KR20190064789A - Air cooling system for fuel cell - Google Patents

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Abstract

Disclosed is an air cooling apparatus for a fuel cell, capable of increasing the temperature of air in a cold start operation condition. According to one exemplary embodiment of the present invention, the air cooling apparatus for a fuel cell comprises a stack cooling loop cooling a fuel cell stack with cooling water, and an electric part cooling loop cooling a driving motor and an electric part with the cooling water. A heat measurement system cooling loop of a fuel cell system changes a flow of cooling water through a valve in the stack cooling loop, and heats the cooling water through a cathode oxygen depletion (COD) heater. The heat measurement system cooling loop includes a cooling unit disposed in a cooling line of the heat measurement system cooling loop to be installed in an air supply path supplying air compressed through an air compressor to a stack, and cooling the air with the cooling water. The cooling unit comprises a first air cooling unit formed in a cooling water line of the electric part cooling loop and a second air cooling unit formed in the cooling water line of the stack cooling loop.

Description

연료전지용 공기 냉각장치 {AIR COOLING SYSTEM FOR FUEL CELL}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an air cooling system for a fuel cell,

본 발명의 실시 예는 연료전지 차량의 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 압축기를 통해 공급되는 공기를 냉각하기 위한 연료전지용 공기 냉각장치에 관한 것이다.An embodiment of the present invention relates to a fuel cell system of a fuel cell vehicle, and more particularly, to an air cooling apparatus for a fuel cell for cooling air supplied through an air compressor.

일반적으로, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 산소(공기 중의 산소)의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 예를 들면, 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 채용되어 전기 모터를 작동시키며 차량을 구동시킬 수 있다.Generally, a fuel cell system is a kind of power generation system that generates electric energy as an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen (oxygen in the air) by a fuel cell. For example, the fuel cell system may be employed in a fuel cell vehicle to drive an electric motor and drive the vehicle.

연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 단위 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택과, 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급장치와, 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급장치를 구비하고 있다.The fuel cell system includes a fuel cell stack, which is an electricity generating assembly of unit fuel cells made up of an air electrode and a fuel electrode, an air supply device for supplying air to the air electrode of the fuel cell, a hydrogen supply device .

여기서 공기 공급장치는 공기를 압축한 압축 공기를 연료전지 스택으로 공급하기 위한 공기 압축기와, 연료전지의 공기극으로부터 배출되는 배출공기 중의 수분을 이용하여 공기 압축기를 통해 공급되는 공급공기를 가습하고, 그 가습된 공기를 연료전지의 공기극으로 공급하는 가습기를 구비하고 있다.Here, the air supply device includes an air compressor for supplying compressed air compressed by air to the fuel cell stack, and a control device for humidifying the supply air supplied through the air compressor by using moisture in the discharge air discharged from the air pole of the fuel cell, And a humidifier for supplying humidified air to the air electrode of the fuel cell.

한편, 연료전지 스택의 고출력 운전에서 공기 압축기를 통해 압축된 공기는 높은 압축 비와 많은 공기 량으로 인해 100~150도 정도의 온도로 상승하게 된다.On the other hand, in a high output operation of the fuel cell stack, the air compressed through the air compressor rises to a temperature of about 100 to 150 degrees due to a high compression ratio and a large amount of air.

그러나, 압축 공기의 온도는 연료전지 스택의 정상적인 운전 온도인 60~80도 보다 높기 때문에, 가습기의 가습 효율 및 스택의 운전 효율에 불리한 조건으로 작용한다. 따라서 연료전지 시스템은 공기 압축기에 의해서 가습기로 공급되는 고온의 압축 공기를 냉각시킬 필요가 있다.However, since the temperature of the compressed air is higher than the normal operation temperature of the fuel cell stack of 60 to 80 degrees, the humidifier operates in a condition adverse to the humidification efficiency and the stack operation efficiency. Therefore, the fuel cell system needs to cool the hot compressed air supplied to the humidifier by the air compressor.

이를 위해 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 냉각하기 위한 일 예의 냉각수단으로서, 에어쿨러(당 업계에서는 통상 "인터쿨러" 라고도 함)를 가습기의 전단 측에 설치하고 있다. 에어쿨러는 공기 압축기로부터 공급되는 공급공기를 쿨링하며, 온도가 저감된 공급공기를 가습기로 공급할 수 있다.For this purpose, in the prior art, an air cooler (commonly referred to as an "intercooler" in the art) is provided on the front end side of the humidifier as an example of cooling means for cooling the air supplied from the air compressor. The air cooler can cool the supply air supplied from the air compressor and supply the reduced-temperature supply air to the humidifier.

다른 한편, 연료전지 시스템은 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하며, 연료전지 스택의 운전온도를 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 장치(TMS:Thermal Management System)를 구비하고 있다.On the other hand, the fuel cell system includes a thermal management system (TMS) for removing the reaction heat of the fuel cell stack from the system, controlling the operation temperature of the fuel cell stack, and performing a water management function .

상기 TMS에서의 열 관리계 냉각루프는 냉각수를 연료전지 스택으로 순환시키며 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 구동모터 및 인버터 등의 전장 발열부품으로 냉각수를 순환시키며 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프로 구성된다.The thermal management system cooling loop in the TMS is composed of a stack cooling loop for circulating cooling water to the fuel cell stack and cooling the stack, and a cooling cooling loop for circulating cooling water through electric heating components such as a driving motor and an inverter, do.

여기서, 스택 냉각루프의 경우는 운전 조건에 따라 스택의 운전 온도를 제어해야 하기 때문에, 가변 제어 로직이 적용되며, 냉각수의 온도는 최대 100℃까지 올라가고, 메인 라디에이터를 이용하여 냉각수를 냉각한다. 그리고 전장 냉각루프의 경우는 구동모터 등의 전장 발열 부품을 냉각하기에 스택에 비해 발열량이 작기 때문에, 보조 라디에이터를 통해 냉각수를 냉각하며, 별도의 제어 로직이 적용되지 않고, 냉각수의 온도는 최대 70℃까지 올라간다.Here, in the case of the stack cooling loop, since the operating temperature of the stack must be controlled according to the operating conditions, the variable control logic is applied, the temperature of the cooling water rises up to 100 ° C, and the cooling water is cooled using the main radiator. In the case of the electric cooling loop, since the heat generation amount is smaller than that of the stack in cooling the electric heating components such as the driving motor, the cooling water is cooled through the auxiliary radiator and the control logic is not applied. ℃.

따라서, 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 냉각하기 위한 에어쿨러를 전장 냉각루프에 구성하고 있다. 왜냐하면, 에어쿨러를 스택 냉각루프에 구성할 경우, 스택 냉각루프에서는 고온 운전 조건에서 전장 냉각루프에 비해 냉각수의 최대 온도가 높기 때문에, 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 충분히 냉각시키지 못하기 때문이다.Therefore, in the prior art, the air cooler for cooling the high temperature air pressurized from the air compressor is constituted in the electric-field cooling loop. This is because, when the air cooler is configured in the stack cooling loop, the stack cooling loop does not sufficiently cool the hot air pressurized from the air compressor because the maximum temperature of the cooling water is higher than the electric cooling loop in the high temperature operating condition .

