KR20180067255A - 연료전지 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 냉각수에 포함된 열을 방출 가능한 라디에이터와, 상기 라디에이터와 열 교환 가능하게 설치되며, 상기 라디에이터로부터 방출된 열을 이용해 증발수를 증발시켜 외기를 가습 가능한 증발기를 구비하는 열교환 유닛; 및 상기 증발기를 통과한 외기를 압축하여 연료전지 스택에 공급 가능한 공기 압축기를 포함한다.

Description

연료전지 시스템{FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은 연료전지 시스템에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 연료전지 스택(이하, '스택'이라고 함) 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
연료전지의 예로, 차량 구동을 위한 전력공급원으로 가장 많이 연구되고 있는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는, 수소 이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(bipolar plate)을 포함하여 구성된다.
상기한 연료전지에서 연료인 수소와 산화제인 산소(공기)가 분리판의 유로를 통해 막전극접합체의 애노드(anode)와 캐소드(cathode)로 각각 공급되는데, 수소는 애노드('연료극' 혹은 '수소극', '산화극'이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드('공기극' 혹은 '산소극', '환원극'이라고도 함)로 공급된다.
애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(proton, H+)과 전자(electron, e-)로 분해되며, 이 중 수소 이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달되고, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통해 캐소드로 전달된다.
상기 캐소드에서는 전해질막을 통해 공급된 수소 이온과 분리판을 통해 전달된 전자가 공기공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때 일어나는 수소 이온의 이동에 기인하여 외부 도선을 통한 전자의 흐름이 발생하며, 이러한 전자의 흐름으로 전류가 생성된다.
한편, 차량에 탑재되는 연료전지 시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 스택, 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급장치, 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기 중 산소를 공급하는 공기공급장치, 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 스택의 운전온도를 제어하는 열 관리 시스템(TMS:Thermal Management System)으로 구성된다.
주지된 바와 같이 열 관리 시스템은, 스택을 냉각 가능한 냉각수가 순환하는 TMS 라인과, TMS 라인 상에 설치되어 냉각수의 열을 외부로 방출하는 라디에이터 등을 구비할 수 있다. 그런데, 연료전지 시스템의 반응열은 내연기관 시스템의 발열량에 비해 상대적으로 크므로, 연료전지 시스템의 라디에이터는 내연기관 시스템의 라디에이터에 비해 상대적으로 큰 방열 성능이 요구된다. 그러나, 종래의 연료전지 시스템은, 설치 공간 기타 설치 환경 상으로 제약으로 인해 라디에이터의 방열 성능이 충분하지 못했다. 이로 인해, 종래의 연료전지 시스템은, 냉각수가 미리 정해진 온도 제한치에 도달하는 시간이 짧아 스택의 출력이 낮아지는 문제점이 있다.
한편, 막전극조립체의 전해질막은 물에 충분히 젖어 있을수록 이온전도도가 커져 저항에 의한 손실이 작아진다. 그런데, 상대습도가 낮은 반응기체의 공급이 계속되면 종국에는 전해질막이 말라서 더 이상 쓸 수 없게 된다. 따라서, 연료전지 시스템 있어서 공급 기체의 가습은 필수적이므로, 종래의 연료전지 시스템은 스택에서 배출된 습윤 공기와 스택에 공급할 외기를 중공 사막을 이용해 수분 교환 가능한 중공사막 가습기를 구비하였다. 이러한 종래의 연료전지 시스템은, 중공 사막 가습기만으로는 외기의 가습량이 충분하지 못하다는 문제점과, 중공사막 가습기의 설치에 많은 비용이 소요된다는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 라디에이터의 방열 성능을 높일 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 가습기의 설치 비용을 절감할 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은, 외기의 가습량을 증가시킬 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 냉각수에 포함된 열을 방출 가능한 라디에이터와, 상기 라디에이터와 열 교환 가능하게 설치되며, 상기 라디에이터로부터 방출된 열을 이용해 증발수를 증발시켜 외기를 가습 가능한 증발기를 구비하는 열교환 유닛; 및 상기 증발기를 통과한 외기를 압축하여 연료전지 스택에 공급 가능한 공기 압축기를 포함한다.
바람직하게, 상기 공기 압축기의 외기 유입구와 연결되며, 외부로부터 흡입된 외기가 유입되는 외기 흡입 라인; 및 상기 공기 압축기의 외기 배출구와 상기 연료전지 스택의 외기 유입구를 연결하는 외기 공급 라인을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 외기 흡인 라인은, 상기 외기가 외부로부터 흡입되는 제1 흡인 라인과, 상기 제1 흡입 라인에 흡입된 외기를 상기 증발기를 통과하도록 바이패스시키는 제2 흡인 라인과, 상기 제1 흡입 라인과 상기 제2 흡입 라인을 통과한 외기를 상기 공기 압축기의 외기 유입구에 전달하는 제3 흡입 라인을 구비한다.
바람직하게, 상기 제1 흡입 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 제2 흡입 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제3 흡입 라인과 연결되는 제3 포트를 구비하며, 상기 외기가 미리 정해진 비율만큼 상기 제2 흡입 라인을 통과하도록 상기 포트들을 각각 개폐 가능한 외기 조절 밸브를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 증발수는 연료전지 스택에서 발생한 응축수이다.
