KR20230163448A - Fuel cell cooling system and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일 라디에이터(6) 및 단일 서모스탯(3)을 갖는 3개의 회로(c1, c2, c3)를 구현하는 연료 전지(1)의 냉각 시스템 및 방법에 관한 것으로, 회로들 중 하나는 연료 전지(1)에 의해 발생된 열의 회수를 위해 랭킨 사이클에서 동작하는 폐쇄 루프 회로이다. The invention relates to a system and method for cooling a fuel cell (1) implementing three circuits (c1, c2, c3) with a single radiator (6) and a single thermostat (3), one of which is fuel It is a closed loop circuit operating in the Rankine cycle for recovery of heat generated by the battery (1).
Description
본 발명은 연료 전지, 특히 차량 내의 특히 내장된 연료 전지의 냉각 분야에 관한 것이다.The present invention relates to the field of cooling of fuel cells, particularly fuel cells embedded in vehicles.
많은 연구들은 현재 전기 기계들에 의해 구동되는 차량들과 같은 내장 애플리케이션 뿐만 아니라 고정 애플리케이션에 전력을 공급하기 위한 전력 소스들로서 연료 전지들의 개발에 전념하고 있다. 실제로, 연료 전지의 환경적 이점 (높은 전기 및 에너지 효율, 매우 낮은 유해 가스 배출, 낮은 소음, 국지적 생산 등)은 특히 운송 분야에서 중요한 자산이 되고 있다.Much research is currently devoted to the development of fuel cells as power sources for powering stationary applications as well as embedded applications such as vehicles driven by electric machines. In fact, the environmental advantages of fuel cells (high electrical and energy efficiency, very low harmful gas emissions, low noise, local production, etc.) make them an important asset, especially in the transportation sector.
연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있게 한다. 수소/산소 연료 전지의 경우, 수반되는 화학 반응은 산소 내의 수소의 연소이고, 반응은 다음 식으로 표기될 수 있다: Fuel cells allow converting chemical energy into electrical energy. For hydrogen/oxygen fuel cells, the chemical reaction involved is the combustion of hydrogen in oxygen, and the reaction can be written as:
연료 전지에서, 수소의 전기화학적 산화는 전도성 촉매 물질로 구성된 애노드에서 일어나는 반면, 산소의 전기화학적 환원은 동일한 촉매 물질로 일반적으로 구성된 캐소드에서 일어난다. 또한, 양극 및 음극 구획은 양성자 또는 이온 교환을 가능하게 하는 전해질에 의해 분리된다.In a fuel cell, the electrochemical oxidation of hydrogen occurs at an anode composed of a conducting catalytic material, while the electrochemical reduction of oxygen occurs at a cathode generally composed of the same catalytic material. Additionally, the anode and cathode compartments are separated by an electrolyte that allows proton or ion exchange.
자동차(motor vehicle)에 있어서, 현재, 가장 유망한 연료 전지는 중합체 전해질막 전지(polymer electrolyte membrane cells)로 알려진 것들로서, 이들은 자동차 상의 병(bottle on board vehicle)으로부터, 또는 자동차에서 수소를 직접 생산하는 유닛으로부터 수소 공급원으로부터 작동한다. 따라서, 수소는 메탄올, 가솔린, 디젤 연료 등과 같은 적합한 연료 상에서 작동하는 개질기를 사용하여 직접 생성될 수 있다. 전술한 유형의 자동차에서, 자동차에 전력을 공급하는 전기 모터 및 상기 모터, 가능하게는 장착되는 경우에 그의 배터리의 파워 컨트롤 뿐만 아니라, 연료 전지 자체도 냉각될 필요가 있는데, 왜냐하면 이것은 전극들에서 일어나는 화학 반응과 막에서의 옴 손실에 관련된 열 손실을 생성하기 때문이다.For motor vehicles, currently, the most promising fuel cells are those known as polymer electrolyte membrane cells, which produce hydrogen from a bottle on board vehicle or directly in the car. Operates from a hydrogen source from the unit. Therefore, hydrogen can be produced directly using a reformer operating on suitable fuels such as methanol, gasoline, diesel fuel, etc. In vehicles of the type described above, not only the electric motor that powers the vehicle and the power control of said motor, and possibly its battery if fitted, but also the fuel cell itself needs to be cooled, since this occurs at the electrodes. This is because it creates heat losses related to chemical reactions and ohmic losses in the membrane.
연료 전지에 의해 발생된 열은 일반적으로 에너지를 잃는데, 이는 시스템의 전체 효율을 증가시키기 위해 회복하는 것이 흥미로울 것이다.The heat generated by a fuel cell typically loses energy, which it would be interesting to recover to increase the overall efficiency of the system.
연료 전지 냉각 관리와 관련된 이러한 문제점들은 특히 차량사의 특히 내장 애플리케이션들에 대해 제약된다. 실제로, 냉각 및 열 회수 시스템의 사이징은 이용가능한 공간으로 조정될 필요가 있다.These problems associated with fuel cell cooling management are particularly limiting for automotive applications, particularly for on-board applications. In practice, the sizing of the cooling and heat recovery system needs to be adjusted to the available space.
널리 알려진 바와 같이, 랭킨 사이클은 외부 열원으로부터 오는 열이 작동 유체 또는 열 전달 유체라고 지칭되는 유체를 포함하는 폐쇄 루프 회로에 전달되는 열역학적 사이클이다. 이 사이클이 유기 유체를 사용하는 경우, 유기 랭킨 사이클 또는 ORC라고 지칭된다. 이러한 유형의 사이클은 일반적으로 액체 형태로 사용되는 작동 유체가 등엔트로피 방식으로 압축되는 단계와, 그 후에 이 압축된 액체 유체가 열원과 접촉하여 가열되고 증발되는 단계로 나누어진다. 이러한 증기는 그 후에 다른 단계에서 팽창 머신에서 등엔트로피 방식으로 팽창된 후, 마지막 단계에서 이 팽창된 증기는 냉원과 접촉하여 냉각되고 응축된다. 이러한 다양한 단계들을 수행하기 위해, 회로는 일반적으로 액체 형태로 유체를 순환 및 압축하기 위한 압축기 펌프, 이 압축된 유체의 적어도 부분적인 증발을 위해 고온 유체에 의해 스위핑되는 증발기, 과열 증기를 팽창시키기 위한 팽창 머신, 예를 들어 이러한 증기의 에너지를 기계 또는 전기 에너지와 같은 다른 에너지로 변환시키는 터빈, 및 이러한 증기를 액체 형태의 유체로 변환시키도록 증기에 함유된 열이 냉원, 일반적으로 이러한 응축기를 스위핑하는 외부 공기 또는 저온 액체 루프로 보내어지는 응축기를 포함한다.As is widely known, the Rankine cycle is a thermodynamic cycle in which heat from an external heat source is transferred to a closed loop circuit containing a fluid called a working fluid or heat transfer fluid. When this cycle uses organic fluids, it is referred to as the organic Rankine cycle, or ORC. This type of cycle is generally divided into a phase in which the working fluid, used in liquid form, is compressed isentropically, and then this compressed liquid fluid is heated and evaporated in contact with a heat source. This vapor is then expanded isentropically in an expansion machine in another stage, and then in the last stage this expanded vapor is cooled and condensed in contact with a cold source. To carry out these various steps, the circuit generally consists of a compressor pump for circulating and compressing the fluid in liquid form, an evaporator swept by a hot fluid for at least partial evaporation of this compressed fluid, and an evaporator for expanding the superheated vapor. Expansion machines, e.g. turbines, which convert the energy of these vapors into other energy, such as mechanical or electrical energy, and sweep the heat contained in the vapors into a cold source, typically such condensers, to convert these vapors into a fluid in liquid form. A condenser is sent to the outside air or cold liquid loop.
연료 전지 분야에서, 종래의 랭킨 사이클은 연료 전지의 열 손실의 유효성(valorization)을 위해 열 캐리어 유체 루프를 삽입하는 것으로 구성될 수 있고, 이러한 회복은 연료 전지 냉각 회로에서 특히 달성될 수 있다.In the field of fuel cells, the conventional Rankine cycle can consist of inserting a heat carrier fluid loop for valorization of the heat loss of the fuel cell, and this recovery can be achieved especially in the fuel cell cooling circuit.
