KR20130070162A - Hydrogen supply system of fuelcell for automoblie - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A hydrogen supplying system for automobile fuel cell is provided to control the amount of cooling water according to the temperature of 'hydrogen gas supplied from fuel tank', easily control relative humidity of ' hydrogen gas supplied to the stack', and optimize relative humidity of the receiving cathode. CONSTITUTION: A fuel cell supplying system for car hydrogen comprises a fuel tank (112) for storing hydrogen; regulators (114,116) which controls pressure of 'hydrogen supplied from the fuel tank'; an ejector supplying ' hydrogen which pressure is controlled in the regulator' to the stack(110); a heat exchanger installed between fuel tank and ejector to exchange heat between 'hydrogen supplied through the hydrogen supply line' and 'the cooling water ejected in the stack'; a recycle line (122) supplying to ejector by recirculating 'the gas ejected in stack'; and a controlling unit controls the amount of 'cooling water supplied to the heat exchanger'. [Reference numerals] (AA) Hydrogen supply; (BB) Discharge impurities(hydrogen/nitrogen/vapor/water, etc); (CC) Air supply

Description

자동차용 연료전지 수소공급시스템{Hydrogen supply system of fuelcell for automoblie}Fuel cell hydrogen supply system for automobiles {Hydrogen supply system of fuelcell for automoblie}

본 발명은 자동차용 연료전지 수소공급시스템에 관한 것으로, 수소탱크로부터 유입되는 수소가스의 온도를 조절하여 연료전지의 효율을 향상시킨 자동차용 연료전지 수소공급시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell hydrogen supply system for automobiles, and more particularly, to a fuel cell hydrogen supply system for automobiles in which the efficiency of the fuel cell is improved by controlling the temperature of hydrogen gas flowing from the hydrogen tank.

일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해서 발생하는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지의 일종이다. 특히, 연료전지는 이차전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 동시에 반응 생성물이 연속적으로 계의 외부로 배출되기 때문에 연료만 지속적으로 공급해주면 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.In general, a fuel cell is a type of battery that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. In particular, fuel cells, unlike secondary batteries, are continuously supplied from the outside and at the same time, the reaction products are continuously discharged to the outside of the system.

이러한 연료전지 중 가장 널리 알려진 것이 수소-산소 연료전지이다. 여기서 수소-산소 연료전지는 연료인 수소가 음극에 공급되어 전기적인 산화를 일으키고, 산화제인 산소가 양극에 공급되어 전기적인 환원을 일으킨다. 이 때 산화와 환원으로 전자가 이동하게 됨에 따라 전기에너지가 발생한다.The most widely known of these fuel cells is a hydrogen-oxygen fuel cell. In the hydrogen-oxygen fuel cell, hydrogen as a fuel is supplied to the cathode to cause electrical oxidation, and oxygen as an oxidant is supplied to the anode to cause electrical reduction. At this time, electric energy is generated as electrons move by oxidation and reduction.

하지만 단위전지에서 발생하는 전기에너지는 미미하기 때문에 연료전지는 수십 내지 수백 개의 단위전지를 적층한 스택의 형태로 구비된다.However, since the electric energy generated from the unit cell is insignificant, the fuel cell is provided in the form of a stack of tens to hundreds of unit cells.

따라서 연료전지는 적층된 스택의 수를 늘리기만 하면 수백 MW에 이르는 대용량의 연료전지까지도 개발할 수 있다. 이러한 연료전지는 다양한 용도로 사용되고 있으며, 특히 상업운전을 위해서는 발전용, 난방용 및 수송용으로 주로 사용되고 있다.Therefore, fuel cells can develop even large-capacity fuel cells up to several hundred MW simply by increasing the number of stacked stacks. Such fuel cells are used for various purposes, and in particular, for commercial operation, they are mainly used for power generation, heating, and transportation.

여기서 수송용 연료전지의 일종인 자동차용 연료전지는 그린라운드(Green Round; 기후변화협약)를 통한 CO2의 총량규제, 저공해 자동차 의무 판매 및 자동차 배기가스의 규제 등이 임박해 옴에 따라 개발이 급박하게 진행되고 있다.
The fuel cell for automobiles, which is a kind of fuel cell for transportation, is urgently developed due to the imminent regulation of total amount of CO 2 through Green Round (Climate Change Convention), mandatory sale of low-polluting automobiles and regulation of automobile exhaust gas. It's going on.

상기한 바와 같은 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 일 예가 국내등록특허 제10-0836371호(이하 '특허문헌 1'이라 함)에 개시되어 있다.An example of the fuel cell hydrogen supply system for automobiles as described above is disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0836371 (hereinafter referred to as 'Patent Document 1').

도 1은 특허문헌 1에 따른 자동차용 연료전지의 수소공급시스템을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a hydrogen supply system of a fuel cell for automobiles according to Patent Document 1.

