KR20120111169A - Air supply apparatus for fuel cell and fuel cell system having the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An air supply apparatus is provided to reduce cooling performance of a stack by remarkably reducing cooling load of a radiator without increasing cooling capacity of a radiator. CONSTITUTION: An air supply apparatus(12) for a fuel cell supplying air to a stack(11) of the fuel cell comprises a compressor(18) generating charge air by compressing external air, a first cooling unit(20) arranged in a lower side of the compressor, consisting of a vortex tube, and separating charge air to low temperature charge air and high temperature charge air through an energy separation reaction, and a second cooling unit(40) arranged in a loser side of the first cooling unit, and cooling the low temperature charge air supplied from the first cooling unit by cooling water.

Description

연료전지용 공기공급장치 및 이를 포함하는 연료전지시스템{AIR SUPPLY APPARATUS FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}AIR SUPPLY APPARATUS FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM CONTAINING THE SAME {AIR SUPPLY APPARATUS FOR FUEL CELL AND FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지를 냉각시키는 라디에이터의 냉각부하를 줄임으로써 라디에이터에 의한 연료전지의 냉각성능을 대폭 향상시킬 수 있는 연료전지용 공기공급장치 및 이를 포함하는 연료전지시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell air supply device capable of significantly improving the cooling performance of a fuel cell by a radiator by reducing a cooling load of a radiator for cooling a fuel cell, and a fuel cell including the same. It's about the system.

널리 주지된 바와 같이, 연료전지는 연료(수소)와 산화제(산소)의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 발생시키는 발전장치의 일종으로, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가하는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로 연구개발되고 있으며, 연료전지는 휴대용 전자기기 등의 이동용 전원, 자동차 등의 수송용 전원, 건물 등의 분산용 전원 등과 같이 그 응용범위가 매우 넓다. As is well known, a fuel cell is a type of power generation device that generates electric energy by electrochemical reaction of fuel (hydrogen) and oxidant (oxygen). It is being researched and developed as an alternative to solve the problem, and the fuel cell has a wide range of applications such as mobile power for portable electronic devices, power for transportation for automobiles, and power for distributed power for buildings.

이러한 연료전지는 전기에너지를 발생시키는 스택(stack), 스택으로 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 스택으로 공기(산소)를 공급하는 공기공급장치, 스택의 발전 반응 시에 발생하는 수분, 공기, 연료 등을 배출시키는 배기계 등으로 구성된다.Such a fuel cell includes a stack for generating electrical energy, a fuel supply device for supplying fuel (hydrogen) to the stack, an air supply device for supplying air (oxygen) to the stack, moisture generated during a power generation reaction of the stack, And an exhaust system for discharging air, fuel, and the like.

한편, 연료전지 차량은 연료전지를 주동력수단으로 이용하는 차량으로, 이러한 연료전지 차량은 연료전지의 스택 내에서 수소와 공기의 전기화학반응에 의해 그 전력이 발생되고, 이와 더불어 전기화학반응에 따라 부수적으로 상당량의 열이 발생하며, 이렇게 연료전지의 스택에서 발생된 열을 라디에이터를 통과하는 일부의 냉각수에 의해 냉각시키도록 구성된다. On the other hand, the fuel cell vehicle is a vehicle that uses the fuel cell as the main power means, the fuel cell vehicle is generated by the electrochemical reaction of hydrogen and air in the stack of the fuel cell, along with the electrochemical reaction Incidentally, a significant amount of heat is generated and thus configured to cool the heat generated in the stack of fuel cells by some cooling water passing through the radiator.

또한, 스택으로 공기를 공급하는 공기공급장치는 외부공기를 압축하여 과급공기를 생성하는 압축기 및 과급공기의 밀도를 높이기 위하여 압축기에 의해 승온된 과급공기를 냉각시키는 인터쿨러 등으로 구성되고, 인터쿨러 측으로는 라디에이터를 통과한 나머지의 냉각수와 과급공기가 열교환함에 따라 과급공기의 냉각이 이루어지도록 구성된다. In addition, the air supply device for supplying air to the stack is composed of a compressor for compressing the external air to generate the charge air, and an intercooler for cooling the charge air heated by the compressor to increase the density of the charge air. It is configured to cool the boost air as the remaining coolant and the boost air heat exchange through the radiator.

그리고, 연료전지 차량의 라디에이터는 송풍팬을 이용한 공랭식 열교환기로서, 송풍팬에 의해 냉각된 냉각수를 스택 및 인터쿨러 측으로 각각 분기시켜 순환시키도록 구성되어 있다. 이에, 일부의 냉각수는 스택 측으로 순환되어 스택 내의 발열을 냉각시키고, 나머지의 냉각수는 인터쿨러 측으로 순환되어 인터쿨러를 통과하는 과급공기를 냉각시킨다. The radiator of the fuel cell vehicle is an air-cooled heat exchanger using a blowing fan, and is configured to branch and circulate the cooling water cooled by the blowing fan to the stack and the intercooler side, respectively. Accordingly, some of the cooling water is circulated to the stack side to cool the heat generated in the stack, and the remaining cooling water is circulated to the intercooler side to cool the charge air passing through the intercooler.

