KR101983815B1 - Cooling system for fuel cell - Google Patents

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KR101983815B1
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김민수
최은정
박진영
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서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell cooling system which cools a fuel cell by circulating a coolant to the fuel cell. The fuel cell cooling system comprises: a radiator positioned higher than a fuel cell; a first connecting flow path connecting a coolant discharge side of the fuel cell and an inlet side of the radiator; a second connecting flow path connecting an outlet side of the radiator and a coolant inlet side of the fuel cell; a bypass flow path connecting two points in the second connecting flow path; an opening and closing valve positioned between the two points, connected to the bypass flow path, in the second connecting flow path; a pump placed in the bypass flow path; and a controller controlling operation of the opening and closing valve and the pump. Therefore, the fuel cell cooling system can provide improved efficiency.

Description

연료전지 냉각시스템 {COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}{COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 냉각시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell cooling system and a control method thereof.

연료전지는 수소를 포함하는 연료를 산소와 반응시켜서 전기를 생산하고 부산물로 물을 배출하는 장치로서, 일반적으로 연료로 메탄올, 에탄올 또는 천연가스 등이 사용된다.BACKGROUND ART A fuel cell is a device for producing electricity by reacting a fuel containing hydrogen with oxygen and discharging water as a by-product. Generally, methanol, ethanol, natural gas or the like is used as the fuel.

이러한 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 150 내지 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 600 내지 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지, 1000℃ 이상의 초고온에서 작동하는 고체 산화물형 연료전지, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다.Such a fuel cell may be a phosphoric acid fuel cell operating at about 150 to 200 DEG C, a molten carbonate fuel cell operating at a high temperature of 600 to 700 DEG C, a solid oxide fuel cell operating at an ultra-high temperature of 1000 DEG C or higher depending on the type of electrolyte used, , A polymer electrolyte type and an alkaline type fuel cell which operate at room temperature to 100 캜 or lower.

고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrance Fuel Cell: PEMFC)는, 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하고 작동 온도가 낮을 뿐더러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있으며, 메탄올, 에탄올 또는 천연 가스 등을 개질하여 만들어진 수소를 연료로 사용하여 자동차와 같은 이동형 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가지고 있다.PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) is superior to other fuel cells in terms of output characteristics, low operating temperature, fast start-up and response characteristics, and can be modified by methanol, ethanol or natural gas Using the hydrogen as a fuel, it has wide range of applications such as mobile power sources such as automobiles, distributed power sources such as houses and public buildings, and small power sources such as those for electronic devices.

연료전지는 전기를 실질적으로 발생시키는 스택을 구비하는데, 스택은 전극-전해질 합성체와 바이폴라 플레이트로 이루어진 단위 셀이 복수 개 적층된 구조를 갖는다. 전극-전해질 합성체는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극(연료극)과 캐소드 전극(공기극)이 부착된 구조로 이루어진다. 그리고 바이폴라 프레링트는 연료전지의 반응에 필요한 수소 가스가 공급되는 통로의 역할과 각 전극-전해질 합성체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 전극 전극에는 수소 가스가 공급되고, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 전기 화학적인 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 전기 화학적인 환원반응이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기와 열 그리고 물이 발생한다.The fuel cell has a stack which substantially generates electricity, and the stack has a structure in which a plurality of unit cells each composed of an electrode-electrolyte composite and a bipolar plate are stacked. The electrode-electrolyte composite has a structure in which an anode electrode (anode) and a cathode electrode (cathode) are attached with an electrolyte membrane therebetween. The bipolar flare also serves as a passage through which hydrogen gas necessary for the reaction of the fuel cell is supplied and as a conductor for connecting the anode electrode and the cathode electrode of each electrode-electrolyte composite in series. Therefore, hydrogen gas is supplied to the anode electrode electrode by the bipolar plate, and oxygen is supplied to the cathode electrode. In this process, an electrochemical oxidation reaction of hydrogen gas occurs at the anode electrode, and an electrochemical reduction reaction of oxygen occurs at the cathode electrode. Electricity, heat and water are generated due to the movement of generated electrons.

이러한 연료전지는 스택을 항상 적정 온도로 관리해야만 전해질막의 안정성을 보장할 수 있고, 성능 저하를 미연에 방지할 수 있다.In such a fuel cell, the stability of the electrolyte membrane can be ensured only if the stack is always maintained at an appropriate temperature, and performance deterioration can be prevented in advance.