도 1에 도시된 바와 같이 특허문헌 1에 따른 자동차용 연료전지의 수소공급시스템은 연료탱크(112)에서 고압으로 충전된 수소가 고압 레귤레이터(114)를 통해 일정압력으로 조절되고 저압 레귤레이터(116)를 통해 스택(110)에 공급될 수 있는 압력으로 조절된다. 여기서 상기 고압 레귤레이터(114)와 저압 레귤레이터(116) 사이에는 수소의 흐름을 조절하기 위하여 솔레노이드 밸브(118)가 설치되어 있다. 아울러 상기 스택(110)에 공급되는 수소는 효율을 높이기 위하여 반응에 필요한 양보다 더 많은 양을 공급하기 때문에 배기가스 중에는 수증기 뿐만 아니라 상당한 양의 수소가 포함되어 있으므로 이를 재순환시키기 위해 배기라인(120)에서 분지된 수소 재순환라인(122)이 형성되어 있다. 또한 상기 수소 재순환라인(122)에는 블로어(124)가 설치되어 재순환되는 수소가스가 스택(110)으로 용이하게 순환되도록 한다. 아울러 상기 블로어(124)는 회전시키기 위한 동력이 필요하지만 필요에 따라 동력이 필요없는 이젝터가 설치될 수 있음은 물론이다. 여기서 상기 이젝터가 설치될 경우 이젝터의 내부에서 연료탱크(112)로부터 공급되는 가스와 재순환되는 가스가 혼합되어 스택(110)으로 공급된다.As shown in FIG. 1, in the hydrogen supply system of a fuel cell for automobiles according to Patent Document 1, hydrogen charged at high pressure in the fuel tank 112 is controlled to a constant pressure through a high pressure regulator 114 and a low pressure regulator 116. It is adjusted to a pressure that can be supplied to the stack 110 through. Here, a solenoid valve 118 is installed between the high pressure regulator 114 and the low pressure regulator 116 to regulate the flow of hydrogen. In addition, since the hydrogen supplied to the stack 110 supplies more than the amount required for the reaction to increase the efficiency, the exhaust gas contains a considerable amount of hydrogen as well as water vapor. Hydrogen recycle line 122 branched from is formed. In addition, a blower 124 is installed in the hydrogen recycle line 122 to allow the hydrogen gas to be recycled to be easily circulated to the stack 110. In addition, although the blower 124 requires power for rotating, an ejector without power may be installed as necessary. Here, when the ejector is installed, the gas supplied from the fuel tank 112 and the gas recycled in the ejector are mixed and supplied to the stack 110.

한편 스택으로 공급되는 수소는 상대습도가 높을 경우 액적이 발생하여 유로를 폐쇄시키는 플러딩(flooding) 현상이 발생하고, 상대습도가 낮을 경우 전극의 습도가 감소하면서 전해질 막이 건조되어 이온 및 전자의 이동이 급격히 둔화되는 드라이아웃(dryout) 현상이 발생하게 된다.On the other hand, when hydrogen is supplied to the stack, droplets are generated when the relative humidity is high, causing flooding to close the flow path. When the relative humidity is low, the electrolyte membrane is dried while the humidity of the electrode decreases, so that the movement of ions and electrons is reduced. A drastic dryout phenomenon occurs.

따라서 스택에 공급되는 수소가스의 상대습도는 효율을 고려하여 80 % 이상을 유지해야 하지만 100% 미만으로 관리해야 한다.Therefore, the relative humidity of the hydrogen gas supplied to the stack should be maintained at 80% or more in consideration of efficiency, but should be managed at less than 100%.

하지만 통상 스택에서 배출되는 수소가스의 온도는 약 70℃로 비교적 일정하지만 연료탱크로부터 공급되는 수소의 온도는 대기의 온도에 따라 그 범위가 달라지기 때문에 적절한 상대습도의 수소가스를 스택에 공급하는 것이 쉽지 않다.However, the temperature of hydrogen gas discharged from the stack is relatively constant at about 70 ° C. However, since the temperature of hydrogen supplied from the fuel tank varies with the temperature of the atmosphere, it is recommended to supply hydrogen gas of the appropriate relative humidity to the stack. Uneasy.

따라서 온도가 -30℃까지 떨어지는 혹한기에는 고온다습한 스택에서 배출되는 수소가스와 연료탱크에서 공급되는 수소가 바로 혼합되면 혼합가스의 온도가 과도하게 떨어질 뿐만 아니라 상대습도가 100%에 도달하여 다량의 액적이 발생하게 되므로 이를 방지하기 위하여 스택에서 배출되는 냉각수의 폐열로 연료탱크에서 공급되는 수소가스의 온도를 미리 예열시키는 열교환기를 설치하였다.Therefore, in the cold season when the temperature drops to -30 ℃, when the hydrogen gas discharged from the hot and humid stack and the hydrogen supplied from the fuel tank are directly mixed, the temperature of the mixed gas not only drops excessively but also the relative humidity reaches 100%. In order to prevent droplets, a heat exchanger was installed to preheat the temperature of the hydrogen gas supplied from the fuel tank with waste heat of the cooling water discharged from the stack.

