KR102506850B1 - Fuel cell symtem - Google Patents

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장욱일
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인; 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브; 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 선택적으로 공급 가능한 고온 공기 공급 유닛; 및 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함한다.The present invention relates to a fuel cell system, which includes a fuel cell stack, a cooling water line having a radiator, and through which cooling water is circulated; A vortex tube capable of separating compressed air into hot air and cold air; a hot air supply unit capable of selectively supplying the hot air to the radiator; and a control unit capable of controlling the hot air supply unit.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYMTEM}Fuel cell system {FUEL CELL SYMTEM}

본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택 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.A fuel cell is a kind of power generation device that converts the chemical energy of fuel into electrical energy by electrochemically reacting it in a fuel cell stack without converting it into heat by combustion. It can also be applied to power supply of electrical/electronic products, especially portable devices.

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 고분자 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.As an example of a fuel cell, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell), which is the most studied as a power supply source for driving vehicles, is a polymer electrolyte membrane in which hydrogen ions move. Membrane Electrode Assembly (MEA) with catalyst electrode layers where electrochemical reactions occur on both sides, Gas Diffusion Layer (GDL) that evenly distributes reactive gases and transmits the generated electrical energy, It is configured to include a gasket and a fastening mechanism for maintaining airtightness and proper clamping pressure of the reactive gases and cooling water, and a bipolar plate for moving the reactive gases and cooling water.

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.In the fuel cell described above, hydrogen as a fuel and oxygen (air) as an oxidizing agent are supplied to the anode and cathode of the membrane electrode assembly through the flow path of the separator, respectively. is supplied to the cathode (also referred to as 'anode' or 'oxidation electrode'), and oxygen (air) is supplied to the cathode (also referred to as 'air electrode' or 'oxygen electrode' or 'reduction electrode').

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.Hydrogen supplied to the anode is decomposed into hydrogen ions (proton, H+) and electrons (e-) by the catalysts of the electrode layers formed on both sides of the electrolyte membrane. Of these, only hydrogen ions selectively pass through the electrolyte membrane, a cation exchange membrane, At the same time, electrons are transferred to the cathode through the gas diffusion layer and the separator, which are conductors.

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.In the cathode, hydrogen ions supplied through the electrolyte membrane and electrons transferred through the separator meet oxygen in the air supplied to the cathode by the air supply device to cause a reaction to generate water. At this time, due to the movement of hydrogen ions, a flow of electrons occurs through the external conductor, and current is generated by the flow of these electrons.

한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.On the other hand, a fuel cell system mounted in a vehicle largely includes a fuel cell stack generating electrical energy, a fuel supply device supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and oxygen in the air, an oxidizing agent required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. It consists of an air supply device that supplies, a thermal management system (TMS: Thermal Management System) that removes the reaction heat of the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With this configuration, in the fuel cell system, electricity is generated by an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel and oxygen in the air, and heat and water are discharged as reaction by-products.

상기한 연료전지 시스템은 반응 부산물로서 열을 발생시키므로, 스택의 온도 상승을 방지하기 위해서는 스택을 냉각시키는 냉각장치가 필수적이다. 또한 연료전지 시스템에서 가장 시급하고 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이므로 열 관리 시스템의 역할은 무엇보다 중요하다 할 수 있다.Since the above fuel cell system generates heat as a reaction by-product, a cooling device for cooling the stack is essential to prevent the temperature of the stack from rising. In addition, since the most urgent and difficult problem in the fuel cell system is the strategy to secure cold startability, the role of the thermal management system can be said to be more important than anything else.

주지된 바와 같이 TMS 라인의 냉각수는 스택을 냉각시키는 냉매(冷媒) 역할을 함과 더불어 냉시동시에는 히터에 의해 가열되어 스택에 공급됨으로써 스택을 해빙하는 열매(熱媒) 역할을 한다. 그런데, 이처럼 히터를 이용해 냉각수의 가열하는 것 만으로는 냉각수를 단시간에 내에 급속으로 가열하기 어렵다. 따라서, 종래의 연료전지 시스템은, 냉시동에 긴 시간이 소요되어, 운전자의 편의성이 저하되는 문제점이 있다.As is well known, the coolant in the TMS line serves as a refrigerant for cooling the stack and serves as a heat source for thawing the stack by being heated by a heater and supplied to the stack during cold startup. However, it is difficult to rapidly heat the cooling water within a short time only by heating the cooling water using a heater. Therefore, the conventional fuel cell system has a problem in that a long time is required for cold starting, and driver's convenience is deteriorated.

본 발명은, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉시동에 소요되는 시간을 줄일 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system having an improved structure so as to reduce the time required for cold start.

나아가, 본 발명은, 고온의 외기로 인해 가습기나 스택에 손상되는 것을 방지할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Furthermore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system having an improved structure to prevent damage to a humidifier or a stack due to high-temperature outside air.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인; 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브; 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 선택적으로 공급 가능한 고온 공기 공급 유닛; 및 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함한다.A fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above problems includes a fuel cell stack, a radiator, and a cooling water line through which cooling water is circulated; A vortex tube capable of separating compressed air into hot air and cold air; a hot air supply unit capable of selectively supplying the hot air to the radiator; and a control unit capable of controlling the hot air supply unit.

바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도 이하인 상태에서 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급하도록 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어한다.Preferably, the control unit controls the hot air supply unit to supply the hot air to the radiator when the vehicle is cold started in a state where the temperature of the coolant is equal to or less than a predetermined cold start temperature.

바람직하게, 상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도인 상태에서 이하에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어한다.Preferably, the cooling water line further includes a cooling water heater, and the control unit is configured to heat the cooling water when the vehicle is cold-started below in a state where the temperature of the cooling water is at the cold start temperature. control the heater

바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC 이상이면 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어한다.Preferably, the control unit controls the coolant heater to heat the coolant when the battery SOC is equal to or greater than a predetermined target SOC when the vehicle is cold-started in a state where the temperature of the coolant is equal to or less than the cold start temperature.

바람직하게, 상기 고온 공기 공급 유닛은, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급 가능하도록 상기 라디에이터와 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 고온 공기 공급 라인과, 상기 고온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 고온 공기 공급 라인을 개폐 가능한 고온 공기 조절 밸브를 더 구비한다.Preferably, the hot air supply unit is installed on a hot air supply line connecting the radiator and the vortex tube to supply the hot air to the radiator, and the hot air supply line, the hot air supply line A high-temperature air control valve capable of opening and closing is further provided.

바람직하게, 상기 고온 공기 조절 밸브는, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성된다.Preferably, the hot air control valve is composed of a three-way valve capable of selectively guiding the hot air to the radiator or the outside.

바람직하게, 상기 저온 공기를 상기 스택에 선택적으로 공급 가능한 저온 공기 공급 유닛을 더 포함한다.Preferably, it further includes a low-temperature air supply unit capable of selectively supplying the low-temperature air to the stack.

바람직하게, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 제한 온도 이상인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.Preferably, the control unit controls the low-temperature air supply unit to supply the low-temperature air to the stack when the vehicle is driven in a state where the temperature of the cooling water is equal to or higher than a predetermined limit temperature.

