KR100899269B1 - 연료전지 자동차의 열관리시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 일종인 연료전지(Fuel Cell) 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차의 연료전지를 효율적으로 냉각시키는 열관리시스템에 관한 것이다.

본 발명은, 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기와 상기 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 제1 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하는 것을 특징으로 한다.

자동차, 연료전지, 냉각, 냉매

Description

연료전지 자동차의 열관리시스템{A Thermal Management System of a Fuel Cell Vehicle}

도 1은, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제1 실시예를 나타낸다.

도 2는, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제2 실시예를 나타낸다.

도 3은, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제3 실시예를 나타낸다.

도 4는, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제4 실시예를 나타낸다.

도 5는, 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제5 실시예를 나타낸다.

도 6은, 제1 내지 제5 실시예의 연료전지 자동차의 열관리시스템을 사용하여 연료전지의 작동온도를 조절하는 흐름도이다.

도 7은, 종래의 연료전지 자동차의 열관리시스템을 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 22...제1 냉각유체 순환유로, 2...제2 냉각유체 순환유로,

3, 31...메인(Main) 냉매유로, 4, 14, 32, 33...서브(Sub) 냉매유로,

5...제1 열교환기, 12...제2 냉각유체 순환유로,

16...제2 열교환기.

본 발명은 전기자동차의 일종인 연료전지(Fuel Cell) 자동차에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료전지 자동차의 연료전지를 효율적으로 냉각시키는 열관리시스템에 관한 것이다.

근래에 들어 내연기관 자동차로부터 배출되는 배기가스로 인한 대기오염이 심각해지면서 배기가스를 배출하지 않는 전기자동차가 각광을 받고 있다. 이러한 전기자동차는 전기에너지를 사용하여 전동기를 회전시켜 줌으로써 주행하게 되는 데, 연료전지 자동차는 전기 에너지의 전원으로서 연료전지를 장착한 전기자동차를 말한다.

이와 같은 연료전지는 사용중에 고열을 발생시키는 데, 그 수명과 성능을 유지하고, 가장 안정된 출력 상태를 얻기 위해서는 연료전지의 온도를 적정하게(예컨대, 고분자 전해질 연료전지의 경우는 약 80℃ 정도) 유지해야 한다.

종래의 연료전지 자동차의 열관리시스템으로서는 도 7에 도시된 바와 같은 것이 있다.

상기 종래의 열관리시스템은 제1 순환펌프(44)에 의해 순환되는 제1 냉각유체를 사용하여 상기 연료전지를 냉각시키는 제1 냉각유체 순환유로(41)와, 제2 순환펌프(43)에 의해 순환되는 제2 냉각유체에 의해 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원을 냉각시키는 제2 냉각유체 순환유로(42)와, 상기 제1 냉각유체 순환유로(41) 내의 제1 냉각유체와 제2 냉각유체 순환유로(42) 내의 제2 냉각유체와의 사이에서 열교환시키는 열교환기로 구성되어 있다.

그런데, 연료전지에서 발생하는 방열량은 기존의 내연기관에 비해 동일 출력 기준으로 약 두 배가 많고, 냉각수의 온도는 오히려 약 40℃ 이상 낮기 때문에 방열기를 통해 외기로 열을 방출시키기 위해서는 방열기 크기와 냉각팬 용량을 상당히 크게 해야 한다. 특히, 외기온도가 높을 경우 방열기의 냉각수 온도와 그 방열기를 냉각시켜주는 외기온도의 차가 작기 때문에 방열을 증가시키기 위해서는 방열기 크기와 냉각팬 용량을 크게 해야 한다. 그러나, 이것은 전체적인 크기와 무게가 증가시키게 되고, 또한 장착공간의 제약으로 인하여 일정한 한계가 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 자동차 냉방시스템의 냉매유로가 연료전지를 경유하게 해줌으로써 냉각유체가 흡수한 열을 방출하기 위한 방열기를 별도로 설치하지 않고서도 연료전지를 효율적으로 냉각시킬 수 있는 연료전지 자동차의 열관리시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기와 상기 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로와; 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 상기 제1 열교환기를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서, 응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로로부터 분기되고, 발열원과 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 연료전지 자동차의 열관리시스템의 제1 실시예가 도시되어 있다.

상기 제1 실시예는 열교환기(5)와 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(1)와, 구동모터를 포함한 발열원과 상기 열교환기(5)를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로(2)와, 응축기 및 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메 인 냉매유로(3)로부터 분기되고, 상기 열교환기(5)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(3)로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(4)를 포함하여 구성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제1 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(6)에 의해 작동하는 제1 냉각유체가 제1 냉각유체 순환유로(1)를 순환하고, 제2 순환펌프(7)에 의해 작동하는 제2 냉각유체는 제2 냉각유체 순환유로(2)를 순환한다. 그리고, 상기 제1 냉각유체 순환유로(1)를 순환하는 상기 제1 냉각유체는 연료전지로부터 흡열하여 연료전지를 냉각시키며, 열교환기(5)를 통하여 서브 냉매유로(4)를 흐르는 냉매와 열교환한다.

한편, 상기 제2 냉각유체 순환유로(2)를 순환하는 상기 제2 냉각유체는 구동모터 등의 발열원으로부터 흡열하여 냉각시키며. 상기 열교환기(5)를 통하여 서브 냉매유로(4)를 흐르는 냉매와 열교환한다.

도 2에는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있는 데, 그 구성을 설명하면 다음과 같다.

