KR20170125225A - 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템 - Google Patents

연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 연료전지스택에 공급되는 고온 건조한 압축공기를 연료전지스택에 공급되는 저온의 수소를 이용하여 압축공기를 냉각시킴으로써 압축공기의 온도와 수소의 온도를 조절한다. 이에 따라, 연료전지스택에서 요구하는 최적의 압축공기 온도와 수소 온도를 만족하여, 압축공기와 수소가 공급되도록 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템이 소개된다.

Description

연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템 {COOLING DEVICE FOR PRESSE AIR OF FUEL CELL VEHICLE}
본 발명은 연료전지스택에 공급되는 고온 건조한 압축공기를 냉각시키는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 고순도의 수소가 수소저장탱크로부터 연료전지의 애노드극으로 공급되고, 에어 블로워와 같은 공기공급장치를 이용하여 대기중의 공기가 직접 연료전지의 캐소드극으로 공급된다.
이에, 연료전지 스택으로 공급된 수소가 애노드극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드극으로 넘어가게 되며, 캐소드극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 캐소드극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시키게 된다. 이때, 발생한 전기를 사용하여 휠 측과 연결된 구동모터를 동작시킴으로써, 연료전지 차량의 주행이 이루어진다.
이러한 연료전지 차량의 연료전지 스택은 각각 애노드극 및 캐소드극으로 공급되는 수소 및 공기의 온도 및 압력에 따라 그 성능 및 내구성의 편차를 보이는데, 특히 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도가 너무 높거나 낮을 경우에는 연료전지 스택의 성능 및 내구성에 큰 영향을 미치게 된다.
이에 따라, 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도를 조절하기 위해, 냉각수를 순환시켜 공기 온도를 조절하도록 하는데, 냉각수를 이용하는 방식의 경우 다른 전장부품에 의해 냉각수의 온도가 결정되는 수동적인 제어 방식임에 따라 공기의 온도를 능동적으로 제어할 수 없는 단점이 있다.
또한, 연료전지 스택으로 공급되는 냉각수의 온도를 조절하기 위해, 별도의 온도조절수단이 마련되어야 하는바, 구성 부품이 증가되고 구조가 복잡해지는 문제가 발생된다.
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.
대한민국공개특허공보 10-2008-0105768 A (2008.12.04)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지스택에 공급되는 고온 건조한 압축공기를 냉각시 냉각수를 사용하지 않고, 연료전지스택에 공급되는 저온의 수소를 이용하여 압축공기를 냉각시킴으로써 압축공기의 온도뿐만 아니라, 수소의 온도도 제어하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템는 수소탱크에서 공급되는 수소를 연료전지스택으로 공급하는 수소공급계; 연료전지스택으로 공급되는 압축공기를 생성하는 공기공급계; 및 상기 수소공급계에서 수소를 전달받고, 상기 공기공급계에서 생성된 압축공기가 수소와 열교환되도록 함으로써 연료전지스택으로 공급되는 수소와 압축공기의 온도가 조절되는 열교환기;를 포함한다.
상기 공기공급계는 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 공기압축기와 공기압축기에서 생성된 압축공기를 가습하여 연료전지스택으로 공급하는 가습기로 구성되며, 상기 열교환기는 공기압축기와 가습기 사이에 마련되어 공기압축기에서 생성된 압축공기의 온도가 조절된 후 가습기에 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 이동되는 경로를 제공하는 제1공급라인과 제1공급라인에서 분기되어 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 이동되는 경로를 제공하는 제2공급라인으로 구성된 수소순환라인이 더 포함된 것을 특징으로 한다.
상기 제1공급라인과 제2공급라인의 분기점에 설치되어 수소공급계로부터 수소를 전달받아 연료전지스택에 바로 공급되도록 하거나, 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 유로전환기구가 마련된 것을 특징으로 한다.