바람직하게, 상기 저온 공기 공급 유닛은, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급 가능하도록 상기 스택과 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 저온 공기 공급 라인과, 상기 저온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 라인을 개폐 가능한 저온 공기 조절 밸브를 더 구비한다.Preferably, the low-temperature air supply unit is installed on a low-temperature air supply line connecting the stack and the vortex tube so as to supply the low-temperature air to the stack, and the low-temperature air supply line, the low-temperature air supply line A low-temperature air control valve capable of opening and closing is further provided.

바람직하게, 상기 저온 공기 조절 밸브는, 상기 저온 공기를 상기 스택 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성된다.Preferably, the low-temperature air control valve is composed of a three-way valve capable of selectively guiding the low-temperature air to the stack or to the outside.

바람직하게, 상기 스택과 상기 저온 공기 공급 유닛 사이에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 유닛에 의해 공급된 저온 공기를 가습하여 상기 스택에 전달 가능한 가습기를 더 포함한다.Preferably, a humidifier is installed between the stack and the low-temperature air supply unit, and is capable of humidifying the low-temperature air supplied by the low-temperature air supply unit and delivering the humidifier to the stack.

바람직하게, 상기 가습기는, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기와 상기 저온 공기를 수분 교환하여 상기 저온 공기를 가습 가능한 중공 사막 가습기로 구성된다.Preferably, the humidifier is composed of a hollow fiber membrane humidifier capable of humidifying the low-temperature air by exchanging moisture between the wet air discharged from the stack and the low-temperature air.

바람직하게, 상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며, 상기 제어 유닛은, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어함과 동시에 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.Preferably, the coolant line further includes a coolant heater, and the control unit controls the coolant heater to heat the coolant by using regenerative braking energy recovered during braking of the vehicle, and simultaneously blows the low-temperature air into the stack. The low-temperature air supply unit is controlled to supply.

바람직하게, 상기 볼텍스 튜브는, 상기 고온 공기가 배출되는 고온 공기 배출구와, 상기 저온 공기가 배출되는 저온 공기 배출구를 구비하고, 상기 고온 공기 공급 유닛은, 상기 고온 공기 배출구를 개폐 가능한 고온 공급 조절 밸브를 구비하고, 상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 고온 공기 배출구가 폐쇄되어 상기 압축 공기가 상기 저온 공기에서 배출되도록 상기 고온 공기 조절 밸브를 제어함과 동시에 상기 저온 공기 배출구에서 배출된 압축 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어한다.Preferably, the vortex tube includes a hot air outlet through which the hot air is discharged and a low temperature air outlet through which the low temperature air is discharged, and the hot air supply unit includes a hot air supply control valve capable of opening and closing the hot air outlet. wherein the control unit controls the high-temperature air control valve to discharge the compressed air from the low-temperature air by closing the high-temperature air outlet when the vehicle is driven in a state where the temperature of the coolant is at a predetermined normal temperature. and controls the low-temperature air supply unit to supply the compressed air discharged from the low-temperature air outlet to the stack.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.The fuel cell system according to the present invention has the following effects.

첫째, 본 발명은, 볼텍스 튜브에서 배출된 고온 공기를 이용해 라디에이터를 통과하는 냉각수를 가열함으로써, 냉시동에 소요되는 시간을 줄여 운전자의 편의성을 향상시킬 수 있다.First, according to the present invention, the cooling water passing through the radiator is heated using the high-temperature air discharged from the vortex tube, thereby reducing the time required for a cold start and improving the driver's convenience.

둘째, 본 발명은, 볼텍스 튜브에서 배출된 저온 공기를 이용해 가습기와 스택을 냉각시킴으로써, 가습기와 스택이 고온에 의해 손상되는 것을 방지하여 연료전지 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.Second, the present invention can improve the durability of the fuel cell system by preventing the humidifier and the stack from being damaged by high temperatures by cooling the humidifier and the stack using low-temperature air discharged from the vortex tube.

셋째, 본 발명은, 회생 제동 에너지를 냉각수 히터를 이용해 소비할 때 볼텍스 튜브에서 배출된 저온 공기를 이용해 가습기와 스택을 냉각시킴으로써, 냉각수 히터를 이용한 회생 제동 에너지의 소비로 인해 가습기와 스택의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.Thirdly, in the present invention, when the regenerative braking energy is consumed using the coolant heater, the humidifier and the stack are cooled using the low-temperature air discharged from the vortex tube, so that the temperature of the humidifier and the stack is reduced due to the consumption of the regenerative braking energy using the coolant heater. rise can be prevented.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 양상을 나타내는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 냉시동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 정상 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 그대로 배출하는 양상을 나타내는 도면.
도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 고출력 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 1에 도시된 연료전지 시스템을 회생 제동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면.
1 is a diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a view showing how the vortex tube shown in FIG. 1 separates compressed air into high-temperature air and low-temperature air.
3 is a view for explaining a method of driving the fuel cell system shown in FIG. 1 in a cold start mode;
FIG. 4 is a view for explaining a method of driving the fuel cell system shown in FIG. 1 in a normal mode;
5 is a view showing an aspect in which the vortex tube shown in FIG. 1 discharges compressed air as it is;
6 is a view for explaining a method of driving the fuel cell system shown in FIG. 1 in a high power mode;
7 is a view for explaining a method of driving the fuel cell system shown in FIG. 1 in a regenerative braking mode;

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is. Therefore, since the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical ideas of the present invention, various alternatives can be made at the time of this application. It should be understood that there may be equivalents and variations.

도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.In the drawings, the size of each component or a specific part constituting the component is exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of explanation. Therefore, the size of each component does not fully reflect the actual size. If it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, such description will be omitted.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 양상을 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the schematic configuration of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing how the vortex tube shown in FIG. 1 separates compressed air into high-temperature air and low-temperature air. .

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템(이하, '연료전지 시스템(1)'이라고 함)은, 냉각수 라인(10)과, 압축 공기 공급 유닛(20)과, 볼텍스 튜브(30)와, 고온 공기 공급 유닛(40)과, 저온 공기 공급 유닛(50)과, 가습기(60)와, 제어 유닛(70) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , a fuel cell system (hereinafter referred to as 'fuel cell system 1') according to a preferred embodiment of the present invention includes a cooling water line 10, a compressed air supply unit 20, and a vortex. It may include a tube 30, a hot air supply unit 40, a low temperature air supply unit 50, a humidifier 60, a control unit 70, and the like.

먼저, 냉각수 라인(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 펌프(80)와, 연료전지 스택(이하, '스택(90)'이라고 함)과, 라디에이터(100)와, 냉각수 히터(110)와, 냉각수 온도 센서(12, 14) 등을 포함할 수 있다. 이러한 냉각수 라인(10)은, 냉각수(C)가 냉각수 펌프(80), 스택(90), 라디에이터(100), 냉각수 히터(110)를 순환할 수 있도록 마련된다.First, as shown in FIG. 1 , the cooling water line 10 includes a cooling water pump 80, a fuel cell stack (hereinafter referred to as 'stack 90'), a radiator 100, and a cooling water heater ( 110), cooling water temperature sensors 12 and 14, and the like. The coolant line 10 is provided so that the coolant C can circulate through the coolant pump 80 , the stack 90 , the radiator 100 , and the coolant heater 110 .

