KR102335975B1

KR102335975B1 - 연료전지 시스템

Info

Publication number: KR102335975B1
Application number: KR1020170042174A
Authority: KR
Inventors: 이남우; 권혁률; 나성욱
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-12-07
Also published as: US20180287175A1; KR20180111341A; US10535887B2

Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 스택을 구비하며, 냉각수가 순환되는 제1 라인; 및 공조 유닛을 구비하며, 상기 냉각수의 적어도 일부가 선택적으로 순환될 수 있도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인을 포함하며; 상기 공조 유닛은, 제1 공기가 유입되는 제1 유입구를 갖는 제1 유로; 제2 공기가 유입되는 제2 유입구와, 상기 제1 유로와 연통되는 적어도 하나의 연통구들을 갖는 제2 유로; 상기 제2 유입구와 상기 연통구들을 각각 개폐 가능한 개폐 유닛; 상기 제1 유로에 설치되며, 상기 제1 유로를 통과하는 공기를 냉각 가능한 냉각 유닛; 및 상기 제2 유로에 설치되며, 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수와 상기 제2 유로를 통과하는 공기를 열 교환 가능한 히터 코어를 구비한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택(이하, '스택'이라고 함) 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.

연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.

상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '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 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.

상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 스택, 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.

주지된 바와 같이 열 관리 시스템은, 스택을 냉각 가능한 냉각수가 순환하는 TMS 라인과, TMS 라인 상에 설치되어 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터 등을 구비할 수 있다. 그런데, 연료전지 시스템의 반응열은 내연기관 시스템의 발열량에 비해 상대적으로 크므로, 연료전지 시스템의 라디에이터는 내연기관 시스템의 라디에이터에 비해 상대적으로 큰 방열 성능이 요구된다.

일반적으로 라디에이터의 방열 성능은 방열 면적에 비례한다. 종래의 연료전지 시스템은 설치 공간 기타 설치 환경 상으로 제약으로 인해 라디에이터의 방열 면적이 충분히 확보되기 어렵다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템은, 라디에이터의 방열 성능이 부족하다는 문제점과, 연료전지 스택의 냉각 성능이 부족하다는 문제점이 있다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 방열 면적을 증가시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택을 구비하며, 냉각수가 순환되는 제1 라인; 및 공조 유닛을 구비하며, 상기 냉각수의 적어도 일부가 선택적으로 순환될 수 있도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인을 포함하며; 상기 공조 유닛은, 제1 공기가 유입되는 제1 유입구를 갖는 제1 유로; 제2 공기가 유입되는 제2 유입구와, 상기 제1 유로와 연통되는 적어도 하나의 연통구들을 갖는 제2 유로; 상기 제2 유입구와 상기 연통구들을 각각 개폐 가능한 개폐 유닛; 상기 제1 유로에 설치되며, 상기 제1 유로를 통과하는 공기를 냉각 가능한 냉각 유닛; 및 상기 제2 유로에 설치되며, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수의 냉각을 위해, 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수와 상기 제2 유로를 통과하는 공기를 열 교환 가능한 히터 코어를 구비하고, 상기 제2 유로 중의 공기는, 상기 개폐 유닛의 작동에 따라 차량의 실외로 배출되거나 또는 차량의 실내로 공급된다.

바람직하게, 상기 냉각 유닛은 냉매와 상기 제1 유로를 통과하는 공기를 열 교환 가능한 증발기를 구비한다.

바람직하게, 상기 개폐 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 상기 제2 유입구를 개방하고 또한 상기 연통구들을 폐쇄하도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 냉각수와 상기 제2 공기를 상기 히터 코어를 이용해 열 교환시킨다.

바람직하게, 상기 제1 유로는 상기 제1 유로를 통과하는 공기가 배출되는 제1 배출구를 더 구비하고, 상기 제2 유로는 상기 제2 유로를 통과하는 공기가 배출되는 제2 배출구를 더 구비하며, 상기 개폐 유닛은 상기 제2 배출구를 개폐 가능하게 마련된다.

바람직하게, 상기 제1 배출구는 차량의 실내와 연통되고, 상기 제2 배출구는 차량의 실외와 연통되며, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수 냉각 조건이 만족되는 경우에, 상기 제2 배출구가 개방되도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 냉각수와 열 교환된 제2 공기를 상기 제2 배출구를 이용해 차량의 실외로 배출시킨다.

바람직하게, 상기 스택에서 배출된 가스를 차량의 실외로 안내하는 배기 라인을 더 포함하고, 상기 제2 배출구는 상기 배기 라인과 연통된다.

바람직하게, 상기 냉각수 냉각 조건은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준 온도 이상인지 여부이다.

바람직하게, 상기 연통구들은, 상기 제1 유로의 미리 정해진 제1 지점과 연통되는 제1 연통구와, 상기 제1 연통구에 비해 상기 제2 유로의 하류 측에 위치하도록 상기 제1 유로의 미리 정해진 제2 지점과 연통되는 제2 연통구를 갖고, 상기 히터 코어는 상기 제1 연통구와 상기 제2 연통구 사이에 설치된다.

바람직하게, 상기 개폐 유닛은, 상기 제1 연통구를 개폐 가능한 제1 개폐 도어와, 상기 제2 연통구를 개폐 가능한 제2 개폐 도어와, 상기 제2 유입구를 개폐 가능한 제3 개폐 도어와, 상기 제2 배출구를 개폐 가능한 제4 개폐 도어를 구비한다.

바람직하게, 상기 공조 유닛은 상기 히터 코어에 물을 분사 가능한 워터 인젝터를 더 구비한다.

바람직하게, 상기 공조 유닛은 상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구 중 적어도 어느 하나에 각각 설치되는 적어도 하나의 에어 필터들을 더 구비한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택을 구비하며, 냉각수가 순환되는 제1 라인; 및 공조 유닛을 구비하며, 상기 냉각수의 적어도 일부가 선택적으로 순환될 수 있도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인을 포함하며; 상기 공조 유닛은, 공기가 유입되는 유입구와, 상기 공기가 배출되는 제1 배출구를 갖는 제1 유로; 상기 공기가 통과되도록 상기 제1 유로와 연통되는 적어도 하나의 연통구들과, 상기 공기가 배출되는 제2 배출구를 갖는 제2 유로; 상기 연통구들과 상기 제2 배출구를 각각 개폐 가능한 개폐 유닛; 상기 제1 유로에 설치되며, 상기 공기를 냉각 가능한 냉각 유닛; 및 상기 제2 유로에 설치되며, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수의 냉각을 위해, 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수와 상기 공기를 열 교환 가능한 히터 코어를 구비하고, 상기 제2 유로 중의 공기는, 상기 개폐 유닛의 작동에 따라 차량의 실외로 배출되거나 또는 차량의 실내로 공급된다.

