KR20070059308A

KR20070059308A - 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템

Info

Publication number: KR20070059308A
Application number: KR1020050118009A
Authority: KR
Inventors: 한인철
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-12

Abstract

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 따른 화학적 에너지에 의해 구동되는 연료전지 자동차의 공조장치용 냉방시스템에 관한 것이다.

본 발명은 고압 수소를 감압하여 스텍(10)에서 공기에 포함된 산소와 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생하도록 이루어진 연료전지가 장착된 연료전지 자동차에 있어서, 자동차 실내로 공급되는 공기를 스텍(10)에 공급되기 전 감압에 따른 단열팽창으로 저온저압의 상태가 된 수소와 열교환시켜 냉각하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 바, 그 구성이 극히 단순하여 제작원가가 저렴하고, 중량과 부피가 작아 장착이 매우 용이하며, 동력 소모량이 적어 연료전지 자동차의 출력과 연비의 개선에 기여할 수 있다.

연료전지, 수소, 산소, 냉방, 냉각, 열교환, 감압, 단열팽창

Description

연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템{COOLING SYSTEM OF AIR-CONDITIONER FOR FUEL CELL VEHICLE }

도 1은 종래 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템 구성도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템의 냉방모드시 작동도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템의 비냉방모드시 작동도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 열전달매체 펌프 2 : 제1열교환기

3 : 제2열교환기 4 : 전환밸브

10 : 스텍 11 : 가습기

20 : 수소탱크 21 : 감압장치

30 : 공기압축기 40 : 냉각수펌프

41 : 전환밸브 42 : 방열기

60 : 공조장치 케이스 61 : 블로어

62 : 온도조절도어 63 : 히터

본 발명은 수소와 산소의 전기화학반응에 따른 화학적 에너지에 의해 구동되는 연료전지 자동차의 공조장치용 냉방시스템에 관한 것으로, 특히, 화학반응에 앞서 감압에 따른 단열팽창으로 온도가 크게 떨어진 저온저압의 수소를 이용하여 냉방할 수 있는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템에 관한 것이다.

연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 연료전지는 에너지 효율이 높고 소음이 적으며 공해물질을 거의 배출하지 않는 등 여러 가지 장점을 두루 갖추고 있다. 그 중에서도 수소-산소 연료전지는 수소와 산소를 연료로 이용하는 전지로서 소형화와 경량화가 가능하여 기존 연소기관을 대체할 차세대 자동차 엔진으로 가장 활발하게 연구 개발되고 있다.

수소-산소 연료전지는 화학반응장치인 스텍(Stack)(10)에서 수소와 산소를 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생하는 장치로, 통상, 도 1에 도시된 바와 같이, 스텍(10)에 대하여 수소를 공급하기 위한 수소유동계, 산소를 공급하기 위한 공기유동계 및 스텍(10)을 냉각하기 위한 냉각수유동계 등 세 가지 유동계로 구성되어 있다.

수소유동계는 수소탱크(20)에 압축 저장된 고압 수소를 감압장치(21)로 감압한 다음 가습기(11)를 통해 가습하여 스텍(10)에 공급하도록 구성되고, 공기유동계는 공기압축기(30)로 공기를 가압하고 가습기(11)에서 가습한 다음 스텍(10)에 공 급할 수 있게 이루어지며, 냉각수유동계는 냉각수펌프(40)가 펌핑하는 냉각수를 상기 냉각수펌프(40)와 방열기(42) 사이에 개재된 전환밸브(41)의 선택에 따라 스텍(10)과 방열기(42)를 경유하여 순환시킴으로써 화학반응과정에서 반응열을 발생하는 스텍(10)을 냉각하도록 구성된다.