냉각수 펌프(80)는, 냉각수(C)를 펌핑하여, 냉각수 라인(10)을 순환하기 위한 구동력을 냉각수(C)에 제공한다.The cooling water pump 80 pumps the cooling water C to provide the cooling water C with a driving force for circulating the cooling water line 10 .

스택(90)은, 수소 공급 유닛(미도시)으로부터 공급된 수소와 저온 공기 공급 유닛(50)으로부터 공급된 공기를 이용해 전기를 생성할 수 있도록 마련된다. 이러한 스택(90)은, 냉각수 라인(10)을 순환하는 냉각수(C)에 의해 가열되거나 냉각될 수 있다.The stack 90 is provided to generate electricity using hydrogen supplied from a hydrogen supply unit (not shown) and air supplied from the low-temperature air supply unit 50 . The stack 90 may be heated or cooled by the cooling water C circulating through the cooling water line 10 .

라디에이터(100)는 냉각수 라인(10)을 통과하는 냉각수(C)와 라디에이터(100)의 외면을 통과하는 외기를 열교환 가능하도록 마련된다. 예를 들어, 냉각수(C)에 비해 외기의 온도가 낮은 경우에, 라디에이터(100)는 냉각수(C)와 외기를 열 교환하여 냉각수(C)를 냉각할 수 있다. 예를 들어, 냉각수(C)에 비해 외기의 온도가 높은 경우에, 라디에이터(100)는 냉가수와 외기를 열 교환하여 냉각수(C)를 가열할 수 있다.The radiator 100 is provided to allow heat exchange between the cooling water C passing through the cooling water line 10 and the outside air passing through the outer surface of the radiator 100 . For example, when the temperature of the outside air is lower than that of the cooling water (C), the radiator 100 may cool the cooling water (C) by exchanging heat with the cooling water (C) and the outside air. For example, when the temperature of the outside air is higher than that of the cooling water C, the radiator 100 may heat the cooling water C by exchanging heat with the cold water and the outside air.

냉각수 히터(110)는, 스택(90) 또는 외부의 전기 공급 장치로부터 공급된 전기를 이용해 냉각수 라인(10)을 순환하는 냉각수(C)를 가열 가능하도록 마련된다. 이러한 냉각수 히터(110)는, 스택(90)을 정지하거나 시동할 때 스택(90)의 잔류 수소와 잔류 산소를 이용해 생성한 전기 에너지를 열 에너지로서 소비 가능한 COD 통합 히터로 구성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.The cooling water heater 110 is provided to heat the cooling water C circulating through the cooling water line 10 using electricity supplied from the stack 90 or an external electricity supply device. The cooling water heater 110 is preferably composed of a COD integrated heater capable of consuming electrical energy generated using the residual hydrogen and residual oxygen of the stack 90 as thermal energy when the stack 90 is stopped or started, It is not limited to this.

냉각수 온도 센서(12, 14)는, 냉각수(C)의 온도를 측정 가능하도록 냉각수 라인(10)의 미리 정해진 위치에 설치될 수 있다. 예를 들어, 냉각수 온도 센서(12, 14)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스택(90)에 유입되는 냉각수(C)의 온도와 스택(90)에서 배출되는 냉각수(C)의 온도를 각각 측정 가능하도록 스택(90)의 상류와 하류에 각각 설치될 수 있다.The cooling water temperature sensors 12 and 14 may be installed at predetermined positions in the cooling water line 10 to measure the temperature of the cooling water C. For example, the coolant temperature sensors 12 and 14, as shown in FIG. 1 , measure the temperature of the coolant C flowing into the stack 90 and the temperature of the coolant C discharged from the stack 90. Each may be installed upstream and downstream of the stack 90 so as to be measurable.

다음으로, 압축 공기 공급 유닛(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 압축기(120)와, 압축 공기 공급 라인(130) 등을 구비할 수 있다.Next, as shown in FIG. 1 , the compressed air supply unit 20 may include an air compressor 120 and a compressed air supply line 130 .

공기 압축기(120)는, 외기(A1)를 흡입하여 미리 정해진 압력으로 압축한 후, 이처럼 압축된 압축 공기(P)를 배출할 수 있다.The air compressor 120 may suck in outside air A1 and compress it to a predetermined pressure, and then discharge the compressed air P that has been compressed in this way.

압축 공기 공급 라인(130)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 공기 압축기(120)와 후술할 볼텍스 튜브(30)의 압축 공기 유입구(32)를 연결한다. 이러한 압축 공기 공급 라인(130)은, 공기 압축기(120)에서 압축된 압축 공기(P)를 볼텍스 튜브(30)에 공급할 수 있다.As shown in FIG. 1 , the compressed air supply line 130 connects the air compressor 120 and the compressed air inlet 32 of the vortex tube 30 to be described later. The compressed air supply line 130 may supply the compressed air P compressed by the air compressor 120 to the vortex tube 30 .

다음으로, 볼텍스 튜브(30)는, 압축 공기(P)의 운동 에너지를 열 에너지를 변환하여 압축 공기(P)를 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 열 분리 가능하도록 마련된다. 볼텍스 튜브(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 압축 공기 유입구(32)와, 볼텍스 회전실(34)과, 고온 공기 배출구(36)와, 저온 공기 배출구(38)를 구비할 수 있다.Next, the vortex tube 30 converts the kinetic energy of the compressed air P into thermal energy so that the compressed air P can be thermally separated into high-temperature air H and low-temperature air L. As shown in FIG. 2, the vortex tube 30 may include a compressed air inlet 32, a vortex rotation chamber 34, a hot air outlet 36, and a cold air outlet 38. .

압축 공기 유입구(32)는 압축 공기 공급 라인(130)을 통과한 압축 공기(P)를 볼텍스 회전실(34)에 유입시킨다. 볼텍스 회전실(34)은 압축 공기(P)의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 압축 공기(P)를 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 열 분리한다. 고온 공기 배출구(36)는 고온 공기(H)를 배출하고, 이처럼 배출된 고온 공기(H)는 후술할 고온 공기 공급 유닛(40)의 고온 공기 공급 라인(140)으로 유입된다. 저온 공기 배출구(38)는 저온 공기(L)를 배출하고, 이처럼 배출된 저온 온기는 후술할 저온 공기 공급 유닛(50)의 저온 공기 공급 라인(170)으로 유입된다.The compressed air inlet 32 introduces the compressed air P passed through the compressed air supply line 130 into the vortex rotation chamber 34 . The vortex rotation chamber 34 converts the kinetic energy of the compressed air P into thermal energy and thermally separates the compressed air P into high temperature air H and low temperature air L. The hot air discharge port 36 discharges the hot air H, and the discharged hot air H is introduced into the hot air supply line 140 of the hot air supply unit 40 to be described later. The low-temperature air discharge port 38 discharges the low-temperature air L, and the discharged low-temperature warm air flows into the low-temperature air supply line 170 of the low-temperature air supply unit 50 to be described later.

