KR102194793B1

KR102194793B1 - 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템

Info

Publication number: KR102194793B1
Application number: KR1020190030902A
Authority: KR
Inventors: 김서영; 윤홍열
Original assignee: 하이리움산업(주)
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-12-23
Also published as: US20200298651A1; KR20200111344A; KR102194793B9; US11230156B2

Abstract

본 발명은 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기에 활용되는 냉난방 시스템에 관한 것으로, 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기의 냉난방 시스템에 있어서, 액화 수소 탱크로부터 공급된 액화 수소를 열교환하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 열교환된 유체를 기체 수소로 열교환하고, 상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 제1경로로 공급되어 열교환되는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기에서 열교환된 기체 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지와, 상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제2경로로 공급하여 열교환하는 제3열교환기와, 상기 제1열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제1열교환기를 통과하는 유체의 냉기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제1라디에이터와, 상기 제3열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제3열교환기를 통과하는 유체의 온기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제2라디에이터를 포함하며, 상기 제2열교환기는 상시적으로 작동되고, 제어부에 의해 상기 제1라디에이터 및 상기 제2라디에이터는 선택적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 본 발명은 기존의 수소 연료 수송기의 동력공급원 장치를 냉난방 시스템으로 활용하는 것으로서, 액화 수소의 열교환 과정에 필요한 열교환기를 난방 수단으로 활용하고, 연료전지를 냉각한 후 배출되는 고온의 냉각수를 열교환기를 통해 냉각하는 과정에서 발생하는 냉기를 냉방 수단으로 활용하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템을 제공하는 효과가 있다.

Description

수소 연료 수송기의 냉난방 시스템{Cooling and heating system for hydrogen fuel vehicle}

본 발명은 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기에 활용되는 냉난방 시스템에 관한 것이다.

기존의 화석 연료나 이차전지 등을 이용한 동력원의 경우 환경오염, 소음, 충전시간, 내구성 등에서 여러가지 단점이 있어, 최근에는 액화 수소를 이용한 동력원에 대한 사용이 증대되고 있는 추세이다.

액화 수소는 화석 연료에 비해 10배 이상 가벼운 연료로, 우주 항공 산업 분야에서 꾸준히 로켓, 무인기(UAV)와 같은 추진체 연료로 각광받아 왔다. 최근 수소 연료를 동력공급원으로 이용한 차량이 본격적으로 상용화되고 있으며, 드론 택시와 같은 수송기(vehicle)의 상용화에 대한 연구가 활발해짐에 따라 그 수요가 급증하고 있다.

이러한 수소를 이용한 동력공급원 장치는 수소를 공급하기 위한 액화 수소 탱크, 액화 수소 탱크에서 이송된 수소 가스와 컴프레서에서 전달받은 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지(전기발생장치)를 포함하는 것으로, 상기 연료전지에서 생산된 전기를 모터에 공급함으로써 수송기 등의 동력원으로 사용되게 된다. 여기에 연료전지의 냉각을 위한 냉매회로가 형성되어, 연료전지를 식혀주게 된다.

즉, 낮은 온도의 액화 수소가 열교환기를 거쳐 연료전지에 공급되게 되며, 가열된 연료전지를 식히기 위해 냉매가 순환되도록 형성된다.

한편 이러한 수송기의 경우 난방이나 냉방 시스템이 필수적으로 구비되어야 하는데, 이를 구현하기 위한 많은 에너지가 소요되고 있다.