이에 종래 기술에서는 공기 압축기로부터 가압된 고온의 공기를 냉각하기 위한 에어쿨러를 전장 냉각루프에 구성하고 있기 때문에, 별도의 제어 로직이 적용되고 있지 않다.Accordingly, in the prior art, since the air cooler for cooling the high-temperature air pressurized from the air compressor is constituted in the electric-field cooling loop, no separate control logic is applied.

그러나, 종래 기술에서는 겨울철의 냉 시동 시, 공기 압축기로부터 스택으로 공급되는 공기의 온도를 빨리 상승시켜야 냉 시동 시간을 단축할 수 있지만, 전장 냉각루프에 별도의 제어 로직이 적용되고 있지 않기 때문에, 전장 냉각루프의 냉각수 온도가 상승할 때까지는 오히려 공기의 온도가 냉각수에 의해 냉각되어 냉 시동 시간이 길어지게 된다.However, in the prior art, the cold start time can be shortened by raising the temperature of the air supplied from the air compressor to the stack at a cold start in winter, but since no separate control logic is applied to the electric cooling loop, The temperature of the air is cooled by the cooling water until the cooling water temperature of the cooling loop rises and the cold start time becomes longer.

또한, 종래 기술에서는 일반 주행 중에도 공기의 온도가 낮아 가습기 및 스택, 배관 등에 응축수의 양이 증가하게 되고, 이로 인해 급 가속 시, 스택으로 응축수가 유입되어 셀 빠짐 현상이 발생하기도 하며, 응축된 물의 동결로 차압 증대 또는 부품 파손 등의 문제가 발생할 수 있다.In addition, in the prior art, the amount of condensed water is increased in the humidifier, stack, and piping due to a low temperature of the air during normal running, thereby causing a cell dropout due to the condensed water flowing into the stack during rapid acceleration. Problems such as an increase in differential pressure or damage to parts may occur due to freezing.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.The matters described in the background section are intended to enhance the understanding of the background of the invention and may include matters not previously known to those skilled in the art.

본 발명의 실시 예들은 공기 압축기로부터 공급되는 공기를 고온 운전 조건에서 열 관리계 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각수에 의해 공기를 냉각할 수 있고, 냉 시동 운전 조건에서 공기의 온도를 상승시킬 수 있도록 한 연료전지용 공기 냉각장치를 제공하고자 한다.The embodiments of the present invention are capable of cooling the air supplied from the air compressor by the electric cooling water and the stack cooling water of the thermal management system cooling loop under the high temperature operation condition and by increasing the temperature of the air To provide an air cooling apparatus for a fuel cell.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치는, 냉각수로서 연료전지 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 냉각수로서 구동모터 및 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프를 포함하고, 상기 스택 냉각루프에서 밸브를 통해 냉각수의 유동을 가변하며, COD 히터를 통해 냉각수를 가열하는 연료전지 시스템의 열관리계 냉각루프에서, 상기 열관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되되, 공기 압축기를 통해 압축된 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급 경로에 설치되며, 공기를 상기 냉각수로서 냉각하는 쿨링유닛을 포함하고, 상기 쿨링유닛은 상기 전장 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제1 에어 쿨링부와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제2 에어 쿨링부를 포함할 수 있다.The air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a stack cooling loop for cooling a fuel cell stack as cooling water and an electric cooling cooling loop for cooling a driving motor and electrical components as cooling water, In a thermal management system cooling loop of a fuel cell system that varies the flow of cooling water through a COD heater and that is configured in the cooling water line of the thermal management system cooling loop, And a cooling unit installed in an air supply path for supplying air to the cooling water line, wherein the cooling unit includes a first air cooling unit configured in a cooling water line of the electric-field cooling loop, And a second air cooling unit that is configured in the second air cooling unit.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 공기 압축기와 상기 스택 사이에서 가습기에 구비될 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the cooling unit may be provided in the humidifier between the air compressor and the stack.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 쿨링유닛은 상기 전장 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로를 내부에 각각 구획 형성하는 유로부재들과, 상기 유로부재들 사이의 공기 유로에서 상기 유로부재와 연결되게 설치되는 방열 핀을 포함할 수 있다.In the air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the cooling unit includes a first cooling water flow path for flowing cooling water of the electric-field cooling loop, a second cooling water flow path for flowing cooling water of the stack cooling loop, And a heat radiating fin connected to the flow path member in an air flow path between the flow path members.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재들의 상기 제1 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제1 에어 쿨링부로 구성될 수 있다.In addition, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the first cooling water flow path and the heat radiating fin of the flow path members may be constituted by the first air cooling part.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재들의 상기 제2 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제2 에어 쿨링부로 구성될 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the second cooling water flow path of the flow path members and the heat radiating fin may be constituted by the second air cooling part.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 유로부재는 상기 제1 냉각수 유로 및 제2 냉각수 유로를 격벽으로 각각 구획할 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the flow path member can partition the first cooling water flow path and the second cooling water flow path into barrier ribs, respectively.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택의 고온 운전 조건에서는 상기 전장 루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고, 상기 밸브를 폐쇄하며, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 에어 쿨링부로 공급할 수 있다.In the air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, cooling water in the electric-field loop is supplied to the first air cooling unit at a high temperature operating condition of the stack to close the valve, Cooling water to the stack and the second air cooling unit.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 밸브는 스택의 온도에 따라 항시 개폐되되, 상기 스택의 온도가 증가함에 따라 상기 밸브의 개방 각도를 감소시키고, 상기 스택의 온도가 감소함에 따라 상기 밸브의 개방 정도를 증가시킬 수 있다.In addition, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the valve is always opened or closed according to the temperature of the stack, and decreases the opening angle of the valve as the temperature of the stack increases, As the temperature decreases, the degree of opening of the valve can be increased.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택의 고온 운전 조건은 상기 공기 압축기의 출구 온도 또는 상기 스택의 온도 기준으로 설정될 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, the high temperature operating condition of the stack may be set based on an outlet temperature of the air compressor or a temperature of the stack.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 냉 시동 운전 조건에서는 상기 전장 루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고, 상기 밸브를 개방하고, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 COD 히터를 통해 가열하며 상기 제2 에어 쿨링부로 공급할 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, in the cold start operation condition, the cooling water of the electric field loop is supplied to the first air cooling unit, the valve is opened, The cooling water can be heated through the COD heater and supplied to the second air cooling unit.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치에 있어서, 상기 스택 냉각루프에서 상기 밸브의 개폐는 상기 공기 압축기를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 온도에 따라 제어기에 의해 제어될 수 있다.Further, in the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, opening and closing of the valve in the stack cooling loop may be controlled by the controller according to the temperature of the air supplied to the stack through the air compressor .

본 발명의 실시 예는 스택 냉각루프에서 제어기에 의해 밸브를 제어하여 고온 운전 조건에서도 전장 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프의 스택 냉각수를 통하여 공기를 냉각할 수 있다.Embodiments of the present invention may control the valve by the controller in a stack cooling loop to cool the air through the stack cooling water of the electric cooling cooling loop and the stack cooling water of the electric cooling cooling loop even under high temperature operating conditions.