하지만 혹서기에는 연료탱크로부터 공급되는 수소가스의 온도가 이미 30℃ 이상이므로 스택에서 배출되는 냉각수로 예열할 경우 이젝터에 공급되는 수소가스의 온도가 45℃ 이상으로 올라가므로 스택에서 배출되는 수소가스와 혼합되면 혼합가스의 온도가 과도하게 높아질 뿐만 아니라 상대습도가 50% 이하로 떨어져 드라이아웃 현상이 발생하게 되는 문제점이 있다.
However, since the temperature of the hydrogen gas supplied from the fuel tank is already 30 ° C or higher, the temperature of the hydrogen gas supplied to the ejector increases to 45 ° C or higher when preheated with the cooling water discharged from the stack, so it is mixed with the hydrogen gas discharged from the stack. If the temperature of the mixed gas is not only excessively high, but the relative humidity falls below 50%, there is a problem that the dry out phenomenon occurs.

1. 국내등록특허 제10-0836371호(2008.6.20. 등록)1. Domestic registered patent No. 10-0836371 (registered on June 6, 2008)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 연료탱크에서 공급되는 수소가스를 예열하는 냉각수의 양을 연료탱크에서 공급되는 수소가스의 온도에 따라 조절할 수 있으므로 스택에 공급되는 수소가스의 상대습도를 용이하게 조절할 수 있으므로 수소극의 상대습도를 최적화할 수 있도록 된 연료전지 수소공급시스템을 제공하는 데 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention can easily adjust the amount of cooling water for preheating the hydrogen gas supplied from the fuel tank according to the temperature of the hydrogen gas supplied from the fuel tank to facilitate the relative humidity of the hydrogen gas supplied to the stack It is an object of the present invention to provide a fuel cell hydrogen supply system capable of optimizing the relative humidity of the hydrogen electrode.

또한 본 발명은 상기와 같이 수소극의 상대습도를 최적화하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 수소공급시스템을 제공하는 데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell hydrogen supply system that can improve the efficiency of the fuel cell by optimizing the relative humidity of the hydrogen electrode as described above.

아울러 본 발명은 감온통에 수용된 작업유체의 압력에 따라 작동하는 감압밸브로 냉각수의 양을 조절함에 따라 냉각수의 양을 조절하기 위한 별도의 구동부가 필요없는 연료전지 수소공급시스템을 제공하는 데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell hydrogen supply system that does not require a separate drive unit for controlling the amount of coolant by adjusting the amount of coolant by a pressure reducing valve operating in accordance with the pressure of the working fluid contained in the thermostat. have.

또한 본 발명은 상기 수소공급라인의 외주부를 감싸는 감온통을 구비하므로 전열면적이 넓어 수소공급라인의 온도변화를 민감하게 감지할 수 있도록 된 연료전지 수소공급시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
In addition, an object of the present invention is to provide a fuel cell hydrogen supply system having a thermostat surrounding the outer periphery of the hydrogen supply line so that the heat transfer area is wide so that the temperature change of the hydrogen supply line can be sensitively detected.

본 발명은 수소가 저장되는 연료탱크, 상기 연료탱크로부터 공급된 수소의 압력을 조절하는 레귤레이터, 상기 레귤레이터에서 압력이 조절된 수소를 스택에 공급하는 이젝터, 상기 연료탱크와 상기 이젝터 사이에서 설치되어 수소를 공급하는 수소공급라인을 통해 공급되는 수소와 상기 스택에서 배출되는 냉각수를 열교환시키는 열교환기, 상기 스택에서 배출되는 가스를 재순환시켜 이젝터에 공급하는 재순환라인 및 상기 열교환기에 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 조절부를 포함하는 자동차용 연료전지 수소공급시스템을 제공한다.The present invention is a fuel tank in which hydrogen is stored, a regulator for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the fuel tank, an ejector for supplying a pressure-regulated hydrogen in the regulator to the stack, installed between the fuel tank and the ejector hydrogen Heat exchanger for heat exchange between the hydrogen supplied through the hydrogen supply line for supplying and the cooling water discharged from the stack, the recycle line for recycling the gas discharged from the stack to the ejector and the amount of cooling water supplied to the heat exchanger It provides a fuel cell hydrogen supply system for automobiles comprising a control unit.

여기서 상기 조절부는 상기 수소공급라인 상에 설치되며 작업유체를 수용하는 감온통, 상기 감온통에 수용된 작업유체의 압력에 따라 작동하는 감압밸브로 이루어지는 것이 바람직하다.Here, the control unit is provided on the hydrogen supply line is a thermostat containing a working fluid, it is preferable that the pressure reducing valve is operated according to the pressure of the working fluid accommodated in the thermostat.