이러한 조건하에서, 그 효율에 영향을 미칠 수 있는 연료 전지의 예열(warm-up)에 불이익을 주지 않기 위해, 특히 저온 연료 전지의 경우(예열 동안)에 회수를 제어할 필요가 있다. 연료 전지가 그의 이상적인 작동 온도에 도달하면, 랭킨 회로 교환기로부터 하류에 배열된 서모스탯은 랭킨 사이클에 의해 수집되지 않은 냉각 회로의 초과 칼로리를 라디에이터로 다시 보낸다.Under these conditions, it is necessary to control recovery, especially in the case of low-temperature fuel cells (during warm-up), so as not to penalize the warm-up of the fuel cell, which may affect its efficiency. When the fuel cell reaches its ideal operating temperature, a thermostat arranged downstream from the Rankine circuit exchanger sends excess calories in the cooling circuit that are not collected by the Rankine cycle back to the radiator.
경량 또는 중량 차량의 경우, 증가된 냉각 요건들 및 상이한 제어 온도 레벨들, 즉 연료 전지의 경우 80℃ 내지 100℃의 고온(HT) 및 전기 기계, 배터리들, 전기 컴포넌트들 및 연료 전지 전력 공급부의 경우 30℃ 내지 60℃ 의 저온(LT)은 차량의 전방 단부에서 각각의 회로의 열량을 비우기 위해 여러 개의 라디에이터들뿐만 아니라 여러 개의 전용 및 개별 냉각 회로들을 사용하는 것을 필요로 한다. 차량의 복잡성 증가 및 냉각을 필요로 하는 기능의 추가로 인해, 전방 단부에 라디에이터들을 수용하기 위한 이용가능한 공간은 매우 제한적이며, 이용가능한 공간을 최적화하는 것이 필요하다. 고온 라디에이터와 저온 라디에이터는 종종 마스킹 효과(masking effect)로 서로의 앞 또는 옆에 캐스케이드(cascade)로 배열되며, 이는 그들의 효율에 영향을 미치고 응축기에 대한 냉각을 필요로 하는 저온 ORC 의 추가시에 요구되는 유용한 냉각력을 증가시킬 기회를 거의 남기지 않는다.For light or heavy vehicles, increased cooling requirements and different control temperature levels, i.e. high temperature (HT) of 80°C to 100°C for the fuel cell and of the electric machine, batteries, electrical components and fuel cell power supply. Low temperatures (LT) of 30°C to 60°C require the use of multiple dedicated and individual cooling circuits as well as multiple radiators to drain heat from each circuit at the front end of the vehicle. Due to the increasing complexity of vehicles and the addition of functions requiring cooling, the available space for accommodating radiators at the front end is very limited and it is necessary to optimize the available space. High and low temperature radiators are often arranged in cascade in front of or next to each other in a masking effect, which affects their efficiency and is required when adding a low temperature ORC that requires cooling to the condenser. This leaves little opportunity to increase the useful cooling power available.
특허 출원 CN-111,911,254 는 ORC 시스템 및 연료 전지를 냉각시키기 위한 공유 단일 공기 라디에이터를 갖는 냉각 장치를 제공한다. 이 시스템은 냉각 기능들 중 하나 또는 다른 하나에 사용될 라디에이터를 위한 2방향, 3방향 및 4방향 밸브들을 필요로 한다. 따라서, 이러한 구성은 많은 액추에이터들을 갖는 복잡한 구성이다. 게다가, ORC 사이클의 증발기는 밸브들 중 하나로부터 하류에 배치되며, 이는 증발기 내로의 냉각제의 통과를 위한 특정 제어를 필요로 한다.Patent application CN-111,911,254 provides a cooling device with a shared single air radiator for cooling the ORC system and fuel cells. The system requires two-way, three-way and four-way valves for the radiator to be used for one or the other of the cooling functions. Therefore, this configuration is a complex configuration with many actuators. Moreover, the evaporator of the ORC cycle is located downstream from one of the valves, which requires specific control of the passage of coolant into the evaporator.
특허 출원 CN-110,911,711 은 공기 압축기에 필요한 에너지를 제한하기 위해, 연료 전지의 공기 압축기와 ORC 터빈을 결합하는 것에 관한 것이다. 단일 라디에이터가 이 시스템에 사용되지만, 이 시스템에서, ORC 루프는 전달 루프로서 사용되며, 이는 특정 통합을 필요로 하고 ORC 루프를 통과하지 않고서 연료 전지의 냉각을 가능하게 하지 않는다.Patent application CN-110,911,711 relates to combining an ORC turbine with a fuel cell air compressor to limit the energy required for the air compressor. A single radiator is used in this system, but in this system, the ORC loop is used as a transfer loop, which requires specific integration and does not enable cooling of the fuel cell without passing through the ORC loop.
특허 출원 JP-2009/283,178 은 ORC 시스템과 차량용 연료 전지의 결합에 관한 것이다. 이러한 결합은 2개의 독립적인 라디에이터, 즉 연료 전지를 위한 라디에이터 및 ORC 사이클을 위한 라디에이터를 필요로 한다.Patent application JP-2009/283,178 relates to the combination of an ORC system with a vehicle fuel cell. This combination requires two independent radiators, one for the fuel cell and one for the ORC cycle.
또한, 여러 특허 출원(US-2016/156,083, US-2010/291,455)은, 연료 전지의 배기 부분 또는 냉각 부분에서, 전기적으로 연료 전지의 열 손실의 유효성을 위해 연료 전지와 ORC 시스템을 결합하는 것에 관한 것이다. 대부분의 특허들은 고정 애플리케이션을 위한 고온형 연료 전지(예를 들어, 고체 산화물 연료 전지 SOFC 또는 용융 탄산염 연료 전지 MCFC)에 관한 것이며, 따라서 이들은 감소된 풋프린트 목적을 위한 연료 전지 냉각 시스템과 ORC 시스템의 결합을 구체적으로 다루지 않는다. 이들 특허 출원에 기술된 시스템들은 매장 연료 전지에 사용될 수 없다.In addition, several patent applications (US-2016/156,083, US-2010/291,455) discuss combining a fuel cell with an ORC system to electrically effectuate heat dissipation of the fuel cell, either in the exhaust section or in the cooling section of the fuel cell. It's about. Most of the patents relate to high temperature fuel cells (e.g. solid oxide fuel cell SOFC or molten carbonate fuel cell MCFC) for stationary applications, and thus they relate to fuel cell cooling systems and ORC systems for reduced footprint purposes. Combination is not specifically addressed. The systems described in these patent applications cannot be used in buried fuel cells.
