KR100837975B1

KR100837975B1 - 연료전지 차량의 냉각 시스템

Info

Publication number: KR100837975B1
Application number: KR1020060094416A
Authority: KR
Inventors: 성병준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2006-09-27
Publication date: 2008-06-13
Also published as: KR20080028719A

Abstract

본 발명은 연료전지 차량 또는 연료전지 버스에 구비된 스택을 냉각시키기 위한 연료전지 차량의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 라디에이터에서 방열되어 냉각된 냉각수가 공급라인을 따라 병렬로 분기되어 유동하되 상기 냉각수를 가압하는 제1 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제1 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제1 조절밸브가 설치된 제1 유동 라인과; 상기 공급라인에서 분기되며 냉각수를 가압하는 제2 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제2 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제2 조절밸브가 설치된 제2 유동 라인과; 상기 제1,2 스택에서 각각 열교환되어 가열된 냉각수가 합류되어 상기 라디에이터로 리턴되도록 연결된 리턴라인과; 상기 제1 워터펌프 또는 제2 워터펌프가 고장시에 상기 제1,2 스택에서 열교환된 냉각수가 상기 제1 스택 또는 제2 스택으로 역순환되지 않도록 상기 제1,2 스택으로 공급되는 제1,2 유동 라인 상에 연결 설치된 바이패스 라인; 및 상기 제1,2 스택에 설치된 온도센서로부터 상기 제1,2 스택의 온도를 감지하고, 상기 제1,2 스택 중의 어느 하나의 온도가 비정상적으로 상승할 때 제1 조절밸브 또는 제2 조절밸브를 오프시켜 공급라인을 통해 공급되는 차가워진 냉각수와의 혼합을 방지하는 제어부를 포함하여 구성되는 연료전지 차량의 냉각 시스템에 관한 것이다.

연료전지, 스택, 냉각수, 워터펌프, 온도센서

Description

연료전지 차량의 냉각 시스템{The cooling system of the fuel cell vehicle}

도 1은 종래의 연료전지 차량의 냉각 시스템을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템을 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템의 작동 상태도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 라디에이터 100 : 제1 유동 라인

110 : 제1 워터펌프 200 : 제2 유동 라인

210 : 제2 워터펌프 300 : 리턴라인

310 : 공급라인 400 : 바이패스 라인

500 : 제어부

본 발명은 연료전지 차량 또는 연료전지 버스에 구비된 스택의 과열을 방지하고 안정적으로 작동시키기 위해 냉각수가 유동하는 라인상에 연결 설치된 워터펌 프의 고장에 의한 오작동 및 시스템 전체의 고장을 방지하기 위한 연료전지 차량의 냉각 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(Fuel Cell)는 크게 전기화학 반응을 일으키는 전극과, 반응에 의해 발생된 수소이온을 전달하는 전해질 막과, 상기한 전극과 전해질을 지지하는 분리판으로 이루어져 있다.

상기한 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력 밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 고체 전해질을 쓰기 때문에 부식 및 전해질 조절이 필요 없는 장점을 가지고 있으며 배기가스로 순수 물만을 배출하는 친환경적인 동력원이기 때문에 현재 전세계 자동차 업계에서 활발한 연구가 진행 중에 있다.

고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 물과 열을 발생시키면서 전기를 발생하는 장치로써, 공급된 수소가 Anode 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온은 전해질 막을 통해 Cathode로 넘어가게 되며, 이때 공급된 산소와 외부 도선을 타고 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다. 이때 발생되는 이론 전위는 약 1.3V이며 반응식은 다음과 같다.

Anode : H₂ → 2H+ + 2e

Cathode : 1/2 O₂ + 2H+ + 2e → H₂O

실제 자동차용 연료전지에서는 위에서 나타난 전위보다 더 큰 전위를 필요로 하는데, 더 높은 전위를 얻기 위해서는 개별 단위전지를 필요한 전위만큼 적층해야 하며, 이렇게 적층한 것을 스택(Stack)이라 한다.

상기한 스택에서 발생하는 열을 냉각하기 위해서 분리판을 이용하여 냉각을 실시한다. 상기 분리판은 전기 전도도가 커야 전자를 원활하게 전도하게 되며 전기 전도도가 큰 분리판을 사용하게 되면 냉각수는 전기 전도도가 낮은 증류수를 사용 해야만 한다.

