KR20130023431A - Fuel cell stack cooling system for fuel cell vehicle - Google Patents

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KR20130023431A
KR20130023431A KR1020110086175A KR20110086175A KR20130023431A KR 20130023431 A KR20130023431 A KR 20130023431A KR 1020110086175 A KR1020110086175 A KR 1020110086175A KR 20110086175 A KR20110086175 A KR 20110086175A KR 20130023431 A KR20130023431 A KR 20130023431A
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KR1020110086175A
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이종두
임진석
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한라공조주식회사
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Abstract

PURPOSE: A fuel cell stack cooling system is provided to increase additional cooling performance of a fuel cell stack using hydrogen at high pressure and to automatically determine cooling performance according to a driving rate. CONSTITUTION: A fuel cell stack cooling system comprises a fuel cell stack(500); an oxygen supply system(510); a hydrogen supply system(520); a radiator(530) heat-exchanging cooling water with external air; a turbo blower(110) using high pressure and air; a distribution tool(120) distributing compressed air and supplying the compressed air to the oxygen supply system; and an air-separating unit(130) separating compressed air to high temperature air and low temperature air; and a heat exchanger(140) using the low temperature air to cool the fuel cell stack.

Description

연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템 {Fuel Cell Stack Cooling System for Fuel Cell Vehicle}Fuel Cell Stack Cooling System for Fuel Cell Vehicle

본 발명은 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle.

휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료 전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.Vehicles powered by engines using gasoline, diesel, etc. as the energy source are the most common types of vehicles at present.However, such energy sources for automobiles are not only needed for environmental pollution but also for various reasons such as the reduction of oil reserves. Increasingly, one of the technologies that is closest to the present practical use is a vehicle driven by a fuel cell as an energy source.

그런데, 이와 같은 연료 전지를 사용하는 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 가지는 차량에서 사용되는 냉각 시스템을 그대로 적용할 수 없다. 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량의 경우 배기 가스 배출 및 엔진 자체에서의 발열을 통하여 상당히 많은 열을 배출할 수 있는데, 연료 전지 차량의 경우 근본적으로 스택에서 발생되는 열을 효과적으로 배출하기가 어렵고, 따라서 냉각 시스템이 더 높은 성능을 발휘하지 않으면 안 된다. 그런데 종래에 사용되는 일반적인 열교환기를 사용하는 냉각 시스템만으로는 이러한 요구 성능을 충족시키기가 어렵다는 문제가 있었다.By the way, in the vehicle using such a fuel cell, the cooling system used in the vehicle which has the engine which uses the conventional oil as an energy source cannot be applied as it is. More detailed description is as follows. In the case of a vehicle driven by an petroleum-based energy source, a large amount of heat can be discharged through exhaust gas emission and heat generation from the engine itself.In the case of a fuel cell vehicle, the heat generated from the stack is effectively It is difficult to discharge and, therefore, the cooling system must perform higher. However, there is a problem that it is difficult to satisfy such a required performance only by a cooling system using a conventional heat exchanger used in the related art.

하기의 식은 수소/산소의 발열 반응을 나타내는 관계식이다. 하기의 식으로부터도 알 수 있듯이, 차속이 증가함에 따라 연료 전지 스택에서는 고출력을 내기 위하여 산소 및 수소의 반응량이 증가하며, 이에 따라 스택 발열량도 기하급수적으로 증가하게 된다.The following formula is a relational expression representing an exothermic reaction of hydrogen / oxygen. As can be seen from the following equation, as the vehicle speed increases, the reaction amount of oxygen and hydrogen increases to produce a high output in the fuel cell stack, and thus the stack calorific value also increases exponentially.

수소/산소 발열 반응 : H2(g) + 1/2O2(g) → H2O(l) + 68.3kcal Hydrogen / oxygen exothermic reaction: H 2 (g) + 1 / 2O 2 (g) → H 2 O (l) + 68.3 kcal

도 1은 내연 기관 차량과 연료 전지 차량의 차속에 따른 발열량 차이를 나타낸 그래프이다. 내연 기관 차량에서는 도 1(A)에 도시되어 있는 바와 같이 아이들(idle) 상태일 때와 주행 중일 때 발열량 차이가 상당히 발생하나, 차속이 더 증가하더라도 엔진에서의 발열량이 그리 많이 증가하지는 않음을 알 수 있다. 반면 연료 전지 차량에서는 도 1(B)에 도시되어 있는 바와 같이 차속이 증가함에 따라 연료 전지 스택에서의 발열량이 엄청나게 증가하는데, 내연 기관 차량에서 동일 속도로 주행 중일 때의 엔진에서의 발열량과 단순히 비교해 보아도 3배 이상 차이가 남을 알 수 있다.1 is a graph showing a difference in heat generation amount depending on a vehicle speed of an internal combustion engine vehicle and a fuel cell vehicle. In the internal combustion engine vehicle, as shown in FIG. 1 (A), a difference in heat generation occurs while idle and while driving, but it is understood that even if the vehicle speed is increased, the heat generation at the engine does not increase much. Can be. On the other hand, in the fuel cell vehicle, as shown in FIG. 1 (B), as the vehicle speed increases, the amount of heat generated in the fuel cell stack increases enormously, compared with the amount of heat generated by the engine when running at the same speed in the internal combustion engine vehicle. It can be seen that the difference remains more than three times.

상술한 바와 같이 내연 기관 차량의 경우 차속이 증가한다고 해서 엔진에서의 발열량이 크게 증가하지 않으므로, 이러한 조건에 맞추어 냉각 시스템을 설계하게 된다. 그러나 이러한 내연 기관 차량의 냉각 시스템을 그대로 연료 전지 차량에 채용할 경우, 도 1의 그래프 비교에서 알 수 있는 바와 같이 고속에서 연료 전지 스택을 충분하게 냉각하는 것이 불가능함을 쉽게 알 수 있다. 뿐만 아니라, 연료 전지 스택의 적정 운행 온도는 80℃로서, 내연 기관 차량용 즉 엔진용 냉각 시스템이 냉각수 온도를 130℃ 전후로 유지하는 환경 조건과 비교해 볼 때, 현재 사용되고 있는 엔진용 냉각 시스템으로는 전혀 연료 전지 차량의 요구 냉각 성능을 충족시킬 수 없음이 자명하다.
As described above, in the case of the internal combustion engine vehicle, the amount of heat generated by the engine does not increase significantly when the vehicle speed increases, so that the cooling system is designed according to these conditions. However, when the cooling system of the internal combustion engine vehicle is employed in the fuel cell vehicle as it is, it can be easily seen that it is impossible to sufficiently cool the fuel cell stack at a high speed as can be seen in the graph comparison of FIG. 1. In addition, the optimum operating temperature of the fuel cell stack is 80 ° C, which is no fuel for the engine cooling system currently used, compared to the environmental conditions for the internal combustion engine vehicle, that is, the engine cooling system, which maintains the coolant temperature around 130 ° C. It is obvious that the required cooling performance of the battery vehicle cannot be met.

연료 전지 차량에서의 스택 냉각 성능을 증대시키고자 연료 전지 차량의 냉각 시스템을 개선하려는 많은 연구가 있어 왔다. 도 2는 이러한 종래의 연료 전지 차량의 냉각 시스템들의 예시들이다.Many studies have been made to improve the cooling system of fuel cell vehicles in order to increase stack cooling performance in fuel cell vehicles. 2 are examples of cooling systems of such a conventional fuel cell vehicle.

