KR101288463B1 - 연료전지 자동차의 열회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잉여 전력을 제거하는 전기부하장치에서 발생되는 열을 재활용하여 겨울철 차량 실내를 난방할 수 있도록 한 연료전지 자동차의 열회수장치를 제공하는 것을 목적으로 하며,
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수소와 공기를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에서는 발생되는 열을 방열하는 방열기와, 상기 연료전지 스택에서 배출된 냉각수가 상기 방열기를 경유하여 상기 연료전지 스택으로 복귀하도록 하는 폐회로로 형성된 냉각수 순환라인과, 상기 냉각수 순환라인상에 설치되어 냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프와, 상기 연료전지 스택에서 발생되는 잉여 전력을 제거하기 위한 전기부하장치를 포함하여 구비한 자동차에 있어서, 상기 전기부하장치를 감싸도록 형성되어 내부에 열매체 유동 통로를 구비한 축열수단과; 상기 축열수단의 열매체 유동 통로에서 배출된 열매체가 차량 공조덕트내에 설치된 난방용 열교환기로 유입되도록 하고, 상기 난방용 열교환기에서 배출된 열매체가 상기 열매체 유동 통로로 복귀하도록 폐회로로 형성된 열매체 순환라인과; 상기 열매체 순환라인상에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 열매체 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 자동차, 열회수

Description

연료전지 자동차의 열회수장치{HEAT RECOVERY SYSTEM OF FUEL CELL VEHICLE}
도 1은 종래 기술에 의한 차량용 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 자동차의 열회수장치의 구성을 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 연료전지 스택
7 : 방열기
8 : 냉각수 순환라인
9 : 냉각수 순환펌프
10 : 전기부하장치
20 : 축열수단
21 : 열매체 유동 통로
25 : 열매체 순환라인
30 : 열매체 순환펌프
31 : 난방용 열교환기
40 : 열매체 방향전환수단
50 :냉각수 방향전환수단
본 발명은 연료전지 자동차의 열회수장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 잉여 전력을 제거하는 전기부하장치에서 발생되는 열을 재활용하여 겨울철 차량 실내를 난방할 수 있도록 한 연료전지 자동차의 열회수장치에 관한 것이다.
통상적으로, 연료전지는 수소와 산소의 화학적 결합 반응시 발생하는 전기에너지를 이용하는 형태의 전지로서, 전기 화학 반응에 의하여 에너지가 변환되므로 전기 화학 엔진이라고 말할 수 있다. 연료전지 엔진을 사용하는 자동차는 축전지를 이용한 전기자동차와는 달리 연료만 공급해주면 계속 주행을 할 수 있기 때문에 내연기관 자동차와 같이 사용이 편리하며, 특히 직접 수소를 연료로 사용하는 경우 완전 무공해를 이룰 수 있는 장점이 있다.
또한, 연료전지의 에너지 변환 변환효율은 이론적으로 80%에 이르러 내연기관이 30%를 못 미치는 것에 비하면 높은 효율로서, 전기자동차의 짧은 주행거리와 오랜 충전시간 등의 단점을 극복할 수 있으며, 내연기관을 사용하는 하이브리드 전기자동차에서 발생하는 배기가스 배출문제를 동시에 해결할 수 있는 방안으로 제시되고 있다.
이러한, 연료전지 자동차의 시스템을 도 1을 참조하여 개략적으로 설명하면, 연료전지 스택(1)에는 대기중의 공기와 수소가 공급되는데, 공기는 공기공급기(2) 에 의해 공급되고, 수소 역시 별도의 수소공급기(미도시)에 의해 공급된다.
상기 공기는 연료전지 스택(1)으로 공급하기 전에 건조화를 방지하기 위해 가습기(3)를 통과시켜 가습이 되도록 하여 공급한다.
상기와 같이, 연료전지 스택(1)내로 수소와 공기가 공급되면, 수소와 공기의 화학 반응에 전기가 발생된다. 이렇게 연료전지 스택(1)에서 발생된 전기는 전력 조정기(4)를 통해 구동모터등 차량에 필요한 전기부하(5)로 공급된다.
여기서, 배터리(6)는 통상적으로, 차량 주행시 발전기에 의해 충전되는 축전지이다.
