KR20090050175A

KR20090050175A - 연료전지 자동차용 공기공급장치

Info

Publication number: KR20090050175A
Application number: KR1020070116464A
Authority: KR
Inventors: 김재훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-15
Filing date: 2007-11-15
Publication date: 2009-05-20

Abstract

본 발명은 연료전지 자동차용 공기공급장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 공기 흡입 매니폴드를 각각 설치하여 라디에이터로 유입되는 공기를 냉각용 공기와 연료전지 공기극 공급 공기로 동시에 사용함으로써, 라디에이터 팬의 수와 크기 및 소요동력을 절감할 수 있고, 연료전지 차량의 기생전력을 최소화함으로써, 연료전지 자동차의 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 자동차용 공기공급장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 외부에서 공기가 공급되는 라디에이터; 상기 라디에이터 후방에 설치되어 공기를 흡입하는 라디에이터 팬 및 공기 흡입 매니폴드를 포함하고, 상기 라디에이터로 유입되는 공기는 냉각수 라인을 열교환으로 냉각시키고, 상기 공기 흡입 매니폴드로 유입되어 연료전지의 공기극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치를 제공한다.

라디에이터, 팬, 공기 흡입 매니폴드, 냉각수

Description

연료전지 자동차용 공기공급장치{Air supply system for fuel cell vehicle}

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

연료전지스택은 도 1에 도시한 바와 같이 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 3L MEA(11)(Membrane Electrode Assembly)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판으로 구성되어 있다.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극(20)”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극(16)” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.

양극(20)으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H⁺)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H⁺)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극(16)으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층과 분리판(Separator)을 통하여 음극(16)으로 전달된다.

상기 음극(16)에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극(16)으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

상기한 바와 같이 연료전지(10)의 출력이 상승하게 되면 발열량이 증가하여 연료전지 시스템의 온도가 상승하게 된다.

상기 연료전지 시스템의 온도상승을 방지하기 위해, 연료전지 차량에서는 연료전지(10) 내부의 냉각수를 외부의 열교환 시스템 즉, 도 1에 도시한 라디에이터(12)에서 열교환시켜 시스템의 온도를 낮추도록 되어 있다.

또한, 상기 연료전지시스템에서 발생한 열을 효과적으로 제거하기 위해서는 냉각수 및 냉각용 공기의 유량과 유속을 증가시켜야 한다.

한편, 상기 냉각수 및 냉각용 공기의 유량과 유속을 증가시키기 위해서는 워터 펌프(19)나 라디에이터 팬(101,102)의 크기와 수 및 회전수가 증가되어야 한다.

그러나, 연료전지 자동차의 경우에 공간이 제한되어 있기 때문에 워터펌프나 라디에이터 팬의 크기와 수를 증가시키기에는 한계가 있다.

또한, 상기 회전수를 증가시키기 위해서는 워터 펌프나 라디에이터 팬의 소요 동력이 증가하게 되어 기생 전력이 증가하여 연료전지 자동차의 효율이 낮아지 게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 공기 흡입 매니폴드를 각각 설치하여 라디에이터로 유입되는 공기를 냉각용 공기와 연료전지 공기극 공급 공기로 동시에 사용함으로써, 라디에이터 팬의 수와 크기 및 소요동력을 절감할 수 있고, 연료전지 차량의 기생전력을 최소화함으로써, 연료전지 자동차의 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 연료전지 자동차용 공기공급장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지 자동차용 공기공급장치에 있어서,

외부에서 공기가 공급되는 라디에이터; 상기 라디에이터 후방에 설치되어 공기를 흡입하는 라디에이터 팬 및 공기 흡입 매니폴드를 포함하고, 상기 라디에이터로 유입되는 공기는 냉각수 라인을 열교환으로 냉각시키고, 상기 공기 흡입 매니폴드로 유입되어 연료전지의 공기극으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 동일평면 상에서 좌우 병렬로 설치되는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 동일평면 상에서 상하 병렬로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 팬의 후방에 직렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.

특히, 상기 공기흡입 매니폴드로 유입되는 공기는 상기 라디에이터에서 열교환된 공기를 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 라디에이터로 유입되는 공기의 양은 연료전지의 출력이 상승하여 발열량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기공급장치에 의하면, 라디에이터로 유입되는 공기가 연료전지 냉각을 위한 열교환과 연료전지 공기극에 공기공급용으로 동시에 사용됨으로써, 라디에이터 팬의 수와 크기 및 소요 동력을 줄여 자동차의 공간활용도를 향상시키며, 연료전지 차량의 기생전력을 최소화할 수 있다.