도 2(A)는 일본특허공개 제2010-277816호("연료 전지 탑재 차량의 냉각 시스템", 2010.12.09)로서, 연료 전지의 냉각계와 전동 구동계의 냉각계를 통합하고,동일한 펌프로 양 냉각계에 냉각 매체를 순환시킴으로써 냉각 효율을 높이도록 한다. 보다 구체적으로는, 라디에이터에서 배출되는 냉각수를 이분하여, 하나는 전동 구동계를 통과한 후 연료 전지를 통과하게 하고, 나머지 하나는 직접 연료 전지를 통과하게 한다.(즉 구동계를 통과한 냉각수와 아무것도 통과하지 않은 냉각수를 혼합하여 연료 전지를 통과하게 한다). 연료 전지가 전동 구동계보다 상대적으로 고온 환경에 있는 바, 이와 같이 일부의 냉각수가 전동 구동계를 먼저 통과하도록 함으로써 전동 구동계도 효과적으로 냉각시키고, 연료 전지의 고온 환경에 적절한 정도의 냉각수로 연료 전지도 냉각시킬 수 있다. 또한, 이와 같이 함으로써 하나의 펌프로 연료 전지 냉각계 및 전동 구동계의 냉각계를 통합하여 냉각수 순환을 구현할 수 있다.FIG. 2 (A) is Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-277816 ("Cooling system of a fuel cell vehicle", 2010.12.09), which integrates a cooling system of a fuel cell and a cooling system of an electric drive system. By circulating the cooling medium in the cooling system to increase the cooling efficiency. More specifically, the cooling water discharged from the radiator is divided into two, one through the electric drive system and then through the fuel cell, and the other through the fuel cell directly (i.e. through the coolant and nothing passing through the drive system). Uncooled water is passed through the fuel cell). Since the fuel cell is in a relatively high temperature environment than the electric drive system, some of the coolant passes through the electric drive system first, thereby effectively cooling the electric drive system and cooling the fuel cell with an appropriate amount of coolant for the high temperature environment of the fuel cell. Can be. In this way, the cooling water circulation can be realized by integrating the cooling system of the fuel cell cooling system and the electric drive system with one pump.

도 2(B)는 한국특허공개 제2011-0060066호("연료전지 차량의 냉각 시스템 제어 방법", 2011.06.08)로서, 연료전지 스택의 전단 또는 후단에 설치되거나, 전후단 모두에 설치된 온도센서의 센싱값 기울기 변화에 따라 전동식 워터펌프의 속도(RPM)을 가감 조절할 수 있도록 한 연료전지 차량의 냉각시스템 제어 방법을 개시하고 있다. 보다 구체적으로는, 연료전지 스택의 냉각수 출구에 연결되는 전동식 워터펌프와, 입구단은 전동식 워터펌프와 연결되는 동시에 출구단은 연료전지 스택의 냉각수 입구와 연결되는 스택용 라디에이터를 포함하는 연료전지 냉각시스템의 제어 방법에 있어서, 연료전지 스택의 냉각수 입구 또는 냉각수 출구에 온도센서를 설치하거나, 연료전지 스택의 냉각수 입구 및 출구에 온도센서를 설치하여, 상기 온도센서에서 측정된 임의의 시간동안의 센싱값 기울기 변화에 따라, 상기 전동식 워터펌프의 RPM을 가변 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 냉각시스템 제어 방법을 제공한다.FIG. 2 (B) is a Korean Patent Publication No. 2011-0060066 ("Method for controlling a cooling system of a fuel cell vehicle", 2011.06.08), which is installed at a front end or a rear end of a fuel cell stack or at both front and rear ends. A method of controlling a cooling system of a fuel cell vehicle is disclosed. More specifically, fuel cell cooling including an electric water pump connected to the coolant outlet of the fuel cell stack, and an inlet end connected to the electric water pump and an outlet end connected to the coolant inlet of the fuel cell stack. In the control method of the system, a temperature sensor is installed at the cooling water inlet or the cooling water outlet of the fuel cell stack, or a temperature sensor is installed at the cooling water inlet and the outlet of the fuel cell stack, so as to sense for any time measured by the temperature sensor. According to the change of the value slope, it provides a fuel cell cooling system control method characterized in that the variable control of the RPM of the electric water pump.

이와 같이 종래의 연료 전지 스택을 냉각하는 기술들은, 라디에이터에서 배출되는 냉각수의 양이나 경로 등을 조절함으로써 냉각 시스템 효율을 개선하고자 하는 기술들이 대부분이다. 그런데, 이러한 기술들은 실질적으로 연료 전지 스택 자체만으로 볼 때에는 그다지 냉각 성능 자체를 개선하는 효과는 별로 없다. 이에 따라, 연료 전지 스택의 냉각 성능을 개선시킬 수 있는 새로운 기술에 대한 요구가 당업자 사이에서 꾸준히 있어 왔다.
As such, technologies for cooling a conventional fuel cell stack are mostly technologies for improving cooling system efficiency by controlling the amount or path of cooling water discharged from a radiator. However, these technologies have little effect on improving the cooling performance by practically only the fuel cell stack itself. Accordingly, there is a constant need among those skilled in the art for new technologies that can improve the cooling performance of fuel cell stacks.

