KR100867794B1 - 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수 순환용 전동식 물펌프와 제어기를 일체화 시킨 펌프에 바이패스라인을 설치하여, 시스템 냉각에 사용되는 소량의 냉각수를 제어기 냉각에 이용하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 펌프하우징; 상기 펌프하우징의 내부에 설치되고, 모터로부터 회전력을 공급받아 상기 펌프하우징의 유입구를 통해 유입된 냉각수에 유체압력을 상승시켜 냉각수 흐름을 형성하는 임펠러; 상기 펌프하우징과 하나의 몸체로 형성된 모터제어기; 및 상기 냉각수 유입구 및 배출구에서 분기되어 모터제어기에 연결되고 상기 냉각수를 모터제어기로 순환시켜주는 바이패스라인;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치를 제공한다.

펌프, 냉각수, 바이패스, 쿨링패스, 제어기, 모터

Description

연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치{Cooling apparatus for coolant pump of fuel cell vehicle}

본 발명은 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉각수 순환용 전동식 물펌프와 제어기를 일체화 시킨 펌프에 바이패스라인을 설치하여, 시스템 냉각에 사용되는 소량의 냉각수를 제어기 냉각에 이용하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지 자동차의 주동력(Main Power) 공급원인 연료전지는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급 받아서 전기를 생산하는 장치이다.

도 4은 연료전지차 내 연료전지시스템의 일반적인 모식도로서, 연료전지(10)는 분리판(11), 애노드(12), 전해질막(13), 캐소드(14), 수소/공기/냉각수분배구조물(15), 애노드유로(anode flow field;)(16), 캐소드유로(cahtode flow field;)(17), 냉각유로(18)로 구성되어 있다.

연료전지 구동 시 수소는 수소공급원(19)으로부터 공급되고, 수소공급 솔레 노이드밸브(20) 및 배관(38)을 거쳐서 연료전지(10)의 애노드유로(16)로 공급된다.

연료인 수소의 이용률을 높이기 위해 미반응된 수소를 재순환 시키며, 이 과정은 퍼지밸브(21)를 닫은 상태에서 수소재순환블로워(22)을 가동시키게 되면, 연료전지내에서 미반응된 수소는 배관(23)을 따라 이동하고 수소재순환블로워(22) 및 수소재순환 차단 밸브(24)를 거쳐 연료전지 애노드유로(16)으로 들어가게 된다.

정해진 시간에 수소퍼지밸브(21)를 열어 전해질막(13)을 통해 넘어온 질소와 수분을 배출시킨다.

공기는 공기공급원(24)로부터 공급되고 배관(25)을 거쳐 공기블로워(26)에 공급되고, 공기블로워는 조건에 따라 유량을 제어하여 배관(27)을 통해 연료전지의 캐소드유로(17)로 공급되게 된다.

애노드유로(16)의 수소(H₂)는 애노드(12)의 촉매에서 H⁺ 이온과 e-으로 변환되고, 전해질막(13)을 통해 캐소드(14)측으로 넘어가게 된다. 캐소드유로에 존재하는 O₂가 캐소드(14)의 촉매에서 O^-이온으로 변환되고, 상기 H⁺ 이온과 O^-이온이 반응해서 H₂0로 변환되게 된다.

캐소드유로(17)에 공급된 공기 중 O₂를 사용하게 되고, 캐소드유로(17)는 공기중의 산소 농도보다 낮은 산소농도상태(질소가 많음)가 되고, 이 공기는 공기배기배관(28)를 통해 나가게 된다.

연료전지(10)의 냉각을 위해 냉각유로(18)에 냉각수를 공급해서 연료전지를 냉각하게 된다. 최적의 온도를 유지하기 위해 냉각수펌프(29)를 조건에 따라 구동시키며, 냉각수펌프가 구동될 경우에는 냉각수유로(18)에 있는 고온의 냉각수가 냉각수배출용 배관(30)을 통해 냉각수펌프(29)로 들어가고, 열교환기 공급배관(31)를 통해 열교환기(32)에서 냉각 되게 된다.

냉각된 냉각수는 열교환기 배출배관(33)과 냉각수 차단밸브(34)를 거쳐 냉각수재순환배관(35)을 따라 다시 냉각수유로(18)로 들어가 연료전지를 냉각시키게 된다.

도 1은 종래의 BLDC 모터제어기를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래의 전동식 물펌프를 나타내는 도면으로서, 펌프와 제어기가 분리되는 구조로 설치되고, 도 1에서 미설명도면부호 100은 저항, 콘덴서 및 IGBT 등이 설치된 기판이다.

