KR101610076B1 - Fuel cell cooling system - Google Patents

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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템은, ⅰ)냉 시동 시 열원을 제공하는 가열장치를 구비하며 연료 전지 스택을 냉각수로서 냉각하기 위한 스택 냉각 루프와, ⅱ)전장 부품들을 냉각수로서 냉각하기 위한 전장 냉각 루프와, ⅲ)상기 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프로 공급하기 위해 상기 전장 냉각 루프와 스택 냉각 루프를 연결하는 바이패스 루프와, ⅳ)상기 스택 냉각 루프에 구성되며 상기 열원을 제공받아 상기 스택 냉각 루프의 냉각수를 가열하는 열교환기를 포함한다.A fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: i) a stack cooling loop for cooling a fuel cell stack as cooling water, having a heating device for providing a heat source at a cold start, and ii) And iii) a bypass loop connecting the electric cooling cooling loop and the stack cooling loop to supply a heat source of the electric cooling cooling loop to the stack cooling loop, iv) a bypass loop configured in the stack cooling loop, And a heat exchanger provided with a heat source for heating the cooling water in the stack cooling loop.

Description

연료 전지 냉각 시스템 {FUEL CELL COOLING SYSTEM}[0001] FUEL CELL COOLING SYSTEM [0002]

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지 스택과 전장 부품들을 냉각시키기 위한 연료 전지 냉각 시스템에 관한 것이다.Exemplary embodiments of the present invention are directed to a fuel cell cooling system, and more particularly, to a fuel cell cooling system for cooling a fuel cell stack and electrical components.

알려진 바와 같이, 연료전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 연료전지 스택에 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에 의해 생산된 전기로 전기모터를 작동시켜 차량을 구동시킨다.As is known, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system, hydrogen used as fuel is supplied to the fuel cell stack to produce electricity, and an electric furnace electric motor produced by the fuel cell stack is operated to drive the vehicle.

여기서, 연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 내에서 전기 화학적으로 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.Here, the fuel cell system is a kind of power generation system that converts the chemical energy of the fuel directly into electric energy electrochemically in the fuel cell stack without converting it into heat by combustion.

연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열관리 시스템을 포함하여 구성된다. The fuel cell system mainly includes a fuel cell stack that generates electrical energy, a fuel supply device that supplies fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, an air supply device that supplies oxygen in the air, which is an oxidant required for electrochemical reaction, And a thermal management system for removing the reaction heat of the fuel cell stack from the system and controlling the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.With this configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by electrochemical reaction between hydrogen as fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 다수 개의 단위 전지들이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 전지는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하며, 이 막-전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.The fuel cell stack is applied to a fuel cell vehicle. The fuel cell stack includes a plurality of unit cells arranged in series. Each unit cell has a membrane-electrode assembly (MEA) The assembly is composed of an electrolyte membrane capable of moving hydrogen ions (proton) and a catalyst layer coated on both sides of the electrolyte membrane so that hydrogen and oxygen can react with each other, that is, a cathode and an anode.

또한 상기 막-전극 어셈블리(MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 세퍼레이터가 위치한다.Further, a gas diffusion layer (GDL) is disposed at an outer portion of the MEA, that is, at an outer portion of the cathode and the anode, and fuel and air are supplied to the cathode and the anode from the outside of the gas diffusion layer A separator formed with a flow field to discharge water generated by the reaction is located.

따라서, 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다.Therefore, hydrogen and oxygen are ionized by the chemical reaction by the respective catalyst layers, so that the hydrogen side carries out an oxidation reaction in which hydrogen ions and electrons are generated, while the oxygen side carries out a reduction reaction in which oxygen ions react with hydrogen ions to generate water .

즉, 수소가 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급되는 바, 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 가스 확산층과 세퍼레이터를 통하여 캐소드로 전달된다.That is, hydrogen is supplied to an anode (also referred to as an "oxidizing electrode") and oxygen (air) is supplied to a cathode (also referred to as a reducing electrode), and hydrogen supplied to the anode is supplied to both sides of the electrolyte membrane (Proton, H +) are selectively decomposed into hydrogen ions (Proton, H +) and electrons (Electron, e-) Electrons (e, e) are transferred to the cathode through a gas diffusion layer, which is a conductor, and a separator.

이에, 캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 세퍼레이터를 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.Thus, in the cathode, the hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and the electrons transferred through the separator meet with oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to produce water.

이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.Due to the movement of the hydrogen ions occurring at this time, an electric current is generated by the flow of electrons through the external lead, and the heat is incidentally generated in the water production reaction.

