KR20110077472A

KR20110077472A - 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템

Info

Publication number: KR20110077472A
Application number: KR1020090134069A
Authority: KR
Inventors: 주원석; 권대복
Original assignee: 한라공조주식회사
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-07
Also published as: KR101210819B1

Abstract

본 발명은 연료 전지 차량의 실내 난방 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 스택에 공급되는 압축 공기(즉 산소)를 냉각시킴으로써 연료 전지 스택에서의 발전 효율을 증대시키고, 냉각수와 압축 공기가 열교환하도록 함으로써 (압축 공기를 냉각시킴과 동시에) 냉각수를 가열시켜 이를 이용하여 실내를 난방하는, 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템은, 연료 전지 차량에 구비되는 실내 난방 시스템에 있어서, 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(110), 상기 흡입부(110)에서 흡입된 공기를 압축하여 불어내는 블로워(120), 상기 블로워(120)에 의해 압축된 압축 공기에 습기를 공급하는 가습기(130)를 포함하여 이루어지는 공기 공급계(100); 열교환기 형태로 형성되며, 그 내부로 냉각수를 유통시켜 상기 연료 전지(200) 스택을 냉각하는 스택 라디에이터(300); 상기 블로워(120) 및 상기 가습기(130) 사이에 구비되며, 상기 블로워(120) 및 상기 스택 라디에이터(300)와 연결되어, 상기 블로워(120)에서 나온 압축 공기와 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수를 서로 열교환시켜, 압축 공기의 냉각 및 냉각수의 가열을 수행하는 이종 열교환기(500); 열교환기 형태로 형성되어 차량 HVAC 통로(600) 상에 구비되며, 상기 이종 열교환기(500)와 연결되어, 상기 이종 열교환기(500)로부터 배출된 가열된 냉각수를 통과시켜 주변의 공기 를 가열하는 히터(400); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

연료 전지, 스택, 압축 공기, 냉각, 난방

Description

연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템 {Heating Room System using Compressed Air Cooling for Fuel Cell Vehicle}

본 발명은 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템에 관한 것이다.

휘발유, 경유 등을 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량이 현재 가장 일반적인 차량의 형태이나, 이러한 차량용 에너지원 역시 환경오염 문제 뿐 아니라 석유 매장량의 감소 등과 같은 다양한 원인으로 인해 새로운 에너지원의 필요성이 점점 대두되고 있는 바, 현재 가장 실용화 단계에 가까운 기술 중 하나가 연료 전지를 에너지원으로 하여 구동되는 차량이다.

그런데, 이와 같은 연료 전지를 사용하는 차량에서는 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 가지는 차량과는 달리 냉각수를 이용한 히팅 시스템을 사용할 수 없다. 즉, 종래의 석유를 에너지원으로 하는 엔진을 구동원으로 하는 차량의 경우 엔진에서 매우 많은 열이 발생하게 되고, 엔진을 냉각하기 위한 냉각수 순환 시스템이 구비되며, 냉각수가 엔진으로부터 흡수한 열을 실내 난방에 이용하도록 하고 있었다. 그러나 엔진에서 발생하는 것과 같은 많은 열이 연료 전지를 사용하는 차량의 구동원에서는 발생하지 않기 때문에, 이러한 종래의 난방 방식을 사용하기에는 한계가 있었다.

이에 따라 연료 전지 차량에서는 전기 히터와 같은 별도의 열원을 구비하거나, 공조 시스템에 열펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 하는 등 여러 연구가 이루어지고 있으나, 시스템 효율 면에 있어 불리한 것은 사실이다.