상기 제2 실시예는, 제1 열교환기(15)와 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(11)와, 구동모터를 포함한 발열원과 제2 열교환기(16)를 순환하는 제2 냉각유체 순환유로(12)와, 응축기 및 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(13)로부터 분기되고, 서로 병렬로 연결되어 있는 상기 제1 열교환기(15)와 제2 열교환기(16)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(13)로 복귀하는 서브 냉매유로(14)를 포함하여 구성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제2 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

제1 순환펌프(17)에 의해 작동하는 제1 냉각유체가 제1 냉각유체 순환유로(11)를 순환하고, 제2 순환펌프(18)에 의해 작동하는 제2 냉각유체는 제2 냉각유체 순환유로(12)를 순환한다. 상기 제1 냉각유체 순환유로(11)를 순환하는 상기 제1 냉각유체는 연료전지로부터 흡열하여 연료전지를 냉각시키는 한편, 제1 열교환기(15)를 경유하는 냉매와 열교환한다. 그리고, 상기 제2 냉각유체 순환유로(12)를 순환하는 상기 제2 냉각유체는 구동모터, 밧데리, 전기부품 등의 발열원으로부터 흡열하여 제2 열교환기(16)를 경유하는 냉매와 열교환한다.

도 3에는 본 발명의 제3 실시예의 구성이 도시되어 있다.

상기 제3 실시예는, 열교환기(24)와 연료전지와 구동모터를 포함한 발열원을 경유하는 냉각유체 순환유로(22)와, 응축기 및 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(21)로부터 분기되고, 상기 열교환기(24)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(21)로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(23)를 포함하여 구성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제3 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

순환펌프(25)에 의해 작동하는 냉각유체가 냉각유체 순환유로(22)를 순환하면서 구동모터 등의 발열원과 연료전지를 냉각시키며, 열교환기(24)를 통하여 서브 냉매유로(23)를 흐르는 냉매와 열교환한다.

도 4에는 본 발명의 제4 실시예의 구성이 도시되어 있다.

응축기 및 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(31)로부터 2개의 서브 냉매유로(32, 33)가 분기되고, 상기 서브 냉매유로(32, 33)는 각각 구동모터 등의 발열원과 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로(31)로 돌아오도록 구성되어 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제4 실시예의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 서브 냉매유로(32, 33)를 흐르는 냉매가 구동모터 등의 발열원과 연료전지를 경유하면서 냉각시킨다.

도 5에 도시된 본 발명의 제5 실시예는 구동모터 등의 발열원과 연료전지가 직렬로 연결되어 있다는 점을 제외하고는, 그 구성 및 작용이 상기 제4 실시예와 동일하다.

한편, 연료전지는 전력발생 효율을 위해서 그 작동온도를 적절하게 유지시켜줄 필요가 있는 데, 본 발명에 의하여 연료전지의 작동온도를 적절하게 관리해 줄 수가 있다. 이에 대하여 도 6에 도시된 흐름도를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 연료전지의 작동온도(T_w)를 체크한 후, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한(효율적인 전력발생을 위한 연료전지 작동온도의 최소값)보다 큰 경우에는, 연료전지의 작동온도가 지나치게 상승하지 않도록 제1 냉각유체 순환유로와 서브 냉매유로를 개방된 상태로 유지하여 냉각유체와 냉매를 각각 순환시켜 준다.

만일, 연료전지의 작동온도(T_w)가 T_하한보다 작은 경우에는, 제1 냉각유체 순환유로와 서브 냉매유로를 차단하여 냉각유체와 냉매의 흐름을 막아서 연료전지 작동온도의 상승을 유도한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 자동차 냉방시스템을 순환하는 냉매의 증발잠열을 사용하여 제1 냉각유체 및 제2 냉각유체를 열교환기를 통하여 냉각시킬 수 있어, 상기 제1 냉각유체 및 제2 냉각유체가 흡수한 열을 방출하기 위한 방열기를 별도로 설치하지 않아도 되므로, 자동차 엔진룸 내의 장착공간을 절약할 수 있고, 또한 연료전지 자동차의 열관리시스템의 구성을 간단히 하면서도 연료전지의 냉각효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 연료전지(Fuel Cell)가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

   제1 열교환기(5)와;

   상기 제1 열교환기(5)와 상기 연료전지를 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(1)와;

   발열원과 상기 제1 열교환기(5)를 경유하는 제2 냉각유체 순환유로(2)와;

   응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인(Main) 냉매유로(3)로부터 분기되고, 상기 제1 열교환기(5)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(3)로 돌아오도록 구성된 서브(Sub) 냉매유로(4)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   발열원과 제2 열교환기(16)를 순환하는 제2 냉각유체 순환유로(12)를 추가적으로 구비하며, 상기 서브 냉매유로(4)는 상기 제2 열교환기(16)를 추가적으로 경유하는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
4. 연료전지(Fuel Cell)가 장착된 연료전지 자동차의 열관리시스템에 있어서,

   제1 열교환기(5)와;

   상기 제1 열교환기(5)와 상기 연료전지 및 발열원을 경유하는 제1 냉각유체 순환유로(1)와;

   응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인(Main) 냉매유로(3)로부터 분기되고, 상기 제1 열교환기(5)를 경유하여 상기 메인 냉매유로(3)로 돌아오도록 구성된 서브(Sub) 냉매유로(4)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
5. 연료전지가 장착된 연료전지 자동차의 냉각시스템에 있어서,

   응축기, 증발기를 포함하여 구성되는 자동차 냉방시스템의 메인 냉매유로(31)로부터 분기되고, 발열원과 상기 연료전지를 경유하여 상기 메인 냉매유로로 돌아오도록 구성된 서브 냉매유로(32, 33)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 발열원과 상기 연료전지는 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 발열원과 상기 연료전지는 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 자동차의 열관리시스템.

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