한편, 연료 전지 스택의 초기 시동 시에는 열관리 시스템(이하에서는 편의 상 "스택 냉각 루프" 라고 한다)을 통해 각 단위 전지로 열을 제공하여 일정한 온도를 유지시킬 필요가 있는데, 스택 냉각 루프에서는 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하거나 초기 시동 시 단위 전지를 가열하면서 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하고 있다.On the other hand, at the time of initial startup of the fuel cell stack, it is necessary to maintain a constant temperature by providing heat to each unit cell through a thermal management system (hereinafter referred to as "stack cooling loop & The reaction heat of the stack is removed to the outside of the system or the operating temperature of the fuel cell stack is controlled while heating the unit cell at the initial start-up.

다른 한편으로, 연료 전지 차량은 주행 시에 각종 전장 부품들 예컨대, 공기 블로워, 모터, 인버터 등에서 열이 발생하게 되는데, 이러한 열은 별도의 전장 냉각 루프를 통하여 냉각하고 있다.On the other hand, in a fuel cell vehicle, heat is generated in various electric components such as an air blower, a motor, an inverter, etc., and this heat is cooled through a separate electric cooling loop.

그런데, 종래 기술에서는 상술한 바와 같은 스택 냉각 루프를 통해 연료 전지 스택의 냉각이 이루어지고, 이와는 별도로 전장 냉각 루프를 통해 전장 부품들의 냉각이 이루어짐에 따라, 연비 향상에 불리하고, 연료 전지 스택과 전장 부품들의 냉각 효율이 저하될 수 있다는 문제점을 내포하고 있다. However, according to the related art, cooling of the fuel cell stack is performed through the stack cooling loop as described above, and cooling of the electric components is performed through the electric cooling loop, which is disadvantageous to fuel efficiency improvement. The cooling efficiency of the parts may be deteriorated.

본 발명의 예시적인 실시예는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 연료 전지 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프에 공급하여 연료 전지 스택의 운전 온도를 안정적으로 제어할 수 있도록 한 연료 전지 냉각 시스템을 제공한다.An exemplary embodiment of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a stack cooling loop in which a heat source of an electric field cooling loop generated at the time of traveling of a fuel cell vehicle is supplied to a stack cooling loop, A fuel cell cooling system is provided.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템은, ⅰ)냉 시동 시 열원을 제공하는 가열장치를 구비하며 연료 전지 스택을 냉각수로서 냉각하기 위한 스택 냉각 루프와, ⅱ)전장 부품들을 냉각수로서 냉각하기 위한 전장 냉각 루프와, ⅲ)상기 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프로 공급하기 위해 상기 전장 냉각 루프와 스택 냉각 루프를 연결하는 바이패스 루프와, ⅳ)상기 스택 냉각 루프에 구성되며 상기 열원을 제공받아 상기 스택 냉각 루프의 냉각수를 가열하는 열교환기를 포함한다.To this end, a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention comprises: i) a stack cooling loop for cooling a fuel cell stack as cooling water, having a heating device for providing a heat source at cold start, and ii) A bypass loop for connecting the electric cooling cooling loop and the stack cooling loop to supply a heat source of the electric cooling cooling loop to the stack cooling loop; and iv) And a heat exchanger for receiving the heat source to heat the cooling water in the stack cooling loop.

상기 연료 전지 냉각 시스템에 있어서, 상기 스택 냉각 루프에서 상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 제1 온도 센서와, 상기 전장 냉각 루프에서 상기 전장 부품들의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 제2 온도 센서와, 상기 연료 전지 스택으로부터 전력을 제공받아 상기 제어기에 의해 제어되며 상기 가열 장치 및 전장 부품들로 전력을 분해하는 전력 분배기를 더 포함할 수 있다.A first temperature sensor for sensing the temperature of the fuel cell stack in the stack cooling loop and outputting a sensing signal to the controller; and a controller for sensing the temperature of the electrical components in the electrical cooling loop, A second temperature sensor for outputting a detection signal to the controller, and a power divider that receives power from the fuel cell stack and is controlled by the controller, and that divides power into the heating device and the electrical components.

상기 연료 전지 냉각 시스템은, 상기 열교환기가 열전소자로 이루어질 수 있다.In the fuel cell cooling system, the heat exchanger may be a thermoelectric device.

상기 연료 전지 냉각 시스템에 있어서, 상기 스택 냉각 루프는 상기 냉각수를 저장하는 제1 냉각수 탱크와, 상기 냉각수를 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 제1 워터 펌프와, 상기 냉각수를 냉각시키기 위한 제1 라디에이터와, 상기 냉각수의 공급 경로를 변환하기 위한 제1 쓰리-웨이 밸브를 포함할 수 있다.In the fuel cell cooling system, the stack cooling loop includes a first cooling water tank for storing the cooling water, a first water pump for supplying the cooling water to the fuel cell stack, a first radiator for cooling the cooling water, And a first three-way valve for changing the supply path of the cooling water.