이와 같이, 종래의 연료전지 차량의 경우 라디에이터를 통과한 냉각수가 스택 및 인터쿨러 각각으로 공급됨에 따라 연료전지의 구동 시에 라디에이터 측에 매우 높은 냉각부하가 걸리고, 이에 라디에이터의 냉각부하를 적절히 감소시키기 위해서는 라디에이터의 용량을 증대시키는 방법이 있지만, 차량의 구조적 제한 때문에 라디에이터의 냉각용량을 증대시킴에 있어 그 한계가 뒤따르고, 이로 인해 라디에이터의 냉각부하를 적절히 줄일 수 없어 연료전지의 냉각성능이 저하되는 단점이 있었다. As described above, in the case of a conventional fuel cell vehicle, as the coolant passing through the radiator is supplied to each of the stack and the intercooler, a very high cooling load is applied to the radiator when the fuel cell is driven, so that the cooling load of the radiator may be appropriately reduced. Although there is a method of increasing the capacity of the radiator, the limitation of the increase in the cooling capacity of the radiator is due to the structural limitations of the vehicle, and this causes the cooling load of the radiator to be appropriately reduced, which reduces the cooling performance of the fuel cell. There was this.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 라디에이터의 냉각용량을 증대시킬 필요없이 라디에이터의 냉각부하를 대폭 감소시킬 수 있는 연료전지용 공기공급장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a fuel cell air supply device capable of significantly reducing the cooling load of a radiator without increasing the cooling capacity of the radiator.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치는, Fuel cell air supply apparatus according to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object,

외부공기를 압축하여 과급공기를 생성하는 압축기; A compressor for generating charge air by compressing external air;

상기 압축기의 하류측에 배치되고, 볼텍스튜브로 구성되어 에너지 분리작용에 의해 과급공기를 저온 과급공기 및 고온 과급공기로 분리하는 제1냉각유닛; 및 A first cooling unit disposed on a downstream side of the compressor and configured of a vortex tube to separate the charge air into low temperature charge air and high temperature charge air by an energy separation action; And

상기 제1냉각유닛의 하류측에 배치되고, 상기 제1냉각유닛로부터 공급되는 저온 과급공기를 냉각수에 의해 냉각하는 제2냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. And a second cooling unit disposed on a downstream side of the first cooling unit and cooling the low-temperature supercharged air supplied from the first cooling unit with the cooling water.

상기 제2냉각유닛의 하류측에 가습기가 설치되고, 상기 가습기는 상기 제2냉각유닛에 의해 냉각된 저온의 과급공기를 가습하는 것을 특징으로 한다. A humidifier is installed downstream of the second cooling unit, and the humidifier is characterized in that to humidify the low-temperature supercharged air cooled by the second cooling unit.

상기 제1냉각유닛은 케이스, 상기 케이스 내에 배치된 볼텍스 제너레이터, 상기 볼텍스 제너레이터의 맞은편에 배치된 슬리브, 상기 볼텍스 제너레이터와 소통되게 연결되는 제1이송관, 및 상기 슬리브와 소통되게 연결되는 제2이송관을 포함하고, The first cooling unit may include a case, a vortex generator disposed in the case, a sleeve disposed opposite the vortex generator, a first transfer pipe connected to and in communication with the vortex generator, and a second connected to communicate with the sleeve. Including a transfer pipe,

상기 제1냉각유닛의 제1이송관을 통해 저온의 과급공기가 상기 제2냉각유닛측으로 공급되며, Low-temperature charge air is supplied to the second cooling unit through the first conveying pipe of the first cooling unit.

상기 케이스의 일측에는 상기 공기공급라인이 접속되는 입구포트가 형성되며, 상기 볼텍스 제너레이터의 일단에는 케이스의 입구포트와 인접한 복수의 노즐이 형성되고, 상기 볼텍스 제너레이터의 내부 중심부에는 볼텍스챔버가 형성되며, 상기 볼텍스챔버는 상기 제1이송관을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성되고, An inlet port to which the air supply line is connected is formed at one side of the case, and a plurality of nozzles adjacent to the inlet port of the case are formed at one end of the vortex generator, and a vortex chamber is formed at an inner center of the vortex generator. The vortex chamber is formed in a diffuser shape in which the diameter thereof becomes wider toward the first transfer pipe.

상기 슬리브는 상기 볼텍스 제너레이터의 노즐과 대향되게 배치되며, 상기 슬리브의 내부 중심부에는 중공챔버가 형성되며, 상기 중공챔버는 상기 제2이송관을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. The sleeve is disposed to face the nozzle of the vortex generator, a hollow chamber is formed in the inner center of the sleeve, the hollow chamber is formed in a diffuser shape of which the diameter is wider toward the second transfer pipe. It is done.

