KR20080067005A - 연료전지의 냉각시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지의 냉각시스템(100)에는 메인냉각유로(102) 및 냉각제가 유동하는 유로로서, 상기 메인냉각유로(102)와 병렬로 배치되어 동일한 냉각제를 전환시키는 바이패스냉각유로(104)가 제공된다. 라디에이터(110) 및 냉각제순환펌프(WP)(130) 등은 상기 메인냉각유로(102)에 배치된다. 상기 메인냉각유로(102)로부터의 냉각제는 바이패스냉각유로(104)로 들어가, ACP(48) 등의 모터(50)의 케이스를 통해 제2열교환기(120)에 도달한다. 제2열교환기(120)에서는, 냉각제가 메인냉각유로(102)로 되돌아간 후, 공급가스유로(80)와 함께 열교환도 수행된다. 냉각제가 분배되는 방식은 냉각제가 메인냉각유로(102)로부터 전환되는 장소와 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다.

Description

연료전지의 냉각시스템 및 방법{COOLING SYSTEM AND METHOD OF A FUEL CELL}
본 발명은 연료가스를 애노드측에 공급하고 산화가스를 캐소드측에 공급하여 생성되는 전기화학반응에 의해 발전을 행하는 연료전지의 냉각시스템 및 방법에 관한 것이다.
연료전지는 환경에 거의 영향을 받지 않기 때문에 차량에 사용되고 있다. 연료전지는 예컨대 수소와 같은 연료가스를 연료전지스택의 애노드측에 그리고 공기와 같은 산소를 포함하는 산화가스를 캐소드측에 공급하고, 전해질막을 통해 상기 둘 간에 반응을 일으켜 필요한 전력을 얻게 된다. 이러한 반응은 연료전지를 발열시켜 그것을 냉각시키게 되며, 냉각수와 같은 냉각제가 연료전지스택을 통해 순환된 다음, 라디에이터 등에 의해 냉각된다. 시동 시 차가운 연료전지를 워밍업하기 위하여, 예컨대 히터에 의해 적절한 온도로 냉각제가 가열된다. 이러한 방식으로, 냉각제는 연료전지스택을 통해 순환되고, 그 온도가 조정된다.
또한, 에어컴프레서(ACP)와 같은 가스컴프레서는 연료전지스택의 캐소드측으로 공급되는 산화가스를 적절하게 가압하는 데 사용된다. ACP가 작동함에 따라, 발열도 일어나므로, 인터쿨러라고 하는 열교환기에 의해 냉각된다. 또한, 차량에는 캐빈을 공조(air-conditioning)하기 위한 열교환기도 제공된다. 이러한 방식으로, 차량에는 상이한 목적을 위해 다양한 열교환기가 제공되어, 그 공유 사용을 고려하는 것이 합리적일 것이다.
예를 들어, 일본특허출원공보 제JP-A-2005-79007호는 연료전지의 캐소드측에 제공되는 가습기로부터 불충분한 습도를 조성하는 데 도움을 주면서도 클로깅(clogging)을 방지하는 연료전지시스템을 개시하고 있다. 여기서, 캐소드공급가스를 냉각시키기 위한 냉각제와 연료전지스택을 냉각시키기 위한 냉각제 양자 모두가 공유되며, 상기 캐소드공급가스 및 연료전지스택을 냉각시키기 위한 열교환기가 냉각제유로에 의해 일렬로 연결된다. 연료전지의 온도가 높은 지 혹은 낮은 지의 여부에 따라 냉각제 유동 방향을 변경시키는 2개의 3원밸브가 상기 냉각제유로 중간쯤에 배치된다.
또한, PCT 출원의 공개된 일본국제출원 제2005-514261호에는 외부 온도가 낮을 때 불충분한 열을 용이하게 보상하고, 외부 온도가 높을 때에는 연료전지장치의 충분한 냉각과 쾌적한 공조 양자 모두를 가능하게 하는 가열원 및 공조장치로서 연료전지를 구비한 차량을 가열 및 냉각시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 공보에 개시된 기술에 따르면, 공통 냉각제가 가열원을 냉각시키고 차량에 공조를 제공하는 데 사용되므로 단 하나의 냉각제회로가 사용되게 된다. 이러한 냉각제회로는 분기점에서 제1서브회로와 제2서브회로로 분기된다. 제1서브회로는 냉각제를 연료전지장치에 분배하는 한편, 제2서브회로는 차량의 공조장치에 냉각제를 분배한다. 이들 장치를 통한 순환 이후, 상기 분배된 냉각제들은 다시 합류점에서 서로 병합된다. 즉, 상기 연료전지장치의 열교환기와 상기 공조장치의 열교환기가 단일 루프에 서 일렬로 배치된다.
관련 기술에 있어서, 이들 열교환기를 독립적으로 제어할 때, 냉각제회로와 그 제어는 불편하게 서로 독립적이다. 연료전지스택의 냉각시스템과 캐소드공급가스의 냉각시스템이 독립적으로 제어되는 경우, 연료전지스택으로 들어가는 캐소드공급가스의 온도는 상기 캐소드공급가스의 냉각시스템에 의해 결정되고, 상기 연료전지스택을 빠져 나가는 캐소드공급가스(소위 캐소드오프가스)의 온도는 대부분 연료전지스택의 냉각시스템에 의해 결정된다. 이들 두 냉각시스템들이 서로 독립적으로 제어된다면, 연료전지스택에 들어가는 캐소드공급가스의 온도와 캐소드오프가스의 온도간의 온도차가 너무 크게 될 수도 있어, 다음과 같은 문제점들을 초래할 수도 있다.
예를 들어, 캐소드공급가스를 적절하게 가습하고 상기 가습된 가스를 연료전지스택에 공급하도록 연료전지스택과 병렬로 가습기가 제공되지만, 상기 가습기의 양 단간의 온도차가 너무 커질 수도 있다. 사용된 가습기는 잘 알려진 튜브형 구조를 가질 수도 있지만, 상기 가습기의 양 단간의 온도차가 너무 커지면, 이러한 튜브형 구조는 손상을 입어 충분히 작동하지 못하게 될 수도 있다. 따라서, 연료전지의 열교환기 각각에 대하여 서로 독립적인 냉각제회로 및 그 제어를 구비함으로써, 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 냉각제의 비효율적 사용 및 상술된 것과 같은 문제점들을 유발할 수도 있다.
일본특허출원공보 제JP-A-2005-79007호 및 PCT 출원의 공개된 일본국제출원 제2005-514261호에는 캐소드공급가스를 냉각시키기 위한 냉각제와 연료전지스택을 냉각시키기 위한 냉각제를 공유하고, 상기 연료전지, 즉 가열원을 냉각시키기 위한 공통 냉각제를 사용하며, 차량의 캐빈에 공조를 제공하는 관련 기술이 개시되어 있다. 이들 기술들에 의하면, 연료전지스택 및 냉각용 또다른 열교환기가 냉각제유로에 일렬로 배치되어, 동일한 냉각제가 공유된다. 그 결과, 연료전지스택의 온도 조절과 캐소드공급가스 및 차량 캐빈의 온도 조절이 독립적이다. 이에 따라, 냉각제가 이들 기술에서 보다 효율적으로 사용되더라도, 각각의 온도가 독립적으로 제어될 수는 없다. 따라서, 각각의 냉각시스템이 독립적으로 제어될 때에는 사실상 온도를 적절하게 조절하는 것이 곤란하다.
이러한 방식으로, 당업계에서는, 연료전지스택의 온도 조절과 캐소드공급가스 및 차량 캐빈의 온도 조절이 협력 제어되지 못하고 있는 실정이다.
상기 문제점들을 고려하여, 본 발명은 연료전지스택의 냉각시스템과 또다른 열교환시스템을 협력 제어하는 연료전지의 냉각시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는 연료가스를 애노드측으로 공급하고 산화가스를 캐소드측으로 공급하여 생성되는 전기화학반응에 의해 발전을 행하는 연료전지의 냉각시스템에 관한 것으로, 냉각제가 연료전지스택과 라디에이터 사이에서 순환하는 냉각유로, 및 상기 연료전지스택과 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된(diverted) 냉각제를 사용하는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 또다른 실시형태는 연료가스를 애노드측으로 공급하고 산화가스를 캐소드측으로 공급하여 생성되는 전기화학반응에 의해 발전을 행하는 연료전지의 냉각시스템에 관한 것으로, 냉각제가 연료전지스택과 라디에이터 사이에서 순환하는 냉각유로, 및 상기 라디에이터와 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제를 사용하는 제2열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2열교환기는 산화가스를 공급하기 위한 가스컴프레서의 냉각장치로서의 역할을 할 수도 있다.
또한, 상기 연료전지는 차량에 탑재된 차량용 연료전지일 수도 있고, 차량 캐빈을 공조시키기 위한 공조열교환기가 상기 연료전지스택과 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제가 상기 공조열교환기에서 사용될 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 및 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 포함할 수도 있다. 상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치될 수도 있고, 상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 이용할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 및 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 포함할 수도 있다. 상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 제2열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 이용할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 및 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 포함할 수도 있다. 상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 상류와 상기 라디에이터의 하류에 배치될 수도 있고, 상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 이용할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 및 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 포함할 수도 있다. 상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치될 수도 있고, 상기 공조열교환기는 상기 가습기의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로부터 취한 냉각제를 이용할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 및 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 포함할 수도 있다. 상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 공조열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 이용할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기, 및 상기 냉각유로에서 상기 제2열교환기로 냉각제를 전환시키는 바이패스유로의 입구와 출구 중 하나 이상의 위치를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 포함할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 또한 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프, 상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기, 및 상기 냉각유로에서 상기 공조열교환기로 냉각제를 전환시키는 바이패스유로의 입구와 출구 중 하나 이상의 위치를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 포함할 수도 있다.
상기 연료전지의 냉각시스템은 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 제1냉각제순환펌프, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제가 유동하는 바이패스유로로서, 상기 공조열교환기, 히터 및 제2냉각제순환펌프가 배치되는 공조바이패스유로, 상기 공조바이패스유로와 병렬로 배치된 순환유로, 및 상기 공조바이패스유로와 상기 냉각유로간의 연결 및 상기 공조바이패스유로와 상기 순환유로간의 연결을 스위칭하기 위한 공조바이패스스위칭수단을 포함할 수도 있다.
또한, 상기 공조바이패스스위칭수단은 상기 공조바이패스유로와 상기 순환유로가 폐루프로 연결되어 상기 냉각유로로부터 컷오프되는 폐루프연결과, 상기 공조바이패스유로와 상기 냉각유로가 직접 연결되어 상기 순환유로로부터 컷오프되는 직접연결간의 연결을 스위칭할 수도 있다.
상기 제2순환펌프는 상기 냉각제의 유량이 낮을 때 상기 제1순환펌프보다 효율이 좋게 운전되는 펌프일 수도 있고, 상기 연료전지의 운전 상태에 따라 서로 연계하여 상기 제1순환펌프의 운전 및 상기 제2순환펌프의 운전을 제어하기 위해 펌프운전제어수단이 추가로 제공될 수도 있으며, 상기 연료전지가 저부하 하에 운전되고 있는 경우에는, 상기 제1순환펌프의 운전을 정지시키고, 상기 제2순환펌프를 이용하여 냉각제를 상기 연료전지스택으로 순환시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 연료전지의 냉각시스템은 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 포함할 수도 있고, 상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 상류와 상기 연료전지스택의 하류로부터 냉각제를 흡인하여, 냉각제를 상기 라디에이터의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로 복귀시킬 수도 있다.
또한, 본 발명의 연료전지의 냉각시스템은 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 포함할 수도 있고, 상기 제2열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로부터 냉각제를 흡인할 수도 있다.
또한, 본 발명의 연료전지의 냉각시스템은 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 포함할 수도 있고, 상기 공조열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로부터 냉각제를 흡인할 수도 있다.
또한, 본 발명의 연료전지의 냉각시스템은 상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 포함할 수도 있고, 상기 공조열교환기는 상기 연료전지스택의 하류와 상기 라디에이터의 상류로부터 냉각제를 흡인할 수도 있다.
