KR101405753B1 - 연료전지 차량의 실내 난방 장치 - Google Patents

연료전지 차량의 실내 난방 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 실내 난방 장치에 관한 것으로서, 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 고온의 압축공기를 열원으로 사용하여 차량 실내에 공급되는 공기를 가열시켜주는 별도 실내 난방용 히터코어를 구비하여, 기존의 실내 난방 장치인 PTC 히터의 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 히터코어와 PTC 히터를 병용할 수 있게 되면서 차량의 실내 난방 성능을 더욱 향상시키는 연료전지 차량의 실내 난방 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실내 난방 장치에서는 히터코어를 1차 열교환기로 사용하고 2차로 라디에이터 후방에 있는 기존의 쿨러를 2차 열교환기를 사용하여 스택의 캐소드로 공급되는 압축공기를 냉각할 수 있는바, 상기 쿨러의 크기 및 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 캐소드로 공급되는 압축공기를 항시 적절 온도로 유지할 수 있게 되면서 연료전지 스택의 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
연료전지, 난방 장치, 히터코어, 쿨러, 열교환기, PTC

Description

연료전지 차량의 실내 난방 장치{Heating system of fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지 차량의 실내 난방 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 고온의 압축공기를 열원으로 사용하여 차량 실내에 공급되는 공기를 가열시켜주는 별도 실내 난방용 히터코어를 구비하여, 기존의 실내 난방 장치인 PTC 히터의 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 히터코어와 PTC 히터를 병용할 수 있게 되면서 차량의 실내 난방 성능을 더욱 향상시키는 연료전지 차량의 실내 난방 장치에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중 가장 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 구성의 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성 하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다. 발생된 전자는 외부 회로를 통해 이동함으로써 전류를 생성하고, 발생된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하여 환원극 반응을 하게 된다.
한편, 연료전지 차량은 연료인 수소를 공급하는 수소탱크와, 압축공기를 공급하는 공기압축기와, 수소탱크와 공기압축기에서 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시키 전기를 생산하는 연료전지 스택을 구비하며, 공기압축기는 압축공기를 연료전지 스택에 공급한다.
그리고, 연료전지 차량은 동절기 차량의 실내를 난방하기 위한 난방 장치를 구비하며, 통상 연료전지 차량의 난방 장치는 연료전지 스택을 냉각시킨 고온의 냉각수를 이용한다.
일 예로, 연료전지 차량의 난방 장치는, PTC 히터, PTC 히터에 공기를 송풍해주는 송풍팬, PTC 히터에 의해 가열된 공기를 차량 실내로 공급하기 위한 덕트, PTC 히터에 의해 가열된 공기가 차량 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택 배출될 수 있게 온기 유로를 절환시켜주는 댐퍼 도어를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 연료전지 차량의 냉/난방에 관한 선행기술을 살펴보면, 연료전지의 작동유체(흡기, 배기, 연료)를 이용한 다양한 냉/난방 기술이 제시되어 있으며, 크게 연료전지 스택에 공급되는 압축공기를 이용하는 냉/난방 기술, 연료전지의 반응열을 이용하는 냉/난방 기술, 액체연료의 증발을 이용한 냉방 기술, 고압의 배출가 스를 이용하는 냉방 기술 등이 있다.
우선, 일본공개특허 제2007-128722호에는 고온의 압축공기를 일부 분기하여 실내에 직접 배출시킴으로써 난방하는 기술이 개시되어 있으나, 이는 고압의 공기 배출로 인한 분사 소음을 유발하는 문제점이 있다. 또한 공개특허 제2008-38989호에는 압축공기를 재팽창시켜 냉방을 하는 기술이 개시되어 있으나, 이는 상변화 없는 압축, 팽창으로는 연비만 악화시키는 결과를 초래하는 문제점이 있다.
그리고, 공개특허 제2003-89608호, 제2002-57166호, 제2002-57164호, 미국공개특허 제2006-191676호, 제2005-126195호 등에는 연료전지의 반응열을 이용한 냉/난방 기술이 개시되어 있으나, 흡수식 냉방의 경우 효율이 낮은데다가 차량에 탑재가 어렵고, 난방의 경우 PEMFC 연료전지의 반응열이 80℃ 정도로 겨울철 난방 수준은 가능하나 오히려 연료전지의 반응효율을 악화시키는 결과를 초래한다.