이러한 볼텍스 튜브(30)는, 당 업계에서 소정 유체의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하여 소정 유체를 고온 유체와 저온 유체로 분리하는 통상적인 구조의 볼텍스 튜브로서 이루어지므로, 구성에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Since this vortex tube 30 is made of a vortex tube of a conventional structure that converts the kinetic energy of a predetermined fluid into thermal energy in the art and separates the predetermined fluid into a high-temperature fluid and a low-temperature fluid, a detailed description of the configuration is omitted. I'm going to do it.

다음으로, 고온 공기 공급 유닛(40)은, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 선택적으로 공급 가능하도록 마련된다. 고온 공기 공급 유닛(40)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 고온 공기 공급 라인(140)과, 고온 공기 조절 밸브(150) 등을 구비할 수 있다.Next, the hot air supply unit 40 is provided to selectively supply the hot air H discharged from the hot air outlet 36 of the vortex tube 30 to the radiator 100 . As shown in FIG. 1 , the hot air supply unit 40 may include a hot air supply line 140 and a hot air control valve 150 .

고온 공기 공급 라인(140)은 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 공급 가능하도록 고온 공기 배출구(36)와 라디에이터(100)를 연결한다. 예를 들어, 고온 공기 공급 라인은(140)은, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100)의 외측 표면에 분사 가능하도록 마련될 수 있다.The hot air supply line 140 connects the hot air outlet 36 and the radiator 100 so that the hot air H discharged from the hot air outlet 36 of the vortex tube 30 can be supplied to the radiator 100. do. For example, the hot air supply line 140 may be provided to spray the hot air H discharged from the hot air outlet 36 of the vortex tube 30 to the outer surface of the radiator 100. .

이러한 고온 공기 공급 라인(140)은, 제1 구간(142)과, 제2 구간(144)을 구비할 수 있다. 제1 구간(142)은 고온 공기 배출구(36)와 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)를 연결한다. 제2 구간(144)은 고온 공기 조절 밸브(150)의 제2 포트(154)와 라디에이터(100)를 연결한다. 특히, 제2 구간(144)은 고온 공기 조절 밸브(150)의 제2 포트(154)를 통과한 고온 공기(H)를 라디에이터(100)의 외측 표면에 분사 가능하도록 마련되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 고온 공기(H)는 제1 구간(142)과 제2 구간(144)을 순차적으로 통과하여 라디에이터(100)에 공급될 수 있다.The hot air supply line 140 may include a first section 142 and a second section 144 . The first section 142 connects the hot air outlet 36 and the first port 152 of the hot air control valve 150 . The second section 144 connects the second port 154 of the high-temperature air control valve 150 and the radiator 100 . In particular, the second section 144 is preferably provided so that the hot air H passing through the second port 154 of the hot air control valve 150 can be sprayed to the outer surface of the radiator 100. It is not limited. Accordingly, the high-temperature air H may pass through the first section 142 and the second section 144 sequentially and be supplied to the radiator 100 .

고온 공기 조절 밸브(150)는 고온 공기 공급 라인(140)을 개폐 가능하도록 고온 공기 공급 라인(140) 상에 설치된다. 고온 공기 조절 밸브(150)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 고온 공기 조절 밸브(150)는 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)에서 배출된 고온 공기(H)를 라디에이터(100) 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성될 수 있다. 고온 공기 조절 밸브(150)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(142)과 연결되는 제1 포트(152)와, 제2 구간(144)과 연결되는 제2 포트(154)와, 고온 공기 배출 라인(160)과 연결되는 제3 포트(156)를 구비할 수 있다. 고온 공기 조절 밸브(150)는, 상기 포트들을 선택적으로 개폐하여, 고온 공기(H)를 제2 구간(144)을 통해 라디에이터(100)로 공급하거나 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출할 수 있다.The hot air control valve 150 is installed on the hot air supply line 140 to be able to open and close the hot air supply line 140 . The type of hot air control valve 150 is not particularly limited. For example, the hot air control valve 150 may be composed of a three-way valve capable of selectively guiding the hot air H discharged from the hot air outlet 36 of the vortex tube 30 to the radiator 100 or the outside. can As shown in FIG. 1, the hot air control valve 150 includes a first port 152 connected to the first section 142 and a second port 154 connected to the second section 144. , a third port 156 connected to the hot air discharge line 160 may be provided. The hot air control valve 150 selectively opens and closes the ports to supply the hot air H to the radiator 100 through the second section 144 or discharge it to the outside through the hot air discharge line 160. can do.

다음으로, 저온 공기 공급 유닛(50)은, 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90)에 선택적으로 공급 가능하도록 마련된다. 저온 공기 공급 유닛(50)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 저온 공기 공급 라인(170)과, 저온 공기 조절 밸브(180) 등을 구비할 수 있다.Next, the low-temperature air supply unit 50 is provided to selectively supply the low-temperature air L discharged from the low-temperature air outlet 38 of the vortex tube 30 to the stack 90 . As shown in FIG. 1 , the low-temperature air supply unit 50 may include a low-temperature air supply line 170 and a low-temperature air control valve 180 .

저온 공기 공급 라인(170)은 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급 가능하도록 저온 공기 배출구(38)와 스택(90)을 연결한다. 저온 공기 공급 라인(170)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(172)과, 제2 구간(174)과, 제3 구간(176) 등을 구비할 수 있다. 제1 구간(172)은 저온 공기 배출구(38)와 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)를 연결한다. 제2 구간(144)은 저온 공기 조절 밸브(180)의 제2 포트(184)를 가습기(60)의 저온 공기 유입구(62)와 연결한다. 제3 구간(176)은 가습기(60)의 저온 공기 배출구(38)와 스택(90)의 저온 공기 유입구(92)를 연결한다. 따라서, 저온 공기(L)는 제1 구간(172), 제2 구간(174), 가습기(60), 제3 구간(176)을 순차적으로 통과하여 스택(90)에 공급될 수 있다. 한편, 제3 구간은(176), 도 1에 도시된 바와 같이, 제3 저온 공기 공급 라인(176)를 통과하는 공기의 온도를 측정 가능한 공기 온도 센서(178)를 구비할 수 있다.The low-temperature air supply line 170 connects the low-temperature air outlet 38 and the stack 90 so that the low-temperature air L discharged from the low-temperature air outlet 38 of the vortex tube 30 can be supplied to the stack 90. do. As shown in FIG. 1 , the low-temperature air supply line 170 may include a first section 172, a second section 174, a third section 176, and the like. The first section 172 connects the cold air outlet 38 and the first port 182 of the cold air control valve 180 . The second section 144 connects the second port 184 of the cold air control valve 180 to the cold air inlet 62 of the humidifier 60 . The third section 176 connects the cold air outlet 38 of the humidifier 60 and the cold air inlet 92 of the stack 90 . Accordingly, the low-temperature air L may be supplied to the stack 90 by sequentially passing through the first section 172, the second section 174, the humidifier 60, and the third section 176. Meanwhile, as shown in FIG. 1 , the third section 176 may include an air temperature sensor 178 capable of measuring the temperature of air passing through the third low-temperature air supply line 176 .