바람직하게, 상기 연통구들은, 상기 제1 유로의 미리 정해진 제1 지점과 연통되는 제1 연통구와, 상기 제1 연통구에 비해 상기 제2 유로의 하류 측에 위치하도록 상기 제1 유로의 미리 정해진 제2 지점과 연통되는 제2 연통구를 갖고, 상기 히터 코어는, 상기 제1 연통구와 상기 제2 연통구 사이에 설치된다.

바람직하게, 상기 냉각 유닛은, 상기 제1 지점에 비해 상기 제1 유로의 상류 측에 위치하도록 설치된다.

바람직하게, 상기 개폐 유닛은, 상기 제1 연통구를 개폐 가능한 제1 개폐 도어와, 상기 제2 연통구를 개폐 가능한 제2 개폐 도어와, 상기 제2 배출구를 개폐 가능한 제3 개폐 도어를 구비한다.

바람직하게, 상기 제1 배출구는 차량의 실내와 연통되고, 상기 제2 배출구는 차량의 실외와 연통된다.

바람직하게, 상기 개폐 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 더 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 상기 제1 연통구와 상기 제2 배출구를 개방하고 상기 제2 연통구를 폐쇄하도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 공기와 상기 냉각수를 상기 히터 코어를 이용해 열 교환시킨다.

바람직하게, 상기 냉각수 냉각 조건은 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준 온도 이상인지 여부이다.

바람직하게, 상기 공조 유닛은, 상기 제1 유입구에 설치되며 상기 공기를 상기 제1 유로의 내부를 향하여 송풍하는 송풍 팬을 더 구비한다.

바람직하게, 상기 제1 유입구는 상기 제1 유로의 외부에서 내부로 갈수록 점진적으로 단면적이 좁아지도록 형성된다.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은, 히터코어를 라디에이터를 보조하여 냉각수를 냉각 가능한 보조 라디에이터로서 활용 가능하므로, 라디에이터의 구조적이 변경 없이도 방열 면적을 증가시키고 스택의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 양상을 나타내는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 냉각수를 냉각하는 양상을 나타내는 도면.
도 5는 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 난방하는 양상을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 양상을 나타내는 도면.
도 7은 도 6에 도시된 공조 유닛을 이용해 냉각수를 냉각하는 양상을 나타내는 도면.
도 8은 도 6에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 난방하는 양상을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 냉방함과 동시에 냉각수를 냉각하는 양상을 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템(1)은, 냉각수(C)가 순환되는 냉각수 라인(10)과, 이러한 냉각수 라인(10)을 개폐하는 개폐 밸브(20)와, 연료전지 시스템(1)을 제어하기 위한 제어 유닛(30) 등을 포함할 수 있다.

먼저, 냉각수 라인(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수(C)가 순환되는 제1 라인(12)과, 냉각수(C)가 제1 라인(12)의 어느 일부 구간을 우회할 수 있도록 마련되는 제2 라인(14)과, 냉각수(C)가 제1 라인(12)의 다른 일부분 구간을 우회할 수 있도록 마련되는 제3 라인(16)을 구비할 수 있다.

제1 라인(12)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수(C)가 순환되는 폐루프를 구성하도록 마련된다. 이러한 제1 라인(12)은, 냉각수(C)를 펌핑하는 냉각수 펌프(40)와, 발전을 실시하는 연료전지 스택(이하, '스택(50)'이라고 함)과, 냉각수(C)를 냉각하는 라디에이터(60)와, 냉각수(C)의 온도를 측정하는 온도 센서(70)와, 냉각수(C)의 수압을 측정하는 압력 센서(80) 등을 구비할 수 있다.

냉각수 펌프(40)는 제1 라인(12)을 순환하는 냉각수(C)를 스택(50)을 향해 펌핑하도록 마련된다. 스택(50)은 냉각수 펌프(40)에 의해 펌핑된 냉각수(C)에 의해 냉각되도록 마련되며, 냉각수(C)는 이러한 스택(50)으로부터 방출된 열에 의해 가열된다. 라디에이터(60)는 냉각 팬(62)을 이용해 냉각수(C)의 열을 차량의 실외로 방열하도록 마련되며, 냉각수(C)는 이러한 라디에이터(60)에 의해 냉각된다. 온도 센서(70)는 제1 라인(12)을 통과하는 냉각수(C)의 온도를 측정한다. 압력 센서(80)는 제1 라인(12)을 통과하는 냉각수(C)의 수압을 측정한다. 온도 센서(70)와 압력 센서(80)는, 제1 개폐 밸브(22)와 스택(50) 사이에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 라인(14)은 제1 라인(12)을 따라 순환 중인 냉각수(C)가 제1 라인(12)을 우회하여 제2 라인(14)을 통과할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 라인(14)은 냉각수 펌프(40)와 스택(50) 사이의 구간에서 냉각수(C)가 제1 라인(12)을 우회하여 제2 라인(14)을 통과할 수 있도록 마련될 수 있다. 이를 위하여, 제2 라인(14)의 일단은 냉각수 펌프(40)와 스택(50) 사이에 위치하는 제1 라인(12)의 제1 지점(12a)과 연결될 수 있고, 제2 라인(14)의 타단은 제1 지점(12a)과 스택(50) 사이에 위치하는 후술할 제1 개폐 밸브(22)의 제2 포트(22b)와 연결될 수 있다. 이러한 제2 라인(14)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 실내를 냉방 또는 난방 가능한 공조 유닛(90)을 구비할 수 있다.

공조 유닛(90)은 일반적으로 HVAC(Heating, Ventilation, Air Conditioning)라고도 한다. 이러한 공조 유닛(90)은 제2 라인(14)을 통과하는 냉각수(C) 또는 차량의 히트 펌프 시스템(미도시)을 통과하는 냉매를 이용해 차량의 실내를 냉난방하거나 라디에이터(60)를 보조해 냉각수(C)를 냉각시킬 수 있도록 마련된다. 이러한 공조 유닛(90)에 대한 더욱 자세한 설명은 후술하기로 한다.