바람직하게, 상기 연료전지 스택의 습윤 공기 배출구와 상기 증발기의 증발수 유입구를 연결하는 응축수 라인; 상기 응축수 라인에 설치되며, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기에 포함된 수분이 응축되어 생성된 응축수가 저장되는 응축수 탱크; 및 상기 응축수 탱크와 상기 증발수 유입구 사이에 위치하도록 상기 응축수 라인에 설치되며, 상기 응축수 라인을 개폐하는 응축수 공급 밸브를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 열교환 유닛은, 냉각 공기를 상기 라디에이터 및 상기 증발기와 열 교환되도록 유동시키는 냉각팬을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 라디에이터는, 상기 증발기에 비해 상기 냉각 공기의 유동 경로의 하류 측에 위치하도록 설치되는 제1 라디에이터를 구비한다.
바람직하게, 상기 라디에이터는, 상기 증발기에 비해 상기 냉각 공기의 유동 경로의 상류 측에 위치하도록 설치되는 제2 라디에이터를 더 구비한다.
바람직하게, 상기 스택의 냉각수 배출구에서 배출된 냉각수를 상기 제1 라디에이터와 상기 제2 라디에이터에 각각 전달하는 냉각수 방열 라인; 및 상기 냉각수 방열 라인을 통과한 냉각수를 회수하여 상기 스택의 냉각수 유입구에 유입시키는 냉각수 회수 라인을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 냉각수 방열 라인은, 상기 냉각수 배출구와 연결되는 제1 방열 라인과, 상기 제1 방열 라인과 상기 냉각수 회수 라인을 연결하며, 상기 제1 라디에이터가 설치되는 제2 방열 라인과, 상기 제2 방열 라인과 상기 냉각수 회수 라인을 연결하며, 상기 제2 라디에이터가 설치된다.
바람직하게, 상기 증발기는, 상기 증발기의 내부 공간을 통과 중인 외기에 상기 증발수를 분사 가능한 분사 노즐을 구비한다.
바람직하게, 상기 증발기는, 상기 공기 압축기를 통과한 외기와 상기 증발수를 서로 혼합하여 분사 가능한 이류체 노즐을 구비한다.
바람직하게, 상기 공기 압축기의 외기 배출구와 상기 이류체 노즐의 공기 유입구를 연결하는 외기 바이패스 라인을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 공기 압축기와 상기 스택 사이에 설치되며, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기를 이용해 상기 공기 압축기에서 배출된 외기를 재가습 가능한 가습기를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 증발기는, 상기 습윤 공기와 상기 증발수를 서로 혼합하여 분사 가능한 이류체 노즐을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 가습기의 습윤 공기 배출구와 상기 이류체 노즐의 공기 유입구를 연결하는 습윤 공기 바이패스 라인을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 열교환 유닛은, 상기 라디에이터와 상기 증발기 사이에 개재되는 열전도층을 더 구비한다.
바람직하게, 상기 열전도층은 브레이징 필러로 구성된다.
본 발명에 따른 연료전지 시스템은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 본 발명은, 라디에이터에서 방출된 열을 이용해 증발기를 통과하는 증발수를 증발 가능하므로, 라디에이터를 통과하는 냉각수를 증발 냉각하여 라디에이터의 방열 성능을 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명은, 증발수가 증발되어 생성된 수증기를 이용해 스택에 공급할 외기를 가습 가능하므로, 가습기의 설치를 생략하여 가습기의 설치 비용을 절감하거나 2차적인 가습을 통해 외기의 가습량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 열교환 유닛을 통과하는 냉각 공기의 온도 변화 양상을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
도 6은 도 5에 도시된 이류체 노즐의 일 형태를 나타내는 단면도.
도 7은 도 5에 도시된 이류체 노즐의 다른 형태를 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템(이하, '연료전지 시스템(1)'이라고 함)은, 수소와 산소의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 연료전지 스택(이하, '스택(10)'이라고 함)과, 냉각수(C)와 증발수를 열교환하여 냉각수(C)를 냉각함과 동시에 외기(A1)를 가습 가능한 열교환 유닛(20)과, 열교환 유닛(20)에서 가습된 외기(A1)를 압축하여 스택(10)에 공급 가능한 공기 압축기(30) 등을 포함할 수 있다.
먼저, 연료전지 스택(10)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 외기(A1)가 유입되는 외기 유입구(11)와, 습윤 공기(A2)가 배출되는 습윤 공기 배출구(12)와, 냉각수(C)가 유입되는 냉각수 유입구(13)와, 냉각수(C)가 배출되는 냉각수 배출구(14) 등을 구비할 수 있다.
외기 유입구(11)는 외기 공급 라인(40)을 통해 공기 압축기(30)의 외기 배출구(34)와 연결된다. 이러한 외기 유입구(11)에는 공기 압축기(30)에서 압축된 외기(A1)가 외기 공급 라인(40)을 통해 유입될 수 있다.