또한, 특허 US-10,577,984 는 열원(연소 엔진 또는 다른 컨버터)의 열 에너지를, 폐열 에너지 유효화 시스템: ORC 시스템을 통해 공기 라디에이터를 특히 포함하는 냉각 시스템에 전달하기 위한 솔루션에 관한 것이다. 이 특허에서, 공기 라디에이터는 에너지 변환기, 여기에서 열 엔진, 및 저온으로 냉각될 필요가 있는 ORC 시스템 사이에서 공유된다. 몇몇 냉각 회로 아키텍처들이 이 특허에 제안된다. ORC 회로만이 라디에이터에 연결된 기본 회로가 제공된다 (이 특허의 도 1). 이러한 구성에서, ORC 시스템은 엔진의 열적 동력을 모두 포획하여 ORC 응축기를 통해서 저온 라디에이터로 전달할 수 있어야 한다. 또한, 이는 ORC 고장시에 엔진의 냉각을 가능하게 하지 않는다. 증발기는 서모스태틱 제어를 제공하는 3방향 밸브를 구비한 브랜치와 평행하게 에너지 변환기의 냉각 회로의 브랜치에 배치된다. 펌프는 냉각될 엔진과 ORC 증발기 사이에서 열전달 유체를 순환시킨다. ORC 응축기 회로는 라디에이터와 연결되지만 순환 펌프는 사용되지 않는다. 다른 구조들이 제안되는데, 하나 이상의(서모스탯-제어식) 3방향 밸브들 및 여러 펌프들은 경우에 따라 엔진 열을 ORC를 통해 라디에이터로 전달하거나, ORC를 통한 라디에이터의 최대 교환 용량들에 도달할 때 ORC 사이클을 거치지 않고서 라디에이터로 직접 전달할 수 있게 한다. 이러한 조건에서, 라디에이터에 도달하는 냉각제의 온도가 상승하고, 이는 냉각제의 교환 용량을 향상시킨다. 따라서, ORC 성능은 저하되는데, 이는 그의 저온 소스의 온도가 증가하기 때문이다.Additionally, patent US-10,577,984 relates to a solution for transferring the thermal energy of a heat source (combustion engine or other converter) via a waste heat energy conversion system: ORC system to a cooling system comprising in particular an air radiator. In this patent, an air radiator is shared between an energy converter, here a heat engine, and an ORC system that needs to be cooled to low temperatures. Several cooling circuit architectures are proposed in this patent. A basic circuit is provided with only the ORC circuit connected to a radiator (Figure 1 of this patent). In this configuration, the ORC system must be able to capture all of the engine's thermal power and transfer it to the low-temperature radiator through the ORC condenser. Additionally, this does not enable cooling of the engine in case of ORC failure. The evaporator is placed in a branch of the cooling circuit of the energy converter parallel to the branch with a three-way valve providing thermostatic control. The pump circulates the heat transfer fluid between the ORC evaporator and the engine to be cooled. The ORC condenser circuit is connected to a radiator but no circulation pump is used. Different structures are proposed, with one or more (thermostat-controlled) three-way valves and several pumps, as appropriate, to transfer engine heat to the radiator via the ORC, or to the ORC when the maximum exchange capacities of the radiator via the ORC are reached. This allows it to be delivered directly to the radiator without going through a cycle. Under these conditions, the temperature of the coolant reaching the radiator increases, which improves the exchange capacity of the coolant. Accordingly, ORC performance degrades because the temperature of its cold source increases.
이 특허의 도 2 및 3 에서 제안된 구조들에서, ORC 증발기는 3방향 밸브(서모스탯)로부터 상류에서 병렬 브랜치에 위치되며, 이는 이에 의해 회복될 수 없는 열적 과부하의 경우에 열 엔진을 라디에이터로 오프로드하도록 허용한다. 이 경우, 라디에이터로 보내진 엔진의 온수가 교차점에서 냉수와 혼합되고, 이는 ORC 회로의 냉각수의 가열을 야기하여 그 성능을 저하시키는 것으로 특정된다.In the structures proposed in Figures 2 and 3 of this patent, the ORC evaporator is located in a parallel branch upstream from the three-way valve (thermostat), thereby directing the heat engine to the radiator in case of unrecoverable thermal overload. Allow offloading. In this case, it is specified that the engine's hot water sent to the radiator mixes with cold water at the intersection, which causes heating of the coolant in the ORC circuit and reduces its performance.
본 발명은 작은 풋프린트(적용가능하다면 그의 온보드(on-board) 사용을 용이하게 하기 위해)로 그리고 단순한 설계로 연료 전지의 열을 냉각하고 회수하는 것을 목표로 한다. 본 발명은 단일 라디에이터 및 단일 서모스탯을 갖는 3개의 회로를 구현하는 연료 전지의 냉각 시스템 및 방법에 관한 것으로, 회로들 중 하나는 연료 전지에 의해 발생된 열의 회수를 위해 랭킨 사이클에서 동작하는 폐쇄 루프 회로이다. 단일 라디에이터와 단일 서모스탯은 부품의 수를 단순하게 해서, 시스템의 풋프린트를 줄일 수 있게 한다.The present invention aims to cool and recover heat in fuel cells with a small footprint (to facilitate its on-board use where applicable) and with a simple design. The present invention relates to a cooling system and method for a fuel cell implementing three circuits with a single radiator and a single thermostat, one of the circuits being a closed loop operating in the Rankine cycle for recovery of heat generated by the fuel cell. It is a circuit. A single radiator and single thermostat simplifies the component count, reducing the system's footprint.
본 발명은 특히 차량에 내장되도록 되어 있는 연료 전지, 바람직하게는 중합체 전해질막형 연료 전지 또는 고체 산화물 연료 전지, 또는 용융 탄산염 연료 전지인 연료 전지를 냉각하기 위한 냉각 시스템에 관한 것으로, 상기 냉각 시스템은 적어도 연료 전지, 증발기, 제 1 펌프, 단일 서모스탯 및 열 교환기를 포함하는 제 1 회로, 적어도 직렬로 장착된 응축기, 제 2 펌프 및 열 교환기를 포함하는 제 2 회로, 및 적어도 직렬로 장착된 상기 증발기, 상기 응축기, 터빈 및 제 3 펌프를 포함하며 랭킨 사이클에서 작동하는 제 3 회로의 3개의 폐쇄된 열적 유체 순환 회로를 포함한다. 이 냉각 시스템에서는 다음과 같다:The present invention relates in particular to a cooling system for cooling a fuel cell intended to be installed in a vehicle, preferably a fuel cell of the polymer electrolyte membrane type or a solid oxide fuel cell, or a molten carbonate fuel cell, the cooling system comprising at least A first circuit comprising a fuel cell, an evaporator, a first pump, a single thermostat and a heat exchanger, a second circuit comprising a condenser, a second pump and a heat exchanger mounted at least in series, and the evaporator mounted at least in series. , comprising three closed thermal fluid circulation circuits, the third circuit comprising the condenser, the turbine and a third pump and operating in the Rankine cycle. In this cooling system:
- 단일 냉각제가 상기 제 1 회로 및 상기 제 2 회로에서 순환하고, 작동 유체가 상기 제 3 회로에서 순환하고, - a single coolant circulates in said first and second circuits and a working fluid circulates in said third circuit,
- 상기 제 1 회로의 상기 열 교환기 및 상기 제 2 회로의 상기 열 교환기가 하나의 동일한 열 교환기이고, - the heat exchanger of the first circuit and the heat exchanger of the second circuit are one and the same heat exchanger,
- 상기 증발기는 상기 제 1 회로의 상기 냉각제가 상기 제 3 회로의 상기 작동 유체와 열을 교환하도록 구성되고, - the evaporator is configured to exchange heat with the coolant of the first circuit with the working fluid of the third circuit,
- 응축기는 상기 제 2 회로의 상기 냉각제가 상기 제 3 회로의 상기 작동 유체와 열을 교환하도록 구성된다.- The condenser is configured to exchange heat with the coolant of the second circuit with the working fluid of the third circuit.
일 실시형태에 따르면, 상기 제 1 회로는 바람직하게는 상기 증발기에 직렬 또는 병렬로 유닛 히터를 포함한다.According to one embodiment, the first circuit preferably comprises a unit heater in series or parallel to the evaporator.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 제 2 회로가, 바람직하게는 전기 배터리, 보다 바람직하게는 상기 연료 전지에 연결된 전기 배터리, 상기 연료 전지에 연결된 전기 기계, 상기 연료 전지의 공기 또는 순수 산소 공급부, 상기 연료 전지의 습윤 공기 출구 중에서 선택되는 냉각될 적어도 하나의 요소를 포함한다.According to one embodiment of the invention, the second circuit preferably comprises an electric battery, more preferably an electric battery connected to the fuel cell, an electric machine connected to the fuel cell, and an air or pure oxygen supply of the fuel cell. , comprising at least one element to be cooled selected from among the wet air outlets of the fuel cell.
일 실시형태 옵션에 따르면, 상기 제 3 회로가 냉각될 적어도 하나의 요소, 바람직하게는 상기 연료 전지의 공기 또는 순수 산소 공급부 및/또는 상기 연료 전지의 습윤 공기 출구를 포함한다.According to one embodiment option, the third circuit comprises at least one element to be cooled, preferably an air or pure oxygen supply of the fuel cell and/or a wet air outlet of the fuel cell.
일 양태에 따르면, 상기 서모스탯은 3방향 서모스탯이다.According to one aspect, the thermostat is a three-way thermostat.
변형예로서, 상기 서모스탯은 양방향 서모스탯이고, 상기 제 2 회로는 일방향으로 순환을 제한하는 논-리턴 플러그 밸브를 포함한다.In a variation, the thermostat is a two-way thermostat and the second circuit includes a non-return plug valve that limits circulation in one direction.