아울러 상기 감온통은 상기 수소공급라인의 외주부를 감싸도록 구비된 것이 바람직하다.In addition, the thermostat is preferably provided to surround the outer periphery of the hydrogen supply line.

또한 상기 감압밸브는 상기 열교환기에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인의 내부 중심에 포트가 형성된 밸브시트가 축방향으로 연장된 격벽, 상기 격벽과 대응되는 냉각수 입력라인의 원주에 형성된 하우징, 상기 하우징의 내부를 상하로 분할하고 분할된 상부와 상기 감온통이 연통되도록 구비된 다이어프램, 상기 다이어프램의 하면에 설치되어 상기 다이어프램의 동작에 의해 상기 포트를 개폐하는 개폐부재 및 상기 개폐부재를 탄성지지하도록 설치된 스프링으로 이루어지는 것이 바람직하다.
The pressure reducing valve may include: a partition wall in which a valve seat having a port is formed in an inner center of a cooling water supply line for supplying cooling water to the heat exchanger; an housing formed at a circumference of a cooling water input line corresponding to the partition wall; and an interior of the housing. A diaphragm provided to be divided up and down and the upper part and the thermostat are in communication with each other, a spring installed to elastically support the opening and closing member for opening and closing the port by the operation of the diaphragm and installed on the lower surface of the diaphragm. It is preferable to make.

상기와 같이 본 발명에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 연료탱크에서 공급되는 수소가스를 예열하는 냉각수의 양을 연료탱크에서 공급되는 수소가스의 온도에 따라 조절할 수 있으므로 스택에 공급되는 수소가스의 상대습도를 용이하게 조절할 수 있으므로 수소극의 상대습도를 최적화할 수 있다.As described above, the automotive fuel cell hydrogen supply system according to the present invention can adjust the amount of cooling water to preheat the hydrogen gas supplied from the fuel tank according to the temperature of the hydrogen gas supplied from the fuel tank. Since the relative humidity can be easily adjusted, the relative humidity of the hydrogen electrode can be optimized.

또한 본 발명에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 상기와 같이 수소극의 상대습도를 최적화하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to the present invention can improve the efficiency of the fuel cell by optimizing the relative humidity of the hydrogen electrode as described above.

아울러 본 발명에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 감온통에 수용된 작업유체의 압력에 따라 작동하는 감압밸브로 냉각수의 양을 조절함에 따라 냉각수의 양을 조절하기 위한 별도의 구동부가 필요 없다.In addition, the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to the present invention does not need a separate driving unit for adjusting the amount of coolant by adjusting the amount of coolant with a pressure reducing valve that operates according to the pressure of the working fluid accommodated in the thermostat.

또한 본 발명에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 상기 수소공급라인의 외주부를 감싸는 감온통을 구비하므로 전열면적이 넓어 수소공급라인의 온도변화를 민감하게 감지할 수 있다.
In addition, the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to the present invention includes a thermostat surrounding the outer periphery of the hydrogen supply line, so that the heat transfer area is wide, so that the temperature change of the hydrogen supply line can be sensitively detected.

도 1은 특허문헌 1에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템을 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 조절부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 요부를 나타내는 상세단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수고공급시스템의 감압밸브가 개방된 상태를 나타내는 도면이다.1 is a configuration diagram showing a fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to Patent Document 1. As shown in FIG.
2 is a block diagram showing a fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a control unit of the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a detailed cross-sectional view showing the main part of the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a state in which the pressure reducing valve of the fuel cell trouble supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention is opened.

이하, 본 발명에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of an automotive fuel cell hydrogen supply system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템을 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 조절부를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템의 요부를 나타내는 상세단면도이다.2 is a block diagram showing a fuel cell hydrogen supply system for a vehicle according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a view showing a control unit of the hydrogen fuel system for a fuel cell vehicle according to an embodiment of the present invention, 4 is a detailed cross-sectional view showing the main part of a fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 수소가 저장되는 연료탱크(10), 상기 연료탱크(10)로부터 공급된 수소의 압력을 조절하는 레귤레이터(20), 상기 레귤레이터(20)에서 압력이 조절된 수소를 스택(S)에 공급하는 이젝터(30), 상기 연료탱크(10)로부터 이젝터(30)에 수소를 공급하는 수소공급라인(12)에 설치되어 공급되는 수소와 상기 스택(S)에서 배출되는 냉각수를 열교환시키는 열교환기(40), 상기 스택(S)에서 배출되는 가스를 재순환시켜 이젝터(30)에 공급하는 재순환라인(50) 및 상기 열교환기(40)에 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 조절부(60)를 포함한다.Fuel cell hydrogen supply system for an automobile according to an embodiment of the present invention is a fuel tank 10, hydrogen as shown in Figure 2, a regulator for regulating the pressure of hydrogen supplied from the fuel tank (10) 20), the ejector 30 for supplying hydrogen, the pressure of which is regulated in the regulator 20, to the stack S, and the hydrogen supply line 12 for supplying hydrogen to the ejector 30 from the fuel tank 10. A heat exchanger 40 for exchanging the installed hydrogen and the cooling water discharged from the stack S, a recirculation line 50 for recycling the gas discharged from the stack S and supplying it to the ejector 30 and the Control unit 60 for adjusting the amount of cooling water supplied to the heat exchanger (40).

