KR100897113B1

KR100897113B1 - 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템

Info

Publication number: KR100897113B1
Application number: KR1020070114218A
Authority: KR
Inventors: 서상훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: KR20090048031A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택에 냉각수를 순환시키는 물펌프와 공기 흡입을 위한 공기블로워를 하나로 통합시켜, 원가 절감을 도모함과 함께 공기블로워 모터에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 일끝에 냉각수 유입구가 형성되고 타끝에 냉각수 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 냉각수 통로구간과, 일끝에 공기 흡입구가 형성되고 타끝에 공기 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 공기 통로구간과, 상기 냉각수 통로구간과 공기 통로구간 사이구간으로서 모터가 설치되는 모터설치구간으로 구분되는 하우징과; 상기 하우징의 중심을 가로질러 배치되며 모터의 구동에 따라 회전하는 로터와; 상기 냉각수 통로구간내에서 로터의 일끝단에 회전 가능하게 결합되어 물펌프 기능을 하는 제1블레이드와; 상기 공기 통로구간내에서 로터의 타끝단에 회전 가능하게 결합되는 제2블레이드; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템을 제공한다.

연료전지, 공기블로워, 냉각 시스템, 물펌프, 블레이드, 모터, 로터

Description

연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템{Cooling system for air blower of fuel cell vehicle}

연료전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

이러한 연료전지 시스템은 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템(수소탱크, 수소 재순환기 등), 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템(공기 공급기, 막가습기, 공기블 로워(10) 등), 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템(물 펌프(12), 라디에이터(14) 등)으로 구성된다.

상기 냉각수 순환을 위한 물 펌프 및 공기 흡입을 위한 공기블로워의 구성을 첨부한 도 2를 참조로 간략히 살펴보면, 상기 물 펌프(12)는 회전력을 발생시키는 회전체로서 모터 및 마그네틱 로터(rotor), 냉각수의 순환를 담당하는 블레이드를 포함하여 구성되어 있고, 상기 공기블로워(10)도 회전력을 만들기 위한 모터 및 마그네틱 로터, 공기 흡입을 위한 블레이드를 포함하여 구성되어 있다.

이와 같이, 상기 연료전지 스택의 온도 유지를 위한 냉각수 순환용 물 펌프(12)와, 공기의 공급을 위한 공기블로워(10)는 전용의 모터를 포함하고 있기 때문에 각각 별도의 전력을 소모한다.

한편, 상기 공기블로워내의 모터 작동에 따른 열의 냉각을 위하여 종래에는 다음과 같은 공냉 또는 수냉 시스템이 사용되고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 터보형 공기블로워(10)의 경우에는 공기의 입구단이 일측쪽에 형성되고, 공기의 출구단이 타측쪽에 형성된 하우징(16)과; 하우징(16)의 중심에 회전 가능하게 배열된 마그네틱 로터(18)와; 이 로터(18)에 일체로 연결된 블레이드(20)와; 하우징(16)의 가장 외측에 배치되는 모터(22); 등을 포함하여 구성되어 있는 바, 그 모터 냉각을 위한 동작을 살펴보면, 모터(22)에서 발생하는 한쪽 방향의 회전력를 이용하여 블레이드(20)를 회전시켜 고압, 고유량의 공기를 흡입할 때, 이때 공기의 흐름이 모터 주변에 세워진 냉각핀(미도시됨)을 닿 으면서 모터가 공냉식으로 냉각된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 수냉식의 경우는 라디에이터(14)와 공기블로워(10)내의 모터간에 냉각수 순환라인(24)을 구비하여, 물펌프(12)의 구동으로 냉각수가 순환되면서 공기블로워내의 모터가 수냉 방식으로 냉각된다.

그러나, 종래의 공기블로워 냉각 방식은 공냉식의 경우, 모터에 별도의 냉각핀을 형성해주어야 하고, 공기블로워의 공기 흡입은 본래 연료전지 스택에 공급하기 위한 공기 흡입이므로 공기블로워내의 모터 냉각을 위한 공기 흐름이 냉각핀쪽으로 제대로 유도되지 않아 모터 냉각 효율이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 종래의 공기블로워를 수냉식으로 냉각하는 경우, 물펌프에 의한 냉각수 순환은 본래 연료전지 스택의 냉각을 위한 것이므로, 공기블로워내의 모터쪽으로 연장된 냉각수 순환라인까지 냉각수를 순환시켜려면 냉각수 순환라인이 더 길게 연장되어야 하는 등의 단점이 있다.

