KR20140073735A - 연료전지차량의 급기장치 - Google Patents

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Abstract

도입된 공기를 압축하는 압축기; 연료전지의 응축수를 배출하는 드레인밸브; 압축된 공기의 일부와 응축수를 도입하고 응축수의 증발을 통해 가습된 공기를 연료전지에 제공하는 증발기; 압축된 공기의 일부를 도입하여 증발기에 열을 전달하고 냉각된 공기를 토출하는 열교환기; 및 냉각된 공기를 도입하여 가습 후 연료전지에 제공하는 가습기;를 포함하는 연료전지차량의 급기장치가 소개된다.

Description

연료전지차량의 급기장치 {APPARATUS FOR SUPPLYING AIR OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지차량의 효과적인 과급기의 냉각을 위한 연료전지차량의 급기장치에 관한 것이다.
연료전지차량의 경우 급격한 출력의 요청시 압축기를 통하여 공기를 과급하는 시스템으로 구성된다. 그리고 이러한 공기 압축기를 사용하고 가습기 후단에 공기 압력제어용 밸브를 갖고 있다.
여기서, 공기측 압력을 높이게 되면 스택에 공급되는 공기중 수증기의 분압이 높아지고 상대습도가 높아지는 이점이 있다.
하지만 고출력 운전 조건에서 공기 압축기의 높은 압축비로 인해 압축기 출구의 공기 온도가 상승하게 된다.
이러한 고온 공기는 가습기 내의 성능저하의 원인이 되므로 가습기의 성능향상을 위하여 공급공기의 온도를 낮추어야 하므로, 인터쿨러를 사용하게 된다.
하지만 인터쿨러 적용시, 차지하는 부피가 크고 냉각을 위해 냉각수 유로가 부가적으로 필요하며, 일반적으로 스택의 냉각수를 활용하므로 라디에어터의 냉각부하를 증가시킨다. 또한 물펌프의 부하 증가, 패키지 적용성 불리 및 냉각수 바이 패스 라인 복잡성 증가 등의 단점이 있다.
이에 관한 종래기술인 KR 10-2012-0111169 A "연료전지용 공기공급장치 및 이를 포함하는 연료전지시스템"은 "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"를 제시한다.
그러나 상기와 같은 기술에 의하더라도 효과적인 냉각을 수행하기 어려우며, 더욱이 냉각을 위한 별도의 인터쿨러 같은 장비가 필요하므로 시스템의 구성이 복잡하고 무거운 단점이 있다.
따라서, 비교적 간단한 시스템만으로 과급기를 효과적으로 냉각하고 가습 역시 동시에 구현할 수 있는 연료전지차량의 급기장치가 필요하였던 것이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0111169 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 비교적 간단한 시스템만으로 과급기를 효과적으로 냉각하고 가습 역시 동시에 구현할 수 있는 연료전지차량의 급기장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 급기장치는, 도입된 공기를 압축하는 압축기; 연료전지의 응축수를 배출하는 드레인밸브; 압축된 공기의 일부와 응축수를 도입하고 응축수의 증발을 통해 가습된 공기를 연료전지에 제공하는 증발기; 압축된 공기의 일부를 도입하여 증발기에 열을 전달하고 냉각된 공기를 토출하는 열교환기; 및 냉각된 공기를 도입하여 가습 후 연료전지에 제공하는 가습기;를 포함한다.
상기 압축기는 열교환기와 주라인으로 연결되고, 주라인에서 보조라인이 분기되어 증발기와 연결될 수 있다.
상기 열교환기는 압축된 공기를 도입하는 도입부, 냉각된 공기를 토출하는 토출부 및 공기가 순환되는 순환부로 구성되고, 상기 증발기는 순환부 상에 마련되어 열을 전달받아 응축수를 증발시킬 수 있다.
상기 드레인밸브는 연료전지의 연료극에 연결되어 응축수를 저장하는 리저버에 마련될 수 있다.
상기 가습기는 드레인밸브로부터 응축수의 일부를 도입할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 급기장치에 따르면, 열 교환기를 통해 공기 공급 온도를 낮춤으로써 가습기 효율 및 성능 향상이 이루어진다.
또한, 보조라인을 통해 열 교환기 내부를 통과한 가습된 공기(일부 공기+수증기)가 스택 공기극에 직결되어 공급됨으로써 스택에 충분한 수분 공급이 가능해진다.
그리고, 특히 최대 부하 조건에서의 공기 냉각을 통한 시스템 최대 출력 향상 및 응축수 밸런스 개선이 이루어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 급기장치의 구성도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지차량의 급기장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 급기장치의 구성도로서, 본 발명의 연료전지차량의 급기장치는, 도입된 공기를 압축하는 압축기(100); 연료전지(300)의 응축수를 배출하는 드레인밸브(200); 압축된 공기의 일부와 응축수를 도입하고 응축수의 증발을 통해 가습된 공기를 연료전지(300)에 제공하는 증발기(400); 압축된 공기의 일부를 도입하여 이로부터 증발기(400)에 열을 전달하고 냉각된 공기를 토출하는 열교환기(500); 및 냉각된 공기를 도입하여 가습 후 연료전지(300)에 제공하는 가습기(600);를 포함한다.