상기 연료탱크(10)는 수소를 저장하는 탱크로서 수백 bar 이상의 압력을 견딜 수 있도록 구비되고 동시에 외부의 충돌에 의해서 파괴되지 않는 내구성이 있도록 구비한다.The fuel tank 10 as a tank for storing hydrogen is provided to withstand the pressure of several hundred bar or more and at the same time has a durability that is not destroyed by an external collision.

상기 레귤레이터(20)는 상기 연료탱크(10)로부터 공급되는 수소의 압력을 조절하는 장치로서 필요에 따라 2단으로 구성할 수 있다.The regulator 20 is a device for adjusting the pressure of hydrogen supplied from the fuel tank 10 may be configured in two stages as necessary.

상기 이젝터(30)는 상기 레귤레이터(20)에서 압력이 조절된 수소를 스택(S)에 공급하는 장치로서 상기 이젝터(30)의 측면으로는 재순환라인(50)과 연결되어 수소가 유입된다.The ejector 30 is a device for supplying a pressure-regulated hydrogen in the regulator 20 to the stack S. The ejector 30 is connected to a recirculation line 50 to the side of the ejector 30 to introduce hydrogen.

상기 열교환기(40)는 상기 연료탱크(10)와 이젝터(30) 사이의 수소공급라인(12)에 설치되며 스택(S)에서 배출되는 냉각수와 수소공급라인(12)을 통과하는 수소가 서로 열교환 된다. 여기서 상기 스택(S)에서 배출되는 냉각수가 수소공급라인(12)을 통과하는 수소보다 온도가 높기 때문에 상기 수소공급라인(12)을 통과하는 수소는 냉각수의 폐열의 의해 예열되어 스택(S)으로 공급된다.The heat exchanger 40 is installed in the hydrogen supply line 12 between the fuel tank 10 and the ejector 30 and the cooling water discharged from the stack S and the hydrogen passing through the hydrogen supply line 12 are mutually different. It is heat exchanged. Here, since the coolant discharged from the stack S has a higher temperature than the hydrogen passing through the hydrogen supply line 12, the hydrogen passing through the hydrogen supply line 12 is preheated by the waste heat of the cooling water to the stack S. Supplied.

상기 재순환라인(50)은 상기 스택(S)에서 배출된 배기가스를 상기 이젝터(30)로 순환시키는 라인으로서 스택(S)에 입력되는 수소가스가 반응할 수 있는 양보다 더 많은 양의 수소가 공급되므로 스택(S)에서 배출되는 배기가스에는 상당한 양의 잉여 수소가스가 포함되어 있다.The recirculation line 50 is a line for circulating the exhaust gas discharged from the stack S to the ejector 30, and a larger amount of hydrogen than the hydrogen gas input to the stack S can react with. Since it is supplied, the exhaust gas discharged from the stack S contains a considerable amount of surplus hydrogen gas.

상기 조절부(60)는 열교환기(40)에 공급되는 냉각수의 양을 조절하도록 구비되며 냉각수의 양을 조절함에 따라 결국 이젝터(30)에 공급되는 수소가스의 온도를 조절할 수 있게 된다.The control unit 60 is provided to adjust the amount of cooling water supplied to the heat exchanger 40, and can adjust the temperature of the hydrogen gas that is eventually supplied to the ejector 30 by adjusting the amount of cooling water.

상기 조절부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 수소공급라인(12) 상에 설치되며 작업유체를 수용하는 감온통(62), 상기 감온통(62)에 수용된 작업유체의 압력에 따라 작동하는 감압밸브(64) 및 상기 감온통과 상기 감압밸브 사이에 연통되는 연통파이프(63)로 이루어진다. 여기서 상기 감온통(62)은 전열면적을 늘리기 위하여 상기 수소공급라인(12)의 외주부를 감싸도록 구비되는 것이 바람직하다.The control unit 60 is installed on the hydrogen supply line 12, as shown in Figure 3, the thermostat 62 for receiving a working fluid, according to the pressure of the working fluid accommodated in the thermostat 62 It consists of a pressure reducing valve 64 that operates and a communication pipe 63 that communicates between the thermostat and the pressure reducing valve. The thermostat 62 is preferably provided to surround the outer circumference of the hydrogen supply line 12 to increase the heat transfer area.