상기 유로전환기구는 수소공급계에서 공급되는 수소를 연료전지스택에 바로 공급되도록 하거나, 또는 열교환기를 경유하도록 하거나, 또는 연료전지스택과 열교환기에 동시 공급되도록 선택적으로 조절하는 3 웨이 밸브인 것을 특징으로 한다.
상기 수소공급계에서 공급된 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하거나, 열교환기를 경유하도록 유로전환기구를 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기공급계에는 압축공기의 온도를 측정하는 공기온도센서가 구비되며, 상기 제어기는 상기 공기온도센서로부터 압축공기의 온도정보를 입력받고, 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도를 초과하는 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도 이하일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 수소공급계에는 수소의 온도를 측정하는 수소온도센서가 구비되며, 상기 제어기는 수소온도센서로부터 수소의 온도정보를 입력받고, 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 미만일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 이상일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 압축공기의 온도가 기준공기온도를 추종하도록 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택과 열교환기에 동시 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 따르면, 연료전지스택에 공급되는 고온 건조한 압축공기를 연료전지스택에 공급되는 저온의 수소를 이용하여 압축공기를 냉각시킴으로써 압축공기의 온도와 수소의 온도를 조절한다.
이에 따라, 연료전지스택에서 요구하는 최적의 압축공기 온도와 수소 온도를 만족하여, 압축공기와 수소가 공급되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 따른 구성도.
도 2 내지 4는 도 1에 도시된 연료전지차량의 압축 공기 냉각 장치를 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 따른 구성도이고, 도 2 내지 4는 도 1에 도시된 연료전지차량의 압축 공기 냉각 장치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 연료전지차량의 압축 공기 냉각 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 수소탱크(22)에서 공급되는 수소를 연료전지스택(10)으로 공급하는 수소공급계(20); 연료전지스택(10)으로 공급되는 압축공기를 생성하는 공기공급계(30); 및 상기 수소공급계(20)에서 수소를 전달받고, 상기 공기공급계(30)에서 생성된 압축공기가 수소와 열교환되도록 함으로써 연료전지스택(10)으로 공급되는 수소와 압축공기의 온도가 조절되는 열교환기(40);를 포함한다.
본 발명은 공기공급계(30)에서 생성된 고온의 압축공기를 연료전지스택(10)에 공급시 냉각하여 온도를 조절하되, 압축공기를 냉각시키기 위한 냉각 매체를 수소공급계(20)에서 연료전지스택(10)으로 공급되는 저온의 수소를 이용하는 것이다. 즉, 공기공급계(30)를 통해 압축된 고온 건조한 압축공기는 수소공급계(20)의 수소탱크(22)에서 공급되는 수소에 의해 냉각이 수행되는 것으로, 수소탱크(22)에서 공급되는 수소는 상대적으로 낮은 온도를 유지하는바, 고온의 압축공기를 냉각하기가 용이하다.
특히, 연료전지스택(10)의 시스템 특성상 연료전지스택(10)의 고출력 운전 조건에서 수소탱크(22) 내의 수소가 소모됨에 따라 수소의 온도가 낮아지고, 공기공급계(30)를 통해 압축되는 공기가 높은 압축비로 많은 공기를 압축시킴에 따라 압축공기의 온도가 상승된다. 이에 따라, 본 발명에서는 공기공급계(30)에서 생성된 압축공기가 이동되는 경로상에 열교환기(40)가 설치되고, 열교환기(40)는 수소공급계(20)로부터 저온의 수소를 전달받아 고온의 압축공기를 냉각시킴으로써, 고출력 운전 조건에서 온도가 높아진 압축공기와 온도가 낮아진 수소의 열교환을 통해 연료전지스택(10)으로 공급되는 압축공기와 수소의 온도를 적정 수준으로 조절한다.
이로 인해, 본 발명은 열교환기(40)를 통해 연료전지스택(10)으로 공급되는 저온의 수소를 이용하여 압축공기의 온도를 조절함에 따라 압축공기의 온도 조절을 효율적으로 수행할 수 있으며, 수소의 온도도 함께 조절됨에 따라 압축공기와 수소의 온도를 연료전지스택(10)에서 요구하는 최적의 조건으로 조절하여 제공할 수 있음으로써 연료전지스택(10)의 성능 및 내구성이 향상되도록 한다.