제3 라인(16)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 라인(12)을 따라 순환 중인 냉각수(C)가 라디에이터(60)를 우회하여 제3 라인(16)을 통과할 수 있도록 마련된다. 이를 위하여, 제3 라인(16)의 일단은 스택(50)과 라디에이터(60) 사이에 위치하는 제1 라인(12)의 제2 지점(12b)과 연결될 수 있고, 제3 라인(16)의 타단은 라디에이터(60)와 냉각수 펌프(40) 사이에 위치하는 후술할 제2 개폐 밸브(24)의 제2 포트(24b)와 연결될 수 있다.

다음으로, 개폐 밸브(20)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 라인(14)을 통과하는 냉각수(C)의 수량을 조절 가능한 제1 개폐 밸브(22)와, 제3 라인(16)을 통과하는 냉각수(C)의 수량을 조절 가능한 제2 개폐 밸브(24)를 구비할 수 있다.

제1 개폐 밸브(22)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 라인(12)의 제1 지점(12a)과 스택(50) 사이에 위치하도록 설치된다. 제1 개폐 밸브(22)는, 냉각수 펌프(40)에 의해 펌핑된 냉각수(C)가 유입되도록 제1 라인(12)과 연결되는 제1 포트(22a)와, 공조 유닛(90)을 통과한 냉각수(C)가 유입되도록 제2 라인(14)과 연결되는 제2 포트(22b)와, 제1 포트(22a)와 제2 포트(22b)에 유입된 냉각수(C)를 제1 라인(12)에 전달하도록 제1 라인(12)과 연결되는 제3 포트(22c)를 가질 수 있다. 이러한 제1 개폐 밸브(22)는, 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)를 개폐하거나 제1 포트(22a) 내지 제3 포트(22c)의 개도를 조절하여, 제2 라인(14)을 통과하는 냉각수(C)의 수량을 조절할 수 있다.

제2 개폐 밸브(24)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 라디에이터(60)와 냉각수 펌프(40) 사이에 위치하도록 설치된다. 제2 개폐 밸브(24)는, 라디에이터(60)에 의해 냉각된 냉각수(C)가 유입되도록 제1 라인(12)과 연결되는 제1 포트(24a)와, 제3 라인(16)을 통과한 냉각수(C)가 유입되도록 제3 라인(16)과 연결되는 제2 포트(24b)와, 제1 포트(24a)와 제2 포트(24b)에 유입된 냉각수(C)를 제1 라인(12)에 전달하도록 제1 라인(12)과 연결되는 제3 포트(24c)를 가질 수 있다. 이러한 제2 개폐 밸브(24)는, 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)를 개폐하거나 제1 포트(24a) 내지 제3 포트(24c)의 개도를 조절하여, 제3 라인(16)을 통과하는 냉각수(C)의 수량을 조절할 수 있다.

제어 유닛(30)은, 연료전지 시스템(1) 기타 차량에 설치된 각종의 장치들을 제어할 수 있다. 이러한 제어 유닛(30)을 이용한 차량의 구체적인 제어 방법에 대해서는 후술하기로 한다.

도 2는 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 양상을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 냉각수를 냉각하는 양상을 나타내는 도면이다.

공조 유닛(90)의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 공조 유닛(90)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(100)와, 제2 유로(110)와, 에어 필터(120)와, 송풍 팬(130)과, 개폐 유닛(140)과, 냉각 유닛(150)과, 히터 코어(160)와, PTC 히터(170)와, 워터 인젝터(180) 등을 구비할 수 있다.

제1 유로(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유입구(102)와, 제1 배출구(104)를 가질 수 있다. 이러한 제1 유로(100)에는 후술할 송풍 팬(130), 제1 에어 필터(122) 및 냉각 유닛(150) 등이 설치될 수 있다.

제1 유입구(102)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 공기(A1)가 유입되도록 마련된다. 제1 공기(A1)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제1 공기(A1)는 대기 중의 공기일 수 있다. 이 경우에, 제1 유입구(102)는 대기 중의 공기가 제1 공기(A1)로서 유입되도록 차량의 실외와 연통될 수 있다.

제1 배출구(104)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(100)를 통과한 공기가 배출되도록 마련된다. 예를 들어, 제1 배출구(104)는 제1 유로(100)를 통과한 공기가 차량의 실내로 배출되도록 차량의 실내와 연통될 수 있다. 여기서, 제1 유로(100)를 통과한 공기란, 제1 유입구(102)나 후술할 연통구들(116a, 116b)을 통해 제1 유로(100)로 유입된 후 제1 배출구(104)까지 진행된 공기를 말한다.

제2 유로(110)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 유입구(112)와, 제2 배출구(114)와, 적어도 하나의 연통구들(116)을 가질 수 있다. 이러한 제2 유로(110)에는 후술할 제2 에어 필터(124), 히터 코어(160) 및 PTC 히터(170)가 설치될 수 있다.

제2 유입구(112)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 공기(A2)가 유입되도록 마련된다. 제2 공기(A2)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제2 공기(A2)는 대기 중의 공기일 수 있다. 이 경우에, 제2 유입구(112)는 대기 중의 공기가 제2 공기(A2)로서 유입되도록 차량의 실외와 연통될 수 있다.

제2 배출구(114)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 유로(110)를 통과한 공기가 배출되도록 마련된다. 예를 들어, 제2 배출구(114)는 제2 유로(110)를 통기한 공기가 차량의 실외로 배출되도록 차량의 실외와 연통될 수 있다. 제2 유로(110)를 통과하는 공기란, 제2 유입구(112)나 후술할 연통구들(116)을 통해 제2 유로(110)로 유입된 후 제2 배출구(114)까지 진행된 공기를 말한다.

이러한 제2 배출구(114)를 차량의 실외와 연통시키는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 배출구(114)는 스택(50)에서 배출된 가스(E)를 차량의 실외로 안내하는 배기 라인(52)과 연통될 수 있다. 배기 라인(52)은 고속으로 유동하는 가스(E)로 인해 저압 상태를 가지므로, 이러한 배기 라인(52)과 연통된 제2 유로(110)에는 음압이 작용한다. 그러면, 제2 유로(110)를 통과하는 공기는 이러한 음압에 의해 흡입되어 제2 배출구(114)를 통해 배기 라인(52)으로 유입된 후, 배기 라인(52)을 통과하는 가스(E)와 함께 차량의 실외로 배출될 수 있다. 따라서, 제2 유로(110)를 통과하는 공기는 송풍 팬의 도움 없이도 배기 라인(52)에 의해 제공되는 음압에 의해 원활하게 배출될 수 있다.