상기 연료 전지 냉각 시스템에 있어서, 상기 전장 냉각 루프는 상기 냉각수를 저장하는 제2 냉각수 탱크와, 상기 냉각수를 전장 부품들로 공급하는 제2 워터 펌프와, 상기 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터와, 상기 전장 부품들에 대한 냉각수 공급 경로와 상기 바이패스 루프를 선택적으로 연결할 수 있다.In the fuel cell cooling system, the electric-field cooling loop includes a second cooling water tank for storing the cooling water, a second water pump for supplying the cooling water to electric components, a second radiator for cooling the cooling water, And the bypass loop can be selectively connected to the cooling water supply path for the electrical components.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법은, 가열장치를 구비하며 연료 전지 스택을 냉각하는 스택 냉각 루프와, 전장 부품들을 냉각하는 전장 냉각 루프와, 상기 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프에 공급하기 위한 바이패스 루프와, 상기 열원을 제공받아 스택 냉각 루프의 냉각수를 가열하는 열교환기를 포함하는 연료 전지 냉각 시스템을 제어하기 위한 것으로서, ⅰ)외부 온도를 감지하여 냉 시동 조건인지를 판단하는 과정과, ⅱ)상기 냉 시동 조건인 경우 상기 가열장치를 온(on)시키는 과정과, ⅲ)상기 냉 시동 조건이 아닌 경우 상기 가열장치를 오프(off)시키고, 상기 연료 전지 스택의 온도와 전장 부품들의 온도를 감지하는 과정과, ⅳ)상기 연료 전지 스택과 전장 부품들의 온도가 설정 온도를 초과하는지 판단하는 과정과, ⅴ)상기 연료 전지 스택과 전장 부품들의 온도가 설정 온도를 초과하지 않으면, 상기 바이패스 루프를 개방하는 과정과, ⅵ)상기 바이패스 루프를 통해 상기 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프로 공급하고, 상기 열교환기를 통해 상기 열원으로서 스택 냉각 루프의 냉각수를 가열하는 과정을 포함한다.In addition, a control method of a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention includes a stack cooling loop for cooling a fuel cell stack having a heating device, an electric field cooling loop for cooling electrical components, A bypass loop for supplying the heat source of the stack cooling loop to the stack cooling loop, and a heat exchanger for receiving the heat source to heat the cooling water of the stack cooling loop, the system comprising: i) (Ii) turning on the heating device when the cold start condition is satisfied, and (iii) turning off the heating device when the cold start condition is not satisfied, Sensing the temperature of the battery stack and the temperature of the electrical components; and iv) determining whether the temperature of the fuel cell stack and electrical components exceeds the set temperature Opening the bypass loop if the temperature of the fuel cell stack and electrical components does not exceed a set temperature; and (vi) opening the heat source of the electric field cooling loop through the bypass loop to the stack And heating the cooling water in the stack cooling loop as the heat source through the heat exchanger.

상기 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법은, 상기 ⅳ)과정에서 상기 연료 전지 스택과 전장 부품들의 온도가 설정 온도를 초과하면, 상기 바이패스 루프를 폐쇄하고, 상기 스택 냉각 루프 및 전장 냉각 루프의 냉각수를 라디에이터를 통해 냉각할 수 있다.The control method of the fuel cell cooling system is characterized in that when the temperature of the fuel cell stack and the electrical components exceeds the set temperature in the step iv), the bypass loop is closed and the cooling water of the stack cooling loop and the electric cooling loop It can be cooled through a radiator.

상기 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 바이패스 루프의 개폐는 쓰리-웨이 밸브를 통해 이루어질 수 있다.In the control method of the fuel cell cooling system, the bypass loop may be opened and closed through a three-way valve.

상기 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법에 있어서, 상기 바이패스 루프는 상기 열교환기와 상기 전장 냉각 루프를 연결할 수 있다.In the control method of the fuel cell cooling system, the bypass loop may connect the heat exchanger and the electric field cooling loop.

상술한 바와 같은 본 발명의 예시적인 실시예에 의하면, 연료 전지 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프의 열원을 바이패스 루프 및 열전소자 열교환기를 통해서 스택 냉각 루프에 공급하여 연료 전지 스택의 운전 온도를 안정적으로 제어할 수 있다.According to the exemplary embodiment of the present invention as described above, the heat source of the electric-field cooling loop generated at the time of traveling of the fuel cell vehicle is supplied to the stack cooling loop through the bypass loop and the thermoelectric-element heat exchanger, Can be stably controlled.