연료전지의 냉각 기술과 관련된 선행기술로서, 공개특허 제10-2008-0105768호에는 냉각수 펌프와, 연료전지를 통과한 냉각수를 방열시키는 라디에이터를 포함하는 스택 냉각부와, 냉매를 압축, 냉각, 팽창 및 증발시키는 압축기와, 가스 냉각기와, 팽창밸브와, 증발기를 포함하는 공기조화용 냉각부를 포함하는 연료전지 냉각장치가 개시되어 있다. 하지만, 이러한 방식의 연료전지 냉각장치는 냉각 운전 중 펌프가 계속 작동해야 하기 때문에 효율이 낮다는 문제가 있다.As a prior art related to the cooling technology of a fuel cell, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 10-2008-0105768 discloses a stack cooling apparatus including a cooling water pump, a stack cooling unit including a radiator for radiating cooling water that has passed through the fuel cell, And a cooling unit for air conditioning including an evaporator, a gas cooler, an expansion valve, and an evaporator. However, this type of fuel cell cooling apparatus has a problem that efficiency is low because the pump must continue to operate during the cooling operation.

대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2008-0105768 "연료전지 스택 냉각 장치" (2008.12.04.)Korean Patent Application Publication No. 10-2008-0105768 entitled " Fuel Cell Stack Cooling Apparatus " (December 4, 2008)