상기 감압밸브(64)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 열교환기(40)에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인(42)의 내부 중심에 포트(66a)가 형성된 밸브시트(66b)가 축방향으로 연장된 격벽(66), 상기 격벽(66)과 대응되는 냉각수 입력라인(46)의 원주에 형성된 하우징(67), 상기 하우징(67)의 내부를 상하로 분할하고 분할된 상부와 상기 감온통(62)이 연통되도록 구비된 다이어프램(68), 상기 다이어프램(68)의 하면에 설치되어 상기 다이어프램(68)의 동작에 의해 상기 포트(66a)를 개폐하는 개폐부재(69) 및 상기 개폐부재(69)를 탄성지지하도록 설치된 스프링(70)으로 이루어진다.As shown in FIG. 4, the pressure reducing valve 64 has an axial direction of a valve seat 66b having a port 66a formed at an inner center of a cooling water supply line 42 for supplying cooling water to the heat exchanger 40. An extended partition 66, a housing 67 formed at a circumference of the coolant input line 46 corresponding to the partition 66, and an inside of the housing 67 are vertically divided, and the divided upper part and the temperature sensing tube ( The diaphragm 68 is provided to communicate with the 62, the opening and closing member 69 and the opening and closing member 69 which are installed on the lower surface of the diaphragm 68 to open and close the port 66a by the operation of the diaphragm 68. ) Is composed of a spring 70 installed to elastically support.

상기 격벽(66)은 상기 냉각수 공급라인(42)의 내부를 가로지르도록 설치되며 중심에 포트(66a)가 형성된 밸브시트(66b)가 축방향으로 연장되도록 구비된다. 상기 밸브시트(66b)에 형성된 포트(66a)의 개폐 여부에 따라 열교환기(40)에 공급되는 냉각수의 양이 결정된다. The partition 66 is installed to cross the inside of the cooling water supply line 42 and is provided such that a valve seat 66b having a port 66a formed at the center thereof extends in the axial direction. The amount of cooling water supplied to the heat exchanger 40 is determined depending on whether the port 66a formed in the valve seat 66b is opened or closed.

상기 하우징(67)은 상기 격벽(66)과 대응되는 냉각수 입력라인(46)의 원주에 설치되며 상방에는 감온통(62)과 연통되는 개구(67a)가 형성되어 있다. 상기 하우징(67)은 상기 다이어프램(68)이 설치될 수 있도록 평단면이 환상으로 이루어지는 것이 바람직하다.The housing 67 is installed at the circumference of the coolant input line 46 corresponding to the partition 66 and has an opening 67a communicating with the thermostat 62. Preferably, the housing 67 has an annular flat cross section so that the diaphragm 68 can be installed.

상기 다이어프램(68)은 상기 하우징(67)의 내부에 설치되어 하우징(67)의 내부를 상하로 분할한다. 여기서 상기 하우징(67)의 분할된 상부(67b)는 감온통(62)과 연통되도록 형성되고, 상기 하우징(67)의 분할된 하면에는 상기 밸브시트(66b)의 포트(66a)를 개폐하는 개폐부재(69)가 설치된다. 따라서 상기 다이어프램(68)은 상기 감온통(62)에 수용된 작업유체의 온도가 상승하여 증발하면 감온통(62)의 내부의 작업유체가 팽창하면서 다이어프램(68)을 밀게 된다. 아울러 상기 다이어프램(68)은 상기 감온통(62)에 수용된 작업유체의 온도가 하강하여 응축되면 감온통(62) 내부의 작업유체가 수축하면서 부압이 형성되어 다이어프램(68)을 팽창 전의 상태로 복구시킨다. The diaphragm 68 is installed inside the housing 67 to divide the inside of the housing 67 up and down. Here, the divided upper portion 67b of the housing 67 is formed to communicate with the thermostat 62, and the divided lower surface of the housing 67 opens and closes to open and close the port 66a of the valve seat 66b. The member 69 is provided. Therefore, the diaphragm 68 pushes the diaphragm 68 while the working fluid inside the thermostat 62 expands when the temperature of the working fluid accommodated in the thermostat 62 rises and evaporates. In addition, when the diaphragm 68 is condensed due to a decrease in the temperature of the working fluid accommodated in the thermostat 62, the working fluid in the thermostat 62 is contracted and a negative pressure is formed to restore the diaphragm 68 to a state before expansion. Let's do it.

상기 개폐부재(69)는 상기 다이어프램(68)의 동작에 의해 상기 포트(66a)를 개폐하도록 구비되며 다이어프램(68)과 고정되는 스템(69a)과, 상기 스템(69a)의 하부에 형성되어 포트(66a)와 밀착되는 밀착부재(69b)로 이루어진다.The opening and closing member 69 is provided to open and close the port 66a by the operation of the diaphragm 68 and is formed at a lower portion of the stem 69a and the stem 69a fixed to the diaphragm 68. And a close contact member 69b in close contact with the 66a.