또한, 본 발명의 실시 예는 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 제어기에 의해 스택 냉각루프의 밸브를 제어하여 COD 히터를 통해 스택 냉각수를 승온시키며, 공기 압축기로부터 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프의 스택 냉각수 상승시킴으로써 냉 시동 시간을 단축할 수 있다.Further, the embodiment of the present invention controls the valve of the stack cooling loop by the controller in the normal operation condition and the cold start operation condition to raise the temperature of the stack cooling water through the COD heater, and the temperature of the air supplied from the air compressor to the fuel cell stack Can be shortened by raising the stack cooling water of the electric cooling water of the electric-field cooling loop and the stack cooling water of the stack cooling loop.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.In addition, effects obtainable or predicted by the embodiments of the present invention will be directly or implicitly disclosed in the detailed description of the embodiments of the present invention. That is, various effects to be predicted according to the embodiment of the present invention will be disclosed in the detailed description to be described later.

이 도면들은 본 발명의 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치에 적용되는 쿨링유닛 구조의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.These drawings are for the purpose of describing an embodiment of the present invention, and therefore the technical idea of the present invention should not be construed as being limited to the accompanying drawings.
1 is a schematic view of an air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are views schematically showing an example of a cooling unit structure applied to an air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are views for explaining the operation of the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.In the following detailed description, the names of components are categorized into the first, second, and so on in order to distinguish them from each other in the same relationship, and are not necessarily limited to the order in the following description.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when an element is referred to as "comprising ", it means that it can include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.It should be noted that terms such as " ... unit ", "unit of means "," part of item ", "absence of member ", and the like denote a unit of a comprehensive constitution having at least one function or operation it means.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a schematic view of an air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 수소로서의 연료와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 장착되며, 전기 동력 구동장치로서의 구동 모터를 구동시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, an air cooling apparatus 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention can be applied to a fuel cell system that generates electrical energy by electrochemically reacting fuel as hydrogen and air as an oxidant. For example, the fuel cell system is mounted on a fuel cell vehicle, and can drive a drive motor as an electric power drive apparatus.

상기 연료전지 시스템은 공기극과 연료극으로 이루어진 연료전지들의 전기 발생 집합체인 연료전지 스택(1)과, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 공기극으로 공기를 공급하기 위한 공기 공급계(3)와, 연료전지 스택(1)의 연료전지의 연료극으로 수소를 공급하기 위한 수소 공급계(도면에 도시되지 않음)를 포함하고 있다.The fuel cell system includes a fuel cell stack 1 as an electricity generation assembly of fuel cells composed of an air electrode and a fuel electrode, an air supply system 3 for supplying air to the air electrode of the fuel cell stack 1, And a hydrogen supply system (not shown in the figure) for supplying hydrogen to the fuel electrode of the fuel cell of the fuel cell stack 1.

여기서, 상기 공기 공급계(3)는 외부 공기를 흡입 및 압축하고 그 압축된 압축공기를 연료전지 스택(1)으로 공급하기 위한 공기 압축기(5)와, 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기를 냉각하는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 냉각장치(100)를 포함하고 있다. 더 나아가, 상기 공기 공급계(3)는 공기 냉각장치(100)에 의해 냉각된 공기를 적정 습도를 갖도록 가습하는 가습기(7)를 포함하고 있다. 상기 가습기(7)는 연료전지 스택(1)으로부터 배출되는 배출공기(수분을 포함)와, 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기의 수분을 교환을 통해 가습공기를 생성하고 그 가습공기를 연료전지 스택(1)으로 공급할 수 있다.The air supply system 3 includes an air compressor 5 for sucking and compressing outside air and supplying the compressed compressed air to the fuel cell stack 1, And an air cooling apparatus 100 according to an embodiment of the present invention for cooling. Furthermore, the air supply system 3 includes a humidifier 7 for humidifying the air cooled by the air cooling apparatus 100 to have an appropriate humidity. The humidifier 7 generates humidified air through exchanging the exhaust air (including moisture) discharged from the fuel cell stack 1 and the moisture of the air supplied from the air compressor 5, Can be supplied to the stack (1).

이와 같은 공기 공급계(3)는 공기 압축기(5)의 전단 측에 구성되는 공지 기술의 소음기와, 소음기의 전단 측에 구성되는 공지 기술의 필터를 포함할 수도 있다.The air supply system 3 may include a well-known silencer at the front end side of the air compressor 5 and a well-known filter at the front end of the silencer.

상기 공기 공급계(3)에서 공기 압축기(5) 및 가습기(7)의 구성은 당 업계에 널리 알려진 공지 기술의 공기 압축기(또는 공기 블로워) 및 가습장치의 구성으로 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.The construction of the air compressor 5 and the humidifier 7 in the air supply system 3 is constituted by a well-known air compressor (or air blower) and a humidifying device which are well known in the art, Will not be described in detail.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 공기 압축기(5)로부터 가습기(7)를 통해 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기를 냉각하기 위한 것이다.The air cooling apparatus 100 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention is for cooling the air supplied from the air compressor 5 to the fuel cell stack 1 through the humidifier 7.

예를 들면, 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 공기 압축기(5)로부터 공급되는 공기를 냉각수를 통해 열 교환 방식(수냉식)으로 냉각하고, 그 냉각된 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.For example, the fuel cell air cooling apparatus 100 can cool the air supplied from the air compressor 5 through the cooling water in a heat exchange manner (water-cooled type), and supply the cooled air to the humidifier 7 .

한편, 본 발명의 실시 예가 적용되는 연료전지 시스템은 연료전지 스택(1)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고, 연료전지 스택(1)의 운전온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 장치(9)(TMS:Thermal Management System)를 포함하고 있다.On the other hand, the fuel cell system to which the embodiment of the present invention is applied is configured to remove the reaction heat of the fuel cell stack 1 from the outside of the system, control the operating temperature of the fuel cell stack 1, And a device 9 (TMS: Thermal Management System).

상기 TMS(9)는 열 관리계 냉각루프를 포함하는 바, 상기 열관리계 냉각루프는 냉각수(이하 "스택 냉각수"라고 한다)로서 연료전지 스택(1)을 냉각하는 스택 냉각루프(11)와, 냉각수(이하에서는 "전장 냉각수"라고 한다)로서 구동모터(23) 및 전장 부품(25)(예를 들면, 인버터 등) 등의 발열 부품을 냉각하는 전장 냉각루프(21)를 포함한다.The TMS 9 includes a thermal management system cooling loop, wherein the thermal management system cooling loop includes a stack cooling loop 11 for cooling the fuel cell stack 1 as cooling water (hereinafter referred to as "stack cooling water"), (Hereinafter referred to as "total cooling water") includes an electric-field cooling loop 21 for cooling a heat-generating component such as a drive motor 23 and electric components 25 (e.g., inverter).