또한, 본 발명은 전술한 특징들 중 하나에 따른 시스템을 구현하는 연료 전지 냉각 방법에 관한 것이다. 이 방법의 경우, 상기 서모스탯이 폐쇄되고 상기 제1 펌프가 활성화되는 상기 연료 전지의 예열 단계가 수행된다.The invention also relates to a method of cooling a fuel cell implementing a system according to one of the features described above. For this method, a preheating step of the fuel cell is performed in which the thermostat is closed and the first pump is activated.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 연료 전지의 예열 단계 동안, 상기 제 2 펌프가 추가로 활성화된다. According to one embodiment of the invention, during the preheating phase of the fuel cell, the second pump is additionally activated.
본 발명은 또한 전술한 특징들 중 하나에 따른 냉각 시스템을 구현하는 연료 전지 냉각 방법에 관한 것이다. 이 방법의 경우, 상기 서모스탯을 폐쇄시키고 제1, 제2 및 제3 펌프들을 활성화하는 에너지 회수 단계가 수행된다. The invention also relates to a method for cooling a fuel cell implementing a cooling system according to one of the features described above. In this method, an energy recovery step is performed by closing the thermostat and activating the first, second and third pumps.
또한, 본 발명은 전술한 특징들 중 하나에 따른 냉각 시스템을 구현하는 연료 전지 냉각 방법에 관한 것이다. 이 방법의 경우, 상기 서모스탯이 개방되고 제1 및 제2 펌프가 활성화되는 상기 연료 전지의 전부하 작동 단계가 수행된다.The invention also relates to a method for cooling a fuel cell implementing a cooling system according to one of the above-described features. For this method, a full-load operation step of the fuel cell is performed in which the thermostat is opened and the first and second pumps are activated.
게다가, 본 발명은 특히 자동차 또는 트럭인 차량에 관한 것으로, 이는 적어도 전기 기계에 동력을 공급하는 연료 전지, 및 전술한 특징들 중 하나에 따른 냉각 시스템을 포함하고, 상기 열 교환기는 공기 공급부에 가깝게 배치된다. Furthermore, the invention relates to a vehicle, in particular a car or a truck, comprising at least a fuel cell for powering an electric machine and a cooling system according to one of the features described above, wherein the heat exchanger is located close to the air supply. It is placed.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 다른 특징들 및 이점들은, 첨부된 도면들을 참조하여, 비제한적인 예로서 주어진 실시형태들의 이후 설명을 읽는 것으로부터 명백할 것이다:
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 2 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 3 은 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 4 는 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 5 는 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 6 은 본 발명의 제 6 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 7 은 연료전지 예열 단계 동안의 제 4 실시형태에 따른 연료전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 8 은 연료전지 예열 단계 동안의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 9 는 에너지 회수 단계 동안의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 10 은 연료전지의 고부하/전부하 작동 단계 동안의 제 4 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다,
도 11 은 연료전지의 고부하/전부하 작동 단계 동안의 제 5 실시형태에 따른 연료 전지의 냉각 시스템을 도시한다. Other features and advantages of the system and method according to the invention will become apparent from reading the following description of the embodiments, given by way of non-limiting example and with reference to the accompanying drawings:
1 shows a cooling system for a fuel cell according to a first embodiment of the invention,
2 shows a cooling system of a fuel cell according to a second embodiment of the invention,
3 shows a cooling system of a fuel cell according to a third embodiment of the present invention,
4 shows a cooling system of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention,
5 shows a cooling system of a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention,
6 shows a cooling system of a fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention,
Figure 7 shows a cooling system of a fuel cell according to a fourth embodiment during the fuel cell preheating step;
Figure 8 shows the cooling system of the fuel cell according to the fifth embodiment during the fuel cell preheating step,
9 shows a cooling system of a fuel cell according to a fourth embodiment during the energy recovery phase,
Figure 10 shows a cooling system of a fuel cell according to a fourth embodiment during the high load/full load operation phase of the fuel cell,
Figure 11 shows a cooling system of a fuel cell according to the fifth embodiment during a high load/full load operation phase of the fuel cell.
본 발명은 연료 전지, 바람직하게는 내장형 애플리케이션을 위한 연료 전지를 냉각시키기 위한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system for cooling fuel cells, preferably fuel cells for embedded applications.
냉각 시스템은 열 유체의 순환을 위한 3개의 폐쇄 회로를 포함한다:The cooling system includes three closed circuits for circulation of thermal fluid:
- 적어도 연료 전지(냉각용), 증발기, 제1 펌프, 단일 서모스탯(냉각 시스템의 단일 서모스탯) 및 열 교환기를 포함하는 제1 회로,- a first circuit comprising at least a fuel cell (for cooling), an evaporator, a first pump, a single thermostat (single thermostat of the cooling system) and a heat exchanger,
- 적어도 응축기, 제2 펌프 및 열 교환기를 직렬로 포함하고, 냉각 시스템의 서모스탯에 의해 제1 회로로부터 분리되고, 제1 회로보다 낮은 온도에서 작동하는 제2 회로,- a second circuit comprising at least a condenser, a second pump and a heat exchanger in series, separated from the first circuit by a thermostat of the cooling system and operating at a lower temperature than the first circuit,
- 적어도 증발기, 터빈, 응축기 및 제3 펌프를 직렬로 포함하며 랭킨 사이클에서 작동하는 제3 회로, 이 제3 회로는 일(work) 형태로 에너지 회수 및 유효화를 허용한다.- a third circuit comprising at least an evaporator, a turbine, a condenser and a third pump in series and operating in the Rankine cycle, this third circuit allowing energy recovery and validation in the form of work.
본 발명에 따르면, 회로 면적에 따라, 제1 및 제2 회로에서는 단일의 냉각제가 액체 상태로 순환하고, 제3 회로에서는 작동 유체가 교번적으로 액체 상태 또는 기체 상태로 순환한다.According to the invention, depending on the circuit area, in the first and second circuits a single coolant circulates in liquid state, and in the third circuit the working fluid circulates alternately in liquid or gaseous state.
게다가, 제1 회로의 열 교환기 및 제2 회로의 열 교환기는 하나의 동일한 열 교환기이다. 따라서, 단일 열 교환기(또는 가능하게는 라디에이터)가 냉각 시스템에 의해 사용되며, 이는 시스템의 풋프린트가 제한되게 한다.Moreover, the heat exchanger in the first circuit and the heat exchanger in the second circuit are one and the same heat exchanger. Therefore, a single heat exchanger (or possibly a radiator) is used by the cooling system, which limits the footprint of the system.
또한, 증발기 내에서, 제1 회로의 냉각제는 제3 회로의 작동 유체와 열교환하고, 응축기 내에서, 제2 회로의 냉각제는 제3 회로의 작동 유체와 열교환한다. 따라서, 연료 전지의 냉각은 냉각제의 가열을 야기하고, 이는 제3 회로의 작동 유체를 가열하며, 이 열은 예를 들어 에너지, 전기 에너지를 생성하기 위해 제3 회로의 터빈에 사용된다.Additionally, within the evaporator, the coolant of the first circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit, and within the condenser, the coolant of the second circuit exchanges heat with the working fluid of the third circuit. Accordingly, cooling of the fuel cell causes heating of the coolant, which heats the working fluid of the third circuit, and this heat is used in a turbine of the third circuit to generate energy, for example electrical energy.
본 발명에 따른 시스템의 단일 서모스탯은 컴포넌트들의 수를 단순화할 수 있고, 따라서 또한 회로 온도 제어 기능을 보장하면서 시스템의 풋프린트를 감소시킬 수 있다. 따라서, 랭킨 사이클을 포함하는 연료 전지 냉각 시스템을 간단하게 제조할 수 있다.A single thermostat in the system according to the invention can simplify the number of components and thus reduce the footprint of the system while also ensuring circuit temperature control functionality. Therefore, a fuel cell cooling system including the Rankine cycle can be manufactured simply.
각각의 회로 내에서, 컴포넌트들은 사용되는 유체 및 그 작동 조건(특히 온도 및 압력)에 적합한 파이프들에 의해 연결된다.Within each circuit, the components are connected by pipes suitable for the fluid used and its operating conditions (in particular temperature and pressure).