따라서, 본 실시예에서는 가열장치가 냉 시동 시에만 작동하고 냉 시동 이후에 연료 전지 스택의 전력을 공급받아서 냉각수를 승온시키지 않고, 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프에서의 열원을 연료 전지 스택의 공급 열원으로 이용하기 때문에 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the heating device is operated only at the cold start time, and the heat source in the electric-field cooling loop, which is generated at the time of traveling of the vehicle, without supplying the electric power of the fuel cell stack after the cold start, So that the fuel efficiency can be further improved.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지 스택을 냉각하기 위한 스택 냉각 루프와 전장 부품들을 냉각하기 위한 전장 냉각 루프가 별도로 구성되기 때문에, 전체 시스템의 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 스택 냉각 루프의 전기 전도도에 영향을 주지 않으므로 이온 제거기 필터의 크기를 작게 구현할 수 있다.In addition, in the present embodiment, since the stack cooling loop for cooling the fuel cell stack and the electric field cooling loop for cooling electric components are separately constructed, it is possible to improve the cooling performance of the entire system and to improve the electric conductivity of the stack cooling loop The size of the ion eliminator filter can be reduced.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.These drawings are for the purpose of describing an exemplary embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a block diagram schematically showing a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. .

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템(100)은 연료 전지 시스템이 탑재된 연료 전지 차량에서 연료 전지 스택(10)에서 발생하는 열과 차량 구동에 필요한 전장 부품들(20)에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 것이다.Referring to the drawings, a fuel cell cooling system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention includes heat generated in a fuel cell stack 10 in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system and electrical components 20). ≪ / RTI >

여기서, 상기 연료 전지 스택(10)은 다수의 연료 전지 셀들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체로서 이루어지며, 연료 전지 셀들 사이에 냉각수가 유통될 수 있는 냉각수 통로(도면에 도시되지 않음)를 형성하고 있다.Here, the fuel cell stack 10 is composed of a plurality of fuel cell assemblies in which a plurality of fuel cells are successively arranged, and a cooling water channel (not shown) through which cooling water can flow between the fuel cell cells is formed have.

그리고, 상기 전장 부품들(20)은 차량의 구동에 필요한 공기 블로워, 인버터, 모터 등을 포함할 수 있다.The electric components 20 may include an air blower, an inverter, a motor, and the like necessary for driving the vehicle.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 냉각 시스템(100)은 차량의 연비 및 냉각 성능를 향상시킬 수 있도록 차량의 주행 시에 발생되는 전장 부품들(20)의 열원을 연료 전지 스택(10)의 운전 온도를 정상화시키는데 사용할 수 있는 구성으로 이루어진다.The fuel cell cooling system 100 according to the present embodiment may be configured such that the heat source of the electric components 20 generated at the time of driving the vehicle is changed to the operation temperature of the fuel cell stack 10 And can be used for normalization.

이를 위해 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템(100)은 기본적으로 스택 냉각 루프(30)와, 전장 냉각 루프(40)와, 바이패스 루프(50)와, 열교환기(60)를 포함하여 구성되며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.The fuel cell cooling system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention basically includes a stack cooling loop 30, an electric field cooling loop 40, a bypass loop 50, a heat exchanger 60, And a description thereof will be made as follows.

본 실시예에서, 상기 스택 냉각 루프(30)는 연료 전지 스택(10)에서 발생하는 열을 제거하거나 그 연료 전지 스택(10)에 열원을 제공하여 운전 온도를 제어하기 위한 것이다.In the present embodiment, the stack cooling loop 30 is for removing the heat generated in the fuel cell stack 10 or providing a heat source to the fuel cell stack 10 to control the operating temperature.

상기 스택 냉각 루프(30)에는 연료 전지 스택(10)에 대하여 냉각수의 흐름을 가능케 하는 제1 냉각수 공급라인(31)이 구비되며, 연료 전지 스택(10)의 전단 측에는 그 연료 전지 스택(10)으로 열원을 제공하는 가열장치(32)가 설치된다.The stack cooling loop 30 is provided with a first cooling water supply line 31 for allowing the flow of cooling water to the fuel cell stack 10 and a fuel cell stack 10 is provided at the front end side of the fuel cell stack 10, A heating device 32 for providing a heat source is provided.

상기 가열장치(32)는 연료 전지 스택(10) 또는 배터리에서 제공되는 전력으로서 작동되는 것으로, 냉 시동 시 냉각수를 가열하여 연료 전지 스택(10)에 소정의 열원을 제공하는 기능을 하게 된다.The heating device 32 operates as power supplied from the fuel cell stack 10 or the battery. The heating device 32 functions to heat the cooling water during the cold start operation to provide the fuel cell stack 10 with a predetermined heat source.