본 발명의 목적은 효율이 향상된 연료전지 냉각 장치 및 이를 이용한 연료전지 냉각방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a fuel cell cooling apparatus with improved efficiency and a fuel cell cooling method using the same.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지에 냉매를 순환시켜서 상기 연료전지를 냉각하는 냉각시스템에 있어서, 상기 연료전지보다 높게 위치하는 방열기; 상기 연료전지의 냉매 배출 측과 상기 방열기의 입구 측을 연결하는 제1 연결 유로; 상기 방열기의 출구 측과 연료전지의 냉매 유입 측을 연결하는 제2 연결 유로; 상기 제2 연결 유로 상의 두 지점을 연결되는 바이패스 유로; 상기 제2 연결 유로 상에서 상기 바이패스 유로와 연결되는 두 지점의 사이에 위치하는 개폐 밸브; 상기 바이패스 유로 상에 배치되는 펌프; 및 상기 개폐 밸브와 상기 펌프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 연료전지 냉각시스템 및 이를 이용한 연료전지 냉각방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a cooling system for cooling a fuel cell by circulating a coolant in a fuel cell, the cooling system comprising: a radiator positioned higher than the fuel cell; A first connection passage connecting the refrigerant discharge side of the fuel cell and the inlet side of the radiator; A second connection passage connecting the outlet side of the radiator to the refrigerant inlet side of the fuel cell; A bypass passage connected to two points on the second connection passage; An on-off valve positioned between two points connected to the bypass passage on the second connection passage; A pump disposed on the bypass passage; And a controller for controlling operation of the on-off valve and the pump, and a fuel cell cooling method using the fuel cell cooling system.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 연료전지의 온도를 측정하여 연료전지가 적절 운전 온도 범위에 있는 경우, 펌프의 작동이 필요없는 써모사이폰 냉각 모드로 냉매를 순환시켜서 연료전지를 냉각시키고, 연료전지의 온도가 상승하여 적절 운전 온도 범위를 벗어나는 경우에만 강제 대류 비등 냉각 모드로 냉매를 순환시켜서 연료전지를 냉각시키므로, 냉각 시스템의 전체 효율이 향상된다.According to the present invention, all of the objects of the present invention described above can be achieved. Specifically, when the temperature of the fuel cell is measured and the fuel cell is in an appropriate operating temperature range, the fuel cell is cooled by circulating the refrigerant in a thermosyphon cooling mode in which the operation of the pump is not required, So that the fuel cell is cooled by circulating the refrigerant in the forced convection boiling cooling mode only when the temperature is outside the appropriate operating temperature range, thereby improving the overall efficiency of the cooling system.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지 냉각시스템의 볼록도이다.
도 3은 도 1 및 도 4에 도시된 연료전지 냉각시스템을 이용한 연료전지의 냉각방법을 도시한 순서도이다.1 is a configuration diagram of a fuel cell cooling system according to an embodiment of the present invention.
2 is a convex view of the fuel cell cooling system shown in Fig.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of cooling a fuel cell using the fuel cell cooling system shown in FIGS. 1 and 4. FIG.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration and operation of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템의 구성도가 개략적으로 도시되어 있으며, 도 2에는 블록도가 도시되어 있다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 냉각시스템(100)은 냉각 대상인 연료전지(C)에 냉매를 순환시켜서 연료전지(C)를 냉각하는 시스템으로서, 연료전지(C)보다 높게 위치하는 방열기(120)와, 연료전지(120)의 냉매 배출 측과 방열기(120)의 입구 측을 연결하는 제1 연결 유로(111)와, 방열기(120)의 출구 측과 연료전지(C)의 냉매 유입 측을 연결하는 제2 연결 유로(112)와, 제2 연결 유로(112)에 연결되는 바이패스 유로(190)와, 제2 연결 유로(112) 상에서 바이패스 유로(190)와 연결되는 두 지점의 사이에 위치하는 개폐 밸브(130)와, 바이패스 유로(190) 상에 배치되는 펌프(170)와, 연료전지(C)의 온도를 측정하는 온도 센서(197)와, 온도센서(197)에서 측정된 연료전지(C)의 온도 데이터를 이용하여 개폐 밸브(130)와 펌프(170)의 작동을 제어하는 제어기(195)를 포함한다. 도시되지는 않았으나, 바이패스 유로(190)에는 펌프(170)보다 상류에 위치하는 수액기가 더 구비될 수 있다. 제어기(195)에 의해 냉매가 바이패스 유로(190)를 거치지 않고 개폐 밸브(130)를 통해 순환하는 경우 써모사이폰 냉각 운전이 수행되고, 제어기(295)에 의해 냉매가 개폐 밸브(130)를 통과하지 않고 바이패스 유로(190)를 거쳐서 순환하는 경우 강제 대류 비등 냉각 운전이 수행된다. 이하, 연료전지 냉각시스템(100)의 각 구성을 구체적으로 설명한다.FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell cooling system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram thereof. Referring to FIGS. 1 and 2, a fuel cell cooling system 100 according to an embodiment of the present invention is a system for cooling a fuel cell C by circulating a coolant to a fuel cell C to be cooled, A first connection path 111 connecting the refrigerant discharge side of the fuel cell 120 and the inlet side of the radiator 120 and a second connection path 111 connecting the outlet side of the radiator 120 and the outlet side of the radiator 120, A bypass flow path 190 connected to the second connection flow path 112 and a bypass flow path 190 connected to the bypass flow path 112 on the second connection flow path 112. [ And a temperature sensor 197 for measuring the temperature of the fuel cell C. The temperature sensor 197 measures the temperature of the fuel cell C, A controller 195 for controlling the operation of the switching valve 130 and the pump 170 using the temperature data of the fuel cell C measured by the temperature sensor 197, . Although not shown, the bypass line 190 may further include a receiver located upstream of the pump 170. [ When the refrigerant is circulated through the on-off valve 130 without passing through the bypass line 190 by the controller 195, the thermosyphon cooling operation is performed, and the refrigerant is supplied to the on-off valve 130 by the controller 295 The forced convection boiling cooling operation is carried out when the refrigerant is circulated through the bypass flow passage 190 without passing through. Hereinafter, each configuration of the fuel cell cooling system 100 will be described in detail.

방열기(120)는 냉각 대상인 연료전지(C)보다 높게 위치하며, 제1 연결 유로(111)를 통해 연료전지(C)로부터 배출되는 냉매가 유입되고, 제2 연결 유로(112)를 통해 냉매가 배출된다.The radiator 120 is located higher than the fuel cell C to be cooled and the coolant discharged from the fuel cell C flows into the first connection channel 111 and the coolant flows through the second connection channel 112 .