유리하게는, 연료 전지는 저온 연료 전지, 예를 들어 중합체 전해질막 (PEM) 전지일 수 있다. 이러한 유형의 연료 전지는 현재 특히 그것의 비용 때문에 모바일 애플리케이션에 가장 적합하다. 또한, 연료 전지는 예를 들어, 고온 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 또는 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)일 수 있다.Advantageously, the fuel cell may be a low temperature fuel cell, for example a polymer electrolyte membrane (PEM) cell. This type of fuel cell is currently best suited for mobile applications, especially because of its cost. Additionally, the fuel cell may be, for example, a high temperature fuel cell, a solid oxide fuel cell (SOFC) or a molten carbonate fuel cell (MCFC).
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 제1 회로는 유닛 히터를 포함할 수 있다. 본 실시형태는 특히 차량에 내장된 연료 전지에 적합하다. 실제로, 유닛 히터는 특히 연료 전지 열의 방출을 가능하게 하면서, 차량 내부를 가열하기 위해 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first circuit may include a unit heater. This embodiment is particularly suitable for fuel cells built into vehicles. In practice, unit heaters can be used to heat the vehicle interior, in particular enabling the dissipation of fuel cell heat.
또한, 제1 회로는 특히 차량 내부가 가열을 필요로 하지 않을 때 유닛 히터 바이패스를 더 포함할 수 있다.Additionally, the first circuit may further include a unit heater bypass, especially when the vehicle interior does not require heating.
본 실시형태의 구현예에 따르면, 유닛 히터는 증발기와 직렬로 장착될 수 있다. 바람직하게는, 유닛 히터는 연료 전지 출구에서 냉각제가 흐르는 제1 요소이다.According to implementations of this embodiment, the unit heater may be mounted in series with the evaporator. Preferably, the unit heater is the first element through which coolant flows at the fuel cell outlet.
대안적으로, 유닛 히터는 증발기에 병렬로 장착될 수 있다.Alternatively, the unit heater may be mounted in parallel with the evaporator.
본 발명의 구현예에 따르면, 제2 회로는 냉각될 적어도 하나의 추가 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 냉각될 추가 요소는 연료 전지에 연결된다: 예를 들어, 연료 전지에 연결된 전기 배터리, 연료 전지에 의해 전력을 공급받는 전기 기계, 연료 전지의 공기 또는 순수 산소 공급부, 및 연료 전지 물 출구, 또는 임의의 다른 요소. 연료 전지의 공기 또는 순수 산소 공급부의 냉각은 연료 전지에 사용되는 압축 산소를 냉각시킬 수 있다. 연료 전지를 떠나는 수분-포화 공기가 또한 냉각될 수 있다. 따라서, 냉각 시스템은 또한 컴팩트한 방식으로 연료 전지 및 차량 구동열(drivetrain)의 다른 요소들을 냉각시킬 수 있다.According to an embodiment of the invention, the second circuit may comprise at least one additional element to be cooled. Preferably, further elements to be cooled are connected to the fuel cell: for example, an electric battery connected to the fuel cell, an electric machine powered by the fuel cell, an air or pure oxygen supply to the fuel cell, and fuel cell water. Exit, or any other element. Cooling the air or pure oxygen supply of the fuel cell can cool the compressed oxygen used in the fuel cell. The moisture-saturated air leaving the fuel cell may also be cooled. Accordingly, the cooling system can also cool the fuel cell and other elements of the vehicle drivetrain in a compact manner.
본 발명의 구현예에 따르면, 제 3 회로는 냉각될 적어도 하나의 추가 요소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 냉각될 요소는 연료 전지에 연결된다: 연료 전지의 공기 또는 순수 산소 공급부, 및 연료 전지 습윤 공기 출구. 연료 전지의 압축 공기 또는 순수 산소 공급부의 냉각은 또한 ORC 루프 내에서의 이러한 추가 교환기에 의해 달성될 수 있다. 연료 전지 배기구에서 생성되는 습윤 공기가 또한 냉각될 수 있다. 따라서, 냉각 시스템은 연료 전지, 그 압축 공기 공급부 및 그 습윤 공기 출구를 더 컴팩트한 방식으로 냉각시킬 수 있다.According to an embodiment of the invention, the third circuit may comprise at least one additional element to be cooled. Preferably, the elements to be cooled are connected to the fuel cell: an air or pure oxygen supply to the fuel cell, and a fuel cell wet air outlet. Cooling of the compressed air or pure oxygen supply of the fuel cell can also be achieved by these additional exchangers in the ORC loop. Moist air produced in the fuel cell exhaust can also be cooled. Accordingly, the cooling system can cool the fuel cell, its compressed air supply and its wet air outlet in a more compact manner.
시스템은 여러 유형의 열 교환기를 포함할 수 있다. 유닛 히터(적용가능한 경우) 및 열교환기(라디에이터)는 액체/공기 타입 교환기일 수 있다. 연료 전지, 전기 기계(적용가능한 경우) 및 배터리(적용가능한 경우)의 교환기들은 고온 본체와 액체 회로 사이의 전도 교환기들일 수 있다. 증발기 및 응축기는 액체/액체 타입 교환기일 수 있다.A system may include several types of heat exchangers. The unit heater (if applicable) and heat exchanger (radiator) may be liquid/air type exchangers. The exchangers of the fuel cell, electric machine (if applicable) and battery (if applicable) may be conductive exchangers between the hot body and the liquid circuit. The evaporator and condenser may be liquid/liquid type exchangers.
본 발명의 일 양태에 따르면, 단일 서모스탯은 연료 전지 냉각으로부터 하류에 있는 입구, 열교환기(라디에이터)에 연결된 제1 출구, 및 응축기로부터 하류에 있는 제2 회로의 브랜치에 연결된 제2 출구를 갖는 3방향 서모스탯일 수 있다.According to one aspect of the invention, a single thermostat has an inlet downstream from the fuel cell cooling, a first outlet connected to a heat exchanger (radiator), and a second outlet connected to a branch of the second circuit downstream from the condenser. It could be a three-way thermostat.
대안적으로, 단일 써모스탯은 연료 전지 냉각으로부터 하류의 입구 및 열교환기에 연결된 출구를 갖는 양방향 서모스탯일 수 있다. 이 실시예에서, 열교환기에 연결된 제2 회로의 브랜치는 연료 전지로부터 하류측의 냉각제가 제2 회로의 이 브랜치로 진입하는 것을 방지하도록, 제2 회로의 이 브랜치에서 일 방향으로의 순환을 제한하는 밸브를 포함할 수 있다. 일방향으로의 순환을 제한하는 이 밸브는 요구시에 개방 또는 폐쇄되는 파일럿-작동식 플러그 밸브일 수 있으며, 이는 논-리턴 요소(압력차를 통한 일방향 유동)를 포함한다.Alternatively, a single thermostat may be a bidirectional thermostat with an inlet downstream from the fuel cell cooling and an outlet connected to a heat exchanger. In this embodiment, the branch of the second circuit connected to the heat exchanger restricts circulation in this branch of the second circuit in one direction to prevent coolant downstream from the fuel cell from entering this branch of the second circuit. May include valves. This valve, which limits circulation in one direction, may be a pilot-operated plug valve that opens or closes on demand and contains a non-return element (one-way flow through pressure difference).
예시적인 구현예에 따르면, 냉각제는 -20/-30℃ 까지의 프로스트 내성(frost resistance)을 제공하기 위해 예를 들어 30% 내지 40%의 비율로 에틸렌 글리콜 및 물 혼합물을 포함할 수 있다. 냉각제는 부식-방지 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 대안적으로, 냉각제는 연료 전지의 작동 온도에 적합한 임의의 유형일 수 있다.According to an exemplary embodiment, the coolant may comprise a mixture of ethylene glycol and water, for example in a ratio of 30% to 40%, to provide frost resistance down to -20/-30°C. The coolant may further include anti-corrosion additives. Alternatively, the coolant may be of any type suitable for the operating temperature of the fuel cell.
