KR101795241B1 - 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지스택으로 공급되는 수소의 승온 및 유체(공기 또는 냉각수)의 냉각을 통해 연료전지시스템의 운전 효율을 향상하기 위한 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치에 관한 것이다.
이에 본 발명에서는, 연료전지스택으로 공급되는 수소를 감압시키는 레귤레이터와 공기압축기에서 압축되어 상기 연료전지스택으로 공급되는 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치를 제공한다.

Description

연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치 {Hydrogen heating and fluid cooling apparatus of fuel cell system}
본 발명은 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지스택으로 공급되는 수소의 승온 및 유체(공기 또는 냉각수)의 냉각을 통해 연료전지시스템의 운전 효율을 향상하기 위한 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치에 관한 것이다.
연료전지차량의 수소탱크에는 350bar 또는 700bar의 고압 수소가 저장되고, 이러한 고압 수소는 레귤레이터를 통해 감압되어 연료전지스택으로 공급된다. 이때 감압 과정에서 수소 가스가 단열팽창하게 됨에 따라, 수소탱크내에 상온으로 보관되어 있던 수소 가스의 온도가 레귤레이터를 통과하면서 급격히 낮아져 저온 상태로 스택에 공급된다.
연료전지스택으로 많은 유량의 차가운 수소가 공급되는 경우, 스택 내부의 고온 다습한 재순환 수소가스와 혼합되면서 액적(Water Droplet)이 발생하게 되고, 이로 인해 스택 내 채널 막힘(Blocking) 또는 플러딩(Flooding)이 발생하여 스택 성능을 저하시키게 된다.
또한, 연료전지차량에서 공기는 압축기에 의해 압축되어 스택으로 공급되게 되는데, 압축기를 통해 단열압축되는 과정에서 공기의 온도가 상승하게 된다. 특히 고출력 조건에서는 100℃ 이상의 공기가 스택에 인가될 수도 있다.
스택에 공급되는 공기의 온도가 높으면, 공기가 함유한 수분량이 동일한 조건에서 상대습도가 떨어지게 되고, 상대적으로 건조한 공기가 스택에 공급되어 스택 내부에 드라잉(Drying) 현상이 발생할 수 있다. 이 경우 스택의 연료전지 셀을 구성하는 전해질막 내부의 가습량이 떨어져 전해질막의 저항이 증가하게 되면 전해질막을 통한 물질이동이 불량하게 되고 이로 인해 스택 성능이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 현상을 막기 위해 대부분의 연료전지시스템에서는 압축기 전/후단에 냉각기를 적용하여 스택으로 공급되는 공기를 냉각시키는 방식을 채택하고 있는데, 이로 인해 라디에이터의 냉각부하 증가 및 라디에이터/인터쿨러 추가로 인한 원가 상승의 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 연료전지시스템의 스택에 공급되는 수소와 공기 사이의 열교환을 통해 스택으로 공급되는 수소의 온도를 높이는 동시에 공기의 온도를 낮추어 연료전지시스템의 운전 효율을 증대할 수 있는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 연료전지시스템의 스택에 공급되는 수소와 냉각수 사이의 열교환을 통해 스택으로 공급되는 수소의 온도를 높이는 동시에 냉각수의 온도를 낮추어 연료전지시스템의 운전 효율을 증대할 수 있는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치를 제공하는데도 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 연료전지스택으로 공급되는 수소를 감압시키는 레귤레이터와 공기압축기에서 압축되어 상기 연료전지스택으로 공급되는 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열교환수단은 레귤레이터를 둘러싼 공기유로와 이 공기유로를 갖는 레귤레이터 챔버로 이루어지고, 상기 공기유로는 공기압축기의 하류에 공기유동가능하게 연결된다.
또한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 레귤레이터는 양측의 피팅부를 통해 수소탱크와 연료전지스택 사이의 수소배관에 설치되고, 상기 피팅부가 공기유로상에 배치되어 수소 누설에 대한 안전성을 증대시킨다.
그리고, 상기 레귤레이터의 외주면에는 레귤레이터와 공기 간에 열교환 효율을 증대하기 위한 열교환용 핀이 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 열교환수단은, 레귤레이터를 둘러싸는 공간부를 갖는 챔버형의 레귤레이터 열교환부; 공기압축기의 하류에 공기유동가능하게 설치된 챔버형의 공기 열교환부; 상기 레귤레이터 열교환와 공기 열교환부 사이에 열전달가능하게 설치된 히트파이프;로 이루어진다.