습윤 공기 배출구(12)는 습윤 공기 배출 라인(50)과 연결된다. 이러한 습윤 공기 배출구(12)에서는 스택(10)에서 발생한 생성수를 포함하는 습윤 공기(A2)가 배출되고, 이처럼 배출된 습윤 공기(A2)는 습윤 공기 배출 라인(50)에 의해 외부로 배출된다. 한편, 습윤 공기 배출 라인(50)은, 습윤 공기 배출 라인(50)을 개폐하여 습윤 공기(A2)의 배출 압력을 조절 가능한 압력 조절 밸브(52)를 구비할 수 있다.
냉각수 유입구(13)는 냉각수 회수 라인(60)과 연결된다. 냉각수 회수 라인(60)은, 후술할 냉각수 방열 라인(70)과 연결되며, 라디에이터(80, 90)에 의해 냉각된 냉각수(C)를 회수할 수 있다. 따라서, 냉각수 유입(13)에는 라디에이터(80, 90)에 의해 냉각된 냉각수(C)가 냉각수 회수 라인(60)을 통해 유입될 수 있다.
냉각수 배출구(14)는 냉각수 방열 라인(70)과 연결되며, 냉각수 배출구(14)에서 배출된 냉각수(C)는 냉각수 방열 라인(70)으로 유입된다. 냉각수 방열 라인(70)은 냉각수 배출구(14)에서 배출된 냉각수(C)를 후술할 제1 라디에이터(80)와 제2 라디에이터(90)에 각각 전달 가능하게 마련된다. 예를 들어, 냉각수 방열 라인(70)은, 냉각수 배출구(14)와 연결되는 제1 방열 라인(72)과, 제1 방열 라인(72)과 냉각수 회수 라인(60)을 연결하며, 제1 라디에이터(80)가 설치되는 제2 방열 라인(74)과, 제1 방열 라인(72)과 냉각수 회수 라인(60)을 연결하며, 제2 라디에이터(90)가 설치되는 제3 방열 라인(76)을 구비할 수 있다. 그러면, 냉각수(C)는 분배되어 제1 라디에이터(80)와 제2 라디에이터(90)를 각각 통과할 수 있다. 한편, 제1 방열 라인(72)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수 배출구(14)에서 배출된 냉각수(C)를 제2 방열 라인(74)과 제3 방열 라인(76)을 향해 펌핑 가능한 냉각수 펌프(78)를 구비할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 열교환 유닛을 통과하는 냉각 공기의 온도 변화 양상을 나타내는 도면이다.
다음으로, 열교환 유닛(20)은, 스택(10)에서 배출된 냉각수(C)에 포함된 열을 방출 가능한 라디에이터(80, 90)와, 라디에이터(80, 90)로부터 방출된 열을 이용해 증발수를 증발시켜 외기(A1)를 가습 가능한 증발기(100)와, 냉각 공기(A3)를 유동시켜 라디에이터(80, 90)의 방열 작용 및 라디에이터(80, 90)와 증발기(100) 사이의 열 교환 작용을 촉진 가능한 냉각 팬(110) 등을 구비할 수 있다.
라디에이터(80, 90)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 증발기(100)에 비해 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 하류 측에 위치하도록 설치되는 제1 라디에이터(80)와, 증발기(100)에 비해 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 상류 측에 위치하도록 설치되는 제2 라디에이터(90) 등을 구비할 수 있다.
제1 라디에이터(80)는, 냉각수(C)가 제1 라디에이터(80)의 내부 공간(82)을 통과하도록 제2 방열 라인(74) 상에 설치되되, 증발기(100)와 제2 라디에이터(90)에 비해 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 하류 측에 위치하도록 설치된다. 이러한 제1 라디에이터(80)는 냉각수(C)의 열을 외부로 방출하여 냉각수(C)를 냉각시킬 수 있다. 냉각 공기(A3)는 이러한 제1 라디에이터(80)의 외측면을 통과하면서 제1 라디에이터(80)와 열 교환되어 제1 라디에이터(80)의 방열을 촉진한다. 이러한 냉각 공기(A3)의 온도는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 라디에이터(80)를 통과하는 과정에서 점진적으로 높아진다.
제2 라디에이터(90)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수(C)가 제2 라디에이터(90)의 내부 공간(92)을 통과하도록 제3 방열 라인(76) 상에 설치되되, 제1 라디에이터(80)와 증발기(100)에 비해 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 상류 측에 위치하도록 설치된다. 이러한 제2 라디에이터(90)는 냉각수(C)의 열을 외부로 방출하여 냉각수(C)를 냉각시킬 수 있다. 냉각 공기(A3)는 이러한 제2 라디에이터(90)의 외측면을 통과하면서 제2 라디에이터(90)의 방열을 촉진한다. 이러한 냉각 공기(A3)의 온도는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 라디에이터(90)를 통과하는 과정에서 점진적으로 높아진다.
증발기(100)는 증발수와 외기(A1)가 내부 공간(101)을 통과하도록 외기 흡입 라인(120)과 응축수 라인(130) 상에 설치된다. 또한, 증발기(100)는 제2 라디에이터(90)에 비해서는 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 하류 측에 위치하되 제1 라디에이터(80)에 비해서는 냉각 공기(A3)의 유동 경로의 상류 측에 위치하도록 제1 라디에이터(80)와 제2 라디에이터(90) 사이에 설치된다.