본 발명의 구현예에 따르면, 제2 회로는 열교환기 입구에서 냉각제의 온도를 측정하기 위한 온도 센서를 포함할 수 있다. 이 온도 측정은 제2 회로의 온도가 모니터링될 수 있게 하고, 따라서 ORC(제3 회로)에 의한 회수의 제어를 가능하게 한다. 서모스탯의 개방에 대응하는, 이 온도 센서에 의해 측정된 주어진 온도 임계값 위에서, ORC에 의한 회수는 제3 회로를 비활성화시킴으로써 중단될 수 있는데, 이는 제1 회로로부터의 고온 유체가 제2 회로의 저온 유체와 혼합되었다는 것을 의미하고, ORC의 냉각은 지속적인 회수를 정당화하기에 만족스럽지 않을 수 있기 때문이다.According to an embodiment of the invention, the second circuit may include a temperature sensor for measuring the temperature of the coolant at the inlet of the heat exchanger. This temperature measurement allows the temperature of the second circuit to be monitored and thus control of recovery by the ORC (third circuit). Above a given temperature threshold measured by this temperature sensor, corresponding to the opening of the thermostat, recovery by the ORC can be stopped by deactivating the third circuit, which allows hot fluid from the first circuit to flow into the second circuit. This means that it has been mixed with a low-temperature fluid, and cooling of the ORC may not be satisfactory to justify continued recovery.
도 1 은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 이 도면에서, 실선은 파이프를 나타내고, 화살표는 예를 들어 라디에이터인 열교환기(6)에서 열을 교환하는 공기(또는 임의의 다른 가스)를 도시한다. 냉각 시스템은 제1 회로(c1)(점선), 제2 회로(c2)(교번 대시 및 이중 도트를 갖는 파선) 및 제3 회로(c3)(교번 대시 및 도트를 갖는 실선)를 포함한다. 제1 회로(c1)는 연료 전지(1)의 냉각을 가능하게 한다. 따라서, 이는 제1 펌프(2), 연료 전지(1), 3방향 서모스탯(3), 열 교환기(6)(라디에이터), 증발기(5), 및 특히 연료 전지 냉각으로부터 하류에 2개의 평행한 브랜치를 형성하는 다양한 구성요소들을 연결하는 파이프들 - 하나는 증발기(5)를 포함하고, 하나는 서모스탯(3) 및 열 교환기(6)를 포함함 - 을 포함한다. 제2 회로(c2)는 직렬로 그리고 파이프들에 의해 연결된 상태로 제2 펌프(7) 및 응축기(8)를 포함한다. 게다가, 제2 회로(c2)는 열교환기(6)로부터 상류측에 온도 센서(15)를 포함한다. 제3 회로(c3)는 랭킨 사이클에서 작동하는 폐쇄 루프이고, 직렬로 그리고 파이프들에 의해 연결된 상태로 증발기(5), 터빈(12), 응축기(8) 및 제3 펌프(11)를 포함한다. 제1 및 제2 회로(c1, c2)는 단일 냉각제를 공유한다. 제1 회로(c1)의 증발기(5)는 제3 회로(c3)의 증발기(5)에 대응하며 여기서 제1 회로(c1)의 냉각제가 제3 회로(c3)의 작동 유체와 열교환한다. 제2 회로(c2)의 응축기(8)는 제3 회로(c3)의 응축기(8)에 대응하며 여기서 제2 회로(c2)의 냉각제가 제3 회로(c3)의 작동 유체와 열교환한다.Figure 1 schematically shows, by way of non-limiting example, a fuel cell cooling system according to a first embodiment of the present invention. In this figure, solid lines represent pipes and arrows show air (or any other gas) exchanging heat in a
도 2 는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 제1 실시형태와 상이한 구성에 대해서만 설명한다. 이러한 실시형태에서, 제1 회로(c1)는 유닛 히터(4)를 더 포함한다. 유닛 히터(4)는 증발기(5)를 포함하는 제1 회로(c1)의 브랜치 상에 배열되고, 유닛 히터(4)는 연료 전지(1)와 증발기(5) 사이에 위치된다. 또한, 제2 회로(c2)는 냉각될 2개의 추가 요소(9, 10), 예를 들어 연료 전지(1)에 연결된 전기 배터리 및/또는 연료 전지(1)에 연결된 전기 기계 및/또는 연료 전지(1)의 산소 또는 공기 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 물 출구를 포함한다. 냉각될 2개의 추가 요소(9, 10)는 응축기(8)로부터 하류측에 직렬로 배치된다.Figure 2 schematically shows, by way of non-limiting example, a fuel cell cooling system according to a second embodiment of the present invention. Only the configuration different from the first embodiment will be described. In this embodiment, the first circuit c1 further comprises a
도 3 은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 제1 실시형태와 상이한 구성에 대해서만 설명한다. 이러한 실시형태에서, 제1 회로(c1)는 유닛 히터(4)를 더 포함한다. 유닛 히터(4)는 증발기(5)를 포함하는 제1 회로(c1)의 브랜치 상에 배열되고, 유닛 히터(4)는 연료 전지(1)와 증발기(5) 사이에 위치된다. 또한, 제2 회로(c2)는 냉각될 추가 요소(9), 예를 들어 연료 전지(1)에 연결된 전기 배터리, 연료 전지(1)에 연결된 전기 기계, 연료 전지(1)의 산소 또는 공기 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 물 출구를 포함한다. 냉각될 추가 요소(9)는 응축기(8)로부터 하류측에 직렬로 배치된다. 또한, 제3 회로(c3)는 냉각될 추가 요소(14), 예를 들어 연료 전지(1)의 공기 또는 산소 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 습윤 공기 출구를 포함한다. 냉각될 요소(14)는 증발기(5)로부터 상류측에 직렬로 배치된다.Figure 3 schematically shows a fuel cell cooling system according to a third embodiment of the present invention by way of non-limiting example. Only the configuration different from the first embodiment will be described. In this embodiment, the first circuit c1 further comprises a
도 4 는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 제1 실시형태와 상이한 구성에 대해서만 설명한다. 이 실시형태에서, 단일 서모스탯(3)은 양방향 서모스탯(3)(1개의 입구/1개의 출구)이다. 이 실시형태에서, 제 2 회로(c2)는 제 1 서모스탯으로부터의 유체가 제 2 회로에 대해 반대 방향으로 제 2 회로 안으로 통과하는 것을 방지하도록 일 방향으로의 순환을 제한하는 밸브(13)를 더 포함한다.Figure 4 schematically shows a fuel cell cooling system according to a fourth embodiment of the present invention by way of non-limiting example. Only the configuration different from the first embodiment will be described. In this embodiment, the
도 5 는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 제4 실시형태와 상이한 구성에 대해서만 설명한다. 이러한 실시형태에서, 제1 회로(c1)는 유닛 히터(4)를 더 포함한다. 유닛 히터(4)는 증발기(5)를 포함하는 제1 회로(c1)의 브랜치 상에 배열되고, 유닛 히터(4)는 연료 전지(1)와 증발기(5) 사이에 위치된다. 또한, 제2 회로(c2)는 냉각될 2개의 추가 요소(9, 10), 예를 들어 연료 전지(1)에 연결된 전기 배터리 및/또는 연료 전지(1)에 연결된 전기 기계 및/또는 연료 전지(1)의 산소 또는 공기 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 물 출구를 포함한다. 냉각될 2개의 추가 요소(9, 10)는 응축기(8)로부터 하류측에 직렬로 배치된다.Figure 5 schematically shows a fuel cell cooling system according to a fifth embodiment of the present invention by way of a non-limiting example. Only the configuration different from the fourth embodiment will be described. In this embodiment, the first circuit c1 further comprises a
도 6 은 본 발명의 제6 실시형태에 따른 연료 전지 냉각 시스템을 비제한적인 예에 의해 개략적으로 도시한 것이다. 제4 실시형태와 상이한 구성에 대해서만 설명한다. 이러한 실시형태에서, 제1 회로(c1)는 유닛 히터(4)를 더 포함한다. 유닛 히터(4)는 증발기(5)를 포함하는 제1 회로(c1)의 브랜치 상에 배열되고, 유닛 히터(4)는 연료 전지(1)와 증발기(5) 사이에 위치된다. 또한, 제2 회로(c2)는 냉각될 추가 요소(9), 예를 들어 연료 전지(1)에 연결된 전기 배터리 및/또는 연료 전지(1)에 연결된 전기 기계 및/또는 연료 전지(1)의 산소 또는 공기 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 물 출구를 포함한다. 냉각될 추가 요소(9)는 응축기(8)로부터 하류측에 직렬로 배치된다. 또한, 제3 회로(c3)는 냉각될 추가 요소(14), 예를 들어 연료 전지(1)의 산소 또는 공기 공급부 및/또는 연료 전지(1)의 물 출구를 포함한다. 냉각될 요소(14)는 증발기(5)로부터 상류측에 직렬로 배치된다.Figure 6 schematically shows a fuel cell cooling system according to a sixth embodiment of the present invention by way of a non-limiting example. Only the configuration different from the fourth embodiment will be described. In this embodiment, the first circuit c1 further comprises a