또한 본 발명에서는, 연료전지스택으로 공급되는 수소를 감압시키는 레귤레이터와 라디에이터에서 배출된 냉각수 간에 열교환을 위한 열교환수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치도 제공한다.
여기서, 상기 열교환수단은 레귤레이터를 둘러싼 냉각수유로와 이 냉각수유로를 갖는 레귤레이터 챔버로 이루어지고, 상기 냉각수유로는 라디에이터의 하류에 유체유동가능하게 연결된다.
본 발명에 따른 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치를 연료전지차량에 적용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 수소탱크에서 연료전지스택으로 공급되는 수소의 온도를 높임으로써 수소탱크에서 공급되는 수소와 스택 내부의 고온 다습한 재순환 수소가스의 혼합시 재순환 수소가스의 온도 저하로 인해 발생하는 액적량을 줄일 수 있고, 액적 발생으로 인한 스택 내 채널 막힘 또는 플러딩을 방지하여 스택을 안정적으로 운전할 수 있다.
2. 스택으로 공급되는 공기의 온도를 낮춤으로써 스택에 공급되는 공기의 상대습도를 높일 수 있고, 이를 통해 스택의 드라잉을 방지하여 드라잉으로 인한 스택의 성능저하를 예방하고 연료전지시스템의 운전 안정성을 향상시킬 수 있다.
3. 연료전지시스템의 출력이 증가할수록 수소와 공기 간에 열교환량이 증가하여 수소 승온 및 공기 냉각 성능이 상승하게 되므로, 고출력을 고려하여 열교환수단의 용량을 설계할 필요가 없어 열교환수단의 부피를 최소화할 수 있다.
4. 연료전지시스템의 출력에 따라 수소 승온 및 공기 냉각 성능을 필요한만큼 달성할 수 있어 공기 냉각을 위한 별도의 라디에이터를 필요로 하지 않으므로 연료전지시스템 전체의 냉각부하를 줄일 수 있고, 이로 인해 라디에이터의 크기를 축소할 수 있어 차량의 원가 및 중량 절감에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면
도 2는 도 1에 나타낸 열교환수단의 구조를 보여주는 도면
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 공급계 및 냉각계 구조를 나타낸 도면
도 6은 도 5에 나타낸 열교환수단의 구조를 보여주는 도면
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명에서는 연료전지스택으로 공급되는 수소와 유체(공기 또는 냉각수) 사이에 열교환을 통해 수소의 온도는 높이고 유체의 온도는 낮춤으로써 연료전지시스템의 운전 효율을 증대하도록 한다.
제1실시예
첨부한 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 나타낸 열교환수단의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에 보듯이, 본 발명에 따른 연료전지시스템은 연료전지스택(10)으로 공급되는 수소와 공기 간에 열교환을 위해, 고압 수소 가스를 감압시키는 레귤레이터(20)와 공기압축기(30)에서 압축되어 상기 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단(60)을 포함하여 구성된다.
수소 가스는 수소탱크(40)에 350bar 또는 700bar의 고압으로 보관되어 있다가, 레귤레이터(20)를 거쳐 10~20bar 수준으로 감압된 뒤, 유량조절기구(50)를 통해 추가적으로 감압되어 연료전지스택(10)으로 공급된다.
상기 수소탱크(40)에 상온으로 보관된 고압의 수소 가스는 레귤레이터(20)에서 감압되는 동안 냉각되어 상온보다 낮은 저온 상태가 된다.
그리고, 연료전지스택(10)에는 공기압축기(30)에서 압축된 공기가 공급되는데, 공기압축기(30)에 흡입된 상온의 공기는 압축 과정에서 승온되어 상온보다 높은 고온 상태가 된다.
상기 열교환수단(60)은 레귤레이터(20)에서 감온된 저온 상태의 수소와 공기압축기(30)에서 승온된 고온 상태의 공기 간에 열교환을 위해, 공기의 열기를 레귤레이터에 전달할 수 있도록 구성된다.