한편, 상기 연료전지 차량에 구비된 스택은 풀 파워 상태로 작동될 경우에 약 80℃ 까지 온도가 상승하게 되어 반드시 냉각수를 통해 냉각을 시켜야 한다.

첨부된 도 1은 종래의 연료전지 차량의 냉각 시스템을 도시한 도면이다.

첨부된 도 1 에 도시된 바와 같이, 라디에이터(10)에서 공급된 차가운 냉각수가 제1,2 스택(2,4)으로 각각 공급되어 라디에이터(10)로 리턴되어 냉각이 이루어지는데, 제1 워터펌프(6)의 고장에 의해 제1 스택(2)으로 냉각수가 공급되지 목하게 되면, 라디에이터(10)에서 공급되는 냉각수는 화살표로 도시된 바와 같이 제2 워터펌프(8)를 통해 제2 스택(6)으로 공급된 후에 라디에이터로 리턴되지 않고, 가열 상태인 제1 스택(2) 쪽으로 순환되어 가열된 제1 스택(2)의 내부 온도를 상승시키게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 현상은 제1 스택(2)의 계속적인 온도 상승을 유발하여 상기 제1 스택(2)에 구비된 막 전극 접합체(미도시) 또는 각종 부속품에 치명적인 영향을 가하여 연료전지 차량 시스템 전체를 마비시켜 차량 주행이 불가능하게 만드는 치명적인 문제점을 유발시켜 이에 대한 대책을 필요로 했다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 워터펌프 고장에 의해 비정상적으로 작동되는 스택의 고장을 사전에 방지하여 연료전지 차량의 시스템 정지 및 스택의 손상을 방지할 수 있는 연료전지 차량의 냉각 시스템을 제공 하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템은 라디에이터에서 방열되어 냉각된 냉각수가 공급라인을 따라 병렬로 분기되어 유동하되 상기 냉각수를 가압하는 제1 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제1 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제1 조절밸브가 설치된 제1 유동 라인과; 상기 공급라인에서 분기되며 냉각수를 가압하는 제2 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제2 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제2 조절밸브가 설치된 제2 유동 라인과; 상기 제1,2 스택에서 각각 열교환되어 가열된 냉각수가 합류되어 상기 라디에이터로 리턴되도록 연결된 리턴라인과; 상기 제1 워터펌프 또는 제2 워터펌프가 고장시에 상기 제1,2 스택에서 열교환된 냉각수가 상기 제1 스택 또는 제2 스택으로 역순환되지 않도록 상기 제1,2 스택으로 공급되는 제1,2 유동 라인 상에 연결 설치된 바이패스 라인; 및 상기 제1,2 스택에 설치된 온도센서로부터 상기 제1,2 스택의 온도를 감지하고, 상기한 제1 스택의 온도가 제2 스택의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제1 조절 밸브가 오프되도록 제어하고,
상기한 제2 스택의 온도가 제1 스택의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제2 조절 밸브가 오프되도록 콘트롤하는 제어부를 포함하여 구성된다.

상기 바이패스 라인은 일단이 상기 제1,2 조절밸브의 출구상에 연결되고, 타단이 제1,2 스택으로 각각 공급되는 제1,2 유동라인 사이에 연결 설치되도록 구성된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템을 도시한 도면이고, 도 3a 내지 도 3b는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템의작동 상태도이다.