[본 발명의 효과]
1이상의 상기 구조들은 연료전지스택과 라디에이터간에 냉각제가 순환하는 냉각유로, 및 연료전지스택과 병렬로 제공되어 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제를 이용하는 제2열교환기를 포함한다. 또한, 1이상의 상기 구조들은 연료전지스택과 라디에이터간에 냉각제가 순환하는 냉각유로, 및 라디에이터와 병렬로 제공되어 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제를 이용하는 제2열교환기를 포함한다. 그러므로, 냉각제가 연료전지스택과 제2열교환기간에 공유되게 된다. 라디에이터를 통과하는 주냉각유로 및 제2열교환기를 통과하는 바이패스냉각유로는 서로 평행하기 때문에, 연료전지스택냉각시스템과 제2열교환기시스템이 분배비(즉, 바이패스냉각유로를 통과하는 냉각제에 대한 주냉각유로를 통과하는 냉각제의 비)를 제어하여 협력 제어될 수 있다. 상기 분배비는 또한 주냉각유로와 바이패스냉각유로간의 유로저항비, 냉각제공급펌프가 배치되는 위치 및 냉각제순환펌프가 배치되는 위치를 설정하거나 변경하여 제어될 수도 있다. 대안적으로, 상기 분배비는 분배비를 제어하는 제어밸브를 이용하여 냉각제의 양을 결정함으로써 제어될 수도 있다. 상기 유로저항비는 또한 바이패스냉각유로가 주냉각유로로부터 분리되는 장소와 상기 유로의 형상 등에 따라 설정될 수도 있다.
또한, 상기 제2열교환기는 산화가스를 공급하기 위한 가스컴프레서의 냉각장치로서의 역할도 한다. 그러므로, 연료전지스택냉각시스템 및 산화가스를 공급하기 위한 가스컴프레서의 냉각시스템이 조합되어 협력 제어될 수 있다.
더욱이, 차량 캐빈을 공조시키기 위한 공조열교환기가 연료전지스택과 병렬로 제공되어, 냉각유로 내의 냉각제가 전환된다. 그러므로, 연료전지스택냉각시스템 및 차량캐빈공조시스템이 조합되어 협력 제어될 수 있다. 또한, 연료전지스택냉각시스템, 산화가스를 공급하기 위한 가스컴프레서의 냉각시스템 및 차량캐빈공조시스템 모두 조합되어 협력 제어될 수 있다.
또한, 연료전지의 냉각시스템에 있어서, 냉각제의 분배비는 냉각시스템의 구조, 특히 순환펌프가 배치되는 위치에 따라 다르다. 그러므로, 냉각시스템의 구조는 연료전지스택, 제2열교환기 및 공조열교환기 가운데 냉각제가 얼마나 분배되느냐에 따라 선택될 수 있다.
1이상의 상기 구조들에 따르면, 가습기가 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류에 배치되고, 제2열교환기는 라디에이터의 하류와 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 사용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양) + (가습기를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, (가습기를 통과하는 냉각제의 양)이 감소된다면, 냉각제의 상당량이 연료전지스택으로 공급될 수 있다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 가습기가 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류에 배치되고, 제2열교환기는 냉각제순환펌프의 하류와 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 사용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양) + (가습기를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 최대량의 냉각제가 라디에이터로 공급될 수 있다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 가습기가 냉각제순환펌프의 상류와 라디에이터의 하류에 배치되고, 제2열교환기는 라디에이터의 하류와 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 사용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) + (가습기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 최대량의 냉각제가 연료전지스택으로 공급될 수 있다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 냉각제순환펌프가 냉각유로에 일렬로 배치되고, 가습기는 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류에 배치되며, 공조열교환기는 가습기의 하류와 연료전지스택의 상류로부터 취한 냉각제를 사용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (가습기를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 공조열교환기로 공급될 수 있는 한편, 적절한 양의 냉각제가 연료전지스택으로 공급된다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 냉각제순환펌프가 냉각유로에 일렬로 배치되고, 가습기는 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류에 배치되며, 공조열교환기는 라디에이터의 하류와 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 사용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (가습기를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 다른 요소들로 공급될 수 있는 한편, 상당량의 냉각제가 연료전지스택으로 공급된다.
더욱이, 냉각제를 냉각유로에서 제2열교환기로 전환시키는 바이패스유로의 입구 및 출구의 위치를 스위칭하기 위해 바이패스장소스위칭수단이 제공된다. 그러므로, 예컨대 연료전지스택의 운전 상태에 적절한 냉각제의 양이 상기 연료전지스택의 운전 상태에 따라 바이패스 위치를 스위칭함으로써 연료전지스택으로 공급될 수 있게 된다.
또한, 냉각제를 냉각유로에서 공조열교환기로 전환시키는 바이패스유로의 입구 및 출구의 냉각유로 내의 위치를 스위칭하기 위해 바이패스장소스위칭수단이 제공된다. 그러므로, 차량 캐빈의 온도에 적절한 냉각제의 양이 상기 차량 캐빈의 온도 등에 따라 바이패스 위치를 스위칭함으로써 공조열교환기로 공급될 수 있게 된다.
또한, 공조열교환기, 히터 및 제2냉각제순환펌프가 배치되는 공조바이패스유로 뿐만 아니라 상기 공조바이패스유로와 병렬로 배치되는 순환유로가 제공되며, 상기 공조바이패스유로와 냉각유로간의 연결 뿐만 아니라 공조바이패스유로와 순환유로간의 연결은 냉각제를 냉각유로에서 공조열교환기로 전환할 때 스위칭된다. 그 결과, 연료전지스택을 냉각시키는 것과 관련된 공조바이패스유로와 냉각유로간의 연결이 협력적으로 또는 독립적으로 스위칭될 수 있게 되어, 냉각시스템의 자유도를 증가시킨다. 예를 들어, 연료전지스택이 차가울 때에는 공조바이패스유로로 차가운 냉각제가 유동하는 것을 막을 수 있고, 연료전지스택이 워밍업된 후에는 따뜻한 냉각제가 공조열교환기로 공급될 수 있다.
또한, 상기 공조바이패스유로는 냉각유로로부터 컷오프되어 순환유로와 폐루프로 연결될 수 있다. 상기 공조바이패스유로는 또한 순환유로로부터 컷오프되어 냉각유로에 직접 연결될 수도 있다. 전자의 연결은 냉각제를 공조열교환기와 히터 사이에서만 순환시키므로, 차량 캐빈이 독립적으로 워밍업될 수 있게 된다. 후자의 연결은 냉각제를 냉각제유로에 의해 협력적으로 공유시킬 수 있다.
또한, 제2순환펌프는 제1순환펌프보다 유량이 적게 보다 효율적으로 운전된다. 그러므로, 연료전지가 저부하 하에 동작되는 경우, 제1순환펌프가 정지되어 냉각제가 제2순환펌프를 이용하여 연료전지스택으로 순환된다. 연료전지스택이 저부하 하에 동작되는 경우에는, 라디에이터에 의해 냉각될 필요가 없으므로, 종종 냉각제를 저유량으로 순환시키기에 충분하다. 이 경우, 제2순환펌프를 이용하여 전력을 덜 사용함으로써, 전체 시스템의 연료소비성능을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 제2열교환기가 라디에이터의 상류와 연료전지스택의 하류로부터 취한 냉각제를 이용하고, 상기 라디에이터의 하류와 연료전지스택의 상류로 복귀된다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 상당량의 냉각제가 연료전지스택으로 공급될 수 있다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 제2열교환기가 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류로부터 취한 냉각제를 이용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 최대량의 냉각제가 라디에이터로 공급될 수 있다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 냉각제순환펌프가 냉각유로에 일렬로 배치되고, 공조열교환기는 냉각제순환펌프의 하류와 연료전지스택의 상류로부터 취한 냉각제를 이용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 공조열교환기로 공급될 수 있는 한편, 적절한 양의 냉각제가 연료전지스택으로 공급된다.
또한, 1이상의 상기 구조들에 따르면, 냉각제순환펌프가 냉각유로에 일렬로 배치되고, 공조열교환기는 연료전지스택의 하류와 라디에이터의 상류로부터 취한 냉각제를 이용한다. 이러한 구조에 따르면, (라디에이터를 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 여타의 요소들로 공급될 수 있는 한편, 상당량의 냉각제가 연료전지스택으로 공급되게 된다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지의 냉각시스템은 연료전지스택냉각시스템과 또다른 열교환시스템을 협력 제어시킬 수 있다.
본 발명의 상기 목적과 추가 목적, 특징 및 장점들은 동일한 부호들이 동일한 요소들을 나타내는 데 사용된 첨부도면들을 참조하여 후술하는 바람직한 실시예들의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템이 적용된 연료전지운전시스템의 블럭도;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템의 구조를 도시한 도면;
도 3은 제1실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템의 변형예를 도시한 도면;
도 4는 제1실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템의 또다른 변형예를 도시한 도면;
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 공조열교환기에 의한 협력 제어를 예시한 도면;
도 6은 제2실시예에 따른 공조열교환기에 의한 협력 제어의 변형예를 도시한 도면;
도 7은 제2실시예에 따른 공조열교환기에 의한 협력 제어의 또다른 변형예를 도시한 도면;
도 8은 도 7에 도시된 변형예에서의 공조바이패스유로연결의 일례를 도시한 도면;
도 9는 도 7에 도시된 변형예에서의 공조바이패스유로연결의 또다른 예시를 도시한 도면;
도 10은 도 7에 도시된 변형예에서의 순환펌프의 운전을 예시한 도면;
도 11은 또다른 실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템의 구조를 도시한 도면;
도 12는 또다른 실시예를 도시한 도면;
도 13은 또다른 실시예를 도시한 도면;
도 14는 공조열교환기에 의한 협력 제어의 또다른 실시예를 도시한 도면;
도 15는 공조열교환기에 의한 협력 제어의 또다른 실시예를 도시한 도면;
도 16은 공조열교환기에 의한 협력 제어의 또다른 실시예를 도시한 도면;
도 17은 도 16에 도시된 실시예의 공조바이패스냉각유로의 연결 상태의 일례를 도시한 도면;
도 18은 도 16에 도시된 실시예의 공조바이패스냉각유로의 연결 상태의 또다른 예시를 도시한 도면; 및
도 19는 도 16에 도시된 실시예의 순환펌프의 운전을 예시한 도면이다.
후술하는 상세한 설명과 첨부도면들에서는, 예시적인 실시예들을 통해 보다 상세히 본 발명을 설명하기로 한다. 후술하는 연료전지의 냉각시스템은 연료전지운전시스템에 적용되는 것이다. 그러므로, 연료전지운전시스템의 구조를 먼저 설명한 다음 냉각시스템을 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템이 적용된 연료전지운전시스템(10)의 블럭도이다. 상기 연료전지운전시스템(10)은 시스템메인부(20) 및 상기 시스템메인부(20)의 각종 요소들을 전체 시스템으로서 제어하는 제어부(70)를 포함한다.
상기 시스템메인부(20)는 서로 적층된 개별적인 복수의 연료전지로 이루어진 연료전지스택(22)이라 불리우는 연료전지본체, 상기 연료전지스택(22)의 애노드측에 배치되는 수소가스를 공급하기 위한 각종 요소 및 상기 연료전지스택(22)의 캐소드측에 배치되는 공기를 공급하기 위한 각종 요소들을 포함한다.
연료가스로서 수소를 공급하는 탱크인 애노드측수소가스공급원(24)이 제공된다. 이러한 수소가스공급원은 수소가스공급원(24)으로부터 공급되는 가스의 유량과 압력을 적절하게 조절하는 역할을 하는 레귤레이터(26)에 연결된다. 압력게이지(28)는 상기 레귤레이터(26)의 출구에 제공된다. 이러한 압력게이지(28)는 공급되는 수소의 압력을 검출하기 위한 측정기계이다. 상기 레귤레이터(26)의 출구는 연료전지스택(22)의 애노드측의 입구에 연결되어, 적절한 압력과 유량으로 조절된 연료가스가 연료전지스택(22)으로 공급되도록 한다.
연료전지스택(22)의 애노드측 출구로부터 배출되는 가스는 수소가 발전을 위해 소비되기 때문에 수소 함유량이 적고, MEA(Membrane Electrode Assembly)를 통해 침투하는 캐소드측 공기의 성분인 질소가스로 인하여 불순물 가스 함유량이 많 다. 반응 생성물인 물도 MEA를 통해 침투한다.