또한 공개특허 제2002-38148호에는 수소연료의 증발열을 이용하여 냉방을 수행하는 기술이 개시되어 있으나, 가연성인 수소 연료 특성상 관로 상의 안전이 우선이므로 실제 적용 가능성은 없다.
일본공개특허 제2004-155295호에는 고압의 배출가스를 팽창시켜 팽창에 따른 온도 저하와 이때 생성된 응축수를 증발시켜 이 증발열을 이용해 냉방을 하는 기술이 개시되어 있으나, 배기 측의 배출 저항 상승 및 구조가 복잡한 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 고온의 압축공기를 열원으로 사용하여 차량 실내에 공급되는 공기를 가열시켜주는 별도 실내 난방용 히터코어를 구비하여, 기존의 실내 난방 장치인 PTC 히터의 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 히터코어와 PTC 히터를 병용할 수 있게 되면서 차량의 실내 난방 성능을 더욱 향상시키는 연료전지 차량의 실내 난방 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 압축공기가 통과하도록 된 1차 열교환기 및 2차 열교환기와,
상기 1차 열교환기에 외기를 압송하는 송풍팬과,
상기 송풍팬에 의해 압송되어 상기 1차 열교환기를 거치면서 가열된 온기를 차량 실내로 공급하기 위한 덕트와,
상기 덕트를 통해 도입된 공기가 차량 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택적으로 배출될 수 있게 온기 유로를 절환시켜주는 댐퍼 도어 및 그 액츄에이터를 구비하여,
상기 1차 열교환기를 차량 실내 난방을 위한 히터코어로 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 실내 난방 장치를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 1차 열교환기가 기 장착된 차량 실내 난방용 PTC 히터의 전방에 배치되고, 상기 PTC 히터의 송풍팬, 덕트, 댐퍼 도어를 상기 1차 열교환기가 공통으로 사용하도록 구성될 수 있다.
또한 상기 2차 열교환기가 라디에이터 팬에 의해 압송되는 공기 또는 차량의 주행풍과의 열교환에 의해 압축공기를 냉각하는 라디에이터 후방의 쿨러인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 1차 열교환기로부터 이를 통과한 압축공기가 공급되도록 연료전지 스택의 캐소드로 연결되는 공기공급라인에서 바이패스라인이 분기되어 설치되고, 상기 바이패스라인에 상기 2차 열교환기가 설치되며, 상기 2차 열교환기의 하류측 바이패스라인과 상기 공기공급라인이 만나는 지점에 방향절환밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명의 실내 난방 장치에 의하면, 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 고온의 압축공기를 열원으로 사용하여 차량 실내에 공급되는 공기를 가열시켜주는 별도 실내 난방용 히터코어를 구비하여, 기존의 실내 난방 장치인 PTC 히터의 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 히터코어와 PTC 히터를 병용할 수 있게 되면서 차량의 실내 난방 성능을 더욱 향상 시킬 수 있게 된다.
또한 상기 히터코어를 1차 열교환기로 사용하고 2차로 라디에이터 후방에 있는 기존의 쿨러를 2차 열교환기를 사용하여 스택의 캐소드로 공급되는 압축공기를 냉각할 수 있는바, 상기 쿨러의 크기 및 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 캐소드로 공급되는 압축공기를 항시 적절 온도로 유지할 수 있게 되면서 연료전지 스택의 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
또한 고온의 압축공기를 난방을 위해 차량 실내에 직접 토출하는 종래기술과 달리, 고온의 압축공기를 히터코어에 공급하여 외기를 가열하는 용도로 사용하고 압축공기의 실내 토출 없이 가열된 외기만을 차량 실내에 토출하여 난방하는 것이므로 압축공기에서 발생할 수 있는 소음이 방지될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1과 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 실내 난방 장치를 도시한 것으로서, 미설명부호 22는 공기공급라인(21)에 설치된 원웨이 밸브를, 46은 냉각수 라인(41)에 설치된 냉각수 히터를 각각 나타낸다.
도면부호 11은 수소탱크(10)에서 연료전지 스택(30)의 애노드(31)로 수소가 공급되는 수소공급라인이며, 도면부호 21은 공기압축기(20)에서 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 압축공기가 공급되는 공기공급라인이다.
도시한 바와 같이, 연료전지 차량은 연료인 수소를 공급하는 수소탱크(10)와, 압축공기를 공급하는 공기압축기(20)와, 수소탱크(10)와 공기압축기(20)에서 공급되는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생산하는 연료전지 스택(30)을 구비하며, 상기 공기압축기(20)는 압축공기를 연료전지 스택(30)에 공급한다.