특히 액화 수소의 온도(-259.2℃)는 매우 낮으며, 연료전지를 냉각시킨 후 배출되는 냉매는 높은 온도로 형성되어 이를 난방이나 냉방 시스템에 활용하게 되면 에너지적으로 상당한 절약을 도모할 수 있어, 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명은 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 동력공급원 장치를 냉난방 시스템으로 활용하기 위한 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기의 냉난방 시스템에 있어서, 액화 수소 탱크로부터 공급된 액화 수소를 열교환하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기에서 열교환된 유체를 기체 수소로 열교환하고, 상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 제1경로로 공급되어 열교환되는 제2열교환기와, 상기 제2열교환기에서 열교환된 기체 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지와, 상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제2경로로 공급하여 열교환하는 제3열교환기와, 상기 제1열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제1열교환기를 통과하는 유체의 냉기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제1라디에이터와, 상기 제3열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제3열교환기를 통과하는 유체의 온기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제2라디에이터를 포함하며, 상기 제2열교환기는 상시적으로 작동되고, 제어부에 의해 상기 제1라디에이터 및 상기 제2라디에이터는 선택적으로 작동되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 제1라디에이터와 제2라디에이터는, 상기 제1열교환기 및 제2열교환기 인접부에 각각 송풍기가 설치되어 상기 수송기 내부로 냉기 또는 온기를 공급하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1라디에이터와 제2라디에이터에는, 냉기 또는 온기가 통과하는 경로에 필터가 각각 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1라디에이터가 작동하지 않는 경우에는 상기 제1열교환기는 상기 액화 수소가 통과하는 경로로 제공되어 상기 액화 수소가 상기 제2열교환기로 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2열교환기에서 열교환된 냉각수는 펌프에 의해 상기 연료전지 측으로 공급되어 상기 연료전지를 냉각시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1경로 상에는 체크밸브가 형성되어 상기 연료전지에서 배출된 냉각수를 제2열교환기 방향으로 공급시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2경로 상에는 솔레노이드 밸브가 형성되어, 상기 제어부에 의해 하절기 모드 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브가 닫히도록 형성되어 제1경로를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기로 공급되도록 하며, 상기 제어부에 의해 동절기 모드 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브가 열리도록 형성되어 제2경로를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기 및 제3열교환기로 공급되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제1열교환기를 통과한 유체의 냉기 또는 상기 제3열교환기를 통과한 유체의 온기는 수송기 내부 에어 컨디셔닝 룸으로 공급되는 것이 바람직하다.

본 발명은 기존의 수소 연료 수송기의 동력공급원 장치를 냉난방 시스템으로 활용하는 것으로서, 액화 수소의 열교환 과정에 필요한 열교환기를 난방 수단으로 활용하고, 연료전지를 냉각한 후 배출되는 고온의 냉각수를 열교환기를 통해 냉각하는 과정에서 발생하는 냉기를 냉방 수단으로 활용하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템을 제공하는 효과가 있다.

이에 의해 기존의 장치를 활용함으로써 경제적이고, 장치의 구성을 단순화시킬 수 있어 수송기 내부 설계의 단순화를 도모할 수 있으며, 그 활용도가 뛰어날 것으로 기대된다.

또한, 액화 수소의 냉열을 순환시켜 냉방 목적으로 사용하며, 연료전지의 냉각수의 온열을 순환시켜 난방 목적으로 사용하는 것으로, 즉, 액화 수소의 열교환 과정, 냉각수의 냉각 과정에서 발생하는 에너지를 활용함으로써, 별도의 냉난방을 위한 에너지원이나 복잡한 장치가 필요하지 않아 에너지의 효율적인 활용을 도모할 수 있도록 한 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템의 주요부에 대한 모식도.
도 2 - 본 발명의 일실시예에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템(하절기 모드)에 대한 모식도.
도 3 - 본 발명의 일실시예에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템(동절기 모드)에 대한 모식도.

본 발명은 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기에 활용되는 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 특히 기존의 동력공급원 장치를 냉난방 시스템으로 활용하기 위한 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템에 관한 것이다.

즉, 액화 수소의 냉열을 순환시켜 냉방 목적으로 사용하며, 연료전지의 냉각수의 온열을 순환시켜 난방 목적으로 사용하여 에너지를 효율적으로 활용할 수 있도록 한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다. 도 1은 본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템의 주요부에 대한 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템(하절기 모드)에 대한 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템(동절기 모드)에 대한 모식도이다.

