KR100921044B1 - 연료전지차량용 ｃｏｄ 겸용 가열장치 - Google Patents

연료전지차량용 ｃｏｄ 겸용 가열장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지자동차에 사용되는 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 통합한 새로운 개념의 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터; 상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터;를 포함하여 구성되고, 상기 스타트업 히터와 셧다운 히터는 스택내부의 잔류산소를 열로 소비하여 스택 내부의 열화를 방지하고, 상기 냉각수 가열용 히터는 스택 냉각수를 급속 가열하여 빙점이하의 온도에서도 연료전지차량의 냉시동성을 확보하며, 상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 하나의 케이스를 통해 통합되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치를 제공한다.
COD, 히터, 스타트업, 셧다운

Description

연료전지차량용 ＣＯＤ 겸용 가열장치{Heater with Cathode Oxygen Depletion fuction for fuel cell vehicle}
본 발명은 연료전지자동차에 사용되는 열 및 물관리계(TMS, Thermal Management System)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 COD와 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 히터를 통합한 새로운 개념의 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 관한 것이다.
환경 친화적인 자동차 개발을 위해 자동차 회사들은 수소 연료전지 자동차에 큰 관심을 갖고 개발하고 있다. 현재 개발되고 있는 수소 연료전지 자동차에는 해결해야 할 문제점들이 많이 남아 있는데, 그 중 가장 시급하고도 어려운 문제가 냉시동성 확보 전략이라 할 수 있다.
기존 연료전지 차량의 냉시동성 확보를 위한 해결책은 RTA(Rapid Thaw Accumulator) 내부의 히터를 이용한 순수의 급속해빙이었다.
그러나 순수를 이용하게 되면 빙점 이하에서는 순수가 결빙을 할 뿐만 아니 라, 냉각수 루프가 복잡해지고 추가적으로 드레인 밸브를 장착해야 하는 등 많은 어려움이 따른다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 한 가지 방안이 스택용 부동액을 냉각수로 사용하며, 빙점 이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수 급속 가열을 하는 방법이 있다.
이를 위해서는 히터를 스택 냉각수 라인에 부착하여야 한다. 또한 연료전지 차량의 스타트업/셧다운(start up/shut down)시 촉매 담지 카본의 부식에 의한 스택의 내구성 저하를 방지하기 위해 COD(Cathode Oxygen Depletion)를 스택 양 단자에 물려 수소와 산소의 반응에 의한 전력생성을 열에너지로 소비하게 된다.
도 1은 기존 COD의 작동원리를 설명하기 위한 도면으로서, VLD100A/VLD100B는 스타트업용 COD이며, VLD110은 셧다운용 COD를 나타낸다. VLD100A와 VLD100B는 한 개의 스택 모듈 끝단에 릴레이와 퓨즈를 통해 연결되어 있으며, VLD110은 두 개의 스택 모듈 끝단에 릴레이 두개와 퓨즈 두개로 연결되어 있다.
차량의 스타트업시에는 VLD100A 와 VLD100B가 스택에 연결되어 스택내부의 잔류 수소를 산소와 반응시켜 열로 소비시켜 주며, 차량의 셧다운시에는 VLD110이 연결되어 스택내부의 잔류수소를 제거한다.
특히, 셧다운시에는 N/C(normal close) 릴레이가 붙어 있어 시동이 완전이 꺼지고 차량이 정차한 경우에도 셧다운용 COD는 항상 스택 양단에 연결되어 있게 된다.
그러나, 종래에는 차량 시동후 빙점이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원 활하게 하기 위한 스택 냉각수를 가열하기 위한 용도로 개발된 히터가 없었으며, 상기 COD는 히터용으로 사용된 것이 아니라, 차량의 스타트업(S/U)시나 셧다운(S/D)시에 스택 내부의 잔여 수소와 산소를 열로 소비시켜 스택의 내구성을 확보하는 장치로 사용되었다.
따라서, COD 외에도 차량 시동후 빙점이하의 온도에서 스택의 전력 생성을 원활하게 하기 위해 냉각수를 급속하게 가열할 수 있는 히터가 필요하였고, 냉각수 가열용 히터를 COD와 별도로 구성하는 경우에 차량의 부품원가를 증가시키고, 레이아웃 공간을 확보할 수 없는 단점이 있다.
또한, S/U COD와 S/D COD는 도 2에 도시한 바와 같이 원통형 케이스(100)의 양단에 설치되고, 케이스(100)의 양단에 냉각수 유입구(101) 및 배출구(102)가 형성되며, 원통형 케이스(100)의 내부직경은 냉각수 유입구(101) 및 배출구(102)보다 상대적으로 커서 냉각수 유입구(101)에서 배출구(102)로 이동하는 동안 급확대 및 급축소 관으로 통과함으로, 이에 따른 유체의 압력강하가 심각하여 펌프에 큰 부하를 주는 문제점이 있다. 미설명부호 103은 S/U COD, 104는 S/D COD이다.
또한, 종래의 COD는 전장 냉각라인에 부착되어 정비를 위해서는 리프트 없이 정비가 불가능한 단점이 있고, 히터가 공기에 노출될 위험이 있어서 발열부의 손실될 위험이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지차량의 냉시동성 확보를 위한 히터기능과 기존의 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능을 하나로 통합함으로써, 차량의 부품 원가절감, 레이아웃 공간 확보 및 정비성을 향상시키는 데 기여할 수 있고, 다단 전류 제어를함으로써 냉시동성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 있어서,