상기에서 스택 냉각루프(11)는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키며, 연료전지 스택(1)을 스택 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 스택 냉각수를 메인 라디에이터(17)를 통해 냉각할 수 있다.The stack cooling loop 11 circulates the stack cooling water to the main radiator 17 and the fuel cell stack 1 through the stack cooling water line 15 by the pumping pressure of the stack cooling pump 13, Cooling the fuel cell stack 1 with the stack cooling water, cooling the fuel cell stack 1, and cooling the heated stack cooling water through the main radiator 17.

더 나아가, 상기 스택 냉각루프(11)는 연료전지 스택(1)의 정상 운전 시 및 냉 시동 시, 스택 냉각수 라인(15)의 바이패스 라인(18)로 유입되는 스택 냉각수를 가열하고, 그 가열된 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 연료전지 스택(1)으로 공급하는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)를 더 포함하고 있다. 여기서, 상기 스택 냉각루프(11)에서 바이패스 라인(18)에는 그 바이패스 라인(18)을 선택적으로 개폐하는 밸브(14)(예를 들면, 3웨이 밸브)가 설치된다.Furthermore, the stack cooling loop 11 heats the stack cooling water flowing into the bypass line 18 of the stack cooling water line 15 during normal operation and cold start of the fuel cell stack 1, And a COD (Cathode Oxygen Depletion) heater 19 for supplying the stack cooling water to the fuel cell stack 1 through the stack cooling water line 15. [ Here, in the stack cooling loop 11, a bypass line 18 is provided with a valve 14 (for example, a 3-way valve) for selectively opening and closing the bypass line 18.

상기한 밸브(14)는 스택(1)의 온도에 따라 항시 개폐되되, 본 발명의 실시 예에서는 스택(1)의 온도가 증가함에 따라 밸브(14)의 개방 각도를 감소시키고, 스택(1)의 온도가 감소함에 따라 밸브(14)의 개방 정도를 증가시킬 수도 있다.The valve 14 is always opened or closed in accordance with the temperature of the stack 1 and in the embodiment of the present invention the opening angle of the valve 14 is decreased as the temperature of the stack 1 increases, The degree of opening of the valve 14 may be increased as the temperature of the valve 14 decreases.

상기에서 전장 냉각루프(21)는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 순환시키며, 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 전장 냉각수로 냉각하고, 그 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하며 데워진 전장 냉각수를 보조 라디에이터(29)를 통해 냉각할 수 있다.In the above, the electric-field cooling loop 21 circulates the electric-field cooling water through the electric-field cooling water line 27 by the pumping pressure of the electric-field cooling pump 24, through the auxiliary radiator 29, the drive motor 23 and the electric component 25 The driving motor 23 and the electric component 25 are cooled by the electric cooling water and the electric motor and the electric component 25 and the electric component 25 are cooled and the heated electric cooling water is cooled through the auxiliary radiator 29 .

다른 한편, 상기한 바와 같은 스택 냉각루프(11)에서 밸브(14)의 개폐는 연료전지 스택(1)의 운전 조건에 따라 제어기(16)에 의해 제어될 수 있다. 상기 제어기(16)는 제어 프로그램을 포함하는 제어 로직으로 연료전지 스택(1)의 운전 조건에 따라 밸브(14)의 개폐를 제어할 수 있다.On the other hand, opening and closing of the valve 14 in the stack cooling loop 11 as described above can be controlled by the controller 16 in accordance with the operating conditions of the fuel cell stack 1. The controller 16 can control the opening and closing of the valve 14 according to the operating conditions of the fuel cell stack 1 by the control logic including the control program.

이하에서 연료전지 스택(1)의 운전 조건은 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건으로 구분할 수 있다. 상기에서 고온 운전 조건 및 정상 운전 조건은 공기 압축기(5)에서 가압되며 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도 조건 또는 연료전지 스택(1)의 온도 조건에 의해 설정될 수 있다. 그리고, 상기에서 냉 시동 운전 조건은 겨울철 등의 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도 조건에 의해 설정될 수 있다.Hereinafter, the operation conditions of the fuel cell stack 1 can be classified into a high temperature operation condition, a normal operation condition, and a cold start operation condition. The high temperature operation condition and the normal operation condition may be set by the temperature condition of the air pressurized in the air compressor 5 and supplied to the fuel cell stack 1 or the temperature condition of the fuel cell stack 1. [ In the above, the cold start operation condition may be set by the outdoor air temperature such as winter season or the temperature condition of the fuel cell stack 1. [

상기한 고온 운전 조건, 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건은 예를 들면, 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 설정될 수 있다.The high temperature operation condition, the normal operation condition and the cold start operation condition are set according to the air temperature at the outlet side of the air compressor 5 sensed by the temperature sensor, the outdoor air temperature or the temperature of the fuel cell stack 1 .

예를 들어, 상기 고온 운전 조건은 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 120~150도인 온도 조건이고, 정상 운전 조건은 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 30~80도인 온도 조건이며, 냉 시동 운전 조건은 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 0도 이하인 온도 조건을 만족할 수 있다.For example, the high temperature operation condition is a temperature condition in which the air temperature from the air compressor 5 or the temperature of the fuel cell stack 1 is 120 to 150 degrees, and the normal operation condition is an air temperature from the air compressor 5 The temperature of the fuel cell stack 1 is in the range of 30 to 80 degrees and the cold start operation condition can satisfy the ambient temperature or the temperature condition in which the temperature of the fuel cell stack 1 is 0 degree or less.

대안으로서, 상기 연료전지 스택(1)의 운전 조건은 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 설정되는 것에 반드시 한정되지 않고, 연료전지 스택(1)의 운전 전류에 따라 설정될 수도 있다.Alternatively, the operating condition of the fuel cell stack 1 is not necessarily limited to be set according to the air temperature at the outlet side of the air compressor 5, the outside air temperature or the temperature of the fuel cell stack 1, As shown in FIG.

또 다른 한편, 상기 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수 온도는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 공기 압축기(5)로부터의 공기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도가 150도인 경우, 최대 100도까지 상승할 수 있다. 그리고 상기 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수 온도는 최대 70도까지 상승할 수 있다.On the other hand, the stack cooling water temperature in the stack cooling loop 11 is higher than the temperature of the air from the air compressor 5 or the temperature of the fuel cell stack 1 in the high temperature operating condition of the fuel cell stack 1, , Up to 100 degrees. And the temperature of the cooling water in the electric field cooling loop 21 may rise up to 70 degrees.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 연료전지 시스템의 열 관리계 냉각루프에서 제어 로직이 적용되고 있지 않은 전장 냉각루프(21)에만 구성되는 종래 기술과 달리, 전장 냉각루프(21)는 물론 제어 로직이 적용된 스택 냉각루프(11)에 구성될 수 있다.Unlike the prior art in which the electric cooling cooling loop (21) in which the control logic is not applied in the thermal management system cooling loop of the fuel cell system in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, (21) as well as the stack cooling loop (11) to which the control logic is applied.

즉, 본 발명의 실시 예는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서도 스택 냉각루프(11)의 제어 로직으로 밸브(14)를 제어하여 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로서 공기를 냉각할 수 있는 연료전지용 공기 냉각장치(100)를 제공한다.That is, the embodiment of the present invention controls the valve 14 to the control logic of the stack cooling loop 11 even at the high temperature operating condition of the fuel cell stack 1, so that the electric cooling water of the electric cooling loop 21 and the stack cooling loop 11) capable of cooling the air as the cooling water for the stack.