본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템은, 수소를 연료로 공급받아 동력공급원으로 사용하는 차량, 드론택시 등과 같은 수송기에 활용되는 냉난방 시스템에 관한 것으로, 기존의 수소 연료를 이용한 연료전지장치 시스템을 부분적으로 활용함으로써 구성이 간단하고, 잔여 에너지를 활용함으로써 낭비되는 에너지를 효율적으로 사용하는 것을 그 특징으로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템은 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기의 냉난방 시스템에 있어서, 액화 수소 탱크(10)로부터 공급된 액화 수소를 열교환하는 제1열교환기(100)와, 상기 제1열교환기(100)에서 열교환된 유체를 기체 수소로 열교환하고, 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 제1경로(P1)로 공급되어 열교환되는 제2열교환기(200)와, 상기 제2열교환기(200)에서 열교환된 기체 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지(300)와, 상기 제2열교환기(200)에서 열교환된 냉각수는 다시 상기 연료전지(300)에 공급되어 상기 연료전지(300)를 냉각시키는 냉매회로부와, 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제2경로(P2)로 공급하여 열교환하는 제3열교환기(400)와, 상기 제1열교환기(100)를 통과하는 유체의 냉기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제1라디에이터(500)와, 상기 제3열교환기(400)를 통과하는 유체의 온기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제2라디에이터(600)를 포함하며, 상기 제2열교환기(200)는 상시적으로 작동되고, 제어부(700)에 의해 상기 제1라디에이터(500) 및 상기 제2라디에이터(600)는 선택적으로 작동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템은, 종래의 수소 연료 수송기에 사용되는 동력공급원 장치를 활용한 것으로서, 일반적으로 이러한 동력공급원 장치는 수소를 공급하기 위한 액화 수소 탱크(10), 액화 수소 탱크(10)에서 이송된 수소 가스와 컴프레서 등에서 전달받은 산소를 공급받아 전기를 생산하는 연료전지(300)를 포함하는 것으로, 상기 연료전지(300)에서 생산된 전기를 모터에 공급함으로써 수송기 등의 동력원으로 사용되게 된다. 여기에 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉매회로가 형성되어, 연료전지(300)를 식혀주게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템은, 액화 수소를 열교환하는 제1열교환기(100), 기체 수소로 열교환하고 연료전지(300)로부터 배출된 냉각수를 열교환하는 제2열교환기(200), 연료전지(300), 냉매회로부, 냉각수의 일부를 열교환하는 제3열교환기(400), 냉기를 수송기 내부로 공급하는 제1라디에이터(500), 온기를 수송기 내부로 공급하는 제2라디에이터(600)로 크게 구성디며, 상기 제1라디에이터(500) 및 제2라디에이터(600)는 제어부(700)에 의해 선택적으로 작동되게 된다.

먼저, 본 발명에 따른 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템에 있어서, 제1열교환기(100)는 액화 수소 탱크(10)로부터 공급된 액화 수소를 열교환하는 것이다.

상기 액화 수소 탱크(10)에 저장된 액화 수소는 약 -259.2℃로 연료전지(연료전지 스택)(300)에 수소를 공급하는 수소 공급원으로서, 수소는 가스 상태로 이송관을 따라 연료전지(300)로 공급되게 된다. 상기 액화 수소 탱크(10)는 수소가 액체 상태로 저장되기 때문에 부피가 작아져 수송기 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있다.

일반적으로 액화 수소 탱크(10)에 저장된 액화 수소는 외부에서 공급된 열에 의해 기화되어 기체 수소 상태로 연료전지(300)에 공급되게 되며, 본 발명에서는 제1열교환기(100)를 통해 액화 수소가 열교환된다.

이때 상기 제1열교환기(100)에 의해 액화 수소가 기체 수소로 전부 열교환될 필요는 없으며 본 발명에 따른 냉방 수단으로 유용할 정도로 열교환되어도 무방하다. 즉, 제1열교환기(100)를 통과한 액화 수소는 액체와 기체가 혼합된 수소일 수 있다.

상기 제1열교환기(100)는 제1라디에이터(500) 내부에 배치되며, 액화 수소의 열교환 과정에서 제1열교환기(100)에서 발생하는 냉기는 수송기 내부로 공급되어 냉방시 운용되게 된다.