1. 일본특허공개 제2010-277816호("연료 전지 탑재 차량의 냉각 시스템", 2010.12.09)1. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-277816 ("Cooling system for a fuel cell vehicle", 2010.12.09) 2. 한국특허공개 제2011-0060066호("연료전지 차량의 냉각 시스템 제어 방법", 2011.06.08)2. Korean Patent Publication No. 2011-0060066 ("Control method for cooling system of fuel cell vehicle", 2011.06.08)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고압 수소를 이용하여 연료 전지 스택의 추가 냉각 성능을 높이며, 더불어 별도의 제어 수단이 없이도 차속과 연동되어 추가 냉각 성능이 자동적으로 결정되도록 형성되는, 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템을 제공함에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은, 연료 전지 스택에 산소를 공급하는 터보 블로워를 작동시키기 위한 에너지를 절약하여 연료 전지 차량의 구동 효율을 극대화시키는, 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템을 제공함에 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention is to increase the additional cooling performance of the fuel cell stack by using high pressure hydrogen, and the vehicle speed and A fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle, which is configured to be linked to automatically determine additional cooling performance. Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle, which maximizes driving efficiency of a fuel cell vehicle by saving energy for operating a turbo blower for supplying oxygen to the fuel cell stack.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템은, 연료 전지 스택(500); 산소를 포함하는 공기가 외부로부터 유입되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성되는 산소 공급계(510); 수소를 저장하는 수소 탱크(521)를 포함하여 이루어져, 수소가 상기 수소 탱크(521)로부터 배출되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성되는 수소 공급계(520); 상기 연료 전지 스택(500)을 냉각하도록, 상기 연료 전지 스택(500)으로 순환되는 냉각수를 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 라디에이터(530); 상기 수소 탱크(521)에서 상기 연료 전지 스택(500)으로 수소가 공급되는 유통 경로 상에 구비되어, 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 고압 수소를 이용하여 공기를 압축하는 압축기(110); 상기 압축기(110)에 의하여 압축된 공기를 적어도 하나 이상의 경로로 분배하여 적어도 하나의 경로의 압축 공기를 상기 산소 공급계(510)로 유입시키는 분배 수단(120); 상기 분배 수단(120)에 의하여 분배된 압축 공기 중 나머지 경로의 압축 공기를 유입받아, 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 공기 분리 수단(130); 상기 라디에이터(530)로 유통되는 냉각수 유로 상에 구비되어 그 내부로 냉각수를 유통하며, 상기 공기 분리 수단(130)에 의하여 분리된 저온 공기를 통과시켜 냉각수를 냉각하는 열교환기(140); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The fuel cell stack cooling system of the fuel cell vehicle of the present invention for achieving the above object, the fuel cell stack (500); An oxygen supply system 510 which is formed such that air containing oxygen is introduced from the outside and supplied to the fuel cell stack 500; A hydrogen supply system 520 including hydrogen tank 521 for storing hydrogen, the hydrogen supply system being configured to be discharged from the hydrogen tank 521 and supplied to the fuel cell stack 500; A radiator 530 configured to cool the fuel cell stack 500 by exchanging coolant circulated with the fuel cell stack with outside air to cool the fuel cell stack 500; A compressor (110) provided on a distribution path through which hydrogen is supplied from the hydrogen tank (521) to the fuel cell stack (500) and compressing air by using high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank (521); Distribution means (120) for distributing compressed air by the compressor (110) into at least one path and introducing compressed air of at least one path into the oxygen supply system (510); Air separation means (130) for receiving the compressed air of the remaining path among the compressed air distributed by the distribution means (120) and separating the hot air and the cold air; A heat exchanger (140) provided on the cooling water flow path distributed to the radiator (530) to distribute the cooling water therein, and cooling the cooling water by passing the low temperature air separated by the air separation means (130); And a control unit.

이 때, 상기 공기 분리 수단(130)은 보텍스 튜브(vortex tube)인 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 보텍스 튜브(130A)는 압축 공기가 공급되는 배관(131), 상기 압축 공기가 유입되어 와류를 형성하며 회전하는 보텍스 회전실(132), 상기 보텍스 회전실(132)의 일측에 형성되어 상기 보텍스 회전실(132)에서 회전된 압축 공기 중 고온 공기가 분리되어 배출되는 온기 출구(133), 상기 온기 출구(133)에 구비되어 상기 보텍스 회전실(132)에서 회전된 압축 공기를 고온 공기 및 저온 공기로 분리하여, 고온 공기는 배출하고 저온 공기는 회송하는 조절 밸브(134), 상기 보텍스 회전실(132)의 타측에 형성되어 상기 조절 밸브(134)에서 회송된 저온 공기가 배출되는 냉기 출구(135)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.At this time, the air separation means 130 is characterized in that the vortex tube (vortex tube). At this time, the vortex tube (130A) is formed on one side of the vortex rotation chamber 132, the vortex rotation chamber 132 that the compressed air is supplied, the compressed air flows to form a vortex to rotate And a hot air outlet 133 in which hot air is separated and discharged from the compressed air rotated in the vortex rotation chamber 132 and discharged at a high temperature to the compressed air rotated in the vortex rotation chamber 132. Separated into air and low temperature air, the hot air is discharged and the low temperature air is returned to the control valve 134, formed on the other side of the vortex rotation chamber 132, the low temperature air returned from the control valve 134 is discharged And a cold air outlet 135.

또한, 상기 열교환기(140)는 상기 라디에이터(530)에서 배출된 냉각수가 상기 연료 전지 스택(500)으로 유입되는 냉각수 유로 상에 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the heat exchanger 140 is characterized in that the cooling water discharged from the radiator 530 is provided on the cooling water flow path flowing into the fuel cell stack 500.

또한, 상기 산소 공급계(510)는 외부로부터 공급된 공기에 습기를 첨가하는 가습기(511)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the oxygen supply system 510 is characterized in that it comprises a humidifier 511 to add moisture to the air supplied from the outside.

또한, 상기 수소 공급계(520)는 상기 수소 탱크(521)로부터 배출된 수소를 안정화시키는 안정기(522)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
In addition, the hydrogen supply system 520 is characterized in that it further comprises a stabilizer 522 for stabilizing the hydrogen discharged from the hydrogen tank 521.

본 발명에 의하면, 연료 전지 스택을 냉각함에 있어서, 연료 전지에 수소를 공급하는 수소 공급계에서의 고압 수소를 이용하여 공기를 압축하고, 이 압축된 공기를 이용하여 연료 전지 스택 냉각용 냉각수를 더 냉각시켜 줌으로써, 연료 전지 스택의 냉각 성능을 종래에 비해 월등하게 증대시키는 큰 효과가 있다. 종래의 냉각 개선 기술들의 경우, 기존의 냉각 시스템에서 냉각수의 경로나 유량 등을 조절함으로써 시스템 자체의 효율을 높일 수는 있겠으나 연료 전지 스택 자체에서의 냉각 성능을 개선하는 효과는 별로 없었다. 반면, 본 발명에서는 고압 수소를 이용한 압축 공기를 사용하여 연료 전지 스택 냉각 성능을 높이는 독립적인 시스템이 더 구비되게 하여 추가 냉각이 이루어지도록 함으로써, 시스템 전체적인 효율 뿐만 아니라 연료 전지 스택 자체에서의 냉각 성능을 분명하게 효과적으로 개선할 수 있는 것이다.According to the present invention, in cooling the fuel cell stack, the air is compressed using high pressure hydrogen in a hydrogen supply system supplying hydrogen to the fuel cell, and the compressed air is further used to cool the fuel cell stack cooling water. By cooling, the cooling performance of a fuel cell stack is greatly improved compared with the past. In the conventional cooling improvement techniques, although the efficiency of the system itself can be improved by adjusting the path or flow rate of the cooling water in the existing cooling system, there is little effect of improving the cooling performance in the fuel cell stack itself. On the other hand, in the present invention, by using a compressed air using a high-pressure hydrogen to further provide an independent system to increase the fuel cell stack cooling performance to achieve additional cooling, not only the overall system efficiency but also the cooling performance in the fuel cell stack itself Clearly, it can be improved effectively.

특히 본 발명에 의하면, 수소의 공급량과 추가 냉각 성능이 연동되어 결정되게 되므로, 별도의 제어 시스템을 구비하지 않고도 자동적으로 주행 속도에 따라 추가 냉각이 자동으로 이루어지게 되어, 복잡한 제어 방법이나 제어 수단의 설계를 전혀 필요로 하지 않고 매우 용이하게 주행 속도에 따른 냉각 성능 조절이 이루어질 수 있게 해 주는 큰 효과가 있다.In particular, according to the present invention, since the supply amount of hydrogen and the additional cooling performance are determined to be linked to each other, additional cooling is automatically performed according to the traveling speed automatically without providing a separate control system, and thus the complicated control method or control means There is a great effect that makes it possible to adjust the cooling performance according to the driving speed very easily without requiring any design.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 추가 냉각 시스템을 이용하여 종래에 산소 공급계에 구비되어야만 했던 송풍기를 제거하면서도 연료 전지 스택에 산소 공급이 이루어질 수 있도록 하여, 송풍기 작동을 위해 연료 전지 스택으로부터 공급되어 낭비되던 전력을 절약할 수 있게 되는 효과가 있다. 물론 이에 따라 궁극적으로는 연료 전지 차량 시스템 전체적인 효율 또한 상승시킬 수 있는 큰 효과가 있다.
In addition, according to the present invention, by using an additional cooling system, the oxygen supply to the fuel cell stack can be made while removing the blower that had to be provided in the oxygen supply system in the prior art, and was fed from the fuel cell stack for the blower operation and wasted. There is an effect that can save power. This, of course, has the greatest effect of ultimately increasing the overall efficiency of the fuel cell vehicle system.