증발기(100)와 제1 라디에이터(80) 사이, 및 증발기(100)와 제2 라디에이터(90) 사이에는 각각 브레이징 필러 기타 높은 열전도도를 갖는 소재로 형성된 열전도층(107)이 개재될 수 있다. 열전도층(107)은 라디에이터(80, 90)로부터 방출된 열이 증발기(100)에 효율적으로 전달되도록 증발기(100)와 라디에이터(80, 90) 사이의 열 교환을 촉진할 수 있다. 한편, 증발기(100)는, 열의 복사, 대류에 의해서 라디에이터(80, 90)와 간접적으로 열 교환되도록 라디에이터(80, 90)와 소정 간격만큼 이격된 상태로 설치될 수도 있다.
이러한 증발기(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외기 흡인 라인(120)의 제2 흡입 라인(122)과 연결되는 외기 유입구(102)와, 응축수 라인(130)과 연결되는 증발수 유입구(103)와, 외기 조절 밸브(124)의 제2 포트(124b)와 연결되는 연결되는 외기 배출구(104)를 구비할 수 있다. 외기 유입구(102)와, 증발수 유입구(103)와, 외기 배출구(104)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 외기(A1)와 증발수가 증발기(100)를 통과하는 방향과 냉각수(C)가 라디에이터(80, 90)를 통과하는 방향이 서로 반대되도록 마련되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 외기 흡입 라인(120)과 응축수 라인(130)에 대하여 설명한 후 증발기(100)에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
외기 흡입 라인(120)의 일단은 공기 압축기(30)의 외기 유입구(32)와 연결되고, 외기 흡입 라인(120)의 타단은 외부와 연통되도록 개방된다. 이러한 외기 흡입 라인(120)에는 공기 압축기(30)가 제공하는 배압에 의해 외부로부터 흡입된 외기(A1)가 유입된다.
이러한 외기 흡입 라인(120)은 외기(A1)가 증발기(100)를 선택적으로 경유하도록 마련된다. 예를 들어, 외기 흡입 라인(120)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배압에 의해 흡입된 외기(A1)가 유입되는 제1 흡입 라인(121)과, 제1 흡입 라인(121)으로 유입된 외기(A1)를 증발기(100)를 통과하도록 바이패스하는 제2 흡입 라인(122)과, 제1 흡입 라인(121)과 제2 흡입 라인(122)을 통과한 외기(A1)를 공기 압축기(30)의 외기 유입구(32)에 전달하는 제3 흡입 라인(123)을 구비할 수 있다. 즉, 외기 흡입 라인(120)은, 외기(A1)가 제1 흡입 라인(121)이나 제2 흡입 라인(122)을 선택적으로 통과한 후 제3 흡입 라인(123)에서 합류되도록 마련되는 것이다. 한편, 제1 흡입 라인(121)은, 외기(A1)의 유량을 측정하는 유량 센서(125)와, 외기(A1)를 여과 가능한 여과 필터(126) 등을 구비할 수 있다.
제1 흡입 라인(121) 및 제2 흡입 라인(122)을 제3 흡입 라인(123)과 연결하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 외기 흡입 라인(120)은, 제1 흡입 라인(121)과 연결되는 제1 포트(124a)와, 제2 흡입 라인(122)과 연결되는 제2 포트(124b)와, 제3 흡입 라인(123)과 연결되는 제3 포트(124c)를 구비하는 외기 조절 밸브(124)를 더 구비할 수 있다.
외기 조절 밸브(124)는, 제1 흡입 라인(121)으로 유입된 외기(A1)가 미리 정해진 바이패스 비율로 제2 흡입 라인(122)을 통과하도록 포트들을 각각 개폐할 수 있다. 외기(A1)의 바이패스 비율은, 특별히 한정되지 않으며, 스택(10)의 출력, 냉각수(C)의 온도 등에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 외기 조절 밸브(124)는, 스택(10)의 출력이나 냉각수(C)의 온도가 상승하는 경우에는 바이패스 비율을 높이고, 스택(10)의 출력이나 냉각수(C)의 온도가 하강하는 경우에는 바이패스 비율을 낮출 수 있다.
응축수 라인(130)은 습윤 공기 배출 라인(50)과 증발기(100)의 증발수 유입구(103)를 연결한다. 응축수 라인(130)은 습윤 공기 배출 라인(50)을 통과하는 습윤 공기(A2)에 포함된 수분이 응축되어 생성된 응축수(D)를 증발수로서 사용할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 응축수 라인(130)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 습윤 공기 배출 라인(50)을 통해 응축수 라인(130)으로 유입된 습윤 공기(A2)로부터 응축수(D)를 포집하여 저장하는 응축수 탱크(132)와, 응축수 탱크(132)와 증발기(100)의 증발수 유입구(103) 사이에 설치되며, 응축수 라인(130)을 개폐하는 응축수 밸브(134)를 구비할 수 있다. 따라서, 응축수(D)는, 응축수 탱크(132)에 저장된 후, 응축수 밸브(134)에 의해 응축수 라인(130)이 개방될 때 증발수 유입구(103)를 통해 증발기(100)의 내부 공간(101)에 증발수로서 공급될 수 있다.