연료전지스택(22)의 애노드측 출구에 연결되는 유동전환장치(flow diverter; 32)는, 애노드측 출구로부터 배출되는 가스 내의 불순물 가스 함유량이 높아질 때, 배출 가스를 가스방출밸브(34)를 통해 감쇠기(64)로 전환시킨다. 이 때 배출되는 가스는 질소 이외에 반응 생성물인 물도 포함하는 수소 가스이다. 또한, 순환압력증가장치(30)는 유동전환장치(32) 뒤에, 그리고 그것과 애노드측 입구 사이에 제공된다. 이러한 순환압력증가장치(30)는 애노드측 출구로부터 되돌아가는 가스 내의 수소의 부분 압력을 증가시키는 수소펌프로서, 상기 수소를 다시 애노드측 입구로 복귀시켜, 그것을 재사용하게 된다.
캐소드측산소공급원(40)은 실제로 주변 공기를 이용할 수 있다. 이러한 산소공급원(40)으로부터의 주변 공기(즉, 가스)는 필터(42)를 통해 캐소드측으로 공급된다. 유량계(44)는 산소공급원(40)으로부터 공급되는 가스의 총 유량을 검출하는 필터(42) 뒤에 제공된다. 온도게이지(46) 또한 산소공급원(40)으로부터 밖으로 유동하는 가스의 온도를 검출하는 필터(42) 뒤에 제공된다.
에어컴프레서(ACP)(48)는 모터(50)를 이용하여 공급 가스를 부피적으로 압축시켜 상기 공급 가스의 압력을 증가시킨다. 또한, ACP(48)는 소정량의 공급 가스를 공급하기 위하여 제어부(70)의 제어 하에 그 속도(즉, 분당 회전수)를 변화시킨다. 즉, 큰 공급가스유량이 필요한 경우, 모터(50)의 속도가 증가된다. 이와는 대조적으로, 적은 공급가스유량이 필요한 경우에는, 모터(50)의 속도가 감소된다. ACP(48)의 전력 소비, 또는 보다 구체적으로는 모터(50)의 전력 소비를 검출하는 측정장치인 ACP전력소비검출부(52)가 제공된다. 상기 모터(50)는 운전이 빠를 수록 더 많은 전력을 소비하고, 보다 느리게 운전되면 전력도 덜 소비된다. 그러므로, 전력 소비는 모터 속도 또는 공급가스유량과 밀접한 관계에 있다.
ACP(48)는 이러한 방식으로 제어부(70)의 제어 하에 산소를 포함하는 공기를 연료전지스택(22)의 캐소드측으로 공급하기 때문에, 이하 산소를 포함하는 공기를 캐소드측공급가스 또는 간단히 공급가스라고 하기로 한다. 그러므로, 산소공급원(40)으로부터 ACP(48)로의 요소들은 산소공급장치라고 명명할 수 있다.
가습기(54)는 연료전지스택(22) 내의 연료전지반응이 효율적으로 일어나도록 공급가스를 적절하게 가습시킨다. 그 후, 가습기(54)에 의해 적합하게 가습된 공급가스는 연료전지스택(22)의 캐소드측 입구로 공급되어, 상기 캐소드측 출구로부터 배출된다. 이 때, 반응 생성물인 물 또한 배출 가스와 함께 배출된다. 연료전지스택(22)의 온도는 반응으로 인해 상승하고, 그렇게 됨에 따라, 배출되는 물이 수증기로 변하게 된다. 이러한 수증기는 그 후에 가습기(54)로 공급되어, 공급가스를 적절하게 가습시키는 데 사용된다. 이러한 방식으로, 상기 가습기(54)는 수증기로부터 공급가스로 적절하게 수분을 제공하는 역할을 하므로, 소위 인-에어(in-air) 시스템을 이용하는 가스교환기로서 사용될 수 있게 된다. 즉, 가습기(54)는 ACP(48)로부터의 가스가 유동하는 유로와 수증기가 유동하는 유로간의 가스 교환을 수행할 수 있는 구조로 되어 있다. 예를 들어, ACP(48)로부터의 공급가스가 유동하는 유로를 인-에어 시스템의 내부 유로로 만들고, 연료전지스택(22)의 캐소드측 출구로부터의 수증기가 유동하는 유로를 인-에어 시스템의 외부 유로로 만듦으로써, 상기 연료전지스택(22)의 캐소드 입구로의 공급가스가 적절하게 가습화될 수 있게 된다.
여기서, 상술된 산소공급장치들을 상기 연료전지스택(22)의 캐소드측 입구와 연결시키는 유로를 입구측 유로라고 하기로 한다. 이에 대응하여, 상기 연료전지스택(22)의 캐소드측 출구로부터 배출측에 연결되는 유로를 출구측 유로라고 하기로 한다.
출구측 유로의 캐소드측 출구에 제공되는 압력게이지(56)는 캐소드측 출구에서의 가스 압력을 검출한다. 또한, 출구측 유로에 제공되는 백압력밸브라고도 하는 압력조절밸브(60)는 캐소드측 출구에서의 가스 압력을 조절하여 연료전지스택(22)에 대한 공급가스의 유량을 조절한다. 본 명세서에 사용된 밸브는 예컨대 버터플라이밸브와 같은 유로의 효과적인 개구부를 조정할 수 있는 것이다.
압력조절밸브(40)의 출구는 가습기(54)에 연결된다. 그러므로, 상기 가스가 압력조절밸브(60)를 통과하여 수증기를 가습기(54)로 공급한 후, 감쇠기(64)로 들어간 다음, 시스템 외부로 배출된다.
바이패스밸브(62)는 입구측 유로를 출구측 유로와 연결시키는 바이패스유로에 제공되어, 연료전지스택(22)과 병렬로 배치된다. 이러한 바이패스밸브(62)는 주로 배출 가스 내의 수소 함유량을 감쇠하기 위한 공기를 감쇠기(64)로 공급한다. 즉, 바이패스밸브(62)가 개방되면, 연료전지스택(22)으로 유동하는 성분과 별도로, 상기 연료전지스택(22)을 통과하지 않으면서도, ACP(48)로부터의 공급가스가 상기 바이패스유로를 통해 감쇠기(64)로 공급된다. 이러한 바이패스밸브(62)는 엔진으로 부터 배기가스를 감쇠시키는 데 사용되는 배기바이패스밸브와 동일한 구조를 가질 수도 있다. 이러한 배기가스바이패스밸브는 EGR 밸브라고도 한다.
상기 감쇠기(64)는 애노드측 가스방출밸브(34)로부터 수소를 함유하는 배출수 뿐만 아니라 캐소드측으로부터의 수증기와 MEA를 통해 누출된 수소를 함유하는 배출가스를 수집하고, 수소 함유량을 적절하게 한 다음, 시스템 외부로 배출시키는 버퍼컨테이너이다. 수소 함유량이 적절한 레벨을 초과하면, 바이패스밸브(62)가 개방되어, 연료전지스택(22)을 통해 제공되지 않는 공급가스를 적절하게 이용하여 감쇠가 수행될 수 있도록 한다.
상기 제어부(70)는 전체 시스템으로서 시스템메인부(20)의 각종 요소들을 제어하고, 연료전지CPU 라고 명명할 수도 있다. 예를 들어, 상기 제어부(70)는 연료전지의 운전 상태에 따라 압력조절밸브와 바이패스밸브를 협력 제어한다. 상기 제어부(70)는 또한 연료전지스택(22), ACP(48) 및 캐소드측 공급 가스 등을 적절한 온도로 유지시키기 위하여 냉각시스템을 제어하기도 한다(후술함). 이러한 기능들은 소프트웨어로 실현될 수 있다. 보다 상세하게, 이러한 기능들은 대응하는 연료전지운전프로그램, 연료전지냉각프로그램 등을 실행하여 실현될 수 있다. 이러한 기능들 중 일부는 하드웨어로 실현될 수도 있다.
이러한 종류의 연료전지운전시스템(10)에서는, 연료가스와 공급가스간의 반응에 의하여 연료전지스택(22)이 열을 발생시킨다. 또한, ACP(48)가 운전되고 있을 때에도 모터(50) 등에 의해 열이 발생하기도 한다. 더욱이, 연료전지스택(22)의 캐소드측으로 공급되는 공급가스는 적절한 온도인 것이 바람직하다. 또한, 차량 캐빈 을 공조시키기 위한 공조시스템이 제공될 수 있는 경우에도, 상기 연료전지운전시스템(10)이 차량에 탑재되면, 예컨대 캐빈이 차가울 때 캐빈을 적절한 온도로 신속하게 올리기 위해서는, 가능하다면 연료전지스택(22)으로부터의 폐기열을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 연료전지운전시스템(10)을 조성하는 요소들의 온도가 조절, 즉 냉각되어야만 하는 데, 이것이 연료전지의 냉각시스템이 제공되는 이유이다.
하기 설명에서는, 라디에이터를 이용하여 연료전지스택을 냉각시키는 냉각제가 통과하는 냉각유로를 메인냉각유로라고 하며, 냉각제의 유동을 전환하여 상기 메인냉각유로와 병렬로 진행하는 냉각유로를 바이패스냉각유로라고 하기로 한다. ACP(48)를 냉각시키기 위한 열교환기 및 캐빈을 공조시키는 데 사용되는 열교환기는 바이패스냉각유로에 제공된 열교환기들로 설명하기로 한다. 상기 라디에이터는 제1열교환기로 간주되므로, ACP(48)를 냉각시키는 열교환기를 제2열교환기라고 하며, 캐빈을 공조시키는 데 사용되는 열교환기를 공조열교환기라고 하기로 한다. 이 경우 제2열교환기는 전환된 냉각제를 이용하여 열교환을 수행함으로써 냉각시스템으로서 ACP(48)를 독립적으로 냉각시키기 위한 인터쿨러와 조합될 수도 있다. 물론, 상기 인터쿨러는 여타의 요소들을 냉각시키는 데 사용되는 제2열교환기 및 독립적인 냉각시스템으로서 남겨질 수도 있다.
도 2는 연료전지의 냉각시스템(100)의 구조를 도시한 도면이다. 이 도면은 연료전지운전시스템의 캐소드측 냉각시스템을 보여준다. ACP(48)로부터 가습기(54)를 통해 연료전지스택(22)으로 들어간 다음, 상기 연료전지스택(22)을 빠져 나가는 공급가스용 유로(80)가 얇은 선으로 도시되어 있는 한편, 냉각제가 통과하는 유로는 볼드선으로 도시되어 있다. 연료전지의 냉각시스템(100)에는 냉각제가 통과하는 유로, 즉 메인냉각유로(102) 및 상기 메인냉각유로(102)와 병렬로 배치되어 동일한 냉각제를 전환시키는 바이패스냉각유로(104)가 제공된다. 주로 물인 LCC(Long Life Coolant) 등이 냉각제로 사용될 수 있다.
메인냉각유로(102)에는 냉각팬을 구비한 라디에이터(110), 가열을 위한 히터(112), 상기 히터(112)로 냉각제를 적절하게 전환시키는 3원밸브(114) 및 냉각제를 순환시키기 위한 순환펌프(WP)가 배치된다. 메인냉각유로(102)를 통과하는 냉각제는 라디에이터(110)와 연료전지스택(22) 사이를 순환하고, 따뜻하거나 뜨거운 연료전지스택(22)으로부터 열을 제거한 다음, 상기 라디에이터(110)에 의해 냉각되어, 다시 연료전지스택(22)으로 되돌아간다. 또한, 가습기(54)는 연료전지스택(22)의 캐소드측으로 산화가스를 공급하는 연료전지스택의 캐소드측 입구와 가스가 배출되는 연료전지스택의 캐소드측 출구 양자 모두와 병렬로 배치되고, 상술된 바와 같이, 메인냉각유로(102)에 의해 냉각되기도 한다.