도 1은 내연 기관 차량과 연료 전지 차량의 차속에 따른 발열량 차이.
도 2는 종래의 연료 전지 차량의 냉각 시스템 예시.
도 3은 기존의 연료 전지 스택의 산소/수소 공급계 및 냉각계.
도 4는 본 발명의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
도 5는 보텍스 튜브 개념도.1 is a heat generation difference according to the vehicle speed of the internal combustion engine vehicle and the fuel cell vehicle.
2 illustrates a cooling system of a conventional fuel cell vehicle.
3 is an oxygen / hydrogen supply system and cooling system of a conventional fuel cell stack.
4 is a fuel cell stack cooling system of the present invention.
5 is a conceptual view of a vortex tube.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, a fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 기존의 연료 전지 스택의 산소/수소 공급계 및 냉각계를 도시한 것이다. 연료 전지란 잘 알려져 있는 바와 같이 산소 및 수소를 공급받아 반응을 일으켜 물로 변환하는 과정에서 전력이 생산되도록 된 장치로서, 이러한 반응이 일어나는 다수 개의 셀들이 적층되어 스택(stack)을 이룬 형태로 형성되게 된다.3 illustrates an oxygen / hydrogen supply system and a cooling system of a conventional fuel cell stack. As is well known, a fuel cell is a device in which oxygen and hydrogen are supplied to produce a reaction in a process of converting into water, so that a plurality of cells in which such a reaction occurs are stacked to form a stack. do.

이러한 연료 전지 스택에는, 전력 생산을 위한 반응이 원활하게 지속적으로 일어날 수 있도록 산소 공급계 및 수소 공급계가 당연히 구비된다. 대기 중의 산소 함량이 높기 때문에, 산소 공급계는 일반적으로 도 3에 도시된 바와 같이 산소가 포함된 공기를 연료 전지 스택으로 공급시켜 주는 형태로 이루어진다. 이와는 달리 수소 공급계는, 대기 중 수소 함량이 높지 않아 공기 공급으로는 필요한 수소 공급량을 충족시킬 수 없는 바, 도 3에 도시된 바와 같이 압축 수소가 수용된 수소 탱크를 포함하여 이루어지게 된다.Such a fuel cell stack is naturally provided with an oxygen supply system and a hydrogen supply system so that a reaction for power generation can occur smoothly and continuously. Since the oxygen content in the atmosphere is high, the oxygen supply system is generally configured to supply air containing oxygen to the fuel cell stack, as shown in FIG. 3. In contrast, the hydrogen supply system does not have a high content of hydrogen in the atmosphere, and thus, the air supply cannot satisfy the required amount of hydrogen supply. As shown in FIG. 3, the hydrogen supply system includes a hydrogen tank containing compressed hydrogen.

앞서 설명한 바와 같이, 산소와 수소가 반응하여 전력을 생산할 때 발열 또한 일어나게 된다. 연료 전지 스택에서의 적정 운용 온도 조건은 80℃ 정도로서, 발열 때문에 연료 전지 스택 온도가 너무 높아지지 않도록 냉각해 주는 것이 필요하다. 내연 기관 차량에서 냉각수를 이용하여 엔진을 냉각시키는 것과 유사하게, 연료 전지 차량에서도 연료 전지 스택 주변에 냉각수가 순환하도록 하는 냉각계가 구비된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 냉각계는 냉각수가 연료 전지 스택에서 발생되는 열을 흡수하도록 하고, 이 냉각수가 라디에이터를 통과하면서 외부 공기와 열교환하여 냉각된 후 다시 연료 전지 스택으로 유입되도록 함으로써, 냉각수를 통해 연료 전지 스택에서 발생되는 열이 외부 공기로 버려질 수 있도록 형성된다.As described above, heat is also generated when oxygen and hydrogen react to produce power. The proper operating temperature condition in the fuel cell stack is about 80 ° C., and it is necessary to cool the fuel cell stack temperature so that it does not become too high due to heat generation. Similar to cooling engines with coolant in internal combustion engine vehicles, fuel cell vehicles are also provided with a cooling system that allows the coolant to circulate around the fuel cell stack. More specifically, the cooling system allows the cooling water to absorb heat generated from the fuel cell stack, and the cooling water is cooled by heat exchange with the outside air while passing through the radiator to be cooled and then introduced into the fuel cell stack. Through the heat generated from the fuel cell stack is formed to be discarded to the outside air.

이 때, 앞서 설명한 바와 같이 차량의 주행 속도가 높아질수록 요구되는 전력 양이 많아지기 때문에 발열량 또한 많아지며, 이는 상술한 바와 같은 종래의 냉각계만으로는 충분히 냉각하기 어려워 문제가 되었다.At this time, as described above, the higher the driving speed of the vehicle, the greater the amount of power required, so the amount of heat is also increased, which is a problem that it is difficult to cool sufficiently with the conventional cooling system as described above.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 산소 공급계에서는 상기 연료 전지 스택으로 산소를 공급하기 위하여 외부 공기를 송풍하게 된다. 외부 공기 송풍을 위해서는 일반적으로 터보 블로워와 같은 송풍 장치가 사용되는데, 이러한 송풍 장치는 도 3에서 점선으로 도시되어 있는 바와 같이 결국 상기 연료 전지 스택으로부터 전력을 공급받아 작동을 하게 된다. 이에 따라 연료 전지 차량 전체적인 효율이 떨어지게 되는 문제가 있었다.
Meanwhile, as described above, in the oxygen supply system, external air is blown to supply oxygen to the fuel cell stack. A blower such as a turbo blower is generally used for the outside air blowing, and the blower is operated by receiving power from the fuel cell stack as shown by a dotted line in FIG. 3. Accordingly, there is a problem that the overall efficiency of the fuel cell vehicle is lowered.

본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 냉각계를 순환하는 냉각수에 추가적인 냉각이 이루어질 수 있도록 하는 냉각 시스템을 제시한다.
In order to solve this problem, the present invention provides a cooling system that allows additional cooling to the cooling water circulating in the cooling system.

도 4는 본 발명의 연료 전지 스택 냉각 시스템를 도시한 것이다. 여기에서, 연료 전지 스택(500), 산소 공급계(510), 수소 공급계(520), 라디에이터(530)의 기본적인 구성은 도 3의 종래 시스템과 유사하나, 도 4에 도시된 바와 같이 냉각수를 추가적으로 냉각할 수 있는 추가 냉각 시스템(100)이 더 구비됨으로써 상기 연료 전지 스택(500)의 냉각 성능을 증대시킬 수 있다.4 illustrates a fuel cell stack cooling system of the present invention. Here, the basic configuration of the fuel cell stack 500, the oxygen supply system 510, the hydrogen supply system 520, the radiator 530 is similar to the conventional system of FIG. 3, but as shown in FIG. An additional cooling system 100 may be further provided to further cool, thereby increasing the cooling performance of the fuel cell stack 500.