연료전지 스택(30)을 냉각시키는 냉각수는 냉각수 펌프(45)에 의해 냉각수 라인(41)을 순환하는데, 냉각수 펌프(45)에 의해 압송된 냉각수가 냉각수 통로(33)를 통과하면서 연료전지 스택(30)을 냉각하고, 연료전지의 반응열에 의해 가열되어 냉각수 통로(33)로부터 배출되는 고온의 냉각수는 이후 냉각수 라인(41)의 밸브(42) 상태에 따라 라디에이터(43)를 통과하게 된다.
라디에이터(43)에서 냉각수는 라디에이터 팬(44)의 구동으로 송풍되는 공기나 차량 주행풍에 의해 냉각되어 냉각수 펌프(45)에 의해 다시 스택(30)의 냉각수 통로(33)를 순환하게 된다.
한편, 본 발명은 연료전지의 발전 성능을 향상시키면서 동시에 차량의 난방 성능을 개선할 수 있도록 구성되는 연료전지 차량의 실내 난방 장치로서, 공기압축기(20)에 의해 압축되어 연료전지 스택(30)에 공급되는 고온의 압축공기를 이용하여 차량의 실내를 난방하도록 구성된다.
PEMFC 연료전지에서는 최적 작동온도가 80℃ 정도이나, 반응 산소를 늘리기 위해 공기를 압축하여 공급하기 때문에, 실제 압축공기의 온도는 400℃ 이상이 되며, 이를 냉각하기 위해 쿨러(56)가 필요하다.
이러한 쿨러(56)는 내부를 통과하는 압축공기와 주변을 통과하는 공기 간의 열교환에 의해 고온의 압축공기를 냉각시키는 열교환기이며, 라디에이터(43)의 후방에 설치될 수 있다.
그리고, 본 발명의 난방 장치는, 그 기본 구성으로, 내부에는 고온의 압축공기가 통과하도록 되어 있으면서 주변으로는 송풍팬(52)에 의해 압송된 공기가 통과하도록 배치되는 히터코어(55)를 포함한다.
상기 히터코어(55)는 고온의 압축공기와 주변을 통과하는 공기 간의 열교환에 의해 고온의 압축공기를 냉각시키는 한편 송풍팬(52)에 의해 압송되는 공기를 가열하여 차량 실내에 공급될 온기로 만들어주는 열교환기이다.
본 발명에서 상기 히터코어(55)는 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급될 고온의 압축공기가 통과하는 구성부이므로, 공기압축기(20)와 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)를 연결하는 공기공급라인(21)의 도중에 설치되어야 한다.
또한 상기 히터코어(55)를 포함하는 난방 장치의 구성을 위해서는 히터코어(55)로 외기를 압송하는 송풍팬(52)과, 상기 송풍팬(52)에 의해 압송되어 히터코어(55)를 거치면서 가열된 온기를 차량 실내로 공급하기 위한 덕트(50)와, 상기 덕트(50)를 통해 도입된 공기가 차량 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택적으로 배출될 수 있게 온기 유로를 절환시켜주는 댐퍼 도어(53) 및 그 액츄에이터(54)를 포함한다.
여기서, 상기 댐퍼 도어(53)는 액츄에이터(54)(예로서, 전기모터)에 의해 회전하면서 덕트(50)의 실내 측 유로 및 실외 측 유로를 선택적으로 개폐하며, 상기 액츄에이터(54)는 제어기(도시하지 않음)의 구동 제어하에 작동하여 댐퍼 도어(53)의 위치를 제어하게 된다.
바람직한 실시예에서, 차량에 난방 장치인 PTC 히터(51)가 설치된 경우라면, 이 PTC 히터(51)에 공기를 송풍해주는 송풍팬(52), PTC 히터(51)에 의해 가열된 공기를 차량 실내로 공급하기 위한 덕트(50), PTC 히터(51)에 의해 가열된 공기가 차량 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택 배출될 수 있게 온기 유로를 절환시켜주는 댐퍼 도어(53)를 본 발명에서 이용할 수 있다.