또한, 상기 스택 냉각 루프(30)의 제1 냉각수 공급라인(31)에는 냉각수를 저장하는 제1 냉각수 탱크(33)와, 냉각수를 연료 전지 스택(10)으로 공급하기 위한 제1 워터 펌프(34)와, 냉각수를 냉각시키기 위한 제1 라디에이터(35)와, 냉각수의 공급 경로를 변환하기 위한 제1 쓰리-웨이 밸브(3-way valve)(36)를 설치하고 있다.The first cooling water supply line 31 of the stack cooling loop 30 includes a first cooling water tank 33 for storing cooling water and a first water pump 34 for supplying cooling water to the fuel cell stack 10 A first radiator 35 for cooling the cooling water, and a first three-way valve 36 for changing the supply path of the cooling water.

이러한 상기 스택 냉각 루프(30)를 구성하는 가열장치(32), 냉각수 탱크(33), 워터 펌프(34), 라디에이터(35), 및 밸브(36)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 스택 냉각 루프의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The heating device 32, the cooling water tank 33, the water pump 34, the radiator 35, and the valve 36 constituting the stack cooling loop 30 are stacked in a well- Loop, so that a detailed description thereof will be omitted in this specification.

본 실시예에서, 상기 전장 냉각 루프(40)는 차량 구동에 필요한 전장 부품들(20)에서 발생되는 열을 냉각수로서 냉각시키기 위한 것이다.In the present embodiment, the electric-field cooling loop 40 is for cooling the heat generated in the electrical components 20 necessary for driving the vehicle as cooling water.

상기 전장 냉각 루프(40)에는 전장 부품들(20)에 대하여 냉각수의 흐름을 가능케 하는 제2 냉각수 공급라인(41)이 구비되며, 제2 냉각수 공급라인(41)에는 냉각수를 저장하는 제2 냉각수 탱크(43)와, 냉각수를 전장 부품들(20)로 공급하는 제2 워터 펌프(44)와, 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터(45)를 설치하고 있다.The second cooling water supply line 41 is provided with a second cooling water supply line 41 for allowing cooling water to flow to the electric components 20 in the electric field cooling loop 40, A tank 43, a second water pump 44 for supplying cooling water to the electrical components 20, and a second radiator 45 for cooling the cooling water.

이러한 상기 전장 냉각 루프(40)를 구성하는 냉각수 탱크(43) 및 워터 펌프(44) 등은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 전장 냉각 루프의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The cooling water tank 43 and the water pump 44 constituting the electric-field cooling loop 40 are constructed of a well-known electric-field cooling loop well known in the art, so that a detailed description thereof will be omitted herein .

본 실시예에서, 상기 바이패스 루프(50)는 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프(40)의 열원을 스택 냉각 루프(30)의 냉각수로 공급하기 위한 것이다.In the present embodiment, the bypass loop 50 is for supplying the heat source of the electric-field cooling loop 40, which is generated during traveling of the vehicle, to the cooling water of the stack cooling loop 30.

상기 바이패스 루프(50)는 전장 냉각 루프(40)와 스택 냉각 루프(30)를 연결하는 바이패스 관로(51)를 포함하는데, 이 바이패스 관로(51)는 전장 냉각 루프(40)의 제2 냉각수 공급라인(41)과 뒤에서 더욱 설명될 열교환기(60)를 연결할 수 있다.The bypass loop 50 includes a bypass conduit 51 connecting the electric field cooling loop 40 and the stack cooling loop 30 to the bypass conduit 51, 2 cooling water supply line 41 and a heat exchanger 60 to be described later.

한편, 상기 전장 냉각 루프(40)에는 전장 부품들(20)에 대한 냉각수의 공급 경로와 바이패스 루프(50)를 선택적으로 연결하는 제2 쓰리-웨이 밸브(3-way valve)(70)가 구비된다.A third two-way valve 70 for selectively connecting the supply path of the cooling water to the electrical components 20 and the bypass loop 50 is connected to the electrical cooling loop 40 Respectively.

즉, 상기 제2 쓰리-웨이 밸브(70)는 전장 냉각 루프(40)에서 유동하는 냉각수의 유동 경로와 스택 냉각 루프(30)에서 유동하는 냉각수의 유동 경로를 바이패스 루프(50)를 통하여 선택적으로 연결할 수 있다.That is, the second three-way valve 70 selectively connects the flow path of the cooling water flowing in the electric-field cooling loop 40 and the flow path of the cooling water flowing in the stack cooling loop 30 through the bypass loop 50 .

본 실시예에서, 상기 열교환기(60)는 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프(40)의 열원을 공급받아 스택 냉각 루프(30)의 냉각수를 가열하기 위한 것이다.In the present embodiment, the heat exchanger 60 is provided for heating the cooling water in the stack cooling loop 30 by receiving the heat source of the electric-field cooling loop 40 generated during traveling of the vehicle.

