KR100634870B1 - 연료전지 차량의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 차량의 냉각장치에 관한 것으로서, 이를 위하여 본 발명은 워터 펌프(20)를 이용하여 냉각수를 연료전지스택(10)의 내부로 강제 순환시킨 다음 라디에이터(30)를 통과시키면서 상기 라디에이터(30)에서의 열교환에 의해 냉각수를 적정한 온도로 냉각시키도록 하는 연료전지 차량의 냉각장치에 있어서, 상기 라디에이터(30)의 전방에 구비되어 외기를 통과시키면서 고온·건조화시키는 제습 부재(40)와; 일정량의 물을 저장하는 리저버 탱크(50)와; 상기 리저버 탱크(50) 내부의 물을 강제 펌핑하는 분사 펌프(60)와; 상기 분사 펌프(60)에 의해 강제 펌핑되는 물을 상기 라디에이터(30)의 표면으로 분사하는 분사 노즐(70); 및 상기 연료전지스택(10)의 온도를 체크하여 설정 온도보다 작으면 상기 분사 펌프(60)를 가동시키도록 하는 제어부(80)로서 이루어지게 함으로써 상기 연료전지스택(10)과 근사한 온도인 고온의 외기를 갖는 지역을 주행 중에서도 라디에이터(30)를 통한 냉각 효율을 향상시켜 안정된 주행 성능이 유지될 수 있도록 하는 것이다.

연료전지 차량, 연료전지스택, 냉각, 열교환

Description

연료전지 차량의 냉각장치{Cooling apparatus of vehicles}

도 1은 종래 연료전지 차량에서의 냉각장치를 도시한 구조도,

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량에서의 냉각장치를 도시한 구조도.

※ 도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 연료전지스택

20 : 워터 펌프

30 : 라디에이터

40 : 제습 부재

50 : 리저버 탱크

60 : 분사 펌프

70 : 분사 노즐

80 : 제어부

90 : 외기 센서

100 : 전지 센서

본 발명은 연료전지 차량의 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 주행 중 연료전지스택의 온도와 근접한 온도의 외기를 갖는 지역을 통과 시 라디에이터의 표면으로 물을 분사하면서 제습에 의해 고온·건조화된 외기와의 접촉에 의해 라디에이터 표면에 접촉되는 물을 기화시키면서 열을 흡수하는 열교환 작용에 의해 라디에이터에서의 냉각수 냉각 성능을 향상시켜 안정된 주행 성능을 유지할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 경유나 공업용 연료의 기체와 전해질 사이의 화학반응의 일부로 전력을 발생시켜 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 전환 시스템으로, 일반 배터리와는 달리 연료 전지는 재충전이 필요 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 만들어 낼 수 있는 발전 시스템이다.

연료전지는 전해질(electrolyte)과 두개의 전극(electrode)이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때, 전기와 열 그리고 물이 만들어지게 되며, 우주선과 같이 내연기관이 실질적으로 활용되지 못하는 분야 또는 전기자동차 등에 전력을 공급하기 위한 시스템으로 사용되고 있다.

연료전지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데, 연료 변환기를 이용해 연료를 수소로 개질(reformer)하여 사용하게 된다.

최근 에너지 효율과 환경오염 문제에 대한 관심이 날로 커지면서 연료전지를 이용한 전기자동차가 내연기관 자동차를 실질적으로 대체할 수 있을 것으로 예상되고 있으며, 이러한 추세에 맞춰 메탄올, 에탄올 및 가솔린 등의 액체연료를 개질하여 수소를 발생시키고, 이중 수소만을 분리하여 연료전지의 연료로 활용하는 연료 전지 자동차용 연료 변환기의 개발이 진행되고 있다.

한편 연료전지 차량에서 연료전지는 전술한 바와 같이 산소와 수소의 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환하여 구동력을 발생시키게 되는데 이 과정에서 연료전지 내의 화학적 반응에 의해 열에너지가 발생된다.

이때 연료전지의 연료전지스택은 보통 65℃~85℃의 온도 조건에서 이상적으로 반응하므로 항상 이 온도 조건을 유지되게 하는것이 대단히 중요하다.

도 1은 종래의 연료전지 차량에서의 냉각장치를 간략하게 도시한 것으로서, 연료전지 차량에서 구동원인 연료전지스택(10)에는 냉각수가 순환할 수 있도록 하는 워터 재킷이 형성되어 있고, 연료전지스택(10)의 냉각수는 워터 펌프(20)에 의해서 강제 순환된다.

이렇게 워터 펌프(20)에 의해 강제 펌핑되어 연료전지스택(10)을 순환한 냉각수는 라디에이터(30)를 지나면서 외기와의 열교환에 의해 냉각이 이루어지도록 한다.

하지만 냉각수 온도와 외기와의 차이가 많은 경우에는 라디에이터(30)에서의 열교환에 의해 충분한 냉각 효과를 거둘 수가 있으나 열대 지방이나 고온 지역에서와 같이 가열된 냉각수 온도와 외기가 거의 편차가 없는 경우에는 라디에이터(30)에서의 열교환이 제대로 이루어지지 않아 연료전지스택(10)에서의 온도가 더욱 상승하게 되어 연료전지스택(10) 내에서의 화학 반응 효율 및 차량 성능이 저하되는 문제가 야기된다.