제1 연결 유로(111)는 연료전지(C)의 냉매 배출측과 방열기(120)의 입구측을 연결한다. 제1 연결 유로(111)를 통해 연료전지(C)에서 배출되는 냉매가 방열기(120)로 유입된다.The first connection passage 111 connects the refrigerant discharge side of the fuel cell C and the inlet side of the radiator 120. The refrigerant discharged from the fuel cell C flows into the radiator 120 through the first connection passage 111. [

제2 연결 유로(112)는 방열기(120)의 출구측과 연료전지(C)의 냉매 유입측을 연결한다. 제2 연결 유로(112) 상에는 개폐 밸브(130)가 설치되며, 개폐 밸브(130)가 위치하는 구간에 걸쳐서 바이패스 유로(190)가 연결된다. 방열기(120)로부터 배출되는 냉매는 제2 연결 유로(112)를 통해 연료전지(C)로 공급되는데, 개폐 밸브(130)의 상태에 따라서, 바이패스 유로(190)를 거치지 않고 공급되거나, 바이패스 유로(190)를 통해 공급된다.The second connection flow path 112 connects the outlet side of the radiator 120 and the refrigerant inflow side of the fuel cell C. [ An on-off valve 130 is provided on the second connection passage 112 and a bypass passage 190 is connected to the on-off valve 130. The refrigerant discharged from the radiator 120 is supplied to the fuel cell C through the second connection passage 112. The refrigerant may be supplied without passing through the bypass passage 190, And is supplied through the path passage 190.

개폐 밸브(130)는 제2 연결 유로(112) 상에서 바이패스 유로(190)가 연결되는 두 지점의 사이에 위치하도록 설치된다. 개폐 밸브(130)가 개방되었을 경우에는 냉매가 개폐 밸브(130)를 통과하게 되며, 개폐 밸브(130)가 폐쇄되었을 경우에는 냉매가 통과하지 못하게 된다. 개폐 밸브(130)는 제어기(195)에 의해 그 개폐 상태가 제어된다. 본 실시예에서는 개폐 밸브(130)로서 솔레노이드 밸브가 사용되는 것으로 설명하는데 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.The on-off valve 130 is installed between the two points where the bypass flow passage 190 is connected on the second connection flow passage 112. When the opening and closing valve 130 is opened, the refrigerant passes through the opening and closing valve 130. When the opening and closing valve 130 is closed, the refrigerant can not pass through. The open / close valve 130 is controlled by the controller 195 in its open / closed state. In this embodiment, a solenoid valve is used as the on-off valve 130, but the present invention is not limited thereto.

바이패스 유로(190)는 제2 연결 유로(112)의 일부 구간에 걸쳐서 연결되며, 바이패스 유로(190) 상에 펌프(170)가 설치된다. 도시되지는 않았으나, 바이패스 유로(190)에는 펌프(170)의 상류에 배치되는 수액기가 설치될 수 있다.The bypass passage 190 is connected to a portion of the second connection passage 112 and a pump 170 is installed on the bypass passage 190. Although not shown, the bypass passage 190 may be provided with a receiver disposed upstream of the pump 170.

펌프(170)는 바이패스 유로(190) 상에 설치되며, 제어기(195)에 의해 그 작동이 제어된다.The pump 170 is installed on the bypass flow path 190, and its operation is controlled by the controller 195.

온도센서(197)는 연료전지(C)의 온도를 측정하고, 측정된 온도 데이터를 제어기(195)로 전송한다. 본 실시예에서는 온도센서(197)가 연료전지(C)의 스택 내부 온도를 측정하는 열전대인 것으로 설명하며, 등록특허 제10-12583022호에 기재되는 방식으로 연료전지(C)의 내부 온도가 측정될 수 있다.The temperature sensor 197 measures the temperature of the fuel cell C and transmits the measured temperature data to the controller 195. [ In the present embodiment, it is described that the temperature sensor 197 is a thermocouple measuring the temperature inside the stack of the fuel cell C, and the internal temperature of the fuel cell C is measured by the method described in Japanese Patent No. 10-12583022 .

제어기(195)는 온도센서(197)로부터 측정되는 연료전지(C)의 온도 데이터를 이용하여, 개폐 밸브(130)와 펌프(170)의 작동을 제어하여, 후술하는 써모사이폰 냉각 운전과 강제 대류 비등 냉각 운전 중 어느 하나를 선택적으로 수행하게 된다.The controller 195 controls the operation of the opening and closing valve 130 and the pump 170 using the temperature data of the fuel cell C measured from the temperature sensor 197 and controls the operation of the thermosyphon cooling operation And the convection boiling cooling operation is selectively performed.