도 1 및 도 2를 보면, 열교환수단(60)은 레귤레이터(20)를 둘러싼 공기유로(64)와 이 공기유로(64)를 갖는 레귤레이터 챔버(62)로 이루어진다.
상기 공기유로(64)는 공기압축기(30)의 하류에 공기유동가능하게 연결되는 공기유입구(64a)와 연료전지스택(10)의 상류에 공기유동가능하게 연결되는 공기배출구(64b)를 가진다.
이때, 공기유로(64)와 레귤레이터(20) 간에 열전달 면적을 최대화하기 위해, 상기 공기유로(64)는 레귤레이터(20)의 외주면을 한바퀴 전체적으로 둘러싸서 공기유입구(64a)와 공기배출구(64b)가 이웃하는 형태로 마련되며, 이때 상기 공기유입구(64a)와 공기배출구(64b) 간에 공기유동을 차단하기 위해 격벽(66)이 구비된다.
또한, 상기 레귤레이터 챔버(62)는 공기유로(64)를 통한 공기유동이 기밀하게 이루어지도록 레귤레이터(20)를 기밀하게 둘러싼 구조로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 레귤레이터(20)의 외주면에는 레귤레이터(20)와 공기 간에 열교환 효율을 증대하기 위한 복수 개의 열교환용 핀(68)이 장착 구비된다.
상기 열교환용 핀(68)은 레귤레이터(20)의 외주면에 부착되어 외부(공기유로)로부터 공기의 열기가 효율적으로 전달되도록 하며, 이를 위하여 열전달 성능이 높은 재질을 이용하여 형성된다.
일례로, 상기 열교환용 핀(68)은 레귤레이터(20)의 상하길이에 상응하는 길이를 가지는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다.
상기 레귤레이터(20)는 양측의 피팅부(24)를 통해 수소탱크(40)와 연료전지스택(10) 사이의 수소배관(42)에 기밀한 수소유동이 가능하도록 설치되며, 상기 피팅부(24)는 레귤레이터 챔버(62) 내측(즉, 공기유로)에 위치하도록 함이 바람직하다.
이렇게 피팅부(24)를 레귤레이터 챔버(62)의 공기유로(64)상에 배치하면, 혹시라도 레귤레이터(20)와 피팅부(24) 간에 수소 누설이 발생할 경우 수소가 공기유로(64)를 통과하는 공기에 혼합되어 희석된 상태로 스택(10)을 통해 외부로 배출될 수 있게 되어, 레귤레이터(20) 주변에 발생하는 수소 누설에 대한 안전성을 증대시킬 수 있다.
이를 위하여, 레귤레이터 챔버(62)는 공기유로(64)를 통한 공기유동이 기밀하게 이루어지도록 레귤레이터(20)를 기밀하게 둘러싼 구조로 형성되는 것이 바람직하며, 이때 열교환수단(60)의 부피를 최소화하기 위해 레귤레이터 챔버(62)가 레귤레이터(20)와 일체형으로 구성될 수 있다. 이때 공기유로(64)는 레귤레이터(20) 주변을 순환하는 형태로 마련된다.
도면으로 나타내지는 않았으나, 레귤레이터(20)는 수소 감압을 수행하기 위한 레귤레이터 본체와 이 레귤레이터 본체를 둘러싸서 외부와 차단하는 레귤레이터 하우징으로 구성될 수 있으며, 레귤레이터 하우징은 공기유로(64)에 의해 한차례 둘러싸인 형태가 된다.
상기와 같이 구성되는 열교환수단(60)은 공기유로(64)를 통과하는 고온의 공기와 공기유로(64)에 의해 둘러싸인 레귤레이터(20) 간에 열교환이 이루어짐으로써, 공기의 열기가 레귤레이터(20)를 통해 수소에 전달되어 수소 온도는 상승되고 공기 온도는 하강된다.
좀더 설명하면, 레귤레이터(20)에서는 수소를 감압하는 과정에서 단열 팽창으로 인한 수소 냉각이 발생하여 레귤레이터(20)와 그 주변부의 온도가 하강하게 되고, 공기압축기(30)에서 배출된 공기는 공기압축기(30)에서 압축되는 과정에서 단열 압축으로 인한 온도 상승이 발생하여 공기 온도가 상승하게 된다. 이때 열교환수단(60)을 통해 공기의 열기가 레귤레이터(20) 측으로 전달되고, 이로 인해 공기는 냉각되고 레귤레이터(20)에서 감압되는 수소는 가열된다.