이를 위해서는 라디에이터(30)에서의 열교환 면적을 늘리거나, 더욱 많은 외 기와의 접촉이 필요로 되는데 반해 차량에서는 이런 구조적 개선을 위한 공간적 한계와 안전성 문제가 유발되는 문제가 있다.

이에 상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 라디에이터에 외부에서 물을 분사하면서 제습에 의해 고온 건조한 공기가 라디에이터 표면에 분사된 물을 통해 라디에이터로부터 열을 흡수하여 냉각수를 효과적으로 냉각할 수 있게 함으로써 고온의 외기 조건에서도 안정된 성능을 유지할 수 있도록 하는 연료전지 차량의 냉각장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 워퍼 펌프를 이용하여 냉각수를 연료전지스택의 내부로 강제 순환시킨 다음 라디에이터를 통과시키면서 열교환에 의해 냉각수를 냉각시키는 연료전지 차량의 냉각장치에 있어서, 상기 라디에이터의 전방에 구비되어 외기를 통과시키면서 고온·건조화시키는 제습 부재와; 일정량의 물을 저장하는 리저버 탱크와; 상기 리저버 탱크 내부의 물을 강제 펌핑하는 분사 펌프와; 상기 분사 펌프에 의해 강제 펌핑되는 물을 상기 라디에이터의 표면으로 분사하는 분사 노즐; 및 상기 연료전지스택의 온도를 체크하여 설정 온도보다 작으면 상기 분사 펌프를 가동시키는 제어부로서 이루어지도록 하는 구성이다.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉각장치를 도시한 개략적인 구조도로서, 종전과 동일한 구성에 대해서는 동일 부호를 적용하기로 한다.

도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지 차량은 구동원으로 연료전지스택(10)을 사용하며, 이 연료전지스택(10)의 내부에는 냉각수가 순환하면서 내부를 냉각시킬 수 있도록 하는 워터 재킷이 형성되어 있다.

연료전지스택(10)의 냉각수는 워터 펌프(20)에 의해서 강제 순환되며, 연료전지스택(10)을 순환하면서 가열된 냉각수는 라디에이터(30)를 지나면서 열교환에 의해 냉각이 이루어진다.

이와 같은 일련의 냉각수 순환 구조는 종전의 냉각장치에서와 대동소이하다.

다만 본 발명은 도시한 바와 같이 라디에이터(30)를 통과하는 냉각수를 추가적으로 냉각시킬 수 있도록 하는 부가적인 냉각 구조를 제공하기 위한 것이다.

즉 본 발명은 크게 제습 부재(40)와 리저버 탱크(50)와 분사 펌프(60)와 분사 노즐(70) 및 제어부(80)로서 이루어지는 구성이다.

제습 부재(40)는 차량의 전방에 구비되는 라디에이터(30)의 전방에서 라디에이터(30)에 공급되는 외기를 라디에이터(30)에 공급하기 전에 고온 및 건조되도록 하는 구성이다.

즉 차량의 전방에서 외기가 유도되면 이 외기로부터 습기를 빼앗아 고온·건조한 상태가 되도록 한다.

리저버 탱크(50)는 일정량의 물을 저장하는 구성이다.

그리고 분사 펌프(60)는 리저버 탱크(50)에 저장되는 물을 강제로 압송되도 록 하는 구성이다.

분사 노즐(70)은 제습 부재(40)와 라디에이터(30)의 사이에서 라디에이터(30)의 표면으로 리저버 탱크(50)의 물을 강제 압송시켜 분사되도록 하는 구성이다.

즉 제습 부재(40)에 인접하는 라디에이터(30)의 표면으로 물을 분사하게 되는 구성이다.

제어부(80)는 분사 펌프(60)의 구동을 단속 및 제어하는 구성으로, 연료전지스택(10)의 온도를 지속적으로 체크하여 이 온도가 설정된 온도보다 작다고 판단되면 분사 펌프(60)를 구동시킨다.

이러한 제어부(80)에서는 연료전지스택(10)이 보통 65℃~85℃의 온도 조건에서 이상적으로 반응하므로 항상 이 온도 조건을 유지할 수 있도록 한다.

한편 제어부(80)는 라디에이터(30)의 전방에서 외기를 체크하는 외기 센서(90)와 연료전지스택(10)의 온도를 체크하는 스택 센서(100)로부터 전달되는 온도 신호를 체크하여 분사 펌프(60)의 구동을 단속토록 한다.

상기의 구성에 따른 작용에 대해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 연료전지 차랑은 연료전지스택(10)에서 발생되는 화학적 반응 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 구동력을 발생시키게 된다.

이때 연료전지스택(10)에서는 냉각수가 순환하게 되는데 이렇게 순환된 냉각수는 라디에이터(30)를 통과하게 된다.