한편, 상기 연료전지 스택(1)에서는 수소와 공기의 화학 반응에 의해 전기를 발생시키는 것 이외에도 물과 열이 발생되는데, 열은 냉각수 순환 라인(7a)을 매개로 설치된 방열기(7)를 통해 외부로 방열된다.
그런데, 상기와 같이 구성된 종래 기술은 전기에 의해 작동되는 차량의 부품에 각 부하조건에 맞는 전기 용량이 요구되는 부하 이상으로 공급될 경우에, 각 부품은 전기적인 손상 및 내구 수명이 줄어들게 된다.
이러한, 과잉전력이 상기 부품에 공급되지 않도록 초과 전류 또는 잉여 전력을 제거해야 하는데, 기존에는 전기부하장치를 별도로 설치하여 불필요한 전기를 제거하였으나, 오히려 전기부하장치에서 전기에너지가 열에너지로 변환되어 이 열을 다시 제거해야 되었었다.
이에, 전기부하장치에서 발생되는 열을 제거하기 위해 상기 방열기(7)에서 방열된 냉각수가 순환하는 냉각수 순환라인(7a)을 상기 전기부하장치를 감싸도록 하였다.
그러나, 종래 기술은 연료전지 스택(1)에서 발생된 잉여 전력을 재사용하지 못하고 열에너지로 방출하게 됨에 따라 에너지 효율 측면에서 매우 비효율적인 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 잉여 전력을 제거하는 전기부하장치에서 발생되는 열을 재활용하여 겨울철 차량 실내를 난방할 수 있도록 한 연료전지 자동차의 열회수장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수소와 공기를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에서는 발생되는 열을 방열하는 방열기와, 상기 연료전지 스택에서 배출된 냉각수가 상기 방열기를 경유하여 상기 연료전지 스택으로 복귀하도록 하는 폐회로로 형성된 냉각수 순환라인과, 상기 냉각수 순환라인상에 설치되어 냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프와, 상기 연료전지 스택에서 발생되는 잉여 전력을 제거하기 위한 전기부하장치를 포함하여 구비한 자동차에 있어서, 상기 전기부하장치를 감싸도록 형성되어 내부에 열매체 유동 통로를 구비한 축열수단과; 상기 축열수단의 열매체 유동 통로에서 배출된 열매체가 차량 공조덕트내에 설치된 난방용 열교환기로 유입되도록 하고, 상기 난방용 열교환기에서 배출된 열매체가 상기 열매체 유동 통로로 복귀하도록 폐회로로 형성된 열매체 순환라인과; 상기 열매체 순환라인상에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 열매체 순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의한 연료전지 자동차의 열회수장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 연료전지 자동차의 열회수장치의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명은 수소와 공기를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 스택(1)과, 연료전지 스택(1)에서는 발생되는 열을 방열하는 방열기(7)와, 상기 연료전지 스택(1)에서 배출된 냉각수가 상기 방열기(7)를 경유하여 상기 연료전지 스택(1)으로 복귀하도록 하는 폐회로로 형성된 냉각수 순환라인(8)과, 상기 냉각수 순환라인(8)상에 설치되어 냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프(9)와, 상기 연료전지 스택(1)에서 발생되는 잉여 전력을 제거하기 위한 전기부하장치(10)를 포함하여 구비한 자동차에 적용되는 것이다. 여기서, 미설명 부호 공기공급기(2), 가습기(3), 전력조정기(4), 전기부하(5) 및 배터리(6)는 종래 기술과 동일한 구성이어서 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 냉각수 순환펌프(9)는 상기 연료전지 스택(1)에서 배출된 냉각수가 상기 방열기(7)측으로 유입되는 유입측 냉각수 순환라인(8a)상에 설치된다.
본 발명은 상기 전기부하장치(10)에서 발생되는 열을 재활용하여 통상적인 차량 공조덕트(300)내에 설치된 난방용 열교환기(31)로 공급하여 실내 난방을 할 수 있도록 한 것이다.
본 발명의 구성은 축열수단(20)과, 열매체 순환라인(25)과, 열매체 순환펌 프(30)를 포함하여 이루어진다.
상기 축열수단(20)은 상기 전기부하장치(10)를 감싸도록 형성되어 내부에 열매체 유동 통로(21)를 구비한다.
상기 축열수단(20)은 전기부하장치(10)에서 발생되는 열이 외부로 방출되지 못하도록 함과 아울러 열을 축열할 수 있는 단열 구조로 구성되어, 상기 열매체 유동 통로(21)를 지나가는 열매체를 가열할 수 있게 되는 것이다.