또한, 본 발명의 실시 예는 냉 시동 운전 조건에서 스택 냉각루프(11)의 제어 로직으로 밸브(14)를 제어하여 COD 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 승온시킴으로써, 공기 압축기(5)로부터 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로 상승시킬 수 있는 연료전지용 공기 냉각장치(100)를 제공한다.The embodiment of the present invention also controls the valve 14 to the control logic of the stack cooling loop 11 in the cold start operation condition to raise the temperature of the stack coolant through the COD heater 19, (100) for a fuel cell capable of raising the temperature of air supplied to the battery stack (1) to the electric cooling water of the electric cooling cooling loop (21) and the stack cooling water of the stack cooling loop (11).

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지용 공기 냉각장치(100)는 기본적으로, 열 관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 쿨링유닛(50)을 포함한다.To this end, the air cooling apparatus 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention basically includes a cooling unit 50 configured in a cooling water line of a thermal management system cooling loop.

상기 쿨링유닛(50)은 열 교환유닛으로서, 에어쿨러 또는 인터쿨러 라고도 하며, 공기 압축기(5)를 통해 압축된 공기를 연료전지 스택(1)으로 공급하는 공기 공급 경로(51)에 설치된다.The cooling unit 50 is a heat exchange unit and is also referred to as an air cooler or an intercooler and is installed in an air supply path 51 for supplying compressed air through the air compressor 5 to the fuel cell stack 1. [

상기 쿨링유닛(50)은 공기 공급 경로(51)를 통해 유입되는 공기를 열 관리계 냉각루프의 냉각수로서 수냉 식으로 냉각할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에서 상기 쿨링유닛(50)은 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수로서 공기를 냉각할 수 있다.The cooling unit 50 can cool the air introduced through the air supply path 51 as cooling water of the heat management system cooling loop by water cooling. That is, in the embodiment of the present invention, the cooling unit 50 cools the air as the stack cooling water of the stack cooling loop 11 and the electric-field cooling water of the electric-field cooling loop 21 in the high-temperature operating condition of the fuel cell stack 1 .

또한, 본 발명의 실시 예에서 상기 쿨링유닛(50)은 연료전지 스택(1)의 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수와 COD 히터(19)에 의해 승온된 스택 냉각수로서 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, the cooling unit 50 is heated by the COD heater 19 and the total cooling water of the electric-field cooling loop 21 under the normal operating condition and the cold starting operating condition of the fuel cell stack 1 The temperature of the air can be raised as the stack cooling water.

이러한 쿨링유닛(50)은 열 관리계 냉각루프의 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 라인(27)에 구성되는 제1 에어 쿨링부(61)와, 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수 라인(15)에 구성되는 제2 에어 쿨링부(71)를 포함하고 있다.The cooling unit 50 includes a first air cooling unit 61 configured in the electric cooling water line 27 of the electric cooling cooling loop 21 of the thermal management system cooling loop and a cooling fan And a second air cooling unit 71 which is constituted by the second air cooling unit 71.

여기서, 상기 쿨링유닛(50)의 제1 에어 쿨링부(61) 및 제2 에어 쿨링부(71)는 공기 압축기(5)와 연료전지 스택(1) 사이에서 가습기(7)에 일체로 구성될 수 있다.The first air cooling unit 61 and the second air cooling unit 71 of the cooling unit 50 are integrally formed with the humidifier 7 between the air compressor 5 and the fuel cell stack 1 .

예를 들면, 상기 쿨링유닛(50)의 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)는 가습기(7)의 전단 측에 연속적으로 배열(예를 들면, 직렬 배열)되게 설치될 수 있고, 가습기(7)의 전단 측에 병렬적으로 배열되게 설치될 수도 있다. 더 나아가, 상기 제1 에어 쿨링부(61)는 가습기(7)의 전단 측에 구비될 수 있고, 제2 에어 쿨링부(71)는 가습기(7)의 후단 측에 구비될 수도 있다.For example, the first and second air cooling parts 61 and 71 of the cooling unit 50 may be continuously arranged (for example, in series) on the front end side of the humidifier 7, And may be arranged in parallel on the front end side of the humidifier 7. The first air cooling unit 61 may be provided on the front end side of the humidifier 7 and the second air cooling unit 71 may be provided on the rear end side of the humidifier 7.

한편, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)은 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)를 일체로 구성될 수 있다.Meanwhile, the cooling unit 50 according to the embodiment of the present invention may be constructed integrally with the first and second air cooling units 61 and 71.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치에 적용되는 쿨링유닛 구조의 예를 개략적으로 도시한 도면이다.2 and 3 are views schematically showing an example of a cooling unit structure applied to an air cooling apparatus for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)은 스택 냉각루프(11) 및 전장 냉각루프(21)의 냉각수를 유동시키는 유로부재(81)들과, 유로부재(81)들 사이에 설치되는 방열 핀(89)을 포함한다.1 to 3, the cooling unit 50 according to the embodiment of the present invention includes flow passage members 81 for flowing cooling water of the stack cooling loop 11 and the electric-field cooling loop 21, And a heat dissipation fin (89) installed between the members (81).

상기 유로부재(81)들은 상하 방향을 따라 설정된 간격으로 이격되게 구비된다. 상기 유로부재(81)는 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 유동 통로를 내부에 형성하고 있다. 상기 유로부재(81)들의 냉각수 유동 통로에는 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로(83)와, 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로(85)를 각각 구획 형성하고 있다.The flow path members 81 are spaced apart from each other at predetermined intervals along the vertical direction. The flow path member 81 forms a cooling water flow passage for flowing cooling water therein. The cooling water flow path of the flow path member 81 is provided with a first cooling water flow path 83 for flowing electric cooling water in the electric cooling loop 21 and a second cooling water flow path 83 for flowing the stack cooling water in the stack cooling loop 11, (85).

여기서, 상기 유로부재(81)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 냉각수 유로(83)와 제2 냉각수 유로(85)를 격벽(87)을 통하여 각각 구획하고 있다.2 and 3, the flow path member 81 is formed by dividing the first cooling water flow path 83 and the second cooling water flow path 85 in the cooling water flow path inside thereof through the partition 87, .

이 경우, 상기 유로부재(81)는 격벽(87)의 위치에 따라 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적이 상이하게 변경될 수 있다.In this case, the flow path cross-sectional area of the first and second cooling water flow paths 83 and 85 may be changed according to the position of the partition 87 in the flow path member 81.

예를 들면, 상기 유로부재(81)는 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수 유동 통로의 중앙부에 격벽(87)을 설치하여 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적을 동일하게 구획 설정할 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, the passage member 81 is provided with a partition 87 at the center of the cooling water flow passage, and the first and second cooling water passages 83 and 85 are formed in the cooling water flow passage, The flow path cross-sectional area of the flow path can be set equally.

