KR100747256B1 - fuel battery stack cooling system - Google Patents

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전강식
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지스택 냉각시스템에 관한 것으로, 에어컨 모듈에서 생성되는 냉기를 라디에이터로 송풍해서 라디에이터를 강제적으로 냉각시켜 줌으로써, 연료전지스택을 효과적으로 냉각시켜 고온지역에서 연료전지차량의 운행시 발생할 수 있는 차량의 시동 및 운행 불능 상태를 예방할 수 있고, 연료전지스택의 성능 향상과 수명 연장을 도모할 수 있도록 하기 위해, 에어컨 모듈의 냉기가 라디에이터로 공급되도록 에어컨 모듈과 라디에이터를 연결하는 제1공급통로와, 이 공급통로를 개폐하는 제1전자제어스로틀밸브, 연료전지스택의 냉각수 온도를 감지해서 상기 전자제어스로틀밸브를 제어하는 제어유니트를 구비하고 있다.The present invention relates to a fuel cell stack cooling system, and by cooling the cool air generated in the air conditioning module to the radiator forcibly cooling the radiator, which effectively cools the fuel cell stack, which may occur when the fuel cell vehicle is operated in a high temperature region. A first supply passage connecting the air conditioner module and the radiator so that the cool air of the air conditioner module is supplied to the radiator to prevent the vehicle from starting and stopping, and to improve the performance and life of the fuel cell stack; And a control unit for controlling the electronic control throttle valve by sensing the temperature of the coolant of the fuel cell stack and the first electronic control throttle valve for opening and closing the supply passage.

Description

연료전지스택 냉각시스템{fuel battery stack cooling system}Fuel cell stack cooling system

도 1은 종래 기술에 따른 연료전지스택 냉각시스템의 구성도,1 is a block diagram of a fuel cell stack cooling system according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지스택의 냉각시스템의 구성도,2 is a configuration diagram of a cooling system of a fuel cell stack according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 라디에이터 냉각 설명도,3 is a diagram illustrating radiator cooling according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 전자제어스로틀밸브의 작동 설명도이다.4 is an explanatory view of the operation of the electronically controlled throttle valve according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

1-라디에이터 2-펌프1-Radiator 2-Pump

3-연료전지스택 4-열교환기3-fuel cell stack 4-heat exchanger

5-블로워 6-에어컨 모듈5-Blower 6-Air Conditioner Module

7a,7b-공급통로 8a,8b-전자제어스로틀밸브7a, 7b-Supply passage 8a, 8b-Electronically controlled throttle valve

9-송풍관9-blower

본 발명은 연료전지차량의 라디에이터를 에어컨 모듈을 사용해서 강제적으로 냉각시켜 고온지역에서 연료전지차량의 운행시 발생할 수 있는 차량의 시동 및 운행 불능 상태를 방지할 수 있도록 한 연료전지스택 냉각시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack cooling system for forcibly cooling a radiator of a fuel cell vehicle using an air conditioner module to prevent starting and inoperable states of a vehicle that may occur when the fuel cell vehicle is operated in a high temperature region. will be.

종래 연료전지차량의 냉각시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 전면에 라디에이터(1)가 배치되고, 상기 라디에이터(1)에는 냉매로서 에틸렌 글리콜이 펌프(2)에 의해 순환하도록 설치되며, 연료전지스택(3)에는 냉각수가 순환해서 냉각하도록 설치되고, 상기 냉각수와 상기 냉매가 서로 열교환하도록 연료전지스택과 라디에이터 사이에는 열교환기(4)가 장착된다.In a conventional fuel cell vehicle cooling system, as shown in FIG. 1, a radiator 1 is disposed on a front surface of a vehicle, and the radiator 1 is installed to circulate ethylene glycol as a refrigerant by a pump 2. Cooling water is circulated and cooled in the fuel cell stack 3, and a heat exchanger 4 is mounted between the fuel cell stack and the radiator so that the cooling water and the refrigerant exchange with each other.

상기 연료전지스택에는 공기를 강제적으로 송풍하여 연료전지스택을 냉각시키는 블로워(5)가 연결되어 있고, 상기 연료전지스택의 후방에는 차실 내부로 찬 공기를 보내주기 위한 에어컨 모듈(6)이 구비되어 있다.A blower 5 for cooling the fuel cell stack by forcibly blowing air is connected to the fuel cell stack, and an air conditioner module 6 is provided at the rear of the fuel cell stack to send cold air to the interior of the vehicle compartment. have.

