためのブロワー４００が必要である。本発明では、燃料電池スタックで使われる高圧の水素気体とモビリティ内部の圧縮機５１０によって吐き出される高圧の冷媒を活用して外気を圧縮し、追加的に電動モーター３００で外気を圧縮して室内空調又は燃料電池に供給する。
図１及び図２を参照すると、まず図２でブロワー４００の回転軸は第１タービン１００又は第２タービン２００又は電動モーター３００の回転軸と連結されて回転し、ブロワー４００によって外気を圧縮することができる構造である。
第１タービン１００は燃料電池スタックＡに供給される高圧の水素気体によって回転することができ、第２タービン２００は圧縮機５１０から吐き出された高温及び高圧の冷媒によって回転することができる。電動モーター３００は補助的にブロワー４００を作動させるのに使われることができる。
ブロワー４００によって圧縮された外気は外気供給ライン４１０を通して流動し、外気供給ライン４１０はさらに燃料電池ライン４１１と空気調和ライン４１２とに分岐され、圧縮された外気は燃料電池ライン４１１を通して燃料電池スタックＡに供給され、空気調和ライン４１２を通して室内空調部に供給されることができる。
これにより、燃料電池スタックＡに圧縮外気を供給するためのブロワー４００を別に備えず、室内空調のための外気を圧縮するブロワー４００が燃料電池スタックＡに外気を供給することができるので、システムが全体としてコンパクトになり、走行距離が増加することができる。
一方、燃料電池ライン４１１には、外気が乾燥した場合、外気に湿気を追加するための加湿器をさらに含むことができ、ブロワー４００によって外気が充分に圧縮されることができるので、燃料電池スタックＡに流入して水素と反応して電力を生産することができる。
また、圧縮された外気は空気調和ライン４１２を通して室内空調部に供給されて室内を暖房するか冷房することができる。
具体的には、圧縮された外気が冷媒と熱交換して冷却されて室内を冷房することができ、暖房が必要な場合は、冷媒と熱交換しながら加熱されて室内を暖房することができる。
一方、ブロワー４００を介して吐き出された圧縮外気は、レギュレーター４２０によって室内空調部又は燃料電池スタックＡに供給されるそれぞれの外気の流量が制御されることができる。
すなわち、レギュレーター４２０は燃料電池スタックＡが必要とする外気の流量を適切に制御することができ、余分の外気は室内空調部に供給されるように誘導することができる。
一方、燃料電池スタックＡに供給される高圧の水素気体によって第１タービン１００が回転し、よってブロワー４００が回転して外気を圧縮して室内空調部と燃料電池スタックＡに供給し、外気の圧力が不足な場合、電動モーター３００をさらに駆動して圧縮力を上昇させることができる。
また、ブロワー４００は、室内冷却の際、第２タービン２００によって回転し、外気を圧縮して蒸発器５４０を介して室内空間に排出することができる。
具体的に、冷媒は圧縮機５１０、コンデンサー５２０及び膨張バルブ５３０を通して低温の状態になり、蒸発器５４０で圧縮された外気と熱交換して外気を冷却して室内を冷房することができる。
ここで、蒸発器５４０は室内空調部の内部に備えられ、ブロワー４００は室内空調部に圧縮外気を供給して室内を冷房することができる。
室内空調部の内部にはヒーターコア６１０が備えられ、ヒーターコアは燃料電池スタックＡの冷却水出口と連結されることができる。
具体的に、ヒーターコア６１０は室内暖房を遂行するための構成であり、室内暖房の際には、燃料電池の発電によって発生する廃熱を冷却水が受けて加熱され、ヒーターコア６１０で圧縮された外気と加熱された冷却水が熱交換して室内暖房を遂行することができる。
一方、ウォーターポンプ６２０によって燃料電池スタックを循環する冷却水循環ライン６００をさらに含む。冷却水循環ライン６００の冷却水は燃料電池スタックＡを通過した後、制御バルブ６３０を通してヒーターコア６１０及びラジエーター６４０を通過してから合流し、制御バルブ６３０は燃料電池スタックＡの可動状態及び室内暖房の必要有無によって開度が制御されることができ、室内空調部の内部には電気ヒーター６５０が備えられ、電気ヒーター６５０はヒーターコアの温度が充分に高くない場合に稼動されることができる。
具体的に、室内暖房が必要な場合には燃料電池スタックＡの廃熱を活用して暖房を遂行し、温度が充分に高くない場合には室内空調部の内部に備えられた電気ヒーター６５０を稼動して追加的に外気を加熱することができる。
冷却水循環ライン６００は燃料電池スタックによって加熱された冷却水が流動し、暖房が必要な場合に制御バルブ６３０を通してヒーターコア６１０に吐き出されるか、暖房が必要ではない場合に制御バルブ６３０を通してラジエーター６４０で放熱されることができる。
制御バルブ６３０は室内暖房が必要な場合であるか否かによって開度が制御され、燃料電池スタックＡの稼働によっても開度が制御されることができる。
本発明を特定の実施例に基づいて図示して説明したが、以下の特許請求範囲によって決定される本発明の技術的思想を逸脱しない範疇内で本発明が多様に改良及び変化されることができるというのは当該分野で通常の知識を有する者に明らかであろう。
Ａ 燃料電池スタック
Ｂ 水素保存タンク
１００ 第１タービン
２００ 第２タービン

Claims (9)

  1. 燃料電池スタックに供給する高圧の水素が保存される水素保存タンクと、
    水素保存タンクから吐き出される水素の圧力によって回転する第１タービンと、
    冷媒が循環し、圧縮機、コンデンサー、膨張バルブ及び蒸発器を備える冷媒循環ラインと、
    圧縮機によって吐き出される高圧の冷媒によって回転する第２タービンと、
    第１タービン又は第２タービン又は電動モーターの回転力を受けて外気を圧縮して室内空調部又は燃料電池スタックに供給するブロワーとを含む、燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  2. 圧縮された外気は外気供給ラインを通して流動し、外気供給ラインは燃料電池ラインと空気調和ラインとに分岐され、圧縮された外気は燃料電池ラインを通して燃料電池スタックに供給され、空気調和ラインを通して室内空調部に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  3. ブロワーによって吐き出された圧縮外気は、レギュレーターによって室内空調部又は燃料電池スタックに供給されるそれぞれの外気の流量が制御されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  4. ブロワーは燃料電池スタックの発電の際に第１タービンによって回転して外気を圧縮して室内空調部及び燃料電池スタックに供給し、外気の圧縮力が不足な場合に電動モーターをさらに駆動して圧縮力を上昇させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  5. ブロワーは、室内冷却の際、第２タービンによって回転して外気を圧縮し、蒸発器を通して室内空間に排出させることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  6. 蒸発器は室内空調部の内部に備えられ、ブロワーは室内空調部に圧縮外気を供給することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  7. 室内空調部の内部にヒーターコアを備え、ヒーターコアは燃料電池スタックの冷却水出口と連結されることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  8. ウォーターポンプによって燃料電池スタックを循環する冷却水循環ラインをさらに含み、
    冷却水循環ラインの冷却水は燃料電池スタックを通過した後、制御バルブを通してヒーターコア及びラジエーターを通過してから合流し、制御バルブは燃料電池スタックの可動状態及び室内暖房の必要有無によって開度が制御されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
  9. 室内空調部の内部に電気ヒーターを備え、電気ヒーターはヒーターコアの温度が充分に高くない場合に稼動されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池モビリティ統合熱管理システム。
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