또한, 상기 유로부재(81)는 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각수의 유량, 압력, 및 관로 단면적 등의 조건에 따라 냉각수 유동 통로의 중앙부를 벗어난 위치에 격벽(87)을 설치하여 내부의 냉각수 유동 통로에서 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)의 유로 단면적을 상이하게 구획 설정할 수도 있다.3, the flow path member 81 is provided with a partition 87 at a position deviated from the center of the cooling water flow passage according to conditions such as flow rate, pressure, and cross-sectional area of the cooling water, The flow path cross-sectional area of the first and second cooling water flow paths 83 and 85 may be divided and set differently in the flow path.

상기에서 방열 핀(89)은 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)에서 유로부재(81)와 연결되게 설치되는 바, 공기 유로(88)를 따라 유동하는 공기와 유로부재(81)의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수의 열 교환이 이루어진다.The heat radiating fins 89 are installed in the air flow path 88 between the flow path members 81 so as to be connected to the flow path member 81. The air flowing through the air flow path 88 and the flow path member 81, Heat exchange of the electric cooling water and the stack cooling water flowing along the first and second cooling water flow paths 83,

상기한 바 있는 본 발명의 실시 예에 의한 상기 쿨링유닛(50)의 제1 및 제2 에어 쿨링부(61, 71)는 유로부재(81)들과 방열 핀(89)을 통하여 일체로 구성될 수 있다.The first and second air cooling parts 61 and 71 of the cooling unit 50 according to the embodiment of the present invention described above are integrally formed through the flow path members 81 and the heat radiating fins 89 .

즉, 상기 제1 에어 쿨링부(61)는 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)와 방열 핀(89)으로 구성될 수 있고, 상기 제2 에어 쿨링부(71)는 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)와 방열 핀(89)으로 구성될 수 있다.That is, the first air cooling part 61 may be composed of the first cooling water flow path 83 and the heat radiating fin 89 of the flow path member 81, and the second air cooling part 71 may be formed of the flow path member 81) and the heat radiating fins (89).

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들과 함께 도 4 및 도 5를 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the air cooling apparatus 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 together with the drawings disclosed above.

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지용 공기 냉각장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.4 and 5 are views for explaining the operation of the air cooling apparatus for a fuel cell according to the embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서 전장 냉각루프(21)에서는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)으로 순환시킨다.4, in the electric-field cooling loop 21, the electric-field cooling water is supplied to the auxiliary radiator 29 through the electric-field cooling water line 27 by the pumping pressure of the electric-field cooling pump 24, (23) and electric component (25).

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 전장 냉각수로 냉각하고, 그 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하며 데워진 전장 냉각수를 보조 라디에이터(29)를 통해 냉각한다.In the embodiment of the present invention, the driving motor 23 and the electric component 25 are cooled by the electric cooling water, and the electric motor cooling water is cooled by cooling the driving motor 23 and the electric component 25 to the auxiliary radiator 29, Lt; / RTI >

한편, 본 발명의 실시 예에서 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 제어기(16)에 의해 연료전지 스택(1)의 운전 조건이 고온 운전 조건인 것으로 판단되면, 제어기(16)는 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)에 제어신호를 인가하여 밸브(14)를 폐쇄한다.On the other hand, in the embodiment of the present invention, the controller 16 controls the temperature of the fuel cell stack 1 by the controller 16 according to the air temperature at the outlet side of the air compressor 5 sensed by the temperature sensor, If it is determined that the operating condition is a high temperature operating condition, the controller 16 applies a control signal to the valve 14 of the stack cooling loop 11 to close the valve 14.

상기한 스택 냉각루프(11)에서는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시킨다.The stack cooling loop 11 circulates the stack cooling water to the main radiator 17 and the fuel cell stack 1 through the stack cooling water line 15 by the pumping pressure of the stack cooling pump 13. [

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)을 스택 냉각수로 냉각하고, 그 연료전지 스택(1)을 냉각하며 데워진 스택 냉각수를 메인 라디에이터(17)를 통해 냉각한다.Then, in the embodiment of the present invention, the fuel cell stack 1 is cooled with the stack cooling water, the fuel cell stack 1 is cooled, and the heated stack cooling water is cooled through the main radiator 17.

이러는 과정에 공기 압축기(5)는 외부 공기를 흡입 및 압축하며 그 압축된 공기를 공기 공급 경로(51)를 통해 가습기(7)로 공급하는데, 고온 운전 조건에서는 최대 150도의 공기를 가습기(7)로 공급한다.In this process, the air compressor 5 sucks and compresses the outside air, and supplies the compressed air to the humidifier 7 through the air supply path 51. In the high temperature operating condition, .

다른 한편, 상기 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수는 전장 냉각수 라인(27)을 통해 순환하면서 쿨링유닛(50)의 제1 에어 쿨링부(61)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동한다.On the other hand, the electric cooling water in the electric-field cooling loop 21 is circulated through the electric-field cooling water line 27 and flows into the first air cooling portion 61 of the cooling unit 50, 1 cooling water flow path 83 as shown in Fig.

그리고, 상기 스택 냉각루프(11)에서의 스택 냉각수는 스택 냉각수 라인(15)을 통해 순환하면서 쿨링유닛(50)의 제2 에어 쿨링부(71)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동한다.The stack cooling water in the stack cooling loop 11 circulates through the stack cooling water line 15 and flows into the second air cooling unit 71 of the cooling unit 50. The second cooling air And flows along the cooling water flow path (85).

여기서, 상기 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하며, 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하는 전장 냉각수의 온도는 예를 들어, 최대 70도까지 올라간다.Here, the temperature of the electric field cooling water flowing along the first cooling water flow path 83 of the flow path member 81 and cooling the drive motor 23 and the electric component 25 is increased up to, for example, 70 degrees.

그리고, 상기 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하며, 연료전지 스택(1)을 냉각하는 스택 냉각수의 온도는 예를 들어, 최대 100도까지 올라간다. 이에, 상기 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하는 스택 냉각수는 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하는 전장 냉각수에 의해 냉각되며, 온도가 낮아지게 된다.The temperature of the stack cooling water flowing along the second cooling water flow path 85 of the flow path member 81 and cooling the fuel cell stack 1 is raised to, for example, 100 degrees. The stack cooling water flowing along the second cooling water flow path 85 of the flow path members 81 is cooled by the cooling water flowing along the first cooling water flow path 83 and the temperature is lowered.

이 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(5)로부터 공기 공급 경로(51)를 통해 공급되는 비교적 고온의 공기를 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)로 유동시킨다.In this process, in the embodiment of the present invention, relatively high temperature air supplied from the air compressor 5 through the air supply path 51 flows into the air flow path 88 between the flow path members 81.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 공기의 열을 방열 핀(89)을 통해 유로부재(81)들로 전달하며 그 유로부재(81)의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수에 의해 열을 방출하며, 공기를 냉각할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the heat of the air is transmitted to the flow path member 81 through the heat dissipation fin 89 and flows along the first and second cooling water flow paths 83 and 85 of the flow path member 81 Heat is discharged by the whole-body cooling water and the stack cooling water, and the air can be cooled.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서 쿨링유닛(50)을 통하여 공기를 냉각하며, 그 냉각된 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the air can be cooled through the cooling unit 50 in the high-temperature operating condition of the fuel cell stack 1, and the cooled air can be supplied to the humidifier 7.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 스택 냉각루프(11)에서 제어기(16)에 의해 밸브(14)를 제어하며, 연료전지 스택(1)의 고온 운전 조건에서도 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수를 통하여 공기를 냉각할 수 있다.Thus, in the embodiment of the present invention, the controller 14 controls the valve 14 by the controller 16 in the stack cooling loop 11 and controls the electric cooling water of the electric-field cooling loop 21 and the electric- It is possible to cool the air through the stack cooling water in the stack cooling loop 11.