첨부된 도 2를 참조하면, 라디에이터(10)에서 방열되어 냉각된 냉각수가 공급라인(310)을 따라 병렬로 분기되어 유동하되 상기 냉각수를 가압하는 제1 워터펌프(110)를 거쳐 차량에 구비된 제1 스택(2)으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제1 조절밸브(120)가 설치된 제1 유동 라인(100)과; 상기 공급라인(310)에서 분기되며 냉각수를 가압하는 제2 워터펌프(210)를 거쳐 차량에 구비된 제2 스택(4)으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제2 조절밸브(220)가 설치된 제2 유동 라인(200)과; 상기 제1,2 스택(4,6)에서 각각 열교환되어 가열된 냉각수가 합류되어 상기 라디에이터(10)로 리턴되도록 연결된 리턴라인(300)과; 상기 제1 워터펌프(110) 또는 제2 워터펌프(210)가 고장시에 상기 제1,2 스택(2,4)에서 열교환된 냉각수가 상기 제1 스택(2) 또는 제2 스택(4)으로 역순환되지 않도록 상기 제1,2 스택(2,4)으로 공급되는 제1,2 유동 라인(100,200) 상에 연결 설치된 바이패스 라인(400); 및 상기 제1,2 스택(2,4)에 설치된 온도센서(20)로부터 상기 제1,2 스택(2,4)의 온도를 감지하고, 상기한 제1 스택(2)의 온도가 제2 스택(4)의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제1 조절 밸브(120)가 오프되도록 제어하고,
상기한 제2 스택(4)의 온도가 제1 스택(2)의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제2 조절 밸브(220)가 오프되도록 콘트롤하는 제어부(500)를 포함하여 구성된다.

상기 바이패스 라인(400)은 일단이 상기 제1,2 조절밸브(120,220)의 출구상에 연결되고, 타단이 제1,2 스택(2,4)으로 각각 공급되는 제1,2 유동라인(100,200) 사이에 연결 설치되도록 구성된다.

상기 제1,2 조절밸브(120,220)와 온도센서(20)는 제어부(500)와 전기적인 신호가 전송 가능하도록 연결 설치된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 연료전지 차량의 냉각 시스템의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 2 내지 도 3a를 참조하면, 연료전지 차량에 운전자가 탑승한 상태에서 시동을 온(On) 하게 되면 제1,2 스택(2,4)에 형성된 수소 매니폴드(미도시)와, 냉각수 매니폴드(미도시)와, 공기 매니폴드(미도시)를 통해 수소 가스와 공기 및 냉각수의 공급이 이루어지고, 제1,2 스택(2,4)의 외측에 각각 설치된 온도센서(20)를 통해 상기 제1,2 스택(2,4)의 온도가 감지되어 제어부(500)로 입력된다.

또한, 제1,2 조절밸브(120,220)는 온(On), 오프(Off) 작동이 절환 가능하도록 제어부(500)와 연결 설치되어 있다.

첨부된 도 2를 참조하면, 정상적으로 제1,2 스택(2,4)이 작동하게 되면 라디에이터(10)에서 열교환되어 차가워진 냉각수는 공급라인(310)을 통해 이동하여 제 1,2 유동 라인(100,200)으로 각각 병렬 분기되어 공급된다.

상기 제1 유동 라인(100)으로 공급된 냉각수는 제1 워터펌프(110)와 제1 조절밸브(120)를 거쳐 제1 스택(2)로 공급되고, 이와 동시에 제2 워터펌프(210)와 제2 조절밸브(220)를 거쳐 제2 스택(4)으로 공급되어 열교환된 냉각수는 각각 합류되어 리턴라인(300)을 통해 상기 라디에이터(10)로 리턴이 이루어진다. 상기와 같이 작동되는 과정에서 온도센서(20)를 통해 상기 제1,2 스택(2,4)의 온도가 제어부(500)로 전송되며 상기 제어부(500)는 설정된 제1,2 스택(2,4)의 온도편차 범위를 벗어나지 않는지를 연산하게 된다.

만약, 제1 워터펌프(110)에서 고장이 발생되면 다음과 같이 작동이 이루어진다.

첨부된 도 3a를 참조하면, 제1,2 스택(2,4)의 온도를 감지하는 온도센서(20)에서 제1 스택(2)의 온도가 제2 스택(4)의 온도에 비해 비정상적으로 상승하게 되면 제어부(500)는 제1 워터펌프(110)가 고장난 것으로 판단하고, 과열된 제1 스택(2)으로 공급되는 냉각수량을 조절하는 제1 조절밸브(120)를 오프(Off) 시켜 고장난 제1 워터펌프(110)를 통해 냉각수가 공급되지 않도록 차단하고, 제2 유동 라인(200)을 통해 냉각수를 우회시켜 제2 워터펌프(210)와 제2 조절밸브(220)를 거쳐 제2 스택(4)으로 냉각수를 공급하고, 상기 제1 스택(2)은 바이패스 라인(400)을 통해 차가워진 냉각수를 제1 스택(2)으로 공급시킨다.