또한, 본 발명은 연료 전지 냉각 방법에 관한 것으로, 이 냉각 방법은 전술한 임의의 변형 또는 변형 조합에 따른 냉각 시스템을 구현한다. 이 방법은 다음의 3가지 단계 중 적어도 하나를 수행할 수 있다:Additionally, the present invention relates to a fuel cell cooling method, which implements a cooling system according to any of the above-described modifications or combinations of modifications. This method can perform at least one of the following three steps:
- 연료 전지 예열 단계(즉, 연료 전지가 그 최적 작동 온도에 도달하지 않았을 때), 이 단계 동안에는 서모스탯이 폐쇄된 상태로 유지되고, 제1 펌프가 활성화되고 제3 펌프는 비활성화되며, 따라서 제1 회로는 활성화되는 반면 제3 회로는 비활성화된다. 따라서, 연료 전지에 의해 발생된 열은 연료 전지의 예열을 위해 보존된다. 이 단계의 실시형태에 따르면, 냉각될 추가 요소가 제2 회로(예를 들어, 전기 기계)에 속하는 경우에 제2 펌프가 또한 활성화될 수 있다. 이러한 작동을 위해, 열 교환기는 냉각될 추가 요소들을 냉각시키기 위해 사용된다. 대안적으로(특히, 제2 회로가 냉각될 추가 요소들을 포함하지 않는 경우), 제2 펌프는 비활성화될 수 있다.- fuel cell preheating phase (i.e. when the fuel cell has not reached its optimal operating temperature), during which the thermostat remains closed, the first pump is activated and the third pump is deactivated, and thus the
- 연료 전지가 작동 온도에 도달했을 때의 에너지 회수 단계, 이 단계 동안에는 서모스탯이 폐쇄 상태로 유지되고 3개의 펌프가 활성화된다. 따라서 3개의 회로가 활성화되며, 열이 제3 회로의 랭킨 사이클에 의해 에너지로 변환되어 회수된다. 이 단계를 위해, 연료 전지는 그 후 제1 회로의 고온 열을 포획하고 이를 저온에서 제2 회로의 응축기를 통해 열 교환기에 제공하는 랭킨 사이클을 통해 열 교환기에 의해 간접적으로 냉각된다. 서모스탯은 폐쇄 상태로 유지되고, 연료 전지의 온도는 제3 회로에 의해 제어된다. 이 단계는 연료 전지의 열을 안정화하기 위한 제3 회로의 용량이 충분하고 열 교환기의 냉각 용량이 저온에서 제3 회로의 열을 방출하기에 충분한 한은 활성화된 상태로 유지될 수 있다.- Energy recovery phase when the fuel cell reaches operating temperature, during this phase the thermostat remains closed and the three pumps are activated. Therefore, three circuits are activated, and heat is converted into energy and recovered by the Rankine cycle in the third circuit. For this step, the fuel cell is then cooled indirectly by a heat exchanger via the Rankine cycle, which captures the high temperature heat in the first circuit and provides it at a lower temperature through a condenser in the second circuit to the heat exchanger. The thermostat remains closed and the temperature of the fuel cell is controlled by the third circuit. This stage may remain activated as long as the capacity of the third circuit is sufficient to stabilize the heat of the fuel cell and the cooling capacity of the heat exchanger is sufficient to dissipate the heat of the third circuit at low temperatures.
- 연료 전지 고부하/전부하 단계, 이 단계 동안에는 서모스탯이 개방되고, 제 1 펌프 및 제 2 펌프가 활성화되고, 제 3 펌프는 비활성화된다. 따라서, 제 1 회로는 활성화되고, 열 교환기는 연료 전지의 직접 냉각을 가능하게 한다. 열교환기의 냉각 용량에 도달하거나 ORC 사이클의 터빈의 회수 용량이 포화될 때에는, 연료 전지 출구에서의 온도 상승과 함께 서모스탯이 개방된다. 이러한 조건에서, 그때까지 분리된 제1 및 제2 회로가 혼합된다. 이 단계의 작동 조건은 에너지 변환기가 높은 부하에서 작동하고 제거되어야 할 열이 너무 중요해질 때 달성된다. 냉각될 추가 요소(예를 들어, 전기 기계, 배터리)가 제2 회로 상에 존재하면, 제2 펌프는 또한 활성화되어 그의 요소들에 고온 열화된 냉각을 제공한다. 이러한 요소들이 제2 회로 상에 존재하지 않으면, 제2 펌프는 비활성화될 수 있다.- Fuel cell high load/full load phase, during this phase the thermostat is open, the first and second pumps are activated and the third pump is deactivated. Accordingly, the first circuit is activated and the heat exchanger enables direct cooling of the fuel cell. When the cooling capacity of the heat exchanger is reached or the recovery capacity of the turbine of the ORC cycle is saturated, the thermostat opens with a rise in temperature at the fuel cell outlet. Under these conditions, the hitherto separate first and second circuits are mixed. The operating conditions of this stage are achieved when the energy converter operates at high loads and the heat to be removed becomes too important. If further elements to be cooled (eg electric machines, batteries) are present on the second circuit, the second pump is also activated to provide high temperature thermal cooling to those elements. If these elements are not present on the second circuit, the second pump can be deactivated.
이들 단계를 위해, 서모스탯의 개폐는 연료 전지 출구에서 냉각제 온도에 따라 자동으로 달성된다.For these steps, opening and closing of the thermostat is achieved automatically depending on the coolant temperature at the fuel cell outlet.
도 7 은 본 발명의 제4 실시형태(도 4)에 대한 연료 전지 예열 단계를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시하며, 추가로 제1 회로에서 유닛 히터(4)의 존재를 갖는다. 이 도면에서, 굵은 검은색 선은 유체가 순환하는 파이프들을 나타내고, 가느다란 회색 선은 유체가 순환하지 않는 파이프들을 나타낸다. 이 실시형태에서, 제1 펌프(2)만이 활성화되고 서모스탯(3)은 폐쇄되며, 냉각제는 이어서 연료 전지(1), 유닛 히터(4), 증발기(5) 및 제1 펌프(2)를 통해 연속적으로 유동한다. 또한, 밸브(13)는 폐쇄된다.Figure 7 schematically shows, as a non-limiting example, a fuel cell preheating step for the fourth embodiment of the invention (Figure 4), additionally with the presence of a
도 8 은 본 발명의 제5 실시형태(도 5)를 위한 연료 전지 예열 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 이 도면에서, 굵은 검은색 선은 유체가 순환하는 파이프들을 나타내고, 가느다란 회색 선은 유체가 순환하지 않는 파이프들을 나타낸다. 이러한 실시형태에서, 제1 및 제2 펌프(2, 7)만이 활성화되고, 서모스탯(3)은 폐쇄되며; 제1 회로에서, 냉각제는 이어서 연료 전지(1), 유닛 히터(4), 증발기(5) 및 제1 펌프(2)를 통해 연속적으로 유동하고, 제2 회로에서, 냉각제는 열교환기(6), 제2 펌프(7), 응축기(8), 및 냉각될 추가 요소(9, 10)를 통해 연속적으로 유동한다. 이러한 작동을 위해, 밸브(13)는 개방된다.Figure 8 schematically shows the fuel cell preheating step for the fifth embodiment (Figure 5) of the present invention. In this figure, thick black lines represent pipes through which fluid circulates, and thin gray lines represent pipes through which fluid does not circulate. In this embodiment, only the first and
도 9 는 본 발명의 제4 실시형태(도 4)에 대한 에너지 회수 단계를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시하며, 추가로 제1 회로에서 유닛 히터(4)의 존재를 갖는다. 이 도면에서, 굵은 검은색 선은 유체가 순환하는 파이프들을 나타내고, 가느다란 회색 선은 유체가 순환하지 않는 파이프들을 나타낸다. 이 실시형태에서, 3개의 펌프(2, 7 및 11)가 활성화되고, 서모스탯은 폐쇄된다: 3개의 회로가 활성화된다. 또한, 밸브(13)는 개방된다. 제1 회로에서, 냉각제는 이어서 연료 전지(1), 유닛 히터(4), 증발기(5) 및 제1 펌프(2)를 통해 연속적으로 유동한다. 제2 회로에서, 냉각제는 이어서 열교환기(6), 제2 펌프(7), 응축기(8) 및 밸브(13)를 통해 연속적으로 유동한다. 제3 회로에서, 냉각제는 제3 펌프(11), 증발기(5), 터빈(12) 및 응축기(8)를 연속적으로 유동한다.Figure 9 schematically shows, as a non-limiting example, an energy recovery step for the fourth embodiment of the invention (Figure 4), additionally with the presence of a
도 5의 제 5 실시형태는 이러한 에너지 회수 단계를 세 개의 펌프를 작동시켜 유사한 방식으로 작동한다.The fifth embodiment of Figure 5 operates this energy recovery step in a similar way by operating three pumps.