저온 공기 조절 밸브(180)는 저온 공기 공급 라인(170)을 개폐 가능하도록 저온 공기 공급 라인(170) 상에 설치된다. 저온 공기 조절 밸브(180)의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 저온 공기 조절 밸브(180)는 볼텍스 튜브(30)의 저온 공기 배출구(38)에서 배출된 저온 공기(L)를 스택(90) 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성될 수 있다. 저온 공기 조절 밸브(180)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구간(172)과 연결되는 제1 포트(182)와, 제2 구간(174)과 연결되는 제2 포트(184)와, 저온 공기 배출 라인(190)과 연결되는 제3 포트(186)를 구비할 수 있다. 저온 공기 조절 밸브(180)는, 포트들을 선택적으로 개폐하여, 저온 공기(L)를 제2 구간(174)과 제3 구간(156)을 통해 스택(90)에 공급하거나 저온 공기 배출 라인(190)을 통해 외부로 배출할 수 있다.The low-temperature air control valve 180 is installed on the low-temperature air supply line 170 to be able to open and close the low-temperature air supply line 170 . The type of low-temperature air control valve 180 is not particularly limited. For example, the low-temperature air control valve 180 may be composed of a three-way valve capable of selectively guiding the low-temperature air L discharged from the low-temperature air outlet 38 of the vortex tube 30 to the stack 90 or to the outside. can As shown in FIG. 1, the low-temperature air control valve 180 includes a first port 182 connected to the first section 172 and a second port 184 connected to the second section 174. , a third port 186 connected to the low-temperature air discharge line 190 may be provided. The low-temperature air control valve 180 selectively opens and closes ports to supply low-temperature air L to the stack 90 through the second section 174 and the third section 156 or the low-temperature air discharge line 190 ) can be discharged to the outside.

다음으로, 가습기(60)는, 저온 공기(L)를 가습하여 스택(90)에 공급할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 가습기(60)는, 스택(90)에서 배출된 습윤 공기(A2)와 저온 공기(L)를 수분 교환하여 스택(90)에 공급 가능한 중공 사막 가습기로 구성될 수 있다. 여기서, 습윤 공기(A2)란, 스택(90)에서 생성된 생성수에 의해 가습된 상태로 스택(90)으로 배출되는 공기를 말한다. 가습기(60)는, 저온 공기 유입구(62)와, 저온 공기 배출구(64)와, 습윤 공기 유입구(66)와, 습윤 공기 배출구(68) 등을 구비할 수 있다.Next, the humidifier 60 is provided to humidify the low-temperature air L and supply it to the stack 90 . For example, the humidifier 60 may be configured as a hollow fiber membrane humidifier capable of exchanging moisture between the wet air A2 discharged from the stack 90 and the low-temperature air L and supplying the stack 90 with moisture. Here, the wet air A2 refers to air discharged to the stack 90 in a state of being humidified by the product water generated in the stack 90 . The humidifier 60 may include a cold air inlet 62 , a cold air outlet 64 , a wet air inlet 66 , a wet air outlet 68 , and the like.

저온 공기 유입구(62)는 제2 구간(174)에 의해 저온 공기 조절 밸브(180)의 제2 포트(184)와 연결된다. 저온 공기 배출구(64)는 제3 구간(176)에 의해 스택(90)의 저온 공기 유입구(62)와 연결된다. 습윤 공기 유입구(66)는 습윤 공기 배출 라인(200)의 제1 구간(202)에 의해 스택(90)의 습윤 공기 배출구(94)와 연결된다. 습윤 공기 배출구(68)는 습윤 공기 배출 라인(200)의 제2 구간(204)에 의해 외부와 연결된다. 가습기(60)는, 저온 공기 유입구(62)를 통해 유입된 저온 공기(L)와 습윤 공기 유입구(66)를 통해 유입된 습윤 공기(A2)를 수분 교환하여 저온 공기(L)를 가습할 수 있다. 저온 공기(L)는 제3 구간(176)을 통해 스택(90)에 공급되고, 스택(90)은 이처럼 공급된 저온 공기(L)를 이용해 전기를 생성할 수 있다. 또한, 습윤 공기(A2)는 제2 구간(204)을 통해 외부에 배출될 수 있다.The cold air inlet 62 is connected to the second port 184 of the cold air control valve 180 by the second section 174 . The cold air outlet 64 is connected to the cold air inlet 62 of the stack 90 through a third section 176 . The wet air inlet 66 is connected to the wet air outlet 94 of the stack 90 by the first section 202 of the wet air outlet line 200 . The wet air outlet 68 is connected to the outside by a second section 204 of the wet air outlet line 200 . The humidifier 60 may humidify the low-temperature air L by exchanging moisture between the low-temperature air L introduced through the low-temperature air inlet 62 and the wet air A2 introduced through the wet air inlet 66. there is. The low-temperature air L is supplied to the stack 90 through the third section 176, and the stack 90 may generate electricity using the supplied low-temperature air L. Also, the wet air A2 may be discharged to the outside through the second section 204 .

다음으로, 제어 유닛(70)은, 연료전지 시스템(1)에 포함된 각종의 부품들을 제어 가능하도록 마련된다. 이러한 제어 유닛(70)은, 연료전지 시스템(1)에 적용된 차량을 냉시동 모드, 정상 모드, 고출력 모드, 회생 제동 모드 등 미리 정해진 구동 모드들에 따라 구동할 수 있다.Next, the control unit 70 is provided to be able to control various components included in the fuel cell system 1 . The control unit 70 may drive the vehicle applied to the fuel cell system 1 according to predetermined driving modes such as a cold start mode, a normal mode, a high power mode, and a regenerative braking mode.

도 3은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 냉시동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 3 is a diagram for explaining a method of driving a vehicle to which the fuel cell system shown in FIG. 1 is applied in a cold start mode.

제어 유닛(70)은, 차량을 냉시동 모드로 구동하는 경우에, 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)를 라디에이터(100)에 공급하도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어함과 동시에 냉각수(C)를 가열하도록 냉각수 히터(110)를 제어할 수 있다. 냉시동 모드란, 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도가 이하인 상태에서 차량을 시동하는 모드를 말한다. 예를 들어, 냉시동 온도는, -30 ℃일 수 있다.The control unit 70 controls the hot air supply unit 40 to supply the hot air H to the radiator 100 as shown in FIG. 3 when the vehicle is driven in the cold start mode; At the same time, the cooling water heater 110 may be controlled to heat the cooling water (C). The cold start mode refers to a mode in which the vehicle is started in a state where the temperature of the coolant C is equal to or less than a predetermined cold start temperature. For example, the cold start temperature may be -30 °C.

제어 유닛(70)은, 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)와 제2 포트(154)를 개방함과 동시에 제3 포트(156)를 폐쇄한다. 그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 라디에이터(100)에 공급되고, 라디에이터(100)를 통과하는 냉각수(C)는 고온 공기(H)와 열 교환되어 가열된다.The control unit 70 opens the first port 152 and the second port 154 of the hot air control valve 150 and closes the third port 156 at the same time. Then, as shown in FIG. 3 , the high-temperature air H is supplied to the radiator 100, and the cooling water C passing through the radiator 100 is heated by exchanging heat with the high-temperature air H.