상기 냉각수펌프는 통상적으로 BLDC 모터를 이용한 전동식 물펌프를 사용하고, 이 전동식 물펌프는 모터의 회전과 속도조절을 위해 제어기가 필요하다.

상기 제어기는 연료전지 자동차에 적용시에 300W~600W의 큰 전력을 사용하기 때문에 많은 열이 발생하고 전자소자를 보호하기 위한 냉각핀이나 냉각수의 순환이 필요하다.

그러나, 상기 제어기를 냉각하기 위해 냉각핀이 사용되는 경우에는 부피가 커지는 단점이 있고, 냉각수를 순환시키는 경우에는 부가적인 장치가 추가로 필요하고 부피와 무게가 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 냉각수 순환용 물펌프와 제어기를 일체화시킨 펌프에 바이패스라인을 설치하여, 시스템 냉각에 사용되는 소량의 냉각수가 펌프 하류에서 제어기의 냉각유로를 펌프 상류로 순환시켜 펌프의 압력차와 제어기 냉각유로만을 이용하여 제어기를 냉각수로 냉각함으로써, 제어기의 부피 및 무게를 크게 줄이고, 제어기의 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉각수를 순환시켜 냉각하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 있어서,

양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 펌프하우징; 상기 펌프하우징의 내부에 설치되고, 모터로부터 회전력을 공급받아 상기 펌프하우징의 유입구를 통해 유입된 냉각수에 유체압력을 상승시켜 냉각수 흐름을 형성하는 임펠러; 상기 펌프하우징과 하나의 몸체로 형성된 모터제어기; 및 상기 냉각수 유입구 및 배출구에서 분기되어 모터제어기에 연결되고 상기 냉각수를 모터제어기로 순환시켜주는 바이패스라인;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 모터제어기의 내부에는 바이패스라인과 연통되도록 다수의 쿨링패스가 평행하게 설치된 것을 특징으로 한다.

삭제

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 의하면, 다음과 같은 장점이 있다.

1. 간단한 바이패스라인과 쿨링패스(냉각유로)의 추가로 최적의 냉각성능을 실현할 수 있다.

2. 기존 공냉식의 제어기에 비해 제어기의 부피 및 무게를 축소할 수 있다.

3. 고용량 제어기의 전력과 발열에 대해서 안정적으로 모터제어기를 운전할 수 있다.

4. 펌프 및 제어기의 수명을 연장할 수 있다.

5. 연료전지시스템 열관리의 안정성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이다.

종래의 BLDC 모터를 적용한 물펌프는 그 용량이 200W 이하로 크지 않기 때문 에 냉각을 자연냉각이나 냉각핀을 이용하여 문제를 해결하였다. 이러한 경우 제어기가 상대적으로 수냉식에 비해 커지는 경향이 있어, 용량이 500W 이상 되는 경우 제어기 신뢰성에 많은 문제가 있다.

또한, 상기 공냉식의 문제점을 개선하기 위해 수냉식을 적용할 경우에는 추가적인 냉각수 배관과 냉각수를 순환시키는 펌프가 있어야 하므로 문제는 간단하지 않다.

본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프는 BLDC 모터를 사용하고, 임펠러, 펌프하우징(50) 및 제어기(51)가 하나의 몸체로 구성되어 펌프 하류의 고압과 펌프 상류의 저압의 압력 차이를 이용하여 제어기(51) 냉각유로로 냉각수를 자연스럽게 흐르는 구조로 설치된다. 이와 같은 펌프의 구성은 매우 컴팩트하게 설계된 것으로 자동차의 패키지를 고려하여 개발된 것이다.

상기 펌프하우징(50)은 양단부에서 축방향으로 돌출 형성된 유입구(50a) 및 배출구(50b)와, 하우징 내에 진행방향의 수직하게 설치된 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 축을 통해 모터와 연결되어, 모터로부터 회전력을 전달받아 상기 유입구(50a)를 통해 유입된 냉각수에 유체압력을 상승시켜 유로의 흐름을 형성하는 구조로 설치된다.

상기 모터제어기(51)는 모터의 위치를 파악하여 스위칭하는 기능과 모터/펌프의 운전속도를 제어하고 각종 안전 기능을 수행한다.

