KR102496802B1

KR102496802B1 - 연료전지용 공기 냉각장치

Info

Publication number: KR102496802B1
Application number: KR1020170163982A
Authority: KR
Inventors: 김현유; 오새한; 이창하; 이승용
Original assignee: 현대자동차 주식회사; 기아 주식회사
Priority date: 2017-12-01
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2023-02-06
Also published as: KR20190064789A

Abstract

연료전지용 공기 냉각장치가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치는, 냉각수로서 연료전지 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 냉각수로서 구동모터 및 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프를 포함하고, 스택 냉각루프에서 밸브를 통해 냉각수의 유동을 가변하며, COD 히터를 통해 냉각수를 가열하는 연료전지 시스템의 열관리계 냉각루프에서, 열관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되되, 공기 압축기를 통해 압축된 공기를 스택으로 공급하는 공기 공급 경로에 설치되며, 공기를 냉각수로서 냉각하는 쿨링유닛을 포함하고, 쿨링유닛은 전장 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제1 에어 쿨링부와, 스택 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제2 에어 쿨링부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지용 공기 냉각장치 {AIR COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 압축기를 통해 공급되는 공기를 냉각하기 위한 연료전지용 공기 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.

여기서 공기 공급장치는 공기를 압축한 압축 공기를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 압축기와, 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출공기 중의 수분을 이용하여 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급하는 가습기를 구비하고 있다.

한편, 연료전지 스택의 고출력 운전에서 공기 압축기를 통해 압축된 공기는 높은 압축 비와 많은 공기 량으로 인해 100~150도 정도의 온도로 상승하게 된다.

그러나, 압축 공기의 온도는 연료전지 스택의 정상적인 운전 온도인 60~80도 보다 높기 때문에, 가습기의 가습 효율 및 스택의 운전 효율에 불리한 조건으로 작용한다. 따라서 연료전지 시스템은 공기 압축기에 의해서 가습기로 공급되는 고온의 압축 공기를 냉각시킬 필요가 있다.

이를 위해 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서, 에어쿨러(당 업계에서는 통상 "인터쿨러" 라고도 함)를 가습기의 전단 측에 설치하고 있다. 에어쿨러는 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기를 쿨링하며, 온도가 저감된 공급공기를 가습기로 공급할 수 있다.

다른 한편, 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하며, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 장치(TMS:Thermal Management System)를 구비하고 있다.

상기 TMS에서의 열 관리계 냉각루프는 냉각수를 연료전지 스택으로 순환시키며 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 구동모터 및 인버터 등의 전장 발열부품으로 냉각수를 순환시키며 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프로 구성된다.

여기서, 스택 냉각루프의 경우는 운전 조건에 따라 스택의 운전 온도를 제어해야 하기 때문에, 가변 제어 로직이 적용되며, 냉각수의 온도는 최대 100℃까지 올라가고, 메인 라디에이터를 이용하여 냉각수를 냉각한다. 그리고 전장 냉각루프의 경우는 구동모터 등의 전장 발열 부품을 냉각하기에 스택에 비해 발열량이 작기 때문에, 보조 라디에이터를 통해 냉각수를 냉각하며, 별도의 제어 로직이 적용되지 않고, 냉각수의 온도는 최대 70℃까지 올라간다.

따라서, 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 냉각하기 위한 에어쿨러를 전장 냉각루프에 구성하고 있다. 왜냐하면, 에어쿨러를 스택 냉각루프에 구성할 경우, 스택 냉각루프에서는 고온 운전 조건에서 전장 냉각루프에 비해 냉각수의 최대 온도가 높기 때문에, 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 충분히 냉각시키지 못하기 때문이다.

이에 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 냉각하기 위한 에어쿨러를 전장 냉각루프에 구성하고 있기 때문에, 별도의 제어 로직이 적용되고 있지 않다.