특히 연료전지시스템의 출력(즉, 스택 출력)이 높을수록, 다시 말해 연료전지시스템의 수소 및 공기 소모량이 많을수록, 레귤레이터(20)의 온도는 더 낮아지고 공기압축기(30)에서 배출되는 공기의 온도는 높아진다.
다시 말해, 레귤레이터(20)의 경우 단열 팽창으로 인한 수소 냉각이 발생하므로 스택 출력이 높아질수록 팽창하는 수소량이 증가하여 수소 냉각량이 많아지며, 공기의 경우도 스택 출력이 높아질수록 압축되는 공기량이 증가하여 공기 발열량이 많아진다.
따라서, 연료전지스택(10)의 출력이 높을수록 레귤레이터(20)와 공기 사이에 온도차가 증가하므로, 레귤레이터(20)와 공기 간에 열교환량은 더욱 증가하게 되고, 이로 인해 레귤레이터(20)에서 토출되는 수소의 온도는 더 크게 상승하고 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기의 온도는 더 크게 하강한다.
이에 따라, 스택(10)의 고출력 조건에서도 필요한 수소 승온 및 공기 냉각 성능을 달성할 수 있게 되어, 레귤레이터(20)에서 토출되는 수소의 승온 및 연료전지스택(10)으로 공급되는 공기의 감온이 필요한만큼 이루어진다.
따라서 수소 승온을 위한 승온기구 및 공기 냉각을 위한 냉각기구(인터쿨러 등)의 삭제 또는 최소화를 통해 원가 및 중량 절감을 도모할 수 있다.
상기와 같이 공기와의 열교환에 의해 승온된 수소는 유량조절기구(50)를 거쳐 스택(10)으로 공급되고, 감온된 공기는 가습기(74)를 거쳐 스택(10)으로 공급된다.
참고로, 스택(10)으로 공급되기 전 공기는 가습기(74)를 통과하면서 스택(10)에서 배출된 다습한 공기로부터 수분을 전달받아 습도를 상승시킨 후 스택(10)으로 공급된다.
이러한 제1실시예에 따른 열교환수단(60)을 적용하여 수소와 공기 간에 열교환을 수행하는 기술의 경우, 스택(10)으로 유입되는 공기 공급을 위한 공기배관(32)과 수소 공급을 위한 수소배관(42)이 서로 매우 가까이 위치하고 시스템 부하가 큰 연료전지버스 등의 차량에 적용이 용이하다.
제2실시예
첨부한 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지시스템은 상기한 제1실시예의 구성과 동일하게 구성되고, 단지 열교환수단(60)과 연료전지스택(10) 사이에 공기 냉각을 위한 냉각기(70)가 더 적용된 점에 특징이 있다.
즉, 공기유로(64)의 하류에 냉각기(70)를 설치하여 레귤레이터 챔버(62)에서 배출된 공기가 냉각기(70)를 경유하여 스택(10)으로 공급되도록 한다.
상기 냉각기(70)는 라디에이터(72)를 통해 냉각된 냉각수를 이용하여 냉각기(70)를 통과하는 공기를 냉각시킬 수 있도록 구성된다.
다시 말해, 상기 냉각기(70)는 라디에이터(72)를 통해 감온된 냉각수와 냉각기(70)로 유입된 공기 간에 열교환을 통해 공기 냉각이 가능하도록 구성되며, 상기 냉각수는 라디에이터(72)와 냉각기(70) 사이를 순환하면서 냉각기(70)에서 공기에 의해 가열된 뒤 라디에이터(72)에서 냉각되는 과정을 반복하게 된다.
공기압축기(30)에서 배출된 공기의 압축비가 높아 레귤레이터(20)의 수소에 대한 흡열만으로는 공기가 충분히 냉각되지 못하는 경우, 설명한 바와 같이 열교환수단(60)의 하류에 냉각기(70)를 설치하여 동시 적용할 수 있다.