본 발명의 연료전지차량의 급기장치는 기본적으로 공기의 과급이 필요할 경우 선택적으로 작동되는 압축기(100)를 포함한다. 압축기(100)는 공기를 필터(10), 소음기(20)를 통해 도입받아 필요시 압축하여 토출한다.
이러한 압축기(100)를 거친 공기는 고온/고압의 공기로서 가습기에 바로 전달될 경우 가습기의 효율이 떨어지고 내구성에 문제가 될 수 있다. 따라서, 종래에는 이를 냉각하기 위해 인터쿨러를 압축기의 후단에 설치하고, 인터쿨러의 작동을 위한 냉각라인을 별도로 마련해야 하는 번거로움과 낭비가 있었던 것이다.
본 발명의 경우 압축기(100)에서 토출된 고온고압의 공기를 일부는 가습기(600)로 보내고 일부는 바이패스되도록 한다.
그리고 가습기(600)측으로 보내진 공기는 가습기(600)에 공급하기 전에 압축된 공기의 일부를 도입하여 이로부터 증발기(400)에 열을 전달하고 냉각된 공기를 토출하는 열교환기(500)를 거치도록 한다.
열교환기(500)는 고온고압으로 압축된 공기를 받아 순환시키며 열을 전달하도록 한다.
그리고 그 열교환기(500)측에는 압축된 공기의 일부와 응축수를 도입하고 응축수의 증발을 통해 가습된 공기를 연료전지(300)에 제공하는 증발기(400)가 마련된다.
그리고 연료전지에는 반응에 의해 발생된 응축수의 배출을 위한 드레인밸브(200)가 마련된다.
따라서, 드레인밸브(200)에서 토출된 응축수와 압축기(100)로부터 바이패스되어 공급된 일부의 고온고압의 공기는 함께 증발기(400)로 전달되고 증발기(400)에서는 열교환기(500)의 열을 전달받아 응축수를 증발시켜 습한 공기를 만들어내는바, 가습기를 거치지 않고도 바로 연료전지로 공급할 수 있게 되는 것이다.
그리고, 가습기(600)에는 열교환기를 통하여 열을 빼앗겨 냉각된 공기를 도입함으로써 더 이상 인터쿨러의 도움이 없이도 충분히 냉각된 공기를 도입받아 가습함으로써 가습의 효율이 상승되고 내구에도 문제가 발생하지 않는 것이다. 또한 가습기에는 압력조절밸브(620)가 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기(100)는 열교환기(500)와 주라인(A)으로 연결되고, 주라인(A)에서 보조라인(B)이 분기되어 증발기(400)와 연결될 수 있다. 즉, 고온고압으로 압축된 공기는 일부가 주라인(A)으로 유통되고 나머지가 보조라인(B)으로 유통된다. 그리고 주라인(A)의 공기는 열을 빼앗겨 식혀진 후 가습기(600)로 도입되어 가습 후 연료전지(300)에 공급되는 것이다.
그리고 보조라인(B)의 공기는 응축수와 함께 섞인 후 응축수의 증발에 따라 습한 공기로 변환되어 가습기(600)를 거치지 않고 모두 연료전지(300)로 바로 공급되는 것이다.
따라서, 연료전지(300)에서는 항상 가습된 공기를 도입하는 것이고, 압축기(100)의 공기가 나누어지고 열교환이 이루어지며 가습되는 동안 발생되는 유량의 손실은 증발기(400)로부터 가습된 공기를 직접 도입하기 때문에 그 손실이 보전되는 것이다.
따라서, 본 발명의 경우 종래의 인터쿨러가 탑재된 시스템에 비하여 시스템이 가볍고 가습효율이 상승되며 빠른 급기가 가능하게 되어 전반적인 시스템 출력효율이 상승되는 것이다.
한편, 상기 열교환기(500)는 압축된 공기를 도입하는 도입부(520), 냉각된 공기를 토출하는 토출부(540) 및 공기가 순환되는 순환부(560)로 구성되고, 상기 증발기(400)는 순환부(560) 상에 마련되어 열을 전달받아 응축수를 증발시킬 수 있도록 한다. 즉, 열교환기(500)는 주라인(A)으로부터 고온의 공기를 받아 순환부(560)로 순환시킨 후 토출부(540)를 통해 가습기로 냉각된 공기를 토출한다.
그리고 증발기(400)는 순환부(560)에 마련됨으로써 응축수+공기에 열을 전달받고 그 열로 응축수가 증발되어 공기가 가습되며, 가습된 공기를 직접 연료전지의 공기극(330)으로 제공토록 하는 것이다.
즉, 본 발명의 증발기(400)는 응축수+공기를 증발시켜 가습된 공기를 생성하는 것으로서, 이러한 역할을 하는 경우 모두 증발기(400)라고 볼 수 있을 것이다. 따라서, 증발기(400)는 열교환기(500)를 통해 열교환을 할 수 있도록 열교환기(500)와 연결되게 배치되며, 바람직하게는 증발기(400)의 역할을 열교환기(500)의 내부 즉 순환부(560)로 통합함으로써 열교환기(500)와 증발기(400)가 일체로 구성하는 것도 가능한 것이다.