제어 유닛(70)은, 배터리(미도시)로부터 공급된 전기 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 가동한다. 그러면, 고온 공기(H)에 의해 가열된 냉각수(C)는, 냉각수 히터(110)에 의해 재가열된다. 즉, 냉각수(C)는, 고온 공기(H)와 냉각수 히터(110)에 의해 2차적으로 가열되는 것이다. 따라서, 냉각수 히터(110)만을 이용해 냉각수(C)를 가열하는 경우에 비해 냉각수(C)를 빠르게 가열할 수 있으므로, 냉시동에 소용되는 시간을 단축하여 운전자의 편의성을 향상시킬 수 있다.The control unit 70 operates the cooling water heater 110 using electric energy supplied from a battery (not shown). Then, the cooling water (C) heated by the hot air (H) is reheated by the cooling water heater (110). That is, the cooling water (C) is heated secondarily by the hot air (H) and the cooling water heater (110). Therefore, since the coolant C can be heated faster than when the coolant C is heated using only the coolant heater 110, the driver's convenience can be improved by reducing the time required for cold start.

그런데, 배터리는 배터리 SOC(State Of Charge)가 미리 정해진 목표 SOC에 비해 높도록 관리되는 것이 바람직하다. 따라서, 제어 유닛(70)은, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC에 비해 높을 때에만 냉각수 히터(110)를 선택적으로 가동하는 것이 바람직하다. 즉, 배터리 SOC가 목표 SOC에 비해 낮을 때에는 고온 공기(H)만을 이용해 냉각수(C)를 가열하여 냉시동을 진행하는 것이다.However, it is preferable that the battery is managed such that the battery SOC (State Of Charge) is higher than a predetermined target SOC. Accordingly, the control unit 70 preferably operates the coolant heater 110 selectively only when the battery SOC is higher than a predetermined target SOC. That is, when the SOC of the battery is lower than the target SOC, the cold start is performed by heating the coolant (C) using only the hot air (H).

한편, 제어 유닛(70)은, 저온 공기(L)가 외부로 배출되도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the control unit 70 preferably controls the low-temperature air supply unit 50 so that the low-temperature air L is discharged to the outside.

구체적으로, 제어 유닛(70)은, 저온 공기 공급 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(184)를 폐쇄한다. 그러면, 도 3에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)는 저온 공기 배출 라인(190)을 통해 외부로 배출된다.Specifically, the control unit 70 opens the first port 182 and the third port 186 of the low-temperature air supply valve 180 and simultaneously closes the second port 184 . Then, as shown in FIG. 3 , the low-temperature air L is discharged to the outside through the low-temperature air discharge line 190 .

도 4는 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 정상 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 도 1에 도시된 볼텍스 튜브가 압축 공기를 그대로 배출하는 양상을 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a view for explaining a method of driving a vehicle to which the fuel cell system shown in FIG. 1 is applied in a normal mode, and FIG. 5 is a view showing how the vortex tube shown in FIG. 1 discharges compressed air as it is. .

제어 유닛(70)은, 차량을 정상 모드로 구동하는 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축 공기(P)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)과 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어할 수 있다. 정상 모드란, 시동 종료 후 냉각수(C)의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에선 차량을 구동하는 모드를 말한다.The control unit 70 includes the low-temperature air supply unit 50 and the high-temperature air supply unit to supply the compressed air P to the stack 90, as shown in FIG. 4 when the vehicle is driven in the normal mode. (40) can be controlled. The normal mode refers to a mode in which the vehicle is driven in a state where the temperature of the coolant C is at a predetermined normal temperature after the engine is started.

도 5를 참조하면, 볼텍스 튜브(30)의 고온 공기 배출구(36)가 폐쇄되는 경우에, 압축 공기(P)는 볼텍스 회전실(34)에서 고온 공기(H)와 저온 공기(L)로 분리되지 않고 저온 공기 배출구(38)를 통해 그대로 배출될 수 있다.Referring to FIG. 5, when the hot air outlet 36 of the vortex tube 30 is closed, the compressed air P is separated into hot air H and low temperature air L in the vortex rotation chamber 34. It can be discharged as it is through the low-temperature air discharge port 38.

이를 반영하여, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 조절 밸브(150)의 제1 포트(152)를 폐쇄하고, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 도 4에 도시된 바와 같이, 압축 공기(P)는, 볼텍스 튜브(30)에 의해 열 분리되지 않고 저온 공기 배출구(38)를 통해 그대로 배출되어, 스택(90)에 공급된다. 이를 통해, 스택(90)이 저온 공기(L)에 의해 정상 온도 이하로 냉각되는 것을 방지할 수 있다.Reflecting this, the control unit 70 closes the first port 152 of the high temperature air control valve 150 and closes the first port 182 and the second port 184 of the low temperature air control valve 180. At the same time as opening the third port 186 is closed. Then, as shown in FIG. 4 , the compressed air P is discharged as it is through the low-temperature air outlet 38 without being thermally separated by the vortex tube 30 and supplied to the stack 90 . Through this, it is possible to prevent the stack 90 from being cooled below normal temperature by the low-temperature air L.

도 6은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 고출력 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for explaining a method of driving a vehicle to which the fuel cell system shown in FIG. 1 is applied in a high power mode.

제어 유닛(70)은, 차량을 고출력 모드로 구동하는 경우에, 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어할 수 있다. 고출력 모드란, 스택(90)의 출력이 미리 정해진 기준 출력 이상이 되도록 차량을 가동하는 모드를 말한다. 일반적으로, 스택(90)의 온도 및 스택(90)에서 배출된 습윤 공기(A)가 공급되는 가습기(60)의 온도는, 스택(90)의 출력에 비례하여 상승되거나 하강된다. 따라서, 스택(90)의 출력이 기준 출력 이상인 경우에, 스택(90)과 가습기(60)는 이러한 스택(90)의 출력에 대응하여 상대적으로 고온을 갖게 된다.The control unit 70 may control the low-temperature air supply unit 50 to supply the low-temperature air L to the stack 90 as shown in FIG. 6 when the vehicle is driven in the high power mode. . The high power mode refers to a mode in which the vehicle is operated so that the output of the stack 90 exceeds a predetermined reference power. In general, the temperature of the stack 90 and the temperature of the humidifier 60 to which the wet air A discharged from the stack 90 is supplied rises or falls in proportion to the output of the stack 90 . Therefore, when the output of the stack 90 is greater than or equal to the reference output, the stack 90 and the humidifier 60 have a relatively high temperature corresponding to the output of the stack 90 .

제어 유닛(70)은, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 저온 공기(L)는 가습기(60)를 거쳐 스택(90)으로 공급되고, 가습기(60)와 스택(90)은 이러한 저온 공기(L)에 의해 냉각된다. 이를 통해, 가습기(60)와 스택(90)이 고온에 의해 손상되는 것을 방지하여 연료전지 스택(90)의 내구성을 향상시킬 수 있다.The control unit 70 opens the first port 182 and the second port 184 of the low-temperature air control valve 180 and closes the third port 186 at the same time. Then, as shown in FIG. 6, the low-temperature air L is supplied to the stack 90 via the humidifier 60, and the humidifier 60 and the stack 90 are cooled by the low-temperature air L . Through this, it is possible to improve durability of the fuel cell stack 90 by preventing the humidifier 60 and the stack 90 from being damaged by high temperatures.

한편, 제어 유닛(70)은, 고온 공기(H)가 외부로 배출되도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the control unit 70 preferably controls the hot air supply unit 40 so that the hot air H is discharged to the outside.