또한, 공기블로워와 물펌프용 모터가 각기 별도로 구동하기 때문에 전력 소모가 증대되어, 연료전지 시스템 자체의 효율을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 스택에 공기 흡입을 위한 블레이드와, 냉각수 순환을 위한 물펌프 기능을 하는 블레이드를 공기블로워의 로터 양쪽에 연결하여, 기존의 물펌프를 배제시켜 원가 절감을 실현 할 수 있고, 공기블로워내의 모터에 냉각수에 의한 수냉 방식과 공기 흡입에 의한 공냉 방식이 동시에 적용되어 공기블로워 모터에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있도록 한 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 일끝에 냉각수 유입구가 형성되고 타끝에 냉각수 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 냉각수 통로구간과, 일끝에 공기 흡입구가 형성되고 타끝에 공기 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 공기 통로구간과, 상기 냉각수 통로구간과 공기 통로구간 사이구간으로서 모터가 설치되는 모터설치구간으로 구분되는 하우징과; 상기 하우징의 중심을 가로질러 배치되며 모터의 구동에 따라 회전하는 로터와; 상기 냉각수 통로구간내에서 로터의 일끝단에 회전 가능하게 결합되어 물펌프 기능을 하는 제1블레이드와; 상기 공기 통로구간내에서 로터의 타끝단에 회전 가능하게 결합되는 제2블레이드; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 냉각수 유입구에는 라디에이터 및 연료전지 스택을 통과한 냉각수 유입라인이 연결되고, 상기 냉각수 배출구에는 라디에이터로 냉각수를 재순환시키는 냉각수 배출라인이 연결된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 냉각수 배출라인은 상기 모터의 냉각핀 주변을 순환하는 모터 냉각라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

연료전지 스택에 공기 흡입을 위한 블레이드와, 냉각수 순환을 위한 물펌프 기능을 하는 블레이드를 공기블로워에 통합시킴으로써, 기존의 물펌프 자체를 배제시킬 수 있고, 그에 따른 원가 절감을 실현할 수 있다.

또한, 물펌프 기능을 하는 블레이드에 의하여 공기블로워내의 모터에 냉각수가 순환되는 수냉 방식과, 공기 흡입을 위한 블레이드에 의하여 공기블로워내의 모터에 공기가 접촉하는 공냉 방식이 동시에 적용되어, 공기블로워 모터에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 차량의 공기블로워에 물펌프 기능을 통합시켜, 물펌프의 기능을 수행하면서도 공기블로워내의 모터 냉각 효율을 증대시킨 점에 주안점이 있다.

이를 위한 구성 도면으로서, 첨부한 도 4는 본 발명에 따른 공기블로워 냉각 시스템이 적용된 연료전지 시스템을 설명하는 개략도이고, 도 5는 본 발명에 따른 공기블로워 냉각 시스템을 설명하는 개략도이며, 도 6은 본 발명에 따른 공기블로 워 냉각 시스템의 구체적인 예를 나타내는 단면도이다.

전술한 바와 같이, 연료전지 스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급 시스템 구성에는 공기블로워가 포함되어 있고, 연료전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지 스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템에는 물 펌프가 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 상기 공기블로워(10)와 물펌프(12)를 하나로 통합시키기 위하여 공기블로워(10)의 하우징(16) 구조가 새롭게 개선되고, 이 하우징(16)에 물펌프 기능을 하는 제1블레이드(26)와, 공기 흡입용 제2블레이드(28)가 함께 설치된다.

보다 상세하게는, 상기 하우징(16)은 통형 구조로서, 냉각수 통로구간(44)과, 모터설치구간(48)과, 공기 통로구간(46)으로 구분된다.

상기 냉각수 통로 구간(44)은 일끝에 수평방향의 냉각수 유입구(32)가 형성되고 타끝에 냉각수 배출구(34)가 수직방향으로 관통 형성된 구조로서, 그 내부에는 기존의 물펌프 역할을 하게 되는 제1블레이드(26)가 내설된다.

상기 공기 통로구간(46)은 일끝에 수평방향의 공기 흡입구(36)가 형성되고 타끝에 공기 배출구(38)가 수직방향으로 관통 형성된 구조로서, 그 내부에는 공기 흡입을 위한 제2블레이드(28)가 내설된다.

상기 모터설치구간(48)은 상기 냉각수 통로구간(44)과 공기 통로구간(46) 사이구간으로서, 그 내부에는 모터(22)가 내설된다.

이때, 상기 모터(22)의 회전축이 되는 로터(18)가 상기 냉각수 통로구간(44) 및 공기 통로구간(46)까지 연장되는 바, 이 연장된 로터(18)의 일끝단은 상기 냉각수 통로구간(44)내에서 물펌프 기능을 하는 제1블레이드(26)와 일체로 결합되고, 로터(18)의 타끝단은 상기 공기 통로구간(46)내에서 공기 흡입을 위한 제2블레이드(28)와 일체로 결합된다.

한편, 상기 냉각수 유입구(32)에는 라디에이터(14)의 출구측 및 연료전지 스택을 통과한 냉각수가 유입될 수 있도록 한 냉각수 유입라인(40)이 연결되고, 상기 냉각수 배출구(34)에는 라디에이터(14)의 입구측으로 냉각수를 재순환시키는 냉각수 배출라인(42)이 연결된다.

특히, 상기 냉각수 배출구(34)와 라디에이터(14)의 입구측을 연결하는 냉각수 배출라인(42)은 상기 모터(22)의 냉각핀 주변을 교번으로 순환하는 모터 냉각라인(30)을 포함하고, 이 모터 냉각라인(30)을 통하여 흐르는 냉각수에 의하여 상기 공기 블로워(10)의 모터(22) 구동에 따른 열이 용이하게 냉각될 수 있다.