연통구들(116)은 각각, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(100)와 연통되도록 마련된다. 연통구들(116a, 116b)의 형성 개수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통구들()은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(100)의 미리 정해진 제1 지점(106)과 연통되는 제1 연통구(116a)와, 제1 연통구(116a)에 비해 제2 유로(110)의 하류 측에 위치하도록 제1 유로(100)의 미리 정해진 제2 지점(108)과 연통되는 제2 연통구(116b)를 가질 수 있다. 제1 공기(A1) 또는 제2 공기(A2)는, 이러한 연통구들(116)을 통해 제1 유로(100)에서 제2 유로(110)로 전달되거나 제2 유로(110)에서 제1 유로(100)로 전달될 수 있다.

에어 필터(120)는 유입구들(102, 112)을 통해 유입되는 공기를 여과 가능하도록 설치된다. 예를 들어, 에어 필터(120)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 공기(A1)를 여과 가능하도록 제1 유입구(102)에 설치되는 제1 에어 필터(122)와, 제2 공기(A2)를 여과 가능하도록 제2 유입구(112)에 설치되는 제2 에어 필터(124)를 구비할 수 있다. 이러한 에어 필터(120)는, 일반적으로 사용되는 에어 필터와 동일한 구성을 가지므로, 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

송풍 팬(130)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 유로(100)에 설치되며, 제1 공기(A1)를 제1 유로(100)의 내부 쪽을 향하여 송풍할 수 있다. 송풍 팬(130)은 제1 에어 필터(122)에 비해 제1 유로(100)의 상류 측에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 송풍 팬(130)은 제2 유로(110)에도 설치되어, 제2 공기(A2)를 제2 유로(110)의 내부를 향하여 송풍할 수도 있다.

개폐 유닛(140)은 공조 유닛(90) 내부에서의 공기의 경로를 절환 가능하도록 마련된다. 이를 위하여, 개폐 유닛(140)은, 도 2에 도시되 바와 같이, 제1 연통구(116a)를 개폐 가능한 제1 개폐 도어(142)와, 제2 연통구(116b)를 개폐 가능한 제2 개폐 도어(144)와, 제2 유입구(112)를 개폐 가능한 제3 개폐 도어(146)와, 제2 배출구를 개폐 가능한 제4 개폐 도어(148)를 가질 수 있다. 이러한 개폐 도어들(142, 144, 146, 148)은, 공기의 유로 경로를 조절 가능하기 위해 사용되는 일반적인 개폐 도어와 동일한 구성을 가지므로, 이에 대한 더욱 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

냉각 유닛(150)은 제1 유로(100)를 통과하는 공기를 냉각할 수 있도록 제1 유로(100)에 설치된다. 냉각 유닛(150)은 제1 에어 필터(122)에 비해 제1 유로(100)의 하류 측에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 냉각 유닛(150)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 냉각 유닛(150)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 차량의 히프 펌프 시스템(미도시)에 의해 순환되는 냉매와 제1 유로(100)를 통과하는 공기를 열 교환하여 제1 유로(100)를 통과하는 공기를 냉각 가능한 증발기(152)를 가질 수 있다.

히터 코어(160)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 유로(110)를 통과하는 공기와 접촉될 수 있도록 제2 유로(110)에 설치된다. 히터 코어(160)는, 제2 라인(14)을 순환하는 냉각수(C)가 히터 코어(160)의 내부로 유입되도록 제2 라인(14)과 연결되는 냉각수 유입구(162)와, 히터 코어(160)의 내부로 유입된 냉각수(C)가 배출되도록 제2 라인(14)과 연결되는 냉각수 배출구(164)를 가질 수 있다. 이러한 히터 코어(160)는, 제2 라인(14)을 순환하는 냉각수(C)와 제2 유로(110)를 통과하는 공기를 열 교환할 수 있다.

PTC 히터(170)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 배터리로부터 공급되는 전류를 이용해 제2 유로(110)를 통과하는 공기를 가열할 수 있도록 제2 유로(110)에 설치된다. PTC 히터(170)는 히터 코어(160)에 비해 제2 유로(110)의 하류 측에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 PTC 히터(170)는, 공기를 가열하기 위해 통상적으로 사용되는 전기 히터와 동일한 구조를 가지므로, 이에 대한 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

워터 인젝터(180)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 히터 코어(160)의 외주면에 물을 분사할 수 있도록 제2 유로(110)에 설치된다. 히터 코어(160)는 이러한 워터 인적터에 의해 분사된 물과 제2 라인(14)을 순환하는 냉각수(C)를 열 교환할 수 있다.

이하에서는, 도 2를 참조하여, 공조 유닛(90)을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 냉방 조건이 만족된 경우에, 제2 유입구(112), 제2 배출구(114) 및 연통구들(116a, 116b)이 폐쇄되도록 개폐 유닛(140)을 가동하고, 제1 공기(A1)를 송풍하도록 송풍 팬(130)을 가동하고, 냉매가 증발기(152)를 통과하도록 히트펌프 시스템을 가동한다. 냉방 조건은 차량의 실내 온도가 미리 정해진 냉방 온도 이상인지 여부인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제어 유닛(30)은, 냉방 조건이 만족된 경우에, 제2 라인(14)에 미리 정해진 최소 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동하고, PTC 히터(170)와 워터 인젝터(180)를 정지한다.

이와 같이 차량을 제어하면, 제1 공기(A1)는 제1 유입구(102)를 통해 제1 유로(100)로 유입된 후 증발기(152)에 의해 냉매와 열 교환되어 냉각된다. 이러한 제1 공기(A1)는, 제1 배출구(104)를 통해 차량의 실내로 공급됨으로써, 차량의 실내를 냉각할 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 공조 유닛을 이용해 냉각수를 냉각하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여, 공조 유닛(90)을 이용해 냉각수(C)를 냉각하는 방법을 설명하기로 한다.

공조 유닛(90)은 일반적으로 차량 실내의 냉난방을 위해 사용되는 구성인데, 연료전지 시스템(1)은 이러한 공조 유닛(90)을 이용해 냉각수(C)를 냉각 가능하도록 마련된다.