열교환수단(60)과 냉각기(70)를 복합 적용하는 경우, 열교환수단(60)에 의해 냉각기(70)의 냉각부하량이 상대적으로 감소하기 때문에 라디에이터(72)의 크기를 축소할 수 있어 차량의 원가 및 중량 절감에 기여할 수 있으며, 냉각기(70) 내 냉각유로의 차압이 감소함에 의해 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 펌프의 부하를 줄일 수 있어 차량 연비 향상에 기여할 수 있다.
제3실시예
첨부한 도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 및 공기 공급계 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지시스템은 상기한 제1실시예의 구성과 동일하게 구성되고, 단지 열교환수단(80)의 구조에 차이가 있으며, 특히 수소 공급을 위한 수소배관(42)과 공기 공급을 위한 공기배관(32) 간에 이격 거리가 매우 먼 경우에도 열교환수단(80)을 적용하기 용이하도록 한 구조에 특징이 있다.
도 4를 보면, 열교환수단(80)은 레귤레이터 열교환부(82)와 공기 열교환부(84) 및 히트파이프(86)로 구성된다.
상기 레귤레이터 열교환부(82)는 레귤레이터(20)를 둘러싸는 공간부(82a)를 갖는 챔버 형태로 이루어지며, 열기의 출입을 최소화할 수 있도록 레귤레이터(20)와 그 주변부를 기밀하게 둘러싼 형태로 형성된다.
상기 공기 열교환부(84)는, 공기압축기(30)의 하류에 공기유동가능하게 설치되며, 다시 말해 공기압축기(30)와 연료전지스택(10) 사이의 공기배관(32)에 공기유동가능하게 설치되며, 공기 유입을 위한 공기유입구(84a)와 공기 배출을 위한 공기배출구(84b)를 가지는 챔버 형태로 마련된다.
그리고, 히트파이프(86)는 레귤레이터 열교환부(82)와 공기 열교환부(84) 사이에 열전달 가능하게 설치되어, 상대적으로 높은 온도를 가지게 되는 공기 열교환부(84)의 열기가 레귤레이터 열교환부(82)로 전달될 수 있도록 구성된다.
상기 히트파이프(86)로는 통상적인 히트파이프를 사용할 수 있으며, 알려진 바와 같이 파이프 속에 증발성 액체를 봉입하고 상기 파이프의 한쪽 단부를 가열하면 액체가 기화되어 다른 한쪽 단부로 이동하고 이동된 곳에서 방열하여 액화되면 모세관 현상에 의해 다시 이전 위치로 복귀하게 되며, 이러한 과정의 반복으로 열전달 기능을 수행할 수 있도록 구성된 히트파이프를 사용가능하다. 이러한 히트파이프의 구조는 공지 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 히트파이프(86)는 길이방향의 한쪽 단부가 레귤레이터 열교환부(82)의 내측 공간부(82a)에 기밀하게 삽입되고, 길이방향의 다른 한쪽 단부가 공기 열교환부(84)의 내측 공간에 기밀하게 삽입되어, 공기 열교환부(84)의 열기를 레귤레이터 열교환부(82)로 전달할 수 있게 된다.
좀더 설명하면, 공기 열교환부(84)에 삽입된 히트파이프(86)의 한쪽 단부가 공기의 열기에 의해 가열됨으로써 히트파이프(86)의 내부 액체가 증발되어 다른 한쪽 단부로 이동하고, 내부 액체가 이동된 위치(히트파이프의 다른 한쪽 단부)에서 방열됨으로써 공기의 열기를 레귤레이터 열교환부(82) 측으로 전달하게 된다.
그리고, 상기 레귤레이터 열교환부(82)로 전달된 열기에 의해 레귤레이터(20)를 통과하는 수소의 승온 효율을 증대하기 위해 레귤레이터(20)의 외측 표면에는 앞서 설명한 제1실시예에서와 같이 열교환용 핀이 장착되는 것이 바람직하다.
이와 같이 제2실시예에 의하면, 수소와 공기 간에 열교환을 위한 챔버를 레귤레이터 열교환부(82)와 공기 열교환부(84)로 분리 구성하고 이들을 히트파이프(86)로 연결하여 수소와 공기 간에 열전달이 이루어지도록 함으로써 연료전지시스템의 수소배관(42)과 공기배관(32)을 이격 배치할 수 있어 시스템 설계 자유도를 향상시키면서 동시에 수소 승온 및 공기 냉각의 효과를 구현할 수 있다.