상기 열매체 순환라인(25)은, 상기 축열수단(20)의 열매체 유동 통로(21)에서 배출된 열매체가 차량 공조덕트(300)내에 설치된 난방용 열교환기(31)로 유입되도록 하고, 상기 난방용 열교환기(31)에서 배출된 열매체가 상기 열매체 유동 통로(21)로 복귀하도록 폐회로가 되도록 형성된다.
상기 열매체 순환펌프(30)는 상기 열매체 순환라인(25)상에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는데, 그 바람직한 설치 위치는 상기 난방용 열교환기(31)에서 배출되어 상기 축열수단(20)으로 유입되는 유입측 열매체 순환라인(25b)상에 설치된다.
여기서, 상기 열매체는 냉각수를 사용하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
연료전지 스택(1)에서 발생된 전기에 의해 작동되는 차량의 부품에 각 부하조건에 맞는 전기 용량이 요구되는 부하 이상으로 공급될 경우에, 각 부품은 전기적인 손상 및 내구 수명이 줄어들게 된다.
이러한, 과잉전력이 상기 부품에 공급되지 않도록 초과 전류 또는 잉여 전력 을 제거해야 하는데, 별도로 설치된 전기부하장치(10)에서는 발생되는 열은 상기 축열수단(20)으로 전달된다.
이렇게 축열수단(20)으로 전달된 열은 축열수단(20)내에 형성된 열매체 유동 통로(21)내에 있는 열매체를 가열하게 되며, 이 가열된 열매체는 열매체 순환펌프(30)의 작동시 열매체 순환라인(25)을 따라 유동되어 난방용 열교환기(31)내로 유입된 후, 다시 난방용 열교환기(31)에서 배출되어 축열수단(20)으로 복귀하는 순환 경로를 가지게 된다.
이로써, 난방용 열교환기(31)내에는 가열된 열매체가 통과하기 때문에, 공조덕트(300)내의 증발기(32)를 통과한 공기는 바이패스 도어(33)의 방향 절환 작용에 의해 난방용 열교환기(31)를 통과하면서 열교환된다. 따라서, 차랑 실내에는 난방용 열교환기(31)에서 열교환된 데워진 공기가 유입되는 것이다.
한편, 본 발명은 전술한 기본적인 실시예 이외에, 비난방시에는 상기 열매체 순환라인(25)중 상기 축열수단(20)에서 열매체가 배출되는 배출측 열매체 순환라인(25a)의 열매체 유동 방향을 방향 전환하여 상기 방열기(7)측으로 유입되는 유입측 냉각수 순환라인(8a)으로 합류되도록 하고, 난방시에는 상기 배출측 열매체 순환라인(25a)의 열매체 유동 방향을 전환하여 상기 난방용 열교환기(31)로 유입되도록 하는 열매체 방향전환수단(40)을 더 구비할 수 있다.
즉, 열매체 방향전환수단(40)을 구비함으로써, 난방시에만 가열된 열매체가 난방용 열교환기(31)내로 유입되도록 하고, 비난방시에 가열된 열매체가 난방용 열교환기(31)내로 유입되지 못하도록 하는 대신에 방열기(7)를 통과하도록 하는 것이 다.
여기서, 열매체 방향전환수단(40)은 2-way 방향 전환밸브(41)와, 이 방향전환밸브(41)에서 방향 전환되어 방열기(7)측으로 유입되도록 하는 분기라인(42)으로 구성된다.
그리고, 본 발명은 이제까지 설명한 구성에서 비난방시에 열매체가 상기 방열기(7)측으로 유입됨으로 인한 연료전지 스택(1)의 과열을 방지하기 위해, 비난방시에는 냉각수 순환라인(8)중 상기 방열기(7)에서 배출되어 상기 연료전지 스택(1)으로 유입되는 배출측 냉각수 순환라인(8b)의 냉각수 유동 방향을 전환하여 상기 난방용 열교환기(31)에서 배출되어 상기 축열수단(20)으로 유입되는 유입측 열매체 순환라인(25b)으로 합류되도록 하고, 난방시에 배출측 냉각수 순환라인(8b)의 냉각수 유동 방향을 전환하여 상기 연료전지 스택(1)으로 유입되도록 하는 냉각수 방향전환수단(50)을 더 구비할 수 있다.