상기 열교환기(60)는 스택 냉각 루프(30)에 구성되는 바, 전장 냉각 루프(40)의 열을 스택 냉각 루프(30)에 공급하는 열전소자로서 이루어지는 것이 바람직하다.The heat exchanger 60 is preferably configured as a thermoelectric element that is configured in the stack cooling loop 30 and supplies the heat of the electric field cooling loop 40 to the stack cooling loop 30. [

이러한 열교환기(60)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열전소자로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since the heat exchanger 60 is made of a known thermoelectric device well known in the art, a detailed description of its construction will be omitted herein.

한편, 본 실시예에 의한 상기 연료 전지 냉각 시스템(100)에는 제1 온도 센서(71), 제2 온도 센서(72), 및 전력 분배기(80)를 더욱 포함하고 있다.The fuel cell cooling system 100 according to the present embodiment further includes a first temperature sensor 71, a second temperature sensor 72, and a power divider 80.

상기 제1 온도 센서(71)는 스택 냉각 루프(30)에서 연료 전지 스택(10)의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다. 제2 온도 센서(72)는 전장 냉각 루프(40)에서 전장 부품들(20)의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다.The first temperature sensor 71 senses the temperature of the fuel cell stack 10 in the stack cooling loop 30 and outputs a detection signal to the controller 90. The second temperature sensor 72 senses the temperature of the electric components 20 in the electric-field cooling loop 40 and outputs the sensed signal to the controller 90.

그리고, 상기 전력 분배기(80)는 연료 전지 스택(10)과 전기적으로 연결되는 바, 제어기(90)에 의해 제어되며, 연료 전지 스택(10)으로부터 전력을 제공받아 위에서 언급한 바 있는 가열장치(32) 및 전장 부품들(20)로 전력을 분배하는 기능을 하게 된다.The power distributor 80 is electrically connected to the fuel cell stack 10 and is controlled by the controller 90. The power distributor 80 receives power from the fuel cell stack 10, 32 and the electrical components 20, as shown in FIG.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템(100)의 작용 및 제어 방법을 앞서 개시한 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation and control method of the fuel cell cooling system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to Figs.

도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.2 is a flowchart illustrating a control method of a fuel cell cooling system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 본 실시예에서는 외부 온도 센서(도면에 도시되지 않음)를 통해 외부 온도를 감지하고(S10 단계), 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력하여 제어기(90)를 통해 차량이 냉 시동 조건인지를 판단한다(S20 단계).1 and 2, in the present embodiment, the external temperature is sensed through an external temperature sensor (not shown) (S10), the sensed signal is output to the controller 90, and the controller 90 ) To determine whether the vehicle is in a cold start condition (step S20).

상기 S20 단계에서 냉 시동 조건인 경우, 제어기(90)는 스택 냉각 루프(30)의 가열장치(32)를 작동시키는데(S30 단계), 가열장치(32)는 전력 분배기(80)로부터 전력을 제공받아 작동될 수 있다.The controller 90 operates the heating device 32 of the stack cooling loop 30 in step S30 so that the heating device 32 supplies power from the power distributor 80 And can be operated.

그러면, 상기 가열장치(32)에서 발생하는 열원이 냉각수를 통해 연료 전지 스택(10)으로 공급됨에 따라 연료 전지 스택(10)은 냉 시동이 가능해진다.Then, as the heat source generated in the heating device 32 is supplied to the fuel cell stack 10 through the cooling water, the fuel cell stack 10 can be cold-started.

한편, 상기 제어기(90)를 통해 냉 시동 조건이 아닌 것으로 판단된 경우, 제어기(90)는 전력 분배기(80)로부터 가열장치(32)로 공급되는 전력을 차단함으로써 가열장치(32)의 작동을 오프시킨다(S40 단계).If it is determined that the cold start condition is not satisfied through the controller 90, the controller 90 cuts off the power supplied from the power distributor 80 to the heater 32 to thereby perform the operation of the heater 32 (Step S40).

즉, 상기 전력 분배기(80)는 가열장치(32)로 전력을 공급하지 않고, 차량 구동에 필요한 전력을 전장 부품(20) 등으로 공급한다. That is, the power distributor 80 does not supply electric power to the heating device 32 but supplies electric power required for driving the vehicle to the electric component 20 or the like.

그리고 나서, 스택 냉각 루프(30)의 제1 온도 센서(71)는 연료 전지 스택(10)의 온도를 감지하며, 전장 냉각 루프(40)의 제2 온도 센서(72)는 전장 부품들(20)의 온도를 감지하고(S50 단계), 그 감지 신호를 제어기(90)로 출력한다.The first temperature sensor 71 of the stack cooling loop 30 then senses the temperature of the fuel cell stack 10 and the second temperature sensor 72 of the electrical cooling loop 40 is connected to the electrical components 20 (Step S50), and outputs the detection signal to the controller 90

이에, 상기 제어기(90)는 연료 전지 스택(10)과 전장 부품들(20)의 온도가 설정 온도를 초과하는지를 판단한다(S60 단계).The controller 90 determines whether the temperature of the fuel cell stack 10 and the electric components 20 exceeds a predetermined temperature (S60).