본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 공기공급계(30)는 공기를 압축하여 고온의 압축공기를 생성하는 공기압축기(32)와 공기압축기(32)에서 생성된 압축공기를 가습하여 연료전지스택(10)으로 공급하는 가습기(34)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 열교환기(40)는 공기압축기(32)와 가습기(34) 사이에 마련되어, 공기압축기(32)를 통해 압축된 고온의 압축공기를 냉각시키고, 열교환기(40)에 의해 냉각되어 온도가 조절된 압축공기가 가습기(34)에 공급됨으로써 가습기(34) 내의 중공사막의 열화 방지 및 연료전지스택(10)에 고분자 물질의 열화가 방지되도록 한다.
한편, 도 1에서 볼 수 있듯이, 상기 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)으로 이동되는 경로를 제공하는 제1공급라인(52)과 제1공급라인(52)에서 분기되어 열교환기(40)를 경유한 후 연료전지스택(10)으로 이동되는 경로를 제공하는 제2공급라인(54)으로 구성된 수소순환라인(50)이 구성된다.
이러한 수소순환라인(50)은 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 이동되는 경로로서, 수소탱크(22)에서 연료전지스택(10)으로 바로 이동되는 경로와, 열교환기(40)를 경유한 후 연료전지스택(10)으로 이동되는 경로를 제공한다. 즉, 수소순환라인(50)은 수소공급계(20)의 수소탱크(22)에서 연료전지스택(10)으로 바로 연결되어 수소탱크(22)에서 공급된 수소가 연료전지스택(10)으로 바로 전달되도록 하는 제1공급라인(52)과, 제1공급라인(52)에서 분기되어 수소탱크(22)에서 공급된 수소가 열교환기(40)를 경유함에 따라 압축공기와의 열교환 후 연료전지스택(10)으로 전달되도록 하는 제2공급라인(54)으로 구성됨으로써, 연료전지스택(10)의 운전 조건에 맞추어 수소 및 압축공기의 온도를 조절할 수 있다. 여기서, 수소가 제1공급라인(52)으로 이동되거나, 또는 제2공급라인(54)으로 이동되도록 선택적인 제어를 하기 위해, 제1공급라인(52)과 제2공급라인(54)이 분기되는 지점에는 하기 서술할 유로전환기구(60)가 구비되어, 연료전지스택(10)의 운전 조건에 맞추어 수소 및 압축공기의 온도를 조절할 수 있다.
상기의 유로전환기구(60)는 상기 제1공급라인(52)과 제2공급라인(54)의 분기점에 설치되어 수소공급계(20)로부터 수소를 전달받아 연료전지스택(10)에 바로 공급되도록 하거나, 열교환기(40)를 경유한 후 연료전지스택(10)으로 공급되도록 한다.
이러한 상기 유로전환기구(60)는 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)에 바로 공급되도록 하거나, 또는 열교환기(40)를 경유하도록 하거나, 또는 연료전지스택(10)과 열교환기(40)에 동시 공급되도록 선택적으로 조절하는 3 웨이 밸브일 수 있다. 이렇게, 유로전환기구(60)는 3 웨이 밸브로서, 수소탱크(22)를 통해 공급된 수소가 제1공급라인(52)을 통해 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 하거나, 제2공급라인(54)을 통해 열교환기(40)에서 압축공기와 열교환 후 온도 조절된 상태에서 연료전지스택(10)으로 공급되도록 조절함으로써 압축공기의 온도와 수소의 온도를 조절할 수 있다. 이와 더불어, 유로전환기구(60)는 연료전지스택(10)에서 요구하는 수소의 온도와 압축공기의 온도 조건에 따라, 수소탱크(22)에서 공급되는 수소의 일부는 제1공급라인(52)을 통해 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 하고, 나머지 일부는 제2공급라인(54)을 통해 열교환기(40)에서 압축공기와 열교환 후 연료전지스택(10)으로 공급되도록 하여, 압축공기와 수소의 온도를 적정 수준으로 조절할 수 있다.