구체적으로, 온도센서(197)로부터 측정되는 연료전지(C)의 온도가 적절 운전 온도를 유지하는 경우 써모사이폰 냉각 운전이 수행되도록, 제어기(195) 개폐 밸브(130)는 개방하고 펌프(170)는 작동시키지 않는다.Specifically, when the temperature of the fuel cell C measured from the temperature sensor 197 is maintained at the proper operating temperature, the controller 195 opening / closing valve 130 is opened so that the thermosyphon cooling operation is performed and the pump 170 ) Do not work.

만일, 연료전지(C)가 적절 운전 온도보다 높은 경우 강제 대류 비등 냉각 운전이 수행되도록, 제어기(195)는 펌프(170)를 작동시키고 개폐 밸브(130)는 폐쇄한다.If the fuel cell C is higher than the proper operating temperature, the controller 195 actuates the pump 170 and closes the on-off valve 130 so that the forced convection boiling cooling operation is performed.

도 3에는 도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 따는 연료전지 냉각시스템(100)을 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 냉각방법은 연료전지 운전 시작 감지 단계(S10)와, 써모사이폰 냉각 모드 운전 단계(S20)와, 연료전지 온도 측정 단계(S30)와, 연료전지 온도 비교 단계(S40)와, 써모사이폰 냉각 모드 유지 단계(S50)와, 강제 대류 비등 냉각 모드 운전 단계(S60)를 포함한다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of cooling a fuel cell according to an embodiment of the present invention using the fuel cell cooling system 100 according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2. FIG. Referring to FIG. 3, the method of cooling a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell operation start detection step S10, a thermosyphon cooling mode operation step S20, a fuel cell temperature measurement step S30 , A fuel cell temperature comparison step S40, a thermosyphon cooling mode maintenance step S50, and a forced convection boiling cooling mode operation step S60.

연료전지 운전 시작 감지 단계(S10)에서는 연료전지(C)의 운전 시작이 제어기(195)에 의해 감지된다. 연료전지 운전 시작 감지 단계(S10)에 의해 연료전지(C) 운전 시작이 감지된 후에는 써모사이폰 냉각 모드 운전 단계(S20)가 수행된다.In the fuel cell operation start detection step S10, the start of operation of the fuel cell C is sensed by the controller 195. [ After the start of operation of the fuel cell (C) is detected by the fuel cell operation start detection step (S10), the thermosyphon cooling mode operation step (S20) is performed.

써모사이폰 냉각모드 운전 단계(S20)에서는 제어기(195)의 제어에 의해 연료전지 냉각시스템(100)은 써모사이폰 냉각 모드로 연료전지(C)를 냉각시킨다. 구체적으로 설명하면, 써모사이폰 냉각 모드 운전 단계(S20)에서 제어기(195)는 펌프(170)의 작동이 정지된 상태에서 개폐 밸브(130)를 개방한다. 그에 따라, 연료전지(C)에서 기체가 된 냉매는 밀도 차이에 의해 자연적을 상승하여 방열기(120)로 이동하고, 방열기9120)에서 냉매는 액체로 상변화 후 중력으로 아래로 이동하여 개폐 밸브(130)를 거쳐서 연료전지(C)로 공급된다. 써모사이폰 냉각 모드에서는 냉매를 이동시키기 위한 구동부가 필요없게 되므로 냉각 효율이 향상된다.In the thermosyphon cooling mode operation step S20, the fuel cell cooling system 100 cools the fuel cell C in the thermosyphon cooling mode under the control of the controller 195. [ More specifically, in the thermosyphon cooling mode operation step S20, the controller 195 opens the on-off valve 130 in a state in which the operation of the pump 170 is stopped. As a result, the refrigerant, which has become a gas in the fuel cell C, naturally rises due to the difference in density and moves to the radiator 120. In the radiator 9120, the refrigerant moves downward by gravity after the phase change to liquid, 130 to the fuel cell (C). In the thermosyphon cooling mode, the driving part for moving the refrigerant is not needed, so that the cooling efficiency is improved.

연료전지 온도 측정 단계(S30)에서는 온도 센서(197)에 의해 연료전지(C)의 온도가 측정된다. 연료전지 온도 측정 단계(S30)를 통해 측정된 연료전지(C)의 온도 데이터는 제어기(195)로 전송되어서 연료전지 온도 비교 단계(S40)에서 사용된다. In the fuel cell temperature measurement step (S30), the temperature of the fuel cell (C) is measured by the temperature sensor (197). The temperature data of the fuel cell C measured through the fuel cell temperature measuring step S30 is transmitted to the controller 195 and used in the fuel cell temperature comparing step S40.