즉, 상기 PTC 히터(51), 송풍팬(52), 덕트(50), 댐퍼 도어(53)가 기존 난방 장치의 기본 구성이라면, 본 발명에서는 PTC 히터(51)의 전방에 압축공기가 통과하는 히터코어(55)를 배치하고, 상기 댐퍼 도어(53)가 실내 토출 위치로 절환된 상태에서, 상기 송풍팬(52)에 의해 압송되는 공기가 덕트(50)를 통해 안내되면서 히터코어(55)와 PTC 히터(51)를 차례로 통과한 뒤 차량 실내로 토출되도록 하는 것이며, 이때 PTC 히터(51)가 작동하는 상태에서는 송풍팬(52)에 의해 압송되는 공기가 히터코어(55), PTC 히터(51)에 의해 차례로 가열된 뒤 차량 실내로 토출되게 된다.
상기 히터코어(55)를 기 장착된 차량 실내 난방용 PTC 히터(51)의 전방에 배치하여, 상기 PTC 히터(51)의 송풍팬(52), 덕트(50), 댐퍼 도어(53)를 상기 1차 열교환기가 공통으로 사용하도록 구성하는 것이다.
물론, PTC 히터(51)가 오프된 상황이라면 송풍팬(52)에 의해 압송되는 공기는 히터코어(55)를 통과하는 고온의 압축공기에 의해서만 가열되어 차량 실내에 공급되게 된다.
또한 본 발명에서는 공기공급라인(21)에서 분기된 바이패스라인(23)이 추가 설치되며, 이 바이패스라인(23)에는 라디에이터(43) 후방의 쿨러(56)가 설치되고, 상기 쿨러(56)의 하류측 바이패스라인(23)과 공기공급라인(21)이 만나는 지점에 방향절환밸브(24)가 설치된다.
상기 방향절환밸브(24)는 제어기의 구동 제어하에 유로를 절환시켜주는 전자식 밸브로서, 제어기의 구동 제어하에 바이패스라인(23)을 통과한 압축공기가 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급될 수 있도록 쿨러(56) 측의 바이패스라인(23) 유로를 개방하거나, 히터코어(55) 측의 공기공급라인(21) 유로를 개방하게 된다.
즉, 상기 방향절환밸브(24)의 절환 작동으로 공기압축기(20)에서 공급되는 압축공기를 히터코어(55)를 통과시킨 뒤 공기공급라인(21)을 통해 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 바로 공급하거나, 상기 히터코어(55)를 통과시킨 압축공기를 바이패스라인(23)을 통해 라디에이터(43) 후방의 쿨러(56)를 추가로 통과시킨 뒤 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급할 수 있게 된다.
결국, 상기 히터코어(55)는 공기압축기(20)에서 공급되는 고온 고압의 공기를 열원으로 하는 열교환에 의해 차량 실내에 공급되는 공기를 가열하는 한편 고온 고압의 공기를 냉각하는 1차 열교환기가 되고, 상기 쿨러(56)는 1차 열교환기인 히터코어(55)의 내부를 통과하면서 열을 빼앗겨 냉각된 고압 공기를 주변을 통과하는 공기와의 열교환에 의해 추가로 냉각하여 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급하는 2차 열교환기가 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 실내 난방을 위해 사용되는 1차 열교환기인 히터코어(55)를 기존의 난방 장치인 PTC 히터(51)의 전방에 배치하는 경우, PTC 히터를 이용하여 수행하던 종래의 난방 성능을 개선할 수 있게 되며, PTC 히터의 용량을 대폭 축소할 수 있다.
특히, 동절기의 경우, 고온 고압의 공기를 열원으로 하는 히터코어(55)가 송풍팬(52)에 압송된 외기를 가열하여 차량 실내에 공급하도록 함으로써, PTC 히터(51)에 의한 차량 실내 난방을 보조하게 되는바, PTC 히터(51)의 용량 축소가 가능해지고, 전체적인 차량 난방 성능이 개선될 수 있게 된다.
또한 공기압축기(20)에서 공급되는 고온 고압의 공기를 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급하기에 앞서 냉각시켜주는 쿨러(56)(2차 열교환기)와는 별도로, 실내 난방용 히터코어(55)(1차 열교환기)가 고온 고압의 공기를 보조적으로 냉각시키는 역할을 하므로, 기존 쿨러의 크기 및 용량을 축소할 수 있는 장점이 있으며, 원가 절감이 가능해진다.
또한 연료전지로 들어가는 공기의 온도를 항시 적정 수준으로 조절 가능하여 연료전지 반응효율을 증대시킬 수 있음은 물론 라디에이터(43) 및 라디에이터 팬(44) 등 냉각 시스템의 용량을 축소할 수 있는바, 원가 절감 및 중량 저감이 가능해진다.