먼저 기본적인 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다. 상기 연료 전지 스택(500)은 앞서 설명한 바와 같이 산소와 수소를 공급받아 전력을 발생시키는 장치로서, 반응이 일어나는 셀들이 적층되어 이루어진다.First, the basic configuration will be described in more detail. The fuel cell stack 500 is a device that generates power by receiving oxygen and hydrogen as described above, and is formed by stacking cells in which a reaction occurs.

상기 산소 공급계(510)는, 산소를 포함하는 공기가 외부로부터 유입되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성된다. 도 3에 도시된 종래의 산소 공급계에서는 별도의 송풍기가 구비되어 공기를 외부로부터 강제 송풍해 옴으로서 상기 연료 전지 스택(500)에 공기를 공급하도록 되어 있으나, 본 발명에서는 상기 산소 공급계(510)에 이하 설명될 분배 수단(120)을 이용하여 산소가 공급되도록 하고 있다. (이에 대해서는 상기 분배 수단(120)의 설명에서 보다 상세히 기술한다.) 더불어, 상기 산소 공급계(510)는, 상기 연료 전지 스택(500)에 공급되는 공기(산소)가 보다 원활하게 반응이 일어날 수 있는 조건을 가질 수 있도록, 외부로부터 공급된 공기에 습기를 첨가하는 가습기(511)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.The oxygen supply system 510 is formed such that air containing oxygen flows in from the outside and is supplied to the fuel cell stack 500. In the conventional oxygen supply system shown in FIG. 3, a separate blower is provided to supply air to the fuel cell stack 500 by forcibly blowing air from the outside, but in the present invention, the oxygen supply system 510 is provided. Is supplied to oxygen using the distribution means 120 which will be described below. (This will be described in more detail in the description of the distributing means 120.) In addition, the oxygen supply system 510 may react more smoothly with air (oxygen) supplied to the fuel cell stack 500. It is preferable to include a humidifier 511 to add moisture to the air supplied from the outside to have a condition that can be.

상기 수소 공급계(520)는, 수소를 저장하는 수소 탱크(521)를 포함하여 이루어져, 수소가 상기 수소 탱크(521)로부터 배출되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성된다. 한편, 연료 전지 차량에 구비되는 상기 수소 탱크(521)에는, 1회 충전으로 장거리를 주행할 수 있도록 일반적으로 70bar 정도로 압축된 압축 수소가 수용된다. 이러한 압축 수소가 배출되어 그대로 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급될 경우, 지나치게 높은 압력 때문에 손상이 일어나거나 반응이 원활하지 못하고 수소가 낭비될 우려가 있으므로, 상기 수소 탱크(521)에서 배출된 고압의 수소를 적절하게 감압 및 안정화시켜야 한다. 이에 따라 상기 수소 공급계(520)는 상기 수소 탱크(521)로부터 배출된 수소를 안정화시키는 안정기(522)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 안정기(522)는 일반적으로 사용되는 레귤레이터(regulator)나 이젝터(ejector) 등의 형태로 구현될 수 있다.The hydrogen supply system 520 includes a hydrogen tank 521 for storing hydrogen, so that hydrogen is discharged from the hydrogen tank 521 and supplied to the fuel cell stack 500. On the other hand, in the hydrogen tank 521 provided in the fuel cell vehicle, compressed hydrogen compressed to about 70 bar is generally accommodated so as to travel a long distance by one charge. When the compressed hydrogen is discharged and supplied to the fuel cell stack 500 as it is, the high pressure discharged from the hydrogen tank 521 may be caused by damage due to excessively high pressure or the reaction may not be smooth and hydrogen may be wasted. The hydrogen should be decompressed and stabilized appropriately. Accordingly, the hydrogen supply system 520 may further include a stabilizer 522 for stabilizing the hydrogen discharged from the hydrogen tank 521, the stabilizer 522 is a commonly used regulator (regulator) It may be implemented in the form of an ejector.

상기 라디에이터(530)는, 상기 연료 전지 스택(500)을 냉각하도록, 상기 연료 전지 스택(500)으로 순환되는 냉각수를 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 역할을 한다.
The radiator 530 serves to cool the coolant circulated to the fuel cell stack 500 by exchanging heat with external air so as to cool the fuel cell stack 500.

여기에서, 상기 추가 냉각 시스템(100)이 더 구비됨으로써 냉각수를 보다 더 냉각하여 결과적으로 상기 연료 전지 스택(500)의 냉각 성능을 더욱 증대시키게 된다. 상기 추가 냉각 시스템(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 압축기(110), 분배 수단(120), 공기 분리 수단(130), 열교환기(140)를 포함하여 이루어지는데, 각부에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Here, the additional cooling system 100 is further provided to further cool the cooling water, thereby further increasing the cooling performance of the fuel cell stack 500. The additional cooling system 100 comprises a compressor 110, a distribution means 120, an air separation means 130, a heat exchanger 140, as shown in Figure 4 will be described in detail As follows.

상기 압축기(110)는, 상기 수소 탱크(521)에서 상기 연료 전지 스택(500)으로 수소가 공급되는 유통 경로 상에 구비되어, 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 고압 수소를 이용하여 공기를 압축한다. 상술한 바와 같이 상기 수소 탱크(521)에는 70bar 정도의 고압 수소가 수용된다. 상기 압축기(110)는 터보 블로워(turbo blower), 기체 펌프 등과 같은 형태로 이루어질 수 있는데, 상기 수소 탱크(521)에서 배출된 고압 수소를 상기 압축기(110)로 통과시킴으로써 상기 압축기(110)가 작동되며, 이에 따라 상기 압축기(110)가 외부 공기를 빨아들여 압축하게 된다. 상기 압축기(110)에서 압축된 압축 공기는 이하 상기 공기 분리 수단(130) 및 상기 열교환기(140)를 통과하면서 추가 냉각에 사용된다. 이에 대해서는 해당 각부의 설명에서 보다 상세히 설명한다.The compressor 110 is provided on a distribution path through which hydrogen is supplied from the hydrogen tank 521 to the fuel cell stack 500, and compresses air by using high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521. do. As described above, high pressure hydrogen of about 70 bar is accommodated in the hydrogen tank 521. The compressor 110 may be configured in the form of a turbo blower, a gas pump, or the like. The compressor 110 is operated by passing high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521 to the compressor 110. Accordingly, the compressor 110 sucks and compresses external air. Compressed air compressed by the compressor 110 is used for further cooling while passing through the air separation means 130 and the heat exchanger 140. This will be described in more detail in the description of each part.