또한, 연료전지 차량의 출력에 따라 필요한 공기량을 라디에이터를 통해 공급받기 때문에 연료전지차량의 출력이 상승하게 되면, 즉 시스템의 온도가 상승하게 되면 다량의 공기를 라디에이터를 통해서 흡입하여 저온 다량의 공기가 연료전지 차량의 스택에서 발생한 열을 자동적으로 냉각시켜 줌으로써, 연료전지 차량의 효율을 극대화 할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 공기공급장치를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이 연료전지 시스템은 연료전지(스택)(10)에서 공기(산소)와 연료(수소)를 공급받아 수소이온이 MEA(11)의 전해질막을 통과하면서 발생된 전자의 흐름으로 전기에너지와 열이 발생하게 된다.

이때, 연료전지(10)에서 발생한 열은 연료전지의 출력이 증가함에 따라 선형적으로 비례하여 증가하므로, 열을 냉각시키기 위한 열관리 시스템이 필요하였고, 열관리시스템은 연료전지 차량 전방에 설치된 라디에이터(12)를 통해 차가운 공기를 공급받아 연료전지(10)의 온도상승을 감소시키게 된다.

즉, 연료전지(10)의 분리판을 통해 냉각수를 공급하고, 냉각수를 공급하는 냉각수라인은 라디에이터(12)를 통과하게 되어 있다. 따라서, 라디에이터(12)에서 열교환을 통해 냉각된 냉각수는 연료전지(10) 내부를 통과하면서 열을 빼앗은 후, 다시 라디에이터(12)로 순환하게 된다.

한편, 종래에는 라디에이터(12)를 통해 유입되는 연료전지 냉각용 공기와 별도로 연료전지의 전기에너지 생산에 사용되는 공기극용 공기는 공기필터(13)를 통해 에어블로워(14) 및 가습기(15)를 거쳐서 공기극(16)으로 공급되었다.

또한, 상기 라디에이터(12)의 후방에 두개의 라디에이터 팬(101,102)을 설치하여 연료전지 냉각용 공기의 유량 및 유속을 증가시키는 구성으로 이루어졌다.

그러나, 상기와 같이 외부로부터 공급되는 공기가 라디에이터(12)와 공기필 터(13)를 통해 연료전지 냉각용 공기와 공기극 공급용 공기로 이원화되어 있는 것은 라디에이터 팬(101,102)의 크기 및 수를 증가시키고, 연료전지 시스템의 기생전력을 증가시키는 요인이 되었다.

따라서, 본 발명은 라디에이터(12) 후방에 공기 흡입 매니폴드(17)를 라디에이터 팬(18)과 함께 설치함으로써, 라디에이터 팬(18)의 수를 1개로 줄여서 연료전지 차량의 효율을 증가시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명은 외부로부터 공급되는 공기는 라디에이터(12)로 유입되도록 일원화하였고, 상기 라디에이터(12)로 유입되는 공기는 연료전지 냉각용 공기 및 공기극(16) 공급용으로 사용된다.

이를 위해 본 발명의 일실시예는 라디에이터(12) 후방에 동일평면 상으로 나란하게 라디에이터 팬(18)과 공기 흡입 매니폴드(17)가 설치되어 있다. 상기 공기 흡입 매니폴드(17)과 라디에이터 팬(18)은 동일평면상에서 공기가 통과하는 면의 수직방향 중심선을 기준으로 좌우에 배치되게 된다.

이때, 외부로부터 공급되는 공기는 라디에이터(12)를 통해 라디에이터 팬(18)을 관통하게 되고, 라디에이터(12)를 통해 공기흡입 매니폴드(17)로 유입된 공기필터(13)로 배출되게 된다.

또한, 상기 연료전지(10)에서 발생된 열로 가열된 냉각수는 워터펌프(19)를 통해 라디에이터(12)로 유입되어 공기와 열교환을 통해 냉각된 후, 연료전지(10)로 다시 공급되게 된다.

이와같이 라디에이터(12)로 유입되는 공기가 연료전지 냉각을 위한 열교환과 연료전지(10) 공기극(16)에 공기공급용으로 동시에 사용됨으로써, 라디에이터 팬(18)의 수와 크기 및 소요 동력을 줄여 자동차의 공간활용도를 향상시키며, 연료전지 차량의 기생전력을 최소화할 수 있다.