위와 같이, 증발기(100)의 내부 공간(101)에는 외기 유입구(102)와 증발수 유입구(103)를 통해 외기(A1)와 증발수가 공급된다. 또한, 증발기(100)는 제2 라디에이터(90)를 통과하면서 가열된 상태로 증발기(100)의 외측면을 통과하는 냉각 공기(A3)와 열 교환됨과 동시에 열전도층(107)을 매개로 제1 라디에이터(80) 및 제2 라디에이터(90)와 열 교환된다. 이로 인해, 증발기(100)의 내부 공간(101)을 통과하는 증발수는 라디에이터(80, 90)로부터 전달된 열에 의해 가열되어 증발된다. 그러면, 증발기(100)의 내부 공간(101)을 통과하는 외기(A1)는, 증발수가 증발되어 발생한 수증기에 의해 가습된 후, 외기 배출구(104)를 통해 제2 흡입 라인(122)으로 재유입된다. 따라서, 증발기(100)는 외기(A1)를 가습하는 가습기(140)로서 기능할 수 있다.
한편, 증발수는, 증발되는 과정에서 증발 잠열을 흡수하므로, 증발되지 않는 경우에 비해 많은 열을 라디에이터(80, 90)을 통과하는 냉각수(C)로부터 흡수할 수 있다. 따라서, 증발기(100)는 이러한 증발 냉각을 통해 라디에이터(80, 90)의 방열 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 증발수는 증발되는 과정에서 냉각수(C)뿐만 아니라 냉각 공기(A3)로부터도 열을 흡수한다. 이로 인해, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각 공기(A3)의 온도는 증발기(100)를 통과하는 과정에서 점진적으로 낮아지므로, 증발기(100)가 미 설치된 경우에 비해 저온을 갖는 냉각 공기(A3)가 제1 라디에이터(80)에 공급된다. 따라서, 증발기(100)는 이러한 냉각 공기(A3)의 냉각을 통해 제1 라디에이터(80)의 방열 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
냉각 팬(110)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 팬(110)에 의해 흡입된 냉각 공기(A3)가 제2 라디에이터(90), 증발기(100) 및 제1 라디에이터(80)를 순차적으로 통과하도록 설치될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 냉각 팬(110)은 냉각 팬(110)으로부터 토출된 냉각 공기(A3)가 제2 라디에이터(90), 증발기(100) 및 제1 라디에이터(80)를 순차적으로 통과하도록 설치될 수도 있다.
다음으로, 공기 압축기(30)는, 제3 흡입 라인(123)과 연결되는 외기 유입구(32)와, 외기 공급 라인(40)과 연결되는 외기 배출구(34)를 구비할 수 있다. 이러한 공기 압축기(30)는 제3 흡입 라인(123)을 통과한 외기(A1)를 압축하여 스택(10)에 공급할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 시스템(2)은, 제2 라디에이터(90)를 포함하지 않는다는 점과, 가습기(140)를 더 포함한다는 점에서, 전술한 연료전지 시스템(1)에 비해 차이점을 갖는다. 이하에서는, 이러한 차이점을 중심으로 연료전지 시스템(2)에 대하여 설명하기로 한다.
열교환 유닛(20)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 라디에이터(90)를 포함하지 않는다는 점에서 전술한 열교환 유닛(20)에 비해 차이점을 갖는다. 이에 대응하여, 냉각수 방열 라인(70)은 제3 방열 라인(76)을 포함하지 않는다는 점에서 전술한 냉각수 방열 라인(70)에 비해 차이점을 갖는다.
가습기(140)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 공급 라인(42)에 의해 공기 압축기(30)의 외기 배출구(34)와 연결되는 외기 유입구(142)와, 제2 공급 라인(44)에 의해 스택(10)의 외기 유입구(11)와 연결되는 외기 배출구(144)와, 습윤 공기 배출 라인(50)의 제1 배출 라인(54)에 의해 스택(10)의 습윤 공기 배출구(12)와 연결되는 습윤 공기 유입구(146)와, 습윤 공기 배출 라인(50)의 제2 배출 라인(56)에 의해 외부와 연통되는 습윤 공기 배출구(148)를 구비할 수 있다.
가습기(140)는 외기(A1)와 습윤 공기(A2)를 수분 교환하여 외기(A1)를 가습 가능한 중공 사막 가습기로 구성될 수 있다. 가습기(140)는 외기 유입구(142)를 통해 유입된 외기(A1)와 습윤 공기 유입구(146)를 통해 유입된 습윤 공기(A2)를 수분 교환하여 외기(A1)를 가습한다. 즉, 가습기(140)는 증발기(100)에 의해 1차 가습된 외기(A1)를 2차 가습하는 것이다. 따라서, 연료전지 시스템(2)은, 연료전지 시스템(1)에 비해 외기(A1)의 가습량을 증가시킬 수 있다. 한편, 가습기(140)를 통과한 외기(A1)는 제2 공급 라인(44)을 통해 스택(10)에 공급되고, 가습기(140)를 통과한 습윤 공기(A2)는 제2 배출 라인(56)을 통해 외부로 배출된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지 시스템(3)은, 분사 노즐(105)을 더 포함한다는 점에서, 전술한 연료전지 시스템들(1, 2)에 비해 차이점을 갖는다.