그러나, 종래 기술에서는 겨울철의 냉 시동 시, 공기 압축기로부터 스택으로 공급되는 공기의 온도를 빨리 상승시켜야 냉 시동 시간을 단축할 수 있지만, 전장 냉각루프에 별도의 제어 로직이 적용되고 있지 않기 때문에, 전장 냉각루프의 냉각수 온도가 상승할 때까지는 오히려 공기의 온도가 냉각수에 의해 냉각되어 냉 시동 시간이 길어지게 된다.

또한, 종래 기술에서는 일반 주행 중에도 공기의 온도가 낮아 가습기 및 스택, 배관 등에 응축수의 양이 증가하게 되고, 이로 인해 급 가속 시, 스택으로 응축수가 유입되어 셀 빠짐 현상이 발생하기도 하며, 응축된 물의 동결로 차압 증대 또는 부품 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 고온 운전 조건에서 열 관리계 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각수에 의해 공기를 냉각할 수 있고, 냉 시동 운전 조건에서 공기의 온도를 상승시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기 냉각장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치는, 냉각수로서 연료전지 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 냉각수로서 구동모터 및 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프를 포함하고, 상기 스택 냉각루프에서 밸브를 통해 냉각수의 유동을 가변하며, COD 히터를 통해 냉각수를 가열하는 연료전지 시스템의 열관리계 냉각루프에서, 상기 열관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되되, 공기 압축기를 통해 압축된 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급 경로에 설치되며, 공기를 상기 냉각수로서 냉각하는 쿨링유닛을 포함하고, 상기 쿨링유닛은 상기 전장 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제1 에어 쿨링부와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제2 에어 쿨링부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 공기 압축기와 상기 스택 사이에서 가습기에 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 전장 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로를 내부에 각각 구획 형성하는 유로부재들과, 상기 유로부재들 사이의 공기 유로에서 상기 유로부재와 연결되게 설치되는 방열 핀을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재들의 상기 제1 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제1 에어 쿨링부로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재들의 상기 제2 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제2 에어 쿨링부로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재는 상기 제1 냉각수 유로 및 제2 냉각수 유로를 격벽으로 각각 구획할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택의 고온 운전 조건에서는 상기 전장 냉각루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고, 상기 밸브를 폐쇄하며, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 에어 쿨링부로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 밸브는 스택의 온도에 따라 항시 개폐되되, 상기 스택의 온도가 증가함에 따라 상기 밸브의 개방 각도를 감소시키고, 상기 스택의 온도가 감소함에 따라 상기 밸브의 개방 정도를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택의 고온 운전 조건은 상기 공기 압축기의 출구 온도 또는 상기 스택의 온도 기준으로 설정될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 냉 시동 운전 조건에서는 상기 전장 냉각루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고, 상기 밸브를 개방하고, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 COD 히터를 통해 가열하며 상기 제2 에어 쿨링부로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택 냉각루프에서 상기 밸브의 개폐는 상기 공기 압축기를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 온도에 따라 제어기에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 스택 냉각루프에서 제어기에 의해 밸브를 제어하여 고온 운전 조건에서도 전장 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프의 스택 냉각수를 통하여 공기를 냉각할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예는 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 제어기에 의해 스택 냉각루프의 밸브를 제어하여 COD 히터를 통해 스택 냉각수를 승온시키며, 공기 압축기로부터 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프의 스택 냉각수 상승시킴으로써 냉 시동 시간을 단축할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치에 적용되는 쿨링유닛 구조의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 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 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

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.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 장착되며, 전기 동력 구동장치로서의 구동 모터를 구동시킬 수 있다.

상기 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택(1)과, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급계(3)와, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급계(도면에 도시되지 않음)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 공기 공급계(3)는 외부 공기를 흡입 및 압축하고 그 압축된 압축공기를 연료전지 스택(1)으로 공급하기 위한 공기 압축기(5)와, 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기를 냉각하는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 냉각장치(100)를 포함하고 있다. 더 나아가, 상기 공기 공급계(3)는 공기 냉각장치(100)에 의해 냉각된 공기를 적정 습도를 갖도록 가습하는 가습기(7)를 포함하고 있다. 상기 가습기(7)는 연료전지 스택(1)으로부터 배출되는 배출공기(수분을 포함)와, 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기의 수분을 교환을 통해 가습공기를 생성하고 그 가습공기를 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.