상기 BLDC 모터(Brushless Direct Current Motor)는 일반 DC 모터와 달리 브러시가 없이 전자 소자(IGBT or FET)을 이용하여 모터의 스위칭으로 모터의 회전을 가능하게 하는 모터이다.

특히 일반 DC 모터와는 달리 블러쉬가 없기 때문에 블러쉬에서 발생하는 스파크가 없고 내구성능도 보다 더 우수하고 부피/무게 측면에서 많은 잇점이 있어 연료전지시스템에서 많이 적용되고 있다.

상기 냉각수(Cooling water)는 냉각을 위해 발열 부문과 방열 부문을 흐르는 유체로 물이나 물과 에틸렌클리콜 혼합액을 사용한다.

상기 냉각수의 주요 흐름은 펌프하우징(50)의 유입구(50a)→임펠러→펌프하우징(50)의 배출구(50b)로 이루어지고, 상기 냉각수를 이용하여 모터제어기(51)를 냉각하기 위해 상기 펌프하우징(50)의 유입구(50a) 및 배출구(50b)에서 하부방향으로 분기된 바이패스 라인(52a,52b)을 설치한다.

상기 바이패스 라인(52a,52b)은 냉각수 주요 흐름에서 분기되어 흘러가는 냉각수 유로로서, 펌프의 성질에 의해 펌프 하류와 펌프 상류의 압력차가 발생하여 기본 유로만을 만들어 주면 자연스럽게 흐름이 발생한다.

상기 모터제어기(51)는 본 발명에서 방열시키고자 하는 고체부분으로, 이 모터제어기(51)를 냉각시키기 위한 쿨링패스(Cooling path)(53)는 모터제어기(51) 내부에 바이패스라인(52a,52b)의 하단과 연통되며 다수의 냉각유로가 평행하게 설치된 구조로 이루어짐으로써, 열전달이 효율적으로 이루어질 수 있다.

삭제

이와 같은 구성에 의해 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 냉각수 순환 펌프를 운전하는 경우에 펌프하우징(50)의 상류 및 하류의 압력차가 발생하여 냉각 유로의 유량을 증가시키고, 바이패스라인(52a,52b) 및 쿨링패스(53)를 통해 모터제어기(51) 내부로 유입된 냉각수가 모터제어기의 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 냉각수 순환펌프의 적용시 공냉식에 의한 모터제어기 냉각보다 제어기의 크기 및 무게를 30%이상 줄일 수 있고, 제어기의 수명과 안정성도 향상시킬 수 있다.

특히, 모터제어기(51)에서 스위칭 소자로 사용하는 IGBT는 열이 많이 발생하므로, 이의 적절한 방열은 시스템의 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 종래의 BLDC 모터제어기를 나타내는 저면도이고,

도 2는 종래의 전동식 물펌프를 나타내는 평면도이고,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치의 구성을 개략적으로 나타내는 개념도이고,

도 4는 종래의 연료전지차 내 연료전지시스템의 일반적인 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 연료전지 11 : 분리판

12 : 애노드 13 : 전해질막

14 : 캐소드 15 : 수소/공기/냉각수분배구조물

16 : 애노드유로 17 : 캐소드유로

18 : 냉각수유로 19 : 수소공급원

20 : 수소공급밸브 21 : 퍼지밸브

22 : 수소재순환블로워 23,25,27,30,31,33,35,38 : 배관

24 : 수소재순환차단밸브 26 : 공기블로워

28 : 공기배기배관 29 : 냉각수펌프

32 : 열교환기 34 : 냉각수차단밸브

36 : 공기배기 솔레노이드밸브 46 : 공기공급원

50 : 펌프하우징 50a : 유입구

50b : 배출구 51 : 모터제어기

52a,52b : 바이패스라인 53 : 쿨링패스

Claims (3)

1. 냉각수를 순환시켜 냉각하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치에 있어서,

   양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 펌프하우징;

   상기 펌프하우징의 내부에 설치되고, 모터로부터 회전력을 공급받아 상기 펌프하우징의 유입구를 통해 유입된 냉각수에 유체압력을 상승시켜 냉각수 흐름을 형성하는 임펠러;

   상기 펌프하우징과 하나의 몸체로 형성된 모터제어기; 및

   상기 냉각수 유입구 및 배출구에서 분기되어 모터제어기에 연결되고 상기 냉각수를 모터제어기로 순환시켜주는 바이패스라인;

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터제어기의 내부에는 바이패스라인과 연통되도록 다수의 쿨링패스가 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차용 냉각수 순환펌프의 냉각장치.
3. 삭제

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