바이패스냉각유로(104)는 메인냉각유로(102)에 병렬로 배치된다. 이러한 바이패스냉각유로(104) 내의 냉각제는 냉각제가 라디에이터(110)로부터 연료전지스택(22)을 향해 통과하는 메인냉각유로(102)의 공급측 유로로부터 취해져, 냉각제가 연료전지스택(22)으로부터 라디에이터(110)를 향해 통과하는 메인냉각유로(102)의 배출측 유로로 되돌아간다. 상기 바이패스냉각유로(104)는 ACP(48)로부터 가습기(54) 및 연료전지스택(22)으로 공급되는 압축된 공급 가스의 유로(80)와 열교환 을 행하는 제2열교환기(120)를 통해 상기 ACP(48)의 모터(50)의 케이스 등으로 유도된 다음 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 이에 따라, 상기 제2열교환기(120)는 ACP(48)의 모터(50)로부터 열을 제거하고, 공급 가스의 온도를 조절하기도 한다. 이러한 기능은 또한 인터쿨러로 언급되는 독립적인 냉각시스템에 의해 실행될 수도 있지만, 도 2에 도시된 구조에 있어서는, 상기 인터쿨러의 기능이 상기 라디에이터(110)로부터 연료전지스택(22)으로 연장되는 냉각시스템 및 냉각제에 의해 공유된다.
여기서, 순환펌프(130)는 가습기의 상류측과 냉각제가 바이패스냉각제유로(104)로 들어가는 장소의 하류측에 있는 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 제공된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 가습기(54)는 순환펌프(130)의 하류와 연료전지스택(22)의 상류에 배치되고, 열교환기(120)에 의해 사용되는 냉각제는 라디에이터(110)의 하류와 순환펌프(130)의 상류로부터 취해진다. 즉, 냉각제는 순환펌프(130)의 상류에서 라디에이터(110) 및 제2열교환기(120)를 통과하고, 순환펌프(130)의 하류에서 가습기(54) 및 연료전지스택(22)을 통과한다.
이에 따라, 이러한 구조에 의하면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양) + (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양)이 적으면, 매우 많은 대량의 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있다. 연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양에 대한 가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양의 비는 상기 둘의 유로저항의 퍼센트 등으로 결정될 수 있다. 예를 들어, (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양) : (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양)의 비가 2 : 98 인 경우에는, 냉각제 총량의 98% 가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있다. 그 결과, 연료전지스택(22)의 온도가 너무 높아지게 되면, 열이 라디에이터(110)측으로 급속하게 제거될 수 있게 된다. 또한, (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양)에 대한 (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양)의 비는 이들 둘의 유로저항의 퍼센트 등으로 결정될 수도 있다. 대안적으로, 이들을 통과하는 냉각제의 양은 분배비를 제어하는 제어밸브를 이용하여 결정될 수 있으며, 상기 라디에이터(110) 및 제2열교환기(120)가 협력하여 운전될 수 있다.
또한, 바이패스냉각유로(104)는 제2열교환기(120)로부터 배출되는 냉각제의 온도와 연료전지스택(22)으로부터 배출되는 냉각제의 온도간의 차이를 줄일 수 있는 메인냉각유로(102)와 병렬로 제공된다. 전자는 가습기(54)의 공급가스 입구측에서의 공급가스온도를 형성하고, 후자는 가습기(54)의 공급가스출구의 온도를 형성한다. 그러므로, 가습기(54)의 가스 입구 양 단간의 온도 차이가 감소될 수 있어, 인-에어 타입의 구조가 사용되더라도 두 단간의 온도의 차이로 인한 손상이 억제될 수 있게 된다.
연료전지의 냉각시스템에 있어서, 냉각제가 분배되는 방식은 바이패스냉각유로가 메인냉각유로로부터 분리되는 장소와 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다. 도 3은 제1실시예의 변형예에 따라 최대량의 냉각제를 라디에이터(110)로 전달할 수 있는 연료전지의 냉각시스템(140)의 구조를 도시한 도면이다. 도 2와 동일 한 요소들인 상기 도면 내의 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 이들 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3에 도시된 연료전지의 냉각시스템(140)에서는, 냉각제가 바이패스냉각유로(144)로 전환되는 위치의 상류와 라디에이터(110)의 하류에서 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 순환펌프(130)가 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가습기(54)는 순환펌프(130)의 하류와 연료전지스택(22)의 상류에 배치되고, 제2열교환기(120)에 의해 사용되는 냉각제는 라디에이터(110) 및 순환펌프(130)의 하류와 가습기(54)의 상류로부터 취해진다. 즉, 순환펌프(130)의 상류에서는 냉각제가 라디에이터(110)만을 통과하는 한편, 순환펌프(130)의 하류에서는 냉각제가 제2열교환기(120), 가습기(54) 및 연료전지스택(22)을 통과한다.
그러므로, 이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양) + (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양) 이므로, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양)이 최대화될 수 있다. 그 결과, 연료전지스택(22)의 공급가스 입구측과 출구측간의 온도 차이가 클 때, 상기 온도 차이가 최대량의 냉각제를 연료전지스택(22)에서 라디에이터(110)로 전달함으로써 효과적으로 감소될 수 있게 된다.
도 4는 최대량의 냉각제가 본 실시예의 또다른 변형예에 따라 연료전지스택(22)으로 전달될 수 있는 연료전지의 냉각시스템(150)의 구조를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3의 요소들과 동일한 상기 도면 내의 요소들은 동일한 참조 부호들 로 표시되며, 그 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 연료전지의 냉각시스템(150)에 있어서는, 냉각제가 바이패스냉각유로(144) 및 가습기(54)로 전환되는 장소의 하류와 연료전지스택(22)의 바로 상류에서 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 순환펌프(130)가 제공된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가습기(54)는 순환펌프(130)의 상류와 라디에이터(110)의 하류에 배치되고, 제2열교환기(120)에 의해 사용되는 냉각제는 라디에이터(110)의 하류와 가습기(54)의 상류로부터 취해진다. 즉, 순환펌프(130)의 상류에서는 냉각제가 라디에이터(110), 제2열교환기(120) 및 가습기(54)를 통과하는 한편, 순환펌프(130)의 하류에서는 냉각제가 연료전지스택(22)만을 통과한다.
그러므로, 이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) + (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양) 이므로, (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양)이 최대화될 수 있다. 그 결과, 연료전지스택(22)으로부터의 열이 최대량의 냉각제를 연료전지스택(22)으로 전달함으로써 효과적으로 제거될 수 있다.
연료전지의 냉각시스템에 있어서, 냉각제는 메인냉각유로로부터 차량 캐빈을 공조시키기 위한 공조열교환기로 전환될 수도 있다. 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따라 냉각제를 공조열교환기로 전환하는 연료전지의 냉각시스템(160)의 구조를 도시한 도면이다. 도 2의 요소들과 동일한 상기 도면 내의 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하여 개시된 바이패스냉각유로(104) 및 제2열교환기(120)를 포함하는 냉각시스템 이외에, 도 5에 도시된 연료전지의 냉각시스템(160)에도 냉각제를 메인냉각유로(102)로부터 차량 캐빈(162)을 공조시키기 위한 공조열교환기(170)로 전환시키는 공조바이패스냉각유로(164)가 제공된다. 공조바이패스냉각유로(164)에는 필요에 따라 히터(166), 및 상기 공조바이패스냉각유로(164)에 대한 냉각제의 전환을 제어(선택적으로 허용 또는 방지)하는 셧오프밸브(168)가 제공된다.
메인냉각유로(102) 내의 냉각제는 연료전지스택(22)에 대한 냉각제 입구 바로 앞 장소에서 공조열교환기(170)로 전환된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 가습기(54)는 순환펌프(130)의 하류와 연료전지스택(22)의 상류에 배치되며, 공조열교환기(170)에 의해 사용되는 냉각제는 가습기(54)의 하류와 연료전지스택(22)의 상류로부터 취해진다. 또한, 셧오프밸브(168)가 개방되면, 메인냉각유로(120)로부터 전환된 냉각제는 히터(166)를 통해 공조열교환기(170)로 공급된 다음, 상기 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 냉각제 리턴은 연료전지스택(22)의 냉각제 출구 바로 뒤에 위치한다.
이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 공조열교환기로 공급될 수 있는 한편, 적절한 양의 냉각제 또한 연료전지스택(22)으로 공급된다.
즉, 이러한 구조에 따르면, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 순환 되는 한편, 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제는 공조열교환기(170)로 공급될 수 있으므로, 차량 캐빈(162)이 가열될 수 있고, 특별히 별도의 공조시스템을 제공할 필요없이 적절한 공조 환경을 달성할 수 있다. 필요하다면, 히터(112) 또는 히터(166)가 사용될 수도 있다. 또한, 연료전지스택(22)이 충분히 워밍업되지 않으면, 셧오프밸브(168)를 폐쇄시켜 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있다.
이러한 방식으로, 차량 캐빈이 가열될 필요가 있을 때에만 셧오프밸브(168)를 개방함으로써, 순환펌프(130)의 전력이 감소될 수 있다. 또한, 공조열교환기(170)의 시스템 내의 차량 캐빈을 가열하는 데 도움을 주는 히터(166)를 제공함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 셧오프밸브(168)가 폐쇄되는 연료전지스택(22)의 정상적인 냉각 동작 시에 상기 히터(166) 내의 압력손실없이 연료 소비가 감소될 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 연료전지스택(22)의 냉각시스템과 캐빈공조시스템간에 냉각제를 공유하고, 상기 차량 캐빈 내의 온도와 연료전지스택(22)의 온도에 따라 셧오프밸브(168)를 선택적으로 개폐함으로써, 상기 연료전지스택(22)의 냉각시스템 및 캐빈공조시스템이 협력 제어 하에 조합될 수 있다. 도 5에서는, 제2열교환기(120)를 포함하는 바이패스냉각유로(104)가 제공되고, 라디에이터(110), 제2열교환기(120) 및 공조열교환기(170)가 협력 제어된다. 하지만, 대안적으로는 제2열교환기(120)가 생략될 수도 있고, 협력 제어가 라디에이터(110)와 공조열교환기(170)간에 수행될 수도 있다.
공조열교환기를 포함하는 냉각시스템에 있어서, 냉각제가 분배되는 방식은 공조바이패스냉각유로가 메인냉각유로로부터 분리되는 장소와 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다. 도 6은 제2실시예의 변형예에 따른 연료전지의 냉각시스템(180)의 구조를 도시한 도면이다. 이러한 시스템에서, 메인냉각유로(102) 내의 냉각제는 라디에이터(110) 직후 공조열교환기(170)로 전환된다. 도 5의 요소들과 동일한 상기 도면 내의 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6에 도시된 연료전지의 냉각시스템(180)에서는, 메인냉각유로 내의 냉각제가 라디에이터(110)의 바로 하류에서 공조열교환기(170)로 전환된다. 도면에 도시된 바와 같이, 가습기(54)는 순환펌프(130)의 하류와 연료전지스택(22)의 상류에 배치되며, 공조열교환기(170)에 의해 사용되는 냉각제는 라디에이터(110)의 하류와 순환펌프(130)의 상류로부터 취해진다. 또한, 셧오프밸브(168)가 개방되면, 메인냉각유로(102)로부터 전환된 냉각제가 히터(166)를 통해 공조열교환기(170)로 공급된 다음, 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 냉각제 리턴은 연료전지스택(22)의 냉각제 출구 직후 위치한다.
이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (가습기(54)를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 여타의 요소들로 공급될 수 있는 한편, 상당량의 냉각제 또한 연료전지스택(22)으로 공급된다.
즉, 이러한 구조에 따르면, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 순환되는 한편, 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제는 공조열교환기(170)로 공급될 수 있으므로, 차량 캐빈(162)이 가열될 수 있고, 특별히 별도의 공조시스템을 제공할 필요없이 적절한 공조 환경을 달성할 수 있다. 필요하다면, 히터(112) 또는 히터(166)가 사용될 수도 있다. 또한, 연료전지스택(22)이 충분히 워밍업되지 않으면, 셧오프밸브(168)를 폐쇄시켜 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있다. 상당량의 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있기 때문에, 열이 연료전지스택(22)으로부터 신속하게 제거될 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 연료전지스택의 냉각시스템에서는, 냉각제가 분배되는 방식이 제2열교환기용 바이패스냉각유로와 공조열교환기용 공조바이패스유로가 메인냉각유로로부터 분리되는 장소 뿐만 아니라 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다. 그러므로, 유동이 메인냉각유로로부터 전환되는 장소와 순환펌프의 위치 배치를 스위칭함으로써, 연료전지스택의 냉각, 제2열교환기에 의한 ACP(48)와 공급가스의 열교환 및 공조열교환기에 의한 차량 캐빈의 공조 등이 협력 제어될 수 있어, 각각에 대한 적절한 양의 냉각제가 연료전지운전시스템(10)의 운전 상태 또는 차량의 운전 상태에 따라 공급될 수 있게 된다.