연료 전지 차량에서의 에너지원은 연료 전지이며, 연료 전지에 수소와 산소를 공급해 주기 위해 현재 개발 중인 대부분의 연료 전지 차량은 수소 탱크를 구비하도록 되어 있다. 산소의 경우, 산소 탱크를 따로 구비하는 대신 대기 중의 산소를 이용할 수 있도록, 외부 공기를 압축하여 연료 전지로 공급하는 방식을 취하고 있다. 대기에는 20% 정도의 산소가 포함되어 있으며, 다른 성분은 연료 전지 스택에서 특별한 반응을 일으키지 않기 때문에, 수소 탱크와 함께 산소 탱크까지 차량에 싣고 다니는 것보다는 공기를 압축하여 연료 전지 스택으로 공급하는 것이 훨씬 효율적이기 때문이다.

도 1은 종래의 연료 전지의 공기 공급계를 간략히 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래의 연료 전지의 공기 공급계는 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(10), 공기를 불어 주는 블로워(20) 및 연료 전지 스택의 적정 운전 조건에 맞출 수 있도록 압축 공기에 가습을 하는 가습기(30)를 포함하여 이루어진다. 대기 중의 공기는 상기 흡입부(10), 상기 블로워(20) 및 상기 가습기(30)를 순차적으로 통과하여 압축 공기가 되어서 연료 전지(200)로 유입되게 된다. 이 때, 상기 블로워(20)는 일반적으로 2bar 정도까지 공기의 압력을 상승시켜 주어, 실질적으로 거의 압축기라고 볼 수 있다.

그런데 연료 전지 스택에 산소를 공급하는 과정에서, 상기 블로워(20)를 거쳐 압축된 공기는 온도와 압력이 올라가게 된다. 그런데, 상기 연료 전지(200)의 작동 적정 온도는 65℃ 정도 되는데, 고온 고압이 된 압축 공기가 그대로 상기 연료 전지(200)에 유입되게 되면 작동 적정 온도보다 훨씬 높은 온도 조건이 형성되게 되어, 상기 연료 전지(200)의 작동 효율이 크게 떨어지게 되는 문제가 있었다. 뿐만 아니라, 압축 공기가 고온 고압이기 때문에 상기 가습기(30)에서 습기를 공급해 주어도 가습 효율 역시 크게 떨어지게 되어, 상기 연료 전지(200)에서의 작동 효율이 더욱 떨어지게 되는 문제 또한 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 연료 전지 스택에 공급되는 압축 공기(즉 산소)를 냉각시킴으로써 연료 전지 스택에서의 발전 효율을 증대시키고, 냉각수와 압축 공기가 열교환하도록 함으로써 (압축 공기를 냉각시킴과 동시에) 냉각수를 가열시켜 이를 이용하여 실내를 난방하는, 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템은, 연료 전지 차량에 구비되는 실내 난방 시스템에 있어서, 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(110), 상기 흡입부(110)에서 흡입된 공기를 압축하여 불어내는 블로워(120), 상기 블로워(120)에 의해 압축된 압축 공기에 습기를 공급하는 가습기(130)를 포함하여 이루어지는 공기 공급계(100); 열교환기 형태로 형성되며, 그 내부로 냉각수를 유통시켜 상기 연료 전지(200) 스택을 냉각하는 스택 라디에이터(300); 상기 블로워(120) 및 상기 가습기(130) 사이에 구비되며, 상기 블로워(120) 및 상기 스택 라디에이터(300)와 연결되어, 상기 블로워(120)에서 나온 압축 공기와 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수를 서로 열교환시켜, 압축 공기의 냉각 및 냉각수의 가열을 수행하는 이 종 열교환기(500); 열교환기 형태로 형성되어 차량 HVAC 통로(600) 상에 구비되며, 상기 이종 열교환기(500)와 연결되어, 상기 이종 열교환기(500)로부터 배출된 가열된 냉각수를 통과시켜 주변의 공기를 가열하는 히터(400); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 이종 열교환기(500)는 복수 개의 플레이트(550)가 적층되어 상기 플레이트(550)의 전면끼리 마주보며 결합된 부분에 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(510)이 형성되고 상기 플레이트(550)의 후면끼리 마주보며 결합된 부분에 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(520)이 형성되며, 상기 플레이트(550)에는 상기 제1매체공간(510)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(511) 및 제1매체배출구(512)와; 상기 제1매체유입구(511) 및 상기 제1매체배출구(512) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(515)와; 상기 제2매체공간(520)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(521) 및 제2매체배출구(522)와; 상기 제2매체유입구(521) 및 상기 제2매체배출구(522) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(525);가 구비되는 판형 열교환기 형태로 형성되어, 상기 제1매체공간(510) 및 상기 제2매체공간(520) 내로 상기 블로워(120)로부터 상기 가습기(130)로 유동하는 압축 공기 및 상기 스택 라디에이터(300)를 통과하여 유동하는 냉각수가 각각 유동하는 것을 특징으로 한다. 또한 이 때, 상기 이종 열교환기(500)는 압축 공기 및 냉각수가 대향류를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실내 난방 시스템은 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수가 분기되어 상기 연료 전지(300) 및 상기 이종 열교환기(500)로 유입된 후, 차량 난방 모드일 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 히터(400) 및 상기 스택 라디에이터(300)를 통과하도록 유로를 형성하고, 차량 난방 모드가 아닐 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 스택 라디에이터(300)만을 통과하도록 유로를 형성하는 적어도 하나 이상의 밸브(700); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 흡입부(110)는 공기 중의 먼지를 포함하는 이물질을 제거하는 에어 필터(111), 소음을 감쇄하는 소음기(112) 및 덕트(113)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블로워(120)는 상기 연료 전지(200) 스택의 작동 상태에 따라 압축 공기의 양을 조절하도록 상기 블로워(120)의 작동을 조절하는 콘트롤러(121)가 구비되는 것을 특징으로 한다.