상기 스프링(70)은 상기 개폐부재(69)가 탄성지지되도록 구비되며 스프링(70)에 의해 밀착부재(69b)가 밸브시트(66b)의 포트(66a)를 밀폐시키도록 가압한다. 따라서 상기 감온통(62)에 수용된 작업유체가 응축되어 스프링(70)의 장력을 극복할 정도 이상으로 부압이 형성되어야 다이어프램(68)이 작동하면서 냉각수 입력라인(46)을 개방하게 된다.
The spring 70 is provided such that the opening and closing member 69 is elastically supported, and the contact member 69b is pressed by the spring 70 to seal the port 66a of the valve seat 66b. Therefore, when the working fluid accommodated in the thermostat 62 is condensed and a negative pressure is formed to overcome the tension of the spring 70, the diaphragm 68 operates to open the coolant input line 46.

이하, 본 발명의 일실예에 따른 자동차용 연료전지 수소공급시스템에 따른 이젝터에 공급되는 수소가스의 온도조절방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the temperature control method of the hydrogen gas supplied to the ejector according to the fuel cell hydrogen supply system for automobiles according to an embodiment of the present invention will be described.

하절기에는 대기의 온도가 높으므로 연료탱크(10)에 공급되는 수소의 온도 또한 상승하게 된다. 따라서 감온통(62)에 수용되어 있는 작동유체는 증발하여 압력이 높아지게 되고, 압력이 높아진 작동유체는 감온통(62)과 연통된 하우징(67)의 상부로 이동하여 다이어프램(68)을 아래로 가압하게 된다. 이 때 개폐부재(69)는 스프링(70)의 장력 뿐만 아니라 다이어프램(68)의 가압력에 의해 하강된 상태를 유지하면서 밸브시트(66b)에 형성된 포트(66a)를 폐쇄한다. 따라서 연료탱크(10)에서 공급되는 수소는 냉각수가 열교환기(40)에 흘러가지 못하게 되므로 연료탱크(10)에서 배출되는 온도 그대로 이젝터(30)로 흘러가게 된다.In summer, since the temperature of the atmosphere is high, the temperature of hydrogen supplied to the fuel tank 10 is also increased. Therefore, the working fluid contained in the thermostat 62 is evaporated to increase the pressure, and the pressure-increased working fluid moves to the top of the housing 67 in communication with the thermostat 62 to move the diaphragm 68 downward. Pressurized. At this time, the opening and closing member 69 closes the port 66a formed in the valve seat 66b while maintaining the lowered state not only by the tension of the spring 70 but also by the pressing force of the diaphragm 68. Therefore, since the hydrogen supplied from the fuel tank 10 does not flow into the heat exchanger 40, the hydrogen flows into the ejector 30 as it is discharged from the fuel tank 10.

다음으로 기온이 하강하면 연료탱크에 공급되는 수소의 온도 또한 하강하게 된다. 상기 연료탱크(10)에서 공급되는 수소의 온도가 내려가면 감온통(62)에 수용되어 있는 작동유체가 응축되어 압력이 떨어지게 되어 감온통(62)의 내부에 부압이 형성된다. 상기 감온통(62)의 내부에 부압이 형성되면 다이어프램(68)을 도 5에 도시된 바와 같이 스프링(70)의 장력을 극복하고 위로 볼록하게 변곡된다. 따라서 다이어프램(68)의 중심에 고정되어 있는 개폐부재(69)는 상승하여 밸브시트에 형성된 포트(66a)를 개방하게 된다. 상기와 같이 밸브시트(66b)에 형성된 포트(66a)가 개방되면 냉각수가 열교환기(40)로 흘러 들어가 수소와 열교환하므로 이젝터(30)로 공급되는 수소의 온도가 상승하게 된다.Next, when the temperature drops, the temperature of hydrogen supplied to the fuel tank also drops. When the temperature of the hydrogen supplied from the fuel tank 10 is lowered, the working fluid contained in the thermostat 62 is condensed and the pressure drops to form a negative pressure inside the thermostat 62. When a negative pressure is formed in the thermostat 62, the diaphragm 68 overhangs the tension of the spring 70 as shown in FIG. 5 and convexly convex upward. Therefore, the opening and closing member 69 fixed to the center of the diaphragm 68 is raised to open the port 66a formed in the valve seat. As described above, when the port 66a formed in the valve seat 66b is opened, the cooling water flows into the heat exchanger 40 to exchange heat with hydrogen, thereby increasing the temperature of the hydrogen supplied to the ejector 30.