본 발명에 의한 연료전지시스템은, The fuel cell system according to the present invention,

공기극 및 연료극을 가진 스택;A stack having an air electrode and a fuel electrode;

상기 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기공급장치;An air supply device for supplying air to the cathode of the stack;

상기 스택의 연료극으로 연료를 공급하는 연료공급장치;A fuel supply device supplying fuel to the anode of the stack;

상기 스택에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기계; 및 An exhaust system for exhausting exhaust gas generated in the stack; And

상기 스택의 발열을 냉각시키는 라디에이터;를 포함하고, A radiator for cooling the heat of the stack;

상기 공기공급장치는 스택의 공기극 측으로 공기를 공급하도록 상기 스택 측에 연결된 공기공급라인, 상기 공기공급라인의 상류측에 설치된 압축기, 상기 공기공급라인의 압축기 하류 측에 설치된 제1냉각유닛, 상기 공기공급라인의 제1냉각유닛 하류 측에 설치된 제2냉각유닛을 구비하며, The air supply device is an air supply line connected to the stack side to supply air to the cathode side of the stack, a compressor installed upstream of the air supply line, a first cooling unit installed on the compressor downstream of the air supply line, the air A second cooling unit installed downstream of the first cooling unit of the supply line,

상기 제1냉각유닛은 상기 압축기에 의해 압축된 과급공기를 저온의 과급공기와 고온의 과급공기로 분리하는 볼텍스튜브로 구성되고, The first cooling unit is composed of a vortex tube separating the boost air compressed by the compressor into a low temperature boost air and a high temperature boost air,

상기 라디에이터에는 냉각수가 순환하는 냉각수 순환라인이 관통하고, 상기 라디에이터의 일측에는 냉각수를 냉각시키는 하나 이상의 송풍팬이 인접하여 설치되며, The radiator passes through a cooling water circulation line through which cooling water is circulated, and at least one blower fan for cooling the cooling water is installed adjacent to one side of the radiator.

상기 냉각수 순환라인에는 냉각수를 순환시키는 순환펌프가 설치되고, 상기 냉각수 순환라인은 스택용 냉각라인과 과급공기용 냉각라인으로 분기되며, The cooling water circulation line is provided with a circulation pump for circulating the cooling water, the cooling water circulation line is branched into a stack cooling line and a charge air cooling line,

상기 스택용 냉각라인은 스택의 일측을 관통하여 라디에이터에서 냉각된 냉각수의 일부를 스택 측으로 순환시키고, The stack cooling line passes through one side of the stack to circulate a portion of the coolant cooled in the radiator to the stack side,

상기 과급공기용 냉각라인은 상기 공기공급장치의 제2냉각유닛를 관통하여 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수의 나머지를 상기 제2냉각유닛 측으로 순환시키도록 구성된 것을 특징으로 한다. The charge air cooling line is characterized in that configured to circulate through the second cooling unit of the air supply device to the remainder of the cooling water cooled in the radiator to the second cooling unit side.

상기 공기공급라인의 제2냉각유닛의 하류 측에는 가습기가 설치되고, 상기 배기계의 배기라인이 상기 가습기를 관통하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. A humidifier is installed downstream of the second cooling unit of the air supply line, and the exhaust line of the exhaust system is configured to pass through the humidifier.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 압축기에 의해 압축된 과급공기를 볼텍스튜브로 구성된 제1냉각유닛의 에너지분리작용에 의해 1차로 냉각시킨 후에 제2냉각유닛에 의해 2차로 냉각시키는 구조를 적용함으로써 라디에이터의 냉각용량을 증대시킬 필요없이 라디에이터의 냉각부하를 대폭 감소시킬 수 있고, 이를 통해 라디에이터에 의한 스택의 냉각성능을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다. According to the present invention as described above, a radiator by applying a structure in which the supercharged air compressed by the compressor is first cooled by the energy separation action of the first cooling unit composed of the vortex tube and then secondly cooled by the second cooling unit. The cooling load of the radiator can be greatly reduced without increasing the cooling capacity of the radiator, thereby greatly improving the cooling performance of the stack by the radiator.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 공기공급장치와 이를 포함하는 연료전지시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 공기공급장치의 제1냉각유닛을 도시한 상세단면도이다. 1 is a view showing a fuel cell air supply device and a fuel cell system including the same according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a detailed cross-sectional view showing a first cooling unit of the air supply apparatus according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 연료전지시스템(10)은 공기극 및 연료극을 가진 스택(11), 스택(11)의 공기극으로 공기를 공급하는 공기공급장치(12), 스택(11)의 연료극으로 연료를 공급하는 연료공급장치(13), 스택(11)에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기계(14), 스택(11)의 발열을 냉각시키는 라디에이터(15)를 포함한다. 1 and 2, the fuel cell system 10 according to the present invention includes a stack 11 having an air electrode and a fuel electrode, an air supply device 12 supplying air to the air electrode of the stack 11, and a stack ( A fuel supply device 13 for supplying fuel to the anode of 11), an exhaust system 14 for discharging the exhaust gas generated from the stack 11, and a radiator 15 for cooling the heat generated by the stack 11 is included.

스택(11)은 공기극 및 연료극을 가진 단위전지들이 복수개로 적층된 구조로 이루어지고, 스택(11)의 흡입측에는 흡입매니폴드(11a)가 배치되며, 스택(11)의 배출측에는 배기매니폴드(11b)가 배치되어 있다. The stack 11 has a structure in which a plurality of unit cells having an air electrode and a fuel electrode are stacked, and an intake manifold 11a is disposed on the suction side of the stack 11, and an exhaust manifold is disposed on the discharge side of the stack 11. 11b) is arranged.