이와 같은 공기 공급계(3)는 공기 압축기(5)의 전단 측에 구성되는 공지 기술의 소음기와, 소음기의 전단 측에 구성되는 공지 기술의 필터를 포함할 수도 있다.

상기 공기 공급계(3)에서 공기 압축기(5) 및 가습기(7)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 공기 압축기(또는 공기 블로워) 및 가습장치의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 공기 압축기(5)로부터 가습기(7)를 통해 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기를 냉각하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기를 냉각수를 통해 열 교환 방식(수냉식)으로 냉각하고, 그 냉각된 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택(1)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고, 연료전지 스택(1)의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 장치(9)(TMS:Thermal Management System)를 포함하고 있다.

상기 TMS(9)는 열 관리계 냉각루프를 포함하는 바, 상기 열관리계 냉각루프는 냉각수(이하 "스택 냉각수"라고 한다)로서 연료전지 스택(1)을 냉각하는 스택 냉각루프(11)와, 냉각수(이하에서는 "전장 냉각수"라고 한다)로서 구동모터(23) 및 전장 부품(25)(예를 들면, 인버터 등) 등의 발열 부품을 냉각하는 전장 냉각루프(21)를 포함한다.

상기에서 스택 냉각루프(11)는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키며, 연료전지 스택(1)을 스택 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 스택 냉각수를 메인 라디에이터(17)를 통해 냉각할 수 있다.

더 나아가, 상기 스택 냉각루프(11)는 연료전지 스택(1)의 정상 운전 시 및 냉 시동 시, 스택 냉각수 라인(15)의 바이패스 라인(18)로 유입되는 스택 냉각수를 가열하고, 그 가열된 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 연료전지 스택(1)으로 공급하는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)를 더 포함하고 있다. 여기서, 상기 스택 냉각루프(11)에서 바이패스 라인(18)에는 그 바이패스 라인(18)을 선택적으로 개폐하는 밸브(14)(예를 들면, 3웨이 밸브)가 설치된다.

상기한 밸브(14)는 스택(1)의 온도에 따라 항시 개폐되되, 본 발명의 실시 예에서는 스택(1)의 온도가 증가함에 따라 밸브(14)의 개방 각도를 감소시키고, 스택(1)의 온도가 감소함에 따라 밸브(14)의 개방 정도를 증가시킬 수도 있다.

상기에서 전장 냉각루프(21)는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 순환시키며, 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 전장 냉각수로 냉각하고, 그 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하며 데워진 전장 냉각수를 보조 라디에이터(29)를 통해 냉각할 수 있다.

다른 한편, 상기한 바와 같은 스택 냉각루프(11)에서 밸브(14)의 개폐는 연료전지 스택(1)의 운전 조건에 따라 제어기(16)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제어기(16)는 제어 프로그램을 포함하는 제어 로직으로 연료전지 스택(1)의 운전 조건에 따라 밸브(14)의 개폐를 제어할 수 있다.

이하에서 연료전지 스택(1)의 운전 조건은 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건으로 구분할 수 있다. 상기에서 고온 운전 조건 및 정상 운전 조건은 공기 압축기(5)에서 가압되며 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도 조건 또는 연료전지 스택(1)의 온도 조건에 의해 설정될 수 있다. 그리고, 상기에서 냉 시동 운전 조건은 겨울철 등의 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도 조건에 의해 설정될 수 있다.

상기한 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건은 예를 들면, 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 설정될 수 있다.

예를 들어, 상기 고온 운전 조건은 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 120~150도인 온도 조건이고, 정상 운전 조건은 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 30~80도인 온도 조건이며, 냉 시동 운전 조건은 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 0도 이하인 온도 조건을 만족할 수 있다.

대안으로서, 상기 연료전지 스택(1)의 운전 조건은 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 설정되는 것에 반드시 한정되지 않고, 연료전지 스택(1)의 운전 전류에 따라 설정될 수도 있다.