라디에이터(30)를 지나면서 외기와의 열교환에 의해 냉각수를 냉각시켜 연료 전지스택(10)에서 항상 이상적 반응에 유리한 약 65℃~85℃가 유지되도록 한다.

한편 열대 지방 또는 외기의 온도가 높은 지역에서는 비록 외기이기는 하지만 연료전지스택(10)의 온도와는 온도 편차가 크지 않으므로 실질적으로 라디에이터(30)에서의 열교환 효율은 떨어지게 된다.

이때 연료전지스택(10)과 외기의 온도를 제어부(80)에서 체크하여 외기의 온도가 연료전지스택(10)의 온도와 편차가 크지 않다고 판단되면 그 즉시 분사 펌프(60)를 구동시킨다.

분사 펌프(60)가 구동하기 시작하면 리저버 탱크(50)의 내부에 채워져 있던 물이 강제 압송되면서 분사 노즐(70)을 통해 물을 라디에이터(30)의 표면으로 분사시키게 된다.

라디에이터(30)의 표면으로 물을 분사하는 동시에 분사된 물은 차량의 전방으로부터 유입되어 제습 부재(40)를 통과하면서 고온·건조된 외기에 의해 기화되기 시작한다.

라디에이터(30)의 표면에서 물이 기화되면 라디에이터(30)로부터 상당한 열을 흡수하게 되므로 라디에이터(30)를 지나는 냉각수의 냉각 효율이 대폭 향상될 수가 있다.

이렇게 라디에이터(30)를 지나면서 기화되는 물에 의해 열교환이 이루어진 냉각수는 연료전지스택(10)을 냉각시키기에 충분한 온도가 되어 항상 이상적인 온도 조건으로 유지되게 함으로써 최상의 엔진 성능을 발휘하도록 한다.

이와 같이 본 발명은 열대 지방에서와 같이 외기가 고온인 지역에서의 차량 운행 시 기존의 냉각장치에 의해서는 충분한 냉각수의 냉각을 이루지 못하므로 라디에이터(30)의 표면으로 물을 분사하면서 이렇게 라디에이터(30)의 표면에 분사되는 물을 제습 부재(40)를 통해 고온·건조된 외기에 의해서 기화시켜 충분한 열교환이 이루어지도록 하는 것이다.

이처럼 본 발명은 냉각 성능의 향상을 위하여 라디에이터의 면적 또는 공기의 유동량을 증가시키기 위한 차량 개조등의 안전성 및 차량 내 공간 확보의 어려움 없이 기존의 차량에도 손쉽게 적용할 수 있는 특징을 갖는다.

한편 상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있기는 하지만, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다는 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.

따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상기한 바와 같이 본 발명은 연료전지 차량에서 비교적 외기의 온도가 높은 지역 특히 연료전지스택(10)의 온도와 온도 편차가 작은 지역을 주행 중일 때에 라디에이터(30)의 표면을 물을 분사하면서 분사된 물을 차량 전방으로부터 공급되는 고온·건조한 외기에 의해 기화되면서 라디에이터(30)를 냉각시켜 라디에이터(30)의 내부를 통과하는 냉각수의 열교환에 의해 연료전지스택(10)에는 항상 적정한 온도로 냉각된 냉각수가 공급되게 함으로써 이상적인 온도 조건에서 최상의 운전 성능을 발휘할 수 있도록 한다.

또한 본 발명은 최대한 간소한 구성에 의해 냉각 효율을 극대화시킴으로써 차량 내부의 개조없이 안전하면서 손쉬운 적용이 가능토록 하는 편의를 제공하는 매우 유용한 효과를 제공한다.

Claims (2)

1. 워터 펌프(20)를 이용하여 냉각수를 연료전지스택(10)의 내부로 강제 순환시킨 다음 라디에이터(30)를 통과시키면서 상기 라디에이터(30)에서의 열교환에 의해 냉각수를 적정한 온도로 냉각시키도록 하는 연료전지 차량의 냉각장치에 있어서,

   상기 라디에이터(30)의 전방에 구비되어 외기를 통과시키면서 고온·건조화시키는 제습 부재(40)와;

   일정량의 물을 저장하는 리저버 탱크(50)와;

   상기 리저버 탱크(50) 내부의 물을 강제 펌핑하는 분사 펌프(60)와;

   상기 분사 펌프(60)에 의해 강제 펌핑되는 물을 상기 라디에이터(30)의 표면으로 분사하는 분사 노즐(70); 및

   상기 연료전지스택(10)의 온도를 체크하여 이 온도가 설정 온도보다 작으면 상기 분사 펌프(60)를 가동시키도록 하는 제어부(80);

   로서 이루어지도록 하는 연료전지 차량의 냉각장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부(80)는 상기 라디에이터(30)의 전방에서 외기를 체크하는 외기 센서(90)와 연료전지스택(10)의 온도를 체크하는 스택 센서(100)로부터 전달되는 온도 신호를 체크하는 연료전지 차량의 냉각장치.

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