양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 케이스; 상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터; 상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터;를 포함하여 구성되고, 상기 스타트업 히터와 셧다운 히터는 스택내부의 잔류산소를 열로 소비하여 스택 내부의 열화를 방지하고, 상기 냉각수 가열용 히터는 스택 냉각수를 급속 가열하여 빙점이하의 온도에서도 연료전지차량의 냉시동성을 확보하며, 상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 하나의 케이스를 통해 통합되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 튜브형태로 냉각수의 흐름방향에 수직방향으로 케이스의 양측면에 설치되되, 상하방향으로 적어도 2열이상이 일정한 간격을 두고 "W" 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 케이스는 단면적이 진행방향으로 갈수록 단면적이 폭방향으로 커지다가 다시 작아지는 육각형 형태이고, 케이스의 중간에서 단면적이 최대가 되고, 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 면에서 최소가 되며, 냉각수의 흐르는 단면적이 점진적으로 커지다가 작아져서 유동에너지 손실을 저감시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 케이스의 유입구 측에는 냉각수의 흐름이 넓게 퍼지도록 가이드판이 설치된 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 의하면, 스타트업 히터와 셧다운 히터로 구성되는 COD 기능의 히터는 스택 내부의 잔류산소를 열로 소비해 줌으로써 스택 열화를 방지할 뿐만 아니라, 스택 냉각수 가열용 히터는 스택 냉각수를 급속하게 가열하여 스택의 전류생성을 원활하게 하여 빙점 이하의 온도에서도 연료전지 차량의 냉시동성을 확보할 수 있게 된다.
따라서, 기존의 COD 히터와 스택 냉각수 가열용 히터를 하나의 히터로 통합함으로써, 연료전지 차량의 통합 열관리시스템으로서의 기능을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치를 나타내는 개념도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치의 전기결선도이다.
본 발명은 기존의 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능과 냉각시동성을 위한 히터 기능을 통합한 점에 주안점이 있다.
근본적으로 COD와 히터는 모두 저항히터로서, 사용시기와 용도만 다를 뿐이고, 하나의 히터로 통합가능하다.
본 발명의 일실시예는 도 3에 도시한 바와 같이 크게 스택 내구성 확보를 위한 COD 기능의 히터(10,11)와, 냉시동성 확보를 위한 스택 냉각수 급속 가열용 히터(12,13)로 구성된다.
상기 COD 기능의 히터(10,11)는 스타트업 히터(10)와 셧다운 히터(11)로 구분할 수 있고, 스타트업 히터(10)는 차량의 시동시 스택의 전류를 소모시킴으로써, 셧다운 히터(11)는 차량의 셧다운시에 스택의 전류를 소모시킴으로써, 스택의 내구성을 확보한다.
상기 급속 가열용 히터(12,13)는 차량 시동후 스택 냉각수를 급속 가열하여 빙점 이하의 온도에서도 연료전지 차량의 냉시동성을 확보할 수 있다.
즉, 하나의 단품에 세가지 기능의 히터를 구현함으로써, 원가절감, 중량절감 및 냉시동성의 확보 등 많은 이점을 갖게 된다.
도 4는 COD 겸용 히터의 내부 전기 결선도를 나타내는 도면으로서, 스택 출력을 고려하여 스타트업(S/U), 셧다운(S/D), 워밍업(W/U) 히터의 개별 저항값은 1.25Ω, 44Ω, 38Ω으로 한다.
각 히터의 정격 발열량은 S/U(10), S/D(11), W/U#1(12), W/U#2(13) 각각 4kW, 16kW, 9.6kW, 9.6kW이며, 차량의 S/U시에는 S/U히터(10) 4kW가 발열되며, S/D시에는 S/D히터(11) 16kW가 발열되어 COD기능을 수행한다.
W/U시에는 전류 다단제어를 할 수 있으며, S/D히터(11)와 W/U#1히터(12)를 함께 켜면 25.6kW(=16+9.6), S/D히터와 W/U#1, 2(12,13)를 모두 켜면 35.2kW가 발열되어 스택냉각수를 급속 가열할 수 있어 스택의 냉시동성을 확보할 수 있게 된다. 각각의 히터군들은 릴레이와 퓨즈로 온/오프 제어를 할 수 있다. 이때, S/D 히터는 필요에 따라 W/U 히터로도 사용할 수 있다.
따라서, S/U히터(10)와 S/D히터(11)로 구성되는 COD기능의 히터는 스택내부의 잔류산소를 열로 소비해 줌으로써 스택 열화를 방지하는 역할을 하고, W/U히터(12,13)는 스택 냉각수를 급속 가열하여 스택의 전류 생성을 원활하게 하여 빙점이하의 온도에서도 연료전지 차량의 냉시동성을 확보하게 해 준다.
나아가, 기존의 COD 히터와 스택 냉각수 가열용 히터를 하나의 히터로 통합함으로써 연료전지 차량의 통합 열관리 시스템으로서의 기능을 수행할 수 있다.
상기 S/U히터(10), S/D히터(11)는 육각형의 케이스(14)의 일측면에 평행하게 장착되며, 케이스(14)의 양단부에는 냉각수 유입구(15)와 배출구(16)가 형성되며, 유입구(15)를 통해 유입된 냉각수는 스택의 양단자에 맞물려 있는 S/U히터(10)와 S/D히터(11)에 의해 가열된다.
상기 스택 냉각수 가열용 히터(12,13)는 육각형 케이스(14)의 타측면에 평행하게 장착되며, 유입구(15)를 통해 유입된 냉각수는 스택의 양단자에 맞물려 있는 스택 냉각수 가열용 히터(12,13)에 의해 가열되게 된다.
상기 S/U히터(10), S/D히터(11) 및 스택 냉각수 가열용 히터(12,13)는 튜브형태로 상단부가 케이스(14)의 측면을 관통하고, 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 설치되어 있다. 또한, 케이스(14)의 유입구 측에는 냉각수가 케이스(14) 내부로 골고루 퍼지도록 내부에 가이드판(17)이 설치되어 있다.
또한, 상기 S/U히터(10), S/D히터(11) 및 스택 냉각수 가열용 히터(12,13)는 항상 냉각수에 잠겨 있으므로, 발열부에서 열이 손실될 염려가 없으며, 본 발명의 COD 겸용 가열장치는 스택 후면에 장착되어 정비가 용이하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치의 차압실험결과를 나타내는 그래프로서, 냉각수를 0 ~ 200 LPM 범위에서 점진적으로 증가시켰을 경우에 냉각수 유입구 및 배출구의 압력차이 또한 0 ~ 0.13bar의 범위에서 점진적으로 증가하였음을 알 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 포함 한다.
도 1은 종래의 COD의 작동원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 종래의 COD 형상을 나타내는 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치를 나타내는 개념도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치의 전기결선도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 COD 겸용 가열장치의 차압실험 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 스타트업 히터 11 : 셧 다운히터
12,13 : 냉각수 가열용 히터 14 : 케이스
15 : 유입구 16 : 배출구
17 : 가이드판