또 다른 한편, 상기 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수 온도는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 150도인 경우, 최대 100도까지 상승할 수 있다. 그리고 상기 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수 온도는 최대 70도까지 상승할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 연료전지 시스템의 열 관리계 냉각루프에서 제어 로직이 적용되고 있지 않은 전장 냉각루프(21)에만 구성되는 종래 기술과 달리, 전장 냉각루프(21)는 물론 제어 로직이 적용된 스택 냉각루프(11)에 구성될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서도 스택 냉각루프(11)의 제어 로직으로 밸브(14)를 제어하여 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로서 공기를 냉각할 수 있는 연료전지용 공기 냉각장치(100)를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시 예는 냉 시동 운전 조건에서 스택 냉각루프(11)의 제어 로직으로 밸브(14)를 제어하여 COD 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 승온시킴으로써, 공기 압축기(5)로부터 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로 상승시킬 수 있는 연료전지용 공기 냉각장치(100)를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 기본적으로, 열 관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 쿨링유닛(50)을 포함한다.

상기 쿨링유닛(50)은 열 교환유닛으로서, 에어쿨러 또는 인터쿨러 라고도 하며, 공기 압축기(5)를 통해 압축된 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급하는 공기 공급 경로(51)에 설치된다.

상기 쿨링유닛(50)은 공기 공급 경로(51)를 통해 유입되는 공기를 열 관리계 냉각루프의 냉각수로서 수냉 식으로 냉각할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에서 상기 쿨링유닛(50)은 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로서 공기를 냉각할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 쿨링유닛(50)은 연료전지 스택(1)의 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수와 COD 히터(19)에 의해 승온된 스택 냉각수로서 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.

이러한 쿨링유닛(50)은 열 관리계 냉각루프의 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 라인(27)에 구성되는 제1 에어 쿨링부(61)와, 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수 라인(15)에 구성되는 제2 에어 쿨링부(71)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 쿨링유닛(50)의 제1 에어 쿨링부(61) 및 제2 에어 쿨링부(71)는 공기 압축기(5)와 연료전지 스택(1) 사이에서 가습기(7)에 일체로 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 쿨링유닛(50)의 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)는 가습기(7)의 전단 측에 연속적으로 배열(예를 들면, 직렬 배열)되게 설치될 수 있고, 가습기(7)의 전단 측에 병렬적으로 배열되게 설치될 수도 있다. 더 나아가, 상기 제1 에어 쿨링부(61)는 가습기(7)의 전단 측에 구비될 수 있고, 제2 에어 쿨링부(71)는 가습기(7)의 후단 측에 구비될 수도 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)은 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)를 일체로 구성될 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치에 적용되는 쿨링유닛 구조의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)은 스택 냉각루프(11) 및 전장 냉각루프(21)의 냉각수를 유동시키는 유로부재(81)들과, 유로부재(81)들 사이에 설치되는 방열 핀(89)을 포함한다.

상기 유로부재(81)들은 상하 방향을 따라 설정된 간격으로 이격되게 구비된다. 상기 유로부재(81)는 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 유동 통로를 내부에 형성하고 있다. 상기 유로부재(81)들의 냉각수 유동 통로에는 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로(83)와, 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로(85)를 각각 구획 형성하고 있다.

여기서, 상기 유로부재(81)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 냉각수 유로(83)와 제2 냉각수 유로(85)를 격벽(87)을 통하여 각각 구획하고 있다.

이 경우, 상기 유로부재(81)는 격벽(87)의 위치에 따라 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적이 상이하게 변경될 수 있다.

예를 들면, 상기 유로부재(81)는 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수 유동 통로의 중앙부에 격벽(87)을 설치하여 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적을 동일하게 구획 설정할 수 있다.

또한, 상기 유로부재(81)는 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수의 유량, 압력, 및 관로 단면적 등의 조건에 따라 냉각수 유동 통로의 중앙부를 벗어난 위치에 격벽(87)을 설치하여 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적을 상이하게 구획 설정할 수도 있다.