도 5를 참조하면, 우선 본 발명의 실시 예에서 전장 냉각루프(21)에서는 전장 냉각펌프(24)의 펌핑 압력에 의해 전장 냉각수를 전장 냉각수 라인(27)을 통하여 보조 라디에이터(29)와 구동모터(23) 및 전장 부품(25)으로 순환시킨다.5, in the electric-field cooling loop 21 in the embodiment of the present invention, electric-field cooling water is supplied to the auxiliary radiator 29 through the electric-field cooling water line 27 by the pumping pressure of the electric-field cooling pump 24, (23) and electric component (25).

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 전장 냉각수로 냉각하고, 그 구동모터(23) 및 전장 부품(25)을 냉각하며 데워진 전장 냉각수를 보조 라디에이터(29)를 통해 냉각한다.In the embodiment of the present invention, the driving motor 23 and the electric component 25 are cooled by the electric cooling water, and the electric motor cooling water is cooled by cooling the driving motor 23 and the electric component 25 to the auxiliary radiator 29, Lt; / RTI >

한편, 본 발명의 실시 예에서 온도 센서에 의해 감지된 공기 압축기(5) 출구 측에서의 공기 온도, 외기 온도 또는 연료전지 스택(1)의 온도에 따라 제어기(16)에 의해 연료전지 스택(1)의 운전 조건이 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건인 것으로 판단되면, 제어기(16)는 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)에 제어신호를 인가하여 밸브(14)를 개방한다.On the other hand, in the embodiment of the present invention, the controller 16 controls the temperature of the fuel cell stack 1 by the controller 16 according to the air temperature at the outlet side of the air compressor 5 sensed by the temperature sensor, If it is determined that the operation condition is the normal operation condition and the cold start operation condition, the controller 16 applies a control signal to the valve 14 of the stack cooling loop 11 to open the valve 14.

상기한 스택 냉각루프(11)에서는 스택 냉각펌프(13)의 펌핑 압력에 의해 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 메인 라디에이터(17)와 연료전지 스택(1)으로 순환시키는 과정에, 바이패스 라인(18)을 통해 스택 냉각수를 , COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)로 유동시킨다.In the process of circulating the stack cooling water to the main radiator 17 and the fuel cell stack 1 through the stack cooling water line 15 by the pumping pressure of the stack cooling pump 13 in the stack cooling loop 11, The stack cooling water flows through the pass line 18 to the COD (Cathode Oxygen Depletion) heater 19.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 가열하며 그 가열된 스택 냉각수를 스택 냉각수 라인(15)을 통하여 연료전지 스택(1)으로 공급한다.Then, in the embodiment of the present invention, the stack cooling water is heated through the COD (Cathode Oxygen Depletion) heater 19 and the heated stack cooling water is supplied to the fuel cell stack 1 through the stack cooling water line 15. [

이러는 과정에 공기 압축기(5)는 외부 공기를 흡입 및 압축하며 그 압축된 공기를 공기 공급 경로(51)를 통해 가습기(7)로 공급한다.In this process, the air compressor (5) sucks and compresses the outside air, and supplies the compressed air to the humidifier (7) through the air supply path (51).

다른 한편, 상기 전장 냉각루프(21)에서의 전장 냉각수는 전장 냉각수 라인(27)을 통해 순환하면서 쿨링유닛(50)의 제1 에어 쿨링부(61)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동한다.On the other hand, the electric cooling water in the electric-field cooling loop 21 is circulated through the electric-field cooling water line 27 and flows into the first air cooling portion 61 of the cooling unit 50, 1 cooling water flow path 83 as shown in Fig.

그리고, 상기 스택 냉각루프(11)에서 COD(Cathode Oxygen Depletion) 히터(19)에 의해 가열된 스택 냉각수는 스택 냉각수 라인(15)을 통해 쿨링유닛(50)의 제2 에어 쿨링부(71)로 유입되는데, 유로부재(81)들의 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동한다.The stack cooling water heated by the COD (Cathode Oxygen Depletion) heater 19 in the stack cooling loop 11 flows through the stack cooling water line 15 to the second air cooling unit 71 of the cooling unit 50 And flows along the second cooling water flow path 85 of the flow path member 81.

이에, 상기 유로부재(81)들의 제1 냉각수 유로(83)를 따라 유동하는 전장 냉각수는 제2 냉각수 유로(85)를 따라 유동하는 스택 냉각수에 의해 데워지며 온도가 올라가게 된다.Thus, the electric cooling water flowing along the first cooling water flow path 83 of the flow path members 81 is heated by the stack cooling water flowing along the second cooling water flow path 85, and the temperature is raised.

이 과정에, 본 발명의 실시 예에서는 공기 압축기(5)로부터 공기 공급 경로(51)를 통해 공급되는 비교적 저온의 공기를 유로부재(81)들 사이의 공기 유로(88)로 유동시킨다.In this process, relatively low-temperature air supplied from the air compressor 5 through the air supply path 51 flows into the air flow path 88 between the flow path members 81 in the embodiment of the present invention.

그러면, 본 발명의 실시 예에서는 유로부재(81)들의 제1 및 제2 냉각수 유로(83, 85)를 따라 유동하는 전장 냉각수 및 스택 냉각수의 열을 유로부재(81)들을 통해 방열 핀(89)으로 전달하며, 그 방열 핀(89)을 통해 방출되는 열로서 공기의 온도를 상승시킬 수 있다.In the embodiment of the present invention, the heat of the cooling water and the cooling water flowing along the first and second cooling water flow passages 83 and 85 of the flow path member 81 flows through the flow path member 81 through the heat dissipation fin 89, And the temperature of the air can be raised as heat radiated through the heat-radiating fins 89.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택(1)의 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 쿨링유닛(50)을 통하여 공기의 온도를 상승시키며, 그 공기를 가습기(7)로 공급할 수 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the temperature of the air is raised through the cooling unit 50 in the normal operation condition and the cold start operation condition of the fuel cell stack 1, and the air can be supplied to the humidifier 7.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 정상 운전 조건 및 냉 시동 운전 조건에서 제어기(16)에 의해 스택 냉각루프(11)의 밸브(14)를 제어하여 COD 히터(19)를 통해 스택 냉각수를 승온시키며, 공기 압축기(5)로부터 연료전지 스택(1)으로 공급되는 공기의 온도를 전장 냉각루프(21)의 전장 냉각수 및 스택 냉각루프(11)의 스택 냉각수 상승시킴으로써, 냉 시동 시간을 단축할 수 있다.Thus, in the embodiment of the present invention, the controller 16 controls the valve 14 of the stack cooling loop 11 in the normal operation condition and the cold start operation condition to raise the temperature of the stack cooling water through the COD heater 19, The cold start time can be shortened by raising the temperature of the air supplied from the air compressor 5 to the fuel cell stack 1 by raising the total cooling water of the electric-field cooling loop 21 and the stack cooling water of the stack cooling loop 11. [

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Other embodiments may easily be proposed by adding, changing, deleting, adding, etc., but this is also within the scope of the present invention.