한편, 상기 수소 탱크(521)에서 배출된 고압의 수소는 적절하게 감압되어 상기 연료 전지 스택(500)에 공급되어야 하며, 이러한 감압 및 안정화를 위해 상기 수소 공급계(520)에는 앞서 설명한 바와 같이 상기 안정기(522)가 구비된다. 이 때, 상기 수소 탱크(521)에서 배출된 고압 수소가 상기 안정기(522)로 공급되기 전에 먼저 상기 압축기(110)로 공급됨으로써, 압력이 일로 변환되어 상기 압축기(110)를 작동시키면서 수소의 압력이 일차적으로 떨어지게 된다. 따라서 상기 압축기(110)가 구비됨으로 인하여, 상기 안정기(522)에서의 감압 및 안정화 부하를 훨씬 줄일 수 있다는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.
On the other hand, the high-pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521 is appropriately decompressed to be supplied to the fuel cell stack 500, the hydrogen supply system 520 to the hydrogen supply system 520 as described above for the decompression and stabilization Ballast 522 is provided. At this time, the high-pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521 is first supplied to the compressor 110 before being supplied to the ballast 522, whereby the pressure is converted to work to operate the compressor 110 while the pressure of the hydrogen This falls first. Therefore, since the compressor 110 is provided, an additional effect of reducing the decompression and stabilization load in the ballast 522 can be obtained.

상기 분배 수단(120)은, 상기 압축기(110)에 의하여 압축된 공기를 적어도 하나 이상의 경로로 분배하여 적어도 하나의 경로의 압축 공기를 상기 산소 공급계(510)로 유입시키는 역할을 한다. 이에 따라 상기 산소 공급계(510)로는 상기 추가 냉각 시스템(100)에 포함되어 있는 상기 터보 블로워(110)를 통해 공급되는 압축 공기가 공급되는 바, 종래의 시스템(도 3)에서와 같은 별도의 송풍기가 필요하지 않게 된다.The distribution means 120 distributes the air compressed by the compressor 110 to at least one path and serves to introduce the compressed air of at least one path into the oxygen supply system 510. Accordingly, the oxygen supply system 510 is supplied with compressed air supplied through the turbo blower 110 included in the additional cooling system 100, and thus, separate from the conventional system (FIG. 3). No blower is needed.

상술한 바와 같이, 종래에는 상기 산소 공급계(510)로 산소를 포함하는 공기를 유입시키기 위하여 외부 공기를 강제 송풍하는 송풍기가 반드시 필요하였으며, 이러한 산소 공급용 송풍기를 작동시키기 위하여 상기 연료 전지 스택(500)으로부터 전력을 끌어다 쓰게 되었다. 그러나 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에서는, 상기 산소 공급계(510)에 공급되는 공기를 강제 송풍하는 송풍기를 삭제할 수 있게 되어, 이러한 송풍기에 드는 전력을 절약할 수 있다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 상기 추가 냉각 시스템(100)에 구비되는 상기 터보 블로워(110)는 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 고압 수소의 압력에 의하여 작동되기 때문에 작동을 위한 추가 동력이 필요하지 않은 바, 결과적으로 상기 연료 전지 스택(500)으로 산소나 수소를 공급하기 위하여 전혀 추가 동력이 필요하지 않게 된다.As described above, in the related art, a blower for forcibly blowing outside air is required in order to introduce air containing oxygen into the oxygen supply system 510. In order to operate the oxygen supply blower, the fuel cell stack ( 500) was used to draw power. However, in the present invention as shown in Figure 4, it is possible to delete the blower forcibly blowing the air supplied to the oxygen supply system 510, it is possible to save the power of the blower. In addition, as described above, since the turbo blower 110 provided in the additional cooling system 100 is operated by the pressure of the high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521, no additional power for operation is required. As a result, no additional power is required to supply oxygen or hydrogen to the fuel cell stack 500.

즉 본 발명에 의하면, 상기 추가 냉각 시스템(100)에 상기 분배 수단(120)이 구비되어 상기 터보 블로워(110)에서 배출된 압축 공기 일부를 상기 산소 공급계(510)로 분배하여 공급해 줌으로써 산소 공급을 위한 장치 작동용 전력을 절약해 준다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 궁극적으로는 상기 연료 전지 스택(500)에서 발생되는 전력이 차량 구동 이외의 부분으로 낭비되는 양을 훨씬 줄일 수 있어, 차량 전체적으로의 시스템 효율이 극대화된다.
That is, according to the present invention, the distribution means 120 is provided in the additional cooling system 100 to supply oxygen by distributing and supplying a part of the compressed air discharged from the turbo blower 110 to the oxygen supply system 510. Saves power for device operation. Accordingly, according to the present invention, the amount of power generated in the fuel cell stack 500 is ultimately reduced to parts other than driving the vehicle, thereby maximizing system efficiency of the entire vehicle.

상기 공기 분리 수단(130)은, 상기 분배 수단(120)에 의하여 분배된 압축 공기 중 나머지 경로의 압축 공기를 유입받아, 이를 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 역할을 한다. 상기 압축기(110)에 의하여 압축된 공기는 급격한 압축으로 인하여 에너지가 축적되어 온도가 올라가게 되는데, 상기 공기 분리 수단(130)을 이용하여 고온 공기와 저온 공기를 분리할 수 있다.The air separation unit 130 receives the compressed air of the remaining path among the compressed air distributed by the distribution unit 120, and serves to separate it into hot air and cold air. The air compressed by the compressor 110 is increased due to the rapid compression, the energy is accumulated, the temperature is raised, it is possible to separate the hot air and cold air by using the air separation means 130.

상기 공기 분리 수단(130)은 도 5에 도시된 바와 같은 보텍스 튜브(130A, vortex tube)일 수 있는데, 도 5는 보텍스 튜브의 개념을 도시하고 있다. 먼저 압축 공기(compressed air)가 배관(131)을 통해 상기 보텍스 튜브(130A)로 공급되면, 압축 공기는 1차로 보텍스(와류) 회전실(132)에 투입되어 1,000,000RPM 정도의 초고속 회전을 하게 된다. 이 회전 공기(1차 보텍스)는 온기 출구(133) 쪽으로 진행하는데, 그 중 일부인 고온 공기(hot air)는 조절 밸브(134)에 의해 상기 온기 출구(133)로 배출되고 나머지 공기는 상기 조절 밸브(134)에서 회송되어 2차 보텍스를 형성하면서 냉기 출구(135) 쪽으로 진행한다. 이 때 2차 보텍스의 흐름은 1차 보텍스 흐름의 안쪽에 있는 보다 낮은 압력의 지역을 통과하면서 열량을 잃게 되어, 결과적으로 상기 냉기 출구(135) 쪽으로는 저온 공기(cool air)가 배출되게 된다.The air separation means 130 may be a vortex tube (130A) as shown in FIG. 5, which illustrates the concept of a vortex tube. First, when compressed air is supplied to the vortex tube 130A through the pipe 131, the compressed air is first injected into the vortex rotating chamber 132 to perform ultra high speed rotation of about 1,000,000 RPM. . This rotating air (primary vortex) proceeds towards the warmth outlet 133, some of which is hot air, is discharged by the regulating valve 134 to the warming outlet 133 and the remaining air is the regulating valve. Returned at 134 and proceeds toward the cold air outlet 135, forming a secondary vortex. At this time, the flow of the secondary vortex loses heat while passing through the lower pressure region inside the primary vortex flow, resulting in cool air being exhausted toward the cold air outlet 135.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 회전하는 두 개의 흐름(동일 방향, 동일 각속도 회전)에 있어서 내측 흐름의 공기 입자는 외측 흐름의 공기 입자와 1회전하는 시간이 동일(동일 각속도)하므로, 내측 흐름의 공기 입자의 실제 운동 속도는 외측 흐름보다 낮다. 이 운동 속도의 차이는 운동 에너지가 줄었음을 의미하며, 이 상실된 운동 에너지는 열로 변환되어 외측 흐름의 공기는 온도가 상승되고, 내측 흐름의 공기는 더욱 더 온도가 내려가게 되는 것이다.More detailed description is as follows. In two rotating streams (same direction, same angular velocity rotation), the air particles in the inner stream have the same rotational time as the air particles in the outer stream (same angular velocity), so the actual velocity of the air particles in the inner stream is Lower than the flow This difference in kinetic speed means that the kinetic energy is reduced, and the lost kinetic energy is converted into heat so that the air in the outer stream is warmed and the air in the inner stream is cooler.