일본공개특허 제2007-128722호에 개시된 기술에서도 압축공기를 이용하여 차량의 실내를 난방시키나, 이는 고온의 압축공기를 난방을 위해 차량 실내에 직접 토출하는 것이어서 소음 발생의 문제점을 가진다.
이에 비해 본 발명에서는 고온의 압축공기를 히터코어(55)에 공급하여 외기 를 가열하는 용도로 사용하고 압축공기의 실내 토출 없이 가열된 외기만을 차량 실내에 토출하여 난방하는 것이므로 압축공기에서 발생할 수 있는 소음이 방지될 수 있다.
이하, 도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 작동상태에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 동절기의 작동상태도이고, 도 2는 하절기의 작동상태도로서, 본 발명에 따른 난방 장치의 작동은 동절기와 하절기로 나누어 설명할 수 있는데, 이는 편의상의 구분이며, 실제 작동은 운전자의 인위적인 난방 장치 온(On)/오프(Off) 조작 또는 차량 실내 온도의 자동 제어를 위해 난방 장치의 작동이 온/오프 제어되는 상태로 구분될 수 있다.
우선, 동절기의 경우, 즉 난방 장치가 온(On) 되는 경우에는 제어기가 방향절환밸브(24)의 구동을 제어하여 쿨러(56) 측 바이패스라인(23)을 닫아주고 히터코어(55) 측 공기공급라인(21)을 열어주게 된다.
또한 제어기는 송풍팬(52)을 구동하는 동시에 댐퍼 도어(53)의 구동을 제어하여 덕트(50)의 실외 측 유로를 닫아주고 실내 측 유로를 열어주게 되는데, 송풍팬(52)에 의해 압송된 외기가 히터코어(55) 주변을 통과하여 덕트(50)를 통해 차량 실내로 토출되게 된다.
이때, 공기압축기(20)에 의해 공급되는 고온 고압의 공기가 히터코어(55)를 통과한 뒤 공기공급라인(21) 및 방향절환밸브(24)를 거쳐 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급되며, 히터코어(55) 주변을 통과하는 외기와의 열교환을 통해 저온 고압의 공기로 냉각된 뒤 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)에 공급된다.
또한 송풍팬(52)에 의해 압송된 외기가 히터코어(55) 주변을 통과하는 동안 히터코어(55) 내부를 통과하는 고온 고압의 공기에 의해 가열된 뒤 덕트(50)를 통해 차량 실내로 토출되어 난방이 이루어지게 된다.
이와 같이 난방 장치가 작동하는 동안 차량 난방용 히터코어(55)를 통해 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급되는 고온 고압의 공기를 외기가 냉각시키도록 한다.
한편, 하절기의 경우, 즉 난방 장치가 오프(Off) 되는 경우에는 히터코어(55)가 공기압축기(20)에서 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급되는 고온 고압의 공기를 냉각시키는 데에만 이용된다.
즉, 제어기가 방향절환밸브(24)의 구동을 제어하여 쿨러(56) 측 바이패스라인(23)을 열어주고 히터코어(55) 측 공기공급라인(21)을 닫아주게 된다.
또한 제어기는 송풍팬(52)을 구동하는 동시에 댐퍼 도어(53)의 구동을 제어하여 덕트(50)의 실내 측 유로를 닫아주고 실외 측 유로를 열어주게 되며, 이에 송풍팬(52)에 의해 압송되는 외기가 히터코어(55) 주변을 통과한 뒤 덕트(50)를 통해 실외로 배출되도록 한다.
결국, 실내 난방은 하지 않지만, 공기압축기(20)에서 공급되는 고온 고압의 압축공기가 히터코어(55)의 내부를 통과하는 동안, 송풍팬(52)을 구동시켜 외기가 히터코어(55) 주변으로 통과되도록 하는바, 1차 열교환기인 상기 히터코어(55)에서 고온 고압의 압축공기가 냉각된다.
기본적으로 하절기와 같이 외기 온도가 높은 경우라면 히터코어(55)와 쿨러(56)를 동시에 이용하여 고온 고압의 공기를 냉각시키는데, 이를 위해 제어기는 방향절환밸브(24)의 구동을 제어하여 히터코어(55) 측 공기공급라인(21)을 닫아주고 쿨러(56) 측 바이패스라인(23)을 열어주게 된다.