종래에 연료 전지 차량에 있어서, 연료 전지 스택에 공급되는 압축 공기(즉 산소)가 고온 고압이기 때문에 지속적으로 연료 전지에 공급될 경우 연료 전지 스택 운전 적정 온도보다 높은 온도 조건이 형성되게 되어 연료 전지 효율이 떨어지게 되는 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면 연료 전지 스택에 유입되기 전에 고온 고압의 압축 공기를 냉각수와 열교환시켜 압축 공기를 냉각시킨 후 연료 전지 스택에 공급하게 되기 때문에, 연료 전지 스택이 항상 최적의 조건으로 운전될 수 있게 함으로써 연료 전지 효율을 극대화할 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 물론 이와 같이 적정 온도 조건을 유지할 수 있게 해 줌으로써 연료 전지의 수명을 늘릴 수 있는 효과 또한 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 압축 공기를 냉각하기 위해 압축 공기와 냉각수를 열교환하는 과정에서, 압축 공기로부터 열을 흡수하여 온도가 올라가게 된 냉각수를 이용하여 차량 실내의 난방을 수행할 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 연료 전지 차량의 경우 특별한 열원이 없기 때문에 실내 난방을 위해서는 전기 히터 등과 같은 장치를 사용하게 되는데, 본 발명에 의하면 압축 공기를 냉각하는 과정에서 발생된 폐열을 이용하여 실내 난방을 수행할 수 있게 되는 바, 보조 열원이 없이도 시스템 자체 내에서 난방에 필요한 열을 얻을 수 있어 시스템 효율을 크게 높이는 효과를 얻을 수 있게 되는 것이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템을 도시한 것이다. 본 발명의 난방 시스템은 도시된 바와 같이, 공기 공급계(100), 연료 전지(200), 스택 라디에이터(300), 히터(400), 이종 열교환기(500), HVAC 통로(600)를 포함하여 이루어진다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 공기 공급계(100)는, 종래의 공기 공급계와 유사하게, 대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(110), 공기를 불어 주는 블로워(120) 및 연료 전지 스택의 적정 운전 조건에 맞출 수 있도록 압축 공기에 가습을 하는 가습기(130)를 포함하여 이루어진다. 보다 상세히 설명하자면, 상기 흡입부(110)는 대기 중의 공기를 흡입하며, 상기 블로워(120)는 상기 흡입부(110)에서 흡입된 공기를 압축하여 불어내며, 상기 가습기(130)는 상기 블로워(120)에 의해 압축된 압축 공기에 습기를 공급한다.