상기에서 방열 핀(89)은 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)에서 유로부재(81)와 연결되게 설치되는 바, 공기 유로(88)를 따라 유동하는 공기와 유로부재(81)의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수의 열 교환이 이루어진다.

상기한 바 있는 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)의 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)는 유로부재(81)들과 방열 핀(89)을 통하여 일체로 구성될 수 있다.

즉, 상기 제1 에어 쿨링부(61)는 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)와 방열 핀(89)으로 구성될 수 있고, 상기 제2 에어 쿨링부(71)는 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)와 방열 핀(89)으로 구성될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들과 함께 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서 전장 냉각루프(21)에서는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)으로 순환시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 전장 냉각수로 냉각하고, 그 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하며 데워진 전장 냉각수를 보조 라디에이터(29)를 통해 냉각한다.

한편, 본 발명의 실시 예에서 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 제어기(16)에 의해 연료전지 스택(1)의 운전 조건이 고온 운전 조건인 것으로 판단되면, 제어기(16)는 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)에 제어신호를 인가하여 밸브(14)를 폐쇄한다.

상기한 스택 냉각루프(11)에서는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)을 스택 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 스택 냉각수를 메인 라디에이터(17)를 통해 냉각한다.

이러는 과정에 공기 압축기(5)는 외부 공기를 흡입 및 압축하며 그 압축된 공기를 공기 공급 경로(51)를 통해 가습기(7)로 공급하는데, 고온 운전 조건에서는 최대 150도의 공기를 가습기(7)로 공급한다.

다른 한편, 상기 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수는 전장 냉각수 라인(27)을 통해 순환하면서 쿨링유닛(50)의 제1 에어 쿨링부(61)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동한다.

그리고, 상기 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수는 스택 냉각수 라인(15)을 통해 순환하면서 쿨링유닛(50)의 제2 에어 쿨링부(71)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동한다.

여기서, 상기 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하며, 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하는 전장 냉각수의 온도는 예를 들어, 최대 70도까지 올라간다.

그리고, 상기 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하며, 연료전지 스택(1)을 냉각하는 스택 냉각수의 온도는 예를 들어, 최대 100도까지 올라간다. 이에, 상기 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하는 스택 냉각수는 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하는 전장 냉각수에 의해 냉각되며, 온도가 낮아지게 된다.

이 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(5)로부터 공기 공급 경로(51)를 통해 공급되는 비교적 고온의 공기를 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)로 유동시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 공기의 열을 방열 핀(89)을 통해 유로부재(81)들로 전달하며 그 유로부재(81)의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수에 의해 열을 방출하며, 공기를 냉각할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 쿨링유닛(50)을 통하여 공기를 냉각하며, 그 냉각된 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 스택 냉각루프(11)에서 제어기(16)에 의해 밸브(14)를 제어하며, 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서도 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수를 통하여 공기를 냉각할 수 있다.

도 5를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서 전장 냉각루프(21)에서는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)으로 순환시킨다.

한편, 본 발명의 실시 예에서 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 제어기(16)에 의해 연료전지 스택(1)의 운전 조건이 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건인 것으로 판단되면, 제어기(16)는 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)에 제어신호를 인가하여 밸브(14)를 개방한다.

상기한 스택 냉각루프(11)에서는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키는 과정에, 바이패스 라인(18)을 통해 스택 냉각수를 , COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)로 유동시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 가열하며 그 가열된 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 연료전지 스택(1)으로 공급한다.

이러는 과정에 공기 압축기(5)는 외부 공기를 흡입 및 압축하며 그 압축된 공기를 공기 공급 경로(51)를 통해 가습기(7)로 공급한다.

그리고, 상기 스택 냉각루프(11)에서 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)에 의해 가열된 스택 냉각수는 스택 냉각수 라인(15)을 통해 쿨링유닛(50)의 제2 에어 쿨링부(71)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동한다.

이에, 상기 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하는 전장 냉각수는 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하는 스택 냉각수에 의해 데워지며 온도가 올라가게 된다.