따라서, 연료전지스택의 냉각수는 상기 열교환기를 매개로 상기 냉매와 열교환을 통해서 냉각된 후에 연료전지스택을 순환하면서 연료전지스택을 냉각시키게 된다.Accordingly, the coolant of the fuel cell stack cools the fuel cell stack while circulating the fuel cell stack after cooling the heat exchanger with the refrigerant through the heat exchanger.

그런데, 상기와 같은 종래의 냉각시스템을 사용하는 연료전지차량에서는 고온지역에서 냉각수의 냉각이 원활하게 이루어지지 못하여 연료전지차량의 시동이나 운행이 불가능하게 되는 결점이 있었다.However, in the fuel cell vehicle using the conventional cooling system as described above, there is a drawback that the cooling or cooling of the coolant is not performed smoothly in a high temperature region, so that the start or operation of the fuel cell vehicle is impossible.

즉, 상기 냉각수의 온도가 65℃ 이상으로 상승하게 되면 연료전지시스템이 바로 정지하게 되는 데, 고온지역에서 상기 블로워를 통해 연료전지스택으로 유입되는 외기의 온다가 높기 때문에 연료전지스택을 제대로 냉각시켜 주지 못한다고 하는 결점이 있었다.That is, when the temperature of the cooling water rises above 65 ° C., the fuel cell system immediately stops. The fuel cell stack is properly cooled because high temperature comes from the outside air flowing into the fuel cell stack through the blower. There was a flaw that I could not give.

상기와 같은 결점을 해소하기 위해 종래에는 라디에이터의 냉각 면적을 확장시키거나 냉각팬의 용량을 증대시키는 등의 방안이 있지만, 레이아웃상의 한계로 인해 원활한 냉각이 효과적으로 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다.In order to solve the above drawbacks, there are conventional methods such as extending the cooling area of the radiator or increasing the capacity of the cooling fan, but there is a problem that smooth cooling cannot be effectively performed due to layout limitations.

이에 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 안출된 것으로, 에어컨 모듈에서 생성되는 냉기를 라디에이터로 송풍해서 라디에이터를 강제적으로 냉각시켜 줌으로써, 연료전지스택을 효과적으로 냉각시켜 고온지역에서 연료전지차량의 운행시 발생할 수 있는 차량의 시동 및 운행 불능 상태를 예방할 수 있고, 연료전지스택의 성능 향상과 수명 연장을 도모할 수 있도록 한 연료전지스택 냉각시스템을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, by cooling the radiator generated by the air conditioner module to the radiator forcibly cooling the radiator, thereby effectively cooling the fuel cell stack to operate the fuel cell vehicle in a high temperature region. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack cooling system that can prevent starting and inoperable conditions of a vehicle that can occur, and improve fuel cell stack performance and extend life.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 에어컨 모듈의 냉기가 라디에이터로 공급되도록 에어컨 모듈과 라디에이터를 연결하는 제1공급통로와, 이 공급통로를 개폐하는 제1전자제어스로틀밸브, 연료전지스택의 냉각수 온도를 감지해서 상기 전자제어스로틀밸브를 제어하는 제어유니트를 구비하고 있다.The present invention for achieving the above object, the first supply passage connecting the air conditioning module and the radiator so that the cold air of the air conditioning module is supplied to the radiator, the first electronic control throttle valve for opening and closing the supply passage, fuel cell stack And a control unit which senses the coolant temperature and controls the electronically controlled throttle valve.

바람직하기로는, 상기 전자제어스로틀밸브는 상기 제어유니트로부터 제어신호를 인가받아 상기 공급통로를 개방시키는 폐쇄형 밸브인 것을 특징으로 하고, 상기 에어컨 모듈에는 차실 내부로 냉기를 공급하는 제2공급통로가 설치되고, 상기 제2공급통로를 개폐하는 제2전자제어스로틀밸브가 설치되며, 상기 전자제어스로틀밸브는 상기 제어유니트의 제어신호를 인가받아 상기 공급통로를 폐쇄시키는 개방형 밸브인 것을 특징으로 한다.Preferably, the electronically controlled throttle valve is a closed valve for opening the supply passage by receiving a control signal from the control unit, the air conditioner module has a second supply passage for supplying cool air into the interior of the vehicle And a second electronic control throttle valve for opening and closing the second supply passage, wherein the electronic control throttle valve is an open valve for closing the supply passage by receiving a control signal from the control unit.