이를 고려하여, 제어 유닛(30)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 평상 시에는 공조 유닛(90)을 이용해 차량의 실내를 냉난방할 수 있도록 차량을 제어하고(일반 모드)(S 10), 냉각수 냉각 조건이 만족되는 경우(S 20)에만 공조 유닛(90)을 이용해 냉각수(C)를 냉각할 수 있도록 차량을 제어하며(냉각수 냉각 모드)(S 30), 냉각수 냉각 해제 조건이 만족되는 경우(S 40)에는 공조 유닛(90)을 이용해 다시 차량을 냉난방할 수 있도록 차량을 제어한다. 냉각수 냉각 조건은 온도 센서(70)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 기준 온도 이상인지 여부인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 냉각수 냉각 조건은 스택(50)의 출력이 미리 정해진 기준 출력 이상인지 여부일 수도 있다. 냉각수 냉각 해제 조건은 온도 센서(70)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 기준 온도 미만인지 여부인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 냉각수 냉각 해제 조건은 스택(50)의 출력이 미리 정해진 기준 출력 미만인지 여부일 수 있다. 여기서, 냉각수 냉각 해제를 위한 기준 온도 내지는 기준 출력은, 냉각수 냉각을 위한 기준 온도 내지는 기준 출력과 동일한 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 구체적으로, 제어 유닛(30)은, 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 제2 유입구(112)와 제2 배출구(114)가 개방되고 연통구들(116a, 116b)이 폐쇄되도록 개폐 유닛(140)을 가동하고, 제2 라인(14)에 미리 정해진 방열 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동한다. 방열 수량은 전술한 최소 수량에 비해 많은 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제어 유닛(30)은, 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 송풍 팬(130)과 PTC 히터(170)를 정지하고, 냉매가 증발기(152)에 공급되지 않도록 히트펌프 시스템을 가동한다.

이와 같이 차량을 제어하면, 제2 공기(A2)는 제2 유입구(112)를 통해 제2 유로(110)로 유입된 후 히터 코어(160)를 통과하는 냉각수(C)와 열 교환된다. 이로 인해, 제2 공기(A2)는 냉각수(C)에 의해 가열되고, 냉각수(C)는 제2 공기(A2)에 의해 냉각된다. 이후에, 제2 공기(A2)는 제2 배출구(114)와 배기 라인(52)에 의해 차량의 실외로 배출되고, 냉각수(C)는 제1 개폐 밸브(22)에 제1 라인(12)으로 재유입된 후 스택(50)에 공급된다.

한편, 제어 유닛(30)은, 히터 코어(160)에 물을 분사하도록 워터 인젝터(180)를 가동할 수 있다. 그러면, 워터 인젝터(180)에서 분사된 물과 히터 코어(160)를 통과하는 냉각수(C)는 열 교환된다. 이로 인해, 물은 가열되어 증발되고, 냉각수(C)는 물이 증발될 때 흡수되는 증발 잠열에 의해 증발 냉각된다. 따라서, 냉각수(C)는 제2 공기(A2)에 의해서만 냉각되는 경우에 비해 더욱 낮은 온도로 냉각될 수 있다.

위와 같이. 연료전지 시스템(1)은 라디에이터(60)뿐만 아니라 공조 유닛(90)의 히터 코어(160)를 이용해서도 냉각수(C)를 냉각할 수 있다. 즉, 연료전지 시스템(1)은, 라디에이터(60)를 이용해 냉각수(C)를 1차적으로 냉각한 후 히터 코어(160)를 보조 라디에이터로서 이용해 냉각수(C)를 2차적으로 냉각할 수 있는 것이다. 이러한 연료전지 시스템(1)은 라디에이터(60)의 구조적인 변경 없이도 냉각수(C)를 냉각하기 위한 방열 면적을 증가시키고 스택(50)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다.

한편, 연료전지 시스템(1)은 공조 유닛(90)을 이용해 차량의 실내를 냉각함과 동시에 냉각수(C)를 냉각할 수도 있다. 이 경우에, 제어 유닛(30)은, 제1 유로(100)와 제2 유로(110)가 개폐 도어들(142, 144)에 의해 서로 격리된 상태에서 증발기(152)를 이용해 제1 공기(A1)를 냉각함과 동시에 히터 코어(160)와 워터 인젝터(180)를 이용해 냉각수(C)를 냉각하도록 차량을 제어할 수 있다.

도 5는 도 1에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 난방하는 양상을 나타내는 도면이다.

이하에서는, 도 5를 참조하여, 공조 유닛(90)을 이용해 차량의 실내를 난방하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 난방 조건이 만족된 경우에, 제1 연통구(116a)와 제2 연통구(116b)가 개방되고 제2 유입구(112)와 제2 배출구(114)가 폐쇄되도록 개폐 유닛(150)을 가동하고, 제1 공기(A1)를 송풍하도록 송풍 팬(130)을 가동한다. 난방 조건은 차량의 실내 온도가 미리 정해진 난방 온도 이하인지 여부인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제어 유닛(30)은, 난방 조건이 만족된 경우에, 제2 라인(14)에 미리 정해진 난방 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동하고, PTC 히터(170)를 가동하며, 증발기(152)에 냉매가 공급되지 않도록 히트펌프 시스템을 정지할 수 있다.

이와 같이 차량을 제어하면, 제1 공기(A1)는 제1 유입구(102)를 통해 제1 유로(100)로 유입된 후 제1 연통구(116a)를 통해 제2 유로(110)를 경유하게 된다. 제1 공기(A1)는 제2 유로(110)를 경유하는 과정에서 히터 코어(160)에 의해 냉각수(C)와 열 교환되어 1차적으로 가열된 후 PTC 히터(170)에 의해 2차적으로 가열된다. 이러한 제1 공기(A1)는, 제2 연통구(116b)를 통해 제1 유로(100)로 재유입된 후 제1 배출구(104)를 통해 차량의 실내로 공급됨으로써, 차량의 실내를 난방할 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 개폐 도어(142)는 제1 유입구(102)와 제1 배출구(104) 사이 구간을 폐쇄 가능하도록 미리 정해진 크기를 가질 수 있다. 또한, 제어 유닛(30)은, 차량의 실내를 난방하는 경우에, 제1 유입구(102)와 제1 배출구(104) 사이 구간이 폐쇄되도록 제1 개폐 도어(142)를 가동할 수 있다. 그러면, 제1 공기(A1)는 전부 제2 유로(110)를 경유하게 되므로, 제1 공기(A1)를 더욱 높은 온도까지 가열하여 공조 유닛(90)의 난방 성능을 향상시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 양상을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 공조 유닛을 이용해 냉각수를 냉각하는 양상을 나타내는 도면이며, 도 8은 도 6에 도시된 공조 유닛을 이용해 차량의 실내를 난방하는 양상을 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(2)은, 공조 유닛(190)의 구조가 변경되었다는 점에서 전술한 연료전지 시스템(1)과 차이점을 갖고, 나머지 구성은 전술한 연료전지 시스템(1)과 동일하다. 이하에서는, 공조 유닛(190)을 중심으로 연료전지 시스템(2)에 대하여 설명하기로 한다. 또한, 연료전지 시스템(2)의 구성 요소들 중 전술한 연료전지 시스템(1)에도 동일하게 포함된 구성 요소들은 전술한 연료전지 시스템(1)의 경우와 동일한 도면 부호를 사용하여 설명하기로 한다.