공기공급장치(12)는 스택(11)의 공기극 측으로 공기를 공급하도록 스택(11)의 흡기매니폴드(11a) 측에 연결된 공기공급라인(12a), 공기공급라인(12a)의 상류측에 설치된 압축기(18), 공기공급라인(12a)의 압축기(18) 하류 측에 설치된 제1냉각유닛(20), 공기공급라인(12a)의 제1냉각유닛(20) 하류 측에 설치된 제2냉각유닛(40), 공기공급라인(12a)의 제2냉각유닛(40)의 하류 측에 설치된 가습기(35) 등을 구비한다. The air supply device 12 is installed at an upstream side of the air supply line 12a and the air supply line 12a connected to the intake manifold 11a side of the stack 11 to supply air to the cathode side of the stack 11. Compressor 18, first cooling unit 20 installed downstream of compressor 18 in air supply line 12a, second cooling unit installed downstream of first cooling unit 20 in air supply line 12a. 40, a humidifier 35 and the like provided on the downstream side of the second cooling unit 40 of the air supply line 12a.

연료공급장치(13)는 스택(11)의 연료극 측으로 연료를 공급하도록 스택(11)의 흡기매니폴드(11a) 측에 연결된 연료공급라인(13a)을 포함하고, 개질기(미도시) 등에 의해 적절히 개질된 연료를 블로워(미도시) 등을 통해 공급하도록 구성될 수 있다. The fuel supply device 13 includes a fuel supply line 13a connected to the intake manifold 11a side of the stack 11 so as to supply fuel to the anode side of the stack 11, and is suitably applied by a reformer (not shown) or the like. The reformed fuel may be configured to be supplied through a blower (not shown) or the like.

배기계(14)는 스택(11)의 배기매니폴드(11b)측에 연결되어 스택(11)의 연료 및 공기의 전기화학반응을 통해 생성된 배기가스를 배출하는 배기라인(14a)을 포함하고, 배기라인(14a)은 가습기(50)를 관통하며, 이에 스택(11)에서 배출되는 고온의 배기가스는 가습기(50)의 열원으로 이용되도록 구성된다. The exhaust system 14 includes an exhaust line 14a connected to the exhaust manifold 11b side of the stack 11 to discharge exhaust gas generated through an electrochemical reaction of fuel and air in the stack 11, The exhaust line 14a penetrates the humidifier 50, so that the hot exhaust gas discharged from the stack 11 is used as a heat source of the humidifier 50.

라디에이터(15)에는 냉각수가 순환하는 냉각수 순환라인(15a)이 관통하고, 그 일측에 하나 이상의 송풍팬(16)이 배치되며, 이에 라디에이터(15)는 송풍팬(16)에 의해 외부의 차가운 공기를 통해 냉각수를 냉각시키도록 구성된다. The radiator 15 passes through a cooling water circulation line 15a through which cooling water circulates, and at least one blower fan 16 is disposed at one side thereof, so that the radiator 15 is blown outside by the blower fan 16. It is configured to cool the cooling water through.

냉각수 순환라인(15a)에는 냉각수를 순환시키는 순환펌프(15b)가 설치되고, 순환펌프(15b)의 하류 측에는 분기점(15c)이 형성되고, 냉각수 순환라인(15a)은 이 분기점(15c)에서 스택용 냉각라인(15d)과 과급공기용 냉각라인(15e)으로 분기된다.The cooling water circulation line 15a is provided with a circulation pump 15b for circulating the cooling water, a branching point 15c is formed downstream of the circulation pump 15b, and the cooling water circulation line 15a is stacked at this branching point 15c. It branches to the cooling line 15d for cooling and the cooling line 15e for charging air.

스택용 냉각라인(15d)은 스택(11) 내를 관통하고, 이에 라디에이터(15)에서 냉각된 냉각수의 일부가 스택(11) 측으로 순환하여 스택(11) 내의 발열을 냉각시키도록 구성된다. The stack cooling line 15d penetrates into the stack 11, whereby a portion of the coolant cooled in the radiator 15 is circulated to the stack 11 side to cool the heat generated in the stack 11.

과급공기용 냉각라인(15e)은 공기공급장치(12)의 제2냉각유닛(40)를 관통하고, 이에 라디에이터(15)에서 냉각된 냉각수의 나머지가 제2냉각유닛(40) 측으로 순환하여 제2냉각유닛(40)을 통과하는 과급공기를 냉각시키도록 구성된다. The charge air cooling line 15e penetrates through the second cooling unit 40 of the air supply device 12, so that the remainder of the cooling water cooled by the radiator 15 circulates to the second cooling unit 40 side so as to obtain a second cooling unit 40. 2 is configured to cool the charge air passing through the cooling unit (40).

그리고, 스택용 냉각라인(15d)과 과급공기용 냉각라인(15e)은 라디에이터(15)의 상류 측의 합류점(15f)에서 합류하도록 구성된다. The stack cooling line 15d and the charge air cooling line 15e are configured to join at the confluence point 15f on the upstream side of the radiator 15.

한편, 본 발명에 의한 공기공급장치(12)의 제1 및 제2 냉각유닛(20, 40)을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Meanwhile, the first and second cooling units 20 and 40 of the air supply device 12 according to the present invention will be described in detail.