또한, 상기 에어컨 모듈의 냉기를 연료전지스택으로 직접 송풍하기 위해 상기 공급통로에는 블로워가 연결된 것을 특징으로 하고, 상기 공급통로의 선단에는 라디에이터의 높이 방향을 따라서 확장된 송풍관이 장착된 것을 특징으로 한다.In addition, a blower is connected to the supply passage to directly blow the cool air of the air conditioner module to the fuel cell stack, and a blower tube extending along the height direction of the radiator is installed at the tip of the supply passage. .

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이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2에는 본 발명에 따른 연료전지스택 냉각시스템의 구성이 도시되어 있는 바, 즉 차량의 전면에는 외기와의 열교환을 통해 냉매를 냉각시키는 라디에이터(1)가 배치되고, 상기 라디에이터(1)에는 냉매로서 에틸렌 글리콜이 순환통로를 통해 순환하도록 설치되고, 상기 순환통로에는 냉매를 강제적으로 순환시키기 위한 펌프(2)가 설치되어 있다.2 shows a configuration of a fuel cell stack cooling system according to the present invention, that is, a radiator 1 for cooling a refrigerant through heat exchange with outside air is disposed on the front of the vehicle, and the radiator 1 has a refrigerant. As an example, ethylene glycol is installed to circulate through the circulation passage, and a pump 2 for forcibly circulating the refrigerant is provided in the circulation passage.

연료전지스택(3)을 냉각시키는 냉각수는 순환통로를 통해 연료전지스택을 순환하도록 설치되고, 상기 냉각수와 상기 냉매가 서로 열교환하도록 상기 연료전지스택과 상기 라디에이터 사이에는 열교환기(4)가 장착된다.Cooling water for cooling the fuel cell stack 3 is installed to circulate the fuel cell stack through a circulation passage, and a heat exchanger 4 is mounted between the fuel cell stack and the radiator so that the cooling water and the refrigerant exchange with each other. .

상기 연료전지스택에는 공기를 강제적으로 송풍하여 연료전지스택을 냉각시키는 블로워(5)가 연결되어 있고, 상기 연료전지스택의 후방에는 차실 내부로 찬 공기를 보내주기 위한 에어컨 모듈(6)이 구비되어 있다.A blower 5 for cooling the fuel cell stack by forcibly blowing air is connected to the fuel cell stack, and an air conditioner module 6 is provided at the rear of the fuel cell stack to send cold air to the interior of the vehicle compartment. have.

상기 에어컨 모듈(6)에는 4개의 공기출구가 형성되면서 전방의 2개의 공기출구는 제1공급통로(7a)를 통해 라디에이터의 좌우측과 연결되어 있고, 후방의 2개의 공기출구는 제2공급통로(7b)를 통해 차실 내부와 연결되어 있으며, 상기 4개의 공기출구와 상기 제1,2공급통로 사이에는 제1,2공급통로를 개폐하는 제1,2전자제어스로틀밸브(8a,8b)가 설치되어 있다.Four air outlets are formed in the air conditioner module 6, and two air outlets in front are connected to the left and right sides of the radiator through the first supply passage 7a, and two air outlets in the rear are connected to the second supply passage ( The first and second electronically controlled throttle valves 8a and 8b are connected between the four air outlets and the first and second supply passages through 7b). It is.

또한, 상기 블로워(5)는 한쪽 공기출구와 제3공급통로(7c)를 통해 연통되게 연결되어 있다.In addition, the blower 5 is connected in communication with one air outlet via a third supply passage 7c.

상기 제1,2전자제어스로틀밸브는 도시되지 않은 제어유니트의 출력단에 접속되어 제어유니트의 제어신호에 의해 그 동작이 제어되게 되고, 상기 제어유니트의 입력단에는 상기 냉각수의 온도를 감지하는 온도센서가 접속되어 있으며, 상기 제어유니트의 출력단에는 상기 에어컨 모듈(6)이 접속되어서 제어유니트에 의해 그 동작이 제어되게 연결되어 있다.The first and second electronically controlled throttle valves are connected to an output terminal of a control unit (not shown) so that their operation is controlled by a control signal of a control unit. A temperature sensor for sensing the temperature of the cooling water is provided at an input terminal of the control unit. The air conditioner module 6 is connected to the output terminal of the control unit so that its operation is controlled by the control unit.

상기 제2공급통로의 개폐를 제어하는 제2전자제어스로틀밸브(7b)는 평상시에 항상 개방되어 있는 개방형인 반면에 상기 제1공급통로의 개폐를 제어하는 제1전자제어스로틀밸브는 평상시에 항상 닫혀 있는 폐쇄형으로 구성된다.The second electronic control throttle valve 7b for controlling the opening and closing of the second supply passage is always open, whereas the first electronic control throttle valve for controlling the opening and closing of the first supply passage is always open. It is composed of a closed type that is closed.