이 때, 상기 흡입부(110)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 공기 중의 먼지를 포함하는 이물질을 제거하는 에어 필터(111), 소음을 감쇄하는 소음기(112) 및 덕트(113)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 블로워(120)는 상기 연료 전지(200) 스택의 작동 상태에 따라 압축 공기의 양을 조절하도록 상기 블로워(120)의 작동을 조절하는 콘트롤러(121)가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 흡입부(110)에서 흡입된 공기는 상기 블로워(120)를 통과하면서 압축되고, 상기 가습기(130)를 통과하면서 가습되어, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 연료 전지(200)의 스택의 음극(cathode)으로 유입되게 된다. 상기 연료 전지(200)의 음극(cathode)에 압축 공기 중의 산소가 공급되고, 상기 연료 전지(200) 의 양극(anode)에 (차량에 구비되는 수소 탱크로부터) 수소가 공급되어, 스택에서 산소 및 수소의 반응이 일어남으로써 발전이 이루어지게 된다.

이 때, 상기 연료 전지(200) 스택에서 산소와 수소의 반응이 일어나는 과정에서 열이 발생되게 되는데, 연료 전지의 작동 적정 온도는 65℃ 정도라는 것이 잘 알려져 있는 바, 작동 적정 온도 조건을 유지할 수 있도록 잉여 열을 흡수할 필요가 있다. 이에 따라 상기 연료 전지(200) 근처에는, 열교환기 형태로 형성되며, 그 내부로 냉각수를 유통시켜 상기 연료 전지(200) 스택을 냉각하는 상기 스택 라디에이터(300)가 구비되게 된다. 상기 스택 라디에이터(300)의 작동 원리는 다음과 같다. 상기 스택 라디에이터(300)를 유통하는 냉각수 라인이 상기 연료 전지(200)에 구비되며(이 냉각수 라인은 상기 연료 전지(200) 외측에 밀착 구비될 수도 있고, 또는 상기 연료 전지(200) 내에 냉각수 통과 유로가 상기 연료 전지(200)와 일체형으로 형성되도록 할 수도 있다), 상기 스택 라디에이터(300)로부터 나온 냉각수가 상기 연료 전지(200)로부터 열을 흡수하고, 다시 상기 스택 라디에이터(300)로 들어가 상기 스택 라디에이터(300) 주변의 공기로 열을 방출함으로써, 결과적으로 상기 연료 전지(200)에서 발생되는 열을 외부로 방출할 수 있게 한다.

여기에서 열교환기 형태란, 일반적인 튜브-핀 타입 열교환기, 판형 열교환기, 핀리스 열교환기 등과 같이, 일반적으로 내부로 냉매나 냉각수 등과 같은 열교환매체를 유통시켜 외부 공기 등과 열교환을 일으키는 열교환기를 통틀어 지칭한다. 따라서 상기 스택 라디에이터(300)는 튜브-핀 타입 열교환기이거나, 판형 열교환기이거나, 핀리스 열교환기 등 일반적인 열교환기의 형태 중 어떤 형태를 가지도 록 하여도 무방하며, 단지 설계자의 의도나 목적 등에 따라 적절히 그 형태가 결정될 수 있다. 일반적인 열교환기의 구조나 형태에 대해서는 널리 잘 알려져 있으며, 상술한 바와 같이 상기 스택 라디에이터(300)는 그 중 어떤 열교환기 형태를 취하여도 무방하므로, 여기에서는 상기 스택 라디에이터(300)의 상세 구조에 대한 설명은 생략한다.