예를 들어, 냉각제를 메인냉각유로로부터 제2열교환기로 전환하는 바이패스유로의 입구 및 출구의 메인냉각유로 내의 장소를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 제공함으로써, 연료전지스택의 운전 상태에 따라 바이패스 장소를 스위 칭하여 연료전지스택의 운전 상태에 적절한 냉각제의 양을 상기 연료전지스택에 제공할 수 있게 된다.
또한, 냉각제를 메인냉각유로로부터 공조열교환기로 전환하는 바이패스유로의 입구 및 출구의 메인냉각유로 내의 장소를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 제공함으로써, 캐빈 온도 등에 따라 바이패스 장소를 스위칭하여 차량 캐빈 온도에 적절한 냉각제의 양을 상기 공조열교환기로 공급할 수 있게 된다.
도 7은 제2실시예의 변형예에 따른 연료전지의 냉각시스템(200)의 구조를 도시한 도면이다. 여기서, 공조바이패스냉각유로의 구조는 공조열교환기(170)로 유동하는 냉각제가 메인냉각유로(102)와 협력하여 공유되거나 공조열교환기(170)에 대해서만 사용될 수 있도록 고안되었다. 도 5 등의 요소들과 동일한 상기 도면 내의 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7에 도시된 연료전지의 냉각시스템(200)에 있어서, 공조바이패스냉각유로(202)는 3가지 요소를 포함한다. 즉, 전체 공조바이패스냉각유로(202)는 냉각제가 메인냉각유로(102)로부터 취해지고 상기 메인냉각유로(102)로 되돌아가는 입출력유로(204), 공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제가 유동하는 공조바이패스유로(206) 및 상기 공조바이패스유로(206)와 병렬로 배치되는 순환유로(208)로 이루어진다.
도 7에 도시된 바와 같이, 3원밸브(210, 212)는 3가지 유로, 즉 입출력유로(204), 공조바이패스유로(206) 및 순환유로(208)의 연결점들에 제공된다. 따라 서, 입출력유로(204), 공조바이패스유로(206) 및 순환유로(208)간의 연결들은 2개의 3원밸브(210, 212)에 의해 스위칭될 수 있다. 이러한 견지에서, 2개의 3원밸브(210, 212)는 공조바이패스유로(206)와 메인냉각유로(102)에 연결되는 입출력유로(204)간의 연결과 공조바이패스유로(206)와 순환유로(208)간의 연결을 스위칭하기 위한 스위칭수단이다. 몇 가지 스위칭 모드들을 후술하기로 한다.
메인냉각유로(102)에 제공된 순환펌프(130) 이외의 냉각제를 순환하기 위한 펌프가 공조바이패스유로(206)에 제공된다. 이러한 펌프를 순환펌프(130)로부터 구별하기 위하여, 제2순환펌프(220)라고 하기로 한다. 공조바이패스유로(206)에서는, 상기 제2순환펌프(220), 히터(222) 및 공조열교환기(170)가 일렬로 배치된다. 도 7에서, 상기 요소들은 다음과 같은 순서로 배치된다: 3원밸브(210), 제2순환펌프(220), 히터(222), 공조열교환기(170) 및 3원밸브(212). 하지만, 대안적으로, 각종 요소들은 또다른 순서로 3원밸브(210, 212) 사이에 배치될 수도 있고, 경우에 따라서는 스위칭밸브 등을 더 포함하여 병렬로 배치될 수도 있다.
상기 제2순환펌프(220)는 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)보다 작은 냉각제순환펌프이다. 상기 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)는, 라디에이터(110), 가습기(54) 및 연료전지스택(22)을 포함하는 냉각제유로를 통해 순환될 수 있는 냉각제가 신속하게 열교환을 행하고, 적절한 온도로 유지되도록 큰 유량으로도 충분하게 운전시킬 수 있는 용량을 가진다. 이와는 대조적으로, 제2순환펌프(220)는 주로 공조열교환기(170)를 통해 냉각제를 순환시키도록 디자인되므로, 작은 용량 펌프일 수 있다. 이러한 제2순환펌프(220)는 작기 때문에, 유량이 낮은 운전 효율이 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)의 운전 효율보다 좋다. 또한, 제2순환펌프(220)는 운전되지 않고 있더라도 냉각제가 통과될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는 제2순환펌프(220)가 운전되지 않고 있는 경우에도 냉각제의 유동 효율의 저하를 막을 수 있게 된다.
상기 입출력유로(204)는 메인냉각유로(102)로부터 3원밸브(210, 212)로 연장되는 냉각제유로이므로, 이러한 견지에서 메인냉각유로(102)의 일부의 분기유로로 간주될 수 있다. 순환유로(208)는 공조바이패스유로(206)와 병렬로 연결되기 때문에 루프 유로를 형성한다.
다음으로, 3원밸브(210, 212)에 의한 냉각유로의 스위칭을 설명하기로 한다. 3원밸브(210, 212)의 스위칭 동작은 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따라 냉각중앙부(도시안됨)에 의해 수행된다. 상기 냉각중앙부는 또한 도 1에 도시된 연료전지운전시스템(10)의 제어부(70)와 조합될 수도 있다. 도 8은 3원밸브(210, 212)를 스위칭하여 달성되는 폐루프에서 순환유로(208)에 연결된 공조바이패스유로(206)를 도시한 도면이다. 이 때, 입출력유로(204)는 상기 폐루프 유로로부터 폐쇄된다. 이러한 유로를 보다 쉽게 보게 하기 위하여, 도 8에는 3원밸브(210, 212)가 생략되어 있다. 보다 구체적으로, 이러한 폐루프 유로는 3원밸브(210)를 작동시켜 형성되므로, 순환유로(208)의 일 측과 공조바이패스유로(206)의 일 측을 연결시키고, 3원밸브(212)를 작동시켜 순환유로(208)의 타 측과 공조바이패스유로(206)의 타 측을 연결시키도록 한다.
이러한 종류의 폐루프 유로를 형성함으로써, 냉각제를 메인냉각유로(102)로 부터 독립적으로, 제2순환펌프(220)에 의해 폐루프 유로를 통해 순환시킬 수 있게 된다. 즉, 냉각제가 히터(222)와 공조열교환기(170) 사이에서 순환될 수 있다. 이러한 연결 상태는 연료전지스택(22)이 저온에서 운전되고 있을 때 사용되는 것이 바람직하다. 그 결과, 연료전지스택(22)에 의해 아직 충분히 가열되지 않은 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있게 된다. 또한, 히터(222)와 제2순환펌프(220)를 운전시킴으로써, 폐루프유로 내의 냉각제를 충분히 가열시켜 공조열교환기(170)로 공급시킬 수 있으며, 이는 차량 캐빈(162)을 효율적이면서도 신속하게 가열시킬 수 있게 된다.
도 9는 순환유로(208)를 컷오프시키고 입출력유로(204)와 공조바이패스유로(206)를 서로 연결시키도록 3원밸브(210, 212)가 스위칭된 상태를 도시한 도면이다. 여기에서도, 도 8에서와 같이, 3원밸브(210, 212)는 유로를 보다 쉽게 보도록 하기 위하여 생략되었다. 보다 구체적으로, 3원밸브(210)는 메인냉각유로(102) 내의 냉각제 입구에 연결되는 입출력유로(204)의 일 측을 공조바이패스유로(206)의 일 측과 연결시키도록 작동되고, 3원밸브(212)는 공조바이패스유로(206)의 타 측을 상기 메인냉각유로(102) 내의 냉각제 리턴에 연결되는 입출력유로(204)의 타 측과 연결시키도록 작동된다. 그 결과, 순환유로(208)는 입출력유로(204)와 공조바이패스유로(206)가 서로 직접 연결되어 상기 공조바이패스유로(206)가 연료전지스택(22)을 통해 진행되는 메인냉각유로(102)에 병렬로 배치될 수 있는 동안에 컷오프된다.
이러한 연결은 기본적으로 도 5에 도시된 구조와 동일하다. 즉, 공조바이패 스냉각유로(202)는 냉각제를 메인냉각유로(102)와 공유시켜, 소위 협력 제어가 수행된다. 그러므로, 3원밸브(210, 212)는 메인냉각유로(102)에 의한 협력 제어 연결과 독립적인 제어 연결간의 공조바이패스유로(206)의 연결을 스위칭한다. 공조바이패스유로(206)가 협력 제어 연결을 통해 연결되는 경우, 제2순환펌프(220)가 정지된다. 하지만, 상술된 바와 같이, 제2순환펌프의 운전이 정지되는 경우에도, 냉각제가 제2순환펌프(220)를 통해 자유롭게 지나갈 수 있으므로, 상기 공조바이패스유로(206)의 냉각제 유동 효율이 저하되지 않게 된다.
협력 제어는 도 5를 참조하여 설명된 바와 같이, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제가 순환될 때 수행된다. 그러므로, 도 8에 도시된 폐루프 유로 연결과 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따른 협력 제어 연결(도 9에 도시된 직접 연결)간에 연결이 스위칭된다. 예를 들어, 연료전지스택(22)이 아직 워밍업되지 않았으면, 도 8에 도시된 폐루프 유로 연결이 채택되고, 히터(222)와 제2순환펌프(220)가 운전되어, 공조열교환기(170)로 공급되는 냉각제의 온도를 증가시키게 된다. 연료전지스택(22)이 워밍업되어 메인냉각유로(102) 내의 냉각제의 온도가 상승하면, 상기 연결은 도 9에 도시된 직접 연결로 스위칭되고, 히터(222)가 운전을 정지시킨다. 그 결과, 차량 캐빈(162)을 가열하는 데 필요한 전력이 감소될 수 있게 되어, 연료 소비를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 연결은 연료전지스택(22) 내의 냉각제의 온도, 즉 냉각제 온도가 소정의 목표 냉각제 온도에 도달할 때, 도 8에 도시된 폐루프 유로 연결과 도 9에 도시 된 직접 연결간에 스위칭될 수도 있다. 대안적으로는, 연료 소비를 더욱 개선하기 위하여, 열교환이 수행될 수 있는 경우와 냉각제 온도가 목표 냉각제 온도 부근인 50℃에 도달할 때와 같이, 스위치가 훨씬 더 빨리 이루어질 수도 있다.
도 10은 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가, 도 9에 도시된 연결이 성립될 때, 즉 공조바이패스유로(206)와 메인냉각유로(102)가 직접 연결될 때, 제2순환펌프(220)가 운전되어 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 정지되는 경우를 도시한 도면이다. 상기 제2순환펌프(220) 및 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)의 운전은 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따라 냉각중앙부(도시안됨)에 의해 스위칭된다. 상기 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 운전되고 있지 않을 때, 냉각제는 메인냉각유로(102)를 통해 순환하지 않는다. 이들 조건 하에, 도 9에 도시된 연결이 성립되면서 제2순환펌프(220)가 운전될 때, 상기 제2순환펌프(220)에서 히터(222)로, 공조열교환기(170)로, 연료전지스택(22)으로 유동하는 폐루프를 통해 냉각제가 순환된 다음, 다시 제2순환펌프(220)로 복귀한다.