여기서, 연료 전지 스택(10)과 전장 부품들(20)의 온도가 설정 온도를 초과하지 않으면, 제어기(90)는 제2 쓰리-웨이 밸브(70)에 전기적인 신호를 인가하여 바이패스 루프(50)를 개방한다(S70 단계).Here, if the temperature of the fuel cell stack 10 and the electrical components 20 does not exceed the set temperature, the controller 90 applies an electrical signal to the second three-way valve 70 to generate a bypass loop 50) (step S70).

그러면, 상기 전장 냉각 루프(40)는 차량의 주행 시에 발생되는 열원을 바이패스 루프(50)를 통해 스택 냉각 루프(30)의 열교환기(60)로 공급하는데(S80 단계), 열교환기(60)는 열원으로서 스택 냉각 루프(30)의 냉각수를 가열한다(S90 단계).Then, the electric-field cooling loop 40 supplies a heat source generated during traveling of the vehicle to the heat exchanger 60 of the stack cooling loop 30 through the bypass loop 50 (step S80) 60 heats the cooling water of the stack cooling loop 30 as a heat source (step S90).

한편, 상기 S60 단계에서 연료 전지 스택(10)과 전장 부품들(20)의 온도가 설정 온도를 초과하면, 제어기(90)는 바이패스 루프(50)를 폐쇄하고(S110 단계), 스택 냉각 루프(30) 및 전장 냉각 루프(40)의 라디에이터(35, 45)를 통해 각 루프(30, 40)에서의 냉각수를 냉각시킨다(S120 단계).On the other hand, if the temperature of the fuel cell stack 10 and the electrical components 20 exceeds the set temperature in step S60, the controller 90 closes the bypass loop 50 (step S110) The cooling water in each of the loops 30 and 40 is cooled through the radiators 30 and 40 and the radiators 35 and 45 of the entire cooling loop 40 in step S120.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 냉각 시스템(100)에 의하면, 연료 전지 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프(40)의 열원을 바이패스 루프(50) 및 열전소자 열교환기(60)를 통해서 스택 냉각 루프(30)에 공급하여 연료 전지 스택(10)의 운전 온도를 안정적으로 제어할 수 있다. As described above, according to the fuel cell cooling system 100 according to the exemplary embodiment of the present invention, the heat source of the electric-field cooling loop 40, which is generated at the time of traveling of the fuel cell vehicle, It is possible to stably control the operating temperature of the fuel cell stack 10 by supplying it to the stack cooling loop 30 through the element heat exchanger 60.

따라서, 본 실시예에서는 가열장치(32)가 냉 시동 시에만 작동하고 냉 시동 이후에 연료 전지 스택(10)의 전력을 공급받아서 냉각수를 승온시키지 않고, 차량의 주행 시에 발생되는 전장 냉각 루프(40)에서의 열원을 연료 전지 스택(10)의 공급 열원으로 이용하기 때문에 연비를 더욱 향상시킬 수 있다.Therefore, in the present embodiment, the heating device 32 is operated only at the cold start, and after the cold start, the electric power of the fuel cell stack 10 is supplied to increase the temperature of the cooling water, 40 is used as a supply heat source for the fuel cell stack 10, fuel economy can be further improved.

또한, 본 실시예에서는 연료 전지 스택(10)을 냉각하기 위한 스택 냉각 루프(30)와, 전장 부품들(20)을 냉각하기 위한 전장 냉각 루프(40)가 별도로 구성되기 때문에, 전체 시스템의 냉각 성능을 향상시킬 수 있으며, 스택 냉각 루프(30)의 전기 전도도에 영향을 주지 않으므로 이온 제거기 필터의 크기를 작게 구현할 수 있다.Further, in this embodiment, since the stack cooling loop 30 for cooling the fuel cell stack 10 and the electric-field cooling loop 40 for cooling the electric components 20 are separately constructed, And the size of the ion eliminator filter can be reduced because the electric conductivity of the stack cooling loop 30 is not affected.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, And it goes without saying that the invention belongs to the scope of the invention.