한편, 상기 수소공급계(20)에서 공급된 수소가 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 하거나, 열교환기(40)를 경유하도록 유로전환기구(60)를 제어하는 제어기(70);를 더 포함한다. 즉, 제어기(70)는 압축공기와 수소의 온도에 따라 유로전환기구(60)를 제어하여 수소의 흐름을 제어한다.
하기에는, 압축공기와 수소의 온도에 따라 제어기(70)의 유로전환기구(60) 제어에 대해 설명하도록 하겠다.
공기공급계(30)에는 압축공기의 온도를 측정하는 공기온도센서(35)가 구비된다. 이러한 공기온도센서(35)는 공기공급계(30)의 공기압축기(32)와 가습기(34) 사이에 설치됨에 따라 공기압축기(32)를 통해 생성된 압축공기가 가습기(34)에 공급되기 전 압축공기의 온도를 측정하도록 한다. 즉, 가습기(34)는 고온의 압축공기가 공급될 경우 중공사막의 열화를 발생시켜 가습기(34)의 손상이 발생될 수 있는바, 가습기(34)에 공급되기 전의 압축공기 온도를 측정함이 바람직하다.
이러한 공기온도센서(35)로부터 압축공기의 온도정보를 입력받는 제어기(70)는 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도를 초과하는 경우 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 열교환기(40)를 경유한 후 연료전지스택(10)으로 공급되도록 한다. 즉, 제어기(70)는 공기온도센서(35)를 통해 입력받은 압축공기의 온도정보를 토대로 공기공급계(30)를 통해 생성된 압축공기의 온도 조절 여부를 판단하고, 압축공기의 온도 조절이 필요한 것으로 판단시 유로전환기구(60)를 제어하여, 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 제2공급라인(54)을 통해 열교환기(40)로 이동되어 압축공기와 열교환이 수행되도록 한다. 여기서, 제어기(70)에는 기준공기온도가 기저장되며, 기준공기온도는 압축공기가 가습기(34)와 연료전지스택(10)에서 요구하는 최적의 온도조건에 맞추어 실험을 통해 결정될 수 있다. 이러한 기준공기온도를 토대로 제어기(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 공기온도센서(35)에서 측정된 압축공기의 온도와 기준공기온도를 비교판단 후 압축공기의 온도가 기준공기온도를 초과하는 경우 압축공기의 온도가 너무 높은 것으로 판단하여 수소와 압축공기 간의 열교환을 통해 압축공기의 온도 조절이 수행되도록 함으로써 압축공기의 온도를 적정 수준으로 조절하는 것이다.
반대로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(70)는 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도 이하일 경우 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 한다. 즉, 압축공기의 온도가 기준공기온도 이하일 경우 압축공기의 온도가 적정 수준인 것으로, 제어기(70)는 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 제1공급라인(52)을 통해 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 한다.
이처럼, 압축공기의 온도를 체크하고, 압축공기의 온도에 따라 수소를 이용하여 압축공기의 온도를 조절함으로써, 가습기(34) 및 연료전지스택(10)에서 만족하는 조건으로 압축공기의 온도를 조절할 수 있다.
한편, 상기 수소공급계(20)에는 수소의 온도를 측정하는 수소온도센서(25)가 구비된다. 이러한 수소온도센서(25)는 수소탱크(22)와 연료전지스택(10) 사이의 경로에 설치되어, 수소탱크(22)에서 공급된 수소의 온도를 측정한다.