연료전지 온도 비교 단계(S40)에서는 연료전지 온도 측정 단계(S30)를 통해 측정된 연료전지 온도 데이터를 이용하여 연료전지가 적절 운전 온도 내에서 운전되고 있는지 확인된다. 고분자 전해질막 연료전지의 경우 연료전지의 적절한 운전 온도는 70℃ 내지 80℃이므로, 고분자 전해질막 연료전지에 적용되는 경우 연료전지 온도 비교 단계(S40)에서는 연료전지가 적절 온도의 상한인 80℃ 이하인지가 확인된다. 연료전지 온도 비교 단계(S40)에서 연료전지 온도가 적절 운전 온도의 상한을 넘지 않은 것으로 확인되는 경우 써모사이폰 냉각모드 유지 단계(S50)가 수행되고, 연료전지 온도가 적절 운전 온도의 상한을 넘은 것으로 확인되는 경우에는 강제 대류 비등 냉각 모드 운전 단계(S60)가 수행된다.In the fuel cell temperature comparison step S40, the fuel cell temperature data measured through the fuel cell temperature measurement step S30 are used to confirm whether the fuel cell is operating within a proper operating temperature. In the case of the polymer electrolyte membrane fuel cell, since the appropriate operating temperature of the fuel cell is 70 ° C. to 80 ° C., when the fuel cell is applied to the polymer electrolyte membrane fuel cell, in the fuel cell temperature comparison step S 40, The recognition is confirmed. In the fuel cell temperature comparison step S40, if it is confirmed that the fuel cell temperature does not exceed the upper limit of the proper operation temperature, the thermosyphon cooling mode maintenance step S50 is performed. If the fuel cell temperature exceeds the upper limit of the proper operation temperature The forced convection boiling cooling mode operation step S60 is performed.

써모사이폰 냉각모드 유지 단계(S50)에서는 써모사이폰 냉각모드 운전 단계(S20)에서 설명된 써모사이폰 냉각모드 운전이 유지된다.In the thermosyphon cooling mode maintenance step (S50), the thermosyphon cooling mode operation described in the thermosyphon cooling mode operation step (S20) is maintained.

강제 대류 비등 냉각 모드 운전 단계(S60)에서는 써모사이폰 냉각 모드 운전 중에, 제어기(195)가 개폐 밸브(130)를 폐쇄하고 펌프(170)를 작동시킨다. 그에 따라, 방열기(120)로부터 배출되는 냉매는 바이패스 유로(190)를 거쳐서 연료전지(C)로 공급된다. 강제 대류 비등 냉각 모드에서 냉매는 연료전지(C)에서 발생하능 열로 인해 비등이 일어나고, 이상(two-phase) 상태로 연료전지(C)에서 배출되고, 방열기(120)로 유입되며 방열기(120)에서 액체 상태로 상변화 후 배출된다. 강제 대류 비등 냉각 모드에서는 냉매가 펌프에 의해 강제 순환되므로 냉각 성능이 써모사이폰 냉각 모드보다 상승하게 된다.During the forced convection boiling cooling mode operation step (S60), the controller (195) closes the opening / closing valve (130) and operates the pump (170) during the thermosyphon cooling mode operation. Accordingly, the refrigerant discharged from the radiator 120 is supplied to the fuel cell C via the bypass flow path 190. In the forced convection boiling cooling mode, the refrigerant boils due to heat generated in the fuel cell C, is discharged from the fuel cell C in a two-phase state, flows into the radiator 120, To a liquid state. In the forced convection boiling cooling mode, the refrigerant is forcibly circulated by the pump, so that the cooling performance rises above the thermosyphon cooling mode.

이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

100 : 연료전지 냉각시스템 120 : 방열기
111 : 제1 연결 유로 112 : 제2 연결 유로
130 : 개폐 밸브 170 : 펌프
190 : 바이패스 유로 195 : 제어기
197 : 온도센서100: Fuel cell cooling system 120: Radiator
111: first connection passage 112: second connection passage
130: opening / closing valve 170: pump
190: bypass pathway 195: controller
197: Temperature sensor

Claims (5)