제1냉각유닛(20)은 케이스(21), 케이스(21) 내에 배치된 볼텍스 제너레이터(23), 볼텍스 제너레이터(23)의 맞은편에 배치된 슬리브(24)로 이루어진 볼텍스튜브로 구성된다. The first cooling unit 20 is composed of a vortex tube composed of a case 21, a vortex generator 23 disposed in the case 21, and a sleeve 24 disposed opposite the vortex generator 23.

케이스(21)의 일측에는 배기라인(14)이 접속되는 입구포트(21a)가 형성되고, 이 제1포트(21a)를 통해 압축기(18)에 의해 압축된 고온의 과급공기가 공급된다. 케이스(21)의 양측에는 제1 및 제2 이송관(31, 32)이 소통가능하게 접속되어 있다. An inlet port 21a through which the exhaust line 14 is connected is formed at one side of the case 21, and the hot charge air compressed by the compressor 18 is supplied through the first port 21a. First and second transfer pipes 31 and 32 are communicatively connected to both sides of the case 21.

볼텍스 제너레이터(23)는 케이스(21) 내에 설치되고, 그 일단에는 케이스(21)의 입구포트(21a)와 인접한 복수의 노즐(23a)이 형성되며, 그 내부 중심부에는 볼텍스챔버(23c)가 형성된다. 볼텍스챔버(23c)는 제2이송관(32)을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성된다. The vortex generator 23 is installed in the case 21, and a plurality of nozzles 23a adjacent to the inlet port 21a of the case 21 are formed at one end thereof, and a vortex chamber 23c is formed at the inner center thereof. do. The vortex chamber 23c is formed in a diffuser shape in which the diameter thereof becomes wider toward the second transfer pipe 32.

슬리브(24)는 볼텍스 제너레이터(23)의 노즐(23a)과 대향되게 배치되고, 슬리브(24)의 내부 중심부에는 중공챔버(24c)가 형성되어 있으며, 이 중공챔버(24c)는 제1이송관(31)을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성된다. The sleeve 24 is disposed to face the nozzle 23a of the vortex generator 23, and a hollow chamber 24c is formed at an inner center of the sleeve 24, and the hollow chamber 24c is a first conveying pipe. It is formed in a diffuser shape in which its diameter widens toward 31.

제1이송관(31)은 케이스(21)의 일측에 연결되고, 특히 볼텍스 제너레이터(23)의 볼텍스챔버(23c)와 소통하도록 연결된다. 제1이송관(31)은 제2냉각유닛(40) 측에 연결되어 저온의 과급공기를 제2냉각유닛(40)측으로 공급하도록 구성된다. The first transfer pipe 31 is connected to one side of the case 21, in particular in communication with the vortex chamber 23c of the vortex generator 23. The first transfer pipe 31 is connected to the second cooling unit 40 side is configured to supply the low-temperature charge air to the second cooling unit 40 side.

제2이송관(32)은 케이스(21)의 타측에 연결되고, 특히 슬리브(23)의 중공챔버(24c)와 소통하도록 연결된다. 제2이송관(32)의 단부에는 볼텍스의 강도를 조절하기 위한 스로틀밸브(35)가 설치되고, 이 스로틀밸브(35)는 수평방향으로 이동가능하게 설치된다. 이에, 스로틀밸브(35)를 제2이송관(32)의 단부에 대해 근접 또는 이격가능하게 조절함에 따라 볼텍스의 강도를 적절히 조절할 수 있다. 그리고, 제2이송관(32)의 단부를 통해 고온의 과급공기가 배출된다. The second transfer pipe 32 is connected to the other side of the case 21, in particular in communication with the hollow chamber 24c of the sleeve 23. At the end of the second transfer pipe 32, a throttle valve 35 for adjusting the strength of the vortex is provided, and the throttle valve 35 is installed to be movable in the horizontal direction. Thus, by adjusting the throttle valve 35 in close or spaced apart with respect to the end of the second transfer pipe 32 it is possible to appropriately adjust the strength of the vortex. Then, the high temperature charge air is discharged through the end of the second transfer pipe (32).

이와 같이 구성된 제1냉각유닛(20)는 그 볼텍스튜브의 에너지분리작용을 통해 압축기(18)에 의해 승온된 과급공기를 저온의 과급공기와 고온의 과급공기로 각각 분리하고, 저온의 과급공기는 제1이송관(31)을 통해 제2냉각유닛(40)측으로 공급되며, 고온의 과급공기는 제2이송관(32)을 통해 외부로 배출된다. The first cooling unit 20 configured as described above separates the boost air heated by the compressor 18 into low temperature supercharged air and high temperature supercharged air through the energy separation action of the vortex tube. The second cooling unit 40 is supplied to the second cooling unit 40 through the first transfer pipe 31, and the hot charge air is discharged to the outside through the second transfer pipe 32.

이러한 제1냉각유닛(20)의 에너지분리작용을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. Looking at the energy separation action of the first cooling unit 20 in detail.