이에 따라, 연료전지차량이 운행될 때에 상기 제어유니트는 상기 온도센서를 매개로 연료전지스택의 냉각수 온도를 항상 감지하게 되는 데, 만일 냉각수 온도가 55℃이 이상이면, 상기 제어유니트는 상기 에어컨 모듈에 제어신호를 인가하여 에어컨 모듈이 최대로 가동되게 함과 더불어 상기 제2전자제어스로틀밸브에 제어신호 를 인가하여 제2전자제어스로틀밸브를 매개로 제2공급통로를 막아주게 된다.Accordingly, when the fuel cell vehicle operates, the control unit always detects the coolant temperature of the fuel cell stack through the temperature sensor. If the coolant temperature is 55 ° C. or higher, the control unit is configured to control the air conditioner module. The control signal is applied to the air conditioner module to maximize its operation, and the control signal is applied to the second electronic control throttle valve to block the second supply passage via the second electronic control throttle valve.

또한, 상기 제어유니트는 상기 제1전자제어스로틀밸브에 제어신호를 인가하여 제1공급통로를 개방시키게 되므로, 에어컨 모듈에서 발생하는 냉기가 상기 라디에이터로 공급되어서 라디에이터를 강제적으로 냉각시켜 주고, 또한 상기 제3공급통로를 통해서도 에어컨 모듈의 냉기가 공급되어 블로워를 통해 연료전지스택으로 냉기가 직접 공급되게 해서 연료전지스택을 효과적으로 냉각시켜 줌으로써, 고온지역에서의 냉각수 온도의 상승으로 인한 연료전지시스템의 정지와 차량의 시동 및 운행 불능을 예방하게 되는 것이다.In addition, since the control unit applies a control signal to the first electronic control throttle valve to open the first supply passage, cool air generated from an air conditioner module is supplied to the radiator to forcibly cool the radiator. Cool air from the air conditioner module is also supplied through the third supply passage so that cool air is directly supplied to the fuel cell stack through the blower, thereby effectively cooling the fuel cell stack, thereby stopping the fuel cell system due to an increase in the coolant temperature in a high temperature region. And will prevent starting and running of the vehicle.

한편, 상기와 같이 연료전지스택을 에어컨 모듈의 냉기로 냉각하는 과정에 냉각수의 온도가 다시 하강하여 45℃ 이하로 되면, 상기 제어유니트는 에어컨 모듈에 인가한 제어신호를 차단하여 에어컨 모듈의 작동을 정지시킴과 더불어 상기 제1전자제어스로틀밸브에 인가한 제어신호를 차단하여 제1공급통로를 폐쇄시키고, 상기 제2전자제어스로틀밸브에 인가한 제어신호를 차단하여 제1공급통로를 개방시키게 된다.On the other hand, when the temperature of the coolant drops to 45 ° C. or lower in the process of cooling the fuel cell stack with the cold of the air conditioner module as described above, the control unit blocks the control signal applied to the air conditioner module to operate the air conditioner module. In addition, the first supply passage is closed by stopping the control signal applied to the first electronic control throttle valve and stopping the control signal applied to the second electronic control throttle valve to open the first supply passage. .

도 3에는 라디에이터로 공급한 냉기를 라디에이터로 송풍하여 라디에이터를 냉각시키는 구성이 상세히 도시되어 있는 바, 상기 각 제1공급통로의 선단에는 라디에이터의 높이 방향을 따라서 확장된 송풍관(9)이 연결되어 있어서, 라디에이터의 전면으로 냉기를 송풍하게 되어 있다.3 shows the configuration of cooling the radiator by blowing the cool air supplied to the radiator to the radiator, the air supply pipe (9) extending along the height direction of the radiator is connected to the front end of each of the first supply passage In front of the radiator, cold air is blown.