다음으로, 상기 이종 열교환기(500)는, 상기 블로워(120) 및 상기 가습기(130) 사이에 구비되며, 상기 블로워(120) 및 상기 스택 라디에이터(300)와 연결되어, 상기 블로워(120)에서 나온 압축 공기와 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수를 서로 열교환시켜, 압축 공기의 냉각 및 냉각수의 가열을 수행한다. 상기 이종 열교환기(500)에 의하여 본 발명의 공기 공급계(100)와 종래의 공기 공급계가 차별성을 가지게 된다. 상술한 바와 같이, 상기 이종 열교환기(500)는 이종의 유체(즉 여기에서는 상기 블로워(120)에서 나온 압축 공기 및 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수)를 각각 공급받아, 이 이종의 유체를 서로 열교환시킬 수 있는 형태라면 어떤 형태로 이루어져도 무방하다. 상기 이종 열교환기(500)의 형태에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.

상기 히터(400)는, 열교환기 형태로 형성되어 차량 HVAC 통로(600) 상에 구비되며, 상기 이종 열교환기(500)와 연결되어, 상기 이종 열교환기(500)로부터 배출된 가열된 냉각수를 통과시켜 주변의 공기를 가열한다. 상기 히터(400) 역시 상기 스택 라디에이터(300)와 마찬가지로 일반적인 열교환기 형태로 이루어지며, 따라서 여기에서는 그 상세 구조에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 난방 시스템에서는, 상술한 바와 같이 상기 연료 전지(200)에 공급되는 압축 공기가 고온 고압이라는 점에 착안하여, 상기 블로워(120)에서 나온 고온의 압축 공기가 상기 이종 열교환기(500)를 통과하도록 하고, 또한 상기 스택 라디에이터(300)를 유동하는 냉각수 라인을 분기하여 상기 이종 열교환기(500)를 통과하도록 하여, 상기 이종 열교환기(500)에서 고온의 압축 공기와 (상대적으로) 저온의 냉각수가 서로 열교환을 일으키도록 한다. 이와 같이 상기 이종 열교환기(500)에서 열교환이 일어남으로써, 고온의 압축 공기는 상기 이종 열교환기(500)를 통과한 후 저온이 되며, 저온의 냉각수는 상기 이종 열교환기(500)를 통과한 후 고온이 된다.

상기 이종 열교환기(500)를 통과한 후 저온이 된 압축 공기는, 이제 상기 가습기(130)를 통과한 후 상기 연료 전지(200) 스택의 음극(cathode)으로 공급되게 된다. 종래에는 상기 블로워(120)에서 나온 고온의 압축 공기가 상기 가습기(130)를 거쳐 바로 상기 연료 전지(200) 스택의 음극(cathode)으로 공급됨으로써, 상기 연료 전지(200) 스택 내의 온도가 올라가게 되었으며, 이에 따라 작동 적정 온도를 유지할 수가 없어 연료 전지의 효율이 떨어지게 되는 문제의 원인이 되었다. 그러나 본 발명에 의하면, 상기 블로워(120)에서 나온 고온의 압축 공기가 먼저 상기 이종 열교환기(500)를 통과함으로써 냉각수로 열을 버린 후, 즉 충분히 온도가 낮춰지게 된 후 상기 연료 전지(200)로 유입되게 되므로, 상기 연료 전지(200) 스택에 지속적인 열의 공급이 이루어지던 원인이 해소되게 되어, 상기 연료 전지(200) 스택 내 작동 적정 온도가 지속적으로 유지될 수 있게 된다. 물론 이에 따라 상기 연료 전지(200)의 발전 효율이 훨씬 증대될 수 있음은 물론이며, 뿐만 아니라 상기 연료 전지(200)가 최적의 작동 조건 하에서 작동이 이루어짐으로써 상기 연료 전지(200)의 수명 또한 늘어나게 된다.