먼저, 공기공급라인(12a)으로 도입되는 외부공기를 압축기(18)에 의해 1~2bar 정도의 압력으로 압축하고, 이러한 압축을 통해 스택(11)의 공기극으로 공급되는 과급공기가 생성된다. 이러한 과급공기가 제1냉각유닛(20)의 입구포트(21a)를 통해 유입되면, 과급공기는 볼텍스 제너레이터(23)의 노즐(23a)을 통과한 후에 볼텍스 챔버(23c) 내로 유입됨으로써 수백만 RPM의 초고속으로 회전하는 1차 볼텍스(HV)로 변환된다. 1차 볼텍스(HV)는 제2이송관(32)을 따라 이송되고, 그 일부는 배출되며, 그 나머지는 스로틀밸브(35)의 선단에 걸려 회송되면서 1차 볼텍스(HV) 보다 작은 내경의 2차 볼텍스(LV)로 변환되며, 2차 볼텍스(LV)는 제1이송관(31)을 따라 이송되어 배출된다. First, the external air introduced into the air supply line 12a is compressed by a compressor 18 to a pressure of about 1 to 2 bar, and through this compression, boost air is supplied to the cathode of the stack 11. When the charge air is introduced through the inlet port 21a of the first cooling unit 20, the charge air is introduced into the vortex chamber 23c after passing through the nozzle 23a of the vortex generator 23, thereby providing millions of RPM. It is converted to a primary vortex (HV) that rotates at very high speed. The primary vortex (HV) is conveyed along the second transfer pipe (32), part of which is discharged, and the rest is caught on the front end of the throttle valve (35) of the inner diameter smaller than the primary vortex (HV) 2 The secondary vortex LV is converted to the secondary vortex LV, and the secondary vortex LV is transferred along the first transfer pipe 31 and discharged.

이때, 1차 볼텍스(HV) 및 2차 볼텍스(LV)는 동일한 회전방향 및 동일한 각속도로 회전하고, 이에 직경이 큰 1차 볼텍스(HV)의 입자가 2차 볼텍스(LV)의 입자에 비해 더 빠른 속도로 운동함으로써 운동속도가 느린 2차 볼텍스(LV)의 입자가 가진 운동에너지는 열에너지로 변환된다. 이렇게 생성된 열에너지는 2차 볼텍스(LV)의 온도를 저하시키고, 1차 볼텍스(HV)의 온도를 상승시킨다. 이에, 과급공기는 1차 볼텍스(HV)에 따른 고온의 과급공기와 2차 볼텍스(LV)에 따른 저온의 과급공기로 분리되고(에너지 분리작용), 1차 볼텍스(HV)에 따른 고온의 과급공기는 2차 볼텍스(LV)에 따른 저온의 과급공기 보다 상대적으로 고온 상태가 되어 배출된다.At this time, the primary vortex (HV) and the secondary vortex (LV) rotate in the same rotation direction and the same angular velocity, so that the particles of the large primary vortex (HV) larger diameter than the particles of the secondary vortex (LV) By moving at a high speed, the kinetic energy of the particles of the secondary vortex (LV) having a slow movement speed is converted into thermal energy. The generated thermal energy lowers the temperature of the secondary vortex LV and raises the temperature of the primary vortex HV. Thus, the charge air is separated into high temperature charge air according to the primary vortex (HV) and low temperature charge air according to the secondary vortex (LV) (energy separation action), and high temperature charge according to the primary vortex (HV). The air is discharged in a relatively high temperature state than the low temperature charge air according to the secondary vortex (LV).

그리고, 고온의 과급공기는 제2이송관(32)의 개방된 단부를 통해 외부로 배출되고, 저온의 과급공기는 제1이송관(31)을 통해 제2냉각유닛(40)측으로 이송되어 제2냉각유닛(40)측에서 2차로 냉각된다. Then, the high temperature air is discharged to the outside through the open end of the second transfer pipe 32, the low temperature air is transferred to the second cooling unit 40 side through the first transfer pipe 31 and Second cooling is performed on the cooling unit 40 side.

제2냉각유닛(40)은 제1이송관(31)을 통해 제1냉각유닛(20)과 소통되게 연결되고, 제1냉각유닛(20)의 에너지분리작용에 의해 생성된 저온의 과급공기 즉, 1차로 냉각된 과급공기를 2차로 냉각시키도록 구성된다. 구체적으로, 제2냉각유닛(40)에서는 라디에이터(15)로부터 과급공기용 냉각라인(15e)을 통해 공급되는 냉각수에 의해 1차 냉각된 과급공기가 2차로 냉각된다. The second cooling unit 40 is connected in communication with the first cooling unit 20 through the first transfer pipe 31, that is, the low temperature charge air generated by the energy separation action of the first cooling unit 20, that is, And to cool secondaryly charged charge air secondary. Specifically, in the second cooling unit 40, the secondary air is first cooled by the cooling water supplied from the radiator 15 through the cooling air cooling line 15e.

그리고, 공기공급라인(12a)의 제2냉각유닛(40)의 하류 측에 설치된 가습기(50)에 의해 2차로 냉각된 과급공기는 적절히 가습된 후에 스택(11)의 공기극측으로 공급된다. The secondary air cooled by the humidifier 50 installed downstream of the second cooling unit 40 of the air supply line 12a is adequately humidified and then supplied to the cathode side of the stack 11.