이와 같이 상기 공기 분리 수단(130)이 상기 보텍스 튜브(130A)로 이루어질 경우, 단지 압축 공기를 공급해 주기만 하면 별도의 구동 수단이나 반응 수단 등을 전혀 필요로 하지 않고 고온 공기와 저온 공기를 용이하게 분리해 낼 수 있게 된다.
As such, when the air separation means 130 is made of the vortex tube 130A, the hot air and the low temperature air are easily separated without requiring any additional driving means or reaction means by simply supplying compressed air. You can do it.

상기 열교환기(140)는 상기 라디에이터(530)로 유통되는 냉각수 유로 상에 구비되어 그 내부로 냉각수를 유통하며, 상기 공기 분리 수단(130)에 의하여 분리된 저온 공기를 통과시켜 냉각수를 냉각하는 역할을 한다. 즉 저온 공기를 이용하여 공랭식으로 냉각수를 냉각시키는 것으로, 상기 열교환기(140)는 일반적인 공랭식 열교환기의 형태를 가지면 되는 바 그 형상이나 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이와 같이 상기 열교환기(140)에 의하여 냉각수가 추가적으로 냉각됨으로써, 상기 연료 전지 스택(500)으로부터 흡수할 수 있는 열량 버퍼가 늘어나게 되어, 결과적으로 상기 연료 전지 스택(500)에서 더욱 효과적으로 열량을 흡수하여 냉각 성능을 높일 수 있게 된다. 이러한 효과를 극대화시키기 위해서는, 냉각수가 1차로 상기 라디에이터(530)를 통과하면서 (외부 공기와 열교환하여) 냉각되어 온도가 떨어지고, 2차로 상기 열교환기(140)를 통과하면서 (저온 공기와 열교환하여) 냉각되어 온도가 더 떨어지도록 하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 열교환기(140)는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 상기 라디에이터(530)에서 배출된 냉각수가 상기 연료 전지 스택(500)으로 유입되는 냉각수 유로 상에 구비되도록 하는 것이 바람직하다.
The heat exchanger 140 is provided on the cooling water flow path distributed to the radiator 530 to distribute the cooling water therein, and serves to cool the cooling water by passing the low temperature air separated by the air separation means 130. Do it. That is, by cooling the cooling water in an air-cooled manner using low temperature air, the heat exchanger 140 may have a general air-cooled heat exchanger, and thus a detailed description thereof will be omitted. As the coolant is additionally cooled by the heat exchanger 140 as described above, the calorific buffer absorbable from the fuel cell stack 500 increases, and as a result, the calorific value is more effectively absorbed from the fuel cell stack 500. Cooling performance can be increased. In order to maximize this effect, the coolant is first cooled (through heat exchange with external air) while passing through the radiator 530 to decrease the temperature, and secondly (through heat exchange with cold air) while passing through the heat exchanger 140. It is desirable to cool to further reduce the temperature. Therefore, as shown in FIG. 4, the heat exchanger 140 preferably has cooling water discharged from the radiator 530 on the cooling water flow path flowing into the fuel cell stack 500.

이와 같이 본 발명의 연료 전지 스택 냉각 시스템은, 상기 추가 냉각 시스템(100)을 사용하여 냉각수를 추가로 냉각해 줌으로써 상기 연료 전지 스택(500)의 실질적인 냉각 효율을 증대시켜 준다.As described above, the fuel cell stack cooling system of the present invention increases the actual cooling efficiency of the fuel cell stack 500 by further cooling the coolant using the additional cooling system 100.

특히, 본 발명의 추가 냉각 시스템(100)은 상기 수소 공급계(520)에서의 고압 수소 배출 압력을 이용하여 냉각이 이루어지도록 한다. 이에 따라 본 발명의 추가 냉각 시스템(100)은 별도의 제어 수단이나 제어 방법의 설계를 더하지 않아도 자동적으로 차량의 주행 속도에 따른 추가 냉각 정도가 결정될 수 있다.In particular, the additional cooling system 100 of the present invention allows for cooling to take place using the high pressure hydrogen discharge pressure in the hydrogen supply system 520. Accordingly, the additional cooling system 100 of the present invention may automatically determine the additional cooling degree according to the running speed of the vehicle without adding a separate control means or control method design.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상술한 바와 같이 본 발명의 추가 냉각 시스템(100)은, 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 고압 수소의 배출 압력을 이용하여 상기 압축기(110)를 작동시키고, 상기 압축기(110)에 의해 압축된 압축 공기 중 일부가 상기 분배 수단(120)에 의하여 상기 공기 분리 수단(130)으로 유입되고, 이 공기가 상기 공기 분리 수단(130)을 통과함으로써 저온 공기가 분리되어 나오며, 이 저온 공기가 상기 열교환기(140)를 통과함으로써 냉각수를 추가 냉각하여 결과적으로 상기 연료 전지 스택(500)의 추가 냉각 성능을 높이게 된다. 이 때, 차량 주행 속도가 증가하면, 당연히 상기 연료 전지 스택(500)에 공급되어야 하는 수소 공급량이 많아지며, 이에 따라 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 수소 배출량이 많아진다. 따라서 상기 압축기(110)의 작동이 보다 활발하게 이루어져 압축 공기의 생산량이 많아지고, 순차적으로 상기 공기 분리 수단(130)에 의한 저온 공기 생산량 또한 많아지게 된다. 그러므로 상기 열교환기(140)에서 보다 많은 저온 공기와 냉각수가 열교환할 수 있게 되어, 결국 본 발명의 추가 냉각 시스템(100)은 차량 주행 속도가 증가할수록 자연히 자동적으로 냉각수가 보다 더 냉각되게 이루어져 있는 것이다. 이러한 작동 순서에는, 상술한 바에서 알 수 있다시피 어떤 추가적인 제어 수단이나 제어 방법이 전혀 필요하지 않으며, 그 구성 자체만으로 차속에 따른 추가 냉각 증감이 이루어질 수 있다.
More detailed description is as follows. As described above, the additional cooling system 100 of the present invention operates the compressor 110 using the discharge pressure of the high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank 521, and is compressed by the compressor 110. Some of the compressed air is introduced into the air separation means 130 by the distribution means 120, and the air passes through the air separation means 130 to separate low temperature air, and the low temperature air exchanges the heat exchanger. Passing through the device 140 further cools the cooling water, which in turn increases the additional cooling performance of the fuel cell stack 500. At this time, when the vehicle traveling speed increases, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell stack 500 naturally increases, and accordingly, the amount of hydrogen discharged from the hydrogen tank 521 increases. Therefore, the operation of the compressor 110 becomes more active, so that the amount of compressed air is increased, and the amount of low-temperature air produced by the air separating means 130 is also increased in sequence. Therefore, the heat exchanger 140 is able to exchange more cold air and coolant, and thus, the additional cooling system 100 of the present invention is configured to automatically cool the water more automatically as the vehicle traveling speed increases. . In this order of operation, as can be seen from the above, no additional control means or control methods are required at all, and further cooling increase and decrease depending on the vehicle speed can be achieved by the configuration itself.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It goes without saying that various modifications can be made.