1: 연료전지 스택 3: 공기 공급계
5: 공기 압축기 7: 가습기
9: TMS 11: 스택 냉각루프
13: 스택 냉각펌프 14: 밸브
15: 스택 냉각수 라인 16: 제어기
17: 메인 라디에이터 18: 바이패스 라인
19: COD 히터 21: 전장 냉각루프
23: 구동모터 24: 전장 냉각펌프
25: 전장 부품
27: 전장 냉각수 라인 29: 보조 라디에이터
50: 쿨링유닛 51: 공기 공급 경로
61: 제1 에어 쿨링부 71: 제2 에어 쿨링부
81: 유로부재 83: 제1 냉각수 유로
85: 제2 냉각수 유로 87: 격벽
88: 공기 유로 89: 방열 핀
100: 공기 냉각장치 1: Fuel cell stack 3: Air supply system
5: air compressor 7: humidifier
9: TMS 11: stack cooling loop
13: Stack cooling pump 14: Valve
15: Stack cooling water line 16: Controller
17: main radiator 18: bypass line
19: COD heater 21: electric field cooling loop
23: drive motor 24: full length cooling pump
25: Electric parts
27: electric cooling water line 29: auxiliary radiator
50: cooling unit 51: air supply path
61: first air cooling unit 71: second air cooling unit
81 flow path member 83: first cooling water flow path
85: second cooling water channel 87: partition wall
88: air flow path 89: heat dissipation pin
100: air cooling device

Claims (10)

냉각수로서 연료전지 스택을 냉각하는 스택 냉각루프와, 냉각수로서 구동모터 및 전장 부품을 냉각하는 전장 냉각루프를 포함하고, 상기 스택 냉각루프에서 밸브를 통해 냉각수의 유동을 가변하며, COD 히터를 통해 냉각수를 가열하는 연료전지 시스템의 열관리계 냉각루프에서,
상기 열관리계 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되되, 공기 압축기를 통해 압축된 공기를 상기 스택으로 공급하는 공기 공급 경로에 설치되며, 공기를 상기 냉각수로서 냉각하는 쿨링유닛;
을 포함하고,
상기 쿨링유닛은 상기 전장 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제1 에어 쿨링부와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수 라인에 구성되는 제2 에어 쿨링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.A stack cooling loop for cooling the fuel cell stack as cooling water; and an electric cooling cooling loop for cooling the driving motor and electrical components as cooling water, wherein the stack cooling loop varies the flow of cooling water through the valve, In the thermal management system cooling loop of the fuel cell system,
A cooling unit installed in a cooling water line of the thermal management system cooling loop and installed in an air supply path for supplying compressed air through the air compressor to the stack and cooling air as the cooling water;
/ RTI >
Wherein the cooling unit includes a first air cooling unit configured in a cooling water line of the electric-field cooling loop, and a second air cooling unit configured in a cooling water line of the stack cooling loop. 제1 항에 있어서,
상기 쿨링유닛은,
상기 공기 압축기와 상기 스택 사이에서 가습기에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 1,
The cooling unit includes:
And a humidifier provided between the air compressor and the stack. 제1 항에 있어서,
상기 쿨링유닛은,
상기 전장 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제1 냉각수 유로와, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 유동시키는 제2 냉각수 유로를 내부에 각각 구획 형성하는 유로부재들과,
상기 유로부재들 사이의 공기 유로에서 상기 유로부재와 연결되게 설치되는 방열 핀
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 1,
The cooling unit includes:
Flow path members for partitioning a first cooling water flow path for flowing cooling water of the electric field cooling loop and a second cooling water flow path for flowing cooling water of the stack cooling loop,
And a heat dissipation fin provided in the air flow path between the flow path members so as to be connected to the flow path member
And an air cooling device for the fuel cell. 제3 항에 있어서,
상기 유로부재들의 상기 제1 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제1 에어 쿨링부로 구성되고,
상기 유로부재들의 상기 제2 냉각수 유로와 상기 방열 핀은 상기 제2 에어 쿨링부로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method of claim 3,
Wherein the first cooling water flow path and the heat radiating fin of the flow path members comprise the first air cooling portion,
And the second cooling water flow path of the flow path members and the heat radiating fin constitute the second air cooling portion. 제3 항에 있어서,
상기 유로부재는,
상기 제1 냉각수 유로 및 제2 냉각수 유로를 격벽으로 각각 구획하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method of claim 3,
Wherein:
And the first cooling water passage and the second cooling water passage are partitioned by partition walls, respectively. 제1 항에 있어서,
상기 스택의 고온 운전 조건에서는,
상기 전장 루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하고,
상기 밸브를 폐쇄하며, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 스택 및 상기 제2 에어 쿨링부로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 1,
At high temperature operating conditions of the stack,
Cooling water of the full-length loop is supplied to the first air cooling unit,
And closes the valve, and supplies cooling water of the stack cooling loop to the stack and the second air cooling unit. 제6 항에 있어서,
상기 밸브는 스택의 온도에 따라 항시 개폐되되, 상기 스택의 온도가 증가함에 따라 상기 밸브의 개방 각도를 감소시키고, 상기 스택의 온도가 감소함에 따라 상기 밸브의 개방 정도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 6,
Wherein the valve is always open or closed in response to the temperature of the stack to reduce the opening angle of the valve as the temperature of the stack increases and increases the degree of opening of the valve as the temperature of the stack decreases. Battery air cooling system. 제6 항에 있어서,
상기 스택의 고온 운전 조건은,
상기 공기 압축기의 출구 온도 또는 상기 스택의 온도 기준인 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 6,
The high temperature operating condition of the stack,
An outlet temperature of the air compressor, or a temperature of the stack. 제1 항에 있어서,
상기 스택의 냉 시동 운전 조건에서는,
상기 전장 루프의 냉각수를 상기 제1 에어 쿨링부로 공급하며,
상기 밸브를 개방하고, 상기 스택 냉각루프의 냉각수를 상기 COD 히터를 통해 가열하며 상기 제2 에어 쿨링부로 공급하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 1,
In the cold starting operation condition of the stack,
Supplying cooling water of the full-length loop to the first air cooling unit,
The valve is opened, and the cooling water in the stack cooling loop is heated through the COD heater and supplied to the second air cooling unit. 제1 항에 있어서,
상기 스택 냉각루프에서 상기 밸브의 개폐는,
상기 공기 압축기를 통해 상기 스택으로 공급되는 공기의 온도에 따라 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 공기 냉각장치.The method according to claim 1,
Opening and closing the valve in the stack cooling loop,
Wherein the air is supplied to the stack through the air compressor and is controlled by the controller according to the temperature of the air supplied to the stack.
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