공조 유닛(190)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 유로(200)와, 제2 유로(210)와, 에어 필터(220)와, 송풍 팬(230)과, 개폐 유닛(240)과, 냉각 유닛(250)과, 히터 코어(260)와, PTC 히터(270)와, 워터 인젝터(280) 등을 구비할 수 있다.

제1 유로(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 유입구(202)와, 제1 배출구(204)를 가질 수 있다. 이러한 제1 유로(200)에는 송풍 팬(230)과, 에어 필터(220) 및 냉각 유닛(250)이 설치될 수 있다.

유입구(202)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기(A)가 유입되도록 마련된다. 예를 들어, 유입구(202)는, 대기 중의 공기가 공기(A)로서 유입되도록 차량의 실외와 연통될 수 있다. 이러한 유입구(202)는 제1 유로(200)의 외부에서 제1 유로(200)의 내부로 갈수록 점진적으로 단면적이 좁아지도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 유입구(202)는 유입구(202)를 통과하는 공기(A)의 유속을 증가시킬 수 있다.

제1 배출구(204)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 유로(200)를 통과한 공기(A)가 배출되도록 마련된다. 예를 들어, 제1 배출구(204)는 공기(A)가 차량의 실내로 배출되도록 차량의 실내와 연통될 수 있다.

제2 유로(210)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 연통구들(212)과, 제2 배출구(214)를 가질 수 있다. 이러한 제2 유로(210)에는 히터 코어(260), PTC 히터(270) 및 워터 인젝터(280)가 설치될 수 있다.

연통구들(212)은 각각, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 유로(200)와 연통되도록 마련된다. 연통구들(212)의 형성 개수는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통구들(212)은, 제1 유로(200)의 미리 정해진 제1 지점(206과 연통되는 제1 연통구(212a)와, 제1 연통구(212a)에 비해 제2 유로(210)의 하류 측에 위치하도록 제1 유로(200)의 미리 정해진 제2 지점(208)과 연통되는 제2 연통구(212b)를 가질 수 있다. 공기(A)는, 이러한 연통구들(212)을 통해 제1 유로(200)에서 제2 유로(210)로 전달되거나 제2 유로(210)에서 제1 유로(200)로 전달될 수 있다.

제2 배출구(214)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 유로(210)를 통과한 공기(A)가 배출되도록 마련된다. 예를 들어, 제2 배출구(214)는 제2 유로(210)를 통과한 공기(A)가 차량의 실외로 배출되도록 차량의 실외와 연통될 수 있다. 이러한 제2 배출구(214)는 차량의 실외와 직접적으로 연통되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 제2 배출구(214)는 전술한 연료전지 시스템(1)의 제2 배출구(114)와 마찬가지로 배기 라인(52)과 연통될 수도 있다.

에어 필터(220)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기(A)를 여과하도록 제1 유로(200)에 설치된다. 송풍 팬(230)은 공기(A)를 제1 유로(200)의 내부 쪽을 향해 송풍하도록 제1 유로(200)에 설치된다. 송풍 팬(230)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 에어 필터(220)에 비해 제1 유로(200)의 상류 측에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

개폐 유닛(240)은 공조 유닛(190) 내부에서의 공기(A)의 경로를 절환 가능하도록 마련된다. 이를 위하여, 개폐 유닛(240)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 연통구(212a)를 개폐 가능한 제1 개폐 도어(242)와, 제2 연통구(212b)를 개폐 가능한 제2 개폐 도어(244)와, 제2 배출구(214)를 개폐 가능한 제3 개폐 도어(246)를 가질 수 있다.

냉각 유닛(250)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기(A)를 냉각할 수 있도록 제1 유로(200)에 설치된다. 냉각 유닛(250)은 냉매와 공기(A)를 열 교환하여 공기(A)를 냉각 가능한 증발기(252)를 가질 수 있다. 증발기(252)는 제1 지점(206)에 비해 제1 유로(200)의 하류 측에 위치하도록 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

히터 코어(260)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 공기(A)와 접촉될 수 있도록 제2 유로(210)에 설치된다. 히터 코어(260)는, 제2 라인(14)을 순환하는 냉각수(C)가 히터 코어(260)의 내부로 유입되도록 제2 라인(14)과 연결되는 냉각수 유입구(262)와, 히터 코어(260)의 내부로 유입된 냉각수(C)가 배출되도록 제2 라인(14)과 연결되는 냉각수 배출구(264)를 가질 수 있다.

PTC 히터(270)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 배터리로부터 공급되는 전류를 이용해 제2 유로(210)를 통과하는 공기(A)를 가열할 수 있도록 제2 유로(210)에 설치된다.

이하에서는, 도 6을 참조하여, 공조 유닛(190)을 이용해 차량의 실내를 냉방하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 냉방 조건이 만족된 경우에, 연통구들(212) 및 제2 배출구(214)가 폐쇄되도록 개폐 유닛(240)을 가동하고, 공기(A)를 송풍하도록 송풍 팬(230)을 가동하고, 냉매가 증발기(252)를 통과하도록 히트펌프 시스템을 가동한다.

또한, 제어 유닛(30)은, 냉방 조건이 만족된 경우에, 제2 라인(14)에 미리 정해진 최소 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동하고, PTC 히터(270)와 워터 인젝터(280)를 정지한다.

이와 같이 차량을 제어하면, 공기(A)는 유입구(202)를 통해 제1 유로(200)로 유입된 후 증발기(252)에 의해 냉각된다. 이처럼 냉각된 공기(A)는 제1 배출구(204)를 통해 차량의 실내로 공급됨으로써, 차량의 실내를 냉각할 수 있다.

이하에서는, 도 7을 참조하여, 공조 유닛(190)을 이용해 냉각수(C)를 냉각하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 제1 연통구(212a)와 제2 배출구(214)가 개방되고 제2 연통구(212b)가 폐쇄되도록 개폐 유닛(240)을 가동하고, 제2 라인(14)에 미리 정해진 방열 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동한다.

또한, 제어 유닛(30)은, 공기(A)를 송풍하도록 송풍 팬(230)을 가동하고, 냉매가 증발기(252)에 공급되지 않도록 히트펌프 시스템을 가동한다.