이상과 같은 구성에 따라 연료전지는 수소탱크(20)와 공기압축기(30)로부터 가습기(11)를 거치면서 가습된 수소 및 공기 중에 포함된 산소를 스텍(10) 내 전해물질 주위에 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극봉(도시되지 않음)으로 각각 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 공기 중의 산소와 수소를 전기화학반응시킴으로써 연속적으로 전기에너지를 생성할 수 있다. 아울러, 냉각수펌프(40)에 의해 냉각수유동계의 냉각수 순환회로를 따라 순환되는 냉각수를 매개로 스텍(10)에서 발생하는 반응열을 방열기(42)를 통해 방열하여 화학반응과정에서 상당한 열을 발생하는 스텍(10)을 일정 온도 이하로 냉각함으로써 전지의 수명과 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.

참고로, 도 1의 부호 43은 방열기(42)에 냉각용 공기를 송풍할 수 있는 냉각팬이고, 부호 61은 내기 또는 외기를 선택적으로 도입하여 송풍하는 블로어이며, 부호 62와 63은 각각 온도조절도어와 히터를 나타낸 것이다.

한편, 이상과 같은 연료전지 자동차에도 실내 냉난방을 위한 공조장치가 장착되는데, 이 공조장치에 포함된 종래 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 일반 내연기관 자동차 공조장치의 냉방시스템과 마찬가지로 냉동사이클을 이용한 것이어서 제작원가가 매우 높고 연료전지의 출력과 연비를 떨어뜨리는 등 여러 가 지 문제점이 있었다.

즉, 도 1에 나타난 바와 같이 기존 연료전지 자동차에 장착되고 있는 종래 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 압축기(50)로 냉매를 압축하여 응축기(51), 팽창밸브(52), 증발기(53) 순으로 순환시키면서 블로어(61)가 공조장치 케이스(60)를 통해 실내 각 벤트(64,65)로 송풍하는 내기 또는 외기를 공조장치 케이스(60) 내 증발기(61)에서 기화되는 냉매와 열교환시켜 냉각함으로써 자동차의 실내를 냉방할 수 있게 구성되는데, 그 구성이 매우 복잡하여 제작원가 등이 매우 높고 또한 압축기(50)와 응축기(51) 등으로 인해 중량이 상당히 무거운 데다 압축기(50)가 연료전지 동력의 상당부분을 소모하기 때문에 자동차 출력과 연비를 크게 떨어뜨리는 등 여러 가지 문제점을 안고 있었다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템의 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 화학반응에 앞서 감압되면서 단열팽창하여 온도가 크게 낮아진 저온 수소를 냉방에 이용함으로써 구성이 획기적으로 단순화된 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

이상의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고압 수소를 감압하여 스텍에서 공기에 포함된 산소와 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생하도록 이루어진 연료전 지 자동차의 공조장치용 냉방시스템에 있어서, 자동차 실내로 송풍되는 공기를 스텍에 공급되기 전 감압에 따른 단열팽창으로 저온저압의 상태가 된 수소와 열교환시켜 냉각하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템에는 수소와 실내로 송풍되는 공기를 냉각수 등과 같은 열전달매체를 매개로 상호 열교환시킬 수 있도록 상기 열전달매체를 스텍에 공급되기 전의 저온저압의 수소와 상호 열교환시켜 냉각하는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기와 함께 상기 열전달매체가 순환할 수 있는 열전달매체 순환회로를 이루며 공조장치 케이스 내 송풍로 상에 설치되어 실내로 송풍되는 공기를 상기 제1열교환기에서 냉각된 열전달매체와 상호 열교환시켜 냉각하는 제2열교환기, 그리고, 수소공급라인 상에서 수소를 상기 제1열교환기를 거치지 않도록 바이패스시킬 수 있는 전환밸브; 등이 더 포함될 수 있다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 냉방모드가 선택되는 경우 열전달매체 펌프가 가동하면서 열전달매체를 그 순환회로를 따라 제1,2열교환기 사이를 순환시키게 되는데, 그 과정에 열전달매체가 제1열교환기에서 감압장치의 감압에 의한 단열팽창으로 온도가 급격히 떨어진 저온저압의 수소와 열교환하여 냉각된 다음 제2열교환기를 순환하는 동안 공조장치 케이스를 통해 송풍되는 공기를 냉각함으로써 자동차 실내를 냉각할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 연료전지의 스텍에 공급되는 저온저압의 반응 전 수소를 이용함에 따라 냉매를 강제로 상변화시키기 위한 압축기나 응축기 등을 구비해야 하는 기존의 연료전지 자동차 공 조장치용 냉방시스템과 비교할 때 구성이 극히 단순하여 제작원가가 매우 저렴하고 에너지 소모율이 매우 낮아 자동차의 연비 개선에 기여할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지의 구성과 그에 따른 작용 및 효과를 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 살펴본다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템이 적용된 연료전지의 구성도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이, 연료전지는 화학반응장치인 스텍(10)에 수소를 공급하기 위한 수소유동계와, 산소를 공급하기 위한 공기유동계, 그리고, 수소와 산소의 화학반응으로 상당한 반응열을 발생하는 스텍(10)을 냉각하기 위한 냉각수유동계 등 세 가지 유동계로 이루어져 있다.