구체적으로, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 공급 밸브의 제1 포트(152)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(154)를 폐쇄한다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출된다.Specifically, the control unit 70 closes the second port 154 while opening the first port 152 and the third port 186 of the hot air supply valve. Then, as shown in FIG. 6 , the hot air H is discharged to the outside through the hot air discharge line 160 .

또한, 제어 유닛(70)은, 냉각수(T)의 온도가 미리 정해진 제한 온도에 도달하기 이전까지는 상기 정상 모드의 경우와 같이 스택(10)에 압축 공기(P)를 공급하고, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달한 이후에 비로서 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제한 온도는, 80 ℃일 수 있다.In addition, the control unit 70 supplies compressed air P to the stack 10 until the temperature of the cooling water T reaches a predetermined limit temperature, as in the case of the normal mode, and coolant T It is preferable to supply low-temperature air (L) to the stack 10 as a ratio after the temperature of reaches the limit temperature, but is not limited thereto. For example, the limiting temperature may be 80 °C.

도 7은 도 1에 도시된 연료전지 시스템이 적용된 차량을 회생 제동 모드로 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 7 is a diagram for explaining a method of driving a vehicle to which the fuel cell system shown in FIG. 1 is applied in a regenerative braking mode.

제어 유닛(70)은, 차량을 회생 제동 모드로 구동하는 경우에, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수(C)를 가열하도록 냉각수 히터(110)를 제어함과 동시에 저온 공기(L)를 스택(90)에 공급하도록 저온 공기 공급 유닛(50)을 제어한다. 여기서, 회생 제동 모드란, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 연료전지 시스템(1)을 이용해 소비할 수 있도록 차량을 구동하는 모드를 말한다.When the vehicle is driven in the regenerative braking mode, the control unit 70 controls the coolant heater 110 to heat the coolant C by using the regenerative braking energy recovered when the vehicle is braked, and simultaneously controls the low-temperature air (L ) is controlled to supply the low-temperature air supply unit 50 to the stack 90. Here, the regenerative braking mode refers to a mode in which the vehicle is driven so that regenerative braking energy recovered during braking of the vehicle can be consumed using the fuel cell system 1 .

구체적으로, 제어 유닛(70)은, 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 구동하고, 저온 공기 조절 밸브(180)의 제1 포트(182)와 제2 포트(184)를 개방함과 동시에 제3 포트(186)를 폐쇄한다. 그러면, 냉각수 히터(110)는 냉각수(C)를 가열하고, 저온 공기(L)는 가습기(60)를 거쳐 스택(90)으로 공급되어 가습기(60)와 스택(90)을 냉각한다. 즉, 회생 제동 에너지에 의한 냉각수(C)의 가열을 저온 공기(L)에 의한 스택(90)의 냉각으로 보상하는 것이다. 이를 통해, 회생 제동 에너지로 인해 스택(90)이 가열되는 것을 방지하여, 연료전지 시스템(1)의 내구성을 향상시킬 수 있다.Specifically, the control unit 70 drives the coolant heater 110 using regenerative braking energy, opens the first port 182 and the second port 184 of the low-temperature air control valve 180, and simultaneously The third port 186 is closed. Then, the cooling water heater 110 heats the cooling water C, and the low-temperature air L is supplied to the stack 90 via the humidifier 60 to cool the humidifier 60 and the stack 90. That is, the heating of the cooling water (C) by the regenerative braking energy is compensated by the cooling of the stack (90) by the low-temperature air (L). Through this, it is possible to improve durability of the fuel cell system 1 by preventing the stack 90 from being heated due to regenerative braking energy.

한편, 제어 유닛(70)은, 고온 공기(H)가 외부로 배출되도록 고온 공기 공급 유닛(40)을 제어하는 것이 바람직하다.Meanwhile, the control unit 70 preferably controls the hot air supply unit 40 so that the hot air H is discharged to the outside.

구체적으로, 제어 유닛(70)은, 고온 공기 공급 밸브의 제1 포트(152)와 제3 포트(186)를 개방함과 동시에 제2 포트(154)를 폐쇄한다. 그러면, 도 7에 도시된 바와 같이, 고온 공기(H)는 고온 공기 배출 라인(160)을 통해 외부로 배출된다.Specifically, the control unit 70 closes the second port 154 while opening the first port 152 and the third port 186 of the hot air supply valve. Then, as shown in FIG. 7 , the hot air H is discharged to the outside through the hot air discharge line 160 .

또한, 제어 유닛(70)은, 배터리가 완충되어 회생 제동 에너지를 배터리에 충전할 수 없을 때에만 회생 제동 에너지를 이용해 냉각수 히터(110)를 가동함과 동시에 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the control unit 70 operates the coolant heater 110 using regenerative braking energy only when the battery is fully charged and the regenerative braking energy cannot be charged into the battery, and at the same time, the low-temperature air (L) is supplied to the stack 10. It is preferable to supply, but is not limited thereto.

또한, 제어 유닛(70)은, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달하기 이전까지는 상기 정상 모드의 경우와 같이 스택(10)에 압축 공기(P)를 공급하고, 냉각수(T)의 온도가 상기 제한 온도에 도달한 이후에 비로서 스택(10)에 저온 공기(L)를 공급하는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, the control unit 70 supplies compressed air P to the stack 10 until the temperature of the cooling water T reaches the limit temperature, as in the case of the normal mode, and It is preferable to supply low-temperature air (L) to the stack 10 as a ratio after the temperature reaches the limit temperature, but is not limited thereto.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described above with limited examples and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below and the technical spirit of the present invention by those skilled in the art to which the present invention belongs. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

1 : 연료전지 시스템
10 : 냉각수 라인
12, 14 : 냉각수 온도 센서
20 : 압축 공기 공급 유닛
30 : 볼텍스 튜브
32 : 압축 공기 유입구
34 : 볼텍스 회전실
36 : 고온 공기 배출구
38 : 저온 공기 배출구
40 : 고온 공기 공급 유닛
50 : 저온 공기 공급 유닛
60 : 가습기
62 : 저온 공기 유입구
64 : 저온 공기 배출구
66 : 습윤 공기 유입구
68 : 습윤 공기 배출구
70 : 제어 유닛
80 : 냉각수 펌프
90 : 스택
92 : 저온 공기 유입구
94 : 저온 공기 배출구
100 : 라디에이터
110 : 냉각수 히터
120 : 공기 압축기
130 : 압축 공기 공급 라인
140 : 고온 공기 공급 라인
150 : 고온 공기 조절 밸브
160 : 고온 공기 배출 라인
170 : 저온 공기 공급 라인
178 : 저온 공기 온도 센서
180 : 저온 공기 조절 밸브
190 : 저온 공기 배출 라인
200 : 습윤 공기 배출 라인
A1 : 외기
P : 압축 공기
C : 냉각수
H : 고온 공기
L : 저온 공기
A2 : 습윤 공기
1: fuel cell system
10: coolant line
12, 14: coolant temperature sensor
20: compressed air supply unit
30: vortex tube
32: compressed air inlet
34: vortex rotation chamber
36: hot air outlet
38: low temperature air outlet
40: hot air supply unit
50: low temperature air supply unit
60: Humidifier
62: low temperature air inlet
64: low temperature air outlet
66: wet air inlet
68: wet air outlet
70: control unit
80: cooling water pump
90: stack
92: low temperature air inlet
94: low temperature air outlet
100: radiator
110: coolant heater
120: air compressor
130: compressed air supply line
140: hot air supply line
150: hot air control valve
160: hot air discharge line
170: low temperature air supply line
178: low temperature air temperature sensor
180: low temperature air control valve
190: low temperature air discharge line
200: wet air discharge line
A1: outside air
P: compressed air
C: coolant
H: hot air
L: cold air
A2: moist air