증발기(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 증발기(100)의 내부 공간(101)과 연통되도록 증발기(100)의 일측에 장착되며 응축수 라인(130)과 연결되는 분사 노즐(105)을 구비할 수 있다. 분사 노즐(105)은, 증발수의 액적을 증발기(100)의 내부 공간(101)에 분사함으로써, 증발수를 증발기(100)의 내부 공간(101)에 고르게 확산시킬 수 있다. 이를 통해 분사 노즐(105)은 증발기(100)를 통과하는 외기(A1)를 고르게 가습할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이며, 도 6은 도 5에 도시된 이류체 노즐의 일 형태를 나타내는 단면도이며, 도 7은 도 5에 도시된 이류체 노즐의 다른 형태를 나타내는 단면도이다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템(4)은, 이류체 노즐(106)을 더 포함한다는 점에서, 전술한 연료전지 시스템들(1, 2, 3, 4)에 비해 차이점을 갖는다.
증발기(100)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 증발기(100)의 내부 공간(101)과 연통되도록 증발기(100)의 일측에 장착되는 이류체 노즐(106)을 구비할 수 있다. 이류체 노즐(106)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 증발수(E)를 분사 가능한 증발수 분사부(106a)와, 습윤 공기(A2)를 분사 가능한 공기 분사부(106b)를 구비할 수 있다.
증발수 분사부(106a)는, 응축수 라인(130)과 연결되는 증발수 유입구(106c)와, 증발기(100)의 내부 공간(101)과 연통되는 증발수 분사구(106d)를 구비할 수 있다.
공기 분사부(106b)는, 습윤 공기 바이패스 라인(150)과 연결되는 공기 유입구(106e)와, 증발기(100)의 내부 공간(101)과 연통되는 공기 분사구(106f)를 구비할 수 있다. 습윤 공기 바이패스 라인(150)은, 습윤 공기 배출 라인(50)의 제2 배출 라인(56)과 공기 유입구(106e)를 연결하도록 마련되며, 제2 배출 라인(56)을 통과하는 고압의 습윤 공기(A2)를 공기 유입구(106e)에 유입시킬 수 있다. 이러한 습윤 공기 바이패스 라인(150)에는, 습윤 공기 바이패스 라인(150)을 개폐 가능한 습윤 공기 조절 밸브(152)가 설치될 수 있다.
공기 분사부(106b)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 증발수 분사부(106a)의 외주면을 둘러싸도록 마련된다. 다시 말하면, 증발수 분사부(106a)는 공기 분사부(106b)가 내부 공간에 수용되도록 마련된다. 이러한 공기 분사부(106b)는 공기 분사구(106f) 쪽으로 갈수록 직경이 점진적으로 작아지도록 마련된다.
이처럼 이류체 노즐(106)이 마련됨에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 증발수 유입구(106c)에 유입된 증발수(E)는 증발수 분사구(106d)에서 분사되고, 공기 유입구(106e)에 유입된 습윤 공기(A2)는 공기 분사구(106f)에서 분사된다. 그러면, 증발수(E)와 습윤 공기(A2)는 이류체 노즐(106)의 외부에서 충돌하여 서로 혼합되며, 증발수(E)는 전술한 분사 노즐(105)로부터 분사되는 증발수에 비해 더욱 작게 미립화된 액적 상태가 된다. 따라서, 이류체 노즐(106)은, 분사 노즐(105)에 비해 증발기(100)를 통과하는 외기(A1)를 더욱 고르게 가습할 수 있다.
한편, 이류체 노즐(106)은 증발수(E)와 습윤 공기(A2)가 이류체 노즐(106)의 외부에서 충돌하여 서로 혼합되는 외부 혼합형 구조를 갖는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 이류체 노즐(106)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 증발수 분사구(106d')가 공기 분사부(106b)의 내부에 위치되어 증발수(E)와 습윤 공기(A2)가 이류체 노즐(106)의 내부에서 충돌하여 서로 혼합된 후 공기 분사구(106f)를 통해 함께 분사되는 내부 혼합형 구조를 가질 수도 있다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 시스템의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지 시스템(5)은, 공기 압축기(30)의 외기 배출구(34)에서 배출된 외기(A1)가 이류체 노즐(106)에 공급되도록 마련된다는 점에서, 전술한 연료전지 시스템(4)에 비해 차이점을 갖는다.
공기 분사부(106b)의 공기 유입구(106e)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 외기 바이패스 라인(160)과 연결된다. 외기 바이패스 라인(160)은, 제1 공급 라인(42)과 공기 유입구(106e)를 연결하도록 마련되며, 제1 공급 라인(42)을 통과하는 고압의 외기(A1)를 공기 유입구(106e)에 유입시킬 수 있다. 그러면, 증발수(E)는 제1 공급 라인(42)을 통과하는 외기(A1)와 이류체 노즐(106)에 의해 서로 혼합되어 액적 상태가 될 수 있다. 외기 바이패스 라인(160)에는, 외기 바이패스 라인(160)을 개폐 가능한 외기 조절 밸브(162)가 설치될 수 있다.