상기의 제어기(70)는 수소온도센서(25)로부터 수소의 온도정보를 입력받고, 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 미만일 경우 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 열교환기(40)를 경유한 후 연료전지스택(10)으로 공급되도록 한다. 즉, 제어기(70)는 수소온도센서(25)를 통해 입력받은 수소의 온도정보를 토대로 수소공급계(20)로부터 공급되는 수소의 온도 조절 여부를 판단하고, 수소의 온도 조절이 필요한 것으로 판단시 유로전환기구(60)를 제어하여, 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 제2공급라인(54)을 통해 열교환기(40)로 이동되어 압축공기와 열교환이 수행되도록 한다. 여기서, 제어기(70)에는 기준수소온도가 기저장되며, 기준수소온도는 수소가 연료전지스택(10)에서 요구하는 최적의 온도조건에 맞추어 실험을 통해 결정될 수 있다. 이러한 기준수소온도를 토대로 제어기(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수소온도센서(25)에서 측정된 수소의 온도와 기준수소온도를 비교판단 후 수소의 온도가 기준수소온도보다 낮을 경우 수소의 온도가 너무 낮은 것으로 판단하여 수소와 압축공기 간의 열교환을 통해 수소의 온도 조절이 수행되도록 함으로써 수소의 온도를 적정 수준으로 조절하는 것이다. 이로 인해, 수소의 온도가 낮음에 따라 연료전지스택(10) 내에 응축수 발생에 따른 내부의 채널을 막는 문제를 해소하여, 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 확보되도록 한다.
반대로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제어기(70)는 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 이상일 경우 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 한다. 즉, 수소의 온도가 기준수소온도 이상일 경우 수소의 온도가 적정 수준인 것으로, 제어기(70)는 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 제1공급라인(52)을 통해 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 한다.
이처럼, 수소의 온도를 체크하고, 수소의 온도에 따라 압축공기와의 열교환을 통해 수소의 온도를 조절함으로써, 연료전지스택(10)에서 만족하는 조건으로 수소의 온도를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어기(70)는 압축공기와 수소의 온도에 따라 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소의 이동 경로를 선택하는데, 압축공기의 온도를 최우선으로 제어하여 압축공기의 온도에 따라 수소와 압축공기 간의 열교환이 수행되도록 함이 바람직하다. 그 이유는 연료전지스택(10)의 시스템 특성상 연료전지스택(10)의 고출력 운전 조건에서 수소탱크(22) 내의 수소가 소모됨에 따라 수소의 온도가 낮아지고, 공기공급계(30)를 통해 압축되는 공기가 높은 압축비로 많은 공기를 압축시킴에 따라 압축공기의 온도가 상승된다. 단, 연료전지스택(10)의 고출력 운전 조건에서 공기공급계(30)에 의해 압축되는 압축공기의 온도는 수소탱크(22) 내의 수소가 감소됨에 따른 온도의 변화에 대비하여 큰 폭으로 상승되고, 압축공기의 온도가 적정 수준을 넘어설 경우 가습기(34) 및 연료전지스택(10)에 직접적인 고장을 야기하는바, 압축공기의 온도를 최우선으로 제어하도록 한다. 아울러, 압축공기의 온도는 연료전지스택(10)의 출력이 높아지면 함께 높아지는바, 압축공기의 온도를 우선으로 하여 수소의 이동 경로를 결정한다.
한편, 상기 제어기(70)는 압축공기의 온도가 기준공기온도를 추종하도록 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)과 열교환기(40)에 동시 공급되도록 할 수 있다. 즉, 연료전지스택(10)은 운행 상태에 따라 저출력, 중출력, 고출력 운전 조건이 수행될 수 있다. 이러한 연료전지스택(10)의 운전 조건은 차량의 주행속도와 연관될 수 있으며, 출력되는 전류값에 따라 구분될 수 있다. 일례로, 연료전지스택(10)에서 출력되는 전류가 100A 미만일 경우 저출력, 100A 이상 ~ 250A 미만일 경우 중출력, 250A 이상일 경우 고출력일 수 있다.
여기서, 연료전지스택(10)의 저출력의 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 공기공급계(30)에서 생성된 압축공기의 온도가 적정 수준을 유지하는바, 제어기(70)는 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 한다.