이와 같이 상기 제1열교환기(100)는 액화 수소를 일부 열교환(냉방에 필요한 정도)하는 것으로서, 이때 발생하는 냉기를 냉방 수단으로 활용하는 것으로서, 즉, 액화 수소를 기체 수소로 열교환하는 과정에서 발생하는 냉열을 활용한 것으로서, 별도의 냉방을 위한 장치나 에너지원 없이 냉방 수단으로 활용할 수 있도록 한 것이다.

그리고 상기 제2열교환기(200)는 상기 제1열교환기(100)에서 열교환된 유체를 기체 수소로 열교환하고, 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 제1경로(P1)로 공급되어 열교환되게 된다. 즉, 상기 제2열교환기(200)는 액화 수소를 완전히 기체 수소로 열교환하여, 연료전지(300)로 기체 수소가 공급되도록 하며, 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 열교환한다.

상기 제2열교환기(200)에서 열교환된 기체 수소는 펌프(210)에 의해 상기 연료전지(300)로 공급되어, 연료전지(300)의 연료극에서의 수소 산화반응과 공기극에서의 산소 환원반응을 통해 전기에너지와 물을 발생시키게 된다.

여기에서, 상기 냉각수가 제2열교환기(200)로 공급되는 제1경로(P1)는 연료전지(300)에서 배출되는 냉각수가 이송되는 경로로, 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉각수의 순환경로를 의미하며, 후술할 냉각수가 이송되는 제2경로(P2)는 제3열교환기(400)로 냉각수가 공급되는 경로로, 열교환 과정에서 발생하는 냉기를 이용하기 위한 것이다.

이때 상기 제1경로(P1) 상에는 체크밸브(220)가 형성되어 상기 연료전지(300)에서 배출된 냉각수를 제2열교환기(200) 방향으로 공급시키도록 한다. 즉, 연료전지(300)를 중심으로 냉각수가 순환되고 열교환되는 과정이 반복되도록 하여 연료전지(300)를 냉각시키게 된다.

이와 같이 제2열교환기(200)를 통해 열교환된 기체 수소는 연료전지(300)에 공급되고, 상기 제2열교환기(200)를 통해 열교환되어 냉각된 냉각수는 다시 회수되어 펌프(210)에 의해 연료전지(300)를 냉각시키기 위해 냉매회로로 공급되게 된다.

그리고 제3열교환기(400)는 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제2경로(P2)로 공급하여 열교환한다. 즉, 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수의 일부는 제1경로(P1)를 통해 제2열교환기(200)로 공급되어 냉매회로를 통해 순환되면서 연료전지(300)를 냉각하도록 하고, 상기 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수의 일부는 제2경로(P2)를 통해 제3열교환기(400)로 공급되어 냉각수를 열교환하도록 한다.

제3열교환기(400)는 제2라디에이터(600) 내부에 배치되며, 냉각수의 열교환 과정에서 제3열교환기(400)에서 발생하는 온기는 수송기 내부로 공급되어 난방시 운용되게 된다

이때, 상기 제2경로(P2) 상에는 솔레노이드 밸브(410)가 형성되어, 제2경로(P2)를 개폐하도록 형성된다. 즉, 상기 제2경로(P2)가 오픈되는 경우에는 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수의 일부가 제2경로(P2)를 통해 제3열교환기(400)로 이송되도록 하고, 상기 제2경로(P2)가 폐쇄되는 경우에는 연료전지(300)를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 모두 제1경로(P1)를 통해 제2열교환기(200)로 이송되도록 하는 것이다.

이러한 작용은 본 발명에 따른 냉난방 시스템이 하절기 모드로 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브(410)가 닫히도록 형성되어 제1경로(P1)를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기(200)로 공급되도록 하며, 동절기 모드 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브(410)가 열리도록 형성되어 제2경로(P2)를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기(200) 및 제3열교환기(400)로 공급되도록 하는 것이다.

상기 제3열교환기(400)에서 열교환된 냉각수는 다시 제1경로(P1)로 이송되어 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉매회로를 순환하게 된다. 즉, 제2열교환기(200)로 공급되어, 냉각수의 온도는 더욱 낮춰져 연료전지(300)의 냉각수로 공급되게 된다.