여기서, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 공기블로워 냉각 시스템의 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

상기 공기블로워(10)의 모터(22) 구동에 따라, 로터(18)가 회전을 하게 되면, 로터(18)의 일측에 결합된 제1블레이드(26)와, 로터(18)의 타측쪽에 결합된 제2블레이드(28)가 동시에 회전을 하게 된다.

이때, 라디에이터(14)의 출구측으로부터 배출되어 연료전지 스택을 냉각시킨 냉각수가 상기 냉각수 유입라인(40)을 경유하여, 상기 하우징(16)의 냉각수 유입구(32)로 유입되는 바, 이 냉각수 유입구(32)로 유입된 냉각수를 상기 제1블레이 드(26)가 회전을 하면서 펌핑 역할을 하게 된다.

즉, 상기 제1블레이드(26)가 기존의 물펌프와 같은 기능을 수행하여, 냉각수가 하우징(16)의 냉각수 배출구(34)쪽으로 배출되고, 연이어 상기 하우징(16)의 냉각수 배출구(34)를 빠져나온 냉각수는 모터 냉각라인(30)을 통하여 흐르게 되는 바, 이때 냉각수가 모터 주변의 냉각핀(미도시됨)에 접촉하여 모터를 수냉 방식으로 냉각하게 된다.

물론, 상기 제1블레이드(26)의 펌핑 기능에 의하여 상기 냉각수 배출구(34)를 빠져 나간 냉각수는 모터 냉각라인(30)을 지나 라디에이터(14)의 입구측으로 재순환된다.

한편, 상기 모터(22) 구동과 함께 제2블레이드(28)가 회전을 하게 되면, 상기 하우징(16)의 공기 흡입구(36)를 통하여 공기가 흡입되고, 흡입된 공기는 모터(22) 주변의 냉각핀에 접촉되면서 모터를 공냉 방식으로 냉각시킨 후, 상기 하우징(16)의 공기 배출구(38)를 통하여 연료전지 스택으로 공급된다.

이와 같이, 공기블로워 모터 축인 로터에 냉각수 순환을 위한 물펌프 기능을 하는 제1블레이드와, 공기 흡입을 위한 제2블레이드를 동시에 연결하여, 기존의 물펌프를 배제시켜 원가 절감을 실현할 수 있고, 특히 공기블로워내의 모터에 냉각수에 의한 수냉 방식과 공기 흡입에 의한 공냉 방식이 동시에 적용되어 공기블로워 모터에 대한 냉각 효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연료전지 시스템을 설명하는 개략도,

도 2는 종래의 연료전지 시스템의 공기블로워에 대한 수냉식 냉각 시스템을 설명하는 개략도,

도 3은 종래의 연료전지 시스템의 공기블로워에 대한 공냉식 냉각 시스템을 설명하는 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 공기블로워 냉각 시스템이 적용된 연료전지 시스템을 설명하는 개략도,

도 5는 본 발명에 따른 공기블로워 냉각 시스템을 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 공기블로워 냉각 시스템의 구체적인 예를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 공기블로워 12 : 물펌프

14 : 라디에이터 16 : 하우징

18 : 로터 20 : 블레이드

22 : 모터 24 : 냉각수 순환라인

26 : 제1블레이드 28 : 제2블레이드

30 : 모터 냉각라인 32 : 냉각수 유입구

34 : 냉각수 배출구 36 : 공기 흡입구

38 : 공기 배출구 40 : 냉각수 유입라인

42 : 냉각수 배출라인 44 : 냉각수 통로구간

46 : 공기 통로구간 48 : 모터설치구간

Claims

일끝에 냉각수 유입구가 형성되고 타끝에 냉각수 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 냉각수 통로구간과, 일끝에 공기 흡입구가 형성되고 타끝에 공기 배출구가 수직방향으로 관통 형성된 공기 통로구간과, 상기 냉각수 통로구간과 공기 통로구간 사이구간으로서 모터가 설치되는 모터설치구간으로 구분되는 하우징과;

상기 하우징의 중심을 가로질러 배치되며 모터의 구동에 따라 회전하는 로터와;

상기 냉각수 통로구간내에서 로터의 일끝단에 회전 가능하게 결합되어 물펌프 기능을 하는 제1블레이드와;

상기 공기 통로구간내에서 로터의 타끝단에 회전 가능하게 결합되는 제2블레이드;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각수 유입구에는 라디에이터 및 연료전지 스택을 통과한 냉각수 유입라인이 연결되고, 상기 냉각수 배출구에는 라디에이터로 냉각수를 재순환시키는 냉각수 배출라인이 연결된 것을 특징으로 하는 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 냉각수 배출라인은 상기 모터의 냉각핀 주변을 순환하는 모터 냉각라인을 포함하는 것을 특징으로 연료전지 차량용 공기블로워 냉각 시스템.