상기와 같이 기온의 상승 및 하강에 대하여 감온밸브(64)가 작동하여 냉각수의 양을 조절할 수 있으므로 별도의 구동원 없이 스택(S)에 들어가는 수소의 상대습도를 조절할 수 있게 된다.As described above, since the temperature reduction valve 64 operates to adjust the amount of cooling water with respect to the rise and fall of temperature, the relative humidity of the hydrogen entering the stack S can be adjusted without a separate driving source.

따라서 상기 자동차용 연료전지 수소공급시스템은 적당한 습도의 수소를 공급하여 플러딩이나 드라이아웃과 같은 현상이 일어나지 않으므로 연료전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
Therefore, the fuel cell hydrogen supply system for automobiles may further improve the efficiency of the fuel cell since supplying hydrogen with an appropriate humidity does not occur such as flooding or dryout.

본 고안의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 국한되지 않고 청구범위 기재한 바에 의해 정의되며 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있는 것은 자명하다.
The scope of the present invention is not limited to the embodiments described above, but is defined by the claims, and a person skilled in the art to which the present invention belongs may make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.

10 : 연료탱크
20 : 레귤레이터
30 : 이젝터
40 : 열교환기
50 : 재순환라인
60 : 조절부
62 : 감압통
64 : 감압밸브
66 : 격벽
68 : 다이어프램10: Fuel tank
20: regulator
30: ejector
40: heat exchanger
50: recycling line
60: adjuster
62: decompression tube
64: pressure reducing valve
66: bulkhead
68: diaphragm

Claims (4)

수소가 저장되는 연료탱크,
상기 연료탱크로부터 공급된 수소의 압력을 조절하는 레귤레이터,
상기 레귤레이터에서 압력이 조절된 수소를 스택에 공급하는 이젝터,
상기 연료탱크와 상기 이젝터 사이에서 설치되어 수소를 공급하는 수소공급라인을 통해 공급되는 수소와 상기 스택에서 배출되는 냉각수를 열교환시키는 열교환기,
상기 스택에서 배출되는 가스를 재순환시켜 이젝터에 공급하는 재순환라인 및
상기 열교환기에 공급되는 냉각수의 양을 조절하는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 연료전지 수소공급시스템.
Fuel tanks storing hydrogen,
Regulator for regulating the pressure of hydrogen supplied from the fuel tank,
An ejector for supplying pressure-regulated hydrogen to the stack in the regulator,
A heat exchanger installed between the fuel tank and the ejector to exchange heat between hydrogen supplied through a hydrogen supply line for supplying hydrogen and cooling water discharged from the stack;
A recirculation line for recirculating the gas discharged from the stack and supplying it to the ejector;
Fuel cell hydrogen supply system for a vehicle, characterized in that it comprises a control unit for adjusting the amount of cooling water supplied to the heat exchanger.
청구항 1에 있어서,
상기 조절부는 상기 수소공급라인 상에 설치되며 작업유체를 수용하는 감온통, 상기 감온통에 수용된 작업유체의 압력에 따라 작동하는 감압밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소공급시스템.
The method according to claim 1,
The control unit is installed on the hydrogen supply line, the fuel cell hydrogen supply system, characterized in that the thermostat for receiving the working fluid, the pressure reducing valve that operates in accordance with the pressure of the working fluid accommodated in the thermostat.
청구항 2에 있어서,
상기 감온통은 상기 수소공급라인의 외주부를 감싸도록 구비된 것을 특징으로 하는 연료전지 수소공급시스템.
The method according to claim 2,
The thermostat is a fuel cell hydrogen supply system, characterized in that provided to surround the outer peripheral portion of the hydrogen supply line.
청구항 2항 또는 청구항 3에 있어서,
상기 감압밸브는 상기 열교환기에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급라인의 내부 중심에 포트가 형성된 밸브시트가 축방향으로 연장된 격벽, 상기 격벽과 대응되는 냉각수 입력라인의 원주에 형성된 하우징, 상기 하우징의 내부를 상하로 분할하고 분할된 상부와 상기 감온통이 연통되도록 구비된 다이어프램, 상기 다이어프램의 하면에 설치되어 상기 다이어프램의 동작에 의해 상기 포트를 개폐하는 개폐부재 및 상기 개폐부재를 탄성지지하도록 설치된 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 수소공급시스템.
The method according to claim 2 or 3,
The pressure reducing valve may include: a partition wall in which a valve seat having a port is formed in an inner center of a cooling water supply line for supplying cooling water to the heat exchanger; a housing formed at a circumference of a cooling water input line corresponding to the partition wall; The diaphragm is divided into upper and lower parts, and the diaphragm is provided to communicate with the thermosensitive tube, and is provided on a lower surface of the diaphragm, and includes an opening and closing member for opening and closing the port by the operation of the diaphragm and a spring installed to elastically support the opening and closing member. Fuel cell hydrogen supply system, characterized in that.
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