이와 같이 차량을 제어하면, 유입구(202)를 통해 제1 유로(200)에 유입된 공기(A) 중 적어도 일부는 제1 연통구(212a)를 통해 제2 유로(210)로 유입된 후 히터 코어(260)를 통과하는 냉각수(C)와 열 교환된다. 이로 인해, 제2 유로(210)로 유입된 공기(A)는 냉각수(C)에 의해 가열되고, 냉각수(C)는 제2 유로(210)로 유입된 공기(A)에 의해 냉각된다. 이후에, 냉각수(C)에 의해 가열된 공기(A)는 제2 배출구(214)를 통해 차량의 실외로 배출되고, 공기(A)에 의해 냉각된 냉각수(C)는 제1 개폐 밸브(22)를 통해 제1 라인(12)으로 재유입된 후 스택(50)에 공급된다.

한편, 제어 유닛(30)은, 히터 코어(260)에 물을 분사하도록 워터 인젝터(280)를 가동하여, 냉각수(C)를 워터 인젝터(280)에서 분사된 물을 이용해서도 냉각할 수 있다.

이하에서는, 도 8을 참조하여, 공조 유닛(190)을 이용해 차량의 실내를 난방하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 난방 조건이 만족된 경우에, 연통구들(212)이 개방되고 제2 배출구(214)가 폐쇄되도록 개폐 유닛(240)을 가동하고, 공기(A)를 송풍하도록 송풍 팬(230)들 가동한다.

또한, 제어 유닛(30)은, 난방 조건이 만족된 경우에, 제2 라인(14)에 미리 정해진 난방 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동하고, PTC 히터(270)를 가동하며, 증발기(252)에 냉매가 공급되지 않도록 히트펌프 시스템을 가동할 수 있다.

이와 같이 차량을 제어하면, 공기(A)는 히터 코어(260)와 PTC 히터(270)에 의해 가열되도록 제2 유로(210)를 경유한 후 제1 배출구(204)를 통해 차량의 실내로 공급됨으로써 차량의 실내를 난방할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템에 있어서, 공조 유닛의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템(3)은 공조 유닛(190')의 구조에 있어서 전술한 연료전지 시스템(2)과 차이점을 갖는다. 이하에서는 이러한 차이점을 중심으로 연료전지 시스템(3)에 대하여 설명하기로 한다. 또한, 연료전지 시스템(3)의 구성 요소들 중 전술한 연료전지 시스템(2)에도 동일하게 포함된 구성 요소들은 전술한 연료전지 시스템(2)의 경우와 동일한 도면 부호를 사용하여 설명하기로 한다.

공조 유닛(190')은 냉각 유닛(250')의 설치 방법에 있어서 전술한 연료전지 시스템(2)의 공조 유닛(190)과 차이점을 갖는다. 냉각 유닛(250')은 차량의 히트펌프 시스템에 의해 순환되는 냉매를 이용해 공기(A)를 냉각 가능한 증발기(252')를 갖는다. 이러한 증발기(252')는 제1 유로(200)의 제1 지점(206)에 비해 제1 유로(200)의 상류 측에 위치하도록 설치된다.

이러한 연료전지 시스템(3)은, 차량의 실내를 냉방함과 동시에 냉각수(C)를 냉각 가능하다는 점에서 전술한 연료전지 시스템(2)에 비해 차별점을 갖는다.

이하에서는, 도 9를 참조하여, 공조 유닛(190')을 이용해 차량의 실내를 냉방함과 동시에 냉각수(C)를 냉각하는 방법을 설명하기로 한다.

제어 유닛(30)은, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 제1 연통구(212a)와 제2 배출구(214)가 개방되고 제2 연통구(212b)가 폐쇄되도록 개폐 유닛(240)을 가동하고, 제2 라인(14)에 미리 정해진 방열 수량의 냉각수(C)가 유입되도록 제1 개폐 밸브(22)를 가동하고, 공기(A)를 송풍하도록 송풍 팬(230)을 가동한다. 냉각수 냉각 조건은, 온도 센서(60)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 기준 온도로 이상임과 동시에 차량의 실내 온도가 미리 정해진 냉방 온도 이하인지 여부일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 냉각수 냉각 조건은, 온도 센서(60)에 의해 측정된 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 온도 이상이거나 스택(50)의 출력이 미리 정해진 기준 출력 이상인지 여부일 수도 있다.

또한, 제어 유닛(30)은, 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 냉매가 증발기(252')에 공급되도록 히트펌프 시스템을 가동하고, 히터 코어(260)에 물을 분사하도록 워터 인젝터(280)를 가동하고, PTC 히터(270)를 정지한다.

이와 같이 차량을 제어하면, 공기(A)는 유입구(202)를 통해 제1 유로(200)로 유입된 후 증발기(252')에 의해 냉각된다. 증발기(252')에 의해 냉각된 공기(A) 중 어느 일부는, 제1 연통구(212a)를 통해 제2 유로(210)로 유입된 후, 워터 인젝터(280)에서 분사된 물과 함께 히터 코어(260)를 통과하는 냉각수(C)를 냉각한다. 냉각수(C)를 냉각한 공기(A)는 제2 배출구(214)를 통해 차량의 실외로 배출된다. 또한, 증발기(252')에 의해 냉각된 공기(A) 중 나머지 일부는, 제1 유로(200)를 따라 그대로 진행하다가 제1 배출구(204)를 통해 차량의 실내로 공급됨으로써, 차량의 실내를 냉각할 수 있다.

위와 같이 연료전지 시스템(3)은, 증발기(252')에 의해 냉각된 공기(A)를 이용해 냉각수(C)를 냉각 가능한 구조를 갖는다. 따라서, 연료전지 시스템(3)은, 상온 상태의 공기(A)를 이용해 냉각수(C)를 냉각 가능한 구조를 갖는 연료전지 시스템(2)에 비해 히터 코어(260)의 방열 성능과 스택(50)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있다. 다만, 연료전지 시스템(3)의 경우에도, 히터 코어(260)를 보조 라디에이터로서 활용할 때에는 증발기(252')에 냉매가 공급되지 않도록 히트펌프 시스템을 가동하여, 상온 상태의 공기(A)를 이용해 냉각수(C)를 냉각할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1, 2, 3 : 연료전지 시스템
10 : 냉각수 라인
20 : 개폐 밸브
30 : 제어 유닛
40 : 냉각수 펌프
50 : 스택
60 : 라디에이터
70 : 온도 센서
80 : 압력 센서
90, 190, 190' : 공조 유닛
100, 200 : 제1 유로
110, 210 : 제2 유로
120, 220 : 에어 필터
130, 230 : 송풍 팬
140, 240 : 개폐 유닛
150, 250, 250' : 냉각 유닛
160, 260 : 히터 코어
170, 270 : PTC 히터
180, 280 : 워터 인젝터
A1 : 제1 공기
A2 : 제2 공기
E : 가스
C : 냉각수
A : 공기