이 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(5)로부터 공기 공급 경로(51)를 통해 공급되는 비교적 저온의 공기를 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)로 유동시킨다.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 유로부재(81)들의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수의 열을 유로부재(81)들을 통해 방열 핀(89)으로 전달하며, 그 방열 핀(89)을 통해 방출되는 열로서 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)의 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 쿨링유닛(50)을 통하여 공기의 온도를 상승시키며, 그 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 제어기(16)에 의해 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)를 제어하여 COD 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 승온시키며, 공기 압축기(5)로부터 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수 상승시킴으로써, 냉 시동 시간을 단축할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 연료전지 스택 3: 공기 공급계
5: 공기 압축기 7: 가습기
9: TMS 11: 스택 냉각루프
13: 스택 냉각펌프 14: 밸브
15: 스택 냉각수 라인 16: 제어기
17: 메인 라디에이터 18: 바이패스 라인
19: COD 히터 21: 전장 냉각루프
23: 구동모터 24: 전장 냉각펌프
25: 전장 부품
27: 전장 냉각수 라인 29: 보조 라디에이터
50: 쿨링유닛 51: 공기 공급 경로
61: 제1 에어 쿨링부 71: 제2 에어 쿨링부
81: 유로부재 83: 제1 냉각수 유로
85: 제2 냉각수 유로 87: 격벽
88: 공기 유로 89: 방열 핀
100: 공기 냉각장치

Claims

냉각수로서 연료전지 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 냉각수로서 구동모터 및 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프를 포함하고, 상기 스택 냉각루프에서 밸브를 통해 냉각수의 유동을 가변하며, COD 히터를 통해 냉각수를 가열하는 연료전지 시스템의 열관리계 냉각루프에서,
상기 열관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되되, 공기 압축기를 통해 압축된 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급 경로에 설치되며, 공기를 상기 냉각수로서 냉각하는 쿨링유닛;을 포함하고,
상기 쿨링유닛은 상기 스택 냉각루프의 냉각수와 상기 전장 냉각루프의 냉각수로서 상기 공기 공급 경로를 따라 스택으로 공급되는 공기를 냉각하거나 승온시킬 수 있도록 상기 전장 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제1 에어 쿨링부와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제2 에어 쿨링부를 포함하되,
상기 제1 에어 쿨링부 및 상기 제2 에어 쿨링부는 상기 공기 압축기와 상기 연료전지 스택 사이에서 가습기에 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 쿨링유닛은,
상기 전장 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로를 내부에 각각 구획 형성하는 유로부재들과,
상기 유로부재들 사이의 공기 유로에서 상기 유로부재와 연결되게 설치되는 방열 핀
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제3 항에 있어서,
상기 유로부재들의 상기 제1 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제1 에어 쿨링부로 구성되고,
상기 유로부재들의 상기 제2 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제2 에어 쿨링부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제3 항에 있어서,
상기 유로부재는,
상기 제1 냉각수 유로 및 제2 냉각수 유로를 격벽으로 각각 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제1 항에 있어서,
상기 스택의 고온 운전 조건에서는,
상기 전장 냉각루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고,
상기 밸브를 폐쇄하며, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 에어 쿨링부로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제6 항에 있어서,
상기 밸브는 스택의 온도에 따라 항시 개폐되되, 상기 스택의 온도가 증가함에 따라 상기 밸브의 개방 각도를 감소시키고, 상기 스택의 온도가 감소함에 따라 상기 밸브의 개방 정도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제6 항에 있어서,
상기 스택의 고온 운전 조건은,
상기 공기 압축기의 출구 온도 또는 상기 스택의 온도 기준인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제1 항에 있어서,
상기 스택의 냉 시동 운전 조건에서는,
상기 전장 냉각루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하며,
상기 밸브를 개방하고, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 COD 히터를 통해 가열하며 상기 제2 에어 쿨링부로 공급하는 연료전지용 공기 냉각장치.
제1 항에 있어서,
상기 스택 냉각루프에서 상기 밸브의 개폐는,
상기 공기 압축기를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 온도에 따라 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.