반면, 연료전지스택(10)의 고출력의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기공급계(30)에서 생성된 압축공기의 온도가 과도하게 높아지는바, 제어기(70)는 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소가 열교환기(40)로 이동되어 압축공기와 열교환되도록 함으로써 압축공기를 냉각하도록 한다.
한편, 연료전지스택(10)의 중출력의 경우 도 4에 도시된 바와 같이, 공기공급계(30)에서 생성된 압축공기의 온도가 적정 수준에서 약간 높아질 수 있다. 이때, 제어기(70)는 유로전환기구(60)를 제어하여 수소공급계(20)에서 공급되는 수소의 일부가 연료전지스택(10)으로 바로 공급되도록 하고 나머지 일부는 열교환기(40)에서 압축공기와 열교환 후 연료전지스택(10)으로 공급되도록 함으로써 압축공기와 수소의 온도를 적정 수준으로 조절할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템에 따르면, 연료전지스택(10)에 공급되는 고온 건조한 압축공기를 연료전지스택(10)에 공급되는 저온의 수소를 이용하여 압축공기를 냉각시킴으로써 압축공기의 온도와 수소의 온도를 조절한다.
이에 따라, 연료전지스택(10)에서 요구하는 최적의 압축공기 온도와 수소 온도를 만족하여, 압축공기와 수소가 공급되도록 한다.
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.
10:연료전지스택 20:수소공급계
22:수소탱크 30:공기공급계
32:공기압축기 34:가습기
35:공기온도센서 40:열교환기
50:수소순환라인 52:제1공급라인
54:제2공급라인 60:유로전환기구
70:제어기

Claims (11)

  1. 수소탱크에서 공급되는 수소를 연료전지스택으로 공급하는 수소공급계;
    연료전지스택으로 공급되는 압축공기를 생성하는 공기공급계; 및
    상기 수소공급계에서 수소를 전달받고, 상기 공기공급계에서 생성된 압축공기가 수소와 열교환되도록 함으로써 연료전지스택으로 공급되는 수소와 압축공기의 온도가 조절되는 열교환기;를 포함하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기공급계는 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 공기압축기와 공기압축기에서 생성된 압축공기를 가습하여 연료전지스택으로 공급하는 가습기로 구성되며,
    상기 열교환기는 공기압축기와 가습기 사이에 마련되어 공기압축기에서 생성된 압축공기의 온도가 조절된 후 가습기에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 이동되는 경로를 제공하는 제1공급라인과 제1공급라인에서 분기되어 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 이동되는 경로를 제공하는 제2공급라인으로 구성된 수소순환라인이 더 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1공급라인과 제2공급라인의 분기점에 설치되어 수소공급계로부터 수소를 전달받아 연료전지스택에 바로 공급되도록 하거나, 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 유로전환기구가 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 유로전환기구는 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택에 바로 공급되도록 하거나, 또는 열교환기를 경유하도록 하거나, 또는 연료전지스택과 열교환기에 동시 공급되도록 선택적으로 조절하는 3 웨이 밸브인 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 수소공급계에서 공급된 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하거나, 열교환기를 경유하도록 유로전환기구를 제어하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 공기공급계에는 압축공기의 온도를 측정하는 공기온도센서가 구비되며,
    상기 제어기는 상기 공기온도센서로부터 압축공기의 온도정보를 입력받고, 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도를 초과하는 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는 압축공기의 온도가 기설정된 기준공기온도 이하일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 수소공급계에는 수소의 온도를 측정하는 수소온도센서가 구비되며,
    상기 제어기는 수소온도센서로부터 수소의 온도정보를 입력받고, 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 미만일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 열교환기를 경유한 후 연료전지스택으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어기는 수소의 온도가 기설정된 기준수소온도 이상일 경우 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택으로 바로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어기는 압축공기의 온도가 기준공기온도를 추종하도록 유로전환기구를 제어하여 수소공급계에서 공급되는 수소가 연료전지스택과 열교환기에 동시 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지차량의 압축공기 냉각 시스템.
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