상기와 같이, 냉각수 방향전환수단(50)을 더 구비하는 이유는, 전술한 열매체 방향전환수단(40)에 의해 가열된 열매체가 방열기(7)를 통과하게 되면, 이 가열된 열매체가 배출측 냉각수 순환라인(8b)을 따라 연료전지 스택(1)으로 유입되어, 연료전지 스택(1)이 과열되기 때문이 이를 방지하도록 하기 위함이다.
즉, 상기 배출측 냉각수 순환라인(8b)에 2-way 방향 전환밸브(51)와, 이 방향전환밸브(51)에서 방향 전환되어 유입측 열매체 순환라인(25b)으로 분기되도록 하는 분기라인(52)을 설치하여 비난방시에 가열된 열매체가 연료전지 스택(1)으로 유입되는 것을 차단함으로써, 연료전지 스택(1)의 과열을 방지할 수 있는 것이다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 잉여 전력을 제거하는 전기부하장치에서 발생되는 열을 재활용하여 겨울철 차량 실내를 난방할 수 있게 된다.

Claims (3)

  1. 수소와 공기를 공급하여 전기를 발생시키는 연료전지 스택(1)과, 연료전지 스택(1)에서는 발생되는 열을 방열하는 방열기(7)와, 상기 연료전지 스택(1)에서 배출된 냉각수가 상기 방열기(7)를 경유하여 상기 연료전지 스택(1)으로 복귀하도록 하는 폐회로로 형성된 냉각수 순환라인(8)과, 상기 냉각수 순환라인(8)상에 설치되어 냉각수를 강제순환시키는 냉각수 순환펌프(9)와, 상기 연료전지 스택(1)에서 발생되는 잉여 전력을 제거하기 위한 전기부하장치(10)를 포함하여 구비한 자동차에 있어서,
    상기 전기부하장치(10)를 감싸도록 형성되어 내부에 열매체 유동 통로(21)를 구비한 축열수단(20)과;
    상기 축열수단(20)의 열매체 유동 통로(21)에서 배출된 열매체가 차량 공조덕트(300)내에 설치된 난방용 열교환기(31)로 유입되도록 하고, 상기 난방용 열교환기(31)에서 배출된 열매체가 상기 열매체 유동 통로(21)로 복귀하도록 폐회로로 형성된 열매체 순환라인(25)과;
    상기 열매체 순환라인(25)상에 설치되어 열매체를 강제 순환시키는 열매체 순환펌프(30)와;
    비난방시에는 상기 열매체 순환라인(25)중 상기 축열수단(20)에서 열매체가 배출되는 배출측 열매체 순환라인(25a)의 열매체 유동 방향을 방향 전환하여 상기 방열기(7)측으로 유입되는 유입측 냉각수 순환라인(8a)으로 합류되도록 하고, 난방시에는 상기 배출측 열매체 순환라인(25a)의 열매체 유동 방향을 전환하여 상기 난방용 열교환기(31)로 유입되도록 하는 열매체 방향전환수단(40); 및
    비난방시에 열매체가 상기 방열기(7)측으로 유입됨으로 인한 연료전지 스택(1)의 과열을 방지하기 위해, 비난방시에는 냉각수 순환라인(8)중 상기 방열기(7)에서 배출되어 상기 연료전지 스택(1)으로 유입되는 배출측 냉각수 순환라인(8b)의 냉각수 유동 방향을 전환하여 상기 난방용 열교환기(31)에서 배출되어 상기 축열수단(20)으로 유입되는 유입측 열매체 순환라인(25b)으로 합류되도록 하고, 난방시에 배출측 냉각수 순환라인(8b)의 냉각수 유동 방향을 전환하여 상기 연료전지 스택(1)으로 유입되도록 하는 냉각수 방향전환수단(50)을 포함하며,
    상기 열매체 방향전환수단(40)은 2-way 방향 전환밸브(41)와, 상기 2-way 방향전환밸브(41)에서 방향 전환되어 열매체를 방열기(7)측으로 유입되도록 하는 분기라인(42)으로 구성되고,
    상기 냉각수 방향전환수단(50)은 2-way 방향 전환밸브(51)와, 상기 2-way 방향전환밸브(51)에서 방향 전환되어 열매체를 유입측 열매체 순환라인(25b)으로 분기되도록 하는 분기라인(52)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열회수장치.
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