이와 같이 상기 제3열교환기(400)는 냉각수를 일부 열교환(난방에 필요한 정도)하는 것으로서, 이때 발생하는 온기를 난방 수단으로 활용하는 것으로서, 즉, 냉각수를 냉각시켜 다시 순환시키는 과정에서 발생하는 온열을 활용한 것으로서, 별도의 난방을 위한 장치나 에너지원 없이 난방 수단으로 활용할 수 있도록 한 것이다.

상기와 같은 작동은 제어부(700)에 의해 구현되게 된다. 즉, 수송기 내부 제어보드판에 배치된 제어부(700)에 의해 냉난방 온/오프 버튼으로 작동되도록 한다.

이와 같이 상기 제1열교환기(100)는 제1라디에이터(500) 내부에 배치되며, 액화 수소의 열교환 과정에서 제1열교환기(100)에서 발생하는 냉기는 수송기 내부로 공급되어 냉방시 운용되게 되며, 상기 제3열교환기(400)는 제2라디에이터(600) 내부에 배치되며, 냉각수의 열교환 과정에서 제3열교환기(400)에서 발생하는 온기는 수송기 내부로 공급되어 난방시 운용되게 된다.

즉, 상기 제1라디에이터(500)는 액화 수소 탱크(10)와 제2열교환기(200) 사이에 형성되며, 상기 제1라디에이터(500) 내부에는 제1열교환기(100)가 배치되어, 액화 수소의 열교환 과정에서 제1열교환기(100)에서 발생하는 냉기를 수송기 내부, 예컨대 수송기 내부 에어 컨디셔닝 룸(R)으로 공급하여 날씨가 더운 하절기에 냉방 시스템으로 활용될 수 있도록 한 것이다.(하절기 모드)

또한, 상기 제2라디에이터(600)는 상기 솔레노이드 밸브(410)와 제2열교환기(200) 사이에 형성되며, 상기 제2라디에이터(600) 내부에는 제3열교환기(400)가 배치되어, 냉각수의 열교환 과정에서 제3열교환기(400)에서 발생하는 온기를 수송기 내부, 예컨대 수송기 내부 에어 컨디셔닝 룸(R)으로 공급하여 날씨가 추운 동절기에 난방 시스템으로 활용될 수 있도록 한 것이다.(동절기 모드)

여기에서, 상기 제1라디에이터(500) 및 제2라디에이터(600)는 제어부(700)에 의해 선택적으로 작동되는 것으로, 수송기 내부 제어보드판에 배치된 냉난방 온/오프 버튼으로 작동될 수 있다.

그리고, 상기 제2열교환기(200)는 상시적으로 작동되도록 하여, 상기 제1라디에이터(500)가 작동되지 않는 경우에는 상기 제1열교환기(100)는 상기 액화 수소가 통과하는 경로로 제공되어 상기 액화 수소가 상기 제2열교환기(200)로 바로 이송되어 열교환되어 기체수로를 연료전지(300)에 공급할 수 있도록 한다. 즉, 연료인 기체 수소는 제2열교환기(200)에 의해 상시적으로 연료전지(300)에 공급되도록 한다.

상기 제1라디에이터(500) 및 제2라디에이터(600)는 수송기 내부 또는 수송기 내부 에어 컨디셔닝 룸(R)과 연결되도록 형성되어 수송기 내부에 냉기 또는 온기를 선택적으로 공급하게 되며, 이 때 냉기 또는 온기가 통과하는 경로에 에어 필터(520),(620)가 형성되어, 수송기 내부로는 깨끗한 공기가 공급되도록 한다.

또한, 상기 제1라디에이터(500) 및 제2라디에이터(600)는 자연적으로 냉기 또는 온기가 발산되어 수송기 내부로 공급되도록 할 수도 있으나, 효율적인 냉난방을 위해 상기 제1열교환기(100) 또는 제3열교환기(400) 인접부에 송풍기(510),(610)를 설치하여 냉기 또는 온기가 효율적으로 수송기 내부로 공급되도록 한다.