도 10은 본 발명의 제4 실시형태(도 4)에 대한 연료 전지 고부하/전부하 단계를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시하며, 또한 유닛 히터(4)의 존재를 갖는다. 이 도면에서, 굵은 검은색 선은 유체가 순환하는 파이프들을 나타내고, 가느다란 회색 선은 유체가 순환하지 않는 파이프들을 나타낸다. 이 실시형태에서, 제1 펌프(2)만이 활성화되고 서모스탯(3)은 개방되며; 냉각제는 이어서 제1 펌프(2) 및 연료 전지(1)를 통해, 이어서 유닛 히터(4), 증발기(5)를 포함하는 제1 브랜치를 통해, 그리고 제1 브랜치에 평행하게, 서모스탯(3) 및 열교환기(6)를 포함하는 제2 브랜치를 통해 유동한다. 또한, 밸브(13)는 폐쇄된다.Figure 10 schematically shows, as a non-limiting example, the fuel cell high load/full load stage for the fourth embodiment of the invention (Figure 4), also with the presence of a
도 11 은 본 발명의 제5 실시형태(도 5)에 대한 연료 전지 고부하/전부하 단계를 비제한적인 예로서 개략적으로 도시한다. 이 도면에서, 굵은 검은색 선은 유체가 순환하는 파이프들을 나타내고, 가느다란 회색 선은 유체가 순환하지 않는 파이프들을 나타낸다. 이러한 실시형태의 경우, 제1 펌프(2) 및 제2 펌프(7)만이 활성화되고, 서모스탯(3)은 개방된다. 또한, 밸브(13)는 개방되지만 유체의 유동 방향을 부과한다. 제1 회로에서, 냉각제는 이어서 제1 펌프(2) 및 연료 전지(1)를 통해, 이어서 유닛 히터(4), 증발기(5)를 포함하는 제1 브랜치를 통해, 그리고 제1 브랜치에 평행하게, 서모스탯(3) 및 열 교환기(6)를 포함하는 제2 브랜치를 통해 유동한다. 제2 회로에서, 냉각제는 열교환기(6), 제2 펌프(7), 응축기(8) 및 냉각될 추가 요소(9, 10)를 통해 연속적으로 유동한다. 이 단계를 위해, 제1 회로의 냉각제는 열교환기(6)의 입구에서 제2 회로의 냉각제와 혼합된다. 열 교환기(6)의 출구에서, 냉각제는 2개의 부분으로, 하나는 제1 회로를 위한 것이고 다른 하나는 제2 회로를 위한 것이다.Figure 11 schematically illustrates, as a non-limiting example, a fuel cell high load/full load step for the fifth embodiment of the invention (Figure 5). In this figure, thick black lines represent pipes through which fluid circulates, and thin gray lines represent pipes through which fluid does not circulate. In this embodiment, only the
또한, 본 발명은 적어도 전기 기계에 전력을 공급하는 연료 전지를 포함하는 차량, 특히 자동차 또는 트럭(또는 버스, 보트, 비행기, 호버크래프트(hovercraft), 수륙양용 차량 등), 및 전술한 변형예 또는 변형예 조합 중 어느 하나에 따른 냉각 시스템에 관한 것이다. 이 실시형태의 경우, 열교환기는 공기 공급부에 근접하게 배열되는데, 다시 말해서, 열교환기는 차량의 라디에이터이다. 차량은 앞서 설명된 변형예 또는 변형예 조합 중 어느 하나에 따라 방법의 단계들 중 하나를 수행할 수 있다.The invention also relates to vehicles, especially cars or trucks (or buses, boats, airplanes, hovercraft, amphibious vehicles, etc.), which include at least a fuel cell for powering an electrical machine, and variants of the foregoing or It relates to a cooling system according to any one of the modified example combinations. In this embodiment, the heat exchanger is arranged close to the air supply, ie the heat exchanger is the radiator of the vehicle. The vehicle may perform one of the steps of the method according to any of the variants or combinations of variants described above.
대안적으로, 본 발명은 정시 시스템용의 연료 전지에 관한 것이며, 연료 전지는 전술한 특징들 중 어느 하나에 따른 냉각 시스템을 구비한다. 연료 전지는 앞서 설명된 변형예 또는 변형예 조합 중 어느 하나에 따른 방법의 단계들 중 하나를 수행할 수 있다. Alternatively, the invention relates to a fuel cell for an on-time system, the fuel cell being equipped with a cooling system according to any of the features described above. The fuel cell may perform one of the steps of the method according to any of the variants or combinations of variants described above.
Claims (11)
- 단일 냉각제가 상기 제 1 회로 (c1) 및 상기 제 2 회로 (c2) 에서 순환하고, 작동 유체가 상기 제 3 회로 (c3) 에서 순환하고,
- 상기 제 1 회로 (c1) 의 상기 열 교환기 (6) 및 상기 제 2 회로 (c2) 의 상기 열 교환기 (6) 가 하나의 동일한 열 교환기 (6) 이고,
- 상기 증발기 (5) 는 상기 제 1 회로 (C1) 의 상기 냉각제가 상기 제 3 회로 (C3) 의 상기 작동 유체와 열을 교환하도록 구성되고,
- 응축기 (8) 는 상기 제 2 회로 (C2) 의 상기 냉각제가 상기 제 3 회로 (C3) 의 상기 작동 유체와 열을 교환하도록 구성되는, 냉각 시스템.A cooling system for cooling a fuel cell (1), which is particularly a fuel cell intended to be installed in a vehicle, preferably a polymer electrolyte membrane type fuel cell, a solid oxide fuel cell, or a molten carbonate fuel cell, wherein the cooling system includes at least the fuel cell. (1), a first circuit (c1) comprising an evaporator (5), a first pump (2), a single thermostat (3) and a heat exchanger (6), a condenser (8) mounted in series at least, a second a second circuit (c2) comprising a pump (7) and a heat exchanger (6), and at least the evaporator (5), the turbine (12), the condenser (8) and the third pump (11) mounted in series. comprising three closed thermal fluid circulation circuits (c1, c2, c3) and a third circuit (c3) operating in the Rankine cycle,
- a single coolant circulates in the first circuit (c1) and the second circuit (c2) and a working fluid circulates in the third circuit (c3),
- the heat exchanger (6) of the first circuit (c1) and the heat exchanger (6) of the second circuit (c2) are one and the same heat exchanger (6),
- the evaporator (5) is configured so that the coolant of the first circuit (C1) exchanges heat with the working fluid of the third circuit (C3),
- The condenser (8) is configured to exchange heat with the coolant of the second circuit (C2) with the working fluid of the third circuit (C3).
A vehicle, in particular a car or a truck, comprising at least a fuel cell (1) for powering an electric machine and a cooling system as claimed in any one of claims 1 to 6, wherein the heat exchanger (6) comprises: A vehicle placed close to the air supply.
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