이에 따라, 상기 히터코어(55)에서 1차로 냉각된 중온 고압의 공기가 바이패스라인(23)을 통해 라디에이터(43) 후방의 쿨러(56)를 통과한 뒤 방향절환밸브(24) 및 그 후단의 공기공급라인(21)을 통해 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급되며, 이때 라디에이터 팬(44)에 의해 압송되는 외기 또는 주행풍에 의해 쿨러(56)를 통과하는 중온 고압의 공기가 2차로 냉각되는바, 2차로 냉각된 저온 고압의 공기가 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급되게 된다.
만약, 연료전지 스택(30)의 캐소드(32)로 공급되는 압축공기가 연료전지의 최적 작동온도, 예를 들어 80℃ 미만으로 떨어지는 경우라면, 압축공기의 과냉을 방지하기 위해 1차 열교환기인 히터코어(55)와 2차 열교환기인 쿨러(56) 중 어느 하나에 의해서만 압축공기가 냉각되도록 할 수 있다.
이때, 송풍팬(52)의 구동을 중지시킨 상태로 압축공기가 쿨러(56)에 의해서만 냉각되도록 하거나, 또는 송풍팬(52)의 구동은 유지하되, 방향절환밸브(24)의 구동을 제어하여 쿨러(56) 측 바이패스라인(23)을 닫아주고 히터코어(55) 측 공기공급라인(21)을 열어주어, 압축공기가 바이패스라인(23) 및 쿨러(56)를 통과하지 않도록 함으로써, 히터코어(55)에서만 압축공기가 냉각되도록 한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드 로 공급되는 고온의 압축공기를 열원으로 사용하여 차량 실내에 공급되는 공기를 가열시켜주는 별도 실내 난방용 히터코어를 구비하여, 기존의 실내 난방 장치인 PTC 히터의 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 히터코어와 PTC 히터를 병용할 수 있게 되면서 차량의 실내 난방 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
또한 상기 히터코어를 1차 열교환기로 사용하고 2차로 라디에이터 후방에 있는 기존의 쿨러를 2차 열교환기를 사용하여 스택의 캐소드로 공급되는 압축공기를 냉각할 수 있는바, 상기 쿨러의 크기 및 용량을 축소할 수 있고, 이에 원가 절감이 가능해지며, 캐소드로 공급되는 압축공기를 항시 적절 온도로 유지할 수 있게 되면서 연료전지 스택의 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
도 1과 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 실내 난방 장치를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소탱크 20 : 공기압축기
21 : 공기공급라인 23 : 바이패스라인
24 : 방향절환밸브 30 : 연료전지 스택
31 : 애노드 32 : 캐소드
33 : 냉각수 통로 41 : 냉각수 라인
43 : 라디에이터 44 : 라디에이터 팬
45 : 냉각수 펌프 50 : 덕트
51 : 히터코어 52 : 송풍팬
53 : 댐퍼 도어 54 : 액츄에이터
55 : 히터코어 56 : 쿨러

Claims (4)

  1. 공기압축기에 의해 연료전지 스택의 캐소드로 공급되는 압축공기가 통과하도록 된 1차 열교환기 및 2차 열교환기와,
    상기 1차 열교환기에 외기를 압송하는 송풍팬과,
    상기 송풍팬에 의해 압송되어 상기 1차 열교환기를 거치면서 가열된 온기를 차량 실내로 공급하기 위한 덕트와,
    상기 덕트를 통해 도입된 공기가 차량 실내 또는 실외 중 어느 한 곳으로 선택적으로 배출될 수 있게 온기 유로를 절환시켜주는 댐퍼 도어 및 그 액츄에이터를 구비하여,
    상기 1차 열교환기를 차량 실내 난방을 위한 히터코어로 사용하고,
    상기 2차 열교환기가 라디에이터 팬에 의해 압송되는 공기 또는 차량의 주행풍과의 열교환에 의해 압축공기를 냉각하는 라디에이터 후방의 쿨러인 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 실내 난방 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 열교환기는 기 장착된 차량 실내 난방용 PTC 히터의 전방에 배치되고, 상기 송풍팬, 덕트, 댐퍼 도어는 상기 1차 열교환기와 상기 PTC 히터가 공통으로 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 실내 난방 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 1차 열교환기로부터 이를 통과한 압축공기가 공급되도록 연료전지 스택의 캐소드로 연결되는 공기공급라인에서 바이패스라인이 분기되어 설치되고, 상기 바이패스라인에 상기 2차 열교환기가 설치되며, 상기 2차 열교환기의 하류측 바이패스라인과 상기 공기공급라인이 만나는 지점에 방향절환밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 실내 난방 장치.
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