상기와 같이 바이패스 라인(400)을 통해 제1 스택(2)과 제2 스택(4)을 제2 워터펌프(210) 하나를 사용하여 냉각시킬 수 있으며, 상기 제1,2 스택(2,4)을 경유 하여 가열된 냉각수는 리턴라인(300)을 통해 화살표 방향을 따라 라디에이터(10)로 공급되어 계속적인 냉각이 이루어진다.

만약, 제2 워터펌프(110)에서 고장이 발생되면 다음과 같이 작동이 이루어진다.

첨부된 도 3b를 참조하면, 제1,2 스택(2,4)의 온도를 감지하는 온도센서(20)에서 제2 스택(4)의 온도가 제1 스택(2)의 온도에 비해 비정상적으로 상승하게 되면 제어부(500)는 제2 워터펌프(210)가 고장난 것으로 판단하고, 과열된 제2 스택(4)으로 공급되는 냉각수량을 조절하는 제2 조절밸브(220)를 오프(Off) 시켜 고장난 제2 워터펌프(210)를 통해 냉각수가 공급되지 않도록 차단하고, 제2 유동 라인(100)을 통해 냉각수를 우회시켜 제1 워터펌프(110)와 제1 조절밸브(120)를 거쳐 제1 스택(2)으로 냉각수를 공급하고, 상기 제2 스택(4)은 바이패스 라인(400)을 통해 차가워진 냉각수를 제2 스택(4)으로 공급시킨다.

상기와 같이 바이패스 라인(400)을 통해 제1 스택(2)과 제2 스택(4)을 제1 워터펌프(110) 하나를 사용하여 냉각시킬 수 있으며, 상기 제1,2 스택(2,4)을 경유하여 가열된 냉각수는 리턴라인(300)을 통해 화살표 방향을 따라 라디에이터(10)로 공급되어 계속적인 냉각이 이루어진다.

따라서, 연료전지 차량의 제1,2 스택(2,4) 과열로 인한 차량의 시스템 다운 및 고장을 사전에 예방할 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 차량의 냉각 시스템은 연료전지 차량에 구비된 워터펌프 고장에 의해 스택이 과열되는 것을 방지하여 스택 과열로 인한 구성 부품의 보호 및 연료전지 차량 전체의 시스템을 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

라디에이터를 통해 유출입되는 냉각수가 공급라인을 따라 워터펌프를 거쳐 스택으로 공급되고, 상기 스택을 경유하여 라디에이터로 리턴되는 연료전지 차량의 냉각 시스템에 있어서,

상기 라디에이터에서 방열되어 냉각된 냉각수가 공급라인을 따라 병렬로 분기되어 유동하되 상기 냉각수를 가압하는 제1 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제1 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제1 조절밸브가 설치된 제1 유동 라인;

상기 공급라인에서 분기되며 냉각수를 가압하는 제2 워터펌프를 거쳐 차량에 구비된 제2 스택으로 유입되는 냉각수량이 조절 가능하도록 제2 조절밸브가 설치된 제2 유동 라인;

상기 제1,2 스택에서 각각 열교환되어 가열된 냉각수가 합류되어 상기 라디에이터로 리턴되도록 연결된 리턴라인;

상기 제1 워터펌프 또는 제2 워터펌프가 고장시에 상기 제1,2 스택에서 열교환된 냉각수가 상기 제1 스택 또는 제2 스택으로 역순환되지 않도록 상기 제1,2 스택으로 공급되는 제1,2 유동 라인 상에 연결 설치된 바이패스 라인; 및

상기 제1,2 스택에 설치된 온도센서로부터 상기 제1,2 스택의 온도를 감지하고, 상기한 제1 스택의 온도가 제2 스택의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제1 조절 밸브가 오프되도록 제어하고,

상기한 제2 스택의 온도가 제1 스택의 온도에 비해 비정상적으로 과열이 발생될 경우에는 제2 조절 밸브가 오프되도록 콘트롤하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 바이패스 라인은 일단이 상기 제1,2 조절밸브의 출구상에 연결되고, 타단이 제1,2 스택으로 각각 공급되는 제1,2 유동라인 사이에 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 차량의 냉각 시스템.