또한, 상기 드레인밸브(200)는 연료전지(300)의 연료극(320)에 연결되어 응축수를 저장하는 리저버(322)에 마련될 수 있고, 상기 가습기(600)는 드레인밸브(200)로부터 응축수의 일부를 도입하도록 하는 것도 가능하다. 또는, 가습기(600)는 연료극 출구에 마련될 수 있는 수소 퍼지밸브로부터 응축수를 도입받거나, 연료전지의 공기극으로부터 응축수를 도입하는 것도 가능할 것이다. 즉, 본 발명의 경우 다양한 레이아웃의 연료전지시스템에 모두 적용이 가능한 것이다. 그리고 보조라인(A)과 주라인(B)의 유량을 조절할 수 있는 조절밸브가 더 포함될 수도 있을 것이다.
본 발명의 작용을 다시 한번 정리하자면, 연료전지 가변압 시스템에서 공기의 압력은 고출력 운전에서 매우 높아지고 이에 따라 높아진 공기온도는 가습기의 성능 향상을 위해 냉각이 필요하다. 이를 보다 더 효과적으로 하기 위해 열교환기를 적용하여 고온의 공기 온도를 냉각하는 것이다.
특히, 이 효과는 출력이 증가할수록 더 커지게 되며 본 발명을 시스템 디자인할 때에는 출력이 매우 큰 쪽에 맞추어 열 교환과 가습조건이 적절하도록 하는 것이 바람직할 것이다.
고출력 구간에서는 공기 압축기에서 발생되는 열을 증발기를 통하여 흡수하여 연료극의 응축수가 충분히 증발할 수 있도록 한다.
공기 압축기를 통과한 고온의 공기 중 일부는 보조라인을 통해 증발기 내부로 공급되면서 연료전지 시스템 내에서 발생한 응축수와 만난다. 이 [일부 공기+응축수]는 증발기 외부를 통과하는 고온의 압축공기로부터 열을 받아 증발하게 되고(증발 냉각 효과 이용), 증발기 내부를 통과한 가습된 공기는 스택 공기극으로 공급된다.
증발기 내부에서의 응축수 증발에 필요한 열은 증발기 외부를 흐르는 고온의 압축 공기(열교환기)로부터 공급받게 되고 이를 통해 고온의 압축 공기는 열교환기에서 냉각되는 효과를 얻을 수 있다.
공기 압축기를 통과한 고온의 압축공기를 이용하여 연료전지 시스템 내의 응축수가 증발기 내부에서 증발하도록 하고, 물의 증발 잠열에 의해 공급 공기 냉각과 스택에 공급되는 공기 가습을 동시에 실현할 수 있도록 한 시스템이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 급기장치에 따르면, 열 교환기를 통해 공기 공급 온도를 낮춤으로써 가습기 효율 및 성능 향상이 이루어진다.
또한, 보조라인을 통해 열 교환기 내부를 통과한 가습된 공기(일부 공기+수증기)가 스택 공기극에 직결되어 공급됨으로써 스택에 충분한 수분 공급이 가능해진다.
그리고, 특히 최대 부하 조건에서의 공기 냉각을 통한 시스템 최대 출력 향상 및 응축수 밸런스 개선이 이루어진다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 압축기 200 : 드레인밸브
300 : 연료전지 400 : 증발기
500 : 열교환기 600 : 가습기

Claims (5)

  1. 도입된 공기를 압축하는 압축기;
    연료전지의 응축수를 배출하는 드레인밸브;
    압축된 공기의 일부와 응축수를 도입하고 응축수의 증발을 통해 가습된 공기를 연료전지에 제공하는 증발기;
    압축된 공기의 일부를 도입하여 이로부터 증발기에 열을 전달하고 냉각된 공기를 토출하는 열교환기; 및
    냉각된 공기를 도입하여 가습 후 연료전지에 제공하는 가습기;를 포함하는 연료전지차량의 급기장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축기는 열교환기와 주라인으로 연결되고, 주라인에서 보조라인이 분기되어 증발기와 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급기장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환기는 압축된 공기를 도입하는 도입부, 냉각된 공기를 토출하는 토출부 및 공기가 순환되는 순환부로 구성되고, 상기 증발기는 순환부 상에 마련되어 열을 전달받아 응축수를 증발시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급기장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 드레인밸브는 연료전지의 연료극에 연결되어 응축수를 저장하는 리저버에 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급기장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가습기는 드레인밸브로부터 응축수의 일부를 도입하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 급기장치.
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