이하, 이상과 같이 구성된 본 발명의 작용을 다음과 같이 상세히 설명한다. Hereinafter, the operation of the present invention configured as described above will be described in detail as follows.

공기공급라인(12a) 및 연료공급라인(13a)을 통해 공기 및 연료가 스택(11) 내로 공급되면, 스택(11)에서는 공기 및 연료의 전기화학반응에 의해 소정의 전기에너지를 발생시킨다. When air and fuel are supplied into the stack 11 through the air supply line 12a and the fuel supply line 13a, the stack 11 generates predetermined electric energy by electrochemical reaction of air and fuel.

이러한 스택(11) 내의 전기화학반응에 의해 전력이 발생됨과 더불어 소정의 열이 발생하고, 이러한 열은 라디에이터(15)로부터 스택용 냉각라인(15d)을 통해 공급되는 냉각수에 의해 냉각된다. The electric power is generated by the electrochemical reaction in the stack 11, and predetermined heat is generated, and the heat is cooled by the coolant supplied from the radiator 15 through the stack cooling line 15d.

한편, 공기공급라인(12a)으로 도입되는 외부공기는 압축기(18)에 의해 압축됨에 따라 승온된 과급공기가 생성되고, 이렇게 승온된 과급공기는 제1냉각유닛(20)의 에너지분리작용에 의해 저온의 과급공기 및 고온의 과급공기로 분리됨으로써 과급공기는 제1냉각유닛(20)에서 1차로 냉각되며, 이러한 저온의 과급공기는 제2냉각유닛(40) 측으로 이송된다. 제2냉각유닛(40)에서 라디에이터(15)로부터 과급공기용 냉각라인(15e)을 통해 공급되는 냉각수에 의해 저온의 과급공기가 2차로 냉각된다. 이렇게 2차 냉각된 과급공기는 가습기(50)를 거치면서 적절히 가습된 후에 스택(11)의 공기극으로 공급된다. On the other hand, the external air introduced into the air supply line 12a is compressed by the compressor 18 to generate a boosted air, and the boosted air is heated by an energy separation action of the first cooling unit 20. By separating the low temperature charge air and the high temperature charge air, the boost air is first cooled in the first cooling unit 20, and the low temperature charge air is transferred to the second cooling unit 40. In the second cooling unit 40, the low temperature boost air is secondarily cooled by the cooling water supplied from the radiator 15 through the charge air cooling line 15e. The secondary air thus cooled is properly humidified while passing through the humidifier 50 and then supplied to the cathode of the stack 11.

이와 같이, 본 발명은 압축기(18)에 의해 생성된 과급공기가 제1 및 제2 냉각유닛(20, 40)을 통해 2단계에 걸쳐 냉각됨에 따라 라디에이터(15)의 냉각부하를 대폭 감소시킬 수 있고, 이에 라디에이터(15)에 의한 스택(11)의 냉각성능이 대폭 향상되는 장점이 있다. As such, the present invention can significantly reduce the cooling load of the radiator 15 as the charge air generated by the compressor 18 is cooled in two stages through the first and second cooling units 20 and 40. This has the advantage that the cooling performance of the stack 11 by the radiator 15 is greatly improved.

10: 연료전지시스템 11: 스택
12: 공기공급장치 13: 연료공급장치
14: 배기계 15: 라디에이터
20: 제1냉각유닛 40: 제2냉각유닛
50: 가습기10: fuel cell system 11: stack
12: air supply unit 13: fuel supply unit
14: exhaust system 15: radiator
20: first cooling unit 40: second cooling unit
50: humidifier

Claims (6)