그런데, 제1 공급 라인(42)은 공기 압축기(30)에서 압축된 외기(A1)가 바로 유입되는 라인이므로, 제1 공급 라인(42)을 통과하는 외기(A1)는 제2 배출 라인(56)을 통과하는 습윤 공기(A2)에 비해 고압을 갖는다. 이로 인해, 증발수(E)는 제2 배출 라인(56)을 통과하는 습윤 공기(A2)와 혼합되는 경우에 비해 더욱 작게 미립화될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1, 2, 3, 4, 5 : 연료전지 시스템
10 : 스택
11 : 외기 유입구
12 : 습윤 공기 배출구
13 : 냉각수 유입구
14 : 냉각수 배출구
20 : 열교환 유닛
30 : 공기 압축기
32 : 외기 유입구
34 : 외기 배출구
40 : 외기 공급 라인
42 : 제1 공급 라인
44 : 제2 공급 라인
50 : 습윤 공기 배출 라인
52 : 압력 조절 밸브
54 : 제1 배출 라인
56 : 제2 배출 라인
60 : 냉각수 회수 라인
70 : 냉각수 방열 라인
72 : 제1 방열 라인
74 : 제2 방열 라인
76 : 제3 방열 라인
78 : 냉각수 펌프
80 : 제1 라디에이터
82 : 내부 공간
90 : 제2 라디에이터
92 : 내부 공간
100 : 증발기
101 : 내부 공간
102 : 외기 유입구
103 : 증발수 유입구
104 : 외기 배출구
105 : 분사 노즐
106 : 이류체 노즐
106a : 증발수 분사부
106b : 공기 분사부
106c : 증발수 유입구
106d, 106d' : 증발수 분사구
106e : 공기 유입구
106f, 106f' : 공기 분사구
107 : 열전도층
110 : 냉각 팬
120 : 외기 흡입 라인
121 : 제1 흡인 라인
122 : 제2 흡입 라인
123 : 제3 흡입 라인
124 : 외기 조절 밸브
124a : 제1 포트
124b : 제2 포트
124c : 제3 포트
125 : 유량 센서,
126 : 여과 필터
130 : 응축수 라인
132 : 응축수 탱크
134 : 응축수 밸브
140 : 가습기
142 : 외기 유입구
144 : 외기 배출구
146 : 습윤 공기 유입구
148 : 습윤 공기 배출구
150 : 습윤 공기 바이패스 라인
152 : 습윤 공기 조절 밸브
160 : 외기 바이패스 라인
162 : 외기 조절 밸브

Claims (19)

  1. 냉각수에 포함된 열을 방출 가능한 라디에이터와, 상기 라디에이터와 열 교환 가능하게 설치되며, 상기 라디에이터로부터 방출된 열을 이용해 증발수를 증발시켜 외기를 가습 가능한 증발기를 구비하는 열교환 유닛; 및
    상기 증발기를 통과한 외기를 압축하여 연료전지 스택에 공급 가능한 공기 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공기 압축기의 외기 유입구와 연결되며, 외부로부터 흡입된 외기가 유입되는 외기 흡입 라인; 및
    상기 공기 압축기의 외기 배출구와 상기 연료전지 스택의 외기 유입구를 연결하는 외기 공급 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 외기 흡인 라인은, 상기 외기가 외부로부터 흡입되는 제1 흡인 라인과, 상기 제1 흡입 라인에 흡입된 외기를 상기 증발기를 통과하도록 바이패스시키는 제2 흡인 라인과, 상기 제1 흡입 라인과 상기 제2 흡입 라인을 통과한 외기를 상기 공기 압축기의 외기 유입구에 전달하는 제3 흡입 라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 흡입 라인과 연결되는 제1 포트와, 상기 제2 흡입 라인과 연결되는 제2 포트와, 상기 제3 흡입 라인과 연결되는 제3 포트를 구비하며, 상기 외기가 미리 정해진 비율만큼 상기 제2 흡입 라인을 통과하도록 상기 포트들을 각각 개폐 가능한 외기 조절 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 증발수는 연료전지 스택에서 발생한 응축수인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연료전지 스택의 습윤 공기 배출구와 상기 증발기의 증발수 유입구를 연결하는 응축수 라인;
    상기 응축수 라인에 설치되며, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기에 포함된 수분이 응축되어 생성된 응축수가 저장되는 응축수 탱크; 및
    상기 응축수 탱크와 상기 증발수 유입구 사이에 위치하도록 상기 응축수 라인에 설치되며, 상기 응축수 라인을 개폐하는 응축수 공급 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은, 냉각 공기를 상기 라디에이터 및 상기 증발기와 열 교환되도록 유동시키는 냉각팬을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 라디에이터는, 상기 증발기에 비해 상기 냉각 공기의 유동 경로의 하류 측에 위치하도록 설치되는 제1 라디에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 라디에이터는, 상기 증발기에 비해 상기 냉각 공기의 유동 경로의 상류 측에 위치하도록 설치되는 제2 라디에이터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 스택의 냉각수 배출구에서 배출된 냉각수를 상기 제1 라디에이터와 상기 제2 라디에이터에 각각 전달하는 냉각수 방열 라인; 및
    상기 냉각수 방열 라인을 통과한 냉각수를 회수하여 상기 스택의 냉각수 유입구에 유입시키는 냉각수 회수 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수 방열 라인은, 상기 냉각수 배출구와 연결되는 제1 방열 라인과, 상기 제1 방열 라인과 상기 냉각수 회수 라인을 연결하며, 상기 제1 라디에이터가 설치되는 제2 방열 라인과, 상기 제2 방열 라인과 상기 냉각수 회수 라인을 연결하며, 상기 제2 라디에이터가 설치되는 제3 방열 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 증발기는, 상기 증발기의 내부 공간을 통과 중인 외기에 상기 증발수를 분사 가능한 분사 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 증발기는, 상기 공기 압축기를 통과한 외기와 상기 증발수를 서로 혼합하여 분사 가능한 이류체 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공기 압축기의 외기 배출구와 상기 이류체 노즐의 공기 유입구를 연결하는 외기 바이패스 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 공기 압축기와 상기 스택 사이에 설치되며, 상기 스택에서 배출된 습윤 공기를 이용해 상기 공기 압축기에서 배출된 외기를 재가습 가능한 가습기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 증발기는, 상기 습윤 공기와 상기 증발수를 서로 혼합하여 분사 가능한 이류체 노즐을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가습기의 습윤 공기 배출구와 상기 이류체 노즐의 공기 유입구를 연결하는 습윤 공기 바이패스 라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 열교환 유닛은, 상기 라디에이터와 상기 증발기 사이에 개재되는 열전도층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 열전도층은 브레이징 필러로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210023060A (ko) * 2019-08-21 2021-03-04 한온시스템 주식회사 연료전지 차량용 쿨링 모듈