Claims

연료전지 스택을 구비하며, 냉각수가 순환되는 제1 라인; 및
공조 유닛을 구비하며, 상기 냉각수의 적어도 일부가 선택적으로 순환될 수 있도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인을 포함하며;
상기 공조 유닛은,
제1 공기가 유입되는 제1 유입구를 갖는 제1 유로;
제2 공기가 유입되는 제2 유입구와, 상기 제1 유로와 연통되는 적어도 하나의 연통구들을 갖는 제2 유로;
상기 제2 유입구와 상기 연통구들을 각각 개폐 가능한 개폐 유닛;
상기 제1 유로에 설치되며, 상기 제1 유로를 통과하는 공기를 냉각 가능한 냉각 유닛; 및
상기 제2 유로에 설치되며, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수의 냉각을 위해, 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수와 상기 제2 유로를 통과하는 공기를 열 교환 가능한 히터 코어를 구비하고,
상기 제2 유로 중의 공기는, 상기 개폐 유닛의 작동에 따라 차량의 실외로 배출되거나 또는 차량의 실내로 공급되는, 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 냉각 유닛은 냉매와 상기 제1 유로를 통과하는 공기를 열 교환 가능한 증발기를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 개폐 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 더 포함하고,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 상기 제2 유입구를 개방하고 또한 상기 연통구들을 폐쇄하도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 냉각수와 상기 제2 공기를 상기 히터 코어를 이용해 열 교환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제1 유로는 상기 제1 유로를 통과하는 공기가 배출되는 제1 배출구를 더 구비하고,
상기 제2 유로는 상기 제2 유로를 통과하는 공기가 배출되는 제2 배출구를 더 구비하며,
상기 개폐 유닛은 상기 제2 배출구를 개폐 가능하게 마련되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 배출구는 차량의 실내와 연통되고,
상기 제2 배출구는 차량의 실외와 연통되며,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수 냉각 조건이 만족되는 경우에, 상기 제2 배출구가 개방되도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 냉각수와 열 교환된 제2 공기를 상기 제2 배출구를 이용해 차량의 실외로 배출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제5항에 있어서,
상기 스택에서 배출된 가스를 차량의 실외로 안내하는 배기 라인을 더 포함하고,
상기 제2 배출구는 상기 배기 라인과 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제3항에 있어서,
상기 냉각수 냉각 조건은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준 온도 이상인지 여부인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제4항에 있어서,
상기 연통구들은, 상기 제1 유로의 미리 정해진 제1 지점과 연통되는 제1 연통구와, 상기 제1 연통구에 비해 상기 제2 유로의 하류 측에 위치하도록 상기 제1 유로의 미리 정해진 제2 지점과 연통되는 제2 연통구를 갖고,
상기 히터 코어는 상기 제1 연통구와 상기 제2 연통구 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제8항에 있어서,
상기 개폐 유닛은, 상기 제1 연통구를 개폐 가능한 제1 개폐 도어와, 상기 제2 연통구를 개폐 가능한 제2 개폐 도어와, 상기 제2 유입구를 개폐 가능한 제3 개폐 도어와, 상기 제2 배출구를 개폐 가능한 제4 개폐 도어를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공조 유닛은 상기 히터 코어에 물을 분사 가능한 워터 인젝터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제1항에 있어서,
상기 공조 유닛은 상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구 중 적어도 어느 하나에 각각 설치되는 적어도 하나의 에어 필터들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
연료전지 스택을 구비하며, 냉각수가 순환되는 제1 라인; 및
공조 유닛을 구비하며, 상기 냉각수의 적어도 일부가 선택적으로 순환될 수 있도록 상기 제1 라인과 연결되는 제2 라인을 포함하며;
상기 공조 유닛은,
공기가 유입되는 유입구와, 상기 공기가 배출되는 제1 배출구를 갖는 제1 유로;
상기 공기가 통과되도록 상기 제1 유로와 연통되는 적어도 하나의 연통구들과, 상기 공기가 배출되는 제2 배출구를 갖는 제2 유로;
상기 연통구들과 상기 제2 배출구를 각각 개폐 가능한 개폐 유닛;
상기 제1 유로에 설치되며, 상기 공기를 냉각 가능한 냉각 유닛; 및
상기 제2 유로에 설치되며, 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수의 냉각을 위해, 상기 제2 라인을 통과하는 냉각수와 상기 공기를 열 교환 가능한 히터 코어를 구비하고,
상기 제2 유로 중의 공기는, 상기 개폐 유닛의 작동에 따라 차량의 실외로 배출되거나 또는 차량의 실내로 공급되는, 연료전지 시스템.
제12항에 있어서,
상기 연통구들은, 상기 제1 유로의 미리 정해진 제1 지점과 연통되는 제1 연통구와, 상기 제1 연통구에 비해 상기 제2 유로의 하류 측에 위치하도록 상기 제1 유로의 미리 정해진 제2 지점과 연통되는 제2 연통구를 갖고,
상기 히터 코어는, 상기 제1 연통구와 상기 제2 연통구 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,
상기 냉각 유닛은, 상기 제1 지점에 비해 상기 제1 유로의 상류 측에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,
상기 개폐 유닛은, 상기 제1 연통구를 개폐 가능한 제1 개폐 도어와, 상기 제2 연통구를 개폐 가능한 제2 개폐 도어와, 상기 제2 배출구를 개폐 가능한 제3 개폐 도어를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서,
상기 제1 배출구는 차량의 실내와 연통되고,
상기 제2 배출구는 차량의 실외와 연통되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제16항에 있어서,
상기 개폐 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 더 포함하고,
상기 제어 유닛은, 상기 미리 정해진 냉각수 냉각 조건이 만족된 경우에, 상기 제1 연통구와 상기 제2 배출구를 개방하고 상기 제2 연통구를 폐쇄하도록 상기 개폐 유닛을 제어하여, 상기 공기와 상기 냉각수를 상기 히터 코어를 이용해 열 교환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제17항에 있어서,
상기 냉각수 냉각 조건은 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 기준 온도 이상인지 여부인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제12항에 있어서,
상기 공조 유닛은, 상기 유입구에 설치되며 상기 공기를 상기 제1 유로의 내부를 향하여 송풍하는 송풍 팬을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
제13항에 있어서
상기 유입구는 상기 제1 유로의 외부에서 내부로 갈수록 점진적으로 단면적이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.