연료전지에 냉매를 순환시켜서 상기 연료전지를 냉각하는 냉각시스템에 있어서,
상기 연료전지보다 높게 위치하고 상기 연료전지의 열에 의해 비등된 냉매가 유입되는 써모사이폰 구조의 방열기;
상기 연료전지의 냉매 배출 측과 상기 방열기의 입구 측을 연결하는 제1 연결 유로;
상기 방열기의 출구 측과 연료전지의 냉매 유입 측을 연결하는 제2 연결 유로;
상기 제2 연결 유로 상의 두 지점을 연결하는 바이패스 유로;
상기 제2 연결 유로 상에서 상기 바이패스 유로와 연결되는 두 지점의 사이에 위치하는 개폐 밸브;
상기 바이패스 유로 상에 배치되는 펌프; 및
냉매가 자연 순환하는 써모 사이폰 냉각 모드와 냉매가 강제 순환하는 강제 대류 비등 냉각 모드 중 어느 하나의 냉각 모드가 선택적으로 수행되도록 상기 개폐 밸브와 상기 펌프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하며,
상기 써모 사이폰 냉각 모드는 상기 제어기에 의해 상기 개폐 밸브는 개방되고 상기 펌프는 작동하지 않아서, 상기 개폐 밸브를 통과한 냉매만이 상기 연료전지로 공급됨으로써 수행되며,
상기 강제 대류 비등 냉각 모드는 상기 제어기에 의해 상기 개폐 밸브는 폐쇄되고 상기 펌프는 작동해서, 상기 바이패스 유로를 통과한 냉매만이 상기 연료전지로 공급됨으로써 수행되는 연료전지 냉각시스템.1. A cooling system for circulating a coolant in a fuel cell to cool the fuel cell,
A radiator of a thermosyphon structure in which a coolant that is positioned higher than the fuel cell and is boiled by the heat of the fuel cell flows;
A first connection passage connecting the refrigerant discharge side of the fuel cell and the inlet side of the radiator;
A second connection passage connecting the outlet side of the radiator to the refrigerant inlet side of the fuel cell;
A bypass passage connecting two points on the second connection passage;
An on-off valve positioned between two points connected to the bypass passage on the second connection passage;
A pump disposed on the bypass passage; And
And a controller for controlling the operation of the opening and closing valve and the pump so that a cooling mode of either a thermosyphon cooling mode in which the refrigerant naturally circulates and a forced convection boiling cooling mode in which the refrigerant is forcibly circulated is selectively performed,
Wherein the thermosyphon cooling mode is performed by supplying only the coolant having passed through the open / close valve to the fuel cell because the open / close valve is open and the pump is not operated by the controller,
Wherein the forcible convection boiling cooling mode is performed by the controller by closing the opening / closing valve and operating the pump so that only refrigerant that has passed through the bypass flow path is supplied to the fuel cell. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 연료전지의 온도를 측정하고 측정된 온도 데이터를 상기 제어기로 전송하는 온도센서를 더 포함하는 연료전지 냉각시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell and for transmitting the measured temperature data to the controller. 청구항 3에 있어서,
상기 제어기는 상기 온도센서로부터 전송된 상기 연료전지의 온도가 적절 온도의 상한 이하인 경우 상기 개폐 밸브를 개방하고 상기 펌프는 작동시키지 않으며, 상기 연료전지의 온도가 적절 온도의 상한을 초과한 경우 상기 펌프를 작동시키고 상기 개폐 밸브를 폐쇄하는 연료전지 냉각시스템.The method of claim 3,
Wherein the controller opens the on-off valve and does not operate the pump when the temperature of the fuel cell transmitted from the temperature sensor is below the upper limit of the appropriate temperature, and when the temperature of the fuel cell exceeds the upper limit of the appropriate temperature, And closes the on-off valve. 삭제delete
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080105768A (en) 2007-06-01 2008-12-04 재단법인서울대학교산학협력재단 Device for cooling stack of fuel cell
KR20090008192U (en) * 2008-02-12 2009-08-17 삼성전자주식회사 Fuel cell system
KR20170030054A (en) * 2015-09-08 2017-03-16 도요타지도샤가부시키가이샤 Fuel cell system

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20080105768A (en) 2007-06-01 2008-12-04 재단법인서울대학교산학협력재단 Device for cooling stack of fuel cell
KR20090008192U (en) * 2008-02-12 2009-08-17 삼성전자주식회사 Fuel cell system
KR20170030054A (en) * 2015-09-08 2017-03-16 도요타지도샤가부시키가이샤 Fuel cell system

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