수소유동계는 고압의 수소가 대략 300기압 이상의 압력으로 저장된 수소탱크(20), 상기 수소탱크(20)로부터 공급되는 고압 수소를 감압하는 감압장치(21) 및 감압된 수소를 스텍(10)에 공급되는 공기와 함께 가습하는 가습기(11) 등으로 구성되어 있다.

공기유동계는 수소와 반응하는 산소를 공급하기 위한 것으로 공기를 압축하여 고압의 상태로 스텍(10)에 공급하는 공기압축기(30)와 그 공기압축기(30)에 의해 가압되어 스텍에 공급되는 공기를 가습하여 수분을 함유시키는 가습기(11) 등으로 이루어져 있으며, 여기에는 공기로부터 이물질을 제거하기 위한 에어클리너(도시되지 않음)와 압축된 공기를 냉각하기 위한 공기냉각기(도시되지 않음)가 더 포 함되기도 한다.

냉각수유동계는 냉각수를 펌핑하여 스텍(10)과 가습기(11)를 경유하여 순환시킬 수 있는 냉각수펌프(40)와, 상기 스텍(10) 및 가습기(11)를 거치면서 스텍(10)을 냉각한 다음 온도가 상승한 고온의 냉각수를 냉각하기 위한 방열기(42) 및 냉각팬(43)과, 그리고, 상기 냉각수펌프(40)와 방열기(42) 사이에서 냉각수온도에 따라 상기 냉각수펌프가 펌핑하는 냉각수를 가습기(40)쪽으로 바이패스시킬 수 있는 전환밸브(41) 등으로 이루어져 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 위와 같은 연료전지의 수소유동계에서 수소탱크(20)에서 배출된 후 감압장치(21)의 감압으로 단열팽창되면서 온도가 떨어진 저온저압의 수소를 이용하여 실내측으로 송풍되는 공기를 냉각하여 실내를 냉방하도록 구성된 것으로서, 열전달매체인 공조용 냉각수를 감압장치(21)에 의해 감압되어 단열팽창된 저온저압의 수소와 열교환시켜 냉각하는 제1열교환기(2)와, 상기 제1열교환기(2)와 함께 공조용 냉각수 순환회로를 이루며 공조장치의 케이스(60) 내 송풍로 상에서 자동차 실내로 송풍되는 공기를 상기 제1열교환기(2)에서 냉각된 순환되는 공조용 냉각수와 열교환시켜 냉각하는 제2열교환기(3), 상기 공조용 냉각수 순환회로 상에서 공조용 열전달매체인 냉각수를 펌핑하는 열전달매체 펌프(1), 그리고, 냉방모드가 선택되지 않은 경우 감압장치(21)에 의해 감압된 수소를 제1열교환기(2)를 거치지 않게 바이패스시키기 위하여 수소공급라인 상의 감압밸브(21)의 하류에 설치되는 전환밸브(4) 등으로 이루어져 있다.