100: (본 발명의) 추가 냉각 시스템 110: 압축기
120: 분배 수단 130: 공기 분리 수단
140: 열교환기
130A: 보텍스 튜브 131: 배관
132: 보텍스 회전실 133: 온기 출구
134: 조절 밸브 135: 냉기 출구
500: 연료 전지 스택
510: 산소 공급계 511: 가습기
520: 수소 공급계
521: 수소 탱크 522: 안정기
530: 라디에이터100: additional cooling system 110 of the invention
120: distribution means 130: air separation means
140: heat exchanger
130A: vortex tube 131: piping
132: vortex rotation chamber 133: warmth outlet
134: control valve 135: cold air outlet
500: fuel cell stack
510: oxygen supply system 511: humidifier
520 hydrogen supply system
521: hydrogen tank 522: ballast
530: radiator

Claims (6)

연료 전지 스택(500);
산소를 포함하는 공기가 외부로부터 유입되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성되는 산소 공급계(510);
수소를 저장하는 수소 탱크(521)를 포함하여 이루어져, 수소가 상기 수소 탱크(521)로부터 배출되어 상기 연료 전지 스택(500)으로 공급되도록 형성되는 수소 공급계(520);
상기 연료 전지 스택(500)을 냉각하도록, 상기 연료 전지 스택(500)으로 순환되는 냉각수를 외부 공기와 열교환하여 냉각하는 라디에이터(530);
상기 수소 탱크(521)에서 상기 연료 전지 스택(500)으로 수소가 공급되는 유통 경로 상에 구비되어, 상기 수소 탱크(521)에서 배출되는 고압 수소를 이용하여 공기를 압축하는 압축기(110);
상기 압축기(110)에 의하여 압축된 공기를 적어도 하나 이상의 경로로 분배하여 적어도 하나의 경로의 압축 공기를 상기 산소 공급계(510)로 유입시키는 분배 수단(120);
상기 분배 수단(120)에 의하여 분배된 압축 공기 중 나머지 경로의 압축 공기를 유입받아, 고온 공기와 저온 공기로 분리하는 공기 분리 수단(130);
상기 라디에이터(530)로 유통되는 냉각수 유로 상에 구비되어 그 내부로 냉각수를 유통하며, 상기 공기 분리 수단(130)에 의하여 분리된 저온 공기를 통과시켜 냉각수를 냉각하는 열교환기(140);
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
Fuel cell stack 500;
An oxygen supply system 510 which is formed such that air containing oxygen is introduced from the outside and supplied to the fuel cell stack 500;
A hydrogen supply system 520 including hydrogen tank 521 for storing hydrogen, the hydrogen supply system being configured to be discharged from the hydrogen tank 521 and supplied to the fuel cell stack 500;
A radiator 530 configured to cool the fuel cell stack 500 by exchanging coolant circulated with the fuel cell stack with outside air to cool the fuel cell stack 500;
A compressor (110) provided on a distribution path through which hydrogen is supplied from the hydrogen tank (521) to the fuel cell stack (500) and compressing air by using high pressure hydrogen discharged from the hydrogen tank (521);
Distribution means (120) for distributing compressed air by the compressor (110) into at least one path and introducing compressed air of at least one path into the oxygen supply system (510);
Air separation means (130) for receiving the compressed air of the remaining path among the compressed air distributed by the distribution means (120) and separating the hot air and the cold air;
A heat exchanger (140) provided on the cooling water flow path distributed to the radiator (530) to distribute the cooling water therein, and cooling the cooling water by passing the low temperature air separated by the air separation means (130);
A fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle, characterized in that comprises a.
제 1항에 있어서, 상기 공기 분리 수단(130)은
보텍스 튜브(vortex tube)인 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
The method of claim 1, wherein the air separation means 130
A fuel cell stack cooling system of a fuel cell vehicle, characterized in that it is a vortex tube.
제 2항에 있어서, 상기 보텍스 튜브(130A)는
압축 공기가 공급되는 배관(131), 상기 압축 공기가 유입되어 와류를 형성하며 회전하는 보텍스 회전실(132), 상기 보텍스 회전실(132)의 일측에 형성되어 상기 보텍스 회전실(132)에서 회전된 압축 공기 중 고온 공기가 분리되어 배출되는 온기 출구(133), 상기 온기 출구(133)에 구비되어 상기 보텍스 회전실(132)에서 회전된 압축 공기를 고온 공기 및 저온 공기로 분리하여, 고온 공기는 배출하고 저온 공기는 회송하는 조절 밸브(134), 상기 보텍스 회전실(132)의 타측에 형성되어 상기 조절 밸브(134)에서 회송된 저온 공기가 배출되는 냉기 출구(135)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
3. The vortex tube 130A of claim 2, wherein
Compressed air is supplied to the pipe 131, the vortex rotation chamber 132, the compressed air is introduced to form a vortex to rotate and formed on one side of the vortex rotation chamber 132 is rotated in the vortex rotation chamber 132 The hot air is separated and discharged from the compressed air is discharged is provided in the warm air outlet 133, the warm air outlet 133 is separated from the compressed air rotated in the vortex rotation chamber 132 into hot air and cold air, hot air Is discharged and the low temperature air is formed on the other side of the control valve 134, the vortex rotary chamber 132 is formed to include a cold air outlet 135 is discharged from the low temperature air returned from the control valve 134 A fuel cell stack cooling system for a fuel cell vehicle.
제 1항에 있어서, 상기 열교환기(140)는
상기 라디에이터(530)에서 배출된 냉각수가 상기 연료 전지 스택(500)으로 유입되는 냉각수 유로 상에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
The method of claim 1, wherein the heat exchanger 140
Cooling water discharged from the radiator (530) on the fuel cell stack cooling system of the fuel cell vehicle, characterized in that provided on the cooling water flow path flowing into the fuel cell stack (500).
제 1항에 있어서, 상기 산소 공급계(510)는
외부로부터 공급된 공기에 습기를 첨가하는 가습기(511)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.
The method of claim 1, wherein the oxygen supply system 510 is
And a humidifier (511) for adding moisture to air supplied from the outside.
제 1항에 있어서, 상기 수소 공급계(520)는
상기 수소 탱크(521)로부터 배출된 수소를 안정화시키는 안정기(522)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 연료 전지 스택 냉각 시스템.The method of claim 1, wherein the hydrogen supply system 520 is
And a stabilizer (522) for stabilizing hydrogen discharged from the hydrogen tank (521).
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