상기 이종 열교환기(500)를 통과한 후 고온이 된 냉각수는, 이제 상기 스택 라디에이터(300) 뿐만 아니라 상기 히터(400)로도 유통된다. 상기 히터(400)는 일반적인 열교환기 형태로 형성되어 차량의 상기 HVAC 통로(600) 상에 구비된다. 따라서 고온의 냉각수가 상기 히터(400)를 통과하는 과정에서 상기 히터(400)가 주변의 공기를 가열하게 되고, 이에 따라 상기 HVAC 통로(600)로는 따뜻하게 가열된 공기가 유입되어 차량 실내의 난방이 이루어질 수 있게 된다. 즉, 공기를 압축하는 과정에서 발생된 폐열을 이용하여 차량 실내를 난방할 수 있게 되는 것이다. 연료 전지 차량의 경우, 엔진에서 많은 열이 발생하는 종래의 화석 연료 차량과는 달리 적절한 난방용 열원이 없는 실정으로, 별도의 전기 히터를 구비하거나 열펌프 시스템을 더 구비하여 난방을 수행하여야만 했다. 그러나 본 발명에 의하면, 상기 연료 전지(200)에 공급되는 압축 공기를 만드는 과정에서 공기의 온도는 항상 올라가게 되는 바, 이를 흡수하여 실내 난방에 이용하도록 함으로써, 열원을 얻음과 동시에 (폐열을 재활용함으로써) 전체 시스템 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명의 실내 난방 시스템에서, 상기 스택 라디에이터(300)는 상기 연료 전지(300)를 냉각하기 위하여 항상 작동되고 있어야 한다. 그런데, 난방 모드일 때에는 상기 히터(400)가 작동되어야 하지만 난방 모드가 아닐 때에는 상기 히 터(400)가 작동되지 않아도 된다. 따라서, 냉각수 라인 상에 적어도 하나 이상의 밸브(700)가 설치되어 있음으로써, 모드에 따라 상기 히터(400)로 냉각수가 선택적으로 통과하게 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 실내 난방 시스템에 구비되는 상기 밸브(700)는, 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수가 분기되어 상기 연료 전지(300) 및 상기 이종 열교환기(500)로 유입된 후, 차량 난방 모드일 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 히터(400) 및 상기 스택 라디에이터(300)를 통과하도록 유로를 형성하고, 차량 난방 모드가 아닐 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 스택 라디에이터(300)만을 통과하도록 유로를 형성하도록 한다.

물론 상기 밸브(700)가 구비되지 않는 경우라 하여도, 상기 히터(400) 전방에 개폐 가능한 칸막이를 설치하여, 난방 모드일 때는 칸막이를 개방하여 가열된 공기가 상기 HVAC 통로(600)로 유입될 수 있도록 하고, 난방 모드가 아닐 때에는 칸막이를 폐쇄하여 상기 HVAC 통로(600)로 공기가 유통하지 못하도록 함으로써 상기 히터(400)의 작동이 이루어지지 않도록 할 수도 있다. 상기 밸브(700)가 구비되지 않는 경우의 실시예는 도 4에 도시되어 있다. 이 경우, 난방 모드가 아닐 때에는 상기 히터(400)로 냉각수가 유통한다 할지라도 칸막이가 폐쇄됨으로써 상기 히터(400)를 통과하여 공기가 유통하지 못하기 때문에, 상기 히터(400)에서는 단지 냉각수가 유통될 뿐 열교환이 일어나지는 않는다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이 고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

도 1은 종래의 연료 전지의 공기 공급계.

도 2는 본 발명의 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템의 한 실시예.

도 3은 본 발명의 이종 열교환기의 실시예.