제4실시예
첨부한 도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환수단을 적용한 연료전지시스템의 수소 공급계 및 냉각계 구조를 나타낸 도면이고, 도 6은 도 5에 도시한 열교환수단의 구조를 보여주는 도면이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지시스템은 수소 공급계가 상기한 제1실시예와 동일하게 구성되고, 수소와의 열교환을 위한 냉각수 순환을 위한 냉각계를 채용한다.
본 발명의 제4실시예는 수소 승온을 위한 연료전지시스템의 유체로서 냉각수를 사용하는 점에 특징이 있으며, 이에 의하면 수소 승온을 위해 공기 열기를 사용하는 제1실시예 내지 제3실시예의 열교환 성능과 동등하거나 그 이상의 성능을 확보할 수 있게 된다.
도 5에 보듯이, 수소탱크(40)와 유량조절기구(50) 사이의 레귤레이터(20)에는 레귤레이터(20)에서 감압된 수소와 라디에이터(72)에서 배출된 냉각수 간에 열교환을 위한 열교환수단(90)이 설치된다.
도 6을 보면, 상기 열교환수단(90)은 레귤레이터(20)를 둘러싼 냉각수유로(94)와 이 냉각수유로(94)를 갖는 레귤레이터 챔버(92)로 이루어진다.
상기 냉각수유로(94)는 라디에이터(72)와 스택(10) 사이에 유체유동가능하게 마련되며, 구체적으로 라디에이터(72)의 하류에 유체유동가능하게 연결되는 냉각수유입구(94a)와 연료전지스택(10)의 상류에 유체유동가능하게 연결되는 냉각수배출구(94b)를 가진다.
이때, 냉각수유로(94)와 레귤레이터(20) 간에 열전달 면적을 최대화하기 위해, 상기 냉각수유로(94)는 레귤레이터(20)의 외주면을 한바퀴 전체적으로 둘러싸서 냉각수유입구(94a)와 냉각수배출구(94b)가 이웃하는 형태로 마련되며, 이에 상기 냉각수유입구(94a)와 냉각수배출구(94b) 간에 냉각수유동을 차단하기 위해 격벽(96)이 구비된다.
이러한 냉각수유로(94)를 갖는 레귤레이터 챔버(92)는 앞서 설명한 제1실시예의 레귤레이터 챔버(62)와 동일한 구조를 갖고 레귤레이터(20)의 외측에 설치될 수 있다.
또한, 상기 레귤레이터 챔버(92)는 냉각수유로(94)를 통한 냉각수유동이 기밀하게 이루어지도록 레귤레이터(20)를 기밀하게 둘러싼 챔버 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 레귤레이터(20)의 외주면에는 레귤레이터(20)와 냉각수 간에 열교환 효율을 증대하기 위한 복수 개의 열교환용 핀(98)이 장착 구비될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 제1실시예의 레귤레이터(20)와 마찬가지로, 레귤레이터(20)는 양측의 피팅부(24)를 통해 수소탱크(40)와 연료전지스택(10) 사이의 수소배관(42)에 수소유동가능하게 설치된다.
상기 피팅부(24)는 수소배관(42)과 레귤레이터(20) 사이에 기밀하게 설치되며, 레귤레이터 챔버(92) 내측(즉, 냉각수유로)에 위치하도록 함이 바람직하다.
이렇게 피팅부(24)를 레귤레이터 챔버(92)의 냉각수유로(94)상에 배치하면, 혹시라도 레귤레이터(20)와 피팅부(24) 간에 수소 누설이 발생할 경우 누설된 수소가 냉각수유로(94)를 통과하는 냉각수에 섞인 상태로 연료전지시스템에서 순환하게 되어, 레귤레이터(20) 주변에 발생하는 수소 누설에 대한 안전성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 제4실시예에 따른 열교환수단(90)을 적용하는 경우, 레귤레이터(20)를 냉각시키는데 공기가 아닌 냉각수를 직접 적용하여 수소 냉각을 구현할 수 있으며, 수소와 냉각수 간에 열교환에 의해 수소 승온 및 냉각수 냉각을 동시 구현할 수 있다.