위와 같은 구성에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은, 에어컨이 온(On)되어 냉방모드가 선택되는 경우, 열전달매체 펌프(1)가 가동하면서 공조용 냉각수를 그 순환회로를 따라 제1,2열교환기(2)(3) 사이를 순환시키게 되는데, 이 때 공조용 냉각수가 제1열교환기(2)에서 수소탱크(20)에서 고압상태로 배출된 후 감압장치(21)의 갑압에 따른 단열팽창으로 온도가 급격히 떨어진 상태로 전환밸브(4) 선택에 따라 제1열교환기(2)를 경유하게 되는 저온저압의 수소와 열교환하여 냉각된 다음, 공조용 냉각수 순환회로를 따라 유동하여 제2열교환기(3)에서 블로어(61)에 의해 자동차 실내 각 벤트(64,65)로 송풍되는 공기와 열교환하여 그 공기를 냉각함으로써 자동차 실내를 냉방할 수 있다.

그리고, 에어컨이 오프(Off)되는 비냉방모드에서는 도 3에 도시된 바와 같이 열전달매체 펌프(1)의 가동이 정지되어 공조용 냉각수의 순환이 이루어지지 않으며, 수소탱크(20)로부터 스텍(10)에 공급되는 수소는 감압장치(21)에서 감압된 후 전환밸브(4)의 선택에 따라 제1열교환기(2)를 거치지 않고 곧바로 가습기(11)쪽으로 공급됨으로써 공조용 냉각수와 열교환 없이 가습기(11)에서 가습된 후 스텍(10)에 공급된다.

이러한 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 상술한 바와 같이 별개의 냉동사이클에 의하지 아니하고 저온저압의 상태로 연료전지 스텍(10)에 공급되는 반응 전 수소를 이용하여 자동차 실내를 냉방할 수 있다. 따라서 냉매를 강제로 상변화시키기 위한 압축기나 응축기 등을 구비하는 종래 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템과 비교할 때 구성이 매우 단순한 것은 물론이고 중량과 부피가 매우 작 다는 장점이 있다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템은 연료전지의 스텍에 공급되는 저온저압의 반응 전 수소를 이용하여 냉방할 수 있는 바, 그 구성이 극히 단순하여 제작원가가 저렴하고 중량과 부피가 작아 장착이 매우 용이하다. 뿐만 아니라, 동력 소모량이 적은 데다 중량도 매우 작아 연료전지 자동차의 출력과 연비의 개선에 크게 기여할 수 있다.

Claims

고압 수소를 감압하여 스텍(10)에서 공기에 포함된 산소와 전기화학반응시켜 전기에너지를 발생하도록 이루어진 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 공조장치용 냉방시스템에 있어서,

자동차 실내로 송풍되는 공기를 스텍(10)에 공급되기 전 감압에 따른 단열팽창으로 저온저압의 상태가 된 수소와 열교환시켜 냉각하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 수소와 실내로 송풍되는 공기 사이의 열교환은 열전달매체를 매개로 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 열전달매체는 물인 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 열전달매체를 스텍(10)에 공급되기 전의 저온저압의 수소와 상호 열교환시켜 냉각하는 제1열교환기(2);

상기 제1열교환기(2)와 함께 상기 열전달매체가 순환할 수 있는 열전달매체 순환회로를 이루며, 공조장치 케이스(60) 내 송풍로 상에 설치되어 실내로 송풍되는 공기를 상기 제1열교환기(2)에서 냉각된 열전달매체와 상호 열교환시켜 냉각하는 제2열교환기(3);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 열전달매체 순환회로 상에서 열전달매체를 펌핑하여 상기 제1,2열교환기(2)(3) 사이를 순환시킬 수 있는 열전달매체 펌프(1);를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,

상기 감압장치(21)와 제1열교환기(2) 사이의 수소 공급라인 상에서 에어컨 오프(Off)시 상기 감압장치(21)에서 감압된 수소를 바이패스시켜 상기 제1열교환기(2)를 거치지 않게 할 수 있는 전환밸브(4);를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차 공조장치용 냉방시스템.