도 4에는 상기 제1,2전자제어스로틀밸브가 자세히 도시되어 있는 바, 즉 상기 제1,2공급통로는 바람직하기로 플라스틱 덕트로 형성되고, 상기 에어컨 모듈의 공기출구에도 플라스틱 덕트(6a)가 설치되어서 상기 2개의 플라스틱 덕트들이 금속 재질의 전자제어스로틀밸브 하우징(8c)과 클램프(8d)를 매개로 서로 연통되게 접속되며, 상기 하우징(8c)의 내부에는 상기 제어유니트로부터 제어신호를 인가받아 회전하면서 상기 하우징의 내부 통로를 개폐하는 밸브판(8e)이 회전축(8f)을 매개로 회전가능하게 설치된 구조로 되어 있다.4, the first and second electronically controlled throttle valves are shown in detail, that is, the first and second supply passages are preferably formed of plastic ducts, and the plastic ducts 6a are also provided at the air outlet of the air conditioning module. The two plastic ducts are installed in communication with each other via a metal electronic control throttle valve housing 8c and a clamp 8d, and a control signal is applied to the inside of the housing 8c from the control unit. The valve plate 8e for opening and closing the inner passage of the housing while being rotated is rotatably provided via the rotation shaft 8f.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지스택 냉각시스템에 의하면, 연료전지스택의 냉각수 온도가 소정 온도 이상으로 상승하면, 에어컨 모듈을 최대로 가동해서 에어컨 모듈에서 발생하는 냉기를 라디에이터의 전면으로 송풍하여 냉각수를 빠르게 냉각시킴과 더불어 블로워를 통해서 냉기를 연료전지스택으로 직접 송풍하여 연료전지스택을 효과적으로 냉각시켜 줌으로써, 연료전지스택의 온도가 상승해서 연료전지시스템이 다운되거나 차량의 시동 및 운행이 불능하게 되는 현상을 방지하고, 연료전지스택의 성능 향상과 수명 연장을 도모할 수 있는 등의 효과가 있게 된다.As described above, according to the fuel cell stack cooling system according to the present invention, when the coolant temperature of the fuel cell stack rises above a predetermined temperature, the air conditioner module is operated at maximum to blow cool air generated from the air conditioner module to the front of the radiator. By cooling the coolant rapidly and blowing the cool air directly to the fuel cell stack through the blower to cool the fuel cell stack effectively, the temperature of the fuel cell stack rises and the fuel cell system is down or the vehicle cannot be started or operated. This can prevent such a phenomenon and can improve the performance of the fuel cell stack and extend the life of the fuel cell stack.

Claims (6)

에어컨 모듈의 냉기가 라디에이터로 공급되도록 에어컨 모듈과 라디에이터를 연결하는 제1공급통로와, 이 공급통로를 개폐하는 제1전자제어스로틀밸브, 연료전지스택의 냉각수 온도를 감지해서 상기 전자제어스로틀밸브를 제어하는 제어유니트를 구비한 연료전지스택 냉각시스템.A first supply passage connecting the air conditioner module and the radiator so that the cool air of the air conditioning module is supplied to the radiator, a first electronic control throttle valve for opening and closing the supply passage, and a coolant temperature of the fuel cell stack are sensed to provide the electronic control throttle valve. A fuel cell stack cooling system having a control unit for controlling the fuel cell stack. 제 1항에 있어서, 상기 전자제어스로틀밸브는 상기 제어유니트로부터 제어신호를 인가받아 상기 공급통로를 개방시키는 폐쇄형 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각시스템.The fuel cell stack cooling system of claim 1, wherein the electronically controlled throttle valve is a closed valve configured to open the supply passage by receiving a control signal from the control unit. 제 2항에 있어서, 상기 에어컨 모듈에는 차실 내부로 냉기를 공급하는 제2공급통로가 설치되고, 상기 제2공급통로를 개폐하는 제2전자제어스로틀밸브가 설치되며, 상기 전자제어스로틀밸브는 상기 제어유니트의 제어신호를 인가받아 상기 공급통로를 폐쇄시키는 개방형 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각시스템.According to claim 2, The air conditioning module is provided with a second supply passage for supplying cold air into the interior of the vehicle, a second electronic control throttle valve for opening and closing the second supply passage is installed, the electronic control throttle valve is A fuel cell stack cooling system according to claim 1, wherein the fuel cell stack is an open valve configured to close the supply passage by receiving a control signal from a control unit. 제 1항에 있어서, 상기 에어컨 모듈의 냉기를 연료전지스택으로 직접 송풍하기 위해 상기 공급통로에는 블로워가 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각시스템.The fuel cell stack cooling system of claim 1, wherein a blower is connected to the supply passage to directly blow cool air of the air conditioning module to a fuel cell stack. 제 1항에 있어서, 상기 공급통로의 선단에는 라디에이터의 높이 방향을 따라서 확장된 송풍관이 장착된 것을 특징으로 하는 연료전지스택 냉각시스템.2. The fuel cell stack cooling system according to claim 1, wherein a blower tube extending along a height direction of the radiator is mounted at the front end of the supply passage. 삭제delete
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