좀더 설명하면, 스택(10)에서 배출된 고온 상태의 냉각수의 열기가 레귤레이터(20)에서 단열팽창으로 인해 감압된 저온 상태의 수소에 전달됨으로써 수소의 승온과 동시에 냉각수의 냉각이 이루어지게 된다.
이러한 수소 승온 및 냉각수 냉각을 통해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
1. 수소탱크에서 연료전지스택으로 공급되는 수소의 온도를 높임으로써 수소탱크에서 공급되는 수소와 스택 내부의 고온 다습한 재순환 수소가스의 혼합시 재순환 수소가스의 온도 저하로 인해 발생하는 액적량을 줄일 수 있고, 액적 발생으로 인한 스택 내 채널 막힘 또는 플러딩을 방지하여 스택을 안정적으로 운전할 수 있다.
2. 열교환수단이 라디에이터 외의 보조 냉각원으로서 기능하게 됨으로써 라디에이터의 냉각부하가 감소하는 효과와 이로 인한 라디에이터의 크기 축소 및 냉각성능 증가 효과를 얻을 수 있다.
3. 차량 설계 과정에서 공기유로보다 냉각수유로의 설계 자유도가 상대적으로 높으므로, 차량 설계의 자유도가 향상되는 이점이 있다.
4. 공기보다 물의 열교환계수가 높으므로 수소와 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단보다 상대적으로 작은 열교환수단(수소와 냉각수 간에 열교환수단)을 적용하면서도 수소와 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단과 동등한 성능 또는 그 이상의 성능을 확보할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지스택 20 : 레귤레이터
24 : 피팅부 30 : 공기압축기
32 : 공기배관 40 : 수소탱크
42 : 수소배관 50 : 유량조절기구
60 : 열교환수단 62 : 레귤레이터 챔버
64 : 공기유로 64a : 공기유입구
64b : 공기배출구 66 : 격벽
68 : 열교환용 핀 70 : 냉각기
72 : 라디에이터 74 : 가습기
80 : 열교환수단 82 : 레귤레이터 열교환부
82a : 공간부 84 : 공기 열교환부
84a : 공기유입구 84b : 공기배출구
86 : 히트파이프 90 : 열교환수단
92 : 레귤레이터 챔버 94 : 냉각수유로
94a : 냉각수유입구 94b : 냉각수배출구
96 : 격벽 98 : 열교환용 핀

Claims (8)

  1. 연료전지스택으로 공급되는 수소를 감압시키는 레귤레이터와 공기압축기에서 압축되어 상기 연료전지스택으로 공급되는 공기 간에 열교환을 위한 열교환수단을 포함하며,
    상기 열교환수단은 공기압축기의 하류에 연결되는 공기유입구와 연료전지스택의 상류에 연결되는 공기배출구를 갖는 공기유로 및 이 공기유로를 갖는 레귤레이터 챔버로 이루어지고, 상기 공기유로는 레귤레이터의 외주면을 한바퀴 둘러싸서 공기유입구와 공기배출구가 이웃하는 형태로 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 레귤레이터의 외주면에는 레귤레이터와 공기 간에 열교환 효율을 증대하기 위한 열교환용 핀이 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레귤레이터는 양측의 피팅부를 통해 수소탱크와 연료전지스택 사이의 수소배관에 설치되고, 상기 피팅부가 공기유로상에 배치되어 수소 누설에 대한 안전성을 증대시킨 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기유로의 하류에는 레귤레이터 챔버에서 배출된 공기의 냉각을 위한 냉각기가 더 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치.
  6. 삭제
  7. 연료전지스택으로 공급되는 수소를 감압시키는 레귤레이터와 라디에이터에서 배출된 냉각수 간에 열교환을 위한 열교환수단을 포함하며,
    상기 열교환수단은 라디에이터의 하류에 연결되는 냉각수유입구와 연료전지스택의 상류에 연결되는 냉각수배출구를 갖는 냉각수유로 및 이 냉각수유로를 갖는 레귤레이터 챔버로 이루어지고, 상기 냉각수유로는 레귤레이터의 외주면을 한바퀴 둘러싸서 냉각수유입구와 냉각수배출구가 이웃하는 형태로 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템의 수소 승온 및 유체 냉각 장치.
  8. 삭제
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