도 4는 본 발명의 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템의 다른 실시예.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100: 공기 공급계 110: 흡입부

120: 블로워 130: 가습기

200: 연료 전지 300: 스택 라디에이터

400: 히터 500: 이종 열교환기

600: HVAC 통로 700: 밸브

Claims

연료 전지 차량에 구비되는 실내 난방 시스템에 있어서,

대기 중의 공기를 흡입하는 흡입부(110), 상기 흡입부(110)에서 흡입된 공기를 압축하여 불어내는 블로워(120), 상기 블로워(120)에 의해 압축된 압축 공기에 습기를 공급하는 가습기(130)를 포함하여 이루어지는 공기 공급계(100);

열교환기 형태로 형성되며, 그 내부로 냉각수를 유통시켜 상기 연료 전지(200) 스택을 냉각하는 스택 라디에이터(300);

상기 블로워(120) 및 상기 가습기(130) 사이에 구비되며, 상기 블로워(120) 및 상기 스택 라디에이터(300)와 연결되어, 상기 블로워(120)에서 나온 압축 공기와 상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수를 서로 열교환시켜, 압축 공기의 냉각 및 냉각수의 가열을 수행하는 이종 열교환기(500);

열교환기 형태로 형성되어 차량 HVAC 통로(600) 상에 구비되며, 상기 이종 열교환기(500)와 연결되어, 상기 이종 열교환기(500)로부터 배출된 가열된 냉각수를 통과시켜 주변의 공기를 가열하는 히터(400);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 이종 열교환기(500)는

복수 개의 플레이트(550)가 적층되어 상기 플레이트(550)의 전면끼리 마주보며 결합된 부분에 제1열교환매체가 유동하는 제1매체공간(510)이 형성되고 상기 플레이트(550)의 후면끼리 마주보며 결합된 부분에 제2열교환매체가 유동하는 제2매체공간(520)이 형성되며, 상기 플레이트(550)에는 상기 제1매체공간(510)으로 제1열교환매체를 각각 유입 및 배출시키도록 통공 형태로 형성되는 제1매체유입구(511) 및 제1매체배출구(512)와; 상기 제1매체유입구(511) 및 상기 제1매체배출구(512) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제1열교환매체를 수용 및 유동시키는 제1매체탱크부(515)와; 상기 제2매체공간(520)으로 제2열교환매체를 각각 유입 및 배출시키는 제2매체유입구(521) 및 제2매체배출구(522)와; 상기 제2매체유입구(521) 및 상기 제2매체배출구(522) 부근 영역이 함몰 또는 돌출된 형태로 형성되어 제2열교환매체를 수용 및 유동시키는 제2매체탱크부(525);가 구비되는 판형 열교환기 형태로 형성되어,

상기 제1매체공간(510) 및 상기 제2매체공간(520) 내로 상기 블로워(120)로부터 상기 가습기(130)로 유동하는 압축 공기 및 상기 스택 라디에이터(300)를 통과하여 유동하는 냉각수가 각각 유동하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 이종 열교환기(500)는

압축 공기 및 냉각수가 대향류를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연 료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 실내 난방 시스템은

상기 스택 라디에이터(300)에서 나온 냉각수가 분기되어 상기 연료 전지(300) 및 상기 이종 열교환기(500)로 유입된 후,

차량 난방 모드일 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 히터(400) 및 상기 스택 라디에이터(300)를 통과하도록 유로를 형성하고,

차량 난방 모드가 아닐 때는, 상기 이종 열교환기(500)에서 가열된 냉각수가 상기 스택 라디에이터(300)만을 통과하도록 유로를 형성하는 적어도 하나 이상의 밸브(700);

를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 흡입부(110)는

공기 중의 먼지를 포함하는 이물질을 제거하는 에어 필터(111), 소음을 감쇄하는 소음기(112) 및 덕트(113)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 블로워(120)는

상기 연료 전지(200) 스택의 작동 상태에 따라 압축 공기의 양을 조절하도록 상기 블로워(120)의 작동을 조절하는 콘트롤러(121)가 구비되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 차량의 압축 공기 냉각과 그 열을 이용한 실내 난방 시스템.