이하에서는 본 발명의 작용, 효과에 대해 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 있어서, 제어부(700)에 의해 하절기 모드로 선택된 경우, 즉, 제1라디에이터(500)가 작동되는 경우를 도시한 것이다.

도 2에서 파란색은 액화수소가 제1열교환기(!00)를 통과하면서 열교환되어 이송되는 경로를 나타낸 것이고, 빨간색은 열교환된 기체수소가 이송되어 연료전지(300)로 공급되는 경로를 나타낸 것이며, 초록색은 연료전지(300)를 냉각하기 위한 냉각수의 순환경로를 나타낸 것이다. 여기에서, 제1라디에이터(500)만 활성화되어 작동되고 있고, 제2라디에이터(600)는 비활성화되어 작동되지 않고 있다.

상기 제어부(700)에 의해 제1라디에이터(500)가 작동되면, 액화 수소 탱크(10)로부터 액화 수소가 제1열교환기(100)로 통과하면서 열교환이 이루어지게 되고, 이때 상기 제1열교환기(100)에서 발생하는 냉기는 제1라디에이터(500) 내부의 송풍기(510)를 통해 에어 컨디셔닝 룸(R)으로 공급되어 수송기 내부의 온도를 높이게 된다.

제1열교환기(100)에서 열교환된 액화 수소는 제2열교환기(200)로 공급되어 완전히 기체 수소로 열교환된 후 펌프(210)를 통해 연료전지(300)에 공급되어 연료로 사용되게 된다.

상기 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉각수는 연료전지(300)를 냉각시키기 위해 제1경로(P1)를 지나면서 순환되게 되며, 상기 제2열교환기(200)에 의해 냉각이 이루어진 후 연료전지(300) 측으로 다시 공급되게 된다.

이러한 상기 제2열교환기(200)는 상기 제1라디에이터(500)의 작동과 상관없이 수송기의 연료로 사용되어야 하므로 수송기의 전원 또는 시동이 켜지면 상시적으로 작동되게 된다.

그리고 도 3은 본 발명에 따른 냉난방 시스템에 있어서, 제어부(700)에 의해 동절기 모드로 선택된 경우, 즉, 제2라디에이터(600)가 작동되는 경우를 도시한 것이다.

도 3에서 파란색은 액화수소가 제1열교환기(100)를 통과하여 제2열교환기(200)로 이송되어 기체수소로 열교환되는 경로를 나타낸 것이고, 빨간색은 열교환된 기체수소가 이송되는 연료전지(300)로 공급되는 경로를 나타낸 것이며, 초록색은 연료전지(300)를 냉각하기 위한 냉각수의 순환경로 및 제3열교환기(400)로 냉각수가 이송되어 열교환된 후 다시 냉각수 순환경로로 이송되는 경로를 나타낸 것이다. 여기에서, 제1라디에이터(500)는 비활성화되어 작동되고 있지 않으며, 제2라디에이터(600)만 활성화되어 작동되고 있다.

제어부(700)에 의해 제2라디에이터(600)가 작동되면, 동시에 상기 솔레노이드 밸브(410)가 오픈되면서 연료전지(300)를 냉각한 후 배출된 냉각수가 제2경로(P2)로 이송되게 된다. 상기 제2경로(P2)로 이송된 냉각수는 제2라디에이터(600) 내부 제3열교환기(400)로 공급되어 열교환이 이루어지게 되고, 이때 제3열교환기(400)에서 발생하는 온기는 제2라디에이터(600) 내부의 송풍기(610)를 통해 에어 컨디셔닝 룸(R)으로 공급되어 수송기 내부의 온도를 낮추게 된다.

그 후 열교환된 냉각수는 다시 제1경로(P1)로 이송되어 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉매회로를 순환하게 된다. 즉, 제2열교환기(200)로 공급되어, 냉각수의 온도는 더욱 낮춰져 연료전지(300)의 냉각수로 공급되게 된다.