또한, 연료전지 차량의 출력에 따라 필요한 공기량을 라디에이터(12)를 통해 공급받기 때문에 연료전지차량의 출력이 상승하게 되면, 즉 시스템의 온도가 상승하게 되면 다량의 공기를 라디에이터(12)를 통해서 흡입하여 저온 다량의 공기가 연료전지 차량의 스택(10)에서 발생한 열을 자동적으로 냉각시켜 준다.

종래의 라디에이터 팬 제어 방법은 2 스텝(STEP)의 제어 알고리즘을 사용하여 연료전지에서 생산되는 열을 효과적으로 제거할 수 없었다. 즉, 연료전지 차량의 출력에 비해 일부 영역에서는 과냉각 또는 과부하 영역이 발생하여 연료전지 차량의 효율에 악영향을 미칠 수 있다.

그러나, 본 발명은 종래의 라디에이터 팬 제어방법이 필요없이 연료전지 차량에 출력에 따라 냉각에 필요한 공기량을 자동적으로 공급받게 되어 연료전지스택(10)의 출력량(발열량)과 냉각 공기의 양이 서로 선형(Linear)적인 관계가 성립하게 됨으로써, 연료전지 차량의 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 라디에이터 후방에 다른평면 상으로 라디에이터 팬과 공기 흡입 매니폴드가 순서대로 일정한 간격을 두고 설치되게 된다.

본 발명의 제1실시예의 경우, 상기 라디에이터 팬(18)과 공기 흡입 매니폴드(17)가 병렬로 배치되어 있으므로, 외부의 공기가 라디에이터 팬(18)과 공기 흡입 매니폴드(17)로 동시에 유입되게 되나, 제2실시예의 경우는 상기 라디에이터 팬(28)과 공기 흡입 매니폴드(27)가 직렬로 배치되어 있으므로, 외부의 공기가 라디에이터 팬(28)을 먼저 통과한 후 공기 흡입 매니폴드(27)에 유입되도록 함으로써, 라디에이터(12)로 유입되는 공기의 양을 증대시킬 수 있게 된다. 이때, 공기 흡입 매니폴드(27)에 유입된 공기의 이후 작동순서는 상기 제1실시예와 동일하다.

본 발명의 또 다른 실시예는 라디에이터(12) 후방에 동일평면 상으로 나란하게 라디에이터 팬(38)과 공기 흡입 매니폴드(37)가 설치된 점은 제1실시예와 동일하나, 상기 공기 흡입 매니폴드(37)과 라디에이터 팬(38)이 동일평면상에서 공기가 통과하는 면의 수평방향 중심선을 기준으로 상하에 배치되게 된다는 점에 차이가 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 연료전지시스템을 설명하기 위한 도면이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고,

도 3은 도 2의 공기 흡입 매니폴드의 설치 및 작동상태를 나타내는 도면이고,

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템을 설명하기 위한 도면이고,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공기 흡입 매니폴드의 설치 및 작동상태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지(스택) 11 : MEA

12 : 라디에이터 13 : 공기필터

14 : 에어 블로워 15 : 가습기

16 : 공기극 17,27,37 : 공기 흡입 매니폴드

18,28,38 : 라디에이터 팬 19 : 워터펌프

20 : 연료극

Claims

연료전지 자동차용 공기공급장치에 있어서,

외부에서 공기가 공급되는 라디에이터;

상기 라디에이터 후방에 설치되어 공기를 흡입하는 라디에이터 팬 및 공기 흡입 매니폴드를 포함하고, 상기 라디에이터로 유입되는 공기는 냉각수 라인을 열교환으로 냉각시키고, 상기 공기 흡입 매니폴드로 유입되어 연료전지의 공기극으로 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.
청구항 1에 있어서,

상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 동일평면 상에서 좌우 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.
청구항 1에 있어서,

상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 후방에 라디에이터 팬과 동일평면 상에서 상하 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.
청구항 1에 있어서,

상기 공기 흡입 매니폴드는 라디에이터 팬의 후방에 직렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공기흡입 매니폴드로 유입되는 공기는 상기 라디에이터에서 열교환된 공기를 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.
청구항 5에 있어서,

상기 라디에이터로 유입되는 공기의 양은 연료전지의 출력이 상승하여 발열량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 공기공급장치.