연료전지의 스택측으로 공기를 공급하는 연료전지용 공기공급장치로서,
외부공기를 압축하여 과급공기를 생성하는 압축기;
상기 압축기의 하류측에 배치되고, 볼텍스튜브로 구성되어 에너지 분리작용에 의해 과급공기를 저온 과급공기 및 고온 과급공기로 분리하는 제1냉각유닛; 및
상기 제1냉각유닛의 하류측에 배치되고, 상기 제1냉각유닛로부터 공급되는 저온 과급공기를 냉각수에 의해 냉각하는 제2냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.A fuel cell air supply device for supplying air to a stack side of a fuel cell,
A compressor for generating charge air by compressing external air;
A first cooling unit disposed on a downstream side of the compressor and configured of a vortex tube to separate the charge air into low temperature charge air and high temperature charge air by an energy separation action; And
And a second cooling unit disposed on the downstream side of the first cooling unit and cooling the low-temperature supercharged air supplied from the first cooling unit with the cooling water. 제1항에 있어서,
상기 제2냉각유닛의 하류측에 가습기가 설치되고, 상기 가습기는 상기 제2냉각유닛에 의해 냉각된 저온의 과급공기를 가습하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.The method of claim 1,
A humidifier is installed downstream of the second cooling unit, and the humidifier humidifies the low-temperature supercharged air cooled by the second cooling unit. 제1항에 있어서,
상기 제1냉각유닛은 케이스, 상기 케이스 내에 배치된 볼텍스 제너레이터, 상기 볼텍스 제너레이터의 맞은편에 배치된 슬리브, 상기 볼텍스 제너레이터와 소통되게 연결되는 제1이송관, 및 상기 슬리브와 소통되게 연결되는 제2이송관을 포함하고,
상기 제1냉각유닛의 제1이송관을 통해 저온의 과급공기가 상기 제2냉각유닛측으로 공급되며,
상기 케이스의 일측에는 상기 공기공급라인이 접속되는 입구포트가 형성되며, 상기 볼텍스 제너레이터의 일단에는 케이스의 입구포트와 인접한 복수의 노즐이 형성되고, 상기 볼텍스 제너레이터의 내부 중심부에는 볼텍스챔버가 형성되며, 상기 볼텍스챔버는 상기 제1이송관을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성되고,
상기 슬리브는 상기 볼텍스 제너레이터의 노즐과 대향되게 배치되며, 상기 슬리브의 내부 중심부에는 중공챔버가 형성되며, 상기 중공챔버는 상기 제2이송관을 향해 갈수록 그 직경이 넓어지는 디퓨저 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기공급장치.The method of claim 1,
The first cooling unit may include a case, a vortex generator disposed in the case, a sleeve disposed opposite the vortex generator, a first transfer pipe connected to and in communication with the vortex generator, and a second connected to communicate with the sleeve. Including a transfer pipe,
Low-temperature charge air is supplied to the second cooling unit through the first conveying pipe of the first cooling unit.
An inlet port to which the air supply line is connected is formed at one side of the case, at one end of the vortex generator is formed a plurality of nozzles adjacent to the inlet port of the case, a vortex chamber is formed at the inner center of the vortex generator, The vortex chamber is formed in a diffuser shape in which the diameter thereof becomes wider toward the first transfer pipe.
The sleeve is disposed to face the nozzle of the vortex generator, a hollow chamber is formed in the inner center of the sleeve, the hollow chamber is formed in a diffuser shape of which the diameter is wider toward the second transfer pipe. Air supply device for fuel cells. 공기극 및 연료극을 가진 스택;
상기 스택의 공기극으로 공기를 공급하는 공기공급장치;
상기 스택의 연료극으로 연료를 공급하는 연료공급장치;
상기 스택에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기계; 및
상기 스택의 발열을 냉각시키는 라디에이터;를 포함하고,
상기 공기공급장치는 스택의 공기극 측으로 공기를 공급하도록 상기 스택 측에 연결된 공기공급라인, 상기 공기공급라인의 상류측에 설치된 압축기, 상기 공기공급라인의 압축기 하류 측에 설치된 제1냉각유닛, 상기 공기공급라인의 제1냉각유닛 하류 측에 설치된 제2냉각유닛을 구비하며,
상기 라디에이터에는 냉각수가 순환하는 냉각수 순환라인이 관통하고, 상기 라디에이터의 일측에는 냉각수를 냉각시키는 하나 이상의 송풍팬이 인접하여 설치되며,
상기 냉각수 순환라인에는 냉각수를 순환시키는 순환펌프가 설치되고, 상기 냉각수 순환라인은 스택용 냉각라인과 과급공기용 냉각라인으로 분기되며,
상기 스택용 냉각라인은 스택의 일측을 관통하여 라디에이터에서 냉각된 냉각수의 일부를 스택 측으로 순환시키고,
상기 과급공기용 냉각라인은 상기 공기공급장치의 제2냉각유닛를 관통하여 상기 라디에이터에서 냉각된 냉각수의 나머지를 상기 제2냉각유닛 측으로 순환시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.A stack having an air electrode and a fuel electrode;
An air supply device for supplying air to the cathode of the stack;
A fuel supply device supplying fuel to the anode of the stack;
An exhaust system for exhausting exhaust gas generated in the stack; And
A radiator for cooling the heat of the stack;
The air supply device is an air supply line connected to the stack side to supply air to the cathode side of the stack, a compressor installed upstream of the air supply line, a first cooling unit installed on the compressor downstream of the air supply line, the air A second cooling unit installed downstream of the first cooling unit of the supply line,
The radiator passes through a cooling water circulation line through which cooling water is circulated, and at least one blower fan for cooling the cooling water is installed adjacent to one side of the radiator.
The cooling water circulation line is provided with a circulation pump for circulating the cooling water, the cooling water circulation line is branched into a stack cooling line and a charge air cooling line,
The stack cooling line passes through one side of the stack to circulate a portion of the coolant cooled in the radiator to the stack side,
And the supercharged air cooling line is configured to circulate the remainder of the coolant cooled in the radiator through the second cooling unit of the air supply device to the second cooling unit. 제4항에 있어서,
상기 제1냉각유닛은 상기 압축기에 의해 압축된 과급공기를 저온의 과급공기와 고온의 과급공기로 분리하는 볼텍스튜브로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.The method of claim 4, wherein
The first cooling unit is a fuel cell system, characterized in that consisting of a vortex tube for separating the charge air compressed by the compressor into a low temperature charge air and a high temperature charge air. 제4항에 있어서,
상기 공기공급라인의 제2냉각유닛의 하류 측에는 가습기가 설치되고, 상기 배기계의 배기라인이 상기 가습기를 관통하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템. The method of claim 4, wherein
A humidifier is installed downstream of the second cooling unit of the air supply line, wherein the exhaust line of the exhaust system is configured to pass through the humidifier.
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