Claims (4)

  1. 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치에 있어서,
    양단에 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 일측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 스타트업 히터 및 셧다운 히터;
    상기 케이스의 타측면에 냉각수의 진행방향에 대해 수직한 방향으로 평행하게 설치된 냉각수 가열용 히터;
    를 포함하여 구성되고, 상기 스타트업 히터와 셧다운 히터는 스택내부의 잔류산소를 열로 소비하여 스택 내부의 열화를 방지하고, 상기 냉각수 가열용 히터는 스택 냉각수를 급속 가열하여 빙점이하의 온도에서도 연료전지차량의 냉시동성을 확보하며, 상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 하나의 케이스를 통해 통합되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스타트업 히터, 셧다운 히터 및 냉각수 가열용 히터는 튜브형태로 냉각수의 흐름방향에 수직방향으로 케이스의 양측면에 설치되되, 상하방향으로 적어도 2열이상이 일정한 간격을 두고 "W" 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이스는 단면적이 진행방향으로 갈수록 단면적이 폭방향으로 커지다가 다시 작아지는 육각형 형태이고, 케이스의 중간에서 단면적이 최대가 되고, 냉각수 유입구 및 배출구가 형성된 면에서 최소가 되며, 냉각수의 흐르는 단면적이 점진적으로 커지다가 작아져서 유동에너지 손실을 저감시키는 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 케이스의 유입구 측에는 냉각수의 흐름이 넓게 퍼지도록 가이드판이 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지차량용 COD 겸용 가열장치.
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KR20030090714A (ko) * 2001-04-05 2003-11-28 유티씨 퓨얼 셀즈, 엘엘씨 빙점하 온도 중의 전지 적층 조립체의 작동 방법 및 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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