도 10을 참조하여 상술된 운전 상태는, 연료전지스택(22)이 공회전 또는 간헐적으로 운전될 때와 같은 저부하 하에 연료전지스택(22)이 활동 중일 때 사용될 수도 있다. 연료전지스택(22)이 저부하 하에 운전 중일 때 발생되는 열이 많지 않기 때문에, 라디에이터(110)에 의한 냉각이 종종 불필요하게 된다. 그러므로, 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 정지되고, 대신에 보다 작은 제2순환펌프(220)에 의해 냉각제가 순환된다. 유량이 낮으면, 제2순환펌프(220)는 큰 용량의 순환펌프(130)보다 좋은 효율로 운전된다. 즉, 보다 작은 제2순환펌프(220)는 큰 용량의 순환펌프(130)보다 적은 전력으로 냉각제를 효율적으로 순환시킬 수 있으며, 이는 연료전지스택(22)이 저부하 하에 운전 중일 때 연료 소비를 개선시킬 수 있게 한다. 연료전지스택(22)이 중간 또는 고부하 하에 운전 중일 때에는, 제2순환펌프(220)가 정지되어, 도 9를 참조하여 설명하는 바와 같이, 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)만을 운전하여 냉각제가 순환된다. 이에 따라, 제2순환펌프(220)를 구동하는 데 필요한 전력이 감소될 수 있어, 중간 및 고부하에서의 연료 소비를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 사용자가 공조열교환기(170)에 의해 따뜻해진 차량 캐빈(162) 및 도 8에 도시된 폐루프 유로 연결을 이용하여 냉각제가 가열된 후 차량 캐빈(162) 내의 공조를 턴 오프시키면, 상기 연결은 히터(222)가 계속해서 작동하면서 도 9 또는 도 10에 도시된 직접 연결로 스위칭된다. 공조기가 턴 오프되면, 공조열교환기(170)로부터 차량 캐빈(162) 안으로 따뜻한 공기를 송풍하는 팬 등도 턴 오프된다. 하지만, 히터(222)가 여전히 작동 중이기 때문에, 가열된 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있으므로, 연료전지스택(22)을 신속하게 워밍업할 수 있게 된다.
도 5 내지 도 10에서, 공조열교환기(170)를 포함하는 냉각제 유로는 적절한 열절연수단에 의해 절연되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉각제 유로관은 적절한 열절연재로 커버될 수 있다. 그 결과, 연료전지운전시스템이 개시되어 공조열교환기(170)에서의 열교환이 효율적으로 수행될 수 있으므로, 차량 캐빈(162)이 신속하게 워밍업될 수 있게 된다. 따라서, 차량 캐빈(162)이 전력 등을 거의 사용하지 않 고도 신속하게 워밍업될 수 있으므로, 연료 소비를 개선시키게 된다.
상술된 구조는 메인냉각유로(102)가 가습기(54)를 통과하는 것이다. 하지만, 상기 구조는 메인냉각유로(102)가 가습기(54)를 통과하지 못하도록 할 수도 있다. 또한, 상기 메인냉각유로(102)에서의 제2열교환기(120)에 대한 냉각제 입구와 냉각제 리턴은 상술된 구조로부터 반전될 수도 있어, 냉각제가 모터(50)로부터 제2열교환기(120)를 향해 유동하게 된다. 또한, 메인냉각유로(102)에서의 공조열교환기(170)에 대한 냉각제 입구 및 냉각제 리턴 또한 상술된 구조로부터 반전될 수도 있다. 이제, 이러한 구조를 설명하기로 한다. 이하, 도 1 내지 도 10의 것과 동일한 요소들은 동일한 참조 부호들로 표시되며, 그 요소들의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11은 연료전지의 냉각시스템(300)의 구조를 도시한 도면이다. 이러한 연료전지의 냉각제시스템(300)은, 메인냉각유로(102)가 가습기(54)를 통과하지 않고, 메인냉각유로(102)에서의 제2열교환기(120)에 대한 냉각제 입구와 냉각제 리턴이 반전된다는 점에서 도 2를 참조하여 설명된 연료전지의 냉각제시스템(100)과 상이하다. 여기서, 도 2를 참조하여 설명한 것과 동일한 방식으로, 연료전지의 냉각시스템(300)에는 냉각제가 통과하는 유로, 즉 메인냉각유로(102) 및 상기 메인냉각유로(102)와 병렬로 배치되어 동일한 냉각제를 전환시키는 바이패스냉각유로(104)가 제공된다.
상기 메인냉각유로(102)에는 냉각팬을 구비한 라디에이터(110), 가열을 위한 히터(112), 상기 히터(112)로 냉각제를 적절하게 전환시키는 3원밸브(114) 및 냉각 제를 순환시키기 위한 순환펌프(WP)(130)가 배치된다. 메인냉각유로(102)를 통과하는 냉각제는 라디에이터(110)와 연료전지스택(22) 사이를 순환하고, 따뜻하거나 뜨거운 연료전지스택(22)으로부터 열을 제거한 다음, 상기 라디에이터(110)에 의해 냉각되어, 다시 연료전지스택(22)으로 되돌아간다. 또한, 가습기(54)는 상술된 바와 같이 연료전지스택(22)의 캐소드측으로 산화가스를 공급하는 가스 입구 및 가스가 배출되는 가스 출구 양자 모두와 병렬로 배치된다. 하지만, 상기 메인냉각유로(102)는 가습기(54)를 통과하지 못하므로, 상기 가습기(54)는 메인냉각유로(102)로부터 냉각제에 의해 냉각되지 않게 된다.
도 11의 이온교환기(132)는 냉각매체로서의 역할을 하는 냉각제 내의 이온을 제거하는 기능을 하는 장치이다. 즉, 냉각제순환로를 형성하는 요소들로부터의 이온은 냉각제 내에 용해된다. 상기 이온교환기(132)는 이들 이온을 제거하여, 냉각매체로서의 역할을 하는 냉각제의 저항을 높게 유지시키게 된다. 상기 이온교환기(132)는 도 11에 도시된 바와 같이 메인냉각유로(102)와 병렬로 배치되지만, 상황에 따라 메인냉각유로(102)와 직렬로 배치될 수도 있다. 또한, 냉각제 내의 이온 함유량을 검출하기 위한 이온검출수단이 이온교환기(132) 내에 제공될 수도 있다.
상기 바이패스냉각유로(104)는 메인냉각유로(102)와 병렬로 배치된다. 냉각제는 연료전지스택(22)으로부터 라디에이터(10)로 냉각제가 되돌아가는 메인냉각유로(102)의 배출측 유로로부터 상기 바이패스냉각유로(104) 안으로 취해지고, 냉각제가 라디에이터(110)로부터 연료전지스택(22)을 향해 유동하는 메인냉각유로(102)의 공급측 유로로 되돌아간다. 상기 바이패스냉각유로(104)는 ACP(48)의 제2열교환 기(120)로 유도되는데, 여기서 ACP(48)로부터 가습기(54)를 통해 연료전지스택(22)으로 공급되는 압축된 공급가스에 대한 유로(80)에 의해 열교환이 수행되고, 그 후에 냉각제가 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 이에 따라, 제2열교환기(120)가 공급가스의 온도를 조절하게 된다. 이러한 기능은 전통적으로 인터쿨러라고 불리우는 독립적인 냉각시스템에 의해 수행되지만, 도 2와 유사한 도 11에 도시된 구조에서는, 종래의 인터쿨러의 기능이 라디에이터(110)에서 연료전지스택(22)으로 연장되는 냉각시스템 및 냉각제에 의해 공유된다.
여기서, 순환펌프(130)는 냉각제가 바이패스냉각제유로(104)로부터 메인냉각유로(102)로 되돌아가는 장소의 하류측에 있는 상기 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 제공된다. 도 11에 도시된 바와 같이, 제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제는 라디에이터(110)의 상류와 연료전지스택(22)의 하류로부터 취해진다. 즉, 냉각제는 순환펌프(130)의 하류에서 연료전지스택(22)을 통하여 그리고 상기 순환펌프(130)의 상류에서 제2열교환기(120) 및 라디에이터(110)를 통과한다.
이에 따라, 이러한 구조에 의하면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 매우 많은 대량의 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있게 된다. 그 결과, 연료전지스택(22)의 온도가 너무 높으면, 열이 라디에이터(110)측으로 신속하게 제거될 수 있게 된다. 또한, (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양)에 대한 (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양)의 비는 상기 둘의 유로저항의 퍼센트 등에 의해 결정될 수 있다. 대안적으로, 이들을 통과하는 냉각제의 양은 분배비를 제어하는 제어밸브를 이용하여 결정될 수 있고, 라디에이터(110) 및 제2열교환기(120)가 협력 운전될 수도 있다.
또한, 제2열교환기(120)로부터 배출되는 냉각제의 온도와 연료전지스택(22)으로부터 배출되는 냉각제의 온도간의 차이를 줄일 수 있는 메인냉각유로(102)와 병렬로 바이패스냉각유로(104)가 제공된다. 전자는 가습기(54)의 공급가스 입구측에서의 공급가스온도에 의해 형성되고, 후자는 가습기(54)의 공급가스 출구측에서의 가스 온도에 의해 형성된다. 그러므로, 가습기(54)의 가스 입구 양 단간의 온도차가 감소될 수 있어, 인-에어 타입 구조가 사용되더라도 두 단간의 압력차에 기인하는 손상이 억제될 수 있게 된다.
연료전지의 냉각시스템에 있어서, 냉각제가 분배되는 방식은 바이패스냉각유로가 메인냉각유로로부터 분리되는 장소와 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다. 도 12는 최대량의 냉각제를 라디에이터(110)로 전달할 수 있는 연료전지의 냉각시스템(340)의 구조를 도시한 도면이다.
도 12에 도시된 연료전지의 냉각시스템(340)에 있어서, 순환펌프(130)는 라디에이터(110)의 하류와 냉각제가 바이패스냉각유로(144)로부터 메인냉각유로(102)로 되돌아가는 장소의 상류에서 상기 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 제공된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제2열교환기(120)에 사용되는 냉각제는 라디에이터(110)의 상류 및 연료전지스택(22)의 하류로부터 취해진다. 즉, 순환펌프(130)의 상류에서는 냉각제가 라디에이터(110)만을 통과하는 한편, 상기 순환펌프(130)의 하류에서는 냉각제가 제2열교환기(120) 및 연료전지스택(22)을 통과한다.
그러므로, 이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) + (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양)이므로, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양)이 최대화될 수 있다. 그 결과, 연료전지스택(22)의 공급가스 입구측과 출구측간의 온도 차이가 클 때, 예컨대 상기 온도 차이가 최대량의 냉각제를 연료전지스택(22)에서 라디에이터(110)로 전달함으로써 효과적으로 감소될 수 있게 된다.
도 13은 최대량의 냉각제를 연료전지스택(22)으로 전달할 수 있는 연료전지의 냉각시스템(350)의 구조를 도시한 도면이다.
도 13에 도시된 연료전지의 냉각시스템(350)에 있어서, 순환펌프(130)는 바이패스냉각유로(154)로부터 냉각제가 복귀하는 장소의 하류와 연료전지스택(22)의 바로 상류에서 상기 메인냉각유로(102)의 공급측 유로에 제공된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 제2열교환기(120)에 사용되는 냉각제는 라디에이터(110)의 상류와 연료전지스택(22)의 하류로부터 취해진다. 즉, 순환펌프(130)의 상류에서는 냉각제가 라디에이터(110) 및 제2열교환기(120)를 통과하는 한편, 상기 순환펌프(130)의 하류에서는 냉각제가 연료전지스택(22)만을 통과한다.
그러므로, 이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양)이므로, (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양)이 최대화될 수 있다. 그 결과, 연료전지스택(22)으로부터의 열이 최대량의 냉각제를 연료전지스택(22)으로 전달함으로써 효율적으로 제거될 수 있게 된다.
연료전지의 냉각시스템에 있어서, 냉각제는 메인냉각유로로부터 차량 캐빈을 공조시키기 위한 공조열교환기로 전환될 수도 있다. 도 14는 냉각제를 공조열교환기로 전환시키는 연료전지의 냉각시스템(360)의 구조를 도시한 도면이다.
도 11을 참조하여 설명된 바이패스냉각유로(104) 및 제2열교환기(120)를 포함하는 냉각시스템 이외에, 도 14에 도시된 연료전지의 냉각시스템(360)에는 냉각제를 메인냉각유로(102)로부터 차량 캐빈(162)을 공조시키기 위한 공조열교환기(170)로 전환시키는 공조바이패스냉각유로(164)도 제공된다. 공조바이패스냉각유로(164)에는 필요 시 히터(166)가 제공되며, 상기 공조바이패스냉각유로(164)로의 냉각제의 전환을 제어(선택적으로 허용 또는 방지)하는 셧오프밸브(168)도 제공된다.