Claims (14)

연료전지 스택과, 라디에이터를 구비하며, 냉각수가 순환되는 냉각수 라인;
압축 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리 가능한 볼텍스 튜브;
상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급 가능하도록 상기 라디에이터와 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 고온 공기 공급 라인과, 상기 고온 공기 공급 라인 상에 설치되며 상기 고온 공기 공급 라인을 개폐 가능한 고온 공기 조절 밸브를 포함하는 고온 공기 공급 유닛;
상기 고온 공기 조절 밸브에 연결되며, 상기 라디에이터로의 상기 고온 공기의 공급이 차단된 상태에서 상기 고온 공기를 외부로 배출하는 고온 공기 배출 라인; 및
상기 고온 공기 공급 유닛을 제어 가능한 제어 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
a cooling water line including a fuel cell stack and a radiator, through which cooling water is circulated;
A vortex tube capable of separating compressed air into hot air and cold air;
a high-temperature air supply line connecting the radiator and the vortex tube to supply the high-temperature air to the radiator; and a high-temperature air control valve installed on the hot air supply line and capable of opening and closing the hot air supply line. air supply unit;
a hot air discharge line connected to the hot air control valve and discharging the hot air to the outside in a state in which the supply of the hot air to the radiator is blocked; and
and a control unit capable of controlling the hot air supply unit.
제1항에 있어서,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 냉시동 온도 이하에서 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터에 공급하도록 상기 고온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 1,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the control unit controls the hot air supply unit to supply the hot air to the radiator when the vehicle is cold started at a temperature of the coolant below a predetermined cold start temperature.
제2항에 있어서,
상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 2,
The cooling water line further includes a cooling water heater,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the control unit controls the cooling water heater to heat the cooling water when the vehicle is cold-started in a state where the temperature of the cooling water is equal to or less than the cold-starting temperature.
제3항에 있어서,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 상기 냉시동 온도 이하인 상태에서 상기 차량을 냉시동하는 경우에, 배터리 SOC가 미리 정해진 목표 SOC 이상이면 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 3,
The control unit controls the coolant heater to heat the coolant when the battery SOC is equal to or greater than a predetermined target SOC when the vehicle is cold-started in a state where the temperature of the coolant is equal to or less than the cold start temperature. fuel cell system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고온 공기 조절 밸브는, 상기 고온 공기를 상기 라디에이터 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 1,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the hot air control valve is composed of a three-way valve capable of selectively guiding the hot air to the radiator or the outside.
제1항에 있어서,
상기 저온 공기를 상기 스택에 선택적으로 공급 가능한 저온 공기 공급 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 1,
and a low-temperature air supply unit capable of selectively supplying the low-temperature air to the stack.
제7항에 있어서,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 제한 온도 이상인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 7,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the control unit controls the low-temperature air supply unit to supply the low-temperature air to the stack when the vehicle is driven in a state where the temperature of the cooling water is equal to or higher than a predetermined limit temperature.
제7항에 있어서,
상기 저온 공기 공급 유닛은, 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급 가능하도록 상기 스택과 상기 볼텍스 튜브를 연결하는 저온 공기 공급 라인과, 상기 저온 공기 공급 라인 상에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 라인을 개폐 가능한 저온 공기 조절 밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 7,
The low-temperature air supply unit is installed on a low-temperature air supply line connecting the stack and the vortex tube to supply the low-temperature air to the stack, and the low-temperature air supply line, and is capable of opening and closing the low-temperature air supply line. A fuel cell system further comprising a low-temperature air control valve.
제9항에 있어서,
상기 저온 공기 조절 밸브는, 상기 저온 공기를 상기 스택 또는 외부로 선택적으로 안내 가능한 3방 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 9,
The fuel cell system according to claim 1 , wherein the low-temperature air control valve is composed of a three-way valve capable of selectively guiding the low-temperature air to the stack or to the outside.
제7항에 있어서,
상기 스택과 상기 저온 공기 공급 유닛 사이에 설치되며, 상기 저온 공기 공급 유닛에 의해 공급된 저온 공기를 가습하여 상기 스택에 전달 가능한 가습기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 7,
The fuel cell system of claim 1, further comprising a humidifier installed between the stack and the low-temperature air supply unit and capable of humidifying the low-temperature air supplied by the low-temperature air supply unit and delivering the humidifier to the stack.
제11항에 있어서,
상기 가습기는, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기와 상기 저온 공기를 수분 교환하여 상기 저온 공기를 가습 가능한 중공 사막 가습기로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 11,
The fuel cell system of claim 1 , wherein the humidifier is composed of a hollow fiber membrane humidifier capable of humidifying the low-temperature air by exchanging water between the wet air discharged from the stack and the low-temperature air.
제7항에 있어서,
상기 냉각수 라인은, 냉각수 히터를 더 구비하며,
상기 제어 유닛은, 차량의 제동 시 회수한 회생 제동 에너지를 이용해 상기 냉각수를 가열하도록 상기 냉각수 히터를 제어함과 동시에 상기 저온 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 7,
The cooling water line further includes a cooling water heater,
The control unit controls the coolant heater to heat the coolant by using regenerative braking energy recovered during braking of the vehicle and simultaneously controls the low-temperature air supply unit to supply the low-temperature air to the stack. fuel cell system.
제7항에 있어서,
상기 볼텍스 튜브는, 상기 고온 공기가 배출되는 고온 공기 배출구와, 상기 저온 공기가 배출되는 저온 공기 배출구를 구비하고,
상기 고온 공기 공급 유닛은, 상기 고온 공기 배출구를 개폐 가능한 고온 공급 조절 밸브를 구비하고,
상기 제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도가 미리 정해진 정상 온도인 상태에서 차량을 구동하는 경우에, 상기 고온 공기 배출구가 폐쇄되어 상기 압축 공기가 상기 저온 공기에서 배출되도록 상기 고온 공기 조절 밸브를 제어함과 동시에 상기 저온 공기 배출구에서 배출된 압축 공기를 상기 스택에 공급하도록 상기 저온 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
According to claim 7,
The vortex tube includes a hot air outlet through which the high-temperature air is discharged and a low-temperature air outlet through which the low-temperature air is discharged,
The hot air supply unit includes a hot air supply control valve capable of opening and closing the hot air outlet,
The control unit controls the hot air control valve so that the hot air outlet is closed and the compressed air is discharged from the low temperature air when the vehicle is driven in a state where the temperature of the coolant is at a predetermined normal temperature. and controlling the low-temperature air supply unit to simultaneously supply compressed air discharged from the low-temperature air outlet to the stack.
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