US11450872B2 (en) 2020-06-16 2022-09-20 Hyundai Mobis Co., Ltd. Fuel cell system for vehicle

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018120353A1 (de) * 2018-08-21 2020-02-27 Linde Material Handling Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Flurförderzeugs und entsprechendes Brennstoffzellensystem
CN109921064B (zh) * 2019-03-11 2024-01-30 长春理工大学 基于超声波振动加湿器的小型质子交换膜燃料电池
CN111129538B (zh) * 2019-12-12 2021-04-30 中国第一汽车股份有限公司 一种燃料电池堆冷却系统及其控制方法、汽车及存储介质
CN111525153A (zh) * 2020-05-07 2020-08-11 杭州祥博传热科技股份有限公司 一种用于氢能源汽车的电堆散热系统及其方法
IT202000023101A1 (it) * 2020-09-30 2022-03-30 Iveco Magirus Veicolo comprendente un sistema di raffreddamento migliorato per un modulo di cella a combustibile
AT524817B1 (de) * 2021-02-15 2023-02-15 Avl List Gmbh Kühlvorrichtung für ein Kühlen eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs
US11909078B2 (en) * 2021-03-15 2024-02-20 Cummins Inc. Systems and methods to utilize water output of fuel cell systems for evaporative cooling of radiators
KR20220169050A (ko) * 2021-06-17 2022-12-27 현대자동차주식회사 차량용 연료전지 냉각시스템
CN114068997B (zh) * 2021-10-18 2024-03-29 上海神力科技有限公司 一种高效节能型燃料电池电堆测试系统
KR102585300B1 (ko) * 2021-11-18 2023-10-05 현대모비스 주식회사 연료 전지 시스템 및 이를 이용한 제어 방법
WO2023209317A1 (en) * 2022-04-29 2023-11-02 Zeroavia Ltd Cooling system for fuel cell onboard a vehicle including evaporative cooling device
US11876263B1 (en) * 2023-01-31 2024-01-16 ZeroAvia, Inc. Cathode ejector cooling flow control system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06333583A (ja) * 1993-05-21 1994-12-02 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池発電装置
JP2003077519A (ja) * 2001-08-30 2003-03-14 Nippon Soken Inc 燃料電池システムの水回収装置
KR101673769B1 (ko) * 2015-05-14 2016-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6651761B1 (en) 2001-09-27 2003-11-25 Ford Global Technologies, Llc Temperature control system for fuel cell electric vehicle cooling circuit
KR20070050194A (ko) 2005-11-10 2007-05-15 현대자동차주식회사 연료전지 시스템의 냉각수 및 공기의 제어 장치 및 방법
KR101509673B1 (ko) 2009-11-11 2015-04-06 현대자동차 주식회사 연료전지 차량용 냉각 장치
JP5589967B2 (ja) * 2011-06-13 2014-09-17 株式会社デンソー 車両用温度調節装置
KR101724751B1 (ko) 2011-12-12 2017-04-10 현대자동차주식회사 이중관이 적용된 연료전지 차량의 스택용 라디에이터
KR102543060B1 (ko) 2015-02-24 2023-06-14 한온시스템 주식회사 쿨링모듈
KR101776414B1 (ko) 2015-11-20 2017-09-20 현대자동차주식회사 연료전지 냉각 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06333583A (ja) * 1993-05-21 1994-12-02 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池発電装置
JP2003077519A (ja) * 2001-08-30 2003-03-14 Nippon Soken Inc 燃料電池システムの水回収装置
KR101673769B1 (ko) * 2015-05-14 2016-11-07 현대자동차주식회사 연료전지용 공기 가습 장치 및 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210023060A (ko) * 2019-08-21 2021-03-04 한온시스템 주식회사 연료전지 차량용 쿨링 모듈
US11450872B2 (en) 2020-06-16 2022-09-20 Hyundai Mobis Co., Ltd. Fuel cell system for vehicle

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US10411275B2 (en) 2019-09-10

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