메인냉각유로(102) 내의 냉각제는 연료전지스택(22)에 대한 냉각제 입구 바로 앞 장소에서 공조열교환기(170)로 전환된다. 도 14에 도시된 바와 같이, 공조열교환기(170)에 사용되는 냉각제는 연료전지스택(22)의 상류로부터 취해진다. 또한, 셧오프밸브(168)가 개방되면, 메인냉각유로(102)로부터 전환된 냉각제가 히터(166)를 통해 공조열교환기(170)로 공급된 다음, 상기 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 상기 냉각제 리턴은 연료전지스택(22)의 냉각제 출구 직후 위치한다.
이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 공조열교환기로 공급될 수 있는 한편, 적절한 양의 냉각제 또한 연료전지 스택(22)으로 공급된다.
즉, 이러한 구조에 따르면, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 순환되는 한편, 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제가 공조열교환기(170)로 공급될 수 있으므로, 차량 캐빈(162)이 가열될 수 있고, 특별히 별도의 공조시스템을 제공할 필요없이 적절한 공조 환경을 달성할 수 있게 된다. 필요하다면, 히터(112) 또는 히터(166)가 사용될 수도 있다. 또한, 연료전지스택(22)이 충분히 워밍업되지 않으면, 셧오프밸브(168)를 폐쇄시켜 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있다.
이러한 방식으로, 차량 캐빈이 가열될 필요가 있을 때에만 셧오프밸브(168)를 개방함으로써, 순환펌프(130)의 전력이 감소될 수 있다. 또한, 공조열교환기(170)의 시스템 내의 차량 캐빈을 가열하는 데 도움을 주는 히터(166)를 제공함으로써, 도 14에 도시된 바와 같이, 셧오프밸브(168)가 폐쇄되는 연료전지스택(22)의 정상적인 냉각 동작 시에 히터(166) 내의 압력손실없이 연료 소비가 감소될 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 연료전지스택(22)의 냉각시스템과 캐빈공조시스템간에 냉각제를 공유하고, 상기 차량 캐빈 내의 온도와 연료전지스택(22)의 온도에 따라 셧오프밸브(168)를 선택적으로 개폐함으로써, 상기 연료전지스택(22)의 냉각시스템 및 캐빈공조시스템이 협력 제어 하에 조합될 수 있다. 도 14에서는, 제2열교환기(120)를 포함하는 바이패스냉각유로(104)가 제공되고, 라디에이터(110), 제2열교환기(120) 및 공조열교환기(170)가 협력 제어된다. 하지만, 대안적으로는 제2열교 환기(120)가 생략될 수도 있고, 협력 제어가 라디에이터(110)와 공조열교환기(170)간에 수행될 수도 있다.
공조열교환기를 포함하는 냉각시스템에 있어서, 냉각제가 분배되는 방식은 공조바이패스냉각유로가 메인냉각유로로부터 분리되는 장소와 순환펌프(130)의 배치에 따라 변경될 수 있다. 도 15는 본 발명의 예시적인 제12실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템(380)의 구조를 도시한 도면이다. 이러한 시스템에서, 냉각제는 라디에이터(110) 직후 공조열교환기(170)로부터 메인냉각유로(102)로 되돌아간다.
도 15에 도시된 연료전지의 냉각시스템(380)에서는, 메인냉각유로(102) 내의 냉각제가 연료전지스택(22)의 하류와 라디에이터(110)의 상류에서 상기 공조열교환기(170)로 전환된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 공조열교환기(170)에서 사용된 냉각제는 연료전지스택(22)의 냉각제 출구의 바로 하류와 라디에이터(110)의 상류로부터 취해진다. 또한, 셧오프밸브(168)가 개방되면, 메인냉각유로(102)로부터 전환된 냉각제가 공조열교환기(170) 및 히터(166)로 공급된 다음, 상기 메인냉각유로(102)로 되돌아간다. 냉각제 리턴은 라디에이터(110)의 하류 및 순환펌프(130)의 상류에 위치한다.
이러한 구조에 따르면, (라디에이터(110)를 통과하는 냉각제의 양) + (공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제의 양) + (제2열교환기(120)를 통과하는 냉각제의 양) = 냉각제의 총량 = (연료전지스택(22)을 통과하는 냉각제의 양). 그러므로, 냉각제가 여타의 요소들로 공급될 수 있는 한편, 상당량의 냉각제 또한 연료전지스택(22)으로 공급된다.
즉, 이러한 구조에 따르면, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 순환되는 한편, 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제가 공조열교환기(170)로 공급될 수 있으므로, 차량 캐빈(162)이 가열될 수 있고, 특별히 별도의 공조시스템을 제공할 필요없이 적절한 공조 환경을 달성할 수 있다. 필요하다면, 히터(166)가 사용될 수도 있다. 또한, 연료전지스택(22)이 충분히 워밍업되지 않으면, 셧오프밸브(168)를 폐쇄시켜 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있다. 상당량의 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있기 때문에, 열이 연료전지스택(22)으로부터 신속하게 제거될 수 있게 된다.
상술된 바와 같이, 냉각제가 가습기(54)를 통해 메인냉각유로로부터 유동하지 못하는 연료전지스택의 냉각시스템에서도, 냉각제가 분배되는 방식이 제2열교환기용 바이패스냉각유로와 공조열교환기용 공조바이패스유로가 상기 메인냉각유로로부터 분리되는 장소 뿐만 아니라 순환펌프의 배치에 따라 변경될 수 있다. 그러므로, 유동이 메인냉각유로로부터 전환되는 장소와 순환펌프의 위치 배치를 스위칭함으로써, 연료전지스택의 냉각, 제2열교환기에 의한 ACP(48)와 공급가스의 열교환 및 공조열교환기에 의한 차량 캐빈의 공조 등이 협력 제어될 수 있어, 각각에 대한 적절한 양의 냉각제가 연료전지운전시스템(10)의 운전 상태 또는 차량의 운전 상태에 따라 공급될 수 있게 된다.
예를 들어, 냉각제를 메인냉각유로로부터 제2열교환기로 전환하는 바이패스유로의 입구 및 출구의 메인냉각유로 내의 장소를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 제공함으로써, 연료전지스택의 운전 상태에 따라 바이패스 장소를 스위 칭하여 연료전지스택의 운전 상태에 적절한 냉각제의 양을 상기 연료전지스택에 제공할 수 있게 된다.
또한, 냉각제를 메인냉각유로로부터 공조열교환기로 전환하는 바이패스유로의 입구 및 출구의 메인냉각유로 내의 장소를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 제공함으로써, 캐빈 온도 등에 따라 바이패스 장소를 스위칭하여 차량 캐빈 온도에 적절한 냉각제의 양을 상기 공조열교환기로 공급할 수 있게 된다.
도 16은 본 발명의 예시적인 제14실시예에 따른 연료전지의 냉각시스템(400)의 구조를 도시한 도면이다. 여기서, 공조바이패스냉각유로의 구조는 공조열교환기(170)로 유동하는 냉각제가 메인냉각유로(102)와 협력하여 공유되거나 공조열교환기(170)에 대해서만 사용될 수 있도록 고안되었다.
도 16에 도시된 연료전지의 냉각시스템(400)에 있어서, 공조바이패스냉각유로(202)는 3가지 요소를 포함한다. 즉, 전체 공조바이패스냉각유로(202)는 냉각제가 메인냉각유로(102)로부터 취해지고 상기 메인냉각유로(102)로 되돌아가는 입출력유로(204), 공조열교환기(170)를 통과하는 냉각제가 유동하는 공조바이패스유로(206) 및 상기 공조바이패스유로(206)와 병렬로 배치되는 순환유로(208)로 이루어진다.
도 16에 도시된 바와 같이, 3원밸브(212)는 3가지 유로, 즉 입출력유로(204), 공조바이패스유로(206) 및 순환유로(208)의 연결점에 제공된다. 따라서, 입출력유로(204), 공조바이패스유로(206) 및 순환유로(208)간의 연결은 3원밸브(212)에 의해 스위칭될 수 있다. 이러한 견지에서, 2개의 3원밸브(212)는 공조바 이패스유로(206)와 메인냉각유로(102)에 연결되는 입출력유로(204)간의 연결과 공조바이패스유로(206)와 순환유로(208)간의 연결을 스위칭하기 위한 수단으로서의 역할을 한다. 몇 가지 스위칭 모드들을 후술하기로 한다.
메인냉각유로(102)에 제공된 순환펌프(130) 이외의 냉각제를 순환하기 위한 펌프가 공조바이패스유로(206)에 제공된다. 이러한 펌프를 순환펌프(130)와 구별하기 위하여, 제2순환펌프(220)라고 하기로 한다. 공조바이패스유로(206)에서는, 상기 제2순환펌프(220), 히터(222) 및 공조열교환기(170)가 일렬로 배치된다. 도 16에서, 상기 요소들은 다음과 같은 순서로 배치된다: 3원밸브(212), 제2순환펌프(220), 히터(222), 및 공조열교환기(170). 하지만, 대안적으로, 각종 요소들은 또다른 순서로 3원밸브(212)의 입구와 출구 사이에 배치될 수도 있고, 경우에 따라서는 스위칭밸브 등을 더 포함하여 병렬로 배치될 수도 있다.
상기 제2순환펌프(220)는 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)보다 작은 냉각제순환펌프이다. 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)는, 라디에이터(110), 가습기(54) 및 연료전지스택(22)을 포함하는 냉각제유로를 통해 순환될 수 있도록 냉각제가 신속하게 열교환을 행하고, 적절한 온도로 유지되도록 큰 유량으로도 충분하게 운전시킬 수 있는 용량을 가진다. 이와는 대조적으로, 제2순환펌프(220)는 주로 공조열교환기(170)를 통해 냉각제를 순환시키도록 디자인되므로, 작은 용량 펌프일 수 있다. 이러한 제2순환펌프(220)는 작기 때문에, 유량이 낮은 운전 효율이 메인냉각유로(102) 내의 순환펌프(130)의 운전 효율보다 좋다. 또한, 제2순환펌프(220)는 운전되지 않고 있더라도 냉각제가 통과될 수 있도록 하는 것이 바람직하 다. 이는 제2순환펌프(220)가 운전되지 않고 있는 경우에도 냉각제의 유동 효율의 저하를 막을 수 있게 된다.
상기 입출력유로(204)는 메인냉각유로(102)로부터 3원밸브(212)로 연장되는 냉각제유로이므로, 이러한 견지에서 메인냉각유로(102)의 일부의 분기유로로 간주될 수 있다. 순환유로(208)는 공조바이패스유로(206)와 병렬로 연결되기 때문에 루프 유로를 형성한다.
다음으로, 3원밸브(212)에 의한 냉각유로의 스위칭을 설명하기로 한다. 3원밸브(212)의 스위칭 동작은 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따라 냉각중앙부(도시안됨)에 의해 수행된다. 상기 냉각중앙부는 연료전지운전시스템(10)의 제어부(70)와 조합될 수도 있다. 도 17은 3원밸브(212)를 스위칭하여 달성되는 폐루프에서 순환유로(208)에 연결된 공조바이패스유로(206)를 도시한 도면이다. 이 때, 입출력유로(204)는 상기 폐루프 유로로부터 폐쇄된다. 이러한 유로를 보다 쉽게 보게 하기 위하여, 도 17에는 3원밸브(212)가 점선으로 표시되어 있다. 보다 구체적으로, 이러한 폐루프 유로는 3원밸브(212)를 작동시켜 형성되므로, 순환유로(208)의 일 측과 공조바이패스유로(206)의 일 측을 연결시키도록 한다.
이러한 종류의 폐루프 유로를 형성함으로써, 냉각제를, 메인냉각유로(102)로부터 독립적으로, 제2순환펌프(220)에 의해 폐루프 유로를 통해 순환시킬 수 있게 된다. 즉, 냉각제가 히터(222)와 공조열교환기(170) 사이에서 순환될 수 있다. 이러한 연결 상태는 연료전지스택(22)이 저온에서 운전되고 있을 때 사용되는 것이 바람직하다. 그 결과, 연료전지스택(22)에 의해 아직 충분히 가열되지 않은 차가운 냉각제가 공조열교환기(170)로 전달되는 것이 방지될 수 있게 된다. 또한, 히터(222)와 제2순환펌프(220)를 운전시킴으로써, 폐루프유로 내의 냉각제를 충분히 가열시켜 공조열교환기(170)로 공급시킬 수 있으며, 이는 차량 캐빈(162)을 효율적이면서도 신속하게 가열시킬 수 있게 된다.