10... 연료 전지 스택 20... 전장 부품
30... 스택 냉각 루프 31... 제1 냉각수 공급라인
32... 가열장치 33... 제1 냉각수 탱크
34... 제1 워터 펌프 35... 제1 라디에이터
36... 제1 쓰리-웨이 밸브 40... 전장 냉각 루프
41... 제2 냉각수 공급라인 43... 제2 냉각수 탱크
44... 제2 워터 펌프 45... 제2 라디에이터
50... 바이패스 루프 51... 바이패스 관로
60... 열전소자 열교환기 70... 제2 쓰리-웨이 밸브
71... 제1 온도 센서 72... 제2 온도 센서
80... 전력 분배기 90... 제어기10 ... Fuel cell stack 20 ... Electrical parts
30 ... Stack cooling loop 31 ... First cooling water supply line
32 ... Heating device 33 ... First cooling water tank
34 ... first water pump 35 ... first radiator
36 ... first three-way valve 40 ... electric cooling loop
41 ... second cooling water supply line 43 ... second cooling water tank
44 ... second water pump 45 ... second radiator
50 ... bypass loop 51 ... bypass pipe
60 ... thermoelectric heat exchanger 70 ... second three-way valve
71 ... first temperature sensor 72 ... second temperature sensor
80 ... power distributor 90 ... controller

Claims (8)

냉 시동 시 열원을 제공하는 가열장치를 구비하며 연료 전지 스택을 냉각수로서 냉각하기 위한 스택 냉각 루프;
전장 부품들을 냉각수로서 냉각하기 위한 전장 냉각 루프;
차량의 주행 시에 발생되는 상기 전장 냉각 루프의 열원을 스택 냉각 루프로 공급하기 위해 상기 전장 냉각 루프와 스택 냉각 루프를 연결하는 바이패스 루프; 및
상기 스택 냉각 루프에 구성되며 상기 열원을 제공받아 상기 스택 냉각 루프의 냉각수를 가열하는 열교환기;를 포함하며,
상기 스택 냉각 루프는, 상기 냉각수를 저장하는 제1 냉각수 탱크와, 상기 냉각수를 연료 전지 스택으로 공급하기 위한 제1 워터 펌프와, 상기 냉각수를 냉각시키기 위한 제1 라디에이터와, 상기 냉각수의 공급 경로를 변환하기 위한 제1 쓰리-웨이 밸브를 포함하고,
상기 전장 냉각 루프는, 상기 냉각수를 저장하는 제2 냉각수 탱크와, 상기 냉각수를 전장 부품들로 공급하는 제2 워터 펌프와, 상기 냉각수를 냉각시키기 위한 제2 라디에이터와, 상기 전장 부품들에 대한 냉각수 공급 경로와 상기 바이패스 루프를 선택적으로 연결하는 제2 쓰리-웨이 밸브를 포함하며,
상기 바이패스 루프는 상기 전장 냉각 루프의 냉각수 공급 경로와 상기 열교환기를 연결하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 냉각 시스템.A stack cooling loop having a heating device for providing a heat source at a cold start and cooling the fuel cell stack as cooling water;
A full-field cooling loop for cooling electrical components as cooling water;
A bypass loop connecting the electric cooling cooling loop and the stack cooling loop to supply a heat source of the electric-field cooling loop generated during driving of the vehicle to the stack cooling loop; And
And a heat exchanger configured in the stack cooling loop and provided with the heat source to heat the cooling water in the stack cooling loop,
The stack cooling loop includes a first cooling water tank for storing the cooling water, a first water pump for supplying the cooling water to the fuel cell stack, a first radiator for cooling the cooling water, Way valve for converting the first three-way valve,
Wherein the electric cooling loop includes a second cooling water tank for storing the cooling water, a second water pump for supplying the cooling water to electric components, a second radiator for cooling the cooling water, And a second three-way valve selectively connecting the supply path and the bypass loop,
And the bypass loop connects the cooling water supply path of the electric-field cooling loop and the heat exchanger. 제1 항에 있어서,
상기 스택 냉각 루프에서 상기 연료 전지 스택의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 제1 온도 센서;
상기 전장 냉각 루프에서 상기 전장 부품들의 온도를 감지하고 그 감지 신호를 제어기로 출력하는 제2 온도 센서; 및
상기 연료 전지 스택으로부터 전력을 제공받아 상기 제어기에 의해 제어되며 상기 가열 장치 및 전장 부품들로 전력을 분배하는 전력 분배기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 냉각 시스템.The method according to claim 1,
A first temperature sensor for sensing the temperature of the fuel cell stack in the stack cooling loop and outputting the sensed signal to the controller;
A second temperature sensor for sensing the temperature of the electrical components in the electrical cooling loop and outputting the sensed signal to the controller; And
A power distributor that is powered by the fuel cell stack and is controlled by the controller and distributes power to the heating device and electrical components;
Further comprising a fuel cell cooling system. 제1 항에 있어서,
상기 열교환기가 열전소자로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 냉각 시스템.The method according to claim 1,
Wherein the heat exchanger comprises a thermoelectric element. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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