이 경우에도 상술한 바와 같이 연료전지(300)의 냉각을 위한 냉각수는 연료전지(300)를 냉각시키기 위해 제1경로(P1)를 지나면서 순환되게 되며, 상기 제2열교환기(200)는 상기 제2라디에이터(600)의 작동과 상관없이 수송기의 연료로 사용되어야 하므로 수송기의 전원 또는 시동이 켜지면 상시적으로 작동되게 된다.

이와 같이, 본 발명은 기존의 수소 연료 수송기의 동력공급원 장치를 냉난방 시스템으로 활용하는 것으로서, 액화 수소의 열교환 과정에 필요한 열교환기(제1열교환기)를 난방 수단으로 활용하고, 연료전지를 냉각한 후 배출되는 고온의 냉각수를 열교환기(제3열교환기)를 통해 냉각하는 과정에서 발생하는 냉기를 냉방 수단으로 활용한 것이다. 이에 의해 기존의 장치를 활용함으로써 경제적이고, 장치의 구성을 단순화시킬 수 있고, 수송기 내부 설계의 단순화를 도모할 수 있으며, 그 활용도가 뛰어날 것으로 기대된다.

10 : 액화 수소 탱크 100 : 제1열교환기
200 : 제2열교환기 210 : 펌프
220 : 체크밸브 300 : 연료전지
400 : 제3열교환기 410 : 솔레노이드 밸브
500 : 제1라디에이터 510 : 송풍기
520 : 필터 600 : 제2라디에이터
610 : 송풍기 620 : 필터
700 : 제어부 P1 : 제1경로
P2 : 제2경로 R : 에어 컨디셔닝 룸

Claims

수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지를 동력공급원으로 이용하는 수송기의 냉난방 시스템에 있어서,
액화 수소 탱크로부터 공급된 액화 수소를 열교환하는 제1열교환기;
상기 제1열교환기에서 열교환된 유체를 기체 수소로 열교환하고, 상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수가 제1경로로 공급되어 열교환되는 제2열교환기;
상기 제2열교환기에서 열교환된 기체 수소와 산소가 공급되어 전기를 발생시키는 연료전지;
상기 연료전지를 냉각한 후 배출되는 냉각수를 제2경로로 공급하여 열교환하는 제3열교환기;
상기 제1열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제1열교환기를 통과하는 유체의 냉기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제1라디에이터;
상기 제3열교환기를 내부에 포함하며, 상기 제3열교환기를 통과하는 유체의 온기를 상기 수송기 내부로 공급하도록 형성된 제2라디에이터;를 포함하며,
상기 제2열교환기는 상시적으로 작동되고, 제어부에 의해 상기 제1라디에이터 및 상기 제2라디에이터는 선택적으로 작동되고,
상기 제1라디에이터가 작동하지 않는 경우에는 상기 제1열교환기는 상기 액화 수소가 통과하는 경로로 제공되어 상기 액화 수소가 상기 제2열교환기로 제공되는 것을 특징으로 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제1라디에이터와 제2라디에이터는,
상기 제1열교환기 및 제2열교환기 인접부에 각각 송풍기가 설치되어 상기 수송기 내부로 냉기 또는 온기를 공급하도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제1라디에이터와 제2라디에이터에는,
냉기 또는 온기가 통과하는 경로에 필터가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 제2열교환기에서 열교환된 냉각수는 펌프에 의해 상기 연료전지 측으로 공급되어 상기 연료전지를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제1경로 상에는 체크밸브가 형성되어 상기 연료전지에서 배출된 냉각수를 제2열교환기 방향으로 공급시키는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제2경로 상에는 솔레노이드 밸브가 형성되어,
상기 제어부에 의해 하절기 모드 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브가 닫히도록 형성되어 제1경로를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기로 공급되도록 하며,
상기 제어부에 의해 동절기 모드 작동시에는 상기 솔레노이드 밸브가 열리도록 형성되어 제2경로를 통해 상기 냉각수가 상기 제2열교환기 및 제3열교환기로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 제1열교환기를 통과한 유체의 냉기 또는
상기 제3열교환기를 통과한 유체의 온기는 수송기 내부 에어 컨디셔닝 룸으로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 연료 수송기의 냉난방 시스템.