도 18은 순환유로(208)를 컷오프시키고 입출력유로(204)와 공조바이패스유로(206)를 서로 연결시키도록 3원밸브(212)가 스위칭된 상태를 도시한 도면이다. 여기에서도, 도 17에서와 같이, 3원밸브(212)는 유로를 보다 쉽게 보도록 하기 위하여 점선으로 표시되어 있다. 보다 구체적으로, 3원밸브(212)는 메인냉각유로(102)로부터의 냉각제 입구에 연결되는 입출력유로(204)의 일 측과 공조바이패스유로(206)의 일 측을 연결시키도록 작동된다. 그 결과, 순환유로(208)는 입출력유로(204)와 공조바이패스유로(206)가 서로 직접 연결되어 상기 공조바이패스유로(206)가 연료전지스택(22)을 통해 진행되는 메인냉각유로(102)에 병렬로 배치될 수 있는 동안에 컷오프된다.
이러한 연결은 기본적으로 도 6 및 도 15에 도시된 구조와 동일하다. 즉, 공조바이패스냉각유로(202)는 냉각제를 메인냉각유로(102)와 공유시켜, 소위 협력 제어가 수행된다. 그러므로, 3원밸브(212)는 메인냉각유로(102)에 의한 협력 제어 연결과 독립적인 제어 연결간의 공조바이패스유로(206)의 연결을 스위칭한다. 공조바이패스유로(206)가 협력 제어 연결을 통해 연결되는 경우, 제2순환펌프(220)가 정지된다. 하지만, 상술된 바와 같이, 제2순환펌프의 운전이 정지되는 경우에도, 냉각제가 여전히 제2순환펌프(220)를 통해 자유롭게 지나갈 수 있으므로, 상기 공조 바이패스유로(206)의 냉각제 유동 효율이 저하되지 않게 된다.
협력 제어는 도 6 및 도 15를 참조하여 설명된 바와 같이, 연료전지스택(22)의 운전에 의해 가열되어 라디에이터(110)에 의해 적절한 온도로 유지되는 냉각제가 순환될 때 수행된다. 그러므로, 도 17에 도시된 폐루프 유로 연결과 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따른 협력 제어 연결간에 연결이 스위칭된다. 예를 들어, 연료전지스택(22)이 아직 워밍업되지 않았으면, 도 17에 도시된 폐루프 유로 연결이 채택되고, 히터(222)와 제2순환펌프(220)가 운전되어, 공조열교환기(170)로 공급되는 냉각제의 온도를 증가시키게 된다. 연료전지스택(22)이 워밍업되어 메인냉각유로(102) 내의 냉각제의 온도가 상승하면, 상기 연결은 도 18에 도시된 직접 연결로 스위칭되고, 히터(222)가 운전을 정지시킨다. 그 결과, 차량 캐빈(162)을 가열하는 데 필요한 전력이 감소될 수 있게 되어, 연료 소비를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 연결은 연료전지스택(22) 내의 냉각제의 온도, 즉 냉각제 온도가 예컨대 소정의 목표 냉각제 온도에 도달할 때, 도 17에 도시된 폐루프 유로 연결과 도 18에 도시된 직접 연결간에 스위칭될 수도 있다. 대안적으로는, 연료 소비를 더욱 개선하기 위하여, 열교환이 수행될 수 있고 냉각제 온도가 목표 냉각제 온도 부근인 50℃에 도달할 때와 같이, 스위치가 훨씬 더 빨리 이루어질 수도 있다.
도 19는 도 18에 도시된 연결의 변형예를 보여준다. 여기서, 공조바이패스유로(206)를 통과하는 냉각제는 연료전지스택(22)의 상류에서 메인냉각유로(102)로 복귀한다. 또한, 3원밸브(212)는 냉각제가 메인냉각유로(102)로부터 취해지는 측에 연결되는 입출력유로(204)의 일 측과 공조바이패스유로(206)의 일 측을 연결시키도 록 동작된다. 그 결과, 순환유로(208)가 컷오프되어, 입출력유로(204)가 직접 공조바이패스유로(206)와 연결되며, 이 점에서 제2순환펌프(220)가 운전되어, 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 정지된다. 제2순환펌프(220) 및 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)의 운전은 연료전지스택(22)의 운전 상태에 따라 도시되지 않은 냉각제어부에 의해 스위칭된다.
메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 운전되고 있지 않는 경우, 냉각제는 메인냉각유로(102)를 통해 순환하지 않는다. 이들 조건 하에, 도 19에 도시된 연결이 성립되면서 제2순환펌프(220)가 운전되면, 냉각제가 폐루프를 통해 순환되어, 제2순환펌프(220)로부터 히터(222)로, 공조열교환기(170)로, 연료전지스택(22)으로 유동한 다음, 다시 제2순환펌프(220)로 되돌아간다.
도 19를 참조하여 상술된 운전 상태는, 연료전지스택(22)이 공회전 또는 간헐적으로 운전되고 있는 경우와 같은 저부하 하에 상기 연료전지스택(22)이 운전되고 있을 때 사용될 수도 있다. 연료전지스택(22)이 저부하 하에 운전 중일 때 발생되는 열이 많지 않기 때문에, 라디에이터(110)에 의한 냉각이 종종 불필요하게 된다. 그러므로, 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)가 정지되고, 대신에 보다 작은 제2순환펌프(220)에 의해 냉각제가 순환된다. 유량이 낮으면, 제2순환펌프(220)는 큰 용량의 순환펌프(130)보다 좋은 효율로 운전된다. 즉, 보다 작은 제2순환펌프(220)는 큰 용량의 순환펌프(130)보다 적은 전력으로 냉각제를 효율적으로 순환시킬 수 있으며, 이는 연료전지스택(22)이 저부하 하에 운전 중일 때 연료 소비를 개선시킬 수 있게 한다. 연료전지스택(22)이 중간 또는 고부하 하에 운전 중일 때 에는, 제2순환펌프(220)가 정지되어, 도 9를 참조하여 설명하는 바와 같이, 메인냉각유로(102)의 순환펌프(130)만을 운전하여 냉각제가 순환된다. 이에 따라, 제2순환펌프(220)를 구동하는 데 필요한 전력이 감소될 수 있어, 중간 및 고부하에서의 연료 소비를 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 사용자가 공조열교환기(170)에 의해 따뜻해진 차량 캐빈(162) 및 도 17에 도시된 폐루프 유로 연결을 이용하여 냉각제가 가열된 후 차량 캐빈(162) 내의 공조를 턴 오프시키는 경우, 상기 연결은 히터(222)가 계속해서 작동하면서 도 18 또는 도 19에 도시된 직접 연결로 스위칭된다. 공조기가 턴 오프되면, 공조열교환기(170)로부터 차량 캐빈(162) 안으로 따뜻한 공기를 송풍하는 팬 등도 턴 오프된다. 하지만, 히터(222)가 여전히 작동 중이기 때문에, 가열된 냉각제가 연료전지스택(22)으로 공급될 수 있으므로, 연료전지스택(22)을 신속하게 워밍업할 수 있게 된다.
지금까지 본 발명을 그 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 개시된 실시예들이나 구성예들로 제한되는 것이 아니라는 점은 자명하다. 이와는 대조적으로, 본 발명은 각종 변형예와 등가 형태들을 포괄하도록 의도되어 있다. 또한, 개시된 발명의 각종 요소들이 각종 조합예와 구성예들로 도시되어 있지만, 이는 단지 예시적인 것일 뿐 단 하나의 요소를 포함하거나 그보다 많거나 적은 요소들을 포함하는 여타의 조합예들과 구성예들 또한 본 발명의 범위 내에 있다는 것은 자명하다.

Claims (18)

  1. 연료가스를 애노드측으로 공급하고 산화가스를 캐소드측으로 공급하여 생성되는 전기화학반응에 의해 발전을 행하는 연료전지의 냉각시스템에 있어서,
    냉각제가 연료전지스택과 라디에이터 사이에서 순환하는 냉각유로; 및
    상기 연료전지스택과 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제를 사용하는 제2열교환기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  2. 연료가스를 애노드측으로 공급하고 산화가스를 캐소드측으로 공급하여 생성되는 전기화학반응에 의해 발전을 행하는 연료전지의 냉각시스템에 있어서,
    냉각제가 연료전지스택과 라디에이터 사이에서 순환하는 냉각유로; 및
    상기 라디에이터와 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제를 사용하는 제2열교환기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2열교환기는 산화가스를 공급하기 위한 가스컴프레서의 냉각장치로서의 역할을 하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료전지는 차량에 탑재된 차량용 연료전지이고, 차량 캐빈을 공조시키기 위한 공조열교환기가 상기 연료전지스택과 병렬로 제공되어, 상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제가 상기 공조열교환기에서 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프; 및
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프; 및
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 제2열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프; 및
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 상류와 상기 라디에이터의 하류에 배치되며, 상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 가습기의 상류로부터 취한 냉각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프; 및
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 공조열교환기는 상기 가습기의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로 부터 취한 냉각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프; 및
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 가습기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류에 배치되며, 상기 공조열교환기는 상기 라디에이터의 하류와 상기 냉각제순환펌프의 상류로부터 취한 냉각제를 이용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프;
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기; 및
    상기 냉각유로에서 상기 제2열교환기로 냉각제를 전환시키는 바이패스유로의 입구와 출구 중 하나 이상의 위치를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프;
    상기 산화가스가 상기 연료전지의 캐소드측으로 공급되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 입구 및 가스가 배출되는 상기 연료전지스택의 캐소드측 출구에 대하여 병렬로 배치된 가습기; 및
    상기 냉각유로에서 상기 공조열교환기로 냉각제를 전환시키는 바이패스유로의 입구와 출구 중 하나 이상의 위치를 스위칭하기 위한 바이패스장소스위칭수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 제1냉각제순환펌프;
    상기 냉각유로로부터 전환된 냉각제가 유동하는 바이패스유로로서, 상기 공조열교환기, 히터 및 제2냉각제순환펌프가 배치되는 공조바이패스유로;
    상기 공조바이패스유로와 병렬로 배치된 순환유로; 및
    상기 공조바이패스유로와 상기 냉각유로간의 연결 및 상기 공조바이패스유로와 상기 순환유로간의 연결을 스위칭하기 위한 공조바이패스스위칭수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 공조바이패스스위칭수단은, 상기 공조바이패스유로와 상기 순환유로가 폐루프로 연결되어 상기 냉각유로로부터 컷오프되는 폐루프연결과, 상기 공조바이패스유로와 상기 냉각유로가 직접 연결되어 상기 순환유로로부터 컷오프되는 직접연결간의 연결을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2순환펌프는 상기 냉각제의 유량이 낮을 때 상기 제1순환펌프보다 효율이 좋게 운전되는 펌프이고; 상기 연료전지의 운전 상태에 따라 서로 연계하여 상기 제1순환펌프의 운전 및 상기 제2순환펌프의 운전을 제어하기 위해 펌프운전제어수단이 추가로 제공되며, 상기 연료전지가 저부하 하에 운전되고 있는 경우에는, 상기 제1순환펌프의 운전을 정지시키고, 상기 제2순환펌프를 이용하여 냉각제를 상기 연료전지스택으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제2열교환기는 상기 라디에이터의 상류와 상기 연료전지스택의 하류로부터 냉각제를 흡인하여, 냉각제를 상기 라디에이터의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 제2열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로부터 냉각제를 흡인하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 공조열교환기는 상기 냉각제순환펌프의 하류와 상기 연료전지스택의 상류로부터 냉각제를 흡인하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
  18. 제4항에 있어서,
    상기 냉각유로에 일렬로 배치된 냉각제순환펌프를 더 포함하여 이루어지고,
    상기 공조열교환기는 상기 연료전지스택의 하류와 상기 라디에이터의 상류로부터 냉각제를 흡인하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 냉각시스템.
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